DE10311795B4 - Mikromechanischer Druckschalter sowie Verfahren zur Herstellung des Mikromechanischen Druckschalters - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Druckschalters (10) aus einem Halbleiter-Substrat sh; Einbringen einer Dotierung (p) in das Halbleiter-Substrat (12), – Teilätzen des dotierten Bereichs (25) zur Erzeugung einer porösen Halbleiter-Struktur (26), – Aufbringen einer Schicht (11) auf das Halbleiter-Substrat (12) einschließlich des porösen Bereichs (26), die die Membran (13) des Druckschalters (10) bildet, und – Umlagern des porösen Bereichs (26) durch einen Prozessschritt, bei dem hohe Temperaturen auf den porösen Bereich einwirken, so dass sich eine Ausnehmung (14) bildet, wobei sich ein Teil des porösen Bereichs (26) an der Membran (13) anlagert und einen ersten Kontakt (16) bildet, und sich ein Teil des porösen Bereichs (26) am Halbleitersubstrat (12) anlagert und dort einen zweiten Kontakt (17) bildet.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Drucksensors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie einen mikromechanischen Druckschalter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.
• Drucksensoren zur Messung von Gasdrücken werden in einer Vielzahl von Anwendungen benötigt. Ein Beispiel aus dem Stand der Technik ist die Messung des Reifendrucks bei einem Kfz. Eine solche Messanordnung umfasst einen oder mehrere Drucksensoren, die zusammen mit einer Auswerteelektronik und einem Sender im Innenraum eines Fahrzeugreifens angeordnet sind. Die Sensorsignale werden mit Hilfe einer Auswerteelektronik ausgewertet und dann in Form von HF-Signalen (HF: Hochfrequenz) an einen stationär angeordneten Empfänger gesendet. Der Sendevorgang benötigt dabei relativ viel Energie. Um die HF-Datenübertragung zu gewährleisten, ist ein Energiespeicher (Batterie) im Rad vorgesehen, der nach Ablauf der Lebensdauer ausgetauscht werden muss. Dieses System ist daher sehr aufwändig und kompliziert.
• Aus der Schrift DE 100 36 438 A1 ist ein mikromechanisch erzeugter Druckschalter bekannt, bei dem ein oberes Substrat mit einer verformbaren Membran und ein unteres Substrat vorgesehen sind, das mit dem oberen Substrat unter Bildung einer luftdichten Kammer überlappt. Zwischen den beiden Substraten ist eine Kontakteinrichtung vorgesehen, die bei deiner Verformung der Membran elektrisch schaltbar ist.
• Aus der Schrift US 5,455,203 A ist ein Verfahren zur Erzeugung eines Druckschalters bekannt, bei dem mittels mikromechanischer Epitaxieschritt in die Ausnehmung eines Halbleitersubstrats eine erste Kontaktelektrode und auf die darüber befindliche untere Seite einer Membran eine zweite Elektrode erzeugt wird. Durch das Anlegen eines äußeren Drucks wird die Membran auf die Kontaktelektrode gedrückt, so dass ein Drucksignal erzeugt wird, welches mit dem anliegenden Druck korrespondiert.
• Aus der Schrift DE 100 32 579 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ausgehend von einer ersten porösen Schicht in einem Halbleiterbauelement mittels eines oder mehrere Temperaturschritte unter oder aus der ersten porösen Schicht eine Kaverne bzw. ein Hohlraum gebildet wird.
• Aus der Schrift DE 101 38 759 A1 ist die Herstellung eines Halbleiterbauelements bekannt, bei dem mittels der thermischen Umlagerung von porösen Schichten unterhalb einer Membran eine Kavität erzeugt wird.
• Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Druckschalters bzw. einen Druckschalter zu schaffen, die keine lokale Energiequelle (Batterie) zur Übertragung der Messdaten an einen Empfänger benötigt. Des weiteren ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen mikromechanischen Druckschalter zu schaffen, der aufgrund ihrer Baugröße, Robustheit und Präzision insbesondere zur Reifendruckmessung einsetzbar sind.
• Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die in den Patentansprüchen 1 und 6 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
• Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, einen Drucksensor mit einem Druckschalter zu realisieren. Zusätzlich kann der Drucksensor mit einer Resonatorschaltung, wie z. B. einer LC-Schaltung (elektrischer Schwingkreis), verbunden sein. Die Resonatorschaltung, vorzugsweise ein Serienschwingkreis, wird vom Schalter in Abhängigkeit vom vorherrschenden Druck ein- oder ausgeschaltet. Der eingeschaltete Zustand kann von einer extern angeordneten Auswerteeinheit erkannt werden.
• Zur Durchführung einer Druckmessung wird der Drucksensor von einem externen Sender angeregt, der Frequenzen im Bereich der Resonanzfrequenz der Resonatorschaltung aussenden kann. Der Sender umfasst eine Auswerteelektronik, die den Absorptionsgrad und/oder die Resonanzantwort der Resonatorschaltung auswerten kann. Die Auswertung nach dem Prinzip der Absorption beruht auf der Tatsache, dass die Resonatorschaltung bei Anregung mit ihrer Resonanzfrequenz wesentlich mehr Energie absorbiert als bei anderen Frequenzen. Dies kann am Sender festgestellt werden. Die Auswertung nach dem Prinzip der Resonanzantwort beruht darauf, dass die Resonatorschaltung, wenn sie in Resonanz ist, Oberwellen mit höheren Frequenzen aussendet, die von der Auswerteelektronik des Senders erfasst werden können. Eine Auswertung der Oberwellen (nach Frequenz und/oder Amplitude) erhöht die Zuverlässigkeit der Messung und bewirkt eine Reduzierung der Störempfindlichkeit.
• Nicht beansprucht kann vorgesehen sein, dass dass der Drucksensor rein passiv angeregt wird und keine eigene Energieversorgung, wie z. B. eine Batterie, benötigt. Der Drucksensor kann daher besonders klein, einfach und kostengünstig hergestellt werden und hat darüber hinaus eine nahezu unbegrenzte Lebensdauer.
• Der Druckschalter des Drucksensors hat eine vorgegebene Schaltschwelle, bei deren Überschreiten der Druckschalter z. B. ein- und bei deren Unterschreiten der Druckschalter z. B. ausschaltet. Mit einem einzelnen Drucksensor kann somit nur festgestellt werden, ob der vorherrschende Druck über oder unter der vorgegebenen Schaltschwelle liegt. Um die Auflösung zu verbessern, wird nicht erfindungsgemäß vorgeschlagen, mehrere Drucksensoren in der Messanordnung vorzusehen, deren Druckschalter unterschiedliche Schaltschwellen und deren Resonatorschaltungen unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen.
• Die Störfestigkeit einer solchen Anordnung kann wesentlich verbessert werden, wenn wenigstens zwei Drucksensoren verwendet werden, deren Druckschalter die gleiche oder nahezu gleiche Schaltschwelle haben, deren Resonatorschaltungen jedoch unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen. Dadurch wird eine Plausibilitätsüberprüfung möglich, mit der der Einfluss von Störfrequenzen eliminiert werden kann. Eine Druckmessung ergibt in diesem Fall zwei Absorptionsmaxima bei diesen Resonanzfrequenzen. Eine Störfrequenz aus der Umgebung, die im Bereich nur einer der Resonanzfrequenzen liegt, kann somit das Meßergebnis nicht negativ beeinflussen.
• Ein mikromechanischer Druckschalter gemäß der Erfindung ist aus einem Halbleiter-Substrat hergestellt und umfasst eine im Halbleiter-Substrat angeordnete Ausnehmung, in der ein erster Kontakt angeordnet ist, sowie eine die Ausnehmung übersoannende Membran, an der ein zweiter Kontakt angeordnet ist. Bei Überschreiten einer vorgegebenen Druckschwelle kommen die beiden Kontakte miteinander in Berührung und bilden eine elektrische Verbindung.
