DE60108217T2 - Kornwachstumsverfahren zur herstellung einer elektrischen verbindung für mikroelektromechanische systeme (mems) - Google Patents
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Description
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- Die vorliegende Erfindung betrifft mikroelektromechanische Systeme. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Bereitstellung elektrischer Verbindungen in derartigen Systemen. Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) sind kleine Vorrichtungen, die gewisse elektrische und mechanische Funktionen bereitstellen und werden in der Regel seriengefertigt. MEMS finden in vielen elektrischen Vorrichtungen Anwendung. Beispiele für MEMS sind Beschleunigungs-, Druck-, Durchfluss-, Verschiebungs-, Abstands-Sensoren sowie Ventile, Pumpen und Optikteile-Stellglieder. Eine spezifische Anwendung für MEMS-Wandler ist in Anwendungen zur Druckmessung.
- In der Luftfahrt oder in industriellen Fluidsensor-Anwendungen können Fluide (Mittel) eine Korrosion der Sensorelemente, der Metallschichten und der Verbindungen, die bei der Fertigung des Sensors verwendet werden, bewirken. Korrosive Prozessfluide können Gase in einem Luftfahrt oder feststehenden Turbinenmotor, Säuren, Beizmittel, Öle, Petrochemikalien, Lebensmittel und dergleichen umfassen.
- Sensorelemente werden vorzugsweise zwischen Schichten eines Sensorkörpers angeordnet, und Zwischenverbindungen sind ebenfalls vorzugsweise zwischen den Schichten angeordnet und so abgedichtet, dass korrosive Prozessfluide nicht mit den Sensorelementen und Zwischenverbindungen in Kontakt kommen.
- In Miniaturvorrichtungen, die unter Verwendung von MEMS(mikroelektromechanischen Systemen)-Verfahren hergestellt werden, ist es schwierig; elektrische Verknüpfungen zwischen Schichten des Sensorkörpers zu schaffen. Dies gilt insbesondere für Sensoren, die mit MEMS-Verfahren hergestellt werden. Bei MEMS-Bindeverfahren ist es erforderlich, dass die flachen Schichten des Sensorkörpers in präziser axialer Ausrichtung und extrem kleinen Abständen zusammengebracht werden, ohne dass Unregelmäßigkeiten oder Wölbungen zwischen den Schichten entstehen. Zwischenverbindungen, die sich mechanisch wölben, kommen abgesehen während des Bindevorgangs mit der flachen Oberfläche in Kontakt und halten diese. Daraus können fehlerhafte Bindungen oder Lecke resultieren.
- Mechanischer Kontakt zwischen Verknüpfungen sollte während des Bindevorgangs der Schichten vermieden werden. Mechanischer Kontakt der Verknüpfungen ist jedoch erforderlich, um einen elektrischen Schaltkreis an der Verknüpfung fertigzustellen. Die beiden MEMS-Vorgänge benötigen einen Konflikt untereinander.
- ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
- Die vorliegende Erfindung liefert einen mikroelektromechanischen System-Sensor (MEMS-Sensor), der Folgendes aufweist: eine erste und eine zweite Schicht, die miteinander verbunden sind und einen Hohlraum zwischen den Schichten bilden; einen ersten und einen zweiten auf der ersten bzw. der zweiten Schicht angeordneten elektrisch leitenden Film, wobei jeder Film eine erste bzw. eine zweite Verbindungszone aufweist, die sich am Hohlraum gegenüberliegen; ein in dem Hohlraum angeordnetes und mit dem ersten elektrisch leitenden Film elektrisch verbundenes Sensorelement; und einen elektrisch leitenden Kornwachstumswerkstoff, der selektiv auf mindestens eine der Verbindungszonen aufgebracht ist, und bei vorbestimmten Voraussetzungen zur Bildung einer elektrischen Verbindung zwischen der ersten und zweiten Verbindungszone ausgebildet wird.
- Die vorliegende Erfindung liefert zudem einen Drucksender, der einen erfindungsgemäßen Sensor aufweist.
- Die vorliegende Erfindung liefert weiter ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors, welches die folgenden Schritte aufweist: Ausbilden einer ersten und einer zweiten Schicht eines Messkörpers, wobei zumindest die erste oder die zweite Schicht einen Vertiefungsabschnitt aufweist; Aufbringen eines elektrisch leitenden Films auf zumindest die erste Schicht; Anordnen einer Leitung auf der zweiten Schicht; Aufbringen eines elektrisch leitenden Kornwachstumswerkstoffs auf zumindest die Leitung oder den elektrisch leitenden Film; Binden der ersten mit der zweiten Schicht, wobei ein Abschnitt der Leitung axial zu und beabstandet von einem Abschnitt des elektrisch leitenden Films bei der Aufbringung des elektrisch leitenden Kornwachstumswerkstoffs ausgerichtet ist; und Erwärmen des elektrisch leitenden Kornwachstumswerkstoffs zur Ausbildung einer Verbindung in dem Raum zwischen dem elektrisch leitenden Film und der Leitung.
- Die vorliegende Erfindung stellt weiter ein mikroelektromechanisches System (MEMS-System) bereit, welches Folgendes aufweist: einen Körper, der sich aus mindestens der miteinander verbundenen ersten und zweiten Schicht zusammensetzt, wobei der Körper einen Hohlraum zwischen gegenüberliegenden Flächen der ersten und zweiten Schicht bildet; einen ersten elektrischen Leiter, der auf einer der gegenüberliegenden Flächen angeordnet ist; einen zweiten elektrischen Leiter, der auf der anderen der gegenüberliegenden Flächen angeordnet ist; und eine elektrisch leitende Kornwachstumswerkstoff-Auflage, die auf mindestens einem der Leiter angeordnet ist, welche unter bestimmten Voraussetzungen Körner zur Ausbildung einer Verbindung zwischen den Leitern erzeugt.
