DE19914728B4

DE19914728B4 - Sensor assembly and manufacturing method

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Publication number: DE19914728B4
Application number: DE19914728A
Authority: DE
Inventors: Robert Dipl.-Ing. Faul
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1998-12-03
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2004-10-21
Anticipated expiration: 2019-04-01
Also published as: DE19914728A1

Abstract

Sensoranordnung zur Messung des Druckes oder von Meßgrößen, die sich aus der Erfassung eines Druckes ableiten lassen, bei der
– ein Substrat (1, 11), das aus ein oder mehreren ersten Schichten (1, 11) besteht, mit einer zweiten Schicht (2) verbunden ist,
– das Substrat (1, 11) und/oder die zweite Schicht (2) derart strukturiert sind, daß ein Hohlraumgebiet (12) zwischen dem Substrat (1, 11) und der zweiten Schicht (2) vorliegt, wobei die zweite Schicht in gleichmäßiger Dicke über dem Hohlraumgebiet ausgebildet ist, und
– ein oder mehrere Wandlerelemente (9a, 9c) zur Erfassung einer Durchbiegung oder einer mechanischen Spannung der zweiten Schicht auf oder in der zweiten Schicht (2) angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Querschnittskontur des Hohlraumgebiets (12) einen oder mehrere voneinander beabstandete erste Linienzüge (5a – 5d) aufweist, die die Einhüllende der Querschnittskontur nicht berühren, wobei die Querschnittskontur durch den/die ersten Linienzüge und einen oder...Sensor arrangement for measuring the pressure or of measured variables that can be derived from the detection of a pressure at the
A substrate (1, 11), which consists of one or more first layers (1, 11), is connected to a second layer (2),
- The substrate (1, 11) and / or the second layer (2) are structured such that there is a cavity region (12) between the substrate (1, 11) and the second layer (2), the second layer being more uniform Thickness is formed over the cavity area, and
One or more transducer elements (9a, 9c) for detecting a deflection or a mechanical tension of the second layer are arranged on or in the second layer (2),
characterized,
that the cross-sectional contour of the cavity region (12) has one or more first lines (5a - 5d) spaced apart from one another, which do not touch the envelope of the cross-sectional contour, the cross-sectional contour through the first line (s) and one or ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Messung des Druckes oder von Meßgrößen, die sich aus der Erfassung eines Druckes ableiten lassen, sowie ein Verfahren zur Herstellung der Sensoranordnung.The The present invention relates to a sensor arrangement for measurement of pressure or of measured quantities can be derived from the detection of a pressure, as well as a Method for producing the sensor arrangement.

Mit der erfindungsgemäßen Sensoranordnung lassen sich Druck, Durchfluß, Kraft und andere aus der Erfassung eines Druckes ableitbare Größen messen. Derartige Sensoren können auf vielen technischen Gebieten eingesetzt werden, so z.B. als Drucksensoren in der Automobilbranche, im Anlagenbau, in der Meß- und Regelungstechnik, in der Medizintechnik und im Maschinenbau, oder als Kraft- oder Durchflußsensoren u.a. im Maschinenbau und der Meß- und Regelungstechnik.With the sensor arrangement according to the invention can pressure, flow, Measure force and other quantities derived from the detection of a pressure. Such sensors can are used in many technical fields, e.g. as pressure sensors in the automotive industry, in plant engineering, in measurement and control technology, in medical technology and mechanical engineering, or as a power or flow sensors et al in mechanical engineering and measuring and control technology.

Drucksensoren sind in drei wesentlichen Grundformen bekannt. Diese Grundformen umfassen Sensoren auf Basis von Stahl mit DMS-Technik, auf Basis von Keramik mit Dickschicht- oder Dünnfilmtechnik und auf Basis von Silizium und Technologien, die aus der Halbleiterherstellung abgeleitet sind. Bei den Ausbildungsformen in Siliziumtechnologie werden zwei Gruppen unterschieden, die mittels der sog. Volumen-Mikrobearbeitung (bulk-micromachined) und die mittels der sog. Oberflächen- Mikrobearbeitung (surface-micromachined) hergestellten Sensoren.pressure sensors are known in three basic forms. These basic forms include sensors based on steel with strain gauge technology, based of ceramics with thick-film or thin-film technology and based of silicon and technologies from semiconductor manufacturing are derived. In the forms of training in silicon technology A distinction is made between two groups, using volume micromachining (bulk-micromachined) and the so-called surface micromachining (surface-micromachined) sensors.

In der US 4 651 120 ist ein mittels Volumen-Mikrobearbeitung hergestellter Drucksensor beschrieben, bei dem eine Membran aus Silizium-Nitrid über einer rechteckigen Ausnehmung eines Silizium-Substrates aufgespannt ist. Piezoresistive Widerstände auf dem Substrat entlang der Membrankante bilden die Meßwandler.In the US 4,651,120 describes a pressure sensor manufactured by means of volume micromachining, in which a membrane made of silicon nitride is stretched over a rectangular recess in a silicon substrate. Piezoresistive resistors on the substrate along the edge of the membrane form the transducers.

Neben der rechteckigen Form der Ausnehmung kommen bei Drucksensoren auch runde Querschnitte zum Einsatz, wie dies beispielsweise aus der US 4 763 098 ersichtlich ist.In addition to the rectangular shape of the recess, round cross sections are also used in pressure sensors, as is the case, for example, in US 4,763,098 can be seen.

Eine Bauform eines Drucksensors mit erhöhter Empfindlichkeit wird in der US 5 178 016 vorgeschlagen. Bei diesem Sensor weist die rechteckige Membran einen im wesentlichen dreiecksförmigen Randbereich mit erhöhter Dicke auf, in dem das Wandlerelement angeordnet ist.A design of a pressure sensor with increased sensitivity is in the US 5,178,016 proposed. In this sensor, the rectangular membrane has a substantially triangular edge region with increased thickness, in which the transducer element is arranged.

Die DE 4021424 A1 beschreibt einen Drucksensor mit biegesteifem Zentrum für die Messung kleiner Drücke. Die Herstellung dieses Sensors erfolgt ebenfalls mit Volumen-Mikromechanik. Dabei werden auf der Oberfläche der Vorderseite eines Substrates piezoresistive Wandlergebiete aufgebracht bzw. implantiert. Von der Rückseite desselben Substrates her wird anschließend eine Dünnung vorgenommen, die zur Ausbildung der Membran mit einem biegesteifen Zentrum dient. Die Membranbereiche um das biegesteife Zentrum werden in unterschiedlicher Breite ausgeführt, um eventuelle Linearitätsfehler zu vermindern. Durch diese Ausführung wird die Nennauslenkung des biegesteifen Zentrums bei wesentlich geringeren Nenndrücken erreicht, ohne dass sich die Membranspannungen in den schmalen Bereichen der Druckmembran erhöhen.The DE 4021424 A1 describes a pressure sensor with a rigid center for measuring small pressures. This sensor is also manufactured using volume micromechanics. Piezoresistive transducer areas are applied or implanted on the surface of the front of a substrate. A thinning is then carried out from the back of the same substrate, which is used to form the membrane with a rigid center. The membrane areas around the rigid center are made in different widths in order to reduce any linearity errors. With this design, the nominal deflection of the rigid center is achieved at significantly lower nominal pressures without the membrane stresses increasing in the narrow areas of the pressure membrane.

