DE19743749A1 - Halbleiterdrucksensor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleitersensor für die Erfassung eines Drucks als Änderung der elektro­ statischen Kapazität und insbesondere einen komplexen Oberflächenkomponentensensor, der auf derselben Oberflä­ che eines Siliciumchips mehrere Sensoren aufweist.

Aus der JP 1-256177-A ist ein komplexer Mehrfachsensor des Piezowiderstandstyps bekannt, bei dem ein Differenz­ drucksensor, ein Sensor für statischen Druck und ein Temperatursensor auf einem einzigen Substrat ausgebildet sind und das Substrat mit seiner hinteren Oberfläche in eine Membran eingearbeitet ist.

Da bei dem herkömmlichen komplexen Mehrfachsensor das Siliciumsubstrat mit seiner hinteren Oberfläche in eine Membran eingearbeitet ist, kann die Position der Membran leicht von den auf der vorderen Oberfläche des Silicium­ substrats ausgebildeten Erfassungselementen abweichen. Die Empfindlichkeit des Sensors würde selbst dann wesent­ lich reduziert, wenn die Abweichung der relativen Positi­ on gering ist. Um dieses Problem zu vermeiden, ist eine relativ große Membran erforderlich. Der Grund hierfür besteht darin, daß eine Anordnung auf beiden Oberflächen des Siliciumwafers weniger genau ist als eine Anordnung auf nur einer Oberfläche des Siliciumwafers.

Weiterhin besteht bei dem herkömmlichen komplexen Sensor der Nachteil, daß die Herstellungskosten hoch sind, da der verwendete Siliciumwafer auf beiden Oberflächen eine Verspiegelungsendbearbeitung erfordert. Ferner besitzt der Piezowiderstandssensor den Nachteil, daß die Kennli­ nie des Sensors eine Nichtlinearität aufweist und sich daher bei einer Änderung der Umgebungstemperatur in hohem Maß verändert. Daher wird der Sensor wegen der Kennlini­ enkompensation komplex und teuer.

Aus der JP 4-143628-A sind Drucksensoren bekannt, die die elektrostatische Kapazität nutzen und jeweils einen Siliciumchip verwenden, es werden jedoch keinerlei Druck­ sensoren offenbart, bei denen Multifunktionssensorab­ schnitte auf nur einer Seite des Chips ausgebildet sind.

Aus der JP 5-187947-A sind ebenfalls Drucksensoren be­ kannt, die die elektrostatische Kapazität nutzen und jeweils einen Siliciumchip verwenden, auch hier werden jedoch keinerlei Drucksensoren offenbart, die auf nur einer Seite des Chips ausgebildete Druckerfassungsab­ schnitte besitzen.

Ferner ist ein die elektrostatische Kapazität nutzender Sensor bekannt, der eine aus einem flachen Element gebil­ dete bewegliche Elektrode, eine feste Elektrode, einen Isolierfilm und einen Träger für die Unterstützung der beweglichen Elektrode enthält, um zwischen der bewegli­ chen Elektrode und der festen Elektrode einen Spalt zu schaffen. Wenn auf die bewegliche Elektrode ein Druck ausgeübt wird, wird sie ausgelenkt, wobei die Auslenkung der beweglichen Elektrode in der Mitte maximal ist und in Richtung zum Umfang abnimmt. Daher steht die Änderung der elektrostatischen Kapazität zum Druck in einer nichtli­ nearen Beziehung, die Ausgangsfehler hervorruft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen komplexen Sensor zu schaffen, der kleine Abmessungen besitzt und billig ist, eine einfache Struktur besitzt und in einem Herstellungsverfahren hergestellt werden kann, das für die Massenproduktion geeignet ist und wirtschaftlich ist.

Der Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, einen Multifunktionsdrucksensor zu schaffen, der mehrere Senso­ ren und mehrere Signalverarbeitungsschaltungen auf einem einzigen Chip umfaßt.

Der Erfindung liegt die nochmals weitere Aufgabe zugrun­ de, einen IC-Drucksensor zu schaffen, der hochempfindlich ist und durch die Umgebungstemperatur kaum beeinflußt wird.

Der Erfindung liegt die nochmals weitere Aufgabe zugrun­ de, einen hochgradig druckbeständigen komplexen Sensor zu schaffen.

Der Erfindung liegt die nochmals weitere Aufgabe zugrun­ de, einen hochgenauen Sensor mit reduzierter Nichtlinea­ rität zu schaffen.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch Halb­ leiterdrucksensoren, die die in den unabhängigen Ansprü­ chen angegebenen Merkmale besitzen. Die abhängigen An­ sprüche sind auf zweckmäßige Ausführungsformen der Erfin­ dung gerichtet.

Das Ziel eines Halbleiterdrucksensors mit geringer Größe und niedrigen Kosten kann durch einen die elektrostati­ sche Kapazität nutzenden Sensor erreicht werden, der eine einfache Struktur besitzt und mit einem Verfahren herge­ stellt wird, bei dem auf nur einer Oberfläche eines Siliciumwafers durch eine Oberflächenkomponenten-Pro­ zeßtechnologie ein Mehrschichtfilm ausgebildet wird. Zunächst werden ein leitender Film, der als eine Sensor­ membran dient, und ein Isolierfilm (Opferfilm) ausgebil­ det, anschließend wird der Opferfilm entfernt, um einen Zwischenraum zu bilden, wobei zwischen der Membran und einer auf Seiten des Substrats des Siliciumwafers gebil­ deten festen Elektrode eine elektrostatische Kapazität gebildet wird. Um das Ziel der Massenproduktion zu errei­ chen, wird ein Siliciumwafer mit LSI-Standard-Spe­ zifikationen verwendet, anschließend werden auf einer Oberfläche des Siliciumwafers mittels Halbleiterprozessen Sensoren und Signalverarbeitungsschaltungen ausgebildet.

Das Ziel der Multifunktionalität kann durch einen Multi­ funktionsdrucksensor erreicht werden, der durch komplexes Ausbilden zweier elektrostatischer Kapazitäten zur Druck­ erfassung auf einem einzelnen Chip hergestellt wird, die eine Absolutdruckreferenz-Struktur besitzen, wobei eine der elektrostatischen Kapazitäten zur Druckerfassung als Sensor zum Messen des absoluten Drucks dient und die andere als Sensor zum Messen des Atmosphärendrucks dient, wobei durch Differenzbildung der Erfassungswerte ein Relativdrucksensor geschaffen wird.

Um das Ziel der hohen Empfindlichkeit und der Reduzierung der Temperaturauswirkung zu erreichen, wird die durch die Signalleitungsdrähte erzeugte schwebende Kapazität äu­ ßerst stark reduziert, indem die Signalverarbeitungs­ schaltungen zum Berechnen der Ausgangssignale des komple­ xen Sensors direkt neben den Sensorkapazitäten ausgebil­ det werden. Da ferner eine Referenzkapazität, die gleich­ zeitig mit den beiden die elektrostatische Kapazität nutzenden Sensoren des Absolutdrucktyps auf einer Ober­ fläche des Siliciumsubstrats nahe beieinander und in komplexer Form ausgebildet ist, einen Temperaturkoeffizi­ enten besitzt, der nahezu den gleichen Wert wie diejeni­ gen der Sensoren besitzt, ist es möglich, einen Drucksen­ sor mit geringerer Temperaturauswirkung zu erhalten, indem die Differenz der beiden Signale gebildet wird. Da sich weiterhin das Signal der Referenzkapazität bei einer Druckänderung nicht verändert, kann die Referenzkapazität selbst als Temperatursensor dienen.

