JPH1183658A

JPH1183658A - 静電容量型センサ

Info

Publication number: JPH1183658A
Application number: JP25791697A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Higuchi; 誠良樋口
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1997-09-08
Filing date: 1997-09-08
Publication date: 1999-03-26

Abstract

(57)【要約】【課題】応答性が良好で、粉塵等の侵入を防止し、か
つ、センサ感度が良好となる静電容量型センサを提供す
ること【解決手段】シリコン基板１と、固定電極５を有する
ガラス基板２とを一体化する。シリコン基板は、第１，
第２ダイアフラム１１，１２が形成され、各ダイアフラ
ムとガラス基板との間でそれぞれ第１，第２キャビティ
１２，１３が形成される。さらに、シリコン基板の接合
面側表面に凹溝１７が形成され、両キャビティは空間的
に接続されている。そして、第１ダイアフラムが変形す
ると、第２ダイアフラムが逆方向に変形することによっ
て、第１キャビティ，第２キャビティ内の総容積がほぼ
一定に保て、第１ダイアフラムが変形しても第１キャビ
ティの圧力をほぼ一定にできるので、係る変形はスムー
ズに短時間で行われる。よって、応答性が向上する。

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】従来の静電容量型センサの一例である圧
力センサとしては、図１０に示すような構造のものがあ
る。同図に示すように、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したものを基本構造としてい
る。そして、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を形成する。これにより、ダイアフラム
３の上面と、ガラス基板２との間に所定のギャップから
なる空間（キャビティ）４が形成される。そしてそのキ
ャビティ４内でダイアフラム３が変位可能となる。さら
に、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５が蒸着して形成される。この固定電極５
に対向するダイアフラム３の上面が可動電極６となり、
両電極間５，６の距離に応じた静電容量が発生する。

【０００３】一方、シリコン基板１のガラス基板２との
接合面には、差圧通路７が形成されている。この差圧通
路７を介して、キャビティ４内を大気開放し、ダイアフ
ラム３の外側（図中下側）に加わる測定圧力を、キャビ
ティ４内の大気と比較し、その差圧に応じた量だけダイ
アフラム３が撓み、電極５，６間の距離が変動するの
で、静電容量も変化する。電極間距離（ダイアフラム３
の撓む量）は圧力に対応するので、係る静電容量の変化
からダイアフラム３に加わった圧力が測定できる。

【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センサでは、キャビティ４が差圧通
路７を介して大気開放されていることから、係る差圧通
路７を介してセンサ（キャビティ４）内に粉塵等が侵入
するおそれがある。そこで、通常は差圧通路７の開口の
面積を小さくして塵埃等の侵入を阻止するようにしてい
るが、係る構成にすると、差圧通路７における空気抵抗
が大きくなり、スムーズな空気の移動が抑制され、高周
波数で変化する圧力に対して、ダイアフラム３が変形し
ようとした場合にキャビティ４内の空気が一種の緩衝材
となりダイアフラム３の撓む速度が遅くなり、センサの
応答性が劣化してしまう。

【０００５】もちろん、センサの応答性を良好にするた
めに、差圧通路７の開口の面積を大きくすると、上記の
ように差圧通路７を介してセンサ内部に粉塵，埃等が侵
入し、係る侵入物がダイアフラム３に接触すると、それ
以上のダイアフラム３が固定電極５側に接近する方向の
変位を阻止するので、正確な静電容量を検出できなくな
る。

【０００６】また、応答性のみに着目した場合には、固
定電極の中心に開口するようにガラス基板に貫通孔を設
け、その貫通孔を介してキャビティ内を大気開放するよ
うにしたものもあるが、塵埃等の侵入の問題が残る。さ
らには、固定電極の中央が開口されることから電極面積
が小さくなり、しかも、係る固定電極の中央部は、ダイ
アフラムが撓んだ際に最も変位量が大きい部位に対向す
る部分であるため、感度の低下をきたすという新たな問
題を生じる。

【０００７】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、応答性が良好で、かつ、粉塵等の侵入を防止し、
センサ感度が良好となる静電容量型センサを提供するこ
とにある。

【０００８】

【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、複数のダイ
アフラムを有する半導体基板と、固定基板とを接合して
一体化し、前記複数のダイアフラムと前記固定基板との
間には、それぞれ所定のギャップをおいたキャビティが
形成され、前記複数のダイアフラムのうち少なくとも一
つに可動電極を設けるとともに、その可動電極に対向す
る前記固定基板の表面所定位置に固定電極を設け、前記
固定電極と可動電極との間の静電容量により、その可動
電極を設けたダイアフラムに加わった物理量を検出可能
とした。そしてさらに、前記複数のキャビティは空間的
に接続されて、相互にキャビティ内の気体の移動を許容
するように構成した（請求項１）。

