CN1820191A - 电容型传感器 - Google Patents

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Abstract

由于在第一电极(1)和第二电极(2)之间配置屏蔽电极(4)，通过电容型传感器检测电路(64)使第一电极(1)和屏蔽电极(4)的交流电位差近乎为零从而使它们同电位，并检测第一电极(1)和第二电极(2)之间的阻抗变化，因而表观上减小了在第一电极(1)和屏蔽电极(4)之间产生的寄生电容两端的电位差或者使其大致为零，由此寄生电容不会起电容器的功能，从而能够表观上消除对检测电容的影响。由此，可通过电容型传感器检测电路(64)只检测电容型传感器(10)的电容变化量。

Description

电容型传感器
技术领域
本发明涉及电容型传感器，例如涉及像压力传感器那样检测静电电容的变化的电容型传感器。
背景技术
电容型传感器通常在支撑基板上相对配置第一电极和第二电极，支撑基板和第一以及第二电极通过隔片或固定部件等绝缘体来固定支撑。并且，在第一和第二电极上形成了外部连接用触点，以将第一电极连接到检测电路的输入端，将第二电极连接到偏置电压源。
这种电容型压力传感器通过用检测电路检测第一电极和第二电极之间的静电电容的变化来检测压力的变化。
在上述电容型传感器中，第一和第二电极作为根据检测的物理量来进行检测动作的动作部而起作用，隔片或固定部件起固定部的作用，而该固定部的电容为寄生电容并构成传感器基准电容的一部分，这部分的电容不仅与物理量的检测无关，而且还会引起灵敏度的下降或输入换算噪声级的恶化。
另一方面，在日本专利文献特开2000-028462号公报中记载了电容型传感器的一个例子。该文献中记载的电容型传感器在半导体基板上设置了屏蔽电极，在该屏蔽电极上经由绝缘层形成了固定电极，在该固定电极上通过隔膜(diaphragm)形成了空腔，在隔膜的层间形成了活动电极，并检测活动电极和固定电极之间的静电电容。另外，通过运算放大器使屏蔽电极的电位与固定电极的相同，由此来防止了外部噪声的混入。
在上述的特开2000-028462号公报所记载的电容型传感器中，虽然为了不受外部噪声的影响而设置了屏蔽电极，但通过该屏蔽电极还是不能防止输入换算噪声级的恶化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种既能够提高灵敏度又能够降低输入换算噪声级的电容型传感器。
本发明的电容型传感器包括：第一电极；与第一电极相对配置的第二电极；与第一电极相对配置的屏蔽电极；使第一电极和屏蔽电极的电位差近乎为零的同电位单元；以及用于检测第一电极和第二电极之间的阻抗变化的电容型传感器检测单元。
优选的是，屏蔽电极被配置在第一电极和第二电极之间。
优选的是，包括固定屏蔽电极和第一电极的第一支撑部件。
优选的是，包括固定第二电极和屏蔽电极的第二支撑部件。
优选的是，包括支撑基板，并在支撑基板上形成第一电极或第二电极，以及由与第一电极或第二电极导电形式不同的半导体层形成的屏蔽电极。
优选第一电极或第二电极包括在其下面中央部分形成凹入部的薄膜部，且薄膜部为振动电极。
优选的是，由作为薄膜部而形成的第一电极或第二电极构成振动电极。
优选的是，第一电极和第二电极中的至少一方为振动电极。
优选的是，第一电极和第二电极同时为振动电极。
本发明另一方面的电容型传感器包括：第一电极和第二电极，分别相对配置，且任一方的面积被形成为小于另一方；和支撑部件，被配置在第一和第二电极中小面积电极的外周的外侧，并支撑大面积电极。
优选的是，包括支撑基板，该支撑部件在支撑基板上支撑面积大的电极。
优选的是，第一和第二电极中的任一方被配置在支撑基板上，并包括被配置在支撑基板和其上的电极之间的第三支撑部件。
优选的是，在支撑基板的中央部分形成了开口部，由第三支撑部件上形成的电极构成振动电极。
