JP2007093234A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 可動基板と固定基板との接合に伴う面内歪みの低減がなされた圧力センサを提供する。
【解決手段】 圧力センサ１は、可動基板１０、及び固定基板２０を有しており、それぞれの対向面１０ａ，２０ａが対向するように密着接合されている。可動基板１０には、第１の薄肉部としてのダイアフラム１１が形成されており、ダイアフラム１１の周辺に導電膜１４ａが形成されている。固定基板２０には、その両面に形成された凹部２５ａ，２５ｂの底面部で構成された第２の薄肉部としての緩衝部２４が形成されて、その外周に接合部３５が形成されている。可動基板１０と固定基板２０との接合は、固定基板２０の接合部３５の接合面３５ａと、可動基板１０に形成されている導電膜１４ａとが陽極接合されることによって行われている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ダイアフラムの変形量によって圧力を検出する圧力センサに関する。

従来、ダイアフラム（薄肉部）の変形状態に基づいて圧力を検知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（可動基板）がガラス基板（固定基板）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膜と接触した状態となる。ガラス基板の誘電体膜下には固定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。

この圧力センサは、シリコン基板とガラス基板との接合に陽極接合が用いられている。この陽極接合は、接合材（ロウ材など）を用いた接合に比べ、ガスの発生を伴わないため圧力基準室内における基準圧力を適正に合わせ込むのに適しており、また、可動電極と固定電極（誘電体層）とのギャップを厳密に規定するのにも適した手法である。

特開２００２−２１４０５８号公報

しかしながら、陽極接合は、その工程において基板を加熱する必要があるため、接合する基板間の熱膨張係数が異なる場合、基板に面内歪みを生じるという問題がある。特に、ダイアフラムは変形しやすい部分であるためにこのような歪みの影響を受けやすく、特性ばらつきを引き起こしてしまうことにもなる。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、基板同士の接合に伴う面内歪みの低減がなされた圧力センサを提供することを目的としている。

本発明の圧力センサは、固定基板と、可撓性を有する第１の薄肉部を有し、前記第１の薄肉部が前記固定基板と空隙を有して対向するように前記第１の薄肉部の周囲部分に対向して設けられた接合部が前記固定基板と接合されている可動基板と、を備え、圧力に応じて変形する前記第１の薄肉部の変形状態に基づいて前記圧力を検出する圧力センサであって、前記固定基板及び前記可動基板の少なくとも一方には、平面視における前記第１の薄肉部の領域より外周側、且つ前記接合部の内側の領域に、可撓性を有する第２の薄肉部が形成されていることを特徴とする。

本発明の圧力センサによれば、固定基板と可動基板との少なくとも一方の基板に、平面視における第１の薄肉部の領域より外周側、且つ接合部の第１の内側の領域、即ち、接合部と第１の薄肉部との間の領域に、可撓性を有する第２の薄肉部を有している。固定基板と可動基板とは、接合部で固定されるが、接合の際の応力によって面内歪みを生じる。この面内歪みを、第２の薄肉部の有している可撓性によって吸収することができる。これによって、この面内歪みが、圧力の検出部分である第１の薄肉部、及びそれに対応する部分に到達することを防止することが可能となる。この結果、圧力センサの特性のばらつきを抑制することが可能となる。

また、前記固定基板は、単結晶材料から形成されており、前記可動基板は、アルカリを含有したガラス材から形成されており、前記固定基板と前記可動基板とは、前記接合部で陽極接合によって接合されていることが望ましい。

このようにすれば、固定基板と可動基板とが陽極接合で接合されているため、接合部分からのガス発生が少なく圧力センサの特性への影響を抑えることができる。また、陽極接合の際に、それぞれの基板の異なった熱膨張係数によって生じる面内歪みを、第２の薄肉部の有している可撓性によって吸収することができる。これによって、この面内歪みが、圧力の検出部分である第１の薄肉部、及びそれに対応する部分に到達することを防止することが可能となる。
加えて、固定基板と可動基板とが、それぞれ接合部材との陽極接合によって接合されているため、接合時に基板間のギャップの精度が損なわれるのを抑制することが可能となる。これらにより、圧力センサの特性のばらつきを抑制することが可能となる。

