JP4820590B2 - Capacitive pressure sensor element - Google Patents
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Description
本発明は、対になる電極の間の静電容量の変化を計測して圧力の変化を検知する静電容量型圧力センサ素子に関する。 The present invention relates to a capacitance-type pressure sensor element that detects a change in pressure by measuring a change in capacitance between a pair of electrodes.
従来の静電容量型の圧力センサにおいては、ダイヤフラムに区画された気密室に微細間隔をあけて対向配置した対になる電極に配線を接続形成し、両方の電極から信号線を取り出す構造とする必要があることから、ガラスとシリコン基板を個々に加工し、それらに電極形成や配線を施したものを陽極接合して一体化し、センサ素子が構成されていた。
この種の静電容量式の圧力センサにおいて、シリコン基板と、シリコン基板に陽極接合され、シリコン基板との間に形成された気密室に連通する貫通孔が設けられているガラス基板とからなり、前記ガラス基板の内面に陽極接合により固定され、前記貫通孔の内端開口を気密状態で閉止するシリコン電極板と、前記貫通孔に配置され、シリコン電極板からの信号を外部に導く導電体とを備えた構成の圧力センサが知られている。(特許文献1参照)
In a conventional capacitance type pressure sensor, wiring is formed by connecting wires to a pair of electrodes that are opposed to each other with a fine space in an airtight chamber partitioned by a diaphragm, and a signal line is taken out from both electrodes. Since it is necessary, the sensor element is constituted by processing glass and a silicon substrate individually, and anodic bonding and integrating them with electrode formation and wiring.
In this type of capacitance-type pressure sensor, a silicon substrate and a glass substrate that is anodically bonded to the silicon substrate and provided with a through hole that communicates with an airtight chamber formed between the silicon substrate, A silicon electrode plate fixed to the inner surface of the glass substrate by anodic bonding and closing the inner end opening of the through-hole in an airtight state; a conductor disposed in the through-hole and guiding a signal from the silicon electrode plate to the outside; There is known a pressure sensor having a configuration including: (See Patent Document 1)
また、他の構成の圧力センサの一例として、電気絶縁性材料からなるダイアフラムと固定基板の上に所定の電極パターンを形成する工程と、前記ダイアフラムと前記固定基板とを一定間隔に保持し接着する接着層を前記ダイアフラムと前記固定基板の電極の周縁部に形成する工程と、前記ダイアフラムと前記固定基板を前記接着層を介して張り合わせて荷重をかけた儘焼成し前記ダイアフラムと前記固定基板とを一定間隔に保持し接着する工程と、荷重を除いた状態で高温処理して接着層を焼成し、その後、徐冷して前記接着層内の内部応力を取り除く工程により製造される静電容量式圧力センサ並びにその製造法が知られている。(特許文献2参照)
前記シリコン基板にガラス基板を陽極接合して製造するタイプの静電容量型の圧力センサでは、陽極接合を行うために、基板としてNa入りのパイレックス(登録商標)ガラスを必須として用いる必要があるが、パイレックス(登録商標)ガラスは高価であり、必然的に圧力センサの製造コストが高くなるので、圧力センサをコスト安に製造できない要因となっていた。
また、パイレックス(登録商標)ガラスを用いた陽極接合を行う場合、ガラス基板とSi基板の双方に高い電圧を印加して接合する必要があるので、ギャップをあけて配置した電極間あるいは配線の弱い部分にスパークが生じたり、陽極接合時に腐食性のガスが発生するなどの問題があり、容量が不安定な製品が製造されてしまうおそれが高く、製品歩留まりを向上させることが難しい問題があった。
In a capacitance type pressure sensor manufactured by anodically bonding a glass substrate to the silicon substrate, it is necessary to use Pyrex (registered trademark) glass containing Na as an essential substrate for anodic bonding. Since Pyrex (registered trademark) glass is expensive and inevitably increases the manufacturing cost of the pressure sensor, the pressure sensor cannot be manufactured at a low cost.
In addition, when performing anodic bonding using Pyrex (registered trademark) glass, it is necessary to apply a high voltage to both the glass substrate and the Si substrate to bond them, so that the electrodes or wirings arranged with a gap are weak. There is a problem that sparks occur in the part or corrosive gas is generated during anodic bonding, and there is a high risk that a product with unstable capacity will be produced, and it is difficult to improve the product yield. .
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、高価なパイレックス(登録商標)ガラスなどのガラス基板を用いることなく、安価に得ることができるとともに、歩留まり向上が難しい陽極接合という手法を用いることなく安価に製造可能な静電容量型圧力センサを得ることができる技術に関する。
また、本発明は、陽極接合が必要であった従来構造を根本的に見直し、陽極接合を行わなくともダイヤフラム層を電極と対向配置することができる従来では知られていない新規な構造の静電容量型圧力センサ素子を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and can be obtained at low cost without using an expensive glass substrate such as Pyrex (registered trademark) glass, and without using a technique of anodic bonding in which yield improvement is difficult. The present invention relates to a technology capable of obtaining a capacitive pressure sensor that can be manufactured at low cost.
