DE102009046228A1 - Pressure sensor, in particular differential pressure sensor and a method for preparing a membrane bed for such a sensor - Google Patents

Pressure sensor, in particular differential pressure sensor and a method for preparing a membrane bed for such a sensor Download PDF

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Michael Philipps
Anh Tuan Tham
Roland WERTHSCHÜTZKY
Timo Kober
Rafael Teipen
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00Measuring 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
    • G01L9/0041Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0042Constructional details associated with semiconductive diaphragm sensors, e.g. etching, or constructional details of non-semiconductive diaphragms

Abstract

Drucksensor, umfassend mindestens einen Grundkörper, mindestens eine Messmembran und einen Wandler, wobei die Messmembran insbesondere ein Halbleitermaterial aufweist, wobei die Messmembran unter Einschluss einer Druckkammer an dem Grundkörper befestigt ist, wobei die Messmembran mit mindestens einem Druck beaufschlagbar ist und druckabhängig elastisch verformbar ist, wobei der Wandler ein von der Verformung der Messmembran abhängiges elektrisches Signal bereitstellt, wobei der Grundkörper ein Membranbett aufweist, an welchem die Messmembran im Falle einer Überlast anliegt, wodurch die Messmembran abgestützt wird, wobei das Membranbett eine asphärische, in ihrem Zentrum konkave Kontur aufweist, die geeignet ist, die Messmembran im Falle einer Überlast abzustützen, wobei die Kontur des Membranbetts erhältlich ist durch einebnende Oberflächenbearbeitung einer elastisch vorgespannten, gebogenen Scheibe und anschließendes Relaxierenlassen der Scheibe.Pressure sensor comprising at least one base body, at least one measuring diaphragm and a transducer, the measuring diaphragm in particular having a semiconductor material, the measuring diaphragm being attached to the base body including a pressure chamber, the measuring diaphragm being able to be acted upon by at least one pressure and being elastically deformable as a function of pressure, wherein the transducer provides an electrical signal dependent on the deformation of the measuring membrane, the base body having a membrane bed on which the measuring membrane rests in the event of an overload, whereby the measuring membrane is supported, the membrane bed having an aspherical contour concave in its center, which is suitable for supporting the measuring membrane in the event of an overload, the contour of the membrane bed being obtained by leveling the surface of an elastically pretensioned, curved disk and then letting the disk relax.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor, insbesondere einen Differenzdrucksensor und ein Verfahren zum Präparieren eines Membranbetts für einen solchen Sensor.The present invention relates to a pressure sensor, in particular a differential pressure sensor and a method for preparing a membrane bed for such a sensor.

Drucksensoren umfassen einen Grundkörper, eine Messmembran und einen Wandler, wobei die Messmembran an dem Grundkörper befestigt ist, wobei die Messmembran mit mindestens einem Druck beaufschlagbar ist und eine druckabhängige elastische Verformung aufweist, und wobei der Wandler ein von der Verformung der Messmembran abhängiges elektrisches Signal bereitstellt, wobei der Grundkörper ferner ein Membranbett aufweist, an welchem die Messmembran im Falle einer Überlast anliegt, um die Messmembran abzustützen.Pressure sensors comprise a base body, a measuring diaphragm and a transducer, wherein the measuring diaphragm is fastened to the base body, wherein the measuring diaphragm is subjected to at least one pressure and has a pressure-dependent elastic deformation, and wherein the transducer provides an electrical signal dependent on the deformation of the measuring diaphragm wherein the base body further comprises a membrane bed against which the measuring diaphragm rests in the event of an overload in order to support the measuring diaphragm.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Membranbett eine Kontur annähernd der natürlichen druckabhängigen Verformung, der so genannten Biegelinie, aufweist. Die Schwierigkeit besteht jedoch darin, ein solches Membranbett reproduzierbar und kostengünstig herzustellen.It is advantageous if the membrane bed has a contour approximately the natural pressure-dependent deformation, the so-called bending line. The difficulty, however, is to produce such a membrane bed reproducible and inexpensive.

Die Gestaltung des Bettes sowie dessen Herstellung hängen davon ab, welches Material das Membranbett und ggf. ein Substrat, welches das Membranbett trägt, aufweist, und was für eine Verbindungstechnik des Grundkörpers bzw. des Membranbetts mit der Membran gewählt wird.The design of the bed and its production depend on which material has the membrane bed and possibly a substrate which carries the membrane bed, and what is chosen for a connection technique of the main body or of the membrane bed with the membrane.

