DE4133009C2 - Kapazitiver Drucksensor und Herstellungsverfahren hierzu - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Drucksensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie Verfahren zur Herstellung eines derartigen Drucksensors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 11 bzw. 12. Ein derartiger Drucksensor sowie derartige Verfahren ergeben sich aus dem Inhalt der älteren europäischen Patentanmeldung Nr. 90312954.2 (vgl. EP 0430676 A2).

Aus der JP-A-63-3 05 229 ist z. B. ein Drucksensor bekannt, der in Fig. 8 dargestellt ist. Der dort gezeigte Kondensatoraufbau für einen Druckwandler ist gebildet durch eine Trägerplatte 53 mit einer auf eine Siliziumschicht 51 aufgeklebten Glasschicht 52, einer ersten Kondensatorplatte 54 und zweiten Kondensatorplatten 55a und 55b auf der Oberseite der Trägerplatte 53, einer Membran 57 mit Hohlräumen 56a und 56b an ihrer oberen und unteren Oberfläche, einer Siliziumschicht 59 mit einer an ihrer unteren Oberfläche aufgeklebten Glasschicht 58 und einer Druckeinleitungsbohrung 60, die sich durch die Glasschicht 58 und die Siliziumschicht 59 hindurcherstreckt.

Da dieser herkömmliche kapazitive Drucksensor eine viellagige Struktur mit einer Vielzahl von aufeinandergeklebten Silizium- und Glasschichten aufweist, ist die Anzahl der Bauteile groß, und die Dicke der Membran und der Hohlräume kann in der Praxis nur auf einen µm reduziert werden. Durch die Größenreduzierung des Sensors ergibt sich jedoch auch eine Reduzierung der Kapazität und der Druckempfindlichkeit.

Desweiteren ist aus der JP-A-63-2 98 130 ein anderer Sensortyp, ein sog. Dünnfilmmembran-Drucksensor bekannt. Wie in Fig. 9 im Querschnitt dargestellt ist, wird hierbei eine Membranstruktur dadurch erreicht, daß eine obere nachgiebige Elektrode 64 und eine Metallmembran 65 auf einem photoempfindlichen Glassubstrat 62 gebildet werden, auf dem eine untere Festelektrode 61 geformt ist, wobei eine Druckeinleitungsbohrung 66 in dem photoempfindlichen Substrat 62 mit einem Hohlraum 63 in Verbindung steht. Durch diesen Aufbau kann die Dicke der Membran 65 und der Spaltabstand des Hohlraumes 63 bis unter den Mikrometerbereich reduziert werden. Hierdurch ist dieser Aufbau sehr vorteilhaft, um die Sensorgröße zu reduzieren.

Von einem Drucksensor wird i. a. verlangt, daß er eine hohe Überdruckfestigkeit neben einer guten Umwandlungsfähigkeit eines Druckes in ein elektrisches Signal aufweist. Z. B. sollte ein Drucksensor sowohl gegen positiven als auch negativen Überdruck geschützt sein. Aus diesem Grunde ist bei dem vorstehend beschriebenen herkömmlichen Drucksensor eine Schutzfunktion gegen übermäßigen Druck vorgesehen, der in die Richtung wirkt, die den Hohlraum zu verringern sucht. Da jedoch keine derartige Überlastsicherung in Gegenrichtung vorhanden ist, ist ein zusätzlicher Anschlag erforderlich. In dem oben beschriebenen Drucksensor wird jedoch bei der Größenreduzierung des Sensors der Bewegungsspielraum der Membran sehr eng. Hierdurch ist die geforderte Toleranz zur Befestigung des Anschlages sehr klein. Eine solche kleine Fertigungstoleranz hat damit zur Folge, daß es schwierig ist, einen kompakten Drucksensor zu realisieren.

In der eingangs erwähnten EP-O 430 676 A2 ist ein kapazitiver Drucksensor sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung offenbart. Dieser kapazitive Drucksensor besteht aus einem Substrat, das an der unteren Seite einen ersten Hohlraum aufweist, einer ersten Membran, die eine erste filmartige Elektrode einschließt und den ersten Hohlraum abdeckt, und einer zweiten Membran, die eine zweite filmartige Elektrode aufweist und einen zweiten zwischen der ersten und zweiten Membran ausgebildeten Hohlraum abdeckt. Das Substrat ist z. B. mit dem Stutzen eines Gasraumes oder dergleichen gekoppelt, wobei eine im Stutzen vorgesehene Druckeinleitungsöffnung in den ersten Hohlraum des Substrats mündet. Die erste Membran wird durch Verdünnung des Substratmaterials hergestellt.

