JP2000131173A - 静電容量式物理センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】可動電極がダイアフラムを兼ねる構造の場合、
負荷圧力によって可動電極200は撓みを伴って変形する
ので出力の逆数演算を施しても一次関数にならず、非線
形誤差が生じてしまうという問題が生じる。 【解決手段】本発明は、外力により変化する静電容量を
出力とし、信号処理は前記静電容量の逆数を対象とする
静電容量式物理センサにおいて、前記静電容量式物理セ
ンサの静電容量Ｃ_s と並列に電気接続される固定静電容
量の大きさＣ_p との間にＣ_p≦０.４×Ｃ_sの関係があ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は静電容量式物理セン
サの高精度化のための構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】本発明は静電容量式物理センサに関する
ものであるが、以下、物理センサの具体例として圧力セ
ンサの場合について述べる。

【０００３】従来より提案されている基板上に形成され
る圧力センサの例として、半導体圧力センサの断面構造
を図２に示す。

【０００４】この半導体圧力センサは、基板上に固定電
極として機能するシリコン膜２０と、これと対向して可
動電極として機能するシリコン構造体２００を有し、シ
リコン構造体２００と基板１０とで密閉された空間７０
を圧力基準室する構造を有している。この構造体に圧力
Ｐが加わると、図３に示すようにシリコン構造体200は
基準圧力室との圧力差に比例した変形を起こし、可動電
極と固定電極との間の距離が短縮され、それに伴いシリ
コン構造体の可動電極２００と固定電極２０との間の静
電容量が増加する。逆に、圧力Ｐを減らすと、可動電極
２００と固定電極２０との間の距離は可逆的に元にもど
り、両電極間の静電容量は減少する。このように、圧力
Ｐの変化を静電容量の変化として検出することにより圧
力Ｐが検出される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】一般の圧力センサにお
いて、負荷圧力Ｐによる出力変化は、負荷圧力Ｐの一次
関数であることが要求されるが、実際は二次以上の高次
項を含む。その二次以上の高次項は非線形誤差となり、
センサの特性を悪化させている。今、負荷圧力Ｐによる
可動電極の変位量δが可動電極の寸法径ａに比べ十分小
さいとする場合は変位量δはｐに正比例するとしてもよ
いので、上記の表現は、出力がδの一次関数であること
が要求される、と記述できる。

【０００６】今、両電極が平行に対峙する平面の場合、
可動電極の運動は固定電極への接近・遠隔の平行運動と
なり、その静電容量Ｃ（δ）は（数１）電極変位量δに
反比例する。従って、その静電容量の逆数をとる処理を
行うことにより、可動電極の変位δに対して完全な一次
関数になり、出力を線形にでき非線形誤差は生じない
（数２）。ここで、ｄは可動電極が基準位置にある場合
の電極間距離、Ｃ₀ は電極間距離がｄの場合の静電容量
である。図４中５１は数２をプロットしたものであり、
出力は直線であることがわかる。

【０００７】

【数１】

【０００８】

【数２】

【０００９】ところが、実際のセンサは図２に示すよう
な断面構造をとる。基板１０上に固定電極２０が存在
し、基準圧力室７０を隔てて可動電極を兼ねるダイアフ
ラム２００が固定電極と対峙している。このように可動
電極がダイアフラムを兼ねる、またはダイアフラムの一
部である構造の場合、負荷圧力によって可動電極200は
図３に示すように撓みを伴って変形する。

【００１０】そのため、出力の逆数演算を施しても（数
３）に示すように一次関数にならず、非線形誤差が生じ
てしまうという問題が生じる。ここでは、可動電極は全
面固定電極と対峙し静電容量をもつとする。図４中５０
は数３をプロットしたものであり、出力に曲がりが生じ
ていることがわかる。

【００１１】

【数３】

【００１２】

【課題を解決するための手段】このような問題を解決す
るために、本発明は、外力により変化する静電容量を出
力とし、信号処理は前記静電容量の逆数を対象とする静
電容量式物理センサにおいて、前記静電容量式物理セン
サの静電容量Ｃ_s と並列に電気接続される固定静電容量
の大きさＣ_p との間にＣ_p≦０.４×Ｃ_s の関係があるこ
とを特徴とする静電容量式物理センサを提供するもので
ある。

