JP2007303922A - 静電容量型圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】小型で圧力測定レンジが広い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の主面１１ａ上に固定電極１３ａ，１３ｂがそれぞれ設けられている。第２固定電極１３ｂ上には、電極層１４が形成されている。第１固定電極１３ａが相対的に高圧側のレンジに対応する固定電極であり、第２固定電極１３ｂ及び電極層１４が相対的に低圧側のレンジに対応する固定電極である。相対的に高圧側のレンジに対応する固定電極が相対的に薄く、相対的に低圧側のレンジに対応する固定電極が相対的に厚い。一つのダイヤフラム１５ａに対して高圧側の固定電極１３ａと低圧側の固定電極１３ｂ，１４とを設けているので、測定レンジ毎に適切なギャップで測定を行うことが可能となる。
【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、ダイヤフラムと固定電極との間に所定の間隔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、ダイヤフラムに圧力が加わるとダイヤフラムが変形し、これにより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、ダイヤフラムが圧力に比例して変形する圧力領域は限られているため、単一の弾性構造で広い圧力範囲を測定することができる静電容量型圧力センサを実現するのは困難である。従来から、広い圧力範囲を測定することができる静電容量型圧力センサが開発されている（特許文献１の図５）。
特開２００２−３１８１６６号公報

しかしながら、特許文献１に示す静電容量型圧力センサは、ダイヤフラムと固定電極とで構成されるセンサ部を、ダイヤフラムのサイズを変えて２つ設けて、すなわち、高圧側のセンサ部と低圧側のセンサ部とを設けて、圧力範囲毎に使い分けている。したがって、ダイヤフラムと固定電極とで構成されるセンサを２つ設けているのと同じであり、静電容量型圧力センサの小型化の阻害要因となっている。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、小型で圧力測定レンジが広い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、一対の主面の一方の主面上に形成され、測定レンジに対応して複数に分割された固定電極を有する第１基板と、前記固定電極と所定の間隔をおいて位置する可動電極を有する第２基板と、を具備することを特徴とする。

この構成によれば、一つの可動電極に対して高圧側の固定電極と低圧側の固定電極とを設けているので、すなわち測定レンジに対応して固定電極を設けているので、測定レンジ毎に適切なギャップで測定を行うことが可能となる。これにより、高精度に測定を行うことができる。特に低圧側の測定レンジの精度をより高くすることができる。

本発明の静電容量型圧力センサにおいては、前記固定電極は、前記測定レンジ毎に前記可動電極との間の距離が異なることが好ましい。この構成によれば、測定レンジに合わせた感度を持つ圧力センサを実現することが可能となる。

本発明の静電容量型圧力センサにおいては、前記固定電極上に絶縁層が設けられていることが好ましい。この構成によれば、固定電極と可動電極とが接触して、不要な容量を持つことを防止することができる。

本発明の静電容量型圧力センサにおいては、前記固定電極及び前記可動電極に接続されており、前記測定レンジに応じて前記固定電極を切り替える切替制御手段をさらに具備することが好ましい。

本発明によれば、一対の主面の一方の主面上に形成され、測定レンジに対応して複数に分割された固定電極を有する第１基板と、前記固定電極と所定の間隔をおいて位置する可動電極を有する第２基板と、を具備するので、小型で圧力測定レンジが広い静電容量型圧力センサを提供することができる。

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。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る静電容量型圧力センサの概略構成を示す断面図である。図中１１はガラス基板を示す。ガラス基板１１は、一対の主面１１ａ，１１ｂを有する。ガラス基板１１には、シリコンで構成されたシリコン製部材１２ａ，１２ｂが埋設されている。シリコン製部材１２ａは、主面１１ａ上に形成された第１固定電極１３ａと電気的に接続する導電部材である。シリコン製部材１２ｂは、主面１１ａ上に形成された第２固定電極１３ｂと電気的に接続する導電部材である。シリコン製部材１２ａ，１２ｂは、ガラス基板１１の両主面１１ａ，１１ｂで露出している。

ガラス基板１１の主面１１ｂで露出するシリコン製部材１２ａ，１２ｂ上には、シリコン製部材１２ａ，１２ｂと電気的に接続するように引き出し電極（図示せず）を設けても良い。このように引き出し電極が同一の主面１１ｂ上に設けられていることにより、外部機器への接続が容易となる。

ガラス基板１１の主面１１ａで露出するシリコン製部材１２ａ，１２ｂ上には、シリコン製部材１２ａ，１２ｂと電気的に接続するように固定電極１３ａ，１３ｂがそれぞれ設けられている。すなわち、シリコン製部材１２ａ上には、第１固定電極１３ａが形成され、シリコン製部材１２ｂ上には、第２固定電極１３ｂが形成されている。第２固定電極１３ｂ上には、電極層１４が形成されている。第１固定電極１３ａが相対的に高圧側のレンジに対応する固定電極であり、第２固定電極１３ｂ及び電極層１４が相対的に低圧側のレンジに対応する固定電極である。すなわち、相対的に高圧側のレンジに対応する固定電極が相対的に薄く、相対的に低圧側のレンジに対応する固定電極が相対的に厚い。