Aus A. Götz et al., "Improvement of pressuresensor performance and process robustness through reinforcement of the membrane edges", Sensors and Actuators A 67 (1998), 138–141, ist ein Drucksensor mit erhöhter Belastbarkeit bekannt, bei dem die Membran über einem rechteckigen Hohlraumgebiet angeordnet ist. Zur Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit wird die Membran an den jeweiligen Kanten der rechteckigen Ätzgrube mit gegenüber der restlichen Membranfläche verstärkten Bereichen ausgebildet.Out A. Götz et al., "Improvement of pressuresensor performance and process robustness through reinforcement of the membrane edges ", Sensors and Actuators A 67 (1998), 138-141, is a pressure sensor with increased Resilience known, in which the membrane over a rectangular cavity area is arranged. To increase The mechanical strength is the membrane on the respective Edges of the rectangular caustic pit with opposite the remaining membrane area reinforced areas educated.

Die DE 2903253 B1 zeigt einen Druck-Messumformer mit einer Messmembran und einer darauf angebrachten Dehnungsmessstreifen-Brückenschaltung, der eine Änderung der Sensorempfindlichkeit mit reduziertem herstellungstechnischen Aufwand ermöglicht. Dies wird durch eine Membranfläche mit elliptischer Form und eine Anordnung der Dehnungsmessstreifen parallel zu der großen und/oder kleinen Hauptachse erreicht.The DE 2903253 B1 shows a pressure transmitter with a measuring membrane and a strain gauge bridge circuit mounted on it, which enables a change in the sensor sensitivity with reduced manufacturing effort. This is achieved by a membrane surface with an elliptical shape and an arrangement of the strain gauges parallel to the large and / or small main axis.

Die Veröffentlichung von B. Diem et al., "SOI SIMOX; from bulk to surface micromachining, a new age for silicon sensors and actuators", Sensors and Actuators A 46–47 (1995), 8–16, befasst sich mit Oberflächenmikromechanik bei Drucksensoren. Sie zeigt den herkömmlichen Aufbau eines derartigen Sensors.The publication by B. Diem et al., "SOI SIMOX; from bulk to surface micromachining, a new age for silicon sensors and actuators ", Sensors and Actuators A 46-47 (1995) 8-16, deals with surface micromechanics for pressure sensors. It shows the conventional structure of such a sensor.

Die vorliegende Erfindung läßt sich besonders vorteilhaft mit einer Herstellungstechnik der Sensoranordnung realisieren, bei der zwei Siliziumschichten, die ursprünglich von zwei getrennt voneinander vorliegenden Wafern stammen, im Verlauf des Herstellungsvorganges fest miteinander verbunden werden. Wenigstens eine der beiden Siliziumschichten wird vor dem Verbinden derart mikromechanisch strukturiert, daß nach dem Verbindungsprozeß der beiden Schichten ein definiertes Hohlraumgebiet zwischen den beiden Schichten eingeschlossen wird. Ein Bereich einer der beiden Schichten bildet hierbei eine Membran über dem Hohlraumgebiet, deren durch einen anliegenden Druck verursachte Durchbiegung oder Spannungsveränderung über Wandlerelemente erfaßt wird.The present invention can be particularly advantageous with a manufacturing technique of the sensor arrangement realize where two layers of silicon originally from two separate wafers originate in the course of the manufacturing process are firmly connected. At least one of the two silicon layers becomes like this before the connection micromechanically structured that after the joining process of the two Layers a defined cavity area between the two layers is included. An area forms one of the two layers here a membrane over the cavity area, the one caused by an applied pressure Deflection or voltage change via converter elements detected becomes.

Ein Beispiel für eine Ausführungsform einer derartigen Sensoranordnung ist aus K. Peterson et al., "Silicon Fusion Bonding for Pressure Sensors", S. 144–147, bekannt. Der in dieser Veröffentlichung vorgestellte Sensor weist ein Hohlraumgebiet mit einer runden Querschnittskontur unter der Membran auf.An example of an embodiment of a such a sensor arrangement is known from K. Peterson et al., "Silicon Fusion Bonding for Pressure Sensors", pp. 144-147. The sensor presented in this publication has a cavity area with a round cross-sectional contour under the membrane.

Zur Herstellung dieser Sensoren sind eine Vielzahl von Einzelschritten erforderlich. So muß u.a. zum einen die Geometrie des Hohlraumgebiets über spezielle Masken definiert und erzeugt werden, und zum anderen müssen die Wandler für die Erfassung der Durchbiegung oder Spannung der Membran an geeigneter Stelle integriert 5 werden. Ändern sich die vom Anwender vorgegebenen Anforderungen, beispielsweise für die Empfindlichkeit des Sensors, so ist eine Veränderung der Sensorgeometrie erforderlich. Eine Veränderung der Empfindlichkeit bzw. des erfaßbaren Druckbereiches kann über eine Verän derung der Fläche oder der Dicke der Membran erreicht werden. Für die kommerzielle Herstellung der Sensoren werden jedoch in der Regel SOI-Substrate eingesetzt, bei denen nur ganz bestimmte Dicken der im Sensor als Membran dienenden Siliziumschicht erhältlich sind.to Manufacturing these sensors are a multitude of individual steps required. Among other things, to the one defines the geometry of the cavity area using special masks and generated, and on the other hand, the transducers for detecting the Deflection or tension of the membrane integrated at a suitable point 5 will be. To change the requirements specified by the user, for example for the Sensitivity of the sensor is a change in the sensor geometry required. A change the sensitivity or the detectable pressure range can be over a Change the area or the thickness of the membrane can be achieved. For commercial manufacturing of the sensors, however, SOI substrates are generally used, where only certain thicknesses of the membrane serve as sensors Silicon layer available are.

Sonderanfertigungen der SOI-Substrate erhöhen die Herstellungskosten insbesondere bei kleineren Stückzahlen in nicht vertretbarem Maße.custom made increase the SOI substrates the manufacturing costs, especially for smaller quantities to an unacceptable degree.

Aus diesem Grund wird in der Regel die Größe der Membranfläche bzw. der Querschnittsfläche des darunterliegenden Hohlraums verändert, um den Sensor an die neuen Anforderungen anzupassen. Bei den bekannten Sensoren bedingt die Flächenvergrößerung jedoch auch eine neu zu bestimmende Anordnung der Wandler. So bedingt eine Vergrößerung der häufig vorkommenden quadratischen Membranflächen einen größeren gegenseitigen Abstand der Wandler, da sich mit der Vergrößerung auch der Ort der maximalen Spannung in der Membran verschiebt. Dieser Ort der maximalen Spannung kann mit der sog. FEM-Methode (Finite Elemente Methode) berechnet werden, und liegt in der Regel an den Kanten der Membran. Die bei den Sensorgeometrien des Standes der Technik erforderliche Versetzung der Wandler erfordert daher neben der veränderten Maskengeometrie für den Hohlraum auch veränderte Masken für die Definition der Wandlergebiete.Out For this reason, the size of the membrane surface or the cross sectional area of the underlying cavity changed, to adapt the sensor to the new requirements. With the known However, sensors increase the area also a new arrangement of the transducers to be determined. So conditioned one Enlargement of the frequently occurring square membrane areas a larger mutual Distance of the transducers, since the magnification also increases the location of the maximum Tension in the membrane shifts. This place of maximum tension can be calculated using the so-called FEM method (Finite Element Method) and is usually on the edges of the membrane. The at the displacement of the sensor geometries of the prior art In addition to the modified mask geometry for the cavity, transducer therefore requires also changed masks for the Definition of the converter areas.

