Beschreibung

Allgemein befaßt sich die Erfindung mit dem Gebiet der Drucksensoren. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einem Relativdrucksensor, der als eine mikromechanische Struktur mit kleinsten Dimensionen implementiert werden kann. Mit anderen Worten bezieht sich die Erfindung auf einen Drucksensor mit einem Substrat und einer mit diesem Substrat einen Hohlraum festlegenden Schicht, die oberhalb des Hohlraumes ein Membran-artiges Gebiet aufweist, das von einem außerhalb des Hohlraumes herrschenden ersten Druck beaufschlagbar ist, gemäß dem Oberbegriff des Patentan¬ spruchs 1.

Mit Methoden der Mikromechanik und insbesondere der Ober- flächenmikromechanik implementierbare Drucksensoren sind in verschiedensten Ausgestaltungen in der jüngeren wissen¬ schaftlichen Literatur und in der jüngeren Patentliteratur geoffenbart worden.

So zeigt beispielsweise die internationale Patentanmeldung PCT/DE91/00107 (Veröffentlichungs-Nummer WO91/12507) der Anmelderin einen Absolutdrucksensor, der mit Methoden der Mikromechanik aus einem Halbleiterwerkstoff, wie insbesonde¬ re Silizium, hergestellt werden kann und der ein Substrat aufweist, in dem durch eine entsprechende Dotierung ein leitfähiger Halbleiterbereich gegenüber dem Substrat iso¬ liert angeordnet ist, wobei eine Drucksensorstruktur dadurch auf diesem leitfähigen Halbleiterbereich in dem Halbleiter¬ substrat aufgebaut wird, daß zunächst eine Abstandshalter- schicht auf das Substrat aufgebracht wird, sodann eine poly¬ kristalline Halbleiterschicht auf der Abstandshalterschicht

abgeschieden wird, woraufhin die polykristalline Halbleiter¬ schicht dotiert wird und die Abstandshalterschicht, die auch als Opferschicht bezeichnet werden kann, durch Ätzen über geeignete Kanäle entfernt wird. Abschließend werden die Kanäle durch Abscheiden eines geeigneten Materiales ver¬ schlossen. Es ergibt sich eine kapazitive Drucksensorstruk- tur, bei der die polykristalline Halbleiterschicht zusammen mit dem Substrat einen abgeschlossenen Hohlraum festlegt, der beispielsweise evakuiert sein kann oder mit einem Gas mit einem vorbestimmten Druck gefüllt sein kann. Ein der¬ artiger Drucksensor ist zwar dahingehend ausgesprochen vor¬ teilhaft, daß er die Erfassung eines Absolutdruckes mit hoher Meßgenauigkeit ermöglicht und aufgrund der Isolation des Halbleiterbereiches gegenüber dem Substrat kompatibel für CMOS-Schaltungen gestaltet ist, jedoch ergibt sich eine Einschränkung dieses Drucksensors dahingehend, daß er nur für die Erfassung eines Absolutdruckes geeignet ist.

Es sind bereits Relativdrucksensoren bzw. Drucksensoren für die Differentialdruckmessung bekannt, die mit mikromechani¬ schen Technologien realisiert worden sind. So zeigt bei¬ spielsweise die Fachveröffentlichung Journal of Vacuum Science & Technology/A, Band 4, Nr. 3, Mai bis Juni 1986, Teil 1, Seite 618, Spalte 2, letzter Absatz bis 619, Spalte 1, erster Absatz in Verbindung mit Fig. 3 einen aus Halb¬ leitermaterialien aufgebauten Relativdrucksensor mit einem Substrat und einer zusammen mit dem Substrat einen Hohlraum festlegenden Polysiliziumschicht, wobei das Substrat eine Rückseitenöffnung aufweist, die durch anisotropes Ätzen ausgehend von der Rückseite des Substrates bis zu dem Hohl¬ raum gebildet ist. Durch diese Rückseitenöffnung wird bei der Herstellung des Drucksensors eine Abstandshalterschicht bzw. Opferschicht zur Festlegung des späteren Drucksensor¬ hohlraumes mittels Flußsäure herausgeätzt. Es hat sich ge¬ zeigt, daß derartige Relativdrucksensoren nur eine unzu¬ reichende mechanische Stabilität insbesondere im Überlast- fall haben. Ferner hat sich erwiesen, daß derartige Relativ¬ drucksensoren Streuungen bezüglich ihrer Erfassungsempfind-

lichkeit, also beispielsweise im Falle eines kapazitiven Relativdrucksensors Streuungen hinsichtlich des Quotientens der Kapazitätsänderung bezogen auf die Druckänderung auch innerhalb einer einzigen Fertigungscharge haben.

