DE102018119943A1

DE102018119943A1 - Drucksensor

Info

Publication number: DE102018119943A1
Application number: DE102018119943.0A
Authority: DE
Inventors: Timo Kober; René Ziermann; Benjamin Lemke
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2018-08-16
Filing date: 2018-08-16
Publication date: 2020-02-20

Abstract

Drucksensor umfassend:der eine unter Einschluss einer ersten Druckkammer (1) auf einem ersten Grundkörper (3) angeordnete elektrische leitfähige Messmembran (5) umfasst, wobei ein der Messmembran (5) zugewandter Oberflächenabschnitt des ersten Grundkörpers (3) beabstandet von der Messmembran angeordnet ist, so dass die Messmembran (5) in Richtung des ersten Grundkörpers (3) auslenkbar ist,wobei sich in dem Bereich des Oberflächenabschnitts zumindest ein wenigstens teilweise mit einem Feststoff gefüllter erster Isolationsgraben (20) in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung zur Messmembran (5) vollständig durch den ersten Grundkörper (3) hindurch erstreckt, der einen als erste Elektrode (11) dienenden im Wesentlichen innenliegenden Teil des ersten Grundkörpers (3) von einem im Wesentlichen äußeren Teil des ersten Grundkörpers (3) elektrisch isoliert, so dass der als erste Elektrode (11) dienende innenliegende Teil und die elektrisch leitfähige Messmembran (5) eine in Abhängigkeit einer druckabhängigen Auslenkung der Messmembran (5) veränderliche erste Kapazität zum Ermitteln einer Druckmessgröße bilden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor
der eine unter Einschluss einer ersten Druckkammer auf einem ersten Grundkörper angeordnete elektrische leitfähige Messmembran umfasst, die in einem Randbereich mit dem ersten Grundkörper druckdicht gefügt ist und deren dem ersten Grundkörper zugewandte Seite über eine durch den ersten Grundkörper hindurch verlaufende, in der ersten Druckkammer mündende Druckzuleitung mit einem ersten Druck beaufschlagbar ist, und deren vom ersten Grundkörper abgewandte Seite mit einem zweiten Druck beaufschlagbar ist,
wobei der Drucksensor ferner derartig ausgebildet ist, dass ein der Messmembran zugewandter Oberflächenabschnitt des ersten Grundkörpers beabstandet von der Messmembran angeordnet ist, so dass die Messmembran in Richtung des ersten Grundkörpers auslenkbar ist,
Derartige Drucksensoren werden in der industriellen Messtechnik zur Messung von Drücken eingesetzt.
Drucksensoren der eingangs genannten Art umfassen als Referenzdrucksensoren und als Differenzdrucksensoren ausgebildete Drucksensoren. Diese Drucksensoren können z.B. als häufig auch als Halbleitersensoren, Sensor-Chips oder MEMS-Sensoren bezeichnete Drucksensoren ausgebildet sein, die unter Verwendung von aus der Halbleitertechnologie bekannten Prozessen hergestellt werden.
MEMS-Sensoren sind Mikro-Elektromechanische Systeme, die zur messtechnischen Erfassung einer Messgröße, z.B. eines Drucks, eines Masse- oder eines Volumendurchflusses, einer Dichte, einer Viskosität, einer Temperatur, eines pH-Werts oder einer elektrischen Leitfähigkeit eingesetzt werden.
MEMS-Sensoren werden regelmäßig aus aufeinander angeordneten Schichten, insb. Siliziumschichten, aufgebaut, und unter Verwendung von in der Halbleitertechnologie üblichen Verfahren, wie z.B. Ätzprozessen, Oxidationsverfahren, Implantationsverfahren, Bondverfahren und/oder Beschichtungsverfahren hergestellt. Dabei werden die einzelnen Schichten, sowie ggfs. zwischen benachbarten Schichten vorgesehene Verbindungsschichten, z.B. Isolationsschichten, entsprechend der ihnen im Sensor zukommenden Funktion präpariert bzw. strukturiert.
Beispielsweise ist in der DE 103 93 943 B3 und der DE 10 2015 103485 A1 jeweils ein kapazitiver Differenzdrucksensor beschrieben, der eine zwischen einem ersten und einem zweiten Grundkörper angeordnete, mit jedem der Grundkörper jeweils unter Einschluss einer Druckkammer druckdicht verbundene Messmembran umfasst. Die Messmembran ist mit der dem ersten Grundkörper zugewandten Seite über eine durch den ersten Grundkörper hindurch verlaufende Druckzuleitung mit einem ersten Druck beaufschlagbar, und mit der dem zweiten Grundkörper zugewandte Seite über eine durch den zweiten Grundkörper hindurch verlaufende Druckzuleitung mit einem zweiten Druck beaufschlagbar.
