DE10062637A1 - Differenzdrucksensor - Google Patents

Abstract

Der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor besitzt den Vorteil, daß insbesondere bei großen Druckbereichen bzw. hohen Absolutdrücken auch kleine Differenzdrücke DELTAp = p¶2¶ - p¶1¶ hinreichend genau bestimmt werden können. Die hohe erzielbare Genauigkeit wird durch die Bildung des Differenzdrucks direkt an der beweglichen Membran gewährleistet. Da sowohl der Hohlraum als auch der Kanal an der Oberfläche des Substrats angeordnet sind, können gängige Verfahren der Oberflächenmikromechanik eingesetzt werden, um den erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor. Insbesondere können solche Verfahren der Oberflächenmikromechanik eingesetzt werden, die mit Standard CMOS- bzw. Bipolar-Prozessen kompatibel sind. Demtentsprechend kann auf die bisher eingesetzten Verfahren der Volumen-Mikromechanik mit ihren Prozeß- bzw. Montage-Schwierigkeiten verzichtet werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikromechani­ sche Differenzdrucksensor zur Messung einer Druckdifferenz in zwei voneinander getrennten Räumen oder Medien.

Für Drucksensoren gibt es ein weites Anwendungsspektrum im Bereich der Industrie, Medizin, Haushalt und Verkehrswe­ sen. Der Bedarf wird durch die zunehmende Automatisierung in der Industrie sowie durch die Implementierung neuer Funktio­ nen in Kraftfahrzeugen stark zunehmen. Dieser Bedarf kann je­ doch nur mit kostengünstigen Sensoren gedeckt werden. Die je­ weiligen technischen Anwendungen erfordern hohe Genauigkeiten und eine hohe Flexibilität der Produkte.

Für viele Anwendungen von Drucksensoren ist dabei die Messung von Differenzdrücken, d. h. eines Unterschiedes zwi­ schen den herrschenden Drücken in zwei voneinander getrennten Räumen oder Medien, von großer Bedeutung. Dabei ist es im allgemeinen nicht ausreichend, zwei Drücke p₁ und p₂ mit zwei separaten Drucksensoren absolut zu messen und die gewonnenen Meßwerte danach voneinander zu subtrahieren. Der Grund hier­ für liegt in der zu geringen Meßgenauigkeit der allgemein zur Verfügung stehenden Absolutdruckmessvorrichtungen, die insbe­ sondere bei großen Druckbereichen bzw. hohen Absolutdrücken aber kleinen Differenzdrücken nicht genügt, die Druckdiffe­ renz Δp = p₂ - p₁ hinreichend genau zu liefern.

Die Messung eines Differenzdruckes Δp = p₂ - p₁ durch die Verwendung zweier unabhängiger Absolutdrucksensoren führt bei kleinen Differenzdrücken (bezogen auf den Messbereich des Absolutdrucksensoren) zu erheblichen Meßfehlern. Bei einem Meßfehler der Absolutdrucksensoren von z. B. 1% ergibt sich bei einem Differenzdruck Δp von z. B. 5% des Meßbereiches be­ reits ein Fehler von 28%.

Zur Lösung dieses Problems wurden Halbleiter- Differenzdrucksensoren vorgeschlagen, bei denen eine einzige druckempfindliche Membran von der einen Seite mit dem ersten Druck pl und von der anderen Seite mit dem zweiten Druck p₂ beaufschlagt wird. Folglich wird bei einer derartigen Anord­ nung die Membran entsprechend der Druckdifferenz Δp = p₂ - p₁ ausgelenkt und ermöglicht damit eine entsprechende Messung dieses Wertes. Die Meßgenauigkeit eines derartigen Differenz­ drucksensors ist abhängig von der Auslegung des Sensors, d. h. der Membran, der Abtastung der Membranauslenkung und der elektrischen bzw. elektronischen Auswertung etc..

