JP2007024633A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】共晶接合を行う際に発生する接合不良を解決する静電容量型圧力センサを提供する。
【解決手段】絶縁材料から成る固定基板３と、固定基板の上面中央部に順次積層されたＡｕ固定電極膜４及び誘電体膜５と、該固定基板の上面外周縁に積層されたＡｕ接合膜２３ａと、誘電体膜と対向する位置に薄肉部２１を備えるとともにＡｕ接合膜２３ａと対向する位置にＡｕ接合膜６ａを備え、Ａｕ接合膜２３ａとの間をＡｕ−Ｓｎ接合膜２３ｃを介して溶融接合される可動基板２１と、該薄肉部の少なくとも一部に形成され且つ固定電極膜と対向する位置関係にある可動電極膜２２と、を備え、該可動電極膜と該誘電体膜との間に微小ギャップの気密空間Ｓを備えた圧力センサ１において、固定基板側のＡｕ接合膜面、或いは可動基板側のＡｕ接合膜面にバリアメタルとしてのＮｉ接合膜２３ｂを介在させて、可動基板側或いは固定基板側のＡｕ接合膜と溶融接合させた。
【選択図】図１

Description

本発明は、水晶基板等の圧電基板上に電極パターンを形成した圧電振動素子を用いた静電容量型圧力センサの改良に関し、特に軸方向に圧力を加えることによって共振周波数が変化する圧電振動素子を用いた圧力センサに関する。

水圧計、気圧計、差圧計等、流体の圧力を測定するための静電容量型圧力センサは、圧力が小さい段階では速やかに撓み変形する一方で、高圧力の状態では徐々に撓むように薄肉部（ダイヤフラム）を構成することによって圧力感度特性の直線性を向上させるように構成されている。
この種の静電容量型圧力センサとしては、検知素子として水晶振動素子を使用したタイプが知られている。水晶振動素子は、板状の水晶基板上に電極パターンを形成した構成を備え、その軸方向に圧力が加わった際に共振周波数が変化する性質を利用して圧力の変化を検出するようにしたのが圧力センサである。
水晶振動素子を用いた静電容量型圧力センサにあっては、印加した圧力にほぼ比例（２次曲線）して共振周波数が変化するため、周波数変化量と印加圧力との関係を２次方程式を用いて補正することによって、高精度の圧力測定が可能となる。

図４（ａ）及び（ｂ）は従来の静電容量型圧力センサの接合前と接合後における接合部構造を示す断面図である。
この静電容量型圧力センサ１００は、絶縁材料から成る固定基板１０１と、固定基板１０１の上面中央部に順次積層されたＡｕ固定電極膜１０２及び誘電体膜１０３と、固定基板の上面外周縁に順次積層されてＡｕ固定電極膜１０２と導通したＡｕ接合膜１０４と、誘電体膜１０３と対向する位置に薄肉部１１１を備えるとともに固定基板のＡｕ接合膜１０４と対向する位置にＡｕ接合膜１１２を備え、固定基板側のＡｕ接合膜１０４との間をＡｕ−Ｓｎ接合膜（組成比 Ａｕ：Ｓｎ＝８：２）１２０を介して共晶接合される可動基板１１０と、薄肉部１１１下面の少なくとも一部に形成されると共に固定電極膜１０２と対向する位置関係にあり且つＡｕ接合膜１１２と導通した可動電極膜１０５と、を備え、可動電極膜１０５と誘電体膜１０３との間に微小ギャップの気密空間Ｓと、を備えている。
各電極膜、接合膜は、スパッタリング、又は真空蒸着により形成される。Ａｕ−Ｓｎ接合膜１２０は、固定基板１０１、或いは可動基板１１０の何れか一方、又は両方のＡｕ接合膜上に予め形成される。
図４（ａ）に示した如き構成を備えた可動基板１１０を固定基板１０１上に接合する際には、可動基板１１０側のＡｕ接合膜１１２の下面に予め接合されたＡｕ−Ｓｎ接合膜１２０を、固定基板１０１側のＡｕ接合膜１０４上に載置した状態で加圧しながら加熱することによってＡｕ−Ｓｎ接合膜１２０を溶解させることにより、Ａｕ−Ｓｎ接合膜１２０とＡｕ接合膜１０４との間で共晶接合が行われる。
特に、この圧力センサがタッチモード式であれば、気密空間Ｓの間隙を狭く構成する必要があるため、Ａｕ−Ｓｎ接合膜１２０を１μｍ以下に薄くする必要がある。

