JP2004325361A - 静電容量型圧力センサ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】温度依存性を減少させることができる温度特性に優れた静電容量型圧力センサ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】第１の基板２７に形成された可撓性を有する上部電極２３と、第２の基板３９に形成された下部電極３３との間に所定の特性の温度係数を有する誘電体３５を介在させて形成されたキャビティ２５を有し、上部電極の撓み量によって変化する上部電極２３と下部電極３３との間の静電容量値に基づいて圧力を検出する静電容量型圧力センサであって、キャビティ２５には所定の特性とは逆の特性の温度係数を有する不活性ガス２６が封入されている。
【選択図】 図１
【解決手段】第１の基板２７に形成された可撓性を有する上部電極２３と、第２の基板３９に形成された下部電極３３との間に所定の特性の温度係数を有する誘電体３５を介在させて形成されたキャビティ２５を有し、上部電極の撓み量によって変化する上部電極２３と下部電極３３との間の静電容量値に基づいて圧力を検出する静電容量型圧力センサであって、キャビティ２５には所定の特性とは逆の特性の温度係数を有する不活性ガス２６が封入されている。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電容量の変化に基づいて圧力を検出する静電容量型圧力センサ及びその製造方法に関し、特に静電容量型圧力センサの温度特性を向上させる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、静電容量の変化量に基づいて圧力を検出する静電容量型圧力センサが知られている。この静電容量型圧力センサは、一般に、圧力に応じて変形するダイアフラム（Ｄｉａｐｈｒａｇｍ）が形成された第１の基板と導電膜が形成された第２の基板とが、ダイアフラムと導電膜とが互いに真空の空隙（キャビティ）を挟んで対向するように接合された構造を有する。
【０００３】
この静電容量型圧力センサでは、ダイアフラムが加圧によって撓わむことによりダイアフラムと導電膜との距離が変化し、この距離の変化に応じて変化する静電容量を測定することにより被測定媒体の圧力が検出される。この静電容量型圧力センサによれば、第１の基板及び第２の基板として広い面積のシリコン及びガラスのウエハをそれぞれ用いることができるので、ウエハ上に一度に大量の静電容量型圧力センサを作製できる。従って、低コストでの大量生産に好適である。
【０００４】
このような静電容量型圧力センサの１つとして、タッチモード式容量型圧力センサが知られている（例えば特許文献１参照）。このタッチモード式容量型圧力センサは、図１２（ａ）に概略的な断面図を示すように、シリコン基板１２１にダイアフラム１２２（上部電極）が形成された第１の基板１２０と、ガラス基板１３１上に形成されたクロム（Ｃｒ）膜からなる導電膜１３２（下部電極）上にガラス膜からなる誘電体膜１３３が形成された第２の基板１３０とが高さ３μｍのキャビティ１４０を隔てて対向するように配置された構造を有する。
【０００５】
第１の基板１２０と第２の基板１３０とは、通常真空中で接合されるので、導電膜１３２とダイアフラム１２２との間に形成されるキャビティ１４０は真空になっている。
【０００６】
圧力検出時は、ダイアフラム１２２は、図１２（ｂ）に示すように、撓わんで誘電体膜１３３に接触する。この接触時の接触面積の変化が導電膜１３２とダイアフラム１２２との間の静電容量の変化として現れるので、この静電容量を測定することにより圧力の検出が行われる。タッチモード式容量型圧力センサは、他の静電容量型センサに比べて高感度で耐圧性が高く、また、圧力と静電容量との関係が直線性を有する等多くの優れた特性を有する。
【０００７】
【特許文献１】
米国特許第５５２８４５２号明細書
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来のタッチモード式容量型センサで使用されている誘電体膜１３３の誘電率は、温度変化に応じて変化する。このため、タッチモード式容量型センサに加えられる圧力が変化していないにも拘わらず、検出される圧力値が周囲温度に応じて変化するという問題がある。
【０００９】
本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、その目的は、温度依存性を減少させることができる温度特性に優れた静電容量型圧力センサ及びその製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、第１の基板に形成された可撓性を有する上部電極と、第２の基板に形成された下部電極との間に正の特性の温度係数を有する誘電体を介在させて形成されたキャビティを有し、前記上部電極の撓み量によって変化する前記上部電極と前記下部電極との間の静電容量値に基づいて圧力を検出する静電容量型圧力センサであって、前記キャビティには前記正の特性とは逆の特性の温度係数を有する不活性ガスが封入されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項１の発明によれば、上部電極と下部電極との間に介在する誘電体は正の特性の温度係数を有し、キャビティに封入される不活性ガスは、正の特性と逆の特性の温度係数を有するので、誘電体による静電容量の変化と不活性ガスによる静電容量の変化とが互いに打ち消し合うことになり、温度依存性の少ない静電容量型圧力センサを得ることができる。
【００１２】
請求項２の発明では、前記誘電体は、前記下部電極上に形成された誘電体膜であることを特徴とする。また、請求項３の発明では、前記キャビティの高さは、前記上部電極の撓み量に応じた面積で前記誘電体膜に接触するように形成されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項２及び請求項３の発明によれば、タッチモード式容量型圧力センサを構成することができるので、他の静電容量型センサに比べて高感度で耐圧性が高く、圧力と静電容量との関係が直線性を有するという優れた特性を実現できる。
【００１４】
請求項４の発明は、可撓性を有する上部電極が形成された第１の基板を製造する第１の基板製造工程と、下部電極が形成された第２の基板を製造する第２の基板製造工程と、前記第１の基板と前記第２の基板とを、前記上部電極と前記下部電極との間に正の特性の温度係数を有する誘電体を介在させてキャビティが形成されるように前記正の特性とは逆の特性の温度係数を有する不活性ガス雰囲気中で接合する接合工程とを備えることを特徴とする静電容量型圧力センサの製造方法である。
【００１５】
請求項４の発明によれば、上部電極と下部電極との間に介在する誘電体として正の特性の温度係数を有するものを採用し、キャビティに封入される不活性ガスとして、正の特性と逆の特性の温度係数を有するものを採用したので、この方法で製造された静電容量圧力センサは、誘電体による静電容量の変化と不活性ガスによる静電容量の変化とが互いに打ち消し合うことになり、温度依存性を少なくすることができる。
【００１６】
請求項５の発明では、前記第２の基板製造工程は、前記下部電極上に誘電体膜を形成することを特徴とする。また、請求項６の発明は、前記第１の基板製造工程は、前記上部電極が該上部電極の撓み量に応じた面積で前記誘電体膜に接触する高さを有するように前記キャビティを形成するための凹部を形成することを特徴とする。
【００１７】
請求項５及び請求項６の発明によれば、タッチモード式容量型圧力センサを構成することができるので、他の静電容量型センサに比べて高感度で耐圧性が高く、圧力と静電容量との関係が直線性を有するという優れた特性を実現できる。
【００１８】
請求項７の発明は、前記第１の基板と前記第２の基板とを、更に所定温度下で前記上部電極と前記下部電極との間に所定電圧を印加するという条件下で陽極接合によって接合することを特徴とする。
【００１９】
請求項７の発明によれば、前記第１の基板と前記第２の基板とが空隙が生じないように確実に接合されるので、キャビティ内の不活性ガスの封止状態が安定し、キャビティ内の圧力変化を抑えることができる。また、時間と共にキャビティの圧力が変化することも抑えることができるので、測定開始圧力が変化したり測定精度が低下することを低減させることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの構造を示す図であり、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）はＣ１断面図、図１（ｃ）はＣ２断面図、図１（ｄ）はＣ３断面図である。
