KR100236501B1 - 정전 용량형 압력 센서 - Google Patents

정전 용량형 압력 센서 Download PDF

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KR100236501B1
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electrode
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KR1019960018503A
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겐지 호리바타
도시히코 오미
후미히코 사토
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타테이시 요시오
오므론 가부시키가이샤
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Abstract

직선성이 뛰어난 센서 출력을 얻을 수 있는 정전 용량형 센서를 제공한다.
정전 용량형 센서(1)는 반도체 기판(2)과 고정 전극(3)으로 구성된다. 반도체 기판(2)에는 프레임부(21) 및 가동 전극인 다이어프램부(22)가 형성되며, 프레임부(21) 상면이 고정 기판(3)과 양극 접합된다. 고정 기판(3)의 다이어프램부(22)에 대향하는 면에는 고정 전극(31)이 설치된다. 다이어프램부(22)의 중앙에는 고정용 돌기(24)가 설치되고, 고정 전극(31)의 구멍을 통해서 고정 기판(3)에 고정된다. 센서(1)가 외력을 받으면 다이어프램부(22)가 상하방향으로 변위하고 정전 용량의 변화로부터 외력이 검지된다. 고정용 돌기(24)를 설치하여 다이어프램부(22)의 중앙을 고정함으로써 다이어프램부(22)의 최대 변위 영역이 환형이 되며 센서 출력의 직선성이 향상된다.

Description

정전 용량형 압력 센서
제1(a)도는 정전 용량형 압력 센서의 단부 단면도.
제1(b)도는 제1(a)도의 센서의 일부 절단한 상면도.
제2도는 다이아프램부(diaphragm)부의 하면으로부터 외력(등압력 분포)이 인가될 때의 다이아프램부의 단면 형상을 도시하는 개념도.
제3도는 정전 용량형 압력 센서에 있어서의 압력 P와 정전 용량의 역수 1/C와의 관계, 압력 P의 변화에 대한 정전 용량의 역수 1/C의 비직선성 및 고정용돌기를 설치하지 않은 경우의 압력 P의 변화에 대한 정전 용량의 역수 1/C의 비직선성을 도시하는 그래프.
제4도는 다이아프램부의 감도와 정전 용량의 역수 1/C과의 관계를 도시하는 그래프.
제5도는 정전 용량형 압력 센서의 실리콘의 제작 공정을 나타내는 도면.
제6도는 정전 용량형 압력 센서의 유리 기판의 제작 공정을 나타내는 도면.
제7도는 정전 용량형 압력 센서의 제작 공정을 나타내는 도면.
제8도는 실리콘 반도체 기판상에 오목부를 형성하는 공정의 다른 예를 나타내는 도면.
제9도는 실리콘 반도체 기판상에 오목부를 형성하는 공정의 또 다른 예를 나타내는 도면.
제10도는 차동형의 정전 용량형 센서의 단부 단면도.
제11도는 종래의 정전 용량형 센서의 단부 단면도.
제12도는 종래의 정전 용량형 센서의 다른 예(메사형)의 단부 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
2,60 : 실리콘 반도체 기판(제1기판) 3,70 : 고정 기판(제2기판)
24 : 고정용 돌기 21,61 : 프레임부
22,62 : 박막부(가동 전극) 23,63 : 갭
31 : 고정 전극 32 : 압력 도입구
본 발명은 정전 용량의 변화에 기초하여 외력의 변화를 검출하는 정전 용량형 센서에 관한 것이다. 이러한 종류의 정전 용량형 센서로는 압력 센서나 가속도 센서를 들 수 있다.
정전 용량형 센서는 피에조(piezo) 저항 소자 등을 이용한 피에조형 센서에 비하여, 온도 특성이 안정하다는 점 등에서 유리하다. 특히 실리콘 반도체 기판을 이용한 정전 용량형 반도체 센서는 IC 기술을 이용하여 제조할 수 있기 때문에 균일성이 우수하고 소형화, 경량화 및 회로와의 일체화가 용이하다. 또한 대규모인 일괄 방식에 의한 대량 생산이 가능하고, 저비용화가 실현된다.
제11도는 종래의 정전 용량형 반도체 압력 센서의 일례의 단부 단면도이다. 이 도면에 있어서, 작도의 편의상 및 알기 쉽게 하기 위해서 두께가 실제보다도 두껍게 강조되어 묘사되고 있다. 이것은 후술한 바와 같은 종래의 예 및 본 발명의 실시예를 도시하는 도면에 있어서도 동일하다.
