JP3756769B2 - 静電容量式圧力センサ、センサ素子およびセンサ素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定圧力の変化を静電容量の変化として検出するダイアフラム構造の静電容量式圧力センサに関し、特に真空室を備えた絶対圧測定用の静電容量式圧力センサ、センサ素子およびセンサ素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【０００３】
従来から、圧力計等に用いられる静電容量式圧力センサとしては種々のものが知られている。その一つに絶対圧測定用の静電容量式圧力センサ（以下、このようなセンサを絶対圧センサという）がある。この絶対圧センサは、被測定圧力の変化により容量値が変化するコンデンサ電極間のギャップを大気から隔絶するとともに、内部を真空にしたもので、通常図３３に示すように構成されている。これを概略説明すると、絶対圧センサ１は、陽極接合されたシリコン基板２とガラス基板３とを備え、これら両基板間に真空室４を形成している。シリコン基板２は、被測定圧力Ｐ1 を受けると弾性変形する薄肉の起歪部２Ａが形成されており、この起歪部２Ａの表面側に可動電極５が設けられている。可動電極５は、ガラス基板３の表面に設けた容量検出用ＩＣチップ７にリード線８を介して電気的に接続されている。一方、ガラス基板３の前記起歪部２Ａと対向する面には、固定電極６が設けられている。
【０００４】
このような構造からなる従来の絶対圧センサ１において、起歪部２Ａの裏面側に被測定圧力Ｐ1 を印加すると、起歪部２Ａがその圧力に応じて弾性変形し、可動電極５と固定電極６との間の微少間隙Ｇが変化する。このため、可動電極５と固定電極６とで構成されるコンデンサの静電容量が変化し、これを電気信号として取り出して信号処理することにより、被測定圧力Ｐ1 を検出することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の絶対圧センサ１において、製造後や出荷時には起歪部２Ａの測定圧側である受圧面が大気圧となる。その場合、微圧レンジ用の素子においては、電極間距離がきわめて狭いため、起歪部２Ａが大気圧によって真空室４側に弾性変形して可動電極５が固定電極６に密着してしまう。このため、計器等に装着しても起歪部２Ａが最大変形前の状態に復帰せず、使用不能になるという問題があった。
また、従来の圧力センサは、非測定時において可動電極５と固定電極６を最大に離間させておき、被測定圧力Ｐ1 によって起歪部２Ａをガラス板３側に弾性変形させて電極間距離を狭めるようにしているので、起歪部２Ａの変形量が非測定時の電極間距離によって決まる。言い換えれば、圧力レンジが非測定時の電極間距離によって決まり、広い圧力レンジがとれないという問題があった。さらに、可動電極５が起歪部２Ａに設けられているため、相対的な問題ではあるが電極の厚みと、この電極が形成されている部分の基板の厚みとが問題になる。つまり、温度変化により起歪部２Ａが膨張収縮すると電極間距離が変化し、測定誤差になる。
【０００６】
本発明は上記した従来の問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、大気圧によりダイアフラムの起歪部が弾性変形しても電極どうしが互いに密着することがなく、製造、出荷時の取り扱いが容易で、圧力レンジを広くとることができ、また温度変化による影響が少なく、温度特性を改善した静電容量式圧力センサを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために第１の発明は、真空室の一部を構成するダイアフラムを備え、このダイアフラムの起歪部の弾性変形を静電容量変化として検出する静電容量式圧力センサのセンサ素子において、中央部が起歪部を構成し、この起歪部より外側部分が固定部を構成するダイアフラムと、圧力導入孔を有し、前記ダイアフラムの固定部が接合されることにより前記ダイアフラムとともに圧力導入室を形成するカバープレートと、電極形成部とこの電極形成部の電極形成面の中央に一体に突設した接続部を有する可動プレートとからなり、前記ダイアフラムの起歪部中央で前記カバープレート側とは反対側の面に前記可動プレートの接続部を接合し、前記ダイアフラムの固定部と前記可動プレートの電極形成部に固定電極と可動電極を互いに対向させて形成したものである。
【０００８】
この発明においては、ダイアフラムの起歪部が弾性変形すると、可動プレートも起歪部と一体に変位し、電極間距離を変化させる。
【０００９】
第２の発明は、上記第１の発明において、ダイアフラム、カバープレートおよび可動プレートを同一材料によってそれぞれ形成し、これらを直接接合によって一体的に接合したものである。
【００１０】
この発明においては、ダイアフラムと可動プレートが直接接合されているので、所望の電極間距離をもったセンサ素子を得ることができる。すなわち、接合材を用いて接合する方法は、接合後における接合材自体の厚みのばらつきによって電極間距離にばらつきが生じる。一方、直接接合は、接合部材の接合面を鏡面仕上げして互いに密着させるだけで接合する方法であるため、接合材を用いる必要がなく、そのため接合材の厚みのばらつきによる電極間距離のばらつきが生じず、高精度な電極間距離を得ることができる。
直接接合に際しては、大きな加圧力を必要とせず、基本的には互いに積層するだけでよいが、より確実な接合を得るためには適宜な温度（２００〜１３００°Ｃ程度）で加熱することが好ましい。
また、同一材料で形成されているので、熱膨張係数の相違による応力の発生が生じない。
【００１１】
第３の発明は、真空室の一部を構成するダイアフラムを備え、このダイアフラムの起歪部の弾性変形を静電容量変化として検出する静電容量式圧力センサにおいて、圧力導入孔を有し、前記ダイアフラムの受圧面を覆うことにより前記ダイアフラムとともに圧力導入室を形成するカバープレートと、前記カバープレートとともに前記ダイアフラムの外周縁部を挟持する枠状の保持部を有し、前記ダイアフラムとともに前記真空室を形成する基板と、電極形成部とこの電極形成部の電極形成面の中央に一体に突設した接続部を有し、この接続部が前記ダイアフラムの真空室側の面で起歪部の中央に接合された可動プレートとを具備し、前記ダイアフラム、前記カバープレートおよび前記可動プレートによってセンサ素子を構成し、前記ダイアフラムの外周縁部と前記可動プレートの前記電極形成面に固定電極と可動電極を互いに対向するように設けたものである。
【００１２】
この発明においては、圧力導入室に被測定圧力を導入すると、ダイアフラムの起歪部が弾性変形し、これと一体に可動プレートも変位し、電極間距離を変化させる。起歪部の変形方向は、カバープレートから離間する方向、言い換えれば電極間距離が拡大する方向であるため、固定電極と可動電極が密着することがなく、また、圧力レンジを大きくとることができる。さらに、固定電極はダイアフラムの固定部に設けられているので、温度変化による起歪部の膨張収縮による影響を受けない。
【００１３】
第４の発明は、上記第３の発明において、可動プレートの電極形成部に重量軽減用の孔を設けたものである。
【００１４】
この発明においては、可動プレートの重量が軽減されるので、重力や加速度の影響を受けることが少ない。すなわち、可動プレートはダイアフラムの起歪部に吊り下げられているので、自身の質量により重力や加速度の影響を受け易いが、重量軽減用の孔によって質量を軽減することにより、重力や加速度による影響が少なく、振動特性やセンサの姿勢の制限が解消される。重量軽減用の孔としては、不貫通孔または貫通孔が考えられる。
【００１５】
第５の発明は、上記第３または第４の発明において、可動プレートの変位を規制する過負荷防止部を基板に設けたものである。
【００１６】
この発明においては、過負荷防止部が可動プレートの変位を制限するので、過負荷が加わったときにダイアフラムの起歪部が所定量以上に変形して破損することがない。過負荷防止部としては、突起、段差面等が考えられる。
【００１７】
第６の発明は、上記第３、第４または第５の発明において、カバープレートが圧力導入室用の凹陥部を有し、ダイアフラムが、厚みが一定の薄板状に形成されたものであって、カバープレートに接合されることにより外周縁部が固定部を形成し、この固定部より内側部分が起歪部を形成し、前記固定部の真空室側の面に固定電極が形成されているものである。
【００１８】
この発明においては、ダイアフラム素材を研磨によって形成することができるので、ダイアフラムの形成が容易である。ダイアフラムをカバープレートに接合すると、凹陥部に対応する部分が起歪部となり、これより外側部分が固定部となる。
【００１９】
第７の発明は、上記第３，第４、第５または第６の発明において、ダイアフラム、カバープレートおよび可動プレートを同一材料によってそれぞれ形成し、これらを直接接合によって一体的に接合することによりセンサ素子を構成したものである。
【００２０】
この発明においては、電極間距離を設計値どおり正確に決めることができる。すなわち、接合材を用いて接合すると、接合後における接合材自体の厚みのばらつきによって電極間距離にばらつきが生じるため、高精度な電極間距離を得ることが難しい。一方、直接接合の場合は接合部材の接合面を鏡面仕上げして互いに密着させるだけで接合するため、接合材を用いる必要が全くなく、したがって接合材の厚さによるばらつきが生じず、高精度な電極間距離を得ることができる。
【００２１】
第８の発明は、上記７の発明において、ダイアフラム、カバープレートおよび可動プレートをサファイアまたは石英によって形成したものである。
【００２２】
この発明においては、ダイアフラムが耐食性に優れており、被測定流体に直接接触させることができる。
【００２３】
第９の発明は、真空室の一部を構成するダイアフラムを備え、このダイアフラムの起歪部の弾性変形を静電容量変化として検出する静電容量式圧力センサにおけるセンサ素子の製造方法において、ダイアフラム素材によってダイアフラムを形成する工程と、プレート素材によって圧力導入孔を有するカバープレートを形成する工程と、前記工程によって形成されたカバープレートと前記ダイアフラムの外周縁部を一体的に接合して前記ダイアフラムの外周縁部を固定部とし、この固定部より内側部分を起歪部とする工程と、前記ダイアフラムの固定部で前記カバープレート側とは反対側の面の外周縁部に固定電極を形成する工程と、可動プレート素材の一方の面で中央部以外の部分をエッチングによって除去することにより電極形成部を形成するとともに、未エッチング部分によりダイアフラムに接合される接続部を形成する工程と、前記可動プレート素材の前記電極形成部の電極形成面に可動電極を形成し可動プレートを形成する工程と、前記可動プレートの前記接続部を前記ダイアフラムの起歪部中央に接合する工程とを備えたものである。
【００２４】
この発明においては、ダイアフラムの起歪部の弾性変形によって可動プレートが一体的に変位し、電極間距離が変化するセンサ素子が形成される。
【００２５】
第１０の発明は、真空室の一部を構成するダイアフラムを備え、このダイアフラムの起歪部の弾性変形を静電容量変化として検出する静電容量式圧力センサにおけるセンサ素子の製造方法において、ダイアフラム素材によって厚みが一定のダイアフラムを形成する工程と、プレート素材によって圧力導入孔と、圧力導入室用の凹陥部を有するカバープレートを形成する工程と、前記工程によって形成されたカバープレートと前記ダイアフラムの外周縁部を一体的に接合して前記ダイアフラムの外周縁部を固定部とし、この固定部より内側部分を起歪部とする工程と、前記ダイアフラムの固定部で前記カバープレート側とは反対側の面の外周縁部に固定電極を形成する工程と、可動プレート素材の一方の面にダイアフラムの起歪部より大きい環状の分離用溝と、この分離用溝より外側に位置するピン用挿通孔を形成する工程と、前記可動プレート素材の前記一方の面で前記分離用溝より内側部分をドライエッチングによって環状に除去して電極形成部を形成し、未エッチング部分によりダイアフラムに接合される接続部を形成する工程と、前記可動プレート素材の前記電極形成部の電極形成面に可動電極を形成する工程と、前記可動プレート素材の前記接続部と前記分離用溝より外側部分を前記ダイアフラムの起歪部と固定部に接合する工程と、前記可動プレート素材の前記ダイアフラム側とは反対側の面をドライエッチングによって所定深さ除去して前記分離用溝の閉塞端を開放させることにより、可動プレート素材を前記分離用溝より外側と内側の部分とに分離して基板の保持部と可動プレートを形成する工程とを備えたものである。
【００２６】
この発明においては、ダイアフラムとカバープレートとを接合することにより、ダイアフラムの固定部と起歪部が形成される。また、１つの可動プレート素材によって可動プレートと基板の保持部が同時に形成される。
【００２７】
第１１の発明は、上記第１０の発明において、可動プレート素材が、接合面に環状の第１分離用溝が形成された第１のプレート素材と、この第１のプレート素材と同一材料からなり、第１のプレート素材との接合面に環状の第２分離用溝が形成され、第１のプレート素材に対して直接接合される第２のプレート素材とからなり、前記第１または第２のプレート素材の接合面に前記第１分離用溝と第２分離用溝を互いに接続する連通溝が形成されているものである。
【００２８】
