JP6687197B2

JP6687197B2 - 圧力センサ

Info

Publication number: JP6687197B2
Application number: JP2016216066A
Authority: JP
Inventors: 充安保; 健太郎戸津; 諭藤本; 西澤　充智; 充智西澤; 和彦日下
Original assignee: YAMAMOTO ELECTRIC WORKS CO., LTD.
Current assignee: YAMAMOTO ELECTRIC WORKS CO., LTD.
Priority date: 2016-11-04
Filing date: 2016-11-04
Publication date: 2020-04-22
Anticipated expiration: 2036-11-04
Also published as: JP2018072287A

Description

本発明は、圧力センサに関するものである。

圧力センサとして、電極間の静電容量の変化により圧力を検出する静電容量型圧力センサが知られている。

このような静電容量型圧力センサは、ダイヤフラム部が一対の絶縁物により挟まれた構造を有する。ダイヤフラム部と一方の絶縁物との間およびダイヤフラム部と他方の絶縁物との間には、それぞれ空隙が形成される。また、各絶縁物におけるダイヤフラム部との対向面には電極が形成される。ダイヤフラム部と一方の絶縁物との間に形成された空隙に測定圧を導入するために、一方の絶縁物に測定圧導入孔が形成される。また、ダイヤフラム部と他方の絶縁物との間に形成された空隙に基準圧を導入するために、他方の絶縁物に基準圧導入孔が形成される。（たとえば、特許文献１参照）

特開平８−１８９８７０号公報

静電容量型圧力センサの検出精度を高めるためには、基準圧を確実に一定に保つ必要がある。基準圧を確実に一定に保つために、基準圧導入孔を電極材料で埋め込み気密封止することが考えられる。しかしながら、基準圧導入孔を電極材料で埋め込むためには、手間と時間を要し、製造コストが増える。また、基準圧導入孔を電極材料で埋め込むと電極材料の表面が荒れる場合がある。そのため、当該表面に接続されるように配線を形成すると、導通不良を起こす場合がある。

本発明は、低コストで検出精度を向上させた圧力センサを提供することを目的とする。

本発明に従った圧力センサは、第１絶縁層と、導電層と、第２絶縁層と、第１検出電極部と、第２検出電極部と、引き出し電極部と、を備える。導電層は、第１絶縁層上に積層される。第２絶縁層は、導電層上に積層され、厚み方向に貫通する第１の貫通孔および第２の貫通孔が形成される。第１検出電極部は、第１絶縁層の導電層に対向する面上の一部に配置される。第２検出電極部は、第２絶縁層の導電層に対向する面上の一部から第１の貫通孔を取り囲む壁面まで延在するように配置される。引き出し電極部は、第２絶縁層の第２の貫通孔を取り囲む壁面上に配置される。導電層は、ダイヤフラム部と、アイランド部と、を含む。ダイヤフラム部は、第１絶縁層との間に基準圧力空間を形成するとともに、第２絶縁層との間に第１の貫通孔と連通する測定圧力空間を形成することにより、他の部分に比べて厚みが薄い。アイランド部は、平面的に見て第２の貫通孔に重なる位置であって、ダイヤフラム部とは離れた位置に配置され、厚み方向に貫通する環状の空間に取り囲まれる。第１検出電極部は、アイランド部の第１絶縁層側の端部に接続される。引き出し電極部は、アイランド部の第２絶縁層側の端部に接続される。

本発明の圧力センサにおいて、第１絶縁層とダイヤフラム部との間に基準圧力空間が形成される。このようにすることで、第１絶縁層とダイヤフラム部とに取り囲まれた閉鎖空間が形成され、基準圧を確実に一定に保つことができる。その結果、圧力センサの検出精度を向上させることができる。

また本発明の圧力センサにおいて、導電層は厚み方向に貫通する環状の空間に取り囲まれたアイランド部を含む。そして、アイランド部の端部は、第１検出電極部および引き出し電極部と接続される。このようにすることで、第１絶縁層に貫通孔を設け、これを電極材料で埋め込むことなく、引き出し電極部と第１検出電極部とをアイランド部を介して接続することができる。その結果、製造コストを抑えつつ、導通不良の発生を抑制することができる。

