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Die
Erfindung betrifft eine Druck-Messeinrichtung mit einem auf einem
Sockel montierten Halbleiter-Drucksensor.
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Druck-Messeinrichtungen
dienen zur Erfassung von Drücken, insb. von Absolutdrücken,
Relativdrücken und Differenzdrücken, und werden
in der industriellen Messtechnik verwendet.
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In
der Druckmesstechnik werden gerne so genannte Halbleiter-Drucksensoren
eingesetzt. Halbleiter-Sensoren werden heute regelmäßig
auf Siliziumbasis, z. B. unter Verwendung von Silicon-on-Insulator (SOI)
Technologie hergestellt. Sie werden als Drucksensor-Chip ausgebildet,
der typischer Weise einen Träger und eine auf einem Träger
angeordnete Messmembran aufweist. Im Messbetrieb wird ein erster
Druck einer ersten Seite der Messmembran zugeführt.
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Zur
Erfassung von Differenzdrücken wird einer der ersten Seite
gegenüberliegenden zweiten Seite der Messmembran ein zweiter
Druck zugeführt. Die bestehende Druckdifferenz zwischen
dem ersten und dem zweiten Druck bewirkt eine vom zu messenden Differenzdruck
abhängige Auslenkung der Messmembran.
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Zur
Erfassung von Relativdrücken wird der zweiten Seite der
Messmembran ein Referenzdruck, z. B. ein Umgebungsdruck, zugeführt.
Die bestehende Druckdifferenz zwischen dem ersten Druck und dem
Referenzdruck bewirkt eine vom zu messenden Relativdruck abhängige
Auslenkung der Messmembran.
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Zur
Erfassung von Absolutdrücken ist unter der Messmembran
auf deren von der ersten Seite abgewandten zweiten Seite regelmäßig
eine abgeschlossene evakuierte Kammer vorgesehen. Damit bewirkt
der auf die erste Seite der Messmembran einwirkende erste Druck
eine vom zu messenden Absolutdruck abhängige Auslenkung
der Messmembran.
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Die
resultierende Auslenkung der Messmembran wird in allen drei Fällen über
auf der Messmembran angeordnete Sensorelemente, z. B. piezoresistive
Widerstände, erfasst und in ein elektrisches Ausgangssignal
umgewandelt, dass dann einer weiteren Verarbeitung und/oder Auswertung
zur Verfügung steht.
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Die
Halbleiter-Drucksensoren sind sehr empfindlich und werden deshalb
in ein Gehäuse eingesetzt, über das die Zufuhr
der jeweiligen Drücke, die Ausgabe des Messergebnisses
und die Montage der Druck-Messeinrichtung am Messort erfolgt.
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Dabei
wird der Halbleiter-Drucksensor beispielsweise auf einen im Gehäuse
befindlichen Sockel derart montiert, dass eine vom Sockel abgewandte
erste Seite der Messmembran in eine erste im Gehäuse befindliche
Messkammer weist, der der erste Druck zugeführt ist. Bei
Differenz- bzw. Relativdrucksensoren wird zusätzlich der
zweite Druck bzw. der Referenzdruck der zweiten Seite der Messmembran über
eine im Inneren des Sockels verlaufende Bohrung zugeführt,
die in einer unter der Messmembran von dem Messmembranträger
eingeschlossenen zweiten Messkammer mündet. Bei Absolutdruck-Messeinrichtungen
ist die unter der Messmembran befindliche Kammer abgeschlossen und
evakuiert. Die Zufuhr des ersten und des zweiten Drucks erfolgt
beispielsweise über in das Gehäuse integrierte
oder diesem vorgeschaltete mit einer Druck übertragenden
Flüssigkeit gefüllte Druckmittler. Die Zufuhr
des Referenzdrucks erfolgt beispielsweise über eine in
das Gehäuse integrierte Referenzdruckzufuhr.
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Der
Sockel ist beispielsweise ein zylindrisches Ansatzstück
oder ein Podest, das als integraler Bestandteil des Gehäuses
oder als ein separates im Gehäuse befestigtes Bauteil ausgebildet
ist.
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Um
eine ausreichend hohe mechanische Stabilität zu gewährleisten
bestehen Gehäuse und Sockel aus einem mechanisch stabilen
Werkstoff, insb. aus Metall.
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Sockel
und Halbleiter-Drucksensor bestehen damit zwangsläufig
aus verschiedenen Materialien, die sehr unterschiedliche physikalische
Eigenschaften, insb. unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten
aufweisen. Aufgrund der mechanischen Verbindung zwischen dem Sockel
und dem Halbleiter-Drucksensor können daher mechanische
Spannungen auftreten, die sich auf die das Übertragungsverhalten
der Messmembran auswirken, und damit die erzielbare Messgenauigkeit
und deren Reproduzierbarkeit verschlechtern. Dies gilt insb. für
temperatur-abhängige Spannungen.
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Zur
Reduzierung der auftretenden Spannungen ist üblicher Weise
zwischen dem Sockel und dem Halbleiter-Drucksensor ein Zwischenstück
eingefügt, das aus dem gleichen Material besteht, wie der
Halbleiter-Drucksensor. Auch dann treten jedoch noch durch die unterschiedlichen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Sockel und Zwischenstück
verursachte, insb. temperatur-abhängige, mechanische Verspannungen
auf, die sich auf das Übertragungsverhalten der Messmembran
auswirken.
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In
der
DE- 34 36 440 ist
eine Lösung dieses Problems beschrieben, die eine Reduzierung
der nachteiligen Auswirkungen der mechanischen Spannungen ermöglicht.
