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Kapazitiver Halbleiterdruckaufnehmer
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Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Halbleiterdruckaufnehmer
mit einem Silizium-Einkristallsubstrat, auf dem eine p+-leitende Schicht ausgebildet
ist, die in einem weggeätzten Bereich des Silizium-Einkristallsubstrates freiliegt
und dort ein druckempfindliches Membranteil bildet, weiterhin mit einer Silizium-Epitaxieschicht,
die auf der p+-leitenden Schicht aufgebracht ist, mit einer die Silizium-Epitaxieschicht
überdeckenden Isolatorschicht und einem auf dieser aufgebrachten leitenden Belag
und mit einer durch Öffnungen in dem leitenden Belag und der Isolatorschicht ausgeätzten
Aushöhlung in der Silizium-Epitaxieschicht, so daß der leitende Belag zusammen mit
dem Membranteil einen druckempfindlichen Meßkondensator bildet.
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Ein derartiger kapazitiver Halbleiterdruckaufnehmer ist aus der US-PS
4 332 000 bekannt. Zur Erläuterung des bekannten Halbleiterdruckaufnehmers ist dieser
in Figur 1 in Draufsicht dargestellt; Figur 2 zeigt den bekannten Halbleiterdruckaufnehmer
in einem Längsschnitt. Wie Figur 2 zeigt, weist der bekannte Halbleiterdruckaufnehmer
ein Silizium-Einkristallsubstrat 8 auf, dessen Hauptoberfläche zum weiteren Aufbau
des Halbleiterdruckaufnehmers in der (100)-Kristallebene ausgebildet ist. Auf dieser
Hauptoberfläche trägt das Silizium-Einkristallsubstrat 8 eine hochdotierte p-leitende
(im folgenden p+-leitend genannte) Schicht 7, die als Diffusionsschicht ausgebildet
ist. Auf der p + -leitenden Schicht 7 und dem Silizium-Einkristallsubstrat 8 ist
eine Silizium-Epitaxieschicht 5 aufgebracht. In einem Teilbereich der Silizium-
Epitaxieschicht
5 ist eine niederohmige Kontaktzone 6 eingebettet, die eine elektrisch leitende
Verbindung zwischen der p + -leitenden Schicht 7 und einer metallenen Kontaktelektrode
4 herstellt. Ein weiterer Teilbereich der Silizium-Epitaxieschicht 5 enthält eine
Aussparung in Form einer Aushöhlung 12.
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Auf der Silizium-Epitaxieschicht 5 und auf der von ihr abgewandten
Oberfläche des Silizium-Einkristallsubstrates 8 ist jeweils eine Isolatorschicht
2 bzw. 9 bevorzugt aus Siliziumnitrid (Si3N4) ausgebildet. Die mit 2 bezeichnete
Isolatorschicht ist von einem aus einer Metallschicht bestehenden leitenden Belag
1 bedeckt. Der leitende Belag 1 sowie die unter ihm liegende Isolatorschicht 2 sind
mit Öffnungen 3 versehen, die die Zuführung eines anisotropen Ätzmittels zur Bildung
der Aushöhlung 12 ermöglichen. Wie Figur 1 zeigt, sind die Öffnungen 3 in Form von
schmalen Schlitzen ausgebildet, die etwa fischgrätenartig in einem in der Figur
1 durch eine gestrichelte Linie gekennzeichneten rechteckförmigen Bereich angeordnet
sind. Das anisotrope Ätzmittel (z. B. Ethylendiamin-Pyrocatechol) wirkt unterschiedlich
in den verschiedenen kristallographischen Richtungen der Silizium-Epitaxieschicht
5; während nämlich der Ätzprozeß ausgehend von den Öffnungen 3 senkrecht zu der
(100)-Kristallebene gut fortschreitet, findet er senkrecht zu der (111)-Kristallebene
gehemmt statt, so daß als Folge des Ätzprozesses pyramidale Vertiefungen entstehen,
deren vier Begrenzungsflächen jeweils äquivalent zu der (lll)-Kristallebene sind.