Bisher wurden derartige Halbleiter- Differenzdrucksensoren in einer sogenannten "Volumen- Mikromechanik-Technologie" (bulk micromachining) hergestellt, bei der das Substratmaterial unterhalb der Membran vollstän­ dig entfernt (z. B. durch Ätzen) werden muß. Die entsprechen­ den Produktionsprozesse sind jedoch im allgemeinen nicht kom­ patibel mit modernen CMOS- oder Bipolar-Halbleiterprozessen. Demzufolge ist es schwierig, zusätzlich zu der Drucksensor­ vorrichtung eine komplexe Auswerteschaltung direkt auf dem­ selben Halbleiterchip zu integrieren.

Ein weiterer prinzipieller Nachteil der mit einer Volu­ men-Mikromechanik-Technologie hergestellten Differenzdruck­ sensoren besteht darin, daß diese Differenzdrucksensoren aus­ gesprochen empfindlich auf die Montage- bzw. Gehäusebedingun­ gen reagieren. Gewöhnlich wird dieses Problem durch einen Wa­ fer-Bond-Prozess, d. h. durch das Verbinden zweier Wafer ge­ löst, bei dem der Systemwafer, welcher die eigentliche Druck­ sensorvorrichtung trägt, mit einem Trägerwafer verbunden wird. Solche Trägerwafer können ihrerseits aus einem Halblei­ termaterial oder aber auch aus thermisch angepaßten Gläsern oder Keramiken bestehen. Jeder Trägerwafer muß entweder vor oder nach dem Verbindungsprozeß mit dem Systemwafer struktu­ riert werden, damit eine Druckankopplung an die Membranunterseite erfolgen kann. Diese Strukturierung führt jedoch auch zu Justierproblemen, wenn sie vor dem Wafer-Bonden erfolgt. Erfolgt die Strukturierung dagegen nach dem Wafer-Bonden, so muß sie mit größter Vorsicht vorgenommen werden, da die emp­ findlichen Membranen sehr leicht beschädigt werden können, was entweder die Produktionsausbeute drastisch reduziert oder aber möglicherweise die Zuverlässigkeit und/oder Langzeitsta­ bilität der Drucksensoren beeinträchtigen kann.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ei­ nen Differenzdrucksensor bereitzustellen, der die genannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet oder mindert. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Differenzdrucksensor bereitzustellen, der mit modernen CMOS- oder Bipolar-Halbleiterprozessen herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird von dem Differenzdrucksensor gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsfor­ men, Ausgestaltungen und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.

Erfindungsgemäß wird ein Differenzdrucksensor zur Mes­ sung einer Druckdifferenz in zwei voneinander getrennten Räu­ men oder Medien bereitgestellt. Der erfindungsgemäße Diffe­ renzdrucksensor umfaßt die Merkmale:

• - ein Substrat mit zumindest einem an einer Hauptoberflä­ che des Substrats angeordneten Hohlraum, der auf einer Seite von einer beweglichen Membran begrenzt wird; wo­ bei die beweglichen Membran ausgehend von der Haupto­ berfläche des Substrats mit einem ersten Druck beauf­ schlagt werden kann;
• - zumindest eine Öffnung in der Hauptoberfläche des Sub­ strats, die mit einem zweiten Druck beaufschlagt werden kann;
• - zumindest ein an der Hauptoberfläche des Substrats an­ geordneten Kanal, der den Hohlraum mit der Öffnung ver­ bindet.

Der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor besitzt den Vorteil, daß insbesondere bei großen Druckbereichen bzw. ho­ hen Absolutdrücken auch kleine Differenzdrücke Δp = p₂ - p₁ hinreichend genau bestimmt werden können. Die hohe erzielbare Genauigkeit wird durch die Bildung des Differenzdrucks direkt an der beweglichen Membran gewährleistet. Daher kann der er­ findungsgemäße Differenzdrucksensor auf die Höhe des maxima­ len Differenzdrucks (z. B. 10⁴ Pa) ausgelegt werden während bei der Bestimmmung eines Differenzdrucks mit Hilfe von zwei Ab­ solutdrucksensoren die beiden Absolutdrucksensoren jeweils auf den maximalen Absolutdruck (z. B. 10⁶ Pa) ausgelegt werden müssen.

