JP2002357498A - 静電容量型物理量センサと検出装置 - Google Patents
静電容量型物理量センサと検出装置Info
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
- G01L1/142—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors
- G01L1/144—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors with associated circuitry
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- G01L1/148—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors using semiconductive material, e.g. silicon
Abstract
(57)【要約】
【課題】 高感度が要求される範囲では物理量の微小な
変化を検知でき、高感度が要求されない範囲では広い範
囲の物理量を検知できる静電容量型物理量センサを実現
する。 【解決手段】 静電容量型物理量センサ１１０は、固定
電極１２２ｂを持つ基板１８０と、基板１８０からギャ
ップ１８２を隔てて形成された可動電極１２２ａを持つ
ダイアフラム１８４と、ダイアフラム１８４の周縁に形
成されたダイアフラム１８４の支持部１８６を備え、支
持部１８６より内側に、ダイアフラム１８４のギャップ
１８２側の面からギャップ１８２内に伸びる突出部１４
２ａ、１５２ａが形成されている。
変化を検知でき、高感度が要求されない範囲では広い範
囲の物理量を検知できる静電容量型物理量センサを実現
する。 【解決手段】 静電容量型物理量センサ１１０は、固定
電極１２２ｂを持つ基板１８０と、基板１８０からギャ
ップ１８２を隔てて形成された可動電極１２２ａを持つ
ダイアフラム１８４と、ダイアフラム１８４の周縁に形
成されたダイアフラム１８４の支持部１８６を備え、支
持部１８６より内側に、ダイアフラム１８４のギャップ
１８２側の面からギャップ１８２内に伸びる突出部１４
２ａ、１５２ａが形成されている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】 本発明は、静電容量型物理
量センサと静電容量型物量検出装置に関する。
量センサと静電容量型物量検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】 従来の静電容量型物理量センサを備え
た静電容量型物理量検出装置の一例を図１４から図１８
を参照して説明する。図１４は従来の静電容量型圧力検
出装置のブロック図である。図１５は静電容量型圧力セ
ンサの概略平面図であり、封止膜を除いた状態の平面図
を示している。図１６は図１５のＡ−Ｂ線の断面図であ
り、図１７はＣ−Ｄ線の断面図であり、図１８はＥ−Ｆ
線の断面図である。図１４に示すように、従来の静電容
量型圧力検出装置１は、静電容量型圧力センサ１０と、
容量検出回路６４を備えている。静電容量型圧力センサ
１０は、感圧容量ＣＸの感圧キャパシタ２０と、基準容
量ＣＲの基準キャパシタ３０を有する。感圧キャパシタ
２０は検出電圧ＶＸの入力端子６０に接続されている。
基準キャパシタ３０は基準電圧ＶＲの入力端子６２に接
続されている。感圧キャパシタ２０と基準キャパシタ３
０はそれぞれ容量検出回路６４に接続されている。容量
検出回路６４は電圧ＶＯＵＴの出力端子７８に接続され
ている。
た静電容量型物理量検出装置の一例を図１４から図１８
を参照して説明する。図１４は従来の静電容量型圧力検
出装置のブロック図である。図１５は静電容量型圧力セ
ンサの概略平面図であり、封止膜を除いた状態の平面図
を示している。図１６は図１５のＡ−Ｂ線の断面図であ
り、図１７はＣ−Ｄ線の断面図であり、図１８はＥ−Ｆ
線の断面図である。図１４に示すように、従来の静電容
量型圧力検出装置１は、静電容量型圧力センサ１０と、
容量検出回路６４を備えている。静電容量型圧力センサ
１０は、感圧容量ＣＸの感圧キャパシタ２０と、基準容
量ＣＲの基準キャパシタ３０を有する。感圧キャパシタ
２０は検出電圧ＶＸの入力端子６０に接続されている。
基準キャパシタ３０は基準電圧ＶＲの入力端子６２に接
続されている。感圧キャパシタ２０と基準キャパシタ３
０はそれぞれ容量検出回路６４に接続されている。容量
検出回路６４は電圧ＶＯＵＴの出力端子７８に接続され
ている。
【０００３】静電容量型圧力センサ１０は、実際にはシ
リコン基板上にダイアフラムを形成することで製造され
ている。具体的には、静電容量型圧力センサ１０は、図
１６から図１８に示すように、シリコン基板８０と、シ
リコン基板８０からギャップ８２を隔てて形成されたダ
イアフラム８４と、ダイアフラム８４の周縁に形成され
たダイアフラム８４の支持部８６を備えている。シリコ
ン基板８０には、その表面側に感圧容量下部電極２２ｂ
と、基準容量下部電極３２ｂが形成されている。感圧容
量下部電極２２ｂは感圧容量下部電極リード２４ｂを介
して感圧容量下部電極端子２６ｂ（図１５と図１６参
照）に接続され、基準容量下部電極３２ｂは基準容量下
部電極リード３４ｂを介して基準容量下部電極端子３６
ｂ（図１５と図１６参照）に接続されている。シリコン
基板８０の表面は、基板保護膜８８（図１６から図１８
参照）で覆われている。ダイアフラム８４は、多結晶シ
リコン膜からなる半導体膜９２と、シリコン窒化膜から
なる封止膜９６で構成されている。半導体膜９２には、
感圧容量上部電極２２ａと、基準容量上部電極３２ａが
形成されている。感圧容量上部電極２２ａは感圧容量上
部電極リード２４ａを介して感圧容量上部電極端子２６
ａ（図１５と図１７参照）に接続され、基準容量上部電
極３２ａは基準容量上部電極リード３４ａを介して基準
容量上部電極端子３６ａ（図１５と図１７参照）に接続
されている。図１６から図１８に示す感圧容量上部電極
２２ａと感圧容量下部電極２２ｂによって図１４に示す
感圧キャパシタ２０が構成されている。図１６から図１
８に示す基準容量上部電極３２ａと基準容量下部電極３
２ｂによって図１３に示す基準キャパシタ３０が構成さ
れている。
リコン基板上にダイアフラムを形成することで製造され
ている。具体的には、静電容量型圧力センサ１０は、図
１６から図１８に示すように、シリコン基板８０と、シ
リコン基板８０からギャップ８２を隔てて形成されたダ
イアフラム８４と、ダイアフラム８４の周縁に形成され
たダイアフラム８４の支持部８６を備えている。シリコ
ン基板８０には、その表面側に感圧容量下部電極２２ｂ
と、基準容量下部電極３２ｂが形成されている。感圧容
量下部電極２２ｂは感圧容量下部電極リード２４ｂを介
して感圧容量下部電極端子２６ｂ（図１５と図１６参
照）に接続され、基準容量下部電極３２ｂは基準容量下
部電極リード３４ｂを介して基準容量下部電極端子３６
ｂ（図１５と図１６参照）に接続されている。シリコン
基板８０の表面は、基板保護膜８８（図１６から図１８
参照）で覆われている。ダイアフラム８４は、多結晶シ
リコン膜からなる半導体膜９２と、シリコン窒化膜から
なる封止膜９６で構成されている。半導体膜９２には、
感圧容量上部電極２２ａと、基準容量上部電極３２ａが
形成されている。感圧容量上部電極２２ａは感圧容量上
部電極リード２４ａを介して感圧容量上部電極端子２６
ａ（図１５と図１７参照）に接続され、基準容量上部電
極３２ａは基準容量上部電極リード３４ａを介して基準
容量上部電極端子３６ａ（図１５と図１７参照）に接続
されている。図１６から図１８に示す感圧容量上部電極
２２ａと感圧容量下部電極２２ｂによって図１４に示す
感圧キャパシタ２０が構成されている。図１６から図１
８に示す基準容量上部電極３２ａと基準容量下部電極３
２ｂによって図１３に示す基準キャパシタ３０が構成さ
れている。
【０００４】所定の圧力が図１６から図１８に示すダイ
アフラム８４に印加されると、ギャップ８２は封止され
た真空の圧力基準室として機能するから、印加された圧
力に比例してダイアフラム８４がたわんで変形する。ダ
