DE69907105T2

DE69907105T2 - Kapazitiver Druckwandler

Info

Publication number: DE69907105T2
Application number: DE69907105T
Authority: DE
Inventors: Yoshiyuki Ishikura
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 1998-09-29
Filing date: 1999-09-27
Publication date: 2003-12-24
Anticipated expiration: 2019-09-28
Also published as: CN1126948C; EP0990885A2; KR20000023536A; JP2000105164A; US6311563B1; JP3339565B2; KR100345645B1; CN1252524A; EP0990885A3; EP0990885B1; DE69907105D1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Drucksensor zum Messen eines Druckes durch Detektion einer Änderung der elektrostatischen Kapazität.
Im allgemeinen hat ein chipartiger Drucksensor vom Kapazitätstyp zum Detektieren eines Druckes durch Detektieren einer elektrostatischen Kapazität ein Substrat, eine Membran, welche zusammen mit dem Substrat einen Raum ausbildet, eine stationäre Elektrode, welche auf dem Substrat angeordnet ist, und eine bewegbare Elektrode, welche auf der Membran so fixiert ist, daß sie der stationären Elektrode gegenübersteht. Bei dem Drucksensorchip mit dieser Anordnung ändert sich, wenn die Membran nach Druckbeaufschlagung versetzt wird, der Abstand zwischen der bewegbaren und stationären Elektrode, so daß die elektrostatische Kapazität zwischen ihnen geändert wird. Der auf die Membran auferlegte Druck kann auf Basis dieser elektrostatischen Kapazitätsänderung gemessen werden.
Als Gehäuse, welches das Substrat und die Membran eines solchen Drucksensorchips umfaßt, wurde eines aus Saphir (künstliches Korund) vorgeschlagen. Wenn Saphir zur Ausbildung des Gehäuses verwendet wird, kann das Gehäuse, selbst wenn das Meßziel ein korrosiver Körper oder Fluid ist, direkt den Körper oder das Fluid mit seiner Membran aufnehmen, um den Druck zu messen.
Die US 5,349,492 offenbart einen solchen kapazitiven Drucksensorchip, welcher zwei Quarzglas- oder Saphirsubstrate umfaßt, welche am Rand zusammen verbunden sind. Auf jedem der Substrate ist eine Elektrode derart angeordnet, daß während einer Druckänderung die Elektroden mit Bezug zueinander versetzt werden.
Fig. 4A und 4B zeigen die Anordnung eines herkömmlichen Drucksensorchips.
Bezugnehmend auf Fig. 4A wird der herkömmliche Drucksensorchip gebildet aus einer Basis 401 und einer Membran 402. Eine rund ausgesparte Kapazitätskammer 401a ist am Zentrum der Hauptoberfläche der Basis 401 ausgebildet. Die Membran 402 ist mit der Hauptoberfläche eines Randabschnittes 401b verbunden, welcher die Kapazitätskammer 401a umgibt, um diese abzudecken, wodurch ein geschlossener Raum in der Kapazitätskammer 401a ausgebildet wird. Die Basis 401a und Membran 402 sind aus Saphir gemacht.
Eine runde stationäre Elektrode 403 ist auf der Bodenfläche der Kapazitätskammer 401a angebracht, und eine kleine scheibenartige bewegbare Elektrode 404 ist auf der unteren Oberfläche (seitens der Kapazitätskammer 401a) der Membran 402 so angebracht, daß sie der stationären Elektrode 403 gegenübersteht. Die bewegbare Elektrode 404 ist im wesentlichen im Zentrum der Membran 402 angeordnet. Ferner ist eine ringartige Referenzelektrode 405 an der unteren Oberfläche der Membran 402 so angebracht, daß sie der stationären Elektrode 403 gegenübersteht. Die Referenzelektrode 405 hat einen Ringdurchmesser, welcher kleiner ist als der Durchmesser der stationären Elektrode 403, und ist so angeordnet, daß sie bewegbare Elektrode 404 umgibt. An der Peripherie von der Kapazitätskammer 401a ist ein Leitungsabschnitt 404a, welcher sich von der bewegbaren Elektrode 404 aus erstreckt, mit einem Stift 406 verbunden, welcher sich durch die Basis 401 erstreckt, wie in Fig. 4B gezeigt.
Bei dem Drucksensorchip mit der obigen Anordnung bilden die gegenüberliegende stationäre und bewegbare Elektrode 403 und 404 einen Kondensator aus. Somit wird nach Empfang eines externen Druckes, wenn das Zentrum der Membran 402 in Richtung zu der Basis 401 versetzt wird, sich der Abstand zwischen der stationären und bewegbaren Elektrode 403 und 404 ändern, wodurch sich die Kapazität zwischen ihnen ändert. Diese Kapazitätsänderung wird elektrisch über den Leitungsabschnitt 404a, den Pin 406, und dergleichen, aufgenommen, so daß der auf die Membran 402 wirkende Druck aufgenommen werden kann.
