JP4585426B2

JP4585426B2 - 静電容量型圧力センサ

Info

Publication number: JP4585426B2
Application number: JP2005315586A
Authority: JP
Inventors: 勝也菊入; 清佐藤; 哲也福田; 吉延中村; 弘之小林
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2005-10-31
Filing date: 2005-10-31
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2025-10-31
Also published as: EP1780525A1; DE602006001098D1; US20070095147A1; JP2007121167A; US7382599B2; EP1780525B1

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、可動電極である感圧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、感圧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、感圧ダイヤフラムに圧力が加わると感圧ダイヤフラムが変形し、これにより感圧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感圧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５に示すように、支持基板１上に固定電極３を有するガラス基板２が配置され、そのガラス基板２上にダイヤフラム４ａを有するシリコン基板４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、固定電極３用の引き出し電極５は、ガラス基板２上にパターニングされているため、ガラス基板２とシリコン基板４との間の接合領域に設けられている。
特開平８−７５５８２号公報

しかしながら、このような構造においては、引き出し電極５とダイヤフラム４ａとが近接するため、ダイヤフラム４ａと固定電極３との間の静電容量以外の寄生容量が大きく、静電容量型圧力センサの感度が低下してしまう恐れがある。また、ガラス基板２とシリコン基板４との間の接合領域に引き出し電極５が配置されるので、ダイヤフラム４ａと固定電極３との間のキャビティ内の気密性に劣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、センサ感度を向上すると共に、ダイヤフラムと固定電極との間のキャビティ内の気密性を向上させることができる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、相互に対向する一対の主面を有するガラス基板と、前記ガラス基板を貫通して一方の主面側で露出した固定電極を有すると共に、前記ガラス基板を貫通して前記一方の主面側で露出した突出部を有する第１シリコン基板と、前記ガラス基板の一方の主面上に接合されており、前記第固定電極との間でキャビティを形成するように対向して配置された可動電極を有する第２シリコン基板と、を具備し、前記突出部上に前記固定電極用の引き出し電極が形成され、前記第１シリコン基板は、前記固定電極の外側に前記突出部が位置し、前記固定電極と前記突出部とで構成される溝部内に前記ガラス基板が配置され、前記キャビティを形成するガラス基板の凹部が前記固定電極の外側で前記固定電極よりリセスしていることを特徴とする。

この構成によれば、固定電極と突出部とが一体に形成されている。したがって、固定電極と突出部との間に別部材が介在していない。また、このような構造にすることにより、突出部を感圧ダイヤフラムと離すことができる。これにより、感圧ダイヤフラムと固定電極との間の静電容量以外の寄生容量を極力小さくすることができ、静電容量型圧力センサの感度を向上させることができる。また、ガラス基板と第２シリコン基板との間の接合領域に引き出し電極を形成しなくても良いので、キャビティ内の気密性を向上させることができる。

本発明の静電容量型圧力センサにおいては、前記ガラス基板と前記第１及び第２シリコンとの界面においてＳｉ−Ｓｉ結合又はＳｉ−Ｏ結合を有することが好ましい。この構成によれば、ガラス基板とシリコンとの界面においてＳｉ−Ｓｉ結合又はＳｉ−Ｏ結合を有するので、ガラスとシリコンとが強固に接合されて、両者間の密着性が向上し、キャビティの気密性が向上する。また、本発明の静電容量型圧力センサの製造方法は、第１シリコン基板を準備し、前記第１シリコン基板の一方の主面をエッチングして、固定電極及び突出部を形成する工程と、前記固定電極及び前記突出部を形成した前記第１シリコン基板上にガラス基板を置き、真空下で、前記第１シリコン基板及び前記ガラス基板を加熱し、前記第１シリコン基板を前記ガラス基板に押圧して前記固定電極及び前記突出部を前記ガラス基板の主面に押し込んで前記第１シリコン基板と前記ガラス基板とを接合する工程と、前記ガラス基板の主面側を研磨処理して、前記第１シリコン基板の前記固定電極及び前記突出部を露出させ、前記ガラス基板及び前記固定電極をミリング加工してキャビティ用の凹部を形成する工程と、前記固定電極の外側をミリング加工してリセスを形成する工程と、前記第１シリコン基板の前記突出部上に、前記固定電極用の引き出し電極を形成する工程と、感圧ダイヤフラムが前記固定電極と所定の間隔をおいて位置するようにして所定の厚さに形成した第２シリコン基板を、前記ガラス基板の接合面上に陽極接合処理により接合する工程と、を具備することを特徴とする。

