DE102007029414A1

DE102007029414A1 - Kapazitiver Drucksensor

Info

Publication number: DE102007029414A1
Application number: DE200710029414
Authority: DE
Inventors: Viacheslav Bekker; Remigius Niekrawietz; Janpeter Wolff
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-06-26
Filing date: 2007-06-26
Publication date: 2009-01-08

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein kapazitiver Drucksensor sowie eine Herstellung eines derartigen Drucksensors beschrieben. Dabei besteht der kapazitive Drucksensor aus einer ersten Elektrode, die in einer Membran integriert ist. Weiterhin ist eine zweite Elektrode vorgesehen, die in einem der Membran gegenüber befindlichen Gegenelement integriert ist. Der Kern der Erfindung besteht nun darin, dass zur Erfassung des Drucksignals die erste Elektrode seitlich über die zweite Elektrode bewegt wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Drucksensor sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Bei einem kapazitiven Drucksensor werden in einem Halbleitersubstrat üblicherweise mittels eines mikromechanischen Herstellungsverfahren Elektroden zur Bildung eines Kondensators erzeugt. Dabei wird eine der Elektroden derart erzeugt, dass sie gegenüber der anderen Elektrode beweglich ausgestaltet ist. Typischerweise wird hierzu die Elektrode in eine Membran integriert. Wird nun die Membran durch eine Druckbeaufschlagung durchgebogen, verändert sich der Abstand der Kondensatorplatten und somit die Kapazität des Kondensators. Diese Veränderung kann im Rahmen eines Verstärkerbetriebs, bei dem der Verstärkungsfaktor von der Kapazität des Kondensators abhängt, ausgenutzt werden, um die Auslenkung der Membran auf einfache Weise kapazitiv zu erfassen.
Im Vergleich zu Drucksensoren, die auf der Bildung eines Drucksignals durch Piezowiderstände basieren, ist bei gängigen kapazitiven Drucksensoren das Ausgangssignal in der Regel nicht linear. Dies liegt u. a. daran, dass die Membran flexibel durchbogen wird und somit eine auf die gesamte Kondensatorfläche bezogene nichtlineare Abstandsänderung vorliegt. Eine mögliche Abhilfe zur Ausschaltung der nichtlinearen Effekte stellt beispielsweise die Verwendung von starren Elektroden dar.
Ein kapazitiver Drucksensor mit einer starren Elektrode ist beispielsweise aus der DE 10 2005 004 878 A1 bekannt, bei dem die obere Elektrode in Form eines Stempels und die Gegenelektrode im Substrat ausgebildet ist. Der so gebildete Kondensator weist ein streng druckproportionales Verhalten der reziproken Kapazität auf, ohne dass Nichtlinearitäten vorhanden wären. Es ist somit mit diesem kapazitiven Sensor eine Druckerfassung ohne die sonst erforderliche Korrektur der Nichtlinearitäten möglich.
Vorteile der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein kapazitiver Drucksensor sowie eine Herstellung eines derartigen Drucksensors beschrieben. Dabei besteht der kapazitive Drucksensor aus einer ersten Elektrode, die in einer Membran integriert ist. Weiterhin ist eine zweite Elektrode vorgesehen, die in einem der Membran gegenüber befindlichen Gegenelement integriert ist. Der Kern der Erfindung besteht nun darin, dass zur Erfassung des Drucksignals die erste Elektrode seitlich über die zweite Elektrode bewegt wird.
Durch die starre Ausgestaltung der beiden Elektroden und der seitlichen Bewegung der Elektroden zueinander kann vorteilhafterweise vermieden werden, dass nichtlineare Effekte, die bei der Durchbiegung der Membran auftreten, Auswirkungen auf die Abhängigkeit des angelegten Drucks zum erzeugten Drucksignal haben.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen der Membran und dem Gegenelement ein Hohlraum vorgesehen ist, wobei die erste Elektrode als Ausstülpung der Membran in den Hohlraum vorgesehen ist. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die erste Elektrode einstückig mit der Membran ausgebildet ist oder als selbständiges Element mit der Membran verbunden ist.
Vorteilhafterweise ist die Ausstülpung bzw. die erste Elektrode als Stempel ausgestaltet, die sich bei der Durchbiegung der Membran vertikal in Richtung der zweiten Elektrode bewegt. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass der Stempel derart ausgestaltet ist, dass er in ein entsprechend gestaltetes Loch im Gegenelement passt und von diesem bei der Auslenkung der Membran infolge eines Druckanstiegs aufgenommen wird. Dabei ist jedoch zwischen dem Stempel und dem Gegenelement ein ausreichender Abstand vorzusehen, so dass kein mechanischer und/oder elektrischer Kontakt zwischen den beiden Elektroden entstehen kann.