Eine solche Messeinrichtung ist in
1 dargestellt.
Sie umfasst einen Halbleiter-Drucksensor
1 mit einer von
einem Träger
3 getragenen Messmembran
5.
Der Träger
3 ist auf einem Zwischenstück
7 montiert,
dass auf einem metallischen Sockel
9 angeordnet ist. Es
ist eine Bohrung vorgesehen, die durch den Sockel
9 und
das Zwischenstück
7 hindurch in eine unter der
Messmembran
5 eingeschlossene Messkammer führt.
Das Zwischenstück
7 ist kreisscheibenförmig
und weist einen an den Außendurchmesser des Halbleiter-Drucksensors
1 angepassten
Außendurchmesser auf. Der Sockel
9 ist hohlzylindrisch
und weist einen deutlich geringeren Außendurchmesser auf.
Zur Reduzierung von mechanischen Spannungen ist auf der dem Sockel
9 zugewandten
Unterseite des Zwischenstücks
7 eine ringförmig
umlaufende Nut
11 vorgesehen, die unmittelbar an den Sockel
9 angrenzt.
Die Nut
11 dient dazu, durch die Verbindung zwischen Sockel
9 und
Zwischenstück
7 verursachte mechanische Spannungen
aufzunehmen und deren Rückwirkung auf die Messmembran
5 zu
vermeiden.
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Diese
Messeinrichtung weist jedoch den Nachteil auf, dass die mechanische
Stabilität der Messeinrichtung durch die Haftfestigkeit
der Verbindung zwischen dem Sockel 9 und dem Zwischenstück 7 begrenzt ist.
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Insb.
ist dadurch bei Differenzdruck-Messeinrichtungen der maximale Druck,
der durch den Sockel hindurch der Messmembran zugeführt
werden kann, begrenzt.
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Aus
Sicherheitsgründen muss diese Verbindung gewährleisten,
dass der Halbleiter-Drucksensor auch dann auf dem Sockel verbleibt,
wenn über den Sockel ein Überdruck zugeführt
wird.
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Die
Haftfestigkeit der Verbindung zwischen dem Sockel und dem Zwischenträger
könnte theoretisch dadurch verbessert werden, dass die
zur Verfügung stehende Verbindungsfläche zwischen
dem Sockel und dem Zwischenstück vergrößert
wird. Dies führt jedoch dazu, dass die Wanddicke zwischen
der Bohrung und der Ringnut ansteigt, und die Lage der Ringnut radial
nach außen verschoben wird. Dadurch verliert die Ringnut
jedoch ihre Wirkung als mechanische Entkopplung. Dieser Effekt ist
besonders stark ausgeprägt bei Druck-Messeinrichtungen,
die für höhere Druck-Messbereiche ausgelegt sind,
da diese typischer Weise Halbleiter-Drucksensoren mit Messmembranen
mit geringerem Durchmesser aufweisen.
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Alternativ
oder zusätzlich könnte die Dicke des Zwischenstücks
erhöht und/oder die Tiefe der Nut vergrößert
werden. Eine tiefere Nut führt jedoch zu einer reduzierten
Bruchsicherheit. Die Erhöhung der Dicke des Zwischenstücks
führt wiederum zu einer Erhöhung der Herstellungskosten,
insb. dann, wenn das Zwischenstück aus Silizium besteht.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung eine Druck-Messeinrichtung mit einem
auf einem Sockel montierten Halbleiter-Drucksensor anzugeben, die
einen zuverlässigen Schutz der empfindlichen Messemembran
vor mechanischen Verspannungen bietet.
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Hierzu
besteht die Erfindung in einer Druck-Messeinrichtung, mit
- – einem Sockel,
- – einem auf dem Sockel angeordneten mit dem Sockel
verbundenen Zwischenstück aus einem Halbleiter, und
- – einem auf dem Zwischenstück angeordneten
mit dem Zwischenstück verbundenen Halbleiter-Drucksensor
mit
- – einem Träger und einer Messmembran, bei
dem
- – im Zwischenstück eine im Inneren des Zwischenstücks
verlaufende ringfömig umlaufende Ausnehmung vorgesehen
ist,
- – die einen ersten zylindrischen Abschnitt und einen
sockelseitig daran angrenzenden zweiten zylindrischen Abschnitt
des Zwischenstücks umschließt, wobei der zweite
zylindrische Abschnitt einen größeren Außendurchmesser
aufweist als der erste zylindrische Abschnitt, und
- – die zu einer dem Sockel zugewandten Seite des Zwischenstücks
hin offen ist, und
- – der zweite zylindrische Abschnitt eine dem Sockel
zugewandte auf einer freiliegenden Stirnfläche des Sockels
aufliegende Stirnfläche aufweist, die eine Verbindungsfläche
bildet über die das Zwischenstück mit dem Sockel mechanisch
fest verbunden ist.
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Gemäß einer
ersten Ausgestaltung der Erfindung dient die Druck-Messeinrichtung
zur Erfassung von Differenzdrücken oder Relativdrücken,
wobei
- – im Zwischenstück
eine mittig angeordnete parallel zu dessen Längsachse verlaufende
sockelseitig mündende Bohrung vorgesehen ist,
- – die Bohrung durch das Zwischenstück hindurch
führt und in einer unter der Messmembran von der Messmembran,
deren Träger und dem Zwischenstück eingeschlossenen
Druckmesskammer mündet,
- – im Sockel eine mittig angeordnete parallel zu dessen
Längsachse verlaufenden weitere Bohrung vorgesehen ist,
die in die Bohrung im Zwischenstück mündet, und
- – die Bohrung im Zwischenstück und die damit
verbundene Bohrung im Sockel eine Druckzufuhrleitung bilden.
