JPH04143627A - 静電容量式圧力センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、被測定圧力の変化を静電容量的に検出するダ
イアフラム構造の静電容量式圧カセンサおよびその製造
方法に関するものである。

［従来の技術］ 第４図は例えば特開昭６３−２９８１３０号公報に開示
されているこの種の静電容量式圧力センサの構成を示す
断面図である。同図において、表面に下部固定電極４１
を形成した感光性ガラス基板４２上には、空洞４３を介
して上部可動電極４４またはダイアフラム４５が形成さ
れ、この感光性ガラス基板４２の背面側には、空洞４３
に連通ずる圧力導入用の微細孔４６を開設してダイアフ
ラム構造を構成している。

第５図（ａ）〜（ｄ）は例えば特開昭６３−２０８７３
５号公報に開示されているこの種の静電容量式圧力セン
サの製造方法を示す工程の断面図である。同図において
、同図（ａ）に示すように表面に下部固定＠［ｉ４１を
形成した感光性ガラス基板４２上に加熱分解物質を含む
溶液の薄膜４７を形成した後、同図（ｂ）に示すように
この薄膜４７の上部に金属蒸着膜４８を形成し、同図（
Ｃ）に示すようにこの金属蒸着膜４８を保護マスクとじ
て薄膜４７を特定形状にバターニングした後、同図（ｄ
）に示すように金属蒸着膜４８上およびその周辺部の感
光性ガラス基板４２上に金属被覆膜を積層してダイアフ
ラム４５を形成する。

しかる後、薄膜４７の加熱分解物質を加熱分解して除去
することによって第４図に示すような空洞４３を設けて
ダイアフラム構造を形成している。

［発明が解決しようとする課題］ 一般に薄膜プロセスにより生成された膜は、段差部の膜
厚が減少し、膜質も段差のないところより劣る。また、
段差部の膜厚、膜質のコントロールは段差のない部分よ
り難しいことが知られている。

また、ダイアフラムが圧力を受けると、最大応力部は可
動部の終端部に発生し、ダイアフラム終端部の機械特性
がダイアフラム全体の機械特性、特に圧力変位変換特性
（ダイアフラムの柔らかさ）、耐過大圧力特性（ダイア
フラムのじょうぶさ）に大きく影響する。したがって薄
膜でダイアフラム部を形成する場合、ダイアフラムの可
動部の終端部に段差がないことが望ましい。

ところが、第４図に示すようにダイアフラムの可動部の
終端部に段差があるので、ダイアフラム可動部の機械特
性が悪くなり、かつ量産したとき一定しない。これは第
５図に示すように従来の製造方法によれば、ダイアフラ
ムの可動終端部の段差は避けられないという問題があっ
た。

したがって本発明は、圧力に対する出力のバラツキが小
さくかつ耐圧が大きくしかも耐圧のバラツキの小さな静
電容量式圧力センサおよびその製造方法を提供すること
を目的としている。

［課題を解決するための手段］ このような課題を解決するために本発明による静電容量
式圧力センサは、基板部と、この基板部の一方の面に形
成された空洞部と、この基板部の空洞部上を覆いかつ電
極が絶縁膜間に挟持されて一体形成された薄膜状のダイ
アフラム部と、この基板部の他方の面に空洞部に連通し
て開設された圧力導入穴とを備え、ダイアフラム部の可
動終端部の段差が基板部と可動ダイアフラムの可動部終
端部近傍のギャップよりも小さくしたものである。

また、本発明による第１の静電容量式圧力センサの製造
方法は、基板部の一方の面に第１のエツチング溝および
他方の面に第２のエツチング溝をそれぞれ形成する工程
と、第１のエツチング溝を犠牲層により埋め込む工程と
、犠牲層が形成された基板部上に複数層の絶縁膜および
絶縁膜間に電極を形成する工程と、基板部の他方の面に
形成された第２のエツチング溝に犠牲層に達するエツチ
ングを行い開口を形成する工程と、開口から犠牲層を除
去して空洞部を形成する工程とを有している。

