JPH11248577A

JPH11248577A - 静電容量型センサ

Info

Publication number: JPH11248577A
Application number: JP6610998A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Higuchi; 誠良樋口
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1998-03-03
Filing date: 1998-03-03
Publication date: 1999-09-17

Abstract

(57)【要約】【課題】高感度な静電容量型センサを提供すること【解決手段】下部ダイアフラム１２付きの基板１０
と、上部ダイアフラム２８付きの基板２６とを絶縁層２
２，２４を介して接合し、両ダイアフラムは、所定の間
隔をおいて対向配置するとともに、その間に可動板１６
を配置する。可動板は、その両面中央部に設けた絶縁性
の柱部１４，３０にてそれぞれ前記両ダイアフラムに接
続され、ダイアフラムの変形にともない可動板も変位す
るようにしている。周縁の方が変化量が大きくなる。可
動板の両面には第２，第４電極２１，３２を設け、それ
に対向する基板の対向面に第１，第３電極２０，３１を
形成し、その電極間に発生する静電容量に基づいてダイ
アフラムに加わる測定対象物理量を検出する。さらに、
両ダイアフラムは、可動板に形成した貫通孔１２ａを貫
通する複数の連結部材１７により連結され一体化され
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、静電容量型センサ
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１は、従来の静電容量型センサの一例
を示している。同図に示すように、半導体基板１と固定
基板２とを接合する。半導体基板１には、その中央部に
薄肉のダイアフラム３を形成し、そのダイアフラム３の
固定基板２側を可動電極４とし、その可動電極４に対向
する固定基板２の表面に固定電極５を形成する。そし
て、可動電極４と固定電極５は、所定の距離だけ離れて
おり、両電極間にはその距離に応じた静電容量が発生し
ている。さらに、両電極間には適宜な空間６が形成され
ており、その空間６内でダイアフラム３が変形可能とな
っている。これにより、図中下側からダイアフラム３に
圧力が加わるとダイアフラム２が圧力を受けてほぼ全面
的に上に凸のドーム状に撓み変形するので、両電極間の
距離が変化する。従って、その電極間に発生する静電容
量の変化から、ダイアフラム３の撓み量、ひいては、ダ
イアフラム３に加わった圧力が測定できる。

【０００３】また、図示省略するが、例えば固定基板２
に厚み方向に貫通する圧力導入孔を形成し、測定圧力を
上記空間６内に導入可能としたものもある。係るタイプ
の場合には、ダイアフラム３に対して可動電極４側から
圧力が加わるので、ダイアフラム３は、固定基板２（固
定電極５）から離れる方向に撓むことになる。この時、
固定電極とダイアフラムの距離変化は中央部がいちばん
大きく、また、一方の電極が固定基板に対して固定され
ており、他方の電極がダイアフラム形成面に設けられて
いることが特徴である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】静電容量型圧力センサ
の場合、各種の変形例があるが、基本的には上記２つの
タイプに分けることができる。そして、前者の圧力が加
わった時に電極間距離が短くなるタイプでは、測定媒体
が空間６内に侵入しないので、仮に測定媒体が電極を腐
食させるような特殊な気体であっても、電極に触れるこ
とがないので測定可能となるという利点を有する。しか
し、ダイアフラム３の移動距離は、空間６で規制される
ので、あまり大きくとることができず、しかも、空間６
の距離を大きくとると、基準状態での静電容量が小さ
く、ダイアフラム３の変化開始当初の静電容量の変化が
小さくなる。つまり、感度が低く測定可能なレンジも狭
いという問題を有する。

【０００５】逆に、後者の圧力が加わった時に電極間距
離が長くなるタイプでは、上記とは逆に感度を高くし、
測定可能なレンジも広くとることができるものの、電極
に測定媒体が触れるため、腐食性のガス等についての測
定ができず、測定可能な媒体が限られるという問題を有
する。さらに、測定媒体中に混入しているゴミやミスト
等が圧力室に侵入する可能性があり、センサの信頼性に
も問題があった。

【０００６】このように、いずれのタイプも一長一短が
あり、仕様に応じて使い分けることになる。さらに、従
来の静電容量センサは、いずれもダイアフラム３の中心
部が最も大きく変化する。換言すると、ダイアフラム周
縁部は変化が少なく、寄生容量に近いものとなってい
る。そして、当然のことながらダイアフラム３の面積を
考えると、変化の大きい中央部分の面積よりも、周縁の
あまり変化のない部分の面積の方が大きい。その結果、
ダイアフラム３が変化しても、それに基づいて変化する
静電容量は、面積の小さい中央部分に起因するものであ
るので小さくなる。

【０００７】さらに、従来の静電容量型圧力センサは、
平行変位する部分が、ダイアフラム３の中心部の唯一点
のみである。つまり、ダイアフラム３が圧力を受けてほ
ぼ全面的にドーム状に撓み変形すると、これと一体の可
動電極４もドーム状に撓み変形するので、可動電極４と
固定電極５との間隔が場所により異なる。この電極間隔
の不均一な分布のせいで、圧力入力に対する電気出力の
直線性が悪くなるという問題もある。

