JPH06294695A

JPH06294695A - 静電容量型半導体圧力センサ

Info

Publication number: JPH06294695A
Application number: JP10611593A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Omi; 俊彦近江
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1993-04-07
Filing date: 1993-04-07
Publication date: 1994-10-21

Abstract

(57)【要約】【目的】センサ感度を向上させ、空気等の導入口を容
易に加工することができる静電容量型半導体圧力センサ
を提供する。【構成】結晶シリコンウエハより枠内全面に薄膜状の
感圧ダイヤフラム部３を変位自在に支持させた角枠状の
フレーム２を作製し、感圧ダイヤフラム部３に可動電極
５を形成する。フレーム２の上側に、シリコンカバー４
を接合し、シリコンカバー４の内面に感圧ダイヤフラム
部３が自由に微小変位できるように窪み７を形成させ、
窪み７には可動電極５に対向させて固定電極６を形成す
る。また、導入口８，８を、固定電極６を挟んで対称と
なるように、シリコンカバー４の感圧ダイヤフラム部３
と対向した領域の端部に貫通して設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は静電容量型半導体圧力セ
ンサに関する。具体的には、空気等のゲージ圧を測定す
るための静電容量型半導体圧力センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、空気等のゲージ圧を測定するため
の静電容量型半導体圧力センサには、例えば、特開平３
−２３９９３８号に開示されている構造の圧力センサが
ある。この圧力センサは、シリコン基板より作製された
弾性を有する感圧ダイヤフラム部を支持した支持体に、
ガラス基板が陽極接合されて作製されている。また、感
圧ダイヤフラム部には可動電極が形成されており、可動
電極と対向してわずかな隙間を隔ててガラス基板には固
定電極が形成され、両電極の間にコンデンサが構成され
ている。また、ゲージ圧を測定する空気等を導入するた
めの孔部が、ガラス基板の固定電極ほぼ中央部にガラス
基板を貫通して設けられている。

【０００３】しかして、孔部より空気等が導入されると
その圧力により感圧ダイヤフラム部が変位し、その変位
に応じて可動電極と固定電極により構成されたコンデン
サの静電容量の値が変化する。したがって、その静電容
量の値の変化を検知することにより、導入された空気等
のゲージ圧を知ることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、空気等
を導入するための孔部はガラス基板を貫通させて設けな
ければならず、その加工が非常に困難で、圧力センサを
量産するには不向きであった。

【０００５】また、孔部が設けられた固定電極の中央部
に対向する感圧ダイヤフラム部の領域は、特に導入され
た空気等の圧力により最も変化を受けやすい場所であ
り、感圧ダイヤフラム部の変位が最も大きい場所であ
る。したがって、従来例のような構造にあっては、感圧
ダイヤフラム部の変位が最も大きい可動電極の中央部に
おいてコンデンサを構成することができない。この結
果、コンデンサの静電容量が低下するとともに、感圧ダ
イヤフラム部の変位に応じた大きな静電容量の変化を得
ることができず、圧力センサの測定感度や測定精度を低
下させることとなって、センサ信号を得る観点からは非
常に不利な構造となっていた。

【０００６】また、感圧ダイヤフラム部の中央部は空気
等の圧力に比例して変位を生じるが、感圧ダイヤフラム
部の中央部にはコンデンサを構成できないため、圧力セ
ンサの直線性もよいものではなかった。また、静電容量
を大きくするために感圧ダイヤフラム部の端部にまで可
動電極を形成していたが、感圧ダイヤフラム部の端部
は、空気等の圧力に比例して変位できる圧力範囲が狭
く、圧力センサの出力の直線性には、却って悪影響を及
ぼす結果となっていた。

【０００７】本発明は叙上の従来例の欠点に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところは、センサ感度
を向上させ、測定対象である空気等を導入するための導
入口を容易に加工することができる量産性のよい静電容
量型半導体圧力センサを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の静電容量型半導
体圧力センサは、弾性を有する感圧ダイヤフラム部を支
持体に設け、当該支持体のいずれか一方の面に基板を接
合し、可動電極を形成した感圧ダイヤフラム部と対向さ
せて前記基板の内面に固定電極を設け、空気等の流体を
導入するための孔状の導入口を前記基板に貫通させて設
けた静電容量型半導体圧力センサにおいて、前記支持体
及び前記基板は、それぞれシリコン製の薄板より作製さ
れたことを特徴としている。

【０００９】また、上記導入口は、前記基板の前記感圧
ダイヤフラム部と対向した領域の端部に設けることとし
てもよい。

【００１０】

【作用】本発明の静電容量型半導体圧力センサにおい
て、測定対象である空気等を導入するための導入口は、
シリコン製の薄板より作製された基板に貫通させて設け
ているので、導入口の加工を容易にすることができ、圧
力センサの量産性を向上させることができる。

