CN110168335B - 压力传感器 - Google Patents

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Abstract

一种即使在相对较小的压力下，也能以更高的精度检测压力的压力传感器。在可动区域(121)的外侧具备限制膜片(102)位移的参考区域(122)。在参考区域(122)中，膜片(102)与基台(101)的间隔不发生变化。在膜片(102)的参考区域(122)中配置有第1参考电极(106)。另外，在面向第1参考电极(106)的位置的基台(101)上形成有第2参考电极(107)。

Description

压力传感器
技术领域
本发明涉及通过检测静电电容的变化来对压力进行测量的压力传感器。
背景技术
在静电电容式隔膜真空计等压力传感器中，将包含膜片(隔膜)的传感器芯片安装在供测定对象的气体流动的配管等中进行使用。该压力传感器将受到压力的膜片的挠曲量、即位移转换为静电电容值，并根据静电电容值输出压力值。该压力传感器的气体种类依赖性较小，因此被广泛用于以半导体设备为代表的工业用途(参照专利文献1、专利文献2)。
如图10所示，上述隔膜真空计等压力传感器的传感器芯片具有膜片302和基台301，该膜片302受到来自测定对象的压力，该基台301具有对膜片302进行支承的支承部301a。在俯视中，基台301中央具有凹部。膜片302与基台301形成电容室303。由支承部301a支承的膜片302中的、与基台301分离的可动区域302a可以向基台301的方向位移。膜片302与基台301例如由蓝宝石等绝缘体构成。
另外，压力传感器的传感器芯片具备可动电极304和固定电极305，该可动电极304形成于膜片302的可动区域302a，该固定电极305形成于基台301上并且面向可动电极304。另外，压力传感器的传感器芯片具备可动参考电极306和固定参考电极307，该可动参考电极306在膜片302的可动区域302a中形成于可动电极304的周围，该固定参考电极307形成于基台301上的固定电极305的周围，并且面向可动参考电极306。
在像以上那样构成的传感器芯片中，由可动电极304和固定电极305形成电容。如果膜片302从外部受到压力从而中央部向基台301的方向弯曲，可动电极304与固定电极305的间隔就会发生变化，它们之间的电容发生变化。只要检测出该电容变化，就能检测出膜片302受到的压力。
另外，在可动参考电极306与固定参考电极307之间也形成电容。只是，可动参考电极306被设置在离支承部301a近的地方，因此由于膜片302的弯曲而产生的位移量比配置于更加中央部的可动电极304小。因此，通过以固定电极305与可动参考电极306之间的电容变化为基准，来捕获固定电极305与可动电极304之间的电容变化，就能抑制偏差地检测出膜片302的位移量。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2006－003234号公报
专利文献2：日本专利特开2000－105164号公报
发明内容
发明要解决的问题
可是，在前述那样的半导体装置的制造工序中，半导体芯片的微小化正在进展，对于压力也要求高精度的测量。与此相伴，在以往的压力传感器中，也会产生精度变得不足的情况。
例如，提出了通过设为难以受到来自外部的热的热应力的影响的构造，来得到更高的测定精度的技术(参照专利文献1)。另外，提出了在由能够以更低价格入手的R面的蓝宝石构成基台以及膜片的情况下，通过使可动电极形成为在蓝宝石的C轴投影面方向上延伸的长方形，来得到更高测定精度的技术(参照专利文献2)。
近年来，在半导体制造工序中，要求在更小的压力下进行更高精度的压力测量。然而，在以往的技术中，由于受压的膜片302的弯曲，可动参考电极306与固定参考电极307之间的电容也会发生变化。像这样，在以往，由于设为基准的电容也会发生变化，因此存在不满足上述更高精度的压力测量的要求这一问题。
本发明是为消除以上那样的问题而完成的，目的在于即使在更小的压力下也能以更高的精度进行压力测量。
用于解决问题的技术手段
本发明的压力传感器具备：基台；膜片，其具有与基台的表面分离并面向基台的相对面；第1电极，其被设置在膜片的面向基台的相对面中的、膜片能够位移的可动区域的内侧；第2电极，其被设置在基台的表面并且面向第1电极；第1参考电极，其被设置在膜片的相对面中的、可动区域的外侧的、限制膜片位移的参考区域；以及第2参考电极，其被设置在基台的表面并且面向第1参考电极。
