JPS6071927A - 圧力トランスデユ−サ及びその製造法 - Google Patents

圧力トランスデユ−サ及びその製造法

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JPS6071927A
JPS6071927A JP59180261A JP18026184A JPS6071927A JP S6071927 A JPS6071927 A JP S6071927A JP 59180261 A JP59180261 A JP 59180261A JP 18026184 A JP18026184 A JP 18026184A JP S6071927 A JPS6071927 A JP S6071927A
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diaphragm
glass
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    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00Electrostatic transducers
    • H04R19/04Microphones
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00Measuring 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
    • G01L9/0041Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
    • G01L9/0073Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance using a semiconductive diaphragm

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明はキャパシタンス代任カドランスデューサ、一層
詳細にはシリコン−ガラス−シリコン(SO8)・キャ
パシタンス代任カドランスデューサに係る。
背景技術 シリコン・キャパシタンス代任カドランスデューサは公
知であり、米国特許第3.634.727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ドラン
スデューサは、各々中央開口を有するキャパシタ板とし
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、内部真空チャ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って接合されている。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、それらの間のキャパシタンス値を変化する
。装置出力キャ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ャパシタ
ンス値を有するので、検出される圧力の精度は、圧力応
答キャパシタンス対静穏キャパシタンスの変化の大きさ
に関係する。静穏キャパシタンス値は圧力応答キャパシ
タンスの静的キャパシタンス値と非圧力応答キャパシタ
ンス値即ちトランスデユーサの寄生キャパシタンス値と
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ャパシタンス
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追かに近接しているので
、それらは単位面積当り高いキャパシタンス値を有する
その結果、出力キャパシタンス変化(ΔCO)をマスク
する少からざる寄生キャ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19
81年10月13日に出願された米国特許出願第310
.597号(静電的接着型シリコン・キャパシタンス代
任カドランスデューサ)及び米国特許出願第310.5
98号(シリコン−ガラス−シリコン・キャパシタンス
代任カドランスデューサ)明細書には、高いSN比が得
られる構造を有するニブレートSOSキャパシタンス代
任カドランスデューサが開示されている。この構造の寄
生キャパシタンスは、接合面の間の間隔よりも大きくな
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
スペーサの選択的なトポDシ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
して圧力応答キャ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ャパシタンスを呈し、
それがニブレート装置に対して実際上達成可能な最小値
を表わす。
=5− 発明の開示 本発明の一つの目的は、寄生キャパシタンスを公知のニ
ブレート装置で達成可能な値以下に減するキャパシタン
ス代任カドランスデュ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
中に寄生キャ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、キャパシタンス代任カドランスデュー
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ってダイアフラム
に与えられた圧力信号の大きさに関係する瞬時値で圧力
応答キャ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ャパシタン
スを有し、従ってトランスデ6− ユーザの静穏出力キャパシタンスは圧力応答キャパシタ
ンス値と並列に寄生キャパシタンス値の直列等価偵を含
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
ディショニング装置を直接に接続して、電極−基板間キ
ャパシタンスを信号コンディショニングにより消去し、
それにより寄生キャ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。本発明によるキャパシタンス代任カドランス
デューサは、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
力応答キャパシタンス板の間の間隔が減ぜられ、又寄生
キャパシタンスが、信号コンディショニング装置と組合
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ャパシタンスは基板
と寄生キャパシタンスとの間の寄生キャパシタンスと直
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、寄生キャパシタン
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
− 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、圧力応答キャパシ
タンスが寄生キャパシタンスの減衰作用から有効に隔離
されている。その結果、本発明によるキャパシタンス式
トランスデユーサの構造はトランスデユーサの出力キャ
パシタンスにより得られる高いゲイン悪疾により低い圧
力用に良(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(SO8)キャパシタンス代任カ
ドランスデューサ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
は側で、ホウケイ酸ガラス例えばCorning 70
70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。チャンバ又は間隙2
