-
Technisches Gebiet:
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleitersensor mit einer
Mikrohohlraumstruktur, die auf der Grundlage der Technik des Ätzens einer
Opferschicht erzeugt wird, und insbesondere einen Halbleiterdruckdetektor
mit elektrostatischer Kapazität.
-
Technischer Hintergrund:
-
Der
Stand der Technik bezüglich
der vorliegenden Erfindung ist in der
japanischen Offenlegungsschrift Nr. Hei 08-501156 (entsprechend
der
WO 94/17383 A )
offenbart, wie beispielsweise in
23 gezeigt.
Dieses Patent beschreibt den Drucksensor, der gemäß der Technik
des Ätzens
einer Opferschicht gefertigt ist. Das Ätzen einer Opferschicht wird
beispielsweise in dem folgenden Prozess durchgeführt: eine später zu entfernende
Opferschicht wird im Voraus auf dem Substrat ausgebildet und ein
Teil dieser Schicht wird entfernt. Darauf wird ein Film gebildet,
der als Struktur oder Anker bleibt, und der Endabschnitt der Opferschicht
wird nach außen
freigelegt. Dieser Abschnitt wird durch Ätzen entfernt, dann werden
ein Sensor und Stellglied mit dem Strukturfilm gefertigt, oder dieser
Prozess wird einige Male wiederholt, um eine kompliziertere Struktur
zu bilden. Auf der Oberfläche
eines Siliciumsubstrats
1 wird eine feste Elektrode
3 ausgebildet
und darauf wird eine Polysiliciummembran
6 gebildet, wobei
sich ein Spalt
7 dazwischen befindet. Dieser Spalt
7 wird durch Ätzen und
Entfernen der bereits in diesem Bereich gebildeten Opferschicht über einen Ätzkanal
12 ausgebildet,
der auf einem Teil der Polysiliciummembran
6 vorgesehen
ist. Zum Schließen
dieses Ätzkanals
12 und
zum Bereitstellen einer Vakuumversiegelung des Spalts
7 wird
ein Siliciumoxidfilm
8 so ausgebildet, dass er die ganze
Ober fläche
der Polysiliciummembran
6 und einen Teil des Siliciumsubstrats
1 überdeckt.
Im Ergebnis wird der Spalt
7 als vakuumversiegelte Druckreferenzkammer
ausgebildet, und zwischen der festen Elektrode
3, die auf
dem Substrat in der Druckreferenzkammer vorgesehen ist, und einer
leitenden Membran (einer beweglichen Elektrode), die aus dem Polysiliciumfilm
6 besteht,
wird ein Kondensator gebildet. Wenn sich der Außendruck ändert, wird der Polysiliciumfilm
durch einen Differenzdruck von der Druckreferenzkammer verschoben
und ein Spalt zwischen den zwei Elektroden verändert, so dass eine Änderung
der Kapazität
des Kondensators verursacht wird. Diese Kapazitätsänderung wird verwendet, um
den Druck zu erfassen.
-
Ein
weiterer Stand der Technik bezüglich
der vorliegenden Erfindung ist in der
japanischen
Patentoffenlegungsschrift Nr. Hei 11-14482 offenbart. Dieses
Patent betrifft auch den Kapazitätsdrucksensor, der
gemäß der Technik
des Ätzens
einer Opferschicht gefertigt ist. In diesem Fall wird ein Siliciumnitridfilm
verwendet, um den Ätzkanal
zu versiegeln.
-
Um
die Zuverlässigkeit
bei der langfristigen Verwendung des Drucksensors mit der oben erwähnten Struktur
sicherzustellen, ist es notwendig, den hermetischen Aufbau der Druckreferenzkammer
zu verstärken
und eine zeitliche Veränderung
der Ausgabe zu verhindern. Dies erfordert eine sorgfältige Auswahl
einer geeigneten Versiegelungsstruktur des Ätzkanals und ein zweckmäßiges Versiegelungsmaterial.
Die
japanische Patentoffenlegungsschrift
Nr. Hei 08-501156 offenbart einen Siliciumoxidfilm, der als
Versiegelungsmaterial verwendet wird. Der Siliciumoxidfilm ist jedoch
bis zu einem gewissen Grad feuchtigkeitsdurchlässig. In einer sehr feuchten
Umgebung kann daher Feuchtigkeit durch den Oxidfilm in den Spalt
eindringen, was Änderungen
der Charakteristika verursacht.
-
Falls
der Ätzkanal
durch einen Nitridsiliciumfilm versiegelt wird, wie in der
japanischen Patentoffenlegungsschrift
Nr. Hei 11-14482 offenbart, ändern sich die Charakteristika
einer derartigen Struktur als Membran im Laufe der Zeit, da der
Siliciumnitridfilm nach der Filmbildung eine sehr große Filmbelastung hat.
