JP2000275129A - 静電容量型センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 基板の接合界面にフィードスルーのない構造
を実現して、キャビティ内部へに異物の混入をなくし、
この異物の混入による誤動作を防止して信頼性を向上さ
せ得る静電容量型センサを提供する。 【解決手段】 固定電極１２に対向する可動電極を２枚
に分離し、一方及び他方の可動電極５、６と固定電極１
２とで２つのコンデンサＣ１、Ｃ２を形成し、これら一
方及び他方のコンデンサＣ１、Ｃ２毎に可動電極５、６
を外部接続電極９、１０に接続し、これらの外部接続電
極９、１０を接続配線することで一方及び他方のコンデ
ンサＣ１、Ｃ２を直列接続した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧力、加速度、振
動等の測定に用いられる静電容量型センサに関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】静電容量の変化に基づいて外力の変化を
検出する静電容量型センサがあり、この種の静電容量型
センサには圧カセンサや加速度センサ等がある。静電容
量型センサはピエゾ抵抗素子等を用いたピエゾ型センサ
に比べて、温度特性が安定しているなどの点で有利であ
る。特にシリコン半導体基板を用いた静電容量型半導体
センサは、ＩＣ技術を用いて製造できるために、均一性
に富み、小型化、軽量化、回路との一体化が容易であ
る。またバッチ方式による大量生産が可能で、低コスト
化が実現できる。

【０００３】図７及び図８に示すように静電容量型セン
サは、導電性のある半導体基板３０と、ガラス等の熱膨
張係数がシリコンに近い絶縁性材料よりなる固定基板３
１とから構成してあり、半導体基板３０は、そのフレー
ム部３０ａにおいて固定基板３１に陽極接合してある。
そして、半導体基板３０には、薄膜のダイアフラム部３
２の箇所において凹部３３が形成してあり、このダイア
フラム部３２と固定基板３１との間にはギャップよりな
るキャビティ３９がある。ダイヤフラム部３２は半導体
基板３０によって形成されているため導電性を持ち、可
動電極３４として用いられる。

【０００４】また、固定基板３１の、ダイアフラム部３
２に対向する内面には固定電極３５が設けてある。この
固定電極３５は、固定基板３１にアルミニウム等を蒸着
することによって形成してある。

【０００５】半導体基板３０と固定基板３１とは陽極接
合により接合してあるが、外部接続電極３６を引き出す
際に固定電極３５からの配線部を形成しなければならな
い。半導体基板３０と固定基板３１とを陽極接合により
接合する場合、接合界面全域において平坦でなければな
らないので、盛り上がった配線部にフィードスルー（隙
間）を設けることで半導体基板３０と固定基板３１との
接合を可能としている。

【０００６】すなわち、半導体基板３０に、そのダイア
フラム部３２に形成された可動電極３４とは隔絶させて
コネクタ用ｎ層拡散層部３７を形成して接合界面全域を
平坦にし、このコネクタ用ｎ層拡散層部３７にコネクタ
３８と外部接続電極３６とを形成し、半導体基板３０と
固定基板３１とを陽極接合により接合した際に、固定電
極３５をコネクタ３８に接続することで、この固定電極
３５を外部接続電極３６に接続していた。このように、
平坦な接合界面全域に、盛り上がった配線部を形成する
ためにフィードスルー（隙間）４０が生じていた。な
お、図７中４１は固定電極３５に導電部４２を介して接
続された外部接続電極である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の静電容量型センサにあっては、１個のコンデン
サしか形成されていないので、出力の取り出し方が限ら
れていた。

【０００８】また、従来の静電容量型センサにあって
は、半導体基板３０と固定基板３１の間にフィードスル
ー４０を設けなければならないので、このフィードスル
ー４０によりキャビティ３９内部を大気圧側に開放する
ことになる。このために、フィードスルー４０からキャ
ビティ３９内部にダスト、ミスト、液状等の異物が混入
することがある。

【０００９】キャビティ３９内部にダスト、ミスト、液
状等の異物が混入した場合、静電容量の出力特性が通常
時と異なる特性を示すという問題点があったし、また、
外部からの印加圧力を零に戻した場合にも、異物の影響
が働き、圧力が発生しているかのような信号が検出され
るという問題点があった。

【００１０】本発明は、上記の問題点に着目してなされ
たものであって、その目的とするところは、電極の数を
増やして、出力の取り出し方をフレキシブルにする静電
容量型センサを提供することにある。

