JP2007010553A

JP2007010553A - 静電容量型圧力センサ素子

Info

Publication number: JP2007010553A
Application number: JP2005193620A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Sato; 清佐藤
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2005-07-01
Filing date: 2005-07-01
Publication date: 2007-01-18
Anticipated expiration: 2025-07-01
Also published as: JP4820590B2

Abstract

【課題】本発明は、安価であって高品質の静電容量型圧力センサ素子を得ることを目的とする。
【解決手段】本発明は、表面部絶縁性の基板と、表面部に形成された引出電極部及び下部電極部と、下部電極部の一部に形成された絶縁部と、引出電極部の一部上と絶縁部上と表面部上に位置するように立体状に形成され、引出電極部に電気的に接続された導電性スペーサ部材と、スペーサ部材上のダイヤフラム層とが具備され、ダイヤフラム層自体が導電材料から構成されるか、あるいは、ダイヤフラム層に電極層が形成されて上部電極部が形成されてなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、対になる電極の間の静電容量の変化を計測して圧力の変化を検知する静電容量型圧力センサ素子に関する。

従来の静電容量型の圧力センサにおいては、ダイヤフラムに区画された気密室に微細間隔をあけて対向配置した対になる電極に配線を接続形成し、両方の電極から信号線を取り出す構造とする必要があることから、ガラスとシリコン基板を個々に加工し、それらに電極形成や配線を施したものを陽極接合して一体化し、センサ素子が構成されていた。
この種の静電容量式の圧力センサにおいて、シリコン基板と、シリコン基板に陽極接合され、シリコン基板との間に形成された気密室に連通する貫通孔が設けられているガラス基板とからなり、前記ガラス基板の内面に陽極接合により固定され、前記貫通孔の内端開口を気密状態で閉止するシリコン電極板と、前記貫通孔に配置され、シリコン電極板からの信号を外部に導く導電体とを備えた構成の圧力センサが知られている。（特許文献１参照）

また、他の構成の圧力センサの一例として、電気絶縁性材料からなるダイアフラムと固定基板の上に所定の電極パターンを形成する工程と、前記ダイアフラムと前記固定基板とを一定間隔に保持し接着する接着層を前記ダイアフラムと前記固定基板の電極の周縁部に形成する工程と、前記ダイアフラムと前記固定基板を前記接着層を介して張り合わせて荷重をかけた儘焼成し前記ダイアフラムと前記固定基板とを一定間隔に保持し接着する工程と、荷重を除いた状態で高温処理して接着層を焼成し、その後、徐冷して前記接着層内の内部応力を取り除く工程により製造される静電容量式圧力センサ並びにその製造法が知られている。（特許文献２参照）
特開２０００−２８４６３号公報特開平９−３１８４７６号公報

前記シリコン基板にガラス基板を陽極接合して製造するタイプの静電容量型の圧力センサでは、陽極接合を行うために、基板としてＮａ入りのパイレックス（登録商標）ガラスを必須として用いる必要があるが、パイレックス（登録商標）ガラスは高価であり、必然的に圧力センサの製造コストが高くなるので、圧力センサをコスト安に製造できない要因となっていた。
また、パイレックス（登録商標）ガラスを用いた陽極接合を行う場合、ガラス基板とＳｉ基板の双方に高い電圧を印加して接合する必要があるので、ギャップをあけて配置した電極間あるいは配線の弱い部分にスパークが生じたり、陽極接合時に腐食性のガスが発生するなどの問題があり、容量が不安定な製品が製造されてしまうおそれが高く、製品歩留まりを向上させることが難しい問題があった。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、高価なパイレックス（登録商標）ガラスなどのガラス基板を用いることなく、安価に得ることができるとともに、歩留まり向上が難しい陽極接合という手法を用いることなく安価に製造可能な静電容量型圧力センサを得ることができる技術に関する。
また、本発明は、陽極接合が必要であった従来構造を根本的に見直し、陽極接合を行わなくともダイヤフラム層を電極と対向配置することができる従来では知られていない新規な構造の静電容量型圧力センサ素子を提供することを目的とする。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、少なくとも表面部が絶縁性にされた基板と、前記絶縁性の表面部に平面視的に離間して個々に形成された引出電極部及び下部電極部と、前記下部電極部の少なくとも一部に形成された絶縁部と、前記引出電極部の少なくとも一部上と前記下部電極部の絶縁部上と前記絶縁性の表面部上に少なくとも位置するように立体状に形成され、前記引出電極部に電気的に接続された導電性材料からなるスペーサ部材と、前記スペーサ部材の上において前記基板の絶縁性の表面部及び前記下部電極部と所定のギャップを介して設けられたダイヤフラム層とが具備されてなり、前記ダイヤフラム層自体が導電材料から構成されるか、あるいは、前記ダイヤフラム層に電極層が形成されて前記下部電極部と対向する上部電極部が形成されてなることを特徴とする。

