专利名称：压力传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种压力传感器比如接触式压力传感器。
背景技术：
已知压力传感器，这些压力传感器包括能够加载压力的构造为活动的电极的膜片 以及通过缝隙隔开的固定的电极，它们构成一种平板电容器。在传统的运行方式中，膜片在 压力下的伸长小于缝隙的高度。压力测量由此归结为电容测量。但是这样的压力传感器的 测量信号通常是非线性的。为改进测量信号的线性度和传感器的过载可靠性，公开了接触式运行的方案，该 方案建立在以下基础上，即膜片在有待测量的压力最小时已经接触到相应地被电绝缘的固 定的电极。在压力上升时，膜片在固定的电极上“滚动”，其中接触面积扩大。但是，在制造 这样的压力传感器时产生的过程波动如层厚波动和层应力波动会对测量信号的线性度产 生干扰。也就是说，在接触面积由于这样的波动而超过膜片面积的规定的依赖于膜片尺寸 和缝隙宽度的份额时在接触式运行中首先呈线性的电容-压力-特性曲线逐渐转为饱和， 这增加了由于较大的调整开销或者说降低的生产率引起的成本。

发明内容
本发明的主题是压力传感器，该压力传感器包括尤其作为活动的电极的膜片式电 极、固定的电极和介电层，其中所述固定的电极的表面被所述介电层所覆盖，其中所述膜片 式电极和介电层彼此对置地布置并且至少部分地被构成空穴的中间层隔开，并且该压力传 感器的特征在于，所述固定的电极在与所述空穴对置的区段中具有第一空隙。本发明基于这样的认识，即对于具有作为活动的电极的膜片式电极的电容的压力 传感器来说可以通过所述固定的电极的结构化比如侧向的结构化来影响电容-压力-特性 曲线。对于电极形状的相应的设计来说，传感器特性值Δε/ο/Δρ对过程波动比如层厚波 动及层应力波动的依赖性可以有利地明显缩小并且改进测量信号的线性度(参见图4d)。 另一个优点是，按本发明的压力传感器能够以简单的方式实现并且与传统的接触式传感器 的制造相比仅仅需要额外的掩模平面。除此以外，按本发明的压力传感器具有良好的机械 的、电的和/或热的稳定性、良好的过载可靠性、高的动态性和/或比如通过微机械的大量 生产来实现的简单的和成本低廉的结构。在本发明的一种优选的实施方式的范围内，所述第一空隙构造为本身封闭的沟槽 尤其将所述固定的电极的电极材料分开的沟槽(坑道沟槽(Trenchgraben))的形式。本身 封闭的沟槽在此比如可以基本上构造为环形尤其圆形、椭圆形、卵形或者多边形比如矩形 或者正方形。在本发明的另一种优选的实施方式的范围内，所述第一空隙构造为一般意义上的 柱体的形式。在此“一般意义上的柱体”可以是指这样的几何体，该几何体被两个平行的平 坦的表面(基面和覆盖面)以及由平行的直线构成的外侧面所限定。也就是说，比如棱柱体、平行六面体或立方体也可以是一般意义上的柱体。尤其所述第一空隙可以构造为圆柱 体或者立方体的形式。所述第一空隙比如可以构造为扁平的圆柱体或者立方体的形式。 在本发明的另一种优选的实施方式的范围内，所述介电层能够与膜片式电极接 触。所述膜片式电极尤其在向压力传感器施加特定的压力时就已经能够接触到介电层， 所述压力传感器最小为该压力而设计。按本发明的压力传感器比如可以是具有接触模式 (Touchmode)的压力传感器，比如是接触式压力传感器。优选所述第一空隙与所述介电层的 能够与膜片式电极接触的表面相对置。在本发明的另一种优选的实施方式的范围内，被构造为本身封闭的沟槽的形式的 空隙的外圆周表面包围的面积或者构造为一般意义上的柱体的形式的空隙的覆盖面相应 于一个面积，所述膜片式电极和介电层在向压力传感器施加特定的压力时在该面积上相互 接触，所述压力传感器最大为该压力而设计。所述第一空隙可以完全用介电材料来充填。在本发明的另一种优选的实施方式的 范围内，构造为本身封闭的沟槽的形式的第一空隙尤其完全用空气充填。在本发明的另一种优选的实施方式的范围内，所述固定的电极具有第二空隙。所 述第二空隙尤其可以构造为本身封闭的沟槽尤其将所述固定的电极的电极材料分开的沟 槽(坑道沟槽)的形式。所述第二空隙比如可以与空穴的边缘区域对置。被所述第二空隙 的外圆周表面包围的面积优选相应于被所述空穴的外圆周表面包围的面积。所述第二空隙 优选至少部分地用介电材料优选空气来充填。