CN1141564C - 传感器 - Google Patents

Abstract

在半导体基底的前表面上形成了一个保护电极且经过一个绝缘层在保护电极上形成了一个固定电极。借助一个隔膜在固定电极上形成了一个腔，且在这些隔膜层之间形成了一个运动电极。形成了从基底的后表面延伸并到达腔的一个基底通孔。提供了一个运算放大器，它驱动保护电极从而使保护电极的电位与固定电极的电位相等。固定电极与运动电极之间的电容的改变被转换成与隔膜的位移直接相关的电压。

Description

传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，且更具体地说涉及用于通过静电电容并将其转换成电信号而检测机械位移的传感器。

背景技术

传统上，作为用于通过借助机械压力把位移转换成电信号的传感器，有例如JP-A-9-257618中公布的静电电容检测式压强检测器。图1-3显示了这种传感器的结构、制造过程和电容-电压转换电路。图1是该压强检测器的平面图，并主要显示了电极的设置。图2A-2G是沿着图1中的A-A线取的、按照制造步骤的顺序的截面图。该压强检测器由形成在一个基底的前表面上的固定电极、设置在该固定电极上的压强基准腔、用于掩盖压强基准腔的一个隔离隔膜、以及作为隔离隔膜的表面的导电膜的运动电极构成。

图3是框图，显示了检测以如上方式形成的固定电极和运动电极的静电电容的电容-电压转换电路。该电容-电压转换电路由一个切换电容器电路构成。图3显示的电容-电压转换电路具有一个基准电容，用于吸收由于制造步骤中的大小变化而导致的静电电容值的分布以及由于温度涨落等而产生的大小改变所造成的静电电容值的涨落。图1所示的压强检测器不具有包括这种基准电容的构造。基准电容可通过邻近地形成其中牺牲层未受到蚀刻的一个电容，而方便地构成。

现在结合图2A-2G来描述这种传统压强检测器的制造步骤的轮廓。

通过把杂质扩散到由单晶硅制成的基底100的前表面(在该图的上侧的表面)中，形成了一个固定电极111、一个固定电极引线112和一个固定电极下连接端113-它们都是导电的。在此之后，在基底100的前表面上淀积一个第一绝缘层120(见图2A)。

随后，在第一绝缘层120上淀积一个牺牲层140(见图2B)。在此之后，如图2C所示，在第一绝缘层120和牺牲层140上淀积一个第一隔离隔膜层150。在此之后，在第一隔离隔膜层150上淀积一个第一导电层110。第一导电层110得到蚀刻，同时留出运动电极161部分和运动电极引线82部分以及用于运动电极的电连接的运动电极下连接端163。在此之后，如图2D所示，一个第二隔离隔膜层170被淀积在第一隔离隔膜层150和第一导电层110上，且随后形成一个蚀刻液供给孔10，该孔穿过第二隔离隔膜层170和第一隔离隔膜层150并达到牺牲层140。

随后，通过从蚀刻液供给孔10供给用于各向同性地蚀刻牺牲层140的蚀刻液，牺牲层140受到蚀刻。因此，如图2E所示，在第一绝缘层120与第一隔离隔膜层150之间形成了压强基准腔20。进一步地，形成了穿过第二隔离隔膜层170并达到运动电极下连接端163的一个运动电极连接孔11，以及穿过第二隔离隔膜层170、第一隔离隔膜层150和第一绝缘层120并达到固定电极下连接端113的一个固定电极连接孔132。

随后在前表面上淀积一个导电层。如图2F所示，导电层得到蚀刻，同时留下通过运动电极连接孔11而与运动电极下连接端163相连的运动电极输出端181的部分，和通过固定电极连接孔132与固定电极下连接端113而相连的一个固定电极下连接端固定电极输出端182的部分。在此之后，在第二隔离隔膜层170上淀积一个密封材料层，从而密封蚀刻液供给孔10。如图2G所示，密封材料层得到蚀刻，同时留出蚀刻液供给孔10附近的密封盖30。

如上所述，传统的压强检测器是通过包括以下部分而形成的：一个基底，其中在前表面上形成有固定电极；第一隔离隔膜层，它分隔并形成压力基准腔，从而只与前表面相距一个预定的距离；由导电层在第一隔离隔膜层上形成的运动电极；淀积的第二隔离隔膜层，它用于掩盖运动电极；穿过第二隔离隔膜层和第一隔离隔膜层并达到压强基准腔的开口(蚀刻液供给孔)；以及，用于封闭该开口从而封闭压强基准腔的封闭材料(封闭盖)。

包括传统压强检测器的第一和第二隔离隔膜层的隔膜按照环境压强而变形。即，由于来自压强基准腔的内侧的一个压强而产生的沿着使隔膜与固定电极之间的距离增大的方向的力和由于来自外界的压强而产生的沿着使隔膜与固定电极之间的距离减小的方向的力被加到隔膜上，从而使该隔膜的变形只对应于这些力的差。因此，由固定电极和在隔膜上形成的运动电极构成的电容的静电电容呈现出与隔膜的变形相应的值。通过测量该静电电容值，能够知道加到检测器上的压强与压强基准腔中的压强之差。通过把压强基准腔中的压强设定到一个充分地小于检测器的压强测量范围的一个值，检测器能够成为绝对压强测量型检测器。

传统压强检测器的运动电极与固定电极之间的静电电容值由如图3显示的电容-电压转换电路测量。电压控制型开关SWr、SWx、SWf、和SWo在时钟电压源Vck处于高(H)电平时与上触头(黑圈)侧相连，且当时钟电压源Vck处于低(L)电平时与下触头(白圈)侧相连。开关SWr、SWx、SWf和SWo以这种的方式构成，即能够以互锁的关系运行并交替地与上触头侧和下触头侧相连。参考符号Vb表示一个偏置电压源；A1表示一个运算放大器；Cf表示一个反馈电容器；Co表示一个用于平滑脉动的输出电容；Eo表示一个输出电压；Cx表示由运动电极161和固定电极111构成的一个电容；Cr表示由一个基准电极51和固定电极111构成的电容；且Csx和Csr都表示由固定电极111和基底100构成的电容。因为运算放大器Al的开环增益很大，故考虑到电路构造，运算放大器的(-)输入端处的电势大体等于(+)输入端处的电势。因此，固定电极输出端182的电势被置于地电势。

