DE69600488T2

DE69600488T2 - Linearen kapazitiven Wandler durch Membranmittenfestlegung

Info

Publication number: DE69600488T2
Application number: DE69600488T
Authority: DE
Inventors: Kenji C/O Omron Corporation Kyoto-Shi Kyoto 616 Horibata; Toshihiko C/O Omron Corporation Kyoto-Shi Kyoto 616 Omi; Fumihiko C/O Omron Corporation Kyoto-Shi Kyoto 616 Sato
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1995-05-26
Filing date: 1996-05-23
Publication date: 1999-02-04
Anticipated expiration: 2016-05-24
Also published as: CN1085485C; KR100236501B1; TW392353B; EP0744603B1; US5801313A; JP3114570B2; DE69600488D1; JPH08320268A; CN1142167A; EP0744603A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen kapazitiven Sensor, der eine Änderung einer äußeren Kraft auf der Grundlage einer Änderung der elektrostatischen Kapazitanz detektiert. Der kapazitive Sensor ist ein Drucksensor.
Ein kapazitiver Sensor ist im Vergleich zu einem Piezo-Sensor, der Piezowiderstandselemente umfaßt, mit dem Vorteil stabiler Temperatureigenschaften verbunden. Da kapazitive Sensoren mit Silizium-Halbleitersubstraten unter Anwendung von IC-Fertigungsverfahren (IC steht für "integrated circuit") hergestellt werden können, zeigen die Sensoren hohe Einheitlichkeit. Außerdem können die Sensoren klein und leicht ausgebildet sein und leicht in Schaltungen integriert werden. Die Massenproduktion von Sensoren mit einem groß angelegten Chargensystem führt zu günstigeren Stückpreisen.
Fig. 11 ist eine Schnittansicht eines Beispiels für herkömmliche kapazitive Drucksensoren. Zur Erleichterung des Abbildens und zum leichteren Verständnis der Abbildung ist die Dicke grafisch betont. Das gleiche trifft auf jene Abbildungen zu, welche die anderen Beispiele nach dem Stand der Technik und für die weiter unten beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung zeigen.
Ein kapazitiver Drucksensor umfaßt ein leitfähiges Silizium-Halbleitersubstrat 60 und ein Substrat 70 aus isolierendem Material, wie z. B. Glas, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient nahe jenem von Silizium liegt. Das Silizium-Halbleitersubstrat 60 ist mit einem Rahmenabschnitt (Stützabschnitt) 61 mit rechteckiger Form und einem dünnen Membranabschnitt 62 ausgebildet, der durch eine äußere Kraft verformt werden kann.
Das Halbleitersubstrat 60 ist über Anoden-Bindung mit dem Substrat 70 an dessen Rahmenabschnitt 61 verbunden. Das Halbleitersubstrat 60 besitzt eine Ausnehmung 63 im dünnen Membranabschnitt 62, und zwischen dem Membranabschnitt 62 und dem Substrat 70 ist ein Zwischenraum ausgebildet. Der elastische Membranabschnitt 62 wird durch Druck oder Beschleunigung, die von außen auf ihn einwirken, in der Abbildung nach oben oder unten verlagert. Da der Membranabschnitt 62 aus einem Silizium-Halbleiter besteht, besitzt er Leitfähigkeit und wird als bewegliche Elektrode verwendet.
Das Substrat 70 ist mit einer fix montierten Elektrode 71 an seiner Innenfläche versehen, die dem Membranabschnitt 62 zugewandt ist. Die fix montierte Elektrode 71 wird vorzugsweise durch Aufdampfen von Aluminium oder dergleichen auf dem Substrat 70 ausgebildet. Die bewegliche Elektrode 62 und die fix montierte Elektrode 71 sind jeweils über die im Substrat 70 in geeigneten Abschnitten davon ausgebildeten Verbindungslöcher mit (nicht dargestellten) äußeren Verbindungs-Anschlüssen auf dem Substrat 70 elektrisch verbunden und weiters über Drähte, die an den äußeren Verbindungs-Anschlüssen angebracht sind, mit einer Kapazitanzmeßschaltung (einer - nicht dargestellten - Druckmeßschaltung, einer Beschleunigungsmeßschaltung oder dergleichen) verbunden.
Wenn Druck (äußere Kraft) auf den kapazitiven Sensor ausgeübt wird, verlagert sich bzw. schwingt der Membranabschnitt 62 entsprechend dem angelegten Druck nach oben und unten. Da sich der Zwischenraum zwischen dem Membranabschnitt 62 und der fix montierten Elektrode 71 ändert, ändert sich auch die elektrostatische Kapazitanz C zwischen den Elektroden 62 und 71. Ein elektrisches Signal, das die Änderung der elektrostatischen Kapazitanz C oder die Änderung des Kehrwerts 1/C der Kapazitanz C (der Kehrwert 1/C wird im allgemeinen als Ausgang des Sensors verwendet) darstellt, wird anhand der Kapazitanzmeßschaltung erhalten und der Druck (oder die Beschleunigung) gemessen.
Diese Art von kapazitivem Sensor ist mit dem Problem verbunden, daß die Nichtlinearität der Ausgangseigenschaften des Kehrwerts (1/C) der elektrostatischen Kapazitanz im Vergleich zu jener des Piezo-Sensors höher ist. Man geht davon aus, daß dies auf folgende zwei Faktoren zurückzuhren ist:
(1) Die Membran (der dünne Abschnitt), die als bewegliche Elektrode dient, führt keine parallele Bewegung (Verlagerung) aus; und
(2) Es existiert eine unerwünschte Kapazitanz, die parallel zur Sensorkapazitanz verläuft.
