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WO2018158116A1 - Mikromechanischer drucksensor - Google Patents

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WO2018158116A1
WO2018158116A1 PCT/EP2018/054200 EP2018054200W WO2018158116A1 WO 2018158116 A1 WO2018158116 A1 WO 2018158116A1 EP 2018054200 W EP2018054200 W EP 2018054200W WO 2018158116 A1 WO2018158116 A1 WO 2018158116A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pressure sensor
spring element
core
micromechanical
frame
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2018/054200
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Volkmar Senz
Robert Maul
Tamas DÖGEI
Thomas Friedrich
Arne Dannenberg
Ferenc Lukacs
Helmut Grutzeck
Friedjof Heuck
Mike Schwarz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to US16/488,470 priority Critical patent/US11060937B2/en
Priority to CN201880015292.2A priority patent/CN110383027B/zh
Publication of WO2018158116A1 publication Critical patent/WO2018158116A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0042—Constructional details associated with semiconductive diaphragm sensors, e.g. etching, or constructional details of non-semiconductive diaphragms
    • G01L9/0045—Diaphragm associated with a buried cavity
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    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
    • G01L9/0073—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance using a semiconductive diaphragm

Definitions

  • the invention relates to a micromechanical pressure sensor.
  • the invention further relates to a method for producing a micromechanical
  • Modern packaging techniques make it necessary to mechanically decouple the pressure-sensitive part of a pressure sensor in the form of a pressure sensor membrane by means of special spring designs to the remaining part of the sensor and thus to make independent of AVT influences (assembly and connection technology), as for example in the sensor LPS22HB of STMicroelectronics is realized.
  • External influences which put the pressure sensor under mechanical stress are, for example, mechanical stresses due to a molding process, a construction with several materials with different thermal expansion coefficients, stress due to stress
  • a micromechanical pressure sensor in which a pressure difference is measured as a function of a deformation of a sensor membrane is known e.g. known from DE 10 2004 006 197 A1.
  • micromechanical pressure sensor comprising:
  • a pressure sensor core having a sensor membrane and a cavity formed above the sensor membrane
  • a spring element for the mechanical connection of the pressure sensor core to the pressure sensor frame is designed such that a mechanical robustness is maximized and a Stresseinkopplung of
  • Pressure sensor frame is minimized on the pressure sensor core.
  • an optimized connection of the pressure sensor core is provided to the pressure sensor frame, with a sufficient stability in external acceleration (eg by improper dropping of the pressure sensor) with a robustness of the pressure sensor to mechanical stress from the environment (eg in the form of a bending of the pressure sensor frame) is realized.
  • said mechanical stress from the environment can advantageously be kept away from the pressure sensor membrane, whereby an optimized operating behavior of the micromechanical pressure sensor is supported.
  • a micromechanical pressure sensor is provided with an all-sided pressure sensor membrane with optimized connection of the pressure sensor core, whereby an efficient stress decoupling structure is realized.
  • the object is achieved with a method for producing a micromechanical pressure sensor, comprising the steps:
  • a spring element for the mechanical connection of the pressure sensor core to the pressure sensor frame is formed such that a mechanical robustness is maximized and a stress decoupling from
  • Pressure sensor frame is minimized on the pressure sensor core.
  • micromechanical pressure sensor Preferred embodiments of the micromechanical pressure sensor are the subject of dependent claims.
  • An advantageous development of the micromechanical pressure sensor provides that the pressure sensor core is connected to the pressure sensor frame by means of a cantilever-type spring element. In this way, a good mechanical decoupling of the pressure sensor core can be provided by the pressure sensor frame. This is useful, for example, for micromechanical pressure sensors, which usually can not fall to the ground, for example in permanently installed pressure sensors in the automotive sector.
  • no static torque can be coupled in with such sensors.
  • a further advantageous embodiment of the method provides that the spring element is connected by means of a connection element to the pressure sensor core, wherein the spring element is formed annularly around the pressure sensor core, wherein the spring element is connected by means of a further connection element to the pressure sensor frame.
  • a further advantageous development of the micromechanical pressure sensor is characterized in that the pressure sensor core is connected to the spring element by means of two symmetrically arranged connection elements, wherein the spring element is connected to the pressure sensor frame with a further connection element.
  • the pressure sensor core is connected to the spring element by means of two symmetrically arranged connection elements, wherein the spring element is connected to the pressure sensor frame with a further connection element.
  • a further advantageous development of the micromechanical pressure sensor provides that the spring element is connected to the pressure sensor core by means of a connection element, the spring element being connected to the pressure sensor frame by means of two symmetrically arranged connection elements. In this case, a further improved mechanical
  • a further advantageous development of the micromechanical pressure sensor is characterized in that the pressure sensor core is connected to the spring element by means of two connecting elements, wherein the spring element is formed annularly around the pressure sensor core, wherein the spring element is connected by means of two connecting elements to the pressure sensor frame.
  • a further advantageous development of the micromechanical pressure sensor is characterized in that the spring element is connected to the pressure sensor core with four symmetrically arranged connection elements, wherein the spring element is connected to the pressure sensor frame with two symmetrically arranged connection elements.
  • a stress decoupling is moved to the edge of the pressure sensor core. It can be supported by the fact that piezoelectric resistors are even better stress-decoupled.