现在描述图3显示的电容-电压转换电路的具体操作。时钟电压源Vck从低电平改变到高电平，且开关SWr、SWx、SWf和SWo与上触头侧相连。当电荷的运动在此之后完成时，因为电容Cr的基准电极51与固定电极111的电位都被置于地电位，故存储(或充电)在电容Cr中的电荷量为0。由于电容Cx的运动电极161的电位等于电压源Vb的电压(Vb)且电容Cx的固定电极111的电位等于地电位，故电容Cx的累积电荷Qx等于Cx·Vb。由于电容Cf的两端被开关SWf短路，这些端子的电位等于固定电极输出端182的电位，因而电容Cf的累积电荷等于0。由于电容Co从运算放大器Al的输出端断开，电容-电压转换电路的输出电压Eo被保持在按照时钟电压源Vck处于低电平时的最后时刻存储的电荷的电位。

随后，时钟电压源Vck从高电平改变到低电平，且开关SWr、SWx、SWf和SWo与下触头侧相连。当在此之后电荷的运动完成时，由于电容Cx上的电压等于0，正电荷从运算放大器Al的(-)输入端沿着适合于把累积电荷置于0的方向移向固定电极111。由于电容Cr上的电压等于Vb，正电荷沿着适合于把零电荷置于累积电荷Qr(＝Cr·Vb)的方向从固定电极111移向运算放大器Al的(-)输入端。这些电荷被存储在电容Cf中，因为开关SWf是打开的。电荷的幅度由以下公式表示：

Qr-Qx＝Cr·Vb-Cx·Vb＝Vb(Cr-Cx)

因此，电容Cf上的电压Vcf由以下公式表示：

Vcf＝Vb(Cr-Cx)/Cf

由于电容Cf与运算放大器Al相连的一端被置于零电位，电容-电压转换电路的输出电压Eo的极性被倒转和电压Eo被表示如下：

Eo＝Vb(Cx-Cr)/Cf

电容Co存储与该电位相应的电荷。

如上所述，在时钟电压源Vck处于高电平期间，电荷被存储在电容Cx中，电容Cf中的电荷被置于0，且时钟电压源Vck刚处于低电平前的时期的值作为输出电压Eo而得到输出。在时钟电压源Vck处于低电平期间，电容Cx中的电荷被置于0，该电荷被存储在电容Cf中，且由Eo＝Vb(Cx-Cr)/Cf表示的电压作为输出电压Eo而得到输出。由于输出电压Eo与电容Cx的电容成正比，它与如图1和2A-2G所示的运动电极161与固定电极111之间的距离的倒数成反比。该距离与加到包括第一隔离隔膜层150、第一导电层110和第二隔离隔膜层170的隔膜上的压强成正比。因此，能够构成静电电容式压强检测器，从其输出的输出电压Eo与加到隔膜上的压强的倒数成反比。

然而，在象上述传统压强检测器一样的静电电容检测式设备中，由于固定电极和运动电极构成的电容器的微电容是在高输入阻抗下检测的，故来自设备外侧的电力线落到固定电极上，从而产生噪声。固定电极与存在于固定电极的下层中的导电层之间的距离短，它们的寄生静电电容大于所要检测的电容并对电容-电压转换电路有大的影响。在前述传统压强检测器中，切换电容电路的构成得到设计，从而使得基底的寄生电容难于发生影响。然而，产生时钟信号的电路是必需的，且该时钟对另一电路产生了影响。

进一步地，在具有如上述传统压强检测器一样的构造的切换电容电路中，只获得了与隔膜的位移的倒数有关的输出电压，而不能获得直接与隔膜的位移有关的输出。作为具有简单的构造并能够获得与隔膜的位移直接相关的输出的一种转换系统，例如有一种用于把恒定电荷存储到固定电极中并进行转换的系统。然而，根据如上述一样的、其中存在于固定电极与基底之间的寄生电容大的压强检测器的构造，灵敏度低且难于获得实际的灵敏度。

在图3显示的电容-电压转换电路中，制成了用于屏蔽来自基底的前表面的电力线的装置。即，电压源或地始终与对着压强检测器的前表面侧的运动电极161和基准电极51相连，虽然它们受到开关的切换。因此，即使来自外部噪声源的电力线落到了压强检测器上，也由于电荷通过电压源或直接地流向地，它们不偏离到固定电极中且对静电噪声有屏蔽效果。然而，未考虑到屏蔽来自基底100的后表面(图2A-2G的下侧上的表面)的电力线的装置。这是由于通常的压强检测器通过这样的一种方法来解决问题一该方法使得也被用作屏蔽的一种导电材料用于包围压强检测器的压强器皿。然而，在构成较小的传感器的情况下，这种解决措施成为一种障碍。

发明内容

本发明的一个目的，是解决前述的传统问题，并提供一种传感器，它利用电容-电压转换电路，在不受外部噪声的影响的情况下，根据由于静态压强或动态压强而引起的机械位移，把静电电容的改变转换成电信号。

根据本发明，提供了一种第一传感器，包括：形成在一个基底的前表面上的一个保护电极；淀积在该保护电极的上部上的一个绝缘层；形成在绝缘层的上部上的一个固定电极；与所述固定电极形成电容器的一个运动电极；一个缓冲放大装置，用于驱动保护电极从而使保护电极的电位与固定电极的电位相等。

在如上所述的传感器中，固定电极与基底之间的静电电容被等价地减小，且进一步地固定电极能够得到屏蔽从而使来自基底的后表面的电力线不能到达它。因此，能够采用一种简单的电路结构，其中固定电极的电荷可以保持恒定并被从电容转换成电压。进一步地，由于该设备没有也被用作屏蔽的器皿，传感器的尺寸能够减小。能够获得与隔膜的机械位移等直接有关的输出。

根据本发明，提供了一种第二传感器，包括：形成在基底的前表面上的一个保护电极；淀积在保护电极的上部上的一个绝缘层；形成在绝缘层的上部上的一个固定电极；缓冲放大装置，用于驱动保护电极从而使保护电极的电位等于固定电极的电位；一个通孔，它从基底的后表面达到前表面；以及，一个淀积的隔膜层，从而包围一个腔的前表面侧，该腔是通过经过通孔干蚀刻固定电极的上部上的一个区域而形成的。

