DE4207951C2 - Kapazitiver Druck- oder Differenzdrucksensor in Glas-Silizium-Technik - Google Patents
Kapazitiver Druck- oder Differenzdrucksensor in Glas-Silizium-TechnikInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Druck- oder
Differenzdrucksensor in Glas-Silizium-Technik sowie ein Verfahren zur
Herstellung eines solchen Sensors gemäß Oberbegriff der Patentansprüche
1 und 8.
Im Stand der Technik sind kapazitive Drucksensoren in
Glas-Silizium-Technik, welche aus zwei oder mehreren Platten bestehen,
hinreichend bekannt.
Die DE 35 05 926 A1 offenbart einen kapazitiven Druckmesser für Absolutdruck, der ein
Grundgerüst und eine feste darauf aufgebrachte Kondensatorplatte aufweist. In Verbindung
mit dem Grundgerüst ist eine Aneroidkapsel angeordnet, die in Richtung des Grundgerüstes
mit einem beweglichen Kondensatorplattenbereich versehen ist, dessen Abstand zu der festen
Kondensatorplatte durch den Druck beeinflußt wird. Auf dem Grundgerüst ist eine Siliziumplatte
aufgefügt, die einen membranähnlichen Mittelbereich aufweist, der als bewegliche
Kondensatorplatte arbeitet.
Eine Plattenstruktur wird hermetisch auf die Siliziumplatte aufgebracht, so daß der Hohlraum
der Aneroidkapsel zwischen die Plattenstruktur und der Siliziumplatte zu liegen kommt.
Entsprechende Verbindungstechniken durch Bonden beschreibt die US 33 97 278.
Aus der DE 29 12 217 A1 sind Materialien entnehmbar, einschließlich Glas, die sich für
den Einsatz als Membranplatte eignen.
Aus der EP 00 59 488 ist ein kapazitiver
Drucksensor bekannt, welcher aus hauptsächlich drei miteinander
verbundenen, schichtweise übereinander angeordneten Platten besteht, von
denen die mittlere als Membran dient. Die beiden äußeren Platten bilden
dabei die Trägerplatten und geben dem Drucksensor insgesamt den
mechanischen Halt. Zwischen den Trägerplatten und der Membran sind
entweder durch Einätzungen oder durch die Anbringung von Distanzstücken
entsprechende Meßkammern gebildet, in die hinein durch die Trägerplatten
hindurch Druckzuleitungskanäle münden, die die Membran auf den
entsprechenden Seiten dann mit Druck beaufschlagen.
Solche Drucksensoren sind, wie in dieser bekannten Ausführungsform,
zumeist flüssigkeitsgefüllt. Das heißt, der eigentliche Drucksensor ist
innerhalb eines fluidisch getrennten Gehäuses angeordnet, welches mit
flüssigem Druckmittel gefüllt ist. Bei diesem bekannten Drucksensor ist
dann dieses fluidisch abgeschlossene Innengehäuse von einem
Außengehäuse umgeben und mit entsprechenden Druckzuleitungen versehen,
die in Vorräume münden, die ihrerseits über eine Membran den Druck an
das Fluidum des eigentlichen Druckinnengehäuses weitergeben.
In der Regel sind solche flüssigkeitsgefüllten Drucksensoren hermetisch
von den eigentlichen äußersten Druckzuleitungen abgeschlossen, so daß
von außen keine Partikel in die Meßkammern eingeschleust werden können.
Betrachtet man jedoch den Fall, daß das Fluidum, mit dem der innere
Drucksensorbereich gefüllt ist, nicht ganz rein ist und betrachtet man
dazu die weitere Tatsache, daß der Abstand zwischen der Membran und den
Trägerplatten bzw. den entsprechenden Elektroden extrem klein ist, so
besteht doch die Gefahr, daß allerkleinste Partikel eine Störung dann
verursachen können, wenn sie in den Bereich zwischen Membran und
Trägerplatten bzw. Elektroden gelangen.