优选的是，在第一和第二电极中的任一方电极上配置另一方电极，并包括在一方电极上支撑另一方电极的第四支撑部件。
优选的是，在大面积的电极上配置小面积的电极，并包括在大面积的电极上形成的第五支撑部件和由第五支撑部件支撑的绝缘部件，小面积的电极被形成在绝缘部件上。
优选的是，包括：被配置在第六支撑部件和绝缘部件之间的屏蔽电极；使第一电极和屏蔽电极的电位差近乎为零的同电位单元；和用于检测第一电极和第二电极之间的阻抗变化的电容型传感器检测单元。
在本发明中，由于在第一电极和第二电极之间配置屏蔽电极，通过同电位单元使第一电极和屏蔽电极的电位差近乎为零，并通过电容型传感器检测单元来检测第一电极和第二电极之间的阻抗变化，因此，使得在第一电极和屏蔽电极之间产生的寄生电容的两端的电位差表观上小于第一电极和第二电极之间的电位差或者近乎为零，由此寄生电容不会发挥电容器的功能，从而能够表观上消除对检测电容的影响。由此，通过电容型传感器检测单元能够只检测电容型传感器的电容变化量，从而能够提高灵敏度，并能够降低输入换算噪声级。
另外，将一方的面积被形成为小于另一方的面积的第一和第二电极相对配置，并在第一和第二电极中面积小的电极的外周的外侧配置支撑部件来支撑面积大的电极，由此，支撑部件的寄生电容不会对第一和第二电极的任一检测电容产生影响。由于可以这样降低寄生电容，因此能够提高灵敏度，并能够降低输入换算噪声级。
附图说明
图1是本发明第一实施方式的电容型传感器的示意图；
图2是图1所示电容型传感器的各个部分的平面图；
图3是图1所示电容型传感器的连接图的一个示例的示意图；
图4是用于说明表观上消除寄生电容的影响的动作的图；
图5是图1所示电容型传感器的连接图的另一示例的示意图；
图6是图1所示电容型传感器的连接图的再一示例的示意图；
图7是本发明第二实施方式的电容型传感器的示意图；
图8是本发明第三实施方式的电容型传感器的示意图；
图9是本发明第四实施方式的电容型传感器的截面图；
图10是本发明第五实施方式的电容型传感器的截面图；
图11是构成本发明第六实施方式的电容型传感器的各个部分的平面图、以及电容型传感器的截面图；
图12是构成本发明第七实施方式的电容型传感器的各个部分的平面图、以及电容型传感器的截面图；
图13是构成本发明第八实施方式的电容型传感器的各个部分的平面图、以及电容型传感器的截面图；
图14是构成本发明第九实施方式的电容型传感器的各个部分的平面图、以及电容型传感器的截面图；
图15是构成本发明第十实施方式的电容型传感器的各个部分的平面图、以及电容型传感器的截面图；
图16是构成本发明第十一实施方式的电容型传感器的各个部分的平面图、以及电容型传感器的截面图。
具体实施方式
图1是本发明第一实施方式的电容型传感器的示意图，特别地，图1(a)示出了平面图，图1(b)示出了沿图1(a)的线Ib-Ib的截面图，图2是构成图1所示电容型传感器的各个部分的平面图。
如图1(b)所示，在电容型传感器10中，第一电极1和第二电极2被相对配置。如图2(a)所示，作为支撑基板的第二电极2例如由近似正方形的单晶硅基板形成，如图2(b)所示，在第二电极2上形成了例如由硅氧化膜构成的作为第一支撑部件的环状绝缘物3。绝缘物3起到在第二电极2上支撑屏蔽电极4的隔片或固定部件的作用。
如图2(c)所示，在绝缘物3上例如由多晶硅膜形成了环状的屏蔽电极4。屏蔽电极4是为了通过使其与第一电极1电位大致相同来表观上消除寄生电容对检测电容的影响，即消除导致灵敏度下降和输入换算噪声级恶化的原因，从而提高灵敏度，并同时降低输入换算噪声级而设置的。
如图2(d)所示，在屏蔽电极4上例如由硅氧化膜形成了截面为长方形的作为第二支撑部件的绝缘物5，该绝缘物5与第二电极2的各个边相对。绝缘物5起到支撑第一电极1的隔片或固定器(anchor)的作用。在绝缘物5上例如由多晶硅膜形成了如图2(e)所示的第一电极1。第一电极1起振动板的作用，被形成为菱形，且在各个角上以与第二电极2的各个边相对的方式形成了长方形的突起12，以在其上形成第一电极触点触点11。另外，第二电极2起固定电极的作用。
