DE60108217T2

DE60108217T2 - Kornwachstumsverfahren zur herstellung einer elektrischen verbindung für mikroelektromechanische systeme (mems)

Info

Publication number: DE60108217T2
Application number: DE60108217T
Authority: DE
Inventors: G. Mark ROMO; E. Stanley RUD; A. Mark LUTZ; C. Fred SITTLER; C. Adrian TOY
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 2000-01-06
Filing date: 2001-01-05
Publication date: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2021-01-06
Also published as: JP3620795B2; EP1244900A1; US6516671B2; DE60108217D1; EP1244900B1; US20030010131A1; WO2001050106A1; CN1394276A; AU2629901A; CN1151367C; JP2003519378A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft mikroelektromechanische Systeme. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Bereitstellung elektrischer Verbindungen in derartigen Systemen. Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) sind kleine Vorrichtungen, die gewisse elektrische und mechanische Funktionen bereitstellen und werden in der Regel seriengefertigt. MEMS finden in vielen elektrischen Vorrichtungen Anwendung. Beispiele für MEMS sind Beschleunigungs-, Druck-, Durchfluss-, Verschiebungs-, Abstands-Sensoren sowie Ventile, Pumpen und Optikteile-Stellglieder. Eine spezifische Anwendung für MEMS-Wandler ist in Anwendungen zur Druckmessung.
In der Luftfahrt oder in industriellen Fluidsensor-Anwendungen können Fluide (Mittel) eine Korrosion der Sensorelemente, der Metallschichten und der Verbindungen, die bei der Fertigung des Sensors verwendet werden, bewirken. Korrosive Prozessfluide können Gase in einem Luftfahrt oder feststehenden Turbinenmotor, Säuren, Beizmittel, Öle, Petrochemikalien, Lebensmittel und dergleichen umfassen.
Sensorelemente werden vorzugsweise zwischen Schichten eines Sensorkörpers angeordnet, und Zwischenverbindungen sind ebenfalls vorzugsweise zwischen den Schichten angeordnet und so abgedichtet, dass korrosive Prozessfluide nicht mit den Sensorelementen und Zwischenverbindungen in Kontakt kommen.
In Miniaturvorrichtungen, die unter Verwendung von MEMS(mikroelektromechanischen Systemen)-Verfahren hergestellt werden, ist es schwierig; elektrische Verknüpfungen zwischen Schichten des Sensorkörpers zu schaffen. Dies gilt insbesondere für Sensoren, die mit MEMS-Verfahren hergestellt werden. Bei MEMS-Bindeverfahren ist es erforderlich, dass die flachen Schichten des Sensorkörpers in präziser axialer Ausrichtung und extrem kleinen Abständen zusammengebracht werden, ohne dass Unregelmäßigkeiten oder Wölbungen zwischen den Schichten entstehen. Zwischenverbindungen, die sich mechanisch wölben, kommen abgesehen während des Bindevorgangs mit der flachen Oberfläche in Kontakt und halten diese. Daraus können fehlerhafte Bindungen oder Lecke resultieren.
Mechanischer Kontakt zwischen Verknüpfungen sollte während des Bindevorgangs der Schichten vermieden werden. Mechanischer Kontakt der Verknüpfungen ist jedoch erforderlich, um einen elektrischen Schaltkreis an der Verknüpfung fertigzustellen. Die beiden MEMS-Vorgänge benötigen einen Konflikt untereinander.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung liefert einen mikroelektromechanischen System-Sensor (MEMS-Sensor), der Folgendes aufweist: eine erste und eine zweite Schicht, die miteinander verbunden sind und einen Hohlraum zwischen den Schichten bilden; einen ersten und einen zweiten auf der ersten bzw. der zweiten Schicht angeordneten elektrisch leitenden Film, wobei jeder Film eine erste bzw. eine zweite Verbindungszone aufweist, die sich am Hohlraum gegenüberliegen; ein in dem Hohlraum angeordnetes und mit dem ersten elektrisch leitenden Film elektrisch verbundenes Sensorelement; und einen elektrisch leitenden Kornwachstumswerkstoff, der selektiv auf mindestens eine der Verbindungszonen aufgebracht ist, und bei vorbestimmten Voraussetzungen zur Bildung einer elektrischen Verbindung zwischen der ersten und zweiten Verbindungszone ausgebildet wird.
Die vorliegende Erfindung liefert zudem einen Drucksender, der einen erfindungsgemäßen Sensor aufweist.
Die vorliegende Erfindung liefert weiter ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors, welches die folgenden Schritte aufweist: Ausbilden einer ersten und einer zweiten Schicht eines Messkörpers, wobei zumindest die erste oder die zweite Schicht einen Vertiefungsabschnitt aufweist; Aufbringen eines elektrisch leitenden Films auf zumindest die erste Schicht; Anordnen einer Leitung auf der zweiten Schicht; Aufbringen eines elektrisch leitenden Kornwachstumswerkstoffs auf zumindest die Leitung oder den elektrisch leitenden Film; Binden der ersten mit der zweiten Schicht, wobei ein Abschnitt der Leitung axial zu und beabstandet von einem Abschnitt des elektrisch leitenden Films bei der Aufbringung des elektrisch leitenden Kornwachstumswerkstoffs ausgerichtet ist; und Erwärmen des elektrisch leitenden Kornwachstumswerkstoffs zur Ausbildung einer Verbindung in dem Raum zwischen dem elektrisch leitenden Film und der Leitung.
Die vorliegende Erfindung stellt weiter ein mikroelektromechanisches System (MEMS-System) bereit, welches Folgendes aufweist: einen Körper, der sich aus mindestens der miteinander verbundenen ersten und zweiten Schicht zusammensetzt, wobei der Körper einen Hohlraum zwischen gegenüberliegenden Flächen der ersten und zweiten Schicht bildet; einen ersten elektrischen Leiter, der auf einer der gegenüberliegenden Flächen angeordnet ist; einen zweiten elektrischen Leiter, der auf der anderen der gegenüberliegenden Flächen angeordnet ist; und eine elektrisch leitende Kornwachstumswerkstoff-Auflage, die auf mindestens einem der Leiter angeordnet ist, welche unter bestimmten Voraussetzungen Körner zur Ausbildung einer Verbindung zwischen den Leitern erzeugt.
