DE4227819C2 - Kapazitiver Drucksensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Drucksensor mit einer Membranstruktur, der eine zu messende Druckänderung kapazitiv erfaßt.

Ein kapazitiver Drucksensor erfordert im allgemeinen einen Meß-Kondensatorabschnitt zum Erfassen eines zu messenden Drucks sowie einen Bezugs-Kondensatorabschnitt zur Korrektur von umgebungsabhängigen Kenndaten, die nicht auf dem zu messenden Druck beruhen.

Die JP 63-305 229 A offenbart z. B. einen konventionellen kapazitiven Drucksensor, der durch Verbinden einer Siliziumscheibe mit einer Glasscheibe hergestellt wird. Zur Ausbildung einer Kondensatorstruktur ist auf der Siliziumscheibe eine Membran angeordnet. An einem zentralen Teil dieser Kondensatorstruktur ist ein Meß- Kondensatorabschnitt und an dessen Umfangsteil ein Bezugs- Kondensatorabschnitt ausgebildet.

In der US 4 420 790 ist ein anderer kapazitiver Drucksensor offenbart, bei dem ein Meß-Kondensatorabschnitt und ein Bezugs-Kondensatorabschnitt nebeneinander auf einer Siliziumscheibe angeordnet sind.

Aus der Druckschrift US-A-4,332,000 ist ein kapazitiver Drucksensor bekannt, der ein Substrat enthält, das zumindest ein Durchgangsloch oder eine Vertiefung aufweist, das bzw. die in einer Fläche des Substrats ausgebildet ist, sowie weiter eine erste Dünnschichtmembran, die auf der einen Fläche des Substrats ausgebildet ist und eine Elektrode (P+) aufweist, und eine zweite Dünnschichtmembran, die über ein hohles Teil auf der ersten Dünnschichtmembran ausgebildet ist und ein Druckeinleitungsteil und eine zweite Elektrode aufweist, wobei die Elektroden einen Kondensator ausbilden.

Die vorstehend beschriebenen konventionellen kapazitiven Drucksensoren weisen jedoch eine Verbundstruktur auf, die aus einer Vielzahl von Schichten aus verbundenen Silizium-/Glas­ scheiben besteht. Infolge dieses Aufbaus ist eine große Anzahl an Komponenten erforderlich und sind die minimale Membrandicke und der minimale Spalt in der Praxis auf mehrere µm beschränkt. Demzufolge wird die Kapazität mit einer Verringerung der Sensorgröße vermindert, so daß sich eine Verschlechterung der Druckempfindlichkeit ergibt.

Außerdem ist bei dem kapazitiven Drucksensor, bei dem der Meß- und Bezugs-Kondensatorabschnitt nebeneinander auf der Siliziumscheibe angeordnet sind, eine große Chipfläche erforderlich, was eine Zunahme der Kosten zur Folge hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Drucksensor vorzuschlagen, der einen kompakten Aufbau, eine hohe Empfindlichkeit und eine hohe Präzision bei niedrigen Kosten aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1, 2, 3 bzw. 4 gelöst.

Der kapazitive Drucksensor umfaßt einen Abschnitt, dem einen Druck in ein elektrisches Signal umwandelt, sowie einen Abschnitt, der die umgebungsabhängigen Kenndaten, die nicht auf dem Druck beruhen, korrigiert. Diese Abschnitte sind vertikal integriert, indem drei Dünnschichtmembrane mit entsprechenden Elektroden derart gestapelt sind, daß die zweite Dünnschichtmembran über einen Hohlraum auf der ersten Dünnschichtmembran und die dritte Dünnschichtmembran über einen Hohlraum auf der zweiten Dünnschichtmembran ausgebildet sind.

Da gemäß der Erfindung wenigstens eine Dünnschichtmembran, die einen ersten und einen zweiten Kondensator ausbildet, entsprechend dem Druck verlagert wird, unterscheiden sich die Kapazitäten der beiden Kondensatoren in Abhängigkeit vom Druck voneinander.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A eine Draufsicht, die die Anordnung eines kapazitiven Drucksensors gemäß einem Ausführungsbeispiel verdeutlicht;

Fig. 1B eine Schnittansicht längs der Linie B-B′ in Fig. 1A;

Fig. 2 eine Draufsicht, die die Anordnung eines kapazitiven Drucksensors gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel verdeutlicht;

Fig. 2B eine Schnittansicht längs der Linie B-B′ in Fig. 2A;

Fig. 3A eine Draufsicht, die die Anordnung eines kapazitiven Drucksensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel verdeutlicht;

Fig. 3B eine Schnittansicht längs der Linie B-B′ in Fig. 3A;

Fig. 4A eine Draufsicht, die die Anordnung eines kapazitiven Drucksensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel verdeutlicht;

Fig. 4B eine Schnittansicht längs der Linie B-B′ in Fig. 4A;

Fig. 5A eine Draufsicht, die die Anordnung eines kapazitiven Drucksensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel verdeutlicht;

Fig. 5B eine Schnittansicht längs der Linie B-B′ in Fig. 5A;

Fig. 6A eine Draufsicht, die die Anordnung eines kapazitiven Drucksensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiels verdeutlicht;

Fig. 6B eine Schnittansicht längs der Linie B-B′ in in Fig. 6A;

Fig. 7A eine Draufsicht, die die Anordnung eines kapazitiven Drucksensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel verdeutlicht;

Fig. 7B eine Schnittansicht längs der Linie B-B′ in Fig. 7A;

Fig. 8A eine Draufsicht, die die Anordnung eines kapazitiven Drucksensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel verdeutlicht;

Fig. 8B eine Schnittansicht längs der Linie B-B′ in Fig. 8A;

Fig. 9A eine Draufsicht, die die Anordnung eines kapazitiven Drucksensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel verdeutlicht;

Fig. 9B eine Schnittansicht längs der Linie B-B′ in Fig. 9A;

Fig. 10 eine Draufsicht, die die Anordnung eines kapazitiven Drucksensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel verdeutlicht;

Fig. 10B eine Schnittansicht längs der Linie B-B′ in Fig. 10A;

Fig. 11A eine Draufsicht, die die Anordnung eines kapazitiven Drucksensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel verdeutlicht;

Fig. 11B eine Schnittansicht längs der Linie B-B′ in Fig. 11A;

Fig. 12A eine Draufsicht, die die Anordnung eines kapazitiven Drucksensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel aufzeigt;

Fig. 12B eine Schnittansicht längs der Linie B-B′ in Fig. 12A;

Fig. 13A eine Draufsicht, die die Anordnung eines kapazitiven Drucksensors gemäß einem weiteren Ausbildungsbeispiel verdeutlicht;

Fig. 13B eine Schnittansicht längs der Linie B-B′ in in Fig. 13A;

Fig. 14-23 Schnittansichten, die aufeinanderfolgende Verfahrensschritte bei der Herstellung des in den Fig. 1A und 1B gezeigten kapazitiven Drucksensor verdeutlichen;

Fig. 24-31 Schnittansichten, die aufeinanderfolgende Schritte bei dem Herstellungsverfahren für den in den Fig. 4A und 4B gezeigten kapazitiven Drucksensor verdeutlichen;

Fig. 32A eine Draufsicht, die die Anordnung eines kapazitiven Drucksensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel verdeutlicht;

Fig. 32B eine Schnittansicht längs der Linie B-B′ in Fig. 32A;

