JP2007057454A - 圧力センサおよび圧力センサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、基準圧力の安定性が良く、外
圧の絶対値の検出精度に対する信頼性に優れた圧力センサ、およびその製造方法を提供す
ること。
【解決手段】 受圧基板１０に形成されたダイアフラム１１の対向面１０ａ側に可動電極
１３が、対向基板２０における可動電極１３と対向する領域に対向電極２１が形成され、
両基板１０，２０は、受圧基板１０の対向面１０ａに塗布された接合材１４ａ，１４ｂを
介して接合される。また、対向基板２０の底面２０ｂには、上面３０ａ側に凹部３１を有
するケース体３０が接合され、底面２０ｂと凹部３１とで囲まれた空間が封止されて気密
室３２が形成される。気密室３２と対向面１０ａ，２０ａ間の狭小空間とは連通口２４に
よって連通されており、共に圧力基準室を構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧力センサおよびその製造方法に関する。

従来、ダイアフラムの変形量から圧力を検出する圧力センサとして、特許文献１に開示
するようなものがある。この文献に係る圧力センサは、可動電極として機能するダイアフ
ラムを有するシリコン基板がガラス基板と接合されることで、ダイアフラムの一面側が圧
力基準室として封止された構造となっている。

ダイアフラムは、使用環境下において外圧と圧力基準室における基準圧力との圧力差を
反映して撓み変形し、ガラス基板上の誘電体層と接触した状態となっている。ガラス基板
の誘電体層下には対向電極が形成されており、かくして、外圧に依存した当該接触面積変
化を電極間容量の変化として検出することで、圧力センサとしての機能を発揮するように
なっている。このような構成の圧力センサは、タッチモード容量型の圧力センサとよばれ
、高い検出感度と耐圧性を備えるものである。

特開２００２−２１４０５８号公報

しかしながら、上述のようなタッチモード容量型の圧力センサでは、ダイアフラムと対
向基板とで挟まれた狭小な空間が圧力基準室となっており、その容積は極めて小さい。こ
のため、リーク等に対する基準圧力の安定性が悪く、外圧の絶対値の検出精度に対する信
頼性が十分でないという課題を有する。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、基準圧力の安定性が良く、外
圧の絶対値の検出精度に対する信頼性に優れた圧力センサ、およびその製造方法を提供す
ることを目的としている。

本発明は、ダイアフラムに形成された可動電極を有する受圧基板と、前記可動電極と対
向する対向電極を有する対向基板とが、それぞれ対向面で接合されてなる圧力センサであ
って、前記受圧基板ないし前記対向基板と接合されて気密室を形成するケース体を備え、
前記気密室は、前記ダイアフラムの前記対向面側における封止空間である圧力基準室を構
成していることを特徴とする。

この発明の圧力センサは、気密室を含む大容量の圧力基準室を備えているので、リーク
等に対する基準圧力の安定性が良く、外圧の絶対値の検出精度に対する信頼性に優れてい
る。

また好ましくは、前記圧力センサにおいて、前記ケース体は、接合面側が開放された容
器構造をなすことを特徴とする。
この発明の圧力センサによれば、ケース体が接合面内方向における変形性に優れた構造
となっているため、温度変化を伴う方法で基板とケース体とが接合された際に両者の熱膨
張係数の差に起因して発生する面内歪みを、好適に緩和することができる。

また好ましくは、容器構造をなすケース体を備える前記圧力センサにおいて、前記対向
基板は、前記ケース体と前記受圧基板との接合により形成された前記気密室内に収容され
ていることを特徴とする。
この発明の圧力センサは、受圧基板とケース体との接合部のみで圧力基準室が封止され
た構成となっているので、リーク耐性に優れている。

また好ましくは、前記圧力センサにおいて、前記受圧基板と前記対向基板とが同じ材質
からなることを特徴とする。
この発明の圧力センサによれば、受圧基板と対向基板の熱膨張係数が等しいので、熱変
化を伴う接合を行った場合であっても、基板に面内歪みを生じさせることがない。

