JP2006200980A

JP2006200980A - Capacitance type pressure sensor and capacitance type actuator

Info

Publication number: JP2006200980A
Application number: JP2005011534A
Authority: JP
Inventors: Shunei Sudo; 俊英須藤; Shigefumi Sakai; 重史酒井; Sadahiro Takahashi; 貞裕高橋
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2005-01-19
Filing date: 2005-01-19
Publication date: 2006-08-03

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To easily manufacture a capacitance type pressure sensor without performing special work on a diaphragm and to improve the linearity of an amount of change in capacitance corresponding to an amount of change in pressure. <P>SOLUTION: This capacitance type pressure sensor is equipped with a structure 10 in which one substrate 2 with a movable electrode formed thereon, with the movable electrode comprising the diaphragm 3, and the other substrate 5 with a fixed electrode 4 formed thereon, are oppositely disposed with a gap 6 provided between the movable electrode and the fixed electrode 4. This pressure sensor detects a change in capacitance between the movable electrode and the fixed electrode 4, the change due to the diaphragm 3 deformed by a pressure. In this pressure sensor 1, the fixed electrode 4 has a shape with a void part in a closed domain and is shaped so that an area increasing rate corresponding to an increase in distance from a center part increases from a center 4a toward a peripheral part 4b. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、静電容量型圧力センサおよび静電容量型アクチュエータに関するものであり、特に、ダイヤフラムに特別な加工を施すことなく容易に製造でき、線形性を改善することができる静電容量型圧力センサおよび静電容量型アクチュエータに関する。 The present invention relates to a capacitance-type pressure sensor and a capacitance-type actuator, and in particular, a capacitance-type pressure that can be easily manufactured without special processing of a diaphragm and can improve linearity. The present invention relates to a sensor and a capacitive actuator.

静電容量型圧力センサや静電容量型アクチュエータとして、一方の基板に形成されたダイヤフラム部と他方の基板に形成された固定電極部との間にギャップが設けられた構造体を備えたものがある。
上述した構造体を備えた静電容量型圧力センサとして、ダイヤフラムの外周縁部を中心部に比して肉薄に構成して所謂ヒンジを設けることにより、線形性を改善したもの（例えば、特許文献１）や、ダイヤフラムの形状を改良することにより、ダイヤフラムの内部残留応力、重力変化、振動などの影響を抑え、安定した感度と線形性が得られるようにしたものがある（例えば、特許文献２）。
特開平３−８１６３５号公報特開２００１−２６７５８８号公報 A capacitance type pressure sensor or a capacitance type actuator having a structure in which a gap is provided between a diaphragm portion formed on one substrate and a fixed electrode portion formed on the other substrate. is there.
As a capacitance type pressure sensor having the above-described structure, a linearity is improved by providing a so-called hinge by making the outer peripheral edge of the diaphragm thinner than the central part (for example, patent document) 1) and by improving the shape of the diaphragm, the influence of internal residual stress, gravity change, vibration, etc. of the diaphragm is suppressed, and stable sensitivity and linearity are obtained (for example, Patent Document 2). ).
Japanese Patent Laid-Open No. 3-81635 JP 2001-267588 A

しかしながら、特許文献１および特許文献２では、線形性を改善するためにダイヤフラムに特別な加工を施す必要があるため、製造工程が複雑で手間がかかることが問題となっていた。また、特許文献１および特許文献２では、静電容量型圧力センサの感度に影響を与えるダイヤフラムの加工工程が複雑であるため、ダイヤフラムの加工精度の向上に支障をきたし、静電容量型圧力センサの感度にバラツキを生じさせる場合があった。 However, in Patent Document 1 and Patent Document 2, since it is necessary to perform special processing on the diaphragm in order to improve linearity, there is a problem that the manufacturing process is complicated and time-consuming. Further, in Patent Document 1 and Patent Document 2, since the diaphragm processing process that affects the sensitivity of the capacitive pressure sensor is complicated, the diaphragm processing accuracy is hindered, and the capacitive pressure sensor In some cases, there was a variation in sensitivity.

また、上述した構造体を備えた静電容量型アクチュエータにおいては、静電力の変化量に対するダイヤフラムの変形量の線形性を改善させて、静電力による作動の精度を向上させることが要求されていた。 Further, in the capacitive actuator having the above-described structure, it has been required to improve the linearity of the deformation amount of the diaphragm with respect to the change amount of the electrostatic force, and to improve the accuracy of the operation by the electrostatic force. .

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、ダイヤフラムに特別な加工を施すことなく容易に製造でき、圧力の変化量に対する静電容量変化量の線形性を改善することができ、静電容量の変化を高精度および高感度で検知できる静電容量型圧力センサおよびその製造方法を提供することを目的とする。
また、ダイヤフラムに特別な加工を施すことなく容易に製造でき、静電力の変化量に対するダイヤフラムの変形量の線形性を改善することができ、静電力によって精度よく作動する静電容量型アクチュエータおよびその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and can be easily manufactured without performing special processing on the diaphragm, and can improve the linearity of the capacitance change amount with respect to the pressure change amount. It is an object of the present invention to provide a capacitance-type pressure sensor that can detect a change in temperature with high accuracy and high sensitivity and a method for manufacturing the same.
In addition, the diaphragm can be easily manufactured without special processing, the linearity of the amount of deformation of the diaphragm with respect to the amount of change in electrostatic force can be improved, and a capacitive actuator that operates accurately by electrostatic force and its An object is to provide a manufacturing method.

本発明の静電容量型圧力センサは、ダイヤフラムからなる可動電極が形成された一方の基板と、固定電極が形成された他方の基板とが、前記可動電極と前記固定電極との間に設けられたギャップを介して対向配置された構造体を備え、圧力によって前記ダイヤフラムが変形することによる前記可動電極と固定電極との間の静電容量の変化を検知する静電容量型圧力センサであって、前記固定電極が、閉じた領域内に空隙部を有する形状であり、中心から周縁部に向かって中心部からの距離の増加に対する面積増加率が大きくなる形状とされていることを特徴とする。 In the capacitance type pressure sensor of the present invention, one substrate on which a movable electrode made of a diaphragm is formed and the other substrate on which a fixed electrode is formed are provided between the movable electrode and the fixed electrode. A capacitance-type pressure sensor that detects a change in capacitance between the movable electrode and the fixed electrode due to deformation of the diaphragm by pressure. The fixed electrode has a shape having a gap in a closed region, and has a shape in which an area increase rate with respect to an increase in distance from the center increases from the center toward the periphery. .

また、上記の静電容量型圧力センサにおいては、前記固定電極の形状が、第１軸と、前記第１軸に中心で直交する第２軸と、前記第１軸に中心で４５度の角度で交差する第３軸と、前記第３軸に中心で直交する第４軸とに対してそれぞれ対称な形状であるものとすることができる。 In the capacitance type pressure sensor, the shape of the fixed electrode is an angle of 45 degrees centered on the first axis, a second axis perpendicular to the first axis at the center, and the first axis. And a third axis that intersects with the third axis and a fourth axis that is orthogonal to the third axis at the center.

また、上記の静電容量型圧力センサにおいては、前記固定電極が、中心から周縁部に向かって形成され前記固定電極の面積を画定する曲線縁部を備え、前記曲線縁部が、ｙ＝（２/ａ^２）ｘ^ｎ（ただし、ｘは前記第１軸上における中心からの位置を示し、ｙは前記第２軸上における中心からの位置を示し、ａは中心から前記ダイヤフラムの周縁部と平面的に重なり合う部分までの最短距離を示す。）で示される曲線を形成しているものとすることができる。
また、上記の静電容量型圧力センサにおいては、前記ｎが４または５であるものとすることができる。 In the above capacitive pressure sensor, the fixed electrode includes a curved edge that is formed from the center toward the peripheral edge and delimits the area of the fixed electrode, and the curved edge is defined as y = ( 2 / a ² ) x ⁿ (where x represents the position from the center on the first axis, y represents the position from the center on the second axis, and a represents the peripheral edge of the diaphragm from the center. It is assumed that the shortest distance to the overlapping part in a plane is formed).
In the above capacitive pressure sensor, n may be 4 or 5.

また、上記の静電容量型圧力センサにおいては、前記ダイヤフラムが、円形であるものとすることができる。 In the above capacitive pressure sensor, the diaphragm may be circular.

