JP2007205858A - Capacitive pressure sensor - Google Patents

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Hiroyuki Kobayashi
弘之 小林
Tetsuya Fukuda
哲也 福田
Katsuya Kikuiri
勝也 菊入
Kiyoshi Sato
清 佐藤
Yoshinobu Nakamura
吉延 中村
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Alps Alpine Co Ltd
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Alps Electric Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a capacitive pressure sensor capable of performing pressure detection without affecting the inside pressure of a cavity in a manufacturing process, without being damaged, and moreover with high sensitivity. <P>SOLUTION: In a glass substrate 11, a first and a second conductive member 12, 13 are buried. On the principal plane 11b of the glass substrate 11, extracting electrodes 14a, 14b are formed in order to perform electrical connection with the first and second members 12, 13 respectively. On the first member 12 being exposed on the principal plane 11a side of the glass substrate 11, a fixed electrode 15 is formed. Onto the principal plane 11a of the glass substrate 11, a silicon substrate 18 having a pressure-sensitive diaphragm 18a being a movable electrode of the pressure sensor is eutectically bonded through a bonding member 17. Outside the fixed electrode 15, an annular spacer 16 is formed, and the spacer 16 has beams 16a extending to a junction region. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

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。   The present invention relates to a capacitance-type pressure sensor that detects pressure using capacitance.

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。   The capacitive pressure sensor joins a substrate having a pressure-sensitive diaphragm, which is a movable electrode, and a substrate having a fixed electrode so as to have a predetermined interval (cavity) between the pressure-sensitive diaphragm and the fixed electrode. It is constituted by. In this capacitance-type pressure sensor, when pressure is applied to the pressure-sensitive diaphragm, the pressure-sensitive diaphragm is deformed, thereby changing the distance between the pressure-sensitive diaphragm and the fixed electrode. The capacitance between the pressure-sensitive diaphragm and the fixed electrode changes due to the change in the interval, and the change in pressure is detected using the change in capacitance.

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
In such a capacitance type pressure sensor, it is necessary to provide a cavity in a highly sealed state. As described above, as a technique for providing a cavity in a highly airtight state, there is a technique for anodically bonding a silicon substrate and a glass substrate (Patent Document 1).
JP 2000-28463 A

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。   When anodic bonding as disclosed in Patent Document 1 is used for a capacitance type pressure sensor having a narrow cavity, gas is generated during anodic bonding of a silicon substrate and a glass substrate, and this gas enters the cavity. If it enters, there is a problem that the pressure in the cavity is affected and pressure detection cannot be performed with high sensitivity. In addition, the applied voltage at the time of anodic bonding may cause discharge in the cavity and damage the sensor.

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。   The present invention has been made in view of the above points, and a capacitive pressure sensor that does not affect the pressure in the cavity in the manufacturing process, is not damaged, and can perform pressure detection with high sensitivity. The purpose is to provide.

本発明の静電容量型圧力センサは、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を区画すると共に、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、を具備し、前記スペーサは、平面視において前記接合領域に延在する梁部を有することを特徴とする。   The capacitance type pressure sensor of the present invention has a pair of main surfaces, and is exposed on both main surfaces of the fixed electrode provided on one main surface side of the pair of main surfaces and the pair of main surfaces. And a glass substrate having a conductive member made of silicon embedded therein, and a gold-silicon eutectic bond on one main surface of the glass substrate, and disposed opposite to the fixed electrode at a predetermined interval. A silicon substrate having a movable electrode, and a spacer for partitioning a bonding region of the gold-silicon eutectic bonding and controlling a distance between the glass substrate and the silicon substrate. It has the beam part extended to the said joining area | region in planar view, It is characterized by the above-mentioned.

