DE19640960A1

DE19640960A1 - Capacitive pressure sensor substrate

Info

Publication number: DE19640960A1
Application number: DE1996140960
Authority: DE
Inventors: Klaus Steinle; Manfred Moser; Annette Seibold
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1996-10-04
Filing date: 1996-10-04
Publication date: 1998-04-09

Abstract

The substrate has at least one substrate layer provided with a cavity containing opposing capacitor electrodes (12,12'), at least one of these electrodes applied to a non- conductive dielectric or ceramic paste buffer (16,18), with a thickness which determines the relative spacing between the capacitor electrodes. The surface of the buffer may be planar or curved, with a convex or concave profile, so that the relative spacing between the electrodes is greater or less at the centre than at the outer edges.

Description

State of the art

Die Erfindung geht aus von einem Substrat für eine Schaltung oder einen Sensor, insbesondere einen ka pazitiven Drucksensor, gemäß Oberbegriff des Haupt anspruchs.The invention is based on a substrate for a Circuit or a sensor, especially a ka capacitive pressure sensor, according to the preamble of the main demanding

Die im Stand der Technik bekannten kapazitiven Drucksensoren sind im allgemeinen aus einem ein- oder mehrlagigen Substrat aufgebaut, wobei die oberste Lage des Substrats eine Kondensatorelektro den aufweisende Kavität ausbildet, die wiederum von einer Membran überspannt ist. Die deutsche Patent schrift DE 44 41 487 C1 offenbart ein eine Kavität aufweisendes Substrat, das beidseitig und die Kavi tät überspannend Membranen aufweist und als Sensor element eingesetzt werden kann. The capacitive known in the prior art Pressure sensors are generally one single or multi-layer substrate, the top layer of the substrate is a capacitor electro forms the cavity, which in turn from a membrane is spanned. The German patent Document DE 44 41 487 C1 discloses a cavity showing substrate, the bilateral and the cavi spanning membranes and as a sensor element can be used.

Als nachteilig muß angesehen werden, daß sich die Höhe der Kavität nicht beliebig variieren läßt, da diese von der gebrannten Schichthöhe des Substrats oder der jeweiligen Substratlage abhängt. Dies stellt hinsichtlich kleiner Kavitätenhöhen eine er hebliche Beschränkung dar. Eine mögliche Lösung dieses Problems bestände eventuell darin, mehrla gige Substrate vorzusehen, wobei die Lage, in der sich die Kavität befindet, eine andere Höhe als die der übrigen Lagen aufweist. Diese Vorgehensweise ist jedoch mit fertigungstechnischen Problemen be haftet und zudem auch kostenaufwendig.It must be considered a disadvantage that the The height of the cavity cannot be varied as desired this depends on the fired layer height of the substrate or depends on the respective substrate layer. This creates a small cavity height significant limitation. A possible solution this problem may be more provide substrates, the location in which the cavity is at a different height than that of the other layers. This approach is however with manufacturing problems is liable and also costly.

