WO1997021986A1 - Microsensors with silicon membranes and method of manufacturing such sensors - Google Patents

Microsensors with silicon membranes and method of manufacturing such sensors Download PDF

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WO1997021986A1
WO1997021986A1 PCT/CH1996/000396 CH9600396W WO9721986A1 WO 1997021986 A1 WO1997021986 A1 WO 1997021986A1 CH 9600396 W CH9600396 W CH 9600396W WO 9721986 A1 WO9721986 A1 WO 9721986A1
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silicon wafer
silicon
microsensor
membrane
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PCT/CH1996/000396
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Stephan Trautweiler
Jürg Stahl
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Micronas Semiconductor S.A.
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    • G01L9/0073Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance using a semiconductive diaphragm

Definitions

  • the invention relates to a method for producing microsensors, which are each provided with at least one silicon membrane, and to a microsensor provided with a silicon membrane.
  • a large number of microsensors which are provided with micromechanically manufactured silicon membranes, are successfully used today to measure gas concentration, flow, viscosity, air humidity, pressure, sound and more.
  • the function of the silicon membrane is firstly to reduce heat losses via the contact points to a substrate of a heating element located on the silicon membrane and secondly to reduce the mechanical rigidity of the transducer, both with the aim of optimizing the sensitivity of the sensor.
  • a substrate serves as a support for the silicon membrane and thus significantly influences the mechanical stability and the sensitivity of the sensor to mechanical stresses, which often occur when the sensor is installed in its measurement environment.
  • Another function of the substrate is to electrically or thermally isolate the silicon membrane or to contact the surroundings. , 9 -
  • a frequently used method for producing sensors with thin silicon membranes is anisotropic etching from single-crystalline silicon wafers.
  • Single-crystalline silicon has excellent mechanical properties and can be anisotropically etched using suitable etching agents, for example potassium hydroxide or ethylenediamine pyrocatechol.
  • suitable etching agents for example potassium hydroxide or ethylenediamine pyrocatechol.
  • the invention is based on the object of specifying a method for producing a microsensor provided with a silicon membrane and the microsensor which can be produced using the method, the sensor surface of which is optimally used and the silicon membrane exterior to be exposed to the measurement signal does not contain any delicate electronic functional units and is at the same time flat .
  • a further independent patent claim relates to an intermediate sensor product that can be produced using the method according to the invention.
  • the basic idea of the method according to the invention is to apply a silicon wafer to a substrate in such a way that its processed side faces the substrate and is therefore protected.
  • the thickness of the silicon wafer can then be reduced from the outside to a small silicon membrane thickness.
  • the starting material for the silicon membrane is - as in the known methods - a single-crystalline silicon wafer.
  • the required electronic functional units are first integrated using known processes. Spacers are attached to one side of a substrate and / or one side of the silicon wafer to be protected. brings or molded out of substrate and / or silicon membrane.
  • the silicon wafer and the substrate are then joined together in such a way that the at least one side of the silicon wafer provided with electronic functional units, hereinafter referred to as the “inner side”, faces the substrate.
  • the spacers ensure that voids are created between the substrate and the silicon wafer.
  • the thickness of the entire silicon wafer can then be reduced from the outside to a small silicon membrane thickness, so that a silicon membrane is formed from the silicon wafer.
  • the individual sensors can be separated from one another, housed in fixed assemblies and provided with electrical connecting means using known methods.
  • a first advantage of the method according to the invention is the optimal use of the sensor surface. Virtually the entire sensor area can be used for the silicon membrane because the substrate does not have to have high, oblique etching walls.
  • a second advantage of the method according to the invention results in particular when it is used for the production of microsensors which measure the properties of fluids.
  • the microsensors according to the invention combine the two requirements of separating the processed silicon membrane inside from the fluid and flush installation.
  • the silicon membrane outside has no etching pits and is flat. The fluid can therefore flow over the silicon membrane outside without being disturbed by it, and at the same time the processed silicon membrane inside is also protected.
  • the substrate has holes at most locally; it is not necessary to remove all of the material underneath the silicon membrane. This gives the substrate increased mechanical strength and thus it is less susceptible to parasitic voltages which occur, for example, when gluing - a problem that plays an important role, especially with pressure sensors.
  • the possibility of using a glass substrate with the method according to the invention opens up further advantages over conventionally anisotropically etched silicon substrates: glass is a good thermal and electrical insulator, which has a positive effect particularly in the case of thermal sensors.
  • Fig. 1 shows a schematic cross section through a conventional
  • FIG. 14 shows a schematic plan view of the silicon membrane inside of a flow sensor according to the invention and 15 is a perspective, partially disclosed schematic view of a flow sensor according to the invention installed in a flow channel.
  • FIG. 1 illustrates the state of the art with a cross section through a schematically illustrated microsensor produced by known methods.
  • a single-crystal (100) -oriented silicon wafer 1 is typically used as the starting material for such a sensor.
  • the electronic function units 3 required for supply, conversion, signal processing and output are first integrated; This is done by processes such as epitaxy, oxidation, photolithography, diffusion, ion implantation, metallization, etc., which are common in microelectronics.
  • the silicon wafer is then, from the other side 4, hereinafter referred to as "outside", at certain points 5 anisotropically etched down to a desired thickness t (typically a few to a few tens of micrometers), for example with potassium hydroxide (KOH) or ethylenediamine pyrocatechol (EDP).
  • KOH potassium hydroxide
  • EDP ethylenediamine pyrocatechol
  • Special materials may also have to be used Exercise or strengthen the actual converter function, are applied to the inside 2.
  • the silicon wafer 1 is divided into the individual sensors; these are then converted into suitable ones fixed modules 7 housed and provided with electrical connecting means 8.
  • the silicon wafer can only a part of the surface can be used for the silicon membrane 6.
  • FIG. 1 A further disadvantage can also be seen from FIG. 1. If the silicon membrane structure is used, for example, for determining the flow rate of a fluid, the possibly corrosive fluid can attack the electronic functional units 3 and electrical connection means 8 on the inside of the silicon membrane 2 and destroy the sensor. If the fluid is allowed to flow over the outer side 4 in order to avoid this disadvantage, a new problem appears: the etching pit 5 on the outer side 3 disturbs the fluid flow and leads to eddies which can severely impair the sensor function.
  • FIGS. 2-8 each show in cross section the manufacture of a microsensor according to the invention in a preferred variant of the method according to the invention.
  • the process consists of seven steps. These are only the first three steps for the inventive one Procedure necessary; the other procedural steps are optional.
  • the manufacture of two identical sensors is shown.
  • modern integration methods known from microelectronics it is possible to manufacture many sensors at the same time; typical length dimension L of microsensors today is in the millimeter range and could be reduced in the future.
  • a single-crystalline silicon wafer 1 is used as the starting material for the sensor membranes.
  • one side 2 hereinafter referred to as "inside" integrates the electronic functional units 3 required for supply, conversion, signal processing and output; this is done by processes customary in microelectronics, such as epitaxy, oxidation, photolithography, diffusion, ion implantation, metallization, etc.
  • the inside 2 is the side which is to be protected from possibly corrosive fluids when the microsensor is subsequently used.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of the silicon wafer 1 or a part thereof after the first method step.
  • the electronic functional units 3 are, for example, diffusion layers 3.1, metal layers 3.2, oxide layers 3.3, silicon nitride layers 3.4, etc .; for didactic reasons they are drawn exaggeratedly thick in relation to the silicon membrane in all figures.
  • the silicon wafer 1 can additionally be preconditioned for a special sensor function in this method step. If desired, additional special materials which exercise or reinforce the actual converter function are applied to the inside 2 in this method step.
  • spacers 10 are attached to one side 13 of a substrate and / or the inside 2 of the silicon wafer 1 or from substrate 11 and / - or silicon membrane 6 molded out. Firstly, these ensure that the silicon wafer 1 does not touch a substrate 11 at the intended locations, and secondly, they provide contact areas for joining the silicon wafer 1 and substrate 11 together.
  • the spacers 10 can, for example, as shown in FIG. 3, be molded out of the substrate 11 by providing one side 12 of the substrate with depressions 13 of depth d (typically a few to a few hundred micrometers). The recesses 13 will form cavities between the silicon membrane and the substrate after the silicon wafer 1 and substrate 11 have been joined together (third method step).
  • Through holes 14 can also be made in the substrate 11 at the same time as the depressions 13. These serve, for example, to accommodate electrical connecting means.
  • the position and size of the depressions 13 and holes 14 on the substrate 11 must be matched to the electronic functional units 3 on the silicon wafer 1.
  • the substrate 11 can preferably consist of glass or ceramic, silicon or another material.
  • Glass as a substrate material has the advantage that it is a good thermal and electrical insulator, which has a positive effect especially with thermal sensors.
  • the recesses 13 and holes 14 are made by chemical or mechanical ablation processes such as isotropic etching with hydrofluoric acid (HF, BHF) or drilling in the Subsrat. With these processing methods it is possible to obtain almost vertical walls in suitable materials and to optimally utilize practically the entire sensor surface.
  • the substrate 11 Because the substrate 11 only has holes 14 locally and not all of the material underneath the silicon wafer 1 is removed, the substrate is given increased mechanical strength and is therefore less susceptible to parasitic mechanical stresses which occur, for example, when bonding in the sixth process step ⁇ kicking - a problem that is particularly important with pressure sensors.
  • the silicon wafer 1 and the substrate 11 are joined to one another and fixed, that is to say connected to one another, so that the spacers 10 lie between the silicon wafer and the substrate and cavities 13 of thickness d are formed between the silicon wafer and the substrate. It is crucial that the inside 2 of the silicon wafer 1 to be protected faces the substrate, as shown in FIG. 4; Thereby the protection of the electronic functional units 3 against a possibly corrosive fluid is achieved.
  • silicon wafer 1 and substrate 11 are positioned on one another with respect to displacement and rotation; this can be accomplished, for example, with a wafer stepper with an accuracy in the order of magnitude of micrometers or better.
  • silicon wafer 1 and substrate 11 only adhere to one another at the edge of each sensor. The remaining parts of the silicon wafer 1 hang over the cavities 13.
  • a stable, permanent adhesion between the silicon wafer 1 and a substrate 11 made of glass is achieved, for example, by the known technique of "anodic bonding". If the substrate 11 consists of silicon, the known technique of "silicon fusion bonding" can be used for fixing. Another possibility of fixing silicon wafer 1 and substrate 11 to one another is to use soldering methods. Silicon wafer 1 and substrate 11 can optionally be joined together in air, another atmosphere or in a vacuum; the corresponding gas or vacuum will remain in the cavities 13 between the silicon wafer and the substrate if the cavities are closed.
  • An interesting way of influencing the mechanical tension of the silicon membrane 6 (formed in the fifth method step) is to use a glass substrate 11 with a thermal expansion coefficient that differs from that of silicon.
  • a mechanical stress is generated in the cooled state, which can be used to, for example, relate to original mechanical stresses in the silicon wafer 1 or in the subsequent silicon membrane 6 to compensate.
  • a fourth method step the thickness of the entire silicon wafer 1 is reduced from the outside 4 to a desired thickness t (from typically a few to a few tens of micrometers), as shown in FIG. 5.
  • the silicon wafer 1 thus becomes a thin silicon membrane 6, the processed inner side 2 of which faces the substrate 11. (For functional reasons, the electronic functional units 3 and the silicon membrane 6 are drawn in excessively thick relation to the other elements.)
  • the silicon membrane 6 is partially supported and fastened on the spacers 10. If the cavities 13 between the silicon membrane 6 and the substrate 11 are thin enough, they also serve as stoppers and can prevent the silicon membrane from breaking if the excess pressure on the outside 4 is too high.
  • Etching methods for example anisotropic etching in potassium hydroxide (KOH), in ethylenediamine pyrocatechol (EDP) or plasma etching, are preferably used to reduce the thickness of the silicon wafer 1.
  • the silicon membrane thickness t can be controlled by known etching stop methods, for KOH, for example, the electrochemical etching stop method.
  • Another option for reducing the thickness is mechanical Processes, for example grinding or polishing.
  • the thickness reduction, ie the fourth method step can be dispensed with if a sufficiently thin silicon wafer 1 is used from the start.
  • electronic functional units 3 can be applied to both sides 2, 4 of the silicon wafer 1.
  • the individual independent units 15, consisting of at least one processed silicon membrane 6 and a substrate 11, which are adhered to one another via spacers 10, are referred to below as "sensor intermediate products".
  • the individual intermediate sensor products 15 are separated from one another and from any remaining pieces 16.
  • Figure 6 shows two separate sensor intermediate products 15. The separation is accomplished, for example, with special saws or by breaking.
  • the individual intermediate sensor products 15 are accommodated in fixed assemblies 7.
  • These assemblies 7 give the sensors mechanical stability and protect them from undesired environmental influences; at the same time, however, they must ensure that the input signal to be measured really reaches the sensor converter.
  • the solid assemblies can be, for example, ceramic substrates to which the sensor intermediate products 15 are glued. In Figure 7, only one glued on sensor intermediate 15 is shown; the same procedure is followed with all other sensor intermediate products.
  • the silicon membranes 6 are electrically contacted and provided with electrical connecting means 8.
  • FIG. 8 shows a finished sensor produced by the method according to the invention.
  • Electrical connection means for example contact wires, can run outwards from the silicon membrane inside 2 through the holes 14 in the substrate 11 and through holes 18 in the fixed assembly 7.