【００１１】また、本発明の他の目的とするところは、
一方の基板と他方の基板の接合界面にフィードスルーの
ない構造を実現することができて、キャビティ内部にダ
スト、ミスト、液状等の異物が混入することがなくな
り、この異物の混入による誤動作を防止できて信頼性が
向上する静電容量型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】上記の目的を達成するた
めに、請求項１の発明に係る静電容量型センサは、一方
の基板と他方の基板とを接合して一体化して、一方の基
板に設けたダイヤフラム部と他方の基板との間にキャビ
ティを形成し、ダイヤフラム部に可動電極を、他方の基
板に可動電極に対向する固定電極をそれぞれ設けた静電
容量型センサであって、可動電極および固定電極のいず
れか一方の電極を複数に分離し、これら複数の電極毎
に、一方に対する他方の電極との間でコンデンサを形成
したものである。

【００１３】かかる構成により、電極の数を増やして、
出力の取り出し方をフレキシブルにすることができる。

【００１４】また、上記の他の目的を達成するために、
請求項２の発明に係る静電容量型センサは、一方の基板
と他方の基板とを接合して一体化して、一方の基板に設
けたダイヤフラム部と他方の基板との間にキャビティを
形成し、ダイヤフラム部に可動電極を、他方の基板に可
動電極に対向する固定電極をそれぞれ設けた静電容量型
センサであって、可動電極を複数に分離し、これら複数
の可動電極毎に、固定電極との間でコンデンサを形成
し、これらのコンデンサ毎に可動電極を外部接続電極に
接続し、これらの外部接続電極を接続配線することでコ
ンデンサを直列接続したものである。

【００１５】かかる構成により、一方の基板と他方の基
板の接合界面にフィードスルーのない構造を実現するこ
とができ、キャビティ内部にダスト、ミスト、液状等の
異物が混入することがなくなり、この異物の混入による
誤動作が防止できて静電容量型センサの信頼性を向上さ
せることができる。

【００１６】また、上記の目的を達成するために、請求
項３の発明に係る静電容量型センサは、請求項１又は請
求項２に記載の静電容量型センサにおいて、一方の基板
を半導体基板で構成し、この半導体基板にｐ−ｎ接合を
作り、ｎ領域を可動電極にした。

【００１７】かかる構成により、上記した請求項１又は
請求項２の発明の作用効果と同様な作用効果を奏し得る
ばかりか、半導体基板にそれぞれ独立した可動電極を作
ることができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る静電容量型セ
ンサの実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本
発明に係る静電容量型センサの一部破断した平面図、図
２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図、図３はコンデンサの
直列接続の説明図である。

【００１９】静電容量型センサは、ｐ型シリコンから形
成された導電性のある（不純物が人工的に、または不可
避的にドープされている。）半導体基板１と、ガラス等
の絶縁性材料から形成された固定基板２とから構成して
ある。

【００２０】そして、この半導体基板１には、そのフレ
ーム部１Ａの面部に円形の凹部３を形成し、また、後に
説明するように、半導体基板１上にドライエッチングを
施すことにより受圧部である薄膜円形のダイアフラム部
（薄膜部）４が形成してある。このダイアフラム部４
は、固定基板２に対向する面においてのみ不純物を独立
した２か所にドープして、導電性を有する可動電極５、
６にしてある。これらの可動電極５、６はそれぞれ半円
形状をしており、また、可動電極５、６はそれぞれの独
立していて、可動電極５、６を合せて円形状を呈してい
る。

【００２１】そして、一方の可動電極５の円弧部５Ａの
中央には導電部７が形成してあり、この導電部７の先側
は凹部３の周面の一部を構成している。また、他方の可
動電極６の円弧部６Ａの中央には導電部８が形成してあ
り、この導電部８の先側は凹部３の周面の一部を構成し
ていて、導電部７と導電部８とは対向位置にある。

【００２２】そして、半導体基板１には導電部７に接続
した一方の外部接続電極９と導電部８に接続した他方の
外部接続電極１０とが設けてある。

【００２３】そして、一方及び他方の可動電極５、６
は、ともにｎ層（ｎ領域）、また、半導体基板１の他の
部分はｐ層であるために、一方の可動電極５と他方の可
動電極６とは電気的に導通していない。

【００２４】また、固定基板２の中央部には、その一方
の面部２ａから他方の面部２ｂに抜ける通気用孔部１１
が形成してある。そして、固定基板２の一方の面部２ａ
にはアルミニウム等の金属を蒸着することによって円形
の固定電極１２が形成してある。