Fig. 33-39 Schnittansichten, die aufeinanderfolgende Schritte des Herstellungsverfahrens für den in den Fig. 32A und 32B gezeigten kapazitiven Drucksensor verdeutlichen;
Die Fig. 1A und 1B zeigen die Anordnung eines kapazitiven Drucksensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wie aus den Fig. 1A und 1B ersichtlich, ist in einem zentralen Teil der Oberfläche einer Fläche eines Substrats 1 ein Spalt 2 als flacher dritter Hohlraum bzw. Zwischenraum ausgebildet. Dieser Zwischenraum weist eine nahezu rechteckige Gestalt auf und ist im Querschnitt U-för­ mig ausgebildet. Auf der Oberfläche des Substrats 1 ist über dem Spalt 2 eine erste Dünnschichtmembran 4 mit einer Verbundstruktur ausgebildet, die aus einer ersten Dünnschichtelektrode 3 besteht, die zwischen Isolierschichten angeordnet ist. Ein Umfangsteil der ersten Dünnschichtelektrode 3 stellt ein ortsfestes Teil dar, während deren zentrales Teil als bewegliches Teil dient. Über der ersten Membran 4 ist über einen Spalt 5 als flacher erster Hohlraum eine zweite Membran 7 mit einer Verbundstruktur und einer nahezu rechteckigen Gestalt als Ganzes ausgebildet. Diese Verbundstruktur besteht aus einer zweiten Dünnschichtelektrode 6, die zwischen Isolierschichten angeordnet ist. Um eine Verbindung mit dem Spalt 5 über die Isolierschichten und die zweite Elektrode 6 zu ermöglichen, ist in der zweiten Membran 7 eine Vielzahl von zweiten Druckeinleitungslöchern 8 ausgebildet. Ein dritte Membran 11 mit einer Verbundstruktur und einer nahezu rechteckigen Gestalt als Ganzes ist oberhalb der zweiten Membran 7 über einen Spalt 9 als zweiten flachen Hohlraum ausgebildet. Diese Verbundstruktur besteht aus einer dritten Dünnschichtelektrode 10, die zwischen Isolierschichten eingelegt ist. In der dritten Membran 11 ist außerdem eine Vielzahl von dritten Druckeinleitungslöchern 12 ausgebildet, um über die Isolierschichten und die dritte Elektrode 10 mit dem Spalt 9 in Verbindung zu stehen. Es ist zu bemerken, daß in diesem Fall die Positionen der zweiten Druckeinleitungslöcher 8 und jene der dritten Druckeinleitungslöcher 12 miteinander fluchten. Außerdem sind in der dritten auf dem Substrat angeordneten Membran 11 Löcher 13 ausgebildet, die durch die entsprechenden Isolierschichten hindurch mit der ersten, zweiten bzw. dritten Elektrode in Verbindung stehen. In diese Öffnungen 13 sind entsprechende Leiterelemente 14 eingebettet. Auf den Leiterelementen 14 sind entsprechende Elektrodenanschlüsse 15, 16 und 17 ausgebildet, die mit den Elektroden 3, 6 bzw. 10 elektrisch verbunden sind. In der unteren Fläche des Substrats 1 ist ein erstes Druckeinleitungsloch 18 ausgebildet, das mit dem Spalt 2 in Verbindung steht.

Bei einem derartigen Aufbau wird der Meßabschnitt von einem ersten Kondensator gebildet, bei dem die erste, zwischen dünnen Isolierschichten angeordnete Elektrode 3 und die zweite zwischen dünnen Isolierschichten angeordnete Elektrode 6 sich über den Spalt 5 gegenüberliegen, während ein Bezugsabschnitt von einem zweiten Kondensator gebildet wird, bei dem die zweite zwischen die dünnen Isolierschichten eingelegte Elektrode 6 und die dritte zwischen die dünnen Isolierschichten eingelegte Elektrode 10 sich über den Spalt 9 gegenüberliegen. Eine Fläche a des Substrats 1 ist so hermetisch abgedichtet, daß die Umgebungen X und Y über die erste Membran voneinander getrennt sind. Bei diesem Aufbau ändert sich die Form der zweiten und dritten Membran infolge einer zwischen den Umgebungen X und Y herrschenden Druckdifferenz nicht, jedoch wird die erste Membran 4 durchgebogen, so daß der Druck durch Erfassen der durch diese Membranversetzung bedingten Kapazitätsänderung des ersten Kondensators ermittelt werden kann. Wird z. B. ein Druck von der Umgebung X auf die Umgebung Y ausgeübt, so wird die erste Membran 4 nach unten verformt. Demzufolge wird die Kapazität des ersten Kondensators verringert und der Druck kann somit ermittelt werden. In diesem Fall ändert sich die Kapazität des zweiten Kondensators nicht. Falls das zu messende Medium Feuchtigkeit oder andere Gase enthält, so ändern sich die Kapazitäten des ersten und zweiten Kondensators in gleicher Weise. Werden demzufolge die Ausgangsgrößen des ersten und zweiten Kondensators voneinander subtrahiert, so können die von der Feuchtigkeit abhängigen Kenndaten des Basis- Kondensators korrigiert werden. Da ferner der Meßabschnitt und der Bezugsabschnitt in der gleichen Umgebung vorliegen, kann eine Bezugsfunktion selbst dann sichergestellt werden, wenn sich die Umgebungen X und Y unterscheiden.

Falls entsprechend einem derartigen Aufbau der Druck auf der Seite der Umgebung X größer als der Druck auf der Seite der Umgebung Y ist, so stellt ein Stufenteil 1a, das den Spalt 2 im Substrat 1 ausbildet, einen festen Anschlag dar. Falls der Druck auf der Seite der Umgebung X niedriger als der Druck auf der Seite der Umgebung Y ist, so bilden die zweite und dritte Membran 7 und 11 einen Anschlag. Mit Hilfe dieses Aufbaus kann eine Festigkeit gegenüber übermäßigen, auf beiden Seiten wirkenden Drücken sichergestellt werden. Wie aus den Fig. 1A und 1B ersichtlich, fluchten die in der dritten Membran 11 ausgebildeten Druckeinleitungslöcher 12 mit den in der zweiten Membran 7 ausgebildeten Druckeinleitungslöchern 8, wobei diese Löcher über dem Spalt 5 bzw. 9 in gleichem Abstand voneinander angeordnet sind. Mit Hilfe dieses Aufbaus kann die erforderliche unterschnittene Länge für die Ätzung verringert werden, so daß somit die Spalte 5 und 9 zuverlässig ausgebildet werden können. Da ferner die Gesamtfläche der zweiten und dritten Druckeinleitungslöcher 8 und 12 gering ist, kann eine Verringerung der Kapazität im Vergleich zu dem Fall minimiert werden, bei dem die Druckeinleitungslöcher 8 und 12 nicht ausgebildet sind.

Die Fig. 2A und 2B zeigen den Aufbau eines kapazitiven Drucksensors gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei gleiche Bezugszeichen in den Fig. 2A und 2B entsprechende gleiche Teile in den Fig. 1A und 1B kennzeichnen. Der in den Fig. 2A und 2B gezeigte Aufbau unterscheidet sich von dem in den Fig. 1A und 1B gezeigten Aufbau dadurch, daß in der dritten Membran 11 die in Fig. 1B gezeigten dritten Druckeinleitungslöcher 12 nicht ausgebildet sind. Eine Fläche a des Substrats 1 ist ferner so hermetisch abgedichtet, daß die Umgebungen X und Y über die erste Membran 4 und die dritte Membran 11 voneinander getrennt sind. In der gleichen Umgebung (abgedichteter Teil) sind zwei Meßabschnitte ausgebildet, die durch einen ersten und einen zweiten Kondensator gebildet werden. Der erste Kondensator besteht aus einer ersten Elektrode 3 und einer zweiten Elektrode 6 und der zweite Kondensator aus der zweiten Elektrode 6 und einer dritten Elektrode 10.

Bei diesem Aufbau wird die zweite Membran 7 nicht verformt, während die dritte Membran 11 infolge der Druckdifferenz zwischen der Umgebung X und dem abgedichteten Teil und die erste Membran 4 infolge der Druckdifferenz zwischen der Umgebung Y und dem abgedichteten Teil durchgebogen wird.

Da bei einem solchen Aufbau die Meßabschnitte in der abgedichteten Umgebung liegen, werden ihre Ausgangskennwerte nicht durch die Gasarten in den Umgebungen X und Y beeinflußt. Da ferner die Elektroden, die die beiden Meßabschnitte darstellen, in gleicher Form ausgebildet werden können, können die Kapazitäten der beiden Meßabschnitte einfach aufeinander abgeglichen werden.

