DE19983646B3

DE19983646B3 - Statischer Kondensator-Drucksensor

Info

Publication number: DE19983646B3
Application number: DE19983646T
Authority: DE
Inventors: Junichi Horie; Atsushi Miyazaki; Satoshi Shimada; Akihiko Saitou; Yasuo Onose; Norio Ichikawa; Keiji Hanzawa
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 1998-10-12
Filing date: 1999-09-20
Publication date: 2013-06-06
Anticipated expiration: 2019-09-21
Also published as: JP3567089B2; DE19983646T1; WO2000022397A1; US6564643B1; JP2000121472A

Abstract

Kondensator-Drucksensor mit
– einem aktiven Kondensator (100), der zwischen einer Membranelektrode (120a) und einer stationären Elektrode (30b) gebildet ist und dessen Kapazität sich mit dem Umgebungsdruck ändert,
– einem Referenzkondensator (200), der zwischen einer oberen Elektrode (60a) und einer unteren Elektrode (30a) gebildet ist und dessen Kapazität sich im Wesentlichen nicht mit dem Umgebungsdruck ändert, und
– einer Schaltung (300), die sowohl mit dem aktiven Kondensator (100) als auch mit dem Referenzkondensator (200) elektrisch verbunden ist, und deren Differenz oder Verhältnis zueinander erfasst, wobei
– der aktive Kondensator (100), der Referenzkondensator (200) und die Schaltung (300) gemeinsam auf dem Halbleitersubstrat (10) ausgebildet sind, und
– die untere Elektrode (30a) des Referenzkondensators (200) und die stationäre Elektrode (30b) des aktiven Kondensators (100) von dem Halbleitersubstrat (10) durch ein Dielektrikum (20) getrennt sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drucksensor zur Erfassung des Drucks eines Fluids und insbesondere auf einen Drucksensor, der zur Steuerung eines Fahrzeugmotors oder dergleichen verwendet wird und unter Verwendung der Halbleiter-Mikroverarbeitungstechnik hergestellt wird.
Beispielsweise offenbart die JP 7-7162 A (identisch mit DE 44 10 631 A1 ) einen herkömmlichen Drucksensor. Weitere gattungsgemäße Drucksensoren sind in der DE 40 04 179 A1 , der DE 196 48 048 A1 und der DE 197 43 749 A1 offenbart.
Der herkömmliche Drucksensor ist ein auf einem Halbleitersubstrat gebildeter Kondensator-Drucksensor, der einen Referenzkondensator, der unabhängig vom Umgebungsdruck konstant bleibt, und eine Meßkapazität, die sich ändert, wenn sich der Umgebungsdruck ändert, enthält. Jeder Kondensator weist eine erste Elektrode, die aus einer direkt auf dem Halbleitersubstrat ausgebildeten Diffusionsschicht besteht, und eine zweite Elektrode aus einer elastischen Membran auf, die gegenüber der ersten Elektrode ausgebildet ist, wobei zwischen der ersten und der zweiten Elektrode ein Hohlraum ausgebildet ist, und umfaßt einen leitfähigen Bereich, der aus einkristallinem Silicium besteht. Der Hohlraum ist nach außen abgeschlossen, um den voreingestellten Druck zu halten. Sowohl die Referenzkapazität als auch die Meßkapazität verwenden eine auf dem Halbleitersubstrat ausgebildete Diffusionsschicht als erste Elektrode. Der in der JP 7-7162 A offenbarte Drucksensor ist dadurch gekennzeichnet, daß sich die elastische Membran mit der Änderung des Umgebungsdrucks bewegt, wodurch sich die Kapazität zwischen der ersten und der zweiten Elektrode ändert. Für eine höhere Genauigkeit wendet ein wohlbekannter herkömmlicher Kondensator-Drucksensor ein Verfahren an, das die folgenden Schritte umfaßt:
Verwenden einer Referenzelektrode, die eine Kapazität besitzt, die etwa gleich jener eines aktiven Kondensators ist und sich im wesentlichen nicht ändert, als Mittel zur Kompensation einer für einen aktiven Kondensator charakteristischen Änderung, die durch äußere Störfaktoren wie etwa das Rauschen oder durch eine ungleichmäßige Verarbeitung bedingt ist und nicht mit einer Druckänderung zusammenhängt, und Berechnen der Kapazitätsdifferenz oder des Kapazitätsverhältnisses des Referenzkondensators und des aktiven Kondensators durch eine Erfassungsschaltung.