  • Pressure sensor core is connected. This embodiment is similar to that of the previous ones, in which case even greater elasticity is provided in the xy plane.
  • micromechanical pressure sensor provides that electrical lines for the piezoresistive elements are guided on the spring elements, wherein a Wheatstone bridge circuit is realized. In this way, a space-optimized electrical wiring for the pressure sensor core is supported.
  • a further advantageous development of the micromechanical pressure sensor is characterized in that the spring element is connected to the pressure sensor core by means of four connecting elements arranged at vertices of the pressure sensor core. In this way, the suspension of the
  • connection elements are designed such that they provide an optimum with regard to robustness and mechanical stress decoupling between the pressure sensor core and the pressure sensor frame. In this way, an optimum between mechanical robustness and decoupling of mechanical stress is provided.
  • Disclosed method features are analogous to corresponding disclosed device features and vice versa. This means, in particular, that features, technical advantages and embodiments relating to the method for producing a micromechanical pressure sensor in an analogous manner from corresponding designs, features and technical
  • micromechanical pressure sensor result and vice versa.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of a micromechanical
  • Fig. 2 to 10 are cross-sectional views with embodiments of the
  • Fig. 1 1 shows a basic sequence of an embodiment of a
  • a core idea of the present invention is in particular a provision of an improved, in particular a robust and well-stress-decoupled micromechanical pressure sensor.
  • a basic structure of a proposed micromechanical pressure sensor 100 is shown in a cross-sectional view in FIG.
  • the pressure-sensitive part of the pressure sensor 100 hereinafter referred to as "pressure sensor island” or “pressure sensor core” 10
  • the pressure-sensitive part of the pressure sensor 100 hereinafter referred to as "pressure sensor island” or “pressure sensor core” 10
  • the pressure-sensitive part of the pressure sensor 100 hereinafter referred to as "pressure sensor island” or “pressure sensor core” 10
  • the pressure-sensitive part of the pressure sensor 100 hereinafter referred to as "pressure sensor island” or “pressure sensor core” 10
  • the pressure-sensitive part of the pressure sensor 100 hereinafter referred to as "pressure sensor island” or “pressure sensor core” 10
  • the pressure-sensitive part of the pressure sensor 100 hereinafter referred to as "pressure sensor island” or “pressure sensor core” 10
  • Pressure sensor core 10) is limited by the ASIC 30 and on the other side (above the pressure sensor core 10) by a back side grid.
  • the pressure sensor core 10 can be very much accelerated and thus the stabilizing springs (not shown) far deflected and possibly destroyed. For this reason, it is necessary relatively thick spring elements and a large distance to
  • External influences which put the pressure sensor under mechanical stress include, but are not limited to, e.g. a mechanical stress due to a molding process, and / or a structure with a material mix with different thermal expansion coefficients and / or stress
  • Fig. 1 shows a cross-sectional view of such a micromechanical pressure sensor 100, which is formed as a piezoresistive pressure sensor.
  • a pressure sensor frame 20 and a pressure sensor core 10 wherein the pressure sensor core 10 is electrically and mechanically coupled to the pressure sensor frame 20 in the above-mentioned manner.
  • the pressure sensor core 10 has a sensor membrane 14 in which piezoresistive elements 12 for detecting a deformation of the sensor membrane 14 are formed. Above the sensor membrane 14 of the pressure sensor core 10, a cavity 1 1 (vacuum reference cavern) is formed.
  • the pressure sensor core 10 is disposed within the cavity 13 in the manner explained above.
  • the pressure sensor frame 20 is coupled to an ASIC 30, which is electrically contacted via bonding elements 40 to the outside.
  • FIG. 2 shows a plan view of the pressure sensor core 10 with the sensor membrane 14 of the pressure sensor core 10. It can be seen that the pressure sensor core 10 is connected to the pressure sensor frame 20 by means of a single, cantilever-type spring element 15. Due to this singular connection is advantageously supported that only minimal mechanical stress from the pressure sensor frame 20 is coupled into the pressure sensor core 10.
  • a geometric dimension of the spring element 15 is such as to provide optimization in terms of mechanical stability and stress decoupling.
  • a width of the spring element 15 is about 10 ⁇ to about 50 ⁇ .
  • connection element or a single connection element
  • the attachment element is geometrically designed such that it provides an optimization relating to mechanical stability and stress decoupling. It is designed with the smallest possible mechanical contact cross-section, which maximizes robustness and on the other hand minimizes mechanical stress engagement or a
  • connection element of about 50 ⁇ x about ⁇ ⁇ .
  • the mentioned geometric parameters are preferably determined by computational simulation methods.
  • the suspension point in the x-direction experiences no moment, since the pressure sensor core 10 is suspended symmetrically in the x-direction.
  • the spring element 15 will not rotate about an imaginary line through the center of the diaphragm, parallel to the y-axis.
  • FIG. 2 realizes a very rigid connection of the pressure sensor core 10 to the mechanical mainland of the pressure sensor frame 20.
  • the spring element 15 can, as shown in the arrangement of FIG. 3, be formed in an annular manner around the pressure sensor core 10.
  • both connection elements 16, 17 experience a moment in the y direction because the pressure sensor core 10 is suspended asymmetrically in the y direction.