Wenn man obigen Faktor (1) näher erläutert, ist zu erwähnen, daß in einem herkömmlichen kapazitiven Drucksensor bei Anlegen des Drucks der Membranabschnitt 62 wie eine Kuppel gebogen wird. Je mehr der ausgeübte Druck zunimmt, desto ausgeprägter ist diese kuppelförmige Durchbiegung. Demzufolge muß der Bereich, in dem die elektrostatische Kapazitanz Linearität hinsichtlich des angelegten Drucks aufrechterhält, verengt werden.
Um die obigen Probleme zu lösen, wurden im herkömmlichen kapazitiven Sensor Schaltungen, die die Nichtlinearität des Ausgangs korrigieren, vorgesehen. Im anderen Verfahren wird die Sensitivität verringert und eine Abnahme der Linearität verhindert. Beide Verfahren führen allerdings zu einer Belastung der elektronischen Schaltung, zu Kostensteigerungen und zu keiner Verkleinerung der Bauteile.
Um den Bereich, in dem sich der Membranabschnitt 62 parallel bewegt, zu vergrößern, wird ein Mesa-Drucksensor, in dem der Membranabschnitt 62 mesaförmig ausgebildet ist, vorgeschlagen (siehe Fig. 12, in der der Mesa-Abschnitt mit dem Bezugszeichen 64 gekennzeichnet ist). Das Problem besteht jedoch darin, daß der Membranabschnitt 62 nicht verkleinert werden kann, da es notwendig ist, das Korrekturmuster zur Ausbildung von Mesa in der Ätzmaske hinzuzufügen, die bei der Ausbildung des Membranabschnitts 62 verwendet wird, und darin, daß die präzise Mesaverarbeitung schwierig ist, da die Ecke der Membran duch Ätzen leicht abgerundet wird. Die Erreichung eines hohen Wirkungsgrads ist dadurch schwierig.
Ein anderes System oder Verfahren sieht vor, daß die fix montierten Elektroden in einem Abstand an beiden Seiten der Membran ausgebildet werden und daß die Nichtlinearität durch die zwei elektrostatischen Kapazitanzen aufgehoben und generell verringert wird. Trotzdem führt dieses alternative System oder Verfahren zu einer aus drei Schichten bestehenden und daher komplexeren Struktur, zu höherem Materialaufwand und zur Notwendigkeit eines zweimal durchgeführten Anoden-Bindungsverfahrens. Daher ergeben sich höhere Kosten und niedrigere Wirkungsgrade.
Die vorliegende Erfindung soll einen kapazitiven Sensor bereitstellen, in dem der Sensorausgang mit ausgezeichneter Linearität bereitgestellt werden kann, selbst wenn die Mesastruktur nicht immer ausgebildet ist oder das Differential-System oder -Verfahren nicht immer zur Anwendung kommt (die Mesastruktur kann jedoch ausgebildet sein oder das Differenzial-System oder -Verfahren angewandt werden).
Ein erfindungsgemäßer kapazitiver Sensor zur Druckmessung umfaßt ein erstes Substrat mit einem durch äußere Krafteinwirkung verlagerbaren dünnen Abschnitt und einer auf dem dünnen Abschnitt ausgebildeten, beweglichen Elektrode, sowie ein zweites Substrat mit einer in einer Position gegenüber der beweglichen Elektrode fix montierten Elektrode, wobei ein Zwischenraum zwischen der beweglichen und der fix montierten Elektrode vorhanden ist. Der kapazitive Sensor ist weiters dadurch gekennzeichnet, daß er ein Fixierelement zum Fixieren des Mittelabschnitts des dünnen Abschnitts am zweiten Substrat umfaßt, um eine Verlagerung des Mittelabschnitts des dünnen Abschnitts zu verhindern.
Druck wird auf der Grundlage der elektrostatischen Kapazitanz zwischen der beweglichen Elektrode und der fix montierten Elektrode gemessen.
Gemäß der Erfindung kann der maximale Verlagerungsbereich des dünnen Abschnitts eine Kreis- oder Ringform aufweisen, da der Mittelabschnitt des dünnen Abschnitts fixiert wird, und die Fläche des maximalen Verlagerungsbereichs kann relativ groß sein, sodaß die Linearität der elektrostatischen Kapazitanz und ihr Kehrwert erhöht werden.
Komplizierte Fertigungsverfahren und eine Linearitätskorrekturschaltung oder dergleichen sind nicht erforderlich, sodaß die Herstellungskosten gesenkt werden können.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist zumindest eines von erstem und zweitem Substrat mit einer Ausnehmung zur Bildung des Zwischenraums ausgebildet; ein Vorsprung ist einstückig mit dem ersten oder zweiten Substrat in der Ausnehmung ausgebildet, und die Höhe des Vorsprungs entspricht im wesentlichen der Tiefe der Ausnehmung. Da das Fixierelement zum Fixieren des Mittelabschnitts des dünnen Abschnitts gleichzeitig mit der Ausnehmung (dem Zwischenraum) gefertigt werden kann, kann der kapazitive Sensor hergestellt werden, ohne daß die Anzahl der zur Herstellung notwendigen Verfahrensschritte erhöht wird.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Fixierelement eine Mehrschichtstruktur, die zumindest eine Isolierschicht auf dem ersten oder zweiten Substrat umfaßt. Da die elektrische Isolierung zwischen dem ersten und zweiten Substrat durch die Isolierschicht im Fixierelement sichergestellt wird, werden Funktionsstörungen aufgrund des Verluststroms verringert.
Die Ausnehmung wird vorzugsweise durch Ätzen des Siliziumoxid-Films geformt, der nach einem lokalen Silizium-Oxidationsverfahren (LOGOS) ausgebildet wird. Auf diese Weise nimmt die Präzision bei der Bildung der Ausnehmung zu, und Verfahren zur Ausbildung des Zwischenraums werden vereinfacht.
