Die Erfindung bezieht sich auf einen Druckdifferenz-Sensor mit einer Halbleiter-Meßmembran, die zwischen zwei Tragteilen unter Bildung jeweils einer Innenkammer isoliert eingespannt ist, wobei die Tragteile innen jeweils eine flächenhafte Elektrode tragen und die eine Innenkammer über eine Durchgangsöffnung in dem einen Tragteil mit einem Druck und die andere Innenkammer mit einem weiteren Druck der zu messenden Druckdifferenz beaufschlagbar ist.

Ein bekannter Druckdifferenz-Sensor dieser Art

(EP 0 007 596 Bl) ist so ausgestaltet, daß auch seine andere Innenkammer über eine Durchgangsöffnung in dem entsprechenden Tragteil mit einem weiteren Druck der zu messenden Druckdifferenz beaufschlagbar ist, so daß es sich bei diesem bekannten Druckdifferenz-Sensor u einen solchen handelt, mit dem eine Druckdifferenz im her- köm lichen Sinne erfaßbar . ist. Der bekannte Druck¬ differenz-Sensor aber kann selbstverständlich auch als Druckmeßgerät verwendet werden, indem beispielsweise in dem weiteren Tragteil eine Durchgangsöffnung nicht vorgesehen ist und die mit diesem weiteren Tragteil und der Halbleiter-Meßmembran gebildete Innenkammer evakuiert oder mit Außenluft verbunden ist.

Der bekannte Druckdifferenz-Sensor ist in einem Druckdifferenz-Meßgerät in der Weise angeordnet, daß er allseitig außen druckbelastet ist, um radiale Auswirkungen des Innendrucks im Druckdifferenz-Sensor auf das Meßverhalten zu kompensieren. Der statische Druck in einem Druckdifferenz-Sensor führt nämlich ohne Gegenmaßnahmen zu einer radialen Ausdehnung, was zu einer Erhöhung der

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Vorspannung der Meßmembran führt. Dadurch wird die Meßmembran steifer und dadurch bei gleicher Druck¬ beanspruchung ihre Auslenkung geringer. Dadurch reduziert sich auch das Meßsignal, das sich in erster Näherung aus den Abständen von den flächenhaften Elektroden zur Halbleiter-Meßmembran ergibt. Bei dem bekannten Druckdifferenz-Sensor kompensiert die äußere Druckbelastung diese Auswirkungen, führt aber dazu, daß sogar eine Überkompensation eintritt, indem die Meßmembran unter Druckspannung gerät, wodurch der oben erläuterte Meßfehler sein Vorzeichen wechselt. Außerdem ist die Halterung des bekannten Druckdifferenz-Sensors im Gehäuse eines Druckdifferenz-Meßgerätes verhältnismäßig aufwendig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Druckdifferenz-Sensor vorzuschlagen, der relativ einfach in das Gehäuse eines Druckdifferenz-Meßgerätes einbaubar ist und durch den statischen Druck so gut wie gar nicht in seiner Meßgenauigkeit beeinträchtigt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe enthält der Druckdifferenz- Sensor der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß im Bereich der Einspannung der Halbleiter-Meßmembran einen inneren, druckbelasteten Ausgleichsraum, der sich in der Höhe über beide Tragteile erstreckt und um die Innenkammern verläuft.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Druck¬ differenz-Sensors besteht darin, daß eine Kompensation von Auswirkungen des statischen Drucks in seinen Innenkammern im Druckdifferenz-Sensor selbst dadurch kompensiert wird, daß der Sensor mit einer druckbelasteten Ausgleichskammer versehen ist, die außen um die

