WO2019154594A1 - Differenzdrucksensor - Google Patents

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WO2019154594A1
WO2019154594A1 PCT/EP2019/050810 EP2019050810W WO2019154594A1 WO 2019154594 A1 WO2019154594 A1 WO 2019154594A1 EP 2019050810 W EP2019050810 W EP 2019050810W WO 2019154594 A1 WO2019154594 A1 WO 2019154594A1
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WO
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differential pressure
layer
measuring cell
pressure sensor
pressure measuring
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/050810
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English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel Sixtensson
Benjamin LEMKE
Timo Kober
Original Assignee
Endress+Hauser SE+Co. KG
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L13/00—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values
    • G01L13/02—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values using elastically-deformable members or pistons as sensing elements
    • G01L13/025—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values using elastically-deformable members or pistons as sensing elements using diaphragms
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0042—Constructional details associated with semiconductive diaphragm sensors, e.g. etching, or constructional details of non-semiconductive diaphragms
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
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    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
    • G01L9/0073—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance using a semiconductive diaphragm

Definitions

  • the invention relates to a differential pressure sensor for determining a pressure measuring signal and a method for producing such a
  • Differential pressure sensors are used in industrial measurement technology to measure pressures. They often also include referred to as semiconductor sensors or sensor chips differential pressure measuring cells, using the from
  • Such differential pressure measuring cells regularly have two basic bodies, between which a measuring diaphragm is arranged. In each case one enclosed under the measuring diaphragm pressure chamber is provided in each of the two main body. In measuring operation, one side of the measuring diaphragm is acted upon by a recess in one of the two base bodies with a first pressure and the other side of the measuring diaphragm is acted on by a recess in the second base body with a second pressure.
  • the measuring diaphragm experiences a differential-pressure-dependent deflection, which can be determined with the aid of a measuring device in various ways, in order to derive a pressure measuring signal.
  • resistive, inductive or even capacitive transducer elements are used for the determination.
  • capacitive differential pressure measuring cells they regularly have a conductive measuring diaphragm which, together with an electrode integrated in one of the main bodies, forms a capacitor with a capacitance dependent on the pressure acting on the measuring diaphragm, which capacitance can be determined by means of a measuring device to be connected to the capacitor.
  • differential pressure measuring cells In order to increase the bursting strength of such differential pressure measuring cells they are usually arranged between two mechanically stable support bodies or stiffening bodies, which are each equipped with a pressure transmission line, one end of which is connected via the recess in adjacent to the respective support body with the enclosed therein pressure chamber and the other end is acted upon by a pressure supply connected thereto with one of the two pressures.
  • Differential pressure measuring cell and the stiffening bodies to achieve these are connected via a joining method with the pressure measuring cell.
  • a disadvantage of the joining process that comes into consideration for this is that they are only for pure joining, ie the Connecting the differential pressure measuring cell and the stiffening bodies, serve, so that for electrical contacting of components of the inner transducer element, an additional electrically conductive connection must be led to the outside.
  • the invention is therefore based on the object to show a way in which both the addition of the differential pressure measuring cell with at least one
  • Stiffening body and the electrical contacting of at least one component of the transducer element can be realized.
  • the object is achieved by the device according to claim 1 and the method according to claim 12th
  • the differential pressure sensor according to the invention for determining a pressure measuring signal comprises: a substantially semiconductor material, preferably silicon
  • Differential pressure measuring cell which a first and a second pressure can be fed and which by means of an electrical, in particular capacitive transducer element in dependence of a difference between the first and the second pressure the
  • a first preferably a ceramic, a semiconductor material or a glass, having stiffening body, which is joined to the differential pressure measuring cell by means of a first joining layer and having a first channel, via which the first pressure of the differential pressure measuring cell can be fed
  • a second preferably a ceramic or a semiconductor material having stiffening body, which is connected to the differential pressure measuring cell by means of a second
  • Fügetik is joined and has a second channel, via which the second pressure of the differential pressure measuring cell can be fed; wherein the first and / or the second joining layer has an integrated reactive material system for joining the differential pressure measuring cell to the first or second stiffening body, wherein the first and / or second joining layer is designed such that at least one component of the electrical conversion element is covered by the first and / or second stiffening body. or second joining layer with at least one arranged on an outer surface of the differential pressure cell electrode terminal for electrical
  • first and / or second joining layer is further formed such that at least one activation region of the integrated reactive material system is guided to the outer surface of the differential pressure measuring cell, so that an exothermic reaction in the at least one activation region can be initiated on the outer surface of the differential pressure measuring cell.
  • a differential pressure sensor in which not only the pressure measuring cell is joined to the first or second stiffening body by the use of an integrated reactive material system or multi-layer system, but also the electrical contacting of at least one component of the electrical transducer element is realized, so that the at least one component via the electrode terminal and the bonding layer is electrically contacted.
  • the differential pressure measuring cell has a first and a second base body, each comprising a layer structure of at least a first electrically conductive layer and a first and a second insulating layer, wherein the first and the second body in each case via the first insulating layer is pressure-tightly connected to a measuring membrane in a peripheral edge region, wherein the first insulating layer is respectively structured such that each forms a pressure chamber between the measuring membrane and the first electrically conductive layer, wherein the first and the second base body each having a first metallization , which is applied in each case on a second applied to the first and the second base body insulation layer, wherein the first and the second base body in each case via the first and second
  • Joining layer which is respectively applied to the first metallization of the first and second body, is joined to the first and second stiffening body, wherein the first and the second base body each having a recess, so that the first and the second pressure of the respective Pressure chamber is fed, so as to allow a pressure-dependent deflection of the measuring membrane, wherein the pressure-dependent deflection of the measuring membrane via at least one capacitance, which forms between the measuring membrane as a first electrode and at least a portion of the respective first electrically conductive layer as a second electrode, is detected . wherein at least one second electrode as a component of the electrical
  • Transducer element is electrically contacted by the first and / or the second bonding layer with the at least one electrode terminal, so that the first and / or second bonding layer serves as an electrical conductor or electrically conductive connection.
  • Electrode terminal each occupy an at least adjacent, preferably at least partially overlapping region.
  • Embodiment provide that the at least one electrode terminal in the form of a generated on the outer surface area electrically conductive electrode connection layer, in particular a metallized, very particularly an aluminum comprehensive
  • Electrode terminal view is realized and the first or second joining layer the
  • Electrode connection layer partially covered.
  • Differential pressure sensor further comprises at least two arranged on the outer surface of the differential pressure measuring cell activation areas for initiating the
  • the embodiment can provide that the at least one electrode connection is arranged on a substantially perpendicular to the
  • Measuring diaphragm extending outer surface of the first and second base body is arranged and / or that the at least one electrode connection on a at an angle in the range of 49 ° - 59 °, preferably in the range of 52 ° to 56 °, particularly preferably at an angle of approx 54 ° to the measuring membrane, running
  • a further advantageous embodiment of the differential pressure sensor according to the invention provides that the first and / or second stiffening body a second
  • Has metallization layer and the first and / or second stiffening body is joined in each case via the second metallization with the first and / or second bonding layer.
  • Differential pressure sensor provides that a Lotdepot Mrs to compensate
  • the layer structure further comprises at least one further insulation layer, which is preferably arranged on the first electrically conductive layer, and a further electrically conductive layer, which preferably between the second
  • Insulation layer and the further insulating layer is arranged has.
  • Differential pressure sensor provides that the first electrically conductive layer is structured such that the second electrode is separated by a trench from an outer edge of the first electrical layer, so that the second electrode is electrically insulated from the outer edge.
  • the invention further relates to a method for producing at least one
  • a differential pressure measuring cell wherein for connecting the differential pressure measuring cell has at least a first side surface, and wherein the first and the second stiffening body each have at least one second side surface, wherein the first side surface is to be joined to the second side surface in an area to be joined, comprising the steps:
  • An advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the integrated reactive material system by generating substantially simultaneously is activated in each case an exothermic reaction at the at least two activation areas.
  • Fig. 1 a schematic view of a base body, which is a part of a
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view through a first embodiment of a differential pressure sensor
  • FIG. 3 is a schematic sectional view through a second embodiment of a differential pressure sensor
  • FIG. 4 shows a schematic process sequence of the method according to the invention.