Demgemäß erfordert
eine Verhinderung der Verformung eine Reduzierung der Dicke des
zum Versiegeln verwendeten Siliciumnitridfilms. Dies führt zu Beschränkungen
der Größe des Ätzkanals, Ätzversagen
bei der Opferschicht oder erhöhter Ätzzeit.
-
Die
frühere
Anmeldung
EP 0 947 816 offenbart
einen Halbleiterdrucksensor vom elektrostatischen Kapazitätstyp, bei
dem eine bewegliche Elektrode (Membran) über einem Substrat ausgebildet ist.
Eine Druckaufnahmeoberfläche
der Membran ist mit einem Isolierfilm überzogen, der weiterhin mit
einem elektrisch leitenden Film mit elektromagnetischer Abschirmung überzogen
ist.
-
Offenbarung der Erfindung:
-
Die
vorliegende Erfindung soll die oben genannten Probleme lösen. Ihre
Aufgabe ist es, eine Ätzkanalversiegelungsstruktur
vorzuschlagen, die in hohem Maße
beständig
gegen Feuchtigkeit und eine zeitliche Veränderung der Membran in dem
gemäß der Technik
des Ätzens
einer Opferschicht erzeugten Drucksensor ist, und einen Drucksensor
bereitzustellen, der durch ausgezeichnete Produktivität und Haltbarkeit
gekennzeichnet ist.
-
Die
Erfindung stellt einen Druckdetektor gemäß Anspruch 1 bereit.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
-
1 ist
eine Querschnittsansicht, die eine erste Ausführungsform darstellt, welche
für das
Verständnis
der Erfindung nützlich
ist;
-
2 ist
eine Draufsicht, die die erste Ausführungsform darstellt;
-
3 ist
eine Zeichnung, die darstellt, wie Feuchtigkeit durch den Siliciumoxidfilm
hindurchgeht;
-
4 ist
eine Zeichnung, die einen Teil des Herstellungsprozesses bei der
ersten Ausführungsform
darstellt;
-
5 ist
eine Zeichnung, die einen Teil des Herstellungsprozesses bei der
ersten Ausführungsform
darstellt;
-
6 ist
eine Zeichnung, die einen Teil des Herstellungsprozesses bei der
ersten Ausführungsform
darstellt;
-
7 ist
eine Zeichnung, die einen Teil des Herstellungsprozesses bei der
ersten Ausführungsform
darstellt;
-
8 ist
eine Zeichnung, die einen Teil des Herstellungsprozesses bei der
ersten Ausführungsform
darstellt;
-
9 ist
eine Zeichnung, die einen Teil des Herstellungsprozesses bei der
ersten Ausführungsform
darstellt;
-
10 ist
eine Zeichnung, die einen Teil des Herstellungsprozesses bei der
ersten Ausführungsform
darstellt;
-
11 ist
eine Zeichnung, die einen Teil des Herstellungsprozesses bei der
ersten Ausführungsform
darstellt;
-
12 ist
eine Zeichnung, die einen Teil des Herstellungsprozesses bei der
ersten Ausführungsform
darstellt;
-
13 ist
eine Zeichnung, die einen Teil des Herstellungsprozesses bei der
ersten Ausführungsform
darstellt;
-
14 ist
eine Schnittansicht, die eine zweite Ausführungsform darstellt, welche
für das
Verständnis
der Erfindung nützlich
ist;
-
15 ist
eine Zeichnung, die Änderungen der
Form eines Polysiliciumfilms zum Oberflächenschutz bei der zweiten
Ausführungsform
darstellt;
-
16 ist
eine Draufsicht, die eine dritte Ausführungsform darstellt, welche
für das
Verständnis
der Erfindung nützlich
ist;
-
17 ist
eine Schnittansicht, die einen Referenzkondensator bei der dritten
Ausführungsform darstellt;
-
18 ist
ein Schaltungsdiagramm, das eine Kapazitätserfassungsschaltung bei der
dritten Ausführungsform
darstellt;
-
19 ist
eine Zeichnung, die das Automotorsteuerungssystem unter Verwendung
eines Halbleiterdrucksensors darstellt;
-
20 ist
eine Schnittansicht, die eine vierte Ausführungsform darstellt, welche
für das
Verständnis
der Erfindung nützlich
ist;
-
21 ist
eine Draufsicht, welche die vierte Ausführungsform darstellt;
-
22 ist
eine Draufsicht, die eine fünfte Ausführungsform
des Stands der Technik darstellt;
-
23 ist
eine Schnittansicht, die den Drucksensor gemäß dem Stand der Technik darstellt;
-
24 veranschaulicht
einen Druckdetektor gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
-
25 veranschaulicht
einen Druckdetektor gemäß der vorliegenden
Erfindung.
