DE3535904C2

DE3535904C2 - Kapazitiver Absolutdruck-Sensor

Info

Publication number: DE3535904C2
Application number: DE3535904A
Authority: DE
Inventors: Heikki Dipl Ing Kuisma
Original assignee: Vaisala Oy
Current assignee: Vaisala Oy
Priority date: 1984-10-11
Filing date: 1985-10-08
Publication date: 1996-05-02
Anticipated expiration: 2005-10-09
Also published as: FI843989L; FI75426C; IT8512578A0; SE8504703L; GB2165652A; NL8502795A; JPS61221631A; NO854029L; FI75426B; FR2571855A1; JPH0533732B2; US4609966A; GB8524186D0; SE8504703D0; BR8505067A; ZA857740B; DE3535904A1; FR2571855B1; FI843989A0; GB2165652B

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Absolutdruck-Sensor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Im folgenden wird auf die nachstehend aufgeführten Druck schriften Bezug genommen, die allesamt das technologische Gebiet der kapazitiven Druckmessung betreffen:
(1) C. S. Sander, J. W. Knutti, J. D. Meindl: IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-27 (1980) No. 5, Seiten 927 bis 930
(2) US-PS 4,261,086
(3) US-PS 4,386,453
(4) US-PS 4,384,899
(5) US-PS 4,405,970
(6) US-PS 3,397,278
(7) DE 33 10 643 A1 und
(8) K. E. Bean: IEEE Transactions on Electron Devices Vol. ED-25 (1978) No. 10, Seiten 1185 bis 1193.

Aus (1) ist ein kapazitiver Absolutdruck-Sensor be kannt, der ein elastisches Bauteil aus Silicium und ein Glassubstrat aufweist, welche miteinander mit dem Ver fahren verbunden sind, das aus (6) bekannt ist. Der Frei raum zwischen dem elastischen Bauteil und dem Glassub strat dient hierbei als Vakuumkammer des Sensors. Eine auf Druck ansprechende Kapazität ist zwischen dem ela stischen Bauteil und einem Metallfilm auf dem Glassub strat ausgebildet. Der elektrische Anschluß zu dem Me tallfilm auf dem Glassubstrat wird durch einen aufdif fundierten Leiter auf dem Silicium gebildet, wobei ein Material mit einer unterschiedlichen Leitfähigkeit ver wendet wird. Der größte Nachteil dieses bekannten Sensors ist die große und stark temperaturabhängige Verarmungs zonen-Kapazität, welche der druckabhängigen Kapazität des Sensors parallel geschaltet ist und den relativen Dynamikbereich des Sensors verringert und seine Tempera turabhängigkeit erhöht.

Die Druckschriften (2), (3) und (4) beschreiben einen anderen Aufbau eines Drucksensors, der jedoch im Prinzip analog zu dem eben beschriebenen ist. Allerdings ist hierbei die Durchführung des elektrischen Anschlusses unterschiedlich. In das Glassubstrat wird eine Bohrung eingebracht, deren Innenwandung metallisiert und dann durch Auffüllen mit geschmolzenem Metall (Lot) her metisch versiegelt wird. Das Durchführen des elektrischen Leiters führt zwar nicht zu parasitären Kapazitäten, je doch ist das Versiegeln der Bohrungen in einer Massen fertigung problematisch.

Aus der Druckschrift (6) ist ein Verfahren bekannt, mit dem es möglich ist, ein Silicium- mit einem Glaselement dauer haft zu verbinden. Die Druckschrift (8) befaßt sich mit einem Verfahren zur optimalen Herstellung eines elastischen Elements.

Die Druckschrift (7) offenbart schließlich einen Drucksen sor, bei dem die bewegliche Kondensatorelektrode keine in tegrierte Struktur mit dem umgebenden Randbereich bildet. Der grundsätzliche Aufbau dieses bekannten Sensors unter scheidet sich somit wesentlich von der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung eines Drucksensors.