Aus der US 4,332,000 ist ein kapazitiver Drucksensor bekannt, bei dem die bewegliche Elektrode in dem Substrat ausgebildet ist. Da die beiden Elektroden nicht von Dünnschichten umgeben sind und zwischen den beiden Elektroden eine epitaxiale Schicht, die keine Isolierschicht darstellt, vorliegt, treten Störkapazitäten auf, die die Meßgenauigkeit negativ beeinflussen.

Aus der DE 30 09 811 A1 ist ferner eine Druckmeßdose bekannt, bei der eine Membran mit einer zentralen Wölbung auf einem Substrat angeordnet ist. Diese Membran wird in Dickfilmtechnik hergestellt. Der zwischen dem gewölbten Teil der Membran und dem Substrat ausgebildeten Hohlraum steht über eine im Substrat vorgesehene Druckeinleitungsöffnung mit einem Gasraum in Verbindung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Drucksensor mit geringen Größenabmessungen und hoher Empfindlichkeit zu schaffen, sowie Verfahren hierzu anzugeben die eine einfache Herstellung bei hoher Genauigkeit und geringen Kosten ermöglichen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen kapazitiven Drucksensor mit den Merkmalen des Patentanspruches 1, bzw. durch Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Drucksensors gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 11 bzw. 12.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

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

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

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

Fig. 2A bis 2I Querschnitte zur Darstellung der Schritte des Herstellungsverfahrens für den kapazitiven Drucksensor der Fig. 1A und 1B;

Fig. 3 bis 5 Querschnitte weiterer Ausführungsformen des Sensors;

Fig. 6A eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform des Sensors;

Fig. 6B einen Querschnitt entlang der Linie B-B in Fig. 6A;

Fig. 7A eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform des Sensors;

Fig. 7B einen Querschnitt entlang der Linie C-C in Fig. 7A; und

Fig. 8 und 9 Querschnitte durch kapazitive Drucksensoren gemäß dem Stand der Technik.

Die Fig. 1A und 1B zeigen den Aufbau eines kapazitiven Drucksensors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. In der Mitte der Oberfläche eines Substrates 1 ist ein Spalt als erster flacher Hohlraum 2 mit rechteckiger Form und einem U-förmigen Querschnitt ausgeformt. Auf der Oberseite des Substrates 1, in dem der Spalt 2 ausgeformt ist, ist eine Dünnschicht-Membran 4 mit einem mehrschichtigen Aufbau vorgesehen, wobei eine erste Dünnfilm-Elektrode 3 zwischen Isolierschichten eingebettet ist. Die Membran 4 umfaßt einen stationären Umfangsbereich und einen nachgiebigen mittleren Bereich. Über der Membran 4 sind ein weiterer Spalt als zweiter flacher Hohlraum 5 und eine als Anschlag dienende zweite Membran 7 vorgesehen. Der Anschlag 7 besitzt einen membranartigen Aufbau und eine im wesentlichen rechteckige Außenform, sowie eine mehrlagige Struktur, in die eine zweite Dünnfilm-Elektrode 6 zwischen Isolierschichten eingebettet ist. Desweiteren sind eine Vielzahl von Durchbrüchen 8 vorgesehen, die sich durch die Isolierschichten und zwischen den Elektroden 6 der Anschlag- Membran 7 hindurcherstrecken und mit dem Spalt 5 in Verbindung stehen. Auf ähnliche Weise sind in der Anschlag-Membran 7 und in ihrer oberen Isolierschicht Öffnungen 9A, 9B eingeformt, die mit den Elektroden 3 und 6 in Verbindung stehen. Hierbei sind Leitungselemente 10 in den Öffnungen 9A und 9B eingebettet. Elektrodenanschlüsse 11 und 12 sind auf den Leitungen 10 zur elektrischen Verbindung mit den Elektroden 3 und 6 angeformt. Außerdem ist ein zweites Druckeinleitungsloch 13 von unten her in das Substrat 1 eingeformt, um mit dem Hohlraum 2 in Verbindung zu stehen.

