JP2008070124A

JP2008070124A - サーボ式圧力センサ

Info

Publication number: JP2008070124A
Application number: JP2006246320A
Authority: JP
Inventors: Masahito Nakamura; 雅仁中村; Mitsuo Bito; 三津雄尾藤
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2006-09-12
Filing date: 2006-09-12
Publication date: 2008-03-27

Abstract

【課題】圧力に対する出力の直線性に優れ、しかもセンサ個体間のばらつきの小さいサーボ式圧力センサを提供すること。
【解決手段】ダイヤフラム１６ａの主面１６ａ₂に外圧力が加わると、その外圧力により変形してガラス基板１１側に変位する。ダイヤフラム１６ａとガラス基板１１上の固定電極１４との間には、所定の静電容量を有するので、ダイヤフラム１６ａが変位すると、その静電容量が変化する。この静電容量の変化で外圧力の変化を検知する。制御部１９は、ダイヤフラム１６ａを所定の位置に保持するように制御を行う。制御部１９は、スパイラルコイル１３に印加する電流を制御して、ダイヤフラム１６ａを所定の位置に保持するようにサーボ制御を行う。このときのスパイラルコイル１３への通電量をパラメータとして、その変化を圧力変化とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力により変位する可動部を有するサーボ式圧力センサに関する。

静電容量型物理量センサ、例えば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（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、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。

上記静電容量型圧力センサは、例えば、図７に示すように、ダイヤフラム３１を有するベース３２に、凹部３３及び凹部３３の底面に形成された固定電極３４を有する基板３５が接合されて構成されている。このような静電容量型圧力センサにおいては、圧力が加わると、ダイヤフラム３１が可動して固定電極３４との間の間隔が変わる。
特開平９−４３０８３号公報

しかしながら、このような構成では、静電容量は電極間距離に反比例するため、可動電極であるダイヤフラム３１と固定電極３４との間の間隔（ギャップ）が狭くなると（高圧側）、急激に容量が変化してしまうので、図８に示すように、センサ出力（圧力に対する容量変化）の直線性が低くなるという問題がある。また、センサ個体間のばらつきが大きくなるという問題もある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、圧力に対する出力の直線性に優れ、しかもセンサ個体間のばらつきの小さいサーボ式圧力センサを提供することを目的とする。

本発明のサーボ式圧力センサは、固定電極及びインダクタを有する第１基板と、前記固定電極と対向するように配置され、一対の主面を有する可動電極、及び前記インダクタとの間で磁力を発生する磁石を有し、前記第１基板とキャビティを構成するように接合された第２基板と、を具備し、前記インダクタと前記磁石との間の磁力により、前記可動電極の一方の主面からの外圧力に抗して前記可動電極の他方の主面を押圧して、前記可動電極を所定の位置に保持することを特徴とする。

この構成によれば、可動電極のキャビティ内の主面を磁力（インダクタと磁石の斥力）で押圧し、出力の直線性に優れ、高分解能で広い測定範囲でサーボ機能を発揮させることができる。また、このような構成によれば、センサの加工精度のばらつきによる影響を抑えることができるので、センサ個体間のばらつきの小さいサーボ式圧力センサを得ることができる。

本発明のサーボ式圧力センサにおいては、前記インダクタは、スパイラルコイル又はソレノイドであることが好ましい。この場合において、前記固定電極が軟磁性材料で構成されており、前記スパイラルコイルのコアであることが好ましい。

本発明のサーボ式圧力センサにおいては、前記磁石は、中心に向って密になるパターンを有することが好ましい。

本発明のサーボ式圧力センサにおいては、前記固定電極と前記可動電極との間の静電容量で前記可動電極の変位を検知し、前記静電容量に応じて前記インダクタに印加する電流を制御する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、固定電極及びインダクタを有する第１基板と、前記固定電極と対向するように配置され、一対の主面を有する可動電極、及び前記インダクタとの間で磁力を発生する磁石を有し、前記第１基板とキャビティを構成するように接合された第２基板と、を具備し、前記インダクタと前記磁石との間の磁力により、前記可動電極の一方の主面からの外圧力に抗して前記可動電極の他方の主面を押圧して、前記可動電極を所定の位置に保持するので、圧力に対する出力の直線性に優れたサーボ式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）
本実施の形態においては、第１基板が固定電極と、インダクタとしてスパイラルコイルを有する場合について説明する。

