DE69529477T2

DE69529477T2 - Verfahren zur herstellung eines kapazitiven absolutdrucksensors

Info

Publication number: DE69529477T2
Application number: DE69529477T
Authority: DE
Inventors: H. Ko
Original assignee: Case Western Reserve University
Current assignee: Case Western Reserve University
Priority date: 1994-11-22
Filing date: 1995-11-09
Publication date: 2003-07-31
Anticipated expiration: 2015-11-10
Also published as: PL179139B1; US5528452A; RU2171455C2; CN1092836C; PL320670A1; AU686916B2; EP1286147A1; BR9509747A; KR100355421B1; DE69529477D1; CA2205169A1; EP0818046A1; JPH10509241A; DE818046T1; EP0818046A4; CA2205169C; ES2118672T1; CN1172547A; MX9703726A; US5585311A

Description

Allgemeiner Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zum Feststellen des Drucks bei industriellen Anwendungszwecken, insbesondere eines kapazitiven Absolutdrucksensors mit guter Stabilität, geringem Stromverbrauch, einer robusten Struktur, einem weiten Überdruck-Schutzbereich und einer guten Linearität und einer besseren Empfindlichkeit, wenn die Nullunterdrückung angewendet wird.
Obwohl sich die Erfindung besonders auf das Fachgebiet von kapazitiven Absolutdrucksensoren richtet und somit mit besonderem Bezug darauf beschrieben wird, ist selbstverständlich, daß der Sensor Verwendung auf anderen Gebieten und bei anderen Anwendungszwecken, wie bei Beschleunigungs- und Kraftsensoren und Betätigungseinrichtungen vom Diaphragmatyp, finden kann.
Der erfindungsgemäße Sensor arbeitet vorzugsweise nach der Kontakt- bzw. Berührungsart. Kontakt-Sensoren sind zum Beispiel bei Ding et al., Touch Mode Silicon Capacitive Pressure Sensors, 1990 ASME Winter Annual Meeting, 25. November 1990 offenbart
Kurz zusammengefaßt können Kontakt-Sensoren wie folgt beschrieben werden. Zum Beispiel bei kapazitiven Drucksensoren, die irgendeinen Typ eines Diaphragmas verwenden (mit einem Kontakt oder auch nicht) verbiegt sich das Diaphragma, wenn auf das Diaphragma ein Druck ausgeübt wird. Diese Verbiegung verändert notwendigerweise die Lücke bzw. den Spalt unter dem Diaphragma. Die Änderung dieser Lücke führt zu einer Änderung der Kapazitanz bzw. Kapazität, die festgestellt wird und dazu dient, die Messung des Drucks vorzunehmen. Bei einem Kontakt wird das Diaphragma so verbogen, daß es praktisch die darunterliegende Oberfläche berührt. Der berührte Bereich stellt einen Faktor für die Größenordnung der Kapazitätsänderung dar.
Die offenbarten Sensoren besitzen jedoch nicht die vorteilhaften Eigenschaften der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Sensoren, wie eine Lücke mit abgedichtetem Vakuum oder eine Verbindung mit dem Bereich unter dem Diaphragma unter Verwendung beerdigter bzw. versenkter Elektrodenstrukturen, um die elektrische Durchkontaktierung für bequeme Feststellverfahren zu erreichen. Außerdem hatten die offenbarten Sensoren Stabilitäts- und Hystereseprobleme, die durch das erfindungsgemäße Verfahren gelöst werden.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Drucksensors ist aus US-Patent Nr. 4,467,394 bekannt.
Außerdem offenbart US-Patent Nr. 5,264,075 von Zanini-Fisher et al. ein Herstellungsverfahren für kapazitive Absolutdrucksensoren aus Silicium/Glas. Das offenbarte Herstellungsverfahren ist jedoch extrem kompliziert und führt zu einem Sensor mit einer anderen Struktur.
Allgemein ausgedrückt arbeiten herkömmliche kapazitive Absolutdrucksensoren in einem begrenzten Temperaturbereich von etwa -50 bis 100ºC. Außerdem kann kein bekannter Sensor sowohl einer bestimmten Betriebstemperatur und einem bestimmten Betriebsdruck als auch einer viel höheren Herstellungstemperatur und einem viel höheren Herstellungsdruck (das Mehrfache der Betriebswerte) widerstehen. Das Formen eines Sensors in einem Reifen ist zum Beispiel nur eine Erläuterung einer Umgebung, in der herkömmliche Sensoren diese gewünschten Kriterien nicht erfüllen. Außerdem haben die meisten bekannten kommerziellen Vorrichtungen mit geringen und mittleren Kosten in der Praxis das Problem, daß sich mit der Zeit die Basis- bzw. Grundlinie verschiebt. Deshalb ist in der Praxis die Genauigkeit ohne Eichung innerhalb von etwa einem Jahr typischerweise schlechter als ± 1%. Die vorliegende Erfindung kann diese Probleme der industriellen Anwendung lösen.