Bei diesem Aufbau liegt die zwischen dünnen Isolierschichten angeordnete Elektrode 3 unter Zwischenschaltung des Spaltes 5 der ebenfalls zwischen dünnen Isolierschichten angeordneten Elektrode 6 gegenüber, so daß ein Kondensator gebildet wird. Wenn ein Druck durch die Druckeinführungsöffnung 13 angelegt wird, verformt sich die Membran 4 in vertikaler Richtung entsprechend dem herrschenden Druck. Aufgrund dieser Verformung ergibt sich die Druckerfassung durch eine Kapazitätsänderung des Kondensators.

Die Gesamtdicke des zweiten Spaltes 5, des ersten Spaltes 2 und der Membran 4 ist hierbei gering, so daß die Gesamtgröße des Sensors verringert wird. Dieser Sensor kann mit hoher Genauigkeit hergestellt werden, so daß eine hohe Kapazität und eine hohe Druckempfindlichkeit sichergestellt sind. Weiterhin kann eine Überlastsicherung sowohl gegen übermäßigen negativen Druck als auch gegen übermäßigen positiven Druck erreicht werden, da die Membran 4 im wesentlichen keine stufenförmigen Teilbereiche aufweist, so daß eine hohe Überlastfestigkeit gegenüber stufenförmig gestalteten Membranen erreicht wird. Zusätzlich ergibt sich durch den verringerten zweiten Spalt 5 eine hohe Kapazität, wenn kein Druck anliegt und eine hohe Kapazitätsänderung aufgrund der Verformung der Membran bei Druckbeaufschlagung, so daß eine hohe Empfindlichkeit erreicht wird.

Außerdem kann durch einen solchen Aufbau eine nachfolgend beschriebene Druckmessung durchgeführt werden. Hierbei ist eine dritte Elektrode 16, die in Fig. 1B in Strichlinien angedeutet ist, der Membran 4 gegenüberliegend auf dem Substrat 1 aufgebaut oder das Substrat 1 selbst als dritte Elektrode ausgebildet, sowie die Hohlräume 2 und 5 mit vorbestimmten Weiten ausgelegt, so daß eine Kapazität C₁ zwischen den Elektroden 3 und 6 so ausgelegt wird wie eine Kapazität C₂ zwischen den Elektroden 3 und 16 und somit ein Druck auf der Basis der Differenz zwischen den Kapazitäten C₁ und C₂ gemessen werden kann. Durch dieses Verfahren können die Empfindlichkeit verdoppelt und Störeinflüsse unterdrückt werden. Weiterhin kann ein Druck dadurch gemessen werden, daß die Kapazität zwischen der ersten und dritten Elektrode 3 und 16 erfaßt wird, ohne die zweite Elektrode 6 zu benutzen.

Anstatt der Umwandlung der durch den Druck verursachten Verformung der Membran 4 in ein der Kapazitätsänderung proportionales elektrisches Signal kann auch eine sog. Null- Abgleichdruckmessung durchgeführt werden. Hierbei wird eine elektrostatische Anziehungskraft F₁ entsprechend einer Potentialdifferenz V₁ zwischen den Elektroden 3 und 6 erzeugt, sowie eine elektrostatische Anziehungskraft F₂ entsprechend einer Potentialdifferenz V₂ zwischen den Elektroden 3 und 16 erzeugt. Die elektrostatischen Anziehungskräfte F₁ und F₂ werden so gesteuert, daß die Kapazität C₁ zwischen den Elektroden 3 und 6 und die Kapazität C₂ zwischen den Elektroden 3 und 16 konstant bleibt, so daß ein Druck auf der Basis der Potentialdifferenz V₁ und/oder der Potentialdifferenz V₂ gemessen wird. Da die Hohlräume 2 und 5 sehr klein sind, sind die elektrostatischen Anziehungskräfte ausreichend groß, so daß diese Meßmethode mit diesem Kondensatoraufbau durchgeführt werden kann. Da bei dieser Meßmethode die Membran nicht verformt wird, können verschiedene durch die Membranfestigkeit hervorgerufene Fehlertypen vernachlässigt werden, so daß diese Ausgleichsmeßmethode hohe Meßgenauigkeit und hohe Meßempfindlichkeit erlaubt.