In addition, the present invention fundamentally reviewed the conventional structure that required anodic bonding, and was able to dispose the diaphragm layer opposite to the electrode without performing anodic bonding. An object of the present invention is to provide a capacitive pressure sensor element.
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、少なくとも表面部が絶縁性にされた基板と、前記絶縁性の表面部に平面視的に離間して個々に形成された引出電極部及び下部電極部と、前記下部電極部の少なくとも一部に形成された絶縁部と、前記引出電極部の少なくとも一部上と前記下部電極部の絶縁部上と前記絶縁性の表面部上に少なくとも位置するように立体状に形成され、前記引出電極部に電気的に接続された導電性材料からなるスペーサ部材と、前記スペーサ部材の上において前記基板の絶縁性の表面部及び前記下部電極部と所定のギャップを介して設けられたダイヤフラム層とが具備されてなり、前記ダイヤフラム層自体が導電材料から構成されるか、あるいは、前記ダイヤフラム層に電極層が形成されて前記下部電極部と対向する上部電極部が形成されてなり、前記ダイヤフラム層が前記スペーサ部材の外側にも延出形成されて前記スペーサ部材の外側部分が前記ダイヤフラム層の延出部によって覆われるとともに、前記引出電極部の端子電極部に対応する前記ダイヤフラム層の延出部に端子接続用の透孔が形成され、前記下部電極部の端子電極部に対応する前記ダイヤフラム層の延出部に端子接続用の透孔が形成されてなることを特徴とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and at least a substrate having a surface portion made insulating, and an extraction electrode portion and a lower electrode formed separately from the insulating surface portion in a plan view. And at least part of the lower electrode part, at least part of the extraction electrode part, on the insulation part of the lower electrode part, and on the insulating surface part A spacer member made of a conductive material formed in a three-dimensional shape and electrically connected to the extraction electrode portion, and a predetermined gap between the insulating surface portion of the substrate and the lower electrode portion on the spacer member The diaphragm layer itself is made of a conductive material, or an electrode layer is formed on the diaphragm layer so as to face the lower electrode portion. A partial electrode portion is formed, the diaphragm layer is also formed to extend outside the spacer member, and the outer portion of the spacer member is covered by the extending portion of the diaphragm layer, and the terminal of the extraction electrode portion A through hole for terminal connection is formed in the extending part of the diaphragm layer corresponding to the electrode part, and a through hole for terminal connection is formed in the extending part of the diaphragm layer corresponding to the terminal electrode part of the lower electrode part It is characterized by being made.
本発明の静電容量型圧力センサ素子において、スペーサ部材上に設けられたダイヤフラム層が圧力を受けて変形すると、ダイヤフラム層自体あるいはその下面の上部電極と、それに対向する下部電極部との間の電極間隔が変化するので静電容量が変化する。この静電容量の変化を検知することにより圧力を検知できる。また、下部電極部の絶縁部上にスペーサ部材を配置しても下部電極部とスペーサ部材は導通することがなく、スペーサ部材は引出電極部とのみ電気的に接合されるので、引出電極部とスペーサ部材とダイヤフラム層が電気的に接続され、1つの導通路を構成する。一方、前記下部電極部は前記ダイヤフラム層と対向する対になる電極を構成するので、対になる電極が対向配置された構成の静電容量型圧力センサ素子が構成される。
前記ダイヤフラム層の延出部でスペーサ部材の周囲側を覆うことで、スペーサ部材の周囲の電極や配線を物理的に保護することができる。また、ダイヤフラム層の延出部に端子接続用の透孔を設けておけば、これらの透孔を介してダイヤフラム層側と下部電極側の双方の電極に外部制御装置接続用の配線を施すことが容易になし得る。
In the capacitive pressure sensor element of the present invention, when the diaphragm layer provided on the spacer member is deformed by receiving pressure, the diaphragm layer itself or an upper electrode on the lower surface thereof and a lower electrode portion opposed thereto are disposed. Since the electrode interval changes, the capacitance changes. The pressure can be detected by detecting the change in capacitance. Further, even if the spacer member is disposed on the insulating portion of the lower electrode portion, the lower electrode portion and the spacer member do not conduct, and the spacer member is electrically joined only with the extraction electrode portion. The spacer member and the diaphragm layer are electrically connected to form one conduction path. On the other hand, since the lower electrode portion constitutes a pair of electrodes facing the diaphragm layer, a capacitive pressure sensor element having a configuration in which the pair of electrodes are disposed to face each other is formed.
By covering the peripheral side of the spacer member with the extended portion of the diaphragm layer, the electrodes and wirings around the spacer member can be physically protected. In addition, if a through hole for connecting a terminal is provided in the extended part of the diaphragm layer, wiring for connecting an external control device is applied to both electrodes on the diaphragm layer side and the lower electrode side through these through holes. Can be easily done.