Die Fig. 3A und 3B zeigen den Aufbau eines kapazitiven Drucksensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei gleiche Bezugszeichen in den Fig. 3A und 3B die entsprechenden gleichen Teile in den Fig. 1A und 1B bezeichnen. Der in den Fig. 3A und 3B gezeigte Aufbau unterscheidet sich von dem in den Fig. 1A und 1B gezeigten Aufbau dadurch, daß ein erstes Druckeinleitungsloch 18A mit einer großen Öffnung in einem zentralen Teil der unteren Fläche bzw. einer Fläche eines Substrats 1 anstelle des Spalts 2 ausgebildet ist, wodurch ein geeignetes bewegliches Membranteil gebildet wird. Außerdem ist eine Fläche a des Substrats 1 so hermetisch abgedichtet, daß die Umgebungen X und Y durch die erste Membran 4 voneinander getrennt sind. In der gleichen Umgebung (Umgebung X) sind ein Meßabschnitt, der von einem ersten Kondensator gebildet wird, und ein Bezugsabschnitt, der von einem zweiten Kondensator gebildet wird, vorgesehen. Der erste Kondensator besteht aus einer ersten Elektrode 3 und einer zweiten Elektrode 6, während der zweite Kondensator aus der zweiten Elektrode 6 und einer dritten Elektrode 10 besteht.

Bei diesem Aufbau werden die zweite und dritte Membran 7 und 11 durch den Druckunterschied zwischen den Umgebungen X und Y nicht verformt, während die erste Membran 4 durchgebogen wird. Da ferner der Meßabschnitt und der Bezugsabschnitt sich in der gleichen Umgebung befinden, kann selbst dann eine Bezugsfunktion sichergestellt werden, wenn die Umgebungen X und Y unterschiedlicher Art sind.

Falls bei einem solchen Aufbau ein Druck auf der Seite der Umgebung X niedriger als ein Druck auf der Seite der Umgebung Y ist, bilden die zweite und dritte Membran 7 und 11 einen Anschlag. Außerdem fluchten die Druckeinleitungslöcher 12 in der dritten Membran 11 mit den Druckeinleitungslöchern 8 in der zweiten Membran 7, wobei diese Löcher über dem Spalt 5 bzw. 9 in gleichem Abstand voneinander angeordnet sind. Mit Hilfe dieses Aufbaus kann die erforderliche unterschnittene Länge für die Ätzung verringert und somit die Spalte 5 und 9 zuverlässig ausgebildet werden. Da ferner die Gesamtfläche der zweiten und dritten Druckeinleitungslöcher 8 und 12 gering ist, kann eine Verringerung der Kapazität im Vergleich zu dem Fall minimiert werden, bei dem die Druckeinleitungslöcher 8 und 12 nicht ausgebildet sind. Da ein Schutzmechanismus gegen einen übermäßigen Druck nur gegen einen Druck auf der Seite der Umgebung Y wirkt, ist demzufolge die Verwendung dieses Sensors beschränkt. Jedoch ist die Herstellung des Sensors im Vergleich zu, dem in den Fig. 1A und 1B gezeigten Aufbau einfacher, weil die erste Membran 4 ohne Stufenteil auf einfache Weise flach ausgebildet werden kann.

Die Fig. 4A und 4B zeigen den Aufbau eines kapazitiven Drucksensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei gleiche Bezugszeichen in den Fig. 4A und 4B entsprechende gleiche Teile in den Fig. 1A und 1B bezeichnen. Der in den Fig. 4A und 4B gezeigte Aufbau unterscheidet sich von dem in den Fig. 1A und 1B gezeigten Aufbau dadurch, daß kein erstes, mit dem Spalt 2 in Verbindung stehendes Druckeinleitungsloch 18 in der unteren Fläche bzw. der anderen Fläche eines Substrats 1 ausgebildet ist, so daß der Spalt 2 hermetisch abgedichtet ist, wodurch ein Absolutdrucksensor ausgebildet wird. Außerdem sind in der gleichen Umgebung (Umgebung X) ein durch einen ersten Kondensator gebildeter Meßabschnitt und ein durch einen zweiten Kondensator gebildeter Bezugsabschnitt ausgebildet. Der erste Kondensator besteht aus einer ersten Elektrode 3 und einer zweiten Elektrode 6, während der zweite Kondensator aus der zweiten Elektrode 6 und einer dritten Elektrode 10 besteht.

Mit Hilfe dieser Anordnung können die gleichen Wirkungen wie oben beschrieben erzielt werden. Um einem übermäßigen Druck standhalten zu können, kann an einem Stufenteil 1a des Substrats 1 ein fester Anschlag ausgebildet werden.

Die Fig. 5A und 5B zeigen den Aufbau eines kapazitiven Drucksensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die gleichen Bezugszeichen in den Fig. 5A und 5B entsprechende gleiche Teile in den Fig. 1A und 1B bezeichnen. Der in den Fig. 5A und 5B gezeigte Aufbau unterscheidet sich von dem in den Fig. 1A und 1B gezeigten Aufbau dadurch, daß ein zweites Druckeinleitungsloch 8 horizontal in einer zweiten Membran 7 ausgebildet ist, das mit dem Spalt 5 in Verbindung steht, und ein drittes Druckeinleitungsloch 12 horizontal in einer dritten Membran 11 ausgebildet ist, das mit dem Spalt 9 in Verbindung steht. Ferner ist eine Fläche a eines Substrats 1 hermetisch abgedichtet, so daß die Umgebungen X und Y über eine erste Membran 4 voneinander getrennt sind. In der gleichen Umgebung (Umgebung X) sind ein Meßabschnitt, der einen ersten Kondensator aufweist, und ein Bezugsabschnitt, der einen zweiten Kondensator aufweist, ausgebildet. Der erste Kondensator besteht aus einer ersten Elektrode 3 und einer zweiten Elektrode 6, während der zweite Kondensator aus der zweiten Elektrode 6 und einer dritten Elektrode 10 besteht.

Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die zweite und dritte Membran 7 und 11 infolge, des Druckunterschieds zwischen den Umgebungen X und Y nicht verformt, während die erste Membran 4 durchgebogen wird. Da außerdem der Meßabschnitt und der Bezugsabschnitt sich in der gleichen Umgebung befinden, kann selbst dann eine Bezugsfunktion sichergestellt werden, falls die Umgebungen X und Y von unterschiedlicher Art sind.

Ist bei einem solchen Aufbau der Druck auf der Seite der Umgebung X höher als der Druck auf der Seite der Umgebung Y, so bildet das Stufenteil 1a des Substrats 1 einen festen Anschlag. Ist der Druck auf der Seite der Umgebung X geringer als der Druck auf der Seite der Umgebung Y, so bilden die zweite und die dritte Membran 7 und 11 einen Anschlag aus. Da das zweite Druckeinleitungsloch 8 horizontal in der zweiten Membran 7 ausgebildet ist, um mit dem Spalt 5 in Verbindung zu stehen, und das dritte Druckeinleitungsloch 12 horizontal in der dritten Membran 11 ausgebildet ist, um mit dem Spalt 9 in Verbindung zu stehen, können die Spalte 5 und 9 und das zweite und dritte Druckeinleitungsloch 8 und 12 im gleichen Herstellungsschritt ausgebildet werden. Da ferner die Elektroden, die die Bezugselektroden darstellen, in gleicher Form hergestellt werden können, können die Kapazitäten der beiden Abschnitte auf einfache Weise aufeinander abgestimmt werden.

Die Fig. 6A und 6B zeigen den Aufbau eines kapazitiven Drucksensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, wobei die gleichen Bezugszeichen in den Fig. 6A und 6B entsprechende gleiche Teile in den Fig. 1A und 1B bezeichnen. Der in den Fig. 6A und 6B gezeigte Aufbau unterscheidet sich von dem in den Fig. 1A und 1B gezeigten Aufbau dadurch, daß die in Fig. 1B gezeigten dritten Druckeinleitungslöcher 12 in der dritten Membran 11 nicht ausgebildet sind, daß ein erstes Druckeinleitungsloch 18A mit einer relativ großen Öffnung in der anderen Fläche des Substrats 1 ausgebildet ist, und zwar ohne Ausbildung des Stufenteils 1a in der einen Fläche des Substrats 1, und daß vierte Druckeinleitungslöcher 19, die mit dem ersten Druckeinleitungsloch 18A in Verbindung stehen, in einer ersten Membran 4 ausgebildet sind. Eine Fläche a des Substrats 1 ist hermetisch abgedichtet, so daß die Umgebungen X und Y über eine dritte Membran 11 voneinander getrennt sind. In der gleichen Umgebung (Umgebung Y) sind ein Meßabschnitt, der einen zweiten Kondensator aufweist, und ein Bezugsabschnitt, der einen ersten Kondensator aufweist, ausgebildet. Der zweite Kondensator besteht aus einer zweiten Elektrode 6 und einer dritten Elektrode 10. Der erste Kondensator besteht aus einer ersten Elektrode 3 und der zweiten Elektrode 6.