Eine isolierte Verbindung wird durch wachsende Verknüpfungen aus dem Kornwachstum eines elektrisch leitenden Kornwachstumswerkstoffs im Inneren einer MEMS-Vorrichtung nach dem Binden der Vorrichtung gebildet. Der für das Kornwachstum elektrischer Kontakte verwendete Werkstoff wird in einem Hohlraum angeordnet, der zwischen der ersten und der zweiten Schicht der Vorrichtung ausgebildet ist. In einer Ausführungsform ist die Werkstoffauflage zum Zeitpunkt des Zusammenbaus relativ flach und hat keinen störenden Einfluss auf den Bindevorgang zwischen dem Umfangskanten des Hohlraums. Nach dem Zusammenbau der ersten und zweiten Schicht wird die Anordnung erwärmt und es wächst eine elektrische Verknüpfung durch Kornwachstum der leitenden Filme oder Leitungen, die selektiv im Inneren des Hohlraums aufgebracht sind.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Kurzbeschreibung der Erfindung anhand der Zeichnungen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1 ein Querschnittsdiagramm einer erfindungsgemäßen MEMS-Vorrichtung;
2 eine typische instrustrielle Umgebung für einen schleifenbetriebenen industriellen Sender;
3 eine Teilquerschnitts-Vorderansicht einer Ausführungsform eines Sensors mit einer Kornwachstums-Verknüpfung;
4 eine Teil-Draufsicht des in 3 entlang der Linie 4-4 in 3 aufgenommenen Sensor;
5 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Bindung zwischen zwei Vertiefungsschichten;
6 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Bindung zwischen einer Vertiefungsschicht und einer flachen Schicht;
7 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer eine Abstandsschicht aufweisenden Bindung;
8 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Bindung zwischen Schichten, die mit unterschiedlichen Vertiefungstiefen ausgebildet sind;
9 eine Ausführungsform einer Kornwachstums-Verknüpfung, in welcher Kornwachstumswerkstoff auf zwei gegenüberliegenden Verbindungszonen angeordnet ist;
10 eine Ausführungsform einer Kornwachstums-Verknüpfung, in der Kornwachstumswerkstoff auf einer von zwei gegenüberliegenden Verbindungszonen angeordnet ist, und eine Mesa mit den Verbindungszonen fluchtet;
11 eine Ausführungsform einer Kornwachstums-Verknüpfung, in welcher Kornwachstumswerkstoff auf zwei gegenüberliegenden Verbindungszonen angeordnet ist und zwei Mesaschichten mit den Verbindungszonen fluchten;
12 eine Ausführungsform einer Kornwachstums-Verknüpfung, in der eine Versorgung mit Kornwachstumswerkstoff in einer Vertiefung in einer Schicht bereitgestellt ist;
13 eine Ausführungsform einer Verbindung zwischen Schichten aus ähnlichem Werkstoff, ohne irgendeinen dazwischenliegenden Bindewerkstoff;
14 eine Ausführungsform einer Reaktionsbindung zwischen Schichten aus ähnlichem Werkstoff;
15 eine Ausführungsform eines Dünnfilms oder einer gesinterten Lötbindung;
16 eine Ausführungsform einer anodischen Bindung;
17 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines kapazitiven Drucksensors;
18 eine Seitenansicht des kapazitiven Drucksensors von 17;
19 eine Querschnittsansicht des Sensors in 17, die entlang der Linie 19-19 in 17 genommen wurde;
20 ein Drucksensormodul für einen Drucksender; und
21 eine Querschnittsansicht eines Drucksensormoduls für einen Drucksender,
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht eines Abschnitts der MEMS-Vorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die MEMS-Vorrichtung 10 weist eine obere Schicht 12 und eine untere Schicht 14 auf. Die Schichten 12 und 14 sind durch eine erfindungsgemäße elektrische Verbindung 16 elektrisch miteinander verbunden. Wie nachfolgend noch ausführlicher beschrieben wird, wird ist elektrische Verbindung 16 durch einen Kornwachstumsvorgang gebildet, um die Schichten 12 und 16 elektrisch miteinander zu verbinden. Im Allgemeinen kann die vorliegende Erfindung verwendet werden, um eine Verbindung zwischen zwei planaren Substraten zu schaffen, wo sich die Verbindung in eine Richtung erstreckt, die senkrecht (d.h. in einer dritte Dimension zu den Substraten) verläuft. Beispielsweise kann die elektrische Verbindung 16 einen Spalt 18 zwischen den beiden Schichten 12 und 14 überbrücken. Dieses Verfahren kann in allen Arten von MEMS-Vorrichtungen verwendet werden, beispielsweise in Druck-, Beschleunigungs-, Durchflusssensoren usw. Ein Großteil der nachfolgenden Beschreibung ist spezifisch auf einen Drucksensor ausgerichtet, der einen Verbinder wie die in 1 gezeigte Verbindung 16 verwendet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese spezifische Anwendung beschränkt. Derartige Drucksensoren finden viele Anwendungen, wie z.B. bei der Überwachung industrieller Prozesse oder anderer Drücke in anderen Installationen.