Ein kapazitiv arbeitender Drucksensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der Druckschrift (5) gemäß US 4 405 970 bekannt. Bei diesem bekannten Drucksensor ist ein scheibenförmiges Grundsubstrat vorgesehen, in dessen Zen trum eine ringförmige Stufe ausgebildet ist, auf der eine feste Kondensatorelektrode angeordnet ist. Dieser festen Kondensatorelektrode liegt in Abstand eine bewegliche Kon densatorelektrode gegenüber, die aus einer Siliziumscheibe gebildet ist und mit einem umgebenden Randbereich eine inte grierte Struktur bildet, die den Raum zwischen der festen Kondensatorelektrode und der beweglichen Kondensatorelek trode hermetisch abdichtet, so daß eine Vakuumkammer gebil det wird.

Ein Nachteil dieses bekannten Drucksensors liegt darin, daß die erzielbare Empfindlichkeit vergleichsweise gering ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Absolut druck-Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 der art weiterzubilden, daß trotz geringer Herstellungskosten eine hohe Empfindlichkeit erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeich nungsteil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Untersuchungen haben gezeigt, daß mit den im Kennzeich nungsteil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen ein eine hervorragende Empfindlichkeit aufweisender Sensor geschaf fen wird, der zudem mit geringem Aufwand hergestellt werden kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Hinsichtlich der wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Drucksensors sei lediglich beispiel haft auf folgendes hingewiesen:

Der elektrische Kontakt zu der Kondensatorplatte innerhalb der Vakuumkammer vermeidet die folgenden Nachteile:

- Parasitäre pn-Übergänge, wie sie aus (1) bekannt sind;
- Das technologisch problematische Auffüllen von Löchern, wie es bei (2), (3) und (4) auftritt;
- Hohe parallele Kapazitäten über dem Kontaktbe reich, wie sie aus (5) bekannt sind;
- Probleme, welche auf verschiedene Temperatur ausdehnungskoeffizienten der Materialien zurückzuführen sind (Vergleiche (1) bis (4) ), werden ebenfalls vermieden, da das Substrat im wesent lichen aus dem gleichen Material gebildet ist, wie das elastische Element.

Der Aufbau des elastischen Elementes liefert die folgen den Vorteile:

- Hohe Empfindlichkeit;
- Gute I/C Linearität; und
- Temperaturabhängige Verformungskräfte treten nicht mehr auf, da der Mittelteil des Elementes ausreichend dick und steif im Vergleich zu dem flexiblen Teil ausgebildet werden kann.

Die Verwendung eines Metallfilms schafft die folgenden Vorteile:

- Oberflächen-Leckströme auf der Glasplatte wer den verhindert und können die Meßergebnisse nicht negativ beeinflussen (Leckströme sind insbesondere dann ein Problem, wenn die umge bende relative Luftfeuchtigkeit 50% oder mehr beträgt);
- Es ergibt sich die Möglichkeit, daß alle Leiter des Sensors auf einer Oberfläche in der gleichen Ebene angeordnet werden können.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorlie genden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be schreibung mehrerer Ausführungsformen an Hand der Zeich nung. Es zeigen

Fig. 1A und 1B jeweils in Schnittdarstellungen eine Seiten- bzw. Draufsicht auf einen Drucksensor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 in Seitenansicht eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 3A und 3B eine Drauf- bzw. Seitenansicht einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung.

Gemäß den Fig. 1A und 1B weist der erfindungsgemäße Drucksensor zwei Hauptkomponenten auf, nämlich ein elastisches Element 1 und ein Substrat 2. Das elastische Element 1 wird mit einer chemischen Verfahrenstechnik, wie sie beispielsweise aus (7) bekannt ist, aus einem Siliciumwafer hergestellt, der in der <100<-Ebene aus einem Silicium-Einkristall ge schnitten wurde. Der Siliciumwafer 1 wird an beiden Sei ten angeätzt, um Vertiefungen 3 und 4 zu bilden, welche von einem Randbereich 18 eingefaßt sind. Die Vertiefung 3 weist eine Tiefe von 1 bis 10 µm auf und bildet den Luft spalt und die Vakuumkammer für einen druckempfindlichen Kondensator. Die Vertiefung 4, welche auf der gegenüber liegenden Seite des Siliciumwafers ausgeätzt wird, ist typischerweise erheblich tiefer (200 bis 400 µm). In speziellen Anwendungsfällen (beispielsweise zum Messen extrem hoher Drücke) kann die Vertiefung 4 flacher aus gebildet werden oder es kann vollständig auf sie ver zichtet werden. Zwischen den Vertiefungen 3 und 4 ver bleibt eine Siliciummembran 5 mit einer Stärke von 10 bis 400 µm, wobei die Stärke abhängig von dem Druckbereich ist, in dem der Sensor eingesetzt werden soll. Die Sili ciummembran 5 wird deformiert, wenn ein Druckunterschied auf beiden Seiten vorliegt. Die Größe des elastischen Elementes ist typischerweise 2 × 2 bis 10 × 10 mm.