-
Beste Ausführungsform der Erfindung:
-
Im
Folgenden wird eine ausführliche
Beschreibung unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen gezeigten
Ausführungsformen
gegeben: 1 ist eine Querschnittsansicht,
die eine Ausführungsform
eines Halbleiterdrucksensors darstellt, und 2 ist eine
Draufsicht davon. Im Folgenden wird die Struktur unter Bezugnahme
auf 1 und 2 beschrieben. Für das Substrat
wird ein Einkristall-Siliciumsubstrat 1 verwendet, und
auf dessen Oberfläche
ist als Isolationsschicht ein Siliciumoxidfilm 2 ausgebildet.
Auf dem Siliciumoxidfilm 2 ist eine feste Elektrode 3 ausgebildet,
die aus Polysilicium hergestellt ist, wobei Phosphor oder andere
Fremdatome darauf verteilt sind. Auf der festen Elektrode 3 ist
ein Siliciumoxidfilm 4 ausgebildet, und auf dessen Oberfläche ist
ein Siliciumnitridfilm 5 gebildet, um die Substratoberfläche bei
dem später
zu erörternden Prozess
des Ätzens
einer Opferschicht zu schützen und
einen Leckstrom auf der Substratoberfläche zu verhindern. Oben auf
dem Siliciumnitridfilm 5 ist eine Polysiliciummembran 6 ausgebildet,
wobei ein Teil ihres Umfangs auf dem Siliciumnitridfilm 5 befestigt
ist, und es wird ein sehr kleiner Raum 7 gebildet, der
von der Membran und dem Substrat umgeben ist. Der an dem Substrat
befestigte Membranabschnitt 8 ist ringförmig, aber in gleichmäßigen Abständen durchbrochen.
Der durchbrochene Abschnitt dient als Ätzkanal 12, der zu
dem Spalt führt.
Der Ätzkanal
dient als Weg für
das Eindringen eines Ätzmittels
in den Spalt zum Zeitpunkt des später zu erörternden Ätzens der Opferschicht. Zum
Verschließen
dieses Ätzkanals 12 und
zum Vakuumversiegeln des Spalts werden der Substratabschnitt nahe
bei dem Umfang der Polysiliciummembran 6 und die Oberfläche der
Außenwand der
Polysiliciummembran 6 mit einem Siliciumoxidfilm 9 überdeckt,
der zum Versiegeln verwendet wird. Dieses Versiegelungsmaterial
ist erforderlich, um die folgenden Bedingungen zu erfüllen: Da
es gleichzeitig das Substrat und die bewegliche Elektrode überdecken
muss, muss es isoliert sein, um zu verhindern, dass ein Leckstrom
zwischen diesen fließt.
Da es zweitens die Seitenwand der Membran überdeckt, muss es eine ausgezeichnete
Stufenüberdeckung bereitstellen,
und das Versiegelungsmaterial darf nicht in das Innere des Spalts
eindringen. Drittens muss es aus einem kompakten Film bestehen,
um die Hermetizität über eine
lange Zeit aufrechtzuerhalten. Schließlich kann der Film in einer
kurzen Zeit gebildet werden. Als ein Material, das fast alle diese
Bedingungen erfüllt,
wird bei der vorliegenden Ausführungsform
ein Siliciumoxidfilm 9 eingesetzt, der durch das CVD (chemical
vapor deposition)-Verfahren gebildet ist. Wie in 3 gezeigt,
ist jedoch der Fehler beim Versiegeln durch einen Siliciumoxidfilm 9,
dass, wenn er über
einen langen Zeitraum einer Umgebung mit hoher Temperatur und hoher
Feuchtigkeit ausgesetzt wird, durch den Siliciumoxidfilm Feuchtigkeit
in den Spalt eindringen und die Ausgabecharakteristika verändern kann.
Zum Beseitigen dieser Möglichkeit
ist bei der vorliegenden Erfindung ein undurchlässiger Polysiliciumfilm 10 mit
einem Wasserdiffusionskoef fizienten von 1 × 10–6 (m2/s) oder weniger auf der Oberfläche des
Siliciumoxidfilms 9 ausgebildet, wodurch verhindert wird,
dass Feuchtigkeit den Siliciumoxidfilm 9 durchdringt. Dieser
Polysiliciumfilm 10 ist an dem Grundpotential befestigt,
das durch Diffusion von Phosphor und anderen Fremdatomen leitend
gemacht wird, und dient als Abschirmung gegen eine elektrostatische
Entladung, um zu verhindern, dass Innenpartikel und andere äußere elektrische
Ladungen die Messung der Kapazität
beeinflussen.