Bei kapazitiven Absolutdrucksensoren besteht eines der schwierigsten Probleme in der Gestaltung und Herstellung der elektrischen Durchkontaktierungen aus der hermetisch abgedichteten Bezugsvertiefung bis zu dem Bereich, der herkömmliche für eine Feststellung zugänglich ist. Ein Verfahren für die elektrische Durchkontaktierung, das kostengünstig und zuverlässig ist und für die Herstellung von Siliciumscheiben geeignet ist, wird folglich für die Sensorherstellung und -verpackung immer wichtiger.
Es wurden verschiedene Strukturen für die elektrische Durchkontaktierung entwickelt. Einer dieser Versuche besteht in einer Vakuumabdichtung unter Verwendung einer pn-Übergangs-Durchkontaktierung. Bei diesem Verfahren wird Silicium vom n-Typ verwendet, um die oberen Sensor/Diaphragma-Strukturen zu bilden. Die obere Elektrode ist ein p&spplus;-Silicium-Diaphragma. Die untere Elektrode wird jedoch durch zwei getrennte Metallmuster auf der Substrat- bzw. Trägerscheibe aus Glas erzeugt. Die verteilten p&spplus;- Durchkontaktierungen werden auf Silicium vom n-Typ erzeugt und dienen der Verbindung dieser beiden Teile beim anodischen (elektrostatischen) Verbindungsverfahren. Deshalb kann durch diese Technik bei einem für Siliciumscheiben geeigneten Prozeß eine hermetisch abgedichtete Vertiefung mit mehreren Durchkontaktierungen hergestellt werden.
Diese Struktur der Durchkontaktierung zeigt jedoch Probleme, die mit den pn-Übergängen verbunden sind. Ein unpassender Schutz der Übergänge beeinträchtigt die Leistung des Sensors aufgrund eines Übergangsgeräuschs und umgekehrter Kriechstrome. Zusätzlich zum Schutz des Übergangs wird das Implantieren von Ionen nahegelegt, um die p&spplus;-Durchkontaktierungen zu erzeugen, damit die durch die Diffusion verursachten Stufen in der Oberfläche geringer werden. Somit ist die bei der Herstellung eines Hochleistungs-Drucksensors notwendige Anzahl von Verbesserungen riesig.
Es wurden weitere nicht ausgereifte Verfahren entwickelt, die Herstellungs- und/oder Betriebsmängel zeigen. Bei einem Verfahren wird der Kanal für die elektrische Durchkontaktierung in eine Trennwand aus Silicum geätzt. Nachdem der Aufbau des Siliciumdiaphragmas und das Glassubstrat durch elektrostatisches (anodisches) Verbinden miteinander verbunden sind, wird die Substratelektrode durch diesen kleinen Kanal aus der Kammer zu der verbindenden Dämpfung auf der Außenseite geführt. Um eine hermetisch abgedichtete Vertiefung für diesen kapazitiven Absolutdrucksensor zu erreichen, wird dieses kleine Loch des Durchkontaktierungskanals abgedichtet. Für diesen Zweck wird als Dichtungsmittel eine Glasmasse verwendet.
Das direkte Abdichtung des Vakuums erfolgt in einem Vakuumofen. Die Vorrichtung mit der Glasmasse mit einer geeigneten Zusammensetzung, die zum Abdichten des Kanals aufgebracht wurde, wird in einen Vakuumofen gegeben und bis zu einer bestimmten Temperatur-Zeit- Kurve erhitzt, bei der die Glasmasse schmilzt. Dann wird der Ofen auf Raumtemperatur abgekühlt, und die elektrische Durchkontaktierung ist somit abgedichtet.
Ein weiterer relativ unausgereifter Versuch zum Abdichten der Bezugsvertiefung bei einem für Siliciumscheiben geeigneten Verfahren ist eine Vakuumabdichtung durch Zerstäuben eines Pyrex-Glasfilms auf der Öffnung des Kanals. Ein Kanal mit einer Tiefe von 1 um (Mikron) wird in das Silicium geätzt, um das Abdichtungsverfahren zu erleichtern. Es wird eine Siliciummaske hergestellt, um die meisten Bereiche der Vorrichtung, abgesehen von den Bereichen des Kanals, zu versperren. Diese Maske wird mit der Siliciumscheibe der Vorrichtung ausgerichtet und verbunden. Dann werden die zusammengesetzten Siliciumscheiben zur Zerstäubungsvorrichtung geschickt. Ein Glasfilm oder eine andere Art eines isolierenden Films mit 3 um (Mikron) wird darauf zerstäubt, um den 1 um (Mikron) tiefen Kanal abzudichten.
