JP2000307127A

JP2000307127A - 静電容量型センサ

Info

Publication number: JP2000307127A
Application number: JP11117671A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Fujii; 充藤井
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1999-04-26
Filing date: 1999-04-26
Publication date: 2000-11-02

Abstract

(57)【要約】【課題】測定媒体によるキャビティ内および電極の腐
食や劣化を防ぎ、且つ検出精度が向上できる静電容量型
センサを提供する。【解決手段】一方の導圧部５から圧力を受ける一方の
ダイヤフラム３と、他方の導圧部１７から圧力を受ける
他方のダイヤフラム１６と、一方及び他方のダイヤフラ
ム３、１６との間に空間を隔てて配置される固定基板８
とを有し、一方のダイヤフラム３と固定基板８とで形成
される一方のキャビティ１０と他方のダイヤフラム１６
と固定基板８とで形成される他方のキャビティ１１とを
有し、これらの一方及び他方のキャビティ１０、１１を
それぞれに環形状に形成して、一方及び他方のキャビテ
ィ１０、１１の内部に一方及び他方のダイヤフラム３、
１６の一部を支える支柱部１０Ａ、１１Ａを配した。

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。

【０００２】

【従来の技術】従来の構造として、例えば、センサ技術
ＶＯＬ．９，Ｎ０．１３ｐ．３３−３６「特集半導体圧
力センサの最新動向小型集積化容量型圧力センサ」の平
板型圧力センサ（静電容量型センサ）（図９に示す）に
あるように、ガラス基板７０に固定電極７２を取り付
け、ダイヤフラム７３を有するシリコン基板７５と接合
した構成の圧力センサ（センサチップ）があり、圧力に
よりダイアフラム７３が撓み、ダイアフラム７３と固定
電極７２との間の静電容量変化により圧力を検知するも
のが一般的である。

【０００３】また、従来の他の静電容量型センサとし
て、特開平８−１８９８７０号公報に開示された差動式
の静電容量型センサがある。この差動式静電容量型セン
サは、図１１で、その断面の構成を示すように、２つの
導圧部５１、５２に面している１枚のダイヤフラム５３
ａを備えており、このダイヤフラム５３ａに対して空間
を隔てて固定基板５４、５５が設けてある。

【０００４】ダイヤフラム５３ａの一方の面部には一方
の可動電極（図示せず）が、他方の面部には他方の可動
電極（図示せず）がそれぞれ設けてあり、固定基板５４
のダイヤフラム５３ａとの対向位置には一方の固定電極
５６が設けてあり、固定基板５５のダイヤフラム５３ａ
との対向位置には他方の固定電極５７が設けてある。

【０００５】この静電容量型センサでは、２つの導圧部
５１、５２から測定媒体が入り込む。測定媒体は、流体
であって、例えば、空気や都市ガスや水蒸気などの気
体、または水や油や薬品液などの液体である。

【０００６】このような測定媒体によって、ダイヤフラ
ム５３ａが押されることでダイヤフラム５３ａが図１１
において上下に撓む。そしてダイヤフラム５３ａが撓む
ことで、一方及び他方の固定基板５４、５５との距離が
変化する。測定媒体によりかかった圧力の検出は、この
距離変位量から求められる。具体的には、ダイヤフラム
５３ａの一方の可動電極と固定基板５４の一方の固定電
極５６とで構成されるコンデンサの静電容量を検出する
ことで、一方の導圧部５１からの測定媒体の圧力が検出
できる。

【０００７】また、ダイヤフラム５３ａの他方の可動電
極と固定基板５５の他方の固定電極５７とで構成される
コンデンサの静電容量を検出することで、他方の導圧部
５２からの測定媒体の圧力が検出できる。静電容量の検
出は、可動電極と固定電極５６、５７とを発振回路に接
続し、発振回路の発振状態の変化に基づいて検出できる
ようにしている。なお、両圧力の差である「差圧」につ
いてもダイヤフラム５３ａの撓みから検出できる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、容量型
圧力センサはダイアフラムのたわみによる容量変化から
圧力を検知する。このときダイアフラムが理想的な平行
変位をするとした場合、次式に示すように、その容量値
の逆数は印可圧力に比例する。Ｃ＝εＳ／（ｄ・ｗ），ｗ＝Ｐ／Ｋここではεは電極間の媒質の誘電率、Ｓは固定電極の面
積、ｄは圧力ゼロでの電極間の距離、ｗは圧力Ｐにおけ
るダイアフラムの変位量、Κはダイアフラムのばね定数
である。

【０００９】実際にはダイアフラムは平行変位しないた
め、圧力に対して非直線的な出力となる。したがつて、
直線性の優れた出力を得ることが、静電容量型センサの
課題のひとつであるといえる。図９に示す圧力センサの
場合、図１０のダイヤフラム変形で分かるように、圧力
印加によって平行変位する部分Ｆ´は、そのダイヤフラ
ム７３の中心部のみである。

【００１０】また、図１１に示す従来の静電容量型セン
サで差圧を計測する場合、ダイアフラム５３ａの両側に
測定媒体を導入する必要がある。すなわち、センサギャ
ップを形成する一方及び他方のキャビティ５８、５９に
測定媒体を導入しなければならない。このように測定媒
体を一方及び他方のキャビティ５８、５９内に導くこと
で、ダイヤフラム５３ａの可動電極部分や一方及び他方
の固定電極５６、５７が測定媒体に晒さらされていた。

【００１１】測定媒体が腐食性のガスや液体であるとき
には、一方及び他方のキャビティ５８、５９の内壁や各
電極が腐食・劣化してしまい、センサの検出精度が悪く
なったり、寿命が短くなるという問題点があった。

【００１２】また、測定媒体が腐食性のガスや液体であ
るときに限らず、測定媒体中に含まれているゴミやほこ
りなどが、一方及び他方のキャビティ５８、５９内に残
存することがあり、そのゴミやほこりによってセンサの
静電容量に誤差が生じるといった問題点があった。