Die auf der Membran 402 ausgebildete Referenzelektrode 405 und die stationäre Elektrode 403, welche zueinander angrenzen, bilden ebenfalls eine Kapazität zwischen sich aus. Da die Referenzelektrode 405 nahe dem Randabschnitt 401b angeordnet ist, ist die Deformationsgröße der Referenzelektrode 405, welche eine Deformation von der Membran 402 folgt, kleiner als die von der bewegbaren Elektrode 404, welche am Zentrum der Membran 402 angeordnet ist.
Die dielektrische Konstante von Luft in der Kapazitätskammer 401a ändert sich gemäß der Feuchtigkeit, wodurch demgemäß die Kapazität der jeweiligen Elektroden geändert wird. Wenn die Kapazitätsänderung zwischen der stationären und bewegbaren Elektrode 403 und 404 überwacht wird, in Bezug auf eine Änderung in der Kapazität zwischen der stationären Elektrode 403 und Referenzelektrode 405, kann die Deformationsgröße von der Membran 402 ohne Fluktuation aufgenommen werden, sogar wenn sich die dielektrische Konstante von Luft in der Kapazitätskammer 401a ändert.
In Bezug auf Saphir, welches in dem Substrat und der Membran verwendet wird, welche den Drucksensor bilden, wird ein Saphirsubstrat verwendet, welche eine R-Ebene als eine Hauptoberfläche hat, im Hinblick auf Kosten und Verfügbarkeit. Wie in Fig. 5 gezeigt, ist die R-Ebene eines Saphirkristalls eine Ebene, welche mit der C-Ebene einen Winkel von 57,6º ausbildet.
Wenn Saphirkristalle durch das EFG (Edge-defined Film-fed Growth method) derart gewachsen werden, daß die R-Ebene horizontal gesetzt ist, kann eine Saphirkristallebene, welche bis zu einem gewissen Grad eine große Fläche hat, vergleichsweise einfach erhalten werden. Im Gegensatz dazu kann, wenn Kristallwachstum durchgeführt wird solange Saphir in der C- Achsenrichtung nach oben gezogen wird, kein Blockguß erhalten werden, welcher einen großen Durchmesser hat. Aus diesem Grund ist es zum derzeitigen Stand sehr schwierig, eine Kristallebene zu erhalten, welche eine große C-Ebene hat.
Bei einem kostengünstigen Saphirsubstrat, welches eine R- Ebene als die flache Oberfläche hat, sind ihre physikalischen Eigenschaften, wie zum Beispiel Elastizitätsmodul und thermischer Ausdehnungskoeffizient, anisotropisch. Wenn zwei Saphirwafer, welche jeweils eine R-Ebene als die Hauptoberfläche haben, miteinander verbunden werden, deformiert sich der verbundene Waferkörper, bis die Achsen von den Kristallen der jeweiligen Waferoberflächen miteinander übereinstimmen. Diese Deformation tritt in Abhängigkeit von der Achse in der oben beschriebenen R-Ebene auf. Dies soll so sein, weil eine durch die Temperatur verursachte Änderung in physikalischen Eigenschaften des R-Ebene Wafers in irgendeiner Achse groß ist, während sie in einer anderen Achse klein ist.
Fig. 6 zeigt, wie die Deformation in Übereinstimmung mit einer Temperaturänderung (Temperaturanstieg) von der Membran in dem oben beschriebenen Drucksensor auftritt. In Fig. 6 stellt die Abszisse den Abstand eines Punktes, an dem die Deformationsgröße gemessen wird, vom Zentrum dar. Das Zentrum der Membran wird als 0 definiert, und die Richtung nach rechts von 0 zeigt einen positiven Wert an, während die Richtung nach links von 0 einen negativen Wert anzeigt. Es ist anzumerken, daß die Deformationsgröße von der Membran, welche entlang der Ordinatenachse gezeichnet ist, ein relativer Wert ist.
Die Saphirmembran und Basis werden fester miteinander verbunden, wenn sie mit ihren spiegelnd polierten Oberflächen, welche im engen Kontakt zueinander sind, erwärmt werden. Die Membran und Basis werden derart miteinander verbunden, daß ihre Richtungen der C-Achsen-Projektion von ihren Kristallen voneinander um 10º versetzt werden.
Bezugnehmend auf Fig. 6 stellen schwarze Punkte die Deformationsgröße auf einer Linie entlang der Richtung der C-Achsen- Projektion der Membran dar, und weiße Punkte stellen die Deformationsgröße auf einer Linie dar, welche einen Winkel von 45º mit der Richtung in der C-Achsen-Projektion der Membran bildet. Weiße Dreiecke stellen die Deformationsgröße auf einer Linie dar, welche einen Winkel von 90º mit der Richtung in der C-Achsen-Projektion der Membran bildet, und ausgefüllte Rechtecke stellen die Deformationsgröße auf einer Liege dar, welche einen Winkel von -45º mit der Richtung in der C- Achsen-Projektion von der Membran bildet. Alle diese Linien verlaufen durch das Zentrum von der Membran.
