DE4133008A1 - Kapazitiver drucksensor und herstellungsverfahren hierzu - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Drucksensor mit einer Membranstruktur zur kapazitiven Erfassung eines Druckes sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Drucksensors.

In der JP-A-63-2 98 130 ist ein derartiger kapazitiver Drucksensor offenbart, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Hierbei ist über einem Hohlraum 43 eine Membran 45 mit einer oberen beweglichen Elektrode 44 auf eine untere stationäre Elektrode 41 aufgesetzt, die auf der Oberseite eines photoempfindlichen Glassubstrates 42 ausgebildet ist. Mit dem Hohlraum 43 steht eine Druckeinleitungsbohrung 46 in Verbindung, die in das photoempfindliche Glassubstrat 42 eingebracht ist.

In den Fig. 5A bis 5D ist desweiteren ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Drucksensors dargestellt, wie dies insbesondere in der JP-A-63-2 08 735 näher beschrieben ist. Wie in Fig. 5A dargestellt, wird auf das photoempfindliche Glassubstrat 42 eine untere Festelektrode 41 sowie ein dünner Film 47 aus pyrolytischem Material aufgebracht. Danach wird, wie in Fig. 5B dargestellt, ein Metallfilm 48 auf den dünnen Film 47 aufgesetzt. Nachdem der dünne Film 47 unter Verwendung der Metallschicht 48 als Schutzmaske auf bestimmte Außenmaße geformt wurde, wird eine weitere Metallschicht auf den Metallfilm 48 und auf die Randbereiche des photoempfindlichen Glassubstrats 42 aufgebracht, so daß die Membran 45 gebildet wird, wie dies in den Fig. 5C und 5D dargestellt ist. Anschließend wird der in Fig. 4 gezeigte Hohlraum 43 dadurch gebildet, daß das pyrolytische Material des noch verbleibenden dünnen Films 47 durch pyrolytische Zersetzung entfernt wird, so daß schließlich der Membranaufbau ausgeformt ist.

Nachteilig bei diesem Aufbau ist jedoch, daß der abgestufte bzw. stufenförmige Querschnitt der Membran 45, insbesondere hinsichtlich der gleichmäßigen Dicke, schwieriger zu kontrollieren ist, als dies bei einer nicht abgestuften Membran der Fall wäre.

Weiterhin wird bei Druckbelastung die Maximalspannung in den Stufenbereichen der Membran 45 erzeugt, so daß die mechanischen Kennwerte in den stufenförmigen Bereichen der Membran die Flexibilität und die Dauerfestigkeit der Membran stark beeinflussen. Insbesondere in der Massenproduktion variieren jedoch die mechanischen Kennwerte der Membran beträchtlich, so daß die Meßgenauigkeit und die Dauerfestigkeit eines derartigen kapazitiven Drucksensors negativ beeinflußt werden.

Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Drucksensor zu schaffen, bei dem die Meßabweichungen gering sind und der eine hohe Druckfestigkeit aufweist, sowie ein Herstellungsverfahren anzugeben, mit dem die Herstellung derartiger kapazitiver Drucksensoren mit hoher Genauigkeit und geringen Kosten möglich ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen kapazitiven Drucksensor mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 8.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert und beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1A eine Draufsicht auf einen kapazitiven Drucksensor gemäß einer ersten Ausführungsform;

Fig. 1B einen Querschnitt entlang der Schnittlinie A-A in Fig. 1A;

Fig. 2A bis 2E Querschnitte zur Darstellung des Herstellungsverfahrens für einen kapazitiven Durcksensor gemäß der Fig. 1A und 1B;

Fig. 3A eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform des kapazitiven Drucksensors;

Fig. 3B einen Querschnitt entlang der Schnittlinie B-B in Fig. 3A;

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Drucksensor gemäß dem Stand der Technik; und

Fig. 5A bis 5D ein Herstellungsverfahren für einen Drucksensor gemäß dem Stand der Technik.