【００２２】
この静電容量型圧力センサは、第１の基板２７と第２の基板３９とから構成されている。第１の基板２７は、シリコン基板２１と、このシリコン基板２１の（１００）面に形成された凹部２４にＰ型イオンを注入して形成された可撓性を有するダイアフラムからなる上部電極２３とから構成されている。第２の基板３９は、ガラス基板３１と、このガラス基板３１上に形成された凹部３２に導電性材料を埋めることにより形成された導電膜（以下、「下部電極」という）３３と、これら下部電極３３及びガラス基板３１上に形成されたガラス膜からなる誘電体膜３５とから構成されている。
【００２３】
また、この静電容量型圧力センサには、上部電極２３を外部に引き出すための第１のアルミ電極３７ａ、及び下部電極３３を外部に引き出すための第２のアルミ電極３７ｂがそれぞれ誘電体膜３５上に設けられている。
【００２４】
第１の基板２７と第２の基板３９とは、下部電極３３と上部電極２３とが対向するように配置され、かつシリコン基板２１の接合面（凹部２４が形成されていない面）と誘電体膜３５の表面とが密閉接合されることにより窒素ガス等の不活性ガス２６が封入されたキャビティ３５が形成されている。上部電極２３は加圧により撓んで下部電極３３側に接触する。これにより、上部電極２３と下部電極３３とにより構成されるコンデンサの静電容量が変化する。
【００２５】
図２は静電容量型圧力センサの構造を示す他の図であり、図２（ａ）は上面図、図２（ｂ）はＤ１断面図である。ガラス基板３１の上には、キャビティ２５の内部から外部に連通する凹部３２が延在し、この凹部３２に導電材料が埋め込まれて下部電極３３が形成されている。下部電極３３の表面は、凹部３２の周囲のガラス基板３１の表面と同じ高さになるように平坦化されており、ガラス基板３１及び下部電極３３の上に積層される誘電体膜３５も平坦化されている。
【００２６】
図３は静電容量型圧力センサの構造を示す更に他の図であり、図３（ａ）は断面図、図３（ｂ）は下部電極を示す上面図である。図３（ｂ）に示すように、下部電極３３は、ガラス基板側電極３３ａと、ガラス基板側外部電極３３ｃと、これらガラス基板側電極３３ａとガラス基板側外部電極３３ｃをつなぐフィードスルー部３３ｂとから構成されている。この下部電極３３の全面は誘電体膜３５で覆われており、誘電体膜３５の厚さは全面に亘って一様且つ平坦である。
【００２７】
以上のように、実施の形態に係る静電容量型圧力センサでは、ガラス基板３１に凹部３２を形成し、その凹部３２に下部電極３３が盛り上がらないように導電材料を埋め込むことでガラス基板３１の上面を平坦にしているので、シリコン基板２１とガラス基板３１との間に空隙が生じない。その結果、ガラス基板３１とシリコン基板２１との間の封止状態が安定してキャビティ２５内の圧力変化を抑えることができるので、圧力変化に伴う測定開始圧力の変化や測定精度の低下を防止できる。
【００２８】
次に、本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの製造工程を、図４を参照して詳細に説明する。図４（ａ１）〜（ａ５）は、第２の基板３９の製造工程を示す図であり、具体的には、図４（ａ１）は、ガラス基板３１の洗浄工程、図４（ａ２）は凹部３２の形成工程、図４（ａ３）は下部電極３３の形成工程、図４（ａ４）は誘電体膜３５の形成工程、図４（ａ５）はコンタクト及び外部電極３３の形成工程を示している。
【００２９】
図４（ｂ１）〜（ｂ３）は、第１の基板２７の製造工程を示す図であり、具体的には、図４（ｂ１）はシリコン基板２１の洗浄工程、図４（ｂ２）はエッチング工程、図４（ｂ３）はイオン注入工程を示している。
【００３０】
（第２の基板３９の製造工程）
まず、図４（ａ１）に示すように、出発材料であるガラス基板３１を用意し、ガラス基板３１上のゴミ、ホコリ等を取り除くための表面洗浄を行う。ここでガラスの素材としては、パイレックス（登録商標）ガラスなどの硬質ガラスが好適であるが、セラミック材を用いることも可能である。
【００３１】
次いで、図４（ａ２）に示すように、ガラス基板３１上にフォトレジストを塗布し、これをフォトリソグラフィー技術によりパターニングして、図３（ｂ）に斜線で示すような形状に下部電極領域を開口する。次いで、開口されたレジストをマスクにしてウェットエッチングによりガラス基板３１上に０．１μｍの深さの凹部３２を形成する。次いで、ガラス基板３１上の余分なレジストを除去して洗浄を行うことにより、凹部３２が形成されたガラス基板３１が完成する。なお、この後部の形成工程で行うエッチング方法はウェットエッチングに限らずドライエッチングでもよい。
【００３２】
続いて、図４（ａ３）に示すように、凹部３２が形成されたガラス基板３１上にスパッタリングによりクロム（Ｃｒ）を均一に蒸着させて０．１μｍのクロム膜を形成する。次いで、このクロム膜上にフォトレジストを塗布してフォトリソグラフィー技術によりパターニングし、下部電極以外の領域を開口する。次いで、ウェットエッチング等により下部電極以外の領域に蒸着されたクロム膜を除去する。次いで、下部電極領域上に蒸着されているフォトレジスト膜を除去することにより、下部電極３３が形成される。
【００３３】
ここで、下部電極３３の電極材料として、ガラスとの密着性の点からクロムを選択したが、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｔｉなどの電極材料を用いることも可能である。また、成膜方法としては、スパッタリングのみならずＣＶＤ法、無電解メッキ法などの周知の成膜方法を採用することができる。
【００３４】
次いで、図４（ａ４）に示すように、下部電極３３が埋め込まれた表面が平坦なガラス基板３１上に、スパッタリングによりカラス膜から成る誘電体膜３５を０．４μｍの厚さで形成する。この誘電体膜３５上に更にフォトレジストを塗布して、フォトリソグラフィー技術によりパターニングしコンタクトホール３６を開口する。次いで、このレジストをマスクにして、反応性イオンエッチングにより下部電極３３まで貫通するコンタクトホール３６を形成する。次いで、ガラス基板３１上のレジストを除去することにより、コンタクトホール３６が形成された誘電体膜３５を有する第２の基板３９が完成する。
【００３５】
続いて、図４（ａ５）に示すように、コンタクトホール３６が形成された誘電体膜３５上にスパッタリングによりアルミニウム等の金属膜を均一に蒸着させてコンタクトホール３６を埋めると共に、誘電体膜３５上にアルミニウム等の金属を蒸着させる。次いで、このアルミニウム膜上にフォトレジストを塗布して、フォトリソグラフィー技術によりパターニングし、コンタクトホール３６に連結して設けられる外部電極以外の領域のレジストを除去する。そして、このレジストをマスクにして反応性イオンエッチング等によりアルミニウム膜を除去する。次いで外部電極領域上のレジストを除去することで、コンタクト及び外部電極３３が形成される。なお、外部電極３３に凹凸がある場合は、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法で表面を研磨して平坦化する。
【００３６】
（第１の基板２７の製造工程）
まず、図４（ｂ１）に示すように、出発材料であるシリコン単結晶からなるｎ型シリコン基板２１を用意し、シリコン基板２１上のゴミ、ホコリ等を取り除くための表面洗浄を行う。
【００３７】
次いで、図４（ｂ２）に示すように、シリコン基板２１上にフォトレジストを塗布し、これをフォトリソグラフィー技術によりパターニングして上部電極領域を開口する。次いで、開口されたレジストをマスクにして異方性エッチングによりシリコン基板２１上に３μｍの深さの矩形の凹部２４を形成する。次いで、シリコン基板２１上の余分なレジストを除去し洗浄を行うことにより、凹部２４が形成されたシリコン基板２１が完成する。
【００３８】