Bei diesem Aufbau werden die erste und zweite Membran 4 und 7 infolge des Druckunterschieds zwischen den Umgebungen X und Y nicht verformt, während die dritte Membran 11 durchgebogen wird. Da außerdem der Meßabschnitt und der Bezugsabschnitt sich in der gleichen Umgebung befinden, kann selbst dann eine Bezugsfunktion sichergestellt werden, wenn die Umgebungen X und Y von unterschiedlicher Art sind.

Ist bei einem solchen Aufbau ein Druck auf der Seite der Umgebung X höher als ein Druck auf der Seite der Umgebung Y, so bilden die erste und zweite Membran 4 und 7 einen Anschlag. Da außerdem eine Ätzlösung-Einführöffnung, die bei einem Herstellungsschritt verwendet wird, infolge des ersten Druckeinleitungsloches 18A verbreitert wird, wird die Herstellung des Sensors im Vergleich zu dem in den Fig. 1A und 1B gezeigten Aufbau vereinfacht, und die erste Membran 4 kann auf einfache Weise eben und flach ohne Ausbildung von Stufenteilen ausgebildet werden. Ferner fluchten die in der ersten Membran 4 ausgebildeten Druckeinleitungslöcher 19 mit den in der zweiten Membran 7 ausgebildeten Druckeinleitungslöchern 8, wobei die Löcher in gleichem Abstand unter dem Spalt 5 bzw. 9 angeordnet sind. Mit Hilfe dieses Aufbaus kann die erforderliche unterschnittene Ätzlänge verringert werden, wodurch die Spalte 5 und 9 somit zuverlässig ausgebildet werden können. Da die Gesamtfläche der vierten und zweiten Druckeinleitungslöcher 19 und 8 klein ist, kann eine Kapazitätsverringerung im Vergleich zu dem Fall minimiert werden, bei dem die Druckeinleitungslöcher 19 und 8 nicht vorgesehen sind. Ferner kann durch diesen Aufbau vermieden werden, daß Staub in die Umgebung X eindringt.

Die Fig. 7A und 7B zeigen den Aufbau eines kapazitiven Drucksensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, wobei die gleichen Bezugszeichen in den Fig. 7A und 7B entsprechend gleiche Teile in den Fig. 6A und 6B bezeichnen. Der in den Fig. 7A und 7B gezeigte Aufbau unterscheidet sich von dem in den Fig. 6A und 6B gezeigten Aufbau darin, daß in einer Fläche eines Substrats 1 ein erstes Druckeinleitungsloch 18 mit einem Spalt 2 ausgebildet ist. Außerdem ist eine Fläche a des Substrats 1 hermetisch abgedichtet, so daß die Umgebungen X und Y über die dritte Membran 11 voneinander getrennt sind. In der gleichen Umgebung (Umgebung Y) sind ein Meßabschnitt, der einen zweiten Kondensator aufweist, und ein Bezugsabschnitt, der einen ersten Kondensator aufweist, ausgebildet. Der zweite Kondensator besteht aus einer zweiten Elektrode 6 und einer dritten Elektrode 10. Der erste Kondensator besteht aus einer ersten Elektrode 3 und der zweiten Elektrode 6.

Bei diesem Aufbau werden die erste und zweite Membran 4 und 7 infolge des Druckunterschieds zwischen den Umgebungen X und Y nicht verformt, während die dritte Membran 11 durchgebogen wird. Da außerdem der Meßabschnitt und der Bezugsabschnitt in der gleichen Umgebung angeordnet sind, kann selbst dann eine Bezugsfunktion sichergestellt werden, falls die Umgebungen X und Y von unterschiedlicher Art sind.

Ist bei einem solchen Aufbau ein Druck auf der Seite der Umgebung X höher als ein Druck auf der Seite der Umgebung Y, so bilden die erste und zweite Membran 4 und 7 sowie ein Stufenteil 1a des Substrats 1 einen festen Anschlag. Falls die Öffnung des ersten Druckeinleitungsloches 18 in der Fläche a des Substrats 1 verringert wird, kann die Chipgröße des Substrats 1 verkleinert werden. Ferner fluchten die in der ersten Membran 4 ausgebildeten Druckeinleitungslöcher 19 mit den in der zweiten Membran 7 ausgebildeten Druckeinleitungslöchern 8, wobei die Löcher in gleichem Abstand unter dem Spalt 5 bzw. 9 angeordnet sind. Mit Hilfe dieses Aufbaus kann die erforderliche unterschnittene Ätzlänge verringert werden, so daß die Spalte 5 und 9 zuverlässig ausgebildet werden können. Infolge eines Spalts 2 kann die Einführöffnung für die Ätzlösung verbreitert werden. Da die Gesamtfläche der vierten und zweiten Druckeinleitungslöcher 19 und 8 klein ist, kann die Kapazitätsverringerung im Vergleich zu dem Fall minimiert werden, bei dem die Druckeinleitungslöcher 19 und 8 nicht vorgesehen sind.

Die Fig. 8A und 8B zeigen den Aufbau eines kapazitiven Drucksensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die gleichen Bezugszeichen in den Fig. 8A und 8B entsprechend gleiche Teile in den Fig. 2A und 2B bezeichnen. Der in den Fig. 8A und 8B gezeigte Aufbau unterscheidet sich von dem Aufbau in den Fig. 2A und 2B dadurch, daß eine erste Membran 4 mit einem vierten Druckeinleitungsloch 19, das mit einem ersten Druckeinleitungsloch 18 in Verbindung steht, auf einer Fläche eines Substrats 1 ausgebildet ist, während der Spalt 2 in Fig. 2B nicht vorgesehen ist. Außerdem ist eine Fläche a des Substrats 1 so hermetisch abgedichtet, daß die Umgebungen X und Y über eine dritte Membran 11 voneinander getrennt sind. In der gleichen Umgebung (Umgebung Y) sind ein Meßabschnitt, der einen zweiten Kondensator aufweist, und ein Bezugsabschnitt, der einen ersten Kondensator aufweist, ausgebildet. Der zweite Kondensator besteht aus einer zweiten Elektrode 6 und einer dritten Elektrode 10. Der erste Kondensator besteht aus einer ersten Elektrode 3 und der zweiten Elektrode 6.

Bei diesem Aufbau werden die erste und zweite Membran 4 und 7 infolge des Druckunterschieds zwischen den Umgebungen X und Y nicht verformt, wohingegen die dritte Membran 11 durchgebogen wird. Da außerdem die Meß- und Bezugsabschnitte in der gleichen Umgebung angeordnet sind, kann selbst dann ein Bezugsfunktion sichergestellt werden, falls die Umgebungen X und Y von unterschiedlicher Art sind.

Ist bei einem solchen Aufbau ein Druck auf der Seite der Umgebung X höher als ein Druck auf der Seite der Umgebung Y, so bilden die erste und zweite Membran 4 und 7 sowie das Substrat 1 einen festen Anschlag. Da die Gesamtfläche der zweiten Druckeinleitungslöcher 8 gering ist, kann eine Kapazitätsverringerung im Vergleich zu dem Fall minimiert werden, bei dem die Druckeinleitungslöcher 8 nicht ausgebildet sind. Außerdem kann, wie mit Bezug auf die Fig. 3A und 3B beschrieben, die erste Membran 4 flach ausgebildet werden, und zwar ohne Ausbildung des Stufenteils 1a des Substrats 1.

