JP2005274175A - Capacitance type pressure sensor and its manufacturing method - Google Patents

Capacitance type pressure sensor and its manufacturing method Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method capable of manufacturing a capacitance type pressure sensor having an excellent temperature characteristic and diaphragms with various thicknesses, by a simple process with an excellent yield, and a servo type sensor free from an error caused by vibration, and having an excellent dynamic characteristic. <P>SOLUTION: This manufacturing method is characterized by including a process for forming a groove on a silicon layer of an SOI substrate comprising the silicon layer, a buried oxide layer and a base silicon layer, a process for forming a pressure reference chamber by bonding the first insulator substrate equipped with a capacity electrode to the silicon layer so that the capacity electrode is stored in the groove, a process for removing by etching the whole base silicon layer, a process for forming a diaphragm by etching the silicon layer, and a process for bonding the silicon layer to the second insulator substrate equipped with a servo electrode. This sensor has a characteristic wherein the silicon layer has the thickness of 15-200 μm or the diaphragm and the servo electrode have a flat structure. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、静電容量型圧力センサ及びその製造方法にかかり、特に、ダイナミックレンジが大きく、かつ動特性に優れたサーボ式静電容量型圧力センサ及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a capacitive pressure sensor and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a servo capacitive pressure sensor having a large dynamic range and excellent dynamic characteristics, and a manufacturing method thereof.

静電容量型の圧力センサは、高精度の測定が可能でかつマイクロマシン(MEMS)技術を用いて大量生産が可能であることから真空装置等の圧力センサとして広く用いられている。このような静電容量型圧力センサの一例を図5及び図7に示す。
図5の圧力センサは、容量電極11及び参照電極12を備えた第1ガラス層1、ダイヤフラム21を備えたシリコン層2、及び通気口31を備えた第2ガラス層3の三層構造を有し、シリコン層2には溝が形成され、第1ガラス層1と接合されて圧力基準室5が形成される。この圧力基準室5内には、例えば、ガスを吸着除去する非蒸発型ゲッタ4が配置され、内部は高真空に維持されている。
Capacitance type pressure sensors are widely used as pressure sensors for vacuum devices and the like because they can measure with high accuracy and can be mass-produced using micromachine (MEMS) technology. An example of such a capacitive pressure sensor is shown in FIGS.
The pressure sensor of FIG. 5 has a three-layer structure of a first glass layer 1 having a capacitive electrode 11 and a reference electrode 12, a silicon layer 2 having a diaphragm 21, and a second glass layer 3 having a vent 31. Then, a groove is formed in the silicon layer 2 and bonded to the first glass layer 1 to form the pressure reference chamber 5. In the pressure reference chamber 5, for example, a non-evaporable getter 4 that adsorbs and removes gas is disposed, and the inside is maintained at a high vacuum.

図5に示した圧力センサは、例えば図6に示す製造方法により作製される。
通常、厚さ350μm程度のシリコン基板に酸化膜22形成し、パターニングした後、シリコン層2を例えばEPW(エチレンジアミンピロカテコール水溶液)を用いて、例えば10μm程度エッチングして圧力基準室用の溝23を形成する(A)。続いて、酸化膜22を除去してシリコン層2の表面にボロンの熱拡散を行い、例えば7μmの高濃度ボロン拡散層27を形成する(B)。
The pressure sensor shown in FIG. 5 is manufactured by, for example, the manufacturing method shown in FIG.
Usually, after the oxide film 22 is formed on the silicon substrate having a thickness of about 350 μm and patterned, the silicon layer 2 is etched by, for example, about 10 μm using, for example, EPW (ethylenediamine pyrocatechol aqueous solution) to form the groove 23 for the pressure reference chamber. Form (A). Subsequently, the oxide film 22 is removed and thermal diffusion of boron is performed on the surface of the silicon layer 2 to form a high-concentration boron diffusion layer 27 of, for example, 7 μm (B).

その後、容量電極11及び参照電極12,さらにはこれら電極の端子用の溝16を形成した、厚さ1mm程度のガラス基板1と上記シリコン層2を陽極接合法により接合する(C)。酸化膜22をパタニングした後、EPWを用いてシリコンのエッチングを行い、ダイヤフラム21を形成する(D)。エッチングは高濃度ボロン拡散層27で停止し、この高濃度ボロン拡散層27がダイヤフラムの厚さとなる。
最後に、電極端子用の溝16の底部を除去して第1ガラス層1を貫通させるとともに、酸化膜22を除去する。続いて、シリコン層2と通気口が形成されたガラス層基板3とを陽極接合し、さらに電極端子13〜15を形成してセンサを完成する。
After that, the glass substrate 1 having a thickness of about 1 mm in which the capacitor electrode 11 and the reference electrode 12 and further the grooves 16 for the terminals of these electrodes are formed and the silicon layer 2 are bonded by anodic bonding (C). After patterning the oxide film 22, silicon is etched using EPW to form the diaphragm 21 (D). Etching stops at the high-concentration boron diffusion layer 27, and this high-concentration boron diffusion layer 27 becomes the thickness of the diaphragm.
Finally, the bottom of the electrode terminal groove 16 is removed to penetrate the first glass layer 1 and the oxide film 22 is removed. Subsequently, the silicon layer 2 and the glass layer substrate 3 formed with the vent holes are anodically bonded, and electrode terminals 13 to 15 are formed to complete the sensor.

