JPH10111201A - 静電容量式物理センサ - Google Patents
静電容量式物理センサInfo
- Publication number
- JPH10111201A JPH10111201A JP26274896A JP26274896A JPH10111201A JP H10111201 A JPH10111201 A JP H10111201A JP 26274896 A JP26274896 A JP 26274896A JP 26274896 A JP26274896 A JP 26274896A JP H10111201 A JPH10111201 A JP H10111201A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- sensor
- movable electrode
- electrode
- elastic modulus
- fixed electrode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】可動電極中央部に高弾性部を設け、固定電極を
その中央部に対峙する部分に限定することで、高精度な
静電容量式物理センサを提供する。 【解決手段】可動電極（１０）は中央部（１１）と周辺
部より構成され、中央部（１１）は周辺部より弾性率が
大きいか又は厚肉部である。固定電極（１２）は可動電
極（１０）の法線方向から見て電極引き出し部(３３)を
除き高弾性率中央部(１１)の範囲に含まれる大きさに制
限する。信号処理は静電容量の逆数を対象とする。
その中央部に対峙する部分に限定することで、高精度な
静電容量式物理センサを提供する。 【解決手段】可動電極（１０）は中央部（１１）と周辺
部より構成され、中央部（１１）は周辺部より弾性率が
大きいか又は厚肉部である。固定電極（１２）は可動電
極（１０）の法線方向から見て電極引き出し部(３３)を
除き高弾性率中央部(１１)の範囲に含まれる大きさに制
限する。信号処理は静電容量の逆数を対象とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は静電容量式物理セン
サの高精度化に関するものである。
サの高精度化に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図２に静電容量式物理センサの例とし
て、従来の半導体圧力センサの断面構造を示す。（１）
は半径ａ，厚さｈ均一の可動電極、（２）は可動電極
（１）を支える支持体、（３）は基板内または基板上に
位置する固定電極、（４）は絶縁膜、（５）は幅ｄの空
隙、（６）は基板である。これに対し圧力が作用する
と、可動電極は固定電極に接近し、両者間の静電容量が
変化する。その変化を検知することで、圧力を検知でき
る。
て、従来の半導体圧力センサの断面構造を示す。（１）
は半径ａ，厚さｈ均一の可動電極、（２）は可動電極
（１）を支える支持体、（３）は基板内または基板上に
位置する固定電極、（４）は絶縁膜、（５）は幅ｄの空
隙、（６）は基板である。これに対し圧力が作用する
と、可動電極は固定電極に接近し、両者間の静電容量が
変化する。その変化を検知することで、圧力を検知でき
る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】図２のセンサに圧力が
作用すると、可動電極（１）の周辺部は固定端であって
変形せず、中心部は自由端であり変形するため、図２に
示すように歪曲して固定電極（３）に接近する。その際
の中心部の変位量をδ、変位のない時の容量をＣ0 、比
変位をα（＝δ／ｄ）とすると、静電容量Ｃ（δ）は
（数１）で表現される。
作用すると、可動電極（１）の周辺部は固定端であって
変形せず、中心部は自由端であり変形するため、図２に
示すように歪曲して固定電極（３）に接近する。その際
の中心部の変位量をδ、変位のない時の容量をＣ0 、比
変位をα（＝δ／ｄ）とすると、静電容量Ｃ（δ）は
（数１）で表現される。
【０００４】
【数１】
【０００５】この式に示されるように、静電容量Ｃ
（δ）は変位δまたはαに対し非線形であるため、図４
に示すように圧力に対しても非線形になる。その非線形
性は出力誤差の一因となる。一方、センサの構造におい
て支持体部（２）が電極（１），（３）にはさまれた構
造であるためこの部分に寄生容量が生じる。この寄生容
量は非線形性をさらに増加させると同時にセンサ部の感
度を低下させる。
（δ）は変位δまたはαに対し非線形であるため、図４
に示すように圧力に対しても非線形になる。その非線形
性は出力誤差の一因となる。一方、センサの構造におい
て支持体部（２）が電極（１），（３）にはさまれた構
造であるためこの部分に寄生容量が生じる。この寄生容
量は非線形性をさらに増加させると同時にセンサ部の感
度を低下させる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
めに、基板内もしくは基板上部に位置する固定電極と、