Da sowohl der Hohlraum als auch der Kanal an der Ober­ fläche des Substrats angeordnet sind, können gängige Verfah­ ren der Oberflächenmikromechanik eingesetzt werden, um den erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor herzustellen. Insbe­ sondere können solche Verfahren der Oberflächenmikromechanik eingesetzt werden, die mit Standard CMOS- bzw. Bipolar- Prozessen kompatibel sind. Dementsprechend kann auf die bis­ her eingesetzten Verfahren der Volumen-Mikromechanik mit ih­ ren Prozeß- bzw. Montage-Schwierigkeiten verzichtet werden.

Der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor besitzt dar­ über hinaus den Vorteil, daß er mit weiteren Komponenten auf einem einzigen Substrat (Chip) integriert werden kann. Dabei weist der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor einen sehr geringen Flächenbedarf auf, da zur Bildung des Differenz­ drucks nur eine einzige Membran benötigt wird. Daraus ergeben sich Vorteile hinsichtlich des Preises bzw. hinsichtlich der zur Verfügung stehenden Fläche.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bilden die be­ wegliche Membran und die der Membran gegenüber liegende Seite des Hohlraums einen Kondensator. Die durch eine Druckdiffe­ renz ausgelösten Kapazitätsänderungen werden somit als Maß für die Druckdifferenz ausgewertet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ei­ ne an der Hauptoberfläche des Substrats angeordnete Auswerte­ schaltung vorgesehen. Dabei ist es insbesondere bevorzugt, wenn die Auswerteschaltung einen Sigma/Delta-Signalwandler umfaßt. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn eine an der Haupt­ oberfläche des Substrats angeordnete Strom/Spannungs­ versorgung vorgesehen ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist auf der beweglichen Membran ein Stempel angeordnet. Durch einen Stempel wird der Bereich, über den sich der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor linear verhält, deutlich erweitert. Wei­ terhin ist es bevorzugt, wenn die bewegliche Membran aus Po­ lysilizium aufgebaut ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zu­ mindest eine Druckanschlußeinheit vorgesehen, über die die bewegliche Membran und/oder die Öffnung mit dem ersten bzw. zweiten Druck beaufschlagt wird. Dabei ist es insbesondere bevorzugt, wenn die Druckanschlußeinheit eine zylinderförmige Leitung aufweist, die auf die Hauptoberfläche des Substrats geklebt ist.

Weiterhin ist es bevorzugt, wenn der Hohlraum und der Kanal gleichzeitig mit Hilfe einer Opferschicht gebildet wer­ den.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren der Zeichnungen näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematischen Querschnitt durch eine Ausfüh­ rungsform des erfindungsgemäßen Differenzdrucksen­ sors,

Fig. 2 eine schematische Aufsicht auf den Kanal und den Hohlraum aus Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Aufsicht auf einen erfindungsge­ mäßen Differenzdrucksensor, und

Fig. 4 eine schematischen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Differenz­ drucksensors.

Fig. 1 zeigt eine schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors. Dabei zeigt Fig. 1 den Ausschnitt eines größeren Halbleiter­ chips 1 (Substrat), in dem die eigentliche Diffrenzdruckmes­ sung vorgenommen wird. Dazu ist an der Hauptoberfläche 2 des Halbleiterchips 1 ein Hohlraum 3 angeordnet, der mit einer beweglichen Membran 4, einer isolierenden Schicht 5 und einer Siliziumschicht 6 gebildet wird. Dabei ist die isolierenden Schicht 5 der übrig gebliebene Teil einer Opferschicht, die zur Herstellung des Hohlraums eingesetzt wird. Die Silizium­ schicht 6 ist z. B. ein Siliziumsubstrat oder eine auf einem Siliziumsubstrat aufgebrachte Silizium-Epitaxieschicht.

