PHILIPPS, Michael (Frohnbergstr. 1 A, Lörrach, 79539, DE)
STOLZE, Dieter (Wildapfelweg 8, Potsdam, 14469, DE)
THAM, Anh, Tuan (Rüdersdorfer Strasse 45, Berlin, 10243, DE)
WERTHSCHÜTZKY, Roland (Ameisengasse 39, Kleinmachnow, 14532, DE)
KOBER, Timo (Am Steinberg 62, Dietzenbach, 63128, DE)
PHILIPPS, Michael (Frohnbergstr. 1 A, Lörrach, 79539, DE)
STOLZE, Dieter (Wildapfelweg 8, Potsdam, 14469, DE)
THAM, Anh, Tuan (Rüdersdorfer Strasse 45, Berlin, 10243, DE)
WERTHSCHÜTZKY, Roland (Ameisengasse 39, Kleinmachnow, 14532, DE)
| Patentansprüche: Drucksensor, umfassend mindestens einen Grundkörper, mindestens eine Messmembran (30), und einen Wandler, wobei die Messmembran ein Halbleitermaterial aufweist, wobei die Messmembran unter Einschluss einer Druckkammer an dem Grundkörper befestigt ist, wobei die Messmembran mit mindestens einem Druck beaufschlag bar ist und druckabhängig elastisch verformbar ist, wobei der Wandler ein von der Verformung der Messmembran (30) abhängiges elektrisches Signal bereitstellt, wobei der Grundkörper ein Membranbett (21) aufweist, an welchem die Messmembran im Falle einer Überlast anliegt, um die Messmembran abzustützen, wobei das Membranbett eine Glasschicht (20) aufweist, deren Oberfläche der Messmembran (30) zugewandt ist, und eine Wand der Druckkammer bildet, wobei die Oberfläche der Glasschicht (20) eine Kontur aufweist, die geeignet ist, die Messmembran (30) im Falle einer Überlast abzustützen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur des Membranbetts erhältlich ist durch Durchbiegen eines nicht unterstützten Bereichs einer Glasplatte bei erhöhter Temperatur aufgrund der Schwerkraft des nicht unterstützten Bereichs der Glasplatte und anschließendem Abkühlen der Glasplatte. Drucksensor nach Anspruch 1, wobei der Grundkörper einen Substratkörper aufweist, der eine der Glasschicht zugewandte Oberfläche aufweist, welche die Glasschicht unterstützt, wobei die Oberfläche eine Aussparung aufweist, über welcher die Kontur des Membranbetts ausgebildet ist. 3. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Aussparungen rückseitig mit einem Füllmaterial ausgefüllt sind, um Hohlräume unter der Glasschicht zu vermeiden. 4. Drucksensor nach Anspruch 3, wobei das Füllmaterial insbesondere ein Glas umfasst welches eine niedrigere Schmelztemperatur aufweist als das Glas der Glasschicht. 5. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei de Glasschicht eine Stärke von nicht weniger als 100 μιτι, vorzugsweise nicht weniger als 200 pm und weiter bevorzugt nicht weniger als 400 pm aufweist. 6. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Glasschicht eine Stärke von nicht mehr als 2000 pm, vorzugsweise nicht mehr als 1400 pm und weiter bevorzugt nicht mehr als 1000 pm aufweist. 7. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei das Membranbett eine asphärische Oberflächenkontur aufweist, welche insbesondere der Biegelinie der Messmembran angenähert ist oder dieser entspricht. 8. Verfahren zur Präparation des Membranbetts eines Drucksensors, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: (a) Bereitstellen einer ebenen Glasschicht, (b) Auflegen der Glasschicht auf einen Trägerkörper, welcher eine Oberfläche aufweist, welche die Glasschicht unterstützt, wobei die Oberfläche mindestens eine Aussparung aufweist, so dass die Glasschicht im Bereich der Aussparung nicht unterstützt ist, (c) Erwärmen der Glasschicht bis zu einer Temperatur oder einem Temperaturbereich, bei welcher der nicht unterstützte Bereich der Glasschicht absinkt, und (d) Abkühlenlassen der Glasschicht. 9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Glasschicht nach dem Erreichen einer Temperatur, bei welcher der nicht unterstützte Bereich absinkt, für eine Haltezeit bei dieser Temperatur gehalten werden, so dass die Glasschicht hinreichend weit absinken kann. 10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Haltezeit für ein Borosilikatglas durch den Zusammenhang t = a*d+b gegeben ist, wobei der Wert für a bei 750 °C zwischen 0,1 und 0,8, insbesondere zwischen 0,2 und 0,6 liegt, und der Wert für b zwischen -60 und 20, insbesondere zwischen -40 und 0, wobei t die Zeit in Minuten und d die Dicke der Glasschicht in μητι ist. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Präparation der Membranbettkontur im Waferverband für eine Vielzahl, von Membranbetten erfolgt. 12. Verfahren zum Herstellen eines Drucksensors, umfassend: Präparieren eines Membranbetts gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11 und Fügen einer Messmembran mit dem Grundkörper bzw. der Glasschicht des Grundkörpers, welche das Membranbett bildet. |
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor, insbesondere einen Differenzdrucksensor.
