JP2008076106A - Servo-type pressure sensor - Google Patents

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Nobuhiko Sasaki
順彦 佐々木
Hiroyuki Hebiguchi
広行 蛇口
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Alps Alpine Co Ltd
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Alps Electric Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a servo-type pressure sensor excellent in linearity in capacitance changes to pressure and having only small variations between individual sensors. <P>SOLUTION: When external pressure is exerted on a diaphragm 19a, the diaphragm 19a is deformed by the external pressure and displaced to the side of a glass substrate 11. A control part 21 can detect changes in electrostatic capacitance caused by the displacement of the diaphragm 19a by the external pressure. The control part 21 controls a voltage to be applied to a servo electrode 13 to generate a repulsive force against the external force applied to the diaphragm 19a between the servo electrode 13 and an electret layer 20. It is possible to hold the diaphragm 19a at a prescribed position by the repulsive force. With the voltage applied to the servo electrode 13 at this time as a parameter, its changes are taken as pressure changes. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、圧力により変位する可動部を有するサーボ式圧力センサに関する。   The present invention relates to a servo pressure sensor having a movable part that is displaced by pressure.

静電容量型物理量センサ、例えば静電容量型圧力センサは、可動電極であるダイヤフラムを有する基板と、固定電極を有する基板とを、ダイヤフラムと固定電極との間に所定の間隔（キャビティ）を有するように接合することにより構成されている。この静電容量型圧力センサにおいては、ダイヤフラムに圧力が加わるとダイヤフラムが変形し、これによりダイヤフラムと固定電極との間隔が変わる。この間隔の変化によりダイヤフラムと固定電極との間の静電容量が変化し、この静電容量の変化を利用して圧力の変化を検出する。   A capacitance-type physical quantity sensor, for example, a capacitance-type pressure sensor, has a substrate having a diaphragm as a movable electrode and a substrate having a fixed electrode, with a predetermined gap (cavity) between the diaphragm and the fixed electrode. It is comprised by joining. In this capacitance type pressure sensor, when pressure is applied to the diaphragm, the diaphragm is deformed, thereby changing the distance between the diaphragm and the fixed electrode. The capacitance between the diaphragm and the fixed electrode changes due to the change in the interval, and the change in pressure is detected using the change in capacitance.

上記静電容量型圧力センサは、例えば、図５に示すように、ダイヤフラム３１を有するベース３２に、凹部３３及び凹部３３の底面に形成された固定電極３４を有する基板３５が接合されて構成されている。このような静電容量型圧力センサにおいては、圧力が加わると、ダイヤフラム３１が可動して固定電極３４との間の間隔が変わる。
特開平９−４３０８３号公報 For example, as shown in FIG. 5, the capacitance type pressure sensor is configured by joining a base 32 having a diaphragm 31 and a substrate 35 having a recess 33 and a fixed electrode 34 formed on the bottom surface of the recess 33. ing. In such a capacitive pressure sensor, when pressure is applied, the diaphragm 31 is moved and the distance from the fixed electrode 34 is changed.
Japanese Patent Laid-Open No. 9-43083

しかしながら、このような構成では、静電容量は電極間距離に反比例するため、可動電極であるダイヤフラム３１と固定電極３４との間の間隔（ギャップ）が狭くなると（高圧側）、急激に容量が変化してしまうので、図６に示すように、センサ出力（圧力に対する容量変化）の直線性が低くなるという問題がある。また、センサ個体間のばらつきが大きくなるという問題もある。   However, in such a configuration, the electrostatic capacity is inversely proportional to the distance between the electrodes. Therefore, when the gap (gap) between the diaphragm 31 that is a movable electrode and the fixed electrode 34 is narrowed (high voltage side), the capacity rapidly increases. Therefore, as shown in FIG. 6, there is a problem that the linearity of the sensor output (capacity change with respect to pressure) becomes low. There is also a problem that the variation between individual sensors increases.

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、圧力に対する容量変化の直線性に優れ、しかもセンサ個体間のばらつきの小さいサーボ式圧力センサを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of this point, and an object of the present invention is to provide a servo-type pressure sensor that is excellent in linearity of capacity change with respect to pressure and has little variation between individual sensors.

本発明のサーボ式圧力センサは、サーボ電極及び前記サーボ電極上に絶縁層を介して設けられた固定電極を有する第１基板と、前記固定電極と対向するように配置された可動電極及び前記可動電極の前記第１基板側に設けられたエレクトレット層を有し、前記第１基板とキャビティを構成するように接合された第２基板と、を具備し、前記サーボ電極と前記エレクトレット層との間の斥力により、前記可動電極に対する外圧力に抗して前記可動電極を押圧して、前記可動電極を所定の位置に保持することを特徴とする。   The servo pressure sensor of the present invention includes a first substrate having a servo electrode and a fixed electrode provided on the servo electrode via an insulating layer, a movable electrode disposed so as to face the fixed electrode, and the movable electrode An electret layer provided on the first substrate side of the electrode, and a second substrate joined to form a cavity with the first substrate, and between the servo electrode and the electret layer The repulsive force presses the movable electrode against an external pressure on the movable electrode to hold the movable electrode in a predetermined position.

この構成によれば、可動電極のキャビティ内の主面をエレクトレットとサーボ電極の斥力で押圧するので、主面を均等に押圧することができる。このため、出力の直線性に優れ、高分解能で広い測定範囲でサーボ機能を発揮させることができる。また、このような構成によれば、センサの加工精度のばらつきによる影響を抑えることができるので、センサ個体間のばらつきの小さいサーボ式圧力センサを得ることができる。また、この構成によれば、容量検出構造とサーボ構造とを垂直方向に組み合わせることができ、全体としてのセンサの小型化及び薄型化を図ることが可能となる。   According to this configuration, since the main surface in the cavity of the movable electrode is pressed by the repulsive force of the electret and the servo electrode, the main surface can be pressed evenly. Therefore, the output linearity is excellent, and the servo function can be exhibited in a wide measurement range with high resolution. Moreover, according to such a structure, since the influence by the variation in the processing accuracy of the sensor can be suppressed, it is possible to obtain a servo pressure sensor with a small variation between individual sensors. In addition, according to this configuration, the capacitance detection structure and the servo structure can be combined in the vertical direction, and the overall sensor can be reduced in size and thickness.

本発明のサーボ式圧力センサにおいては、前記絶縁層の誘電率、絶縁層の厚さ、及び前記固定電極と前記可動電極との間の間隔は、以下の式（１）を満足するように設定されることが好ましい。
ε／ｄ1≦１／ｄ2 式（１）
ここで、εは絶縁層を構成する材料の誘電率であり、ｄ1は絶縁層の厚さであり、ｄ2は前記固定電極と前記可動電極との間の間隔である。 In the servo pressure sensor of the present invention, the dielectric constant of the insulating layer, the thickness of the insulating layer, and the interval between the fixed electrode and the movable electrode are set so as to satisfy the following formula (1): It is preferred that
ε / d 1 ≦ 1 / d 2 formula (1)
Here, ε is the dielectric constant of the material constituting the insulating layer, d 1 is the thickness of the insulating layer, and d 2 is the distance between the fixed electrode and the movable electrode.