- Eine isolierte Verbindung wird durch wachsende Verknüpfungen aus dem Kornwachstum eines elektrisch leitenden Kornwachstumswerkstoffs im Inneren einer MEMS-Vorrichtung nach dem Binden der Vorrichtung gebildet. Der für das Kornwachstum elektrischer Kontakte verwendete Werkstoff wird in einem Hohlraum angeordnet, der zwischen der ersten und der zweiten Schicht der Vorrichtung ausgebildet ist. In einer Ausführungsform ist die Werkstoffauflage zum Zeitpunkt des Zusammenbaus relativ flach und hat keinen störenden Einfluss auf den Bindevorgang zwischen dem Umfangskanten des Hohlraums. Nach dem Zusammenbau der ersten und zweiten Schicht wird die Anordnung erwärmt und es wächst eine elektrische Verknüpfung durch Kornwachstum der leitenden Filme oder Leitungen, die selektiv im Inneren des Hohlraums aufgebracht sind.
- Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Kurzbeschreibung der Erfindung anhand der Zeichnungen.
- KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
- Es zeigen:
-
1 ein Querschnittsdiagramm einer erfindungsgemäßen MEMS-Vorrichtung; -
2 eine typische instrustrielle Umgebung für einen schleifenbetriebenen industriellen Sender; -
3 eine Teilquerschnitts-Vorderansicht einer Ausführungsform eines Sensors mit einer Kornwachstums-Verknüpfung; -
4 eine Teil-Draufsicht des in3 entlang der Linie 4-4 in3 aufgenommenen Sensor; -
5 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Bindung zwischen zwei Vertiefungsschichten; -
6 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Bindung zwischen einer Vertiefungsschicht und einer flachen Schicht; -
7 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer eine Abstandsschicht aufweisenden Bindung; -
8 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Bindung zwischen Schichten, die mit unterschiedlichen Vertiefungstiefen ausgebildet sind; -
9 eine Ausführungsform einer Kornwachstums-Verknüpfung, in welcher Kornwachstumswerkstoff auf zwei gegenüberliegenden Verbindungszonen angeordnet ist; -
10 eine Ausführungsform einer Kornwachstums-Verknüpfung, in der Kornwachstumswerkstoff auf einer von zwei gegenüberliegenden Verbindungszonen angeordnet ist, und eine Mesa mit den Verbindungszonen fluchtet; -
11 eine Ausführungsform einer Kornwachstums-Verknüpfung, in welcher Kornwachstumswerkstoff auf zwei gegenüberliegenden Verbindungszonen angeordnet ist und zwei Mesaschichten mit den Verbindungszonen fluchten; -
12 eine Ausführungsform einer Kornwachstums-Verknüpfung, in der eine Versorgung mit Kornwachstumswerkstoff in einer Vertiefung in einer Schicht bereitgestellt ist; -
13 eine Ausführungsform einer Verbindung zwischen Schichten aus ähnlichem Werkstoff, ohne irgendeinen dazwischenliegenden Bindewerkstoff; -
14 eine Ausführungsform einer Reaktionsbindung zwischen Schichten aus ähnlichem Werkstoff; -
15 eine Ausführungsform eines Dünnfilms oder einer gesinterten Lötbindung; -
16 eine Ausführungsform einer anodischen Bindung; -
17 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines kapazitiven Drucksensors; -
18 eine Seitenansicht des kapazitiven Drucksensors von17 ; -
19 eine Querschnittsansicht des Sensors in17 , die entlang der Linie 19-19 in17 genommen wurde; -
20 ein Drucksensormodul für einen Drucksender; und -
21 eine Querschnittsansicht eines Drucksensormoduls für einen Drucksender, - AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
1 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht eines Abschnitts der MEMS-Vorrichtung10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die MEMS-Vorrichtung10 weist eine obere Schicht12 und eine untere Schicht14 auf. Die Schichten12 und14 sind durch eine erfindungsgemäße elektrische Verbindung16 elektrisch miteinander verbunden. Wie nachfolgend noch ausführlicher beschrieben wird, wird ist elektrische Verbindung16 durch einen Kornwachstumsvorgang gebildet, um die Schichten12 und16 elektrisch miteinander zu verbinden. Im Allgemeinen kann die vorliegende Erfindung verwendet werden, um eine Verbindung zwischen zwei planaren Substraten zu schaffen, wo sich die Verbindung in eine Richtung erstreckt, die senkrecht (d.h. in einer dritte Dimension zu den Substraten) verläuft. Beispielsweise kann die elektrische Verbindung16 einen Spalt18 zwischen den beiden Schichten12 und14 überbrücken. Dieses Verfahren kann in allen Arten von MEMS-Vorrichtungen verwendet werden, beispielsweise in Druck-, Beschleunigungs-, Durchflusssensoren usw. Ein Großteil der nachfolgenden Beschreibung ist spezifisch auf einen Drucksensor ausgerichtet, der einen Verbinder wie die in1 gezeigte Verbindung16 verwendet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese spezifische Anwendung beschränkt. Derartige Drucksensoren finden viele Anwendungen, wie z.B. bei der Überwachung industrieller Prozesse oder anderer Drücke in anderen Installationen. - In