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Gemäß einer
zweiten Ausgestaltung der Erfindung dient die Druck-Messeinrichtung
zur Erfassung von Absolutdrücken. Sie weist unter der Messmembran
eine von der Messmembran, deren Träger und dem Zwischenstück
vollständig abgeschlossene evakuierte Kammer auf. Zusätzlich
ist im Zwischenstück eine parallel zu dessen Längsachse
verlaufende sockelseitig mündende Sacklochbohrung vorgesehen.
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Gemäß einer
Weiterbildung ist der Außendurchmesser des durch die Ausnehmung
freiliegenden ersten zylindrischen Abschnitts geringer als der Außendurchmesser
der Messmembran.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung ist der Halbleiter-Drucksensor ein Sensor
auf Siliziumbasis. Das Zwischenstück besteht aus Silizium,
und der Sockel besteht aus Metall oder aus Keramik.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung sind das Zwischenstück und der Sockel
miteinander durch eine Klebung oder eine Lötung mechanisch
fest verbunden.
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Des
Weiteren besteht die Erfindung in einem Verfahren zur Herstellung
einer erfindungsgemäßen Druck-Messeinrichtung,
bei dem das Zwischenstück aus einer ersten, einer zweiten
und einer dritten Siliziumscheibe hergestellt wird, in dem
- – die erste und die zweite Siliziumscheibe
bündig aufeinander gesetzt und durch Bonden miteinander
verbunden werden,
- – ein konzentrisch zur Scheibenmitte angeordneter ringscheibenförmiger
Bereich der zweiten Siliziumschicht weggeätzt wird,
- – wobei dieser Bereich einen Außendurchmesser
aufweist, der gleiche dem Außendurchmesser der Ausnehmung
ist, und einen Innendurchmesser aufweist, der gleich dem Außendurchmesser
des ersten zylindrischen Abschnitts des Zwischenstücks
ist,
- – eine dritte Siliziumscheibe auf die zweite Siliziumscheibe
bündig aufgesetzt und mit dieser durch Bonden verbunden
wird,
- – ein konzentrisch zur Scheibenmitte angeordneter hohlzylindrischer
Bereich der dritten Siliziumschicht weggeätzt wird,
- – wobei dieser Bereichs einen Außendurchmesser
aufweist, der gleiche dem Außendurchmesser der Ausnehmung
ist, und einen Innendurchmesser aufweist, der gleich dem Außendurchmesser
des zweiten zylindrischen Abschnitts des Zwischenstücks
ist, und
- – der Halbleiter-Drucksensor auf einer von der zweiten
Siliziumschicht abgewandten Seite der ersten Siliziumschicht befestigt
wird.
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Gemäß einer
Weiterbildung des Verfahrens weist die erste und/oder die zweite
Siliziumscheibe auf einer oder auf beiden Außenflächen
eine Oxidschicht auf, und die erste und die zweite Siliziumscheibe
werden miteinander durch Hochtemperatur-Waferbonden verbunden, wobei
sich mindestens eine der Oxidschichten zwischen der ersten und der
zweiten Siliziumscheibe befindet. Ebenso weist die zweite und/oder
die dritte Siliziumscheibe auf einer oder auf beiden Außenflächen
eine Oxidschicht auf, und die zweite und die dritte Siliziumscheibe
werden miteinander durch Hochtemperatur-Waferbonden verbunden, wobei
sich mindestens eine der Oxidschichten zwischen der zweiten und
der dritten Siliziumscheibe befindet.
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Gemäß einer
Weiterbildung des Verfahrens erfolgt die Befestigung des Halbleiter-Drucksensors
derart, dass
- – die von der zweiten
Siliziumschicht abgewandten Seite der ersten Siliziumschicht, insb.
mittels einer isotropen Ätzung, chemisch poliert wird,
und
- – der Halbleiter-Drucksensor mittels Niedertemperatur-Siliziumdirektbonden
auf der polierten Oberfläche befestigt wird.
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Gemäß einer
ersten Variante des Verfahrens wird
- – die
die von der zweiten Siliziumschicht abgewandten Seite der dritten
Siliziumschicht, insb. mittels einer isotropen Ätzung,
chemisch poliert, und
- – das Zwischenstück auf den Sockel mittels
eines Silikonkautschuks aufgeklebt.
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Gemäß einer
zweiten Variante des Verfahrens wird das Zwischenstück
auf den Sockel mittels eines Epoxidharzklebers aufgeklebt.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausbildung der Ausnehmung
ist eine zuverlässige mechanische Entkopplung der Messmembran
gewährleistet. Insb. werden Auswirkungen von durch die
Verbindung zwischen dem Sockel und dem Zwischenstück verursachten
mechanischen Verspannungen auf die Messeigenschaften der Messmembran
weitgehend vermieden.
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Ein
wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Druck-Messeinrichtung
besteht darin, dass sie eine hohe mechanische Stabilität
gewährleistet. Durch die erfindungsgemäße
Unterteilung der Ausnehmung im Zwischenstück in eine den
dünnen ersten zylindrischen Abschnitt umschließende
Ausnehmung und eine sockelseitig daran angrenzende den dickeren
zweiten zylindrischen Abschnitt umschließende Nut, steht
sockelseitig eine große Verbindungsfläche für
die mechanische Befestigung des Zwischenstücks auf dem
Sockel zur Verfügung. Gleichzeitig besteht durch die sockelseitige Öffnung
der Ausnehmung und den vergleichsweise dünnen ersten zylindrischen
Abschnitt eine zuverlässige Entkopplung der Messmembran.
