JP2910764B1 - 静電容量型センサおよびそれを使用したフルイディック式流量計 - Google Patents

Abstract

【要約】 【課題】 静電容量型センサ１において、測定媒体が腐
食性であっても、キャビティ１０、１１や各電極３ａ，
８ａ，８ｂ，１６ａの腐食・劣化を防ぐ。また、外部温
度が変化しても、センサの検出精度を維持する。 【解決手段】 ２つのダイヤフラム３、１６の間に固定
された中側シリコン基板８を位置させる。そして、ダイ
ヤフラムに囲まれたキャビティ１０、１１を形成して、
そのキャビティに測定媒体が入り込まないようにした。
さらに、キャビティに微少な大気開放穴１２を設け、大
気開放穴の開口を測定媒体が導かれる導圧部５、１７と
は空間的に隔離した。この構成により、キャビティ内は
測定媒体にさらされないので腐食・劣化の恐れがない。
また、キャビティ内の空気は大気開放穴から流入出する
ので外部温度の変化によって、キャビティ内の対向する
電極の距離の初期値が保たれる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、静電容量型セン
サに関し、１枚の固定層と、この固定層の両面にそれぞ
れ対向する２枚のダイヤフラムとの間のそれぞれの静電
容量の変化を検出する静電容量型センサに関する。ま
た、その静電容量型センサを使用したフルイディック式
流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の静電容量型センサとして、特開平
８−１８９８７０号のようなものがあった。これは、い
わゆる差動式静電容量型センサである。図１２で断面の
構成が示されているように、上下２つの導圧部５１、５
２に面している１枚のダイヤフラム５３があって、ダイ
ヤフラム５３ａに対して空間を隔てて上下に固定基板５
４、５５が設けられている。ダイヤフラム５３ａの上面
および下面には、上側可動電極および下側可動電極（図
示せず）がそれぞれ設けられている。そして、固定基板
５４のダイヤフラム５３ａとの対向位置には上側固定電
極５６が設けられ、固定基板５５のダイヤフラム５３ａ
との対向位置には下側固定電極５７が設けられている。
この静電容量型センサでは、上下２つの導圧部５１、５
２から測定媒体が入り込む。測定媒体は、流体であっ
て、例えば、空気や都市ガスや水蒸気などの気体、また
は水や油や薬品液などの液体である。

【０００３】このような測定媒体によって、ダイヤフラ
ム５３ａが押されることでダイヤフラム５３ａが上下に
たわむ。そしてダイヤフラム５３ａがたわむことで、上
下の固定基板５４、５５との距離が変化する。測定媒体
によりかかった圧力の検出は、この距離変位量から求め
られる。具体的には、ダイヤフラム５３ａの上側可動電
極と固定基板５４の上側固定電極５６とで構成されるコ
ンデンサの静電容量を検出することで、上側導圧部５１
からの測定媒体の圧力が検出できる。

【０００４】また、ダイヤフラム５３ａの下側可動電極
と固定基板５５の下側固定電極５７とで構成されるコン
デンサの静電容量を検出することで、下側導圧部５２か
らの測定媒体の圧力が検出できる。静電容量の検出は、
可動電極と固定電極とを発振回路に接続し、発振回路の
発振状態の変化に基づいて検出できるようにしている。
なお、上下の両圧力の差である「差圧」についてもダイ
ヤフラム５３ａのたわみから検出できる。

【０００５】このような従来の静電容量型センサは、測
定媒体を上下のキャビティ５８、５９内に導いていたの
で、ダイヤフラム５３ａの可動電極部分や上下の固定電
極５６、５７が測定媒体にさらされていた。測定媒体が
腐食性のガスや液体であるときには、上下のキャビティ
５８、５９の内壁や各電極が腐食・劣化してしまい、セ
ンサの検出精度が悪くなったり、寿命が短くなるという
問題点があった。また、測定媒体が腐食性のガスや液体
であるときに限らず、測定媒体中に含まれているゴミや
ほこりなどが、上下のキャビティ５８、５９内に残存す
ることがあり、そのゴミやほこりによってセンサの静電
容量に誤差が生じるといった問題点があった。

【０００６】そこで、本出願人は、上述の問題点に鑑み
て、図１３に示すような静電容量型センサをすでに出願
した（特願平９−３４４０３０号：以下、「先願発明」
という）。この先願発明の静電容量型センサは、図１３
（ａ）で断面の構成が示されているように、５層構造、
すなわち、上側シリコン基板６２、絶縁膜６４、中側シ
リコン基板（固定基板）６１、絶縁膜６５、下側シリコ
ン基板６３からなっている。そして、固定電極６１ａが
形成された固定基板６１の両側に、物理量を受けてたわ
むダイヤフラム６２ａ，６３ａを配置し、測定媒体の導
圧部６６とキャビティ６４ａ，６５ａとを空間的に隔離
した構成としている。

【０００７】なお、図１３（ｂ）は、下側導圧部から圧
力がかかっているときの、ダイヤフラム６２ａ，６３ａ
がたわんでいる状態を示すものである。このような構成
にすることで、測定媒体がキャビティ６４ａ，６５ａ内
に入り込まないようにでき、測定媒体が腐食性ガスであ
ってもセンサの各電極が腐食・劣化しないようにしてい
る。さらにキャビティ６４ａ，６５ａにゴミやほこりが
残存する恐れをなくしている。

