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Info
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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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- pressure
- capacitance
- electrode
- diaphragm
- glass
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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
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。
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。
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。
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
。
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。
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。
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。
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。
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。
、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
0.44x10 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
。
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。
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。
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。
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。
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。
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−
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)
- (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)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。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US06/527,531 US4467394A (en) | 1983-08-29 | 1983-08-29 | Three plate silicon-glass-silicon capacitive pressure transducer |
US527531 | 1983-08-29 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS6071927A true JPS6071927A (ja) | 1985-04-23 |
JPH0431052B2 JPH0431052B2 (ja) | 1992-05-25 |
Family
ID=24101835
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP59180261A Granted JPS6071927A (ja) | 1983-08-29 | 1984-08-29 | 圧力トランスデユ−サ及びその製造法 |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US4467394A (ja) |
EP (1) | EP0136249B1 (ja) |
JP (1) | JPS6071927A (ja) |
DE (1) | DE3481140D1 (ja) |
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JPH04116058A (ja) * | 1990-09-05 | 1992-04-16 | Nisca Corp | 原稿給送装置 |
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