一般に、シリコン単結晶を用いたダイアフラムの形成には、ＫＯＨ（水酸化カリウム）、ＮａＯＨ（水酸化ナトリウム）等の無機系溶液やエチレンジアミン・ピロカテコール（ＥＤＰ）、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）等の有機系溶液を用い、シリコン単結晶の結晶方位によるエッチングレートの違いを利用した異方性エッチングがなされることが多い。これらのエッチング溶液の中でもＫＯＨ水溶液は、他のエッチング溶液と比較してエッチングレートが大きく安価であるので、シリコン単結晶の異方性エッチングに良く用いられている。
【００３９】
続いて、図４（ｂ３）に示すように、シリコン基板２１の凹部２４が形成されている面に、濃度が１０１９ｃｍ−３程度のボロン（Ｂ）をイオン注入してｎ型シリコンにＰ＋層の上部電極２３を形成する。
【００４０】
（第１の基板２７と第２の基板３９の接合工程）
次に、図４（ｃ１）に示すように、上部電極２３が形成されている第１の基板２７と、下部電極３３及び誘電体膜３５が形成されている第２の基板３９とが貼り合わされて位置合わせが行われる。
【００４１】
次いで、位置合わせされた第１の基板２７及び第２の基板３９が、図５に示すように、ステンレス等からなるチャンバ１００の内部に設けられたカーボン等からなるカーボンステージ１０１にセットされる。このセットにより、カーボンステージ１０１と第１の基板２７とは電気的に導通した状態になる。そして、電源１０２の正極端子が第２の基板３９に、電源１０２の負極端子がカーボンステージ１０１にそれぞれ接続される。電源１０２は、６００Ｖの直流電圧を出力する直流電源である。
【００４２】
次いで、チャンバ１００の内部が真空にされる。この真空状態で、チャンバ１００の内部に窒素ガスからなる不活性ガス２６が封入されて常圧（１ａｔｍ）に調整される。
【００４３】
次いで、第１の基板２７及び第２の基板３９が４００゜Ｃに加熱される。この加熱状態で電源１０２が投入されることにより、第１の基板２７を陰極とし、第２の基板３９を陽極として６００Ｖの電圧が印加される。これにより、第１の基板２７と第２の基板３９とは陽極接合により接合され、キャビティ２５の内部に窒素ガスが封入される。
【００４４】
なお、常圧（１ａｔｍ）及び４００゜Ｃという条件下で陽極接合を行った後に常温常圧（２５゜Ｃ、１ａｔｍ）に戻すと、キャビティ２５内の圧力は約０．４ａｔｍになる。一般的には、陽極接合時に第１の基板２７及び第２の基板３９に加えられる温度（基板温度）は３００〜５００゜Ｃである。陽極接合時の基板温度と圧力によって、陽極接合後のキャビティ２５内の圧力は決定される。
【００４５】
陽極接合が完了すると、図４（ｃ２）に示すように、ガラス基板３１と反対の面からシリコン基板２１をエッチングする。このエッチングでは、Ｐ＋層でのエッチストップ効果を利用することができる。即ち、ボロン濃度が１０１９ｃｍ−３を超えるような領域ではシリコン層と比べてエッチングレートが数十分の一から数百分の一になるという効果を利用して、通常厚さ数μｍのダイアフラムからなる上部電極２３を形成することができる。
【００４６】
なお、ダイアフラムの厚さや、ダイアフラムからなる上部電極２３と下部電極３３との間隔（電極間隔）を制御することにより、後述する静電容量−圧力特性に示される直線領域を所望の動作領域に合わせることができるので、例えばタイヤ圧検出用の圧力センサにおいては、ダイアフラムの厚さや電極間隔を制御することにより１０ｋｇｆ／ｃｍ２程度の圧力範囲内で安定した動作が得られる静電容量型圧力センサを製造することができる。
【００４７】
従って、以上の製造工程で製造された静電容量型圧力センサは、ダイアフラムがｎ型シリコンに高濃度にボロンをドーピングしてなるＰ＋層からなるため、ダイアフラムを上部電極２３とすれば、圧力検出時には下部電極３３、誘電体膜３５、及び上部電極２３からなるコンデンサを形成していることと同等となるので、上部電極（ダイアフラム）２３と誘電体膜３５との接触面積の変化を上部電極２３と下部電極３３との間の静電容量の変化として検出することで圧力の測定が可能になる。
【００４８】
（静電容量と圧力関係）
次に、キャビティ内部に窒素ガスが封入されている本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの温度特性を、キャビティ内部が真空にされいている従来の静電容量型圧力センサと比較しながら説明する。
【００４９】
図６は、静電容量型圧力センサの静電容量と印加圧力との関係を示す。静電容量型圧力センサの特性上、上部電極２３が誘電体膜３５に接触しない低圧領域（未接触領域）では、感度は殆どゼロである。上部電極２３が誘電体膜３５に接触すると、静電容量型圧力センサの静電容量は一定の範囲内で圧力に対してほぼ直線的に増加（直線領域）し、更に圧力が高くなると感度は次第に低下して静電容量の変化は飽和する（飽和領域）。上部電極２３が誘電体膜３５に接触するときの圧力、即ち測定開始圧力は上部電極２３を構成するダイアフラムの厚さ、キャビティ２５の高さ及びキャビティ２５内部の圧力に大きく依存する。
【００５０】
ところで、静電容量型圧力センサで使用されているガラス膜からなる誘電体膜３５の誘電率は、温度の上昇と共に大きくなって静電容量を増加させるように作用し、温度の下降と共に小さくなって静電容量を減少させるように作用するので正の特性の温度係数を有すると考えることができる。従って、キャビティ２５の内部が真空にされている従来の静電容量型圧力センサの静電容量は、図７に示すように、印加圧力が一定であっても、温度が高ければ大きくなり、温度が低ければ小さくなる。従って、周囲温度が変化するような環境では正確な圧力を検出できない。
【００５１】
これに対し、キャビティ２５の内部に窒素ガスが封入されている本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサによれば、キャビティ２５の内部に封入された窒素ガスは、温度が上昇すると膨張して静電容量を減少させるように作用し、温度が下降すると収縮して静電容量を増加させるように作用するので、負の特性の温度係数を有すると考えることができる。従って、誘電体膜３５の誘電率を無視して窒素ガスの膨張及び収縮のみに着目すると、静電容量型圧力センサの静電容量は、図８に示すように、圧力が一定であれば、温度が高ければ小さくなり、温度が低ければ大きくなる。
【００５２】
従って、本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサでは、誘電体膜３５に起因して変化する静電容量とキャビティ２５の内部の窒素ガスに起因して変化する静電容量の各変化分が相互に打ち消しあうため、全体として静電容量型圧力センサの温度依存性を減少させることができる。その結果、静電容量型圧力センサの温度特性を向上させることができる。
【００５３】
なお、上述した実施の形態では、誘電体膜３５の材料として正の特性の温度係数を有するガラスを用いたが、ガラス以外に、セラミックなどの絶縁材料を採用することも可能である。また、キャビティ２５の内部に封入する不活性ガスとして負の特性の温度係数を有する窒素ガスを用いたが、窒素ガス以外に、負の特性の温度係数を有する不活性ガスとして、例えば、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒの希ガス類を用いることができる。
【００５４】
また、上述した実施の形態では、誘電体膜３５として正の特性の温度係数を有する材料を用い、キャビティ２５に封入する不活性ガスとして負の特性の温度係数を有する材料を用いたが、逆に、誘電体膜３５として負の特性の温度係数を有する材料を用い、キャビティ２５に封入するガスとして正の特性の温度係数を有する材料を用いても良い。
【００５５】
以上説明したように、本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサによれば、上部電極２３と下部電極３３との間に介在する誘電体膜３５は正の特性の温度係数を有し、キャビティ２５に封入される不活性ガスは、負の特性の温度係数を有するので、誘電体に起因する静電容量の変化と不活性ガスに起因する静電容量の変化とが互いに打ち消し合うことになり、温度依存性の少ない静電容量型圧力センサを得ることができる。
【００５６】
また、クロム膜及びガラス膜の形成方法は、スパッタリングによる膜の蒸着などの周知の形成方法とフォトリソグラフィによるパターニングによる一連の工程で行われるので製造工程が簡易になる。
【００５７】