本発明は、前記ダイヤフラム層がSi基板からなり、前記スペーサ部材がSiと共晶結合可能な金属材料からなることを特徴とする。
Si基板をスペーサ部材に接触させながら加熱することでスペーサ部材とSi基板とが接触界面で共晶結合を起こして結合する。これにより、従来のSi基板とパイレックス(登録商標)ガラスとの組み合わせにより必須であった陽極接合を行うことなく、ダイヤフラム層の形成が可能となるので、配線や電極部に高い電圧を印加することなく熱によるダイヤフラム層とスペーサ部材との共晶接合が可能となり、配線や電極部に損傷やダメージを与えることなくスペーサ部材とダイヤフラム層の接合ができ、製造時の歩留まりが向上し、静電容量型圧力センサ素子として容量変化にばらつきの少ない高品質の製品を提供できる。
また、ダイヤフラム層はSi基板から構成することができるとともに、表面部絶縁性の基板はパイレックス(登録商標)ガラス基板を用いる必要が無くなり、絶縁層を有する他の一般的な絶縁基板を用いれば良いので、基板を低コスト化することが可能となり、容量型圧力センサ素子自体の低コスト化をなし得る。
なお、仮にスペーサ部材にAuを含有させるならば、AuSi共晶結合によるダイヤフラム層とスペーサ部材との確実な接合が可能となる。
The present invention is characterized in that the diaphragm layer is made of a Si substrate, and the spacer member is made of a metal material capable of eutectic bonding with Si.
By heating the Si substrate while being in contact with the spacer member, the spacer member and the Si substrate are bonded by causing eutectic bonding at the contact interface. This makes it possible to form a diaphragm layer without performing anodic bonding, which was essential by the combination of a conventional Si substrate and Pyrex (registered trademark) glass, so a high voltage must be applied to the wiring and electrode portions. The eutectic bonding between the diaphragm layer and the spacer member can be performed without heat, and the spacer member and the diaphragm layer can be bonded without damaging or damaging the wiring and electrode parts, which improves the manufacturing yield and increases the capacitance. As a pressure sensor element, it is possible to provide a high-quality product with little variation in capacitance change.
Further, the diaphragm layer can be composed of a Si substrate, and the surface insulating substrate need not be a Pyrex (registered trademark) glass substrate, and another general insulating substrate having an insulating layer may be used. Therefore, the cost of the substrate can be reduced, and the cost of the capacitive pressure sensor element itself can be reduced.
If Au is contained in the spacer member, the diaphragm layer and the spacer member can be reliably bonded by AuSi eutectic bonding.
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、前記スペーサ部材が前記引出電極部の少なくとも一部上と前記下部電極部の絶縁部上と前記絶縁性の表面部上を少なくとも通過するように環状に形成されてなることを特徴とする。
スペーサ部材が環状に形成されることでダイヤフラム層を支持する部分が環状となり、圧力の変化に伴うダイヤフラム層の変形追従性が良好となるので、圧力検知性能が向上する。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and the spacer member is annular so as to pass at least over at least a part of the extraction electrode part, the insulating part of the lower electrode part, and the insulating surface part. It is formed in these.
Since the spacer member is formed in an annular shape, the portion that supports the diaphragm layer becomes an annular shape, and the deformation followability of the diaphragm layer accompanying a change in pressure is improved, so that the pressure detection performance is improved.
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、前記引出電極部と前記下部電極部とがいずれも前記絶縁性の表面部に埋め込み形成され、前記絶縁部が前記下部電極部に埋め込み形成されるとともに、前記表面部上面と前記引出電極部上面と前記下部電極部上面と前記絶縁部上面とが面一に形成されてなることを特徴とする。
引出電極部の上面と下部電極部の上面並びに絶縁部の上面がいずれも面一になることでそれらの上に形成されるスペーサ部材の上面高さを一定にすることができる。これにより、スペーサ部材上にダイヤフラム層を設ける場合にダイヤフラム層とスペーサ部材とが隙間無く密着でき、良好な接合性が得られやすい。特にダイヤフラム層と環状のスペーサ部材と基板の表面部とにより気密構造とする場合に、これらに囲まれた部分の気密性を容易に確保できる。
また、ダイヤフラム層がSi基板からなり、前記スペーサ部材がSiと共晶結合可能な金属材料からなる場合において、Siとの共晶結合が隙間無く良好になされる。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and both the extraction electrode portion and the lower electrode portion are embedded in the insulating surface portion, and the insulating portion is embedded in the lower electrode portion. In addition, the upper surface of the surface portion, the upper surface of the extraction electrode portion, the upper surface of the lower electrode portion, and the upper surface of the insulating portion are formed to be flush with each other.
Since the upper surface of the extraction electrode portion, the upper surface of the lower electrode portion, and the upper surface of the insulating portion are all flush with each other, the height of the upper surface of the spacer member formed thereon can be made constant. As a result, when the diaphragm layer is provided on the spacer member, the diaphragm layer and the spacer member can be in close contact with each other without any gap, and good bondability can be easily obtained. In particular, when an airtight structure is formed by the diaphragm layer, the annular spacer member, and the surface portion of the substrate, the airtightness of the portion surrounded by these can be easily ensured.