通気口31を通して気体圧力がダイヤフラム21に加わると、気体圧力と圧力基準室5の圧力差に応じてダイヤフラム21は容量電極11側に変位する。これにより容量電極端子13とダイヤフラムの電極端子15間の静電容量は増加し、その増加量を電圧に変換・増幅する回路(不図示)で信号処理することによって圧力が出力される。なお、参照電極12及びその端子14は、環境温度の変動によって圧力センサが機械的に歪み、その結果、静電容量が変化して発生する測定誤差を補正するために用いる。このような圧力センサは、圧力が所定値以上になると、ダイヤフラムが容量電極と接触してしまうため、比較的狭い圧力範囲の測定に用いられる。   When gas pressure is applied to the diaphragm 21 through the vent 31, the diaphragm 21 is displaced toward the capacitive electrode 11 according to the difference between the gas pressure and the pressure reference chamber 5. As a result, the capacitance between the capacitor electrode terminal 13 and the electrode terminal 15 of the diaphragm increases, and pressure is output by performing signal processing on a circuit (not shown) that converts and amplifies the increased amount into voltage. Note that the reference electrode 12 and its terminal 14 are used to correct a measurement error caused by a mechanical deformation of the pressure sensor due to a change in environmental temperature, resulting in a change in capacitance. Such a pressure sensor is used for measurement in a relatively narrow pressure range because the diaphragm comes into contact with the capacitive electrode when the pressure exceeds a predetermined value.

一方、広範囲の圧力測定には、図7に示したサーボ式の静電容量型圧力センサが一般に用いられる。これらのセンサは、基本的に図5と同様の構造を有するが、主としてダイヤフラムの容量電極と反対側にサーボ電極を設けられている点が異なる。又、図7(A)の圧力センサは、電極端子が第2ガラス層3に形成されている。
通気口31を通して気体圧力がダイヤフラム21に加わると、ダイヤフラム21は容量電極11側に変位するが、この変位を相殺するようにサーボ電極32に電圧が印加され、サーボ電極32とダイヤフラム21間に静電引力が働き、ダイヤフラム21はもとの位置まで引き戻される。即ち、圧力変動があってもダイヤフラムは常に中心位置にあるようにサーボ電極32に電圧が印加されるため、高い圧力範囲まで測定することができ、ダイナミックレンジの大きな圧力センサを提供することが可能となる。
On the other hand, the servo-type capacitive pressure sensor shown in FIG. These sensors basically have the same structure as that shown in FIG. 5 except that a servo electrode is provided on the opposite side of the diaphragm from the capacitive electrode. In the pressure sensor of FIG. 7A, the electrode terminal is formed on the second glass layer 3.
When gas pressure is applied to the diaphragm 21 through the vent 31, the diaphragm 21 is displaced toward the capacitive electrode 11, but a voltage is applied to the servo electrode 32 so as to cancel this displacement, and the static electricity is applied between the servo electrode 32 and the diaphragm 21. The electric attractive force works, and the diaphragm 21 is pulled back to the original position. That is, even if there is a pressure fluctuation, the voltage is applied to the servo electrode 32 so that the diaphragm is always at the center position. Therefore, it is possible to measure up to a high pressure range and to provide a pressure sensor with a large dynamic range. It becomes.

ここで、サーボ電極32に印加する電圧(電界)は圧力と共に増加し、場合によっては100Vを超える場合もあり、センサのシステム設計上、サーボ電圧を小さくするためにダイヤフラムとサーボ電極間の距離は例えば10μm以下に設計される。また、測定感度を上げるために、ダイヤフラムと容量電極間の距離も通常10μm以下に設計される。この理由から、ダイヤフラム21又はサーボ電極32上に突起24,33が設けられている。
なお、これらのサーボ式の圧力センサも図5のセンサーと同様にして作製することができる。
特開平11−326093 特開2001−124643 International Conference on Solid-State Sensor and Actuators, Chicago, June16-19,1997 Vol.2, p.1457-1460 J.Vac.Sci.Technol. B18(6) ,2692(2000)
Here, the voltage (electric field) applied to the servo electrode 32 increases with pressure, and in some cases may exceed 100 V. In order to reduce the servo voltage, the distance between the diaphragm and the servo electrode is set to reduce the servo voltage in the sensor system design. For example, it is designed to be 10 μm or less. In order to increase the measurement sensitivity, the distance between the diaphragm and the capacitive electrode is usually designed to be 10 μm or less. For this reason, protrusions 24 and 33 are provided on the diaphragm 21 or the servo electrode 32.
These servo-type pressure sensors can also be manufactured in the same manner as the sensor of FIG.
JP 11-326093 A JP 2001-124643 International Conference on Solid-State Sensor and Actuators, Chicago, June16-19,1997 Vol.2, p.1457-1460 J.Vac.Sci.Technol. B18 (6), 2692 (2000)

上述したように、図5に示した静電容量型圧力センサの場合、所定の厚さのダイヤフラムを高精度で且つ再現性良く形成するには、エッチストップ層として、ダイヤフラムの厚さに相当する高濃度ボロン層を形成するのが不可欠である。これは、シリコンのウエットエッチング精度は通常±5%程度であるため、エッチストップ層を設けずに、時間制御でエッチングしてダイヤフラムを形成する場合、例えばシリコン基板を300μm 程度の深いエッチングを行うとエッチング誤差が±15μm程度になるため、特性の揃ったセンサを作製することが困難となるからである。従って、高濃度ボロン層を形成するために高温で長時間の拡散処理が必要となり、これが生産性を低下させ、センサの低価格化を妨げる一因となっていた。   As described above, in the case of the capacitive pressure sensor shown in FIG. 5, in order to form a diaphragm having a predetermined thickness with high accuracy and good reproducibility, the etch stop layer corresponds to the thickness of the diaphragm. It is essential to form a high-concentration boron layer. This is because the wet etching accuracy of silicon is usually about ± 5%, so that when a diaphragm is formed by etching under time control without providing an etch stop layer, for example, when a silicon substrate is deeply etched to about 300 μm. This is because the etching error is about ± 15 μm, making it difficult to produce a sensor with uniform characteristics. Therefore, in order to form a high-concentration boron layer, a diffusion process for a long time at a high temperature is required, which has been a factor in reducing productivity and lowering the price of the sensor.

逆に、熱拡散では10μm以上の高濃度ボロン拡散層を形成するのは実際上不可能であるため、10μmより厚いダイヤフラムはエッチング時間で制御せざるを得ず、結果として、厚さ誤差が大きくなり、歩留まりが低いという問題があった。   Conversely, since it is practically impossible to form a high-concentration boron diffusion layer of 10 μm or more by thermal diffusion, a diaphragm thicker than 10 μm must be controlled by the etching time, resulting in a large thickness error. There was a problem that the yield was low.