これに対向し周囲を支持体によって支持され、外力を受
けて変形する可動電極とを備え、信号処理は静電容量の
逆数を対象とする静電容量式センサにおいて、前記可動
電極は中央部と周辺部より構成され、その中央部は周辺
部より弾性率が大きいか又は肉厚部であり、前記固定電
極は、前記可動電極の法線方向から見て電極引き出し部
を除き高弾性率中央部の範囲に含まれる大きさであるこ
とを特徴とする静電容量式物理センサを提供するもので
ある。可動電極の中央部を周辺部より弾性率が大きいか
又は厚肉部とすることによりこの部分は加圧時の変形が
抑制され歪みのない平面に保たれるため、その運動は固
定電極への接近・遠隔の平行運動となる。一方、固定電
極はその可動電極の平面部分のみに対向する大きさに制
限することで静電容量は（数２）に従い変化するように
なる。従って、その静電容量の逆数をとる処理を行うこ
とにより、（数３）に表されるように可動電極の変位δ
に対して出力を線形にできる。
めに、基板内もしくは基板上部に位置する固定電極と、
これに対向し周囲を支持体によって支持され、外力を受
けて変形する可動電極とを備え、信号処理は静電容量の
逆数を対象とする静電容量式センサにおいて、前記可動
電極は中央部と周辺部より構成され、その中央部は周辺
部より弾性率が大きいか又は肉厚部であり、前記固定電
極は、前記可動電極の法線方向から見て電極引き出し部
を除き高弾性率中央部の範囲に含まれる大きさであるこ
とを特徴とする静電容量式物理センサを提供するもので
ある。可動電極の中央部を周辺部より弾性率が大きいか
又は厚肉部とすることによりこの部分は加圧時の変形が
抑制され歪みのない平面に保たれるため、その運動は固
定電極への接近・遠隔の平行運動となる。一方、固定電
極はその可動電極の平面部分のみに対向する大きさに制
限することで静電容量は（数２）に従い変化するように
なる。従って、その静電容量の逆数をとる処理を行うこ
とにより、（数３）に表されるように可動電極の変位δ
に対して出力を線形にできる。
【０００７】
【数２】
【０００８】
【数３】
【０００９】さらに一方で、そのセンサの周辺部に生ず
る寄生静電容量のうち、センサ部に対する並列成分の大
きさをセンサ部の基準容量以下とすることでさらに高精
度な静電容量式物理センサを提供するものである。
る寄生静電容量のうち、センサ部に対する並列成分の大
きさをセンサ部の基準容量以下とすることでさらに高精
度な静電容量式物理センサを提供するものである。
【００１０】
（実施例）以下に本発明による静電容量式センサを図面
を参照して説明する。
を参照して説明する。
【００１１】図１において（１０）は可動電極、（１
１）は可動電極（１０）の中央部に位置する高弾性率部
または肉厚部であり、金属やＳｉＣの蒸着もしくは電極
素材自身を厚くすることにより作製する。その製法は、
化学蒸着法または、気相エピタキシャル成長法で生成し
た後エッチングにより整形する方法とすることにより、
材料物性にとらわれることなく、望む形状に作製でき
る。従来の、単結晶シリコンの異方性エッチングにより
作製する方法では四角形以外は作製が困難であり、また
その厚みと面積は互いに相関があって独立に指定できな
い困難さがあった。一方、その中央部の面積は、可動電
極の１５％以上７０％以下が望ましい。その平面形状は
正方形，円形，多角形のうちいずれでも良い。固定電極
（１２）は、可動電極の法線方向から見て電極引き出し
部を除き高弾性率中央部の範囲に含まれる大きさに制限
される。その平面形状は、可動電極の高弾性率中央部の
形に準ずる。固定電極にこの制限を加えることで、より
忠実に数１に従う静電容量変化を得ることができる。支
持体（１３）は、固定電極(１２)上にある絶縁膜(１４)
が存在するため、その電気伝導性は任意であるが、後述
するように、寄生容量を抑制するために絶縁体であるこ
とが望ましい。
１）は可動電極（１０）の中央部に位置する高弾性率部
または肉厚部であり、金属やＳｉＣの蒸着もしくは電極
素材自身を厚くすることにより作製する。その製法は、
化学蒸着法または、気相エピタキシャル成長法で生成し
た後エッチングにより整形する方法とすることにより、
材料物性にとらわれることなく、望む形状に作製でき
る。従来の、単結晶シリコンの異方性エッチングにより
作製する方法では四角形以外は作製が困難であり、また
その厚みと面積は互いに相関があって独立に指定できな
い困難さがあった。一方、その中央部の面積は、可動電
極の１５％以上７０％以下が望ましい。その平面形状は
正方形，円形，多角形のうちいずれでも良い。固定電極
（１２）は、可動電極の法線方向から見て電極引き出し
部を除き高弾性率中央部の範囲に含まれる大きさに制限
される。その平面形状は、可動電極の高弾性率中央部の
形に準ずる。固定電極にこの制限を加えることで、より
忠実に数１に従う静電容量変化を得ることができる。支
持体（１３）は、固定電極(１２)上にある絶縁膜(１４)
が存在するため、その電気伝導性は任意であるが、後述
するように、寄生容量を抑制するために絶縁体であるこ
とが望ましい。
