JPH11108783A - 静電容量型圧力センサ及びその固定構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高耐圧性，高耐熱性を有し、温度特性が保証
される静電容量型圧力センサの固定構造を提供すること 【解決手段】 ダイアフラム７を有するシリコン基板５
と、固定電極９を備えたガラス基板６とを接合一体化し
たセンサ部Ｓの周囲に薄肉の可動片１２を介して外側フ
レーム１４を連結する。センサ部は弾性系接着剤１５を
介して台座３に接着され、外側フレームは硬化系接着剤
１６により台座に固定される。よって、耐熱／耐圧性
は、硬化系接着剤により保証される。また、温度変化に
より台座が歪んだ場合、外側フレームはその台座の歪み
に応じて変形するが、可動片が撓むことにより外側フレ
ームの変形がセンサ部までは伝わらない。さらに、台座
の歪みは弾性系接着剤により吸収されるので、台座から
直接センサ部に歪みが伝わることもない。よって、ダイ
アフラムが歪むことがなく、温度特性が良好となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、静電容量型圧力セ
ンサ及びその固定構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は、従来の静電容量型圧力センサの
固定構造の一例を示している。同図に示すように、セン
サ（静電容量型圧力センサ）１の下面は、弾性系接着剤
２（シリコンゴム，シリコーン樹脂）を介して、台座３
の表面に固定されている。係る台座３のセンサ１が配置
されている位置には孔部４が形成されており、係る孔部
４を介して、センサ１の下面に圧力測定対象のガスが導
入される。

【０００３】このセンサ１は、シリコン基板５と固定基
板６とを陽極接合して一体化することにより構成され
る。そして、シリコン基板５には、その中央を両面から
エッチングを行い所定量だけ除去することにより薄肉の
ダイアフラム７を形成する。これにより、ダイアフラム
７の上面と、固定基板６との間にギャップが形成され、
そのギャップ内でダイアフラム７が変位可能となる。さ
らに、ダイアフラム７に対向する固定基板６の表面に
は、固定電極８が蒸着等して形成される。この固定電極
８に対向するダイアフラム７の上面が可動電極９とな
り、両電極間の距離に応じた静電容量が発生する。

【０００４】そして、圧力測定対象のガスは、ダイアフ
ラム７の裏側より所定の圧力を加えることになり、その
圧力に応じた量だけダイアフラム７が撓むようになる。
よって、ダイアフラム７が撓むことにより電極間距離が
変動するので、静電容量も変化する。すると電極間距離
（ダイアフラム７の撓み量）は圧力に対応するので、静
電容量からダイアフラム７に加わった圧力が測定でき
る。

【０００５】ところで、センサ１及び台座３の周囲に温
度変化が生じると、図６に示すように、台座３に歪みが
生じてしまうことがある。しかし、センサ１を台座３に
固定する接着剤として弾性系接着剤２を使用しているの
で、係る弾性系接着剤２が弾性変形することにより、台
座３の歪みを吸収してしまう。よって、センサ１に台座
３の歪みが伝わらず、センサ１（特に圧力測定を行うダ
イアフラム７及び固定電極８）に歪みは生じないので、
温度変化に伴う静電容量型圧力センサの出力の変動を可
及的に抑制でき、センサの温度特性が保証される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たように従来の静電容量型圧力センサの固定構造では、
センサ１は、弾性系接着剤２を介して、台座３に取り付
けられるので、以下に示すような問題点が存在する。

【０００７】すなわち、センサ１を台座３に固定する弾
性系接着剤２は、硬化系接着剤と比較すると、接着力が
弱い。よって、ダイアフラム７の両面に加わる圧力差
（測定圧力と参照圧力の差）が大きくて、センサ１全体
が持ち上げられる方向に大きな力が加わると、センサ１
を台座３から押し上げる力は接着力を上回り、センサ１
は台座３から剥離されてしまうおそれがある。

【０００８】そして、センサ１の周囲の状況が高温とな
るほど、弾性系接着剤は軟化するので、弾性系接着剤の
接着力は、ますます弱まってしまうので、より小さな力
で剥離しやすくなる。

【０００９】従って、従来の静電容量型圧力センサの固
定構造では、弾性系接着剤２によって台座３に取り付け
るので、耐圧性，耐熱性が低くなってしまうという問題
がある。

【００１０】一方、センサ１を硬化系接着剤等を用いて
台座３に強固に取り付けることを考えると、耐圧性，耐
熱性は高くなる。しかし温度変化にともなう台座３の歪
みの影響がセンサ１に伝わり、センサ１（特に、ダイア
フラム７，固定電極８）が歪んでしまう。その結果、測
定対象の圧力に対する電極間の静電容量が変化してしま
う。よって、センサ１の温度特性が保証されなくなるの
で、実用に供し得ないものとなる。