Auf diese Weise wird, wenn eine Membran, welche aus einem Saphir R-Ebene Substrat besteht, derart mit einer Basis verklebt wird, welche aus einem Saphir R-Ebene Substrat besteht, daß ihre Achsen voneinander versetzt werden (beispielsweise um 10º), eine Deformation auftreten, welche durch eine Temperaturänderung verursacht wird. Diese Deformation ist auf einer Linie, welche einen Winkel von 45º oder -45º mit der Richtung in der C-Achsen-Projektion von der Membran bildet, und auf einem Zwischenbereich zwischen dem Membranzentrum und dem Ende der Membran maximal.
In dem durch Verbinden der Basis und Membran ausgebildeten Drucksensor deformiert sich die Membran, wenn die Richtung der C-Achsen-Projektion des Saphirkristalls von der Basis unterschiedlich ist von der Richtung der Membran, sogar dann, wenn kein externer Druck auf ihr auferlegt wird. Genauer gesagt, wird bei dem herkömmlichen Saphirdrucksensor bei Temperaturänderung, sogar dann, wenn kein externer Druck auferlegt wird, ein Detektionssignal detektiert, als wenn tatsächlich ein Druck auferlegt würde.
Wenn ein Versatz vorliegt, zwischen der Richtung der C- Achsen-Projektion des Saphirkristalls von der Basis und der von der Membran, deformiert sich die Membran nach einer Temperaturänderung. Währenddessen kann sich der Versatz zwischen der Basis und Membran nicht einfach vollständig beseitigen lassen.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Drucksensor bereitzustellen, welcher einen Druck hochgenau detektieren kann, sogar wenn die Richtung der C-Achsen-Projektion des Saphirkristalls von einer Basis und die von einer Membran, die jeweils aus einer R-Ebene Saphirplatte gemacht sind, voneinander unterschiedlich sind.
Um das obige Ziel zu erreichen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Drucksensor bereitgestellt mit: Einer Saphirbasis, welche eine Hauptoberfläche in einer R-Ebene hat, einer Saphirmembran, welche auf der Hauptoberfläche der Basis aufgebracht ist und ebenfalls eine Hauptoberfläche in der R- Ebene hat, einer Kapazitätskammer, welche eine obere Oberfläche hat, welche mit der Membran bedeckt ist, und eine Aussparung hat, welche in der Hauptoberfläche der Basis ausgebildet ist, einer stationären Elektrode, welche auf einer Bodenfläche der Kapazitätskammer fixiert ist, und einer bewegbaren Elektrode, welche auf einer unteren Oberfläche der Membran in der Kapazitätskammer so angebracht ist, daß sie der stationären Elektrode gegenübersteht, wobei zumindest eine der bewegbaren und stationären Elektroden eine Form hat, welche sich wenigstens entlang einer der folgenden Linien erstreckt: Einer Linie in Richtung der C-Achsen-Projektion des Kristalls, die durch ein Zentrum der Hauptoberfläche der Membran verläuft, und einer Linie in einer zur C-Achsen-Projektion senkrechten Richtung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1A und 1B sind jeweils eine teilweise freigeschnittene perspektivische Ansicht und eine Draufsicht eines Drucksensorchips gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2A und 2B sind jeweils eine teilweise freigeschnittene perspektivische Ansicht und eine Draufsicht eines Drucksensorchips gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ist eine Draufsicht von einem Drucksensorchip, welche ein anderes Beispiel von einer bewegbaren Elektrode zeigt;
Fig. 4A und 4B sind jeweils eine teilweise freigeschnittene perspektivische Ansicht und eine Draufsicht von einem herkömmlichen Drucksensorchip;
Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht, welche schematisch den Zustand von einem Saphirkristall zeigt; und
Fig. 6 ist ein Kurvenverlauf, welcher die Deformationsverteilung von der Membran eines Saphirdrucksensors gemäß einer Temperaturänderung (Temperaturanstieg) zeigt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die vorliegende Erfindung wird detailliert beschrieben mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen.