Mechanische Verspannungen, die durch die Verbindung zwischen dem
Sockel und dem Zwischenstück verursacht werden, haben damit
praktisch keine Auswirkungen mehr auf das Übertragungsverhalten
und die Messeigenschaften der Messmembran. Dementsprechend ist die
erzielbare Messgenauigkeit mit einer hohen Langzeitstabilität
und großer Reproduzierbarkeit gewährleistet.
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Die
Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung,
in denen zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher
erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den
gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt
einen Schnitt durch eine aus dem Stand der Technik bekannt Druckmesseinrichtung;
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2 zeigt
einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Druck-Messeinrichtung
zur Erfassung von Relativ- oder Differenzdrücken;
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3 zeigt
eine zur Herstellung der erfindungsgemäßen Druck-Messeinrichtung
verwendete beidseitig oxidierte Siliziumscheibe mit einer Mittelbohrung;
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4 zeigt
eine erste und eine damit verbundene zweite Siliziumscheibe;
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5 zeigt
den in 4 dargestellten Verbund, bei dem in der zweiten
Siliziumscheibe eine Ausnehmung eingeätzt wurde;
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6 zeigt
den Verbund von 5 mit einer darauf aufgebrachten
dritten Siliziumscheibe;
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7 zeigt
den Verbund von 6 mit einer in der dritten Siliziumscheibe
eingeätzten Nut;
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8 zeigt
den Verbund von 7, bei dem die äußeren
beiden Oxidschichten entfernt wurden;
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9 zeigt
das Zwischenstück der in 2 dargestellten
Druck-Messeinrichtung mit dem darauf montierten Halbleiter-Drucksensor;
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10 zeigt
eine erfindungsgemäße Druck-Messeinrichtung zur
Erfassung von Absolutdrücken; und
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11 zeigt
das Zwischenstück der Druck-Messeinrichtung von 10 zusammen
mit dem darauf montierten Halbleiter-Drucksensor.
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2 zeigt
einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäße Druck-Messeinrichtung. Die hier
dargestellte Variante der Erfindung ist für die Erfassung
von Differenzdrücken sowie für die Erfassung von
Relativdrücken geeignet. Sie umfasst einen metallischen
Sockel 13, ein auf dem Sockel 13 angeordnetes
mit dem Sockel 13 verbundenes Zwischenstück 15 aus
einem Halbleiter, und einen auf dem Zwischenstück 15 angeordneten
mit dem Zwischenstück 15 verbundenen Halbleiter-Drucksensor 17.
Das Zwischenstück 15 besteht vorzugsweise aus
dem gleichen Werkstoff, der auch für die Herstellung des
Halbleiter-Drucksensors 17 verwendet wird, insb. aus Silizium.
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Der
Sockel 13 besteht beispielsweise aus Metall oder aus Keramik
und dient dazu, den Halbleiter-Drucksensor 17 in einem
nur Ausschnittweise dargestellten Gehäuse 18 zu
montieren. Der Sockel 13 ist beispielsweise ein zylindrisches
Ansatzstück oder ein Podest, das als integraler Bestandteil
des Gehäuses 18 oder als ein separates im Gehäuse 18 befestigtes
Bauteil ausgebildet sein kann.
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Der
Halbleiter-Drucksensor 17 ist ein Drucksensor-Chip auf
Siliziumbasis, und weist einen Träger 19 und eine
von dem Träger 19 getragene Messmembran 21 auf.
Der Träger 19 weist eine ringscheibenförmige Stirnfläche
auf, die auf einem formgleichen äußeren Rand des
Zwischenstück 15 aufliegt und mit diesem fest verbunden
ist.
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Im
Messbetrieb wird ein erster Druck p1 einer ersten Seite der Messmembran 21 zugeführt.
Ein zweiter Druck p2 wird der dieser gegenüberliegenden
zweiten Seite der Messmembran 21 zugeführt. Bei
einer Relativdruckmessung entspricht der erste Druck p1 dem zu messenden
Druck und der zweite Druck p2 dem Referenzdruck, auf den der zu
messende Druck zu beziehen ist. Bei einer Differenzdruckmessung
sind der erste und der zweite Druck p1, p2, die beiden Drücke,
deren Druckdifferenz gemessen werden soll. Die zwischen dem ersten
und dem zweiten Druck p1, p2 bestehende Druckdifferenz Δp:=
p1 – p2 bewirkt eine vom zu messenden Differenzdruck bzw.
vom zu messenden Relativdruck abhängige Auslenkung der
Messmembran 21, die über auf der Messmembran 21 angeordnete
Sensorelemente 23, z. B. piezoresistive Widerstände,
erfasst und in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt wird.
Das Ausgangssignal steht dann über an die Sensorelemente 21 angeschlossene
Anschlussleitungen 25 einer weiteren Verarbeitung und/oder
Auswertung zur Verfügung.
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Der
erste Druck p1 wird der ersten Seite der Messmembran 21 von
außen zugeführt. Dies kann auf vielfältige
Weise geschehen. In dem dargestellten Beispiel ist der Halbleiter-Drucksensor 17 derart
auf den im Gehäuse 18 befindlichen Sockel 13 montiert,
dass die vom Sockel 13 abgewandte erste Seite der Messmembran 21 in
einem im Gehäuse 18 befindlichen Innenraum 27 weist,
dem der erste Druck p1 zugeführt ist.