Vorzugsweise sind sowohl der seitliche Querschnitt des Fixierelements als auch die Form des dünnen Abschnitts kreisrund. Die Verteilung der Spannung, die auf die Oberfläche des dünnen Abschnitts einwirkt, wenn eine äußere Kraft ausgeübt wird, kann punktsymmetrisch erfolgen, was zu einer mechanisch stabilen Verlagerung des dünnen Abschnitts führt.
Vorzugsweise besteht das erste Substrat aus einem Silizium-Halbleiter, das zweite Substrat aus Glas, und der dünne Abschnitt dient als bewegliche Elektrode. Das erste Substrat kann nach Halbleiterverfahren präzise gefertigt werden. Da der dünne Abschnitt aus einem leitenden Material besteht, ist es nicht erforderlich, die bewegliche Elektrode getrennt bereitzustellen. Das Anoden-Bindungsverfahren dient dazu, das erste und das zweite Verfahren miteinander zu verbinden, wobei die Montage des Sensors vereinfacht werden kann.
Sowohl das erste als auch das zweite Substrat können aus einem Silizium-Halbleiter bestehen. In diesem Fall kann eine Isolierschicht zwischen dem ersten und zweiten Substrat angeordnet sein. Sowohl das erste als auch das zweite Substrat bestehen aus dem Silizium-Halbleiter, der Leitfähigkeit aufweist, sodaß das erste und das zweite Substrat als bewegliche bzw. fix montierte Elektrode verwendet werden, weshalb keine Elektroden auf den Substraten angeordnet werden müssen und für die Elektroden keine komplizierte Verdrahtung oder dergleichen erforderlich ist. Das Material beider Substrate ist das gleiche, und auch ihr Wärmeausdehnungskoeffizient ist der gleiche. Das Auftreten von Verziehungen der Substrate aufgrund der Umgebungstemperatur braucht daher nicht in Betracht gezogen zu werden.
Eine andere Art von kapazitivem Sensor kann erhalten werden, indem das zweite Substrat an beide Seiten des ersten Substrats gebunden wird. Unerwünschte Kapazitanzen parallel zur Sensorkapazitanz (aufgrund der Verdrahtung oder dergleichen im Sensorchip und dergleichen) können aufgehoben werden. Hochpräzise Messungen sind möglich.
Die obigen und andere Ziele, Merkmale, Aspekte und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung in Zusammenhang mit den beiliegenden Abbildungen.
Fig. 1a ist eine Querschnittsansicht eines kapazitiven Drucksensors und Fig. 1b eine teilweise ausgeschnittene Draufsicht.
Fig. 2 ist eine schematische Ansicht der Form eines Membranabschnitts, wenn äußerer Druck (Isodruckverteilung) an die untere Fläche des Membranabschnitts ausgeübt wird.
Fig. 3 zeigt grafische Darstellungen der Beziehungen zwischen dem Druck P und dem Kehrwert 1/C der Kapazitanz und die Nichtlinearität des Kerwerts 1/C der Kapazitanz im Verhältnis zur Änderung des Drucks P im kapazitiven Drucksensor, sowie die Nichtlinearität des Kehrwerts 1/C der Kapazitanz im Verhältnis zur Änderung des Drucks P, wenn kein Fixiervorsprung vorhanden ist.
Fig. 4 ist eine grafische Darstellung der Beziehungen zwischen der Sensitivität eines Membranabschnitts und der Nichtlinearität des Kehrwerts 1/C der Kapazitanz.
Die Fig. 5a bis 5f zeigen Verfahren zur Herstellung eines Siliziumsubstrats für einen kapazitiven Drucksensor.
Die Fig. 6a und 6b zeigen Verfahren zur Herstellung eines Glassubstrats für einen kapazitiven Drucksensor.
Die Fig. 7a und 7b zeigen Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Drucksensors.
Die Fig. 8a bis 8c zeigen ein weiteres Beispiel für ein Verfahren zur Ausbildung einer Ausnehmung auf einem Silizium-Halbleitersubstrat.
Die Fig. 9a bis 9d zeigen ein weiteres Beispiel für ein Verfahren zur Ausbildung einer Ausnehmung auf einem Silizium-Halbleitersubstrat.
Fig. 10 ist eine Querschnittsansicht einer anderen Art von kapazitivem Sensor.
Fig. 11 ist eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen kapazitiven Drucksensors.
Fig. 12 ist eine Querschnittsansicht eines weiteren Beispiels für einen herkömmlichen kapazitiven Drucksensor (vom Mesa-Typ).
Fig. 1a ist eine Querschnittsansicht eines kapazitiven Drucksensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und Fig. 1b eine teilweise ausgeschnittene Draufsicht.
Ein kapazitiver Drucksensor umfaßt ein Silizium-Halbleitersubstrat (ein erstes Substrat) 2, das leitfähig ist (Verunreinigungen werden künstlich eindotiert oder sind unvermeidlich) und ein weiteres Substrat (ein zweites Substrat) 3 aus einem Isoliermaterial, wie z. B. Glas.
Das Silizium-Halbleitersubstrat 2 ist mit einem Rahmenabschnitt (Stützabschnitt) 21 mit einem kreisrunden inneren Umfang und einem kreisrunden dünnen Membranabschnitt (Dünnfilmabschnitt) 22 versehen, der von außen ausgeübtem Druck ausgesetzt ist. Diese Abschnitte werden durch präzises und senkrechtes Ätzen auf dem Silizium-Halbleitersubstrat 2 vorzugsweise unter Verwendung eines Alkali-Ätzmittels gebildet. Der Membranabschnitt 22 braucht nicht unbedingt kreisrund geformt sondern kann auch rechteckig sein (im Fall eines Rechtecks kann ein weiter unten beschriebener Fixiervorsprung 24, vorzugsweise im Schnittpunkt der Diagonalen des Rechtecks, vorhanden sein).