  • piezoresistive pressure sensor as an example of the use of a microsensor according to the invention.
  • the silicon membrane 6 can consist, for example, of n-type silicon and the strain gauges 3.1, 3.1 'of p-type silicon. Due to an external pressure p, the silicon membrane 6 experiences the schematically represented deformation, which leads to a change in the length of the strain gauges 3.1, 3.1 '. This change in length is converted by means of the piezoresistive effect into an electrical output signal, which is a measure of the pressure p. The output signal is conducted to the outside with electrical connection means 8 through a through hole 14.
  • strain gauge 3.1 Electrical connecting means 8 and through hole 14 are shown only for a strain gauge 3.1; for the other strain gauge 3.1 ', they can lie in a different sectional plane. Of course, more than two strain gauges can be integrated on the silicon membrane 6. Some variants of the method according to the invention are shown below with reference to FIGS. 10-13. Only the intermediate sensor products 15 are drawn after the fifth method step; the fixed assemblies 7 and the electrical connection means 8 are omitted in these figures.
  • FIG. 10 shows an intermediate sensor product 15 with an additional spacer 10 ', which is located inside the sensor, i. H. is not located on a sensor edge 19.
  • This spacer 10 ′ supports the silicon membrane 6 and gives it additional mechanical strength, which could be desirable, for example, in the vicinity of the electrical contacts 17.
  • All spacers 10, 10 ' can be produced, for example, in the second method step by suitable structuring of the substrate 11. They can be designed as "blocks" extended in two dimensions, as “walls” extended in one dimension or as thin “columns”.
  • the spacers 10, 10 'shown in FIG. 11 have the same function as the spacers in FIG. 9.
  • the spacers 10, 10' in FIG. 10 were, however, simultaneously with the first method step, by applying and structuring an additional layer on the inside 2 the silicon wafer 1 manufactured.
  • This additional layer can consist, for example, of an oxide, a metal or polycrystalline or monocrystalline silicon.
  • Spacers 10, 10 'produced in this way can also be applied to the substrate 11 instead of to the silicon wafer 1.
  • spacers 10, 10 ′ can be applied both to the silicon wafer 1 and to the substrate 11.
  • the production of spacers 10, 10 'from an additional Layer has the advantage that it saves the production of depressions 13 in the substrate 11.
  • FIG. 12 shows an arrangement for the capacitive measurement of distance changes ⁇ d.
  • the means for measuring changes in distance ⁇ d are electrodes 20 on the substrate 11 and counter electrodes 20 'on the silicon membrane 6.
  • the electrodes 20 of any shape are applied to the flat substrate surface 12 and are electrically contacted outside the silicon membrane 6.
  • ⁇ p in pressure p
  • ⁇ d condenser microphone
  • Fig. 12 two holes 14, 14 'are made in the substrate 11 as an example; the holes allow the air to flow out of the cavity 13 and increase the flexibility of the silicon membrane 6 and shorten the reaction time of the pressure sensor.
  • the tunnel effect Another option (not shown in the drawing) for measuring distance changes ⁇ d is provided by the tunnel effect.
  • at least one ultra-fine tip is produced in the first and / or second method step on the side 2 of the silicon wafer 1 provided with the electronic functional units 3 and / or on a side 12 of the substrate 11.
  • an electrical voltage between the Tip and the opposite part created.
  • the tunnel current is a measure of the distance between the tip and the opposite part 6 or 11.
  • the substrate 11 consists only of spacers 10 in the form of walls along the sensor edges 19.
  • the through hole 14 in the substrate 11 is thus large and is not only located under the electrical contacts 17 on the inside of the silicon membrane 2 , but under the entire silicon membrane 6.
  • This embodiment can also be viewed as a borderline case in FIG. 6, in which the depth d of the recess 13 is equal to the substrate thickness T. The measures for this variant are taken in the second process step.
  • FIGS. 14 and 15 finally show, as a further example, a microsensor according to the invention, which is used as a flow sensor.
  • FIG. 14 shows the inside 2 of the silicon membrane 6 of the flow sensor.
  • the heating resistors 21 consist, for example, of p-type silicon
  • the thermopile 22 for example, of strips of p- conductive silicon 3.1 and aluminum 3.2.
  • Contact surfaces 23 made of aluminum are used to contact these elements.
  • the fluid to be measured should flow in the direction indicated by the arrows 24 over the outside of the silicon membrane (not shown); the silicon membrane should be thin in order to ensure optimal heat transfer between the fluid and the silicon membrane inside 2.
  • the sensor works as follows: the heating resistors 21, 21 'are heated with the same heating currents and the output signal of the thermopile 22 is read out. If the flow 24 is equal to zero, the temperature difference measured by the thermopile 22 is also zero. If a fluid flows over the outside of the silicon membrane, part of the heat is transferred from the silicon membrane 6 to the fluid on its way between the heating resistors 21 and 21 '. This creates a temperature difference between the two heating resistors 21, 21 ', which is measured by the thermopile 22 by means of the thermoelectric effect. The amount of this temperature difference is a measure of the flow rate 24, its sign indicates the direction of flow.
  • FIG. 15 shows the perspective, partially disclosed view of the flow sensor according to the invention. It is installed in a flow channel 25 and measures, for example, the flow rate of a fluid through the channel, represented by the arrows 24.
  • the sensor membrane 6 is flush with the flow channel 21 installed and does not disturb the flow 22 through the flow channel, and at the same time its electronics on the inside of the silicon membrane 2 are protected from the possibly corrosive fluid.
  • the method according to the invention can also be used to produce a sensor for different sizes, for example for flow and pressure.
  • the silicon membrane can be divided into several sub-membranes, for example by spacers 10 '; each sub-membrane can measure a different size using a suitable transducer principle.
  • the electronics required for signal processing can also be integrated on the same silicon membrane 6.
  • the method according to the invention is used to manufacture microsensors, each with a sensor surface that is partially formed by outer sides 4 of at least one silicon membrane 6; the silicon membrane 6 carries electronic functional units 3, electrical connecting means 8 being created for the electrical connection of the electronic functional units 3.
  • a silicon wafer 1 provided with electronic functional units 3 on at least one inner side 2 is connected to a substrate 11.
  • the inside 2 of the silicon wafer 1 faces the substrate 11, and spacers 10, 10 ′ are provided between the substrate and the silicon wafer in such a way that cavities 13 are formed between the substrate 11 and the silicon wafer.
  • the silicon wafer 1 either has the thickness t of a silicon membrane 6 or is thicker than a silicon membrane 6 and is reduced to the silicon membrane thickness t after being joined to the substrate 11.
  • a microsensor obtainable by the method according to the invention has a sensor surface, which is partially formed by the outside of at least one silicon membrane 6, and electrical connection means 8.
  • the silicon membrane 6 has at least on its inside 2 electronic function units 3.
  • the silicon membrane 6 is applied to a substrate 11, spacers 10, 10 'being positioned between the silicon membrane 6 and the substrate 11 such that there are cavities 13 between the silicon membrane 6 and the substrate 11.
  • An intermediate sensor product according to the invention has a silicon wafer 1 applied to a substrate 11 with electronic functional units 3 at least on its inside 2 facing the substrate 11 and with cavities 13 and spacers 10, 10 'between the silicon wafer 1 and the substrate 11.
  • the silicon wafer 1 and the substrate 11 together form a plurality of microsensors without electrical connection means 8.

Abstract

The invention concerns a method of manufacturing a microsensor from a single-crystal silicon wafer (1) and a substrate (11), the method consisting of the following steps: electronic functional units (3) are mounted on the inside surface (2) of the wafer (1); spacers (10) are produced, for instance by making recesses (13) in the substrate (11); holes (14) are made in the substrate (11); the wafer (1) is connected to the substrate (11) so that the inside surface (2) of the wafer faces towards the substrate; the wafer (1) is reduced in thickness from the outside (4), thus forming a thin silicon membrane (6); the individual sensors thus produced are separated from each other; these sensors are mounted on fixed components (7); electrical connection means (8) are applied through the holes (14). A microsensor manufactured in this way makes optimum use of the sensor surface since almost the whole detector surface is available for the silicon membrane (6). In addition, it meets the two following requirements: separation of the processed inside surface (2) of the membrane from the test medium and flush mounting of the sensor.

Description

MIKROSENSOREN MIT SILIZIUMMEMBRANEN UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG DERSELBEN MICROSENSORS WITH SILICONE MEMBRANES AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Mikrosensoren, die mit je mindestens einer Siliziummembran versehen sind, und einen mit einer Siliziummembran versehenen Mikrosensor.The invention relates to a method for producing microsensors, which are each provided with at least one silicon membrane, and to a microsensor provided with a silicon membrane.
Eine Vielzahl von Mikrosensoren, welche mit mikromechanisch hergestellten Siliziummembranen versehen sind, wird heute erfolgreich zum Messen von Gaskonzentration, Durchfluss, Viskosität, Luftfeuchtigkeit, Druck, Schall und anderem mehr eingesetzt. Die Funktion der Siliziummembran besteht darin, erstens Wärmeverluste über die Kontaktstellen zu einem Substrat eines auf der Siliziummembran befindlichen Heizelementes zu reduzieren und zweitens die mechanische Steifigkeit des Wandlers zu verkleinern, beides mit dem Ziel, die Empfindlichkeit des Sensors zu optimieren. Ein Substrat dient als Träger der Siliziummembran und beeinflusst somit wesentlich die mechanische Stabi- lität und die Empfindlichkeit des Sensors auf mechanische Spannungen, wel¬ che oft beim Einbau des Sensors in seine Messumgebung auftreten. Eine weitere Funktion des Substrates ist es, die Siliziummembran elektrisch oder thermisch zu isolieren oder aber mit der Umgebung zu kontaktieren. . 9 -A large number of microsensors, which are provided with micromechanically manufactured silicon membranes, are successfully used today to measure gas concentration, flow, viscosity, air humidity, pressure, sound and more. The function of the silicon membrane is firstly to reduce heat losses via the contact points to a substrate of a heating element located on the silicon membrane and secondly to reduce the mechanical rigidity of the transducer, both with the aim of optimizing the sensitivity of the sensor. A substrate serves as a support for the silicon membrane and thus significantly influences the mechanical stability and the sensitivity of the sensor to mechanical stresses, which often occur when the sensor is installed in its measurement environment. Another function of the substrate is to electrically or thermally isolate the silicon membrane or to contact the surroundings. , 9 -
Ein häufig verwendetes Verfahren zur Herstellung von Sensoren mit dünnen Siliziummembranen ist das anisotrope Atzen aus einkristallinen Siliziumschei¬ ben. Einkristallines Silizium verfugt über hervorragende mechanische Eigen¬ schaften und lässt sich mit geeigneten Ätzmitteln, beispielsweise Kaliumhydro- xid oder Äthylendiamin-Pyrocatechol, anisotrop ätzen. Dadurch können dün¬ ne, sehr genau reproduzierbare, mechanisch belastbare Siliziummembranen in Serienfertigung hergestellt werden. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist jedoch die schlechte Ausnützung der Sensorfläche. Beim anisotropen Ätzen eines (lOO)-orientierten Siliziumsubstrates bildet sich nämlich eine Ätzgrube, welche durch schräge (1 Umorientierte Wände begrenzt ist. Somit kann nur ein mit zunehmender Siliziumsubstratdicke abnehmender Bruchteil der Sensorfläche für die Siliziummembran genutzt werden. Da in Zukunft immer grossere und somit auch dickere Siliziumscheiben verwendet werden, wird dieses Problem immer wichtiger. Zwar kann die Dicke der Siliziumscheiben vor dem anisotro- pen Ätzen durch chemische oder mechanische Verfahren reduziert werden; dies erzeugt jedoch Schwierigkeiten im "Wafer-Handling" und führt zu erhöh¬ ten Produktionskosten.A frequently used method for producing sensors with thin silicon membranes is anisotropic etching from single-crystalline silicon wafers. Single-crystalline silicon has excellent mechanical properties and can be anisotropically etched using suitable etching agents, for example potassium hydroxide or ethylenediamine pyrocatechol. As a result, thin, very precisely reproducible, mechanically resilient silicon membranes can be mass-produced. A disadvantage of this method is the poor utilization of the sensor area. When anisotropically etching a (100) -oriented silicon substrate, an etching pit is formed, which is delimited by oblique (1 reoriented walls. Thus, only a fraction of the sensor surface that decreases with increasing silicon substrate thickness can be used for the silicon membrane Thicker silicon wafers are also used, this problem becomes more and more important, although the thickness of the silicon wafers before anisotropic etching can be reduced by chemical or mechanical processes, but this creates difficulties in "wafer handling" and leads to increased production costs.