  • the spring element 15 is rotated about an imaginary line through the center of the diaphragm, parallel to the x-axis.
  • the thickness of the suspension is important to the mechanical stability of the suspension in the y direction.
  • the pressure sensor core 10 is relatively thick in relation to a width of the suspension (expansion in the x direction).
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the micromechanical pressure sensor 100 with a specific embodiment of the spring element 15.
  • This type of spring element 15 advantageously realizes stress decoupling by a suspension on a single connection element 17 of the pressure sensor frame 20. In this way, the pressure sensor core 10 is essentially nonexistent static moment due to bending of the mechanical mainland of the pressure sensor frame 20 exposed.
  • this type of suspension has the advantage that it acts symmetrically on the pressure sensor core 10. This will reduce the accelerated
  • the arrangement of the spring element 15 in the micromechanical pressure sensor 100 of FIG. 5 is similar in basic construction to that of FIG. 4. A difference is that the pressure sensor core 10 is connected to the spring element 15 at only a single connection element 16. As a result, compared to the embodiment of FIG. 4, the attachment elements 17 to the pressure sensor frame 20 can advantageously be reinforced by individual, area-intensive designs. In this case, it can be advantageously utilized that the design surface on the pressure sensor frame 20 is subject to lower restrictions than the design surface on the pressure sensor core 10.
  • the symmetrically configured embodiment of the micromechanical pressure sensor 100 of FIG. 6 has the particular advantage that a bending of the pressure sensor core 10 in a first approximation proportional to a relation between a width of the pressure sensor core 10 to a width of
  • connection element 17 reduced.
  • the spring element 15 is designed so soft for this purpose that it couples as no moment on the pressure sensor core 10. This can be explained by the fact that, in contrast to a one-sided coupling, this configuration can not couple external static mechanical stress of the pressure sensor frame 20 to the pressure sensor core 10 as well.
  • this arrangement is full symmetrical and occurring mechanical stresses are thus more balanced and lower in the dynamic case.
  • the configuration of the embodiment of FIG. 7 is a development of the embodiment of FIG. 6.
  • the piezoresistive elements 12 (for example in FIG.
  • Form of piezoresistive resistors) of the pressure sensor core 10 are connected to a maximization of the sensor signal to an electrical Wheatstone bridge.
  • the piezoresistive elements 12 detect any kind of mechanical stress.
  • the mechanical stress entry of the parasitic electrical leads is minimal, it is provided that the electrical
  • Pressure sensor core 10 are realized. To perform the spring design together with the electrical wiring as space-saving, the
  • the embodiment of the micromechanical pressure sensor 100 of FIG. 8 is basically based on the embodiment of FIG. 7. In the embodiment of FIG. 7, if the frame of the pressure sensor core 20 is stretched in the x direction, then the type of spring suspension will cause the frame inner spring frame in y-
  • any distortion of the pressure sensor frame 20 merely results in rotation of the pressure sensor core 10 and not in one
  • FIG. 9 optimizes the space needed for the requirements of the electrical wiring together with the advantages of the mechanical decoupling of the embodiment of Fig. 4. It can be seen that resulted in this case, a wiring 18 for the Wheatstone specific bridge circuit on the spring elements 15 is so optimal in this way
  • 10 shows a further embodiment of the micromechanical pressure sensor 100, in which the spring element 15 acts as far away as possible from the piezoresistive elements 12 on the pressure sensor core 10. This reduces the faulty mechanical stress entry into the pressure measurement.
  • FIG. 1 shows a basic sequence of a method for producing a micromechanical pressure sensor 100.
  • a pressure sensor core 10 having a sensor membrane 14 and a cavity 1 1 formed above the sensor membrane 14.
  • Provision of a pressure sensor frame 20 is carried out in a step 210, wherein a spring element 15 for mechanical connection of the pressure sensor core 10 to the pressure sensor frame 20 is formed such that mechanical robustness is maximized and stress involvement from the pressure sensor frame 20 to the pressure sensor core 10 is minimized.
  • micromechanical pressure sensor is capacitively formed.

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Abstract

Mikromechanischer Drucksensor (100), aufweisend: - einen Drucksensorkern (10) mit einer Sensormembran (14) und einer oberhalb der Sensormembran (14) ausgebildeten Kavität (11); und - einen Drucksensorrahmen (20); wobei - ein Federelement (15) zur mechanischen Anbindung des Drucksensorkerns (10) an den Drucksensorrahmen (20) derart ausgebildet ist, dass eine mechanische Robustheit maximiert ist und eine Stresseinkopplung vom Drucksensorrahmen (20) auf den Drucksensorkern (10) minimiert ist.

Description

Beschreibung Titel
Mikromechanischer Drucksensor
Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Drucksensor. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen
Drucksensors.
Stand der Technik
Moderne Verpackungstechniken machen es erforderlich, den drucksensitiven Teil eines Drucksensors in Form einer Drucksensormembran mittels spezieller Federdesigns zum restlichen Teil des Sensors mechanisch zu entkoppeln und damit unabhängig von AVT-Einflüssen (Aufbau- und Verbindungstechnik) zu machen, wie es zum Beispiel im Sensor LPS22HB von STMicroelectronics realisiert ist. Externe Einflüsse, welche den Drucksensor unter mechanischen Stress (z.B. Verbiegung) setzen, sind zum Beispiel mechanische Verspannungen aufgrund eines Moldprozesses, ein Aufbau mit mehreren Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, Stress durch
Lötverbindungen des aufgebauten Sensors auf einer externen Leiterplatte, usw.
