Die Messung von Differenzdrücken, d. h. eines Unterschiedes zwischen den herrschenden Drücken in zwei voneinander ge- trennten Räumen oder Medien, ist für viele Anwendungen von Drucksensoren von großer Bedeutung. Dabei ist es im allgemei- nen nicht ausreichend, zwei Drücke pl und P2 mit zwei separa- ten Drucksensoren absolut zu messen und die gewonnenen Meß- werte danach voneinander zu subtrahieren. Der Grund hierfür liegt in der zu geringen Meßgenauigkeit der allgemein zur Verfügung stehenden Absolutdruckmessvorrichtungen, die insbe- sondere bei großen Druckbereichen bzw. hohen Absolutdrücken aber kleinen Differenzdrücken nicht genügt, die Druckdiffe- renz Ap = p2-pl hinreichend genau zu liefern.

Die Messung eines Differenzdruckes AP = p2-pl durch die Verwendung zweier unabhängiger Absolutdrucksensoren führt bei kleinen Differenzdrücken (bezogen auf den Meßbereich des Ab- solutdrucksensoren) zu erheblichen Meßfehlern. Bei einem Meß- fehler der Absolutdrucksensoren von z. B. 1 % ergibt sich bei einem Differenzdruck Ap von z. B. 5 % des Meßbereiches bereits ein Fehler von 28 %.

Zur Lösung dieses Problems wurden Halbleiter-Differenzdruck- sensoren vorgeschlagen, bei denen eine einzige druckempfind- liche Membran von der einen Seite mit dem ersten Druck pi und von der anderen Seite mit dem zweiten Druck P2 beaufschlagt wird. Folglich wird bei einer derartigen Anordnung die Mem- bran entsprechend der Druckdifferenz AP = p2-pl ausgelenkt und ermöglicht damit eine entsprechende Messung dieses Wer- tes.

Die Meßgenauigkeit eines derartigen Differenzdrucksensors ist abhängig von der Auslegung des Sensors, d. h. der Membran, der Abtastung der Membranauslenkung und der elektrischen bzw. elektronischen Auswertung etc..

Ein wesentliches Problem dieses Lösungsansatzes ist aber, daß die Herstellung solcher Halbleiter-Differenzdrucksensoren in sogenannter Volumen-Mikromechanik-Technologie (bulk microma- chining) erfolgen muß, bei der das Substratmaterial unterhalb der Membran vollständig entfernt (z. B. durch Ätzen) werden muß. Die entsprechenden Produktionsprozesse sind im allgemei- nen nicht kompatibel mit modernen CMOS oder Bipolar-Halblei- terprozessen. Demzufolge ist es schwierig, zusätzlich zu der Drucksensorvorrichtung eine komplexe Auswerteschaltung direkt auf demselben Halbleiterchip zu integrieren.

Ein weiterer prinzipieller Nachteil der oben beschriebenen "bulk micromachining-Lösung"besteht darin, daß diese Diffe- renzdrucksensoren ausgesprochen empfindlich auf die Montage- bzw. Gehäusebedingungen reagieren. Gewöhnlich wird dieses Problem durch einen Wafer-Bond-Prozeß (Verbinden zweier Wafer miteinander) gelöst, bei dem der Systemwafer, welcher die ei- gentliche Drucksensorvorrichtung trägt, mit einem Trägerwafer verbunden wird. Solche Trägerwafer können ihrerseits aus ei- nem Halbleitermaterial oder aber auch aus thermisch angepaß- ten Gläsern oder Keramiken bestehen. Jeder Trägerwafer muß entweder vor oder nach dem Verbindungsprozeß mit dem System- wafer strukturiert werden, damit eine Druckankopplung an die Membranunterseite erfolgen kann. Diese Strukturierung führt auf Justierprobleme, wenn sie vor dem Wafer-Bonden erfolgt.

