JPH0431052B2 - - Google Patents

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JPH0431052B2
JPH0431052B2 JP59180261A JP18026184A JPH0431052B2 JP H0431052 B2 JPH0431052 B2 JP H0431052B2 JP 59180261 A JP59180261 A JP 59180261A JP 18026184 A JP18026184 A JP 18026184A JP H0431052 B2 JPH0431052 B2 JP H0431052B2
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/04—Microphones
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
    • G01L9/0073—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance using a semiconductive diaphragm

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明はキヤパシタンス式圧力トランスデユー
サ、一層詳細にはシリコン−ガラス−シリコン
（SGS）・キヤパシタンス式圧トランスデユーサに
係る。
背景技術 シリコン・キヤパシタンス式圧力トランスデユ
ーサは公知であり、米国特許第3634727号明細書
に記載されている。この明細書に記載されている
圧力トランスデユーサは、各々中央開口をを有す
るキヤパシタンス板として機能する一対のシリコ
ン円板を含んいてる。二つの円板は、内部真空チ
ヤンバを形成するようにシリコン−金共融金属ボ
ンドにより周辺に沿つて接合されている。二つの
円板は、加えられた圧力に曝される時、互いに相
対的に撓んで、それらの間のキヤパシタンス値を
変化する。装置出力キヤパシタンスのこの変化が
検出された圧力の表示である。トランスデユーサ
は静穏出力キヤパシタンス値を有するので、検出
される圧力の精度は、圧力応答キヤパシタンス対
静穏キヤパシタンスの変化の大きさに関係する。
静穏キヤパシタンス値は圧力応答キヤパシタンス
の静的キヤパシタンス値と非圧力応答キヤパシタ
ンス値即ちトランスデユーサの寄生キヤパシタン
ス値との双方を含んでいる。
上記明細書による装置は比較的高い寄生キヤパ
シタンス値を有する。これは、シリコン円板の間
の周辺接合の面積が円板の可撓性（即ち圧力応
答）部分の断面積に比べて少からざる面積である
というトランスデユーサの構造によるものであ
る。加えて、円板の接着されている面は可撓性部
分の表面よりも互いに遥かに近接しているので、
それらは単位面積当り高いキヤパシタンス値を有
する。その結果、出力キヤパシタンス変化（△
Co）をマスクする少からざる寄生キヤパシタン
スが存在し、低いSN比の原因となる。本願出願
人と同一の出願人により1981年10月13日に出願さ
れた米国特許出願第310597号（静電的接着型シリ
コン・キヤパシタンス式圧力トランスデユーサ）
及び米国特許出願第310598号（シリコン−ガラス
−シリコン・キヤパシタンス式圧力トランスデユ
ーサ）明細書には、高いSN比が得られる構造を
有するニプレートSGSキヤパシタンス式圧力トラ
ンスデユーサが開示されている。この構造の寄生
キヤパシタンスは、接合面の間の間隔より大きく
ない間隔を圧力応答シリコン円板の間に置くこと
により減ぜられた。これは、台を形成する内部ホ
ウケイ酸ガラスペーサの選択的なトポロジイ的形
状により達成されている。これらの装置は実際圧
力の比較的小さい変化に対して圧力応答キヤパシ
タンスに大きな変化を生ずる。しかし、それらは
