DE102018121294A1

DE102018121294A1 - Method for producing a sensor element with several functional layers for a pressure sensor, sensor element and sensor

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Publication number: DE102018121294A1
Application number: DE102018121294.1A
Authority: DE
Inventors: Achim Pahlke; Armin Siber; David Bischof; Martin Gutsche; Valentin Strässle
Original assignee: TRAFAG AG
Current assignee: TRAFAG AG
Priority date: 2018-08-31
Filing date: 2018-08-31
Publication date: 2020-03-05

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements mit mehreren Funktionsschichten für einen Drucksensor, umfasst die Schritte: 1. Bereitstellen eines verformbaren Bauteils (4); 2. Aufbringen von mehreren Funktionsschichten (3a, 3b) mit definierten spezifischen Eigenschaften auf das Bauteil (4) zur Bildung eines vollständigen Schichtstapelaufbaus; 3.Selektives Strukturieren des Schichtstapelaufbaus mittels Laserstrukturierung, um aus dem Schichtstapelaufbau selektiv strukturierte Funktionsschichten (3a, 3b) mit spezifischen Eigenschaften zu erstellen. Das Strukturieren des Schichtstapelaufbaus erfolgt, nachdem die Bildung des Schichtstapelaufbaus abgeschlossen ist. Um die spezifischen Eigenschaften der Funktionsschichten (3a, 3b) einzustellen, werden diese Höhen-selektiv abgetragen.A method for producing a sensor element with a plurality of functional layers for a pressure sensor comprises the steps: 1. providing a deformable component (4); 2. Application of several functional layers (3a, 3b) with defined specific properties on the component (4) to form a complete layer stack structure; 3.Selective structuring of the layer stack construction by means of laser structuring in order to create selectively structured functional layers (3a, 3b) with specific properties from the layer stack construction. The structuring of the layer stack structure takes place after the formation of the layer stack structure has been completed. In order to set the specific properties of the functional layers (3a, 3b), these are removed selectively.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements mit mehreren Funktionsschichten für einen Drucksensor. Weiterhin betrifft die Erfindung ein durch ein solches Verfahren hergestelltes Sensorelement sowie einen damit versehenen Sensor.The invention relates to a method for producing a sensor element with a plurality of functional layers for a pressure sensor. Furthermore, the invention relates to a sensor element produced by such a method and to a sensor provided therewith.

Unter Sensorelement ist insbesondere auch eine Sensorzelle zu verstehen.Sensor element is also to be understood in particular as a sensor cell.

Insbesondere zur Druckmessung werden im Stand der Technik oftmals Sensoren verwendet, die ein verformbares Bauteil bzw. eine verformbare Membran aufweisen, welche an ihrer Oberfläche mit Dehnungsmessstreifen versehen ist. Die Dehnungsmessstreifen werden durch mindestens eine strukturierte Funktionsschicht gebildet, die zumeist über Dünn- oder Dickschichttechnologie auf einem mit einer Isolationsschicht versehenen dehnbaren Substrat aus Silizium, Keramik oder Metall aufgebracht wird. Im Betrieb verursacht ein unter Druck stehendes Medium eine Auslenkung der Membran und damit eine Dehnung der Membranoberfläche mit der darauf befindlichen Funktionsschicht, wodurch ein entsprechendes Sensorsignal erzeugt wird. Meist sind die Dehnungsmesstreifen mäanderförmig auf der Membranoberfläche ausgebildet. Beispielsweise werden vier derartige Widerstände als Flächenwiderstand strukturiert und gemäß einer Messbrücke, insbesondere einer Wheatstone'schen Brückenschaltung, ausgelegt.In particular, sensors are often used in the prior art for pressure measurement which have a deformable component or a deformable membrane which is provided on its surface with strain gauges. The strain gauges are formed by at least one structured functional layer, which is usually applied to thin or thick-layer technology on an expandable substrate made of silicon, ceramic or metal provided with an insulation layer. During operation, a medium under pressure causes a deflection of the membrane and thus an expansion of the membrane surface with the functional layer thereon, as a result of which a corresponding sensor signal is generated. The strain gauges are usually meandering on the membrane surface. For example, four such resistors are structured as a sheet resistance and designed according to a measuring bridge, in particular a Wheatstone bridge circuit.

Die Formänderungen des Trägers bzw. der Membran werden auf den darauf angeordneten Dehnungsmessstreifen übertragen, der hierdurch eine Dehung/Stauchung erfährt. Dadurch tritt im Dehnungsmessstreifen eine Widerstandsänderung ein. Die Proportionalität der der Widerstandsänderung zur Dehnung wird durch den sogenannten „k-Faktor“ bestimmt. Beispielsweise hat NiCr einen k-Faktor von 2 und meist Einzelwiderstände zwischen 4 und 7 kOhm.The changes in shape of the carrier or the membrane are transferred to the strain gauges arranged thereon, which thereby undergoes an expansion / compression. This causes a change in resistance in the strain gauge. The proportionality of the change in resistance to elongation is determined by the so-called “k factor”. For example, NiCr has a k-factor of 2 and mostly individual resistances between 4 and 7 kOhm.