【０００８】また、従来の静電容量センサは固定電極に
対応している可動電極は、ダイアフラムのみである。そ
して、半導体基板１の周辺の枠体の底面部分がダイボン
ド部１ａとなり、このダイボンド部１ａの幅は、ある程
度確保する必要がある。従って、センサを小型化する
と、ダイボンド部１ａが小さくできないので、ダイアフ
ラム３の面積が小さくなってしてしまい、その結果、電
極が小さくなるため感度も小さくなる。よって、小型化
によるコストダウンにも限界があった。

【０００９】さらにまた、加速度センサ等では、重りの
上下両面に可動電極を設けるとともに、その両側に配置
した固定基板にそれぞれ固定電極を設け、重りの上側と
下側で静電容量を発生させるようにし、加速度により重
りが変位したことに伴う静電容量の変化を係る両側の電
極間から取り出して加速度を求めることができるものが
ある。このように、差動式にすると、出力が大きくとれ
るとともに、温度などの物理量以外の要因による静電容
量の変化の影響をキャンセルできるという効果が得られ
る。

【００１０】そこで、係る差動式のセンサを圧力センサ
に適用することを考えると、ダイアフラム付きの半導体
基板の両側に固定基板を接合し、両固定基板の所定位置
に固定電極を形成することが考えられる。係る場合に
は、少なくとも固定電極の一方には圧力導入用の貫通孔
を形成する必要が生じるので、上記した電極の腐食やゴ
ミ等の侵入の問題を有する。

【００１１】従って、仮に２つのガスの圧力差或いはそ
の圧力の大小関係を検出するような要求がある場合、上
記のようにダイアフラムの両側にそれぞれ比較対照の圧
力を導入すると、直接的に係る比較が行えて好ましい
が、その比較対照のガスが腐食性を有するものの場合に
は、電極腐食を防止する点から直接比較測定することが
できず、例えば同一仕様のセンサを２つ用意し、その２
つのセンサの出力差に基づいて演算処理するしかなかっ
た。すると、完全に同一の仕様を有するセンサを選択す
ることが煩雑であり、微細な圧力差を精度よく判定する
ことは困難となる。

【００１２】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、上記した問題を解決
し、測定対象媒体の種類を問わず、電極の腐食もなく、
感度が高くて測定レンジも広くすることができ、しか
も、入出力特性の直線性を良好にすることができ、ま
た、ダイボンド部の幅を十分にとることができ、小型化
が可能で、高感度な測定を行うことができ、しかも、ゴ
ミ等の浸入のおそれがなく長期的に所望の効果を発揮す
ることができ、寿命が長く信頼性の高い静電容量型セン
サを提供することにある。

【００１３】

【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センサでは、第１のダイ
アフラム付きの基板と、第２のダイアフラム付きの基板
とを接合（直接または間接のいずれも可）し、前記第１
のダイアフラムと前記第２のダイアフラムは、所定の間
隔をおいて対向配置するとともに、それら両ダイアフラ
ムの間に可動板を配置し、前記可動板は、その両面（実
施の形態では中央にしているが、必ずしも中央でなくて
もよい）にてそれぞれ前記両ダイアフラムに絶縁状態で
接続（実施の形態では、「柱部１４，３０」で接続す
る）され、前記ダイアフラムの変形にともない前記可動
板も変位するようにする。そして、前記第１，第２のダ
イアフラムは、その対向面間を連結する複数の連結部材
によって連結され、加わった測定対象物理量に基づいて
一体となって変形するように構成し、前記連結部材は、
前記可動板に形成された複数の貫通孔内を通過してその
可動電極とは非接触状態とする。さらに、前記可動板の
両面の少なくとも一方の面と、それに対向する基板の対
向面に電極を形成し、その電極間に発生する静電容量に
基づいて前記ダイアフラムに加わる測定対象物理量を検
出するように構成した（請求項１）。

【００１４】すなわち、本発明によれば、２枚のダイア
フラムに挟まれるようにして可動板が配置される。従っ
て、ダイアフラムの非接合面側が測定対象物理量の受圧
面となり、可動板がダイアフラムと連動して動くことで
センサギャップの変化が発生することになる。従って、
測定対象物理量が圧力の場合に測定媒体はダイアフラム
の非接合面側にのみ接触させることができるので、測定
媒体の種類は問わなくなる。

【００１５】さらに圧力を受けてダイアフラムが変形す
ると、ダイアフラムに接続された可動板も移動する。こ
の時、ダイアフラムは中央部分を中心にドーム状に変形
するが、可動板には測定対象物理量が直接加わらず、し
かも、その可動板の周囲はほぼフリー状態になっている
ことから、可動板は測定対象物理量が加わっていない基
準状態のままの形状をほぼ維持して変位する。従って、
可動板の周縁の領域と、対向する基板表面の領域との距
離（ギャップ）が大きく変化する。よって、ギャップ変
化の大きい領域の面積が広くとれるので（従来は中央の
狭い領域がギャップ変化が最も大きくなる）、感度が高
くなる。

【００１６】さらに、本発明では、両ダイアフラムを複
数の連結部材で連結しているので、両ダイアフラムは同
じように変形し、両ダイアフラムの間隔は常に一定とな
る。よって、測定が精度よく行える。