以上の事情は、図7に示したサーボ式の静電容量型センサについても同様である。さらにまた、図7(A)に示した従来のサーボ式のセンサは、ダイヤフラム21上に突起24が形成されているため、周辺の振動を検出し易くなり、それが圧力測定誤差になるという問題がある。また、図7(B)の場合、振動による測定誤差の問題は軽減されるものの、サーボ電極32に電圧を印加するとサーボ電極の突起33が台形形状をしているために電界が角部に集中しやすく、ダイヤフラム21を平坦な形状に保ったまま引き寄せることが難しくなり、センサの動特性に誤差が生ずるという問題がある。   The above situation also applies to the servo-type capacitive sensor shown in FIG. Furthermore, in the conventional servo sensor shown in FIG. 7A, since the protrusion 24 is formed on the diaphragm 21, it becomes easy to detect the surrounding vibration, which causes a pressure measurement error. There is. In the case of FIG. 7B, the problem of measurement error due to vibration is reduced, but when a voltage is applied to the servo electrode 32, the servo electrode protrusion 33 has a trapezoidal shape, so that the electric field is concentrated at the corners. This makes it difficult to draw the diaphragm 21 while keeping the diaphragm 21 in a flat shape, resulting in an error in the dynamic characteristics of the sensor.

また、従来のセンサは、サーボ式であるか否かにかかわらず、上述したように、参照電極を設けて周辺の温度変動に起因する測定誤差の低減を図っているが、測定誤差は依然として大きく、高精度の圧力測定を行うには温度変化に伴う出力変動をより一層小さくする必要があった。   In addition, regardless of whether the conventional sensor is a servo type or not, as described above, the reference electrode is provided to reduce the measurement error due to the surrounding temperature fluctuation, but the measurement error is still large. In order to perform highly accurate pressure measurement, it was necessary to further reduce the output fluctuation accompanying the temperature change.

本発明者は、以上の問題を解決すべく、種々の構造のセンサを作製し、その構造とセンサ特性との関係及び生産性との関係を検討した。その中で、センサ出力の温度依存性がシリコン層の厚さによって変化し、薄いシリコン基板を用いるほど、温度変動に対する出力誤差が小さくなることを見出した。この理由の詳細は現在のところ明らかではないが、ガラス層とシリコン層の熱膨張係数の相違に起因する基板の反りが原因で、シリコン層が厚くなるほど反りが大きくなるためと考えられる。
さらに、薄いシリコン基板を用いると、ダイヤフラムの形成時のエッチング量が少なくなり、結果として、ダイヤフラム厚のバラツキが低減すること、及びサーボ式の場合はダイヤフラム又はサーボ電極上の突起を削除可能なことも確認された。
In order to solve the above problems, the present inventor manufactured sensors having various structures, and examined the relationship between the structure and sensor characteristics and the relationship between productivity. Among them, it has been found that the temperature dependence of the sensor output varies depending on the thickness of the silicon layer, and that the output error with respect to the temperature variation becomes smaller as the thin silicon substrate is used. Although the details of this reason are not clear at present, it is considered that the warpage increases as the silicon layer becomes thicker due to the warpage of the substrate due to the difference in thermal expansion coefficient between the glass layer and the silicon layer.
In addition, when a thin silicon substrate is used, the amount of etching during the formation of the diaphragm is reduced. As a result, the variation in the thickness of the diaphragm is reduced, and in the case of the servo type, the protrusion on the diaphragm or the servo electrode can be deleted. Was also confirmed.

本発明者は、これらの知見を基に、さらにシリコン層の薄層化の検討を行ったが、シリコン基板が薄くなるほど取扱いが難しくなり、基板の大きさにもよるが例えば厚さが100μm以下になると実際上生産は不可能であることが分かった。そこで、本発明者は、従来のシリコン基板の代わりにSOI(Silicon On Insulator)基板を用いて同様の検討を行い、以上の生産性の問題を解消したのみならず、センサ特性を改善して本発明を完成するに至ったものである。   Based on these findings, the present inventor has further studied the thinning of the silicon layer. However, the thinner the silicon substrate, the more difficult it is to handle, and the thickness is, for example, 100 μm or less depending on the size of the substrate. It turned out that production was actually impossible. Therefore, the present inventor conducted a similar study using an SOI (Silicon On Insulator) substrate in place of the conventional silicon substrate, not only eliminating the above productivity problem but also improving the sensor characteristics. The invention has been completed.

すなわち、本発明は、種々の厚さのダイヤフラムを有する静電容量型圧力センサを、より簡略な工程で、歩留まり良く作製することが可能な静電容量型センサの製造方法を提供することを目的とする。また、振動による誤差がなく、しかも動特性に優れたサーボ式の静電容量型センサを提供することを目的とする。
さらに、周辺温度の温度変動に対する出力変動の少ない静電容量型センサを提供することを目的とする。
That is, an object of the present invention is to provide a manufacturing method of a capacitive sensor that can manufacture capacitive pressure sensors having diaphragms of various thicknesses with a simple process and high yield. And It is another object of the present invention to provide a servo-type capacitive sensor that has no error due to vibration and has excellent dynamic characteristics.
It is another object of the present invention to provide a capacitance type sensor having a small output fluctuation with respect to a temperature fluctuation of the ambient temperature.

