Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Drucksensorelementen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Drucksensorelemente der unterschiedlichsten Art sind bekannt. Aufgrund ihrer vielfältigen Einεatzmöglich- keiten und ihrer Eignung für einen weiten Druckbe¬ reich von beispielsweise 10 bis 2000 bar haben sich Drucksensorelemente mit einer Metallmembran und einer hierauf angeordneten resistiven Dünnschicht als be¬ sonders geeignet erwiesen. Nachfolgend wird von einer resistiven Dünnschicht gesprochen, wobei klar ist, daß diese aus einer Mehrzahl einzelner Schichten un¬ terschiedlicher Funktion besteht, die gemeinsam die resistive Dünnschicht ergeben. Diese Drucksensorele¬ mente besitzen einen Grundkörper, der eine Meßöffnung aufweist, die von der Metallmembran (Boden der Meß-

Öffnung) überspannt wird. Durch Beaufschlagen der Meßöffnung mit einem zu messenden Druck erfährt die Metallmembran und somit die auf der Metallmembran aufgebrachte resistive Dünnschicht eine Auεlenkung, die über geeignete Auswertemittel detektierbar ist. Bekannt ist, derartige Drucksensorelemente in auf¬ wendiger Einzelfertigung herzustellen. Hierbei werden die Grundkörper der Drucksensorelemente als Drehteile aus Metall gefertigt, diese mit einer Sacköffnung versehen, und anschließend wird die resistive Dunn¬ schicht aufgebracht. Da diese Einzelfertigung sehr aufwendig ist, ist eine Herstellung in großen Stück¬ zahlen nicht möglich.

Um eine effektivere Herstellung der Drucksensorele¬ mente zu ermöglichen, ist bekannt, eine größere Anzahl von Drucksensorelementen, beispielsweise 50 bis 70 Stück, mit der sogenannten Carrier-Technik zu prozessieren. Hierzu werden die zuvor einzeln ge¬ drehten und polierten, die Sackδffnungen aufweisenden Grundkörper in eine Trägerεtruktur, beispielsweise ein Lochblech, eingesetzt und diese gemeinsam nach¬ folgend mit der resistiven Dünnschicht versehen. Hierbei ist jedoch nachteilig, daß durch die Schicht- abscheideprozesse zum Aufbringen der resistiven Dünn¬ schicht gleichzeitig das Trägerelement verschmutzt wird, so daß vor Weiterverwendung des Trägerele enteε dieses einer aufwendigen Reinigung unterzogen werden muß. Darüber hinaus ist nachteilig, daß die Träger¬ elemente mit den Grundkörpern bestückt werden müsεen und anschließend die fertig prozessierten Druck¬ sensorelemente aus dem Trägerelement wieder entnommen

werden müssen. Ein weiterer Nachteil ist, daß für die unterschiedlichen Prozesse, wie zum Beispiel Be¬ schichten und Fotolithographie, auch unterschiedliche Carriersyεteme benötigt werden. Die Genauigkeit der Carrier geht direkt in die geometrische Genauigkeit des Einzelelementes ein.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungεge äße Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, daß sich in einfacher Weise gleichzeitig eine Viel¬ zahl von Drucksenεorele enten herstellen lassen. Da¬ durch, daß gleichzeitig eine Vielzahl von Drucksen¬ sorelementen in einem Nutzen (Mehrfachnutzen) von Grundkörpern hergestellt werden und dieser nach Auf¬ bringen der resistiven Dünnschicht in die Druckεen- sorelemente ergebende Grundkörper vereinzelt wird, ist es vorteilhaft möglich, ohne aufwendige zusätzli¬ che Hilfsmittel die Druckεensorelemente mit hoher Ge¬ nauigkeit herzustellen. Zusätzliche Arbeitsschritte wie das Einbringen in ein Trägerelement und das Ent¬ nehmen hieraus entfallen vollkommen. Darüber hinaus lassen sich die Abscheideprozesse der resistiven Dünnschicht über einen großen Nutzen, der anschlie¬ ßend zu den Drucksensorelementen vereinzelt wird, prozeßtechnisch sehr viel einfacher beherrschen. Die Vereinzelung der fertig prozessierten Drucksenεorele- ente kann mittels hochgenauer Techniken, Vorzugs- weiεe mittelε Laserschneiden, Wasserstrahlεchneiden oder Drahterodieren erfolgen, so daß nach der Verein-

zelung eine weitere Bearbeitung der Drucksenεorele- mente nicht notwendig ist.