Die Messmembran ist in Form einer ersten Schicht, insbes. Siliziumschicht, ausgebildet, und zwischen den zwei Grundkörpern angeordnet. Jeder Grundkörper umfasst zwei außenseitig liegende elektrisch leitfähige Schichten, die durch eine innenliegende Isolationsschicht elektrisch voneinander getrennt sind, wobei jeweils eine der beiden elektrisch leitfähigen Schichten der beiden Grundkörper im gefügten Zustand zur Messmembran hin orientiert ist. Die zur Messmembran hin orientierten elektrisch leitfähigen Schichten weisen jeweils eine randseitig umlaufende Ausnehmung auf, die als Isolationsgraben dienen, um einen allseitig außenseitlich umgebenden äußeren Bereich von einem inneren Bereich zu unterteilen. Die inneren Bereiche dienen als Elektroden und sind jeweils durch eine mit dem Isolationsgraben verbundenen weiteren Ausnehmung in der inneren Schicht von der Messmembran beabstandet. Jede Elektrode bildet zusammen mit der als Gegenelektrode dienenden ersten Schicht einen Kondensator mit einer vom auf die Messmembran einwirkenden Druck abhängigen Kapazität.
Derartige Differenzdrucksensor sind regelmäßig thermischen Belastungen aufgrund von Temperaturänderungen ausgesetzt, die zu inneren mechanischen Spannungen führen. Thermisch induzierte mechanische Spannungen treten dabei insbesondere an Stellen bzw. Grenzflächen auf, bei denen unterschiedliche Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufeinandertreffen. Eine solche Grenzfläche stellt bei den in der DE 103 93 943 B3 und der DE 10 2015 103485 A1 beschriebenen kapazitiven Differenzdrucksensoren beispielsweise die Grenzfläche zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht und der Isolationsschicht dar, sodass an dieser Stelle vermehrt Risse auftreten. Zusätzlich kommt bei den dort beschriebenen Drucksensoren hinzu, dass aufgrund der kantigen Formgebung im Bereich der Ausnehmungen besonders hohe mechanische Belastungen auftreten, da sich an harten Kanten sogenannte Kerbspannungen konzentrieren, die das Risiko von an dieser Stelle auftretenden Spannungsrisse oder sogar Spannungsbrüchen deutlcih erhöht.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Drucksensor robusteren sowie einfacher herzustellenden und/oder kostengünstigeren Drucksensor bereitzustellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Drucksensor gemäß Patentanspruch 1.
Der erfindungsgemäße Drucksensor umfasst:

der eine unter Einschluss einer ersten Druckkammer auf einem ersten Grundkörper angeordnete elektrische leitfähige Messmembran umfasst, die in einem Randbereich mit dem ersten Grundkörper druckdicht gefügt ist und deren dem ersten Grundkörper zugewandte Seite über eine durch den ersten Grundkörper hindurch verlaufende, in der ersten Druckkammer mündende Druckzuleitung mit einem ersten Druck beaufschlagbar ist, und deren vom ersten Grundkörper abgewandte Seite mit einem zweiten Druck beaufschlagbar ist,
wobei der Drucksensor ferner derartig ausgebildet ist, dass ein der Messmembran zugewandter Oberflächenabschnitt des ersten Grundkörpers beabstandet von der Messmembran angeordnet ist, so dass die Messmembran in Richtung des ersten Grundkörpers auslenkbar ist,
wobei sich in dem Bereich des Oberflächenabschnitts zumindest ein wenigstens teilweise mit einem Feststoff gefüllter erster Isolationsgraben in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung zur Messmembran vollständig durch den ersten Grundkörper hindurch erstreckt, der einen als erste Elektrode dienenden im Wesentlichen innenliegenden Teil des ersten Grundkörpers von einem im Wesentlichen äußeren Teil des ersten Grundkörpers elektrisch isoliert, so dass der als erste Elektrode dienende innenliegende Teil und die elektrisch leitfähige Messmembran eine in Abhängigkeit einer druckabhängigen Auslenkung der Messmembran veränderliche erste Kapazität zum Ermitteln einer Druckmessgröße bilden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass auf einer dem ersten Grundkörper gegenüberliegenden Seite der Messmembran ein zweiter Grundkörper angeordnet ist, in dem unter der Messmembran eine zweite Druckkammer eingeschlossen ist, die über eine durch den zweiten Grundkörper hindurch verlaufende, in der zweiten Druckkammer mündende Druckzuleitung mit dem zweiten Druck beaufschlagbar ist, wobei der Drucksensor ferner derartig ausgebildet ist, dass ein der Messmembran zugewandter Oberflächenabschnitt des zweiten Grundkörpers beabstandet von der Messmembran angeordnet ist, so dass die Messmembran in Richtung des zweiten Grundkörpers auslenkbar ist, wobei sich in dem Bereich des Oberflächenabschnitts des zweiten Grundkörpers zumindest ein wenigstens teilweise mit einem Feststoff gefüllter zweiter Isolationsgraben in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung zur Messmembran vollständig durch den zweiten Grundkörper