In 2 ist eine typische Umgebung für einen industriellen Drucksensor bei 20 veranschaulicht. In 1 sind Prozessvariablensender, wie z.B. der Durchflussmesser 22 in der Prozessfluidleitung 23, Sender 24, 26, 36 in der Nähe des Tanks 28 und ein integraler Blendenströmungsmesser 30 in der Prozessleitung 31 mit einem Steuersystem 32 elektrisch verbunden gezeigt. Das Steuersystem 32 steuert einen Strom an den Druckwandler 38, der das Steuerventil 40 steuert. Prozessvariablensender können so konfiguriert sein, dass sie einen oder mehrere Prozessvariablen überwachen, die mit Fluiden in einer Prozessanlage, wie z.B. Aufschlämmungen, Flüssigkeiten, Dämpfe und Gase in Chemie-, Trüben-, Erdöl-, Gas-, pharmazeutischen, Lebensmittel- und anderen fluidverarbeitenden Anlagen verbunden sind. Bei den überwachten Prozessvariablen kann es sich um Druck, Temperatur, Durchfluss, Pegel, ph-Wert, Leitfähigkeit, Trübung, Dichte, Kozentration, chemische Zusammensetzung oder andere Eigenschaften von Fluiden handeln. Ein Prozessvariablensender weist einen oder mehrere Sensoren auf, die entweder im Inneren des Senders oder außerhalb des Senders angeordnet sind, abhängig von den Installationsanforderungen der Verarbeitungsanlage.
Prozessvariablensender erzeugen ein oder mehrere Sender-Ausgangssignale, die die gemessene Prozessvariable wiedergeben. Sender-Ausgangssignale sind zur Übertragung über lange Entfernungen an einen Regler oder eine Anzeigevorrichtung über Kommunikationsbusse 34 ausgelegt. In typischen Fluid-Verarbeitungsanlagen kann es sich bei einem Kommunikationsbus 34 um eine 4–20 mA Stromschleife handeln, die den Sender betreibt, oder eine Feldbus-Verbindung, eine HART-Protokoll-Kommunikation oder eine faseroptische Verbindung mit einem Regler, einem Regelsystem oder einer Ablesevorrichtung. In Sendern, die von einer Zweidrahtschleife betrieben werden, muss Strom niedrig gehalten werden, um Eigensicherheit in explosiven Umgebungen zu schaffen.
In den 3 bis 4 ist ein Sensor 300 dargestellt. Der Sensor 300 ist ein Mikrominiatur- oder MEMS-Sensor, der unter Verwendung von Verfahren hergestellt wird, die für gewöhnlich aus der Halbleiterfertigung übernommen worden sind, wie z.B. Maskieren, Ätzen, Plattieren und Binden. Der Sensor 300 weist eine erste Schicht 302 auf, die an der Verknüpfung 306 an eine zweite Schicht 304 gebunden ist. Die Schichten 302 und 304 sind aus elektrisch isolierenden Werkstoffen gebildet, wie beispielsweise Saphir, Spinell, unterschiedlichen Keramikwerkstoffen, Glasen, aus Nanopartikeln hergestellte Werkstoffe, isoliertes Silizium und anderen Werkstoffen, die eine geringe Hysterese aufweisen und mit dem gewünschten Prozessfluid oder Isolatorfluid kompatibel sind, mit welchem die Außenseite des Sensors 300 in Kontakt kommt. Ein zwischen den Schichten 302, 304 gebildeter Hohlraum 308 ist von dem Prozessfluid oder dem Isolatorfluid, welches sich außerhalb des Sensors befindet, isoliert. Bei dem Sensor 300 kann es sich um jede beliebige Art von Sensor handeln. In einem spezifischen Beispiel weist der Sensor 300 einen Drucksensor auf, der mit Hilfe von elektrisch leitenden Schichten gebildete kapazitive Elektroden aufweist.
Ein erster elektrisch leitender Film 310 wird zur Bestimmung einer oder mehrerer elektrischer Leiterkurven für den Sensor 300 selektiv auf die erste Schicht 302 in dem Hohlraum 308 aufgebracht. Ein zweiter elektrisch leitender Film 312 wird zur Bestimmung einer oder mehrerer elektrischer Leiterkurven für den Sensor 300 selektiv auf die zweite Schicht 304 in dem Hohlraum 308 aufgebracht. Der erste elektrisch leitende Film 310 umfasst mindestens eine erste Verbindungszone 314. Der zweite elektrisch leitende Film 312 weist mindestens eine zweite Verbindungszone 316 auf. Die erste und die zweite Verbindungszone 314, 316 liegen einander am Hohlraum 308 gegenüber.
Der Sensor 300 weist ein Sensorelement 318 auf, das im Hohlraum 308 angeordnet und mit dem ersten elektrisch leitenden Film 310 elektrisch verbunden ist. Das Sensorelement 318 kann eine Vielzahl von Formen annehmen, abhängig von der Art der gemessenen Fluidparameter, und kann in einigen Fällen aus dem selben Werkstoff gebildet sein wie der erste elektrisch leitende Film 310, oder er kann ein integraler Bestandteil des ersten elektrisch leitenden Films 310 sein. Das Sensorelement 318 kann auch Abschnitte aufweisen, die auf der zweiten Schicht 304 oder auf dem zweiten elektrisch leitenden Film 312 angeordnet sind.
Im Sensor 300 wird ein elektrisch leitender Kornwachstumswerkstoff 320 selektiv auf eine oder auf beide Verbindungszonen 314, 316 aufgebracht. Der Kornwachstumswerkstoff 320 wird in einer oder mehreren Schichten angeordnet, die dünn genug ist/sind, damit sie keinen mechanischen Kontakt über den Ver bindungsspalt herstellt/en. Die Schichten 302, 304 können so bei 306 miteinander verbunden werden, ohne dass eine mechanische Störung durch den Kornwachstumswerkstoff 320 auftritt. Nach Fertigstellung der Verbindung 306 wächst der Kornwachstumswerkstoff 320 unter vorbestimmten Bedingungen, um eine elektrische Verknüpfung 322 zwischen der ersten und der zweiten Verbindungszone 314, 316 zu bilden. Bei dem Kornwachstumswerkstoff handelt es sich für gewöhnlich um Tantal, oder einer Legierung von Tantal, das metallische Körner bildet, wenn es nach dem Bindeschritt auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt wird. Das Wachstum der metallischen Körner überbrückt den Verbindungsspalt und bildet die elektrische Verknüpfung 322, wie es in 3 dargestellt ist.