Die vorliegende Erfindung stellt einen neuen und verbesserten kapazitiven Absolutdrucksensor bereit, der die vorstehend genannten Probleme und weitere löst.
Es wird ein sehr zuverlässiger, robuster kapazitiver Absolutdrucksensor erreicht. Der Sensor weist ein Substrat mit einer darauf abgeschiedenen Elektrode und einen hermetisch mit dem Substrat verbundenen Diaphragmaaufbau auf. Vorzugsweise verbiegt sich bei zunehmendem Druck das Diaphragma und berührt die Elektrode (Arbeitsweise mit einem Kontakt), wodurch sich die Kapazität unter dem Diaphragma ändert. Es wird die Technik der versenkten Durchkontaktierung angewendet, damit sich die Elektrode auf dem Substrat wirksam aus dem Bereich unter dem Diaphragma erstreckt, um die Kapazitätsänderung festzustellen und somit den festgestellten Druck zu bestimmen. Für den Sensor kann eine hermetische Abdichtung bereitgestellt werden, um den Bereich des Sensors abzudichten, durch den die Elektrode von unterhalb des Diaphragmas bis zum zugänglichen Bereich des Sensors geführt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt das Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Drucksensors das Ätzen einer ersten und einer zweiten Lücke auf der ersten Seite einer Siliciumscheibe, so daß die Lücken durch eine Trennwand getrennt sind, wodurch eine Sensorkammer und eine Elektrodenkammer erzeugt werden. Dann wird auf einem getrennten Glas-, Silicium- oder anderen geeigneten Substrat eine Metallelektrode abgeschieden, und über dem Metall wird eine Schicht aus Glas angeordnet. Die Siliciumscheibe und das getrennte Glassubstrat werden verbunden. Die zur ersten Seite entgegengesetzte zweite Seite der Siliciumscheibe wird dann geätzt, wodurch auf dem Sensor ein Diaphragma und ein Erfassungsbereich gebildet werden. Die Elektrode wird von unterhalb der Trennwand bis zum Bereich der Elektrodenkammer hindurchgeführt und abgedichtet.
Nach einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung umfaßt das Abdichten die geeignete Auswahl der Dicke der Elektrode und der Glasschicht.
Nach einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung umfaßt das Abdichten, daß die Elektrode und die Glasschicht auf dem Glas-, Silicium- oder anderen geeigneten Substrat einem Wärmezyklus unterzogen werden.
Nach einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung ist der Sensor so aufgebaut, daß er eine robuste Gestaltung hat, die anspruchsvollen Umgebungen widersteht, die mit der Herstellung, Installation und/oder Verwendung verbunden sind.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß das Feststellen und Erfassen des Drucks durch einen einfachen Aufbau verwirklicht werden.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sich durch diese robuste Gestaltung eine Stabilität, eine hohe Leistung und eine hohe Zuverlässigkeit ergeben.
Ein weiterer Vorteil ist, daß eine bequeme Durchkontaktierung der erfassenden Elektrode bei einer geeigneten Auswahl der Materialien und einem ausgewählten Wärmezyklus erreicht wird.
Ein weiterer Vorteil ist, daß bei der bevorzugten Wirkungsweise durch einen Kontakt der Sensor die erwünschten linearen Eigenschaften mit einer Nullunterdrückung, einem Überlastungsschutz und einer hohen Empfindlichkeit zeigt.
Der weitere Umfang der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung wird aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung deutlich. Es sollte jedoch selbstverständlich sein, daß die ausführliche Beschreibung und bestimmte Beispiele, die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung angeben, nur zur Erläuterung aufgeführt sind.

Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Ansicht des Aufbaus eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sensors;
Fig. 2 ist eine Draufsicht der Vorrichtung von Fig. 1;
Fig. 3 ist ein Querschnitt der Vorrichtung von Fig. 1 (entlang der Linie 3-3 in Fig. 2);
Fig. 3 ist eine Draufsicht der Vorrichtung von Fig. 1;
Fig. 4 ist ein Querschnitt entlang der Linie 4-4 in Fig. 2;
Fig. 5 ist ein Querschnitt entlang der Linie 5-5 in Fig. 2;
Fig. 6 ist ein Teilschnitt der Vorrichtung von Fig. 1, der unerwünschte Lücken zeigt, die nicht abgedichtet sind;
Fig. 7 ist ein Teilquerschnitt der Vorrichtung von Fig. 1, der die bevorzugte Abdichtung zeigt;
Fig. 8(a) bis 8(i) erläutern das bevorzugte Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung von Fig. 1;
Fig. 9 ist ein Querschnitt der Vorrichtung von Fig. 1, die mit einem Kontakt arbeitet, und
Fig. 10 ist eine charakteristische Druck-Spannung-Kurve der Vorrichtung von Fig. 1.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Ein gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellter kapazitiver Absolutdrucksensor aus Silicium hat die Vorteile einer guten Stabilität, eines geringen Stromverbrauchs, einer robusten Struktur, einer großen Überdrucktoleranz, eines weiten Bereichs und des damit verbundenen Merkmals, daß für eine bessere Linearität und Empfindlichkeit die Nullunterdrückung ausgenutzt wird. Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Absolutdrucksensoren aus Silicium für industrielle und andere Anwendungszwecke, bei denen ein zeitlich stabiler Betrieb innerhalb weiter Meßbereiche in problematischen Umgebungen erforderlich ist. Der Sensor arbeitet vorzugsweise mit einem Kontakt mit dem Merkmal der Nullunterdrückung. Es kann jedoch auch ein Betrieb in der kontaktfreien Art angewendet werden. Die vorliegende Erfindung führt zu einer einzigartigen Sensorleistung.
Die Leistungswerte des kapazitiven Absolutdrucksensors, der gemäß dieser Erfindung hergestellt wird, werden wie folgt zusammengefaßt:
- eine Arbeitstemperatur von -150 bis 200ºC;
- Druckbereich: kann so gestaltet werden, daß er die volle Skala von 0,069 bis 0,69 mbar (10&supmin;&sup4; bis 10³ psi) abdeckt;
- Überlastungsdruck: volle Skala von 200% bis 200000% oder 3450 kPa (500 psi);
- Herstellungsdruck bis zu 3450 kPa, 500 psi für wenige Stunden;
- Herstellungstemperatur bis zu 300ºC für wenige Stunden;
- Genauigkeit ±1,5% der vollen Skala innerhalb von 5 bis 10 Jahren;
- Hysterese weniger als 1% des Skalenendwerts bzw. der vollen Skala innerhalb von 5 bis 10 Jahren; und
- Stromzufuhr - 3 bis 30 Volt (5 bis 15 Milliwatt) (mit der Kapazität CP-10 zur Spannung der Schnittstellenleitung).
Es wird nunmehr auf die Zeichnungen Bezug genommen, die nur der Erläuterung und nicht der Einschränkung dienen; die Fig. 1 und 2 zeigen eine Ansicht eines Sensors 10, der zwei wesentliche Komponenten, den Diaphragmaaufbau 12 aus Silicium und ein Glas- oder Siliciumsubstrat 14, aufweist.
Der Aufbau. 12 ist vorzugsweise quadratisch oder rechteckig und mit mit Bor dotiertem (p&spplus;) Silicium hergestellt, wobei das p&spplus;-Ätz-Stopp- Verfahren angewendet wird (oder kann n-dotiertes Silicium sein, wobei das Ätz-Stopp-Verfahren für den pn-Übergang angewendet wird). Der Diaphragmaaufbau 12 umfaßt einen Bereich 15, entlang dem das Diaphragma 16 angeordnet ist, und einen Bereich 17 mit einer Öffnung 18, wobei diese Bereiche von einer relativ dicken Trennwand 20 und einem relativ dicken Rahmen 22 definiert werden.
Die Elektrode 26, die vorzugsweise aus drei Metallschichten, zwei Außenschichten aus Chrom und einer Innenschicht aus Platin (Cr-Pt- Cr) besteht, ist auf dem Substrat 14 ausgebildet. Die Chromschichten der Elektroden bieten die Bindungsvorteile, wohingegen die Platinschichten für die gute Leitfähigkeit sorgen. Die Elektrode 14 dient dem Kontakt mit dem Diaphragma 16 und ist im wesentlichen in dem Bereich 28 angeordnet, der sich unter der Öffnung 18 befindet. Wie es anhand der Fig. 4 und 5 beschrieben wird, befindet sich die Elektrode 24 zudem nicht direkt auf dem Substrat 15 sondern auf einer isolierenden Schicht 32, die auf dem Substrat vorliegt. Die Elektrode 26 überspannt den Abstand 28 und einen Abschnitt 30, der mit dem Diaphragma 16 ausgerichtet ist.