本発明のサーボ式圧力センサは、サーボ電極を有する第１基板と、前記サーボ電極と対向するように配置された可動電極及び前記可動電極の前記第１基板側に設けられたエレクトレット層を有し、前記第１基板とキャビティを構成するように接合された第２基板と、を具備し、前記サーボ電極と前記可動電極との間で容量検出を行うと共に、前記サーボ電極と前記エレクトレット層との間の斥力により、前記可動電極に対する外圧力に抗して前記可動電極を押圧して、前記可動電極を所定の位置に保持することを特徴とする。   The servo pressure sensor of the present invention includes a first substrate having a servo electrode, a movable electrode disposed so as to face the servo electrode, and an electret layer provided on the first substrate side of the movable electrode. A first substrate and a second substrate joined so as to form a cavity, wherein capacitance detection is performed between the servo electrode and the movable electrode, and between the servo electrode and the electret layer The movable electrode is pressed against an external pressure applied to the movable electrode by a repulsive force, and the movable electrode is held at a predetermined position.

この構成によれば、サーボ電極が固定電極を兼ねるので、さらなる薄型化を図ることが可能となるとともに、構造が単純で製造が容易になる。   According to this configuration, since the servo electrode also serves as the fixed electrode, the thickness can be further reduced, and the structure is simple and the manufacture is facilitated.

本発明のサーボ式圧力センサにおいては、前記固定電極と前記可動電極との間の静電容量で前記可動電極の変位を検知し、前記静電容量に応じて前記サーボ電極に印加する電圧を制御する制御手段をさらに具備することが好ましい。   In the servo pressure sensor of the present invention, the displacement of the movable electrode is detected by the capacitance between the fixed electrode and the movable electrode, and the voltage applied to the servo electrode is controlled according to the capacitance. It is preferable to further comprise a control means.

本発明によれば、サーボ電極及び前記サーボ電極上に絶縁層を介して設けられた固定電極を有する第１基板と、前記固定電極と対向するように配置された可動電極及び前記可動電極の前記第１基板側に設けられたエレクトレット層を有し、前記第１基板とキャビティを構成するように接合された第２基板と、を具備し、前記サーボ電極と前記エレクトレット層との間の斥力により、前記可動電極に対する外圧力に抗して前記可動電極を押圧して、前記可動電極を所定の位置に保持するので、圧力に対する容量変化の直線性に優れたサーボ式圧力センサを提供することができる。   According to the present invention, a first substrate having a servo electrode and a fixed electrode provided on the servo electrode via an insulating layer, a movable electrode arranged to face the fixed electrode, and the movable electrode A second substrate having an electret layer provided on the first substrate side and joined to form a cavity with the first substrate, and by repulsive force between the servo electrode and the electret layer Since the movable electrode is pressed against the external pressure against the movable electrode to hold the movable electrode at a predetermined position, a servo pressure sensor excellent in linearity of capacity change with respect to pressure can be provided. it can.

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係るサーボ式圧力センサの図である。図中１１は第１基板であるガラス基板を示す。ガラス基板１１は、対向する一対の主面１１ａ，１１ｂを有する。ガラス基板１１には、シリコン製部材１２ａ，１２ｂ，１２ｃが埋設されている。シリコン製部材１２ａはサーボ電極用の導電部材であり、シリコン製部材１２ｂは固定電極用の導電部材であり、シリコン製部材１２ｃは可動電極用の導電部材である。シリコン製部材１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、ガラス基板１１の両主面１１ａ，１１ｂでそれぞれ露出している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a diagram of a servo pressure sensor according to an embodiment of the present invention. In the figure, reference numeral 11 denotes a glass substrate which is a first substrate. The glass substrate 11 has a pair of opposing main surfaces 11a and 11b. In the glass substrate 11, silicon members 12a, 12b, and 12c are embedded. The silicon member 12a is a conductive member for servo electrodes, the silicon member 12b is a conductive member for fixed electrodes, and the silicon member 12c is a conductive member for movable electrodes. Silicon members 12a, 12b, and 12c are exposed at both main surfaces 11a and 11b of glass substrate 11, respectively.

ガラス基板１１の主面１１ａ上には、シリコン製部材１２ａの一方の露出部分と電気的に接続するようにサーボ電極１３が形成されている。サーボ電極１３は、後述するエレクトレット層との間で斥力を発生させる電極であり、エレクトレット層と対向するように配置されている。   Servo electrodes 13 are formed on the main surface 11a of the glass substrate 11 so as to be electrically connected to one exposed portion of the silicon member 12a. The servo electrode 13 is an electrode that generates a repulsive force with an electret layer to be described later, and is disposed so as to face the electret layer.

サーボ電極１３上には、絶縁層１４を介して固定電極１６が形成されている。固定電極１６は、キャビティ内で後述する可動電極であるダイヤフラムと対向するように配置されている。また、固定電極１６は、シリコン製部材１２ｂの一方の露出部分と接続部剤１５を介して電気的に接続されている。   A fixed electrode 16 is formed on the servo electrode 13 via an insulating layer 14. The fixed electrode 16 is disposed in the cavity so as to face a diaphragm which is a movable electrode described later. In addition, the fixed electrode 16 is electrically connected to one exposed portion of the silicon member 12 b via the connection member 15.

このように、サーボ電極１３と固定電極１６とを絶縁層１４を介して積層することにより、容量検出構造とサーボ構造とを組み合わせることができ、全体としてのセンサの薄型化を図ることが可能となる。また、ガラス基板１１と後述するシリコン基板１９との間のキャビティ１８内にこれらの容量検出構造とサーボ構造とを配置することができるので、製造工程中のパーティクルダストの影響による歩留まりの低下を軽減することもできる。   Thus, by laminating the servo electrode 13 and the fixed electrode 16 via the insulating layer 14, the capacitance detection structure and the servo structure can be combined, and the overall sensor can be made thin. Become. In addition, since these capacitance detection structure and servo structure can be arranged in the cavity 18 between the glass substrate 11 and the silicon substrate 19 described later, the decrease in yield due to the influence of particle dust during the manufacturing process is reduced. You can also

この場合においては、本構造が容量検出構造とサーボ構造とを積層した構造であって、しかもサーボ構造に帯電状態があまり変化しないエレクトレット層を用いているので、サーボ電極に電圧を印加しない状態（サーボ動作に入らない状態）で容量検出に影響を及ぼさないように容量検出構造とサーボ構造を形成することが好ましい。この場合、サーボ電極に電圧を印加しない状態で容量検出に影響を及ぼさないようにするために、絶縁層１４の誘電率、絶縁層１４の厚さ、及び固定電極１６とダイヤフラムとの間の間隔（ギャップ）を適切に調整することが好ましい。容量検出構造とサーボ構造とを積層した構造においては、絶縁層１４及びギャップが積層された構造を含むので、それぞれで容量分割されると考えることができる。そこで、サーボ電極に電圧を印加しない状態で容量検出に影響を及ぼさないようにするためには、ギャップでの容量成分を優勢にする必要がある。このため、以下の式（１）を満足するように絶縁層１４の誘電率、絶縁層１４の厚さ、及びギャップを設定することが好ましい。
ε／ｄ1≦１／ｄ2 式（１）
ここで、εは絶縁層１４を構成する材料の誘電率であり、ｄ1は絶縁層１４の厚さであり、ｄ2はギャップの厚さである。 In this case, since this structure is a structure in which a capacitance detection structure and a servo structure are laminated and the electret layer whose charging state does not change so much is used for the servo structure, a state in which no voltage is applied to the servo electrode ( It is preferable to form the capacitance detection structure and the servo structure so as not to affect the capacitance detection in a state where the servo operation is not entered. In this case, the dielectric constant of the insulating layer 14, the thickness of the insulating layer 14, and the distance between the fixed electrode 16 and the diaphragm so as not to affect the capacitance detection without applying a voltage to the servo electrode. It is preferable to adjust (gap) appropriately. The structure in which the capacitance detection structure and the servo structure are stacked includes a structure in which the insulating layer 14 and the gap are stacked, and thus can be considered to be divided into capacitors. Therefore, in order not to affect the capacitance detection in a state where no voltage is applied to the servo electrode, it is necessary to make the capacitance component in the gap dominant. For this reason, it is preferable to set the dielectric constant of the insulating layer 14, the thickness of the insulating layer 14, and the gap so as to satisfy the following expression (1).
ε / d 1 ≦ 1 / d 2 formula (1)
Here, ε is the dielectric constant of the material constituting the insulating layer 14, d 1 is the thickness of the insulating layer 14, and d 2 is the thickness of the gap.