Ein mikromechanischer Drucksensor, bei dem eine Druckdifferenz in Abhängigkeit von einer Verformung einer Sensormembran gemessen wird, ist z.B. aus DE 10 2004 006 197 A1 bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten,
insbesondere einen stressrobusten mikromechanischen Drucksensor bereit zu stellen. Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem mikromechanischen Drucksensor, aufweisend:
einen Drucksensorkern mit einer Sensormembran und einer oberhalb der Sensormembran ausgebildeten Kavität; und
- einen Drucksensorrahmen; wobei
ein Federelement zur mechanischen Anbindung des Drucksensorkerns an den Drucksensorrahmen derart ausgebildet ist, dass eine mechanische Robustheit maximiert ist und eine Stresseinkopplung vom
Drucksensorrahmen auf den Drucksensorkern minimiert ist.
Auf diese Weise wird eine optimierte Anbindung des Drucksensorkerns an den Drucksensorrahmen bereitgestellt, wobei eine ausreichende Stabilität bei externer Beschleunigung (z.B. durch ein unsachgemäßes Fallenlassen des Drucksensors) mit einer Robustheit des Drucksensors gegenüber mechanischem Stress aus der Umwelt (z.B. in Form einer Verbiegung des Drucksensorrahmens) realisiert ist. Dabei kann der genannte mechanische Stress aus der Umwelt vorteilhaft von der Drucksensormembran ferngehalten werden, wodurch ein optimiertes Betriebsverhalten des mikromechanischen Drucksensors unterstützt ist. Auf diese Weise wird ein mikromechanischer Drucksensor mit einer allseitig freigestellten Drucksensormembran mit optimierter Anbindung des Drucksensorkerns bereitgestellt, wodurch eine effiziente Stressentkopplungsstruktur realisiert ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Drucksensors, aufweisend die Schritte:
Bereitstellen eines Drucksensorkern mit einer Sensormembran und einer oberhalb der Sensormembran ausgebildeten Kavität; und
Bereitstellen einer Drucksensorrahmen; wobei
ein Federelement zur mechanischen Anbindung des Drucksensorkerns an den Drucksensorrahmen derart ausgebildet wird, dass eine mechanische Robustheit maximiert ist und eine Stressentkopplung vom
Drucksensorrahmen auf den Drucksensorkern minimiert ist.
Bevorzugte Ausführungsformen des mikromechanischen Drucksensors sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen. Eine vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Drucksensors sieht vor, dass der Drucksensorkern mittels eines kragbalkenartigen Federelements an den Drucksensorrahmen angebunden ist. Auf diese Weise kann eine gute mechanische Entkopplung des Drucksensorkerns vom Drucksensorrahmen bereitgestellt werden. Nützlich ist dies z.B. für mikromechanische Drucksensoren, die in der Regel nicht auf den Boden fallen können, beispielsweise bei fest verbauten Drucksensoren im Automobilbereich. Vorteilhaft kann bei derartigen Sensoren kein statisches Moment eingekoppelt werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass das Federelement mittels eines Anbindungselements an den Drucksensorkern angebunden ist, wobei das Federelement ringartig um den Drucksensorkern ausgebildet ist, wobei das Federelement mittels eines weiteren Anbindungselements an den Drucksensorrahmen angebunden ist. Auf diese Weise kann im Falle eines Aufpralls des Drucksensors auf den Boden eine geringere mechanische Belastung eingekoppelt werden. Auch bei dieser Variante kann in vorteilhafter Weise kein statisches Moment in den Drucksensorkern eingekoppelt werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Drucksensors zeichnet sich dadurch aus, dass der Drucksensorkern mittels zweier symmetrisch angeordneter Anbindungselemente an das Federelement angebunden ist, wobei das Federelement mit einem weiteren Anbindungselement an den Drucksensorrahmen angebunden ist. Bei dieser Ausführungsform sind vorteilhaft eine gute mechanische Entkopplung und eine platzsparende Bauweise unterstützt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Drucksensors sieht vor, dass das Federelement mittels eines Anbindungselements an den Drucksensorkern angebunden ist, wobei das Federelement mittels zweier symmetrisch angeordneter Anbindungselemente an den Drucksensorrahmen angebunden ist. In diesem Fall ist eine weiter verbesserte mechanische
Entkopplung bereitgestellt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Drucksensors zeichnet sich dadurch aus, dass der Drucksensorkern mittels zweier Anbindungselemente an das Federelement angebunden ist, wobei das Federelement ringartig um den Drucksensorkern ausgebildet ist, wobei das Federelement mittels zweier Anbindungselemente an den Drucksensorrahmen angebunden ist. Dadurch wird eine mechanisch robuste Variante eines mikromechanischen Drucksensors bereitgestellt, die einen symmetrischen Aufbau aufweist, wodurch eine Stressentkopplung in vorteilhafter Weise gleichmäßig verteilt ist.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Drucksensors zeichnet sich dadurch aus, dass das Federelement mit vier symmetrisch angeordneten Anbindungselementen an den Drucksensorkern angebunden ist, wobei das Federelement mit zwei symmetrisch angeordneten Anbindungselementen an den Drucksensorrahmen angebunden ist. Vorteilhaft wird bei dieser Variante eine Stressentkopplung an den Rand des Drucksensorkerns verlegt. Durch kann unterstützt sein, dass piezoelektrische Resistoren noch besser stressentkoppelt sind.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Drucksensors zeichnet sich dadurch aus, dass das Federelement mittels zwei an Diagonalen des Drucksensorkerns angeordneten Anbindungselementen an den
