JPH11118643A

JPH11118643A - 静電容量型圧力センサ

Info

Publication number: JPH11118643A
Application number: JP29317197A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Omi; 俊彦近江; Masayoshi Higuchi; 誠良樋口
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1997-10-13
Filing date: 1997-10-13
Publication date: 1999-04-30

Abstract

(57)【要約】【課題】応答性の良好な静電容量型圧力センサを提供
すること【解決手段】薄肉のダイアフラム３が形成されたシリ
コン基板１に、ガラス基板２を陽極接合により一体化し
ており、両基板間にギャップ４が形成される。シリコン
基板は、ガラス基板との接合面に導圧通路５が形成され
ている。係る導圧通路を介して、センサ外部からギャッ
プ内に参照圧力を導入している。この導圧通路の底面に
複数の案内溝１０が形成されている。溝はセンサ外部か
らギャップの方向に向けて形成されている。ダイアフラ
ムにかかる測定圧力が参照圧力よりも低い場合、ダイア
フラムはガラス基板から離れる方向に撓む。このとき、
センサ外部から入り込んだ空気は、溝によって導圧通路
を直線方向（溝の形成方向）にガイドされ、ギャップ内
に素早く移動する。よって、ダイアフラムは素早く撓む
ことができ、センサの応答性を良好にすることができ
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
ンサに関するもので、より具体的には、可動電極と固定
電極間のギャップへ圧力が導入されるゲージ圧力センサ
あるいは差圧センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は従来の静電容量型圧力センサを示
している。同図（Ａ）に示すように、シリコン基板１と
ガラス基板２とを陽極接合して一体化することにより構
成される。シリコン基板１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３が形成される。これにより、ダイアフ
ラム３の上面とガラス基板２との間に、全面にわたって
ほぼ均一な厚さからなるギャップ４が形成される。

【０００３】シリコン基板１は、ガラス基板２との接合
面に導圧通路５が形成されている。同図（Ｂ）に示すよ
うに、導圧通路５の底面は、エッチングによって平坦に
形成されており、その導圧通路５を介してギャップ４と
外部が接続される。そして、係る導圧通路５を介して、
ギャップ４の内部に参照圧力が導入されるようになって
いる。

【０００４】一方、ダイアフラム３に対向するガラス基
板２の表面には、固定電極６が蒸着等により形成され
る。そして、この固定電極６に対するダイアフラム３の
表面が可動電極７となり、両電極６，７間の距離に応じ
た静電容量が発生する。

【０００５】具体的には、ダイアフラム３の外側から加
わる測定圧力と、ギャップ４の内部に導入された参照圧
力との圧力差によって、ダイアフラム３が撓み、係るダ
イアフラム３（可動電極７）と固定電極６との間に発生
している静電容量が変化する。よって、係る静電容量の
変化は、距離すなわち測定圧力の大きさにより一義的に
決まるので、その静電容量に基づいて測定圧力を測定す
るようにしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の静電容量型圧力センサでは、ギャップ４内に粉
塵等が侵入しないように導圧通路５の開口部の面積は狭
くしているので、流通抵抗が大きく、しかも、導圧通路
５内に存在する空気は、それぞれ自由な方向に移動しよ
うとするので導圧通路５内を通過することはできない。

【０００７】よって、高い周波数で圧力が変動したり、
短時間で圧力が変化するような場合には、センサ外部と
ギャップ４との間での空気の移動が圧力変化に追従でき
ず、ギャップ４内で空気が略密閉されたような状態とな
る。よって、圧力測定でダイアフラム３が変位するとき
に、空気に粘性が生じたり、空気のダンピング効果が生
じる。この空気の粘性やダンピング効果がダイアフラム
３の変位に大きな影響を与えるので、ダイアフラム３
が、圧力に応じた形状に完全に変形されるまでに、長い
時間がかかってしまう。すなわち、静電容量型圧力セン
サの応答性が劣化してしまう。