【０００９】また、固定基板の両面にそれぞれダイアフ
ラムを有する半導体基板を接合して一体化し、それら各
半導体基板に設けたダイアフラムと前記固定基板との間
には、それぞれ所定のギャップをおいたキャビティが形
成されるとともに、それら両キャビティは前記固定基板
を貫通する貫通孔により、空間的に接続されて、相互に
キャビティ内の気体の移動を許容するようにし、かつ、
少なくとも一方のキャビティに面するダイアフラムと固
定基板表面にそれぞれ可動電極と固定電極を設け、前記
固定電極と可動電極との間の静電容量により、その可動
電極を設けたダイアフラムに加わった物理量を検出可能
とするように構成してもよい（請求項２）。

【００１０】さらにまた、薄膜電極（請求項１，２でい
う固定電極に相当する機能を持つ）の両面にそれぞれダ
イアフラムを有する半導体基板を直接または間接的に接
合して一体化し、それら各半導体基板に設けたダイアフ
ラムと前記薄膜電極との間には、それぞれ所定のギャッ
プをおいたキャビティが形成されるとともに、それら両
キャビティは前記薄膜電極を貫通する貫通孔により、空
間的に接続されて、相互にキャビティ内の気体の移動を
許容するようにし、かつ、少なくとも一方のキャビティ
に面するダイアフラムに可動電極を設けるとともに、そ
の可動電極を設けた半導体基板と前記薄膜電極とを絶縁
状態にし、前記薄膜電極と可動電極との間の静電容量に
より、その可動電極を設けたダイアフラムに加わった物
理量を検出可能となるように構成してもよい（請求項
３）。

【００１１】上記した各構成によれば、所定のダイアフ
ラムに物理量（圧力，加速度等）が加わることによっ
て、そのダイアフラムが所定方向に撓み、係るダイアフ
ラムに面するキャビティの容積が変わる。この時、複数
のキャビティは接続され、内部の気体が相互に移動可能
となっているので、仮に上記の物理量が加わったダイア
フラムが、キャビティの容積を縮小する方向に撓んだと
しても、係るキャビティ内の気体は、別のキャビティ内
に移動しようとする。そして、その別のキャビティ側で
は、ダイアフラムが変形して容積が増大することによ
り、気体の流入を許容する。よって、複数のキャビティ
の総容積はほとんど変化しないようにすることができる
ので、仮にダイアフラムがキャビティの容積を縮小する
方向に変形しても、従来のようにそのキャビティ内の気
体が圧縮されて圧力が増加し、ダイアフラムの変形を抑
制するようなことがなく、加わった物理量に応じた量だ
けダイアフラムがスムーズに変形する。つまり、あるダ
イアラムが所定方向に変形した場合には、別のダイアフ
ラムは逆方向に変形することにより、キャビティ内の圧
力をほぼ一定に保ち、加わった物理量に応じた距離だけ
瞬時にダイアフラムを変形させることができる。よっ
て、応答速度が向上し、瞬間的な圧力変化や、圧力値が
変動するような場合でも、精度よく圧力が検出される。
係る現象は、逆側（キャビティの容積を増加する方向）
にダイアフラムが変形する場合でも同様である。

【００１２】また、請求項２，３のように構成した場合
には、半導体基板を重ねる分だけ厚みは厚くなるが、複
数のダイアフラムを一枚の半導体基板に形成しないの
で、ダイアフラムを形成するための平面形状は小さくな
る。

【００１３】また、請求項２の場合の貫通孔は固定基板
に形成し、請求項３の場合の貫通孔は薄膜電極に形成す
ることから、薄膜電極に形成する貫通孔の方が開口面積
を小さくすることができる。従って、キャビティが開放
されているような場合には、貫通孔の部分でも塵埃の侵
入を抑制できる効果が向上する。

【００１４】また、上記した構造を前提とし、一端がセ
ンサ外部に開口し他端が前記複数のキャビティのうちの
所定のキャビティに開口する差圧通路を設け、その差圧
通路を介してキャビティを大気開放するようなタイプで
は、前記差圧通路が開口されたキャビティには、測定対
象の前記物理量を検出する機能を設けないように構成す
るとよい（請求項４）。

【００１５】ここで物理量を検出する機能とは、具体的
には、ダイアフラムに設けた可動電極と、それに対向す
る固定電極（薄膜電極）との間で発生する静電容量が物
理量により変化し、その変化に基づく信号を出力できる
ようになっている機能である。よって、固定電極を設け
なかったり、可動電極を設けなかったり、外部に引き出
す配線などを設けない等、各種の方法をとることにより
実現できる。