【０００８】ところで、この先願発明のセンサにあって
は、キャビティ６４ａ，６５ａが密閉封止されているの
で、外部温度の変化に伴ってキャビティ６４ａ，６５ａ
内の空気が膨張・収縮する。すると、各電極間の距離の
初期値が変化してしまう。これは、外部温度の変化によ
ってセンサの検出精度が変動することを意味する。特
に、温度が激しく変化するような環境が悪い場所での使
用時には、検出精度の変動が無視できなくなる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、従来のセ
ンサおよび先願発明のセンサの問題点に着目してなされ
たものであり、その目的とするところは、測定媒体によ
るキャビティ内および電極の腐食や劣化を防ぎ、測定媒
体中のゴミなどがキャビティ内に入り込まないようにす
るとともに、温度変化に対しても検出精度が維持できる
静電容量型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】請求項１にかかる発明で
は、第１の導圧部（上側導圧部５）から圧力を受ける第
１のダイヤフラム（上側ダイヤフラム３）と、第２の導
圧部（下側導圧部１７）から圧力を受ける第２のダイヤ
フラム（下側ダイヤフラム１６）と、第１のダイヤフラ
ムと第２のダイヤフラムとの間に、両ダイヤフラムと空
間（キャビティ１０、１１）を隔てて配置される固定層
（中側シリコン基板８）と、を持ち、第１のダイヤフラ
ムと固定層との間の静電容量変化（上側のコンデンサと
しての静電容量変化）、および第２のダイヤフラムと固
定層との間の静電容量変化（下側のコンデンサとしての
静電容量変化）とを検出する静電容量型センサであっ
て、第１のダイヤフラムと固定層とで形成される第１の
キャビティ（上側キャビティ１０）と、第２のダイヤフ
ラムと固定層とで形成される第２のキャビティ（下側キ
ャビティ１１）とが、該センサ内で空間的につながって
いる（スルーホール９）とともに、そのつながったキャ
ビティが第１および第２の導圧部から隔離されて大気開
放（大気開放穴１２）をした構成としている。

【００１１】請求項１に記載の静電容量型センサでは、
キャビティが第１および第２の導圧部から空間的に隔離
されているので、測定媒体がキャビティ内に入り込むこ
とがない。よって、キャビティ内や、ダイヤフラム内面
の電極および固定層の電極が測定媒体により、腐食した
り劣化することがない。さらに、キャビティ内に測定媒
体中のゴミやほこりが入り込むことがない。さらにま
た、キャビティを大気開放しているので、センサの検出
精度は外部温度の変化に影響を受けずにすむ。

【００１２】請求項２にかかる発明では、請求項１でい
う静電容量型センサにおいて、第１のダイヤフラムと固
定層との間の静電容量の圧力に対する変化特性と、第２
のダイヤフラムと固定層との間の静電容量の圧力に対す
る変化特性とを同一にした構成としている。このように
することで、上下の測定媒体の圧力変化に対して、静電
容量型センサの上下の検出特性が等しくなる。また、上
下のダイヤフラムにかかるノイズ成分がキャンセルされ
る。これにより、例えば差圧を測定する場合、上下の検
出結果を補正せずにすむ。

【００１３】請求項３にかかる発明では、請求項１また
は２でいう静電容量型センサにおいて、第１のダイヤフ
ラムと第２のダイヤフラムとを連結（連結部１９）した
構成とした。こうすることで、上側ダイヤフラムの変位
と下側ダイヤフラムの変位とが連動する。よって、上側
可動電極と上側固定電極との距離が短くなると、下側可
動電極と下側固定電極との距離が長くなる。逆に、上側
可動電極と上側固定電極との距離が長くなると、下側可
動電極と下側固定電極との距離が短くなる。つまり、上
下どちらから圧力がかかったときでも、上下の可動電極
と固定電極間のコンデンサの両静電容量の差はいずれも
大きくなる方向に作用する。

【００１４】請求項４にかかる発明では、圧力室（圧力
室３０）の中を通る測定媒体の流量を測定するフルイデ
ィック式流量計であって、測定媒体が圧力室を通るとき
に振動流となる２つの帰還流路（３７ａ，３７ｂ）の圧
力を、請求項１から３のいずれかに記載の静電容量型セ
ンサの第１、第２のダイヤフラム（ダイヤフラム３、１
６）のそれぞれに導くようにし、さらに測定媒体を静電
容量型センサへ導く経路から隔離して大気開放をした構
成とした。

【００１５】請求項５に記載のフルイディック式流量計
では、上述の請求項１または請求項２の静電容量型セン
サを用いたので、測定媒体が腐食性であっても、静電容
量型センサ（圧力センサ）の耐久性がよい。また、外部
の温度変化に対してもセンサの検出精度の影響が生じな
いので、流量の計測が安定する。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施形態を具体
例に基づいて説明する。

【００１７】（第１の実施形態）第１の実施形態での静
電容量型センサチップ１の構造を、図１、図２を用いて
説明する。図１はこのセンサチップの断面図、図２はセ
ンサチップの上面図である。上側シリコン基板２は、単
結晶の半導体シリコン材料で形成されており導電性を持
っている。この上側シリコン基板２の一部には、上側ダ
イヤフラム３が形成されている。この上側ダイヤフラム
３は、上側導圧部５からの測定媒体の圧力を受けること
で、下方向にたわんで変位する。上側ダイヤフラム３の
下面には、上側可動電極３ａが形成されている。また、
上側シリコン基板２の上面には、上側可動電極３ａと電
気的に接続された上側ワイヤパッドが形成されていて、
信号を外部に取り出すことができる。（上側ワイヤパッ
ドは、図１に図示されていないが、後述の図２には符号
４で図示されている）。上側絶縁膜６は、上側シリコン
基板２と中側シリコン基板８とを電気的に絶縁するため
のものである。

【００１８】上側導圧部５からの測定媒体の圧力の検出
は、上側ダイヤフラム３のたわみ変位を、上側可動電極
１６ａと下側固定電極８ｂとの間の静電容量の変化とし
て検出することにより行う。そして、その静電容量の変
化に基づいて、下側導圧部１７からの圧力を検出するの
である。