在上述压力传感器中，也可以具备：第3参考电极，其被设置在膜片的相对面上的第1电极的周围并被连接至第1参考电极；以及第4参考电极，其被设置在基台的表面，被连接至第2参考电极并且面向第3参考电极，第1电极与第3参考电极、以及第2电极与第4参考电极的至少一方被电性绝缘，第3参考电极的至少一部分被配置在膜片的可动区域。
在上述压力传感器中，具备压力值输出部，该压力值输出部构成为以第1参考电极与第2参考电极之间的电容为基准，将由于膜片的位移而产生的第1电极与第2电极之间的电容变化转换为压力值并进行输出。
发明的效果
如以上所说明的，根据本发明，由于设置了膜片与基台的间隔不发生变化的参考区域，并在参考区域中设置了参考电极，因此能够得到即使在更小的压力下也能以更高的精度进行压力测量这一优良效果。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式1中的压力传感器的构成的示意性截面图。
图2是示出本发明的实施方式1中的压力传感器的构成的示意性截面图。
图3是示出本发明的实施方式1中的压力传感器的局部构成的俯视图。
图4是示出本发明的实施方式1中的压力传感器的局部构成的俯视图。
图5是示出本发明的实施方式2中的压力传感器的构成的示意性截面图。
图6是示出本发明的实施方式2中的压力传感器的构成的示意性截面图。
图7是示出本发明的实施方式2中的压力传感器的局部构成的俯视图。
图8是示出本发明的实施方式2中的压力传感器的局部构成的俯视图。
图9是局部剖切示出本发明的其他实施方式中的压力传感器的其他的局部构成的立体图。
图10是局部剖切示出隔膜真空计的检测部的局部构成的立体图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
[实施方式1]
首先，参照图1、2、3、4对本发明的实施方式1进行说明。图1、图2是示出本发明的实施方式1中的压力传感器(传感器芯片)的构成的示意性截面图。另外，图3、图4是示出本发明的实施方式1中的压力传感器的局部构成的俯视图。图1示出图3的aa'线的截面。另外，图2示出图3的bb'线的截面。
该压力传感器具备基台101、膜片102、可动电极(第1电极)104、以及固定电极(第2电极)105。在实施方式1中，成为受压部的膜片102被设置于膜片基板111的规定区域。另外，膜片102由设置在膜片基板111上的支承部112支承于基台101上。支承部112以包围膜片102的周围的方式配置。另外，膜片102在可动区域121与基台101分离地配置。另外，膜片102具有面向基台101的相对面。例如，基台101、膜片基板111被设为俯视下的正方形。另外，膜片102被设为俯视下的圆形。
膜片基板111的支承部112与基台101在可动区域121的外侧的接合区域113接合。膜片102具备面向基台101的相对面中的膜片102能够位移的可动区域121。膜片102在可动区域121中，在基台101的平面的法线方向上能够位移。当膜片102受到来自测定对象的压力时，可动区域121会发生位移。
基台101以及膜片基板111例如由蓝宝石、氧化铝陶瓷等绝缘体构成。此外，也可以在基台101上设置支承部。在可动区域121中的膜片102与基台101之间形成电容室103。电容室103例如被设为真空。
在膜片102的面向基台101的相对面中的、膜片102能够位移的可动区域121的内侧设置有可动电极104。另外，固定电极105被设置在基台101的表面并且面向可动电极104。此外，可动电极104以及固定电极105被配置在电容室103的内部。
可动电极104与固定电极105形成电容。该电容由于膜片102的可动区域121发生变化(弯曲)而发生变化。众所周知，静电电容式压力传感器根据形成于固定电极105与可动电极104之间的电容的变化，来对在膜片102的受压区域(可动区域121)中受到的压力进行测量。
另外，实施方式1中的压力传感器在膜片102的相对面中的、可动区域121的外侧的、限制膜片102位移的参考区域122中设置有第1参考电极106。另外，实施方式1中的压力传感器在基台101的表面设置有面向第1参考电极106的第2参考电极107。
例如，参考区域122在俯视下远离可动区域121的中心的方向上，从可动区域121的周缘部形成为凸状。在实施方式1中，在可动区域121的周缘部的圆周上等间隔地设置有4个参考区域122。即使膜片102受压并且可动区域121发生位移，在参考区域122中，膜片102与基台101的间隔也基本不发生变化。
换言之，膜片102由于受压而发生位移的区域是可动区域121。另一方面，膜片102受压而不发生位移的区域是参考区域122。参考区域122局部地设置在可动区域121的外侧，除此以外的区域存在有支承部112。此外，在参考区域122的膜片102与基台101之间形成参考室108。参考室108与电容室103相连。
