DE10249238B4

DE10249238B4 - Sensorchip für einen Differenzdrucksensor mit beidseitigem Überlastschutz

Info

Publication number: DE10249238B4
Application number: DE2002149238
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Lisec; Peter Dipl.-Ing. Merz
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2002-10-23
Filing date: 2002-10-23
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2022-10-24
Also published as: DE10249238A1

Abstract

Sensorchip für einen Differenzdrucksensor, der ein Substrat (12) mit einer ersten, eine Vertiefung im Substrat bildenden Ausnehmung (8a) aufweist, die von einer ersten Membran (1) dichtend überdeckt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (12) eine zweite, eine Vertiefung im Substrat bildende Ausnehmung (8b) aufweist, die von einer zweiten Membran (1) dichtend überdeckt ist und über zumindest einen Kanal (11) mit der ersten Ausnehmung (8a) in Verbindung steht, so dass zwei durch den Kanal (11) mit einander gekoppelte Kavitäten (9a, 9b) gebildet werden, die mit einem inkompressiblen Fluid (13) gefüllt sind, wobei die Membranen (1) elektrisch leitfähig oder leitfähig beschichtet und elektrisch leitend mit einem ersten Kontakt (14) verbunden sind und auf einer Grundfläche jeder Ausnehmung (8a, 8b) wenigstens eine Elektrode (4a, 4b) angeordnet ist, die elektrisch leitend mit einem zweiten Kontakt (5) verbunden ist.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensorchip für einen Differenzdrucksensor, der ein Substrat mit einer ersten Ausnehmung aufweist, die von einer ersten Membran dichtend überdeckt ist.

Zur Messung physikalischer Größen, insbesondere des Drucks, ist es heute üblich, Halbleitersensoren bzw. Belastungsfühler einzusetzen. Typisch für diese Sensoren ist, dass diese eine extrem kleine Baugröße sowie eine extrem hohe Beständigkeit gegenüber von außen auf die Sensoren einwirkende Kräfte aufweisen. Aus diesem Grunde sind Halbleitersensoren insbesondere auf dem Gebiet der Druckmessung hydraulischer und aerodynamischer Kräfte weit verbreitet.

Üblicherweise verfügen solche Halbleiterdrucksensoren sowohl über eine Membran, die aus einer oder mehreren, ggf. dotierten oder beschichteten Siliziumschichten besteht als auch über piezoresistive Elemente, die zum Erfassen der Richtung und/oder der Größe der Auslenkung der Membran vorgesehen sind. Derartige Sensoren wandeln die von außen auf sie einwirkenden Druckkräfte in ein elektrisches Signal um, das anschließend mit einer Auswerteeinheit ausgewertet wird.

Darüber hinaus werden diese Drucksensoren mit einer entsprechenden Umhüllung versehen. Die hauptsächliche Aufgabe der Umhüllung ist es, den Sensor vor Umgebungseinflüssen, bspw. beim Einsatz in aggressiven Medien, zu schützen.

Eine spezielle Form eines Drucksensors ist der sog. Differenzdrucksensor, mit dem die Messung einer zwischen zwei Volumina auftretenden Druckdifferenz möglich ist. Ein solcher Sensor beinhaltet in der Regel einen Siliziumchip mit einer die Druckdifferenz aufnehmenden Membran, die mit Piezowiderständen in Wirkverbindung steht. Um den Sensor vor Umgebungseinflüssen zu schützen, wird dieser in eine Vergussmasse eingegossen und gemeinsam mit der Vergussmasse in ein Gehäuse eingesetzt. An der Außenseite des Gehäuses sind zwei Druckanschlüsse vorgesehen, so dass eine zwischen den Druckanschlüssen herrschende Druckdifferenz messbar ist.