また、本発明による第２の静電容量式圧力センサの製造
方法は、基板部の一方の面にエツチング可能な埋め込み
層を形成する工程と、基板部の他方の面にエツチング溝
を形成する工程と、第１の埋め込み層が形成された基板
部上に複数層の絶縁膜および絶縁膜間に電極を形成する
工程と、前記基板部の他方の面に形成されたエツチング
溝に埋め込み層に達するエツチングを行い開口を形成す
る工程と、開口から埋め込み層を除去して空洞部を形成
する工程とを有している。

［作用］ 本発明による静電容量式圧力センサにおいては、薄膜状
のダイアフラム部が基板部の表面に対してほぼ平行にか
つ平坦に形成される。また、静電容量式圧力センサの製
造方法においては、基板部の一方の面に形成された第１
のエツチング溝を犠牲層により埋め込み、この基板部上
に複数層の絶縁膜および絶縁膜間に電極を形成した後、
この開口から犠牲層を除去するので、ギャップが小さく
かつ高精度の薄膜状ダイアフラム部が一連の製造プロセ
スで形成される。

［実施例コ 以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。

第１図は本発明による静電容量式圧力センサの一実施例
による構成を説明する図で同図（ａ）は平面図、同図（
ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ′線の断面図である。同図に
おいて、基板部１の表面側中央部分には、全体形状がほ
ぼ矩形状で断面が凹状となる深さの浅い空洞部２が形状
されており、この空洞部２が形成された基板部１上には
、周辺部分が固定部となり中央部分が可動部となる薄膜
状のダイアフラム部３がこの空洞部２を覆って形成され
ている。このダイアフラム部３は、可動部分における内
部に上側電極４が絶縁膜うでサンドウィッチ状に挟持さ
れた積層構造を有して形成されており、さらに絶縁膜５
の上層部の角部には、この絶縁膜５を貫通して開口６が
形成され、この開口６内に導電体７が埋め込まれ、さら
にこの導電体７上には上側電極４と電気的に接続される
電極端子８が形成されている。また、この基板部１の角
部にはこの基板部１と電気的に接続される電極端子９が
形成されている。さらにこの基板部１の背面側には空洞
部２と連通ずる圧力導入穴１゜が開設されている。また
、上側を衡４と空洞部２を介して対向しコンデンサ構造
を形成する下側電極は、基板部１が金属板であればその
ものであり、半導体基板であれば空洞部２内の底面に金
属電極を形成してこの金属電極に電極端子９を電気的に
接続させる。

このような構成によると、基板部１との間にギャップの
小さい空洞部２を挟んでダイアフラム部３が一体形成さ
れ、この空洞部２を挟んで上側電極４と基板部１とでコ
ンデンサ構造が形成されるので、圧力導入穴１０から圧
力が導入されると、被測定量に応じてダイアフラム部３
の可動部が上下方向に移動変位し、この変位によってコ
ンデンサ構造の静電容量が変化するのを検出して圧力が
検出されることになる。

第２図（ａ）〜（ｅ）は第１図に示す静電容量式圧力セ
ンサの製造方法の一実施例を説明する工程の断面図であ
り、第１図と同一部分には同一符号を付しである。同図
において、まず、同図（ａ）に示すように基板部として
例えばＳｉ基板１１の両面に例えばＳｉＯ□、ＳｉＮｘ
などのエツチングマスク膜１２を形成した後、このエツ
チングマスクＭ１２を写刻技術により、パターニングを
行って同図（ｂ）に示すようにそれぞれ所要の７スク１
２ａ、１２ｂを形成する６次にこのマスク１２ａ、１２
ｂを用いてＳｉ基板１１の両面をエツチングを行って同
図（ｃ）に示すように所要の深さのエツチング溝１３ａ
、１３ｂをそれぞれ形成した後、Ｓｉ基板１１の表面側
全面にエツチング溝１３ａの深さ以上の犠牲層１４を形
成し、ポリッシングにより同図（ｃ）に示すように犠牲
層１４が埋め込まれた構造を形成する０次に同図（ｄ）
に示すように犠牲層１４が埋め込まれたＳｉ基板１１の
表面に通常の薄膜プロセスにより、第１の絶縁膜１５ａ
、第２の絶縁膜１５ｂ問に導電膜がサンドウィッチ状に
挟持された上側電極１６を形成する０次にこの第２の絶
縁膜１５ｂの所要部にエツチングにより開口１７を形成
し、通常の薄膜プロセスにより、この開口１７内に導電
体１８を埋め込んだ後、この導電体１８上に上側電極１
６と電気的に接続される！極端子１９を形成する。同様
にこのＳｉ基板１１の角部にもこのＳｉ基板１１と電気
的に接続されるｔ極端子２ｏを形成する。次にこのＳｉ
基板１１の背面側のエツチング溝１３ｂをウェットエツ
チングにより、犠牲層１４に到達する圧力導入穴を形成
するとともにこの圧力導入穴を用いて犠牲層１４の除去
を行って第１図（ｂ）に示すような基板部１とダイアフ
ラム部３とが空洞部２を介して一体化されたコンデンサ
構造が形成されることになる。

