Beschreibung
Mikromechanisches Messelement Es wird ein mikromechanisches Messelement angegeben.
Es sind zumindest firmenintern mikromechanische Messelemente bekannt, die als Drucksensoren, zum Beispiel als Differenz-, Relativ- oder als Absolutdrucksensoren ausgeführt sind.
Differenz- oder Relativdrucksensoren erfordern üblicherweise zwei Druckanschlüsse, die beispielsweise feuchte,
lösungsmittelhaltige oder korrosive Medien führen. Dabei muss die Medienzuführung der Drucksensoren von einer elektrischen Kontaktierung durch eine geeignete Aufbau- und
Verbindungstechnik separiert werden, um die elektrische
Kontaktierung vor Beschädigungen durch das Medium zu
schützen. Weiterhin muss die Aufbau- und Verbindungstechnik selbst medienstabil sein. Dadurch wird die Vielfalt von möglichen Klebe- und Fügetechniken eingeschränkt.
Bekannte Differenz- oder Relativdrucksensoren auf Basis piezoresistiver oder kapazitiver Sensorelemente arbeiten mit einem oder mit mehreren Messelementen. Dabei sind bei
bekannten Differenzdrucksensoren, die ein sensitives
Messelement aufweisen, die Medienzuführungen normalerweise auf zwei gegenüberliegenden Seiten angeordnet, das heißt ein Messdruck wird über die Rückseite zugeführt, während der Umgebungs- oder Referenzdruck auf die Vorderseite der
Messmembran wirkt. Dadurch ist es zwangsweise notwendig, das Gehäuse des Drucksensors derart zu gestalten, dass die
Medienanschlüsse entweder auf eine Seite umgeleitet oder auf zwei verschiedenen Seiten angebracht werden. Weiterhin sind Leiterbahnen und Bonddrähte, die sich üblicherweise auf der
Oberseite des Sensorelements befinden, dem Referenzmedium ausgesetzt. Dadurch werden die Einsatzgebiete eines
ungeschützten Sensorelements infolge der unzureichenden chemischen Beständigkeit eingegrenzt. Zur Erhöhung der
Beständigkeit wird zum Schutz der elektrischen Kontaktierung und zur Medientrennung entweder ein Gelverguss verwendet, wobei das Übertragungsmedium frei der Umgebung ausgesetzt sein kann, oder es kommen Metallmembranen zum Einsatz, wobei das Übertragungsmedium von der Umgebung getrennt ist und empfindliche Bereiche des Sensorelements durch ein internes Medium, wie zum Beispiel Öl, geschützt sind. Die
Metallmembran kann beispielsweise Teil eines Gehäusedeckels sein .
Zur Differenzdruck- oder Durchflussmessung werden daher oft Systeme auf Basis von mindestens zwei Messelementen
aufgebaut. Bekannte Systeme mit zwei Messelementen benötigen keinen Medienschutz der elektrischen Kontakte, aber die
Elemente müssen für genaue Messungen durch einen
Abgleichprozess aufeinander abgestimmt werden.
Die Drucksensoren weisen also üblicherweise entweder
mindestens zwei Messelemente auf, die zwar nur rückseitig dem Messmedium ausgesetzt sind, aber einen aufwändigen
Abgleichprozess erfordern, oder es kommen Schutzvorrichtungen auf Systemebene zum Einsatz, die mindestens die aktive Seite des sensitiven Elements, wie zum Beispiel Kontaktpads und Messbrücken, vor Medienangriffen schützen.
Es ist eine zu lösende Aufgabe zumindest einiger
Ausführungsformen, ein mikromechanisches Messelement
anzugeben, bei dem auf aufwändige Schutzvorrichtungen der elektrischen Kontakte verzichtet werden kann.
Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand gemäß
Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes sind in den abhängigen Patentansprüchen
angegeben .
