JPH09210824A - Capacitive pressure sensor - Google Patents

Capacitive pressure sensor

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Publication number
JPH09210824A
JPH09210824A JP2083896A JP2083896A JPH09210824A JP H09210824 A JPH09210824 A JP H09210824A JP 2083896 A JP2083896 A JP 2083896A JP 2083896 A JP2083896 A JP 2083896A JP H09210824 A JPH09210824 A JP H09210824A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
diaphragm
fixed electrode
pressure sensor
substrate
electrode substrate
Prior art date
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Pending
Application number
JP2083896A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Katsumichi Ueyanagi
勝道 上▲やなぎ▼
Tomoaki Gotou
友彰 後藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Fuji Electric Co Ltd filed Critical Fuji Electric Co Ltd
Priority to JP2083896A priority Critical patent/JPH09210824A/en
Publication of JPH09210824A publication Critical patent/JPH09210824A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a capacitive pressure sensor with improved sensitivity and assembled structure. SOLUTION: This pressure sensor is constituted of a silicon diaphragm 3 having a movable electrode part 3b at the center of a front face, a fixed electrode substrate 2 which has a fixed electrode 2b formed at a confronting face via a minute gap to the movable electrode part 3b of the diaphragm 3 and is bonded to an upper face of a peripheral edge part of the diaphragm 3, and a base 1 loading the diaphragm 3 and bonded to a lower face of the peripheral edge part of the diaphragm 3. A measuring pressure P is impressed in a direction to press the diaphragm 3 from a rear face to the fixed electrode substrate 2, and a change of a capacitance between the fixed and movable electrodes is detected. A pressure is measured in this manner. Since a value of a changed capacitance to an initial capacitance is increased, the sensor is improved in sensitivity. The fixed electrode 2b is drawn out to the side of an upper face of the substrate via a through hole 2d, while a bonding solder 5 between the diaphragm 3 and the base is drawn to the base, thereby bonding a wiring wire 6.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば都市ガス用
のインテリジェント・ガスメータに組み込んで使用する
外形寸法がミリオーダである小形サイズの静電容量形圧
力センサに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a small-sized capacitance type pressure sensor having an outer dimension of milliorder and used by being incorporated in an intelligent gas meter for city gas, for example.

【0002】[0002]

【従来の技術】気体あるいは流体の圧力を測定する圧力
センサとして静電容量形圧力センサが周知であり、昨今
ではダイアフラムの加工に半導体の微細加工技術(マイ
クロマシニング)を応用した小形の圧力センサの開発が
進んでいる。図10は相対圧力を測定する静電容量形圧
力センサの従来構成図であり、1はセラミック基板より
なる基台、2は基台1の上に搭載した固定電極基板、3
は固定電極基板2の上に対向配置した可動電極を兼ねた
シリコン製のダイアフラムである。なお、基台1は圧力
検出回路などを搭載して例えば都市ガス用のインテリジ
ェント・ガスメータなどに組み込んだ回路基板であり、
その基板一部に前記の圧力センサを装備してガス圧を測
定するようにしている。
2. Description of the Related Art A capacitance type pressure sensor is well known as a pressure sensor for measuring the pressure of gas or fluid, and recently, a small pressure sensor which applies a semiconductor fine processing technology (micromachining) to a diaphragm is used. Development is in progress. FIG. 10 is a conventional configuration diagram of a capacitance type pressure sensor for measuring relative pressure, 1 is a base made of a ceramic substrate, 2 is a fixed electrode substrate mounted on the base 1, 3
Is a diaphragm made of silicon which also faces the fixed electrode substrate 2 and also serves as a movable electrode. The base 1 is a circuit board on which a pressure detection circuit or the like is mounted and which is incorporated into, for example, an intelligent gas meter for city gas,
The above-mentioned pressure sensor is mounted on a part of the substrate to measure the gas pressure.

【0003】前記の構成では、固定電極基板2がダイア
フラム3の取付け基台も兼ねており、ガラス基板(熱膨
張係数がシリコンと同等なパイレックス,テンパックス
など)2aに対して、ダイアフラム3との対向面に導電
膜をメタライズして固定電極2bを形成してなり、その
基板中央部には矢印のように測定圧力Pをダイアフラム
3へ導く導圧孔2cが開口している。また、ダイアフラ
ム3は、シリコン板に厚肉の周縁部3a,中央の可動電
極部3b,および周縁部3aと可動電極部3bとの間を
連ねた薄肉部3cをウエットエッチング加工により形成
したもので、その可動電極部3bと前記固定電極2bと
の間に微小なギャップ4を確保するように、可動電極部
3bの表面が周縁部3aの端面よりも一段引っ込んで加
工されており、かつ固定電極基板2に対してダイアフラ
ム3の周縁部3aを重ね合わせて接合されている。
In the above structure, the fixed electrode substrate 2 also serves as a base for mounting the diaphragm 3, and the glass substrate (Pyrex, Tempax, etc. having a thermal expansion coefficient equivalent to that of silicon) 2a is connected to the diaphragm 3. A fixed electrode 2b is formed by metallizing a conductive film on the opposite surface, and a pressure guiding hole 2c for guiding the measured pressure P to the diaphragm 3 is opened in the center of the substrate as shown by an arrow. Further, the diaphragm 3 is formed by forming a thick peripheral portion 3a, a central movable electrode portion 3b, and a thin portion 3c connecting the peripheral portion 3a and the movable electrode portion 3b on a silicon plate by wet etching. , The surface of the movable electrode portion 3b is recessed further than the end surface of the peripheral edge portion 3a so as to secure a minute gap 4 between the movable electrode portion 3b and the fixed electrode 2b, and the fixed electrode The peripheral edge portion 3 a of the diaphragm 3 is superposed on and bonded to the substrate 2.