イアフラム８４が変形すると、感圧容量上部電極２２ａ
と感圧容量下部電極２２ｂ間の距離が変化する。この両
電極間の距離が変化すると両電極間の容量が変化する。
図１４に示す構成によって感圧キャパシタ２０の感圧容
量ＣＸの変化と基準キャパシタ３０の基準容量ＣＲの差
をとり、容量検出回路６４で電圧値ＶＯＵＴに変換する
ことによって、ダイアフラム８４に印加された圧力の大
きさを検出することができる。基準キャパシタ３０は、
センサ１０が置かれている環境温度によって静電容量が
変化することを補償し、センサ１０から出力される電圧
値ＶＯＵＴが温度に影響されず、圧力のみに影響される
ように用いられる。
アフラム８４に印加されると、ギャップ８２は封止され
た真空の圧力基準室として機能するから、印加された圧
力に比例してダイアフラム８４がたわんで変形する。ダ
イアフラム８４が変形すると、感圧容量上部電極２２ａ
と感圧容量下部電極２２ｂ間の距離が変化する。この両
電極間の距離が変化すると両電極間の容量が変化する。
図１４に示す構成によって感圧キャパシタ２０の感圧容
量ＣＸの変化と基準キャパシタ３０の基準容量ＣＲの差
をとり、容量検出回路６４で電圧値ＶＯＵＴに変換する
ことによって、ダイアフラム８４に印加された圧力の大
きさを検出することができる。基準キャパシタ３０は、
センサ１０が置かれている環境温度によって静電容量が
変化することを補償し、センサ１０から出力される電圧
値ＶＯＵＴが温度に影響されず、圧力のみに影響される
ように用いられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】 上記した従来の静電
容量型圧力センサ１では、図１９のグラフに示すよう
に、印加圧力がＰＡになるまでは、出力電圧ＶＯＵ Ｔと
印加圧力が比例する。しかし、印加圧力がＰＡになる
と、図１６から図１８に示したダイアフラム８４は変形
量の大きい中央部からシリコン基板８０に接触し始める
ため、出力電圧が印加圧力に比例しなくなり、徐々に飽
和する。さらに印加圧力がＰＢになると、ダイアフラム
８４の中央部付近が完全にシリコン基板８０に接触し、
この結果、印加圧力を増加させても出力電圧ＶＯＵＴは
飽和状態となり、印加圧力を検出できなくなる。ダイア
フラム８４の厚さを厚くしたり、あるいはダイアフラム
８４の直径を小さくすれば、印加圧力に対するダイアフ
ラム８４の変形量が小さくなるため、検知可能な圧力の
範囲を広くすることができる。しかしながらその反面、
ダイアフラム８４の厚さを厚くしたり、あるいは直径を
小さくすると、センサの感度が低下してしまい、検出可
能な圧力の分解能が粗くなってしまうという問題が生じ
る。
容量型圧力センサ１では、図１９のグラフに示すよう
に、印加圧力がＰＡになるまでは、出力電圧ＶＯＵ Ｔと
印加圧力が比例する。しかし、印加圧力がＰＡになる
と、図１６から図１８に示したダイアフラム８４は変形
量の大きい中央部からシリコン基板８０に接触し始める
ため、出力電圧が印加圧力に比例しなくなり、徐々に飽
和する。さらに印加圧力がＰＢになると、ダイアフラム
８４の中央部付近が完全にシリコン基板８０に接触し、
この結果、印加圧力を増加させても出力電圧ＶＯＵＴは
飽和状態となり、印加圧力を検出できなくなる。ダイア
フラム８４の厚さを厚くしたり、あるいはダイアフラム
８４の直径を小さくすれば、印加圧力に対するダイアフ
ラム８４の変形量が小さくなるため、検知可能な圧力の
範囲を広くすることができる。しかしながらその反面、
ダイアフラム８４の厚さを厚くしたり、あるいは直径を
小さくすると、センサの感度が低下してしまい、検出可
能な圧力の分解能が粗くなってしまうという問題が生じ
る。
【０００６】広い範囲の物理量（圧力、加速度、振動、
音圧等）を検知でき、かつ、その範囲の全てにおいて感
度良く物理量の微小な変化を検知できるのが理想ともい
える。しかしながら、そのような静電容量型物理量セン
サの実現は難しい。一方、実際に静電容量型物理量セン
サを使用する場合には、測定範囲のうちでも高感度が要
求される範囲と要求されない範囲があるのが通常であ
る。通常は、測定する物理量が大きくなるにつれて、検
出可能な分解能が粗くなることが許容されることが多
い。本発明者はこのような事実に着目し、高感度が要求
される範囲では物理量の微小な変化を検知でき、高感度
が要求されない範囲では広い範囲の物理量を検知できる
静電容量型物理量センサを実現することを目的として鋭
意研究を進めた結果、本発明を着想するに至った。
音圧等）を検知でき、かつ、その範囲の全てにおいて感
度良く物理量の微小な変化を検知できるのが理想ともい
える。しかしながら、そのような静電容量型物理量セン
サの実現は難しい。一方、実際に静電容量型物理量セン
サを使用する場合には、測定範囲のうちでも高感度が要
求される範囲と要求されない範囲があるのが通常であ
る。通常は、測定する物理量が大きくなるにつれて、検
出可能な分解能が粗くなることが許容されることが多
い。本発明者はこのような事実に着目し、高感度が要求
される範囲では物理量の微小な変化を検知でき、高感度
が要求されない範囲では広い範囲の物理量を検知できる
静電容量型物理量センサを実現することを目的として鋭
意研究を進めた結果、本発明を着想するに至った。
【０００７】
【課題を解決するための手段および作用と効果】 本発
明の静電容量型物理量センサは、固定電極を持つ基板
と、基板からギャップを隔てて形成された可動電極を持
つダイアフラムと、ダイアフラムの周縁に形成されたダ
イアフラムの支持部を備え、支持部より内側に、基板の
ギャップ側の面および／またはダイアフラムのギャップ
側の面からギャップ内に伸びる突出部が形成されている
ことを特徴とする（請求項１）。本発明者は、ダイアフ
ラムに加わる物理量の大きさによってダイアフラムの物
理量検知領域の大きさを変化させることができる静電容
量型物理量センサを実現した。このセンサでは、突出部
がその対向面に接触する前は、ダイアフラムの物理量検
知領域は支持部で支持された範囲内の広い領域である。
このため、突出部がその対向面に接触する前は、物理量
の微小な変化を検知できる。一方、所定の物理量が加わ
ると、突出部がその対向面に接触する。突出部がその対
向面に接触すると、突出部はダイアフラムの周縁に形成
された支持部と同様の役割を果たし、ダイアフラムの物
理量検知領域は突出部で支持された範囲内の領域とな
る。突出部は支持部より内側に形成されているから、突
出部が対向面に接触する前よりもダイアフラムの物理量
検知領域は狭くなる。このため、突出部がその対向面に
接触する前に比べて、物理量に対するダイアフラムの変
形量が小さくなる。よって、ダイアフラムに大きな物理
量が加わっても、ダイアフラムの中央部が基板に接触し
て物理量が検出不能となるのを防止できる。このため、
突出部がその対向面に接触した後は、広い範囲の物理量
を検知できる。このセンサによれば、高感度が要求され
る範囲では物理量の微小な変化を検知でき、高感度が要
求されない範囲では広い範囲の物理量を検知できる。
明の静電容量型物理量センサは、固定電極を持つ基板
と、基板からギャップを隔てて形成された可動電極を持
つダイアフラムと、ダイアフラムの周縁に形成されたダ
イアフラムの支持部を備え、支持部より内側に、基板の
ギャップ側の面および／またはダイアフラムのギャップ
側の面からギャップ内に伸びる突出部が形成されている
ことを特徴とする（請求項１）。本発明者は、ダイアフ
ラムに加わる物理量の大きさによってダイアフラムの物
理量検知領域の大きさを変化させることができる静電容
量型物理量センサを実現した。このセンサでは、突出部
がその対向面に接触する前は、ダイアフラムの物理量検
知領域は支持部で支持された範囲内の広い領域である。
このため、突出部がその対向面に接触する前は、物理量
の微小な変化を検知できる。一方、所定の物理量が加わ
ると、突出部がその対向面に接触する。突出部がその対
向面に接触すると、突出部はダイアフラムの周縁に形成
された支持部と同様の役割を果たし、ダイアフラムの物
理量検知領域は突出部で支持された範囲内の領域とな
る。突出部は支持部より内側に形成されているから、突
出部が対向面に接触する前よりもダイアフラムの物理量
検知領域は狭くなる。このため、突出部がその対向面に