2が中央電極の中央プラト一部分24と同心にガラス誘
電体層内に形成されている。チャンバは、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ャ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29− 8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。0〜50PS I
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Co
rning7 Q 70ガラス又はPyrex”、の第
一の層14が基板表面34の上に高周波スパッタリング
により被着される。スパッタリングは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時間に厘り
555℃のオーダーに高められた温度で蒸気に−すこと
により焼鈍される。焼鈍は“ウェット″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“リラッ
クス゛′させ、10− 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。
焼鈍に続いて、薄いホウケイ酸ガラス層15が“ウェッ
ト″ガラスの上に高周波スパッタリングにより約0.1
μmの厚みに被着される。焼鈍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
能にするべくウェット・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¥導体を含む導
電性材料をデポジットすることにより層15の露出面の
上に形成される。電極は高周波スパッタリング、真空蒸
着又は化学的蒸着のような公知の技術を用いて0.5μ
−のオーダーの厚みにデポジットされる。電極岡は、一
端にプラトー24形成するべく標準的なリトグラフィ及
びエツチング法を用いて幾何学的パターンを付ける。プ
ラトーはキャパシタ板を形成し、ダイアフラムと組合わ
さって圧力応答キャパシタ要素を形成する。
円形であっ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
ジッ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。これはフォトレジスト・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ットされる。この第三のガラ
ス層は同様に高周波スパッタリングにより2μ−のオー
ダーの厚みにデポジットされる。
第4図には、次のステップで電極のプラトー24の表面
と同心に層16に開口又はウェル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ッ化水素酸を用いて
公知のフォトリトグラフ法により形成される。層16の
露出面に於けるウェル直径はプラトーの直径J:りも大
きく、拘束されているウェ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ャ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、真空キャビテ
ィの臨界的な寸法を制御するためのエッチ・ストップと
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豐しない。
次いでホウケイ酸ガラスの層17が、エッチされた表面
、即ち層16の残余の表面、つI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、の上にスパッタされる。
他の方法もガラス層のすべてをデポジットするために用
いられ得るがスパッタリングは正確な寸法制御を可能に
する。この[117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ッ
プの間に電弧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ップが示13− されてる。シリコン・ダイアフラム120が選択された
厚みに形成される。0〜50 pls Iの圧力検出範
囲に対しては、ダイアフラムの厚みは200μ霧の可撓
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 Torrの圧力の
真空チャンバ内で500℃の範囲の潤度に加熱される。
上記の自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、ウェル22を真空チャ
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ッタリングにより金属化すること
によって形成される。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ットさ
れた500オンゲス14− トロームのオーダーのニッケルの層であり、又第二の層
は電気的接続のためのワイヤー・ボンディングを可能に
するようにニッケルの上にデポジットされた約5000
オングストロームの厚みの金の層である。しかし、ニッ
ケル層へのり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1Bの接触面36を露出させるようガ
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ッ
プが示されている。次いでニッケル、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
デポジットされ得る。ニッケルー金は静電ボンディング
の前にはデポジットされ得ない。何故ならば、ボンディ
ング温度が金−シリコン共融潤度よりも高く、又ニッケ
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キャパシタンス式圧力ド
ランスデューサでは、圧力応答キャパシタンス板、即ち
電極プラトー24及びダイアフラム20(第1図)は、
寄生キャパシタンスにりも圧力応答キャパシタンスに対
して単位面積当り高いキャ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。O〜50PSIトランスデューザに対
しては、プラトー断面積及びダイアプラムの対向面の断
面積は0.114ノのオーダーである。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
。即ちパフリンジ面積″はプラトーの面積の約2倍であ
り、0.25am9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=OPSIに於て約2
.0μ観であり、ダイアフラムと基板との闇の間隔は8
゜0μIのオーダーである。勿論、ダイアフラム−基板
間キャパシタンスは、真空(K=1.0>中にある圧力
応答キャ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雷体を有する。
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 ここで: ε〇−真空誘電率 一/ダ (= 8,85x 10 F / cm)K−比誘電率 Kp l Ks ”1.O KI KI K4 K6−4.25 A−キャパシタ板面積: AP =0.11401” Al−0,114c+al Ag −0,114cal As −0,069CI” A4 =0.069011I AS =0,253 ell” d−キャパシタ板間隔: dll(P−0) −2,0μ− 4 d 1 −0,5xlOc+s 17− d 2−6.0x10 am d a =2.3xlOcm d 4 −6.5X10”011 d 6 −8,8x10 car キャバシタン値: Cp (P:O)= 50,44x10 FG + −