Die Fig. 2A bis 2I zeigen die Schritte des Herstellungsverfahrens des kapazitiven Drucksensors gemäß den Fig. 1A und 1B. Wie in Fig. 2A dargestellt, werden auf die obere und untere Oberfläche eines Siliziumsubstrates 21 Schichten 22 aus SiO₂ oder SiN₂ aufgebracht. Die Schicht 22 wird dann durch ein bekanntes Photo-Ätzverfahren in vorbestimmte Masken 22a und 22b umgewandelt, wie dies in Fig. 2B dargestellt ist. Unter Benutzung dieser Masken 22a und 22b wird dann die obere und untere Oberfläche des Siliziumsubstrates 21 geätzt, um Vertiefungen 23a und 23b zu formen, wobei in die obere Vertiefung 23a in dem Substrat 21 eine Opferschicht 24a eingebettet wird, wie dies in Fig. 2C dargestellt ist. Daraufhin werden, wie in Fig. 2D dargestellt ist, durch ein an sich bekanntes Dünnfilm-Formverfahren Isolierschichten 25a und 25b, in die eine erste Elektrode 26 als Kondensatorplatte eingefügt ist, auf der Oberseite des Substrates 21 und der eingebetteten Opferschicht 24a hergestellt. Wie in Fig. 2E dargestellt, wird auf die zweite Isolierschicht 25b eine weitere Opferschicht 24b, beispielsweise durch bekannte Ätzverfahren, mit einer bestimmten Außenform ausgebildet. Wie in Fig. 2F dargestellt ist, werden daraufhin eine dritte Isolierschicht 25c, eine zweite Elektrode 27 und eine vierte Isolierschicht 25d aufeinanderfolgend auf die zweite Isolierschicht 25b aufgesetzt, die auch die zweite Opferschicht 24b trägt. Wie in Fig. 2G dargestellt ist, wird daraufhin eine Öffnung 28a durch die Schichten 25d, 25c und 25b bis zu der Elektrode 26 eingebracht, dann Öffnungen 28b durch die Schichten 25d und 25c bis zur Opferschicht 24b geformt, sowie eine Öffnung 28c durch die Schicht 25d ausgebildet, um die Elektrode 27 zu erreichen. Daraufhin wird, wie in Fig. 2H dargestellt, Leitermaterial 29 in die Öffnungen 28a und 28c eingebettet und Elektrodenanschlüsse 30a und 30b auf dem Leitermaterial 29 angeformt, um mit den Elektroden 26 und 27 elektrisch verbunden zu sein. Die Opferschicht 24b wird durch Naßätzen durch die Öffnungen 28b hindurch entfernt, so daß ein Spalt oder Hohlraum 5 ausgebildet wird. Dann wird in die Vertiefung 23b an der unteren Seite des Substrates 21 durch Naßätzen das Druckeinleitungsloch 13 ausgeformt, wobei die Opferschicht 24a erreicht ist. Diese Opferschicht 24a wird dann durch das Druckeinleitungsloch 13 entfernt, so daß ein Hohlraum oder Spalt 2 gebildet wird und der in den Fig. 1A und 1B dargestellte kapazitive Drucksensor entsteht. Wie aus den Figuren ersichtlich, bietet dieser Aufbau auf beiden Seiten der Membran 4 eine Überlastsicherung gegen übermäßigen Druck.

Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform des kapazitiven Drucksensors, wobei die gleichen Bezugszeichen wie obenstehend verwendet werden. Die Ausführung in Fig. 3 unterscheidet sich von den vorher beschriebenen dadurch, daß die Opferschicht 24a nicht im Substrat 1 bzw. 21 ausgeformt ist, sondern teilweise in der Membran 4. Der Hohlraum 2 wird hierbei durch an sich bekannte Ätzverfahren mit einer vorbestimmten Form ausgebildet, anstatt die Vertiefung 23a in dem Substrat 21 auszuformen, wie dies in Fig. 2A bis 2I gezeigt ist. Diese Ausführungsform weist die gleichen Vorteile wie die erste Ausführungsform gemäß der Fig. 1B auf, außer daß hier eine geringfügig abgestufte Membran 4 vorgesehen ist, die jedoch noch aufgrund der ausgerundeten Übergänge eine ausreichende Festigkeit aufweist.