hindurch erstreckt, der einen als zweite Elektrode dienenden innenliegenden Teil des zweiten Grundkörpers von einem äußeren Teil des zweiten Grundkörpers elektrisch isoliert, so dass der als zweite Elektrode dienende innenliegende Teil und die elektrisch leitfähige Messmembran eine in Abhängigkeit der druckabhängigen Auslenkung der Messmembran veränderliche zweite Kapazität zum Ermitteln der Druckmessgröße bilden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Feststoff Siliziumoxid und Polysilizium aufweist und vorzugsweise der erste und/oder zweite Isolationsgraben zumindest eine, insbesondere 0,5 - 2 µm dünne Schicht Siliziumoxid aufweist und der erste und/oder zweite Isolationsgraben ferner mit Polysilizium ausgefüllt ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass zur elektrischen Kontaktierung der ersten und/oder zweiten Elektrode zumindest jeweils ein metallischer Elektrodenanschluss auf der von der Messmembran abgewandten Seite des ersten und/oder zweiten Grundkörpers aufgebracht ist, so dass der Elektrodenanschluss bzw. die Elektrodenanschlüsse die erste bzw. zweite Elektrode unmittelbar, d.h. insbesondere ohne weitere Zwischenschichten, elektrisch kontaktieren. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass der Elektrodenanschluss bzw. die Elektrodenanschlüsse auf dem innenliegenden Teil des ersten und/oder zweiten Grundkörpers angeordnet ist und/oder dass der Elektrodenanschluss bzw. die Elektrodenanschlüsse auf einem Steg, der sich von dem innenliegenden Teil des ersten und/oder zweiten Grundkörpers zu einer äußeren Kante des ersten und/oder zweiten Grundkörpers erstreckt und der ferner durch den ersten und/oder zweiten Isolationsgraben von dem äußeren Teil des ersten bzw. zweiten Grundkörpers elektrisch isoliert ist, angeordnet ist, so dass die elektrische Kontaktierung der ersten und/oder zweiten Elektrode im Bereich der äußeren Kante möglich ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass zur elektrischen Kontaktierung der elektrisch leitfähigen Messmembran zumindest ein metallischer Membrananschluss auf von der Messmembran abgewandten Seite des ersten und/oder zweiten Grundkörpers in dem äußeren Teil des ersten und/oder zweiten Grundkörpers aufgebracht ist, wobei der Membrananschluss über eine elektrisch leitende Membranverbindung, welche sich vorzugsweise im Wesentlichen in vertikaler Richtung zur Messmembran vollständig durch den ersten oder zweiten Grundkörper hindurch bis zu der Messmembran erstreckt, mit der Messmembran elektrisch verbunden ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung umfasst ferner eine Guard-Schaltung zum Einstellen und/oder Anlegen jeweils eines vorbestimmten Spannungspotentials an den Feststoff, insbesondere an das Polysilizium des Isolationsgrabens bzw. der Isolationsgräben.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung umfasst zumindest eine in den ersten und/oder zweiten Grundkörper eingebrachte Entspannungskerbe, um interne mechanische Spannungen zu reduzieren. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass die zumindest eine Entspannungskerbe in einem sich zwischen einem Radius der Messmembran und einem Radius des ersten oder des zweiten Isolationsgrabens lateral erstreckenden Bereich in den ersten und/oder zweiten Grundkörper eingebracht ist, wobei die zumindest eine Entspannungskerbe vorzugsweise an den Randbereich angrenzt. Eine hierzu alternative Ausgestaltung sieht vor, dass die eingebrachte Entspannungskerbe durch den ersten und/oder zweiten Isolationsgraben gebildet wird und der erste und/oder zweite Isolationsgraben hierzu nur teilweise mit dem Feststoff befüllt ist.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

1: einen Längsschnitt eines aus dem Stand der Technik bekannten Differenzdrucksensors,
2: einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Differenzdrucksensors, und
3: eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Differenzdrucksensors.

1 zeigt einen Längsschnitt eines aus dem Stand der Technik bekannten Differenzdrucksensors, der eine unter Einschluss einer ersten Druckkammer 1 auf einem ersten Grundkörper 3 angeordnete Messmembran 5 umfasst. Die dem ersten Grundkörper 3 zugewandte Seite der Messmembran 5 ist über eine durch den ersten Grundkörper 3 hindurch verlaufende, in der ersten Druckkammer 1 mündende Druckzuleitung 7 mit einem ersten Druck p1 beaufschlagbar. Zusätzlich umfasst der Differenzdrucksensor einen auf einer dem ersten Grundkörper 3 gegenüberliegenden Seite der Messmembran 5 angeordneten zweiten Grundkörper 3. Im zweiten Grundkörper 3 ist unter der Messmembran 5 eine zweite Druckkammer 1 eingeschlossen, die über eine durch den zweiten Grundkörper 3 hindurch verlaufende, in der zweiten Druckkammer 1 mündende Druckzuleitung 7 mit dem zweiten Druck p2 beaufschlagbar ist.