このように、本発明の圧力センサによれば、低コストで検出精度を向上させた圧力センサを提供することができる。

上記圧力センサにおいて、基準圧力空間の圧力は、大気圧未満であってもよい。より具体的には、３０ｋＰａ以上１００ｋＰａ以下としてもよい。このようにすることで、大気圧未満の圧力を計測可能な圧力センサを提供することができる。

上記圧力センサにおいて、導電層は、不純物が導入されることにより導電性が付与された珪素からなるようにしてもよい。不純物が導入されることにより導電性が付与された珪素は、本発明の導電層を構成する材料として好適である。

上記圧力センサにおいて、第１絶縁層および第２絶縁層は、ガラス基板からなるようにしてもよい。ガラス基板は、第１絶縁層および第２絶縁層を構成する材料として好適である。

上記圧力センサによれば、低コストで検出精度を向上させた圧力センサを提供することができる。

圧力センサの構造の一例を示す概略断面図である。圧力センサの製造方法を説明するための概略断面図である。圧力センサの製造方法を説明するための概略断面図である。圧力センサの製造方法を説明するための概略断面図である。圧力センサの製造方法を説明するための概略断面図である。圧力センサの製造方法を説明するための概略断面図である。圧力センサの製造方法を説明するための概略断面図である。圧力センサの製造方法を説明するための概略断面図である。圧力センサの製造方法を説明するための概略断面図である。圧力センサの製造方法を説明するための概略断面図である。圧力センサの製造方法を説明するための概略断面図である。圧力センサの製造方法を説明するための概略断面図である。圧力センサの製造方法を説明するための概略断面図である。圧力センサの製造方法を説明するための概略断面図である。

［本願発明の実施形態の詳細］
次に、本発明にかかる圧力センサの一実施の形態を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰り返さない。

図１を参照して、実施の形態１における圧力センサ１は、第１絶縁層１０と、導電層３０と、第２絶縁層２０と、第１検出電極部４０と、第２検出電極部５０と、引き出し電極部６０と、を備える。第１絶縁層１０は、平板状の形状を有する。具体的に、第１絶縁層１０は平行平板状のガラス基板である。導電層３０は、第１絶縁層１０の一方の主面１１上に接触して積層される。導電層３０は、第１絶縁層１０の一方の主面１１に対して直接接合されている。具体的には、導電層３０は不純物が導入されることにより導電性が付与された珪素からなる。

導電層３０は、ダイヤフラム部３０１と、支持部３０３を備える。ダイヤフラム部３０１は、円盤状の形状を有する。ダイヤフラム部３０１の外周を取り囲むように支持部３０３が配置される。支持部３０３は、アイランド部３０２を含む。

ダイヤフラム部３０１は、導電層３０の他の部分に比べて厚みが薄く形成される。支持部３０３の厚み方向の一方の端面３０３Ａは、第１絶縁層１０と接触して接続される。支持部３０３の厚み方向の一方の端面３０３Ａは、第１絶縁層１０に対して直接接合されている。支持部３０３の厚み方向の他方の端面３０３Ｂは、第２絶縁層２０と接触して接続される。支持部３０３の厚み方向の他方の端面３０３Ｂは、第２絶縁層２０に対して直接接合されている。支持部３０３の厚み方向の他方の端面３０３Ｂ上の一部に、電極部８０が形成される。電極部８０は、第２検出電極部５０および引き出し電極部６０とは離れて形成される。ダイヤフラム部３０１と第１絶縁層１０との間には、基準圧力空間９１が形成される。ダイヤフラム部３０１と第２絶縁層２０との間には、測定圧力空間９２が形成される。

アイランド部３０２は、柱状（例えば、円筒状）の形状を有する。アイランド部３０２は、ダイヤフラム部３０１と離れた位置に配置される。アイランド部３０２は、支持部３０３の厚み方向に貫通する円環上の空間９５に取り囲まれる。アイランド部３０２の一方の端面３０２Ａは、第１絶縁層１０と接触して接続される。アイランド部３０２の一方の端面３０２Ａは、第１絶縁層１０に対して直接接合されている。アイランド部３０２の他方の端面３０２Ｂは、第２絶縁層２０と接触して接続される。アイランド部３０２の他方の端面３０２Ｂは、第２絶縁層２０に対して直接接合されている。