Erfolgt die Strukturierung dagegen nach dem Wafer-Bonden, so muß sie mit größter Vorsicht vorgenommen werden, da die emp- findlichen Membranen sehr leicht beschädigt werden können, was entweder die Produktionsausbeute drastisch reduziert oder aber möglicherweise die Zuverlässigkeit und/oder Langzeitsta- bilität der Drucksensoren beeinträchtigen kann.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine mikromechanische Differenzdrucksensorvorrichtung zu entwik- keln, die technisch einfach und gleichzeitig mit hoher Pro- duktionsausbeute herstellbar ist und eine hohe Zuverlässig- keit und Langzeitstabilität aufweist.

Diese Aufgabe wird durch einen Differenzdrucksensor gelöst, bei dem auf einem einzigen Trägerplättchen zwei Absolutdruck- meßvorrichtungen monolithisch integriert sind. Die beiden Ab- solutdruckmeßvorrichtungen werden gleichzeitig, bevorzugt mittels Oberflächenmikromechanik-Technologie, hergestellt.

Aufgrund der monolithischen Integration der beiden Absolut- druckmeßvorrichtungen, insbesondere deren Drucksensor-Membra- nen auf ein-und demselben Trägerplättchen sind die Absolut- fehler der beiden Absolutdruckmeßvorrichtungen im wesentli- chen gleich groß und besitzen zudem dasselbe Vorzeichen. Die Meßfehler sind folglich korreliert und heben sich durch die Differenzbildung der beiden Druckmeßwerte noch in der Meß- brücke am Eingang einer signalverarbeitenden Auswerteschal- tungsanordnung praktisch auf.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfin- dungsgemäßen Differenzdrucksensors weist mindestens einer der beiden Absolutdruckmeßvorrichtungen ein Druckanschlußteil (Kamin oder Schlauchstutzen) auf, über den einer der beiden Räume, in denen der Druck gemessen werden soll, an diese Ab- solutdruckmeßvorrichtung angekoppelt werden kann. Dadurch können auf einfache Weise die beiden Drücke getrennt vonein- ander an die Absolutdruckmeßvorrichtungen herangeführt wer- den.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfin- dungsgemäßen Differenzdrucksensorvorrichtung sind in einem einzigen Halbleiterplättchen zwei voneinander getrennte do- tierte Gebiete ausgebildet. Auf einer ersten Hauptfläche des

Halbleiterplättchens (z. B. ein Si-Plättchen, beispielsweise bestehend aus einem Si-Substrat alleine oder aus einem Si- Substrat mit einer Si-Epitaxieschicht) ist eine isolierende Opferschicht (z. B. Feldoxid (Si-Oxid)) mit einer ersten und einer zweiten Ausnehmung angeordnet, die bis auf die erste Hauptfläche des Halbleiterplättchens reichen. Die erste Aus- nehmung ist dem ersten dotierten Gebiet und die zweite Aus- nehmung ist dem zweiten dotierten Gebiet zugeordnet, wobei sich die Ausnehmungen bevorzugt jeweils insgesamt im Bereich des zugehörigen dotierten Gebietes befinden. Die beiden Aus- nehmungen sind jeweils mit einer elektrisch leitendem Membran (z. B. bestehend aus dotiertem Polysilizium) gasdicht abge- deckt, so daß zwei voneinander getrennte Kammern ausgebildet sind, die jeweils von der ersten Hauptfläche des Halbleiter- plättchens, der zugehörigen Membran und den Wänden der Aus- nehmungen begrenzt sind. Die Kammern sind beispielsweise mit Luft oder einem anderen Gas oder Gasgemisch gefüllt oder mit einem Vakuum versehen. Jede Membran bildet zusammen mit dem zugehörigen dotierten Gebiet eine kapazitive Absolutdruckmeß- vorrichtung aus, bei dem die Membran und das dotierte Gebiet die beiden Kondensatorplatten darstellen. Vorteilhafterweise ist mindestens einem der beiden Absolutdruckmeßvorrichtungen ein Druckanschlußteil (z. B. ein Kamin oder ein Schlauchan- schlußstutzen) zugeordnet, das unmittelbar am Rand der Abso- lutdruckmeßvorrichtung aufgesetzt gasdicht mit diesem verbun- den ist. Bevorzugt sind beide Absolutdruckmeßvorrichtungen mit jeweils einem solchen Druckanschlußteil versehen.