図１は、本発明の実施の形態１に係るサーボ式圧力センサの図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は第２基板側の平面図であり、（ｃ）は第１基板側の平面図である。図中１１は第１基板であるガラス基板を示す。ガラス基板１１は、対向する一対の主面１１ａ，１１ｂを有する。ガラス基板１１には、シリコン製部材１２ａ_１,１２ａ_２，１２ｂ，１２ｃが埋設されている。シリコン製部材１２ａ_１,１２ａ_２は、主面１１ｂ上に形成されたインダクタであるスパイラルコイル１３と主面１１ａ上に形成された引き出し電極とを電気的に接続する導電部材である。シリコン製部材１２ｂは固定電極用の導電部材であり、シリコン製部材１２ｃは可動電極用の導電部材である。シリコン製部材１２ａ_１,１２ａ_２，１２ｂ，１２ｃは、ガラス基板１１の両主面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、シリコン製部材１２ｂの一方の露出部分と電気的に接続するように固定電極１４が形成されている。固定電極１４は、スパイラルコイル１３の内側に配置されている。すなわち、図１（ｃ）から分かるように、固定電極１４を囲繞するようにスパイラルコイル１３が設けられている。

ガラス基板１１の主面１１ａ上には、シリコン製部材１２ａ_１,１２ａ_２の他方の露出部分と電気的に接続するように引き出し電極１５ａ_１,１５ａ_２（図示せず）が形成されており、シリコン製部材１２ｂの他方の露出部分と電気的に接続するように引き出し電極１５ｂが形成されており、シリコン製部材１２ｃの他方の露出部分と電気的に接続するように引き出し電極１５ｃが形成されている。このように引き出し電極１５ａ_１,１５ａ_２，１５ｂ，１５ｃが同一の主面１１ａ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１１ｂ上には、可動電極であるダイヤフラム１６ａ及び磁石１７を有する第２基板であるシリコン基板１６が接合されている。シリコン基板１６のガラス基板１１側の主面には、スパイラルコイル１３及び固定電極１４を囲繞する大きさの凹部が形成されており、ガラス基板１１とシリコン基板１６とが接合されることにより、キャビティ１８が構成されるようになっている。キャビティ１８内は外圧力から遮断されており、キャビティ１８内の圧力を基準として外圧力を測定する。ガラス基板１１とシリコン基板１６とは、ダイヤフラム１６ａが固定電極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される。ダイヤフラム１６ａは、一対の主面１６ａ₁，１６ａ₂を有しており、主面１６ａ₂側に外圧力が印加され、主面１６ａ₁側に該外圧力に抗する圧力が印加される。

ダイヤフラム１６のガラス基板側の主面１６ａ₁上には、スパイラルコイル１３との間で磁力を発生させる磁石１７が設けられている。この磁石１７は、ガラス基板１１とシリコン基板１６とが接合された状態で、スパイラルコイル１３と対向する位置に設けられている。なお、磁石１７としては、スパイラルコイル１３から発生する磁界の方向などを考慮すると、ダイヤフラム１６ａの面に対して垂直に磁化する磁性体で構成されていることが好ましい。

ガラス基板１１の主面１１ｂとシリコン基板１６との間の界面は、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、加熱下においてガラス基板１１とシリコン基板１６とを陽極接合することにより形成される。すなわち、ガラス基板１１の主面１１ｂ上にシリコン基板１６を搭載して、陽極接合処理を施すことにより、密着性を高くすることができる。ガラス基板１１とシリコン基板１６との界面とで高い密着性を発揮することにより、ダイヤフラム１６ａとガラス基板１１の主面１１ｂとの間で構成するキャビティ１８内の気密性を高く保つことができる。これは、ガラス基板１１とシリコン製部材１２ａ_１,１２ａ_２，１２ｂ，１２ｃとの界面においても同様である。

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、固定電極１４とダイヤフラム１６ａとの間で検知された静電容量に応じてスパイラルコイル１３に印加する電流を制御する制御部１９が、引き出し電極１５ａ_１,１５ａ_２，１５ｂ，１５ｃと電気的に接続されている。