第２絶縁層２０は、導電層３０の第１絶縁層１０が接触する側とは反対側の面に接触して積層される。第２絶縁層２０は、導電層３０の第１絶縁層１０が接触する側とは反対側の面に対して直接接合されている。

第２絶縁層２０には、第２絶縁層２０を厚み方向に貫通する第１の貫通孔９３が形成される。第１の貫通孔９３は、円錐台状の形状を有する。第１の貫通孔９３は、導電層３０側に向かって直径が小さくなるように形成される。第１の貫通孔９３と測定圧力空間９２とは、連通する。

第２絶縁層２０には、第２絶縁層２０を厚み方向に貫通する第２の貫通孔９４が形成される。第２の貫通孔９４は、第１の貫通孔９３と離れて形成される。第２の貫通孔９４は、円錐台状の形状を有する。第２の貫通孔９４は、導電層３０側に向かって直径が小さくなるように形成される。第２の貫通孔９４は、平面的に見てアイランド部３０２と重なる位置に形成される。すなわち、アイランド部３０２の他方の端面３０２Ｂは、第２の貫通孔９４に露出するように形成される。

第１検出電極部４０は、第１絶縁層１０の主面１１上の一部に形成される。第１検出電極部４０は、基準圧力空間９１を挟んでダイヤフラム部３０１に対向する面上の一部に形成される。第１検出電極部４０の一方の端部は、アイランド部３０２の上記一方の端面３０２Ａに接続される。第１検出電極部４０の他方の端部は、基準圧力空間９１に対応する第１絶縁層１０の面上の領域に位置する。第１検出電極部４０は、基準圧力空間９１に対応する第１絶縁層１０の面上の領域からアイランド部の上記一方の端面３０２Ａに接続する領域まで延在する。

第２検出電極部５０は、測定圧力空間９２を挟んで第２絶縁層２０のダイヤフラム部３０１に対向する面２１上の一部から第１の貫通孔９３を取り囲む壁面２３まで延在するように形成される。第２検出電極部５０は、一方の端部が測定圧力空間９２に対応する第２絶縁層２０の面上の領域に位置し、他方の端部が第２絶縁層２０の導電層３０とは反対の面２２上に位置する。第２検出電極部５０は、測定圧力空間９２に対応する第２絶縁層２０の面上の領域から第２絶縁層２０の導電層３０とは反対の面２２上の領域まで延在する。

引き出し電極部６０は、第２絶縁層２０の第２の貫通孔９４を取り囲む壁面２４上に形成される。引き出し電極部６０の一方の端部は、アイランド部３０２の上記他方の端部３０２Ｂに接続される。引き出し電極部６０の他方の端部は、第２絶縁層２０の導電層３０とは反対の面２２に位置する。引き出し電極部６０は、アイランド部３０２の上記他方の端部３０２Ｂに接続する領域から第２絶縁層２０の導電層３０とは反対の面２２上の領域まで延在する。

次に圧力センサ１の動作について説明する。圧力センサ１において、第１絶縁層１０とダイヤフラム部３０１とに取り込まれた基準圧力空間９１は、基準圧に一定に保たれている。基準圧力空間９１の圧力は、たとえば大気圧未満とされる。より具体的には、３０ｋＰａ以上１００ｋＰａ以下である。第１の貫通孔９３を介して測定圧力空間９２が圧力を測定すべき空間と連通する状態とされると、ダイヤフラム部３０１が湾曲するように弾性変形する。たとえば、基準圧力空間９１内の圧力よりも測定圧力空間９２内の圧力が高い場合には、ダイヤフラム部３０１は、第１絶縁層１０側に湾曲するように弾性変形する。