【００１３】本発明は、上記した従来の問題点に着目し
てなされたものであり、その目的とするところは、測定
媒体によるキャビティ内及び電極の腐食や劣化を防ぎ、
且つ圧力の検出精度が向上し、実際の圧力と測定値との
誤差が小さくなって、回路側で行う検出値の補正が容易
になる静電容量型センサを提供することにある。

【００１４】

【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
の導圧部から圧力を受ける一方のダイヤフラムと、他方
の導圧部から圧力を受ける他方のダイヤフラムと、一方
のダイヤフラムと他方のダイヤフラムとの間に、これら
の一方及び他方のダイヤフラムに対して空間を隔てて配
置される固定層とを有し、一方のダイヤフラムと固定層
との間の静電容量変化、及び他方のダイヤフラムと固定
層との間の静電容量変化を検出する静電容量型センサで
あって、一方のダイヤフラムと固定層とで形成される一
方のキャビティと他方のダイヤフラムと固定層とで形成
される他方のキャビティとを有し、これらの一方及び他
方のキャビティをそれぞれに環形状に形成して、一方及
び他方のキャビティの内部に一方及び他方のダイヤフラ
ムの一部を支える支柱部を配した構成にしてある。

【００１５】かかる構成により、一方及び他方のダイヤ
フラムが一方及び他方の導圧部から空間的に隔離されて
いるために、測定媒体が一方及び他方のキャビテイ内に
入り込むことがない。このために、一方及び他方のキャ
ビテイ内や、一方及び他方のダイヤフラム内面の可動電
極及び固定層の固定電極が測定媒体により腐食したり劣
化することがなくなる。

【００１６】しかも、一方及び他方のダイヤフラムが印
加圧力によりドーナツ形状に撓むことで、その平行変位
領域が大きくなり、出力の直線性が向上して、圧力の検
出精度が向上する。したがって、実際の圧力と測定値と
の誤差が小さくなるために、回路側で行う検出値の補正
が容易になる。

【００１７】また、上記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、請求項１に記載
の静電容量型センサにおいて、一方及び他方のキャビテ
ィの内部を微小穴を通じて大気の開放するようにした。

【００１８】かかる構成により、上記した請求項１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、一
方及び他方のキャビティの大気開放の穴が微小であるた
めに、一方及び他方のキャビティ内にゴミ、塵埃の流入
を防止することができ、ゴミや塵埃によってセンサの静
電容量に誤差が生じることが防止できる。

【００１９】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、一方のダイ
ヤフラムを一方の基板に形成すると共に、他方のダイヤ
フラムを他方の基板に形成し、一方の基板と固定層との
間に一方の絶縁膜を介在させて一方のキャビティを形成
し、他方の基板と固定層との間に他方の絶縁膜を介在さ
せて他方のキャビティを形成し、一方のキャビティにお
いて一方のダイヤフラムに一方の可動電極を、固定層に
一方の固定電極をそれぞれ設けて一方の可動電極と一方
の固定電極とで一方の対向電極を形成し、他方のキャビ
ティにおいて他方のダイヤフラムに他方の可動電極を、
固定層に他方の固定電極をそれぞれ設けて他方の可動電
極と他方の固定電極とで他方の対向電極を形成するよう
にした。

【００２０】かかる構成により、上記した請求項１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、一
方及び他方のダイヤフラムの一方及び他方の可動電極及
び固定層の一方及び他方の固定電極から構成される一方
及び他方の対向電極間の絶縁が容易であり、一方及び他
方の絶縁膜の厚みを調節することによりコンデンサのギ
ャップ厚、すなわち一方及び他方のキャビティの厚さを
容易に調節することができる。

【００２１】また、上記の目的を達成するために、請求
項４の発明に係る静電容量型センサは、請求項１乃至請
求項３に記載の静電容量型センサにおいて、固定層に連
通手段を設けて、この連通手段により一方のキャビティ
と他方の他方のキャビティとを連通させた。

【００２２】かかる構成により、請求項１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、連通手段に
より一方のキャビティと他方のキャビティとを連通させ
ることにより、キャビティの容積が大きくなり、キャビ
ティ（ギャップ）内にある大気のダンピング効果が減少
し、ダイヤフラムの外圧に対する応答速度が向上する。

【００２３】また、上記の目的を達成するために、請求
項５の発明に係る静電容量型センサは、請求項１乃至請
求項４に記載の静電容量型センサにおいて、一方及び他
方のダイヤフラムのそれぞれの膜厚を同じにし、一方及
び他方のキャビティのそれぞれのギャップ間隔を同じに
した。

【００２４】かかる構成により、請求項１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、一方及び他
方の対向電極で形成するコンデンサの静電容量の圧力に
対する変化と特性が等しくなり、また、一方及び他方の
ダイヤフラムにかかるノイズ成分がキャンセルされる。
これにより、例えば差圧を測定する場合、後段の処理回
路での補正が不要になる。

【００２５】また、上記の目的を達成するために、請求
項６の発明に係る静電容量型センサは、請求項１乃至請
求項５に記載の静電容量型センサにおいて、一方及び他
方のダイヤフラムに比べて固定層を厚くした。

【００２６】かかる構成により、請求項１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、固定層が、
一方及び他方のダイヤフラムに比べて厚いために、印加
圧力による支柱部の変位が無くなり、一方及び他方のダ
イヤフラムの撓みが大きくなるため、感度が向上する。

【００２７】また、上記の目的を達成するために、請求
項７の発明に係る静電容量型センサは、請求項１乃至請
求項６に記載の静電容量型センサにおいて、前記一方及
び他方のダイヤフラム及び前記固定層を形成したシリコ
ン基板上に、電極取出し用のワイヤパッドをそれぞれ形
成するようにした。

【００２８】かかる構成により、請求項１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、例えばガラ
ス基板の場合とは異なり、電極取出し用のワイヤパッド
がシリコン基板及び固定層（シリコン製）に形成可能で
あるためワイヤボンディングが容易になる。

【００２９】また、上記の目的を達成するために、請求
項８の発明に係る静電容量型センサは、請求項１乃至請
求項７に記載の静電容量型センサにおいて、測定対象が
圧力、加速度、振動である。

