DE10062637B4 - Differential Pressure Sensor - Google Patents

Differential Pressure Sensor Download PDF

Info

Publication number
DE10062637B4
DE10062637B4 DE10062637A DE10062637A DE10062637B4 DE 10062637 B4 DE10062637 B4 DE 10062637B4 DE 10062637 A DE10062637 A DE 10062637A DE 10062637 A DE10062637 A DE 10062637A DE 10062637 B4 DE10062637 B4 DE 10062637B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
substrate
main surface
sensor according
pressure
differential pressure
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.)
Expired - Fee Related
Application number
DE10062637A
Other languages
German (de)
Other versions
DE10062637A1 (en
Inventor
Stefan Kolb
Wolfgang Werner
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.)
Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
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 Infineon Technologies AG filed Critical Infineon Technologies AG
Priority to DE10062637A priority Critical patent/DE10062637B4/en
Publication of DE10062637A1 publication Critical patent/DE10062637A1/en
Application granted granted Critical
Publication of DE10062637B4 publication Critical patent/DE10062637B4/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • 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

Abstract

Mikromechanischer Differenzdrucksensor zur Messung einer Druckdifferenz in zwei voneinander getrennten Räumen oder Medien mit:
– einem Substrat (1) mit zumindest einem durch oberflächenmikromechanische Verfahren an einer Hauptoberfläche (2) des Substrats (1) angeordneten Hohlraum (3), der auf einer Seite von einer beweglichen Membran (4) begrenzt wird; wobei die beweglichen Membran (4) ausgehend von der Hauptoberfläche (2) des Substrats (1) mit einem ersten Druck beaufschlagt werden kann;
– zumindest einer Öffnung (12) in der Hauptoberfläche (2) des Substrats (1), die mit einem zweiten Druck beaufschlagt werden kann;
– zumindest einem an der Hauptoberfläche (2) des Substrats (1) angeordneten Kanal (13), der den Hohlraum (3) mit der Öffnung (12) verbindet; und
– einer an der Hauptoberfläche (2) des Substrats (1) angeordneten Auswerteschaltung.Micromechanical differential pressure sensor for measuring a pressure difference in two separate rooms or media with:
- a substrate (1) having at least one surface micromechanical process on a main surface (2) of the substrate (1) arranged cavity (3) which is bounded on one side by a movable membrane (4); wherein the movable membrane (4) can be subjected to a first pressure starting from the main surface (2) of the substrate (1);
- At least one opening (12) in the main surface (2) of the substrate (1), which can be acted upon by a second pressure;
- at least one on the main surface (2) of the substrate (1) arranged channel (13) connecting the cavity (3) with the opening (12); and
- One on the main surface (2) of the substrate (1) arranged evaluation circuit.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikromechanische Differenzdrucksensor zur Messung einer Druckdifferenz in zwei voneinander getrennten Räumen oder Medien.The The present invention relates to a micromechanical differential pressure sensor for measuring a pressure difference in two separate rooms or Media.

Für Drucksensoren gibt es ein weites Anwendungsspektrum im Bereich der Industrie, Medizin, Haushalt und Verkehrswesen. Der Bedarf wird durch die zunehmende Automatisierung in der Industrie sowie durch die Implementierung neuer Funktionen in Kraftfahrzeugen stark zunehmen. Dieser Bedarf kann jedoch nur mit kostengünstigen Sensoren gedeckt werden. Die jeweiligen technischen Anwendungen erfordern hohe Genauigkeiten und eine hohe Flexibilität der Produkte.For pressure sensors there is a wide range of applications in the field of industry, Medicine, household and transport. The need is being increased by the increasing Automation in the industry as well as through the implementation new functions in motor vehicles. This need but only with low cost Sensors are covered. The respective technical applications require high accuracies and high flexibility of the products.

Für viele Anwendungen von Drucksensoren ist dabei die Messung von Differenzdrücken, d. h. eines Unterschiedes zwischen den herrschenden Drücken in zwei voneinander getrennten Räumen oder Medien, von großer Bedeutung. Dabei ist es im allgemeinen nicht ausreichend, zwei Drücke p1 und p2 mit zwei separaten Drucksensoren absolut zu messen und die gewonnenen Meßwerte danach voneinander zu subtrahieren. Der Grund hierfür liegt in der zu geringen Meßgenauigkeit der allgemein zur Verfügung stehenden Absolutdruckmessvorrichtungen, die insbesondere bei großen Druckbereichen bzw. hohen Absolutdrücken aber kleinen Differenzdrücken nicht genügt, die Druckdifferenz Δp = p2 – p1 hinreichend genau zu liefern.For many applications of pressure sensors, the measurement of differential pressures, ie a difference between the prevailing pressures in two separate rooms or media, is of great importance. It is generally not sufficient to absolutely measure two pressures p 1 and p 2 with two separate pressure sensors and then to subtract the measured values obtained from each other. The reason for this lies in the too low accuracy of measurement of the generally available absolute pressure measuring devices, which is not sufficient in particular for large pressure ranges or high absolute pressures but small differential pressures, the pressure difference Δp = p 2 - p 1 to deliver sufficiently accurate.