Solche Partikel könnten zum einen Fehlkapazitäten verursachen und zum
anderen die druckabhängige Durchbiegung der Membran behindern. Des
weiteren sei erwähnt, daß es sich bei dem verwendeten Material im
Bereich des eigentlichen Drucksensors, d. h. also Glas und Silizium, um
relativ spröde Materialien handelt, die zudem nach mechanischer
Bearbeitung, beispielsweise durch Bohren der Glasträgerplatten, kleine
Partikel enthalten können, die den Betrieb des Drucksensors durch die
o. g. Störungen in Frage stellen.
Kritisch werden, wie oben bereits dargelegt, solche Partikel, die eine
Größe in der Dimension des Abstandes von Membran und Trägerplatte bzw.
Elektrode aufweisen. Nachteilig ist daher, daß bei den bekannten
Drucksensoren keine Mittel zum Fernhalten solcher störender Partikel
aus dem eigentlichen Meßkammerraum vorgesehen sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Druck-
oder Differenzdrucksensor der gattungsgemäßen Art sowie ein
entsprechendes Herstellverfahren vorzugeben, daß Partikel störender
Dimensionen vom Meßkammerinnenraum ferngehalten werden, wobei dies mit
einfach herstellbaren und in den Drucksensor integrierbaren Mitteln
bewerkstelligt werden soll.
Die gestellte Aufgabe wird bei einem kapazitiven Druck- oder
Differenzdrucksensor der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die
kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich des
Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden
Merkmale des Patentanspruches 8 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen
angegeben und ergeben sich als Unterkombinationen der Ansprüche.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgeschlagen, den
Druckzuleitungskanal aus mindestens zwei Kanalabschnitten zu bilden,
deren Querschnitt sich von der Druckanschlußöffnung aus gesehen
sukzessive verkleinern. Auf diese Weise ergibt sich dann der Vorteil,
daß ein solches Partikelschutzsystem auf einfache Weise durch
Einbringung in die Druckzuleitungskanäle des Drucksensors selbst
integriert werden kann. Dabei erfolgt die sukzessive
Querschnittsreduktion dadurch, daß der meßkammerseitige Eintritt des
Druckzuleitungskanals aus mindestens zwei Kanälen kleineren
Querschnittes als der der druckanschlußseitigen Öffnung besteht und in
die aus Silizium bestehende Platte eingebracht und von der benachbarten
Glasplatte abgedeckt ist. Dabei ergibt sich dann insgesamt der Vorteil,
daß die Einbringung der den maßgebenden Partikelschutz bildenden
Druckzuleitungskanalabschnitte in das Silizium auf einfache Weise durch
Ätzung erfolgen kann. Aufgrund der weit entwickelten
Siliziumbearbeitungstechnik kann aus den Erfahrungen der Ätztechnik aus
der Mikroelektronik geschöpft werden. Das heißt, die Einbringung solcher
Kanalstrukturen ist auf reproduzierbare und zuverlässige Weise möglich.
Die Kanäle werden dadurch letztendlich abgeschlossen bzw. auf ihre Länge
im Umfang vervollständigt, indem die Einätzungen durch eine Glasplatte
abgedeckt werden. Die kanalartigen Einätzungen erfolgen dabei immer in
das Silizium, und zwar an die mit dem Glas zu verbindende Oberfläche
angrenzend.
In weiterer Ausgestaltung besteht die Membran aus einer Glasplatte und
an den beiden, sich gegenüberliegenden Membranflächen ist jeweils eine
aus Silizium bestehende Trägerplatte angeordnet. Ein solcher Aufbau
beschreibt einen Differenzdrucksensor, der hierbei aus drei Platten
insgesamt besteht. Wichtig auch hierbei ist, daß die
Druckzuleitungskanalabschnitte mit den entsprechend im Querschnitt
reduzierten Kanälen ebenfalls in das Silizium eingebracht und von der
Glasmembran abgedeckt werden, wobei jedoch an entsprechender Stelle eine
Öffnung bzw. ein Zugang oder Eintritt in die entsprechende Meßkammer
offen bleibt.