【００１１】本発明は、上記した背景に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、上記した問題点を解
決し、台座に取り付けた状態で、高耐圧性，高耐熱性を
有し、しかも、温度特性が保証される静電容量型圧力セ
ンサ及びその固定構造を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ため、本発明に係る静電容量型圧力センサの固定構造
は、ダイアフラムを有する半導体基板と、固定基板とを
接合一体化し、前記ダイアフラムの固定基板側を可動電
極とするとともに、その可動電極に対向する前記固定基
板の表面に固定電極を設けられたセンサ部と、前記セン
サ部の周囲に可動片を介して連結される外側フレームと
を備えた静電容量型圧力センサを台座に固定する構造で
ある。そして、前記センサ部は弾性体を介して前記台座
に固定され、前記外側フレームは前記台座に取付手段を
用いて強固に固定されるようにした（請求項１）。

【００１３】前記外側フレームは、前記固定基板または
前記半導体基板と一体に形成されるとともに、その外側
フレームを構成する基板が単結晶シリコン基板で形成す
ることができる（請求項２）。

【００１４】また、本発明に係る静電容量型圧力センサ
では、ダイアフラムを有する半導体基板と、固定基板と
を接合一体化し、前記ダイアフラムの固定基板側を可動
電極とするとともに、その可動電極に対向する前記固定
基板の表面に固定電極を設けられたセンサ部と、前記セ
ンサ部の周囲に可動片を介して連結される外側フレーム
とを備える。そして、前記センサ部は弾性体を介して前
記台座に固定されるものであり、前記外側フレームは前
記台座に取付手段を用いて強固に固定されるものとした
（請求項３）。

【００１５】ここで、センサ部を弾性体を介して固定す
るための具体的な手法としては、実施の形態でも説明し
たとおり、弾性系接着剤を用いてセンサ部を固定するこ
とができる。係る場合には、接着剤自体が弾性体と固定
する機能の両方を兼ねることになる。また、別の手法と
しては、例えば別途弾性体（ゴム・パッキン等）を用
い、それを硬化系接着剤等を用いてセンサ部と台座に固
定するようにする他、各種の手法をとることができる。
また、外側フレームを強固に固定するとは、固定力がセ
ンサ部の固定力よりも大きいことを意味し、耐圧性／耐
熱性も良好で、容易に台座から離反しない。そして、係
る強固に固定するための具体的な手法としては、例えば
硬化系接着剤を用いることができる。また、適当な治具
等によって固定するなどの他、各種の手法をとることが
できる。

【００１６】そして、各部を固定する手法として接着剤
を用いるのが、処理が簡単で構成も簡易となり、部品点
数の増加もあまりないので便利となる。その場合に弾性
系接着剤は、従来からセンサを固定する際に用いられて
いるもので、例えばシリコンゴムやシリコーン樹脂等が
ある。また、硬化系接着剤は、接着力が強く、強固に接
着固定できるもので、例えばセラミック接着剤等があ
る。そして、耐圧性／耐熱性が良好という性質がある。
また、台座とは実際に使用される際の名称や構造にとら
われることなく、センサを取り付ける部材であればすべ
て含む。

【００１７】請求項１に記載するように、外側フレーム
は硬化系接着剤によって強固に固定されている。そし
て、その外側フレームは可動片を介してセンサ部に連結
されているので、センサ部のダイアフラムに大きな圧力
が加わっても、上記硬化系接着剤の接着力によりセンサ
は台座から剥離しない。すなわち、硬化系接着剤により
高温または高圧力が加わっても、外側フレームは台座に
固定された状態を保つことができる。よって、高温また
は高圧力が加わることによって、センサ部を台座に固定
する弾性系接着剤は軟化するが、センサ部は可動片を介
して外側フレームと接続一体化しているので、その外側
フレームが硬化系接着剤により固定されている以上、セ
ンサが台座から離れる方向に大きな圧力差が生じても、
センサは台座から剥離しない。