Ein mikromechanisches Messelement gemäß zumindest einer
Ausführungsform weist ein sensitives Element auf. Das sensitive Element umfasst eine Membran, die eine Unterseite und eine Oberseite aufweist. Beispielsweise kann das
sensitive Element einstückig ausgeführt sein. Das sensitive Element kann insbesondere als Siliziumchip, der eine
Messmembran umfasst, ausgeführt sein. Der Siliziumchip kann zum Beispiel aus einem Siliziumwafer hergestellt sein, wobei die Messmembran einen abgedünnten Bereich, zum Beispiel einen dünngeätzten Bereich des Siliziumchips bildet. Vorzugsweise ist das sensitive Element als piezoresistives Element
ausgeführt, das an seiner Oberseite, die hier und im
Folgenden auch als aktive Seite bezeichnet werden kann, Piezowiderstandsstrukturen, Zuleitungen und Kontaktierflächen aufweist. Über eine druckabhängige Verformung der Membran und der darin implantierten Piezowiderstandsstrukturen, die beispielsweise zu einer Wheatstonebrücke verschaltet sind, kann es infolge der Widerstandsänderung der
Piezowiderstandsstrukturen zur Änderung der elektrischen Ausgangsspannung der Wheatstonebrücke kommen, mittels derer sich der beaufschlagte Druck oder eine Druckänderung
bestimmen lässt. Alternativ kann das sensitive Element auch als kapazitives Element ausgeführt sein, bei dem
beispielsweise mindestens ein Kondensator in den Siliziumchip implementiert ist. Bei Druckbeaufschlagung wird die Kapazität des Kondensators verändert, wodurch eine Druckmessung
ermöglicht wird.
Das mikromechanische Messelement weist weiterhin eine Kappe auf, die direkt mit dem sensitiven Element verbunden ist. Das kann insbesondere bedeuten, dass die Kappe unmittelbar an dem sensitiven Element befestigt ist. Die Kappe kann zum Beispiel einstückig ausgebildet sein.
Das sensitive Element und die Kappe bilden vorzugsweise eine erste Kammer. Die erste Kammer weist zumindest eine erste Öffnung auf. Beispielsweise bilden das sensitive Element und die Kappe einen Hohlraum aus, der nur mittels der ersten
Öffnung von außen zugänglich ist. Vorzugsweise ist die erste Kammer mit einem ersten Medium, beispielsweise mit Öl, gefüllt . Gemäß einer Weiterbildung weist das mikromechanische
Messelement zumindest eine Kontaktierfläche auf. Die
zumindest eine Kontaktierfläche ist vorzugsweise auf dem sensitiven Element angeordnet und dient der elektrischen Kontaktierung des sensitiven Elements. Beispielsweise kann die zumindest eine Kontaktierfläche als Kontaktpad
ausgebildet sein.
Gemäß einer Weiterbildung ist die Oberseite der Membran dem ersten Medium mittels der ersten Öffnung zugänglich. Das erste Medium kann insbesondere mit der Oberseite der Membran in direktem Kontakt stehen und einen beaufschlagten Druck auf die Membran übertragen.
Gemäß einer Weiterbildung ist das sensitive Element auf einer der Kappe abgewandten Seite direkt mit einem Träger
verbunden. Beispielsweise ist das sensitive Element
unmittelbar auf dem Träger befestigt. Das sensitive Element und der Träger bilden eine zweite Kammer, die vorzugsweise
eine zweite Öffnung aufweist. Die zweite Kammer kann
insbesondere einen Hohlraum darstellen, der mittels der zweiten Öffnung von außen zugänglich ist. Vorzugsweise ist die zweite Kammer mit einem zweiten Medium gefüllt. Das erste und das zweite Medium können hier und im Folgenden auch als Messmedium oder als Übertragungsmedium bezeichnet werden.
Gemäß einer Weiterbildung ist die Unterseite der Membran dem zweiten Medium mittels der zweiten Öffnung zugänglich.
Insbesondere kann das zweite Medium mit der Unterseite der Membran in direktem Kontakt stehen und einen Druck auf die Membran übertragen.