2 ist eine typische Umgebung für einen industriellen Drucksensor bei20 veranschaulicht. In1 sind Prozessvariablensender, wie z.B. der Durchflussmesser22 in der Prozessfluidleitung23 , Sender24 ,26 ,36 in der Nähe des Tanks28 und ein integraler Blendenströmungsmesser30 in der Prozessleitung31 mit einem Steuersystem32 elektrisch verbunden gezeigt. Das Steuersystem32 steuert einen Strom an den Druckwandler38 , der das Steuerventil40 steuert. Prozessvariablensender können so konfiguriert sein, dass sie einen oder mehrere Prozessvariablen überwachen, die mit Fluiden in einer Prozessanlage, wie z.B. Aufschlämmungen, Flüssigkeiten, Dämpfe und Gase in Chemie-, Trüben-, Erdöl-, Gas-, pharmazeutischen, Lebensmittel- und anderen fluidverarbeitenden Anlagen verbunden sind. Bei den überwachten Prozessvariablen kann es sich um Druck, Temperatur, Durchfluss, Pegel, ph-Wert, Leitfähigkeit, Trübung, Dichte, Kozentration, chemische Zusammensetzung oder andere Eigenschaften von Fluiden handeln. Ein Prozessvariablensender weist einen oder mehrere Sensoren auf, die entweder im Inneren des Senders oder außerhalb des Senders angeordnet sind, abhängig von den Installationsanforderungen der Verarbeitungsanlage. - Prozessvariablensender erzeugen ein oder mehrere Sender-Ausgangssignale, die die gemessene Prozessvariable wiedergeben. Sender-Ausgangssignale sind zur Übertragung über lange Entfernungen an einen Regler oder eine Anzeigevorrichtung über Kommunikationsbusse
34 ausgelegt. In typischen Fluid-Verarbeitungsanlagen kann es sich bei einem Kommunikationsbus34 um eine 4–20 mA Stromschleife handeln, die den Sender betreibt, oder eine Feldbus-Verbindung, eine HART-Protokoll-Kommunikation oder eine faseroptische Verbindung mit einem Regler, einem Regelsystem oder einer Ablesevorrichtung. In Sendern, die von einer Zweidrahtschleife betrieben werden, muss Strom niedrig gehalten werden, um Eigensicherheit in explosiven Umgebungen zu schaffen. - In den
3 bis4 ist ein Sensor300 dargestellt. Der Sensor300 ist ein Mikrominiatur- oder MEMS-Sensor, der unter Verwendung von Verfahren hergestellt wird, die für gewöhnlich aus der Halbleiterfertigung übernommen worden sind, wie z.B. Maskieren, Ätzen, Plattieren und Binden. Der Sensor300 weist eine erste Schicht302 auf, die an der Verknüpfung306 an eine zweite Schicht304 gebunden ist. Die Schichten302 und304 sind aus elektrisch isolierenden Werkstoffen gebildet, wie beispielsweise Saphir, Spinell, unterschiedlichen Keramikwerkstoffen, Glasen, aus Nanopartikeln hergestellte Werkstoffe, isoliertes Silizium und anderen Werkstoffen, die eine geringe Hysterese aufweisen und mit dem gewünschten Prozessfluid oder Isolatorfluid kompatibel sind, mit welchem die Außenseite des Sensors300 in Kontakt kommt. Ein zwischen den Schichten302 ,304 gebildeter Hohlraum308 ist von dem Prozessfluid oder dem Isolatorfluid, welches sich außerhalb des Sensors befindet, isoliert. Bei dem Sensor300 kann es sich um jede beliebige Art von Sensor handeln. In einem spezifischen Beispiel weist der Sensor300 einen Drucksensor auf, der mit Hilfe von elektrisch leitenden Schichten gebildete kapazitive Elektroden aufweist. - Ein erster elektrisch leitender Film
310 wird zur Bestimmung einer oder mehrerer elektrischer Leiterkurven für den Sensor300 selektiv auf die erste Schicht302 in dem Hohlraum308 aufgebracht. Ein zweiter elektrisch leitender Film312 wird zur Bestimmung einer oder mehrerer elektrischer Leiterkurven für den Sensor300 selektiv auf die zweite Schicht304 in dem Hohlraum308 aufgebracht. Der erste elektrisch leitende Film310 umfasst mindestens eine erste Verbindungszone314 . Der zweite elektrisch leitende Film312 weist mindestens eine zweite Verbindungszone316 auf. Die erste und die zweite Verbindungszone314 ,316 liegen einander am Hohlraum308 gegenüber. - Der Sensor
300 weist ein Sensorelement318 auf, das im Hohlraum308 angeordnet und mit dem ersten elektrisch leitenden Film310 elektrisch verbunden ist. Das Sensorelement318 kann eine Vielzahl von Formen annehmen, abhängig von der Art der gemessenen Fluidparameter, und kann in einigen Fällen aus dem selben Werkstoff gebildet sein wie der erste elektrisch leitende Film310 , oder er kann ein integraler Bestandteil des ersten elektrisch leitenden Films310 sein. Das Sensorelement318 kann auch Abschnitte aufweisen, die auf der zweiten Schicht304 oder auf dem zweiten elektrisch leitenden Film312 angeordnet sind. - Im Sensor
