DE9102748U1

DE9102748U1 - Pressure sensor for low pressures

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Publication number: DE9102748U1
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Priority date: 1991-01-14
Filing date: 1991-03-07
Publication date: 1991-07-04
Anticipated expiration: 2001-03-08

Description

Drucksensor für niedere DrückePressure sensor for low pressures

BeschreibungDescription

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor für niedere Drücke mit wenigstens zwei Sensorkörpern, von denen wenigstens einer aus einem Halbleitermaterial hergestellt ist, die eine Referenzdruckkammer einschließen, die eine von einem der zwei Sensorkörper gebildete, mit dem Meßdruck beaufschlagbare Membran aufweist, mit elektrische Glieder umfassenden Erfassungsmitteln, die mit der Membran in Wirkverbindung stehen und von denen eine die jeweilige Auslenkung der Membran kennzeichnende Größe ableitbar ist, wobei die elektrischen Mittel mit dem Umgebungsdruck ausgesetzten äußeren Anschlüssen verbunden sind, und mit einer Drucksensorhalterung, die den Drucksensor haltert und mit der dieser an einer Meßstelle befestigbar ist,gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a pressure sensor for low pressures with at least two sensor bodies, of which at least one is made of a semiconductor material, which enclose a reference pressure chamber which has a membrane formed by one of the two sensor bodies and can be subjected to the measuring pressure, with detection means comprising electrical elements which are operatively connected to the membrane and from which a quantity characterizing the respective deflection of the membrane can be derived, the electrical means being connected to external connections exposed to the ambient pressure, and with a pressure sensor holder which holds the pressure sensor and with which it can be fastened to a measuring point, according to the preamble of claim 1.

Aus der DE 35 05 925 Al ist ein solcher Drucksensor bekannt. Dieser weist eine Grundplatte auf, auf der eine Siliziumplatte angebracht ist, deren Mittelbereich gegenüber ihrem Randbereich dünner ausgebildet ist, so daß sich eine Membran ergibt. Auf dieser Siliziumplatte ist eine Abdeckplatte angeordnet. Der dünnere Bereich der Siliziumplatte hat eine derartige Lage, daß einerseits zwischen diesem Bereich und der Grundplatte und andererseits zwischen diesem Bereich und der Abdeckplatte jeweils ein Hohlraum vorliegt. Der Hohlraum zwischen der Abdeckplatte und der Siliziumplatte weist einen Unterdruck bzw. Referenzdruck auf. Der Hohlraum zwischen der Grundplatte und der Siliziumplatte steht über einen Tunnel mit dem zu messenden Druck in Verbindung. In diesem Hohlraum ist auf der Grundplatte eine Kondensatorplatte angeordnet, die mit einer an der Membran vorgesehenen Kondensatorplatte zusammenwirkt. Beide Kondensatorplatten sind dem zu messenden Druck ausgesetzt. Bei einem solchen Drucksensor bestehtSuch a pressure sensor is known from DE 35 05 925 A1. This has a base plate on which a silicon plate is attached, the middle area of which is thinner than its edge area, so that a membrane is formed. A cover plate is arranged on this silicon plate. The thinner area of the silicon plate is positioned in such a way that there is a cavity between this area and the base plate on the one hand and between this area and the cover plate on the other. The cavity between the cover plate and the silicon plate has a negative pressure or reference pressure. The cavity between the base plate and the silicon plate is connected to the pressure to be measured via a tunnel. In this cavity, a capacitor plate is arranged on the base plate, which interacts with a capacitor plate provided on the membrane. Both capacitor plates are exposed to the pressure to be measured. In such a pressure sensor, there is

die Gefahr, daß durch den Tunnel für die elektrische Leitungsverbindung mit der ortsfesten Kondensatorplatte Feuchtigkeit und Schmutz eindringen, durch die die Kapazitätswerte der Kondensatorplatte und der Leitungsverbindungen verändert werden, so daß Verfälschungen der Meßwerte auftreten können. Insbesondere für die Messung sehr geringer Drücke im Bereich von unterhalb einem Millibar und bei aggressiven Medien in der Meßatmosphäre ist dieser bekannte Drucksensor somit nicht einsetzbar. Ferner eignet sich dieser bekannte Sensor nicht für Druckmessungen bei teilweise leitenden Gasen. Ebenfalls gehen bei diesem bekannten Sensor Variationen der relativen Dielektrizitätskonstante des Meßgases direkt in das Meßergebnis ein.the danger that moisture and dirt can penetrate through the tunnel for the electrical cable connection with the stationary capacitor plate, which can change the capacitance values of the capacitor plate and the cable connections, so that the measured values can be distorted. This known pressure sensor cannot therefore be used, in particular, for measuring very low pressures in the range of less than one millibar and when there are aggressive media in the measuring atmosphere. Furthermore, this known sensor is not suitable for pressure measurements in partially conductive gases. With this known sensor, variations in the relative dielectric constant of the measuring gas are also directly included in the measuring result.

Typischerweise werden solche Drucksensoren derart in ein Gehäuse eingebaut, daß ihre Grundplatte mit der Bodenplatte des Gehäuses verbunden wird, wie dies für einen ähnlichen Drucksensor in Fig. IA der EP 0 380 885 Al schematisch angedeutet ist. Hier führt der Meßdruck zu einer von diesem und einer Wirkfläche des Sensors abhängigen Kraft an den Verbindunsstellen des Sensors mit seinem Gehäuse, die sich als Spannungen durch die Drucksensorstruktur fortpflanzen, welche senkrecht zu der Membranfläche gerichtet sind und somit eine zusätzliche Membranauslenkung bewirken, die zu einem weiteren Meßfehler führt.Typically, such pressure sensors are installed in a housing in such a way that their base plate is connected to the bottom plate of the housing, as is schematically indicated for a similar pressure sensor in Fig. IA of EP 0 380 885 A1. Here, the measuring pressure leads to a force dependent on this and an effective surface of the sensor at the connection points of the sensor with its housing, which propagate as stresses through the pressure sensor structure, which are directed perpendicular to the membrane surface and thus cause an additional membrane deflection, which leads to a further measurement error.

Ein weiteres Problem bei derartigen Drucksensoren liegt darin, daß die Anschlußdrähte desselben durch die Wandung des typischerweise evakuierten Gehäuse hindurch zu der bei Umgebungsatmosphäre liegenden Auswerteelektronik geführt werden müssen. Es hat sich als äußerst problematisch erwiesen, derartige Gehäusedurchführungen so zu gestalten, daß das Vakuum im Gehäuse langfristig stabil erhalten bleibt.Another problem with such pressure sensors is that the connecting wires have to be led through the wall of the typically evacuated housing to the evaluation electronics, which are located in the ambient atmosphere. It has proven to be extremely problematic to design such housing feedthroughs in such a way that the vacuum in the housing remains stable over the long term.

In der DE 36 16 308 Al ist ein Drucksensor in SOS-(Silicone on Saphire)-Technologie für die Erfassung von sehr hohen Drücken in dem Brennraum eines Motors beschrieben, bei dem die Hauptflächen zweier miteinander verbundener und eineDE 36 16 308 Al describes a pressure sensor in SOS (silicone on sapphire) technology for detecting very high pressures in the combustion chamber of an engine, in which the main surfaces of two interconnected and one

Referenzdruckkammer einschließender Sensorkörper im wesentlichen senkrecht zur Befestigungsebene des Drucksensors verlaufen, sodaß dieser Sensor innerhalb eines Schraubkörperartigen Gehäuseteiles untergebracht werden kann. Sowohl die zur Messung der Durchbiegung der die Referenzdruckkammer abschließenden Membran verwendeten Dehnungsmeßstreifen wie auch deren Verbindungsleitungen liegen außen auf einem der Sensorkörper und sind mit einer daraufliegenden Verglasung geschützt.The sensor body enclosing the reference pressure chamber runs essentially perpendicular to the mounting plane of the pressure sensor, so that this sensor can be housed within a screw-type housing part. Both the strain gauges used to measure the deflection of the membrane enclosing the reference pressure chamber and their connecting lines are located on the outside of one of the sensor bodies and are protected by a glazing on top.

