JPH0381635A - 線形応答性を有する容量型センサ及び線形応答性を得るための方法 - Google Patents
線形応答性を有する容量型センサ及び線形応答性を得るための方法Info
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- JPH0381635A JPH0381635A JP2049161A JP4916190A JPH0381635A JP H0381635 A JPH0381635 A JP H0381635A JP 2049161 A JP2049161 A JP 2049161A JP 4916190 A JP4916190 A JP 4916190A JP H0381635 A JPH0381635 A JP H0381635A
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
- G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
- G01L9/0073—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance using a semiconductive diaphragm
-
- G—PHYSICS
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- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/12—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in capacitance, i.e. electric circuits therefor
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
［産業上の利用分野］
この発明は、静電容量変動を利用して圧力変動を検出す
る圧力センサ等のセンサ又はトランスデュ−サに係り、
より詳細には、負荷される圧力の変化により湾曲変位す
るシリコン−オン−シリコン（ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−
ｓｉｌｉｃｏｎ）型ダイヤフラムを用いてセンサ容量を
変化させ、この静電容量変化により負荷された圧力を測
定する圧力センサ等に関する。また、さらに詳細には、
この発明は、上記シリコンダイヤフラムの外周縁部を中
心部に比して肉薄に構成して所謂ヒンジ部を設けること
により、上記中心部の平面的変位による線形応答性を提
供することのできる圧力センサ等に関する。
る圧力センサ等のセンサ又はトランスデュ−サに係り、
より詳細には、負荷される圧力の変化により湾曲変位す
るシリコン−オン−シリコン（ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−
ｓｉｌｉｃｏｎ）型ダイヤフラムを用いてセンサ容量を
変化させ、この静電容量変化により負荷された圧力を測
定する圧力センサ等に関する。また、さらに詳細には、
この発明は、上記シリコンダイヤフラムの外周縁部を中
心部に比して肉薄に構成して所謂ヒンジ部を設けること
により、上記中心部の平面的変位による線形応答性を提
供することのできる圧力センサ等に関する。
［従来の技術］
圧力、加速度又は他の物理的現象を測定するための容量
型半導体センサ又はトランスデユーサは従来より知られ
ている。
型半導体センサ又はトランスデユーサは従来より知られ
ている。
例えば、容量型トランスデユーサ、マイクロホン、ラブ
チャディスク、共振器、バイブレータ等に用いられる容
量型圧力センナが従来より知られている。これらの装置
に圧力センサを適用するに際しては、通常、圧力センサ
を相当に小型化することが要求されており、例えば、約
８ミリメータ四方（８ｍｍ ｘ ８ｍｍ）程度のも
のが要求されている。
チャディスク、共振器、バイブレータ等に用いられる容
量型圧力センナが従来より知られている。これらの装置
に圧力センサを適用するに際しては、通常、圧力センサ
を相当に小型化することが要求されており、例えば、約
８ミリメータ四方（８ｍｍ ｘ ８ｍｍ）程度のも
のが要求されている。
このように小型な圧力センサとして、シリコンから成る
容量型圧カドランスデューサが知られている。
容量型圧カドランスデューサが知られている。
米国特許第３，６３４，７２７号に開示されるシリコン
容量型圧カドランスデューサにおいては、中心に開口部
を有す−る一対の導電性シリコンプレートが共晶金属ボ
ンドにより接続されている。シリコンプレートは、負荷
される流体圧力により湾曲変位して上記開口部間の容量
を変化させ、圧力の大きさを示す容量信号を生起する。
容量型圧カドランスデューサにおいては、中心に開口部
を有す−る一対の導電性シリコンプレートが共晶金属ボ