本発明の静電容量型圧力センサの製造方法は、ダイヤフラムからなる可動電極が形成された一方の基板と、固定電極が形成された他方の基板とが、前記可動電極と前記固定電極との間に設けられたギャップを介して対向配置された構造体を備え、圧力によって前記ダイヤフラムが変形することによる前記可動電極と固定電極との間の静電容量の変化を検知する静電容量型圧力センサの製造方法であって、前記他方の基板上に、閉じた領域内に空隙部を有し、中心から周縁部に向かって中心部からの距離の増加に対する面積増加率が大きくなる形状を有する固定電極を形成する工程を備えることを特徴とする。 According to the method of manufacturing a capacitive pressure sensor of the present invention, one substrate on which a movable electrode made of a diaphragm is formed and the other substrate on which a fixed electrode is formed are between the movable electrode and the fixed electrode. Capacitance type pressure sensor comprising a structure disposed opposite to each other via a gap provided on the electrode, and detecting a change in capacitance between the movable electrode and the fixed electrode caused by deformation of the diaphragm due to pressure The manufacturing method of the above, wherein the other substrate has a shape having a gap in a closed region, and an area increasing rate with respect to an increase in the distance from the center toward the periphery from the center. The method includes the step of forming an electrode.

本発明の静電容量型アクチュエータは、ダイヤフラムからなる可動電極が形成された一方の基板と、固定電極が形成された他方の基板とが、前記可動電極と前記固定電極との間に設けられたギャップを介して対向配置された構造体を備え、前記可動電極と固定電極との間に発生する静電力によって前記ダイヤフラムが変形して作動する静電容量型アクチュエータであって、前記固定電極は、閉じた領域内に空隙部を有する形状であり、中心部から周縁部に向かって中心部からの距離の増加に対する面積増加率が大きくなる形状とされていることを特徴とする。 In the capacitive actuator of the present invention, one substrate on which a movable electrode made of a diaphragm is formed and the other substrate on which a fixed electrode is formed are provided between the movable electrode and the fixed electrode. A capacitive actuator that includes a structure that is disposed so as to face the gap, and the diaphragm is deformed and operated by an electrostatic force generated between the movable electrode and the fixed electrode, wherein the fixed electrode includes: It is a shape having a gap in a closed region, and is characterized in that the area increase rate increases with increasing distance from the center from the center to the periphery.

上記の静電容量型アクチュエータにおいては、前記固定電極の形状は、第１軸と、前記第１軸に中心で直交する第２軸と、前記第１軸に中心で４５度の角度で交差する第３軸と、前記第３軸に中心で直交する第４軸とに対してそれぞれ対称な形状であることを特徴とするものとすることができる。 In the above capacitive actuator, the shape of the fixed electrode intersects the first axis, the second axis perpendicular to the first axis at the center, and the first axis at an angle of 45 degrees. Each of the third axis and the fourth axis orthogonal to the third axis at the center may have a symmetric shape.

上記の静電容量型アクチュエータにおいては、前記固定電極が、中心から周縁部に向かって形成され前記固定電極の面積を画定する曲線縁部を備え、前記曲線縁部が、ｙ＝（２/ａ^２）ｘ^ｎ（ただし、ｘは前記第１軸上における中心からの位置を示し、ｙは前記第２軸上における中心からの位置を示し、ａは中心から前記ダイヤフラムの周縁部と平面的に重なり合う部分までの最短距離を示す。）で示される曲線を形成していることを特徴とするものとすることができる。
上記の静電容量型アクチュエータにおいては、前記ｎが４または５であるものとすることができる。 In the above capacitive actuator, the fixed electrode includes a curved edge that is formed from the center toward the peripheral edge and delimits the area of the fixed electrode, and the curved edge is defined as y = (2 / a ² ) x ⁿ (where x is a position from the center on the first axis, y is a position from the center on the second axis, and a is a plane from the center to the peripheral edge of the diaphragm) The shortest distance to the overlapping part is shown.) Is formed.
In the above capacitive actuator, the n may be 4 or 5.

上記の静電容量型アクチュエータにおいては、前記ダイヤフラムが、円形であるものとすることができる。 In the above capacitive actuator, the diaphragm may be circular.

本発明の静電容量型アクチュエータの製造方法は、ダイヤフラムからなる可動電極が形成された一方の基板と、固定電極が形成された他方の基板とが、前記可動電極と前記固定電極との間に設けられたギャップを介して対向配置された構造体を備え、前記可動電極と固定電極との間に発生する静電力によって前記ダイヤフラムが変形して作動する静電容量型アクチュエータの製造方法であって、前記他方の基板上に、閉じた領域内に空隙部を有し、中心から周縁部に向かって中心部からの距離の増加に対する面積増加率が大きくなる形状を有する固定電極を形成する工程を備えることを特徴とする。 According to the method of manufacturing a capacitive actuator of the present invention, one substrate on which a movable electrode made of a diaphragm is formed and the other substrate on which a fixed electrode is formed are interposed between the movable electrode and the fixed electrode. A method of manufacturing a capacitive actuator comprising a structure disposed oppositely through a gap provided, wherein the diaphragm is deformed and operated by an electrostatic force generated between the movable electrode and the fixed electrode. A step of forming a fixed electrode on the other substrate having a gap in a closed region and having a shape in which a rate of increase in area with respect to an increase in distance from the center increases from the center toward the periphery. It is characterized by providing.

本発明によれば、固定電極が、閉じた領域内に空隙部を有する形状であり、中心から周縁部に向かって中心部からの距離の増加に対する面積増加率が大きくなる形状とされているので、圧力の変化量に対する静電容量変化量の線形性を改善することができ、静電容量の変化を高精度および高感度で検知できる静電容量型圧力センサを提供することができる。
また、本発明によれば、固定電極が、閉じた領域内に空隙部を有する形状であり、中心から周縁部に向かって中心部からの距離の増加に対する面積増加率が大きくなる形状とされているので、静電力の変化量に対するダイヤフラムの変形量の線形性を改善することができ、静電力によって精度よく作動する静電容量型アクチュエータを提供することができる。
また、本発明の静電容量型圧力センサの製造方法または静電容量型アクチュエータの製造方法によれば、ダイヤフラムに特別な加工を施すことなく線形性を改善することができるので、容易に精度良く製造でき、ダイヤフラムの加工精度に起因するバラツキを防ぐことができる。 According to the present invention, the fixed electrode has a shape having a gap in a closed region, and the area increase rate with respect to an increase in the distance from the center increases from the center toward the periphery. In addition, it is possible to provide a capacitance type pressure sensor that can improve the linearity of the capacitance change amount with respect to the pressure change amount and can detect the capacitance change with high accuracy and high sensitivity.
Further, according to the present invention, the fixed electrode has a shape having a gap in a closed region, and has a shape in which the area increase rate increases with an increase in the distance from the center from the center toward the periphery. Therefore, the linearity of the deformation amount of the diaphragm with respect to the amount of change in electrostatic force can be improved, and a capacitive actuator that operates with high accuracy by electrostatic force can be provided.
Further, according to the method for manufacturing a capacitive pressure sensor or the method for manufacturing a capacitive actuator of the present invention, the linearity can be improved without performing special processing on the diaphragm, so that it can be easily and accurately performed. It can be manufactured, and variations due to the processing accuracy of the diaphragm can be prevented.

以下、図面を用いて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
なお、本発明は以下に説明する実施の形態に限定されるものではない。また、以下の図面においては、各構成部分の縮尺について図面に表記することが容易となるように構成部分毎に縮尺を変えて記載している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
The present invention is not limited to the embodiments described below. Further, in the following drawings, the scale of each component is described in a different scale for each component so that it can be easily shown in the drawing.

「実施例１」
図１は、本発明の第１実施形態の静電容量型圧力センサを示した平面図であり、図２は、図１における線分Ａ−Ａにおける線視断面図である。図３は、図１に示す静電容量型圧力センサの固定電極の形状を説明するための平面図である。
図１および図２に示すように、本実施形態の静電容量型圧力センサ１は、シリコン基板（一方の基板）２の一部を薄くして形成された可動電極としての円形のダイヤフラム３と、固定電極４が形成された支持基板（他方の基板）５とが、ダイヤフラム３と固定電極４との間に設けられたギャップ６を介して対向配置された構造体１０を備えたものである。 "Example 1"
FIG. 1 is a plan view showing a capacitive pressure sensor according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. FIG. 3 is a plan view for explaining the shape of the fixed electrode of the capacitive pressure sensor shown in FIG.
As shown in FIGS. 1 and 2, the capacitive pressure sensor 1 of this embodiment includes a circular diaphragm 3 as a movable electrode formed by thinning a part of a silicon substrate (one substrate) 2. A support substrate (the other substrate) 5 on which the fixed electrode 4 is formed is provided with a structure 10 that is disposed so as to oppose a gap 6 provided between the diaphragm 3 and the fixed electrode 4. .