このような構成によると、可動ダイアプラム部３の可動
終端部に段差部のない表面が平坦なダイアフラム構造が
形成できることになる。また、このような方法によると
、コンデンサ構造が一連の製造プロセスで容易にしかも
電極間寸法が極めて小さくかつ寸法精度が高く形成する
ことができる。

第３図は本発明による静電容量式圧力センサの他の実施
例による構成を説明する図で同図（ａ＞は平面図、同図
（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ′線の断面図であり、第１
図と同一部分には同一符号を付しである。同図において
、第１図と異なる点は、ダイアプラム部３が形成された
基板部１上には、複数の圧力導入口３１ａ、３１ｂが閉
設されかつダイアフラム部３と一定のギャップ３１ｃを
有する蓋状のストッパ構造３１が例えばＵＳ３３９７２
７８号公報で示されている陽極接合などによる方法で接
着配置されている。また、このＳｉ基板１１に形成され
た空洞部２内の底面には、下側型［！３２が形成されて
おり、ダイアフラム部３内の上側電極４と空洞部２を介
してコンデンサ構造が形成される構成となっている。

このような構成によると、前述と同様の効果が得られる
とともに基板部１の下方から加圧された場合、ダイアフ
ラム部３の過大な変位に対して機械的に保護されるので
、耐圧を向上させることができる。

なお、第１図〜第３図に示した静電容量式圧力センサに
より、圧力が静電容量値に変換されるが、この静電容量
値を計測するときの浮遊容量に配慮が必要である。すな
わち対向電極間の静電容量値を計測するために対向電極
は計測回路に接続されるが、対向電極から計測回路まで
のリード線の浮遊容量が対向電極間の静電容量値に付加
される。この浮遊容量が大きくバラツクと圧力センサ計
測精度がそれだけ低下する。このような問題に対して第
１図〜第３図の静電容量式圧力センサの基板部ｌを単結
晶シリコンなどの半導体基板とし、静電容量値計測回路
またはその一部を圧カセンサ機楕の側部の半導体基板上
に設けても良い。

このような構成よると、対向！極が静電容量値計測回路
に接続されるまでの浮遊容量が極めて小さくなり、かつ
浮遊容量値のバラツキが小さくなるので、浮遊容量の影
響が小さくなり、それだけ圧力センサの高精度化が可能
となる。また、高精度化を計る代わりに圧力センサ構造
部をさらに小型化しても良く、この場合、静電容量値計
測回路まで基板部１に集積しであるので、圧力センサ測
定システム全体が極めて小さくできるなどの効果が得ら
れる。

また、前述した実施例においては、Ｓｉ基板１１の表面
を平坦にする基板面を得る方法としてＳｉ基板１１に断
面が凹となるエツチング溝１３ａを形成し、このエツチ
ング清り３ａ内を犠牲層１４で埋め込む工程を用いた場
合について説明したが、本発明はこれに限定されるもの
ではなく、Ｓｉ基板１１として例えばｎ型Ｓｉ基板に不
純物を高濃度で選択的に拡散させて拡散層を形成し、こ
の拡散層を埋め込み層として用いても良い。この場合、
この埋め込み層の除去にはｎ型Ｓｉ基板の背面側から前
述したように埋め込み層に到達する開口を形成した後に
例えば沸酸：硝酸：酢ａ−１＝３＝８からなるエツチン
グ溶液を用いて埋め込み層を選択的にエツチング除去し
て空洞部２を形成しても前述した同一構造のダイアフラ
ム部３が形成できる。