本発明の静電容量型圧力センサの製造方法は、容量電極を備えた第1絶縁体層と、該容量電極に対向する位置にダイヤフラムを備えたシリコン層と、該ダイヤフラムへ気体を導入する通気口を備えた第2絶縁体層と、が積層された静電容量型圧力センサの製造方法において、あるいは
容量電極を備えた第1絶縁体層と、該容量電極に対向する位置にダイヤフラムを備えたシリコン層と、該ダイヤフラムへ気体を導入する通気口と前記ダイヤフラムに対向する位置にサーボ電極を備えた第2絶縁体層と、が積層されたサーボ式の静電容量型圧力センサの製造方法において、
シリコン層、埋込酸化層及びベースシリコン層からなるSOI基板の該シリコン層に圧力基準室用の溝を形成する工程と、
前記容量電極が形成された絶縁体基板と前記シリコン層とを、前記容量電極が前記溝内に収まるように接合して圧力基準室を形成する工程と、
前記ベースシリコン層を全てエッチング除去する工程と、
前記シリコン層をエッチングして所定の厚さの前記ダイヤフラムを形成する工程と、
前記シリコン層と前記通気口又は前記通気口及び前記サーボ電極が形成された絶縁体基板とを接合する工程と、
を含むことを特徴とする。
The method of manufacturing a capacitive pressure sensor according to the present invention includes a first insulator layer provided with a capacitive electrode, a silicon layer provided with a diaphragm at a position facing the capacitive electrode, and an air flow for introducing a gas into the diaphragm. In a method of manufacturing a capacitive pressure sensor in which a second insulator layer having a mouth is laminated, or a first insulator layer having a capacitor electrode, and a diaphragm at a position facing the capacitor electrode For manufacturing a servo-type capacitive pressure sensor in which a silicon layer, a vent for introducing gas into the diaphragm, and a second insulator layer having a servo electrode at a position facing the diaphragm are laminated In
Forming a groove for a pressure reference chamber in the silicon layer of an SOI substrate comprising a silicon layer, a buried oxide layer, and a base silicon layer;
Bonding the insulator substrate on which the capacitive electrode is formed and the silicon layer so as to fit the capacitive electrode in the groove, and forming a pressure reference chamber;
Etching away all of the base silicon layer;
Etching the silicon layer to form the diaphragm having a predetermined thickness;
Bonding the silicon layer to the vent or the insulator substrate on which the vent and the servo electrode are formed;
It is characterized by including.

本発明の静電容量型圧力センサは、容量電極を備えた第1絶縁体層と、該容量電極に対向する位置にダイヤフラムを備えたシリコン層と、該ダイヤフラムへ気体を導入する通気口と前記ダイヤフラムに対向する位置にサーボ電極を備えた第2絶縁体層と、が積層されたサーボ式の静電容量型圧力センサであって、前記ダイヤフラム及び前記サーボ電極を平坦構造としたことを特徴とする。
または、容量電極を備えた第1絶縁体層と、該容量電極に対向する位置にダイヤフラムを備えたシリコン層と、該ダイヤフラムへ気体を導入する通気口を備えた第2絶縁体層と、が積層された静電容量型圧力センサであって、前記シリコン層は、シリコン層、埋込酸化層及びベースシリコン層からなるSOI基板の該シリコン層であり、厚さを15〜200μmとしたことを特徴とする。
The capacitive pressure sensor of the present invention includes a first insulator layer having a capacitive electrode, a silicon layer having a diaphragm at a position facing the capacitive electrode, a vent for introducing a gas into the diaphragm, A servo-type capacitive pressure sensor in which a second insulator layer provided with a servo electrode at a position facing the diaphragm is laminated, wherein the diaphragm and the servo electrode have a flat structure. To do.
Alternatively, a first insulator layer including a capacitor electrode, a silicon layer including a diaphragm at a position facing the capacitor electrode, and a second insulator layer including a vent for introducing gas into the diaphragm, In the laminated capacitive pressure sensor, the silicon layer is a silicon layer of an SOI substrate including a silicon layer, a buried oxide layer, and a base silicon layer, and has a thickness of 15 to 200 μm. Features.

以上述べたように、本発明は、SOI基板を用いることにより、ダイヤフラムが形成されるシリコン層の厚さを薄くすることができ、結果として温度特性に優れた静電容量型圧力センサを実現することができる。   As described above, the present invention can reduce the thickness of the silicon layer on which the diaphragm is formed by using the SOI substrate, and as a result, realizes a capacitive pressure sensor having excellent temperature characteristics. be able to.

また、エッチストップ層としての高濃度ボロン層を形成するための高温の熱拡散処理が不要となり、生産工程を簡略化できると共に、センサの低価格化を図ることができる。さらには、種々の厚さのダイヤフラムを精度良く作製することが可能となる。   In addition, a high-temperature thermal diffusion process for forming a high-concentration boron layer as an etch stop layer is not required, so that the production process can be simplified and the cost of the sensor can be reduced. Furthermore, it becomes possible to manufacture diaphragms with various thicknesses with high accuracy.

また、従来のサーボ式の静電容量型圧力センサとは異なり、サーボ電極上又はダイヤフラムの突起をなくすことが可能となり、周辺の振動の影響を受けることなく、しかも動特性に優れた高精度・高感度の圧力センサを実現することが可能となる。   In addition, unlike conventional servo-type capacitive pressure sensors, it is possible to eliminate protrusions on the servo electrode or diaphragm, and without being affected by surrounding vibrations, and with high precision and excellent dynamic characteristics. A highly sensitive pressure sensor can be realized.

以下に実施例を挙げて本発明をより詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

本発明の静電容量型圧力センサの一例を図1に示し、その製造方法を図3を用いて説明する。
本実施例の静電容量型圧力センサは、第1絶縁体層1、シリコン層2及び第2絶縁体層3を貼り合わせた三層構造を有し、それぞれには容量電極11及び参照電極12、ダイヤフラム21、並びに通気口31が形成されている。
An example of the capacitive pressure sensor of the present invention is shown in FIG. 1, and the manufacturing method will be described with reference to FIG.
The capacitance type pressure sensor of the present embodiment has a three-layer structure in which a first insulator layer 1, a silicon layer 2, and a second insulator layer 3 are bonded to each other. A diaphragm 21 and a vent 31 are formed.