【００１９】中側シリコン基板８は、固定層に相当し、
導圧部から測定媒体の圧力がかかったときも、上下のダ
イヤフラム３、１６が変位したときにも動かない。中側
シリコン基板８の素材は、上側シリコン基板２と同じ単
結晶の半導体シリコン材料が用いられていて、導電性を
持っている。そして、中側シリコン基板８の上面の、上
側可動電極３ａとギャップ（すなわち隙間）を隔てて対
向する一部の面に、上側固定電極８ａが形成されてい
る。同様に、中側シリコン基板８の下面の、下側可動電
極１６ａとギャップを隔てて対向する一部の面に、下側
固定電極８ｂが形成される。上側キャビティ１０は、上
側ダイヤフラム３と中側シリコン基板８とで囲まれた空
間部分をいう。また、下側キャビティ１１は、下側ダイ
ヤフラム１６と中側シリコン基板８とで囲まれた空間部
分をいう。この上下２つのキャビティ１０、１１は、中
側シリコン基板８を貫通するスルーホール９によって空
間的につながれている。中側ワイヤパッド７は、中側シ
リコン基板８の上側固定電極８ａおよび下側固定電極８
ｂと電気的に接続されていて、外部に信号を取り出すこ
とができる。

【００２０】１５は、先にも述べたとおり下側シリコン
基板であり、単結晶の半導体シリコン材料で形成されて
いて、導電性を持っている。中側シリコン基板８とは下
側絶縁膜１３によって電気的に絶縁されている。下側シ
リコン基板１５の一部が下側ダイヤフラム１６となり、
その上面には下側可動電極１６ａが形成されている。下
側可動電極１６ａの信号は、下側可動電極１６ａと電気
的に接続された下側ワイヤパッド１４によって引出され
る。下側シリコン基板１５には、下側導圧部１７が形成
されている。この下側導圧部１７からの測定媒体の圧力
によって下側ダイヤフラム１６が上側へたわんで変位す
る。圧力検出については、上側導圧部５からの圧力検出
と同様であり、下側可動電極１６ａと下側固定電極８ｂ
との間の静電容量の変化に基づいて、下側導圧部１７か
らの測定媒体の圧力を検出する。

【００２１】図２は、この第１の実施形態の静電容量型
センサの上面図である。図１と同一の構成には同一の符
号が付いている。この図２には、図１に図示されていな
かった上側シリコン基板２に形成された上側ワイヤパッ
ド４が図示されている。なお、図２中のＡ−Ａ断面が図
１の断面図である。

【００２２】図３は、この静電容量型センサの各層の上
面図を示したものである。上述した構成と同一の構成に
は、同一の符号が付いている。各層の説明をしてゆく
と、図３（ａ）が上側シリコン基板２の上面図、図３
（ｂ）が上側絶縁膜６の上面図である。上側絶縁膜６の
ほぼ中央には、四角形状の穴Ｈ１が設けられている。こ
の穴Ｈ１が、上側シリコン基板２と中側シリコン基板８
とに挟まれた時に、上側キャビティ１０となる。また、
穴Ｈ１から周縁に向かって細長く延びているスリットＳ
１が設けられている。このスリットＳ１が大気開放穴１
２となる。図３（ｃ）は、中側シリコン基板８の上面図
である。この中側シリコン基板８の中央付近に３つのス
ルーホール９が設けられている。このスルーホール９に
よって上下のキャビティが空間的につながれることにな
る。図３（ｄ）は、下側絶縁膜１３の上面図である。こ
の下側絶縁膜１３のほぼ中央には、上側絶縁膜６と同様
に四角形状の穴Ｈ２が設けられている。この穴Ｈ２が、
下側絶縁膜１３が中側シリコン基板８と下側シリコン基
板１５とに挟まれた時に、下側キャビティ１１となる。
図３（ｅ）は、下側シリコン基板１５の上面図である。
図３（ｆ）は上側絶縁膜６と中側シリコン基板８とを重
ねた時の上面図、図３（ｇ）は下側絶縁膜１３と下側シ
リコン基板１５とを重ねた時の上面図である。そして、
図３（ｈ）がすべての層を重ねた時の上面図である（図
２と同一の図である）。

【００２３】ここで、半導体静電容量型センサを構成し
たときの各部の大きさについて、その一例を述べてお
く。３枚のシリコン基板２、８、１５の大きさはそれぞ
れ約３ｍｍ角程度、上側および下側シリコン基板２、１
５の厚みは４００μｍ程度、上下のダイヤフラム３、１
６の大きさは５００μｍ角程度、ダイヤフラムの厚みは
５μｍ程度にする。中側シリコン基板８の厚みは３０〜
１００μｍ程度、スルーホール９の大きさはφ５０μｍ
程度にする。大気開放穴１２の幅（穴径）は１〜１０μ
ｍ程度とする。２枚の絶縁膜６、１３の厚みは１〜１０
μｍ程度とし、キャビティ１０、１１の厚みは絶縁膜
６、１３の厚みに等しくする。

【００２４】図４は、このセンサの製造プロセスを説明
する図（一部、上面図含む）である。図４（ａ）から
（ｊ）の順番が製造プロセスの順番になっている。ま
ず、下側シリコン基板１５に、ダイヤフラムのエッチン
グストップ層１５ａとしての不純物ドープ拡散を行なう
（図４（ａ））。次に、下側シリコン基板１５の不純物
ドープ拡散をした反対面に、キャビティとなる場所を残
して絶縁膜１３を形成する（図４（ｂ）、上面図含
む）。いっぽうで、中側シリコン基板８の両面から異方
性エッチングを施してスルーホール９を形成する（図４
（ｃ）、上面図含む）。次に、中側シリコン基板８の後
工程で削除される部分の基板下面にハーフダイス用の溝
８ｆを施す（図４（ｄ））。そして、図４（ｂ）の下側
シリコン基板１５および絶縁膜１３と、図４（ｄ）の中
側シリコン基板８とを接合する（図４（ｅ））。このあ
と、中側シリコン基板８上面のキャビティおよび大気開
放穴となる部分を残して絶縁膜６を形成する（図４
（ｆ）、上面図含む）。他方で、上側シリコン基板２に
おいて、ダイヤフラムのエッチングストップ層２ａとし
ての不純物ドープを施すとともに、ハーフダイス用の溝
２ｂを形成する（図４（ｇ））。

