JPH0777471A - 容量型圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 一つの容量型圧力センサで、相対圧力及び絶
対圧力の双方を測定できるようにするとともに、センサ
容量や集積化した回路が湿度などの影響を受けず、測定
にあたり大気圧補正も不要とする。 【構成】 シリコン基板９にダイアフラム１５，１７を
それぞれ備えたセンサ部Ａ，Ｂ及び、信号処理回路１９
を設け、シリコン基板９の両面に第１，第２ガラス基板
１１，１３をそれぞれ接合して、圧力導入通路３５，３
７よりセンサ部Ａ，Ｂに圧力をそれぞれ導入する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、電極が形成された基
板同志を接合し、一方の電極側の基板に設けたダイアフ
ラムの変位に基づく各電極間の容量により、ダイアフラ
ムに作用する圧力を測定する容量型圧力センサに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の容量型圧力センサとしては、相対
圧用圧力センサとして図５に示す構造が、絶対圧用圧力
センサとして図６に示す構造のものがある。これらはい
ずれも、シリコンからなる１枚の半導体基板１とガラス
基板３とを陽極接合した２層構造であり、半導体基板１
には、圧力を受けて変位するダイアフラム５が形成され
ている。ダイアフラム５とガラス基板３との間には、相
互に対向する一対の電極を有する容量空間となるギャッ
プ７が形成され、ダイアフラム５の変位によるギャップ
７内の容量変化をセンサ外部に設けた信号処理回路によ
り信号処理してダイアフラム５に作用する圧力を測定す
る。

【０００３】図５の相対圧用圧力センサでは、ガラス基
板３に形成した圧力導入孔３ａから大気を導入し、ダイ
アフラム５の外部には測定媒体を供給することでゲージ
圧を測定する。一方、図６の絶対圧用圧力センサでは、
ダイアフラム５の外部に供給する測定媒体の圧力が測定
できる。

【０００４】図７に示す容量型圧力センサは、図６と同
様に絶対圧用であるが、ダイアフラム５の中央に厚いメ
サ部５ａを形成したもので、メサ部５ａにおける電極間
隔が圧力に比例して全面にわたり同じ距離だけ変わるの
で、容量変化分が大きく測定精度が高いものとなる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
従来の容量型圧力センサにおいては、相対圧用圧力セン
サは相対圧力を、絶対圧用圧力センサは絶対圧力をそれ
ぞれ測定するものであり、一つのセンサで相対圧力及び
絶対圧力の双方を測定する構成ではない。

【０００６】一方、特開平１−２５３６２７号公報に
は、絶対圧用圧力センサとして、信号処理回路をシリコ
ン基板に形成して一体化し、電源供給と信号線とを共用
する２線方式の出力線を採用することで、低雑音化を図
ったものが提案されているが、このセンサにおいても、
相対圧力及び絶対圧力の双方の測定を可能とするように
はなされていない。

【０００７】また、図５のセンサではギャップ７内に外
気が侵入するので、センサ容量部や集積化した回路が湿
度などの影響を受けやすいという欠点がある。一方、図
６及び図７のセンサでは、基準圧室となるギャップ７内
が密封されるため、上記のような欠点はないが、大気圧
変動の影響を受けるため、圧力測定にあたり大気圧分の
補正が必要となる。

【０００８】そこで、この発明は、一つの容量型圧力セ
ンサで、相対圧力及び絶対圧力の双方を測定できるよう
にすることを主な目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、この発明は、半導体基板に圧力を受けて変位可能な
ダイアフラムを２つ設け、前記半導体基板の一方の面
に、前記各ダイアフラムとの間に電極を有する容量空間
を形成する第１ガラス基板を接合するとともに、前記半
導体基板の他方の面に、前記各ダイアフラムにそれぞれ
別の圧力を導入する圧力導入通路を有する第２ガラス基
板を接合し、前記各圧力導入通路から導入された圧力に
よる各ダイアフラムの変位に基づく容量変化を信号処理
する信号処理回路を前記半導体基板に設けた構成として
ある。

【００１０】

【作用】このような構成の容量型圧力センサによれば、
２つのダイアフラムに各圧力導入通路を通して個別に圧
力を導入し、各ダイアフラムの変位による容量変化を信
号処理回路部にて信号処理する。各ダイアフラムの変位
による容量変化相互の差により相対圧力が測定可能であ
り、各ダイアフラムの変位による個別の容量変化により
絶対圧力が測定可能である。

