JP4342122B2 - 静電容量型物理量センサと検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電容量型物理量センサと静電容量型物量検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の静電容量型物理量センサを備えた静電容量型物理量検出装置の一例を図１４から図１８を参照して説明する。図１４は従来の静電容量型圧力検出装置のブロック図である。図１５は静電容量型圧力センサの概略平面図であり、封止膜を除いた状態の平面図を示している。図１６は図１５のＡ−Ｂ線の断面図であり、図１７はＣ−Ｄ線の断面図であり、図１８はＥ−Ｆ線の断面図である。
図１４に示すように、従来の静電容量型圧力検出装置１は、静電容量型圧力センサ１０と、容量検出回路６４を備えている。静電容量型圧力センサ１０は、感圧容量ＣＸの感圧キャパシタ２０と、基準容量ＣＲの基準キャパシタ３０を有する。感圧キャパシタ２０は検出電圧ＶＸの入力端子６０に接続されている。基準キャパシタ３０は基準電圧ＶＲの入力端子６２に接続されている。感圧キャパシタ２０と基準キャパシタ３０はそれぞれ容量検出回路６４に接続されている。容量検出回路６４は電圧ＶＯＵＴの出力端子７８に接続されている。
【０００３】
静電容量型圧力センサ１０は、実際にはシリコン基板上にダイアフラムを形成することで製造されている。具体的には、静電容量型圧力センサ１０は、図１６から図１８に示すように、シリコン基板８０と、シリコン基板８０からギャップ８２を隔てて形成されたダイアフラム８４と、ダイアフラム８４の周縁に形成されたダイアフラム８４の支持部８６を備えている。
シリコン基板８０には、その表面側に感圧容量下部電極２２ｂと、基準容量下部電極３２ｂが形成されている。感圧容量下部電極２２ｂは感圧容量下部電極リード２４ｂを介して感圧容量下部電極端子２６ｂ（図１５と図１６参照）に接続され、基準容量下部電極３２ｂは基準容量下部電極リード３４ｂを介して基準容量下部電極端子３６ｂ（図１５と図１６参照）に接続されている。シリコン基板８０の表面は、基板保護膜８８（図１６から図１８参照）で覆われている。
ダイアフラム８４は、多結晶シリコン膜からなる半導体膜９２と、シリコン窒化膜からなる封止膜９６で構成されている。半導体膜９２には、感圧容量上部電極２２ａと、基準容量上部電極３２ａが形成されている。感圧容量上部電極２２ａは感圧容量上部電極リード２４ａを介して感圧容量上部電極端子２６ａ（図１５と図１７参照）に接続され、基準容量上部電極３２ａは基準容量上部電極リード３４ａを介して基準容量上部電極端子３６ａ（図１５と図１７参照）に接続されている。
図１６から図１８に示す感圧容量上部電極２２ａと感圧容量下部電極２２ｂによって図１４に示す感圧キャパシタ２０が構成されている。図１６から図１８に示す基準容量上部電極３２ａと基準容量下部電極３２ｂによって図１４に示す基準キャパシタ３０が構成されている。
【０００４】
所定の圧力が図１６から図１８に示すダイアフラム８４に印加されると、ギャップ８２は封止された真空の圧力基準室として機能するから、印加された圧力に比例してダイアフラム８４がたわんで変形する。ダイアフラム８４が変形すると、感圧容量上部電極２２ａと感圧容量下部電極２２ｂ間の距離が変化する。この両電極間の距離が変化すると両電極間の容量が変化する。図１４に示す構成によって感圧キャパシタ２０の感圧容量ＣＸの変化と基準キャパシタ３０の基準容量ＣＲの差をとり、容量検出回路６４で電圧値ＶＯＵＴに変換することによって、ダイアフラム８４に印加された圧力の大きさを検出することができる。
基準キャパシタ３０は、センサ１０が置かれている環境温度によって静電容量が変化することを補償し、センサ１０から出力される電圧値ＶＯＵＴが温度に影響されず、圧力のみに影響されるように用いられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の静電容量型圧力センサ１では、図１９のグラフに示すように、印加圧力がＰＡになるまでは、出力電圧ＶＯＵＴと印加圧力が比例する。しかし、印加圧力がＰＡになると、図１６から図１８に示したダイアフラム８４は変形量の大きい中央部からシリコン基板８０に接触し始めるため、出力電圧が印加圧力に比例しなくなり、徐々に飽和する。さらに印加圧力がＰＢになると、ダイアフラム８４の中央部付近が完全にシリコン基板８０に接触し、この結果、印加圧力を増加させても出力電圧ＶＯＵＴは飽和状態となり、印加圧力を検出できなくなる。
ダイアフラム８４の厚さを厚くしたり、あるいはダイアフラム８４の直径を小さくすれば、印加圧力に対するダイアフラム８４の変形量が小さくなるため、検知可能な圧力の範囲を広くすることができる。しかしながらその反面、ダイアフラム８４の厚さを厚くしたり、あるいは直径を小さくすると、センサの感度が低下してしまい、検出可能な圧力の分解能が粗くなってしまうという問題が生じる。
【０００６】
広い範囲の物理量（圧力、加速度、振動、音圧等）を検知でき、かつ、その範囲の全てにおいて感度良く物理量の微小な変化を検知できるのが理想ともいえる。しかしながら、そのような静電容量型物理量センサの実現は難しい。一方、実際に静電容量型物理量センサを使用する場合には、測定範囲のうちでも高感度が要求される範囲と要求されない範囲があるのが通常である。通常は、測定する物理量が大きくなるにつれて、検出可能な分解能が粗くなることが許容されることが多い。
本発明者はこのような事実に着目し、高感度が要求される範囲では物理量の微小な変化を検知でき、高感度が要求されない範囲では広い範囲の物理量を検知できる静電容量型物理量センサを実現することを目的として鋭意研究を進めた結果、本発明を着想するに至った。
【０００７】
【課題を解決するための手段および作用と効果】
本発明の静電容量型物理量センサは、固定電極を持つ基板と、基板からギャップを隔てて形成された可動電極を持つダイアフラムと、ダイアフラムの周縁に形成されたダイアフラムの支持部を備えている。支持部より内側に、基板のギャップ側の面および／またはダイアフラムのギャップ側の面からギャップ内に伸びる導電性の突出部が複数形成されている。突出部に対向する対向面に導電層が形成されている。本発明の静電容量型物理量センサは、ダイアフラムが撓んで突出部が導電層に接触したときに導通するスイッチを内蔵していることを特徴とする。本発明の静電容量型物理量センサではさらに、各突出部が、異なる物理量をダイアフラムに加えた時に、対向面に接触することを特徴とする(請求項１)。
本発明者は、ダイアフラムに加わる物理量の大きさによってダイアフラムの物理量検知領域の大きさを変化させることができる静電容量型物理量センサを実現した。
このセンサでは、突出部がその対向面に接触する前は、ダイアフラムの物理量検知領域は支持部で支持された範囲内の広い領域である。このため、突出部がその対向面に接触する前は、物理量の微小な変化を検知できる。
一方、所定の物理量が加わると、突出部がその対向面に接触する。突出部がその対向面に接触すると、突出部はダイアフラムの周縁に形成された支持部と同様の役割を果たし、ダイアフラムの物理量検知領域は突出部で支持された範囲内の領域となる。突出部は支持部より内側に形成されているから、突出部が対向面に接触する前よりもダイアフラムの物理量検知領域は狭くなる。このため、突出部がその対向面に接触する前に比べて、物理量に対するダイアフラムの変形量が小さくなる。よって、ダイアフラムに大きな物理量が加わっても、ダイアフラムの中央部が基板に接触して物理量が検出不能となるのを防止できる。このため、突出部がその対向面に接触した後は、広い範囲の物理量を検知できる。
このセンサによれば、高感度が要求される範囲では物理量の微小な変化を検知でき、高感度が要求されない範囲では広い範囲の物理量を検知できる。