Drucksensoren umfassen einen Grundkörper, eine Messmembran und einen Wandler, wobei die Messmembran an dem Grundkörper befestigt ist, wobei die Messmembran mit mindestens einem Druck beaufschlagbar ist und eine druckabhängige elastische Verformung aufweist, und wobei der Wandler ein von der Verformung der Messmembran abhängiges elektrisches Signal bereitstellt, wobei d er G ru nd körper fern er ei n Membranbett aufweist, an welchem die Messmembran im Falle einer Überlast anliegt, um die Messmembran abzustützen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Membranbett eine Kontur annähernd der natürlichen druckabhängigen Verformung, der so genannten Biegelinie, aufweist. Die Schwierigkeit besteht jedoch darin, ein solches Membranbett reproduzierbar und kostengünstig herzustellen. Die Gestaltung des Bettes sowie dessen Herstellung hängen davon ab, welches Material das Membranbett und das Substrat, welches das Membranbett trägt, aufweist, und was für eine Verbindungstechnik des Grundkörpers bzw. des Membranbetts mit der Membran gewählt wird. Differenzdrucksensoren sind insbesondere Si-Grundkörper geeignet, da diese dem statischem Druck gut standhalten. Für die Verbindung von zwei Siliziumscheiben gibt es verschiedene Verfahren, wie z.B. eutektisches Bonden oder Siliziumdirektbonden. Angesichts der Anforderungen nach einer hermetisch d ichten, festen und trotzdem rückwirkungsarmen Verbindung der Komponenten liefern diese Bondverfahren nach dem Stand der Technik eine noch verbesserungsfähige Ausbeute und Reproduzierbarkeit. Zudem ist die Herstellung von beispielsweise sphärischen konkaven Betten nach US7360431 B2 von YAMATAKE in Silizium nicht ohne weiteres möglich. Bekannt sind derzeit entweder die nicht etablierten Methoden der Graustufenlithographie oder ein direktes Schleifen/Polieren des Siliziums, was nur unter großem Aufwand zu reproduzierbaren Ergebnissen führt.
Die noch unveröffentlichte Patentanmeldung DE 102008043171 offenbart einen Drucksensor, umfassend m indestens einen Gru nd körper mindestens eine Messmembran und einen Wandler, wobei die Messmembran ein Halbleitermaterial (insbesondere Silizium) aufweist, wobei die Messmembran unter Einschluss einer Druckkammer an dem Grundkörper befestigt ist, wobei die Messmembran mit mindestens einem Druck beaufschlagbar ist und druckabhängig elastisch verformbar ist, wobei der Wandler ein von der Verformung der Messmembran abhängiges elektrisches Signal bereitstellt, wobei der Grundkörper ein Membranbett aufweist, an welchem die Messmembran im Falle einer Überlast anliegt, um die Messmembran abzustützen dadurch gekennzeichnet, dass das Membranbett eine Glasschicht aufweist, deren Oberfläche der Messmembran zugewandt ist, und eine Wand der Druckkammer bildet. Die Oberfläche der Glasschicht ist insbesondere mit einer Kontur versehen, die geeignet ist, die Messmembran im Falle einer Überlast abzustützen. Hierzu kann die Oberfläche der Glasschicht mikromechanisch bearbeitet sein. Die Glasschicht kann ebenfalls eine Oberflächenkontur aufweisen, die mittels Heißprägen präpariert ist. Weiterhin offenbart diese Patentanmeldung es sei vorteilhaft, wenn das Membranbett eine Oberflächenkontur aufweist, welche der Biegelinie der Messmembran angenähert ist oder dieser entspricht.
