JPH06323939A - 静電容量式センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 センサ信号の外部取り出しを非接触な方法に
より行なうことで、静電容量式圧力センサの信頼性を向
上する。 【構成】 単結晶シリコンウエハよりエッチングによ
り、枠内全面に揺動自在にダイヤフラム４を支持させた
フレーム３を作製する。ダイヤフラム４に可動電極５
を、その外周に額縁状の接続用電極６を形成し、パッド
７，７にそれぞれ接続する。また、ダイヤフラム４が弾
性変形できるようにダイヤフラム４より広い窪み８を形
成したカバー２を作製する。カバー２の深い窪み８ａ
に、可動電極５と微小なギャップを隔てて固定電極９を
形成し、浅い窪み８ｂにさらに微小なギャップを隔てて
接続用電極６に対向して固定電極９と導通した接続用電
極１０を形成する。カバー２とフレーム３を接合して、
可動電極５及び固定電極９よりなる検知用コンデンサＣ
1と接続用電極６，１０よりなる接続用コンデンサＣ2と
を直列に接続した圧力センサ１を作製する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、静電容量式センサに関
する。具体的には、検知部の変位に比例して生じる静電
容量の変化を検出して、自動車の加速度や空気等のゲー
ジ圧を測定するために用いられる静電容量式センサに関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、静電容量式の圧力センサにおい
て、圧力センサの静電容量の変化を伝えるセンサ信号
は、回路基板等への実装上可動電極を設けたシリコン基
板上の外部引き出し電極から取り出すようになってい
る。このとき、例えば特開平１−２５３６２７号公報に
開示されているように、固定電極と接続された金属パッ
ドを固定電極が設けられたガラス基板の接合面に形成す
る一方、シリコン基板の接合面にも金属パッドを設け、
シリコン基板とガラス基板とを接合して金属パッド同士
を圧着させることによりガラス基板上の固定電極をシリ
コン基板上の外部引き出し電極に接続させていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構造にあっては両基板上の接合面に金属パッドを設
けなければならず、しかも、金属パッドには絶縁膜（酸
化膜）を生じにくい金属、例えばＡｕなどの高価な貴金
属を使用しなければならなかった。

【０００４】また、金属パッド同士は基板接合時の圧着
により接触させられていたため、電気的な接続が不安定
になって信頼性の低いものとなっていた。さらに、金属
パッドをそれぞれの基板の接合面に設けていたため、ガ
ラス基板とシリコン基板との間に金属パッドが介在して
両基板間に隙間を生じ、両基板同士の接合が不完全なも
のとなり非接合部分を生じていた。このため、圧力セン
サの歩留りが著しく悪いものとなっていた。

【０００５】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、固定電極と
可動電極により構成される検知用コンデンサと直列に接
続するコンデンサを固定基板と支持基板との間に構成し
て、固定基板と支持基板の間におけるセンサ信号の伝送
を非接触な方法により行なうことにより、上記問題点を
解決することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の静電容量式セン
サは、弾性を有する検知部を支持基板に支持させ、前記
支持基板のいずれか一方の面に固定基板を接合し、前記
検知部に設けた可動電極と対向させて前記固定基板の内
面に固定電極を設け、前記可動電極及び前記固定電極に
より検知用コンデンサを構成した静電容量式センサにお
いて、前記固定基板若しくは前記支持基板のいずれか一
方の基板上に一対の外部取り出し電極を設け、当該基板
上の固定電極若しくは可動電極と前記外部取り出し電極
のいずれか一方とを電気的に接続し、前記固定基板と前
記支持基板との間を電気的に接続する接続用コンデンサ
を前記両基板間に形成し、この接続用コンデンサを前記
検知用コンデンサと直列に接続させ、前記接続用コンデ
ンサの他端を残る一方の前記外部取り出し電極に接続し
たことを特徴としている。

