JP2005321257A - Capacitance type pressure sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、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に関するものである。 The present invention relates to a capacitance type pressure sensor in which a gap is provided between a fixed electrode portion formed on one substrate and a diaphragm portion formed on the other substrate.
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、この固定電極104のダイヤフラム103側表面の一部に形成された凸状絶縁膜112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。固定電極104及び凸状絶縁膜112と、ダイヤフラム103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(例えば、特許文献1参照)。
Si基板102の上面には電極パッド(図示略)が形成され、この電極パッドにワイヤ(図示略)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(図示略)が接続されており、この取出電極にワイヤ(図示略)が接続されている。
Capacitance-type pressure sensors are small in size and simple in structure, and have recently become widespread in various fields.
FIG. 8 shows a conventional capacitive pressure sensor. As shown in FIG. 8, a conventional
An electrode pad (not shown) is formed on the upper surface of the
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の幅が変動し、このギャップ幅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ものである。詳しくは、流体の圧力が高くなると、まずダイヤフラム103は撓んで凸状絶縁膜112に接触した状態となる。さらにダイヤフラム103が撓むと、図8の点線Aで示すように絶縁膜112との接触部を支点とし、この支点の両側でそれぞれ撓むことで固定電極104とのギャップ幅が変化して、容量変化が生じる。
しかしながら従来の静電容量型圧力センサにおいては、高圧力側ではダイヤフラム103が絶縁膜112との接触部の両側でそれぞれ撓んで固定電極104とのギャップが狭くなるため圧力に対する容量変化(感度)が大きいが、低圧力側ではダイヤフラム103と固定電極104の距離が遠い(例えば、ダイヤフラム103が絶縁膜112に接触しているだけの状態)ために、圧力に対する容量変化(感度)が小さいという問題があった。
However, in the conventional capacitive pressure sensor, on the high pressure side, the
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、低圧から高圧までの広い圧力範囲にわたって容量変化を高感度で検出できる静電容量型圧力センサの提供を目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a capacitive pressure sensor that can detect a change in capacitance with high sensitivity over a wide pressure range from low pressure to high pressure.
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形成された一方の基板と、固定電極が形成された他方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、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、
上記固定電極は、該固定電極の中心部における上記ギャップが、上記固定電極の周縁部における上記ギャップより狭くなるような形状とされ、
上記固定電極及び/又は可動電極のギャップ側の表面を覆う絶縁膜が形成されたことを特徴とする。
The capacitance-type pressure sensor of the present invention includes a substrate on which a movable electrode made of a diaphragm that is elastically deformed by pressure and a substrate on which a fixed electrode is formed between the movable electrode and the fixed electrode. A capacitance type pressure sensor that is arranged to face each other through a provided gap and detects a change in capacitance between the movable electrode and the fixed electrode,
The fixed electrode is shaped such that the gap at the center of the fixed electrode is narrower than the gap at the periphery of the fixed electrode,
An insulating film is formed to cover the gap side surface of the fixed electrode and / or the movable electrode.
本発明の静電容量型圧力センサでは、上記固定電極の中心部と上記可動電極間のギャップが、上記固定電極の周縁部と上記可動電極間のギャップより狭くされたことにより、低圧側で圧力が変化した場合はギャップが狭いところで可動電極と固定電極のギャップ幅が変化することとなり、低圧力側での容量変化を高感度で検出できる。また、圧力がさらに高くなると、上記固定電極の中心部と上記可動電極とが接触両側で固定電極と可動電極間のギャップ幅が変化するため、高圧力側の容量変化を高感度で検出できる。従って、本発明の静電容量型圧力センサでは、低圧から高圧までの広い圧力範囲にわたって容量変化を高感度で検出することができる。 In the capacitance type pressure sensor of the present invention, the gap between the center portion of the fixed electrode and the movable electrode is narrower than the gap between the peripheral portion of the fixed electrode and the movable electrode. When the gap changes, the gap width between the movable electrode and the fixed electrode changes when the gap is narrow, and the capacitance change on the low pressure side can be detected with high sensitivity. Further, when the pressure is further increased, the gap width between the fixed electrode and the movable electrode changes on both sides of contact between the central portion of the fixed electrode and the movable electrode, so that the capacitance change on the high pressure side can be detected with high sensitivity. Therefore, the capacitance type pressure sensor of the present invention can detect a change in capacitance with high sensitivity over a wide pressure range from low pressure to high pressure.
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、上記ギャップの縦断面は、上記固定電極の周縁部から中心部にかけて階段状に狭くなる形状であってもよい。 In the capacitive pressure sensor of the present invention having the above-described configuration, the vertical cross section of the gap may have a stepwise narrowing shape from the periphery to the center of the fixed electrode.