Drucksensorkern angebunden ist. Diese Ausführungsform ähnelt jener der vorhergehend erwähnten, wobei in diesem Fall eine noch größere Elastizität in der xy-Ebene bereitgestellt ist.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Drucksensors sieht vor, dass elektrische Leitungen für die piezoresistiven Elemente auf den Federelementen geführt sind, wobei eine Wheatstone- Brückenschaltung realisiert ist. Auf diese Weise ist eine platzoptimierte elektrische Leitungsführung für den Drucksensorkern unterstützt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Drucksensors zeichnet sich dadurch aus, dass das Federelement mittels vier an Eckpunkten des Drucksensorkerns angeordneten Anbindungselementen an den Drucksensorkern angebunden ist. Auf diese Weise kann die Aufhängung des
Drucksensorkerns weit entfernt von den Piezoresistoren realisiert werden, wodurch diese besser geschützt sind. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Drucksensors sieht vor, dass die Anbindungselemente derart ausgebildet sind, dass sie ein Optimum bezüglich Robustheit und mechanischer Stressentkopplung zwischen Drucksensorkern und Drucksensorrahmen bereitstellen. Auf diese Weise wird ein Optimum zwischen mechanischer Robustheit und Entkopplung von mechanischem Stress bereitgestellt.
Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Ele- mente haben gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu ausgeführt. Der besseren Übersichtlichkeit halber kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche Bezugszeichen eingezeichnet sind.
Offenbarte Verfahrensmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Vorrichtungsmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend das Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Drucksensors in analo- ger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und technischen
Vorteilen des mikromechanischen Drucksensors ergeben und umgekehrt.
In den Figuren zeigt: Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines mikromechanischen
Drucksensors;
Fig. 2 bis 10 Querschnittsansichten mit Ausführungsformen des
mikromechanischen Drucksensors; und
Fig. 1 1 einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform eines
Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen
Drucksensors.
Beschreibung von Ausführungsformen Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist insbesondere eine Bereitstellung eines verbesserten, insbesondere eines robusten und gut stressentkoppelten mikromechanischen Drucksensors. Ein prinzipieller Aufbau eines vorgeschlagenen mikromechanischen Drucksensors 100 ist in einer Querschnittsansicht in Fig. 1 gezeigt. Der drucksensitive Teil des Drucksensors 100, im Folgenden als„Drucksensorinsel" oder „Drucksensorkern" 10 bezeichnet, beinhaltet eine Sensormembran 14 in der Größenordnung von ca. 500 μηη x ca. 500 μηη, eine Kaverne 1 1 (Vakuumrefe- renzkaverne) und eine umlaufende mechanische Stabilisierung (nicht dargestellt). Sämtliche genannten Elemente befinden sich in einer weiteren Kaverne 13, wobei diese Kaverne 13 auf der einen Seite (unterhalb des
Drucksensorkerns 10) durch den ASIC 30 und auf der anderen Seite (oberhalb des Drucksensorkerns 10) durch ein Rückseitengitter begrenzt ist.
Durch externe mechanische Anregungen (zum Beispiel bei einem Fallen und Aufschlagen des Drucksensors 100 am Boden), kann der Drucksensorkern 10 sehr stark beschleunigt und damit die stabilisierenden Federn (nicht dargestellt) weit ausgelenkt und dabei eventuell zerstört werden. Aus diesem Grund ist es erforderlich, relativ dicke Federelemente und einen großen Abstand zum
Rückseitengitter zu verwenden. Im Falle einer starken Auslenkung sind die maximalen mechanischen Belastungen auf die Federn vergleichsweise groß. Zusätzlich sollte auch ein Aufschlagen des Drucksensorkerns auf den ASIC verhindert werden, da dieses Aufschlagen bzw. Berühren zu Rissen in den Passivierungen führen kann und damit das Bauteil ausfallen kann.
Externe Einflüsse, welchen den Drucksensor unter mechanischen Stress (z.B. Verbiegung) setzen, sind unter anderem z.B. eine mechanische Verspannung aufgrund eines Moldprozesses, und/oder ein Aufbau mit einem Materialmix mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und/oder Stress durch
Lötverbindungen des aufgebauten Sensors auf einer externen Kunden- Leiterplatte.
Soweit diese verbiegenden Einflüsse auf den Drucksensorkern gelangen, resultieren sie in einem fehlerhaften Drucksignal. Vorgeschlagen wird deshalb, die genannten Federn derart auszulegen, dass sie den Drucksensorkern 10 mechanisch vom restlichen Teil des Drucksensors 100 entkoppeln und dass sie die großen mechanischen Verspannungen bei
Beschleunigungen aufnehmen können.
Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines derartigen mikromechanischen Drucksensors 100, der als ein piezoresistiver Drucksensor ausgebildet ist.
Erkennbar ist ein Drucksensorrahmen 20 und ein Drucksensorkern 10, wobei der Drucksensorkern 10 mit dem Drucksensorrahmen 20 auf die oben genannte Weise elektrisch und mechanisch gekoppelt ist. Der Drucksensorkern 10 weist eine Sensormembran 14 auf, in der piezoresistive Elemente 12 zum Erfassen einer Verformung der Sensormembran 14 ausgebildet sind. Oberhalb der Sensormembran 14 des Drucksensorkerns 10 ist eine Kavität 1 1 (Vakuumreferenzkaverne) ausgebildet. Der Drucksensorkern 10 ist innerhalb der Kavität 13 in der oben erläuterten Weise angeordnet. Der Drucksensorrahmen 20 ist an einen ASIC 30 gekoppelt, der über Bondelemente 40 elektrisch nach außen kontaktiert ist.
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf den Drucksensorkern 10 mit der Sensormembran 14 des Drucksensorkerns 10. Man erkennt, dass der Drucksensorkern 10 mittels eines einzelnen, kragbalkenartigen Federelements 15 an den Drucksensorrahmen 20 angebunden ist. Aufgrund dieser singulären Anbindung ist vorteilhaft unterstützt, dass nur minimaler mechanischer Stress vom Drucksensorrahmen 20 in den Drucksensorkern 10 eingekoppelt wird. Eine geometrische Abmessung des Federelements 15 ist derart, dass es eine Optimierung betreffend bezüglich mechanischer Stabilität und Stressentkopplung bereitstellt. Eine Breite des Federelements 15 beträgt ca. 10 μηη bis ca. 50 μηη.
Auf diese Weise wird ein einziges Anbindungselement bzw. ein einziger
Aufhängungspunkt am Drucksensorkern 10 und am Drucksensorrahmen 20 bereitgestellt. Auch das Anbindungselement ist geometrisch derart ausgebildet, dass es eine Optimierung betreffend bezüglich mechanischer Stabilität und Stressentkopplung bereitstellt. Dabei ist es mit einem möglichst kleinen mechanischen Kontaktquerschnitt ausgebildet, der eine Robustheit maximiert und andererseits eine mechanische Stresseinkopplung minimiert bzw. eine
Stressentkopplung maximiert. Es hat sich herausgestellt, dass dies mit einer geometrischen Abmessung des Anbindungselements von ca. 50μηι x ca. Ι ΟΟμηη am besten erreichbar ist. Die genannten geometrischen Parameter werden vorzugsweise durch rechnerische Simulationsverfahren ermittelt. Durch die Aufhängung des Drucksensorkerns 10 an einem einzelnen Punkt kann kein mechanisches Moment in den Drucksensorkern 10 eingekoppelt werden, ähnlich dem Betrieb eines Kragbalkens. Dadurch, dass die Feder nur an einem Punkt am mechanischen Drucksensorrahmen 20 fixiert sind, kann sie auch nicht einem statischen Moment ausgesetzt werden.
Im beschleunigten Fall in vertikaler z-Richtung erfährt der Aufhängungspunkt in x-Richtung kein Moment, da der Drucksensorkern 10 in x-Richtung symmetrisch aufgehängt ist. Mit anderen Worten, wird das Federelement 15 nicht um eine imaginäre Linie durch die Membranmitte, parallel zur y-Achse, rotieren.
Die Anordnung von Fig. 2 realisiert somit im Ergebnis eine sehr steife Anbindung des Drucksensorkerns 10 an das mechanische Festland des Drucksensorrahmens 20.
Um diese hohe Steifigkeit etwas zu reduzieren, kann das Federelement 15, wie in der Anordnung von Fig. 3 dargestellt, ringartig um den Drucksensorkern 10 herum ausgebildet werden. Dadurch erfahren beide Anbindungselemente 16, 17 in y-Richtung jedoch ein Moment, da der Drucksensorkern 10 in y-Richtung unsymmetrisch aufgehängt ist. Mit anderen Worten, wird das Federelement 15 um eine imaginäre Linie durch die Membranmitte, parallel zur x-Achse rotiert.
In erster Näherung ist für die mechanische Stabilität der Aufhängung in y- Richtung eine Dicke der Aufhängung (d.h. eine Ausdehnung aus der Ebene heraus) von Bedeutung. Der Drucksensorkern 10 ist in Relation zu einer Breite der Aufhängung (Ausdehnung in x-Richtung) vergleichsweise dick ausgebildet.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des mikromechanischen Drucksensors 100 mit einer spezifischen Ausgestaltung des Federelements 15. Diese Art des Federelements 15 realisiert vorteilhaft eine Stressentkopplung durch eine Aufhängung an einem einzigen Anbindungselement 17 des Drucksensorrahmens 20. Auf diese Weise ist der Drucksensorkern 10 im Wesentlichen keinem statischen Moment aufgrund einer Verbiegung des mechanischen Festlandes des Drucksensorrahmens 20 ausgesetzt.