Advantages of the invention

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Substrat in ein- oder mehrlagiger Ausführung für eine Schaltung oder insbesondere einen Drucksensor, umfassend min destens eine eine Kavität aufweisende Lage und in der Kavität befindliche Kondensatorelektroden, wo bei mindestens eine der vorzugsweise zwei Kondensa torelektroden auf einem Podest angeordnet ist. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einem Podest eine die Kavitätenhöhe vermin dernde Substratlagen- oder Membranerhöhung verstan den. Erfindungsgemäß wird eine, vorzugsweise aber auch beide, der sich gegenüberliegenden Kondensa torelektroden auf jeweils mindestens einem Podest angeordnet, so daß der Abstand der Kondensatorelek troden unabhängig von der Substratlagenhöhe durch die Podesthöhe variiert werden kann, um damit klei nere Kondensatorelektrodenabstände erzielen zu kön nen. Die Podeste lassen sich unter Verwendung von nichtleitenden dielektrischen oder keramischen Pa sten (zum Beispiel Gläser) einfach und kostengün stig im Mehrfachnutzen in Siebdrucktechnik aufbrin gen. Die Erfindung ermöglicht also in vorteilhafter Weise, insbesondere bei mehrlagigen Substraten, die Verwendung von Lagen gleicher Höhe, wobei trotzdem kleinere Kondensatorelektrodenabstände vorgesehen werden können als gemäß Stand der Technik durch die Lagenhöhe vorgegeben.The present invention relates to a substrate in single or multi-layer design for a circuit or in particular a pressure sensor comprising min at least a position with a cavity and in the capacitor electrodes located in the cavity, where at least one of the preferably two condensates gate electrodes is arranged on a pedestal. in the Relation to the present invention min the cavity height under a pedestal Understanding substrate layer or membrane increase understood the. According to the invention, one is preferred also both, the opposite condensate gate electrodes on at least one pedestal arranged so that the distance of the capacitor elec trode through regardless of the substrate layer height the platform height can be varied to be small nere capacitor electrode distances to achieve nen. The platforms can be adjusted using non-conductive dielectric or ceramic Pa most (for example glasses) simple and inexpensive stig in multiple uses using screen printing technology gen. The invention thus enables advantageous Way, especially with multilayer substrates, the Use of layers of the same height, however smaller capacitor electrode distances are provided can be considered as according to the prior art by the Layer height specified.

Die Oberfläche des mindestens einen Podestes kann eine Ebene bilden, insbesondere eine zur Substrat oberfläche paralle Ebene. Die Oberfläche kann je doch auch in besonders vorteilhafter Weise gewölbt ausgeführt sein, wobei die Wölbung des Podestes im Querschnitt ein konkaves oder konvexes Profil auf weisen kann. Die Oberfläche der Podeste kann auch in anderer Weise ausgeformt sein. Diese erfindungs gemäß vorgesehenen Formgebungen der Podestoberflä che können in vorteilhafter Weise ein eventuelles Durchhängen der Sensormembran ausgleichen und/oder den Kennlinienverlauf des Kondensators beeinflus sen. Selbstverständlich umfaßt die Erfindung auch die Anordnung einer Kondensatorelektrode auf mehre ren Podesten oder auf einem Podest mit besonderen Strukturmerkmalen wie Vertiefungen oder Erhöhungen, die beispielsweise mit der Elektrodenbefestigung in Zusammenhang stehen. Die Erfindung umfaßt auch Sen sorelemente, insbesondere kapazitive Drucksensor elemente, die ein Substrat gemäß vorliegender Er findung und mindestens eine die in dem Substrat be findliche Kavität überspannende Sensormembran auf weist. The surface of at least one pedestal can form a plane, especially one to the substrate surface parallel level. The surface can ever but also arched in a particularly advantageous manner be executed, the curvature of the pedestal in Cross-section on a concave or convex profile can point. The surface of the pedestals can also be shaped in another way. This fiction according to the intended shape of the platform surface che can advantageously a possible Compensate for sagging of the sensor membrane and / or influences the characteristic curve of the capacitor sen. Of course, the invention also includes the arrangement of a capacitor electrode on more pedestals or on a pedestal with special Structural features such as recesses or elevations, which, for example, with the electrode attachment in Related. The invention also includes Sen sorelemente, in particular capacitive pressure sensor elements that a substrate according to the present Er invention and at least one be in the substrate sensitive cavity spanning sensor membrane points.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Further advantageous embodiments of the invention can be found in the subclaims.

drawings

Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen und da zu gehörigen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Figuren zeigen:The invention is based on drawings and related embodiments explained in more detail. The figures show:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein kapazitives Drucksensorelement gemäß Stand der Tech nik; FIG. 1 is a cross-section according to nik by a capacitive pressure sensor element prior Tech;

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein erfindungsge mäßes Drucksensorelement und Fig. 2 shows a cross section through a pressure sensor element according to the invention and

Fig. 3 einen Querschnitt durch ein erfindungsge mäßes Drucksensorelement mit gewölbter Podestoberfläche. Fig. 3 shows a cross section through a pressure sensor element according to the invention with a curved platform surface.