このような構成を有するサーボ式圧力センサにおいては、ダイヤフラム１６ａの主面１６ａ₂に外圧力が加わると、その外圧力により変形してガラス基板１１側に変位する。ダイヤフラム１６ａとガラス基板１１上の固定電極１４との間には、所定の静電容量を有するので、ダイヤフラム１６ａが変位すると、その静電容量が変化する。固定電極１４及びダイヤフラム１６ａは、それぞれシリコン製部材１２ｂ，１２ｃ及び引き出し電極１５ｂ，１５ｃを介して制御部１９に接続されているので、外圧力によるダイヤフラム１６ａの変位に起因する静電容量の変化は制御部１９で検知することができる。すなわち、固定電極１４とダイヤフラム１６ａとの間の静電容量で外圧力の変化を検知することができる。

このようにダイヤフラム１６ａの変位により静電容量が変化すると、制御部１９は、ダイヤフラム１６ａを所定の位置に保持する、すなわちダイヤフラム１６ａを、外圧力が加わらない状態の位置に戻すように制御を行う。すなわち、制御部１９は、スパイラルコイル１３に印加する電流を制御して、ダイヤフラム１６ａに加わっている外圧力に抗する磁力をキャビティ１８内で主面１６ａ₁に加える。具体的には、制御部１９は、スパイラルコイル１３に引き出し電極１５ａ_１,１５ａ_２及びシリコン製部材１２ａ_１,１２ａ_２を介して通電して磁石１７との間で磁力（ここでは斥力）が生じるような磁界を発生させる。スパイラルコイル１３が磁界を発生すると、ダイヤフラム１６ａ側の磁石１７との間で斥力が発生する。この斥力により、ダイヤフラム１６ａの主面１６ａ₁を外圧力に抗して押圧する。制御部１９は、ダイヤフラム１６ａが元の位置になるまで、外圧力に対応する静電容量に基づいてフィードバック制御を行う。このようにして、ダイヤフラム１６ａを所定の位置に保持するようにサーボ制御を行う。そして、このときのスパイラルコイル１３への通電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。

本実施の形態に係るサーボ式圧力センサにおいては、ダイヤフラム１６ａのキャビティ１８内の主面１６ａ₁を磁力で押圧してサーボ制御を行うので、出力の直線性に優れ、高分解能で広い測定範囲でサーボ機能を発揮させることができる。また、このような構成によれば、センサの加工精度のばらつきによる影響を抑えることができるので、センサ個体間のばらつきの小さいサーボ式圧力センサを得ることができる。また、スパイラルコイルを可動電極側ではなく固定電極側に配置しているため、可動電極側への配線の引き回しを最低限にすることができ、構造を簡略化することができる。

次に、本実施の形態１に係るサーボ式圧力センサの製造方法について説明する。図２（ａ），（ｂ）及び図３（ａ），（ｂ）は、本発明の実施の形態１に係るサーボ式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、図２（ａ）に示すようなシリコン製部材１２ａ_１,１２ａ_２，１２ｂ，１２ｃを埋め込んだガラス基板１１を作製する。このようなガラス基板１１は、例えば、次のようにして作製することができる。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１２を準備する。このシリコン基板１２の一方の主面をエッチングして、シリコン製部材１２ａ，１２ｂ，１２ｃを形成する。この場合、シリコン基板１２上にレジスト膜を形成し、シリコン製部材１２ａ_１,１２ａ_２，１２ｂ，１２ｃ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シリコン基板１２をエッチングして、シリコン製部材１２ａ_１,１２ａ_２，１２ｂ，１２ｃを形成する。その後、レジスト膜を除去する。なお、上述した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、シリコン製部材１２ａ_１,１２ａ_２，１２ｂ，１２ｃを形成したシリコン基板１２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１２及びガラス基板１１を加熱し、シリコン基板１２をガラス基板１１に押圧してシリコン製部材１２ａ_１,１２ａ_２，１２ｂ，１２ｃをガラス基板１１の主面に押し込んで、シリコン基板１２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１２のシリコン製部材１２ａ_１,１２ａ_２，１２ｂ，１２ｃ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１２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り、静電容量型力学量センサのキャビティ１８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の両主面１１ａ，１１ｂを研磨処理することによりシリコン製部材１２ａ_１,１２ａ_２,１２ｂ，１２ｃを両主面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_１,１２ａ_２，１２ｂ，１２ｃ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_１,１２ａ_２，１２ｂ，１２ｃを埋め込んだガラス基板１１を作製する。

