DE9105851U1

DE9105851U1 - Drucksensor

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Publication number: DE9105851U1
Application number: DE9105851U
Authority: DE
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1991-01-14
Filing date: 1991-05-10
Publication date: 1991-07-04
Anticipated expiration: 2001-05-11

Description

Drucksensor Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Drucksensor mit einem ersten Sensorkörper, der eine erste rückseitige Ausnehmung zur Festlegung eines Membranbereiches aufweist, und mit einem zweiten Sensorkörper, der eine zweite, rückseitige Ausnehmung aufweist und mit seiner Rückseite mit der Vorderseite des ersten Sensorkörpers zur Bildung eines Drucksensorhohlraumes verbunden ist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Drucksensoren der eingangs genannten Art sind typischerweise als Absolutdrucksensoren eingesetzt und werden in der Regel aus Halbleitermaterialien mittels ätztechnischer Verfahren hergestellt. Bei Drucksensoren der eingangs genannten Art ist der erste Sensorkörper derart angeordnet, daß die Rückseite des Membranbereiches zum Meßmedium gerichtet ist, während deren Vorderseite mit Wandlerelementen versehen ist, die geschützt in dem Drucksensorhohlraum liegen, der als Referenzdruckkammer oder als Vakuumkammer ausgeführt sein kann.

Bei bekannten Drucksensoren dieser Art ist der Abstand der Wände des ersten Sensorkörpers, welche den Drucksensorhohlraum festlegen, in dem an den Membranbereich angrenzenden Bereich typischerweise ebenso groß wie die laterale Erstreckung der ersten, rückseitigen Ätzausnehmung des ersten Sensorkörpers zwischen den Ätzkerben, die den Übergang des Membranbereiches zu dem sogenannten Bulkmaterial des ersten Sensorkörpers festlegen. Es hat sich gezeigt, daß derartige Drucksensorstrukturen nur eine relativ geringe Überlastfestigkeit haben.

Daher liegt ausgehend von diesem Stand der Technik der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß dessen Überlastfestigkeit weiter erhöht wird.

Diese Aufgabe wird durch einen Drucksensor gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die unzureichende Überlastfestigkeit von bekannten Drucksensoren mit der eingangs erläuterten Struktur im wesentlichen darauf zurückzuführen ist, daß der erste Sensorkörper im Bereich der Kerbe der ersten rückseitigen Ausnehmung, welche die Membran festlegt, mit Zugspannungen beaufschlagt wird, die im Überlastfall zu einem Bruch des ersten Sensorkörpers ausgehend von der durch die erste rückseitige Ausnehmung festgelegten Kerbseite des Membranbereiches führt.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung von Überlastanlageeinrichtungen für den Membranbereich wird erreicht, daß im Überlastfall eine Verformung des Membranbereiches an der durch die erste rückseitige Ausnehmung festgelegten Kante mit Druckspannungen und nicht mehr mit Zugspannungen erfolgt. Hierdurch erreicht die erfindungsgemäße Drucksensorstruktur eine Beständigkeit gegen Überlastdrücke, die mehr als den Faktor 100 oberhalb der Meßdrücke liegen. Damit wird die Überlastfestigkeit der erfindungsgemäßen Drucksensorstruktur gegenüber der Überlastfestigkeit bekannter Drucksensorstrukturen um mehr als den Faktor 10 verbessert.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Querschnittsdarstellungen einer ersten bis fünften

bis 5 Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drucksensors.

Der erfindungsgemäße Drucksensor, der in Fig. 1 in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, umfaßt einen ersten Sensorkörper 2 und einen zweiten Sensorkörper 3. Der erste Sensorkörper 2 hat eine erste rückseitige Ätzausnehmung 4 die in an sich bekannter Weise durch anisotropes Ätzen ausgehend von einer Rückseite 5 zur Festlegung eines Membranbereiches 6 gebildet ist. Das Bulkmaterial 7 des ersten Sensorkörpers 2 weist daher eine den Membranbereich 6 umschließende Ätzkerbe 8 auf.

Der zweite Sensorkörper 3 hat gleichfalls eine zweite, rückseitige Ätzausnehmung 9, die sich von der Rückseite 10 des zweiten Sensorkörpers erstreckt. Der erste Sensorkörper 2 ist mit dem zweiten Sensorkörper 3 mittels an sich in der Sensorik bekannten Verbindungstechniken verbunden. Hierzu kommt vor allem das sogenannte Anodic-Bonding und das Silicon-Fusion-Bonding in Betracht, wenn man, wie dies bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Fall ist, die Sensorkörper 2, 3 aus Silizium-Wafern durch Ätzen herstellt.

