JP2918272B2 - 線形応答性を有する容量型センサ及び線形応答性を得るための方法 - Google Patents

線形応答性を有する容量型センサ及び線形応答性を得るための方法

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は、静電容量変動を利用して圧力変動を検出
する圧力センサ等のセンサ又はトランスデューサに係
り、より詳細には、負荷される圧力の変化により湾曲変
位するシリコン−オン−シリコン(silicon−on−silic
on)型ダイヤフラムを用いてセンサ容量を変化させ、こ
の静電容量変化により負荷された圧力を測定する圧力セ
ンサ等に関する。また、さらに詳細には、この発明は、
上記シリコン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部を設けることにより、上記
中心部の平面的変位による線形応答性を提供することの
できる圧力センサ等に関する。
[従来の技術] 圧力、加速度又は他の物理的現象を測定するための容
量型半導体センサ又はトランスデューサは従来より知ら
れている。
例えば、容量型トランスデューサ、マイクロホン、ラ
プチャディスク、共振器、バイブレータ等に用いられる
容量型圧力センサが従来より知られている。これらの装
置に圧力センサを適用するに際しては、通常、圧力セン
サを相当に小型化することが要求されており、例えば、
約8ミリメータ四方(8mm×8mm)程度のものが要求され
ている。
このように小型な圧力センサとして、シリコンから成
る容量型圧力トランスデューサが知られている。
米国特許第3,634,727号に開示されるシリコン容量型
圧力トランスデューサにおいては、中心に開口部を有す
る一対の導電性シリコンプレートが共晶金属ボンドによ
り接続されている。シリコンプレートは、負荷される流
体圧力により湾曲変位して上記開口部間の容量を変化さ
せ、圧力の大きさを示す容量信号を生起する。従って、
この種の圧力トランスデューサは、負荷される圧力によ
りダイヤフラムとして機能するシリコンプレートをたわ
ませ、この流体圧力の関数としてのシリコンプレートの
たわみにより、シリコンプレート間の距離を変化させ、
シリコンプレートを可変コンデンサの電極板として機能
させることにより負荷される圧力を測定するように構成
されている。
以下に、第1A図を参照して代表的なシリコン−オン−
シリコン型の圧力センサを説明する。
第1A図において、圧力センサ10は、その外形において
略直方体形状を有する一方、その内部における作動部形
状は円形又は円筒形であることが好ましい。圧力センサ
10は、略正方形の適切にドープ処理された導電性且つ可
撓性のシリコンダイヤフラム11と、その下方に位置する
適切にドープ処理された導電性のシリコン基板12とを有
し、シリコンダイヤフラム11及びシリコン基板12間にホ
ウケイ酸ガラスより成る非導電性の誘電体スペーサ13が
配されている。また、シリコンダイヤフラム11、シリコ
ン基板12及び誘電体スペーサ13間には、真空排気され気
密状態に保持された基準室14が画成されている。基準室
14内は、通常、ゼロバキューム(zero vacuum)に設定
されるが、より高い基準圧値に設定してもよい。尚、基
準室14内が上記基準圧値に保持されているとき、シリコ
ンダイヤフラム11はシリコン基板12に対して平行とな
り、両者の間隔は、通常、2マイクロメータ(micromet
er)に設定される。
シリコン基板12の上面中央には、円形の突出台部12A
が形成されており、この突出台部12Aは、略円筒形状の
基準室14内に突出している。尚、突出台部12Aの上面に
は、図示しない絶縁性ガラ薄膜が被覆されている。この
突出台部12Aは、シリコンダイヤフラム11の対向電極と
して機能する。突出台部12Aのシリコン基板12上面から
の厚さは、6.5マイクロメータに設定されており、一
方、その直径は0.150インチに設定されている。
尚、誘電体スペーサ13の壁部16の半径方向に亘る幅
は、その軸線方向高さ(厚さ)を9マイクロメータとし