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。また、スペーサは、平面視において接合領域に延在する梁部を有するので、接合領域において確実な接合を実現すると共に、理想的なダイヤフラムの変形を実現することができる。   According to this configuration, the bonding between the silicon substrate and the glass substrate is performed not by anodic bonding but by gold-silicon eutectic bonding. Unlike the anodic bonding, the gold-silicon eutectic bonding does not generate gas in the bonding reaction. For this reason, the pressure in the cavity is not affected in the manufacturing process. For this reason, the inside of a cavity can be made into the target pressure, and, thereby, pressure detection can be performed with high sensitivity. In addition, since the spacer has a beam portion extending to the joining region in a plan view, it is possible to realize reliable joining in the joining region and realize ideal deformation of the diaphragm.

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。   In the capacitive pressure sensor of the present invention, a region in which the silicon substrate and the silicon conductive member are electrically connected via a gold-silicon eutectic is provided in the bonding region. preferable.

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。   In the capacitive pressure sensor of the present invention, it is preferable that a lead electrode is formed on the silicon conductive member on the other main surface of the glass substrate. According to this configuration, since the external extraction electrode can be formed on one surface, a device suitable for surface mounting can be obtained.

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。   In the capacitance-type pressure sensor of this invention, it is preferable to have a Si-Si bond or a Si-O bond at the interface between the glass substrate and the silicon conductive member. According to this configuration, since the Si-Si bond or the Si-O bond is present at the interface between the glass substrate and silicon, the glass and silicon are firmly bonded, the adhesion between them is improved, and the cavity is hermetically sealed. Improves.

本発明の静電容量型圧力センサによれば、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を区画すると共に、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、を具備し、前記スペーサは、平面視において前記接合領域に延在する梁部を有するので、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。   According to the capacitance type pressure sensor of the present invention, it has a pair of main surfaces, the fixed electrode provided on one main surface side of the pair of main surfaces, and both main surfaces of the pair of main surfaces. A glass substrate having a silicon conductive member embedded so as to be exposed, and a gold-silicon eutectic bond on one main surface of the glass substrate, facing the fixed electrode at a predetermined interval A silicon substrate having a movable electrode disposed; and a spacer for partitioning a bonding region of the gold-silicon eutectic bonding and controlling a distance between the glass substrate and the silicon substrate. Has a beam portion extending to the joining region in a plan view, so that it does not affect the pressure in the cavity in the manufacturing process, is not damaged, and can perform pressure detection with high sensitivity.

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)は平面図であり、(b)は(a)の1b−1b線に沿う断面図であり、(c)は(a)の1c−1c線に沿う断面図である。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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
1A and 1B are diagrams of a capacitive pressure sensor according to an embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is a plan view and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line 1b-1b in FIG. (C) is sectional drawing which follows the 1c-1c line of (a). In the figure, 11 indicates a glass substrate. The glass substrate 11 has a pair of main surfaces 11a and 11b facing each other. A first conductive member 12 that is a connection electrode for a fixed electrode is embedded in a cavity 19 described later of the glass substrate 11. A second conductive member 13 that is a connection electrode for a movable electrode, which will be described later, is embedded in a region other than the cavity 19 of the glass substrate 11. The first and second conductive members 12 and 13 are exposed at the main surfaces 11a and 11b, respectively.

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。   On the main surface 11b of the glass substrate 11, a lead electrode 14a is formed so as to be electrically connected to the exposed portion of the first conductive member 12, and is electrically connected to the exposed portion of the second conductive member 13. Thus, the extraction electrode 14b is formed. Since the lead electrodes 14a and 14b are provided on the main surface 11b as described above, the lead-out electrode to the outside can be formed on one surface, so that a device suitable for surface mounting can be obtained.

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。   As a material constituting the first and second conductive members 12 and 13, a conductive material such as silicon or metal can be used. As for the second conductive member 13, a gold-silicon eutectic as will be described later. In consideration of bonding, it is preferable to use silicon.

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。   A fixed electrode 15 is formed on the first conductive member 12 exposed on the main surface 11 a side of the glass substrate 11. The fixed electrode 15 is located inside the cavity 19 and inside a spacer 16 described later. Examples of the material constituting the fixed electrode 15 include a conductive material. However, when the first conductive member 12 is made of silicon, a material other than a simple substance of Au is used as the material constituting the fixed electrode 15. It is preferable to select. Thereby, it is possible to prevent the fixed electrode from undergoing a eutectic reaction with the first conductive member when the glass substrate and the silicon substrate are eutectic bonded. For example, as materials other than Au alone, Ti / Ta / Au / Ta, Ti / Ta / Au, Ta / Au / Ta, Ta / Au, Cr / Au / Ta, Cr / Au, Cr / Ta / Au / Ta, Cr / Ta / Au, etc. can be mentioned.