【００２５】ここで、図４（ｅ）のように接合した基板
の上に、上側シリコン基板２を接合する（図４
（ｈ））。このあと、各層をハーフダイスして図４
（ｉ）のようにする。最後に、ＥＣＥなどによって上側
シリコン基板２および下側シリコン基板１５をエッチン
グして、ダイヤフラム３、１６を形成するとともに、ワ
イヤパッド部７、１４を形成する。ワイヤパッド部の形
成にあたっては、絶縁膜６、１３をエッチングしてコン
タクトホールを形成し、そこにアルミ蒸着をして各シリ
コン基板と電気的導通したワイヤパッド７、１４を形成
する（図４（ｊ））。これで半導体静電容量型センサが
完成する（完成断面図は、図１のとおり）。

【００２６】なお、シリコン基板の接合工程を、酸素雰
囲気中で行なうことで、図５のようにキャビティ内面の
電極を酸化させて、電極の表面に微厚な酸化絶縁膜Ｚを
形成することができる（これは後述する第２、第３の実
施形態のセンサチップでも、同様のことが言える）。こ
うすると、対向する両電極が絶縁膜に覆われることにな
り、両電極が過大圧力で接触しても電気的に短絡するこ
とがなく、外付けの発振回路への悪影響を与えることが
ないし、センサチップの信頼性が向上する。次に、この
発明の静電容量型センサの動作原理について説明する。
静電容量型センサ１は、上述のとおり、上側ダイヤフラ
ム３と対向する上側固定電極８ａとの間でコンデンサが
形成されるとともに、下側ダイヤフラム１６と対向する
下側固定電極８ｂとの間でコンデンサが形成される。例
えば、下側導圧部１７からの測定媒体の圧力で押されて
下側ダイヤフラム１６が、前述の図１３（ｂ）と同様
に、上向きにたわんで、下側固定電極８ｂとの距離が短
くなり、コンデンサとしての静電容量が増加する。測定
媒体の圧力が大きいと、ダイヤフラム１６のたわみも大
きくなり、コンデンサの容量変化も大きくなる。その静
電容量の変化をワイヤパッド１４および７から取り出し
た信号によって検出する。ワイヤパッド１４および７に
は図示していない発振回路が接続されていて、両電極間
のコンデンサは発振回路の一部を構成する。そしてコン
デンサの容量の変化に伴って、発振回路の発振振幅か発
振周波数のいずれかが変化するようにしておくことで、
発振回路の発振状態の変化からコンデンサの静電容量の
変化を検出し、測定媒体の圧力を検出する。上側ダイヤ
フラム３と上側固定電極８ａとの間に形成されるコンデ
ンサでも、これと同一の原理で、上側導圧部５からの測
定媒体の圧力を検出する。さらに両方の導圧部５、１７
の測定媒体の圧力を計ることで、両圧力の差圧が検出で
きる。

【００２７】このとき、上下の圧力に対して静電容量の
変化の度合いを同一条件にするのが望ましい。ここで
は、そのために各部を上下対称形状にしている。具体的
には、上下のダイヤフラム３、１６の膜厚・形状・面積
・材質・硬さや、上下のキャビティ１０、１１の幅・形
状、上下の導圧部５、１７の形状、各電極３ａ，８ａ，
８ｂ，１６ａの面積などを、それぞれ同一としている。
なお、酸化による絶縁膜Ｚの形成時に絶縁膜Ｚの膜圧を
調整することで、上下のキャビティ１０、１１の幅を同
じにすることができる。また、ダイヤフラム３、１６の
厚みは、シリコン基板への不純物ドープ量および拡散を
調整することで、上下のシリコン基板２、１５のエッチ
ングを同じ深さまでするようにし、同一にしている。ダ
イヤフラムの形状は、上下のシリコン基板２、１５に同
様のＥＣＥ処理を施すことで、同一形状に加工できる。
このようにすることで、上下の測定媒体の圧力の変化特
性が、上下ダイヤフラム３、１６で等しくなり、後段の
処理回路での補正が不要となる。また、両ダイヤフラム
３、１６にかかるノイズ成分もキャンセルでき、検出精
度の信頼性も向上する。

【００２８】次に、大気開放穴１２について説明する。
上述のように、２つのキャビティ１０、１１は、中側シ
リコン基板８のスルーホール９によって空間的につなが
っている。そして、大気開放穴１２は、センサ１内のキ
ャビティ１０、１１とセンサ１の外部の大気空間とを空
間的につなぐものであり、その出口は導圧部５、１７と
は離れた場所に設けられている。すなわち、大気開放穴
１２の出口は、測定媒体が導かれる導圧部５、１７とは
空間的に隔離可能な場所に設けられていればよく、ダイ
ヤフラム３、１６の外側およびシリコン基板のエッチン
グ部から隔離された場所であればよい。ここでは図１に
示されているように、大気開放穴１２の出口はセンサチ
ップ１の側面方向に開口されている。大気開放穴１２の
大きさは、上述のように１〜１０μｍ角程度であり、絶
縁膜６の厚みに等しくなっている。望ましい大気開放穴
１２の大きさは、その穴の中を空気がかろうじて流通で
きる程度の微少な大きさである。

【００２９】ここで、センサ１の外部温度が変化したと
する。外部温度の変化に伴って、キャビティ１０、１１
内の空気が膨張収縮して体積が変化する。しかし、キャ
ビティ１０、１１内の空気の膨張分は大気開放穴１２を
通じてゆっくり流れ出てゆき、逆に収縮分は大気開放穴
１２を通じてゆっくりと入り込んで、常にキャビティ１
０、１１内の空気の体積は一定となる。よって、静電容
量を検出するための、両対向電極３ａと８ａ、８ｂと１
６ａ間の距離の初期値が常に一定に保たれる。

【００３０】なお、測定媒体の圧力によってダイヤフラ
ム３、１６が押されて、キャビティ１０、１１内の空気
が大気開放穴１２から外へ出ようとするが、大気開放穴
１２の穴径が微少なので、急な空気の出入りはほとんど
ない。つまり、瞬間的またはある程度長い時間枠でのダ
イヤフラム３、１６のたわみ変位で、大気開放穴１２か
らキャビティ１０、１１に空気が入出することはない。