Bei dem hier beschriebenen Messelement sind sowohl die
Druckzuführungen, das heißt die Übertragung eines Messdruckes auf die Membran, als auch die Medientrennung, das heißt die Trennung des ersten Mediums vom zweiten Medium, mittels der speziellen Ausgestaltung von Träger und Kappe sowie den jeweiligen Öffnungen auf Chiplevel realisiert. Diese
Realisierung kann auch als Zero Level Packaging oder Chip Level Packaging bezeichnet werden. Vorteilhafterweise kann dadurch das sensitive Element einfach weiterverarbeitet werden, ohne dass die Kontaktierfläche oder auch Bonddrähte aufwendig vor Medienangriffen geschützt werden müssen. Die Kappe und der Träger bilden dabei Schutz- beziehungsweise Stabilisierungselemente, die eine Medientrennung garantieren und eine Differenz- oder Relativdruckmessung ermöglichen.
Gemäß einer Weiterbildung ist die zweite Öffnung im Träger ausgebildet. Beispielsweise kann der Träger eine Bohrung aufweisen, die die zweite Öffnung bildet. Die zweite Öffnung kann beispielsweise durch den Träger in einer Richtung verlaufen, die in etwa parallel zu einer
Hauptausbreitungsrichtung der Membran des sensitiven Elements ist. Alternativ kann die zweite Öffnung in einer Richtung verlaufen, die in etwa senkrecht zu einer
Hauptausbreitungsrichtung der Membran des sensitiven Elements ist .
Gemäß einer Weiterbildung ist die zweite Öffnung im
sensitiven Element ausgebildet. Das sensitive Element kann beispielsweise eine Bohrung aufweisen, die die zweite Öffnung bildet. Vorzugsweise verläuft die zweite Öffnung durch das sensitive Element in einer Richtung, die in etwa parallel zu einer Hauptausbreitungsrichtung des sensitiven Elements ist.
Gemäß einer Weiterbildung ist die zweite Öffnung derart ausgebildet, dass sie dem zweiten Medium einen Zugang zur
Oberseite der Membran bietet. Dadurch kann ein beaufschlagter Messdruck über das zweite Medium auf die Membran übertragen werden . Gemäß einer Weiterbildung ist die erste Öffnung in der Kappe ausgebildet. Die Kappe kann zum Beispiel eine Bohrung
aufweisen, die die erste Öffnung bildet. Beispielsweise kann die erste Öffnung in einer Richtung verlaufen, die in etwa parallel zu der durch den Träger oder das sensitive Element verlaufenden zweiten Öffnung ist.
Gemäß einer Weiterbildung verläuft die erste Öffnung durch das sensitive Element und den Träger. Beispielsweise kann die erste Öffnung mittels einer Bohrung durch den Träger und das sensitive Element hergestellt sein.
Gemäß einer Weiterbildung ist die erste Öffnung derart ausgebildet, dass sie dem ersten Medium einen Zugang zur
Oberseite der Membran bietet. Dadurch kann ein beaufschlagter Messdruck über das erste Medium auf die Membran übertragen werden .
Gemäß einer Weiterbildung weist das Messelement mehrere
Außenseiten auf. Beispielsweise kann das Messelement
quaderförmig, würfelförmig oder scheibenförmig ausgebildet sein beziehungsweise äußere Abmessungen aufweisen, die dem Messelement eine quaderförmige, würfelförmige oder
scheibenförmige Form geben. Die Außenseiten können auch eine beliebig andere geometrische Form bilden. Vorzugsweise sind die erste Öffnung und die zweite Öffnung an derselben
Außenseite des Messelements angeordnet.
Durch das hier beschriebene Messelement wird durch die einseitig angebrachte Anordnung der Medienzuführungen, das heißt der ersten und der zweiten Öffnung, eine Vereinfachung eines Gehäuses, das durch die Kappe und den Träger gebildet sein kann, auf Systemebene erreicht, da die Medienanschlüsse in einem Prozessschritt erzeugt werden können.