Wenn ein Kondensator-Drucksensor, um die Genauigkeit zu erhöhen, einen Referenzkondensator, einen aktiven Kondensator und eine Erfassungsschaltung auf einem Halbleitersubstrat enthält, kann das Problem entstehen, daß zwischen dem Substrat und der Referenzkondensatorelektrode eine unerwünschte, parasitäre Kapazität (oder Sperrschichtkapazität), die der Konzentration der Störstellen im Substrat entsprechend variieren kann, oder eine Potentialdifferenz erzeugt wird. Wenn das Halbleitersubstrat an Erde gelegt ist oder mit einer Erfassungsschaltung, die als Stromversorgung verwendet wird, verbunden ist, ändert sich die parasitäre Kapazität in bezug auf die zwischen den Referenzelektroden ausgebildete vorgegebene Kapazität stark, weshalb der Rauschabstand des Referenzkondensators, der die parasitäre Kapazität enthält, in bezug auf die Änderung des aktiven Kondensators ansteigt und sich verändert. Folglich nimmt die Genauigkeit der Fluiddruckmessung ab.
Mit einem Kondensator-Drucksensor nach Anspruch 1, der unter Nutzung des Potentials des Halbleitersubstrats arbeitet, kann das obengenannte Problem durch Bildung einer Referenzkondensatorelektrode auf dem Halbleitersubstrat mittels eines Dielektrikums gelöst werden.
1 ist eine Querschnittsansicht eines Kondensator-Drucksensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Draufsicht des Kondensator-Drucksensors gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine Querschnittsansicht eines Kondensator-Drucksensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine Querschnittsansicht eines Kondensator-Drucksensors gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 ist eine Draufsicht des Kondensator-Drucksensors gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 ist eine Querschnittsansicht eines Kondensator-Drucksensors gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 ist eine Draufsicht des Kondensator-Drucksensors gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
8 ist ein Blockschaltbild einer Druckerfassungsschaltung der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Kondensator-Drucksensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 zeigt die zugehörige Draufsicht.
In dieser Ausführungsform weist der Halbleiter-Kondensator-Drucksensor mit einem aktiven Kondensator 100, einem Referenzkondensator 200 und einer Erfassungsschaltung 300, die auf einem Halbleitersubstrat 10 gebildet sind, wobei zwischen dem Substrat und diesen Elementen ein Oxiddielektrikum ausgebildet ist, einen Druckerfassungs-IC 400 auf.
Das Halbleitersubstrat 10 ist ein gewöhnliches Einkristall-Siliciumsubstrat. Um einen CMOS-IC einzusetzen, der weniger Integrationsprozesse als etwa ein Bipolar-IC erfordert, wird ein n- oder p-dotiertes Einkristall-CZ-Substrat mit einem spezifischen Widerstand von 8 bis 12 Wem verwendet.
Das Oxiddielektrikum 20 trennt den aktiven Kondensator 100 und den Referenzkondensator 200 galvanisch von dem Halbleitersubstrat 10. Das Oxiddielektrikum 20 besteht aus einer wärmebeständigen Oxidschicht, einer CVD-Oxidschicht (CVD = chemische Abscheidung aus der Dampfphase) oder dergleichen, deren relative Dielektrizitätskonstante etwa zwischen 3 und 4 liegt. Die wärmebeständige Oxidschicht (Feld-Oxidschicht) kann gemeinsam mit einem CMOS-IC ausgebildet sein. Dies kann die Integrationsprozeßschritte minimieren und kostengünstigere Drucksensoren schaffen.