【００３０】かかる構成により、請求項１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、測定対象が
圧力、加速度、振動である場合、その計測を精度よく行
うことができて、信頼性が向上する。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態例を図
面に基づいて説明する。

【００３２】（第１の実施の形態例）本発明の第１の実
施の形態例を図１乃至図５に示す。図１は本発明に係る
静電容量型センサのセンサチップの平面図、図２は同セ
ンサチップの縦断面図、図３は同センサチップの各部分
の平面図、図４は同センサチップの製造プロセスの説明
図、図５は同センサチップにおけるダイヤフラムの変形
形状の斜視図である。

【００３３】本発明に係る静電容量型センサのセンサチ
ップ１は、一方の基板である一方のシリコン基板２と、
一方の絶縁膜６と、固定層（固定基板）である中間のシ
リコン基板８と、他方の絶縁膜１３と、他方の基板であ
る他方のシリコン基板１５から構成してある。

【００３４】一方のシリコン基板２は、単結晶の半導体
シリコン材料で形成してあって、導電性を有している。
この一方のシリコン基板２の一部には、一方のダイヤフ
ラム３が形成してある。この一方のダイヤフラム３は、
一方の導圧部５からの測定媒体の圧力を受けることで図
２において下方向に撓んで変位する。

【００３５】一方のダイヤフラム３の内面部には一方の
可動電極３ａが形成してある。また、一方のシリコン基
板２の外面部には、一方の可動電極３ａと電気的に接続
されたワイヤパッド４が形成されていて、信号を外部に
取り出すことができる。

【００３６】一方の絶縁膜６は、一方のシリコン基板２
と中間のシリコン基板８とを電気的に絶縁するためのも
のである。

【００３７】中間のシリコン基板８は固定層に相当し、
一方及び他方の導圧部５、１７から測定媒体の圧力がか
かったときも、一方及び他方のダイヤフラム３、１６が
変位したときにも動かない。中間のシリコン基板８の素
材は、一方のシリコン基板２と同じ単結晶の半導体シリ
コン材料を用いていて導電性を有している。

【００３８】そして、中間のシリコン基板８の一面部の
一方の可動電極３ａとギャップ（すなわち隙間）を隔て
て対向する一部に、一方の固定電極８ａが形成してあ
る。同様に、中間のシリコン基板８の他面部の他方の可
動電極１６ａとギャップを隔てて対向する一部に他方の
固定電極８ｂが形成してある。

【００３９】一方のキャビティ１０は、一方のダイヤフ
ラム３と中間のシリコン基板８とで囲まれた空間部分で
あり、また、他方のキャビティ１１は、他方のダイヤフ
ラム１６と中間のシリコン基板８とで囲まれた空間部分
である。そして、一方のキャビティ１０は円環形状（ド
ーナツ状）をしており、その中央部には、一方のダイヤ
フラム３の中央部を支える支柱部１０Ａを有している。
また、他方のキャビティ１１は円環形状（ドーナツ状）
をしており、その中央部には、他方のダイヤフラム１６
の中央部を支える支柱部１１Ａを有している。そして、
一方のキャビティ１０は微小穴の大気開放穴１２を介し
て大気に開放している。

【００４０】また、これらの一方及び他方のキャビティ
１０、１１は、中間のシリコン基板８を貫通する連通手
段であるスルーホール（貫通孔）９によって空間的に連
なっている。中間のワイヤパッド７は、中間のシリコン
基板８の一方の固定電極８ａ及び他方の固定電極８ｂに
電気的に接続してあって、外部に信号を取り出すことが
できる。

【００４１】他方のシリコン基板１５は単結晶の半導体
シリコン材料で形成してあって、導電性を有している。
そして、他方のシリコン基板１５は、中間のシリコン基
板８とは他方の絶縁膜１３によって電気的に絶縁してあ
る。他方のシリコン基板１５の一部が他方のダイヤフラ
ム１６であり、この他方のダイヤフラム１６の内面部に
は他方の可動電極１６ａが形成してある。他方の可動電
極１６ａの信号は、他方の可動電極１６ａと電気的に接
続されたワイヤパッド１４によって取り出されている。

【００４２】一方の導圧部５からの測定媒体の圧力の検
出は、一方のダイヤフラム３の撓み変位を、一方の可動
電極３ａと一方の固定電極８ａとの間の静電容量の変化
として検出することにより行う。そして、その静電容量
の変化に基づいて、一方の導圧部５からの圧力を検出す
るのである。

【００４３】また、他方のシリコン基板１５には他方の
導圧部１７が形成してある。この他方の導圧部１７から
の測定媒体の圧力によって他方のダイヤフラム１６が図
２において上方に撓んで変位する。圧力検出について
は、一方の導圧部５からの圧力検出と同様であり、他方
の可動電極１６ａと他方の固定電極８ｂとの間の静電容
量の変化に基づいて、他方の導圧部１７からの測定媒体
の圧力を検出する。

【００４４】図３はセンサチップ１の各層の平面図を示
したものであり、図３（ａ）が一方のシリコン基板２の
平面図、図３（ｂ）が一方の絶縁膜６の平面図である。
一方の絶縁膜６には、中央部に支柱部１０Ａを有する円
環形状（ドーナツ状）の穴Ｈ３が設けてある。この穴Ｈ
３が、一方のシリコン基板２と中間のシリコン基板８と
に挟まれた際に、一方のキャビティ１０になる。また、
一方の絶縁膜６には穴Ｈ３から周縁に向かって細長く延
びているスリットＳ３が設けてある。このスリットＳ３
が大気開放穴１２になる。

【００４５】図３（ｃ）は中間のシリコン基板８の平面
図である。この中間のシリコン基板８の中央付近に２つ
のスルーホール９が設けてある。このスルーホール９に
よって一方及び他方のキャビティ１０、１１が空間的に
連ねてある。