Zur Ausbildung der ersten Elektrode kann vorgesehen sein, um die Ausstülpung herum eine elektrisch leitfähige Schicht anzuordnen. Vorteilhafterweise umschließt dabei diese elektrisch leitfähige Schicht die Ausstülpung komplett, wobei auch vorgesehen sein kann, dass nur ein Teil mit dieser Schicht ausgestattet wird.
Die zweite Elektrode kann ebenfalls mittels einer elektrisch leitfähigen Schicht erzeugt werden. Dabei wird diese Schicht im Gegenelement ebenfalls weitestgehend ringförmig um das Loch bzw. die Ausnehmung herum angeordnet.
Eine besondere Weiterbildung der Erfindung betrifft einen Relativdrucksensor, bei dem sich im Ruhezustand des Sensors, d. h. ohne äußere Einflüsse, die erste Elektrode bereits zum Teil in der Ausnehmung des Gegenelements befindet. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass sich eine Änderung der Lage der ersten Elektrode sowohl in einer Erhöhung als auch in einer Erniedrigung der Kapazität des Kondensators auswirken kann.
Um einen Absolutdrucksensor mit der vorliegenden Erfindung zu realisieren, kann vorgesehen sein, den Hohlraum gegenüber der Umgebung zu verschließen.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
Zeichnungen
In den 1a bis 1c ist eine erste Ausführung der Erfindung mit einem Stempel gezeigt, wohingegen in den 2a und 2b ein Ausführungsbeispiel mit mehreren Stempeln gezeigt wird. Die 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Erfindung im Rahmen eines Relativdrucksensor dargestellt wird.
Ausführungsbeispiel
Gemäß der 1 ist ein Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Dabei wird in einem Substrat 100 eine Ausnehmung 140 eingebracht, die zur Bildung der zweiten Elektrode seitlich mit einer elektrisch leitfähigen Schicht 160 versehen ist. Die Ausnehmung 140 ist dabei derart ausgebildet, dass sie einen durch einen Hohlraum 130 beabstandeten Anker 120 aufnehmen kann, der an einer Membran 110 befestigt ist. Zur Realisierung der ersten Elektrode wird seitlich an dem Anker 120 ebenfalls eine elektrisch leitfähige Schicht 150 erzeugt. Die Kontaktierung der beiden Elektroden bzw. der beiden elektrisch leitfähigen Schichten 150 und 160 kann über spezielle Leiterbahnen im Substrat 100 bzw. in der Membran 110 erfolgen. Optional kann hierbei vorgesehen sein, dass die Membran 110 mittels einer zusätzlichen Isolationsschicht 170 elektrisch vom Substrat 100 getrennt wird.
In 1b ist ein Querschnitt durch die Membran 110 entlang der Linie AA' mit einer Aufsicht auf den Anker 150 dargestellt. Dabei ist zu erkennen, dass in der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung der Anker 120 und die den Anker umgebende erste Elektrode in Form der elektrisch leitfähigen Schicht 150 rund bzw. als Ellipsoid ausgestaltet ist. Entsprechend kann die zweite Elektrode 160 als runder oder ellipsoidenförmiger Kapazitätsring am Rand der Ausnehmung 140 ausgebildet sein.
In anderen Ausführungsformen kann der Anker jedoch auch jede andere für diese Anwendung geeignete Form annehmen, wobei dabei darauf zu achten ist, dass die Ausnehmung im Gegenelement entsprechend angepasst wird, um die Abstände der beiden Elektroden möglichst klein zu halten. Da der Abstand der Elektroden maßgeblichen Einfluss auf die maximal erreichbare Kapazität hat, hat dieser Abstand eine große Bedeutung, insbesondere die Einhaltung eines konstanten Abstands bei der Bewegung der ersten Elektrode.
Wie in 1c dargestellt wird, wird die Membran 110 durchgebogen, wenn auf den Drucksensor eine äußere Kraft in Form eines Drucks 200 ausgeübt wird. Dabei taucht der Anker 120 mit der ersten Elektrode 150 in die Ausnehmung 140 mit der zweiten Elektrode 160 ein, so dass die beiden Elektroden seitlich aneinander vorbei gleiten. Beim Eintauchen des Ankers 150 in die Ausnehmung 140 verändert sich die wirksame Fläche, die zur Bildung der Kapazität C wirkt, wobei der Abstand zwischen der ersten Elektrode 150 und der zweiten Elektrode 160 konstant gehalten wird. Je weiter der Anker 120 in die Ausnehmung 140 eintaucht, desto größer wird die wirksame Kapazitätsfläche. Mit dieser vertikalen Bewegung der ersten Elektrode lässt sich in einfacher Weise eine lineare Erhöhung der Kapazität erzeugen.