5 bis 8 zeigen alternative Formen für die Schichten 302, 304, die dazu verwendet werden können, die Schichten voneinander zu beabstanden und den gewünschten Hohlraum 308 im Sensor 300 zu bilden.
In 5 weisen die erste Schicht 302 und die zweite Schicht 304 jeweils eine Vertiefung auf, die zusammen den Hohlraum 308 bilden. Die Schichten 302 und 304 werden entlang der zentralen Oberfläche 350 miteinander verbunden. Die in 5 gezeigte Anordnung weist den Vorteil auf, dass die Schichten 302 und 304 identisch für einige Anwendungen aufgebaut werden können.
In 6 weist die erste Schicht 302 eine Vertiefung auf, wobei die zweite Schicht 304 jedoch im Wesentlichen eine flache Platte ist. In 6 sind die Schichten 302 und 304 entlang einer Oberfläche 352 miteinander verbunden, die mit einer Seite des Hohlraums fluchtet. Die in 6 gezeigte Anordnung weist den Vorteil auf, dass nur eine der beiden Schichten eine Vertiefung erfordert und dass diese Vertiefung den Hohlraum 308 bildet, wodurch Bearbeitungsschritte verringert werden.
In 7 weist der Sensor eine Abstandsschicht 303 auf, die zwischen der ersten und der zweiten Schicht 302, 304 entlang der Oberflächen 354 bzw. 356 gebunden ist. Die Abstandsschicht 303 liefert die Dicke zur Bildung von zumindest einem Teil des Hohlraums 308. Die in 7 gezeigte Anordnung weist den Vorteil auf, dass die Dicke des Hohlraums 308, mit anderen Worten der Abstand zwischen den im Wesentlichen flachen Schichten 302, 304, leicht angepasst werden kann, indem eine Abstandsschicht mit der gewünschten Dicke gewählt wird.
Während die flache Schicht oder Schicht mit geringem Profil aus Kornwachstumsmetall erwärmt wird, erfährt sie ein Kornwachstum, wodurch sie ihre Form verändert und in eine Richtung wächst, die diagonal zur Oberfläche der Kontaktanschlussfläche liegt. Es wird ein Kornwachstumswerkstoff für den Sensor ausgewählt, so dass der Kornwachstumswerkstoff bei einer Temperatur wächst, die den zusammengebauten Sensor nicht schmilzt oder ansonsten beschädigt. Der Werkstoff ist vorzugsweise ein Metall, eine Metalllegierung, ein nichtmetallischer elektrisch leitender Werkstoff, oder ein anderer Werkstoff, der Kornwachstum bereitstellt, einschließlich Polysilizium. Auflagen von Tantal, die auch geringe Mengen anderer Elemente aufweisen können, werden ebenfalls in Erwägung gezogen, vorausgesetzt, die Auflage kann zum Wachstum angeregt werden.
Bei dem elektrisch leitenden Kornwachstumswerkstoff kann es sich um Tantal oder eine Tantallegierung handeln. Im Falle von Tantal wird davon ausgegangen, dass das Wachstum auftritt, da Tantal Körner oder Kristalle bildet, die von der Kontaktanschlussfläche nach außen vorstehen. Nach ausreichendem Wachstum wird eine Brücke aus Tantal zwischen den Kontaktanschlussflächen gebildet, wodurch eine leitende Verbindung von Tantal zwischen den Kontaktanschlussflächen gebildet wird. Falls die Hohlraum-Beabstandung zu groß ist, kann der Spalt klein genug gehalten werden, damit er durch das Wachstum des elektrisch leitenden Kornwachstumswerkstoffs durch die Verwendung einer oder mehrerer sich in den Hohlraum erstreckender gegenüberlie gender Mesagefüge (siehe 10 und 11) überbrückt wird (Mesa bezieht sich auf ein Merkmal, das sich von einer Oberfläche abhebt und eine flache Oberfläche aufweisen kann). Mindestens ein Teil des elektrisch leitenden Kornwachstumswerkstoffs wird auf einer Schicht oder Mesa angeordnet. Elektrisch leitender Kornwachstumswerkstoff kann auf einer oder beiden Schichten angeordnet sein, mit oder ohne Verwendung von Mesagefügen, abhängig von dem Spalt im Hohlraum. Nach dem Zusammensetzen der Schichten, und nachdem die Bindung zwischen den Schichten zumindest teilweise gebildet worden ist, wird der Drucksensor erwärmt, um ein Wachstum des elektrisch leitenden Kornwachstumswerkstoff zur Bildung der Verknüpfung zu bewirken.
Der Sensor wird gekühlt und es entsteht dann ein festes Metall mit einem leitenden Kontakt im Inneren des Sensorkanals, der nach dem Zusammenbau und der Bindung der Sensorsubstrate gebildet worden ist. Dieser verzögerte elektrische Verknüpfungsvorgang vermeidet unerwünschten mechanischen Kontakt, der ansonsten den engen Kontakt der Substrate störend beinträchtigen könnte, wenn die Substrate direkt miteinander verbunden werden.
In 8 wird in jeder der Schichten 302, 304 eine Vertiefung gebildet, wobei die Vertiefungen jedoch unterschiedliche Tiefen aufweisen. Die Schichten sind entlang einer Oberfläche 358 zusammengefügt, die von der Mittellinie des Hohlraums 308 versetzt ist. Die in 8 gezeigte Anordnung weist den Vorteil auf, dass feine Anpassungen der Hohlraumtiefe durch Einstellung des Ätzens der Vertiefung in der Schicht 302 durchgeführt werden können, während die Vertiefung in der Schicht 304 auf eine gewünschte Standard-Tiefe geätzt werden kann.
9 bis 12 zeigen Beispielsanordnungen zur Bereitstellung der erforderlichen Menge an Kornwachstumswerkstoff und zur Bereitstellung der erforderlichen Beabstandung für das Wachstum der Körner für die Überbrückung des Spalts.
