專利名稱：傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器，且更具體地說涉及用于通過靜電電容并將其轉(zhuǎn)換成電信號而檢測機械位移的傳感器。
傳統(tǒng)上，作為用于通過借助機械壓力把位移轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器，有例如JP-A-9-257618中公布的靜電電容檢測式壓強檢測器。

圖1-3顯示了這種傳感器的結(jié)構(gòu)、制造過程和電容-電壓轉(zhuǎn)換電路。圖1是該壓強檢測器的平面圖，并主要顯示了電極的設(shè)置。圖2A-2G是沿著圖1中的A-A線取的、按照制造步驟的順序的截面圖。該壓強檢測器由形成在一個基底的前表面上的固定電極、設(shè)置在該固定電極上的壓強基準(zhǔn)腔、用于掩蓋壓強基準(zhǔn)腔的一個隔離隔膜、以及作為隔離隔膜的表面的導(dǎo)電膜的運動電極構(gòu)成。
圖3是框圖，顯示了檢測以如上方式形成的固定電極和運動電極的靜電電容的電容-電壓轉(zhuǎn)換電路。該電容-電壓轉(zhuǎn)換電路由一個切換電容器電路構(gòu)成。圖3顯示的電容-電壓轉(zhuǎn)換電路具有一個基準(zhǔn)電容，用于吸收由于制造步驟中的大小變化而導(dǎo)致的靜電電容值的分布以及由于溫度漲落等而產(chǎn)生的大小改變所造成的靜電電容值的漲落。圖1所示的壓強檢測器不具有包括這種基準(zhǔn)電容的構(gòu)造?；鶞?zhǔn)電容可通過鄰近地形成其中犧牲層未受到蝕刻的一個電容，而方便地構(gòu)成。
現(xiàn)在結(jié)合圖2A-2G來描述這種傳統(tǒng)壓強檢測器的制造步驟的輪廓。
通過把雜質(zhì)擴散到由單晶硅制成的基底100的前表面(在該圖的上側(cè)的表面)中，形成了一個固定電極111、一個固定電極引線112和一個固定電極下連接端113-它們都是導(dǎo)電的。在此之后，在基底100的前表面上淀積一個第一絕緣層120(見圖2A)。
隨后，在第一絕緣層120上淀積一個犧牲層140(見圖2B)。在此之后，如圖2C所示，在第一絕緣層120和犧牲層140上淀積一個第一隔離隔膜層150。在此之后，在第一隔離隔膜層150上淀積一個第一導(dǎo)電層110。第一導(dǎo)電層110得到蝕刻，同時留出運動電極161部分和運動電極引線82部分以及用于運動電極的電連接的運動電極下連接端163。在此之后，如圖2D所示，一個第二隔離隔膜層170被淀積在第一隔離隔膜層150和第一導(dǎo)電層110上，且隨后形成一個蝕刻液供給孔10，該孔穿過第二隔離隔膜層170和第一隔離隔膜層150并達(dá)到犧牲層140。
隨后，通過從蝕刻液供給孔10供給用于各向同性地蝕刻犧牲層140的蝕刻液，犧牲層140受到蝕刻。因此，如圖2E所示，在第一絕緣層120與第一隔離隔膜層150之間形成了壓強基準(zhǔn)腔20。進(jìn)一步地，形成了穿過第二隔離隔膜層170并達(dá)到運動電極下連接端163的一個運動電極連接孔11，以及穿過第二隔離隔膜層170、第一隔離隔膜層150和第一絕緣層120并達(dá)到固定電極下連接端113的一個固定電極連接孔132。
隨后在前表面上淀積一個導(dǎo)電層。如圖2F所示，導(dǎo)電層得到蝕刻，同時留下通過運動電極連接孔11而與運動電極下連接端163相連的運動電極輸出端181的部分，和通過固定電極連接孔132與固定電極下連接端113而相連的一個固定電極下連接端固定電極輸出端182的部分。在此之后，在第二隔離隔膜層170上淀積一個密封材料層，從而密封蝕刻液供給孔10。如圖2G所示，密封材料層得到蝕刻，同時留出蝕刻液供給孔10附近的密封蓋30。
如上所述，傳統(tǒng)的壓強檢測器是通過包括以下部分而形成的一個基底，其中在前表面上形成有固定電極；第一隔離隔膜層，它分隔并形成壓力基準(zhǔn)腔，從而只與前表面相距一個預(yù)定的距離；由導(dǎo)電層在第一隔離隔膜層上形成的運動電極；淀積的第二隔離隔膜層，它用于掩蓋運動電極；穿過第二隔離隔膜層和第一隔離隔膜層并達(dá)到壓強基準(zhǔn)腔的開口(蝕刻液供給孔)；以及，用于封閉該開口從而封閉壓強基準(zhǔn)腔的封閉材料(封閉蓋)。
包括傳統(tǒng)壓強檢測器的第一和第二隔離隔膜層的隔膜按照環(huán)境壓強而變形。即，由于來自壓強基準(zhǔn)腔的內(nèi)側(cè)的一個壓強而產(chǎn)生的沿著使隔膜與固定電極之間的距離增大的方向的力和由于來自外界的壓強而產(chǎn)生的沿著使隔膜與固定電極之間的距離減小的方向的力被加到隔膜上，從而使該隔膜的變形只對應(yīng)于這些力的差。因此，由固定電極和在隔膜上形成的運動電極構(gòu)成的電容的靜電電容呈現(xiàn)出與隔膜的變形相應(yīng)的值。通過測量該靜電電容值，能夠知道加到檢測器上的壓強與壓強基準(zhǔn)腔中的壓強之差。通過把壓強基準(zhǔn)腔中的壓強設(shè)定到一個充分地小于檢測器的壓強測量范圍的一個值，檢測器能夠成為絕對壓強測量型檢測器。
傳統(tǒng)壓強檢測器的運動電極與固定電極之間的靜電電容值由如圖3顯示的電容-電壓轉(zhuǎn)換電路測量。電壓控制型開關(guān)SWr、SWx、SWf、和SWo在時鐘電壓源Vck處于高(H)電平時與上觸頭(黑圈)側(cè)相連，且當(dāng)時鐘電壓源Vck處于低(L)電平時與下觸頭(白圈)側(cè)相連。開關(guān)SWr、SWx、SWf和SWo以這種的方式構(gòu)成，即能夠以互鎖的關(guān)系運行并交替地與上觸頭側(cè)和下觸頭側(cè)相連。參考符號Vb表示一個偏置電壓源；A1表示一個運算放大器；Cf表示一個反饋電容器；Co表示一個用于平滑脈動的輸出電容；Eo表示一個輸出電壓；Cx表示由運動電極161和固定電極111構(gòu)成的一個電容；Cr表示由一個基準(zhǔn)電極51和固定電極111構(gòu)成的電容；且Csx和Csr都表示由固定電極111和基底100構(gòu)成的電容。因為運算放大器Al的開環(huán)增益很大，故考慮到電路構(gòu)造，運算放大器的(-)輸入端處的電勢大體等于(+)輸入端處的電勢。因此，固定電極輸出端182的電勢被置于地電勢。
現(xiàn)在描述圖3顯示的電容-電壓轉(zhuǎn)換電路的具體操作。時鐘電壓源Vck從低電平改變到高電平，且開關(guān)SWr、SWx、SWf和SWo與上觸頭側(cè)相連。當(dāng)電荷的運動在此之后完成時，因為電容Cr的基準(zhǔn)電極51與固定電極111的電位都被置于地電位，故存儲(或充電)在電容Cr中的電荷量為0。由于電容Cx的運動電極161的電位等于電壓源Vb的電壓(Vb)且電容Cx的固定電極111的電位等于地電位，故電容Cx的累積電荷Qx等于Cx·Vb。由于電容Cf的兩端被開關(guān)SWf短路，這些端子的電位等于固定電極輸出端182的電位，因而電容Cf的累積電荷等于0。由于電容Co從運算放大器Al的輸出端斷開，電容-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓Eo被保持在按照時鐘電壓源Vck處于低電平時的最后時刻存儲的電荷的電位。