この発明においては、第１、第２分離用溝が同一直線上に位置していないので、可動プレート素材をドライエッチングしたとき、ダイアフラムに形成されている固定電極をエッチングすることがない。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係る静電容量式圧力センサの一実施の形態を示す外観斜視図、図２は図１のII−II線断面図、図３は図１のIII −III 線断面図、図４は固定電極の平面図、図５は可動電極の平面図である。これらの図において、符号２１で示すものは基板、２２は枠状の保持部材（保持部）、２３はダイアフラム、２４はカバープレート、２５は可動プレート、２６は固定電極、２７は可動電極、２８は電極取出用ピンで、これらによって絶対圧測定用の静電容量式圧力センサ（以下、絶対圧センサという）２０を構成している。
【００３０】
前記基板２１、保持部材２２、ダイアフラム２３およびカバープレート２４は中心を一致させて順次積層され、一体的に接合されている。可動プレート２５はダイアフラム２３の裏面中央に一体的に接合されている。前記固定電極２６が設けられたダイアフラム２３、前記カバープレート２４および前記可動電極２７が設けられた可動プレート２５は、同一材料によって形成され、センサ素子Ｓを構成している。前記基板２１と保持部材２２は、センサ素子Ｓのハウジングを形成している。
【００３１】
前記基板２１は、サファイア、石英またはアルミナセラミックス等によって形成されて上面中央に正方形の凹陥部３０を有し、この凹陥部３０と前記保持部材２２の内面および前記ダイアフラム２３の裏面とで囲まれた密閉空間３１に前記可動プレート２５が収容されている。また、この密閉空間３１は、真空排気されることにより所定の真空度の真空室を形成している。このため、基板２１には内外を連通させる真空排気用パイプ３２が貫通して設けられており、この真空排気用パイプ３２は、密閉空間３１を真空排気して真空室とした後、押し潰して閉塞する。
【００３２】
また、前記基板２１は、前記真空室３１の両側に位置し表裏面に貫通する２つのピン挿通孔３３を有し、これらのピン挿通孔３３には前記電極取出用ピン２８が貫通して設けられている。
【００３３】
前記保持部材２２は、正方形の枠状に形成され、上端部内側面に矩形の凹部３４を全周にわたって形成することにより、上端部が薄肉部２２Ａ、下端部が厚肉部２２Ｂとされ、前記基板２１の上面にロー付け等によって接合されている。また、厚肉部２２Ｂには、複数の電極用孔３５が貫通して形成されており、これらの電極用孔３５に前記電極取出用ピン２８が貫通して設けられている。電極取出用ピン２８の内端は、前記固定電極２６に半田等によって接続される。この半田付けは、溶融半田をピン挿通孔３３および電極用孔３５に流し込んで固化させることにより行われる。さらに、厚肉部２２Ｂの上面、すなわち前記凹部３４の底面には、リファレンス用電極３６が形成されている。リファレンス用電極３６は、前記固定電極２６，可動電極２７と同様に、蒸着またはスパッタリングによって形成される。
【００３４】
前記ダイアフラム２３は、前記基板２１と保持部材２２とからなるハウジングとともに前記真空室３１を形成するもので、厚さが一定な極めて薄い四角形の板からなり、中央部が起歪部２３Ａとして用いられ、この起歪部２３Ａより外側部分が固定部２３Ｂとして用いられる。起歪部２３Ａは円形で、上面が被測定圧力Ｐ1 を受ける受圧面３８を形成し、裏面中央部に前記可動プレート２５が接合されている。固定部２３Ｂの上面は、前記カバープレート２４との接合面を形成し、裏面の外周縁部が前記保持部材２２の薄肉部２２Ａの上面に接合され、これより内側部分に前記固定電極２６と、リファレンス電極３９が形成される。リファレンス電極３９は固定電極２６より外側に設けられ、前記保持部材２２側に設けられた前記リファレンス電極３６と近接して対向している。
【００３５】
前記固定電極２６は、図４に示すようにダイアフラム２３の起歪部２３Ａを挟んで互いに対向する２つの電極２６Ａ，２６Ｂで構成されている。各電極２６Ａ，２６Ｂは、外形状が正方形で内形状が円形のパターンを２分割した形状を呈し、一側面には配線部４０が延設され、その先端部に設けたパッド部４１に前記電極取出用ピン２８の内端が半田付けによって接続されている。なお、２つの電極２６Ａ，２６Ｂは、同一形状ではあるが、点対称になるように位置付けられている。
【００３６】
ここで、本実施の形態においては、固定電極２６の面積を大きくするためにダイアフラム２３の起歪部２３Ａを円形に形成した例を示したが、これに限らず角形であってもよい。
【００３７】
前記カバープレート２４は、前記保持部材２２およびダイアフラム２３と同一の大きさからなる正方形の板体で、中央に被測定圧力Ｐ1 を前記ダイアフラム２３の受圧面３８に導く圧力導入孔４４が表裏面に貫通して形成され、裏面側に前記ダイアフラム２３の固定部２３Ｂが接合されている。また、カバープレート２４の表裏面の中央部には、凹陥部４５，４６がそれぞれ形成されている。裏面側の凹陥部４６は円形の凹部からなり、前記ダイアフラム２３の起歪部２３Ａの外縁を規定するとともに、この起歪部２３Ａとの間に被測定圧力Ｐ1 が導かれる圧力導入室５１を形成している。
【００３８】
前記可動プレート２５は、前記固定電極２６の外形状より若干小さい正方形の板体からなる電極形成部２５Ａと、この電極形成部２５Ａの上面、すなわちダイアフラム２３と対向する面の中央に一体に突設された接続部２５Ｂとで構成されている。電極形成部２５Ａの上面は電極形成面４７を形成し、この電極形成面４７の外周縁部に前記可動電極２７が前記固定電極２６と所定の電極間距離をもって対向するように形成されている。また、この可動電極２７より内側部分には、重量軽減用の孔４８が複数個形成されており、これにより可動プレート２５の質量を軽減し、重力や加速度の影響を受け難くしている。孔４８は、貫通孔に限らず不貫通孔であってもよい。前記接続部２５Ｂの上面は接合面４９を形成しており、前記ダイアフラム２３の起歪部２３Ａの裏面中央に接合される。そして、このような可動プレート２５は、前記保持部材２２と同時に形成され（この点については後述する）、前記保持部材２２とともにダイアフラム２３に接合される。
【００３９】
前記可動電極２７は、図５に示すように外形状が可動プレート２５の外形状と等しく、内形状が前記ダイアフラム２３の起歪部２３Ａと略同一の大きさの円形パターンに形成され、前記固定電極２６と極めて微少な隙間を保って対向している。
【００４０】
前記保持部材２２、ダイアフラム２３、カバープレート２４および可動プレート２５は、同一材料、例えばサファイア基板（Ａｌ2Ｏ3）または石英によって形成され、直接接合によって一体的に接合されることにより、センサ素子Ｓを構成している。直接接合とは、接合材等を一切用いないで接合部材どうしの物理化学的な結合力のみによって接合する方法で、２つの接合部材の接合面を鏡面仕上げして互いに密着させることにより接合する方法である。接合に際しては、特に圧力を加える必要がなく、単に重ね合わせるだけでよいが、好ましくは２００〜１３００°Ｃ程度に加熱して接合するとより一層確実な接合が得られる。
【００４１】
このような絶対圧センサ２０において、測定時に被測定圧力Ｐ1 を圧力導入室５１に導いて起歪部２３Ａの受圧面３８に加えると、起歪部２３Ａは被測定圧力Ｐ1 に応じて真空室３１側に弾性変形する。このため、可動プレート２５もダイアフラム２３の起歪部２３Ａとともに真空室３１側に変位し、固定電極２６と可動電極２７の電極間距離が大きくなる。したがって、固定電極２６と可動電極２７とで構成されるコンデンサの静電容量が変化し、これを電気信号として取り出すことにより、被測定圧力Ｐ1 を検出することができる。
【００４２】
このように、ダイアフラム２３を被測定圧力Ｐ1 によって固定電極２６と可動電極２７の電極間距離が大きくなる方向に弾性変形させるように構成すると、図６に示すように製造、出荷時において、圧力導入室５１が大気開放された状態にあっては、大気圧Ｐｏによってダイアフラム２３の起歪部２３Ａが真空室３１側に弾性変形しているので、図３３に示した従来の圧力センサ１と異なり、可動電極２７が固定電極２６に対して密着するといった事態が発生することがなく、使用不能になることがない。したがって、製造、出荷時の圧力センサ２０の取り扱いが容易である。
【００４３】
また、保持部材２２、ダイアフラム２３、カバープレート２４および可動プレート２５を同一材料で形成すると、異種材料で製作した場合に比べて製作時に接合部に生じる残留応力を少なくすることができる。この残留応力の経時変化は圧力計測の誤差要因となるため、できる限り少なくすることが望ましい。また、使用時に温度変化等があっても接合部に熱応力が生じず、ダイアフラム２３の弾性変形に影響を与えることがない。したがって、温度特性に優れ、高精度な測定が可能な静電容量式の圧力センサを提供することができる。
【００４４】
また、ダイアフラム２３、カバープレート２４および可動プレート２５を直接接合によって一体的に接合しているため、高精度な電極間距離が得られる。すなわち、接合材を用いて接合する場合は、接合材の厚さのばらつきによって電極間距離にばらつきが生じるが、直接接合の場合は接合材を一切用いないため、接合材の厚さによるばらつきが生じることががなく、カバープレート２５のドライエッチング量と、固定電極２６，可動電極２７の厚さのみによって電極間距離が決定される。したがって、設計値に略等しい電極間距離を得ることが可能で、きわめて高精度で信頼性の高い圧力計測が可能な静電容量式圧力センサが得られる。
【００４５】
また、センサ素子Ｓの各構成部材を、特にサファイア基板で形成すると、サファイアは単結晶であり、アルミナ、セラミックスのような粒界が存在しないため、高い耐食性を有し、アルカリ性や酸性の液体など腐食性の高い被測定流体であっても直接接触させて圧力を測定することができる。したがって、センサ素子Ｓの表面を封入液で覆うなどして被測定流体から隔離する必要がなく、計測部の小型化を図ることができる。
【００４６】
さらに、サファイアは、半導体で使用されるバッチプロセスと同様な製造工程と採用することにより数百個のセンサ素子の製作が可能であり、量産性に優れている。すなわち、上記した工程により、１枚のカバープレート素材に多数のカバープレートを形成する。また、１枚のダイアフラム素材に多数のダイアフラムを形成する。さらに１枚の可動プレート素材に多数の可動プレート素材を形成する。そして、これらのプレート素材を積層して互いに直接接合することにより、多数のセンサ素子を形成する。しかる後、これらのセンサ素材をダイシングによって切り出す。その結果として、電極間隔などのセンサ素子間のばらつきが小さく、同一特性のセンサ素子を大量に製作することが可能である。
【００４７】
さらにまた、被測定圧力Ｐ1 が変化しても容量値が変化しないリファレンス電極３６，３９を設けているので、このリファレンス電極による静電容量と、固定電極２６と可動電極２７間の静電容量とを比較することにより、温度の変化により発生する誤差要因を取り除くことができる。
【００４８】
ここで、本発明に係る静電容量式圧力センサは、上記した実施の形態に限らず種々の変形、変更が可能であり、例えば保持部材２２を基板２１と同一材料によって一体に形成し、可動プレート２５をサファイア等の別材料によって形成してもよい。
【００４９】
また、図２に二点鎖線で示すように基板２１の内面に過負荷防止部を構成する段差部５４を形成し、この段差部５４によって可動プレート２５の下面を支承させることにより、過大な圧力が加わったときのダイアフラム２３の起歪部２３Ａの塑性変形、破損等を防止するようにしてもよい。
【００５０】
次に、本願発明に係る静電容量式圧力センサにおけるセンサ素子の製造方法について説明する。
図７〜図１５は図１〜図６に示したセンサ素子Ｓと静電容量式圧力センサ２０の形成工程を説明するための図である。この静電容量式圧力センサ２０は、例えば厚さが０．５ｍｍ程度の４インチ角のサファイア基板内に半導体チップと同様に多数製作され、その後ダイシングによって個々に独立したセンサに分離されるものであるが、その中の１つのセンサの製作手順について説明する。また、本製造方法は、上記したリファレンス電極３６，３９を備えない圧力センサの製造方法について説明する。
【００５１】
図７（ａ）、（ｂ）はカバープレート２４の形成工程を説明するための平面図および断面図で、サファイア基板からなるプレート素材５５の中心に圧力導入孔４４をレーザー加工によって表裏面に貫通するように形成する。次に、研磨加工によってサファイア基板の表裏面を直接接合が可能な鏡面に仕上げる。次いで、裏面の中央にドライエッチングによって所要の深さの凹陥部４６を形成することにより、カバープレート２４を製作する。
【００５２】
圧力導入孔４４と凹陥部４６の形成順序は、どちらが先であってもよい。凹陥部４６の周縁４６ａは、ダイアフラム２３の起歪部２３Ａの外周縁を規定する。プレート素材５５の表面、すなわち凹陥部４６が形成される裏面とは反対側の面は、平坦面に形成されているが、図１に示した凹陥部４５が形成されるものであってもよい。
【００５３】
図８（ａ）、（ｂ）はダイアフラム２３とカバープレート２４の接合工程を説明するための平面図および断面図である。ダイアフラム２３は、サファイア基板を研磨することにより、厚さが一定の極めて薄い板に形成され、表裏面が鏡面仕上げされている。このダイアフラム２３をカバープレート２４の凹陥部４６が形成されている裏面に載置してダイアフラム２３の外周縁部を直接接合によって接合し、凹陥部４６を覆う。ダイアフラム２３をカバープレート２４に接合すると、ダイアフラム２３の前記凹陥部４６に対応する中央部分が起歪部２３Ａとなり、これより外側部分が固定部２３Ｂとなる。