【０００８】さらに、ギャップ４内の空間は、導圧通路
５以外は閉塞されているので、例えば導圧通路５から流
入してきた空気は、そのギャップ４の全体に均一に供給
されにくくなる。従って、参照圧力が精度よくダイアフ
ラム３の全面に均一にかからず、測定精度を低下するお
それもある。

【０００９】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、導圧通路等における気体のスムーズな通過をはか
り、応答性の良好な静電容量型圧力センサを提供するこ
とにある。

【００１０】

【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では、ダイア
フラムを有する半導体基板と、前記ダイアフラムに対向
する位置に固定電極を有する固定基板とを接合して一体
化してなる静電容量型圧力センサにおいて、前記ダイア
フラムに形成される可動電極と前記固定電極間のギャッ
プへ圧力を導入するための導圧通路が、前記半導体基板
と前記固定基板の接合面に形成され、かつ、前記導圧通
路の内面に、前記導圧通路の方向に沿った案内溝が形成
されるように構成した（請求項１）。

【００１１】なお、導圧通路は、半導体基板と固定基板
のいずれの接合面或いは双方に凹溝などを形成すること
により形成できるのは、従来のものと同様である。そし
て、係る導圧通路を構成するいずれの面に溝を形成して
もよい。つまり、半導体基板側と固定基板側のいずれの
表面（接合面）に案内溝を設けてもよい。

【００１２】さらに本発明で言う「案内溝を形成する」
とは、図１に示す実施の形態で説明するように、表面を
除去することにより溝を形成する場合はもちろんのこ
と、図２に示す実施の形態のように表面に複数の帯状凸
部を設けることにより、その凸部間に溝を形成するよう
にしてもよい。

【００１３】さらにまた、本発明でいう「前記導圧通路
の方向に沿った案内溝」の導圧通路の方向に沿ったと
は、実施の形態では、「導圧通路の軸方向に沿って」と
いう表現で対応しているが、本発明は係る構成に限るこ
とはなく、例えば、「導圧通路内での空気（気体）の移
動方向とほぼ平行な方向」や、「導圧通路の入口からダ
イアフラムに向かう方向あるいはその逆の方向」で表現
されるものも含む概念であり、さらには、気体が導圧通
路内を移動する際に、移動させたい方向など、各種の表
現のものを含む（もちろん、上記した各種例示列挙した
表現のものに限られるものではない）。

【００１４】係る構成にすると、導圧通路内を流れる空
気・気体は、その流れる方向が案内溝に沿うようになる
ので、導圧通路の軸方向に沿ってスムーズに流れること
ができる。よって、ダイアフラムの移動に伴いギャップ
の容積が変動しようとした場合に、それに追従してギャ
ップとセンサ外部間での空気等の移動がスムーズに行わ
れ、応答性よくダイアフラムが変形し、精度のよい圧力
測定が行える。なお、導圧通路は、一般には、参照圧力
を導入するために設けるものであるが、本発明はこれに
限ることはなく、係る導圧通路を介して測定圧力を供給
するようなタイプに適用することももちろんできる。

【００１５】上記した発明を前提とし、さらに前記可動
電極と前記固定電極間のギャップに対向する面に、前記
案内溝に連続して溝を形成するように構成してもよい
（請求項２）。ここで溝は、実施の形態では図３，図４
に示すように案内溝１０のセンサ内部側先端のギャップ
４内に延長形成された溝１４や、円型溝１２に対応す
る。そして、溝１４とした場合には、主として変位量の
大きなダイアフラムの中央部分の領域に対する空気等の
流出入のスムーズな移動を図り、応答性のさらなる向上
が図られるようになる。また、円型溝１２とした場合に
は、導圧通路のギャップの開口部から反対側の領域に対
する空気等の流出入のスムーズな移動を図り、上記応答
性の向上を図るばかりでなく、ダイアフラム全面に均一
な圧力が加わるようになるという副次的な作用効果も奏
する。

【００１６】さらに、上記した各請求項に記載の発明を
前提とし、前記導圧通路の端部の少なくとも一方は、開
口部に近付くに従って広がるように形成するようにでき
る（請求項３）。ここで開口部は、センサ外部との開口
部とギャップに対する開口部がある。つまり、導圧通路
の両端のいずれも本発明の対象となる。