高圧側の固定電極１３ａと低圧側の固定電極１３ｂ，１４とは、測定レンジに対応して分割されていれば良く、その形状については特に制限はない。例えば、高圧側の固定電極１３ａと低圧側の固定電極１３ｂ，１４とは、図２（ａ）に示すように、２つに分割されていても良く、図２（ｂ）に示すように、４つに分割され、２つを高圧側の固定電極に割り当て、残り２つを低圧側の固定電極に割り当てても良い。なお、固定電極を分割する数については一例であり、高圧側の固定電極と低圧側の固定電極とに割り当てることを前提とすれば、適宜変更することが可能である。

ガラス基板１１の主面１１ａ上には、可動電極であるダイヤフラム１５ａを有するシリコン基板１５が接合されている。このダイヤフラム１５ａは、可動電極として圧力により変位する。シリコン基板１５は、ガラス基板１１の主面１１ａと接合部１５ｂで接合されている。ガラス基板１１とシリコン基板１５とは、ダイヤフラム１５ａが高圧側の固定電極１３ａ及び低圧側の固定電極１３ｂ，１４と所定の間隔をおいて配置されるように位置合わせされた状態で接合部１５ｂにおいて接合される。

このように、ガラス基板１１とシリコン基板１５とが接合されることにより、キャビティ１６が形成され、キャビティ１６内に固定電極１３ａ，１３ｂ，１４が設けられることになる。この場合において、高圧側の固定電極１３ａと低圧側の固定電極１３ｂ，１４との間の厚さの差により、ダイヤフラム１５ａからの距離（ギャップ）が異なる。すなわち、高圧側の固定電極１３ａとダイヤフラム１５ａとの間の距離Ｄ₁が低圧側の固定電極１３ｂ，１４とダイヤフラム１５ａとの間の距離Ｄ₂よりも長くなっている。なお、距離Ｄ₁と距離Ｄ₂との差については、測定レンジにより適宜設定することができる。したがって、この測定レンジによる距離Ｄ₁と距離Ｄ₂との差に応じて適宜高圧側の固定電極１３ａと低圧側の固定電極１３ｂ，１４の厚さを設定する。

ガラス基板１１とシリコン製部材１２ａ，１２ｂとの界面は、高い密着性を有することが好ましい。後述するように、これらの界面は、加熱下においてシリコン製部材１２ａ，１２ｂに対応する突出部をガラス基板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、突出部をガラス基板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、界面で共有結合を起こさせる処理をいう。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。

また、ガラス基板１１の主面１１ａとシリコン基板１５の接合部１５ｂとの界面は、高い密着性を有することが好ましい。これらの界面は、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。

高圧側の固定電極１３ａ、低圧側の固定電極１３ｂ，１４、及びシリコン基板１５には、制御部１７が電気的に接続されている。この制御部１７は、高圧側の固定電極１３ａと低圧側の固定電極１３ｂ，１４とを切り替える制御を行う。この切替制御は、例えば、高圧側の固定電極１３ａとダイヤフラム１５ａとの間で検出される出力（静電容量）、又は低圧側の固定電極１３ｂ，１４とダイヤフラム１５ａとの間で検出される出力（静電容量）を監視し、所定の閾値を超えるあるいは下回ることを検知することにより行う。図３は、圧力と容量変化との関係を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の円で囲んだ部分の拡大図である。具体的に、高圧側の固定電極１３ａから低圧側の固定電極１３ｂ，１４に切替制御を行う場合には、図３（ａ）に示す高圧側の固定電極１３ａとダイヤフラム１５ａとの間で検出される出力（図３における□、◇、△プロット）が一定の値（図３（ｂ）に示すＡ部）になったときに切り替える（図３における×プロット）。このように、高圧側の固定電極と低圧側の固定電極とで厚さを変えて、測定レンジに対応させているので、すなわち、測定レンジに対応して適切なギャップを設定するので、高精度に測定を行うことができる。特に低圧側の測定レンジの精度をより高く、しかも直線性良くすることができる。

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、ダイヤフラム１５ａと高圧側の固定電極１３ａ又は低圧側の固定電極１３ｂ，１４との間に所定の静電容量を有する。この静電容量型圧力センサに圧力がかかると、ダイヤフラム１５ａが圧力に応じて可動する。これにより、ダイヤフラム１５ａが変位する。このとき、ダイヤフラム１５ａと固定電極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。

また、このような静電容量型圧力センサにおいては、一つのダイヤフラム１５ａに対して高圧側の固定電極１３ａと低圧側の固定電極１３ｂ，１４とを設けているので、すなわち測定レンジに対応して固定電極を設けているので、測定レンジ毎に適切なギャップで測定を行うことが可能となる。これにより、高精度に測定を行うことができる。特に低圧側の測定レンジの精度をより高くすることができる。

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４（ａ）〜（ｃ）、及び図５（ａ），（ｂ）は、本発明の実施の形態１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。

図４（ａ）に示すようなシリコン製部材１２ａ，１２ｂなどの導電性材料を埋め込んだガラス基板１１を作製する。具体的には、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。シリコン基板の一方の主面をエッチングして、シリコン製部材１２ａ，１２ｂに対応する突出部を形成し、加熱下でシリコン基板をガラス基板１１に押圧して突出部をガラス基板１１の主面１１ｂに押し込み、シリコン基板とガラス基板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６００℃である。さらに、シリコン基板の突出部とガラス基板１１との界面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。これにより界面での密着性がより高くなる。

