JPH11248583A

JPH11248583A - 静電容量型圧力センサ及びその製造方法

Info

Publication number: JPH11248583A
Application number: JP6763198A
Authority: JP
Inventors: Koji Sakai; 浩司境
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1998-03-04
Filing date: 1998-03-04
Publication date: 1999-09-17

Abstract

(57)【要約】【課題】両基板の熱膨張係数の差から陽極接合時の温
度から低下する際にダイアフラムにかかる圧縮応力を解
消し、測定圧力の精度を良好にすることのできる静電容
量型圧力センサを提供すること【解決手段】半導体基板１とガラス基板５が陽極接合
によって一体化されている。半導体基板には、凹部２が
形成されて、薄肉のダイアフラム３が形成されている。
係るダイアフラムの凹部側が可動電極４となる。ガラス
基板の可動電極に対向する位置に固定電極６が形成され
ている。半導体基板に、係る凹部の形成領域を含むよう
に、応力低減用凹部１０を形成することで、凹部の周囲
に角部分１０ａが形成される。陽極接合時に、角部分は
ガラス基板に引き寄せられて接合され、角部分を介し
て、ダイアフラムに引張応力が加わるので、ダイアフラ
ムにかかる圧縮応力を解消し、ダイアフラムが平坦にな
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
ンサ及びその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１３は、従来の静電容量型圧力センサ
の概略構成を示している。同図に示すように、半導体基
板１のほぼ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肉薄のダイアフラム３を一体に形成
する。この時、ダイアフラム３の接合側には底浅の凹部
２を形成している。そして、この半導体基板１とガラス
基板５が陽極接合によって一体化されている。これによ
り、ダイアフラム２とガラス基板５との間には、上記凹
部２に基づく密閉された空間が形成される。そして、こ
のダイアフラム３のガラス基板５に対向する面が可動電
極４となる。さらに、ガラス基板５には可動電極４に対
向するように固定電極６が形成されている。

【０００３】これにより、可動電極４と固定電極６の間
には、距離に応じた静電容量が発生し、上記凹部２に基
づく空間が容量ギャップとなる。そして、ダイアフラム
３の開放側の面に圧力測定対象のガスを接触させること
により、凹部２内との圧力差によってダイアフラム３が
撓むようになっている。係るダイアフラム３が変位する
ことによって、可動電極４が変位し、可動電極４と固定
電極６との間で、両電極４，６間の距離に応じた静電容
量が発生する。係る静電容量の変化を測定することによ
って、ダイアフラム３の開放側の面に加えられた圧力を
測定するようになっている。

【０００４】

【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、半導体基板１とガ
ラス基板５を陽極接合によって接合しており、その陽極
接合をする際に半導体基板１とガラス基板５に高温が加
えられる。すると、両基板１，５の熱膨張率の違い（ガ
ラス基板５は半導体基板１よりも熱膨張率が小さい）か
ら、半導体基板１側が大きく膨張した状態で接合される
とともに接合後に常温に冷却される際に半導体基板１側
の方の収縮率が大きくなることから、半導体基板１には
ダイアフラム３の中央に向かって圧縮応力が生じてしま
う。

【０００５】これに伴い、図１４に示すように、ダイア
フラム３は、固定電極６，可動電極４間のギャップが大
きくなる方向に撓んでしまう（同図では下側に凸の状態
となる）。そして、このように応力がかかり変形した状
態となったダイアフラム３では、圧力がかかっていない
時の零点容量が変化してしまうばかりでなく、印加圧力
を徐々に上昇していった時のダイアフラムの変形の状態
は、最初は図示するように下に凸の状態であるので、圧
力の上昇にともないその突出量が小さくなる。これとも
ない静電容量も大きくなる。そして、ダイアフラム３が
平坦になった状態でさらに圧力が上昇するとダイアフラ
ム３は上に凸の状態に変形する。この変形時には、ダイ
アフラム３自体が有するバネ弾性力も作用することか
ら、急激に変化することになる。従って、印加圧力に対
するセンサ出力の特性は、ダイアフラムの形状が下に凸
の状態から上に凸の状態に変位する際にステップ的に変
化することになり、連続性が保たれず、精度のよい測定
が行えなくなる。