Further, when the diaphragm layer is made of a Si substrate and the spacer member is made of a metal material capable of eutectic bonding with Si, the eutectic bonding with Si is satisfactorily performed without any gap.
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、前記引出電極部の一部が前記表面部に沿って前記ダイヤフラム層の平面視外側に延出されて一方の端子電極部とされ、前記下部電極部が前記表面部に沿って前記ダイヤフラム層の外側に延出されて他方の端子電極部とされてなることを特徴とする。
ダイヤフラム層の外側に引出電極部の一部と下部電極部の一部を配置することにより、引出電極部の一部と下部電極部の一部に対するワイヤボンディング作業等の配線接続性が良好となり、外部の駆動制御装置などとの配線接続性が良好となる。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and a part of the extraction electrode portion is extended to the outside in a plan view of the diaphragm layer along the surface portion to form one terminal electrode portion, and the lower electrode The portion is extended to the outside of the diaphragm layer along the surface portion to form the other terminal electrode portion.
By arranging a part of the extraction electrode part and a part of the lower electrode part outside the diaphragm layer, wiring connectivity such as wire bonding work to a part of the extraction electrode part and a part of the lower electrode part becomes good. Wiring connectivity with an external drive control device is improved.
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、前記基板が酸化アルミニウムからなる基体上にグレーズドアルミナからなる表面部が形成された複合基板から構成されたことを特徴とする。
このグレーズドアルミナの表面部を有する複合基板は安価に入手可能でパイレックス(登録商標)ガラスよりも遙かに安価なので、静電容量型圧力センサ素子を製造するための主要材料費が低下し、低コスト化を確実になし得る。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and is characterized in that the substrate is composed of a composite substrate in which a surface portion made of glazed alumina is formed on a base made of aluminum oxide.
Since the composite substrate having the surface portion of the glazed alumina is available at a low cost and much cheaper than the Pyrex (registered trademark) glass, the main material cost for manufacturing the capacitive pressure sensor element is reduced, and is low. Cost can be surely achieved.
本発明によれば、陽極接合技術を用いなくともスペーサ部材に接合支持されたダイヤフラム層構造の製造が可能となり、静電容量型圧力センサ素子として信頼性の高い高品質の製品を高い歩留まりで製造することが可能となる構造を提供できる。 According to the present invention, it is possible to manufacture a diaphragm layer structure bonded to and supported by a spacer member without using an anodic bonding technique, and to manufacture a highly reliable product with high yield as a capacitive pressure sensor element. The structure which becomes possible can be provided.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明するが、本発明は以下に説明する実施形態に限定されるものではない。また、以下の実施形態を説明する図面においては各構成部分の縮尺について図面に表記することが容易となるように構成部分毎に縮尺を変えて記載している。
図1は、本実施の形態に係る静電容量型圧力センサ素子の一例を示す断面図、図2は同静電容量型圧力センサ素子を製造する方法の一例を説明するための断面図、図3は同静電容量型圧力センサ素子を製造する方法の一例を説明するための平面図である。
この形態の静電容量型圧力センサ素子1は、上面にガラス質の絶縁性の表面部2を備えた基板3と、前記表面部2に平面視的に離間して配置された引出電極部5及び下部電極部6と、下部電極部6に部分的に埋め込み形成された絶縁部7と、前記引出電極部5と前記下部電極部6との上を通過するように円環状に表面部2上に形成された導電材料製のスペーサ部材8と、このスペーサ部材8上に形成された円盤状のSi基板からなるダイヤフラム層9とから大略構成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described below. Further, in the drawings for explaining the following embodiments, the scales of the respective constituent parts are described by changing the scale for each constituent part so as to be easily described in the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a capacitive pressure sensor element according to the present embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining an example of a method for manufacturing the capacitive pressure sensor element. FIG. 3 is a plan view for explaining an example of a method for manufacturing the same capacitive pressure sensor element.