【００１８】また、温度変化によって台座に歪みが生じ
ると、センサ部を台座に固定する弾性系接着剤が変形す
るので、センサ部と接触している台座の歪みはセンサ部
に伝わらない。一方、外側フレームは硬化系接着剤によ
って台座に強固に固定されているので、台座の歪みは外
側フレームに伝わってしまうが、センサ部と外側フレー
ムは可動片で接続されているので、係る可動片が変形す
ることにより、外側フレームに伝わった歪みはセンサ部
に伝わらない。よって、温度変化によってはセンサ部に
設けられたダイアフラム等が歪むことがなく、センサの
温度特性は保証される。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係る静電容量型
圧力センサ及びその固定構造の第１の実施の形態を示し
ている。まず、本形態で用いられる静電容量型圧力セン
サ１０の構造について説明すると、同図に示すように、
単結晶シリコンからなるシリコン基板５の上にガラス基
板からなる固定基板６を陽極接合により一体化してい
る。そして、圧力を感知するセンサ部Ｓの構造は図５等
に示した従来のものと同様である。

【００２０】すなわち、シリコン基板５の中央部には、
エッチングにより上下両側からそれぞれ所定量ずつ除去
されて薄肉のダイアフラム７が形成され、そのダイアフ
ラム７に対向する固定基板６の表面に、クロム等を蒸着
あるいはスパッタリングして所定形状の固定電極８が形
成される。また、ダイアフラム７の固定電極８に対向す
る面が可動電極９となり、両電極間に距離に応じた静電
容量が発生する。もちろん、ダイアフラム７の外周囲に
は、エッチングされずに残った内側フレーム１３が存在
し、その内側フレーム１３と固定基板６とが面接触して
接合される。係る基本的なセンサ部Ｓとしての構造は、
従来と同様である。そして、固定基板６は、シリコン基
板５のうち係るセンサ部Ｓを構成する領域の上部を覆う
ように形成している。

【００２１】ここで本発明では、係るセンサ部Ｓを構成
する内側フレーム１３の外周囲に、薄肉の可動片１２を
介して外側フレーム１４を形成している。そして、本形
態では、係る可動片１２と外側フレーム１４もシリコン
基板５により一体に形成している。

【００２２】なお、製造プロセスの簡略化（工程数の増
加を抑制）することも相俟って、可動片１２は、ダイア
フラム３と同じ厚さに形成されている。つまり、シリコ
ン基板５の両面をエッチングしてダイアフラム３を形成
する際に、同時に可動片１２も形成するようにしてい
る。これにより、パターニングするマスクを変更するだ
けで対応できる。そして、このように薄肉に形成された
可動片１２は、ダイアフラム３と同様容易に撓むことが
できる。なお、製造プロセスを考慮しない場合には、ダ
イアフラム３と可動片１２の肉厚を異ならせ、それぞれ
が所望の機能を発揮するような厚さにしてももちろんよ
い。

【００２３】上記した構造の静電容量型圧力センサ１０
を台座３に固定するに際し、本形態では以下のような固
定構造を取っている。すなわち、台座３は上面が平坦な
面となっており、所定位置には圧力を導入するための孔
部４が形成されている。そして、センサ１０に形成され
たダイアフラム７が、孔部４の開口と同位置となるよう
に、センサ１０は配置されている。

【００２４】ここで、本形態では、内側フレーム１３は
従来と同様にシリコンゴムあるいはシリコン樹脂等の弾
性系接着剤１５を用いて台座３の上面に接着されてい
る。一方、外側フレーム１４は硬化系接着剤１６を用い
て台座３の上面に接着されている。この硬化系接着剤１
６としては、高耐圧性／耐熱性が良好なセラミック接着
剤等を用いることができる。

【００２５】上記のように構成すると、通常の測定時に
は、台座３の孔部４を介してダイアフラム７の下面に送
り込まれたガスの圧力と、固定電極８，可動電極９間の
ギャップ内の圧力との差に基づいた量だけダイアフラム
７は撓み、固定電極８，可動電極９間の静電容量に変化
が生じる。係る静電容量の変化により圧力が測定され
る。この基本測定原理は、従来と同様である。

【００２６】また、本形態における静電容量型圧力セン
サ１０は、硬化系接着剤１６によって外側フレーム１４
は台座３に強固に固定されている。従って、センサ１０
の内側フレーム１３を台座３に接着している弾性系接着
剤１５の接着力が、ダイアフラム７にかかる圧力差より
弱くても、硬化系接着剤１６により外側フレーム１３が
台座３に接着一体化しているので、センサ１０が台座３
から剥離することはない。

【００２７】そして、センサ周辺が高温となった場合で
あっても硬化系接着剤１６は耐熱性も良好で軟化しない
ので、外側フレーム１４が台座３に強固に固定された状
態が保持される。よって、耐熱性，耐圧性の良好な圧力
センサを構成できる。

【００２８】一方、温度変化等によって台座３に歪みが
生じた場合には、図１（Ｂ）に示すように、内側フレー
ム１３は、弾性系接着剤１５を介して台座３に固定され
ているので、係る弾性系接着剤１５が変形することによ
り、台座３の歪みは内側フレーム１３に伝わらない。