【0004】かかる構成の静電容量形圧力センサの動作
原理は周知であり、導圧孔2cを通じて測定圧力Pをダ
イアフラム3に加えると、ダイアフラム3が撓んで固定
電極2bと可動電極3bとの間のギャップ4が拡大する
方向に変化し、このギャップ変化に対応して固定電極/
可動電極間の静電容量が変化する。そこで、固定電極,
可動電極を介して検出した電極間の容量変化を電圧ある
いは周波数に変換することにより、被測定圧力が相対圧
として測定される。
The operating principle of the capacitance type pressure sensor having such a configuration is well known, and when the measurement pressure P is applied to the diaphragm 3 through the pressure guiding hole 2c, the diaphragm 3 bends and the distance between the fixed electrode 2b and the movable electrode 3b is increased. The gap 4 of the fixed electrode changes in the expanding direction, and the fixed electrode /
The capacitance between the movable electrodes changes. So fixed electrode,
By converting the capacitance change between the electrodes detected through the movable electrode into a voltage or a frequency, the measured pressure is measured as a relative pressure.

【0005】ここで、固定電極/可動電極間の静電容量
はギャップに半比例し、次記の式により与えられる。
Here, the electrostatic capacitance between the fixed electrode and the movable electrode is semi-proportional to the gap and is given by the following equation.

【0006】[0006]

【数1】C=C0 ( 1+ΔC/C0 ) 但し、C:測定容量,C0 :初期容量,ΔC:変化容量 上式から判るように、初期容量C0 に対する変化容量Δ
Cの比(ΔC/C)が大きいほど圧力センサの感度が高
く、このために測定圧力の加圧によるダイアフラム3の
撓みが大きくなるように、実際の製品ではダイアフラム
3の薄肉部3cの肉厚を10〜40μm程度に薄く加工
して製作するようにしている。
## EQU1 ## C = C 0 (1 + ΔC / C 0 ) where C: measured capacity, C 0 : initial capacity, ΔC: changed capacity As can be seen from the above equation, the changed capacity Δ with respect to the initial capacity C 0
The larger the ratio of C (ΔC / C), the higher the sensitivity of the pressure sensor, so that the deflection of the diaphragm 3 due to the pressurization of the measurement pressure becomes large, the thickness of the thin portion 3c of the diaphragm 3 in the actual product is increased. Is thinly processed to about 10 to 40 μm.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記した従
来構成の圧力センサでは、測定圧力Pを固定電極基板2
とダイアフラム3との間のギャップ内に導入するように
しているので、測定圧力を加わえると固定電極2bと可
動電極3bとの間のギャップ4が広がって電極間の静電
容量が減少する方向に変化する。
By the way, in the above-mentioned conventional pressure sensor, the measured pressure P is fixed to the fixed electrode substrate 2.
Since it is introduced into the gap between the diaphragm 3 and the diaphragm 3, the direction in which the gap 4 between the fixed electrode 2b and the movable electrode 3b widens when the measurement pressure is applied and the capacitance between the electrodes decreases. Changes to.

【0008】このように、ギャップ4を広げる方向に測
定圧力を加えるように固定電極基板2,ダイアフラム3
を配置した従来構成の圧力センサでは、図11に示すセ
ンサ特性図から判るように、ダイアフラムの厚さをかな
り薄くしても初期容量に対する固定電極/可動電極間の
容量変化が小さく、圧力センサとしての高い感度が得ら
れないといった問題がある。なお、図11の特性図は、
図10に示した構造の圧力センサを対象に、ダイアフラ
ム3に形成した薄肉部3cの外径を4.22mm,内径を2.
42mmとしてその肉厚を様々に変えたものについて、初
期容量C0 ,定格圧力(300mmH2 O)を加えた際の
容量Cm ,および変化容量ΔC(ΔC=C0 −Cm )の
関係を表したものである。
In this way, the fixed electrode substrate 2 and the diaphragm 3 are applied so that the measurement pressure is applied in the direction in which the gap 4 is widened.
As can be seen from the sensor characteristic diagram shown in FIG. 11, in the pressure sensor having the conventional configuration in which is arranged, the capacitance change between the fixed electrode and the movable electrode with respect to the initial capacitance is small even if the thickness of the diaphragm is considerably thin. However, there is a problem in that high sensitivity cannot be obtained. In addition, the characteristic diagram of FIG.
For the pressure sensor having the structure shown in FIG. 10, the thin portion 3c formed on the diaphragm 3 has an outer diameter of 4.22 mm and an inner diameter of 2.
The relationship between the initial capacity C 0 , the capacity C m when the rated pressure (300 mmH 2 O) is applied, and the change capacity ΔC (ΔC = C 0 −C m ) is shown for various thicknesses of 42 mm. It is a representation.

【0009】本発明は上記の点にかんがみなされたもの
であり、ダイアフラムと固定電極基板との配置を変える
ことによりセンサ感度の向上させ、併せて組立構造面で
も改良を図った静電容量形圧力センサを提供することを
目的とする。
The present invention has been made in view of the above points, and by changing the arrangement of the diaphragm and the fixed electrode substrate, the sensor sensitivity is improved, and at the same time, the capacitance type pressure is improved in terms of assembly structure. It is intended to provide a sensor.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によれば、表面中央に可動電極を形成したシ
リコンのダイアフラムと、該ダイアフラムの可動電極と
微小ギャップを隔てた対向面に固定電極を形成してダイ
アフラムの上面側周縁部に接合した固定電極基板と、ダ
イアフラムを搭載してその下面側周縁部と接合した基台
とからなり、ダイアフラムを背面側から固定電極基板に
向けて加圧する方向に測定圧力を加え、固定/可動電極
間の静電容量変化を検出して圧力測定を行うよう構成す
るものとする。
In order to achieve the above object, according to the present invention, a silicon diaphragm having a movable electrode formed at the center of the surface thereof and a surface opposed to the movable electrode of the diaphragm with a minute gap therebetween are provided. It consists of a fixed electrode substrate on which a fixed electrode is formed and bonded to the peripheral edge of the upper surface of the diaphragm, and a base on which the diaphragm is mounted and bonded to the peripheral edge of the lower surface of the diaphragm. The measurement pressure is applied in the direction of pressurization, and the change in capacitance between the fixed and movable electrodes is detected to measure the pressure.