このようにダイヤフラム部３０１が弾性変形することで、ダイヤフラム部３０１と第１検出電極部４０との間の距離およびダイヤフラム部３０１と第２検出電極部５０との間の距離が変化する。その結果として、ダイヤフラム部３０１と第１検出電極部４０との間の静電容量Ｃ１およびダイヤフラム部３０１と第２検出電極部５０との間の静電容量Ｃ２が変化する。ダイヤフラム部３０１と第２検出電極部５０との間の静電容量Ｃ２は、第２検出電極部５０および電極部８０によって計測される。第１検出電極部４０は、アイランド部３０２と導通する。アイランド部３０２は、引き出し電極部６０と導通する。このため、ダイヤフラム部３０１と第１検出電極部４０との間の静電容量Ｃ１は、引き出し電極部６０および電極部８０によって計測される。

ダイヤフラム部３０１と第１検出電極部４０との間の静電容量Ｃ１およびダイヤフラム部３０１と第２検出電極部５０との間の静電容量Ｃ２の変化率（たとえば、静電容量Ｃ１と静電容量Ｃ２との差／静電容量Ｃ１と静電容量Ｃ２との和）を求めることで、圧力検出を行うことができる。また、ダイヤフラム部３０１と第１検出電極部４０との間の電圧と、ダイヤフラム部３０１と第２検出電極部５０との間の電圧との変化量を計測することでも、圧力検出を行うことができる。

ここで、本実施の形態の圧力センサ１においては、第１絶縁層１０とダイヤフラム部３０１との間に基準圧力空間９１が形成される。このようにすることで、第１絶縁層１０とダイヤフラム部３０１とに取り囲まれた閉鎖空間が形成され、基準圧を確実に一定に保つことができる。その結果、圧力センサ１の検出精度を向上させることができる。

また、本実施の形態の圧力センサ１においては、導電層３０は厚み方向に貫通する環状の空間に取り囲まれたアイランド部３０２を含む。そして、アイランド部３０２の端部は、第１検出電極部４０および引き出し電極部６０と接続される。このようにすることで、第１絶縁層１０に貫通孔を設け、これを電極材料で埋め込むことなく、引き出し電極部６０と第１検出電極部４０とをアイランド部３０２を介して接続することができる。その結果、製造コストを抑えつつ、導通不良の発生を抑制することができる。

次に圧力センサ１の製造方法の概要について説明する。図２を参照して、まずガラス基板からなる第２絶縁層２０を準備する。より具体的には、硼珪酸ガラスのような耐熱ガラスが準備される。

次に図２および図３を参照して、第２絶縁層２０に第１の貫通孔９３および第２の貫通孔９４が形成される。第１の貫通孔９３および第２の貫通孔９４は、たとえば第２絶縁層２０の一方の主面２２上に第１の貫通孔９３および第２の貫通孔９４の形状に対応する開口を有するマスク層を形成した上で、エッチングを実施することにより形成することができる。

次に図３および図４を参照して、第２絶縁層の一方の主面２２、第２絶縁層の他方の主面２１および第２絶縁層２０の第１の貫通孔９３を取り囲む壁面２３上に第２検出電極部５０が形成される。第２検出電極部５０は、たとえば第２絶縁層２０の一方の主面２２および第２絶縁層２０の他方の主面２１上に第２検出電極部５０の形状に対応する開口を有するマスク層を形成した上で、スパッタリングを実施することにより形成することができる。

次に図５を参照して、ガラス基板からなる第１絶縁層１０を準備する。より具体的には、硼珪酸ガラスのような耐熱ガラスが準備される。そして、図５および図６を参照して、第１絶縁層１０の一方の主面１１上に第１検出電極部４０が形成される。第１検出電極部４０は、たとえば第１絶縁層１０の一方の主面１１上に第１検出電極部４０の形状に対応する開口を有するマスク層を形成した上で、スパッタリングを実施することにより形成することができる。

次に図７を参照して、不純物が導入されることにより導電性が付与された珪素からなる導電層を準備する。より具体的にはＰ型不純物であるホウ素が導入されたシリコン基板や、Ｎ型不純物であるヒ素が導入されたシリコン基板が準備される。そして、図７および図８を参照して、導電層３０の一方の主面３１上の一部に凹部３３が形成される。凹部３３は、たとえば導電層３０の一方の主面３１上の一部に凹部３３の形状に対応する開口を有するマスク層を形成した上で、エッチングを実施することにより形成することができる。