Das Silizium-Halbleitersubstrat 2 wird an der oberen Fläche des Rahmenabschnitts 21 durch Anoden-Bindung mit dem Substrat 3 verbunden. Das Silizium-Halbleitersubstrat 2 ist mit einer kreisrunden Ausnehmung 23 im dünnen Membranabschnitt 22 ausgebildet, sodaß ein Zwischenraum zwischen dem Membranabschnitt 22 und dem Substrat 3 entsteht. Es ist vorzuziehen, daß die Tiefe des Zwischenraums geringer als die Dicke des Membranabschnitts 22 ist. Der Zwischenraum kann auf andere Weise geformt werden, z. B. um eine Ausnehmung auf einer Innenfläche des Substrats 3 zu bilden, um einen Abstandhalter zwischen dem Rahmenabschnitt 21 des Siliziumsubstrats 2 und dem Substrat 3 vorzusehen usw. Der elastische Membranabschnitt 22 verlagert sich (oder schwingt) als Reaktion auf die von außen ausgeübte Kraft nach oben und/oder unten (siehe Fig. 1a). Da der Membranabschnitt 22 aus Silizium besteht und leitfähig ist, dient er als bewegliche Elektrode. Verunreinigungen können in die Oberflächenschicht des Membranabschnitts 22 gegenüber dem Substrat 3 eindotiert werden, um der Oberfläche Leitfähigkeit zu verleihen.
Eine kreisrunde fix montierte Elektrode 31 ist an einer Innenfläche des Substrats 3 vorgesehen, die dem Membranabschnitt 22 gegenüberliegt. Die fix montierte Elektrode 31 wird durch Aufdampfen von Aluminium und dergleichen auf dem Substrat 3 gebildet und wird flächenmäßig vorzugsweise etwas kleiner als der Membranabschnitt 22 ausgebildet.
Der Membranabschnitt 22 ist einstückig mit einem säulenförmigen Fixiervorsprung 24 in einem Mittelpunkt davon ausgebildet. Die fix montierte Elektrode 31 ist an einer Position abgeschnitten, die dem Fixiervorsprung 24 auf dem Substrat 3 entspricht (der Bereich, in dem die fix montierte Elektrode 31 fehlt, ist mit Bezugszeichen 33 gekennzeichnet). Der Fixiervorsprung 24 liegt in der Fläche 33 am Substrat 3 an oder ist daran befestigt (z. B. durch Anoden-Bindung).
Der Fixiervorsprung 24 fixiert den Mittelabschnitt des Membranabschnitts 22, sodaß sich der Mittelabschnitt nicht verlagert oder bewegt. Der Fixiervorsprung 24 wird gebildet, indem er der Abschnitt bleibt, der dem Vorsprung entspricht, wenn die Ausnehmung 23 durch Ätzen des Silizium-Halbleitersubstrats 2 gebildet wird. Da der Fixiervorsprung 24 gleichzeitig mit der Bildung der Ausnehmung 23 gebildet wird, wird die Anzahl an Verfahrensschritten nicht erhöht.
Ein Verbindungsfilm 34 erstreckt sich von einem Teil des Umfangs der kreisrunden fix montierten Elektrode 31 nach außen. Der Verbindungsfilm 34 verbindet die fix montierte Elektrode 31 elektrisch mit einem äußeren Verbindungs-Anschluß (Beschreibung weiter unten) 26, der auf dem Silizium-Halbleitersubstrat 2 ausgebildet ist (über eine weiter unten beschriebene Isolierschicht 29). Eine Nut 28 ist im Silizium-Halbleitersubstrat 2 an einer Stelle gegenüber dem Verbindungsfilm 34 und dessen Umfang und an einer Stelle, an der der äußere Verbindungs-Anschluß 26 ausgebildet ist, und an dessen Umfang ausgebildet, und der Isolierfilm (Glasschicht oder dergleichen) 29 ist am Boden und den Seiten der Nut 28 ausgebildet, um zu verhindern, daß der Verbindungsfilm 34 und der äußere Verbindungs-Anschluß 26 mit dem Silizium-Halbleitersubstrat 2 in Kontakt treten.
Zwei äußere Verbindungs-Anschlüsse 25 und 26 sind seitlich angeordnet und werden an der oberen Fläche des Silizium-Halbleitersubstrats 2 an einem Ende davon durch Aufdampfen oder -spritzen von Al, Au oder dergleichen ausgebildet. Der Anschluß 25 ist über das leitfähige Silizium-Halbleitersubstrat 2 elektrisch mit dem Membranabschnitt (der beweglichen Elektrode) 22 verbunden. Der Anschluß 26 ist durch die Nut 28 und die Isolierschicht 29 - wie oben erwähnt - elektrisch vom Silizium-Halbleitersubstrat 2 isoliert, jedoch über den Verbindungsfilm 34 mit der fix montierten Elektrode 31 verbunden. Nicht dargestellte Drähte sind einerseits mit den äußeren Verbindungs- Elektroden 25 und 26 verbunden, die jeweils elektrisch voneinander getrennt sind, andererseits mit einer äußeren elektrostatischen Kapazitanzmeßschaltung (einer Schaltung zum Detektieren von Beschleunigung oder Druck) verbunden.
Der Fixiervorsprung 24 kann getrennt vom Membranabschnitt 22 ausgebildet sein. Beispielsweise ist eine Mehrschichtstruktur im Mittelabschnitt des Membranabschnitts 22 ausgebildet, um die gleiche Höhe zu besitzen wie die Tiefe der Ausnehmung 23, die als Fixiervorsprung dient. Zumindest eine Schicht der Mehrschichtstruktur besteht aus Isoliermaterial, sodaß elektrische Isolierung zwischen den Substraten 2 und 3 sichergestellt und eine Funktionsstörung aufgrund von Verluststrom verhindert werden kann.
Das Element zum Fixieren des Mittelabschnitts des Membranabschnitts 22 ist nicht notwendigerweise auf den Fixiervorsprung zwischen dem Membranabschnitt 22 und dem Substrat 3 beschränkt. Beispielsweise kann der Mittelabschnitt des Membranabschnitts an einem äußeren Element, Gerät oder einem Teil davon (an einem Element, an dem der Rahmenabschnitt des Siliziumsubstrats 2 oder der kapazitive Sensor angebracht ist) mittels eines Fixierelements befestigt sein.