Die Fig. 9A und 9B zeigen den Aufbau eines kapazitiven Drucksensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, wobei die gleichen Bezugszeichen in den Fig. 9A und 9B entsprechend gleiche Teile in den Fig. 5A und 5B bezeichnen. Der in den Fig. 9A und 9B gezeigte Aufbau unterscheidet sich von dem in den Fig. 5A und 5B gezeigten Aufbau dadurch, daß ein viertes Druckeinleitungsloch 19 in einer ersten Membran, die auf der einen Fläche des Substrats 1 ausgebildet ist, und ein zweites Druckeinleitungsloch 8 in einer zweiten Membran 7 in Fortführung des ersten Druckeinleitungsloches 18 ausgebildet sind, wobei kein Spalt 2 vorgesehen ist. Eine Fläche a des Substrats 1 ist hermetisch so abgedichtet, daß die Umgebungen X und Y über eine dritte Membran 11 voneinander getrennt sind. In der gleichen Umgebung (Umgebung Y) sind ein Meßabschnitt, der einen zweiten Kondensator aufweist, und ein Bezugsabschnitt, der einen ersten Kondensator aufweist, ausgebildet. Der zweite Kondensator besteht aus einer zweiten Elektrode 6 und einer dritten Elektrode 10. Der erste Kondensator besteht aus einer ersten Elektrode 3 und der zweiten Elektrode 6.

Bei diesem Aufbau werden die erste und zweite Membran 4 und 7 infolge des Druckunterschieds zwischen den Umgebungen X und Y nicht verformt, wohingegen die dritte Membran 11 durchgebogen wird. Da außerdem die Meß- und Bezugsabschnitte sich in der gleichen Umgebung befinden, kann selbst dann eine Bezugsfunktion sichergestellt werden, falls die Umgebungen X und Y von unterschiedlicher Art sind.

Ist bei einem solchen Aufbau ein Druck auf der Seite der Umgebung X höher als ein Druck auf der Seite der Umgebung Y, so bilden die erste und zweite Membran 4 und 7 sowie das Substrat 1 einen festen Anschlag aus. Außerdem kann, wie mit Bezug auf die Fig. 3A und 3B beschrieben, die erste Membran 4 flach ohne das Stufenteil 1a ausgebildet werden. Da ferner die Elektroden, die die Meß- und Bezugsabschnitte aufweisen, in gleicher Form ausgebildet werden können, können die Kapazitäten der beiden Abschnitte auf einfache Weise aufeinander abgeglichen werden.

Die Fig. 10A und 10B zeigen den Aufbau eines kapazitiven Drucksensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, wobei die gleichen Bezugszeichen in den Fig. 10A und 10B entsprechend gleiche Teile in den Fig. 1A und 1B bezeichnen. Der in den Fig. 10A und 10B gezeigte Aufbau unterscheidet sich von dem in den Fig. 1A und 1B gezeigten Aufbau dadurch, daß ein erstes Druckeinleitungsloch 18A mit einer großen Öffnung in der einen Fläche des Substrats 1 anstelle des Spalts 2 ausgebildet ist und daß eine erste Membran 4, in der vierte Druckeinleitungslöcher 19 ausgebildet sind, die mit dem ersten Druckeinleitungsloch 18A in Verbindung stehen, eine zweite Membran 7, in der keine Druckeinleitungslöcher vorgesehen sind, und eine dritte Membran 11, in der dritte Druckeinleitungslöcher 12 ausgebildet sind, übereinandergestapelt sind und dadurch ein geeignetes Teil mit beweglicher Membran ausbilden. Außerdem ist eine Fläche a eines Substrats 1 so hermetisch abgedichtet, daß die Umgebungen X und Y über die zweite Membran 7 voneinander getrennt sind. In unterschiedlichen Umgebungen (Umgebung X und Y) sind somit zwei Meßabschnitte bzw. -teile ausgebildet, die einen ersten bzw. einen zweiten Kondensator einschließen. Der erste Kondensator besteht aus einer ersten Elektrode 3 und einer zweiten Elektrode 6. Der zweite Kondensator besteht aus der zweiten Elektrode 6 und einer dritten Elektrode 10.

Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die erste und dritte Membran 4 und 11 infolge des Druckunterschieds zwischen den Umgebungen X und Y nicht verformt, wohingegen die zweite Membran 7 durchgebogen wird.

Ist bei einem solchen Aufbau ein Druck auf der Seite der Umgebung X höher als ein Druck auf der Seite der Umgebung Y, so bildet die erste Membran 4 einen Anschlag. Mit einer Druckänderung nimmt die Kapazität eines der beiden Meßabschnitte zu, während die Kapazität des anderen Meßabschnitts abnimmt. In der gleichen Umgebung ändern sich in bezug auf andere Fehlerfaktoren die Kapazitäten der beiden Meßabschnitte in gleiche Richtung (Zunahme oder Abnahme), was eine einfache Fehlerkorrektur ermöglicht. Da die Druckeinleitungslöcher 19 in der ersten Membran 4 und die Druckeinleitungslöcher 12 in der dritten Membran 11 in gleichem Abstand in bezug auf die Spalte 5 und 9 angeordnet sind, kann die erforderliche unterschnittene Ätzlänge reduziert werden, so daß die Spalte 5 und 9 zuverlässig ausgebildet werden können. Da die Gesamtfläche der vierten Druckeinleitungslöcher 19 und der dritten Druckeinleitungslöcher 12 klein ist, kann eine Kapazitätsverringerung im Vergleich zu dem Fall minimiert werden, bei dem die Druckeinleitungslöcher 19 und 12 nicht ausgebildet sind. Ferner kann ein sogenanntes Nullpunktkompensations-Druckmeßverfahren alternativ zu dem Verfahren der Umwandlung der durch den Druck bewirkten Versetzung der zweiten Membran 7 in ein eine Kapazitätsänderung repräsentierendes elektrisches Signal Anwendung finden. Bei dem Nullpunktkompensations- Druckmeßverfahren werden eine elektrostatische Anziehungskraft F1, die entsprechend einer Potentialdifferenz V1 zwischen der ersten und zweiten Elektrode 3 und 6 erzeugt wird, und eine elektrostatische Anziehungskraft F2, die entsprechend einer Potentialdifferenz V2 zwischen der zweiten und dritten Elektrode 6 und 10 erzeugt wird, so gesteuert, daß die Kapazität des ersten Kondensators und/oder die Kapazität des zweiten Kondensators konstant gehalten wird, und somit ein Druck auf der Basis der Potentialdifferenz V1 und/oder der Potentialdifferenz V2 erhalten wird. Sind die Spalte 5 und 9 sehr klein, so kann dieses Verfahren beim Aufbau der vorliegenden Erfindung Anwendung finden, da die elektrostatischen Anziehungskräfte ausreichend groß sind. Da bei diesem Verfahren keine Membran verformt wird, können verschiedene Fehlerfaktoren, die auf der Steifigkeit jeder Membran beruhen, vernachlässigt werden. Es ist allgemein bekannt, daß das Nullpunktkompensations(Nullpunktkorrektur)- Druckmeßverfahren eine hochpräzise, hochempfindliche Messung ermöglicht. Es ist zu bemerken, daß das Substrat 1 die gleiche Gestalt, wie jeweils in den Fig. 7A bis 9A gezeigt, aufweisen kann und damit die entsprechenden gleichen Wirkungen aufzeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel steht der erste Hohlraum (Spalt 5) mit der Umgebung Y und der zweite Hohlraum (Spalt 9) mit der Umgebung X in Verbindung.

Die Fig. 11A und 11B zeigen den Aufbau eines kapazitiven Drucksensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, wobei die gleichen Bezugszeichen in den Fig. 11A und 11B entsprechend gleiche Teile wie in den Fig. 1A und 1B bezeichnen. Der in den Fig. 11A und 11B gezeigte Aufbau unterscheidet sich von dem in den Fig. 1A und 1B gezeigten Aufbau dadurch, daß auf der Oberfläche der dritten Membran 11 eine leitende Dünnschicht 20 ausgebildet ist. Diese leitende Dünnschicht 20 ist so ausgestaltet, daß diese nicht auf dem ersten, zweiten und dritten Elektrodenanschluß 15, 16 bzw. 17 und ihren Umfangsteilen ausgebildet ist und die dritten Druckeinleitungslöcher 12 nicht verschließt bzw. abdichtet.