300 wird ein elektrisch leitender Kornwachstumswerkstoff320 selektiv auf eine oder auf beide Verbindungszonen314 ,316 aufgebracht. Der Kornwachstumswerkstoff320 wird in einer oder mehreren Schichten angeordnet, die dünn genug ist/sind, damit sie keinen mechanischen Kontakt über den Ver bindungsspalt herstellt/en. Die Schichten302 ,304 können so bei306 miteinander verbunden werden, ohne dass eine mechanische Störung durch den Kornwachstumswerkstoff320 auftritt. Nach Fertigstellung der Verbindung306 wächst der Kornwachstumswerkstoff320 unter vorbestimmten Bedingungen, um eine elektrische Verknüpfung322 zwischen der ersten und der zweiten Verbindungszone314 ,316 zu bilden. Bei dem Kornwachstumswerkstoff handelt es sich für gewöhnlich um Tantal, oder einer Legierung von Tantal, das metallische Körner bildet, wenn es nach dem Bindeschritt auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt wird. Das Wachstum der metallischen Körner überbrückt den Verbindungsspalt und bildet die elektrische Verknüpfung322 , wie es in3 dargestellt ist. -
5 bis8 zeigen alternative Formen für die Schichten302 ,304 , die dazu verwendet werden können, die Schichten voneinander zu beabstanden und den gewünschten Hohlraum308 im Sensor300 zu bilden. - In
5 weisen die erste Schicht302 und die zweite Schicht304 jeweils eine Vertiefung auf, die zusammen den Hohlraum308 bilden. Die Schichten302 und304 werden entlang der zentralen Oberfläche350 miteinander verbunden. Die in5 gezeigte Anordnung weist den Vorteil auf, dass die Schichten302 und304 identisch für einige Anwendungen aufgebaut werden können. - In
6 weist die erste Schicht302 eine Vertiefung auf, wobei die zweite Schicht304 jedoch im Wesentlichen eine flache Platte ist. In6 sind die Schichten302 und304 entlang einer Oberfläche352 miteinander verbunden, die mit einer Seite des Hohlraums fluchtet. Die in6 gezeigte Anordnung weist den Vorteil auf, dass nur eine der beiden Schichten eine Vertiefung erfordert und dass diese Vertiefung den Hohlraum308 bildet, wodurch Bearbeitungsschritte verringert werden. - In
7 weist der Sensor eine Abstandsschicht303 auf, die zwischen der ersten und der zweiten Schicht302 ,304 entlang der Oberflächen354 bzw.356 gebunden ist. Die Abstandsschicht303 liefert die Dicke zur Bildung von zumindest einem Teil des Hohlraums308 . Die in7 gezeigte Anordnung weist den Vorteil auf, dass die Dicke des Hohlraums308 , mit anderen Worten der Abstand zwischen den im Wesentlichen flachen Schichten302 ,304 , leicht angepasst werden kann, indem eine Abstandsschicht mit der gewünschten Dicke gewählt wird. - Während die flache Schicht oder Schicht mit geringem Profil aus Kornwachstumsmetall erwärmt wird, erfährt sie ein Kornwachstum, wodurch sie ihre Form verändert und in eine Richtung wächst, die diagonal zur Oberfläche der Kontaktanschlussfläche liegt. Es wird ein Kornwachstumswerkstoff für den Sensor ausgewählt, so dass der Kornwachstumswerkstoff bei einer Temperatur wächst, die den zusammengebauten Sensor nicht schmilzt oder ansonsten beschädigt. Der Werkstoff ist vorzugsweise ein Metall, eine Metalllegierung, ein nichtmetallischer elektrisch leitender Werkstoff, oder ein anderer Werkstoff, der Kornwachstum bereitstellt, einschließlich Polysilizium. Auflagen von Tantal, die auch geringe Mengen anderer Elemente aufweisen können, werden ebenfalls in Erwägung gezogen, vorausgesetzt, die Auflage kann zum Wachstum angeregt werden.
- Bei dem elektrisch leitenden Kornwachstumswerkstoff kann es sich um Tantal oder eine Tantallegierung handeln. Im Falle von Tantal wird davon ausgegangen, dass das Wachstum auftritt, da Tantal Körner oder Kristalle bildet, die von der Kontaktanschlussfläche nach außen vorstehen. Nach ausreichendem Wachstum wird eine Brücke aus Tantal zwischen den Kontaktanschlussflächen gebildet, wodurch eine leitende Verbindung von Tantal zwischen den Kontaktanschlussflächen gebildet wird. Falls die Hohlraum-Beabstandung zu groß ist, kann der Spalt klein genug gehalten werden, damit er durch das Wachstum des elektrisch leitenden Kornwachstumswerkstoffs durch die Verwendung einer oder mehrerer sich in den Hohlraum erstreckender gegenüberlie gender Mesagefüge (siehe
10 und11 ) überbrückt wird (Mesa bezieht sich auf ein Merkmal, das sich von einer Oberfläche abhebt und eine flache Oberfläche aufweisen kann). Mindestens ein Teil des elektrisch leitenden Kornwachstumswerkstoffs wird auf einer Schicht oder Mesa angeordnet. Elektrisch leitender Kornwachstumswerkstoff kann auf einer oder beiden Schichten angeordnet sein, mit oder ohne Verwendung von Mesagefügen, abhängig von dem Spalt im Hohlraum. Nach dem Zusammensetzen der Schichten, und nachdem die Bindung zwischen den Schichten zumindest teilweise gebildet worden ist, wird der Drucksensor erwärmt, um ein Wachstum des elektrisch leitenden Kornwachstumswerkstoff zur Bildung der Verknüpfung zu bewirken. - Der Sensor wird gekühlt und es entsteht dann ein festes Metall mit einem leitenden Kontakt im Inneren des Sensorkanals, der nach dem Zusammenbau und der Bindung der Sensorsubstrate gebildet worden ist. Dieser verzögerte elektrische Verknüpfungsvorgang vermeidet unerwünschten mechanischen Kontakt, der ansonsten den engen Kontakt der Substrate störend beinträchtigen könnte, wenn die Substrate direkt miteinander verbunden werden.