一般にこのような共晶接合は、数μｍ以上の厚膜のＡｕ−Ｓｎ接合膜を用いて行われることによって理想的な接合状態を得ることができるが、１μｍ以下の薄膜のＡｕ−Ｓｎ接合膜を用いて行った場合にはＡｕ−Ｓｎ接合膜の組成比最適状態（Ａｕ：Ｓｎ＝８：２）が崩れやすく、接合強度が不安定化し易かった。その原因は、可動基板１１０上においてＡｕ−Ｓｎ接合膜１２０をＡｕ接合膜１１２に接合する際に、両接合膜が反応（共晶接合）して混ざり合い、組成比がＡｕリッチのＡｕ−Ｓｎ接合膜１２０が形成されるために、固定基板１０１側のＡｕ接合膜１０４との間の接合力が低下するためである。
実開昭６３−１７５８３３号公報

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、静電容量型圧力センサにおいて、固定基板と可動基板側に夫々形成されたＡｕ接合膜同志を接合するに際して、厚さ１μｍ以下の薄いＡｕ−Ｓｎ接合膜を介在させた共晶接合を行う際に発生する接合不良を解決することができる圧力センサを提供することを目的としている。

上記課題を達成するため、請求項１の発明は絶縁材料から成る固定基板と、該固定基板の上面に順次積層されたＡｕ固定電極膜及び誘電体膜と、該固定基板の上面外周縁に沿って積層されたＡｕ接合膜と、前記誘電体膜と対向する位置に薄肉部を備えるとともに前記固定基板のＡｕ接合膜と対向する位置にＡｕ接合膜を備え、前記固定基板側のＡｕ接合膜との間をＡｕ−Ｓｎ接合膜を介して溶融接合される可動基板と、該薄肉部の下面に形成され且つ前記固定電極膜及び誘電体膜と対向する位置関係にある可動電極膜と、を備え、該可動電極膜と該誘電体膜との間に微小ギャップの気密空間を備えた静電容量型圧力センサにおいて、前記固定基板側のＡｕ接合膜面、或いは可動基板側のＡｕ接合膜面の少なくとも一方に備えたＮｉ接合膜を介して、両Ａｕ接合膜間を接合させた構造を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、静電容量型圧力センサにおいて、固定基板と可動基板側に夫々形成されたＡｕ接合膜同志を接合するに際して、バリアメタルとしてＮｉ膜、或いはＳｎ膜を介在させるようにしたので、厚さ１μｍ以下の薄いＡｕ−Ｓｎ接合膜を介在させた共晶接合を行う際に発生する接合不良を解決することができる。

以下、本発明を図面に示した実施の形態により詳細に説明する。
図１（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る静電容量型圧力センサの組付け前の構成を示す断面図、及び組付け状態を示す断面図である。
この静電容量型圧力センサ（以下、圧力センサ、という）１は、例えば自動車等の車両のタイヤ内の適所に図示しないトランスポンダーに組み付けられた状態で固定配置されて使用される。トランスポンダーは、アンテナコイルを備え、車両側のアンテナから出力された電磁波によってアンテナコイルに誘起される電流によって圧力センサ回路を作動させ、測定された圧力情報を電磁波として車両側へ出力する。タイヤ内の空気圧は、圧力センサ１の薄肉部（ダイヤフラム）に加わり、真空に設定された気密空間Ｓ内の圧力を越えた圧力が加わった場合に薄肉部２１ａを撓み変形させる。
この圧力センサ１は、基台２と、基台との間に気密空所Ｓを介在させて接合された検出素子２０と、から概略構成されている。
基台２は、水晶等の絶縁材料から成る固定基板（絶縁板）３と、固定基板３の上面中央部にスパッタリング、蒸着等によって成膜されたＡｕ（金）固定電極膜４と、Ａｕ固定電極膜４上に被覆形成された誘電体膜５と、固定基板３の上面外周縁にスパッタリング、蒸着等によって積層された接合金属膜６と、を備えている。接合金属膜６は、Ａｕ接合膜６ａから成る。接合金属膜６は、Ａｕ固定電極膜４と導通している。また、接合金属膜６は図示しない引出し電極を介して外部回路と接続されている。

