DE4244450C3 - Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Drucksensors - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Ver­ fahren zur Herstellung eines kapazitiven Sensors mit einem Diaphragma-Aufbau, der zur kapazitiven Fest­ stellung von Änderungen zu messender Drücke be­ stimmt bzw. ausgebildet ist.

Allgemein muß bei kapazitiven Sensoren, um die pa­ rasitäre Kapazität zu minimieren, die zwischen einem Elektrodenpaar gebildet wird, das einen Abtast-Kon­ densatorabschnitt bildet, für mindestens eines des Sub­ strate ein isolierendes Material verwendet werden.

Als Drucksensor dieser Art ist ein kapazitiver Druck­ sensor bekannt geworden (C. Y. Lee et al., "Quartz Cap­ sule Pressure Transducer for the Automotive Industry", Society of Automotive Engineers, Inc. 1980). Wie in Fig. 1A gezeigt, sind bei diesem Sensor ein Quarzglas- oder Saphirsubstrat 2 mit einer stationären Elektrode 1 und ein Quarzglas- oder Saphirsubstrat 4 mit einer be­ weglichen Elektrode 3 so angeordnet, daß die Oberflä­ chen ihrer Elektroden einander gegenüberliegen, und periphere Abschnitte der Substrate 2 und 4 sind mitein­ ander mit einem niedrigschmelzenden Glas 5 verbunden bzw. verklebt, so daß dazwischen ein vorbestimmter Spalt G besteht. Wie in Fig. 1B gezeigt, wird ein Abtast- Kondensatorabschnitt 3s an einem zentralen Abschnitt der beweglichen Elektrode 3 und ein Referenz-Konden­ satorabschnitt 3r an einem peripheren Abschnitt davon gebildet.

Der Verbindungsvorgang unter Verwendung niedrig­ schmelzenden Glases 5 wird bei einer Temperatur von ungefähr 300°C oder darüber durchgeführt. Wenn die sich ergebende Struktur nach dem Verbindungsvorgang auf Arbeitstemperatur herabgekühlt wird, entsteht eine Restspannung. Diese Spannung verändert sich allmäh­ lich über die Zeit und beeinflußt somit eine verläßliche, mit hoher Genauigkeit durchführbare Druckmessung nachteilig.

Gemäß dem in Fig. 2 gezeigten Drucksensor werden das Abdeckglas 7 und die Silizium-Scheibe aus unter­ schiedlichen Materialien, d. h. Pyrex und Silizium, herge­ stellt. Obwohl die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Pyrex und Silizium dicht beieinander liegen, sind sie nicht völlig die gleiche. Aus diesem Grund bleibt, wenn die durch Verbinden des Abdeckglases 7 mit der Silizi­ um-Scheibe 9 ausgebildete Struktur von einer Tempera­ tur von mehreren 100 Grad auf Arbeitstemperatur her­ abgekühlt wird, in dem Verbindungsabschnitt 10 zwi­ schen dem Abdeckglas 7 und der Silizium-Scheibe 9 die Spannung bzw. Beanspruchung erhalten. Obwohl diese gering ist, wird eine Druckmessung, die verläßlich und mit hoher Genauigkeit ausgeführt werden muß, sehr nachteilig durch die Spannung beeinflußt, da sie sich über der Zeit ändert.

Ein weiterer auf zwei Substraten aufbauender und mit zwei einander in einer Aussparung gegenüberlie­ genden Elektroden versehener Drucksensor ist in der US 4 542 436 offenbart. Als bevorzugte Materialien für die beiden Substrate sind Aluminiumoxidkeramik und Quarzglas beschrieben. Wie diese Substrate miteinan­ der zu verbinden sind, ist nicht offenbart. Zwar ist es bekannt, z. B. aus US 3 589 965, eine Verbindung zwi­ schen zwei identischen, elektrisch isolierenden Substra­ ten durch das Erwärmen der Substrate und Anlegen einer elektrischen Spannung über die zu verbindenden Flächen herzustellen, jedoch ist bei diesem Verfahren die Auswahl isolierender Materialien, die verwendet werden können, begrenzt.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist deshalb Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellen eines kapazitiven Drucksen­ sors zu schaffen, bei dem ein isolierendes Substrat ver­ wendet wird, um parasitäre Kapazitäten auszuschalten, und mit dem ein kapazitiver Drucksensors erzielt wird, der ausgezeichnet hinsichtlich Genauigkeit und Renta­ bilität ist sowie äußerst zuverlässige Druckmessungen ausführen kann, ohne daß diese durch Restspannungen aufgrund von Verbindungsmaßnahmen zwischen den Substraten beeinflußt werden.

