JPWO2005003711A1 - 水晶式圧力センサ、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

タッチモード容量型圧力センサにおいて、水晶を圧力センサの検出片として利用することにより、シリコン製の検出片を用いた圧力センサの欠点であったエッチング精度が低いことによるダイヤフラムの厚みコントロールの困難化、それによる検出精度の低下、及び弾性変形における繰り返し再現性の悪さ、を夫々解消することができる水晶式圧力センサを提供する。絶縁材料から成る底板と、該底板の面上に順次積層された下部電極膜及び誘電体膜と、該誘電体膜と対向する位置に薄肉部を備えるとともに底板の面上に固定された検出片と、該薄肉部の少なくとも一部に形成され且つ下部電極膜と対向する位置関係にある上部電極膜と、を備え、該検出片の下面と該誘電体膜との間に微小ギャップの気密空間を備えた圧力センサにおいて、前記検出片は、水晶材料から成ることを特徴とする。

Description

本発明は圧力センサの改良に関し、シリコン材料から構成されていた検出片を水晶板にて構成することにより、信頼性を高めることを可能とした水晶式圧力センサ、及びその製造方法に関する。

自動車等の車両に装備されるタイヤの空気圧を圧力センサにより検出して異常発生時に警告を発するタイヤ圧モニタリングシステムが従来から知られている。
自動車等のゴムタイヤ内に装備されて空気圧を測定する空気圧センサとして、特開２００１−１７４３５７公報には、セラミクスから成るダイヤフラムとセラミクスから成るベースとを接合し、両者間に形成される隙間内の静電容量変化を圧力に変換する技術が開示されている。しかし、セラミクスを検出片として使用した空気圧センサは、検出精度の点で問題があり改善が望まれている。
このような不具合を有さない空気圧センサとして、最近では図７に示すようにシリコン（Ｓｉ）から成る検出片を用いたタッチモード容量型圧力センサが注目されている。この圧力センサは、ガラス板１００上に電極膜１０１、誘電体薄膜１０２、電極膜１０３、及びシリコン製の検出片１０４を組み付けた構成を備えている。この圧力センサは、圧力によって検出片１０４の薄肉部（ダイヤフラム）１０４ａが変形して誘電体薄膜１０２に直接接触することによって生じる静電容量変化を圧力検出に利用している。この種の空気圧センサは、例えば電気学会論文誌Ｅ．１２３巻、２００３年「タイヤ圧モニタリングシステム用タッチモード容量型圧力センサ」に開示されている。
特開２００１−１７４３５７公報 電気学会論文誌Ｅ．１２３巻、２００３年「タイヤ圧モニタリングシステム用タッチモード容量型圧力センサ」