また好ましくは、前記圧力センサにおいて、前記受圧基板と前記対向基板とは接合材を
介して接合されていて、前記ケース体と前記受圧基板ないし前記対向基板とは陽極接合に
より接合されていることを特徴とする。
この発明の圧力センサによれば、受圧基板と対向基板との接合に基板の材質や組み合わ
せ等の自由度に優れた接合材を用いつつも、最終的な圧力基準室の封止を陽極接合により
行うことができる。このため、接合材を用いた場合に揮発ガスの発生によって基準圧力の
適正化が困難であるという課題を克服して、圧力基準室の封止を行うことができる。

また好ましくは、前記圧力センサにおいて、前記受圧基板には、水晶板が用いられてい
ることを特徴とする。
より好ましくは、前記受圧基板には、ＡＴカットにより切り出された水晶板が用いられ
ていることを特徴とする。

この発明の圧力センサによれば、機械変形におけるヒステリシスの小さい水晶でダイア
フラムが形成されているので、検出特性の安定性が良い。また、ダイアフラム形成時にお
いてその圧電共振特性をモニタすることができるので、その変形特性に関わる形状寸法の
加工精度を高めることができる。好ましくは、ＡＴカットで切り出された水晶板を用いる
ことにより、変形特性に鋭敏に影響するダイアフラムの厚みについての加工精度を高める
ことができる。

また好ましくは、前記圧力センサは、タッチモード容量型の圧力センサであることを特
徴とする。
この発明の圧力センサは、電極間にごく狭小な空間を有するに過ぎないタッチモード容
量型の構成であるにも関わらず、大容量の圧力基準室を備え、外圧の絶対値の検出精度に
対する信頼性に優れている。

本発明は、ダイアフラムに形成された可動電極を有する受圧基板と前記可動電極と対向
する対向電極を有する対向基板とがそれぞれ対向面で接合されてなる圧力センサの製造方
法であって、前記受圧基板と前記対向基板とを接合する第１接合工程と、前記受圧基板な
いし前記対向基板にケース体を接合して、前記ダイアフラムの前記対向面側における封止
空間を構成する気密室を形成する第２接合工程と、を有することを特徴とする。

この発明の圧力センサの製造方法によれば、気密室を含む大容量の圧力基準室を備えた
圧力センサを製造できるので、リーク等に対する基準圧力の安定性が良く、外圧の絶対値
の検出精度に対する信頼性に優れた圧力センサを提供できる。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
なお、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好まし
い種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定
する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。また、以下の説明で参
照する図では、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、これらの縮
尺を実際のものとは異なるように表している。

（第１実施形態）
まずは、図１、図２、図３を参照して第１実施形態に係る圧力センサの構成について説
明する。
図１は、圧力センサの内部構成を示す分解斜視図である。図２は、圧力センサの内部構
造を示す図１のＡ−Ａ断面図である。図３は、使用環境下における図１のＡ−Ａ断面図で
ある。

図１、図２において、圧力センサ１は、ダイアフラム１１を有する受圧基板１０と対向
基板２０とが、それぞれ対向面１０ａ、対向面２０ａにおいて接合され、更に対向基板２
０とケース体３０とが、それぞれ底面２０ｂ、上面３０ａで接合されて構成されている。
本実施形態では、受圧基板１０にはＡＴカットにより切り出された水晶板が、対向基板２
０には陽極接合に必要なアルカリが含有され、線膨張係数を受圧基板と近似させたガラス
が用いられている。

受圧基板１０において、所定領域が薄肉化されたダイアフラム１１は、表面が対向面１
０ａおよび外面１０ｂから窪んだ状態で略正方形形状に形成されている。ダイアフラム１
１の対向面１０ａ側には、アルミニウム等でパターン形成された可動電極１３が設けられ
ており、さらに可動電極１３からは、スルーホール１５を通って外面１０ｂにまで至る導
電配線１６が引き出されている。

