JPH11248582A

JPH11248582A - 静電容量型圧力センサ

Info

Publication number: JPH11248582A
Application number: JP6391298A
Authority: JP
Inventors: Koji Sakai; 浩司境
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1998-03-02
Filing date: 1998-03-02
Publication date: 1999-09-17

Abstract

(57)【要約】【課題】低コストで、電極の電気信号を外部に引き出
すための貫通孔を高い寸法精度で形成することのできる
静電容量型圧力センサを提供すること【解決手段】シリコン基板１１とガラス基板１２を陽
極接合により一体化し、シリコン基板に薄肉のダイアフ
ラム１３が形成される。ダイアフラムのガラス基板側が
可動電極１５となり、これに対応するガラス基板の表面
に、固定電極１４が形成される。この固定電極の形成と
同時に、電気信号を引き出すための引出線１６が形成さ
れる。この引出線に対向するシリコン基板の表面には、
凹溝２０を設けており、センサ内部（両電極間のギャッ
プ）とセンサ外部が接続される。ここで、シリコン基板
に凹溝まで接続される貫通孔２１を形成し、係る貫通孔
を介して絶縁性樹脂を凹溝内に充填し、係る絶縁性樹脂
が、凹溝の一部と貫通孔を塞いで、センサ内部を密閉し
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、静電容量型圧力セ
ンサに関するもので、より具体的には、センサ内部を外
部から密封し、絶対圧を測定するタイプの静電容量型セ
ンサの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の静電容量型圧力センサとしては、
例えば、図１０に示すようなものがある。同図に示すよ
うに、シリコン基板１のほぼ中央を両面からエッチング
を行い所定量だけ除去することにより肉薄のダイアフラ
ム２を一体に形成する。このダイアフラム２の下面には
可動電極３が形成される。

【０００３】また、シリコン基板１の下面にはガラス基
板４が接合されている。そして、この接合された状態で
は、ダイアフラム２とガラス基板４との間で所定の空間
が形成され、圧力室５となる。そして、ガラス基板４を
厚さ方向に貫通する圧力導入孔４ａを設け、その圧力導
入孔４ａを介して圧力室５内に圧力測定媒体を供給する
ようにしている。

【０００４】さらに、その圧力室５に対向するガラス基
板４の上面の中央部分には固定電極６が形成され、この
固定電極６と、可動電極３とが微小なギャップを隔てて
対向配置される。両電極３，６間には、その離反距離に
応じた静電容量が発生する。そして、圧力が加わること
により、ダイアフラム２が撓んで電極間距離が変動する
ので、上記静電容量も変化する。従って、静電容量或い
はその変化量からダイアフラムの変位量、ひいては、圧
力室５内の圧力が測定できる。

【０００５】そして、両電極３，６を外部回路に接続す
るための電極パッド７，７′がガラス基板４の露出表面
に形成され、固定電極６は、引出線８を介して電極パッ
ド７に導通させる。なお、可動電極３は電極パッド７′
と接続される。

【０００６】さらに、引出線８とシリコン基板１が接触
して短絡しないようにするため、引出線８に対向するシ
リコン基板１の表面には、圧力室５から外部にわたる凹
溝１ａが形成されている。そして、そのままでは凹溝１
ａの部分を介して圧力室５が大気開放するので、凹溝１
ａの所定位置にポリイミド樹脂等の絶縁物９を充填し、
封止するようにしている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記した
従来のセンサでは、絶縁物９による凹溝１ａ部分の気密
性が十分に保てなかった。すなわち、上記絶縁物９を配
設する場合、まず図１１（Ａ）に示すように、シリコン
基板１に形成した凹溝１ａ内にポリイミド樹脂を充填す
る。この時、寸法公差や製造誤差等を考慮して、凹溝１
ａの幅Ｗよりもポリイミド樹脂９の幅ｗを小さくしてい
る。また、ポリイミド樹脂９の先端は、凹溝１ａより突
出するようにしている。

【０００８】この状態で、ガラス基板４とシリコン基板
１を陽極接合すると、ガラス基板４によってポリイミド
樹脂９が押し潰され、同図（Ｂ）に示すように、凹溝１
ａの側面に密着し、凹溝１ａ内のほぼ全面に充満された
状態となる。しかし、図示するように凹溝１ａの角部ま
でにはポリイミド樹脂９を押し潰すことができず、隙間
Ｓが生じてしまい、係る隙間Ｓを介して圧力室５と外部
とが連通状態になってしまう。