Das elastische Element 1 wird auf der Seite der Vertie fung 3 mit dem Substrat 2 mittels eines Verfahrens be festigt, wie es beispielsweise aus (6) bekannt ist. Die Verbindung erfolgt hierbei in einem Abdichtungsbereich 6, so daß eine hermetisch versiegelte Kammer 7 entsteht, welche von der Vertiefung 3 und dem Substrat 2 begrenzt wird. Wenn die Teile unter Vakuumbedingungen miteinander verbunden werden, wird die Kammer 7 als Vakuumkammer des Sensors ausgebildet, so daß der Sensor als Absolutdruck- Sensor eingesetzt werden kann.

Das Substrat 2 wird durch Auflaminieren einer Glasplatte 9 auf einen Siliciumwafer 8 hergestellt. Die Dicke des Siliciumwafers liegt vorzugsweise zwischen 300 und 1000 µm und die Dicke der Glasplatte liegt vorzugsweise zwi schen 100 und 500 µm. Die Verbindung des Wafers 8 und der Platte 9 erfolgt mit einem elektrostatischen Verfahren, wie es aus (6) bekannt ist. Das Material der Glasplatte 9 ist vorzugsweise ein alkalisches Borsilicatglas (bei spielsweise Corning Glas 7070 oder Schott 8284), welches einen Temperaturausdehnungsfaktor hat, der sehr ähnlich dem des Siliciums ist und gute dielektrische Charakteristika aufweist (geringer Verlust und Temperaturkoeffi zient des dielektrischen Faktors). Wenigstens diejenige Seite des Siliciumwafers, welche der Glasplatte zugewandt ist, wird hochleitend dotiert.

Ein leitfähiger Bereich 10 in Form eines dünnen Metall filmes wird auf der Oberfläche der Glasplatte 9 ausge bildet. Der Bereich 10 liegt innerhalb desjenigen Bereiches, der von dem Abdichtungsbereich 6 begrenzt wird. Seine Form kann viereckig, rund, polygonal oder dergleichen sein. Der Durchmesser des leitfähigen Bereiches 10 liegt typi scherweise zwischen 1 und 5 mm. Der leitfähige Bereich 10 bildet die andere Elektrode des druckempfindlichen Kon densators.

Der Bereich innerhalb des Abdichtungsbereiches 6 weist eine Vertiefung 11 auf, welche in dem Substrat 2 ausge bildet ist, und sich durch die Glasplatte 9 bis in den Siliciumwafer 8 hineinerstreckt. Ein Teil des leitfähigen Metallfilmes 10 erstreckt sich über den Bereich der Ver tiefung 11 und bedeckt deren Oberfläche. An der Unter seite der Vertiefung 11, d. h. an einem Punkt 12, kontak tiert der Metallfilm 10 den Siliciumwafer 8, um einen elektrisch leitfähigen Strompfad zu bilden. Die Vertie fung 11 kann durch Bohren, Schleifen, Sägen, Sandstrah len, Laserbearbeitung oder auf chemischen Wege oder mittels einer anderen bekannten Methode ausgebildet werden. Die Form der Vertiefung kann hierbei wahlweise rund/punktförmig langgestreckt/schlitzförmig, in Form eines geschlossenen Ringes etc. ausgebildet sein und ist von dem leitfähigen Bereich 10 von allen Seiten umgeben. Der Durchmesser der Vertiefung 11 liegt zwischen 100 und 1000 µm.