In dieser Siliziumschicht 6 gegenüber der beweglichen Membran 4 ist ein dotiertes Gebiet, ein sogenannte "doped well", ausgebildet. Das Dotiergebiet ist beispielsweise mit­ tels Implantation und/oder Diffusion hergestellt. Das Dotier­ gebiet bildet somit eine Elektrode des Kondensators, der durch den Hohlraum 3 gebildet ist. Die andere Elektrode des Kondensators wird durch die bewegliche Membran 4 gebildet, die in dem vorliegenden Beispiel aus dotiertem Polysilizium aufgebaut ist.

Über der beweglichen Membran 4 ist eine Isolationschicht 8 angeordnet, die im vorliegenden Beispiel aus Siliziumoxid aufgebaut ist. Je nach Herstellungsprozeß kann die Isolation­ schicht 8 auch aus mehreren Isolationsschichten bestehen. Weiterhin ist über der Isolationschicht 8 eine Passivierungs­ schicht 9 angeordnet, die im vorliegenden Beispiel aus Sili­ ziumnitrid aufgebaut ist. Die Isolationschicht 8 sowie die Passivierungsschicht 9 wurden strukturiert, so daß über dem Randbereich der beweglichen Membran ein Graben 10, ein soge­ nannter "Kragen", und über dem zentralen Bereich der bewegli­ chen Membran 4 ein Stempel 11 entsteht. Durch den Stempel 11 wird der Bereich, über den sich der erfindungsgemäße Diffe­ renzdrucksensor linear verhält, deutlich erweitert. Gleich­ zeitig kann durch die Breite des Grabens 10 die Beweglichkeit der Membran 4 eingestellt werden. Ausgehend von der Haupto­ berfläche des Halbleiterchips 1 (Substrat) kann die bewegli­ chen Membran 4 somit mit einem ersten Druck beaufschlagt wer­ den.

In der Hauptoberfläche 2 des Halbleiterchips 1 (Sub­ strat) ist weiterhin eine Öffnung 12 vorgesehen, die mit ei­ nem zweiten Druck beaufschlagt werden kann. Die Öffnung 12 reicht von Hauptoberfläche 2 des Halbleiterchips 1 (Substrat) durch die Passivierungsschicht 9 sowie die Isolationschichten 8a bis 8c bis zum einem Kanal 13. Der Kanal 13 verbindet die Öffnung 12 mit dem Hohlraum 3, so daß die Unterseite der be­ weglichen Membran mit dem zweiten Druck beaufschlagt werden kann. Der Kanal 13 wurde dabei in der gleichen Opferschicht 5 erzeugt, die auch bei der Herstellung des Hohlraums einge­ setzt wurde. Eine schematische Aufsicht auf den Kanal 13 und den Hohlraum 3 ist in Fig. 2 gezeigt.

Die bewegliche Membran 4 wird nun in Abhängigkeit des Differenzdrucks Δp = p₂ - p₁ entweder nach oben oder unten ausgelenkt, was sich in einer Kapazitätsänderung des durch die bewegliche Membran 4 und den dotierten Bereich 7 gebildeten Kondensator widerspiegelt. Der erfindungsgemäße Diffe­ renzdrucksensor besitzt den Vorteil, daß insbesondere bei großen Druckbereichen bzw. hohen Absolutdrücken auch kleine Differenzdrücke Δp = p₂ - p₁ hinreichend genau bestimmt wer­ den können. Die hohe erzielbare Genauigkeit wird durch die Bildung des Differenzdrucks direkt an der beweglichen Membran gewährleistet. Daher kann der erfindungsgemäße Differenz­ drucksensor auf die Höhe des maximalen Differenzdrucks (z. B. 10⁴ Pa) ausgelegt werden während bei der Bestimmmung eines Differenzdrucks mit Hilfe von zwei Absolutdrucksensoren die beiden Absolutdrucksensoren jeweils auf den maximalen Abso­ lutdruck (z. B. 10⁶ Pa) ausgelegt werden müssen.