In weiterer Ausgestaltung ist die Möglichkeit vorgegeben, daß der
Druckzuleitungskanal zunächst in einen im Querschnitt erweiterten
Bereich mündet und von da aus sich der Querschnitt des weiteren
Druckzuleitungskanales bis zum Eintritt in die jeweilige Meßkammer in
mehreren Teilabschnitten sukzessive verkleinert, derart, daß die Lehre
des Hauptanspruches auch darin erfüllt ist, nämlich, daß der
meßkammerseitige Eintritt des Druckzuleitungskanals aus
mindestens zwei Kanälen kleineren Querschnittes besteht als der der
druckanschlußseitigen Öffnung.
In weiteren Ausgestaltungen der Erfindung sind entweder dreifache oder
fünffache Schichtsysteme vorgegeben, wobei zunächst unabhängig davon, ob nun
die Membran oder die Trägerplatten oder sogar die Abdeckplatten aus
Silizium bestehen, grundsätzlich immer das Merkmal des Hauptanspruchs
erfüllt ist, in dem der Druckzuleitungskanalabschnitt, in dem die
sukzessiven Querschnittsverkleinerungen vorgenommen sind, grundsätzlich
immer in das Silizium eingeätzt sind und von der benachbarten, aus Glas
bestehenden Platte zumindest teilweise abgedeckt sind.
In letzter vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die
sukzessiven Querschnittsverringerungen bzw. Verkleinerungen des
Druckzuleitungskanales bzw. des entsprechenden
Druckzuleitungskanalabschnittes durch mehrere parallel verlaufende und
vom Querschnitt aus gesehene verschachtelte dreieckförmige kanalartige
Einätzungen gebildet. Diese Einätzungen werden letztendlich durch das
erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren sowie die Materialwahl selbst
vorgegeben. Bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren werden
die Kanäle in die <100<-Oberfläche des Siliziums durch anisotropes Ätzen
beispielsweise in KOH eingebracht. Dabei erhält man unterschiedliche
Tiefen der einzelnen Kanalabschnitte einfach durch die Wahl von
verschiedenen breiten Öffnungen in der Ätzmaske. Das heißt, wenn man die
Kanalabschnitte sukzessive im Querschnitt verkleinert ausbilden
will, kommt es einzig und alleine nur darauf an, die entsprechenden
Öffnungen in der Ätzmaske ebenfalls sukzessive zu verkleinern. Auf die
absolute Dimensionierung der Öffnungen in der Ätzmaske kommt es zunächst
nicht an, da letztendlich die Dauer des Einwirkens der
Ätzlösung für die Bildung der Tiefe der Kanäle maßgebend ist. Die
sukzessive Verkleinerung der Kanäle kann also zunächst alleine durch
eine Aneinanderreihung von sukzessive verkleinerten Öffnungen in
der Ätzmaske erreicht werden. Nach Beginn des Ätzprozesses bildet sich
ein Graben aus, der seitlich von den Silizium-Kristallebenen mit der
<111<-Orientierung begrenzt wird. Diese Ebenen bilden zur
Waferoberfläche einen Winkel von 54,7 Grad. Bricht man den Prozeß
vorzeitig ab, so erhält man einen Kanal, der in seinem Querschnitt
trapezförmig ist. Wird der Prozeß fortgesetzt, erhält man letztendlich
einen Kanal mit einem dreieckförmigen Querschnitt, der seitlich durch
zwei sich schneidende <111<-Ebenen begrenzt ist. Somit ergibt sich die
dreieckförmige Querschnittskontur der Kanäle nur in dem Fall, daß der
Prozeß auch fortgesetzt wird, so lange, bis sich die <110<-Seitenebenen
am Grunde des Kanals treffen. Bricht man den Prozeß vorher ab, so ist
der Querschnitt dann natürlich nur trapezförmig, jedoch nicht weniger