Mit Hilfe dieses Aufbaus können die gleichen Wirkungen wie oben beschrieben und zusätzlich ein elektrostatischer Abschirmeffekt anhand der leitenden Dünnschicht 20 erzielt werden. Außerdem dient die Schicht 20 als Verstärkungsteil für die dritte Membran 11.

Der in den Fig. 11A und 11B gezeigte Aufbau schließt zusätzlich zu dem in den Fig. 1A und 1B verdeutlichten Aufbau die leitende Dünnschicht 20 ein. Diese leitende Dünnschicht 20 kann bei jedem Aufbau in den Fig. 2A bis 10A vorgesehen werden.

Die Fig. 12A und 12B zeigen den Aufbau eines kapazitiven Drucksensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, wobei die gleichen Bezugszeichen in den Fig. 12A und 12B entsprechend gleiche Teile in den Fig. 1A und 1B bezeichnen. Der in den Fig. 12A und 12B gezeigte Aufbau unterscheidet sich von dem in den Fig. 1A und 1B gezeigten Aufbau dadurch, daß auf der Oberfläche einer dritten Membran 11 ein Anschlag 21 ausgebildet ist. Bei diesem Aufbau stehen dritte Druckeinleitungslöcher 12 mit einer Umgebung X in Verbindung.

Entsprechend diesem Aufbau wird die Steifigkeit der dritten Membran 11 erhöht,so daß diese als fester Anschlag dient, falls der Druck auf der Seite der Umgebung Y in hohem Maße höher als der Druck auf der Seite der Umgebung X wird.

Der in den Fig. 12A und 12B gezeigte Aufbau schließt zusätzlich zu dem in den Fig. 1A und 1B verdeutlichten Aufbau den Anschlag 21 ein. Der gleiche Anschlag 21 kann bei dem jeweiligen Aufbau in den Fig. 2A bis 5B und dem in den Fig. 11A und 11B gezeigten Aufbau, der dem jeweiligen Aufbau in den Fig. 2A bis 5B entspricht, vorgesehen werden.

Die Fig. 13A und 13B zeigen den Aufbau eines kapazitiven Drucksensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, wobei die gleichen Bezugszeichen in den Fig. 13A und 13B entsprechend gleiche Teile in den Fig. 1A und 1B verdeutlichen. Der in den Fig. 13A und 13B verdeutlichte Aufbau unterscheidet sich von dem in den Fig. 1A und 1B gezeigten Aufbau dadurch, daß auf einer dritten Membran 11 über einem Spalt 22 als viertem Hohlraum ein Anschlag 21 ausgebildet ist. Bei diesem Aufbau stehen dritte Druckeinleitungslöcher 12 mit einer Umgebung X in Verbindung.

Wird ein Druck auf der Seite der Umgebung Y weitaus höher als ein Druck auf der Seite der Umgebung X, so dient entsprechend diesem Aufbau der Anschlag 21 als eine feste Anschlagsstruktur, während die Steifigkeit der über dem Spalt 9 liegenden dritten Membran 11 kaum geändert wird.

Der in den Fig. 13A und 13B gezeigte Aufbau schließt zusätzlich zu dem in den Fig. 1A und 1B gezeigten Aufbau den Anschlag 21 ein. Dieser Anschlag 21 kann jedoch auch bei dem jeweiligen Aufbau in den Fig. 2A bis 11B vorgesehen werden.

Die Fig. 14 bis 23 verdeutlichen ein Verfahren zum Herstellen des in den Fig. 1A und 1B verdeutlichten Drucksensors. Die Bezugszeichen in den Fig. 14 bis 23 bezeichnen die gleichen Teile wie in den Fig. 1A und 1B. Wie aus Fig. 14 ersichtlich, ist auf der oberen und unteren Fläche z. B. einer als Substrat 1 dienenden Si-Scheibe 31 eine Schicht 32 ausgebildet, die z. B. aus SiNx besteht. Wie in Fig. 15 gezeigt, werden mittels einer bekannten Fotoätztechnik vorbestimmte Masken 32a und 32b ausgebildet. Wie in Fig. 16 verdeutlicht, werden die obere und untere Fläche der Si- Scheibe 31 unter Verwendung dieser Masken 32a und 32b geätzt, um Ätzgräben 33a und 33b mit vorbestimmten Tiefen zu erzeugen. Anschließend wird in den Ätzgraben 33a in der oberen Fläche der Si-Scheibe 31 ein Opfer- bzw. Füllschichtmaterial eingebettet, um eine erste Füllschicht 34₁ auszubilden, wie dies in Fig. 17 verdeutlicht ist. Wie aus Fig. 18 ersichtlich, wird auf der oberen Fläche der Si- Scheibe 31, in der die Füllschicht 34₁ vorgesehen ist, eine erste Elektrode 3 ausgebildet, und zwar mit Hilfe eines üblichen Dünnschichtprozesses derart, daß eine leitende Schicht zwischen einer ersten und einer zweiten Isolierschicht 35a bzw. 35b eingeschlossen ist. Wie aus Fig. 19 ersichtlich, wird, nachdem ein Füllschichtmaterial auf der zweiten Isolierschicht 35b abgesetzt wurde, der sich ergebende Aufbau mittels einer bekannten Fotoätztechnik geätzt, um eine zweite Füllschicht 34₂ mit vorbestimmter Gestalt zu erzeugen. Wie in Fig. 20 gezeigt, werden eine dritte Isolierschicht 35c, eine zweite Elektrode 6 und eine vierte Isolierschicht 35d nacheinander auf der zweiten Isolierschicht 35b aufgebracht, auf der die zweite Füllschicht 34₂ vorgesehen ist, und zwar durch einen üblichen Dünnschichtprozeß. Durch wiederholtes Durchführen von Schritten, die den vorstehend beschriebenen ähnlich sind, werden eine dritte Füllschicht 34₃, eine fünfte Isolierschicht 35e, eine dritte Elektrode 10 und eine sechste Isolierschicht 35f nacheinander auf der vierten Isolierschicht 35d aufgebracht. Wie in Fig. 21 verdeutlicht, werden vom obersten Teil des resultierenden Aufbaus Öffnungen 13a, 13b, 13c und 13d ausgebildet, die entsprechend die erste Elektrode 3, die zweite Elektrode 6, die dritte Elektrode 10 und die zweite Füllschicht 34₂ erreichen. Wie aus Fig. 22 ersichtlich, werden anschließend Leiterelemente 14 entsprechend in die Öffnungen 13a, 13b und 13c eingebettet, während auf den Leiterelementen 14 entsprechende Elektrodenanschlüsse 15, 16 und 17 ausgebildet sind, die mit der ersten, zweiten bzw. dritten Elektrode 3, 6 und 10 elektrisch verbunden sind. Wie in Fig. 23 verdeutlicht, werden die Spalte 5 und 9 durch Entfernen der zweiten und dritten Füll- bzw. Opferschicht 34₂ und 34₃ mittels Naßätzen unter Verwendung der Öffnungen 13d ausgebildet. Anschließend wird der in der unteren Fläche der Si-Scheibe 31 vorgesehene Ätzgraben 33b zu einem ersten Druckeinleitungsloch 18 erweitert, das die erste Füllschicht 34₁ erreicht, wobei diese Füllschicht 34₁ über das erste Druckeinleitungsloch 18 zur Ausbildung eines Spalts 2 durch Naßätzen entfernt wird, so daß sich der in den Fig. 1A und 1B gezeigte kapazitive Drucksensor ergibt, bei dem der vertikale Bezugskondensator integriert ist.