接触する前に比べて、物理量に対するダイアフラムの変
形量が小さくなる。よって、ダイアフラムに大きな物理
量が加わっても、ダイアフラムの中央部が基板に接触し
て物理量が検出不能となるのを防止できる。このため、
突出部がその対向面に接触した後は、広い範囲の物理量
を検知できる。このセンサによれば、高感度が要求され
る範囲では物理量の微小な変化を検知でき、高感度が要
求されない範囲では広い範囲の物理量を検知できる。
【０００８】請求項１に記載の静電容量型物理量センサ
においては、突出部が複数形成されており、各突出部は
その対向面に異なる物理量をダイアフラムに加えること
で接触することが好ましい（請求項２）。このセンサに
よると、物理量検知領域の大きさをより細かく設定する
ことができる。このため、物理量の微小な変化を検知す
る段階や、広い範囲の物理量を検知する段階をより細か
く設定することができる。
においては、突出部が複数形成されており、各突出部は
その対向面に異なる物理量をダイアフラムに加えること
で接触することが好ましい（請求項２）。このセンサに
よると、物理量検知領域の大きさをより細かく設定する
ことができる。このため、物理量の微小な変化を検知す
る段階や、広い範囲の物理量を検知する段階をより細か
く設定することができる。
【０００９】請求項１または２に記載の静電容量型物理
量センサにおいては、突出部がダイアフラム変形時の等
高線に沿って形成されていることが好ましい（請求項
３）。ここで、「突出部が…等高線に沿って形成されて
いる」とは、１つの突出部が等高線に沿って形成されて
いる場合と、複数の突出部が等高線に沿って形成されて
いる場合の両方を含む。このセンサによると、１つの突
出部が等高線に沿って形成されていると、所定の物理量
が加わった場合に、１つの突出部の各部位をその対向面
に同時に接触させることができる。また、複数の突出部
が等高線に沿って形成されていると、所定の物理量が加
わった場合に、各突出部をその対向面に同時に接触させ
ることができる。このため、このセンサによれば、この
突出部によってダイアフラムが安定して支持された状態
で物理量を検出することができる。
量センサにおいては、突出部がダイアフラム変形時の等
高線に沿って形成されていることが好ましい（請求項
３）。ここで、「突出部が…等高線に沿って形成されて
いる」とは、１つの突出部が等高線に沿って形成されて
いる場合と、複数の突出部が等高線に沿って形成されて
いる場合の両方を含む。このセンサによると、１つの突
出部が等高線に沿って形成されていると、所定の物理量
が加わった場合に、１つの突出部の各部位をその対向面
に同時に接触させることができる。また、複数の突出部
が等高線に沿って形成されていると、所定の物理量が加
わった場合に、各突出部をその対向面に同時に接触させ
ることができる。このため、このセンサによれば、この
突出部によってダイアフラムが安定して支持された状態
で物理量を検出することができる。
【００１０】請求項１から３のいずれかに記載の静電容
量型物理量センサにおいては、ダイアフラムは基準容量
電極をさらに持つことが好ましい（請求項４）。このセ
ンサによると、基準容量電極のみを設けるダイアフラム
を別途設ける必要がない。また、可動電極と基準容量電
極が同一のダイアフラムに形成され、近接した位置にあ
ることから、可動電極と基準容量電極の温度環境がほぼ
同様となる。このため、これらの容量の差をとることで
温度の影響を相殺することができる。
量型物理量センサにおいては、ダイアフラムは基準容量
電極をさらに持つことが好ましい（請求項４）。このセ
ンサによると、基準容量電極のみを設けるダイアフラム
を別途設ける必要がない。また、可動電極と基準容量電
極が同一のダイアフラムに形成され、近接した位置にあ
ることから、可動電極と基準容量電極の温度環境がほぼ
同様となる。このため、これらの容量の差をとることで
温度の影響を相殺することができる。
【００１１】本発明はまた、静電容量型物理量検出装置
をも実現する。この検出装置は、請求項１から４のいず
れかに記載の静電容量型物理量センサと、加えられる物
理量の大きさが変化しても物理量の変化に対する物理量
検出パラメータ値の変化の割合がほぼ同じとなるよう
に、物理量検出パラメータ値を補正する手段を備えてい
る（請求項５）。ここで、「物理量検出パラメータ値」
とは、加えられる物理量の変化に応じて変化する静電容
量の値、あるいはこの静電容量の変化に応じて変化する
電圧値等をいう。この検出装置によると、加えられる物
理量の大きさが変化しても物理量の変化に対する物理量
検出パラメータ値の変化の割合がほぼ同じとなるので、
物理量検出パラメータ値に対応する物理量の大きさを容
易に認識できる。
をも実現する。この検出装置は、請求項１から４のいず
れかに記載の静電容量型物理量センサと、加えられる物
理量の大きさが変化しても物理量の変化に対する物理量
検出パラメータ値の変化の割合がほぼ同じとなるよう
に、物理量検出パラメータ値を補正する手段を備えてい
る（請求項５）。ここで、「物理量検出パラメータ値」
とは、加えられる物理量の変化に応じて変化する静電容
量の値、あるいはこの静電容量の変化に応じて変化する
電圧値等をいう。この検出装置によると、加えられる物
理量の大きさが変化しても物理量の変化に対する物理量
検出パラメータ値の変化の割合がほぼ同じとなるので、
物理量検出パラメータ値に対応する物理量の大きさを容
易に認識できる。
【００１２】請求項５に記載の補正手段は、突出部がそ
の対向面に接触する前と接触した後で物理量の変化に対
する物理量検出パラメータ値の変化の割合がほぼ同じと
なるように、突出部がその対向面に接触する前および／
または接触した後の物理量検出パラメータ値を補正する
ことが好ましい（請求項６）。この検出装置によると、
物理量検出パラメータ値の補正を適切に行える。
の対向面に接触する前と接触した後で物理量の変化に対
する物理量検出パラメータ値の変化の割合がほぼ同じと
なるように、突出部がその対向面に接触する前および／
または接触した後の物理量検出パラメータ値を補正する
ことが好ましい（請求項６）。この検出装置によると、
物理量検出パラメータ値の補正を適切に行える。
【００１３】また、請求項５に記載の補正手段は、物理
量検出パラメータ値が所定値になる前となった後で物理
量の変化に対する物理量検出パラメータ値の変化の割合
がほぼ同じとなるように、物理量検出パラメータ値が所
定値になる前および／または所定値になった後の物理量
検出パラメータ値を補正してもよい（請求項７）。この
検出装置によっても、物理量検出パラメータ値の補正を
適切に行える。
量検出パラメータ値が所定値になる前となった後で物理
量の変化に対する物理量検出パラメータ値の変化の割合
がほぼ同じとなるように、物理量検出パラメータ値が所
定値になる前および／または所定値になった後の物理量
検出パラメータ値を補正してもよい（請求項７）。この
検出装置によっても、物理量検出パラメータ値の補正を
適切に行える。
【００１４】
【発明の実施の形態】 本実施例の静電容量型圧力検出
装置の構成を図１から図５を参照して説明する。図１は
本実施例の静電容量型圧力検出装置のブロック図であ
る。図２は静電容量型圧力センサの概略平面図であり、
封止膜を除いた状態の平面図を示している。図３は、図
２のＡ−Ｂ線断面図であり、図４はＣ−Ｄ線断面図であ
り、図５はＥ−Ｆ線断面図である。図１に示すように、
本実施例の静電容量型圧力検出装置１０１は、静電容量
型圧力センサ１１０と、容量検出回路１６４と、ＲＯＭ
１７２と、信号処理回路１７４等を備えている。静電容
量型圧力センサ１１０は、感圧容量ＣＸの感圧キャパシ
タ１２０と、基準容量ＣＲの基準キャパシタ１３０と、
第１スイッチ１４０と、第２スイッチ１５０を有する。
感圧キャパシタ１２０は、検出電圧ＶＸの入力端子１６
０に接続されている。基準キャパシタ１３０は、基準電
圧ＶＲの入力端子１６２に接続されている。感圧キャパ
シタ１２０と基準キャパシタ１３０はそれぞれ容量検出
回路１６４に接続されている。
装置の構成を図１から図５を参照して説明する。図１は
本実施例の静電容量型圧力検出装置のブロック図であ
る。図２は静電容量型圧力センサの概略平面図であり、