- In
8 wird in jeder der Schichten302 ,304 eine Vertiefung gebildet, wobei die Vertiefungen jedoch unterschiedliche Tiefen aufweisen. Die Schichten sind entlang einer Oberfläche358 zusammengefügt, die von der Mittellinie des Hohlraums308 versetzt ist. Die in8 gezeigte Anordnung weist den Vorteil auf, dass feine Anpassungen der Hohlraumtiefe durch Einstellung des Ätzens der Vertiefung in der Schicht302 durchgeführt werden können, während die Vertiefung in der Schicht304 auf eine gewünschte Standard-Tiefe geätzt werden kann. -
9 bis12 zeigen Beispielsanordnungen zur Bereitstellung der erforderlichen Menge an Kornwachstumswerkstoff und zur Bereitstellung der erforderlichen Beabstandung für das Wachstum der Körner für die Überbrückung des Spalts. - In
9 ist ein erster leitender Film370 auf einer ersten Schicht372 angeordnet, und ein zweiter leitender Film374 ist auf einer zweiten Schicht376 angeordnet. Der erste leitende Film370 liegt dem zweiten leitenden Film374 an einem Hohlraum375 gegenüber. Eine erste Auflage380 Kornwachstumswerkstoff wird auf einem ersten leitenden Film370 aufgebracht. Eine zweite Auflage382 Kornwachstumswerkstoff wird auf dem zweiten leitenden Film374 aufgebracht. Wenn die Schichten372 ,376 miteinander verbunden werden, kommen die Auflagen380 ,382 nicht in mechanischen Kontakt miteinander. Nach der Verbindung der Schichten372 ,376 miteinander werden dann Bedingungen eingesetzt, um die Kornwachstumsauflagen380 ,382 zum Wachsen der Körner zu veranlassen, die eine mechanische Verbindung und einen leitenden Kontakt herstellen und eine elektrische Verknüpfung384 vervollständigen. - In
10 wird ein erster leitender Film390 auf eine erste Schicht392 aufgebracht, und ein zweiter leitender Film394 wird auf eine zweite Schicht396 aufgebracht. Der erste leitende Film390 liegt dem zweiten leitenden Film394 am Hohlraum398 gegenüber. Die erste Schicht392 weist eine Mesastruktur395 auf, die mit dem ersten leitenden Film390 fluchtet. Die Mesa395 bewirkt, dass der erste leitende Film390 in den Hohlraum398 hineinragt, wodurch der Spalt zwischen den leitenden Filmen390 ,394 verringert wird. Eine Auflage399 aus Kornwachstumswerkstoff wird auf dem ersten leitenden Film390 aufgebracht. Wenn die Schichten392 ,396 miteinander verbunden werden, kommt die Auflage399 mit dem leitenden Film394 nicht in mechanischen Kontakt. Nachdem die Schichten392 ,396 miteinander verbunden sind werden Bedingungen eingesetzt, um den Kornwachstumswerkstoff399 zum Wachsen der Körner zu veranlassen, welche die mechanische Verbindung und den leitenden Kontakt herstellen und eine elektrische Verknüpfung zwischen den leitenden Filmen390 ,394 vollenden. - In
11 wird ein erster leitender Film400 auf eine erste Schicht402 aufgebracht, und ein zweiter leitender Film404 wird auf eine zweite Schicht406 aufgebracht. Der erste leitende Film400 liegt dem zweiten leitenden Film404 an einem Hohlraum408 gegenüber. Die erste Schicht402 schließt eine Mesa405 über einem Teil des ersten leitenden Films400 ein. Die Mesa405 bewirkt, dass die erste Verbindungszone405 in den Hohlraum408 hineinragt, wodurch der Spalt zwischen den leitenden Filmen400 ,404 verringert wird. Die zweite Schicht406 schließt auch eine Mesa407 über dem zweiten leitenden Film404 ein. Eine erste Auflage412 aus Kornwachstumswerkstoff wird auf einen ersten leitenden Film400 aufgebracht. Eine zweite Auflage414 von Kornwachstumswerkstoff wird auf dem zweiten leitenden Film404 aufgebracht. Wenn die Schichten402 ,406 miteinander verbunden werden, sind die Auflagen412 ,414 nicht in mechanischem Kontakt miteinander. Nach der Verbindung der Schichten402 ,406 werden dann Bedingungen eingesetzt, um die Auflagen aus Kornwachstumswerkstoff zum Wachsen der Körner anzuregen, die dann eine mechanische Verbindung und einen leitenden Kontakt herstellen und eine elektrische Verknüpfung zwischen den leitenden Filmen400 ,404 fertigstellen. - In
12 wird ein erster leitenden Film420 auf eine erste Schicht422 aufgebracht, und ein zweiter leitender Film424 wird auf eine zweite Schicht426 aufgebracht. Der erste leitende Film420 liegt dem zweiten leitenden Film424 am Hohlraum428 gegenüber. Der zweite leitende Film424 umgibt eine Vertiefung430 in der Schicht426 . Eine erste Auflage432 aus Kornwachstumswerkstoff wird in der Vertiefung angeordnet. Wenn die Schichten422 ,426 miteinander verbunden werden, ist die Auflage432 mit dem ersten leitenden Film420 nicht in mechanischem Kontakt. Nach der Verbindung der Schichten422 ,426 werden dann Bedingungen eingesetzt, um die Auflage432 aus Kornwachstumswerkstoff zum Wachsen der Körner anzuregen, die dann eine mechanische Verbindung und einen leitenden Kontakt herstellen und eine elektrische Verknüpfung zwischen den leitenden Filmen420 ,424 herstellen. Der zweite leitende Film424 kann über der Vertiefung430 wie dargestellt offen sein, oder er kann alternativ auf den Wänden der Vertiefung430 aufgebracht sein. Eine zusätzliche Menge einer Auflage432 aus Kornwachstumswerkstoff wird der Vertiefung430 zugeführt, wodurch die Größe der Körner, die wachsen können, und die Größe des Spalts, der mit Hilfe des Kornwachstumswerkstoffs überbrückt werden kann, zunimmt. -
13 bis16 zeigen unterschiedliche Bindungen, die bei306 zwischen den Schichten302 ,304 in3 hergestellt werden können. - In