【０００９】一方、同図（Ａ）のポリイミド樹脂の充填
時に凹溝１ａの幅Ｗとポリイミド樹脂の幅ｗとを等しく
するようにすると上記問題はないが、ガラス基板４を接
合する際に圧縮されたポリイミド樹脂が逃げる空間がな
く、ガラス基板４，シリコン基板１間にポリイミド樹脂
からの大きな反力が加わり、面接合できなくなるおそれ
がある。さらに、製造プロセス上の精度等からポリイミ
ド樹脂とシリコン基板１との相対位置がずれるおそれが
あり、そのようにずれると、シリコン基板１の下面にポ
リイミド樹脂が大きく食み出すことになり、両基板１，
４の接合が不能となる。

【００１０】従って、従来のようにポリイミド樹脂を充
填する際には、その幅ｗを凹溝１ａの幅Ｗよりも小さく
しなければならず、上記した気密性の問題が依然として
残る。

【００１１】本発明は、上記した背景に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、上記した問題点を解
決し、低コストで、電極の電気信号を確実に外部に引き
出し、センサ内部を確実に密閉することのできる静電容
量型圧力センサを提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ため、本発明に係る静電容量型圧力センサでは、固定電
極を有する固定基板と、前記固定基板に対向する面が可
動電極となるダイアフラムを有する半導体基板とを接合
して一体化してなる静電容量型圧力センサにおいて、前
記固定基板の接合面側表面に、前記固定電極の引出線が
形成され、前記固定基板の前記引出線の形成部位と、前
記引出線に対向する前記半導体基板の表面の少なくとも
一方に、前記引出線と前記半導体基板を非接触にするた
めの凹溝が形成された静電容量型圧力センサにおいて、
前記可動基板に、厚さ方向に貫通するとともに前記凹溝
に開口する貫通孔を設け、前記貫通孔を介して供給され
た絶縁物により、前記凹溝並びに前記貫通孔の開口を閉
塞するように構成した（請求項１）。

【００１３】請求項１に記載するように、固定基板に固
定電極の引出線を形成し、半導体基板の引出線形成位置
に凹溝を形成することにより、半導体基板に接触させな
いように、引出線を外部まで確実に引き出すことができ
る。しかしながら、凹溝を介して、センサ内部と外部が
つながってしまう。ここで、凹溝が形成された位置に貫
通孔を設けているので、係る貫通孔を介して、凹溝内に
絶縁物を供給することができ、係る絶縁物で凹溝を封止
することにより、センサ内部を密閉する。

【００１４】そして、貫通孔は、容易に加工できる半導
体基板に形成されているので、係る貫通孔の寸法精度は
非常に高くなる。よって、貫通孔の側壁に微小な凹凸が
生じることはなく、貫通孔を介して絶縁物を凹溝内に樹
脂を供給しても、その絶縁物に隙間が生じて、センサ内
部がセンサ外部とつながるようなことはなくなり、セン
サ内部を完全に封止することができる。また、半導体基
板は容易に加工できるので、低コストで貫通孔を形成す
ることができる。

【００１５】また、前記貫通孔の幅は、凹溝の幅以上に
形成するとよい（請求項２）。すなわち、凹溝の幅より
も狭くても、絶縁物として樹脂を用いた場合には、流動
性があるため凹溝内に充填供給された後回り込んで、封
止することができるものの、請求項２のように貫通孔の
幅を凹溝の幅以上に設定しておけば、より簡単かつ確実
に凹溝を封止することができる。なお、請求項２の条件
の有無に関わらず、本発明では、貫通孔の外側から絶縁
物を供給するため、半導体基板と固定基板を接合した後
に行え、しかも、従来のポリイミド樹脂のようにパター
ニングすることもないので、例えば絶縁物を多めに供給
したり、樹脂充填の場合には充填時の圧力を強くするこ
とによって、絶縁物を凹溝内に隙間なく供給できる。な
お、実施の形態の説明や図面からも明らかなように、本
発明における凹溝内に充満させる状態とは、凹溝の所定
の横断面において隙間なく充満されていれば足り、凹溝
の長手方向全体に充満される必要がないのは言うまでも
ない。