-
Im
Folgenden wird unter Bezugnahme auf 1 das Funktionsprinzip
beschrieben: die Siliciummembran 6 dient als bewegliche
Elektrode und bildet einen Kondensator zwischen sich und der festen
Elektrode 3, wobei sich dazwischen ein sehr kleiner Spalt
befindet. Das Innere des Spalts ist eine Vakuumdruckreferenzkammer,
und die Siliciummembran 6 wird aufgrund eines Differenzdrucks
zwischen der Druckreferenzkammer und der Außenseite durchgebogen. Der
Elektrodenspalt des Kondensators wird durch die Durchbiegung der
Siliciummembran 6 ansprechend auf den Außendruck
verändert, und
die Kapazität
des Kondensators wird Änderungen
unterworfen. Diese Kapazitätsänderung
wird als Spannungsänderung
durch die geschaltete Kondensatorschaltung, Diodenbrückenschaltung
oder dergleichen erfasst.
-
Im
Folgenden wird das Herstellungsverfahren beschrieben: der Herstellungsprozess
für diesen Sensor
basiert auf dem LSI-Herstellungsprozess. Zuerst wird, wie in 4 gezeigt,
das Einkristall-Siliciumsubstrat 1 thermischer Oxidation
unterworfen, und ein als Isolierschicht dienender Siliciumoxidfilm 2 wird
auf der oberen Oberfläche
des Substrats ausgebildet. Dann wird auf dessen Oberfläche durch
das CVD-Verfahren ein Polysiliciumfilm ausgebildet und Phosphor
und andere Fremdatome werden verteilt, um ihn elektrisch leitend
zu machen. Dann wird durch die Fotoätztechnik eine gewünschte Form der
festen Elektrode 3 erhalten. Dann werden, wie in 5 gezeigt,
der Siliciumoxidfilm 4 und der Siliciumnitridfilm 5 als
Grenzschichten gemäß dem CVD-Verfahren auf
der Oberfläche
des Substrats gebildet. Danach wird eine aus Phosphatglas (PSG)
bestehende Opferschicht 13 gemäß dem CVD-Verfahren ausgebildet,
wie in 6 gezeigt. Die Dicke dieser Opferschicht ist gleich
der Höhe
eines später
zu bildenden gewünschten
Spalts (Elektrodenspalts). Diese Opferschicht 13 wird durch
die Fotoätztechnik
verarbeitet, und gewünschte
Formen des Spalts 7, des an dem Substrat befestigten Membranabschnitts 8 und
des Ätzkanals 12 werden
in einem Arbeitsgang erhalten. Wie in 7 gezeigt,
wird der Polysiliciumfilm 14 durch das CVD-Verfahren auf
der Opferschicht 13 ausgebildet und mit Phosphor oder anderen
Fremdatomen, die darauf verteilt sind, elektrisch leitend gemacht.
Dann wird er durch die Fotoätztechnik
verarbeitet, um eine gewünschte
Form der Membran 6 zu erhalten, wie in 8 gezeigt.
Hier wird ein Teil der Opferschicht 13 von dem Ätzkanal
nach außen
freigelegt.
-
Wenn
dieses Substrat in ein Ätzmittel
auf HF-Basis getaucht wird, wird nur die Opferschicht 13 durch
den Ätzkanal 12 entfernt,
wie in 9 gezeigt, und ein sehr kleiner Spalt 7 wird
sandwichartig eingeschlossen zwischen dem Substrat und dem Polysiliciumfilm 6 gebildet.
Dann wird, wie in 10 gezeigt, der Siliciumoxidfilm 9 gemäß dem CVD-Verfahren
so gebildet, dass er das Substrat und den Polysiliciumfilm 6 überdeckt,
und wird durch die Fotoätztechnik zu
einer gewünschten
Form verarbeitet. Da der Spalt fast unter Vakuum gebildet wird,
dient er als Druckreferenzkammer, wenn er vakuumversiegelt und als absoluter
Drucksensor verwendet wird. Danach wird der Polysiliciumfilm 10 als
Oberflächenschutzfilm durch
das CVD-Verfahren
auf dem Oxidfilm 9 gebildet, wie in 11 gezeigt,
und wird durch die Fotoätztechnik
zu einer gewünschten
Form verarbeitet. Es ist bevorzugt, den versiegelten Oxidfilm 9 vollkommen
mit dem Polysiliciumfilm 10 gegenüber der feuchtigkeitsbeständigen Oberfläche abzudecken, wie
in 11 gezeigt. Es gibt jedoch keine Notwendigkeit,
ihn vollkommen zu abzudecken, falls, wie in 12 gezeigt,
der Abstand vom Ende des Polysiliciumfilms 10 zu dem Ätzkanal 12 basierend
auf der in 3 gezeigten Beziehung zwischen
der Dicke des Siliciumoxidfilms und der Wasserpermeation ausreichend
lang ist, wenn die Betriebsdauer und die Feuchtigkeitspermeationsgeschwindigkeit
in dem Oxidfilm berücksichtigt
wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform
ist der Abstand vom Ende des Polysiliciumfilms 10 zu dem Ätzkanal 12 auf
10 μm eingestellt.
