PHILIPPS, Michael (Frohnbergstr. 1 A, Lörrach, 79539, DE)
TEIPEN, Rafael (Agricolastrasse 24, Berlin, 10555, 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)
TEIPEN, Rafael (Agricolastrasse 24, Berlin, 10555, DE)
THAM, Anh, Tuan (Rüdersdorfer Strasse 45, Berlin, 10243, DE)
WERTHSCHÜTZKY, Roland (Ameisengasse 39, Kleinmachnow, 14532, DE)
| Patentansprüche: Drucksensor, umfassend mi ndesten s e i nen G ru nd körper, mindestens eine Messmembran, und einen Wandler, wobei die Messmembran insbesondere 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 druckabhäng ig 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, wodurch die Messmembran abgestützt wird, wobei das Membranbett eine asphärische, in ihrem Zentrum konkave Kontur aufweist, die geeignet ist, die Messmembran im Falle einer Überlast abzustützen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur des Membranbetts erhältlich ist durch einebnende Oberflächenbearbeitung einer elastisch vorgespannten, gebogenen Scheibe und anschließendes Relaxierenlassen der Scheibe. Drucksensor nach Anspruch 1 , wobei der Drucksensor durch ein Verfahren erhältlich ist, bei dem die Scheibe über mindestens einem Stempel in der Weise gebogen ist, dass die Kontur in diesem Zustand der Scheibe dem N eg at iv d er angestrebten Membranbettkontur entspricht. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Drucksensor mit einem Verfahren erhältlich ist, welches Schleifen und/oder Läppen und/oder Polieren umfasst. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Scheibe Silizium umfasst. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kontur eine Tiefe von nicht mehr als 50 μιτι, vorzugsweise nicht mehr als 25 μιτι und weiter bevorzugt nicht mehr als 12,5 μιτι aufweist. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kontur eine Tiefe von nicht weniger als 4 μιτι, und vorzugsweise nicht weniger als 6 μιτι aufweist. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der D ru cksen sor e i n D iffere n zd ru cksen sor i st, be i d em e i n e Messmembran zwischen zwei Grundkörpern angeordnet ist, wobei beide Grundkörper jeweils ein Membranbett mit einer asphärischen, im Zentrum konkaven Kontur aufweisen. Verfahren zur Präparation eines asphärischen Membranbetts eines Drucksensors, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: elastisches Spannen einer ebenen Scheibe, insbesondere einer Siliziumscheibe, über mindestens einem Stempel mittels einer Scheibenaufnahme zumindest abschnittsweises Einebnen jener Oberfläche der gespannten Scheibe, die der Scheibenaufnahme abgewandt ist, mittels Schleifen und/oder Läppen und/oder Polieren; und Entspannenlassen der Scheibe 9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Stempel eine Höhe von mindestens 8 μιτι, insbesondere mindestens 16 μιτι und nicht mehr als 100 μιτι, insbesondere nicht mehr als 50 μιτι aufweist. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, wobei die Scheibe durch einen Druckgradienten, insbesondere an einem Vakuumhalter, gehalten wird. 1 1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Scheibe über mehrere Stempel gespannt ist, und wobei über jedem der Stempel ein Membranbett durch zumindest abschnittsweises Einebnen des über dem Stempel gespannten Oberflächenabschnitts der Scheibe gefertigt wird. |
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor, insbesondere einen Differenzdrucksensor und ein Verfahren zum Präparieren eines Membranbetts für einen solchen Sensor.
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 Sig nal bereitstel lt, wobei der Grund körper ferner ein 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 ggf. ein Substrat, welches das Membranbett trägt, aufweist, und was für eine Verbindungstechnik des Grundkörpers bzw. des Membranbetts mit der Membran gewählt wird.
Für Differenzdrucksensoren sind insbesondere Si-Grundkörper geeignet, da diese dem statischem Druck gut standhalten. Für die Verbindung von zwei Sil iziu mschei ben g i bt es versch iedene Verfah ren , wie z. B . eutektisches Bonden oder Siliziumdirektbonden.