所述构造为本身封闭的沟槽的形式的第二空 隙可以部分地用介电材料优选空气来充填并且为了电接触被其包围的电极区域部分地用 导电的材料来充填。但是，被所述构造为本身封闭的沟槽的形式的第二空隙所包围的电极 区域也可以通过印制导线来进行电接触。在这种情况下，所述第二空隙可以完全用介电材 料优选空气来充填。所述空穴在本发明的范围内可以通过腐蚀方法来制成。对于按本发明的压力传感 器来说在所述空穴中优选存在真空或者非常低的气压。通过这种方式可以将通过气垫引起 的弹性作用降低到最低限度。对于按本发明的压力传感器来说，所述固定的电极构造为层状的。所述固定的电 极尤其可以比如由高掺杂的多晶硅构成。除此以外，所述固定的电极可以布置在基片比如 基片层上。


按本发明的主题的其它的优点和有利的设计方案通过附图示出并且在接下来的 说明中得到解释。在此应该注意，附图仅仅具有描绘性特征并且不是旨在以某种形式来限 制本发明。其中图Ia是传统的接触式压力传感器在能够测量的最小压力下的示意性横截面；图Ib是图Ia的接触式压力传感器处于能够测量的最大压力下的情况；图Ic是图Ia和Ib的接触式压力传感器的电容-压力-特性曲线；图2a是固定的电极的按本发明的第一实施方式的俯视图；图2b是按本发明的压力传感器在能够测量的最大压力下的横截面，该压力传感 器具有按在图2a中示出的按本发明的第一实施方式的固定的电极；
图3a是固定的电极的按本发明的第二实施方式的俯视图；图3b是按本发明的压力传感器在能够测量的最大压力下的横截面，该压力传感 器具有按在图3a中示出的按本发明的第二实施方式的固定的电极；图4a是固定的电极的按本发明的第三实施方式的一种设计方案的俯视图；图4b是固定的电极的按本发明的第三实施方式的另一种设计方案的俯视图； 图4c是按本发明的压力传感器在能够测量的最大压力下的横截面，该压力传感 器具有按在图4a或4b中示出的按本发明的第三实施方式的固定的电极；图4d是按图2b、3b和4c的按本发明的压力传感器的电容_压力-特性曲线。
具体实施例方式图Ia示出了传统的接触式压力传感器在能够测量的最小压力Pmin下的示意性横 截面，该接触式压力传感器包括膜片式电极1、固定的电极2和介电层3。在此所述固定的 电极2构造为电极层，该电极层在表面上被所述介电层3所覆盖。所述固定的电极2又布 置在基片层15上。图Ia示出，所述膜片式电极1和介电层3彼此对置地布置并且部分地 通过构成空穴4的中间层5隔开。此外图Ia示出，所述膜片式电极1已经在能够测量的最 小压力下在长度或者说面积Clmin上接触所述介电层3 (最小接触面积)。也就是说，优选如 此为接触式压力传感器进行设计，从而在考虑所有过程波动、层应力和工作温度的情况下 在出现要测量的最小压力时就已存在接触模式。图Ib示出了图Ia的接触式压力传感器在能够测量的最大压力下的情况。图Ib 示出，所述膜片式电极1在压力上升时在介电层3上滚动，其中接触长度或者说面积一直扩 大到最大接触长度或者说面积dmax(最大接触面积)。图Ic示出了图Ia和Ib的接触式压力传感器的电容-压力-特性曲线，其中这两 条曲线示出了这样的接触式压力传感器的极限模型的如在过程波动的范围内可能出现的 特性曲线。图Ic示出，所述膜片式电极1直至到达接触点T之前都还没有接触到固定的电 极2并且电容按照关系式C l/(h-D女ρ)随着压力呈指数上升，其中D是膜片式电极1 关于压力的弹性系数。在到达接触点T之后，膜片式电极1在压力继续上升时在固定的电 极2上滚动，由此扩大接触面积d。图Ic示出，在接触点T上特性曲线折弯，首先具有接近 线性的变化并且随后随着接触面积积d的增加逐渐转为饱和，因为所述膜片式电极1由于 增加的膜片应力而“变僵硬”。此外，图Ic示出，Δ C1与AC2之间的相应于压差(Pmax-Pmin) 的测量信号会在所述过程波动的范围内离散。所述特性曲线的这样的离散范围尤其在分析 方案依赖于AC/Q/Ap形式的敏感特性值时是不利的。本发明基于这样的构思，即通过所述固定的电极2的电极区域中的合适的空隙来 使所述电容-压力-特性曲线在接触点T之后开始陡峭的上升变得平坦，也就是说降低基 本电容Ctl1并且由此使AC1和AC2彼此相类似。大量的有限元模拟已经表明，可能有利的 是，将最大接触面积dmax下面的完整的区域从对电容测量来说有效的电极区域中空出来。