在上述的传感器中，固定电极与运动电极之间的距离由于诸如所加的压强的机械力而改变，且包括固定电极和运动电极的电容的静电电容Cx发生改变。由于恒定的电荷Qx被存储在固定电极中且运动电极与地相连，在该电容上产生了一个电压Vcx(＝Qx/Cx)且它的值根据机械力而变。电容上的电压Vcx的改变量与静电电容Cx成反比，且静电电容Cx的改变量也与固定电极和运动电极之间的距离的改变量成反比。因此，电容-电压转换电路的输出电压最后被置于与机械位移直接相关的一个值。

当固定电极与地电位之间有寄生电容时，寄生电容是不因为机械力而改变的电容，且这种寄生电容与包括固定电极和运动电极的电容相并联。因此，静电电容Cx的总量增大，且一个决定电容-电压转换电路的转换效率的比值(即静电电容Cx的改变量与静电电容Cx的总量之间的比值)减小，且电容-电压转换电路的输出电压降低。然而，在根据本发明的第二传感器中，在固定电极与基底之间设置了保护电极，且该保护电极受到缓冲放大装置的驱动，从而跟随固定电极的电压改变。因此，固定电极与保护电极之间的电荷没有运动，且有效静电电容可被置于一个非常小的值。

进一步地，即使有电力线从基底的后表面进入并达到固定电极，也如果用于驱动保护电极的缓冲放大装置的输出阻抗足够地小，电力线就能够被保护电极遮蔽。在采用集成电路片作为基底材料的情况下，这是特别有效的，因为电路的连线是与绝缘层相邻地设置的。其中形成有电路的区域也能够被设置在固定电极的下层中。因此，固定电极的连线距离缩短了，寄生电容被减小了，且能够制成高灵敏度和小尺寸的传感器。

根据本发明，在固定电极与基底之间提供了保护电极，且该保护电极由缓冲放大装置驱动，从而跟随固定电极的电压改变，使固定电极与保护电极之间的有效静电电容能够被置于一个非常小的值。

通过减小驱动保护电极的缓冲放大装置的输出阻抗，从基底的后表面进入的电力线能够由保护电极的阻断。因此，即使借助把恒定电荷存储到固定电极并将电容转换成电压的方法，也能够防止灵敏度的恶化，且设备的尺寸能够做得比切换电容电路的更小。转换的电压可被置于与隔膜的位移直接相关的值，电路可被设置在固定电极的下层中，且设备能够得到小型化。进一步地，即使当设备是由切换电容电路构成时，从时钟电路来的切换噪声也能够被具有小寄生电容的保护电极所阻断，且对其他电路的干扰能够得到减小。

根据本发明的第一个方面，提供了一种传感器，包括：形成在一个基底的前表面上的一个保护电极；淀积在保护电极上的一个绝缘层；形成在绝缘层的上部上的一个固定电极；以及，缓冲放大装置，用于驱动保护电极，使保护电极的电位等于固定电极的电位，其中传感器具有这样的功能一使固定电极与保护电极之间的有效静电电容置于一个非常小的值并使从基底的后表面进入的电力线被保护电极所阻断。

根据本发明的第二个方面，提供了一种传感器，包括：形成在一个基底的前表面上的一个保护电极；淀积在保护电极的上部上的一个绝缘层；形成在绝缘层的上部上的一个固定电极；缓冲放大装置，用于驱动保护电极，使保护电极的电位等于固定电极的电位；一个通孔，它从基底的后表面向着并到达前表面；以及，一个隔膜层，它被适当地淀积以包围一个腔的基底的前表面侧，该腔是通过经过通孔对固定电极的上部上的一个基底区域进行干蚀刻而形成的，其中该传感器具有这样的功能—使得固定电极与保护电极之间的有效静电电容置于一个非常小的值且从基底的后表面进入的电力线被保护电极所阻断。

根据本发明的的第三个方面，在上述第一和第二个方面的传感器中，提供了一个导电层—它覆盖了整个表面从而使来自外界的电力线不能到达固定电极，且传感器具有屏蔽外部静电噪声的功能。

根据本发明的第四个方面，在上述第一和第二方面的传感器中，作为通过集成一种电路而获得的一种半导体基底，缓冲放大装置被集成在该半导体基底上，且传感器具有使设备小型化的功能。

根据本发明的第五个方面，在上述第一和第二方面的传感器中，提供了保持固定电极的上部中的电荷的一个驻极体层，且传感器具有不需要充电电路的功能。

根据本发明的第六个方面，在上述第一和第二方面中，在固定电极的上部上提供了一个驻极(介电)体层—其中电荷被注入由绝缘层包围的一个导电层中，且传感器具有这样的功能—即累积电荷的量能够得到控制且从位移至电压转换时的灵敏度能够得到改变。

根据本发明的第七个方面，在上述第一和第二方面中，提供了用于使固定电极的电荷大体恒定的偏压装置，且传感器具有这样的功能—使得电荷由一个功率源电路注入，从而使固定电极的电荷恒定。

根据本发明的第八个方面，在上述第一和第二方面中，提供了用于把检测静电电容的交流信号加到固定电极的装置，且传感器具有从交流阻抗的改变检测机械位移的功能。

附图说明

图1是传统传感器(压强检测器)的平面图；

图2A-2G是横截面图，显示了传统传感器(压强检测器)的制造步骤；

图3是传统传感器(压强传感器)的电容-电压转换电路的电路图；

图4是根据本发明的第一实施例的传感器的平面图；

图5A-5G是显示根据第一实施例的传感器的制造步骤的剖视图；

图6是根据第一实施例的传感器的电容-电压转换电路的电路图；

图7是根据本发明的第二实施例的传感器的平面图；

图8A-8G是显示根据第二实施例的传感器的制造步骤的横截面图；

图9是根据第二实施例的传感器的电容-电压转换电路的电路图。

以下结合图4-9详细描述本发明的实施例。

具体实施方式

(第一实施例)