た場合、0.036インチとすることが一般的である。一
方、この場合、突出台部12Aに被覆される絶縁性ガラス
薄膜の厚さは、僅か0.5マイクロメータに設定される。
通常、シリコンダイヤフラム11及びシリコン基板12の
形状は正方形とされるが、図に示すように、電気接点を
設けるためにその角部を割愛してもよい。上記正方形の
対角線の長さは、通常、0.260インチに設定され、一
方、誘電体スペーサ13の壁部16の内径は、0.190インチ
に設定される。尚、壁部16の外壁面の形状は、シリコン
ダイヤフラム11又はシリコン基板12の対応壁面と整合す
るように構成してもよいが、誘電体スペーサ13を円環形
状に形成してもよい。
また、図に示す寸法は、実際の寸法を示すものではな
く、例えば、最大測定荷重50psiの圧力センサの場合、
誘電体スペーサ13又はその壁部16の厚さ(高さ)は、通
常、9マイクロメータであり、一方、シリコンダイヤフ
ラム11の厚さは、通常、0.008インチであり、シリコン
基板12の厚さは、通常、0.050インチである。
上記シリコン−ガラス−シリコン容量型圧力センサの
より詳細な構成は、本件出願人所有に係る米国特許第4,
467,394号に開示されている。また、容量型圧力センサ
又はトランスデューサの他の例として、本件出願人所有
に係る米国特許第4,530,029号、同第4,517,622号、同第
4,513,348号、同第4,463,336号、同第4,415,948号及び
同第4,405,970号等に開示された構成のものがある。
上記圧力センサが、例えば航空宇宙技術等に用いられ
る場合、データ管理コンピュータ及びその制御装置との
適合性を考えると、圧力センサの出力は、線形の周波数
出力となることが好ましい。しかしながら、上記圧力セ
ンサにおいては、このような線形の応答性(周波数応答
性)を得ることはできず、結果として、圧力センサ出力
の較正用データをメモリに記憶しておく必要が生じる。
即ち、第1図に示すように、シリコンダイヤフラム11
に外部圧力が付加された場合、シリコンダイヤフラム11
は曲線状に変位変形し、平面的な態様において変位変形
しないため、圧力センサの静電容量の変化は圧力変化に
対して線形的な関係とはならない。ここで、圧力センサ
の周波数出力は、静電容量に対して反比例の関係(周波
数f=1/静電容量C)にあるので、圧力変化に対して線
形関係を有する周波数出力を得ることはできないことと
なる。
尚、上記米国特許第4,513,348号においては、誘電体
ガラスをシリコンダイヤフラムのヒンジ媒体とすること
により、上記問題の解決を図っているが、この方法では
充分な線形周波数出力を得ることはできない。
[発明が解決しようとする課題] そこで、本発明の目的は、負荷圧力又は他の物理的作
用に対して線形関数となる周波数出力を得ることのでき
る圧力センサ及びその方法を提供することにある。
[課題を解決するための手段] 本発明の容量型センサは、半導体から成る導電性の基
板と、 半導体から形成されるとともに、内方の中心部と外方
部とを有しており、負荷される物理的作用の変化により
変化するダイヤフラムと、 前記基板と前記ダイヤフラム間に配されてこれらを連
結する壁部を形成する非導電性の誘電体層と、 前記基板と前記ダイヤフラム間に形成され、前記壁部
により閉塞されるとともに真空排気される基準室とを有
し、 前記物理的作用の変化により前記ダイヤフラムが変位
して静電容量を変化させる容量型センサであって、 前記ダイヤフラムの前記外方部にヒンジ部が形成され
ており、該ヒンジ部は前記中心部を包囲するとともに該
中心部よりも薄い肉厚を有しており、前記ヒンジ部が前
記物理的作用の変化により変形するにともない、前記中
心部が平面形状を保持した状態にて直線的に変位するよ
うに構成され、 前記ダイヤフラムが、 第1のシリコン層と、 第2のシリコン層と、 第1及び第2のシリコン層間に配されるとともに、シ
リコンのエッチング処理用化学製品に対してエッチング
処理を停止するように機能する材料から成る第3の層と