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。   On the main surface 11 a of the glass substrate 11, a silicon substrate 18 having a pressure-sensitive diaphragm 18 a that is a movable electrode of a pressure sensor is eutectic bonded via a bonding member 17. Thereby, a cavity 19 is formed between the glass substrate 11 and the silicon substrate 18. The pressure sensitive diaphragm 18 a is aligned so as to be positioned above the fixed electrode 15. As a result, a capacitance is generated between the pressure sensitive diaphragm 18 a (movable electrode) and the fixed electrode 15.

接合部材17は、図1(b),(c)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、接合領域には、図1(c)に示すように、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。   As can be seen from FIGS. 1B and 1C, the joining member 17 is located outside the cavity 19. The joining member 17 is made of a gold-silicon eutectic obtained by a eutectic reaction between gold and silicon. In the bonding region by the bonding member 17, a gold-silicon eutectic bond is formed between the bonding member 17 and the silicon substrate 18. Further, as shown in FIG. 1C, a region where the second conductive member 13 and the silicon substrate 18 are electrically connected via the bonding member 17 is formed in the bonding region. When the second conductive member 13 is made of silicon, this region has a gold-silicon eutectic bond between the bonding member 17 and the silicon substrate 18, and the bonding member 17 and the second conductive member. 13 has a gold-silicon eutectic bond. This eutectic bonding is performed under vacuum under heating and pressure conditions. The second conductive member 13 can be formed in any location as long as it is a region where the bonding member 17 is formed. Accordingly, the location where the second conductive member 13 is formed is appropriately changed according to the conductive pattern of the mounting substrate. It becomes possible.

固定電極15の外側には、金−シリコン共晶接合の接合領域を区画すると共に、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スペーサ16が形成されている。このスペーサ16は、図1(a)に示すように、平面視において接合領域に延在する梁部16aを有する。この梁部16aは、接合部材17で構成された接合領域を小さい領域に区画するように接合領域に延在している。   Outside the fixed electrode 15, a spacer 16 is formed that partitions a bonding region of gold-silicon eutectic bonding and controls a distance between the glass substrate 11 and the silicon substrate 18. As shown in FIG. 1A, the spacer 16 has a beam portion 16a extending to the joining region in plan view. The beam portion 16a extends to the joining region so as to partition the joining region constituted by the joining member 17 into small regions.