【００５４】
図９（ａ）、（ｂ）は固定電極の形成工程を説明するための平面図および断面図で、ダイアフラム２３のカバープレート２４側とは反対側の面全体に導電性薄膜を成膜し、写刻技術によりパターンニングすることにより、所定形状の固定電極２６を形成する。この導電性薄膜の成膜は、通常半導体プロセスで用いられているドライ成膜であるＣＶＤ、真空蒸着、スパッタリング法などにより形成することができる。このとき、図４に示す配線部４０とパッド部４１が同時に形成されることはいうまでもない。
【００５５】
図１０〜図１３（ａ）、（ｂ）は保持部材と可動プレートの形成工程を説明するための平面図および断面図、図１４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は保持部材と可動プレートの形成工程を説明するための平面図、Ａ−Ａ線断面図およびＢ−Ｂ断面図である。先ず、図１０において、所定の板厚を有するサファイア基板からなる可動プレート素材６０を用意する。可動プレート素材６０は、表裏両面が研磨されており、その表面（ダイアフラムとの接合面）の外周寄りに環状（正方形）の分離用溝６１を超音波加工等によって形成する。この分離用溝６１は、可動プレート２５の厚さより十分に深く形成される。
【００５６】
また、分離用溝６１の外側に２つの貫通孔からなる電極用孔３５をレーザー加工等によって形成する。２つの電極用孔３５は、前記固定電極２６のパッド部４１に対応一致する位置に形成されるもので、可動プレート素材６０の中心を通り互いに対向する２つの辺に対して垂直な仮想線６２上に位置している。さらに、前記表面の前記分離用溝６１より外側部分をドライエッチングによって全周にわたって所定量除去することにより環状の溝６３を形成する。分離用溝６１、電極用孔３５および溝６３の形成順序は特に限定されない。分離用溝６１を挟んでその外側部分と内側部分は、最終的には保持部材２２と、可動プレート２５となる部分である。溝６３を形成する理由は、後述する電極間隔設定用溝６４を形成したとき、接続部２５Ｂを保持部材２２となる外周縁部の上面より突出させるためである。
【００５７】
図１１（ａ）、（ｂ）は電極間隔設定用溝の形成工程を説明するための平面図および断面図である。可動プレート素材６０の表面の分離用溝６１より内側でかつ中央部を除く部分をドライエッチングによって所定量除去して電極間隔設定用溝６４を形成する。これにより、電極間隔設定用溝６４が形成されている部分が、可動プレート２５の電極形成部２５Ａとなる部分で、溝底面が電極形成面４７とされる。電極間隔設定用溝６４の形成によって可動プレート素材６０の表面中央に残っている突起部分は、ダイアフラム２３との接続部２５Ｂとなる部分である。電極間隔設定用溝６４は、その底面から接続部２５Ｂの上面までの距離が電極間距離を規定するため、高い精度で形成される。また、接続部２５Ｂの上面は、可動プレート素材６０の外周縁部、すなわち電極間隔設定用溝６４が形成されている部分より外側の上面より上方に僅かに突出しており、ダイアフラム２３との接合面４９（図２）を形成する。この突出寸法Δｄは、接続部２５Ｂとダイアフラム２３との直接接合を確実にするために設けられる（この点については後述する）。
【００５８】
さらに、前記分離用溝６１より外側の表面部分でかつ前記電極用孔３５に対応する部分をドライエッチングによって所定量除去して凹部６５を形成する。この凹部６５は前記分離用溝６１に連通しているが、可動プレート素材６０の外側面に開放することはない。また、この凹部６５は、電極間隔設定用溝６４より低くなるように形成される。図１１においては、電極間隔設定用溝６４と凹部６５を黒く塗り潰して示している。このとき、重量軽減用の孔４８（図２）も形成されるるが、その図示については省略している。
【００５９】
図１２（ａ）、（ｂ）は可動電極の形成工程を説明するための平面図および断面図である。可動プレート素材６０の表面で分離用溝６１より内側に導電性薄膜を成膜し、写刻技術によりパターンニングすることにより、所定形状の可動電極２７を形成する。この導電性薄膜の成膜は、前記固定電極２６の形成と同様に通常半導体プロセスで用いられているドライ成膜であるＣＶＤ、真空蒸着、スパッタリング法などにより形成することができる。
【００６０】
図１３（ａ）、（ｂ）はダイアフラムと可動プレート素材６０の接合工程を説明するための平面図および断面図で、ダイアフラム２３を上下反転させることにより裏面側を上にする。また、上記工程で製作した可動プレート素材６０を同じく上下反転させてダイアフラム２３の上に位置決めして載置する。これにより、可動プレート素材６０の外周縁部がダイアフラム２３の裏面外周縁部に接触し、接続部２５Ｂの接続面４９がダイアフラム２３の裏面中央に接触して直接接合される。このとき、可動プレート素材６０の外周縁部と接続部２５Ｂの接続面４９が同一面、すなわち前記突出寸法Δｄ（図１１）が零であると、接続部２５Ｂがダイアフラム２３に接触したとき、ダイアフラム２３の起歪部２３Ａが下方に弾性変形して良好な接合が得られないおそれがあるが、Δｄだけ突出させておくと、この突出量Δｄだけ起歪部２３Ａを接続部２５Ｂが押圧して下方に弾性変形させるため、確実な直接接合が得られる。
【００６１】
図１４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は保持部材２２と可動プレート２５の形成工程を説明するための平面図、Ａ−Ａ線断面図およびＢ−Ｂ線断面図である。上記工程で可動プレート素材６０をダイアフラム２３の裏面側に直接接合した後、可動プレート素材６０の上になっている裏面全面をドライエッチングによって所定量除去することにより、分離用溝６１の閉塞端を上方に開放させる。これにより、分離用溝６１より外側と内側部分が完全に分離し、外側部分が保持部材２２となり、内側部分が可動プレート２５となり、もってセンサ素子Ｓが製作される。
【００６２】
図１５は基板２１と保持部材２２の接合工程を説明するための断面図で、凹陥部３０とピン挿通孔３３が形成された基板２１の上に、上記工程で形成された保持部材２２を載置してロー付け等によって一体的に接合する。また、ピン挿通孔３３より電極用孔３５に電極取出用ピン２８を挿入し、その挿入端を固定電極２６のパッド部４１に接触させる。さらに、ピン挿通孔３３および電極用孔３５に溶融半田を流し込んで電極取出用ピン２８と固定電極２６のパッド部４１を電気的に接続する。そして、この溶融半田はピン挿通孔３３および電極用孔３５内で固化することにより、これらの孔を気密に封止する。
【００６３】
しかる後、真空排気用パイプ３２を図示しない真空ポンプに接続し、この真空ポンプによって基板２１、保持部材２２およびダイアフラム２３によって囲まれた密閉空間内の空気を排気することにより、所定の真空度の真空室３１とする。そして、真空排気用パイプ３２を封止することにより、静電容量式圧力センサの製造を終了する。
【００６４】
このようにして製作される静電容量式圧力センサにあっては、半導体プロセスと同様にサファイアからなる基板内に多数のセンサ素子Ｓを同時に製作することができるので、同じ品質のセンサ素子Ｓの大量生産が可能である。このことは低コスト化にもつながる。
【００６５】
図１６（ａ）〜（ｆ）は保持部材と可動プレートを形成するための他の製造方法を説明するための図である。保持部材２２と可動プレート２５を形成するために用いられる可動プレート素材６０’は、図１６（ａ）、（ｂ）に示すように第１、第２のプレート素材７０，７１によって形成される。第１のプレート素材７０は両面が鏡面仕上げされたサファイア基板からなり、第２のプレート素材７１との接合面に所要深さからなる環状（四角形）の第１分離用溝７２が超音波加工によって形成される（ａ）。第２のプレート素材７１は同じく両面が直接接合が可能なお鏡面仕上げされたサファイア基板からなり、第１のサファイア基板７０との接合面に所要深さからなる環状（四角形）の第２分離用溝７３と、浅い連通溝７４が形成される（ｂ）、（ｃ）。
【００６６】
第１分離用溝７２が形成された第１のプレート素材７０と、第２分離用溝７３と連通溝７４が形成された第２のプレート素材７１をその接合面を直接接合することにより、可動プレート素材６０’を形成する（ｄ）。次に、プレート素材７１の上面全体をドライエッチングする。この後、可動プレート素材６０’に貫通孔からなる２つの電極用孔３５をレーザー加工によって形成する（ｅ）。さらに、第１のプレート素材７０の表面で中央部と外周部を除く部分をドライエッチングによって所定量除去することにより、電極間隔設定用溝６４を形成し、中央に残った突起状の未エッチング部分をダイアフラム２３との接続部２５Ｂとする（ｆ）。これ以降の工程は、図１２〜図１４に示した工程と全く同一であるため、その説明を省略する。
【００６７】
このように第１、第２のプレート素材７０，７１を直接接合して１枚の可動プレート素材６０’を形成すると、図１７に示すドライエッチングによる保持部材２２と可動プレート２５の分離工程で固定電極２６をエッチングするおそれがなく、固定電極２６の断線を防止することができる。すなわち、第２のプレート素材７１の表面をドライエッチングによって所定量除去し、分離用溝７３の閉塞端を開放させることにより第１、第２分離用溝７２，７３より外側部分を保持部材２２とし、内側部分を可動プレート２５としたとき、第１、第２分離用溝７２，７３が連続したストレートな溝であると固定電極２６をオーバーエッチングするおそれがあるが、第１分離用溝７２と第２分離用溝７３の大きさを異ならせてその接続部分を連通溝７４によって屈曲部としておくと、オーバーエッチングされる部分Ａが第１、第２のプレート素材７０，７１の接合面で第２分離用溝７３に対応する部分だけであるため、固定電極２６をエッチングすることがない。
【００６８】
図１８〜図２１は電極形成の他の方法を説明するための図である。
この電極形成方法は、半田等の導電材８０と電極取出用ピン２８とで電極を形成するようにしたものである。図１８（ａ）、（ｂ）は半田からなる導電材８０を形成する工程を説明するための平面図および断面図で、図１２に示す工程によって形成した可動プレート素材６０をダイアフラム２３の上に載置して直接接合した後、可動プレート素材６０の上方から電極用孔３５にＳｎ−Ａｇ、Ｐｂ−Ｓｎ等の溶融半田材を流し込んで固化させることにより導電材８０とし、固定電極２６に電気的に接続する。
【００６９】
図１９は（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は保持部材２２と可動プレート２５の形成工程を説明するための平面図、Ａ−Ａ線断面図およびＢ−Ｂ線断面図である。導電材８０を形成した後、可動プレート素材６０の上になっている裏面全面をドライエッチングによって所定量除去することにより、分離用溝６１の閉塞端を上方に開放させる。これにより、分離用溝６１より外側と内側部分が完全に分離することにより、外側部分を保持部材２２とし、内側部分を可動プレート２５とする。導電材８０が接続される固定電極２６のパッド部としては、濡れ性の低い材料で形成し、溶融半田材が流れ出してダイアフラム２３に接触しないようにすることが望ましい。
【００７０】
図２０（ａ）、（ｂ）は保持部材２２の表面に突出している導電材８０にバンプ８１を形成する工程を説明するための平面図および断面図で、導電材８０の外部に露呈している部分にバンプ８１を形成する。この後、図２１に示すように保持部材２２を基板２１の上に載置してロー付け等により接合し、ピン挿通孔３３に電極取出用ピン２８を挿入して内端を導電材８０のバンプ８１に接合する。接合に際しては、ピン挿通孔３３にＳｎ−Ａｇ、Ｐｂ−Ｓｎ等の溶融半田材を流し込んで固化させることにより、バンプ８１との接続を確実にするとともにピン挿通孔３３を気密に封止する。
【００７１】
図２２〜図３２は可動プレート２５の周りに保持部材を設けない構造のセンサ素子と圧力センサの製造方法を説明するための図である。図２２、図２３および図２４に示す工程は、上記した図７〜図９に示した工程と全く同一である。すなわち、図２２（ａ）、（ｂ）はカバープレート２４の形成工程を説明するための平面図および断面図で、サファイア基板からなるプレート素材５５の表裏面を鏡面仕上げし、裏面の中央にドライエッチングによって所要の深さの凹陥部４６を形成する。さらに、中心に圧力導入孔４４をレーザー加工によって表裏面に貫通するように形成することにより、カバープレート２４を製作する。
【００７２】
図２３（ａ）、（ｂ）はダイアフラム２３とカバープレート２４の接合工程を説明するための平面図および断面図で、カバープレート２４の凹陥部４６が形成されている裏面にダイアフラム２３の固定部２３Ｂとなる部分を載置して直接接合し、凹陥部４６を覆う。ダイアフラム２３は、所要の厚さおよび大きさを有する厚さが一定のサファイア基板からなり、表裏面が鏡面仕上げされている。ダイアフラム２３をカバープレート２４に直接接合すると、ダイアフラム２３の前記凹陥部４６に対応する中央部分が起歪部２３Ａとなる。
【００７３】
図２４（ａ）、（ｂ）は固定電極２６の形成工程を説明するための平面図および断面図で、ダイアフラム２３のカバープレート２４側とは反対側の面全体に導電性薄膜を成膜し、写刻技術によりパターンニングすることにより、所定形状の固定電極２６を上記したと同様な技術により固定部２３Ｂに形成する。
【００７４】