また、シリコン基板及びガラス基板上はそれぞれ各種部品を形成する工程が終了後、互いの基板を接合して個々チップごとに切断することで完成された１個の静電容量型圧力センサを得ることができる。
【００５８】
更に、以上の説明はタッチモード方式容量型圧力センサに沿ったものであるが、本発明の電極構造は、上部電極が下部電極側に接触しない方式の静電容量型圧力センサに用いることもできる。
【００５９】
次に、上述した本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの変形例を説明する。図９は、第１の変形例を示す図である。この第１の変形例に係る静電容量型圧力センサは、下部電極３３の構造が上述した静電容量型圧力センサと異なる。
【００６０】
即ち、下部電極３３は、ガラス基板側電極３３ａとフィードスルー部３３ｂとガラス基板側外部電極３３ｃとから構成されており、ガラス基板３１に形成される凹部３２はガラス基板３１上のシリコン基板２１と接合する接合面近傍の部分のみであって、しかもフィードスルー部３３ｂのみである。従って、この部分の下部電極のみがガラス基板３１に埋め込まれ、他の部分はガラス基板３１の表面に形成される。そのため、ガラス基板３１上のシリコン基板２１と接合する接合面近傍のみが平坦化されるので、シリコン基板２１とガラス基板３１との間に空隙が生じない。その結果、ガラス基板３１とシリコン基板２１との間の封止状態が安定してキャビティ２５内の圧力変化を抑えることができるので、圧力変化に伴う測定開始圧力の変化や測定精度の低下を防止できる。
【００６１】
図１０は、第２変形例を示す図である。この第２の変形例に係る静電容量型圧力センサは、下部電極３３の形状が上述した第１の変形例に係る静電容量型圧力センサと異なる。
【００６２】
即ち、第２の変形例に係る静電容量型圧力センサの下部電極３３は、フィードスルー部３３ｂとガラス基板側外部電極３３ｃとがガラス基板３１に埋め込まれている。その結果、上記構成を有する静電容量型圧力センサの下部電極３３のうち、少なくともフィードスルー部３３ｂが埋め込まれるため、シリコン基板２１と接合する接合面が平坦化される。その結果、シリコン基板２１とガラス基板３１との間に空隙が生じない。その結果、ガラス基板３１とシリコン基板２１との間の封止状態が安定してキャビティ２５内の圧力変化を抑えることができるので、圧力変化に伴う測定開始圧力の変化や測定精度の低下を防止できる。
【００６３】
図１１は、第３の変形例を示す図である。この第３の変形例に係る静電容量圧力センサは、上部電極２３の周縁を支持する厚肉部の構造が、上述した実施の形態、第１の変形例及び第２の変形例と異なる。
【００６４】
即ち、実施の形態、その第１の変形例及び第２の変形例に係る静電容量型圧力センサの断面図においては、上部電極２３の周縁は厚肉部の中程にて支持されているが、この第３の変形例においては、厚肉部の上面と上部電極２３が一致する高さになるように平坦化している。
【００６５】
なお、図１１においては、下部電極３３の全体をガラス基板３１に埋め込むように配置しているが、埋め込み形状はこれに限らず、第１及び第２の変形例で示したようにフィードスルー部３３ｂのみが埋め込まれていればよい。
【００６６】
従って、この第３の変形例においては、上部電極２３の外周を囲うように設けられていたシリコン突起の高さを上部電極２３の高さと同等にすることで、上部電極２３を押圧する押圧面積を広くすることができるので、より操作がし易くなる。また、下部電極３３がガラス基板３１に埋め込まれていることで、シリコン基板２１とガラス基板３１との間に空隙が生じない。その結果、ガラス基板３１とシリコン基板２１との間の封止状態が安定してキャビティ２５内の圧力変化を抑えることができるので、圧力変化に伴う測定開始圧力の変化や測定精度の低下を防止できる。
【００６７】
なお、上述した本発明の実施の形態及び変形例に係る静電容量型圧力センサでは、誘電体膜３５を第２の基板３９に設けたが、第１の基板２７に設けることもできる。この場合、可撓性を有する誘電体材料を用いて、上部電強２３のキャビティ２５側の表面に誘電体膜を形成すればよい。
【００６８】
また、上述した本発明の実施の形態及び変形例に係る静電容量型圧力センサでは、キャビティ２５は、第１の基板２７に凹部を設けることにより構成したが、第２の基板３９に凹部を設けることにより構成することもできる。
【００６９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、第２の基板に形成された下部電極との間に所定の特性の温度係数を有する誘電体を介在させて形成されたキャビティを有し、上部電極の撓み量によって変化する上部電極と下部電極との間の静電容量値に基づいて圧力を検出する静電容量型圧力センサにおいて、キャビティには所定の特性とは逆の特性の温度係数を有する不活性ガスが封入したので、誘電体による静電容量の変化と不活性ガスによる静電容量の変化とが互いに打ち消し合うことになり、温度依存性の少ない静電容量型圧力センサを得ることができる。
【００７０】
また、本発明によれば、可撓性を有する上部電極が形成された第１の基板を製造する第１の基板製造工程と、下部電極が形成された第２の基板を製造する第２の基板製造工程と、第１の基板と第２の基板とを、上部電極と下部電極との間に所定の特性の温度係数を有する誘電体を介在させてキャビティが形成されるように所定の特性とは逆の特性の温度係数を有する不活性ガス雰囲気中で接合する接合工程を経て静電容量型圧力センサを製造するので、製造された静電容量圧力センサは、誘電体による静電容量の変化と不活性ガスによる静電容量の変化とが互いに打ち消し合うことになり、温度依存性の少ない静電容量型圧力センサを製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの構造を示す図であり、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）はＣ１断面図、図１（ｃ）はＣ２断面図、図１（ｄ）はＣ３断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの構造を示す他の図であり、図２（ａ）は上面図、図２（ｂ）はＤ１断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの構造を示す更に他の図であり、図３（ａ）は断面図、図３（ｂ）は下部電極を示す上面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの製造工程を説明するための図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの製造工程の中の接合工程を説明するための図である。
【図６】静電容量型圧力センサの静電容量と印加圧力との関係を示す特性グラフである。
【図７】静電容量型圧力センサの静電容量と印加圧力との関係が誘電体膜の誘電率に応じて変化する状態を示す特性グラフである。
【図８】静電容量型圧力センサの静電容量と印加圧力との関係が温度に応じて変化する状態を示す特性グラフである。
【図９】本発明の第１の変形例に係る静電容量型圧力センサの構造を示す図であり、図９（ａ）は上面図、図９（ｂ）はＤ２断面図（ｂ）である。
【図１０】本発明の第２の変形例に係る静電容量型圧力センサの構造を示す図であり、図１０（ａ）は上面図、図１０（ｂ）はＤ３断面図である。
【図１１】本発明の第３の変形例に係る静電容量型圧力センサの断面図である。
【図１２】従来のタッチモード式容量型圧力センサを説明するための図であり、図１２（ａ）は断面図、図１２（ｂ）は動作を説明するための断面図である。
【符号の説明】
２１ シリコン基板
２３ ダイアフラム（上部電極）
２４ 凹部
２５ キャビティ
２７ 第１の基板
３１ ガラス基板
３２ 凹部
３３ 下部電極
３３ａ ガラス基板側電極
３３ｂ フィードスルー部
３３ｃ ガラス基板側外部電極
３５ 誘電体膜
３７ａ 第１のアルミ電極
３７ｂ 第２のアルミ電極
３９ 第２の基板
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電容量の変化に基づいて圧力を検出する静電容量型圧力センサ及びその製造方法に関し、特に静電容量型圧力センサの温度特性を向上させる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、静電容量の変化量に基づいて圧力を検出する静電容量型圧力センサが知られている。この静電容量型圧力センサは、一般に、圧力に応じて変形するダイアフラム（Ｄｉａｐｈｒａｇｍ）が形成された第１の基板と導電膜が形成された第２の基板とが、ダイアフラムと導電膜とが互いに真空の空隙（キャビティ）を挟んで対向するように接合された構造を有する。