정전 용량형 반도체 압력 센서는 도전성이 있는 실리콘 반도체 기판(60)과 유리 등의 열팽창 계수가 실리콘에 가까운 절연성 재료로 이루어진 고정 기판(70)으로 구성되어 있다. 실리콘 반도체 기판(60)에는 사각형틀 모양의 프레임부(지지부)(61) 및 외부로부터의 압력을 받아 변형하는 다이아프램부(62)가 형성되어 있다.
반도체 기판(60)은 그 프레임부(61)에서 고정 기판(70)과 양극 접합되어 있다. 박막의 다이아프램부(62)의 개소에서 반도체 기판(60)에는 오목부(63)가 형성되어 있고 다이아프램부(62)와 고정 기판(70) 사이에는 갭(간극)이 있다. 탄성을 가지는 다이아그램부(62)는 외부로부터 인가되는 압력 또는 가속도에 의해 도면에 있어서 상하 방향으로 변위한다. 다이아프램부(62)는 실리콘 반도체 기판(60)에 의해서 형성되어 있기 때문에 도전성을 가지며 가동 전극으로서 이용된다.
고정 기판(70)의 다이아프램부(62)에 대향하는 내면에는 고정 전극(71)이 설치된다. 고정 전극(71)은 바람직하게는 고정 기판(7) 위에 알루미늄 등을 증착함으로써 형성된다. 가동 전극(62) 및 고정 전극(71)은 고정 기판(70)의 적소에 형성된 접속 구멍(도시 생략)을 통해 고정 기판(70)의 상면에 형성된 외부 접속 전극(도시 생략)에 각각 전기적으로 접속되며 또한 외부 접속 전극에 본딩된 와이어를 통해서 용량 계측 회로(압력 검출 회로, 가속도 검출 회로 등; 도시 생략)에 접속된다.
정전 용량형 압력 센서가 압력(외력)을 받으면 이에 응답하여 다이아프램부(62)가 상하 방향으로 변위(진동)한다. 다이아프램부(62)와 고정 전극(71) 사이에 간극이 변화함으로써 이들 전극(62, 71) 사이에 정전 용량 C가 변화하며 이 정전 용량 C의 변화 또는 정전 용량 C의 역수 1/C의 변화(일반적으로는 역수 1/C이 센서 출력으로서 이용된다)를 나타내는 전기 신호를 용량 계측 회로로부터 획득함으로써 압력(또는 가속도)이 검지된다.
이러한 종류의 정전 용량형 센서에 있어서는 피에조형 압력 센서와 비교하여, 정전 용량의 역수(1/C)의 출력 특성의 비선형성이 크다는 문제가 있다. 그 이유는 다음 2가지로 고려되고 있다.
① 가동 전극인 다이아프램(박막부)이 평행 이동하지 않는다.
② 센서 용량에 대하여 병렬로 유입도는 기생 용량이 있다.
특히 상기 ①에 관해서 설명하면, 종래의 정전 용량형 압력 센서에 있어서는 압력을 받으면 다이아프램부(62)가 돔형으로 휜다. 이 돔형의 굴곡은 가해지는 압력이 클수록 크다. 따라서 정전 용량이 인가 전압에 대하여 선형성을 유지하는 범위가 좁아지지 않을 수 없다.
이러한 문제를 해결하기 위해서 종래의 정전 용량식 센서에서는 출력의 비선형성을 보정하는 회로를 설치하거나 감도를 작게 하여 직선성의 저하를 막는 방법이 채용되고 있다. 그러나 이들 방법은 모두 전기 회로에 부담이 되고 비싸지는 동시에 소형화를 저해하는 원인이 되고 있다.
다이아프램부(62)가 평행 이동하는 범위를 크게 하기 위하여, 제12도에 도시된 바와 같이 다이아프램부(62)를 메사(mesa)형으로 한 메사형 압력 센서가 제안되고 있다(메사부를 부호 64로 표시한다). 그러나 다이아프램부(62)의 형성시 에칭 마스크를 메사를 형성하기 위한 보정 패턴을 넣을 필요가 있기 때문에 다이아프램부(62)를 작게할 수 없고 각진 부분이 둥글게 에칭되기 쉬우므로 정확한 메사 가공을 행하는 것이 곤란하다는 문제가 있어 충분한 수율을 얻기가 어렵다.
다이아프램의 양측에 간극을 만들어 고정 전극을 형성하여 여기의 정전 용량에 의해서 비선형성을 캔슬시켜서 전체로서 비선형성을 작게 할 수 있는 차동 방식도 고려되고 있다. 그러나 이 차동 방식에서는 3층 구조가 되어 구조가 복작해지는 것, 재료가 증가하는 것, 공정에도 양극 접합을 2회 필요해지는 것 등에 의해 비용이 비싸지고 수율도 낮아진다는 문제점이 있다.