Ein leitfähiger Bereich 13 in Form eines dünnen Metall filmes ist auf der Oberfläche des Substrates 2 teilweise innerhalb des Abdichtungsbereiches 6 und teilweise außer halb davon ausgebildet. Der leitfähige Bereich 13 stellt einen elektrischen Kontakt mit dem elastischen Silicium element innerhalb des Abdichtungsbereiches 6 her, ohne sich über den Abdichtungsbereich 6 hinaus in den Bereich der Kammer 7 zu erstrecken. Der größte Teil des leitfä higen Bereiches 13 liegt außerhalb des Abdichtungsbe reiches 6. Ein Leiter zum Anschließen des Sensors an die Meßelektronik wird an den Bereich 13 angeschlossen. Die Größe des Bereiches 13 liegt zwischen 0,1 × 0,1 mm und 2 × 2 mm und ist abhängig von der Verbindungsmethode.

Weiterhin ist auf der Oberfläche des Substrates 2 ein leitfähiger Bereich 14 in Form eines dünnen Metallfilmes ausgebildet, der in Form eines geschlossenen Ringes das elastische Element 1 und den leitfähigen Bereich 13 um gibt. Der Bereich 14 weist einen breiteren Bereich 14b auf, um den Anschluß eines Leiters zu der Meßelektronik zu erlauben. Der leitfähige Bereich 14 ist vorgesehen, um Leckströme zu verhindern, welche zwischen den aktiven Anschlüssen des Sensors über die Oberfläche und über die Kanten der Glasplatte 9 zwischen dem elastischen Element 1 und dem Siliciumsubstrat 8 fließen. Wenn der Bereich 14 auf Masse gelegt wird, werden diese Leckströme von den aktiven Anschlüssen des Sensors nach Masse abgeleitet.

Weiterhin ist ein leitfähiger Bereich 15 auf der Ober fläche des Substrates ausgebildet. Der Bereich 15 weist eine Vertiefung 16 auf, die der Vertiefung 11 ähnlich ist und sich durch die Glasplatte 9 bis in den Siliciumwafer 8 hineinerstreckt. Der Metallfilm 15 bedeckt die Ober fläche der Vertiefung 16 und stellt somit einen elektri schen Kontakt in einem Punkt 17 mit dem Siliciumwafer 8 her. Somit ist ein elektrisch leitfähiger Pfad zwischen den Metallfilmen 10 und 15 über den Siliciumwafer 8 ge bildet. Bezüglich Herstellung, Form und Abmessungen der Vertiefungen 16 gilt das Gleiche wie für die Vertiefung 11. Die Form des Bereiches 15 ist derart, daß er wenigstens teilweise die Vertiefung 16 überdeckt und zu sätzlich einen Anschluß zum Anschließen eines Leiters - analog zu den Bereichen 13 und 14b - bildet.

Die Fig. 2, 3A und 3B zeigen weitere Ausfüh rungsformen, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich sind. Die Ausführungsform der Fig. 2 hat bezüg lich des elastischen Bauteiles einen konventionellen Aufbau, wie er bereits aus den Druckschriften (1) bis (4) bekannt ist. Die Bezeichnung der einzelnen Bauteile ist teilweise analog zu der Bezeichnung in den Fig. 1A und 1B.

Die Ausführungsform der Fig. 3A und 3B ist schwieriger in ihrer Herstellung und fällt größer aus als die Ausführungsform der Fig. 2. Aller dings bietet diese Ausführungsform einige Vorteile, wie insbesondere eine mehr als zweifache Druckempfindlichkeit bei den gleichen Grundabmessungen und Herstellungstole ranzen und eine mehr als zehnfache Verbesserung des Nicht linearitätsfehlers im Vergleich zu der Ausführungsform der Fig. 2.