しかもこのセンサは、ダイアフラムが撓んで突出部が導電層に接触したときに導通するスイッチを内蔵していることから、そのスイッチの状態から、突出部が対向面に接触しているのか否かが分る。突出部が対向面に接触しない状態で、物理量を高感度に検知しているのか、あるいは、突出部が対向面に接触した状態で、広い範囲の物理量を粗い感度で検知しているのかが分る。
さらに、異なる物理量をダイアフラムに加えた時に、各突出部が対向面に接触することから、物理量検知領域の大きさをより細かく設定することができる。このため、物理量の微小な変化を検知する段階や、広い範囲の物理量を検知する段階をより細かく設定することができる。
【０００９】
請求項１に記載の静電容量型物理量センサにおいては、突出部がダイアフラム変形時の等高線に沿って形成されていることが好ましい（請求項２）。
ここで、「突出部が…等高線に沿って形成されている」とは、１つの突出部が等高線に沿って形成されている場合と、複数の突出部が等高線に沿って形成されている場合の両方を含む。
このセンサによると、１つの突出部が等高線に沿って形成されていると、所定の物理量が加わった場合に、１つの突出部の各部位をその対向面に同時に接触させることができる。また、複数の突出部が等高線に沿って形成されていると、所定の物理量が加わった場合に、各突出部をその対向面に同時に接触させることができる。このため、このセンサによれば、この突出部によってダイアフラムが安定して支持された状態で物理量を検出することができる。
【００１０】
請求項１又は２に記載の静電容量型物理量センサにおいては、ダイアフラムは基準容量電極をさらに持つことが好ましい（請求項３）。
このセンサによると、基準容量電極のみを設けるダイアフラムを別途設ける必要がない。また、可動電極と基準容量電極が同一のダイアフラムに形成され、近接した位置にあることから、可動電極と基準容量電極の温度環境がほぼ同様となる。このため、これらの容量の差をとることで温度の影響を相殺することができる。
【００１１】
本発明はまた、静電容量型物理量検出装置をも実現する。この検出装置は、請求項１から３のいずれかに記載の静電容量型物理量センサと、突出部が対向面に接触する前後を通じて、物理量の変化に対する物理量検出パラメータ値の変化の割合がほぼ同じとなるように、固定電極と可動電極の組から得られる値を補正する手段を備えている（請求項４）。ここで、「物理量検出パラメータ値」とは、加えられる物理量の変化に応じて変化する静電容量の値、あるいはこの静電容量の変化に応じて変化する電圧値等をいう。
この検出装置によると、加えられる物理量の大きさが変化しても物理量の変化に対する物理量検出パラメータ値の変化の割合がほぼ同じとなるので、物理量検出パラメータ値に対応する物理量の大きさを容易に認識できる。
【００１２】
請求項４に記載の補正手段は、突出部が対向面に接触する前後を通じて、物理量の変化に対する物理量検出パラメータ値の変化の割合がほぼ同じとなるように、突出部がその対向面に接触する前および／または接触した後に固定電極と可動電極の組から得られる値を補正することが好ましい（請求項５）。
この検出装置によると、物理量検出パラメータ値の補正を適切に行える。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本実施例の静電容量型圧力検出装置の構成を図１から図５を参照して説明する。図１は本実施例の静電容量型圧力検出装置のブロック図である。図２は静電容量型圧力センサの概略平面図であり、封止膜を除いた状態の平面図を示している。図３は、図２のＡ−Ｂ線断面図であり、図４はＣ−Ｄ線断面図であり、図５はＥ−Ｆ線断面図である。
図１に示すように、本実施例の静電容量型圧力検出装置１０１は、静電容量型圧力センサ１１０と、容量検出回路１６４と、ＲＯＭ１７２と、信号処理回路１７４等を備えている。静電容量型圧力センサ１１０は、感圧容量ＣＸの感圧キャパシタ１２０と、基準容量ＣＲの基準キャパシタ１３０と、第１スイッチ１４０と、第２スイッチ１５０を有する。感圧キャパシタ１２０は、検出電圧ＶＸの入力端子１６０に接続されている。基準キャパシタ１３０は、基準電圧ＶＲの入力端子１６２に接続されている。感圧キャパシタ１２０と基準キャパシタ１３０はそれぞれ容量検出回路１６４に接続されている。
【００１５】
第１スイッチ１４０は抵抗１７０ａと直列に接続されており、第２スイッチ１５０は抵抗１７０ｂと直列に接続されている。第１スイッチ１４０と抵抗１７０ａの組と、第２スイッチ１５０と抵抗１７０ｂの組は並列に接続されており、電圧源１６８に接続されている。第１スイッチ１４０と抵抗１７０ａの間、および第２スイッチ１５０と抵抗１７０ｂの間からはそれぞれ接続線が伸びており、各接続線はＲＯＭ１７２に接続されている。
上記した容量検出回路１６４とＲＯＭ１７２は、信号処理回路１７４に接続されている。信号処理回路１７４は電圧ＶＳＥＮの出力端子１７８に接続されている。
【００１６】
静電容量型圧力センサ１１０は、実際にはシリコン基板上にダイアフラムを形成することで製造されている。具体的には、静電容量型圧力センサ１１０は、図３から図５に示すように、シリコン基板１８０と、シリコン基板１８０からギャップ１８２を隔てて形成されたダイアフラム１８４と、ダイアフラム１８４の周縁に形成されたダイアフラム１８４の支持部１８６を備えている。
シリコン基板１８０には、感圧容量下部電極１２２ｂと、基準容量下部電極１３２ｂと、第１下部スイッチ１４２ｂと、第２下部スイッチ１５２ｂが形成されている。これらは、高伝導度特性が得られるようにシリコン基板１８０に不純物が高濃度拡散された層で形成されている。感圧容量下部電極１２２ｂは感圧容量下部電極リード１２４ｂを介して感圧容量下部電極端子１２６ｂ（図２と図３参照）に接続され、基準容量下部電極１３２ｂは基準容量下部電極リード１３４ｂを介して基準容量下部電極端子１３６ｂ（図２と図３参照）に接続されている。第１下部スイッチ１４２ｂは第１下部スイッチリード１４４ｂを介して第１下部スイッチ端子１４６ｂ（図２参照）に接続され、第２下部スイッチ１５２ｂは第２下部スイッチリード１５４ｂを介して第２下部スイッチ端子１５６ｂ（図２参照）に接続されている。シリコン基板１８０の表面は、基板保護膜１８８（図３から図５参照）で覆われている。
【００１７】
ダイアフラム１８４は、多結晶シリコン膜からなる半導体膜１９２と、シリコン窒化膜からなる封止膜１９６で構成されている。半導体膜１９２には、感圧容量上部電極１２２ａと、基準容量上部電極１３２ａと、第１上部スイッチ（突出部の一例）１４２ａと、第２上部スイッチ（突出部の一例）１５２ａが形成されている。これらは、高伝導度特性が得られるように半導体膜１９２に不純物が高濃度拡散された層で形成されている。感圧容量上部電極１２２ａは感圧容量上部電極リード１２４ａを介して感圧容量上部電極端子１２６ａ（図２と図４参照）に接続され、基準容量上部電極１３２ａは基準容量上部電極リード１３４ａを介して基準容量上部電極端子１３６ａ（図２と図４参照）に接続されている。また、第１上部スイッチ１４２ａは第１上部スイッチリード１４４ａを介して第１上部スイッチ端子１４６ａ（図２参照）に接続され、第２上部スイッチ１５２ａは第２上部スイッチリード１５４ａを介して第２上部スイッチ端子１５６ａ（図２参照）に接続されている。
【００１８】
感圧容量上部電極１２２ａは、図２の平面図に示すように円板状に形成されており、この感圧容量上部電極１２２ａと対向する位置に同じ円板状の感圧容量下部電極１２２ｂ（図３から図５参照）が配置されている。
感圧容量上部電極１２２ａの外周を囲うように第２上部スイッチ１５２ａが形成されている。第２上部スイッチ１５２ａは半導体膜１９２の変形時の等高線に沿ってリング状に形成されている。第２上部スイッチ１５２ａは図３から図５に示すように、半導体膜１９２のギャップ１８２側の面からギャップ１８２内に突出している。この第２上部スイッチ１５２ａと対向する位置に同じ大きさのリング状の第２下部スイッチ１５２ｂが配置されている。