< Erste Ausführungsform>

Bezugnehmend auf Fig. 1A wird ein Drucksensorchip gebildet aus einer Basis 101, welche eine runde, ausgesparte Kapazitätskammer 101a hat, und einer Membran 102. Die Membran 102 ist verbunden mit der Hauptoberfläche von einem Randabschnitt 101b, welcher die Kapazitätskammer 101a umgibt, um diese zu bedecken, wodurch ein abgeschlossener Raum in der Kapazitätskammer 101a ausgebildet wird. Die Basis 101 und Membran 102 werden aus R-Ebene Saphirsubstrate gebildet. Die Membran 102 wird mit der Basis 101 derart verbunden, so daß die Kristalle in Richtung der C-Achsen-Projektion von ihren Kristallen nahezu zueinander ausgerichtet sind (innerhalb ±15º).
Eine runde stationäre Elektrode 103 ist an der Bodenfläche der Kapazitätskammer 101a angebracht, und eine rechteckige bewegbare Elektrode 104 ist an der unteren Oberfläche (seitens der Kapazitätskammer 101a) der Membran 102 so angebracht, daß sie der stationären Elektrode 103 gegenübersteht. Die bewegbare Elektrode 104 ist derart angeordnet, daß deren Zentrum nahezu das Zentrum der Membran 102 überlappt, und hat eine Längsseite, welche kleiner ist als der Durchmesser der stationären Elektrode 103. Die bewegbare Elektrode 104 ist so angeordnet, daß sie sich in Richtung der C-Achsen-Projektion des Saphirkristalls erstreckt, wie in Fig. 1B gezeigt. Genauer gesagt, ist die bewegbare Elektrode 104 so angeordnet, daß deren Längsseite parallel ist zu der Richtung der C- Achsen-Projektion des Saphirkristalls.
Eine ringförmige Referenzelektrode 105 ist an der unteren Oberfläche (seitens der Kapazitätskammer 101a) der Membran 102 so angebracht, daß sie der stationären Elektrode 103 gegenübersteht. Die Referenzelektrode 105 hat einen Ringdurchmesser, welcher kleiner ist als der Durchmesser von der stationären Elektrode 103, und ist so angeordnet, daß sie die bewegbare Elektrode 104 umgibt.
An der Peripherie von der Kapazitätskammer 101a ist die bewegbare Elektrode 104 über einen Leitungsdraht 104a mit einem Stift 106 verbunden, welcher sich durch die Basis 101 erstreckt. Genauso ist an der Peripherie von der Kapazitätskammer 101a die Referenzelektrode 105 über einen Leitungsdraht 105a mit einem Stift (nicht gezeigt) verbunden, welcher sich durch die Basis 101 erstreckt. An der Peripherie von der Kapazitätskammer 101a ist die stationäre Elektrode 103 über einen Leitungsdraht 103a ebenfalls mit einem Stift verbunden, welcher sich durch die Basis erstreckt. Die Elektroden 103, 104 und 105 sind über die Drahtleitungen 103a, 104a und 105a und mehreren Stiften, inklusive dem Stift 106, elektrisch mit der Außenseite verbunden.
Bei dem Drucksensorchip mit der obigen Anordnung bilden die stationäre und bewegbare Elektrode 103 und 104 einen Kondensator. Somit wird, nach Empfang eines externen Druckes, das Zentrum der Membran 102 in Richtung zu der Basis 101 versetzt. Der Abstand zwischen der stationären und bewegbaren Elektrode 103 und 104 ändert sich demgemäß, wodurch die Kapazität zwischen ihnen geändert wird. Diese Kapazitätsänderung wird als eine Spannungsänderung über die Drahtleitungen 103a, 104a und 105a, dem Stift 106, und dergleichen detektiert, so daß der Druck, welcher auf die Membran 102 wirkt, detektiert werden kann.
Die bewegbare Elektrode 104 ist auf der Membran 102 angeordnet, um sich entlang einer Linie in Richtung der C-Achsen- Projektion des Saphirkristalls zu erstrecken, die durch das Zentrum der Hauptoberfläche der Membran 102 verläuft. Genauer gesagt, ist die bewegbare Elektrode 104 mit einer rechteckförmigen Form ausgebildet, welche sich in der Richtung der C- Achsen-Projektion des Saphirkristalls entlang streckt. Wie oben beschrieben, verformt sich die Membran 102 manchmal aufgrund einer Temperaturänderung.
Diese Deformation wird verursacht durch Temperaturfluktuationen, wenn zwei Saphirsubstrate miteinander verklebt werden, wie in Fig. 6 gezeigt, so daß ihre Achsen voneinander versetzt werden (um 10º in Fig. 6). Diese Deformation ist auf einer Linie, welche einen Winkel von 45º oder -45º mit der Richtung der C-Achsen-Projektion des Kristalls auf einem Substrat bildet, und an einem Zwischenbereich zwischen dem Zentrum von der Membran 102 und dem Ende der Membran 102 maximal. In dieser Ausführungsform dient die Basis 101 als ein Substrat, während die Membran 102 als das andere Substrat dient, welches auf der Basis 101 verklebt wird.