【０００７】また、前記接続用コンデンサとして前記支
持基板および前記固定基板との間に生じる接合容量を利
用することとしてもよい。

【０００８】

【作用】本発明の静電容量式センサにおいては、検知用
コンデンサと直列に接続して固定基板と支持基板との間
を電気的に接続する接続用コンデンサを両基板間に形成
しているので、いずれか一方の基板上に形成した外部取
り出し電極と他方の基板上で検知用コンデンサを構成す
る固定電極若しくは可動電極とを、従来例のように電極
パッド同士の接合によらず非接触な方法で電気的に接続
することができる。このため、固定電極若しくは可動電
極のいずれか一方の電極と他方の基板上の外部取り出し
電極との電気的な接続が不安定になることなく、容易に
しかも確実に行なえる。また、酸化膜が形成されにくい
貴金属を用いる必要がなく、接続用コンデンサを構成す
る電極にはＡｌなどの安価な金属を使用することができ
る。

【０００９】また、固定電極又は可動電極のいずれか一
方の電極を他方の基板上の外部取り出し電極に接続する
ために、金属パッドを固定基板及び支持基板の両接合面
に設ける必要がないので、支持基板と固定基板との間に
隙間ができることなく両基板を接合することができる。
また、接続用コンデンサを形成する電極は離間している
ので、両基板の接合に影響を与えることはない。

【００１０】このように、静電容量式センサの歩留りを
高めるとともに、その信頼性を向上させることができ
る。

【００１１】また、接合用の電極パッドのように酸化膜
が形成されにくい貴金属を用いる必要がなく、接続用コ
ンデンサを構成する電極にもＡｌなどの安価な金属を使
用することができるので、静電容量式センサのコストを
軽減することもできる。

【００１２】また、固定基板と支持基板とを電気的に接
続するコンデンサとして、支持基板と固定基板との間に
生じる接合容量を利用することにすれば、従来静電容量
式センサの感度に悪影響を及ぼしていた接合容量が寄生
容量として影響しなくなり、静電容量式センサの測定感
度を向上させることもできる。

【００１３】

【実施例】図１は本発明の一実施例である圧力センサ１
の断面図、図２（ａ）は圧力センサ１を構成するカバー
２の平面図、図２（ｂ）は圧力センサ１を構成するフレ
ーム３の平面図である。圧力センサ１には、角枠状をし
たフレーム３の枠内全面に薄膜状に支持された弾性を有
するダイヤフラム４が中央に配設されている。フレーム
３及びダイヤフラム４は、単結晶シリコンウエハを水酸
化カリウム溶液による異方性エッチングにより一体とし
て形成され、ダイヤフラム４は電気化学エッチングスト
ップ技術により任意の厚さに精度よく形成されている。
また、ダイヤフラム４には可動電極５が形成され、フレ
ーム３上面の可動電極５の外周には、接続用電極６が額
縁状に形成されている。可動電極５および接続用電極６
は、アルミニウム配線７ａによりフレーム３上面の電極
パッド７，７にそれぞれ接続されている。

【００１４】フレーム３の上面には単結晶シリコンウエ
ハにより作製されたカバー２が接続されている。カバー
２は、例えばカバー２又はフレーム３のいずれかの接合
面にガラス材を薄膜状に塗布して互いに接着したのち低
温処理（約１００〜２００℃）し、フレーム３に接合さ
れる。カバー２の内面には、ダイヤフラム４がその弾性
変形によりダイヤフラム４の厚さ方向に自由に微小変位
できるようにダイヤフラム４より広い領域に窪み８が設
けられている。また、窪み８はその中央部において深く
形成されていて、深い窪み８ａにはダイヤフラム４の可
動電極５と微小なギャップを隔てて固定電極９が形成さ
れており、可動電極５と固定電極９との間に検知用コン
デンサＣ1が構成されている。また、固定電極９の外周
の浅い窪み８ｂには、フレーム３上面の接続用電極６に
対向してさらに微小なギャップを隔てて接続用電極１０
が形成され、接続用コンデンサＣ2が構成されている。
固定電極９と接続用電極１０とは接続部１２により電気
的に接続されていて、検知用コンデンサＣ1と接続用コ
ンデンサＣ2とは直列に接続されている。これら２つの
コンデンサＣ1，Ｃ2は、ダイヤフラム４の変位に伴って
生じる検知用コンデンサＣ1の静電容量の変化を検出し
これを電圧の変化に変換して電圧信号として出力する検
知回路等に、フレーム３上の電極パッド７，７を介して
接続されている。また、測定対象たる空気等を窪み８内
に導入するための導入口１１がカバー２を貫通して設け
られている。