如图3、图4所示，在实施方式1中，在俯视下中成为旋转角每90°不同的点对称位置关系的4处配置有参考区域122。另外，在各个参考区域122中配置第1参考电极106，并面向其配置有第2参考电极107。
另外，该压力传感器具备压力值输出部110。压力值输出部110以第1参考电极106与第2参考电极107之间的电容为基准，对由于膜片102的弯曲(位移)而产生的可动电极104与固定电极105之间的电容变化进行检测。压力值输出部110使用所设定的传感器灵敏度将检测出的电容变化转换为压力值进行输出。
根据实施方式1，即使膜片102受压，第1参考电极106与第2参考电极107的间隔也基本不发生变化，并且它们之间的电容也基本不发生变化。像这样，根据实施方式1，设为基准的电容基本不会由于受压而发生变化。
由此，可动电极104和固定电极105之间的电容变化、与第1参考电极106和第2参考电极107的电容之差变得比参考电极间电容也发生变化的情况大，从而传感器灵敏度提高。其结果，即使是更小的压力，也能以更高的精度测量压力。
此外，可动电极104的一部分电连接有引出布线205的一端。另外，引出布线205的另一端电连接有端子部206。端子部206被设置于接合区域113。引出布线205被从电容室103引出到接合区域113。端子部206与设置在基台101上的未图示的贯通布线电连接，贯通布线与基台101背面的未图示的外部端子电连接。
另外，第1参考电极106的一部分电连接有引出布线207的一端。在图2中省略与第1参考电极106的一部分连接的引出布线207的部分。引出布线207的另一端电连接有端子部208。端子部208被设置于接合区域113。引出布线207被从电容室103引出到接合区域113。端子部208与设置在基台101上的未图示的贯通布线电连接，贯通布线与基台101背面的未图示的外部端子电连接。
固定电极105的一部分电连接有引出布线201的一端。另外，引出布线201的另一端电连接有端子部202。端子部202被设置于接合区域113。引出布线201被从电容室103引出到接合区域113。端子部202与设置在基台101上的未图示的贯通布线电连接，贯通布线与基台101背面的未图示的外部端子电连接。
另外，第2参考电极107的一部分电连接有引出布线203的一端。引出布线203的另一端电连接有端子部204。端子部204被设置于接合区域113。引出布线203被从电容室103引出到接合区域113。端子部204与设置在基台101上的未图示的贯通布线电连接，贯通布线与基台101背面的未图示的外部端子电连接。
此外，可动电极104与第1参考电极106、以及固定电极105与第2参考电极107的至少一方被电性绝缘分离即可。因此，可以是可动电极104与第1参考电极106电连接的构成。在该情况下，也可以仅是引出布线205以及引出布线207的一方与外部端子连接的构成。
[实施方式2]
接下来，参照图5、6、7、8对本发明的实施方式2进行说明。图5、图6是示出本发明的实施方式2中的压力传感器(传感器芯片)的构成的示意性截面图。另外，图7、图8是示出本发明的实施方式2中的压力传感器的局部构成的俯视图。图5示出图7的aa'线的截面。另外，图6示出图7的bb'线的截面。
该压力传感器具备基台101、膜片102、可动电极(第1电极)104、以及固定电极(第2电极)105。在实施方式2中，成为受压部的膜片102被设置于膜片基板111的规定区域。另外，膜片102由设置在膜片基板111上的支承部112支承于基台101上。支承部112以包围膜片102的周围的方式配置。另外，膜片102在可动区域121中与基台101分离地配置。另外，膜片102具有面向基台101的相对面。例如，基台101、膜片基板111被设为俯视下的正方形。另外，膜片102被设为俯视下的圆形。
膜片基板111的支承部112与基台101在可动区域121的外侧的接合区域113中接合。膜片102具备面向基台101的相对面中的膜片102能够位移的可动区域121。膜片102在可动区域121中，在基台101的平面的法线方向上能够位移。当膜片102受到来自测定对象的压力时，可动区域121发生位移。
基台101以及膜片基板111例如由蓝宝石、氧化铝陶瓷等绝缘体构成。此外，也可以在基台101上设置支承部。在可动区域121中的膜片102与基台101之间形成电容室103。电容室103例如被设为真空。
在膜片102的面向基台101的相对面中的膜片102能够位移的可动区域121的内侧设置有可动电极104。另外，固定电极105被设置在基台101的表面并且面向可动电极104。此外，可动电极104以及固定电极105被配置在电容室103的内部。