接合領域において金−シリコン共晶反応が起こると、接合部材17側にシリコン基板18が引っ張られる。すなわち、接合領域においては、図1(c)に示すように、矢印A方向の力が加わる。このとき、その反作用により接合領域の周囲のスペーサ16領域では矢印A方向と反対の方向である矢印B方向の力が加わる。本実施の形態に係る静電容量型圧力センサのようにスペーサ16に梁部16aを設けないと、このように接合領域における矢印A方向の力と、スペーサ領域において矢印B方向の力とが偏って加わって、スペーサ16が持ち上がってシリコン基板18全体が変形してしまい、ダイヤフラムとしての理想的な変形が得られない。言い換えると、スペーサ16に梁部16aを設けておくことにより、金−シリコン共晶反応が起こって、接合領域において矢印A方向の力が加わり、スペーサ領域において矢印B方向の力が加わっても、矢印A方向の力と矢印B方向の力がセンサ全体として均一化される。すなわち、図1(b)及び図1(c)から分かるように、特定の断面において接合領域とスペーサ領域との占有割合が異なっている。具体的には、図1(b)に示す断面では、スペーサ領域が接合領域よりも広く、図1(c)に示す断面では、接合領域がスペーサ領域よりも広い。スペーサ16に梁部16aを設けて接合領域を小さい領域に区画することにより、前記占有割合が変わる部分が多くなり、結果として矢印A方向の力と矢印B方向の力がセンサ全体として均一化されることとなる。これにより、ダイヤフラム18aに対して矢印A方向の力及び矢印B方向の力の影響が小さくなる。その結果、接合領域において確実な接合を実現すると共に、理想的なダイヤフラムの変形を実現することができる。なお、スペーサ16の梁部16aはできるだけ接合領域を分断しないように設けることが好ましい。   When the gold-silicon eutectic reaction occurs in the bonding region, the silicon substrate 18 is pulled toward the bonding member 17 side. That is, in the joining region, a force in the direction of arrow A is applied as shown in FIG. At this time, a force in the direction of arrow B, which is the direction opposite to the direction of arrow A, is applied to the spacer 16 region around the bonding region due to the reaction. If the spacer 16 is not provided with the beam portion 16a as in the capacitance type pressure sensor according to the present embodiment, the force in the arrow A direction in the joining region and the force in the arrow B direction in the spacer region are thus biased. In addition, the spacer 16 is lifted and the entire silicon substrate 18 is deformed, so that an ideal deformation as a diaphragm cannot be obtained. In other words, by providing the beam portion 16a in the spacer 16, a gold-silicon eutectic reaction occurs, a force in the direction of arrow A is applied in the bonding region, and a force in the direction of arrow B is applied in the spacer region. The force in the direction of arrow A and the force in the direction of arrow B are made uniform for the entire sensor. That is, as can be seen from FIG. 1B and FIG. 1C, the occupation ratios of the bonding region and the spacer region are different in a specific cross section. Specifically, in the cross section shown in FIG. 1B, the spacer region is wider than the bonding region, and in the cross section shown in FIG. 1C, the bonding region is wider than the spacer region. By providing the beam portion 16a in the spacer 16 and partitioning the joining region into small regions, the portion where the occupation ratio is changed increases, and as a result, the force in the direction of the arrow A and the force in the direction of the arrow B are uniformized as a whole sensor The Rukoto. As a result, the influence of the force in the direction of arrow A and the force in the direction of arrow B is reduced on the diaphragm 18a. As a result, it is possible to realize reliable bonding in the bonding region and to realize ideal deformation of the diaphragm. In addition, it is preferable to provide the beam portion 16a of the spacer 16 so as not to divide the joining region as much as possible.

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を略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。   Further, the spacer 16 plays a role of preventing flow of the material melted during the gold-silicon eutectic reaction. Thus, by providing the spacer 16 in a substantially annular shape, it is possible to prevent the molten material from entering the fixed electrode side. Examples of the material of the spacer 16 include insulating materials such as silicon oxide and alumina.

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。   When the first and / or second conductive members 12 and 13 are made of silicon, the interface between the glass substrate 11 and the first and / or second conductive members 12 and 13 is anodically bonded. It is preferable. As will be described later, these interfaces are formed by pressing the first and / or second conductive members 12 and 13 into the glass substrate 11 under heating. Although high adhesion can be exhibited even at the interface obtained by such a method, the adhesion is improved by applying anodic bonding treatment after the first and / or second conductive members 12 and 13 are pushed into the glass substrate 11. Can be higher. Thus, by exhibiting high adhesion at the interface between the glass substrate 11 and the silicon conductive members 12 and 13, the airtightness in the cavity 19 formed between the pressure-sensitive diaphragm 18 a and the glass substrate 11 is kept high. be able to.

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。   Here, the anodic bonding treatment is performed by applying a predetermined voltage (for example, 300 V to 1 kV) at a predetermined temperature (for example, 400 ° C. or lower), thereby generating a large electrostatic attraction between silicon and glass, This refers to a process of forming a chemical bond via oxygen at the glass-silicon interface in contact or forming a covalent bond by releasing oxygen. The covalent bond at this interface is a Si—Si bond or a Si—O bond between the Si atom of silicon and the Si atom contained in the glass. Therefore, silicon and glass are firmly bonded by this Si—Si bond or Si—O bond, and very high adhesion is exhibited at the interface between the two. In order to perform such anodic bonding efficiently, the glass material of the glass substrate 11 is preferably a glass material containing an alkali metal such as sodium (for example, Pyrex (registered trademark) glass).