Die kapazitive Erfassung des Druckes bei einem Drucksensor ist in der DE 24 59 612 C2 beschrieben.The capacitive detection of pressure with a pressure sensor is described in DE 24 59 612 C2.

Aus der DE 37 37 059 Al ist es bekannt, einen Drucksensor so auszugestalten, daß eine Differentialdruckmessung mittels zweier Differetialkondensatorstrukturen vorgenommen werden kann.From DE 37 37 059 A1 it is known to design a pressure sensor in such a way that a differential pressure measurement can be carried out using two differential capacitor structures.

Zum technologischen Hintergrund der Erfindung werden ferner folgende Schriften genannt: DE 35 05 926 Al; EP 0195 985 Bl; DE 38 21 186 Al; DE 38 11 047 Al; DE 24 59 612 C2; DE 34 45 774 Al; DE 37 37 059 Al; DE-AS 25 56 947; EP 0 385 574 Al; DE 35 05 924 Al; und EP 0 380 885 Al.The following documents are also mentioned for the technological background of the invention: DE 35 05 926 Al; EP 0195 985 Bl; DE 38 21 186 Al; DE 38 11 047 Al; DE 24 59 612 C2; DE 34 45 774 Al; DE 37 37 059 Al; DE-AS 25 56 947; EP 0 385 574 Al; DE 35 05 924 Al; and EP 0 380 885 Al.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Gattung derart weiterzubilden, daß bei vereinfachter Bauweise des Drucksensors und seines Gehäuses die durch Leitungsdurchführungen durch Gehäusewandungen bedingten Dichtprobleme ausgeschlossen werden, daß die Inhaltsstoffe der Meßatmosphäre die Sensoreigenschaften nicht beeinflussen und daß die Meßgenauigkeit weiter verbessert wird.The invention is based on the object of developing a pressure sensor of the type specified in the preamble of claim 1 in such a way that, with a simplified design of the pressure sensor and its housing, the sealing problems caused by cable feedthroughs through housing walls are excluded, that the ingredients of the measuring atmosphere do not influence the sensor properties and that the measuring accuracy is further improved.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Drucksensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.This object is achieved according to the invention in a pressure sensor according to the preamble of claim 1 by the features specified in the characterizing part of claim 1.

In vorteilhafter Weise wird dadurch, daß die Ebene, in derAdvantageously, the plane in which

der Drucksensor in einer Meßposition befestigt wird, die senkrecht zu den Hauptflächen der Sensorkörper verläuft, erreicht, daß etwaige aufgrund der Befestigung auftretende Spannungen parallel zur Membranebene verlaufen. Damit wird verhindert, daß eine senkrecht zur Membranebene wirkende Kraftkomponente auftritt, die zur Verfälschung des Meßergebnisses beitragen würde.the pressure sensor is mounted in a measuring position that is perpendicular to the main surfaces of the sensor body, ensures that any tensions that may arise due to the mounting run parallel to the membrane plane. This prevents a force component that acts perpendicular to the membrane plane from occurring, which would contribute to falsifying the measurement result.

Bei dem erfindungsgemäßen Drucksensor ist im Bereich der Referenzdruckkammer wenigstens ein Glied der elektrischen Erfassungsmittel angeordnet, die dazu dienen, eine die Auslenkung der Membran kennzeichnende Größe zu erzeugen. Eine Verbindung zwischen diesem Glied und einem äußeren Anschluß verläuft zwischen den beiden Sensorkörpern. Dadurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß auch im Bereich dieser elektrischen Verbindungsleitungen eine dichte Verbindung zwischen den beiden Sensorkörpern vorliegt, so daß keine Gefahr besteht, daß über längere Zeit hinweg ein langsamer Druckausgleich zwischen der Referenzdruckkammer und dem Umgebungsdruck eintreten könnte. Ferner wird bei dem erfindungsgemäßen Drucksensor in vorteilhafter Weise erzielt, daß die Leitungen ebenso wie die Glieder der elektrischen Erfassungsmittel vor störenden Einflüssen geschützt sind.In the pressure sensor according to the invention, at least one element of the electrical detection means is arranged in the area of the reference pressure chamber, which serves to generate a quantity that characterizes the deflection of the membrane. A connection between this element and an external connection runs between the two sensor bodies. This advantageously ensures that there is a tight connection between the two sensor bodies in the area of these electrical connecting lines, so that there is no risk that a slow pressure equalization could occur between the reference pressure chamber and the ambient pressure over a longer period of time. Furthermore, the pressure sensor according to the invention advantageously ensures that the lines as well as the elements of the electrical detection means are protected from disruptive influences.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch ausgezeichnet, daß der Drucksensor ein drittes, aus einem Halbleitermaterial hergestelltes Sensorteil aufweist, das in Gegenüberlage zu der Membran angeordnet ist, wobei zwischen der Membran und dem dritten Sensorteil ein mit dem Meßdruck zu verbindender Raum vorgesehen ist, und daß der der Membran gegenüberliegende Bereich des dritten Sensorteils ein elektrisches Glied der Erfassungsmittel aufweist, dessen elektrisch leitende Verbindung zwischen dem dritten und einem diesem benachbarten Sensorteil verläuft.An advantageous development of the invention is characterized in that the pressure sensor has a third sensor part made of a semiconductor material, which is arranged opposite the membrane, wherein a space to be connected to the measuring pressure is provided between the membrane and the third sensor part, and that the area of the third sensor part opposite the membrane has an electrical element of the detection means, the electrically conductive connection of which runs between the third sensor part and a sensor part adjacent to it.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch ausgezeichnet, daß von den wenigstens zwei Sensorkörpern eine weitere Referenzdruckkammer eingeschlossen ist,Another advantageous development of the invention is characterized in that the at least two sensor bodies enclose an additional reference pressure chamber,

die eine von einem der Sensorkörper gebildete weitere Membran aufweist, daß weitere elektrische Glieder umfassende Erfassungsmittel vorgesehen sind, die mit der weiteren Membran in Wirkverbindung stehen und von denen eine die jeweilige Auslenkung der Membran kennzeichnende Größe ableitbar ist, daß mindestens eine elektrisch leitende Verbindung zwischen mindestens einem weiteren elektrischen Glieder und dem zugeordneten äußeren Anschluß zwischen den zwei Sensorkörpern oder in einem der Sensorkörper im wesentlich parallel zu dem Verbindungsbereich der beiden Sensorkörper verläuft.which has a further membrane formed by one of the sensor bodies, that detection means comprising further electrical elements are provided which are operatively connected to the further membrane and from which a quantity characterizing the respective deflection of the membrane can be derived, that at least one electrically conductive connection between at least one further electrical element and the associated external connection between the two sensor bodies or in one of the sensor bodies runs essentially parallel to the connection region of the two sensor bodies.

