JP2007071770A - Capacitance type pressure sensor - Google Patents

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Yasuhide Onozawa
康秀 小野澤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a capacitance type pressure sensor which prevents any leakage from occurring in an airtight cavity and also prevents any sensing body and substrate from being broken. <P>SOLUTION: The capacitance type pressure sensor comprises: the substrate 32 made of a dielectric material; the sensing body 41 which is fixed so as to be stacked on the substrate and whose thickness is made thin so as to deform in response to a pressure applied thereto; a fist electrode 44 having a radial electrode finger 44 which is formed on any one plane of opposite planes defined by the substrate and the deforming plane 49 of the sensing body being opposite to each other; and a second electrode 36 which is formed on the other plane and positioned at a prescribed spacing from the first electrode 44 so as not to overlap each other. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、受ける圧力に応じて変形するように厚みを薄くして形成した検出体(ダイヤフラム)を有する静電容量型圧力センサの改良に関する。   The present invention relates to an improvement in a capacitance type pressure sensor having a detection body (diaphragm) formed so as to be thinned so as to be deformed in accordance with a received pressure.

血圧計などの医療機器や、自動車のタイヤ空気圧モニタリングシステムなどの工業用の計器として多用されている静電容量型圧力センサは、他の方式、すなわちピエゾ抵抗型圧力センサなどと比較すると、微圧の測定においても高い感度を有し、測定時の消費電力が小さい等といった多くの利点を有している。
このような静電容量型圧力センサは、圧力に応じて変形する一方の電極が形成されたダイヤフラムと、他方の電極が形成された基体とをある程度の隙間をあけて誘電体膜を介在させるように対向させた構造を有している。そして、変形によるダイヤフラム側と基体側との間の静電容量の変化から圧力を検出するものである。
Capacitive pressure sensors, which are widely used as medical instruments such as blood pressure monitors and industrial instruments such as tire pressure monitoring systems for automobiles, are less sensitive than other methods, that is, piezoresistive pressure sensors. The measurement also has many advantages such as high sensitivity and low power consumption during measurement.
In such a capacitive pressure sensor, a dielectric film is interposed with a certain gap between a diaphragm on which one electrode deformed according to pressure is formed and a base on which the other electrode is formed. It has the structure which was made to oppose. And a pressure is detected from the change of the electrostatic capacitance between the diaphragm side and base | substrate side by deformation | transformation.

具体的には、従来の静電容量型圧力センサ(以下、「圧力センサ」という)は、図4に示すように構成されている(特許文献1、図1参照)。
図4(a)は圧力センサの概略断面図、図4(b)は図4(a)のA−A断面図である。
図示の圧力センサは、収容体であるパッケージ2に収容されている。
パッケージ2は、基体4と、その上に一体に設けた枠状の側壁部5からなる箱状の形態であり、内側に検出体10を収容して、蓋体6により封止されている。ここで、基体4はガラス、セラミック板、硬質プラスチック、シリコンウエハなどを用いることができる。
Specifically, a conventional capacitive pressure sensor (hereinafter referred to as “pressure sensor”) is configured as shown in FIG. 4 (see Patent Document 1 and FIG. 1).
4A is a schematic cross-sectional view of the pressure sensor, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 4A.
The illustrated pressure sensor is accommodated in a package 2 that is a container.
The package 2 has a box-like shape including a base body 4 and a frame-shaped side wall portion 5 provided integrally therewith. The detection body 10 is accommodated inside and sealed by a lid body 6. Here, the substrate 4 can be made of glass, ceramic plate, hard plastic, silicon wafer or the like.

基体4の表面には下部電極7が形成されており、その上には誘電体膜8が形成されている。その上に検出体10が接合されている。
検出体10は、シリコンや水晶などでなる板体であり、中央部には円形の薄肉にしたダイヤフラム部12と、その周囲を囲むように板厚を厚くした枠部11を有している。そして、ダイヤフラム部12の下面には上部電極13が形成されており、該上部電極13と誘電体膜8の間には隙間もしくは気密空間Sが形成されている。
上部電極13と、下部電極7とは図4(b)に示すように、パッケージ2外部へ引き回すように引出し電極13a,7aが設けられている。
A lower electrode 7 is formed on the surface of the substrate 4, and a dielectric film 8 is formed thereon. The detection body 10 is joined on it.
The detection body 10 is a plate body made of silicon, crystal, or the like, and has a thin diaphragm portion 12 in the center and a frame portion 11 with a thick plate so as to surround the periphery. An upper electrode 13 is formed on the lower surface of the diaphragm portion 12, and a gap or an airtight space S is formed between the upper electrode 13 and the dielectric film 8.
As shown in FIG. 4B, the upper electrode 13 and the lower electrode 7 are provided with extraction electrodes 13 a and 7 a so as to be routed outside the package 2.