まだ有限な寄生キヤパシタンスを呈し、それが二
プレート装置に対して実際上達成可能な最小値を
表わす。
発明の開示 本発明の一つの目的は、寄生キヤパシタンスを
公知の二プレート装置で達成可能な値以下に減ず
るキヤパシタンス式圧力トランスデユーサ構造を
提供することである。本発明の他の目的は、トラ
ンスデユーサ信号出力の処理中に寄生キヤパシタ
ンスのゲイン減衰作用をそれ自体で消去し得る構
造を提供することである。
本発明によれば、キヤパシタンス式圧力トラン
スデユーサはガラス誘電体により間隔を置かれた
圧力応答シリコンダイアフラム及びシリコン基板
を含んでおり、ガラス誘電体はダイアフラムと基
板との間に配置された電極を有し、電極はダイア
フラムと組合わさつてダイアフラムに与えられた
圧力信号の大きさに関係する瞬間値で圧力応答キ
ヤパシタンスを形成するようにダイアフラムから
間隔を置いて圧力応答間隙の反対側の端に位置し
ており、トランスデユーサは電極と基板との間及
び基板とダイアフラムとの間に主要な非圧力応答
性寄生キヤパシタンスを有し、従つてトランスデ
ユーサの静穏出力キヤパシタンスは圧力応答キヤ
パシタンス値と並列に寄生キヤパシタンス値の直
列価値を含んでいる。
更に本発明によれば、三つのプレート即ちダイ
アフラム、基板及び電極のすべては導電性であ
り、ダイアフラム及び基板は伝導性シリコンであ
り、又電極は好ましくは金属であり、三つのプレ
ートのすべてに電子的信号コンデイシヨニング装
置を直接に接続して、電極−基板間キヤパシタン
スを信号コンデイシヨニングにより消去し、それ
により寄生キヤパシタンスによるトランスデユー
サ出力減衰を消去することを可能にする。更に本
発明によれば、中央電極はダイアフラム及び基板
の各々の主面に対して平行な主面を有する中央プ
ラトーを含んでおり、中央プラトーの直径はダイ
アフラム及び基板の直径よりも小さい。本発明に
よるキヤパシタンス式圧力トランスデユーサは、
ダイアフラムと基板との間に位置する中央電極の
追加により三プレート装置である。その結果、圧
力応答キヤパシタンス板の間の間隔が減ぜられ、
又寄生キヤパシタンスが、信号コンデイシヨニン
グ装置と組合わせての相殺を可能にするようにセ
グメントに分割されている。電極と基板との間の
寄生キヤパシタンスは基板と寄生キヤパシタンス
との間の寄生キヤパシタンスと直列であり、それ
らは共に電極とダイアフラムとの間のダイアフラ
ムと並列である。その結果、寄生キヤパシタンス
の絶対値が減ぜられている。更に、本願と同日付
にて本願出願人と同一の出願人により出願された
特願昭59−180260号明細書に詳細に記載されてい
るように、別々の信号をトランスデユーサの電極
−ダイアフラム間接合、電極−基板間接合及び基
板−ダイアフラム間接合に与えることにより、圧
力応答キヤパシタンスが寄生キヤパシタンスの減
衰作用から有効に隔離されている。その果、本発
明によるキヤパシタンス式トランスデユーサの構
成はトランスデユーサの出力キヤパシタンスによ
り得られる高いゲイン感度により低い圧力用に良
く適している。
本発明の上記及び他の目的の特徴及び利点は、
添付図面に示されているその最良の実施態様を以
下に詳細に説明する中で一層明らかになろう。
発明を実施するための最良の形態 第１図は本発明による（SGS）キヤパシタンス
式圧力トランスデユーサ１０の拡大断面図であ
る。ベース側の金属電極１３を有するシリコン
（Si）基板１２は取付け側で、ホウケイ酸ガラス
例えばCorning7070ガラス又は“Pyrex”の四つ
の層１４〜１７を有するガラス誘電体層に接合さ
れている。ガラス誘電体層は中央電極１８を基板
と圧力応答シリコンダイアフラム２６との間の位
置に支えている。チヤンバ又は間隙２２が中央電
極の中央プラトー部分２４と同心にガラス誘電体
層内に形成されている。チヤンバは、ダイアフラ
ムが圧力検出面２６に与えられる圧力信号に応答