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、上記固定電極の形状が凸字状であることが製造し易い点で好ましい。 Moreover, in the capacitance type pressure sensor of the present invention having any one of the above structures, the shape of the fixed electrode is preferably a convex shape because it is easy to manufacture.
本発明によれば、低圧から高圧までの広い圧力範囲にわたって容量変化を高感度で検出できる静電容量型圧力センサを提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a capacitive pressure sensor that can detect a change in capacitance with high sensitivity over a wide pressure range from low pressure to high pressure.
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。
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
The present invention is of course not limited to the embodiments described below, and in the following drawings, the constituent parts are shown so that the scale of each constituent part can be easily shown in the drawings. The scale is changed every time.
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。
本実施形態の静電容量型圧力センサ1は、シリコン基板(一方の基板)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(他方の基板)5と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。
支持基板5のシリコン基板2側の表面には、固定電極4を覆うように絶縁膜12が形成されている。従って、この固定電極4のギャップ側の表面は絶縁膜12が形成されている。絶縁膜12の材質は、シリコン酸化膜や、シリコン窒化膜などが用いられ、また、厚みは0.05μm〜0.2μm程度とされる。
この静電容量型圧力センサ1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幅が変動し、このギャップ幅の変動を静電容量の変化で捉えて圧力を検知できるものである。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a capacitive pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
A
A
An
In this
固定電極4は、該固定電極4の中心部とダイヤフラム3間のギャップ6が、固定電極4の周縁部とダイヤフラム3間のギャップ6より狭くなるような形状とされている。
固定電極4は縦断面階段状とされ、特に、本実施形態では縦断面形状が凸字とされている。
固定電極4は、第1の導電性金属膜4aと、この第1の導電性金属膜4aの中央部に積層された第2の導電性金属膜4bから構成されることで、固定電極4の中央部に第2の導電性金属膜4bからなる凸部が設けられている。この凸部4bの頂部は、平坦面を有していることが好ましい。
第1の導電性金属膜4aの直径はダイヤフラム3の直径の60〜90%程度とされ、第2の導電性金属膜4bの直径はダイヤフラム3の直径の5〜20%程度とされることが好ましい。
第1の導電性金属膜4aは、Ti、Cr、Pt、W、Al合金などから構成されており、第2の導電性金属膜4bはAl、Cr、Ti、Ptなどから構成されている。第1と第の導電性金属膜4a、4bに用いる材料は、異なる材料を用いるのが、固定電極を形成する際に異なるエッチング液を用いることにより縦断面階段状に成形し易い点で好ましい。
上記のように固定電極4は縦断面階段状とされていることで、静電容量型圧力センサに流体の圧力変化がかかっていない状態のときは、上記ギャップ6の縦断面は、固定電極4の周縁部から中心部にかけて階段状に狭くなる形状となっている。
The
The
The
The diameter of the first
The first
As described above, the
シリコン基板2の上面で、ダイヤフラム3が形成されていない部分には電極パッド(図示略)が形成されている。
支持基板5は、例えば、パイレックス(登録商標)などの耐熱ガラスから構成されている。
シリコン基板2に形成された電極パッドにワイヤ(図示略)が接続され、また、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(図示略)が接続され、この取出電極にワイヤ(図示略)が接続されている。
An electrode pad (not shown) is formed on the upper surface of the
The
A wire (not shown) is connected to an electrode pad formed on the
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、支持基板形成工程(他方の基板形成工程)と、絶縁膜形成工程と、シリコン基板形成工程(一方の基板形成工程)と、両基板接合工程とを具備して構成されている。
Next, a manufacturing method of the
The manufacturing method of the
(支持基板形成工程)
まず、図3のAに示すようにパイレックス(登録商標)からなる支持基板5の表面に第1の導電性金属膜4aを形成し、さらにこの上に第2の導電性金属膜4bを形成する。
次いで、図3のBに示すように、第2の導電性金属膜4b上にマスク材(図示略)を配置し、ウエット又はドライエッチングによりすることにより、中央部のみ第2の導電性金属膜4bを残す。
次いで、図3のCに示すように、第1の導電性金属膜4a上にマスク材(図示略)を配置し、ウエット又はドライエッチングすることにより、縦断面階段状の固定電極4を形成する。
ここでの工程では例えば第1の導電性金属膜4aをTiから構成した場合にはエッチャントとしてフッ酸を用い、第2の導電性金属膜4bをAlから構成した場合には、エッチャントとしてリン酸を用いる。