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Innenkammern verläuft. Der Druck im Ausgleichsraum wirkt dem statischen Druck in den Innenkammern des erfindungsgemäßen Druckdifferenz-Sensors entgegen und verhindert dadurch, daß sich die Vorspannung der Halbleiter-Meßmembran in Abhängigkeit vom statischen Druck in den Innenkammern verändert; der vom statischen Druck abhängige Meßfehler des erfindungsgemäßen Druckdifferenz- Sensors ist daher vernachlässigbar klein. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Druckdifferenz-Sensors besteht darin, daß er ohne Schwierigkeiten im Gehäuse eines Druckdifferenz-Meßgerätes untergebracht werden kann, weil eine äußere Druckbelastung zu Kompensationszwecken nicht erforderlich ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Druckdifferenz-Sensor kann der Ausgleichsraum in unterschiedlicher Weise druckbelastet sein. Als vorteilhaft wird es im Hinblick auf eine einfache konstruktive Ausführung angesehen, wenn der Ausgleichsraum zu den Innenkammern hin abgedichtet ist und über eine nach außen führende Öffnung mit dem einen oder dem weiteren Druck beaufschlagbar ist. Diese Ausführungs¬ form ist dann einsetzbar, wenn das Medium, dessen Druck erfaßt werden soll, nicht aggressiv und auch nicht stark verschmutzt ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungs¬ gemäßen Druckdifferenz-Sensors ist der Ausgleichsraum mit einer der Innenkammern druckübertragend verbunden. Bei dieser Ausführungsform ist dann auch der Ausgleichsraum - wie in üblicher Weise die Innernkammern - mit einer inkompressiblen Flüssigkeit gefüllt, die bei Druck¬ differenz-Sensoren der hier angesprochenen Art im allgemeinen nicht nur in den Innenkammern, sondern auch bis zu zwei äußeren Trennmembranen hin vorhanden ist.

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1 Der Ausgleichsraum kann bei dem erfindungsgemäßen Druckdifferenz-Sensor in unterschiedlicher Weise ausgestaltet sein. Beispielsweise kann der Ausgleichsraum ein um die Innenkammern herum geführter, geschlossener

5 Kanal sein. Dies führt aber zu gewissen Schwierigkeiten bei der Herstellung eines solchermaßen ausgebildeten Sensors, weil bei ihm die Halbleiter-Meßmembran innerhalb des Ausgleichskanals fest eingespannt sein muß.

, _η Demgegenüber vorteilhafter erscheint es, wenn der

Ausgleichsraum in mehrere, um die Innenkammern herum angeordnete Ausgleichskammern unterteilt ist. Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, die Halbleiter-Meßmembran in üblicher Weise einzuspannen, weil sie als Ganzes in

^ ₅ üblicher Weise erhalten bleibt.

Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn bei dem erfindungsgemäßen Druckdifferenz-Sensor eine Ausgleichs¬ kammer einerseits mit einer Einfüllöffnung für eine

2 _Q inkompressible Flüssigkeit und andererseits mit einer

Innenkammer und eine weitere Ausgleichskammer einerseits mit einer weiteren Einfüllöffnung für eine inkompressible Flüssigkeit und andererseits mit der anderen Innenkammer druckübertragend verbunden ist. Auf diese Weise läßt sich

25 nämlich über die Ausgleichskammern in relativ einfacher

Weise deren Befüllung sowie auch die der- Innenkammern mit der inkompressiblen Flüssigkeit von einer Seite her bewerkstelligen.

3 _Q Um die Herstellung der Tragteile im Hinblick auf die

Bereitstellung des Ausgleichsraumes möglichst einfach zu gestalten, besteht bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Druckdifferenz-Sensors jedes Tragteil aus zwei Scheiben, von denen eine Scheibe mit mindestens

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einem Durchgangsloch zur Bildung des Ausgleichsraumes beiträgt. Dadurch läßt sich die Herstellung von Sacklöchern vermeiden, weil die jeweils eine Scheibe nur mit einem relativ einfach herzustellenden Durchgangsloch und die andere das Tragteil bildende Scheibe durchgängig aus Vollmaterial hergestellt sein kann.

Die das jeweilige Tragteil bildenden Scheiben können unterschiedlich miteinander verbunden werden; als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die Scheiben durch Bonden miteinander verbunden sind.