Eine wiederum andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch ausgezeichnet, daß zwei eine Referenzdruckkammer einschließende Sensorteile jeweils mit einer Membran für die Referenzdurckkammer ausgebildet sind.Yet another advantageous development of the invention is characterized in that two sensor parts enclosing a reference pressure chamber are each formed with a membrane for the reference pressure chamber.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch ausgezeichnet, daß die Membran aus einem leitfähig dotiertem Halbleitermaterial besteht.A further advantageous development of the invention is characterized in that the membrane consists of a conductively doped semiconductor material.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch ausgezeichnet, daß der die Membran umfassende Sensorkörper mit einer Isolatorschicht bedeckt ist.A further advantageous development of the invention is characterized in that the sensor body comprising the membrane is covered with an insulating layer.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch ausgezeichnet, daß der zweite Sensorkörper die Membran umfaßt, daß der erste Sensorkörper zwei Elektrodenflächen aufweist, die nebeneinander gegenüber der Membran angeordnet sind, und daß die elektrisch leitenden Verbindungen allein in dem ersten Sensorkörper verlaufen.A further advantageous development of the invention is characterized in that the second sensor body comprises the membrane, that the first sensor body has two electrode surfaces which are arranged next to one another opposite the membrane, and that the electrically conductive connections run solely in the first sensor body.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch ausgezeichnet, daß die Membran und die weitere Membran eine unterschiedliche Steifigkeit aufweisen.Another advantageous development of the invention is characterized in that the membrane and the further membrane have a different stiffness.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch ausgezeichnet, daß die mindesten eine elektrischAnother advantageous development of the invention is characterized in that the at least one electrically

leitende Verbindung zwischen einem und/oder weiteren elektrischen Glied der Erfassungsmittel als vergrabene Struktur ausgebildet ist.conductive connection between one and/or further electrical elements of the detection means is designed as a buried structure.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch ausgezeichnet, daß die vergrabene Struktur durch dotieren des Halbleitermaterials hergestellt ist.Another advantageous development of the invention is characterized in that the buried structure is produced by doping the semiconductor material.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch ausgezeichnet, daß die mindesten eine elektrisch leitende Verbindung zwischen einem und/oder einem weiteren elektrischen Glied der Erfassungsmittel und dem zugeordneten äußeren Anschluß durch Aufdampfen oder Aufstäuben eines elektrisch leitenden Materials hergestellt ist.Another advantageous development of the invention is characterized in that the at least one electrically conductive connection between one and/or another electrical element of the detection means and the associated external connection is produced by vapor deposition or dusting of an electrically conductive material.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch ausgezeichnet, daß die mindesten eine elektrisch leitende Verbindung zwischen einem und/oder weiteren elektrischen Glied der Erfassungsmittel als vergrabene Struktur ausgebildet ist.Another advantageous development of the invention is characterized in that the at least one electrically conductive connection between one and/or further electrical elements of the detection means is designed as a buried structure.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch ausgezeichnet, daß mindestens eines oder ein weiteres der elektrischen Glieder als eine flächige Elektrod ausgebildet ist, die der Membran oder der weiteren Membran gegenüberliegend in der jeweiligen Referenzdruckkammer angeordnet ist.Another advantageous development of the invention is characterized in that at least one or another of the electrical elements is designed as a flat electrode which is arranged opposite the membrane or the further membrane in the respective reference pressure chamber.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch ausgezeichnet, daß die Elektrode durch Dotieren des Halbleitermaterials hergestellt ist.Another advantageous development of the invention is characterized in that the electrode is produced by doping the semiconductor material.

Wiederum eine andere Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Elektrode durch Aufdampfen oder Aufstäuben eines elektrisch leitenden Materiales gebildet ist.Yet another development of the invention consists in that the electrode is formed by vapor deposition or sputtering of an electrically conductive material.

Der Erfindungsgegenstand wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die ZeichnungenThe subject matter of the invention is explained below using embodiments with reference to the drawings

näher erläutert. Es zeigten:explained in more detail. They showed:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines Drucksensors nach der Erfindung;Fig. 1 is a plan view of a first embodiment of a pressure sensor according to the invention;

Fig. IA eine Schnittdarstellung des Drucksensors gemäß Fig.l längs der Linie A-A;Fig. IA is a sectional view of the pressure sensor according to Fig.l along the line A-A;

Fig. IB eine Schnittdarstellung des Drucksensors gemäß Fig.l längs der Linie B-B;Fig. IB is a sectional view of the pressure sensor according to Fig.l along the line B-B;

Fig. 2 eine Draufsich auf eine zweite Ausführungsform eines Drucksensors nach der Erfindung;Fig. 2 is a plan view of a second embodiment of a pressure sensor according to the invention;

Fig. 2A eine Schnittdarstellung des Drucksensors gemäß Fig. 2 längs der Linie A-A;Fig. 2A is a sectional view of the pressure sensor according to Fig. 2 along the line A-A;

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform eines Druckmessers nach der Erfindung;Fig. 3 is a plan view of a third embodiment of a pressure gauge according to the invention;

Fig. 3A eine Schnittdarstellung des Drucksensors gemäß Fig. 3 längs der Linie A-A;Fig. 3A is a sectional view of the pressure sensor according to Fig. 3 along the line A-A;

Fig. 3B eine Schnittdarstellung des Drucksensors gemäß Fig. 3 längs der Linie B-B;Fig. 3B is a sectional view of the pressure sensor according to Fig. 3 along the line B-B;

Fig. 3C eine Schnittdarstellung des Drucksensors gemäß Fig. 3 längs der Linie C-C;Fig. 3C is a sectional view of the pressure sensor according to Fig. 3 along the line C-C;

Fig. 3D eine Schnittdarstellung des Drucksensors gemäß
Fig.2A längs der Linie D-D;Fig. 3D a sectional view of the pressure sensor according to
Fig.2A along the line DD;

Fig. 4 eine Schnittdarstellung einer vierten Ausführungsform eines Drucksensors nach der Erfindung;Fig. 4 is a sectional view of a fourth embodiment of a pressure sensor according to the invention;

Fig. 5 eine andere Schnittdarstellung der vierten Ausführungsform nach der Erfindung;Fig. 5 is another sectional view of the fourth embodiment according to the invention;

Fig. 6 eine Schnittdarstellung einer in einer Halterung angebrachten, erfindungsgemäßen Drucksensorkombination;Fig. 6 is a sectional view of a pressure sensor combination according to the invention mounted in a holder;

Fig. 7 eine Schnittdarstellung einer fünften Ausführungsform eines Drucksensors nach der Erfindung ;Fig. 7 is a sectional view of a fifth embodiment of a pressure sensor according to the invention ;

Fig. 8 eine Schnittdarstellung einer sechsten Ausführungsform eines Drucksensors gemäß der Erfindung ;Fig. 8 is a sectional view of a sixth embodiment of a pressure sensor according to the invention ;

Fig. 8A eine Schnittdarstellung des Sensors gemäß Fig. 8 längs der Linie A-A; undFig. 8A is a sectional view of the sensor according to Fig. 8 along the line A-A; and

Fig. 8B eine Schnittdarstellung des Drucksensors gemäß Fig. 8 längs der Linie B-B.Fig. 8B is a sectional view of the pressure sensor according to Fig. 8 along the line B-B.

In den Figuren 1, IA und IB ist ein allgemein mit 1 bezeichneter Drucksensor gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Der Drucksensor 1 umfaßt einen ersten Sensorkörper 2 und einen zweiten Sensorkörper 3, die aufeinander angeordnet und fest miteinander verbunden sind. Die beiden Sensorkörper 2 und 3 bestehen aus einem Halbleitermaterial, wie zum Beispiel Silizium. Der zweite Sensorkörper 3 ist in einem mittleren Bereich mit einer Ausnehmung 4 derart ausgebildet, daß nur eine dünne Materialschicht verbleibt, die eine Membran 5 bildet.Figures 1, 1A and 1B show a pressure sensor, generally designated 1, according to a first embodiment of the invention. The pressure sensor 1 comprises a first sensor body 2 and a second sensor body 3, which are arranged one on top of the other and firmly connected to one another. The two sensor bodies 2 and 3 consist of a semiconductor material, such as silicon. The second sensor body 3 is formed in a central region with a recess 4 in such a way that only a thin layer of material remains, which forms a membrane 5.

Besondere Bedeutung kommt hier der Tatsache zu, daß sich die Ausnehmung lediglich einseitig in den zweiten Sensorkörper 3 in Richtung zu der Membran 5 hin erstreckt, so daß die Membran mit einer für sehr niedrige Druckbereiche geeigneten geringen Dicke von wenigen Mikrometer in einem einzigen Ätzprozeß erzeugbar ist.Of particular importance here is the fact that the recess extends only on one side into the second sensor body 3 in the direction of the membrane 5, so that the membrane can be produced with a small thickness of a few micrometers, suitable for very low pressure ranges, in a single etching process.