Zusätzlich hat diese Art der Aufhängung den Vorteil, dass sie symmetrisch an den Drucksensorkern 10 angreift. Dadurch reduzieren sich im beschleunigten
Fall die angreifenden Momente auf den Drucksensorkern 10, wodurch die mechanischen Belastungen vorteilhaft reduziert sind. Diese Art der Federführung ist zudem vorteilhaft platzsparend, da kein Umlauf um den gesamten Drucksensorkern 10 erforderlich ist.
Die Anordnung des Federelements 15 im mikromechanischen Drucksensor 100 von Fig. 5 ist vom Grundaufbau her ähnlich jener von Fig. 4. Ein Unterschied besteht darin, dass der Drucksensorkern 10 an nur einem einzigen Anbindungs- element 16 mit dem Federelement 15 verbunden ist. Dadurch können gegenüber der Ausführungsform von Fig. 4 die Anbindungselemente 17 an den Drucksensorrahmen 20 vorteilhafterweise durch individuelle, flächenintensivere Designs verstärkt werden. Dabei kann vorteilhaft ausgenutzt werden, dass Designfläche am Drucksensorrahmen 20 geringeren Beschränkungen unterliegt als Designfläche am Drucksensorkern 10.
Aufgrund der derart realisierten unsymmetrischen Aufhängung des Drucksensorkerns 10 kann im stark beschleunigen Fall in vertikaler z-Richtung ein hohes Moment auf den Drucksensorkern 10 ausgeübt werden, sodass sich diese Variante vorzugsweise für fest verbaute mikromechanische Drucksensoren 100 (z.B. im Automobilmobilbereich) empfiehlt.
Die symmetrisch ausgestaltete Ausführungsform des mikromechanischen Drucksensors 100 von Fig. 6 weist insbesondere den Vorteil auf, dass sich eine Verbiegung des Drucksensorkerns 10 in erster Näherung proportional zu einer Relation zwischen einer Breite des Drucksensorkerns 10 zu einer Breite des
Anbindungselements 17 reduziert. Das Federelement 15 ist zu diesem Zweck derart weich ausgebildet, dass es möglichst kein Moment auf den Drucksensorkern 10 einkoppelt. Dies lässt sich durch die Tatsache begründen, dass im Gegensatz zu einer nur einseitigen Ankopplung diese Konfiguration nicht so gut externe statische mechanische Verspannung des Drucksensorrahmens 20 auf den Drucksensorkern 10 einkoppeln kann. Vorteilhaft ist diese Anordnung voll symmetrisch und auftretende mechanische Spannungen sind im dynamischen Fall somit ausgeglichener und geringer.
Die Konfiguration der Ausführungsform von Fig. 7 ist eine Weiterbildung der Ausführungsform von Fig. 6. Die piezoresistiven Elemente 12 (zum Beispiel in
Form von piezoresistiven Widerständen) des Drucksensorkerns 10 sind für eine Maximierung des Sensorsignals elektrisch zu einer Wheatstone'schen-Brücke verschaltet. Die piezroesistiven Elemente 12 detektieren jegliche Art von mechanischem Stress. Damit der mechanische Stresseintrag der parasitären elektrischen Zuleitungen minimal ist, ist vorgesehen, dass die elektrischen
Kontaktierungen der Wheatstone'schen-Brücke an den vier Ecken des
Drucksensorkerns 10 realisiert sind. Um das Federdesign zusammen mit der elektrischen Verdrahtung möglichst platzsparend auszuführen, kann die
Rückführung zur Mitte des Drucksensorkerns 10 auf einer separaten Feder ausgeführt werden.
Die Ausführungsform des mikromechanischen Drucksensors 100 von Fig. 8 basiert im Prinzip auf der Ausführungsform von Fig. 7. Wird in der Ausführungsform von Fig. 7 der Rahmen des Drucksensorkerns 20 in x-Richtung gedehnt, dann führt die Art der Federaufhängung dazu, dass der innere Federrahmen in y-
Richtung gestaucht wird, welches dann wiederum zu einem Stresseintrag in den Drucksensorkern 10 führt. Dieser ist reduziert, jedoch nicht vollkommen ausgeschlossen. Um diesen Weg der Stressübertragung weiter zu reduzieren, koppeln in der Ausführungsform von Fig. 8 die Federn diagonal von der
Anbindung am Drucksensorrahmen 20 in den inneren Federrahmen ein. Als
Konsequenz führt dadurch jegliches Verziehen des Drucksensorrahmens 20 lediglich zu einer Rotation des Drucksensorkerns 10 und nicht zu einem
Stresseintrag. Die Ausführungsform von Fig. 9 optimiert den Platzbedarf für die Anforderungen der elektrischen Verdrahtung zusammen mit den Vorteilen der mechanischen Entkopplung der Ausführungsform von Fig. 4. Man erkennt, dass in diesem Fall eine Verdrahtung 18 für die Wheatstone'sche Brückenschaltung auf den Federelementen 15 geführt ist, so dass auf diese Art und Weise eine optimale
Ausnutzung der Federfläche erfolgt. Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform des mikromechanischen Drucksensors 100, bei der das Federelement 15 möglichst weit weg von den piezo- resistiven Elementen 12 am Drucksensorkern 10 angreift. Damit lässt sich der fehlerhafte mechanische Stresseintrag in die Druckmessung reduzieren.
