JPH06265428A - 静電容量式圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 基板間接合部の残留応力などに左右されるこ
となく、高精度で信頼性の高い圧力計測を可能にした。 【構成】 サファイア基板１１はその表面側中央部に全
体形状がほぼ正方形で断面が凹状となる深さの浅い凹部
１２が形成されており、この凹部１２内の底部には導電
性膜からなる可動電極１３が形成され、また、サファイ
ア基板１４はその表面側中央部に全体形状がほぼ正方形
の導電性膜からなる固定電極１５が形成され、そして可
動電極１３が形成されたサファイア基板１１と固定電極
１５が形成されたサファイア基板１４とをそれぞれ両電
極形成面を対向させて接合部を張り合わせ、接合材を用
いることなく、直接接合により密着させて固定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被測定媒体の圧力の変
化を計測する静電容量式圧力センサに係わり、特にその
静電容量式圧力センサを構成するチップ構造に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】一般に静電容量式センサにおいては、セ
ンシング容量部を形成する一対の電極間に発生する寄生
容量を最小に抑えるため、少なくとも一方の基板に絶縁
材料を用いることが必要とされている。

【０００３】従来、この種の静電容量式圧力センサとし
ては、図５に断面で示すように固定電極１を有するパイ
レックスからなるカバーガラス２と、表裏面に凹部を形
成し表面側の凹部内に可動電極３を設けたシリコンウエ
ハ４とをその両電極面をギャップＧを介して対向配置さ
せ、その周辺部分を陽極接合による接合部５により接合
して構成されたダイアフラム構造の静電容量式圧力セン
サが提案されている（特開平１−２５３６２７号）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た従来の静電容量式圧力センサは、カバーガラス２とシ
リコンウエハ４とが異種材料で構成されており、パイレ
ックスとシリコンとは熱膨張率は近いが、同じではな
く、また、熱膨張率の温度特性も同じでないため、接合
時に残留応力が生じ、この残留応力がダイアフラムの変
位量に影響を与えるという問題があった。また、この残
留応力の値は、使用時に経時変化するために精度劣化を
招くという問題があった。

【０００５】また、前述した従来の静電容量式圧力セン
サは、カバーガラス２とシリコンウエハ４とが異種材料
で構成されることから、使用時に温度変化があると、熱
膨張率の差により接合部５に熱応力が生じ、この熱応力
がダイアフラムの変位量に影響を与え、大きな温度特性
が生じてしまうという問題があった。

【０００６】さらに前述した従来の静電容量式圧力セン
サを構成するシリコンウエハ４は、弱アルカリなどで容
易に腐食されるため、液体の圧力を直接計測する場合に
液体の種類にかなり制限されるという問題があった。

【０００７】したがって従来構造の静電容量式圧力セン
サは、そのパッケージを構成する基板材料およびその基
板間接合部の残留応力に左右され、高精度でしかも信頼
性の高い圧力計測に悪影響をおよぼすという問題があっ
た。

【０００８】したがって本発明は、前述した従来の課題
を解決するためになされたものであり、その目的は、基
板材料および基板間接合部の残留応力などに左右される
ことなく、高精度で量産性に優れかつ信頼性の高い圧力
計測を可能にした静電容量式圧力センサを提供すること
にある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために本発明は、空洞が少なくとも一方に窪みが設け
られた第１のサファイア基板と第２のサファイア基板と
が対向して密着接合されることにより形成するものであ
る。

【００１０】

【作用】本発明においては、第１のサファイア基板と、
第２のサファイア基板とがシール材を不要としてサファ
イア同志の物理化学的な結合力により直接的に密着して
接合される。

【００１１】

【実施例】以下、図面を用いて本発明に実施例を詳細に
説明する。図１は本発明による静電容量式圧力センサの
一実施例による構成を示す図であり、図１（ａ）は平面
図，図１（ｂ）はその断面図である。同図において、サ
ファイア基板１１は、その表面側中央部に全体形状がほ
ぼ正方形で断面が凹状となる深さの浅い凹部１２が形成
されており、この凹部１２内の底部には導電性膜からな
る第１の電極としての可動電極１３が形成されて可動ダ
イアフラム構造が構成されている。