シリコン製の検出片を用いた空気圧センサにあっては、シリコンウェハのダイヤフラム１０４ａの肉厚を３μｍ程度までエッチングによって薄く加工する必要があるばかりでなく、ダイヤフラム１０４ａと誘電体薄膜１０２との間のギャップを３μｍ程度の極小寸法に設定する必要がある。
上記公報にも記載されているように、ダイヤフラム１０４ａを形成する手順は、シリコンウェハの一方の面に対してボロンをドープし、ウェハの他方の面からエッチングを施すとエッチングが進行して、ボロンをドープした層に達すると、エッチングが停止する。つまり、ボロンをドープしたことにより形成された改質層の厚味がダイヤフラムの厚味となる。しかし、ボロンのドープ層の厚さ、即ちダイヤフラム１０４ａの厚さは、例えばボロンのドーピング時間を管理することで制御せざるを得ず、その為、製造条件等のばらつきの影響によるボロンのドーピングスピードの変化が生じた場合であっても、これを考慮した制御ができないために固体間での差が大きなものとなってしまい、その結果として、空気圧センサとしての製造ばらつきが大きくなる。また、シリコン材料はＱ値が高くないため、弾性変形の繰り返し再現性の点でも問題である。これを更に詳述すると、ダイヤフラム式圧力センサの場合、ダイヤフラムが撓むことにより静電容量が変化するため、固体間で静電容量の変化量を均一にするには、ダイヤフラムの撓み特性を均一にするようダイヤフラムを加工する際に高精度な厚さ制御が欠かせない。
更に、タッチモード式容量型圧力センサの場合は、底板と接触するダイヤフラムの可動部に応力が集中して発生するため、センサ精度のみならず所望のレベルの機械的強度を保つ為にもダイヤフラムを加工する際のより高精度な厚さ制御が欠かせない。
この点において、特にシリコンを使用したタッチモード容量型圧力センサの場合には、加工中の正確な厚さ計測、及びコントロールが不可能であるから、ダイヤフラムの厚味差が固体間で大きくなり、結果的に歩留まりの悪化、小型化に限界等の問題が生じる。即ち、圧力センサの小型化を進める場合には、ダイヤフラムの可動部の面積が減少する一方で、圧力感度特性を維持する必要があるから、ダイヤフラムの可動部の薄型化が必要となり、より高いダイヤフラムの加工精度が必要となる。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、タッチモード容量型圧力センサにおいて、従来、検出片を構成する素材として利用されたことが無く、しかもその有用性を当業者さえ気づくことがなかった素材である水晶（特に、ＡＴカット）を圧力センサの検出片として利用することにより、シリコン製の検出片を用いた圧力センサの欠点であったエッチング精度が低いことによるダイヤフラムの厚みコントロールの困難化、それによる検出精度の低下、及び弾性変形における繰り返し再現性の悪さ、を夫々解消することができる水晶式圧力センサを提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、絶縁材料から成る底板と、該底板の面上に順次積層された下部電極膜及び誘電体膜と、該誘電体膜と対向する位置に薄肉部を備えるとともに底板の面上に固定された検出片と、該薄肉部の少なくとも一部に形成され且つ下部電極膜と対向する位置関係にある上部電極膜と、を備え、該上部電極膜と該誘電体膜との間に微小ギャップの気密空間を備えた圧力センサにおいて、前記検出片は、水晶材料から成ることを特徴とする。
本発明では、検出片の材料として、従来使用されていたシリコンに代えて、水晶を使用しているため、次のような優位性を有している。即ち、水晶はシリコンに比べて物性的に安定した素材であり、経年変化が少なく、機械変形による再現性が高い（ヒステリシスが少ない）。また、水晶によれば、ダイヤフラムとしての薄肉部１０ａの肉厚を厳密に管理することが容易であり、個片毎に薄肉部の肉厚差のない均一板厚のダイヤフラムを得ることができる。
請求項２の発明は、絶縁材料から成る底板と、該底板の面上に積層された下部電極膜と、該下部電極膜と対向する位置に薄肉部を備えるとともに底板の面上に固定された検出片と、該薄肉部の少なくとも一部に形成され且つ下部電極膜と対向する位置関係にある上部電極膜と、を備え、該上部電極膜と該下部電極膜との間に微小ギャップの気密空間を備えた圧力センサにおいて、前記検出片は、水晶材料から成ることを特徴とする。
誘電体膜を用いずに本発明の圧力センサを構成することもできる。この場合には、検出片を構成する水晶の薄肉部が誘電体膜とダイヤフラムを兼ねることとなる。
請求項３の発明は、請求項１又は２において、前記気密空間は、前記検出片下面の一部に形成した凹陥部、或いは前記絶縁板の面上に形成した凹所によって形成されることを特徴とする。
気密空間は、薄肉部と底板との間に形成される微小ギャップであるが、この気密空間は検出片下面に形成した凹陥部、或いは底板に形成した凹所によって形成することができる。