  • Fig. 1 shows a schematic view of a main body 101, which is part of a differential pressure sensor. 1 is intended in particular to illustrate the position of the sectional drawings shown in the following figures, as well as to illustrate, by way of example, a joining layer designed according to the invention.
  • the invention is intended in particular to illustrate the position of the sectional drawings shown in the following figures, as well as to illustrate, by way of example, a joining layer designed according to the invention.
  • Füge Anlagen is structured such that at least one component of an electrical transducer element of the differential pressure sensor is electrically connected to an outer electrode terminal 1 15, so that the component located within the differential pressure sensor 100 is electrically contacted from the outside.
  • FIGS. 2 and 3 show, for various embodiments of a differential pressure sensor according to the invention, the layer structure along the sectional plane AA ' shown in FIG.
  • the sectional planes go essentially centrally through the main body shown in FIG.
  • the differential pressure sensors shown in FIGS. 2 and 3 each include one
  • Differential pressure measuring cell 100 which is formed substantially of a semiconductor material.
  • the semiconductor material used is silicon, which is structured or processed by standardized processes, which are known, for example, from the semiconductor industry.
  • the differential pressure measuring cell 100 is connected to a first stiffening body 1 18 via or through a first joining layer 16, which comprises an integrated reactive material system, and via a second joining layer 11, which likewise comprises an integrated reactive material system, with a second Stiffening body 1 19 joined, so a bursting of
  • the first and / or second joining layer as shown in Fig. 1, formed in the form of a bonding frame.
  • the bonding frame hereby has individual im
  • Substantially rectangular and / or square web-shaped structures which are arranged concentrically about an axis 130 protruding orthogonal to the outer surface. This offers the advantage that cracks, which can form in the final product in the joining layer, end at the edges of the individual structures of the bonding frame without jeopardizing the hermetic connection.
  • the first and / or second bonding layer 16, 17 is preferably applied in each case to a first metallization layer 122, which in turn is applied to a second outer insulation layer 108 of the first or second base body 101, 102.
  • the first metallization layer 122 serves essentially as an adhesion promoter layer for the first and / or second joining layer 1 16, 1 17 having the integrated reactive multilayer system. Accordingly, the first and / or second stiffening body may have the first or second joining layer 1 16, 1 17 is joined to the first and second base bodies 101, 102, respectively, have a second external metallization layer 125.
  • the first and second stiffening bodies 1 18, 1 19 may, for example, be formed from a ceramic, in particular aluminum nitride, silicon nitride or aluminum oxide.
  • first and second stiffening body 1 18, 1 19 but also a
  • Semiconductor material or glass include. To join the first and second
  • the differential pressure measuring cell 100 comprises an electrical capacitive transducer element with a pressure-sensitive, electrically conductive measuring diaphragm 103 arranged between the first and a second main body 101, 102, wherein the measuring diaphragm 103 is in each case pressure-tight by a first insulating layer 104 with the first or the second main body 101, 102 connected is.
  • the respective first insulating layer 104 is structured in such a way that in each case a pressure chamber 1 13 results between the measuring membrane 103 and a first electrically conductive layer 105 of the first or second basic body 101, 102.
  • a first side of the measuring membrane 103 can be acted upon via a recess 109 in the first basic body 101 with a first pressure p1 and a second side of the measuring membrane 103 via a recess 109 in the second basic body 102 with a second pressure p2.
  • the two basic bodies 101, 102 advantageously each comprise one
  • Layer structure of a plurality of electrically conductive layers and a corresponding number of insulating layers is preferably formed alternately from the electrically conductive layers and the insulation layers.
  • a base material for the main body 101, 102 is a semiconductor material, such as, for example, silicon.
  • the main bodies 101, 102 are produced in a large number in a wafer composite, wherein the structuring and / or processing of the wafers known from semiconductor technology
  • Manufacturing processes are used. In this way can be, for example, as
  • Isolation layer or electrically insulating layer a silicon oxide layer from the base material hersutz or prepare.
  • electrically conductive layer usually layers are used which essentially a highly doped
  • the layer structure of each main body 101, 102 comprises the first outer insulation layer 104, the first electrically conductive layer 105, which is arranged on the first outer insulation layer 104, which is arranged on the first electrically conductive layer 105 further inner insulating layer 106 on which in turn a further inner electrically conductive layer 107 is disposed and a second outer insulating layer 108 which is disposed on the further inner electrically conductive layer 107.
  • the exemplary embodiment is detached from the number of layers, it is only important that the first or second basic body 101, 102 has an outer first and second insulating layer 104, 108 which electrically insulate the layer structure from the outside.
  • the two main bodies 101, 102 each include one of the
  • Measuring diaphragm 103 as a first electrode 1 1 1 each form a capacitor with a capacitance C1 or C2.
  • the capacitances C1 and C2 are changed as a function of a pressure acting on the measuring diaphragm 103 pressure deflection of the measuring diaphragm 103.
  • the second electrode 110 is formed at least by a partial region of the membrane-facing first electrically conductive layer 105.
  • the first electrically conductive layer 105 is structured in such a way that the second electrode 110 is separated from an outer edge 14 by a trench 112, so that the second electrode 110 is separated from the outer edge 14 of the first electrically conductive layer 105 is electrically isolated.
  • the differential pressure sensor for each second electrode 1 10 includes at least one electrode terminal 1 15, each electrically connected to the first or second joining layer 1 16, 1 17 comprising the integrated reactive material system second electrode 1 10 are connected.
  • the electrode connections are preferably formed in the form of an electrically conductive electrode connection layer 126 applied to the outer surface region.
  • the electrode connection layer 126 can in particular be used as a metallized layer, which is preferably a
  • the electrode connection layer may be formed such that the first or Füge Anlagen at least partially covers the electrode connection layer, so that the generated by the first and second Joule layer 1 16, 1 17 activation area 124 and the area for the electrode connection on the outer surface area in at least to each other adjacent areas are arranged. This is illustrated by way of example in FIG. 2 at the upper electrode connection.
  • the integrated reactive material system comprising first and / or second joining layers 1 16, 1 17 serve not only for the mechanical connection of the differential pressure measuring cell 100 to the first and second stiffening bodies 1 18, 1 19, respectively, but also for the electrical contacting of a component of FIG electrical transducer element via the electrode connection.
  • the first and / or second joining layer 1 16, 1 17 according to the invention also serve to activate the integrated reactive material system by means of the at least one activation region.
  • the first and / or second joining layer 1 16, 1 17 designed such that the at least one activation area is guided to an outer surface of the differential pressure measuring cell, so that by means of an exothermic reaction generated at the activation region of the joining process can be started.
  • the electrode terminals 1 15 may be disposed on an outer surface area of the first and second base bodies, respectively, which is arranged at a specific angle to the measuring membrane.
  • the angle may be about 54 ° due to the manufacturing method by means of a KOH etching.
  • the differential pressure sensor 100 has a membrane connection 120 both in FIG. 2 and in FIG. 3. Since the measuring diaphragm 103 is accessible from all outer sides of the sensor, this connection can in principle be realized in various ways known from the prior art.
  • the membrane port 120 is on a perpendicular to the measuring membrane 103 extending Outer surface of the differential pressure sensor 100, in particular the measuring diaphragm 103 itself, arranged.
  • the capacitance C1 or C2 of the two capacitors can be measured in order to determine the pressure measuring signal or the differential pressure.
  • the differential pressure can be determined on the basis of each of the two measured capacitances C1, C2.
  • the differential pressure determination is not based on the individual measured capacitances, but on the basis of a differential change f of the two capacitances C1, C2.
  • the component arrangement illustrated in FIG. 4 includes, by way of example, a first component 10 and a second component 20, which are joined together using an integrated reactive material system 30.
  • the first component may be, for example, the first base body and the second component may be, for example, the first stiffening body of a previously described differential pressure sensor.
  • FIG. 4 generally shows a typical process flow for producing the joint connection by means of the exothermically reacting integrated material system.
  • Process flow is, however, corresponding to the production of a previously described D ifference feedback sensor.
  • first the second component 20 with a second side face 21 is positioned on a first side face 1 1 of the first component 10 (I), the first side face 11 of the first component 10 and an adjacent surface area 12 of the first component 10 with the integrated reactive
  • Material system 30 are coated. The coating of the adjacent
  • the reactive material system comprises a layer sequence of alternating layers 31, 32 of two reaction partners, wherein the first
  • Reactant for example, Al
  • the second reactant is selected from the following materials: CuOx, Fe203, Ni, Pd, Pt or Zr.