Um das Ziel einer hochgradigen Druckbeständigkeit zu er­ reichen, wird auf der Substratoberfläche des Silicium­ wafers ein Mehrschichtfilm gebildet, wobei einige Mikro­ meter unterhalb der Oberflächenschicht ein Zwischenraum gebildet wird und die Membran verformt wird und mit der Substratoberfläche des Siliciumwafers in Kontakt gebracht wird, um eine übermäßige Verformung der Membran zu be­ grenzen und um ein Brechen der Membran zu verhindern, wenn ein Überlastdruck ausgeübt wird. Daher kann der Sensor Drücken widerstehen, die um mehr als das Zehnfache höher als der Meßbereich sind.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deut­ lich beim Lesen der folgenden Beschreibung zweckmäßiger Ausführungsformen, die auf die beigefügte Zeichnung Bezug nimmt; es zeigen:

Fig. 1A-C Blockschaltpläne verschiedener Ausführungs­ formen von Sensoren gemäß der Erfindung;

Fig. 2A eine Querschnittsansicht einer Ausführungs­ form eines Drucksensors gemäß der Erfindung;

Fig. 2B eine vergrößerte Ansicht eines Teils von Fig. 2A;

Fig. 3 eine Querschnittsansicht zur Erläuterung der Sensor-Anbringungsstruktur gemäß einer weite­ ren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 eine Querschnittsansicht zur Erläuterung der Sensor-Anbringungsstruktur gemäß einer noch­ mals weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5A-F Schnittansichten zur Erläuterung eines Her­ stellungsprozesses eines Sensorabschnitts ge­ mäß der Erfindung;

Fig. 6 eine Ansicht eines die elektrostatische Kapazität nutzenden Sensors, der eine Erfas­ sungskapazität gemäß einer weiteren Ausfüh­ rungsform der Erfindung enthält;

Fig. 7 eine Querschnittsansicht des Sensors nach Fig. 6, in dem die bewegliche Elektrode ver­ formt ist;

Fig. 8 eine vergrößerte Seitenansicht des Sensors nach Fig. 6;

Fig. 9 einen Graphen zur Erläuterung der Nichtlinea­ rität des die elektrostatische Kapazität nut­ zenden Sensors der Erfindung und der Nichtli­ nearität eines herkömmlichen die elektrosta­ tische Kapazität nutzenden Sensors;

Fig. 10 einen Graphen zur Erläuterung der von der parasitären Kapazität abhängigen Nichtlinea­ rität;

Fig. 11 eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Halbleiterdrucksensors;

Fig. 12 eine Querschnittsansicht des herkömmlichen Sensors, wenn die bewegliche Elektrode durch einen ausgeübten Druck verformt wird;

Fig. 13 einen Graphen zur Erläuterung der Beziehung zwischen dem Druck auf die bewegliche Elek­ trode und der Kapazitätsänderung im herkömm­ lichen Halbleiterdrucksensor;

Fig. 14 eine Querschnittsansicht eines weiteren herkömmlichen Halbleiterdrucksensors; und

Fig. 15 eine Querschnittsansicht eines weiteren her­ kömmlichen, die elektrostatische Kapazität nutzenden Sensors.

Zunächst wird ein Halbleiterdrucksensor gemäß der Erfin­ dung beschrieben.

Die auf einer Oberfläche des Halbleiterchips ausgebildete Membran ist der elektrisch leitende Film, der als beweg­ licher Film wirkt und entsprechend dem auf die Membran ausgeübten Druck bewegt wird. Der Raum, der durch Entfer­ nen des Isolierfilms (Opferfilms) gebildet wird, bildet die der Druckerfassung dienende elektrostatische Kapazi­ tät zwischen der Membran und der auf Seiten des Substrats des Wafers gebildeten festen Elektrode. Der Raum ist hermetisch abgedichtet und evakuiert und dient als Refe­ renzdruckkammer. Das heißt, daß der Raum einen die elek­ trostatische Kapazität nutzenden Drucksensor bildet, der den Druck auf der Grundlage des absoluten Drucks erfaßt. Daher wird die Membran nach unten verschoben und wird konkav, wenn sie dem Atmosphärendruck ausgesetzt ist, wobei die Membran wieder ihre flache Form annimmt, wenn sich der Lastdruck dem Druck im evakuierten Raum annä­ hert. Wenn der Lastdruck relativ zum Atmosphärendruck ein Überdruck ist, wird die Membran weiter nach unten bewegt, so daß der Spalt zwischen der Membran und der festen Elektrode kleiner wird. Wie oben beschrieben worden ist, wird die mit der festen Elektrode gebildete elektrostati­ sche Kapazität durch den Lastdruck verändert. Diese Änderung der elektrostatischen Kapazität wird unter Verwendung der Signalverarbeitungsschaltung in ein stan­ dardisiertes Ausgangssignal umgesetzt, das in einem Bereich von beispielsweise 1 V bis 5 V liegt, woraufhin der Lastdruck anhand dieses Werts erfaßt wird.

Die beiden elektrostatischen Kapazitäten für die Drucker­ fassung, die die Struktur einer Absolutdruckreferenz besitzen, sind auf einem einzelnen Chip in komplexer Weise ausgebildet, wobei eine der elektrostatischen Kapazitäten zur Druckerfassung mit dem zu messenden Druck beaufschlagt wird und als Sensor zum Messen des absoluten Drucks verwendet wird und die andere der elektrostati­ schen Kapazitäten zur Druckerfassung mit dem Atmosphären­ druck beaufschlagt wird und als Sensor zum Messen des Atmosphärendrucks verwendet wird. Durch Differenzbildung unter Verwendung der Signalverarbeitungsschaltung wird die Differenz als Relativdrucksignal ausgegeben. Durch Bilden der Differenz zwischen den beiden Druckerfassungs­ kapazitäten und der Referenzkapazität werden die Diffe­ renzen als Signale eines Absolutdrucksensors bzw. eines Atmosphärendrucksensors ausgegeben.

Unter der Oberflächenschicht ist ein Spalt mit einer Weite von mehreren Mikrometern ausgebildet, wobei die Membran verformt wird und mit der Substratoberfläche des Siliciumwafers in Kontakt gelangt, um eine übermäßige Verformung der Membran zu begrenzen und einen Bruch der Membran zu vermeiden, wenn ein Überlastdruck ausgeübt wird. Daher kann der Sensor einem Druck widerstehen, der um mehr als das Zehnfache höher als der Meßbereich ist.

Im folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.

Zunächst werden mit Bezug auf die Fig. 1A bis 1C Ausfüh­ rungsformen der Erfindung erläutert.