【0011】上記の構成により、圧力センサに対して測
定圧力を加えると、ダイアフラムは固定電極と可動電極
との間のギャップが狭まるように撓んで固定電極/可動
電極間の静電容量が増加する方向に変化する。これによ
り、従来構成のものと較べて初期容量に対する容量変化
が大きくなり、センサ感度が向上する。また、本発明
は、前記構成を基本として次記のような具体的態様で圧
力センサを構成することができる。
With the above structure, when a measurement pressure is applied to the pressure sensor, the diaphragm bends so as to narrow the gap between the fixed electrode and the movable electrode, and the capacitance between the fixed electrode and the movable electrode increases. Change direction. As a result, the capacitance change with respect to the initial capacitance is larger than that of the conventional structure, and the sensor sensitivity is improved. Further, according to the present invention, the pressure sensor can be configured in the following specific modes based on the above configuration.

【0012】1)ダイアフラムを、シリコン板に厚肉の
周縁部を残してその内側に可動電極部,薄肉部をプラズ
マエッチング加工により形成する。このプラズマエッチ
ング加工は、異方性ウエットエッチング法に較べてサイ
ドエッチングが小さく、高アスペクト比(加工深さ/加
工幅)の加工が得られるので、このプラズマエッチング
加工法を採用することにより、小形サイズのシリコンチ
ップに対してダイアフラムの微細なパターンを高いエッ
チング精度で加工できる。
1) A diaphragm is formed on a silicon plate, leaving a thick peripheral edge portion, inside which a movable electrode portion and a thin portion are formed by plasma etching. Compared with the anisotropic wet etching method, this plasma etching processing has a smaller side etching and a high aspect ratio (processing depth / processing width) can be obtained. A fine pattern of the diaphragm can be processed with high etching accuracy on a size silicon chip.

【0013】2)固定電極基板を、ガラス基板に導電膜
をメタライズして固定電極を形成したもので構成し、該
固定電極基板とシリコン製のダイアフラムの周縁部との
間を静電接合する。 3)固定電極基板を、セラミック基板に導電膜をメタラ
イズして固定電極を形成したもので構成し、シリコン製
のダイアフラム周縁部の接合面にシリコン酸化膜を成膜
した上で、前記固定電極基板とダイアフラムの周縁部と
の間を静電接合する。
2) The fixed electrode substrate is formed by forming a fixed electrode by metalizing a conductive film on a glass substrate, and electrostatically bonding the fixed electrode substrate and the peripheral portion of the diaphragm made of silicon. 3) The fixed electrode substrate is formed by forming a fixed electrode by metallizing a conductive film on a ceramic substrate, forming a silicon oxide film on the bonding surface of the peripheral edge of the diaphragm made of silicon, and then forming the fixed electrode substrate. And the peripheral edge of the diaphragm are electrostatically bonded.

【0014】4)固定電極基板をシリコン基板であり、
該固定電極基板とシリコン製のダイアフラムの周縁部と
の間をシリコン酸化膜を介して直接接合する。 前記2)〜4)項のように、接着層を介さずに静電接
合,直接接合法でダイアフラムの周縁部と固定電極基板
との間を接合することにより、初期容量を決定する重要
なパラメータである固定電極/可動電極間の初期ギャッ
プを高い寸法精度で製作,管理することができる。
4) The fixed electrode substrate is a silicon substrate,
The fixed electrode substrate and the peripheral portion of the silicon diaphragm are directly bonded via a silicon oxide film. As described in 2) to 4) above, an important parameter that determines the initial capacitance by joining between the peripheral portion of the diaphragm and the fixed electrode substrate by electrostatic joining or direct joining method without interposing an adhesive layer. It is possible to manufacture and manage the initial gap between the fixed electrode and the movable electrode with high dimensional accuracy.

【0015】5)前項2),または3)の構成におい
て、固定電極基板に対し固定電極に連ねて導電膜をメタ
ライズしたスルーホールを形成し、該スルーホールを介
して固定電極基板の上面側にワイヤ接続用の電極を引出
す。 6)前項4)の構成において、シリコン製の固定電極基
板の上面に導電膜をメタライズしてワイヤ接続用の電極
部を形成する。
5) In the structure of the above 2) or 3), a through hole is formed in the fixed electrode substrate so as to be metallized with a conductive film so as to be continuous with the fixed electrode, and the through hole is formed on the upper surface side of the fixed electrode substrate. Pull out the electrode for wire connection. 6) In the structure of 4) above, a conductive film is metallized on the upper surface of the fixed electrode substrate made of silicon to form an electrode portion for wire connection.

【0016】7)シリコン製ダイアフラムと基台との間
を半田接合した上で、この半田層をダイアフラム側方の
基台上に引出して可動電極に対応するワイヤ接続用の電
極を形成する。 8)前項2),または3)の構成において、固定電極基
板の周縁一部にダイアフラムの周縁部に達する切欠部を
形成するとともに、該切欠部に露呈するダイアフラムの
周縁部に導電膜をメタライズして可動電極に対応するワ
イヤ接続用の電極を形成する。
7) After solder-bonding the silicon diaphragm and the base, the solder layer is drawn out on the base on the side of the diaphragm to form an electrode for wire connection corresponding to the movable electrode. 8) In the structure of the above 2) or 3), a cutout portion reaching the peripheral edge portion of the diaphragm is formed in a part of the peripheral edge of the fixed electrode substrate, and a conductive film is metallized on the peripheral edge portion of the diaphragm exposed in the cutout portion. Then, an electrode for wire connection corresponding to the movable electrode is formed.

