JP2005300400A - 静電容量型圧力センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 シリコン基板厚のばらつきやプロセスばらつきによってダイヤフラム厚やギャップ幅にばらつきが生じていても、圧力に対する静電容量の感度を調整でき、センサ間の特性のバラツキが抑制された静電容量型圧力センサの提供。
【解決手段】 圧力によって弾性変形するダイヤフラム３からなる可動電極が一部に形成されたシリコン基板２と、固定電極４が形成された支持基板５とがダイヤフラム３と固定電極４の間に設けられたギャップ６を介して対向配置されたセンサ部１１が備えられ、ダイヤフラム３と固定電極４との間の静電容量の変化を検出する静電容量型圧力センサであって、シリコン基板２と支持基板２のどちらか一方の面上にシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜からなる誘電体膜１２を介して電極パッド７が形成された静電容量型圧力センサ１。電極パッド７の面積はトリミングにより調整されたものであってもよい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、主として一方の基板に形成された固定電極部と、他方の基板に形成されたダイヤフラム部との間にギャップが設けられた静電容量型圧力センサ及びその製造方法に関するものである。

静電容量型圧力センサは、小型でしかも構造が単純であることから、最近になって様々な分野において急速に普及している。
図８に、従来の静電容量型圧力センサを示す。従来の静電容量型圧力センサ１０１は、図８に示すように、Ｓｉ基板１０２の一部を薄くして形成されたダイヤフラム１０３と、このダイヤフラム１０３に対向配置された固定電極１０４と、固定電極１０４及びＳｉ基板１０２を支持する支持基板１０５とを主体として構成されている。ダイヤフラム１０３と固定電極１０４との間にはギャップ１０６が設けられており、このギャップ１０６が誘電体となって一種の静電容量が形成されている。Ｓｉ基板１０２の上面には電極パッド１０７が形成され、この電極パッド１０７にワイヤ１０８が接続されており、固定電極１０４には支持基板１０５をくぐって形成された取出電極１０９が接続されており、この取出電極１０９にワイヤ１１０が接続されている。

この静電容量型圧力センサ１０１では、流体の圧力変化に対応してダイヤフラム１０３が弾性変形して撓むことによってギャップ量が変動し、このギャップ量の変動を静電容量の変化で捉えて圧力を検知できるようになっている。上述の静電容量は、ダイヤフラムの厚み若しくはギャップの大きさで決まるため、ダイヤフラムの寸法精度を高めることが静電容量型圧力センサの性能向上に寄与することになる。

従来のダイヤフラムの形成方法としては、一枚のシリコン基板にエッチングにより多数のギャップを形成して複数のダイヤフラムを形成後、所定寸法毎にカットすることにより、ダイヤフラム１０３が形成されたＳｉ基板１０２を多数形成しているため、元々のシリコン基板厚のばらつきやプロセスばらつきによりダイヤフラム厚やギャップ幅にばらつきが生じやすい。このようにしてダイヤフラム１０３が形成された複数のＳｉ基板１０２は、それぞれ、固定電極１０４が形成された支持基板１０５とを接合して静電容量型圧力センサとされるが、上記のようなシリコン基板厚や、ダイヤフラム厚や、ギャップ幅のばらつきに起因して圧力に対する静電容量の変化量（感度）がセンサ毎でばらついてしまうという問題があった。

このような問題を解決するために補正用容量を静電容量型圧力センサが組み込まれる回路に外付けで（センサとは別個に）設けるようにしたものが考えられている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平１０−１０４２９２号公報

しかしながら補正用容量を静電容量型圧力センサとは別個に回路に設けた場合、センサの外部に補正用容量を形成する際の配線形状などでインダクタンス成分にばらつきが生じることがあり、その場合にはセンサに容量以外のばらつき要因が負荷されてしまう。
また、補正用容量をセンサとは別個に回路に設けると、抵抗が大きくなり、消費電力が大きくなってしまうという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、シリコン基板厚のばらつきやプロセスばらつきによってダイヤフラム厚やギャップ幅にばらつきが生じていても、圧力に対する静電容量の感度を調整でき、センサ間の特性のバラツキが抑制された静電容量型圧力センサの提供を目的とする。

