JPH11241968A - 静電容量型圧力センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】特性のバラツキが少なくて安定性がよく、良品
率が高く、価格が安い圧力センサ及び圧力センサの製造
方法を提供する。 【解決手段】圧力により変位するダイアフラム（肉薄部
212 及び可動電極としての平坦部211 ）をもつシリコン
基板20の両面に、ムライト−コージェライト系セラミッ
クからなる絶縁性基板30a 及び30b が静電接合で接合さ
れている。絶縁性基板30a 及び30b には、それぞれに固
定電極31a 及び31b と電極32a 及び32b が形成されてお
り、コンデンサC₁及びC₂が形成されている。シリコン基
板20と２枚の絶縁性基板30a 及び30b とが接合されて剛
性が高くなった領域の絶縁性基板30b の上面に、検出回
路６がベアチップで構成されている。なお、検出回路６
はシリコン基板20と絶縁性基板30a 及び30b とが接合さ
れた後で構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ダイアフラムに
印加された圧力あるいは圧力差によるダイアフラムの変
位を、ダイアフラムと対向電極とで形成するコンデンサ
の静電容量値として検出する静電容量型圧力センサに関
する。

【０００２】

【従来の技術】静電容量型圧力センサ（以下では、圧力
センサと略称）において、計測対象圧力あるいは圧力差
を計測するためのコンデンサの静電容量値は、10から10
0 pFオーダと小さい値であるため、配線に伴う浮遊容量
の影響が大きく、その影響を極力低減するために、検出
回路はコンデンサの近傍に配置される。

【０００３】図３及び図４は、従来技術による圧力セン
サの構造を示す断面図である。図３に示した圧力センサ
10a は、特開平1-253627号公報に開示されている圧力セ
ンサであり、シリコン基板２には、異方性エッチングに
よりダイアフラム21が形成され、更にダイアフラム21と
は別の領域に信号処理回路22が形成されている。このシ
リコン基板２の上面には、ダイアフラム21の上部及び信
号処理回路22を完全に封止するために、ガラス基板３が
静電接合（公報では陽極接合）により接合されており、
信号処理回路22からの信号線４はガラス基板３にあけら
れた孔に通され、この孔を接着剤５で埋めることによっ
て信号線４を固定している。

【０００４】図４に示した圧力センサ10b は、特開平6-
323941号公報に開示されている圧力センサである。この
圧力センサ10b は、共に単結晶シリコンウェハからなる
フレーム2aとカバー2bとがガラス材による低温接合技術
（約 100〜200 ℃の熱処理）で一体化されている。フレ
ーム2aは周辺部を弾性的に保持されている四角いダイア
フラム21a を有し、ダイアフラム21a の上面にはアルミ
のスパッタ膜からなる可動電極24が形成されている。ダ
イアフラム21a はアルカリ溶液による異方性エッチング
により形成されている。可動電極24の形成と同時に、可
動電極24からの接続配線25a 及び外部引出し配線26も形
成される。カバー2bには通常の半導体製造工程によって
検出回路22a が作り込まれており、この検出回路22a を
覆うように、SiO₂からなる酸化膜27がCVD 法によって形
成されている。この酸化膜27上には、可動電極24に対向
する固定電極28及び接続配線25b がアルミのスパッタ膜
によって形成されている。検出回路22a と接続配線25a
及び25b とはコンタクトホール29a 及び図示されていな
い29b によって接続されている。

【０００５】図３のような、シリコン基板２にダイアフ
ラム21と検出回路（図３では信号処理回路）22とを形成
する場合においては、ダイアフラム21を形成する工程が
例えばアルカリ溶液を使う異方性エッチングであると、
アルカリ金属汚染の影響を排除するための対策が必要で
あり、工程が複雑となり、プロセスコストが上昇し、ア
ルカリ金属が残留すれば検出回路22が不安定となり信頼
性が低下する。更に、ダイアフラム21と検出回路22とは
同一シリコン基板２の別の領域に形成されるので、チッ
プサイズが大きくなりコストアップとなる。なお、シリ
コン基板２とガラス基板３とを接合する静電接合におい
ては、約 400℃に加熱されて、数百Ｖの電圧が印加され
るので、検出回路22に対する温度と電圧の影響を十分に
配慮することが必要であり、良品率を低下させる可能性
がある。

