JP2007139559A - 静電容量型圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】製造工程においてキャビティ内の圧力に影響を与えず、ダメージを受けず、しかも高感度で圧力検出を行うことができる静電容量型圧力センサを提供すること。
【解決手段】ガラス基板１１には、第１及び第２導電部材１２，１３が埋設されている。ガラス基板１１の主面１１ｂ上には、第１導電部材１２と電気的に接続するように引き出し電極１４ａが形成されており、第２導電部材１３と電気的に接続するように引き出し電極１４ｂが形成されている。ガラス基板１１の主面１１ａ側で露出する第１導電部材１２上には、固定電極１５が形成されている。ガラス基板１１の主面１１ａ上には、圧力センサの可動電極である感圧ダイヤフラム１８ａを有するシリコン基板１８が接合部材１７を介して共晶接合されている。キャビティ１９内であって固定電極１５の外側には、環状のスペーサ１６が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電容量を用いて圧力を検知する静電容量型圧力センサに関する。

静電容量型圧力センサは、可動電極である感圧ダイヤフラムを有する基板と、固定電極を有する基板とを、感圧ダイヤフラムと固定電極との間に所定の間隔（キャビティ）を有するように接合することにより構成されている。この静電容量型圧力センサにおいては、感圧ダイヤフラムに圧力が加わると感圧ダイヤフラムが変形し、これにより感圧ダイヤフラムと固定電極との間隔が変わる。この間隔の変化により感圧ダイヤフラムと固定電極との間の静電容量が変化し、この静電容量の変化を利用して圧力の変化を検出する。

このような静電容量型圧力センサにおいては、密閉性の高い状態でキャビティを設ける必要がある。このように、密閉性の高い状態でキャビティを設ける技術として、シリコン基板とガラス基板とを陽極接合する技術がある（特許文献１）。
特開２０００−２８４６３号公報

上記特許文献１に開示されたような陽極接合を、狭いキャビティを有する静電容量型圧力センサに用いると、シリコン基板とガラス基板の陽極接合の際にガスが発生し、このガスがキャビティ内に入り込むと、キャビティ内の圧力に影響を与えて、高感度で圧力検出を行うことができないという問題がある。また、陽極接合の際の印加電圧によりキャビティ内に放電が生じてセンサにダメージを与える恐れもある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、製造工程においてキャビティ内の圧力に影響を与えず、ダメージを受けず、しかも高感度で圧力検出を行うことができる静電容量型圧力センサを提供することを目的とする。

本発明の静電容量型圧力センサは、相互に対向する一対の主面を有し、前記一対の主面の一方の主面側に設けられた固定電極及び前記一対の主面の両方の主面で露出するように埋め込まれたシリコン製導電部材を有するガラス基板と、前記ガラス基板の一方の主面上に金−シリコン共晶接合されており、前記固定電極と所定の間隔をおいて対向して配置された可動電極を有するシリコン基板と、前記金−シリコン共晶接合の接合領域よりも内側に配置され、前記ガラス基板と前記シリコン基板との間の間隔を制御するスペーサと、を具備することを特徴とする。

この構成によれば、シリコン基板とガラス基板との間の接合を陽極接合ではなく金−シリコン共晶接合により行っている。金−シリコン共晶結合は、陽極接合と異なり、接合反応においてガスを発生することがない。このため、製造工程においてキャビティ内の圧力に影響を与えない。このため、キャビティ内を目的の圧力にすることができ、これにより高感度で圧力検出を行うことができる。

本発明の静電容量型圧力センサにおいては、前記シリコン基板と前記シリコン製導電部材とが金−シリコン共晶物を介して電気的に接続された領域が前記接合領域に設けられていることが好ましい。

本発明の静電容量型圧力センサにおいては、前記固定電極は、前記スペーサの内側に位置する前記シリコン製導電部材上に形成されていることが好ましい。また、本発明の静電容量型圧力センサにおいては、前記固定電極は、前記スペーサの内側に位置する前記シリコン製導電部材で構成されることが好ましい。

本発明の静電容量型圧力センサにおいては、前記ガラス基板の他方の主面において、前記シリコン製導電部材上に引き出し電極が形成されていることが好ましい。この構成によれば、外部への取り出し電極を一つの面上に形成できるので、表面実装に適したデバイスとすることができる。

本発明の静電容量型圧力センサにおいては、前記ガラス基板と前記シリコン製導電部材との界面においてＳｉ−Ｓｉ結合又はＳｉ−Ｏ結合を有することが好ましい。この構成によれば、ガラス基板とシリコンとの界面においてＳｉ−Ｓｉ結合又はＳｉ−Ｏ結合を有するので、ガラスとシリコンとが強固に接合されて、両者間の密着性が向上し、キャビティの気密性が向上する。