Ein weiteres Problem zeigt sich, wenn eine anisotrop geätzte Siliziummem¬ branstruktur für die Bestimmung einer Durchflussrate von Fluiden eingesetzt wird. Bei dieser Verwendung soll einerseits gewährleistet sein, dass die mit elektronischen Funktionseinheiten versehene ("prozessierte") Seite der Sil¬ iziummembran von dem möglicherweise korrosiven Fluid getrennt ist. Somit folgt, dass das Fluid über die nicht-prozessierte Seite der Siliziummembran strömen muss. Andererseits sollte aber der Sensor beim Einbau möglichst keine Unebenheiten gegenüber der Wand des Strömungskanals aufweisen, um die Strömung nicht zu stören und Wirbelbildungen zu vermeiden. Wie bereits erwähnt, entsteht bei der Herstellung von Siliziummembranen durch anisotro- pes Ätzen auf der nicht-prozessierten Seite der Siliziummembran eine Ätzgru¬ be, welche die Strömung stark stören würde. Somit bietet sich für die Erfül- lung des flächenbündigen Einbaus nur die prozessierte Seite der Siliziummem¬ bran an, was jedoch der ersten Forderung widerspricht.Another problem arises when an anisotropically etched silicon membrane structure is used for determining a flow rate of fluids. With this use, on the one hand, it should be ensured that the (processed) side of the silicon membrane provided with electronic functional units is separated from the possibly corrosive fluid. It follows that the fluid has to flow over the unprocessed side of the silicon membrane. On the other hand, the sensor should have as few unevenness as possible with respect to the wall of the flow channel during installation, in order not to disturb the flow and to avoid eddies. As already mentioned, in the production of silicon membranes by anisotropic etching, an etching groove is formed on the unprocessed side of the silicon membrane, which would strongly disrupt the flow. This means that The flush installation only applies to the processed side of the silicon membrane, which, however, contradicts the first requirement.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines mit einer Siliziummembran versehenen Mikrosensors sowie den mit dem Verfahren herstellbaren Mikrosensor anzugeben, dessen Sensorfläche optimal genutzt wird und dessen dem Messignal auszusetzende Siliziummembranaus- senseite keine heiklen elektronischen Funktionseinheiten enthält und gleich- zeitig eben ist.The invention is based on the object of specifying a method for producing a microsensor provided with a silicon membrane and the microsensor which can be produced using the method, the sensor surface of which is optimally used and the silicon membrane exterior to be exposed to the measurement signal does not contain any delicate electronic functional units and is at the same time flat .
Die Erfindung löst die Aufgabe durch das Verfahren und den Mikrosensor, wie sie in den entsprechenden unabhängigen Patentansprüchen definiert sind. Ein weiterer unabhängiger Patentanspruch betrifft ein mit dem erfindungs¬ gemässen Verfahren herstellbares Sensor-Zwischenprodukt.The invention solves the problem by the method and the microsensor as defined in the corresponding independent claims. A further independent patent claim relates to an intermediate sensor product that can be produced using the method according to the invention.
Die Grundidee des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, eine Silizi- umscheibe so auf ein Substrat aufzubringen, dass ihre prozessierte Seite dem Substrat zugewandt und somit geschützt ist. Die Dicke der Siliziumscheibe kann danach von der Aussenseite her zu einer geringen Siliziummembrandik- ke reduziert werden.The basic idea of the method according to the invention is to apply a silicon wafer to a substrate in such a way that its processed side faces the substrate and is therefore protected. The thickness of the silicon wafer can then be reduced from the outside to a small silicon membrane thickness.
Im folgenden wird das erfindungsgemässe Verfahren detaillierter erläutert. Das Ausgangsmaterial für die Siliziummembran ist - wie bei den bekannten Verfahren - eine einkristalline Siliziumscheibe. Auf deren mindestens eine Seite werden zunächst mit bekannten Prozessen die benötigten elektronischen Funktionseinheiten integriert. Es werden Abstandshalter auf einer Seite eines Substrates und/oder einer zu schützenden Seite der Siliziumscheibe anεe- bracht oder aus Substrat und/oder Siliziummembran herausgeformt. Darauf¬ hin werden die Siliziumscheibe und das Substrat derart aneinandergefügt, dass die mindestens eine mit elektronischn Funktionseinheiten versehene Seite der Siliziumscheibe, im folgenden "Innenseite" genannt, dem Substrat zugewandt ist. Die Abstandshalter gewährleisten, dass zwischen Substrat und Silizium¬ scheibe Hohlräume entstehen. Danach kann die Dicke der gesamten Silizium¬ scheibe von der Aussenseite her zu einer geringen Siliziummembrandicke reduziert werden, so dass aus der Siliziumscheibe eine Siliziummembran ent¬ steht. Zuletzt können mit bekannten Verfahren die einzelnen Sensoren von- einander getrennt, in festen Baugruppen untergebracht und mit elektrischen Verbindungsmitteln versehen werden.The method according to the invention is explained in more detail below. The starting material for the silicon membrane is - as in the known methods - a single-crystalline silicon wafer. On the at least one side, the required electronic functional units are first integrated using known processes. Spacers are attached to one side of a substrate and / or one side of the silicon wafer to be protected. brings or molded out of substrate and / or silicon membrane. The silicon wafer and the substrate are then joined together in such a way that the at least one side of the silicon wafer provided with electronic functional units, hereinafter referred to as the “inner side”, faces the substrate. The spacers ensure that voids are created between the substrate and the silicon wafer. The thickness of the entire silicon wafer can then be reduced from the outside to a small silicon membrane thickness, so that a silicon membrane is formed from the silicon wafer. Finally, the individual sensors can be separated from one another, housed in fixed assemblies and provided with electrical connecting means using known methods.
Ein erster Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens besteht in der optima- len Nutzung der Sensorfläche. Praktisch die gesamte Sensorfläche kann für die Siliziummembran ausgenutzt werden, weil das Substrat keine hohen, schrägen Ätzwände aufzuweisen braucht. Ein zweiter Vorteil des erfindungs¬ gemässen Verfahrens ergibt sich insbesondere bei seiner Verwendung zur Herstellung von Mikrosensoren, welche Eigenschaften von Fluiden messen. Die erfindungsgemässen Mikrosensoren vereinigen die beiden Anforderungen der Trennung der prozessierten Siliziummembraninnenseite vom Fluid und des flächenbündigen Einbaus. Die Siliziummembranaussenseite weist keine Ätzgruben auf und ist flach. Deshalb kann das Fluid über die Siliziummem¬ branaussenseite strömen, ohne von ihr gestört zu werden, und gleichzeitig ist auch die prozessierte Siliziummembraninnenseite geschützt.A first advantage of the method according to the invention is the optimal use of the sensor surface. Virtually the entire sensor area can be used for the silicon membrane because the substrate does not have to have high, oblique etching walls. A second advantage of the method according to the invention results in particular when it is used for the production of microsensors which measure the properties of fluids. The microsensors according to the invention combine the two requirements of separating the processed silicon membrane inside from the fluid and flush installation. The silicon membrane outside has no etching pits and is flat. The fluid can therefore flow over the silicon membrane outside without being disturbed by it, and at the same time the processed silicon membrane inside is also protected.
Beim erfindungsgemässen Verfahren weist das Substrat höchstens lokal Lö¬ cher auf; es muss nicht das gesamte Material unterhalb der Siliziummembran entfernt werden. Dadurch erhält das Substrat eine erhöhte mechanische Fe¬ stigkeit und wird somit weniger anfällig auf parasitäre Spannungen, die bei- spielsweise beim Kleben auftreten - ein Problem, das besonders bei Drucksensoren eine wichtige Rolle spielt. Die Möglichkeit, mit dem erfin¬ dungsgemässen Verfahren ein Glassubstrat zu verwenden, eröffnet gegenüber herkömmlich anisotrop geätzten Siliziumsubstraten weitere Vorteile: Glas ist ein guter thermischer und elektrischer Isolator, was sich vor allem bei ther¬ mischen Sensoren positiv auswirkt.In the method according to the invention, the substrate has holes at most locally; it is not necessary to remove all of the material underneath the silicon membrane. This gives the substrate increased mechanical strength and thus it is less susceptible to parasitic voltages which occur, for example, when gluing - a problem that plays an important role, especially with pressure sensors. The possibility of using a glass substrate with the method according to the invention opens up further advantages over conventionally anisotropically etched silicon substrates: glass is a good thermal and electrical insulator, which has a positive effect particularly in the case of thermal sensors.
Verschiedene Varianten des erfindungsgemässen Verfahrens und zum Ver- gleich auch der Stand der Technik werden anhand der Figuren detailliert beschrieben. Es zeigen:Different variants of the method according to the invention and for comparison also the prior art are described in detail with reference to the figures. Show it:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen mit konventionellenFig. 1 shows a schematic cross section through a conventional
Verfahren hergestellten Mikrosensor gemäss dem Stand der Technik,Processed microsensor according to the prior art,
Fig. 2-8 schematische Querschnitte durch Ausgangs-, Zwischen- und End¬ produkte nach verschiedenen Schritten des erfindungsgemässen Verfahrens,2-8 schematic cross sections through starting, intermediate and end products after various steps of the method according to the invention,
Fig. 9 einen schematischen Querschnitt durch einen erfindungsgemässen piezoresistiven Drucksensor,9 shows a schematic cross section through a piezoresistive pressure sensor according to the invention,
Fig. 10-13 schematische Querschnitte durch weitere Ausfuhrungsformen von gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Sensor-10-13 schematic cross sections through further embodiments of sensor sensors manufactured according to the method of the invention.
Zwischenprodukten,Intermediate products,
Fig. 14 eine schematische Aufsicht auf die Siliziummembraninnenseite eines erfindungsgemässen Durchflussensors und Fig. 15 eine perspektivische, teilweise offengelegte schematische Ansicht eines erfindungsgemässen, in einen Strömungskanal eingebauten Durchflussensors.14 shows a schematic plan view of the silicon membrane inside of a flow sensor according to the invention and 15 is a perspective, partially disclosed schematic view of a flow sensor according to the invention installed in a flow channel.
In den Figuren 1-13 sowie 15 stehen aus Darstellungsgründen die Höhen der einzelnen Elemente nicht unbedingt im richtigen Verhältnis zueinander; eben¬ so entspricht das Verhältnis der Höhen zu den Längen nicht immer den wirk¬ lichen Verhältnissen.In Figures 1-13 and 15, the heights of the individual elements are not necessarily in the correct relationship to one another for reasons of illustration; the ratio of the heights to the lengths does not always correspond to the actual conditions.
Figur 1 illustriert den Stand der Technik mit einem Querschnitt durch einen schematisch dargestellten, nach bekannten Verfahren hergestellten Mikrosen¬ sor. Als Ausgangsmaterial für einen solchen Sensor wird typischerweise eine einkristalline (lOO)-orientierte Siliziumscheibe 1 verwendet. In deren eine Seite 2, im folgenden "Innenseite" genannt, werden zuerst die für Speisung, Wandlung, Signalverarbeitung und Ausgabe benötigten elektronischen Fun¬ ktionseinheiten 3 integriert; dies geschieht durch in der Mikroelektronik übli¬ che Prozesse wie Epitaxie, Oxidation, Photolithographie, Diffusion, Ionen¬ implantation, Metallisierung etc. Danach wird die Siliziumscheibe von der anderen Seite 4 her, im folgenden "Aussenseite" genannt, an bestimmten Stel¬ len 5 anisotrop bis auf eine gewünschte Dicke t (von typischerweise einigen bis einigen Zehn Mikrometern) heruntergeätzt, beispielsweise mit Kaliumhy¬ droxid (KOH) oder Äthylendiamin-Pyrocatechol (EDP). So entstehen Silizi¬ ummembranen 6 mit elektronischen Funktionseinheiten 3 an den Innenseiten 2. (Die elektronischen Funktionseinheiten 3 und die Siliziummembran 6 sind in allen Figuren aus didaktischen Gründen im Verhältnis zu den übrigen Elementen übertrieben dick gezeichnet.) Eventuell müssen zusätzlich spezielle Materialien, welche die eigentliche Wandlerfunktion ausüben oder verstärken, auf die Innenseite 2 aufgebracht werden. Zuletzt wird die Siliziumscheibe 1 in die einzelnen Sensoren aufgeteilt; diese werden anschliessend in geeigneten festen Baugruppen 7 untergebracht und mit elektrischen Verbindungsmitteln 8 versehen.FIG. 1 illustrates the state of the art with a cross section through a schematically illustrated microsensor produced by known methods. A single-crystal (100) -oriented silicon wafer 1 is typically used as the starting material for such a sensor. In one side 2, hereinafter referred to as the "inside", the electronic function units 3 required for supply, conversion, signal processing and output are first integrated; This is done by processes such as epitaxy, oxidation, photolithography, diffusion, ion implantation, metallization, etc., which are common in microelectronics. The silicon wafer is then, from the other side 4, hereinafter referred to as "outside", at certain points 5 anisotropically etched down to a desired thickness t (typically a few to a few tens of micrometers), for example with potassium hydroxide (KOH) or ethylenediamine pyrocatechol (EDP). This results in silicon membranes 6 with electronic functional units 3 on the inner sides 2. (The electronic functional units 3 and the silicon membrane 6 are drawn in excessive thickness in all figures for didactic reasons in relation to the other elements.) Special materials may also have to be used Exercise or strengthen the actual converter function, are applied to the inside 2. Finally, the silicon wafer 1 is divided into the individual sensors; these are then converted into suitable ones fixed modules 7 housed and provided with electrical connecting means 8.