次に図８、図４および図９を参照して、導電層３０の一方の主面３１上に図４に示す第２絶縁層２０が接合される。より具体的には、第２絶縁層２０の他方の主面２１と導電層３０の一方の主面３１とが陽極接合法により接合される。

次に図９および図１０を参照して、導電層３０の厚みが小さくなるように、導電層３０の他方の主面３２を加工する。さらに、図１０および図１１を参照して、導電層３０の他方の主面３２の一部に凹部３４が形成される。凹部３４は、導電層の一方の主面３１側に形成された凹部３３に対応する位置に形成される。凹部３４は、たとえば導電層３０の他方の主面３２上の一部に凹部３４の形状に対応する開口を有するマスク層を形成した上で、エッチングを実施することにより形成することができる。

次に図１１および図１２を参照して、導電層３０に円環上の空間９５に取り囲まれるアイランド部３０２が形成される。アイランド部３０２は、たとえば導電層３０の他方の主面３２上に円環上の空間９５に対応する開口を有するマスク層を形成した上で、エッチングを実施することにより形成することができる。

次に図１２、図６および図１３を参照して、導電層３０の他方の主面３２上に図６に示す第１絶縁層１０が接合される。より具体的には、導電層３０の他方の主面３２と第１絶縁層１０の一方の主面１１とが陽極接合法により接合される。

次に図１３および図１４を参照して、第２絶縁層２０の一方の主面２２、第２の貫通孔を取り囲む壁面２４およびアイランド部３０２の他方の端面３０２Ｂ上に引き出し電極部６０が形成される。また、電極部８０が導電層３０の一方の主面３１上の一部に形成される。引き出し電極部６０および電極部８０は、たとえば引き出し電極部６０および電極部８０に対応する開口を有するマスク層を第２絶縁層２０の一方の主面２２上に形成した上で、スパッタリングを実施することにより形成することができる。以上の手順により本実施の形態の圧力センサ１を製造することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、どのような面からも制限的なものではないと理解されるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって規定され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の圧力センサは、低コストで高い検出精度が求められる圧力センサに、特に有利に適用され得る。

１圧力センサ、１０第１絶縁層、１１主面、２０第２絶縁層、２１主面、２２主面、２３壁面、２４壁面、３０導電層、３１主面、３２主面、３３凹部、３４凹部、３０１ダイヤフラム部、３０２アイランド部、３０２Ａ端面、３０２Ｂ端面、３０３支持部、３０３Ａ端面、３０３Ｂ端面、４０第１検出電極部、５０第２検出電極部、６０引き出し電極部、８０電極部、９１基準圧力空間、９２測定圧力空間、９３第１貫通孔、９４第２貫通孔、９５空間。

Claims

第１絶縁層と、
前記第１絶縁層上に積層される導電層と、
前記導電層上に積層され、厚み方向に貫通する第１の貫通孔および第２の貫通孔が形成される第２絶縁層と、
前記第１絶縁層の前記導電層に対向する面上の一部に配置される第１検出電極部と、
前記第２絶縁層の前記導電層に対向する面上の一部から前記第１の貫通孔を取り囲む壁面まで延在するように配置される第２検出電極部と、
前記第２絶縁層の前記第２の貫通孔を取り囲む壁面上に配置される引き出し電極部と、
を備え、
前記導電層は、
前記第１絶縁層との間に基準圧力空間を形成するとともに、前記第２絶縁層との間に前記第１の貫通孔と連通する測定圧力空間を形成することにより、他の部分に比べて厚みの薄いダイヤフラム部と、
平面的に見て前記第２の貫通孔に重なる位置であって、前記ダイヤフラム部とは離れた位置に配置され、厚み方向に貫通する環状の空間に取り囲まれるアイランド部と、を含み、
前記第１検出電極部は、前記アイランド部の前記第１絶縁層側の端部に接続され、
前記引き出し電極部は、前記アイランド部の前記第２絶縁層側の端部に接続される、圧力センサ。
前記基準圧力空間の圧力は、大気圧未満である、請求項１に記載の圧力センサ。
前記導電層は、不純物が導入されることにより導電性が付与された珪素からなる、請求項１または請求項２に記載の圧力センサ。
前記第１絶縁層および前記第２絶縁層は、ガラス基板からなる、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の圧力センサ。