如图1(b)所示，在第一电极1的突起12上形成了四个第一电极触点11，在第二电极2的各个角上形成了四个第二电极触点21，并在屏蔽电极4的三角的突起42上形成了四个屏蔽电极触点41。
图3是图1所示电容型传感器10的连接图的一个示例的示意图，图4是用于说明表观上消除寄生电容的影响的动作的图。
图1所示的电容型传感器10的第二电极触点21与端子62相连接，从图中未示出的偏置电压源向该端子62提供偏置电压+V。电容型传感器检测电路62的输入连接在第一电极触点11上，电容型传感器检测电路62的输出连接在输出端子71上，并与增益电路63的输入相连。增益电路63的输出与屏蔽电极触点41相连。
电容型传感器检测电路62检测电容型传感器10的第一电极1和第二电极2之间的阻抗的变化，例如由增益为A的运算放大器构成。另一方面，增益电路63例如具有+1/A的增益。从而，通过将电容型传感器检测电路62的输出输入给增益电路63而成为A×(+1/A)＝1，因此，第一电极1和屏蔽电极4被等效成大致相同的交流电位，从而能够使寄生电容两端的电位差表观上低于第一电极和第二电极之间的电位差或者近乎为零。
另外补充说明的是，由于是电容型传感器10，因此在第一电极1和屏蔽电极2之间产生直流电位差也无妨是清楚的。在图3中，由电容型传感器检测电路62和增益电路63构成了同电位单元和电容型传感器检测单元。
如图4所示，电容型传感器检测电路62的一个输入可被表示为在第一电极1和屏蔽电极4之间产生的寄生电容Ci，和在第一电极1和第二电极2之间产生的电容C与电容变化ΔC之和的并联连接。一旦在寄生电容Ci的两端有电位差，寄生电容Ci就起电容器的作用，从而该寄生电容Ci成为灵敏度下降，并且输入换算级恶化的主要原因。
对此，在本实施方式中，通过使寄生电容Ci两端的电位差表观上低于第一电极和第二电极之间的电位差或者近乎为零，寄生电容Ci不会起电容器的作用，从而能够表观上消除对检测电容的影响。由此，可通过电容型传感器检测电路62只检测出电容型传感器10的电容变化量ΔC，因而能够提高灵敏度，并能够降低输入换算噪声级。
图5是图1所示电容型传感器的连接图的另一示例的示意图。在该图5所示的示例中，构成同电位单元和电容型传感器检测单元的电容型传感器检测电路64由连接运算放大器的一个输入和输出的电压跟随器电路来构成。由于电压跟随器电路的增益为1，因此第一电极1和屏蔽电极4可以等效成大致相同的交流电位。其结果是，能够表观上消除寄生电容Ci对检测电容的影响，从而可通过电容型传感器10只检测出电容变化量ΔC，因此，能够提高灵敏度，并能够降低输入换算噪声级。
图6是图1所示电容型传感器的连接图的再一示例的示意图。该图6所示的示例和图3一样，将电容型传感器检测电路62连接在第一电极触点11和输出端子71之间，并将模拟缓冲器65连接在第一电极触点11和屏蔽电极触点41之间。
由于模拟缓冲器65的增益为1，因此和图3一样，构成将第一电极1和屏蔽电极4保持为大致相同的交流电位的同电位单元。其结果是，能够表观上消除寄生电容Ci对检测电容的影响，从而能够提高灵敏度，并能够降低输入换算噪声级。电容型传感器检测电路62检测第一电极1和第二电极2之间的阻抗的变化。
第一电极1和屏蔽电极4之间的电位差只要小于第一电极1和第二电极2之间的交流电压的电位差即可。另外，即使在第一电极1和屏蔽电极上产生的交流电压的电平多少有所不同，只要它们的相位大致相同也是可以的。因此，大致相同的电位也包含相位大致相同的概念。
图7是本发明第二实施方式的电容型传感器的示意图，图7(a)是平面图，图7(b)是沿图7(a)的线VIIb-VIIb的截面图。