Bei einer weiterhin bevorzugten Weiterbildung der erfindungs- gemäßen Differenzdrucksensorvorrichtung ist auf dem Halblei- terplättchen eine Auswerteschaltungsanordnung integriert aus- gebildet, die an die beiden Absolutdruckmeßvorrichtungen an- gekoppelt ist, die deren Ausgangssignale empfängt und weiter- verarbeitet. Vorteilhafterweise wird noch in einer Eingangs- brücke der Auswerteschaltungsanordnung die Differenz der bei- den Ausgangssignale der beiden Absolut-Drucksensorvorrichtun- gen gebildet und nur noch dieses Differenzsignal von der Aus-

werteschaltung weiterverarbeitet. Durch diese Differenzbil- dung der Drucksensorsignale bereits am Eingang der Auswerte- schaltungsanordnung betreffen sämtliche durch die Auswerte- schaltung verursachten Fehler vorteilhafterweise nur noch das Differenzsignal Ap, nicht aber die Einzelmessungen der Drücke P1 und P2.

Der Abgleich der aus zwei monolithisch integrierten Absolut- drucksensorvorrichtungen aufgebauten Differenzdrucksensorvor- richtung erfolgt vorteilhafterweise für die Differenzdruck- kennlinie. Dadurch lassen sich vorteilhafterweise eventuelle Unterschiede beider Absolutdrucksensorvorrichtungen hinsicht- lich Offset und Empfindlichkeit kompensieren.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen und vorteilhafte Weiter- bildungen des erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel in Verbindung mit den Figuren 1 bis 3. Es zeigen : Figur 1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch das Ausführungsbeispiel, Figur 2 eine schematische Darstellung einer ersten Auswerte- Schaltungsanordnung und Figur 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Auswerte- Schaltungsanordnung.

Bei dem Differenzdrucksensor gemäß dem Ausführungsbeispiel von Figur 1 zur Messung der Differenz zwischen einem ersten Druck pl und einem zweiten Druck P2 sind in einer Silizium- schicht 1 benachbart zu einer ersten Hauptfläche dieser Sili- ziumschicht 1 zwei voneinander getrennte, einen Abstand von- einander aufweisende dotierte Gebiete 7a (im folgenden"er- stes dotiertes Gebiet"genannt) und 7b (im folgenden"zweites dotiertes Gebiet"genannt), sogenannte"doped wells", ausge- bildet. Die Siliziumschicht 1 ist z. B. ein Siliziumsubstrat oder eine auf einem Siliziumsubstrat aufgebrachte Silizium- Epitaxieschicht. Die Dotiergebiete sind beispielsweise mit- tels Implantation und/oder Diffusion hergestellt. Auf der er-

sten Hauptfläche 8 der Siliziumschicht 1-ist eine elektrisch isolierende Schicht 2 aufgebracht, die ein erstes 4a und ein zweites Fenster 4b aufweist, in denen die erste Hauptfläche 8 der Siliziumschicht 1 freigelegt ist. Sie besteht beispiels- weise aus einem Feldoxid (Siliziumoxid). Das erste 4a und das zweite Fenster 4b befindet sich, von der Siliziumschicht 1 aus gesehen, über dem ersten 7a bzw. über dem zweiten dotier- ten Gebiet 7b. Das erste 4a und das zweite Fenster 4b ist mit einer ersten 3a bzw. mit einer zweiten elektrisch leitenden Membran 3b gasdicht abgedeckt, die beispielsweise im Wesent- lichen aus dotiertem Polysilizium bestehen.