Auf der der Membran 5 gegenüberliegenden Seite des erstenOn the side of the first

Sensorkörpers ist im Bereich der Membran 5 eine Ausnehmung 6 ausgebildet. Bei miteinander verbundenem ersten Sensorkörper 2 und zweiten Sensorkörper 3 ergibt sich durch die Ausnehmung 6 und die Membran 5 eine Referenzdruckkammer 7. Der Druck der in der Referenzdruckkammer 7 enthaltenen Gases, wie zum Beispiel Luft, ist auf einen Referenzdruck eingestellt. A recess 6 is formed in the area of the membrane 5 of the sensor body. When the first sensor body 2 and the second sensor body 3 are connected to one another, the recess 6 and the membrane 5 form a reference pressure chamber 7. The pressure of the gas contained in the reference pressure chamber 7, such as air, is set to a reference pressure.

Der Bodenbereich 8 der Ausnehmung 6 ist durch Dotieren des Halbleitermaterials, aus dem der erste Sensorkörper 2 besteht, leitend ausgebildet.The bottom region 8 of the recess 6 is made conductive by doping the semiconductor material from which the first sensor body 2 is made.

Die Membran 5, die aus demselben Material wie der zweite Sensorkörper 3 besteht, ist aufgrund einer entsprechenden Dotierung elektrisch leitend. Infolgedessen bilden die Membran 5 und der leitend ausgebildete Bodenbereich 8 zwei Elektroden eines Kondensators.The membrane 5, which is made of the same material as the second sensor body 3, is electrically conductive due to a corresponding doping. As a result, the membrane 5 and the conductive base region 8 form two electrodes of a capacitor.

Ein elektrischer Anschluß für die von der Membran 5 gebildete Kondensatorelektrode wird dadurch erhalten, daß von der freien Oberfläche des zweiten Sensorkörpers 3 her eine Ausnehmung 13 ausgebildet wird, wofür eine sich auf dem zweiten Sensorkörper 3 befindende Siliziumoxydschicht 19, die den zweiten Sensorkörper 3 umschließt, weggeätzt wird. Das Halbleitermaterial des zweiten Sensorkörpers 3 kann dann unmittelbar kontaktiert werden.An electrical connection for the capacitor electrode formed by the membrane 5 is obtained by forming a recess 13 from the free surface of the second sensor body 3, for which purpose a silicon oxide layer 19 located on the second sensor body 3, which encloses the second sensor body 3, is etched away. The semiconductor material of the second sensor body 3 can then be contacted directly.

Um den dotierten Bodenbereich 8 in dem ersten Sensorkörper 2 mit einem äußeren Anschluß zu verbinden, wird in dem ersten Sensorkörper 2 ein an den Bodenbereich 8 anschließender, schmaler dotierter Bereich 9 ausgebildet, an den sich ein etwas breiterer dotierter Bereich 10 anschließt.In order to connect the doped base region 8 in the first sensor body 2 to an external connection, a narrow doped region 9 is formed in the first sensor body 2, adjoining the base region 8 and followed by a slightly wider doped region 10.

In dem zweiten Sensorkörper 3 wird von dessen freier Oberfläche her eine durchgehende Öffnung 12 ausgebildet, die über dem dotierten Bereich 10 in dem ersten Sensorkörper 2 zu liegen kommt. Im Bereich der durchgehenden Öffnung 12 ist in der zu dieser weisenden Seite des ersten Sensorkörpers 2A continuous opening 12 is formed in the second sensor body 3 from its free surface, which comes to lie above the doped region 10 in the first sensor body 2. In the area of the continuous opening 12, in the side of the first sensor body 2 facing this opening

eine Ausnehmung 11 ausgebildet. In die durchgehende Öffnung 12 kann ein Anschlußmaterial, wie zum Beispiel ein Lötmaterial gegossen werden, welches sich in der Ausnehmung 11 verteilt und dort eine elektrische Verbindung mit dem dotierten Bereich 10 herstellt und andererseits auch in der Öffnung 12 von außen zugängig vorhanden ist, so daß dadurch insgesamt ein von außen erreichbarer elektrischer Anschluß für den dotierten Bereich 8 entsteht.a recess 11 is formed. A connection material, such as a soldering material, can be poured into the through opening 12, which is distributed in the recess 11 and there creates an electrical connection with the doped region 10 and on the other hand is also accessible from the outside in the opening 12, so that overall an electrical connection that can be reached from the outside is created for the doped region 8.

Die Figuren 2 und 2A zeigen eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Drucksensors, der hier allgemein mit 20 bezeichnet ist. Dieser umfaßt einen ersten Sensorkörper 23 und einen zweiten Sensorkörper 22, die jeweils aus einem Siliziumwafer hergestellt sind, deren freiliegende Flächen zur elektrischen Isolierung mit einer Schicht 33 aus Siliziumoxyd überzogen sind. In dem zweiten Sensorkörper 23 ist in einem mittleren Bereich eine Ausnehmung 24 ausgebildet, deren Bodenbereich von einer dünnen Materialschicht gebildet wird, die als eine Membran 25 dient.Besondere Bedeutung kommt auch hier der Tatsache zu, daß sich die Ausnehmung lediglich einseitig in den zweiten Sensorkörper 23 in Richtung zu der Membran 25 hin erstreckt, so daß die Membran mit einer für sehr niedrige Druckbereiche geeigneten geringen Dicke von wenigen Mikrometer in einem einzigen Xtzprozeß erzeugbar ist. Der erste Sensorkörper 22 ist im Bereich der Membran 25 mit einer flachen, rechteckförmigen Ausnehmung 26 ausgebildet. Die Membran 25 und diese Ausnehmung 26 ergeben bei mit einander fest verbundenem ersten und zweiten Sensorkörper 22 und 23 eine Referenzdruckkammer 27, deren Innendruck auf einen Referenzwert eingestellt ist.Figures 2 and 2A show another embodiment of a pressure sensor according to the invention, which is generally designated 20 here. This comprises a first sensor body 23 and a second sensor body 22, each of which is made from a silicon wafer, the exposed surfaces of which are coated with a layer 33 of silicon oxide for electrical insulation. In the second sensor body 23, a recess 24 is formed in a central region, the base region of which is formed by a thin layer of material which serves as a membrane 25. Here too, particular importance is attached to the fact that the recess extends only on one side into the second sensor body 23 in the direction of the membrane 25, so that the membrane can be produced in a single Xtz process with a small thickness of a few micrometers, suitable for very low pressure ranges. The first sensor body 22 is formed with a flat, rectangular recess 26 in the region of the membrane 25. The membrane 25 and this recess 26, when the first and second sensor bodies 22 and 23 are firmly connected to one another, form a reference pressure chamber 27, the internal pressure of which is set to a reference value.

Zur Ausbildung zweier Elektrodenflächen ist das Halbleitermaterial im Bodenbereich der Ausnehmung 26 derart dotiert, daß zwei im wesentlichen gleich große rechteckförmige dotierte Bereiche 28 und 28' entstehen, zwischen denen ein nicht dotierter und damit isolierender, streifenförmiger Bereich 33 liegt.To form two electrode surfaces, the semiconductor material in the bottom region of the recess 26 is doped in such a way that two essentially equally sized rectangular doped regions 28 and 28' are created, between which there is a non-doped and thus insulating, strip-shaped region 33.