【００１７】そして、開口部側を広くした端部では、徐
々に導圧通路の断面積が変化するので、その開口部にお
ける空気等の出入りの際の抵抗が少なくなり、係る端部
のテーパー面に沿って空気等が移動するので、よりスム
ーズに行われ、開口部付近での空気の流れの乱れが生じ
にくく、応答性が向上する。

【００１８】なお、実施の形態で示したように、開口部
側を広くした場合で、特に平面積を変えることにより実
現する場合には、その広がりに応じて案内溝の配置方向
も図４に示すように広がるようにするとよい。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係る静電容量型圧
力センサの第１の実施の形態を示している。同図に示す
ように、本形態では、シリコン基板１の上にガラス基板
２を陽極接合により一体化している。なお、ハーフダイ
ス等を行うことにより最終製品ではシリコン基板１の長
さをガラス基板２よりも長くし、シリコン基板１の表面
の一部が外部に露出するようにしている。そして、当該
露出部分を含む領域に絶縁膜を形成する（一部未形成領
域も有する）とともに、所定のメタルを蒸着させること
によりその絶縁膜の上面所定位置に電極取り出し用の引
き出し線８とワイヤパッド９が形成されている。また、
絶縁膜の未形成領域にもワイヤパッド９が形成されてい
る。

【００２０】このシリコン基板１の中央部は、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
３が形成されている。そして、ガラス基板２側（図中で
は上側）は比較的底浅の凹部となり、反対側は比較的深
い凹部としている。よって、シリコン基板１とガラス基
板２が接合すると、両基板１，２間に間隔の狭いギャッ
プ４が形成される。そして、ダイアフラム３のガラス基
板２側の面が可動電極７となる。また、これに対応する
ガラス基板２の表面には、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６が形成される。

【００２１】そして、シリコン基板１の接合面側所定位
置には、一端が側面に開口し他端がギャップ４を構成す
る凹部に開口する凹溝からなる導圧通路５が形成されて
いる。これにより、その導圧通路５を介して、ギャップ
４とセンサ外部が接続されており、センサ外部からギャ
ップ４内に参照圧力を導入可能となっている。

【００２２】さらに、上記導圧通路５は直線状に形成さ
れているとともに、その深さは、固定電極６，可動電極
７間のギャップ４の深さよりも浅く形成されており、係
る導圧通路５を介して、可動電極７の変形を妨げる大き
な粉塵等が、ギャップ４内に侵入することのないように
している。

【００２３】係る構成は従来のセンサと基本的に同一の
構成を取っている。ここで本発明では、同図（Ｂ）に示
すように、平坦に形成された導圧通路５の底面に複数の
案内溝１０が形成されている。この案内溝１０は、エッ
チングによって形成されており、その幅は非常に狭くな
るように形成されている。そして、係る案内溝１０はそ
れぞれ互いに平行となるように複数本形成されており、
しかも、案内溝１０はセンサ外部からギャップ４の方向
（導圧通路５の形成方向）に一致するようにしている。

【００２４】次に、本形態における静電容量型センサの
作用を説明する。ダイアフラム３にかかる測定圧力が参
照圧力よりも高い場合、ギャップ４内の空気は、導圧通
路５に形成された案内溝１０にガイドされるので、導圧
通路５の方向に沿ってスムーズに流れるため、センサ外
部に素早く移動することができる。

【００２５】また、ダイアフラム３が元に戻る場合に
は、ギャップ４内の容積が膨張するようになるが、それ
に応じてセンサ外部の空気が導圧通路５を介してギャッ
プ４内に侵入する。この時も案内溝１０を設けたため、
その溝に沿ってスムーズにまっすぐにギャップ４内に空
気が導かれる。よって、高速で変化する圧力変化に追従
して、ダイアフラム３が素早く撓むことができるので、
センサの応答性を良好にすることができる。もちろん、
ダイアフラム３に対して負圧がかかるような場合も同様
の原理により応答性より測定できる。