隨后，時鐘電壓源Vck從高電平改變到低電平，且開關(guān)SWr、SWx、SWf和SWo與下觸頭側(cè)相連。當(dāng)在此之后電荷的運動完成時，由于電容Cx上的電壓等于0，正電荷從運算放大器Al的(-)輸入端沿著適合于把累積電荷置于0的方向移向固定電極111。由于電容Cr上的電壓等于Vb，正電荷沿著適合于把零電荷置于累積電荷Qr(＝Cr·Vb)的方向從固定電極111移向運算放大器Al的(-)輸入端。這些電荷被存儲在電容Cf中，因為開關(guān)SWf是打開的。電荷的幅度由以下公式表示Qr-Qx＝Cr·Vb-Cx·Vb＝Vb(Cr-Cx)因此，電容Cf上的電壓Vcf由以下公式表示Vcf＝Vb(Cr-Cx)/Cf由于電容Cf與運算放大器Al相連的一端被置于零電位，電容-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓Eo的極性被倒轉(zhuǎn)和電壓Eo被表示如下Eo＝Vb(Cx-Cr)/Cf電容Co存儲與該電位相應(yīng)的電荷。
如上所述，在時鐘電壓源Vck處于高電平期間，電荷被存儲在電容Cx中，電容Cf中的電荷被置于0，且時鐘電壓源Vck剛處于低電平前的時期的值作為輸出電壓Eo而得到輸出。在時鐘電壓源Vck處于低電平期間，電容Cx中的電荷被置于0，該電荷被存儲在電容Cf中，且由Eo＝Vb(Cx-Cr)/Cf表示的電壓作為輸出電壓Eo而得到輸出。由于輸出電壓Eo與電容Cx的電容成正比，它與如圖1和2A-2G所示的運動電極161與固定電極111之間的距離的倒數(shù)成反比。該距離與加到包括第一隔離隔膜層150、第一導(dǎo)電層110和第二隔離隔膜層170的隔膜上的壓強成正比。因此，能夠構(gòu)成靜電電容式壓強檢測器，從其輸出的輸出電壓Eo與加到隔膜上的壓強的倒數(shù)成反比。
然而，在象上述傳統(tǒng)壓強檢測器一樣的靜電電容檢測式設(shè)備中，由于固定電極和運動電極構(gòu)成的電容器的微電容是在高輸入阻抗下檢測的，故來自設(shè)備外側(cè)的電力線落到固定電極上，從而產(chǎn)生噪聲。固定電極與存在于固定電極的下層中的導(dǎo)電層之間的距離短，它們的寄生靜電電容大于所要檢測的電容并對電容-電壓轉(zhuǎn)換電路有大的影響。在前述傳統(tǒng)壓強檢測器中，切換電容電路的構(gòu)成得到設(shè)計，從而使得基底的寄生電容難于發(fā)生影響。然而，產(chǎn)生時鐘信號的電路是必需的，且該時鐘對另一電路產(chǎn)生了影響。
進(jìn)一步地，在具有如上述傳統(tǒng)壓強檢測器一樣的構(gòu)造的切換電容電路中，只獲得了與隔膜的位移的倒數(shù)有關(guān)的輸出電壓，而不能獲得直接與隔膜的位移有關(guān)的輸出。作為具有簡單的構(gòu)造并能夠獲得與隔膜的位移直接相關(guān)的輸出的一種轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，例如有一種用于把恒定電荷存儲到固定電極中并進(jìn)行轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)。然而，根據(jù)如上述一樣的、其中存在于固定電極與基底之間的寄生電容大的壓強檢測器的構(gòu)造，靈敏度低且難于獲得實際的靈敏度。
在圖3顯示的電容-電壓轉(zhuǎn)換電路中，制成了用于屏蔽來自基底的前表面的電力線的裝置。即，電壓源或地始終與對著壓強檢測器的前表面?zhèn)鹊倪\動電極161和基準(zhǔn)電極51相連，雖然它們受到開關(guān)的切換。因此，即使來自外部噪聲源的電力線落到了壓強檢測器上，也由于電荷通過電壓源或直接地流向地，它們不偏離到固定電極中且對靜電噪聲有屏蔽效果。然而，未考慮到屏蔽來自基底100的后表面(圖2A-2G的下側(cè)上的表面)的電力線的裝置。這是由于通常的壓強檢測器通過這樣的一種方法來解決問題—該方法使得也被用作屏蔽的一種導(dǎo)電材料用于包圍壓強檢測器的壓強器皿。然而，在構(gòu)成較小的傳感器的情況下，這種解決措施成為一種障礙。
本發(fā)明的一個目的，是解決前述的傳統(tǒng)問題，并提供一種傳感器，它利用電容-電壓轉(zhuǎn)換電路，在不受外部噪聲的影響的情況下，根據(jù)由于靜態(tài)壓強或動態(tài)壓強而引起的機械位移，把靜電電容的改變轉(zhuǎn)換成電信號。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種第一傳感器，包括形成在一個基底的前表面上的一個保護(hù)電極；淀積在該保護(hù)電極的上部上的一個絕緣層；形成在絕緣層的上部上的一個固定電極；一個緩沖放大裝置，用于驅(qū)動保護(hù)電極從而使保護(hù)電極的電位與固定電極的電位相等。
在如上所述的傳感器中，固定電極與基底之間的靜電電容被等價地減小，且進(jìn)一步地固定電極能夠得到屏蔽從而使來自基底的后表面的電力線不能到達(dá)它。因此，能夠采用一種簡單的電路結(jié)構(gòu)，其中固定電極的電荷可以保持恒定并被從電容轉(zhuǎn)換成電壓。進(jìn)一步地，由于該設(shè)備沒有也被用作屏蔽的器皿，傳感器的尺寸能夠減小。能夠獲得與隔膜的機械位移等直接有關(guān)的輸出。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種第二傳感器，包括形成在基底的前表面上的一個保護(hù)電極；淀積在保護(hù)電極的上部上的一個絕緣層；形成在絕緣層的上部上的一個固定電極；緩沖放大裝置，用于驅(qū)動保護(hù)電極從而使保護(hù)電極的電位等于固定電極的電位；一個通孔，它從基底的后表面達(dá)到前表面；以及，一個淀積的隔膜層，從而包圍一個腔的前表面?zhèn)?，該腔是通過經(jīng)過通孔干蝕刻固定電極的上部上的一個區(qū)域而形成的。
在上述的傳感器中，固定電極與運動電極之間的距離由于諸如所加的壓強的機械力而改變，且包括固定電極和運動電極的電容的靜電電容Cx發(fā)生改變。由于恒定的電荷Qx被存儲在固定電極中且運動電極與地相連，在該電容上產(chǎn)生了一個電壓Vcx(＝Qx/Cx)且它的值根據(jù)機械力而變。電容上的電壓Vcx的改變量與靜電電容Cx成反比，且靜電電容Cx的改變量也與固定電極和運動電極之間的距離的改變量成反比。因此，電容-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓最后被置于與機械位移直接相關(guān)的一個值。