  • the layer thickness is about 20 nm in each case and the total thickness of the layer sequence is about 1 pm.
  • the second component has a not separately shown in Fig. 4
  • the second component may also be coated with the integrated reactive material system 30.
  • the coating is structured such that the coating does not completely cover the first side surface.
  • structuring can be carried out in particular in such a way that the coating forms a bonding frame for joining, wherein at least parts of the bonding frame are also used for electrical contacting of the at least one component of the electrical
  • Adhesion promoter layer and / or also has a further coating with the integrated reactive material system, the adhesion promoter layer and / or the further coating is also structured, wherein the structuring is carried out such that the further coating and / or the adhesion promoter layer is substantially equal to the coating of the first Side surface corresponds, with the exception that the further coating and / or the adhesion promoter layer has no activation area or have.
  • This offers the advantage that by providing the activation area outside the space between the side surfaces of the first and second components, the joining zone, i. the joined area, between the side surfaces for initiation need not be directly accessible and thus complex joining geometries or difficult to reach joining geometries can be generated, but at the same time no addition of only one side generated activation area occurs because the corresponding joint partner is missing.
  • the first component 10 and the second component 20 can be both macroscopic and microscopic components that comprise glass, ceramic, metal, semiconductor, and / or plastic as a material.
  • a force is applied to the components to achieve a defined surface pressure between the side surfaces 11, 21 of the components 10, 20, and an exothermic reaction is initiated in the activation region of the integrated reactive material system outside the side surfaces .
  • This initiation can be carried out electrically, thermally, electro-magnetically, magnetically, mechanically and / or by means of laser pulses.
  • the layers melt to cause interdiffusion between the layers to form a mixed phase 33 through which the side surfaces are joined .
  • the exothermic reaction front runs through the entire integrated reactive material system until it is completely converted to the new mixed phase 33 by the reaction. The complete implementation is completed within a few milliseconds.
  • the joined components can due to the low
  • the produced joining connection between the first components 10, 20 is preferably hermetically sealed, ie it has leak rates of less than 1 ⁇ 10 -8 mbar-1 / s.
  • the Mechanical joints with shear strengths between 30 MPa and 400 MPa can be biocompatible and / or resistant to aggressive media, eg oils or acids.

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Abstract

Differenzdrucksensor zur Bestimmung eines Druckmesssignals, umfassend: eine Differenzdruckmesszelle (100), einen ersten Versteifungskörper (118), der mit der Differenzdruckmesszelle (100) mittels einer ersten Fügeschicht (116) gefügt ist; einen zweiten Versteifungskörper (119), der mit der Differenzdruckmesszelle (100) mittels einer zweiten Fügeschicht (117) gefügt ist; wobei die erste und/oder die zweite Fügeschicht (116, 117) ein integriertes reaktives Materialsystem zum aufweist, wobei zumindest eine Komponente des elektrischen Wandlerelementes (103, 104, 105, 106, 107, 108, 110) durch die erste und/oder zweite Fügeschicht (116, 117) mit zumindest einem an einer äußeren Oberfläche der Differenzdruckmesszelle (100) angeordneten Elektrodenanschluss (115) zur elektrischen Kontaktierung verbunden ist, wobei die erste und/oder zweite Fügeschicht (116, 117) ferner derartig ausgebildet ist, dass zumindest ein Aktivierungsbereich (124) des integrierten reaktiven Materialsystems an die äußere Oberfläche der Differenzdruckmesszelle (100) geführt ist, so dass eine exotherme Reaktion in dem zumindest einen Aktivierungsbereich (124) an der äußeren Oberflächeder Differenzdruckmesszelle (100) initiiert werden kann.

Description

Differenzdrucksensor
Die Erfindung bezieht sich auf einen Differenzdrucksensor zur Bestimmung eines Druckmesssignals und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen
Differenzdrucksensors.
Differenzdrucksensoren werden in der industriellen Messtechnik zur Messung von Drücken eingesetzt. Sie umfassen häufig auch als Halbleitersensoren oder Sensor-Chips bezeichnete Differenzdruckmesszellen, die unter Verwendung von aus der
Halbleitertechnologie bekannten Prozessen im Waferverband hergestellt werden können.
Derartige Differenzdruckmesszellen weisen regelmäßig zwei Grundkörper auf, zwischen denen eine Messmembran angeordnet ist. Dabei ist in jedem der beiden Grundkörper jeweils eine unter der Messmembran eingeschlossene Druckkammer vorgesehen. Im Messbetrieb wird eine Seite der Messmembran über eine Ausnehmung in einem der beiden Grundkörper mit einem ersten Druck und die andere Seite der Messmembran über eine Ausnehmung im zweiten Grundkörper mit einem zweiten Druck beaufschlagt.
Durch die Beaufschlagung mit dem ersten und zweiten Druck erfährt die Messmembran eine Differenzdruck abhängige Auslenkung, welche mit Hilfe einer Messeinrichtung auf verschiedene Art und Weise ermittelt werden kann, umso ein Druckmesssignal abzuleiten. Zur Ermittlung kommen prinzipiell resistive, induktive oder auch kapazitive Wandlerelemente zum Einsatz. Im Falle von kapazitiven Differenzdruckmesszellen weisen diese regelmäßig eine leitfähige Messmembran auf, die zusammen mit einer in einem der Grundkörper integrierten Elektrode einen Kondensator mit einer vom auf die Messmembran einwirkenden Druck abhängigen Kapazität bilden, die mittels einer an den Kondensator anzuschließenden Messeinrichtung bestimmt werden kann.
Um die Berstfestigkeit derartiger Differenzdruckmesszellen zu erhöhen werden diese in der Regel zwischen zwei mechanisch stabilen Stützkörpern bzw. Versteifungskörpern angeordnet, die jeweils mit einer Druckübertragungsleitung ausgestattet sind, deren eines Ende über die Ausnehmung im an den jeweiligen Stützkörper angrenzenden Grundkörper mit der darin eingeschlossenen Druckkammer verbunden ist und deren anderes Ende über eine daran angeschlossene Druckzufuhr mit einem der beiden Drücke beaufschlagt wird.
Um eine möglichst stabile mechanische Verbindung zwischen der
Differenzdruckmesszelle und den Versteifungskörpern zu erzielen, werden diese über ein Fügeverfahren mit der Druckmesszelle verbunden. Nachteilig bei den hierfür in Betracht kommenden Fügeverfahren ist, dass diese lediglich zur reinen Fügung, d.h. dem Verbinden der Differenzdruckmesszelle und der Versteifungskörper, dienen, so dass zur elektrischen Kontaktierung von Komponenten des innen liegenden Wandlerelementes eine zusätzliche elektrische leitfähige Verbindung nach außen geführt werden muss.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit aufzuzeigen bei der sowohl die Fügung der Differenzdruckmesszelle mit wenigstens einem
Versteifungskörper als auch die elektrische Kontaktierung mindestens einer Komponente des Wandlerelementes realisierbar ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 und das Verfahren gemäß Patentanspruch 12.
Der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor zur Bestimmung eines Druckmesssignals, umfasst: eine im Wesentlichen ein Halbleitermaterial, vorzugsweise Silizium aufweisende
Differenzdruckmesszelle, welcher ein erster und ein zweiter Druck zuführbar ist und welche mit Hilfe eines elektrischen, insbesondere kapazitiven Wandlerelementes in Abhängigkeit einer Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Druck das
Druckmesssignal ausgibt; einen ersten, vorzugsweise eine Keramik, ein Halbleitermaterial oder ein Glas, aufweisenden Versteifungskörper, der mit der Differenzdruckmesszelle mittels einer ersten Fügeschicht gefügt ist und einen ersten Kanal aufweist, über den der erste Druck der Differenzdruckmesszelle zuführbar ist; einen zweiten, vorzugsweise eine Keramik oder ein Halbleitermaterial, aufweisenden Versteifungskörper, der mit der Differenzdruckmesszelle mittels einer zweiten
Fügeschicht gefügt ist und einen zweiten Kanal aufweist, über den der zweite Druck der Differenzdruckmesszelle zuführbar ist; wobei die erste und/oder die zweite Fügeschicht ein integriertes reaktives Materialsystem zum Fügen der Differenzdruckmesszelle mit dem ersten bzw. zweiten Versteifungskörper aufweist, wobei die erste und/oder zweite Fügeschicht derartig ausgebildet ist, dass zumindest eine Komponente des elektrischen Wandlerelementes durch die erste und/oder zweite Fügeschicht mit zumindest einem an einer äußeren Oberfläche der Differenzdruckmesszelle angeordneten Elektrodenanschluss zur elektrischen
Kontaktierung verbunden ist, wobei die erste und/oder zweite Fügeschicht ferner derartig ausgebildet ist, dass zumindest ein Aktivierungsbereich des integrierten reaktiven Materialsystems an die äußere Oberfläche der Differenzdruckmesszelle geführt ist, so dass eine exotherme Reaktion in dem zumindest einen Aktivierungsbereich an der äußeren Oberfläche der Differenzdruckmesszelle initiiert werden kann.