【００２６】なお、上記した第１の実施の形態における
案内溝１０は、導圧通路５の底面をエッチングして除去
することにより形成されているが、本発明はこれに限る
ことはなく、例えば図２に示すように、導圧通路５の底
面に絶縁膜による複数の凸部１１を形成し、隣接する凸
部１１間に形成される凹部を案内溝１０としてもよい。

【００２７】図３は本発明に係る静電容量型圧力センサ
の第２の実施の形態におけるガラス基板側から見たシリ
コン基板を示している。同図に示すように、基本的な構
成は、上記した第１の実施の形態と同様で、導圧通路５
の軸方向に沿って平行に複数本の案内溝１０が形成され
ている。

【００２８】また、図から明らかなように、ダイアフラ
ム３は面形状が略円形となるように形成されており、ダ
イアフラム３は中心が最も変位が大きくなる。また、固
定電極からの電気信号を外部に送出するために、固定電
極とワイヤパッド９の間に引き出し線が形成される。こ
の引き出し線が、可動電極と電気的に接続しないよう
に、シリコン基板１は、引き出し線の形成位置に凹部１
３が形成されている。そして、この凹部１３内には、ポ
リイミド等の樹脂を充填することにより気密性が保たれ
ている。なお、係る凹部１３等は、図示は省略したもの
の、図１，図２に示した第１の実施の形態においても採
用されている構成である。なお、第１の実施の形態と同
様なその他の構成については同一符号を付し詳細な説明
を省略する。

【００２９】ここで本形態では、ギャップ４とセンサ外
部を接続する導圧通路５内に形成した案内溝１０の内側
端部をギャップ４の内部まで延長形成し、溝１４を連続
して形成している。これにより、ダイアフラム３のギャ
ップ４に対向する面にも案内溝１０に接続された溝１４
が形成されることになる。さらに、その溝１４と交差す
るように同心状の複数の円型溝１２を形成する。この円
型溝１２は、ダイアフラム３と中心を一致させた無端リ
ング状に形成されている。そして、この円型溝１２は、
上記した溝１４を介して案内溝１０に接続されることに
なる。

【００３０】次に、本形態における静電容量型圧力セン
サの作用を説明する。上記した第１の実施の形態と同様
に、案内溝１０の効果によりダイアフラムの変位に伴い
導圧通路５内をスムーズに空気が移動するので、測定圧
力に応じてダイアフラム３はより素早く撓むことがで
き、センサの応答性が良好となる。

【００３１】しかも、案内溝１０の先端がダイアフラム
３の中央付近まで形成されているので、ダイアフラム３
の撓みに応じて係るダイアフラム３の中央部に存在する
空気が案内溝１０に案内されてスムーズにセンサ外部に
排出されたり、逆にセンサ外部の空気が導圧通路５に沿
って移動してギャップ４内ひいてはダイアフラム３の中
央部までスムーズに導かれる。つまり、ダイアフラム３
の変位量が大きく、最も大きく容積が変化する空間であ
る中央部に対してスムーズに空気の流出入が行えるの
で、より応答性が良好となる。

【００３２】さらには、ダイアフラム３に対して同心状
に複数の円型溝１２を設けたため、その円型溝１２に沿
って空気が流れやすくなり、導圧通路５を介してギャッ
プ４内に入り込む空気は、係る円型溝１２にガイドされ
て、ギャップ４の導圧通路５から離れた位置にも素早く
流れ込む。その結果、ギャップ４内に全体に均一に空気
の流出入が行われる。よって、参照圧力がダイアフラム
３の全面に均等に加わり、高精度な測定が行える。

【００３３】図４は本発明に係る静電容量型圧力センサ
の第３の実施の形態における導圧通路の一部と第１溝の
一部を示している。本形態では、第２の実施の形態で説
明した静電容量型圧力センサの構成を基本として、さら
に、導圧通路５のギャップ４側の端部５ａを、端部にい
くに従って広がるように形成されている。すなわち、導
圧通路５のギャップ４側の開口の面積が、徐々に大きく
なるように形成されている。さらに本形態では、隣り合
った案内溝１０の先端部１０ａ同士が、前記した導圧通
路５の広がりに合わせて、互いに距離が広がるように形
成されている。なお、その他の構成並びに作用効果は、
上記した第２の実施の形態等と同様であるので、同一符
号を付しその詳細な説明を省略する。