【００１６】請求項１〜３のいずれの構成でも、空間的
に接続されたキャビティを複数設けることにより、応答
性が向上する。従って、差圧通路は、キャビティ内を大
気圧にするようになっていればよく、その通路の断面積
を小さくすることができる。よって、開放タイプであっ
ても塵埃などが侵入しにくくなる。但し、断面積を小さ
くしても、０にはならないので、より小さい塵埃は差圧
通路内を通ってキャビティ内に侵入してくるおそれもあ
る。係る場合であっても、請求項４のように構成するこ
とにより、最初に到達したキャビティは、物理量を検出
する機能がないので、係るキャビティに塵埃があっても
さほど問題がない。そして、最終的に物理量を検出する
機能を有するキャビティまで塵埃が到達するためには、
さらに貫通孔などのキャビティ間を接続する連絡通路を
通って別のキャビティにまで移動する必要があるので、
係る事態が発生する可能性は、可及的に減少する。つま
り、差圧通路に接続されたキャビティは一種のトラップ
部となり、そこに塵埃等をとどめる機能も持つ。

【００１７】また、上記した構造を前提とした別の構成
としては、前記複数のキャビティは密閉されたタイプに
し、さらに、各キャビティに、測定対象の前記物理量を
検出する機能を備えるようにしてもよい（請求項５）。

【００１８】係る密閉型の構成にすると、塵埃の侵入の
問題は解消される。また、あるダイアフラムに物理量が
かかってダイアフラムが変形すると、別のダイアフラム
は逆方向に変形する。このように差動的な変形が行われ
る。従って、第２の実施の形態でも説明しているよう
に、いずれのキャビティにおいても各ダイアフラムの変
形に伴い、静電容量の変化を検出できるようにしておく
と、各キャビティからの出力を適宜四則演算することに
より、物理量の変化に対するセンサ出力の変化量を大き
くとることができ、感度が向上する。

【００１９】なお、請求項４，５では、トラップ効果と
感度向上を図るために適したタイプ（開放型／密閉型）
を規定したが、実施の形態でも説明したように、それら
請求項４，５に該当しない開放型ですべてのキャビティ
に検出機能を設けたり、密閉型で一部のキャビティにの
み検出機能を設けるものであっても、請求項１〜３に記
載の発明には当然含まれるものである。

【００２０】また、各請求項１〜３に記載の発明は、い
ずれも、空間的に接続された複数のキャビティを設け、
そのキャビティに面する各ダイアフラムが適宜の方向に
変形することにより、物理量が加わったダイアフラムが
迅速に変形し、応答性が良好なセンサとなるという技術
思想が共通している。

【００２１】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係る静電容量型セ
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、圧力センサに適用した例を示してい
る。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。シリコン基板１の長さをガラス基板
２の長さよりも長くし、シリコン基板１の接合側の表面
の一部が外部に露出するようにしている。そして、当該
露出部分に酸化膜８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
の酸化膜８の上面所定位置及び未形成領域にそれぞれ電
極取りだし用のパッド９が形成されている。係るパッド
９にボンディングワイヤ（図示省略）が接続され、図外
の測定器に電気信号を送出することができる。

【００２２】また、シリコン基板１には、圧力を受けて
変位する薄肉の第１ダイアフラム１１が形成され、その
第１ダイアフラム１１とガラス基板２の対向面との間に
は、所定のギャップをおいた所定の容積からなる第１キ
ャビティ１３が形成される。さらに、ガラス基板２の接
合面側表面のうち前記第１ダイアフラム１１に対向する
領域に固定電極５が形成されている。

【００２３】そして、係る固定電極５は、クロム等を蒸
着あるいはスパタッタリングして形成することができ、
この固定電極５とパッド９を接続するための配線１０と
同時に形成される。なお、この配線１０に対向するシリ
コン基板１の表面には配線１０の幅よりも広い溝（図示
省略する）を設け、シリコン基板１と配線１０が接触し
て導通するのを抑制し、かつ、係る溝内にポリイミド等
の樹脂を充填することにより、センサ内部をセンサ外部
から遮断している。

【００２４】もちろん、固定電極５と対向する上記第１
ダイアフラム１１の面が、可動電極１８となり、両電極
５，１８間にギャップ間距離に応じた静電容量が発生
し、係る静電容量に対応した信号が上記配線１０などを
介して外部に出力可能となる。係る点では、従来の静電
式圧力センサと同様である。