【０００６】そして、係る現象を実証するため、実際に
ダイアフラム３に撓みが生じている圧力センサを用い、
その圧力−静電容量の特性を測定した。図１５は、係る
実験結果を示すグラフであり、測定値を実線で示してい
る。測定圧力を印加しない基準状態でダイアフラムが平
坦な正規のセンサにおける計算値を破線で示している。

【０００７】前述したように、ダイアフラム３は容量ギ
ャップが大きくなる方向に撓んでいるので、両電極４，
６間の距離が大きくなるため、初期に測定された静電容
量の値（測定値）は計算された静電容量の値（計算値）
よりも小さくなる。この応力により変形したダイアフラ
ム３に圧力を印加し続けると、ある値以上の圧力（グラ
フでは約２７０ｍｍＨｇ）がダイアフラム３に印加され
た時に、ダイアフラム３は急激に逆方向に変形する。よ
って、静電容量の変化の軌跡が途中で大きく変化し、測
定値は計算値よりも大きくなる。さらに、圧力が上昇す
ると、測定値は計算された値に近付いていく。すなわ
ち、ダイアフラム３が撓んだ静電容量型圧力センサにお
いて、測定値は途中で不連続の状態となるので、係る測
定値に対して修正を行い計算値に近付かせることは困難
であることがわかる。

【０００８】従って、このようにダイアフラム３が撓ん
だセンサは、不良品となるので、同面積の基板から製造
される静電容量型圧力センサの歩留まりは減少してしま
うため、製造コストが増加してしまう。

【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、ダイアフラムの撓みを修正して、測定圧力の精度
を良好にし、歩留まりを向上することのできる静電容量
型圧力センサ及びその製造方法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、固定電
極が形成されたガラス基板と、ダイアフラムが形成され
た半導体基板とが陽極接合して一体化され、前記ダイア
フラムは、前記半導体基板の前記固定電極に対向する位
置に凹部が設けられることにより形成され、前記半導体
基板の接合側表面の前記凹部の外周囲と、前記ガラス基
板の接合面との間には、所定のギャップを有するととも
に、その外周囲の前記凹部側の角部分を前記ガラス基板
側に引き寄せた状態でその角部分と前記ガラス基板とを
接合するように構成した（請求項１）。

【００１１】また、上記した構成のセンサを製造するの
に適した本発明に係る静電容量型圧力センサの製造方法
では、ガラス基板または半導体基板の少なくとも一方の
接合面に応力低減用凹部を設ける工程と、前記半導体基
板の前記ガラス基板との接合面に凹部を設ける工程とを
有し、前記応力低減用凹部は、前記半導体基板と前記ガ
ラス基板との接合面同士を接触させた状態で、前記凹部
の外周囲と前記ガラス基板の接合面との間に所定のギャ
ップが形成されるようにした。係る工程により形成され
たガラス基板と半導体基板を用意し、接合面同士を接触
させる。そして、前記外周囲と、前記ガラス基板の接合
面との間に所定のギャップを形成した状態で、前記ガラ
ス基板と前記半導体基板の接触部分を陽極接合して一体
化する。次いで、前記陽極接合よりも高い電圧を前記ガ
ラス基板と前記半導体基板間に印加し、その印可した電
圧により発生する静電引力によって前記外周囲の前記凹
部側の角部分を前記ガラス基板側に引き寄せて接触さ
せ、その接触した前記角部分と前記ガラス基板とを陽極
接合する工程を含むようにした（請求項２）。