In dieser Ausführungsform sind die seitlichen Querschnitte des Membranabschnitts 22 und des Fixiervorsprungs 24 beide Kreise, sodaß die Verteilung der Spannungen, die auf die Oberfläche des Membranabschnitts 22 einwirken, punktsymmetrisch erfolgen kann und eine mechanisch stabile Verlagerung des Membranabschnitts 22 ermöglicht wird.
Beide Substrate 2 und 3 können aus einem Silizium-Halbleiter bestehen, und eine Isolierschicht (eine Glasschicht oder dergleichen) ist zwischen dem Rahmenabschnitt 21 des Substrats 2 und dem Substrat 3 angeordnet. Da die Substrate 2 und 3 des Silizium- Halbleiters leitfähig sind, werden die Substrate selbst als bewegliche Elektrode 22 bzw. als fix montierte Elektrode 31 verwendet, sodaß es nicht erforderlich ist, Elektroden 2 und 3 und komplizierte Verdrahtungen auf den Substraten vorzusehen. Da außerdem das Material das gleiche ist wie in den Substraten 2 und 3 und der Wärmeausdehnungskoeffizient ebenfalls gleich ist, kann ein Verziehen aufgrund der Änderung der Umgebungstemperatur verhindert werden.
Wenn Beschleunigung oder Druck auf den kapazitiven Sensor einwirkt, verlagert sich bzw. schwingt der Membranabschnitt 22 nach oben und/oder unten. Der Zwischenraum zwischen dem Membranabschnitt (bewegliche Elektrode) 22 und der fix montierten Elektrode 31 ändert sich, sodaß sich die elektrostatische Kapazitanz C zwischen den Elektroden 22 und 31 ebenfalls ändert. Ein elektrisches Signal, das die Änderung der Kapazitanz C oder ihres Kehrwerts 1/C darstellt (im allgemeinen wird der Kehrwert 1/C als Ausgang des Sensors verwendet), wird erhalten, um die Beschleunigung oder den Druck zu detektieren.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer Form des Querschnitts des Membranabschnitts 22, wenn eine äußere Kraft (Isodruckverteilung) auf dessen untere Oberfläche ausgeübt wird.
Die strichpunktierte Linie stellt eine Form des Querschnitts des Membranabschnitts 22 in einem (herkömmlichen) Fall dar, in dem kein Fixiervorsprung 24 vorgesehen ist, während die durchgehende Linie eine Form des Querschnitts des Membranabschnitts 22 in einem Fall darstellt, in dem der Fixiervorsprung 24 vorgesehen ist.
Da der Membranabschnitt 22 an seiner Peripherie durch den Rahmenabschnitt 21 abgestützt ist, wie oben beschrieben, ist der Membranabschnitt 22 - wie mittels einer strichlierten Linie angezeigt - im Anfangsstadium flach. Der Membranabschnitt 22 verbiegt sich, wenn eine äußere Kraft (Isodruckverteilung) ausgeübt wird.
In einem (herkömmlichen) Fall, in dem kein Fixiervorsprung vorgesehen ist, biegt sich der Membranabschnitt 22 wie eine Kuppel (dargestellt durch die strichpunktierte Linie), um vor allem im Mittelabschnitt davon vorzuragen, wenn eine äußere Kraft ausgeübt wird. Demzufolge ist der Abschnitt (der Bereich mit maximaler Verlagerung) des Membranabschnitts 22, der die größte Verlagerung aufweist, nur der Mittelabschnitt des Membranabschnitts 22.
Wenn der Fixiervorsprung 24 vorhanden ist, bildet der Bereich des Membranabschnitts 22 mit maximaler Verlagerung einen Ring (siehe durchgehende Linie), da der Mittelabschnitt des Membranabschnitts 22 fixiert ist. Die Fläche des Bereichs mit maximaler Verlagerung nimmt im Vergleich zu einem herkömmlichen Fall deutlich zu, sodaß auch die Flachheit des Membranabschnitts 22 zunimmt, wodurch die Linearität der Kapazitanz im Verhältnis zum ausgeübten Druck (die Linearität des Sensorausgangs) steigt.
Fig. 3 zeigt grafische Darstellungen der Beziehungen zwischen dem angelegten Druck P [kPa] und dem Kehrwert 1/C [pF&supmin;¹] der elektrostatischen Kapazitanz C [pF], der Nichtlinearität [%] des Kehrwerts 1/C der Kapazitanz im Verhältnis zur Änderung des Drucks P im kapazitiven Sensor mit der obigen Struktur und der Nichtlinearität des Kehrwerts 1/C der Kapazitanz im Verhältnis zur Änderung des angelegten Drucks P im (herkömmlichen) Fall, in dem kein Fixiervorsprung vorhanden ist.
Die Nichtlinearität des Kehrwerts der elektrostatischen Kapazitanz im Verhältnis zur Druckänderung wird durch die folgende Gleichung dargestellt:
Nichtlinearität = ΔC/[(1/Cmin) - (1/Cmax)] · 100%
Der Kehrwert der minimalen Kapazitanz Cmin wird im meßbaren Druckbereich (im gesamten Bereich) durch 1/Cmin und der Kehrwert der maximalen Kapazitanz Cmax durch 1/Cmax ausgedrückt. Das Symbol ΔC stellt eine maximale Abweichung einer Kurve, die Beziehungen zwischen dem Druck und dem Kehrwert der Kapazitanz ausdrückt, von einer Ideallinie dar (einer Linie, die einen 1/Cmin entsprechenden und einen 1/Cmax entsprechenden Punkt verbindet).
Eine Gleichung, die die Nichtlinearität der Kapazitanz im Verhältnis zur Druckänderung darstellt, wird erhalten, indem man h/Cmin durch Cmax und 1/Cmax durch Cmin ersetzt,