The capacitive pressure sensor element 1 of this embodiment includes a
前記基板3は表面にガラス質の絶縁性の表面部2を備えた平面視矩形状のグレーズドアルミナ(Al2O3)基板などからなり、例えばこの形態の静電容量型圧力センサ素子の大きさは縦横、2×2mm程度の大きさに形成されている。
前記引出電極部5は短冊状に形成されて図1に示す基板3の左側の表面部2に埋め込むように形成され、引出電極部5の上面5Aは表面部2の上面2Aと面一になるように形成されている。前記下部電極部6は図1に示す表面部2の平面視中央部に表面部2に埋め込むように形成された円形の下部電極本体部6aと、該下部電極本体部6aの右端部側に平面視外方側に向いて表面部2に埋め込まれる形で延出形成された短冊状の下部電極引出端子部6bとから構成される平面視外形鍵穴型に形成されている。
The
The
前記下部電極部6はこの形態では、表面部2に埋め込まれる形で形成されるとともに、その上面6Aは表面部2の上面2Aと面一に形成されている。これら説明の形状に形成された引出電極部5と下部電極部6は数1000Å程度、例えば2000Å程度の厚さに形成されている。
更に、これらの電極部5、6を構成する材料は、Ti層/Ta層/Au層/Ta層の積層構造を一例として、その他の積層構造例として、Ti層/Ta層/Au層、Ta層/Au層/Ta層、Ta層/Au層、Cr層/Au層/Ta層、Cr層/Au層、Cr層/Ta層/Au層/Ta層、Cr層/Ta層/Au層などを例示できるが、これらに限るものではない。
In this embodiment, the
Further, the materials constituting these
一方、前記下部電極引出端子部6bの形成部分に埋め込まれる形であって、平面視短冊状の下部電極引出端子部6bの幅方向両端側にはみ出して表面部2まで若干広がるように平面視矩形状の絶縁部7が形成されている。この絶縁部7は、SiO2、Al2O3、あるいはSiNxなどの絶縁材料からなり、前記下部電極部6よりも薄く形成され、下部電極引出端子部6bに埋め込むように形成されているので、例えば1000Å程度の厚さに形成される。また、絶縁部7はその上面7Aを下部電極引出端子部6bの上面6Aおよび表面部2の上面2Aと面一にして下部電極引出端子部6b及び表面部2に埋め込み形成されている。
On the other hand, it is embedded in the formation part of the lower electrode lead-out
次に、表面部2の上面側には、平面視円環状(ドーナツ状)とされたスペーサ部材8がその一部で前記引出電極部5上を通過するとともにその他の一部で前記絶縁部7上を通過するように形成されている。
このスペーサ部材8は、AuあるいはAu合金、あるいはAuと他の導電材料層との積層体、例えば、Ti層/Au層の2層構造あるいはCr層/Au層の2層構造とされた導電材料からなり、スパッタ法あるいはメッキ法などから0.7〜2.0μm程度の厚さに形成されていて、このスペーサ部材8の厚さ(高さ)が後述の上下電極間のギャップを構成する。このスペーサ部材8をTi層/Au層の2層構造あるいはCr層/Au層の2層構造とする場合、例えば下層側を0.2μm程度、上層側を0.5〜2.0μm程度とすることができる。
前記スペーサ部材8の上には円板状のSi基板からなるダイヤフラム層9がスペーサ部材8によって外周部を支持された形で表面部2の上面2Aと平行に支持され、このダイヤフラム層9が上部電極部を兼ねる構成とされ、このダイヤフラム層9と前記下部電極部6との間の間隙が上下電極間のギャップとされ、ダイヤフラム層9が受ける圧力によりダイヤフラム層9が変形され、下部電極部6とのギャップが変化することで静電容量が変化するように構成されている。
Next, on the upper surface side of the
The
A
前記ダイヤフラム層9は40〜80μm程度の厚さのSi基板から構成され、後述するAuとSiの加圧加熱状態(例えば400℃程度の高温に真空加熱し20kg/cm2程度の加圧力で押し付けることにより生成するAuSi共晶による接合)において生成されたAuSi共晶による接合方法によって接合一体化されている。
なお、この第1実施形態ではSi基板からなるダイヤフラム層9を用いたのでダイヤフラム層9自身が導電性を有し、ダイヤフラム層9が上部電極部を兼ねるので別途上部電極部を必要としないが、Si基板に変えて他の材料からなる絶縁性の基板からなるダイヤフラム層を仮に適用した場合は、ダイヤフラム層の下面側に別途導電材料製の上部電極部を形成し、スペーサ部材8に導通するように構成すれば良い。
The
In the first embodiment, since the
前記引出電極部5においてスペーサ部材8とダイヤフラム層9の外側に向いて延出された部分には、ワイヤボンディング接続用のための一方の引出電極部10が形成され、前記下部電極引出端子部6bにおいてスペーサ部材8とダイヤフラム層9の外側に向いて延出された部分にはワイヤボンディング接続用の他方の引出電極部11が形成されている。
これらの引出電極部10、11は好ましくは先のスペーサ部材8を形成する際に同一材料で同時形成しておくことが好ましいが、前記スペーサ部材8とは別の導電材料で別個に形成しても良い。
A portion of the
These
上記構成の静電容量型圧力センサ素子1を製造するには、基板3の表面部2上に埋め込み型の引出電極部5と下部電極部6とを形成し、絶縁部7を形成した後、それらの上に橋渡しする形でスペーサ部材8を形成し、その後、図2に示す如く厚さ40〜80μm程度のSi基板9Aを被せて加圧し、20kg/mm2程度以上の圧力を印加しながら400℃程度の高温に加熱すると、Si基板9Aにおいてスペーサ部材8の上面に押し付けられている部分の界面でAuSi共晶結合が生じ、スペーサ部材8上にダイヤフラム層9を強固に接合できる。
このようにしてダイヤフラム層9をスペーサ部材8に接合したならば、センサ素子としての必要部分のみを残してその他の部分を切断砥石などを用いたダイシング作業により、例えば図2のE1、E2などで示す切断線に沿って切断し除去することにより、図1に示す断面構造の静電容量型圧力センサ素子1を得ることができる。
In order to manufacture the capacitive pressure sensor element 1 having the above-described configuration, the embedded