本実施の形態においては、ガラス基板１１上にサーボ電極１３が形成され、その上に絶縁層１４を介して固定電極１６が形成されている場合について説明しているが、本発明においては、固定電極上に絶縁層を介してサーボ電極が形成された構成であっても良い。なお、容量検出構造における感度を考慮すると、サーボ電極上に絶縁層を介して固定電極が形成された構造の方が好ましい。   In the present embodiment, the servo electrode 13 is formed on the glass substrate 11, and the fixed electrode 16 is formed thereon via the insulating layer 14. However, in the present invention, the fixed electrode 16 is fixed. The servo electrode may be formed on the electrode through an insulating layer. In consideration of sensitivity in the capacitance detection structure, a structure in which a fixed electrode is formed on the servo electrode via an insulating layer is preferable.

ガラス基板１１の主面１１ｂ上には、シリコン製部材１２ａの他方の露出部分と電気的に接続するように引き出し電極１７ａが形成されており、シリコン製部材１２ｂの他方の露出部分と電気的に接続するように引き出し電極１７ｂが形成されており、シリコン製部材１２ｃの他方の露出部分と電気的に接続するように引き出し電極１７ｃが形成されている。このように引き出し電極１７ａ，１７ｂ，１７ｃが同一の主面１１ｂ上に設けられていることにより、外部機器への接続が容易となる。   An extraction electrode 17a is formed on the main surface 11b of the glass substrate 11 so as to be electrically connected to the other exposed portion of the silicon member 12a, and is electrically connected to the other exposed portion of the silicon member 12b. A lead electrode 17b is formed so as to be connected, and a lead electrode 17c is formed so as to be electrically connected to the other exposed portion of the silicon member 12c. As described above, the lead electrodes 17a, 17b, and 17c are provided on the same main surface 11b, thereby facilitating connection to an external device.

ガラス基板１１の主面１１ａ上には、可動電極であるダイヤフラム１９ａを有する第２基板であるシリコン基板１９が接合されている。シリコン基板１９のガラス基板１１側の主面には、サーボ電極１３、固定電極１６を囲繞する大きさの凹部が形成されており、ガラス基板１１とシリコン基板１９とが接合されることにより、キャビティ１８が構成されるようになっている。また、ガラス基板１１とシリコン基板１９とは、ダイヤフラム１９ａが固定電極１６と所定の間隔をおいて配置されるように位置合わせされた状態で接合される。   On the main surface 11a of the glass substrate 11, a silicon substrate 19 as a second substrate having a diaphragm 19a as a movable electrode is bonded. A concave portion having a size surrounding the servo electrode 13 and the fixed electrode 16 is formed on the main surface of the silicon substrate 19 on the glass substrate 11 side. By bonding the glass substrate 11 and the silicon substrate 19, a cavity is formed. 18 is configured. The glass substrate 11 and the silicon substrate 19 are joined in a state in which the diaphragm 19a is aligned with the fixed electrode 16 so as to be arranged at a predetermined interval.

ダイヤフラム１９ａのガラス基板側には、エレクトレット層２０が設けられている。このエレクトレット層２０は、サーボ電極１３との間で斥力を発生するように半永久的に分極されている層である。このエレクトレット層２０を構成する材料としては、フッ素樹脂、ポリプロピレンなどを挙げることができる。   An electret layer 20 is provided on the glass substrate side of the diaphragm 19a. The electret layer 20 is a layer that is semi-permanently polarized so as to generate a repulsive force with the servo electrode 13. Examples of the material constituting the electret layer 20 include a fluororesin and polypropylene.

ダイヤフラムの変位量ｗ（μｍ）は、以下の式（２）により求めることができる。
ｗ＝[｛３・（１−ｖ2）・Ｐ｝／（１６・Ｅ・ｔ3）]・（ｒ2−ａ2）2 式（２）
ここで、ｖはポアソン比であり、Ｐ（ｋＰａ）は印加圧力であり、ｔ（μｍ）はダイヤフラムの厚さであり、Ｅ（ＧＰａ）はダイヤフラムを構成する材料のヤング率であり、ａ（μｍ）はダイヤフラム半径であり、ｒ（μｍ）はダイヤフラム半径上の位置である。 The displacement amount w (μm) of the diaphragm can be obtained by the following equation (2).
w = [{3 · (1−v 2 ) · P} / (16 · E · t 3 )] · (r 2 −a 2 ) 2 formula (2)
Here, v is the Poisson's ratio, P (kPa) is the applied pressure, t (μm) is the thickness of the diaphragm, E (GPa) is the Young's modulus of the material constituting the diaphragm, and a ( μm) is a diaphragm radius, and r (μm) is a position on the diaphragm radius.

また、静電容量Ｃ（ｐＦ）は、上記式（２）で求められた変位量ｗを用いて以下の式（３）により求めることができる。
Ｃ＝ε・Ｓ／（ｄ−ｗ） 式（３）
ここで、ε（Ｆ／ｍ）は電極間の誘電率であり、Ｓ（ｍ2）は電極面積であり、ｄ（μｍ）は電極間の距離であり、ｗ（μｍ）はダイヤフラムの変位量である。 Further, the capacitance C (pF) can be obtained by the following equation (3) using the displacement amount w obtained by the above equation (2).
C = ε · S / (d−w) Equation (3)
Here, ε (F / m) is the dielectric constant between the electrodes, S (m 2 ) is the electrode area, d (μm) is the distance between the electrodes, and w (μm) is the displacement of the diaphragm. It is.