封止膜を除いた状態の平面図を示している。図３は、図
２のＡ−Ｂ線断面図であり、図４はＣ−Ｄ線断面図であ
り、図５はＥ−Ｆ線断面図である。図１に示すように、
本実施例の静電容量型圧力検出装置１０１は、静電容量
型圧力センサ１１０と、容量検出回路１６４と、ＲＯＭ
１７２と、信号処理回路１７４等を備えている。静電容
量型圧力センサ１１０は、感圧容量ＣＸの感圧キャパシ
タ１２０と、基準容量ＣＲの基準キャパシタ１３０と、
第１スイッチ１４０と、第２スイッチ１５０を有する。
感圧キャパシタ１２０は、検出電圧ＶＸの入力端子１６
０に接続されている。基準キャパシタ１３０は、基準電
圧ＶＲの入力端子１６２に接続されている。感圧キャパ
シタ１２０と基準キャパシタ１３０はそれぞれ容量検出
回路１６４に接続されている。
【００１５】第１スイッチ１４０は抵抗１７０ａと直列
に接続されており、第２スイッチ１５０は抵抗１７０ｂ
と直列に接続されている。第１スイッチ１４０と抵抗１
７０ａの組と、第２スイッチ１５０と抵抗１７０ｂの組
は並列に接続されており、電圧源１６８に接続されてい
る。第１スイッチ１４０と抵抗１７０ａの間、および第
２スイッチ１５０と抵抗１７０ｂの間からはそれぞれ接
続線が伸びており、各接続線はＲＯＭ１７２に接続され
ている。上記した容量検出回路１６４とＲＯＭ１７２
は、信号処理回路１７４に接続されている。信号処理回
路１７４は電圧ＶＳＥＮの出力端子１７８に接続されて
いる。
に接続されており、第２スイッチ１５０は抵抗１７０ｂ
と直列に接続されている。第１スイッチ１４０と抵抗１
７０ａの組と、第２スイッチ１５０と抵抗１７０ｂの組
は並列に接続されており、電圧源１６８に接続されてい
る。第１スイッチ１４０と抵抗１７０ａの間、および第
２スイッチ１５０と抵抗１７０ｂの間からはそれぞれ接
続線が伸びており、各接続線はＲＯＭ１７２に接続され
ている。上記した容量検出回路１６４とＲＯＭ１７２
は、信号処理回路１７４に接続されている。信号処理回
路１７４は電圧ＶＳＥＮの出力端子１７８に接続されて
いる。
【００１６】静電容量型圧力センサ１１０は、実際には
シリコン基板上にダイアフラムを形成することで製造さ
れている。具体的には、静電容量型圧力センサ１１０
は、図３から図５に示すように、シリコン基板１８０
と、シリコン基板１８０からギャップ１８２を隔てて形
成されたダイアフラム１８４と、ダイアフラム１８４の
周縁に形成されたダイアフラム１８４の支持部１８６を
備えている。シリコン基板１８０には、感圧容量下部電
極１２２ｂと、基準容量下部電極１３２ｂと、第１下部
スイッチ１４２ｂと、第２下部スイッチ１５２ｂが形成
されている。これらは、高伝導度特性が得られるように
シリコン基板１８０に不純物が高濃度拡散された層で形
成されている。感圧容量下部電極１２２ｂは感圧容量下
部電極リード１２４ｂを介して感圧容量下部電極端子１
２６ｂ（図２と図３参照）に接続され、基準容量下部電
極１３２ｂは基準容量下部電極リード１３４ｂを介して
基準容量下部電極端子１３６ｂ（図２と図３参照）に接
続されている。第１下部スイッチ１４２ｂは第１下部ス
イッチリード１４４ｂを介して第１下部スイッチ端子１
４６ｂ（図２参照）に接続され、第２下部スイッチ１５
２ｂは第２下部スイッチリード１５４ｂを介して第２下
部スイッチ端子１５６ｂ（図２参照）に接続されてい
る。シリコン基板１８０の表面は、基板保護膜１８８
（図３から図５参照）で覆われている。
シリコン基板上にダイアフラムを形成することで製造さ
れている。具体的には、静電容量型圧力センサ１１０
は、図３から図５に示すように、シリコン基板１８０
と、シリコン基板１８０からギャップ１８２を隔てて形
成されたダイアフラム１８４と、ダイアフラム１８４の
周縁に形成されたダイアフラム１８４の支持部１８６を
備えている。シリコン基板１８０には、感圧容量下部電
極１２２ｂと、基準容量下部電極１３２ｂと、第１下部
スイッチ１４２ｂと、第２下部スイッチ１５２ｂが形成
されている。これらは、高伝導度特性が得られるように
シリコン基板１８０に不純物が高濃度拡散された層で形
成されている。感圧容量下部電極１２２ｂは感圧容量下
部電極リード１２４ｂを介して感圧容量下部電極端子１
２６ｂ（図２と図３参照）に接続され、基準容量下部電
極１３２ｂは基準容量下部電極リード１３４ｂを介して
基準容量下部電極端子１３６ｂ（図２と図３参照）に接
続されている。第１下部スイッチ１４２ｂは第１下部ス
イッチリード１４４ｂを介して第１下部スイッチ端子１
４６ｂ（図２参照）に接続され、第２下部スイッチ１５
２ｂは第２下部スイッチリード１５４ｂを介して第２下
部スイッチ端子１５６ｂ（図２参照）に接続されてい
る。シリコン基板１８０の表面は、基板保護膜１８８
（図３から図５参照）で覆われている。
【００１７】ダイアフラム１８４は、多結晶シリコン膜
からなる半導体膜１９２と、シリコン窒化膜からなる封
止膜１９６で構成されている。半導体膜１９２には、感
圧容量上部電極１２２ａと、基準容量上部電極１３２ａ
と、第１上部スイッチ（突出部の一例）１４２ａと、第
２上部スイッチ（突出部の一例）１５２ａが形成されて
いる。これらは、高伝導度特性が得られるように半導体
膜１９２に不純物が高濃度拡散された層で形成されてい
る。感圧容量上部電極１２２ａは感圧容量上部電極リー
ド１２４ａを介して感圧容量上部電極端子１２６ａ（図
２と図４参照）に接続され、基準容量上部電極１３２ａ
は基準容量上部電極リード１３４ａを介して基準容量上
部電極端子１３６ａ（図２と図４参照）に接続されてい
る。また、第１上部スイッチ１４２ａは第１上部スイッ
チリード１４４ａを介して第１上部スイッチ端子１４６
ａ（図２参照）に接続され、第２上部スイッチ１５２ａ
は第２上部スイッチリード１５４ａを介して第２上部ス
イッチ端子１５６ａ（図２参照）に接続されている。
からなる半導体膜１９２と、シリコン窒化膜からなる封
止膜１９６で構成されている。半導体膜１９２には、感
圧容量上部電極１２２ａと、基準容量上部電極１３２ａ
と、第１上部スイッチ（突出部の一例）１４２ａと、第
２上部スイッチ（突出部の一例）１５２ａが形成されて
いる。これらは、高伝導度特性が得られるように半導体
膜１９２に不純物が高濃度拡散された層で形成されてい
る。感圧容量上部電極１２２ａは感圧容量上部電極リー
ド１２４ａを介して感圧容量上部電極端子１２６ａ（図
２と図４参照）に接続され、基準容量上部電極１３２ａ
は基準容量上部電極リード１３４ａを介して基準容量上
部電極端子１３６ａ（図２と図４参照）に接続されてい
る。また、第１上部スイッチ１４２ａは第１上部スイッ
チリード１４４ａを介して第１上部スイッチ端子１４６
ａ（図２参照）に接続され、第２上部スイッチ１５２ａ
は第２上部スイッチリード１５４ａを介して第２上部ス
イッチ端子１５６ａ（図２参照）に接続されている。
【００１８】感圧容量上部電極１２２ａは、図２の平面
図に示すように円板状に形成されており、この感圧容量
上部電極１２２ａと対向する位置に同じ円板状の感圧容
量下部電極１２２ｂ（図３から図５参照）が配置されて
いる。感圧容量上部電極１２２ａの外周を囲うように第
２上部スイッチ１５２ａが形成されている。第２上部ス
イッチ１５２ａは半導体膜１９２の変形時の等高線に沿
ってリング状に形成されている。第２上部スイッチ１５
２ａは図３から図５に示すように、半導体膜１９２のギ
ャップ１８２側の面からギャップ１８２内に突出してい
る。この第２上部スイッチ１５２ａと対向する位置に同
じ大きさのリング状の第２下部スイッチ１５２ｂが配置
されている。第２上部スイッチ１５２ａの外周を囲うよ
うに第１上部スイッチ１４２ａが形成されている。第１
上部スイッチ１４２ａは半導体膜１９２の変形時の等高
線に沿ってリング状に形成されている。第１上部スイッ
チ１４２ａは図３から図５に示すように、半導体膜１９
２のギャップ１８２側の面からギャップ１８２内に突出
している。第１上部スイッチ１４２ａの突出幅は第２上
部スイッチ１５２ａの突出幅よりも大きい。第１上部ス
イッチ１４２ａと第２上部スイッチ１５２ａの突出幅
は、ダイアフラム１８４に圧力が印加されたときに、第
１上部スイッチ１４２ａが先に第１下部スイッチ１４２
