JP4965827B2

JP4965827B2 - 静電容量型圧力センサ素子及びその製造方法

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Publication number: JP4965827B2
Application number: JP2005204370A
Authority: JP
Inventors: 清佐藤
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2005-07-13
Filing date: 2005-07-13
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2025-07-13
Also published as: JP2007024578A

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。

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らかなり、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）

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）
特開２０００−２８４６３号公報特開平９−３１８４７６号公報

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。

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。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、基層表面部と当該基層表面部に表層表面部が形成されて少なくとも表面部が絶縁性にされた基板と、前記絶縁性にされた基板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を含み、前記下部電極部は前記基層表面部に埋め込み形成されて前記表層表面部は前記基層表面部上に積層されてなり、前記引出電極部は前記表層表面部に埋め込み形成され、前記下部電極周囲に該下部電極表面位置よりも突出するように形成された支持絶縁体部と、前記支持絶縁体部に支持されて前記下部電極と所定のギャップをあけて対向配置さ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、前記ダイヤフラム層自体あるいは前記上部電極部が前記絶縁性の表面部に形成された導通部を介して前記引出電極部に電気的に接続されてなることを特徴とする。
また、本発明は、表面上に表層表面部が形成された絶縁性の基板と、前記表層表面部とその下の絶縁性の基板の表面部分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を含み、前記下部電極部は前記絶縁性の基板の表面部分に埋め込み形成されてなり、前記引出電極部は前記表層表面部に埋め込み形成され、前記下部電極周囲に該下部電極表面位置よりも突出するように形成された支持絶縁体部と、前記支持絶縁体部に支持されて前記下部電極と所定のギャップをあけて対向配置さ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、前記ダイヤフラム層自体あるいは前記上部電極部が前記絶縁性の表面部に形成された導通部を介して前記引出電極部に電気的に接続されてなることを特徴とする。

本発明の静電容量型圧力センサ素子において、支持絶縁体部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側に設けた上部電極部と、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。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、前記支持絶縁体部の一部が前記下部電極部の周囲上に平面視環状に延出形成され、前記ダイヤフラム層が前記突出形成された環状の支持絶縁体部により支持されてなることを特徴とする。
支持絶縁体部の延出部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。

本発明は、前記ダイヤフラム層がＳｉ基板からなり、該Ｓｉ基板が前記支持絶縁体部上に接着されてなることを特徴とする。
ダイヤフラム層をＳｉ基板から構成すると、下部電極部を設けた側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性の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。

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るとともに、前記支持絶縁体部上面と前記導通部上面が面一に形成されてなることを特徴とする。
前記支持絶縁体部上面と前記導通部上面がいずれも面一になることでそれらの上面高さを一定にすることができる。これにより、支持絶縁体部上にダイヤフラム層を設ける場合にダイヤフラム層と支持絶縁体部とを隙間無く密着でき、良好な接合性が得られやすい。特にダイヤフラム層と支持絶縁体部の表面部とによって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。

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。

本発明に係る静電容量型圧力センサ素子の製造方法は、少なくとも表面部が絶縁性にされた基板の絶縁性を有する部分に下部電極部を埋め込み形成し、この下部電極部の少なくとも周囲側に、前記下部電極部よりも上方に突出するように絶縁層を形成し、該絶縁層の一部に前記下部電極部に通じる孔部を形成して該孔部周囲の絶縁層に支持絶縁体部を形成し、該支持絶縁体部を形成した基板に対して前記支持絶縁体部に接触させてＳｉ基板を接合するか、あるいは、一面に上部電極部を形成したＳｉ基板を接合し、該Ｓｉ基板あるいは上部電極部と前記下部電極部とを対向配置することを特徴とする。
支持絶縁体部上にＳｉ基板を接合することで下部電極部に対してＳｉ基板あるいは上部電極部を対向配置した対になる電極構造を有する静電容量型圧力センサ素子を製造することができる。

本発明に係る静電容量型圧力センサ素子の製造方法は、少なくとも表面部が絶縁性にされた基板の絶縁性を有する部分に下部電極部を埋め込み形成するに際し、孔部を有するリフトオフレジスト層を基板上に形成し、前記孔部を介してその下の基板表面をイオンミリング処理、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て穴形成加工して前記リフトオフレジスト層の孔部に対応する外形の穴部を形成し、この穴形成加工後に電極層を前記リフトオフレジスト層上及び前記穴部内に成膜し、その後にリフトオフレジスト層を除去して基板表面部分に埋め込み型の下部電極部を形成することを特徴とする。
基板の絶縁性の表面部に埋め込み型の下部電極部を形成する際、リフトオフレジスト層を利用してイオンミリング処理、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て穴形成加工を行うことができ、この穴部に成膜することで埋め込み型の下部電極簿を得ることができる。