Wenngleich diese Vorgehensweise zu zufrieden stellenden Ergebnissen hinsichtlich der Qualität der Membranbetten führt, sind noch Alternativen zu den solchermaßen hergestellten Drucksensoren gewünscht.
D ie Aufg a be d er E rfi nd u ng besteht d a ri n , e i n en Druc ksen sor, insbesondere einen Differenzdrucksensor und ein Verfahren zu seiner Herstellung bereitzustellen, das mit verbesserter Ausbeute und verbesserter Reproduzierbarkeit kostengünstig durchgeführt werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Drucksensor gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 , und die Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen 8 und 12.
Der erfindungsgemäße Drucksensor umfasst mindestens einen Grundkörper, mindestens eine Messmembran, und einen Wandler, wobei die Messmembran ein Halbleitermaterial aufweist, wobei die Messmembran unter Einschluss einer Druckkammer an dem Grundkörper befestigt ist, wobei die Messmembran mit mindestens einem Druck beaufschlagbar ist und druckabhängig elastisch verformbar ist, wobei der Wandler ein von der Verformung der Messmembran abhängiges elektrisches Signal bereitstellt, wobei der Grundkörper ein Membranbett aufweist, an welchem die Messmembran im Falle einer Überlast anliegt, um die Messmembran abzustützen, wobei das Membranbett eine Glasschicht aufweist, deren Oberfläche der Messmembran zugewandt ist, und eine Wand der Druckkammer bildet, wobei die Oberfläche der Glasschicht eine Kontur aufweist, die geeignet ist, die Messmembran im Falle einer Überlast abzustützen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur des Membranbetts erhältlich ist durch Durchbiegen eines nicht unterstützten Bereichs einer Glasplatte, welche die Glasschicht bildet, bei erhöhter Temperatur aufgrund der Schwerkraft des nicht unterstützten Bereichs der Glasplatte und anschließendem Abkühlen der Glasplatte.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Grundkörper einen Substratkörper auf, der eine der Glasschicht zugewandte Oberfläche aufweist, welche die Glasschicht unterstützt, wobei in der Oberfläche eine Aussparung aufweist, über welcher die Kontur des Membranbetts ausgebildet ist.
Ggf. können die Aussparungen von der dem Membranbett abgewandten Seite mit einem Füllmaterial ausgefüllt sein, um Hohlräume unter der Glasschicht zu vermeiden. Das Füllmaterial kann insbesondere ein Glas umfassen, welches beispielsweise in Form von Glasfritte eingebracht wird und welches eine niedrigere Schmelztemperatur aufweist als das Glas der Glasschicht. Zusätzlich kann die dem Membranbett abgewandte Unterseite von Substrat und Glas durch Schleifen, Läppen und/oder Polieren eingeebnet werden.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann das Einebnen Läppen und/oder Polieren zum Einebnen der dem Membranbett abgewandte Unterseite von Substrat und Glas gänzlich ohne vorheriges Unterfüllen des nicht unterstützten Bereichs der Glasschicht erfolgen.
Das Glas der Glasschicht bzw. des Membranbetts weist in einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung ein Borosilikatglas, auf, das an den Ausdehnungskoeffizienten des Substratmaterials des Grundkörpers angepasst ist. Besonders geeignete Gläser sind beispielsweise Pyrex 7740, TEMPAX, Hoya SD-2, oder Borofloat 33, welches von der Firma Schott erhältlich ist.
Das Substratmaterial ist vorzugsweise ein Halbleitermaterial, insbesondere Silizium.
Die Glasschicht weist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung eine Stärke von nicht weniger als 100 μιτι, vorzugsweise nicht weniger als 200 μιτι und weiter bevorzugt nicht weniger als 400 μιτι auf.
Die Glasschicht weist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung eine Materialstärke von nicht mehr als 2000 μιτι, vorzugsweise nicht mehr als 1400 μιτι und weiter bevorzugt nicht mehr als 1000 μιτι auf.
