Die Erfindung betrifft einen Drucksensor, insbesondere einen

Relativdrucksensor, welcher eine feuchteempfindliche Komponente aufweist.

Mit Drucksensoren, insbesondere Relativdrucksensoren lassen sich Drücke von Medien, z.B. Flüssigkeiten, Gasen oder Dämpfen messen. Im Fall von Relativdrucksensoren werden diese Drücke gegenüber dem gerade herrschenden Atmosphären- oder Umgebungsdruck gemessen. Hierbei dient der Atmosphären- oder Umgebungsdruck als Referenzdruck, zu dem der Druck des Mediums in Relation gesetzt wird.

Als einer der Hauptprobleme, beim Einsatz solcher Drucksensoren, insbesondere Relativdrucksensoren, hat sich das Eindringen von Feuchtigkeit in den Sensor Innenbereich herausgestellt. Typischerweise gelangt die Feuchtigkeit über die feuchte Referenzluft, die dem Sensor über einen Referenzpfad zugeführt wird, in das Innere des Sensors. Es gibt daher zahlreiche Lösungsversuche das Eindringen der Feuchtigkeit durch die Referenzluft in den Sensor zu verhindern.

In der WO 02/090916 wird ein Relativdrucksensor offenbart, bei dem eine Messmembran, die entlang ihres Randbereiches unter Bildung einer

Referenzdruckkammer druckdicht mit dem Grundkörper verbunden ist, über einen Referenzdruckpfad auf einer Seite der Messmembran mit einem

Referenzdruck beaufschlagt wird. Zur Minderung der Feuchte, welche mittels der Referenzluft über den Referenzdruckpfad in den Sensor gelangt, ist ein Filterelement in dem Referenzdruckpfad angeordnet, wobei das Filterelement nanoporiges Material umfasst, welches mit einem hydrophoben Organosilan imprägniert ist. Alternativ zur nachträglichen Imprägnierung kann dem

Ausgangsstoff des Filterelementes eine hydrophobe Substanz beigemischt werden.

Der in der WO 02/090916 verfolgte Ansatz ist insofern nachteilig, als dass die Poren, des aus dem Filterelement bestehenden Materials, beim Hydrophobisieren zugesetzt werden und somit eine homogene und definierte Porengröße nur sehr bedingt geben ist.

Ferner weist das, zur Herstellung des nanoporigen Materials typischerweise zum Einsatz kommende, Sol-Gel-Verfahren, den Nachteil auf, dass die Porengröße nur relativ schwierig zu kontrollieren und somit einzustellen ist. Darüber hinaus ist bei der Herstellung eines nanoporigen Filterelementes ein zusätzlicher Schritt, neben den Schritten zur eigentlichen Herstellung des Filterelementes, zur Hydrophobisierung nötig, welcher weitere

Herstellungskosten verursacht und somit Kosten für das Filterelement bedeutet.

Ferner zeigt die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2008 042 489 eine Methode zur Reduzierung der Feuchte innerhalb eines Werkstückverbundes, insbesondere eines Drucksensorchips auf, bei der zum Schutz die Membran des Drucksensorchips mit einem Gel bedeckt wird, welches die Membran vor Ablagerungen oder auskondensierendem Wasser schützen soll.

Die in der DE 10 2008 042 4809 beschriebene Lösung ist insofern

unbefriedigend, als dass die Passivierung der Membran mit dem Gel einen erhöhten Fertigungsaufwand darstellt, da zur Beschichtung der Membran mit dem Gel Herstellungsverfahren eingesetzt werden müssen, die nicht oder nur begrenzt kompatible zu den Herstellungsverfahren des eigentlichen

Drucksensors sind. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein

Filterelement zur Reduzierung der Feuchte in einem Drucksensor

vorzuschlagen, welcher besonders günstige Eigenschaften in Bezug auf den Drucksensor sowie die Herstellung dieses Drucksensors aufweist. Der erfindungsgemäße Drucksensor zur Erfassung eines Messdruckes bezogen auf einen Referenzluftdruck weist folgendes auf:

- mindestens ein Wandlerelement;

- einen Grundkörper;

- einen Gegenkörper; - eine Messmembran und ein Filterelement, wobei eine Referenzdruckkammer zwischen der Messmembran und dem die Messmembran haltenden

Grundkörper und dem Gegenkörper ausgebildet wird, wobei die von dem Gegenkörper abgewandte Seite der Messmembran mit dem Messdruck und die dem Gegenkörper zugewandte Seite der Messmembran über die

Referenzdruckkammer mit dem Referenzluftdruck beaufschlagt wird, wobei der Referenzluftdruck über einen Referenzdruckpfad durch eine Öffnung der Referenzdruckkammer zugeführt wird, wobei der Referenzdruckpfad durch das Filterelement verläuft und wobei eine druckabhängige Auslenkung der Messmembran aufgrund der Differenz der beiden Drücke mittels des mindestens einen Wandlerelementes gemessen wird und wobei das

Filterelement poröses Silizium umfasst.

