JP2006119054A - センサ - Google Patents

Abstract

【課題】ダイアフラムと保持体との接合に関して、陽極接合以外の手段を見出し、更なる小型化を促進できるセンサを提供すること。
【解決手段】感応部３４、および少なくとも一部に設けられる導電部３２を有するダイアフラム３０と、このダイアフラム３０を保持する絶縁性の保持体２０とを備え、保持体２０の保持側端部２３に配線部２２１〜２２３を有するセンサ１は、保持体２０には、ダイアフラム３０と互いに接合される側の接合面２３に配線部２２１〜２２３と導通するとともに感応部３４を区画する導電性の接合用パターン２３１が形成され、接合用パターン２３１を挟んでダイアフラム３０と保持体２０とを接合した際に、感応部３４の変化を許容するギャップ部２６が形成されているとともに、当該接合用パターン２３１によりダイアフラム３０と配線部２２１〜２２３とが電気的に接続されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、感応部、および少なくとも一部に設けられる導電部を有するダイアフラムと、このダイアフラムと互いに接合されることにより前記ダイアフラムを保持する絶縁性の保持体とを備え、前記保持体における前記ダイアフラムの保持側端部に配線部を有するセンサに関する。

センサを製造する際には、ダイアフラムとこのダイアフラムの保持体とを接合する工程がある。通常、ダイアフラムにはシリコン材料が用いられ、保持体にはガラス材料が用いられているため、これらのダイアフラムと保持体とを接合する際は、導体と絶縁体とを接合する陽極接合が行われている（特許文献１参照）。この陽極接合の際には、ダイアフラムを＋、ガラスを−として数百ボルトの高電圧が印加される。

特開平１０−１６０６１１号公報（［００１４］）

しかしながら、ダイアフラムと保持体とを陽極接合する場合は、この接合に起因して、次のような製品不良が生じるおそれがあった。
（１）ギャップが確保できない
ギャップとはダイアフラムと保持体との間にあって感応部の変化を許容する間隙である。このギャップについて、次の数式（数１）および図１５（Ａ）のグラフに示すように、ギャップ量が小さい場合に静電引力Ｆが大きいことが知られている。数式（数１）において、Ｆは静電引力、εοは誘電率、Ｓは電極面積、ｇはギャップ量、ｘはギャップ変化量、Ｖは電圧である。また、この静電引力は、図１５（Ｂ）のグラフに示すように、ダイアフラムが薄い場合に大きくなる。
これらのことから、ギャップ量が微小な、或いはダイアフラムを薄くした小型のセンサにおいて、高電圧が印加される陽極接合を実施した場合、この印加電圧によってダイアフラムと保持体とが互いに引き寄せられて接合されてしまうという問題がある。

（２）放電による電極破壊
さらに、ダイアフラムと保持体との陽極接合時の高電圧により、ギャップ内部で放電が生じ、この放電によってダイアフラムや保持体に設けられた電極が破壊されるおそれがある。ここで、放電発生の電圧とギャップ量との関係はパッシェンの法則によって規定され、図１６のグラフに示すように、ギャップ量×気圧が小さい場合に低い電圧で放電が生じることがわかる。

このような（１）（２）の問題はいずれも、根本的にはセンサのギャップ量が小さいことに起因しているが、近年、マイクロチップなどに組み込み可能な超小型のセンサの実現が望まれており、センサの小型化は避けて通れない。また、今後ますます、マイクロ化ないしナノ化が促進されるであろうから、上述のような問題が生じる陽極接合以外の手段によってダイアフラムと保持体とを接合する手段が必要とされている。

ここで、本発明の目的は、ダイアフラムと保持体との接合に関して、陽極接合以外の手段を見出し、更なる小型化を促進できるセンサを提供することにある。

本発明のセンサは、感応部、および少なくとも一部に設けられる導電部を有するダイアフラムと、このダイアフラムと互いに接合されることにより前記ダイアフラムを保持する絶縁性の保持体とを備え、前記保持体における前記ダイアフラムの保持側端部に配線部を有するセンサであって、前記保持体には、前記ダイアフラムと互いに接合される側の接合面に前記配線部と導通するとともに前記感応部を区画する導電性の接合用パターンが形成され、前記接合用パターンを挟んで前記ダイアフラムと前記保持体とを接合した際に、前記ダイアフラムと前記保持体との間に前記感応部の変化を許容するギャップ部が形成されているとともに、当該接合用パターンにより前記ダイアフラムと前記配線部とが電気的に接続されていることを特徴とする。
ここで、本発明のセンサでは、前記感応部は、被測定対象として導入される流体の状態に応じて変化するものであることが好ましい。