本発明の静電容量型圧力センサ素子において、スペーサ部材上に設けられたダイヤフラム層が圧力を受けて変形すると、ダイヤフラム層自体あるいはその下面側に設けた上部電極部と、それに対向する下部電極部との間の電極間隔が変化するので静電容量が変化する。この静電容量の変化を検知することにより圧力を検知できる。また、下部電極部の絶縁部上にスペーサ部材を配置しても下部電極部とスペーサ部材は導通することがなく、スペーサ部材は引出電極部のみと電気的に接合されるので、引出電極部とスペーサ部材とダイヤフラム層が電気的に接続され、１つの導通路を構成する。一方、前記下部電極部は前記ダイヤフラム層と対向する対になる電極を構成するので、対になる電極が対向配置された構成の静電容量型圧力センサ素子が構成される。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、少なくとも表面部が絶縁性にされた基板と、前記絶縁性の表面部に平面視的に離間して個々に形成された引出電極部及び下部電極部と、前記下部電極部の少なくとも一部に形成された絶縁部と、前記引出電極部の少なくとも一部上と前記下部電極部の絶縁部上と前記絶縁性の表面部上に少なくとも位置するように立体状に形成され、前記引出電極部に電気的に接続された導電性材料からなるスペーサ部材と、前記スペーサ部材の上において前記基板の絶縁性の表面部及び前記下部電極部と所定のギャップを介して設けられたダイヤフラム層とが具備されてなり、前記ダイヤフラム層自体が導電材料から構成されるか、あるいは、前記ダイヤフラム層に電極層が形成されて前記下部電極部と対向する上部電極部が形成されてなり、前記ダイヤフラム層が前記スペーサ部材の外側にも延出形成されて前記スペーサ部材の外側部分が前記ダイヤフラム層の延出部によって覆われるとともに、前記引出電極部の端子電極部に対応する前記ダイヤフラム層の延出部に端子接続用の透孔が形成され、前記下部電極部の端子電極部に対応する前記ダイヤフラム層の延出部に端子接続用の透孔が形成されてなることを特徴とする。

本発明の静電容量型圧力センサ素子において、スペーサ部材上に設けられたダイヤフラム層が圧力を受けて変形すると、ダイヤフラム層自体あるいはその下面の上部電極と、それに対向する下部電極部との間の電極間隔が変化するので静電容量が変化する。この静電容量の変化を検知することにより圧力を検知できる。また、下部電極部の絶縁部上にスペーサ部材を配置しても下部電極部とスペーサ部材は導通することがなく、スペーサ部材は引出電極部とのみ電気的に接合されるので、引出電極部とスペーサ部材とダイヤフラム層が電気的に接続され、１つの導通路を構成する。一方、前記下部電極部は前記ダイヤフラム層と対向する対になる電極を構成するので、対になる電極が対向配置された構成の静電容量型圧力センサ素子が構成される。
前記ダイヤフラム層の延出部でスペーサ部材の周囲側を覆うことで、スペーサ部材の周囲の電極や配線を物理的に保護することができる。また、ダイヤフラム層の延出部に端子接続用の透孔を設けておけば、これらの透孔を介してダイヤフラム層側と下部電極側の双方の電極に外部制御装置接続用の配線を施すことが容易になし得る。