Die Messung eines Differenzdruckes Δp = p2 – p1 durch die Verwendung zweier unabhängiger Absolutdrucksensoren führt bei kleinen Differenzdrücken (bezogen auf den Messbereich des Absolutdrucksensoren) zu erheblichen Meßfehlern. Bei einem Meßfehler der Absolutdrucksensoren von z. B. 1% ergibt sich bei einem Differenzdruck Δp von z. B. 5% des Meßbereiches bereits ein Fehler von 28%.The measurement of a differential pressure Δp = p 2 -p 1 by the use of two independent absolute pressure sensors leads to considerable measuring errors with small differential pressures (related to the measuring range of the absolute pressure sensors). In a measurement error of the absolute pressure sensors of z. B. 1% results at a differential pressure Ap of z. B. 5% of the measuring range already an error of 28%.

Zur Lösung dieses Problems wurden Halbleiter-Differenzdrucksensoren vorgeschlagen, bei denen eine einzige druckempfindliche Membran von der einen Seite mit dem ersten Druck p1 und von der anderen Seite mit dem zweiten Druck p2 beaufschlagt wird. Folglich wird bei einer derartigen Anordnung die Membran entsprechend der Druckdifferenz Δp = P2 – p1 ausgelenkt und ermöglicht damit eine entsprechende Messung dieses Wertes. Die Meßgenauigkeit eines derartigen Differenzdrucksensors ist abhängig von der Auslegung des Sensors, d. h. der Membran, der Abtastung der Membranauslenkung und der elektrischen bzw. elektronischen Auswertung etc..To solve this problem, semiconductor differential pressure sensors have been proposed in which a single pressure-sensitive membrane is acted upon by the first pressure p1 from one side and the second pressure p2 from the other side. Consequently, in such an arrangement, the membrane is deflected in accordance with the pressure difference Δp = P 2 -p 1 and thus allows a corresponding measurement of this value. The measuring accuracy of such a differential pressure sensor depends on the design of the sensor, ie the membrane, the sampling of the diaphragm deflection and the electrical or electronic evaluation, etc.

Bisher wurden derartige Halbleiter-Differenzdrucksensoren in einer sogenannten „Volumen-Mikromechanik-Technologie" (bulk micromachining) hergestellt, bei der das Substratmaterial unterhalb der Membran vollständig entfernt (z. B. durch Ätzen) werden muß. Die entsprechenden Produktionsprozesse sind jedoch im allgemeinen nicht kompatibel mit modernen CMOS- oder Bipolar-Halbleiterprozessen. Demzufolge ist es schwierig, zusätzlich zu der Drucksensorvorrichtung eine komplexe Auswerteschaltung direkt auf demselben Halbleiterchip zu integrieren.So far have been such semiconductor differential pressure sensors produced in a so-called "volume micromachining" technology, in which the substrate material below the membrane completely removed (eg by etching) got to. The However, corresponding production processes are generally not compatible with modern CMOS or bipolar semiconductor processes. As a result, it is difficult in addition to the pressure sensor device a complex evaluation circuit directly to integrate on the same semiconductor chip.

Ein weiterer prinzipieller Nachteil der mit einer Volumen-Mikromechanik-Technologie hergestellten Differenzdrucksensoren besteht darin, daß diese Differenzdrucksensoren ausgesprochen empfindlich auf die Montage- bzw. Gehäusebedingungen reagieren. Gewöhnlich wird dieses Problem durch einen Wafer-Bond-Prozess, d. h. durch das Verbinden zweier Wafer gelöst, bei dem der Systemwafer, welcher die eigentliche Drucksensorvorrichtung trägt, mit einem Trägerwafer verbunden wird. Solche Trägerwafer können ihrerseits aus einem Halbleitermaterial oder aber auch aus thermisch angepaßten Gläsern oder Keramiken bestehen. Jeder Trägerwafer muß entweder vor oder nach dem Verbindungsprozeß mit dem Systemwafer strukturiert werden, damit eine Druckankopplung an die Membranunter seite erfolgen kann. Diese Strukturierung führt jedoch auch zu Justierproblemen, wenn sie vor dem Wafer-Bonden erfolgt. Erfolgt die Strukturierung dagegen nach dem Wafer-Bonden, so muß sie mit größter Vorsicht vorgenommen werden, da die empfindlichen Membranen sehr leicht beschädigt werden können, was entweder die Produktionsausbeute drastisch reduziert oder aber möglicherweise die Zuverlässigkeit und/oder Langzeitstabilität der Drucksensoren beeinträchtigen kann.One further principal disadvantage of having a volume micromechanical technology manufactured differential pressure sensors is that these differential pressure sensors extremely sensitive to the mounting or housing conditions react. Usually this problem is solved by a wafer bonding process, i. H. by solved the connection of two wafers, in which the system wafer, which is the actual pressure sensor device carries, with a carrier wafer is connected. Such carrier wafers can in turn from a semiconductor material or else from thermal matched glass or ceramics. Each carrier wafer must be either before or after Connection process with the system wafer are structured so that a pressure coupling can be done to the membrane bottom. However, this structuring leads also to adjustment problems, if done before wafer bonding. If the structuring, however, after the wafer bonding, it must with utmost care because the sensitive membranes are easily damaged can, which either drastically reduces the production yield or else possibly the reliability and / or Long-term stability affect the pressure sensors can.