Erfindungsgemäß wird ein Differenzdrucksensor vorgeschlagen, bei dem durch die Verwendung eines integrierten reaktiven Materialsystems bzw. Multilagensystems nicht nur die Druckmesszelle mit dem ersten bzw. zweiten Versteifungskörper gefügt wird, sondern ferner auch die elektrische Kontaktierung zumindest einer Komponente des elektrischen Wandlerelementes realisiert wird, so dass die zumindest eine Komponente über den Elektrodenanschluss als auch die Fügeschicht elektrisch kontaktierbar ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors sieht vor, dass die Differenzdruckmesszelle einen ersten und einen zweiten Grundkörper aufweist, die jeweils einen Schichtaufbau aus zumindest einer ersten elektrisch leitfähigen Schicht sowie einer ersten und einer zweiten Isolationsschicht umfassen, wobei der erste und der zweite Grundkörper jeweils über die erste Isolationsschicht mit einer Messmembran in einem umlaufenden Randbereich druckdicht verbunden ist, wobei die erste Isolationsschicht jeweils derartig strukturiert ist, dass sich jeweils eine Druckkammer zwischen der Messmembran und der ersten elektrisch leitfähigen Schicht bildet, wobei der erste und der zweite Grundkörper jeweils eine erste Metallisierungsschicht aufweisen, die jeweils auf einer zweiten auf den ersten bzw. den zweiten Grundkörper aufgebrachten Isolationsschicht aufgebracht ist, wobei der erste und der zweite Grundkörper jeweils über die erste bzw. zweite
Fügeschicht, die jeweils auf die erste Metallisierungsschicht des ersten bzw. zweiten Grundkörpers aufgebracht ist, mit dem ersten bzw. zweiten Versteifungskörper gefügt ist, wobei der erste und der zweite Grundkörper jeweils eine Ausnehmung aufweisen, so dass der erster bzw. der zweite Druck der jeweiligen Druckkammer zuführbar ist, umso eine druckabhängige Auslenkung der Messmembran zu ermöglichen, wobei die druckabhängige Auslenkung der Messmembran über jeweils zumindest eine Kapazität, die sich zwischen der Messmembran als erste Elektrode und zumindest einem Teilbereich der jeweiligen ersten elektrisch leitfähigen Schicht als zweite Elektrode bildet, erfasst wird, wobei zumindest eine zweite Elektrode als eine Komponente des elektrischen
Wandlerelementes durch die erste und/oder die zweite Fügeschicht mit dem zumindest einen Elektrodenanschluss elektrisch kontaktiert ist, so dass die erste und/oder zweite Fügeschicht als elektrischer Leiter bzw. elektrisch leitfähige Verbindung dient.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors sieht vor, dass der zumindest eine Aktivierungsbereich und der zumindest eine
Elektrodenanschluss jeweils einen zumindest aneinander angrenzenden, vorzugsweise zumindest teilweise überlappenden Bereich einnehmen. Insbesondere kann die
Ausgestaltung vorsehen, dass der zumindest eine Elektrodenanschluss in Form einer auf dem Außenflächenbereich erzeugten elektrisch leitfähigen Elektrodenanschlussschicht, insbesondere einer metallisierten, ganz besonders eine Aluminium umfassende
Elektrodenanschlusssicht realisiert ist und die erste bzw. zweite Fügeschicht die
Elektrodenanschlussschicht teilweise bedeckt.
Wiederum eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Differenzdrucksensors weist ferner zumindest zwei an der äußeren Oberfläche der Differenzdruckmesszelle angeordnete Aktivierungsbereiche zum Initiieren der
exothermen Reaktion auf, wobei vorzugsweise die zumindest zwei Aktivierungsbereich an der äußeren Oberfläche der Differenzdruckmesszelle symmetrisch, insbesondere rotationssymmetrisch um eine orthogonal zu der äußeren Oberfläche herausragende Achse, angeordnet sind. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass der zumindest eine Elektrodenanschluss auf einer im Wesentlichen senkrecht zur
Messmembran verlaufenden Außenfläche des ersten bzw. zweiten Grundkörpers angeordnet ist und/oder dass der zumindest eine Elektrodenanschluss auf einem in einem Winkel im Bereich von 49° - 59°, bevorzugt im Bereich von 52° bis 56°, besonders bevorzugt in einem Winkel von ca. 54° zur Messmembran, verlaufenden
Außenflächenbereich des ersten bzw. zweiten Grundkörpers angeordnet ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors sieht vor, dass der erste und/oder zweite Versteifungskörper eine zweite
Metallisierungsschicht aufweist und der erste und/oder zweite Versteifungskörper jeweils über die zweite Metallisierungsschicht mit der ersten und/oder zweiten Fügeschicht gefügt ist.
Wiederum eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Differenzdrucksensors sieht vor, dass eine Lotdepotschicht zum Ausgleich von
Oberflächenrauheiten auf die erste und/oder zweite Fügeschicht aufgebracht ist. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors sieht vor, dass der Schichtaufbau ferner jeweils zumindest eine weitere Isolationsschicht, welche vorzugsweise auf der ersten elektrisch leitfähigen Schicht angeordnet ist, und eine weitere elektrisch leitfähige Schicht, welche vorzugsweise zwischen der zweiten
Isolationsschicht und der weiteren Isolationsschicht angeordnet ist, aufweist.
Wiederum eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Differenzdrucksensors sieht vor, dass die erste elektrische leitfähige Schicht derartig strukturiert ist, dass die zweite Elektrode durch einen Graben von einem äußeren Rand der ersten elektrischen Schicht getrennt ist, so dass die zweite Elektrode von dem äußeren Rand elektrisch isoliert ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen mindestens eines
Differenzdrucksensors nach einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen, durch jeweiliges Verbinden des ersten bzw. zweiten Versteifungskörpers mit der
Differenzdruckmesszelle, wobei zum Verbinden die Differenzdruckmesszelle mindestens eine erste Seitenfläche aufweist, und wobei der erste und der zweite Versteifungskörper jeweils mindestens eine zweite Seitenfläche aufweisen, wobei die erste Seitenfläche mit der zweiten Seitenfläche in einem miteinander zu fügenden Bereich zu fügen ist, umfassend die Schritte:
Präparieren des integrierten reaktiven Materialsystems auf der mindestens ersten Seitenfläche der Differenzdruckmesszelle, so dass zumindest eine Beschichtung der mindestens ersten Seitenfläche erfolgt;
Strukturieren der zumindest einen Beschichtung derartig, dass zumindest eine Komponente des elektrischen Wandlerelementes durch die Beschichtung mit zumindest dem an der äußeren Oberfläche der Differenzdruckmesszelle angeordneten Elektrodenanschluss zur elektrischen Kontaktierung verbunden ist und ferner, dass die Beschichtung den zumindest einen Aktivierungsbereich umfasst;
Positionieren des zweiten Bauteils bezüglich des ersten Bauteils, so dass die zweite Seitenfläche an der ersten Seitenfläche anliegt;
Aktivieren des integrierten reaktiven Materialsystems durch Erzeugen der exothermen Reaktion an der zumindest einen Aktivierungszone, so dass der erste bzw. zweite Versteifungskörper in dem miteinander zu fügenden Bereich durch die erste bzw. zweite Fügeschicht mit der
Differenzdruckmesszelle gefügt wird.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das integrierte reaktive Materialsystem durch im Wesentlichen zeitgleiches Erzeugen jeweils einer exothermen Reaktion an den zumindest zwei Aktivierungsbereiche aktiviert wird.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : eine schematische Ansicht eines Grundkörpers, welcher ein Teil eines
Differenzdrucksensors ist,
Fig. 2: eine schematische Schnittzeichnung durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Differenzdrucksensors,
Fig. 3: eine schematische Schnittzeichnung durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines Differenzdrucksensors, und
Fig. 4: einen schematischen Verfahrensablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Grundkörpers 101 , welcher ein Teil eines Differenzdrucksensors ist. Fig. 1 soll insbesondere dazu dienen, die Lage der in den nachfolgenden Figuren gezeigten Schnittzeichnungen zu verdeutlichen, sowie beispielhaft eine erfindungsgemäß ausgestaltete Fügeschicht darzustellen. Die
Fügeschicht ist dabei derartig strukturiert, dass zumindest eine Komponente eines elektrischen Wandlerelementes des Differenzdrucksensors elektrisch mit einem äußeren Elektrodenanschluss 1 15 verbunden ist, so dass die innerhalb des Differenzdrucksensors 100 befindliche Komponente von außen elektrisch kontaktierbar ist.