【００１２】可動電極が変位した状態を図５に示す。領
域Ａは可動電極の高弾性率中央部によって変位後も平面
形状が保たれ、固定電極に対して接近・遠隔の平行運動
をする領域である。固定電極の領域はこの範囲に限定さ
れることにより、非線形性を生ずる可動電極の歪み部Ｂ
の影響を削減する。
域Ａは可動電極の高弾性率中央部によって変位後も平面
形状が保たれ、固定電極に対して接近・遠隔の平行運動
をする領域である。固定電極の領域はこの範囲に限定さ
れることにより、非線形性を生ずる可動電極の歪み部Ｂ
の影響を削減する。
【００１３】実施例に用いたセンサはシリコンウエハ上
に作製した円形の圧力センサである。フルスケール圧力
は１kgｆ／cm2 、可動電極は多結晶シリコンであり、半
径ａ＝８５μｍ，厚みｈ＝５μｍ，固定電極との距離ｄ
＝０.５μｍ である。可動電極の変位がない場合の容量
（基準容量Ｃ0 ）は０.４８６ｐＦ となる。可動電極の
中央高弾性部の半径は６８μｍである。
に作製した円形の圧力センサである。フルスケール圧力
は１kgｆ／cm2 、可動電極は多結晶シリコンであり、半
径ａ＝８５μｍ，厚みｈ＝５μｍ，固定電極との距離ｄ
＝０.５μｍ である。可動電極の変位がない場合の容量
（基準容量Ｃ0 ）は０.４８６ｐＦ となる。可動電極の
中央高弾性部の半径は６８μｍである。
【００１４】図８に、本発明によるセンサ図７の非線形
率（２０）と既存のセンサ図６の非線形率（２１）を示
す。従来のセンサは圧力０.５０５kgｆ／cm2において最
大の非線形率は０.５７％ であるのに対し、本発明のセ
ンサは圧力０.５０１kgｆ／cm2 において最大の非線形
率は０.１２％ であり、本発明のセンサを用いることに
より、非線形率を従来のセンサの５分の１以下に低減す
ることができる。
率（２０）と既存のセンサ図６の非線形率（２１）を示
す。従来のセンサは圧力０.５０５kgｆ／cm2において最
大の非線形率は０.５７％ であるのに対し、本発明のセ
ンサは圧力０.５０１kgｆ／cm2 において最大の非線形
率は０.１２％ であり、本発明のセンサを用いることに
より、非線形率を従来のセンサの５分の１以下に低減す
ることができる。
【００１５】一方、図１に示すように固定電極（１２）
を、可動電極の法線方向から見て電極引き出し部を除き
高弾性率中央部の範囲に含まれる大きさに限定すること
により、寄生容量の並列成分を減らすことができる。並
列寄生容量Ｃｐは、センサの信号を衰弱させ感度を悪化
させる。図１０に示される従来のセンサ構造においては
固定電極（３）が支持体（２）の下部にも存在している
ため、支持体部に並列寄生容量が生ずる。支持体は幅５
０μｍ（７）、厚み０.５μｍ(８）の二酸化珪素であ
り、これにより寄生容量Ｃｐは２.３３ｐＦ でセンサ基
準容量の４７８％になる。一方、本発明のセンサは図１
に示すように並列寄生容量が、固定電極の引き出し線部
と支持体部が重なる部分（３３）のみ生ずるに過ぎな
い。引き出し線幅２μｍ（３１），支持体幅５０μｍ
（３２）であり、生ずる寄生容量Ｃｐは６.７ｆＦ、セ
ンサ基準容量Ｃ0 の１.４％まで抑えることができた。
を、可動電極の法線方向から見て電極引き出し部を除き
高弾性率中央部の範囲に含まれる大きさに限定すること
により、寄生容量の並列成分を減らすことができる。並
列寄生容量Ｃｐは、センサの信号を衰弱させ感度を悪化
させる。図１０に示される従来のセンサ構造においては
固定電極（３）が支持体（２）の下部にも存在している
ため、支持体部に並列寄生容量が生ずる。支持体は幅５
０μｍ（７）、厚み０.５μｍ(８）の二酸化珪素であ
り、これにより寄生容量Ｃｐは２.３３ｐＦ でセンサ基
準容量の４７８％になる。一方、本発明のセンサは図１
に示すように並列寄生容量が、固定電極の引き出し線部
と支持体部が重なる部分（３３）のみ生ずるに過ぎな
い。引き出し線幅２μｍ（３１），支持体幅５０μｍ
（３２）であり、生ずる寄生容量Ｃｐは６.７ｆＦ、セ
ンサ基準容量Ｃ0 の１.４％まで抑えることができた。
【００１６】図９に本発明のセンサについて、可動電極
の比変位δ／ｄ＝０.７ での比並列寄生容量Ｃｐ／Ｃ0
に対する非線形率ＮＬの変化を示す。ＮＬ（Ｃ）は逆数
処理なしの場合、ＮＬ（１／Ｃ）は逆数処理をした場合
の非線形率である。逆数処理をすることにより、寄生容
量を減らすことで非線形率を減少でき高精度化できるこ
とがわかる。また、比並列寄生容量Ｃｐ／Ｃ0 が１以下
の領域で、非線形率は１０％以下になり高精度化でき
る。
の比変位δ／ｄ＝０.７ での比並列寄生容量Ｃｐ／Ｃ0
に対する非線形率ＮＬの変化を示す。ＮＬ（Ｃ）は逆数
処理なしの場合、ＮＬ（１／Ｃ）は逆数処理をした場合
の非線形率である。逆数処理をすることにより、寄生容
量を減らすことで非線形率を減少でき高精度化できるこ
とがわかる。また、比並列寄生容量Ｃｐ／Ｃ0 が１以下
の領域で、非線形率は１０％以下になり高精度化でき
る。
【００１７】尚、本発明は、センサに作用する外力は圧
力の場合に限定されず、加速度による力等、可動電極を
変位させる外力に対して適用できるものである。