【０００６】図４の場合には、検出回路22a が形成され
ているカバー2bは、ダイアフラム21a が形成されている
フレーム2aとは別のシリコン基板であるので、図３の場
合のようなアルカリ金属汚染の問題はなくなる。しか
し、フレーム2aとカバー2bとの接合工程において検出回
路22a の特性が劣化する確率が高くなると、圧力センサ
としての良品率が低下し、コストアップの要因となる。
ＭＯＳＩＣの場合には、その保存温度は 125℃以下と言
われており、フレーム2aとカバー2bとの接合温度が高く
なると検出回路22a の特性劣化が問題となる。前述のよ
うな低温接合技術（約 100〜200 ℃の熱処理）の場合に
は、比較的問題は少ないと予想される。しかし、フレー
ム2aとカバー2bとを接着層なしで接合することができる
静電接合で接合する場合には、前述したように、温度が
高く、しかも高い電圧が印加されるので検出回路22a の
特性劣化が多くなり、良品率が低下する可能性が高い。

【０００７】また、カバー2bに形成されている検出回路
22a が、図４のようにダイアフラム21a の上部のキャッ
プ部に形成されている場合には、測定対象の圧力が高い
と、その圧力によるカバー2bの変形に伴って検出回路22
a の特性が変化するという問題点をもっており、カバー
2bを厚くすることが必要となる。図３及び図４に示した
圧力センサは、ある範囲の圧力を測定するための圧力セ
ンサであるが、用途によっては、１つの圧力センサだけ
では測定範囲をカバーすることができない場合もある。
このような用途に対応するものとして、この発明の発明
者等が出願している特願平8-12762 号に記載されている
ような、圧力に対する感度の異なる複数のダイアフラム
を一体に有する圧力センサもある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、上
述の問題点を解消して、特性のバラツキが少なくて安定
性がよく、良品率が高く、価格が安い圧力センサ及び圧
力センサの製造方法を提供することである。

【０００９】

【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、この発明においては、圧力に応じて変位する
ダイアフラムを有する導電性基板と、このダイアフラム
に対向する位置に電極を有し、導電性基板に接合されて
いる絶縁性基板とを備え、ダイアフラムとこれに対向す
る電極とが形成するコンデンサの静電容量値によってダ
イアフラムに印加されている圧力あるいは圧力差を計測
する圧力センサにおいて、コンデンサの静電容量値を検
出する検出回路を、導電性基板との接合面ではない側の
絶縁性基板の表面に構成する（請求項１の発明）。

【００１０】検出回路を絶縁基板の接合面ではない側の
表面に構成しているので、導電性基板と絶縁性基板とを
接合した後で、劣化する心配のない条件下で検出回路を
絶縁基板に構成することができる。請求項１の発明で
は、検出回路が構成されている絶縁性基板の表面の領域
を、導電性基板との接合領域に対応する領域内とするこ
とができる（請求項２の発明）。導電性基板に形成され
たダイアフラム部に対応する領域の剛性は絶縁性基板だ
けの剛性であるのに対して、導電性基板と絶縁基板とが
接合されている領域は両者の複合効果で剛性が大きくな
り、圧力による歪みが少なくて済む。

【００１１】請求項１及び２の発明では、検出回路をベ
アチップで構成することができる（請求項３の発明）。
検出回路をベアチップで構成すると、パッケージ品の検
出回路を使用する場合に比較して次のような利点があ
る。検出回路が曝される圧力伝達媒体、例えばシリコー
ンオイル等、によるパッケージの腐食や圧力によるパッ
ケージの割れ等が避けられ、検出回路の占有面積が少な
くなり、検出回路の構成変更が容易に実施できる。ま
た、図３や図４のようにシリコン基板内に形成する場合
に比べて、圧力センサの製造工程を少なくすることがで
きる。