図１および図２に示すように、シリコン基板２の上面で、ダイヤフラム３が形成されていない部分には、ダイヤフラム３に電気的に接続された電極パッド７が形成されている。電極パッド７にはワイヤ２２（図１では図示略）が接続されている。
支持基板５は、耐熱ガラスから構成されている。耐熱ガラスとしては、４００℃の熱膨張係数がシリコンとほぼ等しく、後述する陽極接合後における内部応力を小さくできるパイレックス（登録商標）を用いることが望ましい。
支持基板５に形成された固定電極４は、図２に示すように、支持基板５を貫通する取出電極８を介して支持基板５の下面に形成された電極パッド９に電気的に接続されている。電極パッド９にはワイヤ２３（図１では図示略）が接続されている。ワイヤ２２、ワイヤ２３には、静電容量の変化を検知する検知手段２０（図１では図示略）に電気的に接続されている。 As shown in FIGS. 1 and 2, an electrode pad 7 electrically connected to the diaphragm 3 is formed on a portion of the upper surface of the silicon substrate 2 where the diaphragm 3 is not formed. A wire 22 (not shown in FIG. 1) is connected to the electrode pad 7.
The support substrate 5 is made of heat resistant glass. As the heat-resistant glass, it is desirable to use Pyrex (registered trademark) that has a thermal expansion coefficient of approximately 400 ° C. that is substantially equal to that of silicon and can reduce internal stress after anodic bonding described later.
As shown in FIG. 2, the fixed electrode 4 formed on the support substrate 5 is electrically connected to an electrode pad 9 formed on the lower surface of the support substrate 5 through an extraction electrode 8 penetrating the support substrate 5. Yes. A wire 23 (not shown in FIG. 1) is connected to the electrode pad 9. The wires 22 and 23 are electrically connected to detection means 20 (not shown in FIG. 1) for detecting a change in capacitance.

そして、本実施形態の静電容量型圧力センサ１では、圧力変化に対応してダイヤフラム３が弾性変形して撓むことによるギャップ６の幅ｄの変動を、ダイヤフラム３と固定電極４との間の静電容量の変化として電気的に測定することにより、圧力を検知するようになっている。 In the capacitive pressure sensor 1 of the present embodiment, the variation in the width d of the gap 6 due to the elastic deformation of the diaphragm 3 corresponding to the pressure change is caused between the diaphragm 3 and the fixed electrode 4. The pressure is detected by electrically measuring the change in the electrostatic capacity.

本実施形態においては、固定電極４は、厚さ０．１〜０．２μｍ程度のＴｉ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｗ、Ａｌ合金などの導電性金属で形成され、図３に示すように、閉じた領域内に空隙部４ｆを有する形状であり、中心４ａから周縁部４ｂに向かって中心部からの距離の増加に対する面積増加率が大きくなる形状とされている。また、図３に示す固定電極４は、ダイヤフラム３の中心と平面的に重なり合う中心４ａから周縁部４ｂに向かって形成された曲線縁部４ｃを備えている。曲線縁部４ｃは、ｙ＝（２/ａ^２）ｘ^３（ただし、ｘは第１軸１１上における中心４ａからの位置を示し、ｙは第２軸１２上における中心４ａからの位置を示し、ａは中心４ａからダイヤフラム３の周縁部３ｂと平面的に重なり合う部分までの最短距離（本実施形態におけるダイヤフラム３の半径）を示す。）で示される曲線を形成している。 In the present embodiment, the fixed electrode 4 is formed of a conductive metal such as Ti, Cr, Pt, W, or Al alloy having a thickness of about 0.1 to 0.2 μm, and is closed as shown in FIG. The shape has a gap 4f in the region, and the shape is such that the area increase rate increases with increasing distance from the center toward the peripheral edge 4b from the center 4a. The fixed electrode 4 shown in FIG. 3 includes a curved edge 4c formed from the center 4a that overlaps the center of the diaphragm 3 to the peripheral edge 4b. The curved edge portion 4c is y = (2 / a ² ) x ³ (where x represents the position from the center 4a on the first axis 11, and y represents the position from the center 4a on the second axis 12). , A forms a curve indicated by the shortest distance (the radius of the diaphragm 3 in the present embodiment) from the center 4a to the portion overlapping the peripheral edge 3b of the diaphragm 3 in plan view.

また、固定電極４は、図３に示すように、中心４ａを中心にして曲線縁部４ｃを９０度または１８０度回転させた曲線を形成する曲線縁部４ｄ、４ｄ、４ｄと、曲線縁部４ｃおよび曲線縁部４ｄを第１軸１１または第２軸１２に対して対称移動させた曲線を形成する曲線縁部４ｅ、４ｅ、４ｅ、４ｅとを備え、第１軸１１と、第１軸１１に中心４ａで直交する第２軸１２と、第１軸１１に中心４ａで４５度の角度で交差する第３軸１３と、第３軸１３に中心４ａで直交する第４軸１４とに対してそれぞれ対称な形状とされている。 Further, as shown in FIG. 3, the fixed electrode 4 includes curved edge portions 4d, 4d, and 4d that form a curve obtained by rotating the curved edge portion 4c by 90 degrees or 180 degrees around the center 4a, and a curved edge portion. 4c and curve edge 4d are provided with curve edges 4e, 4e, 4e, 4e that form a curve obtained by symmetrically moving the first axis 11 or the second axis 12, and the first axis 11 and the first axis A second axis 12 orthogonal to the center 4a at a center 4a, a third axis 13 intersecting the first axis 11 at an angle of 45 degrees at the center 4a, and a fourth axis 14 orthogonal to the third axis 13 at a center 4a. The shapes are symmetrical to each other.

ここで、曲線縁部４ｃが、ｙ＝（２/ａ^２）ｘ^３で示される曲線を形成し、固定電極４が、第１軸１１と第２軸１２と第３軸１３と第４軸１４とに対してそれぞれ対称な形状であることにより、圧力の変化量に対する静電容量変化量の線形性を改善することができる原理について図面を用いて説明する。
図４は、圧力の変化量に対する静電容量変化量の線形性を改善することができる原理を説明するため、本実施形態の静電容量型圧力センサを構成するダイヤフラム、固定電極、シリコン基板のみを示した図である。図４（ａ）は、ダイヤフラムに圧力が作用していない状態を説明するための図であり、図４（ｂ）は、ダイヤフラムに圧力が作用している状態を説明するための図である。
図４において、「ｄ」はギャップ６の幅、「ｒ」は中心４ａからの距離、「ａ」はダイヤフラム３の半径を示す。本実施形態の静電容量型圧力センサ１において、圧力Ｐが円板様に作用した場合の中心４ａから距離ｒの位置における変化量ω（ｒ）は、下記の数式で示される。

Here, the curved edge portion 4c forms a curve represented by y = (2 / a ² ) x ³ , and the fixed electrode 4 includes the first axis 11, the second axis 12, the third axis 13, and the fourth axis. The principle that the linearity of the capacitance change amount with respect to the pressure change amount can be improved with reference to the drawings.
FIG. 4 illustrates only the diaphragm, the fixed electrode, and the silicon substrate that constitute the capacitance type pressure sensor of the present embodiment in order to explain the principle that the linearity of the capacitance change amount with respect to the pressure change amount can be improved. FIG. FIG. 4A is a diagram for explaining a state in which no pressure is applied to the diaphragm, and FIG. 4B is a diagram for explaining a state in which the pressure is acting on the diaphragm.
In FIG. 4, “d” indicates the width of the gap 6, “r” indicates the distance from the center 4 a, and “a” indicates the radius of the diaphragm 3. In the capacitive pressure sensor 1 of the present embodiment, the amount of change ω (r) at the position r from the center 4a when the pressure P acts like a disk is expressed by the following mathematical formula.

上記の数式〔数１〕において、「Ｄ」はポワソン比、「Ｅ」はヤング率を示す。
また、静電容量型圧力センサ１の全容量Ｃは、下記の数式で示される。

In the above mathematical formula [Equation 1], “D” represents Poisson's ratio and “E” represents Young's modulus.
The total capacity C of the capacitive pressure sensor 1 is represented by the following mathematical formula.

上記の数式〔数２〕において、「Ｓ（ｒ）」は静電容量を形成する面積、「ε_０」は真空の誘電率、「ε_ｒ」は比誘電率、「ａ」はダイヤフラム３の半径を示す。
上記の数式〔数２〕において、圧力Ｐによって変化するギャップ６の幅ｄーω（ｒ）と圧力Ｐによって静電容量を形成する面積Ｓ（ｒ）とが、中心４ａからの距離ｒに対して同じ変化率で変化するとき、中心４ａからの距離ｒに基づく全容量Ｃの差が生じないことがわかる。また、静電容量を形成する面積Ｓ（ｒ）は、固定電極４とダイヤフラム３とが圧力Ｐによって実効的に容量結合する面積である。したがって、圧力Ｐによって変化するギャップ６の幅ｄーω（ｒ）の距離ｒに対する変化と同じ変化率で、静電容量を形成する面積Ｓ（ｒ）が距離ｒに対して変化するような固定電極４の形状とすることで、圧力Ｐの変化量に対する静電容量の変化量を線形に近づけることができる。 In the above equation (Equation 2), “S (r)” is the area for forming the capacitance, “ε ₀ ” is the dielectric constant of vacuum, “ε _r ” is the relative dielectric constant, and “a” is the diaphragm 3. Indicates the radius.
In the above formula [Equation 2], the width d-ω (r) of the gap 6 that changes with the pressure P and the area S (r) that forms the capacitance with the pressure P are relative to the distance r from the center 4a. It can be seen that there is no difference in the total capacity C based on the distance r from the center 4a. Further, the area S (r) for forming the capacitance is an area where the fixed electrode 4 and the diaphragm 3 are effectively capacitively coupled by the pressure P. Accordingly, the area S (r) that forms the capacitance changes with respect to the distance r at the same rate of change as the change with respect to the distance r of the width d-ω (r) of the gap 6 that changes with the pressure P. By adopting the shape of the electrode 4, the amount of change in capacitance with respect to the amount of change in pressure P can be made closer to a linear shape.