【００１６】また、前記絶縁物は、樹脂充填或いは酸化
膜の堆積により供給されるものとすることができる（請
求項３）。係る構成によれば、低コストで、容易に本発
明を実現することができる。特に、酸化膜の場合には、
減圧下で行うことにより、センサ内部を減圧・真空状態
にすることが容易に行え、絶対圧を計測するためのセン
サを製造するのに適する。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係る静電容量型圧
力センサの好適な一実施の形態を示している。同図に示
すように、本形態では、シリコン基板１１とガラス基板
１２を陽極接合により一体化している。ガラス基板１２
の長手方向の長さをシリコン基板１１よりも長くし、ガ
ラス基板１２の表面の一部が外部に露出するようにして
いる。

【００１８】シリコン基板１１は、上下両側からそれぞ
れ所定量ずつ除去されることにより、外周のフレーム１
８の内側に薄肉のダイアフラム１３が形成されている。
そして、ガラス基板１２側は比較的底浅の凹部となり、
反対側は比較的深い凹所となるようにしている。係る構
成のシリコン基板１１は、フレーム１８にてガラス基板
１２と接合される。この接合により、ダイアフラム１３
と固定基板１２との間には、密閉された空間１９が形成
される。

【００１９】一方、ガラス基板１２のダイアフラム１３
に対向する位置には、クロム等を蒸着或いはスパッタリ
ングして所定形状の固定電極１４が形成されている。係
る固定電極１４に対向するダイアフラム１３の表面が可
動電極１５となり、固定電極１４と可動電極１５は所定
のギャップを隔てて対向している。

【００２０】また、この固定電極１４の形成と同時に、
この固定電極１４の電気信号を引き出すための引出線１
６が形成されている。係る引出線１６は、ガラス基板１
２の露出面まで形成されている。そして、ガラス基板１
２の当該露出部分に所定のメタルを蒸着させて、引出線
１６に接続されるパッド２２と、シリコン基板１１に接
続されるパッド２３を形成している。このパッド２２，
２３に、ワイヤボンディングによりボンディングワイヤ
（図示省略）が接続され、図外の測定器に接続可能と
し、固定電極１４と可動電極１５の電気信号を測定器に
送出するようになっている。

【００２１】さらに、この引出線１６に対向するシリコ
ン基板１１の表面には、凹溝２０を設けている。係る凹
溝２０の幅は、引出線１６の幅よりももちろん広く設定
しており、シリコン基板１１と引出線１６が接触して、
固定電極１４と可動電極１５が短絡するのを防止してい
る。また、凹溝２０の深さも、その凹溝２０内に存在す
る空気層を考慮して引出線１６とシリコン基板１１との
間で十分な絶縁耐圧が確保できる距離としている。そし
て、その深さは、固定電極１４，可動電極１５が対向配
置された空間１９の高さ（電極間距離）よりも長くして
いる。

【００２２】ここで、本形態では、シリコン基板１１の
フレーム１８に、凹溝２０まで接続される貫通孔２１を
形成している。この貫通孔２１は、凹溝２０を横断する
ように、その幅を凹溝２０の幅よりも大きくしている。
そして、係る貫通孔２１の底面に引出線１６を露出させ
た状態とし、係る貫通孔２１を介して絶縁性樹脂２５を
凹溝２０に入り込ませている。そして、貫通孔２１を介
して露出する凹溝２０の内部全体を絶縁性樹脂２５にて
充満させ、さらには貫通孔２１の底部を塞ぐまで充填す
る。これにより、貫通孔２１を介して凹溝２０に流し込
んだ絶縁性樹脂２５が凹溝２０の幅全体を塞ぎ、固定電
極１４、可動電極１５のギャップ（センサ内部）を確実
に密閉状態としている。

【００２３】そして、本形態によれば、貫通孔２１はシ
リコン基板１１側に形成したため、エッチングにより精
度よく形成でき、その切り口にも凹凸が生じにくい。そ
して、仮に凹凸が生じたとしても、絶縁性樹脂２５が係
る凹凸を吸収し、内周面に密着し、確実に気密性を持た
せることができる。

【００２４】そして、上記構成のセンサは、例えば図２
〜図７に示す工程を経て製造することができる。すなわ
ち、図２に示すように、従来と同様のエッチング工程を
行うことによって、シリコン基板１１の片面に固定電
極，可動電極の静電容量ギャップとなる凹部３０を形成
する。そして、固定電極の電気信号の引出線をシリコン
基板１１に接触させないために、凹溝２０が形成されて
いる。係る凹溝２０は、後に形成されるダイアフラムの
厚さと凹部３０の厚さを足した深さに形成する。また、
このように異なる深さの凹部３０，凹溝２０は、２回に
分けてエッチングすることにより簡単に形成できる。