次いで、図２（ｂ）に示すように、ガラス基板１１の主面１１ｂ上に、シリコン製部材１２ａ_１,１２ａ_２，１２ｂとそれぞれ電気的に接続するようにスパイラルコイル１３及び固定電極１４を形成する。この場合、まず、ガラス基板１１の主面１１ｂ上にスパイラルコイル材料を被着し、その上にレジスト膜を形成し、スパイラルコイル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パイラルコイル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、スパイラルコイル１３の片方の配線端を中心から引き出すために、ガラス基板１１の主面１１ｂ上に絶縁材料を被着し、その上にレジスト膜を形成し、スパイラルコイルと引き出し配線を絶縁するための絶縁体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絶縁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。さらに、ガラス基板１１の主面１１ｂ上にスパイラルコイル材料を被着し、その上にレジスト膜を形成し、スパイラルコイルの中心の配線端からシリコン製部材１２ａ_２上に延在する引き出し配線となる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パイラルコイル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。そして、同様に、ガラス基板１１の主面１１ｂ上に電極材料を被着し、その上にレジスト膜を形成し、固定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２（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_１,１２ａ_２，１２ｂ，１２ｃとそれぞれ電気的に接続するように引き出し電極１５ａ_１,１５ａ_２，１５ｂ，１５ｃ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３（ａ）に示すように、シリコン基板１６の一方の主面をエッチングして、ダイヤフラム１６ａと固定電極１４との間の間隔を制御するキャビティ１８用の凹部を形成する。この場合、シリコン基板１６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）し、そのレジスト膜をマスクとしてシリコン基板１６をエッチングして凹部を設ける。その後、レジスト膜を除去する。次いで、図３（ａ）に示すように、シリコン基板１６の他方の主面をエッチングして、ダイヤフラム１６ａを形成する。この場合、シリコン基板１６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）し、そのレジスト膜をマスクとしてシリコン基板１６をエッチングして凹部を設ける。その後、レジスト膜を除去する。なお、シリコン基板１６の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。ただし、ウェットエッチングの場合には、エッチングレートに差が出るようにシリコン基板１６の表面の結晶面を規定して異方性エッチングすることが好ましい。この場合のエッチングマスクとしては、熱酸化膜などを用いるのが良い。

次いで、このようにしてダイヤフラム１６ａを形成したシリコン基板１６の主面１６ａ₁側に磁石１７を設ける。この場合、シリコン基板１６の主面１６ａ₁上に磁石材料を被着し、その上にレジスト膜を形成し、磁石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磁石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、ダイヤフラム１６ａを有するシリコン基板１６を、ダイヤフラム１６ａが固定電極１４と所定の間隔をおいて位置するように、ガラス基板１１の主面１１ｂ上に接合する。すなわち、ガラス基板１１の主面１１ｂとシリコン基板１６とが接合される。このとき、シリコン基板１６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１６とガラス基板１１との間の界面での密着性がより高くなり、キャビティ１８の気密性を向上させることができる。

このようにして得られたサーボ式圧力センサは、固定電極１４がシリコン製部材１２ｂを介して引き出し電極１５ｂと電気的に接続され、スパイラルコイル１３がシリコン製部材１２ａ_１,１２ａ_２を介して引き出し電極１５ａ_１,１５ａ_２と電気的に接続され、ダイヤフラム１６ａがシリコン製部材１２ｃを介して引き出し電極１５ｃと電気的に接続されている。したがって、外圧力に対応するダイヤフラム１６ａと固定電極１４との間で検知された静電容量の変化の信号は、シリコン製部材１２ｂ，１２ｃを介して引き出し電極１５ｂ，１５ｃから制御部１９に出力される。また、制御部１９からの制御信号（通電量情報を含む信号）は、引き出し電極１５ａ_１,１５ａ_２及びシリコン製部材１２ａ_１,１２ａ_２を介してスパイラルコイル１３に出力される。これにより、スパイラルコイル１３により磁力が発生して磁石１７との間の斥力によりダイヤフラム１６ａを所定の位置に保持する。そして、ダイヤフラム１６ａが元の位置に保持されたときの通電量に基づいて測定圧力を算出することができる。