上記の数式〔数１〕に示されるように、ギャップ６の幅ｄの変化量ωは、距離ｒが大きくなればなるほど大きくなる。
例えば、従来の静電容量型圧力センサのように固定電極がダイヤフラムと同じ形状とされている場合、静電容量を形成する面積Ｓ（ｒ）は距離ｒにかかわらず一定であるので、上記の数式〔数２〕からわかるように、距離ｒが大きいとギャップ６の幅ｄの変化量ωが大きくなり、全容量Ｃが小さくなってしまうし、距離ｒが小さいとギャップ６の幅ｄの変化量ωが小さくなり、全容量Ｃが大きくなってしまう。 As shown in the above formula [Equation 1], the change amount ω of the width d of the gap 6 increases as the distance r increases.
For example, when the fixed electrode has the same shape as the diaphragm as in the conventional capacitance type pressure sensor, the area S (r) for forming the capacitance is constant regardless of the distance r. As can be seen from the equation [Equation 2], when the distance r is large, the change amount ω of the width d of the gap 6 becomes large and the total capacity C becomes small. The amount ω decreases and the total capacity C increases.

これに対し、固定電極４を中心４ａから周縁部４ｂに向かって同心円状に面積が増加する形状とした場合、静電容量を形成する面積Ｓ（ｒ）が距離ｒ大きくなればなるほど増加するものとなり、静電容量を形成する面積Ｓ（ｒ）の距離ｒに対する変化率が、圧力Ｐによって変化するギャップ６の幅ｄーω（ｒ）の変化率に近くなる。よって、距離ｒに基づく全容量Ｃの差を少なくすることができ、圧力Ｐの変化量に対する静電容量の変化量を線形に近づけることができ、静電容量の変化を高精度かつ高感度で検知することができる。 On the other hand, when the fixed electrode 4 has a shape in which the area increases concentrically from the center 4a toward the peripheral edge 4b, the area S (r) forming the capacitance increases as the distance r increases. Thus, the rate of change of the area S (r) forming the capacitance with respect to the distance r is close to the rate of change of the width d−ω (r) of the gap 6 that changes with the pressure P. Therefore, the difference in the total capacitance C based on the distance r can be reduced, the capacitance variation with respect to the pressure P variation can be made linear, and the capacitance variation can be performed with high accuracy and high sensitivity. Can be detected.

さらに、固定電極４の形状を、第１軸１１と第２軸１２と第３軸１３と第４軸１４とに対してそれぞれ対称な形状とすることで、固定電極４の面積が中心４ａから周縁部４ｂに向かって同心円状にバランスよく増加する形状となり、単一円周上における位置の違いによる圧力Ｐの変化量に対する静電容量の変化量のバラツキが少なく、静電容量の変化を高精度で検知できる静電容量型圧力センサとすることができる。 Furthermore, by making the shape of the fixed electrode 4 symmetrical with respect to the first axis 11, the second axis 12, the third axis 13, and the fourth axis 14, the area of the fixed electrode 4 is increased from the center 4a. The shape increases concentrically in a balanced manner toward the peripheral edge 4b, and there is little variation in the amount of change in capacitance with respect to the amount of change in pressure P due to the difference in position on a single circumference. It can be set as the capacitance type pressure sensor which can be detected with accuracy.

また、曲線縁部４ｃが、ｘのｎ次関数で表される場合の一例として、ｙ＝（２/ａ^２）ｘ^３で示される曲線を形成している場合の静電容量を形成する面積Ｓを以下に示すように求めた。
まず、ｙ＝（２/ａ^２）ｘ^３で示される曲線縁部４ｃと第１軸１１とダイヤフラム３の周縁部３ｂとに囲まれた領域の近似値として、下記の数式で示されるように、曲線縁部４ｃと距離ｒとの間の領域の面積Ｓ_１を求めた。

In addition, as an example of the case where the curved edge 4c is represented by an n-order function of x, an area for forming a capacitance when a curve represented by y = (2 / a ² ) x ³ is formed. S was determined as shown below.
First, y = a ⁽² / a ²⁾ approximation of the curve edge 4c and the area surrounded by the peripheral portion 3b of the first shaft 11 and the diaphragm 3 shown in x ^3, as shown by the following equation were determined area S ₁ of the region between the curved edge 4c and a distance r.

そして、下記の数式で示されるように、曲線縁部４ｃと距離ｒとの間の領域の面積Ｓ_１を８倍し、曲線縁部４ｃが、ｙ＝（２/ａ^２）ｘ^３で示される曲線を形成している場合の静電容量を形成する面積Ｓ_２とした。

Then, as shown in the following equation, the area _{S 1} of the region between the curved edge 4c and a distance r 8 multiplies, curved edges 4c is, y = represented by (2 / ^a 2) ^{x 3} and the area S ₂ to form an electrostatic capacity when forming a curve.

上記の数式〔数１〕〔数４〕より、ギャップ６の幅ｄの変化量ωおよび静電容量を形成する面積Ｓ_２ともに、距離ｒの４乗に依存した変化をすることがわかる。したがって、本実施形態の静電容量型圧力センサ１では、静電容量を形成する面積Ｓ（ｒ）の距離ｒに対する変化率が、例えば、固定電極をダイヤフラム３と同じ円形とした場合の静電容量を形成する面積（πｒ^２）と比較して、圧力Ｐによって変化するギャップ６の幅ｄーω（ｒ）の変化率に非常に近くなる。よって、距離ｒに基づく全容量Ｃの差を効果的に少なくすることができ、圧力Ｐの変化量に対する静電容量の変化量を効果的に線形に近づけることができる。 Above from equation [Equation 1] [Equation 4], both the area S ₂ to form the variation ω and capacitance of the width d of the gap 6, it can be seen that a change depending on the fourth power of the distance r. Therefore, in the capacitive pressure sensor 1 of the present embodiment, the rate of change with respect to the distance r of the area S (r) forming the capacitance is, for example, electrostatic when the fixed electrode has the same circular shape as the diaphragm 3. Compared with the area (πr ² ) that forms the capacitance, the change rate of the width d−ω (r) of the gap 6 that changes with the pressure P is very close. Therefore, the difference of the total capacity C based on the distance r can be effectively reduced, and the change amount of the capacitance with respect to the change amount of the pressure P can be effectively brought close to linear.

また、本実施形態の静電容量型圧力センサ１は、ダイヤフラム３が円形であるので、静電容量を形成する面積Ｓ（ｒ）および圧力Ｐによって変化するギャップ６の幅ｄーω（ｒ）の、単一円周上における位置の違いによるバラツキが少なく、静電容量の変化をより一層高精度で検知できる静電容量型圧力センサとすることができる。 Further, in the capacitance type pressure sensor 1 of the present embodiment, since the diaphragm 3 is circular, the area S (r) for forming the capacitance and the width d−ω (r) of the gap 6 that changes depending on the pressure P. Thus, it is possible to provide a capacitance type pressure sensor that is less likely to vary due to a difference in position on a single circumference and that can detect a change in capacitance with higher accuracy.

次に、図５〜図７を参照して本実施形態の静電容量型圧力センサ１の製造方法について説明する。
本実施形態の静電容量型圧力センサ１の製造方法は、シリコン基板形成工程と、支持基板形成工程と、両基板接合工程とを具備して構成されている。 Next, with reference to FIGS. 5-7, the manufacturing method of the capacitive pressure sensor 1 of this embodiment is demonstrated.
The manufacturing method of the capacitive pressure sensor 1 according to the present embodiment includes a silicon substrate forming step, a supporting substrate forming step, and a both substrate bonding step.