vorteilhaft. Für den Spezialfall der im Querschnitt dreieckförmigen
Kanäle ist eines der Ausgestaltungsbeispiele ausgeführt. Dabei beginnt
der erste Abschnitt der sukzessiven Querschnittsverkleinerungen darin,
den Querschnitt als größeres Dreieck auszubilden, wobei sich die Anzahl
der Kanäle jedes weiteren Druckzuleitungskanalabschnittes im Bereich der
sukzessiven Verkleinerungen jeweils zum vorhergehenden
Druckzuleitungskanalabschnitt jeweils verdoppelt. Diese sukzessive
Verdopplung der Anzahl bzw. Verkleinerung der Einzelquerschnitte wird so
lange sukzessive, d. h. abschnittsweise fortgesetzt, bis die
Eintrittsöffnungen der Vielzahl der parallel verlaufenden Kanäle in die
Meßkammer jeweils im Durchmesser kleiner sind, als der Abstand zwischen
Membran und entsprechender Trägerplatte bzw. Elektrode. Dadurch ist
erreicht, daß die sukzessiven Querschnittsverkleinerungen dieser Art
als Kapillarfilter wirken und somit Partikel störender Dimensionen vom
Innenraum der Meßkammer fernhalten.
In der Zeichnung sind verschiedene Ausgestaltungsmöglichkeiten der
Erfindung dargestellt und im nachfolgenden näher beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 einen Schnitt durch einen Zweiplatten-Drucksensor,
Fig. 2 eine Draufsicht auf die Meßkammerseite der Membran bezüglich
des Drucksensors nach Fig. 1,
Fig. 3 einen Dreiplatten-Differenzdrucksensor mit Glasmembran,
Fig. 4 eine Draufsicht auf die Meßkammerseite einer der
Trägerplatten des Drucksensors nach Fig. 3,
Fig. 5 eine Querschnittsdarstellung einer Teilansicht X aus Fig. 4,
Fig. 6 eine Draufsicht auf das Partikelschutzsystem aus Fig. 5,
Fig. 7 einen Fünfplatten-Differenzdrucksensor mit Siliziummembran und
Fig. 8 einen Fünfplatten-Differenzdrucksensor mit Glasmembran.
Fig. 1 zeigt einen kapazitiven Drucksensor, bestehend aus zwei Platten,
bei denen die Membran 1 aus Silizium besteht und die Trägerplatte 2 aus
Glas. Die Membranplatte 1 hat an definierter Stelle eine Einätzung 7 zur
Bildung der eigentlichen Meßkammer. Beide Platten sind durch anodisches
Bonden miteinander verbunden. Auf der entsprechenden Seite innerhalb des
gebildeten Meßkammerinnenraumes ist auf der Glasplatte 2 eine
entsprechende Elektrode 8 aufgebracht. Die aus Glas bestehende
Trägerplatte 2 ist mit einem senkrecht, bezüglich der Verbindungsebene
zwischen Membran 1 und Trägerplatte 2 verlaufenden Druckzuleitungskanal 6
versehen, der außen in die Eintrittsöffnung 20 mündet. Dieser
Druckzuleitungskanal 6 mündet am anderen Ende nicht direkt in die
Meßkammer, sondern zunächst in eine Ausnehmung 9, die ihrerseits das
Partikelschutzsystem enthält. Dabei kann der Partikelschutz schon darin
bestehen, daß diese Ausnehmung 9 einen im Querschnitt reduzierten
Druckmittelzuleitungskanalabschnitt des gesamten
Druckmittelzuleitungskanales darstellt. Diese Ausnehmung 9 kann dann
dabei so flach gewählt sein, daß die Tiefe der Ausnehmung 9 kleiner als
der Abstand zwischen dem Durchbiegung machenden Membranbereich und der
entsprechenden Trägerplattenelektrode 8 ist. Die Ausnehmung kann auch
ein Partikelschutzsystem enthalten, welches nun bis zum Eintritt in die
eigentliche Meßkammer kanalartig sukzessive querschnittsreduzierende
Abschnitte enthält, wie dies beispielsweise auch in Fig. 4, 5 und 6
vorgegeben ist und nachfolgend noch näher beschrieben wird.