Für unterschiedliche Sensorgeometrien muß somit jeweils ein komplett neuer Maskensatz hergestellt werden, der einen großen Kostenfaktor bei der Herstellung des Sensors darstellt.For different Sensor geometries must therefore a completely new set of masks are created, one huge Represents cost factor in the manufacture of the sensor.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Sensoraufbau und ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors bereitzustellen, die bei der Fertigung des Sensors eine Anpassung der Sensoreigenschaften an unterschiedliche Anforderungen in kostengünstiger Weise ermöglichen.The The object of the present invention is to develop a sensor and to provide a method for producing a sensor, an adjustment of the sensor properties when manufacturing the sensor to meet different requirements in a cost-effective manner.

Die Aufgabe wird mit der Sensoranordnung und dem Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Sensors und des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.The Task is with the sensor arrangement and the method according to claims 1 and 12 solved. Advantageous configurations of the sensor and the method are Subject of the subclaims.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, daß durch eine geeignete Formgebung bzw. Kontur des Hohlraumgebiets unter der Membran des Drucksensors eine einfache Anpassung der Sensoreigenschaften an unterschiedliche Anforderungen, wie beispielsweise eine Erhöhung der Empfindlichkeit, erreicht werden kann, ohne den Herstellungsprozeß komplett neu ausrichten zu müssen.According to the invention recognized that by a suitable shape or contour of the cavity area under the membrane of the pressure sensor a simple adjustment of the sensor properties different requirements, such as an increase in Sensitivity that can be achieved without completely redesigning the manufacturing process to align.

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung zeichnet sich daher insbesondere durch eine spezielle Kontur des Hohlraumgebiets unter der Membran aus.The sensor arrangement according to the invention is therefore particularly characterized by a special contour of the cavity area under the membrane.

Die Sensoranordnung besteht im wesentlichen aus einem Substrat aus ein oder mehreren ersten Schichten, das mit einer zweiten Schicht verbunden ist. Bei dem Substrat kann es sich beispielsweise um ein reines Siliziumsubstrat oder auch um ein Halbleitersubstrat mit einer aufgebrachten strukturierbaren Schicht handeln. Die zweite Schicht setzt sich vorzugsweise aus einem gedünnten Halbleitersubstrat zusammen. Es versteht sich von selbst, daß die erfindungsgemäße Lehre nicht auf ein bestimmtes Substratmaterial beschränkt ist.The Sensor arrangement essentially consists of a substrate or several first layers connected to a second layer is. The substrate can, for example, be a pure one Silicon substrate or a semiconductor substrate with an applied act structurable layer. The second layer settles preferably from a thinned Semiconductor substrate together. It goes without saying that the teaching according to the invention is not limited to a specific substrate material.

Das Substrat und/oder die zweite Schicht sind derart strukturiert, daß ein Hohlraumgebiet zwischen dem Substrat und der zweiten Schicht vorliegt. Die geometrische Form des Hohlraumgebiets in Draufsicht, d.h. die Umrißlinie des Hohlraumgebiets in einer Ebene parallel zur Oberfläche des Substrates (im folgenden als Querschnittskontur bezeichnet), wird durch einen oder mehrere voneinander beabstandete erste Linienzüge und diese zu einer geschlossenen Linie verbindende zweite Linienzüge festgelegt. Unter Linienzug ist hierbei eine ununterbrochene Linie eines beliebigen Verlaufs zu verstehen.The The substrate and / or the second layer are structured such that a cavity region is present between the substrate and the second layer. The geometrical Shape of the cavity area in plan view, i.e. the outline of the Cavity area in a plane parallel to the surface of the Substrate (hereinafter referred to as cross-sectional contour) by one or more spaced-apart first lines and these second lines connecting to form a closed line. Under a line is an unbroken line of any Understand the course.

So kann beispielsweise ein erster geradliniger Linienzug vorliegen, dessen Endpunkte durch einen gekrümmten zweiten Linienzug zu einer geschlossenen Kurve ver bunden werden, die die Querschnittskontur festlegt. Als weiteres Beispiel können zwei parallele geradlinige (erste) Linienzüge durch zwei weitere (zweite) Linienzüge zu einer geschlossenen, die Querschnittskontur festlegenden Kurve verbunden sein. Der Verlauf der Linienzüge entspricht dem Verlauf der Kanten des Hohlraumgebiets am Übergang zur Membran.So For example, there may be a first straight line, its end points by a curved second line a closed curve connected to the cross-sectional contour sets. As another example, two parallel straight lines (first) lines by two further (second) lines to a closed, the curve defining the cross-sectional contour must be connected. The history the lines corresponds to the course of the edges of the cavity area at the transition to the membrane.

In örtlicher Korrelation zu diesen Kanten des Hohlraumgebiets sind bei den bekannten Sensoranordnungen des Standes der Technik Wandlerelemente zur Erfassung der Durchbiegung der Membran bzw. der Spannungen in der Membran vorgesehen. Die Wandlerelemente können beispielsweise als piezoresistive Widerstände in die Membran integriert sein und erzeugen, gegebenenfalls mit einer zugehörigen Schaltungsanordnung, in Abhängigkeit von der Meßgröße ein Meßsignal: Bei der vorliegenden Sensoranordnung sind entsprechende Wandlerelemente im Bereich der ersten Linienzüge an oder in der zweiten Schicht angeordnet. Die erfindungsgemäße Querschnittskontur des Hohlraumgebiets zeichnet sich insbesondere durch den Verlauf der zweiten Linienzüge relativ zu den ersten Linienzügen aus. Die zweiten Linienzüge verlaufen derart, daß die Einhüllende der Querschnittskontur die ersten Linienzüge, im Bereich derer die Wandlerelemente vorgesehen sind, nicht berührt. Die von der Einhüllenden umschlossene Fläche ist somit größer als die durch die Querschnittskontur eingeschlossene Fläche. Unter der Einhüllenden ist hierbei die kürzeste (gedachte) geschlossene Linie zu verstehen, die die Querschnittskontur umhüllt.In local Correlation to these edges of the cavity area are known in the Prior art sensor arrangements Transducer elements for detection the deflection of the membrane or the stresses in the membrane intended. The transducer elements can, for example, be piezoresistive resistors be integrated into the membrane and generate, if necessary with an associated Circuit arrangement, depending a measurement signal from the measured variable: Corresponding transducer elements are in the present sensor arrangement Area of the first lines arranged on or in the second layer. The cross-sectional contour according to the invention The cavity area is characterized in particular by the course the second line relative to the first lines out. The second lines run in such a way that the envelope the cross-sectional contour the first lines, in the area of which the transducer elements are not touched. The one from the envelope enclosed area is therefore greater than the area enclosed by the cross-sectional contour. Under the envelope is the shortest (imaginary) closed line to understand the cross-sectional contour envelops.

Mit anderen Worten, die Querschnittskontur weist entweder nur einen ersten Linienzug auf, der mit einem zweiten Linienzug eine geschlossene Linie bildet, oder mehrere voneinander beabstandete erste Linienzüge, die mit mehreren zweiten Linienzügen eine geschlossene Linie bilden, wobei erste und zweite Linienzüge nicht zu einer Kreislinie geformt sind. In beiden Fällen weist ein gedanklich maximal aufgespanntes, inneres Rechteck (vgl. Bezugszeichen 8 in 3), das weder die ersten noch die zweiten Linienzüge schneidet, eine kleinere Fläche auf als die durch die Einhüllende der Querschnittskontur eingeschlossene Fläche.In other words, the cross-sectional contour either has only a first line, which forms a closed line with a second line, or a plurality of spaced-apart first lines, which form a closed line with a plurality of second lines, the first and second lines not forming a circular line are shaped. In both cases, an inner rectangle spanned to the maximum (see reference numerals 8th in 3 ), which neither intersects the first nor the second lines, has a smaller area than the area enclosed by the envelope of the cross-sectional contour.