本発明の静電容量型圧力センサによれば、相互に対向する一対の主面を有するガラス基板と、前記ガラス基板を貫通して一方の主面側で露出した固定電極を有すると共に、前記ガラス基板を貫通して前記一方の主面側で露出した突出部を有する第１シリコン基板と、前記ガラス基板の一方の主面上に接合されており、前記固定電極との間でキャビティを形成するように対向して配置された可動電極を有する第２シリコン基板と、を具備するので、センサ感度を向上すると共に、ダイヤフラムと固定電極との間のキャビティ内の気密性を向上させることができる。

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。
図１は、本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面図である。

図中１１はガラス基板を示す。ガラス基板１１は、相互に対向する一対の主面１１ａ，１１ｂを有する。ガラス基板１１の主面１１ｂ側には、第１シリコン基板１２が接合されている。第１シリコン基板１２は、固定電極１２ａと突出部１２ｂを有しており、ガラス基板１１に固定電極１２ａ及び突出部１２ｂが貫通して一方の主面１１ａ側で露出している。

ガラス基板１１ａ側には、後述するキャビティを構成するための凹部１１ｃが形成されている。この凹部１１ｃの深さは、キャビティ内で露出した固定電極１２ａが後述する感圧ダイヤフラムと接触しないような範囲で所定のキャビティ間隔を保持できるように設定する。また、凹部１１ｃの幅は、少なくとも固定電極１２ａの幅よりも大きく設定することが望ましい。

第１シリコン基板１２においては、固定電極１２ａの外側に突出部１２ｂが位置しており、固定電極１２ａと突出部１２ｂとで構成される溝部１２ｃ内にガラス基板１１が配置されている。すなわち、固定電極１２ａと突出部１２ｂとが一体に形成されており、固定電極１２ａと突出部１２ｂとの間に設けられた溝部１２ｃにガラス基板１１が配置されている。また、突出部１２ｂの上面には、固定電極１２ａ用の引き出し電極１３が形成されている。この引き出し電極１３は、ワイヤボンディングなどの接続手段により外部回路と電気的に接続するようになっている。

ガラス基板１１の主面１１ａの接合面（凹部１１ｃ以外の領域）１１ｄ上には、圧力センサの可動電極である感圧ダイヤフラム１４ａを有する第２シリコン基板１４が接合されている。これにより、ガラス基板１１の凹部１１ｃと第２シリコン基板１４との間でキャビティ１５が形成される。これにより、感圧ダイヤフラム１４ａ（可動電極）と固定電極１２ａとの間に静電容量が発生する。

ガラス基板１１と第２シリコン基板１４との間の界面（接合面１１ｄ）は、高い密着性を有することが好ましい。ガラス基板１１に第２シリコン基板１４を接合する場合には、ガラス基板１１の接合面１１ｄ上に第２シリコン基板１４を搭載し、陽極接合処理を施すことにより、両基板１１，１４の密着性を高くすることができる。このようにガラス基板１１と第２シリコン基板１４との界面で高い密着性を発揮することにより、感圧ダイヤフラム１４ａとガラス基板１１の凹部１１ｃとの間で構成するキャビティ１５内の気密性を高く保つことができる。

ガラス基板１１と第２シリコン基板１４との間の界面では共有結合ができている。この共有結合は、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と第１シリコン基板１２との間の界面も陽極接合されていることが好ましい。後述するように、これらの界面は、加熱下において第１シリコン基板１２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、第１シリコン基板１２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、感圧ダイヤフラム１４ａとガラス基板１１を貫通した固定電極１２ａとの間に所定の静電容量を有する。この圧力センサに圧力が加わると、感圧ダイヤフラム１４ａが圧力に応じて可動する。これにより、感圧ダイヤフラム１４ａが変位する。このとき、感圧ダイヤフラム１４ａとガラス基板１１内の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。