本発明は、前記ダイヤフラム層がＳｉ基板からなり、前記スペーサ部材がＳｉと共晶結合可能な金属材料からなることを特徴とする。
Ｓｉ基板をスペーサ部材に接触させながら加熱することでスペーサ部材とＳｉ基板とが接触界面で共晶結合を起こして結合する。これにより、従来のＳｉ基板とパイレックス（登録商標）ガラスとの組み合わせにより必須であった陽極接合を行うことなく、ダイヤフラム層の形成が可能となるので、配線や電極部に高い電圧を印加することなく熱によるダイヤフラム層とスペーサ部材との共晶接合が可能となり、配線や電極部に損傷やダメージを与えることなくスペーサ部材とダイヤフラム層の接合ができ、製造時の歩留まりが向上し、静電容量型圧力センサ素子として容量変化にばらつきの少ない高品質の製品を提供できる。
また、ダイヤフラム層はＳｉ基板から構成することができるとともに、表面部絶縁性の基板はパイレックス（登録商標）ガラス基板を用いる必要が無くなり、絶縁層を有する他の一般的な絶縁基板を用いれば良いので、基板を低コスト化することが可能となり、容量型圧力センサ素子自体の低コスト化をなし得る。
なお、仮にスペーサ部材にＡｕを含有させるならば、ＡｕＳｉ共晶結合によるダイヤフラム層とスペーサ部材との確実な接合が可能となる。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、前記スペーサ部材が前記引出電極部の少なくとも一部上と前記下部電極部の絶縁部上と前記絶縁性の表面部上を少なくとも通過するように環状に形成されてなることを特徴とする。
スペーサ部材が環状に形成されることでダイヤフラム層を支持する部分が環状となり、圧力の変化に伴うダイヤフラム層の変形追従性が良好となるので、圧力検知性能が向上する。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、前記引出電極部と前記下部電極部とがいずれも前記絶縁性の表面部に埋め込み形成され、前記絶縁部が前記下部電極部に埋め込み形成されるとともに、前記表面部上面と前記引出電極部上面と前記下部電極部上面と前記絶縁部上面とが面一に形成されてなることを特徴とする。
引出電極部の上面と下部電極部の上面並びに絶縁部の上面がいずれも面一になることでそれらの上に形成されるスペーサ部材の上面高さを一定にすることができる。これにより、スペーサ部材上にダイヤフラム層を設ける場合にダイヤフラム層とスペーサ部材とが隙間無く密着でき、良好な接合性が得られやすい。特にダイヤフラム層と環状のスペーサ部材と基板の表面部とにより気密構造とする場合に、これらに囲まれた部分の気密性を容易に確保できる。
また、ダイヤフラム層がＳｉ基板からなり、前記スペーサ部材がＳｉと共晶結合可能な金属材料からなる場合において、Ｓｉとの共晶結合が隙間無く良好になされる。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、前記引出電極部の一部が前記表面部に沿って前記ダイヤフラム層の平面視外側に延出されて一方の端子電極部とされ、前記下部電極部が前記表面部に沿って前記ダイヤフラム層の外側に延出されて他方の端子電極部とされてなることを特徴とする。
ダイヤフラム層の外側に引出電極部の一部と下部電極部の一部を配置することにより、引出電極部の一部と下部電極部の一部に対するワイヤボンディング作業等の配線接続性が良好となり、外部の駆動制御装置などとの配線接続性が良好となる。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、前記基板が酸化アルミニウムからなる基体上にグレーズドアルミナからなる表面部が形成された複合基板から構成されたことを特徴とする。
このグレーズドアルミナの表面部を有する複合基板は安価に入手可能でパイレックス（登録商標）ガラスよりも遙かに安価なので、静電容量型圧力センサ素子を製造するための主要材料費が低下し、低コスト化を確実になし得る。

本発明によれば、陽極接合技術を用いなくともスペーサ部材に接合支持されたダイヤフラム層構造の製造が可能となり、静電容量型圧力センサ素子として信頼性の高い高品質の製品を高い歩留まりで製造することが可能となる構造を提供できる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明するが、本発明は以下に説明する実施形態に限定されるものではない。また、以下の実施形態を説明する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、本実施の形態に係る静電容量型圧力センサ素子の一例を示す断面図、図２は同静電容量型圧力センサ素子を製造する方法の一例を説明するための断面図、図３は同静電容量型圧力センサ素子を製造する方法の一例を説明するための平面図である。
この形態の静電容量型圧力センサ素子１は、上面にガラス質の絶縁性の表面部２を備えた基板３と、前記表面部２に平面視的に離間して配置された引出電極部５及び下部電極部６と、下部電極部６に部分的に埋め込み形成された絶縁部７と、前記引出電極部５と前記下部電極部６との上を通過するように円環状に表面部２上に形成された導電材料製のスペーサ部材８と、このスペーサ部材８上に形成された円盤状のＳｉ基板からなるダイヤフラム層９とから大略構成されている。