【００２５】そして、半導体基板１は、そのフレーム部
１Ａの面部において、固定基板２の一方の面部２ａに陽
極接合により接合してある。この半導体基板１と固定基
板２との接合によりダイアフラム部４と固定基板２との
間にはギャップが生じて、このギャップがキャビティ１
３を構成している。そして、このキャビティ１３内で一
方及び他方の可動電極５、６は固定電極１２に対向して
いて、これらで対向電極を構成している。

【００２６】上記のように構成された静電容量型センサ
では、ダイアフラム部４の一方の可動電極５と固定電極
１２との間で一方のコンデンサＣ１が形成してあり、他
方の可動電極６と固定電極１２との間で他方のコンデン
サＣ２が形成してあって、これらのコンデンサＣ１、Ｃ
２毎に可動電極５（６）を外部接続電極９（１０）に接
続し、これらの外部接続電極９、１０を接続配線するこ
とで、図３に示すように一方のコンデンサＣ１と他方の
コンデンサＣ２とは直列に接続された状態になる。

【００２７】そして、弾性を有するダイアフラム部４
は、加えられる外力に応答して図２において上下方向に
変位し、一方及び他方のコンデンサＣ１、Ｃ２としての
静電容量が変化する。この静電容量の変化を、一方及び
他方の外部接続電極９、１０から取り出した信号によっ
て検出する。

【００２８】次に、静電容量型センサの製造方法につい
て説明する。

【００２９】静電容量型センサの半導体基板１は、図４
の（１）〜（５）に示す製造プロセスにより製造され
る。まず、ｐ型シリコン基板１−１を使用して、ｎ層イ
オン注入用保護膜としてのレジスト１９を塗布したｐ型
シリコン基板１−１に一方及び他方の可動電極５、６を
形成する。このために、イオンプレーティング装置によ
り不純物をドープ、拡散し、ｐ型シリコン基板１にｐ−
ｎ接合を作り、一方及び他方の可動電極５、６になる電
極形成用ｎ層（ｎ領域）２０、２１を形成する（図４の
（１））（図４の（２ａ）、（２ｂ））。

【００３０】次に、レジスト１９を除去した後に、ギャ
ップ形成用保護膜としてのレジスト２３を塗布し（図４
の（３））、ｐ型シリコン基板１−１の内面をＤＲＩＥ
等のドライエッチングにより凹部３を形成する（図４の
（４））。次に、レジスト２３を除去する（図４の
（５））。

【００３１】静電容量型センサの固定基板２は図５の示
す製造プロセスにより製造される。まず、サンドプラス
ト加工等で通気用孔部１１を明けたガラス基板２−１を
使用し、このガラス基板２−１の表面にアルミニウム等
の金属をスパッタ等で形成し、パタニングすることで固
定電極１２を形成する。

【００３２】図６の（１）、（２）、（３）は静電容量
型センサのμマシン作製プロセスであり、まず、上記の
ように製造した半導体基板１と固定基板２とを陽極接合
し（図６の（１））、次に、ＫＯＨ等のアルカリ系エッ
チング溶液でウェットエッチングにより半導体基板１の
ダイアフラム部４を形成する（図６の（２））。次に、
半導体基板１の表面にアルミニウム等の金属をスパッタ
等で形成し、パタニングすることで電極パッドからなる
外部接続電極９、１０を形成する。

【００３３】上記のように、本発明の実施の形態例によ
れば、固定電極１２に対向する可動電極を２枚に分離
し、一方及び他方の可動電極５、６と固定電極１２とで
２つのコンデンサＣ１、Ｃ２を形成し、これら一方及び
他方のコンデンサＣ１、Ｃ２毎に可動電極５（６）を外
部接続電極９（１０）に接続し、これらの外部接続電極
９、１０を接続配線することで一方及び他方のコンデン
サＣ１、Ｃ２を直列接続したので、半導体基板１と固定
基板２の接合界面にフィードスルーのない構造を実現す
ることができ、キャビティ１２内部にダスト、ミスト、
液状等の異物が混入することがなくなり、この異物の混
入による誤動作が防止できて静電容量型センサの信頼性
を向上させる。

【００３４】また、半導体基板（ｐ型シリコン基板）１
にｐ−ｎ接合を作り、ｎ領域を可動電極５、６にするた
めに、半導体基板１にそれぞれ独立した可動電極５、６
を作ることができる。