857,6xlOF Ct −71,5x 10 F Cs −26,5x 10 F 04 =39,9x 10 F G s −108,2xlOF Ox −5ex 10 F Cy −124,13x 10 F 合成寄生キャパシタンス x−ey C’ −o、 、 c、 =43 X 10F出力キャ
バシタンスCo: P−OkmMで; Cp −50,44x10 F Co =Cp +C’ =94,2x 10 FP−5
0PSIに、て; =18− Cp =140,44x 10 F Co −183,5x10 F へCo =89,3x 10 F (0−50PS E
 )第8図の(1)にはトランスデユーサの分布キャパ
シタンスが解図的に示されている。圧力応答キャパシタ
ンスCpは電極(E)−ダイアフラム(D)間接合のキ
ャパシタンスである。電極(E)一基板(S)IIl接
合は寄生キャパシタンス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C1!(電
極プラトーと電極との間に生ずる)を含んでいる。寄生
キャパシタンスC8〜C5がダイアフラム(D)と基板
(S)との間に存在している。キャパシタンスCaはダ
イアフラムとプラトーの外側のチャンバの底との間のチ
ャンバ22(第1図)の真空(比誘電率は1.0)内に
存在している。キャパシタンスC4はチャンバと基板と
の間の誘電体内に存在している。最後にキャパシタンス
C6はダイアフラム(D>のマスクされていない表面と
基板(S)との闇に存在している。
数値例にはO〜50PS I l−ランスデj−サに対
してキャパシタの比誘電率(K)、プレート面積(A)
及びプレート間隔(D)の典型的な値が示されている。
寄生キャパシタンスは、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 =C+ −02/ 
(CI +CI! )及びCy=C5十〇1I−C4/
(C3十C4)に分解されている。二つの値はCx=6
6xlOF及びCV=124.13x10 Fである。
二つの寄生キャパシタンスは電気的に直列であり、合成
寄生キャパシタンスはそれらの積と和との比即ちC′−
43X10 Fである。
圧力応答キャパシタンスCpの値はP=OではCp=5
0.44x10 Fであり、又P−50Q PSIではCp−140,44X10 Fである。
0〜50PS rまでの出力キャパシタンスの変化(Δ
Co)はP=O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数としてキャ
パシタンスOp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Cp m
o−H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。
三プレートキャパシタンス代任カドランスデューサ構造
は、検出キャパシタンスのプレートが非圧力応答キャパ
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ャパシタンスを許し、検出キャ
パシタ静穏値と寄生キャ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ドーピング・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11[59−号明細書に記載さ−
れている信号コンディショ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
ィショニング回路は電極(E)及び基板(S)に同21
− 一位相及び大きさの電流信号(10,1,Z)を与え、
それにより寄生キャパシタンスC×を通る電流をOにす
る。検出電流(■0)のすべては圧力応答キャパシタン
スCpを通って流れ、奇生キャパシタンス(CX)を等
価的に0にする。その結果、静穏キャパシタンスは圧力
応答キャパシタンスに等しくなる。P=50PSIでは
、Co=Cp +C’ =183.5x10 Fである
。信号コンディショニングなしの約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SOSキャパシタンス式圧方圧力ドラ
ンスデューサ構造面図である。 22− 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図は分布キャパシタンス及びその等価回路を示す図
である。 10・・・キャパシタンス代任カドランスデューサ。 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、22・・・チャ
ンバ。 24・・・中央プラト一部分、26・・・検出面、28
・・・基板電極の外側表面 特許出願人 ユナイテッド・チクノロシーズ・コーポレ
イション 代 理 人 弁 理 士 明 石 昌 毅23− 冒 8 − ト、 も ( F/6.2 (自 発) 手続補正書 1、事件の表示 昭和59年特許願第180261号2
、発明の名称 圧力ドランデューサ及びその製造港3、
補正をする者 事件との関係 特許出願人 住 所 アメリカ合衆国コネチカット州、ハートフォー
ド、フィナンシャル・プラグ 1 名 称 ユナイテッド・チクノロシーズ・]−ポレイシ
ョン4、代理人 居 所 〒104東京都中央区新川1丁目5番19号茅
場町長岡ビル3@ 電話551−41716、補正によ
り増加する発明の数 0 7、補正の対象 明細書 明細書第8頁第9行乃至第10行及び同第21頁第15
行乃至第16行の[特願昭59−号]をそれぞれr特願
[59−180260号」と補正する。 E7−

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (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ド・ランスデューサに於て、 第−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−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−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−及び第二の主面を有する電極を有している誘電
    体ボディを含んでおり、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ィ内に形成さ
    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人きさを表わす瞬
    時値を有する圧力応答キャパシタンスが形成されている
    、 ことを特徴とする圧力ドランスデューサ。
  2. (2)検出面に加えられた圧力信号の大きさをキャパシ
    タンスにより指示する形式の圧力ドランスデューサの製
    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
    予備的層をデポジットする過程と、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ットす
    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
    わさって、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ャ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ドランスデューサの
    製造法。
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