Der Drucksensor umfasst jeweils einen elektromechanischen Wandler, um die von der Differenz des ersten und des zweiten Drucks p1, p2 abhängige Durchbiegung der Messmembran 5 in eine elektrische Größe zu wandeln. Diese elektrische Größe kann mittels einer an den Wandler anzuschließenden, in 1 nicht dargestellten, Messelektronik messtechnisch erfasst und in ein von dem zu messenden Druck abhängiges elektrisches Signal umgewandelt werden, das dann zur Anzeige gebracht, als Messsignal ausgegeben und/oder für eine weitere Verarbeitung und/oder Auswertung zur Verfügung gestellt werden kann. Für gewöhnlich wird ein kapazitiver Wandler eingesetzt.
Hierfür umfasst der in 1 dargestellte Differenzdrucksensor einen kapazitiven Wandler, der eine im ersten Grundkörper 3 integrierte Elektrode 11 umfasst, die zusammen mit der leitfähigen Messmembran 5 einen Kondensator mit einer von der Durchbiegung der Messmembran 5 abhängigen Kapazität bildet. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann auch der zweite Grundkörper 3 eine im zweiten Grundkörper 3 integrierte Elektrode 11 umfassen, die zusammen mit der leitfähigen Messmembran 5 einen Kondensator mit einer von der Durchbiegung der Messmembran 5 abhängigen Kapazität bildet.
Der erste Druck p1 und der zweite Druck p2 werden jeweils durch ein unter dem jeweiligen Druck stehendes Medium zugeführt. So kann die Druckbeaufschlagung der beiden Druckkammern 1 des Differenzdrucksensors jeweils mittels eines an die jeweilige Druckzuleitung 7 angeschlossenen, mit einer Druck übertragenden Flüssigkeit befüllten Druckmittlers erfolgen.
Bei dem in 1 dargestellten Drucksensor wird der zur gegenseitigen Isolation erforderliche Abstand zwischen der Messmembran 5 und den in den Grundkörpern 3 integrierten Elektroden 11 dadurch erzielt, dass die Elektroden 11 eine geringere Schichtdicke aufweisen als der mit der Messmembran 5 verbundene Randbereich 21. Ergänzend oder alternativ kann der Abstand aber auch dadurch erzielt werden, dass zwischen der Messmembran 5 und dem damit verbundenen Randbereich 21 der jeweiligen membran-zugewandten Schicht 13 jeweils eine, ebenfalls in 1 dargestellte, Isolationsschicht 23 angeordnet ist.
Alternativ können die Grundkörper jeweils einen anderen Schichtaufbau aufweisen, eine oder mehrere anders ausgestaltete Elektroden umfassen und/oder einen auf einem anderen Wandlerprinzip basierenden Wandler umfassen.
Die Grundkörper 3 weisen ferner jeweils eine der Messmembran 5 zugewandte, im Wesentlichen planare Oberfläche 27 auf, deren Abstand zur Messmembran 5 derart bemessen ist, dass sich die Oberfläche 27 in einem Gleichgewichtszustand, bei dem die auf die beiden Seiten der Messmembran einwirkenden Drücke p1, p2 im Wesentlichen gleich groß sind, in einem Gleichgewichtsabstand von der Messmembran 5 befindet, der echt größer als ein maximaler, innerhalb eines für den Drucksensor vorgegebenen Druckmessbereichs auftretender erster Membranhub der Messmembran 5 ist, bei dem die Messmembran 5 in Richtung des ersten Grundkörpers 3 ausgelenkt wird. Der maximale erste Membranhub liegt bei einer Druckbeaufschlagung vor, bei der auf die Messmembran 5 ein einer ersten Messbereichsgrenze des Druckmessbereichs entsprechender Druck einwirkt, durch den die Messmembran 5 in Richtung des ersten Grundkörpers 3 ausgelenkt wird. Mit Membranhub wird vorliegend die axiale Auslenkung der Messmembranmitte aus deren Position im Gleichgewichtszustand entlang einer parallel zur Flächennormale auf die Messmembran durch die Membranmitte hindurch verlaufende Längsachse des Drucksensors bezeichnet.
Der Gleichgewichtsabstand zwischen der Messmembran 5 und der Oberfläche 27 des ersten Grundkörpers 3 und/oder der Gleichgewichtsabstand zwischen der Messmembran 5 und der Oberfläche 27 des zweiten Grundkörpers 3 kann z.B. im Mikrometerbereich liegen, z.B. im Bereich von 0,5 µm bis 4 µm oder im Bereich von 1 µm bis 4 µm.
Die Grundkörper 3 des aus dem Stand der Technik bekannten Differenzdrucksensors sind auf die in 1 dargestellte Weise ausgebildet. Hierbei weisen die Grundkörper 3 jeweils zwei sich im Wesentlichen parallel zur planaren Oberfläche 27 der Grundköper durch diesen erstreckende elektrisch leitfähige Schichten 13, 15 und jeweils eine zwischen den beiden Schichten 13, 15 angeordnete, die beiden Schichten 13, 15 elektrisch gegeneinander isolierende, sich ebenfalls im Wesentlichen parallel zur planaren Oberfläche 27 der Grundköper 3 durch diesen erstreckende, Isolationsschicht 17 auf. Für gewöhnlich werden derartige aufgebaute Grundköper in Form von sogenannten Silicon-on-Insulater-Wafern (SOI-Wafern) bereitgestellt und entsprechend der gewünschten Ausgestaltung mit in der Halbleiter- und/oder Mikrosystemtechnik bekannten Bearbeitungsverfahren prozessiert.