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。   In the capacitance type pressure sensor having such a configuration, a predetermined capacitance is provided between the pressure sensitive diaphragm 18 a and the fixed electrode 15 in the glass substrate 11. When pressure is applied to the pressure sensor, the pressure-sensitive diaphragm 18a moves according to the pressure. Thereby, the pressure sensitive diaphragm 18a is displaced. At this time, the capacitance between the pressure sensitive diaphragm 18a and the fixed electrode 15 changes. Therefore, the change can be a pressure change using the capacitance as a parameter.

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。また、スペーサは、平面視において接合領域に延在する梁部を有するので、接合領域において確実な接合を実現すると共に、理想的なダイヤフラムの変形を実現することができる。   In this capacitance type pressure sensor, bonding between a silicon substrate and a glass substrate is performed by gold-silicon eutectic bonding instead of anodic bonding. Unlike the anodic bonding, the gold-silicon eutectic bonding does not generate gas in the bonding reaction. For this reason, the pressure in the cavity is not affected in the manufacturing process. For this reason, the inside of a cavity can be made into the target pressure, and, thereby, pressure detection can be performed with high sensitivity. In addition, since the spacer has a beam portion extending to the joining region in a plan view, it is possible to realize reliable joining in the joining region and realize ideal deformation of the diaphragm.

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)〜(g)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。   Next, a method for manufacturing the capacitive pressure sensor of the present embodiment will be described. 2 (a) to 2 (g) are cross-sectional views for explaining a method for manufacturing a capacitive pressure sensor according to an embodiment of the present invention.

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。   First, a silicon substrate 20 having a low resistance by doping impurities is prepared. The impurity may be an n-type impurity or a p-type impurity. The resistivity is, for example, about 0.01 Ω · cm. Then, as shown in FIG. 2A, one main surface of the silicon substrate 20 is etched to form protrusions 20 a and 20 b corresponding to the first and second conductive members 12 and 13. That is, the protrusion 20 a corresponds to the first conductive member 12, and the protrusion 20 b corresponds to the second conductive member 13.

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。   Next, the glass substrate 11 is placed on the silicon substrate 20 on which the protruding portions 20a and 20b are formed. Further, the silicon substrate 20 and the glass substrate 11 are heated under vacuum, the silicon substrate 20 is pressed against the glass substrate 11, and the protrusions 20a and 20b are pushed into the main surface 11b of the glass substrate 11, and FIG. ), The silicon substrate 20 and the glass substrate 11 are bonded to each other. The temperature at this time is not higher than the melting point of silicon and is preferably a temperature at which the glass can be deformed (for example, not higher than the softening point temperature of the glass). For example, the heating temperature is about 800 ° C.

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。   Furthermore, in order to further improve the adhesion at the interface 11e between the protruding portions 20a and 20b of the silicon substrate 20 and the glass substrate 11, it is preferable to perform an anodic bonding treatment. In this case, an electrode is attached to each of the silicon substrate 20 and the glass substrate 11 and a voltage of about 300 V to 1 kV is applied under heating at about 400 ° C. or lower. Thereby, the adhesiveness at the interface between the two becomes higher, and the airtightness of the cavity 19 of the capacitive pressure sensor can be improved.

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。   Next, the main surface 11a side of the glass substrate 11 is polished to expose the protruding portions 20a and 20b of the silicon substrate 20 on the main surface 11a. Next, the back surface (surface on which the protrusions 20a and 20b are not provided) side of the silicon substrate 20 is etched to expose the main surface 11b of the glass substrate 11. Etching may be dry etching or wet etching. The silicon on the back surface may be removed by polishing. In this way, a substrate in which the first conductive member 12 and the second conductive member 13 are embedded in the glass substrate 11 as shown in FIG.