【００３１】つまり、測定媒体の圧力によるダイヤフラ
ム３、１６のたわみに対しては、キャビティ１０、１１
は密閉されているとみなしてよい。特に、差圧式でのダ
イヤフラム３、１６の高周波で往復する変位に対して
は、キャビティ１０、１１は密閉しているとみなしてよ
い。しかし、センサ外部の温度変化によるキャビティ１
０、１１内の空気の体積の膨張収縮に対しては、大気開
放穴１２での空気流通によって対処できる。もちろん、
大気開放穴１２の大きさを大きくすることで、ダイヤフ
ラム３、１６の変化によるキャビティ１０、１１自体の
体積変化に伴って、キャビティ１０、１１内の空気が大
気開放穴１２から入出するようにしてもよい。

【００３２】以上説明した第１の実施形態は、次の効果
を持っている。すなわち、上下の両キャビティ１０、１
１が上下導圧部５、１７から空間的に隔離されているの
で、測定媒体がキャビティ１０、１１内に入り込むこと
がない。よって、キャビティ１０、１１内や両可動電極
３ａ，１６ａおよび両固定電極８ａ、８ｂが測定媒体に
よって腐食したり劣化することがないという効果があ
る。加えて、電極の腐食劣化がないので、センサの寿命
が向上できるという効果がある。また、キャビティ１
０、１１内に測定媒体中のゴミやほこりが入り込むこと
がないので、電極間の静電容量の誤差要因がないという
効果がある。

【００３３】また、キャビティ１０、１１を大気開放し
ているので、外部温度が変化してもキャビティ１０、１
１内の体積は一定に保たれ、対向する電極３ａと８ａ、
８ｂと１６ａの間の距離の初期値が変化することはな
い。よって、センサの検出精度が外部温度変化に影響を
受けることがなく、検出精度が維持できるという効果が
ある。

【００３４】さらに、上下のキャビティ１０、１１を空
間的につなげ、大気開放穴１２を微少な大きさとしたの
で、両キャビティ１０、１１は密閉とみなせ、上下のダ
イヤフラム３、１６のたわみが連動するようにでき、周
期的な差圧の変化を検出するときの精度が向上できると
いう効果がある。

【００３５】（第２の実施形態）図６および図７は、こ
の発明の第２の実施形態を示している。この第２の実施
形態は、上下のダイヤフラム３、１６を連結部１９で一
体につないでいる点で、第１の実施形態と異なってい
る。なお、第１の実施形態と同一の構成には同一の符号
を用いている。

【００３６】図６は、センサチップ１の一部を断面で示
した斜視図である。断面部分に示されているように、上
側ダイヤフラム３と下側ダイヤフラム１６とは、連結部
１９で一体的につながれている。そして、この連結部１
９によって上下ダイヤフラム３、１６の距離は常に一定
間隔となる。

【００３７】図７は、第２の実施形態のセンサチップ１
を各層毎に展開した展開斜視図である。図示されている
ように５層構造、つまり上側シリコン基板２、上側絶縁
膜６、中側シリコン基板８、下側絶縁膜１３、下側シリ
コン基板１５の５層からなっている。上側シリコン基板
２の下側には、上側可動電極３ａ（図示せず）が設けら
れている。下側シリコン基板１５の上面には上側可動電
極１６ａが設けられている。中側シリコン基板８の橋部
８ｃの上側が上側固定電極８ａとなり、下側が下側固定
電極８ｂとなる。また、上側絶縁膜６には開口部６ａが
あり、この開口部６ａが上側キャビティ１０を形成す
る。同様に、下側絶縁膜１３には開口部１３ａがあり、
この開口部１３ａが下側キャビティ１１を形成する。上
述の連結部１９は、上側絶縁膜６の橋部６ｂと、中側シ
リコン基板の連結部分８ｄと、下側絶縁膜１３の橋部１
３ｂとから形成される。中側シリコン基板に形成された
溝８ｅは、上側キャビティ１０と下側キャビティ１１と
を空間的につなぐ役目を果たすものである。

【００３８】次に、動作原理について説明する。いま、
上側導圧部５から測定媒体により圧力がかかったとす
る。この圧力により上側ダイヤフラム３は押されて、下
側にたわむ。すると、上側可動電極３ａと上側固定電極
８ａとの距離が短くなり、コンデンサとしての静電容量
が増加する。いっぽうで、上側ダイヤフラム３の下側へ
の変位が、連結部１９を通じて下側ダイヤフラム１６に
伝わるので、下側ダイヤフラム１６も下側へ押されてた
わむ。すると、下側可動電極１６ａと下側固定電極８ｂ
との距離が長くなり、コンデンサとしての静電容量が減
少する。つまり、上側導圧部５から圧力がかかると、上
側のコンデンサの静電容量は増加し、下側のコンデンサ
の静電容量は減少する。反対に、下側導圧部１７から圧
力がかかったときには、上側のコンデンサの静電容量は
減少し、下側のコンデンサの静電容量は増加する（この
時のダイヤフラムの変形は、図１３（ｂ）のようにな
る）。

【００３９】このように、連結部１９で上下のダイヤフ
ラム３、１６を一体連結しているので、上下どちらから
圧力がかかったときでも、上下のコンデンサの両静電容
量の差はいずれも大きくなる方向に作用する。これは、
差動式として利用したときに感度が良いという効果を持
つことを意味している。

【００４０】（第３の実施形態）次に、第３の実施形態
のセンサチップについて、図８と図９を用いて説明す
る。図８は、センサチップの断面図である。第１の実施
形態と共通しているところには同一符号を付けており、
その説明はここでは省略する。さて、第１の実施形態と
異なっている点は、主に２つある。第１に、中側シリコ
ン基板８にスルーホールがなく、上側キャビティ１０と
下側キャビティ１１とがセンサチップ１内で空間的につ
ながっていない点である。第２に、下側キャビティ１１
が、下側大気開放穴１８を通じて大気開放されている点
である。なお、各部の大きさは、第１の実施形態で述べ
た数値の例と同様にすればよい。