In 9 ist ein erster leitender Film 370 auf einer ersten Schicht 372 angeordnet, und ein zweiter leitender Film 374 ist auf einer zweiten Schicht 376 angeordnet. Der erste leitende Film 370 liegt dem zweiten leitenden Film 374 an einem Hohlraum 375 gegenüber. Eine erste Auflage 380 Kornwachstumswerkstoff wird auf einem ersten leitenden Film 370 aufgebracht. Eine zweite Auflage 382 Kornwachstumswerkstoff wird auf dem zweiten leitenden Film 374 aufgebracht. Wenn die Schichten 372, 376 miteinander verbunden werden, kommen die Auflagen 380, 382 nicht in mechanischen Kontakt miteinander. Nach der Verbindung der Schichten 372, 376 miteinander werden dann Bedingungen eingesetzt, um die Kornwachstumsauflagen 380, 382 zum Wachsen der Körner zu veranlassen, die eine mechanische Verbindung und einen leitenden Kontakt herstellen und eine elektrische Verknüpfung 384 vervollständigen.
In 10 wird ein erster leitender Film 390 auf eine erste Schicht 392 aufgebracht, und ein zweiter leitender Film 394 wird auf eine zweite Schicht 396 aufgebracht. Der erste leitende Film 390 liegt dem zweiten leitenden Film 394 am Hohlraum 398 gegenüber. Die erste Schicht 392 weist eine Mesastruktur 395 auf, die mit dem ersten leitenden Film 390 fluchtet. Die Mesa 395 bewirkt, dass der erste leitende Film 390 in den Hohlraum 398 hineinragt, wodurch der Spalt zwischen den leitenden Filmen 390, 394 verringert wird. Eine Auflage 399 aus Kornwachstumswerkstoff wird auf dem ersten leitenden Film 390 aufgebracht. Wenn die Schichten 392, 396 miteinander verbunden werden, kommt die Auflage 399 mit dem leitenden Film 394 nicht in mechanischen Kontakt. Nachdem die Schichten 392, 396 miteinander verbunden sind werden Bedingungen eingesetzt, um den Kornwachstumswerkstoff 399 zum Wachsen der Körner zu veranlassen, welche die mechanische Verbindung und den leitenden Kontakt herstellen und eine elektrische Verknüpfung zwischen den leitenden Filmen 390, 394 vollenden.
In 11 wird ein erster leitender Film 400 auf eine erste Schicht 402 aufgebracht, und ein zweiter leitender Film 404 wird auf eine zweite Schicht 406 aufgebracht. Der erste leitende Film 400 liegt dem zweiten leitenden Film 404 an einem Hohlraum 408 gegenüber. Die erste Schicht 402 schließt eine Mesa 405 über einem Teil des ersten leitenden Films 400 ein. Die Mesa 405 bewirkt, dass die erste Verbindungszone 405 in den Hohlraum 408 hineinragt, wodurch der Spalt zwischen den leitenden Filmen 400, 404 verringert wird. Die zweite Schicht 406 schließt auch eine Mesa 407 über dem zweiten leitenden Film 404 ein. Eine erste Auflage 412 aus Kornwachstumswerkstoff wird auf einen ersten leitenden Film 400 aufgebracht. Eine zweite Auflage 414 von Kornwachstumswerkstoff wird auf dem zweiten leitenden Film 404 aufgebracht. Wenn die Schichten 402, 406 miteinander verbunden werden, sind die Auflagen 412, 414 nicht in mechanischem Kontakt miteinander. Nach der Verbindung der Schichten 402, 406 werden dann Bedingungen eingesetzt, um die Auflagen aus Kornwachstumswerkstoff zum Wachsen der Körner anzuregen, die dann eine mechanische Verbindung und einen leitenden Kontakt herstellen und eine elektrische Verknüpfung zwischen den leitenden Filmen 400, 404 fertigstellen.
In 12 wird ein erster leitenden Film 420 auf eine erste Schicht 422 aufgebracht, und ein zweiter leitender Film 424 wird auf eine zweite Schicht 426 aufgebracht. Der erste leitende Film 420 liegt dem zweiten leitenden Film 424 am Hohlraum 428 gegenüber. Der zweite leitende Film 424 umgibt eine Vertiefung 430 in der Schicht 426. Eine erste Auflage 432 aus Kornwachstumswerkstoff wird in der Vertiefung angeordnet. Wenn die Schichten 422, 426 miteinander verbunden werden, ist die Auflage 432 mit dem ersten leitenden Film 420 nicht in mechanischem Kontakt. Nach der Verbindung der Schichten 422, 426 werden dann Bedingungen eingesetzt, um die Auflage 432 aus Kornwachstumswerkstoff zum Wachsen der Körner anzuregen, die dann eine mechanische Verbindung und einen leitenden Kontakt herstellen und eine elektrische Verknüpfung zwischen den leitenden Filmen 420, 424 herstellen. Der zweite leitende Film 424 kann über der Vertiefung 430 wie dargestellt offen sein, oder er kann alternativ auf den Wänden der Vertiefung 430 aufgebracht sein. Eine zusätzliche Menge einer Auflage 432 aus Kornwachstumswerkstoff wird der Vertiefung 430 zugeführt, wodurch die Größe der Körner, die wachsen können, und die Größe des Spalts, der mit Hilfe des Kornwachstumswerkstoffs überbrückt werden kann, zunimmt.
13 bis 16 zeigen unterschiedliche Bindungen, die bei 306 zwischen den Schichten 302, 304 in 3 hergestellt werden können.
In 13 wird eine erste Schicht 440 mit einer zweiten Schicht 442 aus dem selben oder einem ähnlichen Werkstoff entlang einer Oberfläche 444 verbunden, ohne dass ein Bindewerkstoff verwendet wird. Die Verbindung an der Oberfläche 444 kann eine Schmelzverbindung sein, oder es kann sich um eine Direkt- oder Kontaktverbindung mit Hilfe von Hochglanz-Oberflächen handeln. Diese Verbindungen können mit Werkstoffen wie z.B. Saphir, Spinell, Korund, Quarzglas, Silizium und anderen spröden Isolierwerkstoffen mit Hilfe von bekannten Bindeverfahren hergestellt werden.