【００１２】応力低減用凹部の形成領域は凹部の形成領
域よりも大きい範囲で形成されて、半導体基板に形成さ
れた凹部の外周囲は、単に両基板を接触しただけでは所
定のギャップをおいてガラス基板から離れた状態となっ
ている。そして、半導体基板とガラス基板を陽極接合す
ると、半導体基板のガラス基板との接合面が接合した
後、さらに印加電圧を上昇させると、増加した静電引力
により凹部の周囲の角部分がガラス基板側に引き寄せら
れて接触する。この接触にともない電流が流れて陽極接
合され、角部分とガラス基板が接合される。

【００１３】この時、角部分は弧を描くようにガラス基
板に引き寄せられるので、その角部分に連続するダイア
フラムも中央から離れる方向に引っ張られ、ダイアフラ
ムには引張応力が発生する。よって、ガラス基板と半導
体基板の熱膨張係数の相違から、半導体基板ひいてはダ
イアフラムに圧縮応力がかかっても、その圧縮応力は上
記引張応力によりキャンセルされる。よって、圧力がか
からない状態でダイアフラムが撓むことを抑制できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係る静電容量型圧
力センサの構造を示している。同図に示すように、半導
体基板１とガラス基板５が陽極接合によって一体化され
ている。半導体基板１は両面がエッチングされており、
半導体基板１の片面に底の浅い凹部２が形成され、半導
体基板１の反対面に底の深い凹所２ａが形成されてい
る。これら凹部２と凹所２ａの間に、薄肉のダイアフラ
ム３が形成されている。係るダイアフラム３のガラス基
板５に対向する側の面が、可動電極４となる。そして、
ガラス基板５の可動電極４に対向する位置に固定電極６
が形成されている。これにより両電極４，６間には、距
離に応じた静電容量が発生している。そして、凹部２が
容量ギャップとなる。

【００１５】本形態の圧力センサでは、ダイアフラム３
の開放側（凹所２ａ側）の面に測定対象ガス圧が加えら
れるようになる。そしてこのガス圧に応じてダイアフラ
ム３が撓み、可動電極４が変位する。これにより、可動
電極４と固定電極６間の距離が変化するので、両電極間
の静電容量の変化を測定することによって、測定対象の
ガス圧を測定する。

【００１６】ここで本形態では、半導体基板１のガラス
基板５側の面に、係る凹部２の外周囲に、応力低減用凹
部１０が形成されている。係る応力低減用凹部１０は、
凹部２よりも浅く形成されている。そして、係る応力低
減用凹部１０と凹部２との間に角部分１０ａが形成され
ている。そして、係る角部分１０ａが、陽極接合時に発
生する静電引力によりガラス基板５側に引き寄せられ、
そのガラス基板５の接合面側が表面接触されて接合され
ている。このように引き寄せられることから角部分１０
ａは、半導体基板１とガラス基板５とが陽極接合される
際に、ガラス基板５の下面に接合されており、ダイアフ
ラム３は角部分１０ａを介して、ダイアフラム３の中央
から遠ざかる方向に引張応力が加わっている。

【００１７】よって、陽極接合時にダイアフラム３が半
導体基板１とガラス基板５の熱膨張率の違いにより生じ
る圧縮応力によって下に凸に撓もうとしても、上記した
角部分１０ａを介して加わる応力によって、係る撓みは
修正される。

【００１８】そして、角部分１０ａを介して、ダイアフ
ラム３に引張応力を加えるためには、静電容量型圧力セ
ンサの製造工程において、応力低減用凹部１０を凹部２
を含む領域に形成し、係る応力低減用凹部１０の深さに
より、凹部２の周囲の角部分１ａはガラス基板５から離
れた状態としておく。この状態で、陽極接合すると、角
部分１ａがガラス基板５の下面に引き寄せられるととも
に接合されることで、角部分１０ａに引張応力を発生さ
せることができる。

【００１９】図２〜図１０は本発明に係る静電容量型圧
力センサの製造方法の一実施の形態を示しており、上記
した図１に示すセンサを製造するための方法について示
している。