Beim anisotropen Ätzen einer (lOO)-orientierteπ Siliziumscheibe bildet sich eine Ätzgrube 5, welche durch schräge (1 Umorientierte Wände 9 begrenzt ist; ihr Neigungswinkel zur Horizontalen beträgt arctan-/2 = 54.7°. Somit kann bei einer gegebenen Dicke T der Siliziumscheibe nur ein Teil der Oberfläche für die Siliziummembran 6 genutzt werden. Beispielsweise steht bei einem qua- dratischen Sensor der Seitenlänge L mit einer Siliziummembranlänge von 1 = 2 mm, einer Ausgangsdicke von T = 0.6 mm und einer Siliziummembrandicke t < < T bloss der BruchteilWhen anisotropically etching a (100) -oriented silicon wafer, an etching pit 5 is formed, which is delimited by oblique (1 reoriented walls 9; its angle of inclination to the horizontal is arctan / 2 = 54.7 °. Thus, for a given thickness T, the silicon wafer can only a part of the surface can be used for the silicon membrane 6. For example, in the case of a square sensor of side length L with a silicon membrane length of 1 = 2 mm, an initial thickness of T = 0.6 mm and a silicon membrane thickness t <<T, there is only the fraction
12/L2 = 12/(1 + 2T/V2)2 = 0.49 , d. h. weniger als die Hälfte der Sensorfläche, für die eigentliche Siliziummem- bran 6 zur Verfügung. Dieser Nachteil nach herkömmlichen Verfahren herge¬ stellter Mikrosensoren ist in Fig. 1 illustriert. Aus Fig. 1 ist ebenfalls ein wei¬ terer Nachteil ersichtlich. Wird die Siliziummembranstruktur beispielsweise für die Bestimmung der Durchflussrate eines Fluids verwendet, so kann das möglicherweise korrosive Fluid die elektronischen Funktionseinheiten 3 und elektrischen Verbindungsmittel 8 auf der Siliziurrunembraninnenseite 2 an¬ greifen und den Sensor zerstören. Lässt man das Fluid über die Ausseneite 4 strömen, um diesem Nachteil auszuweichen, so taucht ein neues Poblem auf: Die Ätzgrube 5 auf der Aussenseite 3 stört die Fluidströmung und führt zu Wirbelbildungen, welche die Sensorfunktion stark beeinträchtigen können.1 2 / L 2 = 1 2 / (1 + 2T / V2) 2 = 0.49, ie less than half of the sensor area, is available for the actual silicon membrane 6. This disadvantage of microsensors produced by conventional methods is illustrated in FIG. 1. A further disadvantage can also be seen from FIG. 1. If the silicon membrane structure is used, for example, for determining the flow rate of a fluid, the possibly corrosive fluid can attack the electronic functional units 3 and electrical connection means 8 on the inside of the silicon membrane 2 and destroy the sensor. If the fluid is allowed to flow over the outer side 4 in order to avoid this disadvantage, a new problem appears: the etching pit 5 on the outer side 3 disturbs the fluid flow and leads to eddies which can severely impair the sensor function.
Das erfindungsgemässe Verfahren beseitigt die oben geschilderten Nachteile. Die Figuren 2-8 zeigen jeweils im Querschnitt die Herstellung eines erfin¬ dungsgemässen Mikrosensors in einer bevorzugten Variante des erfindungs- gemässen Verfahrens. In diesem Beispiel besteht das Verfahren aus sieben Schritten. Davon sind bloss die ersten drei Schritte für das erfindungsgemässe Verfahren notwendig; die anderen Verfahrensschritte sind fakultativ. Im hier abgehandelten Beispiel wird die Herstellung zweier identischer Sensoren dargestellt. Mit modernen, aus der Mikroelektronik bekannten Intergrations- verfahren ist es jedoch möglich, viele Sensoren gleichzeitig herzustellen; typi¬ sche Längenmasse L von Mikrosensoren liegen heute im Millimeterbereich und könnten in Zukunft noch reduziert werden.The method according to the invention eliminates the disadvantages described above. FIGS. 2-8 each show in cross section the manufacture of a microsensor according to the invention in a preferred variant of the method according to the invention. In this example, the process consists of seven steps. These are only the first three steps for the inventive one Procedure necessary; the other procedural steps are optional. In the example dealt with here, the manufacture of two identical sensors is shown. However, with modern integration methods known from microelectronics, it is possible to manufacture many sensors at the same time; typical length dimension L of microsensors today is in the millimeter range and could be reduced in the future.
Als Ausgangsmaterial für die Sensormembranen wird eine einkristalline Silizi- umscheibe 1 verwendet. In einem ersten Verfahrensschritt werden in deren eine Seite 2, im folgenden "Innenseite" genannt, die für Speisung, Wandlung, Signalverarbeitung und Ausgabe benötigten elektronischen Funktionseinheiten 3 integriert; dies geschieht durch in der Mikroelektronik übliche Prozesse wie Epitaxie, Oxidation, Photolithographie, Diffusion, Ionenimplantation, Metalli- sierung etc. Die Innenseite 2 ist diejenige Seite, welche bei der späteren Ver¬ wendung des Mikrosensors vor eventuell korrosiven Fluiden geschützt werden soll. Figur 2 zeigt eine beispielsweise Ausführungsform der Siliziumscheibe 1 oder eines Teils davon nach dem ersten Verfahrensschritt. Die elektronischen Funktionseinheiten 3 sind beispielweise Diffusionsschichten 3.1, Metallschich- ten 3.2, Oxidschichten 3.3, Siliziumnitridschichten 3.4 etc.; sie sind in allen Figuren aus didaktischen Gründen im Verhältnis zur Siliziummembran über¬ trieben dick gezeichnet. Die Siliziumscheibe 1 kann in diesem Verfahrens¬ schritt zusätzlich noch auf andere Weise für eine spezielle Sensorfunktion vorkonditioniert werden. Wenn erwünscht, werden in diesem Verfahrensschritt beispielsweise zusätzliche spezielle Materialien, welche die eigentliche Wand¬ lerfunktion ausüben oder verstärken, auf die Innenseite 2 aufgebracht.A single-crystalline silicon wafer 1 is used as the starting material for the sensor membranes. In a first method step, one side 2, hereinafter referred to as "inside", integrates the electronic functional units 3 required for supply, conversion, signal processing and output; this is done by processes customary in microelectronics, such as epitaxy, oxidation, photolithography, diffusion, ion implantation, metallization, etc. The inside 2 is the side which is to be protected from possibly corrosive fluids when the microsensor is subsequently used. FIG. 2 shows an exemplary embodiment of the silicon wafer 1 or a part thereof after the first method step. The electronic functional units 3 are, for example, diffusion layers 3.1, metal layers 3.2, oxide layers 3.3, silicon nitride layers 3.4, etc .; for didactic reasons they are drawn exaggeratedly thick in relation to the silicon membrane in all figures. The silicon wafer 1 can additionally be preconditioned for a special sensor function in this method step. If desired, additional special materials which exercise or reinforce the actual converter function are applied to the inside 2 in this method step.
In einem zweiten Verfahrensschritt (welcher vom ersten zeitlich unabhängig ist), werden Abstandshalter 10 auf einer Seite 13 eines Substrates und/oder der Innenseite 2 der Siliziumscheibe 1 angebracht oder aus Substrat 11 und/- oder Siliziummembran 6 herausgeformt. Diese gewährleisten erstens, dass die Siliziumscheibe 1 ein Substrat 11 an vorgesehenen Stellen nicht berührt, und stellen zweitens Kontaktflächen für das Aneinanderfügen von Siliziumscheibe 1 und Substrat 11 zur Verfügung. Die Abstandshalter 10 können beispiels- weise, wie in Fig. 3 dargestellt, aus dem Substrat 11 herausgeformt werden, in¬ dem eine Seite 12 des Substrates mit Vertiefungen 13 der Tiefe d (von typi¬ scherweise einigen bis einigen Hundert Mikrometern) versehen wird. Die Vertiefungen 13 werden nach dem Aneinanderfügen von Siliziumscheibe 1 und Substrat 11 (dritter Verfahrensschritt) Hohlräume zwischen Siliziummem- bran und Substrat bilden. Gleichzeitig mit den Vertiefungen 13 können auch durchgehende Löcher 14 im Substrat 11 angebracht werden. Diese dienen beispielsweise der Aufnahme von elektrischen Verbindungsmitteln. Lage und Grosse der Vertiefungen 13 und Löcher 14 auf dem Substrat 11 müssen auf die elektronischen Funktionseinheiten 3 auf der Siliziumscheibe 1 abgestimmt sein.In a second method step (which is temporally independent of the first), spacers 10 are attached to one side 13 of a substrate and / or the inside 2 of the silicon wafer 1 or from substrate 11 and / - or silicon membrane 6 molded out. Firstly, these ensure that the silicon wafer 1 does not touch a substrate 11 at the intended locations, and secondly, they provide contact areas for joining the silicon wafer 1 and substrate 11 together. The spacers 10 can, for example, as shown in FIG. 3, be molded out of the substrate 11 by providing one side 12 of the substrate with depressions 13 of depth d (typically a few to a few hundred micrometers). The recesses 13 will form cavities between the silicon membrane and the substrate after the silicon wafer 1 and substrate 11 have been joined together (third method step). Through holes 14 can also be made in the substrate 11 at the same time as the depressions 13. These serve, for example, to accommodate electrical connecting means. The position and size of the depressions 13 and holes 14 on the substrate 11 must be matched to the electronic functional units 3 on the silicon wafer 1.
Das Substrat 11 kann bevorzugt aus Glas oder auch aus Keramik, Silizium oder einem anderen Material bestehen. Glas als Substratmaterial hat den Vorteil, dass es ein guter thermischer und elektrischer Isolator ist, was sich vor allem bei thermischen Sensoren positiv auswirkt. Die Vertiefungen 13 und Löcher 14 werden durch chemische oder mechanische Abtragungsverfahren wie beispielsweise isotropes Ätzen mit Flusssäure (HF, BHF) oder Bohren im Subsrat angebracht. Es ist möglich, mit diesen Bearbeitungsverfahren in ge- eigneten Materialien annähernd senkrechte Wände zu erhalten und praktisch die ganze Sensorfläche optimal auszunützen. Dadurch, dass das Substrat 11 nur lokal Löcher 14 aufweist und nicht das gesamte Material unterhalb der Siliziumscheibe 1 entfernt wird, erhält das Substrat eine erhöhte mechanische Festigkeit und wird somit weniger anfällig auf parasitäre mechanische Span- nungen, die beispielsweise beim Kleben im sechsten Verfahrensschritt auf¬ treten - ein Problem, das besonders bei Drucksensoren von Bedeutung ist. In einem dritten Verfahrensschritt werden die Siliziumscheibe 1 und das Sub¬ strat 11 aneinandergefügt und -fixiert, d. h. miteinander verbunden, so dass die Abstandshalter 10 zwischen der Siliziumscheibe und dem Substrat liegen und zwischen der Siliziumscheibe dem Substrat Hohlräume 13 der Dicke d entstehen. Entscheidend ist, dass dabei die zu schützende Innenseite 2 der Siliziumscheibe 1 dem Substrat zugewandt ist, wie in Fig. 4 dargestellt; da¬ durch wird der Schutz der elektronischen Funktionseinheiten 3 vor einem eventuell korrosiven Fluid erzielt. Es muss darauf geachtet werden, dass Silizi- umscheibe 1 und Substrat 11 in der vorgesehenen Art und Weise bezüglich Verschiebung und Drehung aufeinander positioniert sind; dies kann beispiels¬ weise mit einem Waferstepper mit einer Genauigkeit in der Grössenordnung von Mikrometern oder besser bewerkstelligt werden. In der in Fig. 4 darge¬ stellten beispielsweisen Ausführungsform des Sensors haften Siliziumscheibe 1 und Substrat 11 nur am Rand eines jeden Sensors aneinander. Die restlichen Teile der Siliziumscheibe 1 hängen über den Hohlräumen 13.The substrate 11 can preferably consist of glass or ceramic, silicon or another material. Glass as a substrate material has the advantage that it is a good thermal and electrical insulator, which has a positive effect especially with thermal sensors. The recesses 13 and holes 14 are made by chemical or mechanical ablation processes such as isotropic etching with hydrofluoric acid (HF, BHF) or drilling in the Subsrat. With these processing methods it is possible to obtain almost vertical walls in suitable materials and to optimally utilize practically the entire sensor surface. Because the substrate 11 only has holes 14 locally and not all of the material underneath the silicon wafer 1 is removed, the substrate is given increased mechanical strength and is therefore less susceptible to parasitic mechanical stresses which occur, for example, when bonding in the sixth process step ¬ kicking - a problem that is particularly important with pressure sensors. In a third method step, the silicon wafer 1 and the substrate 11 are joined to one another and fixed, that is to say connected to one another, so that the spacers 10 lie between the silicon wafer and the substrate and cavities 13 of thickness d are formed between the silicon wafer and the substrate. It is crucial that the inside 2 of the silicon wafer 1 to be protected faces the substrate, as shown in FIG. 4; Thereby the protection of the electronic functional units 3 against a possibly corrosive fluid is achieved. Care must be taken that the silicon wafer 1 and substrate 11 are positioned on one another with respect to displacement and rotation; this can be accomplished, for example, with a wafer stepper with an accuracy in the order of magnitude of micrometers or better. In the exemplary embodiment of the sensor shown in FIG. 4, silicon wafer 1 and substrate 11 only adhere to one another at the edge of each sensor. The remaining parts of the silicon wafer 1 hang over the cavities 13.