In der membran-zugewandten elektrisch leitfähigen Schicht 13 des ersten und des zweiten Grundkörpers 3 ist jeweils ein durch die jeweilige Schicht 13 hindurch bis zur Isolationsschicht 17 verlaufender ungefüllter Isolationsgraben 19 vorgesehen, der die membran-zugewandte Schicht 13 in einen inneren die Elektrode 11 bildenden Bereich und einen äußeren, den inneren Bereich außenseitlich allseitig umgebenden und von diesem elektrische isolierten, mit der Messmembran 5 verbundenen Randbereich 21 unterteilt.
Zur elektrischen Kontaktierung der innen liegenden Elektroden 11 sind bei den aus dem Stand der Technik bekannten Differenzdrucksensoren die ersten Grundkörper mit einer Kontaktierungsleitung 43 versehen. Die Kontaktierungsleitungen 43 sind für gewöhnlich durch eine strukturierte Metallschicht mittels eines in der Halbleiter- und/oder Mikrosystemtechnik bekannten Sputterverfahrens auf eine Oberfläche der Grundkörper aufgebracht bzw. abgeschieden. Zur elektrischen Kontaktierung der innen liegenden Elektroden weisen diese jeweils eine an einem zur Druckleitung zugewandten Randbereich freigelegte Kontaktfläche auf, die jeweils durch die durch die membran-abgewandte Schicht 15 und die daran angrenzende Isolationsschicht 17 hindurch verlaufende Kontaktierungsleitung elektrisch verbunden sind. In 1 sind die Kontaktierungsleitungen lediglich exemplarisch von der innen liegenden Elektrode nach außen geführt, ohne dass die Kontaktierungsleitungen zu speziellen, insbesondere an einer Seitenfläche des Differenzdrucksensors befindlichem Kontaktierungsflächen bzw. Bondstellen geführt sind. Nachteilig an der aus dem Stand der Technik bekannten elektrischen Kontaktierung der innen liegenden Elektroden ist, dass aufgrund der Öffnungen der Druckzuleitungen 7 durch das Sputterverfahren das Metall auch teilweise auf der Messmembran abgeschieden wird. Ferner benötigt eine derartige elektrische Kontaktierung ein aufwendiges 3D Lithographie Verfahren, in dem die inneren Ränder der innen liegenden Elektroden 11, die die die Kontaktierungsleitung mit der Elektrode verbinden, freigelegt werden.
2 zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Aufbau eines kapazitiven Differenzdrucksensors, der ebenfalls eine unter Einschluss einer ersten Druckkammer 1 auf einem ersten Grundkörper 3 angeordnete Messmembran 5 und einen auf einer dem ersten Grundkörper 3 gegenüberliegenden Seite der Messmembran 5 angeordneten zweiten Grundkörper 3 umfasst. Die dem ersten Grundkörper 3 zugewandte Seite der Messmembran 5 ist ebenfalls über eine durch den ersten Grundkörper 3 hindurch verlaufende, in der ersten Druckkammer 1 mündenden Druckzuleitung 7 mit einem ersten Druck p1 und die dem zweiten Grundkörper 3 zugewandte Seite der Messmembran 5 über eine durch den zweiten Grundkörper 3 hindurch verlaufende, in der zweiten Druckkammer 1 mündenden Druckzuleitung 7 mit einem zweiten Druck p2 beaufschlagbar.
Die Messmembran 5 ist ebenfalls in Form einer elektrisch leitfähigen Schicht ausgebildet, die bspw. ein Halbleitermaterial, insbesondere ein Silizium aufweist. Vorzugsweise ist die Messmembran 5 aus einem Silizium-Wafer hergestellt, der auf eine, einen gewünschten Druckmessbereich notwendige Dicke präpariert, insbesondere gedünnt wird. Die Messmembran 5 kann in Abhängigkeit von dem Druckmessbereich vorgegebene Membranstärke von beispielsweise 5 µm bis 500 µm und/oder eine durch den darauf einwirkenden Druck auslenkbare, z.B. kreisscheibenförmige, rechteckförmige oder quadratische, Membranfläche von 0,1 mm2 bis 20 mm2 aufweisen. Dabei können die auslenkbaren Membranflächen von unterschiedlichen Drucksensoren verschieden groß sein. So können derartige kapazitive Differenzdrucksensoren z.B. eine auslenkbare Membranfläche von größer gleich 1 mm2, z.B. von 1 mm2 bis 10 mm2, aufweisen.