図２５（ａ）、（ｂ）は固定電極２６の配線部分を保護膜によって覆う工程を示す平面図および断面図で、パイレックス等の溶融ガラスを固定電極２６の配線部分４０（図４）の上に滴下して固化させることにより、保護膜９０を形成する。
【００７５】
図２６（ａ）、（ｂ）は固定電極２６のパッド部４１に金のバンプ９１を形成する工程を示す平面図および断面図で、溶融した金をパッド部４１の上に滴下して固化させ、バンプ９１を形成する。
【００７６】
図２７〜図２９は可動プレート２５の形成工程を説明するための図である。
図２７（ａ）、（ｂ）は、所定の板厚を有するサファイア基板からなる可動プレート素材９２を用意してその外周部を全周にわたって超音波加工によって所定深さ除去することにより溝９３を形成する工程を示す平面図および断面図である。これにより、可動プレート素材９２の外周面下端部側にフランジ９５が形成される。
【００７７】
図２８（ａ）、（ｂ）は、さらに可動プレート素材９２の表面で中央部を除く部分に電極間隔設定用溝６４をドライエッチングによって形成する工程を示す平面図および断面図で、中央に残った未エッチング部分をダイアフラムとの接続部２５Ｂとする。
【００７８】
図２９（ａ）、（ｂ）は、可動電極２７の形成工程を説明するための平面図および断面図図である。電極間隔設定用溝６４の底面外周部に導電性薄膜を成膜し、写刻技術によりパターンニングすることにより、所定形状の可動電極２７を形成する。
【００７９】
図３０（ａ）、（ｂ）はダイアフラム２３と可動プレート素材９２の接合工程を説明するための平面図および断面図である。ダイアフラム２３を上下反転させることにより裏面側を上にする。また、上記工程で製作した可動プレート素材９２を同じく上下反転させてダイアフラム２３の上に位置決めして載置する。これにより、接続部２５Ｂがダイアフラム２３の起歪部裏面に直接接合される。
【００８０】
図３１（ａ）、（ｂ）は可動プレート２５の形成工程を説明するための平面図および断面図である。可動プレート素材９２の上になっている面をドライエッチングによって所定量除去し、フランジを完全に取り除く。これによって可動プレート２５が形成され、センサ素子９６が形成される。センサ素子９６は、ダイアフラム２３、カバープレート２４および可動プレート２５によって構成されている。
【００８１】
図３２はセンサ素子９６の封止工程を説明するための断面図である。金バンプ９１に電極取出用ピン２８の一端を半田付け等によって接続する。電極取出用ピン２８は、ダイアフラム２３と平行になるように取付けられ、センサ素子９６の側方に延在している。次に、ガラス、金属等によって形成した上面中央に開口１０１を有する上側ケース（保持部材）１００の内部にセンサ素子９６を組込んでカバープレート２４により前記開口１０１を閉塞し、ロー付け等によって接合する。さらに、ガラス、金属等によって形成した下側ケース（基板）１０３の上面に上側ケース１００を設置して両ケースの接合部を封止する。この後、ケース内部を真空排気して所定の真空度の真空室１０５とすることにより、静電容量式圧力センサ１０６の製作を終了する。
【００８２】
このような製造方法においては、上側ケース１００を図２に示した保持部材２２の代わりに用いているため、電極取出用ピン２８の固定電極２６への接続および取出しが比較的容易である。
【００８３】
なお、上記した実施の形態においては、圧力センサの形状を正方形とした場合について説明したが、本発明はこれに何ら特定されるものではなく、多角形、円形あるいは楕円形などの各種の形状のものであっても同様な効果が得られる。
【００８４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係るセンサ素子は、真空室の一部を構成するダイアフラムを備え、このダイアフラムの起歪部の弾性変形を静電容量変化として検出する静電容量式圧力センサのセンサ素子において、中央部が起歪部を構成し、この起歪部より外側部分が固定部を構成するダイアフラムと、圧力導入孔を有し、前記ダイアフラムの固定部が接合されることにより前記ダイアフラムとともに圧力導入室を形成するカバープレートと、電極形成部とこの電極形成部の電極形成面の中央に一体に突設した接続部を有する可動プレートとからなり、前記ダイアフラムの起歪部中央で前記カバープレート側とは反対側の面に前記可動プレートの接続部を接合し、前記ダイアフラムの固定部と前記可動プレートの電極形成部に固定電極と可動電極を互いに対向させて形成したので、大気圧がダイアフラムの起歪部に加わったとき、起歪部が真空室側に弾性変形して電極間距離を拡大させるため、電極どうしが密着することがなく、製造、出荷時の取り扱いが容易で、使用不能になることがない。
また、起歪部の変形方向が電極間距離が拡大する方向であるため、起歪部を弾性変形限界内において最大限に変形させることができ、圧力レンジを広く取ることができる。さらに、固定電極がダイアフラムの固定部に設けられ、弾性変形の大きい起歪部に設けられていないので、起歪部が温度変化によって膨張収縮してもその影響が少なく、高い測定精度と信頼性に優れたセンサ素子および静電容量式圧力センサを提供することができる。
【００８５】
また、センサ素子の素材としてサファイアまたは石英を用いているので、耐食性に優れており、また直接接合しているので、高い精度の極間距離が得られる。
また、可動プレートに貫通孔または不貫通孔からなる重量軽減用の孔を設けているので、自身の質量が重力や加速度の影響を受け難く振動特性やセンサの姿勢の制限が解消される。
【００８６】
また、過負荷防止部を備えているので、過大圧力によるダイアフラムの起歪部の破損を防止することができる。
【００８７】
また、本発明によるセンサ素子の製造方法によれば、ダイアフラムの起歪部に可動プレートを備えたセンサ素子を製作することができ、また分離用溝を屈曲した溝で構成した製造方法においては、ドライエッチング時に固定電極をエッチングして切断するといったおそれがなく、センサ素子を良好に製作することができる。
【００８８】
さらに、本発明によるセンサ素子の製造方法によれば、半導体製造と同様に同一品質のものを大量に生産することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る静電容量式圧力センサの一実施の形態を示す外観斜視図である。
【図２】 図１のII−II線断面図である。
【図３】 図１のIII −III 線断面図である。
【図４】 固定電極の平面図である。
【図５】 可動電極の平面図である。
【図６】 製造、出荷時においてダイアフラムの起歪部が大気圧によって真空室側に変形した状態を示す図である。
【図７】 （ａ）、（ｂ）はカバープレートの形成工程を説明するための平面図および断面図である。
【図８】 （ａ）、（ｂ）はダイアフラムとカバープレートの接合工程を説明するための平面図および断面図である。
【図９】 （ａ）、（ｂ）は固定電極の形成工程を説明するための平面図および断面図である。
【図１０】 （ａ）、（ｂ）は保持部材と可動プレートの形成工程を説明するための平面図および断面図である。
【図１１】 （ａ）、（ｂ）は保持部材と可動プレートの形成工程を説明するための平面図および断面図である。
【図１２】 （ａ）、（ｂ）は保持部材と可動プレートの形成工程を説明するための平面図および断面図である。
【図１３】 （ａ）、（ｂ）は保持部材と可動プレートの形成工程を説明するための平面図および断面図である。
【図１４】 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は保持部材と可動プレートの形成工程を説明するための平面図、Ａ−Ａ断面図およびＢ−Ｂ断面図である。
【図１５】 基板と保持部材との接合工程を説明するための図である。
【図１６】 （ａ）〜（ｆ）は、保持部材と可動プレートを形成するための他の製造方法を説明するための断面図である。
【図１７】 保持部材と可動プレートの分離工程を説明するための断面図である。
【図１８】 （ａ）、（ｂ）は電極の形成の他の方法を説明するための平面図および断面図である。
【図１９】 （ａ）、（ｂ）は保持部材と可動プレートの形成工程を説明するための平面図、Ａ−Ａ断面図およびＢ−Ｂ断面図である。
【図２０】 （ａ）、（ｂ）は保持部材の表面に突出している導電材にバンプを形成する工程を説明するための平面図および断面図である。
【図２１】 電極の成形工程を説明するための断面図である。
【図２２】 （ａ）、（ｂ）は可動プレートの周りに保持部材を設けない構造のセンサ素子と圧力センサの製造方法を説明するための平面図および断面図である。
【図２３】 （ａ）、（ｂ）はダイアフラムとカバープレートの接合工程を説明するための平面図および断面図である。
【図２４】 （ａ）、（ｂ）は固定電極の形成工程を説明するための平面図および断面図である。
【図２５】 （ａ）、（ｂ）は固定電極の配線部分を保護膜によって覆う工程を説明するための平面図および断面図である。
【図２６】 （ａ）、（ｂ）は固定電極のパッド部に金のバンプを形成する工程を説明するための平面図および断面図である。
【図２７】 （ａ）、（ｂ）は可動プレートの形成工程を説明するための平面図および断面図である。
【図２８】 （ａ）、（ｂ）は可動プレートに電極間隔設定用溝を形成する工程を説明するための平面図および断面図である。
【図２９】 （ａ）、（ｂ）は可動電極の形成工程を説明するための平面図および断面図である。
【図３０】 （ａ）、（ｂ）はダイアフラムと可動プレート素材の接合工程を説明するための平面図および断面図である。
【図３１】 （ａ）、（ｂ）は可動プレートの形成工程を説明するための平面図および断面図である。
【図３２】 センサ素子の封止工程を説明するための断面図である。
【図３３】 従来の静電容量式圧力センサの断面図である。
【符号の説明】
２０…静電容量式圧力センサ、２１…基板、２２…保持部材、２３…ダイアフラム、２３Ａ…起歪部、２３Ｂ…固定部、２４…カバープレート、２５…可動プレート、２５Ａ…電極形成部、２５Ｂ…接続部、２６…固定電極、２７…可動電極、２８…電極取出用ピン、３１…真空室、４４…圧力導入孔、４６…凹陥部、４７…電極形成面、４８…重量軽減用孔、４９…接続面、５１…圧力導入室、５４…過負荷防止部、５５…プレート素材、６０…可動プレート素材、６１…分離用溝、６４…電極間隔設定用溝。
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定圧力の変化を静電容量の変化として検出するダイアフラム構造の静電容量式圧力センサに関し、特に真空室を備えた絶対圧測定用の静電容量式圧力センサ、センサ素子およびセンサ素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【０００３】
従来から、圧力計等に用いられる静電容量式圧力センサとしては種々のものが知られている。その一つに絶対圧測定用の静電容量式圧力センサ（以下、このようなセンサを絶対圧センサという）がある。この絶対圧センサは、被測定圧力の変化により容量値が変化するコンデンサ電極間のギャップを大気から隔絶するとともに、内部を真空にしたもので、通常図３３に示すように構成されている。これを概略説明すると、絶対圧センサ１は、陽極接合されたシリコン基板２とガラス基板３とを備え、これら両基板間に真空室４を形成している。シリコン基板２は、被測定圧力Ｐ1 を受けると弾性変形する薄肉の起歪部２Ａが形成されており、この起歪部２Ａの表面側に可動電極５が設けられている。可動電極５は、ガラス基板３の表面に設けた容量検出用ＩＣチップ７にリード線８を介して電気的に接続されている。一方、ガラス基板３の前記起歪部２Ａと対向する面には、固定電極６が設けられている。
【０００４】
このような構造からなる従来の絶対圧センサ１において、起歪部２Ａの裏面側に被測定圧力Ｐ1 を印加すると、起歪部２Ａがその圧力に応じて弾性変形し、可動電極５と固定電極６との間の微少間隙Ｇが変化する。このため、可動電極５と固定電極６とで構成されるコンデンサの静電容量が変化し、これを電気信号として取り出して信号処理することにより、被測定圧力Ｐ1 を検出することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の絶対圧センサ１において、製造後や出荷時には起歪部２Ａの測定圧側である受圧面が大気圧となる。その場合、微圧レンジ用の素子においては、電極間距離がきわめて狭いため、起歪部２Ａが大気圧によって真空室４側に弾性変形して可動電極５が固定電極６に密着してしまう。このため、計器等に装着しても起歪部２Ａが最大変形前の状態に復帰せず、使用不能になるという問題があった。
また、従来の圧力センサは、非測定時において可動電極５と固定電極６を最大に離間させておき、被測定圧力Ｐ1 によって起歪部２Ａをガラス板３側に弾性変形させて電極間距離を狭めるようにしているので、起歪部２Ａの変形量が非測定時の電極間距離によって決まる。言い換えれば、圧力レンジが非測定時の電極間距離によって決まり、広い圧力レンジがとれないという問題があった。さらに、可動電極５が起歪部２Ａに設けられているため、相対的な問題ではあるが電極の厚みと、この電極が形成されている部分の基板の厚みとが問題になる。つまり、温度変化により起歪部２Ａが膨張収縮すると電極間距離が変化し、測定誤差になる。
【０００６】