【００２０】まずＳｉによって形成された矩形状の半導
体基板１の片面（本形態では、この面を上面とし、反対
側の面を下面としている）に、ドライエッチングにより
応力低減用凹部１０を形成する。係る応力低減用凹部１
０は、略正方形の平面形状に形成し、後工程の陽極接合
時に発生する静電引力によってガラス基板５側に引き寄
せて接合することができるようにするため、本形態では
その応力低減用凹部１０の深さを約１０００オングスト
ロームとなるように形成する（図２参照）。

【００２１】次に、半導体基板１の応力低減用凹部１０
の底面中央部位に対してさらにエッチングを行い、一回
り小さい略正方形の平面形状からなる凹部２を形成す
る。これにより、応力低減用凹部１０の底部中央に一段
低い領域が形成され、応力低減用凹部１０の底面では、
凹部２の周囲に角部分１０ａが形成される（図３参
照）。

【００２２】次に、半導体基板１の接合面の一辺側を所
定量除去してパッド形成用凹部１３を形成する。また、
そのパッド形成用凹部１３と応力低減用凹部１０（凹部
２）を結ぶように半導体基板１の上面に引出溝１５を形
成する。（図４参照）。

【００２３】この状態で、半導体基板１の表面を熱酸化
し、半導体基板１の表面に絶縁膜としてのＳｉＯ₂ 膜１
６を形成する。さらに、ＳｉＯ₂ 膜１６が形成された半
導体基板１の下面（非接合面）に、ＣＶＤにより、マス
ク材としてのＳｉＮ膜１７を堆積させる。そして、半導
体基板１のパッド形成用凹部１３の底面に形成されたＳ
ｉＯ₂ 膜１６にコンタクトホール１８を形成して、半導
体基板１を露出した状態とするとともに、そのコンタク
トホール１８内に入り込むようにＡｌ膜を成膜して、可
動電極用パッド２０を形成する。また、この可動電極パ
ッド２０の形成と同時に、パッド形成用凹部１３の底面
に形成されたＳｉＯ₂ 膜１６の上面に所定パターンのＡ
ｌ膜を成膜して、固定電極用パッド２１を形成する（図
５参照）。

【００２４】次いで、半導体基板１の上面（接合面）の
パッド形成用凹部１３の領域を除いて、ＳｉＯ₂ 膜１６
を除去する。また、応力低減用凹部１０及び凹部２の形
成位置に対向する半導体基板１の下面の領域に存在する
ＳｉＯ₂ 膜１６，ＳｉＮ膜１７を除去する（図６参
照）。そして、残存したＳｉＯ₂ 膜１６，ＳｉＮ膜１７
をマスクとして、半導体基板１の下面からエッチングを
行い、薄肉のダイアフラム３を形成する（図７参照）。

【００２５】一方、ガラス基板５の接合面には全面にＡ
ｌを蒸着後パターニングして、固定電極６及び引出線６
ａを形成する（図８参照）。そして、ガラス基板５に形
成された固定電極６と、ダイアフラム３の片面（応力低
減用凹部１０が形成された側の面）を対向させて、半導
体基板１とガラス基板５の陽極接合を行う。具体的に
は、まず、半導体基板１とガラス基板５を相対位置合わ
せをした状態で接触させ、その状態を保持したまま両基
板１，５間に３００Ｖ程度の低い電圧を印可して接合を
開始する。係る作業は１５分程行う。すると、両基板の
接触した部分Ｘが接合される（図９参照）。なお、凹部
２及び応力低減用凹部１０の各底面は、ガラス基板５と
非接触であるため、電流が流れず陽極接合はされない。