【００２５】ここで、本形態では、前記圧力を感知する
第１ダイアフラム１１の他に、シリコン基板１に第２ダ
イアフラム１２を形成されている。そして、第２ダイア
フラム１２と、ガラス基板２との間にも、所定のギャッ
プからなる第２キャビティ１４が形成される。さらに、
シリコン基板１のガラス基板２側（図中では上側）に
は、両ダイアフラム１１，１２を接続するように凹溝１
７が形成されており、係る凹溝１７によって第１キャビ
ティ１３と第２キャビティ１４が空間的に接続されてい
る。なお、第１，第２ダイアフラム１１，１２並びに凹
溝１７は、同一のエッチング工程により、同時に形成す
ることができる。

【００２６】さらに、本形態では、キャビティ内を大気
開放したタイプであるので、従来と同様にシリコン基板
１の接合面側表面に凹溝を形成することにより差圧通路
７を形成しているが、その形成位置を測定圧力を受ける
第１ダイアフラム１１と固定電極５間に形成される第１
キャビティ１３ではなく、第２キャビティ１４に開口す
るようにしている。これにより、第１キャビティ１３内
は、凹溝１７，第２キャビティ１４並びに差圧通路７を
介してセンサ外の大気と連通するようになる。なお、係
る差圧通路７は、第１，第２ダイアフラム１１，１２と
ガラス基板２とのギャップ間距離よりも十分小さく（例
えば０．３μｍ程度）し、両キャビティ１３，１４内部
に塵埃が侵入するのを可及的に抑制するようにしてい
る。

【００２７】次に、この第１の実施の形態の作用につい
て説明する。図１に示す第１ダイアフラム１１，第２ダ
イアフラム１２がともに平坦の状態は、物理量（測定圧
力）が加わっていない定常状態である。この状態から第
１ダイアフラム１１のみの外側（図中下面）に測定対象
となるガス圧が加わると、そのガス圧と第１キャビティ
１３内の大気圧との差に応じた量だけ第１ダイアフラム
１１が撓む。そして、ガス圧が大気圧よりも高い場合に
は、図２に示すように、第１ダイアフラム１１は上方
（固定電極５に近づく方向）に撓む。すると、第１キャ
ビティ１３内の空気は第１ダイアフラム１１に押し出さ
れて、凹溝１７を介して第２キャビティ１４内に移動す
る。この時、差圧通路７の隙間は小さいために、第２キ
ャビティ１４内に移動した空気はセンサ外部にわずかず
つしか放出されないが、第２ダイアフラム１２が下方
（ガラス基板２から離れる方向）に撓むことによって、
第１，第２キャビティ１３，１４をあわせた容積はほと
んど変化しないようにできる。従って、センサ内部の圧
力は大気圧のままとなり、従来のように第１キャビティ
１３の空間が狭くなることにより、キャビティ内部の空
気が圧縮されて圧力が上昇して、第１ダイアフラム１１
の変位を抑制することがない。

【００２８】よって、第１ダイアフラム１１に圧力が加
わると、第１ダイアフラム１１の変位に追従してスムー
ズに第１キャビティ１３内の空気が第２キャビティ１４
側に移動されるので、第１ダイアフラム１１の変形は瞬
間的に行われ、センサの応答性は良好となる。

【００２９】なお、測定圧力が加わったままの場合に
は、時間の経過とともに、第２キャビティ１４内の空気
は差圧通路７を介して外部に排出され、第２ダイアフラ
ム１２は通常状態となる。また、第１ダイアフラムが元
に戻るときのように、ガラス基板２から離れる方向に移
動する場合には、上記と逆の原理に従い、やはり、必要
に応じてキャビティ間での空気の移動が行われ、第１ダ
イアフラム１１は、スムーズに変位する。

【００３０】これにより、瞬間的に加わる圧力や、圧力
値が変動するような場合であっても、本発明のセンサで
は応答性がよいので、精度よく測定できる。さらに、第
１ダイアフラム１１が撓んだ場合に、最も変位する中央
部分に対向する部位にも固定電極５の電極面が存在する
ので、感度も良好となる。

【００３１】なお、上記のように第２ダイアフラム１２
をスムーズに変形させるためには、第２ダイアフラム１
２の外側面（図中下側）も大気開放しているのが好まし
い。従って、図示したセンサをダイボンドするステムや
基板などには、第２ダイアフラム１２に対向する位置に
所定の貫通孔を設け、大気圧がかかるようにするのがよ
い。

【００３２】図３は本発明に係る静電容量型センサの第
２の実施の形態を示している。本形態では、第１の実施
の形態と相違して、ガラス基板２の表面の第２ダイアフ
ラム１２に対向する位置に副固定電極２０が形成されて
いる。そして、第２ダイアフラム１２の副固定電極２０
に対向する面が副可動電極２１となる。また、本形態で
は、第２キャビティ１４と外部を接続するための差圧通
路は形成されておらず、第１キャビティ１３，第２キャ
ビティ１４を密閉状態としている。