Die in den Fig. 2 und 3 dargestellten Schnittzeichnungen zeigen für verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors den Schichtaufbau entlang der in Fig. 1 eingezeichneten Schnittebene A-A'. Die Schnittebenen gehen im Wesentlichen mittig durch den in Fig. 1 dargestellten Grundkörper.
Die in Fig. 2 und 3 dargestellten Differenzdrucksensoren umfassen jeweils eine
Differenzdruckmesszelle 100, welche im Wesentlichen aus einem Halbleitermaterial ausgebildet ist. Typischerweise wird als Halbleitermaterial Silizium verwendet, welches durch standardisierte Prozesse, die bspw. aus der Halbleiterindustrie bekannt sind, entsprechend strukturiert bzw. bearbeitet wird. Die Differenzdruckmesszelle 100 ist über bzw. durch eine erste Fügeschicht 1 16, welche ein integriertes reaktives Materialsystem umfasst, mit einem ersten Versteifungskörper 1 18 gefügt und über bzw. durch eine zweite Fügeschicht 1 17, welche ebenfalls ein integriertes reaktives Materialsystem umfasst, mit einem zweiten Versteifungskörper 1 19 gefügt, umso ein Bersten der
Differenzdruckmesszelle 100 bei einem zu großen Druck zu verhindern. Vorzugsweise ist die erste und/oder zweite Fügeschicht, wie in Fig. 1 dargestellt, in Form eines Bondrahmens ausgebildet. Der Bondrahmen weist hierbei einzelne im
Wesentlichen rechteckförmige und/oder quadratische stegförmige Strukturen auf, die konzentrisch um eine orthogonal zu der äußeren Oberfläche herausragende Achse 130 angeordnet sind. Dies bietet den Vorteil, dass Risse, die sich in dem Endprodukt in der Fügeschicht bilden können, an den Kanten der einzelnen Strukturen des Bondrahmens enden, ohne die hermetische Verbindung zu gefährden.
Die erste und/oder zweite Fügeschicht 1 16, 1 17 ist dabei vorzugsweise jeweils auf einer ersten Metallisierungsschicht 122 aufgebracht, die wiederum auf einer zweiten äußeren Isolationsschicht 108 des ersten bzw. zweiten Grundkörpers 101 , 102 aufgebracht ist. Die erste Metallisierungsschicht 122 dient hierbei im Wesentlichen als Haftvermittlerschicht für die erste und/oder zweite das integrierte reaktive Multilagensystem aufweisende Fügeschicht 1 16, 1 17. Entsprechend kann der erste und/oder zweite Versteifungskörper der über die erste bzw. zweite Fügeschicht 1 16, 1 17 mit dem ersten bzw. zweiten Grundkörper 101 , 102 gefügt ist, eine zweite äußerliche Metallisierungsschicht 125 aufweisen.
Der erste und zweite Versteifungskörper 1 18, 1 19 kann bspw. aus einer Keramik, insbesondere Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid, ausgebildet sein.
Alternativ kann der erste und zweite Versteifungskörper 1 18, 1 19 aber auch ein
Halbleitermaterial oder Glas umfassen. Zum Fügen des ersten und zweiten
Versteifungskörpers 1 18, 1 19 mit der Differenzdruckmesszelle 100 wird das integrierte reaktive Materialsystem durch eine exotherme Reaktion aktiviert. Ein typischer
Prozessablauf zum Fügen der beiden Versteifungskörper mit der Differenzdruckmesszelle ist exemplarisch in Fig. 4 dargestellt und entsprechend beschrieben.
Die Differenzdruckmesszelle 100 umfasst ein elektrisches kapazitives Wandlerelement mit einer zwischen dem ersten und einem zweiten Grundkörper 101 , 102 angeordneten druckempfindlichen, elektrisch leitfähigen Messmembran 103, wobei die Messmembran 103 jeweils durch eine erste Isolationsschicht 104 mit dem ersten bzw. dem zweiten Grundkörper 101 , 102 druckdicht verbunden ist. Um eine druckabhängige Auslenkung der Messmembran 103 zu ermöglichen ist die jeweilige erste Isolationsschicht 104 derartig strukturiert, dass sich jeweils eine Druckkammer 1 13 zwischen der Messmembran 103 und einer ersten elektrisch leitfähigen Schicht 105 des ersten bzw. zweiten Grundkörper 101 , 102 ergibt. Auf diese Weise lässt sich eine erste Seite der Messmembran 103 über eine Ausnehmung 109 im ersten Grundkörper 101 mit einem ersten Druck p1 und eine zweite Seite der Messmembran 103 über eine Ausnehmung 109 im zweiten Grundkörper 102 mit einem zweiten Druck p2 beaufschlagen. Die beiden Grundkörper 101 , 102 umfassen vorteilhafterweise jeweils einen
Schichtaufbau aus einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen Schichten und einer entsprechenden Anzahl von Isolationsschichten. Der Schichtaufbau ist vorzugsweise alternierend aus den elektrisch leitfähigen Schichten und den Isolationsschichten ausgebildet. Üblicherweise dient als Grundmaterial für die Grundkörper 101 , 102 ein Halbleitermaterial, wie bspw. Silizium. Vorzugsweise werden die Grundkörper 101 , 102 in einer großen Anzahl in einem Waferverbund hergestellt, wobei zur Strukturierung und/oder Bearbeitung der Wafer die aus der Halbleitertechnik bekannten
Fertigungsprozesse eingesetzt werden. Auf diese Weise lässt sich bspw. als
Isolationsschicht bzw. elektrisch isolierend Schicht eine Siliziumoxidschicht aus dem Grundmaterial hersteilen bzw. präparieren. Als elektrisch leitfähige Schicht werden üblicherweise Schichten verwendet, welche im Wesentlichen ein hoch dotiertes
Halbleitermaterial aufweisen.
In dem in Fig. 2 konkret dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der Schichtaufbau eines jeden Grundkörpers 101 , 102 die erste äußere Isolationsschicht 104, die erste elektrisch leitfähig Schicht 105, welche auf der ersten äußeren Isolationsschicht 104 angeordnet ist, die auf der ersten elektrisch leitfähigen Schicht 105 angeordnete weitere innere Isolationsschicht 106 auf der wiederum eine weitere innere elektrisch leitfähige Schicht 107 angeordnet ist und eine zweite äußere Isolationsschicht 108, die auf der weiteren inneren elektrisch leitfähigen Schicht 107 angeordnet ist. Prinzipiell ist das Ausführungsbeispiel von der Anzahl der Schichten losgelöst, wichtig ist nur, dass der erste bzw. zweite Grundkörper 101 , 102 eine äußere erste und zweite Isolationsschicht 104, 108 aufweist, die den Schichtaufbau elektrisch nach außen hin isolieren.