13 wird eine erste Schicht440 mit einer zweiten Schicht442 aus dem selben oder einem ähnlichen Werkstoff entlang einer Oberfläche444 verbunden, ohne dass ein Bindewerkstoff verwendet wird. Die Verbindung an der Oberfläche444 kann eine Schmelzverbindung sein, oder es kann sich um eine Direkt- oder Kontaktverbindung mit Hilfe von Hochglanz-Oberflächen handeln. Diese Verbindungen können mit Werkstoffen wie z.B. Saphir, Spinell, Korund, Quarzglas, Silizium und anderen spröden Isolierwerkstoffen mit Hilfe von bekannten Bindeverfahren hergestellt werden. - In
14 ist eine erste Schicht446 mit einer zweiten Schicht448 verbunden, indem eine dazwischenliegende Bindeschicht450 zur Schaffung einer Reaktionsbindung eingesetzt wird. Die Schicht450 kann aus jedem beliebigen Bindewerkstoff sein, wobei die Schichten446 ,448 jedoch aus Aluminiumkeramik gebildet sein können, und die Bindeschicht450 kann aus Platin gebildet sein. Dies kann die Verwendung einer dazwischenliegenden Haftschicht auf den Schichten446 und448 erfordern. - In
15 wird eine erste Schicht454 mit einer zweiten Schicht456 mit Hilfe einer dazwischenliegenden Bindeschicht458 verbunden. Die Schichten454 ,456 können aus einem Einkristall-Saphir gebildet sein, und die dazwischenliegende Bin deschicht458 kann eine Dünnfilm-Löt- oder Sinterverbindung zwischen den Schichten454 ,456 sein. - In
16 ist eine erste Schicht464 mit Hilfe einer anodischen Verbindung468 mit einer zweiten Schicht466 verbunden. Die Schicht464 ist vorzugsweise aus Borsilikatglas ("Pyrex") gebildet und die Schicht466 ist vorzugsweise aus Silizium gebildet. - Die in den
5 bis16 dargestellten Alternativen können nach Bedarf untereinander kombiniert werden, um die Anforderung einer bestimmten Sensoranwendung zu erfüllen. Bei dem Messelement318 , das in3 schematisch dargestellt ist, kann es sich um ein Druckmesselement handeln. Die durch Wachstum gebildete Verknüpfungsstruktur ist besonders bei kapazitiven Druckmesselementen nützlich, bei denen kapazitive Elekroden auf beiden gegenüberliegenden Seiten des Hohlraums vorhanden sind. Das Messelement318 kann auch ein Temperaturmesselement wie z.B. ein Widerstandsthermometer aus Platin, ein optisches Sensorelement wie z.B. eine Photodiode, ein Strahlungssensorelement wie z.B. ein Mikrowellenantennenelement oder ein Ionisationssensorelement, ein magnetisches Sensorelement wie z.B. eine Halleffektvorrichtung oder andere bekannte Sensorelemente aufweisen. -
17 bis18 zeigen Vorder- bzw. Seitenansichten einer Ausführungsform eines kapazitiven Drucksensors480 . Interne Merkmale des Sensors480 sind in17 mit gestrichelten und gepunkteten Linien dargestellt. Der Sensor480 schließt eine erste Schicht482 und eine zweite Schicht484 ein, die zur Bildung eines Innenhohlraums485 (in19 gezeigt) zwischen den Schichten miteinander verbunden sind. Ein erster elektrisch leitender Film486 ist auf die erste Schicht482 aufgebracht, und ein zweiter elektrisch leitender Film488 ist auf die zweite Schicht484 aufgebracht. Der erste und der zweite elektrisch leitende Film486 ,488 weisen entsprechende erste und zweite Verbindungszonen490 ,492 auf, die sich an dem Hohlraum485 gegenüberliegen. - Ein erster Abschnitt
494 eines kapazitiven Drucksensorelements ist in dem Hohlraum485 auf der ersten Schicht482 angeordnet und ist mit dem ersten elektrisch leitenden Film486 elektrisch verbunden. Der Abschnitt494 des kapazitiven Drucksensorelements ist aus dem selben Werkstoff gebildet wie der elektrisch leitende Film486 . Ein zweiter Abschnitt498 des kapazitiven Drucksensorelements ist in dem Hohlraum485 auf die zweite Schicht484 aufgebracht und ist mit dem zweiten elektrisch leitenden Film488 elektrisch verbunden. Der zweite Abschnitt498 ist ebenfalls aus dem selben Werkstoff gebildet wie der elektrisch leitende Film488 . Der erste und der zweite Abschnitt494 ,498 des kapazitiven Drucksensorelements weist kapazitive Elektroden oder Platten auf, die voneinander beabstandet sind und sich am Hohlraum485 gegenüberliegen. Wenn Druck auf die Außenflächen des Sensors480 ausgeübt wird, wölben sich eine oder beide Schichten482 ,484 , um die Elektroden zu bewegen, und verändern eine Beabstandung oder einen Spalt zwischen den Elektroden oder Platten, und verändern so die elektrische Kapazität zwischen den Elektroden als Funktion des Drucks. - Ein elektrisch leitender Kornwachstumswerkstoff
496 wird selektiv auf mindestens eine der Verbindungszonen490 ,492 aufgebracht, und bei vorbestimmten Bedingungen zum Wachsen angeregt, um eine elektrische Verknüpfung zwischen der ersten und der zweiten Verbindungszone490 ,492 zu bilden. - Ein elektrisch leitender Film
486 weist Bindeanschlussabschnitte500 ,502 auf, die an der Außenseite exponiert sind, so dass Leitungen oder Drähte zum Anschluss des Sensors an einen elektrischen Messschaltkreis mit diesen verbunden werden können. - Der Hohlraum
485 wird entleert und dann mit Hilfe einer Glasmasse504 abgedichtet, um einen Drucksensor bereitzustellen, bei dem es sich um einen Absolutdrucksensor handelt. In der Schicht486 ausgebildete Durchführungsleitungen erstrecken sich vom Innenraum des Hohlraums485 zu den elektrischen Kontaktanschlussflächen500 ,502 auf einer Außenfläche des kapazitiven Drucksensors480 . Die elektrische Verknüpfung bei490 ,492 ,496 verbindet die erste Kondensatorelektrode498 mit einer Durchführungsleitung und der Kontaktanschlussfläche500 . - Der Sensor