(Support substrate formation process)
First, as shown in FIG. 3A, a first
Next, as shown in FIG. 3B, a mask material (not shown) is disposed on the second
Next, as shown in FIG. 3C, a mask material (not shown) is disposed on the first
In this step, for example, when the first
(絶縁膜形成工程)
図4に示すように支持基板5の表面及び固定電極4の表面に絶縁膜12を形成する。なお、この後、絶縁膜12を固定電極4上及び固定電極4の周辺部のみ残すようにエッチングを行ってもよい。
(シリコン基板形成工程)
まず、図5に示すようにシリコン基板2の下面側(一方の面側)に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した後、これの両面にSiO2膜又はSi3N4膜からなるマスク材(図示略)を形成し、シリコン基板2の上側(ギャップが形成される側と反対側)のSiO2膜又はSi3N4膜にダイヤフラム3を形成するための開口部(図示略)を形成し、この開口部内のシリコン基板を上記SiO2膜又はSi3N4膜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。
(Insulating film formation process)
As shown in FIG. 4, an insulating
(Silicon substrate formation process)
First, as shown in FIG. 5, a
(両基板接合工程)
図4の絶縁膜形成工程で絶縁膜12を形成した支持基板5と、図5のシリコン基板形成工程で凹部21及び可動電極となるダイヤフラム3を形成したシリコン基板2をダイヤフラム3がギャップ6を介して固定電極4と対向するように重ねて陽極接合すると、図1に示すような静電容量型圧力センサ1が得られる。
(Both substrate bonding process)
The
本実施形態の静電容量型圧力センサ1は、固定電極4の中央部に第2の導電性金属膜4bからなる凸部が設けられているので、固定電極4の中心部とダイヤフラム3間のギャップ6が、固定電極4の周縁部とダイヤフラム3間のギャップ6より狭くされているので、低圧側で圧力が変化した場合は図1の点線Bで示すようにダイヤフラム3は撓んで固定電極4の中心部のギャップ幅が変化することで容量が変化するため、低圧力側での容量変化を高感度で検出できる。
圧力がさらに高くなると、図2に示すように固定電極4の中心部とダイヤフラム3との接触両側でもそれぞれ固定電極4とダイヤフラム3のギャップ幅が変化することで容量が変化するため、高圧力側の容量変化を高感度で検出できる。
In the
When the pressure is further increased, the capacitance is changed by changing the gap width between the fixed
なお、上記実施形態の静電容量型圧力センサにおいては、固定電極4の中央部に凸部4bを設けることで縦断面形状が階段状とされた場合について説明したが、本発明の静電容量型圧力センサでは、固定電極の中心部とダイヤフラム間のギャップが、上記固定電極の周縁部と上記ダイヤフラム間のギャップより狭くなっていればよいので、固定電極は図6に示すような形状であってもよい。図6の固定電極34は縦断面形状が弓形とされていることで、固定電極34の中心部とダイヤフラム3間のギャップが、上記固定電極34の周縁部と上記ダイヤフラム3間のギャップより狭くなっている。この固定電極34の表面にも絶縁膜12が形成されている。
また、上記実施形態においては、固定電極4のギャップ側の表面を覆うように絶縁膜12が形成された場合について説明したが、この絶縁膜12はダイヤフラム3のギャップ側の表面に形成されていてもよいし、固定電極4のギャップ側の表面とダイヤフラム3のギャップ側の表面の両方に形成されていてもよい。
In the capacitance type pressure sensor of the above embodiment, the case where the vertical cross-sectional shape is stepped by providing the
In the above embodiment, the case where the insulating
(実施例1)
パイレックス(登録商標)からなる支持基板に、厚さ0.2μm、径1000μmの第1の導電性金属膜とこれの中央部に設けた厚さ0.2μm、径100μmの第2の導電性金属膜からなる縦断面階段状の固定電極を形成し、この支持基板の表面に固定電極を覆うように厚さ0.05μmのシリコン酸化膜からなる絶縁膜を形成した。
次にシリコン基板に直径1200μm、厚さ50μmのダイヤフラムと、ギャップ用の凹部を形成した。
ついで、上記絶縁膜を形成した支持基板と、上記凹部及びダイヤフラムを形成したシリコン基板をダイヤフラムがギャップを介して固定電極と対向するように重ねて陽極接合し、図1と同様の静電容量型圧力センサを作製し、実施例1とした。
実施例1の静電容量型圧力センサのギャップ幅(支持基板表面からダイヤフラムまでの距離)は、0.8μmであった。また、固定電極の中心部とダイヤフラム間のギャップ幅は0.4μm、固定電極の周縁部とダイヤフラム間のギャップ幅は0.6μmであった。
(Example 1)
A first conductive metal film having a thickness of 0.2 μm and a diameter of 1000 μm and a second conductive metal having a thickness of 0.2 μm and a diameter of 100 μm provided in the center of the support substrate made of Pyrex (registered trademark) A fixed electrode having a stepwise vertical section made of a film was formed, and an insulating film made of a silicon oxide film having a thickness of 0.05 μm was formed on the surface of the support substrate so as to cover the fixed electrode.