Es kann allerdings vorkommen, dass der an einem der beiden Druckanschlüsse anliegende Druck stark ansteigt oder stark abfällt, so dass eine plötzliche, starke Druckdifferenz anliegt. Aus diesem Grund ist es generell wichtig, Drucksensoren derartig auszuführen, dass sie gegenüber Überlastdrücken möglichst unempfindlich sind. So können heutzutage gebräuchliche Halbleiter-Differenzdrucksensoren etwa dem zwei- bis dreifachen des maximalen Arbeitsdruckes an Überlast standhalten, ohne beschädigt zu werden.

Häufig müssen allerdings auch geringe Differenzdrücke bei hohem beidseitigem Druck, dem sog. Offset druck, gemessen werden. Fällt hierbei der Offsetdruck auf einer Seite aus, so muss die Sensormembran einem extremen Überdruck widerstehen. Eine hohe Überlastfestigkeit wird in solchen Fällen durch entsprechende Stützstrukturen, die in Form von mechanischen Anschlägen ausgeführt sind, gewährleistet. Auf diese Weise wird eine Überdehnung oder Zerstörung der Membran verhindert.

So beschreibt bspw. die US 5,969,591 einen Differenzdrucksensor mit einseitigem Überlastschutz, bei dem die beiden Druckanschlüsse auf einer Seite des Gehäuses angeordnet sind. Der Halbleiterdrucksensor weist ein Siliziumsubstrat auf, in das eine Ausnehmung geätzt ist, die durch eine an ihren Membranrändern gasdicht mit dem Substrat verbundene Membran überdeckt ist. Auf der Membran sind eine Isolationsschicht sowie eine Schutzschicht abgeschieden, wobei innerhalb der Schutzschicht ein Sensorelement integriert ist. Auf beiden Seiten der Membran wird ein Hohlraum gebildet, wobei der Hohlraum, der sich oberhalb der Membran innerhalb eines Gehäuseteiles befindet eine Druckkammer darstellt. Diese Druckkammer ist wiederum über eine in der Gehäuseaußenwand angeordnete Druckleitung mit einem ersten Druckanschluss verbunden. Ein zweiter Druckanschluss ist über eine zweite Druckleitung mit einer zweiten Druckkammer verbunden, die gasdicht gegen die erste Druckkammer abgedichtet ist. Über die Auslenkung der Membran und die entsprechenden Auswirkungen auf die elektrischen Eigenschaften des Sensorelementes kann eine zwischen den zwei Druckanschlüssen befindliche Druckdifferenz gemessen werden. Der Überlastschutz, der die Membran vor einer Beschädigung aufgrund eines extremen Überdruckes schützen soll, wird bei diesem Differenzdrucksensor durch mechanische Anschläge realisiert. Die Membran liegt dabei bei einer auftretenden Überlast bspw. an einer Begrenzung der Gehäusewand oder dem Boden der im Substrat befindlichen Ausnehmung an. Nachteilig ist neben dem großen Bewegungsfreiraum der Membran, dass der Überlastschutz lediglich einseitig gewährleistet wird. Sofern der Überdruck auf der „anderen" Seite der Membran anliegt, kann diese noch weiter gedehnt und ggf. zerstört werden.

Die US 5,357,807 beschreibt einen mikromechanischen Differenzdrucksensor mit einem beidseitigen Überlastschutz. Der Differenzdrucksensor weist eine deformierbare Membran auf, die auf der Oberseite eines Substrats angebracht und an ihrem Umfangsbereich dicht mit der Oberseite des Substrats verbunden ist. Innerhalb des Substrats ist eine von der Membran hermetisch abgeschlossene Aussparung vorgesehen, die derart ausgebildet ist, dass die Membran eine normale Auslenkungsbewegung durchführen kann, ohne den Boden der Aussparung zu berühren. Der Boden des Differenzdrucksensors stellt in diesem Fall eine Überdruckbegrenzung für Bewegungen der Membran in Richtung auf das Substrat dar. Bei entgegengesetzten Bewegungen begrenzt eine Nickelbrücke die Auslenkung der Membran nach oben. Der Abstand zwischen der Überdruckbegrenzungsbrücke und der Membran sowie zwischen der Membran und dem Boden der Aussparung des Substrates beträgt nicht mehr als 10 μm. Damit wird bei dem in dieser Druckschrift beschriebenen Differenzdrucksensor der beidseitige Überlastschutz durch zwei unterschiedliche Bauelemente gewährleistet. Das Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleiterdrucksensors gestaltet sich entsprechend kompliziert.