対向基板２０の対向面２０ａには、アルミニウム等でパターン形成された対向電極２１
および導電配線２２と、ＳｉＯ₂等でパターン形成された誘電体膜２３が設けられている
。ここで、対向電極２１は受圧基板１０側の可動電極１３と対向するように、誘電体膜２
３は対向電極２１を覆うように形成されている。また、導電配線２２は対向基板２０の一
角まで引き出され、受圧基板１０の一角に形成された切り欠き部１２によってその一部が
露出されるようになっている。

ケース体３０は、上面３０ａ側が開放された容器構造をなしており、本実施形態では、
厚手のガラス板にサンドブラスター等で凹部３１を穿設したものを用いている。尚、変形
例として、板状部材に枠状の構造体を貼り付けてこのようなケース体３０を構成すること
もできる。

受圧基板１０と対向基板２０とは、受圧基板１０の外縁部およびスルーホール１５の開
口部に沿って対向面１０ａにパターン塗布された接合材１４ａ，１４ｂを介して接合され
ている。本実施形態では、接合材１４ａ，１４ｂには、Ａｕ／Ｓｎ系、Ａｕ／Ｇｅ系など
のロウ材が用いられている。かくして、対向面１０ａと対向面２０ａとで挟まれた狭小空
間２の封止がなされる。

対向基板２０とケース体３０とは、対向基板２０の底面２０ｂに対向基板２０の外縁部
に沿ってパターン形成された金属膜２５を介して接合されている。かくして、底面２０ｂ
と凹部３１とで囲まれた空間が封止され、気密室３２が形成される。

狭小空間２と気密室３２とは、対向基板２０に形成された連通口２４によって連通され
ており、共にダイアフラム１１の対向面側における封止空間である圧力基準室３を構成す
る。この圧力基準室３の内圧は、所定の基準圧力（一般には減圧状態）に保たれている。

可動電極１３と誘電体膜２３とは、基準圧力と外圧との均衡がとれている状態において
、図２に示すように微小な間隙を介して対向した状態である。そして、圧力センサ１が使
用環境下（例えば、大気圧下）に置かれると、図３に示すように、ダイアフラム１１は基
準圧力と外圧との圧力差によって撓み変形を起こす。かくして、外圧に依存したダイアフ
ラム１１の変形量に応じて可動電極１３と誘電体膜２３との接触面積が変化するので、当
該接触面積の変化に対応した電極間容量の変化から、外圧を検出することができる。

この圧力センサ１は、大容量の気密室３２を圧力基準室３の一部として備えている。こ
のため、リーク等に対する基準圧力の安定性が良く、外圧の絶対値の検出精度に対する信
頼性に優れている。

また、本実施形態では、ダイアフラム１１が形成される受圧基板１０として、機械変形
のヒステリシスの小さい水晶板が用いられている。このため、この圧力センサ１は、ダイ
アフラム１１の変形特性、ひいては検出特性の安定性に優れている。

次に、図１、図２および図４を参照して、圧力センサの製造方法について説明する。
図４は、圧力センサの製造工程を示すフローチャートである。

圧力センサ１は、受圧基板１０について図４の工程Ｓ１〜Ｓ４、対向基板２０について
図４の工程Ｓ５〜Ｓ８の加工処理をそれぞれ施し、両基板１０，２０の接合（図４の第１
接合工程Ｓ９）およびケース体３０の接合（図４の第２接合工程Ｓ１０）を行い、最後に
個体毎にダイシングして（図４の工程Ｓ１１）製造される。以下、各工程の詳細について
説明を行う。

工程Ｓ１では、受圧基板１０にエッチング等により、スルーホール１５および切り欠き
部１２を形成する。

工程Ｓ２では、受圧基板１０の両面にエッチング処理を施すなどして、ダイアフラム１
１を形成する。ダイアフラム１１の形状寸法は、使用環境下において適切な変形特性が得
られるように設計されており、その一辺の寸法は例えば０．９ｍｍ程度、その厚み寸法は
例えば１０μｍ程度である。また、対向面１０ａからダイアフラム１１の表面までの窪み
の深さは、使用環境下において可動電極１３と誘電体膜２３との接触面積が適切な範囲と
なるように設計されており、例えば６μｍ程度である。