第２上部スイッチ１５２ａの外周を囲うように第１上部スイッチ１４２ａが形成されている。第１上部スイッチ１４２ａは半導体膜１９２の変形時の等高線に沿ってリング状に形成されている。第１上部スイッチ１４２ａは図３から図５に示すように、半導体膜１９２のギャップ１８２側の面からギャップ１８２内に突出している。第１上部スイッチ１４２ａの突出幅は第２上部スイッチ１５２ａの突出幅よりも大きい。第１上部スイッチ１４２ａと第２上部スイッチ１５２ａの突出幅は、ダイアフラム１８４に圧力が印加されたときに、第１上部スイッチ１４２ａが先に第１下部スイッチ１４２ｂに接触し、その後、第２上部スイッチ１５２ａが第２下部スイッチ１５２ｂに接触するような幅に調整されている。
【００１９】
図３から図５に示す感圧容量上部電極１２２ａと感圧容量下部電極１２２ｂによって図１に示す感圧キャパシタ１２０が構成されている。図３から図５に示す基準容量上部電極１３２ａと基準容量下部電極１３２ｂによって図１に示す基準キャパシタ１３０が構成されている。図３から図５に示す第１上部スイッチ１４２ａと第１下部スイッチ１４２ｂによって図１に示す第１スイッチ１４０が構成されている。図３から図５に示す第２上部スイッチ１５２ａと第２下部スイッチ１５２ｂによって図１に示す第２スイッチ１５０が構成されている。
【００２０】
図１に示す容量検出回路１６４は、スイッチドキャパシタ回路等で構成すればよい。スイッチドキャパシタ回路は通常の半導体加工プロセスによって容易に形成できるため、静電容量型圧力センサ１１０と同一の基板上に形成して集積化することも容易である。また、図１に示す信号処理回路１７４は、基本的には、容量検出回路１６４からの出力電圧ＶＯＵＴとＲＯＭ１７２からの補正係数を乗算する乗算回路等で構成すればよい。さらに、図１に示すＲＯＭ１７２は、例えば、バッテリバックアップ付きのＲＡＭ、フラッシュメモリ、不揮発性ＲＡＭ等の他の記憶手段であってもよい。これらの信号処理回路１７４やＲＯＭ１７２も、静電容量型圧力センサ１１０と同一の基板上に形成して集積化することができる。
【００２１】
次に、本実施例の静電容量型圧力検出装置１０１の静電容量型圧力センサ１１０の製造方法の一例を図６から図１１を参照して説明する。以下の製造方法によって、上記したダイアフラム構造と電極対構造を実現する。
図６に示すように、熱拡散法やイオン注入法等によってシリコン基板１８０の表面に局部的に不純物を添加して拡散層（感圧容量下部電極１２２ｂ、基準容量下部電極１３２ｂ、第１下部スイッチ１４２ｂ、第２下部スイッチ１５２ｂ）を形成する。続いて、ＣＶＤ法等でシリコン窒化膜を堆積させて耐エッチング特性を有する基板保護膜１８８を形成する。続いて、ＣＶＤ法等によってシリコン酸化膜を堆積させて犠牲層１９０を形成する。続いて、図７に示すように、レジスト（図示省略）をマスクにしてドライエッチングを行い、犠牲層１９０をパターニングする。このパターニングは、後に第１上部スイッチ１４２ａと第２上部スイッチ１４２ｂとなる部分を形成するために行うものであるため、第１上部スイッチ１４２ａと第２上部スイッチ１４２ｂとなる部分の深さは変えてパターニングする。実際には、最初に第１上部スイッチ１４２ａの形成部のみを所定深さにまでエッチングし、続いて、第１上部スイッチ１４２ａの形成部と第２上部スイッチ１４２ｂの形成部を同時にエッチングする。この結果、第１上部スイッチ１４２ａの形成部では第２上部スイッチ１４２ｂの形成部よりも深くエッチングされる。
【００２２】
続いて、図８に示すように、ＣＶＤ法等で多結晶シリコン膜を堆積させて耐エッチング特性を有する半導体膜１９２を形成する。続いて、図９に示すように、熱拡散法やイオン注入法等によって半導体膜１９２の表面に局部的にリン等のｐ型不純物を添加して拡散層（感圧容量上部電極１２２ａ、基準容量上部電極１３２ａ、第１上部スイッチ１４２ａ、第２上部スイッチ１５２ａ）を形成する。なお、温度によっては上記拡散層から半導体膜１９２にリーク電流が流れる場合があるので、それを防止するために半導体膜１９２にｎ型不純物を若干添加しておくことが好ましい。続いて、図１０に示すように、半導体膜１９２にエッチング孔１９４を形成し、ウェットエッチングによって犠牲層１９０を除去する。エッチングの際のエッチング液には、犠牲層１９０を形成するシリコン酸化膜をエッチングして半導体膜１９２を形成する多結晶シリコン膜と基板保護膜１８８を形成するシリコン窒化膜をエッチングしにくいエッチング液（例えばフッ化水素酸溶液等）を用いることが好ましい。なお、エッチングは、上記したウェットエッチングの他にも、無水フッ酸ガスと水蒸気あるいはメチルアルコールガスの混合ガスによるドライエッチング等で行ってもよい。続いて、図１１に示すように、封止膜１９６を形成し、エッチング孔１９４を封止する。これにより、ギャップ１８２は真空状態となり、圧力基準室として機能する。また、ダイアフラム１８４とダイアフラム１８４の支持部１８６が形成される。
【００２３】
なお、上記実施例では、犠牲層１９０をＣＶＤ法によってシリコン酸化膜で形成したが、例えば熱酸化法によるシリコン酸化膜でもよい。要するに、シリコン基板１８０上に安定に堆積し、半導体膜１９２を形成する多結晶シリコンよりもエッチング速度が極めて速い材料であればよい。
【００２４】
次に、本実施例の静電容量型圧力検出装置１０１の動作を説明する。
所定の圧力が図３から図５に示すダイアフラム１８４に印加されると、ギャップ１８２は封止された真空の圧力基準室として機能するから、印加された圧力に比例してダイアフラム１８４がたわんで変形する。ダイアフラム１８４が変形すると、感圧容量上部電極１２２ａと感圧容量下部電極１２２ｂ間の距離が変化する。この両電極間の距離が変化すると両電極間の容量が変化する。図１に示す構成によってこの感圧キャパシタ１２０の感圧容量ＣＸの変化と基準キャパシタ１３０の基準容量ＣＲの差をとり、容量検出回路１６４で電圧値ＶＯＵＴに変換する。印加圧力と電圧値ＶＯＵＴの関係が図１２に実線で示されている。
【００２５】
図１２に示すように、印加圧力がＰ１になると、ダイアフラム１８４の変形によって第１上部スイッチ１４２ａが第１下部スイッチ１４２ｂに接触し、第１スイッチ１４０がオンする。このとき以降、接触し合った第１上部スイッチ１４２ａと第１下部スイッチ１４２ｂが、圧力によって変化するダイアフラム領域を画定する。即ち、第１上部スイッチ１４２ａと第１下部スイッチ１４２ｂの内側領域が圧力に応じて変形する領域となる。変形領域の直径が小さくなるために、ダイアフラム１８４は変形しづらくなり、それ以降は、印加圧力の増加量に対する電圧値ＶＯＵＴの増加量が減少する。さらに印加圧力がＰ２になると、第２上部スイッチ１５２ａが第２下部スイッチ１５２ｂに接触し、第２スイッチ１５０がオンする。このとき以降、接触し合った第２上部スイッチ１５２ａと第２下部スイッチ１５２ｂが、圧力によって変化するダイアフラム領域を画定する。即ち、第２上部スイッチ１５２ａと第２下部スイッチ１５２ｂの内側領域のみが圧力に応じて変形する領域となる。変形領域の直径がさらに小さくなるために、ダイアフラム１８４はさらに変形しづらくなり、それ以降は、印加圧力の増加量に対する電圧値ＶＯＵＴの増加量がさらに減少する。
各スイッチ１４０、１５０がオンすることで、ダイアフラム１８４の支持状態が変化する。第１スイッチ１４０がオンすると、ダイアフラム１８４の圧力検知領域は、支持部１８６で支持された直径Ｌ０（図５参照）の円形領域から第１上部スイッチ１４２ａで支持された直径Ｌ１の円形領域に減少する。さらに第２スイッチ１５０がオンすると、ダイアフラム１８４の圧力検知領域は、第１上部スイッチ１４２ａで支持された直径Ｌ１の円形領域から第２上部スイッチ１５２ａで支持された直径Ｌ２の円形領域に減少する。ダイアフラム１８４の圧力検知領域が減少すると、印加圧力の変化量に対するダイアフラム１８４の変形量（たわみ量）が減少する。この結果、感圧容量電極１２２ａと１２２ｂ間の距離の変化量も減少するので、感圧容量電極１２２ａと１２２ｂ間の感圧容量の変化量（電圧値ＶＯＵＴの変化量）も減少するのである。
