JP2896725B2 - 静電容量式圧力センサ - Google Patents

静電容量式圧力センサ

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JP2896725B2
JP2896725B2 JP3356678A JP35667891A JP2896725B2 JP 2896725 B2 JP2896725 B2 JP 2896725B2 JP 3356678 A JP3356678 A JP 3356678A JP 35667891 A JP35667891 A JP 35667891A JP 2896725 B2 JP2896725 B2 JP 2896725B2
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
    • G01L9/0075—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance using a ceramic diaphragm, e.g. alumina, fused quartz, glass

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、被測定圧力の変化を静
電容量的に検出するダイアフラム構造の静電容量式セン
サに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に静電容量式センサにおいては、セ
ンシング容量部を形成する一対の電極間に発生する寄生
容量を最小に抑えるため、少なくとも一方の基板に絶縁
材料を用いることが必要とされている。
【０００３】従来、この種の圧力センサとしては、図６
（ａ）に断面で示すように固定電極１を有する石英ガラ
ス基板２と、可動電極３を有する石英ガラス基板４とを
その電極面を互いに対向配置させ、所定寸法のギャップ
Ｇを持たせてその周辺部分を低融点ガラス５により接合
して構成された静電容量式圧力センサが提案されてい
る。この可動電極３には図６（ｂ）に平面で示すように
中央部にはセンシング容量部３ｓを、周辺部にはレファ
レンス容量部３ｒがそれぞれ形成されている。
【０００４】また、この種の他の圧力センサとしては、
図７に断面で示すように固定電極６を有するパイレック
スからなるカバーガラス７と、表裏面に凹部を形成し表
面側の凹部内に可動電極８を設けたシリコンウエハ９と
をその電極面を対向配置させその周辺部分を陽極接合に
よる接合部１０により接合して構成されたダイアフラム
構造の静電容量式圧力センサが提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た一方の圧力センサは、対向配置された石英ガラス基板
２と石英ガラス基板４との接合に低融点ガラス５を用い
ているため、数μｍ以下のギャップＧのコントロール性
に乏しく、所定の容量値を得るためには、電極寸法を大
きくしなければならないという問題があり、圧力センサ
の寸法が大きくなり、例えばこの例では２５．４ｍｍφ
と大きくなる。また、ベース容量のコントロール性が悪
く、生産性，コスト面で著しく不利であった。
【０００６】また、対向配置された石英ガラス基板２と
石英ガラス基板４との接合材料に基板材料と異なる低融
点ガラス５を用いているため、測定温度の変動に対して
基板材料と低融点ガラス材料との熱膨張率の差による応
力が発生し、感度の温度特性が大きくなるとともにドリ
フトの発生原因となっていた。
【０００７】また、低融点ガラス５を用いた接合は、約
３００℃程度以上の温度で行われ、その後に使用温度に
冷却される際に残留応力が発生する。この応力は、徐々
に経時変化するため、高精度で信頼性の良い圧力計測に
悪影響をおよぼすという問題があった。
【０００８】また、前述した他方の圧力センサは、カバ
ーガラス７とシリコンウエハ９とが異種材料で構成され
ており、パイレックスとシリコンとは熱膨張率は近い値
を持つが完全に同じではない。そのため、カバーガラス
７とシリコンウエハ９との接合を数百度℃で行った後に
使用温度に冷却すると、カバーガラス７とシリコンウエ
ハ９との陽極接合部１０に応力が残留し、またこの応力