（シリコン基板形成工程）
まず、図５（ａ）に示すように、シリコン基板２の下面側にギャップ６を形成するための凹部２１をエッチングにより形成する。その後、シリコン基板２の両面にＳｉＯ_２膜又はＳｉ_３Ｎ_４膜からなるマスク材（図示略）を形成し、シリコン基板２の上側（ギャップ６が形成される側と反対側）のＳｉＯ_２膜又はＳｉ_３Ｎ_４膜にダイヤフラム３を形成するための開口部（図示略）を形成する。次いで、開口部内のシリコン基板２を上記ＳｉＯ_２膜又はＳｉ_３Ｎ_４膜をマスク材として用いる異方性エッチングにより所定の深さまでエッチングして厚みを薄くし、図５（ｂ）に示すように、ダイヤフラム３を形成する。 (Silicon substrate formation process)
First, as shown in FIG. 5A, a recess 21 for forming the gap 6 is formed on the lower surface side of the silicon substrate 2 by etching. Thereafter, the mask material of SiO ₂ film or _Si 3 _{N 4} film on both surfaces of the silicon substrate 2 to form a (not shown), the SiO ₂ film of the upper silicon substrate 2 (the side opposite to the gap 6 is formed) Alternatively, an opening (not shown) for forming the diaphragm 3 is formed in the Si ₃ N ₄ film. Next, the silicon substrate 2 in the opening is etched to a predetermined depth by anisotropic etching using the SiO ₂ film or the Si ₃ N ₄ film as a mask material to reduce the thickness, as shown in FIG. The diaphragm 3 is formed.

（支持基板形成工程）
まず、図６（ａ）に示すように、取出電極８を形成するためのシリコン基板８１の一部をエッチング等により加工して突起部８１ａを形成する。次に、シリコン基板８１の突起部８１ａ上に、支持基板５を重ね、軟化温度まで加熱した支持基板５をシリコン基板８１の突起部８１ａの頂部に押し付けて熱プレスを行うことにより、図６（ｂ）に示すように、支持基板５内にシリコン基板８１の突起部８１ａを挿入する。その後、突起部８１ａが挿入された支持基板５を冷却して、必要があればシリコン基板８１と支持基板５とを陽極接合する。次に、シリコン基板８１と一体化された支持基板５を両面から研磨することにより、図７に示すように、支持基板５を貫通する取出電極８を有する支持基板５が得られる。 (Support substrate formation process)
First, as shown in FIG. 6A, a part of the silicon substrate 81 for forming the extraction electrode 8 is processed by etching or the like to form a protrusion 81a. Next, the support substrate 5 is overlaid on the protrusion 81a of the silicon substrate 81, the support substrate 5 heated to the softening temperature is pressed against the top of the protrusion 81a of the silicon substrate 81, and hot pressing is performed, so that FIG. As shown in b), the protrusion 81 a of the silicon substrate 81 is inserted into the support substrate 5. Thereafter, the support substrate 5 in which the protrusions 81a are inserted is cooled, and if necessary, the silicon substrate 81 and the support substrate 5 are anodically bonded. Next, the support substrate 5 integrated with the silicon substrate 81 is polished from both sides, whereby the support substrate 5 having the extraction electrode 8 penetrating the support substrate 5 is obtained as shown in FIG.

続いて、図７に示す支持基板５の表面に固定電極４となる導電性金属膜を形成し、フォトリソグラフィ手法を用いて、図３に示す形状を有する固定電極４を形成する。 Subsequently, a conductive metal film to be the fixed electrode 4 is formed on the surface of the support substrate 5 shown in FIG. 7, and the fixed electrode 4 having the shape shown in FIG. 3 is formed using a photolithography technique.

（両基板接合工程）
このようにして得られたシリコン基板２と支持基板５とをダイヤフラム３がギャップ６を介して固定電極４と対向するように重ねて陽極接合することにより、構造体１０とする。その後、構造体１０の両面にフォトリソグラフィ手法を用いて電極パッド７、９を設け、電極パッド７、９をワイヤ２２、２３によって検知手段２０に接続することにより、図１および図２に示す静電容量型圧力センサ１が得られる。 (Both substrate bonding process)
The silicon substrate 2 and the support substrate 5 obtained in this way are overlapped and anodically bonded so that the diaphragm 3 faces the fixed electrode 4 with the gap 6 therebetween, whereby a structure 10 is obtained. Thereafter, electrode pads 7 and 9 are provided on both surfaces of the structure 10 by using a photolithography technique, and the electrode pads 7 and 9 are connected to the detection means 20 by wires 22 and 23, whereby static electricity shown in FIGS. A capacitive pressure sensor 1 is obtained.

本実施形態の静電容量型圧力センサ１の製造方法は、支持基板５上に、中心４ａから周縁部４ｂに向かって同心円状に面積が増加する形状とされている固定電極４を形成する工程を備えているので、ダイヤフラムに特別な加工を施すことなく、静電容量の変化を高精度かつ高感度で検知することができるものを製造することができる。また、本実施形態の静電容量型圧力センサ１の製造方法によれば、容易に精度良く製造でき、ダイヤフラムの加工精度に起因するバラツキを防ぐことができる。 The manufacturing method of the capacitive pressure sensor 1 of the present embodiment is a process of forming the fixed electrode 4 on the support substrate 5 that has a concentrically increasing area from the center 4a toward the peripheral edge 4b. Therefore, it is possible to manufacture a device capable of detecting a change in capacitance with high accuracy and high sensitivity without performing special processing on the diaphragm. Moreover, according to the manufacturing method of the capacitance-type pressure sensor 1 of this embodiment, it can manufacture easily with sufficient precision and can prevent the dispersion | variation resulting from the processing precision of a diaphragm.

なお、上記した実施形態において説明したように、本発明の静電容量型圧力センサでは、固定電極４を図３に示す形状とすることができるが、本発明の静電容量型圧力センサは、上述した例に限定されるものではなく、固定電極４の形状は中心から周縁部に向かって同心円状に面積が増加する形状とされていればよく、例えば、図８に示す形状や図９に示す形状とされていてもよい。なお、図８および図９において、図３と同一の部分については同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分のみ説明する。 As described in the above embodiment, in the capacitive pressure sensor of the present invention, the fixed electrode 4 can have the shape shown in FIG. 3, but the capacitive pressure sensor of the present invention The shape of the fixed electrode 4 is not limited to the above-described example, and the shape of the fixed electrode 4 may be a shape in which the area increases concentrically from the center toward the peripheral portion. For example, the shape shown in FIG. It may be the shape shown. 8 and 9, the same parts as those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, description thereof is omitted, and only different parts are described.

図８に示す固定電極２４が、図３に示す固定電極４と異なるところは、曲線縁部２４ｃが、ｙ＝ｆｘ^４（ただし、ｘは前記第１軸上における中心からの位置を示し、ｙは前記第２軸上における中心からの位置を示し、ｆは正の数を示す。）で示される曲線を形成しているところである。ｆは、容量値のシュミレーション結果から、より直線性を増すように適宜設定される。 The fixed electrode 24 shown in FIG. 8 is different from the fixed electrode 4 shown in FIG. 3 in that the curved edge 24c is y = fx ⁴ (where x indicates the position from the center on the first axis, y Indicates a position from the center on the second axis, and f indicates a positive number). f is appropriately set so as to further increase the linearity from the simulation result of the capacitance value.

図８に示す固定電極２４を備えた静電容量型圧力センサにおいても、図３に示す固定電極４を備えた静電容量型圧力センサ１と同様に、距離ｒに基づく全容量Ｃの差を少なくすることができ、圧力Ｐの変化量に対する静電容量の変化量を線形に近づけることができ、静電容量の変化を高精度かつ高感度で検知することができる。
また、曲線縁部２４ｃがｙ＝ｆｘ^４で示される曲線を形成しているので、ｎ＝３の場合よりも半径方向に対して増加する面積の割合が大きくなるため、圧力Ｐの変化量に対する静電容量の変化量を、ｎ＝３の場合よりも一層線形に近づけることができる。 Also in the capacitance type pressure sensor having the fixed electrode 24 shown in FIG. 8, as in the capacitance type pressure sensor 1 having the fixed electrode 4 shown in FIG. The amount of change in capacitance with respect to the amount of change in pressure P can be made close to linear, and the change in capacitance can be detected with high accuracy and high sensitivity.
In addition, since the curved edge 24c forms a curve indicated by y = fx ⁴ , the ratio of the area that increases in the radial direction is larger than that in the case of n = 3. The amount of change in capacitance can be made more linear than in the case of n = 3.

図９に示す固定電極３４が、図３に示す固定電極４と異なるところは、曲線縁部３４ｃが、ｙ＝ｆｘ^５（ただし、ｘは前記第１軸上における中心からの位置を示し、ｙは前記第２軸上における中心からの位置を示し、ｆは正の数を示す。）で示される曲線を形成しているところである。ｆは、容量値のシュミレーション結果から、より直線性を増すように適宜設定される。 The fixed electrode 34 shown in FIG. 9 is different from the fixed electrode 4 shown in FIG. 3 in that the curved edge 34c is y = fx ⁵ (where x indicates the position from the center on the first axis, y Indicates a position from the center on the second axis, and f indicates a positive number). f is appropriately set so as to further increase the linearity from the simulation result of the capacitance value.