Dies soll eine Haltbarkeit von 10 Jahren sicherstellen, weil die
Feuchtigkeitspermeationsgeschwindigkeit gemäß unserer Untersuchung 1 μm pro Jahr
beträgt.
Weiterhin kann der Siliciumnitridfilm als undurchlässiger Film
betrachtet werden; allerdings hat der Siliciumnitridfilm eine sehr
große
Filmbelastung von etwa 1,5 GPa. Dies verursacht eine zeitliche Verformung
der Polysiliciummembran 6. Zum Vermeiden einer Verformung
ist die Filmdicke bei dieser Ausführungsform auf 0,4 μm oder weniger eingestellt.
Um das Auftreten von Pinholes zu verhindern, ist es weiterhin bevorzugt,
dass die Filmdicke 0,1 μm
oder mehr beträgt.
Schließlich
wird, wie in 13 gezeigt, durch Ätzen des
Siliciumnitridfilms 5 und des Siliciumoxidfilms 4 ein
Kontaktloch geöffnet, und
nach dem Sputtern von Aluminium wird Fotoätzen durchgeführt. Dieser
Prozess stellt eine Aluminiumzuleitung 11 für die feste
Elektrode 3 und die bewegliche Polysiliciumelektrode 6 bereit.
-
Die
oben erörterte
Struktur ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Kombination aus einem durch
das CVD-Verfahren gefertigten Siliciumoxidfilm und einem Polysiliciumfilm
als Versiegelungsmaterial des Ätzkanals
verwendet wird. Dies vereinfacht den Versiegelungsaufbau und verbessert
die Feuchtigkeitsbeständigkeit.
Weiterhin betragen die nach Bildung des Films verbleibenden Belastungen
des Oxidfilms und des Polysiliciumfilms nur etwa 0,15 GPa bzw. 0,2
GPa. Dies vermindert die zeitliche Verformung der Membran.
-
Im
Folgenden wird eine weitere Ausführungsform
beschrieben. 14 ist eine Schnittansicht,
die eine Ausführungsform
eines Halbleiterdrucksensors darstellt. Bei dieser Struktur wird
auf der oberen Oberfläche
der Membran 6 ein Loch erzeugt. Dieses Loch wird als Ätzkanal 12 verwendet, und
eine Opferschicht wird entfernt, um eine Druckreferenzkammer zu
erzeugen. Ein Polysilicium- und ein Siliciumoxidfilm können als
Versiegelungsmaterial für
den Ätzkanal 12 betrachtet
werden. Im Fall des Polysiliciums wird das Polysilicium, das zu
dem Zeitpunkt, zu dem die Lochversiegelung abgeschlossen ist, durch
das Loch hindurchgegangen ist, auf der festen Elektrode so abgeschieden,
dass es eine Säule
bildet, mit dem Ergebnis, dass kein gewünschter Spaltaufbau erhalten
werden kann. Zur Lösung
dieses Problems wird bei der vorliegenden Erfindung ein Siliciumoxidfilm 9 als
Versiegelungsmaterial eingesetzt. Wenn der durch das CVD-Verfahren
gebildete Oxidfilm verwendet wird, ist wegen einer großen Menge
an Präzipitat
auf der Seitenfläche
des Lochs eine kurze Zeit zum Versiegeln erforderlich, was zu einer
verringerten Menge an Präzipitat
auf der festen Elektrode führt.
Falls jedoch, wie oben beschrieben, der Oxidfilm allein zum Versiegeln
verwendet wird, kann in einer Umgebung mit hoher Feuchtigkeit Nässe den
Oxidfilm durchdringen, um in den Spalt einzudringen, und Veränderungen
der Charakteristika verursachen. Zur Lösung dieses Problems wird ähnlich wie
bei der oben genannten Ausführungsform
die gesamte Oberfläche
auf dem Oxidfilm mit dem Polysilicium 10 überdeckt
oder wird ein Teil des Oxidfilms überdeckt, um sicherzustellen,
dass der Abstand zwischen dem oben genannten Ätzkanal 9 und dem
Polysilicium 10 einen bestimmten Wert überschreitet, wobei die Betriebsdauer
und die Feuchtigkeitspermeationsgeschwindigkeit in dem Siliciumoxidfilm
berücksichtigt
werden, wie in 15 gezeigt.