Bei einem vorteilhaft einfach durchzuführenden Verfahren zum Herstellen des erfindungsgemäßen Druckdifferenz- Sensors wird ein Wafer mit mehreren mit jeweils einer flächenhaften Elektrode mit jeweils äußerem Anschluß versehenen Tragteilen durch Bonden mit einem weiteren Wafer mit mehreren Halbleiter-Meßmembranen verbunden, bei dem jeweils an einer Seite der Halbleiter-Meßmembranen ein rechteckför iges Durchgangsloch vorhanden ist; durch von dem rechteckformigen Durchgangsloch und im spitzen Winkel zu seiner Längserstreckung verlaufenden Teilschnitten durch den weiteren Wafer wird jeweils ein im Zuge des rechteckformigen Durchgangsloches liegender Steg des weiteren Wafers von den Halbleiter-Meßmembranen isoliert, und es wird ein zusätzlicher Wafer mit mehreren mit jeweils einer flächenhaften Elektrode mit jeweils äußerem Anschluß versehenen weiteren Tragteilen durch Bonden mit dem weiteren Wafer verbunden, und es werden mittels Trennschnitten durch die rechteckformigen Durchgangslöcher in deren Längserstreckung und senkrecht dazu die Druckdifferenz-Sensoren gebildet. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht nicht nur darin, daß im Nutzen mehrere Druckdifferenz-Sensoren übereinstimmender Ausführung

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gewissermaßen parallel hergestellt werden können, sondern vor allem auch darin, daß mit diesem Herstellverfahren die äußeren Anschlüsse für die Halbleiter-Meßmembran und die beiden flächenhaften Elektroden in vergleichsweise einfacher Weise geschaffen werden können.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in

Figur 1 ein Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Druckdifferenz-Sensors gemäß der Linie I-I in Figur 2, in

Figur 2 ein Schnitt entlang der Linie II-II in der

Darstellung nach Figur 1, in Figur 3 eine Draufsicht auf einen bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Druckdifferenz-Sensors benutzten WaferAufbau und in

Figur 4 ein Schnitt durch den Wafer-Aufbau nach Figur 3 entlang der Linie IV-IV dargestellt.

Der in Figur 1 dargestellte Druckdifferenz-Sensor 1 weist eine Halbleiter-Meßmembran 2 auf, die vorzugsweise aus

Silizium mit einer derartigen Dotierung hergestellt ist, daß sie hinreichend leitfähig ist. Die Halbleiter- Meßmembran 2 ist zwischen einem in der Figur 1 oberen Tragteil 3 und einem weiteren - in der Figur 1 unteren - Tragteil 4 eingespannt. Sowohl das eine Tragteil 3 als auch das weitere Tragteil 4 bestehen vorzugsweise aus Halbleitermaterial wie Silizium. Die Halbleiter- Meßmembran 2 ist mit den beiden Tragteilen 3 und 4 in ihrem Bereich 5 durch Bonden fest eingespannt, wobei zwischen der Halbleiter-Meßmembran 2 und den Tragteilen 3 und 4 jeweils bondfähige (in der Figur nicht dargestellte) Glasschichten zur Isolierung vorhanden sind. Es können aber die Tragteile 3 und 4 auch aus Glas oder Keramik bestehen. Das eine Tragteil 3 ist durch Ätzen mit

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einer Ausnehmung 6 versehen, die in ihrem Grunde eine flächenhafte Elektrode 7 trägt. In entsprechender Weise ist das weitere Tragteil 4 durch Ätzen mit einer Ausnehmung 8 versehen, die eine weitere flächenhafte Elektrode 9 aufweist. Die Ausnehmungen 6 bzw. 8 bilden zusammen mit der Halbleiter-Meßmembran 2 jeweils eine Innenkammer 10 und 11, die über jeweils eine Bohrung 12 bzw. 13 in den Tragteilen 3 bzw. 4 mit jeweils einer Vorkammer 14 bzw. 15 unter Trennmembranen 16 und 17 verbunden sind. Darüber hinaus ist die eine Innenkamme 10 über einen seitlichen Kanal 18 mit einer Ausgleichskammer 19 (vergleiche Figur 2) verbunden. Entsprechend ist die weitere Innenkammer 11 über einen weiteren seitlichen Kanal 20 mit einer weiteren Ausgleichskammer 21 verbunden.

Wie Figur 2 ferner erkennen läßt, sind noch zusätzliche Ausgleichskammern 22 und 23 vorhanden, die ebenfalls über seitliche Kanäle 24 und 25 mit den Innenkammern 10 bzw. 11 in Verbindung stehen.