ｂに接触し、その後、第２上部スイッチ１５２ａが第２
下部スイッチ１５２ｂに接触するような幅に調整されて
いる。
図に示すように円板状に形成されており、この感圧容量
上部電極１２２ａと対向する位置に同じ円板状の感圧容
量下部電極１２２ｂ（図３から図５参照）が配置されて
いる。感圧容量上部電極１２２ａの外周を囲うように第
２上部スイッチ１５２ａが形成されている。第２上部ス
イッチ１５２ａは半導体膜１９２の変形時の等高線に沿
ってリング状に形成されている。第２上部スイッチ１５
２ａは図３から図５に示すように、半導体膜１９２のギ
ャップ１８２側の面からギャップ１８２内に突出してい
る。この第２上部スイッチ１５２ａと対向する位置に同
じ大きさのリング状の第２下部スイッチ１５２ｂが配置
されている。第２上部スイッチ１５２ａの外周を囲うよ
うに第１上部スイッチ１４２ａが形成されている。第１
上部スイッチ１４２ａは半導体膜１９２の変形時の等高
線に沿ってリング状に形成されている。第１上部スイッ
チ１４２ａは図３から図５に示すように、半導体膜１９
２のギャップ１８２側の面からギャップ１８２内に突出
している。第１上部スイッチ１４２ａの突出幅は第２上
部スイッチ１５２ａの突出幅よりも大きい。第１上部ス
イッチ１４２ａと第２上部スイッチ１５２ａの突出幅
は、ダイアフラム１８４に圧力が印加されたときに、第
１上部スイッチ１４２ａが先に第１下部スイッチ１４２
ｂに接触し、その後、第２上部スイッチ１５２ａが第２
下部スイッチ１５２ｂに接触するような幅に調整されて
いる。
【００１９】図３から図５に示す感圧容量上部電極１２
２ａと感圧容量下部電極１２２ｂによって図１に示す感
圧キャパシタ１２０が構成されている。図３から図５に
示す基準容量上部電極１３２ａと基準容量下部電極１３
２ｂによって図１に示す基準キャパシタ１３０が構成さ
れている。図３から図５に示す第１上部スイッチ１４２
ａと第１下部スイッチ１４２ｂによって図１に示す第１
スイッチ１４０が構成されている。図３から図５に示す
第２上部スイッチ１５２ａと第２下部スイッチ１５２ｂ
によって図１に示す第２スイッチ１５０が構成されてい
る。
２ａと感圧容量下部電極１２２ｂによって図１に示す感
圧キャパシタ１２０が構成されている。図３から図５に
示す基準容量上部電極１３２ａと基準容量下部電極１３
２ｂによって図１に示す基準キャパシタ１３０が構成さ
れている。図３から図５に示す第１上部スイッチ１４２
ａと第１下部スイッチ１４２ｂによって図１に示す第１
スイッチ１４０が構成されている。図３から図５に示す
第２上部スイッチ１５２ａと第２下部スイッチ１５２ｂ
によって図１に示す第２スイッチ１５０が構成されてい
る。
【００２０】図１に示す容量検出回路１６４は、スイッ
チドキャパシタ回路等で構成すればよい。スイッチドキ
ャパシタ回路は通常の半導体加工プロセスによって容易
に形成できるため、静電容量型圧力センサ１１０と同一
の基板上に形成して集積化することも容易である。ま
た、図１に示す信号処理回路１７４は、基本的には、容
量検出回路１６４からの出力電圧ＶＯＵＴとＲＯＭ１７
２からの補正係数を乗算する乗算回路等で構成すればよ
い。さらに、図１に示すＲＯＭ１７２は、例えば、バッ
テリバックアップ付きのＲＡＭ、フラッシュメモリ、不
揮発性ＲＡＭ等の他の記憶手段であってもよい。これら
の信号処理回路１７４やＲＯＭ１７２も、静電容量型圧
力センサ１１０と同一の基板上に形成して集積化するこ
とができる。
チドキャパシタ回路等で構成すればよい。スイッチドキ
ャパシタ回路は通常の半導体加工プロセスによって容易
に形成できるため、静電容量型圧力センサ１１０と同一
の基板上に形成して集積化することも容易である。ま
た、図１に示す信号処理回路１７４は、基本的には、容
量検出回路１６４からの出力電圧ＶＯＵＴとＲＯＭ１７
２からの補正係数を乗算する乗算回路等で構成すればよ
い。さらに、図１に示すＲＯＭ１７２は、例えば、バッ
テリバックアップ付きのＲＡＭ、フラッシュメモリ、不
揮発性ＲＡＭ等の他の記憶手段であってもよい。これら
の信号処理回路１７４やＲＯＭ１７２も、静電容量型圧
力センサ１１０と同一の基板上に形成して集積化するこ
とができる。
【００２１】次に、本実施例の静電容量型圧力検出装置
１０１の静電容量型圧力センサ１１０の製造方法の一例
を図６から図１１を参照して説明する。以下の製造方法
によって、上記したダイアフラム構造と電極対構造を実
現する。図６に示すように、熱拡散法やイオン注入法等
によってシリコン基板１８０の表面に局部的に不純物を
添加して拡散層（感圧容量下部電極１２２ｂ、基準容量
下部電極１３２ｂ、第１下部スイッチ１４２ｂ、第２下
部スイッチ１５２ｂ）を形成する。続いて、ＣＶＤ法等
でシリコン窒化膜を堆積させて耐エッチング特性を有す
る基板保護膜１８８を形成する。続いて、ＣＶＤ法等に
よってシリコン酸化膜を堆積させて犠牲層１９０を形成
する。続いて、図７に示すように、レジスト（図示省
略）をマスクにしてドライエッチングを行い、犠牲層１
９０をパターニングする。このパターニングは、後に第
１上部スイッチ１４２ａと第２上部スイッチ１４２ｂと
なる部分を形成するために行うものであるため、第１上
部スイッチ１４２ａと第２上部スイッチ１４２ｂとなる
部分の深さは変えてパターニングする。実際には、最初
に第１上部スイッチ１４２ａの形成部のみを所定深さに
までエッチングし、続いて、第１上部スイッチ１４２ａ
の形成部と第２上部スイッチ１４２ｂの形成部を同時に
エッチングする。この結果、第１上部スイッチ１４２ａ
の形成部では第２上部スイッチ１４２ｂの形成部よりも
深くエッチングされる。
１０１の静電容量型圧力センサ１１０の製造方法の一例
を図６から図１１を参照して説明する。以下の製造方法
によって、上記したダイアフラム構造と電極対構造を実
現する。図６に示すように、熱拡散法やイオン注入法等
によってシリコン基板１８０の表面に局部的に不純物を
添加して拡散層（感圧容量下部電極１２２ｂ、基準容量
下部電極１３２ｂ、第１下部スイッチ１４２ｂ、第２下
部スイッチ１５２ｂ）を形成する。続いて、ＣＶＤ法等
でシリコン窒化膜を堆積させて耐エッチング特性を有す
る基板保護膜１８８を形成する。続いて、ＣＶＤ法等に
よってシリコン酸化膜を堆積させて犠牲層１９０を形成
する。続いて、図７に示すように、レジスト（図示省
略）をマスクにしてドライエッチングを行い、犠牲層１
９０をパターニングする。このパターニングは、後に第
１上部スイッチ１４２ａと第２上部スイッチ１４２ｂと
なる部分を形成するために行うものであるため、第１上
部スイッチ１４２ａと第２上部スイッチ１４２ｂとなる
部分の深さは変えてパターニングする。実際には、最初
に第１上部スイッチ１４２ａの形成部のみを所定深さに
までエッチングし、続いて、第１上部スイッチ１４２ａ
の形成部と第２上部スイッチ１４２ｂの形成部を同時に
エッチングする。この結果、第１上部スイッチ１４２ａ
の形成部では第２上部スイッチ１４２ｂの形成部よりも
深くエッチングされる。
【００２２】続いて、図８に示すように、ＣＶＤ法等で
多結晶シリコン膜を堆積させて耐エッチング特性を有す
る半導体膜１９２を形成する。続いて、図９に示すよう
に、熱拡散法やイオン注入法等によって半導体膜１９２
の表面に局部的にリン等のｐ型不純物を添加して拡散層
（感圧容量上部電極１２２ａ、基準容量上部電極１３２
ａ、第１上部スイッチ１４２ａ、第２上部スイッチ１５
２ａ）を形成する。なお、温度によっては上記拡散層か
ら半導体膜１９２にリーク電流が流れる場合があるの
で、それを防止するために半導体膜１９２にｎ型不純物
を若干添加しておくことが好ましい。続いて、図１０に
示すように、半導体膜１９２にエッチング孔１９４を形
成し、ウェットエッチングによって犠牲層１９０を除去
する。エッチングの際のエッチング液には、犠牲層１９
０を形成するシリコン酸化膜をエッチングして半導体膜
１９２を形成する多結晶シリコン膜と基板保護膜１８８
を形成するシリコン窒化膜をエッチングしにくいエッチ
ング液（例えばフッ化水素酸溶液等）を用いることが好
ましい。なお、エッチングは、上記したウェットエッチ
ングの他にも、無水フッ酸ガスと水蒸気あるいはメチル
アルコールガスの混合ガスによるドライエッチング等で