Durch Optimierung der Anordnung der Druckεensorele- ente auf dem gemeinsamen Nutzen kann der zur Ver¬ fügung stehende Platz größtmöglichst ausgenutzt wer¬ den, so daß nach Vereinzeln der Drucksensorelemente nur ein minimaler Abfall verbleibt. Insgesamt lassen sich so εehr vorteilhaft in für eine Maεsenfertigung geeigneter Weise Drucksenεorelemente in großer Anzahl mit gleichbleibend hoher Qualität erzeugen.

Vorteilhafte Auεgeεtaltungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merk¬ malen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbei- εpielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher er¬ läutert. Es zeigen:

Figur 1 eine Draufsicht und eine Schnittdarstellung durch ein einzelnes Drucksensorelement;

Figur 2 eine Draufsicht und eine Schnittdarstellung durch einen Nutzen zur erfindungsgemäßen Herstellung der Drucksensorelemente;

Figur 3 eine Draufsicht auf einen Nutzen in einer weiteren Ausführungsvariante und

Figur 4 eine Schnittdarεtellung durch einen Drucksenεor {Drucksensorelement auf Druckanschluß) .

Beschreibung der Ausführungsbeiεpiele

Figur 1 zeigt ein Drucksensorelement 10 in einer Draufsicht und einer Schnittdarstellung. Das Druck- εensorelement 10 beεitzt einen Grundkörper 12, der beispielsweise kreisrund ausgebildet ist. Nach an¬ deren - nicht dargestellten - Au≤führungsbeispielen kann der Grundkörper 12 auch andere geometriεche Formen auf eiεen. Der Grundkörper 12 weiεt eine Meßöffnung 14 auf, die an einer Seite von einer Me߬ membran 16 begrenzt wird, so daß sich eine Sacköff¬ nung ergibt. Die Meßmembran 16 wird von dem Boden der Meßöffnung 14 gebildet, so daß Grundkörper 12 und Meßmembran 16 einstückig ausgebildet sind. Auf der Meßmembran 16 wird eine resistive Dünnschicht in Form einer Wheatstone-Brücke 18 ausgebildet, wobei in der vorliegenden Beschreibung auf die durchzuführenden Schichtabscheideprozeεεe zur Erzielung der resistiven Dünnschicht nicht näher eingegangen werden soll. Die Grundkörper 12 bestehen üblicherweise aus einem hoch¬ festen Edelstahl. Der Aufbau und die Funktionsweise des in Figur 1 gezeigten Drucksensorelementes 10 sind allgemein bekann .

In Figur 4 ist beispielhaft der Einsatz eines Druck¬ sensorelementes 10 verdeutlicht. Dieser wird auf einem Druckanschluß 20 angeordnet, der in einem Ge¬ häuse 22 eine Durchgangsöffnung 24 aufweist, die mit

einem zu messenden Medium, beispielsweise einem gas¬ förmigen oder flüssigen Medium, in Verbindung steht. Die Durchgangsöffnung 24 wird durch das Druckεensor- element 10 verschloεεen, wobei der Grundkörper 12 auf einem Montageflansch 26 des Gehäuses 22 befestigt iεt. Zur Erzielung einer hinreichend festen und sicheren Verbindung kann der Grundkδrper 12 mit dem Flansch 22 verklebt, verschweißt, verlötet usw. sein, wobei εich die Fügetechnik nach den Qualitätsan¬ sprüchen des mit dem Drucksenεor 10 erzielten Me߬ ergebnisses richtet. Im Betrieb wird die Meßöffnung 14 über die Durchgangεöffnung 24 mit einem Druck beziehungεweiεe Unterdruck beaufschlagt, so daß die Meßmembran 16 eine Auslenkung erfährt. Diese Aus¬ lenkung der Meßmembran 16 kann mittels bekannter Ver¬ fahren, beispielεweise resiεtiv, (Wheatstone Brücke) , auεgewertet werden. Die Auslenkung der Meßmembran 16 ist proportional den sich einstellenden Druckverhält¬ nissen in der Meßöffnung 14, so daß auf den an¬ liegenden Druck beziehungsweise Unterdruck geschlos¬ sen werden kann.