當(dāng)固定電極與地電位之間有寄生電容時，寄生電容是不因為機械力而改變的電容，且這種寄生電容與包括固定電極和運動電極的電容相并聯(lián)。因此，靜電電容Cx的總量增大，且一個決定電容-電壓轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換效率的比值(即靜電電容Cx的改變量與靜電電容Cx的總量之間的比值)減小，且電容-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓降低。然而，在根據(jù)本發(fā)明的第二傳感器中，在固定電極與基底之間設(shè)置了保護(hù)電極，且該保護(hù)電極受到緩沖放大裝置的驅(qū)動，從而跟隨固定電極的電壓改變。因此，固定電極與保護(hù)電極之間的電荷沒有運動，且有效靜電電容可被置于一個非常小的值。
進(jìn)一步地，即使有電力線從基底的后表面進(jìn)入并達(dá)到固定電極，也如果用于驅(qū)動保護(hù)電極的緩沖放大裝置的輸出阻抗足夠地小，電力線就能夠被保護(hù)電極遮蔽。在采用集成電路片作為基底材料的情況下，這是特別有效的，因為電路的連線是與絕緣層相鄰地設(shè)置的。其中形成有電路的區(qū)域也能夠被設(shè)置在固定電極的下層中。因此，固定電極的連線距離縮短了，寄生電容被減小了，且能夠制成高靈敏度和小尺寸的傳感器。
根據(jù)本發(fā)明，在固定電極與基底之間提供了保護(hù)電極，且該保護(hù)電極由緩沖放大裝置驅(qū)動，從而跟隨固定電極的電壓改變，使固定電極與保護(hù)電極之間的有效靜電電容能夠被置于一個非常小的值。
通過減小驅(qū)動保護(hù)電極的緩沖放大裝置的輸出阻抗，從基底的后表面進(jìn)入的電力線能夠由保護(hù)電極的阻斷。因此，即使借助把恒定電荷存儲到固定電極并將電容轉(zhuǎn)換成電壓的方法，也能夠防止靈敏度的惡化，且設(shè)備的尺寸能夠做得比切換電容電路的更小。轉(zhuǎn)換的電壓可被置于與隔膜的位移直接相關(guān)的值，電路可被設(shè)置在固定電極的下層中，且設(shè)備能夠得到小型化。進(jìn)一步地，即使當(dāng)設(shè)備是由切換電容電路構(gòu)成時，從時鐘電路來的切換噪聲也能夠被具有小寄生電容的保護(hù)電極所阻斷，且對其他電路的干擾能夠得到減小。
根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供了一種傳感器，包括形成在一個基底的前表面上的一個保護(hù)電極；淀積在保護(hù)電極上的一個絕緣層；形成在絕緣層的上部上的一個固定電極；以及，緩沖放大裝置，用于驅(qū)動保護(hù)電極，使保護(hù)電極的電位等于固定電極的電位，其中傳感器具有這樣的功能—使固定電極與保護(hù)電極之間的有效靜電電容置于一個非常小的值并使從基底的后表面進(jìn)入的電力線被保護(hù)電極所阻斷。
根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，提供了一種傳感器，包括形成在一個基底的前表面上的一個保護(hù)電極；淀積在保護(hù)電極的上部上的一個絕緣層；形成在絕緣層的上部上的一個固定電極；緩沖放大裝置，用于驅(qū)動保護(hù)電極，使保護(hù)電極的電位等于固定電極的電位；一個通孔，它從基底的后表面向著并到達(dá)前表面；以及，一個隔膜層，它被適當(dāng)?shù)氐矸e以包圍一個腔的基底的前表面?zhèn)?，該腔是通過經(jīng)過通孔對固定電極的上部上的一個基底區(qū)域進(jìn)行干蝕刻而形成的，其中該傳感器具有這樣的功能—使得固定電極與保護(hù)電極之間的有效靜電電容置于一個非常小的值且從基底的后表面進(jìn)入的電力線被保護(hù)電極所阻斷。
根據(jù)本發(fā)明的的第三個方面，在上述第一和第二個方面的傳感器中，提供了一個導(dǎo)電層—它覆蓋了整個表面從而使來自外界的電力線不能到達(dá)固定電極，且傳感器具有屏蔽外部靜電噪聲的功能。
根據(jù)本發(fā)明的第四個方面，在上述第一和第二方面的傳感器中，作為通過集成一種電路而獲得的一種半導(dǎo)體基底，緩沖放大裝置被集成在該半導(dǎo)體基底上，且傳感器具有使設(shè)備小型化的功能。
根據(jù)本發(fā)明的第五個方面，在上述第一和第二方面的傳感器中，提供了保持固定電極的上部中的電荷的一個駐極體層，且傳感器具有不需要充電電路的功能。
根據(jù)本發(fā)明的第六個方面，在上述第一和第二方面中，在固定電極的上部上提供了一個駐極(介電)體層—其中電荷被注入由絕緣層包圍的一個導(dǎo)電層中，且傳感器具有這樣的功能—即累積電荷的量能夠得到控制且從位移至電壓轉(zhuǎn)換時的靈敏度能夠得到改變。
根據(jù)本發(fā)明的第七個方面，在上述第一和第二方面中，提供了用于使固定電極的電荷大體恒定的偏壓裝置，且傳感器具有這樣的功能—使得電荷由一個功率源電路注入，從而使固定電極的電荷恒定。
根據(jù)本發(fā)明的第八個方面，在上述第一和第二方面中，提供了用于把檢測靜電電容的交流信號加到固定電極的裝置，且傳感器具有從交流阻抗的改變檢測機械位移的功能。
圖1是傳統(tǒng)傳感器(壓強檢測器)的平面圖；圖2A-2G是橫截面圖，顯示了傳統(tǒng)傳感器(壓強檢測器)的制造步驟；圖3是傳統(tǒng)傳感器(壓強傳感器)的電容-電壓轉(zhuǎn)換電路的電路圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的傳感器的平面圖；圖5A-5G是顯示根據(jù)第一實施例的傳感器的制造步驟的剖視圖；圖6是根據(jù)第一實施例的傳感器的電容-電壓轉(zhuǎn)換電路的電路圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的傳感器的平面圖；圖8A-8G是顯示根據(jù)第二實施例的傳感器的制造步驟的橫截面圖；圖9是根據(jù)第二實施例的傳感器的電容-電壓轉(zhuǎn)換電路的電路圖。
以下結(jié)合圖4-9詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例。
(第一實施例)在根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的傳感器中，固定電極被形成在半導(dǎo)體基底的前表面上。一個保護(hù)電極經(jīng)過一個絕緣層而被設(shè)置在固定電極的一個下層中。在隔膜層之間形成了一個運動電極。隔膜形成了一個腔，并形成了從基底的后表面達(dá)到腔的一個基底通孔。提供了一個運算放大器，它驅(qū)動保護(hù)電極從而使保護(hù)電極的電位與固定電極的電位相等。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的傳感器的平面圖。圖5A-5G是顯示傳感器的制造步驟的橫截面圖。該傳感器是用于測量漲落的壓強的動態(tài)壓強檢測器。即，圖4是動態(tài)壓強檢測器的平面圖并主要顯示了電極的設(shè)置。圖5A-SG是沿著圖4的A-A’線取的橫截面圖并顯示了制造步驟。