ンドにより接続されている。シリコンプレートは、負荷
される流体圧力により湾曲変位して上記開口部間の容量
を変化させ、圧力の大きさを示す容量信号を生起する。
従って、この種の圧カドランスデューサは、負荷される
圧力によりダイヤフラムとして機能するシリコンプレー
トをたわませ、この流体圧力の関数としてのシリコンプ
レートのたわみにより、シリコンプレート間の距離を変
化させ、シリコンプレートを可変コンデンサの電極板と
して機能させることにより負荷される圧力を測定するよ
うに構成されている。
圧力によりダイヤフラムとして機能するシリコンプレー
トをたわませ、この流体圧力の関数としてのシリコンプ
レートのたわみにより、シリコンプレート間の距離を変
化させ、シリコンプレートを可変コンデンサの電極板と
して機能させることにより負荷される圧力を測定するよ
うに構成されている。
以下に、第１Ａ図を参照して代表的なシリコンオン−シ
リコン型の圧力センサを説明する。
リコン型の圧力センサを説明する。
第１Ａ図において、圧力センサ１０は、その外形におい
て略直方体形状を有する一方、その内部における作動部
形状は円形又は円筒形であることが好ましい。圧力セン
サ１０は、略正方形の適切にドープ処理された導電性具
っ可撓性のシリコンダイヤフラム１１と、その下方に位
置する適切にドープ処理された導電性のシリコン基板１
２とを有し、シリコンダイヤフラム１１及びシリコン基
板１２間にホウケイ酸ガラスより成る非導電性の誘電体
スペーサ１３が配されている。また、シリコンダイヤフ
ラム１１．シリコン基板１２及び誘電体スペーサ１３間
には、真空排気され気密状態に保持された基準室１４が
画成されている７゜基準室１４内は、通常、ゼロバキュ
ーム（ｚｅｒ。
て略直方体形状を有する一方、その内部における作動部
形状は円形又は円筒形であることが好ましい。圧力セン
サ１０は、略正方形の適切にドープ処理された導電性具
っ可撓性のシリコンダイヤフラム１１と、その下方に位
置する適切にドープ処理された導電性のシリコン基板１
２とを有し、シリコンダイヤフラム１１及びシリコン基
板１２間にホウケイ酸ガラスより成る非導電性の誘電体
スペーサ１３が配されている。また、シリコンダイヤフ
ラム１１．シリコン基板１２及び誘電体スペーサ１３間
には、真空排気され気密状態に保持された基準室１４が
画成されている７゜基準室１４内は、通常、ゼロバキュ
ーム（ｚｅｒ。
ｖａｃｕｕｍ）に設定されるが、より高い基準圧値に設
定してもよい。尚、基準室１４内が上記基準圧値に保持
されているとき、シリコンダイヤフラム１１はシリコン
基板１２に対して平行となり、両者の間隔は、通常、２
マイクロメータ（ｍｉｃｒｏｍｅｔｅｒ）に設定される
。
定してもよい。尚、基準室１４内が上記基準圧値に保持
されているとき、シリコンダイヤフラム１１はシリコン
基板１２に対して平行となり、両者の間隔は、通常、２
マイクロメータ（ｍｉｃｒｏｍｅｔｅｒ）に設定される
。
シリコン基板１２の上面中央には、円形の突出台部１２
Ａが形成されており、この突出台部１２Ａは、略円筒形
状の基準室１４内に突出している。
Ａが形成されており、この突出台部１２Ａは、略円筒形
状の基準室１４内に突出している。
尚、突出台部１２Ａの上面には、図示しない絶縁性ガラ
ス薄膜が被覆されている。この突出台部１２Ａは、シリ
コンダイヤフラム１１の対向電極として機能する。突出
台部１２Ａのシリコン基板１２上面からの厚さは、６．
５マイクロメータに設定されており、一方、その直径は
０．１５０インチに設定されている。
ス薄膜が被覆されている。この突出台部１２Ａは、シリ
コンダイヤフラム１１の対向電極として機能する。突出
台部１２Ａのシリコン基板１２上面からの厚さは、６．
５マイクロメータに設定されており、一方、その直径は
０．１５０インチに設定されている。
尚、誘電体スペーサ１３の壁部１６の半径方向に亘る幅
は、その軸線方向高さ（厚さ）を９マイクロメータとし
た場合、０．０３６インチとすることが一般的である。
は、その軸線方向高さ（厚さ）を９マイクロメータとし
た場合、０．０３６インチとすることが一般的である。
一方、この場合、突出台部１２Ａに被覆される絶縁性ガ
ラス薄膜の厚さは、僅か０．５マイクロメータに設定さ
れる。
ラス薄膜の厚さは、僅か０．５マイクロメータに設定さ
れる。
通常、シリコンダイヤフラム１１及びシリコン基板１２
の形状は正方形とされるが、図に示すように、電気接点
を設けるためにその角部を割愛してもよい。上記正方形
の対角線の長さは、通常、０．２６０インチに設定され
、一方、誘電体スペーサ１３の壁部１６の内径は、０．
１９０インチに設定される。尚、壁部１６の外壁面の形
状は、シリコンダイヤフラム１１又はシリコン基板１２
の対応壁面と整合するように構成してもよいが、誘電体
スペーサ１３を円環形状に形成してもよい。
の形状は正方形とされるが、図に示すように、電気接点
を設けるためにその角部を割愛してもよい。上記正方形