このため、サーボ動作の際にエレクトレット層２０とサーボ電極１３との間の斥力を均一化するためには、このダイヤフラムの変位の傾向（中央が最も大きく、周縁に向って小さくなる傾向）を考慮して、エレクトレット層２０とサーボ電極１３との間に発生させる斥力を発生させることが望ましいと考えることができる。サーボ電極がダイヤフラムを元の位置に戻す力は、ダイヤフラムとサーボ電極との間の距離の二乗に比例する。したがって、上記のようなダイヤフラム変位の傾向（中央の変位が最も大きく、エレクトレット層２０とサーボ電極１３との距離が近い）を考慮すると、エレクトレット層２０とサーボ電極１３の間に働く斥力は、ダイヤフラムの中央で強く、周縁に向って弱くなってしまう傾向となる。外圧力はダイヤフラムの中央でも周縁でも同じ力であるため、ダイヤフラムの中央では斥力を弱めて均一になるよう設定する必要がある。この場合、ダイヤフラムの中央で弱く、周縁に向って強くなるように、サーボ電極１３とエレクトレット層２０との間に斥力を発生させるためには、エレクトレット層２０の面積が外側から中央に向って少なくなるように設けることが好ましい。   For this reason, in order to make the repulsive force between the electret layer 20 and the servo electrode 13 uniform during the servo operation, the tendency of the displacement of the diaphragm (the tendency that the center is the largest and the tendency toward the periphery) is taken into consideration. Thus, it can be considered desirable to generate a repulsive force generated between the electret layer 20 and the servo electrode 13. The force that the servo electrode returns the diaphragm to its original position is proportional to the square of the distance between the diaphragm and the servo electrode. Therefore, in consideration of the above-described tendency of diaphragm displacement (the center displacement is the largest and the distance between the electret layer 20 and the servo electrode 13 is short), the repulsive force acting between the electret layer 20 and the servo electrode 13 is It tends to be strong at the center and weak toward the periphery. Since the external pressure is the same force at the center and the periphery of the diaphragm, it is necessary to set the repulsive force at the center of the diaphragm so as to be uniform. In this case, in order to generate repulsive force between the servo electrode 13 and the electret layer 20 so that it is weak at the center of the diaphragm and strong toward the periphery, the area of the electret layer 20 is small from the outside toward the center. It is preferable to be provided.

ガラス基板１１の主面１１ａとシリコン基板１９との間の界面は、高い密着性を有することが好ましい。後述するように、これらの界面は、加熱下においてガラス基板１１とシリコン基板１９とを陽極接合することにより形成される。すなわち、ガラス基板１１の主面１１ａ上にシリコン基板１９を搭載して、陽極接合処理を施すことにより、密着性を高くすることができる。ガラス基板１１とシリコン基板１９との界面とで高い密着性を発揮することにより、ダイヤフラム１９ａとガラス基板１１の主面１１ａとの間で構成するキャビティ１８内の気密性を高く保つことができる。これは、ガラス基板１１とシリコン製部材１２ａ，１２ｂ，１２ｃとの界面においても同様である。   The interface between the main surface 11a of the glass substrate 11 and the silicon substrate 19 preferably has high adhesion. As will be described later, these interfaces are formed by anodically bonding the glass substrate 11 and the silicon substrate 19 under heating. That is, the adhesion can be increased by mounting the silicon substrate 19 on the main surface 11a of the glass substrate 11 and performing an anodic bonding process. By exhibiting high adhesion at the interface between the glass substrate 11 and the silicon substrate 19, the airtightness in the cavity 18 formed between the diaphragm 19 a and the main surface 11 a of the glass substrate 11 can be kept high. The same applies to the interface between the glass substrate 11 and the silicon members 12a, 12b, and 12c.

ここで、陽極接合処理とは、所定の温度（例えば４００℃以下）で所定の電圧（例えば３００Ｖ〜１ｋＶ）を印加することにより、シリコンとガラスとの間に大きな静電引力が発生して、界面で共有結合を起こさせる処理をいう。この界面での共有結合は、シリコンのＳｉ原子とガラスに含まれるＳｉ原子との間のＳｉ−Ｓｉ結合又はＳｉ−Ｏ結合である。したがって、このＳｉ−Ｓｉ結合又はＳｉ−Ｏ結合により、シリコンとガラスとが強固に接合して、両者間の界面で非常に高い密着性を発揮する。このような陽極接合を効率良く行うために、ガラス基板１１のガラス材料としては、ナトリウムなどのアルカリ金属を含むガラス材料（例えばパイレックス（登録商標）ガラス）であることが好ましい。   Here, the anodic bonding treatment is performed by applying a predetermined voltage (for example, 300 V to 1 kV) at a predetermined temperature (for example, 400 ° C. or lower), thereby generating a large electrostatic attraction between silicon and glass, A process that causes a covalent bond at the interface. The covalent bond at this interface is a Si—Si bond or a Si—O bond between the Si atom of silicon and the Si atom contained in the glass. Therefore, silicon and glass are firmly bonded by this Si—Si bond or Si—O bond, and very high adhesion is exhibited at the interface between the two. In order to perform such anodic bonding efficiently, the glass material of the glass substrate 11 is preferably a glass material containing an alkali metal such as sodium (for example, Pyrex (registered trademark) glass).

また、固定電極１６とダイヤフラム１９ａとの間で検知された静電容量に応じてサーボ電極１３に印加する電圧を制御する制御部２１が、引き出し電極１７ａ，１７ｂ，１７ｃと電気的に接続されている。   A control unit 21 that controls the voltage applied to the servo electrode 13 in accordance with the capacitance detected between the fixed electrode 16 and the diaphragm 19a is electrically connected to the extraction electrodes 17a, 17b, and 17c. Yes.

このような構成を有するサーボ式圧力センサにおいては、ダイヤフラム１９ａに外圧力が加わると、その外圧力により変形してガラス基板１１側に変位する。ダイヤフラム１９ａとガラス基板１１上の固定電極１６との間には、所定の静電容量を有するので、ダイヤフラム１９ａが変位すると、その静電容量が変化する。固定電極１６及びダイヤフラム１９ａは、それぞれシリコン製部材１２ｂ，１２ｃ及び引き出し電極１７ｂ，１７ｃを介して制御部２１に接続されているので、外圧力によるダイヤフラム１９ａの変位に起因する静電容量の変化は制御部２１で検知することができる。すなわち、固定電極１６とダイヤフラム１９ａとの間の静電容量で外圧力を検知することができる。   In the servo pressure sensor having such a configuration, when an external pressure is applied to the diaphragm 19a, the diaphragm 19a is deformed by the external pressure and displaced toward the glass substrate 11 side. Since there is a predetermined capacitance between the diaphragm 19a and the fixed electrode 16 on the glass substrate 11, when the diaphragm 19a is displaced, the capacitance changes. Since the fixed electrode 16 and the diaphragm 19a are connected to the control unit 21 via the silicon members 12b and 12c and the extraction electrodes 17b and 17c, respectively, the change in capacitance due to the displacement of the diaphragm 19a due to the external pressure is It can be detected by the control unit 21. That is, the external pressure can be detected by the capacitance between the fixed electrode 16 and the diaphragm 19a.