在圖4和5A-5G中，基底100是用單晶硅制成的基底。保護(hù)導(dǎo)電層115是其導(dǎo)電率通過擴散雜質(zhì)而得到改善的導(dǎo)電層。第一絕緣層120是用諸如氧化硅的材料制成的絕緣層。第一導(dǎo)電層110是用諸如具有高導(dǎo)電率的金屬的材料制成的導(dǎo)電層。標(biāo)號141(見圖5G)表示一個腔。固定電極111是由腔141中的一個平面區(qū)中的第一導(dǎo)電層110形成的電極。第三絕緣層130是用諸如氧化硅的材料制成的絕緣層。在腔141的上部，形成了包括第一隔離隔膜層150、具有導(dǎo)電性的第二導(dǎo)電層160、以及第二隔離隔膜層170的隔膜。一個運動電極161和一個隔膜覆蓋了基底100除了固定電極輸出端182和保護(hù)電極輸出端183的部分以外的整個前表面。運動電極161變成了防止來自基底100的前表面方向的電力線到達(dá)固定電極111的屏蔽層。標(biāo)號190(見圖5F)表示一個基底通孔。犧牲層140(見圖5B)是當(dāng)制造步驟完成時消失的層。
固定電極111，通過由第一導(dǎo)電層110形成的一個固定電極引線112，以及在固定電極下連接端113的上部中形成的一個固定電極連接孔132，而被引向由一個第三導(dǎo)電層180形成的固定電極輸出端182。運動電極161，通過由第二導(dǎo)電層160形成的運動電極下連接端163，以及在運動電極下連接端163的上部中形成的一個運動電極連接孔171，而被引向由第三導(dǎo)電層180形成的一個運動電極輸出端181。一個保護(hù)電極116，通過由保護(hù)導(dǎo)電層115形成的一個保護(hù)電極引線117、一個保護(hù)電極下連接端118、以及在保護(hù)電極下連接端118的上部中形成的一個保護(hù)電極連接孔133，而被引向由第三導(dǎo)電層180形成的保護(hù)電極輸出端183。保護(hù)電極116的尺寸被設(shè)定為大于固定電極111、固定電極引線112與固定電極下連接端113的總尺寸，從而阻斷來自基底100的后表面的電力線。
現(xiàn)在結(jié)合圖5A-5G描述根據(jù)第一實施例的傳感器的制造步驟。如圖5A所示，保護(hù)電極116、保護(hù)電極引線117和保護(hù)電極下連接端118都具有由選擇地擴散單晶硅制成的基底100的前表面(隔膜的上側(cè)的表面)的淺部分中的雜質(zhì)所形成的導(dǎo)電性。由氧化硅等制成的第一絕緣層120被淀積在基底100的前表面上。固定電極111、固定電極引線112和固定電極下連接端113通過在第一絕緣層120上淀積由鉻等形成的第一導(dǎo)電層110而形成。由氧化硅等形成的第三絕緣層130被形成在基底100和第一導(dǎo)電層110的前表面上。
隨后，在把諸如聚酰胺的有機物的犧牲層材料涂覆到第一導(dǎo)電層110上之后，通過蝕刻腔141以外的位置的犧牲層材料，形成犧牲層140(見圖5B)。在此之后，如圖5C所示，在第三絕緣層130和犧牲層140上形成用氧化硅等材料制成的第一隔膜層150。在由鉻等制成的第二導(dǎo)電層160被淀積到第一隔膜層150上之后，通過蝕刻固定電極輸出端182和保護(hù)電極輸出端183的部分中的第二導(dǎo)電層160，形成包括運動電極161和運動電極下連接端163的屏蔽層。在此之后，如圖5D所示，在第一隔膜層150和第二導(dǎo)電層160上形成由氧化硅等制成的第二隔膜層170。
隨后，如圖5E所示，從第二隔膜層170形成分別到達(dá)固定電極下連接端113、運動電極下連接端163和保護(hù)電極下連接端118的孔。由鉻等制成的第三導(dǎo)電層180被淀積在第二隔膜層170上，且隨后第三導(dǎo)電層180除了運動電極輸出端181、固定電極輸出端182和保護(hù)電極輸出端183的部分以外的部分得到蝕刻。
隨后，如圖5F所示，形成來自基底100的后表面(在隔膜的下側(cè)的表面)并到達(dá)犧牲層140的中心部分的基底通孔190。犧牲層140，在主要包含氧的等離子體受激氣體的環(huán)境下，從基底100的后表面通過基底通孔190而被各向同性地干蝕刻。因此，在第三絕緣層130與第一隔膜層150(見圖5G)之間形成了腔141。
以下描述根據(jù)圖4顯示的第一實施例的傳感器的各個部分的尺寸的例子。腔141的直徑和厚度分別是1800μm和5μm?；淄?90的直徑等于100μm。包括第一隔膜層150和第二隔膜層170的隔膜厚度等于2μm。
現(xiàn)在結(jié)合圖6描述根據(jù)第一實施例的傳感器中的電容-電壓轉(zhuǎn)換電路的構(gòu)造。圖6顯示了圖4顯示的動態(tài)壓強檢測器的電容-電壓轉(zhuǎn)換電路的構(gòu)造。與圖4中顯示的部件相同的部件用相同的標(biāo)號表示。標(biāo)號Cx表示由固定電極111和運動電極161構(gòu)成的電容，且靜電電容的值用“Cx”表示。標(biāo)號Cgx表示由固定電極111和保護(hù)電極116構(gòu)成的電容，且靜電電容的值用“Cgx”表示。一個運算放大器A2對固定電極111的電位進(jìn)行緩沖放大，并且工作得使保護(hù)電極116的電位與固定電極111的電位相等。電壓源Vb的電阻Rb是用于向固定電極111提供恒定電荷的偏壓裝置。電阻Rb與電容Cx的時間常數(shù)(Rb·Cx)現(xiàn)在被設(shè)定為長于所要測量的動態(tài)壓強的改變周期的最長周期。因此，在動態(tài)壓強檢測器所要測量的信號的周期的范圍中，即使隔膜漲落，存儲在電容Cx中的電荷Qx也可被認(rèn)為是恒定的。標(biāo)號Eo表示傳感器的輸出電壓。
現(xiàn)在描述根據(jù)第一實施例的傳感器的操作。傳感器的前表面存在于所要測量的壓強空間中，且所要測量的壓強空間通過具有大電阻的一個引入管而與后表面相連。因此，在測量周期范圍中，加到基底100的后表面上的壓強可被認(rèn)為是所要測量的壓強空間的靜態(tài)壓強，且通過對所要測量的壓強空間的改變進(jìn)行平均而獲得的靜態(tài)壓強從基底100的后表面?zhèn)缺患拥桨ǖ谝缓偷诙裟拥母裟ど?。包括動態(tài)壓強和靜態(tài)壓強的壓強從基底100的前表面?zhèn)缺患拥礁裟ど稀Ｒ虼?，隔膜按照從基?00的前表面?zhèn)仁┘拥膲簭娕c從基底100的后表面?zhèn)仁┘拥膲簭娭疃l(fā)生變形。即，由于從基底100的后表面施加的靜態(tài)壓強而產(chǎn)生的沿著適合于使隔膜與固定電極之間的距離增大的方向的力和由于包括從基底100的前表面施加的動態(tài)壓強和靜態(tài)壓強的壓強而產(chǎn)生的適合于使隔膜與固定電極之間的距離減小的方向的力，被加到隔膜上。隔膜只發(fā)生與作為兩個壓強之差的動態(tài)壓強相應(yīng)的量的變形。因此，由形成在隔膜上的運動電極和固定電極構(gòu)成的電容Cx的靜電電容的值Cx按照隔膜的變形而改變。