An die beiden rechteckformigen, dotierten Bereiche 28 und 28' schließt jeweils ein schmaler in dem ersten Sensorkörper 22 ausgebildeter dotierter Bereich 29 bzw. 29' an, an den wiederum jeweils ein in dem ersten Sensorkörper 22 liegender etwas breiterer dotierter Bereich 30 bzw. 30' anschließt. Oberhalb dieser Bereiche 30 und 30' ist in dem zweiten Sensorkörper 23 jeweils eine durchgehende Öffnung 32 bzw. 32' ausgebildet, von denen jede eine sich nach oben erweiternde, trichterförmige Gestalt aufweist. Unterhalb der durchgehenden Öffnung 32 bzw. 32' ist jeweils eine Vertiefung in dem ersten Sensorkörper 22 vorgesehen, die in Bezug auf die durchgehende Öffnung 32 mit 31 bezeichnet und in Fig. 2A zu erkennen ist.The two rectangular, doped regions 28 and 28' are each adjoined by a narrow doped region 29 or 29' formed in the first sensor body 22, which in turn is adjoined by a slightly wider doped region 30 or 30' in the first sensor body 22. Above these regions 30 and 30', a through opening 32 or 32' is formed in the second sensor body 23, each of which has a funnel-shaped shape that widens upwards. Below the through opening 32 or 32', a recess is provided in the first sensor body 22, which is designated 31 in relation to the through opening 32 and can be seen in Fig. 2A.

Um einen elektrischen Anschluß für den dotierten Bereich 30, 30' herzustellen, wird in die Öffnungen 32, 32'je eine zu einem flüssigen Lötmaterial verflüssigbare Lötpille eingebracht, welches bei Erhitzen in die Ausnehmung 31 fließt und dort eine elektrische Verbindung mit den dotierten Bereichen 30, 30' herstellt.In order to establish an electrical connection for the doped region 30, 30', a solder pellet that can be liquefied into a liquid soldering material is introduced into the openings 32, 32', which, when heated, flows into the recess 31 and establishes an electrical connection there with the doped regions 30, 30'.

Bei dieser Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Drucksensors bilden die zwei dotierten Bereiche 28 und 28' am Bodenbereich der Ausnehmung 26 zwei Elektroden, die von der ebenfalls leitfähig dotierten Membran 25 überdeckt werden. Die Membran 25 bildet zugleich eine " aktive " Elektrode, die jedoch keinen elektrischen Anschluß aufweist bzw. nicht kontaktiert ist.In this embodiment of a pressure sensor according to the invention, the two doped regions 28 and 28' at the bottom of the recess 26 form two electrodes which are covered by the membrane 25, which is also conductively doped. The membrane 25 also forms an "active" electrode, which, however, has no electrical connection or is not contacted.

In den Fig. 3 bis 3D ist eine weitere Ausfuhrungsform eines Drucksensors nach der Erfindung dargestellt, der allgemein mit 40 bezeichnet ist. Bei diesem Drucksensor 40 handelt es sich um eine einstückige Kombination von zwei Drucksensoren, die jeweils einen unterschiedlichen Druckmeßbereich von beispielsweise 10~3 mbar bis 1 mbar und von 1 mbar bis 1 bar umfassen.Figures 3 to 3D show a further embodiment of a pressure sensor according to the invention, which is generally designated 40. This pressure sensor 40 is a one-piece combination of two pressure sensors, each of which has a different pressure measuring range of, for example, 10~3 mbar to 1 mbar and from 1 mbar to 1 bar.

Der Drucksensor 40 weist einen ersten bzw. unterenThe pressure sensor 40 has a first or lower

Sensorkörper 42 und einen zweiten bzw. oberen Sensorkörper 43 auf, die auf einander angeordnet und miteinander fest verbunden sind. Die Bezeichnung unterer bzw. oberer Sensorteil ist hier im Zusammenhang mit der Darstellung in den Zeichnungen zu sehen und nicht mit der Ausrichtung des Drucksensors in einer Meßposition. Die beiden Sensorkörper 42 und 43 sind aus einem Halbleitermaterial hergestellt.Sensor body 42 and a second or upper sensor body 43, which are arranged on top of each other and firmly connected to each other. The designation lower or upper sensor part is to be seen here in connection with the representation in the drawings and not with the orientation of the pressure sensor in a measuring position. The two sensor bodies 42 and 43 are made of a semiconductor material.

Der obere Sensorkörper 42 ist in zwei innerhalb seiner Umfangslinie liegenden und voneinander beabstandeten Bereichen dünner ausgebildet, derart, daß sich zwei äußere Ausnehmungen 48 und 49 und zwei innere Ausnehmungen 44 und 45 ergeben. Die dünneren Bereiche bilden Membranen 50 und 51 unterschiedlicher Dickenabmessungen.The upper sensor body 42 is thinner in two areas located within its circumference and spaced apart from one another, such that two outer recesses 48 and 49 and two inner recesses 44 and 45 are formed. The thinner areas form membranes 50 and 51 of different thicknesses.

Ebenso wie der obere Sensorkörper 43 ist auch der untere Sensorkörper 42 in zwei innerhalb seiner Umfangslinie liegenden und voneinander beabstandeten Bereichen dünner so ausgebildet, daß sich auch zwei äußere Ausnehmungen 48' und 49' und zwei innere Ausnehmungen 44' und 45' ergeben. Die dünneren Bereiche bilden Membranen 50' und 51' mit unterschiedlichen Dickenabmessungen.Just like the upper sensor body 43, the lower sensor body 42 is also thinner in two areas located within its circumference and spaced apart from one another, so that two outer recesses 48' and 49' and two inner recesses 44' and 45' are also formed. The thinner areas form membranes 50' and 51' with different thickness dimensions.

Die Lage der verschiedenen Ausnehmungen in den beiden Sensorkörpern 42 und 43 ist so gewählt, daß bei aufeinander angeordneten Sensorkörper&eegr; die inneren Ausnehmungen und damit auch die dünnen Bereiche, die als zwei Membranen dienen, einander gegenüberliegen. Zwei innere Ausnehmungen bilden jeweils zusammen eine Referenzdruckkammer, deren Hauptflächen die beiden Membranen 50 und 50' bzw. 51 und 51' sind. Mit 52 sind Ausnehmungen bezeichnet, die zur Verringerung von mechanischen Spannungen dienen.The position of the various recesses in the two sensor bodies 42 and 43 is selected so that when the sensor bodies are arranged one on top of the other, the inner recesses and thus also the thin areas that serve as two membranes are opposite one another. Two inner recesses together form a reference pressure chamber, the main surfaces of which are the two membranes 50 and 50' or 51 and 51'. 52 designates recesses that serve to reduce mechanical stresses.

Die Membranen 50 und 50' und die Membranen 51 und 51' sind zumindest auf den jeweils zuneiander weisenden Innenflächen leitend derart ausgebildet, daß sich vier Elektroden 53 und 53' sowie 54 und 54' ergeben. Jedes Elektrodenpaar bildet einen Kondensator, dessen Kapzität vom Abstand zwischenThe membranes 50 and 50' and the membranes 51 and 51' are designed to be conductive at least on the inner surfaces facing each other in such a way that four electrodes 53 and 53' and 54 and 54' are formed. Each pair of electrodes forms a capacitor, the capacitance of which depends on the distance between

seinen Elektroden abhängt. Mithin ist die Größe der Kapazität ein Maß für den Elektrodenabstand und damit für den zu messenden Druck. Jede dieser Elektroden steht mit dem ihr zugeordneten äußeren Anschlußkontakt 60, 60', 61 bzw. 61' in elektrisch leitender Verbindung.its electrodes. The size of the capacitance is therefore a measure of the distance between the electrodes and thus of the pressure to be measured. Each of these electrodes is in electrically conductive connection with its associated external connection contact 60, 60', 61 or 61'.