Die DE 197 50 131 A1 beschreibt eine mikromechanische Differenzdrucksensorvorrichtung, bei der auf einem Trägersubstrat zwei Absolutdruckmessvorrichtungen monolithisch integriert sind.The DE 197 50 131 A1 describes a micromechanical differential pressure sensor device in which two absolute pressure measuring devices are monolithically integrated on a carrier substrate.

In US 5 375 473 A wird ein durch Volumen-Mikromechanik-Technologie hergestelltes Halbleiterdifferenzdruckmessgerät beschrieben, das aus einem Trägersubstrat und einem darauf aufgebrachten Siliziumsubstrat gebildet ist. Ebenso beschreibt die DE 198 26 317 A1 einen durch Volumen-Mikromechanik-Technologie hergestellten Halbleiterdrucksensor.In US 5,375,473 A. A description will be given of a semiconductor differential pressure gauge made by a volume micromechanical technology formed of a support substrate and a silicon substrate deposited thereon. Likewise describes the DE 198 26 317 A1 a semiconductor pressure sensor manufactured by volume micromechanical technology.

In der US 5 969 591 wird ein Differenzdrucksensorchip beschrieben, der einen in der Oberfläche eines Substrats gebildeten Hohlraum aufweist, ein den Hohlraum aufspannendes, verformbares Diaphragma und eine Druckpassage, die die Oberfläche des Substrats mit dem Hohlraum verbindet.In the US 5,969,591 For example, there is described a differential pressure sensor chip having a cavity formed in the surface of a substrate, a cavity-defining deformable diaphragm, and a pressure passage connecting the surface of the substrate to the cavity.

In „Sensors and Actuators", A 67 (1998), Seiten 211–214, wird ein Verfahren zur Integration oberflächenmikromechanisch hergestellter Drucksensorzellen in einen Standard-BiCMOS-Prozess beschrieben.In "Sensors and Actuators ", A 67 (1998), pages 211-214, is a method for integration surface micromechanically produced Pressure sensor cells in a standard BiCMOS process described.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Differenzdrucksensor bereitzustellen, der die genannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet oder mindert. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Differenzdrucksensor bereitzustellen, der mit modernen CMOS- oder Bipolar-Halbleiterprozessen herstellbar ist.It Therefore, the object of the present invention is a differential pressure sensor to provide the mentioned disadvantages of the prior art avoids or reduces. In particular, it is an object of the present invention Invention to provide a differential pressure sensor compatible with modern CMOS or bipolar semiconductor processes can be produced.

Diese Aufgabe wird von dem Differenzdrucksensor gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen, Ausgestaltungen und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.These Task is solved by the differential pressure sensor according to claim 1. Further advantageous embodiments, Embodiments and aspects of the present invention will become apparent the dependent claims the description and the accompanying drawings.

Erfindungsgemäß wird ein Differenzdrucksensor zur Messung einer Druckdifferenz in zwei voneinander getrennten Räumen oder Medien bereitgestellt. Der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor umfaßt die Merkmale:

  • – ein Substrat mit zumindest einem an einer Hauptoberfläche des Substrats angeordneten Hohlraum, der auf einer Seite von einer beweglichen Membran begrenzt wird; wobei die beweglichen Membran ausgehend von der Hauptoberfläche des Substrats mit einem ersten Druck beaufschlagt werden kann;
  • – zumindest eine Öffnung in der Hauptoberfläche des Substrats, die mit einem zweiten Druck beaufschlagt werden kann;
  • – zumindest ein an der Hauptoberfläche des Substrats angeordneten Kanal, der den Hohlraum mit der Öffnung verbindet.
According to the invention, a differential pressure sensor is provided for measuring a pressure difference in two separate rooms or media. The differential pressure sensor according to the invention comprises the features:
  • A substrate having at least one cavity disposed on a major surface of the substrate and bounded on one side by a movable membrane; wherein the movable membrane may be pressurized from the main surface of the substrate with a first pressure;
  • - At least one opening in the main surface of the substrate, which can be acted upon by a second pressure;
  • - At least one arranged on the main surface of the substrate channel which connects the cavity with the opening.