Für Differenzdrucksensoren sind insbesondere Si-Grundkörper geeignet, da diese dem statischem Druck gut standhalten. Für die Verbindung von zwei Siliziumscheiben gibt es verschiedene Verfahren, wie z. B. eutektisches Bonden oder Siliziumdirektbonden.For differential pressure sensors in particular Si basic body are suitable because they withstand the static pressure well. For the connection of two silicon wafers, there are various methods, such as. B. eutectic bonding or silicon direct bonding.

Die Herstellung von konkaven Membranbetten in Silizium ist nicht ohne weiteres möglich, wie in nach US 7 360 431 B2 beschrieben ist. Bekannt sind derzeit entweder die nicht etablierten Methoden der Graustufenlithographie oder ein direktes sphärisches Schleifen/Polieren des Siliziums, was nur unter großem Aufwand zu reproduzierbaren Ergebnissen führt.The production of concave membrane beds in silicon is not readily possible, as in US 7 360 431 B2 is described. At present, either the non-established methods of gray-scale lithography or a direct spherical grinding / polishing of the silicon are known, which leads to reproducible results only at great expense.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Drucksensor, insbesondere einen Differenzdrucksensor und ein Verfahren zu seiner Herstellung bereitzustellen, das mit verbesserter Ausbeute und verbesserter Reproduzierbarkeit kostengünstig durchgeführt werden kann.The object of the invention is to provide a pressure sensor, in particular a differential pressure sensor and a method for its production, which can be carried out inexpensively with improved yield and improved reproducibility.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Drucksensor gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 und durch das Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 8.The object is achieved by the pressure sensor according to the independent claim 1 and by the method according to the independent claim. 8

Der erfindungsgemäße Drucksensor umfasst mindestens einen Grundkörper, mindestens eine Messmembran, und einen Wandler, wobei die Messmembran insbesondere ein Halbleitermaterial aufweist, wobei die Messmembran unter Einschluss einer Druckkammer an dem Grundkörper befestigt ist, wobei die Messmembran mit mindestens einem Druck beaufschlagbar ist und druckabhängig elastisch verformbar ist, wobei der Wandler ein von der Verformung der Messmembran abhängiges elektrisches Signal bereitstellt, wobei der Grundkörper ein Membranbett aufweist, an welchem die Messmembran im Falle einer Überlast anliegt, wodurch die Messmembran abgestützt wird, wobei das Membranbett eine asphärische, in ihrem Zentrum konkave Kontur aufweist, die geeignet ist, die Messmembran im Falle einer Überlast abzustützen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur des Membranbetts erhältlich ist durch einebnende Oberflächenbearbeitung einer elastisch vorgespannten, gebogenen Scheibe und anschließendes Entspannenlassen der Scheibe.The pressure sensor according to the invention comprises at least one main body, at least one measuring membrane, and a transducer, wherein the measuring membrane in particular has a semiconductor material, wherein the measuring membrane is attached to the base body including a pressure chamber, wherein the measuring membrane is acted upon by at least one pressure and elastically deformable pressure-dependent wherein the transducer provides an electrical signal dependent on the deformation of the measuring membrane, the base body having a membrane bed against which the measuring diaphragm bears in the event of overload, whereby the measuring diaphragm is supported, the diaphragm bed having an aspherical contour concave in its center which is suitable for supporting the measuring diaphragm in the event of an overload, characterized in that the contour of the diaphragm bed is obtainable by planarizing surface treatment of an elastically prestressed, curved disc and subsequent relaxing eat the slice.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Drucksensor durch ein Verfahren erhältlich, bei dem die Scheibe über mindestens einem Stempel in der Weise gebogen ist, dass die Kontur in diesem Zustand der Scheibe zumindest abschnittsweise dem Negativ der angestrebten Membranbettkontur entspricht.In one development of the invention, the pressure sensor can be obtained by a method in which the disc is bent over at least one punch in such a way that the contour in this state of the disc at least partially corresponds to the negative of the desired membrane bed contour.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Drucksensor mit einem Verfahren erhältlich, bei dem die einebnende Oberflächenbearbeitung durch Schleifen und/oder Lappen und/oder Polieren der Scheibe im gespannten Zustand umfasst.In a development of the invention, the pressure sensor can be obtained by a method in which the leveling surface treatment comprises grinding and / or lapping and / or polishing the disk in the tensioned state.