Fig. 2 zeigt dabei eine Draufsicht bzw. besser eine Einsicht auf die
meßkammerseitige Fläche der Membran 1. Dies bezieht sich natürlich auf
den demontierten Zustand, bei dem Platten noch nicht miteinander
verbondet sind. Hierbei stellt sich die die Meßkammer bildende Einätzung
7 bzw. Vertiefung kreisrund dar. Die Ausnehmung 9, in die der
dazu senkrecht verlaufende erste Druckzuleitungskanalabschnitt mündet,
ist dabei seitlich an den Meßkammerraum 7 angesetzt und mündet in
denselben. Die Membran besteht dabei, wie bereits erwähnt, aus Silizium
und bildet aufgrund der halbleitenden Eigenschaft schon insgesamt eine
der beiden Elektroden, die den entsprechenden Kondensator bilden, der eine
druckabhängige Kapazität liefert. Die entsprechend andere
Elektrode 8 befindet sich, wie in Fig. 1 bereits dargestellt, auf der
entsprechenden Seite der Trägerplatte.
Fig. 3 stellt einen aus drei Platten bestehenden Differenzdrucksensor
dar, bei dem die Membran 1 aus Glas besteht. Die Membran 1 ist hierbei
durchgehend eben und mit entsprechenden Elektroden 8, 8′ an den
Außenseiten, die den Trägerplatten 2, 3 gegenüberliegen, beschichtet.
Die Trägerplatten 2, 3 bestehen hierbei aus Silizium und enthalten
Einätzungen 7, 7′ bzw. eingeätzte Vertiefungen, die den jeweiligen
Meßraum bilden. Durch die Trägerplatten 2, 3 hindurch verläuft jeweils
ein erster Druckzuleitungskanalabschnitt 6, 6′, der in einen im
Querschnitt erweiterten Druckzuleitungskanalabschnitt 10, 10′ mündet.
Der jeweilige erweiterte Druckzuleitungskanalabschnitt 10, 10′
verkleinert sich nun sukzessive bis zum Eintritt in den jeweiligen
Meßraum 7, 7′ bzw. in die jeweilige Meßkammer. Die sukzessive
Verringerung ist in Fig. 3 schon an der gestuften Ausbildung dieses
entsprechenden Druckzuleitungskanalabschnittes dargestellt.
Fig. 4 zeigt eine Draufsicht bzw. eine Einsicht auf die Meßkammerseite
einer der Trägerplatten 2, 3. Hierbei sei angemerkt, daß beide
Trägerplatten gleich ausgebildet sind. Wiederum ist die entsprechende
meßkammerbildende Vertiefung 7 zu sehen, die hierbei ebenfalls kreisrund
ist. Daran angesetzt ist seitlich der entsprechende
Druckzuleitungskanalabschnitt 10, der die sukzessiven
Querschnittsverringerungen 11, 12, 13 bzw. -verkleinerungen enthält.
Schon hierbei ist in dem umrandeten Teilbild X zu erkennen, daß sich die
Anzahl der Kanäle sukzessive verdoppelt, wobei sich die Querschnitte und
außerdem auch der Summenquerschnitt sukzessive bis zum Eintritt in die
Meßkammer reduziert.