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Die p+-leitende Schicht 7 wirkt als Hemmschicht für das Ätzmittel,
so daß der Ätzprozeß beendet ist, wenn das Ätzmittel bis zu der p+-leitenden Schicht
7 vorgedrungen ist.
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Auf entsprechende Weise wird auch in dem Silizium-Einkristallsubstrat
8 eine Aussparung bis zu der p+-leitenden Schicht 7 ausgeätzt; der nach diesem Verfahrensschritt
freiliegende Teil der p+-leitenden Schicht 7 bildet ein druckempfindliches Membranteil
11. Dieses Membranteil 11 bildet zusammen mit dem leitenden Belag 1 einen druckabhängig
veränderbaren Meßkonden-
sator, der bei Druckbeaufschlagung des
Membranteiles 11 eine Druckmessung durch Bestimmung der jeweiligen Kapazitätsänderung
ermöglicht.
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Dadurch, daß die Öffnungen 3 in Form von schmalen Schlitzen ausgebildet
sind, begrenzen sie bei der Zuführung des Ätzmittels dessen Durchlaßgeschwindigkeit,
so daß der ÄtzprozeE bei der Ausbildung der Aushöhlung 12 eine geraume Zeit in Anspruch
nimmt. Man könnte nun zur Beschleunigung des Ätzprozesses die Öffnungen 3 vergrößern,
jedoch würde man damit zugleich die wirksame Elektrodenfläche, die von dem leitenden
Belag 1 gebildet ist, verringern und so die Meßkapazität zwischen dem leitenden
Belag 1 und dem Membranteil 11 des Halbleiterdruckaufnehmers herabsetzen. Weiterhin
erstreckt sich der leitende Belag 1 bei dem bekannten Halbleiterdruckaufnehmer über
den Bereich der Aushöhlung 12 bzw. über die freiliegende Fläche des Membranteiles
11 hinaus; daher ist die Streukapazität, welche von dem nicht druckempfindlichen
kapazitiven Teilen des Meßkondensators gebildet wird, relativ groß.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven
Halbleiterdruckaufnehmer anzugeben, der eine besonders hohe Meßgenauigkeit und Meßempfindlichkeit
aufweist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist sind dem kapazitiven Halbleiterdruckaufnehmer
der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß die Öffnungen um einen scheibenförmigen
Bereich der Isolatorschicht und des leitenden Belages diesen Bereich seitlich begrenzend
angeordnet, wobei die Fläche des scheibenförmigen Bereiches geringer als die freiliegende
Fläche des Membranteiles ist.
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Der erfindungsgemäße kapazitive Halbleiterdruckaufnehmer weist den
Vorteil auf, daß sich einerseits die Öffnungen in
dem leitenden
Belag und der ihn tragenden Isolatorschicht groß genug ausführen lassen, um einen
beschleunigten Ätzprozeß bei der Ausätzung der Aushöhlung zu erhalten, und daß andererseits
trotz der vergrößerten Öffnungen der für den druckempfindlichen kapazitiven Anteil
des Meßkondensators maßgebliche Teil des leitenden Belages besonders groß ist. Als
Folge davon wird in vorteilhafter Weise eine hohe Meßempfindlichkeit und Meßgenauigkeit
des erfindungsgemäßen kapazitiven Halbleiterdruckaufnehmers erzielt. Der sich auf
dem scheibenförmigen Bereich der Isolatorschicht erstreckende leitende Belag liegt
nämlich, ohne daß seine Fläche durch Öffnungen verringert ist, dem mittleren und
damit am meisten druckempfindlichen Bereich des freiliegenden Membranteiles gegenüber;
die Öffnungen sind dagegen rings um den scheibenförmigen Bereich angeordnet und
liegen daher dem weniger druckempfindlichen Randbereich des freiliegenden Membranteiles
gegenüber.