Im Stand der Technik ist unter anderem eine sequentielle Beschichtung von Funktionsschichten zu einem Schichtstapel für Sensorelemente bekannt. Hierbei schließt sich ein Strukturierungsprozess zur Ausbildung der gewünschten Geometrie mittels lithografischer Prozesse unmittelbar an die Beschichtung der jeweiligen Funktionsschicht des Schichtstapels an. Das heißt, dass sich für jede Funktionsschicht ein separater Strukturierungsprozess anschließt.A sequential coating of functional layers to form a layer stack for sensor elements is known in the prior art. Here, a structuring process for forming the desired geometry by means of lithographic processes directly follows the coating of the respective functional layer of the layer stack. This means that a separate structuring process follows for each functional layer.

Bei nasschemischen Strukturierungsprozessen besteht unter anderem das Problem, dass diese eine Vielzahl von sehr teuren und aufwendigen Prozessschritten erfordern, wie beispielsweise Belacken, Trocknen, Belichten, Entwickeln des Photoresist, Ätzen der Struktur und Entfernen des Resists. Um die Nachteile derartiger Strukturierungsprozesse zu vermeiden, ist es allgemein bekannt, die Strukturierung mit einem Laser zu erzeugen.One problem with wet chemical structuring processes is that they require a large number of very expensive and complex process steps, such as, for example, coating, drying, exposing, developing the photoresist, etching the structure and removing the resist. In order to avoid the disadvantages of such structuring processes, it is generally known to generate the structuring with a laser.

Die Druckschrift DE 10 2012 017 483 A1 beschreibt ein Verfahren zur Laserstrukturierung von dünnen Schichtsystemen, die mehrere Schichten aufweisen. Dabei wird das Schichtsystem mit einem gepulsten Laserstrahl mit einstellbaren Pulsdauern bearbeitet, wobei eine erste Schicht, ohne selbst zu schmelzen, von einer zweiten Schicht ablatiert wird. Diese Strukturierung ist jedoch ein auf Interferenz basierendes Verfahren mit den damit verbundenen Nachteilen, wie sie zum Beispiel in der Druckschrift DE 10 2016 108 985 A1 genannt sind.The publication DE 10 2012 017 483 A1 describes a method for laser structuring thin layer systems that have multiple layers. The layer system is processed with a pulsed laser beam with adjustable pulse durations, a first layer being ablated from a second layer without melting itself. However, this structuring is an interference-based method with the associated disadvantages, as described, for example, in the publication DE 10 2016 108 985 A1 are mentioned.

Die Druckschrift DE 10 2016 108 985 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements mittels Laserstrukturierung. Dabei werden Dehnungsmessstreifen als mäanderförmige Struktur mittels flächigem Abtragen der Sensorfunktionsschicht erzeugt. Bei dem Verfahren wird eine Sensorfunktions- und Kontaktschicht auf eine Membran aufgebracht und anschließend mit einem gepulsten Laserstrahl flächig abgetragen, um die Strukturierung zu erzeugen und dabei mäanderförmige Leitungsbahnen bzw. Widerstände zu schaffen.The publication DE 10 2016 108 985 A1 describes a method for producing a sensor element by means of laser structuring. Strain gauges are created as a meandering structure by removing the sensor functional layer. In the method, a sensor function and contact layer is applied to a membrane and then removed with a pulsed laser beam, in order to generate the structuring and thereby create meandering conductor tracks or resistors.

Bei den bekannten Sensorelementen zur Druckmessung besteht häufig das weitere Problem, dass Temperaturänderungen die Messergebnisse beeinflussen.The known sensor elements for pressure measurement often have the further problem that temperature changes influence the measurement results.

Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements für einen Drucksensor bereitzustellen, welches ohne jegliche lithografische Prozesse eine schnelle und kostengünstige Fertigung von Sensorelementen ermöglicht. Weiterhin soll es mit dem Verfahren möglich sein, Sensorelemente mit Temperaturkompensation herzustellen.The object of the invention is to provide a method for producing a sensor element for a pressure sensor, which method enables rapid and cost-effective production of sensor elements without any lithographic processes. Furthermore, the method should make it possible to produce sensor elements with temperature compensation.