力の場合に限定されず、加速度による力等、可動電極を
変位させる外力に対して適用できるものである。
【００１８】
【発明の効果】以上のように、この発明は、基板内もし
くは基板上部に位置する固定電極と、これに対向し周囲
を支持体によって支持され、外力を受けて変形する可動
電極とを備え、信号処理は静電容量の逆数を対象とする
静電容量式センサにおいて、前記可動電極は中央部と周
辺部より構成され、その中央部は周辺部より弾性率が大
きいか又は肉厚部であり、前記固定電極は、前記可動電
極の法線方向から見て電極引き出し部を除き高弾性率中
央部の範囲に含まれる大きさであること、及び、そのセ
ンサの周辺部に生ずる寄生静電容量のうちセンサ部に対
して並列成分の静電容量の大きさが、センサ部の基準容
量以下とすることにより、出力の非直線性を減らし、高
精度な静電容量式物理センサを提供できる。
くは基板上部に位置する固定電極と、これに対向し周囲
を支持体によって支持され、外力を受けて変形する可動
電極とを備え、信号処理は静電容量の逆数を対象とする
静電容量式センサにおいて、前記可動電極は中央部と周
辺部より構成され、その中央部は周辺部より弾性率が大
きいか又は肉厚部であり、前記固定電極は、前記可動電
極の法線方向から見て電極引き出し部を除き高弾性率中
央部の範囲に含まれる大きさであること、及び、そのセ
ンサの周辺部に生ずる寄生静電容量のうちセンサ部に対
して並列成分の静電容量の大きさが、センサ部の基準容
量以下とすることにより、出力の非直線性を減らし、高
精度な静電容量式物理センサを提供できる。
【図１】本発明による静電容量式センサ。
【図２】従来の半導体圧力センサの加圧変形時の断面
図。
図。
【図３】従来の半導体圧力センサの可動電極変位と容量
変化の関係。
変化の関係。
【図４】従来の半導体圧力センサの断面図。
【図５】本発明による静電容量式センサにおける可動電
極変位時の断面図。
極変位時の断面図。
【図６】従来の半導体圧力センサの加圧変形時の断面
図。
図。
【図７】本発明による静電容量式センサと従来の静電容
量式センサの非線形率。
量式センサの非線形率。
【図８】非線形率の寄生容量依存性。
【図９】非線形率の変化を示す図。
【図１０】従来のセンサ構造を示す図。
１…従来の半導体圧力センサの可動電極、２，１３…支
持体、３，１２…固定電極、４，１４…絶縁膜、５…空
隙、６…基板、７…支持体の幅、８…支持体の厚み、１
０…可動電極、１１…中央高弾性部、２０…本発明によ
るセンサの非線形率、２１…従来のセンサの非線形率。
持体、３，１２…固定電極、４，１４…絶縁膜、５…空
隙、６…基板、７…支持体の幅、８…支持体の厚み、１
０…可動電極、１１…中央高弾性部、２０…本発明によ
るセンサの非線形率、２１…従来のセンサの非線形率。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 清光 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内
Claims (3)
- 【請求項１】基板内もしくは基板上部に位置する固定電
極と、これに対向し周囲を支持体によって支持され、外
力を受けて変形する可動電極とを備え、信号処理は静電
容量の逆数を対象とする静電容量式センサにおいて、前
記可動電極は中央部と周辺部より構成され、その中央部
は周辺部より弾性率が大きいか又は肉厚部であり、前記
固定電極は、前記可動電極の法線方向から見て電極引き
出し部を除き高弾性率中央部の範囲に含まれる大きさで
あることを特徴とする静電容量式物理センサ。 - 【請求項２】請求項１に記載の静電容量式物理センサに
おいて、前記可動電極の中央部は化学蒸着法または気相
エピタキシャル成長法により生成された後、エッチング
により整形されることを特徴とする静電容量式物理セン
サ。 - 【請求項３】基板内もしくは基板上部に位置する固定電
極と、外力により変形する可動電極とを備える静電容量
式センサにおいて、そのセンサの周辺部に生ずる寄生静
電容量のうちセンサ部に対して並列成分の静電容量の大
きさが、センサ部の基準容量以下であることを特徴とす
る静電容量式物理センサ。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26274896A JPH10111201A (ja) | 1996-10-03 | 1996-10-03 | 静電容量式物理センサ |
| DE19743749A DE19743749A1 (de) | 1996-10-03 | 1997-10-02 | Halbleiterdrucksensor |
| KR1019970050855A KR100486322B1 (ko) | 1996-10-03 | 1997-10-02 | 반도체압력센서 |