본 발명은 반드시 메사 구조로 하거나 차동 방식을 이용하지 않아도(메사 구조로 하거나 차동 방식을 이용해도 좋다) 직선성이 뛰어난 센서 출력을 얻을 수 있는 정전 용량형 센서를 제공한다.
본 발명은 의한 정전 용량형 압력 센서는 외력에 의해서 변위하는 박막부 및 이 박막부에 형성된 가동 전극을 갖는 제1기판과, 상기 가동 전극에 대향하는 위치에 설치된 고정 전극을 갖는 적어도 하나의 제2기판을 구비하며, 상기 가동 전극과 상기 고정 전극과의 사이에 간극이 형성되어 있는 정전 용량형 압력 센서에 있어서 상기 박막부의 중앙부를 변위하지 않도록 상기 제2기판을 고정하는 고정부재가 설치된 것이다.
상기 가동 전극과 상기 고정 전극 사이의 정전 용량에 기초하여 압력 센서에서는 압력이 검출되고 가속도 센서에서는 가속도가 검출된다.
본 발명에 의하면, 박막부의 중앙부를 고정함으로써 박막부의 최대 변위 영역이 환형으로 되고 그 면적이 커지므로 정전 용량 및 그 역수의 직선성이 향상한다. 또한 복잡한 제작 공정을 필요로 하지 않고 직선성 보정 회로 등을 반드시 설치할 필요가 없기 때문에 제조 비용을 저감할 수 있다.
일실시예의 형태에 있어서는 상기 간극을 구성하기 위한 오목부가 상기 제1기판 및 상기 제2기판중 적어도 한 면에 형성되어 있고 상기 오목부내에 상기 오목부의 깊이와 동일한 높이를 갖는 고정용 돌출부가 상기 제1기판 또는 제2기판에 일체적으로 형성되어 있다. 오목부(갭) 형성과 동시에 박막부의 중앙부를 고정하기 위한 고정 부재를 형성할 수 있기 때문에 공정수를 증가시키지 않고 정전 용량형 센서를 제작하는 것이 가능해진다.
다른 실시예의 형태에 있어서는 상기 고정 부재가 상기 제1기판 또는 제2기판에 형성된 적어도 한 층의 절연체를 포함하는 적층물이다. 고정 부재에 포함되는 절연체에 의해 제1기판과 제2기판 사이의 전기적 절연을 확보할 수 있기 때문에 누설 전류에 의한 오류 작동이 적어진다.
상기 오목부는 바람직하게는 선택 산화(LOCOS:Local Oxidation of Silicon) 법에 의해 형성된 산화막을 에칭하여 형성된다. 이것에 의해 오목부 형성의 정밀도를 상승시키며, 동시에 갭 형성의 공정을 간소화 할 수 있다.
바람직하게는 상기 고정 부재의 단면 및 상기 박막부의 형상이 원형이다. 외력에 의해 박막부 표면에 작용하는 응력 분포를 점대칭으로 할 수 있기 때문에 기계적으로 안정한 박막부의 변위를 얻을 수 있다.
바람직하게는 상기 제1기판이 실리콘 반도체 기판에 의해서 형성되고 상기 제2기판이 유리 기판에 의해서 형성되며 상기 박막부가 가동 전극으로서 이용된다. 반도체 공정에 의해 제1기판을 고정밀도로 가공할 수 있고 박막부가 도전체로 형성되어 있기 때문에 가동 전극을 다시 설치할 필요가 없어진다. 또한 제1기판과 제2기판의 접합에는 양극 접합을 이용할 수 있으므로 센서의 조립을 간소화할 수 있다.
상기 제1기판 및 상기 제2기판을 동시에 실리콘 반도체 기판으로 형성하여 상기 제1기판과 상기 제2기판 사이에 절연층을 설치하도록 해도 좋다. 제1기판과 제2기판의 양쪽을 도전성 있는 실리콘 반도체 기판으로 형성함으로써 제1 및 제2기판 자체를 각각 가동 및 고정 전극으로서 이용할 수 있으며 이들 기판상에 전극을 설치하는 것 및 이 때의 복잡한 배선 등의 필요가 없어진다. 또한 양쪽 기판의 재질이 동일하고 열팽창 계수도 같기 때문에 주위의 온도 변화에 의한 휘어짐이 발생할 우려도 없다.