の対角線の長さは、通常、０．２６０インチに設定され
、一方、誘電体スペーサ１３の壁部１６の内径は、０．
１９０インチに設定される。尚、壁部１６の外壁面の形
状は、シリコンダイヤフラム１１又はシリコン基板１２
の対応壁面と整合するように構成してもよいが、誘電体
スペーサ１３を円環形状に形成してもよい。
また、図に示す寸法は、実際の寸法を示すものではなく
、例えば、最大測定荷重５０ｐｓ ｉの圧力センサの場
合、誘電体スペーサ１３又はその壁部１６の厚さ（高さ
）は、通常、９マイクロメータであり、一方、シリコン
ダイヤフラムｔｉの厚さは、通常、ｏ、ｏｏｓインチで
あり、シリコン基板１２の厚さは、通常、０．０５０イ
ンチである。
、例えば、最大測定荷重５０ｐｓ ｉの圧力センサの場
合、誘電体スペーサ１３又はその壁部１６の厚さ（高さ
）は、通常、９マイクロメータであり、一方、シリコン
ダイヤフラムｔｉの厚さは、通常、ｏ、ｏｏｓインチで
あり、シリコン基板１２の厚さは、通常、０．０５０イ
ンチである。
上記シリコン−ガラス−シリコン容量型圧力センサのよ
り詳細な構成は、本件出願人所有に係る米国特許第４，
４６７．３９４号に開示されている。また、容量型圧力
センサ又はトランスデユーサの他の例として、本件出願
人所有に係る米国特許第４，５３０，０２９号、同第４
．５１７，６２２号、同第４，５１３，３４８号、同第
４，４６３．３３６号、同第４，４１５，９４８号及び
同第４，４０５，９７０号等に開示された構成のものが
ある。
り詳細な構成は、本件出願人所有に係る米国特許第４，
４６７．３９４号に開示されている。また、容量型圧力
センサ又はトランスデユーサの他の例として、本件出願
人所有に係る米国特許第４，５３０，０２９号、同第４
．５１７，６２２号、同第４，５１３，３４８号、同第
４，４６３．３３６号、同第４，４１５，９４８号及び
同第４，４０５，９７０号等に開示された構成のものが
ある。
上記圧力センサが、例えば航空宇宙技術等に用いられる
場合、データ管理コンピュータ及びその制御装置との適
合性を考えると、圧力センサの出力は、線形の周波数出
力となることが好ましい。
場合、データ管理コンピュータ及びその制御装置との適
合性を考えると、圧力センサの出力は、線形の周波数出
力となることが好ましい。
しかしながら、上記圧力センサにおいては、このような
線形の応答性（周波数応答性）を得ることはできず、結
果として、圧力センサ出力の較正用データをメモリに記
憶しておく必要が生じる。
線形の応答性（周波数応答性）を得ることはできず、結
果として、圧力センサ出力の較正用データをメモリに記
憶しておく必要が生じる。
即ち、第１図に示すように、シリコンダイヤフラム１１
に外部圧力が付加された場合、シリコンダイヤフラム１
１は曲線状に変位変形し、平面的な態様において変位変
形しないため、圧力センサの静電容量の変化は圧力変化
に対して線形的な関係とはならない。ここで、圧力セン
サの周波数出力は、静電容量に対して反比例の関係（周
波数ｆ＝１／静電容量Ｃ）にあるので、圧力変化に対し
て線形関係を有する周波数出力を得ることはできないこ
ととなる。
に外部圧力が付加された場合、シリコンダイヤフラム１
１は曲線状に変位変形し、平面的な態様において変位変
形しないため、圧力センサの静電容量の変化は圧力変化
に対して線形的な関係とはならない。ここで、圧力セン
サの周波数出力は、静電容量に対して反比例の関係（周
波数ｆ＝１／静電容量Ｃ）にあるので、圧力変化に対し
て線形関係を有する周波数出力を得ることはできないこ
ととなる。
尚、上記米国特許第４，５１３，３４８号においては、
誘電体ガラスをシリコンダイヤフラムのヒンジ媒体とす
ることにより、上記問題の解決を図っているが、この方
法では充分な線形周波数出力を得ることはできない。
誘電体ガラスをシリコンダイヤフラムのヒンジ媒体とす
ることにより、上記問題の解決を図っているが、この方
法では充分な線形周波数出力を得ることはできない。
［発明が解決しようとする課題］
そこで、本発明の目的は、負荷圧力又は他の物理的作用
に対して線形関数となる周波数出力を得ることのできる
圧力センサ及びその方法を提供することにある。
に対して線形関数となる周波数出力を得ることのできる
圧力センサ及びその方法を提供することにある。
［課題を解決するための手段〕
上記及び上記以外の目的を達成するために、本発明の第
１の構成によれば、 半導体から成る導電性の基板と、 半導体から形成されるとともに、内方の中心部と外方部
とを有しており、負荷される物理的作用の変化により変
位するダイヤフラムと、前記基板と前記ダイヤフラム間
に配されてこれらを連結する壁部を形成する非導電性の
誘電体層と、 前記基板と前記ダイヤフラム間に形成され、前記壁部に
より閉塞されるとともに真空排気される基準室とを有し
、 前記物理的作用の変化により前記ダイヤフラムが変位し