請求項４の発明は、絶縁材料から成る底板の面上に順次積層された下部電極膜及び誘電体膜と、薄肉部及び該薄肉部を包囲する厚肉部から成る検出片と、該検出片の薄肉部下面の少なくとも一部に形成された上部電極膜と、を備え、該検出片の厚肉部下面を上部電極膜を介して底板面上に密着固定することにより薄肉部と底板との間に微小ギャップの気密空間を形成した圧力センサにおいて、前記検出片は、水晶材料から成ることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１乃至４において、前記底板は、水晶材料から成ることを特徴とする。
請求項６の発明は、下部電極膜を兼ねる導体から成る底板の面上に積層された誘電体膜と、薄肉部及び該薄肉部を包囲する厚肉部から成る検出片と、該検出片の薄肉部の下面又は上面の少なくとも一部に形成された上部電極膜と、を備え、該検出片の厚肉部下面を底板面上に密着固定することにより薄肉部と底板との間に微小ギャップから成る気密空間を形成した圧力センサにおいて、前記検出片は、水晶材料から成ることを特徴とする。
底板を導体にて構成することにより、下部電極膜を省略してもよい。
請求項７の発明では、請求項１乃至６の何れか一項に記載の検出片は、薄肉部の平坦面側主面を底板面と対向配置されていることを特徴とする。
検出片の一方の主面が平坦面で、他方の主面が非平坦面である場合、平坦面側を底板上面と対向させることにより気密空間を形成することが容易となる。

請求項８の発明では、請求項１乃至７において、前記検出片は、水晶板をエッチングにより薄く加工することによって薄肉部を形成したものであることを特徴とする。
水晶材料の加工においては、エッチングによって肉厚を微細にコントロールすることが可能である。
請求項９の発明は、請求項１乃至８において、前記検出片と前記底板とが同一種類の水晶材料から成り、検出片と底板の結晶軸を一致させるように底板上に検出片を接合したことを特徴とする。
使用材料のみならず、結晶軸までも一致させることにより温度変化に対する特性を厳密に一致させることが可能となる。
請求項１０の発明は、請求項１乃至９において、前記水晶式圧力センサは、タッチモード容量型圧力センサであることを特徴とする。
シリコン等の半導体材料に比して、水晶は、肉厚の加工精度が極めて高く、所望の肉厚を有した検出片の製造が可能である。このため、薄肉部の厚さ精度を高くする必要性のあるタッチモード容量型圧力センサにおいて水晶材料は優れた利便を提供する。
請求項１１の発明は、請求項１乃至１０において、非測定時に、前記検出片の薄肉部、或いは上部電極膜は、前記誘電体膜、或いは底板面に接触した状態にあることを特徴とする。
タッチモード容量型圧力センサにおいて、非測定時に薄肉部が底板側から離間している場合には、初期の測定状態にばらつきが発生するが、当初から接触させていれば、測定当初から安定した精度で測定することができる。
請求項１２の発明は、請求項１１において、前記気密空間は、真空状態であることを特徴とする。
気密空間内に空気が存在しない真空状態の方が、熱による気体の膨張などによる悪影響を解消できる。

請求項１３の発明は、請求項１乃至１２において、前記検出片は、板厚調整によって共振周波数を制御することができるカットアングルを有した水晶材料から構成されることを特徴とする。
薄肉部の固有の振動周波数に基づいて、その肉厚を正確に測定することができるので、加工精度を向上し、歩留まりを高めることができる。
請求項１４の発明では、請求項１３に記載の水晶材料は、厚味すべり振動モード、或いは厚味縦モードを有する水晶材料から成ることを特徴とする。
請求項７に記載された水晶材料の例として、厚味すべり振動モード、或いは厚味縦モードを有する水晶材料を例示することができる。
請求項１５の発明は、請求項１乃至１４において、前記検出片は、ＡＴカット水晶板から構成されていることを特徴とする。
ＡＴカット水晶板は、ウエットエッチング等により加工した場合に、可動部に厚味差が生じるが、薄肉部の厚味を周波数換算することにより制御できるので便利である。
請求項１６の発明は、請求項１３乃至１５の何れか一項に記載の水晶式圧力センサの製造方法であって、前記薄肉部の厚さを周波数換算して確認する工程を備えたことを特徴とする。
請求項１７の発明は、請求項１０乃至１２において、検出片を構成する水晶板として、水晶板面の法線が水晶結晶Ｚ軸方向にほぼ一致するカットアングルの水晶板を使用したタッチモード式圧力センサであることを特徴とする。