を有し、 前記第1及び第2のシリコン層の一方が円環形状のエ
ッチング処理部を有し、これにより前記ヒンジ部が形成
されることを特徴とする。
この場合、前記ダイヤフラムが円板形状を有すること
としてもよい。
また、前記中心部の厚さの前記ヒンジ部の厚さに対す
る比率が10:1であることとしてもよい。
また、前記基板の内側面に形成されるとともに前記基
準室内に突出する突出台部を有しており、前記ヒンジ部
が、前記基板の前記突出台部以外の部分とオーバーラッ
プしていることとしてもよい。
また、前記エッチング処理部が前記ダイヤフラムの内
側面に形成されており、前記中心部が前記基準室内に突
出する一方、前記基板が実質的に平面状の内側面を有す
ることとしてもよい。
また、前記第3の層がガラスから成ることとしてもよ
い。
また、前記第3の層がアルミニウムから成ることとし
てもよい。
さらに、前記ヒンジ部の厚さが約3ミルであり、前記
中心部の厚さが約25ミルであることとしてもよい。
本発明の容量型センサの周波数出力を線形化する方法
は、半導体からなる導電性の基板と、 半導体から形成されるとともに、内方の中心部と外方
部とを有しており、負荷される物理的作用の変化により
変化するダイアフラムと、 前記基板と前記ダイアフラム間に配されてこれらを連
結する壁部を形成する非導電性の誘電体層と、 前記基板と前記ダイヤフラム間に形成され、前記壁部
により閉塞されるとともに真空排気される基準室とを有
し、 前記物理的作用の変化により前記ダイヤフラムが変位
して静電容量を変化させる容量型センサの周波数出力を
線形化する方法であって、 前記ダイヤフラムの前記外方部に前記中心部を包囲す
るとともに該中心部よりも薄い肉厚を有し、且つ、前記
物理的作用の変化により変形することにより、前記中心
部が平面形状を保持した状態にて直線的に変位すること
を可能とするヒンジ部を形成する工程を含み、 前記ヒンジ部を形成する工程が、 前記ダイヤフラムを、2つのシリコン層と、シリコン
のエッチング処理に用いられ化学製品に対してエッチン
グストッパとして機能するシリコン以外の材料から形成
される中間層を有する少なくとも3層から形成する工程
と、 前記2つのシリコン層の一方を前記エッチング処理用
化学製品が前記中間層に到達するまでエッチング処理す
る工程とを有することを特徴とする。
この場合、前記中間層を、ヒンジ部として機能する所
定の厚さを有する一方のシリコン層に被覆し、この被覆
した複合体を、前記中心部として機能する所定の厚さを
有する他方のシリコン層に結合する工程と、 前記他方のシリコン層の前記外方部をエッチング処理
する工程とを有することとしてもよい。
さらに、前記他方のシリコン層を前記基準室に対向し
て配する工程と、 前記基準室に対向する面が実質的に平面状である前記
基板を配する工程とを有することとしてもよい。
[作用] 本発明においては、ダイヤフラムのヒンジ部が圧力等
の物理的作用の変動により変形したときに、上記ダイヤ
フラムの中心部がその平面形状を保持した状態にて線形
的に変位する。
[実施例] 以下に、本発明の実施例を添付図面を参照して説明す
る。
第2図は、本発明の実施例を説明するための参考図で
あり、ダイヤフラム111の平面的変位変形例を、従来例
を示す第1図との対比において示している。第2図にお
いて、ダイヤフラム111の中心部117は、第1図の場合と
異なり、平面的状態を保持したまま基板112の突出台部1
12A方向に変位している。即ち、ダイヤフラム111の肉薄
に形成されたヒンジ部111Aが負荷圧力により変形するこ
とにより、中心部117はその平面性を保持した状態にて
突出台部112Aに対して上下方向に変位することとなる。
従って、ダイヤフラム111の中心部117の基板112(突出
台部112A)に対する変位量は、負荷圧力の変化に対して
比例関係となり、且つ、静電容量はダイヤフラム及び基
板間の距離に対して反比例の関係にあるので、圧力セン
サからの周波数出力は負荷圧力に対して線形関数とな
る。
尚、突出台部112Aは、ダイヤフラム111、基板112及び
誘電体壁部116により画成され且つ真空排気され気密状