【００２５】次いで、図３に示すように、シリコン基板
１１の反対面に所定パターンのマスク３１を形成する。
係るマスク３１は、ダイアフラムの形成予定の位置及び
貫通孔の形成予定の位置を除いてシリコン基板１１の表
面に形成されている。

【００２６】一方、図４に示すように、ガラス基板１２
の表面にクロム等のメタルを蒸着することにより、ガラ
ス基板１２の接合側表面に、固定電極１４，引出線１
６，パッド２２，パッド２３を形成する。

【００２７】そして、上記した前工程を終えたシリコン
基板１１とガラス基板１２とを用意し、図５に示すよう
に、シリコン基板１１の凹部３０の形成面とガラス基板
１２の固定電極１４の形成面を重ね合わせるとともに、
両基板１１，１２を陽極接合することによって一体化す
る。

【００２８】その状態で、図６に示すように、シリコン
基板１１のマスク３１の形成面に対し、水酸化カリウム
などのエッチング液により、異方性エッチング加工を行
う。係る異方性エッチング加工により、マスク３１で覆
われずに露出する面が除去されていき、凹所３５，穴部
３７を形成する。この時、凹所３５と凹部３０で挟まれ
る部分１３′の肉厚が、最終製品のダイアフラム１３の
厚さ（ダイアフラム１３の上面の予定の形成位置を点線
で示す）よりも、やや厚く（数μｍ程度）なったところ
でエッチングを終了する。

【００２９】次いで、図７に示すように、シリコン基板
１１のマスク形成面側からドライエッチング加工を行
う。係るドライエッチング加工により、穴部３７の形成
位置に孔部３８を設け、貫通孔２１を形成する。そし
て、係る貫通孔２１によって、凹溝２０の一部がセンサ
外部とつながり、引出線１６の一部が露出される。また
同時に、凹所３５の底面がエッチングされて、ダイアフ
ラム１３が形成される。

【００３０】このように貫通孔２１を形成したならば、
その貫通孔２１内に絶縁性樹脂を流し込むことにより、
その絶縁性樹脂が凹溝２０内部にも進入し、図１に示す
ように凹溝２０内に充満して密閉することにより製造で
きる。

【００３１】また、封止材料として用いる樹脂として
は、紫外線硬化樹脂を用いることもできる。すなわち、
図７に示すように貫通孔２１を形成した後、当該貫通孔
２１内に、高粘度の紫外線硬化樹脂を滴下する。高粘度
であるため凹溝２０及び貫通孔２１の底部開口側を閉塞
するように充満した状態でその形を留める。その後、紫
外線ランプにより紫外線をあて、滴下した紫外線硬化樹
脂を硬化させて、凹溝２０を封止することができる。

【００３２】また、別の方法としては、図７に示す状態
の中間形成品のシリコン基板の表面（非接合側面）に対
し、スピンコート等により紫外線硬化樹脂を、貫通孔２
１が埋まる厚さ以上の膜厚に成膜した後、貫通孔２１の
形成領域だけに紫外線を照射して硬化させ、不要な紫外
線硬化樹脂を溶剤により除去することにより凹溝２０を
封止する方法もある。

【００３３】さらにまた、封止材料としては、上記した
各例のように樹脂に限ることはなく、例えば絶縁膜（酸
化膜）を用いることもできる。この実施の形態を製造プ
ロセスに沿って説明する。上記した各実施の形態と同様
に、図２〜図７の工程を経て貫通孔２１を有する中間形
成品を製造する。

【００３４】そして、図８に示すように、ＣＶＤ装置
（或いはスパッタ装置）によって、マスク３１が形成さ
れたシリコン基板１１の上面にシリコン酸化膜４０を堆
積する。この時、貫通孔２１を介して、シリコン酸化膜
４０は凹溝２０内に進入する。その後、図９に示すよう
に、不要な部分のシリコン酸化膜４０を除去し、貫通孔
２１を介して凹溝２０内に流し込まれたシリコン酸化膜
４０を残存させる。そして、ダイシングにより複数のチ
ップに切り離し、パッド２２，２３にそれぞれワイヤ４
２をボンディングすることによって、固定電極１４，可
動電極１５の電気信号を外部に引き出せるようにしてい
る。