在根据本发明的第一实施例的传感器中，固定电极被形成在半导体基底的前表面上。一个保护电极经过一个绝缘层而被设置在固定电极的一个下层中。在隔膜层之间形成了一个运动电极。隔膜形成了一个腔，并形成了从基底的后表面达到腔的一个基底通孔。提供了一个运算放大器，它驱动保护电极从而使保护电极的电位与固定电极的电位相等。

图4是根据本发明的第一实施例的传感器的平面图。图5A-5G是显示传感器的制造步骤的横截面图。该传感器是用于测量涨落的压强的动态压强检测器。即，图4是动态压强检测器的平面图并主要显示了电极的设置。图5A-5G是沿着图4的A-A’线取的横截面图并显示了制造步骤。

在图4和5A-5G中，基底100是用单晶硅制成的基底。保护导电层115是其导电率通过扩散杂质而得到改善的导电层。第一绝缘层120是用诸如氧化硅的材料制成的绝缘层。第一导电层110是用诸如具有高导电率的金属的材料制成的导电层。标号141(见图5G)表示一个腔。固定电极111是由腔141中的一个平面区中的第一导电层110形成的电极。第三绝缘层130是用诸如氧化硅的材料制成的绝缘层。在腔141的上部，形成了包括第一隔离隔膜层150、具有导电性的第二导电层160、以及第二隔离隔膜层170的隔膜。一个运动电极161和一个隔膜覆盖了基底100除了固定电极输出端182和保护电极输出端183的部分以外的整个前表面。运动电极161变成了防止来自基底100的前表面方向的电力线到达固定电极111的屏蔽层。标号190(见图5F)表示一个基底通孔。牺牲层140(见图5B)是当制造步骤完成时消失的层。

固定电极111，通过由第一导电层110形成的一个固定电极引线112，以及在固定电极下连接端113的上部中形成的一个固定电极连接孔132，而被引向由一个第三导电层180形成的固定电极输出端182。运动电极161，通过由第二导电层160形成的运动电极下连接端163，以及在运动电极下连接端163的上部中形成的一个运动电极连接孔171，而被引向由第三导电层180形成的一个运动电极输出端181。一个保护电极116，通过由保护导电层115形成的一个保护电极引线117、一个保护电极下连接端118、以及在保护电极下连接端118的上部中形成的一个保护电极连接孔133，而被引向由第三导电层180形成的保护电极输出端183。保护电极116的尺寸被设定为大于固定电极111、固定电极引线112与固定电极下连接端113的总尺寸，从而阻断来自基底100的后表面的电力线。

现在结合图5A-5G描述根据第一实施例的传感器的制造步骤。如图5A所示，保护电极116、保护电极引线117和保护电极下连接端118都具有由选择地扩散单晶硅制成的基底100的前表面(隔膜的上侧的表面)的浅部分中的杂质所形成的导电性。由氧化硅等制成的第一绝缘层120被淀积在基底100的前表面上。固定电极111、固定电极引线112和固定电极下连接端113通过在第一绝缘层120上淀积由铬等形成的第一导电层110而形成。由氧化硅等形成的第三绝缘层130被形成在基底100和第一导电层110的前表面上。

随后，在把诸如聚酰胺的有机物的牺牲层材料涂覆到第一导电层110上之后，通过蚀刻腔141以外的位置的牺牲层材料，形成牺牲层140(见图5B)。在此之后，如图5C所示，在第三绝缘层130和牺牲层140上形成用氧化硅等材料制成的第一隔膜层150。在由铬等制成的第二导电层160被淀积到第一隔膜层150上之后，通过蚀刻固定电极输出端182和保护电极输出端183的部分中的第二导电层160，形成包括运动电极161和运动电极下连接端163的屏蔽层。在此之后，如图5D所示，在第一隔膜层150和第二导电层160上形成由氧化硅等制成的第二隔膜层170。

随后，如图5E所示，从第二隔膜层170形成分别到达固定电极下连接端113、运动电极下连接端163和保护电极下连接端118的孔。由铬等制成的第三导电层180被淀积在第二隔膜层170上，且随后第三导电层180除了运动电极输出端181、固定电极输出端182和保护电极输出端183的部分以外的部分得到蚀刻。

随后，如图5F所示，形成来自基底100的后表面(在隔膜的下侧的表面)并到达牺牲层140的中心部分的基底通孔190。牺牲层140，在主要包含氧的等离子体受激气体的环境下，从基底100的后表面通过基底通孔190而被各向同性地干蚀刻。因此，在第三绝缘层130与第一隔膜层150(见图5G)之间形成了腔141。

以下描述根据图4显示的第一实施例的传感器的各个部分的尺寸的例子。腔141的直径和厚度分别是1800μm和5μm。基底通孔190的直径等于100μm。包括第一隔膜层150和第二隔膜层170的隔膜厚度等于2μm。

现在结合图6描述根据第一实施例的传感器中的电容-电压转换电路的构造。图6显示了图4显示的动态压强检测器的电容-电压转换电路的构造。与图4中显示的部件相同的部件用相同的标号表示。标号Cx表示由固定电极111和运动电极161构成的电容，且静电电容的值用“Cx”表示。标号Cgx表示由固定电极111和保护电极116构成的电容，且静电电容的值用“Cgx”表示。一个运算放大器A2对固定电极111的电位进行缓冲放大，并且工作得使保护电极116的电位与固定电极111的电位相等。电压源Vb的电阻Rb是用于向固定电极111提供恒定电荷的偏压装置。电阻Rb与电容Cx的时间常数(Rb·Cx)现在被设定为长于所要测量的动态压强的改变周期的最长周期。因此，在动态压强检测器所要测量的信号的周期的范围中，即使隔膜涨落，存储在电容Cx中的电荷Qx也可被认为是恒定的。标号Eo表示传感器的输出电压。