本発明によれば、容量型圧力センサにおいて、従来、検出片を構成する素材として利用されたことが無く、しかもその有用性を当業者さえ気づくことがなかった素材である水晶（特に、ＡＴカット）を圧力センサの検出片として利用することにより、シリコン製の検出片を用いた圧力センサの欠点であったダイヤフラムの厚みコントロールの困難化、それによる検出精度の低下、及び弾性変形における繰り返し再現性の悪さ、を夫々解消することができる水晶式圧力センサを提供することができる。
即ち、請求項１、４、５の発明では、検出片の材料として、従来使用されていたシリコンに代えて、水晶を使用しているため、次のような優位性を有している。即ち、水晶はシリコンに比べて物性的に安定した素材であり、経年変化が少なく、機械変形による再現性が高い（ヒステリシスが少ない）。また、水晶によれば、ダイヤフラムとしての薄肉部１０ａの肉厚を厳密に管理することが容易であり、個片毎に薄肉部の肉厚差のない均一板厚のダイヤフラムを得ることができる。
請求項２の発明では、誘電体膜を用いずに本発明の圧力センサを構成することができる。この場合には、検出片を構成する水晶の薄肉部が誘電体膜とダイヤフラムを兼ねることとなる。
請求項３の発明では、気密空間は、薄肉部と底板との間に形成される微小ギャップであるが、この気密空間は検出片下面に形成した凹陥部、或いは底板に形成した凹所によって形成することができる。
請求項６の発明では、底板を導体にて構成することにより、下部電極膜を省略することができる。
請求項７の発明では、検出片の一方の主面が平坦面で、他方の主面が非平坦面である場合、平坦面側を底板上面と対向させることにより気密空間を形成することが容易となる。
請求項８の発明では、水晶材料の加工において、エッチングによって肉厚を微細にコントロールすることが可能である。
請求項９の発明では、使用材料のみならず、結晶軸までも一致させることにより温度変化に対する特性を厳密に一致させることが可能となる。
請求項１０の発明では、水晶式圧力センサは、タッチモード容量型圧力センサである。シリコン等の半導体材料に比して、水晶は、肉厚の加工精度が極めて高く、所望の肉厚を有した検出片の製造が可能である。このため、薄肉部の厚さ精度を高くする必要性のあるタッチモード容量型圧力センサにおいて水晶材料は優れた利便を提供する。
請求項１１の発明では、タッチモード容量型圧力センサにおいて、非測定時に薄肉部が底板側から離間している場合には、初期の測定状態にばらつきが発生するが、当初から接触させていれば、測定当初から安定した精度で測定することができる。

請求項１２の発明では、気密空間内に空気が存在しない真空状態の方が、熱による気体の膨張などによる悪影響を解消できる。
請求項１３の発明では、薄肉部の固有の振動周波数に基づいて、その肉厚を正確に測定することができるので、加工精度を向上し、歩留まりを高めることができる。
請求項１４の発明では、請求項７に記載された水晶材料の例として、厚味すべり振動モード、或いは厚味縦モードを有する水晶材料を例示することができる。
請求項１５の発明では、ＡＴカット水晶板は、ウエットエッチング等により加工した場合に、可動部に厚味差が生じるが、薄肉部の厚味を周波数換算することにより制御できるので便利である。
請求項１６の発明では、薄肉部の厚さを周波数換算して確認する工程を備えたので、薄肉部の厚味を精度よく制御できる。
請求項１７の発明は、請求項１０乃至１２において、検出片を構成する水晶板として、水晶板面の法線が水晶結晶Ｚ軸方向にほぼ一致するカットアングルの水晶板を使用するので、加工が容易となる。