Diese spezielle Querschnittskontur kann beispielsweise durch wenigstens zwei gerade erste Linienzüge, die abwechselnd mit wenigstens zwei weiteren (zweiten) Linienzügen einen geschlossenen Gesamtlinienzug bilden, gegeben sein. Die zweiten Linienzüge müssen hierbei einem die Querschnittsfläche vergrößernden Kurvenverlauf folgen, um die obige Bedingung zu erfüllen. Ein gedachtes, umschließendes Vieleck um den Gesamtlinienzug (oder die Einhüllende des Gesamtlinienzuges) weist bei der erfindungsgemäßen Topologie des Hohlraums eine größere Fläche auf als ein gedachtes, inneres Vieleck, das die geraden (ersten) Linienzüge enthält und den Gesamtlinienzug nicht schneidet.This special cross-sectional contour can, for example, by at least two straight first lines, alternating with at least two other (second) lines form a closed overall line. The second polylines have to this increases the cross-sectional area Follow the curve to meet the above condition. On thought, enclosing Polygon around the overall line (or the envelope of the overall line) points in the topology according to the invention of the cavity on a larger area as a thought, inner polygon that contains the straight (first) lines and the overall line does not cut.

Mit dem erfindungsgemäßen Sensoraufbau wird erreicht, daß eine Vergrößerung der aktiven Membranfläche bzw. der die aktive Membranfläche vorgebenden Querschnittskontur des Hohlraums allein durch Veränderung des Verlaufs (Verlängerung) der zweiten Linienzüge vorgenommen werden kann. In diesem Fall können die in fester örtlicher Korrelation zu den ersten Linienzügen angeordneten Wandlergebiete bzw. – elemente am gleichen Ort verbleiben. Die erfindungsgemäße Querschnittskontur bewirkt hierbei, daß die maximalen Spannungen der Membran trotz der Flächenänderung weiterhin im Bereich der ersten Linienzüge konzentriert bleiben. Dies bringt den erheblichen Vorteil, daß bei der Herstellung von Sensoren mit unterschiedlichen Membranflächen lediglich die Masken für die Definition des Hohlraumgebiets verändert werden müssen, nicht jedoch die Masken für die Definition der Wandlergebiete.With the sensor structure according to the invention achieved that Enlargement of the active membrane area or the one specifying the active membrane area Cross-sectional contour of the cavity solely by changing the course (extension) of the second lines can be made. In this case, those in fixed local Correlation to the first converter areas arranged in line or - elements stay in the same place. The cross-sectional contour according to the invention brings about here that the maximum stresses of the membrane remain in the area despite the change in area the first lines stay focused. This has the considerable advantage that the Manufacture of sensors with different membrane surfaces only the masks for the definition of the cavity area need not be changed however the masks for the definition of the converter areas.

Die Integration von Wandlergebieten in örtlicher Korrelation zu den ersten Linienzügen ist nach bekanntem Stand der Technik durchführbar, wobei diese Wandlergebiete dann bei Einwirkung eines zu messenden Drucks ein elektrisch verarbeitbares Signal erzeugen.The Integration of converter areas in local correlation to the first lines is feasible according to the known prior art, these converter areas then an electrically processable when exposed to a pressure to be measured Generate signal.

Hierbei befinden sich die Wandlerelemente bzw. – gebiete vorzugsweise innerhalb eines Abstandes von den ersten Linienzügen der etwa 1/10 des Durchmessers der Querschnittskontur des Hohlraumes entspricht.in this connection the transducer elements or areas are preferably located within a distance from the first lines of about 1/10 of the diameter corresponds to the cross-sectional contour of the cavity.

Die Integration von elektronischen Verarbeitungselementen vorzugsweise in der zweiten Schicht ist ebenfalls nach bekanntem Stand der Technik möglich. Insgesamt wird somit ein Drucksensor bereitgestellt, der im Vergleich zu den bekannten Lösungen des Standes der Technik eine höhere Empfindlichkeit aufweist bzw. eine kostengünstige Möglichkeit der Anpassung an die Bedürfnisse unterschiedlicher Anwendungsfälle bietet.The Integration of electronic processing elements preferably in the second layer is also possible according to the known prior art. All in all a pressure sensor is thus provided, which is compared to the known solutions a higher state of the art Has sensitivity or an inexpensive way to adapt to needs different use cases offers.

Die einfache Möglichkeit der Anpassung resultiert daraus, daß bei identischer Schichtdicke der zweiten Schicht und identischer Positionierung der Wandlergebiete relativ zu den ersten Linienzügen aufgrund der erfindungsgemäßen Formgebung bzw. Topologie des Hohlraums allein durch eine Veränderung des Verlaufs der zweiten Linienzüge eine Veränderung der Empfindlichkeit möglich ist. Im Falle der unverändert belassenen Positionierung der Wandlergebiete entfallen somit Redesign- und Maskenkosten.The easy way the adjustment results from the fact that with an identical layer thickness the second layer and identical positioning of the converter areas relative to the first lines due to the shape according to the invention or topology of the cavity solely through a change the course of the second lines a change sensitivity possible is. In the case of unchanged The positioning of the converter areas is therefore no longer necessary. and mask costs.

Als Wandlerelemente können beispielsweise neben den weiter oben beispielhaft angeführten piezoelektrischen auch kapazitive Wandlerelemente zum Einsatz kommen.As Transducer elements can for example in addition to the piezoelectric ones exemplified above capacitive converter elements are also used.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der Sensoranordnung werden zunächst ein erstes und ein zweites Substrat bereitgestellt. Die Oberfläche des ersten und/oder zweiten Substrates wird zur Bildung einer Vertiefung mit bekannten Lithographie- und Ätztechniken strukturiert, wobei die Querschnittskontur der Vertiefung in einer Ebene parallel zur Oberfläche durch einen oder mehrere voneinander beabstandete erste Linienzüge und diese verbindende zweite Linienzüge festgelegt ist. Danach werden die beiden Substrate miteinander verbunden, so daß ein durch die Vertiefung definiertes Hohlraumgebiet entsteht. Das zweite Substrat wird dann gegebenenfalls von der Rückseite bis auf eine gewünschte Restdicke gedünnt. Anschließend werden ein oder mehrere Wandlergebiete in örtlicher Korrelation zu dem/den ersten Linienzug/Linienzügen im zweiten Substrat erzeugt. Das Verfahren zeichnet sich insbesondere durch das Strukturieren der Oberfläche des ersten und/oder zweiten Substrates aus, das derart erfolgt, daß die Einhüllende der resultierenden Querschnittskontur des erzeugten Hohlraumgebiets den oder die ersten Linienzüge nicht berührt.In the method according to the invention for producing the sensor arrangement, a first and a second substrate are first provided. The surface of the first and / or second substrate is used to form a recess with known lithography structured graphic and etching techniques, wherein the cross-sectional contour of the recess in a plane parallel to the surface is defined by one or more spaced apart first lines and connecting these second lines. The two substrates are then connected to one another so that a cavity region defined by the depression is formed. The second substrate is then optionally thinned from the back to a desired residual thickness. Then one or more transducer areas are generated in a local correlation to the first line / lines in the second substrate. The method is characterized in particular by the structuring of the surface of the first and / or second substrate, which is carried out in such a way that the envelope of the resulting cross-sectional contour of the cavity region produced does not touch the first line or lines.