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Die Öffnungen können daher zur Beschleunigung des Ätzprozesses in
vorteilhafter Weise relativ groß ausgeführt werden, ohne daß die Meßkapazität wesentlich
verringert wird. Da die Fläche des scheibenförmigen Bereiches und damit auch die
Fläche des leitenden Belages geringer als die freiliegende Fläche des Membranteiles
ist, ist der kapazitive Anteil des Meßkondensators, der durch die Streukapazität
zwischen dem leitenden Belag und dem nicht druckempfindlichen Teil der p+ leitenden
Schicht gebildet wird, besonders gering und damit die Meßempfindlichkeit und auch
die Meßgenauigkeit des kapazitiven Halbleiterdruckaufnehmers besonders groß.
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Es ist von Vorteil, wenn sich der leitende Belag mindestens über einen
zwischen zwei benachbarten Öffnungen ausgebildeten Steg der Isolatorschicht bis
in einen Bereich außerhalb der Aushöhlung erstreckt, so daß in diesem Bereich außerhalb
der Aushöhlung eine Kontaktierung des leitenden Belages, ohne
diesen
zu beschädigen, möglich ist. Ein weiterer Vorteil besteht dabei in der mechanischen
Verstärkung der Stege durch den darüber liegenden leitenden Belag, so daß hierdurch
die Bruchempfindlichkeit der Isolatorschicht und des auf ihr liegenden leitenden
Belages im Bereich der Aushöhlung verringert wird.
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Eine weitere Erhöhung der mechanischen Stabilität des erfindungsgemäßen
Halbleiterdruckaufnehmers läßt sich in vorteilhafter Weise dadurch erreichen, daß
der leitende Belag aus einer niederohmigen hochdotierten Siliziumschicht besteht.
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Die niederohmige hochdotierte Siliziumschicht weist nämlich nahezu
den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, wie die sie tragende Isolatorschicht
auf, so daß bei Temperaturschwankungen keine Rißbildung ind er niederohmigen hochdotierten
Siliziumschicht bzw. der unter ihr liegenden Isolatorschicht auftritt; daher kann
auch die Dicke der niederohmigen hochleitenden Siliziumschicht im Unterschied zu
einer Metallschicht ohne Gefahr einer thermisch verursachten Rißbildung vergrößert
werden, um so die mechanische Stabilität des Halbleiterdruckaufnehmers zu erhöhen.
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Bei einer besonders einfach herzustellenden und sich durch eine hohe
Meßempfindlichkeit auszeichnenden Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterdruckaufnehmers
begrenzen vier Öffnungen den scheibenförmigen Bereich der Isolatorschicht und des
leitenden Belages quadratförmig, wobei an jeder der vier Ecken des scheibenförmigen
Bereiches jeweils ein sich zwischen zwei benachbarten Öffnungen erstreckender Steg
der Isolatorschicht ausgebildet ist. Alternativ hierzu können die vier Öffnungen
den scheibenförmigen Bereich der Isolatorschicht derart quadratförmig begrenzen,
daß in der Mitte jeder der vier Seitenkanten des scheibenförmigen Bereiches jeweils
der betreffende Steg ausgebildet ist.
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Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterdruckaufnehmers,
bei der das freiliegende Membranteil eine quadratförmige Fläche aufweist, verlaufen
die von den Öffnungen begrenzten Seiten kanten des scheibenförmigen Bereiches vorteilhafterweise
parallel zu den entsprechenden Seitenkanten des Membranteiles; in Abwandlung hierzu
können die von den Öffnungen begrenzten Seitenkanten des scheibenförmigen Bereiches
auch jeweils in einem Winkel von 45° zu den entsprechenden Seitenkanten des Membranteiles
verlaufen.
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Von besonderem Vorteil ist es, wenn in der Mitte des scheibenförmigen
Bereiches eine Hilfsöffnung in der Isolatorschicht und dem leitenden Belag ausgebildet
ist, so daß der Zutritt des anisotropen Ätzmittels zur Ausbildung der Aushöhlung
erleichtert und damit die Ätzdauer weiter verringert wird. Hierbei ist jedoch zu
beachten, daß die Verringerung der Meßkapazität durch die zusätzliche Hilfsöffnung
besonders gering ausfällt. Dies wird bei den oben erläuterten Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Halbleiterdruckaufnehmers, bei denen der scheibenförmige Bereich
der Isolatorschicht quadratförmig ausgebildet ist, in vorteilhafter Weise dadurch
erreicht, daß die Hilfsöffnung in Form eines schmalen Schlitzes ausgebildet ist,
der im Winkel von 45° zu den Stegen zwischen den vier Öffnungen verläuft. Hierdurch
läßt sich insbesondere eine Beschleunigung des Ätzprozesses im Bereich unter den
vier Stegen erreichen.