• Die Membran besteht ebenso wie das Substrat vorzugsweise aus einem Halbleitermaterial, wie z. B. einer Epitaxieschicht. Vorzugsweise bestehen das Substrat und die Membran aus dem selben Material.
• Die im Halbleiter-Substrat vorgesehene Ausnehmung ist vorzugsweise in einer Porös-Halbleiter-Technologie, insbesondere in PorSi-Technologie, hergestellt. Dabei wird in das Halbleiter-Substrat in einem ersten Schritt zunächst eine Dotierung eingebracht, wodurch ein dotierter Bereich (z. B. p-) entsteht, der in einem zweiten Schritt teilgeätzt wird, wodurch in diesem Bereich eine poröse Halbleiter-Struktur entsteht. In einem weiteren Verfahrensschritt wird auf dem Halbleiter-Substrat einschliesslich des porösen Bereichs eine Epitaxieschicht (mono- oder polykristallin) erzeugt, die später die Membran des Druckschalters bildet. Der unter der Epitaxieschicht liegende poröse Bereich wird schliesslich durch geeignete Prozessführung, insbesondere durch Anwendung hoher Temperaturen an den Rand des porösen Bereichs umgelagert (der poröse Bereich wird dabei verflüssigt). Ein Teil des porösen Bereichs lagert sich dabei an der Membran an und bildet den ersten Kontakt, und ein anderer Teil lagert sich am Boden der Ausnehmung an und bildet den zweiten Kontakt.
• In einem solchen Herstellungsverfahren kann ein besonders kostengünstiger, zuverlässiger und genauer Druckschalter mit sehr kleiner Bauform hergestellt werden.
• Der Boden der Ausnehmung hat vorzugsweise einen in Richtung der Membran zeigenden Vorsprung, auf dem der zweite Kontakt angeordnet ist, der bei einer Durchbiegung der Membran zuerst mit dieser bzw. dem ersten Kontakt in Berührung kommt. Wahlweise kann am Boden der Ausnehmung auch eine Vertiefung vorgesehen sein, an deren Rand elektrische Kontakte angeordnet sind, die bei einer Durchbiegung der Membran elektrisch überbrückt werden. Unterhalb der Druckschwelle des Schalters sind die am Boden der Ausnehmung befindlichen Kontakte elektrisch voneinander getrennt.
• Zur seitlichen Begrenzung der Ausnehmung wird das Halbleitersubstrat vor der Herstellung der Ausnehmung vorzugsweise mit einem zweiten Dotierbereich versehen, der die Ausnehmung umfangsseitig begrenzt.
• Die Kontaktanschlüsse des erfindungsgemäßen Druckschalters sind vorzugsweise auf der Epitaxieschicht angeordnet.
• In einer weiteren, nicht beanspruchten Ausführung wird ein mikromechanischer Druckänderungssensor vorzugsweise aus einem Halbleiter-Substrat hergestellt und umfasst eine ebenfalls aus Halbleitermaterial hergestellte Membran. Der Druckänderungssensor umfasst eine im Halbleiter-Substrat angeordnete Ausnehmung, sowie eine Membran, die die Ausnehmung überspannt. Der Druckänderungssensor hat ferner Druckausgleichsmittel (z. B. Ventile oder Kanäle mit definierter Durchflusscharakteristik), welche die Ausnehmung mit der Umgebung verbinden und einen Druckausgleich zwischen dem Druck in der Ausnehmung und dem Aussendruck ermöglichen. Bei einer Druckänderung wird die Membran daher nur vorübergehend durchgedrückt und kehrt danach aufgrund des Druckausgleichs zwischen Ausnehmung und Umgebung wieder in die Ruhelage zurück.
• Die Zeitkonstante dieses Vorgangs kann durch entsprechende Dimensionierung der Druckausgleichsmittel eingestellt werden. Ein Druckänderungssensor hat den Vorteil, dass er wesentlich unempfindlicher gegenüber hohen Drücken ist als z. B. ein Druckschalter. Im Unterschied zum Druckschalter, auf dessen Membran der gesamte Absolutdruck lastet und die dementsprechend mehr oder weniger stark durchgebogen ist, lastet auf der Membran des erfindungsgemäßen Druckänderungssensors bei statischem Aussendruck kein Druck. Dadurch wird eine Absolutdruck unabhängige hohe Empfindlichkeit realisierbar.