本発明によれば、絶縁性の保持体を、導電部を有するダイアフラムと接合するにあたって保持体に導電性の接合用パターンを形成したことにより、この接合用パターンを挟んでダイアフラムと保持体とが接合されるので、陽極接合以外の接合方法、例えば、共晶接合などを選択可能となる。
これにより、陽極接合を行った場合での高電圧下、放電によって電極が破壊したり、印加電圧によって感応部と保持体とが引き寄せられて接合されてしまう問題が生じないので、接合用パターンを薄膜形成してギャップ量をより小さく、また感応部をさらに薄く形成することによってセンサを十分に小型化することができる。
加えて、ダイアフラムと保持体との接合時に、これらのダイアフラムと保持体とが接合用パターンを介して電気的にも接続される。これにより、ダイアフラムを絶縁性の保持体側の配線部に繋ぐ配線が不要となるので、センサの一層の小型化が図られる。

なお、接合用パターンの形成には、フォトリソグラフィーなどの半導体製造プロセスなどを利用できる。また、この際には、保持体端部に露出するように設けられた配線部を覆うように接合用パターンを形成すれば、接合用パターンのダイアフラム側とは反対側の端部が配線部と導通されることになるので、製造工程が複雑化しない。さらに、この接合用パターンは、保持体だけでなく、ダイアフラムの接合面にも形成することができ、保持体およびダイアフラムにそれぞれ形成された接合用パターンを互いに接合してもよい。
そして、保持体に設けられる配線部は、リード線、ワイヤなどの線条部材や、半導体製造プロセスによって形成されるパターン、或いはスルーホールなど、任意の形態であってよい。

本発明のセンサでは、前記接合用パターンは、加熱温度６００℃以下で、軟化または共晶または溶融または拡散する金属または合金により形成されていることが好ましい。
ここで、接合用パターンの材料として、単元素金属では融点温度が６００℃以下であるＩｎ、Ｓｎ、Ｐｂ等を使用でき、合金材料としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｓｂ、Ｉｎ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｂｉなどの中から２種以上組み合わせて使用することができる。また、ここに挙げた以外の金属を加えて３種以上組み合わせることも可能である。
この発明によれば、加熱により軟化または溶融した接合用パターンの付着力により、あるいは共晶、拡散により、ダイアフラムと保持体とを容易に接合できる。なお、加熱とともに加圧する熱圧着を行ってもよい。
そして、加熱温度が６００℃以下であることにより、加熱によって保持体の材料に使用されるガラスなどの組成が変化したり、ダイアフラムや保持体に設けられた電極等が損傷したりすることを回避できる。
なお、保持体とダイアフラムとに形成された接合用パターンのうち一方については、融点温度が６００℃を超える高融点材料を用いることも可能である。

本発明のセンサでは、前記接合用パターンは、前記ダイアフラムと前記保持体との接合時に拡散し、この拡散により、前記接合用パターンの材料、および、前記接合用パターンと付着する部材の材料のいずれかの融点または共晶温度が高温化する金属または合金により形成されていることが好ましい。
ここで、接合用パターンの材料や、この接合パターンと付着する部材の材料としては、拡散性に優れるＳｎなどを含有する合金を使用するのが好ましく、このような合金として、Ｓｎ−Ａｇ合金、またはＳｎ−Ａｕ合金、Ｓｎ−Ｓｂ合金などを例示できる。接合パターンの材料と、この接合用パターンと付着する部材の材料とが異なるとき、金属拡散によって配合比率が変化する。さらに、合金の組成比率としては、Ｓｎ−Ａｕ合金であれば、Ｓｎを１０％以上含有していることがより好ましい。
この発明によれば、接合用パターンの金属拡散による配合比率の変化により、接合用パターンが接合前よりも高融点化されるので、高温条件におけるセンサの信頼性が向上する。

本発明のセンサでは、前記接合用パターンは、前記接合面の外周部に環状に形成されていることが好ましい。
この発明によれば、接合用パターンにより感応部が環状に区画され、これによって保持体とダイアフラムとの間に形成されたギャップ部内部でダイアフラムを変化させることが可能となる。このギャップ部を真空とした場合は、絶対圧力型の圧力センサを構成できる。

本発明のセンサでは、前記ダイアフラムと前記保持体との間には、互いの前記接合面の一方から他方に向かって突出する凸状パターンが形成され、前記凸状パターンは、融点温度が前記ダイアフラムと前記保持体との接合温度よりも高い材料によって形成されていることが好ましい。
この発明によれば、凸状パターンの突出寸法に応じてギャップ量を調整可能であり、接合時の加熱に関わらず凸状パターンの形状が維持されるので、ギャップ量を正確に確保できる。
ここで、凸状パターンは、保持体およびダイアフラムの各接合面のうち一方だけに形成することも、両方に形成することもできる。また、凸状パターンの形状は問わず、接合面に沿って連続的に形成されたパターンとしても、散点的に形成されたパターンとしても形成できる。

本発明のセンサでは、前記ダイアフラムには、高耐食性の材料が用いられていることが好ましい。
この発明によれば、酸化，硫化などのガス反応や、酸、アルカリ、有機などの腐食性液体による腐食作用をダイアフラムが受けにくくなり、信頼性が向上する。
ここで、高耐食性の材料としては、ＳｉＣ、窒化珪素、酸化珪素、窒化アルミニウム、アルミナなどを例示できる。