Die genauen Abmessungen des Sensors ändern sich als Funktion des Druckbereichs und der maximalen Temperatur/des maximalen Drucks, denen der Sensor widerstehen muß. Bei einem Sensor mit einem Arbeitsdruck von etwa 689 kPa (100 psi), einem Höchstdruck von 2.760 kPa (400 psi) und einer Höchsttemperatur von 250ºC betragen zum Beispiel die Breite b des Diaphragmas 16 250 um (Mikron), die Länge des Diaphragmas 16 750 um (Mikron), die Dicke der Wand 20 500 um (Mikron) und die Höhe der Wand 20 300 um (Mikron), was die Dicke einer 75 mm Siliciumscheibe darstellt. Der Rahmen 22 ist so bemessen, daß er der Dicke und Höhe der Wand 20 entspricht. Es ist klar, daß irgendwelche geeigneten Abmessungen verwendet werden können, solange die Aufgaben der vorliegenden Erfindung gelöst werden.
Signifikanterweise werden die Wand 20 und der Rahmen 22 als dicke, robuste Strukturen gefertigt, wie es anhand der vorstehend genannten bevorzugten Abmessungen deutlich wird. Der Vorteil einer solchen Gestaltung besteht darin, daß der Sensor 10 der Herstellungs-, Installations- und Arbeitstemperatur und Extremwerten beim Druck widerstehen kann. Der Sensor ist besonders für die Verwendung unter relativ strengen Bedingungen gedacht, wie sie mit dem Formen des Sensors in einen Autoreifen und dem Erfassen des Drucks dieses Reifens verbunden sind. Wie der Fachmann einschätzen kann, kann der Sensor mit einer geeigneten Elektronik ergänzt werden, um die vom Sensor erfaßten kapazitiven (Spannungs-)Änderungen zu überwachen. Außerdem kann die Elektronik auch dazu verwendet werden, diese Überwachung aus der Ferne durchzuführen.
Es wird nunmehr in Ergänzung zu den Fig. 1 und 2 auf Fig. 3 Bezug genommen, der Diaphragmaaufbau 12 ist elektrostatisch mit dem Substrat 14 verbunden, wodurch der kapazitive Drucksensor 10 aufgebaut wird. Die Kapazität des Sensors 10 wird durch die Fläche des Diaphragmas 16 (a · b) und der Elektrode 26, der Lücke unter dem Diaphragma (d-dmin) und die absolute Dielektrizitätskonstante der Luft oder des Vakuums bestimmt. Die Kapazität ist wie folgt:
worin dx dy = dA - Elementarfläche auf dem Diaphragma
&epsi;o = absolute Dielektrizitätskonstante der Luft oder des Vakuums
&epsi;g = absolute Dielektritzitätskonstante des Glases (Schicht 32)
d = Abstand zwischen dem Diaphragma und dem Substrat.
Somit gilt im berührten Bereich (bei der Kontakt):
d = dmin
Somit gelten
und
Die Lücke d wird durch Ätzen des Siliciums erzeugt (wie es anhand der Fig. 8(a) bis 8(i) beschrieben ist), und dmin ist die ausgewählte Dicke der isolierenden Schicht 32 auf der Elektrode 26. Das heißt, dmin ist der Abstand zwischen der Oberseite der isolierenden Schicht und dem Substrat. Irgendwelche Schwankungen von dmin, wie sie zum Beispiel durch die Krümmung der isolierenden Schicht über der Elektrode in Fig. 3 dargestellt sind, werden als vernachlässigbar angesehen. Da das p&spplus;-Ätz-Stopp-Verfahren vorzugsweise dazu dient, das Silicium-Diaphragma zu bilden, hängt die Dicke des Diaphragmas h von der Dicke der p&spplus;-Schicht ab, die sich exakt regeln läßt. dmin beträgt in allen relevanten Bereichen vorzugsweise etwa 0,3 bis 3,0 um (Mikron). Irgendwelche geeigneten Abmessungen für dmin als auch alle anderen Komponenten können jedoch ausgewählt werden, sofern die Vorteile der Erfindung erreicht werden.
Die Kammer 34 mit abgedichtetem Vakuum wird unter dem Diaphragma 16 erzeugt. Die Elektrode 26 erstreckt sich unter der Wand 20 und verbindet die verbindende Dämpfung 36 der Elektrode 26 (die in der Öffnung 18 angeordnet ist) mit der Elektrode 26 in der abgedichteten Vakuumkammer 34. Folglich werden kapazitive Veränderungen der Kammer 34, die sich durch Druckänderungen auf das Diaphragma 16 ergeben, vorteilhaft erfaßt.
Die Fig. 2, 4 und 5 zeigen die relativen Positionen der Elektroden 24 und 26. Die Elektrode 26 weist die darauf abgeschiedene isolierende Schicht 32 auf. Die Elektrode 24 ist so auf der isolierenden. Schicht 32 angeordnet, daß die isolierende Schicht 32 zwischen den Elektroden liegt und diese trennt/übereinander schichtet, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Die Elektrode 24 ist in Fig. 5 außerdem so dargestellt, daß sie sich teilweise unter der Trennwand 26 jedoch nicht durch die Kammer 34 erstreckt, wodurch der Kontakt durch die Wand 20 zum Diaphragma 16 hergestellt wird, während der Vakuumzustand der Kammer 34 erhalten bleibt.