この静電容量型圧力センサにおいては、固定電極１２ａと突出部１２ｂとが一体に形成されている、すなわち固定電極１２ａと固定電極用の引き出し電極１３が形成される突出部１２ｂとの間が同一部材である第１シリコン基板１２で繋がっている。したがって、固定電極１２ａと突出部１２ｂ（引き出し電極１３）との間に別部材が介在していない。また、このような構造にすることにより、突出部１２ｂを感圧ダイヤフラム１４ａと離すことができる。これにより、感圧ダイヤフラム１４ａと固定電極１２ａとの間の静電容量以外の寄生容量を極力小さく（約１ｐＦ以下に）することが可能となる。その結果、静電容量型圧力センサの感度を向上させることができる。また、ガラス基板１１と第２シリコン基板１４との間の接合領域に引き出し電極１３が存在しないので、キャビティ１５内の気密性を向上させることができる。

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２（ａ）〜（ｅ）及び図３（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態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。

まず、不純物をドーピングして低抵抗化した第１シリコン基板１２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。そして、図２（ａ）に示すように、この第１シリコン基板１２の一方の主面をエッチングして、固定電極１２ａ及び突出部１２ｂを形成する。この場合、第１シリコン基板１２上にレジスト膜を形成し、固定電極１２ａ及び突出部１２ｂ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をエッチングし、その後残存したレジスト膜を除去する。このようにして固定電極１２ａ及び突出部１２ｂを設ける。このように、一つの部材である第１シリコン基板１２にエッチングなどにより固定電極１２ａ及び突出部１２ｂを形成するので、固定電極１２ａと突出部１２ｂとの間の距離を自由に設定することが可能となり、寄生容量低減などの設計上の自由度を高めることができる。

次いで、固定電極１２ａ及び突出部１２ｂを形成した第１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、この第１シリコン基板１２及びガラス基板１１を加熱し、第１シリコン基板１２をガラス基板１１に押圧して固定電極１２ａ及び突出部１２ｂをガラス基板１１の主面１１ｂに押し込んで、図２（ｂ）に示すように、第１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８００℃である。

さらに、第１シリコン基板１２の固定電極１２ａ及び突出部１２ｂ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、第１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。これにより両者の界面での密着性がより高くなり、静電容量型圧力センサのキャビティ１５の気密性を向上させることができる。

次いで、図２（ｃ）に示すように、ガラス基板１１の主面１１ａ側を研磨処理して、第１シリコン基板１２の固定電極１２ａ及び突出部１２ｂを露出させる。次いで、図２（ｄ）に示すように、ガラス基板１１及び固定電極１２ａを、例えばミリング加工して、キャビティ１５用の凹部１２ｄを形成する。次いで、図２（ｅ）に示すように、固定電極１２ａの外側を、例えばミリング加工して、リセス１２ｅを形成する。このようにリセス１２ｅを形成することにより、キャビティ１５の容積を大きくすることができ、ガラス基板とシリコン基板との間の陽極接合の際に発生するガスを拡散させる領域を広くすることができる。なお、このリセス１２ｅは必要に応じて形成する。

次いで、図３（ａ）に示すように、第１シリコン基板１２の突出部１２ｂ上に、固定電極１２ａ用の引き出し電極１３を形成する。この場合、まず、第１シリコン基板１２の突出部１２ｂ上に電極材料を被着し、その上にレジスト膜を形成し、引き出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（ｂ）に示すように、あらかじめエッチングなどにより数十μｍ程度の所定の厚さに形成した第２シリコン基板１４を、感圧ダイヤフラム１４ａが固定電極１２ａと所定の間隔をおいて位置するようにして、ガラス基板１１の接合面１１ｄ上に接合する。このとき、第２シリコン基板１４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。これにより第２シリコン基板１４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１５の気密性を向上させることができる。

次いで、図３（ｃ）に示すように、第２シリコン基板１４により覆われた引き出し電極１３やダイシングラインなどを露出するために、所定の第２シリコン基板１４を除去する。この場合、第２シリコン基板１４上にレジスト膜を形成し、残存させる第２シリコン基板１４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シリコンをエッチングし、その後残存したレジスト膜を除去する。このようにして静電容量型圧力センサを製造する。なお、必要に応じて、図３（ｄ）に示すように、第１シリコン基板１２を研磨処理することにより静電容量型圧力センサを薄型化しても良い。

このようにして得られた静電容量型圧力センサは、固定電極１２ａが一体である突出部１２ｂを介して引き出し電極１３と電気的に接続され、感圧ダイヤフラム１４ａが引き出し電極（図示せず）と電気的に接続されている。したがって、感圧ダイヤフラム１４ａと固定電極との間で検知された静電容量の変化の信号は、両引き出し電極から取得することができる。この信号に基づいて測定圧力を算出することができる。