Gemäß einer Weiterbildung ist die zumindest eine
Kontaktierfläche auf einer der Kappe zugewandten Seite des sensitiven Elements auf dem sensitiven Element angeordnet. Vorzugsweise ist die zumindest eine Kontaktierfläche
zumindest teilweise außerhalb der Kappe angeordnet. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die zumindest eine
Kontaktierfläche vollständig außerhalb der Kappe angeordnet. Die elektrische Kontaktierung des sensitiven Elements beziehungsweise des Siliziumchips ist dadurch von den
Medienanschlüssen des Messelements getrennt. Dadurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass die zumindest eine
Kontaktierfläche nicht durch aufwändige Maßnahmen vor dem Messmedium geschützt werden muss.
Gemäß einer Weiterbildung ist das Messelement als
Relativdrucksensor ausgebildet. Der Relativdrucksensor bestimmt beispielsweise die Relativdruckmessung als
Druckdifferenz-Messung gegen den Luftdruck.
Gemäß einer Weiterbildung ist das Messelement als
Differenzdrucksensor ausgebildet. Der Differenzdrucksensor misst dabei einen Differenzdruck, der als Differenz zwischen zwei Drücken bestimmt wird.
Gemäß einer Weiterbildung ist das Messelement als
Volumenstrom und/oder Durchflusssensor ausgebildet.
Insbesondere kann das Messelement als miniaturisierter
Volumenstrom und/oder Durchflusssensor ausgeführt sein. Dabei wird eine Druckdifferenz vor und hinter einer
Querschnittsverengung eines Messkanals, der beispielsweise durch eine Blende gebildet wird, gemessen, die sich
proportional zum Volumenstrom verhält und so anhand einer geeigneten Kalibrierung eine Durchflussmessung
beziehungsweise Volumenstrommessung erlaubt. Mithilfe der Bernoulli-Gleichung lässt sich bei gleichem hydrostatischem Druck anhand der Druckdifferenz vor und hinter der
Querschnittsverengung der Volumenstrom berechnen.
Gemäß einer Weiterbildung weist das sensitive Element
Widerstandsstrukturen und Zuleitungen auf. Die
Widerstandsstrukturen bilden beispielsweise eine
piezoresistive Messbrücke zur Druck- und/oder Flussmessung. Vorzugsweise sind die Widerstandsstrukturen und die
Zuleitungen im sensitiven Element, besonders bevorzugt im Siliziumchip, implantiert.
Gemäß einer Weiterbildung wird die Messbrücke durch
zusätzliche funktionale Schichten gebildet. Diese
funktionalen Schichten können beispielsweise mittels
Aufdampfen oder Sputtern auf das sensitive Element
beziehungsweise auf die Membran aufgebracht sein. Gemäß einer Weiterbildung weist der Träger Glas auf oder besteht aus Glas. Weiterhin ist es möglich, dass der Träger Silizium aufweist oder aus Silizium besteht.
Gemäß einer Weiterbildung weist die Kappe Glas auf oder besteht aus Glas. Es ist weiterhin möglich, dass die Kappe Silizium aufweist oder aus Silizium besteht.
Gemäß einer Weiterbildung können dem Messmedium ausgesetzten Teile des Messelements, wie beispielsweise Kappe und/oder Trägers beziehungsweise Teile der Kappe und/oder des Trägers Borosilikatglas , Silizium und/oder LPCVD-Siliziumnitrid aufweisen oder aus einem dieser Materialien bestehen. Dadurch ist das Messelement auch für feuchte und/oder korrosive Medien geeignet.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele von mikromechanischen Messelementen unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 3 erläutert . In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen
Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich
nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren
Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert
dargestellt sein.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines
mikromechanischen Messelements gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel, wobei die erste Öffnung durch das sensitive Element und den Träger verläuft,
Figur 2 eine schematische Schnittansicht eines
mikromechanischen Messelements gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel, wobei die erste Öffnung in der Kappe und die zweite Öffnung im Träger ausgebildet ist, und
Figur 3 eine schematische Schnittansicht eines
mikromechanischen Messelements gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel, wobei die zweite Öffnung im sensitiven Element ausgebildet ist.