図９に示す固定電極３４を備えた静電容量型圧力センサにおいても、図３に示す固定電極４を備えた静電容量型圧力センサ１と同様に、距離ｒに基づく全容量Ｃの差を少なくすることができ、圧力Ｐの変化量に対する静電容量の変化量を線形に近づけることができ、静電容量の変化を高精度かつ高感度で検知することができる。
また、曲線縁部３４ｃがｙ＝ｆｘ^５で示される曲線を形成しているので、ｎ＝３の場合よりも半径方向に対して増加する面積の割合が大きくなるため、圧力Ｐの変化量に対する静電容量の変化量を、ｎ＝３の場合よりも一層線形に近づけることができる。
ここで、例えば、ｎ＝６とすると、固定電極の面積が減少することによる感度の低下の影響が現れるため好ましくない。 Also in the capacitive pressure sensor including the fixed electrode 34 illustrated in FIG. 9, the difference in the total capacitance C based on the distance r is obtained as in the capacitive pressure sensor 1 including the fixed electrode 4 illustrated in FIG. 3. The amount of change in capacitance with respect to the amount of change in pressure P can be made close to linear, and the change in capacitance can be detected with high accuracy and high sensitivity.
Further, since the curve edge 34c forms a curve indicated by y = fx ⁵ , the ratio of the area increasing in the radial direction is larger than that in the case of n = 3, and therefore, the amount of change in the pressure P is The amount of change in capacitance can be made more linear than in the case of n = 3.
Here, for example, n = 6 is not preferable because an influence of a decrease in sensitivity due to a decrease in the area of the fixed electrode appears.

また、上記した実施形態において説明したように、本発明の静電容量型圧力センサでは、ダイヤフラムを円形とすることができるが、本発明の静電容量型圧力センサは、上述した例に限定されるものではなく、ダイヤフラムの形状は矩形とされていてもよい。 Further, as described in the above-described embodiment, in the capacitive pressure sensor of the present invention, the diaphragm can be circular, but the capacitive pressure sensor of the present invention is limited to the above-described example. However, the shape of the diaphragm may be a rectangle.

「実施例２」
次に、本発明の第２実施形態の静電容量型アクチュエータについて説明する。図１０は、本発明の第２実施形態の静電容量型アクチュエータを示した平面図である。
図１０に示す本実施形態の静電容量型アクチュエータ３５は、図２に示す静電容量型圧力センサ１と同様の構造体１０を備えたものである。なお、図１０において、図２と同一の部分については同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分のみ説明する。 "Example 2"
Next, a capacitive actuator according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 10 is a plan view showing a capacitive actuator according to the second embodiment of the present invention.
A capacitive actuator 35 of the present embodiment shown in FIG. 10 includes the structure 10 similar to the capacitive pressure sensor 1 shown in FIG. 10, the same parts as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, description thereof is omitted, and only different parts will be described.

図１０に示す本実施形態の静電容量型アクチュエータ３５が、図２に示す静電容量型圧力センサ１と同様の構造体１０と異なるところは、電極パッド７に接続されたワイヤ３１と、電極パッド９に接続されたワイヤ３３とが、構造体１０のダイヤフラム３と固定電極４との間に電圧を印可する印可手段３０に電気的に接続されているところである。 The capacitive actuator 35 of the present embodiment shown in FIG. 10 is different from the structure 10 similar to the capacitive pressure sensor 1 shown in FIG. 2 in that the wire 31 connected to the electrode pad 7 and the electrode A wire 33 connected to the pad 9 is electrically connected to an applying means 30 for applying a voltage between the diaphragm 3 and the fixed electrode 4 of the structure 10.

そして、本実施形態の静電容量型アクチュエータ３５では、ダイヤフラム３と固定電極４との間に電圧を印可すると、ダイヤフラム３と固定電極４との間に発生する静電力によって、印可された電圧に応じてダイヤフラム３が変形し、作動するようになっている。このため、本実施形態の静電容量型アクチュエータ３５では、ダイヤフラム３と固定電極４との間に発生する静電力によって変化するギャップ６の幅ｄの変化率が、第１実施形態において説明した「圧力Ｐによって変化するギャップ６の幅ｄーω（ｒ）の変化率」に相当するものとなる。 In the capacitive actuator 35 of the present embodiment, when a voltage is applied between the diaphragm 3 and the fixed electrode 4, the applied voltage is generated by the electrostatic force generated between the diaphragm 3 and the fixed electrode 4. Accordingly, the diaphragm 3 is deformed and operated. Therefore, in the capacitive actuator 35 of the present embodiment, the rate of change of the width d of the gap 6 that changes due to the electrostatic force generated between the diaphragm 3 and the fixed electrode 4 has been described in the first embodiment. This corresponds to “the rate of change of the width d−ω (r) of the gap 6 that varies with the pressure P”.

図１０に示す本実施形態の静電容量型アクチュエータ３５は、図３に示す固定電極４を備えたものであるので、静電容量を形成する面積Ｓ（ｒ）の距離ｒに対する変化率が、第１実施形態と同様にギャップ６の幅ｄの変化率に近くなる。よって、距離ｒに基づく全容量Ｃの差を少なくすることができ、静電力の変化量に対するダイヤフラムの変形量の線形性を改善することができ、静電力によって精度よく作動する静電容量型アクチュエータとすることができる。 Since the capacitive actuator 35 of the present embodiment shown in FIG. 10 includes the fixed electrode 4 shown in FIG. 3, the rate of change of the area S (r) forming the capacitance with respect to the distance r is Similar to the first embodiment, the rate of change of the width d of the gap 6 is close. Therefore, the difference of the total capacity C based on the distance r can be reduced, the linearity of the deformation amount of the diaphragm with respect to the change amount of the electrostatic force can be improved, and the capacitive actuator that operates accurately by the electrostatic force It can be.

次に、本実施形態の静電容量型アクチュエータ３５の製造方法について説明する。
本実施形態の静電容量型アクチュエータ３５の製造方法は、シリコン基板形成工程と、支持基板形成工程と、両基板接合工程とを具備して構成されている。
本実施形態の静電容量型アクチュエータ３５は、上述したように、図２に示す静電容量型圧力センサ１と同様の構造体１０を備えたものであるため、構造体１０の製造方法についての説明を省略し、異なる部分のみ説明する。 Next, a manufacturing method of the capacitive actuator 35 of this embodiment will be described.
The manufacturing method of the capacitive actuator 35 of the present embodiment includes a silicon substrate forming step, a supporting substrate forming step, and a both substrate bonding step.
Since the capacitive actuator 35 of the present embodiment includes the structure 10 similar to the capacitive pressure sensor 1 shown in FIG. 2 as described above, the method for manufacturing the structure 10 is described below. Description is omitted and only different parts are described.

すなわち、本実施形態の静電容量型アクチュエータ３５を製造するには、上述した図２に示す静電容量型圧力センサ１を製造する場合と同様にして構造体１０を形成し、その後、構造体１０の両面にフォトリソグラフィ手法を用いて電極パッド７、９を設け、電極パッド７、９をワイヤ３１、３３によって印可手段３０に接続することにより、静電容量型アクチュエータ３５が得られる。 That is, in order to manufacture the capacitive actuator 35 of this embodiment, the structure 10 is formed in the same manner as the case of manufacturing the capacitive pressure sensor 1 shown in FIG. Electrode pads 7 and 9 are provided on both surfaces of the substrate 10 using a photolithography technique, and the electrode pads 7 and 9 are connected to the applying means 30 by wires 31 and 33, whereby a capacitive actuator 35 is obtained.

本実施形態の静電容量型アクチュエータ３５の製造方法は、支持基板５上に、中心４ａから周縁部４ｂに向かって同心円状に面積が増加する形状とされている固定電極４を形成する工程を備えているので、ダイヤフラムに特別な加工を施すことなく、静電力の変化量に対するダイヤフラムの変形量の線形性を改善することができ、静電力によって精度よく作動するものを製造することができる。また、本実施形態の静電容量型アクチュエータ３５の製造方法によれば、容易に精度良く製造でき、ダイヤフラムの加工精度に起因するバラツキを防ぐことができる。 The method for manufacturing the capacitive actuator 35 according to the present embodiment includes a step of forming the fixed electrode 4 on the support substrate 5 that has a concentrically increasing area from the center 4a toward the peripheral edge 4b. Since it is provided, the linearity of the deformation amount of the diaphragm with respect to the change amount of the electrostatic force can be improved without performing any special processing on the diaphragm, and the one that operates with high accuracy by the electrostatic force can be manufactured. Moreover, according to the manufacturing method of the capacitive actuator 35 of this embodiment, it can manufacture easily and accurately and can prevent the dispersion | variation resulting from the process precision of a diaphragm.