Die Fig. 1A und 1B zeigen den Aufbau eines kapazitiven Drucksensors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Hierbei ist an der Oberseite eines Substrates 1 ein flacher Hohlraum 2 mit einer rechteckigen Außenform und einem U-förmigen Querschnitt vorgesehen. Der Hohlraum 2 ist von einer dünnen Membran 3 abgedeckt, wobei deren Randbereiche feststehen, der mittlere Bereich jedoch nachgiebig ist. Die Membran 3 hat einen mehrschichtigen Aufbau, wobei eine obere Elektrode 4 in Art eines Sandwiches zwischen Isolierschichten 5 eingebettet ist. Die Elektrode 4 erstreckt sich dabei etwa über den nachgiebigen Teil der Membran 3. In einer Ecke der oberen Isolierschicht 5 ist eine Öffnung 6, die bis zu der Elektrode 4 reicht, eingebracht und mit leitfähigem Material 7 ausgefüllt. Hierauf ist ein Elektrodenanschluß 8 aufgesetzt, der somit mit der Elektrode 4 in elektrischer Verbindung steht. Auf der hier rechten Seite ist in einem Eckbereich des Substrates 1 ein weiterer Elektrodenanschluß 9 vorgesehen, der mit dem Substrat 1 in elektrischer Verbindung steht. An der Unterseite des Substrates 1 ist eine Druckeinleitungsöffnung 10 vorgesehen, die mit dem Hohlraum 2 verbunden ist. Das Substrat 1 ist in der Ausführung als Metallplatte zugleich als untere Elektrode ausgebildet, die der oberen Elektrode 4 gegenüberliegt und somit zusammen mit dem Hohlraum 2 einen Kondensatoraufbau bildet. Wenn das Substrat 1 durch einen Halbleiter gebildet ist, ist eine in Strichlinien dargestellte Metallelektrode 22 auf dem Boden des Hohlraumes 2 vorgesehen, wobei dann die Metallelektrode 22 der oberen Elektrode 4 gegenüberliegt und auf nicht näher dargestellte Weise mit dem Elektrodenanschluß 9 elektrisch verbunden ist.

Wie ersichtlich, ist der Hohlraum 2 zwischen der Membran 3 und dem Substrat 1 als schmaler Spalt ausgebildet, so daß sich zusammen mit der oberen Elektrode 4 ein kompakter Kondensatoraufbau ergibt. Wenn durch die Druckeinleitungsöffnung 10 Druck eingeleitet wird, wird der mittige, flexible Teilbereich der Membran 3 in vertikaler Richtung entsprechend der Größe des eingeleiteten Druckes verformt. Aufgrund dieser Verformung wird der Druck über eine Änderung der Kapazität des vorher beschriebenen Kondensatoraufbaus erfaßt.

Die Fig. 2A bis 2E zeigen Querschnitte zur Erläuterung des Herstellungsverfahrens für einen kapazitiven Durcksensor gemäß den Fig. 1A und 1B. Wie in Fig. 2A dargestellt, werden auf die obere und untere Oberfläche eines Substrates 11, das dem Substrat 1 in den Fig. 1A und 1B entspricht, Maskenfilme 12, beispielsweise aus SiO₂ oder SiN₂ aufgebracht. Dann werden die Maskenfilme 12 durch Belichten und Ätzen in Masken 12a und 12b mit vorbestimmter Größe umgewandelt, wie dies in Fig. 2B dargestellt ist. Anschließend werden in die oberen und unteren Oberflächen des Siliziumsubstrates 11 durch Ätzen unter Verwendung der Masken 12a und 12b Vertiefungen 13a und 13b mit entsprechender Tiefe eingebracht. Anschließend wird eine Opferschicht 14 mit einer größeren Dicke als die Tiefe der Vertiefung 13a auf die gesamte Oberseite des Siliziumsubstrats 11 aufgebracht und die Oberfläche bearbeitet und poliert, so daß die Opferschicht 14 glattflächig in die Vertiefung 13a eingebettet ist, wie in Fig. 2C dargestellt. Im nächsten Schritt gemäß der Fig. 2D wird eine leitfähige Schicht als obere Elektrode 16 über der Opferschicht aufgebracht, wobei die Elektrode 16 durch ein an sich bekanntes Dünnschichtverfahren in Art eines Sandwiches zwischen einer ersten und zweiten Isolierschicht 15a und 15b eingebettet wird. In letztere wird an einer vorbestimmten Position eine Öffnung 17 eingebracht und in diese ein leitfähiges Material 18 eingesetzt. Danach wird ein Elektrodenanschluß 19, der dem Elektrodenanschluß 8 in Fig. 1B entspricht angeformt, so daß eine entsprechende Verbindung zu der oberen Elektrode 16 besteht. Auf ähnliche Weise wird ein Elektrodenanschluß 20 in einem Eckbereich des Siliziumsubstrates 11 zur Herstellung einer elektrischen Verbindung aufgebracht. Im nächsten Schritt wird die Vertiefung 13b an der Unterseite des Siliziumsubstrates 11 einem Ätzverfahren ausgesetzt, so daß eine Druckeinleitungsbohrung 10 entsteht, die bis zu der Opferschicht 14 reicht. Zudem wird diese Opferschicht 14 durch die entstandene Druckeinleitungsbohrung 10 entfernt. Hierdurch ist die in Fig. 1B dargestellte Kondensatorstruktur mit einem Hohlraum 2 zwischen dem Substrat 1 und der Membran 3 entstanden.