ダイアフラム１１の厚み寸法はその変形特性に特に鋭敏に影響するため、特性のばらつ
きを抑えるためには、当該厚み寸法についての高精度な加工制御が必要である。ＡＴカッ
ト等の厚み滑り振動片では、厚み寸法と共振周波数が反比例の関係にあることが知られて
いる。そこで本実施形態では、ダイアフラム１１について厚みすべりモードないし厚み縦
モードの圧電振動特性を測定することで、厚み寸法の正確な測定を行い、微調整エッチン
グによるロット間ないし個体間での寸法の合わせこみを行うようになっている。このよう
な圧電振動特性の測定の便宜のため、受圧基板１０には特にＡＴカットで切り出された水
晶板が用いられている。

工程Ｓ３では、気相法およびフォトリソグラフィー法を用いるなどして、可動電極１３
および導電配線１６を形成する。

工程Ｓ４では、受圧基板１０の対向面１０ａに接合材１４ａ，１４ｂを塗布する。接合
材１４ａ，１４ｂの塗布量（層厚）は、可動電極１３と誘電体膜２３との離間距離、ひい
ては圧力の検出特性に影響するため、厳密な管理が必要である。このためこの工程Ｓ４で
は、マスクを用いた気相法や液滴吐出法などを用いて、ごく薄い層厚で接合材１４ａ，１
４ｂ塗布する（付着させる）ことが好ましい。

工程Ｓ５では、対向基板２０にエッチング等により、連通口２４を形成する。

工程Ｓ６では、気相法およびフォトリソグラフィー法を用いるなどして、対向基板２０
の対向面２０ａ側に対向電極２１および導電配線２２を形成する。

工程Ｓ７では、気相法およびフォトリソグラフィー法を用いるなどして、対向基板２０
の対向面２０ａ側に誘電体膜２３を形成する。

工程Ｓ８では、気相法およびフォトリソグラフィー法を用いるなどして、対向基板２０
の底面２０ｂ側に金属膜２５を形成する。金属膜２５には、アルミニウム等が用いられる
。

第１接合工程Ｓ９では、受圧基板１０と対向基板２０とを重ね合わせ、加熱処理により
接合材１４ａ，１４ｂを溶融させて、両基板１０，２０を接合する。本実施形態では、両
基板１０，２０に同じ水晶板が用いられているため、この第１接合工程Ｓ９に伴って基板
１０，２０に面内歪みが発生することはない。また、この第１接合工程Ｓ９において接合
材１４ａ，１４ｂから発生する揮発性ガスは、連通口２４から排気させることができる。

第２接合工程Ｓ１０では、加圧並びに加熱処理をおこないつつ、対向基板２０に形成さ
れた金属膜２５を陽極、ケース体３０（この段階ではガラス基板に各個体に対応する凹部
３１が複数形成された状態）を陰極として両者間に高電圧を印加して、対向基板２０とケ
ース体３０とを陽極接合する。この第２接合工程Ｓ１０は基準圧力と同じ圧力下で行われ
、これにより圧力基準室３は基準圧力の下で封止される。陽極接合は、段差のない平坦な
接合面でなされるので、圧力基準室３における高い封止信頼性を得ることができ、また、
ガスの発生を伴うこともないので、基準圧力を好適な条件で合わせ込むことができる。

