JP2006200980A - 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 - Google Patents

Abstract

【課題】 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。
【解決手段】 ダイヤフラム３からなる可動電極が形成された一方の基板２と、固定電極４が形成された他方の基板５とが、可動電極と固定電極４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、前記ダイヤフラム３が圧力によって変形することによる可動電極と固定電極４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、固定電極４が、閉じた領域内に空隙部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静電容量型圧力センサ１とする。
【選択図】 図２

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

「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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

（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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

「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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

（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。

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。

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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。

符号の説明

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

Claims (12)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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。
    
    

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