Der Innenraum des in den Figuren 1 und 2 dargestellten Druckdifferenz-Sensors zwischen den Trennmembranen 16 und 17 wird über Einfüllöffnungen 26 und 27 mit einer inkompressiblen Flüssigkeit gefüllt, und zwar - wie insbesondere Figur 1 zeigt - über di Ausgleichskammern 19 und 21. Nach der Befüllung mit der inkompressiblen Flüssigkeit werden die Einfüllöffnungen 26 und 27 in nicht dargestellter Weise dauerhaft verschlossen.

Die flächenhafte Elektrode 7 ist über eine Leiterbahn 28 (in Figur 2 nur teilweise dargestellt) zu einem äußeren Anschluß 29 geführt, während die flächenhafte Elektrode 9 über eine entsprechende Leiterbahn 30 mit einem äußeren Anschluß 31 verbunden ist. Ein äußerer Anschluß 32 mit

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einer Leiterbahn 33 für die Halbleiter-Meßmembran 2 ist ebenso - wie die anderen äußeren Anschlüsse 29 und 31 - auf der freien Oberfläche 34 des weiteren Tragteils 4 angeordnet. Die elektrischen Leiterbahnen 28 und 30 sind entweder in Kanälen der Tragteile 3 und 4 isoliert nach außen geführt, oder als auf der Oberfläche der Tragteile 3 und 4 liegende Bahnen mit Isolierüberzug.

Die Figuren 3 und 4 dienen zur Erläuterung eines vorteilhaften Herstellverfahrens des erfindungsgemäße ^' n Druckdifferenz-Sensors. In Figur 3 ist ein Stadium des Herstellverfahrens wiedergegeben, in dem bereits auf einen Wafer 35 (vgl. auch Fig. 4) mit mehreren Tragteilen 4 gemäß Figur 1 ein weiterer Wafer 36 mit Halbleiter- Meßmembranen 2 gemäß Figur 1 durch anodisches Bonden aufgebracht ist; der Wafer 35 ist vorher mit den äußeren Anschlüssen 29, 31 und 32 sowie mit den Leiterbahnen 30 und 33 und einer Anschlußbahn 37 versehen worden, wobei die Leiterbahn 30 unmittelbar zu der flächenhaften Elektrode 9 und die Leiterbahn 33 zur

Halbleiter-Meßmembran 2 führt. Die Anschlußbahn 37 ist mit dem Steg 45 beim Bonden elektrisch verbunden. Der weitere Wafer 36 hat vor dem Verbinden mit dem Wafer 35 durch Ätzen nicht nur Durchgangslöcher 40 für die Ausgleichs- kam ern 19, 21, 22 und 23 erhalten,, sondern ist auch mit einem rechteckformigen Durchgangsloch 41 versehen worden, um diesen Wafer als einheitliche Scheibe zu erhalten, indem Verbindungstege 42 und 43 jeweils stehen bleiben. Die strichpunktierten Linien in Figur 3 sollen die äußeren Umrisse der einzelnen Druckdifferenz-Sensoren nach

Abschluß des Herstellverfahrens angeben. Zunächst ist in dem dargestellten Verfahrensstadium aber nur ein Wafer-Verbund aus den Wafer 35 und 36 vorhanden. In diesen Verbund werden Teilschnitte 44 eingebracht, die im spitzen

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Winkel zur Längserstreckung des rechteckformigen

Durchgangsloches 41 verlaufen; die Teilschnitte sind so tief geführt, daß sie den weiteren Wafer 36 völlig durchtrennen. Dies bedeutet, daß nicht nur jeweils die Stege 43 des weiteren Wafers 36 von den übrigen Teilen dieses Wafers abgetrennt werden, sondern auch der in der Figur 3 schraffierte Bereich 45.

Anschließend wird in einem weiteren Herstellschritt durch Bonden mit dem insoweit hergestellten Wafer-Verbund ein zusätzlicher Wafer 46 - in Fig. 4 strichpunktiert dargestellt - verbunden, der mehrere Tragteile 3 gemäß Figur 1 aufweist. Dadurch werden Anschlußbahnen 37 zu den Leiterbahnen 28 der auf diesem zusätzlichen Wafer 46 angebrachten Tragteile 3 jeweils über die Stege 43 und die Bereiche 45 geführt. Anschließend erfolgen Trennschnitte 47, wie dies die Figur 4 zeigt, so daß einzelne Druckdifferenz-Sensoren gebildet sind.

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