Darüber hinaus beschreibt die US 4,072,057 einen kapazitiven Differenzdrucksensor mit beidseitigem Überlastschutz. Bei diesem Sensor ist die Sensormembran, die der Messung dient, in der Messkammer auf beiden Seiten durch flexible Membranen vom äußeren Medium getrennt. Ein inkompressibles Öl in der Messkammer sorgt für die Druckankopplung. Bei Überdruck wird die jeweilige äußere Trennmembran gegen einen Anschlag gepresst, so dass nur ein Teil der Belastung auf die der Messung dienende Sensormembran übertragen wird. Bei diesem Halbleiterdifferenzdrucksensor handelt es sich um einen Sensor, der aus einer Vielzahl von Bauelementen zusammengefügt ist und dessen Aufbau hierdurch sehr kompliziert wird. Ein solcher Sensor eignet sich daher kaum für eine Massen- bzw. Großserienfertigung.

Gemeinsam ist allen diesen Drucksensoren, dass der Schutz der Sensormembran gegen Überlast entweder nur einseitig oder nur mittels eines großen apparativen Aufwandes gewährleistet wird.

In der EP 0 639 761 A1 wird ein Sensorchip mit einem Grundsubstrat beschrieben, das entweder selbst eine Elektrode darstellt oder auf das zwei Elektroden aufgebracht sind. Auf den Elektroden befindet sich eine schablonenartige Zwischenschicht mit zwei Öffnungen, die von entsprechenden Membranen überdeckt wird, um die für eine Differenzdruckmessung erforderlichen, hydraulisch verbundenen Kavitäten zu erzeugen.

Die DE 197 50 131 A1 beschreibt eine mikromechanische Differenzdrucksensorvorrichtung, bei der auf einem Trägersubstrat zwei Absolutdruck-Messvorrichtungen monolithisch integriert sind. Es handelt sich hierbei um einen aus einer Vielzahl mikromechanischer Komponenten zusammengesetzten Differenzdrucksensor, der damit bzgl. seiner Herstellung aufwendig ist.

Ausgehend vom bekannten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, einen einfach herstellbaren Sensorchip für einen mikromechanischen Differenzdrucksensor mit Druckanschlussmöglichkeiten auf einer Seite des Gehäuses anzugeben, der einen zuverlässigen Überlastschutz bietet.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit dem Sensorchip gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche sowie aus dem nachfolgenden Beschreibungstext und den Ausführungsbeispielen zu entnehmen.

Der vorliegende Sensorchip für einen Differenzdrucksensor weist ein Substrat mit einer ersten, eine Vertiefung im Substrat bildenden Ausnehmung auf, die von einer ersten Membran dichtend überdeckt ist. Der Sensorchip zeichnet sich dadurch aus, dass das Substrat eine zweite, eine Vertiefung im Substrat bildende Ausnehmung aufweist, die von einer zweiten Membran dichtend überdeckt ist und über zumindest einen Kanal mit der ersten Ausnehmung in Verbindung steht, so dass zwei durch einen Kanal miteinander gekoppelte Kavitäten gebildet werden, die mit einem inkompressiblen Fluid gefüllt sind, wobei die Membranen elektrisch leitfähig oder leitfähig beschichtet und elektrisch leitend mit einem ersten Kontakt verbunden sind, und auf einer Grundfläche jeder Ausnehmung wenigstens eine Elektrode angeordnet ist, die elektrisch leitend mit einem zweiten Kontakt verbunden ist.

Die verwendete Membran ist elektrisch leitfähig oder leitfähig beschichtet, so dass mit Hilfe dieser Membran und der auf der Grundfläche der jeweiligen Kavität angeordneten Elektrode ein Kondensator gebildet wird, der je nach Auslenkung der Membran eine spezifische Kapazität aufweist. Die Membranen sollten vorzugsweise elastisch aber nicht dehnbar ausgebildet sein.

