-
Stand der Technik
-
Die Erfindung geht aus von einer Sensoranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Solche Sensoranordnungen sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift
DE 102 26 034 A1 ein Sensor und ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors bekannt, wobei der Sensor ein Halbleitermaterial umfasst, welches innerhalb eines Membranbereichs eine erste Dicke und außerhalb des Membranbereichs eine zweite Dicke aufweist, wobei die zweite Dicke größer als die erste Dicke ist. Das Halbleitermaterial weist auf seiner Rückseite einen durch die geringere erste Dicke definierten offenen Graben auf. Der auf einer Vorderseite des Halbleitermaterials ausgebildete Membranbereich ist in Abhängigkeit einer Druckdifferenz zwischen einem ersten Druck auf der Vorderseite und einem zweiten, zu vermessenden Druck im Graben senkrecht zum Halbleitermaterial verformbar, wobei Mittel zur Messung der Verformung des Membranbereichs im Übergangsbereich zwischen der ersten und der zweiten Dicke angeordnet sind. Nachteilig an dieser Sensoranordnung ist, dass sowohl eine Variation des ersten Drucks, als auch eine Variation des zweiten Drucks unmittelbar zu einer Verformung des Membranbereichs führt. Eine Druckvariation auf der Vorderseite wird somit als Messsignal detektiert, obwohl der zweite Druck möglicherweise konstant geblieben ist. Dies führt dazu, dass der erste Druck mit einem separaten Absolutdrucksensor überwacht werden muss. Darüberhinaus sind aus den Druckschriften
DE 10 2004 036 032 A1 ,
DE 10 2004 036 035 A1 und
WO 02/02 458 A1 weitere Verfahren zur Herstellung von Sensoranordnungen bekannt, bei welchen zunächst eine poröse Schicht in einem Halbleitersubstrat hergestellt wird und anschließend eine Kaverne unterhalb der porösen Schicht im Halbleitersubstrat erzeugt wird. Die poröse Schicht wird anschließend wieder verschlossen und die Kaverne optional mit einer Zugangsöffnung versehen. Dieses Verfahren wird im Folgenden auch als APSM-Prozess (Advanced Porous Silicon Membrane) bezeichnet.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung und das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass eine mechanische Entkopplung des Membranbereichs von einem zweiten Druck auf der zweiten Seite des Substrats erzielt wird. Dies wird dadurch erreicht, dass in das Material des Membranbereichs das Entkopplungselement eingebracht ist. Eine Druckvariation des zweiten Drucks führt somit nicht zu einer Auslenkungsbewegung des Membranbereichs senkrecht zur Haupterstreckungsebene, sondern wird stattdessen von dem Entkopplungselement aufgenommen. Eine Auslenkungsbewegung des Membranbereichs senkrecht zur Haupterstreckungsebene wird vorteilhafterweise ausschließlich durch eine Variation eines ersten Drucks im Graben verursacht, so dass eine detektierte Auslenkungsbewegung eindeutig diesem ersten Druck zuzuordnen ist. Die Sensoranordnung ist somit als Absolutdrucksensor nutzbar. Die Messgenauigkeit der Sensoranordnung wird ferner insgesamt erhöht und die Beeinträchtigung der Messgenauigkeit durch Schwankungen des zweiten Drucks reduziert. Vorteilhafterweise wird somit kein weiterer Absolutdrucksensor bzw. kein weiteres Referenzvolumen benötigt, so dass eine kostenintensive Verkappung der Sensoranordnung bzw. der zweiten Seite des Substrats einsparbar ist. Die Integration des Entkopplungselements in den Membranbereich ermöglicht ferner eine vergleichsweise bauraumkompakte Realisierung, sowie eine kostengünstige Herstellung der Sensoranordnung. Das Substrat umfasst bevorzugt ein Halbleitersubstrat und besonders bevorzugt ein Siliziumsubstrat.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Entkopplungselement eine Kaverne umfasst, wobei die Kaverne entlang der Haupterstreckungsebene vorzugsweise kleiner als der Membranbereich ist und/oder wobei der Membranbereich im Bereich der Kaverne einen weiteren Membranbereich aufweist. In vorteilhafter Weise wird somit eine vergleichsweise kostengünstige Implementierung eines Entkopplungselements realisiert. Eine Druckvariation des zweiten Drucks wird dabei durch eine Entkopplungsbewegung des weiteren Membranbereichs senkrecht zur Haupterstreckungsebene aufgenommen, so dass eine Kraftwirkung auf den Membranbereich senkrecht zur Haupterstreckungsebene verhindert wird. Innerhalb der Kaverne ist vorzugsweise ein Vakuum hermetisch eingeschlossen, welches die Entkopplungsbewegung in gewünschter Weise dämpft. Der weitere Membranbereich weist senkrecht zur Haupterstreckungsebene im Vergleich zum Membranbereich insbesondere eine geringere Materialstärke auf. Der weitere Membranbereich umfasst vorzugsweise eine APSM-Membran (Advanced Porous Silicone Membrane). Der Membranbereich und/oder der weitere Membranbereich umfassen insbesondere einen runden oder eckigen, vorzugsweise einen quadratischen Querschnitt parallel zur Haupterstreckungsebene.