If the
以上説明の如くAuSi共晶接合を利用してスペーサ部材8とSi基板9Aを接合してダイヤフラム層9を形成することで、従来構造においては必要であった陽極接合を行うことなく、高い電圧を印加することなくダイヤフラム層9をスペーサ部材8に接合でき、配線ショートが発生する危険性の高い陽極接合を行うことなく静電容量型圧力センサ素子1を製造できるので、歩留まり向上を図ることができ、容量変動が少なく、信頼性の高い高性能の静電容量型圧力センサ素子1を得ることができる。
As described above, by using AuSi eutectic bonding, the
次に、前記構造の静電容量型圧力センサ素子1を製造する場合に表面部2に対して引出電極部5と下部電極部6とを埋め込み型で形成する場合の各電極部の製造方法の一例について説明する。
絶縁性の表面部2を備えた基板3を用いて本発明の静電容量型圧力センサ素子1を製造する場合、以下に説明するリフトオフレジストを用いた方法により、図4から図7に示す如く引出電極部5と下部電極部6とを埋め込み型で表面部2内に形成することができる。
図4に示す如く表面部2の上面側領域であって、目的とする引出電極部5あるいは下部電極部6を形成しようとする領域20をその周囲側から囲むように表面部2上にリフトオフレジスト層21、21を形成する。
このリフトオフレジスト層21は孔部22を有しており、この孔部22の下方側に位置する表面部2内に、目的とする形状の引出電極部5あるいは下部電極部6を形成する。
目的のリフトオフレジスト層21を形成するには表面部2の上面全部に一旦リフトオフレジスト層を全面形成した後、必要部分に露光し現像する処理を行って孔部22を形成すれば良い。
Next, in manufacturing the capacitance type pressure sensor element 1 having the above-described structure, a method of manufacturing each electrode part in the case where the
When the capacitance type pressure sensor element 1 of the present invention is manufactured using the
As shown in FIG. 4, a lift-off resist is formed on the upper surface side of the
The lift-off resist
In order to form the target lift-off resist
孔部22を有するリフトオフレジスト層21、21を形成したならば、図5に示す如くリフトオフレジスト層21をマスクとしてイオンミリング処理あるいはプラズマエッチング処理あるいはウエットエッチング処理によりリフトオフレジスト層21により囲まれていない領域の表面部2に穴部23を形成する。
次いで表面部2の上面とリフトオフレジスト層21、21の上面にスパッタ法あるいはイオンビーム成膜法などの成膜法により電極層を成膜する。この成膜処理により、図6に示す如くリフトオフレジスト層21、21の上面に電極層25を形成できると同時に表面部2の穴部23にもこれを埋めるように電極層26を成膜できる。この成膜を行う場合の膜厚は穴部23を埋めることができる程度とすることが好ましい。
If lift-off resist
Next, an electrode layer is formed on the upper surface of the
次に表面部2と電極層25、26には影響ないが、基板3の表面部2からリフトオフレジスト層21を剥離することが可能な薬液を用いてこの薬液に全体を浸漬することでリフトオフレジスト層21を表面部2から分離してリフトオフすることにより、図7に示す如く絶縁性の表面部2の上面に形成した穴部23に電極層26を埋め込み形成した構造を得ることができる。なお、図4〜図7においては説明を簡略化するために穴部23の形状を単純化して示したが、穴部23の形状は目的の引出電極部5あるいは下部電極部6に合致する形状とする。
Next, the
以上説明したリフトオフレジストを用いた製造方法を適用することで表面部2に引出電極部5あるいは下部電極部6を埋め込み形成することができる。しかも、上述の方法によれば、電極層26を穴部23に形成する場合の成膜厚さを調整することで、穴部23を電極層26でに均一にほぼ完全に埋め込むことができ、電極層26の上面を表面部2の上面とほぼ面一に形成できる。従って、図1、図2に示す如く絶縁性の表面部2に対して埋め込み形成したタイプの引出電極部5と下部電極部6であって、引出電極部5の上面5Aと下部電極部6の上面6Aを表面部2の上面2Aにほぼ面一に形成することができる。
なお、引出電極部5の上面5Aと下部電極部6の上面6Aを表面部2の上面2Aに対してほぼ面一に形成しておくことにより、その後の工程でそれらの上に形成されるスペーサ部材8の上面をほぼ面一に形成できるので、その場合の方がSi基板9Aを均一にスペーサ部材8の上面に押し付けて均一接合することが可能となり、AuSi共晶を利用した接合時に均一な接合性を得られる面で好ましい。
また、上述の構造においてグレーズドアルミナ基板を用いる場合、従来構造のパイレックス(登録商標)ガラス基板に比べて一般的な市販単価として1/5〜1/10程度で入手できるので、その分において従来構造よりも安価に製造できる。
By applying the manufacturing method using the lift-off resist described above, the
In addition, by forming the
In addition, when a glazed alumina substrate is used in the above-described structure, it can be obtained at about 1/5 to 1/10 as a general commercial unit price compared to a Pyrex (registered trademark) glass substrate having a conventional structure. Can be manufactured at a lower cost.