圧力センサ1は以上のように構成されており、引出し電極13a,7aを介して通電されることにより、気密空間Sおよび誘電体膜8を介して対向されている上部電極13と下部電極7との間の容量値変化に基づいて、ダイヤフラム部12に加えられた圧力を検出することができる。
すなわち、図5に示すように、ダイヤフラム部12に圧力Pが加わると、ダイヤフラム部12は、下方に凸となるように変形する。そして、ダイヤフラム部12の下面に形成されている上部電極13が誘電体膜8に押し付けられて接触する。
The pressure sensor 1 is configured as described above. When the pressure sensor 1 is energized through the extraction electrodes 13a and 7a, the upper electrode 13 and the lower electrode 7 that are opposed to each other through the airtight space S and the dielectric film 8 are provided. The pressure applied to the diaphragm unit 12 can be detected based on the change in the capacitance value between the two.
That is, as shown in FIG. 5, when the pressure P is applied to the diaphragm portion 12, the diaphragm portion 12 is deformed so as to protrude downward. Then, the upper electrode 13 formed on the lower surface of the diaphragm portion 12 is pressed against and contacts the dielectric film 8.

そして、圧力Pが大きいと図6(a)のように接触面積M1が大きくなり、圧力Pがこれより小さいと、図6(b)に示されているように接触面積M2は小さくなる。そして、接触面積が大きい方が静電容量は大きくなることから、圧力Pの作用した際の静電容量値を計測することで、圧力Pの大きさを計測することができるものである。
なお、ほぼ同様の構造が他の文献にも記載されており、図7に示すように、静電容量値が圧力の大きさに対応することが明らかにされている(特許文献2、図1、図4参照)。
When the pressure P is large, the contact area M1 is large as shown in FIG. 6A, and when the pressure P is smaller than this, the contact area M2 is small as shown in FIG. 6B. Since the capacitance increases as the contact area increases, the magnitude of the pressure P can be measured by measuring the capacitance value when the pressure P is applied.
In addition, almost the same structure is described in other literatures, and as shown in FIG. 7, it is clarified that the capacitance value corresponds to the magnitude of the pressure (Patent Document 2, FIG. 1). FIG. 4).

WO 2005/003711WO 2005/003711 特開2002−214058JP2002-214058

しかしながら、従来の圧力センサ1においては、以下のような不都合がある。
すなわち、第1の問題として、ダイヤフラム部12側と下部電極7との短絡を防ぐために誘電体膜8はある程度厚く形成されており、通常0.1μm〜数μmの厚みを有している。
そうすると、この誘電体膜8の膜応力により、基体4が反ってしまい、該基体4と検出体10の均一な接合が困難となり、気密空間Sのリークを生じてしまうことがある。
However, the conventional pressure sensor 1 has the following disadvantages.
That is, as a first problem, the dielectric film 8 is formed to be thick to some extent in order to prevent a short circuit between the diaphragm portion 12 side and the lower electrode 7, and usually has a thickness of 0.1 μm to several μm.
Then, the base 4 is warped by the film stress of the dielectric film 8, and it is difficult to uniformly bond the base 4 and the detection body 10, and a leak in the airtight space S may occur.

また、基体4をガラスウエハなどから、ダイヤフラム部12をシリコンウエハなどから形成することで、一度に多数の圧力センサ1を製造することが可能である。
この場合、各外形を形成した後で、ウエハ同士で接合することが考えられるが、基体4側のウエハに誘電体膜8を形成したことにより、該ウエハが反ってしまうと、反りが大きい場合には、ウエハが破損して多数個分が一度に駄目になってしまったり、個々の製品単位まで加工できた場合においても、上記した気密空間Sのリークにより不良品が発生することで、歩留まりが著しく低下する。
Further, by forming the base 4 from a glass wafer or the like and the diaphragm portion 12 from a silicon wafer or the like, it is possible to manufacture a large number of pressure sensors 1 at a time.
In this case, it is conceivable that the wafers are bonded to each other after the respective outer shapes are formed. However, when the dielectric film 8 is formed on the wafer on the base 4 side, if the wafer is warped, the warp is large. In the case where a large number of wafers are damaged at a time due to damage to the wafer, or even when individual product units can be processed, defective products are generated due to the leakage of the airtight space S described above. Is significantly reduced.

また、第2の問題としては、図7で示されているように、静電容量と圧力との相関が直線的変化となっている箇所としてのGの領域では、感度に優れた圧力センサとして使用することができるが、特に、高圧力領域では、符号Zの範囲で示すように、圧力変化に対する静電容量変化が小さくなり、感度が悪くなる欠点がある。   Further, as a second problem, as shown in FIG. 7, in the region G where the correlation between the capacitance and the pressure is linearly changed, the pressure sensor is excellent in sensitivity. Although it can be used, particularly in the high pressure region, as indicated by the range of Z, there is a disadvantage that the capacitance change with respect to the pressure change becomes small and the sensitivity becomes poor.