て静電容量を変化させる容量型センサであって、 前記ダイヤフラムの前記外方部にヒンジ部が形成されて
おり、該ヒンジ部は前記中心部を包囲するとともに該中
心部よりも薄い肉厚を有しており、前記ヒンジ部が前記
物理的作用の変化により変形するにともない、前記中心
部が平面形状を保持した状態にて直線的に変位するよう
に構成したことを特徴とする容量型センサが提供される
。
１の構成によれば、 半導体から成る導電性の基板と、 半導体から形成されるとともに、内方の中心部と外方部
とを有しており、負荷される物理的作用の変化により変
位するダイヤフラムと、前記基板と前記ダイヤフラム間
に配されてこれらを連結する壁部を形成する非導電性の
誘電体層と、 前記基板と前記ダイヤフラム間に形成され、前記壁部に
より閉塞されるとともに真空排気される基準室とを有し
、 前記物理的作用の変化により前記ダイヤフラムが変位し
て静電容量を変化させる容量型センサであって、 前記ダイヤフラムの前記外方部にヒンジ部が形成されて
おり、該ヒンジ部は前記中心部を包囲するとともに該中
心部よりも薄い肉厚を有しており、前記ヒンジ部が前記
物理的作用の変化により変形するにともない、前記中心
部が平面形状を保持した状態にて直線的に変位するよう
に構成したことを特徴とする容量型センサが提供される
。
また、本発明の第２の構成によれば、
半導体から成る導電性の基板と、
半導体から形成されるとともに、内方の中心部と外方部
とを有しており、負荷される物理的作用の変化により変
位するダイヤフラムと、前記基板と前記ダイヤフラム間
に配されてこれらを連結する壁部を形成する非導電性の
誘電体層と、 前記基板と前記ダイヤフラム間に形成され、前記壁部に
より閉塞されるとともに真空排気される基準室とを有し
、 前記物理的作用の変化により前記ダイヤフラムが変位し
て静電容量を変化させる容量型センサの周波数出力を線
形化する方法であって、前記ダイヤフラムの前記外方部
に前記中心部を包囲するとともに該中心部よりも薄い肉
厚を有し、且つ、前記物理的作用の変化により変形する
ことにより、前記中心部が平面形状を保持した状態にて
直線的に変位することを可能とするヒンジ部を形成する
工程を含むことを特徴とする、容量型センサの周波数出
力を線形化する方法が提供される。
とを有しており、負荷される物理的作用の変化により変
位するダイヤフラムと、前記基板と前記ダイヤフラム間
に配されてこれらを連結する壁部を形成する非導電性の
誘電体層と、 前記基板と前記ダイヤフラム間に形成され、前記壁部に
より閉塞されるとともに真空排気される基準室とを有し
、 前記物理的作用の変化により前記ダイヤフラムが変位し
て静電容量を変化させる容量型センサの周波数出力を線
形化する方法であって、前記ダイヤフラムの前記外方部
に前記中心部を包囲するとともに該中心部よりも薄い肉
厚を有し、且つ、前記物理的作用の変化により変形する
ことにより、前記中心部が平面形状を保持した状態にて
直線的に変位することを可能とするヒンジ部を形成する
工程を含むことを特徴とする、容量型センサの周波数出
力を線形化する方法が提供される。
［作 用コ
本発明においては、ダイヤフラムのヒンジ部が圧力等の
物理的作用の変動により変形したときに、上記ダイヤフ
ラムの中心部がその平面形状を保持した状態にて線形的
に変位する。
物理的作用の変動により変形したときに、上記ダイヤフ
ラムの中心部がその平面形状を保持した状態にて線形的
に変位する。
［実 施 例コ
以下に、本発明の実施例を添付図面を参照して説明する
。
。
第２図は、後述する本発明の実施例に係るダイヤフラム
１１１の平面的変位変形例を、従来例を示す第１図との
対比において示している。第２図において、ダイヤフラ
ムＩｌｌの中心部１１７は、第１図の場合と異なり、平
面的状態を保持したまま基板１１２の突出台部１１２Ａ
方向に変位している。即ち、ダイヤフラム１１１の肉薄
に形成されたヒンジ部１１１Ａが負荷圧力により変形す
ることにより、中心部１１７はその平面性を保持した状
態にて突出台部１１２Ａに対して上下方向に変位するこ
ととなる。従って、ダイヤフラム１１１の中心部１１７
の基板１１２（突出台部１１２Ａ）に対する変位量は、
負荷圧力の変化に対して比例関係となり、且つ、静電容
量はダイヤフラム及び基板間の距離に対して反比例の関
係にあるので、圧力センサからの周波数出力は負荷圧力
に対して線形関数となる。
１１１の平面的変位変形例を、従来例を示す第１図との
対比において示している。第２図において、ダイヤフラ
ムＩｌｌの中心部１１７は、第１図の場合と異なり、平
面的状態を保持したまま基板１１２の突出台部１１２Ａ
方向に変位している。即ち、ダイヤフラム１１１の肉薄
に形成されたヒンジ部１１１Ａが負荷圧力により変形す
ることにより、中心部１１７はその平面性を保持した状
態にて突出台部１１２Ａに対して上下方向に変位するこ
ととなる。従って、ダイヤフラム１１１の中心部１１７
の基板１１２（突出台部１１２Ａ）に対する変位量は、