Fig. 1A ist ein Blockschaltplan einer Ausführungsform eines Halbleiterdrucksensors gemäß der Erfindung. In Fig. 1A enthält der Drucksensor drei Kapazitäten 11, 12 und 13 sowie eine Signalverarbeitungsschaltung 15, die in komplexer Weise auf einem Sensorsubstrat ausgebildet sind. Zwei der drei Kapazitäten sind Druckerfassungskapa­ zitäten 11, 12 für die Erfassung eines Drucks als Ände­ rung der elektrostatischen Kapazität und zum Ausgeben von Signalen, während die dritte der Kapazitäten eine Refe­ renz- oder Temperaturerfassungskapazität 13 ist, die eine Temperatur als Änderung der elektrostatischen Kapazität erfassen und ein Signal ausgeben kann. Die Signale von den Druckerfassungskapazitäten 11, 12 werden durch die Signalverarbeitungsschaltung verarbeitet, die Signalver­ stärker 151 mit einstellbaren Widerständen 152 und 153 enthält, um auf der Grundlage des Absolutdrucks von einem Anschluß 142 ein Signal aus zugeben und um von einem Anschluß 143 ein Relativdrucksignal auszugeben.

Die Temperaturerfassungskapazität 13, die wie oben er­ wähnt eine Temperatur erfassen kann, kann als Referenzka­ pazität für die Beseitigung des Einflusses der Temperatur auf die Druckerfassungskapazitäten 11 und 12 verwendet werden.

Die Druckerfassungskapazität 12 ist so konstruiert, daß sie einen zu messenden Druck als absoluten Druck erfassen kann. Aus einem Signal (Kapazitätsänderungswert) von der Druckerfassungskapazität 12 und aus einem Signal von der Referenzkapazität 13 wird durch Betätigen einer Schalt­ einrichtung 155 die Differenz zwischen diesen beiden Signalen berechnet. Die Differenz wird verarbeitet und vom Anschluß 142 als absoluter Druck ausgegeben.

Die Druckerfassungskapazität 11 ist so konstruiert, daß sie den Atmosphärendruck erfassen kann. Wenn die Ausgabe eines Relativdrucks gewünscht ist, wird die Signaldiffe­ renz zwischen der Druckerfassungskapazität 11 und der Druckerfassungskapazität 12 gebildet, indem die Schalt­ einrichtung 155 umgeschaltet wird, wobei die Differenz durch die Signalverarbeitungsschaltung verarbeitet und vom Anschluß 143 als Relativdruck ausgegeben wird.

Fig. 1B zeigt eine Abwandlung der Vorrichtung von Fig. 1A. Genauer ist hier die Schaltvorrichtung 155 so angeordnet, daß aus den Signalen von den Kapazitäten 11, 12 und 13 verschiedene Differenzen gebildet werden, nachdem die Signale durch die Signalverarbeitungsschal­ tung verarbeitet worden sind.

Falls erforderlich, kann mit der in Fig. 1C gezeigten Sensorkonstruktion ein Atmosphärendruckssignal von einem Anschluß 144 ausgegeben werden, indem die Differenz zwischen den Erfassungswerten von der Druckerfassungska­ pazität 11 und von einer Referenzkapazität 13′ berechnet wird. Ferner wird vom Anschluß 141 durch eine Signalver­ arbeitung der Kapazitätsveränderung aufgrund der Tempera­ tur der Referenzkapazität 13 ein Temperatursignal ausge­ geben, falls dies notwendig sein sollte.

In diesem Fall besitzen die beiden Druckerfassungskapazi­ täten 11, 12 und die Referenzkapazität 13 nahezu die gleiche Temperaturkennlinie, da sie auf einem einzelnen Substrat nahe beieinander und im selben Prozeß ausgebil­ det werden. Selbst wenn sich daher die Umgebungstempera­ tur ändert, können Fehler aufgrund einer Temperaturände­ rung durch Berechnen der Differenz zwischen ihnen unter Verwendung der Signalverarbeitungsschaltung kompensiert werden. Obwohl der Temperaturkoeffizient des Kapazitäts­ drucksensors der Erfindung kleiner als derjenige eines herkömmlichen Piezowiderstandsdrucksensors ist, kann die Auswirkung der Temperatur durch eine derartige Rechenver­ arbeitung weiter reduziert werden.

Fig. 1C ist eine Ausführungsform mit zwei Druckerfas­ sungskapazitäten 11, 12 und zwei Referenzkapazitäten 13, 13′. Von der Referenzkapazität 13 kann ein Temperatursi­ gnal erhalten werden, während aus der Kapazitätsdifferenz zwischen der Druckerfassungskapazität 12 und der Refe­ renzkapazität 13 ein Absolutdrucksignal erhalten werden kann und aus der Kapazitätsdifferenz zwischen der Druck­ erfassungskapazität 11 und der Druckerfassungskapazität 12 ein Relativdrucksignal erhalten werden kann und aus der Kapazitätsdifferenz zwischen der Druckerfassungskapa­ zität 11 und der Referenzkapazität 13′ ein Atmosphären­ drucksignal erhalten werden kann. Diese Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß durch die vier elektro­ statischen Kapazitäten und die Signalverarbeitungsschal­ tung 15, die auf dem einzelnen Chip gebildet sind, ein Temperatursignal, ein Absolutdrucksignal, ein Relativ­ drucksignal und ein Atmosphärendrucksignal, die von Umgebungstemperaturänderungen nicht beeinflußt sind, genau erhalten werden können.

Fig. 2A zeigt einen Sensor mit dem in Fig. 2B gezeigten Aufbau, wobei in Fig. 2B zur Vereinfachung manche Teile weggelassen worden sind. Im folgenden wird mit Bezug auf Fig. 2A, die eine Querschnittsansicht eines zusammenge­ bauten, freistehenden Sensors ist, und mit Bezug auf Fig. 2B, die eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Sensorabschnitts ist, sowie mit Bezug auf die Fig. 1A bis 1C die Konstruktion einer Ausführungsform des Sensors im einzelnen beschrieben.

Ein Sensorsubstrat 1 ist aus Silicium hergestellt und besitzt zwei Hauptflächen (eine obere Seite und eine untere Seite in Fig. 2B). Das Gehäuse 2, das aus einem Material wie etwa Kunststoff hergestellt ist, hält und umgibt das Sensorsubstrat 1. Mit dem Gehäuse 2 ist ein Signalleitungsverbinder 3 verbunden. Ein organischer Klebstoff 4 dient dazu, das Sensorsubstrat 1 luftdicht am Gehäuse 2 zu befestigen. In einem Teil des Gehäuses 2 ist ein Loch 21 ausgebildet, um den Sensor mit dem Atmosphä­ rendruck beaufschlagen zu können. Mit dem Gehäuse 2 ist an der dem Loch 21 gegenüberliegenden Seite ein Druckbe­ aufschlagungsrohr 5 vorgesehen, durch das eine Beauf­ schlagung mit dem zu messenden Druck erfolgt. Ein Verbin­ dungsdraht 7 verbindet den Sensorabschnitt mit einem Verbinder 31. In einem Zwischenraum im Gehäuse 2 ist Siliciumgel 6 eingefüllt, das das Sensorsubstrat 1 und den Verbindungsdraht 7 schützt.