在该第二实施方式中，在图1所示电容型传感器10的支撑基板、即第二电极2的下面形成了台状凹入部23，并形成了使与第一电极1相对的部分变薄的薄膜部分25。在图1所示的第一实施方式中，是由第一电极1起振动板的作用的，与之相对，在该图7所示的第二实施方式中，由第二电极2的薄膜部分25起振动板的作用，而第一电极1起固定电极的作用。其余的结构与图1相同，且电气连接也适用图3～图6，由此能够提高灵敏度，并能够降低输入换算噪声级。另外，凹入部23也可以是长方形。
图8是本发明第三实施方式的电容型传感器的示意图，特别地，图8(a)是平面图，图8(b)是沿图8(a)的线VIIIb-VIIIb的截面图。
在图1所示的第一实施方式中，在作为支撑基板的第二电极2上经由绝缘物3而形成了屏蔽电极4，与之相对，该第三实施方式通过离子注入或扩散等方法以p型/n型这样的不同导电形式的半导体扩散层在较厚的支撑基板9上形成了第二电极2a，并在其周围以与第一电极1相对的方式形成了屏蔽电极4a。第二电极2a被形成为直径小于第一电极1的圆板状，另外，虽然图中未示出，但从圆板的一部分形成了带状的引出部，并在该引出部的前端部形成了第二电极触点21。对于屏蔽电极4a，也形成了屏蔽电极触点41。在支撑基板9的下部形成了台状凹入部43，以使第二电极2a的下表面露出。另外，最好设定屏蔽电极4a，使其根据半导体导电形式成为反偏置。
在该第三实施方式中，第二电极2a起振动电极的作用，第一电极1起固定电极的作用。第一电极1、绝缘物5等其它结构和图1相同。在该第三实施方式中，由于用不同导电形式的半导体扩散层形成了第二电极2a和屏蔽电极4a，因此，可以不需要二者之间的绝缘物，从而有在该部分不产生寄生电容的优点。
图9是本发明第四实施方式的电容型传感器的截面图。在该第四实施方式中，在支撑基板9上形成了凹入部43，并在与第一电极1相对的部分形成了薄膜部分44。其余的结构和图8相同。
图10是本发明第五实施方式的电容型传感器的截面图。该实施方式和图8一样，在支撑基板9上通过离子注入或扩散等来形成了第二电极2a和屏蔽电极4a，但没有如图8那样在支撑基板9形成凹入部43，其余的的结构和图1相同。因此在该第五实施方式中，第一电极1起振动电极的作用，第二电极2a起固定电极的作用。
在之前说明的图1～图10的各个实施方式中，通过设置屏蔽电极4、4a～4c，并使第一电极1、1a和屏蔽电极4、4a～4c成为大致相同的电位来降低了寄生电容，但以下图11～图16所示的各个实施方式在不设置屏蔽电极4、4a～4c的情况下降低寄生电容。即，将分别相对配置的第一和第二电极中的一方的面积形成为小于另一方的面积，并在面积小的电极的外周外侧设置绝缘部件来减小因绝缘部件而产生的寄生电容的影响。
图11是构成本发明第六实施方式的电容型传感器的各个部分的平面图、以及沿图11(e)的线XIf-XIf的电容型传感器的截面图。
图11(a)所示的基板8例如由近似正方形的较厚的单晶硅基板形成，并在中央部分形成了矩形的开口部分81。如图11(b)所示，在该基板8上除了开口部分81，例如通过硅氧化膜还形成了绝缘物3a。如图11(c)所示，例如由单晶硅形成了直径小于开口部分81的圆板状的第二电极2b，并形成了从其一部分延伸至绝缘物3a上的引出部24，而且在该引出部24的前端部形成了图中未示出的第二电极触点。第一电极1a作为固定电极来发挥作用，第二电极2b起振动电极的作用。
另外，如图11(d)所示，在绝缘物3a上的从第二电极2b的外周靠外的位置，以与基板8的各个边相对的方式外周通过硅氧化膜形成了四个较厚的作为支撑部件的绝缘物5a。该绝缘物5a起用于固定第一电极1a的固定部件的作用。如图11(e)所示，被绝缘物5a固定的第一电极1a由多晶硅膜形成。第一电极1a具有大于第二电极2b的直径，使之覆盖四个绝缘物5a。