Um dieses Ziel zu erreichen, sind bei einem Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors umfassend die Schritte:

• 1. Bereitstellung erster und zweiter Substrate (11, 14) aus dem selben elektrisch isolierenden Material mit Oberflächenabschnitten, die so angeordnet sind, daß sie einander gegenüberliegen, und die einem Verbindungsvorgang unterworfen werden;
• 2. Ausbilden einer Aussparung, eines Einschnitts oder Einstichs (12) in einem Abschnitt derjenigen Oberfläche des ersten Substrats (11), die mit dem zweiten Substrat (14) zu verbinden ist, durch Naß- oder Trocken-Ätzen;
• 3. Ausbilden einer aus einer leitfähigen Dünnschicht bestehenden ersten Elektrode in der Aussparung (12) des ersten Substrats (11) durch CVD (chemische Gasphasen­ abscheidung), Sputtern oder Vakuumablagerung;
• 4. Ausbilden einer aus einer leitfähigen Dünnschicht bestehenden zweiten Elektrode (15) auf einem Abschnitt derjenigen Oberfläche des zweiten Substrats (14), die mit dem ersten Substrat (11) zu verbinden ist, durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD), Sputtern oder Vakuumablagerung;

dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. erste und zweite aus Saphir bestehende Substrate (11, 14) verwendet werden,
• 2. in Schritt (1) wenigstens die Oberflächenabschnitte der Substrate (11, 14) mit einer Oberflächenrauhigkeit von nicht höher als 100 Å versehen werden und daß das Verfahren weiterhin folgende Schritte umfaßt:
• 3. Direktverbinden des ersten Substrats (11), auf dem die erste Elektrode (13) ausgebildet ist, und des zweiten Substrats (14), auf dem die zweite Elektrode (15) ausgebildet ist, bei Reinraum-Bedingungen und bei Raumtemperatur derart, daß die mit Elektroden ausgebildeten Oberflächen der ersten und zweiten Substrate (11, 14) einander gegenüberliegen;
• 4. festes Verbinden der ersten und zweiten Substrate (11, 14) mittels Durchführung einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur, die unterhalb der Schmelz­ temperatur von Saphir liegt; und
• 5. Reduzieren mindestens eines der ersten und zweiten Substrate (11, 14) auf eine einem Meßdruck-Bereich entsprechende Stärke.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1A und 1B zeigen Schnitt bzw. Draufsicht zur Erläuterung einer Anordnung eines herkömmlichen ka­ pazitiven Drucksensors;

Fig. 2 ist ein Querschnitt zur Erläuterung einer An­ ordnung eines weiteren herkömmlichen kapazitiven Drucksensors;

Fig. 3A und 3B sind Draufsicht bzw. Schnitt einer Anordnung eines kapazitiven Drucksensors nach einer Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4A und 4B sind Draufsicht bzw. Schnitt nach einer weiteren abgewandelten Ausführungsform eines kapazitiven Drucksensors, der nach der Erfindung her­ gestellt werden kann;

Fig. 5A bis 5G sind Schnitte zur Erläuterung des Ver­ fahrens zur Herstellung eines kapazitiven Drucksensors nach der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der vor­ liegenden Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Fig. 3A und 3B zeigen die Anordnung eines kapaziti­ ven Drucksensors. Unter Bezugnahme auf Fig. 3A und 3B wird eine flache Aussparung 12, im ganzen quadra­ tisch und mit U-förmigem Querschnitt, in einem zentra­ len Abschnitt der Oberfläche eines Sa­ phirsubstrats 11, das einen ersten Substratabschnitt bil­ det, ausgebildet. Am Bodenabschnitt der Aussparung 12 wird eine bewegliche Elektrode 13 als eine erste Elek­ trode, die aus einer leitfähigen Schicht besteht, gebildet.