本発明に係る静電容量型圧力センサ素子の製造方法は、前記絶縁層の一部分に前記下部電極部と離間させてパッド部を形成する工程と、前記絶縁層の他の部分に前記下部電極部と接続させてパッド部を形成する工程と、前記Ｓｉ基板の接合時に前記下部電極部と離間形成したパッド部に対して前記Ｓｉ基板を接続するか、あるいは、前記Ｓｉ基板一面側の上部電極部を接続する工程を含むことを特徴とする。
基板上に形成した絶縁層に対してパッド部を形成しておき、基板に対するＳｉ基板の接合時にＳｉ基板側の上部電極部とパッド部を接合することにより、Ｓｉ基板の接合と同時にパッド部の接合ができる。
本発明は更に、前記Ｓｉ基板としてＳｉ単層基板をダイヤフラムとして用いるとともに、前記Ｓｉ単層基板と前記支持絶縁体部の少なくとも一方の相互接続部分にＡｕ層を形成し、少なくとも前記ダイヤフラムと前記支持絶縁体部と接着される部分に上部電極部を形成することを特徴とする。
Ｓｉ基板としてＳｉ単層基板を用い、ダイヤフラムとすることで取り扱い性が良好なものとして接合作業に供することができ、ダイヤフラムを設けることができるとともに、Ａｕ層を介して接合することで容易に拡散接合することができ、接合信頼性の高い構造を提供できる。

本発明によれば、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。

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は平面略図である。
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基層表面部２を備えた基板３と、前記基層表面部２に埋め込み形成された下部電極部６と、この下部電極部６の周囲を囲むように前記基層表面部２の上に積層された表層表面部４と、前記表層表面部４に埋め込み形成された引出電極部５と、該引出電極部５の上に積層された導通部７と、前記下部電極部６とギャップＧをあけて対向配置されたＳｉ基板からなるダイヤフラム層９とを具備して大略構成されている。
また、前記下部電極部６は平面視丸形の本体部６ａとそれに連続された端子部導体６ｂとからなる平面視外形鍵穴型に形成され、前記表層表面部４のうち、前記下部電極部６の丸形の本体部６ａの周囲を囲み、端子部導体６ｂ上に一部被さるように環状に形成された部分がダイヤフラム層９を支持する支持絶縁体部４ａとされている。

前記基板３は表面にガラス質の絶縁性の基層表面部２を備えた平面視矩形状のグレーズドアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）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１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の左側の表層表面部４に埋め込むように形成され、この引出電極部５の上面側には導電膜からなる導通部７が積層され、その表面７Ａは前記表層表面部４の上面４ｄ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に示す基層表面部２の平面視中央部に基層表面部２の孔部２Ａ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延出形成されるとともに前記表層表面部２に埋め込まれるように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。

前記下部電極部６はこの形態では表層表面部２の深さと同等程度の深さに形成されている。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。

次に、表層表面部２の上面側には、ＳｉＯ_２あるいはＳｉＮ_ｘなどの絶縁材料からなる表層表面部４が積層形成され、この表層表面部４の厚さは０.５〜１.０μｍ程度の厚さに形成されていて、この表層表面部４の厚さ（高さ）が後述の上下電極間のギャップＧに相当する。
前記表層表面部４のうち、前記下部電極本体部６ａの部分の上側には下部電極本体部６ａよりも大きな径の孔部４Ａが形成され、表層表面部４のうち、前記孔部４Ａの周囲の円環状の部分が支持絶縁体部４ａとされている。この円環状の支持絶縁体部４ａの部分のうち、１８０゜対象位置に孔部４ｂ、４ｃが形成され、一方の孔部４ｂに前記した引出電極部５と導通部７が積層形成される一方、他方の孔部４ｃはその下方側に位置する端子部導体６ｂに連通するように形成され、該孔部４ｃには端子部導体６ｂに電気的に接続する導電材料製の導通部１０とパッド部１１とが前記孔部４ｃを埋めるように積層形成されている。