在该实施方式中，由图11(f)所示的截面图可知，由于使振动电极的第二电极2b的面积小于第一电极1a的面积，并且在第二电极2b的外周外侧形成了作为固定部件的绝缘物5a，因此，因绝缘物5a而产生的寄生电容不会影响到第二电极2b的检测电容。另外，由于通过加厚绝缘物5b的厚度，可增大基板8和第一电极1a之间的距离，因此，可以降低它们之间的寄生电容。由于可以这样降低寄生电容，因此能够提高灵敏度，并能够降低输入换算噪声级。
另外，在第一电极1a和第二电极2b上分别设置了触点，但在图11中省略了图示。并且，各触点可以各设一个，从而通过触点面积的减少，可以减少寄生电容。
图12是构成本发明第七实施方式的电容型传感器的各个部分的平面图、以及沿图12(e)的线XIIf-XIIf的电容型传感器的截面图。
在该第七实施方式中，以覆盖图12(a)所示基板8的开口部分81的方式形成了图12(b)所示的绝缘物3b，并在该绝缘物3b上形成了图12(c)所示的第二电极2b，其余的结构与图11所示的第六实施方式相同。由图12(f)所示的截面图可知，该第七实施方式也同样在第二电极2b的外侧形成了绝缘物5a，从而可增大基板8和第一电极1a之间的距离来降低寄生电容。由此，能够提高灵敏度，并能够降低输入换算噪声级。
图13是构成本发明第八实施方式的电容型传感器的各个部分的平面图、以及沿图13(e)的线XIIIf-XIIIf的电容型传感器的截面图。
在该第八实施方式中，如图13(a)所示，除了没有在基板8a上形成图12(a)所示的开口部分81之外，其余与图12所示的实施方式相同。在该实施方式中，第二电极2b为固定电极，第一电极1a为振动电极。
图14是构成本发明第九实施方式的电容型传感器的各个部分的平面图、以及沿图14(d)的线XIIIIe-XIIIIe的电容型传感器的截面图。
在该第九实施方式中，如图14(a)所示，第二电极2e由较厚且在下面形成了凹入部43的基板构成，如图14(b)所示，在该第二电极2c上的除去周边以及中央的圆形部分的其它部位形成了绝缘物3c。如图14(c)所示，在绝缘物3c上形成了绝缘物5b，并且与图11～图13一样，在绝缘物5b上形成了第一电极1b。在第一电极1b上形成了与图中未示出的第一电极触点相连接的引出部13。绝缘物3c、5b构成了第四支撑部件。
由图14(e)所示的截面图可知，在该实施方式中，绝缘物3c被形成为包围第一电极1b的外侧，该绝缘物3c的寄生电容不会对第一电极1b的检测电容产生影响。如图14(f)所示，在该实施方式中，在第二电极2c的下面形成了凹入部43，从而可使第二电极2c起振动电极的作用，使第一电极1b起固定电极的作用。
另外，图14(e)、(f)示出了沿图14(d)所示的线XIVe-XIVe的截面图。
图15是构成本发明第十实施方式的电容型传感器的各个部分的平而图、以及沿图15(d)的线XVe-XVe的电容型传感器的截面图。
在该第十实施方式中，在与图14(a)相同的第二电极2c上以与第二电极2c的各个边相对的方式形成了图15(b)所示的四个绝缘物3d。并形成了图15(c)所示的圆形绝缘物5c，以覆盖这些绝缘物3d。另外，在绝缘物5c上形成了图15(d)所示的第一电极1c。由图15(e)所示的截面图可知，在该实施方式中，图15(b)所示的绝缘物3d也被配置在第一电极1c的外周的外侧，因此，因绝缘物3d而产生的寄生电容不会对第一电极1c的检测电容产生影响。
另外，如图15(f)所示，可以在第二电极2c的下面形成凹入部43，从而使第一电极1c构成固定电极，使第二电极2c构成振动电极。
图16是构成本发明第十一实施方式的电容型传感器的各个部分的平面图、以及沿图16(e)的线XVIf-XVIf的电容型传感器的截面图。
在该第十一实施方式中，在图16(b)所示的作为第五支撑部件的绝缘物3d和图16(d)所示的作为绝缘部件的绝缘物5e之间形成了图16(c)所示的屏蔽电极4c。该屏蔽电极4c具有与利用图1～图10说明的通过设置屏蔽电极来降低寄生电容的实施方式相同的功能。并且，电气连接也适用图3～图6，因此，能够提高灵敏度，并能够降低输入换算噪声级。