제1기판의 양면측에 제2기판을 접합함으로써 차동형의 정전 용량형 센서를 얻을 수 있다. 센서에 병렬로 유입되는 기생 용량(칩 내의 배선 등에 의한)을 상쇄할 수 있기 때문에 보다 정밀도가 높은 측정이 가능해진다.
제1(a)도는 본 발명의 일실시예에 의한 정전 용량형 압력 센서의 단부 단면도이고, 제1(b)도는 제1(a)도의 센서를 일부 절단한 상면도이다.
정전 용량형 압력 센서는 도전성이 있는(불순물이 인공적으로 또는 불가피하게 도핑되어 있다) 실리콘 반도체 기판(제1기판)(2)과, 유리 등의 절연성 재료로 형성된 고정 기판(제2기판)(3)으로 구성되어 있다.
실리콘 반도체 기판(2)에는 원형의 내주를 갖는 틀 모양의 프레임부(지지부)(21) 및 수압부(受壓部)인 박막의 원형 다이아프램부(박막부)(22)가 형성되어 있다. 이들은 후술하는 바와 같이 바람직하게는 알칼리계 에칭액을 이용하여 실리콘 반도체 기판(2) 상에 고정밀도의 수직 에칭을 행함으로써 형성된다. 다이아프램부(22)의 형상은 원형에 한하지 않고 직사각형이라도 좋다(직사각형의 경우에 후술하는 고정용 돌기(24)는 그 대각선의 교점 상에 설치되는 것이 바람직하다).
실리콘 반도체 기판(2)은 그 프레임부(21)의 상면에서 고정기판(3)과 양극 접합되어 있다. 박막의 다이아프램부(22)의 개소에 있어서 실리콘 반도체 기판(2)에는 원형의 오목부(23)가 형성되어 있고 이 오목부(23)에 의해서 다이아프램부(22)와 고정 기판(3)과의 사이에 갭(간극)이 형성되어 있다. 갭은 다이아프램부(22)의 두께보다도 얇은 것이 바람직하다. 고정 기판(3)의 내면에 오목부를 형성하는 실리콘 기판(2)의 프레임부(21)와 고정 기판(3) 사이에 스페이서를 설치하는 등에 의해 갭을 형성할 수 있다. 탄성을 가지는 다이아프램부(22)는 부가되는 외력에 응답하여 제1(a)도에 있어서 상하 방향으로 변위(진동)한다. 다이아프램부(22)는 실리콘 반도체 기판(2)에 의해서 형성되어 있기 때문에 도전성을 가지며 가동 전극으로서 이용된다. 다이아프램부(22)의 고정 기판(3)에 대향하는 면에만 불순물을 도핑하여 도전성을 갖게 하도록 해도 좋다.
고정 기판(3)의 다이아프램부(22)에 대향하는 내면에는 원형의 고정 전극(31)이 형성되어 있다. 고정 전극(31)은 고정 기판(3) 상에 알루미늄 등을 증착함으로써 형성되며 바람직하게는 다이아프램부(22)의 면적보다 다소 작게 형성된다.
다이아프램부(22)의 중앙에는 원주(圓柱)형의 고정용 돌기(24)가 다이아프램부(22)와 일체로 형성되어 있다. 고정 기판(3)의 고정용 돌기(24)에 대응하는 위치에 고정 전극(31)이 제거되어 있다(고정 전극(31)이 제거되어 있는 영역을 부호33으로 표시한다). 고정용 돌기(24)는 이 영역(33)에 있어서 고정 기판(3)에 접해 있거나 고정(예컨대, 양극 접합에 의해서)되어 있다.
고정용 돌기(24)는 다이아프램부(22)의 중심부가 변위하지 않도록 고정하기 위한 것이다. 고정용 돌기(24)는 실리콘 반도체 기판(2)을 잘라내어 오목부(23)를 형성할 때에 돌기(24)에 상당하는 부분을 남김으로써 형성된다. 오목부(23)의 형성과 동시에 고정용 돌기(24)를 형성할 수 있기 때문에, 공정수를 증가시키지 않고 이러한 돌기를 제작하는 것이 가능해진다.
원형의 고정 전극(31)의 원주의 일부로부터 외측으로 향하여 접속막(34)이 연장되고 있다. 접속막(34)은 실리콘 반도체 기판(2) 상에 후술하는 절염층(29)을 개제시켜 형성된 외부 접속 전극(후술)(26)과 고정 전극(31)을 전기적으로 접속하기 위한 것이다. 이 접속막(34)과 외부 접속 전극(26)이 실리콘 반도체 기판(2)에 접촉하지 않도록 하기 위하여, 반도체 기판(2) 상에는 접속막(34)에 대향하는 장소 및 그 주위, 또한 외부 접속 전극(26)이 형성되는 장소 및 그 주위에 홈(28)이 형성되며, 이 홈(28)의 저면 및 측면에는 절연층(유리층 등)(29)이 설치되어 있다.