Die Herstellung von konkaven Membranbetten in Silizium ist nicht ohne weiteres möglich, wie in nach US 7 360 431 B2 beschrieben ist. Bekannt sind derzeit entweder die nicht etablierten Methoden der Graustufenlithographie oder ein direktes sphärisches Schleifen/Polieren des Siliziums, was nur unter großem Aufwand zu reproduzierbaren Ergebnissen führt.
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 durch das Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 8. Der erfindungsgemäße Drucksensor umfasst mindestens einen Grundkörper, mindestens eine Messmembran, und einen Wandler, wobei die Messmembran insbesondere 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 Wand ler ein von der Verform ung der Messmembran abhäng iges elektrisches Signal bereitstellt, wobei der Grundkörper ein Membranbett aufweist, an welchem die Messmembran im Falle einer Überlast anliegt, wodurch die Messmembran abgestützt wird, wobei das Membranbett eine asphärische, in ihrem Zentrum konkave Kontur aufweist, die geeignet ist, die Messmembran im Falle einer Überlast abzustützen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur des Membranbetts erhältlich ist durch einebnende Oberflächenbearbeitung einer elastisch vorgespannten, gebogenen Scheibe und anschließendes Entspannenlassen der Scheibe.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Drucksensor durch ein Verfahren erhältlich, bei dem die Scheibe über mindestens einem Stempel in der Weise gebogen ist, dass die Kontur in diesem Zustand der Scheibe zumindest abschn ittsweise dem Neg at i v d e r a n g estre bte n Membranbettkontur entspricht.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Drucksensor mit einem Verfahren erhältlich, bei dem die einebnende Oberflächenbearbeitung durch Schleifen und/oder Läppen und/oder Polieren der Scheibe im gespannten Zustand umfasst.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Scheibe Silizium, i n sbesond ere i n e i n er Stä rke zwi sch en 200 μ ιτι u nd 1 000 μ ιτι , vorzugsweise zwischen 300 μιτι und 600 μιτι.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Kontur eine Tiefe von nicht mehr als 50 μιτι, vorzugsweise nicht mehr als 25 μιτι und weiter bevorzugt n icht mehr als 1 2,5 μιτι auf. Nach einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung weist die Kontur eine Tiefe von nicht weniger als 4 μιτι, und vorzugsweise nicht weniger als 6 μιτι auf.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Präparation eines asphärischen Membranbetts eines erfindungsgemäßen Drucksensors, umfasst die Schritte: elastisches Spannen einer ebenen Scheibe, insbesondere einer Siliziumscheibe, über mindestens einem Stempel mittels einer Scheibenaufnahme zumindest abschnittsweises Einebnen jener Oberfläche der gespannten Scheibe, die der Scheibenaufnahme abgewandt ist, mittels Schleifen und/oder Läppen und/oder Polieren; und
Entspannenlassen der Scheibe
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der mindestens eine Stempel eine Höhe von mindestens 8 μιτι, insbesondere mindestens 16 μιτι und nicht mehr als 100 μιτι, insbesondere nicht mehr als 50 μιτι auf.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird die Erfindung durch einen Druckgradienten gehalten . D .h . der herrschende Druck auf der der Scheibenaufnahme abgewandten Seite der Scheibe ist größer als der der Scheibenaufnahme zugewandten Seite der Scheibe. Hierzu kann die Scheibenaufnahme eine Oberfläche mit Kanälen aufweisen, über welche der Druck zwischen der Scheibenaufnahme und der Scheibe kontroliert werden kann. In einer Ausgestaltung dieser Weiterbildung der Erfindung umfasst die Scheibenaufnahme einen Vakuumhalter, an welchen d ie Scheibe angesaugt gehalten wird.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Scheibe über mehrere Stempel gespannt, wobei über jedem der Stempel ein Membranbett du rch zumindest abschnittsweises Einebnen des über dem Stempel gespannten Oberflächenabschnitts der Scheibe gefertigt wird.