【００３３】さらに、本形態では、第２ダイアフラム１
２の外側に位置するシリコン基板１の側面所定位置を除
去し、開口部２２を設けている。これにより、センサを
ステム２３に固定する際に、ステム２３に特に貫通孔を
設けなくても第２ダイアフラム１２の下面は開口部２２
を介して大気圧がかかるようになる。よって、第２ダイ
アフラム１２を、スムーズに変形させることができる。

【００３４】本形態における静電容量型センサの作用を
説明する。第１ダイアフラム１１の下面に測定対象とな
るガス圧を加えると、第１ダイアフラム１１が所定量だ
け撓むとともに、第２ダイアフラムが逆方向に撓むこと
により、第１ダイアフラムの変形が応答性よく行われる
ことは、第１の実施の形態と同様である。なお、加えら
れたガス圧の比較基準圧力は、キャビティ１３，１４が
密閉されていることから、キャビティ内の圧力となり、
キャビティ内との測対圧が計測される。

【００３５】さらに本形態では、ガラス基板２の第２ダ
イアフラム１２に対向する位置にも副固定電極２０が形
成されているので、第１ダイアフラム１１の変形によっ
て、可動電極１８と固定電極５の静電容量が変化すると
同時に、第２ダイアフラム１２の変形によって、副可動
電極２１と副固定電極２０の静電容量も変化する。この
状態を図示すると、図４のように示すことができる。

【００３６】すなわち、図４は、測定対象のガス圧の変
化に対する第１ダイアフラム１１と固定電極５の静電容
量の変化と、測定対象のガス圧の変化に対する第２ダイ
アフラム１２と副固定電極２０の静電容量の変化を示し
ている。同図（Ａ）に示すように、測定対象のガス圧が
高くなると、第１ダイアフラム１１は固定電極５に近づ
くために、可動電極１８と固定電極５の静電容量Ｃ１は
大きくなる。これに追従して第２ダイアフラム１２は副
固定電極２０から離れるので、同図（Ｂ）に示すよう
に、副可動電極２１と副固定電極２０の静電容量Ｃ２は
小さくなる。

【００３７】したがって、両静電容量Ｃ１，Ｃ２を差動
式にすることにより、両静電容量の変化量の絶対値を加
算すると、加わった圧力に対する出力の変化量を大きく
することができ、感度が向上する。

【００３８】また、両ダイアフラム１１，１２の寸法形
状や、両キャビティ１３，１４の容積等を等しくしてお
くと、静電容量Ｃ２の変化量ｄ２は静電容量Ｃ１の変化
量ｄ１と同じになる。従って、圧力に対する出力の変化
が単純となり、圧力値の算出がしやすくなる。

【００３９】なお、本形態のように密閉型であっても、
第１の実施の形態と同様に第１キャビティ１３側で発生
する静電容量のみに基づいて圧力測定を行うようにして
もよい。また、第１の実施の形態のように大気開放型で
あっても、第２キャビティ１４側にも電極を設け、両キ
ャビティにおける静電容量の変化を利用するようにして
もよい。但し、開放型の場合には、時間経過に伴い第２
ダイアフラムは平坦な状態に戻るので、瞬間的な圧力変
動や、圧力値が高周波数で変動し、第２ダイアフラムが
追従して変動するような圧力を測定する場合に使用する
のに適する。

【００４０】図５は本発明に係る静電容量型センサの第
３の実施の形態を示している。同図に示すように、ガラ
ス基板２９が、第１シリコン基板３０と第２シリコン基
板３１に挟まれ、陽極接合された三層構造を基本として
いる。

【００４１】そして、本形態では、第１シリコン基板３
０，第２シリコン基板３１のいずれもその接合面側の中
央をエッチングにより除去して凹部（最終的に第１キャ
ビティ３２，第２キャビティ３３になる）を形成すると
ともに、反対側面を大きく除去することにより薄肉の第
１ダイアフラム３４，第２ダイアフラム３５を形成す
る。

【００４２】そして、第１シリコン基板３０に設けた第
１ダイアフラム３４に対向するガラス基板２９の表面
に、固定電極３６が形成されており、第１ダイアフラム
３４の上面が可動電極３７となる。さらに、この固定電
極３６の中心に開口するようにして、ガラス基板２９を
貫通する貫通孔３８を形成している。

【００４３】一方、このように貫通孔３８を設けること
により、第１シリコン基板３０とガラス基板２９との間
に形成した第１キャビティ３２と、第２シリコン基板３
１とガラス基板２９との間に形成した第２キャビティ３
３が空間的に接続され、係る貫通孔３８を介して空気の
移動が可能となる。