本発明は上記した従来の問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、大気圧によりダイアフラムの起歪部が弾性変形しても電極どうしが互いに密着することがなく、製造、出荷時の取り扱いが容易で、圧力レンジを広くとることができ、また温度変化による影響が少なく、温度特性を改善した静電容量式圧力センサを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために第１の発明は、真空室の一部を構成するダイアフラムを備え、このダイアフラムの起歪部の弾性変形を静電容量変化として検出する静電容量式圧力センサのセンサ素子において、中央部が起歪部を構成し、この起歪部より外側部分が固定部を構成するダイアフラムと、圧力導入孔を有し、前記ダイアフラムの固定部が接合されることにより前記ダイアフラムとともに圧力導入室を形成するカバープレートと、電極形成部とこの電極形成部の電極形成面の中央に一体に突設した接続部を有する可動プレートとからなり、前記ダイアフラムの起歪部中央で前記カバープレート側とは反対側の面に前記可動プレートの接続部を接合し、前記ダイアフラムの固定部と前記可動プレートの電極形成部に固定電極と可動電極を互いに対向させて形成したものである。
【０００８】
この発明においては、ダイアフラムの起歪部が弾性変形すると、可動プレートも起歪部と一体に変位し、電極間距離を変化させる。
【０００９】
第２の発明は、上記第１の発明において、ダイアフラム、カバープレートおよび可動プレートを同一材料によってそれぞれ形成し、これらを直接接合によって一体的に接合したものである。
【００１０】
この発明においては、ダイアフラムと可動プレートが直接接合されているので、所望の電極間距離をもったセンサ素子を得ることができる。すなわち、接合材を用いて接合する方法は、接合後における接合材自体の厚みのばらつきによって電極間距離にばらつきが生じる。一方、直接接合は、接合部材の接合面を鏡面仕上げして互いに密着させるだけで接合する方法であるため、接合材を用いる必要がなく、そのため接合材の厚みのばらつきによる電極間距離のばらつきが生じず、高精度な電極間距離を得ることができる。
直接接合に際しては、大きな加圧力を必要とせず、基本的には互いに積層するだけでよいが、より確実な接合を得るためには適宜な温度（２００〜１３００°Ｃ程度）で加熱することが好ましい。
また、同一材料で形成されているので、熱膨張係数の相違による応力の発生が生じない。
【００１１】
第３の発明は、真空室の一部を構成するダイアフラムを備え、このダイアフラムの起歪部の弾性変形を静電容量変化として検出する静電容量式圧力センサにおいて、圧力導入孔を有し、前記ダイアフラムの受圧面を覆うことにより前記ダイアフラムとともに圧力導入室を形成するカバープレートと、前記カバープレートとともに前記ダイアフラムの外周縁部を挟持する枠状の保持部を有し、前記ダイアフラムとともに前記真空室を形成する基板と、電極形成部とこの電極形成部の電極形成面の中央に一体に突設した接続部を有し、この接続部が前記ダイアフラムの真空室側の面で起歪部の中央に接合された可動プレートとを具備し、前記ダイアフラム、前記カバープレートおよび前記可動プレートによってセンサ素子を構成し、前記ダイアフラムの外周縁部と前記可動プレートの前記電極形成面に固定電極と可動電極を互いに対向するように設けたものである。
【００１２】
この発明においては、圧力導入室に被測定圧力を導入すると、ダイアフラムの起歪部が弾性変形し、これと一体に可動プレートも変位し、電極間距離を変化させる。起歪部の変形方向は、カバープレートから離間する方向、言い換えれば電極間距離が拡大する方向であるため、固定電極と可動電極が密着することがなく、また、圧力レンジを大きくとることができる。さらに、固定電極はダイアフラムの固定部に設けられているので、温度変化による起歪部の膨張収縮による影響を受けない。
【００１３】
第４の発明は、上記第３の発明において、可動プレートの電極形成部に重量軽減用の孔を設けたものである。
【００１４】
この発明においては、可動プレートの重量が軽減されるので、重力や加速度の影響を受けることが少ない。すなわち、可動プレートはダイアフラムの起歪部に吊り下げられているので、自身の質量により重力や加速度の影響を受け易いが、重量軽減用の孔によって質量を軽減することにより、重力や加速度による影響が少なく、振動特性やセンサの姿勢の制限が解消される。重量軽減用の孔としては、不貫通孔または貫通孔が考えられる。
【００１５】
第５の発明は、上記第３または第４の発明において、可動プレートの変位を規制する過負荷防止部を基板に設けたものである。
【００１６】
この発明においては、過負荷防止部が可動プレートの変位を制限するので、過負荷が加わったときにダイアフラムの起歪部が所定量以上に変形して破損することがない。過負荷防止部としては、突起、段差面等が考えられる。
【００１７】
第６の発明は、上記第３、第４または第５の発明において、カバープレートが圧力導入室用の凹陥部を有し、ダイアフラムが、厚みが一定の薄板状に形成されたものであって、カバープレートに接合されることにより外周縁部が固定部を形成し、この固定部より内側部分が起歪部を形成し、前記固定部の真空室側の面に固定電極が形成されているものである。
【００１８】
この発明においては、ダイアフラム素材を研磨によって形成することができるので、ダイアフラムの形成が容易である。ダイアフラムをカバープレートに接合すると、凹陥部に対応する部分が起歪部となり、これより外側部分が固定部となる。
【００１９】
第７の発明は、上記第３，第４、第５または第６の発明において、ダイアフラム、カバープレートおよび可動プレートを同一材料によってそれぞれ形成し、これらを直接接合によって一体的に接合することによりセンサ素子を構成したものである。
【００２０】
この発明においては、電極間距離を設計値どおり正確に決めることができる。すなわち、接合材を用いて接合すると、接合後における接合材自体の厚みのばらつきによって電極間距離にばらつきが生じるため、高精度な電極間距離を得ることが難しい。一方、直接接合の場合は接合部材の接合面を鏡面仕上げして互いに密着させるだけで接合するため、接合材を用いる必要が全くなく、したがって接合材の厚さによるばらつきが生じず、高精度な電極間距離を得ることができる。
【００２１】
第８の発明は、上記７の発明において、ダイアフラム、カバープレートおよび可動プレートをサファイアまたは石英によって形成したものである。
【００２２】
この発明においては、ダイアフラムが耐食性に優れており、被測定流体に直接接触させることができる。
【００２３】
第９の発明は、真空室の一部を構成するダイアフラムを備え、このダイアフラムの起歪部の弾性変形を静電容量変化として検出する静電容量式圧力センサにおけるセンサ素子の製造方法において、ダイアフラム素材によってダイアフラムを形成する工程と、プレート素材によって圧力導入孔を有するカバープレートを形成する工程と、前記工程によって形成されたカバープレートと前記ダイアフラムの外周縁部を一体的に接合して前記ダイアフラムの外周縁部を固定部とし、この固定部より内側部分を起歪部とする工程と、前記ダイアフラムの固定部で前記カバープレート側とは反対側の面の外周縁部に固定電極を形成する工程と、可動プレート素材の一方の面で中央部以外の部分をエッチングによって除去することにより電極形成部を形成するとともに、未エッチング部分によりダイアフラムに接合される接続部を形成する工程と、前記可動プレート素材の前記電極形成部の電極形成面に可動電極を形成し可動プレートを形成する工程と、前記可動プレートの前記接続部を前記ダイアフラムの起歪部中央に接合する工程とを備えたものである。
【００２４】
この発明においては、ダイアフラムの起歪部の弾性変形によって可動プレートが一体的に変位し、電極間距離が変化するセンサ素子が形成される。
【００２５】
第１０の発明は、真空室の一部を構成するダイアフラムを備え、このダイアフラムの起歪部の弾性変形を静電容量変化として検出する静電容量式圧力センサにおけるセンサ素子の製造方法において、ダイアフラム素材によって厚みが一定のダイアフラムを形成する工程と、プレート素材によって圧力導入孔と、圧力導入室用の凹陥部を有するカバープレートを形成する工程と、前記工程によって形成されたカバープレートと前記ダイアフラムの外周縁部を一体的に接合して前記ダイアフラムの外周縁部を固定部とし、この固定部より内側部分を起歪部とする工程と、前記ダイアフラムの固定部で前記カバープレート側とは反対側の面の外周縁部に固定電極を形成する工程と、可動プレート素材の一方の面にダイアフラムの起歪部より大きい環状の分離用溝と、この分離用溝より外側に位置するピン用挿通孔を形成する工程と、前記可動プレート素材の前記一方の面で前記分離用溝より内側部分をドライエッチングによって環状に除去して電極形成部を形成し、未エッチング部分によりダイアフラムに接合される接続部を形成する工程と、前記可動プレート素材の前記電極形成部の電極形成面に可動電極を形成する工程と、前記可動プレート素材の前記接続部と前記分離用溝より外側部分を前記ダイアフラムの起歪部と固定部に接合する工程と、前記可動プレート素材の前記ダイアフラム側とは反対側の面をドライエッチングによって所定深さ除去して前記分離用溝の閉塞端を開放させることにより、可動プレート素材を前記分離用溝より外側と内側の部分とに分離して基板の保持部と可動プレートを形成する工程とを備えたものである。
【００２６】
この発明においては、ダイアフラムとカバープレートとを接合することにより、ダイアフラムの固定部と起歪部が形成される。また、１つの可動プレート素材によって可動プレートと基板の保持部が同時に形成される。
【００２７】
第１１の発明は、上記第１０の発明において、可動プレート素材が、接合面に環状の第１分離用溝が形成された第１のプレート素材と、この第１のプレート素材と同一材料からなり、第１のプレート素材との接合面に環状の第２分離用溝が形成され、第１のプレート素材に対して直接接合される第２のプレート素材とからなり、前記第１または第２のプレート素材の接合面に前記第１分離用溝と第２分離用溝を互いに接続する連通溝が形成されているものである。
【００２８】
この発明においては、第１、第２分離用溝が同一直線上に位置していないので、可動プレート素材をドライエッチングしたとき、ダイアフラムに形成されている固定電極をエッチングすることがない。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係る静電容量式圧力センサの一実施の形態を示す外観斜視図、図２は図１のII−II線断面図、図３は図１のIII −III 線断面図、図４は固定電極の平面図、図５は可動電極の平面図である。これらの図において、符号２１で示すものは基板、２２は枠状の保持部材（保持部）、２３はダイアフラム、２４はカバープレート、２５は可動プレート、２６は固定電極、２７は可動電極、２８は電極取出用ピンで、これらによって絶対圧測定用の静電容量式圧力センサ（以下、絶対圧センサという）２０を構成している。
【００３０】
前記基板２１、保持部材２２、ダイアフラム２３およびカバープレート２４は中心を一致させて順次積層され、一体的に接合されている。可動プレート２５はダイアフラム２３の裏面中央に一体的に接合されている。前記固定電極２６が設けられたダイアフラム２３、前記カバープレート２４および前記可動電極２７が設けられた可動プレート２５は、同一材料によって形成され、センサ素子Ｓを構成している。前記基板２１と保持部材２２は、センサ素子Ｓのハウジングを形成している。
【００３１】
前記基板２１は、サファイア、石英またはアルミナセラミックス等によって形成されて上面中央に正方形の凹陥部３０を有し、この凹陥部３０と前記保持部材２２の内面および前記ダイアフラム２３の裏面とで囲まれた密閉空間３１に前記可動プレート２５が収容されている。また、この密閉空間３１は、真空排気されることにより所定の真空度の真空室を形成している。このため、基板２１には内外を連通させる真空排気用パイプ３２が貫通して設けられており、この真空排気用パイプ３２は、密閉空間３１を真空排気して真空室とした後、押し潰して閉塞する。
【００３２】
また、前記基板２１は、前記真空室３１の両側に位置し表裏面に貫通する２つのピン挿通孔３３を有し、これらのピン挿通孔３３には前記電極取出用ピン２８が貫通して設けられている。
【００３３】
前記保持部材２２は、正方形の枠状に形成され、上端部内側面に矩形の凹部３４を全周にわたって形成することにより、上端部が薄肉部２２Ａ、下端部が厚肉部２２Ｂとされ、前記基板２１の上面にロー付け等によって接合されている。また、厚肉部２２Ｂには、複数の電極用孔３５が貫通して形成されており、これらの電極用孔３５に前記電極取出用ピン２８が貫通して設けられている。電極取出用ピン２８の内端は、前記固定電極２６に半田等によって接続される。この半田付けは、溶融半田をピン挿通孔３３および電極用孔３５に流し込んで固化させることにより行われる。さらに、厚肉部２２Ｂの上面、すなわち前記凹部３４の底面には、リファレンス用電極３６が形成されている。リファレンス用電極３６は、前記固定電極２６，可動電極２７と同様に、蒸着またはスパッタリングによって形成される。
【００３４】
前記ダイアフラム２３は、前記基板２１と保持部材２２とからなるハウジングとともに前記真空室３１を形成するもので、厚さが一定な極めて薄い四角形の板からなり、中央部が起歪部２３Ａとして用いられ、この起歪部２３Ａより外側部分が固定部２３Ｂとして用いられる。起歪部２３Ａは円形で、上面が被測定圧力Ｐ1 を受ける受圧面３８を形成し、裏面中央部に前記可動プレート２５が接合されている。固定部２３Ｂの上面は、前記カバープレート２４との接合面を形成し、裏面の外周縁部が前記保持部材２２の薄肉部２２Ａの上面に接合され、これより内側部分に前記固定電極２６と、リファレンス電極３９が形成される。リファレンス電極３９は固定電極２６より外側に設けられ、前記保持部材２２側に設けられた前記リファレンス電極３６と近接して対向している。