【００１５】図３に圧力センサ１の電気的な等価回路を
示すが、検知用コンデンサＣ1と接続用コンデンサＣ2と
は直列に接続されているので、検知用コンデンサＣ1の
静電容量をＣx、接続用コンデンサＣ2の静電容量をＣc
とすると、この圧力センサ１の全体の合成静電容量Ｃ
は、次の式で表わされる。 Ｃ＝Ｃx／（１＋Ｃx／Ｃc） ……

【００１６】しかして、導入口１１から空気が導入され
ると、導入された空気の圧力に比例してダイヤフラム４
が変位し、ダイヤフラム４に生じた変位により検知用コ
ンデンサＣ1の静電容量Ｃxが変化する。一方、接続用電
極６，１０により構成された接続用コンデンサＣ2の静
電容量Ｃcはダイヤフラム４の変位によっては変化せ
ず、接続用コンデンサＣ2の静電容量Ｃcを検知用コンデ
ンサＣ1の静電容量Ｃxより十分に大きくしてやると（Ｃ
c＞＞Ｃx）、式よりＣ≒Ｃxとなって、圧力センサ１
の合成静電容量Ｃは検知用コンデンサＣ1の静電容量Ｃx
にほぼ等しくなる。例えば、試作センサによればＣx＝
６ｐＦ、Ｃc＝５０ｐＦであって、その合成静電容量Ｃ
は約５.３ｐＦとなり、検知用コンデンサＣ1の静電容量
Ｃxに等しくさせることができる。したがって、圧力セ
ンサ１の合成静電容量Ｃを検知回路により検出すること
により検知用コンデンサＣ1の静電容量Ｃxの変化を検知
することができ、圧力センサ１に加えられた空気の圧力
を知ることができる。

【００１７】このような構造の圧力センサ１において
は、フレーム３上面に設けられた電極パッド７，７から
検知用コンデンサＣ1の静電容量Ｃxの変化を取り出すこ
とができ、固定電極９のフレーム３上への引き出しが電
気的に不安定になることもなく、圧力センサ１の信頼性
を向上させることができる。また、カバー２及びフレー
ム３のそれぞれの接合面には、固定電極９をフレーム３
上の電極パッド７に接続するための金属パッドを設ける
必要がないために、カバー２とフレーム３の接合が不十
分になって隙間を生じることもなくなり、圧力センサ１
の歩留りを向上させることができる。また、接続用コン
デンサＣ2の静電容量Ｃcは、ダイヤフラム４の変位によ
っては変化しないので、静電容量Ｃcにバラツキがあっ
ても圧力センサ１の測定感度等に影響は与えない。

【００１８】また、ダイヤフラム４の変位は検知用コン
デンサＣ1と接続用コンデンサＣ2の静電容量の合成静電
容量Ｃとして検出することができるが、接続用コンデン
サＣ2の静電容量Ｃcはダイヤフラム４の変位にかかわら
ず一定であるので、接続用コンデンサＣ2を形成する可
動電極４と固定電極９との間のギャップのバラツキ等に
より接続用コンデンサＣ2の静電容量Ｃcにバラツキがあ
っても、圧力センサ１の測定精度等には影響を与えな
い。