【００４４】さらに、第２シリコン基板３１の下面をエ
ッチングすることにより、差圧通路３９が形成されてい
る。この差圧通路３９は第２キャビティ３３と外部を接
続するように形成されている。これにより、第２キャビ
ティ３３ひいては第１キャビティ３２が大気開放され
る。

【００４５】また、上記の差圧通路３９は、第２キャビ
ティ３５よりも浅くエッチングされて形成されており、
差圧通路３９の底面とガラス基板２９との隙間を小さく
している。よって、第２キャビティ３３内に塵埃等が侵
入するのを可及的に抑制する。従って、第１キャビティ
３２側にも塵埃等の侵入が阻止される。

【００４６】本形態における静電容量型センサでは、測
定対象のガスを第１ダイアフラム３４の下面に加えるこ
とで、測定対象のガス圧とセンサ内部の圧力（大気圧）
との差により、第１ダイアフラム３４を撓ませ、可動電
極３７と固定電極３６の静電容量の変化から測定対象の
ガス圧を算出している。

【００４７】この時、上記した各実施の形態と同様に、
貫通孔３８を介して第１キャビティ３２と第２キャビテ
ィ３３の間で空気の移動が行われるので、第１ダイアフ
ラム３４がガラス基板２９側に近づくように撓んだ場合
には、第１のキャビティ３２内の空気は貫通孔３８を介
して第２キャビティ３３側に移動しようとし、それを受
けて第２ダイアフラム３５がガラス基板２９から離れる
方向に撓むことにより、第２キャビティ３３の容積を増
大させ、上記空気の移動を瞬時に行わせる。よって、応
答性が良好なセンサとなる。

【００４８】さらに、本形態における静電容量型センサ
では、ガラス基板２の上下面に第１シリコン基板３０，
第２シリコン基板３１を重ねて接合され、第１ダイアフ
ラム３４と第２ダイアフラム３７を形成しているので、
ダイアフラムを複数設けるために一枚のシリコン基板の
面積を大きくする必要がない。よって、第１，第２の実
施の形態における静電容量型センサよりも、平面形状が
小型化することができる。

【００４９】また、本形態では、差圧通路３９の開口面
積を小さくすることにより、塵埃等の侵入を抑制するこ
とは上記した通りであるが、仮に差圧通路３９を介して
センサ内に塵埃等が侵入してきたとしても、第２キャビ
ティ３３内に一旦侵入するので、圧力を測定するための
静電容量に影響する第１キャビティ３２内に侵入する可
能性は低い。なお、係る作用効果は、第１の実施の形態
でも第２キャビティ１４側に差圧通路７を設けたため、
同様のことがいえる。

【００５０】一方、本実施の形態における第２キャビテ
ィの容量を大きくして、応答性をさらに良好にすること
もできる。すなわち、図６に示すように、第２シリコン
基板３１の接合面側のエッチング量を大きくし、第２キ
ャビティ３３′の容積を第１キャビティ３２の容積より
も大きくする。すると、第１キャビティ３２内から第２
キャビティ３５′内に移動可能な許容量が、図５に示す
静電容量型センサのそれよりも多くなる。しかも、第２
ダイアフラム３５の撓み量を小さくできるので、係る第
２ダイアフラム３５の弾性力による反力の影響がより受
けにくくなり、より短時間にスムーズな空気の移動が確
保でき、センサの応答性はさらに向上する。

【００５１】図７は本発明に係る静電容量型センサの第
４の実施の形態を示している。本形態では、上記した第
３の実施の形態と同様に、第１，第２シリコン基板３
０，３１を積層し、第１キャビティ３２と第２キャビテ
ィ３３とを上下に配置した構造となっている。ここで、
第３の実施の形態と相違することは、固定電極付きのガ
ラス基板に替えて、クロム等の薄膜電極４０の上下両面
を絶縁膜４１で被覆したものを用いる。つまり、係る三
層構造の膜をその両側から第１，第２シリコン基板３
０，３１で挟み込むようにして接合する。すると、その
接合部分では、絶縁膜４１が存在するので、薄膜電極４
０と両シリコン基板３０，３１とは絶縁される。これに
より、第１ダイアフラム３４に設けた可動電極３６と、
薄膜電極４０との間に静電容量が発生する。

【００５２】さらに、薄膜電極４０，絶縁膜４１の中央
部分には、貫通孔４２が設けられ、この貫通孔４２を介
して第１，第２キャビティ３２，３３が空間的に接続さ
れる。そして、第２シリコン基板３１側には、差圧通路
３９が設けられ、両キャビティ３２，３３が大気開放さ
れている。