Fig. 4 zeigt eine dritte Ausführungsform des kapazitiven Drucksensors, wobei wiederum die gleichen Bezugszeichen wie in den vorstehenden Figuren verwendet werden. Der in Fig. 4 gezeigte Aufbau unterscheidet sich dadurch, daß der Öffnungsquerschnitt der Druckeinleitungsöffnung 13 so weit vergrößert ist, daß unter dem nachgiebigen Bereich der Membran 4 der Hohlraum 2 integriert ist, so daß eine gesonderte Ausbildung des Spaltes 2 ersetzt wird. Obwohl bei diesem Aufbau die Überlastsicherung entweder nur für einen positiven oder einen negativen Druck wirkt, da die ansonsten durch den Boden des Hohlraumes 2 gebildeten Anschläge entfallen, wird die Herstellung dieses Ausführungsbeispieles erheblich vereinfacht. Zudem weist die Membran 4 keine abgestuften Teilbereiche auf, so daß hierfür auch die oben beschriebenen Vorteile, insbesondere hinsichtlich der Festigkeit gelten.

Fig. 5 zeigt eine vierte Ausführungsform des kapazitiven Drucksensors, wobei der Unterschied zwischen den Ausführungen in Fig. 4 und Fig. 5 darin liegt, daß bei letzterer eine leitfähige dünne Schicht 15 auf der Anschlag-Membran 7 aufgebracht ist. Dieser leitfähige dünne Film 15 kann auch bei den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen aufgebracht werden und dient als Schutz und als Verstärkung für die als Anschlagteil 7 dienende Membran. Hierdurch wird deren Festigkeit verbessert sowie Fehler wie bei der oben beschriebenen Ausgleichsdruckmeßmethode reduziert, bei der die Hohlräume 2 und 5 zwischen den Elektroden auf beiden Seiten der Membran 4 unter Ausnutzung der elektrostatischen Anziehung konstant gehalten werden. In diesem Anwendungsfall werden die zweiten und dritten Elektroden 6 und 16, die der ersten Elektrode 3 in der nachgiebigen Membran 4 jeweils gegenüberliegen, so starr wie möglich ausgebildet. Die in Fig. 5 dargestellte filmartige Schicht 15 dient hierbei der Festigkeitserhöhung der Membran 7.

In den Fig. 6A und 6B ist ein fünftes Ausführungsbeispiel mit den gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 1A und 1B dargestellt, wobei die Abwandlung darin liegt, daß anstatt des Druckeinleitungsloches 13 von der Unterseite des Substrates 1 her eine Druckeinleitungsöffnung 14 von der Oberseite her bis zu dem Hohlraum 2 geführt ist. Hierdurch kann unter Beibehaltung der oben beschriebenen Vorteile der Herstellungsschritt des Einbringens der Öffnung 13 durch das Substrat 1 bzw. 21 hindurch vermieden werden, so daß der gesamte Herstellungsprozeß entsprechend vereinfacht werden kann.

Die Fig. 7A und 7B zeigen ein sechstes Ausführungsbeispiel des kapazitiven Drucksensors, wobei wiederum die gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 1A und 1B verwendet werden.

Hierbei werden auf einem einzigen Träger-Substrat 1 zwei Teil- Drucksensoren 40a und 40b paarweise angeordnet, wobei der Meßteil 40a eine von unten her eingeformte Druckeinleitungsöffnung 13 besitzt, während der rechte Meßteil eine von oben eingebrachte Druckeinleitungsöffnung 14 besitzt, die mit dem Hohlraum 2 in Verbindung steht. Mit diesem Aufbau kann der Meßteil 40b als Referenzkondensator verwendet werden.