前記円環状の支持絶縁体部４ａの上には円板状のＳｉ基板からなるダイヤフラム層９が支持絶縁体部４ａによって外周部を支持された形で下部電極本体部６ａと平行に支持され、このダイヤフラム層９の下面側には電極膜からなる上部電極部９ａが形成され、この上部電極部９ａと前記下部電極本体部６ａとの間の間隙が上下電極間のギャップＧとされている。
前記のダイヤフラム層９が受ける圧力によりダイヤフラム層９と上部電極部９ａが変形され、前述のギャップＧ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。

前記ダイヤフラム層９は４０〜８０μｍ程度の厚さのＳｉ（単層）基板から構成され、上部電極部９ａはＡｕあるいはＡｕを含む合金またはＡｕ層と他の導電層との積層体などの導電材料からなる。更に、前記孔部４ｂ側に位置するダイヤフラム層９の端部側と上部電極部９ａの端部側の部分は支持絶縁体部４ａの外側にまで延出形成され、上部電極部９ａはその下方に位置する導通部７と接着されて電気的に接続されている。

なお、この第１実施形態の静電容量型圧力センサ素子１ではＳｉ基板からなるダイヤフラム層９と上部電極部９ａの積層構造としたが、Ｓｉ基板が本来有する導電性を利用する場合は導電材料製の上部電極部９ａを略してＳｉ基板そのものを上部電極部を兼ねる構造とすることもできる。
なおまた、この第１実施形態の静電容量型圧力センサ素子１では、円環状の支持絶縁体部４ａの上に円板状のＳｉ基板からなるダイヤフラム層９を配置した構造としたが、ダイヤフラム層９を構成するＳｉ基板を基板３の周縁部まで延出形成した構造、例えば図１の鎖線９Ｂ、９Ｂで示す如く基板３の上面側のほぼ全部をＳｉ基板で覆う構成としても良い。この場合、Ｓｉ基板がパッド部１１、１２を覆い隠すことになり、配線接続が困難になるので、パッド部１１、１２の上に位置するＳｉ基板には透孔を形成して外部接続配線が可能な構造とすれば良い。

前記構造の静電容量型圧力センサ素子１にあっては、ダイヤフラム層９の上部電極部９ａに対して電気的に接続された導通部７において、ダイヤフラム層９の外側に露出した部分が一方のパッド部１２として外部接続用に利用されるとともに、前記下部電極部６ａに電気的に接続されたパッド部１１が他方のパッド部として外部接続用に利用される。
従って、前記パッド部１１、１２にボンディングワイヤ接続などを行って静電容量型圧力センサ素子１用の駆動回路を接続して上部電極部９ａと下部電極部６ａとの静電容量の変化を検出することで圧力変動を検出することができるように構成されている。

図３は本発明に係る静電容量型圧力センサ素子の第２実施形態の断面構造を示すものであり、この第２実施形態の静電容量型圧力センサ素子２０は、ガラス基板などからなる全体が絶縁性の基板２１に対して前述の第１実施形態の構造とほぼ同等構造の各構成部分を形成してなることを特徴とする。
この第２実施形態の静電容量型圧力センサ素子２０において、基板２１の上面に凹部２１ａを形成してこの部分に成膜処理がなされて埋め込み型の下部電極部６が形成されている。下部電極部６は先の第１実施形態の構造と同等構造、即ち、下部電極本体部６ａと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。
また、この下部電極部６の周囲を囲むように前記基板２１の上に積層された表層表面部４と、前記表層表面部４に埋め込み形成された引出電極部５と、該引出電極部５の上に積層された導通部７と、前記下部電極部６とギャップＧをあけて対向配置されたＳｉ基板からなるダイヤフラム層９とを具備して大略構成されている。
第２実施形態の静電容量型圧力センサ素子２０において、その他、各部分の構造は先の第１の実施形態の構造と同等であるので、同等の部分については同一の符号を付してそれらの部分の説明を省略する。

前記構造の静電容量型圧力センサ素子２０にあっては、ダイヤフラム層９の上部電極部９ａに対して電気的に接続された導通部７において、ダイヤフラム層９の外側に露出した部分が一方のパッド部１２として外部接続用に利用されるとともに、下部電極部６ａに電気的に接続されたパッド部１１が他方のパッド部として外部接続用に利用される。
従って、パッド部１１、１２にボンディングワイヤ接続などを行って静電容量型圧力センサ素子２０用の駆動回路を接続して上部電極部９ａと下部電極部６ａとの静電容量の変化を検出することで圧力変動を検出することができるように構成されている。