Beim Einsatz des Sensorchips zur Differenzdruckmessung werden die beiden Membranen mit unterschiedlichen Volumina verbunden, deren Druckdifferenz gemessen werden soll. Wird hierbei eine der Membranen oberhalb einer der Kavitäten stärker belastet als die andere, verwölbt sich diese Membran bzw. dieser Teil der Membran entsprechend der Druckbelastung nach unten. Bei diesem Vorgang wird ein Teil des inkompressiblen Fluids durch den Kanal in die benachbarte Kavität verdrängt, so dass sich die darüber befindliche Membran oder der Membranteil nach oben verwölbt. Auf Grund der Verformung der Membran ändert sich auch der Abstand zwischen der Membran und der jeweils auf der Grundfläche der Kavität befindlichen Elektrode. Aus dieser Abstandsänderung folgt eine Kapazitätsänderung des von Membran und Elektrode gebildeten Kondensators, so dass die Kapazität des Kondensators mit nach unten gewölbter Membran größer und die des Kondensators mit nach oben gewölbter Membran kleiner wird. Die Änderung der Kapazitäten, die sog. Differenzkapazität, kann in Relation zur Druckdifferenz gesetzt werden. Vorzugsweise sind die Ausnehmungen des Sensorchips identisch ausgebildet und die Kapazitäten im Ruhezustand annähernd gleich.

Die Membran, die die Kavitäten überdeckt, besteht vorzugsweise aus einem Material, das elastisch jedoch nicht dehnbar ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Membran, die oberhalb einer der Kavitäten belastet wird, zwar verformt jedoch nicht gedehnt wird, so dass Fehlmessungen des Differenzdrucksensors weitgehend vermieden werden.

Kommt es zu einer Überlastung des beschriebenen Sensorchips, ist aufgrund des konstruktiven Aufbaus und der Materialeigenschaften der Membran sichergestellt, dass die Membran nicht überdehnt oder sogar zerstört wird. Bei einem Überdruck über einer bzw. einem starken Druckabfall über der anderen Kavität wird eine der beiden Membranen nach unten verwölbt bis sie am Boden der die Kavität bildenden Ausnehmung anliegt. Die Tiefe der Ausnehmungen ist dabei so gewählt, dass die Membran in diesem Zustand nicht überdehnt oder zerstört wird. Vorzugsweise sind die Ausnehmungen nur wenige μm tief. Der über einer Kavität anliegende Überdruck wird somit über das inkompressible Fluid auch nicht vollständig an die andere Membran weitergegeben, so dass sich auch diese nur in gleichem Masse wie die erste Membran nach oben verwölbt. Der gleiche Mechanismus greift auch, wenn der Überdruck über der anderen Kavität des Sensorchips anliegt. Auf diese Weise steht ein einfach herstellbarer Sensorchip zur Verfügung, der einen zuverlässigen beidseitigen Überlastschutz bietet. Der Sensorchip ermöglicht die Anbringung beider Druckanschlüsse auf einer Seite, so dass sich die Montage des Sensorchips bzw. eines daraus gebildeten Differenzdrucksensors vereinfacht.

Vorzugsweise sind die erste und die zweite Membran zusammenhängend als eine gemeinsame Membran ausgebildet, die die mit dem Kanal verbundenen Kavitäten überdeckt. Die Membran überdeckt dabei beide Kavitäten vollständig und ist im Bereich außerhalb der Kavitäten vorzugsweise fest mit dem Substrat verfügt.

Bei einer besonders geeigneten Gestaltung des erfindungsgemäßen Sensorchips ist der Kanal zwischen den Kavitäten als Graben in der Oberfläche des Substrates ausgebildet und wird ebenfalls von der Membran dichtend überdeckt.

Vorzugsweise besteht die Membran aus Silizium, Metall oder Kunststoff. Es ist aber auch denkbar, Membranen aus anderen Materialien einzusetzen, die die Kavitäten elastisch aber nicht dehnbar überspannen.