このようにダイヤフラム１９ａの変位により静電容量が変化すると、制御部２１は、ダイヤフラム１９ａを所定の位置に保持する、すなわちダイヤフラム１９ａを、外圧力が加わらない状態の位置に戻すように制御を行う。すなわち、制御部２１は、サーボ電極１３に印加する電圧を制御して、ダイヤフラム１９ａに加わっている外圧力に抗する斥力をサーボ電極１３とエレクトレット層２０との間に発生させる。具体的には、制御部２１は、サーボ電極１３に引き出し電極１７ａ及びシリコン製部材１２ａを介して電圧を印加する。このときの電圧は、エレクトレット層２０に帯電する電荷の極性と同じ極性の電圧とする。サーボ電極１３とエレクトレット層２０との間の斥力により、ダイヤフラム１９ａが外圧力に抗して押圧される。制御部２１は、ダイヤフラム１９ａが元の位置になるまで、外圧力に対応する静電容量に基づいてフィードバック制御を行う。このようにして、ダイヤフラム１９ａを所定の位置に保持するようにサーボ制御を行う。そして、このときのサーボ電極１３への印加電圧をパラメータとして、その変化を圧力変化とすることができる。なお、サーボ動作は、あらかじめ設定された圧力閾値を超えたときに開始するように設定する。この場合、圧力閾値は、例えば、ダイヤフラム変形のフルスケールの約１０％（１０ｋＰａ）程度に設定する。   When the capacitance changes due to the displacement of the diaphragm 19a in this way, the control unit 21 performs control so that the diaphragm 19a is held at a predetermined position, that is, the diaphragm 19a is returned to a position where no external pressure is applied. . That is, the control unit 21 controls the voltage applied to the servo electrode 13 to generate a repulsive force against the external pressure applied to the diaphragm 19 a between the servo electrode 13 and the electret layer 20. Specifically, the control unit 21 applies a voltage to the servo electrode 13 via the extraction electrode 17a and the silicon member 12a. The voltage at this time is set to a voltage having the same polarity as the polarity of the charge charged in the electret layer 20. Due to the repulsive force between the servo electrode 13 and the electret layer 20, the diaphragm 19a is pressed against the external pressure. The control unit 21 performs feedback control based on the capacitance corresponding to the external pressure until the diaphragm 19a is at the original position. In this way, servo control is performed so as to hold the diaphragm 19a at a predetermined position. Then, with the voltage applied to the servo electrode 13 at this time as a parameter, the change can be a pressure change. The servo operation is set so as to start when a preset pressure threshold value is exceeded. In this case, for example, the pressure threshold is set to about 10% (10 kPa) of the full scale of the diaphragm deformation.

本実施の形態に係るサーボ式圧力センサにおいては、ダイヤフラム１９ａをサーボ電極１３とエレクトレット層２０との間の斥力で押圧するので、ダイヤフラム１９ａを均等に押圧することができる。このため、出力の直線性に優れ、高分解能で広い測定範囲でサーボ機能を発揮させることができる。また、このような構成によれば、センサの加工精度のばらつきによる影響を抑えることができるので、センサ個体間のばらつきの小さいサーボ式圧力センサを得ることができる。また、サーボ電極１３と固定電極１６とを絶縁層１４を介して積層することにより、容量検出構造とサーボ構造とを組み合わせることができ、全体としてのセンサの薄型化を図ることが可能となる。   In the servo pressure sensor according to the present embodiment, the diaphragm 19a is pressed by the repulsive force between the servo electrode 13 and the electret layer 20, so that the diaphragm 19a can be pressed evenly. Therefore, the output linearity is excellent, and the servo function can be exhibited in a wide measurement range with high resolution. Moreover, according to such a structure, since the influence by the variation in the processing accuracy of the sensor can be suppressed, it is possible to obtain a servo pressure sensor with a small variation between individual sensors. Further, by laminating the servo electrode 13 and the fixed electrode 16 via the insulating layer 14, the capacitance detection structure and the servo structure can be combined, and the overall sensor thickness can be reduced.

次に、本実施の形態１に係るサーボ式圧力センサの製造方法について説明する。図２（ａ）〜（ｅ）及び図３（ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施の形態に係るサーボ式圧力センサの製造方法を説明するための断面図である。   Next, a manufacturing method of the servo pressure sensor according to the first embodiment will be described. 2A to 2E and FIGS. 3A to 3E are cross-sectional views for explaining a method for manufacturing a servo pressure sensor according to an embodiment of the present invention.

まず、不純物をドーピングして低抵抗化したシリコン基板１９を準備する。次いで、図２（ａ）に示すように、シリコン基板１９の両方の主面に熱酸化膜３０を形成する。次いで、図２（ｂ）に示すように、シリコン基板１９の一方の主面上の熱酸化膜３０をパターニングして開口部３０ａを形成し、図２（ｃ）に示すように、パターニングされた熱酸化膜３０をマスクとしてエッチングして、ダイヤフラム１９ａと固定電極１６との間の間隔を制御するキャビティ１８用の凹部１９ｂを形成する。次いで、図２（ｄ）に示すように、シリコン基板１９の他方の主面上の熱酸化膜３０をパターニングして開口部を形成し、パターニングされた熱酸化膜３０をマスクとしてエッチングして凹部を形成してダイヤフラム１９ａを形成する。なお、シリコン基板１９のエッチングにおいては、エッチングレートに差が出るようにシリコン基板１９の表面の結晶面を規定して異方性エッチングすることが好ましい。   First, a silicon substrate 19 having a low resistance by doping impurities is prepared. Next, as shown in FIG. 2A, thermal oxide films 30 are formed on both main surfaces of the silicon substrate 19. Next, as shown in FIG. 2B, the thermal oxide film 30 on one main surface of the silicon substrate 19 is patterned to form an opening 30a, and patterned as shown in FIG. 2C. Etching is performed using the thermal oxide film 30 as a mask to form a recess 19 b for the cavity 18 that controls the distance between the diaphragm 19 a and the fixed electrode 16. Next, as shown in FIG. 2D, the thermal oxide film 30 on the other main surface of the silicon substrate 19 is patterned to form an opening, and the patterned thermal oxide film 30 is used as a mask for etching to form a recess. To form the diaphragm 19a. In the etching of the silicon substrate 19, it is preferable to perform anisotropic etching by defining the crystal plane of the surface of the silicon substrate 19 so that the etching rate is different.

次いで、ダイヤフラム１９ａのガラス基板側（凹部１９ｂ側）にエレクトレット層２０を形成する。この場合、ダイヤフラム１９ａの凹部１９ｂ側に電極を設け、ダイヤフラム１９ａの凹部１９ｂ側に加熱溶融させたエレクトレット材料（例えば、高分子材料）を塗布し、直流の高電圧を印加しながらエレクトレット材料を固化させた後に電極を除去する。これにより、正又は負に帯電したエレクトレット層２０が形成される。   Next, the electret layer 20 is formed on the glass substrate side (concave portion 19b side) of the diaphragm 19a. In this case, an electrode is provided on the concave portion 19b side of the diaphragm 19a, an electret material (for example, a polymer material) heated and melted is applied on the concave portion 19b side of the diaphragm 19a, and the electret material is solidified while applying a high DC voltage. Then, the electrode is removed. Thereby, the electret layer 20 charged positively or negatively is formed.