图 2a、3a和4a示出了矩形的尤其正方形的膜片式电极1的相应的设计方案。图4b示出了圆 形的膜片式电极2的一种相应的设计方案。图2a和2b示出了固定的电极2的按本发明的第一实施方式的俯视图或者说按本 发明的压力传感器在能够测量的最大压力Pmax下的横截面，该压力传感器具有按本发明的第一实施方式的固定的电极2。图2a和2b示出，按本发明的压力传感器与在图Ia和Ib中 示出的传统的压力传感器之间的区别在于，所述固定的电极2在与空穴4对置的区段中具 有第一空隙6。在按本发明的第一实施方式的范围内，所述第一空隙6构造为本身封闭的矩 形的尤其正方形的沟槽的形式。所述空隙6尤其构造为将所述固定的电极2的电极材料分 开的沟槽也就是所谓的坑道沟槽的形式。在加工技术上这可以通过以下方式来实现，即原 来的全面积的电极区域2设有坑道沟槽，该坑道沟槽刚好跟随所期望的空隙的轮廓。该沟 槽在所示出的实施方式的范围内用介电材料优选空气来充填。通过这种方式，中间的电极 材料区域可以与剩余的电极材料隔开并且由此降低基本电容。所述固定的电极2的对于电 容测量来说有效的电极区域在此构造并且布置在所述膜片式电极1的对于电容测量来说 有效的电极区域的侧面。图2a和2b示出，所述第一空隙6与所述介电层3的与膜片式电 极1接触的表面7对置。除此以外，图2a和2b示出，被所述构造为本身封闭的沟槽形式的 空隙6的外圆周表面包围的面积8相当于面积dmax，所述膜片式电极1和介电层3在向压力 传感器施加压力Pmax时在所述面积dmax上相互接触，在此所述压力传感器最大为所述压力 Pfflax而设计。换句话说，所述第一空隙6的轮廓相当于最大的接触面积dmax的轮廓。

图3a和3b示出了固定的电极2的按本发明的第二实施方式的俯视图或者说按本 发明的压力传感器在能够测量的最大压力Pmax下的横截面，该压力传感器具有按本发明的 第二实施方式的固定的电极2。在图3a和3b中示出的按本发明的压力传感器与在图2a和 2b中示出的按本发明的压力传感器的区别在于，所述空隙6构造为一般意义上的柱体的形 式。尤其图3a和3b中的空隙6构造为立方体的形式。在此，所述图3a和3b中的构造为 立方体形的空隙6的覆盖面9相应于面积dmax，所述膜片式电极1和介电层3在向压力传感 器施加压力Pmax时在所述面积dmax上彼此接触，在此所述压力传感器最大为该压力Pmax而设 计。在所述固定的电极2的在图3a和3b中示出的按本发明的第二实施方式的范围内，所 述第一空隙6完全用介电材料充填。图4a到4c示出了固定的电极2的按本发明的第三实施方式的两种设计方案以及 相应的按本发明的压力传感器在能够测量的最大压力Pmax下的情况。按本发明的第三实施 方式与按本发明的第一实施方式的区别在于，所述固定的电极2另外具有第二空隙10。图 4a到4c示出，所述第二空隙10同样构造为本身封闭的沟槽的形式。在此所述第二空隙的 本身封闭的沟槽将第一空隙6的本身封闭的沟槽包围。在图4a所示出的设计方案的范围 内，所述沟槽构造为矩形尤其正方形的。在图4b所示出的设计方案的范围内，所述沟槽构 造为圆形的。图4a到4c示出，所述第二空隙10与所述空穴4的边缘区域11对置，其中 被第二空隙10的外圆周表面包围的面积12相应于被空穴4的外圆周表面包围的面积13。 换句话说，所述第二空隙10的轮廓相应于空穴4的轮廓。在这种实施方式的范围内，所述 第二空隙10依赖于被所述第二空隙10包围的电极区域14的接触不仅可以仅仅部分地而 且可以完全用介电材料优选空气进行充填。只要通过未示出的印制导线来电接触被构造为 本身封闭的沟槽的形式的第二空隙10包围的电极区域14，那么所述第二空隙10就可以完 全用介电材料充填。但是，所述被第二空隙10包围的电极区域14的电接触也可以如此进 行，使得构造为本身封闭的沟槽的形式的第二空隙10部分地用导电的材料充填，其中其他 部分可以用介电材料充填。按本发明的第三实施方式的优点是，可以在所述第二空隙10的 宽度上对基本电容进行“微调”，就这一点而言这对于分析方案来说是有利的。