【００４１】図９は、各層の上面図である。第１の実施
形態の図３と共通している図９の（ａ）（ｂ）（ｅ）に
ついては、説明を省略する。ここでは、図３と違ってい
るものについて説明する。図９（ｃ）に示されているよ
うに、中側シリコン基板８にはスルーホールはない。そ
して、図９（ｄ）の下側絶縁膜１３のほぼ中央部の穴か
ら周縁にスリットＳ２が設けられている。このスリット
Ｓ２は、中側シリコン基板８と下側シリコン基板１５と
が重なったときに、下側大気開放穴１８となる。図９
（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）については、それぞれの層を重
ねたときのものである。

【００４２】この第３の実施形態のセンサチップは、第
１の実施形態と同様に、上側導圧部５からの測定媒体の
圧力を、上側ダイヤフラム３が受けて、上側可動電極３
ａと上側固定電極８ａとの間のコンデンサ容量の変化の
検出に基づいて上側の圧力を検出する。また、下側導圧
部１７からの測定媒体の圧力を、下側ダイヤフラム１６
が受けて、下側可動電極１６ａと下側固定電極８ｂとの
間のコンデンサ容量の変化の検出に基づいて下側の圧力
を検出する。もちろん、両圧力の差動についても検出で
きる。このとき、第１の実施形態と同様に、上下の圧力
に対する静電容量の変位の度合いを同一条件にするのが
望ましい。つまり、第１の実施形態で述べた条件のほか
に、上下の大気開放穴１２、１８の大きさ、配置、形状
などを同一とするのが望ましい。このようにすること
で、上下それぞれで対向する両電極３ａと８ａ、８ｂと
１６ａの間のコンデンサの容量と上下それぞれの圧力と
の変化特性が、上下のダイヤフラム３、１６で等しくな
る。よって、第１の実施形態と同様に後段の処理回路で
の補正が不要となり、両ダイヤフラム３、１６にかかる
ノイズ成分もキャンセルでき、センサの検出精度の信頼
性も向上する。

【００４３】以上説明した第３の実施形態の効果とし
て、第１の実施形態と同様に、上下のキャビティ１０、
１１が上下の導圧部５、１７から空間的に隔離されてい
て、キャビティ１０、１１内や両可動電極３ａ，１６ａ
および両固定電極８ａ、８ｂが測定媒体によって腐食し
たり劣化することがないという効果があり、電極の腐食
劣化がないので、センサの寿命が向上できるという効果
もある。そして、キャビティ１０、１１内に測定媒体中
のゴミやほこりが入り込むことがないので、電極間の静
電容量の誤差要因がないという効果がある。そしてま
た、キャビティ１０、１１の両方を大気開放穴１２、１
８で大気開放しているので、外部温度が変化してもキャ
ビティ１０、１１それぞれの体積は一定に保たれ、対向
する電極３ａと８ａ、８ｂと１６ａの間の距離の初期値
が変化することはない。よって、センサの検出精度が外
部温度変化に影響を受けることがなく、検出精度が維持
できるという効果がある。また、第１の実施形態と比べ
て、上下のキャビティ１０、１１を空間的につながなく
ても、上記のように第１の実施形態と同様の効果が得ら
れる。

【００４４】なお、上述の３つの各実施形態で、中側の
固定基板をシリコン基板としたが、ガラス基板としても
よい。その時には、固定電極をガラス基板の表裏両面に
形成するとともに、電極パターンをワイヤパッドまで延
ばせばよい。また、必要に応じてスルーホールで両面の
パターンを導通させればよい。

【００４５】（第４の実施形態）第４の実施形態は、図
１０に示すように、センサチップ１をセンサステム２０
に一体型に設けた例である。センサチップ１は、第１〜
第３の実施形態のいずれでもよい。以下の説明では、第
１の実施形態のセンサチップ１を利用した例で説明す
る。

【００４６】図１０に示されているように、センサステ
ム２０は、センサチップ１の上下の導圧部５、１７を残
してセンサチップ全体を覆い、センサチップ１に接する
部分は接着されている。上側導圧ポート２２は、センサ
チップ１の上側導圧部５に連なって設けられていて、測
定媒体を上側ダイヤフラム３に導いている。下側導圧ポ
ート２３は、上側導圧ポート２２と同様に、センサチッ
プ１の下側導圧部１７に連なって設けられていて、測定
媒体を下側ダイヤフラム１６に導いている。大気開放部
２１ａ，２１ｂは、センサステム２０の外部空間（大気
空間）とセンサステム２０内部とをつなぐものである。
この大気開放部２１ａ，２１ｂは、さらにセンサステム
２０内に測定媒体が進入しないように、上下の両導圧ポ
ート２２、２３から空間的に隔離するように設けられて
いる。つまり、センサチップ１内のキャビティ１０、１
１は、大気開放穴１２と大気開放部２１ａ，２１ｂを介
してセンサステム２０の外部空間とつながれている。こ
うすることで、センサステム２０外部の温度変化が変化
しても、センサチップ１の対向する両電極３ａと８ａ、
８ｂと１６ａそれぞれの距離の初期値が変化することが
ない。よって、外部温度変化によるセンサの検出精度の
変動がなく、信頼性が保たれるという効果が得られる。

【００４７】この第４の実施形態での「大気開放」の大
気とは、いわゆる大気圧空間と隔離された別の空間であ
ってもよい。そのときにはその別の空間があまり温度変
化を受けないことが望ましい（これは前述または後述の
各実施形態について共通する）。なお、大気開放部２１
ａ、２１ｂはいずれかひとつでもよい。

【００４８】（第５の実施形態）次に、第１〜第４の実
施形態のセンサチップまたはセンサステム２０の適用例
を説明する。ここでは、流体の流量を測定する流量計の
ひとつである、フルイディック流量計への適用例を取り
あげる。図１１は、そのフルイディック流量計に本発明
の静電容量型センサを組み込んだときの図である。図示
しているのは、第１の実施形態のセンサチップ１および
第４の実施形態のセンサステム２０を使用したときのも
のである。ただし、センサステム２０の大気開放穴は一
つしか設けられていない。なお、流体は都市ガスとす
る。