本発明は、以上の課題を解決するためになされたもので、気密空間にリークを生じたり、検出体や基体が破壊されたりすることを防止できる静電容量型圧力センサを提供することを第1の目的とする。
さらに、好ましくは、第1の目的に加えて、高圧力領域で、優れた感度を備えた静電容量型圧力センサを提供することを第2の目的とする。
The present invention has been made to solve the above-described problems. It is a first object of the present invention to provide a capacitance-type pressure sensor that can prevent leakage in an airtight space and destruction of a detection body and a substrate. 1 purpose.
Furthermore, preferably, in addition to the first object, a second object is to provide a capacitive pressure sensor having excellent sensitivity in a high pressure region.

上記第1の目的は、第1の発明にあっては、誘電体材料でなる基体と、該基体に重ねて固定されており、受ける圧力に応じて変形するように厚みを薄くして形成した検出体と、前記検出体の変形面と、前記基体とが互いに対向する対向面のいずれか一方の面に形成された放射状の電極指を有する第1の電極と、他方の面に形成され、前記第1の電極と所定の間隔を置いて重ならない位置に形成した第2の電極とを備える静電容量型圧力センサにより、達成される。   In the first invention, the first object is to form a base made of a dielectric material and a thickness that is fixed so as to overlap with the base and deform according to the pressure received. A first electrode having a radial electrode finger formed on any one of a detection body, a deformation surface of the detection body, and a facing surface of the base body facing each other; and formed on the other surface; This is achieved by a capacitive pressure sensor comprising a second electrode formed at a position that does not overlap the first electrode at a predetermined interval.

第1の発明の構成によれば、前記基体と前記検出体の互いに対向する面の一方には、放射状の電極指を有する第1の電極があり、他方の面には第2の電極が形成されている。そして、これらの電極同士は所定の間隔を隔てていて、重ならない位置とされている。
すなわち、従来の構成では、電極同士は重なる位置にあるが、電極同士の間に誘電体膜が形成されていて、短絡をしないようにすることで、所定の容量を得るようにしていたものである。
ところが、本願発明では、従来使用していたこの誘電体膜を用いないので、従来問題とされていた膜応力により、基体や検出体が変形して、気密空間のリークを生じたり、基体や検出体が破壊されたりすることが有効に防止される。
According to the configuration of the first invention, there is a first electrode having radial electrode fingers on one of the opposing surfaces of the substrate and the detection body, and a second electrode is formed on the other surface. Has been. These electrodes are spaced apart from each other by a predetermined distance.
In other words, in the conventional configuration, the electrodes are in an overlapping position, but a dielectric film is formed between the electrodes, and a predetermined capacity is obtained by avoiding a short circuit. is there.
However, in the present invention, since this dielectric film, which has been used in the past, is not used, the substrate and the detection body are deformed by the film stress, which has been regarded as a problem in the past, and a leak in the airtight space is generated, or the substrate and the detection are performed. It is effectively prevented that the body is destroyed.

ここで、検出体が所定の圧力を受けて変形し、前記対向面がお互いに接触しても、第1の電極と第2の電極とは重ならない位置にあるから、前記誘電体膜を用いなくても短絡しない。そして、この接触状態で、第1の電極と第2の電極の間には、必ず前記基体が介在することになる。
すなわち、従来電極間で誘電体膜が果たした役割は、本発明では、誘電体材料で形成された基体が果たすことになる。また、圧力の大きさに応じて検出体が変形した際に基体と接触する接触面積が、圧力の増加により大きくなると、放射状の第1の電極の基体への接触量が増大するので、容量が大きくなる。このように誘電体膜を使用しなくても圧力値を静電容量の変化との関係で検出することが可能である。
Here, even if the detection body is deformed by receiving a predetermined pressure and the opposing surfaces come into contact with each other, the first electrode and the second electrode are in positions that do not overlap, so the dielectric film is used. There is no short circuit even if it is not. In this contact state, the base is always interposed between the first electrode and the second electrode.
That is, in the present invention, the role of the dielectric film between the conventional electrodes is played by the substrate formed of the dielectric material. In addition, when the contact area that contacts the base when the detection body is deformed according to the magnitude of the pressure increases due to an increase in the pressure, the amount of contact of the radial first electrode with the base increases, so the capacity is increased. growing. As described above, the pressure value can be detected in relation to the change in capacitance without using a dielectric film.

第2の発明は、第1の発明の構成において、前記第1の電極の放射状の中心位置が、前記検出体の最も厚みを薄くした箇所に配置されていることを特徴とする。
第2の発明の構成によれば、前記検出体の最も変形しやすい箇所に対応して、前記第1の電極の中心部が配置されることで、圧力の変化と静電容量の相関がより直線的になる。
A second invention is characterized in that, in the configuration of the first invention, the radial center position of the first electrode is arranged at a position where the thickness of the detection body is thinned.
According to the configuration of the second aspect of the invention, the central portion of the first electrode is arranged corresponding to the most easily deformable portion of the detection body, so that the correlation between the change in pressure and the capacitance is further improved. Become linear.