次いで、ガラス基板１１の主面１１ａ，１１ｂ側を研磨処理及びラップ処理することによりシリコン製部材１２ａ，１２ｂを主面１１ａ，１１ｂで露出させる。これにより、ガラス基板１１にシリコン製部材１２ａ，１２ｂが埋め込まれた状態となる。このようにしてシリコン製部材１２ａ，１２ｂを埋め込んだガラス基板１１を作製する。

次いで、図４（ｂ）に示すように、ガラス基板１１の主面１１ａ上に、シリコン製部材１２ａ，１２ｂとそれぞれ電気的に接続するように第１固定電極１３ａ、第２固定電極１３ｂをそれぞれ形成する。すなわち、シリコン製部材１２ａ上に第１固定電極１３ａを形成し、シリコン製部材１２ｂ上に第２固定電極１３ｂを形成する。この場合、まず、ガラス基板１１の主面１１ａ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４（ｃ）に示すように、第２固定電極１３ｂ上に電極層１４を形成する。この場合、まず、ガラス基板１１の主面１１ａ上に電極材料を被着し、その上にレジスト膜を形成し、電極層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、可動電極となるシリコン基板１５の一方の面にレジスト膜を形成し、凹部形成領域以外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）する。そして、レジスト膜をマスクとしてシリコン基板１５の一方の主面をエッチングして、図５（ａ）に示すように、凹部１５ｃを設ける。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。

次いで、上記と同様にして、シリコン基板１５の他方の面にレジスト膜を形成し、凹部形成領域以外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）する。そして、レジスト膜をマスクとしてシリコン基板１５の他方の主面をエッチングして凹部１５ｄを設ける。このようにしてダイヤフラム１５ａを有するシリコン基板１５を作製する。

次いで、図１に示すように、シリコン基板１５の凹部１５ｃがガラス基板１１の主面１１ａ側になるようにして、シリコン基板１５をガラス基板１１の主面１１ａ上に接合する。すなわち、ガラス基板１１の主面１１ａとシリコン基板１５の接合部１５ｂとが接合される。このとき、シリコン基板１５及びガラス基板１１に対して、約４００℃以下の加熱下で約５００Ｖ程度の電圧を印加することにより陽極接合処理を行う。これによりシリコン基板１５とガラス基板１１との間の界面での密着性がより高くなる。

このようにして得られた静電容量型圧力センサにおいては、高圧側の固定電極１３ａがシリコン製部材１２ａと電気的に接続されており、低圧側の固定電極１３ｂ，１４がシリコン製部材１２ｂと電気的に接続されている。したがって、ダイヤフラム１５ａと高圧側の固定電極１３ａ又は低圧側の固定電極１３ｂ，１４との間で検知された静電容量の信号は、シリコン製部材１２ａ，１２ｂを介して制御部１７で取得することができる。これらの信号に基づいて静電容量を算出することができる。この場合、制御部１７において、静電容量に基づいて高圧側の固定電極１３ａと、低圧側の固定電極１３ｂ，１４とを切り替えることができる。

本実施の形態に係る静電容量型圧力センサは、一つのダイヤフラムに対して分割された固定電極を設けて、圧力範囲毎に使い分けているので、ダイヤフラムと固定電極とで構成されるセンサを２つ設けている構成に比べて小型化を図ることができる。したがって、小型で圧力測定レンジが広い静電容量型圧力センサを実現することができる。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２に係る静電容量型圧力センサの概略構成を示す断面図である。図中２１はガラス基板を示す。ガラス基板２１は、一対の主面２１ａ，２１ｂを有する。ガラス基板２１には、シリコンで構成されたシリコン製部材２２ａ，２２ｂが埋設されている。シリコン製部材２２ａは、主面２１ａ上に形成された第１固定電極２３ａと電気的に接続する導電部材である。シリコン製部材２２ｂは、主面２１ａ上に形成された第２固定電極２３ｃと電気的に接続する導電部材である。シリコン製部材２２ａ，２２ｂは、ガラス基板２１の両主面２１ａ，２１ｂで露出している。

ガラス基板２１の主面２１ｂで露出するシリコン製部材２２ａ，２２ｂ上には、シリコン製部材２２ａ，２２ｂと電気的に接続するように引き出し電極（図示せず）を設けても良い。このように引き出し電極が同一の主面２１ｂ上に設けられていることにより、外部機器への接続が容易となる。

ガラス基板２１の主面２１ａで露出するシリコン製部材２２ａ，２２ｂ上には、シリコン製部材２２ａ，２２ｂと電気的に接続するように固定電極２３ａ，２３ｃがそれぞれ設けられている。すなわち、シリコン製部材２２ａ上には、第１固定電極２３ａが形成され、シリコン製部材２２ｂ上には、第２固定電極２３ｃが形成されている。第１固定電極２３ａ上には、電極層２３ｂが形成されている。第２固定電極２３ｃが相対的に高圧側のレンジに対応する固定電極であり、第１固定電極２３ａ及び電極層２３ｂが相対的に低圧側のレンジに対応する固定電極である。すなわち、相対的に高圧側のレンジに対応する固定電極が相対的に薄く、相対的に低圧側のレンジに対応する固定電極が相対的に厚い。