本発明のセンサでは、内部に形成された流路を有するマイクロチップに、前記流路を臨むように組み込まれたマイクロ流体デバイスであることが好ましい。
ここで、マイクロ流体デバイスとしては、マイクロバルブ、マイクロポンプ、検体識別用IDタグなどを例示でき、これらを本発明のセンサとともにマイクロチップに組み込み可能である。
本発明のセンサは、前述のように大幅に小型化されているので、微細な流路を有するマイクロチップにもマイクロ流体デバイスとして容易に組み込むことができる。そして、例えば、試料の分析や合成に用いられるマイクロチップに組み込むことにより、流路における流体の状態をマイクロ流体デバイスから得て、試料の流圧などを制御することが可能となる。

本発明のセンサでは、前記感応部により、圧力を検出する圧力センサであることが好ましい。
また、本発明のセンサでは、前記ギャップ部は、大気開放されていることが好ましい。
この発明によれば、感応部が大気圧下で変位するタイプの圧力センサとすることができる。

本発明のセンサでは、前記感応部は、その変化に応動する可動電極を前記導電部として有し、前記保持体は、前記可動電極と対向する固定電極を有し、これらの可動電極および固定電極は、コンデンサを構成していることが好ましい。
ここで、ダイアフラムの感応部表面などに可動電極を形成する場合と、ダイアフラム自体を導電性が付与された可動電極として形成する場合とがある。
この発明によれば、感応部の変位を可動電極および固定電極の間の静電容量の変化として検出する静電容量型の圧力センサとすることができる。

以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。
＜第１実施形態＞
〔１．圧力センサの構成〕
図１は、本実施形態における圧力センサ１の分解斜視図である。
圧力センサ１は、略六面体形状の絶縁性の保持体としての基板積層体２０と、この基板積層体２０に保持されたダイアフラム３０と、ダイアフラム３０の感応部３４の変位を検出する検出部４０と、基板積層体２０の保持側端面２３とは反対側の端面２４に設けられて検出部４０の検出結果が取り出される取出部５０とを備えている。
ここで、この圧力センサ１は、図２に示すように、マイクロチップＭＣに組み込まれたマイクロ流体デバイスとして構成されている。マイクロチップＭＣの内部には、試料ＲＧの流路ＦＡが形成され、圧力センサ１はこの流路ＦＡに臨むダイアフラム３０の変位に基いて流路ＦＡにおける試料ＲＧの圧力を検出するものとなっている。

基板積層体２０は、図１に示すように、２枚の四辺形状の基板２１，２２が互いに重ねられて一体に構成されている。基板２１，２２は、一辺が例えば１ｍｍ程度の平面正方形状であり、かつ、厚さが例えば０．５ｍｍ程度であって、ガラス、サファイア、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化珪素などの絶縁性材料により形成されている。本実施形態では、基板２１，２２は２枚ともガラス材料により形成されているが、これらの基板２１，２２は線膨張係数が近似する別材料によって形成されていてもよい。

図２は、基板２２の基板２１と重ねられる面に沿った線における圧力センサ１の断面図であって、図３は、基板積層体２０の断面図である。
基板２２には、基板２２の板平面のうち正方形の一辺に沿って互いに平行かつ略等間隔に延びる３本の配線部としての導電性パターン２２１，２２２，２２３がそれぞれ形成されている。これらの導電性パターン２２１〜２２３は基板積層体２０の内部をダイアフラム３０の保持側端面２３とこれと反対側の端面２４の間で延びて検出部４０と取出部５０とを互いに導通している。
ここで、導電性パターン２２１〜２２３は、めっき、スパッタ、蒸着などにより複数層の薄膜として形成されている。導電性パターン２２１〜２２３の材料としては、Ａｌ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄなどの導電性金属やこれらの合金を採用できるが、本実施形態では、ガラス製の基板２２との密着性に優れるＴｉを密着層として、基板２２の表面側から、Ｔｉ、Ａｕ、Ｔｉの順で成膜されている。

これらの導電性パターン２２１〜２２３が形成されている基板２２の面が基板２１と重ねられることにより、図３の断面図に示すように、基板２１，２２の間には、隣り合う導電性パターン２２１，２２２および導電性パターン２２２，２２３の間に、導電性パターン２２１〜２２３の基板２２面からの高さに応じた断面矩形状の間隙部２５１，２５２がそれぞれ形成され、これらの間隙部２５１，２５２はいずれも大気に開放されている。

そして、基板２１と基板２２とは互いに重ねられた状態で接合されている。具体的には、基板２２に形成された導電性パターン２２１〜２２３と基板２１とが陽極接合されている。こうして、導電性パターン２２１〜２２３により、基板積層体２０の内部が導通されている。