Vorzugsweise wird als zweites Substrat ein SOI-Substrat eingesetzt, das beim Schritt des Dünnens bis auf die dünne Siliziumschicht abgetragen wird. Die hierfür eingesetzten Verfahren sind dem Fachmann geläufig.Preferably an SOI substrate is used as the second substrate Step of thinning except for the thin one Silicon layer is removed. The procedures used for this are familiar to the expert.

Das Bereitstellen und Strukturieren des ersten und/oder zweiten Substrates umfaßt vorzugsweise das Aufbringen einer strukturierbaren Zwischenschicht auf ein Basissubstrat, die die Oberfläche des ersten und/oder zweiten Substrates bildet, und anschließendes Strukturieren der strukturierbaren Schicht zur Bildung der gewünschten Vertiefung. Durch den Einsatz einer geeigneten strukturierbaren Schicht, beispielsweise einer Oxidschicht, können beliebige Querschnittsformen der Vertiefung erzeugt werden.The Provision and structuring of the first and / or second substrate comprises preferably the application of a structurable intermediate layer on a base substrate covering the surface of the first and / or second Forms substrate, and subsequent Structuring the structurable layer to form the desired one Deepening. By using a suitable structurable layer, For example, an oxide layer can have any cross-sectional shape of the depression.

Wenn die zweite Schicht oder eine darauf aufgebrachte weitere Schicht aus einem bauelementefähigen Halbleitermaterial besteht, kann der erfindungsgemäße Sensor, z.B. mit piezoresistiven Wandlergebieten, vollständig mit den Verfahren der Halbleitertechnologie und Mikromechanik hergestellt werden. Entsprechend können viele Sensoren gleichzeitig in einem gemeinsamen Waferbearbeitungsablauf gefertigt werden.If the second layer or a further layer applied thereon from a component capable Consists of semiconductor material, the sensor according to the invention, e.g. with piezoresistive transducer areas, completely with the methods of semiconductor technology and micromechanics. Accordingly, many can Sensors simultaneously in a common wafer processing sequence are manufactured.

Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist es zudem möglich, daß weitere elektronische Bauelemente in konventioneller Weise durch bekannte Verfahren der Halbleitertechnologie in oder auf einem Wafer hergestellt werden, so daß Sensoranordnungen mit monolithisch integrierter Elektronik realisierbar sind.at it is the manufacture of the sensor arrangement according to the invention also possible that more electronic Components in a conventional manner by known methods of Semiconductor technology is produced in or on a wafer, so that sensor arrays can be realized with monolithically integrated electronics.

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Hierbei zeigen:The The present invention will be described in the following using exemplary embodiments in connection with the figures closer described. Here show:

1a–d schematisch ein Beispiel einer Zustandssequenz bei der Herstellung eines mikromechanischen Hohlraumgebiets gemäß der Erfindung; 1a-d schematically an example of a state sequence in the production of a micromechanical cavity area according to the invention;

2 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Querschnittskontur des Hohlraums; 2 an embodiment of a cross-sectional contour of the cavity according to the invention;

3 eine zweite Ausführungsform der Querschnittskontur des Hohlraums des erfindungsgemäßen Sensors; 3 a second embodiment of the cross-sectional contour of the cavity of the sensor according to the invention;

4 eine dritte Ausführungsform der Querschnittskontur des Hohlraums des erfindungsgemäßen Sensors; 4 a third embodiment of the cross-sectional contour of the cavity of the sensor according to the invention;

5 ein Beispiel für eine Anordnung der Wandlergebiete und die Verdrahtung bei einem Sensor mit der Querschnittsform gemäß 4; 5 an example of an arrangement of the transducer areas and the wiring for a sensor with the cross-sectional shape according to 4 ;

6 eine vierte Ausführungsform der Querschnittskontur des Hohlraums des erfindungsgemäßen Sensors; und 6 a fourth embodiment of the cross-sectional contour of the cavity of the sensor according to the invention; and

7 eine fünfte Ausführungsform der Querschnittskontur des Hohlraums des erfindungsgemäßen Sensors. 7 a fifth embodiment of the cross-sectional contour of the cavity of the sensor according to the invention.

Ein Teil des Verfahrensablaufes zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist beispielhaft in 1 dargestellt. Hierbei bezeichnet Bezugs zeichen 1 ein erstes Substrat, welches vorzugsweise ein Halbleitersubstrat ist. Bezugszeichen 2 bezeichnet eine Substratschicht, die in der Anfangsphase des Herstellungsprozeßes nicht mit dem ersten Substrat verbunden ist, sondern vorzugsweise als äußere Schicht auf einem Wafer mit einer Schichtenfolge Substrat 3, Zwischenschicht 4 und Substratschicht 2 vorliegt (vgl. 1a). Ein Wafer mit der Schichtenfolge Substrat 3, Zwischenschicht 4 und Substratschicht 2, im folgenden auch als zweites Substrat bezeichnet, ist beispielsweise als SOI-Wafer (SOI=Silicon-On-Insulator) kommerziell erhältlich. Die Möglichkeit des kommerziellen Bezugs ist allerdings nicht für beliebige Schichtdicken der Substratschicht 2 unter angemessenen Kostenrelationen gewährleistet. Für die Schichtdicke gibt es Vorzugs-Standardtypen. Ist aufgrund der Adaption an eine bestimmte Anwendung eine andere Schichtdicke als die eines Standardtyps notwendig, resultieren insbesondere bei geringeren Waferstückzahlen gravierende Kostenerhöhungen.Part of the process sequence for producing a sensor arrangement according to the invention is exemplified in 1 shown. Here denotes reference characters 1 a first substrate, which is preferably a semiconductor substrate. reference numeral 2 denotes a substrate layer that is not connected to the first substrate in the initial phase of the production process, but preferably as an outer layer on a wafer with a layer sequence of substrates 3 , Intermediate layer 4 and substrate layer 2 is available (cf. 1a ). A wafer with the layer sequence substrate 3 , Intermediate layer 4 and substrate layer 2 , also referred to below as the second substrate, is commercially available, for example, as an SOI wafer (SOI = Silicon-On-Insulator). However, the possibility of commercial purchase is not for any layer thickness of the substrate layer 2 guaranteed at reasonable cost ratios. There are preferred standard types for the layer thickness. If, due to the adaptation to a specific application, a different layer thickness than that of a standard type is necessary, this results in serious cost increases, in particular in the case of smaller quantities of wafers.

Nach dem Stand der Technik wird daher die Anpassung auf die Erfordernisse einzelner Anwendungen bei der Herstellung der Sensoren dadurch erreicht, daß die Fläche, die sich gedanklich zwischen den Wandlergebieten aufspannt, variiert wird. Diese Vorgehensweise hat den Nachteil, daß bei jeder Flächenänderung ein kompletter neuer Maskensatz notwendig wird, der die Kosten der herzustellenden Sensoren je nach Produktionsvolumen gravierend erhöht.According to the prior art, the adaptation to the requirements of individual applications in the manufacture of the sensors is therefore achieved by varying the area which is theoretically spanned between the transducer regions. This procedure has the disadvantage that with each area a complete new mask set is necessary, which increases the costs of the sensors to be manufactured depending on the production volume.