負荷圧力の変化に対して比例関係となり、且つ、静電容
量はダイヤフラム及び基板間の距離に対して反比例の関
係にあるので、圧力センサからの周波数出力は負荷圧力
に対して線形関数となる。
尚、突出台部１１２Ａは、ダイヤフラム１１１゜基板１
１２及び誘電体壁部１１６により画成され且つ真空排気
され気密状態に保持された基準室内に突出している。こ
こで、突出台部１１２Ａは基板１１２側に形成してもよ
いが、これをダイヤフラム１１１側に形成するようにし
てもよい。ヒンジ部１１１Ａは、基板１１２の突出台部
１１２Ａ以外の部分と、又は、基板１１２の突出台部と
対向する面以外の部分とオーバーラツプするように構成
することが好ましい。ヒンジ部１１１Ａは、円環形状と
することが好ましく、円板等の形状を有するダイヤフラ
ム１１１の外周縁部近傍をその中心部１１７に比して肉
薄とすることにより形成される。中心部１１７の厚さと
ヒンジ部１１１Ａの厚さとの比率は約１０：ｌとするこ
とが好ましい。
１２及び誘電体壁部１１６により画成され且つ真空排気
され気密状態に保持された基準室内に突出している。こ
こで、突出台部１１２Ａは基板１１２側に形成してもよ
いが、これをダイヤフラム１１１側に形成するようにし
てもよい。ヒンジ部１１１Ａは、基板１１２の突出台部
１１２Ａ以外の部分と、又は、基板１１２の突出台部と
対向する面以外の部分とオーバーラツプするように構成
することが好ましい。ヒンジ部１１１Ａは、円環形状と
することが好ましく、円板等の形状を有するダイヤフラ
ム１１１の外周縁部近傍をその中心部１１７に比して肉
薄とすることにより形成される。中心部１１７の厚さと
ヒンジ部１１１Ａの厚さとの比率は約１０：ｌとするこ
とが好ましい。
以下に、本発明の実施例を第３図乃至第６図を参照して
説明する。尚、特に言及がない部分又は部材は第１Ａ図
及び第２図に示す対応部分又は部材と同様の構成を有し
いるものとし、また、第３図乃至第６図の説明において
相互に対応する部材についてはその詳細な説明を省略す
る。
説明する。尚、特に言及がない部分又は部材は第１Ａ図
及び第２図に示す対応部分又は部材と同様の構成を有し
いるものとし、また、第３図乃至第６図の説明において
相互に対応する部材についてはその詳細な説明を省略す
る。
第３図において、肉薄に形成されたヒンジ部３１１Ａは
、シリコンダイヤフラム３１１の外周縁部近傍を周方向
に延びて配されており、公知の化学的方法、イオンミリ
ング（ｉｏｎ ｍ１ｌｌｉｎ ｇ ） 、マスクパタ
ーン、放電加工等の方法により一体に形成されている。
、シリコンダイヤフラム３１１の外周縁部近傍を周方向
に延びて配されており、公知の化学的方法、イオンミリ
ング（ｉｏｎ ｍ１ｌｌｉｎ ｇ ） 、マスクパタ
ーン、放電加工等の方法により一体に形成されている。
シリコンダイヤフラム３１１の中心部３１７の厚さは、
圧力センサ３００の測定範囲内の負荷圧力により実質的
な湾曲変形を生起しない値に選択され、一方、ヒンジ部
３１１Ａの厚さは、上記負荷圧力により湾曲変形する値
に選択される。例えば、圧力ゼロから５０ｐｓ ｉまで
をその測定範囲とする圧力センサにおけるドープ処理さ
れたシリコンダイヤフラム３１１の各部寸法は以下の通
りである。
圧力センサ３００の測定範囲内の負荷圧力により実質的
な湾曲変形を生起しない値に選択され、一方、ヒンジ部
３１１Ａの厚さは、上記負荷圧力により湾曲変形する値
に選択される。例えば、圧力ゼロから５０ｐｓ ｉまで
をその測定範囲とする圧力センサにおけるドープ処理さ
れたシリコンダイヤフラム３１１の各部寸法は以下の通
りである。
外 径 ０．１９０インチ
ヒンジ部の
半径方向幅 ０．０２０インチ
中心部の厚さ ０．０２５インチ
ヒンジ部の厚さ ０．００３インチ
第４図において、ヒンジ部４１１Ａは、塩素の化学作用
を利用した反応性イオンエツチング（ｒｅａｃｔｉｖｅ
ｔｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ）により形成することが
可能である。尚、この方法は、シリコン用に選択された
方法であり、ガラスには適用できない。シリコン−ガラ
ス−シリコンの三層からなる複合体ダイヤフラム４１１
は、まず、シリコンプレート４１１Ｈ上にガラス４１１
Ｇを被覆し、次いで、これをシリコンプレート４１１Ｒ
に静電接着することにより形成される。ここで、シリコ
ンプレート４１１Ｈの厚さは、ヒンジ部として適切に機
能する値に選択されており、一方、シリコンプレート４
１１Ｒの厚さは、シリコンプレート４１１Ｈ及びガラス
４１１Ｇと協働して所望の中心部４１７として機能する
値に選択されている。
を利用した反応性イオンエツチング（ｒｅａｃｔｉｖｅ
ｔｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ）により形成することが
可能である。尚、この方法は、シリコン用に選択された
方法であり、ガラスには適用できない。シリコン−ガラ