前記基板３は表面にガラス質の絶縁性の表面部２を備えた平面視矩形状のグレーズドアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）基板などからなり、例えばこの形態の静電容量型圧力センサ素子の大きさは縦横、２×２ｍｍ程度の大きさに形成されている。
前記引出電極部５は短冊状に形成されて図１に示す基板３の左側の表面部２に埋め込むように形成され、引出電極部５の上面５Ａは表面部２の上面２Ａと面一になるように形成されている。前記下部電極部６は図１に示す表面部２の平面視中央部に表面部２に埋め込むように形成された円形の下部電極本体部６ａと、該下部電極本体部６ａの右端部側に平面視外方側に向いて表面部２に埋め込まれる形で延出形成された短冊状の下部電極引出端子部６ｂとから構成される平面視外形鍵穴型に形成されている。

前記下部電極部６はこの形態では、表面部２に埋め込まれる形で形成されるとともに、その上面６Ａは表面部２の上面２Ａと面一に形成されている。これら説明の形状に形成された引出電極部５と下部電極部６は数１０００Å程度、例えば２０００Å程度の厚さに形成されている。
更に、これらの電極部５、６を構成する材料は、Ｔｉ層／Ｔａ層／Ａｕ層／Ｔａ層の積層構造を一例として、その他の積層構造例として、Ｔｉ層／Ｔａ層／Ａｕ層、Ｔａ層／Ａｕ層／Ｔａ層、Ｔａ層／Ａｕ層、Ｃｒ層／Ａｕ層／Ｔａ層、Ｃｒ層／Ａｕ層、Ｃｒ層／Ｔａ層／Ａｕ層／Ｔａ層、Ｃｒ層／Ｔａ層／Ａｕ層などを例示できるが、これらに限るものではない。

一方、前記下部電極引出端子部６ｂの形成部分に埋め込まれる形であって、平面視短冊状の下部電極引出端子部６ｂの幅方向両端側にはみ出して表面部２まで若干広がるように平面視矩形状の絶縁部７が形成されている。この絶縁部７は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、あるいはＳｉＮ_ｘなどの絶縁材料からなり、前記下部電極部６よりも薄く形成され、下部電極引出端子部６ｂに埋め込むように形成されているので、例えば１０００Å程度の厚さに形成される。また、絶縁部７はその上面７Ａを下部電極引出端子部６ｂの上面６Ａおよび表面部２の上面２Ａと面一にして下部電極引出端子部６ｂ及び表面部２に埋め込み形成されている。

次に、表面部２の上面側には、平面視円環状（ドーナツ状）とされたスペーサ部材８がその一部で前記引出電極部５上を通過するとともにその他の一部で前記絶縁部７上を通過するように形成されている。
このスペーサ部材８は、ＡｕあるいはＡｕ合金、あるいはＡｕと他の導電材料層との積層体、例えば、Ｔｉ層／Ａｕ層の２層構造あるいはＣｒ層／Ａｕ層の２層構造とされた導電材料からなり、スパッタ法あるいはメッキ法などから０.７〜２.０μｍ程度の厚さに形成されていて、このスペーサ部材８の厚さ（高さ）が後述の上下電極間のギャップを構成する。このスペーサ部材８をＴｉ層／Ａｕ層の２層構造あるいはＣｒ層／Ａｕ層の２層構造とする場合、例えば下層側を０.２μｍ程度、上層側を０.５〜２.０μｍ程度とすることができる。
前記スペーサ部材８の上には円板状のＳｉ基板からなるダイヤフラム層９がスペーサ部材８によって外周部を支持された形で表面部２の上面２Ａと平行に支持され、このダイヤフラム層９が上部電極部を兼ねる構成とされ、このダイヤフラム層９と前記下部電極部６との間の間隙が上下電極間のギャップとされ、ダイヤフラム層９が受ける圧力によりダイヤフラム層９が変形され、下部電極部６とのギャップが変化することで静電容量が変化するように構成されている。

前記ダイヤフラム層９は４０〜８０μｍ程度の厚さのＳｉ基板から構成され、後述するＡｕとＳｉの加圧加熱状態（例えば４００℃程度の高温に真空加熱し２０ｋｇ／ｃｍ^２程度の加圧力で押し付けることにより生成するＡｕＳｉ共晶による接合）において生成されたＡｕＳｉ共晶による接合方法によって接合一体化されている。
なお、この第１実施形態ではＳｉ基板からなるダイヤフラム層９を用いたのでダイヤフラム層９自身が導電性を有し、ダイヤフラム層９が上部電極部を兼ねるので別途上部電極部を必要としないが、Ｓｉ基板に変えて他の材料からなる絶縁性の基板からなるダイヤフラム層を仮に適用した場合は、ダイヤフラム層の下面側に別途導電材料製の上部電極部を形成し、スペーサ部材８に導通するように構成すれば良い。

