静电容量型压力传感器、压力检测器及输入装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及静电容量型压力传感器、压力检测器及输入装置。具体而言，本发明涉及通过压力挠曲的隔膜与电介体层接触而检测压力的触摸模式的静电容量型压力传感器。另外，本发明涉及利用该压力传感器的压力检测器及输入装置。
【背景技术】
[0002]在一般的静电容量型压力传感器中，导电性的隔膜(可动电极)和固定电极隔开间隙相对设置，根据通过压力挠曲的隔膜和固定电极之间的静电容量的变化检测压力。但是，在该压力传感器是使用玻璃基板及硅基板，通过MEMS技术制造的微器件的情况下，如果在隔膜上施加大的压力，则隔膜会产生大挠曲而破损。
[0003]因此，提案有在固定电极的表面设置电介体层，通过压力挠曲的隔膜与电介体层接触，根据其接触面积的变化，隔膜和固定电极之间的静电容量产生变化的压力传感器。这种压力传感器有时称为触摸模式静电容量型压力传感器。
[0004]作为触摸模式静电容量型压力传感器，例如具非专利文献I记载的方式。图1是表示非专利文献I记载的压力传感器11的剖面图。在该压力传感器11中，在玻璃基板12的上面形成由金属薄膜构成的固定电极13，从固定电极13之上至玻璃基板12的上面形成电介体膜14。在电介体膜14上开设有通孔15，设置于电介体膜14的上面的电极焊盘16通过通孔15与固定电极13连接。硅基板17层叠于电介体膜14的上面，在硅基板17的上面设有凹陷18，并且在下面设有凹槽19，在凹陷18和凹槽19之间形成有薄膜状的隔膜20。隔膜20设置于与固定电极13相互重叠的位置。另外，硅基板17的下面为以高浓度掺杂有B(硼)的P+层21。隔膜20通过P+层21赋予导电性，作为可动电极发挥功能。在隔膜20的下面和电介体膜14之间，因凹槽19而产生数ym的间隙22。
[0005]图2是示意地表示施加于压力传感器11的隔膜20的负荷W[gF]、和在固定电极13和隔膜20之间产生的静电容量C[pF]的关系(负荷一电容特性)的图。另外，图2表示通过负荷附加部件23按压压力传感器11的情况，各图表现表示负荷一电容特性的曲线上的各点的隔膜20的变形状况。
[0006]如果在压力传感器11的隔膜20上施加负荷W，则隔膜20与该负荷W对应地挠曲，以某负荷Wa与电介体膜14接触。图2的负荷从O至Wa的区间(未接触区域)为隔膜20未与电介体膜14接触的状态。负荷从Wa至Wb的区间(接触开始区域)表示隔膜20与电介体膜14接触之后至可靠地以某程度的面积接触的状态。负荷从Wb至Wc的区间(动作区域)随着负荷的增加，隔膜20与电介体膜14接触的部分的面积逐渐增加。负荷为Wc以上的区间(饱和区域)是隔膜20的大致全面与电介体膜14接触，即使负荷增加，接触面积也几乎不增加的区域。
[0007]根据图2的负荷一电容特性，在隔膜20未接触的未接触区域，静电容量C的变化非常小，但如果变为接触开始区域，则静电容量C的变化率(增加速度)逐渐增大。在动作区域，虽然线性变好，但静电容量C的变化率逐渐减小，如果变为饱和区域，则静电容量C几乎没有增加。特别是，负荷超过Wd时，静电容量C为饱和值Cd无变化。
[0008]这种触摸模式的压力传感器11中，如果将隔膜20和电介体膜14的接触面积设为S，将电介体膜14的厚度设为d，将电介体膜14的相对介电常数设为ε r，真空中的介电常数设为ε O，则隔膜20和电介体膜14之间的静电容量C用接下来的数学式I表示。
[0009]C = Co+ ε ο.ε r.(S/d) (数学式 I)
[0010]在此，Co是未接触区域的静电容量。
[0011]电介体膜14的厚度d及相对介电常数ε r无变化，因此，根据数学式I，如果负荷W增大，则隔膜20的接触面积S增大，其结果可知，压力传感器11的静电容量C增加。该结果是，图2的负荷一电容特性若除去未接触区域，表示对数的变化。
[0012]然而，对于人的感觉(五感)，公知的是韦伯一费希纳定律(Weber — Fechnerlaw)。韦伯一费希纳定律是关于感觉的精神物理学的基本定律，人可以察觉的最小的刺激差异ΔR与成为基准的刺激的强度R成比例。即，该定律如接下来的数学式2表示。
[0013]Δ R/R = const.(数学式 2)
[0014]韦伯一费希纳定律作为数学式2的微分方程式的解，同样用接下来的数学式3表不O