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Zur Erläuterung der Erfindung ist in Figur 3 ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Halbleiterdruckaufnehmers in Draufsicht und in Figur 4 dasselbe
Ausführungsbeispiel im Querschnitt entlang der in Figur 3 mit BB' bezeichneten Schnittebene
dargestellt; Figur 5 zeigt ein weiteres und Figur 6 ein zusätzliches Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Halbleiterdruckaufnehmers jeweils in Draufsicht.
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Bei den in den Figuren 3 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispielen
des erfindungsgemäßen Halbleiterdruckaufnehmers finden für die entsprechenden Teile
die gleichen Bezugszeichen wie in Figur 1 und 2 Verwendung.
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Wie Figur 4 zeigt, ist auf einem n-dotierten oder p-dotierten Silizium-Einktristallsubstrat,
dessen Hauptoberfläche sich entlang der (100)-Kristallebene erstreckt, eine p+-leitende
Schicht 7 durch Ionenimplantation oder Thermodiffusion mit einer Dotierungskonzentration
von etwa 1020 cm ausgebildet.
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Die Schichtdicke der p+-leitenden Schicht 7 entspricht der späteren
gewünschten Dicke des Membranteiles 11. Auf der p+-leitenden Schicht 7 und dem Silizium-Einktristallsubstrat
8 ist eine Silizium-Epitaxieschicht 5 durch Abscheidung von Silizium aus einer Gasphase
aufgebracht. Durch die Dicke der Silizium-Epitaxieschicht 5 ist die Tiefe der später
gebildeten Aushöhlung 12 bestimmt. Die Silizium-Epitaxieschicht 5 ist nicht im Hinblick
auf einen geringen elektrischen Widerstand, sondern im Hinbick auf eine möglichst
hohe Empfindlichkeit gegenüber anisotropen ätzmitteln ausgelegt; daher ist in einem
Teilbereich der Silizium-Epitaxieschicht 5 eine niederohmige Kontaktzone 6 eingegraben,
die eine elektrisch leitende Verbindung mit der p+-leitenden Schicht 7 herstellt.
Weiterhin sind auf der Silizium-Epitaxieschicht 5 bzw. auf der ihr abgewandten Seite
des Silizium-Einkristallsubstrates 8 zwei Isolatorschichten 2 und 9 beispielsweise
aus Siliziumnitrid (Si3N4) oder Siliziumdioxid (sir2) in einer Dicke von jeweils
etwa 0,5 um bis 1 pm aufgebracht. Die Isolatorschicht 2 enthält im Bereich der unter
ihr liegenden Kontaktzone 6 eine Öffnung, durch die die Kontaktzone 6 mit einer
metallenen Kontaktelektrode 4 verbunden ist. Die Isolatorschicht 2 ist mit einem
leitenden Belag 1 bestehend aus einer Metallschicht oder einer niederohmigen hochdotierten
Siliziumschicht bedeckt. Bis zu diesem Verfahrensschritt unterscheidet sich die
Herstellung des erfindungsgemäßen Halbleiterdruckaufneh-
mers nicht
von dem bei der Herstellung des bekannten Halbleiterdruckaufnehmers angewandten
Verfahren.