Das elastische Element der Fig. 3A und 3B wird auf chemischem Wege hergestellt, wie es beispielsweise aus (8) bekannt ist. Das Grundmaterial ist ein Siliciumwafer 1 mit einer Stärke von 0,2 bis 1 mm. Mittels photolitho graphischer Verfahren wird ein Bereich 19 auf der einen Oberfläche des Siliciumwafers 1 definiert und bis auf eine gewünschte Tiefe ausgeätzt. Die Tiefe des ausgeätz ten Bereiches 19 bestimmt den Abstand der Kondensator elektroden. Ebenfalls auf photolithographischem Wege wird auf der anderen Seite des Wafers 1 ein ringförmiger Be reich 20 festgelegt und ebenfalls bis in eine gewünschte Tiefe ausgeätzt. Zwischen den Bodenflächen der Bereiche 19 und 20 verbleibt eine Siliciummembran 21, welche eine Dicke aufweist, die höchstens ein Fünftel der Dicke des Ausgangsmaterials hat. Mittig verbleibt ein Bereich 22 mit einer Dicke gleich der Dicke des Ausgangsmaterials minus Ausnehmung 15 und einer Steifigkeit, die im Vergleich zu der der Sili ciummembran 21 wenigstens hundertmal so hoch ist. Die Breite des Bereiches 22 liegt zwischen 0,5 und 5 mm. Die Breite des ringförmigen Bereiches 20 bzw. der Silicium membran 21 liegt zwischen 0,2 und 2 mm. Die Membran 21 wird deformiert, wenn ein Druckunterschied zwischen den beiden Oberflächen des elastischen Elementes vorliegt. Der feste Siliciumbereich 22 wird nicht deformiert son dern bewegt sich lediglich zusammen mit der Durchbiegung der Siliciummembran 21.

Claims

1. Kapazitiver Absolutdruck-Sensor, mit:

a) einem scheibenförmigen Grundsubstrat (8, 9), bestehend aus einem scheibenförmigen leitfähigen Wafer (8) aus Sili cium und einer damit verbundenen, scheibenförmigen Zwi schenschicht (9) aus isolierendem Material;
b) einer festen Kondensatorelektrode (10), die auf dem Grundsubstrat angeordnet ist;
c) einer beweglichen Kondensatorelektrode in Form einer aus Silicium bestehenden Membran (5, 21), die eine inte grierte Struktur mit einem umgebenden Randbereich (18) bil det und die wenigstens teilweise gegenüber der festen Kon densatorelektrode (10) und in Abstand zu dieser derart an geordnet ist, daß der Raum zwischen der festen (10) und der beweglichen Kondensatorelektrode (5, 21) eine hermetisch ab gedichtete Vakuumkammer (7) bildet; und
d) mit einem elektrischen Kontakt (13) für die bewegliche Kondensatorelektrode (5) und einem elektrischen Kontakt für die feste Kondensatorelektrode, der als konisches Loch (11) im Grundsubstrat (9) ausgebildet ist, welches sich in Rich tung zum Wafer (8) verengt und an seiner Oberfläche ein stückig mit der festen Elektrode metallisiert ist;
dadurch gekennzeichnet,
e) daß die scheibenförmige Zwischenschicht (9) wesentlich dünner als der Wafer (8) ist; und
f) daß der Randbereich (18) der Membran (5, 21) wesentlich dicker als die bewegliche Kondensatorelektrode (5) ist und sich von der beweglichen Kondensatorelektrode (5) sowohl nach innen als auch derart außen erstreckt, daß die äußere Oberfläche der beweglichen Kondensatorelektrode (5) und die innere Oberfläche des Randbereiches (18) einen gra benförmigen Raum (4) abgrenzen.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Kondensatorelektrode (21) in ihrem Mittenbereich ein steifes Teil (22) aufweist, das wesentlich dicker als der umgebende Bereich (20) ist.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Schaltkreis bestehend aus dem Durchlaß (11, 12) zwischen der festen Kondensatorelektrode (10) und dem Wafer (8) einen weiteren Durchlaß (16, 17) und einen externen leitfähigen Bereich (15) aufweist, so daß ein Kon takt von diesem Bereich (15) über den Wafer (8) zu der Va kuumkammer (7) erfolgt.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die der isolierenden Zwischenschicht (9) zu gewandte Oberfläche des Wafers (8) hochleitend dotiert ist.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Oberfläche der isolierenden Zwischen schicht (9) von einem geerdeten Metallfilmmuster (14) um faßt ist, das im Abstand hierzu den Randbereich (18) voll ständig umfaßt.