は僅かであるが、経時変化するため、高精度で信頼性の
良い圧力計測に悪影響をおよぼすという問題があった。
【０００９】したがって本発明は、前述した従来の課題
を解決するためになされたものであり、その目的は、寄
生容量をなくすため、絶縁性を具備した基板を用いた上
で基板間接合部の残留応力などに左右されることなく、
高精度で量産性に優れかつ信頼性の高い圧力計測を可能
にした静電容量式圧力センサを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために本発明は、少なくとも一方の表面に第１の電極
が形成された第１の絶縁体基板部と、この第１の絶縁体
基板部と同一材料からなりかつ少なくとも一方の表面に
第２の電極が形成された第２の絶縁体基板部とを備え、
第１の絶縁体基板部および第２の絶縁体基板部の少なく
とも一方の表面に溝部が設けられ、かつ第１の電極およ
び第２の電極の少なくとも一方が溝内の底面に形成さ
れ、第１の電極と第２の電極とが溝部のギャップを介し
て対向配置され第１の絶縁体基板部と第２の絶縁体基板
部のそれぞれの接合部が少なくとも鏡面状に形成され、
前記両接合部が直接密着接合されて構成されている。
【００１１】
【作用】本発明においては、第１の電極が形成された第
１の絶縁体基板部と、第２の電極が形成された第２の絶
縁体基板部とがシール材を不要として直接密着接合され
る。
【００１２】
【実施例】以下、図面を用いて本発明に実施例を詳細に
説明する。図１は本発明による静電容量式圧力センサの
一実施例による構成を示す図であり、図１（ａ）は平面
図，図１（ｂ）はその断面図である。同図において、第
１の基板部を構成する石英ガラス基板１１は、その表面
側中央部に全体形状がほぼ正方形で断面が凹状となる深
さの浅い溝１２が形成されており、この溝１２内の底部
には導電性膜からなる第１の電極としての可動電極１３
が被着形成されている。
【００１３】また、第２の基板部を構成する石英ガラス
基板１４は、その表面側中央部に全体形状がほぼ正方形
の導電性膜からなる第２の電極としての固定電極１５が
被着形成されている。そして可動電極１３が形成された
石英ガラス基板１１と固定電極１５が形成された石英ガ
ラス基板１４とがそれぞれ電極形成面を対向させて配置
しその周辺部分が接合材を用いることなく、直接接合に
より密着して固定されている。
【００１４】この場合、石英ガラス基板１１および石英
ガラス基板１４の接合部となる表面は、表面荒さＲａが
１００Å程度以下の平坦な鏡面を有して形成されてお
り、石英ガラス基板１１と石英ガラス基板１４とを室温
で対向配置させて張り合わせ、２００〜１１００℃程度
まで加熱することにより、石英ガラス同志が物理化学的
な結合力によって密着され、強固に接合されることにな
る。
【００１５】このような構成において、可動電極１３が
形成された石英ガラス基板１１が圧力に応じて変位す
る。したがって圧力の変化に対応して変化する石英ガラ
ス基板１１の可動電極１３と石英ガラス基板１４の固定
電極１５との間の静電容量を測定することにより圧力の
計測が行われる。
【００１６】このような構成によると、石英ガラス基板
１１と石英ガラス基板１４とが同種材料であり、かつ接
合材を用いずに物理化学的な結合力によって密着して接
合されているため、石英ガラス基板１１と石英ガラス基
板１４との接合が使用温度以上で行われた後、使用温度
に冷却されても残留応力の発生が全くなくなる。また、
使用温度の変化があっても石英ガラス基板１１と石英ガ
ラス基板１４とが同種材料であるため、接合に起因する
圧力センサの温度特性に悪影響をおよぼさなくなる。し
たがって高精度の圧力センサを製作することができる。
【００１７】また、石英ガラス基板１１および石英ガラ
ス基板１４は熱膨張率が１×１０-6／Ｋ程度の低熱膨張
率であるため、測定温度変化に対してセンサ材料の変化
が小さいため、センサ材料の変形に係わるセンサの温度
特性などの悪影響を大幅に軽減することができる。
【００１８】なお、第１の基板部および第２の基板部と
して石英ガラス基板を用いた場合には、前述した効果に
加えて基板接合時の位置合わせを基板上から肉眼または
光学顕微鏡を用いて容易に行うことができ、生産性を大
幅に向上させることができる。