Die Fig. 1 stellt ein kapazitives Drucksensorele ment 2 gemäß Stand der Technik dar. Das Element 2 besteht aus einem mehrlagigen Substrat 4, welches seinerseits aus drei Trägerlagen 6 und einer die Kavität 10 aufweisenden Lage 8 aufgebaut ist. Pla nar und einander gegenüber angeordnet befinden sich in der Kavität zwei Kondensatorelektroden 12 und 12′. Die ein Dielektrikum enthaltende Kavität 10 wird von einer Membran 14, hier zweilagig ausge führt, überspannt. Fig. 1 shows a capacitive Drucksensorele element 2 according to the prior art. The element 2 consists of a multi-layer substrate 4 , which in turn is composed of three carrier layers 6 and a layer 8 having the cavity 10 . Pla nar and arranged opposite each other are two capacitor electrodes 12 and 12 'in the cavity. The cavity 10 containing a dielectric is spanned by a membrane 14 , here leads out in two layers.

Die Fig. 2 verdeutlicht die vorteilhafte erfin dungsgemäße Ausführung eines mehrlagigen Substrats für eine Schaltung oder einen Sensor, inbesondere einen kapazitiven Drucksensor. Gleiche beziehungs weise funktionsgleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Fig. 2 illustrates the advantageous inventive design of a multilayer substrate for a circuit or a sensor, in particular a capacitive pressure sensor. Identical or functionally identical components are provided with the same reference numbers.

Das Sensorelement 2 umfaßt ein Substrat 4, das wie derum aus drei Substratlagen 6 und einer die Kavi tät 10 aufweisenden Lage 8 aufgebaut ist. Die Kavi tät wird von einer oder mehreren Lagen 14 (hier zweilagig) überspannt. In der Kavität 10 sind in zwei parallelen Ebenen und sich gegenüberliegend zwei Kondensatorelektroden 12 und 12′ angeordnet. Diese befinden sich jedoch im Gegensatz zu dem Ele ment gemäß Stand der Technik (Fig. 1) auf Podesten 16 und 18, deren Oberflächen in zwei zueinander und zur Substratoberfläche parallelen Ebenen angeordnet sind. Die obere Kondensatorelektrode 12 ist nach unten orientiert auf dem oberen Podest 16 angeord net, während die untere Elektrode 12′ nach oben orientiert auf dem unteren Podest 18 angeordnet ist. Der in Fig. 1 gezeigte Abstand d zwischen den Kondensatorelektroden 12 und 12′, der in etwa der Schichthöhe von 8 entspricht, wird durch die Kavi tätshöhenverminderung durch die Podeste 16 und 18 zu einem Kondensatorelektrodenabstand d′ reduziert. Die Podeste 16, 18 können unter Verwendung von nichtleitenden dielektrischen oder keramischen Pa sten aufgebracht werden und lassen sich selbstver ständlich in ihrer Höhe variabel gestalten, so daß auch der Abstand d′ zwischen den auf den Po destoberflächen angeordneten Kondensatorelektroden 12, 12′ beliebig eingestellt werden kann. Selbstver ständlich ist es auch möglich, nur ein Podest 16 oder 18 vorzusehen. The sensor element 2 comprises a substrate 4 , which in turn is composed of three substrate layers 6 and a layer 8 having the cavi 10 . The cavity is spanned by one or more layers 14 (here two layers). In the cavity 10 , two capacitor electrodes 12 and 12 'are arranged in two parallel planes and opposite one another. However, in contrast to the element according to the prior art ( FIG. 1), these are on pedestals 16 and 18 , the surfaces of which are arranged in two planes parallel to one another and to the substrate surface. The upper capacitor electrode 12 is oriented downwards on the upper platform angeord net 16, while the lower electrode 12 'oriented upwards is placed on the lower platform 18th The distance d shown in Fig. 1 between the capacitor electrodes 12 and 12 ', which corresponds approximately to the layer height of 8, is reduced by the cavity height reduction by the pedestals 16 and 18 to a capacitor electrode distance d'. The pedestals 16 , 18 can be applied using non-conductive dielectric or ceramic materials and can of course be varied in height, so that the distance d 'between the capacitor electrodes 12 , 12 ' arranged on the bottom surfaces can be set as desired can. Of course, it is also possible to provide only one platform 16 or 18 .

