专利名称：压力传感器、特别是压力差传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种压力传感器，特别地涉及一种压力差传感器。
背景技术：
压力传感器包括平台、测量膜和换能器，其中测量膜被紧固在平台上，其中测量膜与至少一个压力可接触并且具有依赖压力的弹性变形，并且其中换能器提供依赖于测量膜的变形的电信号，其中平台进而具有膜床(membrane bed)，在过载的情形下测量膜处于该膜床上从而支撑该测量膜。在这种情形下，有利的是膜床具有近似自然的依赖压力的变形的轮廓，即匹配所谓的挠度曲线轮廓的轮廓。然而，以可再现和成本划算的方式制造这种膜床是困难的。膜床的成形以及其制造依赖于膜床的和支承膜床的基板的材料、和选择哪种结合技术来将平台或者膜床与膜结合。Si平台特别地适合于压力差传感器，因为这些平台良好地承受静态压力。存在用于连接两个硅芯片的各种方法，诸如、例如共晶键合或者硅直接键合。鉴于对于以密闭方式密封的和固定的构件连接的要求，该连接尽管这样也无任何重大副效应，根据现有技术的这些键合方法给出了仍然能够提高的产率和再现性。另外地，例如根据YAMATAKE的 US 7，360，431B2的球面凹面膜床的制造在硅中不是直接地可能的。当前已知的是非确定 (non-established)的灰度光刻或者硅的直接研磨/抛光，这仅在高度的努力下才给出可再现的结果。尚未公开的专利申请DE 102008043171公开了一种包括至少一个平台、至少一个测量膜和换能器的压力传感器，其中测量膜包括半导体材料(特别是硅)，其中封装压力腔室的测量膜被紧固到平台，其中测量膜与至少一个压力可接触并且能够以依赖压力的方式弹性变形，其中换能器提供依赖于测量膜的变形的电信号，其中平台具有膜床，在过载的情形下测量膜倚靠在该膜床上从而支撑该测量膜，其特征在于，膜床具有玻璃层，该玻璃层的表面面对测量膜并且形成压力腔室的壁。玻璃层的表面特别地设置有适合于在过载的情形下支撑测量膜的轮廓。为此，玻璃层的表面能够被微机械地处理。玻璃层可以类似地具有借助热压印制备的表面轮廓。进而，该专利申请公开了膜床具有近似地与测量膜的挠度曲线相同或者与之等同的表面轮廓是有利的。虽然该程序关于膜床的质量给出了令人满意的结果，但是仍然期望替代以此方式制造的压力传感器。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种压力传感器、特别是一种压力差传感器，和一种用于制造该压力传感器的方法，该方法能够成本划算地并且以提高的产率和提高的再现性地实现。根据本发明利用如在独立专利权利要求1中限定的压力传感器和如在独立专利权利要求8和12中限定的方法实现了该目的。本发明的压力传感器包括至少一个平台、至少一个测量膜，和换能器，其中测量膜包括半导体材料，其中封装压力腔室的测量膜被紧固到平台，其中测量膜与至少一个压力可接触并且以依赖压力的方式弹性地可变形，其中换能器提供依赖于测量膜的变形的电信号，其中平台具有膜床，在过载的情形下测量膜处于该膜床上从而支撑该测量膜，其中膜床具有玻璃层，该玻璃层的表面面对测量膜并且形成压力腔室的壁，其中玻璃层的表面具有适合于在过载的情形下支撑测量膜的轮廓，其特征在于，通过由于在玻璃板的非支撑区域上的重力而使在增加的温度下形成玻璃层的玻璃板的非支撑区域下垂并且随后冷却玻璃板可获得膜床的轮廓。在本发明的进一步改进中，平台包括基板，该基板具有支撑玻璃层的、面向玻璃层的表面，其中该表面具有空腔，经由该空腔形成膜床的轮廓。在给定情形下，背离膜床的一侧的空腔可以填充有填充材料，从而防止在玻璃层下面的中空空间。填充材料可以特别地包括玻璃，该玻璃例如被以玻璃粉的形式施加，并且具有比玻璃层的玻璃更低的熔化温度。