【００１２】請求項１〜３の発明では、絶縁性基板をセ
ラミックとすることができる（請求項４の発明）。セラ
ミックは剛性が高いので、圧力センサにかかる圧力によ
る検出回路の歪みを低減することができる。請求項４の
発明では、導電性材料を単結晶シリコンウェハとし、セ
ラミックをムライト−コージェライト系セラミックとす
ることができる（請求項５の発明）。導電性材料として
の単結晶シリコンは、弾性変形範囲が広く、素材の特性
のバラツキが少なく、ダイアフラムの加工技術も確立さ
れており、ダイアフラムを形成する材料としては理想的
である。また、絶縁材料としてのムライト−コージェラ
イト系セラミックは、その熱膨張係数が単結晶シリコン
の熱膨張係数とぴったり一致するセラミックを得ること
ができ、しかもセラミックとして高い剛性を有してい
る。

【００１３】請求項６の発明は、請求項１に記載の静電
容量型圧力センサの製造方法であって、導電性基板と絶
縁性基板とを接合した後で、検出回路を絶縁性基板の外
側面に構成する。両基板を接合した後に検出回路を構成
するので、検出回路が両基板の接合に伴う温度や電圧等
の影響を受けない。

【００１４】

【発明の実施の形態】この発明の実施の形態について実
施例を用いて説明する。図１は実施例の構造を示す断面
図であり、図２はその信号処理回路の構成を示すブロッ
ク図である。導電性基板としてのシリコン基板20は、適
当な電気伝導度、例えば約 0.1Ωcm、をもち、〔１０
０〕面を結晶面方位とするｐ形のシリコンウェハに、空
隙23a及び23b に相当する円形の凹みと、その外側のリ
ング状の肉薄部212 を形成するためのリング溝とが各面
２回以上のプラズマエッチングによって形成されてい
る。リング状の肉薄部212 の内側はそれより厚い平坦部
211 となっており、圧力センサ100 の可動電極となる。
この平坦部211 と肉薄部212 とで圧力差によって変位す
るダイアフラムが構成されている。なお、シリコン基板
20及び肉薄部212 の厚さは測定対象となる圧力あるいは
圧力差の大きさによって決定される。

【００１５】このシリコン基板20の両面に、ムライト−
コージェライト系のセラミックからなる絶縁性基板30a
及び30b が静電接合で接合されており、絶縁性基板30a
及び30b には、それぞれの固定電極31a 及び31b 並びに
電極32a 及び32b が、クロム、白金、金の３層のマスク
スパッタリングによって形成されており、圧力が導入さ
れるそれぞれの導圧口33a 及び33b の内壁を通して固定
電極が電極に接続されている。なお、図示していない
が、絶縁性基板30a 及び30b のそれぞれの静電接合面に
は、厚さ 1.6μm のパイレックスガラスのスパッタ膜が
形成されており、このパイレックスガラス膜によって静
電接合が可能となる。

【００１６】シリコン基板20の可動電極である平坦部21
1 と２つの固定電極31a 及び31b とで、相対的に静電容
量値が変化する１対のコンデンサが形成されている。絶
縁性基板30a 及び30b としてムライト−コージェライト
系のセラミックを使用しているのは、シリコンの熱膨張
係数に極めて近い熱膨張係数をもち、しかも剛性の高い
セラミックを得ることができるからである。

【００１７】絶縁性基板30a の下面には、導圧口33a に
導通する状態に位置決めされて、中央に貫通孔を有する
ムライト−コージェライト系のセラミックからなる絶縁
部材７が、金−錫共晶半田によって接合されている。こ
の絶縁部材７の上下面には、半田付けのためのクロム、
白金、金の３層のスパッタ膜が形成されている。絶縁部
材７の下面には、同様に、導圧口33a に導通する状態に
位置決めされて、中央に貫通孔を有するステンレスから
なる基台８が、金−錫共晶半田によって接合されてい
る。この基台８の半田付け部にも、クロム、白金、金の
３層のスパッタ膜が形成されている。これらの貫通孔を
通して、封入されている圧力伝達流体９が第１の圧力P1
をダイアフラムの下面に伝える。

【００１８】一方、絶縁性基板30b には、シリコン基板
20との接合部の片隅に貫通孔が形成されており、両基板
を接合した後、電極35がアルミのマスクスパッタリング
によって形成され、シリコン基板20からの引出し電極と
なっている。更に、シリコン基板20との接合面ではない
側の表面で、シリンコ基板20と接合されている領域に対
応する領域内に、ベアチップを用いた検出回路６が構成
され、電極32a 、32b及び35のそれぞれから、アルミ線
による配線が接続されている。検出回路６が構成されて
いる領域は、圧力センサ100 の中で最も剛性の高い領域
であり、しかも、１対のコンデンサに近く、配線による
浮遊容量が少なくて済む領域である。