このようなサーボ式圧力センサにおいては、ダイヤフラム１６ａのキャビティ１８内の主面１６ａ₁を磁力（スパイラルコイル１３と磁石１７の斥力）で押圧してサーボ制御を行うので、出力の直線性に優れ、高分解能で広い測定範囲でサーボ機能を発揮させることができる。また、このような構成によれば、センサの加工精度のばらつきによる影響を抑えることができるので、センサ個体間のばらつきの小さいサーボ式圧力センサを得ることができる。また、スパイラルコイルを可動電極側ではなく固定電極側に配置しているため、可動電極側への配線の引き回しが最低限で済み、構造が複雑にならない。さらに、絶縁層を介した多層成膜が必要なスパイラルコイルを、ダイヤフラム側ではなく基板側に形成しているため、ダイヤフラムの製造ばらつきを抑えることが可能である。

なお、磁石１７は、図４に示すパターンを有することが好ましい。スパイラルコイル１３から発生する磁界は、スパイラルコイルの中心部が強く、その周囲が弱いため、磁石１７を図４に示すパターン、すなわち中心に向って密になるパターンとすることにより、磁石１７をスパイラルコイル１３の磁界の強度傾度に対応させることができる。その結果、ダイヤフラム１６ａ全体に均一に磁力を作用させることができる。

（実施の形態２）
本実施の形態においては、固定電極が軟磁性材料で構成されており、スパイラルコイルのコアである場合について説明する。図５は、本発明の実施の形態２に係るサーボ式圧力センサの概略図である。図５において、図１と同じ部分については、図１と同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

図５に示すサーボ式圧力センサは、ガラス基板１１の主面１１ｂ上に固定電極１４を設ける代わりに、ガラス基板１１に軟磁性体２１を埋め込んでいる。図５から分かるように、軟磁性体２１は、ガラス基板１１のスパイラルコイル１３の内側の位置に埋め込むように形成されている。この軟磁性体２１は、スパイラルコイル１３のコアとして機能する。また、軟磁性体２１は、ガラス基板１１の両主面１１ａ，１１ｂで露出しており、主面１１ａに形成した引き出し電極１５ｄと電気的に接続されている。そして、この引き出し電極１５ｄが制御部１９と電気的に接続されている。

このような構成においては、軟磁性体２１として、導電性の軟磁性材料を用いることにより、軟磁性体２１が固定電極を兼ねることができ、実施の形態１と同様にして、静電容量を検知することができ、その静電容量の変化に基づいて圧力の変化を検出することができる。

すなわち、このサーボ式圧力センサにおいては、ダイヤフラム１６ａの主面１６ａ₂に外圧力が加わると、その外圧力により変形してガラス基板１１側に変位する。ダイヤフラム１６ａとガラス基板１１の軟磁性体２１との間には、所定の静電容量を有するので、ダイヤフラム１６ａが変位すると、その静電容量が変化する。固定電極である軟磁性体２１及びダイヤフラム１６ａは制御部１９に接続されているので、外圧力によるダイヤフラム１６ａの変位に起因する静電容量の変化は制御部１９で検知することができる。すなわち、軟磁性体２１とダイヤフラム１６ａとの間の静電容量で外圧力の変化を検知することができる。

このようなサーボ式圧力センサにおいては、ダイヤフラム１６ａのキャビティ１８内の主面１６ａ₁を磁力（スパイラルコイル１３と磁石１７の斥力）で押圧してサーボ制御を行うので、出力の直線性に優れ、高分解能で広い測定範囲でサーボ機能を発揮させることができる。また、このような構成によれば、センサの加工精度のばらつきによる影響を抑えることができるので、センサ個体間のばらつきの小さいサーボ式圧力センサを得ることができる。

また、本実施の形態においては、スパイラルコイル１３のコアとして、透磁率の高い軟磁性体２１を配置している。このため、実施の形態１でスパイラルコイル１３に通電する電流量と同じ電流量でも高い磁束密度が得られ、より強い磁力を得ることができる。その結果、所定の磁力を得るために必要となる消費電力を低減させることが可能となる。