Weiterhin ist es derzeit bevorzugt, wenn das Membranbett eine asphärische Oberflächenkontur aufweist, welche insbesondere der Biegelinie der Messmembran angenähert ist oder dieser entspricht.
Dies ergibt sich in erster Näherung durch waagerechte Ausrichtung des unterstützten Bereichs der Glasschicht während einer Temperung der Glasschicht, um den nicht unterstützten Bereich der Glasschicht absinken zu lassen und während der anschließenden Abkühlung der Glasschicht.
Zur Herstellung der Kontur des Membranbetts kann die Glasschicht beispielsweise im ebenen Zustand mit einer Oberfläche des Grundkörpers, welche die erforderlichen Aussparungen aufweist, verbunden oder lose auf die Oberfläche aufgelegt werden, bevor die Glasschicht dann erwärmt wird, um das Absinken der nicht unterstützten Bereiche einzuleiten. I m Fal le einer vorherigen Verbindu ng zwischen Glassch icht u nd Grund körper kann d ies beispielsweise durch anod isches Bonden hergestellt werden.
Sofern die Glasschicht nur lose aufgelegt wird kann die Verbindung zwischen dem Grundkörper und der Glasschicht während des Erwärmens über eine Siliziumoxydschicht an der Oberfläche eines Siliziumgrundkörpers hergestellt werden.
Anstelle der Präparation des Membranbetts auf dem Grundkörper kann d ie Glassch icht auf einer Matrize, d ie entsprechende Aussparungen aufweist, erwärmt werden, um die nicht unterstützten Bereiche absinken zu lassen. Dies rechtfertigt aufgrund der Mehrfachverwendung der Matrize einen größeren Fertigungsaufwand für deren Herstellung. Das heißt, es können die Aussparungen unter dem nicht unterstützten Bereich in der Weise gestaltet werden, dass der nicht unterstützte Bereich nach einer bestimmten Absinktiefe beispielsweise lokal unterstützt werden kann, um das Absinken lokal zu begrenzen. Grundsätzlich ist es jedoch derzeit bevorzugt, dass die Kontur ohne Einwirken lokaler Stützen gebildet wird. In einer Weiterbildung der Erfindung bleibt zumindest der konkave Konturbereich des Membranbetts ohne Einwirkung von Werkzeugen auf die Rauhigkeit der der Messmembran zugewandten Oberfläche der Glasschicht. Die Oberfläche kann dennoch weitgehend glatt sein, und zwar in dem Sinne, dass keine lokalen Erhebungen oder Vertiefungen auftreten, die zu lokalen Spannungen und letztlich zum Bruch der abzustützenden Messmembran führen könnten.
Unabhängig davon, ob das Membranbett auf einer Matrize oder dem Grundkörper geformt ist, kann es vorteilhaft sein, die Oberfläche des unterstützten Bereichs der Glasschicht einzuebnen, nachdem die Kontur in dem nicht unterstützten Bereich geformt ist. Das Einebnen kann beispielsweise durch Schleifen, Läppen und/oder Polieren erfolgen. Bedarf zum Einebnen kann beispielsweise dadurch entstehen, wenn bei dem Absin ken des n icht unterstützten Bereichs der Glasplatte d ie Oberseite und die Unterseite der Glasplatte im unterstützten Bereich unterschiedlichen Randbedingungen ausgesetzt sind, beispielsweise dadurch, dass die Unterseite auf dem Substratkörper aufliegt und dass die Oberseite frei ist, was zu ausgeprägt unterschiedlichen Scherkräften an Oberseite und Unterseite führt.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist daher vorgesehen, auf der Oberseite der Glasplatte eine Platte aufzulegen, welche fluchtend mit den Aussparungen des Substratkörpers Aussparungen aufweist, und welche auf den unterstützten Bereichen des Glasköpers aufliegt.
Diese Platte kann nach der Präparation der Kontur des Membranbetts wieder entfernt werden. In einer Variante der Erfindung weist die aufgelegte Platte eine Öffnung mit einem größeren lichten Querschnitt als der nicht unterstützte Bereich auf, so dass jeweils ein ringförmiger Randabschnitt des unterstützten Bereichs der Glasplatte einen nicht unterstützten Bereich umgibt. Dies reicht einerseits dazu aus, eine hinreichend planare Oberseite der Glassch icht in dem ringförmigen Randabschnitt des unterstützten Bereichs zu bewirken, und andererseits erlaubt die Größe des Randbereichs, eine Messmembran darauf zu befestigen. Auf diese Weise kann auf das Entfernen der aufgelegten Platte verzichtet werden.