態に保持された基準室内に突出している。ここで、突出
台部112Aは基板112側に形成してもよいが、これをダイ
ヤフラム111側に形成するようにしてもよい。ヒンジ部1
11Aは、基板112の突出台部112A以外の部分と、又は、基
板112の突出台部と対向する面以外の部分とオーバーラ
ップするように構成することが好ましい。ヒンジ部111A
は、円環形状とすることが好ましく、円板等の形状を有
するダイヤフラム111の外周縁部近傍をその中心部117に
比して肉薄とすることにより形成される。中心部117の
厚さとヒンジ部111Aの厚さとの比率は約10:1とすること
が好ましい。
以下に、本発明の実施例を第3図乃至第6図を参照し
て説明する。尚、特に言及がない部分又は部材は第1A図
及び第2図に示す対応部分又は部材と同様の構成を有し
いるものとし、また、第3図乃至第6図の説明において
相互に対応する部材についてはその詳細な説明を省略す
る。
第3図は、本発明の実施例を説明するための参考図で
あり、肉薄に形成されたヒンジ部311Aは、シリコンダイ
ヤフラム311の外周縁部近傍を周方向に延びて配されて
おり、公知の化学的方法、イオンミリング(ion millin
g)、マスクパターン、放電加工等の方法により一体に
形成されている。
シリコンダイヤフラム311の中心部317の厚さは、圧力
センサ300の測定範囲内の負荷圧力により実質的な湾曲
変形を生起しない値に選択され、一方、ヒンジ部311Aの
厚さは、上記負荷圧力により湾曲変形する値に選択され
る。例えば、圧力ゼロから50psiまでをその測定範囲と
する圧力センサにおけるドープ処理されたシリコンダイ
ヤフラム311の各部寸法は以下の通りである。
外径 0.190インチ ヒンジ部の半径方向幅 0.020インチ 中心部の厚さ 0.025インチ ヒンジ部の厚さ 0.003インチ 第4図において、ヒンジ部411Aは、塩素の化学作用を
利用した反応性イオンエッチング(reactive ion etchi
ng)により形成することが可能である。尚、この方法
は、シリコン用に選択された方法であり、ガラスには適
用できない。シリコン−ガラス−シリコンの三層からな
る複合体ダイヤフラム411は、まず、シリコンプレート4
11H上にガラス411Gを被覆し、次いで、これをシリコン
プレート411Rに静電接着することにより形成される。こ
こで、シリコンプレート411Hの厚さは、ヒンジ部として
適切に機能する値に選択されており、一方、シリコンプ
レート411Rの厚さは、シリコンプレート411H及びガラス
411Gと協働して所望の中心部417として機能する値に選
択されている。
第5図においては、第4図におけるガラス411Gに代え
てアルミニウムを用いることが可能である。ここで、ア
ルミニウムは、接着剤として機能するとともにエッチン
グ処理のストッパとして機能する。ダイヤフラム511を
形成するには、まず、アルミニウム層511Gをシリコンプ
レート511H上に被覆し、次いで、これをシリコンプレー
ト511Rに接着する。次に、シリコンプレート511Rをエッ
チング処理することによりヒンジ部511Aを形成するが、
このとき、アルミニウム層はエッチング処理のストッパ
として機能する。さらに、三層複合体のダイヤフラム51
1を加熱することによりアルミニウムがシリコン内に拡
散し、これにより静電接着が達成される。
第6図においては、第5図に示すダイヤフラム511が
上下位置を逆にして配されている。このように構成する
ことにより、シリコン基板512に形成された突出台部512
Aを省略することができ、圧力センサの製造が容易とな
る。尚、第6図においては、第5図に示すダイヤフラム
の上下位置を逆にして配しているが、第3図又は第4図
に示すダイヤフラムをその上下位置を逆にして配しても
よいことはいうまでもない。
尚、第3図乃至第6図に示すダイヤフラムは、それぞ
れ同様に作用し、その作用は第2図において述べた通り
である。
以上、本発明を実施例に基づいて説明してきたが、本
発明は、上記実施例の構成に限定されるものではなく、