【００３５】また、半導体基板１を用いたことにより、
半導体プロセスの工程を用いるため、構造の作製が簡単
である。

【００３６】なお、固定基板２を半導体構成にすること
で半導体基板１と固定基板２をＳＦＢによって接合する
静電容量型センサを作製することは可能である。この場
合、ガラスーシリコン接合のセンサより安価に製造する
ことが可能である。

【００３７】また、上記した本発明の実施の形態では、
１つの固定電極１２に対して２つの可動電極５、６を対
向させて２つのコンデンサＣ１、Ｃ２を形成するように
したが、本発明に係る静電容量型センサにあっては、１
つの固定電極１２に対して複数の可動電極を対向させ
て、これらの可動電極の数ほどにコンデンサを形成する
ようにしてもよい。

【００３８】また、上記した本発明の実施の形態では、
可動電極を複数に分割したが、これとは逆に固定電極１
２を複数に分割して、固定電極と稼働電極との間の電圧
を検出するようにしてもよいし、固定電極の一つと可動
電極との間の電圧を検出するようにしてもよい。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
係る静電容量型センサによれば、電極の数を増やして、
出力の取り出し方をフレキシブルにすることができる。

【００４０】また、請求項２の発明に係る静電容量型セ
ンサによれば、一方の基板と他方の基板の接合界面にフ
ィードスルーのない構造を実現することが可能になり、
キャビティ内部にダスト、ミスト、液状等の異物が混入
することがなくなり、この異物の混入による誤動作が防
止できて静電容量型センサの信頼性を向上させることが
できる。

【００４１】また、請求項３の発明に係る静電容量型セ
ンサによれば、上記した請求項１又は請求項２の発明の
作用効果と同様な作用効果を奏し得るばかりか、半導体
基板にそれぞれ独立した可動電極を作ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る静電容量型センサの一部破断した
平面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

【図３】コンデンサの直列接続の説明図である。

【図４】（１）〜（５）は本発明に係る静電容量型セン
サの半導体基板の製造プロセスの説明図である。

【図５】同静電容量型センサの製造プロセスの説明図で
あり、（１）は同静電容量型センサの固定基板の平面
図、（２）は同固定基板の断面図である。

【図６】（１）〜（３）は同静電容量型センサのμマシ
ン作製プロセスの説明図である。

【図７】静電容量型センサの一部破断した平面図であ
る。

【図８】図７のＢ−Ｂ線に総断面図である。

【符号の説明】

１ 半導体基板（一方の基板） ２ 固定基板（他方の基板） ３ 凹部 ４ ダイヤフラム部 ５ 一方の可動電極 ６ 他方の可動電極 ７ 導電部 ８ 導電部 ９ 一方の外部接続電極 １０ 他方の外部接続電極 １１ 通気用孔部 １２ 固定電極 １３ キャビティ Ｃ１ 一方のコンデンサ Ｃ２ 他方のコンデンサ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一方の基板と他方の基板とを接合して一
   体化して、前記一方の基板に設けたダイヤフラム部と前
   記他方の基板との間にキャビティを形成し、前記ダイヤ
   フラム部に可動電極を、前記他方の基板に前記可動電極
   に対向する固定電極をそれぞれ設けた静電容量型センサ
   であって、 前記可動電極および前記固定電極のいずれか一方の電極
   を複数に分離し、これら複数の電極毎に、前記一方に対
   する他方の電極との間でコンデンサを形成したことを特
   徴とする静電容量型センサ。
2. 【請求項２】 一方の基板と他方の基板とを接合して一
   体化して、前記一方の基板に設けたダイヤフラム部と前
   記他方の基板との間にキャビティを形成し、前記ダイヤ
   フラム部に可動電極を、前記他方の基板に前記可動電極
   に対向する固定電極をそれぞれ設けた静電容量型センサ
   であって、 前記可動電極を複数に分離し、これら複数の可動電極毎
   に、前記固定電極との間でコンデンサを形成し、これら
   のコンデンサ毎に、前記可動電極を外部接続電極に接続
   し、これらの外部接続電極を接続配線することで前記コ
   ンデンサを直列接続したことを特徴とする静電容量型セ
   ンサ。
3. 【請求項３】 前記一方の基板を半導体基板で構成し、
   この半導体基板にｐ−ｎ接合を作り、ｎ領域を前記可動
   電極にした請求項１又は請求項２に記載の静電容量型セ
   ンサ。