-
Unter
Bezugnahme auf 16 wird im Folgenden die Ausführungsform
des Drucksensors vom Typ mit integrierter Schaltung beschrieben,
bei dem eine Signalverarbeitungsschaltung auf dem Drucksensor integriert
ist. Der Druckmesser wird gemäß dem IC-Herstellungsprozess
gefertigt. Dies macht es leicht, eine Kapazitäts-/Spannungs-Umwandlungsschaltung
zu fertigen, die aus dem CMOS auf dem gleichen Substrat besteht.
Dieser Sensor umfasst einen Kondensator 21 zur Druckerfassung,
einen Kondensator 22 zur Referenz, einen Oszillator 23,
eine Kapazitätserfassungsschaltung 24,
eine Berechnungsschaltung 25 für die Ausgabeanpassung, einen Verstärker 26 und
eine Elektrodenkontaktfläche 27. 17 veranschaulicht
den Aufbau des Kondensators 22 zur Referenz. Der Aufbau
des Kondensators 22 zur Referenz ist fast der gleiche wie
derjenige des Kondensators 23 zur Druckerfassung. Jedoch
ist ein am Substrat befestigter säulenförmiger Abschnitt 31 innerhalb
des Bereichs der Membran angeordnet und die Membran ist durchbrochen.
Die Kapazität
ist in etwa die gleiche wie diejenige des Kondensators zur Druckerfassung
und der Kapazitätswert
wird durch Druck kaum verändert.
So dient sie als Referenzkapazität
bei dem später
zu erörternden
Vorgang zur Erfassung der Kapazität. Ein MOS-Kondensator, der
im Allgemeinen als Schaltungsbestandteil verwendet wird, kann als
dieser Kondensator 22 zur Referenz verwendet werden. Bei
der vorliegenden Ausführungsform
werden eine Verkleinerung und eine Kostensenkung des Drucksensors
durch Integrierung eines Druckmessers und einer Erfassungsschaltung
erreicht. Weiterhin kann aufgrund der verringerten Verdrahtungskapazität zwischen
dem Kondensator und der Schaltung eine wesentliche Verbesserung
der Messgenauigkeit bei der Kapazitätserfassung verwirklicht werden.
-
18 veranschaulicht
eine Kapazitätserfassungsschaltung
basierend auf dem Prinzip der geschalteten Kapazität. Der Kondensator zur
Druckerfassung und der Kondensator zur Referenz (Kapazitätswerte
werden als Cs bzw. Cr angenommen) sind jeweils mit Auswahlschaltern
verbunden, und die Zustände
des Zeitintervalls 1 und des Zeitintervalls 2 wechseln sich ab.
In dem Zustand des Zeitintervalls 1 sind der Kondensator zur Referenz
und der Kondensator zur Druckerfassung jeweils Spannungsquellen,
und die elektrische Ladung in Übereinstimmung
mit dem Kapazitätswert
wird gespeichert. In dem Zustand des Zeitintervalls 2 sind beide
von ihnen mit der Eingabe des Operationsverstärkers an der negativen Seite
verbunden. Die in dem Kondensator zur Referenz und dem Kondensator
zur Druckerfassung gespeicherten elektrischen Ladungen heben sich
gegenseitig auf, und die elektrische Ladungsdifferenz fließt in den
Operationsverstärker.
Die in den Operationsverstärker
fließende
elektrische Ladung lädt
den eingebauten Kondensator Cf auf, um die Ausgangsspannung zu ändern. Wenn
dann der Zustand zu dem Zustand des Zeitintervalls 1 zurückgestellt
wird, ist die Ausgangsspannung mit den Kondensator zur Druckerfassung
verbunden, um eine Rückkopplungsschleife
zu bilden. Da eine negative Rückkopplungsschleife
gebildet wird, kommt jedes Mal, wenn Zeitintervall 1 und Zeitintervall
2 umgeschaltet werden, der Betrag der elektrischen Ladung in dem
Kondensator zur Druckerfassung demjenigen in dem Kondensator zur
Referenz näher.
Sie werden in der Endphase im Gleichgewicht gehalten, mit dem Ergebnis,
dass eine stabile Ausgangsspannung sichergestellt wird. Die Ausgangsspannung
Vout zu diesem Zeitpunkt kann wie folgt ausgedrückt werden, falls die Referenzspannung
Vb ist: Vout = (1 – Cr/Cs)·Vb
-
1/Cs
weist fast eine lineare Abnahme in Bezug auf den aufgebrachten Druck
auf. So zeigt Vout fast eine lineare Zunahme in Bezug auf den aufgebrachten
Druck.