【００１２】また、この第２のサファイア基板１４は、
この第１のサファイア基板１１と同一材料からなり、そ
の表面側中央部に全体形状がほぼ正方形の導電性膜から
なる第２の電極としての固定電極１５が形成されてい
る。そして可動電極１３が形成されたサファイア基板１
１と、固定電極１５が形成されたサファイア基板１４と
が凹部１２を介してそれぞれ両電極形成面を対向させて
配置し、その周辺部分が接合材を用いることなく、サフ
ァイア同志の直接接合により密着されて固定され、圧力
センサチップ構造が構成されている。

【００１３】この場合、サファイア基板１１とサファイ
ア基板１４との接合部となる基板表面は、表面荒さＲａ
が約１０Å程度以下の平坦な鏡面を有して形成されてお
り、サファイア基板１１と、サファイア基板１４とを室
温において対向配置させて張り合わせ、２００〜１１０
０℃程度まで加熱することにより、サファイア同志が物
理化学的な結合力によって密着され、強固に接合される
ことになる。

【００１４】このような構成において、可動電極１３が
形成されたサファイア基板１１が圧力に応じて変位す
る。したがって圧力の変化に対応して変化するサファイ
ア基板１１の可動電極１３と、サファイア基板１４の固
定電極１５との間の静電容量を測定することにより圧力
の計測が行われる。

【００１５】このような構成によると、サファイア基板
１１と、サファイア基板１４とが同種の材料であり、か
つ接合材を用いずに物理化学的な結合力によって密着し
て接合されているため、サファイア基板１１と、サファ
イア基板１４との接合が使用温度以上で行われた後、使
用温度に冷却されても、残留応力の発生が殆どなくな
る。

【００１６】また、使用温度の変化があってもサファイ
ア基板１１と、サファイア基板１４とが同種の材料であ
るため、接合に起因する圧力センサの温度特性に悪影響
をおよぼさなくなる。したがって高精度でしかも信頼性
の高い圧力センサを製作することができる。

【００１７】また、サファイアは、シリコンやパイレッ
クスと比較して優れた耐食性を持つため、シリコンやパ
イレックスでは使用できない液体、例えば弱アルカリ液
などの圧力も直接測定が可能となる。

【００１８】また、静電容量式圧力センサの基板部とし
てサファイア基板を用いたことにより、前述した効果に
加えて基板接合時の位置合わせを、基板上方から肉眼ま
たは光学顕微鏡を用いて容易に行うことができ、生産性
を大幅に向上させることができる。

【００１９】また、サファイア基板１１およびサファイ
ア基板１４は、接合材を用いずに接合可能な表面荒さの
殆どないウエハの入手が比較的容易であり、容易に高精
度な圧力センサを構成することが可能である。

【００２０】図２は、本発明による静電容量式圧力セン
サの他の実施例による構成を示す図で図２（ａ）は平面
図，図２（ｂ）はその断面図であり、前述の図と同一部
分には同一符号を付してある。同図において、サファイ
ア基板１１に形成される可動電極１３は、センシング容
量部１３ａとその周辺部にレファレンス容量部１３ｂと
を有して構成されている。

【００２１】このような構成においても前述と同様な効
果が得られるとともに、センシング容量部１３ａとその
周辺部にレファレンス容量部１３ｂとの差により、圧力
以外の外乱および雑音などが相殺され、高精度な圧力測
定が可能となる。

【００２２】次に図１で説明した静電容量式圧力センサ
の製造方法について説明する。図３は、静電容量式圧力
センサの製造方法の一実施例を説明する工程の断面図で
ある。同図において、まず、図３（ａ）に示すように少
なくとも対向配置されて接合される周辺部分の表面が鏡
面研磨されたサファイア基板１１を準備する。

【００２３】次に図３（ｂ）に示すようにこのサファイ
ア基板１１の中央部分にドライエッチング法により、凹
部１２を形成する。

【００２４】次に図３（ｃ）に示すようにサファイア基
板１１の凹部１２内にＣＶＤ法，スパッタリング法また
は真空蒸着法などにより導電性薄膜を被着形成して可動
電極１３を成膜する。