可动电极104与固定电极105形成电容。该电容由于膜片102的可动区域121发生变化(弯曲)而发生变化。众所周知，静电电容式压力传感器根据形成于固定电极105与可动电极104之间的电容的变化，来对在膜片102的受压区域(可动区域121)中受到的压力进行测量。
另外，实施方式2中的压力传感器在膜片102的相对面中的可动区域121的外侧的、限制膜片102位移的参考区域122中设置有第1参考电极106。另外，实施方式2中的压力传感器在基台101的表面设置有面向第1参考电极106的第2参考电极107。
例如，参考区域122在俯视下远离可动区域121的中心的方向上，从可动区域121的周缘部形成为凸状。在实施方式2中，在可动区域121的周缘部的圆周上等间隔地设置有4个参考区域122。即使膜片102受压并且可动区域121发生位移，在参考区域122中，膜片102与基台101的间隔也基本不发生变化。
换言之，膜片102由于受压而发生位移的区域是可动区域121。另一方面，膜片102受压而不发生位移的区域是参考区域122。参考区域122局部地设置在可动区域121的外侧，除此以外的区域存在有支承部112。此外，在参考区域122的膜片102与基台101之间形成参考室108。参考室108与电容室103相连。
如图7、图8所示，在实施方式2中，在成为俯视下旋转角每90°不同的点对称位置关系的4处配置有参考区域122。另外，在各个参考区域122中配置第1参考电极106，并面向其配置有第2参考电极107。上述构成与前述实施方式1相同。
此外，在实施方式2中，在可动区域121中也配置有与第1参考电极106连接的第3参考电极106a。在实施方式2中，第3参考电极106a与第1参考电极106相连接地形成。第3参考电极106a被配置在可动电极104与支承部112(接合区域113)之间。另外，第3参考电极106a以围绕可动电极104的周围的方式配置在可动区域121(电容室103)的范围内。
另外，在实施方式2中，第4参考电极107a面向第3参考电极106a形成在基台101的表面。第4参考电极107a与第2参考电极107连接地形成。在实施方式2中，第4参考电极107a与第2参考电极107连接地形成。第4参考电极107a以围绕固定电极105的周围的方式配置。第3参考电极106a与第4参考电极107a相向地配置在电容室103内。
这里，可动电极104与第3参考电极106a、以及固定电极105与第4参考电极107a的至少一方被电性绝缘分离。也可以是可动电极104与第3参考电极106a、以及固定电极105与第4参考电极107a两者被电性绝缘分离。
另外，该压力传感器具备压力值输出部110。压力值输出部110以第1参考电极106与第2参考电极107之间的电容为基准，对由于膜片102的弯曲(位移)而产生的可动电极104与固定电极105之间的电容变化进行检测。压力值输出部110使用所设定的传感器灵敏度将检测出的电容变化转换为压力值进行输出。
根据实施方式2，即使膜片102受压，第1参考电极106与第2参考电极107的间隔也基本不发生变化，并且它们之间的电容也基本不发生变化。像这样，根据实施方式2，设为基准的电容基本不会由于受压而发生变化。由此，可动电极104和固定电极105之间的电容变化，与第1参考电极106和第2参考电极107的电容之差变得比参考电极间电容也发生变化的情况大，从而传感器灵敏度提高。其结果，即使是更小的压力，也能以更高的精度测量压力。
此外，在实施方式2中，在第1参考电极106上相连地形成有第3参考电极106a。另外，在第2参考电极107上相连地形成有第4参考电极107a。被设置于可动区域121的第3参考电极106a与第4参考电极107a的间隔由于膜片102的位移而发生变化。因此，第3参考电极106a与第4参考电极107a的电容由于受压而发生变化。因此，[第1参考电极106+第3参考电极106a]与[第2参考电极107+第4参考电极107a]的电容也由于膜片102的位移而发生变化。
然而，在第1参考电极106与第2参考电极107之间电容基本不发生变化。因此，与仅第3参考电极106a以及第4参考电极107a的情况进行比较，通过设置第1参考电极106以及第2参考电极107，能够抑制由于设为基准的电容的受压而发生的变化。其结果，即使是[第1参考电极106+第3参考电极106a]与[第2参考电极107+第4参考电极107a]的构成，精度也会提高。
这里，通过不设置第3参考电极106a以及第4参考电极107a，而仅设置第1参考电极106以及第2参考电极107，能够使设为基准的电容不发生变化。但是，通过设为[第1参考电极106+第3参考电极106a]以及[第2参考电极107+第4参考电极107a]的构成，能够使产生电容的面积增大。众所周知，通过增大面积，能够得到更大的电容。