Figur 1 zeigt ein mikromechanisches Messelement 1 in einer schematischen Schnittdarstellung. Das mikromechanische
Messelement 1 ist als piezoresistives Messelement ausgeführt und weist ein sensitives Element 2 auf, das eine Membran 21 umfasst. Das sensitive Element 2 ist ein Siliziumchip, der aus einem Siliziumwafer hergestellt ist. Die Membran 21 weist eine Unterseite 211 und eine Oberseite 212 auf.
Das mikromechanische Messelement 1 weist weiterhin einen Träger 6 sowie eine Kappe 3 auf. Im gezeigten
Ausführungsbeispiel weisen der Träger 6 und die Kappe 3 Glas auf und bilden mit dem sensitiven Element 2 einen Silizum- Glas-Verbund . Die Kappe 3 ist direkt mit dem sensitiven
Element 2 verbunden, wodurch die Kappe 3 auf Chipebene angebunden ist. Das sensitive Element 2 und die Kappe 3 bilden dabei eine erste Kammer 4 aus, wobei die erste Kammer
4 eine erste Öffnung 5 aufweist. Die erste Öffnung 5 wird durch eine Aussparung im sensitiven Element 2 sowie durch eine Aussparung im Träger 6 gebildet. Die Oberseite 212 der Membran 21 ist einem ersten Medium mittels der ersten Öffnung
5 zugänglich. Das erste Medium kann somit einen
beaufschlagten Druck auf die Membran 21 übertragen.
Das sensitive Element 2 ist auf der der Kappe abgewandten Seite direkt mit einem Träger 6 verbunden. Dabei bilden das sensitive Element 2 und der Träger 6 eine zweite Kammer 7 aus. Die zweite Kammer 7 weist eine zweite Öffnung 8 auf. Die erste und die zweite Öffnung 5, 8 sind beispielsweise mittels einer Laserbohrung hergestellt. Die Unterseite 211 der
Membran 21 ist einem zweiten Medium mittels der zweiten
Öffnung 8 zugänglich, wodurch das zweite Medium einen
beaufschlagten Druck auf die Membran 21 übertragen kann.
Durch die erste und die zweite Öffnung 5, 8 sind beidseitig zur Membran 21 Zuführungen gebildet.
Eine einseitige Anordnung der Medienanschlüsse, das heißt eine einseitige Anordnung der ersten und zweiten Öffnung 5, 8 wird im gezeigten Ausführungsbeispiel durch zwei
Durchführungen im Silizium-Glas-Verbund realisiert. Im
Vergleich zu bekannten Messelementen ist bei der Herstellung eines in Figur 1 gezeigten Messelements 1 lediglich ein zusätzlicher Ätzschritt erforderlich, wobei die Membran eines jeweils benachbarten Messelements mittels eines zusätzlichen
Ätzschrittes durchgeätzt wird. Dies ist in einem sogenannten Batch-Prozess realisierbar.
Das mikromechanische Messelement 1 weist weiterhin eine Kontaktierfläche 9 auf, die als sogenanntes Kontaktpad ausgeführt ist und der elektrischen Kontaktierung des
Messelements 1 dient. Die Kontaktierfläche 9 ist auf dem sensitiven Element 2 angeordnet und liegt außerhalb der ersten Kammer 4 sowie außerhalb der zweiten Kammer 7. Die elektrische Kontaktierung des sensitiven Elements 2 ist von den Medienanschlüssen getrennt. Dadurch kann gewährleistet werden, dass die Kontaktierfläche 9 nicht mit einem in der ersten oder zweiten Kammer 4, 7 befindlichen Medium in
Kontakt kommt, wodurch die Kontaktierfläche 9 effektiv vor Medienangriffen, beispielsweise durch korrosive Medien, geschützt wird. Eine Korrosion elektrischer Zuleitungen, wie der Kontaktierfläche oder von Bonddrähten, kann beim
gezeigten Messelement bereits auf Chipebene verhindert werden. Bei der Herstellung eines Messelements gemäß dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die elektrische
Kontaktierrichtung gleich der Montagerichtung des sensitiven Elements 2.