【００１１】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面に基づき説明
する。

【００１２】図１は、この発明の一実施例を示す容量型
圧力センサを構成するセンサチップの断面図である。こ
のセンサチップは、半導体基板である１枚のシリコン基
板９と、シリコン基板９の両面に陽極接合によって接合
される第１ガラス基板１１及び第２ガラス基板１３との
３層構造になっている。

【００１３】シリコン基板９には、２つのダイアフラム
１５，１７が第２ガラス基板１３側からマイクロマニシ
ングプロセスによって形成されているとともに、信号処
理回路１９が第１ガラス基板１１側の表面に集積化され
ている。各ダイアフラム１５，１７と第１ガラス基板１
１との間には、容量空間を構成する微小のギャップ２
１，２３が形成され、このギャップ２１，２３内におけ
るシリコン基板９及び第１ガラス基板１１の双方の面に
電極が形成されている。第１ガラス基板１１の電極パタ
ーン２５，２７は、蒸着またはスパッタリングによる金
属薄膜で構成されており、シリコン基板９上に拡散した
ｎ⁺ 層と導通し、信号処理回路１９に接続される。一
方、シリコン基板９の側の電極は、ｐ⁺ 層を拡散して形
成される。以上により、ダイアフラム１５側にセンサ部
Ａが、ダイアフラム１７側にセンサ部Ｂがそれぞれ形成
されることになる。

【００１４】第１ガラス基板１１には、シリコン基板９
の信号処理回路１９に対向する部位に、前記各ギャップ
２１，２３に連通して基準圧室を構成する凹部２９が形
成されるとともに、図２の平面図に示すように、凹部２
９の両側方の表面には信号処理回路１９から引き出され
る配線を取り出すための配線取出孔３１，３３がエッチ
ングにより形成されている。信号処理回路１９から配線
取出孔３１，３３への配線の取り出しは、信号処理回路
１９からシリコン基板９上に拡散リードを形成して配線
取出孔３１，３３まで引き出し、ここに配線パッドを形
成してワイヤボンドを行うことでなされる。

【００１５】一方、第２ガラス基板１３には、ダイアフ
ラム１５に圧力を導入する圧力導入通路３５が厚さ方向
に貫通しており、ダイアフラム１７に圧力を導入する圧
力導入通路３７がシリコン基板９側の面に溝として設け
られている。これら各圧力導入通路３５，３７はエッチ
ンングにより形成される。

【００１６】図１及び図２に示したセンサチップは、図
３に示すように、密封構造のプラスチックパッケージ３
９内に接着剤４１により第２ガラス基板１３が底部に接
着されることで固定される。プラスチックパッケージ３
９には、第２ガラス基板１３の圧力導入通路３５に連通
する圧力導入パイプ４３が底部に、プラスチックパッケ
ージ３９内の空間に連通する圧力導入パイプ４５が上部
にそれぞれ設けられている。

【００１７】プラスチックパッケージ３９の左右両側部
には、一端が内部に露出する外部取出用リード線４７，
４９が取付けられている。一方、センサチップにおける
シリコン基板９の信号処理回路１９からは、Ａｕ，Ａｌ
などからなる出力線５１，５３が凹部２９及び配線取出
孔３１，３３を経てセンサチップ外部に引き出され、引
き出された出力線５１，５３は外部取出用リード線４
７，４９にワイヤボンディングにより接続されている。
出力線５１，５３には、２つのセンサ部Ａ，Ｂにおける
容量変化に基づき信号処理回路１９で処理されたそれぞ
れの電気信号が流れる。

【００１８】信号処理回路１９の回路図を図４に示す。
ここで、コンデンサＣ₁ がセンサ部Ａ，コンデンサＣ₂
がセンサ部Ｂにそれぞれ相当し、各コンデンサＣ₁ ，Ｃ
₂ にシュミットトリガ形Ｃ−Ｆコンバータ５５，５７を
接続している。電源Ｖ_DDは両Ｃ−Ｆコンバータ５５，５
７に共通で、各Ｃ−Ｆコンバータ５５，５７からの出力
電圧Ｖ_out1，Ｖ_out2を外部回路で検出し、外部回路にて
圧力値の算出，表示，外部出力及び、相対圧と絶対圧と
の測定切替えなどを行う。