Wie in Fig. 2B gezeigt ist, sind auf einem einzelnen Chip oder dem Erfassungssubstrat 1 zwei Druckerfassungskapazi­ täten 11, 12 und eine Referenzkapazität oder Tempera­ turerfassungskapazität 13 in komplexer Weise ausgebildet. Eine, 12, der Druckerfassungskapazitäten 11, 12 wird als Absolutdruck-Referenzsensor verwendet, der mit einem zu messenden Druck beaufschlagt wird, während die andere, 11, der Druckerfassungskapazitäten 11, 12 als Sensor verwendet wird, der eine Druckveränderung erfaßt, indem er mit dem Atmosphärendruck beaufschlagt wird. Ein abso­ luter Druck wird aus der Kapazitätsdifferenz zwischen der Druckerfassungskapazität 12 und der Referenzkapazität 13 erhalten. Ferner wird, wie in den Fig. 1A bis 1C gezeigt ist, durch Bilden der Differenz zwischen den Kapazitäten 11 und 12 unter Verwendung der Signalverarbeitungsschal­ tung 15 ein Relativdrucksensorausgang erhalten.

Der Aufbau des Sensorabschnitts wird im folgenden im einzelnen mit Bezug auf Fig. 2B beschrieben. Die beiden Drucksensorkapazitäten 11, 12, die jeweils eine Absolut­ druckreferenz-Struktur besitzen, in der der Druck auf der Grundlage des absoluten Drucks erfaßt wird, die Referenz­ kapazität 13 und die Signalverarbeitungsschaltung 15 sind auf dem Sensorsubstrat 1 in komplexer Weise ausgebildet. Die beiden Druckerfassungskapazitäten 11, 12 besitzen eine völlig gleiche Struktur und werden in einem Oberflä­ chenkomponentenprozeß, der später beschrieben wird, gleichzeitig ausgebildet.

Auf dem Sensorsubstrat 1 ist eine feste Elektrode 124 ausgebildet, auf der ein Ätzsperrfilm 123 ausgebildet ist, der die Weite des Zwischenraums 122 begrenzt. Von einem auf dem Sensorsubstrat ausgebildeten Isolierfilm 125 wird eine Membran 121 unterstützt, wobei zwischen dem Ätzsperrfilm 123 und der Membran 121 ein geeigneter Zwischenraum vorhanden ist. In einem in der Membran 121 ausgebildeten Loch ist eine Dichtung 126 vorgesehen, die den Zwischenraum 122 vakuumdicht abdichtet.

In dem Erfassungsabschnitt dieser Ausführungsform der Erfindung ist auf der Membran 121 eine Glasplatte 20 angebracht, auf der wiederum eine Verstärkungsplatte 50 angebracht ist. Die Glasplatte 20 und die Verstärkungs­ platte 50 besitzen Löcher 22 bzw. 52, durch die die Druckerfassungskapazität 12 mit dem zu messenden Druck beaufschlagt wird. Der zu messende Druck wird auf die Membran 121 durch das Druckbeaufschlagungsrohr 5 und durch die Löcher 52 und 22 ausgeübt.

Die Glasplatte 20 und die Verstärkungsplatte 50 besitzen ferner Löcher 23 bzw. 51, in die ein Siliciumgel gefüllt ist. Die Löcher 23 und 51 stehen mit dem Loch 21 des Gehäuses 2 in Verbindung, so daß die Membran der Drucker­ fassungskapazität 11 durch die Löcher 21, 51 und 23 mit dem Atmosphärendruck beaufschlagt wird.

Die Referenzkapazität 13 besitzt ebenfalls die gleiche Konstruktion und die gleiche Größe wie die Druckerfas­ sungskapazität 12, mit der Ausnahme, daß durch die Mem­ bran 121 und die Glasplatte 20 ein evakuierter Raum 132 definiert ist.

Eine Elektrode jedes dieser Sensoren ist an die benach­ barte Signalverarbeitungsschaltung 15 über eine minimale Strecke angeschlossen, um die schwebende Kapazität auf einen minimalen Wert zu reduzieren. Die Kapazität wird durch die Signalverarbeitungsschaltung 15 in ein standar­ disiertes Signal umgesetzt, das in einem Bereich von beispielsweise 1 V bis 5 V liegt, und an eine Kontaktan­ schlußfläche oder einen Anschluß 14 nach außen geführt. Die Signalverarbeitungsschaltung 15 ist an ihrem Umfangs­ abschnitt 127 an die Glasplatte 20 luftdicht angeklebt und vor Feuchtigkeit und Verunreinigung von außerhalb durch eine Abdichtung geschützte wobei in dem Raum 150 ein Unterdruck oder eine Trockengasumgebung vorhanden ist.

Die Referenzkapazität 13 erfaßt weder den zu messenden Druck noch den Atmosphärendruck, da der Raum 132 der Referenzkapazität 13 evakuiert ist und durch die Glasplatte 20 luftdicht verschlossen ist. Das heißt, daß die Referenzkapazität 13 eine Kapazitätsänderung nur bei einer Änderung der Umgebungstemperatur erfaßt. Daher arbeitet die Referenzkapazität 13 als eine Art Tempera­ tursensor. Die Kapazitätsänderung aufgrund der Tempera­ turänderung wird durch eine Änderung der dielektrischen Konstante des Materials, durch eine Änderung des Spalts aufgrund einer thermischen Beanspruchung und dergleichen verursacht.

Das Material des Sensorsubstrats 1 und der Verstärkungs­ platte 50 ist ein Siliciumharz, während die Glasplatte 20 aus einem Borsilikatglas mit einem Wärmeausdehnungskoef­ fizienten in der Nähe des Siliciumharzes hergestellt ist. Das Sensorsubstrat 1 und die Glasplatte 20 sowie die Verstärkungsplatte 50 und die Glasplatte 20 sind durch ein elektrostatisches Verfahren ohne Verwendung irgendei­ nes Klebstoffs aneinander befestigt.

Wie in Fig. 2A gezeigt ist, ist die Verstärkungsplatte 50 aus Siliciumharz an dem aus Kunststoff hergestellten Gehäuse 2 angeklebt und befestigt; ihre Dicke ist größer als diejenige der Glasplatte 20, um eine hohe Steifigkeit zu erzielen, damit eine irreversible thermische Beanspru­ chung aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffi­ zienten der beiden Materialien vermieden wird.

Der zu messende Druck wird über das Druckbeaufschlagungs­ rohr 5 auf die Druckerfassungskapazität 12 auf der Sensor­ platte 1 ausgeübt. Die Membran 121 der Druckerfassungska­ pazität 12 wird entsprechend dem Druck bewegt, so daß der Spalt und damit die elektrostatische Kapazität geändert werden. Durch Verarbeiten des Ausgangssignals der elek­ trostatischen Kapazität mittels der Signalverarbeitungs­ schaltung 15 wird die Kennlinienveränderung aufgrund einer Umgebungstemperaturveränderung durch Verwenden der Referenzkapazität 13 korrigiert, wobei die Änderung der elektrostatischen Kapazität in ein standardisiertes elektrisches Signal beispielsweise in einen Bereich von 1 V bis 5 V umgesetzt wird und ein zum zu messenden Druck proportionales Signal durch den Verbinder 3 nach außen ausgegeben wird.