In 14 ist eine erste Schicht 446 mit einer zweiten Schicht 448 verbunden, indem eine dazwischenliegende Bindeschicht 450 zur Schaffung einer Reaktionsbindung eingesetzt wird. Die Schicht 450 kann aus jedem beliebigen Bindewerkstoff sein, wobei die Schichten 446, 448 jedoch aus Aluminiumkeramik gebildet sein können, und die Bindeschicht 450 kann aus Platin gebildet sein. Dies kann die Verwendung einer dazwischenliegenden Haftschicht auf den Schichten 446 und 448 erfordern.
In 15 wird eine erste Schicht 454 mit einer zweiten Schicht 456 mit Hilfe einer dazwischenliegenden Bindeschicht 458 verbunden. Die Schichten 454, 456 können aus einem Einkristall-Saphir gebildet sein, und die dazwischenliegende Bin deschicht 458 kann eine Dünnfilm-Löt- oder Sinterverbindung zwischen den Schichten 454, 456 sein.
In 16 ist eine erste Schicht 464 mit Hilfe einer anodischen Verbindung 468 mit einer zweiten Schicht 466 verbunden. Die Schicht 464 ist vorzugsweise aus Borsilikatglas ("Pyrex") gebildet und die Schicht 466 ist vorzugsweise aus Silizium gebildet.
Die in den 5 bis 16 dargestellten Alternativen können nach Bedarf untereinander kombiniert werden, um die Anforderung einer bestimmten Sensoranwendung zu erfüllen. Bei dem Messelement 318, das in 3 schematisch dargestellt ist, kann es sich um ein Druckmesselement handeln. Die durch Wachstum gebildete Verknüpfungsstruktur ist besonders bei kapazitiven Druckmesselementen nützlich, bei denen kapazitive Elekroden auf beiden gegenüberliegenden Seiten des Hohlraums vorhanden sind. Das Messelement 318 kann auch ein Temperaturmesselement wie z.B. ein Widerstandsthermometer aus Platin, ein optisches Sensorelement wie z.B. eine Photodiode, ein Strahlungssensorelement wie z.B. ein Mikrowellenantennenelement oder ein Ionisationssensorelement, ein magnetisches Sensorelement wie z.B. eine Halleffektvorrichtung oder andere bekannte Sensorelemente aufweisen.
17 bis 18 zeigen Vorder- bzw. Seitenansichten einer Ausführungsform eines kapazitiven Drucksensors 480. Interne Merkmale des Sensors 480 sind in 17 mit gestrichelten und gepunkteten Linien dargestellt. Der Sensor 480 schließt eine erste Schicht 482 und eine zweite Schicht 484 ein, die zur Bildung eines Innenhohlraums 485 (in 19 gezeigt) zwischen den Schichten miteinander verbunden sind. Ein erster elektrisch leitender Film 486 ist auf die erste Schicht 482 aufgebracht, und ein zweiter elektrisch leitender Film 488 ist auf die zweite Schicht 484 aufgebracht. Der erste und der zweite elektrisch leitende Film 486, 488 weisen entsprechende erste und zweite Verbindungszonen 490, 492 auf, die sich an dem Hohlraum 485 gegenüberliegen.
Ein erster Abschnitt 494 eines kapazitiven Drucksensorelements ist in dem Hohlraum 485 auf der ersten Schicht 482 angeordnet und ist mit dem ersten elektrisch leitenden Film 486 elektrisch verbunden. Der Abschnitt 494 des kapazitiven Drucksensorelements ist aus dem selben Werkstoff gebildet wie der elektrisch leitende Film 486. Ein zweiter Abschnitt 498 des kapazitiven Drucksensorelements ist in dem Hohlraum 485 auf die zweite Schicht 484 aufgebracht und ist mit dem zweiten elektrisch leitenden Film 488 elektrisch verbunden. Der zweite Abschnitt 498 ist ebenfalls aus dem selben Werkstoff gebildet wie der elektrisch leitende Film 488. Der erste und der zweite Abschnitt 494, 498 des kapazitiven Drucksensorelements weist kapazitive Elektroden oder Platten auf, die voneinander beabstandet sind und sich am Hohlraum 485 gegenüberliegen. Wenn Druck auf die Außenflächen des Sensors 480 ausgeübt wird, wölben sich eine oder beide Schichten 482, 484, um die Elektroden zu bewegen, und verändern eine Beabstandung oder einen Spalt zwischen den Elektroden oder Platten, und verändern so die elektrische Kapazität zwischen den Elektroden als Funktion des Drucks.
Ein elektrisch leitender Kornwachstumswerkstoff 496 wird selektiv auf mindestens eine der Verbindungszonen 490, 492 aufgebracht, und bei vorbestimmten Bedingungen zum Wachsen angeregt, um eine elektrische Verknüpfung zwischen der ersten und der zweiten Verbindungszone 490, 492 zu bilden.
Ein elektrisch leitender Film 486 weist Bindeanschlussabschnitte 500, 502 auf, die an der Außenseite exponiert sind, so dass Leitungen oder Drähte zum Anschluss des Sensors an einen elektrischen Messschaltkreis mit diesen verbunden werden können.
Der Hohlraum 485 wird entleert und dann mit Hilfe einer Glasmasse 504 abgedichtet, um einen Drucksensor bereitzustellen, bei dem es sich um einen Absolutdrucksensor handelt. In der Schicht 486 ausgebildete Durchführungsleitungen erstrecken sich vom Innenraum des Hohlraums 485 zu den elektrischen Kontaktanschlussflächen 500, 502 auf einer Außenfläche des kapazitiven Drucksensors 480. Die elektrische Verknüpfung bei 490, 492, 496 verbindet die erste Kondensatorelektrode 498 mit einer Durchführungsleitung und der Kontaktanschlussfläche 500.