Bei diesen Verbindungstechniken wird eine Zwischenschicht 11 eingesetzt, die beispielsweise aus Pyrex-Glas oder aus Siliziumoxid bestehen kann.

Wie in Fig. 1 verdeutlicht ist, bildet der an den Drucksensorhohlraum 12 angrenzende Randbereich 13 der Zwischenschicht 11 ein Auflager für den Membranbereich 6 an dessen Rand 24. Die Randbereiche 13 haben einen kleineren gegenseitigen Abstand b in Membranrichtung als die Lateralerstreckung a des Membranbereiches 6 zwischen den Ätzkerben 8. Mit anderen Worten sind die Randbereiche 13, die das Auflager für den Membranrand bilden, bezogen auf die Lateralerstreckung a des Membranbereiches, welcher durch die erste Ätzausnehmung 4 festgelegt ist, zur Mitte des Membranbereiches 6 hin versetzt. Bei einer druckbedingten Durchbiegung des Membranbereiches, der in seinem durchgebogenen Zustand

gestrichelt dargestellt und mit dem Bezugszeichen 6' bezeichnet ist, kommt es im Bereich der Ätzkerben 8 zu Druckspannungen, so daß der Membranbereich an seinem besonders gefährdeten Übergang zum Bulkmaterial 7 des ersten Sensorkörpers 2 entlastet wird.

Die Tiefe t des Drucksensorhohlraumes ist vorzugsweise derart festgelegt, daß der Membranbereich 6 sich zumindest im Bereich seiner Mitte im Überlastfall gegen den Bodenbereich 14 des Drucksensorhohlraumes 12 anlegt.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Durchbiegung des Membranbereiches 6 kapazitiv erfaßt werden. Dies kann entweder dadurch erfolgen, daß die Kapazität der leitfähig dotierten Sensorkörper 2, 3, die durch die nichtleitfähige Zwischenschicht 11 beabstandet sind, erfaßt wird, oder dadurch, daß der Membranbereich 6 und der Bodenbereich 14 mit Elektroden versehen sind, die zur kapazitiven Erfassung der Membranbereichsdurchbiegung dienen.

Die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 2 bis 5 stimmen mit Ausnahme der nachfolgend erwähnten Unterschiede mit dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Drucksensors nach Fig. 1 überein, so daß eine erneute Beschreibung gleicher oder ähnlicher Teile, die mit den in Fig. 1 bereits verwendeten Bezugszeichen bezeichnet sind, unterbleiben kann.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 weist der Membranbereich 6 einen Versteifungskörper 15 auf, der dazu beiträgt, die Erfassungsempfindlichkeit der Membrandurchbiegung durch piezoresistive Elemente 16, 17, 18, 19 zu erhöhen.

In weiterer Abwandlung zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 sind bei dem dritten Ausführungsbeispiel des Drucksensors 1 gemäß Fig. 3 der erste und zweite Sensorkörper 2, 3 lediglich durch eine Zwischenschicht 11 miteinander verbunden, die nicht bis an den Drucksensorhohlraum 12

heranreicht. Bei dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors wird die Auflageeinrichtung für den Membranbereich 6 durch einen Auflagerand 20 des zweiten Sensorkörpers 2 gebildet, der mit der Rückseite 10 des zweiten Sensorkörpers 3 an die Vorderseite des Membranbereiches 6 angrenzt und den Drucksensorhohlraum 12 umschließt. Bei diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich also die Zwischenschicht 11 von den Randbereichen der beiden Sensorkörper 2, 3 lediglich bis zu dem Auflagerand 20, so daß der Membranbereich 6 im Bereich des Auflagerandes 20 zwar an den zweiten Sensorkörper anliegt, nicht jedoch mit diesem verbunden ist. Diese Art der Ausgestaltung der Überlastanlageeinrichtung führt zu einer weiteren Verminderung von Zugspannungen aufgrund der bei Biegung auftretenden Druckspannungen im Bereich der Ätzkerben 8.

Bei dem vierten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 erstreckt sich im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 die Zwischenschicht 11 nicht bis zur Kante 21 der zweiten Ätzausnehmung 9 mit der Rückseite 10 des zweiten Sensorkörpers 3, sondern bleibt in Lateralrichtung gegenüber der Kante 21 weiter vom Drucksensorhohlraum 12 beabstandet. Diese Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Drucksensorstruktur führt zu einer genauen Festlegbarkeit der Biegelinie des Membranbereiches 6 ausgehend von dessen Rand bei den Ätzkerben 8 über die als Überlastanlageeinrichtung dienenden Kanten 21 bis zu einem Kontaktbereich 22, an dem der (hier verstärkt ausgebildete) Membranbereich 6 am Bodenbereich 14 der zweiten Ätzausnehmung 9 anliegt.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 stimmt bezüglich der Erstreckung der Zwischenschicht 11 und bezüglich der Ausgestaltung der Kante 21 als Überlastanlageeinrichtung für den Membranbereich 6 mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 überein, wobei jedoch hier kein verstärkter Membranbereich mit einem Verstärkungskörper 15 vorgesehen ist, da die Biegungserfassung bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 kapazitiv erfolgen soll. Bei dem fünften Ausführungsbeispiel