【０００３】
この静電容量型圧力センサでは、ダイアフラムが加圧によって撓わむことによりダイアフラムと導電膜との距離が変化し、この距離の変化に応じて変化する静電容量を測定することにより被測定媒体の圧力が検出される。この静電容量型圧力センサによれば、第１の基板及び第２の基板として広い面積のシリコン及びガラスのウエハをそれぞれ用いることができるので、ウエハ上に一度に大量の静電容量型圧力センサを作製できる。従って、低コストでの大量生産に好適である。
【０００４】
このような静電容量型圧力センサの１つとして、タッチモード式容量型圧力センサが知られている（例えば特許文献１参照）。このタッチモード式容量型圧力センサは、図１２（ａ）に概略的な断面図を示すように、シリコン基板１２１にダイアフラム１２２（上部電極）が形成された第１の基板１２０と、ガラス基板１３１上に形成されたクロム（Ｃｒ）膜からなる導電膜１３２（下部電極）上にガラス膜からなる誘電体膜１３３が形成された第２の基板１３０とが高さ３μｍのキャビティ１４０を隔てて対向するように配置された構造を有する。
【０００５】
第１の基板１２０と第２の基板１３０とは、通常真空中で接合されるので、導電膜１３２とダイアフラム１２２との間に形成されるキャビティ１４０は真空になっている。
【０００６】
圧力検出時は、ダイアフラム１２２は、図１２（ｂ）に示すように、撓わんで誘電体膜１３３に接触する。この接触時の接触面積の変化が導電膜１３２とダイアフラム１２２との間の静電容量の変化として現れるので、この静電容量を測定することにより圧力の検出が行われる。タッチモード式容量型圧力センサは、他の静電容量型センサに比べて高感度で耐圧性が高く、また、圧力と静電容量との関係が直線性を有する等多くの優れた特性を有する。
【０００７】
【特許文献１】
米国特許第５５２８４５２号明細書
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来のタッチモード式容量型センサで使用されている誘電体膜１３３の誘電率は、温度変化に応じて変化する。このため、タッチモード式容量型センサに加えられる圧力が変化していないにも拘わらず、検出される圧力値が周囲温度に応じて変化するという問題がある。
【０００９】
本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、その目的は、温度依存性を減少させることができる温度特性に優れた静電容量型圧力センサ及びその製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、第１の基板に形成された可撓性を有する上部電極と、第２の基板に形成された下部電極との間に正の特性の温度係数を有する誘電体を介在させて形成されたキャビティを有し、前記上部電極の撓み量によって変化する前記上部電極と前記下部電極との間の静電容量値に基づいて圧力を検出する静電容量型圧力センサであって、前記キャビティには前記正の特性とは逆の特性の温度係数を有する不活性ガスが封入されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項１の発明によれば、上部電極と下部電極との間に介在する誘電体は正の特性の温度係数を有し、キャビティに封入される不活性ガスは、正の特性と逆の特性の温度係数を有するので、誘電体による静電容量の変化と不活性ガスによる静電容量の変化とが互いに打ち消し合うことになり、温度依存性の少ない静電容量型圧力センサを得ることができる。
【００１２】
請求項２の発明では、前記誘電体は、前記下部電極上に形成された誘電体膜であることを特徴とする。また、請求項３の発明では、前記キャビティの高さは、前記上部電極の撓み量に応じた面積で前記誘電体膜に接触するように形成されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項２及び請求項３の発明によれば、タッチモード式容量型圧力センサを構成することができるので、他の静電容量型センサに比べて高感度で耐圧性が高く、圧力と静電容量との関係が直線性を有するという優れた特性を実現できる。
【００１４】
請求項４の発明は、可撓性を有する上部電極が形成された第１の基板を製造する第１の基板製造工程と、下部電極が形成された第２の基板を製造する第２の基板製造工程と、前記第１の基板と前記第２の基板とを、前記上部電極と前記下部電極との間に正の特性の温度係数を有する誘電体を介在させてキャビティが形成されるように前記正の特性とは逆の特性の温度係数を有する不活性ガス雰囲気中で接合する接合工程とを備えることを特徴とする静電容量型圧力センサの製造方法である。
【００１５】
請求項４の発明によれば、上部電極と下部電極との間に介在する誘電体として正の特性の温度係数を有するものを採用し、キャビティに封入される不活性ガスとして、正の特性と逆の特性の温度係数を有するものを採用したので、この方法で製造された静電容量圧力センサは、誘電体による静電容量の変化と不活性ガスによる静電容量の変化とが互いに打ち消し合うことになり、温度依存性を少なくすることができる。
【００１６】
請求項５の発明では、前記第２の基板製造工程は、前記下部電極上に誘電体膜を形成することを特徴とする。また、請求項６の発明は、前記第１の基板製造工程は、前記上部電極が該上部電極の撓み量に応じた面積で前記誘電体膜に接触する高さを有するように前記キャビティを形成するための凹部を形成することを特徴とする。
【００１７】
請求項５及び請求項６の発明によれば、タッチモード式容量型圧力センサを構成することができるので、他の静電容量型センサに比べて高感度で耐圧性が高く、圧力と静電容量との関係が直線性を有するという優れた特性を実現できる。
【００１８】
請求項７の発明は、前記第１の基板と前記第２の基板とを、更に所定温度下で前記上部電極と前記下部電極との間に所定電圧を印加するという条件下で陽極接合によって接合することを特徴とする。
【００１９】
請求項７の発明によれば、前記第１の基板と前記第２の基板とが空隙が生じないように確実に接合されるので、キャビティ内の不活性ガスの封止状態が安定し、キャビティ内の圧力変化を抑えることができる。また、時間と共にキャビティの圧力が変化することも抑えることができるので、測定開始圧力が変化したり測定精度が低下することを低減させることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの構造を示す図であり、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）はＣ１断面図、図１（ｃ）はＣ２断面図、図１（ｄ）はＣ３断面図である。
【００２２】
この静電容量型圧力センサは、第１の基板２７と第２の基板３９とから構成されている。第１の基板２７は、シリコン基板２１と、このシリコン基板２１の（１００）面に形成された凹部２４にＰ型イオンを注入して形成された可撓性を有するダイアフラムからなる上部電極２３とから構成されている。第２の基板３９は、ガラス基板３１と、このガラス基板３１上に形成された凹部３２に導電性材料を埋めることにより形成された導電膜（以下、「下部電極」という）３３と、これら下部電極３３及びガラス基板３１上に形成されたガラス膜からなる誘電体膜３５とから構成されている。
【００２３】
また、この静電容量型圧力センサには、上部電極２３を外部に引き出すための第１のアルミ電極３７ａ、及び下部電極３３を外部に引き出すための第２のアルミ電極３７ｂがそれぞれ誘電体膜３５上に設けられている。
【００２４】
第１の基板２７と第２の基板３９とは、下部電極３３と上部電極２３とが対向するように配置され、かつシリコン基板２１の接合面（凹部２４が形成されていない面）と誘電体膜３５の表面とが密閉接合されることにより窒素ガス等の不活性ガス２６が封入されたキャビティ３５が形成されている。上部電極２３は加圧により撓んで下部電極３３側に接触する。これにより、上部電極２３と下部電極３３とにより構成されるコンデンサの静電容量が変化する。
【００２５】