本発明の静電容量型圧力センサによれば、相互に対向する一対の主面を有し、前記一対の主面の一方の主面側に設けられた固定電極及び前記一対の主面の両方の主面で露出するように埋め込まれたシリコン製導電部材を有するガラス基板と、前記ガラス基板の一方の主面上に金−シリコン共晶接合されており、前記固定電極と所定の間隔をおいて対向して配置された可動電極を有するシリコン基板と、前記金−シリコン共晶接合の接合領域よりも内側に配置され、前記ガラス基板と前記シリコン基板との間の間隔を制御するスペーサと、を具備するので、製造工程においてキャビティ内の圧力に影響を与えず、ダメージを受けず、しかも高感度で圧力検出を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面図である。図中１１はガラス基板を示す。ガラス基板１１は、相互に対向する一対の主面１１ａ，１１ｂを有する。このガラス基板１１の後述するキャビティ１９内には、固定電極用の接続電極である第１導電部材１２が埋設されている。また、ガラス基板１１のキャビティ１９以外の領域に、後述する可動電極用の接続電極である第２導電部材１３が埋設されている。第１及び第２導電部材１２，１３は、それぞれ主面１１ａ，１１ｂでそれぞれ露出している。

ガラス基板１１の主面１１ｂ上には、第１導電部材１２の露出部分と電気的に接続するように引き出し電極１４ａが形成されており、第２導電部材１３の露出部分と電気的に接続するように引き出し電極１４ｂが形成されている。このように引き出し電極１４ａ，１４ｂがそれぞれ主面１１ｂ上に設けられていることにより、外部への取り出し電極を一つの面上に形成できるので、表面実装に適したデバイスとすることができる。

第１及び第２導電部材１２，１３を構成する材料としては、シリコン、金属などの導電性材料を用いることができるが、第２導電部材１３については、後述するように金−シリコンの共晶接合を行うことを考慮して、シリコンで構成することが好ましい。

ガラス基板１１の主面１１ａ側で露出する第１導電部材１２上には、固定電極１５が形成されている。この固定電極１５は、キャビティ１９内であって後述するスペーサ１６の内側に位置する。固定電極１５を構成する材料としては、導電性材料を挙げることができるが、第１導電部材１２がシリコンで構成されている場合には、固定電極１５を構成する材料としてＡｕ単体以外の材料を選択することが好ましい。これにより、ガラス基板とシリコン基板とを共晶接合する際に、固定電極が第１導電部材と共晶反応してしまうことを防止できる。例えば、Ａｕ単体以外の材料としては、Ｔｉ／Ｔａ／Ａｕ／Ｔａ、Ｔｉ／Ｔａ／Ａｕ、Ｔａ／Ａｕ／Ｔａ、Ｔａ／Ａｕ、Ｃｒ／Ａｕ／Ｔａ、Ｃｒ／Ａｕ、Ｃｒ／Ｔａ／Ａｕ／Ｔａ、Ｃｒ／Ｔａ／Ａｕなどを挙げることができる。

ガラス基板１１の主面１１ａ上には、圧力センサの可動電極である感圧ダイヤフラム１８ａを有するシリコン基板１８が接合部材１７を介して共晶接合されている。これにより、ガラス基板１１とシリコン基板１８との間でキャビティ１９が形成される。感圧ダイヤフラム１８ａは固定電極１５の上方に位置するように位置合わせされている。これにより、感圧ダイヤフラム１８ａ（可動電極）と固定電極１５との間に静電容量が発生する。

接合部材１７は、図１（ｂ）から分かるように、キャビティ１９の外側に位置する。また、接合部材１７は、金とシリコンの共晶反応で得られた金−シリコン共晶物で構成されている。接合部材１７による接合領域においては、接合部材１７とシリコン基板１８との間で金−シリコン共晶結合を有する。また、前記接合領域には、第２導電部材１３とシリコン基板１８とが接合部材１７を介して電気的に接続された領域が形成されている。第２導電部材１３がシリコンで構成されている場合には、この領域においては、接合部材１７とシリコン基板１８との間で金−シリコン共晶結合を有すると共に、接合部材１７と第２導電部材１３との間で金−シリコン共晶結合を有する。なお、この共晶接合は、真空下において加熱、加圧条件下で行う。この第２導電部材１３は、接合部材１７の形成領域であれば任意の場所に形成可能であり、これにより、実装基板の導電パターンに応じて、第２導電部材１３の形成場所を適宜変更することが可能となる。