실리콘 반도체 기판(2)의 일단의 상면에는 Al, Au 등을 증착 또는 스퍼터링(spattering)함으로써 2개의 외부 접속 전극(25, 26)이 폭 방향으로 나란하게 형성되어 있다. 전극(25)은 도전성이 있는 실리콘 반도체 기판(2)을 통해 다이아프램부(가동 전극)(22)에 전기적으로 접속되어 있다. 전극(26)은 전술한 바와 같이 홈(28) 및 절연층(29)에 의해서 실리콘 반도체 기판(2)과 전기적으로 절연되어 있고 고정 전극(31)과 접속막(34)에 의해서 전기적으로 접속되어 있다. 이들 전기적으로 서로 분리한 외부 접속 전극(25, 26)에 본딩된 와이어(도시 생략)는 외부의 용량 계측 회로(가속도 또는 압력 검출 회로)에 접속된다.
고정용 돌기(24)를 다이아프램부(22)와 별체(別體)로 형성해도 좋다. 예컨대 다이아프램부(22)의 중앙에 오목부(23)의 깊이와 동일한 높이의 적층물을 형성하여 이것을 고정용 돌기로 한다. 이 적층물의 적어도 한 층을 절연체로 함으로써 기판(2)와 (3)사이의 전기적 절연을 확보할 수 있기 때문에 누설 전류에 의한 오류 작동이 없어진다.
다이아프램부(22)의 중앙부를 고정시키기 위한 부재는 다이아프램부와 고정 기판과의 사이에 설치되는 고정용 돌기에 한정되지는 않는다. 예컨대, 다이아프램부의 중앙부를 고정용 부재에 의해 외부에 어떠한 부재, 장치, 부분 등(실리콘 기판(2)의 프레임부, 이 센서가 고정되는 부재 등)에 고정시켜도 좋다.
이 실시예에서는 다이아프램부(22) 및 고정용 돌기(24)의 단면의 형상은 모두 원형이다. 이것에 의해, 다이아프램부(22)의 표면에 작용하는 응력 분포를 점대칭으로 할 수 있고, 기계적으로 안정한 다이아프램부(22)의 변위를 얻을 수 있다.
기판(2) 및 기판(3)을 동시에 실리콘 반도체 기판으로 형성하여, 기판(2)의 프레임부(21)와 기판(3)과의 사이에 절연층(유리층 등)을 설치하도록 해도 좋다. 기판(2) 및 기판(3)을 도전성 있는 실리콘 반도체 기판으로 형성함으로써 상기 기판 자체를 가동 전극(22) 및 고정 전극(31)으로서 이용할 수 있기 때문에 이들 기판(2, 3) 상에 전극을 설치하는 것 및 이 때의 복잡한 배선 등의 필요가 없어진다. 또한 양쪽 기판(2, 3)의 재질이 동일하고 열팽창 계수도 같기 때문에 주위의 온도 변화에 의한 휘어짐이 발생하지 않는다는 이점도 있다.
정전 용량형 센서가 가속도 또는 압력을 받으면 이에 응답하여 다이아프램부(22)가 상하 방향으로 변위(진동)한다. 다이아프램부(가동 전극)(22)와 고정 전극(31)의 간극이 변화함으로써 이들 전극(22, 31)사이의 용량 C가 변화한다. 이 정전 용량 C의 변화 또는 정전 용량 C의 역수 1/C의 변화(일반적으로는 역수 1/C이 센서 출력으로서 이용된다)를 전기 신호로서 취출함으로써 가속도 또는 압력이 검지된다.
제2도는 다이아프램부(22)의 하면으로부터 외력(등압력 분포)이 인가되었을 때의 다이아프램부(22)의 단면 형상을 도시한 개념도이다.
고정용 돌기(24)를 설치하지 않은 경우(종래)의 다이아프램부(22)의 단면형상이 일점쇄선으로 표시되고 고정용 돌기(24)를 설치한 경우의 다이아프램부(22)의 단면 형상이 실선으로 표시되어 있다.
다이아프램부(22)는 전술한 바와 같이 그 둘레가 프레임부(21)에 의해서 지지되어 있기 때문에 초기 상태(압력이 인가되어 있지 않은 상태)에서는 점선으로 나타낸 바와 같이 평탄하다. 아래쪽으로부터 외력(등압력 분포)이 인가되면 다이아프램부(22)는 휘어진다.