In Fig. 3 beträgt der Maximalwert der Nichtlinearität des Kehrwerts 1/C der Kapazitanz 1,2% im kapazitiven Drucksensor, in dem der Mittelpunkt des Membranabschnitts 22 durch den Fixiervorsprung 24 fixiert ist, während der Maximalwert der Nichtlinearität des Kehrwerts 1/C der Kapazitanz 2,5% im kapazitiven Drucksensor der gleichen Struktur wie oben beträgt, außer daß kein Fixiervorsprung vorgesehen ist. Die Nicht linearität von 1/C im Sensor gemäß der Ausführungsform ist die Hälfte jener des herkömmlichen Sensors.
Fig. 4 ist eine grafische Darstellung der Beziehungen zwischen der Sensitivität des kapazitiven Sensors (Verhältnis der Kapazitanz, wenn maximaler Druck ausgeübt wird, zur Kapazitanz, wenn der Druck gleich null ist) und der Nichtlinearität [%] des Kehrwerts 1/C der Kapazitanz darstellt. In dieser Abbildung deutet die durchgehende Linie einen Fall an, in dem der Fixiervorsprung 24 vorgesehen ist, während die strichlierte Linie einen Fall anzeigt, in dem kein Fixiervorsprung vorgesehen ist.
Die Sensitivität des kapazitiven Sensors wird durch nachstehende Gleichung ausgedrückt:
Sensitivität = [(1/Cmin) - (1/Cmax)] / (h/Cmin)
Fig. 4 ist eine grafische Darstellung, die erhalten wird, indem die Sensitivitäten und maximalen Nichtlinearitäten hinsichtlich unterschiedlicher Arten kapazitiver Drucksensoren erhalten und aufgetragen werden, worin sich die Dicke des Membranabschnitts 22 oder die Tiefe der Ausnehmung 23 voneinander unterscheidet (d. h. die Sensitivitäten sind unterschiedlich).
Die Sensitivität des kapazitiven Sensors nimmt ab, wenn der Membranabschnitt 22 durch den Fixiervorsprung 24 im Mittelpunkt fixiert wird. Man beachte jedoch, daß die Linearität gesteigert werden kann, wenn der kapazitive Sensor mit dem Fixiervorsprung 24 mit dem kapazitiven Sensor ohne Fixiervorsprung mit gleicher Sensititivät wie der obige Sensor verglichen wird. Die Sensitivität des kapazitiven Sensors kann durch Änderung der Dicke des Membranabschnitts eingestellt werden.
Die Fig. 5a bis 5f zeigen Verfahren zur Herstellung des Silizium-Halbleitersubstrats 2, die Fig. 6a und 6b zeigen Verfahren zur Herstellung des Glassubstrats 3, und die Fig. 7a und 7b zeigen Verfahren zur Herstellung des kapazitiven Drucksensors. Es sind dies Schnittansichten, die Fig. 1a entsprechen.
In den Herstellungsverfahren des Silizium-Halbleitersubstrats 2 wird zuerst ein Siliziumsubstrat (Siliziumwafer) 2a gefertigt (Fig. 5a), bevor Masken 50 an den Abschnitten des Siliziumsubstrats 2a hergestellt werden, wo der Rahmenabschnitt 21 und der Fixiervorsprung 24 auszubilden sind (die Abschnitte, die bleiben sollen ohne geätzt zu werden) (Fig. 5b).
Die Abschnitte des Siliziumsubstrats 2a, wo keine Masken 50 ausgebildet sind, werden vertikal geätzt, um die Ausnehmung 23 zu bilden; dies geschieht unter Verwendung einer wäßrigen alkalischen Lösung, wie z. B. Kaliumhydroxid (KOH) oder Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH), oder durch Trockenätzen unter Verwendung von Gasplasma (Fig. 5c).
Um die Sensitivität der beweglichen Elektrode (Membranabschnitt) 22 zu senken, wird Bor (B) auf der Oberfläche der Ausnehmung 23 des Siliziumsubstrats 2a ionenimplantiert. Anschließend werden die Masken 50 entfernt. Die Nut 28 wird im Silizium-Halbleitersubstrat 2a ausgebildet, um die elektrische Isolierung zwischen dem Verbindungsfilm 34 und einem äußeren Verbindungs-Anschluß 26 sowie dem Silizium-Halbleitersubstrat 2a sicherzustellen, und außerdem ist eine Isolierschicht 29 im Boden und den Seitenwänden der Nut 28 ausgebildet.
Außerdem werden der Anschluß 25 zur Drahtverbindung und der Anschluß 26 zur Verbindung der fix montierten Elektrode 31 auf dem Glassubstrat 3 durch Aufspritzen von Aluminium auf das Siliziumsubstrat 2a ausgebildet (Fig. 5d).
Die Masken 51, die zum Anisotropieätzen zur Herstellung des Membranabschnitts 22 verwendet werden, werden auf der unteren Fläche des Siliziumsubstrats 2a durch Abla gerung von Siliziumnitrid-Film (SiN-Film) auf dem Abschnitt, der als Rahmenabschnitt 21 zurückbleiben soll, ausgebildet (Fig. 5e).
Die zum Schutz dienenden Isolierfilme 27 werden auf dem Boden und den Seiten der Ausnehmung 23 nach dem CVD-Verfahren (chemisches Aufdampfen) abgelagert (Fig. 5f).
In den Herstellungsverfahren für das Substrat 3 wird das Glassubstrat 3 hergestellt (Fig. 6a). Die fix montierte Elektrode 31 und der Verbindungsfilm 34 werden durch Aufdampfen von Aluminium auf das Glassubstrat 3 gebildet (Fig. 6b). Die Aluminiumfilme werden vom Mittelabschnitt 33 der fix montierten Elektrode 31, wo der Fixiervorsprung 24 zu fixieren ist, und von den Abschnitten, wo der Rahmenabschnitt 21 anzubringen ist, entfernt.
Das Substrat 3 und das Siliziumsubstrat 2a, die gemäß der obigen Beschreibung hergestellt werden, werden überlappt, sodaß die fix montierte Elektrode 31 und die Ausnehmung 23 einander zugewandt sind, und durch Anoden-Bindung miteinander verbunden. Der Rahmenabschnitt 21 und der Fixiervorsprung 24 des Siliziumsubstrats 2a werden mit den damit korrespondierenden Abschnitten des Substrats 3 verbunden (Fig. 7a). Es wird Kontakt zwischen dem äußer Verbindungs-Anschluß 26 und dem Verbindungsfilm 34 an dessen Endfläche hergestellt, damit er elektrisch mit der fix montierten Elektrode 31 verbunden wird.