【００１９】図４、５に本発明の別な実施例である圧力
センサ２１の構造を示す。図４はその断面図、図５
（ａ）（ｂ）は、それぞれ圧力センサ２１を構成するカ
バー２２及びフレーム２３の平面図である。圧力センサ
２１は、角枠状をしたフレーム２３の枠内全面に薄膜状
に支持された弾性を有するダイヤフラム２４が中央に配
設されている。フレーム２３及びダイヤフラム２４は、
表面に導電層となるｎ型エピタキシャル膜を形成された
ｐ型単結晶シリコンウエハから水酸化カリウム溶液によ
る異方性エッチングによって一体として形成され、ダイ
ヤフラム２４はエピタキシャル成長技術及び電気化学エ
ッチングストップ技術により任意の厚さに精度よく形成
されている。また、ダイヤフラム２４には可動電極２５
が形成され、可動電極２５はアルミニウム配線２６ａに
より接続されたフレーム２３上面の電極パッド２６へ引
き出されている。また、ダイヤフラム２４の外周には額
縁状にボロン拡散によりｐ型領域２７が設けられ、ｎ型
エピタキシャル膜はｐ型領域２７によりダイヤフラム領
域２８とフレーム領域２９とに分割され、互いに電気的
に絶縁されている。また、フレーム２３にはフレーム領
域２９と導通した電極パッド３０が設けられている。な
お、アルミニウム配線２６ａと電極パッド２６は絶縁膜
等によってフレーム領域２９と絶縁処理されている。

【００２０】フレーム２３の上面にはｐ型単結晶シリコ
ンウエハにより作製されたカバー２２が例えば第１の圧
力センサ１と同様に薄膜状のガラス材を介して接合され
ている。カバー２２には、ダイヤフラム２４がその厚さ
方向に自由に微小変位できるように窪み３１が形成さ
れ、窪み３１の内面には、可動電極２５と微小なギャッ
プを隔てて固定電極３２が形成されていて、固定電極３
２と可動電極２５との間に検知用コンデンサＣ1が構成
されている。また、固定電極３２はカバー２２のｎ型エ
ピタキシャル膜からなるカバー接合部３４と電気的に接
続されている。

【００２１】圧力センサ２１においては、ｎ型エピタキ
シャル膜からなるフレーム領域２９のフレーム接合部３
３とカバー接合部３４との間に大きな静電容量を有する
接続用コンデンサＣ2が形成され、図６の電気的等価回
路に示したように、可動電極２５と固定電極３２とで構
成された検知用コンデンサＣ1と直列に接続されてい
る。ここにおいて、接続用コンデンサＣ2の静電容量Ｃc
を検知用コンデンサＣ1の静電容量Ｃxより十分に大きく
すると、２つのコンデンサの合成静電容量Ｃは式から
明らかなように、ほぼ検知用コンデンサＣ1の静電容量
Ｃxに等しくなる。例えば、第２の実施例による試作セ
ンサによると、Ｃx＝６ｐＦ、Ｃc＝５００ｐＦであっ
て、合成静電容量Ｃは約５.９ｐＦとなりほぼ検知用コ
ンデンサＣ1の静電容量Ｃxの値に等しくなる。

【００２２】しかして、カバー２２に設けた導入口３５
より空気が導入されると、ダイヤフラム２４は空気の圧
力に比例した変位を生じ、圧力センサ２１の合成静電容
量Ｃを変化させる。この合成静電容量Ｃの変化は上述の
ように検知用コンデンサＣ1の静電容量Ｃxの変化に等し
く、この変化はフレーム２３上面に設けられた電極パッ
ド２６，３０に接続された検知回路により検出され、空
気の圧力を知ることができる。

【００２３】この圧力センサ２１にあっては、従来の圧
力センサにおいて検知用コンデンサＣ1の寄生容量とな
ってセンサの測定感度等に悪影響を及ぼしていた接合容
量を接続用コンデンサＣ2として利用することができ寄
生容量としての影響が少なくなって、圧力センサ２１の
測定感度等を向上させることができる。

【００２４】なお、第２の実施例のように接続用コンデ
ンサとして接合容量を利用した場合には、その静電容量
は非常に大きなものとなるので、合成静電容量Ｃは検知
用コンデンサＣ1の静電容量Ｃxにより等しくなり、第１
の実施例である圧力センサ１に比べて圧力センサ２１の
測定精度はよくなる。また、第１の実施例のように接続
用コンデンサ用の接続用電極６，１０を形成する必要も
ない。