【００１１】また、支持体と基板とをシリコン製の薄板
より作製することとしているので、支持体との線熱膨張
係数の差を無くすことができ、支持体と基板とを接合す
る際により低温で接合することができる。このため、支
持体と基板とに生じる歪みが少なくなり、圧力センサの
感度などの特性値に与える影響を少なくできる。

【００１２】さらに、温度変化による歪みも少ないの
で、使用温度範囲を広げることができ、圧力センサの温
度特性を向上させることもできる。

【００１３】また、導入口を基板上の感圧ダイヤフラム
部と対向した領域の端部に設けることにすれば、感圧ダ
イヤフラム部が大きな変位を生じる部分において静電容
量の大きなコンデンサを構成することができる。したが
って、空気等の圧力に応じて大きな静電容量の変化を生
じさせることができ、圧力センサの測定感度や測定精度
を向上させることができる。一方、導入口と対向した感
圧ダイヤフラム部の端部に生じる変位量は小さいので、
この領域にコンデンサを構成できなくても、感圧ダイヤ
フラム部の変位に応じた静電容量の値の変化に与える影
響はほとんどない。

【００１４】また、空気等の圧力に直線的に比例して変
位を生じる感圧ダイヤフラム部の中央部に静電容量の大
きなコンデンサを構成することができるので、圧力セン
サの出力の直線性を向上させることができる。また、感
圧ダイヤフラム部の端部の対向する領域には導入口を設
けているのでコンデンサを構成することができず、圧力
センサの出力の直線性に悪影響を及ぼすことも少なくな
る。

【００１５】

【実施例】図１に本発明の一実施例である静電容量型の
圧力センサ１を示す。図１（ａ）はその平面図、図１
（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ−Ａ´線断面図、図１
（ｃ）は図１（ａ）におけるＢ−Ｂ´線断面図である。
圧力センサ１は、角枠状をしたフレーム２の枠内全面に
薄膜状に支持された弾性を有する感圧ダイヤフラム部３
が中央に配設されている。また、フレーム２及び感圧ダ
イヤフラム部３は、結晶シリコンウエハを半導体製造プ
ロセスを用いて一体として形成され、感圧ダイヤフラム
部３には可動電極５が形成されている。

【００１６】フレーム２の上面には、シリコンカバー４
が接合され、シリコンカバー４の内面には、感圧ダイヤ
フラム部３がその弾性変形により感圧ダイヤフラム部３
の厚さ方向に自由に微小変位できるように窪み７が設け
られている。また、窪み７には感圧ダイヤフラム部３の
可動電極５と微小なギャップを隔てて固定電極６が形成
されており、可動電極５と固定電極６との間にコンデン
サが形成されている。さらに、測定対象の空気等を導入
するための導入口８，８を、固定電極６を挟んで対称と
なるように、シリコンカバー４の感圧ダイヤフラム部３
と対向した領域の端部にそれぞれ貫通して設けられてい
る。

【００１７】また、図１（ｂ）に示すように、シリコン
カバー４には固定電極６をフレーム２上の外部配線１０
ｂを介して外部へ引出すための凸部１１が設けられてい
る。この凸部１１には接続配線１２が設けられ、固定電
極６とフレーム２上の外部配線１０ｂとは接続配線１２
により電気的に接続されている。このようにして、固定
電極６に導通した外部配線１０ｂはフレーム２とシリコ
ンカバー４との隙間１３から外部へ引き出され、フレー
ム２上に露出された電極パッド１４に接続されている。
また、感圧ダイヤフラム部３に設けられた可動電極５
は、図１（ｃ）に示すように、フレーム２上に設けられ
た別の外部配線１０ａを介して、フレーム２上に露出さ
れた別の電極パッド１４に接続されている。

【００１８】しかして、導入口８，８から空気が窪み７
内に導入されると、導入された空気の圧力により感圧ダ
イヤフラム部３が変位し、感圧ダイヤフラム部３に生じ
た変位により当該コンデンサの静電容量が変化し、この
変化を検知することにより、圧力センサ１に加わった空
気のゲージ圧を知ることができる。

【００１９】以下圧力センサ１の作製方法について説明
する。まず、シリコン基板に感圧ダイヤフラム部３を精
度よく形成させるため、シリコン基板の片面に感圧ダイ
ヤフラム部３の厚さ分にエッチングストップ層を形成す
る。これには、例えばｐ形のシリコンウエハにリンのイ
オン注入を行ないｎ形領域を形成することにすればよ
く、また、ボロンを高濃度（１０²⁰atoms/cm³）にイオ
ン注入してｐ⁺領域を形成することとしてもよい。

