JPH0666658A - 静電容量型圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 温度など外乱の影響や浮遊容量の影響を受け
にくい静電容量型圧力センサを提供すること。 【構成】 シリコンウエハ２とガラス基板３との間に測
定空間６とは別の空間７を形成し、この空間７内に測定
電極対１４と全く同一形状、同一寸法の参照電極対１５
を設けている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、静電容量型圧力センサ
に関する。

【０００２】

【従来の技術】シリコンウエハを用いた圧力センサの場
合、ダイヤフラムの変位を見るためにダイヤフラム上の
拡散抵抗の変化を利用したり、静電容量の変化を利用し
たりする方法がある。このうち、拡散抵抗の変化を利用
した半導体式の圧力センサが広く普及しているが、この
種の圧力センサは、拡散抵抗自身が温度により大きく変
化すること、抵抗の圧力による変化率が小さいこと、他
の要因による歪みの影響を受けるなど、高感度化を行う
上で種々の問題点がある。これに対し、静電容量の変化
を利用する圧力センサの場合は、信号の変化率が大きい
こと、容量の温度依存性が前記拡散抵抗式の圧力センサ
に比べて少ないことなどの理由により、高感度化、高精
度化が容易になると言われている。

【０００３】前記静電容量型圧力センサの場合、ダイヤ
フラムを形成したシリコンとガラスとを陽極接合によっ
て貼り合わせる。この場合、シリコンとガラスとの間に
僅かな空間ができるように、両者のうちのいずれか一方
を予め例えば数μｍ程度浅くエッチングしておき、前記
空間内におけるシリコンウエハとガラス基板の表面に金
属層などによって電極をそれぞれ形成し、コンデンサと
なしている。このように構成された静電容量型圧力セン
サは、半導体式の圧力センサに比べて外乱の影響を受け
にくい。

【０００４】しかしながら、前記シリコンとガラスにお
ける熱膨張係数の違いのため、温度変化によってダイヤ
フラムに歪みが生じて電極間距離が変化したり、電極間
に存在している媒体の誘電率が温度によって変化した
り、容量測定のための発振回路に使用している抵抗やＣ
−ＭＯＳのシュレショールド電圧が温度によって変化し
て発振周波数が異なってきたりする。このような理由に
より、静電容量型圧力センサが必ずしも外乱の影響を受
けない訳ではない。

【０００５】そこで、従来においては、圧力によって変
化する電極対、すなわち、測定電極対とは別に、参照電
極対を形成し、測定電極対の容量と参照電極対の容量と
を比較するようにしていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
静電容量型圧力センサにおいては、参照電極対が測定電
極対の周囲を囲むようにして設けられたり、ダイヤフラ
ムの存在しない部分にごく小さく設けられているだけで
あった。このため、リニアリティが必ずしもよくなかっ
たり、参照電極対の容量が測定電極対の容量と大きく異
なるために、寄生容量の大きさの寄与率が異なってきた
り、特に、温度が変化すると、測定電極対の容量と参照
電極対の容量との比が異なってくる。

【０００７】このように、従来の静電容量型圧力センサ
においては、測定電極対の容量と参照電極対の容量の大
きさが異なるため、必ずしも温度などの外乱影響をキャ
ンセルしてなく、より精度のよい結果を得るには、処理
回路上において温度補正を行わなければならなかった。

【０００８】本発明は、上述の事柄に留意してなされた
もので、その目的とするところは、温度など外乱の影響
や浮遊容量の影響を受けにくい静電容量型圧力センサを
提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係る静電容量型圧力センサは、シリコンウ
エハとガラス基板との間に測定空間とは別の空間を形成
し、この空間内に測定電極対と全く同一形状、同一寸法
の参照電極対を設けている。