gemäß Fig. 5 ist ebenfalls verdeutlicht, daß wiederum die Tiefe t des Drucksensorhohlraumes 12 so gewählt sein soll, daß der Membranbereich 6 an einem Kontakt bereich 22 mit dem Bodenbereich 14 der zweiten Ätzausnehmung 9 im Überlastfall zur Anlage kommt.

In Abweichung von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel kann der Drucksensor auch aus Metall gefertigt sein oder mit Dickschichttechnologie gebildet sein. In diesem Fall kann die Strukturierung auch durch Pressen, Spanabheben oder Drehen erfolgen.

Bei ätztechnischer Strukturierung kommt sowohl isotropes wie auch anisotropes Ätzen in Betracht.

Claims

Schutzansprüche

1. Drucksensor mit einem ersten Sensorkörper (2), der eine erste, rückseitige Ausnehmung (4) zur Festlegung eines Membranbereiches (6) aufweist, und mit einem zweiten Sensorkörper (3) , der eine zweite, rückseitige Ausnehmung (9) aufweist und mit seiner Rückseite (10) mit der Vorderseite des ersten Sensorkörpers (2) zur Bildung eines Drucksensorhohlraumes (12) verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß der zweite Sensorkörper (3) Überlastanlageeinrichtungen (13, 20, 21) aufweist, die derart angeordnet sind, daß zumindest bei Beaufschlagung des Membranbereiches (6) mit einem den Meßdruckbereich überschreitenden Überlastdruck dieser gegen die Überlastanlageeinrichtung (13, 20, 21) zur Anlage kommt, und daß die Überlastanlageeinrichtungen (13, 20, 21) gegenüber dem durch die erste rückseitige Ausnehmung (4) festgelegten Membranbereich (6) in Richtung zur Mitte des Membranbereiches hin versetzt sind.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der gegenseitige Abstand von Wänden (13) des Drucksensorhohlraumes (12) in der Membranebene an ihrem an den Membranbereich (6) angrenzenden Bereich geringer ist als die Erstreckung (a) des durch die erste Ausnehmung (4) festgelegten Membranbereiches (6) in der Membranebene .

3. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß eine den ersten Sensorkörper (2) mit dem zweiten

Sensorkörper (3) verbindende Zwischenschicht (11) sich in Richtung auf den Drucksensorhohlraum (12) hin bis zu den Wänden (13) des Drucksensorhohlraumes (12) erstreckt und einen Randbereich (24) des Membranbereiches (6) zur Bildung der Überlastanlageeinrichtung mit dem zweiten Sensorkörper (3) verbindet.

4. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß eine den ersten Sensorkörper (2) mit dem zweiten Sensorkörper (3) verbindende Zwischenschicht (11) sich in Richtung auf den Drucksensorhohlraum (12) hin bis zu dem durch die erste Ausnehmung (4) festgelegten Membranbereich (6) erstreckt, und

daß die Kanten (21) am Übergang der Wände des Drucksensorhohlraumes (12) zu der Rückseite (10) des zweiten Sensorkörpers die Überlastanlageeinrichtung bilden.

5. Drucksensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß die Kanten (21) im ungebogenen Zustand des Membranbereiches (6) von diesem um die Stärke der Zwischenschicht (11) beabstandet sind.

6. Drucksensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß die Kanten (21) im ungebogenen Zustand des Membranbereiches (6) an diesem anliegen.

7. Drucksensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

daß der zweite Sensorkörper (3) einen den Drucksensorhohlraum (12) umfassenden Auflagerand (20) aufweist, der in dem ungebogenen Zustand des Membranbereiches (6) an diesem anliegt.

8. Drucksensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

- IG -

daß die Zwischenschicht (11) bezogen auf den Drucksensorhohlraum (12) außerhalb des Auflagerandes (20) zwischen den Sensorkörpern (2, 3) angeordnet ist.

9. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,

daß die Tiefe (t) des Drucksensorhohlraumes (12) senkrecht zu der Membranebene derart gering ist, daß der Membranbereich (6) sich zumindest in seiner Mitte im Überlastfall gegen einen Bodenbereich (14) des Drucksensorhohlraumes (12) anlegt.