Der aktive Kondensator 100 enthält eine stationäre Elektrode 30b, eine dielektrische Sperrschicht 40, einen Hohlraum 110 und eine Membranstruktur 120. Der Hohlraum 110 ist hermetisch abgeschlossen, so daß durch ein abdichtendes Dielektrikum 50 ein vakuumähnlicher Zustand bewahrt wird.
Hierbei bewegt sich die Membranstruktur 120, wenn sich der Umgebungsdruck ändert. Die Membranstruktur 120 umfasst eine Membranelektrode 120a, die der stationären Elektrode 30b und einer stationären Einfassung 120b gegenüberliegt. Die Membranelektrode 120a kann dadurch erhalten werden, daß das Poly silicium der Membranstruktur 120 durch ein Verfahren zur Eindiffundierung von Fremdatomen leitend gemacht wird. Die stationäre Einfassung 120b kann mit einer zwischen ihr und dem Substrat 10 ausgebildeten dielektrischen Sperrschicht 40 auf dem Halbleitersubstrat 10 gebildet werden, indem die Isolierschicht zuvor entfernt wird, wobei die dielektrische Sperrschicht 40 als Ätzhemmschicht bei der Schaffung des Hohlraums 110 durch Ätzen dieser Isolierschicht verwendet wird. Dieser Aufbau ermöglicht die Umsetzung einer Änderung des Umgebungsdrucks in eine Änderung der Kapazität zwischen der stationären Elektrode 30b des aktiven Kondensators und der Membranelektrode 120a. Das Potential zwischen der stationären Elektrode 30b des aktiven Kondensators und der Membranelektrode 120a kann, wie weiter unten erläutert wird, an die Erfassungsschaltung 300 weitergegeben werden. Das Potential der Membranelektrode 120a wird über eine Verdrahtung 30c, eine Kontaktstruktur 70 und einen Membranelektrodenanschluß 130 zu einem Verdrahtungsabschnitt 60b weitergegeben (siehe 1). In ähnlicher Weise ist die stationäre Elektrode 30b des aktiven Kondensators durch die Verdrahtung 30c und die Kontaktstruktur 70 mit dem Verdrahtungsabschnitt 60b verbunden (siehe 2). Der Membranelektrodenanschluß 130 ist eine elektrisch leitende Struktur, die durch teilweises Entfernen der dielektrischen Sperrschicht 40 von der auf dem Oxiddielektrikum 20 ausgebildeten Verdrahtung 30c hergestellt wird. Die untere Elektrode 30a, die stationäre Elektrode 30b des aktiven Kondensators und die Verdrahtung 30c sind leitende Schichten. Wenn diese Schichten gleichzeitig, gemeinsam mit Gates eines CMOS-Bausteins, etwa als Silicid- oder Polysiliciumschicht, die dem Eindiffundieren von Fremdatomen unterzogen wird, hergestellt werden, können die Integrationsprozeßschritte reduziert werden und folglich preiswertere Drucksensoren geschaffen werden.
Der Referenzkondensator 200 enthält eine untere Elektrode 30a, eine dielektrische Sperrschicht 40 und eine obere Elektrode 60a. Der Referenzkondensator 200 ist auf dem Halbleitersubstrat 10 gebildet, wobei dazwischen ein Oxiddielektrikum 20 ausgebildet ist. Dadurch ist die parasitäre Kapazität zwischen dem Halbleitersubstrat 10 und der unteren Elektrode 30a weitaus geringer ausgeprägt als jene der Beispiele des Standes der Technik. Außerdem hängt die parasitäre Kapazität zwischen dem Halbleitersubstrat 10 und der unteren Elektrode 30a im wesentlichen nicht von der Spannung ab. Somit kann ein hochgenauer und hochstabiler Drucksensor geschaffen werden.
8 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Drucksensors. Diese Ausführungsform enthält hauptsächlich einen Abschnitt in gewöhnlicher Schalter-Kondensator-Ausführung zur Umsetzung der Kapazität in eine Spannung (Kapazitätsdetektor) und einen Nullempfindlichkeitsregler.