して撓むことを可能にする。ダイアフラムの撓み
はダイアフラムと電極との間の間隙キヤパシタン
スとの間の値を変化させ、それが加えられた圧力
信号を測定可能な電子的信号に変換する。絶対圧
力信号用としては、基板電極の外側表面２８が真
空に曝されている。差圧測定の場合には、ダイア
フラム及び基板電極の表面２６，２８は測定され
るべき差圧に曝されている。
第２図を参照すると、三プレート・トランスデ
ユーサの製造はシリコン基板１２を選択された厚
みに形成することで開始される。選択される厚み
はトランスデユーサにより検出される圧力範囲に
関係する。０〜50PSIの圧力範囲に対しては、基
板の厚みは800μmのオーダーである。ホウケイ酸
ガラス誘電体、典型的にはCorning7070ガラス又
は“Pyrex”、の第一の層１４が基板表面３４の
上に高周波スパツタリングにより被着される。ス
パツタリングは25％酸素中で行われる。ホウケイ
酸ガラスの特性、即ち誘電率及び膨張係数の利点
を最大限に得るためガラスが十分に酸化されるこ
とを保証するように、被着された層は１時間に亙
り555℃のオーダーに高められた温度で蒸気に曝
すことにより焼純される。焼純は“ウエツト”ガ
ラス層を形成するべくガラスを飽和させる。これ
はガラスを“リラツクス”させ、シリコン基板へ
のガラスの電界作用下の接着を容易にする。
焼純に続いて、薄いホウケイ酸ガラス層１５が
“ウエツト”ガラスの上に高周波スパツタリング
により約0.1μmの厚みに被着される。焼純されな
いこの第二の層（“ドライ”ガラス）は中央金属
電極１６の金属化を可能にするべくウエツト・ガ
ラスをシールする。
金属電極１８（第３図）は、クローム、アルミ
ニウム又は銅のような金属又はシリコンのような
半導体を含む導電性材料をデポジツトすることに
より層１５の露出面の上に形成される。電極は高
周波スパツタリング、真空蒸着又は化学的蒸着の
ような公知の技術を用いて0.5μmのオーダーの厚
みにデポジツトされる。電極層は、一端にプラト
ー２４形成するべく標準的なリトグラフイ及びエ
ツチング法を用いて幾何学的パターンを付ける。
プラトーはキヤパシタ板を形成し、ダイアフラム
と組合わさつて圧力応答キヤパシタ要素を形成す
る。
円形であつてよいプラトー表面は基板表面と実
質的に同心である。上記の方法より望ましくはな
いが電極をデポジツトし且パターン付けする代替
的な方法は金属マスクの使用を含んでいる。これ
はフオトレジスト・エツチング過程を省略し得る
が精度は低い。完全な電極の形成に続いて、ホウ
ケイ酸ガラスの第三の層１６が電極及び層１５の
露出面の上にデポジツトされる。この第三のガラ
ス層は同様に高周波スパツタリングにより2μmの
オーダーの厚みにデポジツトされる。
第４図には、次のステツプで電極のプラトー２
４の表面と同心に層１６に開口又はウエル２２が
形成され且この開口がガラス層１７でシールされ
た結果が示されている。開口は、ガラス誘電体層
を侵蝕するが電極は侵蝕しない選択的エツチング
化合物例えばフツ化水素酸を用いて公知のフオト
リトグラフ法により形成される。層１６の露出面
に於けるウエル直径はプラトーの直径よりも大き
く、拘束されているウエルの上側周縁に直接隣接
するダイアフラムの部分が撓み得ないようにす
る。プラトー表面をダイアフラムの“フリンジ”
面の中に延ばすことは寄生キヤパシタンスを僅か
に大きくするだけである。電極自体の露出された
金属は、真空キヤビテイの臨界的な寸法を制御す
るためのエツチ・ストツプとして作用する。電極
の周りの小さい環状面内のガラスのオーバー・エ
ツチングは装置の特性に殆ど影響しない。
次いでホウケイ酸ガラスの層１７が、エツチさ
れた表面、即ち層１６の残余の表面、ウエルの底
に於ける電極プラトー２４の露出された表面及び
層１５の露出された表面、の上にスパツタされ
る。他の方法もガラス層のすべてをデポジツトす