• Die Druckausgleichsmittel des mikromechanischen Druckänderungssensors werden vorzugsweise in Porös-Halbleiter-Technologie hergestellt. D. h., im Halbleitermaterial wird durch Teilätzen eine poröse Struktur erzeugt, durch die ein Druckausgleich erfolgen kann. Die charakteristischen Eigenschaften des Druckänderungssensors werden durch die Fläche und die Porosität (definiert durch Stromdichte, Dotierung und HF-Konzentration im Herstellungsprozess) des Druckausgleichsbereichs festgelegt.
• Wahlweise können auch Druckausgleichskanäle im Halbleiter-Substrat oder in der Membran hergestellt werden.
• Die Membran wird vorzugsweise von einer Epitaxieschicht gebildet, die auf das Halbleitersubstrat aufgewachsen ist.
• Die Durchbiegung der Membran, welche ein Maß für die vorherrschende Druckänderung ist, wird vorzugsweise durch piezoresistive Widerstände aufgenommen, die auf oder in der Membran angeordnet sein können. Die piezoresistiven Widerstände sind mit einer Auswerteelektronik verbunden, welche z. B. die Druckänderungsrate anzeigt. Eine kapazitive oder ähnliche Auswertung ist ebenfalls realisierbar.
• Zur Vermeidung von Verschmutzungen des Druckausgleichsbereichs (des porösen Bereichs bzw. der Druckausgleichskanäle) kann der Druckänderungssensor durch ein Gehäuse, das zur Medientrennung vorzugsweise selbst eine Membran aufweist, geschützt werden.
• Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
• 1 eine aus dem Stand der Technik bereits bekannte Messanordnung zur berührungslosen Druckmessung von Gasdrücken;
• 2 eine Drucksensor-Messanordnung mit mehreren Drucksensoren, die Druckschalter enthalten;
• 3 einen mikromechanischen Druckschalter gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
• 4 den mikromechanischen Druckschalter von 3 im druckbeaufschlagten Zustand;
• 5a–5f verschiedene Prozessschritte bei der Herstellung des Druckschalters von 3;
• 6a, 6b verschiedene Prozessschritte bei der Herstellung eines Druckschalters gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
• 7 eine nicht beanspruchte schematische Darstellung eines Druckänderungssensors; und
• 8 eine Querschnittsansicht eines nicht beanspruchten mikromechanischen Druckänderungssensors.
• Der Drucksensor
• 1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bereits bekannte Messanordnung zur borührungslosen Druckmessung von Gasdrücken, wie z. B. dem Reifendruck in einem Fahrzeugreifen. Die dargestellte Drucksensor-Messanordnung umfasst einen Drucksensor 1, der z. B. im Fahrzeugreifen angeordnet ist, sowie einen externen (stationär angeordneten) Sender 5 mit einer Auswerteelektronik 6.
• Der Drucksensor 1 umfasst einen Druckschalter 2, insbesondere einen mikromechanischen Druckschalter, an dem eine LC-Reihenschaltung, bestehend aus einer Induktivität 4 und einer Kapazität C, angeschlossen ist. Der Druckschalter 2 schaltet die LC-Schaltung 3, 4 in Abhängigkeit vom vorherrschenden Druck ein oder aus. Liegt der Druck über der Schaltschwelle P1 des Druckschalters 2, so ist der Druckschalter 2 eingeschaltet. Bei einem geringeren Druck als P1 ist der Schalter ausgeschaltet.