此外，可动电极104的一部分电连接有引出布线205的一端。另外，引出布线205的另一端电连接有端子部206。端子部206被设置于接合区域113。引出布线205被从电容室103引出到接合区域113。端子部206与设置在基台101上的未图示的贯通布线电连接，贯通布线与基台101背面的未图示的外部端子电连接。
另外，第1参考电极106的一部分电连接有引出布线207的一端。在实施方式2中，经由与第1参考电极106相连地形成的第3参考电极106a连接有引出布线207。引出布线207的另一端电连接有端子部208。端子部208被设置于接合区域113。引出布线207被从电容室103引出到接合区域113。端子部208与设置在基台101上的未图示的贯通布线电连接，贯通布线与基台101背面的未图示的外部端子电连接。
固定电极105的一部分电连接有引出布线201的一端。另外，引出布线201的另一端电连接有端子部202。端子部202被设置于接合区域113。引出布线201被从电容室103引出到接合区域113。端子部202与设置在基台101上的未图示的贯通布线电连接，贯通布线与基台101背面的未图示的外部端子电连接。
另外，第2参考电极107的一部分电连接有引出布线203的一端。在实施方式2中，经由与第2参考电极107相连地形成的第4参考电极107a，连接有引出布线203。引出布线203的另一端电连接有端子部204。端子部204被设置于接合区域113。引出布线203被从电容室103引出到接合区域113。端子部204与设置在基台101上的未图示的贯通布线电连接，贯通布线与基台101背面的未图示的外部端子电连接。
另外，如图9所示，也可以在膜片基板111上设置间隔部131。间隔部131被设置在膜片基板111的外侧上表面。另外，间隔部131形成为包围(围绕)可动区域121的环状。间隔部131是被设置在可动区域121的周围的、比膜片基板111厚的区域。通过间隔部131进行该传感器芯片的安装。通过使间隔部131的上表面与安装面接合来进行传感器芯片的安装。
在膜片102的间隔部131的部分中，膜片102的位移受到限制。因此，在设置间隔部131的构成中，在俯视下间隔部131的内侧区域为可动区域121。
如以上所说明的，根据本发明，由于设置限制了膜片与基台的间隔变化的参考区域，并在参考区域中设置了参考电极，从而即使在更小的压力下也能以更高的精度进行压力测量。
此外，本发明并非限定于以上所说明的实施方式，具有本领域中的常知的人能够在本发明的技术构思内实施许多变形以及组合是显而易见的。
符号说明
101…基台、102…膜片、103…电容室、104…可动电极(第1电极)、105…固定电极(第2电极)、106…第1参考电极、106a…第3参考电极、107…第2参考电极、107a…第4参考电极、108…参考室、110…压力值输出部、111…膜片基板、112…支承部、113…接合区域、121…可动区域、122…参考区域。

Claims (3)

1.一种压力传感器，其特征在于，具备：
基台；
膜片，其具有与所述基台的表面分离并面向所述基台的相对面；
支承部，其以包围所述膜片的周围的方式将所述膜片支承在所述基台上；
第1电极，其被设置在所述膜片的面向所述基台的相对面中的、所述膜片能够位移的可动区域的内侧；
第2电极，其被设置在所述基台的表面并面向所述第1电极；
第1参考电极，其被设置在所述膜片的所述相对面中的、在所述可动区域的外侧形成为凸状的、限制所述膜片位移的参考区域；以及
第2参考电极，其被设置在所述基台的表面并面向所述第1参考电极，
在所述可动区域的外侧局部地设置有所述参考区域，在所述可动区域的外侧、除了所述参考区域以外的区域存在有所述支承部。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，具备：
第3参考电极，其被设置在所述膜片的所述相对面上的所述第1电极的周围，并被连接至所述第1参考电极；以及
第4参考电极，其被设置在所述基台的表面，被连接至所述第2参考电极并且面向所述第3参考电极，
所述第1电极与所述第3参考电极、以及所述第2电极与所述第4参考电极的至少一方被电性绝缘，
所述第3参考电极的至少一部分被配置在所述膜片的所述可动区域。
3.根据权利要求1或2所述的压力传感器，其特征在于，具备：
压力值输出部，其构成为以所述第1参考电极与所述第2参考电极之间的电容为基准，将由于所述膜片的位移而产生的所述第1电极与所述第2电极之间的电容变化转换为压力值进行输出。
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