-
19 veranschaulicht
einen Drucksensor, der als Ansaugdrucksensor eines Automotorsteuerungssystems
verwendet wird: Nach Durchgehen durch einen Luftreiniger 41 wird
Außenluft
in das Ansaugrohr 42 geführt, und die Strömungsgeschwindigkeit
wird durch ein Drosselventil 43 angepasst. Dann wird die
Luft in einen Ansaugkrümmer 44 geführt. In dem
Ansaugkrümmer
ist ein Drucksensor 45 gemäß der vorliegenden Erfindung
installiert, um den Druck innen in dem Ansaugkrümmer 44 zu erfassen.
Auf der Grundlage der Signale dieses Drucksensors 45 und
der Motorgeschwindigkeit berechnet eine Motorsteuerungseinheit 49 die
Ansaugmenge. Sie berechnet die einzuspritzende Kraftstoffmenge,
die für
die Ansaugmenge am besten geeignet ist, und die berechnete Kraftstoffmenge
wird zu der Einspritzdüse 46 geschickt.
Das von der Einspritzdüse 46 eingespritzte
Benzin wird mit der Ansaugluft zu einem Gasgemisch vermischt. Es
wird in die Verbrennungskammer geführt, wenn das Ansaugventil 48 sich öffnet, und
durch einen Kolben 50 verdichtet. Dann wird es durch eine
Zündkerze 47 zur
Explosion gebracht und verbrannt.
-
Wenn
der Drucksensor wie bei der vorliegenden Ausführungsform für ein Automotorsteuerungssystem
verwendet wird, ist es erforderlich, dass die hermetische Struktur
der Druckreferenzkammer sehr stark ist, wenn die Tatsache berücksichtigt
wird, dass der Motorraum, wo der Drucksensor installiert ist, eine
hohe Temperatur hat, dass der Sensor in einer sehr feuchten Umgebung,
wie etwa im Regen, verwendet wird und dass die Betriebdauer des
Autos etwa 10 Jahre beträgt.
Die luftdichte versiegelte Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung
hat einen ausgezeichneten Feuchtigkeitswiderstand und erfüllt die
obigen Bedingungen in ausreichendem Maße.
-
Im
Folgenden wird ein Beispiel beschrieben, bei dem eine basierend
auf der vorliegenden Erfindung hergestellte Struktur mit einem sehr
kleinen Spalt auf einen piezoresistiven Drucksensor angewandt wird.
-
20 veranschaulicht
eine Querschnittsansicht, und 21 veranschaulicht
eine Draufsicht. Wenn Phosphor oder andere Fremdatome auf der oberen
Oberfläche
des Polysiliciums 6 verteilt werden, wird am Umfang der
Membran ein Dehnungsmesser 51 in Brückenform gebildet. Wenn Spannung an
die Brückenschaltung
angelegt und Druck auf die Membran 6 ausgeübt wird,
wird die Membran gebogen, und bei dem Widerstand des Dehnungsmessers tritt
eine Änderung
auf. Gemäß dem Druck
zwischen zwei Ausgangsanschlüssen
der Brücke
tritt eine Differenzspannung auf. Durch Verstärken und Lesen dieser Differenzspannung
kann der Druck gemessen werden. Wenn dieser Sensor als absoluter
Drucksensor verwendet wird, muss eine Struktur mit einem sehr kleinen
Spalt vakuumversiegelt sein. Ein Sensor mit ausgezeichneter Haltbarkeit
kann durch die versiegelte Struktur bereitgestellt werden, die durch
eine Kombination aus dem durch das oben genannte CVD-Verfahren gebildeten
Siliciumoxidfilm 9 und dem Polysiliciumfilm 10 gebildet
ist.
-
Im
Folgenden wird der Stand der Technik beschrieben, bei dem eine gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellte Struktur mit einem sehr kleinen Spalt auf
den Beschleunigungssensor vom Kapazitätstyp angewandt ist: 22 ist
eine Schnittansicht des Beschleunigungssensors, bei dem ein Balken 52 vom Überhangtyp
zur Beschleunigungserfassung innen in einem sehr kleinen vakuumversiegelten
Spalt installiert ist. Der Balken vom Überhangtyp ist eine bewegliche
Elektrode. Wenn der Balken vom Überhangtyp
durch Beschleunigung verformt wird, ergibt sich eine Änderung
des Spalts, wobei die feste Elektrode auf dem Substrat in einer
diesem zugewandten Position installiert ist. Dies erlaubt, dass
die Beschleunigung als Änderung
der Kapazität
erfasst wird. Um das Ansprechen zu steigern, muss das Innere des
Spalts vakuumversiegelt sein. Effektiv ist eine versiegelte Struktur,
die durch eine Kombination aus dem Siliciumoxidfilm 9 gemäß dem CVD-Verfahren
und dem Polysiliciumfilm 10 gebildet ist.