【００１９】このような圧力センサ100 の周辺及びダイ
アフラムの上面部には、基台８等の貫通孔を通して導か
れた圧力P1に対する第２の圧力P2をダイアフラムの上面
に伝えるための、図示していない圧力伝達流体が封入さ
れている。ダイアフラムの両面にかかる圧力P1と圧力P2
との差によって肉薄部212 が変形し、平坦部211 が電極
32a 及び32b に垂直に変位し、可動電極である平坦部21
1と固定電極31a との間の静電容量値C₁と、平坦部211
と固定電極31b との間の静電容量値C₂とが相対的に変化
し、その値を測定することによってP1とP2との差が検出
される。この圧力センサにおいて、一方の圧力を大気圧
にすればゲージ圧センサとなり、一方を真空にすれば絶
対圧センサとなる。

【００２０】図２は、検出回路６の一例を示すもので、
前出の特願平8-12762 号に記載されている回路構成と同
じものである。図１には１つのダイアフラムだけが示さ
れているが、図２の検出回路６は、測定圧力範囲の異な
るダイアフラムを幾つか有する圧力差センサ、１つの静
電容量で測定する絶対圧センサ、更には温度センサ等を
備えている複合形の圧力センサに適用されるものであ
る。検出回路６は、静電容量値C₁及びC₂に対応する複数
対のコンデンサ、絶対圧用のコンデンサ、温度計測用コ
ンデンサ等を順次切り換えて検出手段62に接続するため
の切替え手段61と、検出手段62とで構成されている。各
コンデンサに対応する静電容量値は、検出手段62によっ
てノイズに強い信号に変換されて演算手段60に送られ
る。

【００２１】上記においては、対になるコンデンサと１
つづつのコンデンサと温度測定用コンデンサを全て含ん
でいるものを説明したが、この圧力センサ100 は上記の
全てのコンデンサを備えていることが必要条件ではな
く、必要に応じてそれらを適宜組み合わせて構成されれ
ばよい。したがって、最少の場合は、絶対圧用の１つの
コンデンサだけで切替え手段61を欠くものもあり得る。

【００２２】図１には、円形で周辺部にリング状の肉薄
部212 を有するダイアフラムを備え、その両面がそれぞ
れコンデンサを形成している圧力センサ100 の場合につ
いて説明したが、図３あるいは図４に示したような四角
い形状で厚さの一様なダイアフラムにもこの発明は適用
できる。この発明は、ダイアフラムの形状やコンデンサ
の構成等によって制約されるものではない。

【００２３】また、シリコン基板20として〔１００〕面
を結晶面方位とするｐ形のシリコンウェハを用いた例を
説明したが、プラズマエッチングで加工する場合には、
結晶面により制約されることはない。

【００２４】

【発明の効果】この発明によれば、圧力に応じて変位す
るダイアフラムを有する導電性基板と、このダイアフラ
ムに対向する位置に電極を有し、導電性基板に接合され
ている絶縁性基板とを備えた静電容量型圧力センサにお
いて、静電容量値を検出する検出回路を導電性基板との
接合面ではない側の絶縁性基板の表面に構成するので、
導電性基板と絶縁性基板とを接合した後で、劣化の心配
のない条件下で検出回路を絶縁基板に構成することがで
きる。したがって、導電性基板と絶縁性基板とを接合す
ることに伴って検出回路が劣化し、良品率が低下するこ
とはなく、しかも、検出回路はダイアフラムの近傍に構
成できる（請求項１）。

【００２５】検出回路が構成されている絶縁性基板の表
面の領域を、導電性基板との接合領域に対応する領域内
とすると、検出回路を構成する領域の剛性が高く、圧力
による歪みが少なくて済み、高い圧力下においても、優
れた特性が得られ、特性のバラツキが少なくなる。結果
として、良品率が向上し、価格が安くなる（請求項
２）。