【００５３】なお、この実施の形態における作用・効果
は、基本的には第３の実施の形態と同様である。さらに
本形態では、貫通孔４２は、薄膜に形成されるため、ガ
ラス基板２９に形成する貫通孔３８の径に比べて、微小
な径を作ることが可能となる。具体的には、ガラス基板
の場合には、直径が数μｍを開けることは困難である
が、薄膜電極の場合には、μｍ単位での穴開けが可能と
なる。そして、応答性は、係る貫通孔４２の直径が数μ
ｍあれば十分な機能が得られる。よって、そのように貫
通孔４２の径を小さくすることにより、仮に第２キャビ
ティ３３内に塵埃が侵入してきたとしても、係る塵埃が
第１キャビティ３２側に侵入するのを阻止できる。よっ
て、係る塵埃等の侵入の効果が、より顕著に発揮できる
ようになる。また、そのように貫通孔４２の直径を小さ
くした場合には、有効な固定電極の面積が大きくとれ、
ガラス基板に貫通孔を設けたことによる感度の低下を招
くことがなくる。

【００５４】なお、絶縁膜４１は、薄膜電極４０の全面
を覆う必要はなく、例えばシリコン基板との接合部位に
存在していればよい。さらには、圧力を検知するための
第１シリコン基板３０の可動電極３６と薄膜電極４０と
の間で絶縁がとれるようになっていれば、具体的な構造
は問わない。なおまた、本実施の形態においても、第３
の実施の形態の変形例のように、第２キャビティの容積
を大きくするようにしてもよい。

【００５５】図８は、本発明に係る静電容量型センサの
第５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４の実施の形態を基本とし、貫通孔４２′の形
成位置を薄膜電極４０，絶縁膜４１の周囲に複数個形成
している。係る構成にすることにより、ダイアフラム３
４の変位の大きい中央部分に対向する位置に薄膜電極４
０を位置させることができるので、感度が向上する。な
お、その他の構成並びに作用効果は上記した第４の実施
の形態と同様であるので、同一符号を付し、その詳細な
説明を省略する。

【００５６】図９は、本発明に係る静電容量型センサの
第６の実施の形態を示している。上記した各実施の形態
では圧力を測定するための静電容量型センサを説明した
が、本実施の形態では、加速度センサに適用した例を示
している。すなわち、図示の例では、第４の実施の形態
を基本とし、物理量を感知するための第１ダイアフラム
３４に重り４５を取り付けている。その他の構造は、第
４の実施の形態と同様であるので、同一符号を付しその
詳細な説明を省略する。

【００５７】本形態における静電容量型センサ（加速度
センサ）によれば、センサに加速度が加わると、重り４
５が係る加速度を受けて所定方向に移動する。そして、
移動量及び方向は、加速度の大きさ・向きにより変わ
る。この重り４５の移動にともない第１ダイアフラム３
４も撓むため、薄膜電極４０との距離が変化し、両者間
に発生する静電容量も変化する。

【００５８】従って、係る静電容量の変化から、加速度
の大きさがわかる。そして、本形態でも、第４の実施の
形態等と同様に、第１キャビティ３２と第２キャビティ
３３との間でスムーズな空気の移動が行われるので、応
答性よく第１のダイアフラム３４が撓み、加速度を測定
できる。その他の構成並びに作用効果は、上記した各実
施の形態と同様であるので、その詳細な説明を省略す
る。

【００５９】また、本実施の形態のようにダイアフラム
におもりを設けることにより、加速度センサに適用する
のは、上記した各実施の形態を基本構造とするものにお
いても適用できるのはもちろんである。

【００６０】なおまた、上記した第３〜第６の実施の形
態及びその変形例では、いずれもキャビティ内を大気開
放したタイプに適用した例を示したが、本発明ではこれ
に限ることはなく、差圧通路を設けない密閉型に適用し
てももちろんよい。

【００６１】

【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、空間的に連続・接続する複数のキャビティ
を設け、各キャビティはダイアフラムによりその容積が
変形可能としているので、あるダイアフラムに物理量が
加わって変形した場合に、その変形がキャビティの容積
を縮小する場合には、そのキャビティ内の気体が別のキ
ャビティに移動するとともに、その移動してきたキャビ
ティのダイアフラムが膨らんで容積を増大することによ
り、係る気体のスムーズな移動を許容することができる
（逆の場合も同様）。

【００６２】このようにキャビティ内の気体が素早く別
の空間内に移動することにより、キャビティ内の圧力が
ほぼ一定に保たれるので、物理量が加わったダイアフラ
ムの変形を抑制することがなく、ダイアフラムの変形を
素早く行うことができる。よって、センサの応答性を良
好にすることができる。