Die von den Seitenwänden der Fenster 4a und 4b, der Hauptflä- che der Siliziumschicht 1 und den Membranen 3a und 3b be- grenzten"Kammern"sind z. B. mit Luft oder einem anderen Gas oder Gasgemisch gefüllt oder mit einem Vakuum versehen.

Auf der elektrisch isolierenden Schicht 2 und auf dem Uber- lappungsbereich zwischen dieser und den Membranen 3a und 3b ist eine weitere elektrisch isolierende Schicht 6 (z. B. Si- Oxid oder Si-Nitrid) aufgebracht, derart, daß die Membranen 3a und 3b im Bereich der Fenster 4a und 4b frei bleiben.

Die erste Membran 3a und das erste dotierte Gebiet 7a sowie die zweite Membran 3b und das zweite dotierte Gebiet 7b bil- den einen ersten bzw. einen zweiten"Platten"-Kondensator mit druckabhängiger Kapazität (abhängig vom Druck auf die zugehö- rige Membran) Cl (pi) bzw. C2 (p2) aus. An den Rändern der Drucksensorbereiche dieser beiden jeweils aus einem dotierten Gebiet 7a, 7b und aus einer Membran 4a, 4b gebildeten Abso- lutdrucksensorvorrichtungen 9a und 9b ist jeweils ein Druck- anschlußteil 5a und 5b, z. B. ein Kunststoffkamin oder ein Kunststoff-Schlauchanschluß, gasdicht auf der weiteren elek- trisch isolierenden Schicht 6 befestigt. Mittels dieser Druckanschlußteile 5a und 5b können auf einfache Weise die beiden zu messenden Drücke getrennt voneinander der jeweils

zugehörigen Absolutdrucksensorvorrichtungen 9a und 9b zuge- führt werden.

Bei der in Figur 2 schematisch dargestellten Schaltungsanord- nung zur Auswertung der beiden Ausgangssignale der Absolut- drucksensorvorrichtungen 9a, 9b handelt es sich um eine soge- nannte Switched Capacitor-Schaltung zur Auswertung des Si- gnals Cl-C2. Hierbei werden die beiden Kapazitäten C1 und C2 mit gegenphasigen Signalen S1 und S2 angesteuert und über einen Schalter S, an den jeweils ein Anschluß der Kapazitäten C1 und C2 herangeführt ist, einem einfachen Integrator 10 (z.

B. eines Sigma-Delta-Wandlers) zugeführt, dessen Ausgang 11 an eine weitere Auswerteschaltung angeschlossen ist. Diese Schaltungsanordnung und auch die weitere Auswerteschaltungs- anordnung ist vorteilhafterweise zusammen mit der Differenz- drucksensorvorrichtung auf ein und demselben Siliziumchip in- tegriert. Dies läßt sich auf einfache Weise realisieren, weil die oberflächenmikromechanischen Prozeßschritte mit Prozeß- schritten zum Herstellen von integrierten Schaltungen kompa- tibel sind.

Bei der in Figur 3 schematisch dargestellten Schaltungsanord- nung zur Auswertung der beiden Ausgangssignale der Absolut- drucksensorvorrichtungen 9a, 9b handelt es sich ebenfalls um eine sogenannte Switched Capacitor-Schaltung zur Auswertung des Signals C1-C2. Hierbei werden die beiden Kapazitäten C1 und C2 aber im Unterschied zur oben beschriebenen Schaltungs- anordnung mit gleichphasigen Signalen S1 und S2 angesteuert und über zwei getrennte Schalter Sa und Sb einem differenti- ellen Integrator 10 (z. B. eines Sigma-Delta-Wandlers) zuge- führt, dessen Ausgang 11 an eine weitere Auswerteschaltung angeschlossen ist. Hinsichtlich der Integration dieser Schal- tungsanordnung zusammen mit der Differenzdrucksensorvorrich- tung auf ein und demselben Siliziumchip gilt des im Zusammen- hang mit Figur 2 gesagte.