In den Figuren 3, 3A und 3B sind zur Erläuterung nur die elektrischen Verbindungen den Elektroden 53' und 54 zu ihren Anschlußkontakten 60 bzw. 61 dargestellt. Die elektrischen Verbindungen sind als vergrabene Leiterstruktur 57 bzw. 58 ausführt, die innerhalb des jeweiligen Sensorkörpers 42 bzw. 43 von den Elektroden zu einem von außen zugängigen Bereich verlaufen. So ist im Falle der vergrabenen Struktur 57, die im unteren Sensorkörper 42 verläuft, in einem Randbereich des oberen Sensorkörpers 43 Material derart entfernt, daß ein Einschnitt 63 entsteht, der einen Oberflächenbereich 59 des unteren Sensorkörpers 42 frei gibt. Die vergrabene Struktur 57 ist bis zu diesem Oberflächenbereich 59 geführt und dort mit dem elektrischen Kontaktanschluß 60 verbunden, was zum Beispiel mittels eines Lötmittels erfolgen kann.In Figures 3, 3A and 3B, only the electrical connections of the electrodes 53' and 54 to their connection contacts 60 and 61 are shown for explanation purposes. The electrical connections are designed as buried conductor structures 57 and 58, respectively, which run within the respective sensor body 42 and 43 from the electrodes to an area accessible from the outside. In the case of the buried structure 57, which runs in the lower sensor body 42, material is removed in an edge area of the upper sensor body 43 in such a way that an incision 63 is created, which exposes a surface area 59 of the lower sensor body 42. The buried structure 57 is led to this surface area 59 and is connected there to the electrical contact connection 60, which can be done using a solder, for example.

Die Fig. 3C zeigt eine Schnittdarstellung längs der Linie C-C in Fig. 3. Die beiden Paare von Membranen 50 und 50' sowie 51 und 51' bilden die Hauptflächen der Referenzdruckkammern. Die Dickenabmessungen der Membranen 50, 50' sind kleiner als diejenigen der Membranen 51, 51', so daß erstere wegen ihrer geringeren Steifigkeit zum Messen kleinerer Drücke geeignet sind. Die Dickenabmessungen können so gewählt werden, daß sich die beiden Druckmessbereiche überlappen, wodurch ein großer Meßbereich erhalten werden kann, der sich bis über sechs Größenordnungen erstrecken kann.Fig. 3C shows a sectional view along the line C-C in Fig. 3. The two pairs of membranes 50 and 50' and 51 and 51' form the main surfaces of the reference pressure chambers. The thickness dimensions of the membranes 50, 50' are smaller than those of the membranes 51, 51', so that the former are suitable for measuring smaller pressures due to their lower rigidity. The thickness dimensions can be chosen so that the two pressure measuring ranges overlap, whereby a large measuring range can be obtained, which can extend up to over six orders of magnitude.

Fig. 3D zeigt eine Aufsicht auf die Anschlußseite des Drucksensors 40 der Fig. 3, an der die Anschlußkontakte 60, 60', 61 bzw. 61' zu erkennen sind.Fig. 3D shows a plan view of the connection side of the pressure sensor 40 of Fig. 3, on which the connection contacts 60, 60', 61 and 61' can be seen.

Die Fig. 4 und 5 zeigen Schnittdarstellungen einesFig. 4 and 5 show sectional views of a

Drucksensors 70 nach der Erfindung, der ähnlich wie der Drucksensor 40 in Fig. 3 ausgebildet ist, nämlich als eine einstückige Kombination von zwei Drucksensoren mit unterschiedlichen Meßbereichen, wobei aber jeweils nur eine Membran wie im Fall des Drucksensors gemäß Fig. 1 vorgesehen ist.Pressure sensor 70 according to the invention, which is designed similarly to the pressure sensor 40 in Fig. 3, namely as a one-piece combination of two pressure sensors with different measuring ranges, but with only one membrane being provided in each case, as in the case of the pressure sensor according to Fig. 1.

Im Unterschied zu dem Drucksensor 40 gemäß Fig. 3 weist der Drucksensor 70 zusätzlich zu dem ersten und dem zweiten Sensorkörper 72 bzw. 73 einen dritten Sensorkörper 74 auf. Nur der zweite Sensorkörper ist mit je einer dünneren und einer dickeren Membran 75 bzw. 76 ausgebildet. Der dritte Sensorkörper 74 überdeckt den zweiten Sensorkörper 73 derart, daß im Bereich der Membranen 75 und 76 ein Zwischenraum 70 bzw. 70' frei bleibt, der mit dem jeweils zu messenden Druck in Verbindung steht.In contrast to the pressure sensor 40 according to Fig. 3, the pressure sensor 70 has a third sensor body 74 in addition to the first and second sensor bodies 72 and 73. Only the second sensor body is designed with a thinner and a thicker membrane 75 and 76, respectively. The third sensor body 74 covers the second sensor body 73 in such a way that a gap 70 and 70', respectively, remains free in the area of the membranes 75 and 76, which gap is connected to the pressure to be measured in each case.

Im Bereich der Membranen 75 und 76 wird von diesen und dem ersten Sensorkörper 72 jeweils eine Referenzdruckkammer 68 bzw. 69 begrenzt. Die den Membranen 75 und 76 gegenüberliegende Seite der Referenzdruckkammern ist leitend ausgebildet, so daß eine Elektrode 78 entsteht. Auch der den Membranen 75 bzw. 76 gegenüberliegende Flächenbereich des dritten Sensorteils 74 ist leitend ausgebildet, so daß sich auch hier eine Elektrode 77 ergibt.In the area of the membranes 75 and 76, a reference pressure chamber 68 or 69 is delimited by these and the first sensor body 72. The side of the reference pressure chambers opposite the membranes 75 and 76 is designed to be conductive, so that an electrode 78 is created. The surface area of the third sensor part 74 opposite the membranes 75 or 76 is also designed to be conductive, so that an electrode 77 is created here too.

Die einzelnen Elektroden und der zweite Sensorkörper 73 sind mit äußeren Anschlußkontakten 69a, 69b bzw. 69c verbunden, wobei auch hier die elektrisch leitende Verbindung zwischen den Elektroden und den Anschlußkontakten als vergrabene Struktur ausgeführt ist, wie zum Beispiel mittels Dotierung der entsprechenden Bereiche des ersten und des dritten Sensorkörpers 72 und 74. Der zweite Sensorkörper besteht aus einem leitend dotiertem Halbleitermaterial, das unmittelbar an seinem Randbereich mit dem Anschlußkontakt 69b kontaktiert werden kann.The individual electrodes and the second sensor body 73 are connected to external connection contacts 69a, 69b and 69c, whereby here too the electrically conductive connection between the electrodes and the connection contacts is designed as a buried structure, for example by doping the corresponding areas of the first and third sensor bodies 72 and 74. The second sensor body consists of a conductively doped semiconductor material which can be contacted directly at its edge area with the connection contact 69b.

Insgesamt umfaßt bei dieser Ausführungsform jeder Drucksen-In this embodiment, each pressure sensor comprises

sor die drei Elektroden 75, 76; 77; 78, so daß sich jeweils je zwei Kondensatoren ergeben. Damit ist es möglich, einen zugeordneten Meßschaltkreis als Differentialschaltkreis auszuführen.sor the three electrodes 75, 76; 77; 78, so that two capacitors are produced in each case. This makes it possible to design an associated measuring circuit as a differential circuit.

Eine Halterung 80 zur Befestigung eines Drucksensors nach der Erfindung in einer Meßposition ist im Schnitt in Fig. 6 dargestellt.A holder 80 for fastening a pressure sensor according to the invention in a measuring position is shown in section in Fig. 6.

Die Halterung 80 umfaßt einen Flanschteil 81, an den ein Rohrabschnitt 83 anschließt. Mit 82 ist ein Dichtungsring bezeichnet, der zwischen dem Flanschteil 81 und einem Anschlußflansch an der Meßposition angeordnet wird. Der Rohrabschnitt 83 ist mit einer Kreisplatte 86 abgeschlossen, die eine Öffnung aufweist, in der ein Drucksensor 100 unter Verwendung einer Dichtung 88 abgedichtet befestigt ist und mit seinem Meßabschnitt in den Rohrabschnitt 83 hineinragt.The holder 80 comprises a flange part 81, to which a pipe section 83 is connected. 82 designates a sealing ring, which is arranged between the flange part 81 and a connecting flange at the measuring position. The pipe section 83 is closed off with a circular plate 86, which has an opening in which a pressure sensor 100 is fastened in a sealed manner using a seal 88 and whose measuring section protrudes into the pipe section 83.