现在描述根据第一实施例的传感器的操作。传感器的前表面存在于所要测量的压强空间中，且所要测量的压强空间通过具有大电阻的一个引入管而与后表面相连。因此，在测量周期范围中，加到基底100的后表面上的压强可被认为是所要测量的压强空间的静态压强，且通过对所要测量的压强空间的改变进行平均而获得的静态压强从基底100的后表面侧被加到包括第一和第二隔膜层的隔膜上。包括动态压强和静态压强的压强从基底100的前表面侧被加到隔膜上。因此，隔膜按照从基底100的前表面侧施加的压强与从基底100的后表面侧施加的压强之差而发生变形。即，由于从基底100的后表面施加的静态压强而产生的沿着适合于使隔膜与固定电极之间的距离增大的方向的力和由于包括从基底100的前表面施加的动态压强和静态压强的压强而产生的适合于使隔膜与固定电极之间的距离减小的方向的力，被加到隔膜上。隔膜只发生与作为两个压强之差的动态压强相应的量的变形。因此，由形成在隔膜上的运动电极和固定电极构成的电容Cx的静电电容的值Cx按照隔膜的变形而改变。

一个电压从电压源Vb经过电阻Rb被加到固定电极111上，且电荷Qx被存储起来。电荷Qx的量等于Cx·Vb(C)。即使所加的动态压强改变且静电电容的值Cx改变，电荷也不运动，因为时间常数Rb·Cx大于这种改变。因此，静电电容的值Cx的改变呈现为电容Cx上的电压Vcx(＝Qx/Cx)。包括具有高输入阻抗的运算放大器A2的缓冲放大装置接收电压Vcx，输出低输出阻抗的输出电压Eo，并驱动保护电极116。借助这种结构，由于固定电极111和保护电极116的电位相等，它们之间没有电荷运动。因此，即使有具有静电电容值Cgx的电容Cgx，也可以使电容Cgx对静电电容值Cx变化的影响几乎为零。

在这种动态压强检测器中，现在假定当压强差等于0时运动电极161与固定电极111之间的距离用L1(m)表示，电极的有效区用Sd(m2)表示，其静电电容值Cx1用Cx1＝ε·Sd/L1表示(其中ε是介电常数且各个层的介电常数的不同在此被忽略)。由于从电压源Vb施加了偏压，从而使电容Cx上的电压Vcx等于Vb，电容Cx的改变由以下公式表示：

Cx1·Vb＝Vb·ε·Sd/L1≡Qx

电容Cgx的改变等于0，因为固定电极111与保护电极116的电位差等于0。现在假定压强被施加在隔膜上且运动电极161与固定电极111之间的距离改变成L2(m)，则电容Cx的静电电容值Cx由以下公式表示：

Cx＝ε·Sd/L2≡Cx2

进一步地，由于固定电极111与保护电极116之间的电位差被控制为象原来一样的0，并且没有至电容Cgx的电荷运动，故电荷Qx的值不发生变化。因此，电容Cx上的电压(Qx1/Cx2)由以下公式表示：

Qx1/Cx2＝(Vb·ε·Sd/L1)/(ε·Sd/L2)≡Vcx2

因此，由于运动电极161与固定电极111之间的距离改变而引起的端电压改变由以下公式表示：

Vcx2-Vb＝(L2-L1)/L1·Vb

因此，通过把缓冲放大电容Cx上的电压Vcx2的运算放大器A2的阻抗置于低阻抗并用电压计测量它，获得了有关隔膜的位移的电压，作为传感器的输出。

现在假定受到运算放大器A2驱动的保护电极116不存在且在固定电极111之下存在经过第一绝缘层120而与地相连的基底100。在此情况下，在图6显示的电路中，保护电极116与地相连并处于电容Cx和电容Cgx并联的状态。由于偏压Vb被加到并联的电容Cx和Cgx上，故存储在并联电容Cx和Cgx中的电荷由以下公式表示：

(Cx1+Cgx)Vb＝(ε·Sd/L1+Cgx)Vb≡Qx3

当在此状态下压强被加到隔膜上且运动电极161与固定电极111之间的距离改变到L2(m)时，电容Cx和Cgx的并联静电电容值由以下公式表示：

ε·Sd/L2+Cgx＝Cx3

由于电荷之和没有改变，并联电容Cx与Cgx上的电压由以下公式表示：

Qx3/Cx3＝((ε·Sd/L1+Cgx)Vb)/(ε·Sd/L2+Cgx)≡Vcx3

因此，由于运动电极161与固定电极111之间的距离的改变而引起的端电压的改变由以下公式表示：

Vcx3-Vb＝((L2-L1)/L1)·(ε·Sd/L2)/(ε·Sd/L2+Cgx))·Vb

当把此值与电容Cgx不发生影响的值(Vcx2-Vb＝(L2-L1)/L1·Vb)相比较时，就可理解项(ε·Sd/L2)/(ε·Sd/L2+Cgx)是新加的。该项显示了由电容Cx2和Cgx构成的电压驱动电路的增益，且这意味着当电容Cgx增大时，由于运动电极161与固定电极111之间的距离的改变引起的端电压的改变率减小，从而使灵敏度恶化。

如上所述，由于在固定电极111与基底100之间提供了保护电极116，且保护电极116由缓冲放大装置(运算放大器A2)驱动从而跟随固定电极111的电压改变，故固定电极111与保护电极116之间的有效静电电容可被置于非常小的值。因此，能够构成可检测微小的电容改变的静电电容检测式传感器。

由于低阻抗的保护电极116存在于固定电极111与基底100之间，固定电极111能够受到屏蔽而不会遇到来自基底100的后表面方向的电力线。因此，即使在用于把恒定电荷累积到固定电极111中并把电容转换成电压的传感器中，也能够防止灵敏度的降低，设备的尺寸能够作得比切换电容电路的小，且直接与隔膜的位移相关的量能够以转换的电压的方式得到检测。进一步地，电路能够被设置在固定电极111的下层中，从而使设备能够小型化。即使在借助切换电容电路构成设备的情况下，也能够借助保护电极116减小寄生电容，且对其他电路的切换噪声也能够被阻断。

虽然在根据第一实施例的传感器中作为产生固定电极111的电荷的一种方法而通过电阻施加直流电压，但也可采用另一种方法。例如，可利用诸如其中存储有电荷的驻极体(例如碳氟聚合物或聚四氟乙烯)的材料形成设备，而不用从外界施加偏压和电荷存储步骤。在此情况下，其优点是不用制作直流电压源，且电压可被设定为大的值，而不受将要提供给设备的电源电压的限制，因而把位移转换至电压的灵敏度得到了改善。除了用材料驻极体之外，也可以采用一种结构驻极体，从而形成一种结构—其中导电层被绝缘层所包围，并提供了用于提供穿过绝缘层并到达导电层的隧道电流的装置，从而使电荷能够被存储在由绝缘层包围的导电层中。在此情况下，由于累积电荷的量容易受到控制，把位移转换至电压的灵敏度能够自由地设定。