Bei der Umwandlung der Druck-Meßgröße in einen Kapazitätswert durch einen der vorbeschriebenen kapazitiven Drucksensoren sind auch Streukapazitäten zu beachten, da die sich gegenüberliegenden Elektroden mit einem Meßschaltkreis verbunden sind, wobei die kapazitive Nebenkopplung der von den Elektroden wegführenden Leitungen der Kapazität zwischen den sich gegenüberliegenden Elektroden überlagert ist. Wenn derartige Streukapazitäten beträchtlich variieren, wird die Meßgenauigkeit des Drucksensors entsprechend beeinträchtigt. Um hier Abhilfe zu schaffen, kann das in den Fig. 1A bis 7B gezeigte Substrat 1 der jeweiligen kapazitiven Drucksensoren durch ein Halbleitermaterial, z. B. ein monokristallines Siliziumsubstrat, gebildet werden und der Kapazitätsmeßschaltkreis oder ein Teil davon möglichst nahe am Drucksensor selbst auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet sein. Bei einem derartigen Aufbau können die Streukapazitäten zwischen den sich gegenüberliegenden Elektroden und dem Kapazitätsmeßkreis größtenteils reduziert werden, so daß eine Änderung der kapazitiven Nebenkopplung weitgehend unterdrückt ist. Hierdurch kann die Genauigkeit des Drucksensors entsprechend verbessert werden. Alternativ hierzu kann anstatt der weiteren Verbesserung der Meßgenauigkeit auch die Größe des Drucksensors weiter verringert werden. Da in diesem Falle der Kapazitätsmeßschaltkreis ebenfalls auf dem Substrat 1 bzw. 21 aufgebracht ist, wird zudem die gesamte Drucksensormeßanordnung erheblich in der Größe reduziert. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel würde, wie im Zusammenhang mit den Fig. 2A bis 2I beschrieben, in das Silizium-Substrat 21 eine Vertiefung 23a mit U-förmigem Querschnitt eingeformt und hierin eine Opferschicht 24a eingebettet. Jedoch ist diese Ausführung nicht auf dieses Herstellungsverfahren beschränkt. Z. B. kann anstatt des Silizium-Substrates 21 auch ein n-Si- Substrat verwendet werden, in das mit hoher Konzentration p- Einlagerungen eindiffundiert werden, so daß eine eingelagerte Diffusionsschicht ausgebildet wird. Nachdem dann eine Öffnung von der Unterseite des n-Si-Substrates eingebracht wurde, um diese Diffusionsschicht zu erreichen, wird der Hohlraum 2 durch Ätzen der Diffusionsschicht gebildet, wobei eine Ätzlösung, z. B. bestehend aus einem Teil Flußsäure, drei Teilen Salpetersäure und acht Teilen Essigsäure verwendet wird. Mit diesem Verfahren kann auch die Membran 4 hergestellt werden.

Obwohl vorstehend der nachgiebige Membranteil mit einer rechteckigen Form beschrieben wurde, kann der flexible Teil der Membran 4 auch eine vieleckige oder runde Außenform aufweisen. Da die Membran 4 eine mehrlagige Dünnfilm-Struktur aufweist, die eng und parallel zu der Oberseite des Substrates 1 bzw. 21 ausgebildet ist, kann der Hohlraum 5 zwischen den Kondensatorelektroden sehr klein und mit hoher Genauigkeit hergestellt werden, so daß eine große Kapazität erreicht wird. Zudem wird durch eine Druckänderung eine entsprechend hohe Kapazitätsänderung hervorgerufen und die Festigkeit hinsichtlich Druckstößen erhöht, so daß ein kleinbauender Drucksensor mit hoher Empfindlichkeit und hoher Überlastfestigkeit erreicht wird. Weiterhin können aufgrund des beschriebenen Aufbaus derartige kompakte Drucksensoren mit hoher Genauigkeit und geringen Kosten leicht hergestellt werden, insbesondere in der Serien- oder Massenherstellung.

Claims (12)

1. Kapazitiver Drucksensor, mit:

• - einem Substrat (1);
• - einer ersten Membran (4), die eine erste filmartige Elektrode (3) aufweist und einen ersten Hohlraum (2) abdeckt, der in dem Substrat (1) ausgebildet ist;
• - einer zweiten Membran (7), die eine zweite filmartige Elektrode (6) aufweist und einen zweiten Hohlraum (5), der zwischen der ersten und zweiten Membran (4, 7) ausgebildet ist, abgedeckt; und
• - einer Druckeinleitungsöffnung (13) zum Einleiten des zu messenden Druckes in den ersten Hohlraum (2);
  dadurch gekennzeichnet,
• - daß die Druckeinleitungsöffnung (13) das Substrat (1) durchsetzt und
• - daß die erste und zweite Membran (4, 7) als Dünnschicht-Membranen ausgebildet sind, bei denen die erste und zweite filmartige Elektrode (3, 6) jeweils zwischen Isolierschichten (25a, 25b; 25c, 25d) eingebettet sind, wobei die erste Membran (4) auf das Substrat (1) und die zweite Membran (7) auf die erste Membran (4) aufgesetzt ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Membran (7) wenigstens ein Durchgangsloch (8) aufweist, das mit dem zweiten Hohlraum (5) in Verbindung steht.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin eine dritte Elektrode (16) vorgesehen ist, die am Boden des ersten Hohlraums (2) in dem Substrat (1) ausgebildet ist und der ersten filmartigen Elektrode (3) gegenüberliegt.