【００１７】また、本発明のように構成すると、使用す
る材料も実施の形態で説明したように半導体基板（半導
体ウエハのみでなく、半導体薄膜も含む）により構成す
ることができ、従来のように固定基板として用いられた
ガラス基板が不要となり、加工しやすくコストダウンも
可能となる。

【００１８】なお、従来のセンサでは、必ずダイアフラ
ムの表面のみに電極（一般に「可動電極」と称されてい
た）を設けていたが、本発明では、実施の形態でも説明
したように、ダイアフラム付きの基板側に形成する電極
は、可動板に対向する所定の基板表面であればよいの
で、必ずしもダイアフラムのみに設けることはない。こ
れにより、ダイアフラムの変形は、ドーム状に湾曲して
いるため中央部分と周囲では変位量が異なり、ダイアフ
ラム表面に電極を設けると入出力特性（測定対象物理量
の変化に対するセンサ出力の変化）の直線性が低下して
いたが、係る現象を抑制することが可能となる。もちろ
ん、本発明でもダイアフラムに電極を設けてもよい。

【００１９】また、別の解決手段としては、第１のダイ
アフラム付きの基板と、第２のダイアフラム付きの基板
とを接合（直接または間接のいずれも可）し、前記第１
のダイアフラムと前記第２のダイアフラムは、所定の間
隔をおいて対向配置するとともに、それら両ダイアフラ
ムの間に可動板を配置し、前記可動板は、その両面（実
施の形態では中央にしているが、必ずしも中央でなくて
もよい）にてそれぞれ前記両ダイアフラムに絶縁状態で
接続され、前記ダイアフラムの変形にともない前記可動
板も変位するようにする。そして、前記第１，第２のダ
イアフラムは、その対向面間を連結する複数の連結部材
によって連結され、加わった測定対象物理量に基づいて
一体となって変形するように構成し、前記連結部材は、
前記可動板に形成された複数の貫通孔内を通過してその
可動電極とは非接触状態とする。さらに、前記可動板の
両面と、それに対向する前記両基板の対向面にそれぞれ
電極を形成し、前記可動板の両面に形成される電極と対
向する電極間にそれぞれ発生する静電容量に基づいて前
記ダイアフラムに加わる測定対象物理量を検出するよう
に構成することもできる（請求項２）。

【００２０】そのように構成すると、ダイアフラムの変
位に伴う静電容量の変化が、可動板の両側で発生するの
で大きくとることができ、感度がより向上する。また、
そのように可動板の両側で発生する静電容量に基づく信
号を差動式に検出すると、外乱ノイズをキャンセルでき
るので好ましい。

【００２１】さらに、前記第１，第２のダイアフラムで
挟まれる空間が、閉塞されるとともに、その閉塞された
空間が、真空或いは減圧状態になるように構成すると好
ましい（請求項３）。すなわち、そのように閉空間にす
ると、係る空間（ギャップ）内に塵埃が侵入するのを可
及的に抑制できる。また、測定対象物理量が圧力の場
合、請求項の１のような構成でも、例えば圧力導入管等
を基板表面のダイアフラムに対向するように装着し、周
囲に漏れないようにすれば、たとえ可動板の周囲の空間
が開放されていても係る測定媒体が可動板側に入り込む
可能性は少ないが、閉空間にすると、より確実に侵入を
阻止できる。そして、真空・減圧状態にすることによ
り、可動板が移動する際のダンピングの影響が無視で
き、可動板の移動から安定までの応答速度が大幅に向上
する。また、高周波で応答した場合に可動板の周縁部が
空気の粘性の応力を受けて歪むおそれが無くなる。その
結果、微小で高周波に変化する場合でも精度よく検出す
ることができるので、例えば実施の形態で説明したよう
に、フルイディックのガス流量計に適用した場合に、効
果的となる。

【００２２】さらにまた、前記可動板は、前記両ダイア
フラムよりも大きい平面形状とし、前記可動板に形成す
る電極の少なくとも一部が、前記ダイアフラムの外側の
前記基板表面に対向するように構成してもよい（請求項
４）。係る構成にすると、ダイアフラムを形成していな
い基板の表面は、測定対象物理量がかかっても変形しな
いし、上記したようにダイアフラムの変形に伴い変位す
る可動板も、その形状は維持したまま変位するので、当
該ダイアフラム未形成領域と、可動板との対向面との間
の距離は、平行変位することになる。よって、入出力特
性がさらに向上する。

【００２３】

【発明の実施の形態】図２〜図７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。図
２は分解斜視図で、図３は断面図、図４〜図６は所定の
基板を取り出して示した一部破断斜視図、図７は動作状
態を説明する図である。

【００２４】図２に示すように、シリコンからなる第１
半導体基板１０の下端中央部を除去して薄肉の下部ダイ
アフラム１２を設け、その下部ダイアフラム１２の周囲
が枠体１３となる。この枠体１３の下面がダイボンド部
１３ａとなる。また、ダイアフラム１２の上面中央に絶
縁体からなる柱部１４を介して可動板１６を連結してい
る。そして、この可動板１６もシリコンからなる第２半
導体基板１８から構成される。

【００２５】さらに、可動板１６は、平面略正方形状の
平板からなり、周囲からほぼ独立して宙に浮いた状態と
なる（厳密には、上記柱部１４を介して下部ダイアフラ
ム１２に接続されるとともに、後述する引出配線を介し
てワイヤパッドに接続されている）。