【００１０】

【作用】測定電極対と参照電極対とにおける形状および
寸法が全く同一であるから、測定電極対における誘電
率、シリコン−ガラスの膨張、歪み、浮遊容量の変化な
ど温度によって変化するファクターをキャンセルでき
る。また、前記両電極対における浮遊容量が等しくなる
ように設計することができ、その影響を低減できる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を、図面を参照しなが
ら説明する。図１（Ａ），（Ｂ）は、本発明に係る静電
容量型圧力センサ、特に、絶対圧測定用のセンサ１のチ
ップ構造を示している。図において、２はシリコンウエ
ハで、その上面には、適宜の間隔をおいてエッチングに
よって形成された底部３，４が平ら（非エッチング部分
５と平行）で、適宜の深さを有する窪み６，７が適宜の
間隔をおいて形成されている。そして、前記底部３，４
には、同一形状、同一寸法の電極８，９が形成されてい
る。１０は適宜の厚さを有するダイヤフラムで、一方の
電極８の裏面側のシリコンウエハ２を異方性エッチング
することによって形成されている。

【００１２】１１は前記シリコンウエハ２の窪み６，７
側に例えば陽極接合によって貼り合わせられるガラス基
板である。このガラス基板１１の前記電極８，９に対応
する部分には、電極８，９と同一形状、同一寸法の電極
１２，１３が形成されている。従って、シリコンウエハ
２とガラス基板１１とを貼り合わせることにより、シリ
コンウエハ２の窪み６，７（以下、空間６，７と云う）
内には、電極８と１２、９と１３とからなる互いに同一
形状、同一寸法の２つの電極対（コンデンサ）１４，１
５、すなわち、測定電極対１４と参照電極対１５とが形
成されることになる。

【００１３】このように形成された静電容量型圧力セン
サ１においては、ダイヤフラム１０が矢印で示される圧
力を受けることにより変形し、これによって、測定電極
対１４における電極間距離が変化する。

【００１４】図２は、本発明に係る静電容量型圧力セン
サ１を用いたときにおける信号処理回路の構成例を示
し、この図において、１６，１７は前記測定電極対１
４、参照電極対１５にそれぞれ接続される発振回路であ
る。１８は両発振回路１６，１７の出力を比較する比較
回路で、参照電極対１５側の信号がキャンセルされる。
１９は比較回路１８の出力である周波数信号を電圧信号
に変換するＦ／Ｖ変換回路、２０はゼロ・スパン調整回
路である。

【００１５】なお、前記図２の構成に代えて、発振回路
１６，１７の出力をそれぞれＦ／Ｖ変換した後、変換後
の電圧信号を比較するように構成してもよい。

【００１６】本発明は、上記絶対圧用のセンサに限られ
るものではなく、ゲージ圧測定用のセンサにも適用でき
る。

【００１７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の静電容量
型圧力センサは、測定電極対と参照電極対とにおける形
状および寸法が全く同一であるから、測定電極対におけ
る誘電率、シリコン−ガラスの膨張、歪み、浮遊容量の
変化など温度によって変化するファクターをキャンセル
できる。また、前記両電極対における浮遊容量が等しく
なるように設計することができ、その影響を低減でき
る。従って、温度など外乱の影響や浮遊容量の影響を受
けにくく、圧力を精度よく測定できる。さらに、構造が
簡単であるから、安価に製造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は本発明に係る静電容量型圧力センサの
要部を示す平面図、（Ｂ）はその縦断面図である。

【図２】前記静電容量型圧力センサを用いたときにおけ
る信号処理回路の構成の一例を示す図である。

【符号の説明】

１…静電容量型圧力センサ、２…シリコンウエハ、３…
ガラス基板、６…空間、７…別の空間、８，９，１２，
１３…電極、１０…ダイヤフラム、１４…測定電極対、
１５…参照電極対。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ダイヤフラムを形成したシリコンウエハ
   とガラス基板とを、両者の間に僅かな空間ができるよう
   に接合し、この空間内におけるシリコンウエハとガラス
   基板の表面に電極をそれぞれ設けて測定電極対を形成
   し、この測定電極対における静電容量に基づいて圧力を
   測定するようにした静電容量型圧力センサにおいて、前
   記シリコンウエハとガラス基板との間に前記空間とは別
   の空間を形成し、この空間内に前記測定電極対と全く同
   一形状、同一寸法の参照電極対を設けたことを特徴とす
   る静電容量型圧力センサ。