行ってもよい。続いて、図１１に示すように、封止膜１
９６を形成し、エッチング孔１９４を封止する。これに
より、ギャップ１８２は真空状態となり、圧力基準室と
して機能する。また、ダイアフラム１８４とダイアフラ
ム１８４の支持部１８６が形成される。
多結晶シリコン膜を堆積させて耐エッチング特性を有す
る半導体膜１９２を形成する。続いて、図９に示すよう
に、熱拡散法やイオン注入法等によって半導体膜１９２
の表面に局部的にリン等のｐ型不純物を添加して拡散層
（感圧容量上部電極１２２ａ、基準容量上部電極１３２
ａ、第１上部スイッチ１４２ａ、第２上部スイッチ１５
２ａ）を形成する。なお、温度によっては上記拡散層か
ら半導体膜１９２にリーク電流が流れる場合があるの
で、それを防止するために半導体膜１９２にｎ型不純物
を若干添加しておくことが好ましい。続いて、図１０に
示すように、半導体膜１９２にエッチング孔１９４を形
成し、ウェットエッチングによって犠牲層１９０を除去
する。エッチングの際のエッチング液には、犠牲層１９
０を形成するシリコン酸化膜をエッチングして半導体膜
１９２を形成する多結晶シリコン膜と基板保護膜１８８
を形成するシリコン窒化膜をエッチングしにくいエッチ
ング液（例えばフッ化水素酸溶液等）を用いることが好
ましい。なお、エッチングは、上記したウェットエッチ
ングの他にも、無水フッ酸ガスと水蒸気あるいはメチル
アルコールガスの混合ガスによるドライエッチング等で
行ってもよい。続いて、図１１に示すように、封止膜１
９６を形成し、エッチング孔１９４を封止する。これに
より、ギャップ１８２は真空状態となり、圧力基準室と
して機能する。また、ダイアフラム１８４とダイアフラ
ム１８４の支持部１８６が形成される。
【００２３】なお、上記実施例では、犠牲層１９０をＣ
ＶＤ法によってシリコン酸化膜で形成したが、例えば熱
酸化法によるシリコン酸化膜でもよい。要するに、シリ
コン基板１８０上に安定に堆積し、半導体膜１９２を形
成する多結晶シリコンよりもエッチング速度が極めて速
い材料であればよい。
ＶＤ法によってシリコン酸化膜で形成したが、例えば熱
酸化法によるシリコン酸化膜でもよい。要するに、シリ
コン基板１８０上に安定に堆積し、半導体膜１９２を形
成する多結晶シリコンよりもエッチング速度が極めて速
い材料であればよい。
【００２４】次に、本実施例の静電容量型圧力検出装置
１０１の動作を説明する。所定の圧力が図３から図５に
示すダイアフラム１８４に印加されると、ギャップ１８
２は封止された真空の圧力基準室として機能するから、
印加された圧力に比例してダイアフラム１８４がたわん
で変形する。ダイアフラム１８４が変形すると、感圧容
量上部電極１２２ａと感圧容量下部電極１２２ｂ間の距
離が変化する。この両電極間の距離が変化すると両電極
間の容量が変化する。図１に示す構成によってこの感圧
キャパシタ１２０の感圧容量ＣＸの変化と基準キャパシ
タ１３０の基準容量ＣＲの差をとり、容量検出回路１６
４で電圧値ＶＯＵＴに変換する。印加圧力と電圧値Ｖ
ＯＵＴの関係が図１２に実線で示されている。
１０１の動作を説明する。所定の圧力が図３から図５に
示すダイアフラム１８４に印加されると、ギャップ１８
２は封止された真空の圧力基準室として機能するから、
印加された圧力に比例してダイアフラム１８４がたわん
で変形する。ダイアフラム１８４が変形すると、感圧容
量上部電極１２２ａと感圧容量下部電極１２２ｂ間の距
離が変化する。この両電極間の距離が変化すると両電極
間の容量が変化する。図１に示す構成によってこの感圧
キャパシタ１２０の感圧容量ＣＸの変化と基準キャパシ
タ１３０の基準容量ＣＲの差をとり、容量検出回路１６
４で電圧値ＶＯＵＴに変換する。印加圧力と電圧値Ｖ
ＯＵＴの関係が図１２に実線で示されている。
【００２５】図１２に示すように、印加圧力がＰ１にな
ると、ダイアフラム１８４の変形によって第１上部スイ
ッチ１４２ａが第１下部スイッチ１４２ｂに接触し、第
１スイッチ１４０がオンする。このとき以降、接触し合
った第１上部スイッチ１４２ａと第１下部スイッチ１４
２ｂが、圧力によって変化するダイアフラム領域を画定
する。即ち、第１上部スイッチ１４２ａと第１下部スイ
ッチ１４２ｂの内側領域が圧力に応じて変形する領域と
なる。変形領域の直径が小さくなるために、ダイアフラ
ム１８４は変形しづらくなり、それ以降は、印加圧力の
増加量に対する電圧値ＶＯＵＴの増加量が減少する。さ
らに印加圧力がＰ２になると、第２上部スイッチ１５２
ａが第２下部スイッチ１５２ｂに接触し、第２スイッチ
１５０がオンする。このとき以降、接触し合った第２上
部スイッチ１５２ａと第２下部スイッチ１５２ｂが、圧
力によって変化するダイアフラム領域を画定する。即
ち、第２上部スイッチ１５２ａと第２下部スイッチ１５
２ｂの内側領域のみが圧力に応じて変形する領域とな
る。変形領域の直径がさらに小さくなるために、ダイア
フラム１８４はさらに変形しづらくなり、それ以降は、
印加圧力の増加量に対する電圧値ＶＯＵＴの増加量がさ
らに減少する。各スイッチ１４０、１５０がオンするこ
とで、ダイアフラム１８４の支持状態が変化する。第１
スイッチ１４０がオンすると、ダイアフラム１８４の圧
力検知領域は、支持部１８６で支持された直径Ｌ０（図
５参照）の円形領域から第１上部スイッチ１４２ａで支
持された直径Ｌ１の円形領域に減少する。さらに第２ス
イッチ１５０がオンすると、ダイアフラム１８４の圧力
検知領域は、第１上部スイッチ１４２ａで支持された直
径Ｌ１の円形領域から第２上部スイッチ１５２ａで支持
された直径Ｌ２の円形領域に減少する。ダイアフラム１
８４の圧力検知領域が減少すると、印加圧力の変化量に
対するダイアフラム１８４の変形量（たわみ量）が減少
する。この結果、感圧容量電極１２２ａと１２２ｂ間の
距離の変化量も減少するので、感圧容量電極１２２ａと
１２２ｂ間の感圧容量の変化量（電圧値ＶＯＵＴの変化
量）も減少するのである。
ると、ダイアフラム１８４の変形によって第１上部スイ
ッチ１４２ａが第１下部スイッチ１４２ｂに接触し、第
１スイッチ１４０がオンする。このとき以降、接触し合
った第１上部スイッチ１４２ａと第１下部スイッチ１４
２ｂが、圧力によって変化するダイアフラム領域を画定
する。即ち、第１上部スイッチ１４２ａと第１下部スイ
ッチ１４２ｂの内側領域が圧力に応じて変形する領域と
なる。変形領域の直径が小さくなるために、ダイアフラ
ム１８４は変形しづらくなり、それ以降は、印加圧力の
増加量に対する電圧値ＶＯＵＴの増加量が減少する。さ
らに印加圧力がＰ２になると、第２上部スイッチ１５２
ａが第２下部スイッチ１５２ｂに接触し、第２スイッチ
１５０がオンする。このとき以降、接触し合った第２上
部スイッチ１５２ａと第２下部スイッチ１５２ｂが、圧
力によって変化するダイアフラム領域を画定する。即
ち、第２上部スイッチ１５２ａと第２下部スイッチ１５
２ｂの内側領域のみが圧力に応じて変形する領域とな
る。変形領域の直径がさらに小さくなるために、ダイア
フラム１８４はさらに変形しづらくなり、それ以降は、
印加圧力の増加量に対する電圧値ＶＯＵＴの増加量がさ
らに減少する。各スイッチ１４０、１５０がオンするこ
とで、ダイアフラム１８４の支持状態が変化する。第１
スイッチ１４０がオンすると、ダイアフラム１８４の圧
力検知領域は、支持部１８６で支持された直径Ｌ０（図
５参照）の円形領域から第１上部スイッチ１４２ａで支
持された直径Ｌ１の円形領域に減少する。さらに第２ス
イッチ１５０がオンすると、ダイアフラム１８４の圧力
検知領域は、第１上部スイッチ１４２ａで支持された直
径Ｌ１の円形領域から第２上部スイッチ１５２ａで支持
された直径Ｌ２の円形領域に減少する。ダイアフラム１
８４の圧力検知領域が減少すると、印加圧力の変化量に
対するダイアフラム１８４の変形量（たわみ量）が減少
する。この結果、感圧容量電極１２２ａと１２２ｂ間の
距離の変化量も減少するので、感圧容量電極１２２ａと
１２２ｂ間の感圧容量の変化量（電圧値ＶＯＵＴの変化
量）も減少するのである。
【００２６】本センサでは、図１に示すように、第１ス
イッチ１４０がオンすると、電圧源１６８から抵抗１７
０ａに電圧がかかる。この電圧がＲＯＭ１７２に伝達さ
れる結果、ＲＯＭ１７２から補正係数信号が出力され