基板積層体２０の保持側端面２３はダイアフラム３０との接合面であって、この保持側端面２３には、ダイアフラム３０との接合に用いる接合用パターン２３１が外周部に沿ってロ字環状に薄膜形成されている。この接合用パターン２３１は、本実施形態では、保持側端面２３の表面にＴｉ薄膜、Ａｕ薄膜の順で積層されたもので、融点温度は、１０６４℃程度となっている。
この接合用パターン２３１は、２本の導電性パターン２２１，２２３にそれぞれ電気的に接続されている。

ダイアフラム３０は、導電性が付与された単結晶シリコン材料によって基板積層体２０の端面２３に応じた四辺形状に形成されている。このダイアフラム３０の基板積層体２０側の面は、基板積層体２０との接合面となっている。この接合面には、Ｔｉによって成膜した可動電極３２が形成され、この可動電極３２が形成された面の外周部には、保持側端面２３の接合用パターン２３１に対応するロ字環状の接合用パターン３１１が可動電極３２と積層されて形成されている。この接合用パターン３１１は、本実施形態では、ＡｕおよびＳｎの合金により形成され、その配合比率はＳｎが１０％であって、共晶温度は、基板積層体２０のガラス材料の融点温度よりも低く、２２０℃程度から共晶接合が可能となる。
なお、接合用パターン３１１の材料としては、ＳｎおよびＡｕの合金のほかに、ＳｎおよびＡｇの合金やＳｎおよびＳｂの合金などを使用することもできる。このほか、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｓｂ、Ｉｎ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｂｉなどの中から２種または３種以上組み合わせた合金材料も使用することができる。また、接合用パターン２３１についても、接合用パターン３１１と同様の材料で形成することができる。
一方、試料ＲＧが導入されるダイアフラム３０の測定面には、ＳｉＣ、窒化珪素、酸化珪素、窒化アルミニウム、窒化アルミナなどの高耐食性の材料により、保護膜３３が形成されている。

ここで、基板積層体２０とダイアフラム３０との接合により、基板積層体２０とダイアフラム３０との間で接合用パターン２３１および接合用パターン３１１によりダイアフラム３０が環状に区画され、ギャップ部２６が形成されている。ダイアフラム３０のこの平面視環状に区画された部分は、試料ＲＧの圧力に応じて、ギャップ部２６の内部で変位する感応部３４となっている。なお、ギャップ部２６の底部２６１には、間隙部２５１，２５２の開口２５１Ａ，２５２Ａがそれぞれ形成され、ギャップ部２６は大気に開放されている。

検出部４０は、可動電極であるダイアフラム３０と、基板積層体２０の端面２３側でダイアフラム３０と対向配置される固定電極４１とを備えて構成されている。ここで、ダイアフラム３０と固定電極４１とはコンデンサを構成しており、検出部４０では、ダイアフラム３０の変位がダイアフラム３０と固定電極４１との間の静電容量の変化として検出されている。
固定電極４１は、スパッタ、蒸着などによりギャップ部２６の底部２６１における接合用パターン２３１の内側で、接合用パターン２３１とは間隔をおいた四辺形状にＴｉ薄膜として形成され、導電性パターン２２１〜２２３の中央に配置された導電性パターン２２２に接続されている。
なお、ギャップ部２６の底部２６１における間隙部２５１，２５２の開口２５１Ａ，２５２Ａを閉塞しないように固定電極４１を形成している。

一方、取出部５０は、３つの矩形状の取出電極５１，５２，５３を備えて構成され、これらの取出電極５１〜５３は、スパッタ、蒸着などによるＴｉ、Ａｕの積層薄膜として基板積層体２０の端面２４に形成されている。また、取出電極５１〜５３は、導電性パターン２２１〜２２３とそれぞれ接続されているとともに、図示を省略するが、マイクロチップＭＣ（図２）に形成した接合用パターンにワイヤボンディングされている。なお、プリント基板などをマイクロチップＭＣに貼り付けてワイヤボンディングで接続する方法もある。

〔２．圧力センサの製造手順〕
以上説明した圧力センサ１の製造手順について、図４〜図６を参照して説明する。圧力センサ１の製造は半導体製造プロセスを中心に行われる。

（2-1．ウェーハの積層）
図４には、ガラス製の円盤状のウェーハ１１，１２が示されている。
まず、一方のウェーハ１２に、フォトリソグラフィーにより、所定方向に沿って縞状に並ぶ多数の導電性パターン２２１〜２２３を一括形成する。そして、ウェーハ１１とウェーハ１２とを導電性パターン２２１〜２２３を間に挟んで互いに重ね合わせ、ウェーハ１２に形成された導電性パターン２２１〜２２３とウェーハ１１とを互いに接合する。こうして積層されたウェーハ１１，１２の間において、隣り合う導電性パターン２２１，２２２および導電性パターン２２２，２２３の間には、図３と同様に間隙部２５１，２５２がそれぞれ形成される。