【００１３】また、本発明は、基板内もしくは基板上に
位置する固定電極と、これに対向し、周囲を支持され外
力を受けて変形するダイアフラムの一部となる可動電極
よりなる受圧部を備え、前記受圧部の前記固定電極と前
記可動電極間に生ずる静電容量を検出し、その信号処理
は前記静電容量の逆数演算を行う静電容量式物理センサ
において、前記固定電極と前記可動電極の対向部の寸法
径ｂと前記ダイアフラムの寸法径ａとの間に、ｂ／ａ≦
０.８ の関係が成立することを特徴とする静電容量式物
理センサを提供するものである。

【００１４】

【発明の実施の形態】（実施例１）まず、受圧部におい
て、負荷圧力による可動電極の撓みが非直線誤差をもた
らすことを以下に説明する。この非直線誤差とは、図５
（Ａ）と図５（Ｂ）に示すように理想直線である初期出
力ｇ_(i)とフルスケール出力ｇ_(f)を結ぶ直線からの逸脱
量として定義される。数４および

【００１５】

【数４】

【００１６】ここで、ｇ_(x)は出力曲線、Ｌ_(x)は理想直
線、Δｇは初期出力ｇ_(i) とフルスケール出力ｇ_(f) と
の差である。実際はその最大値が問題になるので、本説
明では、図５（Ｂ）に示すようにその最大値を非線形誤
差と定義する。

【００１７】負荷圧力によって電極が撓むコンデンサと
は、負荷圧力に対する静電容量の変化の割合が異なるコ
ンデンサが並列に接続され各々の静電容量が加算された
ものと同等と見なすことができる。つまり、図３に示す
変形の場合、可動電極中心部２５０は加圧時に変位量が
大きく圧力応答性が良いが、端部２６０は殆ど変形せず
圧力応答性が小さい。これらが並列接続されているの
で、出力はこれらの静電容量が加算されたものである。
この様な系に対して逆数演算を行うことが非直線誤差を
生じる原因となる。

【００１８】このことを説明するために、具体例とし
て、図６に示すような簡略された模擬系を考える。セン
サの受圧部のうち、ダイアフラム中心部の圧力応答性の
よい部分に対応するものとして、平板電極が平行に対峙
し、電極間距離が変化するコンデンサの可変容量３００
を考える。この、一方、ダイアフラム端部の圧力応答性
の小さい部分として、静電容量が不変の固定容量３１０
を考え、センサの受圧部は、これらが並列接続されたも
のとする。この単純化されたモデルの非直線誤差ＮＬは
解析解が導出可能であり、その表式は（数５）のように
求められる。

【００１９】

【数５】

【００２０】ここで、Ｃ_p は固定容量３１０、Ｃ₀ は可
変容量３００の初期値、Ｃ_f は可変容量３００のフルス
ケール値である。

【００２１】この非線形誤差ＮＬを固定容量Ｃ_p の関数
としたものを、図７に示す。固定容量Ｃ_p が小さい領域
では非線形誤差ＮＬの固定容量Ｃ_p の依存性が大きくＣ
_p を小さくすることでＮＬを減らすことができることが
わかる。また、この領域では（数５）は（数６）のよう
に近似できるため、一般に要求される非線形誤差ＮＬが
１０％以下という要求は、固定容量Ｃ_p は可変容量の初
期値Ｃ₀ の０.４ 倍以下とすることにより満足すること
ができる。なお、この固定容量は以上の様に特性を悪化
させ、浮遊容量と呼ばれる。

【００２２】

【数６】

【００２３】以下に、実際の圧力センサ構造において、
上記のような固定容量が生じる部分と、それを減らす方
法について述べる。

【００２４】図８は本発明の静電容量式圧力センサであ
り、図８Ａは平面図、図８Ｂは図８ＡにおけるＡ−Ａ′
の断面図である。基板５００上に絶縁膜５１０を介して
導電性膜５２０が被覆され、フォトエッチングにより固
定電極５２１，固定電極引き出し線５２２が形成されて
いる。固定電極引き出し線５２２は回路部へ接続され
る。この上に固定電極５２１を覆うように絶縁膜５３０
が被覆され、固定電極５２１および引き出し線５２２と
他の導電膜との間のリークを防ぐ。その上に圧力基準室
となる空洞５４０を介してダイアフラム５５０が形成さ
れる。