Die Ausbildung des für die Funktionsweise der Sensoren erforderlichen Hohlraums kann im Bereich der Oberfläche des Substrats 1 und/oder in einer evtl. vorhandenen Zwischenschicht 11 zwischen der Oberfläche des Substrates 1 und der dieser gegenüberliegenden Oberfläche der Substratschicht 2 und/oder im Bereich der Oberfläche der Substratschicht 2 erfolgen.The formation of the cavity required for the functioning of the sensors can be in the area of the surface of the substrate 1 and / or in an existing intermediate layer 11 between the surface of the substrate 1 and the surface of the substrate layer opposite this 2 and / or in the area of the surface of the substrate layer 2 respectively.

Im vorliegenden Beispiel gemäß 1b wurde auf die Oberfläche des Substrates 1 zunächst eine Zwischenschicht 11, beispielsweise eine Oxidschicht, aufgebracht und nachfolgend strukturiert.In the present example according to 1b was on the surface of the substrate 1 first an intermediate layer 11 , for example an oxide layer, applied and subsequently structured.

Für die Strukturierung der Zwischenschicht, der Oberfläche des Substrates oder der Substratschicht können gängige Lithographie- und Ätztechniken eingesetzt werden, wie sie aus jedem Fachbuch für Mikrostrukturierung entnommen werden können.For structuring the intermediate layer, the surface of the substrate or the substrate layer can use common lithography and etching techniques are used as they are taken from each textbook for microstructuring can be.

Die Beschreibung der exakten örtlichen Anordnungsmöglichkeiten des Hohlraums innerhalb des Sensoraufbaus ist für das Verständnis der erfindungsgemäßen Lehre und die damit erreichbaren Wirkungen nicht maßgeblich, so daß eine detaillierte Beschreibung hierzu unterbleiben kann.The Description of the exact local possible arrangements of the cavity within the sensor structure is for understanding the teaching of the invention and the effects achievable with it are not decisive, so that a detailed description this can be omitted.

Entscheidend bei der Herstellung ist jedoch, daß die Erzeugung des Hohlraums vor dem Zusammenfügen der Oberflächen der Substrate bzw. Substratschichten unter Berücksichtigung der erfindungsgemäßen geometrischen Querschnittsform erfolgt, so daß eine Variation dieser geometrischen Form (im Bereich der zweiten Linienzüge) ohne Veränderung der übrigen Integrationsgebiete, wie z.B. den Wandlergebieten, eine Feinanpassung an verschiedene Anwendungen zuläßt.critical in manufacturing, however, is that the creation of the cavity before joining of the surfaces of the substrates or substrate layers taking into account the geometric according to the invention Cross-sectional shape takes place so that a Variation of this geometric shape (in the area of the second lines) without Change in the other integration areas, such as. the converter areas, a fine adjustment to different applications allows.

Das erste und das zweite Substrat werden nach dem Schritt des Strukturierens vorzugsweise mittels der sog. Silicon-Fusion-Bonding-Technik (Silicon-Direct- Bonding-Technik) miteinander verbunden (vgl. 1c). Anschließend wird das zweite Substrat von der Rückseite bis auf eine Restdicke, die im vorliegenden Beispiel eines SOI-Substrates der Dicke der Substratschicht 2 entspricht, gedünnt (vgl. 1d). Der Bereich der Substratschicht 2, der sich über dem Hohlraum 12 befindet, bildet somit die Membran.After the structuring step, the first and the second substrate are preferably connected to one another by means of the so-called silicone fusion bonding technique (silicon direct bonding technique) (cf. 1c ). Subsequently, the second substrate from the back to a residual thickness, which in the present example is an SOI substrate the thickness of the substrate layer 2 corresponds, thinned (cf. 1d ). The area of the substrate layer 2 that is above the cavity 12 is thus the membrane.

Als weitere Schritte schließen sich die Integration von Wandlergebieten in die Substratschicht 2 und die Verdrahtung an, die in 1 nicht dargestellt sind.The integration of transducer regions into the substrate layer is a further step 2 and the wiring that is in 1 are not shown.

2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausbildungsform der Hohlraum-Topologie in Draufsicht auf die Oberfläche des Substrats 1. Mit den Bezugszeichen 5a, 5b, 5c und 5d sind die geraden (ersten) Linienzüge der Querschnittskontur des Hohlraums bezeichnet. Die Bezugszeichen 6a, 6b, 6c und 6d benennen die "gekrümmten" (zweiten) Linienzüge der Querschnittskontur des Hohlraums. Bezugszeichen 7 bezeichnet ein (fiktives) umschließendes, äußeres Vieleck. Bezugszeichen 8 bezeichnet ein (fiktives) inneres Rechteck, dessen Kanten durch die geradlinigen ersten Linienzüge definiert sind, wobei das Rechteck den Gesamtlinienzug (5a, 6a, 5b, 6b, 5c, 6c, 5d, 6d) nicht schneidet . 2 shows an embodiment of the cavity topology according to the invention in plan view of the surface of the substrate 1 , With the reference numerals 5a . 5b . 5c and 5d are the straight (first) lines of the cross-sectional contour of the cavity. The reference numbers 6a . 6b . 6c and 6d name the "curved" (second) lines of the cross-sectional contour of the cavity. reference numeral 7 denotes a (fictitious) enclosing outer polygon. reference numeral 8th denotes a (fictitious) inner rectangle, the edges of which are defined by the straight first lines, the rectangle representing the total line ( 5a . 6a . 5b . 6b . 5c . 6c . 5d . 6d ) does not cut.

In der Ausbildungsform der 2 ist das Vieleck 7 durch 8 Ecken definiert. Es ist deutlich erkennbar, daß die Fläche dieses gedanklich aufgespannten Vielecks 7 größer als die Fläche des gedachten inneren Rechtecks 8 ist. Der Verlauf des Vielecks entspricht in diesem Falle der Einhüllenden der Querschnittskontur.In the training form of 2 is the polygon 7 defined by 8 corners. It is clearly recognizable that the surface of this polygon, spanned by thought 7 larger than the area of the imaginary inner rectangle 8th is. In this case, the shape of the polygon corresponds to the envelope of the cross-sectional contour.

3 stellt eine weitere Ausbildungsform einer Querschnittskontur des Hohlraums dar, bei der die zweiten Linienzüge (6a, 6b, 6c, 6d) einer kreisähnlichen Linie folgen. Ebenso wie bei 2 sind auch in 3 das (fiktive) äußere umschließende Viereck 7 und das (fiktive) innere Viereck 8 angedeutet. Die Einhüllende, die annähernd dem Verlauf des äußeren Vierecks 7 folgt, ist in der Figur nicht eingezeichnet. 3 represents a further embodiment of a cross-sectional contour of the cavity, in which the second lines ( 6a . 6b . 6c . 6d ) follow a circle-like line. As with 2 are also in 3 the (fictional) outer enclosing square 7 and the (fictional) inner square 8th indicated. The envelope, which approximates the course of the outer square 7 follows, is not shown in the figure.