| US08/943,205 US6051853A (en) | 1996-10-03 | 1997-10-03 | Semiconductor pressure sensor including reference capacitor on the same substrate |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26274896A JPH10111201A (ja) | 1996-10-03 | 1996-10-03 | 静電容量式物理センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10111201A true JPH10111201A (ja) | 1998-04-28 |
Family
ID=17380045
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP26274896A Pending JPH10111201A (ja) | 1996-10-03 | 1996-10-03 | 静電容量式物理センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10111201A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013537972A (ja) * | 2010-09-30 | 2013-10-07 | シェンゼン キングイールド テクノロジー カンパニー，リミテッド | 可動電極装置、圧力センサー及び電子圧力計 |
-
1996
- 1996-10-03 JP JP26274896A patent/JPH10111201A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013537972A (ja) * | 2010-09-30 | 2013-10-07 | シェンゼン キングイールド テクノロジー カンパニー，リミテッド | 可動電極装置、圧力センサー及び電子圧力計 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TW392353B (en) | Capacitive sensor | |
| US10560771B2 (en) | Microelectromechanical microphone | |
| US10669151B2 (en) | Double-membrane MEMS component and production method for a double-membrane MEMS component | |
| JP4453587B2 (ja) | 加速度センサ | |
| JP4768205B2 (ja) | マイクロマシン化された絶対圧センサ | |
| US9736590B2 (en) | System and method for a microphone | |
| EP0707781B1 (en) | Solid state condenser and microphone devices | |
| US4405970A (en) | Silicon-glass-silicon capacitive pressure transducer | |
| US7571651B2 (en) | Capacitive pressure sensor and method for fabricating the same | |
| JPH08129026A (ja) | 静電容量式加速度センサ及びその製造方法 | |
| JPH10135487A (ja) | 集積圧電抵抗圧力センサ及びその製造方法 | |
| CN111148000B (zh) | 一种mems麦克风及阵列结构 | |
| WO2018040259A1 (zh) | 一种敏感膜及mems麦克风 | |
| US20240158224A1 (en) | Membrane support for dual backplate transducers | |
| US20210050506A1 (en) | Piezoelectric mems devices and methods of forming thereof | |
| US20180159445A1 (en) | Wafer and method of manufacturing the same | |
| JPH10111201A (ja) | 静電容量式物理センサ | |
| CN111372178A (zh) | 一种mems麦克风、阵列结构及加工方法 | |
| JP4310997B2 (ja) | 半導体物理量センサ | |
| JP4394212B2 (ja) | 加速度センサ | |
| JP2006200980A (ja) | 静電容量型圧力センサおよび静電容量型アクチュエータ | |
| JPH10104263A (ja) | 半導体加速度センサおよびその製造方法 | |
| JP3391141B2 (ja) | 微小機械部品及びその製造方法 | |
| JPH07243929A (ja) | 静電容量型圧力センサ | |
| JP2000131173A (ja) | 静電容量式物理センサ |