Zum Lösen dieser Aufgabe schafft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements mit mehreren Funktionsschichten für einen Drucksensor, umfassend folgende Schritte:

(a) Bereitstellen eines verformbaren Bauteils;
(b) Aufbringen von mehreren Funktionsschichten mit definierten spezifischen Eigenschaften auf das Bauteil, zur Bildung eines vollständigen Schichtstapelaufbaus;
(c) Selektives Strukturieren des in Schritt (b) gebildeten Schichtstapelaufbaus mittels Laserstrukturierung, um aus dem Schichtstapelaufbau selektiv strukturierte Funktionsschichten mit spezifischen Eigenschaften zu erstellen.

To achieve this object, the invention provides a method for producing a sensor element with a plurality of functional layers for a pressure sensor, comprising the following steps:

(a) providing a deformable component;
(b) applying a plurality of functional layers with defined specific properties to the component to form a complete layer stack structure;
(c) Selective structuring of the layer stack structure formed in step (b) by means of laser structuring, in order to create selectively structured functional layers with specific properties from the layer stack structure.

Dadurch wird ohne jegliche lithografische Prozesse eine schnelle und kostengünstige Fertigung von Sensorelementen ermöglicht. Weiterhin können aus dem Schichtpaket spezifische Eigenschaften für dehnungsabhängige und temperaturabhängige Schichten erstellt werden. Durch die verschiedenen Funktionsschichten mit ihren jeweiligen Eigenschaften können insbesondere Sensorelemente mit Temperaturkompensation hergestellt werden. This enables fast and inexpensive production of sensor elements without any lithographic processes. Furthermore, specific properties for strain-dependent and temperature-dependent layers can be created from the layer package. Due to the different functional layers with their respective properties, sensor elements with temperature compensation can be produced in particular.

Es wird die Möglichkeit geschaffen, mit einem entsprechend hergestellten, temperaturabhängigen Widerstand eine Temperaturkompensation durchzuführen. The possibility is created to carry out temperature compensation with a suitably produced, temperature-dependent resistor.

Mit dem Herstellungsverfahren und dem so erzeugten Schichtstapelaufbau ist es insbesondere möglich, nach komplettem Schichtstapelaufbau ohne jegliche lithografische Prozesse mittels Laserstrukturierung definierte Funktionsschichten aus dem Schichtstapel zu erstellen.With the production method and the layer stack construction generated in this way, it is possible, in particular, to create defined functional layers from the layer stack after laser layer structuring without any lithographic processes.

Aufwendige separate Strukturierungsprozesse für einzelne Funktionsschichten werden vermieden. Die eingesparten sequentiellen Abscheide- und Strukturierungsprozesse ermöglichen eine schnellere und kostengünstigere Fertigung der Sensorelemente, sowie eine höhere Flexibilität durch Einsparung der ansonsten erforderlichen Masken für Lithografie.Elaborate separate structuring processes for individual functional layers are avoided. The saved sequential deposition and structuring processes enable faster and cheaper production of the sensor elements, as well as greater flexibility by saving on the masks for lithography that would otherwise be required.

Vorzugsweise erfolgt das Strukturieren des Schichtstapelaufbaus nachdem die Bildung des Schichtstapelaufbaus abgeschlossen ist.The structuring of the layer stack structure is preferably carried out after the formation of the layer stack structure has been completed.

Es ist bevorzugt, dass in Schritt (c) ein Höhen-selektives Abtragen der Funktionsschichten erfolgt, um deren spezifische Eigenschaften einzustellen. Das heißt, das Schichtpaket kann durch selektives topografische Abtragen mittels eines Lasers in der Art gestaltet werden, dass durch Teilabtrag der Funktionsschichten deren spezifische Eigenschaften, vorzugsweise der Temperaturkoeffizient des Widerstands, eingestellt werden können. Somit ist es möglich, aus dem Schichtpaket spezifische Eigenschaften für dehnungsabhängige und temperaturabhängige Schichten zu erstellen.It is preferred that in step ( c ) the functional layers are removed selectively in order to adjust their specific properties. This means that the layer package can be designed by selective topographic ablation using a laser in such a way that the specific properties, preferably the temperature coefficient of the resistance, of the functional layers can be adjusted by partial ablation. It is thus possible to use the layer package to create specific properties for stretch-dependent and temperature-dependent layers.

Vorzugsweise erfolgt das Abtragen der Funktionsschichten durch Energiemodulation eines zum Laserstrukturieren verwendeten Lasers.The functional layers are preferably removed by energy modulation of a laser used for laser structuring.

Vorteilhaft weisen die Funktionsschichten unterschiedliche spezifische Eigenschaften und/oder unterschiedliche Zusammensetzungen auf.The functional layers advantageously have different specific properties and / or different compositions.