次いで、図2(d)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。   Next, as shown in FIG. 2D, lead electrodes 14 a and 14 b are formed on the main surface 11 b side of the glass substrate 11 so as to be electrically connected to the exposed portions of the first and second conductive members 12 and 13. To do. In this case, first, an electrode material is deposited on the first and second conductive members 12 and 13 of the main surface 11b of the glass substrate 11, a resist film is formed thereon, and the resist film remains in the extraction electrode formation region. As described above, the resist film is patterned (photolithography), the electrode material is etched using the resist film as a mask, and then the remaining resist film is removed.

また、図2(d)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。   Further, as shown in FIG. 2D, the fixed electrode 15 is formed on the main surface 11 a side of the glass substrate 11 so as to be electrically connected to the exposed portion of the first conductive member 12. In this case, first, an electrode material is deposited on the first conductive member 12 of the main surface 11a of the glass substrate 11, a resist film is formed thereon, and the resist film is left so that the resist film remains in the electrode formation region. Is patterned (photolithography), the electrode material is etched using the resist film as a mask, and then the remaining resist film is removed.

次いで、図2(e)に示すように、固定電極15の外側に環状のスペーサ16を形成する。このとき、スペーサ16を、図1(a)に示すように、平面視において接合領域に延在する梁部16aを有するように形成する。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。   Next, as shown in FIG. 2E, an annular spacer 16 is formed outside the fixed electrode 15. At this time, as shown in FIG. 1A, the spacer 16 is formed so as to have a beam portion 16a extending to the joining region in a plan view. In this case, a spacer material is deposited on the main surface 11a of the glass substrate 11, a resist film is formed thereon, and the resist film is patterned (photolithography) so that the resist film remains in the spacer formation region. The spacer material is etched using the resist film as a mask, and then the remaining resist film is removed.

次いで、図2(f)に示すように、スペーサ16の外側に、接合部材17用の金製柱21を形成する。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。   Next, as shown in FIG. 2 (f), a gold pillar 21 for the joining member 17 is formed outside the spacer 16. The gold pillar 21 is formed by first forming a thin gold layer by sputtering on the entire surface, then forming a resist film, and patterning the resist film so as to have an opening in a region corresponding to the bonding member 17. Then, gold plating is performed, and finally an unnecessary gold layer is removed by milling.

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。   The height and width of the gold pillar 21 are set so that no gap is generated between the gold pillar 21 and a sufficient bonding strength by gold-silicon eutectic bonding. Therefore, it is preferable to set the height of the gold pillar 21 higher than the thickness of the spacer 16 so that the gold-silicon eutectic reaction is caused in a state where the silicon substrate 18 and the gold pillar 21 are in contact with each other. Further, since the gold column 21 melts during the eutectic reaction, it is preferable to secure a predetermined flow space around the gold column 21 so that the melt does not enter an undesired region. For example, the gold pillar 21 is preferably provided with a height that is approximately twice the thickness of the bonding member 17 and an area that is approximately half the area of the bonding member 17.

次いで、図2(g)に示すように、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。   Next, as shown in FIG. 2G, a pressure sensitive diaphragm 18a is positioned at a predetermined distance from the fixed electrode 15 on a silicon substrate 18 that has been previously formed to have a predetermined thickness of about several tens of μm by etching or the like. In this manner, the eutectic bonding is performed between the gold pillar 21 and the silicon substrate 18 by being placed on the main surface 11 a side of the glass substrate 11. That is, the upper surface of the gold pillar 21 and the silicon substrate 18 are brought into contact with each other and heated at about 370 ° C. while applying a predetermined pressure to the silicon substrate 18 under vacuum. As a result, a eutectic reaction occurs between gold and silicon, and the gold column 21 is changed to a gold-silicon eutectic to form the bonding member 17. In this way, strong bonding is performed between the bonding member 17 and the silicon substrate 18. At this time, the gold pillar 21 melts and flows out, but since the spacer 16 is provided, entry into the fixed electrode 15 in the cavity 19 is prevented. In addition, when the second conductive member 13 is made of silicon, a gold-silicon eutectic reaction similarly occurs between the gold column 21 provided on the second conductive member 13 and the second conductive member 13. The second conductive member 13 and the joining member 17 are firmly joined. Thereby, the silicon substrate 18 is electrically connected to the second conductive member 13 that is the connection electrode via the bonding member 17.