• Der Drucksensor 1 arbeitet rein passiv und bedarf keiner eigenen Energieversorgung, wie z. B. einer Batterie. Bei einer Messung wird der Drucksensor 1 vom externen Sender 5 angeregt, der Frequenzen im Bereich der Resonanzfrequenz der LC-Schaltung 3, 4 aussenden kann. Bei geschlossenem Druckschalter 2 (P > P1) und Anregung mit der Resonanzfrequenz kommt der LC-Schwingkreis 3, 4 in Resonanz und absorbiert in diesem Zustand ein wesentlich höheres Maß an Sendeenergie wie ausserhalb des Resonanzbereichs. Durch Auswertung des Absorptionsgrades kann somit eine Druckmessung durchgeführt werden.
• Wahlweise kann auch die Resonanzantwort des LC-Schwingkreises 3, 4 ausgewertet werden. Die LC-Schaltung 3, 4 sendet, wenn sie sich in Resonanz befindet, neben der Resonanzfrequenz auch Oberwellen aus, die von der Auswerteelektronik 6 des Senders 3 erfasst werden können. Eine besonders genaue und störfeste Messung kann z. B. durch Anwendung beider Auswertemethoden erreicht werden.
• Drucksensor-Messanordnung mit mehreren Drucksensoren
• 2 zeigt eine Drucksensor-Messanordnung mit mehreren Drucksensoren 1a–1e gemäß 1, deren Druckschalter 2 unterschiedliche Schaltschwellen Pi und deren LC-Schaltungen 3, 4 unterschiedliche Resonanzfrequenzen fi aufweisen. Der Sender 5 ist in diesem Fall in der Lage, Frequenzen zwischen der niedrigsten Resonanzfrequenz f1 und der höchsten Resonanzfrequenz f5 auszusenden und die Resonanzantwort bzw. den Absorptionsgrad der einzelnen Drucksensoren 1a–1e auszuwerten.
• Liegt der Druck z. B. zwischen dem Druck P3 und P4, sind die Druckschalter 2 der Drucksensoren 1a–1c geschlossen und die Druckschalter 2 der Drucksensoren 1d, 1e geöffnet. Bei einer Messung werden daher nur die Drucksensoren 1a–1c ansprechen und in Resonanz geraten, nicht dagegen die Drucksensoren 1d, 1e.
• Zur Vermeidung von Messfehlern aufgrund äußerer Störfelder, die Frequenzen nahe einer Resonanzfrequenz fi aussenden, können die Drucksensoren 1a–1e jeweils mehrere Druckschalter 2 mit gleicher Schaltschwelle aufweisen, deren LC-Schaltungen jedoch unterschiedliche Resonanzfrequenzen haben. Bei Überschreiten der Schaltschwelle können somit mehrere Absorptionsmaxima bei verschiedenen Sendefrequenzen festgestellt werden. Da eine mögliche Störquelle meist nur Störsignale mit einer Frequenz aussendet, kann die Störung als solche erkannt werden.
• Der Druckschalter
• 3 zeigt eine Ausführungsform eines mikromechanischen Druckschalters, der beispielsweise zur Reifendruckmessung eingesetzt werden kann. Der Druckschalter 10 besteht aus einem dotierten Halbleiterchip 12 und umfasst eine Ausnehmung 14, die von einer Membran 13 abgedeckt wird. Die Ausnehmung ist umfangsseitig von einem n+ dotierten Bereich 15 eingegrenzt.
• Der Bodenbereich der Ausnehmung 14 umfaßt einen Kontakt 17. bin zweiter Kontakt 16 ist an der Membran 13 angeordnet. Die Kontakte 16,17 sind in der drucklosen Ruhestellung, wie sie in 3 dargestellt ist, voneinander beabstandet.
• 4 zeigt den Zustand des Druckschalters 10 unter Einwirkung von Druck. In diesem Zustand ist die Membran nach unten durchgebogen, so dass sich die Kontakte 16, 17 berühren und der Stromkreis geschlossen wird. Der Strom kann über die Kontakte 18a, die p-Dotierungen 22a, 23a, die Kontakte 16, 17, das p-dotierte Halbleiter-Substrat 12, die p-Dotierungen 22b, 23b und den Kontakt 18b durch den Druckschalter 10 fließen.
• Herstellung eines Druckschalters
• Die wesentlichen Prozessschritte bei der erfindungsgemäßen Herstellung eines solchen Druckschalters 10 werden in den 5a–5e beispielhaft näher erläutert: 5a zeigt eine Schnittansicht durch einen Si-Chip mit zwei n⁺ dotierten Bereichen 15, die die umfangsseitige Begrenzung der in einem späteren Prozessstadium hergestellten Ausnehmung 14 bilden. Die n⁺ dotierten Bereiche 15 sind in einem vorgegebenen Abstand voneinander angeordnet.