Der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor besitzt den Vorteil, daß insbesondere bei großen Druckbereichen bzw. hohen Absolutdrücken auch kleine Differenzdrücke Δp = p2 – p1 hinreichend genau bestimmt werden können. Die hohe erzielbare Genauigkeit wird durch die Bildung des Differenzdrucks direkt an der beweglichen Membran gewährleistet. Daher kann der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor auf die Höhe des maximalen Differenzdrucks (z. B. 104 Pa) ausgelegt werden während bei der Bestimmmung eines Differenzdrucks mit Hilfe von zwei Absolutdrucksensoren die beiden Absolutdrucksensoren jeweils auf den maximalen Absolutdruck (z. B. 106 Pa) ausgelegt werden müssen.The differential pressure sensor according to the invention has the advantage that even with large pressure ranges or high absolute pressures and small differential pressures .DELTA.p = p 2 - p 1 can be determined with sufficient accuracy. The high achievable accuracy is ensured by the formation of the differential pressure directly to the movable membrane. Therefore, the differential pressure sensor according to the invention can be designed for the height of the maximum differential pressure (eg 10 4 Pa) while in the determination of a differential pressure with the aid of two absolute pressure sensors the two absolute pressure sensors are each set to the maximum absolute pressure (eg 10 6 Pa). must be interpreted.

Da sowohl der Hohlraum als auch der Kanal an der Oberfläche des Substrats angeordnet sind, können gängige Verfahren der Oberflächenmikromechanik eingesetzt werden, um den erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor herzustellen. Insbesondere können solche Verfahren der Oberflächenmikromechanik eingesetzt werden, die mit Standard CMOS- bzw. Bipolar-Prozessen kompatibel sind. Dementsprechend kann auf die bisher eingesetzten Verfahren der Volumen-Mikromechanik mit ihren Prozeß- bzw. Montage-Schwierigkeiten verzichtet werden.There both the cavity and the channel on the surface of the Substrate can be arranged common Process of surface micromechanics be used to produce the differential pressure sensor according to the invention. In particular, you can Such methods of surface micromechanics which are compatible with standard CMOS or bipolar processes are. Accordingly, to the previously used methods the volume micromechanics with their process or mounting difficulties be waived.

Der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor besitzt darüber hinaus den Vorteil, daß er mit weiteren Komponenten auf einem einzigen Substrat (Chip) integriert werden kann. Dabei weist der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor einen sehr geringen Flächenbedarf auf, da zur Bildung des Differenzdrucks nur eine einzige Membran benötigt wird. Daraus ergeben sich Vorteile hinsichtlich des Preises bzw. hinsichtlich der zur Verfügung stehenden Fläche.Of the Differential pressure sensor according to the invention owns it addition, the advantage that he integrated with other components on a single substrate (chip) can be. In this case, the differential pressure sensor according to the invention has a very small space requirement on, since there is only a single membrane to form the differential pressure needed becomes. This results in advantages in terms of price or regarding the available standing area.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bilden die bewegliche Membran und die der Membran gegenüber liegende Seite des Hohlraums einen Kondensator. Die durch eine Druckdifferenz ausgelösten Kapazitätsänderungen werden somit als Maß für die Druckdifferenz ausgewertet.According to one preferred embodiment form the movable membrane and the membrane opposite side of the cavity a capacitor. The capacitance changes triggered by a pressure difference thus become a measure of the pressure difference evaluated.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine an der Hauptoberfläche des Substrats angeordnete Auswerteschaltung vorgesehen. Dabei ist es insbesondere bevorzugt, wenn die Auswerteschaltung einen Sigma/Delta-Signalwandler umfaßt. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn eine an der Hauptoberfläche des Substrats angeordnete Strom/Spannungsversorgung vorgesehen ist.According to one another preferred embodiment is one on the main surface provided the substrate arranged evaluation circuit. It is it is particularly preferred if the evaluation circuit comprises a sigma / delta signal converter. Farther it is preferred if a current / voltage supply arranged on the main surface of the substrate is provided.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist auf der beweglichen Membran ein Stempel angeordnet. Durch einen Stempel wird der Bereich, über den sich der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor linear verhält, deutlich erweitert. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die bewegliche Membran aus Polysilizium aufgebaut ist.According to one another preferred embodiment is arranged on the movable membrane a stamp. Through a Stamp becomes the area above the differential pressure sensor according to the invention behaves linearly, significantly expanded. Furthermore, it is preferred if the movable membrane is constructed of polysilicon.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zumindest eine Druckanschlußeinheit vorgesehen, über die die bewegliche Membran und/oder die Öffnung mit dem ersten bzw. zweiten Druck beaufschlagt wird. Dabei ist es insbesondere bevorzugt, wenn die Druckanschlußeinheit eine zylinderförmige Leitung aufweist, die auf die Hauptoberfläche des Substrats geklebt ist.According to one another preferred embodiment At least one pressure connection unit is provided via which the movable membrane and / or the opening with the first or second pressure is applied. It is particularly preferred if the pressure connection unit a cylindrical Line, which is glued to the main surface of the substrate.

Weiterhin ist es bevorzugt, wenn der Hohlraum und der Kanal gleichzeitig mit Hilfe einer Opferschicht gebildet werden.Farther it is preferred if the cavity and the channel coincide with Help a sacrificial layer are formed.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren der Zeichnungen näher dargestellt. Es zeigen:The The invention will be explained in more detail below with reference to the figures of the drawings. Show it:

1 eine schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors, 1 a schematic cross section through an embodiment of the differential pressure sensor according to the invention,

2 eine schematische Aufsicht auf den Kanal und den Hohlraum aus 1, 2 a schematic plan view of the channel and the cavity 1 .