また、前記可動基板には、水晶板が用いられていることが望ましい。

このようにすれば、機械変形におけるヒステリシスの小さい水晶で第１の薄肉部が形成されているため、検出特性の安定性を向上することが可能となる。また、第１の薄肉部の形成時において、その圧電共振特性をモニタすることができるため、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。

また、前記可動基板には、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が望ましい。

このようにすれば、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第１の薄肉部の厚みについての加工精度を高めることができる。

また、前記第２の薄肉部を有する基板は、前記第２の薄肉部の表面と、前記接合部の接合面との間の寸法Ｌ１と、前記第２の薄肉部の表面と、当該基板が接合される他の基板と前記第１の薄肉部の外周部近傍で当接する当接面との間の寸法Ｌ２とが、Ｌ１＜Ｌ２の関係に形成されていることが望ましい。

このようにすれば、固定基板と可動基板とが接合される際に、Ｌ１＜Ｌ２となっているため、接合される基板と接合面が接触する前に、当接面が当接（接触）することになる。
固定基板と可動基板の接合は、常に当接面が当接し、第１の薄肉部が僅かに変形した状態で行われるため、第１の薄肉部と該第１の薄肉部に対向する固定基板面との距離は常に一定とすることができる。これにより、圧力センサの検出精度のばらつきを抑えることが可能となる。

以下、本発明の実施形態に係る圧力センサについて、図面を参照して説明する。本実施形態の圧力センサは、外圧に応じて撓み変形する可動電極と、誘電体層で覆われた固定電極との接触面積の変化を、電極間の静電容量の変化として検出し、圧力を検知するタッチモード容量型の圧力センサである。

先ず、図１〜図４を参照して本実施形態の圧力センサの構成について説明する。図１は、本実施形態の圧力センサ概略を示す図であり、（ａ）は、断面図、（ｂ）は、（ａ）の可動電極側の基板（可動基板）と固定電極側の基板（固定基板）との接合部分を上下に分離し、個々に表した断面図である。図２は、圧力センサの概略の内部構成を示す分解斜視図である。図３は、圧力センサの使用環境下における断面図を示している。図４は、可動電極側の基板（可動基板）と固定電極側の基板（固定基板）との接合部分を示す断面図である。

図１、図２、及び図３に示すように、圧力センサ１は、可動基板１０、及び固定基板２０を有しており、それぞれの対向面１０ａ，２０ａが対向するように接合されている。本実施形態では、可動基板１０が、ＡＴカットにより切り出された略正方形の水晶板で形成されており、固定基板２０が、陽極接合に必要なアルカリが含有された略正方形のガラスで構成されている。

可動基板１０の略中央には、可撓性を有する第１の薄肉部（以下、「ダイアフラム」という）１１が形成されている。ダイアフラム１１は、可動基板１０の対向面１０ａ及び外面１０ｂの双方に形成された凹部１２ａ，１２ｂの底面部で構成されており、略正方形形状になっている。

可動基板１０の対向面１０ａ側には、アルミニウム等により可動電極１３及び導電膜１４ａ，１４ｂが一体的に形成されている。ここで、可動電極１３は、ダイアフラム１１上（凹部１２ａの底面上）に形成されており、導電膜１４ａは、可動基板１０の外縁部１０ｃに沿うように枠状に形成されている。導電膜１４ｂは、可動電極１３と導電膜１４ａとを接続するように形成されている。なお、導電膜１４ａ，１４ｂは、具体的には、外縁部１０ｃや図示しないスルーホール等を経由して、端子として外面１０ｂまで配線されるものであるが、本明細書では詳しい説明は省略する。

固定基板２０の対向面２０ａ側には、アルミニウム等により固定電極２１及び導電膜２２ｂが一体的に形成されている。固定電極２１は、可動電極１３に対向する位置に形成されており、ＳｉＯ₂等でパターン形成された誘電体膜２３によって覆われている。さらに、固定基板２０の固定電極２１の外周側には、可撓性を有する第２の薄肉部（以下、「緩衝部」という）２４が、略正方形の枠状に形成されている。この緩衝部２４は、可動基板１０と固定基板２０とが接合される際に、対向面２０ａが、対向する導電膜１４ａ或いは対向面１０ａに当接する領域を有し、その外周側に形成されている。
また、緩衝部２４は、固定基板２０の対向面２０ａ及び外面２０ｂの双方に形成された枠状の凹部２５ａ，２５ｂの底面部で構成されている。導電膜２２ｂは、固定電極２１から延出されており、一例としてのスルーホール３２などを経由して外面２０ｂに形成される図示しない端子に接続されている。