Vcc, SW1 und SW2, CR, CS, CF und G2 entsprechen in dieser Reihenfolge der Versorgungsspannung, zwei Wählschaltern, einem Referenzkondensator 200, einem aktiven Kondensator 100, einem Rückkopplungskondensator eines Operationsverstärkers G1 und einem Operationsverstärker. Es sei angenommen, daß zwischen der unteren Elektrode 30a und dem Halbleitersubstrat 10 im Punkt A eine parasitäre Kapazität vorhanden ist. Die parasitäre Kapazität und der Verdrahtungswiderstand rufen eine Primärverzögerung in der Schaltfrequenz des Schalters SW1 hervor. Diese Verzögerung verringert die Genauigkeit der Messung. Wenn die parasitäre Kapazität spannungsabhängig ist, wird der Betrieb instabiler und die Meßgenauigkeit nimmt ab. Wenn die parasitäre Kapazität im Punkt B auftritt, wird der Störabstand des aktiven Kondensators (die Größe der Kapazitätsänderung und die Gesamtkapazität) größer, wobei die Meßgenauigkeit abnimmt. Wenn die parasitäre Kapazität spannungsabhängig ist, wird außerdem die Ausgangsspannung VO instabil.
Der Referenzkondensator 200 von 1 ist ein Kondensator mit parallelen Platten, dessen Kapazität von der Elektrodenfläche, dem Elektrodenabstand und der relativen Dielektrizitätskonstanten des Materials zwischen den Elektroden abhängt. Diese erste Ausführungsform legt den Abstand zwischen den Elektroden und dem Material zwischen diesen durch die dielektrische Sperrschicht 40 fest. Die relative Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Sperrschicht 40 liegt bei einer CVD-Nitridschicht etwa zwischen 7 und 9. Somit kann durch eine kleinere Elektrodenfläche eine Kapazität erhalten werden, die etwa gleich jener des aktiven Kondensators 100 ist. Dies senkt die Kosten des Drucksensors.
3 zeigt eine Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Kondensator-Drucksensors in einer zweiten Ausführungsform, in der der Referenzkondensator 200 keine dielektrische Sperrschicht 40 besitzt. Der Referenzkondensator 200 dieser Ausführungsform enthält eine untere Elektrode 30a, ein Referenzkapazitätsdielektrikum 201, eine Oxidschicht 202 und eine obere Elektrode 60a. Dieser Aufbau legt die Dicke und das Material des Referenzkapazitätsdielektrikums 201, das ein von der dielektrischen Sperrschicht 40 getrenntes Dielektrikum zwischen den Elektroden des Referenzkondensators 200 darstellt, fest. Somit kann diese Ausführungsform bei kleinerer Fläche des Referenzkondensators 200 kostengünstigere Drucksensoren schaffen.
4 zeigt eine Querschnittsansicht des Kondensator-Drucksensors in einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 5 zeigt den zugehörigen Grundriß.
Diese Ausführungsform stellt den Referenzkondensator 200 durch dasselbe Verfahren wie den aktiven Kondensator her. Der Referenzkondensator 200 enthält eine stationäre Referenzkondensatorelektrode 30d, einen Hohlraum 210 und eine Membranstruktur 220, wobei er mit einem dazwischen ausgebildeten Oxiddielektrikum 20 auf dem Halbleitersubstrat 10 gebildet ist. Die Membranstruktur 220 ist mit einer stationären Einfassung 220b und einer Membranelektrode 220a ausgeführt, die der stationären Elektrode gegenünberliegt. Die parasitäre Kapazität zwischen dem Halbleitersubstrat 10 und dem Referenzkondensator 200 ist klein und im wesentlichen nicht von der Spannung abhängig. Somit kann diese Ausführungsform einen hochgenauen Drucksensor schaffen. Die Einfassungen 220b des Referenzkondensators 200 sind in kleineren Abständen als die Einfassungen 120b des aktiven Kondensators 100 angeordnet, so daß sich die Kapazität des Referenzkondensators 200 im wesentlichen nicht ändern kann, wenn sich der Umgebungsdruck ändert. Wenn die Einfassungen 120b beispielsweise in einem Abstand angeordnet sind, der ein Viertel des Abstandes der Einfassungen 120b beträgt, beträgt das Verhältnis der Kapazitätsänderung des Referenzkondensators 200 zur Kapazitätsänderung des aktiven Kondensators 100 etwa 1/256, da die Verschiebung der Membranstruktur 220 zur vierten Potenz des Abstandes der stationären Einfassungen 220b proportional ist.