キャビティ１９内であって固定電極１５の外側には、環状のスペーサ１６が形成されている。このスペーサ１６は、金−シリコン共晶接合の接合領域よりも内側に配置される。このスペーサ１６は、ガラス基板１１とシリコン基板１８との間の間隔を制御する機能を果たす。このため、スペーサ１６の高さを規定することにより、固定電極１５と感圧ダイヤフラム１８ａとの間の間隔を規定することができる。またスペーサ１６は、金−シリコン共晶反応の際に融解した材料の流れ止めの役割を果たす。このように、スペーサ１６を環状に設けることにより、融解した材料を固定電極側に浸入することを防止できる。スペーサ１６の材料としては、シリコン酸化物やアルミナなどの絶縁性材料を挙げることができる。

第１及び／又は第２導電部材１２，１３がシリコンで構成されている場合には、ガラス基板１１と第１及び／又は第２導電部材１２，１３との間の界面について陽極接合されていることが好ましい。後述するように、これらの界面は、加熱下において第１及び／又は第２導電部材１２，１３をガラス基板１１に押し込むことにより形成される。このような方法により得られた界面でも高い密着性を発揮できるが、第１及び／又は第２導電部材１２，１３をガラス基板１１に押し込んだ後に、陽極接合処理を施すことにより、密着性をより高くすることができる。このようにガラス基板１１とシリコン製導電部材１２，１３との界面で高い密着性を発揮することにより、感圧ダイヤフラム１８ａとガラス基板１１との間で構成するキャビティ１９内の気密性を高く保つことができる。

ここで、陽極接合処理とは、所定の温度（例えば４００℃以下）で所定の電圧（例えば３００Ｖ〜１ｋＶ）を印加することにより、シリコンとガラスとの間に大きな静電引力が発生して、接触したガラス−シリコン界面で酸素を介した化学結合を形成させる、もしくは、酸素の放出による共有結合を形成させる処理をいう。この界面での共有結合は、シリコンのＳｉ原子とガラスに含まれるＳｉ原子との間のＳｉ−Ｓｉ結合又はＳｉ−Ｏ結合である。したがって、このＳｉ−Ｓｉ結合又はＳｉ−Ｏ結合により、シリコンとガラスとが強固に接合して、両者間の界面で非常に高い密着性を発揮する。このような陽極接合を効率良く行うために、ガラス基板１１のガラス材料としては、ナトリウムなどのアルカリ金属を含むガラス材料（例えばパイレックス（登録商標）ガラス）であることが好ましい。

このような構成を有する静電容量型圧力センサにおいては、感圧ダイヤフラム１８ａとガラス基板１１内の固定電極１５との間に所定の静電容量を有する。この圧力センサに圧力が加わると、感圧ダイヤフラム１８ａが圧力に応じて可動する。これにより、感圧ダイヤフラム１８ａが変位する。このとき、感圧ダイヤフラム１８ａと固定電極１５との間の静電容量が変化する。したがって、この静電容量をパラメータとして、その変化を圧力変化とすることができる。

この静電容量型圧力センサにおいては、シリコン基板とガラス基板との間の接合を陽極接合ではなく金−シリコン共晶接合により行っている。金−シリコン共晶結合は、陽極接合と異なり、接合反応においてガスを発生することがない。このため、製造工程においてキャビティ内の圧力に影響を与えない。このため、キャビティ内を目的の圧力にすることができ、これにより高感度で圧力検出を行うことができる。

次に、本実施の形態の静電容量型圧力センサの製造方法について説明する。図２（ａ）〜（ｃ）及び図３（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの製造方法を説明するための断面図である。

まず、不純物をドーピングして低抵抗化したシリコン基板２０を準備する。不純物としては、ｎ型不純物でも良く、ｐ型不純物でも良い。抵抗率としては、例えば０．０１Ω・ｃｍ程度とする。そして、図２（ａ）に示すように、このシリコン基板２０の一方の主面をエッチングして、第１及び第２導電部材１２，１３に相当する突出部２０ａ，２０ｂを形成する。すなわち、突出部２０ａが第１導電部材１２に相当し、突出部２０ｂが第２導電部材１３に相当する。

次いで、突出部２０ａ，２０ｂを形成したシリコン基板２０上にガラス基板１１を置く。さらに、真空下で、このシリコン基板２０及びガラス基板１１を加熱し、シリコン基板２０をガラス基板１１に押圧して突出部２０ａ，２０ｂをガラス基板１１の主面１１ｂに押し込んで、図２（ｂ）に示すように、シリコン基板２０とガラス基板１１とを接合する。このときの温度は、シリコンの融点以下であって、ガラスが変形可能である温度（例えば、ガラスの軟化点温度以下）が好ましい。例えば加熱温度は約８００℃である。