4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) durch eine Metallplatte gebildet ist, und diese Metallplatte die dritte Elektrode (16) bildet.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Hohlraum (2) teilweise in der Unterseite der ersten Membran (4) ausgebildet ist, die dem Substrat (1) gegenüberliegt.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckeinleitungsöffnung (13) den gleichen Öffnungsquerschnitt aufweist wie der erste Hohlraum (2).

7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem ersten Hohlraum (2) verbundene Druckeinleitungsöffnung (14) von der zweiten Membran (7) aus durch die erste Membran (4) hindurchgeführt ist.

8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf der zweiten Membran (7) auf der Seite, die vom Substrat (1, 21) abgewandt ist, eine leitfähige Schicht (15) aufgebracht ist.

9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Sensoren (40a, 40b) paarweise auf einem Substrat (1, 21) ausgebildet sind, wobei die Membranen (4, 7) als durchgehende Schicht für beide Sensoren (40a, 40b) ausgebildet sind.

10. Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckeinleitungsöffnung (13) für den ersten Sensor (40a) in dem Substrat (1) ausgebildet ist und die Druckeinleitungsöffnung (14) für den zweiten Sensor (40b) sich durch die beiden Membranen (7, 4) bis zu dem ersten Hohlraum (2) erstreckt.

11. Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Drucksensors, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• - Ausbilden einer ersten Vertiefung (23a) in der Oberseite und einer zweiten Vertiefung (23b) in der Unterseite eines Substrats (21);
• - Einbetten einer ersten Opferschicht (24a) in die erste Vertiefung (23a);
• - Aufbringen erster Isolierschichten (25a, 25b) auf der Oberseite des Substrats (21) zur Ausbildung einer ersten Dünnschichtmembran, wobei eine erste filmartige Elektrode (26) zwischen den ersten Isolierschichten (25a, 25b) eingebettet wird;
• - Aufbringen einer zweiten Opferschicht (24b) auf die obere der ersten Isolierschichten (25b);
• - Aufbringen zweiter Isolierschichten (25c, 25d) auf die obere der ersten Isolierschichten (25b) zur Ausbildung einer zweiten Dünnschichtmembran, wobei die Opferschicht (24b) abgedeckt wird und zwischen den zweiten Isolierschichten (25c, 25d) eine zweite filmartige Elektrode (27) eingebettet wird;
• - Ausbilden einer bis zur ersten Opferschicht (24a) reichenden Druckeinleitungsöffnung (13) in der zweiten Vertiefung (23b) und
• - Ausbilden eines ersten und zweiten Hohlraumes (2, 5) durch Entfernen der Opferschichten (24a, 24b).

12. Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Drucksensors, gekennzeichent durch folgende Schritte:

• - Ausbilden einer ätzbaren, eindiffundierten Schicht in der oberen Fläche eines Substrats (21);
• - Ausbilden einer Vertiefung (23b) in der unteren Fläche des Substrats (21);
• - Aufbringen erster Isolierschichten (25a, 25b) auf der oberen Fläche des Substrats (21) zur Ausbildung einer ersten Dünnschichtmembran, wobei eine erste filmartige Elektrode (26) zwischen den ersten Isolierschichten (25a, 25b) eingebettet ist;
• - Aufbringen einer Opferschicht (24b) auf die obere der ersten Isolierschichten (25b);
• - Aufbringen zweiter Isolierschichten (25c, 25d) auf die obere der ersten Isolierschichten (25b) zur Ausbildung einer zweiten Dünnschichtmembran, wobei die Opferschicht (24b) abgedeckt wird und zwischen den zweiten Isolierschichten (25c, 25d) eine zweite filmartige Elektrode (27) eingebettet ist;
• - Ausbilden einer bis zur eindiffundierten Schicht reichenden Druckeinleitungsöffnung in der Vertiefung (23b) durch Ätzen; und
• - Ausbilden eines ersten und zweiten Hohlraumes (2, 5) durch Ätzen der eindiffundierten Schicht und Entfernen der Opferschicht (24b).