Die Druckzuleitungen 7 weisen eine Querschnittsfläche auf, die z.B. kreisförmig, rechteckig oder quadratisch sein kann und/oder z.B. eine Größe von 100 µm2 bis 250000 µm2 aufweist. Diese vergleichsweise großen Querschnittsflächen bieten den Vorteil, dass die Druckzuleitungen 7 einen entsprechend geringen Strömungswiderstand aufweisen, so dass das zur Druckbeaufschlagung der Messmembran 5 verwendete Medium, insb. bei zeitlich sehr schnell erfolgenden Änderungen des zu messenden Drucks, praktisch ungehindert durch die Druckzuleitungen 7 hindurch strömen kann.
Zur Ermittlung einer Druckdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Druck p1 und p2 weist der Differenzdrucksensor ebenfalls einen kapazitiven Wandler auf, der zumindest einen Kondensator, bestehend aus der elektrisch leitfähigen Messmembran 5 und wenigstens einer Elektrode 11 einer der beiden Grundkörper 3, umfasst. Ergänzend kann der kapazitive Wandler, wie in 2 dargestellt, einen zweiten Kondensator aufweisen, der aus der elektrisch leitfähigen Messmembran 5 und einer weiteren Elektrode 11 des anderen Grundkörpers 3 gebildet wird.
Im Gegensatz zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Differenzdrucksensor wird die aus dem Grundkörper herauspräparierte Elektrode bzw. die Elektroden allerdings nicht durch eine sich im Wesentlichen parallel zu einer planaren Oberfläche des Grundkörpers verlaufende, durch den Grundkörper hindurch erstreckende Isolationsschicht und zusätzlich einem sich im Wesentlichen dazu vertikal erstreckenden ungefüllten Isolationsgraben begrenzt. Vielmehr ist die Elektrode bzw. sind die Elektroden erfindungsgemäß derartig ausgebildet, dass ein umlaufender sich im Wesentlichen vertikal durch den Grundkörper erstreckender mit einem Feststoff als Isolationsmaterial befüllter Isolationsgraben einen inneren Bereich, der die innere Elektrode umfasst, von einem äußeren Bereich, trennt. Der Isolationsgraben ist im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Drucksensoren zumindest teilweise mit einem Feststoff als Isolationsmaterial gefüllt. Der Feststoff kann beispielweise eine Siliziumoxidschicht und Polysilizium aufweisen. Hierbei kleidet die Siliziumoxidschicht den Isolationsgraben aus und der restliche Bereich ist zumindest teilweise mit Polysilizium aufgefüllt.
Die Grundkörper 3 sind vorzugsweise aus einer einzigen Halbleiterschicht, bspw. einer Siliziumschicht, ausgebildet. Als Grundköper 3 kann hierbei beispielsweise ein einfacher Silizium-Wafer dienen, in den entsprechende Isolationsgräben eingebracht sind bzw. werden.
Der zur gegenseitigen Isolation erforderliche Abstand zwischen der Messmembran 5 und den in den Grundkörpern 3 kann wie bei den aus dem Stand der Technik bekannten Drucksensoren entweder dadurch erzielt werden, dass die Elektroden 11 eine geringere Schichtdicke aufweisen als der mit der Messmembran 5 verbundene Randbereich 21. Ergänzend oder alternativ kann, wie in 2 dargestellt, zwischen der Messmembran 5 und dem damit verbundenen Randbereich 21 der jeweiligen membran-zugewandten Schicht 13 jeweils eine, vorzugsweise ein Siliziumoxid aufweisende Isolationsschicht 23 angeordnet sein.
Aufgrund des in 2 dargestellten erfindungsgemäßen Aufbaus des Drucksensors ist es ferner möglich, dass der befüllte Isolationsgraben derartig bemessen ist, dass sein Radius r_Iso unabhängig von dem Radius der Messmembran r_Mess variiert werden kann. Insbesondere kann der Radius des Isolationsgrabens, wie in 3 dargestellt, echt kleiner sein als der Radius der Messmembran r_Mess . Dies bietet den Vorteil, dass der befüllte Isolationsgraben an einer Stelle platziert werden kann, die hinsichtlich mechanischer Belastung nicht kritisch ist. Somit kann die Stelle der höchsten Belastung direkt an der Kante am Membranrand bspw. stabiles, monokristallines Silizium aufweisen, um hohe Stabilität zu gewährleisten, und der befüllte Isolationsgraben nach Innen versetzt angeordnet sein.
Ergänzend dazu kann in dem Bereich der sich lateral zwischen dem Radius der Messmembran r_Mess und dem Radius der Isolationsgraben r_Iso erstreckt und vorzugsweise an den Randbereich 21 angrenzt, eine Entspannungskerbe 24 in dem Grundkörper am Übergang zur Isolationsschicht 23 vorgesehen sein, um die internen mechanischen Spannungen weiter zu reduzieren. Es versteht sich von selbst, dass die oder der Grundkörper an jedem Übergang zu der Isolationsschicht 23 jeweils eine Entspannungskerbe aufweisen können.