Ausgehend von dem oben beschriebenen Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor zu schaffen, mit dem eine Druckdifferenz gemessen werden kann und der bei guter Reproduzierbarkeit der Erfassungsemp¬ findlichkeit innerhalb einer Herstellungscharge von Druck¬ sensoren eine weitgehende Mikro iniaturisierung erlaubt.

Diese Aufgabe wird durch einen Drucksensor gemäß Patentan¬ spruch 1 gelöst.

Im Gegensatz zum Stand der Technik, der eine direkte Er¬ schließung des Hohlraumes des Drucksensors über eine Rück¬ seitenöffnung des Substrates zeigt, lehrt die Erfindung, den Innendruck für den Drucksensorhohlraum über einen sich ent¬ lang der Oberfläche des Substrates erstreckenden Kanal zuzu¬ führen. Ferner ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß dieser Kanal gegenüber dem Substrat von einer Schichtstruktur fest¬ gelegt wird, welche zumindest die erste Schicht umfaßt, die auch das Membran-artige Gebiet des Drucksensors bildet. Zu¬ sätzlich fordert die Erfindung, daß das Verhältnis der Brei¬ te des Kanales zu der Dicke der Schichtstruktur oberhalb des Kanales kleiner sein soll als das Verhältnis der kleinsten Erstreckung des Membran-artigen Gebietes in der Membranebene zu der Dicke des Membran-artigen Gebietes. Hierdurch wird trotz des oberflächennahen Verlaufes des Kanales gewährlei¬ stet, daß eine nennenswerte Deformation der Gesamtstruktur nur im Bereich des Membran-artigen Gebietes stattfindet, während die Struktur des Drucksensors im Bereich des Kanales von Differenzdruckänderungen im wesentlichen unbeeinflußt bleibt. Die Erfindung lehrt eine örtliche Trennung der eigentlichen Drucksensorfunktion, zu der die Erfassung des Differenzdruckes durch Auslenkung des Membran-artigen Gebie¬ tes und die elektrische Erfassung der Auslenkung des Mem-

bran-artigen Gebietes sowie die mechanischen Funktionen der Uberlastfestigkeit und der spannungsfreien Membranhalterung zu zählen sind, von der Funktion der Zuführung von einem der beiden Drücke zu dem Drucksensorhohlraum, welche die erfindungsgemäß ausgestaltete Kanalstruktur erzielt wird. Die durch die Erfindung geschaffene funktionale Trennung steht im Gegensatz zum Stand der Technik, da Relativdruck- sensoren nach dem Stand der Technik durch die rückseitige Öffnung des Substrates unterhalb des Membran-artigen Gebie¬ tes Spannungen in den Membran-Bereich einführen, im Falle einer kapazitiven Erfassung der Membranauslenkung eine Abhängigkeit der Erfassungskapazität von der kaum definier¬ baren Abmessung des vorderseitigen Austrittes der rücksei¬ tigen Öffnung haben und da bei dieser Drucksensorstruktur zum Stand der Technik die Überlastfestigkeit des Drucksen¬ sors eingeschränkt ist.

Die erfindungsgemäße Drucksensorstruktur ermöglicht trotz ihrer Fähigkeit der Differenzdruck essung die Erzielung sämtlicher Vorteile des eingangs geschilderten Absolutdruck- sensors einschließlich seiner erhöhten Meßgenauigkeit und seiner Kompatibilität für CMOS-Schaltungen.

Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Drucksen¬ sors sind in den Unteransprüchen definiert.

Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Druck¬ sensors werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die bei¬ liegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Querschnittsdarstellungen zur Verdeutlichung ein¬ zelner Herstellungsschritte bei der Drucksensor- herstellung;

Fig. 2 Querschnittsdarstellungen eines Drucksensors und eines zugeordneten Referenzelementes;

Fig. 3a eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen

Drucksensors in Querschnittsdarstellung;

Fig. 3b eine zweite Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Drucksensors in Querschnittsdarstellung;

Fig. 4 eine Draufsicht auf ein Feld erfindungsgemäßer Drucksensoren nach einer dritten Ausfuhrungsform;

Fig. 5 eine Querschnittsdarstellung einer ersten Ausfüh¬ rungsform einer Drucksensoreinheit mit Gehäuse und der in Fig. 3a gezeigten ersten Ausführungsform des Drucksensors;

Fig. 6 eine Querschnittsdarstellung einer zweiten Ausfüh¬ rungsform einer Drucksensoreinheit mit Gehäuse und der in Fig. 3b gezeigten zweiten Ausführungsform eines Drucksensors;

Fig. 7 eine Draufsichtdarstellung einer Drucksensoranord¬ nung mit unterschiedlichen Membrangrößen für ver¬ schiedene Druckbereiche; und

Fig. 8 eine Draufsichtdarstellung einer Druckmeßanordnung zur Erfassung einer Druckverteilung mit hoher räumlicher Auflösung.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, wird bei der Herstellung eines Drucksensors nach der vorliegenden Erfindung zunächst ein Substrat 1, das bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein p-Siliziumsubstrat ist innerhalb eines Dotierungsbereiches 2 mittels an sich üblicher photolithographischer Maßnahmen mit einer Dotierung versehen, die entgegengesetzt zum Leitfähig¬ keitstyp des Substrates ist. Bei dem gezeigten p-Substrat 1 wird demgemäß ein n ⁺ -Dotierungsbereich 2 erzeugt, um einer¬ seits eine gut leitfähige Elektrode zu bilden und um ande¬ rerseits diese Elektrode, die durch den Dotierungsbereich 2 festgelegt ist, gegenüber dem Substrat 1 durch einen pn- Übergang zu isolieren. Nunmehr wird eine Isolatorschicht 3

aufgebracht.

Auf diese wird eine Abstandshalterschicht 4, die auch als Opferschicht bezeichnet wird, beispielsweise durch Abschei¬ dung von Siliziumdioxid aufgebracht. Diese Abstandshalter¬ schicht 4 wird mittels an sich bekannter photolithographi¬ scher Maßnahmen zur Festlegung des späteren Drucksensorhohl- raumes strukturiert, wobei dieser mittig oberhalb des Dotie¬ rungsbereiches 2 angeordnet wird. Anschließend wird eine weitere Oxidschicht 5 abgeschieden und photolithographisch zur Festlegung von späteren Ätzkanälen 6 strukturiert. Nun¬ mehr erfolgt die Abscheidung einer Polysiliziu schicht 7, welche zumindest im Bereich eines späteren Membran-artigen Gebietes 8 oberhalb eines Drucksensorhohlraumes 9 leitfähig dotiert ist. Durch Ätzen mittels Flußsäure wird durch den Ätzkanal 6 die aus Oxid bestehende Abstandshalterschicht 4, 5 entfernt, woraufhin die Ätzkanäle 6 durch Abscheidung eines geeigneten Materiales, wie beispielsweise einer Oxid¬ schicht, verschlossen werden.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, kann zur Bildung eines Druck¬ sensors, der dort in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist, eine abschließende Oxidschicht 9 im Be¬ reich des Membran-artigen Gebietes 8 durch Ätzen entfernt werden, während diese Oxidschicht 9 zur Festlegung eines von der Grundkapazität her entsprechenden Referenzelementes, welches in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 11 be¬ zeichnet ist, unverändert verbleibt.

Eine Querschnittsdarstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Drucksensors, der in seiner Gesamt¬ heit mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet ist, wird nachfol¬ gend unter Bezugnahme auf Fig. 3a erläutert. Dieser umfaßt ein Substrat 21 mit einem Dotierungsbereich 22, wobei die Dotierung wiederum entgegengesetzt zum Leitfähigkeitstyp des Substrates 21 gewählt ist. Oberhalb einer Isolatorschicht 23 ist eine einen Drucksensorhohlraum 24 festlegende erste Polysiliziumschicht 25 vorgesehen, welche oberhalb des Do-

tierungsbereiches 22 ein Membran-artiges, dünnes Gebiet 26 festlegt. Dieses Membran-artige Gebiet 26 ist von einem er¬ sten Druck, der auch als Außendruck bezeichnet werden kann, beaufschlagbar.