【００２６】また、可動板１６には、複数の貫通孔１６
ａを形成しており、その貫通孔１６ａの内部には、連結
部材要素１７ａを配置している。この連結部材要素１７
ａと貫通孔１６ａの間には所定の隙間を設け、両者を非
接触状態としている。さらに可動板１６の外周囲を囲む
ようにして平面ロ字状のフレーム１９（図２参照）を設
けている。そして本形態では、１枚の第２半導体基板１
８をパターニングし不要部分をエッチングして除去する
ことにより、これら可動板１６，連結部材要素１７ａ及
びフレーム１９を形成している。

【００２７】このフレーム１９と第１半導体基板１０と
の間には、絶縁膜２２が介在しており、本形態ではこの
絶縁膜２２を用いて上記した柱部１４を形成している。
さらに、第２半導体基板１８で形成した連結部材要素１
７ａとダイアフラム１２の間には、それらを連結する連
結部材要素１７ｂが配置されており、この連結部材要素
１７ｂも絶縁膜２２を用いて形成している。つまり、図
２，図３に示すように、第１半導体基板１０の外周囲に
平面ロ字状に絶縁膜２２をパターニングして設け、下部
ダイアフラム１２を露出させる。そして、その周囲の絶
縁膜２２をパターニングする際に、下部ダイアフラム１
２の中央部分も残すことにより、柱部１４を形成してい
る。また、格子状の交点位置も島状に残すことにより、
連結部材要素１７ｂを形成する。

【００２８】そして、この絶縁膜２２を成膜した第１半
導体基板１０の上に第２半導体基板１８を接合すること
により、第２半導体基板１８のフレーム１９の下面と絶
縁膜２２が接触し、可動板１６の下面と柱部１４が接触
する（図４参照）。

【００２９】さらに、この可動板１６を構成する第２半
導体基板１８の上面には、絶縁膜２４を介して第３半導
体基板２６を積層形成している。具体的には、図５に示
すように、第２半導体基板１８のフレーム１９の上面全
面に絶縁膜２４をパターニングして成膜し、その絶縁膜
２４に第３半導体基板２６の下面を接合する（図３，図
６参照）。

【００３０】そして、この第３半導体基板２６は、全体
的に薄肉の板材からなり、その中央部分が上部ダイアフ
ラム２８となる。そして、その上部ダイアフラム２８の
下面中央と、可動板１６の上面中央を柱部３０を介して
接合している。この柱部３０も、図５に示すように、絶
縁膜２４とともにパターニングして可動板１６の上面中
央に形成しておき、それと上部ダイアフラム２８とを接
合する。

【００３１】また、第２半導体基板１８で形成した連結
部材要素１７ａの上面と上部ダイアフラム２８の対向部
位を連結部材要素１７ｃを介して接合している。そし
て、この連結部材要素１７ｃも絶縁膜２４をパターニン
グして形成している。これにより、３つの連結部材要素
１７ａ，１７ｂ，１７ｃは、同一直線状に配置されると
ともに、それらが接続されて連結部材１７となる。この
連結部材１７は、上下のダイアフラム２８，１２で仕切
られる空間内に点在し、上部ダイアフラム２８と下部ダ
イアフラム１２とが、連結部材１７により連結され、一
体化される。

【００３２】従って、下部ダイアフラム１２と可動板１
６とは絶縁状態にあり、下部ダイアフラム１２の上面が
第１電極２０となり、可動板１６の下面が第２電極２１
となる。そして、両電極２０，２１間に、距離に応じた
静電容量が発生する。同様に、上部ダイアフラム２８と
可動板１６とは絶縁状態にあり、上部ダイアフラム２８
の下面が第３電極３１となり、可動板１６の上面が第４
電極３２となる。そして、両電極３１，３２間に、距離
に応じた静電容量が発生する。係る構成が基本構成であ
り、圧力がかからない基準状態では、図３に示すよう
に、可動板１６と両ダイアフラム１２，２８は、ともに
ほぼ水平状態を保持し、対向する電極２０，２１（３
１，３２）間の距離（ギャップ）は、柱部１４（３０）
の高さとなる。そして、本形態では、係る両ギャップＧ
１，Ｇ２の距離、つまり両柱部１４，３０の高さを等し
くしている。

【００３３】さらに、本形態では、上記したように可動
板１６は両ダイアフラム１２，２８の間に、それぞれ所
定の距離をおいて位置しており、しかも、その周囲の空
間は閉空間となっている。つまり、可動板１６の周囲に
は、第２半導体基板１８で形成した平面ロ字状のフレー
ム１９が位置しており、しかもそのフレーム１９の上下
両面が、全面にわたりそれぞれ絶縁膜２２，２４を介し
て第１，第３半導体基板１０，２６に接合されているた
め、両ダイアフラム１２，２８で挟まれる空間が閉塞さ
れる。