-
Zusätzlich findet
der Versiegelungsaufbau des Ätzkanals
gemäß der vorliegenden
Erfindung Anwendung in einem Halbleitervibrationsgyroskop mit einem
vakuumversiegelten Hohlraum, einem sich drehenden Gyroskop und einem
Infrarotsensor.
-
Im
Folgenden wird unter Bezugnahme auf 24 und 25 die
Einhäusung
des Drucksensors gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben. Es gibt folgende Typen, die den spezifizierten
Druckwert erhalten: einen Sensor vom Chip(Mess-Chip)-Typ, der aus
dem Kondensator zur Druckerfassung und der Kapazitätserfassungsschaltung
besteht, wie oben beschrieben, einen Sensor vom 2-Chip-Typ, der
mit einem Schaltungs-Chip zum Korrigieren des Ausgangswerts kombiniert
ist, und einen Sensor vom 1-Chip-Typ mit einer in dem Mess-Chip eingebauten
Korrekturschaltung. Die folgende Beschreibung greift das Beispiel
eines Sensors vom 2-Chip-Typ auf: der Mess-Chip 100 und
der Schaltungs-Chip 101 sind unter Verwendung eines Klebemittels
an dem Zuleitungsrahmen angehaftet, der leitendes Metall umfasst
und auf der aus Kunststoff hergestellten Untereinhäusung 102 ausgebildet ist;
weiterhin werden jede Elektrodenkontaktfläche 125 auf dem Chip
und jeder Zuleitungsrahmen 105 durch Drahtbonden elektrisch
verbunden. Der Schaltungs-Chip 101 kann durch die später zu erörternde Abdeckung 120 versiegelt
sein. Zum Messen des atmosphärischen
Drucks muss der Mess-Chip 100 über das später zu beschreibende Druckeinlassrohr der
Atmosphäre
ausgesetzt sein. Je nach Verwendungsumgebung können Staubpartikel, Benzin
und Säure
in der Atmosphäre
enthalten sein. Wenn der Mess-Chip der Atmosphäre direkt ausgesetzt ist, kann
der Chip beschädigt
werden. Um den Chip davor zu schützen,
wird ein Silikongel 104 auf die Oberfläche des Mess-Chips 100 aufgebracht.
Die Untereinhäusung 110 mit
den zwei miteinander verbundenen Chips ist weiterhin unter Verwendung
eines Klebemittels und anderem an dem aus Kunststoff hergestellten
Gehäuse 115,
das ein Verbindungsstück 111 aufweist,
angehaftet. Das Verbindungsstück 111 und der
Schaltungs-Chip sind durch einen Aluminiumdraht 112 elektrisch
verbunden. In der letzten Phase wird eine Abdeckung 120 mit
einem aus Kunststoff hergestellten Druckeinlassrohr 113 verbunden,
um die Schaltung zu versiegeln, und dann ist dieser Prozess abgeschlossen.
Eine Anpassung erfolgt bei den folgenden Schritten: Zuerst wird
ein Druckanwendungstest durchgeführt,
um die Ausgangsspannung des Mess-Chips
zu messen. Dann werden Korrekturen in Übereinstimmung mit den Charakteristika
in dem ROM gespeichert, der innen in dem Schaltungs-Chip 101 installiert
ist. Die obigen Schritte erlauben, dass der Sensorausgang an die
spezifizierte Ausgangsspannung angepasst wird. Im obigen Fall wird
bei der vorliegenden Erfindung eine Untereinhäusung verwendet, muss aber
nicht immer verwendet werden. Überdies
erlaubt der Sensor vom 1-Chip-Typ, dass die Einhäusungskosten gesenkt werden;
er erlaubt beispielsweise, dass die Anzahl der Anschlüsse reduziert
wird. Der Ausgang des Schaltungs-Chips
wird über
das Verbindungsstück an
die externe Signalleitung ausgegeben.
-
Die
vorliegende Erfindung verwendet eine Kombination aus dem durch das
CVD-Verfahren herstellten Oxidfilm und einem Polysiliciumfilm als Ätzkanalversiegelungsmaterial
bei einem Drucksensor, der durch die Technik des Ätzens einer
Opferschicht gefertigt ist. Dies erlaubt, dass eine Struktur mit
versiegeltem Ätzkanal
vereinfacht wird, und verhindert, dass Feuchtigkeit in den Hohlraum
eindringt, wodurch der Feuchtigkeitswiderstand verbessert wird. Außerdem verringert
ein Versiegelungsmaterial mit einer kleinen Filmbelastung eine zeitliche
Verformung der Membran.