本発明の静電容量型圧力センサは、圧力によって弾性変形するダイヤフラムからなる可動電極が一部に形成された第１の基板と、固定電極が形成された第２の基板とが上記可動電極と固定電極の間に設けられたギャップを介して対向配置されたセンサ部が備えられ、上記可動電極と固定電極との間の静電容量の変化を検出する静電容量型圧力センサであって、
上記第１、第２の基板のどちらか一方の面上に誘電体膜を介して電極パッドが形成されたことを特徴とする。

本発明の静電容量型圧力センサによれば、上記第１、第２の基板のどちらか一方の面上に誘電体膜を介して電極パッドが形成されたことにより、センサ部に直列に補償用容量が形成されたこととなり、圧力センサが組み込まれる回路に外付けで補償用容量を設ける従来タイプと比べて、小型化できる。
また、第１の基板厚のばらつきやプロセスばらつきによるダイヤフラム厚やギャップ幅にばらつきが生じていても、電極パッドの面積を変更することにより圧力に対する静電容量の感度を細かく調整でき、センサ間の特性のバラツキが抑制された静電容量型圧力センサとすることができる。
また、本発明の静電容量型圧力センサは、上記のようにセンサ部に直列に補償用容量が形成されているで、従来のようにセンサに外付けで補償用容量を設ける従来タイプと比べて、抵抗が小さくなり、消費電力を小さくできる。

また、上記構成の本発明の静電容量型圧力センサにおいて、上記第１の基板がシリコン基板より形成され、該シリコン基板上に上記誘電体膜を介して上記電極パッドが形成されたものであってもよい。
また、上記構成の本発明の静電容量型圧力センサにおいて、上記第２の基板上に上記誘電体膜を介して上記電極パッドが形成されたものであってもよい。

また、上記いずれかの構成の本発明の静電容量型圧力センサにおいて、上記誘電体膜がシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜から形成されていることがダイヤフラムを形成する際に上記シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜をマスク材としても利用でき、静電容量型圧力センサに直列容量を形成し易い点で好ましい。
また、上記いずれかの構成の本発明の静電容量型圧力センサにおいて、上記電極パッドの面積はトリミングにより調整されたものであってもよい。

本発明の静電容量型圧力センサの製造方法は、圧力によって弾性変形するダイヤフラムからなる可動電極が一部に形成された第１の基板と、固定電極が形成された第２の基板とが上記可動電極と固定電極の間に設けられたギャップを介して対向配置されたセンサ部が備えられ、上記可動電極と固定電極との間の静電容量の変化を検出する静電容量型圧力センサの製造方法であって、
第１の基板母材に、上記可動電極が一部に形成され、かつ上記ギャップが形成された第１の基板部を複数形成する第１の基板部形成工程と、
第２の基板母材に上記固定電極が形成された第２の基板部を複数形成する第２の基板部形成工程を備え、
上記第１、第２のどちらか一方の基板部形成工程において上記一方の基板部の表面に誘電体膜を介して電極パッドとなる金属膜を形成し、上記誘電体膜及び／又は電極パッドの面積が基板部間で変更することを特徴とする。

本発明の静電容量型圧力センサの製造方法では、一つの基板母材に多数の基板部を形成しており、さらにこの一つの基板母材内において基板部毎の誘電体膜及び／又は電極パッドの面積を変更するので、基板母材厚のばらつきやプロセスばらつきによるダイヤフラム厚やギャップ幅にばらつきが生じていても、各電極パッドを対応するセンサ部の特性に応じた容量になるように面積を変更することによりセンサ間の特性のバラツキが抑制された静電容量型圧力センサを製造することができる。

また、上記構成の本発明の静電容量型圧力センサの製造方法において、上記電極パッドの面積をトリミングにより変更することが電極パッドの面積を容易に変更できる点で好ましい。