在根据第一实施例的传感器中，保护电极115由其导电性通过把杂质扩散到基底100中而得到改善的扩散层构成，固定电极111由诸如金属的材料制成且它们被第一绝缘层120所绝缘。然而，只要保护电极和固定电极被绝缘就足够了。也可以采用PN结绝缘，象双极集成电路一样。根据这种PN结绝缘，所要分离的区域中的杂质的极性被设定为相反的极性，沿着例如使它们的PN结受到反向偏置的方向施加一个偏压，且如此获得的耗尽层被用作绝缘层。例如，只要使整个p型硅基底被置于保护电极，形成其中n型杂质被扩散到表面中的固定电极，且保护电极受到运算放大器A2的驱动从而使固定电极的电位总是高于保护电极的电位，就足够了。在此情况下，虽然有一个问题，即耗尽层的厚度非常薄且寄生电容增大，但由于保护电极受到缓冲放大装置的驱动而使保护电极的电位与固定电极的电位相等，故寄生电容能够大大地减小。借助这种结构，不需要在根据第一实施例的传感器中形成第一导电层110。

如上所述，在根据本发明的第一实施例的传感器中，由于在通过绝缘层的固定电极的下层中提供了保护电极和使保护电极的电位与固定电极的电位相等的运算放大器，故固定电极得到屏蔽，微小的电容改变能够得到检测，灵敏度的恶化得到防止，且直接与隔膜的位移有关的量能够得到检测。

(第二实施例)

在根据本发明的第二实施例的传感器中，通过经过从一个半导体基底的后表面形成的一个通孔对一个牺牲层进行各向同性干蚀刻，而形成一个腔。在一个固定电极与基底之间和一个基准固定电极与基底之间提供了一个保护电极。提供了一个缓冲放大设备，用于跟随保护电极的电位以跟随固定电极的电压，并提供了由一个切换电容电路构成的电容-电压转换电路。

图7是根据本发明的第二实施例的传感器的平面图。图8A-8G是显示该传感器的制造步骤的横截面图。该传感器是用于测量涨落的压强的动态压强检测器，且用于形成隔膜和保护电极的方法不同于图4显示的动态压强检测器的方法。图7是该动态压强检测器的平面图，并主要显示了电极的设置。图8A-8G是沿着图7的线A-A’的横截面图，并依次显示了制造步骤。在这些图中，标号100表示用单晶硅制成的基底，115表示用诸如金属等具有高导电率的材料制成的保护导电层。标号120和125分别表示用诸如氧化硅等材料制成的第一和第二绝缘层。标号110表示用诸如金属等具有高导电率的材料制成的第一导电层，标号141表示一个腔。标号111表示由第一导电层110在腔141的平面区中形成的一个固定电极。标号130表示用诸如氧化硅的材料制成的第三绝缘层。在腔141的上部上形成了包括第一导电隔膜层155的一个隔膜。标号161表示一个运动电极。隔膜和运动电极161覆盖了基底100除了固定电极输出端182与保护电极输出端183的部分以外的整个前表面。运动电极161还起着阻止从基底100的前表面侧进入的电力线到达固定电极111的屏蔽层的作用。标号190表示一个基底通孔，且140表示在制造步骤结束时留下隔膜的周边部分而蚀刻出的牺牲层。

现在结合图8A-8G描述根据第二实施例的传感器的制造步骤。如图8A所示，用氧化硅等制成的第一绝缘层120被淀积在用单晶硅制成的基底100的前表面(在隔膜的上侧的表面)上。通过在第一绝缘层120上淀积具有导电性的保护导电层115，形成了保护电极116、保护电极引线117和保护电极下连接端118-它们都具有导电性。用氧化硅等制成的第二绝缘层125被淀积在第一绝缘层120和保护导电层115上。通过在第二绝缘层125上淀积由铬等制成的第一导电层110，形成了固定电极111、固定电极引线112和固定电极下连接端113。

随后，如图8B所示，在第二绝缘层125和第一导电层110上淀积用氧化硅等制成的第三绝缘层130。在把由诸如聚酰胺的有机材料形成的牺牲层材料涂覆到第三绝缘层130上之后，通过蚀刻除了腔141的部分以外的部分上的牺牲层材料，形成了一个牺牲层140(见图8C)。在把由主要包含铝的合金制成的第一导电隔膜层155形成在第三绝缘层130和牺牲层140上之后，通过蚀刻存在于固定电极输出端182和保护电极输出端183的部分中的第一隔膜层155，形成了包括运动电极161和运动电极下连接端163的一个屏蔽层(见图8D)。

随后，如图8E所示，从第三绝缘层130形成分别到达固定电极下连接端113、运动电极下连接端163和保护电极下连接端118的孔。在把由铬等制成的第三导电层180淀积在第一隔膜层155和第三绝缘层130上之后，除了运动电极输出端181、固定电极输出端182和保护电极输出端183的部分以外的部分的第三导电层180受到蚀刻。

随后，在牺牲层140的中心部分上形成从基底100的后表面(隔膜的下侧的表面)引入和到达牺牲层140的基底通孔190(见图8F)。牺牲层140在主要包含氧的等离子体受激气体的环境下经过来自基底100的后表面的基底通孔190而受到各向同性干蚀刻。腔141被形成在第三绝缘层130与第一导电隔膜层155之间。在此情况下，处理时间以这样的方式得到管理：使牺牲层140在隔膜周边部分上略微地有所剩余，而不是完全地蚀刻掉牺牲层140，从而提高边缘的支撑性能(见图8G)。

现在结合图9描述根据第二实施例的传感器中的电容-电压转换电路。图9显示了图7显示的动态压强检测器中采用的电容-电压转换电路的构造。虽然该电容-电压转换电路是由切换电容电路以与图3显示的传统电容-电压转换电路类似的方式构成的，但它的不同之处在于保护电极116和运算放大器A2被设置在固定电极111与同地相连的基底100之间。即，运算放大器A2构成了一个电压跟随器，其中(-)输入端和一个输出端相连，且与加到(+)输入端上的电压相同幅度的电压出现在输出端。保护电极116受到运算放大器A2的输出电压的驱动。与图3和6中的部件相同的部件用相同的标号表示。一个基准电容(未显示)也是类似的结构，其中未进行牺牲层的蚀刻。各个开关的操作和各个电容的电荷的运动状态也与图3显示的传统电容-电压转换电路的相同。