（2-2．スティック状にカット）
次に、図５に示すように、導電性パターン２２１〜２２３と略直交する複数の切断線ＣＬ１に沿って、積層されたウェーハ１１およびウェーハ１２を細長く切り分ける。これにより、図６に示すようなスティック体１４が複数形成される。このスティック体１４の切断面１４１，１４２の表面粗さ（Ｒａ）は１０００Å以下であって平滑に形成されている。なお、切断面１４１，１４２を研磨してもよい。

（2-3．電極などの形成）
このスティック体１４は、導電性パターン２２１〜２２３の延出方向に沿った複数の切断線ＣＬ２にてダイス状にカットされ、その１つ１つが図１に示した基板積層体２０となるものである。ここで、スティック体１４のままで半導体製造プロセスによる微細加工を実施することにより、複数の基板積層体２０の電極形成およびダイアフラム３０との接合を行う。図６では図示を省略したが、図１に示すような固定電極４１、接合用パターン２３１、および取出電極５１〜５３がスティック体１４の長手方向に沿った切断面１４１，１４２に複数個並ぶように、これらの固定電極４１、接合用パターン２３１、および取出電極５１〜５３をそれぞれ一括して形成する。

具体的に、スティック体１４の一方の切断面１４１には、フォトリソグラフィーにより、固定電極４１および接合用パターン２３１をそれぞれ形成する。この際、スティック体１４の切断面１４１に露出している導電性パターン２２１，２２３をそれぞれ覆うように接合用パターン２３１を形成するとともに、導電性パターン２２２を覆うように固定電極４１を形成する。
また、スティック体１４の他方の切断面１４２には、フォトリソグラフィーにより、取出電極５１〜５３をそれぞれ形成する。

（2-4．ダイアフラムの接合）
一方、ダイアフラム３０については、予め接合用パターン３１１および保護膜３３を形成しておく。そして、スティック体１４に形成された各接合用パターン２３１一つ一つについて、ダイアフラム３０の接合用パターン３１１の位置をそれぞれ合わせ、接合用パターン３１１，２３１を挟んでダイアフラム３０とスティック体１４とを６００℃以下の温度条件で加熱して接合する。
この接合の際、接合用パターン２３１の表層がＡｕにより形成されており、また、接合用パターン３１１がＡｕおよびＳｎの合金材料で形成されていることから、これらの接合用パターン３１１，２３１に含まれるＡｕおよびＳｎが２２０℃程度以上で共晶となり、共晶が生じた接合用パターン２３１，３１１を挟んでダイアフラム３０と基板積層体２０とが接合される。また、接合時の加熱により、接合用パターン３１１に含まれるＳｎが拡散し、ＡｕおよびＳｎの配合比率が接合前後で変化する。これにより、ＡｕおよびＳｎによる合金の共晶温度は、接合前、２２０℃程度であったものが４７０℃程度まで上昇する。

このように、６００℃以下の温度下でダイアフラム３０と基板積層体２０との接合が行われることにより、ガラス材料による基板積層体２０の組成が変化することなく、ダイアフラム３０の変形、固定電極４１の損傷なども回避される。なお、接合雰囲気として、酸素濃度が１００ｐｐｍ以下の真空下、あるいは還元性ガス下、不活性ガス下などとすることができ、適度な荷重を加えてもよい。また、接合前に接合用パターン２３１，３１１表面をプラズマ処理によって活性化することで接合状態が良好となる。
以上述べたダイアフラム３０とスティック体１４との接合により、ダイアフラム３０と基板積層体２０とが接合用パターン３１１，２３１を介して電気的にも接続される。

（2-5．ダイシング）
最後に、図６に示す切断線ＣＬ２に沿ってスティック体１４をダイス状にカットすれば、複数の圧力センサ１が完成する（図１参照）。

〔３．圧力センサの作用〕
ダイアフラム３０がマイクロチップＭＣの流路ＦＡにおける試料ＲＧの圧力に応じて変位することにより、ダイアフラム３０と固定電極４１との距離が変わり、この距離によってダイアフラム３０と固定電極４１との間の静電容量が増減する。
ここで、圧力センサ１では、ダイアフラム３０および固定電極４１の間の静電容量が所定の周波数において繰り返し検出されている。
具体的に、固定電極４１の電位は導電性パターン２２２によって取出電極５２に伝達される。また、ダイアフラム３０の電位は導電性パターン２２１，２２３により取出電極５１，５３にそれぞれ伝達される。さらに、これらの電位は、取出電極５１〜５３からマイクロチップＭＣを介して図示しない外部回路へと送出され、静電容量が検出される。なお、ダイアフラム３０の電位は取出電極５１，５３に略同電位として伝えられるため、取出電極５１，５３のいずれか一方の電位が取り出され、外部回路へ送出されていればよい。

そして、圧力センサ１から得られた静電容量を外部回路において検出することにより、マイクロチップＭＣの流路ＦＡにおける試料ＲＧの圧力が検出される。
なお、ダイアフラム３０とギャップ部２６との間の空間は大気に開放されていることから、ダイアフラム３０は試料ＲＧの圧力と大気圧との差に応じて変位する。したがって、外部回路で求められる試料ＲＧの圧力値は、大気雰囲気における値となる。