第3の発明は、第1または2のいずれかの発明の構成において、前記第1の電極の前記電極指が前記放射状の外縁付近において幅広く形成されていることを特徴とする。
第3の発明の構成によれば、上記第2の目的が達成される。つまり、前記検出体が圧力を受けて変形する上で、変形されにくい周縁領域にいくほど、前記電極指の幅を大きくされていることにより該検出体の変形に対する電極の接触面積が増大するので、高圧力領域における感度が向上する。
A third invention is characterized in that, in the configuration of either the first or second invention, the electrode fingers of the first electrode are formed widely in the vicinity of the radial outer edge.
According to the configuration of the third invention, the second object is achieved. That is, when the detection body is deformed by receiving pressure, the contact area of the electrode with respect to the deformation of the detection body is increased by increasing the width of the electrode finger as it goes to the peripheral region where deformation is difficult. The sensitivity in the high pressure region is improved.

第4の発明は、第1ないし3のいずれかの発明の構成において、前記第1の電極と第2の電極の両方、もしくはいずれか一方に、誘電体膜を1000オングストローム(0.1μm)未満の膜厚で形成することを特徴とする。
第4の発明の構成によれば、電極に誘電体膜を形成することにより、より確実に短絡を防止することができる。この場合、誘電体膜の膜厚を1000オングストローム未満とすることにより、膜の引っ張り応力が制限され、膜の引っ張り応力による悪影響が抑制される。
According to a fourth invention, in the configuration of any one of the first to third inventions, a dielectric film is less than 1000 angstroms (0.1 μm) on either or both of the first electrode and the second electrode. It is characterized by forming with the film thickness.
According to the configuration of the fourth invention, a short circuit can be prevented more reliably by forming the dielectric film on the electrode. In this case, by setting the thickness of the dielectric film to less than 1000 angstroms, the tensile stress of the film is limited, and adverse effects due to the tensile stress of the film are suppressed.

第5の発明は、第4の発明の構成において、前記第1の電極と第2の電極のうち、前記基体表面に形成される方の電極にのみ前記誘電体膜を形成することを特徴とする。
第5の発明の構成によれば、特に厚みを薄く形成される検出体の変形領域を避けて、基体側にだけ前記誘電体膜を形成するようにすれば、誘電体膜の引っ張り応力による悪影響がより確実に抑制される。
A fifth invention is characterized in that, in the configuration of the fourth invention, the dielectric film is formed only on one of the first electrode and the second electrode formed on the substrate surface. To do.
According to the configuration of the fifth aspect of the invention, if the dielectric film is formed only on the substrate side while avoiding the deformation region of the detection body that is formed to be thin, the adverse effect due to the tensile stress of the dielectric film. Is more reliably suppressed.

図1は、本発明の実施形態に係る静電容量型圧力センサの概略平面図、図2は図1のB−B概略断面図である。
これらの図において、静電容量型圧力センサ(以下、「圧力センサ」という)30は、図1に示すような中空の収容容器としてのパッケージ31に、検出体41を収容し、蓋体34により封止した構成である。
FIG. 1 is a schematic plan view of a capacitive pressure sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a schematic cross-sectional view taken along line BB in FIG.
In these drawings, a capacitive pressure sensor (hereinafter referred to as “pressure sensor”) 30 accommodates a detection body 41 in a package 31 as a hollow housing container as shown in FIG. This is a sealed configuration.

パッケージ31は、図2に示すように、例えば、矩形の箱状に形成されている。具体的には、パッケージ31は、第1の基板となる基体32と、該基体32の上に配置された枠状の第2の基板33とを有している。
基体32は、誘電体材料でなり、例えば、ガラス、セラミック板、硬質プラスチック、シリコンなどにより形成することができ、ガラスやシリコンを用いる場合、それらのウエハを加工する工程から作ることができる。
あるいは、基体32をセラミックで形成する場合には、第1の基板である基体32と第2の基板33とを、例えば、酸化アルミニウム質のセラミックグリーンシートをそれぞれ成形して、各基板について図示の形状とした後で重ね、焼結して形成することができる。
The package 31 is formed in a rectangular box shape, for example, as shown in FIG. Specifically, the package 31 includes a base 32 serving as a first substrate and a frame-shaped second substrate 33 disposed on the base 32.
The substrate 32 is made of a dielectric material, and can be formed of, for example, glass, a ceramic plate, hard plastic, silicon, or the like. When glass or silicon is used, the substrate 32 can be formed from a process of processing those wafers.
Alternatively, when the base 32 is formed of ceramic, the base 32 as the first substrate and the second substrate 33, for example, an aluminum oxide-based ceramic green sheet are respectively formed, and each substrate is illustrated. After forming, it can be formed by stacking and sintering.