Zur Erhöhung des Sensorsignals kann zum einen der Abstand der beiden Elektroden sehr gering gehalten werden, um eine möglichst große Kapazität, bzw. bei einer Bewegung der Membran eine möglichst große Kapazitätsänderung zu erhalten. Optional kann jedoch auch vorgesehen sein, die Kapazitätsfläche bzw. das Signal mittels der Verwendung eines Ankers 220 bestehend aus mehreren kleinen Ankern in Form eines Kapazitätsarrays 250 zu erhöhen, wie es in 2a und als Querschnitt durch die Membran 100 entlang der Linie BB' in 2b dargestellt ist. Zur Aufnahme des Kapazitätsarrays 250 sind im Gegenelement des Substrats 100 entsprechende Ausnehmungen 240 vorgesehen, die im Randbereich eine elektrisch leitfähige Schicht 260 zur Bildung der zweiten Elektrode aufweisen. In dieser Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das Kapazitätsarray 250 ebenfalls eine elektrisch leitfähige Schicht aufweist oder vollständig elektrisch leitfähig ausgestaltet sein kann.
In den Ausführungsformen gemäß der 1 und 2 kann ein Druckausgleich zwischen dem Medium im Hohlraum 130 und einem anderen Volumen durch die Ausnehmung 140 bzw. 240 vorgesehen sein. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, den Hohlraum 130 z. B. durch eine zusätzliche Maßnahme im Rahmen der Aufbau- und Verbindungstechnik abzuschließen und evtl. zu evakuieren (siehe hierzu beispielhaft die 3).
Eine weitere Ausführungsform, bei der die Erfindung als Differenzdrucksensor bzw. als Relativdrucksensor verwendet werden kann, soll anhand der 3 beschrieben werden. Dabei wird die Membran 310 mit dem Anker 320 zum Beispiel in Abhängigkeit vom dem geplanten Umgebungsdruck derart vorgespannt, dass sich das Kapazitätsarray 350 bereits zum Teil in der Ausnehmung 340 des Substrats 300 befindet. Durch die Überlappung der elektrisch leitfähigen Flächen der ersten Elektrode im Kapazitätsarray 350 und der elektrisch leitfähigen Schicht 360 am Rand der Ausnehmung 340 wird in diesem Zustand bereits ein Kapazitätssignal erzeugt. Erhöht sich der auf die Membran 310 angelegt Druck 200, so wird der Anker 320 und damit auch das Kapazitätsarray 350 weiter in die Ausnehmung 340 hineinbewegt, so dass eine größere aktive Fläche und damit eine größere Kapazität erfasst wird. Wird dagegen der Druck 200 verringert, so drängt es die Membran 310 in die Ausgangslage, wodurch das Kapazitätsarray 350 sich aus der Ausnehmung 340 herausbewegt. Die Folge ist eine Reduzierung der aktiven Kondensatorfläche mit einem geringer werdenden Kapazitätssignal. Durch eine Anpassung der Vorspannung an den Umgebungsdruck kann der Drucksensor für verschiedene Anwendungen speziell vorbereitet werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird in den Hohlraum ein Fluid, z. B. ein Gas eingesperrt. Dies hat u. a. den Vorteil, dass über die Einstellung eines gewünschten Drucks des Fluids im Hohlraum die erste Elektrode vorgespannt werden kann bzw. die Lage der ersten Elektrode bezüglich der zweiten Elektrode sehr gut vorgegeben werden kann.
Wie bereits in den Ausführungsformen der 1 und 2 beschrieben, kann die Kontaktierung der beiden Elektroden mittels nicht gezeigter Leiterbahnen innerhalb der Membran 310 und/oder innerhalb des Substrats 300 erfolgen. Dabei kann auch vorgesehen sein, die Membran 310 mittels einer speziellen Isolierschicht 370 elektrisch vom Substrat 300 zu trennen. Zusätzlich kann ebenfalls wie in der Ausführung gemäß der 1 vorgesehen, der Anker 320 nur mit einer umlaufenden elektrischen Schicht und die Ausnehmung mit einem einzigen Kapazitätsring versehen werden.