Das Filterelement wird vorzugsweise nach einem Verfahren zur Herstellung von porösem Silizium, wie es beispielsweise in der deutschen Offenlegung DE 10 2010 001 504 A1 beschrieben ist, hergestellt.

Der Fortschritt in der Mikromechanik bzw. Mikrosystemtechnik eröffnet hierbei fertigungsseitig neue Potentiale zur Herstellung von solchen Filterelementen. Die in der Halbleitertechnik angesiedelten und bereits etablierten

mikromechanischen Fertigungsverfahren, bieten die Möglichkeit, durch sehr präzise und stabile Prozesse bzw. Prozessparameter homogene und präzise bzw. definierte Porendurchmesser herzustellen. So ist es zur Porösifizierung eines Siliziumelementes möglich, die Stromdichte des Ätzprozesses derartig einzustellen, dass ein besonders definierter Porendurchmesser für das

Filterelement erzielt werden kann. Auf diese Weise lassen sich Filterelemente herstellen, die einen derartig filigranen Porendurchmesser aufweisen, dass ein Eindringen bzw. Durchdringen von Feuchte durch das Filterelement stark reduziert werden kann. Darüber hinaus zeichnen sich das zur Herstellung eines Filterelementes eingesetzte Verfahren dadurch aus, dass es zu den Prozessen, die zur eigentlichen Herstellung des Drucksensors benötigt werden, besonders kompatible ist.

Als Basis Material zur Herstellung eines Filterelementes wird typischerweise ein Siliziumwafer eingesetzt, auf dem eine Vielzahl von Filterelementen realisierbar ist, um so die Herstellungskosten pro individuelles Filterelement zu reduzieren. Darüber hinaus eröffnet sich, bei den in der Halbleitertechnik angesiedelten mikromechanischen Fertigungsverfahren, die Möglichkeit mehrere Siliziumwafer im sogenannten Batch-Prozess, d.h. gleichzeitig, zu bearbeiten. Dies bietet den Vorteil, dass Filterelemente auf diese Weise nochmals kostengünstiger hergestellt werden können.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Filterelement mittels mikromechansichen Prozessen, insbesondere Ätzprozessen, monolithisch in den Gegenkörper präpariert. Insbesondere steht der erste thermische

Ausdehnungskoeffizient ai des Materials des Gegenkörpers und der zweite thermische Ausdehnungskoeffizienten a ₂ des Materials des Grundkörpers in al al

folgender Beziehung < 10%, insbesondere < 5%,

a2 a2

al

vorzugsweise < 1%. Ferner ist insbesondere der Gegenkörper über a2

einen Bondprozess an den Grundkörper angebondet. Insbesondere umfassen die Materialien des Gegenkörpers und des Grundkörpers

Halbleitermaterialien, insbesondere Silizium.

Dies bietet insbesondere in dem Fall, dass der Grundkörper und der

Gegenkörper aus Silizium ausgebildet sind, den Vorteil, dass diese mittels Fusion-Bonding gebondet werden können. Hierdurch wird eine weitere Zwischenschicht, beispielsweise eine Klebestelle, welche ebenfalls

feuchteempfindlich sein kann, vermieden. Ferner kann bei dem Anbringen des Gegenkörpers an den Grundkörper, wiederum auf ein konventionelles mikromechanisches Fertigungsverfahren (Fusion-Bonding) zurückgegriffen werden, sodass eine kostengünstigere Aufbau- und Verbindungstechnik auch durch Batch-Prozesse für den Drucksensor weiter begünstigt wird. Darüber hinaus wird durch den Einsatz von Materialien, insbesondere Silizium, mit ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten für den Gegen körper und den Grundkörper, der innere mechanische Stress im Schichtverbund des Drucksensors verringert.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist das Filterelement in den

Gegenkörper eingebracht. Insbesondere ist der Gegenkörper über ein Klebeverfahren oder ein Bondverfahren, insbesondere anodisches- oder eutektisches-Bonden, an den Grundkörper, der beispielsweise aus Glas, Keramik, Kovar oder Metall ausgebildet ist, angebracht. Durch das Einbringen eines Filterelementes in den Gegenkörper, wird die Klebeschicht ebenfalls in vorteilhafter Weise vor Feuchte geschützt.