【００２６】次いで、印加電圧を７００Ｖ程度に上げる
ことで基板間に発生する静電引力を増大させる。これに
伴い、両基板１，５を単に接触させた状態では離れた状
態である凹部２の周囲の角部分１０ａが、上記静電引力
によってガラス基板５側に引き寄せられて、ガラス基板
５の表面Ｙに接触する。すると、その接触部分で電流が
流れるので、角部分１０ａとガラス基板５が陽極接合す
る。係る作業は３０分程行い、角部分１０ａとガラス基
板５を確実に接合させる（図１０）。そして、印加電圧
を下げて接合を完了させる。

【００２７】この時、角部分１０ａの先端が一番静電引
力によって引き寄せられやすいので、角部分１０ａの先
端が弧を描くように移動して、角部分１０ａは、ガラス
基板５側に引き寄せられる。よって、角部分１０ａは、
係るダイアフラム３の中央から離れる方向（図中矢印方
向）に移動するため、ダイアフラム３に対して引張応力
を加えることになる。従って、陽極接合後の熱収縮にと
もない、ダイアフラム３に対して圧縮応力がかかったと
しても、上記した引張応力と相殺されるので、従来のよ
うにダイアフラムが下に凸の状態で撓むことがない。ま
た、仮に引張応力の方が大きい場合であっても、圧縮応
力の場合と異なりダイアフラム３は外側に向けて引っ張
られることからピンと張った状態となるだけで、平坦な
状態を保持する。従って、測定対象の圧力が印可した場
合のダイアフラムの変形は、圧力方向が同じであれば、
常に同一方向に撓むので、従来の問題点で指摘した、圧
力の上昇にともない途中でステップ的にセンサ出力が変
動するようなことがなくなる。

【００２８】そして、ガラス基板５を所定位置でダイシ
ングによって切断することにより、複数の静電容量型圧
力センサを製造する。

【００２９】図１１は上記した製造方法により製造され
た静電容量型圧力センサの入出力特性を示している。す
なわち、既知の圧力を徐々に上昇させてダイアフラムに
加えた場合のセンサ出力（電極間の静電容量）を実線で
示す。また、印加圧力に対する計算値を破線で示す。す
ると、同図に示すように、本発明に係る静電容量型セン
サにより測定された静電容量の値（測定値）は、不連続
になる箇所がない。そして、係る測定値は、計算によっ
て算出された静電容量の値（計算値）とほぼ同一である
ことがわかる。すなわち、本発明に係る静電容量型圧力
センサでは、測定値が正確となる。

【００３０】また、上記した実施の形態では、半導体基
板１側に応力低減用凹部１０を設けたが、ガラス基板５
に応力低減用凹部を設けるようにしてもよい。すなわ
ち、図６に示すように、ガラス基板５側に応力低減用凹
部１０′を形成することにより、半導体基板１の凹所２
ａの周囲に角部分１０ａ′が形成される。従って、係る
角部分１０ａ′と応力低減用凹部１０′との距離が離れ
ているので、両基板１，５に印可する電圧により静電容
量を発生させて、その角部分１０ａ′を引き寄せ、角部
分１０ａ′と応力低減用凹部１０′の底面（ガラス基板
５）を陽極接合させる。すると、係る角部分１０ａ′に
よって、ダイアフラム３に引張応力が加わるため、上記
した実施の形態と同様にダイアフラムにかかる圧縮応力
が消滅し、ダイアフラムが撓むことを防止できる。

【００３１】

【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製造方法では、半導体基板またはガ
ラス基板に応力低減用凹部を形成することによって、両
基板を接触させた際に半導体基板の凹部の周囲に角部分
が生じる。そして、係る角部分が、陽極接合の際に発生
する静電引力によりガラス基板に引き寄せられるととも
に接合されることにより、ダイアフラムには引張応力が
かかる。よって、陽極接合後に熱膨張係数の相違から半
導体基板（ダイアフラム）に加わる圧縮応力をキャンセ
ルし、ダイアフラムが撓むことを防止できる。その結
果、測定圧力がかかっていない状態では、ダイアフラム
を平坦にすることができる。そして、圧力の上昇にとも
ないダイアフラムが途中でステップ的に変形することな
く連続的にスムーズに変形することができ、入出力特性
を連続した特性にすることができる。