【００３５】
前記固定電極２６は、図４に示すようにダイアフラム２３の起歪部２３Ａを挟んで互いに対向する２つの電極２６Ａ，２６Ｂで構成されている。各電極２６Ａ，２６Ｂは、外形状が正方形で内形状が円形のパターンを２分割した形状を呈し、一側面には配線部４０が延設され、その先端部に設けたパッド部４１に前記電極取出用ピン２８の内端が半田付けによって接続されている。なお、２つの電極２６Ａ，２６Ｂは、同一形状ではあるが、点対称になるように位置付けられている。
【００３６】
ここで、本実施の形態においては、固定電極２６の面積を大きくするためにダイアフラム２３の起歪部２３Ａを円形に形成した例を示したが、これに限らず角形であってもよい。
【００３７】
前記カバープレート２４は、前記保持部材２２およびダイアフラム２３と同一の大きさからなる正方形の板体で、中央に被測定圧力Ｐ1 を前記ダイアフラム２３の受圧面３８に導く圧力導入孔４４が表裏面に貫通して形成され、裏面側に前記ダイアフラム２３の固定部２３Ｂが接合されている。また、カバープレート２４の表裏面の中央部には、凹陥部４５，４６がそれぞれ形成されている。裏面側の凹陥部４６は円形の凹部からなり、前記ダイアフラム２３の起歪部２３Ａの外縁を規定するとともに、この起歪部２３Ａとの間に被測定圧力Ｐ1 が導かれる圧力導入室５１を形成している。
【００３８】
前記可動プレート２５は、前記固定電極２６の外形状より若干小さい正方形の板体からなる電極形成部２５Ａと、この電極形成部２５Ａの上面、すなわちダイアフラム２３と対向する面の中央に一体に突設された接続部２５Ｂとで構成されている。電極形成部２５Ａの上面は電極形成面４７を形成し、この電極形成面４７の外周縁部に前記可動電極２７が前記固定電極２６と所定の電極間距離をもって対向するように形成されている。また、この可動電極２７より内側部分には、重量軽減用の孔４８が複数個形成されており、これにより可動プレート２５の質量を軽減し、重力や加速度の影響を受け難くしている。孔４８は、貫通孔に限らず不貫通孔であってもよい。前記接続部２５Ｂの上面は接合面４９を形成しており、前記ダイアフラム２３の起歪部２３Ａの裏面中央に接合される。そして、このような可動プレート２５は、前記保持部材２２と同時に形成され（この点については後述する）、前記保持部材２２とともにダイアフラム２３に接合される。
【００３９】
前記可動電極２７は、図５に示すように外形状が可動プレート２５の外形状と等しく、内形状が前記ダイアフラム２３の起歪部２３Ａと略同一の大きさの円形パターンに形成され、前記固定電極２６と極めて微少な隙間を保って対向している。
【００４０】
前記保持部材２２、ダイアフラム２３、カバープレート２４および可動プレート２５は、同一材料、例えばサファイア基板（Ａｌ2Ｏ3）または石英によって形成され、直接接合によって一体的に接合されることにより、センサ素子Ｓを構成している。直接接合とは、接合材等を一切用いないで接合部材どうしの物理化学的な結合力のみによって接合する方法で、２つの接合部材の接合面を鏡面仕上げして互いに密着させることにより接合する方法である。接合に際しては、特に圧力を加える必要がなく、単に重ね合わせるだけでよいが、好ましくは２００〜１３００°Ｃ程度に加熱して接合するとより一層確実な接合が得られる。
【００４１】
このような絶対圧センサ２０において、測定時に被測定圧力Ｐ1 を圧力導入室５１に導いて起歪部２３Ａの受圧面３８に加えると、起歪部２３Ａは被測定圧力Ｐ1 に応じて真空室３１側に弾性変形する。このため、可動プレート２５もダイアフラム２３の起歪部２３Ａとともに真空室３１側に変位し、固定電極２６と可動電極２７の電極間距離が大きくなる。したがって、固定電極２６と可動電極２７とで構成されるコンデンサの静電容量が変化し、これを電気信号として取り出すことにより、被測定圧力Ｐ1 を検出することができる。
【００４２】
このように、ダイアフラム２３を被測定圧力Ｐ1 によって固定電極２６と可動電極２７の電極間距離が大きくなる方向に弾性変形させるように構成すると、図６に示すように製造、出荷時において、圧力導入室５１が大気開放された状態にあっては、大気圧Ｐｏによってダイアフラム２３の起歪部２３Ａが真空室３１側に弾性変形しているので、図３３に示した従来の圧力センサ１と異なり、可動電極２７が固定電極２６に対して密着するといった事態が発生することがなく、使用不能になることがない。したがって、製造、出荷時の圧力センサ２０の取り扱いが容易である。
【００４３】
また、保持部材２２、ダイアフラム２３、カバープレート２４および可動プレート２５を同一材料で形成すると、異種材料で製作した場合に比べて製作時に接合部に生じる残留応力を少なくすることができる。この残留応力の経時変化は圧力計測の誤差要因となるため、できる限り少なくすることが望ましい。また、使用時に温度変化等があっても接合部に熱応力が生じず、ダイアフラム２３の弾性変形に影響を与えることがない。したがって、温度特性に優れ、高精度な測定が可能な静電容量式の圧力センサを提供することができる。
【００４４】
また、ダイアフラム２３、カバープレート２４および可動プレート２５を直接接合によって一体的に接合しているため、高精度な電極間距離が得られる。すなわち、接合材を用いて接合する場合は、接合材の厚さのばらつきによって電極間距離にばらつきが生じるが、直接接合の場合は接合材を一切用いないため、接合材の厚さによるばらつきが生じることががなく、カバープレート２５のドライエッチング量と、固定電極２６，可動電極２７の厚さのみによって電極間距離が決定される。したがって、設計値に略等しい電極間距離を得ることが可能で、きわめて高精度で信頼性の高い圧力計測が可能な静電容量式圧力センサが得られる。
【００４５】
また、センサ素子Ｓの各構成部材を、特にサファイア基板で形成すると、サファイアは単結晶であり、アルミナ、セラミックスのような粒界が存在しないため、高い耐食性を有し、アルカリ性や酸性の液体など腐食性の高い被測定流体であっても直接接触させて圧力を測定することができる。したがって、センサ素子Ｓの表面を封入液で覆うなどして被測定流体から隔離する必要がなく、計測部の小型化を図ることができる。
【００４６】
さらに、サファイアは、半導体で使用されるバッチプロセスと同様な製造工程と採用することにより数百個のセンサ素子の製作が可能であり、量産性に優れている。すなわち、上記した工程により、１枚のカバープレート素材に多数のカバープレートを形成する。また、１枚のダイアフラム素材に多数のダイアフラムを形成する。さらに１枚の可動プレート素材に多数の可動プレート素材を形成する。そして、これらのプレート素材を積層して互いに直接接合することにより、多数のセンサ素子を形成する。しかる後、これらのセンサ素材をダイシングによって切り出す。その結果として、電極間隔などのセンサ素子間のばらつきが小さく、同一特性のセンサ素子を大量に製作することが可能である。
【００４７】
さらにまた、被測定圧力Ｐ1 が変化しても容量値が変化しないリファレンス電極３６，３９を設けているので、このリファレンス電極による静電容量と、固定電極２６と可動電極２７間の静電容量とを比較することにより、温度の変化により発生する誤差要因を取り除くことができる。
【００４８】
ここで、本発明に係る静電容量式圧力センサは、上記した実施の形態に限らず種々の変形、変更が可能であり、例えば保持部材２２を基板２１と同一材料によって一体に形成し、可動プレート２５をサファイア等の別材料によって形成してもよい。
【００４９】
また、図２に二点鎖線で示すように基板２１の内面に過負荷防止部を構成する段差部５４を形成し、この段差部５４によって可動プレート２５の下面を支承させることにより、過大な圧力が加わったときのダイアフラム２３の起歪部２３Ａの塑性変形、破損等を防止するようにしてもよい。
【００５０】
次に、本願発明に係る静電容量式圧力センサにおけるセンサ素子の製造方法について説明する。
図７〜図１５は図１〜図６に示したセンサ素子Ｓと静電容量式圧力センサ２０の形成工程を説明するための図である。この静電容量式圧力センサ２０は、例えば厚さが０．５ｍｍ程度の４インチ角のサファイア基板内に半導体チップと同様に多数製作され、その後ダイシングによって個々に独立したセンサに分離されるものであるが、その中の１つのセンサの製作手順について説明する。また、本製造方法は、上記したリファレンス電極３６，３９を備えない圧力センサの製造方法について説明する。
【００５１】
図７（ａ）、（ｂ）はカバープレート２４の形成工程を説明するための平面図および断面図で、サファイア基板からなるプレート素材５５の中心に圧力導入孔４４をレーザー加工によって表裏面に貫通するように形成する。次に、研磨加工によってサファイア基板の表裏面を直接接合が可能な鏡面に仕上げる。次いで、裏面の中央にドライエッチングによって所要の深さの凹陥部４６を形成することにより、カバープレート２４を製作する。
【００５２】
圧力導入孔４４と凹陥部４６の形成順序は、どちらが先であってもよい。凹陥部４６の周縁４６ａは、ダイアフラム２３の起歪部２３Ａの外周縁を規定する。プレート素材５５の表面、すなわち凹陥部４６が形成される裏面とは反対側の面は、平坦面に形成されているが、図１に示した凹陥部４５が形成されるものであってもよい。
【００５３】
図８（ａ）、（ｂ）はダイアフラム２３とカバープレート２４の接合工程を説明するための平面図および断面図である。ダイアフラム２３は、サファイア基板を研磨することにより、厚さが一定の極めて薄い板に形成され、表裏面が鏡面仕上げされている。このダイアフラム２３をカバープレート２４の凹陥部４６が形成されている裏面に載置してダイアフラム２３の外周縁部を直接接合によって接合し、凹陥部４６を覆う。ダイアフラム２３をカバープレート２４に接合すると、ダイアフラム２３の前記凹陥部４６に対応する中央部分が起歪部２３Ａとなり、これより外側部分が固定部２３Ｂとなる。
【００５４】
図９（ａ）、（ｂ）は固定電極の形成工程を説明するための平面図および断面図で、ダイアフラム２３のカバープレート２４側とは反対側の面全体に導電性薄膜を成膜し、写刻技術によりパターンニングすることにより、所定形状の固定電極２６を形成する。この導電性薄膜の成膜は、通常半導体プロセスで用いられているドライ成膜であるＣＶＤ、真空蒸着、スパッタリング法などにより形成することができる。このとき、図４に示す配線部４０とパッド部４１が同時に形成されることはいうまでもない。
【００５５】
図１０〜図１３（ａ）、（ｂ）は保持部材と可動プレートの形成工程を説明するための平面図および断面図、図１４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は保持部材と可動プレートの形成工程を説明するための平面図、Ａ−Ａ線断面図およびＢ−Ｂ断面図である。先ず、図１０において、所定の板厚を有するサファイア基板からなる可動プレート素材６０を用意する。可動プレート素材６０は、表裏両面が研磨されており、その表面（ダイアフラムとの接合面）の外周寄りに環状（正方形）の分離用溝６１を超音波加工等によって形成する。この分離用溝６１は、可動プレート２５の厚さより十分に深く形成される。
【００５６】
また、分離用溝６１の外側に２つの貫通孔からなる電極用孔３５をレーザー加工等によって形成する。２つの電極用孔３５は、前記固定電極２６のパッド部４１に対応一致する位置に形成されるもので、可動プレート素材６０の中心を通り互いに対向する２つの辺に対して垂直な仮想線６２上に位置している。さらに、前記表面の前記分離用溝６１より外側部分をドライエッチングによって全周にわたって所定量除去することにより環状の溝６３を形成する。分離用溝６１、電極用孔３５および溝６３の形成順序は特に限定されない。分離用溝６１を挟んでその外側部分と内側部分は、最終的には保持部材２２と、可動プレート２５となる部分である。溝６３を形成する理由は、後述する電極間隔設定用溝６４を形成したとき、接続部２５Ｂを保持部材２２となる外周縁部の上面より突出させるためである。
【００５７】
図１１（ａ）、（ｂ）は電極間隔設定用溝の形成工程を説明するための平面図および断面図である。可動プレート素材６０の表面の分離用溝６１より内側でかつ中央部を除く部分をドライエッチングによって所定量除去して電極間隔設定用溝６４を形成する。これにより、電極間隔設定用溝６４が形成されている部分が、可動プレート２５の電極形成部２５Ａとなる部分で、溝底面が電極形成面４７とされる。電極間隔設定用溝６４の形成によって可動プレート素材６０の表面中央に残っている突起部分は、ダイアフラム２３との接続部２５Ｂとなる部分である。電極間隔設定用溝６４は、その底面から接続部２５Ｂの上面までの距離が電極間距離を規定するため、高い精度で形成される。また、接続部２５Ｂの上面は、可動プレート素材６０の外周縁部、すなわち電極間隔設定用溝６４が形成されている部分より外側の上面より上方に僅かに突出しており、ダイアフラム２３との接合面４９（図２）を形成する。この突出寸法Δｄは、接続部２５Ｂとダイアフラム２３との直接接合を確実にするために設けられる（この点については後述する）。
【００５８】