另外地，背离膜床的基板和玻璃的下侧能够通过研磨、精研(lapping)和/或抛光而被平整。在本发明的一个替代的实施例中，用于平整背离膜床的基板和玻璃的下侧的平整、精研和/或抛光可以在未预先填充玻璃层的非支撑区域的情况下完全地进行。在当前优选的实施例中，玻璃层的或者膜床的玻璃包括与平台的基板材料的膨胀系数相匹配的硼硅酸盐玻璃。特别地适当的玻璃例如有，能够从khott公司获得的Pyrex 7740、TEMPAX、Hoya SD-2、或者 Borof Ioat 33。基板材料优选地是半导体材料，特别是硅。根据本发明的进一步改进，玻璃层具有不小于100 μ m，优选地不小于200 μ m并且进一步优选地不小于400 μ m的厚度。根据本发明的进一步改进，玻璃层具有不大于2000 μ m，优选地不大于1400 μ m并且进一步优选地不大于1000 μ m的材料厚度。进而，当前地优选的是膜床具有非球面轮廓，特别地近似测量膜的挠度曲线，或者与此等同。这在用于允许玻璃层的非支撑区域沉降的玻璃层回火期间和在随后的玻璃层冷却期间导致经由玻璃层的支撑区域的水平定向的第一近似。为了制造膜床的轮廓，玻璃层可以例如在平坦状态下与具有所需要的空腔的平台的表面连接，或者可以被非固定地放置在该表面上，在此之后玻璃层被加热，从而引发非支撑区域的沉降。在于玻璃层和平台之间预先连接的情形下，这可以例如经由阳极键合产生。在玻璃层仅仅被非固定地放置的程度上，可以在加热期间经由在硅基板的表面上的氧化硅层来产生在平台和玻璃层之间的连接。可以在具有相应的空腔的模具上加热玻璃层来代替在平台上制备膜床，从而引起非支撑区域沉降。由于多次地再使用模具，这证明用于其制造的、更大的努力是正当的。这意味着在非支撑区域下面的空腔能够被以如此方式实现，使得非支撑区域在特定的下垂深度之后，能够例如被局部地支撑，从而局部地限制沉降。然而，基本上，当前优选的是，不受
5局部支撑影响地形成该轮廓。在本发明的进一步改进中，至少膜床的凹面轮廓区域保持不受用于面向测量膜的玻璃层表面粗糙度的工具的影响。该表面尽管如此仍然能够是在很大程度上，并且实际上， 在无任何局部升高部分或者发生凹陷的意义上是光滑的，局部升高部分或发生凹陷能够导致局部应力和所要支撑的测量膜最终破裂。与膜床是否形成在模具上或者在平台上无关，在于非支撑区域中形成轮廓之后平整玻璃层的支撑区域的表面能够是有利的。可以例如经由研磨、精研和/或抛光进行平整。 例如，当在玻璃板的非支撑区域沉降的情形下，在支撑区域中的玻璃板的上侧和下侧被暴露于不同的边界条件，例如由于下侧处于基板上并且上侧是自由的，这在上侧和下侧上引起显著不同的剪切作用力时，能够产生对于平整的需要。在本发明的进一步改进中，因此提出将板安置于玻璃板的上侧上，其中这个板具有与基板的空腔对准的空腔，并且处于玻璃体的支撑区域上。能够在制备膜床的轮廓之后再次移除这个板。在本发明的变型中，所安置的板包括具有比非支撑区域更大的内部横截面的开口，从而在每一情形下，玻璃板的支撑区域的环形边缘部包围非支撑区域。在一方面，为了在支撑区域的环形边缘部中实现玻璃层的、足够平坦的上侧，并且在另一方面，边缘区域的尺寸允许在其上紧固测量膜，这都是足够的。 以此方式，可以省略移除所安置的板。利用根据本发明制备的膜床，压力传感器的抗过载性(overload resistance)能够被显著地增加。例如，自身-即无支撑地-具有IOmbar的测量范围并且具有30 μ m的材料厚度和例如5mm的直径的Si测量膜具有例如Ibar的抗过载性。当测量膜能够在本发明的膜床上支撑自身时，抗过载性随之升高到至少50bar，特别地到至少lOObar，优选地至少到140bar并且特别地优选地至少到160bar。