Der Drucksensor 100 ist hier als eine Kombination zweier Drucksensoren 101 und 102 ausgebildet, die vor der Befestigung in der Kreisplatte 86 durch zum Beispiel Kleben oder Bonden miteinander verbunden werden. Die beiden Drucksensoren 101 und 102 überdecken unterschiedliche Meßbereiche. The pressure sensor 100 is designed here as a combination of two pressure sensors 101 and 102, which are connected to one another by gluing or bonding, for example, before being attached to the circular plate 86. The two pressure sensors 101 and 102 cover different measuring ranges.

An die Kreisplatte 86 schließt ein Rohrabschnitt 87 an. Auf die Kreisplatte 86 ist eine Platine 89 mit Schrauben 90 geschraubt, die eine Auswerteschaltung aufnimmt. Ferner sind an der Platine Lötanschlüsse für die Anschlüsse der beiden Drucksensoren 101 und 102 und Steckkontakte 92 für ein
Anschlußkabel vorgesehen.A pipe section 87 is connected to the circular plate 86. A circuit board 89 is screwed onto the circular plate 86 with screws 90, which accommodates an evaluation circuit. The circuit board also has solder connections for the connections of the two pressure sensors 101 and 102 and plug contacts 92 for a
Connection cable provided.

In der Fig.6 ist zu erkennen, daß die Befestigungsebene der Drucksensoren 101 und 102, nämlich die Ebene der Kreisplatte 86, senkrecht zu den Hauptflächen der beiden Drucksensoren 101 und 102 verläuft.In Fig. 6 it can be seen that the fastening plane of the pressure sensors 101 and 102, namely the plane of the circular plate 86, runs perpendicular to the main surfaces of the two pressure sensors 101 and 102.

Die in Fig. 7 gezeigte Ausführungsform des erfindungsgemaßenThe embodiment of the inventive device shown in Fig. 7

Drucksensors stimmt mit Ausnahme der nachfolgend erläuterten Kontaktierung mit der Ausführungsform gemäß Fig. 2A überein. Mit dieser Figur übereinstimmende Bezugszeichen bezeichnen gleiche oder ähnliche Teile dieser Drucksensorstruktur, so daß eine erneute Erläuterung dieser Erfindungsaspekte unterbleiben kann. Bei dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors steht in Abweichung zu der Ausführungsform gemäß Fig. 2A der dotierte Bereich 30 mit einem Anschlußdraht 80 über eine aus einem aufgesputterten Metall bestehende Kontaktierung 81 in Verbindung. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung ist die Ausnehmung 31 der zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 2A entbehrlich. Wie in der Zeichnung zu erkennen ist, erstreckt sich die aufgesputterte Kontaktierung 81 von dem dotierten Bereich 30 bis zur Oberfläche des zweiten Sensorkörpers 23 über dessen Siliziumdioxidschicht 82, so daß der zweite Sensorkörper 23 gegenüber der aufgesputterten Kontaktierung 81 elektrisch isoliert ist.Pressure sensor corresponds to the embodiment according to Fig. 2A with the exception of the contact explained below. Reference numerals that correspond to this figure denote identical or similar parts of this pressure sensor structure, so that a repeated explanation of these aspects of the invention can be omitted. In this embodiment of the pressure sensor according to the invention, in contrast to the embodiment according to Fig. 2A, the doped region 30 is connected to a connecting wire 80 via a contact 81 consisting of a sputtered metal. In this embodiment of the invention, the recess 31 of the second embodiment according to Fig. 2A is dispensable. As can be seen in the drawing, the sputtered contact 81 extends from the doped region 30 to the surface of the second sensor body 23 via its silicon dioxide layer 82, so that the second sensor body 23 is electrically insulated from the sputtered contact 81.

Die sechste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drucksensors wird nunmehr unter Bezugnahme auf die Fig. 8, 8A und 8B erläutert. Diese Drucksensorstruktur besteht aus einem ersten Sensorkörper 90, einem zweiten Sensorkörper 91 und einem dritten Sensorkörper 92. Der dritte Sensorkörper ist aus einem plattenförmigen Halbleiterelement gebildet. Der erste Sensorkörper weist eine Ausnehmung 93 auf, die in ihrem Bodenbereich eine Elektrodenfläche 94 hat, die durch einen dotierten Bereich gebildet ist. Der dotierte Bereich erstreckt sich bis zu einem Anschlußbereich 95. Die Ausnehmung 93 bildet zusammen mit dem gegenüberliegenden zweiten Sensorkörper 91, welcher leitfähig dotiert ist, eine Meßdruckkammer, die eine vorderseitige Öffnung 96 aufweist, welche an einen Meßbereich (nicht dargestellt) anschließt. Die Öffnung kann entweder in den ersten Sensorkörper 90 oder in den zweiten Sensorkörper 91 geätzt sein. Auf der dem ersten Sensorkörper 90 abgewandten Seite weist der zweite Sensorkörper 91 eine weitere Ausnehmung 97 auf, welche mit dem dritten Sensorkörper 92 abschließt und somit eine Referenz druckkammer bildet. Der zweite Sensorkörper 91 ist vonThe sixth embodiment of the pressure sensor according to the invention will now be explained with reference to Figs. 8, 8A and 8B. This pressure sensor structure consists of a first sensor body 90, a second sensor body 91 and a third sensor body 92. The third sensor body is formed from a plate-shaped semiconductor element. The first sensor body has a recess 93, which has an electrode surface 94 in its bottom region, which is formed by a doped region. The doped region extends to a connection region 95. The recess 93, together with the opposite second sensor body 91, which is conductively doped, forms a measuring pressure chamber, which has a front opening 96, which connects to a measuring region (not shown). The opening can be etched either in the first sensor body 90 or in the second sensor body 91. On the side facing away from the first sensor body 90, the second sensor body 91 has a further recess 97, which ends with the third sensor body 92 and thus forms a reference pressure chamber. The second sensor body 91 is

einer Oxidschicht umschlossen, die mit dem Bezugszeichen 98 bezeichnet ist.surrounded by an oxide layer, which is designated by the reference numeral 98.

In der bereits beschriebenen Art kann die Kontaktierung von zwei Elektrodenflächen in Form von dotierten, gegeneinander isolierten Bereichen innerhalb des ersten Sensorkörpers 90 dadurch geschehen, daß eine Lötpille 99 in der mit einem Pfeil angedeuteten Richtung in eine Öffnung 100 zwischen dem ersten und zweiten Sensorkörper 90, 91 eingeführt wird, woraufhin die Gesamtanordnung zum Schmelzen der Lötpille 99 erhitzt wird, so daß diese mit dem dotierten Bereich des ersten Sensorkörpers 90 Kontakt nimmt.In the manner already described, the contacting of two electrode surfaces in the form of doped, mutually insulated areas within the first sensor body 90 can be carried out by inserting a soldering pellet 99 in the direction indicated by an arrow into an opening 100 between the first and second sensor bodies 90, 91, whereupon the entire arrangement is heated to melt the soldering pellet 99 so that it makes contact with the doped area of the first sensor body 90.

Für den Fachmann ist es offensichtlich, daß der Drucksensor 90 bis 100 hierzu in eine gegenüber der Zeichnungslage um 90° gedrehte Stellung gebracht werden muß, so daß das Lot in die Öffnung 100 durch Schwerkraft einfließen kann.It is obvious to the person skilled in the art that the pressure sensor 90 to 100 must be brought into a position rotated by 90° relative to the drawing position so that the solder can flow into the opening 100 by gravity.