【００１９】このような構成の容量型圧力センサによれ
ば、圧力導入パイプ４３に導入される圧力は第２ガラス
基板１３の圧力導入通路３５を経てセンサ部Ａに、圧力
導入パイプ４５に導入される圧力は第２ガラス基板１３
の圧力導入通路３７を経てセンサ部Ｂにそれぞれ作用し
て、各ダイアフラム１５，１７は導入された圧力に応じ
て変位する。この変位により各センサ部Ａ，Ｂの容量が
変化し、それぞれの容量変化は信号処理回路１９で電圧
に変換して導入圧力に比例した電気信号が得られるよう
信号処理されて、出力線５１，５３及び外部取出用リー
ド線４７，４９を介して外部回路にてそれぞれの圧力
値、あるいは両者相互の圧力差が算出される。

【００２０】したがって、圧力導入パイプ４５を大気に
開放し、圧力導入パイプ４３に測定媒体を導入すること
により、ゲージ圧が測定でき、また差圧測定には、各圧
力導入パイプ４３，４５に測定媒体をそれぞれ導入すれ
ばよく、これらにより相対圧力測定が可能となる。一
方、絶対圧力の測定は、各圧力導入パイプ４３，４５に
測定媒体をそれぞれ導入することで可能であるので、一
つのセンサで相対圧力及び絶対圧力の双方が測定できる
ことになる。

【００２１】また、電極間のギャップ２１，２３内には
外気が侵入しないので、センサ容量部や集積化した回路
部が湿度や測定媒体などの影響を受けず、高寿命化が達
成される。さらに、センサチップはプラスチックパッケ
ージ３９内に封入されているので、大気圧変動の影響を
受けることはなく、圧力測定にあたり大気圧分の補正は
不要である。信号処理回路１９は、１枚のシリコン基板
９に同一処理で一体化して構成されているので、各セン
サ部Ａ，Ｂからの信号の処理を精度よく行える。また、
両ギャップ２１，２３は基準圧室となる凹部２９を通じ
て連通しているので、相対圧力を測定する際に、ギャッ
プ２１，２３内に存在する空気の膨張・収縮による影響
を相殺することができる。

【００２２】なお、ギャップ２１，２３あるいはダイア
フラム１５，１７の寸法を調整することにより、例えば
センサ部Ａは微圧測定用、センサ部Ｂは広範囲圧力測定
用として使用できる。

【００２３】

【発明の効果】以上説明してきたように、この発明によ
れば、１枚の半導体基板とその両面に接合されるガラス
基板との３層構造とし、半導体基板には、２つのダイア
フラム及び、ダイアフラムの変位に基づく容量変化を信
号処理する信号処理回路を設けたため、一つの容量型圧
力センサで相対圧力と絶対圧力との双方を測定できると
ともに、信号処理回路による信号処理の精度が向上す
る。また、電極間の容量空間には外気が侵入しないの
で、センサ容量部や集積化した回路部は湿度などの影響
を受けず、高寿命化が達成される。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示す容量型圧力センサに
おけるセンサチップの断面図である。

【図２】図１のセンサチップの上面図である。

【図３】図１のセンサチップを用いた容量型圧力センサ
の断面図である。

【図４】図３の容量型圧力センサにおける信号処理回路
の回路図である。

【図５】従来例を示す相対圧測定用の容量型圧力センサ
の断面図である。

【図６】従来例を示す絶対圧測定用の容量型圧力センサ
の断面図である。

【図７】従来例を示すダイアフラムにメサ部を設けた絶
対圧測定用の容量型圧力センサの断面図である。

【符号の説明】

９ シリコン基板（半導体基板） １１ 第１ガラス基板 １３ 第２ガラス基板 １５，１７ ダイアフラム １９ 信号処理回路 ２５，２７ 電極パターン ３５，３７ 圧力導入通路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板に圧力を受けて変位可能なダ
   イアフラムを２つ設け、前記半導体基板の一方の面に、
   前記各ダイアフラムとの間に電極を有する容量空間を形
   成する第１ガラス基板を接合するとともに、前記半導体
   基板の他方の面に、前記各ダイアフラムにそれぞれ別の
   圧力を導入する圧力導入通路を有する第２ガラス基板を
   接合し、前記各圧力導入通路から導入された圧力による
   各ダイアフラムの変位に基づく容量変化を信号処理する
   信号処理回路を前記半導体基板に設けたことを特徴とす
   る容量型圧力センサ。