480 weist eine längliche Form auf, die sich von einem ersten Ende einschließlich der ersten und zweiten kapazitiven Elektrode494 ,498 zu einem zweiten Ende einschließlich der Durchführungsleitungen erstreckt. Der Körper des Sensors480 weist einen zentralen Bereich zwischen dem ersten und zweiten Ende auf, welche zur Befestigung des Sensors durch eine Wand (nicht dargestellt) angepasst werden. Druckfluid wird an das erste Ende angelegt, und elektrische Verbindungen können am zweiten Ende hergestellt werden. Die Wand trennt das Druckfluid von den elektrischen Verbindungen. -
19 zeigt eine Querschnittsansicht des kapazitiven Drucksensors480 entlang der Linie 19-19 in17 . In19 wurde die Horizontalabmessung zur besseren Veranschaulichung der Merkmale des kapazitiven Drucksensors480 verzerrt. Wie aus19 ersichtlich ist, ist die Verbindungszone492 auf einer Mesastruktur506 angeordnet, wodurch der durch Kornwachstumswerkstoff zu überbrückende Spalt verringert wird. - In
20 ist ein Druckmessmodul180 zur Verwendung in Drucksendern36 aus2 gezeigt. Die Anordnung180 weist zwei MEMS-Sensoren182 ,184 auf. Die Sensoren182 ,184 weisen jeweils einen Träger auf, der einstückig aus Aluminium gebildet ist und um einen zentralren Kanal oder einen Hohlraum angeordnet ist, der Messfilme auf gegenüberliegenden Schichten aufweist, die mit Hilfe einer im Wesentlichen aus Tantal gebil deten Auflage verbunden sind. In den Sensoren182 ,184 ist ein Messfilm in dem Kanal benachbart zum blinden Ende angeordnet, wobei der Messfilm einen elektrischen Parameter aufweist, der sich mit dem Druck verändert, sowie elektrische Leitungen, die sich von dem Kanal und aus dem Spalt heraus erstrecken. Eine Dichtung füllt den Spalt um die Leitungen. Eine Isolierschale198 weist eine Öffnung200 auf, die gegen einer Außenfläche des Trägers zwischen dem blinden Ende und dem gegenüberliegenden isolierten Ende abgedichtet ist. Die Sensoren182 und184 sind mit einer Mess-Schaltplatte191 verbunden dargestellt, welche ein elektrisches Ausgangssignal an eine Sender-Schaltplatte193 , die mit dem angelegten Druck in Beziehung steht, liefert. Der Senderschaltkreis193 kann so ausgelegt sein, dass er an eine Zweidraht-Prozessregelschleife195 koppelt. Beispielsschleifen195 schließen Schleifen entsprechend den HART®- oder Feldbus-Normen ein. In einigen Ausführungsformen kann die Schaltkreisanordnung193 und191 vollständig mit Energie von der Schleife195 betrieben werden. - In
21 ist ein Messmodul210 gezeigt, das eine Isoliermembran212 mit einem Rand214 aufweist, der gegen eine Isolierschale216 abgedichtet ist. Die Isoliermembran212 trennt das Prozessfluid218 vom Isolierfluid220 , welches in dem von der Isolierschale216 und der Isoliermembran eingeschlossenen Raum dicht eingeschlossen ist. Der Sensor222 ist wie oben erörtert aufgebaut und gegen eine Öffnung224 in der Isolierschale216 abgedichtet. Die Isoliermembran212 und das Isolierfluid220 koppeln den Druck mit dem Sensor222 , während sie den Sensor vom Prozessfluid218 isolieren. Die Isolierschale216 weist einen Sensor222 auf, der durch die abgedichtete Öffnung224 hindurchgeht und elektrische Verbindungen226 auf dem Sensor222 von sowohl dem Druck-Prozessfluid218 als auch dem Isolierfluid220 , bei dem es sich für gewöhnlich um Silikonöl handelt, isoliert. Die Isolierschale kann eine hintere Platte228 aufweisen, die einen Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweist, der dem Temperaturausdehnungskoeffizienten des Sen sors222 sehr gleicht. Ein Materialblock230 kann in die Isolierschale216 gedrückt werden und das Material230 weist einen Temperaturausdehnungskoeffizienten auf, der zum Teil den Temperaturausdehnungskoeffizienten des Isolierfluids220 kompensiert, um eine unerwünschte Bewegung der Isoliermembran212 aufgrund von Temperaturveränderungen zu begrenzen. Ein kleiner mit Isolierfluid220 gefüllter Spalt ist zwischen dem Block230 und dem Sensor222 vorgesehen. - Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, werden Fachleute in der Technik erkennen, dass Veränderungen hinsichtlich Form und Detail vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können Sensorleitungen durch mehrere Kanäle anstelle eines einzelnen Kanals führen. Im Falle einer Verwendung mehrerer Kanäle kann die Masse, die für die Abdichtung des Spalts verwendet wird, durch eine leitende Weichlöt- oder Hartlötdichtung für mehrere Spalte ersetzt werden. Verknüpfungen können auch quer zu Verknüpfungsleitungen auf gegenüberliegenden Seitenflächen von Mesastrukturen oder Rändern in dem Hohlraum durch Wachstum ausgebildet werden. Anodische Bindungen können ebenfalls bei einigen Werkstoffen anstelle direkter Bindungen verwendet werden. Bei sowohl anodischen als auch direkten Bindeverfahren können dazwischenliegende Bindewerkstoffe zwischen Schichten mit diesen Verfahren vermieden werden. Der Ausdruck "Kontaktbindung", wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, schließt sowohl eine direkte Bindung als auch eine anodische Bindung ein. Elektrisch leitender Kornwachstumswerkstoff kann Tantal oder andere Metalle einschließen, und auch Polysilizium, leitende Nitrid-Keramiken, leitende Metalloxide, Silizide und Poly-Verbindungen aus den Gruppen II–IV. Der Ausdruck "Kornwachstum" ist in der Technik bekannt und bezieht sich auf einen Wachstumsprozess, der durch die Oberflächenenergie der Korngrenzen angeregt wird. Beispielserklärungen für Kornwachstum werden auf den Seiten 251 bis 269 des Buches mit dem Titel "Physical Metallurgy Principles = Physikalische Grundlagen der Metallkunde" vom 26. Oktober 1993 und auf den Seiten 448 bis 461 des Buches mit dem Titel "Introduction to Ceramics = Einführung in die Keramik" vom 9. Januar 1990 bereitgestellt, auf die hier inhaltlich Bezug genommen wird.