고정용 돌기(24)를 설치하지 않은 경우에는(종래예), 일점쇄선으로 나타낸 바와 같이 외력을 받으면 다이아프램부(22)는 그 중앙부가 가장 돌출하도록 돔형으로 휜다. 따라서, 다이아프램부(22) 상의 가장 크게 변위하는 부분(최대 변위 영역)은 다이아프램부(22)의 중앙 부근만이다.
고정용 돌기(24)를 설치했을 경우에는 다이아프램부(22)의 중앙부가 고정되기 때문에 실선으로 나타낸 바와 같이 다이아프램부(22)의 최대 변위 영역은 환형으로 된다. 종래예에 비하여 최대 변위 영역이 면적이 훨씬 증대하고, 그것에 따라서 다이아프램부(22)의 평탄도도 증대하기 때문에, 정전 용량의 인가 압력에 대한 직선성(센서 출력의 직선성)은 향상한다.
제3도는 전술한 구조를 갖는 정전 용량형 압력 센서에 있어서의 인가 압력 P[kPa]와 정전 용량 C[pF]의 역수 1/C[pF-1]과의 관계 및 압력 P의 변화에 대한 정전 용량의 역수 1/C의 비직선성[%] 및 고정용 돌기(24)를 설치하지 않은 경우(종래예)의 인가 압력 P의 변화에 대한 정전 용량의 역수 1/C의 비직선성을 도시하는 그래프이다.
압력의 변화에 대한 정전 용량의 역수의 비직선성은 다음식으로 부여된다.
[식 1]
측정 가능한 압력 범위(full-range)에 있어서 1/Cmin은 정전 용량의 최소치 Cmin의 역수이고1/Cmax는 최대치 Cmax의 역수이다. 또한, △C는 압력과 정전 용량의 역수와의 관계를 나타내는 곡선과 이상적인 직선(1/Cmin에 대응하는 점과 1/Cmax에 대응하는 점과의 사이를 연결하는 직선)사이의 최대 편차이다.
압력의 변화에 대한 정전 용량의 비직선성은 직선성을 나타내는 상기 식에 있어서, 1/Cmin을 Cmax을 Cmin으로 각각 바꿔놓으면 얻을 수 있다.
제3도에 있어서, 고정용 돌기(24)로 다이아프램부(22)의 중심을 고정한 정전 용량형 압력 센서에서는 정전 용량의 역수 1/C의 비선형성의 최대치는 1.2%이다. 동일한 구조로 고정용 돌기(24)를 설치하지 않은 정전 용량형 압력 센서에서는 1/C의 비선형성의 최대치는 2.5%이다. 이 실시예의 센서는 종래의 것과 비교하여 1/C의 비선형성을 1/2이하로 하는 것이 가능했다.
제4도는 정전 용량형 센서의 감도(압력 0의 정전 용량에 대한 최대 압력을 가했을 때의 정전 용량의 비)와 정전 용량의 역수 1/C의 비선형성[%]과의 관계를 도시하는 그래프이다. 제4도에 있어서, 고정용 돌기(24)를 설치한 경우가 실선으로, 고정용 돌기(24)를 설치하지 않은 경우가 점선으로 각각 표시되어 있다.
정전 용량형 압력 센서의 감도는 다음식으로 부여된다.
[식 2]
다이아프램부(22)의 두께 또는 오목부(23)의 깊이가 다른(즉 감도가 다르다) 복수 종류의 정전 용량형 압력 센서에 대하여 감도 및 최대의 비직선성을 구하여 그래프화한 것이 제4도이다.
다이아프램부(22)의 중심을 고정용 돌기(24)로 고정하면 정전 용량형 센서의 감도는 저하한다. 그러나 고정용 돌기(24)를 설치한 정전 용량형 센서를 그것과 동일한 감도의 고정용 돌기를 갖지 않는 정전 용량형 센서와 비교하면, 직선성이 향상되고 있는 것을 알 수 있다. 정전 용량형 센서의 감도의 조정은 다이아프램부의 두께에 의해서 행할 수 있다.
제5도, 제6도 및 제7도는 전술한 실리콘 반도체 기판(2) 및 유리 고정 기판(3)의 제작 공정을 도시하고 있다. 이들은 제1(a)도에 상당하는 단부 단면도이다.
실리콘 반도체 기판(2)의 제작 공정에서는 우선 실리콘 기판(2a)을 준비하여[제5(a)도], 이 실리콘 기판(2a) 상의 프레임부(21) 및 고정용 돌기(24)를 형성해야 할 부분(남기고 싶은 부분)에 마스크(50)를 형성한다[제5(b)도].