【００２６】
本センサでは、図１に示すように、第１スイッチ１４０がオンすると、電圧源１６８から抵抗１７０ａに電圧がかかる。この電圧がＲＯＭ１７２に伝達される結果、ＲＯＭ１７２から補正係数信号が出力される。この補正係数信号は信号処理回路１７４に入力される。信号処理回路１７４には、容量検出回路１６４から出力された電圧ＶＯＵＴも入力されており、この電圧ＶＯＵＴに補正係数信号による補正係数を乗じた値ＶＳＥＮが信号処理回路１７４から出力される。
このようにして、第１スイッチ１４０がオンした後の印加圧力の変化に対する電圧ＶＳＥＮの変化の割合が、第１スイッチ１４０がオンする前の印加圧力の変化に対する電圧ＶＯＵＴの変化の割合とほぼ同じとなるように補正する。同様にして、第２スイッチ１５０がオンした後の印加圧力の変化に対する電圧ＶＳＥＮの変化の割合が、第１スイッチ１４０がオンする前の印加圧力の変化に対する電圧ＶＯＵＴの変化の割合とほぼ同じとなるように補正する。この結果、図１２に示すように、補正前の印加圧力と出力電圧ＶＯＵＴの関係は実線に示すように折れ線状となっていたが、補正後の印加圧力と出力電圧ＶＳＥＮの関係は点線に示すようにほぼ直線状にリニア化される。
なお、上記実施例では、第１スイッチ１４０あるいは第２スイッチ１５０がオンしている間の電圧ＶＯＵＴに補正係数を乗じる構成としているが、第１スイッチ１４０あるいは第２スイッチ１５０がオンする前の電圧ＶＯＵＴに１より小さい補正係数を乗じる構成としてもよい。また、第１スイッチ１４０あるいは第２スイッチ１５０がオンする前とオンした後の両方の電圧ＶＯＵＴにそれぞれ異なる補正係数を乗じる構成としてもよい。
また、上記実施例では、第１スイッチ１４０あるいは第２スイッチ１５０がオンしている間は電圧ＶＯＵＴに補正係数を乗じる構成としているが、容量検出回路１６４から出力された電圧ＶＯＵＴが所定の電圧値Ｖ１あるいはＶ２以上の間の電圧ＶＯＵＴに補正係数を乗じる構成としてもよい。また、電圧ＶＯＵＴがＶ１あるいはＶ２以上となる前の電圧ＶＯＵＴに１より小さい補正係数を乗じる構成としてもよく、電圧ＶＯＵＴがＶ１あるいはＶ２以上になる前となった後の両方の電圧ＶＯＵＴにそれぞれ異なる補正係数を乗じる構成としてもよい。
また、上記実施例では、電圧ＶＯＵＴに補正係数を乗じているが、電圧ＶＯＵＴを補正係数で割ったり、電圧ＶＯＵＴに補正係数を加えたり、あるいは引いたりすることで、スイッチがオンした後の印加圧力の変化に対する電圧ＶＳＥＮの変化の割合が、スイッチがオンする前の印加圧力の変化に対する電圧ＶＯＵＴの変化の割合とほぼ同じとなるように補正してもよい。
【００２７】
以上、本発明の実施例の静電容量型圧力センサについて説明したが、本発明の適用範囲は上記の実施例になんら限定されるものではない。すなわち、本発明は、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。
本実施例では、図３から図５に示すように、第１上部スイッチ１４２ａと第２上部スイッチ１５２ａの方を半導体膜１９２のギャップ１８２側の面からギャップ１８２内に突出させているが、本発明の適用範囲はこれに限られない。例えば、図１３に示すように、第１下部スイッチ１４２ｂと第２下部スイッチ１５２ｂの方をシリコン基板１８０のギャップ１８２側の面からギャップ１８２内に突出させてもよい。この突出部は、ＣＶＤ法等でシリコン基板１８０上に多結晶シリコン膜を堆積させてエッチングにより不要部分を除去した後、熱拡散法やイオン注入法によってその多結晶シリコン膜に不純物を添加することで形成すればよい。また、上部と下部のスイッチの両方を突出させてもよい。
【００２８】
また、本実施例では、圧力によってダイアフラム１８４がたわんで静電容量が変化する場合を例示したが、本発明は、加速度や振動や音圧等の物理量によってダイアフラム１８４がたわんで静電容量が変化する場合一般に適用することができる。
また、本実施例では、内外２重にリング状の突出部１４２ａ、１５２ａを設けて感度を２段に切換えているが、切換え段数は２段に限られない。ダイアフラム１８４の平面形状が円形の場合には、リング状の突出部１４２ａ、１５２ａを設ける代わりに、リングに沿って配置された複数の柱状の突出部を用いてもよい。また、ダイアフラム１８４の平面形状が例えば正方形等の場合には、ダイアフラム１８４の変形時の等高線（変形量が同じ位置を結ぶ線）に沿って、単数または複数の突出部を配置することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例の静電容量型圧力検出装置のブロック図。
【図２】本実施例の静電容量型圧力センサの概略平面図。
【図３】図２のＡ−Ｂ線断面図。
【図４】図２のＣ−Ｄ線断面図。
【図５】図２のＥ−Ｆ線断面図。
【図６】図２のセンサの製造工程の一部を示した図（１）。
【図７】図２のセンサの製造工程の一部を示した図（２）。
【図８】図２のセンサの製造工程の一部を示した図（３）。
【図９】図２のセンサの製造工程の一部を示した図（４）。
【図１０】図２のセンサの製造工程の一部を示した図（５）。
【図１１】図２のセンサの製造工程の一部を示した図（６）。
【図１２】本実施例の静電容量型圧力検出装置の印加圧力−出力電圧特性を示した図。
【図１３】他の実施例の静電容量型圧力センサの図４に相当する図。
【図１４】従来の静電容量型圧力検出装置のブロック図。
【図１５】従来の静電容量型圧力センサの概略平面図。
【図１６】図１５のＡ−Ｂ線断面図。
【図１７】図１５のＣ−Ｄ線断面図。
【図１８】図１５のＥ−Ｆ線断面図。
【図１９】従来の静電容量型圧力検出装置の印加圧力−出力電圧特性を示した図。
【符号の説明】
１０１：静電容量型圧力検出装置
１１０：静電容量型圧力センサ
１２０：感圧キャパシタ
１２２：感圧容量電極
１２４：感圧容量電極リード
１２６：感圧容量電極端子
１３０：基準キャパシタ
１３２：基準容量電極
１３４：基準容量電極リード
１３６：基準容量電極端子
１４０：第１スイッチ
１４２：第１上部・下部スイッチ（突出部の一例）
１４４：第１スイッチリード
１４６：第１スイッチ端子
１５０：第２スイッチ
１５２：第２上部・下部スイッチ（突出部の一例）
１５４：第２スイッチリード
１５６：第２スイッチ端子
１６０：電圧ＶＸの入力端子
１６２：電圧ＶＲの入力端子
１６４：容量検出回路
１６８：電圧源
１７０：抵抗
１７２：ＲＯＭ
１７４：信号処理回路
１７８：電圧ＶＳＥＮの出力端子
１８０：シリコン基板
１８２：ギャップ
１８４：ダイアフラム
１８６：ダイアフラムの支持部
１８８：基板保護膜
１９０：犠牲層
１９２：半導体膜
１９４：エッチング孔
１９６：封止膜
１９８：エッチング孔の封止部
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電容量型物理量センサと静電容量型物量検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の静電容量型物理量センサを備えた静電容量型物理量検出装置の一例を図１４から図１８を参照して説明する。図１４は従来の静電容量型圧力検出装置のブロック図である。図１５は静電容量型圧力センサの概略平面図であり、封止膜を除いた状態の平面図を示している。図１６は図１５のＡ−Ｂ線の断面図であり、図１７はＣ−Ｄ線の断面図であり、図１８はＥ−Ｆ線の断面図である。