前記引出電極部５においてスペーサ部材８とダイヤフラム層９の外側に向いて延出された部分には、ワイヤボンディング接続用のための一方の引出電極部１０が形成され、前記下部電極引出端子部６ｂにおいてスペーサ部材８とダイヤフラム層９の外側に向いて延出された部分にはワイヤボンディング接続用の他方の引出電極部１１が形成されている。
これらの引出電極部１０、１１は好ましくは先のスペーサ部材８を形成する際に同一材料で同時形成しておくことが好ましいが、前記スペーサ部材８とは別の導電材料で別個に形成しても良い。

上記構成の静電容量型圧力センサ素子１を製造するには、基板３の表面部２上に埋め込み型の引出電極部５と下部電極部６とを形成し、絶縁部７を形成した後、それらの上に橋渡しする形でスペーサ部材８を形成し、その後、図２に示す如く厚さ４０〜８０μｍ程度のＳｉ基板９Ａを被せて加圧し、２０ｋｇ／ｍｍ^２程度以上の圧力を印加しながら４００℃程度の高温に加熱すると、Ｓｉ基板９Ａにおいてスペーサ部材８の上面に押し付けられている部分の界面でＡｕＳｉ共晶結合が生じ、スペーサ部材８上にダイヤフラム層９を強固に接合できる。
このようにしてダイヤフラム層９をスペーサ部材８に接合したならば、センサ素子としての必要部分のみを残してその他の部分を切断砥石などを用いたダイシング作業により、例えば図２のＥ１、Ｅ２などで示す切断線に沿って切断し除去することにより、図１に示す断面構造の静電容量型圧力センサ素子１を得ることができる。

以上説明の如くＡｕＳｉ共晶接合を利用してスペーサ部材８とＳｉ基板９Ａを接合してダイヤフラム層９を形成することで、従来構造においては必要であった陽極接合を行うことなく、高い電圧を印加することなくダイヤフラム層９をスペーサ部材８に接合でき、配線ショートが発生する危険性の高い陽極接合を行うことなく静電容量型圧力センサ素子１を製造できるので、歩留まり向上を図ることができ、容量変動が少なく、信頼性の高い高性能の静電容量型圧力センサ素子１を得ることができる。

次に、前記構造の静電容量型圧力センサ素子１を製造する場合に表面部２に対して引出電極部５と下部電極部６とを埋め込み型で形成する場合の各電極部の製造方法の一例について説明する。
絶縁性の表面部２を備えた基板３を用いて本発明の静電容量型圧力センサ素子１を製造する場合、以下に説明するリフトオフレジストを用いた方法により、図４から図７に示す如く引出電極部５と下部電極部６とを埋め込み型で表面部２内に形成することができる。
図４に示す如く表面部２の上面側領域であって、目的とする引出電極部５あるいは下部電極部６を形成しようとする領域２０をその周囲側から囲むように表面部２上にリフトオフレジスト層２１、２１を形成する。
このリフトオフレジスト層２１は孔部２２を有しており、この孔部２２の下方側に位置する表面部２内に、目的とする形状の引出電極部５あるいは下部電極部６を形成する。
目的のリフトオフレジスト層２１を形成するには表面部２の上面全部に一旦リフトオフレジスト層を全面形成した後、必要部分に露光し現像する処理を行って孔部２２を形成すれば良い。

孔部２２を有するリフトオフレジスト層２１、２１を形成したならば、図５に示す如くリフトオフレジスト層２１をマスクとしてイオンミリング処理あるいはプラズマエッチング処理あるいはウエットエッチング処理によりリフトオフレジスト層２１により囲まれていない領域の表面部２に穴部２３を形成する。
次いで表面部２の上面とリフトオフレジスト層２１、２１の上面にスパッタ法あるいはイオンビーム成膜法などの成膜法により電極層を成膜する。この成膜処理により、図６に示す如くリフトオフレジスト層２１、２１の上面に電極層２５を形成できると同時に表面部２の穴部２３にもこれを埋めるように電極層２６を成膜できる。この成膜を行う場合の膜厚は穴部２３を埋めることができる程度とすることが好ましい。

次に表面部２と電極層２５、２６には影響ないが、基板３の表面部２からリフトオフレジスト層２１を剥離することが可能な薬液を用いてこの薬液に全体を浸漬することでリフトオフレジスト層２１を表面部２から分離してリフトオフすることにより、図７に示す如く絶縁性の表面部２の上面に形成した穴部２３に電極層２６を埋め込み形成した構造を得ることができる。なお、図４〜図７においては説明を簡略化するために穴部２３の形状を単純化して示したが、穴部２３の形状は目的の引出電極部５あるいは下部電極部６に合致する形状とする。