Hinsichtlich der elektrischen Kontaktierung der innen liegenden Elektroden bedarf es bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Drucksensoren auch nicht mehr einem aufwendigen 3D Lithographie Verfahren, sondern lediglich der Abscheidung eines, bspw. metallischen Elektrodenanschlusses 43 auf der Oberfläche der Elektrode 11. Die Elektrode kann hierfür, wie in 3 dargestellt, mit einem Steg 26, der ebenfalls durch den befüllten Isolationsgraben 23 von dem nicht Elektrodenbereich isoliert ist, zur elektrischen Kontaktierung nach außen, d.h. zum Randbereich des Drucksensors, geführt sein. Zur elektrischen Kontaktierung der Messmembran 5 kann ein Membrananschluss 42 auf einer der der Messmembran abgewandten Oberfläche der beiden Grundkörper 3 vorgesehen sein. Vorzugsweise ist der Membrananschluss in dem Randbereich 21, in dem der Grundkörper mit der Messmembran 5 gefügt ist, angeordnet und mittels einer elektrisch leitenden Membranverbindung 41 durch den Grundkörper und ggfl. die Isolationsschicht hindurch zur Messmembran 5 hin kontaktiert. Alternativ kann die Messmembran 5 auch über einen seitlichen Membranschluss elektrisch kontaktiert werden.
Ferner kann der Feststoff mit dem der Isolationsgraben befüllt ist auf ein vorbestimmtes Potential gelegt werden. Hierfür kann eine entsprechende Guard-Schaltung 22 zum Einstellen und/oder Anlegen des Potentials an den Feststoff des Isolationsgrabens vorgesehen sein, wobei die Guard-Schaltung 22 mit dem Feststoff, insbesondere der Polysiliziumschicht durch eine elektrisch leitende Verbindung 25, bspw. eine strukturierte Metallisierungsschicht, entsprechend elektrisch kontaktiert ist. Um parasitäre Kapazitätseffekte zu vermeiden, kann das Potential aktiv dem Potential der Elektrode durch die Guard-Schaltung nachgeführt werden, so dass im Wesentlichen kein Spannungsabfall zwischen Elektrode und Isolationsgraben existiert.
Bezugszeichenliste

1: Druckkammer
3: Grundkörper
5: Messmembran
7: Druckzuleitung
9: Sensorelement
11: Elektrode
13: membran-zugewandte Schicht
15: membran-abgewandte Schicht
17: Isolationsschicht
19: Ungefüllter Isolationsgraben
20: mit Feststoff befüllter Isolationsgraben
21: Randbereich, in dem der Grundkörper mit der Messmembran gefügt ist
22: Guard-Schaltung
23: Isolationsschicht
24: Entspannungskerbe
25: elektrisch leitende Verbindung
26: Steg zur elektrische Kontaktierung der Messmembran
27: Oberfläche
41: elektrisch leitende Membranverbindung
42: Membrananschluss
43: Elektrodenanschluss
r_Mess: Radius Messmembran
r_Iso: Radius Isolationsgraben

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10393943 B3 [0006, 0008]
DE 102015103485 A1 [0006, 0008]

Claims

Drucksensor umfassend: der eine unter Einschluss einer ersten Druckkammer (1) auf einem ersten Grundkörper (3) angeordnete elektrische leitfähige Messmembran (5) umfasst, die in einem Randbereich (21) mit dem ersten Grundkörper druckdicht gefügt ist und deren dem ersten Grundkörper (3) zugewandte Seite über eine durch den ersten Grundkörper (3) hindurch verlaufende, in der ersten Druckkammer (1) mündende Druckzuleitung (7) mit einem ersten Druck (p1) beaufschlagbar ist, und deren vom ersten Grundkörper (3) abgewandte Seite mit einem zweiten Druck (p2) beaufschlagbar ist, wobei der Drucksensor ferner derartig ausgebildet ist, dass ein der Messmembran (5) zugewandter Oberflächenabschnitt des ersten Grundkörpers (3) beabstandet von der Messmembran angeordnet ist, so dass die Messmembran (5) in Richtung des ersten Grundkörpers (3) auslenkbar ist, wobei sich in dem Bereich des Oberflächenabschnitts zumindest ein wenigstens teilweise mit einem Feststoff gefüllter erster Isolationsgraben (20) in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung zur Messmembran (5) vollständig durch den ersten Grundkörper (3) hindurch erstreckt, der einen als erste Elektrode (11) dienenden im Wesentlichen innenliegenden Teil des ersten Grundkörpers (3) von einem im Wesentlichen äußeren Teil des ersten Grundkörpers (3) elektrisch isoliert, so dass der als erste Elektrode (11) dienende innenliegende Teil und die elektrisch leitfähige Messmembran (5) eine in Abhängigkeit einer druckabhängigen Auslenkung der Messmembran (5) veränderliche erste Kapazität zum Ermitteln einer Druckmessgröße bilden.