• 5b zeigt den Druckschalter 10 nach einem zweiten Prozessschritt, bei dem ein vorgegebener Bereich zwischen den n⁺-Gebieten 15 p⁺ dotiert wird. Das Bezugszeichen 27 bezeichnet eine in Lithographieprozess verwendete Maske. Die Dotierbereiche 24 erden vorzugsweise bei rohen Temperaturen in das Substrat 12 eingetrieben, um eine tiefere p⁺-Dotierung zu erhalten.
• 5c zeigt den Druckschalter 10 nach einer zweiten Dotierung, in in der der gesamte Bereich zwischen den n⁺-Dotierungsbereichen 15 nochmals p⁺ dotiert wird. Die p⁺-Dotierung kann gegebenenfalls nochmals bei hohen Temperaturen eingetrieben werden. Dabei entsteht ein p⁺-dotierter Bereich 25, der später die Ausnehmung 14 bildet. Daneben wird ein weiterer p-dotierter Bereich 23b hergestellt, der zur Kontaktierung des Druckschalters 10 dient.
• 5d zeigt einen Zustand des Druckschalters 10 nach einem weiteren Prozessschritt, bei dem durch Teilätzen (wird auch als PorSi-Prozess bezeichnet) mit Hilfe eines Ätzmittels und durch Anlegen von Strom ein poröser Bereich 26 erzeugt wird.
• In einem nachfolgenden Verfahrensschritt wird die Oberfläche des Halbleiterchips 12 einschliesslich des porösen Bereichs 26 mit einer Epitaxieschicht 11 versehen. Danach wird die Ausnehmung 14 erzeugt. Durch Einwirkung hoher Temperaturen beginnt sich der poröse Bereich 26 zu verflüssigen und lagert sich einerseits an der Membran 13 und andererseits am Boden der Ausnehmung 14 an. Die Anlagerungen bilden die Kontakte 16 bzw. 17. In der Mitte der Ausnehmung 14 verbleibt ein in Richtung der Epitaxieschicht 11 zeigender Vorsprung 19.
• An den seitlichen, n⁺ dotierten Bereichen 15 kommt es zu keiner Anlagerung und Umdotierung, da die Dotierstoffkonzentration der n⁺-Bereiche 15 vorzugsweise wesentlich höher ist, als die des p⁺-Bereichs 26.
• 5e zeigt den Druckschalter 10 mit der Ausnehmung 14 und den Kontakten 16, 17.
• 5f zeigt die zur elektrischen Kontaktierung des Druckschalters 10 vorgesehenen p⁺-Dotierungsbereiche 22a, 22b. Die p⁺-Dotierung 23b entsteht durch thermisches Eintreiben der in 5b dargestellten p⁺-Dotierung 23b in die Epitaxieschicht 11. Ferner werden Kontakte 18a, 18b auf die Oberfläche der Epitaxieschicht 11 aufgebracht und über Bonddrähte 20, 21 kontaktiert.
• Der Arbeitsbereich und die Empfindlichkeit des Druckschalters 10 werden durch den Abstand der n⁺ dotierten Gebiete 15, die Dicke der Epitaxieschicht 11 und den Abstand zwischen den Kontakten 16 und 17 bestimmt.
• Die 6a und 6b zeigen zwei Prozessstadien eines Druckschalters 10, bei dem anstelle des Vorsprungs 19 eine Vertiefung 29 am Boden der Ausnehmung 14 vorgesehen ist. Die einzelnen Verfahrensschritte entsprechen sonst grundsätzlich denen der 5a bis 5f.
• 6a zeigt den Druckschalter 10 nach der Herstellung unterschiedlich großer Dotierbereiche 28a, 28b (beide z. B. p+) im Substrat 12. Diese werden wiederum in einem Porös-Halbleiter-Prozess durch Teilätzen und Anwendung hoher Temperaturen in die Ausnehmung 14 mit einer Vertiefung 29 umgewandelt. Das Material der Bereiche 28a und 28b lagert sich wiederum an der Epitaxieschicht 11 bzw. am Boden der Ausnehmung 14 an und bildet dort die Kontakte 16 und 17a, 17b.
• 6b zeigt einen Zustand des Druckschalters 10 nach der Herstellung der Ausnehmung 14 mit der Vertiefung 29. Am Rand der Vertiefung 29 bilden sich Kontakte 17a, 17b, die im dargestellten Ruhezustand elektrisch voneinander getrennt sind. Bei ausreichend hohem Außendruck biegt sich die Membran 13 nach innen durch, so dass der an des Membran befindliche Kontakt 16 die Kontakte 17a, 17b elektrisch überbrückt. Die Kontakte 17a, 17b müssen von außen in geeigneter Weise kontaktiert werden (nicht gezeigt).