다음에 수산화 칼륨(KOH)아니 테트라메틸 암모늄 하이드로 옥사이드(TMAH) 등의 알칼리 수용액을 이용한 습식 에칭 또는 가스 플라즈마 등을 이용한 드라이 에칭에 의해서 실리콘 기판(2a)의 마스크(50)가 형성되어 있지 않은 부분을 수직으로 잘라내어 오목부(23)를 형성한다[제5(c)도].
가동 전극(다이아프램부)(22)의 저항율을 낮추기 위해 실리콘 기판(2a) 상의 오목부(23)의 표면에 붕소(B)를 이온 주입(implanuation)하여 마스크(50)를 제거한다. 실리콘 반도체 기판(2a) 상에 접속막(34) 및 외부 접속 전극(26)과 실리콘 반도체 기판(2a)과의 전기적 절연성을 확보하기 위한 홈(28)을 형성하고, 또 홈(28)의 저면 및 측면에 절연층(29)을 형성한다.
또한 실리콘 기판(2a) 상에 알루미늄을 스퍼터링하여 와이어 본딩용의 전극(25) 및 유리 기판(3) 상의 고정 전극(31)과 접촉하기 위한 전극(26)을 형성한다[제5(d)도].
실리콘 기판(2a)의 다른쪽면에 있어서 프레임부(21)로서 남겨야 할 부분에 질화막(SiN 막)을 증착함으로써 다이아프램부(22)를 형성하기 위한 이방성(異方性) 에칭을 위한 마스크(51)를 형성한다[제5(e)도].
오목부(23)의 저면 및 측면에 보호용의 절연막(27)을 CVD에 의해 증측한다[제5(f)도].
고정 기판(3)의 제작 공정에서는 유리 기판(3)을 준비하고[제6(a)도], 이 유리 기판(3) 상에 알루미늄을 증착하여 고정 전극(31) 및 접속막(34)으로 한다[제6(b)도]. 고정 전극(31) 중앙부의 고정용 돌기(24)를 고정하는 부분 및 프레임부(21)와 접합하는 부분의 알루미늄은 제거해 둔다.
이렇게 하여 제작된 고정 기판(3)과 실리콘 기판(2a)을 고정 전극(31)과 오목부(23)가 대향하도록 겹치게 하여 양극 접합에 의해서 접합시킨다. 실리콘 기판(2a)의 프레임부(21) 및 고정용 돌기(24)가 고정 기판(3)의 대응하는 부분과 접합된다[제7(a)도]. 외부 접속 전극(26)은 그 단면에 있어서 접속막(34)과 접촉하며 고정 전극(31)과 전기적으로 접속된다.
KOH 등의 알칼리 수용액을 이용한 이방성 에칭에 의해서 실리콘 기판(2)의 하면을 잘라냄으로써 박막의 다이아프램부(22)를 형성한다. 마지막으로 마스크(51)를 제거한다[제7(b)도].
제5도 내지 제7도에는 센서 1개분을 제작하기 위한 기판(2, 3)밖에 도시되어 있지 않지만, 실제로는 각 기판(2, 3) 상에 다수의 센서를 형성하기 위한 전극, 오목부 및 다이아프램을 규칙적으로 제작한다. 접합된 기판(2, 3)을 다이싱(dicing)에 의해서 절단하여 다수의 정전 용량형 센서의 칩을 대량 생산한다.
제8도는 실리콘 반도체 기판(2) 상에 오목부를 형성하는 공정의 다른 예를 도시하고 있다.
우선 실리콘 기판(2a) 상에 화학 증착(CVD:Chemical Vapor Deposition) 법에 의해 질화막(52)을 증착한다. 오목부(23)를 형성해야 할 영역의 질화막(52)은 에칭에 의해서 제거한다[제8(a)도].
질화막(52)의 산소에 대한 마스크성을 이용하여 질화막(52)이 형성되어 있지 않은 영역의 실리콘 기판(2a) 표면을 선택 산화(LOCOS:Local Oxidation of Silicon)법에 의해서 산화하여 실리콘 산화막(53)을 만든다[제8(b)도].
LOCOS 법에 의해서 만들어진 실리콘 산화막(53)과 나머지 질화막(52)을 플루오르산(플루오르화수소산)에 의해서 제거함으로써 오목부(23A)가 형성된다[제8(c)도]. 이후의 공정은 제7(d)도 이후에 나타나는 공정과 동일하다.
LOCOS 법을 이용함으로써 오목부(갭) 형성시의 정밀도가 상승하며, 또한 오목부 형성시 공정이 간소화된다.