Die Membran 111 der elektrostatischen Kapazität 11 wird durch das im Gehäuse 2 ausgebildete Loch 21 sowie durch ein Loch 51 in der Verstärkungsplatte 50 und durch ein Loch 23 in der Glasplatte 20 mit dem Atmosphärendruck beaufschlagt. Obwohl in dem Kanal, durch den die Beauf­ schlagung mit dem Atmosphärendruck erfolgt, ein Silicium­ gel 6 mit einer Viskoelastizität vorhanden ist, kann die Druckerfassungskapazität 11 den Atmosphärendruck relativ zum absoluten Druck messen, da das Siliciumgel weich genug ist, um den Druck zu übertragen.

Obwohl die obige Beschreibung für den Fall gegeben worden ist, in dem die Verarbeitungsberechnung auf Höhe der elektrostatischen Kapazität erfolgt, kann die Berechnung auch erfolgen, nachdem die Kapazitätsänderung in ein Spannungssignal umgesetzt worden ist, wie in Fig. 1B gezeigt ist. Die Wahl der Berechnungsstufe wird in Abhän­ gigkeit vom Entwurf des Sensors wie etwa der Größe der Signaländerung, des Rauschabstandes und dergleichen festgelegt.

Fig. 3 zeigt eine Anbringungsstruktur einer weiteren Ausführungsform eines Sensors der Erfindung. Die Struktur des Sensorsubstrats 1 ist die gleiche wie oben beschrie­ ben. Die Unterschiede bestehen im Gehäuse 2, in dem das Sensorsubstrat 1 angebracht ist, und in der Struktur des Signalherausführungsabschnitts. Um die sogenannte Ober­ flächenmontage zu ermöglichen, bei der die Signalheraus­ führungsleitung an ein Verdrahtungsmuster 91 auf einer Leiterplatte 9 unter Verwendung eines Lötmittels 8 ver­ bunden ist, wird das Sensorsubstrat 1 in einem Verbinder 3 mit einer plattierten Verdrahtung 31 mittels eines Klebstoffs 4 befestigt, wobei die Verdrahtung 31 und die Anschlußfläche des Sensorsubstrats 1 mit einem Verbin­ dungsdraht 7 verbunden werden. Der zu messende Druck wird über ein am Gehäuse 2 befestigtes Druckbeaufschlagungsrohr 501 auf die (in Fig. 3 nicht gezeigte) Druckerfassungska­ pazität 12 auf Absolutdruckbasis oder Referenzbasis auf dem Sensorsubstrat 1 ausgeübt, während der Atmosphären­ druck auf die (in Fig. 3 nicht gezeigte) Druckerfassungs­ kapazität 11 über den Atmosphärendruckbeaufschlagungsab­ schnitt 21 ausgeübt wird. Die (in Fig. 3 nicht gezeigte) Signalverarbeitungsschaltung 15 führt die in den Fig. 1A, 1B oder 1C beschriebene Berechnung aus und gibt ein auf den Absolutdruck bezogenes Signal sowie, falls erforder­ lich, ein zum Relativdruck proportionales Sensorsignal aus.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform eines Atmosphärendruck­ sensors gemäß der Erfindung.

In dieser Ausführungsform enthält der Atmosphärendruck­ sensor eine Druckerfassungskapazität 11 wie in der obigen Ausführungsform und eine Referenzkapazität 13. Die Refe­ renzkapazität 13 besitzt die gleiche Konstruktion wie in Fig. 2B, mit der Ausnahme, daß statt des evakuierten Raums 132 in Fig. 2B im Mittelabschnitt der Membran ein Träger 139 ausgebildet ist, so daß die Referenzkapazität durch den Atmosphärendruck nicht verändert wird. Durch Berechnen der Differenz zwischen den Signalen der den Atmosphärendruck erfassenden Druckerfassungskapazität 11 und der Referenzkapazität 13 wird ein zum Atmosphären­ druck proportionales Signal ausgegeben. Da der zu messen­ de Druck direkt auf den Sensor 1 ausgeübt wird, sind das Gehäuse 2 und das am Gehäuse 2 befestigte Druckbeauf­ schlagungsrohr 50′ nicht vorhanden, so daß die Struktur sehr einfach wird.

Nun wird mit Bezug auf die Fig. 5A bis 5F ein Prozeß zum Herstellen des in Fig. 2B gezeigten Sensorabschnitts beschrieben.

Fig. 5A zeigt einen Prozeß zum Ausbilden einer Signalver­ arbeitungsschaltung, mit dem die Signalverarbeitungs­ schaltung 15 beispielsweise unter Verwendung eines Stan­ dard-CMOS-Schaltungsherstellungsprozesses gebildet wird.

Fig. 5B zeigt einen Prozeß zum Ausbilden eines Opferfilms 122′, der später entfernt wird, wobei der Film 122′, der beispielsweise aus SiO₂ besteht, mit einer Dicke ausge­ bildet wird, die für den Entwurfswert der elektrostati­ schen Kapazität des Sensors erforderlich ist.

Fig. 5C zeigt einen Prozeß zum Ausbilden eines eine Membran 121 ergebenden Polysiliciumfilms, der entspre­ chend dem Druckmeßbereich ausgebildet wird. Durch Entfer­ nen eines Teils des Polysiliciumfilms im Umfangsabschnitt der angrenzenden Membran werden jeweils isolierende Rillen 129 gebildet. Ferner wirkt ein im Umfangsabschnitt der Membran und im Umfangsabschnitt der Signalverarbei­ tungsschaltung 15 ausgebildeter Polysiliciumfilm 127 als Klebstoff für ein später anzuklebendes Glassubstrat.

Fig. 5D zeigt einen Prozeß zum Entfernen des Opferfilms 122′ mittels Ätzung, in dem das SiO₂ durch Einleiten von Fluorsäure in Durchgangsbohrungen 1211, die jeweils in einem Teil des Polysiliciumfilms gebildet sind, um den Raum 122 zu bilden, entfernt wird. Da auf der festen Elektrode 124 im Prozeß (A) ein Si₃N₄-Film ausgebildet worden ist, wird die Elektrode 124 nicht geätzt, so daß der Raum 122, dessen Weite gleich der Dicke des Oxidfilms 122′ des Opferfilms ist, genau ausgebildet wird.

Der Durchmesser der Membran und die Weite des Raums sind durch den dicken Oxidfilm 125, der am Umfangsabschnitt ausgebildet ist, und durch den Oxidfilm 122′, der den Opferfilm bildet, bestimmt, wodurch auch die elektrosta­ tische Kapazität, d. h. die Empfindlichkeit, festgelegt sind.

Fig. 5E zeigt einen Prozeß zum Abdichten der Löcher 1211 des Polysiliciumfilms 121, in dem Dichtungen 126 durch Ausbilden von Filmen aus Polysilicium und aus SiO₂ und durch Entfernen unnötiger Abschnitte gebildet werden.

Fig. 5F zeigt einen Prozeß zum Ausbilden von Schaltungen 15 und von Aluminiumanschlüssen 14 der Kontaktierungsflä­ chen.

Gemäß der Erfindung ist es möglich, einen Drucksensor mit geringer Temperaturauswirkung, hoher Empfindlichkeit, geringen Abmessungen und niedrigen Kosten zu schaffen, indem ein Absolutdrucksensor, ein Relativdrucksensor und ein Atmosphärendrucksensor in komplexer Weise auf einem einzelnen Chip gebildet werden.