Der Sensor 480 weist eine längliche Form auf, die sich von einem ersten Ende einschließlich der ersten und zweiten kapazitiven Elektrode 494, 498 zu einem zweiten Ende einschließlich der Durchführungsleitungen erstreckt. Der Körper des Sensors 480 weist einen zentralen Bereich zwischen dem ersten und zweiten Ende auf, welche zur Befestigung des Sensors durch eine Wand (nicht dargestellt) angepasst werden. Druckfluid wird an das erste Ende angelegt, und elektrische Verbindungen können am zweiten Ende hergestellt werden. Die Wand trennt das Druckfluid von den elektrischen Verbindungen.
19 zeigt eine Querschnittsansicht des kapazitiven Drucksensors 480 entlang der Linie 19-19 in 17. In 19 wurde die Horizontalabmessung zur besseren Veranschaulichung der Merkmale des kapazitiven Drucksensors 480 verzerrt. Wie aus 19 ersichtlich ist, ist die Verbindungszone 492 auf einer Mesastruktur 506 angeordnet, wodurch der durch Kornwachstumswerkstoff zu überbrückende Spalt verringert wird.
In 20 ist ein Druckmessmodul 180 zur Verwendung in Drucksendern 36 aus 2 gezeigt. Die Anordnung 180 weist zwei MEMS-Sensoren 182, 184 auf. Die Sensoren 182, 184 weisen jeweils einen Träger auf, der einstückig aus Aluminium gebildet ist und um einen zentralren Kanal oder einen Hohlraum angeordnet ist, der Messfilme auf gegenüberliegenden Schichten aufweist, die mit Hilfe einer im Wesentlichen aus Tantal gebil deten Auflage verbunden sind. In den Sensoren 182, 184 ist ein Messfilm in dem Kanal benachbart zum blinden Ende angeordnet, wobei der Messfilm einen elektrischen Parameter aufweist, der sich mit dem Druck verändert, sowie elektrische Leitungen, die sich von dem Kanal und aus dem Spalt heraus erstrecken. Eine Dichtung füllt den Spalt um die Leitungen. Eine Isolierschale 198 weist eine Öffnung 200 auf, die gegen einer Außenfläche des Trägers zwischen dem blinden Ende und dem gegenüberliegenden isolierten Ende abgedichtet ist. Die Sensoren 182 und 184 sind mit einer Mess-Schaltplatte 191 verbunden dargestellt, welche ein elektrisches Ausgangssignal an eine Sender-Schaltplatte 193, die mit dem angelegten Druck in Beziehung steht, liefert. Der Senderschaltkreis 193 kann so ausgelegt sein, dass er an eine Zweidraht-Prozessregelschleife 195 koppelt. Beispielsschleifen 195 schließen Schleifen entsprechend den HART^®- oder Feldbus-Normen ein. In einigen Ausführungsformen kann die Schaltkreisanordnung 193 und 191 vollständig mit Energie von der Schleife 195 betrieben werden.
In 21 ist ein Messmodul 210 gezeigt, das eine Isoliermembran 212 mit einem Rand 214 aufweist, der gegen eine Isolierschale 216 abgedichtet ist. Die Isoliermembran 212 trennt das Prozessfluid 218 vom Isolierfluid 220, welches in dem von der Isolierschale 216 und der Isoliermembran eingeschlossenen Raum dicht eingeschlossen ist. Der Sensor 222 ist wie oben erörtert aufgebaut und gegen eine Öffnung 224 in der Isolierschale 216 abgedichtet. Die Isoliermembran 212 und das Isolierfluid 220 koppeln den Druck mit dem Sensor 222, während sie den Sensor vom Prozessfluid 218 isolieren. Die Isolierschale 216 weist einen Sensor 222 auf, der durch die abgedichtete Öffnung 224 hindurchgeht und elektrische Verbindungen 226 auf dem Sensor 222 von sowohl dem Druck-Prozessfluid 218 als auch dem Isolierfluid 220, bei dem es sich für gewöhnlich um Silikonöl handelt, isoliert. Die Isolierschale kann eine hintere Platte 228 aufweisen, die einen Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweist, der dem Temperaturausdehnungskoeffizienten des Sen sors 222 sehr gleicht. Ein Materialblock 230 kann in die Isolierschale 216 gedrückt werden und das Material 230 weist einen Temperaturausdehnungskoeffizienten auf, der zum Teil den Temperaturausdehnungskoeffizienten des Isolierfluids 220 kompensiert, um eine unerwünschte Bewegung der Isoliermembran 212 aufgrund von Temperaturveränderungen zu begrenzen. Ein kleiner mit Isolierfluid 220 gefüllter Spalt ist zwischen dem Block 230 und dem Sensor 222 vorgesehen.
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, werden Fachleute in der Technik erkennen, dass Veränderungen hinsichtlich Form und Detail vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können Sensorleitungen durch mehrere Kanäle anstelle eines einzelnen Kanals führen. Im Falle einer Verwendung mehrerer Kanäle kann die Masse, die für die Abdichtung des Spalts verwendet wird, durch eine leitende Weichlöt- oder Hartlötdichtung für mehrere Spalte ersetzt werden. Verknüpfungen können auch quer zu Verknüpfungsleitungen auf gegenüberliegenden Seitenflächen von Mesastrukturen oder Rändern in dem Hohlraum durch Wachstum ausgebildet werden. Anodische Bindungen können ebenfalls bei einigen Werkstoffen anstelle direkter Bindungen verwendet werden. Bei sowohl anodischen als auch direkten Bindeverfahren können dazwischenliegende Bindewerkstoffe zwischen Schichten mit diesen Verfahren vermieden werden. Der Ausdruck "Kontaktbindung", wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, schließt sowohl eine direkte Bindung als auch eine anodische Bindung ein. Elektrisch leitender Kornwachstumswerkstoff kann Tantal oder andere Metalle einschließen, und auch Polysilizium, leitende Nitrid-Keramiken, leitende Metalloxide, Silizide und Poly-Verbindungen aus den Gruppen II–IV. Der Ausdruck "Kornwachstum" ist in der Technik bekannt und bezieht sich auf einen Wachstumsprozess, der durch die Oberflächenenergie der Korngrenzen angeregt wird. Beispielserklärungen für Kornwachstum werden auf den Seiten 251 bis 269 des Buches mit dem Titel "Physical Metallurgy Principles = Physikalische Grundlagen der Metallkunde" vom 26. Oktober 1993 und auf den Seiten 448 bis 461 des Buches mit dem Titel "Introduction to Ceramics = Einführung in die Keramik" vom 9. Januar 1990 bereitgestellt, auf die hier inhaltlich Bezug genommen wird.