Es ist bevorzugt, dass die Funktionsschichten unterschiedliche Temperaturkoeffizienten des Widerstands aufweisen. Insbesondere kann ein zusätzlicher temperaturabhängiger Widerstand aufgebracht werden, um beispielsweise eine Temperaturkompensation durchzuführen.It is preferred that the functional layers have different temperature coefficients of resistance. In particular, an additional temperature-dependent resistor can be applied, for example to carry out temperature compensation.

Vorzugsweise werden die Funktionsschichten mittels PVD-Verfahren aufgebracht.The functional layers are preferably applied by means of PVD processes.

Es ist bevorzugt, dass in Schritt (b) durch unterschiedliches Target-Material und/oder durch unterschiedliche Reaktivgase im Beschichtungsprozess unterschiedliche Eigenschaften der Funktionsschichten erzielt werden.It is preferred that in step ( b ) different properties of the functional layers can be achieved by different target material and / or by different reactive gases in the coating process.

Vorteilhaft wird ein Funktionsschichtsystem gebildet, dessen Temperaturkoeffizient des Widerstands einen Wert von Null oder nahe Null erreicht.A functional layer system is advantageously formed, the temperature coefficient of the resistance of which reaches a value of zero or close to zero.

Bevorzugt wird mindestens eine Funktionsschicht gebildet, deren Temperaturkoeffizienten des Widerstands einen Wert ungleich Null aufweist. Daraus ergibt sich ein temperaturabhängiger Widerstand.At least one functional layer is preferably formed, the temperature coefficient of the resistance of which has a value not equal to zero. This results in a temperature-dependent resistance.

Es ist bevorzugt, dass durch das Strukturieren eine Brückenschaltung hergestellt wird, die dehnungsabhängige Widerstände und mindestens einen temperaturabhängigen Widerstand umfasst. Das heißt, dass durch das Strukturieren eine Brückenschaltung dehnungsabhängiger Widerstände mit mindestens einem temperaturabhängigen Widerstand hergestellt wird.It is preferred that the structuring produces a bridge circuit which comprises strain-dependent resistors and at least one temperature-dependent resistor. This means that the structuring produces a bridge circuit of strain-dependent resistors with at least one temperature-dependent resistor.

Es ist bevorzugt, dass eine Membran als Bauteil bereitgestellt wird.It is preferred that a membrane is provided as a component.

Vorteilhaft wird das Bauteil vor dem Aufbringen der Funktionsschichten mit einer Isolationsschicht beschichtet, auf die anschließend die Funktionsschichten sequentiell aufgebracht werden.Before the functional layers are applied, the component is advantageously coated with an insulation layer, to which the functional layers are subsequently applied sequentially.

Bevorzugt wird nach dem Aufbringen der Funktionsschichten eine Isolationsschicht darauf aufgebracht.An insulation layer is preferably applied thereon after the functional layers have been applied.

Weiterhin schafft die Erfindung ein Sensorelement, erhältlich durch ein Verfahren nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen.Furthermore, the invention provides a sensor element, obtainable by a method according to one of the above configurations.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung einen Sensor zum Messen von Druck, der eine solches Sensorelement enthält.According to a further aspect, the invention provides a sensor for measuring pressure, which contains such a sensor element.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen im Detail erläutert. Darin zeigt:

1 einen Querschnitt durch einen aus einem Substrat mit aufgetragenen Schichten gebildeten Rohling für ein Sensorelement, um Schritte des Herstellungsverfahrens zu verdeutlichen;
2 einen Querschnitt durch ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Sensorelement mit einem strukturierten Schichtaufbau;
3 einen Aufbau für eine Laserstrukturierung des in 1 gezeigten Rohlings;
4 eine Fotografie eines Ziellayouts, das als Beispiel mit dem Verfahren herstellbar ist.

An embodiment of the invention is explained in detail below with reference to the accompanying drawings. It shows:

1 a cross section through a blank formed from a substrate with applied layers for a sensor element to illustrate steps of the manufacturing process;
2 a cross section through a sensor element produced by the method according to the invention with a structured layer structure;
3 a structure for a laser structuring of in 1 blank shown;
4 a photograph of a target layout that can be produced using the method as an example.

In 1 ist ein Rohling mit einem Schichtaufbau als Querschnittsansicht dargestellt, um ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail zu erläutern.In 1 a blank with a layer structure is shown as a cross-sectional view to explain a preferred embodiment of the invention in detail.

Zunächst wird ein verformbares Bauteil 4 bereitgestellt, das einen Federkörper bildet. Das zu verformende Bauteil bzw. der Federkörper 4 wird aus einem Substrat hergestellt und weist eine Membran 14 auf.First, a deformable component 4 provided which forms a spring body. The component to be deformed or the spring body 4 is made from a substrate and has a membrane 14 on.