Claims (19)
- Mikroelektromechanischer System-Sensor (MEMS-Sensor), welcher Folgendes aufweist: eine erste und eine zweite Schicht, die miteinander verbunden sind und einen Hohlraum zwischen den Schichten bilden; einen ersten und einen zweiten auf der ersten bzw. der zweiten Schicht angeordneten elektrisch leitenden Film, wobei jeder Film eine erste bzw. eine zweite Verbindungszone aufweist, die sich am Hohlraum gegenüberliegen; ein in dem Hohlraum angeordnetes und mit dem ersten elektrisch leitenden Film elektrisch verbundenes Sensorelement; und einen elektrisch leitenden Kornwachstumswerkstoff, der selektiv auf mindestens einer der Verbindungszonen angeordnet ist, und bei vorbestimmten Voraussetzungen zur Bildung einer elektrischen Verbindung zwischen der ersten und zweiten Verbindungszone ausgebildet wird.
- Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schicht eine Vertiefung aufweist, die zumindest einen Teil des Hohlraums bildet.
- Sensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitende Kornwachstumswerkstoff Tantal aufweist.
- Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welcher ferner eine Abstandsschicht aufweist, welche zwischen die erste und die zweite Schicht gebondet ist, und zumindest einen Teil des Hohlraums bildet.
- Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der ersten und zweiten Schicht eine Mesastruktur aufweist, die zur ersten und zweiten Verbindungszone axial ausgerichtet ist.
- Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der ersten und zweiten Schicht eine Vertiefung aufweist, die zur ersten oder zweiten Verbindungszone axial ausgerichtet ist, wobei der zugeführte Kornwachstumswerkstoff in der Vertiefung angeordnet ist.
- Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement ein Drucksensorelement aufweist.
- Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor ein kapazitives Drucksensorelement umfasst.
- Sensor nach Anspruch 8, welcher das kapazitive Drucksensorelement aufweist, das aus dem selben Material gebildet ist wie der elektrisch leitende Film.
- Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das kapazitive Drucksensorelement eine auf der ersten Schicht angeordnete erste Kondensatorelektrode aufweist, sowie eine auf der zweiten Schicht angeordnete zweite Kondensatorelektrode, wobei die erste und die zweite Kondensatorelektrode am Hohlraum beabstandet voneinander angeordnet sind und derart ausgelegt sind, dass sie die Biegung zwischen der ersten und der zweiten Schicht messen.
- Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste oder der zweite elektrisch leitende Film eine Durchführungsleitung aufweist, die sich aus dem Inneren des Hohlraums zu elektrischen Kontaktanschlüssen auf einer Außenfläche des kapazitiven Drucksensors erstreckt.
- Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindung die erste Kondensatorelektrode an eine Durchführungsleitung auf der zweiten Schicht anschließt.
- Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der ausgebildete Wachstumswerkstoff ein Metall aufweist.
- Drucksender, welcher einem MEMS-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist.
- Drucksender nach Anspruch 14, welcher weiter einen Prozessfluid-Isolator aufweist, der den Druck an den MEMS-Sensor koppelt.
- Verfahren zur Herstellung eines Sensors, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Ausbilden einer ersten und einer zweiten Schicht eines Messkörpers, wobei zumindest die erste oder die zweite Schicht einen Vertiefungsabschnitt aufweist; Anordnen eines elektrisch leitenden Films auf zumindest der ersten Schicht; Anordnen einer Leitung auf der zweiten Schicht; Anordnen eines elektrisch leitenden Kornwachstumswerkstoffs auf zumindest der Leitung oder dem elektrisch leitenden Film; Verbinden der ersten mit der zweiten Schicht, wobei ein Abschnitt der Leitung axial zu und beabstandet von einem Abschnitt des elektrisch leitenden Films bei der Anordnung des elektrisch leitenden Kornwachstumswerkstoffs ausgerichtet ist, und Erwärmen des elektrisch leitenden Kornwachstumswerkstoffs zur Ausbildung einer Verbindung in dem Raum zwischen dem elektrisch leitenden Film und der Leitung.
- Verfahren nach Anspruch 16, welches weiter den folgenden Schritt aufweist: Ausbilden einer Mesastruktur in zumindest der ersten oder der zweiten Schicht, wobei die Mesastruktur zur Anordnung des elektrisch leitenden Kornwachstumswerkstoffs axial ausgerichtet ist.
- Mikroelektromechanisches System (MEMS-System), welches Folgendes aufweist: einen Körper, der sich aus mindestens der miteinander verbundenen ersten und zweiten Schicht zusammensetzt, wobei der Körper einen Hohlraum zwischen gegenüberliegenden Flächen der ersten und zweiten Schicht bildet; einen ersten elektrischen Leiter, der auf einer der gegenüberliegenden Flächen angeordnet ist, einen zweiten elektrischen Leiter, der auf der anderen der gegenüberliegenden Flächen angeordnet ist; und eine elektrisch leitende Kornwachstumswerkstoffanordnung, die auf mindestens einem der Leiter angeordnet ist, welche unter bestimmten Voraussetzungen Körner zur Ausbildung einer Verbindung zwischen den Leitern erzeugt.
- Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung erwärmt wird, um zur Ausbildung der Verbindung ein Wachstum des elektrisch leitenden Kornwachstumswerkstoffs zu bewirken.
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