以上説明したリフトオフレジストを用いた製造方法を適用することで表面部２に引出電極部５あるいは下部電極部６を埋め込み形成することができる。しかも、上述の方法によれば、電極層２６を穴部２３に形成する場合の成膜厚さを調整することで、穴部２３を電極層２６でに均一にほぼ完全に埋め込むことができ、電極層２６の上面を表面部２の上面とほぼ面一に形成できる。従って、図１、図２に示す如く絶縁性の表面部２に対して埋め込み形成したタイプの引出電極部５と下部電極部６であって、引出電極部５の上面５Ａと下部電極部６の上面６Ａを表面部２の上面２Ａにほぼ面一に形成することができる。
なお、引出電極部５の上面５Ａと下部電極部６の上面６Ａを表面部２の上面２Ａに対してほぼ面一に形成しておくことにより、その後の工程でそれらの上に形成されるスペーサ部材８の上面をほぼ面一に形成できるので、その場合の方がＳｉ基板９Ａを均一にスペーサ部材８の上面に押し付けて均一接合することが可能となり、ＡｕＳｉ共晶を利用した接合時に均一な接合性を得られる面で好ましい。
また、上述の構造においてグレーズドアルミナ基板を用いる場合、従来構造のパイレックス（登録商標）ガラス基板に比べて一般的な市販単価として１／５〜１／１０程度で入手できるので、その分において従来構造よりも安価に製造できる。

図８と図９は本発明に係る静電容量型圧力センサ素子の第２実施形態を説明するためのもので、図８は断面図、図９は製造過程におけるＳｉ基板接合前の断面図である。
この第２実施形態の静電容量型圧力センサ素子３０は、ダイヤフラム層９の外側にダイヤフラム層９を延出形成した延出部９ｃが形成され、スペーサ部材８の周囲側が前記延出部９ｃで覆われ、基板３の周囲側の表面部２の上に形成した接合補助部３２に対しても前記延出部９ａが接合されるとともに、延出部９ｃに形成された透孔９ａ、９ｂが引出電極部１０、１１の上方に位置されており、引出電極部１０、１１が延出部９ｃの外部側から透孔９ａ、９ｂを介して見えるように構成されている。

前記構成の静電容量型圧力センサ素子３０にあっては、スペーサ部材８を形成する場合の成膜処理と同時に引出電極部１０、１１を同一膜で形成し、更にそれらの周囲に同一膜で接合補助部３２も形成しておき、図９に示す如くＳｉ基板９Ａを被せてＡｕＳｉ結合を行う際に、スペーサ部材８とダイヤフラム層９との接合と同時に、Ｓｉ基板９の延出部９ｃを接合補助部３２にＡｕＳｉ共晶結合することができ、これらによってＳｉ基板９Ａを基板３の表面部２側に、より高い接合性でもって一体化した構造とされている。
この第２実施形態の静電容量型圧力センサ素子３０において、その他の構成は先の第１実施形態の静電容量型圧力センサ素子１と同等であるので、以下、同等の部分の説明は省略する。

この第２実施形態の構造において、Ｓｉ基板９Ａを基板３の表面部２側に先の第１実施形態の場合と同様に接合したならば、図９に示す切断線Ｅ３、Ｅ４に沿ってダイシングなどの方法により不要部分を削除する。これにより、図８に示す目的の構造の静電容量型圧力センサ素子３０を得ることができる。
この第２実施形態の構造においては、ダイヤフラム層９の外側の延出部９ｃに配線接続用の透孔９ａ、９ｂを形成しているので、センサ素子用の外部制御機器などへの配線接続時、例えばワイヤボンディング時などに延出部９ｃが邪魔にならないので、配線作業に支障を来すことは無い。
また、Ｓｉ基板９ＡをＡｕＳｉ共晶結合する場合にスペーサ部材８の上面に加えて接合補助部３２の上面も利用できるので、より強固な接合構造とすることができる。
更に、この第２実施形態の静電容量型圧力センサ素子３０にあっては、その上面を１枚もののＳｉ基板９Ａで覆って保護した構造なので表面が滑らかで、かつ、取り扱いも容易な特徴を有する。