Fig. 5 zeigt bezüglich des Teilausschnittes X aus Fig. 4 diesen
Druckzuleitungskanalabschnitt im Querschnitt. Hierbei ist zunächst im
vorderen Abschnitt, der noch am weitesten von der Öffnung in die
Meßkammer entfernt ist, eine Einätzung zu sehen, die durch ein großes
und entsprechend tiefes Dreieck vorgegeben ist. Dieser im Querschnitt
dreieckförmige Kanalabschnitt mündet dann in einer weiteren Stufe in
zwei kleinere, im Querschnitt dreieckförmige Einätzungen, die ihrerseits
in der nächsten Stufe in einer weiteren verdoppelten Anzahl von
dreieckförmigen und entsprechend im Querschnitt kleineren Kanäle
münden.
Fig. 6 zeigt zur Fig. 5 die Draufsicht, woraus nochmal die sukzessive
Verdoppelung der Kanalanzahl, sowie auch die sukzessive Verkleinerung des
Querschnittes deutlich wird. Am Ende, d. h. dort, wo die größte Anzahl
der Kanäle 13 mit kleinstem Einzelquerschnitt vorliegt, befindet sich
die Eintrittsöffnung in die Meßkammer. Das ganze Partikelschutzsystem
wirkt somit als Kanalfilter. Diese im Querschnitt dreieckigen Profile
lassen sich zudem einfach und extrem reproduzierbar in Silizium
einätzen, wordurch sich letztendlich Drucksensoren gleichbleibend hoher
Qualität ergeben.
Fig. 7 zeigt einen Fünfplatten-Differenzdrucksensor, bei dem die
Membran 1 aus entsprechend geätztem Silizium besteht. Durch die, an die
Membranplatte 1 angrenzenden, aus Glas bestehenden Trägerplatten 2, 3
verlaufen Druckzuleitungskanäle 6, 6′ hindurch, die in den jeweiligen
Meßraum 7, 7′ bzw. in die jeweilige Meßkammer münden. Eine der von außen
auf die Glasträgerplatten 2, 3 aufgebrachten Siliziumplatten 4, 5
enthält des weiteren eine druckanschlußseitige Eintrittsöffnung 20 des
Druckzuleitungskanales, von dort aus nach kurzer Strecke bereits ein
Einmünden in einen im Querschnitt erweiterten
Druckzuleitungskanalabschnitt 10 erfolgt. Von da aus erfolgen dann
sukzessive Verkleinerungen 11, 12, 13 im Querschnitt bis zum Eintritt in
den Druckzuleitungskanalabschnitt 6, der durch die Glasplatten 2
hindurch verläuft und am Ende in die Meßkammer einmündet. Der
Druckzuleitungskanalabschnitt mit den sukzessiven
Querschnittsverringerungen 10, 11, 12, 13 ist dabei gemäß den Fig. 5
bzw. 6 ausgestaltet.
Fig. 8 zeigt eine letzte Ausgestaltungsmöglichkeit, bei der die Membran
1 aus Glas besteht, die beiden daran angrenzenden Trägerplatten 2, 3 aus
Silizium, die ihrerseits dann wieder außen von Glasplatten 4, 5
abgeschlossen sind. Hierbei verläuft jeweils ein
Druckzuleitungskanalabschnitt 20 bzw. 20′, ausgehend von den
Eintrittsöffnungen, durch die äußeren Glasplatten 4, 5 hindurch und
mündet in einen Druckzuleitungskanalabschnitt in den jeweiligen
Siliziumträgerplatten ein. Bei der unteren Siliziumträgerplatte ist
dieser Kanalabschnitt als flache Ausnehmung 21 ausgebildet, die
ihrerseits dann in den entsprechenden Zuleitungskanalabschnitt 6′ der
entsprechenden Trägerplatte 3 mündet, die ihrerseits dann in den
entsprechenden Meßraum einmündet. Auf der gegenüberliegenden Seite ist
die entsprechende Trägerplatte 2 mit einem im Querschnitt erweiterten
Druckzuleitungskanalabschnitt 10 versehen, in den der äußere
Druckzuleitungskanalabschnitt einmündet. Von dort aus sind nun wiederum
sukzessive Querschnittsverkleinerungen 10, 11, 12 ausgebildet, die
letztendlich dann in den durch die entsprechende Siliziumträgerplatte 2
hindurch verlaufenden Druckzuleitungskanalabschnitt 6 münden, der
seinerseits am Ende auch in die entsprechende Meßkammer 7 einmündet.