図１４に示すように、従来の静電容量型圧力検出装置１は、静電容量型圧力センサ１０と、容量検出回路６４を備えている。静電容量型圧力センサ１０は、感圧容量ＣＸの感圧キャパシタ２０と、基準容量ＣＲの基準キャパシタ３０を有する。感圧キャパシタ２０は検出電圧ＶＸの入力端子６０に接続されている。基準キャパシタ３０は基準電圧ＶＲの入力端子６２に接続されている。感圧キャパシタ２０と基準キャパシタ３０はそれぞれ容量検出回路６４に接続されている。容量検出回路６４は電圧ＶＯＵＴの出力端子７８に接続されている。
【０００３】
静電容量型圧力センサ１０は、実際にはシリコン基板上にダイアフラムを形成することで製造されている。具体的には、静電容量型圧力センサ１０は、図１６から図１８に示すように、シリコン基板８０と、シリコン基板８０からギャップ８２を隔てて形成されたダイアフラム８４と、ダイアフラム８４の周縁に形成されたダイアフラム８４の支持部８６を備えている。
シリコン基板８０には、その表面側に感圧容量下部電極２２ｂと、基準容量下部電極３２ｂが形成されている。感圧容量下部電極２２ｂは感圧容量下部電極リード２４ｂを介して感圧容量下部電極端子２６ｂ（図１５と図１６参照）に接続され、基準容量下部電極３２ｂは基準容量下部電極リード３４ｂを介して基準容量下部電極端子３６ｂ（図１５と図１６参照）に接続されている。シリコン基板８０の表面は、基板保護膜８８（図１６から図１８参照）で覆われている。
ダイアフラム８４は、多結晶シリコン膜からなる半導体膜９２と、シリコン窒化膜からなる封止膜９６で構成されている。半導体膜９２には、感圧容量上部電極２２ａと、基準容量上部電極３２ａが形成されている。感圧容量上部電極２２ａは感圧容量上部電極リード２４ａを介して感圧容量上部電極端子２６ａ（図１５と図１７参照）に接続され、基準容量上部電極３２ａは基準容量上部電極リード３４ａを介して基準容量上部電極端子３６ａ（図１５と図１７参照）に接続されている。
図１６から図１８に示す感圧容量上部電極２２ａと感圧容量下部電極２２ｂによって図１４に示す感圧キャパシタ２０が構成されている。図１６から図１８に示す基準容量上部電極３２ａと基準容量下部電極３２ｂによって図１４に示す基準キャパシタ３０が構成されている。
【０００４】
所定の圧力が図１６から図１８に示すダイアフラム８４に印加されると、ギャップ８２は封止された真空の圧力基準室として機能するから、印加された圧力に比例してダイアフラム８４がたわんで変形する。ダイアフラム８４が変形すると、感圧容量上部電極２２ａと感圧容量下部電極２２ｂ間の距離が変化する。この両電極間の距離が変化すると両電極間の容量が変化する。図１４に示す構成によって感圧キャパシタ２０の感圧容量ＣＸの変化と基準キャパシタ３０の基準容量ＣＲの差をとり、容量検出回路６４で電圧値ＶＯＵＴに変換することによって、ダイアフラム８４に印加された圧力の大きさを検出することができる。
基準キャパシタ３０は、センサ１０が置かれている環境温度によって静電容量が変化することを補償し、センサ１０から出力される電圧値ＶＯＵＴが温度に影響されず、圧力のみに影響されるように用いられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の静電容量型圧力センサ１では、図１９のグラフに示すように、印加圧力がＰＡになるまでは、出力電圧ＶＯＵＴと印加圧力が比例する。しかし、印加圧力がＰＡになると、図１６から図１８に示したダイアフラム８４は変形量の大きい中央部からシリコン基板８０に接触し始めるため、出力電圧が印加圧力に比例しなくなり、徐々に飽和する。さらに印加圧力がＰＢになると、ダイアフラム８４の中央部付近が完全にシリコン基板８０に接触し、この結果、印加圧力を増加させても出力電圧ＶＯＵＴは飽和状態となり、印加圧力を検出できなくなる。
ダイアフラム８４の厚さを厚くしたり、あるいはダイアフラム８４の直径を小さくすれば、印加圧力に対するダイアフラム８４の変形量が小さくなるため、検知可能な圧力の範囲を広くすることができる。しかしながらその反面、ダイアフラム８４の厚さを厚くしたり、あるいは直径を小さくすると、センサの感度が低下してしまい、検出可能な圧力の分解能が粗くなってしまうという問題が生じる。
【０００６】
広い範囲の物理量（圧力、加速度、振動、音圧等）を検知でき、かつ、その範囲の全てにおいて感度良く物理量の微小な変化を検知できるのが理想ともいえる。しかしながら、そのような静電容量型物理量センサの実現は難しい。一方、実際に静電容量型物理量センサを使用する場合には、測定範囲のうちでも高感度が要求される範囲と要求されない範囲があるのが通常である。通常は、測定する物理量が大きくなるにつれて、検出可能な分解能が粗くなることが許容されることが多い。
本発明者はこのような事実に着目し、高感度が要求される範囲では物理量の微小な変化を検知でき、高感度が要求されない範囲では広い範囲の物理量を検知できる静電容量型物理量センサを実現することを目的として鋭意研究を進めた結果、本発明を着想するに至った。
【０００７】
【課題を解決するための手段および作用と効果】
本発明の静電容量型物理量センサは、固定電極を持つ基板と、基板からギャップを隔てて形成された可動電極を持つダイアフラムと、ダイアフラムの周縁に形成されたダイアフラムの支持部を備えている。支持部より内側に、基板のギャップ側の面および／またはダイアフラムのギャップ側の面からギャップ内に伸びる導電性の突出部が複数形成されている。突出部に対向する対向面に導電層が形成されている。本発明の静電容量型物理量センサは、ダイアフラムが撓んで突出部が導電層に接触したときに導通するスイッチを内蔵していることを特徴とする。本発明の静電容量型物理量センサではさらに、各突出部が、異なる物理量をダイアフラムに加えた時に、対向面に接触することを特徴とする(請求項１)。
本発明者は、ダイアフラムに加わる物理量の大きさによってダイアフラムの物理量検知領域の大きさを変化させることができる静電容量型物理量センサを実現した。
このセンサでは、突出部がその対向面に接触する前は、ダイアフラムの物理量検知領域は支持部で支持された範囲内の広い領域である。このため、突出部がその対向面に接触する前は、物理量の微小な変化を検知できる。
一方、所定の物理量が加わると、突出部がその対向面に接触する。突出部がその対向面に接触すると、突出部はダイアフラムの周縁に形成された支持部と同様の役割を果たし、ダイアフラムの物理量検知領域は突出部で支持された範囲内の領域となる。突出部は支持部より内側に形成されているから、突出部が対向面に接触する前よりもダイアフラムの物理量検知領域は狭くなる。このため、突出部がその対向面に接触する前に比べて、物理量に対するダイアフラムの変形量が小さくなる。よって、ダイアフラムに大きな物理量が加わっても、ダイアフラムの中央部が基板に接触して物理量が検出不能となるのを防止できる。このため、突出部がその対向面に接触した後は、広い範囲の物理量を検知できる。
このセンサによれば、高感度が要求される範囲では物理量の微小な変化を検知でき、高感度が要求されない範囲では広い範囲の物理量を検知できる。
しかもこのセンサは、ダイアフラムが撓んで突出部が導電層に接触したときに導通するスイッチを内蔵していることから、そのスイッチの状態から、突出部が対向面に接触しているのか否かが分る。突出部が対向面に接触しない状態で、物理量を高感度に検知しているのか、あるいは、突出部が対向面に接触した状態で、広い範囲の物理量を粗い感度で検知しているのかが分る。
さらに、異なる物理量をダイアフラムに加えた時に、各突出部が対向面に接触することから、物理量検知領域の大きさをより細かく設定することができる。このため、物理量の微小な変化を検知する段階や、広い範囲の物理量を検知する段階をより細かく設定することができる。
【０００９】
請求項１に記載の静電容量型物理量センサにおいては、突出部がダイアフラム変形時の等高線に沿って形成されていることが好ましい（請求項２）。