Next, a diaphragm having a diameter of 1200 μm and a thickness of 50 μm and a recess for a gap were formed on the silicon substrate.
Next, the support substrate on which the insulating film is formed and the silicon substrate on which the concave portion and the diaphragm are formed are overlapped and anodically bonded so that the diaphragm faces the fixed electrode through a gap, and the capacitance type similar to FIG. A pressure sensor was produced and used as Example 1.
The gap width (distance from the support substrate surface to the diaphragm) of the capacitive pressure sensor of Example 1 was 0.8 μm. The gap width between the center of the fixed electrode and the diaphragm was 0.4 μm, and the gap width between the peripheral edge of the fixed electrode and the diaphragm was 0.6 μm.
(比較例1)
パイレックス(登録商標)からなる支持基板に、厚さ0.2μm、径1000μmの固定電極を形成し、この固定電極の中央部に高さ0.2μm、底面の径100μmの円錐状絶縁膜(凸状絶縁膜)を形成した。
次にシリコン基板に直径1200μm、厚さ50μmのダイヤフラムと、ギャップ用の凹部を形成した。
ついで、上記凸状絶縁膜を形成した支持基板と、上記凹部及びダイヤフラムを形成したシリコン基板をダイヤフラムがギャップを介して固定電極と対向するように重ねて陽極接合し、図8と同様の従来タイプの静電容量型圧力センサを作製し、比較例1とした。
比較例1の静電容量型圧力センサのギャップ幅(支持基板表面からダイヤフラムまでの距離)は、0.8μmであった。また、凸状絶縁膜とダイヤフラム間のギャップ幅は0.4μm、固定電極の周縁部とダイヤフラム間のギャップ幅は0.6μmであった。
(Comparative Example 1)
A fixed electrode having a thickness of 0.2 μm and a diameter of 1000 μm is formed on a support substrate made of Pyrex (registered trademark). The insulating film was formed.
Next, a diaphragm having a diameter of 1200 μm and a thickness of 50 μm and a recess for a gap were formed on the silicon substrate.
Next, the support substrate on which the convex insulating film is formed and the silicon substrate on which the concave portion and the diaphragm are formed are overlapped and anodically bonded so that the diaphragm faces the fixed electrode through a gap, and the conventional type similar to FIG. A capacitance type pressure sensor was manufactured as Comparative Example 1.
The gap width (distance from the support substrate surface to the diaphragm) of the capacitive pressure sensor of Comparative Example 1 was 0.8 μm. The gap width between the convex insulating film and the diaphragm was 0.4 μm, and the gap width between the peripheral edge of the fixed electrode and the diaphragm was 0.6 μm.
図7に作製した実施例1と比較例1の静電容量型圧力センサにそれぞれ0kPa〜600kPaの圧力をかけたときの圧力(kPa)と容量(pF)の関係を示す。
図7に示す結果から実施例1の静電容量型圧力センサは、圧力が同じ値であっても比較例1の静電容量型圧力センサよりも容量変化が大きく、感度が優れており、このような傾向は低圧側でも高力側でも得られていることがわかる。
FIG. 7 shows the relationship between the pressure (kPa) and the capacitance (pF) when a pressure of 0 kPa to 600 kPa is applied to the capacitive pressure sensors of Example 1 and Comparative Example 1 produced.
From the results shown in FIG. 7, the capacitance type pressure sensor of Example 1 has a larger capacitance change and higher sensitivity than the capacitance type pressure sensor of Comparative Example 1, even if the pressure is the same value. It can be seen that such a tendency is obtained on both the low pressure side and the high strength side.
1・・・静電容量型圧力センサ、2・・・シリコン基板(一方の基板)、3・・・ダイヤフラム(可動電極)、4,34・・・固定電極、4a・・・第1の導電性金属膜、4b・・・第2の導電性金属膜、5・・・支持基板(他方の基板)、6・・・ギャップ、12・・・絶縁膜
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記固定電極は、該固定電極の中心部における前記ギャップが、前記固定電極の周縁部における前記ギャップより狭くなるような形状とされ、
前記固定電極及び/又は前記可動電極のギャップ側の表面を覆う絶縁膜が形成されたことを特徴とする静電容量型圧力センサ。 One substrate on which a movable electrode made of a diaphragm that is elastically deformed by pressure and the other substrate on which a fixed electrode is formed are arranged to face each other via a gap provided between the movable electrode and the fixed electrode, A capacitance type pressure sensor for detecting a change in capacitance between the movable electrode and the fixed electrode,
The fixed electrode is shaped such that the gap at the center of the fixed electrode is narrower than the gap at the periphery of the fixed electrode,
A capacitance type pressure sensor, wherein an insulating film is formed to cover a surface of the fixed electrode and / or the movable electrode on the gap side.
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