〔４．本実施形態による効果〕
このような本実施形態によれば、次のような効果がある。
（１）絶縁性の基板積層体２０を、可動電極であるダイアフラム３０と接合するにあたって基板積層体２０に導電性の接合用パターン２３１を、ダイアフラム３０には接合用パターン３１１をそれぞれ形成したことにより、これらの接合用パターン２３１，３１１を挟んでダイアフラム３０と基板積層体２０とが接合されるので、共晶接合を実施でき、陽極接合を行わずに済む。

（２）これにより、陽極接合する場合の高電圧下、放電によって電極が破壊したり、印加電圧によって感応部３４と基板積層体２０とが引き寄せられて接合されてしまう問題が生じないので、接合用パターン２３１，３１１を薄膜形成してギャップ量をより小さく、また感応部３４をさらに薄く形成することによって圧力センサ１を従来に比べて格段に小型化することができる。

（３）加えて、ダイアフラム３０と基板積層体２０との間の導電性の接合用パターンにより、ダイアフラム３０と基板積層体２０との接合時に、これらのダイアフラム３０と基板積層体２０とが電気的にも接続される。これにより、ダイアフラム３０を絶縁性の基板積層体２０側の配線部に繋ぐ配線が不要となるので、圧力センサの一層の小型化が図られる。

（４）接合用パターン２３１，３１１の互いに対向する側をＡｕ薄膜またはＡｕ−Ｓｎ合金薄膜として形成したことにより、これらＡｕ，Ｓｎの共晶により、所定の共晶温度で容易に接合できる。その共晶温度は基板積層体２０のガラス材料の融点温度よりも低いため、ダイアフラム３０と基板積層体２０との接合時、基板積層体２０の組成が変化したり、固定電極４１やダイアフラム３０に不具合が生じたりするのを回避できる。

（５）接合用パターン３１１の合金材料に拡散性に優れるＳｎが含まれており、接合用パターン３１１を構成するＡｕ−Ｓｎ合金の配合比率がダイアフラム３０と基板積層体２０との接合前後で変化して、接合用パターン２３１，３１１がダイアフラム３０と基板積層体２０との接合前よりも高融点化される。すなわち、ダイアフラム３０と基板積層体２０とは、高融点化された接合用パターン２３１，３１１を挟んで接合されることとなるので、信頼性を向上させることができる。

（６）ダイアフラム３０の測定面３３に保護膜３３が形成されていることにより、酸、アルカリ、有機などの腐食性液体による腐食作用をダイアフラム３０が受けにくくなり、信頼性が向上する。

（７）圧力センサ１は、前述のように格段に小型化されているので、微少量の流体を扱うマイクロチップＭＣにマイクロ流体デバイスとして容易に組み込むことができる。そして、マイクロチップＭＣから得られた試料ＲＧの状態に基いて流体制御を行うことが可能となる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について図７〜図９を参照して説明する。
なお、以下の説明では、既に説明した実施形態と同様の構成については、同一符号を付して、説明を省略もしくは簡略化する。

第２実施形態は、第１実施形態の圧力センサ１において、ギャップ量を確保するための構成を備えたものである。
図７および図８に示すように、本実施形態の圧力センサ１では、基板積層体２０のダイアフラム３０の保持側端面２３の外周部に、ダイアフラム３０の可動電極３２が形成された接合面に向かって突出する凸状パターン２３２が形成され、この凸状パターン２３２は、接合用パターン２３１の周りに平面視ロ字状に形成されている。ここで、凸状パターン２３２の材料には、例えばＴｉ、ＳｉＯ_２など、融点温度がダイアフラム３０と基板積層体２０との接合時の加熱温度よりも高いものが使用されている。
なお、本実施形態において、図９に示すように、接合用パターン２３１および凸状パターン２３２の位置を交換して形成してもよい。この図９では、基板積層体２０の保持側端面２３において、凸状パターン２３２が接合用パターン２３１の内周側に隣接して形成されている。

本実施形態の圧力センサ１の製造工程では、スティック体１４（図６参照）の切断面１４１に固定電極４１および接合用パターン２３１を形成する際に、接合用パターン２３１と隣り合い、かつ接合用パターン２３１の表面と凸状パターン２３２の表面とが面一となるように凸状パターン２３２を形成する。なお、本実施形態では、接合用パターン２３１および凸状パターン２３２のロ字形状における基板積層体２０の一辺に沿った部分の幅寸法がほぼ等しくなっているが、これに限らず、当該寸法を互いに異なるものとしてもよい。また、接合用パターン２３１と凸状パターン２３２とは必ずしも隣接して形成する必要はなく、接合用パターン２３１と凸状パターン２３２との間に間隔があってもよい。