次いで、シリコン製部材１２ａ，１２ｂ，１２ｃを埋め込んだガラス基板１１を作製する。まず、不純物をドーピングして低抵抗化したシリコン基板１２を準備する。図３（ａ）に示すように、このシリコン基板１２の一方の主面をエッチングして、シリコン製部材１２ａ，１２ｂ，１２ｃを形成する。この場合、シリコン基板１２上にレジスト膜を形成し、シリコン製部材１２ａ，１２ｂ，１２ｃ形成領域にレジスト膜が残るように、そのレジスト膜をパターニング（フォトリソグラフィー）し、そのレジスト膜をマスクとしてシリコン基板１２をエッチングして、シリコン製部材１２ａ，１２ｂ，１２ｃを形成する。その後、レジスト膜を除去する。なお、上述したエッチングとしては、ドライエッチングでも良く、ウェットエッチングでも良い。   Next, the glass substrate 11 in which the silicon members 12a, 12b, and 12c are embedded is manufactured. First, a silicon substrate 12 having a low resistance by doping impurities is prepared. As shown in FIG. 3A, one main surface of the silicon substrate 12 is etched to form silicon members 12a, 12b, and 12c. In this case, a resist film is formed on the silicon substrate 12, and the resist film is patterned (photolithography) so that the resist film remains in the regions where the silicon members 12a, 12b, and 12c are formed. The substrate 12 is etched to form silicon members 12a, 12b, and 12c. Thereafter, the resist film is removed. Note that the etching described above may be dry etching or wet etching.

次いで、シリコン製部材１２ａ，１２ｂ，１２ｃを形成したシリコン基板１２上にガラス基板１１を置く。さらに、真空下で、このシリコン基板１２及びガラス基板１１を加熱し、シリコン基板１２をガラス基板１１に押圧してシリコン製部材１２ａ，１２ｂ，１２ｃをガラス基板１１の主面に押し込んで、図３（ｂ）に示すように、シリコン基板１２とガラス基板１１とを接合する。このときの温度は、シリコンの融点以下であって、ガラスが変形可能である温度（例えば、ガラスの軟化点温度以下）が好ましい。例えば加熱温度は約６００℃である。   Next, the glass substrate 11 is placed on the silicon substrate 12 on which the silicon members 12a, 12b, and 12c are formed. Further, the silicon substrate 12 and the glass substrate 11 are heated under vacuum, the silicon substrate 12 is pressed against the glass substrate 11, and the silicon members 12a, 12b, and 12c are pushed into the main surface of the glass substrate 11, and FIG. As shown in (b), the silicon substrate 12 and the glass substrate 11 are joined. The temperature at this time is preferably a temperature below the melting point of silicon and capable of deforming the glass (for example, below the softening point temperature of the glass). For example, the heating temperature is about 600 ° C.

さらに、シリコン基板１２のシリコン製部材１２ａ，１２ｂ，１２ｃとガラス基板１１との界面での密着性をより高めるために、陽極接合処理をすることが好ましい。この場合、シリコン基板１２及びガラス基板１１にそれぞれ電極をつけて、約４００℃以下の加熱下で約３００Ｖ〜１ｋＶの電圧を印加することにより行う。これにより界面での密着性がより高くなり、静電容量型力学量センサのキャビティ１８の気密性を向上させることができる。   Further, in order to further improve the adhesion at the interface between the silicon members 12a, 12b, 12c of the silicon substrate 12 and the glass substrate 11, it is preferable to perform an anodic bonding treatment. In this case, an electrode is attached to each of the silicon substrate 12 and the glass substrate 11 and a voltage of about 300 V to 1 kV is applied under heating at about 400 ° C. or lower. As a result, the adhesion at the interface becomes higher, and the airtightness of the cavity 18 of the capacitive dynamic quantity sensor can be improved.

次いで、図３（ｃ）に示すように、ガラス基板１１の両主面１１ａ，１１ｂを研磨処理することによりシリコン製部材１２ａ，１２ｂ，１２ｃを両主面１１ａ，１１ｂで露出させる。これにより、ガラス基板１１にシリコン製部材１２ａ，１２ｂ，１２ｃが埋め込まれた状態となる。このようにして、シリコン製部材１２ａ，１２ｂ，１２ｃを埋め込んだガラス基板１１を作製する。   Next, as shown in FIG. 3C, both the main surfaces 11a and 11b of the glass substrate 11 are polished to expose the silicon members 12a, 12b and 12c at the both main surfaces 11a and 11b. As a result, the silicon members 12a, 12b, and 12c are embedded in the glass substrate 11. In this manner, the glass substrate 11 in which the silicon members 12a, 12b, and 12c are embedded is manufactured.

次いで、図３（ｄ）に示すように、ガラス基板１１の主面１１ａ上に、シリコン製部材１２ａと電気的に接続するようにサーボ電極１３を形成する。この場合、ガラス基板１１の主面１１ａ上に電極材料を被着し、その上にレジスト膜を形成し、電極形成領域にレジスト膜が残るように、そのレジスト膜をパターニング（フォトリソグラフィー）し、そのレジスト膜をマスクとして電極材料をエッチングし、その後残存したレジスト膜を除去する。   Next, as shown in FIG. 3D, the servo electrode 13 is formed on the main surface 11a of the glass substrate 11 so as to be electrically connected to the silicon member 12a. In this case, an electrode material is deposited on the main surface 11a of the glass substrate 11, a resist film is formed thereon, and the resist film is patterned (photolithography) so that the resist film remains in the electrode formation region. The electrode material is etched using the resist film as a mask, and then the remaining resist film is removed.

次いで、図３（ｄ）に示すように、サーボ電極１３上に絶縁層１４を形成する。この場合、ガラス基板１１の主面１１ａ及びサーボ電極１３上に絶縁性材料を被着し、その上にレジスト膜を形成し、絶縁層形成領域にレジスト膜が残るように、そのレジスト膜をパターニング（フォトリソグラフィー）し、そのレジスト膜をマスクとして絶縁性材料をエッチングし、その後残存したレジスト膜を除去する。   Next, as shown in FIG. 3D, an insulating layer 14 is formed on the servo electrode 13. In this case, an insulating material is deposited on the main surface 11a of the glass substrate 11 and the servo electrode 13, a resist film is formed thereon, and the resist film is patterned so that the resist film remains in the insulating layer formation region. (Photolithography), the insulating material is etched using the resist film as a mask, and then the remaining resist film is removed.

次いで、絶縁層１４のサーボ電極１３形成領域以外の領域に開口部を形成し、接続部材１５を充填する。この場合、絶縁層１４のサーボ電極１３形成領域以外の領域のみが開口するようにエッチングを施して、その後接続部材用の導電性材料を被着した後に開口部以外に被着した導電性材料を除去する。   Next, an opening is formed in a region other than the servo electrode 13 formation region of the insulating layer 14, and the connection member 15 is filled. In this case, etching is performed so that only the region other than the region where the servo electrode 13 is formed in the insulating layer 14 is opened, and then the conductive material deposited on the portion other than the opening is deposited after the conductive material for the connection member is deposited. Remove.

次いで、図３（ｅ）に示すように、接続部材１５と電気的に接続するように絶縁層１４上に固定電極１６を形成する。この場合、絶縁層１４上に電極材料を被着し、その上にレジスト膜を形成し、電極形成領域にレジスト膜が残るように、そのレジスト膜をパターニング（フォトリソグラフィー）し、そのレジスト膜をマスクとして電極材料をエッチングし、その後残存したレジスト膜を除去する。   Next, as illustrated in FIG. 3E, the fixed electrode 16 is formed on the insulating layer 14 so as to be electrically connected to the connection member 15. In this case, an electrode material is deposited on the insulating layer 14, a resist film is formed thereon, the resist film is patterned (photolithography) so that the resist film remains in the electrode formation region, and the resist film is formed. The electrode material is etched as a mask, and then the remaining resist film is removed.