Mit einem erfindungsgemäß präparierten Membranbett kann die Überlastfestigkeit eines Drucksensors erheblich gesteigert werden. Beispielsweise weist eine Si-Messmembran mit einem Messbereich von 10 mbar mit einer Materialstärke von 30 μιτι und einem Durchmesser von etwa 5 mm an sich, also ohne Abstützung eine Überlastfestigkeit von etwa 1 bar auf. Wenn die Messmembran sich an dem erfindungsgemäßen Membranbett abstützen kann, steigt die Überlastfestigkeit damit auf mindestens auf 50 bar, insbesondere auf mindestens 100 bar, vorzugsweise auf mindestens und 140 bar und besonders bevorzugt auf mindestens 160 bar.
Die genannten Druckwerte beziehen sich insbesondere auf einen Drucksensor mit einem Messbereich von 10 mbar. Für größere Messbereiche ist es bevorzugt wenn die Überlastfestigkeit ebenfalls größer ist. Beispielsweise sollte ein Drucksensor mit einem Messbereich von 500 mbar eine Überlastfestigkeit von mindestens 100 bar vorzugsweise mindestens 300 bar, weiter bevorzugt mindestens 420 bar und besonders bevorzugt 500 bar aufweisen. Bei einem Differenzdrucksensor wirkt die Überlastfestigkeit bevorzugt in beide Richtungen.
Der erfindungsgemäße Drucksensor kann ein Absolutdrucksensor, der einen Druck gegenüber Vakuum misst, oder ein Relativdrucksensor sein, der einen Druck gegenüber dem Atmosphärendruck misst.
Besonders relevant ist die vorliegende Erfindung aber für Differenzdrucksensoren, welche die Differenz zwischen einem ersten Druck und einem zweiten Druck erfassen. Denn gerade bei Differenzdrucksensoren ist die Gefahr von großen statischen einseitigen Überlasten gegeben, da die zu messende Druckdifferenz gewöhnlich erheblich kleiner ist als der erste bzw. zweite Druck, dessen Differenz zu erfassen ist. Daher ist der erfindungsgemäße Drucksensor in einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung ein Differenzdrucksensor, der eine Messmembran, einen ersten Grundkörper und einen zweiten Grundkörper aufweist, wobei die Messmembran zwischen dem ersten Grundkörper und dem zweiten Grundkörper angeordnet und mit jedem der beiden Grundkörper u nter E insch l uss ei ner ersten Druckkammer und einer zweiten Druckkammer verbunden ist, wobei die erste Druckkammer und die zweite Druckkammer jeweils mindestens einen Kanal durch den ersten bzw. zweiten Grundkörper aufweisen, wobei die Messmembran durch d ie Kanäle mit einem ersten und einem zweiten Druck beaufschlagbar ist. Die Auslenkung der Membran hängt dann von der Differenz zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck ab. Der erfindungsgemäße Drucksensor kann beliebige dem Fachmann geläufige Wandler aufweisen, um eine druckabhängige bzw. differenzdruckabhängige Verformung der Messmembran in ein elektrisches Signal zu wandeln. Hierbei sind insbesondere kapazitive oder (piezo-)resistive Wandler zu nennen . Für kapazitive Wandler sind Elektroden an der Messmembran und am Membranbett vorzusehen, die auf dem Membranbett beispielsweise durch Aufdampfen eines Metalls zu präparieren sind. Messmembranen aus Si können entweder ebenfalls durch Metallisieren oder durch Dotieren mit einer Elektrode versehen werden. Piezoresistive Wandlerstrukturen sind beispielsweise durch Präparieren der Widerstandselemente einer Vollbrücke mittels Dotieren der Membran herzustellen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Membranbetts für einen Drucksensor, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfasst die Schritte:(a) Bereitstellen einer ebenen Glasschicht, (b) Auflegen der Glasschicht auf einen Trägerkörper, welcher eine Oberfläche aufweist, welche die Glasschicht unterstützt, wobei die Oberfläche mindestens eine Aussparung aufweist, so dass die Glasschicht im Bereich der Aussparung nicht unterstützt ist, (c) Erwärmen der Glasschicht bis zu einer Temperatur oder einem Temperaturbereich, bei welcher der nicht unterstützte Bereich der Glasschicht absinkt, und (d) Abkühlenlassen der Glasschicht.