Fig. 1 1 zeigt einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Drucksensors 100.
In einem Schritt 200 wird ein Bereitstellen eines Drucksensorkerns 10 mit einer Sensormembran 14 und einer oberhalb der Sensormembran 14 ausgebildeten Kavität 1 1 durchgeführt.
In einem Schritt 210 wird ein Bereitstellen einer Drucksensorrahmen 20 durchgeführt, wobei ein Federelement 15 zur mechanischen Anbindung des Drucksensorkerns 10 an den Drucksensorrahmen 20 derart ausgebildet wird, dass eine mechanische Robustheit maximiert ist und eine Stresseinkopplung vom Drucksensorrahmen 20 auf den Drucksensorkern 10 minimiert ist.
Obwohl vorgehend die Erfindung anhand eines piezoresistiven mikromechanischen Drucksensors beschrieben wurde, ist es auch denkbar, dass der mikromechanische Drucksensor kapazitiv ausgebildet ist.
Der Fachmann kann also vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen der Erfindung realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.

Claims

Ansprüche
1 . Mikromechanischer Drucksensor (100), aufweisend:
einen Drucksensorkern (10) mit einer Sensormembran (14) und einer oberhalb der Sensormembran (14) ausgebildeten Kavität (1 1 ); und einen Drucksensorrahmen (20); wobei
ein Federelement (15) zur mechanischen Anbindung des Drucksensorkerns (10) an den Drucksensorrahmen (20) derart ausgebildet ist, dass eine mechanische Robustheit maximiert ist und eine Stresseinkopplung vom Drucksensorrahmen (20) auf den Drucksensorkern (10) minimiert ist.
2. Mikromechanischer Drucksensor (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensorkern (10) mittels eines kragbalkenartigen Federelements (15) an den Drucksensorrahmen (20) angebunden ist.
3. Mikromechanischer Drucksensor (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (15) mittels eines Anbindungselements (16) an den Drucksensorkern (10) angebunden ist, wobei das Federelement (15) ringartig um den Drucksensorkern (10) ausgebildet ist, wobei das Federelement (15) mittels eines weiteren Anbindungselements (16) an den Drucksensorrahmen (20) angebunden ist.
4. Mikromechanischer Drucksensor (100) nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, dass der Drucksensorkern (10) mittels zweier symmetrisch angeordneter Anbindungselemente (16) an das Federelement (15) angebunden ist, wobei das Federelement (15) mit einem weiteren
Anbindungselement (16) an den Drucksensorrahmen (20) angebunden ist.
5. Mikromechanischer Drucksensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (15) mittels eines Anbindungselements (16) an den Drucksensorkern (20) angebunden ist, wobei das Federelement (15) zweier symmetrisch angeordneter Anbindungselemente (17) an den Drucksensorrahmen (20) angebunden ist.
6. Mikromechanischer Drucksensor (100) nach Anspruch 5, wobei der
Drucksensorkern (10) mittels zweier Anbindungselemente (16) an das Federelement (15) angebunden ist, wobei das Federelement (15) ringartig um den Drucksensorkern (10) ausgebildet ist, wobei das Federelement (15) mittels zweier Anbindungselemente (17) an den Drucksensorrahmen (20) angebunden ist.
7. Mikromechanischer Drucksensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Federelement (15) mit vier symmetrisch
angeordneten Anbindungselementen (16) an den Drucksensorkern (10) angebunden ist, wobei das Federelement (15) mit zwei symmetrisch angeordneten Anbindungselementen (17) an den Drucksensorrahmen (20) angebunden ist.
8. Mikromechanischer Drucksensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Federelement (15) mittels zwei an Diagonalen des Drucksensorkerns (10) angeordneten Anbindungselementen (16) an den Drucksensorkern (10) angebunden ist.
9. Mikromechanischer Drucksensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Leitungen (18) für piezoresistive Elemente (12) auf den Federelementen (15) geführt sind, wobei eine Wheatstone- Brückenschaltung realisiert ist.
10. Mikromechanischer Drucksensor (100) einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (15) mittels vier an Eckpunkten des Drucksensorkerns (10) angeordneten Anbindungselementen (16) an den Drucksensorkern (10) angebunden ist.
1 1 . Mikromechanischer Drucksensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anbindungselemente (16, 17) und/oder das
Federelement (15) derart ausgebildet sind, dass sie ein Optimum bezüglich mechanischer Robustheit und mechanischer Stressentkopplung zwischen Drucksensorkern (10) und Drucksensorrahmen (20) bereitstellen.
12. Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Drucksensors (100), aufweisend die Schritte:
Bereitstellen eines Drucksensorkern (10) mit einer Sensormembran (14) und einer oberhalb der Sensormembran (14) ausgebildeten Kavität (1 1 ); und
Bereitstellen einer Drucksensorrahmen (20); wobei
ein Federelement (15) zur mechanischen Anbindung des Drucksensorkerns (10) an den Drucksensorrahmen (20) derart ausgebildet wird, dass eine mechanische Robustheit maximiert ist und eine Stresseinkopplung vom Drucksensorrahmen (20) auf den Drucksensorkern (10) minimiert ist.
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