るために用いられ得るがスパツタリングは正確な
寸法制御を可能にする。この層１７の厚みが同様
に0.5μmのオーダーである。これは後で行われる
電界作用下の接着ステツプの間に電孤を阻止する
ように電極表面をシールし又大きな偏れのもとで
電極にダイアフラム（２０第１図）内側表面が電
気的に短絡するのを阻止する。
第５図及び第６図には残りの製造ステツプが示
されてる。シリコン・ダイアフラム２０が選択さ
れた厚みに形成される。０〜50PSIの圧力検出範
囲に対しては、ダイアフラムの厚みは200μmの可
撓性を与えるように選択される。次いでダイアフ
ラムが、ダイアフラムをホウケイ酸ガラス層１７
の露出された周縁面３４に密着させておくことに
より、構造に電界作用下に接着される。次いでダ
イアフラム及び構造が５〜10分間に亙りダイアフ
ラム２０（＋）からガラス層１７（−）へ75〜
125Vの直流電圧を掛けて約10-6Torrの圧力の真
空チヤンバ内で500℃の範囲の温度に加熱される。
上記の直流電圧により生ずる静電界はダイアフラ
ム及びガラス層１７を互いに吸引させ、ウエル２
２を真空チヤンバ内へ変形させる。
完成された構造の上に基板電極１３が、露出さ
れた外側基板表面を高周波スパツタリングにより
金属化することによつて形成される。金属化は二
つの層で行われ得る。第一の層はシリコン基板表
面の上に直接にデポジツトされた500オングスト
ロームのオーダーのニツケルの層であり、又第二
の層は電気的接続のためのワイヤー・ボンデイン
グを可能にするようにニツケルの上にデポジツト
された約5000オングストロームの厚みの金の層で
ある。しかし、ニツケル層へのリコースなしに金
を合金するような他の方法が用いられることは理
解されよう。このような方法のすべては当業者に
知られている。
第６図には、電極１８の接触面３６を露出させ
せるようガラス層１６，１７を通じてシリコン・
ダイアフラム２０からトランスデユーサ構造をエ
ツチングする最終ステツプが示されている。次い
でニツケル、金のような導電性金属層が中心電極
への電気的接続を再び形成するようにデポジツト
され得る。ニツケル−金は静電ボンデイングの前
にはデポジツトされ得ない。何故ならば、ボンデ
イング温度が金−シリコン共融温度よりも高く、
又ニツケル層がそれらを隔離しないからである。
本発明による三プレートSGSキヤパシタンス式
圧力トランスデユーサでは、圧力応答キヤパシタ
ンス板、即ち電極プラトー２４及びダイアフラム
２０（第１図）は、寄生キヤパシタンスよりも圧
力応答キヤパシタンスに対して単位面積当り高い
キヤパシタンスを形成するようにダイアフラム−
基板間又は電極−基板間の間隔よりも密に近接し
ている。０〜50PSIトランスデユーサに対して
は、プラトー断面積及びダイアフラムの対向面の
断面積は0.114cm2のオーダーである。ダイアフラ
ム及び基板の表面は電極プラトー表面によりマス
クされない。即ち“フリンジ面積”はプラトーの
面積の約２倍であり、0.25cm2のオーダーである。
しかしプレート間隔（ｄ）には約450：１の相違
がある。プラトーとダイアフラムとの間の間隔は
Ｐ＝０ PSIに於て約2.0μmであり、ダイアフラ
ムと基板との間の間隔は8.0μmのオーダーであ
る。勿論、ダイアフラム−基板間キヤパシタンス
は、真空（Ｋ＝1.0）中にある圧力応答キヤパシ
タンスよりも高い比誘電率（4.25）を有するホウ
ケイ酸ガラス誘電体を有する。
次に、第８図を参照しながら、下記の数値例を
説明する。