Gemäße einer günstigen Ausgestaltung ist der Durchmesser und/oder die Anzahl der Poren des Filterelementes derartig ausgebildet, dass das

Eindringen von Feuchte, durch die Poren in die Referenzdruckkammer vermindert wird.

Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung beträgt der Durchmesser der Poren weniger als 10 Nanometer, insbesondere weniger als 5 Nanometer.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 : einen Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Drucksensor,

Fig. 2: einen Längsschnitt durch eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors, und

Fig. 3: einen Längsschnitt durch eine weitere alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors.

Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Drucksensor 1 . Dieser weist einen Grundkörper 5 und einen Gegenkörper 10 auf, wobei beide Körper 5, 10 aus Silizium ausgebildet sind.

Ferner umfasst der Grundkörper 5 eine Messmembran 6, welche

typischerweise mittels konventionellen mikromechanischen Verfahren, insbesondere KOH-Ätzen, geätzt wurde. Die auf diese Weise erzeugte Messmembran 6 bildet zwei Membranseiten aus, wobei die erste Membranseite von dem Grundkörper 5 abgewandt und die zweite

Membranseite dem Grundkörper 5 zugewandt ist, wobei die zweite

Membranseite an eine Referenzdruckkammer 8 anschließt.

Zum Einsatz des Drucksensors 1 werden beide Seiten der Messmembran 6 mit einem Druck beaufschlagt, wobei die vom Grundkörper 5 abgewandte Seite der Messmembran mit einem Messdruck 2 und die dem Grundkörper 5 zugewandte Seite der Messmembran 6 über die Referenzdruckkammer 8 mit einem Referenzdruck 3 beaufschlagt wird.

Zur Ermittlung der druckabhängigen Auslenkung der Messmembran 6, welche aufgrund der Differenz der auf beiden Seiten der Messmembran 6

anliegenden Drücke 2, 3 erfolgt, ist zumindest ein Wandlerelement 4 vorgesehen, welches die druckabhängige Auslenkung in ein

(weiterverarbeitbares) Messsignal wandelt. Dieses Wandlerelement 4 kann beispielsweise kapazitiv, resisitv oder induktiv die druckabhängige Auslenkung detektieren. Da diese Umsetzungsformen dem Fachmann bekannt sind, soll an dieser Stelle nicht näher darauf eingegangen werden.

Der in Figur 1 dargestellte Gegenkörper 5 umfasst weiter einen

Referenzdruckpfad 9 über den der Referenzdruck 3 der

Referenzdruckkammer 8 zugeführt wird, um so die dem Grundkörper 5 zugewandte Seite der Messmembran 6 mit dem Referenzdruck 3 zu beaufschlagen. Ferner umfasst der Gegenkörper 10 ein Filterelement 7, durch den der Referenzdruckpfad 9 verläuft.

Das Filterelement 7 ist in dem in Figur 1 gezeigten erfindungsgemäßen Drucksensor Bestandteil des Gegenkörpers 10 und ist mittels

mikromechanischen Verfahren bzw. Prozessen, die bereits eingangs beschrieben wurden, in den Gegenkörper 10 hinein präpariert. Dabei kann das Filterelement 7 durchgängig durch den gesamten Gegenkörper 10, d.h. von der Oberseite des Gegenkörpers 10, welche dem Grundkörper 5 zugewandt ist, bis zur Unterseite des Gegenkörpers 10, die dem Grundkörper 5

abgewandt ist, ausgebildet sein. Alternativ kann das Filterelement 7 nur in einem bestimmten Bereich des Gegenkörpers 1 0 ausgebildet sein, wobei in beiden Fällen der Referenzdruckpfad 9 durch das Filterelement 7 verläuft. Auf diese Weise kann das Eindringen von Feuchte in die Referenzdruckkammer 8 vermindert werden, da die Poren des Filterelementes 7 die in der Referenzluft befindliche Feuchte filtert bzw. reduziert.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der erste thermische Ausdehnungskoeffizient ai des Materials des Gegenkörpers 10 und der zweite thermische Ausdehnungskoeffizienten c(2 des Materials des Grundkörpers 5 in al al

folgender Beziehung steht < 10%, insbesondere < 5%,

a2 a2

al

vorzugsweise < 1%. Bei einer derartigen Wahl des Materials des a2

Gegenkörpers 10 und des Grundkörpers 5 lässt sich mechanischer Stress bzw. mechanische Spannungen innerhalb des Grundkörper-Gegenkörper Gebildes stark reduzieren. Ferner lässt sich insbesondere wenn die

Materialien des Gegenkörpers 10 und des Grundkörpers 5 Silizium umfassen, diese mittels Fusion-Bonding ohne eine weitere feuchteempfindliche

Zwischenschicht 1 1 , beispielsweise eine Klebeschicht, aneinander bonden bzw. befestigen.