【００２６】検出回路をベアチップで構成すると、検出
回路としてパッケージ品を使用した場合に発生する、検
出回路が曝される圧力伝達媒体、例えばシリコーンオイ
ル等、によるパッケージの腐食や圧力によるパッケージ
の割れ等が避けられるので、検出回路の信頼性が向上す
る。また、検出回路の占有面積も少なくなるので、コス
トが安くなり、形状が小型化する。更に、検出回路の構
成変更が容易に実施できるので、開発時間と開発コスト
を大幅に短縮・削減することができる。また、シリコン
基板に検出回路を形成する場合に比べて、製造工程が少
なくなり、プロセスコストが低減する。（請求項３）。

【００２７】絶縁性基板をセラミックとすると、圧力セ
ンサにかかる圧力による検出回路の歪みを低減すること
ができるので、高い圧力下においても、歪みの影響が少
ない優れた特性を得ることができ、特性のバラツキを少
なくすることができる（請求項４）。導電性材料を単結
晶シリコンウェハとし、セラミックをムライト−コージ
ェライト系セラミックとすると、ダイアフラムを形成す
る材料としては理想的なシリコンと、この熱膨張係数と
ぴったり一致する熱膨張係数をもち剛性の高いセラミッ
クを得られるムライト−コージェライト系セラミックと
によって、上記の諸々の効果を最高に発揮する圧力セン
サが得られる（請求項５）。

【００２８】請求項６の発明は、請求項１に記載の静電
容量型圧力センサの製造方法であって、導電性基板と絶
縁性基板とを接合した後で、検出回路を絶縁性基板の外
側面に構成するので、検出回路が両基板の接合に伴う温
度や電圧等の影響を受けない。したがって、導電性基板
と絶縁性基板とを接合することに伴って検出回路が劣化
し、良品率が低下することはない（請求項６）。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による圧力センサの実施例の構造を示
す断面図

【図２】検出回路を説明するためのブロック図

【図３】従来技術による圧力センサの一例の構造を示す
断面図

【図４】従来技術による圧力センサの他例の構造を示す
断面図

【符号の説明】10a , 10b , 100 圧力センサ 2, 20 シリコン基板 2a フレーム 2b カバー 21, 21a ダイアフラム 22 信号処理回路 22a 検出回路 23 ｎ⁺ 層 24 可動電極 25a, 25b 接続配線 26 外部引出し配線 27 酸化膜 28 固定電極 29a コンタクトホール ３ ガラス基板 30a, 30b 絶縁性基板 31, 31a, 31b 固定電極 32a, 32b, 35 電極 33a, 33b 導圧口 34 スルーホール ４ 信号線 ５ 接着剤 ６ 検出回路 61 切替え手段 62 検出手段 ７ 絶縁部材 ８ 基台 ９ 圧力伝達流体 60 演算手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 修久 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (72)発明者 中村 公弘 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧力に応じて変位するダイアフラムを有す
   る導電性基板と、このダイアフラムに対向する位置に電
   極を有し、導電性基板に接合されている絶縁性基板とを
   備え、ダイアフラムとこれに対向する電極とが形成する
   コンデンサの静電容量値によってダイアフラムに印加さ
   れている圧力あるいは圧力差を計測する静電容量型圧力
   センサにおいて、前記コンデンサの静電容量値を検出す
   る検出回路を導電性基板との接合面ではない側の絶縁性
   基板の表面に構成することを特徴とする静電容量型圧力
   センサ。
2. 【請求項２】検出回路が構成されている絶縁性基板の表
   面の領域を、導電性基板との接合領域に対応する領域内
   とすることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型圧
   力センサ。
3. 【請求項３】前記検出回路をベアチップで構成すること
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載の静電容量
   型圧力センサ。
4. 【請求項４】前記絶縁性基板をセラミックとすることを
   特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の静
   電容量型圧力センサ。
5. 【請求項５】前記導電性材料を単結晶シリコンウェハと
   し、前記セラミックをムライト−コージェライト系セラ
   ミックとすることを特徴とする請求項４に記載の静電容
   量型圧力センサ。
6. 【請求項６】請求項１に記載の静電容量型圧力センサの
   製造方法であって、導電性基板と絶縁性基板とを接合し
   た後で、検出回路を絶縁性基板の表面に構成することを
   特徴とする静電容量型圧力センサの製造方法。