さらに、前記分離用溝６１より外側の表面部分でかつ前記電極用孔３５に対応する部分をドライエッチングによって所定量除去して凹部６５を形成する。この凹部６５は前記分離用溝６１に連通しているが、可動プレート素材６０の外側面に開放することはない。また、この凹部６５は、電極間隔設定用溝６４より低くなるように形成される。図１１においては、電極間隔設定用溝６４と凹部６５を黒く塗り潰して示している。このとき、重量軽減用の孔４８（図２）も形成されるるが、その図示については省略している。
【００５９】
図１２（ａ）、（ｂ）は可動電極の形成工程を説明するための平面図および断面図である。可動プレート素材６０の表面で分離用溝６１より内側に導電性薄膜を成膜し、写刻技術によりパターンニングすることにより、所定形状の可動電極２７を形成する。この導電性薄膜の成膜は、前記固定電極２６の形成と同様に通常半導体プロセスで用いられているドライ成膜であるＣＶＤ、真空蒸着、スパッタリング法などにより形成することができる。
【００６０】
図１３（ａ）、（ｂ）はダイアフラムと可動プレート素材６０の接合工程を説明するための平面図および断面図で、ダイアフラム２３を上下反転させることにより裏面側を上にする。また、上記工程で製作した可動プレート素材６０を同じく上下反転させてダイアフラム２３の上に位置決めして載置する。これにより、可動プレート素材６０の外周縁部がダイアフラム２３の裏面外周縁部に接触し、接続部２５Ｂの接続面４９がダイアフラム２３の裏面中央に接触して直接接合される。このとき、可動プレート素材６０の外周縁部と接続部２５Ｂの接続面４９が同一面、すなわち前記突出寸法Δｄ（図１１）が零であると、接続部２５Ｂがダイアフラム２３に接触したとき、ダイアフラム２３の起歪部２３Ａが下方に弾性変形して良好な接合が得られないおそれがあるが、Δｄだけ突出させておくと、この突出量Δｄだけ起歪部２３Ａを接続部２５Ｂが押圧して下方に弾性変形させるため、確実な直接接合が得られる。
【００６１】
図１４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は保持部材２２と可動プレート２５の形成工程を説明するための平面図、Ａ−Ａ線断面図およびＢ−Ｂ線断面図である。上記工程で可動プレート素材６０をダイアフラム２３の裏面側に直接接合した後、可動プレート素材６０の上になっている裏面全面をドライエッチングによって所定量除去することにより、分離用溝６１の閉塞端を上方に開放させる。これにより、分離用溝６１より外側と内側部分が完全に分離し、外側部分が保持部材２２となり、内側部分が可動プレート２５となり、もってセンサ素子Ｓが製作される。
【００６２】
図１５は基板２１と保持部材２２の接合工程を説明するための断面図で、凹陥部３０とピン挿通孔３３が形成された基板２１の上に、上記工程で形成された保持部材２２を載置してロー付け等によって一体的に接合する。また、ピン挿通孔３３より電極用孔３５に電極取出用ピン２８を挿入し、その挿入端を固定電極２６のパッド部４１に接触させる。さらに、ピン挿通孔３３および電極用孔３５に溶融半田を流し込んで電極取出用ピン２８と固定電極２６のパッド部４１を電気的に接続する。そして、この溶融半田はピン挿通孔３３および電極用孔３５内で固化することにより、これらの孔を気密に封止する。
【００６３】
しかる後、真空排気用パイプ３２を図示しない真空ポンプに接続し、この真空ポンプによって基板２１、保持部材２２およびダイアフラム２３によって囲まれた密閉空間内の空気を排気することにより、所定の真空度の真空室３１とする。そして、真空排気用パイプ３２を封止することにより、静電容量式圧力センサの製造を終了する。
【００６４】
このようにして製作される静電容量式圧力センサにあっては、半導体プロセスと同様にサファイアからなる基板内に多数のセンサ素子Ｓを同時に製作することができるので、同じ品質のセンサ素子Ｓの大量生産が可能である。このことは低コスト化にもつながる。
【００６５】
図１６（ａ）〜（ｆ）は保持部材と可動プレートを形成するための他の製造方法を説明するための図である。保持部材２２と可動プレート２５を形成するために用いられる可動プレート素材６０’は、図１６（ａ）、（ｂ）に示すように第１、第２のプレート素材７０，７１によって形成される。第１のプレート素材７０は両面が鏡面仕上げされたサファイア基板からなり、第２のプレート素材７１との接合面に所要深さからなる環状（四角形）の第１分離用溝７２が超音波加工によって形成される（ａ）。第２のプレート素材７１は同じく両面が直接接合が可能なお鏡面仕上げされたサファイア基板からなり、第１のサファイア基板７０との接合面に所要深さからなる環状（四角形）の第２分離用溝７３と、浅い連通溝７４が形成される（ｂ）、（ｃ）。
【００６６】
第１分離用溝７２が形成された第１のプレート素材７０と、第２分離用溝７３と連通溝７４が形成された第２のプレート素材７１をその接合面を直接接合することにより、可動プレート素材６０’を形成する（ｄ）。次に、プレート素材７１の上面全体をドライエッチングする。この後、可動プレート素材６０’に貫通孔からなる２つの電極用孔３５をレーザー加工によって形成する（ｅ）。さらに、第１のプレート素材７０の表面で中央部と外周部を除く部分をドライエッチングによって所定量除去することにより、電極間隔設定用溝６４を形成し、中央に残った突起状の未エッチング部分をダイアフラム２３との接続部２５Ｂとする（ｆ）。これ以降の工程は、図１２〜図１４に示した工程と全く同一であるため、その説明を省略する。
【００６７】
このように第１、第２のプレート素材７０，７１を直接接合して１枚の可動プレート素材６０’を形成すると、図１７に示すドライエッチングによる保持部材２２と可動プレート２５の分離工程で固定電極２６をエッチングするおそれがなく、固定電極２６の断線を防止することができる。すなわち、第２のプレート素材７１の表面をドライエッチングによって所定量除去し、分離用溝７３の閉塞端を開放させることにより第１、第２分離用溝７２，７３より外側部分を保持部材２２とし、内側部分を可動プレート２５としたとき、第１、第２分離用溝７２，７３が連続したストレートな溝であると固定電極２６をオーバーエッチングするおそれがあるが、第１分離用溝７２と第２分離用溝７３の大きさを異ならせてその接続部分を連通溝７４によって屈曲部としておくと、オーバーエッチングされる部分Ａが第１、第２のプレート素材７０，７１の接合面で第２分離用溝７３に対応する部分だけであるため、固定電極２６をエッチングすることがない。
【００６８】
図１８〜図２１は電極形成の他の方法を説明するための図である。
この電極形成方法は、半田等の導電材８０と電極取出用ピン２８とで電極を形成するようにしたものである。図１８（ａ）、（ｂ）は半田からなる導電材８０を形成する工程を説明するための平面図および断面図で、図１２に示す工程によって形成した可動プレート素材６０をダイアフラム２３の上に載置して直接接合した後、可動プレート素材６０の上方から電極用孔３５にＳｎ−Ａｇ、Ｐｂ−Ｓｎ等の溶融半田材を流し込んで固化させることにより導電材８０とし、固定電極２６に電気的に接続する。
【００６９】
図１９は（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は保持部材２２と可動プレート２５の形成工程を説明するための平面図、Ａ−Ａ線断面図およびＢ−Ｂ線断面図である。導電材８０を形成した後、可動プレート素材６０の上になっている裏面全面をドライエッチングによって所定量除去することにより、分離用溝６１の閉塞端を上方に開放させる。これにより、分離用溝６１より外側と内側部分が完全に分離することにより、外側部分を保持部材２２とし、内側部分を可動プレート２５とする。導電材８０が接続される固定電極２６のパッド部としては、濡れ性の低い材料で形成し、溶融半田材が流れ出してダイアフラム２３に接触しないようにすることが望ましい。
【００７０】
図２０（ａ）、（ｂ）は保持部材２２の表面に突出している導電材８０にバンプ８１を形成する工程を説明するための平面図および断面図で、導電材８０の外部に露呈している部分にバンプ８１を形成する。この後、図２１に示すように保持部材２２を基板２１の上に載置してロー付け等により接合し、ピン挿通孔３３に電極取出用ピン２８を挿入して内端を導電材８０のバンプ８１に接合する。接合に際しては、ピン挿通孔３３にＳｎ−Ａｇ、Ｐｂ−Ｓｎ等の溶融半田材を流し込んで固化させることにより、バンプ８１との接続を確実にするとともにピン挿通孔３３を気密に封止する。
【００７１】
図２２〜図３２は可動プレート２５の周りに保持部材を設けない構造のセンサ素子と圧力センサの製造方法を説明するための図である。図２２、図２３および図２４に示す工程は、上記した図７〜図９に示した工程と全く同一である。すなわち、図２２（ａ）、（ｂ）はカバープレート２４の形成工程を説明するための平面図および断面図で、サファイア基板からなるプレート素材５５の表裏面を鏡面仕上げし、裏面の中央にドライエッチングによって所要の深さの凹陥部４６を形成する。さらに、中心に圧力導入孔４４をレーザー加工によって表裏面に貫通するように形成することにより、カバープレート２４を製作する。
【００７２】
図２３（ａ）、（ｂ）はダイアフラム２３とカバープレート２４の接合工程を説明するための平面図および断面図で、カバープレート２４の凹陥部４６が形成されている裏面にダイアフラム２３の固定部２３Ｂとなる部分を載置して直接接合し、凹陥部４６を覆う。ダイアフラム２３は、所要の厚さおよび大きさを有する厚さが一定のサファイア基板からなり、表裏面が鏡面仕上げされている。ダイアフラム２３をカバープレート２４に直接接合すると、ダイアフラム２３の前記凹陥部４６に対応する中央部分が起歪部２３Ａとなる。
【００７３】
図２４（ａ）、（ｂ）は固定電極２６の形成工程を説明するための平面図および断面図で、ダイアフラム２３のカバープレート２４側とは反対側の面全体に導電性薄膜を成膜し、写刻技術によりパターンニングすることにより、所定形状の固定電極２６を上記したと同様な技術により固定部２３Ｂに形成する。
【００７４】
図２５（ａ）、（ｂ）は固定電極２６の配線部分を保護膜によって覆う工程を示す平面図および断面図で、パイレックス等の溶融ガラスを固定電極２６の配線部分４０（図４）の上に滴下して固化させることにより、保護膜９０を形成する。
【００７５】
図２６（ａ）、（ｂ）は固定電極２６のパッド部４１に金のバンプ９１を形成する工程を示す平面図および断面図で、溶融した金をパッド部４１の上に滴下して固化させ、バンプ９１を形成する。
【００７６】
図２７〜図２９は可動プレート２５の形成工程を説明するための図である。
図２７（ａ）、（ｂ）は、所定の板厚を有するサファイア基板からなる可動プレート素材９２を用意してその外周部を全周にわたって超音波加工によって所定深さ除去することにより溝９３を形成する工程を示す平面図および断面図である。これにより、可動プレート素材９２の外周面下端部側にフランジ９５が形成される。
【００７７】
図２８（ａ）、（ｂ）は、さらに可動プレート素材９２の表面で中央部を除く部分に電極間隔設定用溝６４をドライエッチングによって形成する工程を示す平面図および断面図で、中央に残った未エッチング部分をダイアフラムとの接続部２５Ｂとする。
【００７８】
図２９（ａ）、（ｂ）は、可動電極２７の形成工程を説明するための平面図および断面図図である。電極間隔設定用溝６４の底面外周部に導電性薄膜を成膜し、写刻技術によりパターンニングすることにより、所定形状の可動電極２７を形成する。
【００７９】
図３０（ａ）、（ｂ）はダイアフラム２３と可動プレート素材９２の接合工程を説明するための平面図および断面図である。ダイアフラム２３を上下反転させることにより裏面側を上にする。また、上記工程で製作した可動プレート素材９２を同じく上下反転させてダイアフラム２３の上に位置決めして載置する。これにより、接続部２５Ｂがダイアフラム２３の起歪部裏面に直接接合される。
【００８０】
図３１（ａ）、（ｂ）は可動プレート２５の形成工程を説明するための平面図および断面図である。可動プレート素材９２の上になっている面をドライエッチングによって所定量除去し、フランジを完全に取り除く。これによって可動プレート２５が形成され、センサ素子９６が形成される。センサ素子９６は、ダイアフラム２３、カバープレート２４および可動プレート２５によって構成されている。
【００８１】
図３２はセンサ素子９６の封止工程を説明するための断面図である。金バンプ９１に電極取出用ピン２８の一端を半田付け等によって接続する。電極取出用ピン２８は、ダイアフラム２３と平行になるように取付けられ、センサ素子９６の側方に延在している。次に、ガラス、金属等によって形成した上面中央に開口１０１を有する上側ケース（保持部材）１００の内部にセンサ素子９６を組込んでカバープレート２４により前記開口１０１を閉塞し、ロー付け等によって接合する。さらに、ガラス、金属等によって形成した下側ケース（基板）１０３の上面に上側ケース１００を設置して両ケースの接合部を封止する。この後、ケース内部を真空排気して所定の真空度の真空室１０５とすることにより、静電容量式圧力センサ１０６の製作を終了する。
【００８２】
このような製造方法においては、上側ケース１００を図２に示した保持部材２２の代わりに用いているため、電極取出用ピン２８の固定電極２６への接続および取出しが比較的容易である。
【００８３】
なお、上記した実施の形態においては、圧力センサの形状を正方形とした場合について説明したが、本発明はこれに何ら特定されるものではなく、多角形、円形あるいは楕円形などの各種の形状のものであっても同様な効果が得られる。