図２は静電容量型圧力センサの構造を示す他の図であり、図２（ａ）は上面図、図２（ｂ）はＤ１断面図である。ガラス基板３１の上には、キャビティ２５の内部から外部に連通する凹部３２が延在し、この凹部３２に導電材料が埋め込まれて下部電極３３が形成されている。下部電極３３の表面は、凹部３２の周囲のガラス基板３１の表面と同じ高さになるように平坦化されており、ガラス基板３１及び下部電極３３の上に積層される誘電体膜３５も平坦化されている。
【００２６】
図３は静電容量型圧力センサの構造を示す更に他の図であり、図３（ａ）は断面図、図３（ｂ）は下部電極を示す上面図である。図３（ｂ）に示すように、下部電極３３は、ガラス基板側電極３３ａと、ガラス基板側外部電極３３ｃと、これらガラス基板側電極３３ａとガラス基板側外部電極３３ｃをつなぐフィードスルー部３３ｂとから構成されている。この下部電極３３の全面は誘電体膜３５で覆われており、誘電体膜３５の厚さは全面に亘って一様且つ平坦である。
【００２７】
以上のように、実施の形態に係る静電容量型圧力センサでは、ガラス基板３１に凹部３２を形成し、その凹部３２に下部電極３３が盛り上がらないように導電材料を埋め込むことでガラス基板３１の上面を平坦にしているので、シリコン基板２１とガラス基板３１との間に空隙が生じない。その結果、ガラス基板３１とシリコン基板２１との間の封止状態が安定してキャビティ２５内の圧力変化を抑えることができるので、圧力変化に伴う測定開始圧力の変化や測定精度の低下を防止できる。
【００２８】
次に、本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの製造工程を、図４を参照して詳細に説明する。図４（ａ１）〜（ａ５）は、第２の基板３９の製造工程を示す図であり、具体的には、図４（ａ１）は、ガラス基板３１の洗浄工程、図４（ａ２）は凹部３２の形成工程、図４（ａ３）は下部電極３３の形成工程、図４（ａ４）は誘電体膜３５の形成工程、図４（ａ５）はコンタクト及び外部電極３３の形成工程を示している。
【００２９】
図４（ｂ１）〜（ｂ３）は、第１の基板２７の製造工程を示す図であり、具体的には、図４（ｂ１）はシリコン基板２１の洗浄工程、図４（ｂ２）はエッチング工程、図４（ｂ３）はイオン注入工程を示している。
【００３０】
（第２の基板３９の製造工程）
まず、図４（ａ１）に示すように、出発材料であるガラス基板３１を用意し、ガラス基板３１上のゴミ、ホコリ等を取り除くための表面洗浄を行う。ここでガラスの素材としては、パイレックス（登録商標）ガラスなどの硬質ガラスが好適であるが、セラミック材を用いることも可能である。
【００３１】
次いで、図４（ａ２）に示すように、ガラス基板３１上にフォトレジストを塗布し、これをフォトリソグラフィー技術によりパターニングして、図３（ｂ）に斜線で示すような形状に下部電極領域を開口する。次いで、開口されたレジストをマスクにしてウェットエッチングによりガラス基板３１上に０．１μｍの深さの凹部３２を形成する。次いで、ガラス基板３１上の余分なレジストを除去して洗浄を行うことにより、凹部３２が形成されたガラス基板３１が完成する。なお、この後部の形成工程で行うエッチング方法はウェットエッチングに限らずドライエッチングでもよい。
【００３２】
続いて、図４（ａ３）に示すように、凹部３２が形成されたガラス基板３１上にスパッタリングによりクロム（Ｃｒ）を均一に蒸着させて０．１μｍのクロム膜を形成する。次いで、このクロム膜上にフォトレジストを塗布してフォトリソグラフィー技術によりパターニングし、下部電極以外の領域を開口する。次いで、ウェットエッチング等により下部電極以外の領域に蒸着されたクロム膜を除去する。次いで、下部電極領域上に蒸着されているフォトレジスト膜を除去することにより、下部電極３３が形成される。
【００３３】
ここで、下部電極３３の電極材料として、ガラスとの密着性の点からクロムを選択したが、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｔｉなどの電極材料を用いることも可能である。また、成膜方法としては、スパッタリングのみならずＣＶＤ法、無電解メッキ法などの周知の成膜方法を採用することができる。
【００３４】
次いで、図４（ａ４）に示すように、下部電極３３が埋め込まれた表面が平坦なガラス基板３１上に、スパッタリングによりカラス膜から成る誘電体膜３５を０．４μｍの厚さで形成する。この誘電体膜３５上に更にフォトレジストを塗布して、フォトリソグラフィー技術によりパターニングしコンタクトホール３６を開口する。次いで、このレジストをマスクにして、反応性イオンエッチングにより下部電極３３まで貫通するコンタクトホール３６を形成する。次いで、ガラス基板３１上のレジストを除去することにより、コンタクトホール３６が形成された誘電体膜３５を有する第２の基板３９が完成する。
【００３５】
続いて、図４（ａ５）に示すように、コンタクトホール３６が形成された誘電体膜３５上にスパッタリングによりアルミニウム等の金属膜を均一に蒸着させてコンタクトホール３６を埋めると共に、誘電体膜３５上にアルミニウム等の金属を蒸着させる。次いで、このアルミニウム膜上にフォトレジストを塗布して、フォトリソグラフィー技術によりパターニングし、コンタクトホール３６に連結して設けられる外部電極以外の領域のレジストを除去する。そして、このレジストをマスクにして反応性イオンエッチング等によりアルミニウム膜を除去する。次いで外部電極領域上のレジストを除去することで、コンタクト及び外部電極３３が形成される。なお、外部電極３３に凹凸がある場合は、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法で表面を研磨して平坦化する。
【００３６】
（第１の基板２７の製造工程）
まず、図４（ｂ１）に示すように、出発材料であるシリコン単結晶からなるｎ型シリコン基板２１を用意し、シリコン基板２１上のゴミ、ホコリ等を取り除くための表面洗浄を行う。
【００３７】
次いで、図４（ｂ２）に示すように、シリコン基板２１上にフォトレジストを塗布し、これをフォトリソグラフィー技術によりパターニングして上部電極領域を開口する。次いで、開口されたレジストをマスクにして異方性エッチングによりシリコン基板２１上に３μｍの深さの矩形の凹部２４を形成する。次いで、シリコン基板２１上の余分なレジストを除去し洗浄を行うことにより、凹部２４が形成されたシリコン基板２１が完成する。
【００３８】
一般に、シリコン単結晶を用いたダイアフラムの形成には、ＫＯＨ（水酸化カリウム）、ＮａＯＨ（水酸化ナトリウム）等の無機系溶液やエチレンジアミン・ピロカテコール（ＥＤＰ）、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）等の有機系溶液を用い、シリコン単結晶の結晶方位によるエッチングレートの違いを利用した異方性エッチングがなされることが多い。これらのエッチング溶液の中でもＫＯＨ水溶液は、他のエッチング溶液と比較してエッチングレートが大きく安価であるので、シリコン単結晶の異方性エッチングに良く用いられている。
【００３９】
続いて、図４（ｂ３）に示すように、シリコン基板２１の凹部２４が形成されている面に、濃度が１０１９ｃｍ−３程度のボロン（Ｂ）をイオン注入してｎ型シリコンにＰ＋層の上部電極２３を形成する。
【００４０】
（第１の基板２７と第２の基板３９の接合工程）
次に、図４（ｃ１）に示すように、上部電極２３が形成されている第１の基板２７と、下部電極３３及び誘電体膜３５が形成されている第２の基板３９とが貼り合わされて位置合わせが行われる。
【００４１】
次いで、位置合わせされた第１の基板２７及び第２の基板３９が、図５に示すように、ステンレス等からなるチャンバ１００の内部に設けられたカーボン等からなるカーボンステージ１０１にセットされる。このセットにより、カーボンステージ１０１と第１の基板２７とは電気的に導通した状態になる。そして、電源１０２の正極端子が第２の基板３９に、電源１０２の負極端子がカーボンステージ１０１にそれぞれ接続される。電源１０２は、６００Ｖの直流電圧を出力する直流電源である。
【００４２】
次いで、チャンバ１００の内部が真空にされる。この真空状態で、チャンバ１００の内部に窒素ガスからなる不活性ガス２６が封入されて常圧（１ａｔｍ）に調整される。
【００４３】