【００２５】また、本発明の圧力センサは本実施例に限
られることなくこの他にも種々な実施例が考えられる。
例えばガラス製のカバーを接合した従来の構造をした圧
力センサのガラス基板及びシリコン基板に、それぞれ接
続用電極を設けて接続用コンデンサを構成することにも
してもよい。また、加速度センサにも応用できるのは言
うまでもない。

【００２６】

【発明の効果】本発明の静電容量式センサにおいて、検
知用コンデンサと直列に接続して固定基板と支持基板と
の間を電気的に接続する接続用コンデンサを形成してい
るので、固定電極又は可動電極のいずれか一方の電極
を、電気的な接続が不安定になることもなく他方の基板
上の外部取り出し電極に、容易にしかも確実に接続する
ことができる。

【００２７】さらに、固定電極又は可動電極のいずれか
一方の電極を他方の基板上の外部取り出し電極に接続す
るために、金属パッド等を固定基板及び支持基板の両接
合面に設ける必要がないので、支持基板と固定基板との
間に隙間ができることなく両基板を接合することができ
る。また、接続用コンデンサを形成する電極によって
は、両基板の接合には影響を与えない。

【００２８】したがって、静電容量式センサの歩留りを
高めるとともにその信頼性を向上させることができる。

【００２９】また、酸化膜が形成されにくい貴金属を用
いる必要がなく、接続用コンデンサを構成する電極にも
Ａｌなどの安価な金属を使用することができるので、静
電容量式センサのコストを軽減することもできる。

【００３０】また、接続用コンデンサとして、支持基板
と固定基板との間に生じる接合容量を利用することにす
れば、従来静電容量式センサの感度に悪影響を及ぼして
いた接合容量が寄生容量として影響しなくなり、静電容
量式センサの測定感度を向上させることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である圧力センサの概略断面
図である。

【図２】（ａ）（ｂ）は同上の圧力センサの分解平面図
である。

【図３】同上の圧力センサの電気的等価回路図である。

【図４】本発明の別な実施例である圧力センサの概略断
面図である。

【図５】（ａ）（ｂ）は同上の圧力センサの分解平面図
である。

【図６】同上の圧力センサの電気的等価回路図である。

【符号の説明】

４ ダイヤフラム ６ 接続用電極 ８ａ ギャップ量の大きい深い窪み ８ｂ ギャップ量の小さい浅い窪み １０ 接続用電極 １１ 導入口 ２４ ダイヤフラム ２５ 可動電極 ２８ ｎ型エピタキシャル膜のダイヤフラム領域 ２９ ｎ型エピタキシャル膜のフレーム領域 ３３ フレーム接合部 ３４ カバー接合部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 弾性を有する検知部を支持基板に支持さ
   せ、前記支持基板のいずれか一方の面に固定基板を接合
   し、前記検知部に設けた可動電極と対向させて前記固定
   基板の内面に固定電極を設け、前記可動電極及び前記固
   定電極により検知用コンデンサを構成した静電容量式セ
   ンサにおいて、 前記固定基板若しくは前記支持基板のいずれか一方の基
   板上に一対の外部取り出し電極を設け、当該基板上の固
   定電極若しくは可動電極と前記外部取り出し電極のいず
   れか一方とを電気的に接続し、前記固定基板と前記支持
   基板との間を電気的に接続する接続用コンデンサを前記
   両基板間に形成し、この接続用コンデンサを前記検知用
   コンデンサと直列に接続させ、前記接続用コンデンサの
   他端を残る一方の前記外部取り出し電極に接続したこと
   を特徴とする静電容量式センサ。
2. 【請求項２】 前記接続用コンデンサは前記支持基板と
   前記固定基板との間の接合容量であることを特徴とする
   請求項１に記載の静電容量式センサ。