ここで、「突出部が…等高線に沿って形成されている」とは、１つの突出部が等高線に沿って形成されている場合と、複数の突出部が等高線に沿って形成されている場合の両方を含む。
このセンサによると、１つの突出部が等高線に沿って形成されていると、所定の物理量が加わった場合に、１つの突出部の各部位をその対向面に同時に接触させることができる。また、複数の突出部が等高線に沿って形成されていると、所定の物理量が加わった場合に、各突出部をその対向面に同時に接触させることができる。このため、このセンサによれば、この突出部によってダイアフラムが安定して支持された状態で物理量を検出することができる。
【００１０】
請求項１又は２に記載の静電容量型物理量センサにおいては、ダイアフラムは基準容量電極をさらに持つことが好ましい（請求項３）。
このセンサによると、基準容量電極のみを設けるダイアフラムを別途設ける必要がない。また、可動電極と基準容量電極が同一のダイアフラムに形成され、近接した位置にあることから、可動電極と基準容量電極の温度環境がほぼ同様となる。このため、これらの容量の差をとることで温度の影響を相殺することができる。
【００１１】
本発明はまた、静電容量型物理量検出装置をも実現する。この検出装置は、請求項１から３のいずれかに記載の静電容量型物理量センサと、突出部が対向面に接触する前後を通じて、物理量の変化に対する物理量検出パラメータ値の変化の割合がほぼ同じとなるように、固定電極と可動電極の組から得られる値を補正する手段を備えている（請求項４）。ここで、「物理量検出パラメータ値」とは、加えられる物理量の変化に応じて変化する静電容量の値、あるいはこの静電容量の変化に応じて変化する電圧値等をいう。
この検出装置によると、加えられる物理量の大きさが変化しても物理量の変化に対する物理量検出パラメータ値の変化の割合がほぼ同じとなるので、物理量検出パラメータ値に対応する物理量の大きさを容易に認識できる。
【００１２】
請求項４に記載の補正手段は、突出部が対向面に接触する前後を通じて、物理量の変化に対する物理量検出パラメータ値の変化の割合がほぼ同じとなるように、突出部がその対向面に接触する前および／または接触した後に固定電極と可動電極の組から得られる値を補正することが好ましい（請求項５）。
この検出装置によると、物理量検出パラメータ値の補正を適切に行える。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本実施例の静電容量型圧力検出装置の構成を図１から図５を参照して説明する。図１は本実施例の静電容量型圧力検出装置のブロック図である。図２は静電容量型圧力センサの概略平面図であり、封止膜を除いた状態の平面図を示している。図３は、図２のＡ−Ｂ線断面図であり、図４はＣ−Ｄ線断面図であり、図５はＥ−Ｆ線断面図である。
図１に示すように、本実施例の静電容量型圧力検出装置１０１は、静電容量型圧力センサ１１０と、容量検出回路１６４と、ＲＯＭ１７２と、信号処理回路１７４等を備えている。静電容量型圧力センサ１１０は、感圧容量ＣＸの感圧キャパシタ１２０と、基準容量ＣＲの基準キャパシタ１３０と、第１スイッチ１４０と、第２スイッチ１５０を有する。感圧キャパシタ１２０は、検出電圧ＶＸの入力端子１６０に接続されている。基準キャパシタ１３０は、基準電圧ＶＲの入力端子１６２に接続されている。感圧キャパシタ１２０と基準キャパシタ１３０はそれぞれ容量検出回路１６４に接続されている。
【００１５】
第１スイッチ１４０は抵抗１７０ａと直列に接続されており、第２スイッチ１５０は抵抗１７０ｂと直列に接続されている。第１スイッチ１４０と抵抗１７０ａの組と、第２スイッチ１５０と抵抗１７０ｂの組は並列に接続されており、電圧源１６８に接続されている。第１スイッチ１４０と抵抗１７０ａの間、および第２スイッチ１５０と抵抗１７０ｂの間からはそれぞれ接続線が伸びており、各接続線はＲＯＭ１７２に接続されている。
上記した容量検出回路１６４とＲＯＭ１７２は、信号処理回路１７４に接続されている。信号処理回路１７４は電圧ＶＳＥＮの出力端子１７８に接続されている。
【００１６】
静電容量型圧力センサ１１０は、実際にはシリコン基板上にダイアフラムを形成することで製造されている。具体的には、静電容量型圧力センサ１１０は、図３から図５に示すように、シリコン基板１８０と、シリコン基板１８０からギャップ１８２を隔てて形成されたダイアフラム１８４と、ダイアフラム１８４の周縁に形成されたダイアフラム１８４の支持部１８６を備えている。
シリコン基板１８０には、感圧容量下部電極１２２ｂと、基準容量下部電極１３２ｂと、第１下部スイッチ１４２ｂと、第２下部スイッチ１５２ｂが形成されている。これらは、高伝導度特性が得られるようにシリコン基板１８０に不純物が高濃度拡散された層で形成されている。感圧容量下部電極１２２ｂは感圧容量下部電極リード１２４ｂを介して感圧容量下部電極端子１２６ｂ（図２と図３参照）に接続され、基準容量下部電極１３２ｂは基準容量下部電極リード１３４ｂを介して基準容量下部電極端子１３６ｂ（図２と図３参照）に接続されている。第１下部スイッチ１４２ｂは第１下部スイッチリード１４４ｂを介して第１下部スイッチ端子１４６ｂ（図２参照）に接続され、第２下部スイッチ１５２ｂは第２下部スイッチリード１５４ｂを介して第２下部スイッチ端子１５６ｂ（図２参照）に接続されている。シリコン基板１８０の表面は、基板保護膜１８８（図３から図５参照）で覆われている。
【００１７】
ダイアフラム１８４は、多結晶シリコン膜からなる半導体膜１９２と、シリコン窒化膜からなる封止膜１９６で構成されている。半導体膜１９２には、感圧容量上部電極１２２ａと、基準容量上部電極１３２ａと、第１上部スイッチ（突出部の一例）１４２ａと、第２上部スイッチ（突出部の一例）１５２ａが形成されている。これらは、高伝導度特性が得られるように半導体膜１９２に不純物が高濃度拡散された層で形成されている。感圧容量上部電極１２２ａは感圧容量上部電極リード１２４ａを介して感圧容量上部電極端子１２６ａ（図２と図４参照）に接続され、基準容量上部電極１３２ａは基準容量上部電極リード１３４ａを介して基準容量上部電極端子１３６ａ（図２と図４参照）に接続されている。また、第１上部スイッチ１４２ａは第１上部スイッチリード１４４ａを介して第１上部スイッチ端子１４６ａ（図２参照）に接続され、第２上部スイッチ１５２ａは第２上部スイッチリード１５４ａを介して第２上部スイッチ端子１５６ａ（図２参照）に接続されている。
【００１８】
感圧容量上部電極１２２ａは、図２の平面図に示すように円板状に形成されており、この感圧容量上部電極１２２ａと対向する位置に同じ円板状の感圧容量下部電極１２２ｂ（図３から図５参照）が配置されている。
感圧容量上部電極１２２ａの外周を囲うように第２上部スイッチ１５２ａが形成されている。第２上部スイッチ１５２ａは半導体膜１９２の変形時の等高線に沿ってリング状に形成されている。第２上部スイッチ１５２ａは図３から図５に示すように、半導体膜１９２のギャップ１８２側の面からギャップ１８２内に突出している。この第２上部スイッチ１５２ａと対向する位置に同じ大きさのリング状の第２下部スイッチ１５２ｂが配置されている。
第２上部スイッチ１５２ａの外周を囲うように第１上部スイッチ１４２ａが形成されている。第１上部スイッチ１４２ａは半導体膜１９２の変形時の等高線に沿ってリング状に形成されている。第１上部スイッチ１４２ａは図３から図５に示すように、半導体膜１９２のギャップ１８２側の面からギャップ１８２内に突出している。第１上部スイッチ１４２ａの突出幅は第２上部スイッチ１５２ａの突出幅よりも大きい。第１上部スイッチ１４２ａと第２上部スイッチ１５２ａの突出幅は、ダイアフラム１８４に圧力が印加されたときに、第１上部スイッチ１４２ａが先に第１下部スイッチ１４２ｂに接触し、その後、第２上部スイッチ１５２ａが第２下部スイッチ１５２ｂに接触するような幅に調整されている。
【００１９】