【００３４】そして、この状態から下部ダイアフラム１
２の下面に対し、上方向への圧力が加わるとすると、図
７（Ａ）に示すように、下部ダイアフラム１２が変位
し、上に凸のドーム状に撓む。すると、可動板１６は、
その中央にて下部ダイアフラム１２の中央部に柱部１４
を介して局部的に支持されているだけで周縁部からの拘
束を受けにくい構造になっているため、下部ダイアフラ
ム１２がドーム状に撓み変形した時、可動板１６は平面
形状を保ったままでその厚み方向に平行変位する。その
結果、下部ダイアフラム１２の周縁部と可動板１６間の
間隔が広がるので、当該部分における第１，第２電極２
０，２１間のギャップＧ１が広がり、両電極２０，２１
間に発生する静電容量が変化する。そして、変化した静
電容量に基づいて加わった圧力を測定することができ
る。

【００３５】また、上記のように可動板１６が上昇する
ことにより、その上面に接続された柱部３０を介して上
部ダイアフラム２８の中央部も上方に移動する。しか
し、上部ダイアフラム２８の周囲は第３半導体基板２６
の枠体２９に連結しているので、その位置をとどめる。
それにより、図８（Ａ）に示すように、上に凸の状態に
撓むように変形する。これに伴い、第３，第４電極３
１，３２間でも、上記した第１，第２電極２０，２１間
と同様の現象が生じ、ギャップＧ２が狭くなり、やはり
両電極３１，３２間に発生する静電容量が変化する。そ
して、変化した静電容量に基づいて加わった圧力を測定
することができる。

【００３６】ここで注目すべき点は、下部，上部ダイア
フラム１２，２８の変位に基づいて変化する第１，第２
両電極２０，２１間のギャップ部分Ｇ１並びに第３，第
４電極３１，３２間のギャップ部分Ｇ２は、面積の大き
な両ダイアフラム１２，２８の周縁部になっていること
である。これにより、従来と同程度に下部ダイアフラム
１２が変化した際の静電容量の変化量も大きくなり、高
感度となる。

【００３７】しかも、可動板１６の上下両側にダイアフ
ラムを設け、可動板１６の両面側で静電容量の変化を生
じるようにしたため、ダイアフラムの変化量に対する静
電容量の変化がほぼ２倍となるので、検出感度も増加す
る。よって、従来、表裏の関係にあった高感度化と、測
定媒体を問わないという両方の要求を同時に満たすこと
ができるようになる。また、両ダイアフラム１２，２８
と可動板１６をともに導電性の半導体基板を用いて形成
したため、接合後に熱歪みの影響を受けなくなる。

【００３８】さらに本形態では、下部，上部ダイアフラ
ム１２，２８は、その全面にわたって点在する連結部材
１７により連結されて一体化されている。従って、下部
ダイアフラム１２に加わった圧力は、上記した柱部１
４，３０のみならず多数の連結部材１７を介して上部ダ
イアフラム２８に全体的に伝達される。しかも、連結部
材１７が形成された位置では、両ダイアフラム１２，２
８間の距離は変動することはない。その結果、ダイアフ
ラムの変形する領域では、両ダイアフラムが一体となっ
て変位し、しかも、ダイアフラム１２，２８間の距離は
常に一定となる。従って、下部ダイアフラム１２が撓ん
だ際の寸法形状と同一の寸法形状になるように上部ダイ
アフラム２８も撓むので、上部ダイアフラム２８の変形
する形状が一義的に決まり、発生する静電容量に基づく
加速度の算出が精度よく行える。

【００３９】さらにまた、本形態では、上部，下部ダイ
アフラム２８，１２の寸法形状を、可動板１６よりも小
さくしている。そして、第１電極２０は、第２電極２１
と対向する面、すなわち、下部ダイアフラム１２の上面
２０ａはもちろんのこと、第１半導体基板１０の枠体１
３の上面の一部２０ｂも第１電極２０となる。また、同
様に第３電極３１は、第４電極３２と対向する面、すな
わち、上部ダイアフラム２８の下面３１ａはもちろんの
こと、第３半導体基板２６の枠体２９の下面の一部３１
ｂも第３電極３１となる。

【００４０】係る構成にすると、圧力が加わることによ
り上部，下部ダイアフラム２８，１２が撓んで第１，第
２両電極２０，２１間のギャップＧ１並びに第３，第４
両電極３１，３２間のギャップＧ２が変化した場合に、
その多くの領域（枠体１３の上面に形成した電極部分２
０ｂと第２電極２１との間並びに枠体２９の下面に形成
した電極部分３１ｂと第４電極３２との間）では、電極
間距離は平行変位するので、入出力特性（圧力変化に対
する静電容量の変化）の直線性が得られる領域が広くな
る。

【００４１】また、このようにダイアフラム１２の面積
を小さくしても高感度となることから、枠体１３の幅を
広くすることができ、ダイボンド部１３ａの幅を広くと
ることができる。従って、センサを小型化しても所望の
センサ特性を得つつ確実に面実装するためのダイボンド
部１３ａの幅を確保できるので、さらなる小型化が可能
となる。

【００４２】また、上記したように、可動板１６の周囲
のギャップＧ１，Ｇ２は、閉空間となっている。そこ
で、その空間を真空或いは減圧状態にするとよい。この
ように、ギャップ内が真空或いは減圧状態になっている
と、酸化等することもなく長期にわたって安定化する。
さらに、センサ外部の湿度変化等の周囲の環境の変化が
あった場合でも、ギャップ内は環境変化の影響を受けに
くく、結露なども起こらないので良好な特性が得られ信
頼性が非常に向上する。しかも、ダイアフラム等が撓む
（変形する）際に、可動板１６が内部気体の粘性抵抗の
影響を受けず、ダンピングの影響が無視でき、ダイアフ
ラム・可動板の移動から安定までの応答速度が大幅に向
上する。つまり、高速応答（高周波応答）が向上する。
よって、瞬間的な圧力変化や、高周波で圧力が変化する
ものであっても、正確に測定できる。