In einer speziellen Ausführungsform weist der Sensorchip einen Deckel auf, der die erste und die zweite oder die gemeinsame Membran zumindest im Bereich oberhalb der Kavitäten überdeckt. Darüber hinaus verfügt der Deckel vorzugsweise oberhalb jeder Kavität über eine Deckelausnehmung, um auf einer dem Substrat abgewandten Seite der Membran zwei fluiddicht getrennte Druckkammern zu bilden. Bei einer Ausgestaltung des Kanals zwischen den Kavitäten als Graben in der Oberfläche des Substrates liegt der Deckel im Bereich zwischen den Kavitäten auf dem Substrat auf, so dass er die Funktion einer oberen Begrenzung des Grabens übernimmt und eine Verwölbung der gegebenenfalls vorhandenen gemeinsamen Membran über dem Graben verhindert.

In einer weiteren besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorchips ist ein Druckkanal im Deckel ausgebildet, der eine fluiddichte Verbindung zwischen wenigstens einer Deckelausnehmung und einer dem Substrat abgewandten Seite des Deckels herstellt. Vorzugsweise befindet sich an dieser, dem Substrat abgewandten Seite des Deckels, an der der Druckkanal an die Umgebung angrenzt, ein Druckanschluss. Bevorzugt ist dieser Druckanschluss derart ausgeführt, dass beliebig ausgeführte Leitungen, bspw. über spezielle Kupplungselemente, anschließbar sind.

Der Deckel kann beispielsweise aus Silizium, Glas oder Kunststoff gefertigt sein. In einer vorteilhaften Ausführungsform sind der Deckel und das Substrat durch anodisches Bonden miteinander verbunden, wobei der Deckel vorzugsweise aus Pyrexglas besteht, das auf diese Weise auf der Waferebene fixiert wird. Dies ermöglicht eine schnelle, sichere und qualitativ hochwertige Herstellung eines mikromechanischen Differenzdrucksensors mit dem erfindungsgemäßen Sensorchip.

In einer Ausgestaltung des Sensorchips ist auf der Grundfläche jeder Ausnehmung nur eine Elektrode angeordnet, die elektrisch leitend mit einem von der Außenseite eines Gehäuses für den Sensorchip frei zugänglichen elektrischen Kontakt verbunden ist. Vorzugsweise ist in diesem Fall eine Auswerteeinheit vorgesehen, mit der die zwei Elektroden getrennt auslesbar sind. In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorchips ist eine Vielzahl von Elektroden auf der Grundfläche jeder Ausnehmung vorhanden, die von einer entsprechend ausgebildeten Auswerteeinheit getrennt auslesbar sind. Hierbei können bspw. zwei Elektroden auf der Grundfläche jeder Kavität vorgesehen sein, die mit der Auswerteeinheit getrennt ausgewertet werden, so dass sich eine Fehlerberechnung und -bewertung anschließen kann und auch der Ausfall einzelner Elektroden nicht in jedem Fall eine Fehlmessung bewirkt.

Die Verdrahtung der vorzugsweise als Bondpads ausgebildeten Kontakte für die Elektroden und Membranen kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. So können sowohl die auf der Grundfläche der Ausnehmungen angeordneten Elektroden als auch die Membranen mit jeweils getrennten Kontakten elektrisch leitend verbunden sein. Vorzugsweise sind die Membranen jedoch mit einem gemeinsamen Kontakt verbunden, wobei dies bei Einsatz einer gemeinsamen Membran ohne weitere Maßnahmen zwangsläufig der Fall ist. Bei Einsatz von getrennten, voneinander isolierten Membranen ist es auch möglich, die Elektroden mit einem gemeinsamen Kontakt zu verbinden und die Membranen mit getrennten Kontakten.

Die Elektroden können direkt in das Substrat implantiert oder als eine metallische Schicht auf einem Isolator ausgeführt sein, der auf der Grundfläche der Ausnehmung aufgebracht ist.