Claims

Mikroelektromechanischer System-Sensor (MEMS-Sensor), welcher Folgendes aufweist: eine erste und eine zweite Schicht, die miteinander verbunden sind und einen Hohlraum zwischen den Schichten bilden; einen ersten und einen zweiten auf der ersten bzw. der zweiten Schicht angeordneten elektrisch leitenden Film, wobei jeder Film eine erste bzw. eine zweite Verbindungszone aufweist, die sich am Hohlraum gegenüberliegen; ein in dem Hohlraum angeordnetes und mit dem ersten elektrisch leitenden Film elektrisch verbundenes Sensorelement; und einen elektrisch leitenden Kornwachstumswerkstoff, der selektiv auf mindestens einer der Verbindungszonen angeordnet ist, und bei vorbestimmten Voraussetzungen zur Bildung einer elektrischen Verbindung zwischen der ersten und zweiten Verbindungszone ausgebildet wird.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schicht eine Vertiefung aufweist, die zumindest einen Teil des Hohlraums bildet.
Sensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitende Kornwachstumswerkstoff Tantal aufweist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welcher ferner eine Abstandsschicht aufweist, welche zwischen die erste und die zweite Schicht gebondet ist, und zumindest einen Teil des Hohlraums bildet.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der ersten und zweiten Schicht eine Mesastruktur aufweist, die zur ersten und zweiten Verbindungszone axial ausgerichtet ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der ersten und zweiten Schicht eine Vertiefung aufweist, die zur ersten oder zweiten Verbindungszone axial ausgerichtet ist, wobei der zugeführte Kornwachstumswerkstoff in der Vertiefung angeordnet ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement ein Drucksensorelement aufweist.
Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor ein kapazitives Drucksensorelement umfasst.
Sensor nach Anspruch 8, welcher das kapazitive Drucksensorelement aufweist, das aus dem selben Material gebildet ist wie der elektrisch leitende Film.
Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das kapazitive Drucksensorelement eine auf der ersten Schicht angeordnete erste Kondensatorelektrode aufweist, sowie eine auf der zweiten Schicht angeordnete zweite Kondensatorelektrode, wobei die erste und die zweite Kondensatorelektrode am Hohlraum beabstandet voneinander angeordnet sind und derart ausgelegt sind, dass sie die Biegung zwischen der ersten und der zweiten Schicht messen.
Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste oder der zweite elektrisch leitende Film eine Durchführungsleitung aufweist, die sich aus dem Inneren des Hohlraums zu elektrischen Kontaktanschlüssen auf einer Außenfläche des kapazitiven Drucksensors erstreckt.
Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindung die erste Kondensatorelektrode an eine Durchführungsleitung auf der zweiten Schicht anschließt.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der ausgebildete Wachstumswerkstoff ein Metall aufweist.
Drucksender, welcher einem MEMS-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist.
Drucksender nach Anspruch 14, welcher weiter einen Prozessfluid-Isolator aufweist, der den Druck an den MEMS-Sensor koppelt.
Verfahren zur Herstellung eines Sensors, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Ausbilden einer ersten und einer zweiten Schicht eines Messkörpers, wobei zumindest die erste oder die zweite Schicht einen Vertiefungsabschnitt aufweist; Anordnen eines elektrisch leitenden Films auf zumindest der ersten Schicht; Anordnen einer Leitung auf der zweiten Schicht; Anordnen eines elektrisch leitenden Kornwachstumswerkstoffs auf zumindest der Leitung oder dem elektrisch leitenden Film; Verbinden der ersten mit der zweiten Schicht, wobei ein Abschnitt der Leitung axial zu und beabstandet von einem Abschnitt des elektrisch leitenden Films bei der Anordnung des elektrisch leitenden Kornwachstumswerkstoffs ausgerichtet ist, und Erwärmen des elektrisch leitenden Kornwachstumswerkstoffs zur Ausbildung einer Verbindung in dem Raum zwischen dem elektrisch leitenden Film und der Leitung.
Verfahren nach Anspruch 16, welches weiter den folgenden Schritt aufweist: Ausbilden einer Mesastruktur in zumindest der ersten oder der zweiten Schicht, wobei die Mesastruktur zur Anordnung des elektrisch leitenden Kornwachstumswerkstoffs axial ausgerichtet ist.
Mikroelektromechanisches System (MEMS-System), welches Folgendes aufweist: einen Körper, der sich aus mindestens der miteinander verbundenen ersten und zweiten Schicht zusammensetzt, wobei der Körper einen Hohlraum zwischen gegenüberliegenden Flächen der ersten und zweiten Schicht bildet; einen ersten elektrischen Leiter, der auf einer der gegenüberliegenden Flächen angeordnet ist, einen zweiten elektrischen Leiter, der auf der anderen der gegenüberliegenden Flächen angeordnet ist; und eine elektrisch leitende Kornwachstumswerkstoffanordnung, die auf mindestens einem der Leiter angeordnet ist, welche unter bestimmten Voraussetzungen Körner zur Ausbildung einer Verbindung zwischen den Leitern erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung erwärmt wird, um zur Ausbildung der Verbindung ein Wachstum des elektrisch leitenden Kornwachstumswerkstoffs zu bewirken.