る。この補正係数信号は信号処理回路１７４に入力され
る。信号処理回路１７４には、容量検出回路１６４から
出力された電圧ＶＯＵＴも入力されており、この電圧Ｖ
ＯＵＴに補正係数信号による補正係数を乗じた値Ｖ
ＳＥＮが信号処理回路１７４から出力される。このよう
にして、第１スイッチ１４０がオンした後の印加圧力の
変化に対する電圧ＶＳＥＮの変化の割合が、第１スイッ
チ１４０がオンする前の印加圧力の変化に対する電圧Ｖ
ＯＵＴの変化の割合とほぼ同じとなるように補正する。
同様にして、第２スイッチ１５０がオンした後の印加圧
力の変化に対する電圧ＶＳＥＮの変化の割合が、第１ス
イッチ１４０がオンする前の印加圧力の変化に対する電
圧ＶＯＵＴの変化の割合とほぼ同じとなるように補正す
る。この結果、図１２に示すように、補正前の印加圧力
と出力電圧ＶＯＵＴの関係は実線に示すように折れ線状
となっていたが、補正後の印加圧力と出力電圧ＶＳＥＮ
の関係は点線に示すようにほぼ直線状にリニア化され
る。なお、上記実施例では、第１スイッチ１４０あるい
は第２スイッチ１５０がオンしている間の電圧ＶＯＵＴ
に補正係数を乗じる構成としているが、第１スイッチ１
４０あるいは第２スイッチ１５０がオンする前の電圧Ｖ
ＯＵＴに１より小さい補正係数を乗じる構成としてもよ
い。また、第１スイッチ１４０あるいは第２スイッチ１
５０がオンする前とオンした後の両方の電圧ＶＯＵＴに
それぞれ異なる補正係数を乗じる構成としてもよい。ま
た、上記実施例では、第１スイッチ１４０あるいは第２
スイッチ１５０がオンしている間は電圧ＶＯＵＴに補正
係数を乗じる構成としているが、容量検出回路１６４か
ら出力された電圧ＶＯＵＴが所定の電圧値Ｖ１あるいは
Ｖ２以上の間の電圧ＶＯＵＴに補正係数を乗じる構成と
してもよい。また、電圧ＶＯＵＴがＶ １あるいはＶ２以
上となる前の電圧ＶＯＵＴに１より小さい補正係数を乗
じる構成としてもよく、電圧ＶＯＵＴがＶ１あるいはＶ
２以上になる前となった後の両方の電圧ＶＯＵＴにそれ
ぞれ異なる補正係数を乗じる構成としてもよい。また、
上記実施例では、電圧ＶＯＵＴに補正係数を乗じている
が、電圧ＶＯＵ Ｔを補正係数で割ったり、電圧ＶＯＵＴ
に補正係数を加えたり、あるいは引いたりすることで、
スイッチがオンした後の印加圧力の変化に対する電圧Ｖ
ＳＥＮの変化の割合が、スイッチがオンする前の印加圧
力の変化に対する電圧ＶＯＵＴの変化の割合とほぼ同じ
となるように補正してもよい。
イッチ１４０がオンすると、電圧源１６８から抵抗１７
０ａに電圧がかかる。この電圧がＲＯＭ１７２に伝達さ
れる結果、ＲＯＭ１７２から補正係数信号が出力され
る。この補正係数信号は信号処理回路１７４に入力され
る。信号処理回路１７４には、容量検出回路１６４から
出力された電圧ＶＯＵＴも入力されており、この電圧Ｖ
ＯＵＴに補正係数信号による補正係数を乗じた値Ｖ
ＳＥＮが信号処理回路１７４から出力される。このよう
にして、第１スイッチ１４０がオンした後の印加圧力の
変化に対する電圧ＶＳＥＮの変化の割合が、第１スイッ
チ１４０がオンする前の印加圧力の変化に対する電圧Ｖ
ＯＵＴの変化の割合とほぼ同じとなるように補正する。
同様にして、第２スイッチ１５０がオンした後の印加圧
力の変化に対する電圧ＶＳＥＮの変化の割合が、第１ス
イッチ１４０がオンする前の印加圧力の変化に対する電
圧ＶＯＵＴの変化の割合とほぼ同じとなるように補正す
る。この結果、図１２に示すように、補正前の印加圧力
と出力電圧ＶＯＵＴの関係は実線に示すように折れ線状
となっていたが、補正後の印加圧力と出力電圧ＶＳＥＮ
の関係は点線に示すようにほぼ直線状にリニア化され
る。なお、上記実施例では、第１スイッチ１４０あるい
は第２スイッチ１５０がオンしている間の電圧ＶＯＵＴ
に補正係数を乗じる構成としているが、第１スイッチ１
４０あるいは第２スイッチ１５０がオンする前の電圧Ｖ
ＯＵＴに１より小さい補正係数を乗じる構成としてもよ
い。また、第１スイッチ１４０あるいは第２スイッチ１
５０がオンする前とオンした後の両方の電圧ＶＯＵＴに
それぞれ異なる補正係数を乗じる構成としてもよい。ま
た、上記実施例では、第１スイッチ１４０あるいは第２
スイッチ１５０がオンしている間は電圧ＶＯＵＴに補正
係数を乗じる構成としているが、容量検出回路１６４か
ら出力された電圧ＶＯＵＴが所定の電圧値Ｖ１あるいは
Ｖ２以上の間の電圧ＶＯＵＴに補正係数を乗じる構成と
してもよい。また、電圧ＶＯＵＴがＶ １あるいはＶ２以
上となる前の電圧ＶＯＵＴに１より小さい補正係数を乗
じる構成としてもよく、電圧ＶＯＵＴがＶ１あるいはＶ
２以上になる前となった後の両方の電圧ＶＯＵＴにそれ
ぞれ異なる補正係数を乗じる構成としてもよい。また、
上記実施例では、電圧ＶＯＵＴに補正係数を乗じている
が、電圧ＶＯＵ Ｔを補正係数で割ったり、電圧ＶＯＵＴ
に補正係数を加えたり、あるいは引いたりすることで、
スイッチがオンした後の印加圧力の変化に対する電圧Ｖ
ＳＥＮの変化の割合が、スイッチがオンする前の印加圧
力の変化に対する電圧ＶＯＵＴの変化の割合とほぼ同じ
となるように補正してもよい。
【００２７】以上、本発明の実施例の静電容量型圧力セ
ンサについて説明したが、本発明の適用範囲は上記の実
施例になんら限定されるものではない。すなわち、本発
明は、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施し
た形態で実施することができる。本実施例では、図３か
ら図５に示すように、第１上部スイッチ１４２ａと第２
上部スイッチ１５２ａの方を半導体膜１９２のギャップ
１８２側の面からギャップ１８２内に突出させている
が、本発明の適用範囲はこれに限られない。例えば、図
１３に示すように、第１下部スイッチ１４２ｂと第２下
部スイッチ１５２ｂの方をシリコン基板１８０のギャッ
プ１８２側の面からギャップ１８２内に突出させてもよ
い。この突出部は、ＣＶＤ法等でシリコン基板１８０上
に多結晶シリコン膜を堆積させてエッチングにより不要
部分を除去した後、熱拡散法やイオン注入法によってそ
の多結晶シリコン膜に不純物を添加することで形成すれ
ばよい。また、上部と下部のスイッチの両方を突出させ
てもよい。
ンサについて説明したが、本発明の適用範囲は上記の実
施例になんら限定されるものではない。すなわち、本発
明は、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施し
た形態で実施することができる。本実施例では、図３か
ら図５に示すように、第１上部スイッチ１４２ａと第２
上部スイッチ１５２ａの方を半導体膜１９２のギャップ
１８２側の面からギャップ１８２内に突出させている
が、本発明の適用範囲はこれに限られない。例えば、図
１３に示すように、第１下部スイッチ１４２ｂと第２下
部スイッチ１５２ｂの方をシリコン基板１８０のギャッ
プ１８２側の面からギャップ１８２内に突出させてもよ
い。この突出部は、ＣＶＤ法等でシリコン基板１８０上
に多結晶シリコン膜を堆積させてエッチングにより不要
部分を除去した後、熱拡散法やイオン注入法によってそ
の多結晶シリコン膜に不純物を添加することで形成すれ
ばよい。また、上部と下部のスイッチの両方を突出させ
てもよい。
【００２８】また、本実施例では、圧力によってダイア
フラム１８４がたわんで静電容量が変化する場合を例示
したが、本発明は、加速度や振動や音圧等の物理量によ
ってダイアフラム１８４がたわんで静電容量が変化する
場合一般に適用することができる。また、本実施例で
は、内外２重にリング状の突出部１４２ａ、１５２ａを
設けて感度を２段に切換えているが、切換え段数は２段
に限られない。ダイアフラム１８４の平面形状が円形の
場合には、リング状の突出部１４２ａ、１５２ａを設け
る代わりに、リングに沿って配置された複数の柱状の突
出部を用いてもよい。また、ダイアフラム１８４の平面
形状が例えば正方形等の場合には、ダイアフラム１８４
の変形時の等高線（変形量が同じ位置を結ぶ線）に沿っ
て、単数または複数の突出部を配置することが好まし
い。
フラム１８４がたわんで静電容量が変化する場合を例示
したが、本発明は、加速度や振動や音圧等の物理量によ
ってダイアフラム１８４がたわんで静電容量が変化する