一個電壓從電壓源Vb經(jīng)過電阻Rb被加到固定電極111上，且電荷Qx被存儲起來。電荷Qx的量等于Cx·Vb(C)。即使所加的動態(tài)壓強改變且靜電電容的值Cx改變，電荷也不運動，因為時間常數(shù)Rb·Cx大于這種改變。因此，靜電電容的值Cx的改變呈現(xiàn)為電容Cx上的電壓Vcx(＝Qx/Cx)。包括具有高輸入阻抗的運算放大器A2的緩沖放大裝置接收電壓Vcx，輸出低輸出阻抗的輸出電壓Eo，并驅(qū)動保護(hù)電極116。借助這種結(jié)構(gòu)，由于固定電極111和保護(hù)電極116的電位相等，它們之間沒有電荷運動。因此，即使有具有靜電電容值Cgx的電容Cgx，也可以使電容Cgx對靜電電容值Cx變化的影響幾乎為零。
在這種動態(tài)壓強檢測器中，現(xiàn)在假定當(dāng)壓強差等于0時運動電極161與固定電極111之間的距離用L1(m)表示，電極的有效區(qū)用Sd(m2)表示，其靜電電容值Cx1用Cx1＝ε·Sd/L1表示(其中ε是介電常數(shù)且各個層的介電常數(shù)的不同在此被忽略)。由于從電壓源Vb施加了偏壓，從而使電容Cx上的電壓Vcx等于Vb，電容Cx的改變由以下公式表示Cx1·Vb＝Vb·ε·Sd/L1≡Qx電容Cgx的改變等于0，因為固定電極111與保護(hù)電極116的電位差等于0。現(xiàn)在假定壓強被施加在隔膜上且運動電極161與固定電極111之間的距離改變成L2(m)，則電容Cx的靜電電容值Cx由以下公式表示Cx＝ε·Sd/L2≡Cx2進(jìn)一步地，由于固定電極111與保護(hù)電極116之間的電位差被控制為象原來一樣的0，并且沒有至電容Cgx的電荷運動，故電荷Qx的值不發(fā)生變化。因此，電容Cx上的電壓(Qx1/Cx2)由以下公式表示Qx1/Cx2＝(Vb·ε·Sd/L1)/(ε·Sd/L2)≡Vcx2因此，由于運動電極161與固定電極111之間的距離改變而引起的端電壓改變由以下公式表示Vcx2-Vb＝(L2-L1)/L1·Vb因此，通過把緩沖放大電容Cx上的電壓Vcx2的運算放大器A2的阻抗置于低阻抗并用電壓計測量它，獲得了有關(guān)隔膜的位移的電壓，作為傳感器的輸出。
現(xiàn)在假定受到運算放大器A2驅(qū)動的保護(hù)電極116不存在且在固定電極111之下存在經(jīng)過第一絕緣層120而與地相連的基底100。在此情況下，在圖6顯示的電路中，保護(hù)電極116與地相連并處于電容Cx和電容Cgx并聯(lián)的狀態(tài)。由于偏壓Vb被加到并聯(lián)的電容Cx和Cgx上，故存儲在并聯(lián)電容Cx和Cgx中的電荷由以下公式表示
(Cx1+Cgx)Vb＝(ε·Sd/L1+Cgx)Vb≡Qx3當(dāng)在此狀態(tài)下壓強被加到隔膜上且運動電極161與固定電極111之間的距離改變到L2(m)時，電容Cx和Cgx的并聯(lián)靜電電容值由以下公式表示ε·Sd/L2+Cgx＝Cx3由于電荷之和沒有改變，并聯(lián)電容Cx與Cgx上的電壓由以下公式表示Qx3/Cx3＝((ε·Sd/L1+Cgx)Vb)/(ε·Sd/L2+Cgx)≡Vcx3因此，由于運動電極161與固定電極111之間的距離的改變而引起的端電壓的改變由以下公式表示Vcx3-Vb＝((L2-L1)/L1)·(ε·Sd/L2)/(ε·Sd/L2+Cgx))·Vb當(dāng)把此值與電容Cgx不發(fā)生影響的值(Vcx2-Vb＝(L2-L1)/L1·Vb)相比較時，就可理解項(ε·Sd/L2)/(ε·Sd/L2+Cgx)是新加的。該項顯示了由電容Cx2和Cgx構(gòu)成的電壓驅(qū)動電路的增益，且這意味著當(dāng)電容Cgx增大時，由于運動電極161與固定電極111之間的距離的改變引起的端電壓的改變率減小，從而使靈敏度惡化。
如上所述，由于在固定電極111與基底100之間提供了保護(hù)電極116，且保護(hù)電極116由緩沖放大裝置(運算放大器A2)驅(qū)動從而跟隨固定電極111的電壓改變，故固定電極111與保護(hù)電極116之間的有效靜電電容可被置于非常小的值。因此，能夠構(gòu)成可檢測微小的電容改變的靜電電容檢測式傳感器。
由于低阻抗的保護(hù)電極116存在于固定電極111與基底100之間，固定電極111能夠受到屏蔽而不會遇到來自基底100的后表面方向的電力線。因此，即使在用于把恒定電荷累積到固定電極111中并把電容轉(zhuǎn)換成電壓的傳感器中，也能夠防止靈敏度的降低，設(shè)備的尺寸能夠作得比切換電容電路的小，且直接與隔膜的位移相關(guān)的量能夠以轉(zhuǎn)換的電壓的方式得到檢測。進(jìn)一步地，電路能夠被設(shè)置在固定電極111的下層中，從而使設(shè)備能夠小型化。即使在借助切換電容電路構(gòu)成設(shè)備的情況下，也能夠借助保護(hù)電極116減小寄生電容，且對其他電路的切換噪聲也能夠被阻斷。
雖然在根據(jù)第一實施例的傳感器中作為產(chǎn)生固定電極111的電荷的一種方法而通過電阻施加直流電壓，但也可采用另一種方法。例如，可利用諸如其中存儲有電荷的駐極體(例如碳氟聚合物或聚四氟乙烯)的材料形成設(shè)備，而不用從外界施加偏壓和電荷存儲步驟。在此情況下，其優(yōu)點是不用制作直流電壓源，且電壓可被設(shè)定為大的值，而不受將要提供給設(shè)備的電源電壓的限制，因而把位移轉(zhuǎn)換至電壓的靈敏度得到了改善。除了用材料駐極體之外，也可以采用一種結(jié)構(gòu)駐極體，從而形成一種結(jié)構(gòu)—其中導(dǎo)電層被絕緣層所包圍，并提供了用于提供穿過絕緣層并到達(dá)導(dǎo)電層的隧道電流的裝置，從而使電荷能夠被存儲在由絕緣層包圍的導(dǎo)電層中。在此情況下，由于累積電荷的量容易受到控制，把位移轉(zhuǎn)換至電壓的靈敏度能夠自由地設(shè)定。
在根據(jù)第一實施例的傳感器中，保護(hù)電極115由其導(dǎo)電性通過把雜質(zhì)擴散到基底100中而得到改善的擴散層構(gòu)成，固定電極111由諸如金屬的材料制成且它們被第一絕緣層120所絕緣。然而，只要保護(hù)電極和固定電極被絕緣就足夠了。也可以采用PN結(jié)絕緣，象雙極集成電路一樣。根據(jù)這種PN結(jié)絕緣，所要分離的區(qū)域中的雜質(zhì)的極性被設(shè)定為相反的極性，沿著例如使它們的PN結(jié)受到反向偏置的方向施加一個偏壓，且如此獲得的耗盡層被用作絕緣層。例如，只要使整個p型硅基底被置于保護(hù)電極，形成其中n型雜質(zhì)被擴散到表面中的固定電極，且保護(hù)電極受到運算放大器A2的驅(qū)動從而使固定電極的電位總是高于保護(hù)電極的電位，就足夠了。在此情況下，雖然有一個問題，即耗盡層的厚度非常薄且寄生電容增大，但由于保護(hù)電極受到緩沖放大裝置的驅(qū)動而使保護(hù)電極的電位與固定電極的電位相等，故寄生電容能夠大大地減小。借助這種結(jié)構(gòu)，不需要在根據(jù)第一實施例的傳感器中形成第一導(dǎo)電層110。