Wie aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich, erstreckt sich die Elektrode 26 aus der Kammer 34 unter der Trennwand 20 zur Öffnung 18. Bei dieser Anordnung ergibt sich ein Problem im Hinblick auf die Erhaltung des Vakuumzustands der Kammer 34. Wie der Fachmann einschätzen kann, entstehen insbesondere als Folge der Kanten der Elektrode 26, die einen kleinen Rücken oder eine kleine Wölbung in der isolierenden Schicht unter der Trennwand 20 erzeugen (Fig. 6) Lücken 38 und 40 zwischen der Trennwand 20 und der isolierenden Schicht 32. Diese Lücken 38 und 40 verhindern, daß ein zuverlässiger Vakuumzustand der Kammer 34 erreicht wird. Um dieses Problem zu lösen, werden in der bevorzugten Ausführungsform, wie es in Fig. 7 gezeigt ist, die Dicke der Elektrode 26 und die der isolierenden Schicht 32, d. h. dmin, sorgfältig ausgewählt und das Verbindungs- und/oder thermische Verfahren derart gestaltet, daß sich die isolierende Schicht 32 anpaßt oder verformt, so daß die Lücken 38 und 40 abgedichtet werden. In dem Bereich, der unter der Wand 20 liegt, betragen vorzugsweise die dicke der Elektrode 26 etwa 0,1 bis 0,3 um (Mikron) und die Dicke der Schicht 32 etwa 0,3 bis 3,0 um (Mikron). Folglich wird die Vakuumdichtung an der Grenzfläche zwischen der Trennwand 20 und der isolierenden Schicht 32 und an der Grenzfläche zwischen der Elektrode 26 und der isolierenden Schicht 32 aufrechterhalten.
Das Verfahren zur Herstellung eines Sensors 10 mit einer versenkten Durchkontaktierung ist in den Fig. 8(a) bis (i) gezeigt. Wie dargestellt, beginnt das Verfahren mit einer Siliciumscheibe 42 vom p-Typ < 100> (Fig. 8(a)). KOH (oder irgendein anderes geeignetes Ätzmittel) wird dazu verwendet, die Siliciumscheibe zu ätzen, um in der Siliciumscheibe 42 die gewünschten Lücken 44, 46 zu erhalten (Fig. 8(b)). Dann erfolgt die Diffusion von Bor, um die Dicke h der p&spplus;- Schicht des Diaphragmas zu definieren (Fig. 8(c)).
Das Glassubstrat 14 wird vor dem elektrostatischen Verbinden mit der Siliciumscheibe 42 präpariert. Die Elektrode 26 wird zerstäubt (Fig. 8(d)) und dann unter der isolierenden Schicht 32 aus dem zerstäubten Glas vom Typ 7740 oder einer äquivalenten Glasmasse versenkt (Fig. 8(e)), wodurch die Elektrode schließlich vom Diaphragma 16 abgetrennt ist, wenn das Diaphragma den Boden der Kammer 34 berührt. Dann wird die isolierende Schicht über der verbindenden Dämpfung 36 (Fig. 3) entfernt, indem das Glas mit einer Maske geätzt wird. Die Elektrode 24 wird gegebenenfalls ebenfalls auf der Schicht 32 zerstäubt, damit sie die Siliciumscheibe 42 (Diaphragma 16) berührt.
Vorzugsweise wird bei der Kombination aus dem Substrat 14, der Elektrode 26 und der isolierenden Schicht 32 ein Wärmezyklus durchgeführt. Zuerst wird die Kombination etwa 0,5 Stunden auf 500 bis 550ºC erhitzt, so daß sich die Schicht 32 um die Elektrode 26 herum verformt. Als zweites wird dann etwa 0,5 Stunden eine Temperatur von etwa 350 bis 400ºC angewendet. Dadurch kann sich das Glas in der Kombination entspannen und ausgleichen, was zum erwünschten Temperaturkoeffizienten führt. Dann wird die Siliciumscheibe 42 bei 350 bis 400ºC elektrostatisch mit dem Glassubstrat 14 verbunden ( Fig. 8(f)). Schließlich wird die Kombination etwa 1 Stunde langsam abgekühlt.
Dann erfolgt mit EDP (oder KOH oder einer anderen geeigneten Ätzlösung) ein tiefes Siliciumätzen in der Siliciumscheibe 42, um das Diaphragma 16 und die sich öffnende Kappe 48 der Elektrode zu erzeugen (Fig. 8(g)). Nach dem Schneiden wird die Elektrodenkappe 48 geöffnet (Fig. 8(h)). Die isolierende Schicht unter der Kappe 48 über den verbindenden Dämpfungen 36 wird entfernt, bevor die Verbindung mit der Elektrode 26 (Elektrodendämpfung 36) geschaffen wird (Fig. 8(i)). Die fertiggestellte Vorrichtung 10 wird dann verdrahtet und verpackt.
In dieser Konfiguration wird im Silicium vom p-Typ kein getrennter Durchkontaktierungskanal erzeugt. Eine dünne metallische Durchkontaktierung, d. h. die Elektrode 26, die unter dem anodischen Verbindungsbereich angeordnet ist, wird auf dem Glassubstrat 14 erzeugt. Vor dem anodischen Verbinden mit dem Aufbau 12 des Siliciumdiaphragmas wird eine isolierende Schicht 32 aus einem Pyrex-Glasfilm durch Zerstäuben auf dem Glassubstrat 14 und dem Elektrodenbereich des Glassubstrats 14, abgesehen vom Bereich der Dämpfung 36, angeordnet. Diese Schicht 32 dient sowohl als Zwischenschicht für das anodische Verbinden als auch als isolierende Schicht der unteren Elektrode für die Wirkungsweise durch einen Kontakt.
Die gemäß der Fig. 8(a) bis (i) hergestellte Vorrichtung 10 hat viele Vorteile, wie geringe Kosten, eine für Siliciumscheiben geeignete Abdichtung und eine hohe Leistung. Es kann ein zweistufiges Verfahren zum Zerstäuben des Glases angewendet und die Empfindlichkeit des Sensors weiter verbessert werden: ein Schritt für die Verbindung von Si (42) mit dem Glas (14) und ein Schritt, um dmin auf der Oberseite der Elektrode (26) zu definieren.