Beispielsweise ist das Substrat zur Herstellung des Bauteils 4 aus einer hochfesten Stahllegierung gefertigt, wie beispielsweise DIN-Werkstoff 1.4548 oder 17-4PH, oder auch Duplex oder Titan. Es können aber auch andere für die Bildung von Drucksensoren geeignete Materialien verwendet werden, wie sie im Stand der Technik bekannt sind. Zur Herstellung der Membran wird aus einem Vollkörper von einer Seite her Material abgetragen, um auf diese Weise eine Sacköffnung 18 zu erhalten, die an dem anderen Ende der Öffnung durch die Membran 14 verschlossen wird. Die Sacköffnung 18 ist von einer Ringwand 20 umgeben.For example, the substrate for the production of the component 4 Made of a high-strength steel alloy, such as DIN material 1.4548 or 17-4PH, or duplex or titanium. However, other materials suitable for the formation of pressure sensors, as are known in the prior art, can also be used. To manufacture the membrane, material is removed from a solid body from one side in order to create a blind opening 18th to get that at the other end of the opening through the membrane 14 is closed. The sack opening 18th is from a ring wall 20th surround.

In dem hier gezeigten Beispiel wird der Federkörper 4 bzw. die Membran 14 zunächst mit einer Isolationsschicht 2 aus einem elektrisch isolierenden Material (z.B. SiO₂) beschichtet. Die Beschichtung erfolgt mittels der bekannten Halbleiterprozesse CVD (Chemical Vapour Deposition) oder vorzugsweise PVD (Physical Vapour Deposition) auf die der Sacköffnung 18 entgegengesetzten Seite der Membran 14. Typischerweise hat die membranseitige Isolationsschicht 2 zum Beispiel eine Dicke von 2-10 µm.In the example shown here, the spring body 4 or the membrane 14 first with an insulation layer 2 made of an electrically insulating material (eg SiO ₂ ). The coating takes place by means of the known semiconductor processes CVD (Chemical Vapor Deposition) or preferably PVD (Physical Vapor Deposition) onto that of the bag opening 18th opposite side of the membrane 14 , The membrane-side insulation layer typically has 2 for example a thickness of 2-10 µm.

Auf die Isolationsschicht 2 werden nun mehrere Funktionsschichten 3a, 3b sequentiell aufgetragen. Die Funktionsschichten 3a, 3b bilden resistive Schichten unterscheiden sich sowohl durch ihre Zusammensetzung als auch durch ihre spezifischen Eigenschaften. Insbesondere haben die Funktionsschichten 3a, 3b unterschiedliche Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands.On the insulation layer 2 are now several functional layers 3a . 3b applied sequentially. The functional layers 3a . 3b Form resistive layers differ both in their composition and in their specific properties. In particular, the functional layers 3a . 3b different temperature coefficients of electrical resistance.

Beispielsweise können Materialien wie NiCr oder TiON zur Bildung der Funktionsschichten verwendet werden. Die Funktionsschichten haben zum Beispiel typischerweise eine Dicke von 50-300nm und werden ebenfalls durch die vorgenannten Beschichtungsverfahren aufgetragen.For example, materials such as NiCr or TiON can be used to form the functional layers. For example, the functional layers typically have a thickness of 50-300 nm and are also applied by the aforementioned coating processes.

Das heißt, es erfolgt ein Aufbau eines Funktionsschichtsystems, vorzugsweise mittels PVD, mit unterschiedlichen Eigenschaften, vorzugsweise des Temperaturkoeffizienten des Widerstands, wie in dem hier beschriebenen Beispiel. Dabei werden die Eigenschaften durch unterschiedliches Target-Material und durch unterschiedliche Reaktivgase im Beschichtungsprozess erzielt.This means that a functional layer system is constructed, preferably by means of PVD, with different properties, preferably the temperature coefficient of the resistance, as in the example described here. The properties are achieved through different target material and through different reactive gases in the coating process.

Auf die Funktionsschichten 3a, 3b kann ebenfalls eine weitere Isolationsschicht 1 aufgetragen werden, welche gegen Umgebungseinflüsse schützt. Die umgebungsseitige Isolationsschicht 1 hat typischerweise ebenfalls eine Schichtdicke von 2-10 µm.On the functional layers 3a . 3b can also add another layer of insulation 1 applied, which protects against environmental influences. The environmental insulation layer 1 typically also has a layer thickness of 2-10 µm.

Nun erfolgt ein selektives topografisches Abtragen des wie oben beschrieben hergestellten Schichtpakets mittels eines Lasers. Das heißt, dass nach dem kompletten Schichtstapelaufbau mittels Laserstrukturierung definierte Funktionsschichten aus dem Schichtstapel erstellt werden. Es werden keine lithografischen Prozesse durchgeführt.A selective topographic removal of the layer package produced as described above now takes place by means of a laser. This means that defined functional layers are created from the layer stack after the complete layer stack construction by means of laser structuring. No lithographic processes are carried out.