以下、本発明を図面に示した実施の形態により詳細に説明する。
図１（ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施形態に係るタッチモード容量型圧力センサの全体構成を示す縦断面図、及びそのＡ−Ａ断面図である。
このタッチモード容量型圧力センサ（以下、圧力センサ、或いはタッチモード式圧力センサという）１は、セラミック等の絶縁体から成る容器２０内に収容された構成を備えている。セラミック容器２０は、底板２１と、底板２１の周縁から立ち上がった４つの側壁２２と、側壁２２によって形成される上部開口に固定され且つ通気孔２３ａを備えた上蓋２３と、から概略構成されている。
但し、側壁２２、及び上蓋２３は必須ではなく、底板２１上に検出片１０等を組み付けた構造であっても、十分に実用に供し得る。
このようにセラミック容器２０内に収容された状態の圧力センサ１は、自動車等の車両のタイヤ内の適所にトランスポンダーに組み付けられた状態で固定配置されて使用される。トランスポンダーは、アンテナコイルを備え、車両側のアンテナから出力された電磁波によってアンテナコイルに誘起される電流によって圧力センサを作動させ、測定された圧力情報を電磁波として車両側へ出力する。タイヤ内の空気圧は、上蓋２３の開口２３ａを介して容器２０内の圧力センサ１の薄肉部１０ａに加わり、基準圧として例えば大気圧に設定された気密空間Ｓ内の圧力を越えた圧力が加わった場合に薄肉部１０ａを撓み変形させる。
この圧力センサ１は、セラミック容器２０の底板（絶縁板）２１の面上に下部電極膜２を介して密着積層された誘電体膜３と、薄肉部１０ａ、該薄肉部１０ａを包囲する厚肉部１０ｂを備えた検出片１０と、検出片１０の薄肉部１０ａ下面から厚肉部１０ｂにかけて形成された上部電極膜１１と、を備え、検出片１０の厚肉部下面を上部電極膜１１を介して絶縁体２１面上に密着固定することにより薄肉部１０ａに相当する凹陥部１０Ａを気密空間Ｓとしている。
底板２１と、下部電極膜２と、誘電体膜３とは、ベース板を構成している。
本発明の圧力センサ１の特徴的な構成は、検出片１０を水晶等の圧電材料、特に、厚味すべり振動モード、或いは厚味縦モードを有する圧電材料板、例えばＡＴカット水晶板から構成した点にある。
この実施形態では、気密空間Ｓを形成するために、薄肉部１０ａに相当する検出片１０の下面を凹陥部１０Ａとしているが、後述するようにこれは一例であり、要するに誘電体膜３と薄肉部１０ａ下面の上部電極膜１１との間に微小ギャップ（３μｍ程度）を形成して気密空間とすることができれば、どのような構成であっても差し支えない。

この実施形態では、セラミック等の絶縁板２１の上面に設けた下部電極膜２から容器外へ引き出し電極２ａを延長形成する一方で、検出片１０の下面に形成した上部電極１１からも容器外へ引き出し電極１１ａを延長形成する。両引き出し電極２ａ、１１ａから通電し、気密空間及び誘電体膜３を介して対向配置された上下電極膜１１、２間の容量値の変化にもとづいて外部の圧力を算出することが可能となる。
即ち、コンデンサの容量値Ｃは、次式
Ｃ＝ε・（Ｓ／ｄ）（ε：誘電体の誘電率、Ｓ：電極の面積、ｄ：電極の間隔）
で表される。
つまり、電極膜２、１１間の間隔ｄを狭く（広く）設定すると、容量値Ｃが大きく（小さく）なる。一方、対向する２つの電極膜の対向面積を大きくすると、容量値Ｃが大きく（小さく）なるという性質を有する。
上記のごとき構成を備えたタッチモード式圧力センサ１を容器２０内に組み込んだ状態で大気中に配置すると、気密空間Ｓ内は大気圧と同様の気圧に設定されている。外部の気圧が気密空間Ｓ内の気圧と同じ場合には、図２（ａ）に示すように、気密空間内の気圧は外気と釣合っているためダイヤフラムとしての薄肉部１０ａは変形しない。一方、外部の気圧が気密空間内気圧よりも高くなった場合には、図２（ｂ）に示すように薄肉部１０ａは変形して誘電体膜３に近接する。図２（ｃ）（ｄ）は、外部圧力の多寡に応じて、薄肉部１０ａと誘電体膜３との接触面積Ｓが変化する状態を示しており、（ｃ）に示した接触面積Ｓ１の時と、（ｄ）に示した接触面積Ｓ２の時（Ｓ１＜Ｓ２）の容量値Ｃ１、Ｃ２とを比較すると、
接触面積がＳ１の場合には、Ｃ１＝ε・（Ｓ１／ｄ）となり、
接触面積がＳ２の場合には、Ｃ２＝ε・（Ｓ２／ｄ）となる。
このように外部圧力が、気密空間Ｓの圧力（大気圧）よりも大きくなると、薄肉部１０ａ（ダイヤフラム）が変形し、上部電極膜１１が誘電体膜３と接触するので、このときの上部電極膜１１と誘電体膜３との接触面積の変化を容量値として検出して圧力をセンシングすることが可能となる。
なお、図１、図２に示した圧力センサ１は、底板２１として絶縁板としてのセラミックを用いたが、絶縁板としてはセラミック以外にも、ガラス、水晶、その他あらゆる材料を用いることができる。底板２１として水晶材料を用いた場合には、検出片１０を構成する水晶材料と熱膨張係数が一致するため、熱歪みによる悪影響を無くす利点がある。そして、このような底板２１とダイヤフラムとを有する圧力センサ１をセラミック等からなるパッケージ内に収納してもよい。
また、底板２１として絶縁材料に代えて、金属等の導電材料を用いることもできる。この場合には、底板上に下部電極膜２を形成せずに、導電体としての底板２１自体を下部電極として利用することができる。