検出体41は、好ましくはウエハ材料での加工が可能なものが選択され、例えば、シリコンや水晶材料から形成することができる。
検出体41は、基体32と組み合わせることで、必ずしもパッケージ31等に収容しないでも単体として圧力検出手段(センサ)として利用することができる。
The detector 41 is preferably selected from those that can be processed with a wafer material, and can be formed of, for example, silicon or a quartz material.
By combining the detection body 41 with the base body 32, the detection body 41 can be used as a pressure detection means (sensor) as a single unit without necessarily being housed in the package 31 or the like.

この実施形態では、検出体41は、水晶から形成されており、図1から理解されるように、全体として正方形もしくは矩形の水晶板から加工される。具体的には、厚みすべり振動モードもしくは厚み縦振動モードを有するATカット水晶板を用いて、該水晶板の中央部をできるだけ円形に薄板に形成する。つまり、例えば該水晶板の表面と裏面から、それそれ中央領域について、円形にハーフエッチングし、図2に示す円形の変形領域42を形成する。この変形領域42の下面が変形面49である。変形領域42は、後述するように圧力を受けて変形する領域である。
そして、検出体41は、図2に符号S1で示す気密空間を形成するように、例えば大気圧中で、基体32に接合される。この接合は、基体32の材料と、検出体41の材料とがそれぞれウエハの状態において、行われるようにしてもよい。
In this embodiment, the detection body 41 is made of quartz and is processed from a square or rectangular quartz plate as a whole as understood from FIG. Specifically, an AT-cut quartz plate having a thickness shear vibration mode or a thickness longitudinal vibration mode is used, and the central portion of the quartz plate is formed as thin as possible into a thin plate. That is, for example, the center region is half-etched circularly from the front surface and the back surface of the quartz plate to form a circular deformation region 42 shown in FIG. A lower surface of the deformation region 42 is a deformation surface 49. The deformation area 42 is an area that is deformed by receiving pressure as described later.
And the detection body 41 is joined to the base | substrate 32, for example in atmospheric pressure so that the airtight space shown by code | symbol S1 in FIG. 2 may be formed. This bonding may be performed while the material of the base body 32 and the material of the detection body 41 are in a wafer state.

この実施形態では、例えば、図2に示されているように、基体32の上面と対向している検出体41の変形面49の対向面である基体32の上面には、第1の電極44が形成されている。そして、該変形面49に第2の電極36が形成されている。
図1において、上記第1の電極44は点線で、上記第2の電極36は実線で表されている。なお、第1の電極44を検出体41側に、第2の電極36を基体32側に形成してもよい。
In this embodiment, for example, as shown in FIG. 2, the first electrode 44 is formed on the upper surface of the base body 32, which is the facing surface of the deformation surface 49 of the detection body 41 facing the upper surface of the base body 32. Is formed. A second electrode 36 is formed on the deformed surface 49.
In FIG. 1, the first electrode 44 is represented by a dotted line, and the second electrode 36 is represented by a solid line. The first electrode 44 may be formed on the detection body 41 side, and the second electrode 36 may be formed on the base body 32 side.

図1および図2に示すように、第1の電極44は、ほぼ円形の変形面49の中心とほぼ一致する中心を有する放射状の電極である。この放射状の第1の電極44の一本一本のスポーク状の部分、すなわち、電極指48の外縁もしくは外側の端部付近48aは電極幅が拡大されている。好ましくは、電極指48は外縁に向かうほど次第に電極幅が大きくなるようにされると好ましい。   As shown in FIGS. 1 and 2, the first electrode 44 is a radial electrode having a center that substantially coincides with the center of the substantially circular deformation surface 49. The spoke width of each of the radial first electrodes 44, that is, the outer edge of the electrode finger 48 or the vicinity of the outer end 48 a is enlarged in electrode width. Preferably, the electrode fingers 48 are preferably configured such that the electrode width gradually increases toward the outer edge.

また、第1の電極44の中心は、検出体41の変形領域42を形成する際にその材料厚みが最も薄くなった箇所である最も変形し易い箇所を選んで、その位置を決めると好ましい。さらに、検出体41の変形領域42をウエットエッチングで形成する場合には、そのエッチング異方性に基づいて、円形の中央部ではない、最も材料厚みの薄くなる箇所を選択して、第1の電極44の中心とすることがより好ましい。
第1の電極44は、図1に示すように、放射状部分の外側でリング状に引き回されたリング部44aを経て、パッケージ31の一側に引き回されることにより、引出し電極45が形成されている。該引出し電極45は基体32の外縁を回り込んで、底面に引き回され、実装端子46と電気的に接続されている。なお、リング部44aは陽極接合により密閉空間S1を封止するための封止用電極である。
Further, it is preferable that the center of the first electrode 44 is determined by selecting the position where the material thickness is the thinnest when forming the deformation region 42 of the detection body 41 and determining the position. Further, when the deformation region 42 of the detection body 41 is formed by wet etching, a portion where the material thickness is the thinnest is selected based on the etching anisotropy, not the circular central portion, and the first region is selected. More preferably, the center of the electrode 44 is used.
As shown in FIG. 1, the first electrode 44 is routed to one side of the package 31 through a ring portion 44 a that is routed in a ring shape outside the radial portion, thereby forming a lead electrode 45. Has been. The extraction electrode 45 wraps around the outer edge of the base 32, is drawn to the bottom surface, and is electrically connected to the mounting terminal 46. The ring portion 44a is a sealing electrode for sealing the sealed space S1 by anodic bonding.