Nachfolgend soll auf die erfindungsgemäße Herstellung der Drucksensorelemente 10 eingegangen werden. In Fi¬ gur 3 ist hierzu ein quadratischer Nutzen 28 gezeigt, der eine Kantenlänge a . aufweist. Nach weiteren - nicht dargestellten - Ausführungsbeispielen kann der Nutzen 28 selbstverständlich auch eine andere geo¬ metrische Form, beispielsweise eine rechteckige Form, kreisförmige Form, _ trapezförmige Form usw. besitzen. Im gezeigten Beispiel in Figur 2 iεt die Kantenlänge a größer gewählt als der zehnfache Durchmesser d

eines Drucksensorelementes 10. Hierdurch finden auf dem Nutzen 28 insgesamt 100 Drucksensorelemente 10 Platz. Im Ausgangszustand liegt der Nutzen 28 als ebene Platte 30 aus Edelstahl mit einer Dicke* ε vor. Die Platte 30 besitzt in einem vorgegebenen Raster 32 Sacköffnungen 34 (Meßöffnungen 14), so daß die Platte 30 quasi als einseitigeε Lochblech vorliegt. Das Raster 32 der Sacköffnungen 34 ist so gewählt, daß der Abstand der Mittellinie benachbarter Sacköff¬ nungen 34 geringfügig größer gewählt iεt als der Durchmeεser d der späteren Drucksensorelemente 10.

Auf der den Sacköffnungen 34 abgewandten Seite lie¬ genden Oberfläche 36 der Platte 30 werden nachfolgend die an sich bekannten Prozeßεchritte zur Strukturie¬ rung einer reεiεtiven Dünnεchicht 18 durchgeführt. Hierzu erfolgt gegebenenfallε ein Polieren der Ober¬ fläche 36, das anschließende Abscheiden einer Isola¬ tionsschicht (in Dünnschicht- oder Dickschichttech¬ nik) , das Abscheiden einer reεiεtiven Dünnschicht, beispielsweise Sputtern von Polysilizium oder Metal¬ len, eine photolithographische Strukturierung, ein Abscheiden einer Kontaktschicht, eine eventuelle Strukturierung der Kontaktschicht und das anschlie¬ ßende Aufbringen einer Passivierungsschicht. Das Er¬ zeugen derartiger Schichtεysteme ist allgemein be¬ kannt und soll deshalb nicht detailliert beschrieben werde .

Entscheidend ist, daß erfindungsgemäß vorgesehen ist, daß das Erzeugen des Schichtsyεtems über die gesamte Oberfläche 36 des Nutzens 28 erfolgt. Hierdurch

bieten sich verfahrenstechniεch gegenüber dem Ab¬ scheiden einer resistiven Dünnεchicht 18 auf einem einzelnen Drucksenεorelement 10 erhebliche Vorteile, da vor allem nur eine exakte Justierung pro Nutzen 28, nicht pro Senεorelement 10 wie εonεt, erfolgen muß. Darüber hinauε iεt das Abscheiden der einzelnen Schichten auf einem größeren, durchgehenden Nutzen 28 mit jeweils gleichmäßiger Stärke in einfacher Weise möglich, so daß sich Toleranzunterschiede zwischen den einzelnen Druckεensorelementen 10 reduzieren.