【００２９】一方、外側フレーム１４は硬化系接着剤１
６により台座３に強固に固定されている。そのため、台
座３の歪みは外側フレーム１４に伝わる。しかし、外側
フレーム１４と内側フレーム１３は可動片１２により接
続されているので、可動片１２が撓むことにより、やは
り内側フレーム１３に歪みが伝わらない。

【００３０】よって、内側フレーム１３に形成されてい
るダイアフラム７（可動電極９）や固定電極８は歪まな
いので、測定対象の圧力に対して正確な静電容量の変化
を測定することができ、正確な圧力を測定することがで
きる。すなわち、センサの温度特性が保証される。

【００３１】上記した構成の静電容量型圧力センサ１０
の製造方法の一例としては、例えば図２，図３に示す方
法を採ることができる。すなわち、図２（Ａ）に示すよ
うに、シリコン基板５の上面に熱拡散やイオンインプラ
ンテーション等の方法により拡散層１７を形成する。係
る拡散層１７は可動電極を形成する領域に形成されてお
り、例えば、平面形状が円形となる領域に形成されてい
る。

【００３２】そして、同図（Ｂ）に示すように、シリコ
ン基板５の表面にエッチングを行い第１凹部１８ａと第
２凹部１８ｂを形成する。第１凹部１８ａは、拡散層１
７の形成領域とその側方（同図では右側）に形成されて
いる。第２凹部１８ｂは、第１凹部１８ａから距離が離
れており、第１凹部１８ａの外周囲に形成されている。

【００３３】次いで、同図（Ｃ）に示すように、第１凹
部１８ａの底面のうち、拡散層１７の未形成領域に酸化
膜１９を形成する。そして、シリコン基板５の反対面の
所定位置に窒化膜２０を形成する。係る窒化膜２０は、
最終的に外側フレーム１４と内側フレーム１３を形成す
る領域に形成する。その後、同図（Ｄ）に示すように、
酸化膜１９の表面所定位置に引き出し線２１を形成す
る。

【００３４】一方、図３（Ａ）に示すように、固定基板
６の片面に固定電極８を形成する。係る固定電極８は、
少なくとも拡散層１７の形成領域よりも小さい領域に形
成する。そして、同図（Ｂ）に示すように、固定電極８
と拡散層１７を向かい合わせにした状態で、シリコン基
板５と固定基板６を接合する。このとき、固定電極８を
引き出し線２１に接触させる。

【００３５】そして、同図（Ｃ）に示すように、シリコ
ン基板５の下面にエッチングを行うことにより、窒化膜
２０が未形成の露出部分を除去し、第１凹所２２ａ，第
２凹所２２ｂを形成する。これにより、第１凹所２２ａ
の底面が薄肉のダイアフラム７となり、第２凹所２２ｂ
の底面が薄肉の可動片１２となる。さらに、エッチング
されずに残った部分が、内側フレーム１３（可動片１２
よりもシリコン基板５の中央の部分）と外側フレーム１
４（可動片１２よりもシリコン基板５の外側の部分）と
なる。

【００３６】図４は本発明に係る静電容量型圧力センサ
及びその固定構造の第２の実施の形態を示している。本
実施の形態では、上記した第１の実施の形態とは逆に固
定基板側を台座３に固定するようにしている。すなわ
ち、ダイアフラム７を有するシリコン基板５の形状は、
基本的には図５等に示す従来のものと同様で、ダイアフ
ラム７の接合面側が可動電極９となり、その周囲に存在
するフレーム１３と固定基板６とが接合されるようにな
っている。そして、固定基板６の表面には可動電極９に
対向して固定電極８が形成されている。

【００３７】ここで本実施の形態の静電容量型圧力セン
サ１０′は、固定基板６も単結晶シリコンを用いて形成
している。これに伴い、両電極間の短絡を防止するため
に、両基板５，６の接着面には図示省略の絶縁膜が形成
されている。また、固定電極６を台座３に取り付ける関
係から、固定電極６の中央には、厚み方向に貫通された
圧力導入孔２５が形成されており、係る圧力導入孔２５
を介して、ギャップ内に参照圧力が導入される。そし
て、上記した構成からセンサ部Ｓが構成されている。

【００３８】また、本形態では、固定基板６の外周囲に
薄肉の可動片１２′を介して外側フレーム１４′が形成
されている。つまり、本形態では、耐熱性／耐圧性を確
保するための可動片１２′・外側フレーム１４′を固定
基板６側に一体的に形成している。