受圧基板１０、対向基板２０、ケース体３０は、陽極接合後の冷却の過程においてそれ
ぞれの熱膨張係数に依存した分だけ収縮しようとするが、水晶製の基板１０，２０とガラ
ス製のケース体３０とでは熱膨張係数が異なる為、それぞれに面内歪み（残留応力）が発
生することになる。この面内歪みは、基板の反りやダイアフラム１１の変形特性のばらつ
きをもたらす原因となるものであるので、できうる限り低減されることが好ましい。そこ
で、本実施形態においては、ケース体３０を接合面方向における変形性に優れた箱型構造
とし、このような歪みの好適な緩和が図られているものである。

最後に、工程Ｓ１１で基板を個体毎にダイシングして、個体としての圧力センサ１が完
成する。

（変形例）
次に、図５を参照して、第１実施形態の変形例について上述の形態との相違点を中心に
説明する。
図５は、変形例に係る圧力センサの内部構成を示す分解斜視図である。

この変形例の圧力センサ１においては、可動電極１３から延出して形成された導電配線
１６、導電配線１６に重ねて塗布された接合材１４ａ、受圧基板１０の一角に形成された
キャスタレーション１７により、可動電極１３側の導線が引き出されている。また、対向
基板２０には、対向電極２１から延出し、連通口２４の内面を通って底面２０ｂ側の金属
膜２５（図２参照）と一体に接続された導電配線２２が形成されており、ケース体３０の
一角に形成された切り欠き部３３によって露出された金属膜２５（図２参照）の一部が、
端子としての役割を果たしている。

この変形例のように、可動電極ないし対向電極からの導線経路については、本発明の趣
旨を変えない範囲で自由な設計が可能であり、気密室との連通口や陽極接合をのための金
属膜を利用して導線の引き出しを行うことも可能である。

（第２実施形態）
次に、図６を参照して、本発明の第２実施形態について先の第１実施形態との相違点を
中心に説明する。
図６は、第２実施形態に係る圧力センサの内部構成を示す分解斜視図である。

第２実施形態に係る圧力センサ１は、受圧基板４０と対向基板５０とが対向面４０ａ、
対向面５０ａにおいて接合され、対向基板４０がケース体３０の凹部３１内に収容された
状態で、受圧基板４０とケース体３０とが接合されて構成されている。

受圧基板４０の対向面４０ａには、ダイアフラム４１上に可動電極４３が形成され、可
動電極４３からはスルーホール４５を通って外面４０ｂにまで至る導電配線４４が引き出
されている。また、対向面４０ａにはさらに、受圧基板４０の外周に沿って金属膜４６が
形成され、金属膜４６からは、受圧基板４０の一角に形成されたキャスタレーション４２
に沿って外面４０ｂにまで至る導電配線が引き出されている。

対向基板５０は、受圧基板４０よりも一回り小さく、ケース体３０の凹部３１内に収容
される程度の大きさとされており、可動電極４３と対向する対向電極５１と、対向電極５
１からリード状に延出した導電配線５２と、対向電極５１の表面に被覆される誘電体膜５
３とを備えている。そして、対向基板５０は、対向面５０ａに塗布された接合材５４ａ，
５４ｂ，５４ｃを介して受圧基板４０と接合されている。

接合材５４ａ，５４ｂ，５４ｃには、Ａｕ／Ｓｎ系、Ａｕ／Ｇｅ系などのロウ材が用い
られている。そして、接合材５４ａ，５４ｂ，５４ｃは受圧基板４０との機械的な接続を
果たすと共に、接合材５４ｂはスルーホール４５の開口部を封止し、接合材５４ｃは導電
配線５２（対向電極５１）と金属膜４６との電気的な接続を確立するようになっている。

受圧基板４０の対向面４０ａに形成された金属膜４６とケース体３０の上面３０ａとは
、陽極接合により接合されており、これにより凹部３１と対向面４０ａとで囲まれる空間
が封止されて、気密室３４が形成される。

このように、圧力センサ１は、受圧基板４０とケース体３０との接合により形成される
気密室３４内に対向基板５０が収容され、気密室３４がそのまま圧力基準室として機能す
る構成となっている。この第２実施形態の構成は、圧力基準室の封止が受圧基板４０とケ
ース体３０との接合部のみでなされるようになっているため、第１実施形態の場合に比べ
てリーク耐性に優れているという特長を有する。