ところで、先の第１実施形態と第２実施形態の静電容量型圧力センサ素子１，３０においては、Ｓｉ基板９Ａとして厚さが均一なものを用いてダイヤフラム層９を形成したが、Ｓｉ基板としてダイヤフラム層とする部分のみエッチングして薄型化したものを用い、ダイヤフラム層形成部分以外の部分はそれよりも厚く形成して基板強度を向上させたＳｉ基板を用いても良い。
また、本発明で使用する基板は少なくとも絶縁性の表面部を有する基板とすることができるので、例えば全体が絶縁体である基板を用いることができるのは勿論であり、表面部よりも深い領域、例えば基板厚み半分程度まで、あるいは任意の深さまで絶縁層とした基板を用いても良いのは勿論である。

Ａｌ_２Ｏ_３の本体部厚さ０.２５〜０.８０ｍｍ、その上面に厚さ２０〜６０μｍのグレーズドアルミナ層を有するグレーズドアルミナ基板を用い、このグレーズドアルミナ層の上にノボラック主成分のリフトオフレジスト層をパターン形成し（引出電極部５と下部電極部６形成用パターン）、露光現像して引出電極部と下部電極部に相当する形状の穴部を形成し、これらの穴部周囲のリフトオフレジスト層をマスクとしてイオンミリングにより深さ２０００Åの穴部をグレーズドアルミナ層に形成した。この穴部はイオンミリングにより形成するので、穴部底面において１０〜２０Åの精度で凹凸のない均一な深さの穴部を形成できる。
この後、イオンビームスパッタ法にて前記穴部にＴｉ層／Ａｕ層／Ｔａ層の３層構造（各層厚さ２００Å／１５００Å／３００Å）の電極層を積層し、次いでＮＭＰ系レジスト剥離液にてリフトオフレジスト層を除去してグレーズドアルミナ層中の穴部に引出電極部と下部電極部を埋め込み形成した基板を得た。

次に、同様のリフトオフレジスト層を用いたパターンとしてグレーズドアルミナ層中に達する平面視長方形状の穴部（０.０５〜０.４×０.０５〜０.４ｍｍ）を形成し、この後この穴部に平面視矩形状のＳｉＯ_２の絶縁部を形成した（絶縁部７形成）。
次に、前記基板のグレーズドアルミナ層上にメッキシード（Ｔｉ層／Ａｕ層）を全面成膜した後、パターンのスペーサ部材として０.５〜２.０μｍのＡｕ部分メッキを行い、その後、不要部分のＡｕメッキシードを除去し、Ｔｉ層／Ａｕ／Ａｕ層の３層構造の円環状のスペーサ部材（外径１.０ｍｍ、内径０.８ｍｍ、高さ１.０μｍ）と各引出電極部を形成した。

次いで８０μｍ厚のＳｉ基板を用意し、該引出電極部に該当する部分に透孔を形成し、このＳｉ基板を先のグレーズドアルミナ基板上に設置して２０ｋｇ／ｍｍ^２の圧力で加圧しながら真空中において４００℃に２時間加熱し、接合した。
この接合処理により、Ｓｉ基板は円環状のスペーサ部材上面にＡｕＳｉ共晶結合し、円環状のスペーサ部材の上に厚さ８０μｍのダイヤフラム層が接合され、上部電極がダイヤフラム層からなり、下部電極が前記穴部内のＴｉ層／Ａｕ層／Ｔａ層の３層構造の下部電極部からなる上下電極ギャップ１.０μｍの対になる電極構造を有する静電容量型圧力センサ素子が得られた。
得られた静電容量型圧力センサ素子の試料に対して１００〜５００ＭＰａの空気圧を印加する加圧試験を行ったところ、容量変化を生じることを確認することができ、この試料が静電容量型圧力センサ素子として機能することを確認できた。

本発明は、数ｍｍ角の大きさの小型軽量の静電容量型圧力センサ素子を提供できる技術であり、高いＧが作用する自動車のタイヤの空気圧検知などの目的で、あるいは、その他一般のガス圧センサや流体圧センサなど、圧力検知用に種々の分野において広く適用することが可能である。