次いで、第１の基板２７及び第２の基板３９が４００゜Ｃに加熱される。この加熱状態で電源１０２が投入されることにより、第１の基板２７を陰極とし、第２の基板３９を陽極として６００Ｖの電圧が印加される。これにより、第１の基板２７と第２の基板３９とは陽極接合により接合され、キャビティ２５の内部に窒素ガスが封入される。
【００４４】
なお、常圧（１ａｔｍ）及び４００゜Ｃという条件下で陽極接合を行った後に常温常圧（２５゜Ｃ、１ａｔｍ）に戻すと、キャビティ２５内の圧力は約０．４ａｔｍになる。一般的には、陽極接合時に第１の基板２７及び第２の基板３９に加えられる温度（基板温度）は３００〜５００゜Ｃである。陽極接合時の基板温度と圧力によって、陽極接合後のキャビティ２５内の圧力は決定される。
【００４５】
陽極接合が完了すると、図４（ｃ２）に示すように、ガラス基板３１と反対の面からシリコン基板２１をエッチングする。このエッチングでは、Ｐ＋層でのエッチストップ効果を利用することができる。即ち、ボロン濃度が１０１９ｃｍ−３を超えるような領域ではシリコン層と比べてエッチングレートが数十分の一から数百分の一になるという効果を利用して、通常厚さ数μｍのダイアフラムからなる上部電極２３を形成することができる。
【００４６】
なお、ダイアフラムの厚さや、ダイアフラムからなる上部電極２３と下部電極３３との間隔（電極間隔）を制御することにより、後述する静電容量−圧力特性に示される直線領域を所望の動作領域に合わせることができるので、例えばタイヤ圧検出用の圧力センサにおいては、ダイアフラムの厚さや電極間隔を制御することにより１０ｋｇｆ／ｃｍ２程度の圧力範囲内で安定した動作が得られる静電容量型圧力センサを製造することができる。
【００４７】
従って、以上の製造工程で製造された静電容量型圧力センサは、ダイアフラムがｎ型シリコンに高濃度にボロンをドーピングしてなるＰ＋層からなるため、ダイアフラムを上部電極２３とすれば、圧力検出時には下部電極３３、誘電体膜３５、及び上部電極２３からなるコンデンサを形成していることと同等となるので、上部電極（ダイアフラム）２３と誘電体膜３５との接触面積の変化を上部電極２３と下部電極３３との間の静電容量の変化として検出することで圧力の測定が可能になる。
【００４８】
（静電容量と圧力関係）
次に、キャビティ内部に窒素ガスが封入されている本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの温度特性を、キャビティ内部が真空にされいている従来の静電容量型圧力センサと比較しながら説明する。
【００４９】
図６は、静電容量型圧力センサの静電容量と印加圧力との関係を示す。静電容量型圧力センサの特性上、上部電極２３が誘電体膜３５に接触しない低圧領域（未接触領域）では、感度は殆どゼロである。上部電極２３が誘電体膜３５に接触すると、静電容量型圧力センサの静電容量は一定の範囲内で圧力に対してほぼ直線的に増加（直線領域）し、更に圧力が高くなると感度は次第に低下して静電容量の変化は飽和する（飽和領域）。上部電極２３が誘電体膜３５に接触するときの圧力、即ち測定開始圧力は上部電極２３を構成するダイアフラムの厚さ、キャビティ２５の高さ及びキャビティ２５内部の圧力に大きく依存する。
【００５０】
ところで、静電容量型圧力センサで使用されているガラス膜からなる誘電体膜３５の誘電率は、温度の上昇と共に大きくなって静電容量を増加させるように作用し、温度の下降と共に小さくなって静電容量を減少させるように作用するので正の特性の温度係数を有すると考えることができる。従って、キャビティ２５の内部が真空にされている従来の静電容量型圧力センサの静電容量は、図７に示すように、印加圧力が一定であっても、温度が高ければ大きくなり、温度が低ければ小さくなる。従って、周囲温度が変化するような環境では正確な圧力を検出できない。
【００５１】
これに対し、キャビティ２５の内部に窒素ガスが封入されている本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサによれば、キャビティ２５の内部に封入された窒素ガスは、温度が上昇すると膨張して静電容量を減少させるように作用し、温度が下降すると収縮して静電容量を増加させるように作用するので、負の特性の温度係数を有すると考えることができる。従って、誘電体膜３５の誘電率を無視して窒素ガスの膨張及び収縮のみに着目すると、静電容量型圧力センサの静電容量は、図８に示すように、圧力が一定であれば、温度が高ければ小さくなり、温度が低ければ大きくなる。
【００５２】
従って、本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサでは、誘電体膜３５に起因して変化する静電容量とキャビティ２５の内部の窒素ガスに起因して変化する静電容量の各変化分が相互に打ち消しあうため、全体として静電容量型圧力センサの温度依存性を減少させることができる。その結果、静電容量型圧力センサの温度特性を向上させることができる。
【００５３】
なお、上述した実施の形態では、誘電体膜３５の材料として正の特性の温度係数を有するガラスを用いたが、ガラス以外に、セラミックなどの絶縁材料を採用することも可能である。また、キャビティ２５の内部に封入する不活性ガスとして負の特性の温度係数を有する窒素ガスを用いたが、窒素ガス以外に、負の特性の温度係数を有する不活性ガスとして、例えば、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒの希ガス類を用いることができる。
【００５４】
また、上述した実施の形態では、誘電体膜３５として正の特性の温度係数を有する材料を用い、キャビティ２５に封入する不活性ガスとして負の特性の温度係数を有する材料を用いたが、逆に、誘電体膜３５として負の特性の温度係数を有する材料を用い、キャビティ２５に封入するガスとして正の特性の温度係数を有する材料を用いても良い。
【００５５】
以上説明したように、本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサによれば、上部電極２３と下部電極３３との間に介在する誘電体膜３５は正の特性の温度係数を有し、キャビティ２５に封入される不活性ガスは、負の特性の温度係数を有するので、誘電体に起因する静電容量の変化と不活性ガスに起因する静電容量の変化とが互いに打ち消し合うことになり、温度依存性の少ない静電容量型圧力センサを得ることができる。
【００５６】
また、クロム膜及びガラス膜の形成方法は、スパッタリングによる膜の蒸着などの周知の形成方法とフォトリソグラフィによるパターニングによる一連の工程で行われるので製造工程が簡易になる。
【００５７】
また、シリコン基板及びガラス基板上はそれぞれ各種部品を形成する工程が終了後、互いの基板を接合して個々チップごとに切断することで完成された１個の静電容量型圧力センサを得ることができる。
【００５８】
更に、以上の説明はタッチモード方式容量型圧力センサに沿ったものであるが、本発明の電極構造は、上部電極が下部電極側に接触しない方式の静電容量型圧力センサに用いることもできる。
【００５９】
次に、上述した本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの変形例を説明する。図９は、第１の変形例を示す図である。この第１の変形例に係る静電容量型圧力センサは、下部電極３３の構造が上述した静電容量型圧力センサと異なる。
【００６０】
即ち、下部電極３３は、ガラス基板側電極３３ａとフィードスルー部３３ｂとガラス基板側外部電極３３ｃとから構成されており、ガラス基板３１に形成される凹部３２はガラス基板３１上のシリコン基板２１と接合する接合面近傍の部分のみであって、しかもフィードスルー部３３ｂのみである。従って、この部分の下部電極のみがガラス基板３１に埋め込まれ、他の部分はガラス基板３１の表面に形成される。そのため、ガラス基板３１上のシリコン基板２１と接合する接合面近傍のみが平坦化されるので、シリコン基板２１とガラス基板３１との間に空隙が生じない。その結果、ガラス基板３１とシリコン基板２１との間の封止状態が安定してキャビティ２５内の圧力変化を抑えることができるので、圧力変化に伴う測定開始圧力の変化や測定精度の低下を防止できる。
【００６１】
図１０は、第２変形例を示す図である。この第２の変形例に係る静電容量型圧力センサは、下部電極３３の形状が上述した第１の変形例に係る静電容量型圧力センサと異なる。
【００６２】