Auch hierbei sind die sukzessiven Querschnittsverkleinerungen gemäß
Fig. 5 und 6 ausgebildet.
In Fig. 8 sowie Fig. 7 ist das Merkmal erfüllt, daß der
Druckzuleitungskanalabschnitt, der die sukzessiven
Querschnittsverkleinerungen enthält, in die bzw. in eine der
entsprechenden, aus Silizium bestehenden Platten eingebracht und
zumindest teilweise von der daran angrenzenden Glasplatte abgedeckt
ist.
Insgesamt stellt sich das erfindungsgemäß vorgeschlagene
Partikelschutzsystem als universell einbringbar dar und ist zudem
äußerst wirksam. Das Partikelschutzsystem ist fernerhin klein und
kompakt ausgestaltet, so daß es einfach durch Herstellen einer
entsprechenden Ätzkonturierung in den Drucksensor integriert werden
kann, ohne seine Baugrößen oder -dimensionen ändern zu müssen.
Durch die Einbringung des Partikelschutzes durch Ätzen des Silizium ist
zudem, von der entsprechend großen Ätzerfahrung mit Silizium
partizipierend, eine einfache und kostengünstige Fertigung ermöglicht,
die, wie bereits erwähnt, gleichbleibend hohe Qualität liefert.
Claims (8)
1. Kapazitiver Druck- oder Differenzdrucksensor in Glas-Silizium-
Technik mit mindestens zwei Platten, von denen die eine aus Glas
und die andere aus Silizium besteht, wobei eine der Platten als
druckempfindliche Membran und die andere als Trägerplatte dient,
die Siliziumplatte auf der der Glasplatte zugewandten Seite eine
Vertiefung aufweist, und die der Vertiefung in der Siliziumplatte
gegenüberliegende Fläche der Glasplatte metallisiert ist, so daß die
Metallisierung zusammen mit der ihr gegenüberliegenden Fläche der
Siliziumplatte einen Kondensator bildet, die Platten in ihrem
Randbereich stoffschlüssig durch anodisches Bonden so miteinander
verbunden sind, daß die Trägerplatte zusammen mit der als Membran
dienenden Platte eine Meßkammer bildet, die über einen mit einer
Druckanschlußöffnung auf der Außenseite ebenfalls in die aus
Silizium bestehende Platte eingebrachten und von der benachbarten
Glasplatte abgedeckten Zuleitungskanal mit Druck beaufschlagbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Druckzuleitungskanal aus mindestens zwei
Kanalabschnitten (6, 11) besteht, deren Querschnitte sich von der
Druckanschlußöffnung (20, 20′) aus gesehen sukzessive verkleinern,
derart, daß der meßkammerseitige Eintritt des Druckzuleitungskanals
(6, 6′) aus mindestens zwei Kanälen besteht, deren jeweiliger Querschnitt
kleiner als der der druckanschlußseitigen Öffnung (20, 20′) ist, und
deren Durchmesser kleiner als der Elektrodenabstand innerhalb der
jeweiligen Meßkammer ist.
2. Kapazitiver Druck- oder Differenzdrucksensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die als Membran dienende Platte (1) aus Glas besteht und an den
beiden sich gegenüberliegenden Membranflächen mindestens jeweils
eine aus Silizium bestehenden Trägerplatte (2, 3) angeordnet ist.