Neben dem Fusion-Bonding ist es auch möglich, die beiden aus Silizium bestehenden Körper, also den Gegen- und den Grundkörper 5, 10, mittels eutektischem Bonden aneinander zu bonden. Beim eutektischen Bonden wird mittels einer eutektischen Legierung, beispielsweise Silizium-Gold, der Grundkörper 5 mit dem Gegenkörper 10 verbunden. Auf diese Weise entsteht zwar, im Gegensatz zum Fusion-Bonding, eine Schicht zwischen den beiden Körpern, jedoch ist diese Schicht nicht feuchteempfindlich und somit ist kein zusätzlicher technischer Aufwand zum Schutz vor Feuchte nötig.

Eine weitere Alternative zur Verbindung des Gegenkörpers 10 mit dem

Grundkörper 5 stellt das anodische Bonden dar. Beim anodischen Bonden wird der aus Glas ausgebildete Gegenkörper 10, der eine erhöhte Na ⁺ - Konzentration aufweist, mit dem aus Silizium ausgebildeten Grundkörper 5 in Kontakt gebracht und durch Anlegen einer Spannung eine Raumladungszone an der Grenzfläche der beiden Körper 5, 10 erzeugt, die zu Si-O-Si Bindungen führt und somit zum Bond der beiden Körper 5, 10. Jedoch ist es hierfür nötig, wie bereits angedeutet, das Filterelement 7 in den Gegenkörper 10, welcher aus Glas ausgebildet ist, einzubringen.

Eine Alternative zu dem, in den Gegenkörper 10 präparierten Filterelement 7, stellt somit das Einbringen des Filterelementes 7 in den Gegenkörper 10 dar. Hierfür ist vorgesehen, dass Filterelement 7 als eigenständiges Element aus Silizium herzustellen und dieses dann in den Gegenkörper 10, dessen

Material insbesondere nicht Silizium umfasst, einzubringen.

Als weitere Materialien neben Glas zur Ausbildung des Gegenkörpers 10 bieten sich insbesondere Materialien an, die bezüglich des Grundkörpers 5 einen angepassten bzw. ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Insbesondere eignen sich keramische Werkstoffe, metallische Werkstoffe (bevorzugt Kovar), oder auch glasfaserverstärkte Epoxy- Verbundwerkstoffe, aus denen typischerweise Leiterplatten ausgebildet sind.

Figur 2 zeigt einen Längsschnitt durch eine weitere alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors 1 , bei dem der Gegenkörper 10 über eine Zwischenschicht 1 1 mit dem Grundkörper 5 verbunden ist.

Typischerweise ist hierbei der Gegenkörper 10 nicht aus Silizium ausgebildet, sondern aus einem der oben genannten Werkstoffe, wobei der Gegenkörper 10 mittels eines Klebeverfahrens an den Grundkörper 5 angebracht ist. Hierfür wird der Grundkörper typischerweise aus Silizium oder Keramik ausgebildet.

Lediglich in dem Fall, dass der Gegenkörper 10 aus Glas und der Grundkörper 5 aus Silizium ausgebildet sind, ist, wie bereits erwähnt, ein anodisches Bonden der beiden Körper 5, 10 ohne eine Zwischenschicht 1 1 möglich.

Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch eine weitere alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors 1 , bei dem der Grundkörper 5, der aus einer Keramik ausgebildet ist, mittels eines Klebeverfahrens an den

Gegenkörper 10, der aus Silizium ausgebildet ist, angebracht ist. Durch das Klebeverfahren wird eine zumeist auch feuchteempfindliche Zwischenschicht 1 1 ausgebildet. Diese Zwischenschicht 1 1 wird mittels des Filterelementes 7 ebenfalls vor Feuchte geschützt.

Ferner zeigt Figur 3 einen Drucksensor 1 bei dem das Filterelement 7 dahingehend ausgestaltet ist, dass es sich durch den gesamten Gegenkörper 10 erstreckt, wobei der Referenzdruckpfad 9 wiederum durch das

Filterelement 7 verläuft. Ein derartiger Aufbau ist auch bei der in Figur 1 dargestellten Ausgestaltung des Drucksensors möglich.

Bezugszeichenliste Drucksensor

Messdruck

Referenzdruck

Wandlerelement

Grundkörper

Messmembran

Filterelement

Referenzdruckkammer

Referenzdruckpfad

Gegenkörper

Zwischenschicht, Klebestelle