【００４３】なお、真空或いは減圧状態とした場合に
は、定常状態で両ダイアフラム１２，２８がギャップ内
に向けて極端に凹むことがないように、連結部材１７の
接合面積や連結部材１７の間隔を調整し、連結部以外の
ダイアフラム部のバネ係数を大きくし、強度を増す構成
をとるのがよい。

【００４４】さらにまた、本形態では、下部ダイアフラ
ム１２（第１電極２０）と可動板１６（第２電極２１，
第３電極３１）、並びに上部ダイアフラム２８（第３電
極３１）と可動板１６（第４電極３２）をともに半導体
（シリコン）基板で形成したことから、両電極（２０，
２１）間並びに（３１，３２）に正しく静電容量を発生
させるとともに、発生した静電容量を取り出すためにさ
らに以下のような構造をとった。

【００４５】すなわち、上記したように、各半導体基板
１０，１８，２６を接合する際に、その間に絶縁膜２
２，２４を介在させるようにしているので、各半導体基
板ひいては対向する電極間の絶縁が確保できる。なお、
対向する各電極（２０，２１），（３１，３２）が接触
して短絡するのを防止するため、例えば可動板１６の上
下両面を絶縁性の保護膜で被覆してもよい。

【００４６】また、第１，第２電極２０，２１間に発生
する静電容量を外部に取り出す機構としては、まず、第
１電極２０側は、絶縁膜２２の一部に孔部２２ａを形成
して下側に位置する第１半導体基板１０を露出させ、そ
の露出した第１半導体基板１０に電気的に接続するよう
にしてアルミ等をスパッタリングしてワイヤパッド３５
を形成する。これにより、第１電極２０は、下部ダイア
フラム１２，第１半導体基板１０を介してワイヤパッド
３５と導通されるので、そのワイヤパッド３５にボンデ
ンィグワイヤを接続することにより、外部の装置に接続
できる。さらに、このワイヤパッド３５を外部に露出す
るために、そのワイヤパッド３５を形成する部分に対応
する第２半導体基板１８の１辺の角部を、その辺の長さ
の１／３だけ切除している（図４参照）。

【００４７】また、第２電極２１側は、可動板１６と一
体に形成された引出配線３７（図２参照）を介して第２
半導体基板１８のフレーム１９に接続されているので、
そのフレーム１９の上面に形成された絶縁膜２４の一部
に孔部２４ａを形成しその下側に位置するフレーム１９
（第２半導体基板１８）を露出させ、その露出した第２
半導体基板１８に電気的に接続するようにしてアルミ等
をスパッタリングしてワイヤパッド３８を形成する（図
５参照）。これにより、第２電極２１は、上記した経路
を通ってワイヤパッド３８と導通されるので、そのワイ
ヤパッド３８にボンデンィグワイヤを接続することによ
り、外部の装置に接続できる。そして、ワイヤパッド３
５，３８を外部に露出するために、それら両ワイヤパッ
ド３５，３８を形成する部分に対応する第３半導体基板
２６の１辺の角部を、その辺の長さの２／３だけ切除し
ている（図６参照）。

【００４８】一方、第３電極３１は、上部ダイアフラム
２８すなわち第３半導体基板２６に導通されているの
で、その第３半導体基板２６の表面にアルミ等をスパッ
タリングして形成したワイヤパッド３９と導通される。
よって、そのワイヤパッド３９にボンデンィグワイヤを
接続することにより、外部の装置に接続できる。さら
に、第４電極３２は、可動板１６と導通しているので、
上記した第２電極２１用のワイヤパッド３８と導通する
ことになる。つまり、ワイヤパッド３８は、第２電極２
１と第４電極３２の共通のパッドとなっている。

【００４９】また、上記した可動板１６，フレーム１９
及び引出配線３７が、１枚の半導体ウエハをエッチング
して不要部分を除去することにより、第２半導体基板１
８から一体に形成される。そのように第２半導体基板１
８から製造されることから、引出配線３７は従来のボン
ディングワイヤなどに比べると剛性があるため、係る引
出配線３７が可動板１６の変位に対して悪影響を与えな
いようにする必要がある。

【００５０】そこで本形態では、引出配線３７を細長く
することにより引出配線３７自体の剛性を弱くするよう
にした。しかも、できるだけ長くすることにより、可動
板１６が変位した際に、弾性復元力が働かないようにし
た。また、４本の引出配線３７は、柱部１４，３０に対
して点対称形状で形成されている。よって、可動板１６
には、点対称でバランスよく反力がかかるので、歪みの
発生を可及的に防止できる。