Die untere Fläche des Siliziumsubstrats 2a wird durch Anisotropieätzen unter Verwendung einer wäßrigen alkalischen Lösung, wie z. B. KOH, geätzt, um den dünnen Membranabschnitt 22 zu bilden. Schließlich werden die Masken 51 entfernt (Fig. 7b).
Obwohl lediglich die Substrate 2a und 3 zur Herstellung eines Sensors in den Fig. 5a bis 7b dargestellt sind, sind Elektroden, Ausnehmungen und Membranen zur Herstellung zahlreicher Sensoren in tatsächlichen Herstellungsverfahren regelmäßig auf Wafers chen angeordnet. Verbundene Wafers werden durch Dicen geteilt, um viele kapazitive Sensorchips zu erhalten.
Die Fig. 8a bis 8c zeigen ein weiteres Beispiel für ein Verfahren zur Bildung einer Ausnehmung auf dem Silizium-Halbleitersubstrat 2.
Als erstes werden Siliziumnitrid-Filme 52 nach dem CVD-Verfahren auf dem Siliziumsubstrat 2a abgelagert. Der Siliziumnitrid-Film 52 wird durch Ätzen von jenem Bereich entfernt, in dem die Ausnehmung 23 ausgebildet werden soll (Fig. 8a).
Siliziumoxid-Filme 53 werden nah dem LOCOS-Verfahren (lokale Siliziumoxidation) unter Ausnützung der Tatsache erzeugt, daß die Siliziuminitrid-Filme 52 eine Maskenfunktion gegenüber Sauerstoff erfüllen; sie werden auf den Oberflächen jener Bereiche auf dem Siliziumsubstrat 2a ausgebildet, wo keine Siliziumnitrid-Filme 52 ausgebildet sind (Fig. 8b).
Die nach dem LOCOS-Verfahren erzeugten Siliziumoxid-Filme 53 und die ungeätzten Siliziumnitrid-Filme 52 werden mit Flußsäure entfernt, um die Ausnehmung 23A zu bilden (Fig. 8c). Die daran anschließenden Verfahren werden in gleicher Weise wie die Verfahren aus Fig. 7d und den folgenden durchgeführt.
Die Präzision bei der Erzeugung der Ausnehmung (des Zwischenraums) wird verbessert, und die Verfahren zur Herstellung der Ausnehmung werden mittels des LOCOS-Verfahrens vereinfacht.
Die Fig. 9a bis 9d zeigen ein weiteres Beispiel für ein Verfahren zur Bildung der Ausnehmung 23 auf dem Silizium-Halbleitersubstrat 2a.
Die Ausnehmung 23 wird durch Ätzen eines Bereichs des Siliziumsubstrats 2a ausgebildet, der einen Abschnitt enthält, in dem kein Fixiervorsprung 24 gebildet werden soll (Fig. 9a und 9b).
Als nächstes wird ein Siliziumoxid-(SiO&sub2;-)Film 54 auf der gesamten Oberfläche des Siliziumsubstrats 2a abgelagert, dessen Dicke der Tiefe der Ausnehmung 23 entspricht (Fig. 9c). Der Siliziumoxid-Film 54 wird mit Ausnahme jenes Abschnitts, in dem der Fixiervorsprung 24 gebildet werden soll, geätzt, sodaß der Fixiervorsprung 24 in der Ausnehmung 23 verbleibt (Fig. 9d). Die anschließenden Verfahren sind die gleichen wie die Verfahren aus Fig. 7d und den folgenden.
Fig. 10 zeigt ein Beispiel für eine unterschiedliche Art von kapazitivem Sensor.
Diese andere Art von kapazitivem Drucksensor umfaßt ein Silizium-Halbleitersubstrat (ein erstes Substrat) 2 und zwei Substrate (zweite Substrate) 3 und 4, die das Silizium- Halbleitersubstrat 2 sandwichartig umschließen. Das Substrat 4 weist die gleiche Konstruktion wie das oben beschriebene Substrat 3 auf.
Das Silizium-Halbleitersubstrat 2 ist mit einem nach oben und unten ragenden Rahmenabschnitt 21 und einem dünnen Membranabschnitt 22 versehen. Das Silizium-Halbleitersubstrat 2 wird durch Anoden-Bindung an der oberen und unteren Fläche des Rahmenabschnitts 21 mit den Substraten 3 und 4 verbunden. Die Substrate 3 und 4 sind mit druckzuführenden Einlässen 32 und 42 sowie mit fix montierten Elektroden 31 und 41 versehen. Der Membranabschnitt 22 ist mit zylindrischen Fixiervorsprüngen 24 versehen, die in den Mittelpunkten dessen oberer und unterer Fläche jeweils nach oben und unten ragen, wobei die Fixiervorsprünge 24 mit dem oberen bzw. unteren Substrat 3 bzw. 4 verbunden sind. Es kann auch nur ein Fixiervorsprung 24 auf einer Oberfläche des Membranabschnitts 22 ausgebildet sein.
Wenn Referenzdruck dem Druckeinlaß 42 auf dem einen Substrat 4 zugeführt wird und der zu messende Druck dem Druckeinlaß 32 auf dem anderen Substrat 3 zugeführt wird, verlagert sich (oder schwingt) der Membranabschnitt 22 gemäß der Differenz zwischen den Drücken nach oben und/oder unten. Der Zwischenraum zwischen dem Membranabschnitt 22 und der oberen fix montierten Elektrode 31 und der Zwischenraum zwischen dem Membranabschnitt 22 und der unteren fix montierten Elektrode 41 verändern sich, sodaß sich die Kapazitanz zwischen dem Membranabschnitt 22 und der fix montierten Elektrode 31 sowie die Kapazitanz zwischen dem Membranabschnitt 22 und der fix montierten Elektrode 41 ändern. Auf der Grundlange der Differenz zwischen den Kapazitanzen wird Beschleunigung oder Druck gemessen.
Auf der Grundlage der Differenz zwischen der Kapazitanz gemäß dem Referenzdruck und der Kapazitanz gemäß dem zu messenden Druck werden unerwünschte Kapazitanzen (aufgrund der Verdrahtungen und dergleichen im Halbleiterchip), die parallel zu den obigen Kapazitanzen bestehen, aufgehoben, sodaß ein präziserer Sensor erzeugt werden kann.