• Der Druckänderungssensor
• 7 zeigt eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Druckänderungssensors mit einer Membran 33. Unter der Bezeichnung „Druckänderungssensor” wird in dieser Beschreibung ein Sensor verstanden, mit dem unabhängig vom Absolutdruck eine Druckänderung festgestellt werden kann.
• Der dargestellte Druckänderungssensor 30 besteht aus einem Halbleiter-Substrat 32 mit einer Ausnehmung 34, die von einer Membran 33 überdeckt wird. Der Druckänderungssensor 30 umfasst ferner Druckausgleichsmittel, wie z. B. einen Druckausgleichskanal 31 mit einem definierten Strömungswiderstand, der die Ausnehmung 34 mit der Umgebung verbindet.
• Bei stationärem Druck befindet sich die Membran 33 in der Ruhestellung (siehe 8). Bei einem Druckabfall wölbt sich die Membran 33 nach außen und bei einer Druckzunahme nach innen. Die Durchwölbung der Membran 33 wird durch geeignete Sensorelemente 36, wie z. B. piezoresistive Widerstände erfasst, die in oder auf der Membran angeordnet sind. Nach einer vorgegebenen Zeit gleicht sich der Innendruck in der Ausnehmung 34 an den Aussendruck an, wobei Luft bzw. Gas durch den Kanal 31 nach innen in den Hohlraum 34 oder nach außen in die Umgebung strömt. Die gewölbte Membran 33 kehrt dabei langsam wieder in die Ruhelage zurück.
• Die Ausnehmung 34 kann entweder im Substrat 32 oder, wie gezeigt, in einer auf dem Substrat angeordneten Schicht 37 vorgesehen sein.
• Da der Druckänderungssensor 30 unabhängig von Absolutdruck funktioniert und nur Druckänderungen standhalten muß, kann der Druckänderungssensor 30 relativ einfach aufgebaut sein.
• 8 zeigt einen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform eines Druckänderungssensors 30. Der Druckänderungssensor 30 besteht aus einem Halbleiter-Substrat 32, wie z. B. p-dotiertem Silizium. Im Halbleiter-Substrat 32 ist eine Ausnehmung 34 vorgesehen, die umfangssaitig von einem n⁺-dotierten Bereich 35 begrenzt ist. Eine auf der Oberfläche des Halbleiter-Substrats 32 aufgebrachte Epitaxieschicht 37 bildet gleichzeitig die Membran 33 des Druckänderungssensors 30.
• Die Epitaxieschicht 37 ist über Kontakte 38, an denen Bonddrähte 39, 40 befestigt sind, angeschlossen.
• Die Ausnehmung 34 kann beispielsweise in einem Porös-Halbleiter-Prozess hergestellt werden, bei dem durch Anwendung eines geeigneten Ätzmittels und Anlegen von Strom zunächst ein poröser Bereich, z. B. ein PorSi-Bereich erzeugt wird, der in einem anschliessenden Prozessschritt unter Einwirkung hoher Temperaturen geschmolzen und umgelagert wird.
• Zum Druckausgleich zwischen der Ausnehmung 34 und dem Aussenraum sind Druckausgleichskanäle 31 vorgesehen, die in der Membran 33 oder im Halbleiter-Substrat 32 angeordnet sein können. Die Druckausgleichskanäle 31 können z. B. in einem PorSi-Prozess oder in einem herkömmlichen Ätzprozess hergestellt werden.
• Bei einer Zunahme des Aussendrucks wölbt sich die Membran 33 nach innen, in die Ausnehmung 34 hinein, bei einer Abnahme des Aussendrucks nach aussen. Wegen der Kanäle 31 erfolgt dann ein Druckausgleich zwischen der Ausnehmung 34 und dem Außenraum, und die Membran 33 kehrt nach einer durch die Stromungseigenschaften der Kanäle 31 vorgegebenen Zeit wieder in die entspannte Ruheposition zurück. Des Ausgangssignal der Sensorelemente 36 wird nach dieser Zeit den „Nullwert” wieder annehmen.
• Zur Vermeidung von Verschmutzungen der Druckausgleichskanäle 31 kann der Sensor in einem Gehäuse (nicht gezeigt) untergebracht werden, des z. B. selbst eine Membran zur Medientrennung aufweisen kann.
• Bezugszeichenliste