次に、図３は本発明の圧力センサの変形実施形態を示す断面図であり、この実施形態では、底板２１として０．２５ｍｍ程度の肉厚の水晶板を用い、この水晶製底板２１の上面に設けた凹所５を覆うように、水晶製の検出片１０を底板上面にエポキシ接着剤等の接着剤６によってシーリングして密着固定している。従って、凹所５内は深さ３μｍ程度の気密空間Ｓとなっている。凹所５の内壁を含む底板２１面にはＣｕ−Ａｌ等から成る下部電極膜２を形成し、下部電極膜２の一端部に導電性接着剤７を塗布して電気端子としている。また、上部電極膜１１の一端寄りにも導電性接着剤１２を塗布して電気端子とする。
なお、この実施形態では、水晶板である検出片１０の上面にのみ凹陥部１０Ａを形成して下面を平坦面として５μｍ程度の薄肉の薄肉部１０ａを形成し、薄肉部１０ａの外周を厚肉部１０ｂにて支持している。検出片１０の上面には、Ｃｕ−Ａｌ等から成る上部電極膜１１を成膜している。この実施形態では、誘電体膜を格別に設けておらず、水晶から成る薄肉部をダイヤフラムとして利用すると同時に誘電体膜としても兼用している点が特徴的である。即ち、外部気圧が気密空間Ｓ内の気圧を上回った場合に、薄肉部１０ａが下方に撓んでその平坦な下面が下部電極膜２に接触したときの薄肉部下面と下部電極膜２との接触面積の変化を容量値として検出して外部圧力をセンシングすることが可能となる。
上記実施形態では、底板２１の面上に凹所５を形成し、検出片１０の下面を平坦面としたが、これとは逆に底板２１の面上を平坦面とし、対向する検出片１０の下面に凹陥部を形成してもよい。
なお、上記実施形態では、格別の誘電体膜を配置せずに、薄肉部を構成する水晶板を誘電体として利用したが、凹所５内の下部電極膜２上に水晶以外の誘電体材料から成る格別の誘電体膜を配置し、常時に於いては薄肉部下面と誘電体膜との間が非接触となるように構成した圧力センサとしてもよい。

図４は図３の実施形態に係るタッチモード容量型圧力センサの特性を示すグラフであり、縦軸には測定された容量値（ｐＦ）を示し、横軸には各容量値に対応した外部圧力を示している。この表からも明らかなように本実施形態によれば高い感度で外部圧力を測定できる。