Ausgehend von dem Drucksensorhohlraum 24 erstreckt sich ein an den Hohlraum 24 anschließender Kanal 27 entlang der Ober¬ fläche 28 des Substrates 21, welcher bei der hier gezeigten Ausfuhrungsform in einer Seitenöffnung 29 mündet.

Der Kanal wird gegenüber dem Substrat 21 von einer Schicht¬ struktur festgelegt, welche einerseits die erste Polysili¬ ziumschicht 25 umfaßt, die das Membran-artige Gebiet 26 des Drucksensors 20 umfaßt, und andererseits eine hierauf abge¬ schiedene Verstärkungsschicht 30 aufweist. Die Verstärkungs¬ schicht 30 oberhalb der ersten Polysiliziumschicht 25 kann ebenfalls aus Polysilizium bestehen. Gleichfalls ist es denkbar, diese Verstärkungsschicht auch aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid zu bilden.

Wie insbesondere bei der Draufsichtdarstellung der Fig. 4 auf ein Drucksensorfeld 40 mit einer Mehrzahl von miteinan¬ der verbundenen Drucksensoren 41 verdeutlicht ist, ist vor¬ zugsweise die Breite bk des Kanales 42 kleiner als der Durchmesser bzw. die kleinste Lateralerstreckung dm des Membran-artigen Gebietes eines jeden Drucksensors 41. Allge¬ mein muß das Verhältnis der Breite bk des Kanales 27, 42 zu der Dicke ds der SchichtStruktur 25, 30 oberhalb des Kanales kleiner sein als das Verhältnis der kleinsten Erstreckung dm des Membran-artigen Gebietes 26, 41 in der Membranebene zu der Dicke dg des Membran-artigen Gebietes 26. Hierdurch wird sichergestellt, daß der Differenzdruck zwischen dem ersten Druck Pl, der von außen auf die Membran 26 einwirkt, zu dem über den Kanal 27 in den Drucksensorhohlraum 24 geführten zweiten Druck P2 lediglich das Membran-artige Gebiet 26 verformt, nicht jedoch eine nennenswerte Verformung der Schichtenstruktur 25, 30 im Bereich des Kanales hervorruft.

Bei der genannten Dimensionierung kann bei ausreichend schmalen Kanälen 27 auf die zusätzliche Verstärkungsschicht 30 verzichtet werden, obgleich diese als vorteilhaft ange¬ sehen wird.

Die zweite Ausführungsform eines Drucksensors, die in Fig. 3b in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 32 bezeichnet ist, stimmt mit Ausnahme der nachfolgend beschriebenen Ab¬ weichungen mit der unter Bezugnahme auf Fig. 3a beschriebe¬ nen ersten Ausfuhrungsform des Drucksensors 20 überein, wo¬ bei gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Teile bezeichnen. In Abweichung zu der ersten Ausführungsform des Drucksensors 20 wird hier auf die Seitenöffnung 29 des Kanales 27 verzichtet, wobei der Kanal 27 auf der dem Druck¬ sensorhohlraum 24 abgewandten Seite durch die erste Poly¬ siliziumschicht 25 sowie die Verstärkungsschicht 30 gegen¬ über dem Substrat 21 verschlossen ist. Das Substrat 21 weist unterhalb des Kanales 27 eine beispielsweise durch aniso¬ tropes Ätzen erzeugte Rückseitenöffnung 33 auf. Die Rücksei¬ tenöffnung erstreckt sich von der Substratrückseite 34 durch das Substrat 21 hindurch derart bis zu der Vorderseite bzw. Oberfläche 28 des Substrates 21, daß der vorderseitige Aus¬ tritt 35 der Rückseitenöffnung 33 außerhalb des Membran¬ artigen Gebietes 26 und lediglich im Bereich des Kanales 27 zu liegen kommt.