【００４６】図３（ｄ）は、他方の絶縁膜１３の平面図
である。この他方の絶縁膜１３のほぼ中央には一方の絶
縁膜６と同様に、中央部に支柱部１１Ａを有する円環形
状（ドーナツ状）の穴Ｈ４が設けてある。この穴Ｈ４
が、他方の絶縁膜１３が中間のシリコン基板８と他方の
シリコン基板１５とに挟まれた際に他方のキャビティ１
１となる。図３（ｅ）は、他方のシリコン基板１５の平
面図である。図３（ｆ）は一方の絶縁膜６と中間のシリ
コン基板８とを重ねた場合の平面図、図３（ｇ）は他方
の絶縁膜１３と他方のシリコン基板１５とを重ねた場合
の平面図である。そして、図３（ｈ）がすべての層を重
ねた場合の平面図である（図１と同一の図である）。

【００４７】図４はセンサチップ１の製造プロセスの説
明図（一部、平面図含む）である。図４（ａ）から
（ｊ）の順番が製造プロセスの順番になっている。ま
ず、他方のシリコン基板１５に、他方のダイヤフラム１
６のエッチングストップ層１５ａとしての不純物ドープ
拡散を行なう｛図４（ａ）｝。次に、他方のシリコン基
板１５の不純物ドープ拡散をした反対面に、他方のキャ
ビティ１１となる場所を残して他方の絶縁膜１３を形成
する｛図４（ｂ）、平面図含む｝。一方で、中間のシリ
コン基板８の両面から異方性エッチングを施してスルー
ホール９を形成する｛図４（ｃ）、平面図含む｝。

【００４８】次に、中間のシリコン基板８の後工程で削
除される部分の基板下面にハーフダイス用の溝８ｆを施
す｛図４（ｄ）｝。そして、図４（ｂ）の他方のシリコ
ン基板１５及び他方の絶縁膜１３と、図４（ｄ）の中間
のシリコン基板８とを接合する｛図４（ｅ）｝。このあ
と、中間のシリコン基板８の、一方のキャビティ１０及
び大気開放穴１２となる部分を残して一方の絶縁膜６を
形成する｛図４（ｆ）、平面図含む｝。他方で、一方の
シリコン基板２において、一方のダイヤフラム３のエッ
チングストップ層２ａとしての不純物ドープを施すとと
もに、ハーフダイス用の溝２ｂを形成する｛図４
（ｇ）｝。

【００４９】ここで、図４（ｅ）のように接合した中
間、他方のシリコン基板８、１５の上に、一方のシリコ
ン基板２を接合する｛図４（ｈ）｝。このあと、各層を
ハーフダイスして図４（ｉ）のようにする。最後に、Ｅ
ＣＥなどによって一方及び他方のシリコン基板２、１５
をエッチングして、一方及び他方のダイヤフラム３、１
６を形成すると共に、ワイヤパッド部７、１４を形成す
る。ワイヤパッド部７、１４の形成にあたっては、一方
及び他方の絶縁膜６、１３をエッチングしてコンタクト
ホールを形成し、そこにアルミ蒸着をして一方及び他方
のシリコン基板２、１５と電気的導通したワイヤパッド
７、１４を形成する｛図４（ｊ）、平面図含む｝これで
静電容量型センサが完成する。

【００５０】ここで、センサチップ１が静電容量型セン
サを構成したときの各部の大きさについて、その一例を
述べる。一方、中間及び他方のシリコン基板２、８、１
５の大きさはそれぞれ約３ｍｍ角程度、一方及び他方の
シリコン基板２、１５の厚みは４００μｍ程度、一方及
び他方のダイヤフラム３、１６の大きさは５００μｍ角
程度、厚みは５μｍ程度にする。中間のシリコン基板８
の厚みは３０〜１００μｍ程度、スルーホール９の大き
さはφ５０μｍ程度にする。大気開放穴１２の幅（穴
径）は１〜１０μｍ程度とする。２枚の絶縁膜６、１３
の厚みは１〜１０μｍ程度にし、一方及び他方のキャビ
ティ１０、１１の厚みは絶縁膜６、１３の厚みに等しく
する。

【００５１】次に、静電容量型センサの動作原理につい
て説明する。

【００５２】静電容量型センサにおけるセンサチップ１
は、上述のとおり一方の可動電極３ａと一方の固定電極
８ａとの間でコンデンサが形成されるとともに、他方の
可動電極１６ａと他方の固定電極８ｂとの間でコンデン
サが形成される。

【００５３】そして、一方の導圧部５からの測定媒体の
圧力で押されて一方のダイヤフラム３が一方のキャビテ
ィ１０側にドーナツ型に撓む。この時、一方の可動電極
３ａの一方の固定電極８ａとの距離が短くなり、コンデ
ンサとしての静電容量が増加する。同様に、他方の導圧
部１７からの測定媒体の圧力で押されて他方のダイヤフ
ラム１６が他方のキャビティ１１側にドーナツ型に撓
む。この時、他方の可動電極１６ａの他方の固定電極８
ｂとの距離が短くなり、コンデンサとしての静電容量が
増加する。

【００５４】測定媒体の圧力が大きいと、一方及び他方
のダイヤフラム３、１６の撓みも大きくなり、コンデン
サの容量変化も大きくなる。その静電容量の変化をワイ
ヤパッド（４、７），（７、１４）から取り出した信号
によって検出する。ワイヤパッド（４、７），（７、１
４）には図示していない発振回路が接続されていて、両
電極間のコンデンサは発振回路の一部を構成する。

【００５５】そして、コンデンサの容量の変化に伴っ
て、発振回路の発振振幅か発振周波数のいずれかが変化
するようにしておくことで、発振回路の発振状態の変化
からコンデンサの静電容量の変化を検出し、測定媒体の
圧力を検出する。

【００５６】図５に示すように、一方及び他方のキャビ
ティ１０、１１が、その中央部に支柱部１０Ａ、１１Ａ
を有する円環形状（ドーナツ形状）の空間であることに
より、一方及び他方の導圧部５、７からの測定媒体の圧
力で押されて一方及び他方のダイヤフラム３、１６がド
ーナツ型に撓むが、この撓みにおいて、圧力印加によっ
て平行変位する部分Ｆはドーナツ型に変形する全域に亘
り、従来例に比べて圧力印加によって平行変位する部分
Ｆが増加する。なお、図５においてダイヤフラム変形量
表示も合せて示す。