また、上記のいずれかの構成の本発明の静電容量型圧力センサの製造方法において、上記一方の基板部形成工程において、上記一方の基板部にギャップを形成した後、上記一方の基板部の両面に誘電体膜を形成し、これら誘電体膜のうちギャップ側と反対側の誘電体膜に開口部を形成し、上記開口部内の上記一方の基板部を上記誘電体膜をマスク材として用いる異方性エッチングにより厚みを薄くしてダイヤフラムを形成するようにしてもよい。
かかる製造方法によれば、補償用容量を設けるために形成した誘電体膜をダイヤフラムを形成する際のマスク材としても利用できるので、別個にマスク材を設ける場合と比べて製造工程を簡略化できる。

本発明によれば、シリコン基板厚のばらつきやプロセスばらつきによるダイヤフラム厚やギャップ幅にばらつきが生じていても、センサ部の特性に応じて電極パッドの面積を変更することで、圧力に対する静電容量の感度を調整でき、センサ間の特性のバラツキが抑制された静電容量型圧力センサを提供できる。

次に図面を用いて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
なお、本発明は以下に説明する実施の形態に限定されるものではないことは勿論であるとともに、以下の図面においては各構成部分の縮尺について図面に表記することが容易となるように構成部分毎に縮尺を変えて記載している。

図１は、本発明の実施形態の静電容量型圧力センサの概略構成を示す断面図である。図２は、図１の静電容量型圧力センサの平面模式図である。
本実施形態の静電容量型圧力センサ１は、シリコン基板（第１の基板）２の一部を薄くして形成された可動電極としてのダイヤフラム３と、このダイヤフラム３に対向配置された固定電極４と、固定電極４及びシリコン基板２を支持する支持基板（第２の基板）５とからなるセンサ部１１を主体として構成されている。
ダイヤフラム３と固定電極４との間にはギャップ６が設けられており、このギャップ６が誘電体となって一種の静電容量が形成されている。

シリコン基板２の上面には誘電体膜１２を介して電極パッド７が形成されることにより、センサ部１１と電極パッド７との間に誘電体膜１２が設けられている。この誘電体膜１２は、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜から構成されている。
電極パッド７と誘電体膜１２とこの誘電体膜１２の下側のシリコン基板部分（ダイヤフラム以外の部分）とから補償用容量１５が構成されている。
支持基板５は、例えば、パイレックス（登録商標）ガラスなどの耐熱ガラスから構成されている。
上記電極パッド７にワイヤ８が接続されており、固定電極４には支持基板５をくぐって形成された取出電極９が接続されており、この取出電極９にワイヤ１０が接続されている。

この静電容量型圧力センサ１では、流体の圧力変化に対応してダイヤフラム３が弾性変形して撓むことによってギャップ量が変動し、このギャップ量の変動を静電容量の変化で捉えて圧力を検知できるようになっているが、シリコン基板厚やプロセスのばらつきによるダイヤフラム厚やギャップ幅のばらつきによって圧力に対する静電容量の感度がセンサによって異なるので、センサ部１１の特性に応じて電極パッド７の面積がトリミング等により調整されている。

次に、本実施形態の静電容量型圧力センサ１の製造方法について説明する。
本実施形態の静電容量型圧力センサ１の製造方法は、シリコン基板部形成工程（第１の基板部形成工程）と、支持基板部形成工程（第２の基板部形成工程）と、両基板接合工程と、センサ切り出し工程とを具備して構成されている。

（シリコン基板部形成工程）
まず、図３のＡに示すように、シリコン基板２となるシリコン基板部（第１の基板部）２ａが複数設けられたシリコンウエハ（第１の基板母材）２０の各シリコン基板部２ａの下面側（一方の面側）にそれぞれギャップを形成するための凹部２１をエッチングにより形成する。
次いで、図３のＢに示すように、シリコン基板部２ａ毎に凹部２１を形成したシリコンウエハ２０の両面にＳｉＯ_２又はＳｉ_３Ｎ_４からなる誘電体膜２０を形成した後、各シリコン基板部２ａの上側（ギャップが形成される側と反対側）の誘電体膜２０にダイヤフラム３を形成するための開口部２２をそれぞれ形成し、各開口部２２内のシリコン基板部２ａを上下の誘電体膜１２をマスク材として用いる異方性エッチングにより所定の深さまでエッチングして厚みを薄くして、ダイヤフラム３を形成する。