（実施例１）
図５（ａ）に示すように、厚さ３００μｍ、直径１００ｍｍの低抵抗（０．００３〜０．０３Ω・ｃｍ）ｐ型シリコン基板２に、ギャップ６を形成するための直径１５００μｍ、厚さ１μｍの凹部２１をエッチングにより形成し、図５（ｂ）に示すように、直径１２００μｍ、厚さ５０μｍのダイヤフラム３をエッチングにより形成した。
次に、図６（ａ）に示すように、厚さ３００μｍ、直径１００ｍｍの低抵抗（０．００３〜０．０３Ω・ｃｍ）ｐ型シリコン基板８１の一部をエッチングにより加工して突起部８１ａを形成し、シリコン基板８１の突起部８１ａ上に、パイレックス（登録商標）からなる厚さ３００μｍ、直径１００ｍｍの支持基板５を重ね、熱プレス機を用いて、温度６９０℃、速度０．０２ｍｍ／ｍｉｍの条件で熱プレスを行うことにより、図６（ｂ）に示すように、支持基板５内にシリコン基板８１の突起部８１ａを挿入した。その後、突起部８１ａが挿入された支持基板５を冷却して、シリコン基板８１と支持基板５とを陽極接合し、シリコン基板８１と一体化された支持基板５を両面から研磨することにより、図７に示す支持基板５を貫通する取出電極８を有する支持基板５を形成した。続いて、図７に示す支持基板５の表面に固定電極４となる厚さ０．１μｍの導電性金属膜を形成し、フォトリソグラフィ手法を用いて、中心４ａから周縁部４ｂまでの距離が１２００μｍの図３に示す形状を有する固定電極４を形成した。 Example 1
As shown in FIG. 5A, a diameter of 1500 μm and a thickness of 1 μm for forming a gap 6 on a low resistance (0.003 to 0.03 Ω · cm) p-type silicon substrate 2 having a thickness of 300 μm and a diameter of 100 mm. The recess 21 was formed by etching, and as shown in FIG. 5B, the diaphragm 3 having a diameter of 1200 μm and a thickness of 50 μm was formed by etching.
Next, as shown in FIG. 6A, a part of a low resistance (0.003 to 0.03 Ω · cm) p-type silicon substrate 81 having a thickness of 300 μm and a diameter of 100 mm is processed by etching to form a protrusion 81a. A support substrate 5 made of Pyrex (registered trademark) having a thickness of 300 μm and a diameter of 100 mm is stacked on the protrusion 81a of the silicon substrate 81, and a temperature of 690 ° C. and a speed of 0.02 mm / By performing hot pressing under the mim condition, the protrusion 81a of the silicon substrate 81 was inserted into the support substrate 5 as shown in FIG. Thereafter, the support substrate 5 in which the protrusions 81a are inserted is cooled, the silicon substrate 81 and the support substrate 5 are anodically bonded, and the support substrate 5 integrated with the silicon substrate 81 is polished from both sides. The support substrate 5 having the extraction electrode 8 penetrating the support substrate 5 shown in FIG. Subsequently, a conductive metal film having a thickness of 0.1 μm to be the fixed electrode 4 is formed on the surface of the support substrate 5 shown in FIG. 7, and the distance from the center 4a to the peripheral portion 4b is 1200 μm using a photolithography technique. The fixed electrode 4 having the shape shown in FIG. 3 was formed.

続いて、シリコン基板２と支持基板５とをダイヤフラム３がギャップ６を介して固定電極４と対向するように重ねて陽極接合し、フォトリソグラフィ手法を用いて両面に電極パッド７、９を設け、電極パッド７、９をワイヤ２２、２３によって検知手段２０に接続することにより、図１および図２に示す静電容量型圧力センサ１を作製した。 Subsequently, the silicon substrate 2 and the support substrate 5 are overlapped and anodically bonded so that the diaphragm 3 faces the fixed electrode 4 with the gap 6 interposed therebetween, and electrode pads 7 and 9 are provided on both surfaces using a photolithography technique, By connecting the electrode pads 7 and 9 to the detection means 20 by the wires 22 and 23, the capacitive pressure sensor 1 shown in FIGS. 1 and 2 was produced.

（実施例２）
固定電極を図８に示す形状としたこと以外は、実施例１と同様の静電容量型圧力センサを作製した。
（実施例３）
固定電極を図９に示す形状としたこと以外は、実施例１と同様の静電容量型圧力センサを作製した。
（従来例１）
固定電極を直径１２００μｍの円形としたこと以外は、実施例１と同様の静電容量型圧力センサを作製した。 (Example 2)
A capacitance type pressure sensor similar to that of Example 1 was produced except that the fixed electrode had the shape shown in FIG.
(Example 3)
A capacitance type pressure sensor similar to that of Example 1 was produced except that the fixed electrode had the shape shown in FIG.
(Conventional example 1)
A capacitance type pressure sensor similar to that of Example 1 was produced except that the fixed electrode was a circle having a diameter of 1200 μm.

実施例1〜実施例３および従来例１の静電容量型圧力センサにそれぞれ０ｋＰａ〜６００ｋＰａの圧力をかけたときの圧力（ｋＰａ）と容量（ｐＦ）の関係を図１１に示す。
図１１に示す結果から実施例１〜実施例３の静電容量型圧力センサは、従来例１の静電容量型圧力センサと比較して線形性が改善されていることがわかる。 FIG. 11 shows the relationship between pressure (kPa) and capacitance (pF) when a pressure of 0 kPa to 600 kPa is applied to the capacitance type pressure sensors of Examples 1 to 3 and Conventional Example 1, respectively.
From the results shown in FIG. 11, it can be seen that the capacitance type pressure sensors of Examples 1 to 3 have improved linearity compared to the capacitance type pressure sensor of Conventional Example 1.

図１は、本発明の第１実施形態の静電容量型圧力センサを示した平面図である。FIG. 1 is a plan view showing a capacitive pressure sensor according to a first embodiment of the present invention. 図２は、図１における線分Ａ−Ａにおける線視断面図である。2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 図３は、図１に示す静電容量型圧力センサの固定電極の形状を説明するための平面図である。FIG. 3 is a plan view for explaining the shape of the fixed electrode of the capacitive pressure sensor shown in FIG. 図４は、圧力の変化量に対する静電容量変化量の線形性を改善することができる原理について説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining the principle that can improve the linearity of the capacitance change amount with respect to the pressure change amount. 図５は、図１に示す静電容量型圧力センサの製造方法を説明するための図である。FIG. 5 is a diagram for explaining a method of manufacturing the capacitive pressure sensor shown in FIG. 図６は、図１に示す静電容量型圧力センサの製造方法を説明するための図である。FIG. 6 is a diagram for explaining a method of manufacturing the capacitive pressure sensor shown in FIG. 図７は、図１に示す静電容量型圧力センサの製造方法を説明するための図である。FIG. 7 is a diagram for explaining a method of manufacturing the capacitive pressure sensor shown in FIG. 図８は、固定電極の形状の他の例を説明するための平面図である。FIG. 8 is a plan view for explaining another example of the shape of the fixed electrode. 図９は、固定電極の形状の他の例を説明するための平面図である。FIG. 9 is a plan view for explaining another example of the shape of the fixed electrode. 図１０は、本発明の第２実施形態の静電容量型アクチュエータを示した平面図である。FIG. 10 is a plan view showing a capacitive actuator according to the second embodiment of the present invention. 図１１は、静電容量型圧力センサに０ｋＰａ〜６００ｋＰａの圧力をかけたときの圧力（ｋＰａ）と容量（ｐＦ）の関係を示したグラフである。FIG. 11 is a graph showing the relationship between pressure (kPa) and capacitance (pF) when a pressure of 0 kPa to 600 kPa is applied to the capacitive pressure sensor.