Auch bei der Ausführungsform nach Fig. 8 sind die leitend dotierten Bereiche derart dotiert, daß diese von dem übrigen Sensorkörper 90 durch pn-Übergänge abgegrenzt sind.In the embodiment according to Fig. 8, the conductively doped regions are also doped in such a way that they are separated from the rest of the sensor body 90 by pn junctions.

In Abweichung zu der Ausführungsform gemäß Fig. 8 können der erste und dritte Sensorkörper 90, 92 auch aus anderen Materialien, wie beispielsweise Glas, bestehen. In diesem Fall müssen die leitfähigen Bereiche des ersten Sensorkörpers beispielsweise durch entsprechend dotierte Bereiche des zweiten Sensorkörpers ersetzt werden, so daß die Verbindungsfunktion hier durch den zweiten Sensorkörper bewerkstelligt werden muß. In diesem Fall ist die Elektrode 93 durch eine Metallisierung der Glasoberfläche zu bilden.In contrast to the embodiment according to Fig. 8, the first and third sensor bodies 90, 92 can also consist of other materials, such as glass. In this case, the conductive areas of the first sensor body must be replaced, for example, by appropriately doped areas of the second sensor body, so that the connection function must be carried out by the second sensor body. In this case, the electrode 93 must be formed by metallizing the glass surface.

Im Zusammenhang mit der Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen war ausgeführt worden, daß sowohl die elektrisch leitenden Verbindungen zwischen den jeweiligen Elektroden und den ihnen zugeordneten äußeren Anschlüssen als auch die Elektroden selbst als vergrabene Struktur mittels Dotierung des Halbleitermaterials ausgebildet werdenIn connection with the description of the various embodiments, it was stated that both the electrically conductive connections between the respective electrodes and the external terminals assigned to them as well as the electrodes themselves are formed as a buried structure by doping the semiconductor material

können. Es ist aber im Rahmen der Erfindung auch möglich, diese Verbindungen mittels eines Aufstäubungs- oder Aufdampfungsverfahren herzustellen. In einem solchen Fall wird oberhalb von derart aufgebrachten Kontakten eine Schicht aus vorzugsweise Pyrex-Glas aufgebracht, um durch die Kontakte hervorgerufenen Stufen auszugleichen bzw. einzuebnen. Die Verbindung des einen Sensorkörpers mit der Schicht aus Pyrex-Glas eines anderen Sensorkörpers erfolgt dann durch Anodic-Bonding.However, within the scope of the invention it is also possible to produce these connections using a sputtering or vapor deposition process. In such a case, a layer of preferably Pyrex glass is applied above the contacts applied in this way in order to compensate or level out steps caused by the contacts. The connection of one sensor body to the layer of Pyrex glass of another sensor body is then carried out by anodic bonding.

Wenn im Rahmen der Beschreibung von Ausführungsbeispielen als Erfassungsmittel für die Bewegung der Membran Elektroden zur kapazitiven Erfassung erörtert worden sind, so können auch andere Erfassungsmittel Verwendung finden, wie zum Beispiel unter Einsatz eines piezoelektrischen Elementes, von Widerstandselementen, von induktiven Elementen.If, in the description of embodiments, electrodes for capacitive detection have been discussed as detection means for the movement of the membrane, other detection means can also be used, such as, for example, using a piezoelectric element, resistance elements, or inductive elements.

Claims

Protection claims

1. Pressure sensor for low pressures with at least two sensor bodies (2,3,'22,23,'42,43,'72,73,74J, of which at least one is made of a semiconductor material, which enclose a reference pressure chamber (7;27;55,56;68,69) which has a membrane (5;25;50,51;75,76) formed by one of the two sensor bodies and which can be subjected to the measuring pressure, with detection means comprising electrical elements (8;28;53,53',54,54';77,78) which are operatively connected to the membrane (5;25;50,51;75,76) and from which a quantity characterizing the respective deflection of the membrane can be derived, the electrical means being connected to external connections exposed to the ambient pressure (60,60',61,61';69a,69b,69c) and with a pressure sensor holder (80) which holds the pressure sensor (100) and with which it can be fastened to a measuring point,

characterized,

that the fastening plane of the pressure sensor holder (80) runs perpendicular to the main surfaces of the at least two sensor bodies (2,3;22,23;42,43;72,73,74),

that at least one electrical element (8;28;53,53',54,

54';77,78) of the recording means within the

Reference pressure chamber (7;27;55,56;68,69) is arranged, and

that at least one electrically conductive connection (9; 29, 29'; 57, 58) between at least one electrical element and the associated external connection between the two sensor bodies (2, 3; 22, 23; 42, 43; 72, 73, 74) or in one of the sensor bodies runs essentially parallel to the connection region of the two sensor bodies.

2. Pressure sensor according to claim 1,
characterized,

that the pressure sensor has a third sensor part (74) made of a semiconductor material, which is arranged opposite the membrane (75, 76), a space (70, 70') to be connected to the measuring pressure being provided between the membrane (75, 76) and the third sensor part (74), and

that the region of the third sensor part (74) opposite the membrane has an electrical element (77, 77') of the detection means, the electrically conductive connection of which runs between the third (74) and a sensor part (73) adjacent to it.

3. Pressure sensor claim 1 or 2,
characterized,

that the at least two sensor bodies (42,43;72,73) enclose a further reference pressure chamber (55,56/68,69) which has a further membrane (50,51;75,76) formed by one of the sensor bodies (43;73),

that further detection means comprising electrical elements are provided which are operatively connected to the further membrane (50,51;75,76) and from which a quantity characterizing the respective deflection of the membrane can be derived, and

that at least one electrically conductive connection (58) between at least one of the further electrical members (54) and the associated external connection (61) between the two sensor bodies or in one of the

Sensor body (43) runs substantially parallel to the connecting region of the two sensor bodies.

4. Pressure sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in

that two sensor bodies (42,43) enclosing a reference pressure chamber (55,56) are each formed with a membrane (50,50',51,51') for the reference pressure chamber (55,56).

5. Pressure sensor according to claim 3,
characterized,

that the membrane (50,50',51,51') consists of a conductively doped semiconductor material.

6. Pressure sensor according to claim 5,
characterized,

that the sensor body (2,3;22,23;42,43;72,73,74) comprising the membrane (50,50',51,5I ⁷ ) is covered with an insulating layer (19).

7. Pressure sensor according to claim 5 or 6, characterized in

that the second sensor body (23) comprises the membrane, that the first sensor body (22) has two electrode surfaces

(28,28') arranged side by side opposite the membrane, and

that the electrically conductive connections run solely in the first sensor body (22).

8. Pressure sensor according to one of claims 3 to 7,
characterized,

that the membrane (50,5O ⁷ ) and the further membrane (51,51') have a different stiffness or different thickness dimensions.

9. Pressure sensor according to one of the preceding claims,
characterized,

that the at least one electrically conductive connection between one and/or another electrical element of the detection means is designed as a buried structure (9,-29,29',-57, 58).

10. Pressure sensor according to claim 9,
characterized,

that the buried structure (9;29,29';57,58) is produced by doping the semiconductor material.

11. Pressure sensor according to one of the preceding claims,
characterized,

that at least one electrically conductive connection

(9; 29, 29'; 57, 58) is formed between one and/or another electrical element of the detection means and the associated external connection by vapor deposition or sputtering of an electrically conductive material.

12. Pressure sensor according to one of the preceding claims,
characterized,

that at least one of the electrical elements is designed as a flat electrode (8; 28, 28', -53, Sa', 54, 54') which is arranged opposite the membrane or the further membrane in the respective reference pressure chamber.

13. Pressure sensor according to claim 12,
characterized,

- that the electrode (8,-28,2S'; 53,53',54, 54') is formed by a doped region in each of the sensor bodies.

14. Pressure sensor according to claim 12,
characterized,

- that the electrode (8; 28, 28'; 53, 53', 54, 54') is formed by vapor deposition or sputtering of an electrically conductive material.