ついで、このシリコンウエハ２０の両面に誘電体膜１２を介して導電性金属膜をスパッタリングにより形成した後、レジストパターンを配置し、不要な部分の導電性金属膜と誘電体膜１２をエッチングすることにより、図３のＣに示すようにシリコン基板部２ａ毎に誘電体膜１２と、この上に形成された導電性金属膜からなる電極パッド７が設けられる。
なお、ここでシリコンウエハ２０の両面に誘電体膜１２を形成する際、各シリコン基板部２ａのダイヤフラム３を形成した部分には誘電体膜１２が形成されていないので、誘電体膜１２を介さずに直接導電性金属膜が形成される。また、用いたシリコン基板母材厚のばらつきやプロセスばらつきによってダイヤフラム厚やギャップ幅にばらつきが生じることなどによりシリコン基板部間で寸法に多少のばらつきがあると、シリコンウエハ２０から切り出したシリコン基板を用いて作製したセンサ間で特性にばらつきが生じるため、センサ間の特性のバラツキを抑制するために、上記レジストパターンにおいて電極パッド形成用パターン部分の寸法がシリコン基板部２ａ毎に変更されていることで、誘電体膜１２及び電極パッド７の面積がシリコン基板部間で変更し、各電極パッド７が対応するセンサ部の特性に応じた面積（容量）になるようにしている。

（支持基板部形成工程）
まず、図４に示すように支持基板５となる支持基板部（第２の基板部）５ａが複数設けられたパイレックス（登録商標）ガラス基板母材（第２の基板母材）２５の各支持基板部５ａに導電性金属膜からなる固定電極４と固定電極４と接続された取出電極９を形成する。
（両基板接合工程）
図３のＣ及び図４で作製したシリコンウエハ２０及びパイレックスガラス基板母材２５をシリコン基板部２ａのダイヤフラム３が対応する支持基板部５ａの固定電極４とギャップ６を介して対向するように重ねて陽極接合する。
（センサ切り出し工程）
両基板接合工程で接合したシリコンウエハ２０とパイレックスガラス基板母材２５をセンサ毎に切り出すと、図１及び図２に示した静電容量型圧力センサ１が複数得られる。

本発明の静電容量型圧力センサ１によれば、シリコン基板２上に誘電体膜１２を介して電極パッド７が形成されたことにより、センサ部１１に直列に補償用容量１５が形成されたこととなり、圧力センサが組み込まれる回路に外付けで補償用容量を設ける従来タイプと比べて、小型化できる。
また、シリコン基板厚のばらつきやプロセスばらつきによるダイヤフラム厚やギャップ幅にばらつきが生じていても、電極パッド７の面積を変更することにより圧力に対する静電容量の感度を細かく調整でき、センサ間の特性のバラツキが抑制された静電容量型圧力センサとすることができる。
また、上記のようにセンサ部１１に直列に補償用容量１５が形成されているで、従来のようにセンサに外付けで補償用容量を設ける従来タイプと比べて、抵抗が小さくなり、消費電力を小さくできる。

本実施形態の静電容量型圧力センサの製造方法では、一つのシリコンウエハ２０に多数のシリコン基板部２ａを形成しており、さらにこの一つのシリコンウエハ２内において基板部毎の誘電体膜１２及び電極パッド７の面積を変更するので、シリコンウエハ厚のばらつきやプロセスばらつきによってダイヤフラム厚やギャップ幅にばらつきが生じていても、各電極パッド７を対応するセンサ部１１の特性に応じた容量になるように面積を変更することによりセンサ間の特性のバラツキが抑制された静電容量型圧力センサを製造することができる。

なお、上記実施形態の静電容量型圧力センサの製造方法においては、図３のＢに示す工程で補償用容量を形成するための誘電体膜をダイヤフラムを形成する際のマスク材をして利用する場合について説明したが、図３のＢに示す工程でダイヤフラム形成後に上下の誘電体膜１２をウエットエッチングにより除去した後、シリコンウエハ２０の上面に補償用容量を構成するためのＳｉＯ_２又はＳｉ_３Ｎ_４からなる誘電体膜を形成し、この誘電体膜の表面に導電性金属膜をスパッタリングにより形成した後、レジストパターンを配置し、不要な部分の導電性金属膜と誘電体膜をエッチングすることにより、図３のＣに示すようにシリコン基板部２ａ毎に誘電体膜１２と、この上に電極パッド７が設けられるようにしてもよい。