高圧側の固定電極２３ｃと低圧側の固定電極２３ａ，２３ｂとは、測定レンジに対応して分割されていれば良く、その形状については特に制限はない。例えば、高圧側の固定電極２３ｃと低圧側の固定電極２３ａ，２３ｂとは、図７（ａ）に示すように、同心円状に分割されて形成されていることが好ましい。図７（ａ）では、高圧側の固定電極２３ｃが円形であり、低圧側の固定電極２３ａ，２３ｂが固定電極２３ｃを囲むリング状である。また、図７（ｂ）に示すように、リング状の電極を複数設けても良い。なお、固定電極を分割する数については一例であり、高圧側の固定電極と低圧側の固定電極とに割り当てることを前提とすれば、適宜変更することが可能である。

高圧側の固定電極２３ｃ及び低圧側の固定電極２３ａ，２３ｂ上には、絶縁層２４が設けられている。このように絶縁層２４を設けることにより、低圧側の固定電極２３ａ，２３ｂと後述するダイヤフラムとが接触して、不要な容量を持つことを防止することができる。なお、絶縁層２４の厚さや材質については特に制限はない。

ガラス基板２１の主面２１ａ上には、可動電極であるダイヤフラム２５ａを有するシリコン基板２５が接合されている。このダイヤフラム２５ａは、可動電極として圧力により変位する。シリコン基板２５は、ガラス基板２１の主面２１ａと接合部２５ｂで接合されている。ガラス基板２１とシリコン基板２５とは、ダイヤフラム２５ａが高圧側の固定電極２３ｃ及び低圧側の固定電極２３ａ，２３ｂと所定の間隔をおいて配置されるように位置合わせされた状態で接合部２５ｂにおいて接合される。

このように、ガラス基板２１とシリコン基板２５とが接合されることにより、キャビティ２６が形成され、キャビティ２６内に固定電極２３ａ，２３ｂ，２３ｃが設けられることになる。この場合において、高圧側の固定電極２３ｃと低圧側の固定電極２３ａ，２３ｂとの間の厚さの差により、ダイヤフラム２５ａからの距離（ギャップ）が異なる。すなわち、高圧側の固定電極２３ｃとダイヤフラム２５ａとの間の距離Ｄ₁が低圧側の固定電極２３ａ，２３ｂとダイヤフラム２５ａとの間の距離Ｄ₂よりも長くなっている。なお、距離Ｄ₁と距離Ｄ₂との差については、測定レンジにより適宜設定することができる。したがって、この測定レンジによる距離Ｄ₁と距離Ｄ₂との差に応じて適宜高圧側の固定電極２３ｃと低圧側の固定電極２３ａ，２３ｂの厚さを設定する。

ガラス基板２１とシリコン製部材２２ａ，２２ｂとの界面は、実施の形態１と同様に、高い密着性を有することが好ましい。

高圧側の固定電極２３ｃ、低圧側の固定電極２３ａ，２３ｂ、及びシリコン基板２５には、制御部２７が電気的に接続されている。この制御部２７は、高圧側の固定電極２３ｃと低圧側の固定電極２３ａ，２３ｂとを切り替える制御を行う。この切替制御は、実施の形態１の制御部１７と同じように行う。このように、高圧側の固定電極と低圧側の固定電極とで厚さを変えて、測定レンジに対応させているので、すなわち、測定レンジに対応して適切なギャップを設定するので、高精度に測定を行うことができる。特に低圧側の測定レンジの精度をより高く、しかも直線性良くすることができる。

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、ダイヤフラム２５ａと高圧側の固定電極２３ｃ又は低圧側の固定電極２３ａ，２３ｂとの間に所定の静電容量を有する。この静電容量型圧力センサに圧力がかかると、ダイヤフラム２５ａが圧力に応じて可動する。これにより、ダイヤフラム２５ａが変位する。このとき、ダイヤフラム２５ａと固定電極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。

また、このような静電容量型圧力センサにおいては、一つのダイヤフラム２５ａに対して高圧側の固定電極２３ｃと低圧側の固定電極２３ａ，２３ｂとを設けているので、すなわち測定レンジに対応して固定電極を設けているので、測定レンジ毎に適切なギャップで測定を行うことが可能となる。これにより、高精度に測定を行うことができる。特に低圧側の測定レンジの精度をより高くすることができる。

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８（ａ）〜（ｄ）、及び図９（ａ），（ｂ）は、本発明の実施の形態２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。