Eine stationäre Elektrode 15 als zweite Elektrode, die aus einer im ganzen fast quadratischen leitfähigen Schicht besteht, wird an einem zentralen Abschnitt der oberen Fläche eines Saphirsubstrats 14 ausgebildet, das einen zweiten Substratabschnitt bildet. Das Saphirsubstrat 11, an dem die be­ wegliche Elektrode 13 gebildet wird, und das Saphirsubstrat 14, an dem die stationäre Elektrode 15 gebildet wird, werden so angeordnet, daß ihre Elek­ troden-bestückten Oberflächen einander gegenüberlie­ gen, und ihre peripheren Abschnitte werden als Verbin­ dungsabschnitte 16 eng bzw. dicht aneinander durch Direktverbindung ohne Verwendung eines Bindemittels befestigt.

In diesem Falle werden beide Oberflächen als Verbin­ dungsabschnitte 16 des Saphirsubstrats 11 und des Saphirsubstrats 14 als ebene bzw. flache Spiegelflächen ausgeformt, wobei die Ober­ flächenrauhigkeit Ra jeder derselben ungefähr 100 Å oder weniger beträgt. Das Saphirsub­ strat 11 und das Saphirsubstrat 14 wer­ den so angeordnet, daß sie einander gegenüberliegen, und sie werden miteinander bei Raumtemperatur ver­ bunden, und die sich ergebende Struktur wird auf 200°C aufgewärmt, also auf eine Temperatur, die geringer als die Schmelztemperatur jedes Substrats ist. Demzufolge werden beide Saphirsubstrate eng und fest miteinander durch physikalische und chemische Bindekräfte verbunden.

Bei dieser Anordnung wird das Sa­ phirsubstrat 11, an dem die bewegliche Elektrode 13 gebildet ist, entsprechend einem (aufgebrachten) Druck verlagert. Deshalb wird durch Messen der Kapazität zwischen der beweglichen Elektrode 13, die auf dem Saphirsubstrat 11 gebildet ist, das bei einer Druckveränderung verlagert wird, und der statio­ nären Elektrode 15 auf dem Saphirsub­ strat 14 eine Druckmessung ausgeführt.

Gemäß einer solchen Anordnung werden, da das Saphirsubstrat 11 und das Saphirsubstrat 14 aus dem gleichen Material her­ gestellt und eng miteinander durch physikalische und chemische Kräfte ohne Verwendung irgendeines Binde­ materials verbunden werden, keine Restbeanspruchun­ gen oder -spannungen erzeugt, und zwar selbst dann nicht, wenn Saphirsubstrat 11 und Saphirsubstrat 14 miteinander bei einer Temperatur verbunden werden, die höher als die Ar­ beitstemperatur ist, und in der Folge auf die Arbeitstem­ peratur herabgekühlt werden. Außerdem werden die Temperatureigenschaften des Drucksensors selbst bei Änderungen der Arbeitstemperatur nicht nachteilig durch die Verbindungsoperation beeinflußt, da das Saphirsubstrat 11 und das Saphirsubstrat 14 aus dem gleichen Material beste­ hen. Deshalb kann ein Hochpräzisions-Drucksensor hergestellt werden.

Es sei darauf hingewiesen, daß zusätzlich zu den vor­ stehend beschriebenen Wirkungen die Positionierung bei dem Verbindungsverfahren für die Substrate, wenn Saphirsubstrate als erste und zweite Substratabschnitte verwendet werden, leicht dadurch ausgeführt werden kann, daß man von oberhalb der Substrate mit bloßem Auge oder durch ein optisches Mikroskop beobachtet, wodurch sich die Herstellungs­ leistung erheblich verbessern läßt.

Als Saphirsubstrat 11 und Saphirsubstrat 14 lassen sich Scheiben, die sehr geringe Oberflächenrauhigkeit haben und ohne Verwendung irgendwelchen Verbindungsmaterials mit­ einander verbunden werden können, relativ leicht erhal­ ten und bereitstellen. Deshalb kann ein Hochpräzisions- Drucksensor leicht bei niedrigen Kosten hergestellt werden.

Die Tiefe der Aussparung 12 kann in der Größenord­ nung von Submikrometern reguliert werden. Außerdem variiert diese Tiefe vor und nach einem Verbindungs­ vorgang nicht, weil das Verbinden der ersten und zwei­ ten Substrate ohne Verwendung irgendwelchen Binde­ materials und ohne Schmelzen der Substrate durchge­ führt wird. Deshalb kann der Abstand zwischen den Elektroden in der Submikrometer-Größenordnung re­ guliert werden, was eine Größenreduktion des Sensor­ elements erlaubt. Die Größenreduktion ermöglicht ebenfalls die Verminderung der Kosten des Sensorele­ ments.