上記第1の電極44に対して、図1に示すように互いに重ならない位置、すなわち、各電極の対向位置において、あるいは図1のような投影位置において互いに重ならない位置に、上記第2の電極36が形成されている。第2の電極36は図1において、実線で示されている。つまり、第1の電極44と第2の電極36は、検出体41の変形領域42の変形により、該変形領域42の変形面49が基体32の上面に接触し、各電極が互いに接近したとしても、図示の実線と点線とで示すような僅かな間隔である所定の間隔を隔てている。
第2の電極36は、図1に示すように、第1の電極44の各スポーク状の電極指48を避けるように隙間36cを形成して区分された複数の同じ大きさの三角状もしくは扇状の部分と、これら各部の外側を一体に接続するバスバー36aの部分を有している。符号36bで示す部分は電極形成が除かれており、変形領域42の外縁付近にて、あまり変形が生じない箇所には無用な電極をできるだけ形成しないようにしている。
As shown in FIG. 1, the second electrode is positioned so as not to overlap each other as shown in FIG. 1, that is, at a position facing each electrode or at a projection position as shown in FIG. 36 is formed. The second electrode 36 is indicated by a solid line in FIG. In other words, the first electrode 44 and the second electrode 36 are assumed to be such that the deformation surface 49 of the deformation region 42 comes into contact with the upper surface of the base 32 due to the deformation of the deformation region 42 of the detection body 41 and the electrodes approach each other. Also, a predetermined interval which is a slight interval as shown by a solid line and a dotted line in the figure is separated.
As shown in FIG. 1, the second electrode 36 has a plurality of triangular or fan-shaped portions of the same size divided by forming gaps 36 c so as to avoid the spoke-shaped electrode fingers 48 of the first electrode 44. And a portion of the bus bar 36a that integrally connects the outsides of these portions. In the portion indicated by the reference numeral 36b, electrode formation is omitted, and unnecessary electrodes are prevented from being formed as much as possible near the outer edge of the deformation region 42 where no deformation occurs.

この第2の電極36は、基体32の表面から、検出体41の表側に図示しない導電スルーホールなどで引き回し、検出体41上面の端子37と接続されている。
一方、パッケージ31の基体32上面には電極部(引出し電極)38が形成され、該電極部38は基体32の外縁を回り込んで、底面に引き回され、実装端子39と電気的に接続されている。
検出体41上面の端子37と、パッケージ31の電極部38とはワイヤ47によりワイヤボンディングすることにより電気的に接続されている。
蓋体34は、例えば、ガラスやセラミックス、あるいは金属などで形成されており、パッケージ31を封止するとともに、中央付近に貫通孔でなる通気孔51が形成されている。
The second electrode 36 is routed from the surface of the substrate 32 to the front side of the detection body 41 by a conductive through hole (not shown) and connected to the terminal 37 on the upper surface of the detection body 41.
On the other hand, an electrode part (leading electrode) 38 is formed on the upper surface of the base 32 of the package 31, and the electrode part 38 wraps around the outer edge of the base 32, is drawn to the bottom, and is electrically connected to the mounting terminal 39. ing.
The terminal 37 on the upper surface of the detection body 41 and the electrode portion 38 of the package 31 are electrically connected by wire bonding with a wire 47.
The lid 34 is made of, for example, glass, ceramics, or metal, and seals the package 31 and has a vent hole 51 formed as a through hole near the center.

本実施形態の圧力センサ30は以上のように構成されており、以下のように動作することができる。
圧力センサ30を例えば大気中に配置する。この状態では、大気は蓋体34の通気孔51を通過してパッケージ31内に侵入する。そして、気密空間S1の気圧は大気圧なのでパッケージ31内の気圧とつり合っており、検出体41の変形領域42は変形しない。
ここで、圧力変化がある場合には、その圧力変化を変形領域42が受けると、第1の電極44と第2の電極36間の容量値が変化し、該容量変化に基づいて、その圧力を検出することができる。
The pressure sensor 30 of the present embodiment is configured as described above, and can operate as follows.
For example, the pressure sensor 30 is disposed in the atmosphere. In this state, the air enters the package 31 through the vent hole 51 of the lid 34. Since the air pressure in the airtight space S1 is atmospheric pressure, it is balanced with the air pressure in the package 31, and the deformation region 42 of the detection body 41 is not deformed.
Here, when there is a pressure change, when the deformation region 42 receives the pressure change, the capacitance value between the first electrode 44 and the second electrode 36 changes, and the pressure is changed based on the capacitance change. Can be detected.