【００５７】従来例として、図９に示す圧力センサ（セ
ンサチップ）のダイヤフラム７３にあっては、圧力印加
によって平行変位する部分Ｆ´は、そのダイヤフラム変
形図（図１０参照）に示すように、その中心部のみであ
る。

【００５８】なお、一方及び他方のシリコン基板２、１
５の接合工程を酸素雰囲気中で行なうことで、図６のよ
うに一方及び他方のキャビティ１０、１１内面の電極
（一方及び他方の可動電極３ａ、１６ａ、一方及び他方
の固定電極８ａ、８ｂ）を酸化させて、電極の表面に微
厚な酸化絶縁膜Ｚを形成することができる。こうする
と、対向する両電極（一方の可動電極３ａと一方の固定
電極８ａ、他方の可動電極１６ａと他方の固定電極８
ｂ）が酸化絶縁膜Ｚに覆われることになり、両電極が過
大圧力で接触しても電気的に短絡することがなく、外付
けの発振回路への悪影響を与えることがないし、センサ
チップ１の信頼性が向上する。

【００５９】次に、大気開放穴１２について説明する。

【００６０】上述したように、一方及び他方のキャビテ
ィ１０、１１は、中間のシリコン基板８のスルーホール
９によって空間的に連なっている。そして、大気開放穴
１２は、センサチップ１内の一方及び他方のキャビティ
１０、１１とセンサチップ１の外部の大気空間とを空間
的につなぐものであり、その出口は一方及び他方の導圧
部５、１７とは離れた場所に設けてある。

【００６１】ここでは図２に示されているように、大気
開放穴１２の出口はセンサチップ１の側面方向に開口し
ている。大気開放穴１２の大きさは、上述のように１〜
１０μｍ角程度であり、一方の絶縁膜６の厚みに等しく
なっている。望ましい大気開放穴１２の大きさは、その
穴の中を空気がかろうじて流通できる程度の微少な大き
さである。

【００６２】ここで、センサチップ１の外部温度が変化
したとする。外部温度の変化に伴って、一方及び他方の
キャビティ１０、１１内の空気が膨張収縮して体積が変
化する。しかし、一方及び他方のキャビティ１０、１１
内の空気の膨張分は大気開放穴１２を通じてゆっくり流
れ出て行き、逆に収縮分は大気開放穴１２を通じてゆっ
くりと入り込んで、常に一方及び他方のキャビティ１
０、１１内の空気の体積は一定となる。よって、静電容
量を検出するための両対向電極、すなわち一方の可動電
極３ａと一方の固定電極８ａ、他方の固定電極８ｂと他
方の可動電極１６ａ間の距離の初期値が常に一定に保た
れる。

【００６３】なお、測定媒体の圧力によって一方及び他
方のダイヤフラム３、１６が押されて、一方及び他方の
キャビティ１０、１１内の空気が大気開放穴１２から外
へ出ようとするが、大気開放穴１２の穴径が微少なの
で、急な空気の出入りはほとんどない。つまり、瞬間的
またはある程度長い時間枠での一方及び他方のダイヤフ
ラム３、１６の撓み変位で、大気開放穴１２から一方及
び他方のキャビティ１０、１１に空気が入出することは
ない。

【００６４】つまり、測定媒体の圧力による一方及び他
方のダイヤフラム３、１６の撓みに対しては、キャビテ
ィ１０、１１は密閉されているとみなしてよい。特に、
差圧式での一方及び他方のダイヤフラム３、１６の高周
波で往復する変位に対しては、一方及び他方のキャビテ
ィ１０、１１は密閉しているとみなしてよい。

【００６５】しかし、センサ外部の温度変化による一方
及び他方のキャビティ１０、１１内の空気の体積の膨張
収縮に対しては、大気開放穴１２での空気流通によって
対処できる。もちろん、大気開放穴１２の大きさを大き
くすることで、一方及び他方のダイヤフラム３、１６の
変化によるキャビティ１０、１１自体の体積変化に伴っ
て、一方及び他方のキャビティ１０、１１内の空気が大
気開放穴１２から入出するようにしてもよい。

【００６６】さらに、一方及び他方のキャビティ１０、
１１を空間的に連ね、大気開放穴１２を微少な大きさと
することで、一方及び他方のキャビティ１０、１１は密
閉とみなせ、一方及び他方のダイヤフラム３、１６の撓
みが連動するようにでき、周期的な差圧の変化を検出す
るときの精度が向上できるようになる。

【００６７】また、一方及び他方のダイヤフラム３、１
６に比べて中間のシリコン基板（固定層）８の厚さを大
きくすることは可能である。この場合、印加圧力による
支柱部１０Ａ、１１Ａの変位が無くなり、一方及び他方
のダイヤフラム３、１６の撓みが大きくなるために、感
度が向上する。

【００６８】このように本発明の第１の実施の形態例に
よれば、一方及び他方のダイヤフラム３、１６が一方及
び他方の導圧部５、１７から空間的に隔離されているた
めに、測定媒体が一方及び他方のキャビテイ１０、１１
内に入り込むことがない。このために、一方及び他方の
キャビテイ１０、１１内や、一方及び他方のダイヤフラ
ム３、１６内面の可動電極３ａ及び固定基板８の固定電
極８ａ。８ｂが測定媒体により腐食したり劣化すること
がなくなる。

【００６９】しかも、一方及び他方のダイヤフラム３、
１６が印加圧力によりドーナツ形状に撓むことで、その
平行変位領域が大きくなり、出力の直線性が向上して、
圧力の検出精度が向上する。したがって、実際の圧力と
測定値との誤差が小さくなるために、回路側で行う検出
値の補正が容易になる。

【００７０】また、一方及び他方のキャビティ１０、１
１の内部を微小穴である大気開放穴１２を通じて大気の
開放するようにしたことにより、一方及び他方のキャビ
ティ１０、１１内にゴミ、塵埃の流入を防止することが
でき、ゴミ、塵埃によってセンサの静電容量に誤差が生
じることを防止することができる。