Weiterhin können Saphirsubstrate leicht in einem allgemeinen Halbleiter-Herstellungspro­ zeß ver- und bearbeitet werden. Bei der in Fig. 3A und 3B gezeigten Anordnung wird die Elektrode 15 als sta­ tionäre Elektrode ausgebildet. Selbst wenn jedoch beide Elektroden 13 und 15 als bewegliche Elektroden ausge­ bildet werden, können die gleichen Wirkungen, wie sie vorstehend beschrieben wurden, erreicht werden.

Fig. 4A und 4B zeigen die Anordnung einer noch an­ deren Ausführungsform eines kapazitiven Drucksen­ sors. Gleiche Bezugszeichen in Fig. 4A und 4B bezeich­ nen gleiche Teile wie in Fig. 3A und 3B. Unter Bezug­ nahme auf Fig. 4A und 4B weist eine bewegliche Elek­ trode 13, die auf einem Saphirsubstrat 11 ausgebildet ist, einen Abtast-Kondensatorabschnitt 13a und einen Referenz-Kondensatorabschnitt 13b, der um den Abschnitt 13a ausgebildet ist, auf.

Bei dieser Anordnung können die gleichen Wirkun­ gen wie vorstehend beschrieben erzielt werden, und es kann eine Hochpräzisions-Druckmessung ausgeführt werden.

Ein Verfahren zur Herstellung des unter Bezugnahme auf Fig. 3A und 3B beschriebenen kapazitiven Druck­ sensors wird nachfolgend beschrieben.

Fig. 5A bis 5G zeigen die Schritte beim Herstellen des kapazitiven Drucksensors. Das Sa­ phirsubstrat 11 wird, wie in Fig. 5A gezeigt, vorbereitet bzw. bereitgestellt. Mindestens die Oberfläche eines pe­ ripheren Abschnitts des Saphirsub­ strats 11, der mit dem Saphirsubstrat 14 verbunden werden soll, wird spiegelpoliert.

Die Aussparung 12 wird, wie in Fig. 5B gezeigt, in einem zentralen Abschnitt des Saphir­ substrats 11 durch ein Naßätzverfahren unter Verwen­ dung einer HF-Ätzlösung oder ein Trockenätzverfah­ ren gebildet.

Wie in Fig. 5C gezeigt, wird die bewegliche Elektrode 13, die aus einer leitfähigen Dünnschicht besteht, in der Aussparung 12 des Saphirsubstrats 11 mittels CVD, Sputtern oder Vakuumablagerung ausge­ bildet.

Wie in Fig. 5D gezeigt, wird das Sa­ phirsubstrat 14 vorbereitet bzw. bereitgestellt. Minde­ stens wird die Oberfläche eines peripheren Abschnitts des Saphirsubstrats 14, der mit dem Saphirsubstrat 11 verbunden werden soll, spiegelpoliert.

Wie in Fig. 5E gezeigt, wird die aus einer leitenden Dünnschicht bestehende stationäre Elektrode 15 auf ei­ nem zentralen Abschnitt des Saphir­ substrats durch CVD, Sputtering oder Vakuumablage­ rung gebildet.

Wie in Fig. 5F gezeigt, werden das Saphirsubstrat 11, auf dem die bewegliche Elektrode 13 gebildet ist, und das Saphirsubstrat 14, auf dem die stationäre Elektrode 15 gebildet ist, an den Verbindungsabschnitten 16 so miteinander zusammen­ gefügt, daß ihre Elektroden-bestückten Oberflächen einander gegenüberliegen, und zwar in einer Reinraum- Atmosphäre bei einer Temperatur nahe Raumtempera­ tur ohne Verwendung irgendwelchen Bindematerials oder -mittels. Die sich ergebende Struktur wird dann bei einer Temperatur von 200°C, unterhalb der Schmelz­ temperatur jedes Substrat wärmebehandelt, wodurch die beiden Substrate fest zusammengefügt werden.

Darauf wird, wie in Fig. 5G gezeigt, die Oberfläche des Saphirsubstrats 11, auf dem die bewegliche Elektrode 13 nicht gebildet ist, poliert, so daß das Saphirsubstrat 11 eine einem Druckbereich entsprechende vorbestimmte Stärke auf­ weist.