【００２５】次に図３（ｄ）に示すように少なくとも対
向配置されて接合される周辺部分の表面が鏡面研磨され
たサファイア基板１４を準備する。

【００２６】次に図３（ｅ）に示すようにこのサファイ
ア基板１４の中央部分にＣＶＤ法，スパッタリング法ま
たは真空蒸着法などにより導電性薄膜を被着形成して固
定電極１５を成膜する。

【００２７】次に図３（ｆ）に示すように可動電極１３
が形成されたサファイア基板１３と固定電極１５が形成
されたサファイア基板１４とを接合材を用いずにクリー
ンな雰囲気中において室温付近で電極形成面を対向させ
て張り合わせ、２００〜１１００℃程度の高温雰囲気中
で熱処理を行って接合を強固にする。

【００２８】次に図３（ｇ）に示すようにサファイア基
板１３の接合されていない表面側を研磨し、このサファ
イア基板１３を圧力レンジに応じた所定の厚さに研削加
工して完成する。

【００２９】なお、前述した実施例においては、サファ
イア基板１１およびサファイア基板１４の形状を、正方
形とした場合について説明したが、本発明はこれに限定
されるものではなく、長方形，多角形，円形あるいは楕
円形などの各種の形状に形成しても良い。

【００３０】また、前述した実施例においては、凹部１
２および可動電極１３，固定電極１５の形状を、正方形
とした場合について説明したが、本発明はこれに限定さ
れるものではなく、長方形，多角形，円形あるいは楕円
形などの各種の形状に形成して良いことは言うまでもな
い。

【００３１】また、前述した実施例において、サファイ
ア基板１１とサファイア基板１４との間に設けた凹部１
２内には、例えば真空，空気あるいはその他の封入物を
収納して用いても良い。

【００３２】図４は、本発明による静電容量式圧力セン
サのさらに他の実施例による構成を示す図である。同図
において、２１は第１のサファイア基板であり、この第
１のサファイア基板２１の下面側には、断面が凹状とな
る深さの浅い凹部２２が形成されており、この凹部２２
内の底面には導電性膜からなる固定電極２３が形成され
ている。

【００３３】また、この第１のサファイア基板２１の溝
２２の底面には固定電極２３の電極取り出し孔２１ａが
外部に貫通して形成され、この電極取り出し孔２１ａの
内面には固定電極２３のリード部２３ａが一体形成され
るとともに第１のサファイア基板２１の上面に引き出さ
れて固定電極取り出し端子２３ｂが形成されている。さ
らにこの第１のサファイア基板２１には、図４（ｂ）に
下斜め方向から見た斜視図で示すように上記凹部２２が
大気圧に連通する大気圧導入孔２１ｂが設けられてい
る。

【００３４】また、この第１のサファイア基板２１の凹
部２２が形成された下面側には、この凹部２２を塞ぐよ
うに第２のサファイア基板２４が配置され、この第２の
サファイア基板１４の固定電極２３と対向する上面側に
は可動電極２５およびこの可動電極２５の取り出し端子
２５ａが形成されている。この場合、この第２のサファ
イア基板２４は、第１のサファイア基板２１よりも板厚
を薄くして形成され、可動ダイアフラム構造が構成され
る。

【００３５】また、この第２のサファイア基板２４の下
面側には、図４（ｃ）に斜め上方からみた斜視図で示す
ように断面が凹状となる深さの浅い測定圧力印加凹部２
６が形成されるとともにこの凹部２６の外気と連通する
測定圧力導入孔２７ａおよび圧力印加凹部２７ｂが設け
られた第３のサファイア基板２７が配置されている。ま
た、この第３のサファイア基板２７の下面側には、測定
圧力導入孔２７ａに連通する開口２８ａを設けた台座２
８が配置されている。

【００３６】そして第１のサファイア基板２１と、第２
のサファイア基板２４と、第３のサファイア基板２７と
の各周辺接合部がサファイア同志の直接接合により密着
されて固定され、容量式圧力センサチップのパッケージ
構造が構成されている。