さらに、シリコン基板２０の突出部２０ａ，２０ｂとガラス基板１１との界面１１ｅでの密着性をより高めるために、陽極接合処理をすることが好ましい。この場合、シリコン基板２０及びガラス基板１１にそれぞれ電極をつけて、約４００℃以下の加熱下で約３００Ｖ〜１ｋＶの電圧を印加することにより行う。これにより両者の界面での密着性がより高くなり、静電容量型圧力センサのキャビティ１９の気密性を向上させることができる。

次いで、ガラス基板１１の主面１１ａ側を研磨処理して、シリコン基板２０の突出部２０ａ，２０ｂを主面１１ａで露出させる。次いで、シリコン基板２０の裏面（突出部２０ａ，２０ｂを設けない面）側をエッチングしてガラス基板１１の主面１１ｂを露出させる。エッチングとしては、ドライエッチングでも良く、ウェットエッチングでも良い。また、裏面のシリコンは研磨による加工で除去しても良い。このようにして、図２（ｃ）に示すような、ガラス基板１１に第１導電部材１２及び第２導電部材１３が埋め込まれた基板を作製する。

次いで、図３（ａ）に示すように、ガラス基板１１の主面１１ｂ側において、第１及び第２導電部材１２，１３の露出部分と電気的に接続するように引き出し電極１４ａ，１４ｂを形成する。この場合、まず、ガラス基板１１の主面１１ｂの第１及び第２導電部材１２，１３上に電極材料を被着し、その上にレジスト膜を形成し、引き出し電極形成領域にレジスト膜が残るように、そのレジスト膜をパターニング（フォトリソグラフィー）し、そのレジスト膜をマスクとして電極材料をエッチングし、その後残存したレジスト膜を除去する。

また、図３（ａ）に示すように、ガラス基板１１の主面１１ａ側において、第１導電部材１２の露出部分と電気的に接続するように固定電極１５を形成する。この場合、まず、ガラス基板１１の主面１１ａの第１導電部材１２上に電極材料を被着し、その上にレジスト膜を形成し、電極形成領域にレジスト膜が残るように、そのレジスト膜をパターニング（フォトリソグラフィー）し、そのレジスト膜をマスクとして電極材料をエッチングし、その後残存したレジスト膜を除去する。

次いで、図３（ｂ）に示すように、キャビティ形成領域内であって、固定電極１５の外側に環状のスペーサ１６を形成する。この場合、ガラス基板１１の主面１１ａ上にスペーサ材料を被着し、その上にレジスト膜を形成し、スペーサ形成領域にレジスト膜が残るように、そのレジスト膜をパターニング（フォトリソグラフィー）し、そのレジスト膜をマスクとしてスペーサ材料をエッチングし、その後残存したレジスト膜を除去する。

次いで、図３（ｃ）に示すように、環状のスペーサ１６の外側に、接合部材１７用の金製柱２１を環状に形成する。この金製柱２１は、まず、全面にスパッタリングにより薄い金層を形成し、その後に、レジスト膜を形成し、接合部材１７に対応する領域に開口部を有するようにレジスト膜をパターニングし、このパターンを用いて金メッキを施し、最後に、ミリングにより不要な金層を除去する。

金製柱２１の高さや幅は、シリコン基板１８との間に隙間が生じず、金−シリコン共晶結合により十分な接合強度が得られるように設定する。したがって、シリコン基板１８と金製柱２１とが確実に当接した状態で金−シリコンの共晶反応を起こさせるように、金製柱２１の高さは、スペーサ１６の厚さよりも高く設定することが好ましい。また、金製柱２１は共晶反応の際に融解するので、融解物が所望しない領域に浸入しないように、金製柱２１の周りに所定の流れ込みスペースを確保することが好ましい。例えば、金製柱２１は、接合部材１７の厚さの約２倍の高さで、接合部材１７の領域の約半分の面積で設けることが好ましい。