なお、本実施の形態において、軟磁性体２１をガラス基板１１に埋め込む場合には、ガラス基板１１に対してサンドブラスト加工などにより貫通穴を形成し、その貫通穴内に軟磁性材料を充填する。また、本実施の形態において、磁石１７を図４に示すパターンとして、磁石１７をスパイラルコイル１３の磁界の強度傾度に対応させて、ダイヤフラム１６ａ全体に均一に磁力を作用させるようにしても良い。

（実施の形態３）
本実施の形態においては、インダクタがソレノイドである場合について説明する。図６は、本発明の実施の形態３に係るサーボ式圧力センサの概略図である。図６において、図１と同じ部分については、図１と同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

図６に示すサーボ式圧力センサは、ガラス基板１１の主面１１ｂ上にスパイラルコイル１３を設ける代わりに、ガラス基板１１にソレノイド２２を埋め込んでいる。図６から分かるように、ソレノイド２２は、ダイヤフラム１６ａの磁石１７と対向する位置に埋め込まれている。また、ソレノイド２２は、ガラス基板１１の主面１１ａで露出しており、主面１１ａに形成した引き出し電極１５ｅ，１５ｆと電気的に接続されている。そして、この引き出し電極１５ｅ，１５ｆが制御部１９と電気的に接続されている。

このような構成においては、実施の形態１と同様にして、静電容量を検知することができ、その静電容量の変化に基づいて圧力を検出することができる。すなわち、このサーボ式圧力センサにおいては、ダイヤフラム１６ａの主面１６ａ₂に外圧力が加わると、その外圧力により変形してガラス基板１１側に変位する。ダイヤフラム１６ａと固定電極１４との間には、所定の静電容量を有するので、ダイヤフラム１６ａが変位すると、その静電容量が変化する。固定電極１４及びダイヤフラム１６ａは制御部１９に接続されているので、外圧力によるダイヤフラム１６ａの変位に起因する静電容量の変化は制御部１９で検知することができる。すなわち、固定電極１４とダイヤフラム１６ａとの間の静電容量で外圧力の変化を検知することができる。

このようにダイヤフラム１６ａの変位により静電容量が変化すると、制御部１９は、ダイヤフラム１６ａを所定の位置に保持する、すなわちダイヤフラム１６ａを、外圧力が加わらない状態の位置に戻すように制御を行う。すなわち、制御部１９は、ソレノイド２２に印加する電流を制御して、ダイヤフラム１６ａに加わっている外圧力に抗する磁力をキャビティ１８内で主面１６ａ₁に加える。具体的には、制御部１９は、ソレノイド２２に引き出し電極１５ｅ，１５ｆを介して通電して磁石１７との間で磁力（ここでは斥力）が生じるような磁界を発生させる。ソレノイド２２が磁界を発生すると、ダイヤフラム１６ａ側の磁石１７との間で斥力が発生する。この斥力により、ダイヤフラム１６ａの主面１６ａ₁を外圧力に抗して押圧する。制御部１９は、ダイヤフラム１６ａが元の位置になるまで、外圧力に対応する静電容量に基づいてフィードバック制御を行う。このようにして、ダイヤフラム１６ａを所定の位置に保持するようにサーボ制御を行う。そして、このときのソレノイド２２への通電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。

このようなサーボ式圧力センサにおいては、ダイヤフラム１６ａのキャビティ１８内の主面１６ａ₁を磁力（ソレノイド２２と磁石１７の斥力）で押圧してサーボ制御を行うので、出力の直線性に優れ、高分解能で広い測定範囲でサーボ機能を発揮させることができる。また、このような構成によれば、センサの加工精度のばらつきによる影響を抑えることができるので、センサ個体間のばらつきの小さいサーボ式圧力センサを得ることができる。

また、本実施の形態においては、ソレノイド２２を用いているので、発生する磁力を強くすることが可能となる。このため、実施の形態１でスパイラルコイル１３に通電する電流量と同じ電流量でも高い磁束密度が得られ、より強い磁力を得ることができる。その結果、所定の磁力を得るために必要となる消費電力を低減させることが可能となる。また、実施の形態２のように、ソレノイド２２内部に軟磁性体のコアを配置することにより、さらに磁力を強くすることができ、さらなる消費電力低減を図ることができる。