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass im Bereich der zweiten Seite Detektionselemente und/oder eine Auswerteschaltung angeordnet sind, wobei die Detektionselemente vorzugsweise piezoresistive Elementen umfassen. Die Auswertung der detektierten Auslenkungsbewegung wird im Vergleich zum Stand der Technik deutlich vereinfacht, da lediglich ein einziger Signalpfad, welcher für die Auslenkung des Membranbereichs steht, auszuwerten ist. Eine aufwändige Differenzbildung zwischen einer Auslenkung des Membranbereichs und einem Messsignal eines separaten Absolutdrucksensors ist dabei nicht notwendig. Die piezoresistiven Elemente sind dabei vorzugsweise in einer einfachen Brückenschaltung, beispielsweise einer Wheatstone-Brücke geschaltet. Die Auswerteschaltung umfasst insbesondere eine digitale und/oder analoge Schaltung, welche vorzugsweise als integrierte Schaltung in das Substrat eingebracht wird und/oder auf einem externen Chip, beispielsweise einem ASIC (Application Specific Integrated Circuit) realisiert wird.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Detektionselemente entlang der Haupterstreckungsebene innerhalb des Membranbereichs und außerhalb des Entkopplungselements angeordnet sind, wobei die Detektionselemente entlang der Haupterstreckungsebene von dem Entkopplungselement insbesondere beabstandet sind. In vorteilhafter Weise werden die Detektionselements somit nicht durch eine Entkopplungsbewegung des weiteren Membranbereichs gestört. Die Detektionselements detektieren somit ausschließlich die Auslenkungsbewegung des Membranbereichs.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Graben sich im Wesentlichen senkrecht zur Haupterstreckungsebene von der ersten Seite bis zum ersten Membranbereich erstreckend vorgesehen ist. Vorteilhafterweise weist die Sensoranordnung somit eine vergleichsweise hohe Medienresistenz auf, da der zu vermessende erste Druck dem Membranbereich durch den Graben von der ersten Seite des Substrats aus, insbesondere der Rückseite des Substrats, zugeführt wird, so dass in vorteilhafter Weise eine Druckvermessung von aggressiven Medien erzielbar ist.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass an der ersten Seite ein Glassockel angeordnet ist, wobei der Glassockel vorzugsweise einen Kanal aufweist, welcher mit dem wenigstens einen Graben verbunden ist. Die Sensoranordnung wird vorzugsweise in ein Drucksensorgehäuse integriert, welches einen Druckanschlussstutzen und vorzugsweise einen aufgesetzten Deckel, sowie optional einen Steckeranschluss zur elektrischen Kontaktierung der Sensoranordnung umfasst (beispielsweise Einschraubsensoren mit Gewindestutzen).
-
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung, wobei in einem ersten Herstellungsschritt das Substrat bereitgestellt wird, wobei in einem zweiten Herstellungsschritt das Entkopplungselement hergestellt wird und wobei in einem dritten Herstellungsschritt der Graben hergestellt wird. Die Sensoranordnung ist somit vergleichsweise kostengünstig herstellbar, wobei insbesondere mikromechanische Standardherstellungsverfahren (vorzugsweise in Oberflächenmikromechanik), beispielsweise in 200mm-Technologie, anwendbar sind.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass in einem vierten Herstellungsschritt die Detektionselemente und/oder die Auswerteschaltung im Bereich der zweiten Seite angeordnet werden. In vorteilhafter Weise sind die Detektionselements und/oder die Auswerteschaltung in Standardhalbleiterherstellungsverfahren vergleichsweise bauraumkompakt und kostengünstig herstellbar.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der zweite Herstellungsschritt einen ersten und einen zweiten Teilschritt umfasst, wobei im ersten Teilschritt eine poröse Opferschicht in dem Substrat gebildet wird und wobei im zweiten Teilschritt mittels eines Abscheidevorgangs das Entkopplungselement in Form einer Kaverne gebildet wird, wobei bevorzugt der zweite Herstellungsschritt von der zweiten Seite aus durchgeführt wird. Das Entkopplungselement wird im zweiten Herstellungsschritt somit vorzugsweise in APSM-Techologie (Advanced Porous Silicone Membrane) vergleichsweise kostengünstig hergestellt. Der Abscheidvorgang umfasst vorzugsweise die Abscheidung einer Deckschicht, in welcher sich beispielsweise der weitere Membranbereich bildet.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass im dritten Herstellungsschritt der Graben in einem Ätzvorgang, insbesondere in einem Trenchprozess, von der zweiten Seite aus hergestellt wird. Der Graben wird vorzugsweise mittels bulkmikromechanischen Prozessen, wie Trenchen oder anisotropes Ätzen beispielsweise mittels KOH oder TMAH, hergestellt wird.