Claims

1. Kapazitiver Sensor zur Druckmessung, umfassend ein erstes Substrat (2) mit einem durch äußere Krafteinwirkung verlagerbaren dünnen Abschnitt (22) und einer auf dem dünnen Abschnitt ausgebildeten, beweglichen Elektrode, sowie ein zweites Substrat (3) mit einer in einer Position gegenüber der beweglichen Elektrode fix montierten Elektrode (31), wobei ein Zwischenraum (23) zwischen der beweglichen und der fix montierten Elektrode vorhanden ist,

dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor außerdem ein Fixierelement (24) zum Fixieren des Mittelabschnitts des dünnen Abschnitts am zweiten Substrat umfaßt, um eine Verlagerung des Mittelabschnitts des dünnen Abschnitts zu verhindern.

2. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eines von erstem und zweitem Substrat mit einer Ausnehmung (23) zum Bilden des Zwischenraums versehen ist und ein Vorsprung (24) in der Ausnehmung einstückig mit dem ersten oder zweiten Substrat ausgebildet ist, wobei die Höhe des Vorsprungs im wesentlichen der Tiefe der Ausnehmung entspricht.

3. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fixierelement eine Mehrschichtstruktur ist, die zumindest eine auf dem ersten oder zweiten Substrat ausgebildete Isolierschicht umfaßt.

4. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor auf der Grundlage elektrostatischer Kapazitanz zwischen der beweglichen und der fix montierten Elektrode Druck detektiert.

5. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Substrat aus einem Silizium-Halbleiter besteht und der dünne Abschnitt als bewegliche Elektrode dient.

6. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das erste als auch das zweite Substrat aus einem Silizium-Halbleiter bestehen und Abschnitte der Substrate als bewegliche bzw. fix montierte Elektrode dienen.

7. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die fix montierte Elektrode kreisförmig ist und das Fixierelement in der Mitte der fix montierten Elektrode angebracht ist.

8. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der dünne Abschnitt kreisförmig ist und das Fixierelement in der Mitte des dünnen Abschnitts angebracht ist.

9. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 8, worin der dünne Abschnitt von seiner Mitte bis zu seinem Umfang dünn ist.

10. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Substrat einen Außenrahmen umfaßt, der um den dünnen Abschnitt herum angeordnet ist, wobei der Außenrahmen eine größere Dicke als der dünne Abschnitt aufweist.

11. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, worin der dünne Abschnitt in jenem Teil, der an die fix montierte Elektrode angrenzt, etwa gleichmäßige Dicke aufweist.