Eine stabile, permanente Haftung zwischen der Siliziumscheibe 1 und einem Substrat 11 aus Glas wird beispielsweise durch die bekannte Technik des "anodischen Bondens" erreicht. Besteht das Substrat 11 aus Silizium, so kann die bekannte Technik des "Silicon Fusion Bonding" zur Fixierung angewandt werden. Eine andere Möglichkeit, Siliziumscheibe 1 und Substrat 11 anein¬ ander zu fixieren, besteht in der Anwendung von Lötverfahren. Siliziumschei- be 1 und Substrat 11 können wahlweise in Luft, einer anderen Atmosphäre oder im Vakuum aneinandergefügt werden; das entsprechende Gas bzw. Va¬ kuum wird in den Hohlräumen 13 zwischen Siliziumscheibe und Substrat bleiben, falls die Hohlräume abgeschlossen sind. Eine interessante Möglichkeit, die mechanische Spannung der (im fünften Verfahrensschritt gebildeten) Siliziummembran 6 zu beeinflussen, besteht darin, dass man ein Glassubstrat 11 mit einem thermischen Ausdehnungskoef¬ fizienten verwendet, der sich von demjenigen von Silizium unterscheidet. Da der anodische Bondprozess frei von mechanischen Spannungen bei einer Temperatur von ca. 300 °C stattfindet, entsteht im abgekühlten Zustand eine mechanische Spannung, welche genutzt werden kann, um beispielsweise ur¬ sprüngliche mechanische Spannungen in der Siliziumscheibe 1 bzw. in der späteren Siliziummembran 6 zu kompensieren.A stable, permanent adhesion between the silicon wafer 1 and a substrate 11 made of glass is achieved, for example, by the known technique of "anodic bonding". If the substrate 11 consists of silicon, the known technique of "silicon fusion bonding" can be used for fixing. Another possibility of fixing silicon wafer 1 and substrate 11 to one another is to use soldering methods. Silicon wafer 1 and substrate 11 can optionally be joined together in air, another atmosphere or in a vacuum; the corresponding gas or vacuum will remain in the cavities 13 between the silicon wafer and the substrate if the cavities are closed. An interesting way of influencing the mechanical tension of the silicon membrane 6 (formed in the fifth method step) is to use a glass substrate 11 with a thermal expansion coefficient that differs from that of silicon. Since the anodic bonding process is free of mechanical stresses at a temperature of approximately 300 ° C., a mechanical stress is generated in the cooled state, which can be used to, for example, relate to original mechanical stresses in the silicon wafer 1 or in the subsequent silicon membrane 6 to compensate.
In einem vierten Verfahrensschritt wird die Dicke der gesamten Siliziumschei¬ be 1 von der Aussenseite 4 her bis auf eine gewünschte Dicke t (von typi¬ scherweise einigen bis einigen Zehn Mikrometern) reduziert, wie in Fig. 5 dargestellt. So wird aus der Siliziumscheibe 1 eine dünne Siliziummembran 6, deren prozessierte Innenseite 2 dem Substrat 11 zugewandt ist. (Die elektroni¬ schen Funktionseinheiten 3 und die Siliziummembran 6 sind aus didaktischen Gründen im Verhältnis zu den anderen Elementen übertrieben dick gezeich¬ net.) Die Siliziummembran 6 ist teilweise auf den Abstandshaltern 10 abge- stützt und befestigt. Falls die Hohlräume 13 zwischen Siliziummembran 6 und Substrat 11 dünn genug sind, dienen sie zusätzlich als Stopper und können das Brechen der Siliziummembran bei zu hohem Überdruck auf der Aussenseite 4 verhindern.In a fourth method step, the thickness of the entire silicon wafer 1 is reduced from the outside 4 to a desired thickness t (from typically a few to a few tens of micrometers), as shown in FIG. 5. The silicon wafer 1 thus becomes a thin silicon membrane 6, the processed inner side 2 of which faces the substrate 11. (For functional reasons, the electronic functional units 3 and the silicon membrane 6 are drawn in excessively thick relation to the other elements.) The silicon membrane 6 is partially supported and fastened on the spacers 10. If the cavities 13 between the silicon membrane 6 and the substrate 11 are thin enough, they also serve as stoppers and can prevent the silicon membrane from breaking if the excess pressure on the outside 4 is too high.
Zur Reduktion der Dicke der Siliziumscheibe 1 werden bevorzugt Ätzverfah¬ ren, beispielsweise anisotropes Ätzen in Kaliumhydroxid (KOH), in Äthylendi- amin-Pyrocatechol (EDP) oder Plasmaätzen, herangezogen. In diesem Fall kann die Siliziummembrandicke t durch bekannte Ätzstoppverfahren, für KOH beispielsweise das elektrochemische Ätzstoppverfahren, kontrolliert werden. Eine andere Möglichkeit zur Dickenreduktion bieten mechanische Verfahren, beispielsweise Schleifen oder Polieren. Auf die Dickenreduktion, d. h. auf den vierten Verfahrensschritt, kann verzichtet werden, wenn von Anfang an eine genügend dünne Siliziumscheibe 1 verwendet wird. In diesem Fall können elektronische Funktionseinheiten 3 auf beide Seiten 2, 4 der Siliziumscheibe 1 aufgebracht werden.Etching methods, for example anisotropic etching in potassium hydroxide (KOH), in ethylenediamine pyrocatechol (EDP) or plasma etching, are preferably used to reduce the thickness of the silicon wafer 1. In this case, the silicon membrane thickness t can be controlled by known etching stop methods, for KOH, for example, the electrochemical etching stop method. Another option for reducing the thickness is mechanical Processes, for example grinding or polishing. The thickness reduction, ie the fourth method step, can be dispensed with if a sufficiently thin silicon wafer 1 is used from the start. In this case, electronic functional units 3 can be applied to both sides 2, 4 of the silicon wafer 1.
Die einzelnen selbständigen Einheiten 15, bestehend aus mindestens einer prozessierten Siliziummembran 6 und einem Substrat 11, welche haftend über Abstandshalter 10 aneinandergefügt sind, werden im folgenden "Sensor-Zwi¬ schenprodukte" genannt. In einem fünften Verfahrensschritt werden die ein¬ zelnen Sensor-Zwischenprodukte 15 voneinander und von eventuellen Rest¬ stücken 16 getrennt. Figur 6 zeigt zwei getrennte Sensor-Zwischenprodukte 15. Das Trennen wird beispielsweise mit speziellen Sägen oder durch Brechen bewerkstelligt.The individual independent units 15, consisting of at least one processed silicon membrane 6 and a substrate 11, which are adhered to one another via spacers 10, are referred to below as "sensor intermediate products". In a fifth method step, the individual intermediate sensor products 15 are separated from one another and from any remaining pieces 16. Figure 6 shows two separate sensor intermediate products 15. The separation is accomplished, for example, with special saws or by breaking.
In einem sechsten Verfahrensschritt werden die einzelnen Sensor-Zwischen¬ produkte 15 in festen Baugruppen 7 untergebracht. Diese Baugruppen 7 ver- leihen den Sensoren mechanische Stabilität und schützen sie vor uner¬ wünschten Umwelteinflüssen; gleichzeitig müssen sie aber gewährleisten, dass das zu messende Eingangssignal den Sensorwandler auch wirklich erreicht. Die festen Baugruppen können beispielsweise Keramiksubstrate sein, auf wel¬ che die Sensor-Zwischenprodukte 15 aufgeklebt werden. In Figur 7 ist nur noch ein aufgeklebtes Sensor-Zwischenprodukt 15 dargestellt; mit allen ande¬ ren Sensor-Zwischenprodukten wird gleich verfahren.In a sixth process step, the individual intermediate sensor products 15 are accommodated in fixed assemblies 7. These assemblies 7 give the sensors mechanical stability and protect them from undesired environmental influences; at the same time, however, they must ensure that the input signal to be measured really reaches the sensor converter. The solid assemblies can be, for example, ceramic substrates to which the sensor intermediate products 15 are glued. In Figure 7, only one glued on sensor intermediate 15 is shown; the same procedure is followed with all other sensor intermediate products.
In einem siebten, letzten Verfahrensschritt werden die Siliziummembranen 6 elektrisch kontaktiert und mit elektrischen Verbindungsmitteln 8 versehen.In a seventh, last method step, the silicon membranes 6 are electrically contacted and provided with electrical connecting means 8.
Dies geschieht beispielsweise, indem im ersten Verfahrensschritt hergestellte elektrische Kontakte 17 auf den Siliziummembraninnenseiten 2 durch die bekannte Technik des "Wire Bonding" mit den festen Baugruppen 7 verbun¬ den werden. Figur 8 zeigt einen fertigen, nach dem erfindungsgemässen Ver¬ fahren hergestellten Sensor. Elektrische Verbindungsmittel 8, beispielsweise Kontaktdrähte, können durch die Löcher 14 im Substrat 11 und durch Löcher 18 in der festen Baugruppe 7 von der Siliziummembraninnenseite 2 nach aussen verlaufen. Schon beim Entwurf der Masken für Siliziumscheibe 1 und Substrat 11 muss selbstverständlich darauf geachtet werden, dass die Lagen der Kontaktstellen 17 und der Löcher 14 aufeinander abgestimmt sind, so dass diese übereinander zu liegen kommen.This is done, for example, by manufacturing in the first process step Electrical contacts 17 on the silicon membrane inner sides 2 are connected to the fixed assemblies 7 by the known technique of "wire bonding". FIG. 8 shows a finished sensor produced by the method according to the invention. Electrical connection means 8, for example contact wires, can run outwards from the silicon membrane inside 2 through the holes 14 in the substrate 11 and through holes 18 in the fixed assembly 7. When designing the masks for silicon wafer 1 and substrate 11, it must of course be ensured that the positions of the contact points 17 and the holes 14 are coordinated with one another so that they come to lie one above the other.
Als Beispiel für die Verwendung eines erfindungsgemässen Mikrosensors zeigt Fig. 9 einen piezoresistiven Drucksensor. In der Nähe der Abstandshalter 10 sind piezoresistive Dehnungsmessstreifen 3.1, 3.1' in die Siliziummembran 6 integriert; die Siliziummembran 6 kann beispielsweise aus n-leitendem Silizi¬ um und die Dehnungsmessstreifen 3.1, 3.1' aus p-leitendem Silizium bestehen. Durch einen äusseren Druck p erfährt die Siliziummembran 6 die schematisch dargestellte Verformung, welche zu einer Längenänderung der Dehnungs- messstreifen 3.1, 3.1' führt. Diese Längenänderung wird mittels des piezoresi¬ stiven Effektes in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt, welches ein Mass für den Druck p ist. Das Ausgangssignal wird mit elektrischen Verbin¬ dungsmitteln 8 durch ein durchgehendes Loch 14 nach aussen geleitet. Elek¬ trische Verbindungsmittel 8 und durchgehendes Loch 14 sind nur für einen Dehnungsmessstreifen 3.1 eingezeichnet; für den anderen Dehnungsmessstrei¬ fen 3.1' können sie in einer anderen Schnittebene liegen. Selbstverständlich können mehr als zwei Dehnungsmessstreifen auf der Siliziummembran 6 integriert werden. Im folgenden werden anhand der Figuren 10-13 einige Varianten des erfin¬ dungsgemässen Verfahrens gezeigt. Dabei sind jeweils nur die Sensor-Zwi¬ schenprodukte 15 nach dem fünften Verfahrensschritt gezeichnet; auf die festen Baugruppen 7 und die elektrischen Verbindungsmittel 8 wird in diesen Figuren verzichtet.9 shows a piezoresistive pressure sensor as an example of the use of a microsensor according to the invention. In the vicinity of the spacers 10, piezoresistive strain gauges 3.1, 3.1 'are integrated in the silicon membrane 6; the silicon membrane 6 can consist, for example, of n-type silicon and the strain gauges 3.1, 3.1 'of p-type silicon. Due to an external pressure p, the silicon membrane 6 experiences the schematically represented deformation, which leads to a change in the length of the strain gauges 3.1, 3.1 '. This change in length is converted by means of the piezoresistive effect into an electrical output signal, which is a measure of the pressure p. The output signal is conducted to the outside with electrical connection means 8 through a through hole 14. Electrical connecting means 8 and through hole 14 are shown only for a strain gauge 3.1; for the other strain gauge 3.1 ', they can lie in a different sectional plane. Of course, more than two strain gauges can be integrated on the silicon membrane 6. Some variants of the method according to the invention are shown below with reference to FIGS. 10-13. Only the intermediate sensor products 15 are drawn after the fifth method step; the fixed assemblies 7 and the electrical connection means 8 are omitted in these figures.
In den bisher diskutierten Beispielen wurden die Abstandshalter 10 entlang der Ränder 19 der Sensoren hergestellt. Figur 10 zeigt dagegen ein Sensor- Zwischenprodukt 15 mit einem zusätzlichen Abstandshalter 10', welcher sich im Innern des Sensors, d. h. nicht an einem Sensorrand 19, befindet. Dieser Abstandshalter 10' stützt die Siliziummembran 6 und verleiht ihr zusätzliche mechanische Festigkeit, welche zum Beispiel in der Nähe der elektrischen Kontakte 17 erwünscht sein könnte. Alle Abstandshalter 10, 10' können bei- spielsweise im zweiten Verfahrensschritt durch geeignete Strukturierung des Substrates 11 hergestellt werden. Sie können als in zwei Dimensionen ausge¬ dehnte "Blöcke", als in einer Dimension ausgedehnte "Wände" oder als dünne "Säulen" ausgebildet sein.In the examples discussed so far, the spacers 10 were made along the edges 19 of the sensors. FIG. 10, on the other hand, shows an intermediate sensor product 15 with an additional spacer 10 ', which is located inside the sensor, i. H. is not located on a sensor edge 19. This spacer 10 ′ supports the silicon membrane 6 and gives it additional mechanical strength, which could be desirable, for example, in the vicinity of the electrical contacts 17. All spacers 10, 10 'can be produced, for example, in the second method step by suitable structuring of the substrate 11. They can be designed as "blocks" extended in two dimensions, as "walls" extended in one dimension or as thin "columns".