【００５１】さらに、引出配線３７の形成部分をさらに
エッチングすることにより、可動板１６，フレーム１９
の厚さに比べて引出配線３７の厚さを非常に薄くしても
よい。これにより、引出配線３７自体の応力を可及的に
減少させ、可動板１６の変位に対する影響をさらに抑制
した。なお、このように引出配線３７の厚さを薄くする
処理と、引出配線３７の形状を細長くする処理の両方を
必ずしも行う必要はなく、いずれか一方でもよい。そし
て、細長くする処理としても、図示したようにほぼ半周
にわたって引き延ばすのではなく、例えば１辺のみに沿
って引き延ばすようにするなどの他、各種の対応をとれ
る。また、薄くする処理も、上下両側から除去してもよ
いし、片側からでもよい。但し、上下両側から除去した
方が可動板１６に対してかかる荷重バランスはよくな
る。

【００５２】図８は、本発明の第２の実施の形態を示し
ている。本実施の形態は、基本的には上記した第１の実
施の形態と同様であるが、ダイアフラムの形成領域を異
ならせている。すなわち、第１の実施の形態では、半導
体基板の中央にのみダイアフラムを形成し、その外周囲
に位置する枠体の幅を比較的広くとるようにしたが、本
実施の形態では、ダイアフラム１２′，２８′の平面形
状と可動板１６の平面形状をほぼ等しくしている。この
ように構成すると、平行変位する電極間部分の面積が減
少するため、センサ特性としては、第１の実施の形態よ
りも低下する。但し、従来のものに比べると十分高いセ
ンサ特性が選られ、また、腐食性のガスにも適用でき
る。

【００５３】なお、上記した実施の形態では、引出配線
３７は可動板１６と同一材料で形成する例について説明
したが、本発明はこれに限ることはなく、異なる材質で
形成してもよい。すなわち、例えば、可動板１６を単結
晶シリコンで形成し、引出配線の部分を表面マイクロ技
術によりポリシリコンで形成するようにすれば、「可動
板の剛性＞引出配線の剛性」となり、引出配線により生
じる応力の影響が可動板側にかかりにくくなる。

【００５４】図９は、本発明に係る圧力センサの具体的
な適用例を示している。すなわち、都市ガスのような流
体の流量を測定する流量計の１つとしてフルイディック
流量計と呼ばれる流量計があり、この流量計の一部に本
発明の圧力センサを組み込むようにしている。

【００５５】すなわち、圧力室４１に流路形成壁４５
ａ，４５ｂを設けてセットリングスペース４４、管路縮
小部４６、噴出ノズル４７、管路拡大部４８を形成す
る。流体は流入管４２からセットリングスペース４４に
入って整流され、管路縮小部４６で高流速となって噴出
ノズル４７から管路拡大部４８に噴出される。噴出した
流体は、隔壁５０ａ，５０ｂ、５１、誘振子５２の作用
により帰還流路５３ａと５３ｂとを交互に流れる振動流
体となる。なお、帰還流路５３ａ，５３ｂから外れた流
体は、排出流路５４ａ，５４ｂから下流側の排出管４３
へ流れていく。

【００５６】この流体の圧力変化を隔壁５１に設けた導
圧路５５ａ，５５ｂで取り出し、本発明の圧力センサ４
０の上部ダイアフラム２８，下部ダイアフラム１２の表
面にそれぞれ導くようにしている。すると、両圧力の差
に応じた出力が圧力センサ４０から出力されるので、そ
れをセンサ信号処理部４０ａにて電気信号に変換し、流
量演算回路６０に与えるようにしている。

【００５７】流量演算回路６０は、波形整形回路６２と
演算回路６３と出力回路６４とから成る。噴出ノズル４
７からの噴流の流動方向変化に起因する圧力変化を圧力
センサ４０で検出する。この時の圧力センサ４０からの
信号は、そのまま上記圧力変化に伴う差圧信号であるの
で、波形整形回路６２は、この差信号を整形して矩形波
にする。そして、演算回路６３はこの矩形波から流量を
算出し、その算出された流量値を出力回路６４が出力端
子６５に出力する。なお、係る出力信号に基づく具体的
な演算処理は、従来と同様であるので、その詳細な説明
を省略する。

【００５８】本形態における圧力センサ４０は都市ガス
に対する耐腐食性が大きいシリコンと酸化膜（絶縁膜）
で作られ、都市ガスに触れる部分は上側，下側電極基板
すなわちシリコンになっているから、都市ガスに対する
耐腐食性が大きく、高信頼性、長寿命となる。

【００５９】さらに、フルイデック等の差圧計測による
流量測定に用いた場合、高精度（高周波応答、高分解
能）、高信頼性の流量計になる。すなわち、例えばフル
イディック式など差圧計測により流量を検出する場合、
流量がない時に両ダイアフラム１２，２８に加わる圧力
が同時に変化することがある。その時、本センサ４０に
より検出していれば、両ダイアフラム１２，２８に係る
圧力が同時に変化しても、両ダイアフラム１２，２８は
一体化しているため上下の圧力は相殺され、誤った信号
を出力することなく正確な測定が可能となる。