因而，该第十一实施方式通过使屏蔽电极4c和第一电极1c之间的电位差大致为零，将第一电极1c的面积形成为小于第二电极2c的面积，以及在第一电极1c的外周的外侧设置绝缘物3d，能够降低因绝缘物3d而产生的寄生电容的影响。
另外，在图11～图14的实施方式中也可以设置图16(c)所示的屏蔽电容4c。
另外，在上述的实施方式中，将第一电极1和第二电极2中的一方作为振动电极，而将另一方作为固定电极，但不限于此，可以将双方同时作为固定电极，也可以将双方同时作为振动电极。当将双方同时作为固定电极时，可适用于例如湿度传感器、气体传感器或流量传感器。
以上参照附图对本发明的实施方式进行了说明，但本发明不限于图示的实施方式。可在与本发明相同的范围内或者等同的范围内对图示的实施方式进行各种改进和变形。
工业实用性
本发明的电容型传感器既能够提高灵敏度，又能够降低输入换算噪声级，从而可用于检测压力等。

Claims (16)

1.一种电容型传感器，包括：
第一电极；
与所述第一电极相对配置的第二电极；
与所述第一电极相对配置的屏蔽电极；
使所述第一电极和所述屏蔽电极的电位差近乎为零的同电位单元；和
用于检测所述第一电极和所述第二电极之间的阻抗变化的电容型传感器检测单元。
2.如权利要求1所述的电容型传感器，其中，
所述屏蔽电极被配置在所述第一电极和所述第二电极之间。
3.如权利要求1所述的电容型传感器，还包括固定所述屏蔽电极和所述第一电极的第一支撑部件。
4.如权利要求1所述的电容型传感器，还包括固定所述第二电极和所述屏蔽电极的第二支撑部件。
5.如权利要求1所述的电容型传感器，还包括支撑基板，并在所述支撑基板上形成第一电极或第二电极，以及由与所述第一电极或所述第二电极导电形式不同的半导体层形成的所述屏蔽电极。
6.如权利要求1所述的电容型传感器，其中，所述第一电极或第二电极包括在其下面中央部分形成凹入部的薄膜部，由所述薄膜部构成振动电极。
7.如权利要求6所述的电容型传感器，其中，由作为所述薄膜部而形成的第一电极或第二电极构成振动电极。
8.如权利要求1所述的电容型传感器，其中，所述第一电极和所述第二电极中的至少一方为振动电极。
9.如权利要求1所述的电容型传感器，其中，所述第一电极和所述第二电极同时为振动电极。
10.一种电容型传感器，包括：
第一电极和第二电极，分别相对配置，且任一方的面积被形成为小于另一方；和
支撑部件，被配置在所述第一电极和所述第二电极中面积小的电极的外周的外侧，并支撑面积大的电极。
11.如权利要求10所述的电容型传感器，还包括支撑基板，所述支撑部件在所述支撑基板上支撑所述面积大的电极。
12.如权利要求11所述的电容型传感器，其中，所述第一和第二电极中的任一方被配置在所述支撑基板上，
还包括第三支撑部件，该第三支撑部件被配置在所述支撑基板和其上形成的电极之间。
13.如权利要求12所述的电容型传感器，其中，在所述支撑基板的中央部分形成了开口部，由所述第三支撑部件上形成的电极构成振动电极。
14.如权利要求10所述的电容型传感器，其中，在所述第一和第二电极中的任一方电极上配置另一方电极，
包括在所述一方电极上支撑所述另一方电极的第四支撑部件。
15.如权利要求14所述的电容型传感器，其中，在所述大面积的电极上配置所述小面积的电极，
还包括被形成在所述大面积的电极上的第五支撑部件和由所述第五支撑部件支撑的绝缘部件，
所述小面积的电极被形成在所述绝缘部件上。
16.如权利要求15所述的电容型传感器，还包括：
被配置在所述第五支撑部件和所述绝缘部件之间的屏蔽电极；
使所述第一电极和所述屏蔽电极的电位差近乎为零的同电位单元；和
用于检测所述第一电极和所述第二电极之间的阻抗变化的电容型传感器检测单元。
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