上記構成の静電容量型圧力センサ素子２０を製造するには、好ましくは全体が絶縁性の図４に示す基板２１を用意し、図５に示すように基板２１の表面部に形成した凹部２１ａにこれを埋め込むように下部電極部６を形成し、それらの上面全部に図６に示すように絶縁層２２を形成した後、下部電極６の両側の絶縁層２２に個々に平面視短冊状の孔部４ｂ、４ｃを形成する。ここで孔部４ｂにおいては下部電極部６と離間して形成し、孔部４ｃにおいては絶縁層下の下部電極部引出端子部６ｂに接続するように形成する。
次に、図７に示すように孔部４ｂに対して引出電極部５と導通部７を積層形成し、同時に孔部４ｃに対して導通部１０とパッド部１１を積層形成する。これらの各層の積層工程は同一ステップの成膜処理で同時に形成することができる。

次に、図８に示す如く絶縁層２２に対して下部電極部６ａに対応する大きさの孔部４Ａを形成すると孔部４Ａの部分にギャップＧを形成できる。
次に、図９に示す如く別途用意したＳｉ基板９の裏面側に電極層を形成して下部電極部９ａを形成し、このＳｉ基板９を先の孔部４Ａ形成後の基板２１に被せて接着などの方法によって接合することにより下部電極部６ａと上部電極部９ａをギャップＧを介して対向させた上下電極構造を有し、ダイヤフラム層９が円環状の支持絶縁体部４ａに支持された構造を有する図３に示す静電容量型圧力センサ素子２０を得ることができる。

ところで、基板２１にＳｉ基板９を接合する場合、円環状の支持絶縁体部４ａの上面側に図９の鎖線に示すようにＡｕあるいはＡｕを含む薄い接合層２５を成膜し、この接合層２５を介して接合しても良い。
ＡｕあるいはＡｕを含む接合層２５を介した場合、接合部７に含まれるＡｕと接合層２５に含まれるＡｕと上部電極部９ａに含まれるＡｕとが相互拡散して接合する結果として高い接着性と接合性を得ることができる。

なお、上述の構造において上部電極部９ａを略してＳｉ基板そのものを上部電極部を兼ねる構造とした場合、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／ｃｍ^２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）において生成されるＡｕＳｉ共晶による接合方法によって接合一体化できるので、Ｓｉ基板９を基板２１の側に直に接合することもできる。
このようにしてダイヤフラム層９を基板２１側に接合したならば、センサ素子として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、適宜切断しても良い。

ところで、前記Ｓｉ基板９を基板２１側に接合する場合、上部電極部９ａに含まれるＡｕと支持絶縁体部４ａ上のＡｕとの相互拡散接合を利用することができるとともに、導通部７に含まれるＡｕと上部電極部９ａに含まれるＡｕとの相互拡散接合を利用できるので、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を基板２１に接合でき、基板として高価なパイレックス（登録商標）ガラスを用いることなく、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２０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２０を得ることができる。
この場合、上部電極部９ａを図９に示されるようにＳｉ基板９の全面に設けても良く、また、図１０に示すように上部電極部９ａをダイヤフラム部９の接着必要領域、即ち、少なくとも支持絶縁体部４ａ上のＡｕを含む接合層２５に対応する領域と、引出電極部５上に形成された接合部７と対応する領域に形成し、ダイヤフラム層９と基板２１とを接着しても良い。

また、先に説明の如くＡｕＳｉ共晶接合を利用して支持絶縁体部４ａとＳｉ基板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を基板２１に接合でき、基板として高価なパイレックス（登録商標）ガラスを用いることなく、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２０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２０を得ることができる。

次に、前記構造の静電容量型圧力センサ素子２０を製造する場合に基板２１の表面部に対して各種の下部電極部６を埋め込み型で形成する場合の下部電極部６の形成方法の一例について説明する。
全体が絶縁性であるか、あるいは絶縁性の表面部を備えた基板を用いて本発明の静電容量型圧力センサ素子を製造する場合、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１１〜図１４に示す如く下部電極部６を埋め込み型で基板表面部に形成することができる。

図１１に示す如く基板２１の表面部の上面側領域であって、目的とする下部電極部６を形成しようとする領域３０をその周囲側から囲むように基板２１上にリフトオフレジスト層３１、３１を形成する。
このリフトオフレジスト層３１は孔部３２を有しており、この孔部２２の下方側に位置する表面部内に、目的とする形状の下部電極部６を形成する。
目的のリフトオフレジスト層３１を形成するには基板表面部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目的とする形状の下部電極部６の形に対応する孔部３２を形成すれば良い。