Wenn ferner ein Überlastdruck, der den Meßbereich über­ steigt, auf die Membran ausgeübt wird, wird die Membran gemäß der Erfindung über den Zwischenraum hinweg ver­ formt, jedoch mit der Substratoberfläche in Kontakt gebracht, wodurch eine übermäßige Verformung begrenzt ist. Daher kann der Sensor einem Druck widerstehen, der um mehr als das zehnfache den Meßbereich übersteigt.

Im folgenden wird mit Bezug auf die Fig. 6 bis 10 eine weitere Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Vor der Beschreibung dieser Ausführungsform wird jedoch mit Bezug auf die Fig. 11 bis 15 ein herkömmlicher Halblei­ terdrucksensor beschrieben.

In Fig. 11 ist ein Beispiel eines herkömmlichen Halblei­ terdrucksensors gezeigt. Der Sensor enthält eine bewegli­ che Elektrode 201 mit einem Radius (a) und einer gleich­ mäßigen Dicke (h), einen Träger 202 für die Unterstützung der beweglichen Elektrode 201, so daß ein Spalt 205 mit einer Weite (d) geschaffen wird, eine in oder auf einem Substrat 206 angeordnete feste Elektrode 203 sowie einen Isolierfilm 204. Wenn auf den Sensor ein Druck ausgeübt wird, verformt sich die bewegliche Elektrode 201 in Richtung zur festen Elektrode 203, wodurch die elektro­ statische Kapazität dazwischen geändert wird. Durch Erfassen der Änderung kann der Druck erfaßt werden. Hierbei bildet der Umfang der beweglichen Elektrode 201 ein festes Ende, das nicht verformt wird, während der Mittelabschnitt ein freies Ende bildet, das verformt wird. Daher wird die bewegliche Elektrode 201 wie in Fig. 12 gezeigt gebogen. Es sei die Verschiebung des Mittelabschnitts der beweglichen Elektrode 201 gegeben durch δ, die elektrostatische Kapazität zwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode bei einer Verschiebung δ = 0 sei gegeben durch C₀ und eine spezifi­ sche Verschiebung sei gegeben durch α (= δ/d); dann kann die elektrostatische Kapazität C(δ) durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt werden:

Da die elektrostatische Kapazität C(δ) in bezug auf die Verschiebung δ oder α wie durch Gleichung (1) gezeigt nichtlinear ist, ist auch die elektrostatische Kapazität C(δ) in bezug auf den Druck nichtlinear, wie in Fig. 13 gezeigt ist. Diese Nichtlinearität stellt ein Faktor dar, der einen Ausgangsfehler hervorruft. Da andererseits der Sensor eine Struktur besitzt, bei der der Träger 202 zwischen die Elektroden 201, 203, eingefügt ist, wird in diesem Abschnitt eine parasitäre Kapazität erzeugt. Diese parasitäre Kapazität erhöht die Nichtlinearität weiter und senkt gleichzeitig die Empfindlichkeit des Sensors ab.

Die nun beschriebene Ausführungsform der Erfindung, die sich auf einen die elektrostatische Kapazität nutzenden Sensor bezieht, löst das obenbeschriebene Problem.

In Fig. 6 enthält der Sensor eine feste Elektrode 1240, die innerhalb eines Substrats oder auf dem Substrat angeordnet ist, ein bewegliche Elektrode 1210, die der festen Elektrode 1240 gegenüberliegt und an ihrem Umfang durch einen Träger 1250 unterstützt ist und durch Aufnah­ me einer äußeren Kraft verformt wird, sowie eine Signal­ verarbeitungseinrichtung (in Fig. 6 nicht gezeigt, jedoch in den in den Fig. 1A bis 1C gezeigten Signalverarbei­ tungsschaltungen enthalten) zum Berechnen des Kehrwerts der elektrostatischen Kapazität.

Die bewegliche Elektrode 1210 besitzt einen Verschie­ bungsabschnitt, der aus einem Mittelabschnitt 1210A und aus einem Umfangsabschnitt gebildet ist, der stärker als der Mittelabschnitt verformbar ist. Der Mittelabschnitt 1210A besitzt eine größere Elastizität oder eine größere Dicke im Vergleich zum Empfangsabschnitt, ferner besitzt die feste Elektrode 1240 Abmessungen, die einen Bereich des hochelastischen Mittelabschnitts 1210A der bewegli­ chen Elektrode 1210 mit Ausnahme eines Elektrodenlei­ tungsabschnitts nicht übersteigen, wenn die feste Elek­ trode aus einer Richtung senkrecht zur beweglichen Elek­ trode betrachtet wird.

Durch Ausbilden des Mittelabschnitts 1210A in der Weise, daß er eine höhere Elastizität oder eine größere Dicke im Vergleich zum Umfangsabschnitt besitzt, wird eine Verfor­ mung des Mittelabschnitts unterdrückt, wenn auf ihn ein Druck ausgeübt wird, so daß er flach bleibt und nicht beansprucht wird. Daher wird die bewegliche Elektrode 1210 parallel an die feste Elektrode 1240 angenähert und von dieser entfernt. Andererseits verändert sich die elektrostatische Kapazität durch Begrenzung der Abmessun­ gen der festen Elektrode 1240 auf den flachen Abschnitt 1210A der beweglichen Elektrode 1210 gemäß der folgenden Gleichung 2. Durch Berechnen des Kehrwerts der elektro­ statischen Kapazität kann ein Ausgangssignal in bezug auf δ der beweglichen Elektrode 1210 linear gemacht werden, wie durch die folgende Gleichung 3 ausgedrückt wird:

Indem die Größe der elektrostatischen Kapazität der parallelen Komponente zum Sensorabschnitt der parasitären elektrostatischen Kapazität, die im Umfangsbereich des Sensors erzeugt wird, nicht größer als die Basiskapazität des Sensorabschnitts ausgebildet wird, kann ein hochge­ nauer, die elektrostatische Kapazität nutzender Sensor geschaffen werden.

Die bewegliche Elektrode 1210 besitzt einen Abschnitt 1210A mit höherer Elastizität oder einen Abschnitt mit größerer Dicke, der im Mittelabschnitt angeordnet ist. Der Abschnitt mit höherer Elastizität wird durch Abschei­ den von polykristallinem Silicium oder SiC aus der Dampf­ phase oder durch Verdicken mit einem Ausgangsmaterial der Elektrode selbst hergestellt. Durch Ausbilden in einem Verfahren zur chemischen Abscheidung aus der Dampfphase oder in einem Verfahren des Gasphasen-Epitaxiewachstums und durch anschließendes Formen mittels Ätzung kann die bewegliche Elektrode 1210 in gewünschter Form hergestellt werden, ohne daß durch die Eigenschaften des verwendeten Materials Beschränkungen bestehen. Durch ein herkömmli­ ches Herstellungsverfahren des anisotropen Ätzens eines Siliciumeinkristalls kann für die bewegliche Elektrode mit Ausnahme einer quadratischen Form nur schwer die gewünschte Form gebildet werden. Ferner besteht die Schwierigkeit, ihre Dicke und ihre Fläche unabhängig zu bestimmen, da zwischen ihnen eine Korrelation vorhanden ist. Andererseits ist zweckmäßig die Fläche des Mittelab­ schnitts 1210A der beweglichen Elektrode größer als 15% und kleiner als 70% der Gesamtverschiebungsfläche der beweglichen Elektrode und macht zweckmäßig ungefähr 70% aus. Die annehmbare Ebenenform der beweglichen Elektrode kann entweder quadratisch, kreisförmig oder polygonartig sein.