図8と図9は本発明に係る静電容量型圧力センサ素子の第2実施形態を説明するためのもので、図8は断面図、図9は製造過程におけるSi基板接合前の断面図である。
この第2実施形態の静電容量型圧力センサ素子30は、ダイヤフラム層9の外側にダイヤフラム層9を延出形成した延出部9cが形成され、スペーサ部材8の周囲側が前記延出部9cで覆われ、基板3の周囲側の表面部2の上に形成した接合補助部32に対しても前記延出部9aが接合されるとともに、延出部9cに形成された透孔9a、9bが引出電極部10、11の上方に位置されており、引出電極部10、11が延出部9cの外部側から透孔9a、9bを介して見えるように構成されている。
8 and 9 are diagrams for explaining a second embodiment of the capacitive pressure sensor element according to the present invention. FIG. 8 is a sectional view, and FIG. 9 is a sectional view before the Si substrate is joined in the manufacturing process. is there.
In the capacitance type
前記構成の静電容量型圧力センサ素子30にあっては、スペーサ部材8を形成する場合の成膜処理と同時に引出電極部10、11を同一膜で形成し、更にそれらの周囲に同一膜で接合補助部32も形成しておき、図9に示す如くSi基板9Aを被せてAuSi結合を行う際に、スペーサ部材8とダイヤフラム層9との接合と同時に、Si基板9の延出部9cを接合補助部32にAuSi共晶結合することができ、これらによってSi基板9Aを基板3の表面部2側に、より高い接合性でもって一体化した構造とされている。
この第2実施形態の静電容量型圧力センサ素子30において、その他の構成は先の第1実施形態の静電容量型圧力センサ素子1と同等であるので、以下、同等の部分の説明は省略する。
In the capacitive
In the capacitance type
この第2実施形態の構造において、Si基板9Aを基板3の表面部2側に先の第1実施形態の場合と同様に接合したならば、図9に示す切断線E3、E4に沿ってダイシングなどの方法により不要部分を削除する。これにより、図8に示す目的の構造の静電容量型圧力センサ素子30を得ることができる。
この第2実施形態の構造においては、ダイヤフラム層9の外側の延出部9cに配線接続用の透孔9a、9bを形成しているので、センサ素子用の外部制御機器などへの配線接続時、例えばワイヤボンディング時などに延出部9cが邪魔にならないので、配線作業に支障を来すことは無い。
また、Si基板9AをAuSi共晶結合する場合にスペーサ部材8の上面に加えて接合補助部32の上面も利用できるので、より強固な接合構造とすることができる。
更に、この第2実施形態の静電容量型圧力センサ素子30にあっては、その上面を1枚もののSi基板9Aで覆って保護した構造なので表面が滑らかで、かつ、取り扱いも容易な特徴を有する。
In the structure of the second embodiment, if the
In the structure of the second embodiment, since the through
Further, when the
Furthermore, the capacitance type
ところで、先の第1実施形態と第2実施形態の静電容量型圧力センサ素子1,30においては、Si基板9Aとして厚さが均一なものを用いてダイヤフラム層9を形成したが、Si基板としてダイヤフラム層とする部分のみエッチングして薄型化したものを用い、ダイヤフラム層形成部分以外の部分はそれよりも厚く形成して基板強度を向上させたSi基板を用いても良い。
また、本発明で使用する基板は少なくとも絶縁性の表面部を有する基板とすることができるので、例えば全体が絶縁体である基板を用いることができるのは勿論であり、表面部よりも深い領域、例えば基板厚み半分程度まで、あるいは任意の深さまで絶縁層とした基板を用いても良いのは勿論である。
By the way, in the capacitance type
Further, since the substrate used in the present invention can be a substrate having at least an insulating surface portion, for example, a substrate that is entirely an insulator can be used, and of course, a region deeper than the surface portion. Of course, for example, a substrate having an insulating layer up to about half the thickness of the substrate or an arbitrary depth may be used.
Al2O3の本体部厚さ0.25〜0.80mm、その上面に厚さ20〜60μmのグレーズドアルミナ層を有するグレーズドアルミナ基板を用い、このグレーズドアルミナ層の上にノボラック主成分のリフトオフレジスト層をパターン形成し(引出電極部5と下部電極部6形成用パターン)、露光現像して引出電極部と下部電極部に相当する形状の穴部を形成し、これらの穴部周囲のリフトオフレジスト層をマスクとしてイオンミリングにより深さ2000Åの穴部をグレーズドアルミナ層に形成した。この穴部はイオンミリングにより形成するので、穴部底面において10〜20Åの精度で凹凸のない均一な深さの穴部を形成できる。
この後、イオンビームスパッタ法にて前記穴部にTi層/Au層/Ta層の3層構造(各層厚さ200Å/1500Å/300Å)の電極層を積層し、次いでNMP系レジスト剥離液にてリフトオフレジスト層を除去してグレーズドアルミナ層中の穴部に引出電極部と下部電極部を埋め込み形成した基板を得た。
Using a glazed alumina substrate having a glazed alumina layer having a thickness of 0.25 to 0.80 mm and a thickness of 20 to 60 μm on the upper surface of Al 2 O 3 , a novolac-based lift-off resist is formed on the glazed alumina layer. The layer is patterned (
Thereafter, an electrode layer having a three-layer structure of Ti layer / Au layer / Ta layer (each layer thickness of 200 mm / 1500 mm / 300 mm) is laminated in the hole by ion beam sputtering, and then, with an NMP resist stripping solution The lift-off resist layer was removed to obtain a substrate in which the extraction electrode portion and the lower electrode portion were embedded in the hole portion in the glazed alumina layer.