4 zeigt eine Ausbildungsform, die keine vier sondern nur zwei erste Linienzüge 5a und 5b aufweist. Die zweiten Linienzüge sind auch hier mit den Bezugszeichen 6a und 6b bezeichnet. Im Sinne der Definition des umschließenden bzw. inneren gedachten Vierecks bzw. Rechtecks ergeben sich die Flächen, die wiederum durch die Bezugszeichen 7 und 8 benannt sind. 4 shows a form of training that does not have four but only two first lines 5a and 5b having. The second lines are also here with the reference numerals 6a and 6b designated. In terms of the definition of the enclosing or inner imaginary rectangle or rectangle, the surfaces result, which in turn are identified by the reference symbols 7 and 8th are named.

In 5 ist ein Beispiel skizziert, wie in örtlicher Korrelation zu der erfindungsgemäß ausgebildeten Querschnittskontur des Hohlraums piezoresistive Wandlergebiete angeordnet sein können. In 5 werden durch die Bezugszeichen 9a und 9c Wandlergebiete bezeichnet, die örtlich nahe der geraden ersten Linienzüge 5a und 5b positioniert sind und aufgrund der Mikromechanik der Hohlraummembran druckabhängige Signale abgeben. Die Bezugszeichen 9b und 9d bezeichnen Wandlergebiete vorzugsweise gleichen Typs wie die Wandlergebiete 9a und 9c, wobei die Wandlergebiete 9b und 9d örtlich merklich abgesetzt vom Hohlraumgebiet auf dem Substrat positioniert sind. Die in der Figur erkennbaren Linienverbindungen zwischen den Wandlergebieten symbolisieren ein elektrisches Ver drahtungsschema nach bekanntem Stand der Technik in Form einer Brückenschaltung.In 5 An example is sketched of how piezoresistive transducer regions can be arranged in a local correlation to the cross-sectional contour of the cavity designed according to the invention. In 5 are identified by the reference numerals 9a and 9c Transition areas designated, the local near the straight first lines 5a and 5b are positioned and emit pressure-dependent signals due to the micromechanics of the cavity membrane. The reference numbers 9b and 9d denote converter areas preferably of the same type as the converter areas 9a and 9c , the converter areas 9b and 9d are positioned noticeably apart from the cavity area on the substrate. The line connections recognizable in the figure between the converter areas symbolize an electrical wiring diagram according to the known prior art in the form of a bridge circuit.

6 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors. Hier wird die Querschnittskontur des Hohlraums durch nur einen ersten 5a und einen zweiten Linienzug 6a gebildet. Die Einhüllende ist mit Bezugszeichen 7 bezeichnet. Der Sensor weist einen Hohlraum mit einem Wandlerelement bzw. -gebiet 9a auf, der im Bereich des ersten Linienzuges 5a ausgebildet ist. Das Wandlerelement 9a kann mit örtlich vom Hohlraumgebiet abgesetzten Schaltungsteilen (nicht dargestellt) nach gängigem Stand der Technik zu einer Auswerteschaltung, z.B. in Form einer Viertelbrückenschaltung, verbunden werden. 6 shows a further embodiment of the sensor according to the invention. Here the cross-sectional contour of the cavity is replaced by only a first one 5a and a second line train 6a educated. The envelope is with reference numerals 7 designated. The sensor has a cavity with a transducer element or area 9a on that in the area of the first line train 5a is trained. The converter element 9a can be connected to circuit parts (not shown) according to the current state of the art to form an evaluation circuit, for example in the form of a quarter bridge circuit.

7 zeigt schließlich eine Ausbildungsform, bei der im Vergleich zu der Ausbildungsform der 3 die ersten Linienzüge 5a bis 5d gekrümmt sind. Die weiteren Bezugszeichen entsprechen denen der 3. 7 finally shows a form of training in which, in comparison to the form of training 3 the first lines 5a to 5d are curved. The other reference numerals correspond to those of 3 ,

Bei dieser Ausführungsform, wie bei allen vorangehenden weisen erste und zweite Linienzüge einen unterschiedlichen Krümmungsradius auf. Der Krümmungsradius der ersten Linienzüge ist hierbei größer als der Krümmungsradius der zweiten Linienzüge bzw. einer fiktiven gekrümmten Linie, die den zweiten Linienzügen in guter Fitnäherung folgt.at this embodiment, as with all of the previous, first and second lines have one different radius of curvature on. The radius of curvature the first lines is larger than the radius of curvature the second line or a fictitious curved Line that lines the second in good fit approximation follows.

Es ist dem Fachmann auf der Basis der gezeigten Ausbildungsformen offensichtlich, daß auch andere Formen der Querschnittskontur des Hohlraums zur Realisierung der erfindungsgemäßen Lehre geeignet sind.It is obvious to the specialist on the basis of the training forms shown, that others too Forming the cross-sectional contour of the cavity to implement the teaching according to the invention are suitable.

Insbesondere ist es nicht erforderlich, daß die ersten Linienzüge einen geradlinigen Verlauf aufweisen.In particular it is not necessary that the first lines have a straight course.

Des weiteren ist dem Fachmann auf der Basis der 5 offensichtlich, daß auch andere Formen der Integration von Wandlergebieten und deren elektrischer Verschaltung in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Sensoraufbau realisierbar sind.Furthermore, the person skilled in the art on the basis of the 5 Obvious that other forms of integration of transducer areas and their electrical connection can be implemented in connection with the sensor structure according to the invention.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mit der Topologie gemäß 2 werden zur Herstellung des erfindungsgemäßen Drucksensors zwei Wafer dauerhaft fest verbunden. Dabei werden die beiden Wafer vorzugsweise über eine Verbindungsschicht mittels der sog. Fusion-Bonding-Technologie miteinander verbunden. Das Verfahren zur Herstellung der Sensoranordnung umfaßt, wie bereits anhand von 1 näher erläutert, die Schritte:
Bereitstellen des ersten Substrates, vorzugsweise in Form eines Wafers;
Bereitstellen des zweiten Substrates, vorzugsweise in Form eines SOI-Wafers, der in seiner Gesamtheit eine Schichtenfolge aus einem Substrat, einer ersten Zwischenschicht und einer Substratschicht 2 entspricht;
Erzeugen eines Vertiefungsgebiets durch Strukturierung eines Oberflächenbereichs entweder des ersten Substrates oder des zweiten Substrates oder einer zweiten Zwischenschicht, die vorzugsweise auf der Oberfläche des ersten Substrates ausgebildet ist, wobei die Kontur des Vertiefungsgebiets der erfindungsgemäßen Topologie folgt;
Verbinden von erstem und zweitem Substrat derart, daß das Vertiefungsgebiet hermetisch eingeschlossen wird und somit ein erfindungsgemäß konturierter Hohlraum gebildet wird und
halbleitertechnologische Weiterbearbeitung der Anordnung, so daß schließlich Wandlergebiete in örtlicher Korrelation zu der Hohlraumkontur gebildet werden.According to a preferred embodiment with the topology according to 2 two wafers are permanently connected to manufacture the pressure sensor according to the invention. The two wafers are preferably connected to one another via a connection layer by means of the so-called fusion-bonding technology. The method for producing the sensor arrangement comprises, as already based on 1 explained the steps:
Providing the first substrate, preferably in the form of a wafer;
Provision of the second substrate, preferably in the form of an SOI wafer, which as a whole comprises a layer sequence of a substrate, a first intermediate layer and a substrate layer 2 corresponds;
Creating a depression area by structuring a surface area of either the first substrate or the second substrate or a second intermediate layer, which is preferably formed on the surface of the first substrate, the contour of the depression area following the topology according to the invention;
Connecting the first and second substrates in such a way that the depression region is hermetically enclosed and thus a cavity contoured according to the invention is formed and
Further processing of the arrangement using semiconductor technology, so that finally converter regions are formed in a local correlation to the cavity contour.