Die Fig. 3 verdeutlicht eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Die Ober flächen der beiden Podeste 16 und 18 liegen gemäß Fig. 3 nicht in parallelen Ebenen, sondern sind von gewölbter oder gebogener Form. Sowohl der un tere als auch der obere Podest 16, 18 weist im Quer schnitt eine konkave Form auf. Demgemäß ist der Ab stand zwischen der oberen und unteren Kondensator elektrode 12, 12′ nicht konstant wie in Fig. 2, sondern unterschiedlich (d₁′, d₂′) und führt zu ei ner Kavität mit im Querschnitt konvexem Profil. Die in Fig. 3 gezeigte spezielle Geometrie der Ober flächen der Podeste 16 und 18 kann in vorteilhafter Weise dazu genutzt werden, den Kennlinienverlauf des Kondensator zu beeinflussen und/oder ein leichtes, fertigungsbedingtes Durchhängen der Mem bran 14 zu kompensieren. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Oberfläche des oder der Podeste 16, 18 anders auszuführen. So kann auch vorgesehen sein, die Oberfläche des einen Podestes anders als die des zweiten zu gestalten, beispielsweise so, daß die Wölbung eines Podestes im Querschnitt kon kav und die des anderen konvex ist. FIG. 3 illustrates a further advantageous embodiment of the present invention. The upper surfaces of the two platforms 16 and 18 are not shown in FIG. 3 in parallel planes, but are of arched or curved shape. Both the lower and the upper pedestal 16 , 18 have a concave shape in cross section. Accordingly, the Ab stood between the upper and lower capacitor electrode 12 , 12 'not constant as in Fig. 2, but different (d₁', d₂ ') and leads to a cavity with a convex cross-sectional profile. The special geometry of the upper surfaces of the pedestals 16 and 18 shown in FIG. 3 can advantageously be used to influence the characteristic curve of the capacitor and / or to compensate for a slight sag of the membrane 14 due to production. Of course, it is also possible to design the surface of the platform or platforms 16 , 18 differently. It can also be provided that the surface of one platform is different from that of the second, for example in such a way that the curvature of a platform is concave in cross section and that of the other is convex.

Claims

1. Single or multi-layer substrate for a circuit device or a sensor, comprising at least one layer having a cavity and capacitor electrodes located in the cavity, characterized in that at least one capacitor electrode ( 12 , 12 ') on at least one pedestal ( 16 , 18 ) is arranged.

2. Substrate according to claim 1, characterized in that the at least one pedestal ( 16 , 18 ) consists of egg ner non-conductive dielectric or ceramic paste.

3. Substrate according to one of the preceding claims, characterized in that the surface of the at least one platform ( 16 , 18 ') is flat.

4. Substrate according to one of the preceding claims, characterized in that the surface of the at least one pedestal ( 16 , 18 ) is curved.

5. Substrate according to one of the preceding claims, characterized in that the curvature of the at least one pedestal ( 16 , 18 ) has a concave or convex profile in cross section.

6. Substrate according to one of the preceding claims, characterized in that the cavity ( 10 ) has two opposing capacitor electrodes ( 12 , 12 ') each arranged on a bottom ( 16 , 18 ).

7. Capacitive pressure sensor, comprising a substrate and at least one membrane, characterized in that the substrate ( 4 ) is designed according to one of the preceding claims.