Daher deformiert sich die Membran 102, wenn die Saphirmembran 102 mit der Saphirbasis 101 verbunden wird, bis die Richtungen der C-Achsen-Projektion ihrer Kristalle vollständig miteinander übereinstimmen. Jedoch tritt die Deformation der Membran 102 nicht auf der Linie in der Richtung der C-Achsen- Projektion des Kristalls auf, die durch das Zentrum der Membran 102 verläuft, wie in Fig. 6 gezeigt. Ebenfalls tritt diese Deformation oft nicht auf einer Linie auf, welche senkrecht ist zu der Richtung der C-Achsen-Projektion des Kristalls.
Daher tritt die Deformation der Membran 102 im wesentlichen nicht auf, sogar auf einer Linie in der Richtung der C- Achsen-Projektion des Kristalls, die durch das Zentrum der Hauptoberfläche der Membran 102 verläuft. Daher ist die rechteckige bewegbare Elektrode 104 derart auf der Membran 102 angeordnet, daß deren Längsrichtung parallel ist zu der Linie in der Richtung der C-Achsen-Projektion des Kristalls.
Genauer gesagt, ist die bewegbare Elektrode 104 in einem Bereich angeordnet, in dem die Deformation der Membran 102 im wesentlichen nicht durch die Temperatur verursacht wird. Sogar wenn die Basis 101 und Membran 102 derart miteinander verbunden sind, daß die Richtungen der C-Achsen-Projektion ihrer Kristalle nicht vollständig miteinander übereinstimmen, wird sich der Abstand zwischen der bewegbaren und stationären Elektrode 104 und 103 nach Temperaturfluktuationen im wesentlichen nicht ändern.
Wenn die Länge (Längsseite) von der bewegbaren Elektrode 104 in der Richtung der C-Achsen-Projektion des Kristalls verglichen wird mit der Länge (kurze Seite) derer in einer senkrechten Richtung dazu, reicht es aus, wenn die kurze Seite kürzer ist als die Längsseite. In dieser Ausführungsform ist die bewegbare Elektrode 104 auf einer Linie in der Richtung der C-Achsen-Projektion des Kristalls angeordnet, die durch das Zentrum der Hauptoberfläche der Membran 102 verläuft. Jedoch kann anstelle der bewegbaren Elektrode 104 die stationäre Elektrode 103 auf diese Weise angeordnet werden.
Dies wird detailliert beschrieben. Wenn die stationäre Elektrode 103 auf einer Linie in der Richtung der C-Achsen- Projektion des Kristalls angeordnet ist, die durch das Zentrum der Hauptoberfläche der Membran 102 verläuft, wird die Kapazität zwischen der stationären und bewegbaren Elektrode 103 und 104 nur auf der stationären Elektrode 103 ausgebildet. Demgemäß wird, genauso in diesem Fall, die Kapazität zwischen der stationären und bewegbaren Elektrode 103 und 104 an einem Bereich ausgebildet, welcher weniger beeinflußt wird durch die Deformation der Membran 102, welche durch Temperaturfluktuationen verursacht wird. Daher kann die stationäre Elektrode 103 auf einer Linie in der Richtung der C-Achsen- Projektion angeordnet werden, die durch die Hauptoberfläche der Membran 102 verläuft. Offensichtlich können sowohl die stationäre als auch die bewegbare Elektrode 103 und 104 so angeordnet werden, daß sie sich auf einer Linie in der Richtung der C-Achsen-Projektion gegenüberstehen, die durch das Zentrum der Hauptoberfläche der Membran 102 verläuft.
Die auf der Membran 102 ausgebildete Referenzelektrode 105 und die stationäre Elektrode 103 bilden ebenfalls eine Kapazität zwischen sich aus. Da die Referenzelektrode 105 an der Peripherie der Membran 102, nahe dem Randabschnitt 101b ausgebildet ist, ist die Deformationsgröße von der Referenzelektrode 105, welche einer Deformation der Membran 102 folgt, kleiner als die von der bewegbaren Elektrode 104, welche an dem Zentrum der Membran 102 angeordnet ist.
Die dielektrische Konstante von Luft in der Kapazitätskammer 101a ändert sich gemäß der Feuchtigkeit, wodurch sich demgemäß die zwischen den jeweiligen Elektroden erzeugten Kapazitäten ändern. Wenn die Kapazitätsänderung zwischen der stationären und bewegbaren Elektrode 103 und 104 überwacht wird, mit Bezug auf die Kapazitätsänderung zwischen der stationären- und Referenzelektrode 103 und 105, kann die Deformationsgröße der Membran 102 ohne Fluktuation aufgenommen werden, sogar wenn sich die dielektrische Konstante von Luft in der Kapazitätskammer 101a ändert.
Es wird beispielsweise angenommen, daß das Verhältnis von einer Kapazitätsänderung zwischen der stationären- und Referenzelektrode 103 und 105, verursacht durch die Temperaturfluktuationen, zu einer Kapazitätsänderung zwischen der stationären und bewegbaren Elektrode 103 und 104 gleich 1 : X ist. Wenn sich die Kapazität zwischen der stationären- und Referenzelektrode 103 und 105 nach Temperaturfluktuationen von "a" auf "b" ändert, wird die Kapazität zwischen der stationären und bewegbaren Elektrode 103 und 105 unter Verwendung von "b/a·X" korrigiert.