数値例 キヤパシタンスＣ＝Ｋ・ε0・Ａ／ｄ ここで：ε0＝真空誘電率 （＝8.85×10-14F／cm） Ｋ＝比誘電率 Kp1K3＝1.0 K1K2K4K5＝4.25 Ａ＝キヤパシタ板面積： AP＝0.114cm2 A1＝0.114cm2 A2＝0.114cm2 A3＝0.069cm2 A4＝0.069cm2 A5＝0.253cm2 ｄ＝キヤパシタ板間隔： dp（Ｐ＝０）＝2.0μm d1＝0.5×10-4cm d2＝6.0×10-4cm d3＝2.3×10-4cm d4＝6.5×10-4cm d5＝8.8×10-4cm キヤパシタン値： Cp（Ｐ＝０）＝50.44×10-12F C1＝857.6×10-12F C2＝71.5×10-12F C3＝26.5×10-12F C4＝39.9×10-12F C5＝108.2×10-12F Cx＝66×10-12F Cy＝124.13×10-12F 合成寄生キヤパシタンス C′＝Cx・Cy／Cx＋Cy＝43×10-12F 出力キヤパシタンスCo： Ｐ＝０に於て； Cp＝50.44×10-12F Co＝Cp＋C′＝94.2×10-12F Ｐ＝50 PSIに於て； Cp＝140.44×10-12F Co＝183.5×10-12F △Co＝89.3×10-12F（０−50PSI） 第８図の１にはトランスデユーサの分布キヤパ
シタンスが解図的に示されている。圧力応答キヤ
パシタンスCpは電極Ｅ−ダイアフラムＤ間接合
のキヤパシタンスである。電極Ｅ−基板Ｓ間接合
は寄生キヤパシタンスC1（ガラス誘電体層１７と
電極プラトー２４の表面との間に生ずる）及び
C2（電極プラトーと電極との間に生ずる）を含ん
でいる。寄生キヤパシタンスC3〜C5がダイアフ
ラムＤと基板Ｓとの間に存在している。キヤパシ
タンスC3はダイアフラムとプラトーの外側のチ
ヤンバの底との間のチヤンバ２２（第１図）の真
空（比誘電率は1.0）内に存在している。キヤパ
シタンスC4はチヤンバと基板との間の誘電体内
に存在している。最後にキヤパシタンスC5はダ
イアフラムＤのマスクされていない表面と基板Ｓ
との間に存在している。
数値例には０〜50PSIトランスデユーサに対し
てキヤパシタの比誘電率Ｋ、プレート面積Ａ及び
プレート間隔Ｄの典的な値が示されている。寄生
キヤパシタンスは、第８図の１に示されているよ
うに、二つの主要な値即ちCx＝C1・C2／（C1＋
C2）及びCy＝C5＋C3・C4／（C3＋C4）に分解さ
れている。二つの値はCx＝66×10-12F及びCy＝
124.13×10-2Fである。二つの寄生キヤパシタン
スは電気的に直列であり、合成寄生キヤパシタン
スはそれらの積と和との比即ちC′＝43×10-12Fで
ある。
圧力応答キヤパシタンスCpの値はＰ＝０では
Cp＝50.44×10-12Fであり、又Ｐ＝50PSIではCp
＝140.44×10-12Fである。０〜50PSIまでの出力
キヤパシタンスの変化（△Co）はＰ＝０に於け
る静穏値の２倍のオーダーである。
第７図の曲線３８は圧力信号の大きさの関係と
してキヤパシタンスCpの変化を示している。こ
の曲線は非直線であるが、参照符号４０を付され
ている最大値CPmaxまでは連続的に上昇し、そ
の先ではダイアフラムと電極との接触のために感
度が低くなる。
三プレートキヤパシタンス式圧力トランスデユ
ーサ構造は、検出キヤパシタンスのプレートが非
圧力応答キヤパシタンスよりも密に近接している
ことを許す。これは単位面積当り比較的高いキヤ
パシタンスを許し、検出キヤパシタ静穏値と寄生
キヤパシタンスの値との等化を助ける。加えて、
三つのプレートのすべてが導電性であること、即
ちダイアフラム及び基板が導電性シリコン（直接
電気接続を許すようなＮド−ピング・レベルを有
する。）であり、又電極が導電性シリコン又は金
属であることから、先に引用した特願昭59−
180260号明細書に記載されている信号コンデイシ
ヨニング回路が直接に接続され得る。上記明細書
に説明されているように、又本明細書の第８図の
３に簡単に示されているように、コンデイシヨニ
ング回路は電極Ｅ及び基板Ｓに同一位相及び大き
さの電流信号Io、Izを与え、それにより寄生キヤ
パシタンスCxを通る電流を０にする。検出電流
Ioのすべては圧力応答キヤパシタンスCpを通つ