如上所述，在根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的傳感器中，由于在通過絕緣層的固定電極的下層中提供了保護(hù)電極和使保護(hù)電極的電位與固定電極的電位相等的運算放大器，故固定電極得到屏蔽，微小的電容改變能夠得到檢測，靈敏度的惡化得到防止，且直接與隔膜的位移有關(guān)的量能夠得到檢測。
(第二實施例)在根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的傳感器中，通過經(jīng)過從一個半導(dǎo)體基底的后表面形成的一個通孔對一個犧牲層進(jìn)行各向同性干蝕刻，而形成一個腔。在一個固定電極與基底之間和一個基準(zhǔn)固定電極與基底之間提供了一個保護(hù)電極。提供了一個緩沖放大設(shè)備，用于跟隨保護(hù)電極的電位以跟隨固定電極的電壓，并提供了由一個切換電容電路構(gòu)成的電容-電壓轉(zhuǎn)換電路。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的傳感器的平面圖。圖8A-8G是顯示該傳感器的制造步驟的橫截面圖。該傳感器是用于測量漲落的壓強的動態(tài)壓強檢測器，且用于形成隔膜和保護(hù)電極的方法不同于圖4顯示的動態(tài)壓強檢測器的方法。圖7是該動態(tài)壓強檢測器的平面圖，并主要顯示了電極的設(shè)置。圖8A-8G是沿著圖7的線A-A’的橫截面圖，并依次顯示了制造步驟。在這些圖中，標(biāo)號100表示用單晶硅制成的基底，115表示用諸如金屬等具有高導(dǎo)電率的材料制成的保護(hù)導(dǎo)電層。標(biāo)號120和125分別表示用諸如氧化硅等材料制成的第一和第二絕緣層。標(biāo)號110表示用諸如金屬等具有高導(dǎo)電率的材料制成的第一導(dǎo)電層，標(biāo)號141表示一個腔。標(biāo)號111表示由第一導(dǎo)電層110在腔141的平面區(qū)中形成的一個固定電極。標(biāo)號130表示用諸如氧化硅的材料制成的第三絕緣層。在腔141的上部上形成了包括第一導(dǎo)電隔膜層155的一個隔膜。標(biāo)號161表示一個運動電極。隔膜和運動電極161覆蓋了基底100除了固定電極輸出端182與保護(hù)電極輸出端183的部分以外的整個前表面。運動電極161還起著阻止從基底100的前表面?zhèn)冗M(jìn)入的電力線到達(dá)固定電極111的屏蔽層的作用。標(biāo)號190表示一個基底通孔，且140表示在制造步驟結(jié)束時留下隔膜的周邊部分而蝕刻出的犧牲層。
現(xiàn)在結(jié)合圖8A-8G描述根據(jù)第二實施例的傳感器的制造步驟。如圖8A所示，用氧化硅等制成的第一絕緣層120被淀積在用單晶硅制成的基底100的前表面(在隔膜的上側(cè)的表面)上。通過在第一絕緣層120上淀積具有導(dǎo)電性的保護(hù)導(dǎo)電層115，形成了保護(hù)電極116、保護(hù)電極引線117和保護(hù)電極下連接端118-它們都具有導(dǎo)電性。用氧化硅等制成的第二絕緣層125被淀積在第一絕緣層120和保護(hù)導(dǎo)電層115上。通過在第二絕緣層125上淀積由鉻等制成的第一導(dǎo)電層110，形成了固定電極111、固定電極引線112和固定電極下連接端113。
隨后，如圖8B所示，在第二絕緣層125和第一導(dǎo)電層110上淀積用氧化硅等制成的第三絕緣層130。在把由諸如聚酰胺的有機材料形成的犧牲層材料涂覆到第三絕緣層130上之后，通過蝕刻除了腔141的部分以外的部分上的犧牲層材料，形成了一個犧牲層140(見圖8C)。在把由主要包含鋁的合金制成的第一導(dǎo)電隔膜層155形成在第三絕緣層130和犧牲層140上之后，通過蝕刻存在于固定電極輸出端182和保護(hù)電極輸出端183的部分中的第一隔膜層155，形成了包括運動電極161和運動電極下連接端163的一個屏蔽層(見圖8D)。
隨后，如圖8E所示，從第三絕緣層130形成分別到達(dá)固定電極下連接端113、運動電極下連接端163和保護(hù)電極下連接端118的孔。在把由鉻等制成的第三導(dǎo)電層180淀積在第一隔膜層155和第三絕緣層130上之后，除了運動電極輸出端181、固定電極輸出端182和保護(hù)電極輸出端183的部分以外的部分的第三導(dǎo)電層180受到蝕刻。
隨后，在犧牲層140的中心部分上形成從基底100的后表面(隔膜的下側(cè)的表面)引入和到達(dá)犧牲層140的基底通孔190(見圖8F)。犧牲層140在主要包含氧的等離子體受激氣體的環(huán)境下經(jīng)過來自基底100的后表面的基底通孔190而受到各向同性干蝕刻。腔141被形成在第三絕緣層130與第一導(dǎo)電隔膜層155之間。在此情況下，處理時間以這樣的方式得到管理使?fàn)奚鼘?40在隔膜周邊部分上略微地有所剩余，而不是完全地蝕刻掉犧牲層140，從而提高邊緣的支撐性能(見圖8G)。
現(xiàn)在結(jié)合圖9描述根據(jù)第二實施例的傳感器中的電容-電壓轉(zhuǎn)換電路。圖9顯示了圖7顯示的動態(tài)壓強檢測器中采用的電容-電壓轉(zhuǎn)換電路的構(gòu)造。雖然該電容-電壓轉(zhuǎn)換電路是由切換電容電路以與圖3顯示的傳統(tǒng)電容-電壓轉(zhuǎn)換電路類似的方式構(gòu)成的，但它的不同之處在于保護(hù)電極116和運算放大器A2被設(shè)置在固定電極111與同地相連的基底100之間。即，運算放大器A2構(gòu)成了一個電壓跟隨器，其中(-)輸入端和一個輸出端相連，且與加到(+)輸入端上的電壓相同幅度的電壓出現(xiàn)在輸出端。保護(hù)電極116受到運算放大器A2的輸出電壓的驅(qū)動。與圖3和6中的部件相同的部件用相同的標(biāo)號表示。一個基準(zhǔn)電容(未顯示)也是類似的結(jié)構(gòu)，其中未進(jìn)行犧牲層的蝕刻。各個開關(guān)的操作和各個電容的電荷的運動狀態(tài)也與圖3顯示的傳統(tǒng)電容-電壓轉(zhuǎn)換電路的相同。
當(dāng)時鐘電壓源Vck處于高(H)電平時，電壓控制型開關(guān)SWr、SWx、SWf和SWo與上觸頭側(cè)相連，而在它處于低(L)電平時與下觸頭側(cè)相連。開關(guān)SWr、SWx、SWf和SWo互鎖并具有適當(dāng)?shù)臉?gòu)造，從而交替地與上觸頭側(cè)和下觸頭側(cè)相連。標(biāo)號Vb表示運算放大器的偏置電壓源；A1表示運算放大器；Cf表示反饋電容；Co表示用于脈動平滑的輸出電容；Eo表示輸出電壓；Cx表示包括運動電極161和固定電極111的電容；Cr表示包括基準(zhǔn)電極51和基準(zhǔn)固定電極50的電容；Cgx表示包括固定電極111和保護(hù)電極116的電容；且Cgr表示包括基準(zhǔn)固定電極50和保護(hù)電極116的電容。由于運算放大器Al的開環(huán)增益非常大，運算放大器Al的(-)輸入端的電位等于(+)輸入端的電位。因此，固定電極111的輸出端的電位等于地電位。