Drucksensor nach Anspruch 1, wobei auf einer dem ersten Grundkörper (3) gegenüberliegenden Seite der Messmembran (5) ein zweiter Grundkörper (3) angeordnet ist, in dem unter der Messmembran (5) eine zweite Druckkammer (1) eingeschlossen ist, die über eine durch den zweiten Grundkörper (3) hindurch verlaufende, in der zweiten Druckkammer (1) mündende Druckzuleitung (7) mit dem zweiten Druck (p2) beaufschlagbar ist, wobei der Drucksensor ferner derartig ausgebildet ist, dass ein der Messmembran zugewandter Oberflächenabschnitt des zweiten Grundkörpers (3) beabstandet von der Messmembran angeordnet ist, so dass die Messmembran in Richtung des zweiten Grundkörpers auslenkbar ist, wobei sich in dem Bereich des Oberflächenabschnitts des zweiten Grundkörpers (3) zumindest ein wenigstens teilweise mit einem Feststoff gefüllter zweiter Isolationsgraben (20) in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung zur Messmembran (5) vollständig durch den zweiten Grundkörper (3) hindurch erstreckt, der einen als zweite Elektrode (11) dienenden innenliegenden Teil des zweiten Grundkörpers (3) von einem äußeren Teil des zweiten Grundkörpers (3) elektrisch isoliert, so dass der als zweite Elektrode (11) dienende innenliegende Teil und die elektrisch leitfähige Messmembran (5) eine in Abhängigkeit der druckabhängigen Auslenkung der Messmembran veränderliche zweite Kapazität zum Ermitteln der Druckmessgröße bilden.
Drucksensor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Feststoff Siliziumoxid und Polysilizium aufweist und vorzugsweise der erste und/oder zweite Isolationsgraben zumindest eine, insbesondere 0,5 - 2 µm dünne Siliziumoxidschicht aufweist und der erste und/oder zweite Isolationsgraben ferner mit Polysilizium ausgefüllt ist.
Drucksensor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur elektrischen Kontaktierung der ersten und/oder zweiten Elektrode (11) zumindest jeweils ein metallischer Elektrodenanschluss (43) auf von der Messmembran (5) abgewandten Seite des ersten und/oder zweiten Grundkörpers (3) aufgebracht ist, so dass der Elektrodenanschluss bzw. die Elektrodenanschlüsse die erste bzw. zweite Elektrode unmittelbar, d.h. insbesondere ohne weitere Zwischenschichten, elektrisch kontaktieren.
Drucksensor nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Elektrodenanschluss bzw. die Elektrodenanschlüsse (43) auf dem innenliegenden Teil des ersten und/oder zweiten Grundkörpers (3) angeordnet ist.
Drucksensor nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Elektrodenanschluss bzw. die Elektrodenanschlüsse (43) auf einem Steg (26), der sich von dem innenliegenden Teil des ersten und/oder zweiten Grundkörpers zu einer äußeren Kante des ersten und/oder zweiten Grundkörpers (3) erstreckt und der ferner durch den ersten und/oder zweiten Isolationsgraben (20) von dem äußeren Teil des ersten bzw. zweiten Grundkörpers (3) elektrisch isoliert ist, angeordnet ist, so dass die elektrische Kontaktierung der ersten und/oder zweiten Elektrode (11) im Bereich der äußeren Kante möglich ist.
Drucksensor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur elektrischen Kontaktierung der elektrisch leitfähigen Messmembran (5) zumindest ein metallischer Membrananschluss (43) auf von der Messmembran (5) abgewandten Seite des ersten und/oder zweiten Grundkörpers (3) in dem äußeren Teil des ersten und/oder zweiten Grundkörpers aufgebracht ist, wobei der Membrananschluss (43) über eine elektrisch leitende Membranverbindung (41), welche sich vorzugsweise im Wesentlichen in vertikaler Richtung zur Messmembran (5) vollständig durch den ersten oder zweiten Grundkörper (3) hindurch bis zu der Messmembran (5) erstreckt, mit der Messmembran elektrisch verbunden ist.
Drucksensor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Guard-Schaltung (22) zum Einstellen und/oder Anlegen jeweils eines vorbestimmten Spannungspotentials an den Feststoff, insbesondere an das Polysilizium des Isolationsgrabens bzw. der Isolationsgräben.
Drucksensor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend zumindest eine in den ersten und/oder zweiten Grundkörper (3) eingebrachte Entspannungskerbe (24), um interne mechanische Spannungen zu reduzieren.
Drucksensor nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die zumindest eine Entspannungskerbe (24) in einem sich zwischen einem Radius der Messmembran (r_Mess) und einem Radius des ersten oder des zweiten Isolationsgrabens (riso) lateral erstreckenden Bereich in den ersten und/oder zweiten Grundkörper (3) eingebracht ist, wobei die zumindest eine Entspannungskerbe (24) vorzugsweise an den Randbereich (21) angrenzt.
Drucksensor nach Anspruch 9, wobei die eingebrachte Entspannungskerbe (24) durch den ersten und/oder zweiten Isolationsgraben gebildet wird und der erste und/oder zweite Isolationsgraben (20) hierzu nur teilweise mit dem Feststoff befüllt ist.