Der vorliegende Sensorchip weist vorzugsweise Aufnahmeelemente zur Befestigung in einem Gehäuse auf. Diese Aufnahmeelemente verfügen bspw. über ebene Flächen, so dass der Sensorchip mit Hilfe eines Klebstoffes in das Gehäuse einklebbar ist. Hervorragende Festigkeitseigenschaften sind ferner erzielbar, wenn das Gehäuse vorgespannt wird. Im Vergleich zu einer durch die Festigkeitskennwerte der Sensormaterialien begrenzten Druckfestigkeit eines Differenzdrucksensors wird durch die Vorspannung des Gehäuses eine wesentlich höhere Druckfestigkeit des Drucksensors erreicht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Der erfindungsgemäße Sensorchip für einen Differenzdrucksensor wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen nochmals exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorchips;
2 eine Querschnittsdarstellung des Sensorchips der 1; und
3 eine Querschnittsdarstellung durch einen Differenzdrucksensor mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Sensorchip.
Wege zur Ausführung der Erfindung
In 1 ist eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorchips 2 dargestellt. In einem Substrat 12 sind Kavitäten 9a, 9b ausgebildet, die durch einen Kanal 11 mit einander verbunden sind. Auf den Grundflächen der die Kavitäten 9a, 9b bildenden Ausnehmungen im Substrat 12 sind Elektroden 4a, 4b angeordnet, die jeweils mit einem als Bondpad ausgebildeten Kontakt 5 elektrisch leitend verbunden sind. Die elektrischen Kontakte 5 sind derart am Substrat 12 angeordnet, dass sie für eine Kontaktierung des Sensorchips von außen frei zugänglich sind.
Ferner ist ein ebenfalls als Bondpad ausgebildeter Anschluss 14 vorgesehen, der elektrisch leitend mit einer auf dem Substrat 12 aufliegenden Membran (in dieser Ansicht nicht erkennbar) verbunden ist. Da die Membran und die in den Kavitäten 9a, 9b angeordneten Elektroden 4a, 4b nicht elektrisch leitend verbunden sind, stellen diese einen kapazitiven Widerstand dar. Die Größe des kapazitiven Widerstands ist über die Kontakte 5 und 14 mit Hilfe einer Auswerteeinheit (nicht dargestellt) auslesbar.
Die 2 zeigt eine Querschnittsdarstellung des Sensorchips 2 der 1. In dieser Darstellung sind die Ausnehmungen 8a, 8b im Substrat 12 zu erkennen, die zusammen mit der die Ausnehmungen 8a, 8b überdeckenden Membran 1 die Kavitäten 9a, 9b bilden. In den Grundflächen der Ausnehmungen 8a, 8b sind die mit den Kontakten 5 verbundenen Elektroden 4a, 4b implantiert. Die Oberflächenbereiche des Substrates 12, in die keine Ausnehmungen geätzt sind und die von der Membran 1 überdeckt werden, sind mit der Membran 1 fest verbunden, so dass die Kavitäten 9a, 9b und der die Kavitäten 9a, 9b verbindende Kanal 11 einen fluiddicht abgeschlossenen Hohlraum unterhalb der Membran 1 bilden. Dieser Hohlraum ist mit einem inkompressiblen Fluid 13 ausgefüllt, das schraffiert in der Figur angedeutet ist.
Die Membran 1 und die Elektroden 4a bzw. 4b stellen jeweils einen Kondensator dar, dessen Kapazität über die Kontakte 5 sowie einen in dieser Ansicht nicht dargestellten Kontakt 14 für die Kontaktierung der Membran 1 ausgelesen wird.