Mit einem solchermaßen präparierten Membranbett kann die Überlastfestig keit 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. 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 ein erster bzw. zweiter Druck, deren 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 unter Einschluss einer 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 die 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 durch Metallisieren oder durch Dotieren präpariert werden können. Piezoresistive Wandlerstrukturen sind beispielsweise durch Präparieren der Widerstandselemente einer Vollbrücke mittels Dotieren der Membran herzustellen.
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; und Fig. 2: einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer Charge erfindungsgemäßer Differenzdrucksensore n v o r d e r Vereinzelung.
Wie in Figur 1 a gezeigt, wird auf einem Vakuumhalter 10 auf dessen Oberfläche 1 1 , Stem pel 1 2 hervorstehen, eine Siliziumscheibe 20 gehalten, wobei über den Stempeln 12 die Siliziumscheibe Wölbungen 21 aufweist, welche eine Kontu r bilden , d ie im wesentl ichen jeweils ein Negativ einer angestrebten Membranbettkontur bilden. Wie in Figur 1 b dargestellt, werden die hervorstehenden Wölbungen 21 bis zu einer Höhenlinie 30 durch Schleifen und/oder Läppen und/oder Polieren abgetragen. Die tatsächlichen Größenverhältnisse können dabei wie folgt gegeben sein. Die hervorstehenden Wölbungen 21 weisen eine Höhe von beispielsweise etwa 20 Mikrometer gegenüber den Minima der Oberfläche der Siliziumscheibe auf. wobei die Gesamtstärke der Siliziumscheibe beispielsweise einige hundert Mikrometer beträgt. Durch das Schleifen, Läppen bzw. Polieren wird mehr Material abgetragen, als der Höhenunterschied zwischen den Wölbungen und den Minima beträgt beispielsweise also 30 Mikrometer.
Nach der Entnahme der Siliziumscheibe vom Vakuumhalter 10 kann die Siliziumscheibe sich wieder entspannen, wodurch an den Positionen der abgetragenen Wölbungen nun gegenüber der ebenen Oberfläche 22 der Siliziumscheibe Vertiefungen 24 gebildet sind, welche eine Kontur aufweisen, die das negative Abbild der Wöl bu ng en d er a uf d en Vakuumhalter gehaltenen Siliziumscheibe sind, wie in Figur 1 c dargestellt ist.
In Figur 1 d ist die Vervollständigung von Relativdrucksensoren skizziert, wobei hierzu durch die Siliziumscheibe 20 Kanäle 26 in die Vertiefungen 24 zu führen sind, und wobei eine weitere Siliziumscheibe 40, welche die Messmembranen der einzelnen Relativdrucksensoren bilden soll, mittels e in es Gold-Silizium-Eutektikums an der ersten Siliziumscheibe 20 befestigt wird. Die Relativdrucksensoren werden abschließend durch Sägen entlang der in Figur 1 d gezeigten gestrichelten senkrechten Linien verzeinzelt. Figur 2 zeigt eine der Darstellung der Figur 1 d entsprechenden Ansicht von erfindungsgemäßen Differenzdrucksensoren, bei denen zwischen zwei Siliziumscheiben 120, welche Membranbetten 124 und Druckzuleitungskanäle 126 aufweisen, eine dritte Siliziumscheibe 140 gefügt ist, welche die Messmembranen der Differenzdrucksensoren bildet. Die Differenzdrucksensoren werden abschließend entlang gestrichelten senkrechten Linien durch sägen vereinzelt.
Sel bstverstä nd l ich we isen sowohl die hier diskutierten Relativdrucksensoren und Differenzdrucksensoren geeignete Wandler auf, welche beispielsweise kapazitive oder piezoresistive Wandler sein können, die insbesondere durch Dotieren und/oder Metallisieren der Messmembran und bei einem kapazitiven Wandler auch des Membranbetts präpariert werden können.
Next Patent: PRESSURE SENSOR, ESPECIALLY DIFFERENTIAL PRESSURE SENSOR, COMPRISING A MEMBRANE BED