この凸状パターン２３２の形成後、ダイアフラム３０と基板積層体２０との接合を第１実施形態と同様により行う。ここで、この接合時の加熱によって凸状パターン２３２は軟化ないし溶融などしないで、ダイアフラム３０と基板積層体２０との間でその形状を維持する。この凸状パターン２３２により、ダイアフラム３０と基板積層体２０との間のギャップ部２６が所定の寸法で確保される。

このような第２実施形態によれば、第１実施形態による前述の（１）〜（７）の効果に加えて、次の効果を得ることができる。
（８）ダイアフラム３０と基板積層体２０との接合時の加熱に関わらず、凸状パターン２３２がダイアフラム３０と基板積層体２０との間を所定寸法に保つので、凸状パターン２３２の突出寸法を変更することにより、ギャップ量を調整可能となる。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について図１０および図１１を参照して説明する。
本実施形態は、凸状パターンの形状が第２、第３実施形態とは相違する。
本実施形態の圧力センサ１では、図１０、図１１に示すように、ドット状の凸状パターン２３３が基板積層体２０の保持側端面２３の四辺に沿って等間隔で散点状に並んでいる。これらの凸状パターン２３３は、接合用パターン２３１のロ字状の領域内で基板積層体２０の端面２３から突出し、接合用パターン２３１の表面と面一に（図１１参照）形成されている。
このような本実施形態においても、第２実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態について図１２、図１３を参照して説明する。
本実施形態は、第２実施形態における凸状パターン２３２をダイアフラム３０側に形成したものである。

本実施形態の圧力センサ１では、図１２に示すように、凸状パターン３１２がダイアフラム３０の基板積層体２０と接合される接合面３５に形成され、この凸状パターン３１２は、接合用パターン３１１の周りに平面視ロ字状に形成されている。ここで、凸状パターン３１２の材料には、第２実施形態と同様に、融点温度がダイアフラム３０と基板積層体２０との接合時の加熱温度よりも高いものが使用されている。

なお、本実施形態において、図１３に示すように、接合用パターン３１１および凸状パターン３１２の位置を交換して形成してもよい。この図１３では、ダイアフラム３０の基板積層体２０との接合面において、凸状パターン３１２が接合用パターン３１１の内周側に隣接して形成されている。

このような本実施形態の製造手順は第２実施形態とほぼ同様であり、また、本実施形態によっても第２実施形態と同様の作用効果が得られる。

＜第５実施形態＞
次に、本発明の他の第４実施形態について図１４を参照して説明する。
本実施形態は、第１実施形態において、ダイアフラムの保持体の構成を変更したものである。
本実施形態では、図１４に示すように、保持体としてブロック体６０を備え、このブロック体６０には、ブロック体６０の一端から他端まで貫通する配線部としてのスルーホール６１が形成されている。スルーホール６１は、めっき、スパッタ、蒸着などにより孔の内周面および開口端縁部に金属膜が形成されたもので、ブロック体６０の端面に露出する開口端縁部が固定電極４１と導通されている。このような構成により、スルーホール６１は、前記各実施形態における導電性パターン２２２、および間隙部２５１，２５２の機能を有するものであって、ブロック体６０の一端側と他端側との導通を図るとともに、大気を往来させるようになっている。また、前記各実施形態における導電性パターン２２１，２２３の代わりに、スルーホール６１の貫通方向に沿ったブロック体６０の両側面に配線部としての導電性パターン２２５がそれぞれ形成されている。

このようなブロック体６０では、スルーホール６１の一方の開口端側がダイアフラム３０の保持側端面２３となっており、この保持側端面２３には、第１実施形態と同様に、接合用パターン２３１が形成されている。
そして、ブロック体６０側の接合用パターン２３１とダイアフラム３０側の接合用パターン３１１を挟んでブロック体６０とダイアフラム３０とが接合され、ダイアフラム３０の感応部３４は、スルーホール６１を通じて大気圧条件において変位する。また、感応部３４の変位はスルーホール６１を通じて取出電極５１〜５３に取り出されている。

本実施形態の圧力センサ１は、スルーホール６１の形成を除けば、前記各実施形態とほぼ同様である。そして、本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を奏する。

本発明は、前述の各実施形態に限定されるものではなく、以下に示すような変形および改良をも含むものである。
接合用パターンや凸状パターンの形状、位置などは、前記各実施形態に限定されず、例えば、保持体やダイアフラムが円いものである場合などは、これらの円周縁に沿って形成されていてもよい。

また、前記各実施形態は静電容量式のゲージ圧型の圧力センサとなっていたが、これに限らず、例えば、前記各実施形態における間隙部２５１，２５２をパターンやガラスや樹脂のペーストで埋設して、絶対圧力型の圧力センサとしてもよい。また、ダイアフラムに歪ゲージを設けて、歪ゲージ式圧力センサとすることも可能である。

そして、前記実施形態のような圧力センサ１に限らず、静電容量式、歪ゲージ検出式の検出方法や、絶対圧力型、ゲージ圧型などの各種の圧力センサを構成することができる。
また、本発明のセンサの測定対象、媒体は流体以外であってもよい。すなわち、測定媒体や媒体の状態などを選ばず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で任意に構成できる。