3. Kapazitiver Druck- oder Differenzdrucksensor nach Anspruch
1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Druckzuleitungskanal sich von der Druckanschlußöffnung (20)
aus gesehen senkrecht zu der Membran (1) über einen Teilabschnitt
durch die Trägerplatte (2) hindurch erstrecken und jeweils in einen
querschnittserweiterten Bereich (10) mündet, von da aus sich der
Querschnitt des weiteren Druckzuleitungskanals bis zum Eintritt in
die jeweilige Meßkammer in mehreren Teilabschnitten (11, 12, 13)
sukzessive verkleinert.
4. Kapazitiver Druck- oder Differenzdrucksensor nach den Ansprüchen
1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf den bezüglich der Membran (1) parallelen Außenseiten der
Siliziumträgerplatten (2, 3) jeweils eine weitere Glasplatte (4, 5)
aufgebracht ist und die Glasplatten (4, 5) jeweils mit einem
senkrecht zu den Membranflächen hindurch verlaufenden
Druckzuleitungskanalabschnitt (21) versehen sind und daß mindestens
einer der Druckzuleitungskanäle in einen zur angrenzenden
Siliziumplatte (2) eingebrachten, im Querschnitt erweiterten
Druckzuleitungsbereich (10) mündet, von da aus mehrere nachfolgende
Teilabschnitte (11, 12) des Druckzuleitungskanals sich im
Querschnitt sukzessive verkleinern und über einen letzten
Kanalabschnitt (6) senkrecht zur Membran in die Meßkammer (7)
einmündet.
5. Kapazitiver Druck- oder Differenzdrucksensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Membran (1) aus einer Siliziumplatte besteht, die auf
beiden Seiten mit jeweils einer aus Glas bestehenden Trägerplatte
(2, 3) verbunden ist, die ihrerseits außen mit jeweils einer
weiteren Siliziumplatte (4, 5) verbunden sind, daß durch die beiden
äußeren Siliziumplatten (4, 5) und durch die Trägerplatten (2, 3)
hindurch Druckzuleitungskanäle (6, 6′) in die jeweiligen Meßkammern
(7, 7′) münden, und daß in mindestens einer der
äußeren Siliziumplatten die Druckanschlußöffnung (20) in einen
querschnittserweiterten Druckzuleitungskanalabschnitt (10) mündet,
von dort aus sich der Querschnitt sukzessive verkleinert und in den
durch die jeweilige Glasplatte in die Meßkammer hineinmündenden
Druckzuleitungskanal (6) mündet.
6. Kapazitiver Druck- oder Differenzdrucksensor nach einem oder
mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die sukzessive Querschnittsverringerung des entsprechenden
Druckzuleitungskanalabschnittes durch mehrere parallel verlaufende
und vom Querschnitt aus gesehen verschachtelte dreieckförmige
kanalartige Einätzungen gebildet ist.
7. Kapazitiver Druck- oder Differenzdrucksensor nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Abschnitt der sukzessiven Querschnittsverkleinerung
des Druckzuleitungskanals aus einem im Querschnitt größeren
dreieckförmigen Kanalabschnitt besteht, wobei sich die Anzahl
der Kanäle jedes weiteren Druckzuleitungskanalabschnittes im
Bereich der sukzessiven Verkleinerungen jeweils zum vorhergehenden
Druckzuleitungskanalabschnitt jeweils mindestens verdoppelt.
8. Verfahren zur Herstellung der Druckzuführungskanäle bei
einem kapazitiven Druck- oder
Differenzdrucksensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kanalabschnitte in die
<100<-Oberflächen von Silizium durch anisotropes Ätzen in KOH
eingebracht werden, und daß abhängig von der zu wählenden Tiefe der
einzelnen Kanalabschnitte verschieden breite Öffnungen in den
Ätzmasken gewählt werden, derart, daß sich nach Beginn des
Ätzprozesses der Kanäle durch Gräben von <111<-
Silizium-Kristallebenen ergeben.
Priority Applications (1)
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