Durch diesen Aufbau entsteht eine Membran mit glattflächiger Oberfläche ohne jegliche Abstufungen zwischen dem feststehenden Teilbereich und dem nachgiebigen Teilbereich der Membran 3. Hierdurch ist eine einfache Herstellung möglich, die eine hohe Genauigkeit und eine Reduzierung der Baugröße erlaubt.

Die Fig. 3A und 3B zeigen eine zweite Ausführungsform eines kapazitiven Drucksensors, wobei die gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 1A und 1B gewählt sind. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten dadurch, daß hier eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen 31a und 31b als Fluiddurchlässe auf dem Substrat 11 vorgesehen sind, sowie ein Anschlag 31 auf dem Substrat 11 befestigt ist, beispielsweise durch anodisches Befestigen, wie dies in dem US-Patent 33 97 278 beschrieben ist, um einen vorbestimmten Spalt 31c zwischen dem Anschlag 31 und der Membran 3 zu bilden. Außerdem ist hier, ähnlich der Elektrode 22 in Fig. 1B, eine untere Elektrode 32 auf dem Boden des Hohlraumes 2 vorgesehen. Die untere Elektrode 32 und die obere Elektrode 4 in der Membran 3 bilden somit mit dem zwischengeschalteten Hohlraum 2 einen Kondensatoraufbau.

Hierbei werden grundsätzlich die gleichen Vorteile erreicht, wie sie im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel vorstehend beschrieben wurden. Zusätzlich wird hierbei eine Druckeinleitungsmöglichkeit von oben geschaffen, sowie die Membran 3 auf mechanischem Wege gegen eine übermäßige Verformung geschützt, so daß die Belastbarkeit des Drucksensors erhöht wird.

Bei der Umwandlung eines zu messenden Druckes in eine Kapazitätsänderung durch den kapazitiven Drucksensor sind auch Streukapazitäten, die in einen gemessenen Kapazitätswert Eingang finden zu berücksichtigen, da die sich gegenüberliegenden Elektroden mit einem Meßschaltkreis verbunden sind, wobei die Streukapazitäten der zu dem Meßschaltkreis führenden Leitungen zu der Kapazität zwischen den Elektroden addiert wird. Wenn diese kapazitive Nebenkopplung stark variiert, wird die Meßgenauigkeit des Drucksensors entsprechend negativ beeinflußt. Um diesen Einfluß auszuschalten, kann der Kapazitätsmeßschaltkreis oder Teile davon nahe dem Drucksensor auf dem Substrat 1, 11 vorgesehen sein, wobei das Substrat 1, 11 aus einem Halbleiter, z. B. einem monokristallinen Siliziumsubstrat besteht.

Da ein derartiger Aufbau die kapazitive Nebenkopplung zwischen den Elektroden und dem Kapazitätsmeßschaltkreis beträchtlich reduzieren kann, werden Abweichungen in der Streukapazität unterdrückt. Hierdurch kann die Meßgenauigkeit des Drucksensors entsprechend verbessert werden. Andererseits kann anstatt der Verbesserung der Meßgenauigkeit auch die Größe des Drucksensors weiter verringert werden. Wenn somit der Kapazitätsmeßschaltkreis ebenfalls auf dem Substrat montiert ist, kann das gesamte Druckmeßsystem deutlich in seiner Größe reduziert werden.