図８（ａ）に示すようなシリコン製部材２２ａ，２２ｂなどの導電性材料を埋め込んだガラス基板２１を作製する。次いで、図８（ｂ）に示すように、ガラス基板２１の主面２１ａ上に、シリコン製部材２２ａと部分的に電気的に接続するようにリング状の第１固定電極２３ａを形成する。この場合、まず、ガラス基板２１の主面２１ａ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８（ｃ）に示すように、第１固定電極２３ａ上に電極層２３ｂを形成すると共に、ガラス基板２１の主面２１ａ上に、円形の第２固定電極２３ｃを形成する。この場合、まず、ガラス基板２１の主面２１ａ及び第１固定電極２３ａ上に電極材料を被着し、その上にレジスト膜を形成し、電極層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８（ｄ）に示すように、ガラス基板２１の主面２１ａ、第１固定電極２３ｃ、及び電極層２３ｂ上に絶縁層２４を形成する。この場合、まず、ガラス基板２１の主面２１ａ、第１固定電極２３ｃ及び電極層２３ｂ上に絶縁材料を被着し、その上にレジスト膜を形成し、絶縁層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、シリコン基板２５上にレジスト膜を形成し、凹部形成領域以外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）する。そして、レジスト膜をマスクとしてシリコン基板２５の一方の主面をエッチングして、図９（ａ）に示すように、凹部２５ｃを設ける。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。

次いで、上記と同様にして、シリコン基板２５上にレジスト膜を形成し、凹部形成領域以外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）する。そして、レジスト膜をマスクとしてシリコン基板２５の他方の主面をエッチングして凹部２５ｄを設ける。このようにしてダイヤフラム２５ａを有するシリコン基板２５を作製する。

次いで、図６に示すように、シリコン基板２５の凹部２５ｃがガラス基板２１の主面２１ａ側になるようにして、シリコン基板２５をガラス基板２１の主面２１ａ上に接合する。すなわち、ガラス基板２１の主面２１ａとシリコン基板２５の接合部２５ｂとが接合される。このとき、シリコン基板２５及びガラス基板２１に対して、約４００℃以下の加熱下で約５００Ｖ程度の電圧を印加することにより陽極接合処理を行う。これによりシリコン基板２５とガラス基板２１との間の界面での密着性がより高くなる。

このようにして得られた静電容量型圧力センサにおいては、低圧側の固定電極２３ａ，２３ｂがシリコン製部材２２ａと電気的に接続されており、高圧側の固定電極２３ｃがシリコン製部材２２ｂと電気的に接続されている。したがって、ダイヤフラム２５ａと高圧側の固定電極２３ｃ又は低圧側の固定電極２３ａ，２３ｂとの間で検知された静電容量の信号は、シリコン製部材２２ａ，２２ｂを介して制御部２７で取得することができる。これらの信号に基づいて静電容量を算出することができる。この場合、制御部２７において、静電容量に基づいて高圧側の固定電極２３ｃと、低圧側の固定電極２３ａ，２３ｂとを切り替えることができる。

本実施の形態に係る静電容量型圧力センサは、一つのダイヤフラムに対して分割された固定電極を設けて、圧力範囲毎に使い分けているので、ダイヤフラムと固定電極とで構成されるセンサを２つ設けている構成に比べて小型化を図ることができる。したがって、小型で圧力測定レンジが広い静電容量型圧力センサを実現することができる。また、ダイヤフラムは、外側の固定電極に接触した後も円形状に変形するため、ダイヤフラムに均等な応力が加わる。その結果、耐久性の高い静電容量型圧力センサを実現することが可能である。

（実施の形態３）
図１０は、本発明の実施の形態３に係る静電容量型圧力センサの概略構成を示す断面図である。図中３１はガラス基板を示す。ガラス基板３１は、一対の主面３１ａ，３１ｂを有する。ガラス基板３１には、シリコンで構成されたシリコン製部材３２ａ，３２ｂが埋設されている。シリコン製部材３２ａは、主面３１ａ上に形成された第１固定電極３３ａと電気的に接続する導電部材である。シリコン製部材３２ｂは、主面３１ａ上に形成された第２固定電極３３ｂと電気的に接続する導電部材である。シリコン製部材３２ａ，３２ｂは、ガラス基板３１の両主面３１ａ，３１ｂで露出している。

ガラス基板３１の主面３１ｂで露出するシリコン製部材３２ａ，３２ｂ上には、シリコン製部材３２ａ，３２ｂと電気的に接続するように引き出し電極（図示せず）を設けても良い。このように引き出し電極が同一の主面３１ｂ上に設けられていることにより、外部機器への接続が容易となる。

ガラス基板３１の主面３１ａで露出するシリコン製部材３２ａ，３２ｂ上には、シリコン製部材３２ａ，３２ｂと電気的に接続するように固定電極３３ａ，３３ｂがそれぞれ設けられている。すなわち、シリコン製部材３２ａ上には、第１固定電極３３ａが形成され、シリコン製部材３２ｂ上には、第２固定電極３３ｂが形成されている。第２固定電極３３ｂ上には、絶縁層３４が形成されている。第１固定電極３３ａが相対的に高圧側のレンジに対応する固定電極であり、第２固定電極３３ｂが相対的に低圧側のレンジに対応する固定電極である。

高圧側の固定電極３３ａと低圧側の固定電極３３ｂとは、測定レンジに対応して分割されていれば良く、その形状については特に制限はない。例えば、高圧側の固定電極３３ａと低圧側の固定電極３３ｂとは、同心円状に分割されて形成されていることが好ましい。すなわち、低圧側の固定電極３３ｂが円形であり、高圧側の固定電極３３ａが低圧側の固定電極３３ｂを囲むリング状である。なお、固定電極を分割する数については一例であり、高圧側の固定電極と低圧側の固定電極とに割り当てることを前提とすれば、適宜変更することが可能である。