Alternativ ist es möglich, dass das Messelement 1 mehrere Kontaktierflächen zur Kontaktierung des Messelements 1 beziehungsweise des sensitiven Elements 2 aufweisen.
Weiterhin weist das mikromechanische Messelement 1
Widerstandsstrukturen 22 und Zuleitungen 23 auf, die im sensitiven Element 2 implantiert sind. Die
Widerstandsstrukturen 22 und Zuleitungen 23 bilden eine Messbrücke zur Druckmessung.
Das mikromechanisches Messelement 1 ist im gezeigten
Ausführungsbeispiel als Relativ- oder Differenzdrucksensor ausgeführt, wobei eine Medienumleitung auf Chipebene
realisiert ist und die Medien von einer Unterseite des
Messelements, das heißt einer der Kappe abgewandten Seite des Messelements zugeführt werden.
In Figur 2 ist ein mikromechanisches Messelement 1 in einer schematischen Schnittdarstellung gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel dargestellt. Im Unterschied zum
Ausführungsbeispiel aus Figur 1 ist die erste Öffnung 5 in der Kappe 3 ausgebildet. Zur Erzeugung der ersten Öffnung 5 sowie der zweiten Öffnung 8 wird vorzugsweise mittels eines Lasers in die Kappe 3 und in den Träger 6 jeweils ein Loch gebohrt.
Auch in dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Kontaktierfläche 9 durch ihre Anordnung außerhalb der mit Medien gefüllten Kammern 4, 8 vor negativen Einflüssen eines Kontaktes mit einem Messmedium geschützt. Im Unterschied zu dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die
elektrische Kontaktierrichtung senkrecht zu einer
Montagerichtung des sensitiven Elements 2. Das mikromechanisches Messelement 1 ist im gezeigten
Ausführungsbeispiel als Relativ- oder Differenzdrucksensor ausgeführt, wobei eine Medienumleitung auf Chipebene
realisiert ist und die Medien von einer Seite des
Messelements, die eine Unterseite und eine Oberseite des Messelements verbindet, zugeführt werden, wobei die
Unterseite durch eine der Kappe abgewandte Seite des
Messelements und die Oberseite durch eine der Kappe
zugewandte Seite des Messelements bestimmt ist.
Figur 3 zeigt ein mikromechanisches Messelement 1 in einer schematischen Schnittdarstellung gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel aus Figur 2 ist die zweite Öffnung 8 im sensitiven Element ausgebildet.
Die erste Öffnung 5 sowie die zweite Öffnung 8 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel vorzugsweise mittels
Laserbohrungen in der Kappe 3 beziehungsweise im sensitiven Element 2 realisiert.
Das mikromechanisches Messelement 1 ist im gezeigten
Ausführungsbeispiel ebenfalls als Relativ- oder
Differenzdrucksensor ausgeführt, wobei eine Medienumleitung auf Chipebene realisiert ist und die Medien wiederum von einer Seite des Messelements, die die Unter- und Oberseite des Messelements verbindet, zugeführt werden.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt, sondern umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen. Dies beinhaltet insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen, auch wenn dieses Merkmal oder diese
Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugs zeichenliste
1 Messelement
2 sensitives Element
21 Membran
211 Unterseite
212 Oberseite
22 WiderStandsstruktur
23 Zuleitung
3 Kappe
4 erste Kammer
5 erste Öffnung
6 Träger
7 zweite Kammer
8 zweite Öffnung
9 Kontaktierfläche