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Zur Bildung des Mebranteiles 11 mit einer freiliegenden quadratischen
Fläche werden vier trapezförmige Öffnungen 3 in den leitenden Belag 1 eingeätzt;
die vier trapezförmigen Öffnungen 3 sind derart viereckförmig angeordnet, daß sich
zwei der Öffnungen 3 parallel und die zwei übrigen Öffnungen jeweils senkrecht zu
der (Oll)-Kristallebene des Silizium-Einkristallsubstrates 8 erstrecken. Die vier
trapezförmigen Öffnungen 3 sind weiterhin derart angeordnet, daß sich bei jeweils
zwei einander benachbarten und rechtwinklig zueinander liegenden Öffnungen die sie
umschreibenden und hier durch strichpunktierte Umrißlinien angedeuteten Rechtecke
in jeweils einem kleinen Teilbereich C überlappen. In einem weiteren Verfahrensschritt
wird die Isolatorschicht 2 einem Ätzprozeß unterworfen, wobei der leitende Belag
1 mit seinen Öffnungen 3 als Maske dient; gleichzeitig wird auch in die auf der
gegenüberliegenden Seite des Silizium-Einkristallsubstrates 8 liegende Isolatorschicht
9 eine Öffnung eingeätzt, um später das Membranteil 11 mit einer quadratförmigen
freiliegenden Fläche bilden zu können. Als Folge des Ätzprozesses vertiefen sich
die Öffnungen 3 in die Isolatorschicht 2 hinein und begrenzen so einen scheibenförmigen
Bereich der Isolatorschicht 2 der über Stege 14 zwischen jeweils zwei benachbarten
Öffnungen 3 mit dem übrigen Bereich der Isolatorschicht 2 verbunden ist.
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Als nächstes wird der'leitende Belag 1 bis auf eine quadratförmige
Scheibe weggeätzt, die den durch die vier trapezförmigen Öffnungen 3 begrenzten
scheibenförmigen Bereich der Isolatorschicht bedeckt und sich an ihren vier Ecken
mit armförmigen Fortsätzen über die Stege 14. erstreckt. In einem folgenden Verfahrensschritt
wird der Halbleiterdruckaufnehmer in einer bis zu diesem Zeitpunkt erzeugten Struktur
einem anisotropen Ätzmittel wie z. B. Kaliumlauge (KOH) oder
Ethylendiamin-Pyrocatechol
ausgesetzt, wobei das anisotrope Ätzmittel durch die Öffnungen 3 in der Isolatorschicht
2 und die Öffnung in der Isolatorschicht 9 auf die Silizium-Epiotaxieschicht 5 bzw.
das Silizium-Einkristallsubstrat 8 einwirkt.
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Das Ätzmittel dringt durch die Öffnungen 3 zunächst in seitlicher
Richtung zu den mit dem Bezugszeichen C bezeichneten Teilbereichen vor. An dieser
Stelle ist anzumerken, daß sich jeder Siliziumkristall unter Einwirkung eines anisotropen
Ätzmittels gegenüber diesem derart verhält, daß der Ätzprozeß in dem Bereich, in
dem sich zwei (111)-Kristallebenen unter Bildung einer Innenkante schneiden langsamer
fortschreitet, als an anderen Stellen. Daher setzt sich der Ätzprozeß ausgehend
von den Stellen, an denen sich die durch strichpunktierte Linien gekennzeichneten
Rechtecke überlappen in Richtung auf die Mitte hin fort. Die p+-leitende Schicht
7 wirkt infolge ihrer hohen Dotierungskonzentration für das Ätzmittel als Hemmschicht,
so daß der Ätzprozeß beendet wird, wenn das Ätzmittel bis zu der p+-leitenden Schicht
7 vorgedrungen ist und die Aushöhlung 12 ihre endgültige Form entsprechend der Darstellung
in Figur 3 und 4 erreicht hat. Auf die gleiche Weise wird auch in dem Silizium-Einkristallsubstrat
8 -ausgehend von der Öffnung in der Isolatorschicht 9 eine Aussparung, welche durch
vier den (lil)-Kristallebenen entsprechenden Flächen begrenzt ist, bis zu der p+-leitenden
Schicht 7 ausgeätzt. Der auf diese Weise freigelegte Teil der p+-leitenden Schicht
7 bildet ein druckempfindliches Membranteil 11, das zusammen mit dem leitenden Belag
1 eine druckabhängig veränderbaren Meßkondensator bildet. Das Verhältnis der Länge
der Seitenkanten der von dem leitenden Belag gebildeten qudratförmigen Scheibe zu
der Seitenlänge der quadratförmigen Fläche des freiliegenden Membranteiles 11 ist
mit r = a e / a kleiner als eins gewählt; d. h., die Fläche der quadratförmigen
Scheibe ist kleiner als die Grundrißfläche des Membranteiles 11. Dieses Verhältnis
ist maßgeblich für die Erhöhung der Meßempfindlichkeit des kapazitiven Halbleiterdruckaufneh-
mers,
ohne daß die Meßkapazität herabgesetzt wird. Überschreitet nämlich die Fläche der
Scheibe die freiliegende Fläche des auslenkbaren Membranteiles 11, so verringert
sich die Meß-empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Halbleiterdruckaufnehmers, weil
die Streukapazität ansteigt; wird dagegen das Verhältnis der Fläche der Scheibe
zu der freiliegenden Fläche des Membranteiles 11 geringer, so verringert sich auch
die Meßkapazität des Halbleiterdruckaufnehmers.