固定基板２０と可動基板１０とは、固定基板２０の接合部３５の接合面３５ａと、可動基板１０に形成されている導電膜１４ａとが陽極接合されることによって密着接合されている。
図４に示すように、固定基板２０の接合面３５ａは、当接面２０ｄが導電膜１４ｂと当たっても導電膜１４ａとの間に隙間Ｌ３を有するように形成されている。即ち、接合面３５ａと緩衝部２４の表面２４ａとの間の距離寸法Ｌ１は、当接面２０ｄと緩衝部２４の表面２４ａとの間の距離寸法Ｌ２よりも小さくなるように形成されている。なお、当接面２０ｄは、対向面２０ａが導電膜１４ｂと当たる（当接する）部分であり、本例では、対向面２０ａと同一面である。

固定基板２０と可動基板１０との接合は、当接面２０ｄと導電膜１４ｂとが当接した状態で、矢印の方向に力を加えて陽極接合が行われる。このため、接合部３５は、図示上方に押し上げられ、緩衝部２４が撓んだ状態で陽極接合される。これにより、ダイアフラム１１と、固定基板２０の対向面２０ａとの間隔はばらつきなく常に一定とすることができる。

なお、可動基板１０と固定基板２０とが接合された状態では、ダイアフラム１１を構成する凹部１２ａは、圧力基準室２として封止された状態（図１（ａ）参照）となっており、圧力基準室２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１（ａ）に示すように微小な間隙を隔てて対向した状態にある。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の静電容量の変化を、導電膜１４ａ，１４ｂ，２２ｂのそれぞれに接続された端子を介して検出し、外圧を検知することができる。

本実施形態では、可動基板１０が絶縁体（水晶板）で、可動電極１３がダイアフラム１１上にパターン形成された金属膜となっている。このため、特許文献１のようにシリコン基板全体が導体化されて可動電極を構成した圧力センサに比べると、両電極からの導線間で余分な（電極間容量に対しての）並列容量が発生せず、相対的な容量変化の感度に優れている。

また、本実施形態では、ダイアフラム１１が形成される可動基板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。

さらに、本実施形態では、当接面２０ｄと導電膜１４ｂとが当接した状態で、矢印の方向に力を加えて陽極接合が行われるため、接合部３５が、図４で示す上方に押し上げられ、緩衝部２４が変形された状態で接合される。これにより、この圧力センサ１は、ダイアフラム１１と、固定基板２０の対向面２０ａとの間隔は、ばらつきなく常に一定とすることができ、さらに、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５を参照して、圧力センサ１の製造方法について説明する。図５は、圧力センサ１の製造工程を示すフローチャートである。なお、本実施形態では、ウエハ状の基板を用いることにより、一度に多数個の個体（圧力センサ１）を形成することが可能になっているが、本説明では、その中の１つの個体に着目して説明を行う。

図５に示すように、圧力センサ１は、可動基板１０については、工程Ｓ１１，Ｓ１２、固定基板２０については、工程Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３の加工処理によってそれぞれを形成し、可動基板１０、及び固定基板２０を接合（工程Ｓ４２）した後、個体毎に分離（工程Ｓ４３）することによって製造される。以下、各工程の詳細について説明を行う。

まず、工程Ｓ１１では、例えば１００〜２００μｍ程度の厚さを有する可動基板１０に、必要に応じてスルーホール（図示せず）等を形成した後、その両面にエッチング処理等を施して凹部１２ａ，１２ｂ、即ちダイアフラム１１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、その厚みは例えば１０μｍ程度である。また、凹部１２ａの深さ、即ち対向面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。可動基板１０にＡＴカットで切り出された水晶板が用いられているのは、この圧電振動特性の測定の便宜のためである。

工程Ｓ１２では、気相法或いはフォトリソグラフィー法等を用い、可動基板１０の対向面１０ａ側に可動電極１３及び導電膜１４ａ，１４ｂを形成する。その後、図示しないスルーホールの内面や基板の外縁部１０ｃ、外面１０ｂに、必要に応じて配線や端子を形成すると、可動基板１０の形成が完了する。