第２固定電極３３ｂ上には、絶縁層３４が設けられている。このように絶縁層３４を設けることにより、低圧側の固定電極３３ｂと後述するダイヤフラムとが接触して、不要な容量を持つことを防止することができる。なお、絶縁層３４の厚さや材質については特に制限はない。このように、第１固定電極３３ａと第２固定電極３３ｂの厚さを同じとし、一方の固定電極上に絶縁層３４を設けて段差を設けても本発明の効果を発揮することができる。

ガラス基板３１の主面３１ａ上には、可動電極であるダイヤフラム３５ａを有するシリコン基板３５が接合されている。このダイヤフラム３５ａは、可動電極として圧力により変位する。シリコン基板３５は、ガラス基板３１の主面３１ａと接合部３５ｂで接合されている。ガラス基板３１とシリコン基板３５とは、ダイヤフラム３５ａが高圧側の固定電極３３ａ及び低圧側の固定電極３３ｂと所定の間隔をおいて配置されるように位置合わせされた状態で接合部３５ｂにおいて接合される。

このように、ガラス基板３１とシリコン基板３５とが接合されることにより、キャビティ３６が形成され、キャビティ３６内に固定電極３３ａ，３３ｂが設けられることになる。この場合において、高圧側の固定電極３３ａと低圧側の固定電極３３ｂとの間はダイヤフラムの中心部の変位量が大きいために、ダイヤフラム３５ａからの距離（ギャップ）が異なる。すなわち、高圧側の固定電極３３ａとダイヤフラム３５ａとの間の距離Ｄ₁が低圧側の固定電極３３ｂとダイヤフラム３５ａとの間の距離Ｄ₂よりも長くなっている。なお、距離Ｄ₁と距離Ｄ₂との差については、測定レンジにより適宜設定することができる。したがって、この測定レンジによる距離Ｄ₁と距離Ｄ₂との差に応じて適宜高圧側の固定電極３３ａと低圧側の固定電極３３ｂの厚さを設定する。

ガラス基板３１とシリコン製部材３２ａ，３２ｂとの界面は、実施の形態１と同様に、高い密着性を有することが好ましい。

高圧側の固定電極３３ａ、低圧側の固定電極３３ｂ、及びシリコン基板３５には、制御部３７が電気的に接続されている。この制御部３７は、高圧側の固定電極３３ａと低圧側の固定電極３３ｂとを切り替える制御を行う。この切替制御は、実施の形態１の制御部１７と同じように行う。このように、高圧側の固定電極と低圧側の固定電極とで厚さを変えて、測定レンジに対応させているので、すなわち、測定レンジに対応して適切なギャップを設定するので、高精度に測定を行うことができる。特に低圧側の測定レンジの精度をより高く、しかも直線性良くすることができる。

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、ダイヤフラム３５ａと高圧側の固定電極３３ａ又は低圧側の固定電極３３ｂとの間に所定の静電容量を有する。この静電容量型圧力センサに圧力がかかると、ダイヤフラム３５ａが圧力に応じて可動する。これにより、ダイヤフラム３５ａが変位する。このとき、ダイヤフラム３５ａと固定電極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。

また、このような静電容量型圧力センサにおいては、一つのダイヤフラム３５ａに対して高圧側の固定電極３３ａと低圧側の固定電極３３ｂとを設けているので、すなわち測定レンジに対応して固定電極を設けているので、測定レンジ毎に適切なギャップで測定を行うことが可能となる。これにより、高精度に測定を行うことができる。特に低圧側の測定レンジの精度をより高くすることができる。

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１１（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態３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。

図１１（ａ）に示すようなシリコン製部材３２ａ，３２ｂなどの導電性材料を埋め込んだガラス基板３１を作製する。次いで、図１１（ｂ）に示すように、ガラス基板３１の主面３１ａ上に、シリコン製部材３２ａと部分的に電気的に接続するようにリング状の第１固定電極３３ａを形成すると共に、シリコン製部材３２ｂと部分的に電気的に接続するように円状の第２固定電極３３ｂを形成する。この場合、まず、ガラス基板３１の主面３１ａ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１１（ｃ）に示すように、第２固定電極３３ｂ上に絶縁層３４を形成する。この場合、まず、ガラス基板３１の主面３１ａ、第１固定電極３３ａ及び第２固定電極３３ｂ上に絶縁材料を被着し、その上にレジスト膜を形成し、絶縁層形成領域（第２固定電極３３ｂ上）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９に示すようにして両主面に凹部を有するシリコン基板３５を作製し、図１０に示すように、シリコン基板３５の凹部３５ｃがガラス基板３１の主面３１ａ側になるようにして、シリコン基板３５をガラス基板３１の主面３１ａ上に接合する。すなわち、ガラス基板３１の主面３１ａとシリコン基板３５の接合部３５ｂとが接合される。このとき、シリコン基板３５及びガラス基板３１に対して、約４００℃以下の加熱下で約５００Ｖ程度の電圧を印加することにより陽極接合処理を行う。これによりシリコン基板３５とガラス基板３１との間の界面での密着性がより高くなる。