Die feste Elektrode 1240 ist in der Weise begrenzt, daß ihre Abmessungen nicht größer als ein Bereich des hoch­ elastischen Mittelabschnitts mit Ausnahme des Elektroden­ leitungsabschnitts ist, wenn sie aus einer zur bewegli­ chen Elektrode senkrechten Richtung betrachtet wird. Die Form der festen Elektrode entspricht der Form des hoch­ elastischen Mittelabschnitts der beweglichen Elektrode. Durch Anwenden dieser Begrenzung auf die feste Elektrode 1240 ist es möglich, daß die Änderung der elektrostati­ schen Kapazität der obigen Gleichung (1) getreuer folgt. Der Träger 1250 kann einen beliebigen elektrischen Leit­ fähigkeitswert besitzen, da auf der festen Elektrode 1240 der Isolierfilm 1211 vorhanden ist. Zweckmäßig ist jedoch der Träger 1250 aus einem Isolator hergestellt, um die parasitäre Kapazität auf einen kleinen Wert zu drücken, wie später beschrieben wird.

Fig. 7 zeigt den Zustand des Sensors, wenn die bewegliche Elektrode 1210 verschoben ist. Ein Bereich A ist ein Mittelbereich, der selbst dann eben bleibt, wenn er durch den hochelastischen Mittelabschnitt 1210A der beweglichen Elektrode 1210 verschoben worden ist, wobei die bewegli­ che Elektrode 1210 parallel zur festen Elektrode 1240 an diese angenähert und von dieser entfernt wird. Durch Begrenzen des Bereichs der festen Elektrode 1240 auf diesen Bereich, kann eine Auswirkung des verformten Abschnitts B der beweglichen Elektrode 1210, die eine Nichtlinearität erzeugt, reduziert werden.

Der Sensor dieser Ausführungsform ist ein kreisförmiger Drucksensor, der auf einem Siliciumwafer ausgebildet ist, wobei der Druck bei Vollausschlag einen Wert von 1 kPa besitzt und bei dem die bewegliche Elektrode 1210 aus polykristallinem Silicium hergestellt ist, wobei der Radius (a) der beweglichen Elektrode 1210 85 µm beträgt, die Dicke (h) der beweglichen Elektrode 1210 5 µm beträgt und der Abstand (d) zwischen der beweglichen Elektrode 1210 und der festen Elektrode 1240 0,5 µm beträgt. Die Kapazität bei nicht verschobener beweglicher Elektrode 1240 (Basiskapazität C₀) beträgt 0,486 pF. Der Radius des elastischen Mittelabschnitts 1210A der beweglichen Elek­ trode beträgt 68 µm.

Fig. 9 zeigt die Nichtlinearität 220 des Sensors von Fig. 8 gemäß der Erfindung und die Nichtlinearität 221 des herkömmlichen Sensors von Fig. 14. Die maximale Nichtlinearität des herkömmlichen Sensors beträgt bei einem Druck von 0,505 kPa 0,57%, während die maximale Nichtlinearität des Sensors der Erfindung bei einem Druck von 0,501 kPa 0,12% beträgt. Daher kann bei Verwendung des Sensors der Erfindung die Nichtlinearität auf weniger als ein Fünftel derjenigen des herkömmlichen Sensors reduziert werden.

Durch Begrenzen der festen Elektrode 1240 in der Weise, daß ihre Abmessungen nicht größer als der Bereich des hochelastischen Mittelabschnitts mit Ausnahme des Elek­ trodenleitungsabschnitts bei Betrachtung aus einer Rich­ tung senkrecht zur beweglichen Elektrode 1210 ist, kann die parallele Komponente der parasitären Kapazität redu­ ziert werden. Die parallele parasitäre Kapazität Cp senkt die Intensität des Sensorsignals ab, wodurch die Empfind­ lichkeit reduziert wird. Da in der Struktur des in Fig. 15 gezeigten herkömmlichen Sensors die feste Elek­ trode 203 auch unter dem Träger 202 vorhanden ist, wird im Unterstützungsabschnitt eine parallele parasitäre Kapazität erzeugt. Der Träger ist aus Siliciumdioxid hergestellt und besitzt eine Weite 207 von 50 µm und eine Dicke 208 von 0,5 µm, so daß die parasitäre Kapazität Cp den Wert 2,33 pF besitzt, was äquivalent zu 478% der Basiskapazität des Sensors ist. Andererseits wird in dem Sensor der Erfindung die parallele parasitäre Kapazität nur in einem Abschnitt 1243 erzeugt, in dem der Unter­ stützungsabschnitt mit dem Leitungsdrahtabschnitt der festen Elektrode überlappt, wie in Fig. 6 gezeigt ist. Die Breite des Leitungsdrahts 231 beträgt 2 µm und die Breite 232 des Unterstützungskörpers beträgt 50 µm, so daß die erzeugte parasitäre Kapazität Cp auf 6,7 fF reduziert werden kann, was äquivalent ist zu 1,4% der Sensor-Basiskapazität C₀.

Fig. 10 zeigt die Änderung der Nichtlinearität NL in bezug auf die parallele parasitäre Kapazität Cp/C₀ = 0,7 bei der spezifischen Verschiebung δ/d der beweglichen Elektrode. NL(C) gibt die Nichtlinearität an, wenn die Kehrwertverarbeitung nicht ausgeführt wird. NL(1/C) gibt die Nichtlinearität an, wenn die Kehrwertverarbeitung ausgeführt wird. Es ist deutlich, daß die parasitäre Kapazität durch Ausführen der Kehrwertverarbeitung redu­ ziert wird, so daß die Nichtlinearität reduziert und eine hohe Genauigkeit enthalten werden können. In einem Be­ reich der spezifischen parallelen Kapazität Cp/C₀ unter­ halb von 1 wird die Nichtlinearität kleiner als 10%, ferner kann eine hohe Genauigkeit erhalten werden.

Die Erfindung ist hinsichtlich der auf den Sensor wirken­ den äußeren Kraft nicht auf einen Druck eingeschränkt, sondern kann auf irgendwelche äußeren Kräfte angewendet werden, die die bewegliche Elektrode verschieben.

Wie oben beschrieben worden ist, kann die Erfindung einen hochgenauen, die elektrostatische Kapazität nutzenden Sensor mit reduzierter Ausgangsnichtlinearität schaffen, bei dem die bewegliche Elektrode aus einem Mittelab­ schnitt und aus einem Umfangsabschnitt gebildet ist, wobei der Mittelabschnitt eine größere Elastizität oder eine größere Dicke als der Umfangsabschnitt besitzt und die feste Elektrode Abmessungen besitzt, die nicht größer als ein Bereich des hochelastischen Mittelabschnitts der beweglichen Elektrode mit Ausnahme des Elektrodenlei­ tungsabschnitts ist, wenn die feste Elektrode aus einer zur beweglichen Elektrode senkrechten Richtung betrachtet wird. Ferner ist die Größe der elektrostatischen Kapazi­ tät der zum Sensorabschnitt parallelen Komponente einer am Umfang des Sensors erzeugten parasitären elektrostati­ schen Kapazität nicht größer als die Basiskapazität des Sensorabschnitts.