【００７１】また、上記した本発明の第１の実施の形態
例にあっては、一方及び他方の絶縁膜６、１３の厚さ、
一方及び他方のダイヤフラム３、１６の厚さ、一方及び
他方の導圧部５、１７の形状などについて、特に限定し
ていないが、各部を図２において上下対称形状にして、
一方及び他方の導圧部５、１７からの測定媒体の圧力に
対して静電容量の変化の度合いを同一条件にするのが望
ましい。

【００７２】具体的には、一方及び他方のダイヤフラム
３、１６の膜厚・形状・面積・材質・硬さや、一方及び
他方のキャビティ１０、１１の幅・形状、一方及び他方
の導圧部５、１７の形状、一方及び他方の可動電極３
ａ、１６ａ、一方及び他方の固定電極８ａ、８ｂの面積
などを、それぞれ同一としている。

【００７３】なお、酸化絶縁膜Ｚの形成時に、この酸化
絶絶縁膜Ｚの膜圧を調整することで、一方及び他方のキ
ャビティ１０、１１の幅を同じにすることができる。ま
た、一方及び他方のダイヤフラム３、１６の厚みは、一
方及び他方のシリコン基板２、１５への不純物ドープ量
及び拡散を調整することで、一方及び他方のシリコン基
板２、１５のエッチングを同じ深さまでするようにして
同一にしている。一方及び他方のダイヤフラム３、１６
の形状は、一方及び他方のシリコン基板２、１５に同様
のＥＣＥ処理を施すことで、同一形状に加工できる。

【００７４】このようにすることで、一方及び他方の導
圧部５、１７からの測定媒体の圧力の変化特性が一方及
び他方のダイヤフラム３、１６で等しくなり、後段の処
理回路での補正が不要となる。また、一方及び他方のダ
イヤフラム３、１６にかかるノイズ成分もキャンセルで
き、検出精度の信頼性も向上する。

【００７５】なお、上述した本発明の第１の実施の形態
例で、固定基板（固定層）８をシリコン基板としたがガ
ラス基板としてもよい。基板と基板を接合する場合、シ
リコン基板同士の接合に比べて、シリコン基板とガラス
基板の接合の方が容易である。その時には、一方及び他
方の固定電極８ａ、８ｂをガラス基板の表裏両面に形成
するとともに、一方及び他方の固定電極８ａ、８ｂの電
極パターンをワイヤパッド７、１４まで延ばせばよい。
また、必要に応じてスルーホールで一方及び他方の固定
電極８ａ、８ｂの電極パターンを導通させればよい。

【００７６】なお、上述した本発明の第１の実施の形態
例では、測定対象が測定媒体の圧力であったが、本発明
では測定対象が加速度、振動の場合にも適応できもので
あり、これら加速度、振動の計測を圧力と同様に精度よ
く行うことができて信頼性が向上する。

【００７７】（第２の実施の形態例）本発明の第２の実
施の形態例は、図７に示すようにセンサチップ１をセン
サステム２０に設けた例である。センサステム２０は、
センサチップ１の一方及び他方の導圧部５、１７を残し
てセンサチップ１全体を覆い、センサチップ１に接する
部分は接着してある。一方の導圧ポート２２は、センサ
チップ１の一方の導圧部５に連なって設けてあって、測
定媒体を一方のダイヤフラム３に導いている。他方の導
圧ポート２３は、一方の導圧ポート２２と同様に、セン
サチップ１の他方の導圧部１７に連なって設けてあっ
て、測定媒体を他方のダイヤフラム１６に導いている。

【００７８】大気開放部２１ａ、２１ｂは、センサステ
ム２０の外部空間（大気空間）とセンサステム２０内部
とをつなぐものである。この大気開放部２１ａ、２１ｂ
は、さらにセンサステム２０内に測定媒体が進入しない
ように、一方及び他方の導圧ポート２２、２３から空間
的に隔離するように設けてある。つまり、センサチップ
１内の一方及び他方のキャビティ１０、１１は、大気開
放穴１２と大気開放部２１ａ、２１ｂを介してセンサス
テム２０の外部空間と連なっている。こうすることで、
センサステム２０外部の温度変化が変化しても、センサ
チップ１の対向する一方の可動電極３ａと一方の固定電
極８ａ、他方の可動電極１６ａと他方の固定電極８ｂそ
れぞれの距離の初期値が変化することがない。よって、
外部温度変化によるセンサの検出精度の変動がなく、信
頼性が保たれるという効果が得られる。

【００７９】本発明の第２の実施の形態例での「大気開
放」の大気とは、いわゆる大気圧空間と隔離された別の
空間であってもよい。そのときには、その別の空間があ
まり温度変化を受けないことが望ましい（後述するフル
イディック流量計への適用例について共通する）。な
お、大気開放部２１ａ、２１ｂはいずれか１つでもよ
い。

【００８０】次に、本発明の第１の実施の形態例のセン
サチップ１またはセンサステム２０の適用例を説明す
る。ここでは、流体の流量を測定する流量計のひとつで
あるフルイディック流量計への適用例を取りあげる。

【００８１】図８は、そのフルイディック流量計に上記
した静電容量型センサを組み込んだものである。図示し
ているのは、本発明の第１の実施の形態例のセンサチッ
プ１及び本発明の第２の実施の形態例のセンサステム２
０を使用したときのものである。ただし、センサステム
２０の大気開放穴は１つしか設けられていない。なお、
流体は都市ガスとする。

【００８２】圧力室３０はガスメータの中に設けられて
いる。ガスは圧力室３０の中を通ってゆく。つまり、ガ
ス管（図示せず）側から入口３１ａに入って、出口３１
ｂから家庭ガス管（図示せず）側へ進んでゆく。ガスが
圧力室３０の中を通ってゆくときに、管路収縮部３２で
高流速となって噴出ノズル３３から管路拡大部３４に噴
出される。

【００８３】噴出したガスは、隔壁３５ａ、３５ｂ、３
５ｃと誘振子３６の作用により、帰還流路３７ａ、３７
ｂを交互に流れる振動流となる。帰還流路３７ａ、３７
ｂからはずれたガスは下流側の出口３１ｂへ流れてい
く。