< Zweite Ausführungsform>

Es wird ein Drucksensor gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Um den Einfluß von einer Änderung einer dielektrischen Konstante, welche durch Temperaturänderung von Luft in der Kapazitätskammer 101a verursacht wird, zu unterdrücken, indem die Referenzelektrode 105 verwendet wird, wird es bevorzugt, daß die Referenzelektrode 105 an der äußeren Peripherie von der Membran 102 in der Kapazitätskammer 101a angeordnet wird, wie in Fig. 1A und 1B gezeigt. Dies findet seine Begründung aufgrund der folgenden Tatsache. Da ein Abschnitt der Membran 102, welcher sich nach Aufnahme eines Druckes deformiert, ein Abschnitt ist, welcher der Kapazitätskammer 101a entspricht, deformiert sich die Membran 102 im wesentlichen nicht nahe des Randabschnittes 101b.
Wenn jedoch die Referenzelektrode 105 an einem Abschnitt auf der Membran 102 angeordnet ist, um in Kontakt mit dem Randabschnitt 101b zu sein, so wird die Referenzelektrode 105 zwischen die Membran 102 und den Randabschnitt 101b gesetzt, aufgrund der Positionsversetzung, welche auftritt beim gegenseitigen Verbinden der Membran 102 und der Basis 101 (Randabschnitt 101b). Wenn die Referenzelektrode 105 zwischen die Membran 102 und den Randabschnitt 101b gesetzt wird, können die Membran 102 und der Randabschnitt 101b nicht über ihre spiegelförmig polierten Oberflächen miteinander verbunden werden.
Um dies zu verhindern, wird die Referenzelektrode 105 innerhalb auf der Membran 102 angeordnet, mit einem bestimmten Grad von dem Außenende (Seitenwandposition) der Kapazitätskammer 101a entfernt.
Wenn die bewegbare Elektrode 104 aus einem Metallfilm gemacht ist, unterscheidet sich deren thermischer Ausdehnungskoeffizient von dem der Saphirmembran 102. In diesem Fall ist der thermische Ausdehnungskoeffizient von der bewegbaren Elektrode 104 höher als der von der Membran 102, und eine durch eine Temperaturänderung verursachte Deformation tritt ebenfalls zwischen der Membran 102 und bewegbaren Elektrode 104 auf. Je dünner die Membran 102 ist, desto deutlicher wird die durch eine Temperaturänderung verursachte Deformation. Im Gegensatz dazu gilt, daß, je dicker die Membran 102 ist, desto geringer wird die Deformation zwischen der Membran 102 und bewegbaren Elektrode 104, und desto größer wird die Deformation, welche durch die Versetzung von der Ebenen-Ausrichtung zwischen der Membran 102 und Basis 101 verursacht wird.
Gemäß dieser Ausführungsform wird bei einer dünnen Saphirmembran, welche zur Detektion eines geringen Druckes verwendet wird, die durch eine Temperaturänderung zwischen der Membran und der bewegbaren Elektrode verursachte Deformation beseitigt.
Es wird die Anordnung des Drucksensors gemäß der zweiten Ausführungsform beschrieben.
Bezugnehmend auf Fig. 2A wird ein Drucksensorchip durch eine Basis 201 gebildet, welche eine rund ausgesparte Kapazitätskammer 201a und eine Membran 202 hat. Die Membran 202 wird mit der Hauptoberfläche eines Randabschnittes 201b verbunden, welcher die Kapazitätskammer 201a umgibt, wodurch ein geschlossener Raum in der Kapazitätskammer 201a ausgebildet wird. Die Basis 201 und Membran 202 werden aus R-Ebene Saphirsubstraten hergestellt.
Eine stationäre Elektrode 203 wird auf der Bodenoberfläche der Kapazitätskammer 201a angebracht, und eine rechteckige bewegbare Elektrode 204, welche aus leitfähigem Metall gemacht ist, wird so auf der unteren Oberfläche (seitens der Kapazitätskammer 201a) der Membran 202 angebracht, daß sie der stationären Elektrode 203 gegenübersteht. Die bewegbare Elektrode 204 ist so angeordnet, daß deren Zentrum nahezu das Zentrum der Membran 202 überlappt, und hat eine Längsseite, welche kleiner ist als der Durchmesser von der stationären Elektrode 203. Die bewegbare Elektrode 204 ist so angeordnet, daß sie sich in der Richtung der C-Achsen-Projektion des Saphirkristalls erstreckt, wie in Fig. 2B gezeigt. Genauer gesagt, ist die bewegbare Elektrode 204 so angeordnet, daß deren Längsseite parallel ist zu der Richtung der C-Achsen- Projektion des Saphirkristalls.
An der Peripherie von der Kapazitätskammer 201a ist die bewegbare Elektrode 204 über einen Leiterdraht 204a mit einem Stift 206 verbunden, welcher sich durch die Basis 201 erstreckt. An der Peripherie von der Kapazitätskammer 201a ist die stationäre Elektrode 203 über einen Leiterdraht 203a mit einem Stift (nicht gezeigt) verbunden, welcher sich durch die Basis 101 erstreckt.
Die bewegbare Elektrode 204 ist auf der Membran 202 mit einer rechteckigen Form ausgebildet, welche sich in der Richtung der C-Achsen-Projektion des Kristalls erstreckt. Sogar wenn die Ebenen-Ausrichtung von der Basis 201 und die von der Membran 202 etwas voneinander versetzt sind, wird eine Abstandsänderung zwischen der bewegbaren und stationären Elektrode 204 und 203 aufgrund von einer Temperaturänderung unterdrückt.
Es sind flügelartige Referenzelektroden 205a und 205b auf der Membran 202 angeordnet, nämlich auf einer Linie, welche im Uhrzeigersinn einen Winkel von 45º mit der Richtung der C- Achsen-Projektion des Kristalls bildet. Die Referenzelektroden 205a und 205b sind über eine Leitung 205c miteinander verbunden, und sind an der Peripherie von der Kapazitätskammer 201a über einen Leiterdraht 205d mit einem Stift (nicht gezeigt) verbunden, welcher sich durch die Basis 201 erstreckt. Bei der stationären Elektrode 203 sind deren jeweilige Bereiche, welche der bewegbaren Elektrode 204 entsprechen, und die Referenzelektroden 205a und 205b leicht vergrößert und miteinander verbunden.
Wenn die Richtung der C-Achsen-Projektion des Kristalls auf der Basis 201 nicht vollständig mit der der Membran 202 übereinstimmt, tritt auf einer Linie auf der Membran 202, welche im Uhrzeigersinn einen Winkel von 45º mit der Richtung der C- Achsen-Projektion des Kristalls ausbildet, die Deformation der Membran 202 als eine Änderung in Richtung der Basis 201 auf. Die metallische bewegbare Elektrode 204 hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, welcher größer ist als der der Saphirmembran 202. An dem Abschnitt der Membran 202, an dem die bewegbare Elektrode 204 ausgebildet ist, deformiert sich die Membran 202 bei ansteigender Temperatur in Richtung der Basis 201.
In einem Abschnitt der Membran 202, der auf einer Linie liegt, welche im Uhrzeigersinn einen 45º-Winkel mit der Richtung der C-Achsen-Projektion des Kristalls bildet, und einem Abschnitt der Membran 202, an dem die bewegbare Elektrode 204 ausgebildet ist, steigt daher die Deformation mit steigender Temperatur an. Mit anderen Worten werden daher die bewegbare Elektrode 204 und die Referenzelektroden 205a und 205b bei Temperaturänderung in gleicher Richtung verändert.
Auf diese Weise werden gemäß dieser Ausführungsform die Referenzelektroden 205a und 205b und die bewegbare Elektrode 204 in dieselbe Richtung auf der Senkrechten zu der Ebene der Membran 202 entsprechend einer Temperaturänderung versetzt. Daraus resultierend kann, sogar wenn sich die Temperatur ändert, eine zueinander relative Änderung in der Positionsbeziehung zwischen den Referenzelektroden 205a und 205b, und der bewegbaren Elektrode 204, mit Bezug auf die stationäre Elektrode 203 verhindert werden.
Insbesondere wird, wenn der Abstand von den Referenzelektroden 205a und 205b zum Zentrum eingestellt werden auf einer Linie auf der Membran 202, welche im Uhrzeigersinn einen Winkel von 45º mit der Richtung der C-Achsen-Projektion des Kristalls bildet, die relative Positionsbeziehung zwischen der Membran 202 und den Referenzelektroden 205a und 205b im wesentlichen nicht durch eine Temperaturänderung verändert.
In dieser Ausführungsform ist die bewegbare Elektrode 204 aus einem Metall, beispielsweise Gold, gemacht. Jedoch kann die bewegbare Elektrode 204 aus Silizium gemacht sein, welches einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizient als der von Saphir hat. Auf diese Weise können, wenn die bewegbare Elektrode aus einem Material ausgebildet ist, welches einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als den von Saphir hat, die Referenzelektroden auf einer Linie angeordnet werden, welche im Uhrzeigersinn einen Winkel von 45º mit der Richtung der C-Achsen-Projektion von der Hauptoberfläche der Membran bildet. In diesem Fall werden mit ansteigender Temperatur die bewegbare Elektrode und die Referenzelektroden von der Basis weg versetzt.
In dieser Ausführungsform hat die stationäre Elektrode 203 eine durchgängige Form, um der bewegbaren Elektrode 204 und den Referenzelektroden 205a und 205b gegenüber zu stehen. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann die stationäre Elektrode 203 mit einer runden Form ausgebildet sein, auf dieselbe Weise wie in der ersten Ausführungsform. In dieser Ausführungsform kann, da die stationäre Elektrode 203 die obige Form hat, ein Detektionsfehler, welcher durch die Kapazitäten zwischen der stationären Elektrode 203 und den Drahtleitern 204a und 205a verursacht wird, unterdrückt werden.
Bei den obigen Ausführungsformen ist die bewegbare Elektrode auf einer Linie in Richtung der C-Achsen-Projektion des Kristalls angeordnet, die durch das Zentrum der Membran verläuft, und hat eine rechteckige Form, welche sich in der Richtung der C-Achsen-Projektion des Kristalls erstreckt. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann die bewegbare Elektrode derart angeordnet sein, daß die Längsrichtung von ihrer rechteckigen Form senkrecht ist zu der Richtung der C-Achsen-Projektion des Kristalls auf der Hauptoberfläche der Membran. In diesem Fall ist die bewegbare Elektrode auf einer Linie angeordnet, welche senkrecht ist zu der Richtung der C-Achsen-Projektion des Kristalls und durch das Zentrum der Kapazitätskammer verläuft.
Wie in Fig. 3 gezeigt, kann eine bewegbare Elektrode 304 eine Kreuzform haben, welche sich in zwei Richtungen erstreckt, d. h. der Richtung der C-Achsen-Projektion des Kristalls und einer dazu senkrechten Richtung.
Wie oben beschrieben, hat eine Temperaturänderung gemäß der vorliegenden Erfindung, sogar wenn die Richtung der C-Achsen- Projektion des Kristalls der Basis versetzt ist von der Richtung der C-Achsen-Projektion des Kristalls der Membran, an einem Bereich, an dem sich die stationäre und bewegbare Elektrode gegenüberstehen, diese Temperaturänderung keine wesentliche Deformation von der Membran verursacht.
Dies unterdrückt eine Abstandsänderung zwischen der bewegbaren und stationären Elektrode, die eine Kapazität erzeugen. Wenn ein Drucksensor vom Kapazitätstyp ausgebildet wird durch Verbinden einer aus einem R-Ebene Saphirsubstrat ausgebildeten Membran an einer Basis, die aus einem R-Ebene Saphirsubstrat besteht, und eine Kapazitätskammer hat, kann der Druck mit hoher Genauigkeit aufgenommen werden, sogar wenn die Richtung der C-Achsen-Projektion des Kristalls von dem Substrat unterschiedlich ist von der von der Membran.