Claims (16)

1. Halbleiterdrucksensor, der die elektrostatische Kapazität nutzt, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer von zwei gegenüberliegenden Seiten eines Siliciumchips (1) mehrere elektrostatische Kapazi­ täten (11, 12) zur Druckerfassung und eine elektrostati­ sche Referenzkapazität (13, 13′) ausgebildet sind.

2. Halbleiterdrucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf derselben Seite wie die mehreren Kapazitäten (11, 12, 13, 13′) eine Signalverarbeitungsschaltung (15) für die Verarbeitung von Signalen von den elektrostati­ schen Kapazitäten (11, 12) zur Druckerfassung und von der elektrostatischen Referenzkapazität (13, 13′) ausgebildet ist.

3. Halbleiterdrucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus einer Veränderung der Kapazität einer ersten (12) der elektrostatischen Kapazitäten (11, 12) zur Druckerfassung ein absoluter Druck erfaßt wird, aus einer Veränderung der Kapazität einer zweiten (11) der elektrostatischen Kapazitäten (11, 12) zur Druckerfassung ein Atmosphärendruck erfaßt wird und aus einer Veränderung der Kapazität der Referenz­ kapazität (13) eine Temperatur erfaßt wird.

4. Halbleiterdrucksensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus einer Differenz zwischen der Veränderung der Kapazität der ersten elektrostatischen Kapazität (12) zur Druckerfassung und der Veränderung der Kapazität der zweiten elektrostatischen Kapazität (11) zur Druckerfas­ sung ein auf den Atmosphärendruck bezogener relativer Druck erfaßt wird.

5. Halbleiterdrucksensor nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet durch
eine als bewegliche Elektrode wirkende Membran (121), die als Antwort auf einen ausgeübten Druck bewegt wird,
eine gegenüber der Membran (121) ausgebildete feste Elektrode (124), wobei zwischen der Membran (121) und der festen Elektrode (124), die von der Membran (121) isoliert ist, ein Zwischenraum (122) gebildet ist und die Membran (121) und die feste Elektrode (124) eine elektro­ statische Kapazität bilden, und
einen Film (127), der am Umfang der an ein Substrat (20) zu klebenden Membran (121) ausgebildet ist, wobei das Substrat (20) ein Druckbeaufschlagungsloch (22) besitzt und luftdicht mit dem Film (127) verklebt wird.

6. Halbleiterdrucksensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Klebefilm (127) aus einem elektrisch leiten­ den Material gebildet ist und entweder über einen Film oder über das aus Glas hergestellte Substrat (20) an eine Verstärkungsplatte (50) aus Silicium elektrostatisch geklebt ist.

7. Halbleiterdrucksensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (121) der beweglichen Elektrode von der äußeren Umgebung durch einen luftdichten Raum (132) getrennt ist, der zwischen dem Klebefilm (127) und entwe­ der dem Film oder dem aus Glas hergestellten Substrat (20) ausgebildet ist.

8. Halbleiterdrucksensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungsschaltungen (15) auf der Hauptseite oder derselben Seite des Siliciumchips (1) ausgebildet sind, auf der die mehreren Kapazitäten (11, 12, 13) ausgebildet sind, und mittels eines elektrisch leitenden Klebefilms (127), der am Umfang der Signalver­ arbeitungsschaltung (15) ausgebildet ist, entweder an einen Glasfilm (20) oder an ein Glassubstrat (20) luft­ dicht und elektrostatisch geklebt sind.

9. Halbleiterdrucksensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderungen der elektrostatischen Kapazität der beiden auf derselben Seite des Siliciumchips (1) ausgebildeten Sensoren in Spannungssignale umgesetzt werden, wobei der relative Druck in bezug auf den Atmo­ sphärendruck aus der Differenz zwischen den Spannungs­ signalen erfaßt wird.

10. Halbleiterdrucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzkapazität auf derselben Hauptseite des Siliciumchips (1) ein Temperatursensor (13) ist.

11. Halbleiterdrucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der elektrostatischen Kapazitäten zur Druck­ erfassung enthält:
eine feste Elektrode (1240) auf einem Substrat (1), und
eine bewegliche Elektrode (1210), die gegenüber der festen Elektrode (1240) angeordnet und von einem Träger (1250) am Umfang unterstützt ist,
wobei die bewegliche Elektrode (1210) einen Verschiebungsabschnitt besitzt, der aus einem Mittelab­ schnitt (1210A) und einem Umfangsabschnitt, der verform­ barer als der Mittelabschnitt (1210A) ist, gebildet ist, wobei die feste Elektrode (1240) nicht größer als ein Bereich des Mittelabschnitts (1210A) der beweglichen Elektrode (1210) ist.

12. Halbleiterdrucksensor des die elektrostatische Kapazität nutzenden Typs, gekennzeichnet durch
eine feste Elektrode (1240) auf einem Substrat (1), und
eine bewegliche Elektrode (1210), die gegenüber der festen Elektrode (1240) angeordnet und von einem Träger (1250) am Umfang unterstützt ist,
wobei die bewegliche Elektrode (1210) einen Verschiebungsabschnitt besitzt, der aus einem Mittelab­ schnitt (1210A) und einem Umfangsabschnitt, der verform­ barer als der Mittelabschnitt (1210A) ist, gebildet ist, wobei die feste Elektrode (1240) nicht größer als ein Bereich des Mittelabschnitts (1210A) der beweglichen Elektrode (1210) ist.

13. Sensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Signalverarbeitungsschaltung (15) vorgesehen ist, die den Kehrwert der elektrostatischen Kapazität berechnet und
der Mittelabschnitt (1210A) der beweglichen Elektrode (1210) eine größere Elastizität oder eine größere Dicke als der Umfangsabschnitt besitzt.

14. Sensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelabschnitt (1210A) der beweglichen Elektrode (1210) in einem Verfahren der chemischen Ab­ scheidung aus der Dampfphase oder in einem Verfahren des Gasphasen-Epitaxiewachstums gebildet wird und dann durch Ätzen geformt wird.

15. Sensor des die elektrostatische Kapazität nutzen­ den Typs, mit
einer festen Elektrode (1240) auf einem Substrat (1) und
einer beweglichen Elektrode (1210), die durch Aufnahme einer äußeren Kraft verformt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der elektrostatischen Kapazität der zum Sensorabschnitt parallelen Komponente einer parasitären elektrostatischen Kapazität, die am Umfang des Sensors erzeugt wird, nicht größer als eine Basiskapazität (C₀) des Sensorabschnitts ist.

16. Sensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß
die bewegliche Elektrode (1210) einen Verschie­ bungsabschnitt besitzt, der aus einem Mittelabschnitt (1210A) und einem Umfangsabschnitt gebildet ist, der verformbarer als der Mittelabschnitt (1210A) ist, und
die feste Elektrode (1240) Abmessungen besitzt, die nicht größer als ein Bereich des Mittelabschnitts (1210A) der beweglichen Elektrode (1210) sind.