Bei den obigen Ausbildungsformen haben das Saphirsubstrat 11 und das Saphirsubstrat 14 quadratische Formen. Die vorliegen­ de Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. So kön­ nen rechteckige, polygonale, kreisförmige oder ellipti­ sche Substrate verwendet werden.

Außerdem haben bei den obigen Ausführungsformen die Aussparung 12, die bewegliche Elektrode 13 und die stationäre Elektrode 15 quadratische Formen. Die vor­ liegende Erfindung ist auch hierauf nicht beschränkt. Es ist augenscheinlich, daß diese Formen rechteckig, poly­ gonal, kreisförmig oder elliptisch sein können.

Weiterhin können bei den obigen Ausführungsfor­ men Vakuum, Luft oder ein anderes Medium in der Aussparung 12, die zwischen dem Quarzglas- oder Sa­ phirsubstrat 11 und dem Quarzglas- oder Saphirsubstrat 14 gebildet ist, vorgesehen werden.

Darüber hinaus werden bei den obigen Ausführungs­ formen das Saphirsubstrat 11 und das Saphirsubstrat 14 jeweils als erste und zweite isolierende Substratabschnitte verwendet.

Wie vorstehend beschrieben, kann nach der vorlie­ genden Erfindung, da die ersten und zweiten isolieren­ den Substratabschnitte direkt miteinander durch physi­ kalische und chemische Vorgänge verbunden sind, ein Spalt zwischen den ersten und zweiten Elektroden mit guter Einstell- oder Regulierbarkeit erzielt werden, und zwar unbeschadet einer Änderung in der Spannung bzw. Beanspruchung, die in jedem Verbindungsab­ schnitt aufgrund der Herstellbedingungen, Meßbedin­ gungen, einer Änderung über der Zeit und dergleichen erzeugt wird. Daher kann ein hochpräziser, extrem zu­ verlässiger Drucksensor zu niedrigen Kosten herge­ stellt werden.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung eines Druck­ sensors, umfassend die Schritte:

• 1. Bereitstellung erster und zweiter Substrate (11, 14) aus dem selben elektrisch isolierenden Material mit Oberflächenabschnitten, die so angeordnet sind, daß sie einander gegenüberliegen, und die einem Verbindungsvorgang unterworfen werden;
• 2. Ausbilden einer Aussparung, eines Einschnitts oder Einstichs (12) in einem Abschnitt derjenigen Oberfläche des ersten Substrats (11), die mit dem zweiten Substrat (14) zu verbinden ist, durch Naß- oder Trocken-Ätzen;
• 3. Ausbilden einer aus einer leitfähigen Dünnschicht bestehenden ersten Elektrode in der Aussparung (12) des ersten Substrats (11) durch CVD (chemische Gasphasen­ abscheidung), Sputtern oder Vakuumablagerung;
• 4. Ausbilden einer aus einer leitfähigen Dünnschicht bestehenden zweiten Elektrode (15) auf einem Abschnitt derjenigen Oberfläche des zweiten Substrats (14), die mit dem ersten Substrat (11) zu verbinden ist, durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD), Sputtern oder Vakuumablagerung;

dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. erste und zweite aus Saphir bestehende Substrate (11, 14) verwendet werden,
• 2. in Schritt (1) wenigstens die Oberflächenabschnitte der Substrate (11, 14) mit einer Oberflächenrauhigkeit von nicht höher als 100 Å versehen werden und daß das Verfahren weiterhin folgende Schritte umfaßt:
• 3. Direktverbinden des ersten Substrats (11), auf dem die erste Elektrode (13) ausgebildet ist, und des zweiten Substrats (14), auf dem die zweite Elektrode (15) ausgebildet ist, bei Reinraum-Bedingungen und bei Raumtemperatur derart, daß die mit Elektroden ausgebildeten Oberflächen der ersten und zweiten Substrate (11, 14) einander gegenüberliegen;
• 4. festes Verbinden der ersten und zweiten Substrate (11, 14) mittels Durchführung einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur, die unterhalb der Schmelz­ temperatur von Saphir liegt; und
• 5. Reduzieren mindestens eines der ersten und zweiten Substrate (11, 14) auf eine einem Meßdruck-Bereich entsprechende Stärke.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Schritt (8) bei einer Temperatur von 200°C durchgeführt wird.