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Der
zweite Druck p2 wird der zweiten Seite der Messmembran 21 über
eine Druckzuleitung 28 zugeführt, die durch den
Sockel 13 und das Zwischenstück 15 hindurch
führt und in einer unter der Messmembran 21 eingeschlossenen
von dem Träger 19 und dem Zwischenstück 15 abgeschlossenen
Druckmesskammer 31 mündet. Die Druckzuleitung 28 ist
durch eine Bohrung 29 im Zwischenstück 15 und
eine daran anschließende weitere Bohrung 30 im
Sockel 13 gebildet. Die Bohrung 29 ist mittig
im Zwischenstück 15 angeordnet. Sie verläuft
parallel zu dessen Längsachse L und mündet sockelseitig.
Die Bohrung 29 führt durch das Zwischenstück 15 hindurch
und mündet in der unter der Messmembran 21 eingeschlossenen
von dem Träger 19 und dem Zwischenstück 15 abgeschlossenen
Druckmesskammer 31. Die weitere Bohrung 30 führt
durch den Sockel 13 hindurch. Sie ist mittig im Sockel 13 angeordnet,
verläuft parallel zu dessen Längsachse L, und
mündet in die Bohrung 29 im Zwischenstück 15.
Beide Bohrungen 29, 30 verlaufen entlang der Längsachse
L des jeweiligen Bauteils, die mit der Längsachse L der
Messeinrichtung zusammen fällt und vorzugsweise durch die
Mitte der Messmembran 21 führt.
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Erfindungsgemäß weist
das Zwischenstück 15 eine im Inneren des Zwischenstücks 15 verlaufende ringförmig
umlaufende Ausnehmung 33 auf, die zu einer dem Sockel 13 zugewandten
Seite des Zwischenstücks 15 hin offen ist. 8 zeigt
das Zwischenstück 15 des in 2 dargestellten
Ausführungsbeispiels im Detail. Die Ausnehmung 33 ist
derart ausgebildet, dass durch sie im Inneren der Ausnehmung 33 ein
erster zylindrischer Abschnitt 35 des Zwischenstücks 15 und
ein sockelseitig daran angrenzender zweiter zylindrischer Abschnitt 37 entsteht.
Der zweite zylindrische Abschnitt 37 weist einen größeren
Außendurchmesser auf als der erste zylindrische Abschnitt 35.
Die Ausnehmung 33 umschließt den dünneren
ersten zylindrischen Abschnitt 35 und den sockelseitig
daran angrenzenden dickeren zweiten zylindrischen Abschnitt 37.
Hierzu besteht die Ausnehmung 33 aus einer die Bohrung 29 konzentrisch
umgebenden zylindrischen Nut 39 an die auf deren vom Sockel 13 abgewandten
Seite eine hohlzylinderförmige Ausnehmung 41 angrenzt,
deren Außendurchmesser gleich dem Außendurchmesser
der Nut 39 ist, und deren Innendurchmesser geringer als
der Innendurchmesser der Nut 39 ist. Entsprechend ist der
Außendurchmesser des durch die Ausnehmung 33 freiliegenden
ersten Abschnitts 35 geringer als der Außendurchmesser
des durch die Ausnehmung 33 freiliegenden zweiten zylindrischen
Abschnitts 37.
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Der
zweite Abschnitt 37 weist eine dem Sockel 13 zugewandte
kreisringscheibenförmige auf einer freiliegenden formgleichen
Stirnfläche des Sockels 13 aufliegende Stirnfläche 43 auf,
die eine Verbindungsfläche bildet über die das
Zwischenstück 15 mit dem Sockel 13 mechanisch
fest verbunden ist. Die Verbindung erfolgt vorzugsweise durch eine
Klebung oder eine Lötung. Dabei ist der Außendurchmesser
des Sockels 13 vorzugsweise gleich dem Außendurchmesser
des zweiten Abschnitts 37, so dass die Ausnehmung 33 über
die sockelseitige Mündung der Nut 39 nach unten
geöffnet ist. Durch die Ausnehmung 33 ist ein äußerer
sockelseitig frei liegender Teilabschnitt 40 von dem ersten
und dem zweiten Abschnitt 35, 37 abgetrennt.
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Durch
die erfindungsgemäße Form der Ausnehmung 33 wird
erreicht, dass der Außendurchmesser des sockelseitigen
zweiten Abschnitts 37 unabhängig von dem Außendurchmesser
des ersten Abschnitts 35 dimensioniert werden kann. Dabei
bewirkt der dünnere erste Abschnitt 35 zusammen
mit der sockelseitigen Öffnung der Ausnehmung 33 eine
zuverlässige Entkopplung der Messmembran 21 von
durch die mechanische Verbindung des Zwischenstücks 15 mit
dem Sockel 13 verursachten mechanischen Spannungen. Vorzugsweise
ist der Außendurchmesser des ersten Abschnitts 35 geringer
als der Außendurchmesser der Messmembran 21.
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Die
größere Außendurchmesser des zweiten
Abschnitts 37 gewährleistet, dass eine große
Verbindungsfläche für die mechanische Verbindung
zwischen dem Sockel 13 und dem Zwischenstück 15 zur
Verfügung steht.
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Die
Herstellung der erfindungsgemäßen Druck-Messeinrichtungen
erfolgt vorzugsweise unter Verwendung von in der MEMS Technologie
verwendeten Prozessen. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren
ist hier zunächst anhand der in 2 dargestellten
Druck-Messeinrichtung zur Messung von Differenz- oder Relativdrücken
näher erläutert.
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Zentrales
Element ist dabei die Herstellung des Zwischenstücks 15.
Das Zwischenstück 15 wird vorzugsweise aus drei
formgleichen Siliziumscheiben 45, 47, 49 aufgebaut.