すなわち、図6で説明した原理と同様に、変形領域42が受ける圧力に応じて、該変形領域42が下方に凸となるように変形し、変形面49が基体32の上面に接触すると、接触面積に応じて、第1の電極44と第2の電極36の間に絶縁体としての基体32が介在されて、その面積分だけ第1の電極44と第2の電極36の対向面積が増大する。そして、第1の電極44と第2の電極36の対向面積が増大すると、容量値Cが増大することから、図3に示す相関が認められる。   That is, similar to the principle described with reference to FIG. 6, the deformation region 42 is deformed so as to protrude downward according to the pressure received by the deformation region 42, and when the deformation surface 49 comes into contact with the upper surface of the base body 32, Depending on the area, the base 32 as an insulator is interposed between the first electrode 44 and the second electrode 36, and the opposing area of the first electrode 44 and the second electrode 36 is increased by that area. To do. Then, as the facing area between the first electrode 44 and the second electrode 36 increases, the capacitance value C increases, so the correlation shown in FIG. 3 is recognized.

すなわち、縦軸の静電容量と横軸の圧力の基本的関係は、従来の圧力センサと同じであり、同様の原理で圧力検出することができる。そして、上述の実施形態では、従来使用していたこの誘電体膜を用いないので、従来問題とされていた膜応力により、基体やダイヤフラムが変形して、気密空間S1のリークを生じたり、基体やダイヤフラムが破壊されたりすることが有効に防止される。   That is, the basic relationship between the capacitance on the vertical axis and the pressure on the horizontal axis is the same as that of a conventional pressure sensor, and pressure can be detected based on the same principle. In the above-described embodiment, since the dielectric film that has been used conventionally is not used, the base and the diaphragm are deformed by the film stress that has been considered as a problem in the past, and the leak of the airtight space S1 occurs. And the destruction of the diaphragm is effectively prevented.

また、上述したように、第1の電極44の電極指48は、その外縁もしくは外側の端部付近48aは電極幅が拡大されている。
このため、検出体41の変形領域42にあっては、圧力を受けて変形する上で、変形されにくい周縁領域にいくほど、第1の電極44の電極指48の幅が大きくされていることになる。これにより、変形量が小さくても電極の接触面積が増大するので、図3に示すように、高圧力領域における感度を向上させ、従来の飽和領域の一部でも圧力検出を可能とすることができる。
Further, as described above, the electrode finger 48 of the first electrode 44 has the electrode width of the outer edge or the vicinity of the outer end portion 48a enlarged.
For this reason, in the deformation region 42 of the detection body 41, the width of the electrode finger 48 of the first electrode 44 is increased toward the peripheral region that is difficult to be deformed when being deformed by receiving pressure. become. As a result, the contact area of the electrode increases even if the deformation amount is small, and as shown in FIG. 3, the sensitivity in the high pressure region can be improved and the pressure can be detected even in a part of the conventional saturation region. it can.

さらに、第1の電極44と第2の電極36の両方、もしくはいずれか一方に、誘電体膜を1000オングストローム(0.1μm)未満の膜厚で形成するようにしてもよい(図示せず)。
これにより、第1の電極44と第2の電極36同士の短絡をより確実に防止することができる。そして、この場合、誘電体膜の膜厚を1000オングストローム未満とすることにより、膜の引っ張り応力が制限され、膜の引っ張り応力による悪影響が抑制される。
ここで、誘電体膜は、SiOやAl、Si等により形成することがきる。
Further, a dielectric film may be formed with a film thickness of less than 1000 angstroms (0.1 μm) on both or either of the first electrode 44 and the second electrode 36 (not shown). .
Thereby, the short circuit of the 1st electrode 44 and the 2nd electrode 36 can be prevented more reliably. In this case, by setting the thickness of the dielectric film to less than 1000 angstroms, the tensile stress of the film is limited, and adverse effects due to the tensile stress of the film are suppressed.
Here, the dielectric film can be formed of SiO 2 , Al 2 O 3 , Si 3 N 4 or the like.

しかも、好ましくは、第1の電極44と第2の電極36のうち、基体32表面に形成される方の電極にのみ誘電体膜を形成する。
これにより、特に厚みを薄く形成される検出体41の変形領域42を避けて、基体32側にだけ前記誘電体膜を形成するようにすれば、誘電体膜の引っ張り応力による悪影響がより確実に抑制される。
In addition, preferably, the dielectric film is formed only on the electrode formed on the surface of the substrate 32 of the first electrode 44 and the second electrode 36.
Thus, if the dielectric film is formed only on the base 32 side while avoiding the deformation region 42 of the detection body 41 that is formed to be thin, the adverse effect due to the tensile stress of the dielectric film is more reliably ensured. It is suppressed.