次いで、図３（ｅ）に示すように、ガラス基板１１の主面１１ｂ上に、シリコン製部材１２ａ，１２ｂ，１２ｃとそれぞれ電気的に接続するように引き出し電極１７ａ，１７ｂ，１７ｃを形成する。この場合、ガラス基板１１の主面１１ｂ上に電極材料を被着し、その上にレジスト膜を形成し、電極形成領域にレジスト膜が残るように、そのレジスト膜をパターニング（フォトリソグラフィー）し、そのレジスト膜をマスクとして電極材料をエッチングし、その後残存したレジスト膜を除去する。   Next, as shown in FIG. 3E, lead electrodes 17a, 17b, and 17c are formed on the main surface 11b of the glass substrate 11 so as to be electrically connected to the silicon members 12a, 12b, and 12c, respectively. In this case, an electrode material is deposited on the main surface 11b of the glass substrate 11, a resist film is formed thereon, and the resist film is patterned (photolithography) so that the resist film remains in the electrode formation region. The electrode material is etched using the resist film as a mask, and then the remaining resist film is removed.

次いで、ダイヤフラム１９ａを有するシリコン基板１９を、ダイヤフラム１９ａが固定電極１６と所定の間隔をおいて位置するように、ガラス基板１１の主面１１ａ上に接合する。すなわち、ガラス基板１１の主面１１ａとシリコン基板１９とが接合される。このとき、シリコン基板１９及びガラス基板１１に対して、約４００℃以下の加熱下で約５００Ｖ程度の電圧を印加することにより陽極接合処理を行う。これによりシリコン基板１９とガラス基板１１との間の界面での密着性がより高くなり、キャビティ１８の気密性を向上させることができる。これにより、図１に示すサーボ式圧力センサが作製される。   Next, the silicon substrate 19 having the diaphragm 19 a is bonded onto the main surface 11 a of the glass substrate 11 so that the diaphragm 19 a is positioned at a predetermined interval from the fixed electrode 16. That is, the main surface 11a of the glass substrate 11 and the silicon substrate 19 are joined. At this time, an anodic bonding process is performed by applying a voltage of about 500 V to the silicon substrate 19 and the glass substrate 11 under heating at about 400 ° C. or lower. Thereby, the adhesiveness in the interface between the silicon substrate 19 and the glass substrate 11 becomes higher, and the airtightness of the cavity 18 can be improved. Thereby, the servo-type pressure sensor shown in FIG. 1 is produced.

このようにして得られたサーボ式圧力センサにおいては、サーボ電極１３がシリコン製部材１２ａを介して引き出し電極１７ａと電気的に接続され、固定電極１６がシリコン製部材１２ｂを介して引き出し電極１７ｂと電気的に接続され、ダイヤフラム１９ａがシリコン製部材１２ｃを介して引き出し電極１７ｃと電気的に接続されている。したがって、外圧力に対応するダイヤフラム１９ａと固定電極１６との間で検知された静電容量の変化の信号は、シリコン製部材１２ｂ，１２ｃを介して引き出し電極１７ｂ，１７ｃから制御部２１に出力される。また、制御部２１からの制御信号（電圧情報を含む信号）がサーボ電極１３に出力される。このとき、サーボ電極１３にエレクトレット層２０に帯電する電荷と同じ極性の電圧を印加すると、サーボ電極１３とエレクトレット層２０との間に斥力が発生してダイヤフラム１９ａを所定の位置に保持する。そして、ダイヤフラム１９ａが元の位置に保持されたときの電圧に基づいて測定圧力を算出することができる。   In the servo pressure sensor thus obtained, the servo electrode 13 is electrically connected to the extraction electrode 17a via the silicon member 12a, and the fixed electrode 16 is connected to the extraction electrode 17b via the silicon member 12b. Electrically connected, the diaphragm 19a is electrically connected to the extraction electrode 17c through the silicon member 12c. Therefore, the capacitance change signal detected between the diaphragm 19a corresponding to the external pressure and the fixed electrode 16 is output to the control unit 21 from the extraction electrodes 17b and 17c via the silicon members 12b and 12c. The In addition, a control signal (a signal including voltage information) from the control unit 21 is output to the servo electrode 13. At this time, when a voltage having the same polarity as the electric charge charged on the electret layer 20 is applied to the servo electrode 13, a repulsive force is generated between the servo electrode 13 and the electret layer 20 to hold the diaphragm 19a in a predetermined position. Then, the measurement pressure can be calculated based on the voltage when the diaphragm 19a is held at the original position.

次に、本発明の効果を明確にするための実施例について説明する。
図１の構成において、絶縁層１４の誘電率を３とし、絶縁層１４の厚さを０．９μｍとし、ギャップを０．３μｍとしたサーボ式圧力センサ（実施例１）と、図１の構成において、絶縁層１４の誘電率を３とし、絶縁層１４の厚さを０．９μｍとし、ギャップを０．３μｍとしたサーボ式圧力センサ（実施例２）を準備した。これらの条件は、いずれも上記式（１）の関係を満足するものである。 Next, examples for clarifying the effects of the present invention will be described.
In the configuration of FIG. 1, a servo pressure sensor (Example 1) in which the dielectric constant of the insulating layer 14 is 3, the thickness of the insulating layer 14 is 0.9 μm, and the gap is 0.3 μm, and the configuration of FIG. In Example 1, a servo pressure sensor (Example 2) was prepared in which the dielectric constant of the insulating layer 14 was 3, the thickness of the insulating layer 14 was 0.9 μm, and the gap was 0.3 μm. These conditions all satisfy the relationship of the above formula (1).

この実施例１，２のサーボ式圧力センサに所定の圧力を印加し、その圧力を変化させると共に、圧力変化に対応するサーボ電圧をサーボ電極に印加した。このとき、図４に示す容量検出信号で静電容量を検出し、図４に示すサーボ電極電位、エレクトレット電位でサーボ制御を行った。その結果、実施例１，２のサーボ式圧力センサのいずれについても良好なサーボ制御を行うことができた。   A predetermined pressure was applied to the servo pressure sensors of Examples 1 and 2 to change the pressure, and a servo voltage corresponding to the pressure change was applied to the servo electrodes. At this time, the capacitance was detected by the capacitance detection signal shown in FIG. 4, and servo control was performed using the servo electrode potential and electret potential shown in FIG. As a result, good servo control could be performed for both of the servo pressure sensors of Examples 1 and 2.

このように、ダイヤフラム１９ａをサーボ電極１３とエレクトレット層２０との間の斥力で押圧するので、ダイヤフラム１９ａを均等に押圧することができる。このため、出力の直線性に優れ、高分解能で広い測定範囲でサーボ機能を発揮させることができる。また、このような構成によれば、センサの加工精度のばらつきによる影響を抑えることができるので、センサ個体間のばらつきの小さいサーボ式圧力センサを得ることができる。また、サーボ電極１３と固定電極１６とを絶縁層１４を介して積層することにより、容量検出構造とサーボ構造とを組み合わせることができ、全体としてのセンサの薄型化を図ることが可能となる。   Thus, since the diaphragm 19a is pressed by the repulsive force between the servo electrode 13 and the electret layer 20, the diaphragm 19a can be pressed uniformly. Therefore, the output linearity is excellent, and the servo function can be exhibited in a wide measurement range with high resolution. Moreover, according to such a structure, since the influence by the variation in the processing accuracy of the sensor can be suppressed, it is possible to obtain a servo pressure sensor with a small variation between individual sensors. Further, by laminating the servo electrode 13 and the fixed electrode 16 via the insulating layer 14, the capacitance detection structure and the servo structure can be combined, and the overall sensor thickness can be reduced.