3 eine schematische Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor, und 3 a schematic plan view of a differential pressure sensor according to the invention, and

4 eine schematischen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors. 4 a schematic cross section through a further embodiment of the differential pressure sensor according to the invention.

1 zeigt eine schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors. Dabei zeigt 1 den Ausschnitt eines größeren Halbleiterchips 1 (Substrat), in dem die eigentliche Differenzdruckmessung vorgenommen wird. Dazu ist an der Hauptoberfläche 2 des Halbleiterchips 1 ein Hohlraum 3 angeordnet, der mit einer beweglichen Membran 4, einer isolierenden Schicht 5 und einer Siliziumschicht 6 gebildet wird. Dabei ist die isolierende Schicht 5 der übrig gebliebene Teil einer Opferschicht, die zur Herstellung des Hohlraums eingesetzt wird. Die Siliziumschicht 6 ist z. B. ein Siliziumsubstrat oder eine auf einem Siliziumsubstrat aufgebrachte Silizium-Epitaxieschicht. 1 shows a schematic cross section through an embodiment of the differential pressure sensor according to the invention. It shows 1 the section of a larger semiconductor chip 1 (Substrate), in which the actual differential pressure measurement is made. This is on the main surface 2 of the semiconductor chip 1 a cavity 3 arranged with a movable membrane 4 , an insulating layer 5 and a silicon layer 6 is formed. Here is the insulating layer 5 the leftover part of a sacrificial layer used to make the cavity. The silicon layer 6 is z. A silicon substrate or a silicon epitaxial layer deposited on a silicon substrate.

In dieser Siliziumschicht 6 gegenüber der beweglichen Membran 4 ist ein dotiertes Gebiet, ein sogenannte "doped well", ausgebildet. Das Dotiergebiet ist beispielsweise mittels Implantation und/oder Diffusion hergestellt. Das Dotiergebiet bildet somit eine Elektrode des Kondensators, der durch den Hohlraum 3 gebildet ist. Die andere Elektrode des Kondensators wird durch die bewegliche Membran 4 gebildet, die in dem vorliegenden Beispiel aus dotiertem Polysilizium aufgebaut ist.In this silicon layer 6 opposite the movable membrane 4 is a doped region, a so-called "doped well" formed. The doping region is produced, for example, by means of implantation and / or diffusion. The doping region thus forms an electrode of the capacitor passing through the cavity 3 is formed. The other electrode of the capacitor is through the movable membrane 4 formed of doped polysilicon in the present example.

Über der beweglichen Membran 4 ist eine Isolationschicht 8 angeordnet, die im vorliegenden Beispiel aus Siliziumoxid aufgebaut ist. Je nach Herstellungsprozeß kann die Isolationschicht 8 auch aus mehreren Isolationsschichten bestehen. Weiterhin ist über der Isolationschicht 8 eine Passivierungsschicht 9 angeordnet, die im vorliegenden Beispiel aus Siliziumnitrid aufgebaut ist. Die Isolationschicht 8 sowie die Passivierungsschicht 9 wurden strukturiert, so daß über dem Randbereich der beweglichen Membran ein Graben 10, ein sogenannter „Kragen", und über dem zentralen Bereich der beweglichen Membran 4 ein Stempel 11 entsteht. Durch den Stempel 11 wird der Bereich, über den sich der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor linear verhält, deutlich erweitert. Gleichzeitig kann durch die Breite des Grabens 10 die Beweglichkeit der Membran 4 eingestellt werden. Ausgehend von der Hauptoberfläche des Halbleiterchips 1 (Substrat) kann die beweglichen Membran 4 somit mit einem ersten Druck beaufschlagt werden.Above the movable membrane 4 is an insulation layer 8th arranged, which is constructed in the present example of silicon oxide. Depending on the manufacturing process, the insulation layer 8th also consist of several insulation layers. Furthermore, over the insulation layer 8th a passivation layer 9 arranged, which is constructed in the present example of silicon nitride. The insulation layer 8th as well as the passivation layer 9 were structured so that over the edge region of the movable membrane a trench 10 , a so-called "collar", and above the central area of the movable membrane 4 a stamp 11 arises. By the stamp 11 is the range over which the differential pressure sensor according to the invention behaves linearly significantly expanded. At the same time, by the width of the trench 10 the mobility of the membrane 4 be set. Starting from the main surface of the semiconductor chip 1 (Substrate) can be the movable membrane 4 thus be subjected to a first pressure.