て流れ、寄生キヤパシタンスCxを等価的に０に
する。その結果、静穏キヤパシタンスは圧力応答
キヤパシタンスに等しくなる。Ｐ＝50PSIでは、
Co＝Cp＋C′＝183.5×10-12Fである。信号コンデ
イシヨニングなしの約0.95のゲインと比較して、
1.8のゲインが得られる。こうして、三プレー
ト、・トランスデユーサは、非常に高いゲイン感
度が必要とされる非常に低い圧力の検出にも使用
され得る。
本発明をその最良の実施態様について図示し説
明してきたが、本発明の範囲内でその形態及び細
部に前記及び他の種々の変更及び省略が行われ得
ることは当業者に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明のSGSキヤパシタンス式圧力ト
ランスデユーサ構造の断面図である。第２図〜第
６図は第１図の構造と同一の断面で製造過程を順
次に示す図である。第７図は第１図のトランスデ
ユーサの実施例の作動特性を示すグラフである。
第８図は分布キヤパシタンス及びその等価回路を
示す図である。 １０……キヤパシタンス式圧力トランスデユー
サ、１２……シリコン基板、１３……金属電極、
１４〜１７……ガラス誘電体層、１８……中央電
極、２０……圧力応答シリコンダイアフラム、２
２……チヤンバ、２４……中央プラトー部分、２
６……検出面、２８……基板電極の外側表面。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 圧力検出面に与えられる圧力信号の大きさの
    表示を与えるための圧力トランスデユーサに於
    て、 第一及び第二のシリコン・ピースを含んでお
    り、前記第一のシリコン・ピースは圧力検出面を
    含んでおり、 前記第一及び第二のシリコン・ピースに互いに
    反対側の端で取付けられており、又それぞれ前記
    第一及び第二のシリコン・ピースと重ね合わされ
    て配置され、互いに反対の第一及び第二の主面を
    有する電極を有している誘電体ボデイを含んでお
    り、前記電極の第一の主面及び前記第一のシリコ
    ン・ピースが前記誘電体ボデイ内に形成された開
    口の互いに反対側の端に配置されており、それに
    より前記第一のシリコン・ピースの圧力検出面に
    与えられた圧力信号の大きさに関係し又その大き
    さを表わす瞬時値を有する圧力応答キヤパシタン
    スが形成されている、 ことを特徴とする圧力トランスデユーサ。 ２ 検出面に加えられた圧力信号の大きさをキヤ
    パシタンスにより指示する形式の圧力トランスデ
    ユーサの製造法に於て、 導電性シリコン基板の上にホウケイ酸ガラスの
    幾つかの予備的層をデポジツトする過程と、 前記予備的層の露出された面の上に導電性の電
    極を形成する過程と、 前記の形成された電極及び前記のガラスの予備
    的層の上にホウケイ酸ガラスの幾つかの二次的層
    をデポジツトする過程と、 前記電極と同心に前記のガラスの二次的層の中
    に開口を形成する過程と、 前記開口と重ね合わせて、露出されている主面
    に検出面を有する導電性のシリコン・ダイアフラ
    ムにより前記のガラスの二次的層及び前記開口の
    露出されている表面を真空中でシールし、前記ダ
    イアフラムが前記電極と組合わさつて、前記ダイ
    アフラム検出面に与えられた圧力信号の大きさを
    相応のキヤパシタンスにより指示し得るようにす
    るための過程と、 を含んでいることを特徴とする圧力トランスデユ
    ーサの製造法。
JP59180261A 1983-08-29 1984-08-29 圧力トランスデユ−サ及びその製造法 Granted JPS6071927A (ja)

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