Im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel wurde beschrieben, daß in die Vertiefung 13a in dem Substrat 11 eine Opferschicht 14 eingebettet wurde. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf dieses Verfahren beschränkt. Beispielsweise kann als Substrat 11 ein n-Siliziumsubstrat verwendet werden, in das bereichsweise mit einer hohen Konzentration Verunreinigungen eindiffundiert werden, so daß eine Diffusionsschicht als verdeckte Schicht gebildet wird. Hierbei kann nach dem Ausformen einer Öffnung, beispielsweise der Druckeinleitungsöffnung 10 von der Unterseite des Substrates her die verdeckte Schicht erreicht werden und der Hohlraum 2 ausgebildet werden, indem die Diffusionsschicht unter Verwendung einer Ätzlösung, z. B. mit einem Teil Flußsäure, drei Teilen Salpetersäure und acht Teilen Essigsäure herausgeätzt wird. Auch die Membran 3 kann auf diese Weise hergestellt werden.

In den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen weist die Membran 3, insbesondere deren mittiger flexibler Teilbereich, keinerlei Abstufungen auf. Jedoch können beim Übergang von dem flexiblen Bereich zu dem feststehenden Bereich der Membran leichte Abstufungen oder Schrägen vorgesehen sein, wenn die Opferschicht 14 auf der Unterseite des Substrates 1 bzw. 11 geringfügig herausragt. Auch in diesem Falle wird noch eine hohe Meßgenauigkeit und Dauerfestigkeit der Membran erreicht.

Obwohl in den obigen Ausführungsbeispielen die Membran 3 eine rechteckige Außenform aufweist, kann sie auch eine vieleckige oder runde Kontur besitzen.

Der kapazitive Drucksensor gemäß der Erfindung weist somit zwischen den Kondensatorelektroden einen Hohlraum 2 auf, der in seiner Größe sehr klein gewählt werden kann. Die Membran weist Endbereiche auf, die ohne starke Abstufungen als dünne Schicht ausgebildet sind, so daß mit einem derartigen Drucksensor hohe Kapazitätsänderungen bei Druckbeaufschlagungen und eine hohe Festigkeit gegenüber Druckspitzen erreicht wird. Zudem wird eine hohe Meßgenauigkeit und Kompaktheit erzielt. Ebenso wird durch das vorgeschlagene Herstellungsverfahren die einfache Herstellung eines derartigen Drucksensors mit geringen Kosten und hoher Genauigkeit durch das beschriebene Dünnschichtverfahren erreicht.

Claims (10)

1. Kapazitiver Drucksensor mit einem Substrat (1), in das eine Druckeinleitungsöffnung (10) eingeformt ist, die mit einem Hohlraum (2) in Verbindung steht, der durch eine Membran (3) abgedeckt ist und von zwei sich gegenüberliegenden Elektroden (4, 22) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Membran (3) die zweite Elektrode (4) zwischen Isolierschichten (5) eingebettet ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (3) stufenfrei ausgebildet ist.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) durch eine Metallplatte gebildet ist, die die erste Elektrode (22) bildet.

4. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) durch ein Halbleitermaterial gebildet ist und die erste Elektrode (22) auf dem Boden des Hohlraumes (2) gebildet ist, der in dem Halbleitersubstrat (1) ausgeformt ist.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) durch ein Halbleitermaterial gebildet ist und ein Kapazitätsmeßkreis oder ein Teil davon auf das Halbleitersubstrat (1) aufgebracht ist.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß über der Membran (3) ein deckelartiger Anschlag (31) mit einem Zwischenspalt (31c) auf das Substrat (1) aufgebracht ist.

7. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Anschlag (31) Durchgangsöffnungen (31a, 31b) vorgesehen sind.

8. Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Drucksensors auf einem Substrat (1, 11), in das eine Druckeinleitungsöffnung (10) bis zu einem Hohlraum (2) eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß über dem vorgesehenen Hohlraum (2) Isolierschichten (15a, 15b) auf das Substrat (1, 11) aufgebracht werden und hierbei eine Elektrode (16) umschließen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung des vorgesehenen Hohlraumes (2) eine Vertiefung (13a) auf der Oberfläche des Substrates (1, 11) ausgeformt wird, dann in die Vertiefung (13a) eine Opferschicht (14) eingebettet wird und dann von der gegenüberliegenden Seite das Substrat (1, 11) zur Ausbildung der Druckeinleitungsöffnung (10) bis zum Erreichen der Opferschicht (14) geätzt wird, die dann durch die Druckeinleitungsöffnung (10) entfernt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des vorgesehenen Hohlraumes (2) in die Oberseite des Substrates (1, 11) eine versenkte Diffusionsschicht eingebracht wird, die nach Herausätzen der Druckeinleitungsöffnung (10) durch diese entfernt wird.