In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Scheibe Silizium, insbesondere in einer Stärke zwischen 200 μm und 1000 μm, vorzugsweise zwischen 300 μm und 600 μm.In a development of the invention, the pane comprises silicon, in particular in a thickness of between 200 μm and 1000 μm, preferably between 300 μm and 600 μm.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Kontur eine Tiefe von nicht mehr als 50 μm, vorzugsweise nicht mehr als 25 μm und weiter bevorzugt nicht mehr als 12,5 μm auf. Nach einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung weist die Kontur eine Tiefe von nicht weniger als 4 μm, und vorzugsweise nicht weniger als 6 μm auf.In one development of the invention, the contour has a depth of not more than 50 μm, preferably not more than 25 μm and more preferably not more than 12.5 μm. According to another aspect of the invention, the contour has a depth of not less than 4 μm, and preferably not less than 6 μm.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Präparation eines asphärischen Membranbetts eines erfindungsgemäßen Drucksensors, umfasst die Schritte:

  • (a) elastisches Spannen einer ebenen. Scheibe, insbesondere einer Siliziumscheibe, über mindestens einem Stempel mittels einer Scheibenaufnahme
  • (b) zumindest abschnittsweises Einebnen jener Oberfläche der gespannten Scheibe, die der Scheibenaufnahme abgewandt ist, mittels Schleifen und/oder Läppen und/oder Polieren; und
  • (d) Entspannenlassen der Scheibe
The method according to the invention for the preparation of an aspherical membrane bed of a pressure sensor according to the invention comprises the steps:
  • (a) elastic tensioning of a plane. Disc, in particular a silicon wafer, via at least one punch by means of a disc holder
  • (B) at least partially leveling that surface of the tensioned disc, which faces away from the disc holder, by means of grinding and / or lapping and / or polishing; and
  • (d) releasing the disc

In einer Weiterbildung der Erfindung weist der mindestens eine Stempel eine Höhe von mindestens 8 μm, insbesondere mindestens 16 μm und nicht mehr als 100 μm, insbesondere nicht mehr als 50 μm auf.In one development of the invention, the at least one stamp has a height of at least 8 μm, in particular at least 16 μm and not more than 100 μm, in particular not more than 50 μm.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird die Erfindung durch einen Druckgradienten gehalten. D. h. der herrschende Druck auf der der Scheibenaufnahme abgewandten Seite der Scheibe ist größer als der der Scheibenaufnahme zugewandten Seite der Scheibe. Hierzu kann die Scheibenaufnahme eine Oberfläche mit Kanälen aufweisen, über welche der Druck zwischen der Scheibenaufnahme und der Scheibe kontroliert werden kann. In einer Ausgestaltung dieser Weiterbildung der Erfindung umfasst die Scheibenaufnahme einen Vakuumhalter, an welchen die Scheibe angesaugt gehalten wird.In a development of the invention, the invention is held by a pressure gradient. Ie. the prevailing pressure on the side facing away from the disc receiving side of the disc is greater than the disc receiving side facing the disc. For this purpose, the disc holder may have a surface with channels, via which the pressure between the disc holder and the disc can be controlled. In one embodiment of this development of the invention, the disc holder comprises a vacuum holder to which the disc is kept sucked.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Scheibe über mehrere Stempel gespannt, wobei über jedem der Stempel ein Membranbett durch zumindest abschnittsweises Einebnen des über dem Stempel gespannten Oberflächenabschnitts der Scheibe gefertigt wird.In one development of the invention, the disc is stretched over a plurality of punches, wherein over each of the punches a membrane bed is manufactured by at least section-wise leveling of the surface portion of the disc stretched over the punch.