Das Abtragen wird derart gestaltet, dass durch Teilabtrag der Funktionsschichten 3a, 3b deren spezifische Eigenschaften, vorzugsweise der Temperaturkoeffizient des Widerstands, eingestellt werden. Auf diese Weise werden aus dem Schichtpaket spezifische Eigenschaften für dehnungsabhängige und temperaturabhängige Schichten erstellt.The removal is designed in such a way that partial removal of the functional layers 3a . 3b whose specific properties, preferably the temperature coefficient of resistance, are set. In this way, specific properties for strain-dependent and temperature-dependent layers are created from the layer package.

2 zeigt einen Querschnitt durch ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Sensorelement 10 mit dem strukturierten Schichtaufbau nach der erfolgten Laserstrukturierung. 2 shows a cross section through a sensor element produced by the inventive method 10 with the structured layer structure after the laser structuring.

Die Strukturierung erfolgt nach abgeschlossenem Schichtstapelaufbau. Hierzu erfolgt ein Höhen-selektiver Abtrag, der in dem hier beschriebenen Beispiel durch Energiemodulation des Lasers erzielt wird.The structuring takes place after the layer stack construction has been completed. For this purpose, a height-selective removal takes place, which is achieved in the example described here by energy modulation of the laser.

Das Sensorelement bzw. die Sensorzelle 10 weist nun selektiv strukturierte Funktionsschichten 3a, 3b auf, die resistive Schichten mit einer Dicke von typischerweise 50-300 nm sind und auf der Isolationsschicht 2 mit dem darunter liegenden Federkörper 4 bzw. der Membran 14 angeordnet sind.The sensor element or the sensor cell 10 now has selectively structured functional layers 3a . 3b on, which are resistive layers with a thickness of typically 50-300 nm and on the insulation layer 2 with the spring body underneath 4 or the membrane 14 are arranged.

Auf den Funktionsschichten 3a, 3b befindet sich die umgebungsseitige Isolationsschicht 1, die ebenfalls strukturiert ist.On the functional layers 3a . 3b is the environmental insulation layer 1 , which is also structured.

Als Ergebnis der nach dem kompletten Schichtstapelaufbau erfolgten Laserstrukturierung sind in dem Schichtstapel Strukturierungsschnitte 7 ausgebildet, in denen die oberhalb der membranseitigen Isolationsschicht 2 befindlichen Funktionsschichten 3a, 3b sowie die umgebungsseitige Isolationsschicht 1 vollständig abgetragen sind.As a result of the laser structuring carried out after the complete layer stack construction, structuring cuts are in the layer stack 7 trained in which the above the membrane-side insulation layer 2 located functional layers 3a . 3b as well as the environmental insulation layer 1 are completely removed.

Durch die Laserstrukturierung wurden zwischen den Strukturierungsschnitten 7 Dehnmessstreifen 5 (DMS) herausgebildet, die typischerweise laterale Breiten von 1-20 µm aufweisen.The laser structuring made between the structuring cuts 7 Strain gauges 5 (DMS) formed, which typically have lateral widths of 1-20 microns.

Aufgrund des Höhen-selektiven Abtrags des Schichtstapels, der ein selektives topografisches Abtragen darstellt, wurde aus dem Schichtstapel ein strukturierter Temperaturwiderstand 6 im µm-Bereich herausgebildet, der zwischen den Strukturierungsschnitten 7 auf der membranseitigen Isolationsschicht 2 liegt. Hierzu erfolgte ein selektiver Strukturierungsschnitt 8, durch den alle oberhalb der ersten resistiven Schicht bzw. Funktionsschicht 3a befindlichen Schichten abgetragen wurden, während die Funktionsschicht 3a dort stehen blieb.Due to the height-selective removal of the layer stack, which represents a selective topographic removal, the layer stack became a structured temperature resistance 6 formed in the µm range, between the structuring cuts 7 on the membrane-side insulation layer 2 lies. For this purpose, a selective structuring cut was made 8th , through which all above the first resistive layer or functional layer 3a layers were removed while the functional layer 3a stopped there.

Das hier beschriebene Verfahren wird so ausgeführt, dass das Funktionsschichtsystem einen Temperaturkoeffizienten des Widerstands von Nahe Null erreicht. Eine der Funktionsschichten 3a, 3b hat einen Temperaturkoeffizienten von ungleich Null, woraus sich ein temperaturabhängiger Widerstand ergibt.The method described here is carried out in such a way that the functional layer system reaches a temperature coefficient of resistance of close to zero. One of the functional layers 3a . 3b has a non-zero temperature coefficient, which results in a temperature-dependent resistance.