本発明は、特に、大幅に小型化できることから、マイクロチップに組み込み、各種の試料の分析や合成などに利用することができる。

本発明の実施形態における圧力センサを基板の端面側から見た分解斜視図。 前記実施形態における圧力センサの断面図。 前記実施形態における基板積層体の断面図。 前記実施形態の圧力センサの製造工程においてウェーハを示す斜視図。 前記実施形態の圧力センサの製造工程においてウェーハの切断線を示した平面図。 前記実施形態の圧力センサの製造工程においてウェーハがスティック状に切断された状態を示す斜視図。 本発明の第２実施形態における圧力センサの斜視図。 前記実施形態における圧力センサの断面図。 前記実施形態における圧力センサの断面図。 本発明の第３実施形態における圧力センサの斜視図。 前記実施形態における圧力センサの断面図。 本発明の第４実施形態における圧力センサの斜視図。 前記実施形態における圧力センサの断面図。 本発明の第５実施形態における圧力センサの斜視図。 背景技術の説明におけるグラフを示す図。 背景技術の説明におけるグラフを示す図。

符号の説明

１ 圧力センサ（センサ）
１１，１２，１３ ウェーハ
２０，９０，７０ 基板積層体（保持体）
２１，２２，２７ 基板
２３ 端面（保持側端部）
２６ ギャップ部
３０ ダイアフラム
３２ 可動電極
３４ 感応部
４１ 固定電極
６０ ブロック体（保持体）
６１ スルーホール（配線部）
２２１，２２２，２２３ 導電性パターン（配線部）
２３１ 接合用パターン
２３２，２３３ 凸状パターン
２５１，２５２ 間隙部
２５１Ａ，２５２Ａ 開口
３１１ 接合用パターン
３１２ 凸状パターン
ＦＡ 流路
ＭＣ マイクロチップ
ＲＧ 試料（流体）

Claims (11)

1. 感応部、および少なくとも一部に設けられる導電部を有するダイアフラムと、このダイアフラムと互いに接合されることにより前記ダイアフラムを保持する絶縁性の保持体とを備え、前記保持体における前記ダイアフラムの保持側端部に配線部を有するセンサであって、
   前記保持体には、前記ダイアフラムと互いに接合される側の接合面に前記配線部と導通するとともに前記感応部を区画する導電性の接合用パターンが形成され、
   前記接合用パターンを挟んで前記ダイアフラムと前記保持体とを接合した際に、前記ダイアフラムと前記保持体との間に前記感応部の変化を許容するギャップ部が形成されているとともに、当該接合用パターンにより前記ダイアフラムと前記配線部とが電気的に接続されている
   ことを特徴とするセンサ。
2. 請求項１に記載のセンサにおいて、
   前記感応部は、被測定対象として導入される流体の状態に応じて変化するものである
   ことを特徴とするセンサ。
3. 請求項１または請求項２に記載のセンサにおいて、
   前記接合用パターンは、加熱温度６００℃以下で、軟化または共晶または溶融または拡散する金属または合金により形成されている
   ことを特徴とするセンサ。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載のセンサにおいて、
   前記接合用パターンは、前記ダイアフラムと前記保持体との接合時に拡散し、この拡散により、前記接合用パターンの材料、および、前記接合用パターンと付着する部材の材料のいずれかの融点または共晶温度が高温化する金属または合金により形成されている
   ことを特徴とするセンサ。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載のセンサにおいて、
   前記接合用パターンは、前記接合面の外周部に沿って環状に形成されている
   ことを特徴とするセンサ。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載のセンサにおいて、
   前記ダイアフラムと前記保持体との間には、互いの前記接合面の一方から他方に向かって突出する凸状パターンが形成され、
   前記凸状パターンは、融点温度が前記ダイアフラムと前記保持体との接合温度よりも高い材料によって形成されている
   ことを特徴とするセンサ。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載のセンサにおいて、
   前記ダイアフラムには、高耐食性の材料が用いられている
   ことを特徴とするセンサ。
8. 請求項１から請求項７のいずれかに記載のセンサにおいて、
   内部に形成された流路を有するマイクロチップに、前記流路を臨むように組み込まれたマイクロ流体デバイスである
   ことを特徴とするセンサ。
9. 請求項１から請求項８のいずれかに記載のセンサにおいて、
   前記感応部により、圧力を検出する圧力センサである
   ことを特徴とするセンサ。
10. 請求項９に記載のセンサにおいて、
    前記ギャップ部は、大気開放されている
    ことを特徴とするセンサ。
11. 請求項９または請求項１０に記載のセンサにおいて、
    前記感応部は、その変化に応動する可動電極を前記導電部として有し、
    前記保持体は、前記可動電極と対向する固定電極を有し、
    これらの可動電極および固定電極は、コンデンサを構成している
    ことを特徴とするセンサ。

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