【００６３】また、このように応答性が良好になること
から、たとえキャビティ内を大気開放するタイプのもの
であっても、差圧通路の断面積を小さくすることがで
き、塵埃等の侵入を可及的に抑制できる。さらにまた、
請求項１のように構成した場合（請求項３における貫通
孔の開口面積を小さくした場合も含む）には、固定電極
の面積を大きくとれるので、感度も向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は本発明に係る静電容量型センサの第１
の実施の形態の平面図である。（Ｂ）はそのＢ−Ｂ断面
図である。

【図２】本発明に係る静電容量型センサの第１の実施の
形態におけるダイアフラムの動作を説明するための図で
ある。

【図３】本発明に係る静電容量型センサの第２の実施の
形態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センサの第２の実施の
形態における第１ダイアフラム，第２ダイアフラムの可
動電極にかかる静電容量の変化のグラフを示す図であ
る。

【図５】本発明に係る静電容量型センサの第３の実施の
形態を説明するための図である。

【図６】第２キャビティの容積を深く形成された静電容
量型センサを示す図である。

【図７】本発明に係る静電容量型センサの第４の実施の
形態を説明するための図である。

【図８】本発明に係る静電容量型センサの第５の実施の
形態を説明するための図である。

【図９】本発明に係る静電容量型センサの第６の実施の
形態を説明するための図である。

【図１０】従来のセンサの一例を示す図である。

【符号の説明】

１シリコン基板２，２９ガラス基板５，３６固定電極７，３９差圧通路１１，３４第１ダイアフラム１８，３７可動電極１２，３５第２ダイアフラム１３，３２第１キャビティ１４，３３第２キャビティ１７凹溝２０副固定電極２１副可動電極３０第１シリコン基板３１第２シリコン基板３８，４２貫通孔４０薄膜電極４１絶縁膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のダイアフラムを有する半導体基板
と、固定基板とを接合して一体化し、前記複数のダイアフラムと前記固定基板との間には、そ
れぞれ所定のギャップをおいたキャビティが形成され、前記複数のダイアフラムのうち少なくとも一つに可動電
極を設けるとともに、その可動電極に対向する前記固定
基板の表面所定位置に固定電極を設け、前記固定電極と可動電極との間の静電容量により、その
可動電極を設けたダイアフラムに加わった物理量を検出
可能とし、かつ、前記複数のキャビティは空間的に接続されて、相
互にキャビティ内の気体の移動を許容するようにしたこ
とを特徴とする静電容量型センサ。
【請求項２】固定基板の両面にそれぞれダイアフラム
を有する半導体基板を接合して一体化し、それら各半導体基板に設けたダイアフラムと前記固定基
板との間には、それぞれ所定のギャップをおいたキャビ
ティが形成されるとともに、それら両キャビティは前記
固定基板を貫通する貫通孔により、空間的に接続され
て、相互にキャビティ内の気体の移動を許容するように
し、かつ、少なくとも一方のキャビティに面するダイアフラ
ムと固定基板表面にそれぞれ可動電極と固定電極を設
け、前記固定電極と可動電極との間の静電容量により、その
可動電極を設けたダイアフラムに加わった物理量を検出
可能としたことを特徴とする静電容量型センサ。
【請求項３】薄膜電極の両面にそれぞれダイアフラム
を有する半導体基板を直接または間接的に接合して一体
化し、それら各半導体基板に設けたダイアフラムと前記薄膜電
極との間には、それぞれ所定のギャップをおいたキャビ
ティが形成されるとともに、それら両キャビティは前記
薄膜電極を貫通する貫通孔により、空間的に接続され
て、相互にキャビティ内の気体の移動を許容するように
し、かつ、少なくとも一方のキャビティに面するダイアフラ
ムに可動電極を設けるとともに、その可動電極を設けた
半導体基板と前記薄膜電極とを絶縁状態にし、前記薄膜
電極と可動電極との間の静電容量により、その可動電極
を設けたダイアフラムに加わった物理量を検出可能とし
たことを特徴とする静電容量型センサ。
【請求項４】一端がセンサ外部に開口し、他端が前記
複数のキャビティのうちの所定のキャビティに開口する
差圧通路を設け、その差圧通路を介してキャビティを大
気開放するようにし、かつ、前記差圧通路が開口されたキャビティには、測定
対象の前記物理量を検出する機能を設けないようにした
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の
静電容量型センサ。
【請求項５】前記複数のキャビティは密閉され、かつ、各キャビティに、測定対象の前記物理量を検出す
る機能を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれ
か１項に記載の静電容量型センサ。