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Das in Figur 5 gezeigte weitere Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Halbleiterdruckaufnehmers unterscheidet sich von dem in Figur 3 und 4 gezeigten
Halbleiterdruckaufnehmer durch eine andere Ausbildung des scheibenförmigen Bereiches
der Isolatorschicht 2 bzw. des leitenden Belages 1. Während bei dem vorstehend beschriebenen
Ausführungsbeispiel an jeder der vier Ecken des quadratischen scheibenförmigen Bereiches
jeweils ein Steg 14 entlang in diagonaler Richtung ausgebildet ist, sind bei dem
in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiel die vier Öffnungen 3 L-förmig ausgebildet
und derart angeordnet, daß sie einen quadratischen scheibenförmigen Bereich in der
Isolatorschicht 2 begrenzen, der in der Mitte jeder seiner vier Seitenkanten jeweils
über einen sich zwischen zwei benachbarten Öffnungen 3 erstreckenden Steg 14 mit
dem übrigen Bereich der Isolatorschicht 2 verbunden ist.
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Der scheibenförmige Bereich und der darauf liegende leitende Belag
1 weisen in ihrer Mitte zusätzlich eine Hilfsöffnung 13 in Form eines schmalen Schlitzes
auf, der im Winkel von 45° zu den Stegen 14 verläuft. Durch die Hilfsöffnung 13
wird bei dem Ausätzen der Aushöhlung 12 der Zutritt des anisotropen Ätzmittels erleichert,
so daß dadurch die Ätzdauer herabgesetzt wird. Bei der Ausbildung der zusätzlichen
Hilfsöffnung 13 ist jedoch zu berücksichtigen, daß in dem Maße, wie die Hilfsöffnung
13 vergrößert wird auch die Meßkapazität des erfindungsgemäßen Halbleiterdruckaufnehmers
herabgesetzt wird.
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Figur 6 zeigt ein zusätzliches Ausführungsbeispiel des kapazitiven
Halbleiterdruckaufnehmers in Draufsicht, das sich von dem in Figur 3 dargestellten
Ausführungsbeispiel durch eine um 45" gedrehte Anordnung des scheibenförmigen Bereiches
der Isolatorschicht 2 mit den Stegen 14 sowie des darauf aufgebrachten leitenden
Belages 1 unterscheidet. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel sind der leitende Belag
1 und der unter ihm liegende scheibenförmige Bereich der Isolatorschicht 2 mit einer
Hilfsöffnung 13 versehen.
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Bei allen vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen
Halbleiterdruckaufnehmers sind das Membranteil 11 und der von den Öffnungen 3 begrenzte
scheibenförmige Bereich der Isolatorschicht 2 und des leitenden Belages 1 jeweils
quadratförmig ausgebildet; es besteht aber auch die Möglichkeit, diesen Bereich
rechteckförmig auszubilden.
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8 Ansprüche 6 Figuren
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