Allgemein wird die Empfindlichkeit des Sensors weitgehend durch die geometrischen Parameter des Sensoraufbaus bestimmt. Hierzu gehören der Membrandurchmesser, die Membrandicke, die Höhe der Kavität bzw. des Hohlraums, die Eindringtiefe des Ankers in den Kapazitätsring sowie die Dicke des Kapazitätsrings. Je nach Ausgestaltung dieser Parameter kann somit die Empfindlichkeit und auch der Messbereich des Drucksensors eingestellt werden.
Zur Herstellung des kapazitiven Drucksensors bzw. der ersten und der zweiten Elektrode sind gängige mikromechanische Verfahren vorgesehen. So ist beispielsweise denkbar, die Ausnehmungen 140, 240 oder 340, den Hohlraum 130, die Membran 110 bzw. 310 sowie des Ankers 120, 220 oder 320 mittels nass- oder trockenchemischer Ätzverfahren (z. B. KOH-Ätzung, Opferschichtätzung, Trenchverfahren) aus dem Substrat 100 bzw. 300 herauszustrukturieren. Zur Erzeugung der Membran und/oder des Ankers ist jedoch auch ein epitaktischer Prozess oder das Aufbringen eines separat erzeugten Elements mittels eines Bondprozesses denkbar. Die elektrisch leitfähigen Schichten der Elektroden können mittels einer entsprechenden Dotierung bzw. dem Aufbringen einer leitfähigen Schicht, beispielsweise einer Metallschicht erzeugt werden.
Durch eine geeignete Wahl der Herstellungsprozesse kann bei allen Ausführungsformen die erste Elektrode einstückig mit der Membran ausgebildet oder als separates Element an der Membran befestigt sein.
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 102005004878 A1 [0004]

Claims

Mikromechanischer kapazitiver Drucksensor mit – einer ersten Elektrode (150, 250, 350) und – einer zweiten Elektrode (160, 260, 360) wobei – die erste Elektrode in eine bewegliche Membran (110, 310) und – die zweite Elektrode in dem der Membran gegenüberliegenden Gegenelement integriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung eines Drucksignals die erste Elektrode seitlich über die zweite Elektrode bewegt wird.
Mikromechanischer kapazitiver Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Membran und dem Gegenelement ein Hohlraum (130, 330) vorgesehen ist, wobei die erste Elektrode als Ausstülpung (120, 220, 320) der Membran in den Hohlraum vorgesehen ist.
Mikromechanischer kapazitiver Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausstülpung wenigstens einen Stempel (120, 220, 320) aufweist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass sich der wenigstens eine Stempel bei einer Bewegung der Membran in ein entsprechendes Loch im Gegenelement bewegt.
Mikromechanischer kapazitiver Drucksensor nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode eine leitfähige Schicht (150) aufweist, die ringförmig um die Ausstülpung (120, 220, 320) herum angeordnet ist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass jeder Stempel eine ringförmige leitfähige Schicht aufweist.
Mikromechanischer kapazitiver Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenelement eine Ausnehmung (140, 340) zur Aufnahme der ersten Elektrode aufweist.
Mikromechanischer kapazitiver Drucksensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode eine leitfähige Schicht aufweist, die ringförmig um die Ausnehmung herum angeordnet ist.
Mikromechanischer kapazitiver Drucksensor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Ruhezustand des Sensors die erste Elektrode in die Ausnehmung hineinragt, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass eine Bewegung der Membran zu einer Erhöhung oder einer Erniedrigung der Kapazität des Drucksensors führt.
Mikromechanischer kapazitiver Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum gegenüber der Umgebung verschlossen ist.
Mikromechanischer kapazitiver Drucksensor nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Hohlraum ein Fluid, insbesondere ein Gas, eingeschlossen ist, wobei der Druck des Fluids die relative Lage der ersten zur zweiten Elektrode bestimmt.
Mikromechanischer kapazitiver Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erzeugte Drucksignal eine lineare Abhängigkeit zum angelegten Druck bzw. zur Bewegung der Membran aufweist.
Mikromechanisches Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Drucksensors, insbesondere eines Drucksensors nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei – in einem Halbleiterbauelement (100, 300) eine Membran (110, 310) oberhalb eines Gegenelements und – in der Membran eine erste Elektrode (150, 250 350) und in dem Gegenelement eine zweite Elektrode mittels einer leitfähigen Schicht (160, 260, 360) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode als Ausstülpung (120, 220, 320) der Membran ausgestaltet wird und in dem Gegenelement eine Ausnehmung (140, 340) herausstrukturiert wird, welche die Ausstülpung aufnehmen kann.