本発明の要旨の範囲に含まれる全ての変形、変更を含む
ものであり、従って、特許請求の範囲に記載した要件を
満足する全ての構成は本発明に含まれるものである。
例えば、センサ出力の線形性をより高めるために、ダ
イヤフラム及び基板間に同様のダイヤフラムを介挿した
構成としてもよい。
さらに、本発明は、圧力センサに限定されるものでは
なく、他のセンサ又はトランスデューサ、例えば加速度
計等に適用することも可能である。
[効果] 本発明においては、ダイヤフラムに負荷される圧力等
の物理的作用に変動が生じると、ダイヤフラムのヒンジ
部が変形し、これにより、ダイヤフラムの中心部はその
平面形状を保持した状態にて線形的に変位する。従っ
て、この中心部の変位量は、負荷される物理的作用の変
化に対して比例関係となり、且つ、静電容量はダイヤフ
ラム及び基板間の距離に対して反比例の関係にあるの
で、センサの出力応答性は負荷される物理的作用に対し
て線形関数となる。
【図面の簡単な説明】
第1A図は、従来の容量型圧力センサを示す一部断面斜視
図であり、第1図は、従来の容量型圧力センサにおける
ダイヤフラムの変形変位を示す断面図であり、第2図
は、本発明の実施例を説明するための参考図であり、容
量型圧力センサにおけるダイヤフラムの変形変位を示す
断面図であり、第3図は、本発明の実施例を説明するた
めの参考図であり、容量型圧力センサの主要部を示す断
面図であり、第4図は本発明の実施例に係る容量型圧力
センサの主要部を示す断面図であり、第5図は本発明の
他の実施例に係る容量型圧力センサの主要部を示す断面
図であり、第6図は本発明のさらに他の実施例に係る容
量型圧力センサの主要部を示す断面図である。 300……容量型圧力センサ 311……ダイヤフラム 311A……ヒンジ部 312……基板 312A……突出台部 316……誘電体壁部 317……中心部 400……容量型圧力センサ 411……ダイヤフラム 411A……ヒンジ部 412……基板 412A……突出台部 416……誘電体壁部 417……中心部 500……容量型圧力センサ 511……ダイヤフラム 511A……ヒンジ部 512……基板 512A……突出台部 516……誘電体壁部 517……中心部 600……容量型圧力センサ 611……ダイヤフラム 611A……ヒンジ部 612……基板 616……誘電体壁部 617……中心部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−62330(JP,A) 特開 昭58−73166(JP,A) 実開 昭57−64645(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01L 9/12 G01L 1/14

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体から成る導電性の基板と、 半導体から形成されるとともに、内方の中心部と外方部
    とを有しており、負荷される物理的作用の変化により変
    化するダイヤフラムと、 前記基板と前記ダイヤフラム間に配されてこれらを連結
    する壁部を形成する非導電性の誘電体層と、 前記基板と前記ダイヤフラム間に形成され、前記壁部に
    より閉塞されるとともに真空排気される基準室とを有
    し、 前記物理的作用の変化により前記ダイヤフラムが変位し
    て静電容量を変化させる容量型センサであって、 前記ダイヤフラムの前記外方部にヒンジ部が形成されて
    おり、該ヒンジ部は前記中心部を包囲するとともに該中
    心部よりも薄い肉厚を有しており、前記ヒンジ部が前記
    物理的作用の変化により変形するにともない、前記中心
    部が平面形状を保持した状態にて直線的に変位するよう
    に構成され、 前記ダイヤフラムが、 第1のシリコン層と、 第2のシリコン層と、 第1及び第2のシリコン層間に配されるとともに、シリ
    コンのエッチング処理用化学製品に対してエッチング処
    理を停止するように機能する材料から成る第3の層とを