このようにして得られた静電容量型圧力センサにおいては、高圧側の固定電極３３ａがシリコン製部材３２ａと電気的に接続されており、低圧側の固定電極３３ｂがシリコン製部材３２ｂと電気的に接続されている。したがって、ダイヤフラム３５ａと高圧側の固定電極３３ａ又は低圧側の固定電極３３ｂとの間で検知された静電容量の信号は、シリコン製部材３２ａ，３２ｂを介して制御部３７で取得することができる。これらの信号に基づいて静電容量を算出することができる。この場合、制御部３７において、静電容量に基づいて高圧側の固定電極３３ａと、低圧側の固定電極３３ｂとを切り替えることができる。

本実施の形態に係る静電容量型圧力センサは、一つのダイヤフラムに対して分割された固定電極を設けて、圧力範囲毎に使い分けているので、ダイヤフラムと固定電極とで構成されるセンサを２つ設けている構成に比べて小型化を図ることができる。したがって、小型で圧力測定レンジが広い静電容量型圧力センサを実現することができる。また、この構成では、圧力によるダイヤフラムの変位の不均一性を利用するため、固定電極に段差を設ける必要がなく、工程数の削減が可能となる。

（実施の形態４）
図１２は、本発明の実施の形態４に係る静電容量型圧力センサの概略構成を示す断面図である。図中４１はガラス基板を示す。ガラス基板４１は、一対の主面４１ａ，４１ｂを有する。ガラス基板４１には、シリコンで構成されたシリコン製部材４２ａ，４２ｂ，４２ｃが埋設されている。シリコン製部材４２ａは、第１固定電極として機能するリング状の導電部材である。シリコン製部材４２ｂは、第２固定電極として機能する円柱状の導電部材である。シリコン製部材４２ａ，４２ｂは、ガラス基板４１の両主面４１ａ，４１ｂで露出している。

ガラス基板４１の主面４１ｂで露出するシリコン製部材４２ａ，４２ｂ上には、シリコン製部材４２ａ，４２ｂと電気的に接続するように引き出し電極（図示せず）を設けても良い。このように引き出し電極が同一の主面４１ｂ上に設けられていることにより、外部機器への接続が容易となる。

ガラス基板４１の主面４１ａ側の第２固定電極４２ｂの領域は、第１固定電極４２ａの領域よりも、すなわち主面４１ａの位置よりも窪んでいる。すなわち、第２固定電極４２ｂの領域に凹部が形成されている。第１固定電極４２ａが相対的に低圧側のレンジに対応する固定電極であり、第２固定電極４２ｂが相対的に高圧側のレンジに対応する固定電極である。

低圧側の固定電極４２ａと高圧側の固定電極４２ｂとは、測定レンジに対応して分割されていれば良く、その形状については特に制限はない。例えば、低圧側の固定電極４２ａと高圧側の固定電極４２ｂとは、同心円状に分割されて形成されていることが好ましい。すなわち、高圧側の固定電極４２ｂが円形であり、低圧側の固定電極４２ａが高圧側の固定電極４２ｂを囲むリング状である。なお、固定電極を分割する数については一例であり、高圧側の固定電極と低圧側の固定電極とに割り当てることを前提とすれば、適宜変更することが可能である。

ガラス基板４１の主面４１ａ上には、可動電極であるダイヤフラム４４ａを有するシリコン基板４４が接合されている。このダイヤフラム４４ａは、可動電極として圧力により変位する。シリコン基板４４は、ガラス基板４１の主面４１ａと接合部４４ｂで接合されている。ガラス基板４１とシリコン基板４４とは、ダイヤフラム４４ａが低圧側の固定電極４２ａ及び高圧側の固定電極４２ｂと所定の間隔をおいて配置されるように位置合わせされた状態で接合部４４ｂにおいて接合される。

このように、ガラス基板４１とシリコン基板４４とが接合されることにより、キャビティ４５が形成され、キャビティ４５内に固定電極４２ａ，４２ｂが設けられることになる。この場合において、低圧側の固定電極４２ａと高圧側の固定電極４２ｂとの間の厚さの差により、ダイヤフラム４４ａからの距離（ギャップ）が異なる。すなわち、高圧側の固定電極４２ｂとダイヤフラム４４ａとの間の距離Ｄ₁が低圧側の固定電極４２ａとダイヤフラム４４ａとの間の距離Ｄ₂よりも長くなっている。なお、距離Ｄ₁と距離Ｄ₂との差については、測定レンジにより適宜設定することができる。したがって、この測定レンジによる距離Ｄ₁と距離Ｄ₂との差に応じて適宜高圧側の固定電極４２ｂの凹部の深さを設定する。

ガラス基板４１とシリコン製部材４２ａ，４２ｂとの界面は、実施の形態１と同様に、高い密着性を有することが好ましい。

低圧側の固定電極４２ａ、高圧側の固定電極４２ｂ、及びシリコン基板４４には、制御部４６が電気的に接続されている。この制御部４６は、低圧側の固定電極４２ａと高圧側の固定電極４２ｂとを切り替える制御を行う。この切替制御は、実施の形態１の制御部１７と同じように行う。このように、高圧側の固定電極と低圧側の固定電極とで厚さを変えて、測定レンジに対応させているので、すなわち、測定レンジに対応して適切なギャップを設定するので、高精度に測定を行うことができる。特に低圧側の測定レンジの精度をより高く、しかも直線性良くすることができる。