図３から図５に示す感圧容量上部電極１２２ａと感圧容量下部電極１２２ｂによって図１に示す感圧キャパシタ１２０が構成されている。図３から図５に示す基準容量上部電極１３２ａと基準容量下部電極１３２ｂによって図１に示す基準キャパシタ１３０が構成されている。図３から図５に示す第１上部スイッチ１４２ａと第１下部スイッチ１４２ｂによって図１に示す第１スイッチ１４０が構成されている。図３から図５に示す第２上部スイッチ１５２ａと第２下部スイッチ１５２ｂによって図１に示す第２スイッチ１５０が構成されている。
【００２０】
図１に示す容量検出回路１６４は、スイッチドキャパシタ回路等で構成すればよい。スイッチドキャパシタ回路は通常の半導体加工プロセスによって容易に形成できるため、静電容量型圧力センサ１１０と同一の基板上に形成して集積化することも容易である。また、図１に示す信号処理回路１７４は、基本的には、容量検出回路１６４からの出力電圧ＶＯＵＴとＲＯＭ１７２からの補正係数を乗算する乗算回路等で構成すればよい。さらに、図１に示すＲＯＭ１７２は、例えば、バッテリバックアップ付きのＲＡＭ、フラッシュメモリ、不揮発性ＲＡＭ等の他の記憶手段であってもよい。これらの信号処理回路１７４やＲＯＭ１７２も、静電容量型圧力センサ１１０と同一の基板上に形成して集積化することができる。
【００２１】
次に、本実施例の静電容量型圧力検出装置１０１の静電容量型圧力センサ１１０の製造方法の一例を図６から図１１を参照して説明する。以下の製造方法によって、上記したダイアフラム構造と電極対構造を実現する。
図６に示すように、熱拡散法やイオン注入法等によってシリコン基板１８０の表面に局部的に不純物を添加して拡散層（感圧容量下部電極１２２ｂ、基準容量下部電極１３２ｂ、第１下部スイッチ１４２ｂ、第２下部スイッチ１５２ｂ）を形成する。続いて、ＣＶＤ法等でシリコン窒化膜を堆積させて耐エッチング特性を有する基板保護膜１８８を形成する。続いて、ＣＶＤ法等によってシリコン酸化膜を堆積させて犠牲層１９０を形成する。続いて、図７に示すように、レジスト（図示省略）をマスクにしてドライエッチングを行い、犠牲層１９０をパターニングする。このパターニングは、後に第１上部スイッチ１４２ａと第２上部スイッチ１４２ｂとなる部分を形成するために行うものであるため、第１上部スイッチ１４２ａと第２上部スイッチ１４２ｂとなる部分の深さは変えてパターニングする。実際には、最初に第１上部スイッチ１４２ａの形成部のみを所定深さにまでエッチングし、続いて、第１上部スイッチ１４２ａの形成部と第２上部スイッチ１４２ｂの形成部を同時にエッチングする。この結果、第１上部スイッチ１４２ａの形成部では第２上部スイッチ１４２ｂの形成部よりも深くエッチングされる。
【００２２】
続いて、図８に示すように、ＣＶＤ法等で多結晶シリコン膜を堆積させて耐エッチング特性を有する半導体膜１９２を形成する。続いて、図９に示すように、熱拡散法やイオン注入法等によって半導体膜１９２の表面に局部的にリン等のｐ型不純物を添加して拡散層（感圧容量上部電極１２２ａ、基準容量上部電極１３２ａ、第１上部スイッチ１４２ａ、第２上部スイッチ１５２ａ）を形成する。なお、温度によっては上記拡散層から半導体膜１９２にリーク電流が流れる場合があるので、それを防止するために半導体膜１９２にｎ型不純物を若干添加しておくことが好ましい。続いて、図１０に示すように、半導体膜１９２にエッチング孔１９４を形成し、ウェットエッチングによって犠牲層１９０を除去する。エッチングの際のエッチング液には、犠牲層１９０を形成するシリコン酸化膜をエッチングして半導体膜１９２を形成する多結晶シリコン膜と基板保護膜１８８を形成するシリコン窒化膜をエッチングしにくいエッチング液（例えばフッ化水素酸溶液等）を用いることが好ましい。なお、エッチングは、上記したウェットエッチングの他にも、無水フッ酸ガスと水蒸気あるいはメチルアルコールガスの混合ガスによるドライエッチング等で行ってもよい。続いて、図１１に示すように、封止膜１９６を形成し、エッチング孔１９４を封止する。これにより、ギャップ１８２は真空状態となり、圧力基準室として機能する。また、ダイアフラム１８４とダイアフラム１８４の支持部１８６が形成される。
【００２３】
なお、上記実施例では、犠牲層１９０をＣＶＤ法によってシリコン酸化膜で形成したが、例えば熱酸化法によるシリコン酸化膜でもよい。要するに、シリコン基板１８０上に安定に堆積し、半導体膜１９２を形成する多結晶シリコンよりもエッチング速度が極めて速い材料であればよい。
【００２４】
次に、本実施例の静電容量型圧力検出装置１０１の動作を説明する。
所定の圧力が図３から図５に示すダイアフラム１８４に印加されると、ギャップ１８２は封止された真空の圧力基準室として機能するから、印加された圧力に比例してダイアフラム１８４がたわんで変形する。ダイアフラム１８４が変形すると、感圧容量上部電極１２２ａと感圧容量下部電極１２２ｂ間の距離が変化する。この両電極間の距離が変化すると両電極間の容量が変化する。図１に示す構成によってこの感圧キャパシタ１２０の感圧容量ＣＸの変化と基準キャパシタ１３０の基準容量ＣＲの差をとり、容量検出回路１６４で電圧値ＶＯＵＴに変換する。印加圧力と電圧値ＶＯＵＴの関係が図１２に実線で示されている。
【００２５】
図１２に示すように、印加圧力がＰ１になると、ダイアフラム１８４の変形によって第１上部スイッチ１４２ａが第１下部スイッチ１４２ｂに接触し、第１スイッチ１４０がオンする。このとき以降、接触し合った第１上部スイッチ１４２ａと第１下部スイッチ１４２ｂが、圧力によって変化するダイアフラム領域を画定する。即ち、第１上部スイッチ１４２ａと第１下部スイッチ１４２ｂの内側領域が圧力に応じて変形する領域となる。変形領域の直径が小さくなるために、ダイアフラム１８４は変形しづらくなり、それ以降は、印加圧力の増加量に対する電圧値ＶＯＵＴの増加量が減少する。さらに印加圧力がＰ２になると、第２上部スイッチ１５２ａが第２下部スイッチ１５２ｂに接触し、第２スイッチ１５０がオンする。このとき以降、接触し合った第２上部スイッチ１５２ａと第２下部スイッチ１５２ｂが、圧力によって変化するダイアフラム領域を画定する。即ち、第２上部スイッチ１５２ａと第２下部スイッチ１５２ｂの内側領域のみが圧力に応じて変形する領域となる。変形領域の直径がさらに小さくなるために、ダイアフラム１８４はさらに変形しづらくなり、それ以降は、印加圧力の増加量に対する電圧値ＶＯＵＴの増加量がさらに減少する。
各スイッチ１４０、１５０がオンすることで、ダイアフラム１８４の支持状態が変化する。第１スイッチ１４０がオンすると、ダイアフラム１８４の圧力検知領域は、支持部１８６で支持された直径Ｌ０（図５参照）の円形領域から第１上部スイッチ１４２ａで支持された直径Ｌ１の円形領域に減少する。さらに第２スイッチ１５０がオンすると、ダイアフラム１８４の圧力検知領域は、第１上部スイッチ１４２ａで支持された直径Ｌ１の円形領域から第２上部スイッチ１５２ａで支持された直径Ｌ２の円形領域に減少する。ダイアフラム１８４の圧力検知領域が減少すると、印加圧力の変化量に対するダイアフラム１８４の変形量（たわみ量）が減少する。この結果、感圧容量電極１２２ａと１２２ｂ間の距離の変化量も減少するので、感圧容量電極１２２ａと１２２ｂ間の感圧容量の変化量（電圧値ＶＯＵＴの変化量）も減少するのである。
【００２６】
本センサでは、図１に示すように、第１スイッチ１４０がオンすると、電圧源１６８から抵抗１７０ａに電圧がかかる。この電圧がＲＯＭ１７２に伝達される結果、ＲＯＭ１７２から補正係数信号が出力される。この補正係数信号は信号処理回路１７４に入力される。信号処理回路１７４には、容量検出回路１６４から出力された電圧ＶＯＵＴも入力されており、この電圧ＶＯＵＴに補正係数信号による補正係数を乗じた値ＶＳＥＮが信号処理回路１７４から出力される。