1

Drucksensor

2

Druckschalter

3

Kapazität

9

Induktivität

5

Sender

6

Auswerteelektronik

10

Druckschalter

11

Epitaxieschicht

12

Halbleiter-Substrat

13

Membran

14

Ausnehmung

15

n⁺ dotierter Bereich

16

erster Kontakt

17

zweiter Kontakt

18

Anschlusskontakt

19

Vorsprung

20

Bondung

21

Bonddraht

22a, 22b

p-Dotierung

23a, 23b

p-Dotierung

24

p⁺-Dotierung

25

zweite p⁺-Dotierung

26

poröser Bereich

27

Maske

28

Dotierbereich

29

Vertiefung

30

Druckänderungssensor

31

Druckausgleichskanäle

32

Halbleiter-Substrat

33

Membran

34

Ausnehmung

35

n⁺ dotierte Bereiche

33

Sensorelemente

37

Epitaxieschicht

38

Kontakte

39

Bondung

48

Bonddrähte

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Druckschalters (10) aus einem Halbleiter-Substrat (12), gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Einbringen einer Dotierung (p) in das Halbleiter-Substrat (12), – Teilätzen des dotierten Bereichs (25) zur Erzeugung einer porösen Halbleiter-Struktur (26), – Aufbringen einer Schicht (11) auf das Halbleiter-Substrat (12) einschließlich des porösen Bereichs (26), die die Membran (13) des Druckschalters (10) bildet, und – Umlagern des porösen Bereichs (26) durch einen Prozessschritt, bei dem hohe Temperaturen auf den porösen Bereich einwirken, so dass sich eine Ausnehmung (14) bildet, wobei sich ein Teil des porösen Bereichs (26) an der Membran (13) anlagert und einen ersten Kontakt (16) bildet, und sich ein Teil des porösen Bereichs (26) am Halbleitersubstrat (12) anlagert und dort einen zweiten Kontakt (17) bildet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiter-Substrat (12) vor der Herstellung der Ausnehmung (14) mit einem zweiten Dotierbereich (15) versehen wird, der die umfangsseitige Ausdehnung der Ausnehmung (14) im Halbleiter-Substrat (12) festlegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (14) in Porös-Silizium-Technologie hergestellt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktanschlüsse (18) des Druckschalters (10) an der Oberseite der Epitaxieschicht (11) angeordnet werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ausnehmung (14) ein in Richtung der Membran (13) zeigender Vorsprung (19) oder eine Vertiefung hergestellt wird.
6. Mikromechanischer Druckschalter (10) zur Messung von Gasdrücken, hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 5, der aus einem Halbleiter-Substrat (12) hergestellt ist, gekennzeichnet durch – eine Ausnehmung (14) mit einem ersten Kontakt (17), und – eine Membran (13) mit einem zweiten Kontakt (16), die die Ausnehmung (14) überspannt.
7. Mikromechanischer Druckschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiter-Substrat (12) im Bereich der Ausnehmung (14) einen in Richtung der Membran (13) zeigenden Vorsprung (19), auf dem der erste Kontakt (17) angeordnet ist, oder eine Vertiefung (29) aufweist.

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