検出素子２０は、水晶、シリコン等から成り誘電体膜５と対向する位置に薄肉部２１ａを備えた可動基板２１と、薄肉部２１ａの下面に形成されて誘電体膜５と所定の微小ギャップを介して対向配置されたＡｕ可動電極膜２２と、Ａｕ接合膜６ａと対向する可動基板２１下面に形成された接合金属膜２３と、を備えている。接合金属膜２３は、可動基板２１の下面にＡｕ接合金属膜２３ａ、バリアメタルとしてのＮｉ（ニッケル）接合膜２３ｂ、及びＡｕ−Ｓｎ（金錫）接合膜２３ｃを順次積層した構成を備えている。
Ａｕ接合金属膜２３ａは、Ａｕ可動電極膜２２と導通している。
基台２上に検出素子２０を接合する際には、接合金属膜６上に接合金属膜２３を当接させた状態で加圧、加熱することにより、固定基板側のＡｕ接合膜６ａとの間をＡｕ−Ｓｎ接合膜２３ｃを介して共晶接合させる。各接合金属膜をスペーサとすることにより基台２上面と検出素子２０下面との間には気密空間Ｓが形成される。
本発明においては、可動基板側のＡｕ接合金属膜２３ａ面にバリアメタルとしてのＮｉ接合膜２３ｂを積層して、固定基板側のＡｕ接合膜６ａと溶融接合（共晶接合）させたので、Ａｕ接合金属膜２３ａを１μｍ以下の薄い膜厚とした場合においても、可動基板２１上においてＡｕ−Ｓｎ接合膜２３ｃをＡｕ接合金属膜２３ａに接合する際に、両接合膜が反応（共晶接合）して混ざり合い、組成比がＡｕリッチのＡｕ−Ｓｎ接合膜が形成されることがなくなり、固定基板３側のＡｕ接合膜６ａとの間の接合力が低下することがなくなる。
なお、上記実施形態では検出素子２０側の接合金属膜２３をＡｕ接合金属膜２３ａ、Ｎｉ接合膜２３ｂ、Ａｕ−Ｓｎ接合膜２３ｃにて構成したが、これとは逆に基台２側の接合金属膜６上にＮｉ接合膜を介してＡｕ−Ｓｎ接合膜を予め形成してもよい。或いは、基台２と検出素子２０の双方の接合金属膜６、２３を、Ａｕ接合膜、Ｎｉ接合膜、Ａｕ−Ｓｎ接合膜の積層体にて構成するようにしてもよい。

次に、図２は本発明の圧力センサの製造工程の説明図である。
まず、図２（ａ）の基板エッチング工程では、固定基板３と、可動基板２１を夫々所要の形状にエッチングする。固定基板３については上面中央部に凹所３ａを形成する。可動基板２１については、その中央部に薄肉部２１ａが形成されるようにエッチングを実施する。
図２（ｂ）のＡｕ電極形成工程では、スパッタリング、蒸着等により固定基板３の上面凹所３ａ内にＡｕ固定電極膜４を形成すると同時に、固定基板上面外周縁３ｂにはＡｕ固定電極４と導通するようにＡｕ接合膜６ａを成膜する。更に、可動基板２１の下面中央部にスパッタリング、蒸着等によりＡｕ可動電極膜２２を形成すると共に、可動基板下面外周縁にはＡｕ接合膜２３ａを形成する。
図２（ｃ）のＮｉバリアメタル形成工程では、可動基板下面のＡｕ接合膜２３ａの下面にＮｉ接合膜２３ｂを形成する。
図２（ｄ）の工程では、固定基板３に対して固定電極４上に誘電体膜５を形成することにより基台２を完成し、可動基板２１のＮｉ接合膜２３ｂの下面にＡｕ−Ｓｎ接合膜２３ｃを形成することにより検出素子２０を完成する。
図２（ｃ）の基板接合工程で、基台２上に検出素子２０を重ね合わせ、接合膜６ａ、２３同志を溶融接合させることにより、圧力センサ１を完成する。
上記各実施形態において説明した圧力センサは、水圧センサ（水深センサ）、気圧センサ、差圧センサ等に適用することができる。

（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る圧力センサの組付け前の状態を示す断面図、及び組付け後の状態を示す断面図である。 （ａ）乃至（ｅ）は本発明の圧力センサの製造工程の説明図である。 （ａ）及び（ｂ）は、従来の圧力センサの組付け前の状態を示す断面図、及び組付け後の状態を示す断面図である。

符号の説明

１…圧力センサ、２…基台、３…固定基板、３ａ…凹所、３ａ…上面凹所、４…Ａｕ固定電極膜、５…誘電体膜、６…接合金属膜、６ａ…Ａｕ接合膜、６ａ…Ａｕ接合膜、２０…検出素子、２１…可動基板、２１ａ…薄肉部、２２…Ａｕ可動電極膜、２３…接合金属膜、２３ａ…Ａｕ接合膜、２３ｂ…Ｎｉ接合膜、２３ｃ…Ａｕ−Ｓｎ接合膜。

Claims (1)

1. 絶縁材料から成る固定基板と、該固定基板の上面に順次積層されたＡｕ固定電極膜及び誘電体膜と、該固定基板の上面外周縁に沿って積層されたＡｕ接合膜と、
   前記誘電体膜と対向する位置に薄肉部を備えるとともに前記固定基板のＡｕ接合膜と対向する位置にＡｕ接合膜を備え、前記固定基板側のＡｕ接合膜との間をＡｕ−Ｓｎ接合膜を介して溶融接合される可動基板と、該薄肉部の下面に形成され且つ前記固定電極膜及び誘電体膜と対向する位置関係にある可動電極膜と、を備え、該可動電極膜と該誘電体膜との間に微小ギャップの気密空間を備えた静電容量型圧力センサにおいて、
   前記固定基板側のＡｕ接合膜面、或いは可動基板側のＡｕ接合膜面の少なくとも一方に備えたＮｉ接合膜を介して、両Ａｕ接合膜間を接合させた構造を備えていることを特徴とする圧力センサ。

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