【0017】9)前項2),または3)の構成におい
て、固定電極基板の一部にダイアフラムの周縁部に達す
るスルーホールを形成するとともに、該スルーホールに
メタライズした導電膜を基板上面側に引出して可動電極
に対応するワイヤ接続用の電極を形成する。 前記5)〜9)項のようにして固定電極,可動電極に対
するワイヤ接続用の電極(ボンディングパッド)を固定
電極基板の上面,あるいは基板上に引出し形成しておく
ことにより、該電極と検出回路との間を配線するワイヤ
ボンディングが楽に行える。
9) In the structure of the above 2) or 3), a through hole reaching the peripheral portion of the diaphragm is formed in a part of the fixed electrode substrate, and a conductive film metallized in the through hole is drawn out to the upper surface side of the substrate. Then, an electrode for wire connection corresponding to the movable electrode is formed. As described in the above 5) to 9), the fixed electrode and the electrode (bonding pad) for wire connection to the movable electrode are formed on the upper surface of the fixed electrode substrate or on the substrate so as to form the electrode and the detection circuit. Wire bonding for wiring between and can be performed easily.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】以下、本発明の具体化実施例を図
面に基づいて説明する。なお、各実施例の図中で図10
に対応する同一部材には同じ符号が付してある。 〔実施例1〕図1,図2は本発明の請求項1ないし3に
対応する実施例の構成図であり、まず基本的な組立構造
として、セラミック基板である基台1の上面に平坦面を
下面側に向けてシリコンで作られた平板形のダイアフラ
ム3,および固定電極基板2をこの順序に積み重ね、基
台1の開口穴を通じてダイアフラム3の背面側に測定圧
力Pを加えるようにして静電容量形圧力センサを構成し
ている。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. It should be noted that FIG.
The same reference numerals are attached to the same members corresponding to. [Embodiment 1] FIGS. 1 and 2 are configuration diagrams of an embodiment corresponding to claims 1 to 3 of the present invention. First, as a basic assembly structure, a flat surface is formed on an upper surface of a base 1 which is a ceramic substrate. The flat plate-shaped diaphragm 3 made of silicon and the fixed electrode substrate 2 are stacked in this order with the bottom surface facing toward the lower surface side, and a measurement pressure P is applied to the back surface side of the diaphragm 3 through the opening hole of the base 1 so as to be static. It constitutes a capacitance type pressure sensor.

【0019】ここで、ダイアフラム3は、例えば厚さ3
00μmのシリコンチップにプラズマエッチング加工を
施し、シリコンチップの周域に厚さ300μmの厚肉な
周縁部3aを残してその内側に厚さ290〜299μm
となるようエッチング加工された凸状の可動電極部3
b、および肉厚が10〜40μm程度にエッチング加工
された薄肉部3cを形成して製作される。なお、プラズ
マエッチング加工には、例えば特開平2−280324
号公報に開示さている加工法が採用できる。
Here, the diaphragm 3 has, for example, a thickness of 3
A plasma etching process is performed on a silicon chip of 00 μm, and a thick peripheral edge portion 3a of 300 μm in thickness is left in the peripheral region of the silicon chip, and a thickness of 290 to 299 μm is provided inside thereof.
Convex electrode 3 that is etched so that
b, and a thin portion 3c that is etched to have a thickness of about 10 to 40 μm is formed. For the plasma etching process, for example, JP-A-2-280324.
The processing method disclosed in the publication can be adopted.

【0020】そして、ダイアフラム3は平坦面を下面に
向けてその周縁部3aと基台1との間の接合面が半田5
により接合する。また、この場合に接合半田5の一部を
基台1の上面に引出して可動電極に対応するワイヤ接続
用の電極(ボンディングパッド)を形成し、ここにワイ
ヤ6をボンディングして基板1に搭載した検出回路(図
示せず)との間の配線を行うようにしている。なお、可
動電極部3a,薄肉部3cは、図2(a)で示すような
方形状パターン、あるいは図2(b)で示すように円形
状パターンで形成することができる。
The diaphragm 3 has a flat surface facing the lower surface, and the joint surface between the peripheral edge portion 3a and the base 1 is solder 5.
To join. Further, in this case, a part of the bonding solder 5 is drawn out to the upper surface of the base 1 to form an electrode (bonding pad) for wire connection corresponding to the movable electrode, and the wire 6 is bonded here to be mounted on the substrate 1. Wiring is performed between the detection circuit (not shown). The movable electrode portion 3a and the thin portion 3c can be formed in a square pattern as shown in FIG. 2A or a circular pattern as shown in FIG. 2B.

【0021】一方、固定電極基板2は、ダイアフラム3
と同じ外形の厚肉なガラス基板2aに導電膜をメタライ
ズし、ダイアフラム3の可動電極部3bと微小ギャップ
4を隔てて対面する固定電極2bが形成されている。ま
た、この固定電極2bはガラス基板2aの中央部に穿孔
したスルーホール(内面に導電膜がメタライズされてい
る)2dを介して基板の上面側に引出し、この引出し部
分に形成したワイヤ接続用の電極にワイヤ6をボンディ
ングして検出回路(図示せず)との間の配線を行うよう
にしいてる。そして、この固定電極基板2をダイアフラ
ム3に接合する際には、固定電極基板2の周縁部をダイ
アフラム3の周縁部3aの上に重ね合わせた上で、温度
300〜600℃に加熱し、この状態で固定電極基板2
とダイアフラム3との間に400〜1000Vの電圧を
印加して両者間を静電接合する。なお、この組立状態で
は、固定電極基板2の固定電極2bとダイアフラム3の
可動電極部3bとの間には1〜10μmの初期ギャップ
4が確保される。また、前記したスルーホール2dを通
じて固定電極/可動電極間のギャップ4が大気圧に開放
されている。
On the other hand, the fixed electrode substrate 2 has a diaphragm 3
A conductive film is metallized on a thick glass substrate 2a having the same outer shape as the fixed electrode 2b facing the movable electrode portion 3b of the diaphragm 3 with a minute gap 4 therebetween. Further, the fixed electrode 2b is drawn out to the upper surface side of the substrate through a through hole (a conductive film is metallized on the inner surface) 2d formed in the center of the glass substrate 2a, and the wire connection formed in this drawn portion is used. Wires 6 are bonded to the electrodes so as to connect with a detection circuit (not shown). When the fixed electrode substrate 2 is bonded to the diaphragm 3, the peripheral portion of the fixed electrode substrate 2 is superposed on the peripheral portion 3a of the diaphragm 3 and heated to a temperature of 300 to 600 ° C. Fixed electrode substrate 2 in the state
And a diaphragm 3 are applied with a voltage of 400 to 1000 V to electrostatically bond the two. In this assembled state, an initial gap 4 of 1 to 10 μm is secured between the fixed electrode 2b of the fixed electrode substrate 2 and the movable electrode portion 3b of the diaphragm 3. Further, the gap 4 between the fixed electrode and the movable electrode is opened to the atmospheric pressure through the through hole 2d described above.