【００２５】ダイアフラム５５０は可動電極を兼ね、引
き出し線５５２により回路部へ接続される。ダイアフラ
ム支持端５５５は絶縁膜５３０上に固定されており、圧
力基準室５４０と異なる圧力が印加されると、ダイアフ
ラム５５０は変形し、固定電極５２１とダイアフラム５
５０との間の静電容量が変化する。その静電容量を以
下、可変容量と称する。また、この受圧部の周囲にはノ
イズ防止のために電位が固定された導電性の囲い５６０
が形成される。

【００２６】この可変容量と並列に接続される固定容量
は浮遊容量であり、ダイアフラム支持端５５５と固定電
極引き出し線５２２のクロス部５７０に生じるもの、及
び導体部５６０を介して固定電極引き出し線５２２と可
動電極引き出し線５５２との間に生ずるものがある。静
電容量は、電極の対向面積に比例し、電極間距離に反比
例する。

【００２７】前者の場合は、この浮遊容量を減らす方法
は、電極の対向面積を減らす方法として、クロス部５７
０において固定電極引き出し線５２２の幅を細くする方
法等があり、電極間距離を増やす方法として、絶縁膜５
３０を厚くする方法、または支持部５５５を除く方法、
等がある。後者の場合は、図８Ａのようにこの囲い５６
０の一部を中断し、その中断部５６５を通って可動電極
引き出し線５５２、または固定電極からの引き出し線５
２２を引き出すことによって減らすことができる。

【００２８】（実施例２）上記の模擬系での固定容量が
小さい場合とは、全容量はほとんど可変容量であるとみ
なせるが、この場合を、負荷圧力によって電極が撓む
系、つまり実際の圧力センサにおきかえると、圧力応答
性の良い可動電極の中心部のみ静電容量をもつことに相
当する。これは、図９に示すように固定容量となるダイ
アフラム端部２６０は静電容量を持たないように、固定
電極２０の寸法径をダイアフラム200の寸法径より小さ
くし、可動電極の中心部２５０のみと対峙させた構造に
より実現できる。

【００２９】逆に上記の模擬系における固定容量が大き
い場合とは、負荷圧力によって電極が撓む系において
は、図１０に示すようにダイアフラムの端部の圧力応答
性のほどんど無い部分２６０に静電容量をもつように、
固定電極の寸法径を可動電極の寸法径と等しくなるまで
広げた構造に相当する。

【００３０】つまり、模擬系における固定容量の大きさ
が非直線誤差に与える影響は、負荷圧力によって電極が
撓む系の場合はダイアフラム径に対する電極対向部の寸
法径比と同等とみなすことができる。従って、非直線誤
差と電極対向部寸法径の関係において、電極対向部寸法
径を減らすことで非直線誤差が減少できるようになる。

【００３１】実際の圧力センサの場合、つまり、図９の
ように可動電極が圧力に伴い変形する場合において、電
極対向部寸法径のダイアフラム直径に対する比をρと表
し、図１１に非線形誤差のρ依存性を示す。ここで、ダ
イアフラム直径をａ、ダイアフラム厚みをｈ、電極間距
離をｄ、ダイアフラム中心変位をｗ、とする。一般に固
定電極上には、短絡防止などのために絶縁膜が存在する
ため、ｗはｗ／ｄ＝０.９ となる場合を最大とみなす
と、電極対抗部比ρ＜０.８ とすることにより、非線形
誤差が１０％以下の特性を得られることがわかる。

【００３２】本発明の静電容量式物理センサは、ダイア
フラムが直径２８０μｍ，厚み6.5μｍの多結晶シリコ
ンよりなり、電極間距離は０.６μｍ 、固定電極径は１
５０μｍである。この電極対向部寸法は固定電極径と同
じ１５０μｍであり、電極対向部のダイアフラム径比ρ
＝１５０／２８０＝０.５４であり上述の０.８より小さ
くしてある。また、この場合１気圧のダイアフラム中心
変位ｗは０.２μｍ 、ｗ／ｄ＝０.３３である。このセ
ンサの出力は、本発明により非直線誤差は0.34％であり
１０％より小さい非直線誤差を実現できる。