【００３９】そして、上記した構造の静電容量型圧力セ
ンサ１０′を台座３に固定するに際し、圧力導入孔２５
が、孔部４の開口の領域内に位置するように、センサ１
０′を位置決め配置されている。この状態で固定基板６
をシリコン樹脂等の弾性系接着剤１５を用いて台座３の
上面に接着固定し、外側フレーム１４′を硬化系接着剤
１６を用いて台座３の上面に強固に接着固定する。

【００４０】本形態における静電容量型圧力センサで
も、第１の実施の形態と同様に、外側フレーム１４′
は、温度上昇によって軟化しない硬化系接着剤１６を介
して台座３に強固に固定されるので、耐圧性並びに耐熱
性に良好で、台座からセンサ１０′が剥離しにくくな
る。さらに、係る外側フレーム１４′と固定基板６とは
可動片１２′によって接続されて相対移動可能となって
いるので、温度特性も良好となる。

【００４１】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る静電容量型
圧力センサ及びその固定構造では、まず圧力センサの構
造をセンサ部の周囲に可動片を介して外側フレームを接
続するようにした。そして、センサ部と外側フレームを
ともに台座に接着するようにし、しかも、ダイアフラム
などの感圧部を有するセンサ部は、弾性系接着剤で台座
に固定するようにしたため、従来と同様に台座の歪みが
センサ部に加わらないようにし、温度特性を良好になっ
た。

【００４２】さらに、外側フレームを硬化系接着剤で台
座に固定する構造にしたため、センサと台座との接着力
が増加し、耐圧性が向上し、大きな圧力が加わってもセ
ンサが台座から剥離・離脱することが可及的に抑制でき
る。しかも、硬化系接着剤は熱的にも安定であるので、
耐熱性も良好な固定構造となる。

【００４３】そして、外側フレームとセンサ部とは、可
動片を介して接続されているので、温度変化によって台
座に歪みが生じた場合に硬化系接着剤によって強固に接
着された外側フレームは、係る台座の歪みが伝わるが、
可動片が撓むことによって、外側フレームが歪んでもセ
ンサ部には係る歪みが伝わらない。よって、硬化系接着
剤を用いて固定してもセンサの温度特性は保証される。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）本発明に係る静電容量型圧力センサ及び
その固定構造の第１の実施の形態の概略図である。 （Ｂ）第１の実施の形態における静電容量型圧力センサ
及びその固定構造において、温度変化に対する作用を説
明するための図である。

【図２】第１の実施の形態における静電容量型圧力セン
サの製造工程図（その１）である。

【図３】第１の実施の形態における静電容量型圧力セン
サの製造工程図（その２）である。

【図４】本発明に係る静電容量型圧力センサ及びその固
定構造の第２の実施の形態の概略図である。

【図５】従来の静電容量型圧力センサの固定構造の概略
図である。

【図６】従来の静電容量型圧力センサの固定構造の作用
を説明するための図である。

【符号の説明】

３ 台座 ６ ガラス基板 ７ ダイアフラム １０，１０′ 静電容量型圧力センサ ５ シリコン基板 １２，１２′ 可動片 １３，３８ 内側フレーム １４，１４′ 外側フレーム １５ 弾性系接着剤 １６ 硬化系接着剤 Ｓ センサ部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ダイアフラムを有する半導体基板と、固
   定基板とを接合一体化し、前記ダイアフラムの固定基板
   側を可動電極とするとともに、その可動電極に対向する
   前記固定基板の表面に固定電極を設けられたセンサ部
   と、 前記センサ部の周囲に可動片を介して連結される外側フ
   レームとを備えた静電容量型圧力センサを台座に固定す
   る構造であって、 前記センサ部は弾性体を介して前記台座に固定され、 前記外側フレームは前記台座に取付手段を用いて強固に
   固定されていることを特徴とする静電容量型圧力センサ
   の固定構造。
2. 【請求項２】 前記外側フレームは、前記固定基板また
   は前記半導体基板と一体に形成されるとともに、その外
   側フレームを構成する基板が単結晶シリコン基板である
   ことを特徴とする請求項１に記載の静電容量型圧力セン
   サの固定構造。
3. 【請求項３】 ダイアフラムを有する半導体基板と、固
   定基板とを接合一体化し、前記ダイアフラムの固定基板
   側を可動電極とするとともに、その可動電極に対向する
   前記固定基板の表面に固定電極を設けられたセンサ部
   と、 前記センサ部の周囲に可動片を介して連結される外側フ
   レームとを備え、 前記センサ部は弾性体を介して前記台座に固定されるも
   のであり、 前記外側フレームは前記台座に取付手段を用いて強固に
   固定されるものであることを特徴とする静電容量型圧力
   センサ。