-
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Es zeigen
-
1 einen schematische Schnittbildansicht einer Sensoranordnung gemäß dem Stand der Technik,
-
2 eine schematische Schnittbildansicht einer weiteren Sensoranordnung gemäß de Stand der Technik,
-
3 eine schematische Schnittbildansicht einer Sensoranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
-
4 eine schematische Schnittbildansicht einer Sensoranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
-
5 eine schematische Aufsicht einer Sensoranordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
-
6 eine schematische Aufsicht einer Sensoranordnung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
-
In 1 ist eine schematische Seitenansicht einer Sensoranordnung gemäß dem Stand der Technik dargestellt, wobei ein Sensorsubstrat 105, eine Sensorkaverne 104 und eine Sensormembran 109 aufweist, wobei das Sensorsubstrat 105 mit einem Glassockel 106 verbunden ist, wobei der Glassockel 106 mit einem Kleber 106' auf eine Leiterplatte 107 geklebt ist. Die Leiterplatte 107 und der Glassockel 106 weisen jeweils eine Öffnung auf, so dass von einer Unterseite der Leiterplatte 107 ein Druck 108 in die Sensorkaverne 104 gelangt und die Sensormembran 109 in Abhängigkeit des Drucks 108 und in Abhängigkeit eines Referenzdrucks 102 verformt wird. Diese Verformung wird mittels Piezo-Widerständen 103 auf der Oberseite der Sensormembran 109 gemessen und mittels einer Auswerteschaltung 103' ausgewertet. Die Oberseite der Sensormembran 109 weist eine hermetisch dichte Verkappung 101 auf, welche zur Einstellung des bekannten Referenzdrucks 102 fungiert. Durch die Einstellung des bekannten Referenzdrucks 102 auf der Rückseite der Membran 109 ist mittels der Relativmessung zwischen dem Referenzdruck 102 und dem Druck 108 der absolute Wert des Drucks 108 bestimmbar. Die Verkappung 101 ist mit dem Sensorsubstrat 105 über Sealglasverbindungen 101' fest verbunden.
-
In 2 ist eine schematische Seitenansicht einer weiteren Sensoranordnung gemäß dem Stand der Technik dargestellt, wobei die weitere Sensoranordnung ein Substrat 202 und eine Kaverne 201 in dem Substrat 202 aufweist. Die Kaverne 202 ist dabei näher an der Oberseite des Substrats 202 angeordnet und insbesondere in APSM-Technologie hergestellt. Zwischen der Kaverne 202 und der Oberseite des Substrats 202 ist somit eine Membran 205 ausgebildet, welche sich in Abhängigkeit des Relativdrucks zwischen einem Druck 204 auf der Oberseite der Membran 205 und einem Referenzdruck in der Kaverne 201 deformiert, wobei diese Deformation mittels Piezowiderständen 203 auf der Oberseite des Substrats 202 gemessen wird. Die Kaverne 202 weist insbesondere ein Vakuum auf.