In Fig. 11 gezeichnete Abstandshalter 10, 10' haben die gleiche Funktion wie die Abstandshalter in Fig. 9. Die Abstandshalter 10, 10' in Fig. 10 wurden aber gleichzeitig mit dem ersten Verfahrensschritt durch Aufbringen und Strukturieren einer zusätzlichen Schicht auf die Innenseite 2 der Siliziumschei- be 1 hergestellt. Diese zusätzliche Schicht kann beispielsweise aus einem Oxid, einem Metall oder aus poly- oder monokristallinem Silizium bestehen. Auf diese weise hergestellte Abstandshalter 10, 10' können auch auf das Sub¬ strat 11 statt auf die Siliziumscheibe 1 aufgebracht werden. In einer weiteren Variante des erfindungsgemässen Verfahrens können Abstandshalter 10, 10' sowohl auf die Siliziumscheibe 1 als auch auf das Substrat 11 aufgebracht werden. Die Herstellung von Abstandshaltern 10, 10' aus einer zusätzlichen Schicht hat den Vorteil, dass sie das Herstellen von Vertiefungen 13 im Sub¬ strat 11 erspart.The spacers 10, 10 'shown in FIG. 11 have the same function as the spacers in FIG. 9. The spacers 10, 10' in FIG. 10 were, however, simultaneously with the first method step, by applying and structuring an additional layer on the inside 2 the silicon wafer 1 manufactured. This additional layer can consist, for example, of an oxide, a metal or polycrystalline or monocrystalline silicon. Spacers 10, 10 'produced in this way can also be applied to the substrate 11 instead of to the silicon wafer 1. In a further variant of the method according to the invention, spacers 10, 10 ′ can be applied both to the silicon wafer 1 and to the substrate 11. The production of spacers 10, 10 'from an additional Layer has the advantage that it saves the production of depressions 13 in the substrate 11.
Für bestimmte Verwendungen von Mikrosensoren ist das Messen von Ände¬ rungen Δd des Abstandes d zwischen Siliziummembran 6 und Substrat 11 erwünscht. Zu diesem Zweck werden im erfindungsgemässen Verfahren vor dem dritten Verfahrensschritt Mittel zur Abstandsmessung auf die Silizium¬ scheibe 1 und/oder das Substrat 11 angebracht. Als Beispiel zeigt Fig. 12 eine Anordnung zur kapazitiven Messung von Abstandsänderungen Δd. Die Mittel zur Messung von Abstandsänderungen Δd sind Elektroden 20 auf dem Sub¬ strat 11 und Gegenelektroden 20' auf der Siliziummembran 6. Die Elektroden 20 von beliebiger Form werden auf die ebene Substratoberfläche 12 aufge¬ bracht und werden ausserhalb der Siliziummembran 6 elektrisch kontaktiert. Die Gegenelektroden 20' werden im ersten Verfahrensschritt hergestellt. Der in Fig. 12 dargestellte Mikrosensor kann beispielsweise als kapazitiver Druck¬ sensor zur Messung von Änderungen Δp des Druckes p oder als Kondensator¬ mikrofon verwendet werden. Durch geeignete Wahl der Elektrodenform kön¬ nen die Abstandsänderungen Δd(Δp) linearisiert werden. In Fig. 12 sind als Beispiel zwei Löcher 14, 14' im Substrat 11 angebracht; die Löcher ermögli¬ chen das Ausströmen der Luft aus dem Hohlraum 13 und erhöhen die Nach¬ giebigkeit der Siliziummembran 6 und verkürzen die Reaktionszeit des Druck¬ sensors.For certain uses of microsensors, it is desirable to measure changes Δd in the distance d between silicon membrane 6 and substrate 11. For this purpose, means for measuring the distance are attached to the silicon wafer 1 and / or the substrate 11 before the third method step in the method according to the invention. As an example, FIG. 12 shows an arrangement for the capacitive measurement of distance changes Δd. The means for measuring changes in distance Δd are electrodes 20 on the substrate 11 and counter electrodes 20 'on the silicon membrane 6. The electrodes 20 of any shape are applied to the flat substrate surface 12 and are electrically contacted outside the silicon membrane 6. The counter electrodes 20 'are produced in the first process step. The microsensor shown in FIG. 12 can be used, for example, as a capacitive pressure sensor for measuring changes Δp in pressure p or as a condenser microphone. The distance changes Δd (Δp) can be linearized by a suitable choice of the electrode shape. In Fig. 12, two holes 14, 14 'are made in the substrate 11 as an example; the holes allow the air to flow out of the cavity 13 and increase the flexibility of the silicon membrane 6 and shorten the reaction time of the pressure sensor.
Eine andere (zeichnerisch nicht dargestellte) Möglichkeit zur Messung von Abstandsänderungen Δd bietet der Tunneleffekt. Um diese Möglichkeit zu realisieren, wird im ersten und/oder zweiten Verfahrensschritt auf der mit den elektronischen Funktionseinheiten 3 versehenen Seite 2 der Siliziumschei- be 1 und/oder auf einer Seite 12 des Substrates 11 mindestens eine ultrafeine Spitze hergestellt. Im Betrieb wird eine elektrische Spannung zwischen der Spitze und dem gegenüberliegenden Teil (Siliziummembran 6 bzw. Substrat 11) angelegt. Der übertretende Tunnelstrom ist ein Mass für den Abstand zwischen Spitze und dem gegenüberliegenden Teil 6 bzw. 11.Another option (not shown in the drawing) for measuring distance changes Δd is provided by the tunnel effect. In order to realize this possibility, at least one ultra-fine tip is produced in the first and / or second method step on the side 2 of the silicon wafer 1 provided with the electronic functional units 3 and / or on a side 12 of the substrate 11. In operation, an electrical voltage between the Tip and the opposite part (silicon membrane 6 or substrate 11) created. The tunnel current is a measure of the distance between the tip and the opposite part 6 or 11.
Im Ausführungsbeispiel von Fig. 13 besteht das Substrat 11 nur aus Abstands¬ haltern 10 in Form von Wänden entlang den Sensorrändern 19. Das durch¬ gehende Loch 14 im Substrat 11 ist also grossflächig und befindet sich nicht nur unter den elektrischen Kontakten 17 der Siliziummembraninnenseite 2, sondern unter der ganzen Siliziummembran 6. Man kann diese Ausführungs¬ form auch als Grenzfall von Fig. 6 betrachten, in welchem die Tiefe d der Vertiefung 13 gleich der Substratdicke T ist. Die Massnahmen für diese Va¬ riante werden im zweiten Verfahrensschritt getroffen.In the exemplary embodiment of FIG. 13, the substrate 11 consists only of spacers 10 in the form of walls along the sensor edges 19. The through hole 14 in the substrate 11 is thus large and is not only located under the electrical contacts 17 on the inside of the silicon membrane 2 , but under the entire silicon membrane 6. This embodiment can also be viewed as a borderline case in FIG. 6, in which the depth d of the recess 13 is equal to the substrate thickness T. The measures for this variant are taken in the second process step.
Die Figuren 14 und 15 zeigen schliesslich als weiteres Beispiel einen erfin¬ dungsgemässen Mikrosensor, welcher als Durchflussensor verwendet wird.FIGS. 14 and 15 finally show, as a further example, a microsensor according to the invention, which is used as a flow sensor.
Figur 14 zeigt die Innenseite 2 der Siliziummembran 6 des Durchflussensors. Die Siliziummembran 6, beispielsweise aus n-leitendem Silizium, enthält im wesentlichen drei Elemente: zwei Heizwiderstände 21, 21' und eine Thermo- säule 22. Die Heizwiderstände 21 bestehen beispielsweise aus p-leitendem Silizium, die Thermosäule 22 beispielsweise aus Streifen aus p-leitendem Silizium 3.1 und Aluminium 3.2. Zum Kontaktieren dieser Elemente dienen Kontaktflächen 23 aus Aluminium. Im Sensorbetrieb soll das zu messende Fluid in der durch die Pfeile 24 angegebenen Richtung über die (nicht gezeig¬ te) Siliziummembranausenseite strömen; die Siliziummembran soll dünn sein, um eine optimale Wärmeübertragung zwischen Fluid und Siliziummembran- innenseite 2 zu gewährleisten. Der Sensor funktioniert wie folgt: Die Heizwiderstände 21, 21' werden mit gleichen Heizströmen beheizt und das Ausgangssignal der Thermosäule 22 ausgelesen. Ist der Durchfluss 24 gleich Null, so ist auch die von der Thermo¬ säule 22 gemessene Temperaturdifferenz gleich Null. Fliesst ein Fluid über die Siliziummembranaussenseite, so wird auf seinem Weg zwischen den Heiz¬ widerständen 21 und 21' ein Teil der Wärme von der Siliziummembran 6 auf das Fluid übertragen. Dadurch entsteht eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Heizwiderständen 21, 21', welche mittels des thermoelektrischen Effektes von der Thermosäule 22 gemessen wird. Der Betrag dieser Tempera- turdifferenz ist ein Mass für die Durchflussrate 24, ihr Vorzeichen gibt die Durchflussrichtung an.FIG. 14 shows the inside 2 of the silicon membrane 6 of the flow sensor. The silicon membrane 6, for example made of n-type silicon, essentially contains three elements: two heating resistors 21, 21 'and a thermopile 22. The heating resistors 21 consist, for example, of p-type silicon, the thermopile 22, for example, of strips of p- conductive silicon 3.1 and aluminum 3.2. Contact surfaces 23 made of aluminum are used to contact these elements. In sensor operation, the fluid to be measured should flow in the direction indicated by the arrows 24 over the outside of the silicon membrane (not shown); the silicon membrane should be thin in order to ensure optimal heat transfer between the fluid and the silicon membrane inside 2. The sensor works as follows: the heating resistors 21, 21 'are heated with the same heating currents and the output signal of the thermopile 22 is read out. If the flow 24 is equal to zero, the temperature difference measured by the thermopile 22 is also zero. If a fluid flows over the outside of the silicon membrane, part of the heat is transferred from the silicon membrane 6 to the fluid on its way between the heating resistors 21 and 21 '. This creates a temperature difference between the two heating resistors 21, 21 ', which is measured by the thermopile 22 by means of the thermoelectric effect. The amount of this temperature difference is a measure of the flow rate 24, its sign indicates the direction of flow.
Figur 15 zeigt die perspektivische, teilweise offengelegte Ansicht des erfin- dungsgemässen Durchflussensors. Er ist in einem Strömungskanal 25 einge¬ baut und misst beispielsweise die Durchflussrate eines Fluids durch den Ka¬ nal, dargestellt durch die Pfeile 24. Zwei Vorteile des erfindungsgemässen Durchflussensors sind aus Fig. 15 klar ersichtlich: Die Sensormembran 6 ist flächenbündig in den Strömungskanal 21 eingebaut und stört den Fluss 22 durch den Strömungskanal nicht, und gleichtzeitig ist seine Elektronik auf der Siliziummembraninnenseite 2 vor dem möglicherweise korrosiven Fluid ge¬ schützt.FIG. 15 shows the perspective, partially disclosed view of the flow sensor according to the invention. It is installed in a flow channel 25 and measures, for example, the flow rate of a fluid through the channel, represented by the arrows 24. Two advantages of the flow sensor according to the invention are clearly evident from FIG. 15: the sensor membrane 6 is flush with the flow channel 21 installed and does not disturb the flow 22 through the flow channel, and at the same time its electronics on the inside of the silicon membrane 2 are protected from the possibly corrosive fluid.
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren kann auch ein Sensor für verschiede¬ ne Grossen hergestellt werden, beispielsweise für Durchfluss und Druck. Zu diesem Zweck kann die Siliziummembran beispielsweise durch Abstandshalter 10' in mehrere Untermembranen aufgeteilt werden; jede Untermembran kann eine andere Grosse mittels eines geeigneten Wandlerprinzips messen. Auch die zur Signalverarbeitung benötigte Elektronik kann auf derselben Silizium¬ membran 6 integriert werden. Zusammengefasst dient das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung von Mikrosensoren mit je einer Sensorfläche, die teilweise durch Aussenseiten 4 mindestens einer Siliziummembran 6 gebildet ist; die Siliziummembran 6 trägt elektronische Funktionseinheiten 3, wobei zur elektrischen Verbindung der elektronischen Funktionseinheiten 3 elektrische Verbindungsmittel 8 erstellt werden. Für jeden Mikrosensor wird eine mindestens auf einer Innenseite 2 mit elektronischen Funktionseinheiten 3 versehene Siliziumscheibe 1 mit ei¬ nem Substrat 11 verbunden. Dabei ist die Innenseite 2 der Siliziumscheibe 1 gegen das Substrat 11 gewandt, und zwischen Substrat und Siliziumscheibe sind Abstandhalter 10, 10' vorgesehen derart, dass zwischen Substrat 11 und Siliziumscheibe 1 Hohlräume 13 entstehen. Die Siliziumscheibe 1 weist ent¬ weder die Dicke t einer Siliziummembran 6 auf oder ist dicker als eine Silizi¬ ummembran 6 und wird nach dem Zusammenfügen mit dem Substrat 11 auf die Siliziummembrandicke t reduziert.The method according to the invention can also be used to produce a sensor for different sizes, for example for flow and pressure. For this purpose, the silicon membrane can be divided into several sub-membranes, for example by spacers 10 '; each sub-membrane can measure a different size using a suitable transducer principle. The electronics required for signal processing can also be integrated on the same silicon membrane 6. In summary, the method according to the invention is used to manufacture microsensors, each with a sensor surface that is partially formed by outer sides 4 of at least one silicon membrane 6; the silicon membrane 6 carries electronic functional units 3, electrical connecting means 8 being created for the electrical connection of the electronic functional units 3. For each microsensor, a silicon wafer 1 provided with electronic functional units 3 on at least one inner side 2 is connected to a substrate 11. The inside 2 of the silicon wafer 1 faces the substrate 11, and spacers 10, 10 ′ are provided between the substrate and the silicon wafer in such a way that cavities 13 are formed between the substrate 11 and the silicon wafer. The silicon wafer 1 either has the thickness t of a silicon membrane 6 or is thicker than a silicon membrane 6 and is reduced to the silicon membrane thickness t after being joined to the substrate 11.