In einer Weiterbildung des Verfahrens kann die Glasschicht nach dem Erreichen einer Temperatur, bei welcher der nicht unterstützte Bereich absinkt, für eine Zeit bei dieser Temperatur gehalten werden, so dass die Glasschicht hinreichend weit absinken kann.
Die Haltezeit ist dabei insbesondere von der gewählten Temperatur und der Schichtdicke abhängig. Sie kann für ein Borosilikatglas für Gläser mit e i n e r Stä rke vo n e i n ig e n 1 00 μ ιτι be i s p i e l swe i s e d u rch d e n Zusammenhang t = a * d+b gegeben sein, wobei der Wert für a bei 750 °C beispielsweise zwischen 0,1 und 0,8, insbesondere zwischen 0,2 und 0,6 liegt, und der Wert für b zwischen -60 und 20, insbesondere zwischen -40 und 0, wobei t die Zeit in Minuten und d die Dicke der Glasschicht in μιτι ist.
Die Präparation der Membranbettkontur erfolgt vorzugsweise im Waferverband für eine Vielzahl, von Drucksensoren. Die Verbindung der Messmembran mit dem Grundkörper bzw dem Membranbett des Grundkörpers erfolgt vorzugsweise im Waferverband.
Im Falle eines Differenzdrucksensors ist die Messmembran zwischen zwei Grundkörpern bzw. deren Membranbetten anzuordnen. Die Verbindung zwischen der Glasschicht des Membranbetts und dem Silizium der Messmembran kann insbesondere über anodisches Bonden erfolgen. Sofern eine Vielzahl von Sensoren parallel im Waferverbund gefertigt werden, folgt abschließend ein Vereinzeln der Sensoren, beispielsweise durch Sägen. Die Erfindung wird nun anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
Es zeigt:
Fig.1: Eine schematische Schnittdarstellung von Präparationsschritten zum Präparieren der Membranbetten und zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Relativdrucksensors;
Fig.2: einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer Charge erfindungsgemäßer Differenzdrucksensoren vor der Vereinzelung, und eine Darstellung von Messkurven von Membranbettkonturen erfindungsgemäßer Drucksensoren. Die in Fig.1 dargestellte Reihenfolge von Fertigungsschritten beginnt in Schritt (a) mit einem Si-Wafer 10 mit einer Stärke von 420 μιτι, in welchen in einem ersten Schritt Vertiefungen 11 präpariert werden. Die Vertiefungen 11 können beispielsweise durch (Ultraschall-)Bohren und/oder Ätzen gefertigt werden. Auf Präzision kommt es bei der Fertigung der Vertiefungen nur insoweit an, als die Vertiefungen 11 nicht das Verhalten des nicht unterstützten Bereichs einer Glasplatte während der folgenden Präparationsschritte beeinträchtigen dürfen. In einer Grundvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens bedeutet dies lediglich, dass die Querschnittsfläche der Vertiefung bzw. Aussparung zur angestrebten Form einer Messmembran passen muss. Insoweit, als die Messmembran hier als planare Platte aufgelegt wird, ist die Möglichkeit gegeben, eine Kreissymmetrie in der Messmembran zu realisieren. Die Vertiefungen 11 können einen Durchmesser von einigen mm, beispielsweise 3 bis 10 mm, vorzugsweise 4 bis 6 mm aufweisen. Im Beispiel beträgt der Durchmesser 5 mm.
In einem zweiten Schritt (b) wird eine Glasplatte 20 mit einer Stärke von einigen 100 μιτι auf den Siliziumwafer 10 aufgebracht, wobei die Glasplatte unter Reinraumbedingungen lose auf den Siliziumwafer aufgelegt wird. Die Glasplatte weist ein Borosilikatglas auf, beispielsweise Borofloat 33. Im Ausführungsbeispiel weist die Glasplatte eine Stärke von etwa 500 m auf.