【００６０】なお、上記した流量演算回路は、センサ信
号処理部４０ａの出力をそのまま波形成形回路６２に送
るようにしたが、これは、センサ信号処理部４０ａから
両ダイアフラム１２，２８に加わる圧力差に応じて正負
の出力をするようにしたためである。従って、例えばセ
ンサ信号処理部４０ａからの信号が、圧力が均衡してい
る（差圧０）時ある一定の電圧が出力され、圧力差に応
じてその一定の電圧を基準に変化するような場合であっ
て、演算処理をする際に正負に振れるのが必要な場合に
は、係る演算回路６３にてオフセットをとるようにした
り、或いは、流量演算回路６０の入力側に比較回路を設
け、センサ信号処理部４０ａの出力をその比較回路に入
力するとともに、上記一定の電圧を比較回路の基準電圧
とするように構成するなど各種の対応がとれる。

【００６１】なお、上記した実施の形態及び適用例で
は、圧力センサに適用した例について説明したが、加速
度や振動であってももちろんよい。その場合には、加速
度等によりダイアフラムが変形しやすいようにするた
め、例えばダイアフラムの中央部分に外側に突出する重
りを設けるとよい。

【００６２】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る静電容量型
センサでは、ダイアフラムの変形に伴う静電容量の変化
が、ダイアフラムの周縁側の大きな面積の領域で最も大
きくすることができる。その結果、測定対象物理量の変
化に対するセンサ出力の変化が大きくなり、高感度とな
る。さらに、ダイアフラムの非接合面側が受圧面となる
ので、測定対象物理量が圧力の場合でも、測定媒体を電
極に接触させないようにすることができ、測定媒体の種
類を問わなくすることができる。つまり、腐食性のガス
も測定可能となる。

【００６３】しかも、２枚のダイアフラムは、複数の連
結部材により接続されているので、２枚のダイアフラム
の一体化がより強固になされる。そのため、測定対象物
理量がかかった時のダイアフラムの変形は等しくなるの
で、制度のよい測定が行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の静電容量型圧力センサの一例を示す断面
図である。

【図２】本発明に係るセンサの第１の実施の形態を示す
分解斜視図である。

【図３】同断面図である。

【図４】第１半導体基板１０の上に絶縁膜２２と第２半
導体基板１８を積層した状態を示す一部破断斜視図であ
る。

【図５】第２半導体基板１８の上に絶縁膜２４を成膜し
た状態を示す一部破断斜視図である。

【図６】第３半導体基板２６を積層した状態を示す一部
破断斜視図である。

【図７】動作状態を説明する図である。

【図８】本発明の第２の実施の形態を示す断面図であ
る。

【図９】利用態様の一例を説明する図である。

【符号の説明】

１０第１半導体基板１２下部ダイアフラム１３枠体１３ａダイボンド部１４柱部１６可動板１６ａ貫通孔１７連結部材１８第２半導体基板１９フレーム２０第１電極２１第２電極２２絶縁膜２４絶縁膜２６第３半導体基板２８上部ダイアフラム２９枠体３０柱部３１第３電極３２第４電極３５，３８，３９ワイヤパッド

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１のダイアフラム付きの基板と、第２
のダイアフラム付きの基板を接合し、前記第１のダイアフラムと前記第２のダイアフラムは、
所定の間隔をおいて対向配置するとともに、それら両ダ
イアフラムの間に可動板を配置し、前記可動板は、その両面にてそれぞれ前記両ダイアフラ
ムに絶縁状態で接続され、前記ダイアフラムの変形にと
もない前記可動板も変位するようにし、前記第１，第２のダイアフラムは、その対向面間を連結
する複数の連結部材によって連結され、加わった測定対
象物理量に基づいて一体となって変形するように構成
し、前記連結部材は、前記可動板に形成された複数の貫通孔
内を通過してその可動電極とは非接触状態となり、かつ、前記可動板の両面の少なくとも一方の面と、それ
に対向する基板の対向面に電極を形成し、その電極間に
発生する静電容量に基づいて前記ダイアフラムに加わる
前記測定対象物理量を検出するようにしたことを特徴と
する静電容量型センサ。
【請求項２】第１のダイアフラム付きの基板と、第２
のダイアフラム付きの基板を接合し、前記第１のダイアフラムと前記第２のダイアフラムは、
所定の間隔をおいて対向配置するとともに、それら両ダ
イアフラムの間に可動板を配置し、前記可動板は、その両面にてそれぞれ前記両ダイアフラ
ムに絶縁状態で接続され、前記ダイアフラムの変形にと
もない前記可動板も変位するようにし、前記第１，第２のダイアフラムは、その対向面間を連結
する複数の連結部材によって連結され、加わった測定対
象物理量に基づいて一体となって変形するように構成
し、前記連結部材は、前記可動板に形成された複数の貫通孔
内を通過してその可動電極とは非接触状態となり、かつ、前記可動板の両面と、それに対向する前記両基板
の対向面にそれぞれ電極を形成し、前記可動板の両面に形成される電極と対向する電極間に
それぞれ発生する静電容量に基づいて前記ダイアフラム
に加わる測定対象物理量を検出するようにしたことを特
徴とする静電容量型センサ。
【請求項３】前記第１，第２のダイアフラムで挟まれ
る空間が、閉塞されるとともに、その閉塞された空間
が、真空或いは減圧状態にされた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センサ。
【請求項４】前記可動板は、前記両ダイアフラムより
も大きい平面形状とし、前記可動板に形成する電極の少なくとも一部が、前記ダ
イアフラムの外側の前記基板表面に対向するように構成
したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記
載の静電容量型センサ。