DE69912887T2

DE69912887T2 - Sensor

Info

Publication number: DE69912887T2
Application number: DE69912887T
Authority: DE
Inventors: Masaharu Asahi-ku Ikeda; Masayoshi Taihaku-ku Esashi
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 1998-07-14
Filing date: 1999-07-05
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2019-07-06
Also published as: JP2000028462A; JP4124867B2; EP0973012A1; CN1141564C; EP0973012B1; NO320487B1; DK0973012T3; NO993448L; NO993448D0; CN1243244A; US6145384A; DE69912887D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft einen Umsetzer, insbesondere einen Umsetzer zur Erfassung einer mechanischen Auslenkung aufgrund einer elektrostatischen Kapazität und zur Umwandlung derselben in ein elektrisches Signal.
Als Umsetzer zur Umwandlung einer durch einen mechanischen Druck bewirkten Lageveränderung in ein elektrisches Signal findet herkömmlicherweise ein Drucksensor mit Erfassung einer elektrostatischen Kapazität Verwendung, wie er beispielsweise in JP-A-9-257618 offenbart ist. In der zeichnerischen Darstellung von 1–3 sind ein Aufbau und ein Herstellungsverfahren des Umsetzers sowie dessen Kapazitäts-Spannungs-Wandlungsschaltkreis veranschaulicht. 1 ist eine Aufsicht auf den Drucksensor, in der hauptsächlich eine Anordnung von Elektroden dargestellt ist. Die 2A–2G sind in der Reihenfolge der Herstellungsschritte gezeigte Querschnittsansichten entlang der Linie A-A' von 1. Der Drucksensor besteht aus einer auf einer Vorderseite eines Substrats ausgebildeten festen Elektrode; einer über der festen Elektrode vorgesehenen Referenzdruckkammer; einer Isoliermembran, die derart ausgebildet ist, daß sie die Referenzdruckkammer abdeckt; und einer als leitende Schicht der Isoliermembran-Oberfläche ausgebildeten beweglichen Elektrode.
3 ist ein Blockschaltbild eines Kapazitäts-Spannungs-Wandlungsschaltkreises, der die elektrostatische Kapazität der wie vorstehend erwähnt ausgebildeten festen Elektrode und beweglichen Elektrode erfaßt. Die Kapazitäts-Spannungs-Wandlungsschaltung wird durch einen geschalteten Kondensatorschaltkreis gebildet. Der in 3 gezeigte Kapazitäts-Spannungs-Wandlungsschaltkreis weist einen Referenzkondensator auf, der dazu dient, eine durch Maßtoleranzen bei den Herstellungsschritten bedingte Verteilung von elektrostatischen Kapazitätswerten sowie eine Schwankung der elektrostatischen Kapazitätswerte, die durch eine Änderung der Abmessungen aufgrund von Temperaturschwankungen oder dgl. verursacht ist, aufzunehmen. Der in 1 dargestellte Drucksensor weist, in seinem Aufbau keinen derartigen Referenzkondensator auf. Der Referenzkondensator kann auf einfache Weise durch angrenzende Ausbildung eines Kondensators verwirklicht werden, bei dem das Ätzen der Opferschicht entfällt.
Nachfolgend sind die Herstellungsschritte für den herkömmlichen Drucksensor unter Bezugnahme auf 2A–2G skizziert.
Durch Eindiffundieren von Störstellen in die Vorderseite (Oberfläche der in der Zeichnung oberen Seite) eines aus einkristallinem Silizium bestehenden Substrats 100 werden eine feste Elektrode 111, eine Leitung 112 der festen Elektrode und ein unterer Verbindungsanschluß 113 der festen Elektrode gebildet, welche sämtlich Leitfähigkeit be sitzen. Danach wird eine erste Isolierschicht 120 auf die Vorderseite des Substrats 100 aufgebracht (siehe 2A).
Anschließend wird auf die erste Isolierschicht 120 eine Opferschicht 140 aufgebracht (siehe 2B). Danach wird, wie in 2C dargestellt, eine erste Isoliermembranschicht 150 auf die erste Isolierschicht 120 und die Opferschicht 140 aufgebracht. Im Anschluß daran wird auf die erste Isoliermembranschicht 150 eine erste leitende Schicht 110 aufgebracht. Aus der ersten leitenden Schicht 110 wird der Bereich einer beweglichen Elektrode 161 sowie die Bereiche einer Leitung 82 der beweglichen Elektrode und eines unteren Verbindungsanschlusses 163 der beweglichen Elektrode, die der elektrischen Verbindung der beweglichen Elektrode dienen, freigeätzt. Anschließend wird, wie in 2D gezeigt, auf die erste Isoliermembranschicht 150 und die erste leitende Schicht 110 eine zweite Isoliermembranschicht 170 aufgebracht, und sodann wird ein Ätzflüssigkeitszuführloch 10 ausgebildet, welches durch die zweite Isoliermembranschicht 170 und die erste Isoliermembranschicht 150 hindurch bis hin zur Opferschicht 140 verläuft.
Anschließend wird durch Zuführen der Ätzflüssigkeit für das isotrope Ätzen der Opferschicht 140 über das Ätzflüssigkeitszuführloch 10 die Opferschicht 140 weggeätzt. Dadurch wird, wie in 2E gezeigt, zwischen der ersten Isolierschicht 120 und der ersten Isoliermembranschicht 150 eine Referenzdruckkammer 20 gebildet. Ferner sind ein Verbindungsloch 11 für die bewegliche Elektrode, das durch die zweite Isoliermembranschicht 170 hindurch bis zum unteren Verbindungsanschluß 163 der beweglichen Elektrode verläuft, und ein Verbindungsloch 132 für die feste Elektrode, das durch die zweite Isoliermembranschicht 170, die erste Isoliermembranschicht 150 und die erste Isolierschicht 120 hindurch bis zum unteren Verbindungsanschluß 113 der festen Elektrode verläuft, ausgebildet.
Daran anschließend wird eine leitende Schicht auf die Vorderseite aufgebracht. Wie in 2F gezeigt, wird aus der leitenden Schicht der Bereich eines Ausgangsanschlusses 181 der beweglichen Elektrode, der über das Verbindungsloch 11 für die bewegliche Elektrode mit dem unteren Verbindungsanschluß 163 der beweglichen Elektrode verbunden ist, und der Bereich eines Ausgangsanschlusses 182 der festen Elektrode, der über das Verbindungsloch 132 für die feste Elektrode mit dem unteren Verbindungsanschluß 113 der festen Elektrode verbunden ist, freigeätzt. Danach wird eine Abdichtmaterialschicht auf die zweite Isoliermembranschicht 170 aufgebracht, um das Ätzflüssigkeitszuführloch 10 zu verschließen. Wie in 2G gezeigt, wird die Abdichtmaterialschicht unter Ausbildung des Bereichs einer Verschlußkappe 30 nahe des Ätzflüssigkeitszuführlochs 10 weggeätzt.
Wie vorstehend erwähnt, umfaßt der Aufbau des herkömmlichen Drucksensors das Substrat, auf dessen Vorderseite die feste Elektrode ausgebildet ist; die erste Isoliermembranschicht, durch die die Referenzdruckkammer derart abgegrenzt bzw. gebildet ist, daß sie von der Oberfläche nur um einen vorgegebenen Abstand entfernt ist; die bewegliche Elektrode, die auf der ersten Isoliermembranschicht durch die leitende Schicht gebildet ist; die zweite Isoliermembranschicht, die derart aufgebracht ist, daß sie die bewegliche Elektrode bedeckt; die Öffnung (Ätzflüssigkeitszuführloch), welche die zweite Isoliermembranschicht und die erste Isoliermembranschicht durchsetzend bis zur Referenzdruckkammer verläuft; und das Abdichtmaterial (Verschlußkappe) zum dichten Verschließen der Öffnung, wodurch auch ein Verschließen der Referenzdruckkammer erfolgt.
Die aus erster und zweiter Isoliermembranschicht bestehende Membran des herkömmlichen Drucksensors wird gemäß dem Umgebungsdruck verformt. Dies bedeutet, die Membran wird mit einer Kraft, welche in die zur Vergrößerung des Abstandes zwischen Membran und fester Elektrode durch einen Druck vom Inneren der Referenzdruckkammer geeignete Richtung wirkt, und einer Kraft, welche in die zur Verringerung des Abstandes zwischen Membran und fester Elektrode im Sinne einer Annäherung durch einen Druck von außen geeignete Richtung wirkt, beaufschlagt, so daß die Membran nur um einen Wert verformt wird, der einer Differenz dieser Kräfte entspricht. Somit weist die elektrostatische Kapazität eines durch die feste Elektrode und die auf der Membran ausgebildete bewegliche Elektrode gebildeten Kondensators einen Wert auf, der der Verformung der Membran entspricht. Durch Messen des elektrostatischen Kapazitätswertes läßt sich die Differenz zwischen dem in der Referenzdruckkammer herrschenden Druck und dem auf den Sensor ausgeübten Druck ermitteln. Durch Festlegen des Drucks der Referenzdruckkammer auf einen Wert, der genügend kleiner ist als der Druckmeßbereich des Sensors, kann ein Sensor vom Absolutdruckmeßtyp geschaffen werden.
Der elektrostatische Kapazitätswert zwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode des herkömmlichen Drucksensors wird mittels des in 3 dargestellten Kapazitäts-Spannungs-Wandlungsschaltkreises gemessen. Die Schalter SWr, SWx, SWf und SWo vom Spannungssteuerungstyp sind mit der oberen Kontaktseite (schwarzer Kreis) verbunden, wenn sich eine Taktspannungsquelle Vck auf dem hohen (H) Pegel befindet, und mit der unteren Kontaktseite (weißer Kreis), wenn sich die Taktspannungsquelle Vck auf dem niedrigen Pegel (L) befindet. Die Schalter SWr, SWx, SWf und SWo sind derart ausgeführt, daß sie sich gegenseitig sperren und abwechselnd mit der oberen Kontaktseite und der unteren Kontaktseite verbunden sind. Das Bezugszeichen Vb bezeichnet eine Vorspannungsquelle; A1 einen Operationsverstärker; Cf einen Rückkopplungskondensator; Co einen Ausgangskondensator zur Welligkeitsglättung; Eo eine Ausgangsspan nung; Cx einen aus beweglicher Elektrode 161 und fester Elektrode 111 gebildeten Kondensator; Cr einen von einer Referenzelektrode 51 und der festen Elektrode 111 gebildeten Kondensator; und Csx sowie Csr jeweils von der festen Elektrode 111 und dem Substrat 100 gebildete Kondensatoren. Da die offene Schleifenverstärkung des Operationsverstärkers A1 sehr hoch ist, ist das elektrische Potential am (–)-Eingangsanschluß des Operationsverstärkers angesichts des Schaltungsaufbaus im wesentlichen gleich dem am (+)-Eingangsanschluß vorliegenden. Somit wird das elektrische Potential des Ausgangsanschlusses 182 der festen Elektrode auf das Massepotential eingestellt.
Nachstehend wird die spezielle Arbeitsweise des in 3 dargestellten Kapazitäts-Spannungs-Wandlungsschaltkreises beschrieben. Die Taktspannungsquelle Vck wechselt vom niedrigen Pegel zum hohen Pegel, und die Schalter SWr, SWx, SWf und SWo werden mit der oberen Kontaktseite verbunden. Zu dem Zeitpunkt, an dem die nachfolgende Ladungsbewegung abgeschlossen ist, ist die in dem Kondensator Cr gespeicherte (bzw. aufgeladene) Ladungsmenge gleich "0", da beide elektrische Potentiale der Referenzelektrode 51 und der festen Elektrode 111 des Kondensators Cr jeweils auf das Massepotential eingestellt werden. Da das elektrische Potential der beweglichen Elektrode 161 des Kondensators Cx gleich der Spannung (Vb) der Spannungsquelle Vb und das elektrische Potential der festen Elektrode 111 des Kondensators Cx gleich dem Massepotential ist, ist die in dem Kondensator Cx Aufspeicherungsladung Qx gleich Cx·Vb. Da die beiden Anschlüsse des Kondensators Cf durch den Schalter SWf kurzgeschlossen sind, sind die elektrischen Potentiale an diesen Anschlüssen gleich dem elektrischen Potential des Ausgangsanschlusses 182 der festen Elektrode, so daß die Aufspeicherungsladung des Kondensators Cf gleich "0" ist. Da der Kondensator Co vom Ausgang des Operationsverstärkers A1 getrennt ist, hält die Ausgangsspannung Eo des Kapazitäts-Spannungs-Wandlungsschaltkreises das elektrische Potential gemäß der beim letzten niedrigen Pegel der Taktspannungsquelle Vck gespeicherten Ladung.
Anschließend wechselt die Taktspannungsquelle Vck vom hohen zum niedrigen Pegel, und die Schalter SWr, SWx, SWf und SWo werden mit der unteren Kontaktseite verbunden. Zu dem Zeitpunkt, an dem die Ladungsbewegung abgeschlossen ist, wird, da die Spannung über dem Kondensator Cx gleich "0" ist, die (+)-Ladung vom (–)-Eingangsanschluß des Operationsverstärkers A1 zur festen Elektrode 111 hin in einer Richtung bewegt, die dazu geeignet ist, die Aufspeicherungsladung auf "0" zu setzen. Da die Spannung über dem Kondensator Cr gleich Vb ist, werden die (+)-Ladungen von der festen Elektrode 111 zum (–)-Eingangsanschluß des Operationsverstärkers A1 hin in der Richtung bewegt, die dazu geeignet ist, die Null-Ladung auf die Aufspeicherungsladung Qr (= Cr·Vb) zu setzen. Diese Ladung wird in dem Kondensator Cf gespeichert, da der Schalter SWf geöffnet ist. Die Größe der Ladungen wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt. Qr – Qx = Cr·Vb – Cx·Vb = Vb(Cr – Cx)
Folglich wird die Spannung Vcf über dem Kondensator Cf durch die folgende Gleichung ausgedrückt. Vcf = Vb(Cr – Cx)/Cf
Da das an den (–)-Eingangsanschluß des Operationsverstärkers A1 angeschlossene eine Ende des Kondensators Cf auf das Nullpotential gesetzt wird, wird die Polarität der Ausgangsspannung Eo des Kapazitäts-Spannungs-Wandlungsschaltkreises umgekehrt, und die Spannung Eo kann wie folgt ausgedrückt werden. Eo = Vb(Cx – Cr)/Cf
Der Kondensator Co speichert die diesem Potential entsprechende Ladung.
Wie vorstehend erwähnt, wird während einer Zeitspanne, in der sich die Taktspannungsquelle Vck auf dem hohen Pegel befindet, die Ladung in dem Kondensator Cx gespeichert, die Ladung in dem Kondensator Cf auf "0" gesetzt und der Wert für einen Zeitraum genau vor Annahme des niedrigen Pegels durch die Taktspannungsquelle Vck als Ausgangsspannung Eo ausgegeben. Während einer Zeitspanne, in der sich die Taktspannungsquelle Vck auf dem niedrigen Pegel befindet, wird die Ladung in dem Kondensator Cx auf "0" gesetzt, die Ladung in dem Kondensator Cf gespeichert und die durch Eo = Vb(Cx – Cr)/Cf ausgedrückte Spannung als Ausgangsspannung Eo ausgegeben. Da die Ausgangsspannung Eo der Kapazität des Kondensators Cx proportional ist, ist sie dem Kehrwert des Abstandes zwischen der beweglichen Elektrode 161 und der festen Elektrode 111, die in der in 1 und 2A–2G dargestellten Weise ausgebildet sind, umgekehrt proportional. Der Abstand ist dem Druck proportional, der auf die von der ersten Isoliermembranschicht 150, der ersten leitenden Schicht 110 und der zweiten Isoliermembranschicht 170 gebildete Membran ausgeübt wird. Damit kann der auf einer Erfassung der elektrostatischen Kapazität beruhende Drucksensor ausgebildet werden, aus dem eine Ausgabe der Ausgangsspannung Eo, die dem Kehrwert des auf die Membran ausgeübten Drucks umgekehrt proportional ist, erfolgt.
Da jedoch bei einer auf einer Erfassung der elektrostatischen Kapazität beruhenden Vorrichtung wie dem oben erwähnten herkömmlichen Drucksensor die Erfassung einer Mikrokapazität eines von der festen Elektrode und der beweglichen Elektrode gebildeten Kondensators mit hoher Eingangsimpedanz erfolgt, fallen die elektrischen Kraftlinien von der Außenseite der Vorrichtung zur festen Elektrode ab, was zu Rauschen führt. Der Ab stand zwischen der festen Elektrode und der in der unteren Schicht der festen Elektrode angeordneten leitenden Schicht ist kurz, wobei ihre parasitäre elektrostatische Kapazität größer ist als die zu erfassende Kapazität und den Kapazitäts-Spannungs-Wandlungsschaltkreis stark beeinflußt. Der vorstehende herkömmliche Drucksensor weist die besondere Ausgestaltung des geschalteten Kondensatorschaltkreises auf, wodurch eine Beeinflussung durch die bei dem Substrat auftretende parasitäre Kapazität erschwert wird. Jedoch ist ein Takterzeugungsschaltkreis erforderlich, wobei die Taktung einen Einfluß auf andere Schaltkreise ausübt.
Ferner wird mit dem gemäß dem vorerwähnten herkömmlichen Drucksensor aufgebauten geschalteten Kondensatorschaltkreis lediglich die auf den Kehrwert der Membranauslenkung bezogene Ausgangsspannung und kein der Membranauslenkung unmittelbar entsprechendes Ausgangssignal erhalten. Beispielsweise ist als Wandlungsvorrichtung mit einfachem Aufbau, mittels derer ein unmittelbar der Membranauslenkung entsprechendes Ausgangssignal erhalten wird, eine Vorrichtung zum Speichern der konstanten Ladung in der festen Elektrode sowie deren Wandlung bekannt. Jedoch ist im Falle des bei dem vorerwähnten herkömmlichen Drucksensor vorhandenen Aufbaus, bei dem die parasitäre Kapazität zwischen fester Elektrode und Substrat groß ist, die Empfindlichkeit gering, und es ist schwierig, die praktische Empfindlichkeit zu erhalten.
In dem in 3 dargestellten Kapazitäts-Spannungs-Wandlungsschaltkreis ist eine Einrichtung zum Abschirmen der elektrischen Kraftlinien von der Substratvorderseite ausgebildet. Dies bedeutet, daß die Spannungsquelle bzw. die Masse stets mit der der Vorderseite des Drucksensors gegenüberliegenden beweglichen Elektrode 161 und der Referenzelektrode 51 verbunden ist, obwohl diese über einen Schalter geschaltet werden. Selbst wenn die elektrischen Kraftlinien von einer externen Rauschquelle zum Drucksensor abfallen, findet keine Streuung von Ladungen in die feste Elektrode statt, da der Ladungsfluß zur Masse über die Spannungsquelle oder direkt erfolgt, und es besteht eine Abschirmwirkung gegenüber elektrostatischem Rauschen. Hinsichtlich einer Einrichtung zur Abschirmung gegen die von der Rückseite (Oberfläche der in 2A–2G unteren Seite) des Substrats 100 eintretenden elektrischen Kraftlinien sind jedoch keinerlei Maßnahmen getroffen. Grund hierfür ist, daß beim allgemein verwendeten Drucksensor dieses Problem durch ein Verfahren gelöst ist, bei dem ein gleichzeitig als Abschirmung dienendes leitfähiges Material für einen Druckbehälter verwendet wird, der den Drucksensor umschließt. Bei Umsetzern kleinerer Bauart stellt diese Lösungsmaßnahme jedoch ein Hindernis dar.
US 5 646 348 offenbart eine mikromechanische Sensorvorrichtung mit einem dielektrischen Substrat und einer über einem Oberflächenbereich des dielektrischen Substrats aufgehängten Probemasse.
Dabei ist auf Teilbereichen des dielektrischen Substrats eine Isolierschicht vorgesehen, mittels derer Aufnehmerelektroden von einer Schutzabstandselektrode isoliert werden. Bei der Schutzabstandselektrode handelt es sich um eine auf einem Referenzpotential gehaltene leitende Schicht, die über der Isolierschicht und dem freiliegenden Oberflächenbereich der Substratoberfläche angeordnet ist.
Die Schutzabstandselektrode schirmt die Probemasse gegen Ladeeffekte auf die Isolierschicht oder Substratschicht, die durch das Aufladen entstehen, ab.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist ein Ziel der Erfindung, die vorstehenden Schwierigkeiten im Stand der Technik zu verringern. Gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird ein Umsetzer angegeben, bei dem ein Kapazitäts-Spannungs-Wandlungsschaltkreis zur Wandlung einer Änderung der elektrostatischen Kapazität aufgrund einer durch einen statischen Druck oder einen dynamischen Druck verursachten mechanischen Auslenkung in ein elektrisches Signal ohne Beeinflussung durch äußeres Rauschen verwendet wird.
Erfindungsgemäß ist ein Umsetzer vorgesehen, der eine auf einer Vorderseite eines Substrats ausgebildete Schutzelektrode; eine auf einem oberen Bereich der Schutzelektrode aufgebrachte Isolierschicht; eine auf einem oberen Bereich der Isolierschicht ausgebildete feste Elektrode; und eine Pufferverstärkereinrichtung zum derartigen Betreiben der Schutzelektrode, daß ein elektrisches Potential der Schutzelektrode mit einem elektrischen Potential der festen Elektrode abgeglichen wird, umfaßt.
Bei einem wie oben erwähnt ausgebildeten Umsetzer wird die elektrostatische Kapazität zwischen der festen Elektrode und dem Substrat in äquivalenter Weise verringert, und die feste Elektrode ist ferner gegen die von der Rückseite des Substrats eingehenden elektrischen Kraftlinien abschirmbar. Folglich kann ein einfacher Schaltungsaufbau verwendet werden, bei dem die Ladung der festen Elektrode konstantgehalten und von einer Kapazität in eine Spannung umgewandelt wird. Da die Vorrichtung ohne Verwendung eines gleichzeitig als Abschirmung dienenden Behälters ausgebildet werden kann, ist ferner eine weitere Miniaturisierung des Umsetzers möglich. Es kann ein Ausgangssignal erhalten werden, das unmittelbar einer mechanischen Auslenkung der Membran oder dgl. entspricht.
Ein nachstehend als zweiter Umsetzer bezeichneter Umsetzer kann derart ausgestaltet sein, daß er eine auf einer Vorderseite eines Substrats ausgebildete Schutzelektrode; eine auf einem oberen Bereich der Schutzelektrode aufgebrachte Isolierschicht; eine auf einem oberen Bereich der Isolierschicht ausgebildete feste Elektrode; eine Pufferver stärkereinrichtung zum derartigen Betreiben der Schutzelektrode, daß ein elektrisches Potential der Schutzelektrode mit einem elektrischen Potential der festen Elektrode abgeglichen wird; ein sich von einer Rückseite des Substrats zur Vorderseite hin erstreckendes Durchgangsloch; und eine Membranschicht, die derart aufgebracht ist, daß sie eine Vorderseite eines Hohlraums abschließt, welcher durch Trockenätzen einer einen Flächenbereich einnehmenden Substanz auf dem oberen Bereich der festen Elektrode über das Durchgangsloch gebildet wird, umfaßt.
Bei einem Umsetzer mit dem vorgenannten Aufbau ändert sich der Abstand zwischen fester Elektrode und beweglicher Elektrode durch mechanische Krafteinwirkung, beispielsweise einen ausgeübten Druck, und es erfolgt eine Änderung der elektrostatischen Kapazität Cx des die feste Elektrode und die bewegliche Elektrode umfassenden Kondensators. Da die konstante Ladung Qx in der festen Elektrode gespeichert wird und die bewegliche Elektrode auf Masse gelegt ist, wird über dem Kondensator eine Spannung Vcx (= Qx/Cx) erzeugt, deren Wert sich in Abhängigkeit von der mechanischen Kraft ändert. Der Betrag, um den sich die Spannung Vcx über dem Kondensator ändert, ist der elektrostatischen Kapazität Cx umgekehrt proportional, und ebenso ist der Betrag, um den sich die elektrostatische Kapazität Cx ändert, umgekehrt proportional zu dem Betrag, um den sich der Abstand zwischen fester Elektrode und beweglicher Elektrode ändert. Somit wird die Ausgangsspannung des Kapazitäts-Spannungs-Wandlungsschaltkreises schließlich auf einen Wert eingestellt, der der mechanischen Auslenkung unmittelbar entspricht.
Beim Auftreten einer parasitären Kapazität zwischen der festen Elektrode und dem Massepotential handelt es sich bei der parasitären Kapazität um eine Kapazität, die durch die mechanische Krafteinwirkung nicht verändert wird, und ein derartiger parasitärer Kondensator ist zu dem die feste Elektrode und die bewegliche Elektrode umfassenden Kondensator parallelgeschaltet. Daher erhöht sich der Gesamtbetrag der elektrostatischen Kapazität Cx, während sich das Verhältnis zur Bestimmung des Umwandlungsgrades durch den Kapazitäts-Spannungs-Wandlungsschaltkreis (d. h. das Verhältnis zwischen dem Betrag, um den sich die elektrostatische Kapazität Cx ändert, und dem Gesamtbetrag der elektrostatischen Kapazität Cx) verringert und die Ausgangsspannung des Kapazitäts-Spannungs-Wandlungsschaltkreises abnimmt. Im Falle des zweiten Umsetzers ist jedoch zwischen der festen Elektrode und dem Substrat die Schutzelektrode vorgesehen, welche durch die Pufferverstärkereinrichtung derart gesteuert wird, daß sie einer Spannungsänderung der festen Elektrode folgt. Somit findet zwischen fester Elektrode und Schutzelektrode keine Ladungsbewegung statt, und die wirksame elektrostatische Kapazität kann auf einen äußerst kleinen Wert eingestellt werden.
Selbst wenn von der Substratrückseite eintretende und in Richtung der festen Elektrode verlaufende elektrische Kraftlinien auftreten, können ferner bei ausreichend kleiner Ausgangsimpedanz der zum Steuern der Schutzelektrode dienenden Pufferverstärkereinrichtung die elektrischen Kraftlinien durch die Schutzelektrode abgehalten werden. Im Falle der Verwendung eines Wafers mit integrierter Schaltung als Substratmaterial stellt dies eine besonders wirkungsvolle Maßnahme dar, da angrenzend an die dünne Isolierschicht die Leitungen eines elektrischen Stromkreises verlaufen. Der Bereich, in dem der Stromkreis ausgebildet ist, kann auch in der unteren Schicht der festen Elektrode vorgesehen sein. Auf diese Weise wird der Leitungsweg der festen Elektrode verkürzt, die parasitäre Kapazität wird verringert und die Herstellung eines Umsetzers höherer Empfindlichkeit und kleinerer Fläche ermöglicht.
Die Schutzelektrode kann zwischen der festen Elektrode und dem Substrat vorgesehen sein, wobei die Schutzelektrode von der Pufferverstärkereinrichtung derart gesteuert werden kann, daß sie der Spannungsänderung der festen Elektrode folgt, was die Einstellung der effektiven elektrostatischen Kapazität zwischen fester Elektrode und Schutzelektrode auf einen äußerst kleinen Wert ermöglicht.
Durch Verringerung der Ausgangsimpedanz der Pufferverstärkereinrichtung zum Steuern der Schutzelektrode können die von der Rückseite des Substrats eintretenden elektrischen Kraftlinien durch die Schutzelektrode abgehalten werden. Somit kann selbst durch das Verfahren des Speicherns der konstanten Ladung in die feste Elektrode und der Kapazitätswandlung in eine Spannung eine Verschlechterung der Empfindlichkeit verhindert werden, und die Vorrichtung kann mit gegenüber dem geschalteten Kondensatorschaltkreis kleinerem Umfang ausgeführt werden. Die gewandelte Spannung kann auf den der Auslenkung der Membran unmittelbar entsprechenden Wert eingestellt, der Stromkreis in der unteren Schicht der festen Elektrode angeordnet und die Vorrichtung miniaturisiert werden. Selbst wenn die Vorrichtung mit der Kondensatorschaltung ausgeführt ist, kann ferner ein Schaltrauschen von der Taktgeberschaltung durch die Schutzelektrode geringer parasitärer Kapazität abgehalten und Störeinflüsse auf andere Schaltkreise reduziert werden.
Eine Wirkungsweise des vorliegenden Umsetzers besteht darin, daß eine wirksame elektrostatische Kapazität zwischen der festen Elektrode und der Schutzelektrode auf einen äußerst kleinen Wert eingestellt wird und die von der Substratrückseite eintretenden elektrischen Kraftlinien durch die Schutzelektrode abgehalten werden.
Bei den o. g. Umsetzern ist eine leitende Schicht vorgesehen, welche die gesamte Oberfläche bedeckt, damit keine elektrischen Kraftlinien von außen zu der festen Elektrode geleitet werden, und eine Eigenschaft des Umsetzers besteht darin, elektrostatisches Rauschen von außen abzuhalten.
Ähnlich wie bei einem durch Integration eines Schaltkreises erhaltenen Halbleitersubstrat ist die Pufferverstärkereinrichtung auf dem Halbleitersubstrat integriert, und eine Eigenschaft des Umsetzers besteht darin, die Vorrichtung zu miniaturisieren.
Bei den o. g. Umsetzern ist eine Elektretschicht, welche die Ladung im oberen Bereich der festen Elektrode hält, vorgesehen, und eine Eigenschaft des Umsetzers besteht darin, daß keine Ladeschaltung mehr erforderlich ist.
Bei den o. g. Umsetzern ist auf dem oberen Bereich der festen Elektrode eine Elektretschicht vorgesehen, bei der Ladungen in eine von der Isolierschicht umgebene leitende Schicht implantiert werden, und eine Eigenschaft des Umsetzers besteht darin, daß der Betrag der Aufspeicherungsladung steuerbar und die Empfindlichkeit auf eine Wandlung der Auslenkung in eine Spannung veränderbar ist.
Bei den o. g. Umsetzern ist eine Vorspannungseinrichtung zum im wesentlichen Konstanthalten der Ladung der festen Elektrode vorgesehen, und eine Eigenschaft des Umsetzers besteht darin, daß über einen Leistungsquellenschaltkreis eine Ladung implantiert wird, wodurch die Ladung der festen Elektrode konstantgehalten wird.
Bei den o. g. Umsetzern ist eine Einrichtung zum Anlegen eines Wechselstromsignals zur Erfassung einer elektrostatischen Kapazität an die feste Elektrode vorgesehen, und eine Eigenschaft des Umsetzers besteht darin, eine mechanische Auslenkung aufgrund einer Änderung des Wechselstromwiderstandes zu erfassen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine Aufsicht auf einen herkömmlichen Umsetzer (Drucksensor);
2A–2G sind Querschnittsansichten, in denen Herstellungsschritte des herkömmlichen Umsetzers (Drucksensors) gezeigt sind;
3 ist ein Schaltbild eines Kapazitäts-Spannungs-Wandlungsschaltkreises des herkömmlichen Umsetzers (Drucksensors);
4 ist eine Aufsicht auf einen Umsetzer gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
5A–5G sind Querschnittsansichten, die Herstellungsschritte des Umsetzers gemäß der ersten Ausführungsform zeigen;
6 ist ein Schaltbild eines Kapazitäts-Spannungs-Wandlungsschaltkreises des Umsetzers gemäß der ersten Ausführungsform;
7 ist eine Aufsicht auf einen Umsetzer gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung;
8A–8G sind Querschnittsansichten, in denen Herstellungsschritte des Umsetzers gemäß der zweiten Ausführungsform gezeigt sind; und
9 ist ein Schaltbild eines Kapazitäts-Spannungs-Wandlungsschaltkreises des Umsetzers gemäß der zweiten Ausführungsform.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachstehend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf 4–9 im einzelnen beschrieben.
Erste Ausführungsform
Bei einem Umsetzer gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung ist eine feste Elektrode über der Vorderseite eines Halbleitersubstrats ausgebildet. In einer unteren Schicht der festen Elektrode ist über eine Isolierschicht eine Schutzelektrode vorgesehen. Zwischen den Schichten einer Membran ist eine bewegliche Elektrode ausgebildet. Durch die Membran wird ein Hohlraum begrenzt, wobei ein Substratdurchgangsloch ausgebildet ist, das ausgehend von der Rückseite des Substrats bis hin zum Hohlraum verläuft. Es ist ein Operationsverstärker vorgesehen, der die Schutzelektrode derart steuert, daß ein elektrisches Potential der Schutzelektrode mit einem elektrischen Potential der festen Elektrode abgeglichen wird.
4 ist eine Aufsicht auf den Umsetzer gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung. 5A–5G sind Querschnittsansichten, welche die Herstellungsschritte des Umsetzers veranschaulichen. Bei dem Umsetzer handelt es sich um einen dynamischen Drucksensor zum Messen eines wechselnden Drucks. Demnach ist 4 eine Aufsicht auf den dynamischen Drucksensor und zeigt hauptsächlich eine Anordnung von Elektroden. 5A–5G sind Querschnittsansichten entlang der Linie A-A' von 4, welche die Herstellungsschritte zeigen.
In den 4 und 5A–5G handelt es sich bei dem Substrat 100 um ein aus einkristallinem Silizium bestehenden Substrat. Bei der leitenden Schutzschicht 115 handelt es sich um eine leitende Schicht, deren elektrische Leitfähigkeit durch Eindiffundieren von Störstellen verbessert wird. Bei der ersten Isolierschicht 120 handelt es sich um eine aus einem Material wie Siliziumoxid bestehende Isolierschicht. Bei der ersten leitenden Schicht 110 handelt es sich um eine leitende Schicht, die aus einem Material wie ein Metall hoher elektrischer Leitfähigkeit besteht. Die Bezugsziffer 141 (siehe 5G) bezeichnet einen Hohlraum. Bei der festen Elektrode 111 handelt es sich um eine von der ersten leitenden Schicht 110 in einem ebenflächigen Bereich des Hohlraums 141 gebildete Elektrode. Bei der dritten Isolierschicht 130 handelt es sich um eine aus einem Material wie Siliziumoxid bestehende Isolierschicht. Auf einem oberen Bereich des Hohlraums 141 ist eine Membran ausgebildet, die eine erste Isoliermembranschicht 150, eine zweite leitende Schicht 160, die Leitfähigkeit besitzt, und eine zweite Isoliermembranschicht 170 umfaßt. Eine bewegliche Elektrode 161 und eine Membran bedecken die gesamte Vorderseite des Substrats 100 mit Ausnahme der Bereiche eines Ausgangsanschlusses 182 der festen Elektrode und eines Ausgangsanschlusses 183 der Schutzelektrode. Die bewegliche Elektrode 161 wirkt als Abschirmschicht, die verhindert, daß die aus der Richtung der Vorderseite des Substrats 100 eintretenden elektrischen Kraftlinien die feste Elektrode 111 erreichen. Bezugsziffer 190 (siehe 5F) bezeichnet ein Substratdurchgangsloch. Bei der Opferschicht 140 (siehe 5B) handelt es sich um eine Schicht, die nach Beendigung der Herstellungsschritte nicht mehr vorhanden ist.
Die feste Elektrode 111 ist über eine von der ersten leitenden Schicht 110 gebildete Leitung 112 der festen Elektrode, einen unteren Verbindungsanschluß 113 der festen Elektrode und ein Verbindungsloch 132 der festen Elektrode, welches im oberen Bereich des unteren Verbindungsanschlusses 113 der festen Elektrode ausgebildet ist, zu dem von einer dritten leitenden Schicht 180 gebildeten Ausgangsanschluß 182 der festen Elektrode geführt. Die bewegliche Elektrode 161 ist über einen von der zweiten leitenden Schicht 160 gebildeten unteren Verbindungsanschluß 163 der beweglichen Elektrode und ein Verbindungsloch 171 der beweglichen Elektrode, das in einem oberen Bereich des unteren Verbindungsanschlusses 163 der beweglichen Elektrode ausgebildet ist, zu einem von der dritten leitenden Schicht 180 gebildeten Ausgangsanschluß 181 der beweglichen Elektrode geführt. Eine Schutzelektrode 116 ist über eine von der leitenden Schutzschicht 115 gebildete Schutzelektrodenleitung 117, einen unteren Schutzelektroden-Verbindungsanschluß 118 und ein in einem oberen Bereich des unteren Schutzelektroden-Verbindungsanschlusses 118 gebildetes Schutzelektroden-Verbindungsloch 133 zu dem Schutzelektroden-Ausgangsanschluß 183 geführt, der von der dritten leitenden Schicht 180 gebildet wird. Die Abmessungen der Schutzelektrode 116 werden derart gewählt, daß sie größer sind als die zusammenhängenden Abmessungen der festen Elektrode 111, der Leitung 112 der festen Elektrode und des unteren Verbindungsanschlusses 113 der festen Elektrode, um die elektrischen Kraftlinien von der Rückseite des Substrats 100 her abzuhalten.
Nachstehend wird ein Herstellungsverfahren für den Umsetzer gemäß der ersten Ausführungsform unter Bezugnahme auf 5A–5G beschrieben. Wie in 5A gezeigt, werden die Schutzelektrode 116, die Schutzelektrodenleitung 117 und der untere Schutzelektroden-Verbindungsanschluß 118, welche sämtlich Leitfähigkeit besitzen, durch selektives Eindiffundieren der Störstellen in den oberflächennahen Bereich der Vorderseite (Oberfläche der in der Zeichnung oberen Seite) des aus einkristallinem Silizium bestehenden Substrats 100 gebildet. Auf die Vorderseite des Substrats 100 wird die aus Siliziumoxid oder dgl. bestehende erste Isolierschicht 120 aufgebracht. Durch Aufbringen der aus Chrom oder dgl. bestehenden ersten leitenden Schicht 110 auf die erste Isolierschicht 120 werden die feste Elektrode 111, die Leitung 112 der festen Elektrode und der untere Verbindungsanschluß 113 der festen Elektrode gebildet. Die dritte Isolierschicht 130, die aus Siliziumoxid oder dgl. besteht, wird auf der Vorderseite des Substrats 100 und der ersten leitenden Schicht 110 ausgebildet.
Anschließend wird nach Beschichten der ersten leitenden Schicht 110 mit einem Opferschichtmaterial aus organischem Stoff, wie z. B. Polyimid, die Opferschicht 140 gebildet, indem das Opferschichtmaterial in einem Bereich weggeätzt wird, von dem der Bereich des Hohlraums 141 ausgenommen ist (siehe 5B). Danach wird, wie in 5C gezeigt, die aus Siliziumoxid oder dgl. bestehende erste Membranschicht 150 auf der dritten Isolierschicht 130 und der Opferschicht 140 ausgebildet. Nachdem die aus Chrom oder dgl. bestehende zweite leitende Schicht 160 auf die erste Membranschicht 150 aufgebracht worden ist, wird durch Wegätzen der zweiten leitenden Schicht 160 in den Bereichen des Ausgangsanschlusses 182 der festen Elektrode und des Ausgangsanschlusses 183 der Schutzelektrode eine Abschirmschicht gebildet, welche die bewegliche Elektrode 161 und den unteren Verbindungsanschluß 163 der beweglichen Elektrode einschließt. Danach wird, wie in 5D gezeigt, die aus Siliziumoxid oder dgl. bestehende zweite Membranschicht 170 auf der ersten Membranschicht 150 und der zweiten leitenden Schicht 160 ausgebildet.
Anschließend werden, wie in 5E gezeigt, von der zweiten Membranschicht 170 ausgehende Löcher ausgebildet, die sich bis zum unteren Verbindungsanschluß 113 der festen Elektrode, dem unteren Verbindungsanschluß 163 der beweglichen Elektrode bzw. dem unteren Verbindungsanschluß 118 der Schutzelektrode erstrecken. Auf die zweite Membranschicht 170 wird die aus Chrom oder dgl. bestehende dritte leitende Schicht 180 aufgebracht, woraufhin die dritte leitende Schicht 180 eines Bereichs weggeätzt wird, von dem die Bereiche des Ausgangsanschlusses 181 der beweglichen Elektrode, des Ausgangsanschlusses 182 der festen Elektrode und des Ausgangsanschlusses 183 der Schutzelektrode ausgenommen sind.
Anschließend wird, wie in 5F gezeigt, das Substratdurchgangsloch 190 ausgebildet, das ausgehend von der Rückseite (Oberfläche der in der Zeichnung unteren Seite) des Substrats 100 bis zu einem zentralen Bereich der Opferschicht 140 verläuft. Die Opferschicht 140 wird über das Substratdurchgangsloch 190 von der Rückseite des Substrats 100 in einer Umgebung plasmaerregter Gase, welche hauptsächlich Sauerstoff enthalten, isotrop trockengeätzt. Auf diese Weise wird der Hohlraum 141 zwischen der dritten Isolierschicht 130 und der ersten Membranschicht 150 ausgebildet (siehe 5G).
Nachstehend sind Abmessungsbeispiele für jeden Bestandteil des gemäß der in 4 dargestellten ersten Ausführungsform ausgebildeten Umsetzers angegeben. Durchmesser und Stärke des Hohlraums 141 sind gleich 1800 μm bzw. 5 μm. Der Durchmesser des Substratdurchgangsloches 190 ist gleich 100 μm. Die Stärke der die erste Membranschicht 150 und die zweite Membranschicht 170 umfassenden Membran ist gleich 2 μm.
Der Aufbau des Kapazitäts-Spannungs-Wandlungsschaltkreises in dem Umsetzer gemäß der ersten Ausführungsform wird nun unter Bezugnahme auf 6 beschrieben. 6 ist ein Schaltbild, das den Aufbau des Kapazitäts-Spannungs-Wandlungsschaltkreises des in 4 dargestellten dynamischen Drucksensors zeigt. Dabei sind mit den in 4 gezeigten Bauelementen übereinstimmende Bauelemente mit denselben Bezugsziffern bezeichnet. Das Bezugszeichen Cx bezeichnet einen aus fester Elektrode 111 und beweglicher Elektrode 161 bestehenden Kondensator, wobei der Wert der elektrostatischen Kapazität durch "Cx" dargestellt ist. Das Bezugszeichen Cgx bezeichnet einen aus fester Elektrode 111 und Schutzelektrode 116 bestehenden Kondensator, wobei der Wert der elektrostatischen Kapazität durch "Cgx" dargestellt ist. Das elektrische Potential der festen Elektrode 111 wird von einem Operationsverstärker A2 pufferverstärkt, welcher derart arbeitet, daß das elektrische Potential der Schutzelektrode 116 mit dem elektrischen Potential der festen Elektrode 111 abgeglichen wird. Ein Widerstand Rb und die Spannungsquelle Vb bilden eine Vorspannungseinrichtung zum Beaufschlagen der festen Elektrode 111 mit der konstanten Ladung. Die Zeitkonstante (Rb·Cx) des Widerstands Rb und des Kondensators Cx wird nun länger als die längste Zeitdauer der Änderungsperiode des zu messenden dynamischen Drucks eingestellt. Somit kann in einem Periodenbereich des mit dem dynamischen Drucksensor zu messenden Signals die Ladung Qx, die in dem Kondensator Cx gespeichert ist, selbst bei Fluktuationen der Membran als konstant betrachtet werden. Das Bezugszeichen Eo bezeichnet eine Ausgangsspannung des Umsetzers.
Nachstehend wird die Betriebsweise des Umsetzers gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben. Die Vorderseite des Umsetzers liegt in einem zu messenden Druckraum, wobei der zu messende Druckraum über ein Einleitungsrohr, das einen hohen Widerstand aufweist, mit der Rückseite verbunden ist. Daher kann in dem Meßperiodenbereich ein auf die Rückseite des Substrats 100 ausgeübter Druck als statischer Druck des zu messenden Druckraums betrachtet werden, und ein durch Mittelwertbildung aus den Veränderungen des zu messenden Druckraums erhaltener statischer Druck wird von der Rückseite des Substrats 100 auf die die erste und zweite Membranschicht umfassende Membran ausgeübt. Von der Vorderseite des Substrats 100 wird ein aus dynamischem Druck und statischem Druck bestehender Druck auf die Membran ausgeübt. Folglich verformt sich die Membran entsprechend einer Differenz zwischen dem von der Vorderseite des Substrats 100 her ausgeübten Druck und dem von der Rückseite des Substrats 100 her ausgeübten Druck. Dies bedeutet, daß die Kraft, die durch den von der Rückseite des Substrats 100 her ausgeübten statischen Druck in die zur Vergrößerung des Abstandes zwischen Membran und fester Elektrode geeignete Richtung wirkt, und die Kraft, die durch den Druck, der die von der Vorderseite des Substrats 100 her ausgeübten dynamischen und statischen Drücke umfaßt, in die zur Verringerung des Abstandes zwischen Membran und fester Elektrode im Sinne einer Annäherung geeignete Richtung wirkt, auf die Membran ausgeübt werden. Die Membran wird um ein Maß verformt, das lediglich dem dynamischen Druck als Differenz beider Drücke entspricht. Somit ändert sich der Wert Cx der elektrostatischen Kapazität des durch die feste Elektrode und die auf der Membran ausgebildete bewegliche Elektrode gebildeten Kondensators Cx entsprechend der Verformung der Membran.
Von der Spannungsquelle Vb wird über den Widerstand Rb eine Spannung an die feste Elektrode 111 angelegt, und die Ladung Qx wird gespeichert. Die Ladungsmenge Qx ist gleich Cx·Vb[C]. Selbst wenn sich der ausgeübte dynamische Druck und der Wert Cx der elektrostatischen Kapazität ändern, findet keine Ladungsbewegung statt, da die Zeitkonstante Rb·Cx größer ist als eine derartige Änderung. Folglich erscheint die Änderung des Wertes Cx der elektrostatischen Kapazität als Spannung Vcx (= Qx/Cx) über dem Kondensator Cx. Die den Operationsverstärker A2 hoher Eingangsimpedanz umfassende Pufterverstärkereinrichtung wird mit der Spannung Vcx beaufschlagt, gibt sie als Ausgangsspannung Eo niedriger Ausgangsimpedanz aus und steuert die Schutzelektrode 116 an. Da die elektrischen Potentiale der festen. Elektrode 111 und der Schutzelektrode 116 gleich sind, findet bei diesem Aufbau zwischen diesen Elektroden keine Ladungsbewegung statt. Somit kann selbst bei vorhandenem Kondensator Cgx mit dem elektrostatischen Kapazitätswert Cgx ein Einfluß durch den Kondensator Cgx hinsichtlich der Änderung des elektrostatischen Kapazitätswertes Cx auf nahezu Null festgesetzt werden.
Unter der Annahme, daß bei einem derartigen dynamischen Drucksensor der Abstand zwischen beweglicher Elektrode 161 und fester Elektrode 111 bei einem Diffe renzdruck von gleich "0" mit L1 (m] bezeichnet ist und die Wirkfläche der Elektrode mit Sd[m²] bezeichnet ist, wird sein elektrostatischer Kapazitätswert Cx1 ausgedrückt durch Cx1 = ε·Sd/L1. (wobei ε die Dielektrizitätskonstante bezeichnet und das Vorhandensein von Schichten unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante hierbei unberücksichtigt bleibt) Da die Vorspannung von der Spannungsquelle Vb angelegt wird, so daß die Spannung Vcx über dem Kondensator Cx gleich Vb ist, wird die Ladung in dem Kondensator Cx durch die folgende Gleichung ausgedrückt. Cx1·Vb = Vb·ε·Sd/L1 ≡ Qx1
Die Ladung in dem Kondensator Cgx ist gleich "0", da die Potentialdifferenz zwischen der festen Elektrode 111 und der Schutzelektrode 116 gleich "0" ist. Unter der Annahme, daß auf die Membran ein Druck ausgeübt wird und sich der Abstand zwischen beweglicher Elektrode 161 und fester Elektrode 111 ändert in L2 [m], wird der Wert Cx der elektrostatischen Kapazität des Kondensators Cx durch die folgende Gleichung ausgedrückt. Cx = ε·Sd/L2 ≡ Cx2
Da ferner die Potentialdifferenz zwischen fester Elektrode 111 und Schutzelektrode 116 auf den vorliegenden Wert "0" ausgesteuert wird und keine Ladungsbewegung zum Kondensator Cgx stattfindet, ändert sich auch nicht der Wert der Ladung Qx. Deshalb wird die Spannung (Qx1/Cx2) über dem Kondensator Cx durch folgende Gleichung ausgedrückt. Qx1/Cx2 = (Vb·ε·Sd/L1)/(ε·Sd/L2) ≡ Vcx2
Somit wird die durch die Abstandsänderung zwischen beweglicher Elektrode 161 und fester Elektrode 111 verursachte Änderung der Endspannung durch die folgende Gleichung ausgedrückt. Vcx2 – Vb = (L2 – L1)/L1·Vb
Durch Einstellen der Impedanz des Operationsverstärkers A2, durch den die Spannung Vcx2 über dem Kondensator Cx pufferverstärkt wird, auf eine niedrige Impedanz und deren Messung mit einem Spannungsmesser wird daher die der Membranauslenkung entsprechende Spannung als Ausgangssignal des Umsetzers erhalten.
Es wird nun von der Annahme ausgegangen, daß die von dem Operationsverstärker A2 angesteuerte Schutzelektrode 116 nicht vorhanden ist und das über die erste Isolierschicht 120 auf Masse gelegte Substrat 100 unter der festen Elektrode 111 angeordnet ist. In diesem Fall ist bei dem in 6 gezeigten Schaltkreis die Schutzelektrode 116 auf Masse gelegt und befindet sich in einem Zustand, bei dem der Kondensator Cx und der Kondensator Cgx parallelgeschaltet sind. Da die Vorspannung Vb an die parallelgeschalteten Kondensatoren Cx und Cgx angelegt ist, wird die in den parallelgeschalteten Kondensatoren Cx und Cgx gespeicherte Ladung durch folgende Gleichung ausgedrückt. (Cx1 + Cgx)Vb = (ε·Sd/L1 + Cgx)Vb ≡ Qx3
Wenn in diesem Zustand ein Druck auf die Membran ausgeübt wird und sich der Abstand zwischen beweglicher Elektrode 161 und fester Elektrode 111 ändert in L2 [m], wird der elektrostatische Parallelkapazitätswert der Kondensatoren Cx und Cgx durch folgende Gleichung ausgedrückt. ε·Sd/L2 + Cgx = Cx3
Da sich die Ladungssumme nicht ändert, wird die Spannung über den parallelgeschalteten Kondensatoren Cx und Cgx durch folgende Gleichung ausgedrückt. Qx3/Cx3 = ((ε·Sd/L1 + Cgx)Vb)/(ε·Sd/L2 + Cgx) ≡ Vcx3
Somit wird die durch die Abstandsänderung zwischen beweglicher Elektrode 161 und fester Elektrode 111 verursachte Änderung der Endspannung durch folgende Gleichung ausgedrückt. Vcx3 – Vb = ((L2 – L1)/L1)·(ε·Sd/L2)/(ε·Sd/L2 + Cgx)·Vb
Beim Vergleich dieses Wertes mit dem Wert (Vcx2 – Vb = (L2 – L1)/L1·Vb), der von dem Kondensator Cgx unbeeinflußt ist, wird deutlich, daß der Term (ε·Sd/L2)/(ε·Sd/L2 + Cgx) neu hinzugefügt ist. Dieser Term zeigt die Verstärkung des von den Kondensatoren Cx2 und Cgx gebildeten Spannungsteilerschaltkreises, was bedeutet, daß bei einer Zunahme der Kapazität des Kondensators Cgx das Verhältnis der Änderung der Endspannung, die durch die Abstandsänderung zwischen beweglicher Elektrode 161 und fester Elektrode 111 verursacht ist, abnimmt und sich die Empfindlichkeit verschlechtert.
Wie oben erwähnt, ist aufgrund der Anordnung der Schutzelektrode 116 zwischen fester Elektrode 111 und Substrat 100 sowie der Steuerung der Schutzelektrode 116 durch die Pufferverstärkereinrichtung (Operationsverstärker A2) dahingehend, daß sie der Spannungsänderung der festen Elektrode 111 folgt, die wirksame elektrostatische Kapazität zwischen fester Elektrode 111 und Schutzelektrode 116 auf einen äußerst kleinen Wert einstellbar. Auf diese Weise kann der auf der Grundlage der Erfassung einer elektrostati schen Kapazität arbeitende Umsetzer, mit dem eine Mikrokapazität erfaßbar ist, geschaffen werden.
Da zwischen der festen Elektrode 111 und dem Substrat 100 die Schutzelektrode 116 niedriger Impedanz vorgesehen ist, kann die feste Elektrode 111 gegen die aus der Richtung der Rückseite des Substrats 100 eintretenden elektrischen Kraftlinien abgeschirmt werden. Daher kann selbst bei dem Umsetzer zum Aufspeichern der konstanten Ladung in der festen Elektrode 111 und Wandeln der Kapazität in eine Spannung eine Herabsetzung der Empfindlichkeit verhindert, der Umfang der Vorrichtung gegenüber demjenigen des geschalteten Kondensatorschaltkreises verringert und der der Auslenkung der Membran unmittelbar entsprechende Wert als gewandelte Spannung erfaßt werden. Ferner kann der Stromkreis in der unteren Schicht der festen Elektrode 111 angeordnet werden, was eine Miniaturisierung der Vorrichtung ermöglicht. Selbst bei Ausbildung der Vorrichtung mit dem geschalteten Kondensatorschaltkreis kann die parasitäre Kapazität mittels der Schutzelektrode 116 reduziert und auch ein Schaltrauschen von anderen Schaltkreisen abgehalten werden.
Wenngleich bei dem Umsetzer gemäß der ersten Ausführungsform die Gleichspannung über den Widerstand als ein Verfahren, die Ladung der festen Elektrode 111 zu erzeugen, angelegt wird, kann auch ein anderes Verfahren angewandt werden. Beispielsweise ist auch die Ausbildung einer Vorrichtung möglich, bei der ein Material wie ein Elektret (z. B. Fluorkohlepolymer oder Teflon (eingetragene Marke)) verwendet wird, in dem eine Ladung ohne Vorspannung von außen und den Schritt der Ladungsspeicherung gespeichert ist. Dies ist mit dem Vorteil verbunden, daß keine Gleichspannungsquelle benötigt wird und die Spannung auf einen hohen Wert einstellbar ist ohne Beschränkung durch die an die Vorrichtung zu liefernde Leistungsquellenspannung, wodurch die Empfindlichkeit der Umwandlung der Auslenkung in eine Spannung verbessert ist. Neben dem durch ein Material gebildeten Elektret ist auch eine derartige Verwendung eines Elektrets möglich, bei der eine Struktur ausgebildet ist, in der die leitende Schicht von der Isolierschicht umgeben ist und eine Einrichtung zur Lieferung eines die Isolierschicht durchsetzenden und bis zur leitenden Schicht fließenden Tunnelstroms vorgesehen ist, wodurch eine Speicherung der Ladung in der von dem Isoliermaterial umgebenen leitenden Schicht ermöglicht wird. Da die Menge der Aufspeicherungsladung leicht steuerbar ist, kann in diesem Fall die Empfindlichkeit auf die Umwandlung der Auslenkung in eine Spannung frei eingestellt werden.
Bei dem Umsetzer gemäß der ersten Ausführungsform ist die Schutzelektrode 115 durch die Diffusionsschicht, deren Leitfähigkeit durch Eindiffundieren der Störstellen in das Substrat 100 verbessert ist, gebildet, wobei die feste Elektrode 111 aus einem Material wie Metall besteht und beide durch die erste Isolierschicht 120 isoliert sind. Jedoch ist es aus reichend, daß die Schutzelektrode und die feste Elektrode isoliert sind. Eine pn-Isolation, wie eine integrierte Bipolarschaltung, kann ebenfalls verwendet werden. Entsprechend der pn-Isolation werden die Polaritäten der Störstellen in den zu trennenden Gebieten auf entgegengesetzte Polaritäten eingestellt, eine Vorspannung wird derart angelegt, daß ihr pn-Übergang in Sperrichtung vorgespannt wird, und eine auf diese Weise erhaltene Sperrschicht wird als Isolierschicht verwendet. Beispielsweise ist eine Ausgestaltung ausreichend, bei der ein vollständig p-leitendes Siliziumsubstrat auf die Schutzelektrode eingestellt wird, die feste Elektrode, bei der n-leitende Störstellen in die Oberfläche eindiffundiert werden, gebildet wird und die Schutzelektrode von dem Operationsverstärker A2 derart gesteuert wird, daß das elektrische Potential der festen Elektrode stets höher ist als das der Schutzelektrode. Obwohl die Schwierigkeit besteht, daß die Dicke der Sperrschicht sehr gering ist und die parasitäre Kapazität zunimmt, kann in diesem Fall die parasitäre Kapazität stark reduziert werden, da die Schutzelektrode von der Pufferverstärkereinrichtung derart gesteuert wird, daß die Potentialänderung der Schutzelektrode mit derjenigen der festen Elektrode abgeglichen wird. Bei dieser Struktur ist es nicht erforderlich, die erste leitende Schicht 110 in dem Umsetzer gemäß der ersten Ausführungsform auszubilden.
Wie oben erläutert, wird bei dem Umsetzer gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung aufgrund der Ausbildung der Schutzelektrode in der unteren Schicht der festen Elektrode über die Isolierschicht sowie der Ausbildung des Operationsverstärkers, der das elektrische Potential der Schutzelektrode mit dem der festen Elektrode abgleicht, die feste Elektrode abgeschirmt, die Mikrokapazitätsänderung kann erfaßt werden, eine Verschlechterung der Empfindlichkeit kann verhindert werden, und der unmittelbar der Auslenkung der Membran entsprechende Wert ist erfaßbar.
Zweite Ausführungsform
Bei einem Umsetzer gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung wird durch isotropes Trockenätzen einer Opferschicht über ein von einer Rückseite eines Halbleitersubstrats her ausgebildetes Durchgangsloch ein Hohlraum ausgebildet. Zwischen einer festen Elektrode und dem Substrat und zwischen einer festen Referenzelektrode und dem Substrat ist eine Schutzelektrode vorgesehen. Es ist eine Pufferverstärkervorrichtung vorgesehen, die dafür sorgt, daß die Schutzelektrode der Spannung der festen Elektrode folgt, sowie ein Kapazitäts-Spannungs-Wandlungsschaltkreis, der von einem geschalteten Kondensatorschaltkreis gebildet wird.
7 ist eine Aufsicht auf den Umsetzer gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die 8A–8G sind Querschnittsansichten, welche die Herstellungsschritte des Umsetzers veranschaulichen. Bei dem Umsetzer handelt es sich um einen dynamischen Drucksensor zum Messen eines wechselnden Drucks, wobei das Verfahren zum Ausbilden einer Membran und einer Schutzelektrode sich von demjenigen des dynamischen Drucksensors, der in 4 dargestellt ist, unterscheidet. 7 ist eine Aufsicht auf den dynamischen Drucksensor, in deren Darstellung hauptsächlich eine Anordnung von Elektroden gezeigt ist. Die 8A–8G sind Querschnittsansichten entlang der Linie A-A' von 7 und zeigen nacheinander die Herstellungsschritte. In den Figuren bezeichnet Bezugsziffer 100 ein aus einkristallinem Silizium bestehendes Substrat und 115 eine leitende Schutzschicht aus einem eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzenden Material wie Metall oder dgl. Die Bezugsziffern 120 und 125 bezeichnen erste und zweite Isolierschichten, die jeweils aus einem Material wie Siliziumoxid oder dgl. bestehen. Bezugsziffer 110 bezeichnet eine erste leitende Schicht aus einem eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzenden Material wie Metall oder dgl., und 141 bezeichnet einen Hohlraum. Bezugsziffer 111 bezeichnet eine feste Elektrode, die durch die erste leitende Schicht 110 in dem ebenflächigen Bereich des Hohlraums 141 gebildet ist. Die Bezugsziffer 130 bezeichnet eine dritte Isolierschicht aus einem Material wie Siliziumoxid. Auf einem oberen Bereich des Hohlraums 141 ist eine Membran ausgebildet, die eine erste leitende Membranschicht 155 umfaßt. Die Bezugsziffer 161 bezeichnet eine bewegliche Elektrode. Die Membran und die bewegliche Elektrode 161 bedecken die gesamte Vorderseite des Substrats 100 mit Ausnahme der Bereiche eines Ausgangsanschlusses 182 der festen Elektrode und eines Ausgangsanschlusses 183 der Schutzelektrode. Die bewegliche Elektrode 161 wirkt zugleich als Abschirmschicht, die verhindert, daß die von der Vorderseite des Substrats 100 eintretenden elektrischen Kraftlinien zu der festen Elektrode 111 durchdringen. Bezugsziffer 190 bezeichnet ein Substratdurchgangsloch und 140 eine Opferschicht, die unter Aussparung des Randbereichs der Membran am Ende der Herstellungsschritte weggeätzt wird.
Der Herstellungsprozeß des Umsetzers gemäß der zweiten Ausführungsform wird nun unter Bezugnahme auf 8A–8G beschrieben. Wie in 8A gezeigt, wird die aus Siliziumoxid oder dgl. bestehende erste Isolierschicht 120 auf die Vorderseite (Oberfläche der in der Zeichnung oberen Seite) des Substrats 100 aus einkristallinem Silizium aufgebracht. Durch Aufbringen der leitenden Schutzschicht 115, die Leitfähigkeit besitzt, auf die erste Isolierschicht 120 werden die Schutzelektrode 116, die Schutzelektrodenleitung 117 und der untere Schutzelektroden-Verbindungsanschluß 118, welche sämtlich Leitfähigkeit besitzen, ausgebildet. Die zweite Isolierschicht 125, die aus Siliziumoxid oder dgl. besteht, wird auf die erste Isolierschicht 120 sowie die leitende Schutzschicht 115 aufgebracht. Durch Aufbringen der ersten leitenden Schicht 110, die aus Chrom oder dgl. besteht, auf die zweite Isolierschicht 125 werden die feste Elektrode 111, die Leitung 112 der festen Elektrode und der untere Verbindungsanschluß 113 der festen Elektrode ausgebildet.
Anschließend wird, wie in 8B gezeigt, die dritte Isolierschicht 130, die aus Siliziumoxid oder dgl. besteht, auf die zweite Isolierschicht 125 und die erste leitende Schicht 110 aufgebracht. Nachdem die dritte Isolierschicht 130 mit einem Opferschichtmaterial aus organischem Stoff wie Polyimid beschichtet worden ist, wird durch Wegätzen des Opferschichtmaterials in einem Bereich, von dem der Bereich des Hohlraums 141 ausgenommen ist, die Opferschicht 140 ausgebildet (siehe 8C). Nachdem die erste leitende Membranschicht 155, die aus einer hauptsächlich Aluminium enthaltenden Legierung besteht, auf der dritten Isolierschicht 130 und der Opferschicht 140 ausgebildet worden ist, wird durch Ätzen der in den Bereichen des Ausgangsanschlusses 182 der festen Elektrode und des Ausgangsanschlusses 183 der Schutzelektrode vorhandenen ersten Membranschicht 155 eine Abschirmschicht ausgebildet, welche die bewegliche Elektrode 161 und den unteren Verbindungsanschluß 163 der beweglichen Elektrode einschließt (siehe 8D).
Anschließend werden, wie in 8E dargestellt, von der dritten Isolierschicht 130 ausgehende Löcher ausgebildet, die sich bis zum unteren Verbindungsanschluß 113 der festen Elektrode, dem unteren Verbindungsanschluß 163 der beweglichen Elektrode bzw. dem unteren Verbindungsanschluß 118 der Schutzelektrode erstrecken. Nach Aufbringen der aus Chrom oder dgl. bestehenden dritten leitenden Schicht 180 auf die erste Membranschicht 155 und die dritte Isolierschicht 130 wird die dritte leitende Schicht 180 in demjenigen Bereich weggeätzt, von dem die Bereiche des Ausgangsanschlusses 181 der beweglichen Elektrode, des Ausgangsanschlusses 182 der festen Elektrode und des Ausgangsanschlusses 183 der Schutzelektrode ausgenommen sind.
Anschließend wird im zentralen Bereich der Opferschicht 140 das Substratdurchgangsloch 190 ausgebildet, das ausgehend von der Rückseite (Oberfläche der in der Zeichnung unteren Seite) des Substrats 100 bis zur Opferschicht 140 verläuft (siehe 8F). Über das Substratdurchgangsloch 190 wird die Opferschicht 140 von der Rückseite des Substrats 100 in einer Umgebung plasmaerregter Gase, die hauptsächlich Sauerstoff enthalten, isotrop trockengeätzt. Zwischen der dritten Isolierschicht 130 und der ersten leitenden Membranschicht 155 wird der Hohlraum 141 ausgebildet. In diesem Fall wird die Bearbeitungszeit derart bemessen, daß anstelle einer vollständigen Ätzung der Opferschicht 140 ein geringfügiger Teil der Opferschicht 140 im Randbereich der Membran verbleibt, wodurch die Stützwirkung einer Umrandung erzielt wird (siehe 8G).
Ein Aufbau eines Kapazitäts-Spannungs-Wandlungsschaltkreises in dem Umsetzer gemäß der zweiten Ausführungsform wird nun unter Bezugnahme auf 9 beschrieben. 9 ist ein Schaltbild, das den Aufbau des in dem dynamischen Drucksensor von 7 verwendeten Kapazitäts-Spannungs-Wandlungsschaltkreises zeigt. Wenngleich der Kapa zitäts-Spannungs-Wandlungsschaltkreis auf ähnliche Weise wie der in 3 gezeigte herkömmliche Kapazitäts-Spannungs-Wandlungsschaltkreis von einem geschalteten Kondensatorschaltkreis gebildet ist, unterscheidet er sich dadurch, daß die Schutzelektrode 116 und der Operationsverstärker A2 zwischen der festen Elektrode 111 und dem auf Masse gelegten Substrat 100 vorgesehen sind. Dies bedeutet, der Operationsverstärker A2 bildet einen Spannungsfolger, bei dem ein (–)-Eingangsanschluß und ein Ausgangsanschluß verbunden sind und eine Spannung, die die gleiche Größe aufweist wie diejenige einer an einen (+)-Eingangsanschluß angelegten Spannung, am Ausgangsanschluß auftritt. Die Schutzelektrode 116 wird von der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers A2 gesteuert. Die mit 3 und 6 übereinstimmenden Bauelemente sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Ein Referenzkondensator (nicht gezeigt) stellt ebenfalls eine ähnliche Struktur dar, bei der kein Ätzen der Opferschicht erfolgt. Der Betrieb der jeweiligen Schalter und der Bewegungszustand der Ladungen jedes Kondensators stimmen mit denen des in 3 dargestellten herkömmlichen Kapazitäts-Spannungs-Wandlungsschaltkreises ebenfalls überein.
Die Schalter SWr, SWx, SWf und SWo vom Spannungssteuerungstyp sind mit der oberen Kontaktseide verbunden, wenn sich die Taktspannungsquelle Vck auf dem hohen (H) Pegel befindet, und mit der unteren Kontaktseite, wenn sie sich auf dem niedrigen (L) Pegel befindet. Die Schalter SWr, SWx, SWf und SWo sperren sich gegenseitig und sind derart ausgeführt, daß sie abwechselnd mit der oberen Kontaktseite und der unteren Kontaktseite verbunden sind. Bezugszeichen Vb bezeichnet die Vorspannungsquelle; A1 den Operationsverstärker; Cf den Rückkopplungskondensator; Co den Ausgangskondensator für die Welligkeitsglättung; Eo die Ausgangsspannung; Cx den die bewegliche Elektrode 161 und die feste Elektrode 111 umfassenden Kondensator; Cr den die Referenzelektrode 51 und eine feste Referenzelektrode 50 umfassenden Kondensator; Cgx den die feste Elektrode 111 und die Schutzelektrode 116 umfassenden Kondensator; und Cgr einen die feste Referenzelektrode 50 und die Schutzelektrode 116 umfassenden Kondensator. Da die offene Schleifenverstärkung des Operationsverstärkers A1 sehr groß ist, ist das elektrische Potential am (–)-Eingangsanschluß des Operationsverstärkers A1 gleich demjenigen des (+)-Eingangsanschlusses. Daher ist das elektrische Potential am Ausgangsanschluß der festen Elektrode 111 gleich dem Massepotential.
Die spezielle Betriebsweise des Kapazitäts-Spannungs-Wandlungsschaltkreises in dem Umsetzer gemäß der zweiten Ausführungsform wird nun beschrieben. Wenn die Taktspannungsquelle Vck von dem niedrigen Pegel auf den hohen Pegel wechselt, sind alle Schalter SWr, SWx, SWf und SWo mit der oberen Kontaktseite verbunden. Zu dem Zeitpunkt, an dem die Ladungsbewegung abgeschlossen ist, sind beide elektrische Poten tiale der Referenzelektrode 51 und festen Referenzelektrode 50 des Kondensators Cr jeweils gleich dem Massepotential, so daß die Aufspeicherungsladung des Kondensators Cr gleich "0" ist. Da das elektrische Potential der beweglichen Elektrode 161 des Kondensators Cx gleich der Spannung Vb der Spannungsquelle Vb und das elektrische Potential der festen Elektrode 111 gleich dem Massepotential ist, wird die Aufspeicherungsladung Qx des Kondensators Cx durch Cx·Vb ausgedrückt. Da zwei Anschlüsse des Kondensators Cf durch den Schalter SWf kurzgeschlossen sind, sind beide elektrischen Potentiale an diesen Anschlüssen jeweils gleich denjenigen am Ausgangsanschluß 182 der festen Elektrode, so daß die Aufspeicherungsladung des Kondensators Cf gleich "0" ist.
Die Ausgangsspannung Eo des Kapazitäts-Spannungs-Wandlungsschaltkreises hält das elektrische Potential gemäß der beim letzten niedrigen Pegel der Spannungsquelle Vck gespeicherten Ladung, da der Kondensator Co vom Ausgang des Operationsverstärkers A1 getrennt ist. Da die Kondensatoren Cgx und Cgr ebenfalls durch den Operationsverstärker A2 gesteuert werden, so daß das elektrische Potential der Schutzelektrode 116 gleich dem elektrischen Potential jeweils der festen Elektrode 111 und der festen Referenzelektrode 50 ist, ist die Aufspeicherungsladung gleich "0".
Wenn die Spannungsquelle Vck vom hohen Pegel auf den niedrigen Pegel wechselt, werden sämtliche Schalter SWr, SWx, SWf und SWo mit der unteren Kontaktseite verbunden. Zu dem Zeitpunkt, an dem die Ladungsbewegung abgeschlossen ist, ist die Spannung über dem Kondensator Cx gleich "0", so daß sich die (+)-Ladungen vom (–)-Eingangsanschluß des Operationsverstärkers A1 zur festen Elektrode 111 hin in derjenigen Richtung bewegen, in der die Aufspeicherungsladung auf "0" gesetzt wird. Da die Spannung über dem Kondensator Cr gleich Vb ist, bewegen sich die (+)-Ladungen von der festen Elektrode 111 zum (–)-Eingangsanschluß des Operationsverstärkers A1 hin in derjenigen Richtung, in der die im Nullzustand befindliche Ladung auf die Aufspeicherungsladung Qr (= Cr·Vb) anwächst. Da der Schalter SWf geöffnet ist, werden diese Ladungen in den Kondensator Cf gespeichert, wobei die Ladungsmenge durch die folgende Gleichung ausgedrückt wird. Qr – Qx = Cr·Vb – Cx·Vb = Vb(Cr – Cx)
Daher wird die Spannung Vcf über dem Kondensator Cf durch folgende Gleichung ausgedrückt. Vcf = Vb(Cr – Cx)/Cf
Da das elektrische Potential an dem mit dem (–)-Eingangsanschluß des Operationsverstärkers A1 verbundenen einen Ende des Kondensators Cf gleich "0" ist, wird die Polarität der Ausgangsspannung Eo des Kapazitäts-Spannungs-Wandlungsschaltkreises umgekehrt, wobei Eo durch die folgende Gleichung ausgedrückt wird. Eo = Vb(Cx – Cr)/Cf
Der Kondensator Co speichert die diesem elektrischen Potential entsprechende Ladung. Da jeder der Anschlüsse der Kondensatoren Cgx und Cgr nach wie vor auf das gleiche Potential ausgesteuert ist, ist die Aufspeicherungsladung der Kondensatoren Cgx und Cgr gleich "0", und die Kondensatoren Cgx und Cgr üben auf den Ablauf der Ladungsbewegung kaum Einfluß aus.
Während der Zeit der Ladungsbewegung wird, wenn die auf einer Durchgangsrate oder dgl. des Operationsverstärkers A1 basierende Ansprechgeschwindigkeit gering ist, eine zackenförmige Spannung am (–)-Eingangsanschluß des Operationsverstärkers A1 erzeugt, der auf Massepotential hätte eingestellt werden müssen. Indem die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers A1 rasch geändert wird, hat dies die inhärente Wirkung, daß die zum (–)-Eingangsanschluß fließende Ladung geschmälert und unverzüglich in den Rückkopplungskondensator Cf gespeichert wird, ohne das elektrische Potential am (–)-Eingangsanschluß zu verändern. Da jedoch allgemein eine Beschränkung der Ansprechgeschwindigkeit vorhanden ist, kommt es häufig zu einem zeitweiligen Überlaufen von Ladung, und das elektrische Potential am (–)-Eingangsanschluß ist vorübergehend erhöht (oder reduziert). Wenngleich die übergelaufene Ladung vorübergehend in den der festen Elektrode 111 und der festen Referenzelektrode 50 zugeordneten parasitären Kondensator gespeichert wird, wird sie im Laufe der Zeit in den Rückkopplungskondensator Cf gespeichert.
Wie vorstehend erwähnt, wird für eine Zeitspanne, während der sich die Spannungsquelle Vck auf dem hohen Pegel befindet, die Ladung in dem Kondensator Cx gespeichert, die Ladung des Kondensators Cf auf "0" gesetzt und der Wert für eine Zeitspanne, während der sich die Spannungsquelle Vck gerade vor dem niedrigen Pegel befindet, als Ausgangsspannung Eo ausgegeben. Für eine Zeitspanne, während der sich die Spannungsquelle Vck auf dem niedrigen Pegel befindet, wird die Ladung des Kondensators Cx auf "0" gesetzt, die Ladung in dem Kondensator Cf gespeichert und die durch die folgende Gleichung ausgedrückte Spannung Eo als Ausgangsspannung Eo erzeugt. Eo = Vb(Cx – Cr)/Cf
Der Wert der Ausgangsspannung Eo entspricht dem Kehrwert des Abstandes zwischen der beweglichen Elektrode 161 und der festen Elektrode 111, die gemäß der Darstellung von 7 und 8A–8G ausgebildet sind. Dieser Abstand steht mit dem Druck, der auf die die erste leitende Membranschicht 155 umfassende Membran ausgeübt wird, in Beziehung. Daher ist es möglich, den Drucksensor vom elektrostatischen Typ (richtig: den auf einer Erfassung der elektrostatischen Kapazität beruhenden Drucksensor/Anm. d. Übers.) auszubilden, mit dem die Ausgangsspannung Eo, die dem Kehrwert des auf die Membran ausgeübten Drucks entspricht, erzeugt wird.
In dem in 9 gezeigten Kapazitäts-Spannungs-Wandlungsschaltkreis ist die Spannungsquelle oder die Masse stets mit der beweglichen Elektrode 161 sowie der Referenzelektrode 51, die zur Oberseite des Drucksensors weisen, verbunden, obgleich sie durch den Schalter umgeschaltet werden. Selbst wenn die elektrischen Kraftlinien von der externen Rauschquelle zum Drucksensor abfallen, erfolgt deshalb keine Streuung derselben in die feste Elektrode 111, da die Ladung über die Spannungsquelle oder auf direktem Wege zur Masse fließt, und die Vorrichtung hat eine abschirmende Wirkung gegen elektrostatisches Rauschen. Da die elektrischen Kraftlinien von der Rückseite des Substrats 100 zur Schutzelektrode 116, die mit niedriger Impedanz vom Operationsverstärker A2 gesteuert wird, abfallen, erreichen sie nicht die feste Elektrode 111 und feste Referenzelektrode 50, und das Rauschen von der Rückseite des Substrats 100 kann blockiert werden. Es besteht daher keine Notwendigkeit, die Vorrichtung wie im Falle eines herkömmlichen Drucksensors mit einem Behälter zu umschließen, der eine elektrostatische Abschirmung vorsieht. Die Vorrichtung kann mit kleiner Baugröße ausgeführt werden.
Wie vorstehend erwähnt, ist die Schutzelektrode 116 zwischen der festen Elektrode 111 und dem Substrat 100 und zwischen der festen Referenzelektrode 50 und dem Substrat 100 vorgesehen, wobei die Schutzelektrode 116 von der Pufferverstärkereinrichtung A2 derart gesteuert wird, daß sie der Spannungsänderung der festen Elektrode 111 folgt. Die effektive elektrostatische Kapazität zwischen der festen Elektrode 111 und der Schutzelektrode 116 sowie die effektive elektrostatische Kapazität zwischen fester Referenzelektrode 50 und Schutzelektrode 116 sind daher auf äußerst kleine Werte einstellbar. Somit kann ein auf der Grundlage der Erfassung einer elektrostatischen Kapazität arbeitender Umsetzer ausgebildet werden, mit dem eine Mikrokapazitätsänderung erfaßbar ist.
Da die Schutzelektrode 116 niedriger Impedanz zwischen der festen Elektrode 111 und dem Substrat 100 sowie zwischen der festen Referenzelektrode 50 und dem Substrat 100 angeordnet ist, können die feste Elektrode 111 und die feste Referenzelektrode 50 gegen die elektrischen Kraftlinien, die aus der Richtung der Rückseite des Substrats 100 eintreten, abgeschirmt werden. Ferner kann der Stromkreis in der unteren Schicht der festen Elektrode 111 angeordnet und die Vorrichtung miniaturisiert werden.
In der Beschreibung der Umsetzer gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform ist der Kapazitäts-Spannungs-Wandlungsschaltkreis hinsichtlich des Verfahrens zum Konstanthalten der Ladung und Messen der Endspannung durch den hochohmigen Schaltkreis und hinsichtlich des durch den geschalteten Kondensatorschaltkreis verwirklichten Verfahrens zum Wandeln der Kapazität in die Spannung aufgrund der Ladungsbewegung oder -aufspeicherung in einer der Auslenkung entsprechenden Menge beispielhaft gezeigt. Es kann jedoch auch ein anderes Verfahren der Kapazitätserfassung angewandt werden. So ist die Anwendung. eines Verfahrens möglich, bei dem eine Wechselspannung (-strom) hoher Frequenz angelegt wird und ein dieser entsprechender Strom (Spannung) gemessen wird, oder eines Verfahrens, bei dem außen eine Induktionsspule vorgesehen ist und ein Resonanzkreis derart ausgebildet wird, daß eine Änderung der Resonanzfrequenz einer Kapazitätsänderung entspricht. Da ein Abstrahlen des Hochfrequenzsignals auf einen anderen Teil zu einer Behinderung des Normalbetriebs eines elektronischen Schaltkreises führt, ist es selbst in diesen Fällen wünschenswert, ein derartiges Signal abzuschirmen. Da eine parasitäre Kapazität, die die Messung einer leichten Kapazitätsänderung behindert, kleiner ist, kann die Empfindlichkeit verbessert werden.
Wenngleich bei den Umsetzern gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform die Membran durch Ätzen der Opferschicht ausgebildet wird, ist das Verfahren, mit dem die Membranausbildung erfolgt, nicht darauf beschränkt. Beispielsweise ist es auch möglich, das Substrat, das die feste Elektrode und den Kapazitäts-Spannungs-Wandlungsschaltkreis und dgl. aufweist, und eine Struktur, in der die Membran mit ihrem Abstützbereich ausgebildet ist, haftend zu verbinden. Selbst in einem solchen Fall kann durch Steuerung der Schutzelektrode mittels der Pufferverstärkereinrichtung ein Umsetzer mit einer Funktion wie die Reduzierung der parasitären Kapazität, die elektrostatische Abschirmung von der Rückseite des Substrats oder dgl., wie in der Beschreibung der Umsetzer gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform erwähnt, geschaffen werden.
Wenngleich die Umsetzer gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform im Hinblick auf die auf den Drucksensor angewandten Umsetzer beschrieben sind, kann selbst bei Anwendung auf einen Umsetzer, bei dem eine andere Art der Auslenkung über die elektrostatische Kapazität erfaßt wird, ein Umsetzer mit der in der Beschreibung der Umsetzer gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform erwähnten Funktion geschaffen werden.
Bei den Umsetzern gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform werden die feste Elektrode hoher Impedanz und die der festen Elektrode gegenüberliegende bewegliche Elektrode niedriger Impedanz verwendet. Eine derartige Unterscheidung nach mechanischer Festlegung oder Beweglichkeit ist jedoch umkehrbar. Beispielsweise kann der Umsetzer mit einer beweglichen Elektrode hoher Impedanz und einer festen Elektrode niedriger Impedanz, die der beweglichen Elektrode gegenüberliegt, ausgebildet werden. Dieser Aufbau ist dann wirkungsvoll, wenn das Material des mechanisch beweglichen Teils Silizi um ist und es zweckmäßig ist, die Pufferverstärkereinrichtung auf diesem Material zu montieren.
In den 4 und 7, welche die Umsetzer gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform zeigen, sind die zweite leitende Schicht 160 und die erste leitende Membranschicht 155, die zur elektrostatischen Abschirmung der Vorderseite des Substrats verwendet werden, in drei Richtungen (obere, linke und untere Richtung in der Zeichnung) um den Ausgangsanschluß 182 der festen Elektrode aufgebracht. Jedoch kann eine mit dem Schutzelektroden-Ausgangsanschluß 18 (richtig: 183/Anm. d. Übers.) verbundene Kapselung ausgebildet sein, die den Ausgangsanschluß 182 der festen Elektrode zwischen der Schicht 160 oder 155 und dem Ausgangsanschluß 182 der festen Elektrode umschließt. In diesem Fall wird ein Verluststrom von der Oberfläche der festen Elektrode verhindert, und die parasitäre Kapazität in ebener Richtung kann reduziert werden.
Wie vorstehend erläutert, ist bei dem Umsetzer gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung die Schutzelektrode zwischen fester Elektrode und Substrat und zwischen fester Referenzelektrode und Substrat vorgesehen, und es ist der Pufferverstärker, der die Schutzelektrode derart steuert, daß sie dem elektrischen Potential der festen Elektrode folgt, vorgesehen. Folglich können die feste Elektrode und die feste Referenzelektrode abgeschirmt werden, und eine Mikrokapazitätsänderung ist erfaßbar.
Gemäß der vorstehend erläuterten Erfindung wird durch die Anordnung der Schutzelektrode, die der Spannungsänderung der festen Elektrode folgt, eine derartige Wirkung erzielt, daß die parasitäre Kapazität zwischen fester Elektrode und Substrat in äquivalenter Weise reduziert und die Empfindlichkeit der Kapazitäts-Spannungswandlung verbessert werden kann.
Da die Ausgangsimpedanz der Pufferverstärkereinrichtung zum Steuern der Schutzelektrode reduziert wird, kann die feste Elektrode gegen die von der Substratrückseite eintretenden elektrischen Kraftlinien abgeschirmt werden. Schäden, die durch elektrostatisches Rauschen von der Außenseite der Vorrichtung verursacht sind, können reduziert werden. Die Vorrichtung selbst erfüllt die elektrostatische Abschirmfunktion. Somit wird erreicht, daß kein externes Abschirmgehäuse erforderlich ist und ein Umsetzer geringerer Größe geschaffen werden kann.
Die Reduzierung der parasitären Kapazität durch Anordnen der Schutzelektrode bewirkt, daß ein unmittelbar mit der Auslenkung der Membran zusammenhängendes Ausgangssignal erhalten wird, indem der Schaltkreis zum Konstanthalten der Ladung der festen Elektrode und Wandeln der Kapazität in die Spannung verwendet wird.
Da Schaltrauschen durch die Anordnung der Schutzelektrode abgehalten werden kann, ist die Möglichkeit des Einsatzes eines geschalteten Kondensatorschaltkreises gegeben.
Da durch Anordnung der Schutzelektrode ein Hochfrequenzrauschen abgehalten werden kann, wird bewirkt, daß eine mit hoher Frequenz arbeitende Kapazitäts-Spannungs-Wandlungsanordnung verwendet werden kann.

Claims

Umsetzer, umfassend: eine auf einer Vorderseite eines Substrats (100) ausgebildete Schutzelektrode (116); eine auf einem oberen Bereich der Schutzelektrode (116) aufgebrachte Isolierschicht (120, 125, 130), eine auf einem oberen Bereich der Isolierschicht ausgebildete feste Elektrode (111); und eine Pufferverstärkereinrichtung (A2) zum derartigen Betreiben der Schutzelektrode (116), daß ein elektrisches Potential der Schutzelektrode mit einem elektrischen Potential der festen Elektrode (111) abgeglichen wird.
Umsetzer nach Anspruch 1, ferner umfassend eine leitende Schicht (110, 160, 180), die eine Gesamtoberfläche so abdeckt, daß der festen Elektrode (111) keine elektrischen Kraftlinien von einer Außenseite zugeleitet werden.
Umsetzer nach Anspruch 1, bei dem das Substrat (100) durch ein schaltkreisintegriertes Halbleitersubstrat gebildet ist, und die Pufferverstärkereinrichtung (A2) auf dem Halbleitersubstrat integriert ist.
Umsetzer nach Anspruch 1, ferner umfassend eine auf einem oberen Bereich der festen Elektrode (111) vorgesehene Elektretschicht zum Halten von Ladungen.
Umsetzer nach Anspruch 1, ferner umfassend einen auf einem oberen Bereich der festen Elektrode (111) vorgesehenen Elektret zum Implantieren von Ladungen in eine von der Isolierschicht (120, 125, 130) umgebene leitende Schicht (110, 160, 180).
Umsetzer nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Voreinstellungseinrichtung (Rb, Vb) zum im wesentlichen Konstanthalten von Ladungen der festen Elektrode (111).
Umsetzer nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Einrichtung (A2) zum Anlegen eines Wechselstromsignals zur Erfassung einer elektrostatischen Kapazität an die feste Elektrode (111).
Umsetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend ein sich von einer Rückseite des Substrats (100) zur Vorderseite hin erstreckendes Durchgangsloch (190); und eine Membranschicht (150, 155, 170), die derart aufgebracht ist, daß sie eine Vorderseite eines Hohlraums (141) abschließt, welcher durch Trockenätzen einer einen Flächenbereich einnehmenden Substanz in dem oberen Bereich der festen Elektrode (111) über das Durchgangsloch (190) gebildet wird.