当时钟电压源Vck处于高(H)电平时，电压控制型开关SWr、SWx、SWf和SWo与上触头侧相连，而在它处于低(L)电平时与下触头侧相连。开关SWr、SWx、SWf和SWo互锁并具有适当的构造，从而交替地与上触头侧和下触头侧相连。标号Vb表示运算放大器的偏置电压源；A1表示运算放大器；Cf表示反馈电容；Co表示用于脉动平滑的输出电容；Eo表示输出电压；Cx表示包括运动电极161和固定电极111的电容；Cr表示包括基准电极51和基准固定电极50的电容；Cgx表示包括固定电极111和保护电极116的电容；且Cgr表示包括基准固定电极50和保护电极116的电容。由于运算放大器Al的开环增益非常大，运算放大器Al的(-)输入端的电位等于(+)输入端的电位。因此，固定电极111的输出端的电位等于地电位。

现在描述根据第二实施例的传感器中的电容-电压转换电路的具体操作。当时钟电压源Vck从低电平改变到高电平时，全部开关SWr、SWx、SWf和SWo都与上触头侧相连。当电荷的运动完成时，基准电极51和电容Cr的基准固定电极50的都电位等于地电位，因而电容Cr的累积电荷等于0。由于电容Cx的运动电极161的电位等于电压源Vb的电压Vb，且固定电极111的电位等于地电位，故电容Cx的累积电荷Qx由Cx·Vb表示。由于电容Cf的两端被开关SWf短路，这些端的电位都等于固定电极输出端182的电位，因而电容Cf的累积电荷等于0。

电容-电压转换电路的输出电压Eo被保持在根据电压源Vck上一次处于低电平时存储的电荷的电位，因为电容Co被从运算放大器Al来的输出断开。由于电容Cgx和Cgr也受到运算放大器A2的控制而使保护电极116的电位等于固定电极111和基准固定电极50的电位，累积电荷等于0。

当电压源Vck从高电平改变成低电平时，开关SWr、SWx、SWf和SWo都被连接到下触头侧。当电荷的运动完成时，电容Cx上的电压等于0，因而(+)电荷从运算放大器Al的(-)输入端沿着使累积电荷被置于0的方向向着固定电极111运动。由于电容Cr上的电压等于Vb，故沿着使处于零状态电荷的增大至累积电荷Qr(＝Cr·Vb)的方向，(+)电荷从固定电极111向着运算放大器Al的(-)输入端运动。由于开关SWf打开，这些电荷被存储在电容Cf中，且电荷量由以下公式表示：

Qr-Qx＝Cr·Vb-Cx·Vb＝Vb(Cr-Cx)

因此，电容Cf上的电压Vcf由以下公式表示：

Vcf＝Vb(Cr-Cx)/Cf

由于在与运算放大器Al的(-)输入端相连的电容Cf的一端的电位等于0，电容-电压转换电路的输出电压Eo的极性被倒相且Eo由以下公式表示：

Eo＝Vb(Cx-Cr)/Cf

电容Co存储与该电位相应的电荷。由于电容Cgx和Cgr的各端仍然被控制在相同的电位，故电容Cgx和Cgr的累积电荷等于0，且电容Cgx和Cgr对电荷运动的运行几乎没有影响。

在电荷运动时，如果基于运算放大器Al的通过速率等的响应速度慢，则在应该被置于地电位的运算放大器Al的(-)输入端产生出一个尖峰状电压。通过迅速地改变运算放大器Al的输出电压，这种固有的操作减小了至(-)输入端的、将要被迅速地存储在反馈电容Cf中的电荷流动，且不改变(-)输入端处的电位。然而，由于响应速度通常受到限制，电荷经常暂时地过流且(-)输入端的电位临时得到改善(或减小)。虽然这种过流电荷被暂时地存储在与固定电极111和基准固定电极50有关的寄生电容中，但它们随着时间的推移而被存储在反馈电容Cf中。

如上所述，在电压源Vck处于高电平期间，电荷被存储在电容Cx中，电容Cf的电荷被置于0，且在电压源Vck上一次处于低电平期间的值作为输出电压Eo而得到输出。在电压源Vck处于低电平期间，电容Cx的电荷被置于0，电荷被存储在电容Cf中，由以下公式表示的电压Eo得到产生，用作输出电压Eo：

Eo＝Vb(Cx-Cr)/Cf

输出电压Eo的值与如图7和8A-8G的方式形成的运动电极161与固定电极111之间的距离的倒数有关。该距离与加到包括第一导电隔膜层155的隔膜上的压强有关。因此，能够构成静电式压强检测器，它产生与加到隔膜上的压强的倒数有关的输出电压Eo。

在图9显示的电容-电压转换电路中，电压源或地始终与运动电极161和对着压强检测器的前表面侧的基准电极51相连，虽然它们被开关切换。因此，即使来自外部噪声源的电力线落到压强检测器上，也由于电荷通过电压源或直接流向地，故它们不会偏离到固定电极111上，且设备具有对静电噪声的屏蔽效果。由于来自基底100的后表面的电力线落到以低阻抗受到运算放大器A2的驱动的保护电极116上，故它们不会到达固定电极111和基准固定电极50，且来自基底100的后表面的噪声能够得到阻断。因此，不需要象传统压强检测器那样把设备包围在器皿中以考虑静电屏蔽。因而设备的尺寸能够减小。

如上所述，保护电极116被设置在固定电极111与基底100之间和基准固定电极50与基底100之间，且保护电极116受到缓冲放大装置A2的驱动，从而跟随固定电极111的电压改变。因此，固定电极111与保护电极116之间的有效静电电容和基准固定电极50与保护电极116之间的有效静电电容可被置于非常小的值。因此，能够构成可检测微小的电容改变的静电电容检测式传感器。