【0022】かかる構成で、ダイアフラム3に対して背
面側から測定圧力Pを矢印方向に加えると、ダイアフラ
ム3は可動電極部3bが固定電極基板2の固定電極2b
へ近づいてギャップ4を狭める方向に撓む。これによ
り、図10の従来構成の場合とは逆に、固定電極/可動
電極間の静電容量が増大する方向に変化する。ところ
で、前記構成の圧力センサにつき、ダイアフラム3に形
成した薄肉部3cの外径を4.22mm,内径を2.42mm、
固定電極/可動電極間の初期ギャップ4を2μmとし
て、300mmH2 Oの定格測定圧力Pを加えた条件で、
ダイアフラムの厚さを様々に変えた場合のセンサ特性を
図9に示す。なお、図中に表した記号は図11の特性図
に示した記号と同じであり、C0 は固定電極/可動電極
間の初期容量、Cm は定格圧力(300mmH2 O)を加
えた際の容量、ΔC(ΔC=C0 −Cm )は変化容量を
表している。
With such a structure, when the measurement pressure P is applied to the diaphragm 3 from the back side in the direction of the arrow, the movable electrode portion 3b of the diaphragm 3 is fixed electrode 2b of the fixed electrode substrate 2.
And bends in the direction of narrowing the gap 4. As a result, contrary to the case of the conventional configuration of FIG. 10, the capacitance between the fixed electrode and the movable electrode is changed to increase. By the way, in the pressure sensor having the above structure, the thin portion 3c formed on the diaphragm 3 has an outer diameter of 4.22 mm and an inner diameter of 2.42 mm.
Under the condition that the initial gap 4 between the fixed electrode and the movable electrode is 2 μm and the rated measurement pressure P of 300 mmH 2 O is applied,
FIG. 9 shows the sensor characteristics when the thickness of the diaphragm is variously changed. The symbols shown in the figure are the same as the symbols shown in the characteristic diagram of FIG. 11, C 0 is the initial capacitance between the fixed electrode and the movable electrode, and C m is the rated pressure (300 mmH 2 O). ΔC (ΔC = C 0 −C m ) represents the change capacity.

【0023】この特性図から判るように、ダイアフラム
の厚さを同じとしても、図11に示した従来構成のセン
サ特性と較べて初期容量C0 に対する容量変化ΔC/C
0 の値が遥かに大きな値となるので、これにより圧力セ
ンサとして高いセンサ感度が得られる。なお、図9に示
したセンサ特性は、以下述べる各実施例についても当て
はまる。
As can be seen from this characteristic diagram, even when the diaphragm thickness is the same, the capacitance change ΔC / C with respect to the initial capacitance C 0 is different from the sensor characteristic of the conventional configuration shown in FIG.
Since the value of 0 becomes a much larger value, a high sensor sensitivity can be obtained as a pressure sensor. The sensor characteristics shown in FIG. 9 are applicable to each of the examples described below.

【0024】〔実施例2〕図3は先記した実施例1の構
造一部を変更した応用実施例を示すものであり、ダイア
フラム3は可動電極部3bと周縁部3aとが同じ肉厚に
作られているのに対して、固定電極基板2のダイアフラ
3との対向面には深さ1〜10μm程度を凹所2eを形
成してここに固定電極2bを成膜形成し、可動電極部3
bとの間に所定の初期ギャップ4を確保するように構成
している。
[Embodiment 2] FIG. 3 shows an applied embodiment in which a part of the structure of the above-described Embodiment 1 is modified, and the diaphragm 3 has the same thickness in the movable electrode portion 3b and the peripheral portion 3a. On the other hand, the surface of the fixed electrode substrate 2 facing the diaphragm 3 is formed with a recess 2e having a depth of about 1 to 10 μm, and the fixed electrode 2b is formed as a film on the recess 2e. Three
It is configured to secure a predetermined initial gap 4 with b.

【0025】〔実施例3〕図4は先記した実施例1の構
成を基本として、ダイアフラム3からの電極引出し構造
を変えた本発明の請求項9に対応する応用実施例を示す
ものである。この実施例においては、固定電極基板2の
周縁一部にダイアフラム3の周縁部3aの上面に達する
切欠部2fを形成するとともに、この切欠部2fに露呈
するダイアフラム周縁部3aの上面に導電膜をメタライ
ズしてワイヤ接続用の電極(ボンディングパッド)3d
を形成し、ここにワイヤ6をボンディングして検出回路
との間の配線を行うようにしている。
[Embodiment 3] FIG. 4 shows an application embodiment corresponding to claim 9 of the present invention in which the structure for drawing out electrodes from the diaphragm 3 is changed on the basis of the structure of the above-described Embodiment 1. . In this embodiment, a cutout 2f reaching the upper surface of the peripheral edge 3a of the diaphragm 3 is formed in a part of the peripheral edge of the fixed electrode substrate 2, and a conductive film is formed on the upper surface of the diaphragm peripheral edge 3a exposed in the cutout 2f. Metallized electrode (bonding pad) 3d for wire connection
Is formed, and the wire 6 is bonded to the wiring to connect with the detection circuit.