Die Grundfläche der Siliziumscheiben 45, 47, 49 ist
die an die Geometrie des Halbleiter-Drucksensors 17 angepasst.
D. h., in Verbindung mit einem Halbleiter-Drucksensor 17 mit
rechteckiger Grundfläche werden Siliziumscheiben 45, 47, 49 mit
rechteckiger Grundfläche eingesetzt, in Verbindung mit
einem Halbleiter-Drucksensor 17 mit kreisförmiger
Grundfläche entsprechend solche mit kreisförmiger
Grundfläche. Die Siliziumscheiben 45, 47, 49 weisen
beispielsweise einen Durchmesser bzw. eine Seitenlänge
von ca. 100 mm und eine Dicke von ca. 500 μm auf.
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In
dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel werden alle
Siliziumscheiben 45, 47, 49 beidseitig
oxidiert, so dass sie auf deren beiden scheibenförmigen
Außenseiten jeweils eine Oxidschicht 51 aufweisen.
Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
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Anschließend
wird jede Siliziumscheibe 45, 47, 49 mit
einer Mittelbohrung 53 versehen. Dieser Zustand ist in 3 dargestellt.
Die Mittelbohrungen 53 können mechanisch erzeugt
werden. Vorzugsweise werden sie jedoch durch einen trockenchemischen Ätzvorgang
hergestellt.
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Nachfolgend
werden zwei der Siliziumscheiben, hier die erste Siliziumscheibe 45 und
die zweite Siliziumscheibe 47 bündig aufeinander
gesetzt und miteinander durch Bonden verbunden. Dies ist in 4 dargestellt.
Die Ausrichtung (Alignment) der beiden Siliziumscheiben 45, 47 erfolgt
dabei vorzugsweise über die Mittelbohrungen 53 der
beiden Siliziumscheiben 45, 47.
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Die
Bondverbindung erfolgt vorzugsweise mittels Waferdirektbonden bei
hoher Temperatur, insb. bei einer Temperatur von 1000°C
bis 1100°C, wobei sich mindestens eine Oxidschicht 51 zwischen
der ersten und der zweiten Siliziumscheibe 45, 47 befindet.
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In
einem nachfolgenden Arbeitsgang wird ein konzentrisch zur Scheibenmitte
angeordneter ringscheibenförmiger Bereich 55 der
zweiten Siliziumschicht 47 weggeätzt. Der Bereich 55 ist
in 4 gestrichelt dargestellt. Er weist einen Außendurchmesser
auf, der gleiche dem Außendurchmesser der Ausnehmung 33 ist, und
er weist einen Innendurchmesser auf, der gleich dem Außendurchmesser
des dünneren ersten zylindrischen Abschnitts 35 des
Zwischenstücks 15 ist.
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Zur
Entfernung des Bereichs 55 wird vorzugsweise die auf der
von der ersten Siliziumschicht 45 abgewandten Seite der
zweiten Siliziumschicht 47 vorhandene äußere
Oxidschicht 51 mittels Lithographie strukturiert und der
Bereich 55 mittels einer trocken chemischen Tiefenätzung
entfernt. Dies bietet den Vorteil, dass die äußere
Oxidschicht 51 als Maske für die nachfolgende
Trockentiefenätzung zur Verfügung steht. Ein weiterer
Vorteil besteht darin, dass die zwischen der ersten und der zweiten
Siliziumschicht 45, 47 eingeschlossenen Oxidschichten 51 aufgrund
der hohen Ätzselektivität zwischen Silizium und
Siliziumoxid einen wirksamen Ätzstopp bilden.
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Durch
die Entfernung des Bereichs 55 entsteht die in 5 dargestellte
ringscheibenförmige Ausnehmung 41, die im Endzustand
den ersten zylindrischen Abschnitt 35 umgibt.
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Anschließend
wird die dritte Siliziumscheibe 49 auf die zweite Siliziumscheibe 47,
wie in 6 dargestellt, bündig aufgesetzt. Die
dritte Siliziumscheibe 49 liegt dann auf der von der ersten
Siliziumscheibe 45 abgewandten Seite der zweiten Siliziumschiebe 47 auf.
Die Ausrichtung (Alignment) der dritten Siliziumscheibe 49 gegenüber
dem Verbund der beiden anderen Siliziumscheiben 45, 47 erfolgt
dabei vorzugsweise über die Mittelbohrungen 53 der
Siliziumscheiben 45, 47, 49. Die dritte
Siliziumscheibe 49 wird nun mit der zweiten Siliziumscheibe 47 durch
Bonden verbunden werden. Die Bondverbindung erfolgt auch hier vorzugsweise
mittels Waferdirektbonden bei hoher Temperatur, insb. bei einer
Temperatur von 1000°C bis 1100°C, wobei sich mindestens
Oxidschicht 51 zwischen der zweiten und der dritten Siliziumscheibe 47, 49 befindet.
Die Gesamtdicke des auf diese Weise gebildeten Waferverbundes beträgt
nun beispielsweise ca. 1,5 mm.
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In
einem nachfolgenden Arbeitsgang wird ein konzentrisch zur Scheibenmitte
angeordneter hohlzylindrischer Bereich 57 der dritten Siliziumschicht 49 weggeätzt.
Der Bereich 57 ist in 6 gestrichelt
dargestellt. Er weist einen Außendurchmesser auf, der gleiche
dem Außendurchmesser der Ausnehmung 33 ist, und
er weist einen Innendurchmesser auf, der gleich dem Außendurchmesser
des zweiten zylindrischen Abschnitts 37 ist.