ここで、シリコン層の厚さは、好ましくは200μm以下、より好ましくは50μm以下であり、このようにシリコン層を薄くすることにより、圧力センサの温度特性は向上し、周辺温度が変動しても出力変動は小さく、高精度の圧力測定が可能となる。さらに、種々の厚さのダイヤフラムをバラツキなく、しかも高精度に作製することができる。なお、シリコン層の厚さの下限は特に制限はないが、強度上及びダイヤフラムや電極を製造する上で、ダイヤフラムの厚さや圧力基準室の溝の深さを考慮し15μm以上とするのが一般的である。
また、第1及び第2絶縁体層には、熱膨張係数がシリコンに近い材質のものが用いられ、例えば、パイレックス(登録商標)ガラスが好適に用いられる。
Here, the thickness of the silicon layer is preferably 200 μm or less, more preferably 50 μm or less. By thinning the silicon layer in this way, the temperature characteristics of the pressure sensor are improved and the ambient temperature varies. Output fluctuation is small and high-precision pressure measurement is possible. Furthermore, diaphragms of various thicknesses can be manufactured with high accuracy without variation. The lower limit of the thickness of the silicon layer is not particularly limited, but it is generally set to 15 μm or more in consideration of the thickness of the diaphragm and the depth of the groove of the pressure reference chamber in terms of strength and manufacturing of the diaphragm and the electrode. Is.
The first and second insulator layers are made of a material having a thermal expansion coefficient close to that of silicon. For example, Pyrex (registered trademark) glass is preferably used.

本実施例のように薄いシリコン層を有する静電容量型圧力センサの製造方法を以下に説明する。具体的には、シリコン層の厚さ34μm、ダイヤフラムの厚さ7μm、容量電極とダイヤフラム間距離10μmで、測定範囲0.1〜133Paの高感度静電容量型圧力センサを製造する方法を図3を用いて説明する。   A method for manufacturing a capacitive pressure sensor having a thin silicon layer as in this embodiment will be described below. Specifically, FIG. 3 shows a method of manufacturing a high-sensitivity capacitive pressure sensor having a measurement range of 0.1 to 133 Pa with a silicon layer thickness of 34 μm, a diaphragm thickness of 7 μm, and a distance between the capacitive electrode and the diaphragm of 10 μm. Will be described.

まず、シリコン層2の厚さが34μm、埋込酸化層25の厚さが1μm、ベースシリコン層26の厚さが350μmのSOI基板を用意し、その表面に熱酸化膜22を1μm形成した後、上面の酸化膜22をパターニングする(A)。
シリコン層2をエッチングし、圧力基準室となる深さ17μmの溝23を形成する(B)。ここで、エッチング液としては、シリコンに対してはエッチング速度が速く、ガラスや酸化膜に対しては極端にエッチング速度が低いエッチング液、例えばEPW(エチレンジアミンピロカテコール水溶液)、TMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)、KOH(水酸化カリウム)などが用いられる。
酸化膜22を除去した後に、厚さ7μmの容量電極11及び端子形成用の溝16を予め形成した第1絶縁体基板1(例えば、厚さ1mmのパイレックス(登録商標)ガラス基板)との間に非蒸発型ゲッタ4を配置し、真空中で陽極接合する(C)。
First, an SOI substrate having a silicon layer 2 having a thickness of 34 μm, a buried oxide layer 25 having a thickness of 1 μm, and a base silicon layer 26 having a thickness of 350 μm prepared, and a thermal oxide film 22 having a thickness of 1 μm formed on the surface thereof. Then, the upper oxide film 22 is patterned (A).
The silicon layer 2 is etched to form a groove 23 having a depth of 17 μm to be a pressure reference chamber (B). Here, as an etchant, an etchant having a high etching rate with respect to silicon and an extremely low etching rate with respect to glass or an oxide film, such as EPW (ethylenediamine pyrocatechol aqueous solution), TMAH (tetramethyl hydroxide). Ammonium), KOH (potassium hydroxide) and the like are used.
After the oxide film 22 is removed, the first insulating substrate 1 (for example, a Pyrex (registered trademark) glass substrate having a thickness of 1 mm) on which a capacitor electrode 11 having a thickness of 7 μm and a groove 16 for forming a terminal are formed in advance. A non-evaporable getter 4 is placed on the substrate and anodic bonded in a vacuum (C).

その後、SOI基板のベースシリコン層26を全てエッチングして除去する。エッチング液としては、上述したように、EPW(エチレンジアミンピロカテコール水溶液)、TMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)、KOHなどが用いられる。これにより、精密な時間管理を行うことなく、厚さ34μmのシリコン層2と厚さ1μmの埋込酸化層25だけを残したエッチングを行うことができる。次に、ダイヤフラムを形成するために埋込酸化層25をパターニングする(D)。   Thereafter, the entire base silicon layer 26 of the SOI substrate is removed by etching. As described above, EPW (ethylenediamine pyrocatechol aqueous solution), TMAH (tetramethylammonium hydroxide), KOH, or the like is used as the etching solution. This makes it possible to perform etching leaving only the silicon layer 2 having a thickness of 34 μm and the buried oxide layer 25 having a thickness of 1 μm without performing precise time management. Next, the buried oxide layer 25 is patterned to form a diaphragm (D).

その後、シリコン層2を10μmエッチングして、厚さ7μmのダイヤフラム21を形成する(E)。ここで、従来法とは異なりエッチストップ層を設けていないため、エッチング量は時間で管理する。その結果、従来例と同様に±5%程度の誤差を生じるが、エッチング量が10μmと小さいため、バラツキを±0.5μm以内に抑えることができ、最終的にセンサ特性のバラツキを大きく低減することができる。   Thereafter, the silicon layer 2 is etched by 10 μm to form a diaphragm 21 having a thickness of 7 μm (E). Here, unlike the conventional method, an etch stop layer is not provided, so the etching amount is managed by time. As a result, an error of about ± 5% occurs as in the conventional example, but since the etching amount is as small as 10 μm, the variation can be suppressed to within ± 0.5 μm, and finally the variation in sensor characteristics is greatly reduced. be able to.