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。また、スペーサが接合領域に延在する梁部を有するので、接合領域において確実な接合を実現すると共に、理想的なダイヤフラムの変形を実現することができる。   In such a method, the bonding between the silicon substrate and the glass substrate is performed by gold-silicon eutectic bonding instead of anodic bonding. Unlike the anodic bonding, the gold-silicon eutectic bonding does not generate gas in the bonding reaction. For this reason, the pressure in the cavity is not affected in the manufacturing process. For this reason, the inside of a cavity can be made into the target pressure, and the electrostatic capacitance type pressure sensor which can perform pressure detection with high sensitivity by this can be obtained. Further, according to this method, since no voltage is applied in the joining process, discharge occurs in the cavity and the sensor is not damaged. Further, since the spacer has a beam portion extending to the joining region, it is possible to realize reliable joining in the joining region and realize ideal deformation of the diaphragm.

次に、本発明の効果を明確にするために行った実施例について説明する。図3(a)に示すように、スペーサ16の幅を約50μmとし、金製柱21の幅を約40μm(接合領域の幅が約80μm)とし、梁部16aの長さLを100μmとし、梁部16aの幅Dをそれぞれ20μm、50μm、80μm、100μmとして、上記の方法により4つの静電容量型圧力センサを作製した。また、梁部16aが無いものも合わせて作製した。これらの静電容量型圧力センサについて、封止性及びダイヤフラム変形量を調べた。その結果を下記表1に示す。なお、封止性及びダイヤフラム変形量は、非接触式3次元光干渉式表面粗さ計HD-8000(VEECO社製)により求めた。ここで、封止性については、封止が破れてキャビティ19内が大気圧と同じ圧力になると、ダイヤフラムがキャビティ19において変形しなくなるため、上記非接触式3次元光干渉式表面粗さ計にて干渉縞が現れないときに、封止ができていないと判断する。また、ダイヤフラム変形量は、図3(b)に示す範囲とした。   Next, examples performed for clarifying the effects of the present invention will be described. As shown in FIG. 3A, the width of the spacer 16 is about 50 μm, the width of the gold column 21 is about 40 μm (the width of the joining region is about 80 μm), the length L of the beam portion 16a is 100 μm, Four capacitance-type pressure sensors were produced by the above-mentioned method with the width D of 16a being 20 μm, 50 μm, 80 μm, and 100 μm, respectively. Moreover, the thing without the beam part 16a was produced together. About these electrostatic capacitance type pressure sensors, the sealing performance and the amount of diaphragm deformation were examined. The results are shown in Table 1 below. The sealing property and the amount of diaphragm deformation were determined with a non-contact type three-dimensional optical interference type surface roughness meter HD-8000 (manufactured by VEECO). Here, regarding the sealing performance, when the sealing is broken and the inside of the cavity 19 becomes the same pressure as the atmospheric pressure, the diaphragm will not be deformed in the cavity 19, so that the non-contact type three-dimensional optical interference surface roughness meter is used. When no interference fringes appear, it is determined that sealing is not completed. Moreover, the diaphragm deformation amount was set in the range shown in FIG.