3 zeigt eine Querschnittsdarstellung durch einen mikromechanischen Differenzdrucksensor mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Sensorchip 2 der ein Substrat 12 mit zwei Ausnehmungen aufweist, die über den Kanal 11 miteinander verbunden sind. Ferner weist der Sensorchip 2 eine Membran 1 auf, die die Ausnehmungen sowie den Kanal 11 überspannt, so dass zwei durch den Kanal 11 verbundene Kavitäten 9a, 9b gebildet werden. Der Sensorchip 2 weist die in den 1 und 2 erläuterte Ausgestaltung auf. Ferner ist auf dem Sensorchip 2 ein Deckelchip 3 aufgebracht, der in Bereichen, die nicht die Kavitäten 9a, 9b überspannen, fest auf der Membran 1 aufliegt.
Der Deckelchip 3 verfügt über Deckelausnehmungen 10a, 10b, die so dimensioniert sind, dass die Membran 1 nur über den Kavitäten 9a, 9b frei liegt bzw. diese begrenzt und insbesondere der die Kavitäten 9a, 9b verbindende Kanal 11 vollständig abgedeckt ist. Die Deckelausnehmung 10a ist über die Druckleitung 6 und die Deckelausnehmung 10b über die Druckleitung 7 mit der Umgebung verbunden.
Die Kavitäten 9a, 9b sowie der die Kavitäten verbindende Kanal 11 sind vollständig mit einem inkompressiblen Fluid 13 aufgefüllt. Mit Hilfe dieses inkompressiblen Fluids 13 wird eine hydraulische Verbindung zwischen den Kavitäten 9a, 9b hergestellt.
Wird die Membran 1 oberhalb einer Kavität 9a durch einen an der Druckleitung 6 anstehenden Druck P₁ belastet, verwölbt diese sich nach unten. Dabei wird ein Teil des inkompressiblen Fluids 13 durch den Kanal 11 in die benachbarte Kavität 9b verdrängt, so dass sich der über dieser Kavität 9b befindliche Membrananteil nach oben verwölbt. In Folge dessen verändert sich die Kapazität des jeweils aus Elektrode 4a bzw. 4b und Membran 1 gebildeten Kondensators. Aus der Änderung der Kapazität wird die zwischen den Druckleitungen 6 und 7 anliegende Druckdifferenz ermittelt.
Der Aufbau des Drucksensors aus Sensorchip 2 und Deckelchip 3 ermöglicht einen beidseitigen, symmetrischen Überlastungsschutz. Fällt der Offsetdruck auf einer Seite, bspw. an Druckleitung 6 aus, wird die Membran 1 in die nur wenige μm tiefe korrespondierende Kavität 9b gepresst. Die maximale Ausdehnung der Membran wird dabei durch den Boden der Kavität begrenzt. Wird für die Membran 1 ein Siliziummaterial gewählt, so kann diese Membran Überdrücken von mehreren 10⁷ Pa (= 100 bar) widerstehen. Bei Anliegen eines solchen Überdruckes p₁ auf einer Seite buckelt die Membran 1 gleichzeitig auf der anderen Seite, in diesem Fall in der Deckelausnehmung 8b, nur um das verdrängte Volumen des inkompressiblen Fluids 13 aus. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Membran 1 auch bei Anliegen eines entsprechenden Überdrucks nicht überdehnt wird.
Die Kräfte durch den einseitigen Offsetdruck fallen nicht über der Membran 1 sondern am Material zwischen den Druckleitungen 6 und 7 und gleichzeitig auch an der Verbindung zwischen Deckelchip 3 und Sensorchip 2 ab. Die Druckfestigkeit des dargestellten Drucksensors wird folglich nicht durch die Eigenschaften des Sensorchips 2 limitiert.
Da in dem dargestellten Differenzdrucksensor ein Sensorchip 2 vorgesehen ist, der symmetrisch aufgebaut ist und mit dem eine Differenzkapazität gemessen wird, lassen sich spezielle temperatur- oder stressbedingte Drifteffekte auf einfache Weise eliminieren. Darüber hinaus liegt der an den Druckleitungen 6 bzw. 7 angelegte Druck direkt an der Membran 1 an, ohne dass eine Druckaufnahme über ein zusätzlich in dem Sensor vorgesehenes Medium erfolgt. Der in 3 dargestellte Sensor stellt somit einen medienentkoppelten Differenzdrucksensor dar, durch dessen Einsatz Fehlmessungen weitgehend ausgeschlossen werden.