Dieser Aufbau ermöglicht die gleichzeitige Bildung der stationären Referenzkondensatorelektrode 30d und der stationären Elektrode 30b des aktiven Kondensators, des Hohlraums 210 und des Hohlraums 110 sowie der Membranstruktur 220 und der Membranstruktur 120. Dies verhindert außerdem eine ungleichmäßige Ausführung des aktiven Kondensators 100 gemeinsam mit dem Referenzkondensator 200. Ferner kann dies Schwankungen der Kennlinie gleichartiger Elemente aufgrund äußerer Störungen wie etwa des Rauschens verhindern.
6 zeigt eine Querschnittsansicht eines Kondensator-Drucksensors in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 7 zeigt den zugehörigen Grundriß.
In dieser Ausführungsform ist die stationäre Referenzkondensatorelektrode 30d in der Membranstruktur 120 ausgebildet. Die stationäre Referenzkondensatorelektrode 30d ist in der Nähe der Einfassung 120b angeordnet, während die stationäre Elektrode 30b des aktiven Kondensators in der Mitte angeordnet ist, so daß die Verschiebung der Membranstruktur 120 in der Mitte der Struktur am größten und am Außenumfang der stationären Einfassungen 120b am kleinsten sein kann. Somit ist die Kapazitätsänderung des Referenzkondensators 200 aufgrund des Drucks im wesentlichen nicht vom Druck abhängig. Obwohl ein Kondensator-Druckerfassungsabschnitt mit einem solchen Aufbau, um die Flächen zu minimieren, wohlbekannt ist, setzt die parasitäre Kapazität zwischen dem Halbleitersubstrat 10 und der stationären Referenzkondensatorelektrode 30d die Meßgenauigkeit herab, wenn der Erfassungsabschnitt und die Erfassungsschaltung 300 auf dem Halbleitersubstrat 10 integriert sind. Dieses Problem wurde durch Bildung der stationären Referenzkondensatorelektrode 30d mit einem dazwischen ausgebildeten Oxiddielektrikum 20 gelöst.

Claims

Kondensator-Drucksensor mit – einem aktiven Kondensator (100), der zwischen einer Membranelektrode (120a) und einer stationären Elektrode (30b) gebildet ist und dessen Kapazität sich mit dem Umgebungsdruck ändert, – einem Referenzkondensator (200), der zwischen einer oberen Elektrode (60a) und einer unteren Elektrode (30a) gebildet ist und dessen Kapazität sich im Wesentlichen nicht mit dem Umgebungsdruck ändert, und – einer Schaltung (300), die sowohl mit dem aktiven Kondensator (100) als auch mit dem Referenzkondensator (200) elektrisch verbunden ist, und deren Differenz oder Verhältnis zueinander erfasst, wobei – der aktive Kondensator (100), der Referenzkondensator (200) und die Schaltung (300) gemeinsam auf dem Halbleitersubstrat (10) ausgebildet sind, und – die untere Elektrode (30a) des Referenzkondensators (200) und die stationäre Elektrode (30b) des aktiven Kondensators (100) von dem Halbleitersubstrat (10) durch ein Dielektrikum (20) getrennt sind.
Kondensator-Drucksensor nach Anspruch 1, wobei der Referenzkondensator zwischen den Elektroden einen Hohlraum aufweist und sowohl die Elektroden als auch der Hohlraum aus dem gleichen Material wie der aktive Kondensator gebildet sind.