【００４９】圧力室３０は、ガスメータの中に設けられ
ている。ガスは、圧力室３０の中を通ってゆく。つま
り、ガス管（図示せず）側から入口３１ａに入って、出
口３１ｂから家庭ガス管（図示せず）側へ進んでゆく。
ガスが圧力室３０のなかを通ってゆくときに、管路収縮
部３２で高流速となって噴出ノズル３３から管路拡大部
３４に噴出される。噴出したガスは、隔壁３５ａ、３５
ｂ、３５ｃ、と誘振子３６の作用により、帰還流路３７
ａと３７ｂとを交互に流れる振動流となる。帰還流路３
７ａ、３７ｂからはずれたガスは、下流側の出口３１ｂ
へ流れていく。

【００５０】ところで、流体の流量は、流速と比例関係
となるので、流速が検出できれば流量が測定できる。流
速は、上述の振動流の振動周波数と比例関係にあって、
流速が速くなると振動周波数は高くなり、流速が遅くな
ると振動周波数は低くなる。この振動流の振動周波数を
検出することで、流体の流量が測定できるというわけで
ある。

【００５１】次に、上述のガスの振動流の周波数を検出
する原理を説明する。ガスの振動流の周波数は、帰還流
路３７ａ，３７ｂの両圧力変化、つまり振動流の流動方
向変化に基づいて検出している。具体的には、隔壁３５
ｃの２箇所に導圧路３８ａ，３８ｂの開口を配置してい
る。導圧路３８ａ，３８ｂで取り出された帰還流路３７
ａ，３７ｂの両圧力は、センサステム２０の上下の２つ
の導圧ポート２２、２３にそれぞれ導かれ、センサチッ
プ１の上下ダイヤフラム３、１６に伝わる。そして、ダ
イヤフラム３、１６は上下にたわんで、センサの静電容
量が変化する。この静電容量の変化は、各ワイヤパッド
から信号として取り出せる。その信号をセンサ出力信号
処理部４０にて圧力検出信号に変換し、流量演算処理部
４１に与える。このときセンサチップ１から出力される
２つの信号は、流動方向変化に起因する圧力変化に伴う
差圧信号に他ならない。

【００５２】流量演算処理部４１は、比較回路４２と波
形整形回路４３と演算回路４４と出力回路４５とからな
る。センサ出力信号処理部４０からの２つの信号は、比
較回路４２で大小比較される。この大小比較結果を波形
整形回路４３にて波形整形する。波形整形されたのちの
信号をカウントすることで、流動方向変化に起因する振
動流の振動数がわかる。その振動数の成分をもつ信号に
基づいて、演算回路４４にて流量が算出される。算出さ
れた流量は、出力回路４５から端子４６を介して出力さ
れ、流量値の表示や流量制御に利用される。

【００５３】さて、センサチップ１およびセンサステム
２０は、上述したように、第１、第３の実施形態と同様
の構成をしている。図示されているように、大気開放穴
１２および大気開放部２１ａは、都市ガスが進入する部
分と隔離されている。よって、キャビティ内や各可動電
極および各固定電極はガスにさらされることはない。つ
まり、センサの静電容量を検出する部分は都市ガスによ
る腐食の恐れがなくなり、センサの検出精度の信頼性が
高まり、長寿命となるという効果が得られる。そして、
大気開放穴１２および大気開放部２１ａがあるので、温
度変化に伴ってキャビティの空気が適宜出入りする。よ
って、センサチップ１やセンサステム２０に温度の変化
があっても、センサ感度に影響はなく、検出精度が維持
できるという効果がある。そして、流量計としての測定
精度が維持でき信頼性が高くなるという効果がある。

【００５４】なお、この第５の実施形態における静電容
量型センサの基板の材料は、都市ガスに対して耐腐食性
が大きいシリコンで作るのが望ましい。また、センサス
テム２０も都市ガスに対して耐腐食性の材料を用いるか
耐腐食加工を施すのが望ましい。これは、センサチップ
１において都市ガスに触れる部分、つまり、上下の両ダ
イヤフラム３、１６と導圧部２２、２３を予め腐食しな
いようにするためで、センサの寿命を伸ばす効果が期待
できる。

【００５５】ところで、第１の実施形態のセンサチップ
１は、上下のキャビティ１０、１１が空間的につながっ
ている構成なので、上下のダイヤフラム３、１６のたわ
みが連動する。よって周期的な差圧の変化を検出すると
きの精度が高いということは、第１の実施形態で述べた
とおりである。フルイディック型流量センサでは振動流
によりダイヤフラム３、１６は高周波で往復運動するの
で、第１の実施形態のセンサチップ１の効果を発揮する
ことができ、適用例として優れている。

【００５６】また、第２の実施形態のセンサチップ１
も、適用例として優れている。それは、上下のダイヤフ
ラム３、１６が連結部１９で一体につながっている構成
なので、第１の実施形態と同様に、上下のダイヤフラム
３、１６のたわみが連動し、周期的な差圧の変化を検出
するときの精度が高いからである。フルイディック型流
量センサでは振動流によりダイヤフラム３、１６は高周
波で往復運動するので、第２の実施形態のセンサチップ
１の効果を発揮することができ、適用例として優れてい
る。

【００５７】

【発明の効果】請求項１に記載の静電容量型センサで
は、キャビティが第１および第２の導圧部から空間的に
隔離されているので、測定媒体がキャビティ内に入り込
むことがない。よって、キャビティ内やダイヤフラム内
面の電極および固定層の電極が、測定媒体により腐食し
たり劣化することがなく、センサの寿命が長くなり、ま
た、センサの検出精度を維持できるという効果がある。
さらに、キャビティ内に測定媒体中のゴミやほこりが入
り込むことがないので、電極間の静電容量の誤差要因が
ないという効果がある。さらにまた、キャビティを大気
開放しているので、センサの検出精度は外部温度の変化
に影響を受けずにすむという効果がある。