このようにして、第１スイッチ１４０がオンした後の印加圧力の変化に対する電圧ＶＳＥＮの変化の割合が、第１スイッチ１４０がオンする前の印加圧力の変化に対する電圧ＶＯＵＴの変化の割合とほぼ同じとなるように補正する。同様にして、第２スイッチ１５０がオンした後の印加圧力の変化に対する電圧ＶＳＥＮの変化の割合が、第１スイッチ１４０がオンする前の印加圧力の変化に対する電圧ＶＯＵＴの変化の割合とほぼ同じとなるように補正する。この結果、図１２に示すように、補正前の印加圧力と出力電圧ＶＯＵＴの関係は実線に示すように折れ線状となっていたが、補正後の印加圧力と出力電圧ＶＳＥＮの関係は点線に示すようにほぼ直線状にリニア化される。
なお、上記実施例では、第１スイッチ１４０あるいは第２スイッチ１５０がオンしている間の電圧ＶＯＵＴに補正係数を乗じる構成としているが、第１スイッチ１４０あるいは第２スイッチ１５０がオンする前の電圧ＶＯＵＴに１より小さい補正係数を乗じる構成としてもよい。また、第１スイッチ１４０あるいは第２スイッチ１５０がオンする前とオンした後の両方の電圧ＶＯＵＴにそれぞれ異なる補正係数を乗じる構成としてもよい。
また、上記実施例では、第１スイッチ１４０あるいは第２スイッチ１５０がオンしている間は電圧ＶＯＵＴに補正係数を乗じる構成としているが、容量検出回路１６４から出力された電圧ＶＯＵＴが所定の電圧値Ｖ１あるいはＶ２以上の間の電圧ＶＯＵＴに補正係数を乗じる構成としてもよい。また、電圧ＶＯＵＴがＶ１あるいはＶ２以上となる前の電圧ＶＯＵＴに１より小さい補正係数を乗じる構成としてもよく、電圧ＶＯＵＴがＶ１あるいはＶ２以上になる前となった後の両方の電圧ＶＯＵＴにそれぞれ異なる補正係数を乗じる構成としてもよい。
また、上記実施例では、電圧ＶＯＵＴに補正係数を乗じているが、電圧ＶＯＵＴを補正係数で割ったり、電圧ＶＯＵＴに補正係数を加えたり、あるいは引いたりすることで、スイッチがオンした後の印加圧力の変化に対する電圧ＶＳＥＮの変化の割合が、スイッチがオンする前の印加圧力の変化に対する電圧ＶＯＵＴの変化の割合とほぼ同じとなるように補正してもよい。
【００２７】
以上、本発明の実施例の静電容量型圧力センサについて説明したが、本発明の適用範囲は上記の実施例になんら限定されるものではない。すなわち、本発明は、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。
本実施例では、図３から図５に示すように、第１上部スイッチ１４２ａと第２上部スイッチ１５２ａの方を半導体膜１９２のギャップ１８２側の面からギャップ１８２内に突出させているが、本発明の適用範囲はこれに限られない。例えば、図１３に示すように、第１下部スイッチ１４２ｂと第２下部スイッチ１５２ｂの方をシリコン基板１８０のギャップ１８２側の面からギャップ１８２内に突出させてもよい。この突出部は、ＣＶＤ法等でシリコン基板１８０上に多結晶シリコン膜を堆積させてエッチングにより不要部分を除去した後、熱拡散法やイオン注入法によってその多結晶シリコン膜に不純物を添加することで形成すればよい。また、上部と下部のスイッチの両方を突出させてもよい。
【００２８】
また、本実施例では、圧力によってダイアフラム１８４がたわんで静電容量が変化する場合を例示したが、本発明は、加速度や振動や音圧等の物理量によってダイアフラム１８４がたわんで静電容量が変化する場合一般に適用することができる。
また、本実施例では、内外２重にリング状の突出部１４２ａ、１５２ａを設けて感度を２段に切換えているが、切換え段数は２段に限られない。ダイアフラム１８４の平面形状が円形の場合には、リング状の突出部１４２ａ、１５２ａを設ける代わりに、リングに沿って配置された複数の柱状の突出部を用いてもよい。また、ダイアフラム１８４の平面形状が例えば正方形等の場合には、ダイアフラム１８４の変形時の等高線（変形量が同じ位置を結ぶ線）に沿って、単数または複数の突出部を配置することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例の静電容量型圧力検出装置のブロック図。
【図２】本実施例の静電容量型圧力センサの概略平面図。
【図３】図２のＡ−Ｂ線断面図。
【図４】図２のＣ−Ｄ線断面図。
【図５】図２のＥ−Ｆ線断面図。
【図６】図２のセンサの製造工程の一部を示した図（１）。
【図７】図２のセンサの製造工程の一部を示した図（２）。
【図８】図２のセンサの製造工程の一部を示した図（３）。
【図９】図２のセンサの製造工程の一部を示した図（４）。
【図１０】図２のセンサの製造工程の一部を示した図（５）。
【図１１】図２のセンサの製造工程の一部を示した図（６）。
【図１２】本実施例の静電容量型圧力検出装置の印加圧力−出力電圧特性を示した図。
【図１３】他の実施例の静電容量型圧力センサの図４に相当する図。
【図１４】従来の静電容量型圧力検出装置のブロック図。
【図１５】従来の静電容量型圧力センサの概略平面図。
【図１６】図１５のＡ−Ｂ線断面図。
【図１７】図１５のＣ−Ｄ線断面図。
【図１８】図１５のＥ−Ｆ線断面図。
【図１９】従来の静電容量型圧力検出装置の印加圧力−出力電圧特性を示した図。
【符号の説明】
１０１：静電容量型圧力検出装置
１１０：静電容量型圧力センサ
１２０：感圧キャパシタ
１２２：感圧容量電極
１２４：感圧容量電極リード
１２６：感圧容量電極端子
１３０：基準キャパシタ
１３２：基準容量電極
１３４：基準容量電極リード
１３６：基準容量電極端子
１４０：第１スイッチ
１４２：第１上部・下部スイッチ（突出部の一例）
１４４：第１スイッチリード
１４６：第１スイッチ端子
１５０：第２スイッチ
１５２：第２上部・下部スイッチ（突出部の一例）
１５４：第２スイッチリード
１５６：第２スイッチ端子
１６０：電圧ＶＸの入力端子
１６２：電圧ＶＲの入力端子
１６４：容量検出回路
１６８：電圧源
１７０：抵抗
１７２：ＲＯＭ
１７４：信号処理回路
１７８：電圧ＶＳＥＮの出力端子
１８０：シリコン基板
１８２：ギャップ
１８４：ダイアフラム
１８６：ダイアフラムの支持部
１８８：基板保護膜
１９０：犠牲層
１９２：半導体膜
１９４：エッチング孔
１９６：封止膜
１９８：エッチング孔の封止部
Claims (5)
- 固定電極を持つ基板と、基板からギャップを隔てて形成された可動電極を持つダイアフラムと、ダイアフラムの周縁に形成されたダイアフラムの支持部を備え、
支持部より内側に、基板のギャップ側の面および／またはダイアフラムのギャップ側の面からギャップ内に伸びる導電性の突出部が複数形成されており、
その突出部に対向する対向面に導電層が形成されており、
ダイアフラムが撓んで突出部が導電層に接触したときに導通するスイッチを内蔵しており、
各突出部は、異なる物理量をダイアフラムに加えた時に、対向面に接触することを特徴とする静電容量型物理量センサ。 - 突出部がダイアフラムの変形時の等高線に沿って形成されていることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型物理量センサ。
- ダイアフラムは、基準容量電極をさらに持つことを特徴とする請求項１又は２に記載の静電容量型物理量センサ。
- 請求項１から３のいずれかに記載の静電容量型物理量センサと、突出部が対向面に接触する前後を通じて、物理量の変化に対する物理量検出パラメータ値の変化の割合がほぼ同じとなるように、固定電極と可動電極の組から得られる値を補正する手段を備えた静電容量型物理量検出装置。
- 請求項４に記載の補正手段は、突出部が対向面に接触する前後を通じて、物理量の変化に対する物理量検出パラメータ値の変化の割合がほぼ同じとなるように、突出部がその対向面に接触する前および／または接触した後に固定電極と可動電極の組から得られる値を補正することを特徴とする静電容量型物理量検出装置。
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