【0026】〔実施例4〕図5は実施例3とさらに異な
る本発明の請求項10に対応する応用実施例を示すもの
である。この実施例においては、図4における切欠部2
fに変えて、固定電極基板2の周縁一部にダイアフラム
3の周縁部3aに達する可動電極引出し用のスルーホー
ル2gを形成するとともに、このスルーホール2gの壁
面にダイアフラム3の周縁部上面と電気的に接触し合う
導電膜をメタライズし、かつこの導電膜をガラス基板2
aの上面側に引出してダイアフラム3の可動電極に対応
するワイヤ接続用の電極2hを形成したものである。
[Embodiment 4] FIG. 5 shows an application embodiment corresponding to claim 10 of the present invention which is further different from the embodiment 3. In this embodiment, the notch 2 in FIG.
Instead of f, a through hole 2g for leading out the movable electrode reaching the peripheral edge 3a of the diaphragm 3 is formed in a part of the peripheral edge of the fixed electrode substrate 2, and the wall surface of the through hole 2g is electrically connected to the upper surface of the peripheral edge of the diaphragm 3 and The conductive films that are in contact with each other and metallize the conductive films.
An electrode 2h for wire connection corresponding to the movable electrode of the diaphragm 3 is formed by being drawn out to the upper surface side of a.

【0027】〔実施例5〕図6は本発明の請求項4に対
応する実施例の構成図であり、図1に示した実施例1の
構成を基本として、固定電極基板2にセラミック基板2
iが採用されている。そして、この固定電極基板2とダ
イアフラム3との間を接合するためには、ダイアフラム
3の周縁部3aの上面にシリコン酸化膜7をあらかじめ
形成しておき、両者を重ね合わせ、真空中で加圧して両
者間を直接接合する。
[Embodiment 5] FIG. 6 is a constitutional view of an embodiment corresponding to claim 4 of the present invention. Based on the constitution of Embodiment 1 shown in FIG. 1, a fixed electrode substrate 2 and a ceramic substrate 2 are provided.
i has been adopted. Then, in order to bond the fixed electrode substrate 2 and the diaphragm 3 to each other, a silicon oxide film 7 is formed in advance on the upper surface of the peripheral edge portion 3a of the diaphragm 3, the both are superposed and pressed in a vacuum. And directly connect the two.

【0028】なお、シリコン酸化膜による直接接合法
は、SOI(Silicon-On-Insulator)ウエハの接合技術
を応用したものである。なお、前記シリコン酸化膜7の
代わりに接合面に低融点ガラスをスパッタして静電接合
することも可能である。 〔実施例6〕図7は固定電極基板にシリコン基板2jを
採用し、さらにその上面に導電膜をメタライズしてワイ
ヤ接続用電極(ボンディングパッド)2kを形成した本
発明の請求項5,7に対応する実施例を示すものであ
る。
The direct bonding method using a silicon oxide film is an application of an SOI (Silicon-On-Insulator) wafer bonding technique. Instead of the silicon oxide film 7, a low melting point glass may be sputtered on the bonding surface for electrostatic bonding. [Embodiment 6] FIG. 7 shows a fifth embodiment of the present invention in which a silicon substrate 2j is adopted as a fixed electrode substrate, and a conductive film is metallized on the upper surface thereof to form a wire connection electrode (bonding pad) 2k. 9 illustrates a corresponding example.

【0029】この実施例においては、シリコン基板2j
とシリコン製ダイアフラム3との間を接合するために、
シリコン基板2jの接合面,およびダイアフラム周縁部
3aの上面を鏡面に仕上加工した上で、いずれか一方の
接合面にシリコン酸化膜7を形成し、真空中で加圧して
直接接合するものとする。また、ダイアフラム3の可動
電極部3bとシリコン基板2との間の対向面に所定のギ
ャップ4を確保するには、前記したシリコン酸化膜7の
膜厚を1〜10μmに設定して接合するか、あるいはダ
イアフラム3の可動電極部3bを周縁部3aの高さより
もギャップ4に見合う分だけ低めるようにエッチング加
工を施すことで初期ギャップを精度よく形成できる。
In this embodiment, the silicon substrate 2j
And the silicon diaphragm 3 are joined together,
It is assumed that the bonding surface of the silicon substrate 2j and the upper surface of the diaphragm peripheral portion 3a are mirror-finished, and then the silicon oxide film 7 is formed on either one of the bonding surfaces and is directly bonded by applying pressure in a vacuum. . Further, in order to secure a predetermined gap 4 on the facing surface between the movable electrode portion 3b of the diaphragm 3 and the silicon substrate 2, the thickness of the silicon oxide film 7 should be set to 1 to 10 μm for bonding. Alternatively, the initial gap can be accurately formed by performing etching processing so that the movable electrode portion 3b of the diaphragm 3 is lower than the height of the peripheral edge portion 3a by an amount commensurate with the gap 4.

【0030】上記のようにシリコン基板2jを採用する
ことにより、同じ材料で固定電極基板2,およびダイア
フラム3が作製できるほか、固定電極基板2に対して先
記の各実施例のように可動電極部3bとの対向面に固定
電極2bを形成する必要がなく、その分だけコストが低
減する。なお、図7は相対圧力測定用の圧力センサとし
て、シリコン基板2jの中央に大気側に開放した貫通穴
2mを開口しているが、図8のように貫通穴のないシリ
コン基板を採用し、かつ固定電極基板2とダイアフラム
3との間のギャップ空間を真空にしてその周縁部を封止
することにより、絶対圧力の測定が行える。
By employing the silicon substrate 2j as described above, the fixed electrode substrate 2 and the diaphragm 3 can be made of the same material, and the fixed electrode substrate 2 can be moved to the movable electrode as in the above-mentioned embodiments. It is not necessary to form the fixed electrode 2b on the surface facing the portion 3b, and the cost is reduced accordingly. Although FIG. 7 shows a through hole 2m opened to the atmosphere side at the center of the silicon substrate 2j as a pressure sensor for relative pressure measurement, a silicon substrate without a through hole as shown in FIG. 8 is adopted. Moreover, the gap space between the fixed electrode substrate 2 and the diaphragm 3 is evacuated and the peripheral portion is sealed, whereby the absolute pressure can be measured.