符号の説明Explanation of symbols

１・・・静電容量型圧力センサ、２・・・シリコン基板（一方の基板）、３・・・ダイヤフラム、３ｂ・・・周縁部、４、２４、３４・・・固定電極、４ａ・・・中心、４ｂ・・・周縁部、４ｃ、４ｄ、４ｅ、２４ｃ、３４ｃ・・・曲線縁部、４・・・固定電極、５・・・支持基板（他方の基板）、６・・・ギャップ、７、９・・・電極パッド、８・・・取出電極、１０・・・構造体、１１・・・第１軸、１２・・・第２軸、１３・・・第３軸、１４・・・第４軸、２０・・・検知手段、２１・・・凹部、３０・・・印可手段、２２、２３、３１、３３・・・ワイヤ、３５・・・静電容量型アクチュエータ、８１・・・シリコン基板、８１ａ・・・突起部

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Capacitance type pressure sensor, 2 ... Silicon substrate (one board | substrate), 3 ... Diaphragm, 3b ... Peripheral part 4, 24, 34 ... Fixed electrode, 4a ... Center, 4b ... peripheral edge part, 4c, 4d, 4e, 24c, 34c ... curved edge part, 4 ... fixed electrode, 5 ... support substrate (the other substrate), 6 ... gap 7, 9 ... Electrode pads, 8 ... Extraction electrodes, 10 ... Structure, 11 ... First axis, 12 ... Second axis, 13 ... Third axis, 14. .. 4th axis, 20... Detecting means, 21. ..Silicon substrate, 81a ... projection

Claims

ダイヤフラムからなる可動電極が形成された一方の基板と、固定電極が形成された他方の基板とが、前記可動電極と前記固定電極との間に設けられたギャップを介して対向配置された構造体を備え、圧力によって前記ダイヤフラムが変形することによる前記可動電極と固定電極との間の静電容量の変化を検知する静電容量型圧力センサであって、
前記固定電極が、閉じた領域内に空隙部を有する形状であり、中心から周縁部に向かって中心部からの距離の増加に対する面積増加率が大きくなる形状とされていることを特徴とする静電容量型圧力センサ。 A structure in which one substrate on which a movable electrode made of a diaphragm is formed and the other substrate on which a fixed electrode is formed are arranged to face each other via a gap provided between the movable electrode and the fixed electrode A capacitance type pressure sensor that detects a change in capacitance between the movable electrode and the fixed electrode due to deformation of the diaphragm by pressure,
The stationary electrode has a shape having a gap in a closed region, and has a shape in which an area increase rate increases with an increase in distance from the center from the center toward the periphery. Capacitive pressure sensor.

前記固定電極の形状は、第１軸と、前記第１軸に中心で直交する第２軸と、前記第１軸に中心で４５度の角度で交差する第３軸と、前記第３軸に中心で直交する第４軸とに対してそれぞれ対称な形状であることを特徴とする請求項１記載の静電容量型圧力センサ。 The shape of the fixed electrode includes a first axis, a second axis perpendicular to the first axis at the center, a third axis intersecting the first axis at an angle of 45 degrees, and the third axis. 2. The capacitive pressure sensor according to claim 1, wherein each of the capacitive pressure sensors is symmetrical with respect to a fourth axis orthogonal to the center.

前記固定電極が、中心から周縁部に向かって形成され前記固定電極の面積を画定する曲線縁部を備え、
前記曲線縁部が、ｙ＝（２/ａ^２）ｘ^ｎ（ただし、ｘは前記第１軸上における中心からの位置を示し、ｙは前記第２軸上における中心からの位置を示し、ａは中心から前記ダイヤフラムの周縁部と平面的に重なり合う部分までの最短距離をを示す。）で示される曲線を形成していることを特徴とする請求項２記載の静電容量型圧力センサ。 The fixed electrode includes a curved edge formed from a center toward a peripheral edge and defining an area of the fixed electrode;
The curved edge is y = (2 / a ² ) x ⁿ (where x is a position from the center on the first axis, y is a position from the center on the second axis, and a 3 shows a shortest distance from the center to a portion overlapping the peripheral edge of the diaphragm in plan view.) The capacitance type pressure sensor according to claim 2, wherein:

前記ｎが４または５であることを特徴とする請求項３記載の静電容量型圧力センサ。 4. The capacitive pressure sensor according to claim 3, wherein n is 4 or 5.

前記ダイヤフラムが、円形であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の静電容量型圧力センサ。 The capacitive pressure sensor according to claim 1, wherein the diaphragm is circular.

ダイヤフラムからなる可動電極が形成された一方の基板と、固定電極が形成された他方の基板とが、前記可動電極と前記固定電極との間に設けられたギャップを介して対向配置された構造体を備え、圧力によって前記ダイヤフラムが変形することによる前記可動電極と固定電極との間の静電容量の変化を検知する静電容量型圧力センサの製造方法であって、
前記他方の基板上に、閉じた領域内に空隙部を有し、中心から周縁部に向かって中心部からの距離の増加に対する面積増加率が大きくなる形状を有する固定電極を形成する工程を備えることを特徴とする静電容量型圧力センサの製造方法。 A structure in which one substrate on which a movable electrode made of a diaphragm is formed and the other substrate on which a fixed electrode is formed are arranged to face each other via a gap provided between the movable electrode and the fixed electrode A method of manufacturing a capacitance-type pressure sensor that detects a change in capacitance between the movable electrode and the fixed electrode due to deformation of the diaphragm by pressure,
Forming a fixed electrode on the other substrate having a gap in a closed region and having a shape in which an area increase rate increases with increasing distance from the center from the center toward the periphery; A method of manufacturing a capacitance type pressure sensor.

ダイヤフラムからなる可動電極が形成された一方の基板と、固定電極が形成された他方の基板とが、前記可動電極と前記固定電極との間に設けられたギャップを介して対向配置された構造体を備え、前記可動電極と固定電極との間に発生する静電力によって前記ダイヤフラムが変形して作動する静電容量型アクチュエータであって、
前記固定電極は、閉じた領域内に空隙部を有する形状であり、中心部から周縁部に向かって中心部からの距離の増加に対する面積増加率が大きくなる形状とされていることを特徴とする静電容量型アクチュエータ。 A structure in which one substrate on which a movable electrode made of a diaphragm is formed and the other substrate on which a fixed electrode is formed are arranged to face each other via a gap provided between the movable electrode and the fixed electrode A capacitive actuator that operates by deforming the diaphragm by an electrostatic force generated between the movable electrode and the fixed electrode,
The fixed electrode has a shape having a gap in a closed region, and has a shape in which an area increase rate increases with an increase in distance from the center from the center toward the periphery. Capacitive actuator.

前記固定電極の形状は、第１軸と、前記第１軸に中心で直交する第２軸と、前記第１軸に中心で４５度の角度で交差する第３軸と、前記第３軸に中心で直交する第４軸とに対してそれぞれ対称な形状であることを特徴とする請求項７記載の静電容量型アクチュエータ。 The shape of the fixed electrode includes a first axis, a second axis perpendicular to the first axis at the center, a third axis intersecting the first axis at an angle of 45 degrees, and the third axis. 8. The capacitive actuator according to claim 7, wherein each of the capacitive actuators is symmetrical with respect to a fourth axis orthogonal to the center.

前記固定電極が、中心から周縁部に向かって形成され前記固定電極の面積を画定する曲線縁部を備え、
前記曲線縁部が、ｙ＝（２/ａ^２）ｘ^ｎ（ただし、ｘは前記第１軸上における中心からの位置を示し、ｙは前記第２軸上における中心からの位置を示し、ａは中心から前記ダイヤフラムの周縁部と平面的に重なり合う部分までの最短距離を
を示す。）で示される曲線を形成していることを特徴とする請求項８記載の静電容量型アクチュエータ。 The fixed electrode includes a curved edge formed from a center toward a peripheral edge and defining an area of the fixed electrode;
The curved edge is y = (2 / a ² ) x ⁿ (where x is a position from the center on the first axis, y is a position from the center on the second axis, and a 9 shows a shortest distance from the center to a portion overlapping the peripheral edge of the diaphragm in plan view.

前記ｎが４または５であることを特徴とする請求項９記載の静電容量型アクチュエータ。 10. The capacitive actuator according to claim 9, wherein n is 4 or 5.

前記ダイヤフラムが、円形であることを特徴とする請求項７〜請求項１０のいずれかに記載の静電容量型アクチュエータ。 The capacitive actuator according to any one of claims 7 to 10, wherein the diaphragm is circular.

ダイヤフラムからなる可動電極が形成された一方の基板と、固定電極が形成された他方の基板とが、前記可動電極と前記固定電極との間に設けられたギャップを介して対向配置された構造体を備え、前記可動電極と固定電極との間に発生する静電力によって前記ダイヤフラムが変形して作動する静電容量型アクチュエータの製造方法であって、
前記他方の基板上に、閉じた領域内に空隙部を有し、中心から周縁部に向かって中心部からの距離の増加に対する面積増加率が大きくなる形状を有する固定電極を形成する工程を備えることを特徴とする静電容量型アクチュエータの製造方法。

A structure in which one substrate on which a movable electrode made of a diaphragm is formed and the other substrate on which a fixed electrode is formed are arranged to face each other via a gap provided between the movable electrode and the fixed electrode A method of manufacturing a capacitive actuator in which the diaphragm is deformed and operated by an electrostatic force generated between the movable electrode and the fixed electrode,
Forming a fixed electrode on the other substrate having a gap in a closed region and having a shape in which an area increase rate increases with increasing distance from the center from the center toward the periphery; A method of manufacturing a capacitive actuator characterized by the above.