本実施の形態に係る静電容量型圧力センサによれば、固定電極１２ａと固定電極用の引き出し電極１３が形成される突出部１２ｂとの間が同一部材である第１シリコン基板１２で繋がっており、突出部１２ｂを感圧ダイヤフラム１４ａと離して設けているので、感圧ダイヤフラム１４ａと固定電極１２ａとの間の静電容量以外の寄生容量を極力小さくすることができ、これにより静電容量型圧力センサの感度が向上する。また、ガラス基板１１と第２シリコン基板１４との間の接合領域に引き出し電極１３が存在しないので、キャビティ１５内の気密性が向上する。

本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態においては、ガラス基板１１の主面１１ａ側にキャビティ１５用の凹部１１ｃを設ける場合について説明しているが、本発明はこれに限定されず、図４に示すように、シリコン基板１６側にキャビティ１７用の凹部を設けても良い。このような構成において、固定電極１２ａ及び突出部１２ｂを第１シリコン基板１２に設けることにより、上記実施の形態と同様の効果を発揮することができる。図４に示す構成の静電容量型圧力センサを製造する場合には、シリコン基板１６の両面を上述したような方法でエッチングして感圧ダイヤフラム１６ａ及び厚肉部１６ｂを形成し、一方、図２（ｃ）に示す構造体のガラス基板１１上にシリコン基板１６を上述したように接合する。

上記実施の形態で説明した数値や材質については特に制限はない。また、上記実施の形態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。

本発明は、例えば大気圧をモニタリングする気圧計やガス圧をモニタリングする静電容量型圧力センサに適用することができる。

本発明の実施の形態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）〜（ｅ）は、本発明の実施の形態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）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態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に係る静電容量型圧力センサの他の例を示す断面図である。従来の静電容量型圧力センサを示す断面図である。

符号の説明

１１ガラス基板
１１ａ，１１ｂ主面
１１ｃ凹部
１１ｄ接合面
１２，１４，１６シリコン基板
１２ａ固定電極
１２ｂ突出部
１２ｃ溝部
１３引き出し電極
１４ａ，１６ａ感圧ダイヤフラム
１６ｂ厚肉部
１５，１７キャビティ

Claims

相互に対向する一対の主面を有するガラス基板と、前記ガラス基板を貫通して一方の主面側で露出した固定電極を有すると共に、前記ガラス基板を貫通して前記一方の主面側で露出した突出部を有する第１シリコン基板と、前記ガラス基板の一方の主面上に接合されており、前記第固定電極との間でキャビティを形成するように対向して配置された可動電極を有する第２シリコン基板と、を具備し、前記突出部上に前記固定電極用の引き出し電極が形成され、前記第１シリコン基板は、前記固定電極の外側に前記突出部が位置し、前記固定電極と前記突出部とで構成される溝部内に前記ガラス基板が配置され、前記キャビティを形成するガラス基板の凹部が前記固定電極の外側で前記固定電極よりリセスしていることを特徴とする静電容量型圧力センサ。
前記ガラス基板と前記第１及び第２シリコンとの界面においてＳｉ−Ｓｉ結合又はＳｉ−Ｏ結合を有することを特徴とする請求項１に記載の静電容量型圧力センサ。
第１シリコン基板を準備し、前記第１シリコン基板の一方の主面をエッチングして、固定電極及び突出部を形成する工程と、前記固定電極及び前記突出部を形成した前記第１シリコン基板上にガラス基板を置き、真空下で、前記第１シリコン基板及び前記ガラス基板を加熱し、前記第１シリコン基板を前記ガラス基板に押圧して前記固定電極及び前記突出部を前記ガラス基板の主面に押し込んで前記第１シリコン基板と前記ガラス基板とを接合する工程と、前記ガラス基板の主面側を研磨処理して、前記第１シリコン基板の前記固定電極及び前記突出部を露出させ、前記ガラス基板及び前記固定電極をミリング加工してキャビティ用の凹部を形成する工程と、前記固定電極の外側をミリング加工してリセスを形成する工程と、前記第１シリコン基板の前記突出部上に、前記固定電極用の引き出し電極を形成する工程と、感圧ダイヤフラムが前記固定電極と所定の間隔をおいて位置するようにして所定の厚さに形成した第２シリコン基板を、前記ガラス基板の接合面上に陽極接合処理により接合する工程と、を具備することを特徴とする静電容量型圧力センサの製造方法。