제9도는 실리콘 반도체 기판(2) 상에 오목부(23)를 형성하는 공정의 또 다른 예를 도시하고 있다.
실리콘 기판(2a)을 고정용 돌기(24)를 형성해야 할 부분도 포함시켜서 에칭을 행하여 오목부(23)를 형성한다[제9(a)도, 제9(b)도].
다음에 산화막(SiO2)(54)을 오목부(23)의 깊이와 동일한 두께로 실리콘 반도체 기판(2a)의 표면 전체에 증착한다[제9(c)도]. 고정용 돌기(24)를 형성해야 할 부분을 제외하고 산화막(54)을 에칭함으로써 오목부(23)내에 고정용 돌기(24)가 남는다[제9(d)도]. 이후의 공정은 제7(d)도 이후에 나타나는 공정과 동일하다.
제10도는 차동형의 정전 용량형 센서의 예를 도시한다.
차동형 압력 센서는 실리콘 반도체 기판(제1기판)(2)과 실리콘 반도체 기판(2)을 상하로부터 사이에 끼우는 2매의 고정 기판(제2기판)(3, 4)으로 구성되어 있다. 고정 기판(4)은 전술한 고정 기판(3)과 같은 구성을 갖는다.
실리콘 반도체 기판(2)에는 상하 방향으로 돌출하는 프레임부(21) 및 박막의 다이아프램부(22)가 형성되어 있다. 실리콘 반도체 기판(2)은 프레임부(21)의 상하면에서 2매의 고정 기판(3, 4)과 양극 접합되어 있다. 고정 기판(3, 4)에는 각각 압력 도입구(32, 42)와 고정 전극(31, 41)이 설치되어 있다. 다이아프램부(22)의 상하면 중앙부에는 위, 아래로 돌출하는 원추형의 고정용 돌기(21)가 설치되어 있고 상하의 고정 기판(3, 4)에 접합되어 있다. 다이아프램부(22)의 한쪽 면에만 고정용 돌기(24)를 설치하도록 해도 좋다.
한쪽의 고정 기판(4)에 형성돈 압력 도입구(42)에 기준 압력이 도입되고 다른쪽의 고정 기판(3)에 형성된 압력 도입구(32)에 측정해야 할 압력이 도입되면 이들 압력의 차에 따라서 다이아프램부(22)가 위 또는 아래 방향으로 변위(진동)한다. 다이아프램부(22)와 상,하 고정 전극(31, 41)과의 간극이 변화함으로써 다이아프램부(22)와 고정 전극(31) 사이의 전전 용량 및 다이아프램부(22)와 고정 전극(41) 사이의 정전 용량이 변화한다. 이들 정전 용량의 차를 획득함으로써 가속도 또는 압력이 검지된다.
기준 압력에 따른 정전 용량과 측정 압력에 따른 정전 용량과의 차를 획득함으로써, 이들 정전 용량에 병렬로 유입되는 기생 용량(반도체 칩내의 배선 등의 영향에 따른)을 상쇄할 수 있기 때문에 보다 정밀도가 높은 센서를 획득할 수 있다.

Claims (5)

  1. 외력에 의해서 변위하는 박막부 및 상기 박막부에 형성된 가동 전극을 갖는 제1기판과, 상기 가동 전극에 대향하는 위치에 설치된 고정 전극을 갖는 적어도 하나의 제2기판을 구비하며, 상기 가동 전극과 상기 고정 전극과의 사이에 간극이 형성되어 있는 정전 용량형 압력 센서에 있어서, 상기 박막부의 중앙부를 변위하지 않도록 상기 제2기판에 고정하는 고정 부재가 설치된 것을 특징으로 하는 정전 용량형 압력 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 간극을 구성하기 위한 오목부는 상기 제1기판 및 상기 제2기판 중 적어도 한 면에 형성되어 있고, 상기 오목부내에 상기 오목부의 깊이와 동일한 높이를 갖는 고정용 돌출부가 상기 제1기판 또는 제2기판에 일체적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 정전 용량형 압력 센서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 고정 부재는 상기 제1기판 또는 제2기판에 형성된 적어도 한 층의 절연체를 포함하는 적층물인 것을 특징으로 하는 정전 용량형 압력 센서.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1기판은 실리콘 반도체 기판에 의해 형성되고, 상기 박막부는 상기 가동 전극으로서 동작하는 것을 특징으로 하는 정전 용량형 압력 센서.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2기판은 모두 실리콘 반도체에 의해 형성되고, 상기 제1 및 제2기판의 일부는 각각 상기 가동 전극 및 고정 전극으로서 동작하는 것을 특징으로 하는 정전 용량형 압력 센서.
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