Bei Beaufschlagung der Sensoranordnung mit Druck ergibt sich eine mikromechanische Durchsenkung der Substratschicht 2 im Hohlraumbereich, die mittels der Wandlergebiete erfaßt und in ein Nutzsignal umgewandelt wird.When pressure is applied to the sensor arrangement, the substrate layer is micromechanically lowered 2 in the cavity area, which is detected by means of the converter areas and converted into a useful signal.

Der erfindungsgemäße Aufbau der Sensoranordnung ermöglicht eine verbesserte Anpassung der Sensoren an verschiedene Anwendungsfälle. Durch die einfache Möglichkeit einer Erhöhung der Empfindlichkeit resultieren höhere Ausgangsspannungen, die leichter von einer Signalverarbeitungselektronik verarbeitet werden können. Die Störanfälligkeit der erhöhten Ausgangssignale etwa durch Rauschen ist damit reduziert.The Construction according to the invention the sensor arrangement enables an improved adaptation of the sensors to different applications. By the easy way an increase The sensitivity results in higher output voltages easier to be processed by signal processing electronics can. The susceptibility to failure the elevated Output signals such as noise are reduced.

Durch die erfindungsgemäße topologische Ausbildungsform des Hohlraumgebiets kann eine Feinanpassung der Sensorcharakteristik auf verschiedene Anwendungsfälle durchgeführt werden, die die Herstellung von fallweise kostengünstigeren Sensoren als mit den bekannten anderen Methoden ermöglicht.By the topological form of training according to the invention of the cavity area can be a fine adjustment of the sensor characteristic to different use cases carried out be the production of occasionally cheaper sensors than possible with the known other methods.

Claims

Sensor arrangement for measuring the pressure or of measured variables which can be derived from the detection of a pressure in which - a substrate ( 1 . 11 ) consisting of one or more first layers ( 1 . 11 ) with a second layer ( 2 ) is connected - the substrate ( 1 . 11 ) and / or the second layer ( 2 ) are structured such that a cavity area ( 12 ) between the substrate ( 1 . 11 ) and the second layer ( 2 ) is present, the second layer being formed in a uniform thickness over the cavity region, and - one or more transducer elements ( 9a . 9c ) to detect a deflection or a mechanical stress of the second layer on or in the second layer ( 2 ) are arranged, characterized in that the cross-sectional contour of the cavity region ( 12 ) one or more spaced apart first lines ( 5a - 5d ) that do not touch the envelope of the cross-sectional contour, the cross-sectional contour through the first line / s and one or more second lines connecting them to form a closed line ( 6a - 6d ) is formed, and the transducer element (s) ( 9a . 9c ) in the area of at least one of the first lines ( 5a - 5d ) are arranged.

Method for producing a sensor arrangement for the measurement of the pressure or of measured variables that can be derived from the detection of a pressure, with the following steps: 1 . 11 ) and a second ( 2 . 3 . 4 ) Substrates; - Structuring the surface of the first and / or second substrate to form a recess; Connecting the two substrates so that a cavity region defined by the depression ( 12 ) arises; - if necessary, thinning the second substrate ( 2 . 3 . 4 ) except for a substrate layer ( 2 ) with a residual thickness; - The structuring, connecting and optionally thinning takes place in such a way that the substrate layer ( 2 ) is formed with a uniform thickness over the cavity area; and - creating one or more converter areas ( 9a . 9c ) in or on the substrate layer ( 2 ) to detect a deflection or a mechanical stress of the substrate layer ( 2 ) over the cavity area ( 12 ); characterized in that the structuring of the surface of the first and / or second substrate is carried out in such a way that the cross-sectional contour of the depression in one plane parallel to the surface is one or more spaced apart first lines ( 5a - 5d ) that do not touch the envelope of the cross-sectional contour, the cross-sectional contour through the first line / s and one or more second lines connecting them to form a closed line ( 6a - 6d ) is formed, and the converter area (s) ( 9a . 9c ) in the area of at least one of the first lines ( 5a - 5d ) be generated.

Sensor arrangement according to claim 1, characterized in that the first lines ( 5a - 5d ) run almost straight.

Sensor arrangement according to claim 2, characterized in that in each case two first lines ( 5a - 5d ) run parallel to each other.

Sensor arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the second lines ( 6a - 6d ) follow a curved symmetrical course.

Sensor arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the second lines ( 6a - 6d ) composed of several straight sections.

Sensor arrangement according to claim 3, characterized in that the cross-sectional contour by four first ( 5a - 5d ) and four second ( 6a - 6d ) Lines are formed, with the first lines lying on the edge line of a virtual square and the second lines in the corner areas of the square following a circle-like line, the length of which is greater than the length of an alternatively formed quarter circle which connects two adjacent first line lines.

Sensor arrangement according to claim 3, characterized in that the cross-sectional contour by two first ( 5a . 5b ) and two second lines ( 6a . 6b ) is formed, the second lines having a curved course.

Sensor arrangement according to one of claims 1 to 7, characterized in that the second layer ( 2 ) consists of a semiconductor material, in particular silicon.

Sensor arrangement according to one of claims 1 to 7, characterized in that on the second layer ( 2 ) a semiconductor layer is formed.

Sensor arrangement according to one of claims 1 to 9, characterized in that the transducer elements ( 9a . 9c ) as piezoresistive areas in the second layer ( 2 ) are trained.

Sensor arrangement according to one of claims 1 to 10, characterized in that the substrate ( 1 . 11 ) a silicon substrate with an oxide layer ( 11 ) which is structured to form the cavity region.

A method according to claim 12, characterized in that the structuring of the surface of the first and / or second substrate is carried out in such a way that the first lines ( 5a - 5d ) run almost straight.

A method according to claim 13, characterized in that the structuring of the surface of the first and / or second substrate is carried out in such a way that two first lines ( 5a - 5d ) run parallel to each other.

A method according to claim 14, characterized in that the structuring of the surface of the first and / or second substrate is carried out in such a way that the cross-sectional contour by four first ( 5a - 5d ) and four second ( 6a - 6d ) Lines formed the first lines are on the edge line of a virtual square and the second lines in the corner areas of the square follow a circle-like line, the length of which is greater than the length of an alternatively formed quarter circle that connects two adjacent first lines.

A method according to claim 14, characterized in that the structuring of the surface of the first and / or second substrate is carried out in such a way that the cross-sectional contour by two first ( 5a . 5b ) and two second ( 6a . 6b ) Lines are formed, the second lines having a curved course.

Method according to one of Claims 12 to 16, characterized in that the second substrate ( 2 . 3 . 4 ) an SOI substrate is used.

Method according to one of claims 12 to 16, characterized in that after the bonding and thinning on the substrate layer ( 2 ) a semiconductor layer is applied.

Method according to one of claims 17 and 18, characterized in that the transducer elements as piezoresistive areas ( 9a . 9c ) in the substrate layer ( 2 ) or the semiconductor layer thereon can be integrated.

Method according to one of claims 12 to 19, characterized in that the provision and structuring of the first and / or second substrate comprises: applying a structurable layer ( 11 ) on a base substrate ( 1 ), which forms the surface of the first and / or second substrate, and structuring the structurable layer to form the depression.