Fig. 3 zeigt eine schematische Aufsicht auf einen erfin­ dungsgemäßen Differenzdrucksensor. Neben dem eigentlichen Druckmessbereich 14 sind auf dem erfindungsgemäßen Differenz­ drucksensor weiteren Komponenten, insbesondere eine Auswerte­ schaltung 15, eine Strom/Spannungsversorgung 16, eine Schal­ tung zur Erzeugung eines Zeitsignals 17, eine Kalibrations­ schaltung 18 und eine Schnittstelle 19 vorgesehen. All diese weiteren Komponenten sind auf einem einzigen Substrat (Chip) integriert.

Da zur Erzeugung des erfindungsgemäßen Differenzdruck­ sensor solche Verfahren der Oberflächenmikromechanik einge­ setzt werden können, die mit Standard CMOS- bzw. Bipolar- Prozessen kompatibel sind, können diese weiteren Komponenten aus Standardkomponenten ausgewählt werden, wie sie in soge­ nannten "Librarys" gespeichert sind. Darüber hinaus weist der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor einen sehr geringen Flächenbedarf auf, da zur Bildung des Differenzdrucks nur ei­ ne einzige Membran benötigt wird. Dementsprechend kann mehr Chipfläche für die übrigen Komponenten, z. B. eine Auswerte­ schaltung und/oder eine Strom/Spannungsversorgung, verwendet werden.

Fig. 4 zeigt eine schematischen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Differenzdruck­ sensors. Dabei ist über der beweglichen Membran 4 und über der Öffnung 12 jeweils eine Druckanschlußeinheit 20, z. B. ein Kunststoffkamin oder ein Kunststoff-Schlauchanschluß als eine zylinderförmige Leitung, gasdicht auf Passivierungs­ schicht 9 geklebt. Mittels dieser Druckanschlußeinheiten 20 können auf einfache Weise die zu messenden Drücke getrennt voneinander der Membran 4 bzw. der Öffnung 12 zugeführt wer­ den.

Claims (10)

1. Mikromechanischer Differenzdrucksensor zur Messung einer Druckdifferenz in zwei voneinander getrennten Räumen oder Medien mit:
einem Substrat (1) mit zumindest einem an einer Haupto­ berfläche (2) des Substrats (1) angeordneten Hohlraum (3), der auf einer Seite von einer beweglichen Membran (4) begrenzt wird; wobei die beweglichen Membran (4) ausgehend von der Hauptoberfläche (2) des Substrats (1) mit einem ersten Druck beaufschlagt werden kann;
zumindest einer Öffnung (12) in der Hauptoberfläche (2) des Substrats (1), die mit einem zweiten Druck beauf­ schlagt werden kann;
zumindest einem an der Hauptoberfläche (2) des Sub­ strats (1) angeordneten Kanal (13), der den Hohlraum (3) mit der Öffnung (12) verbindet.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Membran (4) und die der Membran (4) gegen­ über liegende Seite des Hohlraums (3) einen Kondensator bilden.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine an der Hauptoberfläche (2) des Substrats (1) angeord­ nete Auswerteschaltung (15) vorgesehen ist.

4. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (15) einen Sigma/Delta-Signalwandler umfaßt.

5. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine an der Hauptoberfläche (2) des Substrats (1) angeord­ nete Strom/Spannungsversorgung (16) vorgesehen ist.

6. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der beweglichen Membran (4) ein Stempel (11) angeord­ net ist.

7. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Membran (4) aus Polysilizium aufgebaut ist.

8. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Druckanschlußeinheit (20) vorgesehen ist, über die die bewegliche Membran (4) und/oder die Öffnung (12) mit dem ersten bzw. zweiten Druck beaufschlagt wird.

9. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckanschlußeinheit (20) eine zylinderförmige Leitung aufweist, die auf die Hauptoberfläche (2) des Substrats (1) geklebt ist.

10. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (3) und der Kanal (13) gleichzeitig mit Hilfe einer Opferschicht (5) gebildet werden.