所指出的压力值特别地涉及具有IOmbar的测量范围的压力传感器。为了更大的测量范围，当抗过载性类似地更大时是优选的。例如，具有500mbar的测量范围的压力传感器应该具有至少lOObar，优选地至少300bar，进一步优选地至少420bar并且特别地优选地 500bar的抗过载性。在压力差传感器的情形下，抗过载性优选地在两个方向上是有效的。本发明的压力传感器可以是与真空相比测量压力的绝对压力传感器，或者是与大气压力相比测量压力的相对压力传感器。然而，本发明特别地对于记录在第一压力和第二压力之间的差的压力差传感器是相关的。精确地在压力差传感器的情形下，存在大的静态单侧过载的危险，因为所要测量的压力差通常显著地小于其差将被记录的第一或者第二压力。因此，在当前优选的实施例中， 本发明的压力传感器是具有测量膜、第一平台和第二平台的压力差传感器，其中测量膜被布置在第一平台和第二平台之间，并且与该两个平台中的每一个连接，从而封装第一压力腔室和第二压力腔室，其中第一压力腔室和第二压力腔室每一个均分别地具有分别地通过第一和第二平台的至少一个管道，其中测量膜经由该管道与第一和第二压力可接触。膜的挠度然后依赖于在第一压力和第二压力之间的差。本发明的压力传感器可以具有本领域技术人员已知的任何换能器，从而将测量膜的依赖压力或者依赖压力差的变形转换成电信号。在这种情形下，特别地电容性或者(压电)电阻性换能器是用于这种意图的选择。对于电容性换能器，例如通过金属的气相沉积而将要在膜床上制备的电极设置在测量膜和膜床上。由Si制成的测量膜可以或者经由金属化或者通过掺杂而类似地设置有电极。例如，通过由掺杂膜制备的全桥式电阻元件来制造压电电阻性换能器结构。本发明的用于制造用于特别地根据前面权利要求中的一项的压力传感器的膜床的方法包括以下步骤(a)提供平坦的玻璃层、(b)在具有支撑玻璃层的表面的支撑体上施加玻璃层，其中该表面具有至少一个空腔，从而在空腔的区域中玻璃层不受支撑、(c)将玻璃层加热到玻璃层的非支撑区域沉降的温度或者温度范围，和(d)允许玻璃层冷却。在该方法的进一步改进中，玻璃层在达到非支撑区域沉降的温度之后，可以在这个温度下被保持一段时间，从而玻璃层能够沉降足够的程度。保持时间在这种情形下特别地依赖于所选择的温度和层厚。对于用于具有若干 100 μ m的厚度的窗格(pane)的硼硅酸盐玻璃，保持时间能够例如由关系式t = a*d+b给出，其中在750°C下对于a的值处于例如0. 1和0. 8之间，特别在0. 2和0. 6之间，并且对于 b的值处于-60和20之间，特别地-40和0之间，其中t是以分钟为单位的时间并且d是以 μm为单位的玻璃层的厚度。优选地在用于多个压力传感器的一个未划分的晶片上进行膜床轮廓的制备。测量膜与平台或者平台的膜床的连接优选地在一个未划分的晶片上进行。在压力差传感器的情形下，测量膜将被布置在两个基板和基板各自的膜床之间。 在膜床的玻璃层和测量膜的硅之间的连接可以特别地经由阳极键合进行。在于晶片复合物中平行地制造多个传感器的程度上，传感器的分离最后例如经由锯切进行。
现在将基于附图更加详细地解释本发明，附图中的图如下地示出图1用于制备膜床和用于制造本发明的相对压力传感器的步骤的示意性截面图示；图2在分离之前通过本发明的压力差传感器的装载(charge)的实施例的一个实例的纵向截面，和图3本发明的压力传感器的膜床轮廓的形貌的表示。