次に、フッ酸などにより埋込酸化層25と第1絶縁体層1の溝16底部をエッチングして除去した後、シリコン層2と第2絶縁体基板3(例えば、厚さ1mmのガラス基板)とを陽極接合し(F)、最後に、電極端子13〜15を形成してセンサを完成する(G)。   Next, after etching and removing the bottom portion of the groove 16 of the buried oxide layer 25 and the first insulator layer 1 with hydrofluoric acid or the like, the silicon layer 2 and the second insulator substrate 3 (for example, a glass substrate having a thickness of 1 mm) ) Is anodically bonded (F), and finally, electrode terminals 13 to 15 are formed to complete the sensor (G).

以上のプロセスにより、高精度なエッチング制御を行うことなく、容量電極−ダイヤフラム電極間距離10μm、ダイヤフラムの厚さ7μmの静電容量型圧力センサを製造することができる。この静電容量型圧力センサはシリコン層が34μmと薄いために、絶縁体層(ガラス基板)と接合しても両層の熱膨張係数の違いによる基板の反りを小さく抑えることができ、温度変動の影響を受けにくいセンサを得ることができる。しかも、エッチストップ層を形成する必要がないため、製造工程が簡略化され、生産性が向上する。   Through the above process, a capacitive pressure sensor having a capacitance electrode-diaphragm electrode distance of 10 μm and a diaphragm thickness of 7 μm can be manufactured without performing highly accurate etching control. Since this capacitive pressure sensor has a thin silicon layer of 34 μm, even if it is bonded to an insulator layer (glass substrate), the warpage of the substrate due to the difference in the thermal expansion coefficient between the two layers can be suppressed, and the temperature fluctuation Can be obtained. In addition, since there is no need to form an etch stop layer, the manufacturing process is simplified and productivity is improved.

なお、他の寸法のセンサを製造する場合は、必要なシリコン層厚のSOI基板を用いて製造すれば良い。例えば、0.1〜133Paの圧力範囲の測定用センサの場合、ダイヤフラム厚が5〜8μmであるが、100〜1.33x10Paのセンサではダイヤフラムの厚さは40〜70μmとするのが一般的である。従って、このような厚さのエッチストップ層(高濃度ボロン拡散層)を形成することは不可能であり、従来バラツキの大きなセンサしか得られなかったが、本発明により例えばシリコン層が70〜100μmのSOI基板を用い、以上の実施例と同様にして、バラツキの小さな圧力センサを作製することができる。 In the case of manufacturing a sensor having other dimensions, it may be manufactured using an SOI substrate having a necessary silicon layer thickness. For example, in the case of a measuring sensor in the pressure range of 0.1 to 133 Pa, the diaphragm thickness is 5 to 8 μm, but in the case of a sensor of 100 to 1.33 × 10 5 Pa, the diaphragm thickness is generally 40 to 70 μm. Is. Therefore, it is impossible to form an etch stop layer (high-concentration boron diffusion layer) having such a thickness, and only a sensor having a large variation can be obtained in the past. However, according to the present invention, for example, a silicon layer has a thickness of 70 to 100 μm. Using this SOI substrate, a pressure sensor with small variations can be manufactured in the same manner as in the above embodiments.

次に、本発明のサーボ式静電容量型圧力センサの一例を図2に示す。
図1に示した静電容量型圧力センサと基本的構造は同じであるが、第2絶縁体層3上にダイヤフラム21に対向してサーボ電極32が形成され、これに連結する端子18が第1絶縁体層1に形成されている点が異なっている。また、従来のサーボ式静電容量型圧力センサはダイヤフラムやサーボ電極に台形の突起構造が形成されていたが、本実施例では台形構造を設けずに、容量電極11とダイヤフラム21間距離及びサーボ電極32とダイヤフラム21間距離を例えば10μm以下とすることも可能である。
Next, an example of the servo capacitive pressure sensor of the present invention is shown in FIG.
Although the basic structure is the same as that of the capacitive pressure sensor shown in FIG. 1, a servo electrode 32 is formed on the second insulator layer 3 so as to face the diaphragm 21, and a terminal 18 connected to the servo electrode 32 The difference is that it is formed on one insulator layer 1. In the conventional servo-type capacitive pressure sensor, a trapezoidal protrusion structure is formed on the diaphragm and the servo electrode. In this embodiment, the distance between the capacitive electrode 11 and the diaphragm 21 and the servo are not provided without the trapezoidal structure. For example, the distance between the electrode 32 and the diaphragm 21 may be 10 μm or less.

図4は、図2のサーボ式静電容量型圧力センサの製造プロセスを説明するための模式図である。ここでは容量電極とダイヤフラム間距離10μm、サーボ電極とダイヤフラム間距離10μm、ダイヤフラムの厚さ7μmとしたサーボ式静電容量型圧力センサの製造方法を説明する。   FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a manufacturing process of the servo capacitive pressure sensor of FIG. Here, a manufacturing method of a servo capacitive pressure sensor in which the distance between the capacitive electrode and the diaphragm is 10 μm, the distance between the servo electrode and the diaphragm is 10 μm, and the thickness of the diaphragm is 7 μm will be described.

まず、シリコン層2の厚さが34μm、埋込酸化層25の厚さが1μm、ベースシリコン層26の厚さが350μmのSOI基板を用意し、その表面に熱酸化膜22を1μm形成し、その上面の酸化膜22をパターニングする(A)。シリコンのエッチング液を用いて、埋込酸化層25が露出するまでシリコン層2をエッチングする。次に、上面の酸化膜22をパターニングし(B),シリコン層2を17μmエッチングして溝23を形成する(C)。続いて、酸化膜22を除去した後、シリコン層2と厚さ7μmの容量電極11及び参照電極12を形成した第1絶縁体基板1との間に非蒸発型ゲッタ4を配置し、真空中で両者を陽極接合する(D)。   First, an SOI substrate having a silicon layer 2 thickness of 34 μm, a buried oxide layer 25 thickness of 1 μm, and a base silicon layer 26 thickness of 350 μm is prepared, and a thermal oxide film 22 is formed on the surface thereof by 1 μm. The oxide film 22 on the upper surface is patterned (A). The silicon layer 2 is etched using a silicon etchant until the buried oxide layer 25 is exposed. Next, the upper oxide film 22 is patterned (B), and the silicon layer 2 is etched by 17 μm to form a groove 23 (C). Subsequently, after the oxide film 22 is removed, the non-evaporable getter 4 is disposed between the silicon layer 2 and the first insulator substrate 1 on which the capacitor electrode 11 and the reference electrode 12 having a thickness of 7 μm are formed. Then, both are anodically bonded (D).