图4d示出了按图2b、3b和4c的按本发明的压力传感器的电容-压力-特性曲 线，其中这两条曲线示出了这样的接触式压力传感器的极限模型的如在过程波动的范围内 可能出现的特性曲线。图4d示出，对于按本发明的压力传感器来说所述膜片式电极1直至 到达接触点T之前也还没有接触到固定的电极2并且电容按照关系式C l/(h-D女ρ)随 着压力呈指数上升， 其中D是所述膜片式电极1关于压力的弹性常数。图4d示出，自接触 点T起膜片式电极1在压力继续升高时在所述固定的电极2上滚动，由此扩大接触面积d， 在该接触点T上特性曲线折弯，具有接近于线性的变化并且也在传统的压力传感器的特性 曲线逐渐转为饱和(参见图Ic)的压力范围内继续线性的变化。此外，图4d示出，所述敏 感特性值AC/Q/Ap的在过程波动的范围内可能的离散比在传统的压力传感器中的离散 (参见图Ic)小得多。
权利要求
压力传感器，包括-膜片式电极(1)，-固定的电极(2)和-介电层(3)，其中所述固定的电极(2)的表面被所述介电层(3)所覆盖，其中所述膜片式电极(1)和介电层(3)彼此对置地布置并且至少部分地通过构成空穴(4)的中间层(5)隔开，其特征在于，所述固定的电极(2)在与所述空穴(4)对置的区段中具有第一空隙(6)。
2.按权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述第一空隙(6) -构造为本身封闭的沟槽的形式，或者-构造为一般意义上的柱体的形式。
3.按权利要求1或2所述的压力传感器，其特征在于，所述介电层(3)能够与膜片式电 极⑴接触。
4.按权利要求1到3中任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述第一空隙(6)与所 述介电层⑶的能够与膜片式电极⑴接触的表面(7)对置。
5.按权利要求2到4中任一项所述的压力传感器，其特征在于，-被构造为本身封闭的沟槽的形式的空隙(6)的外圆周表面包围的面积(8)或者 -构造为一般意义上的柱体的形式的空隙(6)的覆盖面(9)相应于面积(dmax)，所述膜 片式电极(1)和介电层(3)在向压力传感器施加压力(Pmax)时在该面积(dmax)上相互接触， 在此所述压力传感器最大为该压力(Pmax)而设计。
6.按权利要求1到5中任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述第一空隙(6)完全 用介电材料来充填。
7.按权利要求1到6中任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述固定的电极(2)具 有第二空隙(10)。
8.按权利要求1到7中任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述第二空隙(10)构 造为本身封闭的沟槽的形式。
9.按权利要求1到8中任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述第二空隙(10)与 所述空穴⑷的边缘区域(11)对置。
10.按权利要求1到9中任一项所述的压力传感器，其特征在于，被第二空隙(10)的外 圆周表面包围的面积(12)相应于被所述空穴(4)的外圆周表面包围的面积(13)。
11.按权利要求1到10中任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述第二空隙(10) 至少部分地用介电材料优选空气来充填。
12.按权利要求1到11中任一项所述的压力传感器，其特征在于，-构造为本身封闭的沟槽的形式的第二空隙(10)部分地用导电材料来充填用于电接 触被该第二空隙(10)包围的电极区域(14)，或者-通过印制导线来电接触被构造为本身封闭的沟槽的形式的第二空隙(10)包围的电 极区域(14)。
全文摘要
本发明涉及一种压力传感器，该压力传感器包括膜片式电极(1)、固定的电极(2)和介电层(3)，其中所述固定的电极(2)的表面被所述介电层(3)所覆盖，其中所述膜片式电极(1)和介电层(3)彼此对置地布置并且至少部分地通过构成空穴(4)的中间层(5)隔开。为了改进测量信号的线性度，所述固定的电极(2)在与所述空穴(4)对置的区段中具有第一空隙(6)。
文档编号G01L1/14GK101846562SQ20101014959
公开日2010年9月29日 申请日期2010年3月26日 优先权日2009年3月27日
发明者C·多林 申请人:罗伯特.博世有限公司