Durch die Strukturierung gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird eine Brückenschaltung der dehnungsabhängigen Widerstände und mindestens ein temperaturabhängiger Widerstand hergestellt.The structuring according to this exemplary embodiment produces a bridge circuit for the strain-dependent resistors and at least one temperature-dependent resistor.

3 zeigt einen Aufbau für die Durchführung der eine Laserstrukturierung. Dabei wird ein gepulster Laserstrahl 26 aus einer Laserquelle 28 mittels einer hinreichend bekannten Scaneinrichtungen 30, gesteuert über eine Steuerung 32, derart über die Oberfläche des Schichtstapels verfahren, dass das Material des Schichtstapels an ausgewählten Bereichen selektiv flächenhaft abgetragen wird. 3 shows a structure for the implementation of a laser structuring. This is a pulsed laser beam 26 from a laser source 28 by means of a well-known scanning device 30th , controlled by a controller 32 , move over the surface of the layer stack in such a way that the material of the layer stack is selectively removed over selected areas.

Die Abtragung erfolgt Höhen-selektiv, so dass je nach der zu erzielenden Struktur bzw. dem Ziel-Layout mittels Teilabtrag unterschiedliche Höhen oder Schichtdicken abgetragen werden bzw. unterschiedliche Höhen bestehen bleiben, bis hin zum vollständigen Abtrag der Funktionsschichten 3a, 3b. Hierzu erfolgt eine Energiemodulation des Lasers. An anderen Bereichen bleibt das Material stehen.The removal is height-selective, so that depending on the structure to be achieved or the target layout, different heights or layer thicknesses are removed by means of partial removal, or different heights remain until the functional layers are completely removed 3a . 3b , For this purpose, the laser is modulated in energy. The material remains in other areas.

Wie in 4 gezeigt, wird durch das Herstellungsverfahren insbesondere eine Messbrücke 38 mit vier Widerständen R1, R2, R3, R4 erzeugt. Jeder Widerstand R1, R2, R3, R4 ist durch Leiterbahnen 40 aus dem Material der Funktionsschichten 3a, 3b gebildet, wobei die Leiterbahnen 40 im Bereich der Widerstände eine Mäanderform aufweisen. Ein Teil der Widerstände R2, R4 dient als Dehnmessstreifen 5 zur Erfassung einer Verformung des Bauteils 4 bzw. der Membran 14. Weiterhin sind Kontaktpads 46.1, 46.2, 46.3, 46.4 zur Kontaktierung als Teil einer Sensorfunktions- und Kontaktstruktur 36 ausgebildet.As in 4 shown, the manufacturing process in particular a measuring bridge 38 with four resistors R1 . R2 . R3 . R4 generated. Any resistance R1 . R2 . R3 . R4 is through conductor tracks 40 from the material of the functional layers 3a . 3b formed, the conductor tracks 40 have a meandering shape in the area of the resistors. Part of the resistors R2 . R4 serves as a strain gauge 5 to detect deformation of the component 4 or the membrane 14 , There are also contact pads 46.1 . 46.2 . 46.3 . 46.4 for contacting as part of a sensor function and contact structure 36 educated.

Für weitere Details insbesondere zur Beschichtung, Strukturierung und den Materialien, wird auf die Druckschrift DE 10 2016 108 985 A1 Bezug genommen.For further details, in particular on the coating, structuring and the materials, refer to the publication DE 10 2016 108 985 A1 Referred.

BezugszeichenlisteReference list

1, 21, 2: IsolationsschichtenInsulation layers
3a, 3b3a, 3b: FunktionsschichtenFunctional layers
44: verformbares Bauteil bzw. Federkörperdeformable component or spring body
55: DehnmessstreifenStrain gauges
66: TemperaturwiderstandTemperature resistance
77: StrukturierungsschnitteStructuring cuts
88th: selektiver Strukturierungsschnittselective structuring cut
1010: Sensorelement / SensorzelleSensor element / sensor cell
1414: Membranmembrane
1818th: SacköffnungBag opening
2020th: RingwandRing wall
2626: Laserstrahllaser beam
2828: LaserquelleLaser source
3030: ScaneinrichtungScanning device
3232: Steuerungcontrol
3636: Sensorfunktions- und KontaktstrukturSensor function and contact structure
3838: MessbrückeMeasuring bridge
4040: LeiterbahnConductor track
46.1-446.1-4: KontaktpadsContact pads
R1-R4R1-R4: WiderständeResistances