場合一般に適用することができる。また、本実施例で
は、内外２重にリング状の突出部１４２ａ、１５２ａを
設けて感度を２段に切換えているが、切換え段数は２段
に限られない。ダイアフラム１８４の平面形状が円形の
場合には、リング状の突出部１４２ａ、１５２ａを設け
る代わりに、リングに沿って配置された複数の柱状の突
出部を用いてもよい。また、ダイアフラム１８４の平面
形状が例えば正方形等の場合には、ダイアフラム１８４
の変形時の等高線（変形量が同じ位置を結ぶ線）に沿っ
て、単数または複数の突出部を配置することが好まし
い。
【図１】本実施例の静電容量型圧力検出装置のブロック
図。
図。
【図２】本実施例の静電容量型圧力センサの概略平面
図。
図。
【図３】図２のＡ−Ｂ線断面図。
【図４】図２のＣ−Ｄ線断面図。
【図５】図２のＥ−Ｆ線断面図。
【図６】図２のセンサの製造工程の一部を示した図
（１）。
（１）。
【図７】図２のセンサの製造工程の一部を示した図
（２）。
（２）。
【図８】図２のセンサの製造工程の一部を示した図
（３）。
（３）。
【図９】図２のセンサの製造工程の一部を示した図
（４）。
（４）。
【図１０】図２のセンサの製造工程の一部を示した図
（５）。
（５）。
【図１１】図２のセンサの製造工程の一部を示した図
（６）。
（６）。
【図１２】本実施例の静電容量型圧力検出装置の印加圧
力−出力電圧特性を示した図。
力−出力電圧特性を示した図。
【図１３】他の実施例の静電容量型圧力センサの図４に
相当する図。
相当する図。
【図１４】従来の静電容量型圧力検出装置のブロック
図。
図。
【図１５】従来の静電容量型圧力センサの概略平面図。
【図１６】図１５のＡ−Ｂ線断面図。
【図１７】図１５のＣ−Ｄ線断面図。
【図１８】図１５のＥ−Ｆ線断面図。
【図１９】従来の静電容量型圧力検出装置の印加圧力−
出力電圧特性を示した図。
出力電圧特性を示した図。
１０１：静電容量型圧力検出装置 １１０：静電容量型圧力センサ １２０：感圧キャパシタ １２２：感圧容量電極 １２４：感圧容量電極リード １２６：感圧容量電極端子 １３０：基準キャパシタ １３２：基準容量電極 １３４：基準容量電極リード １３６：基準容量電極端子 １４０：第１スイッチ １４２：第１上部・下部スイッチ（突出部の一例） １４４：第１スイッチリード １４６：第１スイッチ端子 １５０：第２スイッチ １５２：第２上部・下部スイッチ（突出部の一例） １５４：第２スイッチリード １５６：第２スイッチ端子 １６０：電圧ＶＸの入力端子 １６２：電圧ＶＲの入力端子 １６４：容量検出回路 １６８：電圧源 １７０：抵抗 １７２：ＲＯＭ １７４：信号処理回路 １７８：電圧ＶＳＥＮの出力端子 １８０：シリコン基板 １８２：ギャップ １８４：ダイアフラム １８６：ダイアフラムの支持部 １８８：基板保護膜 １９０：犠牲層 １９２：半導体膜 １９４：エッチング孔 １９６：封止膜 １９８：エッチング孔の封止部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 太田 則一 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 船橋 博文 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 石王 誠一郎 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 鈴木 康利 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 Ｆターム(参考） 2F055 AA40 BB20 CC02 DD05 EE25 FF12 GG01 GG15 4M112 AA01 BA07 CA01 CA03 CA04 CA11 CA12 CA13 CA14 DA03 DA04 DA06 DA10 DA11 DA12 EA03 EA04 EA07 EA10 FA01 FA02
Claims (7)
- 【請求項１】 固定電極を持つ基板と、基板からギャッ
プを隔てて形成された可動電極を持つダイアフラムと、
ダイアフラムの周縁に形成されたダイアフラムの支持部
を備え、 支持部より内側に、基板のギャップ側の面および／また
はダイアフラムのギャップ側の面からギャップ内に伸び
る突出部が形成されていることを特徴とする静電容量型
物理量センサ。 - 【請求項２】 突出部が複数形成されており、各突出部
はその対向面に異なる物理量をダイアフラムに加えるこ
とで接触することを特徴とする請求項１に記載の静電容
量型物理量センサ。 - 【請求項３】 突出部がダイアフラムの変形時の等高線
に沿って形成されていることを特徴とする請求項１また
は２に記載の静電容量型物理量センサ。 - 【請求項４】 ダイアフラムは、基準容量電極をさらに
持つことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載
の静電容量型物理量センサ。 - 【請求項５】 請求項１から４のいずれかに記載の静電
容量型物理量センサと、加えられる物理量の大きさが変
化しても物理量の変化に対する物理量検出パラメータ値
の変化の割合がほぼ同じとなるように、物理量検出パラ
メータ値を補正する手段を備えた静電容量型物理量検出
装置。 - 【請求項６】 請求項５に記載の補正手段は、突出部が
その対向面に接触する前と接触した後で物理量の変化に
対する物理量検出パラメータ値の変化の割合がほぼ同じ
となるように、突出部がその対向面に接触する前および
／または接触した後の物理量検出パラメータ値を補正す
ることを特徴とする静電容量型物理量検出装置。 - 【請求項７】 請求項５に記載の補正手段は、物理量検
出パラメータ値が所定値になる前となった後で物理量の
変化に対する物理量検出パラメータ値の変化の割合がほ
ぼ同じとなるように、物理量検出パラメータ値が所定値
になる前および／または所定値になった後の物理量検出
パラメータ値を補正することを特徴とする静電容量型物
理量検出装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001166350A JP4342122B2 (ja) | 2001-06-01 | 2001-06-01 | 静電容量型物理量センサと検出装置 |
| US10/157,229 US6647795B2 (en) | 2001-06-01 | 2002-05-30 | Capacitive physical load sensor and detection system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001166350A JP4342122B2 (ja) | 2001-06-01 | 2001-06-01 | 静電容量型物理量センサと検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002357498A true JP2002357498A (ja) | 2002-12-13 |
| JP4342122B2 JP4342122B2 (ja) | 2009-10-14 |
Family
ID=19008895
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001166350A Expired - Fee Related JP4342122B2 (ja) | 2001-06-01 | 2001-06-01 | 静電容量型物理量センサと検出装置 |
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|---|---|
| US (1) | US6647795B2 (ja) |
| JP (1) | JP4342122B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011095019A (ja) * | 2009-10-28 | 2011-05-12 | Kyocera Corp | 圧力検出装置用基体および圧力検出装置 |
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