工程Ｓ２１では、例えば数百μｍ程度の厚さを有する固定基板２０の両面に、エッチング処理等によって凹部２５ａ，２５ｂを形成することにより緩衝部２４を形成する。緩衝部２４は、その厚さが例えば２０μｍ程度であり、凹部２５ａの深さ、即ち対向面２０ａからの緩衝部２４の表面までの窪みの深さは、例えば３５μｍ程度である。

工程Ｓ２２では、気相法或いはフォトリソグラフィー法等を用い、固定基板２０の対向面２０ａ側に固定電極２１及び導電膜２２ｂを形成する。

工程Ｓ２３では、気相法或いはフォトリソグラフィー法等を用い、固定電極２１上に誘電体膜２３を形成する。その後、必要に応じて他の配線や端子を形成すると、固定基板２０の形成が完了する。

工程Ｓ４２では、固定基板２０に可動基板１０を接合する。具体的には、図４に示すように、可動基板１０と固定基板２０とを、それぞれの対向面１０ａの導電膜１４ｂと対向面２０ａの当接面２０ｄが当接するように重ね合わせる。この状態では、接合部３５の接合面３５ａと導電膜１４ａの間には隙間が存在している。その後、加圧並びに加熱処理を行いつつ、導電膜１４ａを陽極、接合部３５を支える図示しない電極部を陰極として両者間に高電圧を印加して、可動基板１０と固定基板２０とを陽極接合する。加圧する際に緩衝部２４が、その可撓性によって撓み、接合面３５ａと導電膜１４ａ（可動基板１０）とが密着接合される（図１（ａ）参照）。なお、この工程Ｓ４２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２の基準圧力が規定される。

可動基板１０、固定基板２０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ため、それぞれの熱膨張係数の差に依存して、それぞれの基板１０，２０内には面内歪み（残留応力）が発生する。しかしながら、緩衝部２４が可撓性を有しているため、このような歪みを緩和することが可能となっている。

最後に、工程Ｓ４３において、ダイシング等を行って個体毎に分離し、個体としての圧力センサ１が完成する。

以上説明したように、本実施形態の圧力センサ１によれば、以下の効果を得ることができる。

（１）本実施形態の圧力センサ１によれば、固定基板２０と可動基板１０とが、固定基板２０に形成された第２の薄肉部（緩衝部２４）より外周側で接合されているため、可動基板１０と固定基板２０の熱膨張係数の違いに起因する面内歪を緩衝部２４の可撓性により緩和することが可能となる。この結果、圧力センサの特性のばらつきを抑制することが可能となる。

（２）本実施形態の圧力センサ１によれば、固定基板２０と可動基板１０とが、当接面２０ｄと導電膜１４ｂとが当接した状態で、接合部３５に圧力が加えられて陽極接合が行われる。このため、接合部３５は、導電膜１４ｂの方向に押しつけられ、緩衝部２４が撓んだ状態で陽極接合される。これにより、ダイアフラム１１と、固定基板２０の対向面２０ａとの間隔はばらつきなく常に一定とすることができ、接合時の基板間のギャップの精度が損なわれるのを抑制することが可能となる。

（３）本実施形態の圧力センサ１によれば、可動基板１０に、ＡＴカットにより切り出された水晶板を用いている。つまり、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１１が形成されているため、検出特性の安定性を向上することが可能となる。また、ダイアフラム１１の形成時において、その圧電共振特性をモニタすることができるため、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。さらに、ＡＴカットで切り出された水晶板を用いているため、変形特性に鋭敏に影響するダイアフラム１１の厚みについての加工精度を高めることができる。

なお、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
（変形例１）
前記実施形態では、緩衝部２４が、固定基板２０の対向面２０ａ及び外面２０ｂの双方に形成された枠状の凹部２５ａ，２５ｂの底面部で構成されているが、図６に示すように、外面２０ｂに形成された凹部２５ｂの底面で形成されていてもよい。つまり、対向面２０ａには、凹部は形成されず、対向面２０ａと緩衝部２４の一面が同一面となっている。この場合、可動基板１０と固定基板２０とは、緩衝部２４のうちの外周側に位置する枠状の接合領域３３と導電膜１４ａとが陽極接合されることによって密着接合される。