現(xiàn)在描述根據(jù)第二實施例的傳感器中的電容-電壓轉(zhuǎn)換電路的具體操作。當(dāng)時鐘電壓源Vck從低電平改變到高電平時，全部開關(guān)SWr、SWx、SWf和SWo都與上觸頭側(cè)相連。當(dāng)電荷的運動完成時，基準(zhǔn)電極51和電容Cr的基準(zhǔn)固定電極50的都電位等于地電位，因而電容Cr的累積電荷等于0。由于電容Cx的運動電極161的電位等于電壓源Vb的電壓Vb，且固定電極111的電位等于地電位，故電容Cx的累積電荷Qx由Cx·Vb表示。由于電容Cf的兩端被開關(guān)SWf短路，這些端的電位都等于固定電極輸出端182的電位，因而電容Cf的累積電荷等于0。
電容-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓Eo被保持在根據(jù)電壓源Vck上一次處于低電平時存儲的電荷的電位，因為電容Co被從運算放大器Al來的輸出斷開。由于電容Cgx和Cgr也受到運算放大器A2的控制而使保護(hù)電極116的電位等于固定電極111和基準(zhǔn)固定電極50的電位，累積電荷等于0。
當(dāng)電壓源Vck從高電平改變成低電平時，開關(guān)SWr、SWx、SWf和SWo都被連接到下觸頭側(cè)。當(dāng)電荷的運動完成時，電容Cx上的電壓等于0，因而(+)電荷從運算放大器Al的(-)輸入端沿著使累積電荷被置于0的方向向著固定電極111運動。由于電容Cr上的電壓等于Vb，故沿著使處于零狀態(tài)電荷的增大至累積電荷Qr(＝Cr·Vb)的方向，(+)電荷從固定電極111向著運算放大器Al的(-)輸入端運動。由于開關(guān)SWf打開，這些電荷被存儲在電容Cf中，且電荷量由以下公式表示Qr-Qx＝Cr·Vb-Cx·Vb＝Vb(Cr-Cx)因此，電容Cf上的電壓Vcf由以下公式表示Vcf＝Vb(Cr-Cx)/Cf由于在與運算放大器Al的(-)輸入端相連的電容Cf的一端的電位等于0，電容-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓Eo的極性被倒相且Eo由以下公式表示Eo＝Vb(Cx-Cr)/Cf電容Co存儲與該電位相應(yīng)的電荷。由于電容Cgx和Cgr的各端仍然被控制在相同的電位，故電容Cgx和Cgr的累積電荷等于0，且電容Cgx和Cgr對電荷運動的運行幾乎沒有影響。
在電荷運動時，如果基于運算放大器Al的通過速率等的響應(yīng)速度慢，則在應(yīng)該被置于地電位的運算放大器Al的(-)輸入端產(chǎn)生出一個尖峰狀電壓。通過迅速地改變運算放大器Al的輸出電壓，這種固有的操作減小了至(-)輸入端的、將要被迅速地存儲在反饋電容Cf中的電荷流動，且不改變(-)輸入端處的電位。然而，由于響應(yīng)速度通常受到限制，電荷經(jīng)常暫時地過流且(-)輸入端的電位臨時得到改善(或減小)。雖然這種過流電荷被暫時地存儲在與固定電極111和基準(zhǔn)固定電極50有關(guān)的寄生電容中，但它們隨著時間的推移而被存儲在反饋電容Cf中。
如上所述，在電壓源Vck處于高電平期間，電荷被存儲在電容Cx中，電容Cf的電荷被置于0，且在電壓源Vck上一次處于低電平期間的值作為輸出電壓Eo而得到輸出。在電壓源Vck處于低電平期間，電容Cx的電荷被置于0，電荷被存儲在電容Cf中，由以下公式表示的電壓Eo得到產(chǎn)生，用作輸出電壓EoEo＝Vb(Cx-Cr)/Cf輸出電壓Eo的值與如圖7和8A-8G的方式形成的運動電極161與固定電極111之間的距離的倒數(shù)有關(guān)。該距離與加到包括第一導(dǎo)電隔膜層155的隔膜上的壓強有關(guān)。因此，能夠構(gòu)成靜電式壓強檢測器，它產(chǎn)生與加到隔膜上的壓強的倒數(shù)有關(guān)的輸出電壓Eo。
在圖9顯示的電容-電壓轉(zhuǎn)換電路中，電壓源或地始終與運動電極161和對著壓強檢測器的前表面?zhèn)鹊幕鶞?zhǔn)電極51相連，雖然它們被開關(guān)切換。因此，即使來自外部噪聲源的電力線落到壓強檢測器上，也由于電荷通過電壓源或直接流向地，故它們不會偏離到固定電極111上，且設(shè)備具有對靜電噪聲的屏蔽效果。由于來自基底100的后表面的電力線落到以低阻抗受到運算放大器A2的驅(qū)動的保護(hù)電極116上，故它們不會到達(dá)固定電極111和基準(zhǔn)固定電極50，且來自基底100的后表面的噪聲能夠得到阻斷。因此，不需要象傳統(tǒng)壓強檢測器那樣把設(shè)備包圍在器皿中以考慮靜電屏蔽。因而設(shè)備的尺寸能夠減小。
如上所述，保護(hù)電極116被設(shè)置在固定電極111與基底100之間和基準(zhǔn)固定電極50與基底100之間，且保護(hù)電極116受到緩沖放大裝置A2的驅(qū)動，從而跟隨固定電極111的電壓改變。因此，固定電極111與保護(hù)電極116之間的有效靜電電容和基準(zhǔn)固定電極50與保護(hù)電極116之間的有效靜電電容可被置于非常小的值。因此，能夠構(gòu)成可檢測微小的電容改變的靜電電容檢測式傳感器。
由于在固定電極111與基底100之間和基準(zhǔn)固定電極50與基底100之間存在低阻抗的保護(hù)電極116，固定電極111和基準(zhǔn)固定電極50能夠得到屏蔽而不受來自基底100的后表面方向的電力線的作用。進(jìn)一步地，電路可被設(shè)置在固定電極111的下層中，且設(shè)備能夠小型化。
在根據(jù)第一和第二實施例的傳感器的描述中，電容-電壓轉(zhuǎn)換電路是作為使電荷恒定并用高阻抗電路測量端電壓的方法以及用切換電容電路借助與位移量有關(guān)的電荷量的運動或累積把電容轉(zhuǎn)換成電壓的方法的例子，而得到顯示的。然而，也可采用另一種電容檢測方法。例如，也可以采用一種方法，借助這種方法施加高頻交流電壓(電流)，且與其相應(yīng)的電流(電壓)得到測量，或者采用一種方法—借助這種方法在外部設(shè)置一個電感并形成一個響應(yīng)電路且諧振頻率的改變與電容改變相對應(yīng)。即使在這些情況下，由于至其他部分的高頻信號的輻射變成妨礙電子電路的正常運行的因素，所希望的是關(guān)閉這種信號。由于妨礙測量輕微的電容改變的寄生電容更小，靈敏度可得到改善。
在根據(jù)第一和第二實施例的傳感器中，雖然隔膜是通過蝕刻犧牲層而形成的，但隔膜的形成方法不限于此。例如，也可以粘合具有固定電極和電容-電壓轉(zhuǎn)換電路的基底等以及其中形成有隔膜及其支撐部分的結(jié)構(gòu)。即使在這種情況下，也通過利用緩沖放大裝置驅(qū)動保護(hù)電極，能夠構(gòu)成具有諸如減小寄生電容、對基底的后表面的靜電屏蔽等功能的如在根據(jù)第一和第二實施例的傳感器的描述中所述的功能的傳感器。