本発明は上述の実施形態に限定されない。実施形態や変形例の各構成はこれらを適宜組み合わせたり、省略し、図示しない他の構成と組み合わせることができる。
上述の実施形態では、検出体41は正方形のものとして説明されているが、矩形でも円形などでもよい。また、その変形面49を円形のものとして説明しているが、これを矩形や正方形としてもよい。
第1の電極44の放射状の電極指の数は8本とされているが、それより少ない数でもよく、あるいは8本より多い数でもよい。
基体32を構成する基板は、単層のものとして説明されているが、複数層設けてもよい。
The present invention is not limited to the above-described embodiment. The configurations of the embodiment and the modified examples can be combined or omitted as appropriate, and can be combined with other configurations not shown.
In the above-described embodiment, the detection body 41 is described as having a square shape, but may be rectangular or circular. Moreover, although the deformation | transformation surface 49 is demonstrated as a circular thing, this is good also as a rectangle or a square.
Although the number of the radial electrode fingers of the first electrode 44 is eight, the number may be less than that or more than eight.
The substrate constituting the base 32 is described as a single layer, but a plurality of layers may be provided.

本発明の静電容量型圧力センサの実施形態の概略平面図。1 is a schematic plan view of an embodiment of a capacitive pressure sensor of the present invention. 図1のB−B概略断面図。BB schematic sectional drawing of FIG. 実施形態の圧力センサの静電容量と検出圧力の関係を示す図。The figure which shows the electrostatic capacitance of the pressure sensor of embodiment, and the relationship of detected pressure. 従来の静電容量型圧力センサを示す図。The figure which shows the conventional electrostatic capacitance type pressure sensor. 図4の圧力センサの動作を説明する図。The figure explaining operation | movement of the pressure sensor of FIG. 図4の圧力センサの動作を説明する図。The figure explaining operation | movement of the pressure sensor of FIG. 従来の圧力センサの静電容量と検出圧力の関係を示す図。The figure which shows the electrostatic capacitance of the conventional pressure sensor, and the relationship of detected pressure.

符号の説明Explanation of symbols

30・・・(静電容量型)圧力センサ、31・・・パッケージ、32・・・基体、41・・・検出体、42・・・変形領域、44・・・第1の電極、36・・・第2の電極   30 ... (electrostatic capacity type) pressure sensor, 31 ... package, 32 ... base, 41 ... detection body, 42 ... deformation region, 44 ... first electrode, 36 ... ..Second electrode

Claims (5)

誘電体材料でなる基体と、
該基体に重ねて固定されており、受ける圧力に応じて変形するように厚みを薄くして形成した検出体と、
前記検出体の変形面と、前記基体とが互いに対向する対向面のいずれか一方の面に形成された放射状の電極指を有する第1の電極と、
他方の面に形成され、前記第1の電極と所定の間隔を置いて重ならない位置に形成した第2の電極と
を備えることを特徴とする静電容量型圧力センサ。
A substrate made of a dielectric material;
A detection body that is fixed to the substrate in an overlapping manner, and is formed with a reduced thickness so as to be deformed according to the pressure received;
A first electrode having radial electrode fingers formed on any one of the opposing surfaces of the deformed surface of the detection body and the substrate facing each other;
A capacitance type pressure sensor comprising: a second electrode formed on the other surface and formed at a position that does not overlap the first electrode with a predetermined interval.
前記第1の電極の放射状の中心位置が、前記検出体の最も厚みを薄くした箇所に配置されてい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。   2. The capacitive pressure sensor according to claim 1, wherein a radial center position of the first electrode is disposed at a position where the thickness of the detection body is thinnest. 前記第1の電極の前記電極指が前記放射状の外縁付近において幅広く形成されていることを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の静電容量型圧力センサ。   3. The capacitive pressure sensor according to claim 1, wherein the electrode fingers of the first electrode are formed widely in the vicinity of the radial outer edge. 前記第1の電極と第2の電極の両方、もしくはいずれか一方に、誘電体膜を1000オングストローム(0.1μm)未満の膜厚で形成することを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の静電容量型圧力センサ。   4. The dielectric film according to claim 1, wherein a dielectric film is formed with a film thickness of less than 1000 angstroms (0.1 .mu.m) on both or either of the first electrode and the second electrode. Capacitance type pressure sensor described in 1. 前記第1の電極と第2の電極のうち、前記基体表面に形成される方の電極にのみ前記誘電体膜を形成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。   5. The capacitance type pressure sensor according to claim 4, wherein the dielectric film is formed only on an electrode formed on the surface of the base body among the first electrode and the second electrode. 6.
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JP2012210702A (en) * 2011-03-30 2012-11-01 Pixart Imaging Inc Mems sensing device and method for making same
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