Zusätzlich umfassen die beiden Grundkörper 101 , 102 jeweils eine von der
Messmembran 103 beabstandete zweite Elektrode 1 10, die zusammen mit der
Messmembran 103 als erste Elektrode 1 1 1 jeweils einen Kondensator mit einer Kapazität C1 bzw. C2 bilden. Die Kapazitäten C1 bzw. C2 werden in Abhängigkeit von einer auf die Messmembran 103 einwirkenden Druck abhängigen Auslenkung der Messmembran 103 verändert. Die zweite Elektrode 1 10 ist zumindest durch einen Teilbereich der membran- zugewandten ersten elektrisch leitfähigen Schicht 105 gebildet. Hierzu ist die erste elektrische leitfähige Schicht 105 derartig strukturiert, dass die zweite Elektrode 1 10 durch einen Graben 1 12 von einem äußeren Rand 1 14 getrennt ist, so dass die zweite Elektrode 1 10 von dem äußeren Rand 1 14 der ersten elektrisch leitfähigen Schicht 105 elektrisch isoliert ist.
Zusätzlich umfasst der Differenzdrucksensor für jede zweite Elektrode 1 10 jeweils zumindest einen Elektrodenanschluss 1 15, die jeweils über die das integrierte reaktive Materialsystem umfassende erste bzw. zweite Fügeschicht 1 16, 1 17 elektrisch mit der zweiten Elektrode 1 10 verbunden sind. Die Elektrodenanschlüsse sind vorzugsweise, jeweils in Form einer auf dem Außenflächenbereich aufgebrachten elektrischen leitfähigen Elektrodenanschlussschicht 126 ausgebildet. Die Elektrodenanschlussschicht 126 kann insbesondere als eine metallisierte Schicht, welche vorzugsweise ein
Aluminium aufweist, auf einem Außenflächenbereich des ersten bzw. zweiten
Gegenkörpers ausgebildet sein. Im Zusammenspiel mit der erste bzw. zweiten
Fügeschicht kann die Elektrodenanschlussschicht derartig ausgebildet sein, dass die erste bzw. Fügeschicht zumindest teilweise die Elektrodenanschlussschicht bedeckt, so dass der durch die erste bzw. zweite Fügeschicht 1 16, 1 17 erzeugte Aktivierungsbereich 124 und der Bereich für den Elektrodenanschluss auf dem Außenflächenbereich in zumindest aneinander angrenzenden Bereichen angeordnet sind. Dies ist in Fig. 2 exemplarisch bei dem oberen Elektrodenanschluss so dargestellt.
Erfindungsgemäß dienen somit die das integrierte reaktive Materialsystem umfassende erste und/oder die zweite Fügeschicht 1 16, 1 17 nicht nur zur mechanischen Verbindung der Differenzdruckmesszelle 100 mit dem ersten bzw. zweiten Versteifungskörper 1 18, 1 19, sondern auch zur elektrischen Kontaktierung einer Komponente des elektrischen Wandlerelementes über den Elektrodenanschluss. Ferner dienen die erste und/oder zweite Fügeschicht 1 16, 1 17 erfindungsgemäß ebenfalls zur Aktivierung des integrierten reaktiven Materialsystems mittels des zumindest einen Aktivierungsbereichs. Hierzu ist die erste und/oder zweite Fügeschicht 1 16, 1 17 derartig ausgestaltet, dass der zumindest eine Aktivierungsbereich an eine Außenfläche der Differenzdruckmesszelle geführt ist, so dass mittels einer an dem Aktivierungsbereich erzeugten exothermen Reaktion der Fügevorgang gestartet werden kann.
In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Elektrodenanschlüsse 1 15, im Unterschied zu dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel, auf einem im
Wesentlichen senkrecht zur Messmembran 103 verlaufenden Außenflächenbereich des ersten bzw. zweiten Grundkörpers 101 , 102 angeordnet.
Alternativ können die Elektrodenanschlüsse 1 15, wie in Fig. 3 dargestellt, auf einem Außenflächenbereich des ersten bzw. zweiten Grundkörpers angeordnet sein, der in einem spezifischen Winkel zur Messmembran angeordnet ist. Bspw. kann der Winkel aufgrund der Fertigungsweise mittels einer KOH-Ätzung ca. 54° betragen.
Ferner weist der Differenzdrucksensor 100 sowohl in Fig. 2 als auch in Fig. 3 jeweils einen Membrananschluss 120 auf. Da die Messmembran 103 von allen Außenseiten des Sensors her zugänglich ist, kann dieser Anschluss grundsätzlich auf unterschiedlichste aus dem Stand der Technik bekannte Weisen realisiert werden. Vorzugsweise ist der Membrananschluss 120 auf einer senkrecht zur Messmembran 103 verlaufenden Außenfläche des Differenzdrucksensors 100, insbesondere der Messmembran 103 selbst, angeordnet.
Über die Elektrodenanschlüsse 1 15 und den Membrananschluss 120 lässt sich die Kapazität C1 bzw. C2 der beiden Kondensatoren messen, um das Druckmesssignal bzw. den Differenzdruck zu bestimmen. Grundsätzlich kann der Differenzdruck anhand jeder der beiden gemessenen Kapazitäten C1 , C2 bestimmt werden. Vorzugweise erfolgt die Differenzdruckbestimmung jedoch nicht anhand der einzelnen gemessenen Kapazitäten, sondern anhand einer differentiellen Änderung f der beiden Kapazitäten C1 , C2. Die differentielle Änderung f kann z.B. als ein Produkt aus einer Konstanten k und einer Differenz der Kehrwerte der Kapazitäten C1 , C2 gemäß: f = k (1/C1-1/C2) bestimmt werden, und weist näherungsweise eine lineare Abhängigkeit vom zu messenden Differenzdruck auf.
Die in Fig. 4 dargestellte Bauteilanordnung umfasst exemplarisch ein erstes Bauteil 10 und ein zweites Bauteil 20, welche unter Verwendung eines integrierten reaktiven Materialsystems 30 miteinander gefügt werden. Bei dem ersten Bauteil kann es sich bspw. um den ersten Grundkörper und bei dem zweiten Bauteil kann es sich bspw. um den ersten Versteifungsköper eines zuvor beschriebenen Differenzdrucksensors handeln. In Fig. 4 ist allgemein ein typischer Prozessfluss zur Erzeugung der Fügeverbindung mittels des exotherm reagierenden integrierten Materialsystems dargestellt. Der
Prozessfluss ist jedoch entsprechend auf die Herstellung eines zuvor beschriebenen D ifferenzd rucksensors ü bertrag ba r.
Gemäß dem allgemeinen Prozessfluss wird zunächst das zweite Bauteil 20 mit einer zweiten Seitenfläche 21 auf eine erste Seitenfläche 1 1 des ersten Bauteils 10 positioniert (I), wobei die erste Seitenfläche 1 1 des ersten Bauteils 10 und ein daran angrenzender Oberflächenbereich 12 des ersten Bauteils 10 mit dem integrierten reaktiven
Materialsystem 30 beschichtet sind. Die Beschichtung des angrenzenden
Oberflächenbereichs bildet einen Aktivierungsbereich, der vorzugsweise nicht von dem zweiten Bauteil 20 verdeckt ist. Das Reaktive Materialsystem umfasst eine Schichtfolge von alternierenden Schichten 31 , 32 zweier Reaktionspartner, wobei der erste
Reaktionspartner beispielsweise AI ist, und wobei der zweite Reaktionspartner aus den folgenden Materialien ausgewählt ist: CuOx, Fe203, Ni, Pd, Pt oder Zr. Die Schichtstärke beträgt jeweils etwa 20 nm und die Gesamtstärke der Schichtfolge beträgt etwa 1 pm. Vorzugsweise weist das zweite Bauteil eine in Fig. 4 nicht gesondert dargestellte
Haftvermittlerschicht aus einem Metall auf. Alternativ oder ergänzend kann das zweite Bauteil auch mit dem integrierten reaktiven Materialsystem 30 beschichtet sein. In einem ebenfalls in Fig. 4 nicht gesondert dargestellten Prozessschritt, welcher dem Prozessschritt des Positionierens (I) vorangestellt ist, wird die Beschichtung strukturiert, so dass die Beschichtung die erste Seitenfläche nicht vollständig bedeckt. Die
Strukturierung kann hierbei insbesondere derartig ausgeführt sein, dass die Beschichtung einen Bondrahmen zum Fügen bildet, wobei zumindest Teile des Bondrahmens auch zur elektrischen Kontaktierung der zumindest einen Komponente des elektrischen
Wandlerelementes dient. In dem Fall, dass die zweite Seitenfläche eine
Haftvermittlerschicht und/oder auch eine weitere Beschichtung mit dem integrierten reaktiven Materialsystem aufweist, wird die Haftvermittlerschicht und/oder die weitere Beschichtung ebenfalls strukturiert, wobei die Strukturierung derartig durchgeführt wird, dass die weitere Beschichtung und/oder die Haftvermittlerschicht im Wesentlichen gleich der Beschichtung der ersten Seitenfläche entspricht, mit der Ausnahme, dass die weitere Beschichtung und/oder die Haftvermittlerschicht keinen Aktivierungsbereich aufweist bzw. aufweisen. Dies bietet den Vorteil, dass durch die Bereitstellung des Aktivierungsbereichs außerhalb des Raums zwischen den Seitenflächen des ersten und zweiten Bauteils die Fügezone, d.h. der miteinander gefügte Bereich, zwischen den Seitenflächen zur Initiierung nicht direkt zugänglich sein muss und somit komplexe Fügegeometrien bzw. schwer erreichbare Fügegeometrien erzeugt werden können, gleichzeitig aber keine Fügung des nur einseitig erzeugten Aktivierungsbereiches erfolgt, da der entsprechende Fügepartner fehlt.