図１は本発明に係る静電容量型圧力センサ素子の一実施形態を示す断面図である。図２は同実施形態の静電容量型圧力センサ素子を製造する場合においてＳｉ基板をスペーサ部材に押し付ける前の状態を示す断面図である。図３は同実施形態の静電容量型圧力センサ素子のダイヤフラム層の部分を略した平面図である。図４は同実施形態の静電容量型圧力センサ素子の電極部を形成する方法において表面部上にリフトオフレジスト層を形成した状態を示す断面図である。図５は同実施形態の静電容量型圧力センサ素子の電極部を形成する方法においてリフトオフレジスト層をマスクとして表面部に穴部を形成した状態を示す断面図である。図６は同実施形態の静電容量型圧力センサ素子の電極部を形成する方法において図５に示す穴部に電極部を形成した状態を示す断面図である。図７は同実施形態の静電容量型圧力センサ素子の電極部を形成する方法においてリフトオフレジスト層を除去した状態を示す断面図である。図８は本発明に係る静電容量型圧力センサ素子の第２実施形態の断面図である。図９は同形態の静電容量型圧力センサ素子を製造する場合のＳｉ基板接合前の状態を示す断面図である。

符号の説明

１静電容量型圧力センサ素子
２表面部
３基板
５引出電極部
５Ａ上面
６下部電極部
６Ａ上面
６ａ下部電極本体部
６ｂ下部電極引出端子部
７絶縁部
７Ａ上面
８スペーサ部材
９ダイヤフラム層
９ａ、９ｂ透孔
９ｃ延出部
１０、１１引出電極部
３０静電容量型圧力センサ素子

Claims

少なくとも表面部が絶縁性にされた基板と、前記絶縁性の表面部に平面視的に離間して個々に形成された引出電極部及び下部電極部と、前記下部電極部の少なくとも一部に形成された絶縁部と、前記引出電極部の少なくとも一部上と前記下部電極部の絶縁部上と前記絶縁性の表面部上に少なくとも位置するように形成され、前記引出電極部に電気的に接続された導電性材料からなるスペーサ部材と、前記スペーサ部材の上において前記基板の絶縁性の表面部及び前記下部電極部と所定のギャップを介して設けられたダイヤフラム層とが具備されてなり、前記ダイヤフラム層自体が導電材料から構成されるか、あるいは、前記ダイヤフラム層に電極層が形成されて前記下部電極部と対向する上部電極部が形成されてなることを特徴とする静電容量型圧力センサ素子。
少なくとも表面部が絶縁性にされた基板と、前記絶縁性の表面部に平面視的に離間して個々に形成された引出電極部及び下部電極部と、前記下部電極部の少なくとも一部に形成された絶縁部と、前記引出電極部の少なくとも一部上と前記下部電極部の絶縁部上と前記絶縁性の表面部上に少なくとも位置するように形成され、前記引出電極部に電気的に接続された導電性材料からなるスペーサ部材と、前記スペーサ部材の上において前記基板の絶縁性の表面部及び前記下部電極部と所定のギャップを介して設けられたダイヤフラム層とが具備されてなり、前記ダイヤフラム層自体が導電材料から構成されるか、あるいは、前記ダイヤフラム層に電極層が形成されて前記下部電極部と対向する上部電極部が形成されてなり、前記ダイヤフラム層が前記スペーサ部材の外側にも延出形成されて前記スペーサ部材の外側部分が前記ダイヤフラム層の延出部によって覆われるとともに、前記引出電極部の端子電極部に対応する前記ダイヤフラム層の延出部に端子接続用の透孔が形成され、前記下部電極部の端子電極部に対応する前記ダイヤフラム層の延出部に端子接続用の透孔が形成されてなることを特徴とする静電容量型圧力センサ素子。
前記ダイヤフラム層がＳｉ基板からなり、前記スペーサ部材がＳｉと共晶結合可能な金属材料を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量型圧力センサ素子。
前記スペーサ部材が前記引出電極部の少なくとも一部上と前記下部電極部の絶縁部上と前記絶縁性の表面部上を少なくとも通過するように環状に形成されてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の静電容量型圧力センサ素子。
前記引出電極部と前記下部電極部とがいずれも前記絶縁性の表面部に埋め込み形成され、前記絶縁部が前記下部電極部に埋め込み形成されるとともに、前記表面部上面と前記引出電極部上面と前記下部電極部上面と前記絶縁部上面とが面一に形成されてなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の静電容量型圧力センサ素子。
前記引出電極部の一部が前記表面部に沿って前記ダイヤフラム層の平面視外側に延出されて一方の端子電極部とされ、前記下部電極部が前記表面部に沿って前記ダイヤフラム層の外側に延出されて他方の端子電極部とされてなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の静電容量型圧力センサ素子。
前記基板が酸化アルミニウムからなる基体上にグレーズドアルミナからなる表面部が形成された複合基板から構成されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の静電容量型圧力センサ素子。