次いで、あらかじめエッチングなどにより数十μｍ程度の所定の厚さに形成したシリコン基板１８を、感圧ダイヤフラム１８ａが固定電極１５と所定の間隔をおいて位置するようにして、ガラス基板１１の主面１１ａ側に載置して金製柱２１とシリコン基板１８との間で共晶接合する。すなわち、金製柱２１の上面とシリコン基板１８とを当接させ、真空下において、所定の圧力をシリコン基板１８に加えながら、約３７０℃で加熱する。これにより、金とシリコンとの間で共晶反応が起こり、金製柱２１が金−シリコン共晶物に変わって接合部材１７となる。このようにして、接合部材１７とシリコン基板１８との間で強固な接合がなされる。このとき、金製柱２１は融解して流れ出すが、スペーサ１６が設けられているので、キャビティ１９内の固定電極１５側への浸入が防止される。また、第２導電部材１３がシリコンで構成されている場合には、第２導電部材１３上に設けられた金製柱２１と第２導電部材１３との間でも同様に金−シリコン共晶反応が起こり、第２導電部材１３と接合部材１７との間で強固な接合がなされる。これにより、シリコン基板１８が接合部材１７を介して接続電極である第２導電部材１３と電気的に接続する。

このような方法においては、シリコン基板とガラス基板との間の接合を陽極接合ではなく金−シリコン共晶接合により行っている。金−シリコン共晶結合は、陽極接合と異なり、接合反応においてガスを発生することがない。このため、製造工程においてキャビティ内の圧力に影響を与えない。このため、キャビティ内を目的の圧力にすることができ、これにより高感度で圧力検出を行うことができる静電容量型圧力センサを得ることができる。また、この方法によれば、接合工程において電圧を印加しないので、キャビティ内で放電が起こりセンサにダメージを与えることもない。

このようにして得られた静電容量型圧力センサは、固定電極１５が引き出し電極１４ａと電気的に接続され、感圧ダイヤフラム１８ａが接合部材１７及び第２導電部材１３を介して引き出し電極１４ｂと電気的に接続されている。したがって、感圧ダイヤフラム１８ａと固定電極１５との間で検知された静電容量の変化の信号は、引き出し電極１４ａ，１４ｂから取得することができる。この信号に基づいて測定圧力を算出することができる。また、このようにして得られた静電容量型圧力センサについて、プレッシャークッカー耐久試験を行った後に圧力検出を行ったところ、耐久試験前とほぼ同じ感度で圧力検出ができたことが確認された。

本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態においては、ガラス基板１１に埋め込まれた第１導電部材１２上に固定電極１５を設けた場合について説明しているが、本発明においては、図４に示すように、スペーサ１６の内側に位置するシリコン製の第１導電部材１２ａを固定電極として構成しても良い。この場合、図２（ａ）におけるシリコン基板２０の突出部２０ａを図４の第１導電部材１２ａに対応させて形成する。

また、上記実施の形態で説明した数値や材質については特に制限はない。また、上記実施の形態で説明したプロセスについてはこれに限定されず、工程間の適宜順序を変えて実施しても良い。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。

本発明は、例えば大気圧をモニタリングする気圧計やガス圧をモニタリングする静電容量型圧力センサに適用することができる。

本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの製造方法を説明するための断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの他の例の概略構成を示す断面図である。

符号の説明

１１ ガラス基板
１１ａ，１１ｂ 主面
１２，１２ａ 第１導電部材
１３ 第２導電部材
１４ａ，１４ｂ 引き出し電極
１５ 固定電極
１６ スペーサ
１７ 接合部材
１８，２０ シリコン基板
１８ａ 感圧ダイヤフラム
１９ キャビティ
２１ 金製柱

Claims (6)

1. 相互に対向する一対の主面を有し、前記一対の主面の一方の主面側に設けられた固定電極及び前記一対の主面の両方の主面で露出するように埋め込まれたシリコン製導電部材を有するガラス基板と、前記ガラス基板の一方の主面上に金−シリコン共晶接合されており、前記固定電極と所定の間隔をおいて対向して配置された可動電極を有するシリコン基板と、前記金−シリコン共晶接合の接合領域よりも内側に配置され、前記ガラス基板と前記シリコン基板との間の間隔を制御するスペーサと、を具備することを特徴とする静電容量型圧力センサ。
2. 前記シリコン基板と前記シリコン製導電部材とが金−シリコン共晶物を介して電気的に接続された領域が前記接合領域に設けられていることを特徴とする請求項１記載の静電容量型圧力センサ。
3. 前記固定電極は、前記スペーサの内側に位置する前記シリコン製導電部材上に形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の静電容量型圧力センサ。
4. 前記固定電極は、前記スペーサの内側に位置する前記シリコン製導電部材で構成されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の静電容量型圧力センサ。
5. 前記ガラス基板の他方の主面において、前記シリコン製導電部材上に引き出し電極が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の静電容量型圧力センサ。
6. 前記ガラス基板と前記シリコン製導電部材との界面においてＳｉ−Ｓｉ結合又はＳｉ−Ｏ結合を有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の静電容量型圧力センサ。

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