In der in Figur 2 gezeigten Draufsicht ist die Lage der einzelnen Drucksensorelemente 10 jeweils angedeu¬ tet. Entεprechend der gewählten Geometrie der Druck¬ sensorelemente 10, beispielsweise entsprechend des Durchmeεεers d, erfolgt anschließend eine Vereinze¬ lung aus dem Nutzen 28. Hierzu können hochpräzise Schneidtechniken, beispielsweise Laεerεchneiden, Drahterodieren oder Wasserstrahlschneiden, eingesetzt werden.

Insgesamt läßt sich also mittels einfacher Verfah¬ rensschritte gleichzeitig eine Vielzahl von Druck¬ sensorelementen 10 erzeugen, die sich durch hohe Ge¬ nauigkeit und geringe Toleranzunterεchiede auszeich¬ nen. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich in für eine Massenherstellung von beispielsweise mehreren Millionen Stück pro Jahr in einfacher Weise kosten- günεtig realiεieren.

Durch die Vereinzelung deε mit der resiεtiven Dünn¬ εchicht 18 versehenen Nutzens 28 zu den einzelnen

Drucksensorelementen 10 erfolgt keine Verschmutzung von hilfsweiεe vorgeεehenen Trägerelementen, εo daß bei der Herεtellung Hilfεverfahren, wie beispielswei¬ se Bestücken der Trägerelemente, Entnehmen der ferti¬ gen Drucksensorelemente 10, sowie Reinigen der Trä¬ gerelemente vollkommen entfallen. Die nach Vereinze¬ lung der Drucksenεoren 10 verbleibenden Reste des Nutzens 28 können beispielεweiεe geεammelt, recycelt und einer anderen Verwendung zugeführt werden.

Durch Optimierung des Rasters 32, wie dies in Figur 3 gezeigt ist, wobei gleiche Teile wie in Figur 2 mit gleichen Bezugεzeichen versehen und nicht nochmals erläutert sind, läßt sich eine bessere Ausnutzung der Fläche deε Nutzenε 28 erreichen. Hierdurch verbleibt nach dem Vereinzeln der Drucksenεorelemente 10 ein geringerer, nicht für die Herstellung der • Druck¬ sensorelemente 10 verwertbarer Rest deε Nutzenε 28. Gegenüber dem in Figur 2 gezeigten Auεführungεbei- spiel läßt sich bei einem Nutzen 28 mit gleicher Kantenlänge a und Drucksenεorelementen 10 mit gleichen Durchmessern d eine um zirka 5 % höhere Pro¬ duktausbeute aufgrund der höheren Packungsdichte er¬ zielen. Der Nutzen 28 kann sehr vorteilhaft bei- εpielεweiεe mittelε eines Metallspritzgußverfahrenε (metal injection moulding) beziehungsweise eines Sinterverfahrenε hergestellt werden. Hierdurch kann der Nutzen 28 ohne aufwendige Nebenverfahren, wie beispielsweise Zerspanen, hergestellt werden. Darüber hinaus ist mittelε dieser Verfahren eine einfache Formgebung mit hoher Genauigkeit bei gleichzeitig geringem Abfall möglich.