Ein durch das erfindungsgemässe Verfahren erhältlicher Mikrosensor weist eine Sensorfläche, die teilweise durch Aussenseiten mindestens einer Silizum- membran 6 gebildet ist, und elektrische Verbindungsmittel 8 auf. Die Silizi- ummembran 6 weist mindestens auf ihrer Innenseite 2 elektronische Funk¬ tionseinheiten 3 auf. Die Siliziummembran 6 ist auf einem Substrat 11 aufge¬ bracht, wobei zwischen Siliziummembran 6 und Substrat 11 Abstandhalter 10, 10' derart positioniert sind, dass sich zwischen Siliziummembran 6 und Sub¬ strat 11 Hohlräume 13 befinden.A microsensor obtainable by the method according to the invention has a sensor surface, which is partially formed by the outside of at least one silicon membrane 6, and electrical connection means 8. The silicon membrane 6 has at least on its inside 2 electronic function units 3. The silicon membrane 6 is applied to a substrate 11, spacers 10, 10 'being positioned between the silicon membrane 6 and the substrate 11 such that there are cavities 13 between the silicon membrane 6 and the substrate 11.
Ein erfindungsgemässes Sensorzwischenprodukt weist eine auf einem Substrat 11 aufgebrachte Siliziumscheibe 1 mit elektronischen Funktionseinheiten 3 mindestens auf ihrer dem Substrat 11 zugewandten Innenseite 2 und mit Hohlräumen 13 und Abstandhaltern 10, 10' zwischen Siliziumscheibe 1 und Substrat 11 auf. Die Siliziumscheibe 1 und das Substrat 11 bilden zusammen eine Mehrzahl von Mikrosensoren ohne elektrische Verbindungsmittel 8. An intermediate sensor product according to the invention has a silicon wafer 1 applied to a substrate 11 with electronic functional units 3 at least on its inside 2 facing the substrate 11 and with cavities 13 and spacers 10, 10 'between the silicon wafer 1 and the substrate 11. The silicon wafer 1 and the substrate 11 together form a plurality of microsensors without electrical connection means 8.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E PATENT CLAIMS
1. Verfahren zur Herstellung von Mikrosensoren mit je einer Sensorfläche, die teilweise durch Aussenseiten (4) mindestens einer Siliziummembran (6) gebildet ist, welche Siliziummembran (6) elektronische Funktionsein¬ heiten (3) trägt, wobei zur elektrischen Verbindung der elektronischen Funktionseinheiten (3) elektrische Verbindungsmittel (8) erstellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Mikrosensor eine mindestens auf einer Innenseite (2) mit elektronischen Funktionseinheiten (3) versehene Siliziumscheibe (1) mit einem Substrat (11) verbunden wird, wobei die Innenseite (2) der Siliziumscheibe (1) gegen das Substrat (11) gewandt ist und zwischen Substrat und Siliziumscheibe Abstandshalter (10, 10') vor¬ gesehen sind derart, dass zwischen Substrat (11) und Siliziumscheibe (1) Hohlräume (13) entstehen, und wobei die Siliziumscheibe (1) entweder die Dicke (t) einer Siliziummembran (6) aufweist oder dicker ist als eine Siliziummembran (6) und nach dem Zusammenfügen mit dem Substrat (11) auf die Siliziummembrandicke (t) reduziert wird.1. A method for producing microsensors, each with a sensor surface, which is partially formed by the outer sides (4) of at least one silicon membrane (6), which silicon membrane (6) carries electronic functional units (3), for the electrical connection of the electronic functional units ( 3) electrical connection means (8) are created, characterized in that for each microsensor a silicon disk (1) provided with electronic functional units (3) at least on one inside (2) is connected to a substrate (11), the inside (2 ) the silicon wafer (1) faces the substrate (11) and spacers (10, 10') are provided between the substrate and the silicon wafer in such a way that cavities (13) are created between the substrate (11) and the silicon wafer (1), and wherein the silicon wafer (1) either has the thickness (t) of a silicon membrane (6) or is thicker than a silicon membrane (6) and is reduced to the silicon membrane thickness (t) after being joined to the substrate (11).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Silizium¬ scheibe (1) für eine spezielle Sensorfunktion vorkonditioniert wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the silicon wafer (1) is preconditioned for a special sensor function.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ab¬ standshalter (10, 10') mit Hilfe von chemischen oder mechanischen Ab¬ tragungsverfahren aus dem Substrat (11) und/oder der Siliziumscheibe (1) herausgeformt werden. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the spacers (10, 10 ') are formed from the substrate (11) and / or the silicon wafer (1) using chemical or mechanical removal processes.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ab¬ standshalter (10, 10') durch Aufbringen und Strukturieren mindestens einer zusätzlichen Schicht auf dem Substrat (11) und/oder auf der Silizi¬ umscheibe ( 1) angebracht werden.4. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the spacers (10, 10 ') are attached by applying and structuring at least one additional layer on the substrate (11) and / or on the silicon wafer (1). .
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumscheibe (1) und das Substrat (11) durch anodisches Bonden mitander verbunden werden.5. Method according to one of claims 1-4, characterized in that the silicon wafer (1) and the substrate (11) are connected to one another by anodic bonding.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumscheibe (1) und das Substrat (11) durch ein Lötverfahren miteinander verbunden werden.6. Method according to one of claims 1-4, characterized in that the silicon wafer (1) and the substrate (11) are connected to one another by a soldering process.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Siliziumscheibe (1) durch ein Ätzverfahren reduziert wird, wobei die Dicke (t) der Siliziummembran (6) durch ein Ätzstoppverfah- ren kontrolliert wird.7. The method according to any one of claims 1-6, characterized in that the thickness of the silicon wafer (1) is reduced by an etching process, the thickness (t) of the silicon membrane (6) being controlled by an etching stop process.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Siliziumscheibe (1) durch ein mechanisches Verfahren reduziert wird.8. The method according to any one of claims 1-6, characterized in that the thickness of the silicon wafer (1) is reduced by a mechanical process.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrosensor in einer festen Baugruppe (7) untergebracht wird. 9. Method according to one of claims 1-8, characterized in that the microsensor is accommodated in a fixed assembly (7).
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als feste Bau¬ gruppe (7) ein Keramiksubstrat verwendet wird und der Mikrosensor auf dieses aufgeklebt wird.10. The method according to claim 9, characterized in that a ceramic substrate is used as the fixed assembly (7) and the microsensor is glued onto it.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Verbindungsmittel (8) mittels "Wire Bonding" angebracht werden.11. The method according to any one of claims 1-10, characterized in that the electrical connection means (8) are attached by means of “wire bonding”.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass durchgehende Löcher (14, 14') mit Hilfe von chemischen oder mechani¬ schen Abtragungsverfahren im Substrat (1) angebracht werden.12. The method according to any one of claims 1-11, characterized in that through holes (14, 14 ') are made in the substrate (1) using chemical or mechanical removal processes.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Mikrosensoren gleichzeitig hergestellt wird, indem eine Siliziumscheibe (1) mit einer Fläche, die im wesentlichen der Sum¬ me der Sensorflächen entspricht, und ein entprechendes Substrat (11) ver- wendet werden und indem die Sensoren nach dem Zusammenfügen von13. The method according to any one of claims 1-12, characterized in that a plurality of microsensors are produced simultaneously by a silicon wafer (1) with an area which essentially corresponds to the sum of the sensor areas, and a corresponding substrate (11 ) can be used and by connecting the sensors after assembling
Siliziumscheibe (1) und Substrat (11) bzw. nach dem Reduzieren der Siliziumscheibendicke voneinander getrennt werden.Silicon wafer (1) and substrate (11) are separated from each other or after reducing the silicon wafer thickness.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennen der Sensor-Zwischenprodukte (15) voneinander und von eventuellen Reststücken (16) durch Sägen erfolgt.14. The method according to claim 13, characterized in that the sensor intermediate products (15) are separated from one another and from any remaining pieces (16) by sawing.
15. Mikrosensor, erhältlich durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1-14, mit einer Sensorfläche, die teilweise durch Aussenseiten mindestens einer Silizummembran (6) gebildet ist, und mit elektrischen Verbindungs¬ mitteln (8), dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziummembran (6) mit einem Substrat (11) verbunden ist, wobei zwischen Siliziummembran (6) und Substrat ( 11) Abstandshalter (10, 10') derart positioniert sind, dass sich zwischen Siliziummembran (6) und Substrat (11) Hohlräume (13) befinden, und dass die Siliziummembran (6) mindestens auf ihrer dem Substrat (11) zugewandten Innenseite (2) elektronische Funktionseinhei¬ ten (3) aufweist.15. Microsensor, obtainable by the method according to one of claims 1-14, with a sensor surface that is partially at least through the outside a silicon membrane (6) is formed, and with electrical connecting means (8), characterized in that the silicon membrane (6) is connected to a substrate (11), with spacers (10) between the silicon membrane (6) and the substrate (11). , 10 ') are positioned in such a way that there are cavities (13) between the silicon membrane (6) and the substrate (11), and that the silicon membrane (6) has electronic functional units at least on its inside (2) facing the substrate (11). (3).
16. Mikrosensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass er in einer festen Baugruppe (7) untergebracht ist.16. Microsensor according to claim 15, characterized in that it is housed in a fixed assembly (7).
17. Mikrosensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die feste Baugruppe (7) ein Keramiksubstrat ist.17. Microsensor according to claim 16, characterized in that the fixed assembly (7) is a ceramic substrate.
18. Mikrosensor nach einem der Ansprüche 15-17, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (11) mindestens ein durchgehendes Loch (14, 14') auf¬ weist.18. Microsensor according to one of claims 15-17, characterized in that the substrate (11) has at least one through hole (14, 14 ').
19. Mikrosensor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die elek- trischen Verbindungsmittel (8) durch mindestens ein durchgehendes Loch19. Microsensor according to claim 18, characterized in that the electrical connecting means (8) through at least one through hole
(14) im Substrat (1) geführt sind.(14) are guided in the substrate (1).
20. Mikrosensor nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine durchgehende Loch (14, 14') die ganze Fläche (12) des20. Microsensor according to claim 18 or 19, characterized in that the at least one through hole (14, 14 ') covers the entire surface (12) of the
Substrates (11) mit Ausnahme der Abstandshalter (10, 10') einnimmt. 21. Mikrosensor nach einem der Ansprüche 15-20, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenseite (2) der Membran (6) Heizelemente (21, Substrate (11) with the exception of the spacers (10, 10 '). 21. Microsensor according to one of claims 15-20, characterized in that the inside (2) of the membrane (6) has heating elements (21,
21') und Temperaturmesselemente (22) aufweist.21') and temperature measuring elements (22).
22. Mikrosensor nach einem der Ansprüche 15-20, dadurch gekennzeichnet, dass er Mittel zur Messung des Abstandes zwischen der Siliziummembran (6) und dem Substrat (11) aufweist.22. Microsensor according to one of claims 15-20, characterized in that it has means for measuring the distance between the silicon membrane (6) and the substrate (11).
23. Mikrosensor nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass sich als Mittel zur kapazitiven Messung des Abstandes zwischen der Siliziummem¬ bran (6) und dem Substrat (11) mindestens eine Elektrode (20) auf dem Substrat (11) sowie mindestens eine Gegenelektrode (20') auf der Silizi¬ umscheibe (1) befinden.23. Microsensor according to claim 22, characterized in that as a means for capacitive measurement of the distance between the silicon membrane (6) and the substrate (11) there is at least one electrode (20) on the substrate (11) and at least one counter electrode ( 20') are located on the silicon wafer (1).
24. Mikrosensor nach einem der Ansprüche 15-23, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (11) aus Glas besteht.24. Microsensor according to one of claims 15-23, characterized in that the substrate (11) consists of glass.
25. Verwendung der Mikrosensoren nach einem der Ansprüche 15-24 zur Messung von Gaskonzentration, Durchfluss, Viskosität, Luftfeuchtigkeit, Druck oder Schalldruck.25. Use of the microsensors according to one of claims 15-24 for measuring gas concentration, flow, viscosity, air humidity, pressure or sound pressure.