【００３２】よって、製造された静電容量型圧力センサ
の不良品の発生率を可及的に抑制することができ、係る
センサの歩留まりが向上し、コストの上昇を抑制するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る静電容量型圧力センサの好適な一
実施の形態における構造を説明するための図である。

【図２】本発明に係る静電容量型圧力センサの製造方法
の好適な一実施の形態における製造プロセスの位置工程
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製造方法
の好適な一実施の形態における製造プロセスの位置工程
を示す図である。

【図４】本発明に係る静電容量型圧力センサの製造方法
の好適な一実施の形態における製造プロセスの位置工程
を示す図である。

【図５】本発明に係る静電容量型圧力センサの製造方法
の好適な一実施の形態における製造プロセスの位置工程
を示す図である。

【図６】本発明に係る静電容量型圧力センサの製造方法
の好適な一実施の形態における製造プロセスの位置工程
を示す図である。

【図７】本発明に係る静電容量型圧力センサの製造方法
の好適な一実施の形態における製造プロセスの位置工程
を示す図である。

【図８】本発明に係る静電容量型圧力センサの製造方法
の好適な一実施の形態における製造プロセスの位置工程
を示す図である。

【図９】本発明に係る静電容量型圧力センサの製造方法
の好適な一実施の形態における製造プロセスの位置工程
を示す図である。

【図１０】本発明に係る静電容量型圧力センサの製造方
法の好適な一実施の形態における製造プロセスの位置工
程を示す図である。

【図１１】本発明に係る静電容量型圧力センサを用いて
測定される圧力に対する静電容量の特性を示すグラフで
ある。

【図１２】本発明に係る静電容量型圧力センサの別の実
施の形態における構造を説明するための図である。

【図１３】従来の静電容量型圧力センサの構造を説明す
るための図である。

【図１４】従来の静電容量型圧力センサの欠陥品におけ
るダイアフラムの撓みを説明するための図である。

【図１５】従来の静電容量型圧力センサの欠陥品を用い
て測定される圧力に対する静電容量の特性を示すグラフ
である。

【符号の説明】

１半導体基板２凹部３ダイアフラム４可動電極５ガラス基板６固定電極１０，１０′ 応力低減用凹部１０ａ，１０ａ′ 角部分

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固定電極が形成されたガラス基板と、ダ
イアフラムが形成された半導体基板とが陽極接合して一
体化され、前記ダイアフラムは、前記半導体基板の前記固定電極に
対向する位置に凹部が設けられることにより形成され、前記半導体基板の接合側表面の前記凹部の外周囲と、前
記ガラス基板の接合面との間には、所定のギャップを有
するとともに、その外周囲の前記凹部側の角部分を前記
ガラス基板側に引き寄せた状態でその角部分と前記ガラ
ス基板とを接合してなることを特徴とする静電容量型圧
力センサ。
【請求項２】ガラス基板または半導体基板の少なくと
も一方の接合面に応力低減用凹部を設ける工程と、前記半導体基板の前記ガラス基板との接合面に凹部を設
ける工程とを有し、前記応力低減用凹部は、前記半導体基板と前記ガラス基
板との接合面同士を接触させた状態で、前記凹部の外周
囲と前記ガラス基板の接合面との間に所定のギャップが
形成されるようにし、さらに、前記外周囲と、前記ガラス基板の接合面との間
に所定のギャップを形成した状態で、前記ガラス基板と
前記半導体基板の接触部分を陽極接合して一体化し、次いで、前記陽極接合よりも高い電圧を前記ガラス基板
と前記半導体基板間に印加し、その印可した電圧により
発生する静電引力によって前記外周囲の前記凹部側の角
部分を前記ガラス基板側に引き寄せて接触させ、その接触した前記角部分と前記ガラス基板とを陽極接合
する工程を含む静電容量型圧力センサの製造方法。