Die Fig. 24 bis 31 verdeutlichen ein Verfahren zum Herstellen des in den Fig. 4A und 4B gezeigten kapazitiven Drucksensors. Die Bezugszeichen in den Fig. 24 bis 31 bezeichnen die gleichen Teile wie in den Fig. 4A und 4B. Wie in Fig. 24 gezeigt, ist auf einer Fläche eines Substrats, das z. B. eine Si-Scheibe 31 darstellt, eine SiNx-Schicht 32 mittels CVD- Abscheidung ausgebildet. Wie aus Fig. 25 ersichtlich, wird dann eine vorbestimmte SiNx-Maske 32a mit Hilfe einer bekannten Fotoätztechnik ausgebildet. Eine Fläche der Si- Scheibe 31 wird unter Verwendung der Maske 32a geätzt, wodurch, wie aus Fig. 26 ersichtlich, ein Ätzgraben 33 mit vorbestimmter Tiefe ausgebildet wird. Nach Entfernen der Maske 32a wird ein Füll- bzw. Opferschichtmaterial auf die Si-Scheibe 31 aufgebracht, woraufhin das Füllschichtmaterial mit Ausnahme des in dem Ätzgraben 33 abgelagerten Füllschichtmaterials entfernt wird, wodurch eine erste Füllschicht 34₁ erzeugt wird. Wie aus Fig. 28 ersichtlich, wird auf der Oberfläche der Si-Scheibe 31, in der die erste Füllschicht 34₁ eingebettet ist, eine erste Isolierschicht 35₁ mittels eines üblichen Vakuumdünnschichtprozesses ausgebildet. Wie in Fig. 29 gezeigt, wird in der ersten Isolierschicht 35₁ eine Öffnung 36 ausgebildet, die mit der ersten Füllschicht 34₁ in Verbindung steht. Nachdem, wie aus Fig. 30 ersichtlich, die erste Füllschicht 34₁ über die Öffnung 36 weggeätzt wurde, wird eine zweite Isolierschicht 35₂ mit Hilfe eines üblichen Vakuumdünnschichtprozesses auf der ersten Isolierschicht 35₁ ausgebildet, wodurch der Spalt bzw. Hohlraum 2 erzeugt wird, wie dies in Fig. 31 verdeutlicht ist. Anschließend wird durch Ausführen der im Zusammenhang mit der Fig. 18 und den folgenden Figuren beschriebenen Schritte ein kompakter, kapazitiver Drucksensor hergestellt, bei dem ein vertikaler Bezugskondensator integriert ist. In diesem Fall wird der in Fig. 23 gezeigte Schritt des Ätzens der Silizium-Scheibe 31 nicht durchgeführt.

Die Fig. 32A und 32B zeigen den Aufbau eines kapazitiven Drucksensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, wobei die Bezugszeichen in den Fig. 32A und 32B, die denen der Fig. 1A und 1B entsprechen, gleiche Teile bezeichnen. Der in den Fig. 32A und 32B gezeigte Aufbau unterscheidet sich von dem in den Fig. 1A und 1B gezeigten Aufbau dadurch, daß die in Fig. 1B gezeigten zweiten und dritten Druckeinleitungslöcher 8 und 12 nicht in der zweiten und dritten Membran 7 und 11 ausgebildet sind, und daß die zweite Membran 7 in einem Hohlraum befestigt bzw. ausgebildet ist, der von den Spalten 5 und 9 gebildet wird. Die gleiche Atmosphäre, wie z. B. ein Vakuum oder ein Edelgas wird in diesem Hohlraum unter Abdichtung gehalten, so daß die Umgebungen X und Y über die erste und dritte Membran 4 und 11 voneinander getrennt sind. In der gleichen Umgebung sind zwei Meßabschnitte ausgebildet, die einen ersten bzw. zweiten Kondensator aufweisen. Der erste Kondensator besteht aus einer ersten Elektrode 3 und einer zweiten Elektrode 6. Der zweite Kondensator besteht aus der zweiten Elektrode 6 und einer dritten Elektrode 10.

Bei diesem Aufbau werden die erste und dritte Membran 4 und 11 als unteres und oberes Teil infolge der zwischen den Umgebungen X und Y vorliegenden Druckdifferenz versetzt, während die zweite Membran 7 als mittleres Teil fixiert ist. Demzufolge ändert sich sowohl die Kapazität zwischen der zweiten und dritten Membran 7 und 11 als auch die Kapazität zwischen der ersten und zweiten Membran 4 und 7. Durch Erfassen dieser Kapazitäten kann die Druckdifferenz zwischen den Umgebungen X und Y ermittelt werden.

Entsprechend diesem Aufbau wird die gleiche Atmosphäre, wie z. B. ein Vakuum oder ein Edelgas zwischen der zweiten und dritten Membran 7 und 11 und zwischen der ersten und zweiten Membran 4 und 7 hermetisch abgeschlossen, so daß die Umgebungen X und Y voneinander getrennt sind. Selbst wenn sich die Atmosphäre, wie z. B. die relative Feuchtigkeit in den Umgebungen X und Y ändert, werden die Kapazitäten zwischen der zweiten und dritten Membran 7 und 11 sowie die Kapazität zwischen der ersten und zweiten Membran 4 und 7 überhaupt nicht beeinflußt. D. h. durch Änderungen der Umgebung, wie z. B. durch Feuchtigkeitsänderungen werden keine Fehler hervorgerufen.

Die Fig. 33 bis 39 verdeutlichen ein Verfahren zur Herstellung des in den Fig. 32A und 32B gezeigten kapazitiven Drucksensors. Die Bezugszeichen in den Fig. 33 bis 39, die denen der Fig. 32A und 32B entsprechen, kennzeichnen gleiche Teile. Zur Herstellung des in Fig. 33 gezeigten Aufbaus werden die gleichen Schritte durchgeführt, die in den Fig. 14 bis 17 des früheren Ausführungsbeispiels dargestellt sind. Nachfolgend wird, wie aus Fig. 34 ersichtlich, ein Füll- bzw. Opferschichtmaterial auf die zweite Isolierschicht 35b aufgetragen und der resultierende Aufbau mittels einer bekannten Fotoätztechnik geätzt, um eine zweite Füllschicht 34₂ auszubilden, die geringfügig größer als die in dem Ätzgraben 33a vorgesehene erste Füllschicht 34₁ ist. Wie aus Fig. 35 ersichtlich, werden nacheinander eine dritte Isolierschicht 35c, eine zweite Elektrode 6 und eine vierte Isolierschicht 35d auf die zweite Isolierschicht 35b aufgebracht, auf der die zweite Füllschicht 34₂ ausgebildet ist. Nachdem eine dritte Füllschicht 34₃, die fast die gleiche Größe wie die zweite Füllschicht 34₂ hat, auf der vierten Isolierschicht 35d ausgebildet ist, werden Schritte wiederholt durchgeführt, die ähnlich den oben beschriebenen sind, um auf die vierte Isolierschicht 35d nacheinander eine fünfte Isolierschicht 35e, eine dritte Elektrode 10 und eine sechste Isolierschicht 35f aufzubringen. Wie in Fig. 36 gezeigt, erstrecken sich Öffnungen 13a, 13b, 13c und 13d vom obersten Teil des resultierenden Aufbaus entsprechend bis zur ersten Elektrode 3, zur zweiten Elektrode 6, zur dritten Elektrode 10 und zur zweiten Füllschicht 34₂. Anschließend werden Leiterelemente 14 entsprechend in die Öffnungen 13a, 13b und 13c eingebettet, wie dies in Fig. 37 verdeutlicht ist. Auf diesen Leiterelementen 14 sind entsprechende Elektrodenanschlüsse 15, 16 und 17 ausgebildet, die mit der ersten, zweiten bzw. dritten Elektrode 3, 6 bzw. 10 elektrisch verbunden sind. Wie aus Fig. 38 ersichtlich, werden die zweite und dritte Füllschicht 34₂ und 34₃ mittels Naßätzen durch die Öffnung 13d entfernt, um die Spalte 5 und 9 auszubilden. Anschließend wird der Ätzgraben 33b in der unteren Fläche der Si-Scheibe 31 mittels Naßätzung geätzt, um das erste Druckeinleitungsloch 18 auszubilden, das die erste Füllschicht 34₁ erreicht. Außerdem wird diese erste Füllschicht 34₁ unter Verwendung des ersten Druckeinleitungsloches 18 zur Ausbildung des Spaltes 2 entfernt. Anschließend wird ein Trocknungsprozeß durchgeführt und die Öffnung 13d mit einem Isolierelement 36 abgedichtet, während in dem durch die Spalte 5 und 9 gebildeten Hohlraum ein Vakuum oder ein Edelgas gehalten wird. Auf diese Weise wird der in Fig. 32 gezeigte kompakte kapazitive Drucksensor erhalten, bei dem der vertikale Bezugskondensator integriert ist.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die obere Fläche des Si-Substrats (Scheibe) 31 zur Erzielung einer flachen Substratfläche mit einem U-förmigen Querschnitt aufweisenden Ätzgraben 33a versehen, der mit der Füllschicht 34₁ ausgefüllt ist. Als Si-Scheibe 31 kann jedoch z. B. eine Si-Scheibe vom n-Typ verwendet und p-Fremdatome selektiv in die Scheibe mit hoher Konzentration eindiffundiert werden, um eine eindiffundierte Schicht zu erhalten, die als vergrabene Schicht verwendet werden kann. In diesem Fall wird die vergrabene Schicht wie folgt entfernt. Zuerst wird in der Si- Scheibe 31 vom n-Typ eine Öffnung ausgebildet, die sich von ihrer unteren Fläche zur vergrabenen Schicht erstreckt. Die vergrabene Schicht wird dann selektiv geätzt bzw. entfernt, und zwar unter Verwendung einer Ätzlösung, die aus Fluorwasserstoffsäure, Salpetersäure und Essigsäure im Verhältnis 1 : 3 : 8 besteht, um somit den Spalt 2 herzustellen. Mit Hilfe dieses Verfahrens kann der gleiche Aufbau wie oben beschrieben erzeugt werden.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen weist jede bewegliche Membran eine rechteckige Gestalt auf. Alternativ kann jedoch auch eine runde oder polygonale Gestalt gewählt werden.