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Zur
Entfernung des Bereichs 57 wird vorzugsweise die auf der
von der zweiten Siliziumschicht 47 abgewandten Seite der
dritten Siliziumschicht 49 vorhandene äußere
Oxidschicht 51 mittels Lithographie strukturiert und der
Bereich 57 mittels einer trocken chemischen Tiefenätzung
entfernt. Dies bietet den Vorteil, dass die äußere
Oxidschicht 51 als Maske für die nachfolgende
Trockentiefenätzung zur Verfügung steht.
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Durch
die Entfernung des Bereichs 57 entsteht die in 7 dargestellte
zylindrische Nut 39, die im Endzustand den zweiten zylindrischen
Abschnitt 37 des Zwischenstücks 15 umgibt.
Die zylindrische Nut 39 bildet zusammen mit der daran angrenzenden
ringscheibenförmigen Ausnehmung 41 die Ausnehmung 33.
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Die
Bohrung 29 wird durch die im Endzustand aneinander angrenzenden
Mittelbohrungen 53 der Siliziumscheiben 45, 47, 49 gebildet.
Der Durchmesser der Bohrung 29 beträgt vorzugsweise
mindestens 0,8 mm und die Wandstärken der die Bohrung 29 umgebenden
ersten und zweiten zylindrischen Abschnitts 35, 37 betragen
vorzugsweise mindestens 2 mm.
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Anschließend
wird der Halbleiter-Differenzdrucksensor 17 auf einer von
der zweiten Siliziumschicht 47 abgewandten Seite der ersten
Siliziumschicht 45 befestigt. Hierzu wird vorzugsweise
ein Bondverfahren eingesetzt. Die Wahl des Verfahrens ist dabei
abhängig von der Temperaturbeständigkeit des Halbleiter-Drucksensors 17.
Ist der Halbleiter-Drucksensor 17 in diesem Herstellungsstadium
ein bereits vollständig strukturierter und metallisierter
Chip, so erfolgt die Verbindung vorzugsweise mittels Niedertemperatur-Siliziumdirektbonden.
Hierzu wird die auf der von der zweiten Siliziumschicht 47 abgewandten
Seite der ersten Siliziumschicht 45 befindliche Oxidschicht 51 entfernt
und die von der zweiten Siliziumschicht 47 abgewandte Seite
der ersten Siliziumschicht 45 chemisch poliert. Dies geschieht
vorzugsweise mittels einer sukzessiven isotropen nass- oder trockenchemischen Ätzung.
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Anschließend
wird der Halbleiter-Drucksensor 17 auf der polierten Oberfläche
mittels Niedertemperatur-Siliziumdirektbonden bei Temperaturen unterhalb
von 400°C befestigt.
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Kann
der Halbleiter-Drucksensor 17 dagegen auch nach dessen
Befestigung auf dem Zwischenstück 15 strukturiert
und metallisiert werden, so erfolgt die Verbindung vorzugsweise
mittels Hochtemperatur-Waferbonden, wobei hierzu auf der dem Halbleiter-Drucksensor 17 zugewandten
Seite der ersten Siliziumscheibe 45 die Oxidschicht 51 vorzusehen
ist. Dieses Verfahren bietet den Vorteil, dass die Fügeflächen
nicht die hohen für das Direktbonden erforderlichen Anforderungen
zu erfüllen haben, und dass eine festere Bindung erzielt
wird.
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Abschließend
wird das Zwischenstück 15 auf den Sockel 13 aufgeklebt
oder aufgelötet.
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Die
Klebung kann beispielsweise mittels eines Epoxidharzklebers erfolgen.
Hierzu wird die auf der von der zweiten Siliziumschicht 47 abgewandten
Seite der dritten Siliziumschicht 47 gegebenenfalls befindliche Oxidschicht 51 entfernt,
und das Zwischenstück 15 auf den Sockel 13 mit
Epoxidharz aufgeklebt. Die Oxidschicht 51 kann beispielsweise
mittels eines Ätzvorganges entfernt werden. Dabei wird
vorzugsweise ein Ätzverfahren gewählt, dass eine
raue Oberfläche erzeugt, da Epoxidharzkleber auf rauen
Oberflächen besser haftet.
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Die
Klebung kann aber auch mittels eines Silikonkautschuks erfolgen.
Hierzu wird die auf der von der zweiten Siliziumschicht 47 abgewandten
Seite der dritten Siliziumschicht 49 gegebenenfalls befindliche
Oxidschicht 51 entfernt, und die von der zweiten Siliziumschicht 47 abgewandten
Seite der dritten Siliziumschicht 49 chemisch poliert.
Beide Vorgänge werden vorzugsweise in einem einzigen Arbeitsgang
mittels einer sukzessiven nass- oder trockenchemischen isotropen Ätzung
ausgeführt. Abschließend wird das Zwischenstück 15 auf
den Sockel 13 mit Silikonkautschuk aufgeklebt.
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Silikonkautschuk
wird vorzugsweise für Druck-Messeinrichtungen zur Erfassung
von Drücken von weniger als 100 mbar verwendet. Epoxidharzkleber
ist dagegen auch für höhere Druckmessbereiche
einsetzbar.
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Wenn
auf beiden Außenseiten des in 7 dargestellten
Verbundes nun zu entfernende Oxidschichten 51 vorgesehen
sind, so empfiehlt es sich, die die Entfernung beider Oxidschichten 51 in
einem Arbeitsgang vorzunehmen, bevor der Halbleiter-Drucksensor 17 aufgebracht
wird. Das Ergebnis ist in 8 dargestellt.
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Die
Erfindung ist nicht auf Druck-Messeinrichtungen zur Erfassung von
Differenzdrücken oder von Relativdrücken beschränkt.