【００１９】また、石英ガラス基板１１および石英ガラ
ス基板１４は、接合材を用いずに接合可能な表面荒さの
殆どない安価なウエハの入手が比較的容易であり、容易
にかつ安価に高精度な圧力センサを構成することが可能
である。
【００２０】また、石英ガラス基板は、一般的な半導体
プロセスの応用により加工が容易である。
【００２１】図２は本発明による静電容量式圧力センサ
の他の実施例による構成を示す図で図２（ａ）は平面
図，図２（ｂ）はその断面図であり、前述の図と同一部
分には同一符号を付してある。同図において、石英ガラ
ス基板１１に形成される可動電極１３はセンシング容量
部１３ａとその周辺部にレファレンス容量部１３ｂとを
有して構成されている。
【００２２】このような構成においても前述と同様な効
果が得られ、高精度な圧力測定が可能となる。
【００２３】次に図１で説明した静電容量式圧力センサ
の製造方法について説明する。図３は静電容量式圧力セ
ンサの製造方法の一実施例を説明する工程の断面図であ
る。同図において、まず、図３（ａ）に示すように少な
くとも対向配置されて接合される周辺部分の表面が鏡面
研磨された石英ガラス基板１１を準備する。
【００２４】次に図３（ｂ）に示すようにこの石英ガラ
ス基板１１の中央部分にＨＦエッチング液などによるウ
エットエッチング法またはドライエッチング法により、
溝１２を形成する。
【００２５】次に図３（ｃ）に示すように石英ガラス基
板１１の溝１２内にＣＶＤ法，スパッタリング法または
真空蒸着法などにより導電性薄膜の可動電極１３を被着
形成する。
【００２６】次に図３（ｄ）に示すように少なくとも対
向配置されて接合される周辺部分の表面が鏡面研磨され
た石英ガラス基板１４を準備する。
【００２７】次に図３（ｅ）に示すようにこの石英ガラ
ス基板１４の中央部分にＣＶＤ法，スパッタリング法ま
たは真空蒸着法などにより導電性薄膜の固定電極１５を
被着形成する。
【００２８】次に図３（ｆ）に示すように可動電極１３
が形成された石英ガラス基板１３と固定電極１５が形成
された石英ガラス基板１４とを接合材を用いずにクリー
ンな雰囲気中において室温付近で電極形成面を対向させ
て張り合わせ、２００〜１１００℃程度の高温雰囲気中
で熱処理を行って接合を強固にする。
【００２９】次に図３（ｇ）に示すように石英ガラス基
板１３の接合されていない表面側を研磨し、この石英ガ
ラス基板１３を圧力レンジに応じた所定の厚さに加工し
て完成する。
【００３０】次に石英ガラス基板１１と石英ガラス基板
１４とが直接接合されるメカニズムについて説明する。
図４は石英ガラス基板１１と石英ガラス基板１４との結
合形態の過程の変化を説明する図である。同図におい
て、まず、図４（ａ）に拡大断面で示すように石英ガラ
ス基板１１と石英ガラス基板１４とを室温で張り合わせ
た状態では、両者の接合面において、主にファン・デル
・ワールス力による物理的な結合力により密着されると
考えられている。
【００３１】また、石英ガラス基板１１と石英ガラス基
板１４との張り合わせ状態から熱処理工程を経ることに
よって図４（ｂ）に示すように分子構造がＳｉ−Ｏ−Ｓ
ｉ結合「イ」などの化学的な結合となり、さらに強固な
化学的な結合力により密着されると考えられている。
【００３２】以上、説明したように石英ガラス基板１１
と石英ガラス基板１４との張り合わせ状態および熱処理
工程おける物理化学的な結合力による総合的な結合形態
により、石英ガラス基板１１と石英ガラス基板１４とが
密着されて強固に接合されることになる。
【００３３】図５は前述した基板同志を接合させる熱処
理温度に対する接合強度の関係を実験により求めた結果
を示したものである。同図において、曲線は石英ガラス
基板１１，１４同志の接合強度を示し、石英ガラス基板
同志の接合強度は各温度での平均値を示したものであ
る。同図から明かなように本実施例の石英ガラス基板１
１，１４同志における接合部の接合強度は、実用上、容
量式圧力センサを製作する上で十分なほど優れているこ
とが判った。また、石英ガラス基板１１，１４同志の接
合が比較的低い熱処理温度で強固な接合強度が得られる
ので、可動電極１３，固定電極１５の形成が比較的低い
温度で形成可能となるとともに電極材料も比較的耐熱温