【0031】[0031]

【発明の効果】以上述べたように本発明の構成によれ
ば、次記の効果を奏する。 1)固定電極基板に対向するダイアフラムを基台上に搭
載し、従来の圧力センサとは逆に、固定電極/可動電極
間のギャップが狭まるように測定圧力をダイアフラムの
背面側から加えるように構成したので、固定電極/可動
電極間の初期容量に対する変化容量の値が高く、これに
より圧力センサとしてのセンサ感度が向上する。
As described above, according to the structure of the present invention, the following effects can be obtained. 1) A diaphragm facing the fixed electrode substrate is mounted on the base, and contrary to the conventional pressure sensor, the measurement pressure is applied from the back side of the diaphragm so that the gap between the fixed electrode and the movable electrode is narrowed. Therefore, the value of the change capacitance with respect to the initial capacitance between the fixed electrode and the movable electrode is high, which improves the sensor sensitivity of the pressure sensor.

【0032】2)また、ダイアフラムの可動電極部,薄
肉部をプラズマエッチング法で加工することにより、従
来のウエットエッチング加工に較べて微細なパターンを
高精度で加工できる。 3)また、固定電極基板の材質,および固定電極基板と
シリコン製のダイアフラムとの接合に関して、請求項3
〜5の各項に記載の構成を採用することにより、固定電
極/可動電極間の初期容量を決定する上で重要なパラメ
ータとなる初期ギャップを高精度に管理できる。
2) Further, by processing the movable electrode portion and the thin portion of the diaphragm by the plasma etching method, it is possible to process a fine pattern with high accuracy as compared with the conventional wet etching processing. 3) Further, regarding the material of the fixed electrode substrate and the joining of the fixed electrode substrate and the diaphragm made of silicon, the method according to claim 3
By adopting the configuration described in each item of 5 to 5, the initial gap, which is an important parameter in determining the initial capacitance between the fixed electrode and the movable electrode, can be managed with high accuracy.

【0033】5)さらに、固定電極,可動電極の外部引
出しに関して、請求項6〜10の各項に記載の構成を採
用することにより、圧力センサの本体と検出回路との間
を接続するワイヤのボンディングが楽に行えるなどの利
点が得られる。
5) Furthermore, regarding the external drawing of the fixed electrode and the movable electrode, by adopting the structure described in each of claims 6 to 10, the wire connecting the main body of the pressure sensor and the detection circuit is connected. There are advantages such as easy bonding.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施例1に対応する静電容量形圧力セ
ンサの構成断面図
FIG. 1 is a sectional view of the configuration of a capacitance type pressure sensor corresponding to a first embodiment of the present invention.

【図2】図1におけるダイアフラムの平面図であり、
(a),(b)は可動電極部のパターンが方形状,円形状
である場合の平面図
2 is a plan view of the diaphragm in FIG. 1,
(A), (b) is a plan view when the pattern of the movable electrode part is square or circular.

【図3】本発明の実施例2に対応する静電容量形圧力セ
ンサの構成断面図
FIG. 3 is a configuration cross-sectional view of a capacitance type pressure sensor corresponding to a second embodiment of the present invention.

【図4】本発明の実施例3に対応する静電容量形圧力セ
ンサの構成断面図
FIG. 4 is a sectional view showing the configuration of a capacitance type pressure sensor according to a third embodiment of the present invention.

【図5】本発明の実施例4に対応する静電容量形圧力セ
ンサの構成断面図
FIG. 5 is a sectional view showing the configuration of an electrostatic capacitance type pressure sensor according to a fourth embodiment of the present invention.

【図6】本発明の実施例5に対応する静電容量形圧力セ
ンサの構成断面図
FIG. 6 is a configuration cross-sectional view of a capacitance type pressure sensor corresponding to a fifth embodiment of the present invention.

【図7】本発明の実施例6に対応する静電容量形圧力セ
ンサの構成断面図
FIG. 7 is a configuration cross-sectional view of a capacitance type pressure sensor corresponding to a sixth embodiment of the present invention.

【図8】図7の応用実施例である絶対圧力測定用圧力セ
ンサの構成断面図
8 is a cross-sectional view of the configuration of a pressure sensor for measuring absolute pressure, which is an application example of FIG.

【図9】本発明の実施例で得られるセンサ特性図FIG. 9 is a sensor characteristic diagram obtained in an example of the present invention.

【図10】従来における静電容量形圧力センサの構成断
面図
FIG. 10 is a sectional view showing the structure of a conventional capacitive pressure sensor.

【図11】図10の構成によるセンサ特性図FIG. 11 is a sensor characteristic diagram with the configuration of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 基台 2 固定電極基板 2a ガラス基板 2b 固定電極 2d スルーホール 2f 切欠部 2g スルーホール 2i セラミック基板 2h,2k ワイヤ接続用電極(ボンディングパッド) 2j シリコン基板 3 ダイアフラム 3a 周縁部 3b 可動電極部 3c 薄肉部 3d ワイヤ接続用電極(ボンディングパッド) 4 ギャップ 5 半田 6 ワイヤ 7 シリコン酸化膜 1 Base 2 Fixed Electrode Substrate 2a Glass Substrate 2b Fixed Electrode 2d Through Hole 2f Cutout 2g Through Hole 2i Ceramic Substrate 2h, 2k Wire Connection Electrode (Bonding Pad) 2j Silicon Substrate 3 Diaphragm 3a Edge 3b Movable Electrode 3c Thin Wall Part 3d Wire connection electrode (bonding pad) 4 Gap 5 Solder 6 Wire 7 Silicon oxide film