26. Sensorzwischenprodukt des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-14, gekennzeichnet durch eine auf einem Substrat (11) aufgebrachte Silizi- umscheibe (1) mit elektronischen Funktionseinheiten (3) mindestens auf ihrer dem Substrat (11) zugewandten Innenseite (2) und mit Hohlräumen (13) und Abstandshakern (10, 10') zwischen Siliziumscheibe (1) und Sub¬ strat (11), welche Siliziumscheibe (1) und Substrat (11) zusammen eine Mehrzahl von Mikrosensoren ohne elektrische Verbindungsmittel (8) bilden. 26. Sensor intermediate product of the method according to one of claims 1-14, characterized by a silicon wafer (1) applied to a substrate (11) with electronic functional units (3) at least on its inside (2) facing the substrate (11) and with cavities (13) and spacer hooks (10, 10') between the silicon wafer (1) and substrate (11), which silicon wafer (1) and substrate (11) together form a plurality of microsensors without electrical connecting means (8).
GEÄNDERTE ANSPRÜCHECHANGED REQUIREMENTS
[beim Internationalen Büro am 07. Apri l 1997 (07.04.97) eingegangen ; ursprüngl iche Ansprüche 1 -26 durch geänderte Ansprüche 1 -25 ersetzt ( 6 Seiten) ][received by the International Bureau on April 7, 1997 (04/07/97); Original claims 1-26 replaced by amended claims 1-25 (6 pages)]
1. Verfahren zur Herstellung von Mikrosensoren mit je einer Sensorfläche, die zumindest teilweise durch eine erste Seite (4) mindestens einer Silizi¬ ummembran (6) gebildet ist, welche Siliziummembran (6) elektronische 0 Funktionseinheiten (3) trägt, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf einer zweiten Seite (2) mit elektronischen Funktionseinheiten (3) versehene Siliziumscheibe (1) mit einem Substrat (11) verbunden wird, wobei die zweite Seite (2) der Siliziumscheibe (1) gegen das Substrat (11) gewandt ist und zwischen Substrat (11) und Siliziumscheibe (1) Abstandshalter (10, 10') vorgesehen sind derart, dass zwischen Substrat (11) und Silizium¬ scheibe (1) mindestens eine wahlweise in die Messung involvierbare Kam¬ mer (13) zur Aufnahme und Kontaktierung der elektronischen Funktions¬ einheiten (3) entsteht, dass die Siliziumscheibe (1) nach dem Zusammen¬ fügen mit dem Substrat (11) von der ersten Seite (4) her auf die Silizium- membrandicke (t) reduziert wird und dass elektrische Verbindungen zu den elektronischen Funktionseinheiten (3) erstellt werden, indem die elektrischen Verbindungsmittel (8) in durchgehenden Löchern (14, 14') im Substrat (11) angebracht und in den mindestens einen Kammer (13) mit den elektronischen Funktionseinheiten (3) elektrisch kontaktiert wer- den.1. A method for producing microsensors, each with a sensor surface, which is at least partially formed by a first side (4) of at least one silicon membrane (6), which silicon membrane (6) carries electronic functional units (3), characterized in that a silicon wafer (1) provided on a second side (2) with electronic functional units (3) is connected to a substrate (11), the second side (2) of the silicon wafer (1) facing the substrate (11) and between Substrate (11) and silicon wafer (1) spacers (10, 10') are provided in such a way that between the substrate (11) and silicon wafer (1) there is at least one chamber (13) that can be optionally involved in the measurement for receiving and contacting The result of the electronic functional units (3) is that the silicon wafer (1) is reduced to the silicon membrane thickness (t) from the first side (4) after being joined to the substrate (11) and that electrical connections are made the electronic functional units (3) are created by attaching the electrical connecting means (8) in through holes (14, 14 ') in the substrate (11) and making electrical contact with the electronic functional units (3) in the at least one chamber (13). - the.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Silizium¬ scheibe ( 1) für eine spezielle Sensorfunktion vorkonditioniert wird.Method according to claim 1, characterized in that the silicon wafer (1) is preconditioned for a special sensor function.
GEÄNDERTES BLATT (AHTIKEL 19) 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ab¬ standshalter (10, 10') mit Hilfe von chemischen oder mechanischen Ab¬ tragungsverfahren aus dem Substrat (11) und/oder der Siliziumscheibe ( 1) herausgeformt werden.AMENDED SHEET (ARTICLE 19) 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the spacers (10, 10 ') are formed from the substrate (11) and / or the silicon wafer (1) using chemical or mechanical removal processes.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ab¬ standshalter (10, 10') durch Aufbringen und Strukturieren mindestens einer zusätzlichen Schicht auf dem Substrat (11) und/oder auf der Silizi- umscheibe (1) angebracht werden.4. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the spacers (10, 10 ') are attached by applying and structuring at least one additional layer on the substrate (11) and / or on the silicon wafer (1). .
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumscheibe (1) und das Substrat (11) durch anodisches Bonden mitander verbunden werden.5. Method according to one of claims 1-4, characterized in that the silicon wafer (1) and the substrate (11) are connected to one another by anodic bonding.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumscheibe (1) und das Substrat (11) durch ein Lötverfahren miteinander verbunden werden.6. Method according to one of claims 1-4, characterized in that the silicon wafer (1) and the substrate (11) are connected to one another by a soldering process.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Siliziumscheibe (1) durch ein Ätzverfahren reduziert wird, wobei die Dicke (t) der Siliziummembran (6) durch ein Ätzstoppverfah¬ ren kontrolliert wird.7. The method according to any one of claims 1-6, characterized in that the thickness of the silicon wafer (1) is reduced by an etching process, the thickness (t) of the silicon membrane (6) being controlled by an etching stop process.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Siliziumscheibe (1) durch ein mechanisches Verfahren reduziert wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrosensor in einer festen Baugruppe (7) untergebracht wvrd.8. The method according to any one of claims 1-6, characterized in that the thickness of the silicon wafer (1) is reduced by a mechanical process. Method according to one of claims 1-8, characterized in that the microsensor is accommodated in a fixed assembly (7).
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als feste Bau¬ gruppe (7) ein Keramiksubstrat verwendet wird und der Mikrosensor auf dieses aufgeklebt wirdMethod according to claim 9, characterized in that a ceramic substrate is used as the fixed assembly (7) and the microsensor is glued onto it
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Verbindungsmittel (8) mittels "Wire Bonding" angebracht werden.Method according to one of claims 1-10, characterized in that the electrical connection means (8) are attached by means of “wire bonding”.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass durchgehende Offnungen (14, 14') mit Hilfe von chemischen oder mecha¬ nischen Abtragungsverfahren im Substrat (1) angebracht werden.Method according to one of claims 1-11, characterized in that through openings (14, 14') are made in the substrate (1) using chemical or mechanical removal processes.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Mikrosensoren gleichzeitig hergestellt wird, indem eine Siliziumscheibe (1) mit einer Flache, die im wesentlichen der Sum¬ me der Sensorflachen entspricht, und ein entprechendes Substrat (11) ver- wendet werden und indem die Sensoren nach dem Reduzieren der Sihzi- umscheibendicke voneinander getrennt werden.Method according to one of claims 1-12, characterized in that a plurality of microsensors are produced simultaneously by using a silicon wafer (1) with an area that essentially corresponds to the sum of the sensor areas and a corresponding substrate (11). - and by separating the sensors from each other after reducing the thickness of the silicon pane.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennen der Sensor-Zwischenprodukte (15) voneinander und von eventuellenMethod according to claim 13, characterized in that the separation of the sensor intermediate products (15) from each other and from any
Reststucken ( 16) durch Sagen erfolgt. 15 Mikrosensor, erhaltlich durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1-14, mit einer Sensorflache, die zumindest teilweise durch eine erste Seite (4) mindestens einer Sihzummembran (6) gebildet ist, und mit elek- tπschen Verbindungsmitteln (8), dadurch gekennzeichnet, dass die Silizi¬ ummembran (6) mit einem Substrat (11) verbunden ist, wobei das Sub¬ strat (11) als Trager für die Siliziummembran (6) dient, dass die Silizium¬ membran (6) auf ihrer dem Substrat (11) zugewandten zweiten Seite (2) elektromsche Funktionseinheiten (3) aufweist, dass zwischen Silizium- membran (6) und Substrat (11) Abstandshalter (10, 10') derart angeord¬ net sind, dass zwischen Siliziummembran (6) und Substrat (11) minde¬ stens eine wahlweise in die Messung involvierbare Kammer (13) zur Aufnahme und Kontaktierung der elektronischen Funktionseinheiten (3) gebildet ist, und dass mindestens eine durchgehende Öffnung (14, 14') im Substrat (11) zur mindestens einen Kammer (13) fuhrt, wobei die elek¬ trischen Verbindungsmittel (8) durch die mindestens eine Öffnung (14, 14') hindurch geleitet und in der mindestens einen Kammer (13) mit den elektronischen Funktionseinheiten (3) elektrisch kontaktiert sind.Remaining pieces (16) are done by saying. 15 Microsensor, obtainable by the method according to one of claims 1-14, with a sensor surface which is at least partially formed by a first side (4) of at least one sealing membrane (6), and with electrical connecting means (8), characterized that the silicon membrane (6) is connected to a substrate (11), the substrate (11) serving as a support for the silicon membrane (6), that the silicon membrane (6) is on its substrate (11 ) facing the second side (2) has electromic functional units (3) that spacers (10, 10 ') are arranged between the silicon membrane (6) and substrate (11) in such a way that between the silicon membrane (6) and substrate (11 ) at least one chamber (13) that can be optionally involved in the measurement is formed for receiving and contacting the electronic functional units (3), and that at least one continuous opening (14, 14 ') in the substrate (11) to at least one chamber (13 ), whereby the electrical connecting means (8) are passed through the at least one opening (14, 14') and are electrically contacted with the electronic functional units (3) in the at least one chamber (13).
16 Mikrosensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Seite (4) der Siliziummembran (6) flach ist.16 Microsensor according to claim 15, characterized in that the first side (4) of the silicon membrane (6) is flat.
17 Mikrosensor nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass er in einer festen Baugruppe (7) untergebracht ist.17 Microsensor according to claim 15 or 16, characterized in that it is housed in a fixed assembly (7).
18. Mikrosensor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die feste Baugruppe (7) ein Keramiksubstrat ist. 19. Mikrosensor nach einem der Ansprüche 15-18, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine durchgehende Loch (14, 14') die ganze Fläche (12) des Substrates (11) mit Ausnahme der Abstandshalter (10, 10') ein¬ nimmt.18. Microsensor according to claim 17, characterized in that the fixed assembly (7) is a ceramic substrate. 19. Microsensor according to one of claims 15-18, characterized in that the at least one through hole (14, 14 ') occupies the entire surface (12) of the substrate (11) with the exception of the spacers (10, 10'). .
20. Mikrosensor nach einem der Ansprüche 15-19, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Seite (2) der Membran (6) Heizelemente (21, 21') und Temperaturmesselemente (22) aufweist.20. Microsensor according to one of claims 15-19, characterized in that the second side (2) of the membrane (6) has heating elements (21, 21 ') and temperature measuring elements (22).
21. Mikrosensor nach einem der Ansprüche 15-19, dadurch gekennzeichnet, dass er Mittel zur Messung des Abstandes zwischen der Siliziummembran (6) und dem Substrat (11) aufweist.21. Microsensor according to one of claims 15-19, characterized in that it has means for measuring the distance between the silicon membrane (6) and the substrate (11).
->-*> Mikrosensor nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass sich als Mittel zur kapazitiven Messung des Abstandes zwischen der Siliziummem¬ bran (6) und dem Substrat ( 11) mindestens eine Elektrode (20) auf dem Substrat (11) sowie mindestens eine Gegenelektrode (20') auf der Silizi¬ umscheibe ( 1) befinden.->- * > Microsensor according to claim 21, characterized in that as a means for capacitive measurement of the distance between the silicon membrane (6) and the substrate (11) there is at least one electrode (20) on the substrate (11) and at least a counter electrode (20') is located on the silicon wafer (1).
23. Mikrosensor nach einem der Ansprüche 15-22, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ( 11) aus Glas besteht.23. Microsensor according to one of claims 15-22, characterized in that the substrate (11) consists of glass.
24. Verwendung der Mikrosensoren nach einem der Ansprüche 15-23 zur Messung von Gaskonzentration, Durchfluss, Viskosität, Luftfeuchtigkeit, Druck oder Schalldruck. 25. Sensorzwischenprodukt des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-14, gekennzeichnet durch eine auf einem Substrat (11) aufgebrachte Silizi¬ umscheibe (1), wobei auf ihrer dem Substrat (11) zugewandten zweiten Seite (2) elektronische Funktionseinheiten (3) angeordnet sind, durch Kammern (13) und Abstandshalter (10, 10') zwischen Siliziumscheibe (1) und Substrat (11) und durch durchgehende Öffnungen (14, 14') im Sub¬ strat, welche in die Kammern (13) münden, so dass die Siliziumscheibe (1) und das Substrat (11) zusammen eine Mehrzahl von Mikrosensoren ohne elektrische Verbindungsmittel (8) bilden. 24. Use of the microsensors according to one of claims 15-23 for measuring gas concentration, flow, viscosity, air humidity, pressure or sound pressure. 25. Sensor intermediate product of the method according to one of claims 1-14, characterized by a silicon wafer (1) applied to a substrate (11), electronic functional units (3) being arranged on its second side (2) facing the substrate (11). are, through chambers (13) and spacers (10, 10 ') between the silicon wafer (1) and substrate (11) and through through openings (14, 14') in the substrate, which open into the chambers (13), so that the silicon wafer (1) and the substrate (11) together form a plurality of microsensors without electrical connecting means (8).
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