具体实施例方式图1所示制造步骤的序列利用具有420 μ m的厚度的Si晶片10而开始于步骤(a)， 在第一步骤中在Si晶片10中制备了凹陷11。可以例如通过(超声波)钻孔和/或蚀刻制造凹陷11。仅在不允许凹陷11在随后的制备步骤期间降低玻璃板的非支撑区域的性能的范围内，在制造凹陷的情形下，精度才是本质性的。在本发明的方法的基本变型中，这仅仅意味着凹部或者空腔的截面面积应该被与测量膜的所期形状匹配。在这里作为平坦板应用测量膜的范围内，提供了在测量膜中实现圆对称性的可能性。凹陷11能够具有几mm的直径，例如，3到10mm，优选地4到6mm。在该实例中，直径等于5mm。在第二步骤(b)中，具有几个100 μ m厚度的玻璃板20被施加在硅片10上，其中玻璃板在净化室条件下被非固定地放置在硅片上。玻璃板包括硼硅酸盐玻璃，例如， Borofloat 33。在实施例的实例中，玻璃板具有例如500 μ m的厚度。在第三步骤(C)中，具有基板10和玻璃板20的堆叠体在一个时间段-例如 1. 5h-中被从室温加热到750°C，并且然后在该温度下保持例如池。在这时，在一方面，玻璃板的非支撑区域足够深地沉降，其中出现适于作为用于在过载的情形下支撑测量膜的膜床的轮廓21，并且在另一方面，在玻璃板和基板之间出现机械固定的连接，其中基板表面的 Si原子被氧化。然后可以经过多个小时冷却该堆叠体。当前应用的温度是通过在具有耐火衬砌的加热炉中在环境空气的气氛中执行加热步骤而产生的。在于受控气氛-例如保护性气体-中执行加热步骤和/或在净化室条件下加热的情形下，温度能够安全地进一步增加，由此在给定几何边界条件的情形下，还能够缩短用于加热步骤的时间。在第四步骤(d)中，可以利用填充材料、特别地利用玻璃22填充在轮廓21下面的其余中空空间，其中可以例如以熔点低于玻璃板10的玻璃软化点的多孔玻璃(fritted glass)的形式来施加玻璃。在多孔玻璃熔化并且随后冷却之后，可以通过研磨或者精研平整背离膜床的下侧。利用微机械制备方法-例如，利用超声波钻孔-制备通过各层的序列的管道23，其中这些管道23在每一情形下均从包括基板10、玻璃层10和玻璃填充物23的平台的下侧延伸到膜床的轮廓21。在第五步骤(e)中，借助阳极键合将特别地包括硅的测量膜晶片30与在一个未分划晶片中的平台连接。然后，可以通过沿着所图示的垂直线锯切来分离这里图示的相对压力传感器。图2示出在本发明的压力差传感器的分离之前通过该压力差传感器的纵向截面。 为了制造压力差传感器，借助阳极键合将特别地包括硅的测量膜晶片130与作为一个未分划复合物的两个基板紧固。使用未分划的晶片，在每一个情形下，利用基板晶片110、150和玻璃板120、140，对应于图1中的制备步骤a到d，平台在每一个情形下均被更早地制造。最终通过沿着竖直短划线分离而获得了各个压力差传感器。最终，图3示出本发明的膜床的轮廓的形貌数据，其中非支撑区域由两条竖直点线表示并且具有5mm的直径。结果，能够根据所描述的程序制备限定的非球面轮廓，该轮廓适合于在过载的情形下支撑测量膜。本形貌数据来自膜床，在此情形下玻璃板的上表面在沉降期间是自由的。 在此情形下，在安装测量膜之前例如通过研磨、精研和/或抛光来平整玻璃板的支撑区域是有益的。在该方法的进一步改进中，在轮廓制备期间，具有与基板的空腔对准的空腔的板被放置在玻璃板上，这使得在轮廓制备之后玻璃板的支撑区域是基本齐平的，从而进一步的平整变得不必要。
权利要求
1.一种压力传感器，所述压力传感器包括至少一个平台、至少一个测量膜(30)和换能器，其中所述测量膜包括半导体材料，其中封装压力腔室的所述测量膜被紧固在所述平台上，其中所述测量膜与至少一个压力可接触并以依赖压力的方式弹性地可变形，其中所述换能器提供依赖于所述测量膜(30)的变形的电信号，其中所述平台具有膜床(21)，在过载的情形下所述测量膜处于所述膜床上从而支撑所述测量膜，其中所述膜床具有玻璃层(20)，所述玻璃层00)的表面面对所述测量膜(30)并且形成所述压力腔室的壁，其中所述玻璃层00)的表面具有适合于在过载的情形下支撑所述测量膜(30)的轮廓，其特征在于，通过由于所述玻璃板在非支撑区域上的重力而使在增加的温度下所述玻璃板的非支撑区域下垂并且随后冷却所述玻璃板可获得所述膜床的轮廓。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，其中所述平台包括基板，所述基板具有面向所述玻璃层的、支撑所述玻璃层的表面，其中所述表面具有空腔，经由所述空腔形成所述膜床的轮廓。