次に、同様のリフトオフレジスト層を用いたパターンとしてグレーズドアルミナ層中に達する平面視長方形状の穴部(0.05〜0.4×0.05〜0.4mm)を形成し、この後この穴部に平面視矩形状のSiO2の絶縁部を形成した(絶縁部7形成)。
次に、前記基板のグレーズドアルミナ層上にメッキシード(Ti層/Au層)を全面成膜した後、パターンのスペーサ部材として0.5〜2.0μmのAu部分メッキを行い、その後、不要部分のAuメッキシードを除去し、Ti層/Au/Au層の3層構造の円環状のスペーサ部材(外径1.0mm、内径0.8mm、高さ1.0μm)と各引出電極部を形成した。
Next, a rectangular hole in a plan view (0.05 to 0.4 × 0.05 to 0.4 mm) reaching the glazed alumina layer as a pattern using the same lift-off resist layer is formed, and then An insulating portion of SiO 2 having a rectangular shape in plan view was formed in the hole portion (formation of insulating portion 7).
Next, a plating seed (Ti layer / Au layer) is formed on the entire surface of the glazed alumina layer of the substrate, followed by Au partial plating of 0.5 to 2.0 μm as a pattern spacer member, and then unnecessary portions. The gold plating seed is removed to form a three-layered annular spacer member (outer diameter 1.0 mm, inner diameter 0.8 mm, height 1.0 μm) and each extraction electrode part of Ti layer / Au / Au layer did.
次いで80μm厚のSi基板を用意し、該引出電極部に該当する部分に透孔を形成し、このSi基板を先のグレーズドアルミナ基板上に設置して20kg/mm2の圧力で加圧しながら真空中において400℃に2時間加熱し、接合した。
この接合処理により、Si基板は円環状のスペーサ部材上面にAuSi共晶結合し、円環状のスペーサ部材の上に厚さ80μmのダイヤフラム層が接合され、上部電極がダイヤフラム層からなり、下部電極が前記穴部内のTi層/Au層/Ta層の3層構造の下部電極部からなる上下電極ギャップ1.0μmの対になる電極構造を有する静電容量型圧力センサ素子が得られた。
得られた静電容量型圧力センサ素子の試料に対して100〜500MPaの空気圧を印加する加圧試験を行ったところ、容量変化を生じることを確認することができ、この試料が静電容量型圧力センサ素子として機能することを確認できた。
Next, an Si substrate having a thickness of 80 μm is prepared, a through hole is formed in a portion corresponding to the extraction electrode portion, and the Si substrate is placed on the previously-glazed alumina substrate and is vacuumed while being pressurized at a pressure of 20 kg / mm 2. It was heated to 400 ° C. for 2 hours and joined.
By this bonding process, the Si substrate is AuSi eutectic bonded to the upper surface of the annular spacer member, a diaphragm layer having a thickness of 80 μm is bonded onto the annular spacer member, the upper electrode is formed of the diaphragm layer, and the lower electrode is A capacitive pressure sensor element having an electrode structure having a pair of upper and lower electrode gaps of 1.0 μm composed of a lower electrode portion having a three-layer structure of Ti layer / Au layer / Ta layer in the hole was obtained.
When a pressurization test applying an air pressure of 100 to 500 MPa was performed on the obtained sample of the capacitance type pressure sensor element, it was confirmed that a change in capacitance occurred, and this sample was a capacitance type. It was confirmed that it functions as a pressure sensor element.
本発明は、数mm角の大きさの小型軽量の静電容量型圧力センサ素子を提供できる技術であり、高いGが作用する自動車のタイヤの空気圧検知などの目的で、あるいは、その他一般のガス圧センサや流体圧センサなど、圧力検知用に種々の分野において広く適用することが可能である。 The present invention is a technology capable of providing a small and light capacitive pressure sensor element having a size of several mm square, for the purpose of detecting air pressure of an automobile tire on which high G acts, or other general gas. It can be widely applied in various fields for pressure detection, such as a pressure sensor and a fluid pressure sensor.
1 静電容量型圧力センサ素子
2 表面部
3 基板
5 引出電極部
5A 上面
6 下部電極部
6A 上面
6a 下部電極本体部
6b 下部電極引出端子部
7 絶縁部
7A 上面
8 スペーサ部材
9 ダイヤフラム層
9a、9b 透孔
9c 延出部
10、11 引出電極部
30 静電容量型圧力センサ素子
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