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102012017483 A1 [0007]DE 102012017483 A1 [0007]
DE 102016108985 A1 [0007, 0008, 0054]DE 102016108985 A1 [0007, 0008, 0054]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements mit mehreren Funktionsschichten für einen Drucksensor, umfassend folgende Schritte: a) Bereitstellen eines verformbaren Bauteils (4); b) Aufbringen von mehreren Funktionsschichten (3a, 3b) mit definierten spezifischen Eigenschaften auf das Bauteil (4) zur Bildung eines vollständigen Schichtstapelaufbaus; c) Selektives Strukturieren des in Schritt (b) gebildeten Schichtstapelaufbaus mittels Laserstrukturierung, um aus dem Schichtstapelaufbau selektiv strukturierte Funktionsschichten (3a, 3b) mit spezifischen Eigenschaften zu erstellen.Method for producing a sensor element with several functional layers for a pressure sensor, comprising the following steps: a) providing a deformable component (4); b) applying a plurality of functional layers (3a, 3b) with defined specific properties to the component (4) to form a complete layer stack structure; c) Selective structuring of the layer stack construction formed in step (b) by means of laser structuring in order to create selectively structured functional layers (3a, 3b) with specific properties from the layer stack construction.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturieren des Schichtstapelaufbaus erfolgt, nachdem die Bildung des Schichtstapelaufbaus abgeschlossen ist.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the structuring of the layer stack structure takes place after the formation of the layer stack structure is completed.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) ein Höhen-selektives Abtragen der Funktionsschichten (3a, 3b) erfolgt, um deren spezifische Eigenschaften einzustellen.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that in step c) there is a height-selective removal of the functional layers (3a, 3b) in order to adjust their specific properties.

Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Höhenselektive Abtragen der Funktionsschichten (3a, 3b) durch Energiemodulation eines zum Laserstrukturieren verwendeten Lasers (28) erfolgt.Procedure according to Claim 3 , characterized in that the height-selective removal of the functional layers (3a, 3b) takes place by energy modulation of a laser (28) used for laser structuring.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschichten (3a, 3b) unterschiedliche spezifische Eigenschaften und/oder unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the functional layers (3a, 3b) have different specific properties and / or different compositions.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschichten (3a, 3b) unterschiedliche Temperaturkoeffizienten des Widerstands aufweisen.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the functional layers (3a, 3b) have different temperature coefficients of resistance.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschichten (3a, 3b) mittels PVD-Verfahren aufgebracht werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the functional layers (3a, 3b) are applied by means of a PVD method.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) durch unterschiedliches Target-Material und/oder durch unterschiedliche Reaktivgase im Beschichtungsprozess unterschiedliche Eigenschaften der Funktionsschichten (3a, 3b) erzielt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in step b) different properties of the functional layers (3a, 3b) are achieved by different target material and / or by different reactive gases in the coating process.

Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Funktionsschichtsystem (3a, 3b) gebildet wird, dessen Temperaturkoeffizient des Widerstands einen Wert nahe Null erreicht.Method according to one of claims 3 to 8, characterized in that a functional layer system (3a, 3b) is formed, the temperature coefficient of the resistance of which reaches a value close to zero.

Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Funktionsschicht (3a) gebildet wird, deren Temperaturkoeffizienten des Widerstands einen Wert ungleich Null aufweist.Method according to one of claims 3 to 9, characterized in that at least one functional layer (3a) is formed, the temperature coefficient of the resistance of which has a value not equal to zero.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Strukturieren eine Brückenschaltung hergestellt wird, die dehnungsabhängige Widerstände und mindestens einen temperaturabhängigen Widerstand umfasst.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the structuring produces a bridge circuit which comprises strain-dependent resistors and at least one temperature-dependent resistor.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Membran (14) als Bauteil (4) bereitgestellt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a membrane (14) is provided as a component (4).

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 13.1. das Bauteil (4) vor dem Aufbringen der Funktionsschichten (3a, 3b) mit einer Isolationsschicht (2) beschichtet wird, auf die anschließend die Funktionsschichten (3a, 3b) sequentiell aufgebracht werden, und/oder 13.2. nach dem Aufbringen der Funktionsschichten (3a, 3b) eine Isolationsschicht (1) darauf aufgebracht wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that 13.1. the component (4) is coated with an insulation layer (2) before the functional layers (3a, 3b) are applied, to which the functional layers (3a, 3b) are subsequently applied sequentially, and / or 13.2. after the application of the functional layers (3a, 3b) an insulation layer (1) is applied thereon.

Sensorelement (10), erhältlich durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13.Sensor element (10), obtainable by a method according to one of claims 1 to 13.

Sensor zum Messen von Druck, umfassend ein Sensorelement (10) nach Anspruch 14.Sensor for measuring pressure, comprising a sensor element (10) according to Claim 14 ,