    有し、 前記第1及び第2のシリコン層の一方が円環形状のエッ
    チング処理部を有し、これにより前記ヒンジ部が形成さ
    れることを特徴とする容量型センサ。
  2. 【請求項2】前記ダイヤフラムが円板形状を有すること
    を特徴とする請求項(1)に記載の容量型センサ。
  3. 【請求項3】前記中心部の厚さの前記ヒンジ部の厚さに
    対する比率が10:1であることを特徴とする請求項(1)
    又は(2)に記載の容量型センサ。
  4. 【請求項4】前記基板の内側面に形成されるとともに前
    記基準室内に突出する突出台部を有しており、前記ヒン
    ジ部が、前記基板の前記突出台部以外の部分とオーバー
    ラップしていることを特徴とする請求項(1)乃至
    (3)のいずれか1項に記載の容量型センサ。
  5. 【請求項5】前記エッチング処理部が前記ダイヤフラム
    の内側面に形成されており、前記中心部が前記基準室内
    に突出する一方、前記基板が実質的に平面状の内側面を
    有することを特徴とする請求項(1)乃至(4)のいず
    れかに記載に記載の容量型センサ。
  6. 【請求項6】前記第3の層がガラスから成ることを特徴
    とする請求項(1)乃至(5)のいずれかに記載の容量
    型センサ。
  7. 【請求項7】前記第3の層がアルミニウムから成ること
    を特徴とする請求項(1)乃至(5)のいずれかに記載
    の容量型センサ。
  8. 【請求項8】前記ヒンジ部の厚さが約3ミルであり、前
    記中心部の厚さが約25ミルであることを特徴とする請求
    項(1)乃至請求項(7)のいずれかに記載の容量型セ
    ンサ。
  9. 【請求項9】半導体からなる導電性の基板と、 半導体から形成されるとともに、内方の中心部と外方部
    とを有しており、負荷される物理的作用の変化により変
    化するダイアフラムと、 前記基板と前記ダイアフラム間に配されてこれらを連結
    する壁部を形成する非導電性の誘電体層と、 前記基板と前記ダイヤフラム間に形成され、前記壁部に
    より閉塞されるとともに真空排気される基準室とを有
    し、 前記物理的作用の変化により前記ダイヤフラムが変位し
    て静電容量を変化させる容量型センサの周波数出力を線
    形化する方法であって、 前記ダイヤフラムの前記外方部に前記中心部を包囲する
    とともに該中心部よりも薄い肉厚を有し、且つ、前記物
    理的作用の変化により変形することにより、前記中心部
    が平面形状を保持した状態にて直線的に変位することを
    可能とするヒンジ部を形成する工程を含み、 前記ヒンジ部を形成する工程が、 前記ダイヤフラムを、2つのシリコン層と、シリコンの
    エッチング処理に用いられ化学製品に対してエッチング
    ストッパとして機能するシリコン以外の材料から形成さ
    れる中間層を有する少なくとも3層から形成する工程
    と、 前記2つのシリコン層の一方を前記エッチング処理用化
    学製品が前記中間層に到達するまでエッチング処理する
    工程とを有することを特徴とする容量型センサの周波数
    出力を線形化する方法。
  10. 【請求項10】前記中間層を、ヒンジ部として機能する
    所定の厚さを有する一方のシリコン層に被覆し、この被
    覆した複合体を、前記中心部として機能する所定の厚さ
    を有する他方のシリコン層に結合する工程と、 前記他方のシリコン層の前記外方部をエッチング処理す
    る工程とを有することを特徴とする請求項(9)に記載
    の容量型センサの周波数出力を線形化する方法。
  11. 【請求項11】前記他方のシリコン層を前記基準室に対
    向して配する工程と、 前記基準室に対向する面が実質的に平面状である前記基
    板を配する工程とを有することを特徴とする請求項(1
    0)に記載の容量型センサの出力を線形化する方法。
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