その後、EPW等のエッチング液を用いて、SOI基板のベースシリコン層26を全てエッチング除去する(E)。その後、基板下面の埋込酸化層25をパターニングし、シリコン層2を10μmエッチングすると厚さ7μmのダイヤフラムが形成される(F)。
次に、フッ酸などを用いて、埋込酸化層25と第1絶縁体層1の溝16底部をエッチング除去し(G)、サーボ電極32を形成した第2絶縁体基板3と陽極接合する(H)。ここで、サーボ電極32は、例えば、厚さ数100nmの金属膜を蒸着又はスパッタ法により成膜した後、パターニングして形成することができる。最後に、電極端子13〜15を形成してサーボ式静電容量型圧力センサを完成する(I)。
Thereafter, all the base silicon layer 26 of the SOI substrate is removed by etching using an etchant such as EPW (E). Thereafter, the buried oxide layer 25 on the lower surface of the substrate is patterned, and when the silicon layer 2 is etched by 10 μm, a 7 μm-thick diaphragm is formed (F).
Next, using hydrofluoric acid or the like, the buried oxide layer 25 and the bottom of the groove 16 of the first insulator layer 1 are etched away (G), and anodic bonded to the second insulator substrate 3 on which the servo electrode 32 is formed. (H). Here, the servo electrode 32 can be formed, for example, by depositing a metal film having a thickness of several hundreds of nanometers by vapor deposition or sputtering, and then patterning. Finally, the electrode terminals 13 to 15 are formed to complete the servo capacitive pressure sensor (I).

以上のようにして、本実施例により、サーボ電極及びダイヤフラムのいずれも突起のない平坦構造をとりながら、容量電極とダイヤフラム間距離、及びサーボ電極とダイヤフラム間距離のいずれも10μm又はそれ以下の小さい値とすることが可能となり、高感度のサーボ式静電容型圧力センサを実現できるとともに、小さなサーボ電圧で制御可能となるため、より一層ダイナミックレンジの大きな圧力センサを実現することが可能となる。また、サーボ電極に金属膜を用いることができることから、その製造工程が大幅に簡略化される。   As described above, according to this embodiment, both the servo electrode and the diaphragm have a flat structure without protrusions, and both the capacitance electrode and the distance between the diaphragm and the distance between the servo electrode and the diaphragm are as small as 10 μm or less. Thus, a highly sensitive servo electrostatic pressure sensor can be realized, and control can be performed with a small servo voltage, so that a pressure sensor with a larger dynamic range can be realized. In addition, since a metal film can be used for the servo electrode, the manufacturing process is greatly simplified.

以上述べてきたように、本発明は、ダイヤフラムをエッチングにより形成する際、前もってエッチストップ層として高濃度のボロン拡散層を形成することなく、ダイヤフラム厚及び電極間距離を高精度に制御することが可能となる。しかしながら、本発明はエッチストップ層を排除するものではなく、必要に応じてエッチストップ層を形成しても良いことは言うまでもない。   As described above, when the diaphragm is formed by etching, the present invention can control the diaphragm thickness and the inter-electrode distance with high accuracy without forming a high-concentration boron diffusion layer as an etch stop layer in advance. It becomes possible. However, the present invention does not exclude the etch stop layer, and it goes without saying that the etch stop layer may be formed as necessary.

本発明の静電容量型圧力センサの一例を示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which shows an example of the electrostatic capacitance type pressure sensor of this invention. 本発明のサーボ式静電容量型圧力センサの一例を示す模式的断面図である。It is a typical sectional view showing an example of the servo type capacitive pressure sensor of the present invention. 図1に示した静電容量型圧力センサの製造方法を示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which shows the manufacturing method of the electrostatic capacitance type pressure sensor shown in FIG. 図2に示したサーボ式静電容量型圧力センサの製造方法を示す模式的断面図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing method of the servo capacitive pressure sensor shown in FIG. 2. 従来の静電容量型センサの一例を示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which shows an example of the conventional electrostatic capacitance type sensor. 図5に示した静電容量型圧力センサの製造方法を示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which shows the manufacturing method of the electrostatic capacitance type pressure sensor shown in FIG. 従来のサーボ式静電容量型センサの一例を示す模式的断面図である。It is a typical sectional view showing an example of the conventional servo type capacitive sensor.

符号の説明Explanation of symbols

1 第1絶縁体層(基板)、
2 シリコン層、
3 第2絶縁体層(基板)、
4 非蒸発型ゲッタ、
5 圧力基準室、
11 容量電極、
12 参照電極、
13 容量電極端子、
14 参照電極端子、
15 ダイヤフラムの電極端子、
16 電極端子用溝、
18 サーボ電極端子、
21 ダイヤフラム、
22 酸化膜、
23 圧力基準室用溝、
24,33 突起、
25 埋込酸化層、
26 ベースシリコン層、
27 高濃度ボロン拡散層、
31 通気口、
32 サーボ電極。

1 first insulator layer (substrate),
2 silicon layer,
3 Second insulator layer (substrate),
4 Non-evaporable getter,
5 Pressure reference chamber,
11 capacitive electrodes,
12 reference electrode,
13 capacitive electrode terminal,
14 Reference electrode terminal,
15 Electrode terminal of diaphragm,
16 groove for electrode terminal,
18 Servo electrode terminals,
21 Diaphragm,
22 Oxide film,
23 groove for pressure reference chamber,
24, 33 protrusions,
25 buried oxide layer,
26 base silicon layer,
27 High-concentration boron diffusion layer,
31 Vents,
32 Servo electrode.