【００３３】

【発明の効果】以上のように、本発明は、外力により変
化する静電容量を出力とし、信号処理は前記静電容量の
逆数を対象とする静電容量式物理センサにおいて、前記
静電容量式物理センサの静電容量Ｃ_s と並列に電気接続
される固定静電容量の大きさＣ_p との間にＣ_p≦０.４×
Ｃ_s の関係があることを特徴とする静電容量式物理セン
サを提供し、また、本発明は、基板内もしくは基板上に
位置する固定電極と、これに対向し、周囲を支持され外
力を受けて変形するダイアフラムの一部となる可動電極
よりなる受圧部を備え、前記受圧部の前記固定電極と前
記可動電極間に生ずる静電容量を検出し、その信号処理
は前記静電容量の逆数演算を行う静電容量式物理センサ
において、前記固定電極と前記可動電極の対向部の寸法
径ｂと前記ダイアフラムの寸法径ａとの間に、ｂ／ａ≦
０.８ の関係が成立することを特徴とする静電容量式物
理センサを提供することにより、出力の非直線性を減ら
し、高精度な静電容量式物理センサを提供できる。

【００３４】以上のように本発明の具体例として圧力セ
ンサの例を示したが、一般に電極の撓みを伴って静電容
量の変化を検出する方式を採用する、加速度，ジャイロ
等、その他の方式のセンサにおいても原理は等しく、本
発明は非直線誤差を低減し高精度化する有効な手段とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による静電容量式物理センサの断面図。

【図２】従来の静電容量式センサの断面図。

【図３】従来の圧力センサの加圧変形時の断面図。

【図４】可動電極の撓みによる出力の曲がりを示す特性
図。

【図５】（Ａ）及び（Ｂ）は非線形誤差の定義を示す特
性図。

【図６】簡易モデルの配線図。

【図７】簡易モデルでの非線形誤差の固定容量依存性を
示す特性図。

【図８】８Ａ及び８Ｂは本発明の圧力センサの構造と固
定容量の発生部所の平面図及び同図８ＡのＡ−Ａ′線断
面図。

【図９】９Ａ及び９Ｂは本発明の静電容量式圧力センサ
の断面図。

【図１０】１０Ａ及び１０Ｂは従来の静電容量式圧力セ
ンサの断面図。

【図１１】非線形誤差の電極対向部寸法径比依存性を示
す特性図。

【符号の説明】

１０，５００…基板、２０…固定電極、５０…ダイアフ
ラム撓み時の出力曲線、５１…平行平板電極の可変容量
の出力曲線、７０，５４０…基準圧力室、200,５５０…
ダイアフラム兼可動電極、２５０…ダイアフラム中心
部、２６０…ダイアフラム端部、３００…簡易モデルに
おける可変容量、３１０…簡易モデルにおける固定容
量、５１０，５３０…絶縁膜、５２０…導電膜、５２２
…固定電極引き出し線、５５２…可動電極引き出し線、
５５５…ダイアフラム支持部、５６０…導電性の囲い、
５７０…ダイアフラム支持部と固定電極引き出し線の対
向部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 嶋田 智 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 松本 昌大 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 渡辺 篤雄 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 小野瀬 保夫 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 市川 範男 茨城県ひたちなか市高場2477番地 株式会 社日立カーエンジニアリング内 (72)発明者 半沢 恵二 茨城県ひたちなか市高場2477番地 株式会 社日立カーエンジニアリング内 (72)発明者 堀江 潤一 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者 栗生 誠司 茨城県ひたちなか市高場2477番地 株式会 社日立カーエンジニアリング内 Ｆターム(参考） 2F055 AA40 BB01 CC02 DD04 EE25 FF12 GG11 4M112 AA01 BA07 CA11

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板内もしくは基板上に位置する固定電極
   と、これに対向し、周囲を固定され外力を受けて変形す
   る可動部を備え、前記可動部は、その一部または全部が
   可動電極であり、前記固定電極と前記可動電極間に生ず
   る静電容量を検出し、その信号処理は前記静電容量の逆
   数演算を行う静電容量式物理センサにおいて、前記固定
   電極と前記可動電極の対向部の寸法径ｂと前記可動部の
   寸法径ａとの間に、ｂ／ａ≦０.８ の関係が成立するこ
   とを特徴とする静電容量式物理センサ。
2. 【請求項２】外力により変化する静電容量を出力とし、
   信号処理は前記静電容量の逆数を対象とする静電容量式
   物理センサにおいて、前記静電容量式物理センサの静電
   容量Ｃ_sと並列に電気接続される固定静電容量の大きさ
   Ｃ_p との間にＣ_p／Ｃ_s≦０.４の関係が成立することを
   特徴とする静電容量式物理センサ。