Figure 2007205858
Figure 2007205858

表1から分かるように、梁部16aの幅がそれぞれ20μm、50μm、80μmのものは、梁部16aが無い場合と比較して、接合領域のダイヤフラムの変形量が少なくなっており、接合領域のダイヤフラムの変形が、キャビティ19におけるダイヤフラムの変形に対する影響を小さくすることができる。これにより、キャビティ19におけるダイヤフラムの変形をより理想的なものに近づけることが可能となる。したがって、圧力センサの感度を向上させることができる。しかも封止性も良好であった。一方、梁部16aの幅が100μmのものは封止できなかった。したがって、図3(a)におけるパターンにおいては、接合領域の面積に対する梁の面積の割合が約42%〜約167%であることが望ましく、ダイヤフラム変形量を40nm未満とし、封止性を保持するためには、約104%〜約167%であることが好ましい。   As can be seen from Table 1, when the beam portion 16a has a width of 20 μm, 50 μm, and 80 μm, the amount of deformation of the diaphragm in the joint region is smaller than that in the case where the beam portion 16a is not provided. The deformation of the diaphragm can reduce the influence of the diaphragm 19 on the deformation of the diaphragm. Thereby, the deformation of the diaphragm in the cavity 19 can be made closer to an ideal one. Therefore, the sensitivity of the pressure sensor can be improved. Moreover, the sealing property was also good. On the other hand, the beam portion 16a having a width of 100 μm could not be sealed. Therefore, in the pattern in FIG. 3A, the ratio of the area of the beam to the area of the bonding region is desirably about 42% to about 167%, the diaphragm deformation amount is less than 40 nm, and the sealing property is maintained. Therefore, it is preferably about 104% to about 167%.

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。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and can be implemented with various modifications. For example, the numerical values and materials described in the above embodiments are not particularly limited. Further, the process described in the above embodiment is not limited to this, and the process may be performed by changing the order as appropriate. Other modifications may be made as appropriate without departing from the scope of the object of the present invention.

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。   The present invention can be applied to, for example, a barometer that monitors atmospheric pressure or a capacitance-type pressure sensor that monitors gas pressure.

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)は平面図であり、(b)は(a)の1b−1b線に沿う断面図であり、(c)は(a)の1c−1c線に沿う断面図である。It is a figure of the capacitive pressure sensor which concerns on embodiment of this invention, (a) is a top view, (b) is sectional drawing which follows the 1b-1b line of (a), (c) These are sectional drawings which follow the 1c-1c line of (a). (a)〜(g)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)-(g) is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the electrostatic capacitance type pressure sensor which concerns on embodiment of this invention. (a)は実施例に係る静電容量型圧力センサを示す平面図であり、(b)は(a)に示す静電容量型圧力センサのダイヤフラムの変形を示す図である。(A) is a top view which shows the capacitive pressure sensor which concerns on an Example, (b) is a figure which shows the deformation | transformation of the diaphragm of the capacitive pressure sensor shown to (a).

符号の説明Explanation of symbols

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
16a 梁部
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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Glass substrate 11a, 11b Main surface 12, 12a 1st conductive member 13 2nd conductive member 14a, 14b Lead electrode 15 Fixed electrode 16 Spacer 16a Beam part 17 Joining member 18, 20 Silicon substrate 18a Pressure sensitive diaphragm 19 Cavity 21 Gold pillar

Claims (4)

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を区画すると共に、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、を具備し、前記スペーサは、平面視において前記接合領域に延在する梁部を有することを特徴とする静電容量型圧力センサ。   A pair of principal surfaces, a fixed electrode provided on one principal surface side of the pair of principal surfaces, and a silicon conductive member embedded so as to be exposed on both principal surfaces of the pair of principal surfaces A glass substrate, a silicon substrate having a gold-silicon eutectic bond on one main surface of the glass substrate, and having a movable electrode disposed to face the fixed electrode at a predetermined interval; and the gold substrate A spacer that divides a bonding region of the silicon eutectic bonding and controls a distance between the glass substrate and the silicon substrate, and the spacer extends to the bonding region in a plan view. A capacitive pressure sensor having a portion. 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。   The capacitance type according to claim 1, wherein a region where the silicon substrate and the silicon conductive member are electrically connected via a gold-silicon eutectic is provided in the junction region. Pressure sensor. 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又は請求項2記載の静電容量型圧力センサ。   3. The capacitive pressure sensor according to claim 1, wherein a lead electrode is formed on the silicon conductive member on the other main surface of the glass substrate. 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3のいずれかに記載の静電容量型圧力センサ。   The capacitive pressure sensor according to any one of claims 1 to 3, further comprising a Si-Si bond or a Si-O bond at an interface between the glass substrate and the silicon conductive member.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US8201455B2 (en) 2008-04-24 2012-06-19 Panasonic Corporation Pressure sensor having thin film sections

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