Mit einem solchermaßen präparierten Membranbett kann die Überlastfestigkeit eines Drucksensors erheblich gesteigert werden. Beispielsweise weist eine Si-Messmembran mit einem Messbereich von 10 mbar mit einer Materialstärke von 30 μm und einem Durchmesser von etwa 5 mm an sich, also ohne Abstützung eine Überlastfestigkeit von etwa 1 bar auf. Wenn die Messmembran sich an dem erfindungsgemäßen Membranbett abstützen kann, steigt die Überlastfestigkeit damit auf mindestens auf 50 bar, insbesondere auf mindestens 100 bar, vorzugsweise auf mindestens und 140 bar und besonders bevorzugt auf mindestens 160 bar.With such a prepared membrane bed, the overload resistance of a pressure sensor can be significantly increased. For example, a Si measuring membrane with a measuring range of 10 mbar with a material thickness of 30 microns and a diameter of about 5 mm per se, so without support an overload resistance of about 1 bar. If the measuring membrane can be supported on the membrane bed according to the invention, the overload resistance thus increases to at least 50 bar, in particular to at least 100 bar, preferably to at least and 140 bar and particularly preferably to at least 160 bar.

Die genannten Druckwerte beziehen sich insbesondere auf einen Drucksensor mit einem Messbereich von 10 mbar. Für größere Messbereiche ist es bevorzugt wenn die Überlastfestigkeit ebenfalls größer ist. Beispielsweise sollte ein Drucksensor mit einem Messbereich von 500 mbar eine Überlastfestigkeit von mindestens 100 bar vorzugsweise mindestens 300 bar, weiter bevorzugt mindestens 420 bar und besonders bevorzugt 500 bar aufweisen.The mentioned pressure values relate in particular to a pressure sensor with a measuring range of 10 mbar. For larger measuring ranges, it is preferred if the overload resistance is also greater. For example, a pressure sensor with a measuring range of 500 mbar should have an overload resistance of at least 100 bar, preferably at least 300 bar, more preferably at least 420 bar, and particularly preferably 500 bar.

Der erfindungsgemäße Drucksensor kann ein Absolutdrucksensor, der einen Druck gegenüber Vakuum misst, oder ein Relativdrucksensor sein, der einen Druck gegenüber dem Atmosphärendruck misst.The pressure sensor of the present invention may be an absolute pressure sensor that measures a pressure against vacuum, or a relative pressure sensor that measures a pressure against the atmospheric pressure.

Besonders relevant ist die vorliegende Erfindung aber für Differenzdrucksensoren, welche die Differenz zwischen einem ersten Druck und einem zweiten Druck erfassen. Denn gerade bei Differenzdrucksensoren ist die Gefahr von großen statischen einseitigen Überlasten gegeben, da die zu messende Druckdifferenz gewöhnlich erheblich kleiner ist als ein erster bzw. zweiter Druck, deren Differenz zu erfassen ist. Daher ist der erfindungsgemäße Drucksensor in einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung ein Differenzdrucksensor, der eine Messmembran, einen ersten Grundkörper und einen zweiten Grundkörper aufweist, wobei die Messmembran zwischen dem ersten Grundkörper und dem zweiten Grundkörper angeordnet und mit jedem der beiden Grundkörper unter Einschluss einer ersten Druckkammer und einer zweiten Druckkammer verbunden ist, wobei die erste Druckkammer und die zweite Druckkammer jeweils mindestens einen Kanal durch den ersten bzw. zweiten Grundkörper aufweisen, wobei die Messmembran durch die Kanäle mit einem ersten und einem zweiten Druck beaufschlagbar ist. Die Auslenkung der Membran hängt dann von der Differenz zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck ab.However, the present invention is particularly relevant for differential pressure sensors which detect the difference between a first pressure and a second pressure. Especially with differential pressure sensors, the risk of large static unilateral overloads is given, since the pressure difference to be measured is usually considerably smaller than a first or second pressure whose difference is to be detected. Therefore, the pressure sensor according to the invention in a presently preferred embodiment, a differential pressure sensor having a measuring diaphragm, a first base body and a second base body, wherein the measuring diaphragm between the first base body and the second base body arranged and with each of the two main body including a first pressure chamber and a second pressure chamber is connected, wherein the first pressure chamber and the second pressure chamber each have at least one channel through the first and second base body, wherein the measuring membrane can be acted upon by the channels with a first and a second pressure. The deflection of the membrane then depends on the difference between the first pressure and the second pressure.