孔部３２を有するリフトオフレジスト層３１、３１を形成したならば、図１２に示す如くリフトオフレジスト層３１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３１により囲まれていない領域の３０に穴部３３を形成する。
次いで、基板表面部の上面とリフトオフレジスト層３１、３１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１３に示す如くリフトオフレジスト層３１、３１の上面に電極層３５を形成できると同時に表面部の穴部３３にもこれを埋めるように電極層３６を成膜できる。この成膜を行う場合の膜厚は穴部３３を電極層３６で埋めることができる程度とすることが好ましい。

次に表面部と電極層３６には影響ないが、基板２１の表面部からリフトオフレジスト層３１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３１を基板表面部から分離してリフトオフすることにより、図１４に示す如く絶縁性の基板表面部の上面に形成した穴部３３に電極層３６を埋め込み形成した構造を得ることができる。なお、図１１〜図１４においては説明を簡略化するために穴部３３の形状を単純化して示したが、穴部３３の形状は目的の下部電極部６に合致する形状とする。

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基板表面部に下部電極部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、穴部３３に電極層３６を形成する場合の成膜厚さを調整することで、穴部３３を電極層３６で均一にほぼ完全に埋め込むことができ、電極層３６の上面を基板表面部の上面とほぼ面一に形成できる。従って、図３に示す如く絶縁性の基板の表面部に対して埋め込み形成したタイプの下部電極部６であって、下部電極部６の上面６Ａを基板表面部の上面２Ａにほぼ面一に形成することができる。

なお、下部電極部６の上面６Ａを基板表面部の上面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支持絶縁体部４ａ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９を均一に支持絶縁体部４ａの上面に押し付けて均一接合することが可能となり、ＡｕＡｕ接合あるいはＡｕＳｉ共晶接合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。

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、２０においては、Ｓｉ基板９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。

Ａｌ_２Ｏ_３の本体部厚さ０.２５〜０.８ｍｍ、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を主成分とするリフトオフレジスト層をパターン形成し、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の薬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下部電極部を埋め込み形成した基板を得た。

次に、これらの上にＳｉＯ_２からなる絶縁層を７０００Åの厚さで形成し、先のものと同様のリフトオフレジスト層のパターンを形成して絶縁層をエッチングして下部電極部の両側に位置する孔部を形成するとともに、下部電極部の丸形の下部電極本体部の上にギャップ形成用の孔部を形成する。この孔部を形成した部分の周囲の絶縁層は環状の支持絶縁体部とされる。
次いで８０μｍ厚のＳｉ基板を用意し、その下面にＡｕの電極層を形成し、このＳｉ基板を先の環状の支持絶縁体部に被せて接着することで図３に示す構造の静電容量型圧力センサ素子を得ることができる。
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。

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。

図１は本発明に係る静電容量型圧力センサ素子の第１の実施形態を示す断面図である。図２は同実施形態の静電容量型圧力センサ素子の平面略図である。図３は本発明に係る静電容量型圧力センサ素子の第２の実施形態を示す断面図である。図４は同実施形態の静電容量型圧力センサ素子を製造するために用いる基板の断面図である。図５は前記基板に下部電極部を形成した状態を示す断面図である。図６は前記基板上と下部電極部上に絶縁層を形成した状態を示す断面図である。図７は前記基板上の絶縁層に導通部とパッド部を形成した状態を示す断面図である。図８は前記基板上の絶縁層にギャップ用の孔部を形成した状態を示す断面図である。図９は前記基板に対してＳｉ基板を対向させた状態を示す断面図である。図１０は前記基板に接合するＳｉ基板の他の例を示す断面図である。図１１は同実施形態の静電容量型圧力センサ素子の下部電極部を形成する方法においてリフトオフレジスト層を基板表面部上に形成した状態を示す断面図である。図１２は同実施形態の静電容量型圧力センサ素子の下部電極部を形成する方法においてリフトオフレジスト層をマスクとして基板表面部に穴部を形成した状態を示す断面図である。図１３は同実施形態の静電容量型圧力センサ素子の電極部を形成する方法において穴部に電極部を形成した状態を示す断面図である。図１４は同実施形態の静電容量型圧力センサ素子の電極部を形成する方法においてリフトオフレジスト層を除去した状態を示す断面図である。

符号の説明

１静電容量型圧力センサ素子
２基層表面部
３基板
４表層表面部
４ｂ、４ｃ孔部
４ｄ表面
５引出電極部
６下部電極部
６ａ下部電極本体部
６ｂ端子部導体
７導通部
７Ａ上面
９ダイヤフラム層
９ａ上部電極部
１０導通部
１１、１２パッド部