ス−シリコンの三層からなる複合体ダイヤフラム４１１
は、まず、シリコンプレート４１１Ｈ上にガラス４１１
Ｇを被覆し、次いで、これをシリコンプレート４１１Ｒ
に静電接着することにより形成される。ここで、シリコ
ンプレート４１１Ｈの厚さは、ヒンジ部として適切に機
能する値に選択されており、一方、シリコンプレート４
１１Ｒの厚さは、シリコンプレート４１１Ｈ及びガラス
４１１Ｇと協働して所望の中心部４１７として機能する
値に選択されている。
第５図においては、第４図におけるガラス４１ＩＧに代
えてアルミニウムを用いることが可能である。ここで、
アルミニウムは、接着剤として機能するとともにエツチ
ング処理のストッパとして機能する。ダイヤフラム５１
１を形成するには、まず、アルミニウム層５１１Ｇをシ
リコンプレー）５１１Ｈ上に被覆し、次いで、これをシ
リコンブレー）５１１Ｒに接着する。次に、シリコンプ
レート５ｔｔＲをエツチング処理することによりヒンジ
部５１１Ａを形成するが、このとき、アルミニウム層は
エツチング処理のストッパとして機能する。さらに、三
層複合体のダイヤフラム５１１を加熱することによりア
ルミニウムがシリコン内に拡散し、−これにより静電接
着が達成される。
えてアルミニウムを用いることが可能である。ここで、
アルミニウムは、接着剤として機能するとともにエツチ
ング処理のストッパとして機能する。ダイヤフラム５１
１を形成するには、まず、アルミニウム層５１１Ｇをシ
リコンプレー）５１１Ｈ上に被覆し、次いで、これをシ
リコンブレー）５１１Ｒに接着する。次に、シリコンプ
レート５ｔｔＲをエツチング処理することによりヒンジ
部５１１Ａを形成するが、このとき、アルミニウム層は
エツチング処理のストッパとして機能する。さらに、三
層複合体のダイヤフラム５１１を加熱することによりア
ルミニウムがシリコン内に拡散し、−これにより静電接
着が達成される。
第６図においては、第５図に示すダイヤフラム５１１が
上下位置を逆にして配されている。このように構成する
ことにより、シリコン基板５１２に形成された突出台部
５１２Ａを省略することができ、圧力センサの製造が容
易となる。尚、第６図においては、第５図に示すダイヤ
フラムの上下位置を逆にして配しているが、第３図又は
第４図に示すダイヤフラムをその上下位置を逆にして配
してもよいことはいうまでもない。
上下位置を逆にして配されている。このように構成する
ことにより、シリコン基板５１２に形成された突出台部
５１２Ａを省略することができ、圧力センサの製造が容
易となる。尚、第６図においては、第５図に示すダイヤ
フラムの上下位置を逆にして配しているが、第３図又は
第４図に示すダイヤフラムをその上下位置を逆にして配
してもよいことはいうまでもない。
尚、第３図乃至第６図に示すダイヤフラムは、それぞれ
同様に作用し、その作用は第２図において述べた通りで
ある。
同様に作用し、その作用は第２図において述べた通りで
ある。
以上、本発明を実施例に基づいて説明してきたが、本発
明は、上記実施例の構成に限定されるものではなく、本
発明の要旨の範囲に含まれる全ての変形、変更を含むも
のであり、従って、特許請求の範囲に記載した要件を満
足する全ての構成は本発明に含まれるものである。
明は、上記実施例の構成に限定されるものではなく、本
発明の要旨の範囲に含まれる全ての変形、変更を含むも
のであり、従って、特許請求の範囲に記載した要件を満
足する全ての構成は本発明に含まれるものである。
例えば、センサ出力の線形性をより高めるために、ダイ
ヤフラム及び基板間に同様のダイヤフラムを介挿した構
成としてもよい。
ヤフラム及び基板間に同様のダイヤフラムを介挿した構
成としてもよい。
さらに、本発明は、圧力センサに限定されるものではな
く、他のセンサスはトランスデユーサ、例えば加速度計
等に適用することも可能である。
く、他のセンサスはトランスデユーサ、例えば加速度計
等に適用することも可能である。
［効 果］
本発明においては、ダイヤフラムに負荷される圧力等の
物理的作用に変動が生じると、ダイヤフラムのヒンジ部
が変形し、これにより、ダイヤフラムの中心部はその平
面形状を保持した状態にて線形的に変位する。従って、
この中心部の変位量は、負荷される物理的作用の変化に
対して比例関係となり、且つ、静電容量はダイヤフラム
及び基板間の距離に対して反比例の関係にあるので、セ
ンサの出力応答性は負荷される物理的作用に対して線形
関数となる。
物理的作用に変動が生じると、ダイヤフラムのヒンジ部
が変形し、これにより、ダイヤフラムの中心部はその平
面形状を保持した状態にて線形的に変位する。従って、
この中心部の変位量は、負荷される物理的作用の変化に
対して比例関係となり、且つ、静電容量はダイヤフラム
及び基板間の距離に対して反比例の関係にあるので、セ
ンサの出力応答性は負荷される物理的作用に対して線形
関数となる。
第１Ａ図は、従来の容量型圧力センサを示す一部断面斜