度の低い電極材料が使用可能となる。
【００３４】なお、前述した実施例においては、石英ガ
ラス基板１１および石英ガラス基板１４の形状を正方形
とした場合について説明したが、本発明はこれに限定さ
れるものではなく、長方形，多角形，円形状あるいは楕
円形状でも良い。
【００３５】また、前述した実施例においては、溝１２
および可動電極１３，固定電極１５の形状を正方形とし
た場合について説明したが、本発明はこれに限定される
ものではなく、長方形，多角形，円形状あるいは楕円形
状でも良いことは言うまでもない。
【００３６】また、前述した実施例において、石英ガラ
ス基板１１と石英ガラス基板１４との間に設けた溝１２
内は真空，空気あるいはその他の封入物でも良い。
【００３７】また、前述した実施例においては、第１の
絶縁体基板部および第２の絶縁体基板部としてそれぞれ
石英ガラス１１および石英ガラス１４を用いた場合につ
いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではな
く、可視光に対して透明絶縁体であるガラス基板，サフ
ァイア基板あるいはセラミックス基板を用いても物理化
学的な作用により直接接合が可能となり、前述と同様な
効果が得られる。
【００３８】
【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
第１の絶縁体基板部と第２の絶縁体基板部とが物理化学
的に直接接合される構成としたことにより、製作条件，
測定条件，経時変化などによる接合部の応力の変化に左
右されることなく、第１の電極と第２の電極との対向間
に制御性の良好なギャップ間隔が得られるので、高精度
で信頼性の高い圧力計測が安価に製作可能となるなどの
極めて優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による静電容量式圧力センサの一実施例
による構成を示す図である。
【図２】本発明による静電容量式圧力センサの他の実施
例による構成を示す図である。
【図３】本発明による静電容量式圧力センサの製造方法
を説明する工程の断面図である。
【図４】石英ガラス基板同志の接合形態を説明する図で
ある。
【図５】石英ガラス基板同志の接合形態の熱処理温度に
対する接合強度を説明する図である。
【図６】従来の静電容量式圧力センサの構成の一例を説
明する図である。
【図７】従来の静電容量式圧力センサの構成の他の例を
説明する断面図である。
【符号の説明】
１１ 石英ガラス基板 １２ 溝 １３ 可動電極 １３ａ センシング容量部 １３ｂ レファレンス容量部 １４ 石英ガラス基板 １５ 固定電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 黒岩 孝朗 神奈川県藤沢市川名一丁目12番２号 山 武ハネウエル株式会社藤沢工場内 (56)参考文献 特開 昭61−26834（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01L 9/12

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも一方の表面に第１の電極が形
    成された第１の絶縁体基板部と、前記第１の絶縁体基板
    部と同一材料からなりかつ少なくとも一方の表面に第２
    の電極が形成された第２の絶縁体基板部とを備え、前記
    第１の絶縁体基板部および第２の絶縁体基板部の少なく
    とも一方の表面に溝部が設けられ、かつ前記第１の電極
    および第２の電極の少なくとも一方が前記溝部内の底面
    に形成され、前記第１の電極と第２の電極とが溝部のギ
    ャップを介して対向配置され前記第１の絶縁体基板部と
    第２の絶縁体基板部のそれぞれの接合部が小なくとも鏡
    面状に形成され、前記両接合部が直接密着接合されたこ
    とを特徴とする静電容量式圧力センサ。
  2. 【請求項２】 請求項１において、前記第１の絶縁体基
    板部および第２の絶縁体基板部を石英ガラスとしたこと
    を特徴とする静電容量式圧力センサ。
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