【００３５】また、上記のシリコン酸化膜を堆積させる
処理は、減圧下で行えるので、センサの内部（空間１９
内）を減圧・真空状態で封止することが可能となる。よ
って、絶対圧を測定するためのセンサが形成しやすくな
る。

【００３６】なお、上記した各実施の形態では、いずれ
も測定圧力をダイアフラムの露出側表面（図中上側）か
ら加え、電極間距離が短くなる方向にダイアフラムが撓
むようなタイプのものに適用した例を示したが、本発明
はこれに限ることはなく、従来例で説明したように、ガ
ラス基板側に圧力導入孔を設けたタイプのものでももち
ろんよい。さらに、固定基板は、ガラス板に限ることは
なく、シリコンなどの半導体基板や合成樹脂等でももち
ろんよい。さらに、実施の形態では、凹溝をシリコン基
板側に設けたが、ガラス基板（固定基板）側に設けて
も、もちろんよい。

【００３７】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る静電容量型
圧力センサでは、ガラス基板に形成された固定電極の引
出線を、半導体基板と電気的に接続しないように、半導
体基板に凹溝を形成し、係る凹溝の形成位置の所定位置
に合わせて、半導体基板に貫通孔を形成し、係る貫通孔
を介して絶縁体を凹溝内に堆積させて、凹溝（固定電極
と可動電極のギャップ側）を封止している。貫通孔は半
導体基板に形成されているので、係る貫通孔の寸法精度
を高くすることができ、貫通孔の側壁に絶縁体が入り込
まないような凹凸等が生じることなく、堆積された絶縁
体に隙間が生じることはなくなる。よって、センサ内部
を確実に封止することができる。

【００３８】半導体基板はガラス基板等の固定基板より
も加工が容易なので、センサ内部を確実に封止した静電
容量型圧力センサを低コストで製造することができる。

【００３９】また、貫通孔は、絶縁体が堆積できる程度
に比較的小さく形成することができるので、貫通孔を確
実に封止するための部材（従来の技術で用いられていた
蓋板）を用いなくても、センサ内部を確実に封止するこ
とができるので、センサ内部を確実に封止した静電容量
型圧力センサを低コストで製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は本発明に係る静電容量型圧力センサの
好適な一実施の形態を示す平面図である。（Ｂ）はその
Ｂ−Ｂ断面図である。

【図２】図１に示す静電容量型圧力センサを製造するプ
ロセスを示す図（その１）である。

【図３】図１に示す静電容量型圧力センサを製造するプ
ロセスを示す図（その２）である。

【図４】図１に示す静電容量型圧力センサを製造するプ
ロセスを示す図（その３）である。

【図５】図１に示す静電容量型圧力センサを製造するプ
ロセスを示す図（その４）である。

【図６】図１に示す静電容量型圧力センサを製造するプ
ロセスを示す図（その５）である。

【図７】図１に示す静電容量型圧力センサを製造するプ
ロセスを示す図（その６）である。

【図８】本発明に係る静電容量型圧力センサの他の実施
の形態を説明する図である。

【図９】本発明に係る静電容量型圧力センサの他の実施
の形態を説明する図である。

【図１０】従来の静電容量型圧力センサの一例を示す図
である。

【図１１】従来の問題点を説明する図である。

【符号の説明】

１１シリコン基板１２ガラス基板１３ダイアフラム１４固定電極１５可動電極１６引出線２０凹溝２１貫通孔２５絶縁性樹脂４０シリコン酸化膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固定電極を有する固定基板と、前記固定
基板に対向する面が可動電極となるダイアフラムを有す
る半導体基板とを接合して一体化してなる静電容量型圧
力センサにおいて、前記固定基板の接合面側表面に、前記固定電極の引出線
が形成され、前記固定基板の前記引出線の形成部位と、前記引出線に
対向する前記半導体基板の表面の少なくとも一方に、前
記引出線と前記半導体基板を非接触にするための凹溝が
形成された静電容量型圧力センサにおいて、前記可動基板に、厚さ方向に貫通するとともに前記凹溝
に開口する貫通孔を設け、前記貫通孔を介して供給された絶縁物により、前記凹溝
並びに前記貫通孔の開口を閉塞することを特徴とする静
電容量型圧力センサ。
【請求項２】前記貫通孔の幅は、凹溝の幅以上に形成
した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。
【請求項３】前記絶縁物は、樹脂充填或いは酸化膜の
堆積により供給されるものであ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。