【００５８】請求項２に記載の静電容量型センサでは、
第１のダイヤフラムと固定層との間の静電容量の圧力に
対する変化特性と、第２のダイヤフラムと固定層との間
の静電容量の圧力に対する変化特性とを同一にしている
ので、上下の測定媒体の圧力変化に対して上下の検出特
性が等しくなることや、上下のダイヤフラムにかかるノ
イズ成分がキャンセルされるという効果がある。これに
より、例えば差圧を測定する場合に上下の検出結果を補
正せずにすむ、という付随する効果がある。

【００５９】請求項３に記載の静電容量型センサでは、
第１のダイヤフラムと第２のダイヤフラムとを連結した
構成としているので、上側ダイヤフラムの変位と下側ダ
イヤフラムの変位とが連動する。よって、上下どちらか
ら圧力がかかったときでも、上下の可動電極と固定電極
間のコンデンサの両静電容量の差はいずれも大きくな
り、検出レンジが大きくできるという効果がある。

【００６０】請求項４に記載のフルイディック式流量計
では、上述の請求項１から３のいずれかに記載の静電容
量型センサを用いたので、測定媒体が腐食性であって
も、静電容量型センサ（圧力センサ）の耐久性がよいと
いう効果がある。また、外部の温度変化に対してもセン
サの検出精度の影響が生じないので、流量の計測が安定
できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態にかかるセンサチップ断面図で
ある。

【図２】同センサチップ上面図である。

【図３】同センサチップの各部分の上面図である。

【図４】同センサの製造プロセスを説明する図である。

【図５】キャビティ内面の酸化絶縁膜を示す図である。

【図６】第２の実施形態にかかるセンサチップの斜視図
である。

【図７】同センサチップの展開斜視図である。

【図８】第３の実施形態にかかるセンサチップの断面図
である。

【図９】同センサチップの各部分の上面図である。

【図１０】第４の実施形態にかかるセンサステムの全体
図である。

【図１１】第５の実施形態のフルイディック流量計に用
いたときの全体図である。

【図１２】従来のセンサの断面図である。

【図１３】先願発明のセンサの断面図である。

【符号の説明】

１ センサチップ ２ 上側シリコン基板 ３ 上側ダイヤフラム ３ａ 上側可動電極 ４ 上側ワイヤパッド ５ 上側導圧部 ６ 上側絶縁膜 ７ 中側ワイヤパッド ８ 中側シリコン基板 ８ａ 上側固定電極 ８ｂ 下側固定電極 ９ スルーホール １０ 上側キャビティ １１ 下側キャビティ １２ 大気開放穴 １３ 下側絶縁膜 １４ 下側ワイヤパッド １５ 下側シリコン基板 １６ 下側ダイヤフラム １６ａ 下側可動電極 １７ 下側導圧部 １８ 下側大気開放穴 １９ 連結部 ２０ センサステム ２１ａ、２１ｂ 大気開放部 ２２ 上側導圧ポート ２３ 下側導圧ポート ３０ 圧力室 ３１ 入口 ３２ 出口 ３３ 噴出ノズル ３４ 管路拡大部 ３５ａ，３５ｂ、３５ｃ 隔壁 ３６ 誘振子 ３７ａ，３７ｂ 帰還流路 ３８ａ，３８ｂ 導圧路 ４０ センサ出力信号処理部 ４１ 流量演算処理部 ４２ 比較回路 ４３ 波形整形回路 ４４ 演算回路 ４５ 出力回路 ４６ 端子 ５１ 上側導圧部 ５２ 下側導圧部 ５３ ダイヤフラム ５４ 上側固定基板 ５５ 下側固定基板 ５６ 上側固定電極 ５７ 下側固定電極 ５８ 上側キャビティ ５９ 下側キャビティ ６１ 中側固定基板 ６１ａ 固定電極 ６２ 上側シリコン基板 ６２ａ ダイヤフラム ６３ 下側シリコン基板 ６３ａ ダイヤフラム ６４、６５ 絶縁膜 ６４ａ，６５ａ キャビティ ６６ 導圧部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01F 1/20 G01L 9/12 G01L 19/04 G01L 19/06

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の導圧部から圧力を受ける第１のダ
   イヤフラムと、第２の導圧部から圧力を受ける第２のダ
   イヤフラムと、第１のダイヤフラムと第２のダイヤフラ
   ムとの間に、両ダイヤフラムと空間を隔てて配置される
   固定層と、を持ち、第１のダイヤフラムと固定層との間
   の静電容量変化、および第２のダイヤフラムと固定層と
   の間の静電容量変化とを検出する静電容量型センサであ
   って、第１のダイヤフラムと固定層とで形成される第１
   のキャビティと、第２のダイヤフラムと固定層とで形成
   される第２のキャビティとが、第１および第２の導圧部
   から隔離されて大気開放されていることを特徴とする静
   電容量型センサ。
2. 【請求項２】 上記第１のダイヤフラムと上記固定層と
   の間の静電容量の圧力に対する変化特性と、上記第２の
   ダイヤフラムと上記固定層との間の静電容量の圧力に対
   する変化特性とを同一にした請求項１に記載の静電容量
   型センサ。
3. 【請求項３】 上記第１のダイヤフラムと第２のダイヤ
   フラムとを連結した請求項１または２に記載の静電容量
   型センサ。
4. 【請求項４】 圧力室の中を通る測定媒体の流量を測定
   するフルイディック式流量計であって、測定媒体が圧力
   室を通るときに振動流となる２つの帰還流路の圧力を、
   請求項１から３のいずれかに記載の静電容量型センサの
   前記第１、第２のダイヤフラムのそれぞれに導くように
   し、さらに測定媒体を静電容量型センサへ導く経路から
   隔離して前記大気開放をしたことを特徴とする、フルイ
   ディック式流量計。