即ち、第２の変形例に係る静電容量型圧力センサの下部電極３３は、フィードスルー部３３ｂとガラス基板側外部電極３３ｃとがガラス基板３１に埋め込まれている。その結果、上記構成を有する静電容量型圧力センサの下部電極３３のうち、少なくともフィードスルー部３３ｂが埋め込まれるため、シリコン基板２１と接合する接合面が平坦化される。その結果、シリコン基板２１とガラス基板３１との間に空隙が生じない。その結果、ガラス基板３１とシリコン基板２１との間の封止状態が安定してキャビティ２５内の圧力変化を抑えることができるので、圧力変化に伴う測定開始圧力の変化や測定精度の低下を防止できる。
【００６３】
図１１は、第３の変形例を示す図である。この第３の変形例に係る静電容量圧力センサは、上部電極２３の周縁を支持する厚肉部の構造が、上述した実施の形態、第１の変形例及び第２の変形例と異なる。
【００６４】
即ち、実施の形態、その第１の変形例及び第２の変形例に係る静電容量型圧力センサの断面図においては、上部電極２３の周縁は厚肉部の中程にて支持されているが、この第３の変形例においては、厚肉部の上面と上部電極２３が一致する高さになるように平坦化している。
【００６５】
なお、図１１においては、下部電極３３の全体をガラス基板３１に埋め込むように配置しているが、埋め込み形状はこれに限らず、第１及び第２の変形例で示したようにフィードスルー部３３ｂのみが埋め込まれていればよい。
【００６６】
従って、この第３の変形例においては、上部電極２３の外周を囲うように設けられていたシリコン突起の高さを上部電極２３の高さと同等にすることで、上部電極２３を押圧する押圧面積を広くすることができるので、より操作がし易くなる。また、下部電極３３がガラス基板３１に埋め込まれていることで、シリコン基板２１とガラス基板３１との間に空隙が生じない。その結果、ガラス基板３１とシリコン基板２１との間の封止状態が安定してキャビティ２５内の圧力変化を抑えることができるので、圧力変化に伴う測定開始圧力の変化や測定精度の低下を防止できる。
【００６７】
なお、上述した本発明の実施の形態及び変形例に係る静電容量型圧力センサでは、誘電体膜３５を第２の基板３９に設けたが、第１の基板２７に設けることもできる。この場合、可撓性を有する誘電体材料を用いて、上部電強２３のキャビティ２５側の表面に誘電体膜を形成すればよい。
【００６８】
また、上述した本発明の実施の形態及び変形例に係る静電容量型圧力センサでは、キャビティ２５は、第１の基板２７に凹部を設けることにより構成したが、第２の基板３９に凹部を設けることにより構成することもできる。
【００６９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、第２の基板に形成された下部電極との間に所定の特性の温度係数を有する誘電体を介在させて形成されたキャビティを有し、上部電極の撓み量によって変化する上部電極と下部電極との間の静電容量値に基づいて圧力を検出する静電容量型圧力センサにおいて、キャビティには所定の特性とは逆の特性の温度係数を有する不活性ガスが封入したので、誘電体による静電容量の変化と不活性ガスによる静電容量の変化とが互いに打ち消し合うことになり、温度依存性の少ない静電容量型圧力センサを得ることができる。
【００７０】
また、本発明によれば、可撓性を有する上部電極が形成された第１の基板を製造する第１の基板製造工程と、下部電極が形成された第２の基板を製造する第２の基板製造工程と、第１の基板と第２の基板とを、上部電極と下部電極との間に所定の特性の温度係数を有する誘電体を介在させてキャビティが形成されるように所定の特性とは逆の特性の温度係数を有する不活性ガス雰囲気中で接合する接合工程を経て静電容量型圧力センサを製造するので、製造された静電容量圧力センサは、誘電体による静電容量の変化と不活性ガスによる静電容量の変化とが互いに打ち消し合うことになり、温度依存性の少ない静電容量型圧力センサを製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの構造を示す図であり、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）はＣ１断面図、図１（ｃ）はＣ２断面図、図１（ｄ）はＣ３断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの構造を示す他の図であり、図２（ａ）は上面図、図２（ｂ）はＤ１断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの構造を示す更に他の図であり、図３（ａ）は断面図、図３（ｂ）は下部電極を示す上面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの製造工程を説明するための図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの製造工程の中の接合工程を説明するための図である。
【図６】静電容量型圧力センサの静電容量と印加圧力との関係を示す特性グラフである。
【図７】静電容量型圧力センサの静電容量と印加圧力との関係が誘電体膜の誘電率に応じて変化する状態を示す特性グラフである。
【図８】静電容量型圧力センサの静電容量と印加圧力との関係が温度に応じて変化する状態を示す特性グラフである。
【図９】本発明の第１の変形例に係る静電容量型圧力センサの構造を示す図であり、図９（ａ）は上面図、図９（ｂ）はＤ２断面図（ｂ）である。
【図１０】本発明の第２の変形例に係る静電容量型圧力センサの構造を示す図であり、図１０（ａ）は上面図、図１０（ｂ）はＤ３断面図である。
【図１１】本発明の第３の変形例に係る静電容量型圧力センサの断面図である。
【図１２】従来のタッチモード式容量型圧力センサを説明するための図であり、図１２（ａ）は断面図、図１２（ｂ）は動作を説明するための断面図である。
【符号の説明】
２１ シリコン基板
２３ ダイアフラム（上部電極）
２４ 凹部
２５ キャビティ
２７ 第１の基板
３１ ガラス基板
３２ 凹部
３３ 下部電極
３３ａ ガラス基板側電極
３３ｂ フィードスルー部
３３ｃ ガラス基板側外部電極
３５ 誘電体膜
３７ａ 第１のアルミ電極
３７ｂ 第２のアルミ電極
３９ 第２の基板
Claims (7)
- 第１の基板に形成された可撓性を有する上部電極と、第２の基板に形成された下部電極との間に正の特性の温度係数を有する誘電体を介在させて形成されたキャビティを有し、前記上部電極の撓み量によって変化する前記上部電極と前記下部電極との間の静電容量値に基づいて圧力を検出する静電容量型圧力センサであって、
前記キャビティには前記正の特性とは逆の特性の温度係数を有する不活性ガスが封入されていることを特徴とする静電容量型圧力センサ。 - 前記誘電体は、前記下部電極上に形成された誘電体膜であることを特徴とする請求項１記載の静電容量型圧力センサ。
- 前記キャビティの高さは、前記上部電極の撓み量に応じた面積で前記誘電体膜に接触するように形成されていることを特徴とする請求項２記載の静電容量型圧力センサ。
- 可撓性を有する上部電極が形成された第１の基板を製造する第１の基板製造工程と、
下部電極が形成された第２の基板を製造する第２の基板製造工程と、
前記第１の基板と前記第２の基板とを、前記上部電極と前記下部電極との間に正の特性の温度係数を有する誘電体を介在させてキャビティが形成されるように前記正の特性とは逆の特性の温度係数を有する不活性ガス雰囲気中で接合する接合工程と、
を備えることを特徴とする静電容量型圧力センサの製造方法。 - 前記第２の基板製造工程は、
前記下部電極上に誘電体膜を形成することを特徴とする請求項４記載の静電容量型圧力センサの製造方法。 - 前記第１の基板製造工程は、
前記上部電極が該上部電極の撓み量に応じた面積で前記誘電体膜に接触する高さを有するように前記キャビティを形成するための凹部を形成することを特徴とする請求項５記載の静電容量型圧力センサの製造方法。 - 前記接合工程は、
前記第１の基板と前記第２の基板とを、更に所定温度下で前記上部電極と前記下部電極との間に所定電圧を印加するという条件下で陽極接合によって接合することを特徴とする請求項４乃至請求項６のいずれか１項記載の静電容量型圧力センサの製造方法。
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