視図であり、第１図は、従来の容量型圧力センサにおけ
るダイヤフラムの変形変位を示す断面図であり、第２図
は、本発明の実施例に係る容量型圧力センサにおけるダ
イヤフラムの変形変位を示す断面図であり、第３図は、
本発明の第１の実施例に係る容量型圧力センサの主要部
を示す断面図であり、第４図は、本発明の第２の実施例
に係る容量型圧力センサの主要部を示す断面図であり、
第５図は、本発明の第３の実施例に係る容量型圧力セン
サの主要部を示す断面図であり、第６図は、本発明の第
４の実施例に係る容量型圧力センサの主要部を示す断面
図である。 ３００ 、、、容量型圧力センサ ３１１ 、、、ダイヤフラム ３１１Ａ 、、、ヒンジ部 ３１２ 、、、基板 ３１２Ａ 、、、突出台部 ３１６ 、、、誘電体壁部 ３１７ 、、、中心部 ４００ 、、、容量型圧力センサ ４１１ 、、、ダイヤフラム ４１１Ａ 、、、ヒンジ部 ４１２ 、、、基板 ４１２Ａ 、、、突出台部 ４１６ 、、、誘電体壁部 ４１７ 、、、中心部 ５００ 、、、容量型圧力センサ ５１１ 、、、ダイヤフラム １１Ａ １２ １２Ａ Ｉ６ １７ ００ １１ １１Ａ １２ １６ １７ １１．ヒンジ部 ９．、基板 １１．突出台部 ０１．誘電体壁部 ０９．中心部 １１．容量型圧力セン今 ００．ダイヤフラム ９６．ヒンジ部 ９０．基板 ０１．誘電体壁部 １１．中心部
視図であり、第１図は、従来の容量型圧力センサにおけ
るダイヤフラムの変形変位を示す断面図であり、第２図
は、本発明の実施例に係る容量型圧力センサにおけるダ
イヤフラムの変形変位を示す断面図であり、第３図は、
本発明の第１の実施例に係る容量型圧力センサの主要部
を示す断面図であり、第４図は、本発明の第２の実施例
に係る容量型圧力センサの主要部を示す断面図であり、
第５図は、本発明の第３の実施例に係る容量型圧力セン
サの主要部を示す断面図であり、第６図は、本発明の第
４の実施例に係る容量型圧力センサの主要部を示す断面
図である。 ３００ 、、、容量型圧力センサ ３１１ 、、、ダイヤフラム ３１１Ａ 、、、ヒンジ部 ３１２ 、、、基板 ３１２Ａ 、、、突出台部 ３１６ 、、、誘電体壁部 ３１７ 、、、中心部 ４００ 、、、容量型圧力センサ ４１１ 、、、ダイヤフラム ４１１Ａ 、、、ヒンジ部 ４１２ 、、、基板 ４１２Ａ 、、、突出台部 ４１６ 、、、誘電体壁部 ４１７ 、、、中心部 ５００ 、、、容量型圧力センサ ５１１ 、、、ダイヤフラム １１Ａ １２ １２Ａ Ｉ６ １７ ００ １１ １１Ａ １２ １６ １７ １１．ヒンジ部 ９．、基板 １１．突出台部 ０１．誘電体壁部 ０９．中心部 １１．容量型圧力セン今 ００．ダイヤフラム ９６．ヒンジ部 ９０．基板 ０１．誘電体壁部 １１．中心部
Claims (16)
- （１）半導体から成る導電性の基板と、 半導体から形成されるとともに、内方の中心部と外方部
とを有しており、負荷される物理的作用の変化により変
位するダイヤフラムと、 前記基板と前記ダイヤフラム間に配されてこれらを連結
する壁部を形成する非導電性の誘電体層と、 前記基板と前記ダイヤフラム間に形成され、前記壁部に
より閉塞されるとともに真空排気される基準室とを有し
、 前記物理的作用の変化により前記ダイヤフラムが変位し
て静電容量を変化させる容量型センサであって、 前記ダイヤフラムの前記外方部にヒンジ部が形成されて
おり、該ヒンジ部は前記中心部を包囲するとともに該中
心部よりも薄い肉厚を有しており、前記ヒンジ部が前記
物理的作用の変化により変形するにともない、前記中心
部が平面形状を保持した状態にて直線的に変位するよう
に構成したことを特徴とする容量型センサ。 - （２）前記ダイヤフラムが円板形状を有しており、前記
ヒンジ部が前記中心部を包囲する円環形状部を有してい
ることを特徴とする請求項（１）に記載の容量型センサ
。 - （３）前記中心部の厚さの前記ヒンジ部の厚さに対する
比率が１０：１であることを特徴とする請求項（１）又
は（２）に記載の容量型センサ。 - （４）前記基板の内側面に形成されるとともに前記基準
室内に突出する突出台部を有しており、前記ヒンジ部が
、前記基板の前記突出台部以外の部分とオーバーラップ
していることを特徴とする請求項（１）乃至（３）のい
ずれか１項に記載の容量型センサ。 - （５）前記ダイヤフラムが、第１のシリコン層と、第２
のシリコン層と、第１及び第２のシリコン層間に配され
るとともに、シリコンのエッチング処理用化学製品に対
してエッチング処理を停止するように機能する材料から
成る第３の層とを有し、前記第１及び第２のシリコン層
の一方が円環形状のエッチング処理部を有し、これによ
り、前記ヒンジ部が形成されることを特徴とする請求項
（１）乃至（３）のいずれか１項に記載の容量型センサ
。 - （６）前記エッチング処理部が前記ダイヤフラムの内側
面に形成されており、前記中心部が前記基準室内に突出
する一方、前記基板が実質的に平面状の内側面を有する