In der Hauptoberfläche 2 des Halbleiterchips 1 (Substrat) ist weiterhin eine Öffnung 12 vorgesehen, die mit einem zweiten Druck beaufschlagt werden kann. Die Öffnung 12 reicht von Hauptoberfläche 2 des Halbleiterchips 1 (Substrat) durch die Passivierungsschicht 9 sowie die Isolationschichten 8a bis 8c bis zu einem Kanal 13. Der Kanal 13 verbindet die Öffnung 12 mit dem Hohlraum 3, so daß die Unterseite der beweglichen Membran mit dem zweiten Druck beaufschlagt werden kann. Der Kanal 13 wurde dabei in der gleichen Opferschicht 5 erzeugt, die auch bei der Herstellung des Hohlraums eingesetzt wurde. Eine schematische Aufsicht auf den Kanal 13 und den Hohlraum 3 ist in 2 gezeigt.In the main surface 2 of the semiconductor chip 1 (Substrate) is still an opening 12 provided, which can be acted upon with a second pressure. The opening 12 ranges from main surface 2 of the semiconductor chip 1 (Substrate) through the passivation layer 9 as well as the insulation layers 8a to 8c up to one channel 13 , The channel 13 connects the opening 12 with the cavity 3 , so that the underside of the movable membrane can be acted upon by the second pressure. The channel 13 was doing in the same sacrificial layer 5 produced, which was also used in the production of the cavity. A schematic view of the canal 13 and the cavity 3 is in 2 shown.

Die bewegliche Membran 4 wird nun in Abhängigkeit des Differenzdrucks Δp = p2 – p1 entweder nach oben oder unten ausgelenkt, was sich in einer Kapazitätsänderung des durch die bewegliche Membran 4 und den dotierten Bereich 7 gebilde ten Kondensator widerspiegelt. Der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor besitzt den Vorteil, daß insbesondere bei großen Druckbereichen bzw. hohen Absolutdrücken auch kleine Differenzdrücke Δp = p2 – p1 hinreichend genau bestimmt werden können. Die hohe erzielbare Genauigkeit wird durch die Bildung des Differenzdrucks direkt an der beweglichen Membran gewährleistet. Daher kann der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor auf die Höhe des maximalen Differenzdrucks (z. B. 104 Pa) ausgelegt werden während bei der Bestimmmung eines Differenzdrucks mit Hilfe von zwei Absolutdrucksensoren die beiden Absolutdrucksensoren jeweils auf den maximalen Absolutdruck (z. B. 106 Pa) ausgelegt werden müssen.The movable membrane 4 is now deflected depending on the differential pressure Ap = p 2 - p 1 either up or down, resulting in a change in capacitance of the through the movable membrane 4 and the doped area 7 It reflects the condenser. The differential pressure sensor according to the invention has the advantage that even with large pressure ranges or high absolute pressures and small differential pressures .DELTA.p = p 2 - p 1 can be determined with sufficient accuracy. The high achievable accuracy is ensured by the formation of the differential pressure directly to the movable membrane. Therefore, the differential pressure sensor according to the invention can be designed for the height of the maximum differential pressure (eg 10 4 Pa) while in the determination of a differential pressure with the aid of two absolute pressure sensors the two absolute pressure sensors are each set to the maximum absolute pressure (eg 10 6 Pa). must be interpreted.

3 zeigt eine schematische Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor. Neben dem eigentlichen Druckmessbereich 14 sind auf dem erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor weiteren Komponenten, insbesondere eine Auswerteschaltung 15, eine Strom/Spannungsversorgung 16, eine Schaltung zur Erzeugung eines Zeitsignals 17, eine Kalibrationsschaltung 18 und eine Schnittstelle 19 vorgesehen. All diese weiteren Komponenten sind auf einem einzigen Substrat (Chip) integriert. 3 shows a schematic plan view of a differential pressure sensor according to the invention. In addition to the actual pressure measuring range 14 are on the differential pressure sensor according to the invention further components, in particular an evaluation circuit 15 , a power supply 16 , a circuit for generating a time signal 17 , a calibration circuit 18 and an interface 19 intended. All these other components are integrated on a single substrate (chip).

Da zur Erzeugung des erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor solche Verfahren der Oberflächenmikromechanik eingesetzt werden können, die mit Standard CMOS- bzw. Bipolar-Prozessen kompatibel sind, können diese weiteren Komponenten aus Standardkomponenten ausgewählt werden, wie sie in sogenannten „Librarys" gespeichert sind. Darüber hinaus weist der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor einen sehr geringen Flächenbedarf auf, da zur Bildung des Differenzdrucks nur eine einzige Membran benötigt wird. Dementsprechend kann mehr Chipfläche für die übrigen Komponenten, z. B. eine Auswerteschaltung und/oder eine Strom/Spannungs-versorgung, verwendet werden.Since for the production of the differential pressure sensor according to the invention such methods of surface micromechanics can be used, which are compatible with standard CMOS or bipolar processes, these other components can be selected from standard components, as they are stored in so-called "libraries" Differential pressure sensor according to the invention has a very small space requirement, since only a single diaphragm is required to form the differential pressure. Accordingly, more chip area can be used for the other components, eg. an evaluation circuit and / or a power / voltage supply can be used.