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】表面中央に可動電極部を形成したシリコン
のダイアフラムと、該ダイアフラムの可動電極部と微小
ギャップを隔てた対向面に固定電極を形成してダイアフ
ラムの周縁部上面に接合した固定電極基板と、ダイアフ
ラムを搭載してその周縁部下面に接合した基台とからな
り、ダイアフラムを背面側から固定電極基板に向けて加
圧する方向に測定圧力を加え、固定/可動電極間の静電
容量変化を検出して圧力測定を行うことを特徴とする静
電容量形圧力センサ。
1. A silicon diaphragm having a movable electrode portion formed in the center of the surface thereof, and a fixed electrode formed on a surface of the diaphragm facing the movable electrode portion of the diaphragm with a minute gap therebetween and joined to an upper surface of a peripheral portion of the diaphragm. It consists of a substrate and a base on which a diaphragm is mounted and joined to the lower surface of its peripheral edge. A measurement pressure is applied in the direction of pressing the diaphragm from the back side toward the fixed electrode substrate, and the capacitance between the fixed and movable electrodes is increased. A capacitance type pressure sensor characterized by detecting a change and measuring a pressure.
【請求項2】請求項1記載の圧力センサにおいて、ダイ
アフラムは、シリコン板に厚肉の周縁部を残してその内
側に可動電極部,薄肉部をプラズマエッチングにより形
成したものであることを特徴とする静電容量形圧力セン
サ。
2. The pressure sensor according to claim 1, wherein the diaphragm is formed by plasma etching a movable electrode portion and a thin portion inside the silicon plate while leaving a thick peripheral portion on the silicon plate. Capacitive pressure sensor.
【請求項3】請求項1記載の圧力センサにおいて、固定
電極基板が、ガラス基板に導電膜をメタライズして固定
電極を形成したものであり、該固定電極基板とダイアフ
ラムの周縁部との間を静電接合したことを特徴とする静
電容量形圧力センサ。
3. The pressure sensor according to claim 1, wherein the fixed electrode substrate is a glass substrate on which a conductive film is metallized to form a fixed electrode, and between the fixed electrode substrate and a peripheral portion of the diaphragm. A capacitive pressure sensor characterized by being electrostatically bonded.
【請求項4】請求項1記載の圧力センサにおいて、固定
電極基板がセラミック基板に導電膜をメタライズして固
定電極を形成したものであり、ダイアフラム周縁部の接
合面にシリコン酸化膜を成膜した上で、前記固定電極基
板とダイアフラムの周縁部との間を静電接合したことを
特徴とする静電容量形圧力センサ。
4. The pressure sensor according to claim 1, wherein the fixed electrode substrate is a ceramic substrate on which a conductive film is metallized to form a fixed electrode, and a silicon oxide film is formed on the bonding surface of the peripheral edge of the diaphragm. The electrostatic capacitance type pressure sensor, wherein the fixed electrode substrate and the peripheral portion of the diaphragm are electrostatically joined to each other.
【請求項5】請求項1記載の圧力センサにおいて、固定
電極基板がシリコン基板であり、該固定電極基板とダイ
アフラムの周縁部との間をシリコン酸化膜を介して直接
接合したことを特徴とする静電容量形圧力センサ。
5. The pressure sensor according to claim 1, wherein the fixed electrode substrate is a silicon substrate, and the fixed electrode substrate and the peripheral portion of the diaphragm are directly bonded via a silicon oxide film. Capacitive pressure sensor.
【請求項6】請求項3,または4記載の圧力センサにお
いて、固定電極基板に対し固定電極に連ねて導電膜をメ
タライズしたスルーホールを形成し、該スルーホールを
介して固定電極基板の上面側にワイヤ接続用の電極を引
出したことを特徴とする静電容量形圧力センサ。
6. The pressure sensor according to claim 3, wherein a through hole is formed on the fixed electrode substrate, the through hole being connected to the fixed electrode and metallized with a conductive film, and the upper surface side of the fixed electrode substrate is formed through the through hole. An electrostatic capacitance type pressure sensor characterized in that an electrode for wire connection is drawn out to the.
【請求項7】請求項5記載の圧力センサにおいて、固定
電極基板の上面に導電膜をメタライズしてワイヤ接続用
の電極部を形成したことを特徴とする静電容量形圧力セ
ンサ。
7. A capacitance type pressure sensor according to claim 5, wherein a conductive film is metallized on the upper surface of the fixed electrode substrate to form an electrode portion for wire connection.
【請求項8】請求項1記載の圧力センサにおいて、ダイ
アフラムと基台との間を半田接合した上で、この半田層
をダイアフラム側方の基台上に引出して可動電極に対応
するワイヤ接続用の電極を形成したことを特徴とする静
電容量形圧力センサ。
8. The pressure sensor according to claim 1, wherein the diaphragm and the base are joined by soldering, and then the solder layer is drawn out on the side of the diaphragm for wire connection corresponding to the movable electrode. An electrostatic capacitance type pressure sensor, characterized in that the electrodes are formed.
【請求項9】請求項3,または4記載の圧力センサにお
いて、固定電極基板の周縁一部にダイアフラムの周縁部
に達する切欠部を形成するとともに、該切欠部に露呈す
るダイアフラムの周縁部に導電膜をメタライズして可動
電極に対応するワイヤ接続用の電極を形成したことを特
徴とする静電容量形圧力センサ。
9. The pressure sensor according to claim 3, wherein a cutout portion reaching a peripheral portion of the diaphragm is formed in a peripheral portion of the fixed electrode substrate, and a conductive portion is formed in the peripheral portion of the diaphragm exposed in the cutout portion. A capacitance type pressure sensor characterized in that an electrode for wire connection corresponding to a movable electrode is formed by metallizing a film.
【請求項10】請求項2,または3記載の圧力センサに
おいて、固定電極基板の一部にダイアフラムの周縁部に
達するスルーホールを形成するとともに、該スルーホー
ルにメタライズした導電膜を基板上面側に引出して可動
電極に対応するワイヤ接続用の電極を形成したことを特
徴とする静電容量形圧力センサ。
10. The pressure sensor according to claim 2, wherein a through hole reaching a peripheral portion of the diaphragm is formed in a part of the fixed electrode substrate, and a conductive film metallized in the through hole is provided on the upper surface side of the substrate. An electrostatic capacitance type pressure sensor characterized in that an electrode for wire connection corresponding to a movable electrode is formed by drawing out.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002500961A (en) * 1998-01-09 2002-01-15 ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング Micromechanical structural elements
JP2007508563A (en) * 2003-10-15 2007-04-05 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ Apparatus, system and electrical element
JP2009300098A (en) * 2008-06-10 2009-12-24 Alps Electric Co Ltd Capacitance sensor
CN104677528A (en) * 2015-03-13 2015-06-03 中国电子科技集团公司第二十四研究所 Capacitive pressure sensor and preparation method thereof

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