また、前述した実施例では、ダイアフラム部の可動終端
部に全く段差の場合について説明したが、例えば第２図
（ｃ）に示す犠牲層が基板面に対して僅かに高い場合お
よび低い場合、最終的に形成されるダイアフラム部の可
動終端部は僅かな段差を有するが、この場合においても
、前述と同様に優れた効果が得られる。

また、前述した実施例では、可動ダイアフラム部の形状
を四角形とした場合について説明したが、本発明はこの
形状に限定されるものではなく、多角形状もしくは丸形
状でも良いことは言うまでもない。

［発明の効果コ 以上、説明したように本発明による静電容量式圧力セン
サによれば、コンデンサ電極間の空洞部が小さく形成で
きるとともに可動終端部に段差のないダイアフラム部が
薄膜状に構成できるので、圧力に対して容量変化が大き
く過大圧力に対する耐圧が大きくでき、かつ圧力センサ
毎の出力のバラツキ、耐圧のバラツキが小さい圧力セン
サが提供できる。才な、このような製造方法によれば、
−括製造プロセスで容易にかつ高精度、低コスト、小型
で形成することができるなどの極めて優れた効果が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による静電容量式圧力センサの一実施例
による構成を示す図、第２図（ａ）〜（ｅ）は第１図の
製造方法を説明する工程の断面図、第３図は本発明によ
る静電容量式圧力センサの他の実施例による構成を示す
断面図、第４図は従来の静電容量式圧力センサの構成を
示す断面図、第５図は従来のｎ電容量式圧力センサの製
造方法を説明する工程の断面図である。 １・・・・基板部、２・・・・空洞部、３・・・・ダイ
アフラム部、４・・・・上側電極、５・・・・絶縁膜、
６・・・・開口、７・・・・導電体、８．９・・・・電
極端子、１０・・・・圧力導入穴、１１・・・・Ｓｉ基
板、１２・・・・エツチングマスク膜、１２ａ、１２ｂ
・・・・マスク、１３ａ、１３ｂ・・・・エツチング溝
、ｌｉ−犠牲層、１５ａ、１５ｂ−・・・絶縁膜、１６
・・・・上側電極、１７・・・・開口、１８・・・・導
電体、１９．２０・・・電極端子、３１・−・・ストッ
パ構造、３１ａ、３１ｂ・・・・開口、３１ｃｍ・・・
ギャップ、３２・・・・下側電極。 第１ 図 （ｂ） 第２ 図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板部と、前記基板部の一方の面に形成された空
   洞部と、前記基板部の空洞部上を覆いかつ電極が絶縁膜
   間に挟持されて一体形成された薄膜状のダイアフラム部
   と、前記基板部の他方の面に前記空洞部に連通して開設
   された圧力導入穴とを備え、前記ダイアフラム部の可動
   終端部の段差が前記基板部と可動ダイアフラムの可動終
   端部近傍のギャップよりも小さいことを特徴とする静電
   容量式圧力センサ。
2. （２）請求項１記載の静電容量式圧力センサにおいて、
   前記基板部の一方の面に第１のエッチング溝および他方
   の面に第２のエッチング溝をそれぞれ形成する工程と、
   前記第１のエッチング溝を犠牲層により埋め込む工程と
   、前記犠牲層が形成された基板部上に複数層の絶縁膜お
   よび前記絶縁膜間に電極を形成する工程と、前記基板部
   の他方の面に形成された第２のエッチング溝に前記犠牲
   層に達するエッチングを行い開口を形成する工程と、前
   記開口から前記犠牲層を除去して空洞部を形成する工程
   とからなることを特徴とした静電容量式圧力センサの製
   造方法。
3. （３）請求項１記載の静電容量式圧力センサにおいて、
   前記基板部の一方の面にエッチング可能な埋め込み層を
   形成する工程と、前記基板部の他方の面にエッチング溝
   を形成する工程と、前記埋め込み層が形成された基板部
   上に複数層の絶縁膜および前記絶縁膜間に電極を形成す
   る工程と、前記基板部の他方の面に形成されたエッチン
   グ溝に前記埋め込み層に達するエッチングを行い開口を
   形成する工程と、前記開口から前記埋め込み層を除去し
   て空洞部を形成する工程とからなることを特徴とした静
   電容量式圧力センサの製造方法。