【００２０】次に、例えばリン拡散によりｎ⁺領域を形
成したり、あるいはアルミニウムや金などの導電性金属
をスパッタリングすることにより、可動電極５を感圧ダ
イヤフラム部３となる領域に形成し、可動電極５が形成
された面にシリコン基板全面に亘り、表面保護用の酸化
膜１５を形成する。続いて、可動電極５並びに固定電極
６を外部へ引き出す外部配線１０ａ，１０ｂ及び電極パ
ッド１４，１４を酸化膜１５上に形成し、一方の外部配
線１０ａの端部を可動電極５に接続する（例えば、可動
電極５のｎ⁺領域において酸化膜１５にコンタクトホー
ルを設け、コンタクトホール内に、アルミニウムなどの
導電性金属をスパッタリングすることにより接続しても
よい。）。最後に、可動電極５を形成した面の反対側か
ら、水酸化カリウム水溶液によりエッチングを行ない、
感圧ダイヤフラム部３等が形成されたフレーム２を作製
する。

【００２１】また、別のシリコン基板にドライエッチン
グなどにより、感圧ダイヤフラム部３が自由に変位でき
るように窪み７を形成する。この時、接続配線１２を設
けるための凸部１１を同時に形成しておく。次に窪み７
を設けた面にシリコン基板全面に亘り表面保護用の酸化
膜１５を形成し、窪み７の内面には可動電極５と同様に
リン拡散によるｎ⁺領域を形成したりスパッタリングな
どによって固定電極６及び接続配線１２を一体形成す
る。最後に、固定電極６を形成した面の反対側から、水
酸化カリウム水溶液によりエッチングを行なうことによ
り導入口８を形成し、シリコンカバー４を作製する。

【００２２】こうして、フレーム２及びシリコンカバー
４を作製した後、何れか一方、例えばフレーム２の接合
面にスピンコート法などにより水ガラス膜を形成する。
次に、可動電極５と固定電極６とが対向するようにシリ
コンカバー４を貼り合わせ接着させ、さらに１００〜２
００℃の熱処理を行なって接着を確実にし、圧力センサ
１を作製する。

【００２３】このようにして得られた圧力センサ１にあ
っては、導入口８は感圧ダイヤフラム部３と対向する領
域の端部に設けられているので、感圧ダイヤフラム部の
中央部に大きくコンデンサを形成することができる。従
って、圧力センサ１の測定感度や測定精度を向上させる
ことができる。しかも、ガラスに比べてシリコンの加工
は簡単に行なえるので、従来のシリコン／ガラス構造の
圧力センサに比べて量産が容易に行なえる。

【００２４】また、シリコン基板同志を接合しているの
で、温度変化による可動電極５と固定電極６との間のギ
ャップ量の変化が少なく、より広い温度範囲で使用する
こともできる。

【００２５】

【発明の効果】本発明の静電容量型半導体圧力センサに
おいて、支持体及び基板をシリコン製の薄板より作製し
ているので、容易に基板に導入口を設けることができ、
圧力センサを容易に量産することができる。

【００２６】また、支持体と基板とをより低温で接合す
ることができ、支持体と基板とに生じる歪みが少なくな
り、圧力センサの感度などの特性値に与える影響を少な
くすることができる。

【００２７】さらに、温度変化による歪みも少ないの
で、使用温度範囲が広がり、圧力センサの温度特性を向
上させることができる。

【００２８】また、空気等を導入するための導入口を基
板上の感圧ダイヤフラム部と対向した領域の端部に設け
ることにすれば、感圧ダイヤフラム部が大きな変位を生
じる中央部において静電容量の大きなコンデンサを形成
することができるので、感圧ダイヤフラム部の変位に応
じた大きな静電容量の変化を得ることができる。したが
って、圧力センサの測定感度や測定精度を向上させるこ
とができる。

【００２９】また、空気等の圧力に直線的に比例して変
位を生じる感圧ダイヤフラム部の中央部に静電容量の大
きなコンデンサを形成することができるので、圧力セン
サの出力の直線性を向上させることができる。一方、感
圧ダイヤフラム部に対向する領域の端部に導入口を形成
することとしているので、この領域の部分にコンデンサ
を形成することができず、圧力センサの出力の直線性に
悪影響を及ぼすことも少なくできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の一実施例である静電容量型の
圧力センサの平面図、（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ´線
断面図、（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ´線断面図であ
る。

【符号の説明】

２フレーム４シリコンカバー５可動電極８導入口

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】弾性を有する感圧ダイヤフラム部を支持
体に設け、当該支持体のいずれか一方の面に基板を接合
し、可動電極を形成した感圧ダイヤフラム部と対向させ
て前記基板の内面に固定電極を設け、空気等の流体を導
入するための孔状の導入口を前記基板に貫通させて設け
た静電容量型半導体圧力センサにおいて、前記支持体及び前記基板は、それぞれシリコン製の薄板
より作製されたことを特徴とする静電容量型半導体圧力
センサ。
【請求項２】前記導入口は、前記基板の前記感圧ダイ
ヤフラム部と対向した領域の端部に設けたことを特徴と
する請求項１に記載の静電容量型半導体圧力センサ。