Die bevorzugte Arbeitsweise des kapazitiven Drucksensors 10 ist der Kontakt. Nach dieser Art arbeitende Sensoren zeigen bei einigen industriellen Anwendungszwecken, bei denen die Drucküberwachung innerhalb eines Bereichs erwünscht ist, eine viel bessere Leistung als herkömmliche kapazitive Sensoren. Wenn er geeignet gestaltet und hergestellt ist, arbeitet der Sensor 10, wie es in Fig. 9 gezeigt ist, so, daß das Diaphragma 16 die Elektrode 26 durch die isolierende Schicht 32 hindurch berührt. Der berührte Bereich ändert sich als lineare Funktion des angewendeten Drucks. Folglich ändert sich die Kapazität, wie es durch die Gleichungen [1] und [2] definiert ist, und ändert sich in diesem Bereich des Kontaktes auch nahezu linear mit dem Druck.
Die typischen Eigenschaften eines Sensors sind in Fig. 10 gezeigt, in der drei Arbeitsbereiche angegeben sind. Der Bereich I ist der nicht- lineare kontaktfreie Bereich, das heißt, das Diaphragma und die isolierende Schicht haben keinen Kontakt. Es ist ein typischer nicht-linearer Zusammenhang zwischen der Kapazität und dem Druck gezeigt. Der Bereich II zeigt die Übergangsmerkmale, wenn das Diaphragma 16 des Sensors 10 beginnt, die isolierende Schicht 32 der Elektrode 26 zu berühren. Die Kurve hat eine kleine Wölbung, sie ist das Ergebnis der summierten Kapazitäten der berührten und der nicht berührten Bereiche. Im Bereich III wird ein nahezu linearer Zusammenhang zwischen Kapazität und Druck beobachtet. Diese Eigenschaft ist grundsätzlich auf den Beitrag des berührten Bereiches zurückzuführen, der mit zunehmendem Druck größer wird. Dieser lineare Arbeitsbereich bietet deutliche, bisher nicht bekannte Vorteile bei der Wirkungsweise.
Bei einem Kontakt-Drucksensor 10 kann die Stelle des Kontaktpunktes durch Gestaltungsparameter eingestellt werden, so daß der Sensor in dem Druckbereich, der von Interesse ist, ein lineares Verhalten zeigen kann. Dadurch erhält der Sensor mit einer nur geringfügigen Modifikation des Verfahrens eine große Flexibilität bei der Gestaltung für unterschiedliche Anwendungszwecke. Zum Beispiel liegen der Druckbereich, der bei einem Pkw-Reifen von Interesse ist, bei etwa 345 kPa (50 psi) und der für einen Lkw-Reifen bei etwa 690 kPa (100 psi). Die einzige geringfügige Änderung bei der Herstellung des Sensors ist die p&spplus;-Diffusionszeit.
Ein hier beschriebener, gemäß dieser Erfindung hergestellte Sensor hat signifikante vorteilhafte Merkmale. Erstens erleichtert die Durchkontaktierung der Metallelektrode 26 (die vorzugsweise Cr-Pt-Cr umfaßt) mit einer ausgewählten Dicke von 0,1 bis 0,3 um (Mikron), die mit einer Glasschicht 32 mit einer ausgewählten Dicke von 0,3 bis 3,0 um (Mikron) überzogen ist und einem ausgewählten Wärmezyklus unterzogen wurde, eine zuverlässige Abdichtung der evakuierten Kammer 34, wobei der Zutritt zur Elektrode für die Erfassung noch immer möglich ist.
Zweitens ist die Struktur des Sensors robust, wodurch für eine Stabilität, hohe Leistung und hohe Zuverlässigkeit gesorgt wird. Insbesondere werden die Abmessungen des Rahmens 22 und der Wand 20 so ausgewählt, daß sie sowohl bei der Herstellung des Sensors als auch bei der Verwendung anspruchsvollen Umgebungen widerstehen können.
Drittens wird bei der bevorzugten Arbeitsweise mit einem Kontakt die Leistung durch die lineare Arbeitsweise verbessert, wenn die Nullunterdrückung angewendet wird und ein Überlastungsschutz eingebaut ist, und die Empfindlichkeit wird deutlich erhöht. Das Ausmaß der Linearität hängt von der Dicke des Diaphragmas, der Lücke unter dem Diaphragma und anderen Dimensionsfaktoren ab. Für die lineare Arbeitsweise kann die Nullunterdrückung durch irgendeinen geeigneten Meßkreis erreicht werden. Außerdem wird der Sensor gegen einen Überlastungsdruck geschützt, da das Diaphragma als Folge eines erhöhten Drucks nur das Substrat berührt und nicht bricht oder kurzschließt. Ein Überlastungsdruck führt nur zu einer größeren berührten Fläche. In ähnlicher Weise wird bei einem Kontakt die Empfindlichkeit des Sensors verbessert, da die Kapazität eine äquivalente Lücke hat, die dem kleinstmöglichen dmin gleich ist.
Die vorstehende Beschreibung bietet nur eine Offenbarung bestimmter Ausführungsformen der Erfindung und soll diese nicht darauf begrenzen. Die Erfindung als solche ist nicht nur auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen begrenzt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Drucksensors, welches die Schritte umfaßt:

Ätzen einer ersten und einer zweiten Lücke auf der ersten Seite einer Siliciumscheibe, wobei die erste und die zweite Lücke durch eine Trennwand getrennt sind;

Durchführen eines Diffusionsverfahrens, um in den Lücken eine p&spplus;-leitende Schicht zu erzeugen;

Abscheiden eines Metalls in Form einer Elektrode und einer Dämpfung auf einer Oberfläche eines Substrats, wobei das Substrat einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweist, wobei die Elektrode den ersten und den zweiten Abschnitt überspannt und die Dämpfung im zweiten Abschnitt verteilt ist;

Zerstäuben von Glas auf der Oberfläche der Elektrode;

Verformen des Glases entlang der Elektrode;

Verbinden der Siliciumscheibe mit dem Substrat, so daß die erste Lücke mit dem ersten Abschnitt des Substrats und die zweite Lücke mit dem zweiten Abschnitt des Substrats ausgerichtet sind, wobei die erste Lücke und der erste Abschnitt eine Kammer bilden;

Ätzen der zur ersten Seite entgegengesetzten zweiten Seite der Siliciumscheibe, wodurch (1) ein Diaphragma, das mit der ersten Lücke und dem ersten Abschnitt ausgerichtet ist, und (2) eine Kappe, die mit der zweiten Lücke und dem zweiten Abschnitt ausgerichtet ist, erzeugt werden, und

Entfernen der Kappe und der entsprechenden Abschnitte des Glases auf der Elektrode, um die Elektrode freizulegen,

wodurch die Kammer als Folge der Verformung des Glases entlang der Elektrode und die Bindung abgedichtet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Dicke des Glases 0,3 bis 3 um (Mikron) beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Ätzen zur Erzeugung der ersten und der zweiten Lücke, das Diaphragma und die Kappe eine Rahmenstruktur bilden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, das außerdem das Evakuieren der ersten Lücke umfaßt, wenn die Siliciumscheibe und das Substrat verbunden werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, wobei das Verformen und Binden umfassen, daß das Substrat und die Siliciumscheibe einem ausgewählten Wärmezyklus ausgesetzt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, wobei der ausgewählte Wärmezyklus umfaßt:

das Glassubstrat, die abgeschiedene Metallelektrode und das zerstäubte Glas werden etwa 0,5 Stunden einer ersten Temperatur ausgesetzt;

das Glassubstrat, die abgeschiedene Metallelektrode und das zerstäubte Glas und die Siliciumscheibe werden etwa 0,5 Stunden einer zweiten Temperatur ausgesetzt, damit die Siliciumscheibe mit dem Substrat verbunden wird, und

das Substrat, die abgeschiedene Metallelektrode, das zerstäubte Glas und die gebundene Siliciumscheibe werden etwa 1 Stunde langsam abgekühlt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die erste Temperatur etwa 500ºC beträgt.

8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die zweite Temperatur im Bereich von 350 bis 400ºC liegt, um die Restspannung des Sensors zu verringern.