[0015]E = K.1gR (数学式 3)
[0016]在此，K为常数。数学式3解释为在刺激量的强度R变化时，与此对应的感觉量E通过刺激的强度R的对数函数表示这种意思。即，心理的感觉量E不与刺激的强度R而与该对数(1gR)成比例地感觉。
[0017]图2的负荷一电容特性如上述表示对数的变化。因此，根据触摸模式静电容量型压力传感器，可以从压力传感器输出与人的感觉成比例的输出(静电电容值)。因此，根据该压力传感器，可检测按压某对象物时的人的感觉或通过某物体按压时的人的感觉，可以提供有用性高的传感器。
[0018]然而，在图2的负荷一电容特性中，在非接触区域，静电容量的值大致为一定，在此脱离对数的变化。为了提高压力传感器的分辨度，需要扩大输出的动态范围，因此，希望在表示图2的负荷一电容特性的压力传感器中减小初期电容值(非接触区域的静电电容值)Co。
[0019]在图1所示的压力传感器11中，使用在上面设置了固定电极13的玻璃基板12，因此，硅基板17和固定电极13之间的寄生电容Cs小，初期电容值Co也小。但是，在使用玻璃基板的情况下，难以使晶片的大尺寸化，因此，从一张晶片同时可以制造的压力传感器的数量少，压力传感器的制造成本也高。
[0020]因此，近年来，制造作为基板使用半导体基板例如Si基板，通过形成于半导体基板的扩散层设置固定电极和电阻配线的压力传感器。作为这种压力传感器有专利文献I所示的方式。但是，在作为压力传感器的基板部分使用半导体基板的情况下，隔膜和半导体基板之间的寄生电容增加，因寄生电容难以减小初期电容值Co。
[0021]专利文献1:日本特开2000 - 97793号公报
[0022]非专利文献1:山本敏、外4名、“卜'、夕、y于? 一卜'、容量型圧力七V寸(触摸模式静电容量型压力传感器)”7夕夕歹技報、株式会社7夕夕7 >2001年10月、第101号、ρ.71 一74
【发明内容】
[0023]本发明的目的在于，在使用了半导体基板的静电容量型压力传感器中，进一步扩大动态范围。
[0024]本发明的静电容量型压力传感器，其特征在于，具有:P型或N型的半导体基板；电介体层，其在上面或下面的一方具有凹部，并覆盖所述半导体基板的上面；上基板，其设置于所述电介体层之上；隔膜，其形成于所述上基板的与所述凹部相对的区域，并可变形；固定电极，其设置于所述半导体基板；反极性层，其在所述半导体基板的表层部，形成于所述上基板的被固定的区域的下方，由具有与所述半导体基板反极性的导电型的杂质层构成。
[0025]在本发明的静电容量型压力传感器中，在所述半导体基板的表层部，在所述上基板的被固定的区域的下方设有由具有与所述半导体基板反极性的导电型的杂质层构成的反极性层，因此，上基板和半导体基板之间的绝缘性提高，压力传感器的寄生电容减小。其结果，压力传感器的初期静电电容值减小，压力传感器的动态范围扩大。
[0026]本发明的静电容量型压力传感器的某实施方式的特征在于，所述反极性层的宽度或与所述上基板的被固定的区域的宽度相等，或比所述上基板的被固定的区域的宽度宽。特别是，从垂直于所述半导体基板的上面的方向观察时，所述反极性层的宽度方向的两侧缘部都与所述上基板的被固定的区域的缘部重叠，或位于所述上基板的被固定的区域的缘部的外侧。根据本实施方式，上基板和半导体基板之间的绝缘性提高，压力传感器的寄生电容减小的效果进一步提高。
[0027]本发明的静电容量型压力传感器的另外的实施方式的特征在于，所述固定电极由形成于所述半导体基板的表层部的具有与所述半导体基板反极性的导电型的杂质层构成，所述固定电极和所述反极性层分离而形成。固定电极和反极性层都由杂质层构成，但具有各自不同的作用。
[0028]本发明的静电容量型压力传感器又一实施方式的特征在于，所述反极性层和所述固定电极以相互相同的深度形成。根据该实施方式，可通过同一工序制作反极性层和固定电极，压力传感器的制造成本变得廉价。
[0029]本发明的静电容量型压力传感器的又一实施方式的特征在于，所述反极性层和所述固定电极相互具有相同的杂质浓度。根据该实施方式，可通过统一工序制作反极性层和固定电极，压力传感器的制造成本变得廉价。
[0030]本发明的静电容量型压力传感器的又一实施方式的特征在于，所述反极性层其一部分不连续地形成，从所述固定电极延伸的电极延伸部