【００８４】ところで、流体の流量は流速と比例関係と
なるので、流速が検出できれば流量が測定できる。流速
は上述の振動流の振動周波数と比例関係にあって、流速
が速くなると振動周波数は高くなり、流速が遅くなると
振動周波数は低くなる。この振動流の振動周波数を検出
することで、流体の流量が測定できるというわけであ
る。

【００８５】次に、上述のガスの振動流の周波数を検出
する原理を説明する。ガスの振動流の周波数は、帰還流
路３７ａ、３７ｂの両圧力変化、つまり振動流の流動方
向変化に基づいて検出している。具体的には、隔壁３５
ｃの２箇所に導圧路３８ａ、３８ｂの開口を配置してい
る。導圧路３８ａ、３８ｂで取り出された帰還流路３７
ａ、３７ｂの両圧力は、センサステム２０の一方及び他
方の導圧ポート２２、２３にそれぞれ導かれ、センサチ
ップ１の一方及び他方のダイヤフラム３、１６に伝わ
る。

【００８６】そして、一方及び他方のダイヤフラム３、
１６は上下に撓んで、センサの静電容量が変化する。こ
の静電容量の変化は、各ワイヤパッド４、７、１４から
信号として取り出せる。その信号をセンサ出力信号処理
部４０にて圧力検出信号に変換し、流量演算処理部４１
に与える。このときセンサチップ１から出力される２つ
の信号は、流動方向変化に起因する圧力変化に伴う差圧
信号に他ならない。

【００８７】流量演算処理部４１は、比較回路４２と波
形整形回路４３と演算回路４４と出力回路４５とからな
る。センサ出力信号処理部４０からの２つの信号は、比
較回路４２で大小比較される。この大小比較結果を波形
整形回路４３にて波形整形する。波形整形されたのちの
信号をカウントすることで、流動方向変化に起因する振
動流の振動数がわかる。

【００８８】その振動数の成分をもつ信号に基づいて、
演算回路４４にて流量が算出される。算出された流量
は、出力回路４５から端子４６を介して出力され、流量
値の表示や流量制御に利用される。

【００８９】また、図示されているように、大気開放穴
１２及び大気開放部２１ａは、都市ガスが進入する部分
と隔離されている。よって、一方及び他方のキャビティ
１０、１１内や一方及び他方の可動電極３ａ、１６ａ及
び一方及び他方の固定電極８ａ、８ｂはガスにさらされ
ることはない。

【００９０】つまり、センサの静電容量を検出する部分
は都市ガスによる腐食の恐れがなくなり、センサの検出
精度の信頼性が高まり、長寿命となるという効果が得ら
れる。そして、大気開放穴１２及び大気開放部２１ａが
あるので、温度変化に伴ってキャビティの空気が適宜出
入りする。よって、センサチップ１やセンサステム２０
に温度の変化があっても、センサ感度に影響はなく、検
出精度が維持できるという効果がある。そして、流量計
としての測定精度が維持でき信頼性が高くなるという効
果がある。

【００９１】なお、この静電容量型センサの基板の材料
は、都市ガスに対して耐腐食性が大きいシリコンで作る
のが望ましい。また、センサステム２０も都市ガスに対
して耐腐食性の材料を用いるか耐腐食加工を施すのが望
ましい。これは、センサチップ１において都市ガスに触
れる部分、つまり、一方及び他方のダイヤフラム３、１
６と一方及び他方の導圧部２２、２３を予め腐食しない
ようにするためで、センサの寿命を伸ばす効果が期待で
きる。

【００９２】ところで、センサチップ１は、一方及び他
方のキャビティ１０、１１が空間的につながっている構
成なので、一方及び他方のダイヤフラム３、１６の撓み
が連動する。よって周期的な差圧の変化を検出するとき
の精度が高いということは、本発明の第１の実施の形態
例で述べたとおりである。フルイディック型流量センサ
では振動流により一方及び他方のダイヤフラム３、１６
は高周波で往復運動するので、本発明の第１の実施の形
態例のセンサチップ１の効果を発揮することができ、適
用例として優れている。

【００９３】

【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、一方及び他方のダイヤ
フラムが一方及び他方の導圧部から空間的に隔離されて
いるために、測定媒体が一方及び他方のキャビテイ内に
入り込むことがない。このために、一方及び他方のキャ
ビテイ内や、一方及び他方のダイヤフラム内面の可動電
極及び固定層の固定電極が測定媒体により腐食したり劣
化することがなくなる。

【００９４】しかも、一方及び他方のダイヤフラムが印
加圧力によりドーナツ形状に撓むことで、その平行変位
領域が大きくなり、出力の直線性が向上して、圧力の検
出精度が向上する。したがって、実際の圧力と測定値と
の誤差が小さくなるために、回路側で行う検出値の補正
が容易になる。

【００９５】また、請求項２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、一方及び他方のキャ
ビティの大気開放の穴が微小であるために、一方及び他
方のキャビティ内にゴミ、塵埃の流入を防止することが
でき、ゴミ、塵埃によってセンサの静電容量に誤差が生
じることを防止することができる。

【００９６】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、一方及び他方のダイ
ヤフラムの一方及び他方の可動電極及び固定層の一方及
び他方の固定電極から構成される一方及び他方の対向電
極間の絶縁が容易であり、一方及び他方の絶縁膜の厚み
を調節することによりコンデンサのギャップ厚、すなわ
ち一方及び他方のキャビティの厚さを容易に調節するこ
とができる。

【００９７】また、請求項４の発明に係る静電容量型セ
ンサによれば、請求項１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、連通手段により一方のキャビ
ティと他方のキャビティとを連通させることにより、キ
ャビティの容積が大きくなり、キャビティ（ギャップ）
内にある大気のダンピング効果が減少し、ダイヤフラム
の外圧に対する応答速度が向上する。

【００９８】また、請求項５の発明に係る静電容量型セ
ンサによれば、請求項１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、一方及び他方の対向電極で形
成するコンデンサの静電容量の圧力に対する変化と特性
が等しくなり、また、一方及び他方のダイヤフラムにか
かるノイズ成分がキャンセルされる。これにより、例え
ば差圧を測定する場合、後段の処理回路での補正が不要
になる。