なお、本実施の形態において、ソレノイド２２をガラス基板１１に埋め込む場合には、ガラス基板１１に対してサンドブラスト加工などにより貫通穴を形成し、その貫通穴内にソレノイド２２を配置する。また、本実施の形態において、磁石１７を図４に示すパターンとして、磁石１７をスパイラルコイル１３の磁界の強度傾度に対応させて、ダイヤフラム１６ａ全体に均一に磁力を作用させるようにしても良い。

本発明は上記実施の形態１〜３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１〜３においては、磁石１７がダイヤフラム１６ａのガラス基板１１側の主面１６ａ₁上に設けられた場合について説明しているが、本発明においては、磁石１７がダイヤフラム１６ａのガラス基板１１と反対側の主面１６ａ₂上に設けられた場合にも適用することができる。

また、上記実施の形態１〜３においては、インダクタ、固定電極及び可動電極と引き出し電極とを接続する接続部材として、シリコン製部材を用いた場合について説明しているが、本発明においては、接続部材がシリコン製部材以外の導電性部材である場合にも適用することができる。この場合、接続部材をガラス基板に埋め込む場合には、ガラス基板に対してサンドブラスト加工などにより貫通穴を形成し、その貫通穴内に接続部材を構成する導電性材料を充填する。

また、上記実施の形態１〜３における電極や各層の材質や形状については本発明の効果を逸脱しない範囲で適宜設定することができる。また、上記実施の形態１〜３においては、ダイヤフラムに加わる外圧力が正圧である場合について説明しているが、本発明においては、キャビティ内を真空とせず、ダイヤフラムに外圧力として負圧が加わる場合にも適用することができる。この場合は磁石とインダクタの間で引力を発生するようにインダクタに電流を流せばよい。また、上記実施の形態１〜３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。

本発明の実施の形態１に係るサーボ式圧力センサの図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は第２基板側の平面図であり、（ｃ）は第１基板側の平面図である。（ａ），（ｂ）は、本発明の実施の形態１に係るサーボ式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に係るサーボ式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サーボ式圧力センサの磁石パターンの例を示す図である。本発明の実施の形態２に係るサーボ式圧力センサの断面図である。本発明の実施の形態３に係るサーボ式圧力センサの断面図である。従来の静電容量型圧力センサの断面図である。図７に示す静電容量型圧力センサの特性を示す図である。

符号の説明

１，２，３サーボ式圧力センサ
１１ガラス基板
１１ａ，１１ｂ，１６ａ₁，１６ａ₂ 主面
１２ａ_１,１２ａ_２，１２ｂ，１２ｃシリコン製部材
１３スパイラルコイル
１４固定電極
１５ａ_１,１５ａ_２，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅ，１５ｆ引き出し電極
１２，１６シリコン基板
１６ａダイヤフラム
１７磁石
１８キャビティ
１９制御部
２０絶縁体
２１軟磁性体
２２ソレノイド

Claims

固定電極及びインダクタを有する第１基板と、前記固定電極と対向するように配置され、一対の主面を有する可動電極、及び前記インダクタとの間で磁力を発生する磁石を有し、前記第１基板とキャビティを構成するように接合された第２基板と、を具備し、前記インダクタと前記磁石との間の磁力により、前記可動電極の一方の主面からの外圧力に抗して前記可動電極の他方の主面を押圧して、前記可動電極を所定の位置に保持することを特徴とするサーボ式圧力センサ。
前記インダクタは、スパイラルコイル又はソレノイドであることを特徴とする請求項１記載のサーボ式圧力センサ。
前記固定電極が軟磁性材料で構成されており、前記スパイラルコイルのコアであることを特徴とする請求項２記載のサーボ式圧力センサ。
前記磁石は、中心に向って密になるパターン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サーボ式圧力センサ。
前記固定電極と前記可動電極との間の静電容量で前記可動電極の変位を検知し、前記静電容量に応じて前記インダクタに印加する電流を制御する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４のいずれかに記載のサーボ式圧力センサ。