Sie ist in analoger Weise auch in Druck-Messeinrichtungen zur Erfassung
von Absolutdrücken einsetzbar. 10 zeigt
ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Druck-Messeinrichtung zur Erfassung von Absolutdrücken.
Aufgrund der großen Übereinstimmung mit dem zuvor
beschriebenen Ausführungsbeispiel werden nachfolgend lediglich
die bestehenden Unterschiede näher erläutert.
Der grundsätzliche Aufbau ist identisch zu dem in 2 dargestellten.
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Dementsprechend
umfasst die in 10 dargestellte Druck-Messeinrichtung
zur Erfassung von Absolutdrücken einen Sockel 13',
ein auf dem Sockel 13' angeordnetes mit dem Sockel 13' verbundenes
Zwischenstück 15' aus einem Halbleiter, und einen
auf dem Zwischenstück 15' angeordneten mit dem
Zwischenstück 15' verbundenen Halbleiter-Drucksensor 17 mit
dem Träger 19 und der Messmembran 21.
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Im
Unterschied zu dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel
wird der Messmembran 21 nur der zu messende Druck p, zugeführt.
Dies erfolgt auf die gleiche Weise, wie die Zufuhr des Druckes p1
im vorherigen Ausführungsbeispiel. Dementsprechend ist
eine durchgängig durch den Sockel 13' und das
Zwischenstück 15' hindurchführende in
einer Druckmesskammer 31 mündende Druckzufuhrleitung 28 nicht
erforderlich. Stattdessen befindet sich unter der Messmembran 21 eine
von der Messmembran 21, deren Träger 19 und dem
Zwischenstück 15' vollständig abgeschlossene
evakuierte Kammer 61. Eine Bohrung im Zwischenstück 15' ist
für die Druckzufuhr nicht erforderlich. Da die Bohrung
jedoch die mechanische Entkopplung verstärkt, kann auch
bei Absolutdruck-Messeinrichtungen eine Bohrung im Zwischenstück 15' vorgesehen
werden. Im Unterschied zur Bohrung 29 ist diese Bohrung
hier eine sockelseitig mündende Sacklochbohrung 59.
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Zur
mechanischen Entkopplung der Messmembran 21 von temperaturabhängigen
Verspannungen, wie sie durch die mechanische Verbindung zwischen
dem Sockel 13' und dem Zwischenstück 15' hervorgerufen
werden können, ist auch hier erfindungsgemäß im
Zwischenstück 15' eine im Inneren des Zwischenstücks 15' verlaufende
ringfömig umlaufende Ausnehmung 33 vorgesehen,
die derart geformt ist, das ein dünner erster zylindrischer
Abschnitt 35 und ein sockelseitig daran angrenzender dickerer
zweiter zylindrischer Abschnitt 37 entsteht. Die Ausnehmung 33 umschließt
die beiden Abschnitte 35, 37, und ist zu einer
dem Sockel 13' zugewandten Seite des Zwischenstücks 15' hin
offen. Sockel 13' und Zwischenstück 15' sind
auf die zuvor bereits anhand der in 2 dargestellten
Ausführungsbeispiels beschriebene Weise mechanisch fest
miteinander verbunden. Im Unterschied zu dem zuvor beschriebenen
Ausführungsbeispiel kann die im vorherigen Ausführungsbeispiel
vorgesehene Bohrung 30 im Sockel 13' entfallen.
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Das
Herstellungsverfahren erfolgt analog zu dem zuvor beschriebenen
Herstellungsverfahren für den in
2 dargestellten
Druck-Messaufnehmer. Der einzige Unterschied besteht darin, dass
anstelle der ersten Siliziumscheibe
45 eine beidseitig
eine Oxidschicht
51 aufweisende erste Siliziumscheibe
45' verwendet
wird, die keine Mittelbohrung
53 aufweist. Diese Siliziumscheibe
45' bildet
die Rückwand der Sacklochbohrung
59 im Zwischenstück
15' und
schließt die Kammer
61 sockelseitig vollständig
ab. Der resultierende das Zwischenstück
15' bildende
Schichtenverbund ist in
11 zusammen
mit dem darauf angeordneten Halbleiter-Drucksensor
17 dargestellt.
| 1 | Halbleiter-Drucksensor |
| 3 | Träger |
| 5 | Messmembran |
| 7 | Zwischenstück |
| 9 | Sockel |
| 11 | Ringnut |
| 13, 13' | Sockel |
| 15, 15' | Zwischenstück |
| 17 | Halbleiter-Drucksensor |
| 18 | Gehäuse |
| 19 | Träger |
| 21 | Messmembran |
| 23 | Sensorelemente |
| 25 | Anschlussleitungen |
| 27 | Innenraum |
| 28 | Druckzuleitung |
| 29 | Bohrung |
| 30 | Bohrung |
| 31 | Druckmesskammer |
| 33 | Ausnehmung |
| 35 | erster
zylindrischer Abschnitt |
| 37 | zweiter
zylindrischer Abschnitt |
| 39 | Nut |
| 40 | hohlzylindrischer
frei liegender Teilabschnitt des Zwischenstücks |
| 41 | hohlzylinderförmige
Ausnehmung |
| 43 | Stirnfläche |
| 45, 45' | erste
Siliziumscheibe |
| 47 | zweite
Siliziumscheibe |
| 49 | dritte
Siliziumscheibe |
| 51 | Oxidschicht |
| 53 | Mittelbohrung |
| 55 | Bereich
der zweiten Siliziumschicht |
| 57 | Bereich
der dritten Siliziumschicht |
| 59 | Sacklochbohrung |
| 61 | evakuierte
Kammer |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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