Claims (7)

容量電極を備えた第1絶縁体層と、該容量電極に対向する位置にダイヤフラムを備えたシリコン層と、該ダイヤフラムへ気体を導入する通気口を備えた第2絶縁体層と、が積層された静電容量型圧力センサの製造方法において、
シリコン層、埋込酸化層及びベースシリコン層からなるSOI基板の該シリコン層に圧力基準室用の溝を形成する工程と、
前記容量電極が形成された絶縁体基板と前記シリコン層とを、前記容量電極が前記溝内に収まるように接合して圧力基準室を形成する工程と、
前記ベースシリコン層を全てエッチング除去する工程と、
前記シリコン層をエッチングして所定の厚さの前記ダイヤフラムを形成する工程と、
前記シリコン層と前記通気口が形成された絶縁体基板とを接合する工程と、
を含むことを特徴とする静電容量型圧力センサの製造方法。
A first insulator layer provided with a capacitor electrode, a silicon layer provided with a diaphragm at a position facing the capacitor electrode, and a second insulator layer provided with a vent for introducing gas into the diaphragm are laminated. In the manufacturing method of a capacitive pressure sensor,
Forming a groove for a pressure reference chamber in the silicon layer of an SOI substrate comprising a silicon layer, a buried oxide layer, and a base silicon layer;
Bonding the insulator substrate on which the capacitive electrode is formed and the silicon layer so as to fit the capacitive electrode in the groove, and forming a pressure reference chamber;
Etching away all of the base silicon layer;
Etching the silicon layer to form the diaphragm having a predetermined thickness;
Bonding the silicon layer and the insulator substrate formed with the vent;
A method for manufacturing a capacitive pressure sensor, comprising:
容量電極を備えた第1絶縁体層と、該容量電極に対向する位置にダイヤフラムを備えたシリコン層と、該ダイヤフラムへ気体を導入する通気口と前記ダイヤフラムに対向する位置にサーボ電極を備えた第2絶縁体層と、が積層されたサーボ式の静電容量型圧力センサの製造方法において、
シリコン層、埋込酸化層及びベースシリコン層からなるSOI基板の該シリコン層に圧力基準室用の溝を形成する工程と、
前記容量電極が形成された絶縁体基板と前記シリコン層とを、前記容量電極が前記溝内に収まるように接合して圧力基準室を形成する工程と、
前記ベースシリコン層を全てエッチング除去する工程と、
前記シリコン層をエッチングして所定の厚さの前記ダイヤフラムを形成する工程と、
前記シリコン層と前記通気口及び前記サーボ電極が形成された絶縁体基板とを接合する工程と、を含むことを特徴とする静電容量型圧力センサの製造方法。
A first insulator layer provided with a capacitive electrode; a silicon layer provided with a diaphragm at a position facing the capacitive electrode; a vent hole for introducing a gas into the diaphragm; and a servo electrode provided at a position facing the diaphragm. In the manufacturing method of the servo-type capacitive pressure sensor in which the second insulator layer is laminated,
Forming a groove for a pressure reference chamber in the silicon layer of an SOI substrate comprising a silicon layer, a buried oxide layer, and a base silicon layer;
Bonding the insulator substrate on which the capacitive electrode is formed and the silicon layer so as to fit the capacitive electrode in the groove, and forming a pressure reference chamber;
Etching away all of the base silicon layer;
Etching the silicon layer to form the diaphragm having a predetermined thickness;
Bonding the silicon layer to the insulating substrate on which the vent hole and the servo electrode are formed. A method for manufacturing a capacitive pressure sensor, comprising:
前記シリコン層に、前記ダイヤフラムを形成する際のエッチストップ層となるボロン拡散層は形成しないことを特徴とする請求項1又は2に記載の静電容量型圧力センサの製造方法。   3. The method of manufacturing a capacitive pressure sensor according to claim 1, wherein a boron diffusion layer serving as an etch stop layer when forming the diaphragm is not formed in the silicon layer. 4. 前記シリコン層の厚さは15〜200μmであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の静電容量型圧力センサの製造方法。   The method of manufacturing a capacitive pressure sensor according to claim 1, wherein the silicon layer has a thickness of 15 to 200 μm. 容量電極を備えた第1絶縁体層と、該容量電極に対向する位置にダイヤフラムを備えたシリコン層と、該ダイヤフラムへ気体を導入する通気口と前記ダイヤフラムに対向する位置にサーボ電極を備えた第2絶縁体層と、が積層されたサーボ式の静電容量型圧力センサであって、前記ダイヤフラム及び前記サーボ電極を平坦構造としたことを特徴とする静電容量型圧力センサ。   A first insulator layer provided with a capacitive electrode; a silicon layer provided with a diaphragm at a position facing the capacitive electrode; a vent hole for introducing a gas into the diaphragm; and a servo electrode provided at a position facing the diaphragm. A capacitive electrostatic pressure sensor in which a second insulator layer is laminated, wherein the diaphragm and the servo electrode have a flat structure. 容量電極を備えた第1絶縁体層と、該容量電極に対向する位置にダイヤフラムを備えたシリコン層と、該ダイヤフラムへ気体を導入する通気口を備えた第2絶縁体層と、が積層された静電容量型圧力センサであって、前記シリコン層は、シリコン層、埋込酸化層及びベースシリコン層からなるSOI基板の該シリコン層であり、厚さを15〜200μmとしたことを特徴とする静電容量型圧力センサ。   A first insulator layer provided with a capacitor electrode, a silicon layer provided with a diaphragm at a position facing the capacitor electrode, and a second insulator layer provided with a vent for introducing gas into the diaphragm are laminated. A capacitive pressure sensor, wherein the silicon layer is a silicon layer of an SOI substrate including a silicon layer, a buried oxide layer, and a base silicon layer, and has a thickness of 15 to 200 μm. Capacitive pressure sensor. 前記第2絶縁体層は前記ダイヤフラムに対向する位置にサーボ電極を備え、前記ダイヤフラム及び前記サーボ電極を平坦構造としたことを特徴とする請求項6に記載の静電容量型圧力センサ。
The capacitive pressure sensor according to claim 6, wherein the second insulator layer includes a servo electrode at a position facing the diaphragm, and the diaphragm and the servo electrode have a flat structure.
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