4 zeigt eine schematischen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors. Dabei ist über der beweglichen Membran 4 und über der Öffnung 12 jeweils eine Druckanschlußeinheit 20, z. B. ein Kunststoffkamin oder ein Kunststoff-Schlauchanschluß als eine zylinderförmige Leitung, gasdicht auf Passivierungsschicht 9 geklebt. Mittels dieser Druckanschlußeinheiten 20 können auf einfache Weise die zu messenden Drücke getrennt voneinander der Membran 4 bzw. der Öffnung 12 zugeführt werden. 4 shows a schematic cross section through a further embodiment of the differential pressure sensor according to the invention. It is above the movable membrane 4 and over the opening 12 one pressure connection unit each 20 , z. As a plastic chimney or a plastic hose connection as a cylindrical conduit, gas-tight on Passivierungsschicht 9 glued. By means of these pressure connection units 20 can easily measure the pressures to be measured separately from the membrane 4 or the opening 12 be supplied.

Claims (9)

Mikromechanischer Differenzdrucksensor zur Messung einer Druckdifferenz in zwei voneinander getrennten Räumen oder Medien mit: – einem Substrat (1) mit zumindest einem durch oberflächenmikromechanische Verfahren an einer Hauptoberfläche (2) des Substrats (1) angeordneten Hohlraum (3), der auf einer Seite von einer beweglichen Membran (4) begrenzt wird; wobei die beweglichen Membran (4) ausgehend von der Hauptoberfläche (2) des Substrats (1) mit einem ersten Druck beaufschlagt werden kann; – zumindest einer Öffnung (12) in der Hauptoberfläche (2) des Substrats (1), die mit einem zweiten Druck beaufschlagt werden kann; – zumindest einem an der Hauptoberfläche (2) des Substrats (1) angeordneten Kanal (13), der den Hohlraum (3) mit der Öffnung (12) verbindet; und – einer an der Hauptoberfläche (2) des Substrats (1) angeordneten Auswerteschaltung.Micromechanical differential pressure sensor for measuring a pressure difference in two separate spaces or media comprising: - a substrate ( 1 ) with at least one surface micromechanical process on a main surface ( 2 ) of the substrate ( 1 ) arranged cavity ( 3 ), which on one side of a movable membrane ( 4 ) is limited; the movable membrane ( 4 ) starting from the main surface ( 2 ) of the substrate ( 1 ) can be acted upon with a first pressure; - at least one opening ( 12 ) in the main surface ( 2 ) of the substrate ( 1 ), which can be pressurized with a second pressure; - at least one on the main surface ( 2 ) of the substrate ( 1 ) channel ( 13 ), the cavity ( 3 ) with the opening ( 12 ) connects; and - one on the main surface ( 2 ) of the substrate ( 1 ) arranged evaluation circuit. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Membran (4) und die der Membran (4) gegenüber liegende Seite des Hohlraums (3) einen Kondensator bilden.Sensor according to claim 1, characterized in that the movable membrane ( 4 ) and the membrane ( 4 ) opposite side of the cavity ( 3 ) form a capacitor. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (15) einen Sigma/Delta-Signalwandler umfaßt.Sensor according to claim 1, characterized in that the evaluation circuit ( 15 ) comprises a sigma-delta signal converter. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine an der Hauptoberfläche (2) des Substrats (1) angeordnete Strom/Spannungsversorgung (16) vorgesehen ist.Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that one on the main surface ( 2 ) of the substrate ( 1 ) arranged power / voltage supply ( 16 ) is provided. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der beweglichen Membran (4) ein Stempel (11) angeordnet ist.Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that on the movable membrane ( 4 ) a stamp ( 11 ) is arranged. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Membran (4) aus Polysilizium aufgebaut ist.Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the movable membrane ( 4 ) is constructed of polysilicon. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Druckanschlußeinheit (20) vorgesehen ist, über die die bewegliche Membran (4) und/oder die Öffnung (12) mit dem ersten bzw. zweiten Druck beaufschlagt wird.Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that at least one pressure connection unit ( 20 ) is provided, via which the movable membrane ( 4 ) and / or the opening ( 12 ) is acted upon by the first and second pressure. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckanschlußeinheit (20) eine zylinderförmige Leitung aufweist, die auf die Hauptoberfläche (2) des Substrats (1) geklebt ist.Sensor according to claim 7, characterized in that the pressure connection unit ( 20 ) has a cylindrical conduit which faces the main surface ( 2 ) of the substrate ( 1 ) is glued. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (3) und der Kanal (13) gleichzeitig mit Hilfe einer Opferschicht (5) gebildet werden.Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the cavity ( 3 ) and the channel ( 13 ) simultaneously with the help of a sacrificial layer ( 5 ) are formed.
DE10062637A 2000-12-15 2000-12-15 Differential Pressure Sensor Expired - Fee Related DE10062637B4 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10062637A DE10062637B4 (en) 2000-12-15 2000-12-15 Differential Pressure Sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10062637A DE10062637B4 (en) 2000-12-15 2000-12-15 Differential Pressure Sensor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE10062637A1 DE10062637A1 (en) 2002-07-04
DE10062637B4 true DE10062637B4 (en) 2009-05-28