Fig. 5 zeigt eine Schnittdarstellung durch eine erste Aus¬ führungsform einer Drucksensoreinheit, die in ihrer Gesamt¬ heit mit dem Bezugszeichen 50 bezeichnet ist und ein Gehäuse 51 sowie die unter Bezugnahme auf Fig. 3a beschriebene erste Ausführungsform des Drucksensors 30 umfaßt. Das Gehäuse 51 hat zwei voneinander beabεtandete Anschlußrohre 52, 53, durch die der erste bzw. zweite Druck Pl, P2 anlegbar sind. Der Drucksensor 30 ist mit der Rückseite des Silizium¬ substrates 21 gegenüber dem Boden 54 des Gehäuses 51 bei¬ spielsweise durch eine Klebung festgelegt. Das Gehäuse ist durch eine Trennwand 55 in zwei Gehäusebereiche 56, 57 für den ersten bzw. zweiten Druck Pl, P2 unterteilt. Die Trenn-

wand verläuft im wesentlichen vertikal zu der Längsrichtung des Kanales 27 und dichtet mit dem Drucksensor 20 im Bereich seiner Verstärkungsschicht 30 ab.

Fig. 6 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Drucksensor¬ einheit, die in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 60 bezeichnet ist. Auch diese weist ein Gehäuse 61 auf, welches zwei Anschlußrohre 62, 63 zur Beaufschlagung mit dem ersten und zweiten Druck Pl, P2 hat. Jedoch sind hier die Anschlu߬ rohre 62, 63 vorzugsweise an gegenüberliegenden Wänden des Gehäuses 61 vorgesehen. Die zweite Ausführungsform des Drucksensors 32, wie sie unter Bezugnahme auf Fig. 3b be¬ schrieben wurde, ist mit ihrer Rückseitenöffnung 33 oberhalb des Anschlußrohres 63 gegenüber der Wandung durch eine Kle¬ bung festgelegt, von der dieses Anschlußrohr 63 ausgeht.

Wie unter Bezugnahme auf Fig. 4 bereits erläutert wurde, kann eine auf einem Wafer ausgebildete Drucksensoreinheit ein Drucksensorfeld 40 sein, welches eine Vielzahl von Drucksensoren 41 umfaßt. Bei kapazitiver Auswertung wird man die einzelnen Elektroden parallel schalten, um durch diese feldartige Anordnung eine erhöhte Empfindlichkeit zu errei¬ chen. Bei einem derartigen Drucksensorfeld werden die ein¬ zelnen Drucksensoren durch Kanäle miteinander verbunden, deren Gestalt dem im einzelnen beschriebenen Kanal 27 weit¬ gehend ähnelt.

Falls eine Erfassung unterschiedlicher Druckbereiche mit einem einzigen Drucksensorfeld erwünscht ist, wird man sich der in Fig. 7 in Draufsichtdarstellung gezeigten Ausfuh¬ rungsform bedienen, die in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugs¬ zeichen 70 bezeichnet ist. Diese Drucksensoranordnung 70 umfaßt drei Drucksensorfelder 71, 72, 73, wobei die Flächen der Membran-artigen Gebiete des Drucksensorfeldes 71 größer sind als diejenigen des Drucksensorfeldes 72, welche wiederum größer sind als diejenigen des Drucksensorfeldes 73. Damit dient das letztgenannte Drucksensorfeld 73 der Er¬ fassung eines hohen Druckbereiches, das zweitgenannte Druck-

sensorfeld 72 der Erfassung eines mittleren Druckbereicb.es, während das erstgenannte Drucksensorfeld 71 für einen niede¬ ren Druckbereich vorgesehen ist.

Fig. 8 zeigt eine weitere Drucksensoranordnung in Drauf¬ sichtdarstellung, die in Ihrer Gesamtheit mit dem Bezugs¬ zeichen 80 bezeichnet ist. Diese Drucksensoranordnung umfaßt sechs Drucksensorfelder 81, 82, 83, 84, 85, 86, welche auf einem einzigen Chip angeordnet sind und jeweils eine Mehr¬ zahl von vorzugsweise vier miteinander über Kanäle verbun¬ denen Drucksensoren 81a, 81b, 81c, 81d umfassen. Jedes der Drucksensorfelder 81, 82, 83, 84, 85, 86 steht mit einem Kanal 87, 88, 89, 90, 91, 92 in Verbindung. Die Kanäle sind an einem Druckerfassungsbereich 93 auf dem Chip auf einen engen Raum zusammengeführt, um hier die Messung einer Druck¬ verteilung P2, ..., P7 mit vergleichsweise hoher räumlicher Auflösung zu ermöglichen.