-
In 3 ist eine schematische Seitenansicht einer Sensoranordnung 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die Sensoranordnung ein Substrat 2 mit einer Haupterstreckungsebene 100 aufweist. Auf einer ersten Seite 3 weist das Substrat 2 einen Graben 21 auf, welcher auf einer der ersten Seite 3 senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 gegenüberliegenden zweiten Seite 4 einen Membranbereich 20 definiert. Der Membranbereich 20 weist eine gegenüber dem restlichen Substrat 2 deutlich verringerte Dicke senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 auf. Der Graben 21 erstreckt sich senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 von der ersten Seite 3 bis zum Membranbereich 20. In das Material des Membranbereichs 20 ist ein Entkopplungselement 41 integriert, welches eine Kaverne 41 umfasst. Die Erstreckung der Kaverne 41 parallel zur Haupterstreckungsebene 100 ist kleiner als die Erstreckung des Membranbereichs 20 parallel zur Haupterstreckungsebene 100. Die Kaverne 41 definiert auf der zweiten Seite 4 des Substrats 2 und innerhalb des Membranbereichs 20 einen weiteren Membranbereich 40. Die Dicke des weiteren Materialbereichs 40 senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 ist deutlich geringer als die Dicke des Membranbereichs 20. Die Sensoranordnung 1 umfasst ferner Detektionselemente 5, welche parallel zur Haupterstreckungsebene 100 innerhalb des Membranbereichs 20 und lediglich außerhalb des weiteren Membranbereichs 40 angeordnet sind. Die Detektionselemente 5 umfassen piezoresistive Elemente 5' zur Vermessung einer Deformation des Membranbereichs 20, welche aus einer Druckdifferenz zwischen einem ersten Druck 50 in dem Graben 21 und einem zweiten Druck 51 auf der zweiten Seite 4 des Substrats 2 resultiert. Der zweite Druck 51 umfasst vorzugsweise ein Vakuum, so dass die Deformation des Membranbereichs 20 direkt proportional zum ersten Druck 50 ist. Ferner ist insbesondere die Kaverne 41' evakuiert, so dass eine Variation des zweiten Drucks 51 durch eine Verformung des weiteren Membranbereichs 40 aufgenommen wird und nicht zu einer Verformung des Membranbereichs 20 führt. Zur Auswertung der piezoresistiven Elemente 5' umfasst die Sensoranordnung 1 ferner eine integrierte Auswerteschaltung 6, welche elektrisch leitfähig mit den piezoresistiven Elementen 5' verbunden ist, wobei eine Deformierung der piezoresistiven Elemente 5' eine Änderung des elektrisch Widerstands der piezoresistiven Elemente 5' bewirkt und somit bei der Relativdruckmessung zwischen dem ersten und dem zweiten Druck 50, 51 durch den Membranbereich 20 lediglich ein Spannungs- und/oder Stromsignal in Abhängigkeit des Relativdrucks zwischen dem ersten und zweiten Druck 50, 51 erzeugt wird. Eine Vermessung der Verformung des weiteren Membranbereichs 40 ist nicht erforderlich und somit auch nicht realisiert. Die erste Seite 3 des Substrats 2 ist ferner mit einem Glassockel 8 verbunden, welche im Bereich der Kaverne 21 einen Kanal 9 aufweist, durch welchen der Membranbereich 20 mit dem ersten Druck 50 beaufschlagt wird. Der Graben 21 ist beispielhaft als Trenchgraben ausgebildet.
-
In 4 ist eine schematische Schnittbildansicht einer Sensoranordnung 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die zweite Ausführungsform im Wesentlichen der in 3 illustrierten ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entspricht, wobei der Graben 21 nicht durch einen Trenchprozess, sondern durch einen anisotropen Ätzvorgang, beispielsweise mittels KOH oder TMAH als Ätzmedien hergestellt ist.
-
In 5 ist eine schematische Aufsicht einer Sensoranordnung 1 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die dritte Ausführungsform im Wesentlichen der in 3 illustrierten ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entspricht, wobei in der Aufsicht die zweite Seite 4 des Substrats 2, das Auswerteelement 6, sowie der Membranbereich 20 zu sehen ist. Der Membranbereich 20 weist den weiteren Membranbereich 40 auf, welcher kleiner als der Membranbereich 20 ist. Innerhalb des Membranbereichs 20 und außerhalb des weiteren Membranbereichs 40 sind die Detektionselemente 5 in Form der piezoresistiven Elemente 5' angeordnet.
-
In 6 ist eine schematische Aufsicht einer Sensoranordnung 1 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die vierte Ausführungsform im Wesentlichen der in 5 illustrierten dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entspricht, wobei der weitere Membranbereich 40 bis auf Aussparungen 40' deckungsgleich zum Membranbereich 20 ist und wobei die Detektionselemente 5 in Form der piezoresistiven Elemente 5' innerhalb der Aussparungen 40' angeordnet sind.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 10226034 A1 [0002]
- DE 102004036032 A1 [0002]
- DE 102004036035 A1 [0002]
- WO 02/02458 A1 [0002]