【００８４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係るセンサ素子は、真空室の一部を構成するダイアフラムを備え、このダイアフラムの起歪部の弾性変形を静電容量変化として検出する静電容量式圧力センサのセンサ素子において、中央部が起歪部を構成し、この起歪部より外側部分が固定部を構成するダイアフラムと、圧力導入孔を有し、前記ダイアフラムの固定部が接合されることにより前記ダイアフラムとともに圧力導入室を形成するカバープレートと、電極形成部とこの電極形成部の電極形成面の中央に一体に突設した接続部を有する可動プレートとからなり、前記ダイアフラムの起歪部中央で前記カバープレート側とは反対側の面に前記可動プレートの接続部を接合し、前記ダイアフラムの固定部と前記可動プレートの電極形成部に固定電極と可動電極を互いに対向させて形成したので、大気圧がダイアフラムの起歪部に加わったとき、起歪部が真空室側に弾性変形して電極間距離を拡大させるため、電極どうしが密着することがなく、製造、出荷時の取り扱いが容易で、使用不能になることがない。
また、起歪部の変形方向が電極間距離が拡大する方向であるため、起歪部を弾性変形限界内において最大限に変形させることができ、圧力レンジを広く取ることができる。さらに、固定電極がダイアフラムの固定部に設けられ、弾性変形の大きい起歪部に設けられていないので、起歪部が温度変化によって膨張収縮してもその影響が少なく、高い測定精度と信頼性に優れたセンサ素子および静電容量式圧力センサを提供することができる。
【００８５】
また、センサ素子の素材としてサファイアまたは石英を用いているので、耐食性に優れており、また直接接合しているので、高い精度の極間距離が得られる。
また、可動プレートに貫通孔または不貫通孔からなる重量軽減用の孔を設けているので、自身の質量が重力や加速度の影響を受け難く振動特性やセンサの姿勢の制限が解消される。
【００８６】
また、過負荷防止部を備えているので、過大圧力によるダイアフラムの起歪部の破損を防止することができる。
【００８７】
また、本発明によるセンサ素子の製造方法によれば、ダイアフラムの起歪部に可動プレートを備えたセンサ素子を製作することができ、また分離用溝を屈曲した溝で構成した製造方法においては、ドライエッチング時に固定電極をエッチングして切断するといったおそれがなく、センサ素子を良好に製作することができる。
【００８８】
さらに、本発明によるセンサ素子の製造方法によれば、半導体製造と同様に同一品質のものを大量に生産することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る静電容量式圧力センサの一実施の形態を示す外観斜視図である。
【図２】 図１のII−II線断面図である。
【図３】 図１のIII −III 線断面図である。
【図４】 固定電極の平面図である。
【図５】 可動電極の平面図である。
【図６】 製造、出荷時においてダイアフラムの起歪部が大気圧によって真空室側に変形した状態を示す図である。
【図７】 （ａ）、（ｂ）はカバープレートの形成工程を説明するための平面図および断面図である。
【図８】 （ａ）、（ｂ）はダイアフラムとカバープレートの接合工程を説明するための平面図および断面図である。
【図９】 （ａ）、（ｂ）は固定電極の形成工程を説明するための平面図および断面図である。
【図１０】 （ａ）、（ｂ）は保持部材と可動プレートの形成工程を説明するための平面図および断面図である。
【図１１】 （ａ）、（ｂ）は保持部材と可動プレートの形成工程を説明するための平面図および断面図である。
【図１２】 （ａ）、（ｂ）は保持部材と可動プレートの形成工程を説明するための平面図および断面図である。
【図１３】 （ａ）、（ｂ）は保持部材と可動プレートの形成工程を説明するための平面図および断面図である。
【図１４】 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は保持部材と可動プレートの形成工程を説明するための平面図、Ａ−Ａ断面図およびＢ−Ｂ断面図である。
【図１５】 基板と保持部材との接合工程を説明するための図である。
【図１６】 （ａ）〜（ｆ）は、保持部材と可動プレートを形成するための他の製造方法を説明するための断面図である。
【図１７】 保持部材と可動プレートの分離工程を説明するための断面図である。
【図１８】 （ａ）、（ｂ）は電極の形成の他の方法を説明するための平面図および断面図である。
【図１９】 （ａ）、（ｂ）は保持部材と可動プレートの形成工程を説明するための平面図、Ａ−Ａ断面図およびＢ−Ｂ断面図である。
【図２０】 （ａ）、（ｂ）は保持部材の表面に突出している導電材にバンプを形成する工程を説明するための平面図および断面図である。
【図２１】 電極の成形工程を説明するための断面図である。
【図２２】 （ａ）、（ｂ）は可動プレートの周りに保持部材を設けない構造のセンサ素子と圧力センサの製造方法を説明するための平面図および断面図である。
【図２３】 （ａ）、（ｂ）はダイアフラムとカバープレートの接合工程を説明するための平面図および断面図である。
【図２４】 （ａ）、（ｂ）は固定電極の形成工程を説明するための平面図および断面図である。
【図２５】 （ａ）、（ｂ）は固定電極の配線部分を保護膜によって覆う工程を説明するための平面図および断面図である。
【図２６】 （ａ）、（ｂ）は固定電極のパッド部に金のバンプを形成する工程を説明するための平面図および断面図である。
【図２７】 （ａ）、（ｂ）は可動プレートの形成工程を説明するための平面図および断面図である。
【図２８】 （ａ）、（ｂ）は可動プレートに電極間隔設定用溝を形成する工程を説明するための平面図および断面図である。
【図２９】 （ａ）、（ｂ）は可動電極の形成工程を説明するための平面図および断面図である。
【図３０】 （ａ）、（ｂ）はダイアフラムと可動プレート素材の接合工程を説明するための平面図および断面図である。
【図３１】 （ａ）、（ｂ）は可動プレートの形成工程を説明するための平面図および断面図である。
【図３２】 センサ素子の封止工程を説明するための断面図である。
【図３３】 従来の静電容量式圧力センサの断面図である。
【符号の説明】
２０…静電容量式圧力センサ、２１…基板、２２…保持部材、２３…ダイアフラム、２３Ａ…起歪部、２３Ｂ…固定部、２４…カバープレート、２５…可動プレート、２５Ａ…電極形成部、２５Ｂ…接続部、２６…固定電極、２７…可動電極、２８…電極取出用ピン、３１…真空室、４４…圧力導入孔、４６…凹陥部、４７…電極形成面、４８…重量軽減用孔、４９…接続面、５１…圧力導入室、５４…過負荷防止部、５５…プレート素材、６０…可動プレート素材、６１…分離用溝、６４…電極間隔設定用溝。
Claims (11)
- 真空室の一部を構成するダイアフラムを備え、このダイアフラムの起歪部の弾性変形を静電容量変化として検出する静電容量式圧力センサのセンサ素子において、
中央部が起歪部を構成し、この起歪部より外側部分が固定部を構成するダイアフラムと、
圧力導入孔を有し、前記ダイアフラムの固定部が接合されることにより前記ダイアフラムとともに圧力導入室を形成するカバープレートと、
電極形成部とこの電極形成部の電極形成面の中央に一体に突設した接続部を有する可動プレートとからなり、
前記ダイアフラムの起歪部中央で前記カバープレート側とは反対側の面に前記可動プレートの接続部を接合し、前記ダイアフラムの固定部と前記可動プレートの電極形成部に固定電極と可動電極を互いに対向させて形成したことを特徴とする静電容量式圧力センサのセンサ素子。 - 請求項１記載の静電容量式圧力センサのセンサ素子において、
ダイアフラム、カバープレートおよび可動プレートを同一材料によってそれぞれ形成し、これらを直接接合によって一体的に接合したことを特徴とする静電容量式圧力センサのセンサ素子。 - 真空室の一部を構成するダイアフラムを備え、このダイアフラムの起歪部の弾性変形を静電容量変化として検出する静電容量式圧力センサにおいて、
圧力導入孔を有し、前記ダイアフラムの受圧面を覆うことにより前記ダイアフラムとともに圧力導入室を形成するカバープレートと、
前記カバープレートとともに前記ダイアフラムの外周縁部を挟持する枠状の保持部を有し、前記ダイアフラムとともに前記真空室を形成する基板と、
電極形成部とこの電極形成部の電極形成面の中央に一体に突設した接続部を有し、この接続部が前記ダイアフラムの真空室側の面で起歪部の中央に接合された可動プレートとを具備し、
前記ダイアフラム、前記カバープレートおよび前記可動プレートによってセンサ素子を構成し、
前記ダイアフラムの外周縁部と前記可動プレートの前記電極形成面に固定電極と可動電極を互いに対向するように設けたことを特徴とする静電容量式圧力センサ。 - 請求項３記載の静電容量式圧力センサにおいて、
可動プレートの電極形成部に重量軽減用の孔を設けたことを特徴とする静電容量式圧力センサ。 - 請求項３または４記載の静電容量式圧力センサにおいて、
可動プレートの変位を規制する過負荷防止部を基板に備えたことを特徴とする静電容量式圧力センサ。 - 請求項３，４または５記載の静電容量式圧力センサにおいて、
カバープレートは圧力導入室用の凹陥部を有し、
ダイアフラムは、厚みが一定の薄板状に形成されたものであって、カバープレートに接合されることにより外周縁部が固定部を形成し、この固定部より内側部分が起歪部を形成し、前記固定部の真空室側の面に固定電極が形成されていることを特徴とする静電容量式圧力センサ。 - 請求項３，４，５または６記載の静電容量式圧力センサにおいて、
ダイアフラム、カバープレートおよび可動プレートを同一材料によってそれぞれ形成し、これらを直接接合によって一体的に接合することによりセンサ素子を構成したことを特徴とする静電容量式圧力センサ。 - 請求項７記載の静電容量式圧力センサにおいて、
ダイアフラム、カバープレートおよび可動プレートがサファイアまたは石英によって形成されていることを特徴とする静電容量式圧力センサ。 - 真空室の一部を構成するダイアフラムを備え、このダイアフラムの起歪部の弾性変形を静電容量変化として検出する静電容量式圧力センサにおけるセンサ素子の製造方法において、
ダイアフラム素材によってダイアフラムを形成する工程と、
プレート素材によって圧力導入孔を有するカバープレートを形成する工程と、
前記工程によって形成されたカバープレートと前記ダイアフラムの外周縁部を一体的に接合して前記ダイアフラムの外周縁部を固定部とし、この固定部より内側部分を起歪部とする工程と、
前記ダイアフラムの固定部で前記カバープレート側とは反対側の面の外周縁部に固定電極を形成する工程と、
可動プレート素材の一方の面で中央部以外の部分をエッチングによって除去することにより電極形成部を形成するとともに、未エッチング部分によりダイアフラムに接合される接続部を形成する工程と、
前記可動プレート素材の前記電極形成部の電極形成面に可動電極を形成し可動プレートを形成する工程と、
前記可動プレートの前記接続部を前記ダイアフラムの起歪部中央に接合する工程とを備えたことを特徴とするセンサ素子の製造方法。 - 真空室の一部を構成するダイアフラムを備え、このダイアフラムの起歪部の弾性変形を静電容量変化として検出する静電容量式圧力センサにおけるセンサ素子の製造方法において、
ダイアフラム素材によって厚みが一定のダイアフラムを形成する工程と、
プレート素材によって圧力導入孔と、圧力導入室用の凹陥部を有するカバープレートを形成する工程と、
前記工程によって形成されたカバープレートと前記ダイアフラムの外周縁部を一体的に接合して前記ダイアフラムの外周縁部を固定部とし、この固定部より内側部分を起歪部とする工程と、
前記ダイアフラムの固定部で前記カバープレート側とは反対側の面の外周縁部に固定電極を形成する工程と、
可動プレート素材の一方の面にダイアフラムの起歪部より大きい環状の分離用溝と、この分離用溝より外側に位置するピン用挿通孔を形成する工程と、
前記可動プレート素材の前記一方の面で前記分離用溝より内側部分をドライエッチングによって環状に除去して電極形成部を形成し、未エッチング部分によりダイアフラムに接合される接続部を形成する工程と、
前記可動プレート素材の前記電極形成部の電極形成面に可動電極を形成する工程と、
前記可動プレート素材の前記接続部と前記分離用溝より外側部分を前記ダイアフラムの起歪部と固定部に接合する工程と、
前記可動プレート素材の前記ダイアフラム側とは反対側の面をドライエッチングによって所定深さ除去して前記分離用溝の閉塞端を開放させることにより、可動プレート素材を前記分離用溝より外側と内側の部分とに分離して基板の保持部と可動プレートを形成する工程と、
を備えたことを特徴とするセンサ素子の製造方法。 - 請求項１０記載の静電容量式圧力センサにおけるセンサ素子の製造方法において、
可動プレート素材が、接合面に環状の第１分離用溝が形成された第１のプレート素材と、この第１のプレート素材と同一材料からなり、第１のプレート素材との接合面に環状の第２分離用溝が形成され、第１のプレート素材に対して直接接合される第２のプレート素材とからなり、
前記第１または第２のプレート素材の接合面に前記第１分離用溝と第２分離用溝を互いに接続する連通溝が形成されていることを特徴とするセンサ素子の製造方法。
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