Family

ID=7667338

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE10062637A Expired - Fee Related DE10062637B4 (en) 2000-12-15 2000-12-15 Differential Pressure Sensor

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE10062637B4 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010017191A1 (en) 2010-06-01 2011-12-01 CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik und Photovoltaik GmbH Differential pressure sensor for measuring differential pressure in chambers or mediums, has electrically contacted layer attached in non-deforming region of carrier substrate and/or differential pressure membrane

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1719993A1 (en) * 2005-05-06 2006-11-08 STMicroelectronics S.r.l. Integrated differential pressure sensor and manufacturing process thereof
DE102005031603A1 (en) * 2005-07-06 2007-01-11 Robert Bosch Gmbh Micromechanical pressure sensor on semiconductor substrate has membrane over chamber connected by channel to pressure equaliser opening
EP2112487B1 (en) * 2008-04-23 2016-07-27 Sensirion AG Method for manufacturing a pressure sensor by applying a cover layer
EP2806258B1 (en) * 2013-05-20 2018-09-12 ams international AG Differential pressure sensor

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5375473A (en) * 1993-08-17 1994-12-27 Yokogawa Electric Corporation Semiconductor type differential pressure measurement apparatus and method for manufacturing the same
DE19826317A1 (en) * 1997-06-11 1998-12-17 Denso Corp Method of manufacturing a semiconducting substrate for a semiconducting pressure sensor
DE19750131A1 (en) * 1997-11-13 1999-06-10 Siemens Ag Micromechanical differential pressure sensor device
US5969591A (en) * 1991-03-28 1999-10-19 The Foxboro Company Single-sided differential pressure sensor

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5969591A (en) * 1991-03-28 1999-10-19 The Foxboro Company Single-sided differential pressure sensor
US5375473A (en) * 1993-08-17 1994-12-27 Yokogawa Electric Corporation Semiconductor type differential pressure measurement apparatus and method for manufacturing the same
DE19826317A1 (en) * 1997-06-11 1998-12-17 Denso Corp Method of manufacturing a semiconducting substrate for a semiconducting pressure sensor
DE19750131A1 (en) * 1997-11-13 1999-06-10 Siemens Ag Micromechanical differential pressure sensor device

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Scheiter, T. u.a.: Full integration of a pressure-sensor system … into a standard BiCMOS process, On: Sensors and Actuators A67 … (1998), Seiten 211-214 *
Scheiter, T. u.a.: Full integration of a pressure-sensor system into a standard BiCMOS process, On: Sensors and Actuators A67 (1998), Seiten 211-214

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010017191A1 (en) 2010-06-01 2011-12-01 CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik und Photovoltaik GmbH Differential pressure sensor for measuring differential pressure in chambers or mediums, has electrically contacted layer attached in non-deforming region of carrier substrate and/or differential pressure membrane

Also Published As

Publication number Publication date
DE10062637A1 (en) 2002-07-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0515416B1 (en) Integratable capacitative pressure sensor and process for its manufacture
DE3635462C2 (en)
EP2132547B1 (en) Pressure sensor
DE19750131C2 (en) Micromechanical differential pressure sensor device
DE10392622T5 (en) Barometric pressure sensor
DE19743749A1 (en) Semiconductor pressure sensor for absolute pressure measurement
DE102007053859A1 (en) Pressure-measuring device
EP0681691B1 (en) Pressure sensor
EP2335039B1 (en) Sensor arrangement, method for operating a sensor arrangement and method for producing a sensor arrangement
DE2503781A1 (en) PROCESS FOR PRODUCING PRESSURE MEASURING TRANSDUCERS IN SEMI-CONDUCTOR CONSTRUCTION
EP0264388B1 (en) Circuitry for measuring mechanical deformation, specially under pressure
DE3436440A1 (en) Semiconductor measuring instrument
DE102004021041A1 (en) Combined absolute pressure and relative pressure sensor
DE10062637B4 (en) Differential Pressure Sensor
DE10393943B3 (en) Differential Pressure Sensor
DE102007014468A1 (en) Pressure sensor chip
DE102017109971A1 (en) pressure sensor
DE102020120232A1 (en) MEMS SENSOR
DE102017212422A1 (en) Pressure sensor arrangement and method for its production
DE102009026676A1 (en) Pressure sensor device for semiconductor chip arrangement, has sensor chip projecting pressure intake regions in housing chambers, where chambers include through-holes and pressure intake regions are supplied with absolute pressure
EP1332374B1 (en) Method and device for electrical zero balancing for a micromechanical component
DE102008002668A1 (en) Micromechanical component and corresponding manufacturing method
DE102009045158A1 (en) Sensor arrangement and method for producing a sensor arrangement
DE102020200331A1 (en) Micromechanical component
DE102008041937A1 (en) Pressure sensor arrangement for measuring pressure in combustion chamber of internal combustion engine, has intermediate layer movably provided relative to diaphragm, where diaphragm and intermediate layer are connected with substrate

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
8364 No opposition during term of opposition
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee