JPS60233863A - 静電容量式圧力センサ - Google Patents
静電容量式圧力センサInfo
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- JPS60233863A JPS60233863A JP8849484A JP8849484A JPS60233863A JP S60233863 A JPS60233863 A JP S60233863A JP 8849484 A JP8849484 A JP 8849484A JP 8849484 A JP8849484 A JP 8849484A JP S60233863 A JPS60233863 A JP S60233863A
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/84—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of applied mechanical force, e.g. of pressure
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- Measuring Fluid Pressure (AREA)
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の属する技術分野〕
この発明は、シリコンダイアフラムを用いた静電容量式
圧力センサに関する。
圧力センサに関する。
第５図はかかるセンサの従来例を示す断面図である。１
はシリコン平板の中央部を超音波加工やエツチング技術
等によって薄肉化されたダイアフラムであり、ここには
リード線５を取り出すための金属パッド（Ａｔ、Ａｕ、
モリブデン等）３が設けられている。シリコンダイアプ
ラムの厚肉部には、熱膨張係数がシリコンに近い硼珪酸
ガラス（３．２ Ｘ １０−’ ／’（：、 ）、２に
スルーホール電極（Ｃｒ−Ａｕ 、 Ｃｒ −Ｎｉ ７
Ａｕ等）４を設けたもツカ静電接合され（接合部８参照
）、測定室１５が形成されている。さらに、硼珪酸ガラ
ス２には、コバールやＦｅＬＮｉ系の林イブ７が低熱膨
張係数ガラス（５，ＯＸ １０−’ ／ ’Ｃ） ６等
によって接合され、圧力導入口が形成されている。
はシリコン平板の中央部を超音波加工やエツチング技術
等によって薄肉化されたダイアフラムであり、ここには
リード線５を取り出すための金属パッド（Ａｔ、Ａｕ、
モリブデン等）３が設けられている。シリコンダイアプ
ラムの厚肉部には、熱膨張係数がシリコンに近い硼珪酸
ガラス（３．２ Ｘ １０−’ ／’（：、 ）、２に
スルーホール電極（Ｃｒ−Ａｕ 、 Ｃｒ −Ｎｉ ７
Ａｕ等）４を設けたもツカ静電接合され（接合部８参照
）、測定室１５が形成されている。さらに、硼珪酸ガラ
ス２には、コバールやＦｅＬＮｉ系の林イブ７が低熱膨
張係数ガラス（５，ＯＸ １０−’ ／ ’Ｃ） ６等
によって接合され、圧力導入口が形成されている。
したがって、圧力導入−からの圧力がシリコンダイアフ
ラム部に作用すると、圧力に比例してシリコンダイアフ
ラム部が変位し静電容量が変化することから、圧力測定
が可能である。すなわち、なる関係式が成立するので、
容量Ｃを測定して変位量Δｄを知り、これから Ｐ−Δｄ ・・・・・・（２） なる関係にある圧力をめるものである。なお、（１）式
のε。は真空誘電率、ε、は電極間の比誘電率、Ｓは電
極面積、ｄｏは圧力が作用しない場合の電極間距離（空
隙）である。
ラム部に作用すると、圧力に比例してシリコンダイアフ
ラム部が変位し静電容量が変化することから、圧力測定
が可能である。すなわち、なる関係式が成立するので、
容量Ｃを測定して変位量Δｄを知り、これから Ｐ−Δｄ ・・・・・・（２） なる関係にある圧力をめるものである。なお、（１）式
のε。は真空誘電率、ε、は電極間の比誘電率、Ｓは電
極面積、ｄｏは圧力が作用しない場合の電極間距離（空
隙）である。
しかしながら、このようなセンサには、以下の如き欠点
がある。
がある。
■）すなわち、接合部８としては、
■気密接合であること。
■シリコン薄肉部と電極間空隙が正確に再現されること
。
。
の如き条件が要求される。
（イ）静電接合法では、■の条件は充分に満足され１．
１０１１ｍ程度の空隙も正確に再現できるが、接合面積
が大きくなると接合部に多くの気泡が残って気密接合を
歩留り良く作ることができない。
１０１１ｍ程度の空隙も正確に再現できるが、接合面積
が大きくなると接合部に多くの気泡が残って気密接合を
歩留り良く作ることができない。
（ロ）接合部８に低熱膨張係数のガラスを用いて接合す
ると、気密は充分に保たれるが、空隙を正確に再現する
ことができない。特に、小型化を計る場合は、空隙ｄｏ
を１０μｍ以下にする必要が生じるが、この１０μｍ以
下の空隙を歩留りよく作るのは困難である。
ると、気密は充分に保たれるが、空隙を正確に再現する
ことができない。特に、小型化を計る場合は、空隙ｄｏ
を１０μｍ以下にする必要が生じるが、この１０μｍ以
下の空隙を歩留りよく作るのは困難である。
（ハ）硼珪酸ガラスにＣｒ Ｎｉ Ａｕ等の薄膜を蒸着
等によって形成し、Ａｌｌ −Ｓ ｉ共晶反応によって
接合する方法もあるが、（口片の場合と同様に空隙を正
確に再現するのが困難である。また、この場合は位置決
めの難しさも加わる。
等によって形成し、Ａｌｌ −Ｓ ｉ共晶反応によって
接合する方法もあるが、（口片の場合と同様に空隙を正
確に再現するのが困難である。また、この場合は位置決
めの難しさも加わる。
■）静電接合法では、ガラスを厚くするとガラスの剛性
が増大するため、電圧を上げてもシリコンとの密着性が
良くならず、接合が起こらないか、あるいはほんの一部
にのみ接合が起こる。したがって、ガラス基台２をあま
り厚くすることができず、センサ部の機械的強度が充分
でない。また、スルーホール電極の形成には真空蒸着法
やスパッタリング等が用いられるが、センサの小型化の
ためには硼珪酸ガラス２のスルーホール部に設けられる
穴の直径は５００μｍ程度（これは、小さければ小さい
程よい。）となり、これに上述の方法で電極を形成する
と々れば、５００〜１０００μｍが厚さの限界と人つて
センサの機械的強度は望めない。
が増大するため、電圧を上げてもシリコンとの密着性が
良くならず、接合が起こらないか、あるいはほんの一部
にのみ接合が起こる。したがって、ガラス基台２をあま
り厚くすることができず、センサ部の機械的強度が充分
でない。また、スルーホール電極の形成には真空蒸着法
やスパッタリング等が用いられるが、センサの小型化の
ためには硼珪酸ガラス２のスルーホール部に設けられる
穴の直径は５００μｍ程度（これは、小さければ小さい
程よい。）となり、これに上述の方法で電極を形成する
と々れば、５００〜１０００μｍが厚さの限界と人つて
センサの機械的強度は望めない。
この発明はとのよ５な事情のもとになされたもので、シ
リコンダイアフラムと電極間空隙を正確に再現すること
ができるばかりでなく、圧力導入室とその外側とを気密
接合することが可能で、しかも機械的強度が充分な静電
容量式圧力センサを提供することを目的とする。
リコンダイアフラムと電極間空隙を正確に再現すること
ができるばかりでなく、圧力導入室とその外側とを気密
接合することが可能で、しかも機械的強度が充分な静電
容量式圧力センサを提供することを目的とする。
この発明は、シリコンダイアフラムの厚肉部Ｋ、熱膨張
係数がシリコンに近いガラス（３，５Ｘ ＩＯ−’／
℃）を用いてシリコン基台を接合することにより、圧力
導入室（測定室）とその外側とを気密接合するとともに
センサの機械的強度を高め、さらに、ダイアフラムのシ
リコン基台とは反対の面に、スルーホール電極が形成さ
れた絶縁材料（硼珪酸ガラス）を静電接合によって接合
することにより、空隙が正確に形成されるよ５にしたも
のである。
係数がシリコンに近いガラス（３，５Ｘ ＩＯ−’／
℃）を用いてシリコン基台を接合することにより、圧力
導入室（測定室）とその外側とを気密接合するとともに
センサの機械的強度を高め、さらに、ダイアフラムのシ
リコン基台とは反対の面に、スルーホール電極が形成さ
れた絶縁材料（硼珪酸ガラス）を静電接合によって接合
することにより、空隙が正確に形成されるよ５にしたも
のである。
第１図れこの発明の実施例を示す断面図である。
同図において、１はシリコンダイアフラム、２は絶縁材
料（ガラス基台）、３は金属パッド、４は電極、５はリ
ード線、６．ｌＯは接合層、７は金属パイプ、８は接合
部、９はシリコン基台、１５は測定室である。
料（ガラス基台）、３は金属パッド、４は電極、５はリ
ード線、６．ｌＯは接合層、７は金属パイプ、８は接合
部、９はシリコン基台、１５は測定室である。
シリコンダイアフラム１は、結晶面（ｉｏｏ）を主平面
とするシリコンウェハ（低抵抗にしたもの） を、ＨＦ
−ＨＮＯ３系のエツチング液を用いて片面ずつ等方的に
エツチングして、正確に製造される。なお、この場合の
ダイアプラム部の形状は円形であるが、上記と同様のシ
リコンウェハをアルカリエツチング液やエチレンジアミ
ン・ピロカテコール系でエツチング加工すれば、正方形
または長方形状のダイアフラムな作ることも可能である
。こうして作られたシリコンダイアフラム１はシリコン
基台９に、シリコンと熱膨張係数の近いガラス（３，５
Ｘ １０”’ ／’Ｃ程度）を用いて気密接合される（
接合層１０参照）。なお、このガラス部の厚さを２０μ
ｍ程度とし、７００℃付近で接合してもダイアフラムの
変化社殆んどないことが確かめられている。
とするシリコンウェハ（低抵抗にしたもの） を、ＨＦ
−ＨＮＯ３系のエツチング液を用いて片面ずつ等方的に
エツチングして、正確に製造される。なお、この場合の
ダイアプラム部の形状は円形であるが、上記と同様のシ
リコンウェハをアルカリエツチング液やエチレンジアミ
ン・ピロカテコール系でエツチング加工すれば、正方形
または長方形状のダイアフラムな作ることも可能である
。こうして作られたシリコンダイアフラム１はシリコン
基台９に、シリコンと熱膨張係数の近いガラス（３，５
Ｘ １０”’ ／’Ｃ程度）を用いて気密接合される（
接合層１０参照）。なお、このガラス部の厚さを２０μ
ｍ程度とし、７００℃付近で接合してもダイアフラムの
変化社殆んどないことが確かめられている。
一方、シリコンダイアフラム１の他面には、このダイア
フラムよりも薄い硼珪酸ガラス２（熱膨張系数３．２
Ｘ ｔｏ−＠／’ｃ）に、スルーホール電極４（例えば
、Ｃｒ−Ａｕ−８ｉ０２を５０ＯＡ −２５００を形成
したものが静電接合法によって固着される（接合部８参
照）。さらに、シリコン基台９には、コバールやＦｅ−
Ｎｉ系の、熱膨張係数の小さな金属７ （５，ＯＸ １
０−’ ／ ℃）が低融点、低熱膨張係数ガラス層６（
作業点４５０℃付近、熱膨張係数４．９ Ｘ １０−’
／ ’Ｃ）によって接合されている。
フラムよりも薄い硼珪酸ガラス２（熱膨張系数３．２
Ｘ ｔｏ−＠／’ｃ）に、スルーホール電極４（例えば
、Ｃｒ−Ａｕ−８ｉ０２を５０ＯＡ −２５００を形成
したものが静電接合法によって固着される（接合部８参
照）。さらに、シリコン基台９には、コバールやＦｅ−
Ｎｉ系の、熱膨張係数の小さな金属７ （５，ＯＸ １
０−’ ／ ℃）が低融点、低熱膨張係数ガラス層６（
作業点４５０℃付近、熱膨張係数４．９ Ｘ １０−’
／ ’Ｃ）によって接合されている。
このように、ガラス接合による気密接合の特徴を生かし
てシリコン基台を接合することにより、気密性とセンサ
部の機械的強度の向上を図るとともに、静電接合にとも
なう変形は微小であることを利用して空隙を正確に決め
ることができるようにしたものである。そして、金属パ
イプ７を通してダイアフラム１の薄肉部に圧力が加えら
れると、ダイアフラム部はスルーホール電極４の付いた
硼珪酸ガラス２側へ圧力に比例して変位するので、その
静電容量Ｃが次式の如く変化する。
てシリコン基台を接合することにより、気密性とセンサ
部の機械的強度の向上を図るとともに、静電接合にとも
なう変形は微小であることを利用して空隙を正確に決め
ることができるようにしたものである。そして、金属パ
イプ７を通してダイアフラム１の薄肉部に圧力が加えら
れると、ダイアフラム部はスルーホール電極４の付いた
硼珪酸ガラス２側へ圧力に比例して変位するので、その
静電容量Ｃが次式の如く変化する。
Ｃ＝ｔ０６ｒｄｏ−Δｄ°°−（３）
したがって、所定の較正装置により圧力と容量との関係
を予め較正しておくことにより、容量Ｃから圧力をめる
ことができる。なお、（３）式における変位Δｄの符号
が（１）式とは逆になっているが、これは電極とダイア
フラム部との空隙が、圧力によって第５図の場合では広
がるのに対して、第１図の場合では狭まるからである。
を予め較正しておくことにより、容量Ｃから圧力をめる
ことができる。なお、（３）式における変位Δｄの符号
が（１）式とは逆になっているが、これは電極とダイア
フラム部との空隙が、圧力によって第５図の場合では広
がるのに対して、第１図の場合では狭まるからである。
第２図はこの発明の第２の実施例を示す断面図である。
この実施例は、同図からも明らかなように、シリコンダ
イアフラム１からのリード線５を取り出すための金属バ
ッド３を、電極４と同じ平面上に配置することにより、
ボンディングし易くしたもので、その他の点は第１図と
同様である。
イアフラム１からのリード線５を取り出すための金属バ
ッド３を、電極４と同じ平面上に配置することにより、
ボンディングし易くしたもので、その他の点は第１図と
同様である。
第３図はこの発明の第３の実施例を示す断面図である。
これは、電極を２つ設けて一方を測定電極１１とし、他
方をリファレンス（標準）電極１２とした点が特徴であ
る。つまり、２つの同心円状の電極１１．１２の面積を
互いに等しくＳとすると、それぞれの静電容量Ｃｍ、Ｃ
ｒは、の如く表わされる。したがって、（４）、 （５
）式から、 が導かれるので、（４） 、 （５）式相当の測定と（
６）式の演算を行なうことにより、圧力に比例した信号
をより正確にめることが可能となる。すなわち、工業計
器等に要求される精度を満足させるためには、（６）式
相当の補正演算を電気的に行なうことが必要である。
方をリファレンス（標準）電極１２とした点が特徴であ
る。つまり、２つの同心円状の電極１１．１２の面積を
互いに等しくＳとすると、それぞれの静電容量Ｃｍ、Ｃ
ｒは、の如く表わされる。したがって、（４）、 （５
）式から、 が導かれるので、（４） 、 （５）式相当の測定と（
６）式の演算を行なうことにより、圧力に比例した信号
をより正確にめることが可能となる。すなわち、工業計
器等に要求される精度を満足させるためには、（６）式
相当の補正演算を電気的に行なうことが必要である。
第４図はこの発明の第４の実施例を示す断面図である。
同図からも明らかなように、測定電極１１のみをダイア
フラム１の薄肉部と対向するようにした点が特徴である
。すなわち、リファレンス電極１２と対向するダイアフ
ラム薄肉部は、たとえ微小であっても必ず変位し、この
ため上記（６）式の如き補正演算をしても誤差が生じる
ので、標準電極１２をダイアフラム１の薄肉部と対向さ
せて配置せずに、厚肉部と対向配置するようにして精度
をより一層向上させるものである。
フラム１の薄肉部と対向するようにした点が特徴である
。すなわち、リファレンス電極１２と対向するダイアフ
ラム薄肉部は、たとえ微小であっても必ず変位し、この
ため上記（６）式の如き補正演算をしても誤差が生じる
ので、標準電極１２をダイアフラム１の薄肉部と対向さ
せて配置せずに、厚肉部と対向配置するようにして精度
をより一層向上させるものである。
この発明によれば、シリコンダイアフラムの厚肉部に、
熱膨張係数がシリコンと略同じガラス（３，５Ｘ １０
−’ ／ ℃’）によってシリコン基台を接合するよう
にしたので、圧力導入室とその外側との気密性が確保さ
れるばかりでなく、センサの機械的強度が高まりさらに
、ダイアフラムのシリコン基台とは反対側の面には、ス
ルーホール電極のついた硼珪酸ガラスを静電接合するよ
りにしたので、空隙を正確に作成することができる利点
が得られるものである。また、この発明によるセンサの
構成材料を全てシリコンに極めて近い熱膨張係数をもつ
材料としたＮめ、温度特性も極めて良好となる効果がも
たらされるものである。
熱膨張係数がシリコンと略同じガラス（３，５Ｘ １０
−’ ／ ℃’）によってシリコン基台を接合するよう
にしたので、圧力導入室とその外側との気密性が確保さ
れるばかりでなく、センサの機械的強度が高まりさらに
、ダイアフラムのシリコン基台とは反対側の面には、ス
ルーホール電極のついた硼珪酸ガラスを静電接合するよ
りにしたので、空隙を正確に作成することができる利点
が得られるものである。また、この発明によるセンサの
構成材料を全てシリコンに極めて近い熱膨張係数をもつ
材料としたＮめ、温度特性も極めて良好となる効果がも
たらされるものである。
第１図はこの発明の実施例を示す断面図、第２図はこの
発明の第２の実施例を示す断面図、第３図はこの発明の
第３の実施例を示す断面図、第４図はこの発明の第４の
実施例を示す断面図、第５図は従来例を説明するための
断面図である。 符号説明 １・・・・・・シリコンダイアフラム゛、２・・・・・
・ガラス基台、３・・・・・・金属パッド、４・・・・
・・電極、訃・・−・・ＩＪ−ド線、６，１０・・・・
・・接合層、７・・・・・・金属パイプ、８・・・・・
・接合部、９・・・・・・シリコ／基台、１１・・・・
・・測定電極、１２・・・・・・リファレンス（標準）
電極、１５・・・・・・測定室。 代理人 弁理士 並 木 昭 夫 代理人 弁理士 松 崎 清 第■図 第２図 第 ′Ｉ 図 第 ４ ＩＡ
発明の第２の実施例を示す断面図、第３図はこの発明の
第３の実施例を示す断面図、第４図はこの発明の第４の
実施例を示す断面図、第５図は従来例を説明するための
断面図である。 符号説明 １・・・・・・シリコンダイアフラム゛、２・・・・・
・ガラス基台、３・・・・・・金属パッド、４・・・・
・・電極、訃・・−・・ＩＪ−ド線、６，１０・・・・
・・接合層、７・・・・・・金属パイプ、８・・・・・
・接合部、９・・・・・・シリコ／基台、１１・・・・
・・測定電極、１２・・・・・・リファレンス（標準）
電極、１５・・・・・・測定室。 代理人 弁理士 並 木 昭 夫 代理人 弁理士 松 崎 清 第■図 第２図 第 ′Ｉ 図 第 ４ ＩＡ
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １）シリコン基板の中央部両面を加工除去してその中央
部を薄肉その外周部を厚肉にしたダイアフラムと、導圧
口を有する厚肉シリコン基台と、スルーホール電極をも
つ絶縁基板とからなり、前記ダイアプラムの一面にはそ
の厚肉部と前記絶縁基板を静電接合して測定室を形成す
る一方、他面にはその厚肉部と前記シリコン基台を接合
層により気密接合するとともに該シリコン基台に金属パ
イプを接合層により気密接合して前記導圧口に接続して
なることを特徴とする静電容量式圧力センサ。 ２）前記シリコンダイアフラムからのリード線取り出し
部と、絶縁基板のスルーホール電極からのリード線取り
出し部とを略同一平面上に形成してなることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項に記載の静電容量式圧力センサ
。 ３）前記ダイアフラム部と対向する絶縁基板に２つのス
ルーホール電極を形成し、その一方を主電極、他方を標
準電極とすることを特徴とする特許請求の範囲第１項ま
たは第２項のいずれか一方に記載の静電容量式圧力セン
サ。 ４）前記主電極のみをダイアフラム薄肉部と対向して配
置することを特徴とする特許請求の範囲第３項に記載の
静電容量式圧力センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8849484A JPS60233863A (ja) | 1984-05-04 | 1984-05-04 | 静電容量式圧力センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8849484A JPS60233863A (ja) | 1984-05-04 | 1984-05-04 | 静電容量式圧力センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60233863A true JPS60233863A (ja) | 1985-11-20 |
Family
ID=13944363
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8849484A Pending JPS60233863A (ja) | 1984-05-04 | 1984-05-04 | 静電容量式圧力センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60233863A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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