由于在固定电极111与基底100之间和基准固定电极50与基底100之间存在低阻抗的保护电极116，固定电极111和基准固定电极50能够得到屏蔽而不受来自基底100的后表面方向的电力线的作用。进一步地，电路可被设置在固定电极111的下层中，且设备能够小型化。

在根据第一和第二实施例的传感器的描述中，电容-电压转换电路是作为使电荷恒定并用高阻抗电路测量端电压的方法以及用切换电容电路借助与位移量有关的电荷量的运动或累积把电容转换成电压的方法的例子，而得到显示的。然而，也可采用另一种电容检测方法。例如，也可以采用一种方法，借助这种方法施加高频交流电压(电流)，且与其相应的电流(电压)得到测量，或者采用一种方法—借助这种方法在外部设置一个电感并形成一个响应电路且谐振频率的改变与电容改变相对应。即使在这些情况下，由于至其他部分的高频信号的辐射变成妨碍电子电路的正常运行的因素，所希望的是关闭这种信号。由于妨碍测量轻微的电容改变的寄生电容更小，灵敏度可得到改善。

在根据第一和第二实施例的传感器中，虽然隔膜是通过蚀刻牺牲层而形成的，但隔膜的形成方法不限于此。例如，也可以粘合具有固定电极和电容-电压转换电路的基底等以及其中形成有隔膜及其支撑部分的结构。即使在这种情况下，也通过利用缓冲放大装置驱动保护电极，能够构成具有诸如减小寄生电容、对基底的后表面的静电屏蔽等功能的如在根据第一和第二实施例的传感器的描述中所述的功能的传感器。

虽然根据第一和第二实施例的传感器是结合应用于压强检测器的传感器而描述的，即使在把传感器应用于其中利用静电电容检测另一种位移的情况下，也能够构成具有如在根据第一和第二实施例的传感器的描述中所述的功能的传感器。

在根据第一和第二实施例的传感器中，采用了具有高阻抗的固定电极和面向固定电极的具有低阻抗的运动电极。然而，这种机械上的固定或运动区分可以反过来。例如，传感器可由具有高阻抗的运动电极和面向运动电极的具有低阻抗的固定电极构成。这种结构在其中机械运动部分的材料是硅的情况下是有效的，且它适合于把缓冲放大装置组装到这种材料上。

在显示根据第一和第二实施例的传感器的图4和7中，用于静电屏蔽基底的前表面的第二导电层160和第一导电隔膜层155是沿着三个方向(图中的上、左和下方向)淀积在固定电极输出端182周围的。然而，可以形成一种包围部分，它与保护电极输出端18相连，从而围绕着在层160或155与固定电极输出端182之间的固定电极输出端182。在此情况下，来自固定电极的表面的漏电流得到了阻止且沿着平面方向的寄生电容能够得到减小。

如上所述，在根据本发明的第二实施例的传感器中，保护电极被设置在固定电极与基底之间和基准固定电极与基底之间，且提供了缓冲放大装置以驱动保护电极从而跟随固定电极的电位。因此，固定电极和基准固定电极可得到屏蔽且能够检测微小的电容改变。

根据如上所述的本发明，由于提供了保护电极从而跟随固定电极的电压改变，固定电极与基底之间的寄生电容可以得到相应减小，且电容-电压转换灵敏度能够得到改善。

由于用于驱动保护电极的缓冲放大装置的输出阻抗得到减小，固定电极能够得到屏蔽而不受来自基底的后表面的电力线的影响。由于来自设备以外的静电噪声而引起的损坏能够得到减小。设备自身具有静电屏蔽功能。因此，得到下述效果：不需要外部屏蔽器皿且能够构成更小的传感器。

由于通过提供保护电极而减小了寄生电容，得到下述效果：可以通过采用使固定电极的电荷保持恒定并把电容转换成电压的电路而获得与隔膜的位移直接相关的输出。

由于可通过提供保护电极而除去切换噪声，可以采用一种切换电容电路。

由于可通过提供保护电极而除去高频噪声，可采用利用高频的电容-电压转换系统。

Claims (14)

1.一种传感器，包括：

形成在基底的前表面上的保护电极；

淀积在所述保护电极的上部上的绝缘层；

形成在所述绝缘层的上部的固定电极；

与所述固定电极形成电容器的一个运动电极；以及

缓冲放大装置，用于驱动所述保护电极从而使所述保护电极的电位与所述固定电极的电位相等。

2.根据权利要求1的传感器，进一步包括一个导电层，该导电层覆盖整个的表面从而不把电力线从外部引入所述固定电极。

3.根据权利要求1的传感器，其中：

所述基底是电路集成半导体基底，且

所述缓冲放大装置是集成在所述半导体基底上的。

4.根据权利要求1的传感器，进一步包括设置在所述固定电极的上部并用于保持电荷的驻极体层。

5.根据权利要求1的传感器，进一步包括设置在所述固定电极的上部并用于把电荷注入由绝缘层围绕的一个导电层的驻极体。

6.根据权利要求1的传感器，进一步包括用于使所述固定电极的电荷基本上恒定的偏压装置。

7.根据权利要求1的传感器，进一步包括用于把用于检测静电电容的交流信号加到所述固定电极上的装置。

8.根据权利要求1的传感器，还包括：

从所述基底的后表面向前表面延伸的一个通孔；以及

一个淀积的隔膜层，它闭合通过经过所述通孔对所述固定电极的上部中的一个基底占据区域进行干蚀刻而形成的一个腔的前表面侧。

9.根据权利要求8的传感器，进一步包括一个导电层，该导电层覆盖了整个表面从而不把电力线从外部引入所述固定电极。

10.根据权利要求8的传感器，其中

所述基底是电路集成半导体基底，且

所述缓冲放大装置是集成在所述半导体基底上的。

11.根据权利要求8的传感器，进一步包括提供在所述固定电极的上部并用于保持电荷的驻极体层。

12.根据权利要求8的传感器，进一步包括提供在所述固定电极的上部并用于把电荷注入一个由绝缘层所围绕的导电层的驻极体。

13.根据权利要求8的传感器，进一步包括用于使所述固定电极的电荷基本上恒定的偏压装置。

14.根据权利要求8的传感器，进一步包括用于把用于检测静电电容的交流信号加到所述固定电极上的装置。

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