In einem dritten Schritt (c) wird der Stapel mit dem Substratkörper 10 und der Glasplatte 20 über einen Zeitraum etwa 1 ,5 h von Raumtemperatur auf 750°C geheizt und dann für etwa 3 h bei dieser Temperatur gehalten. In dieser Zeit sinkt einerseits der nicht unterstützte Bereich der Glasplatte hinreichend tief ab, wobei eine Kontur 21 entsteht die als Membranbett zum Abstützen einer Messmembran im Überlastfall geeignet ist, und andererseits entsteht eine mechanisch feste Verbindung zwischen der Glasplatte und dem Substratkörper, wobei Si-Atome der Oberfläche des Substratkörpers oxidiert werden. Anschließend kann der Stapel über mehrere Stunden Abkühlen
Die derzeit verwendete Temperatur ergibt sich aus einer Durchführung des Heizverfahrensschritts in einer Atmosphäre aus Umgebungsluft in einem Ofen mit einer Schamottauskleidung. Bei einer Durchführung des Heizverfahrensschritts in einer kontrollierten Atmosphäre, beispielsweise Schutzgas, und/oder einer Heizung unter Reinraumbedingungen, kann die Temperatur sicher noch erhöht werden, wodurch dann auch die Zeit des Heizschritts bei gegebenen geometrischen Randbedingungen verkürzt werden kann.
In einem vierten Schritt (d) können verbleibende Hohlräume unter den Konturen 21 m it einem Füll material , insbesondere m it einem Glas 22 aufgefüllt werden , wobei das Glas beispielsweise in Form einer Fritte eingebracht werden kann, deren Schmelzpunkt unterhalb dem Erweichungspunkt des Glases der Glasplatte 10 liegt. Nach dem Aufschmelzen der Fritte und der darauffolgenden Abkühlung kann die den Membranbetten abgewandte Unterseite durch Schleifen oder Läppen eingeebnet werden. Durch die Schichtfolge werden mit mikromechanischen Präparationsmethoden, beispielsweise mit Ultraschallbohren, Kanäle 23 präpariert, die sich jeweils von der Unterseite des Grundkörpers, welcher dem Substratkörper 10, die Glasschicht 10 und die Glasfüllung 23 umfasst, zu der Kontur 21 des Membranbetts erstreckt.
In einem fünften Schritt (e) wird ein Messmembranwafer 30, der insbesondere Silizium aufweist, mittels anodischen Bondens mit den Grundkörpern verbunden im Waferverband verbunden. Anschließend können die hier dargestellten Relativdrucksensoren durch Sägen entlang der dargestellten senkrechten Linien vereinzelt werden.
Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch erfindungsgemäße Differenzdrucksensoren vor deren Vereinzelung. Zur Herstellung von Differenzdrucksensoren wird ein Messmembranwafer 130, welcher insbesondere ein Silizium aufweist, zwei Grundkörpern im Waferverband mittels anodischen Bondens befestigt. Die Grundkörper werden zuvor jeweils im Waferverband entsprechend den Präparationsschritten a bis d aus Fig .1 jeweils mit einem Substratkörper 110, 150 und einer Glasplatte 120, 140 gefertigt. Einzelne Differenzdrucksensoren werden schließlich durch Vereinzelung entlang der vertikalen gestrichelten Linien erhalten.
Fig.3 zeigt schließlich Messdaten von Konturen der Erfindungsgemäßen Membranbetten, wobei der nicht abgestützte Bereich durch die beiden vertikalen punktierten Linien gekennzeichnet ist und einen Durchmesser von 5 mm aufweist.
Im Ergebnis können definierte asphärische Konturen nach der beschriebenen Vorgehensweise präpariert werden, die geeignet sind Messmembranen im Überlastfall abzustützen. Die vorliegenden Messdaten stammen von Membranbetten, bei denen die obere Oberfläche der Glasplatte während des Absenkens frei war. In diesem Fall ercheint es geboten, den unterstützten Bereich der Glasplatte vor der Montage der Messmembran einzuebnen, beispielsweise durch Schleifen, Läppen, und/oder Polieren. In einer Weiterbildung des Verfahrens wird während der Präparation der Konturen, eine Platte mit Aussparungen, welche mit denen des Substratkörpers fluchten, auf die Glasplatte aufgelegt, was bewirkt, dass die unterstützten Bereiche der Glasplatte nach der Präparation der Konturen im wesentlichen eben sind, so dass sich ein weiteres Einebnen erübrigt.