3.根据权利要求1或者2所述的压力传感器，其中利用填充材料在后侧上填充所述空腔，从而防止在所述玻璃层下面的中空空间。
4.根据权利要求3所述的压力传感器，其中所述填充材料特别地包括玻璃，所述玻璃具有比所述玻璃层的玻璃更低的熔化温度。
5.根据前述权利要求中的一项所述的压力传感器，其中所述玻璃层具有不小于 100 μ m，优选地不小于200 μ m并且进一步优选地不小于400 μ m的厚度。
6.根据前述权利要求中的一项所述的压力传感器，其中所述玻璃层具有不大于 2000 μ m，优选地不大于1400 μ m并且进一步优选地不大于1000 μ m的厚度。
7.根据前述权利要求中的一项所述的压力传感器，其中所述膜床具有非球面轮廓，特别地近似所述测量膜的挠度曲线，或者与所述测量膜的挠度曲线等同。
8.一种用于制备特别地根据前述权利要求中的一项所述的压力传感器的膜床的方法， 包括以下步骤(a)提供平坦的玻璃层，(b)在支撑体上施加所述玻璃层，所述支撑体具有支撑所述玻璃层的表面，其中所述表面具有至少一个空腔，从而在所述空腔的区域中所述玻璃层不受支撑，(c)将所述玻璃层加热到所述玻璃层的所述非支撑区域沉降的温度或者温度范围，和(d)允许所述玻璃层冷却。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述玻璃层在达到所述非支撑区域沉降的温度之后，在该温度下被保持一段保持时间，从而所述玻璃层能够沉降足够的程度。
10.根据权利要求9所述的方法，其中对于硼硅酸盐玻璃的所述保持时间由关系式t= a*d+b给出，其中在750°C下对于a的值处于0. 1和0. 8之间，特别地在0. 2和0. 6之间，并且对于 b的值处于-60和20之间，特别地在-40和0之间，其中t是以分钟为单位的时间、并且d 是以μm为单位的所述玻璃层的厚度。
11.根据权利要求8到10中的一项所述的方法，其中在用于多个膜床的一个未划分的晶片上进行所述膜床轮廓的制备。
12. 一种用于制造压力传感器的方法，包括按照权利要求8到11中的一项所述的方法制备膜床，并且将测量膜与所述平台或者与形成所述膜床的所述平台的所述玻璃层结合。
全文摘要
本发明的压力传感器包括至少一个平台、至少一个测量膜(30)和换能器，其中测量膜包括半导体材料，其中封装压力腔室的测量膜被紧固在平台上，其中测量膜与至少一个压力可接触并且以依赖压力的方式弹性地可变形，其中换能器提供依赖于测量膜的变形的电信号，其中平台具有膜床，测量膜在过载的情形下处于该膜床上从而支撑测量膜，其中膜床(21)具有玻璃层(20)，该玻璃层(20)的表面面对测量膜并且形成压力腔室的壁，其中玻璃层的表面具有适合于在过载的情形下支撑测量膜(30)的轮廓，其特征在于，通过在增加的温度下玻璃板的非支撑区域由于在玻璃板的非支撑区域上的重力而下垂并且随后冷却玻璃板可获得膜床21的轮廓。
文档编号G01L19/06GK102597730SQ201080048839
公开日2012年7月18日 申请日期2010年10月7日 优先权日2009年10月30日
发明者罗兰德·维尔特舒茨基, 英·图安·塔姆, 蒂莫·科博, 迈克尔·菲利普斯, 迪特尔·施托尔塞 申请人:恩德莱斯和豪瑟尔两合公司