Der erfindungsgemäße Drucksensor kann beliebige dem Fachmann geläufige Wandler aufweisen, um eine druckabhängige bzw. differenzdruckabhängige Verformung der Messmembran in ein elektrisches Signal zu wandeln. Hierbei sind insbesondere kapazitive oder (piezo-)resistive Wandler zu nennen. Für kapazitive Wandler sind Elektroden an der Messmembran und am Membranbett vorzusehen, die durch Metallisieren oder durch Dotieren präpariert werden können. Piezoresistive Wandlerstrukturen sind beispielsweise durch Präparieren der Widerstandselemente einer Vollbrücke mittels Dotieren der Membran herzustellen.The pressure sensor according to the invention may have any known to the expert transducer to convert a pressure-dependent or differential pressure-dependent deformation of the measuring diaphragm into an electrical signal. In particular, capacitive or (piezo) resistive converters should be mentioned here. For capacitive transducers electrodes are to be provided on the measuring membrane and on the membrane bed, which can be prepared by metallizing or by doping. Piezoresistive transducer structures can be produced, for example, by preparing the resistance elements of a full bridge by means of doping the membrane.

Sofern eine Vielzahl von Sensoren parallel im Waferverbund gefertigt werden, folgt abschließend ein Vereinzeln der Sensoren, beispielsweise durch Sägen.If a large number of sensors are produced in parallel in the wafer composite, finally a singulation of the sensors follows, for example by sawing.

Die Erfindung wird nun anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.The invention will now be explained with reference to an embodiment shown in the drawings.

Es zeigt:It shows:

1: Eine schematische Schnittdarstellung von Präparationsschritten zum Präparieren der Membranbetten und zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Relativdrucksensors; und 1 : A schematic sectional view of preparation steps for preparing the membrane beds and for producing a relative pressure sensor according to the invention; and

2: einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer Charge erfindungsgemäßer Differenzdrucksensoren vor der Vereinzelung. 2 : A longitudinal section through an embodiment of a batch of differential pressure sensors according to the invention prior to singulation.

Wie in 1a gezeigt, wird auf einem Vakuumhalter 10 auf dessen Oberfläche 11, Stempel 12 hervorstehen, eine Siliziumscheibe 20 gehalten, wobei über den Stempeln 12 die Siliziumscheibe Wölbungen 21 aufweist, welche eine Kontur bilden, die im wesentlichen jeweils ein Negativ einer angestrebten Membranbettkontur bilden.As in 1a shown is on a vacuum holder 10 on its surface 11 , Stamp 12 protrude, a silicon wafer 20 held, taking over the punches 12 the silicon wafer bulges 21 which form a contour, which essentially each form a negative of a desired membrane bed contour.

Wie in 1b dargestellt, werden die hervorstehenden Wölbungen 21 bis zu einer Höhenlinie 30 durch Schleifen und/oder Lappen und/oder Polieren abgetragen. Die tatsächlichen Größenverhältnisse können dabei wie folgt gegeben sein. Die hervorstehenden Wölbungen 21 weisen eine Höhe von beispielsweise etwa 20 Mikrometer gegenüber den Minima der Oberfläche der Siliziumscheibe auf. wobei die Gesamtstärke der Siliziumscheibe beispielsweise einige hundert Mikrometer beträgt. Durch das Schleifen, Lappen bzw. Polieren wird mehr Material abgetragen, als der Höhenunterschied zwischen den Wölbungen und den Minima beträgt beispielsweise also 30 Mikrometer.As in 1b shown, the protruding bulges 21 up to a contour line 30 removed by grinding and / or rag and / or polishing. The actual size ratios can be given as follows. The protruding bulges 21 have a height of, for example, about 20 microns to the minima of the surface of the silicon wafer. wherein the total thickness of the silicon wafer is for example a few hundred micrometers. By grinding, cloth or polishing more material is removed, as the height difference between the bulges and the minima is for example 30 microns.

Nach der Entnahme der Siliziumscheibe vom Vakuumhalter 10 kann die Siliziumscheibe sich wieder entspannen, wodurch an den Positionen der abgetragenen Wölbungen nun gegenüber der ebenen Oberfläche 22, der Siliziumscheibe Vertiefungen 24 gebildet sind, welche eine Kontur aufweisen, die das negative Abbild der Wölbungen der auf den Vakuumhalter gehaltenen Siliziumscheibe sind, wie in 1c dargestellt ist.After removing the silicon wafer from the vacuum holder 10 The silicon wafer can relax again, resulting in the positions of the abraded bulges now opposite the flat surface 22 , the silicon disk recesses 24 are formed, which have a contour which are the negative image of the bulges of the silicon wafer held on the vacuum holder, as in 1c is shown.