雖然根據(jù)第一和第二實施例的傳感器是結(jié)合應(yīng)用于壓強檢測器的傳感器而描述的，即使在把傳感器應(yīng)用于其中利用靜電電容檢測另一種位移的情況下，也能夠構(gòu)成具有如在根據(jù)第一和第二實施例的傳感器的描述中所述的功能的傳感器。
在根據(jù)第一和第二實施例的傳感器中，采用了具有高阻抗的固定電極和面向固定電極的具有低阻抗的運動電極。然而，這種機械上的固定或運動區(qū)分可以反過來。例如，傳感器可由具有高阻抗的運動電極和面向運動電極的具有低阻抗的固定電極構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)在其中機械運動部分的材料是硅的情況下是有效的，且它適合于把緩沖放大裝置組裝到這種材料上。
在顯示根據(jù)第一和第二實施例的傳感器的圖4和7中，用于靜電屏蔽基底的前表面的第二導(dǎo)電層160和第一導(dǎo)電隔膜層155是沿著三個方向(圖中的上、左和下方向)淀積在固定電極輸出端182周圍的。然而，可以形成一種包圍部分，它與保護(hù)電極輸出端18相連，從而圍繞著在層160或155與固定電極輸出端182之間的固定電極輸出端182。在此情況下，來自固定電極的表面的漏電流得到了阻止且沿著平面方向的寄生電容能夠得到減小。
如上所述，在根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的傳感器中，保護(hù)電極被設(shè)置在固定電極與基底之間和基準(zhǔn)固定電極與基底之間，且提供了緩沖放大裝置以驅(qū)動保護(hù)電極從而跟隨固定電極的電位。因此，固定電極和基準(zhǔn)固定電極可得到屏蔽且能夠檢測微小的電容改變。
根據(jù)如上所述的本發(fā)明，由于提供了保護(hù)電極從而跟隨固定電極的電壓改變，固定電極與基底之間的寄生電容可以得到相應(yīng)減小，且電容-電壓轉(zhuǎn)換靈敏度能夠得到改善。
由于用于驅(qū)動保護(hù)電極的緩沖放大裝置的輸出阻抗得到減小，固定電極能夠得到屏蔽而不受來自基底的后表面的電力線的影響。由于來自設(shè)備以外的靜電噪聲而引起的損壞能夠得到減小。設(shè)備自身具有靜電屏蔽功能。因此，得到下述效果不需要外部屏蔽器皿且能夠構(gòu)成更小的傳感器。
由于通過提供保護(hù)電極而減小了寄生電容，得到下述效果可以通過采用使固定電極的電荷保持恒定并把電容轉(zhuǎn)換成電壓的電路而獲得與隔膜的位移直接相關(guān)的輸出。
由于可通過提供保護(hù)電極而除去切換噪聲，可以采用一種切換電容電路。
由于可通過提供保護(hù)電極而除去高頻噪聲，可采用利用高頻的電容-電壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種傳感器，包括形成在基底的前表面上的保護(hù)電極；淀積在所述保護(hù)電極的上部上的絕緣層；形成在所述絕緣層的上部的固定電極；以及緩沖放大裝置，用于驅(qū)動所述保護(hù)電極從而使所述保護(hù)電極的電位與所述固定電極的電位相等。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，進(jìn)一步包括一個導(dǎo)電層，該導(dǎo)電層覆蓋整個的表面從而不把電力線從外部引入所述固定電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，其中所述基底是電路集成半導(dǎo)體基底，且所述緩沖放大裝置是集成在所述半導(dǎo)體基底上的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，進(jìn)一步包括設(shè)置在所述固定電極的上部并用于保持電荷的駐極體層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，進(jìn)一步包括設(shè)置在所述固定電極的上部并用于把電荷注入由絕緣層圍繞的一個導(dǎo)電層的駐極體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，進(jìn)一步包括用于使所述固定電極的電荷基本上恒定的偏壓裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，進(jìn)一步包括用于把用于檢測靜電電容的交流信號加到所述固定電極上的裝置。
8.一種傳感器，包括形成在一個基底的前表面上的保護(hù)電極；淀積在所述保護(hù)電極的上部的絕緣層；形成在所述絕緣層的上部的固定電極；緩沖放大裝置，用于驅(qū)動所述保護(hù)電極從而使所述保護(hù)電極的電位與所述固定電極的電位相等；從所述基底的后表面向前表面延伸的一個通孔；以及一個淀積的隔膜層，它閉合通過經(jīng)過所述通孔對所述固定電極的上部中的一個基底占據(jù)區(qū)域進(jìn)行干蝕刻而形成的一個腔的前表面?zhèn)取?br> 9.根據(jù)權(quán)利要求8的傳感器，進(jìn)一步包括一個導(dǎo)電層，該導(dǎo)電層覆蓋了整個表面從而不把電力線從外部引入所述固定電極。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的傳感器，其中所述基底是電路集成半導(dǎo)體基底，且所述緩沖放大裝置是集成在所述半導(dǎo)體基底上的。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的傳感器，進(jìn)一步包括提供在所述固定電極的上部并用于保持電荷的駐極體層。
12.根據(jù)權(quán)利要求8的傳感器，進(jìn)一步包括提供在所述固定電極的上部并用于把電荷注入一個由絕緣層所圍繞的導(dǎo)電層的駐極體。
13.根據(jù)權(quán)利要求8的傳感器，進(jìn)一步包括用于使所述固定電極的電荷基本上恒定的偏壓裝置。
14.根據(jù)權(quán)利要求8的傳感器，進(jìn)一步包括用于把用于檢測靜電電容的交流信號加到所述固定電極上的裝置。
全文摘要
在半導(dǎo)體基底的前表面上形成了一個保護(hù)電極且經(jīng)過一個絕緣層在保護(hù)電極上形成了一個固定電極。借助一個隔膜在固定電極上形成了一個腔,且在這些隔膜層之間形成了一個運動電極。形成了從基底的后表面延伸并到達(dá)腔的一個基底通孔。提供了一個運算放大器,它驅(qū)動保護(hù)電極從而使保護(hù)電極的電位與固定電極的電位相等。固定電極與運動電極之間的電容的改變被轉(zhuǎn)換成與隔膜的位移直接相關(guān)的電壓。
文檔編號G01D5/12GK1243244SQ9911045
公開日2000年2月2日 申請日期1999年7月14日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月14日
發(fā)明者池田雅春, 江刺正喜 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社