ここでも誘電体膜１２及び電極パッド７の面積は、シリコン基板部間で変更することで、各電極パッド７が対応するセンサ部の特性に応じた面積（容量）になるようにしている。また、ここで導電性金属膜をスパッタリングにより形成する際、電極パッド形成用パターンを配置することで、フォトリソグラフィー工程を行うことなく、各シリコン基板部２ａに電極パッド７を形成することができる。

また、上記実施形態の静電容量型圧力センサの製造方法においては、上記シリコン基板部形成工程で用いるレジストパターンにおいて電極パッド形成用パターン部分の寸法がシリコン基板部２ａ毎に変更されていることで、誘電体膜１２及び電極パッド７の面積がシリコン基板部間で変更する場合について説明したが、上記シリコン基板部形成工程において各シリコン基板部２ａに電極パッド用の導電性金属膜を形成し、図５に示すように導電性金属膜をレーザトリミング装置等のトリミング手段３０を用いてトリミングすることにより、大きさを変えることで直列容量をセンサ毎に調整するようにしてもよい。

（実施例）
シリコンウエハに、直径１０００μｍ、厚さ２０μｍのダイヤフラムとギャップ幅０．８μｍのギャップが形成されたシリコン基板部を複数形成した。ついで、各シリコン基板部の上面に厚さ０．５μｍのＳｉ_３Ｎ_４膜を介して７００μｍ角の電極パッドを形成した。ここで形成したダイヤフラム厚は±３％、ギャップ幅は±５％の範囲でばらついていた。
ついで、支持基板部が複数設けられたパイレックス（登録商標）ガラス基板母材の各支持基板部に導電性金属膜からなる固定電極と該固定電極と接続された取出電極を形成した。
ついでこれらシリコンウエハ及びパイレックスガラス基板母材を上記シリコン基板部のダイヤフラムが対応する支持基板部の固定電極とギャップを介して対向するように重ねて陽極接合した。
ついで、接合したシリコンウエハとパイレックスガラス基板母材をセンサ毎に切り出して複数の静電容量型圧力センサを作製した。

図６に作製した複数の静電容量型圧力センサにそれぞれ０ｋＰａ〜２５０ｋＰａの圧力をかけたときの容量（ｐＦ）の変動が最も大きいセンサの特性（図６中の◆）と、容量の変動が最も小さいセンサの特性（図６中の△）をそれぞれ示す。
そして、容量の変動が最も大きいセンサの特性を補正するために電極パッドをトリミングすることにより面積を調整することにより、図６中の□で示すような特性を示す実施例の静電容量型圧力センサを作製した。この実施例の静電容量型圧力センサの特性は、容量の変動が最も小さいセンサの特性（図６中の△）に近いものとなり、センサ間の特性のバラツキを抑制できることがわかる。従って静電容量型センサに直列に補償用容量を設けるときに、電極パッドの面積を調整して容量の大きさを変更することで、□の特性を示すセンサが得られ、センサ間の感度を揃えることができる。

（比較例）
センサが組み込まれる回路に外付けで補償用容量を設けた従来タイプの静電容量型圧力センサ（比較例）を作製し、このセンサのインダクタンスと周波数変化との関係を調べた。その結果を図７に示す。ここで作製したセンサのダイヤフラム直径は１０００μｍ、厚さは２０μｍ、ギャップ幅は０．８μｍ、電極パッド７００μｍ角とした。
なお、補正用容量を回路に外付けで設ける場合、センサから補正用容量までの配線によりインダクタンスが形成される。この比較例の静電容量型圧力センサを組み込んだ共振回路において、容量変化を周波数変化として読みとった。その際、圧力センサとは別にインダクタンスが負荷されたときの周波数変化を図７に示した。