【００３７】このような構成において、可動電極２５が
形成された第２のサファイア基板２４からなる可動ダイ
アフラム構造が測定導入孔２７ａから導入された圧力に
応じて変位する。したがって圧力の変化に対応して変化
する第２のサファイア基板２４の可動電極２５と、第１
のサファイア基板２１の固定電極２３との間に形成され
たギャップＧの静電容量を測定することにより圧力の計
測が行われる。

【００３８】このような構成によれば、測定導入孔２７
ａから導入される測定媒体は、第２のサファイア基板２
４および第３のサファイア基板２７のみに接触構造とな
るので、各固定電極２３および可動電極２５などの腐食
され易い電極材料とは接触しないため、各種の気体，液
体および水蒸気などの測定媒体の圧力計測が可能とな
る。

【００３９】また、このような構成によれば、可動ダイ
アフラム構造と、センサチップが取り付けられる例えば
ステンレス製金属管などの本体との接合個所が離れてい
るため、可動ダイアフラム構造が受けるセンサチップ
と、本体との接合個所に発生する残留応力の影響が小さ
くなるので、残留応力に起因する誤差の影響が極めて少
なくなる。

【００４０】

【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
第１のサファイア基板および第２のサファイア基板の同
一材料で圧力センサチップ構造を構成したことにより、
製作時に接合部に生じる残留応力および使用時に生じる
熱応力に起因する誤差が発生し難くなる。また、第１の
サファイア基板と第２のサファイア基板とを接着材を介
さずにサファイア基板同志を接合したことにより、サブ
ミクロンのギャップのコントロールが可能となるので、
容量式圧力センサに適用した場合に第１のサファイア基
板と第２のサファイア基板と対向間に制御性の極めて良
い計測コンデンサギャップ間隔が得られる。したがって
高精度で信頼性の高い圧力計測が可能となるなどの極め
て優れた効果が得られる。また、静電容量式圧力センサ
チップのパッケージ構造を第１のサファイア基板および
第２のサファイア基板の同一材料で構成したことによ
り、これらのサファイア基板は極めて高い耐食性を有し
ていることから、各種の気体，液体および水蒸気などの
測定媒体に直接的に接触することが可能となるので、従
来、センサチップの表面をシリコンオイルで覆っていた
封入液を使用せずに全ての測定媒体の圧力を計測できる
圧力センサが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による静電容量式圧力センサの一実施例
による構成を示す図である。

【図２】本発明による静電容量式圧力センサの他の実施
例による構成を示す図である。

【図３】図１に示す静電容量式圧力センサの製造方法の
一例を説明する工程の断面図である。

【図４】本発明による静電容量式圧力センサのさらに他
の実施例による構成を示す図である。

【図５】従来の静電容量式圧力センサの構成を示す断面
図である。

【符号の説明】

１１ サファイア基板 １２ 凹部 １３ 可動電極 １３ａ センシング容量部 １３ｂ レファレンス容量部 １４ サファイア基板 １５ 固定電極 ２１ 第１のサファイア基板 ２１ａ 電極取り出し孔 ２１ｂ 大気圧導入孔 ２２ 凹部 ２３ 固定電極 ２３ａ リード部 ２３ｂ 固定電極取り出し端子 ２４ 第２のサファイア基板 ２５ 可動電極 ２５ａ 可動電極取り出し孔 ２６ 測定圧力印加凹部 ２７ 第３のサファイア基板 ２７ａ 測定圧力導入孔 ２７ｂ 圧力印加凹部 ２８ 台座 ２８ａ 開口 ３１ 第１のサファイア基板 ３２ 凹部 ３３ 第２のサファイア基板 ３３ａ 大気圧導入孔 ３３ｂ 電極取り出し端子 ３４ 歪ゲージ ３５ 台座

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２枚の平行平板電極が空洞内に対向配置
   されて形成された静電容量式圧力センサにおいて、 前記空洞が少なくとも一方に窪みが設けられた第１のサ
   ファイア基板と第２のサファイア基板とが対向して密着
   接合されることにより形成されたことを特徴とする静電
   容量式圧力センサ。