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、ダイヤフラム４４ａと低圧側の固定電極４２ａ又は高圧側の固定電極４２ｂとの間に所定の静電容量を有する。この静電容量型圧力センサに圧力がかかると、ダイヤフラム４４ａが圧力に応じて可動する。これにより、ダイヤフラム４４ａが変位する。このとき、ダイヤフラム４４ａと固定電極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。

また、このような静電容量型圧力センサにおいては、一つのダイヤフラム４４ａに対して低圧側の固定電極４２ａと高圧側の固定電極４２ｂとを設けているので、すなわち測定レンジに対応して固定電極を設けているので、測定レンジ毎に適切なギャップで測定を行うことが可能となる。これにより、高精度に測定を行うことができる。特に低圧側の測定レンジの精度をより高くすることができる。

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１３（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態４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。

図１３（ａ）に示すようなシリコン製部材４２ａ，４２ｂなどの導電性材料を埋め込んだガラス基板４１を作製する。次いで、図１３（ｂ）に示すように、第２固定電極であるシリコン製部材４２ｂの領域をミリング加工して、主面４１ａ側に凹部４１ｃを形成する。

次いで、図１３（ｃ）に示すように、第１固定電極４２ａ及び第２固定電極４２ｂ上に絶縁層４３を形成する。この場合、まず、ガラス基板４１の主面４１ａ、第１固定電極４２ａ及び第２固定電極４２ｂ上絶縁材料を被着し、その上にレジスト膜を形成し、絶縁層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９に示すようにして両主面に凹部を有するシリコン基板４４を作製し、図１２に示すように、シリコン基板４４の凹部がガラス基板４１の主面４１ａ側になるようにして、シリコン基板４４をガラス基板４１の主面４１ａ上に接合する。すなわち、ガラス基板４１の主面４１ａとシリコン基板４４の接合部４４ｂとが接合される。このとき、シリコン基板４４及びガラス基板４１に対して、約４００℃以下の加熱下で約５００Ｖ程度の電圧を印加することにより陽極接合処理を行う。これによりシリコン基板４４とガラス基板４１との間の界面での密着性がより高くなる。

このようにして得られた静電容量型圧力センサにおいては、ダイヤフラム４４ａと低圧側の固定電極４２ａ又は高圧側の固定電極４２ｂとの間で検知された静電容量の信号は、制御部４６で取得することができる。これらの信号に基づいて静電容量を算出することができる。この場合、制御部４６において、静電容量に基づいて低圧側の固定電極４２ａと、高圧側の固定電極４２ｂとを切り替えることができる。

本実施の形態に係る静電容量型圧力センサは、一つのダイヤフラムに対して分割された固定電極を設けて、圧力範囲毎に使い分けているので、ダイヤフラムと固定電極とで構成されるセンサを２つ設けている構成に比べて小型化を図ることができる。したがって、小型で圧力測定レンジが広い静電容量型圧力センサを実現することができる。この構成によれば、金属膜で固定電極を作製する必要がないので、工程数を削減することが可能である。

本発明は上記実施の形態１〜４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１〜４における高圧側の固定電極と低圧側の固定電極の位置関係についてはこれに限定されない。また、上記実施の形態１〜４で説明した数値や材質については特に制限はなく、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜組み合わせる又は変更することが可能である。

本発明の実施の形態１に係る静電容量型圧力センサの概略構成を示す断面図である。 （ａ），（ｂ）は、分割された固定電極の形状を示す平面図である。 （ａ）は圧力と静電容量との関係を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の拡大図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態１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），（ｂ）は、本発明の実施の形態１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２に係る静電容量型圧力センサの概略構成を示す断面図である。 （ａ），（ｂ）は、分割された固定電極の形状を示す平面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態２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），（ｂ）は、本発明の実施の形態２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３に係る静電容量型圧力センサの概略構成を示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態３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４に係る静電容量型圧力センサの概略構成を示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態４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。

符号の説明

１１，２１，３１，４１ ガラス基板
１２ａ，１２ｂ，２２ａ，２２ｂ，３２ａ，３２ｂ シリコン製部材
１３ａ，２３ａ，３３ａ，４２ａ 第１固定電極
１３ｂ，２３ｃ，３３ｂ，４２ｂ 第２固定電極
１４，２３ｂ 電極層
１５，２５，３５，４４ シリコン基板
１５ａ，２５ａ，３５ａ，４４ａ ダイヤフラム
１５ｂ，２５ｂ，３５ｂ，４３ｂ 接合部
１６，２６，３６，４５ キャビティ
１７，２７，３７，４６ 制御部
２４，３４，４３ 絶縁層

Claims (4)

1. 一対の主面の一方の主面上に形成され、測定レンジに対応して複数に分割された固定電極を有する第１基板と、前記固定電極と所定の間隔をおいて位置する可動電極を有する第２基板と、を具備することを特徴とする静電容量型圧力センサ。
2. 前記固定電極は、前記測定レンジ毎に前記可動電極との間の距離が異な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. 前記固定電極上に絶縁層が設けら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. 前記固定電極及び前記可動電極に接続されており、前記測定レンジに応じて前記固定電極を切り替える切替制御手段をさらに具備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。

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