In 1d ist die Vervollständigung von Relativdrucksensoren skizziert, wobei hierzu durch die Siliziumscheibe 20 Kanäle 26 in die Vertiefungen 24 zu führen sind, und wobei eine weitere Siliziumscheibe 40, welche die Messmembranen der einzelnen Relativdrucksensoren bilden soll, mittels eines Gold-Silizium-Eutektikums an der ersten Siliziumscheibe 20 befestigt wird. Die Relativdrucksensoren werden abschließend durch Sägen entlang der in 1d gezeigten gestrichelten senkrechten Linien verzeinzelt.In 1d is the completion of relative pressure sensors sketched, in which case by the silicon wafer 20 channels 26 into the wells 24 to lead, and being another silicon wafer 40 , which is to form the measuring membranes of the individual relative pressure sensors, by means of a gold-silicon eutectic on the first silicon wafer 20 is attached. The relative pressure sensors are finally closed by sawing along the in 1d shown dashed vertical lines verzeinzelt.

2 zeigt eine der Darstellung der 1d entsprechenden Ansicht von erfindungsgemäßen Differenzdrucksensoren, bei denen zwischen zwei Siliziumscheiben 120, welche Membranbetten 124 und Druckzuleitungskanäle 126 aufweisen, eine dritte Siliziumscheibe 140 gefügt ist, welche die Messmembranen der Differenzdrucksensoren bildet. Die Differenzdrucksensoren werden abschließend entlang gestrichelten senkrechten Linien durch sägen vereinzelt. 2 shows one of the representation of 1d corresponding view of differential pressure sensors according to the invention, in which between two silicon wafers 120 which membrane beds 124 and print feed channels 126 have a third silicon wafer 140 is joined, which forms the measuring membranes of the differential pressure sensors. The differential pressure sensors are finally separated by sawing along dashed vertical lines.

Selbstverständlich weisen sowohl die hier diskutierten Relativdrucksensoren und Differenzdrucksensoren geeignete Wandler auf, welche beispielsweise kapazitive oder piezoresistive Wandler sein können, die insbesondere durch Dotieren und/oder Metallisieren der Messmembran und bei einem kapazitiven Wandler auch des Membranbetts präpariert werden können.Of course, both the relative pressure sensors and differential pressure sensors discussed here have suitable transducers, which may be, for example, capacitive or piezoresistive transducers which can be prepared in particular by doping and / or metallizing the measuring diaphragm and, in the case of a capacitive transducer, also of the membrane bed.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 7360431 B2 [0006] US 7360431 B2 [0006]

Claims (11)