本発明は上述の実施形態に限定されない。
例えば、受圧基板および対向基板には、水晶の他に、ガラスやシリコン、セラミック等
を用いることもできる。
また、ダイアフラムにおける可動電極は、特許文献１に係る圧力センサのように、シリ
コン基板に形成されたダイアフラム領域に不純物をドーピングした態様とすることもでき
る。
また、各実施形態の各構成はこれらを適宜組み合わせたり、省略したり、図示しない他
の構成と組み合わせたりすることができる。

圧力センサの内部構成を示す分解斜視図。 圧力センサの内部構造を示す図１のＡ−Ａ断面図。 使用環境下における図１のＡ−Ａ断面図。 圧力センサの製造工程を示すフローチャート。 変形例に係る圧力センサの内部構成を示す分解斜視図。 第２実施形態に係る圧力センサの内部構成を示す分解斜視図。

符号の説明

１…圧力センサ、２…狭小空間、３…圧力基準室、１０…受圧基板、１０ａ…対向面、
１０ｂ…外面、１１…ダイアフラム、１２…切り欠き部、１３…可動電極、１４ａ，１４
ｂ…接合材、１５…スルーホール、１６…導電配線、２０…対向基板、２０ａ…対向面、
２０ｂ…底面、２１…対向電極、２２…導電配線、２３…誘電体膜、２４…連通口、２５
…金属膜、３０…ケース体、３０ａ…上面、３１…凹部、３２…気密室、３３…切り欠き
部、３４…気密室、４０…対向基板、４０ａ…対向面、４０ｂ…外面、４１…ダイアフラ
ム、４２…キャスタレーション、４３…可動電極、４４…導電配線、４５…スルーホール
、４６…金属膜、５０…対向基板、５０ａ…対向面、５１…対向電極、５２…導電配線、
５３…誘電体膜、５４ａ，５４ｂ，５４ｃ…接合材。

Claims (9)

1. ダイアフラムに形成された可動電極を有する受圧基板と、前記可動電極と対向する対向
   電極を有する対向基板とが、それぞれ対向面で接合されてなる圧力センサであって、
   前記受圧基板ないし前記対向基板と接合されて気密室を形成するケース体を備え、
   前記気密室は、前記ダイアフラムの前記対向面側における封止空間である圧力基準室を
   構成していることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記ケース体は、接合面側が開放された容器構造をなすことを特徴とする請求項１に記
   載の圧力センサ。
3. 前記対向基板は、前記ケース体と前記受圧基板との接合により形成された前記気密室内
   に収容されていることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
4. 前記受圧基板と前記対向基板とが同じ材質からなることを特徴とする請求項１ないし３
   のいずれか一項に記載の圧力センサ。
5. 前記受圧基板と前記対向基板とは接合材を介して接合されていて、
   前記ケース体と前記受圧基板ないし前記対向基板とは陽極接合により接合されているこ
   とを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の圧力センサ。
6. 前記受圧基板には、水晶板が用いられていることを特徴とする請求項１ないし５のいず
   れか一項に記載の圧力センサ。
7. 前記受圧基板には、ＡＴカットにより切り出された水晶板が用いられていることを特徴
   とする請求項６に記載の圧力センサ。
8. 請求項１ないし７のいずれか一項に記載のタッチモード容量型の圧力センサ。
9. ダイアフラムに形成された可動電極を有する受圧基板と前記可動電極と対向する対向電
   極を有する対向基板とがそれぞれ対向面で接合されてなる圧力センサの製造方法であって
   、
   前記受圧基板と前記対向基板とを接合する第１接合工程と、
   前記受圧基板ないし前記対向基板にケース体を接合して、前記ダイアフラムの前記対向
   面側における封止空間を構成する気密室を形成する第２接合工程と、を有することを特徴
   とする圧力センサの製造方法。
   

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