（変形例２）
前記実施形態では、緩衝部２４を固定基板２０に形成しているが、図７に示すように、可動基板１０側に形成するようにしてもよい。図７に示した例では、ダイアフラム１１の外周を囲む可動基板１０の両面に、枠状の凹部２５ｃ，２５ｄを形成し、その底面部を第２の薄肉部としての緩衝部３４としている。可動基板１０と固定基板２０を接合する際には、導電膜１４ａと固定基板２０の接合部３５とが、陽極接合によって密着接合されている。

（変形例３）
前記実施形態では、緩衝部２４が、固定基板２０の対向面２０ａ及び外面２０ｂの双方に形成された枠状の凹部２５ａ，２５ｂの底面部で構成されているが、図８に示すように、対向面２０ａに形成された凹部２５ａの底面で形成されていてもよい。つまり、外面２０ｂには、凹部は形成されず、外面２０ｂと緩衝部２４の外側の一面が同一面となっている。この場合、可動基板１０と固定基板２０とは、緩衝部２４のうちの外周側に位置する枠状の接合部３５と導電膜１４ａとが陽極接合されることによって密着接合される。

また、本発明は、前記実施形態や前記変形例に限定されず実施することができる。例えば、可動基板１０や固定基板２０には、水晶やガラスの他に、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１１における可動電極１３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、本発明は、可動電極と誘電体膜とが接触しない（タッチモードではない）タイプの容量型圧力センサについても適用することができる。
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。

本実施形態の圧力センサ概略を示す図であり、（ａ）は、断面図、（ｂ）は、（ａ）の可動基板と固定基板との接合部分を上下に分離した状態を示す断面図。 圧力センサの概略の内部構成を示す分解斜視図。 使用環境下における圧力センサの断面図。 可動基板と固定基板との接合部分を示す断面図。 圧力センサの製造工程を示すフローチャート。 第１の変形例に係る圧力センサの断面図。 第２の変形例に係る圧力センサの断面図。 第３の変形例に係る圧力センサの断面図。

符号の説明

１…圧力センサ、２…圧力基準室、１０…可動基板、１０ａ…対向面、１０ｂ…外面、１０ｃ…外縁部、１１…第１の薄肉部としてのダイアフラム、１２ａ，１２ｂ…凹部、１３…可動電極、１４ａ，１４ｂ…導電膜、２０…固定基板、２０ａ…対向面、２０ｂ…外面、２１…固定電極、２３…誘電体膜、２４，３４…第２の薄肉部としての緩衝部、２５ａ，２５ｂ…凹部、３３…接合領域、３５…接合部、３５ａ…接合面。

Claims (5)

1. 固定基板と、
   可撓性を有する第１の薄肉部を有し、前記第１の薄肉部が前記固定基板と空隙を有して対向するように、前記第１の薄肉部の周囲部分に対向して設けられた接合部が前記固定基板と接合されている可動基板と、を備え、
   圧力に応じて変形する前記第１の薄肉部の変形状態に基づいて前記圧力を検出する圧力センサであって、
   前記固定基板及び前記可動基板の少なくとも一方には、平面視における前記第１の薄肉部の領域より外周側、且つ前記接合部の内側の領域に、可撓性を有する第２の薄肉部が形成されていることを特徴とする圧力センサ。
2. 請求項１に記載の圧力センサであって、
   前記固定基板は、単結晶材料から形成されており、
   前記可動基板は、アルカリを含有したガラス材から形成されており、
   前記固定基板と前記可動基板とは、前記接合部で陽極接合によって接合されていることを特徴とする圧力センサ。
3. 請求項１又は請求項２に記載の圧力センサであって、
   前記可動基板には、水晶板が用いられていることを特徴とする圧力センサ。
4. 請求項３に記載の圧力センサであって、前記可動基板には、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圧力センサ。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の圧力センサであって、
   前記第２の薄肉部を有する基板は、
   前記第２の薄肉部の表面と、前記接合部の接合面との間の寸法Ｌ１と、
   前記第２の薄肉部の表面と、当該基板が接合される他の基板と前記第１の薄肉部の外周部近傍で当接する当接面との間の寸法Ｌ２とが、
   Ｌ１＜Ｌ２の関係に形成されていることを特徴とする圧力センサ。
   

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