1: Membran
2: Sensorchip
3: Deckelchip
4a: Elektrode
4b: Elektrode
5: Kontakt
6: Druckleitung 1
7: Druckleitung 2
8a: erste Ausnehmung
8b: zweite Ausnehmung
9a: Kavität
9b: Kavität
10a: Deckelausnehmung
10b: Deckelausnehmung
11: Kanal
12: Substrat
13: inkompressibles Fluid
14: Anschluss für Membran

Claims

Sensorchip für einen Differenzdrucksensor, der ein Substrat (12) mit einer ersten, eine Vertiefung im Substrat bildenden Ausnehmung (8a) aufweist, die von einer ersten Membran (1) dichtend überdeckt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (12) eine zweite, eine Vertiefung im Substrat bildende Ausnehmung (8b) aufweist, die von einer zweiten Membran (1) dichtend überdeckt ist und über zumindest einen Kanal (11) mit der ersten Ausnehmung (8a) in Verbindung steht, so dass zwei durch den Kanal (11) mit einander gekoppelte Kavitäten (9a, 9b) gebildet werden, die mit einem inkompressiblen Fluid (13) gefüllt sind, wobei die Membranen (1) elektrisch leitfähig oder leitfähig beschichtet und elektrisch leitend mit einem ersten Kontakt (14) verbunden sind und auf einer Grundfläche jeder Ausnehmung (8a, 8b) wenigstens eine Elektrode (4a, 4b) angeordnet ist, die elektrisch leitend mit einem zweiten Kontakt (5) verbunden ist.
Sensorchip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Membran (1) zusammenhängend als eine gemeinsame Membran ausgebildet sind.
Sensorchip nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Deckel (3) vorgesehen ist, der die erste und die zweite Membran (1) zumindest in einem den Kavitäten (9a, 9b) gegenüberliegenden Bereich überdeckt.
Sensorchip nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (3) im Bereich der Kavitäten (9a, 9b) jeweils eine Deckelausnehmung (10a, 10b) aufweist, so dass auf einer dem Substrat (12) abgewandten Seite der Membran (1) wenigstens zwei fluiddicht getrennte Druckkammern gebildet werden.
Sensorchip nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Druckkanal (6, 7) im Deckel (3) ausgebildet ist, der eine fluiddichte Verbindung zwischen wenigstens einer Deckelausnehmung (10a, 10b) und einer dem Substrat (12) abgewandten Seite des Deckels (3) herstellt.
Sensorchip nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (3) aus Silizium, Glas oder Kunststoff besteht.
Sensorchip nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (3) und das Substrat (12) durch anodisches Bonden verbunden sind.
Sensorchip nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranen (1) aus Silizium, Metall oder Kunststoff gebildet sind.
Sensorchip nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Membran (1) im Bereich außerhalb der Kavitäten (9a, 9b) auf dem Substrat (12) aufliegen.
Sensorchip nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (11) als Graben in einer Oberfläche des Substrates (12) ausgebildet ist und die erste und die zweite Membran (1) im Bereich außerhalb der Kavitäten (9a, 9b) und des Kanals (11) auf dem Substrat (12) aufliegen.
Sensorchip nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (8a, 8b) im Substrat (12) nur wenige μm tief sind.
Sensorchip nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, mit der die auf den Grundflächen der Ausnehmungen (8a, 8b) angeordneten Elektroden (4a, 4b) getrennt auslesbar sind.
Sensorchip nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Grundfläche jeder Ausnehmung (8a, 8b) wenigstens zwei Elektroden (4a, 4b) angeordnet sind und eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, mit der eine Vielzahl von Elektroden getrennt auslesbar ist.
Sensorchip nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (4a, 4b) in das Substrat (12) implantiert und/oder als metallische Schicht auf einem Isolator ausgebildet sind.
Sensorchip nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Aufnahmeelemente zur Befestigung des Sensorchips (2) in einem Gehäuse vorgesehen sind.
Sensorchip nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorchip (2) in einem Gehäuse angeordnet ist, das vorgespannt ist.