Drucksensor, umfassend mindestens einen Grundkörper, mindestens eine Messmembran, und einen Wandler, wobei die Messmembran insbesondere ein Halbleitermaterial aufweist, wobei die Messmembran unter Einschluss einer Druckkammer an dem Grundkörper befestigt ist, wobei die Messmembran mit mindestens einem Druck beaufschlagbar ist und druckabhängig elastisch verformbar ist, wobei der Wandler ein von der Verformung der Messmembran abhängiges elektrisches Signal bereitstellt, wobei der Grundkörper ein Membranbett aufweist, an welchem die Messmembran im Falle einer Überlast anliegt, wodurch die Messmembran abgestützt wird, wobei das Membranbett eine asphärische, in ihrem Zentrum konkave Kontur aufweist, die geeignet ist, die Messmembran im Falle einer Überlast abzustützen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur des Membranbetts erhältlich ist durch einebnende Oberflächenbearbeitung einer elastisch vorgespannten, gebogenen Scheibe und anschließendes Relaxierenlassen der Scheibe.Pressure sensor, comprising at least one base body, at least one measuring membrane, and a transducer, wherein the measuring membrane in particular comprises a semiconductor material, wherein the measuring diaphragm is attached to the base body including a pressure chamber, wherein the measuring membrane is acted upon by at least one pressure and pressure-dependent elastically deformable wherein the transducer provides an electrical signal dependent on the deformation of the measuring diaphragm, the base body having a diaphragm bed against which the diaphragm rests in the event of overload, whereby the diaphragm is supported, the diaphragm bed having an aspherical contour concave in its center suitable for supporting the measuring membrane in the event of an overload, characterized in that the contour of the membrane bed is obtainable by planarizing surface treatment of an elastically prestressed, curved disk and then allowing the disk to relax. Drucksensor nach Anspruch 1, wobei der Drucksensor durch ein Verfahren erhältlich ist, bei dem die Scheibe über mindestens einem Stempel in der Weise gebogen ist, dass die Kontur in diesem Zustand der Scheibe dem Negativ der angestrebten Membranbettkontur entspricht.Pressure sensor according to claim 1, wherein the pressure sensor is obtainable by a method in which the disc is bent over at least one stamp in such a way that the contour corresponds in this state of the disc to the negative of the desired membrane bed contour. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Drucksensor mit einem Verfahren erhältlich ist, welches Schleifen und/oder Läppen und/oder Polieren umfasst.A pressure sensor according to claim 1 or 2, wherein the pressure sensor is obtainable by a method comprising grinding and / or lapping and / or polishing. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Scheibe Silizium umfasst.Pressure sensor according to one of the preceding claims, wherein the disc comprises silicon. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kontur eine Tiefe von nicht mehr als 50 μm, vorzugsweise nicht mehr als 25 μm und weiter bevorzugt nicht mehr als 12,5 μm aufweist.Pressure sensor according to one of the preceding claims, wherein the contour has a depth of not more than 50 microns, preferably not more than 25 microns and more preferably not more than 12.5 microns. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kontur eine Tiefe von nicht weniger als 4 μm, und vorzugsweise nicht weniger als 6 μm aufweist.A pressure sensor according to any one of the preceding claims, wherein the contour has a depth of not less than 4 μm, and preferably not less than 6 μm. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Drucksensor ein Differenzdrucksensor ist, bei dem eine Messmembran zwischen zwei Grundkörpern angeordnet ist, wobei beide Grundkörper jeweils ein Membranbett mit einer asphärischen, im Zentrum konkaven Kontur aufweisen.Pressure sensor according to one of the preceding claims, wherein the pressure sensor is a differential pressure sensor in which a measuring diaphragm is arranged between two basic bodies, wherein both basic bodies each have a membrane bed with an aspherical, in the center concave contour. Verfahren zur Präparation eines asphärischen Membranbetts eines Drucksensors, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: (a) elastisches Spannen einer ebenen Scheibe, insbesondere einer Siliziumscheibe, über mindestens einem Stempel mittels einer Scheibenaufnahme (b) zumindest abschnittsweises Einebnen jener Oberfläche der gespannten Scheibe, die der Scheibenaufnahme abgewandt ist, mittels Schleifen und/oder Läppen und/oder Polieren; und (d) Entspannenlassen der ScheibeProcess for the preparation of an aspherical membrane bed of a pressure sensor, in particular according to one of the preceding claims, comprising the steps: (A) elastic clamping a flat disc, in particular a silicon wafer, via at least one punch by means of a disc holder (B) at least partially leveling that surface of the tensioned disc, which faces away from the disc holder, by means of grinding and / or lapping and / or polishing; and (d) releasing the disc Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Stempel eine Höhe von mindestens 8 μm, insbesondere mindestens 16 μm und nicht mehr als 100 μm, insbesondere nicht mehr als 50 μm aufweist.The method of claim 8, wherein the punch has a height of at least 8 microns, in particular at least 16 microns and not more than 100 microns, in particular not more than 50 microns. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, wobei die Scheibe durch einen Druckgradienten, insbesondere an einem Vakuumhalter, gehalten wird.Method according to one of claims 8 to 9, wherein the disc is held by a pressure gradient, in particular on a vacuum holder. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Scheibe über mehrere Stempel gespannt ist, und wobei über jedem der Stempel ein Membranbett durch zumindest abschnittsweises Einebnen des über dem Stempel gespannten Oberflächenabschnitts der Scheibe gefertigt wird.Method according to one of claims 8 to 10, wherein the disc is stretched over a plurality of punches, and wherein above each of the punches a membrane bed is made by at least section-wise leveling of the clamped over the stamp surface portion of the disc.
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