Das erste Bauteil 10 und zweite Bauteil 20 können sowohl makroskopische als auch mikroskopische Bauteile sein, die Glas, Keramik, Metall, Halbleiter, und oder Kunststoff als Werkstoff aufweisen.
In einem zweiten Schritt (II) wird eine Kraft auf die Bauteile appliziert, um eine definierte Flächenpressung zwischen den Seitenflächen 1 1 , 21 der Bauteile 10, 20 zu erzielen, und eine exotherme Reaktion wird in dem Aktivierungsbereich des integrierten reaktiven Materialsystems außerhalb der Seitenflächen initiiert. Diese Initiierung kann dabei elektrisch, thermisch, elektro-magnetisch, magnetisch, mechanisch und/oder mittels Laserimpulsen erfolgen. Durch die Initiierung bzw. Aktivierung einer exothermen Reaktion zwischen den Schichten 31 , 32 des integrierten reaktiven Materialsystems 30, schmelzen die Schichten auf, so dass es zur Interdiffusion zwischen den Schichten kommt, so dass eine Mischphase 33 gebildet wird, durch welche die Seitenflächen gefügt sind. Wie in Bildern (III) und (IV) gezeigt ist, durchläuft die exotherme Reaktionsfront das gesamte integrierte reaktive Materialsystem, bis es vollständig durch die Reaktion in die neue Mischphase 33 umgesetzt ist. Die vollständige Umsetzung ist dabei innerhalb weniger Millisekunden beendet. Die gefügten Bauteile können aufgrund des geringen
Wärmeeintrags unmittelbar nach dem Fügevorgang weiterbearbeitet werden.
Die erzeugte Fügeverbindung zwischen den ersten Bauteilen 10, 20 ist vorzugsweise hermetisch dicht, d.h. sie weist Leckraten kleiner 1 x 10-8 mbar-l/s auf. Weiterhin sind die Fügestellen mechanisch fest mit Scherfestigkeiten zwischen 30 MPa und 400 MPa. Sie können biokompatibel und/oder resistent gegenüber aggressiven Medien sein, z.B. Ölen oder Säuren.
Bezugszeichenliste
Differenzdruckmesszelle
Erster Grund körper
Zweiter Grund körper
Messmembran
Erste Isolationsschicht
Erste elektrisch leitfähige Schicht
Weitere Isolationsschicht
Weitere elektrisch leitfähige Schicht
Zweite Isolationsschicht
Ausnehmung bzw. Kanal
Zweite Elektrode
Erste Elektrode
Graben
Druckkammer
Randbereich der ersten elektrisch leitfähigen Schicht
Elektrodenanschluss
Erste Fügeschicht
Zweite Fügeschicht
Erster Versteifungskörper
Zweiter Versteifungskörper
Membrananschluss
Elektrodenisolationsschicht
Erste Metallisierungsschicht
Bondrahmen
Aktivierungsbereich
Zweite Metallisierungsschicht
Elektrodenanschlussschicht
Lotdepotschicht
Achse

Claims

Patentansprüche
1. Differenzdrucksensor zur Bestimmung eines Druckmesssignals, umfassend: eine im Wesentlichen ein Halbleitermaterial, vorzugsweise Silizium aufweisende
Differenzdruckmesszelle (100), welcher ein erster und ein zweiter Druck zuführbar ist und welche mit Hilfe eines elektrischen, insbesondere kapazitiven Wandlerelementes (103,
104, 105, 106, 107, 108, 1 10) in Abhängigkeit einer Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Druck das Druckmesssignal ausgibt; einen ersten, vorzugsweise eine Keramik, ein Halbleitermaterial oder ein Glas, aufweisenden Versteifungskörper (1 18), der mit der Differenzdruckmesszelle (100) mittels einer ersten Fügeschicht (1 16) gefügt ist und einen ersten Kanal (109) aufweist, über den der erste Druck der Differenzdruckmesszelle (100) zuführbar ist; einen zweiten, vorzugsweise eine Keramik oder ein Halbleitermaterial, aufweisenden Versteifungskörper (1 19), der mit der Differenzdruckmesszelle (100) mittels einer zweiten Fügeschicht (1 17) gefügt ist und einen zweiten Kanal aufweist, über den der zweite Druck der Differenzdruckmesszelle (100) zuführbar ist; wobei die erste und/oder die zweite Fügeschicht (1 16, 1 17) ein integriertes reaktives Materialsystem zum Fügen der Differenzdruckmesszelle (100) mit dem ersten bzw. zweiten Versteifungskörper (1 18, 1 19) aufweist, wobei die erste und/oder zweite
Fügeschicht (1 16, 1 17) derartig ausgebildet ist, dass zumindest eine Komponente des elektrischen Wandlerelementes (103, 104, 105, 106, 107, 108, 1 10) durch die erste und/oder zweite Fügeschicht (1 16, 1 17) mit zumindest einem an einer äußeren
Oberfläche der Differenzdruckmesszelle (100) angeordneten Elektrodenanschluss (1 15) zur elektrischen Kontaktierung verbunden ist, wobei die erste und/oder zweite
Fügeschicht (1 16, 1 17) ferner derartig ausgebildet ist, dass zumindest ein
Aktivierungsbereich (124) des integrierten reaktiven Materialsystems an die äußere Oberfläche der Differenzdruckmesszelle (100) geführt ist, so dass eine exotherme Reaktion in dem zumindest einen Aktivierungsbereich (124) an der äußeren Oberfläche der Differenzdruckmesszelle (100) initiiert werden kann.
2. Differenzdrucksensor nach Anspruch 1 , wobei die Differenzdruckmesszelle (100) einen ersten und einen zweiten Grundkörper (101 , 102) aufweist, die jeweils einen Schichtaufbau aus zumindest einer ersten elektrisch leitfähigen Schicht (105) sowie einer ersten und einer zweiten Isolationsschicht (104, 106) umfassen, wobei der erste und der zweite Grundkörper (101 , 102) jeweils über die erste
Isolationsschicht (104) mit einer Messmembran (103) in einem umlaufenden Randbereich druckdicht verbunden ist, wobei die erste Isolationsschicht (104) jeweils derartig strukturiert ist, dass sich jeweils eine Druckkammer (1 13) zwischen der Messmembran (103) und der ersten elektrisch leitfähigen Schicht (105) bildet, wobei der erste und der zweite Grundkörper (101 , 102) jeweils eine erste
Metallisierungsschicht (122) aufweisen, die jeweils auf einer zweiten auf den ersten bzw. den zweiten Grundkörper (101 , 102) aufgebrachten Isolationsschicht (108) aufgebracht ist, wobei der erste und der zweite Grundkörper (101 , 102) jeweils über die erste bzw. zweite Fügeschicht (1 16, 1 17), die jeweils auf die erste Metallisierungsschicht (122) des ersten bzw. zweiten Grundkörpers (101 , 102) aufgebracht ist, mit dem ersten bzw. zweiten Versteifungskörper (1 18, 1 19) gefügt ist, wobei der erste und der zweite Grundkörper (101 , 102) jeweils eine Ausnehmung (109) aufweisen, so dass der erster bzw. der zweite Druck der jeweiligen Druckkammer (1 13) zuführbar ist, umso eine druckabhängige Auslenkung der Messmembran (103) zu ermöglichen,
wobei die druckabhängige Auslenkung der Messmembran (103) über jeweils zumindest eine Kapazität (C1 , C2), die sich zwischen der Messmembran (103) als erste Elektrode und zumindest einem Teilbereich der jeweiligen ersten elektrisch leitfähigen Schicht (105) als zweite Elektrode bildet, erfasst wird, wobei zumindest eine zweite Elektrode (1 10) als eine Komponente des elektrischen Wandlerelementes (103, 104, 105, 106, 107, 108, 1 10) durch die erste und/oder die zweite Fügeschicht (1 16, 1 17) mit dem zumindest einen Elektrodenanschluss (1 15) elektrisch kontaktiert ist, so dass die erste und/oder zweite Fügeschicht (1 16, 1 17) als elektrischer Leiter bzw. elektrisch leitfähige Verbindung dient.
3. Differenzdrucksensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zumindest eine
Aktivierungsbereich (124) und der zumindest eine Elektrodenanschluss (1 15) jeweils einen zumindest aneinander angrenzenden, vorzugsweise zumindest teilweise überlappenden Bereich einnehmen.
4. Differenzdrucksensor nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der zumindest eine Elektrodenanschluss (1 15) in Form einer auf dem Außenflächenbereich erzeugten elektrisch leitfähigen Elektrodenanschlussschicht (126), insbesondere einer metallisierten, ganz besonders eine Aluminium umfassende Elektrodenanschlusssicht (126) realisiert ist und die erste bzw. zweite Fügeschicht die Elektrodenanschlussschicht (126) teilweise bedeckt.
5. Differenzdrucksensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend zumindest zwei an der äußeren Oberfläche der
Differenzdruckmesszelle angeordnete Aktivierungsbereiche (124) zum Initiieren der exothermen Reaktion, wobei vorzugsweise die zumindest zwei Aktivierungsbereich (124) an der äußeren Oberfläche der Differenzdruckmesszelle (100) symmetrisch,
insbesondere rotationssymmetrisch um eine orthogonal zu der äußeren Oberfläche herausragende Achse (130), angeordnet sind.
6. Differenzdrucksensor nach dem vorherigen Anspruch, wobei der zumindest eine Elektrodenanschluss (1 15) auf einer im Wesentlichen senkrecht zur Messmembran (103) verlaufenden Außenfläche des ersten bzw. zweiten Grundkörpers (101 , 102) angeordnet ist.
7. Differenzdrucksensor nach dem vorherigen Anspruch, wobei der zumindest eine Elektrodenanschluss (1 15) auf einem in einem Winkel im Bereich von 49° - 59°, bevorzugt im Bereich von 52° bis 56°, besonders bevorzugt in einem Winkel von ca. 54° zur Messmembran, verlaufenden Außenflächenbereich des ersten bzw. zweiten
Grundkörpers (101 , 102) angeordnet ist.
8. Differenzdrucksensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und/oder zweite Versteifungskörper (1 18, 1 19) eine zweite
Metallisierungsschicht (125) aufweist und der erste und/oder zweite Versteifungskörper (101 , 102) jeweils über die zweite Metallisierungsschicht (125) mit der ersten und/oder zweiten Fügeschicht gefügt ist.
9. Differenzdrucksensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Lotdepotschicht (127) zum Ausgleich von Oberflächenrauheiten auf die erste und/oder zweite Fügeschicht (1 16, 1 17) aufgebracht ist.
10. Differenzdrucksensor nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei der Schichtaufbau ferner jeweils zumindest eine weitere Isolationsschicht (106), welche vorzugsweise auf der ersten elektrisch leitfähigen Schicht (105) angeordnet ist, und eine weitere elektrisch leitfähige Schicht (107), welche vorzugsweise zwischen der zweiten Isolationsschicht (108) und der weiteren Isolationsschicht (106) angeordnet ist, aufweist.
1 1. Differenzdrucksensor nach einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei die erste elektrische leitfähige Schicht (105) derartig strukturiert ist, dass die zweite Elektrode (1 10) durch einen Graben (1 12) von einem äußeren Rand (1 14) der ersten elektrischen Schicht (105) getrennt ist, so dass die zweite Elektrode (1 10) von dem äußeren Rand (1 14) elektrisch isoliert ist.
12. Verfahren zum Herstellen mindestens eines Differenzdrucksensors nach einem der Ansprüche 1-1 1 , durch jeweiliges Verbinden des ersten bzw. zweiten Versteifungskörpers mit der Differenzdruckmesszelle, wobei zum Verbinden die Differenzdruckmesszelle mindestens eine erste Seitenfläche aufweist, und wobei der erste und der zweite
Versteifungskörper jeweils mindestens eine zweite Seitenfläche aufweisen, wobei die erste Seitenfläche mit der zweiten Seitenfläche in einem miteinander zu fügenden Bereich zu fügen ist, umfassend die Schritte:
Präparieren des integrierten reaktiven Materialsystems auf der mindestens ersten Seitenfläche der Differenzdruckmesszelle, so dass zumindest eine Beschichtung der mindestens ersten Seitenfläche erfolgt;
Strukturieren der zumindest einen Beschichtung derartig, dass zumindest eine Komponente des elektrischen Wandlerelementes durch die Beschichtung mit zumindest dem an der äußeren Oberfläche der Differenzdruckmesszelle angeordneten Elektrodenanschluss zur elektrischen Kontaktierung verbunden ist und ferner, dass die Beschichtung den zumindest einen Aktivierungsbereich umfasst;
Positionieren des zweiten Bauteils bezüglich des ersten Bauteils, so dass die zweite Seitenfläche an der ersten Seitenfläche anliegt;
Aktivieren des integrierten reaktiven Materialsystems durch Erzeugen der exothermen Reaktion an der zumindest einen Aktivierungszone, so dass der erste bzw. zweite Versteifungskörper in dem miteinander zu fügenden Bereich durch die erste bzw. zweite Fügeschicht mit der
Differenzdruckmesszelle gefügt wird.
13. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch und Differenzdrucksensor nach Anspruch 5, wobei das integrierte reaktive Materialsystem durch im Wesentlichen zeitgleiches Erzeugen jeweils einer exothermen Reaktion an den zumindest zwei Aktivierungsbereiche aktiviert wird.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019133262A1 (de) * 2019-12-05 2021-06-10 Endress+Hauser SE+Co. KG Differenzdrucksensor
DE102021208761A1 (de) * 2021-08-11 2023-02-16 Zf Friedrichshafen Ag Verbindung eines Sensorchips mit einem Messobjekt

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170010167A1 (en) * 2014-02-28 2017-01-12 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Component Arrangement with at Least Two Components and Method for Producing a Component Arrangement
DE102016106117A1 (de) * 2016-04-04 2017-10-05 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Kapazitiver Drucksensor
DE102016111303A1 (de) * 2016-06-21 2017-12-21 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg MEMS-Drucksensor
DE102016112352A1 (de) * 2016-07-06 2018-01-11 Endress+Hauser Gmbh+Co. Kg Differenzdrucksensor zur Bestimmung eines Druckmesssignals

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008021167B3 (de) * 2008-04-28 2010-01-21 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zur Erzeugung einer hermetisch dichten, elektrischen Durchführung mittels exothermer Nanofolie und damit hergestellte Vorrichtung
DE102016107238A1 (de) * 2016-04-19 2017-10-19 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Verfahren zum Fügen einer Differenzdruckmesszelle und Differenzdruckmesszelle

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170010167A1 (en) * 2014-02-28 2017-01-12 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Component Arrangement with at Least Two Components and Method for Producing a Component Arrangement
DE102016106117A1 (de) * 2016-04-04 2017-10-05 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Kapazitiver Drucksensor
DE102016111303A1 (de) * 2016-06-21 2017-12-21 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg MEMS-Drucksensor
DE102016112352A1 (de) * 2016-07-06 2018-01-11 Endress+Hauser Gmbh+Co. Kg Differenzdrucksensor zur Bestimmung eines Druckmesssignals

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