図７に示す結果からセンサが組み込まれる回路に外付けで補償用容量を設けた従来タイプでは、センサの外部に補償用容量を形成する際の配線形状などでインダクタンス成分にばらついた場合（図７の実線で示される特性も上下にシフトするなどばらつきがある。）、センサに容量以外のバラツキ要因が負荷されてしまうことがわかる。

本発明の実施形態の静電容量型圧力センサの概略構成を示す断面図。 図１の静電容量型圧力センサの平面模式図。 本実施形態の静電容量型圧力センサの製造方法に備えられたシリコン基板部形成工程の説明図。 本実施形態の静電容量型圧力センサの製造方法に備えられた支持基板部形成工程の説明図。 本実施形態の静電容量型圧力センサの製造方法に関わる電極パッドの面積を変更する方法の他の例の説明図。 作製した複数の静電容量型圧力センサと、電極パットの面積を調整した静電容量型圧力センサについて圧力と容量の関係を示すグラフ。 センサが組み込まれる回路に外付けで補償用容量を設けた従来タイプのインダクタンスと周波数変化との関係を示すグラフ。 従来の静電容量型圧力センサの例を示す断面図。

符号の説明

１・・・静電容量型センサ、２・・・シリコン基板（第１の基板）、２ａ・・・シリコン基板部（第１の基板部）、３・・・ダイヤフラム（可動電極）、４・・・固定電極、５・・・支持基板（第２の基板）、５ａ・・・支持基板部（第２の基板部）、６・・・ギャップ、７・・・電極パッド、８・・・ワイヤ、９・・・取出電極、１０・・・ワイヤ、１１・・・センサ部、１２・・・誘電体膜、１５・・・補償用容量、２０・・・シリコンウエハ（第１の基板母材）、２１・・・凹部、２２・・・開口部、２５・・・パイレックスガラス基板母材（第２の基板母材）、３０・・・トリミング手段

Claims (7)

1. 圧力によって弾性変形するダイヤフラムからなる可動電極が一部に形成された第１の基板と、固定電極が形成された第２の基板とが前記可動電極と固定電極の間に設けられたギャップを介して対向配置されたセンサ部が備えられ、前記可動電極と固定電極との間の静電容量の変化を検出する静電容量型圧力センサであって、
   前記第１、第２の基板のどちらか一方の面上に誘電体膜を介して電極パッドが形成されたことを特徴とする静電容量型圧力センサ。
2. 前記第１の基板がシリコン基板より形成され、該シリコン基板上に前記誘電体膜を介して前記電極パッドが形成された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。
3. 前記誘電体膜がシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜から形成されている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。
4. 前記電極パッドの面積はトリミングにより調整されたものである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。
5. 圧力によって弾性変形するダイヤフラムからなる可動電極が一部に形成された第１の基板と、固定電極が形成された第２の基板とが前記可動電極と固定電極の間に設けられたギャップを介して対向配置されたセンサ部が備えられ、前記可動電極と固定電極との間の静電容量の変化を検出する静電容量型圧力センサの製造方法であって、
   第１の基板母材に、前記可動電極が一部に形成され、かつ前記ギャップが形成された第１の基板部を複数形成する第１の基板部形成工程と、
   第２の基板母材に前記固定電極が形成された第２の基板部を複数形成する第２の基板部形成工程を備え、
   前記第１、第２のどちらか一方の基板部形成工程において前記一方の基板部の表面に誘電体膜を介して電極パッドとなる金属膜を形成し、前記誘電体膜及び／又は電極パッドの面積が基板部間で変更することを特徴とする静電容量型圧力センサの製造方法。
6. 前記電極パッドの面積をトリミングにより変更することを特徴とする請求項５に記載の静電容量型圧力センサの製造方法。
7. 前記一方の基板部形成工程において、前記一方の基板部にギャップを形成した後、前記一方の基板部の両面に誘電体膜を形成し、これら誘電体膜のうちギャップ側と反対側の誘電体膜に開口部を形成し、前記開口部内の前記一方の基板部を前記誘電体膜をマスク材として用いる異方性エッチングにより厚みを薄くしてダイヤフラム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。

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