本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態においては、サーボ電極１３上に絶縁層１４を介して固定電極１６を形成した構造について説明しているが、本発明においては、固定電極１６がサーボ電極１３を兼ねる構成であっても良い。すなわち、サーボ電極１３とダイヤフラム１９ａとの間で容量検出を行うと共に、サーボ電極１３とエレクトレット層２０との間の斥力により、ダイヤフラム１９ａに対する外圧力に抗してダイヤフラム１９ａを押圧して、ダイヤフラム１９ａを所定の位置に保持する構成としても良い。これにより、さらなるセンサの薄型化を図ることが可能である。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and can be implemented with various modifications. For example, in the above embodiment, the structure in which the fixed electrode 16 is formed on the servo electrode 13 via the insulating layer 14 has been described. However, in the present invention, the fixed electrode 16 also serves as the servo electrode 13. There may be. That is, the capacitance is detected between the servo electrode 13 and the diaphragm 19a, and the diaphragm 19a is pressed against the external pressure on the diaphragm 19a by the repulsive force between the servo electrode 13 and the electret layer 20, and the diaphragm 19a is pressed. May be held at a predetermined position. Thereby, it is possible to further reduce the thickness of the sensor.

また、上記実施の形態における電極や各層の材質や形状については本発明の効果を逸脱しない範囲で適宜設定することができる。また、上記実施の形態で説明したプロセスについてはこれに限定されず、処理内容や工程間の適宜順序を変えて実施しても良い。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。   Further, the material and shape of the electrode and each layer in the above embodiment can be set as appropriate without departing from the effects of the present invention. In addition, the process described in the above embodiment is not limited to this, and the process content and the order of processes may be changed as appropriate. Other modifications may be made as appropriate without departing from the scope of the object of the present invention.

本発明の実施の形態に係るサーボ式圧力センサを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the servo-type pressure sensor which concerns on embodiment of this invention. （ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施の形態に係るサーボ式圧力センサの製造方法を説明するための断面図である。(A)-(e) is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the servo-type pressure sensor which concerns on embodiment of this invention. （ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施の形態に係るサーボ式圧力センサの製造方法を説明するための断面図である。(A)-(e) is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the servo-type pressure sensor which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係るサーボ式圧力センサのサーボ制御を説明するためのタイミング図である。It is a timing diagram for demonstrating the servo control of the servo-type pressure sensor which concerns on embodiment of this invention. 従来の静電容量型圧力センサの断面図である。It is sectional drawing of the conventional electrostatic capacitance type pressure sensor. 図５に示す静電容量型圧力センサの特性を示す図である。It is a figure which shows the characteristic of the electrostatic capacitance type pressure sensor shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

１１ ガラス基板
１１ａ，１１ｂ 主面
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ シリコン製部材
１３ サーボ電極
１４ 絶縁層
１５ 接続部材
１６ 固定電極
１７ａ，１７ｂ，１７ｃ 引き出し電極
１８ キャビティ
１９ シリコン基板
１９ａ ダイヤフラム
２０ エレクトレット層
２１ 制御部
３０ 熱酸化膜
３０ａ 開口部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Glass substrate 11a, 11b Main surface 12a, 12b, 12c Silicon member 13 Servo electrode 14 Insulating layer 15 Connection member 16 Fixed electrode 17a, 17b, 17c Extraction electrode 18 Cavity 19 Silicon substrate 19a Diaphragm 20 Electret layer 21 Control part 30 Heat Oxide film 30a opening

Claims (4)

サーボ電極及び前記サーボ電極上に絶縁層を介して設けられた固定電極を有する第１基板と、
前記固定電極と対向するように配置された可動電極及び前記可動電極の前記第１基板側に設けられたエレクトレット層を有し、前記第１基板とキャビティを構成するように接合された第２基板と、を具備し、
前記サーボ電極と前記エレクトレット層との間の斥力により、前記可動電極に対する外圧力に抗して前記可動電極を押圧して、前記可動電極を所定の位置に保持することを特徴とするサーボ式圧力センサ。 A first substrate having a servo electrode and a fixed electrode provided on the servo electrode via an insulating layer;
A second substrate having a movable electrode disposed to face the fixed electrode and an electret layer provided on the first substrate side of the movable electrode, and joined to form a cavity with the first substrate And comprising
Servo pressure that holds the movable electrode in a predetermined position by pressing the movable electrode against an external pressure against the movable electrode by a repulsive force between the servo electrode and the electret layer Sensor. 前記絶縁層の誘電率、絶縁層の厚さ、及び前記固定電極と前記可動電極との間の間隔は、以下の式（１）を満足するように設定されることを特徴とする請求項１記載のサーボ式圧力センサ。
ε／ｄ1≦１／ｄ2 式（１）
ここで、εは絶縁層を構成する材料の誘電率であり、ｄ1は絶縁層の厚さであり、ｄ2は前記固定電極と前記可動電極との間の間隔である。 The dielectric constant of the insulating layer, the thickness of the insulating layer, and the interval between the fixed electrode and the movable electrode are set so as to satisfy the following expression (1). The servo-type pressure sensor described.
ε / d 1 ≦ 1 / d 2 formula (1)
Here, ε is the dielectric constant of the material constituting the insulating layer, d 1 is the thickness of the insulating layer, and d 2 is the distance between the fixed electrode and the movable electrode. サーボ電極を有する第１基板と、
前記サーボ電極と対向するように配置された可動電極及び前記可動電極の前記第１基板側に設けられたエレクトレット層を有し、前記第１基板とキャビティを構成するように接合された第２基板と、を具備し、
前記サーボ電極と前記可動電極との間で容量検出を行うと共に、前記サーボ電極と前記エレクトレット層との間の斥力により、前記可動電極に対する外圧力に抗して前記可動電極を押圧して、前記可動電極を所定の位置に保持することを特徴とするサーボ式圧力センサ。 A first substrate having servo electrodes;
A second substrate having a movable electrode arranged to face the servo electrode and an electret layer provided on the first substrate side of the movable electrode, and joined to form a cavity with the first substrate And comprising
Capacitance detection is performed between the servo electrode and the movable electrode, and the movable electrode is pressed against an external pressure against the movable electrode by a repulsive force between the servo electrode and the electret layer, A servo-type pressure sensor characterized by holding a movable electrode at a predetermined position. 前記固定電極と前記可動電極との間の静電容量で前記可動電極の変位を検知し、前記静電容量に応じて前記サーボ電極に印加する電圧を制御する制御手段をさらに具備することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のサーボ式圧力センサ。   The apparatus further comprises control means for detecting a displacement of the movable electrode by a capacitance between the fixed electrode and the movable electrode and controlling a voltage applied to the servo electrode according to the capacitance. The servo pressure sensor according to any one of claims 1 to 3.
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