【００９９】また、請求項６の発明に係る静電容量型セ
ンサによれば、請求項１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、固定層が、一方及び他方のダ
イヤフラムに比べて厚いために、印加圧力による支柱部
の変位が無くなり、一方及び他方のダイヤフラムの撓み
が大きくなるため、感度が向上する。

【０１００】また、請求項７の発明に係る静電容量型セ
ンサによれば、請求項１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、例えばガラス基板の場合とは
異なり、電極取出し用のワイヤパッドがシリコン基板及
び固定層（シリコン製）に形成可能であるためワイヤボ
ンディングが容易になる。

【０１０１】また、請求項８の発明に係る静電容量型セ
ンサによれば、請求項１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、測定対象が圧力、加速度、振
動の場合、これらの計測を精度よく行うことができて信
頼性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る静電容量型センサ（第１の実施の
形態例）におけるセンサチップの平面図である。

【図２】同センサチップの縦断面図である。

【図３】同センサチップの各部分の平面図である。

【図４】同センサチップの製造プロセスの説明図であ
る。

【図５】同センサチップにおけるダイヤフラムの変形形
状の斜視図である。

【図６】同センサチップにおいて、そのキャビティ内面
に酸化絶縁膜を形成した状態の断面図である。

【図７】本発明に係る静電容量型センサのセンサチップ
を用いたセンサステムの全体の構成説明図である。

【図８】フルイディック流量計の全体の構成説明図であ
る。

【図９】従来の静電容量型センサ（圧力センサ）のセン
サチップの断面図である。

【図１０】同センサチップにおけるダイヤフラムの変形
形状の斜視図である。

【図１１】従来の他の静電容量型センサのセンサチップ
の断面図である。

【符号の説明】

１センサチップ２一方のシリコン基板３一方のダイヤフラム３ａ一方の可動電極４一方のワイヤパッド５一方の導圧部６一方の絶縁膜７中間のワイヤパッド８中間のシリコン基板（固定基板）（固定層）８ａ一方の固定電極８ｂ他方の固定電極９スルーホール（連通手段）１０一方のキャビティ１０Ａ支柱部１１他方のキャビティ１１Ａ支柱部１２大気開放穴１３他方の絶縁膜１４他方のワイヤパッド１５他方のシリコン基板１６他方のダイヤフラム１６ａ他方の可動電極１７他方の導圧部２０センサステム２１ａ、２１ｂ大気開放部２２一方の導圧ポート２３他方の導圧ポート３０圧力室３１入口３２出口３３噴出ノズル３４管路拡大部３５ａ、３５ｂ、３５ｃ隔壁３６誘振子３７ａ、３７ｂ帰還流路３８ａ、３８ｂ導圧路４０センサ出力信号処理部４１流量演算処理部４２比較回路４３波形整形回路４４演算回路４５出力回路４６端子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2F055 AA40 BB03 BB05 CC02 DD05 EE25 FF12 FF38 GG11 2G064 AB01 AB23 BD05 BD27 CC28 DD32 4M112 AA01 BA07 CA02 CA16 DA03 DA08 DA12 DA18 EA03 EA11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一方の導圧部から圧力を受ける一方のダ
イヤフラムと、他方の導圧部から圧力を受ける他方のダ
イヤフラムと、前記一方のダイヤフラムと前記他方のダ
イヤフラムとの間に、これらの一方及び他方のダイヤフ
ラムに対して空間を隔てて配置される固定層とを有し、
前記一方のダイヤフラムと前記固定層との間の静電容量
変化、及び前記他方のダイヤフラムと前記固定層との間
の静電容量変化を検出する静電容量型センサであって、前記一方のダイヤフラムと前記固定層とで形成される一
方のキャビティと前記他方のダイヤフラムと前記固定層
とで形成される他方のキャビティとを有し、これらの一
方及び他方のキャビティをそれぞれに環形状に形成し
て、前記一方及び他方のキャビティの内部に前記一方及
び他方のダイヤフラムの一部を支える支柱部を配したこ
とを特徴とする静電容量型センサ。
【請求項２】前記一方及び他方のキャビティの内部を
微小穴を通じて大気の開放するようにした請求項１に記
載の静電容量型センサ。
【請求項３】前記一方のダイヤフラムを前記一方の基
板に形成すると共に、前記他方のダイヤフラムを前記他
方の基板に形成し、前記一方の基板と前記固定層との間
に一方の絶縁膜を介在させて前記一方のキャビティを形
成し、前記他方の基板と前記固定層との間に他方の絶縁
膜を介在させて前記他方のキャビティを形成し、前記一方のキャビティにおいて前記一方のダイヤフラム
に一方の可動電極を、前記固定層に一方の固定電極をそ
れぞれ設けて前記一方の可動電極と前記一方の固定電極
とで一方の対向電極を形成し、前記他方のキャビティに
おいて前記他方のダイヤフラムに他方の可動電極を、前
記固定層に他方の固定電極をそれぞれ設けて前記他方の
可動電極と前記他方の固定電極とで他方の対向電極を形
成するようにした請求項１又は請求項２に記載の静電容
量型センサ。
【請求項４】前記固定層に連通手段を設けて、この連
通手段により前記一方のキャビティと前記他方のキャビ
ティとを連通させた請求項１乃至請求項３に記載の静電
容量型センサ。
【請求項５】前記一方及び他方のダイヤフラムのそれ
ぞれの膜厚を同じにし、前記一方及び他方のキャビティ
のそれぞれのギャップ間隔を同じにした請求項１乃至請
求項４に記載の静電容量型センサ。
【請求項６】前記一方及び他方のダイヤフラムに比べ
て前記固定層を厚くした請求項１乃至請求項５に記載の
静電容量型センサ。
【請求項７】前記一方及び他方のダイヤフラム及び前
記固定層を形成したシリコン基板上に、電極取出し用の
ワイヤパッドをそれぞれ形成するようにした請求項１乃
至請求項６に記載の静電容量型センサ。
【請求項８】測定対象が圧力、加速度、振動のいずれ
かである請求項１乃至請求項７に記載の静電容量型セン
サ。