【００３４】係る構成にすると、導圧通路５とギャップ
４の接続部分となる端部５ａが徐々に広がり、その端面
では比較的面積が大きくなるので、接続部分での空気の
乱れが少なく、また、傾斜面に案内されてスムーズに流
出入がなされる。しかも、そのように導圧通路５の形状
が広がるのに対応して案内溝１０も斜め放射状に形成さ
れているので、その広がりに沿って空気がスムーズに流
れる。よって、応答性が向上する。しかも、そのように
広げたのは端部であり、多くの部分では狭い状態を保持
しているので、塵埃等の侵入は阻止できる。

【００３５】なお、本形態では、導圧通路５のギャップ
４側の端部で開口の面積が大きくなるように形成されて
いるが、導圧通路５のセンサ外部側の端部でも開口部に
近付くほど幅が広がるように形成し、導圧通路５の開口
の面積が大きくなるようにしても良い。

【００３６】なおまた、本形態では、平面形状を広げる
ように構成したが、本発明ではそれに限ることはなく、
深さを変化させることにより面積を広くするようにして
もよい。

【００３７】なお、上記した第１〜３の実施の形態にお
ける各溝（案内溝１０，円型溝１２，溝１４）はシリコ
ン基板に形成されているが、係る各溝はガラス基板側に
形成してもよい。

【００３８】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る静電容量型
圧力センサでは、固定電極と可動電極間のギャップに参
照圧力を導入するための導圧通路に溝が形成されている
ので、係る導圧通路を介して移動する空気は、溝によっ
て移動方向がガイドされる。よって、空気は移動距離が
長くなる移動（例えば、導圧通路を螺旋状に進行する
等）は行われず、素早くギャップ内（またはセンサ外
部）に移動される。よって、ダイアフラムの変形が素早
く行われるので、素早い圧力変化に追従して静電容量の
変化を測定することができ、正確な圧力変化を測定する
ことができる。すなわち、センサの応答性を良好にする
ことができる。

【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
第１の実施の形態におけるセンサの概略図である。
（Ｂ）はその導圧通路の形状を説明するための図であ
る。

【図２】絶縁膜の凸部によって溝が形成された導圧通路
を示す図である。

【図３】本発明に係る静電容量型圧力センサの第２の実
施の形態におけるシリコン基板に形成された溝の形状を
説明するための図である。

【図４】本発明に係る静電容量型圧力センサの第３の実
施の形態における導圧通路の端部の形状及び第１溝の形
状を説明するための図である。

【図５】（Ａ）は従来の静電容量型圧力センサの概略図
である。（Ｂ）は従来の静電容量型圧力センサの導圧通
路を示す図である。

【符号の説明】

１シリコン基板２ガラス基板３ダイアフラム４ギャップ５導圧通路５ａ端部６固定電極７可動電極１０案内溝１２円型溝１４溝

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ダイアフラムを有する半導体基板と、前
記ダイアフラムに対向する位置に固定電極を有する固定
基板とを接合して一体化してなる静電容量型圧力センサ
において、前記ダイアフラムに形成される可動電極と前記固定電極
間のギャップへ圧力を導入するための導圧通路が、前記
半導体基板と前記固定基板の接合面に形成され、かつ、前記導圧通路の内面に、前記導圧通路の方向に沿
った案内溝が形成されていることを特徴とした静電容量
型圧力センサ。
【請求項２】前記可動電極と前記固定電極間のギャッ
プに対向する面に、前記案内溝に連続して溝が形成され
てい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。
【請求項３】前記導圧通路の端部の少なくとも一方
は、開口部に近付くに従って広がるように形成されてい
ることを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量
型圧力センサ。