Claims

1. Drucksensor mit:

einer Saphirbasis (101, 201), welche eine Hauptoberfläche in einer R-Ebene hat;

einer Saphirmembran (102, 202), welche auf der Hauptoberfläche der Basis ausgebildet ist und eine Hauptoberfläche in der R-Ebene hat;

einer Kapazitätskammer, welche eine obere Oberfläche hat, welche mit der Membran bedeckt ist, und eine Aussparung hat, welche in der Hauptoberfläche der Basis ausgebildet ist;

einer stationären Elektrode (103, 203), welche auf einer Bodenfläche der Kapazitätskammer angebracht ist; und

einer bewegbaren Elektrode (104, 204, 304), welche auf einer unteren Oberfläche der Membran in der Kapazitätskammer so angebracht ist, daß sie der stationären Elektrode gegenübersteht,

dadurch gekennzeichnet, daß

zumindest eine der bewegbaren und stationären Elektroden eine Form hat, welche sich wenigstens entlang einer der folgenden Linien erstreckt: einer Linie in Richtung einer C-Achsen-Projektion des Kristalls, die durch ein Zentrum der Hauptoberfläche der Membran verläuft, und einer Linie in einer zur C- Achsen-Projektion senkrechten Richtung.

2. Sensor nach Anspruch 1, bei welchem nur eine der bewegbaren und stationären Elektroden eine Form hat, welche sich wenigstens entlang einer der folgenden Linien erstreckt: einer Linie in Richtung einer C- Achsen-Projektion des Kristalls, die durch ein Zentrum der Hauptoberfläche der Membran verläuft, und einer Linie in einer zur C-Achsen-Projektion senkrechten Richtung.

3. Sensor nach Anspruch 1, bei welchem sowohl die bewegbare, als auch die stationäre Elektrode eine Form haben, welche sich wenigstens entlang einer der folgenden Linien erstreckt: einer Linie in Richtung einer C-Achsen-Projektion des Kristalls, die durch ein Zentrum der Hauptoberfläche der Membran verläuft, und einer Linie in einer zur C-Achsen-Projektion senkrechten Richtung.

4. Sensor nach Anspruch 1, bei welchem zumindest eine der bewegbaren und stationären Elektroden eine Form hat, welche sich nur entlang einer der folgenden Linien erstreckt: einer Linie in Richtung einer C-Achsen-Projektion des Kristalls, die durch ein Zentrum der Hauptoberfläche der Membran verläuft, oder einer Linie in einer zur C-Achsen-Projektion senkrechten Richtung.

5. Sensor nach Anspruch 1, bei welchem zumindest eine der bewegbaren und stationären Elektroden eine Kreuzform hat, welche sich sowohl entlang einer Linie in Richtung einer C-Achsen-Projektion des Kristalls, die durch ein Zentrum der Hauptoberfläche der Membran verläuft, als auch einer Linie in einer zur C-Achsen-Projektion senkrechten Richtung erstreckt.

6. Sensor nach Anspruch 1, weiter enthaltend eine Referenzelektrode (105, 205), welche auf der unteren Oberfläche der Membran um die bewegbare Elektrode angebracht ist.

7. Sensor nach Anspruch 6, bei welchem die Referenzelektrode eine ringförmige Form hat, welche die bewegbare Elektrode umgibt.

8. Sensor nach Anspruch 6, bei welchem die Referenzelektrode auf einer Linie angeordnet ist, welche einen Winkel von 45º mit der Richtung der C-Achsen-Projektion des Kristalls bildet, die durch das Zentrum der Hauptoberfläche der Membran verläuft.

9. Sensor nach Anspruch 6, bei welchem die stationäre Elektrode eine Form hat, die kontinuierlich mindestens Bereiche umfaßt, welche der bewegbaren Elektrode und der Referenzelektrode gegenüberstehen.

10. Sensor nach Anspruch 9, bei welchem die stationäre Elektrode eine kreisförmige Form hat.