ことを特徴とする請求項（５）に記載の容量型センサ。 - （７）前記第３の層がガラスから成ることを特徴とする
請求項（５）又は（６）に記載の容量型センサ。 - （８）前記第３の層がアルミニウムから成ることを特徴
とする請求項（５）又は（６）に記載の容量型センサ。 - （９）前記ヒンジ部の厚さが約３ミルであり、前記中心
部の厚さが約２５ミルであることを特徴とする請求項（
１）乃至（８）のいずれか１項に記載の容量型センサ。 - （１０）半導体から成る導電性の基板と、 半導体から形成されるとともに、内方の中心部と外方部
とを有しており、負荷される物理的作用の変化により変
位するダイヤフラムと、 前記基板と前記ダイヤフラム間に配されてこれらを連結
する壁部を形成する非導電性の誘電体層と、 前記基板と前記ダイヤフラム間に形成され、前記壁部に
より閉塞されるとともに真空排気される基準室とを有し
、 前記物理的作用の変化により前記ダイヤフラムが変位し
て静電容量を変化させる容量型センサの周波数出力を線
形化する方法であって、 前記ダイヤフラムの前記外方部に前記中心部を包囲する
とともに該中心部よりも薄い肉厚を有し、且つ、前記物
理的作用の変化により変形することにより、前記中心部
が平面形状を保持した状態にて直線的に変位することを
可能とするヒンジ部を形成する工程を含むことを特徴と
する、容量型センサの周波数出力を線形化する方法。 - （１１）前記ダイヤフラムをシリコンのみから形成し、
前記ダイヤフラムからその一部を除去して凹部を形成す
ることにより前記ヒンジ部を形成することを特徴とする
請求項（１０）に記載の方法。 - （１２）前記ダイヤフラムからの前記除去は、エッチン
グ処理により行うことを特徴とする請求項（１１）に記
載の方法。 - （１３）前記ダイヤフラムからの前記除去は、放電加工
により行うことを特徴とする請求項（１１）に記載の方
法。 - （１４）前記ダイヤフラムを、２つのシリコン層と、シ
リコンのエッチング処理に用いられる化学製品に対して
エッチングストッパとして機能するシリコン以外の材料
から形成される中間層を有する少なくとも３層から形成
する工程と、 前記２つのシリコン層の一方を前記エッチング処理用化
学製品が前記中間層に到達するまでエッチング処理する
ことにより前記ヒンジ部を形成する工程とを有すること
を特徴とする請求項（１０）に記載の方法。 - （１５）前記中間層を、ヒンジ部として機能する所定の
厚さを有する一方のシリコン層に被覆し、この被覆した
複合体を、前記中心部として機能する所定の厚さを有す
る他方のシリコン層に結合する工程と、 前記他方のシリコン層の前記外方部をエッチング処理す
ることにより前記ヒンジ部を形成する工程とを有するこ
とを特徴とする請求項（１４）に記載の方法。 - （１６）前記他方のシリコン層を前記基準室に対向して
配する工程と、 前記基準室に対向する面が実質的に平面状である前記基
板を配する工程とを有することを特徴とする請求項（１
５）に記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/317,236 US4998179A (en) | 1989-02-28 | 1989-02-28 | Capacitive semiconductive sensor with hinged diaphragm for planar movement |
| US317,236 | 1989-02-28 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0381635A true JPH0381635A (ja) | 1991-04-08 |
| JP2918272B2 JP2918272B2 (ja) | 1999-07-12 |
Family
ID=23232735
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2049161A Expired - Fee Related JP2918272B2 (ja) | 1989-02-28 | 1990-02-28 | 線形応答性を有する容量型センサ及び線形応答性を得るための方法 |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4998179A (ja) |
| EP (1) | EP0385574B1 (ja) |
| JP (1) | JP2918272B2 (ja) |
| KR (1) | KR0137931B1 (ja) |
| BR (1) | BR9000734A (ja) |
| CA (1) | CA2010803C (ja) |
| DE (1) | DE69007516T2 (ja) |
| IL (1) | IL93540A (ja) |
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