Ein besonders vorteilhaf es Verfahren wird nun anhand der Figuren 5 und 6 erläuter . In der Figur 5 wird eine Rundstahlstange 100 gezeigt, deren Durchmesser im wesentlichen der Größe des benötigten Nutzen entspricht. Wesentlich an der RundstahlStange 100 ist, daß sie bei der Herstellung nur in Längsrichtung gewalzt wurde, wie dies durch den Pfeil 101 angedeutet wird. Ein derartiges Walzen ist zur Formgebung der Rundstahlstange 100 erforderlich und kann weiterhin zur Beeinflussung der Eigenschaf en des Stahlmaterialε verwendet werden. Als Material für die Rundstahls ange 100 wird hier insbesondere an einen Edelstahl mit Federeigenschaften gedacht. Geeignet ist beispielsweise ein hochlegierter Edelstahl X 5 CrNiCuNb 17 4 mit der DIN-Werkstoffnummer 1.4542 oder 1.4548. Derartige Edelεtahlmaterialien haben sich zur Herstellung von Drucksensoren bewährt. Durch Sägen senkrecht zur Längsrichtung der Rundstahlstange 100 werden dann einzelne Stahlsubstrate 103 gefertigt wie dies in der Figur 6 gezeigt wird. Diese Einzelstahlsubstrate weisen beispielsweise eine Dicke von 5mm auf. Zur Erzielung einer hohen Oberflächenqualität werden die einzelnen Edelstahlsubstrate dann geschliffen, geläppt und und poliert. Dabei werden beispielsweise Rauhtiefen von weniger als einem halben μm erreicht. Als Durchmesser für die EdelstahlSubstrate 103 werden zweckmäßigerweise übliche Abmessungen der Halbleitertechnik beispielsweise 4 Zoll oder 6 Zoll gewählt, so daß die Edelstahlsubstrate 103 mit den üblichen Vorrichtungen für die Siliziumwaferbearbeitung ebenfalls bearbeitet werden können. Durch Fräsen, Bohren, Erodieren Ätzen oder andere Bearbeitungsmethoden werden dann auf der Rückseite Sacköffnungen 34 eingebracht wie diese beispielsweise in der Figur 2 im Querschnitt gezeigt wurden. Die weitere Bearbeitung erfolgt dann in üblichen Vorrichtungen zur Halbleiterbearbeitung. Es wird zunächst eine dünne Isolationsschicht, beispielsweise Siliziumoxid,

Siliziumnitrid oder dergleichen aufgebracht. Darauf folgt dann die Abscheidung einer resistiven Dünnschicht beispielsweise Polysilizium oder Metalldünnschichten. Es wird dann eine Fotolackschicht aufgebracht und durch eine Maske hindurch strukturiert. Die so strukturierte Fotolackschicht dient dann als Maske zur Strukturierung der resistiven Dünnschicht. Die Fotolackschicht wird dann entfernt und eine Metallschicht zur Kontaktierung der resistiven Dünnschicht wird aufgebracht. Durch einen weiteren Strukturierungsschritt mittelε einer Fotolackschicht wird dann diese Metallεchicht strukturiert. Anschließend wird noch eine Passivierungsschicht aufgebracht. Wesentlich ist hierbei, daß alle aus der Dünnschichttechnik oder Halbleitertechnik bekannten Vorrichtungen und Verfahren genutzt werden können, die parallel und gleichzeitig bei einer Vielzahl von Drucksensoren angewandt werden. Es können so eine Vielzahl von Drucksensoren parallel gefertigt werden. In einem nachfolgenden Schritt erfolgt dann ein Zerteilen des Sdelstahlεubstratε, um die einzelnen Drucksensoren zu gewinnen, beispielsweise durch Drahterodieren. Dabei können beispielsweise computergesteuerte Drahterodiermaschinen verwendet werden, so daß das Herausteilen der einzelnen Drucksensoren aus dem Nutzen kostengünstig erfolgt.

Der Vorteil derartiger Stahlsubstrate 103, die aus einer Rundstahlstange 100 gewonnen wurde, die nur in Längsrichtung 101 gewalzt wurde, liegt darin, daß derartige Edelstahlsubstrate in sich besonders spannungsarm sind. In der Regel werden nämlich Stahlbleche, die im Handel erhältlich sind, parallel zur Oberfläche gewalzt. Dieses Walzen hinterläßt jedoch innere mechanische Spannungen im Material, welches bei den nachfolgenden

Bearbeitungsschritten zu Verzügen und Verspannungen führt. Die inneren Spannungen in Stahlmembranen, die parallel zur

_O berfläche gewalzt wurden, können dabei so groß sein, daß sie zu einer nennenswerten Verfälschung des Meßsignals eines so gefertigten Drucksensors führen. Dies wird durch die _V erwendung von Stahlsubεtraten 103, die aus einem längsgewalzten Rundstahl 100 gewonnen wurden, vermieden. Derartige Sensoren sind daher qualitativ besonders hochwertig. Neben einem Rundstahl können natürlich auch anderen Formen von längsgewalzten Stahlstangen verwendet werden, z.B. eine rechteckige Stahlstange.