Claims

基層表面部と当該基層表面部に表層表面部が形成されて少なくとも表面部が絶縁性にされた基板と、前記絶縁性にされた基板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を含み、前記下部電極部は前記基層表面部に埋め込み形成されて前記表層表面部は前記基層表面部上に積層されてなり、前記引出電極部は前記表層表面部に埋め込み形成され、前記下部電極周囲に該下部電極表面位置よりも突出するように形成された支持絶縁体部と、前記支持絶縁体部に支持されて前記下部電極と所定のギャップをあけて対向配置さ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、前記ダイヤフラム層自体あるいは前記上部電極部が前記絶縁性の表面部に形成された導通部を介して前記引出電極部に電気的に接続されてなることを特徴とする静電容量型圧力センサ素子。
表面上に表層表面部が形成された絶縁性の基板と、前記表層表面部とその下の絶縁性の基板の表面部分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を含み、前記下部電極部は前記絶縁性の基板の表面部分に埋め込み形成されてなり、前記引出電極部は前記表層表面部に埋め込み形成され、前記下部電極周囲に該下部電極表面位置よりも突出するように形成された支持絶縁体部と、前記支持絶縁体部に支持されて前記下部電極と所定のギャップをあけて対向配置さ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、前記ダイヤフラム層自体あるいは前記上部電極部が前記絶縁性の表面部に形成された導通部を介して前記引出電極部に電気的に接続されてなることを特徴とする静電容量型圧力センサ素子。
前記支持絶縁体部の一部が前記下部電極部の周囲上に平面視環状に延出形成され、前記ダイヤフラム層が前記突出形成された環状の支持絶縁体部により支持されてなることを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量型圧力センサ素子。
前記ダイヤフラム層がＳｉ基板からなり、該Ｓｉ基板が前記支持絶縁体部上に接着されてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の静電容量型圧力センサ素子。
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請求項１〜４のいずれかに記載の静電容量型圧力センサ素子。
前記ダイヤフラムはＳｉ単層基板により形成されてなり、前記支持絶縁体部上にＡｕ層が設けられてなるか、もしくは、少なくとも前記ダイヤフラムと前記支持絶縁体部とが接着される部分に上部電極部が設けられてなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の静電容量型圧力センサ素子。
少なくとも表面部が絶縁性にされた基板の絶縁性を有する部分に下部電極部を埋め込み形成し、この下部電極部の少なくとも周囲側に、前記下部電極部よりも上方に突出するように絶縁層を形成し、該絶縁層の一部に前記下部電極部に通じる孔部を形成して該孔部周囲の絶縁層に支持絶縁体部を形成し、該支持絶縁体部を形成した基板に対して前記支持絶縁体部に接触させてＳｉ基板を接合するか、あるいは、一面に上部電極部を形成したＳｉ基板を接合し、該Ｓｉ基板あるいは上部電極部と前記下部電極部とを対向配置することを特徴とする静電容量型圧力センサ素子の製造方法。
少なくとも表面部が絶縁性にされた基板の絶縁性を有する部分に下部電極部を埋め込み形成するに際し、孔部を有するリフトオフレジスト層を基板上に形成し、前記孔部を介してその下の基板表面をイオンミリング処理、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て穴形成加工して前記リフトオフレジスト層の孔部に対応する外形の穴部を形成し、この穴形成加工後に電極層を前記リフトオフレジスト層上及び前記穴部内に成膜し、その後にリフトオフレジスト層を除去して基板表面部分に埋め込み型の下部電極部を形成することを特徴とする請求項７に記載の静電容量型圧力センサ素子の製造方法。
前記絶縁層の一部分に前記下部電極部と離間させてパッド部を形成する工程と、前記絶縁層の他の部分に前記下部電極部と接続させてパッド部を形成する工程と、前記Ｓｉ基板の接合時に前記下部電極部と離間形成したパッド部に対して前記Ｓｉ基板を接続するか、あるいは、前記Ｓｉ基板一面側の上部電極部を接続する工程を含むことを特徴とする請求項７または８に記載の静電容量型圧力センサ素子の製造方法。
前記Ｓｉ基板としてＳｉ単層基板を用いてダイヤフラムを構成するとともに、前記Ｓｉ単層基板と前記支持絶縁体部の少なくとも一方の相互接続部分にＡｕ層を形成し、少なくとも前記ダイヤフラムと前記支持絶縁体部と接着される部分に上部電極部を形成することを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載の静電容量型センサ素子の製造方法。