Ferner wird bei jedem der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele ein Durchgangsloch oder eine Vertiefung im Substrat ausgebildet. Es ist jedoch verständlich, daß die gleichen Wirkungen auch durch einen Aufbau erzielt werden können, bei dem sowohl ein Durchgangsloch als auch eine Vertiefung in dem Substrat ausgebildet werden.

Claims (8)

1. Kapazitiver Drucksensor mit

• - einem Substrat (1), das zumindest ein Durchgangsloch (18) oder eine Vertiefung (2) aufweist, das bzw. die in einer Fläche des Substrats (1) ausgebildet ist,
• - einer ersten Dünnschichtmembran (4), die auf der ei­ nen Fläche des Substrats (1) ausgebildet ist und eine erste Elektrode (3) aufweist, und
• - einer zweiten Dünnschichtmembran (7), die unter Aus­ bildung eines ersten Hohlraumes (5) auf der ersten Dünn­ schichtmembran (4) ausgebildet ist und ein erstes Druckein­ leitungsloch (8) sowie eine zweite Elektrode (6) aufweist, wobei ein erster Kondensator zwischen der ersten und zweiten Elektrode (3, 6) gebildet wird,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß eine dritte Dünnschichtmembran (11) vorgesehen ist, die unter Ausbiidung eines zweiten Hohlraumes (9) auf der zweiten Dünnschichtmembran (7) ausgebildet ist und ein zweites, mit dem ersten Druckeinleitungsloch (8) in Verbindung stehendes Druckeinleitungsloch (12) sowie eine dritte Elek­ trode (10) aufweist, wobei ein zweiter Kondensator zwischen der zweiten und dritten Elektrode (6, 10) ausgebildet wird, und
• - daß die erste, zweite und dritte Elektrode (3, 6, 10) als leitende Dünnschichten ausgebildet sind, die jeweils zwi­ schen Isolierschichten angeordnet sind.

2. Kapazitiver Drucksensor mit

• - einem Substrat (1), das ein Durchgangsloch (18) oder eine Vertiefung (2) aufweist, das bzw. die in einer Fläche des Substrats (1) ausgebildet ist,
• - einer ersten Dünnschichtmembran (4), die auf der ei­ nen Fläche des Substrats (1) ausgebildet ist und eine erste Elektrode (3) aufweist, und
• - einer zweiten Dünnschichtmembran (7), die unter Aus­ bildung eines ersten Hohlraums (5) auf der ersten Dünn­ schichtmembran (4) ausgebildet ist und ein Druckeinleitungs­ loch (8) sowie eine zweite Elektrode (6) aufweist, wobei ein erster Kondensator zwischen der ersten und zweiten Elektrode (3, 6) gebildet wird,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß eine dritte Dünnschichtmembran (11) vorgesehen ist, die unter Ausbildung eines zweiten Hohlraumes (9) auf der zweiten Dünnschichtmembran (7) ausgebildet ist und eine dritte Elektrode (10) aufweist, wobei ein zweiter Kondensator zwischen der zweiten und dritten Elektrode (6, 10) ausgebil­ det wird,
• - daß die erste Dünnschichtmembran (4) ein erstes, mit dem Durchgangsloch (18) in Verbindung stehendes Druckeinlei­ tungsloch (19) aufweist,
• - daß das Druckeinleitungsloch (8) der zweiten Dünn­ schichtmembran (7) mit dem Druckeinleitungsloch (19) der ersten Dünnschichtmembran (7) in Verbindung steht und
• - daß die erste, zweite und dritte Elektrode (3, 6, 10) als leitende Dünnschichten ausgebildet sind, die jeweils zwi­ schen Isolierschichten angeordnet sind.

3. Kapazitiver Drucksensor mit

• - einem Substrat (1), das ein Durchgangsloch (18) auf­ weist, das mit einem ersten Außenteil oder einer Vertiefung in Verbindung steht,
• - einer ersten Dünnschichtmembran (4), die auf einer Seite des Substrats (1) ausgebildet ist und eine erste Elek­ trode (3) aufweist, und
• - einer zweiten Dünnschichtmembran (7), die unter Aus­ bildung eines ersten Hohlraumes (5) auf der ersten Dünn­ schichtmembran (4) ausgebildet ist und eine zweite Elektrode (6) aufweist, wobei ein erster Kondensator zwischen der ersten und zweiten Elektrode (3, 6) ausgebildet wird,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß die erste Dünnschichtmembran (4) ein mit dem Durchgangsloch (18) in Verbindung stehendes Druckeinleitungs­ loch (19) aufweist,
• - daß eine dritte Dünnschichtmembran (11) vorgesehen ist, die unter Ausbildung eines zweiten Hohlraumes (9) auf der zweiten Dünnschichtmembran (7) ausgebildet ist und ein mit einem zweiten Außenteil in Verbindung stehendes Druckein­ leitungsloch (12) sowie eine dritte Elektrode (10) aufweist, wobei ein zweiter Kondensator zwischen der zweiten und drit­ ten Elektrode (6, 10) ausgebildet wird, und
• - daß die erste, zweite und dritte Elektrode (3, 6, 10) als leitende Dünnschichten ausgebildet sind, die jeweils zwi­ schen Isolierschichten angeordnet sind.

4. Kapazitiver Drucksensor mit

• - einem Substrat (1), das zumindest ein Durchgangsloch (18) oder eine Vertiefung (2) aufweist, das bzw. die in einer Fläche des Substrats (1) ausgebildet ist,
• - einer ersten Dünnschichtmembran (4), die auf der ei­ nen Fläche des Substrats (1) ausgebildet ist und eine erste Elektrode (3) aufweist, und
• - einer zweiten Dünnschichtmembran (7), die unter Aus­ bildung eines ersten Hohlraumes (5) auf der ersten Dünn­ schichtmembran (7) ausgebildet ist und ein Druckeinleitungs­ loch (8) sowie eine zweite Elektrode (6) aufweist, wobei ein erster Kondensator zwischen der ersten und zweiten Elektrode (3, 6) ausgebildet wird,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß eine dritte Dünnschichtmembran (11) vorgesehen ist, die unter Ausbildung eines zweiten Hohlraumes (9) auf der zweiten Dünnschichtmembran (7) ausgebildet ist und eine dritte Elektrode (10) aufweist, wobei ein zweiter Kondensator zwischen der zweiten und dritten Elektrode (6, 10) ausgebil­ det wird, und
• - daß die erste, zweite und dritte Elektrode (3, 6, 10) als leitende Dünnschichten ausgebildet sind, die jeweils zwi­ schen Isolierschichten angeordnet sind.