次に、図５は本発明の他の実施形態に係るタッチモード容量型圧力センサの断面図であり、この圧力センサ１は、セラミック、ガラス、水晶等の絶縁材料から成る厚さ０．２５ｍｍ程度の底板２１の上面に形成した凹所５（深さ３μｍ程度）を塞ぐように、上面に凹陥部を有し且つ下面が平坦な水晶製の検出片１０を配置して接着剤６により気密封止した構成を備える。検出片１０は、上面に凹陥部を有し、凹陥部底部を薄肉部１０ａとした構成を備えている。薄肉部１０ａの底面には、上部電極膜１１が形成され、この上部電極膜１１は底板２１上に設けた他の電極膜８（下部電極膜２とは電気的に隔離）と電気的に接続されている。底板２１の上面から凹所５の内壁及び内底面にかけて下部電極膜２が成膜され、凹所内底面の下部電極膜上にはＳｉＯ_２等の誘電体膜３（厚さ２０００〜５０００Å）が検出片の下面と非接触状態で配置されている。従って、検出片１０の下面の上部電極１１と誘電体は気密空所Ｓ内の誘電体膜３と所定のギャップを隔てて対向している。更に、誘電体膜２の下方には下部電極膜２が位置している。
以上の構成に於いて、外部気圧が気密空間Ｓ内の気圧を上回った場合に、薄肉部１０ａが下方に撓んで上部電極１１の下面が誘電体膜３に接触したときの上部電極１１と誘電体膜３との接触面積の変化を容量値として検出して外部圧力をセンシングすることが可能となる。

上記した本発明の各実施形態に共通する構成上の特徴は、検出片１０の材料としてシリコンに代えて、水晶を使用した点にあり、本発明の優位性は次の点にある。
まず、水晶は、シリコンに比べて物性的に安定した素材であり、経年変化が少なく、機械変形による再現性が高い（ヒステリシスが少ない）。
次に、水晶によれば、ダイヤフラムとしての薄肉部１０ａの肉厚を厳密に管理することが容易である。即ち、薄肉部を目標肉厚に加工するためには、まず水晶板に対するエッチングによって薄肉部１０ａを形成した後で、薄肉部１０ａに通電して薄肉部の厚味に基づく固有周波数を測定することにより目標周波数（目標肉厚）と比較する。目標周波数と一致しない場合には、目標周波数に達するまで微調エッチングを行う。その結果、個片毎に薄肉部の肉厚差のない均一板厚のダイヤフラムを得ることができる。
要するに、特に高い寸法精度が必要なタッチモード容量型圧力センサの検出片に使用する材料としては、薄肉部の厚味制御の容易性、加工性の点からして、水晶が最も適しているということができる。因みに、シリコン等の半導体材料から成る検出片における薄肉部の加工方法では、一方の表層からボロンをドーピングしたシリコン板を用い、その反対面側からのエッチングによってシリコン部分だけを除去してボロンドーピング層を薄肉部として残す工程が実施される。しかし、ボロンをドーピングする際にドーピング層の層厚を正確に制御することが不可能であるため、エッチング後に残留するボロンドーピング層の膜厚にばらつきが生じる。これに対して、水晶板を用いる場合には、ドーピングを行うことなく、エッチングのみで高い精度で薄肉部の厚さを制御できるので、水晶板はタッチモード式圧力センサに最適の素材であると言うことができる。
なお、水晶等の圧電材料の薄肉部１０ａの肉厚を微調整するためにその固有周波数を測定する技術は、例えば特開平０６−０２１７４０号公報に開示されているように、本出願人による超薄板圧電振動子の加工技術として周知であり、この技術をそのまま応用することができる。

次に、検出片１０を、板厚によって共振周波数を制御することができるカットアングルを有した水晶材料から構成した場合には、加工時に薄肉部の共振周波数に基づいて薄肉部の肉厚を正確に測定することが可能となる。即ち、従来は薄肉部の肉厚を、光学測定、或いは測量方法にて行っていたため、誤差が大きく製品の特性にばらつきが発生していたが、板厚によって共振周波数を制御できる特性を利用することにより肉厚を周波数換算により確認しながら制御することが可能となり、正確性を期することが可能となる。
例えば、検出片１０を、厚味すべり振動モードを有する圧電材料板から構成した場合、及び厚味縦モードを有する圧電材料板から構成した場合には、薄肉部の共振周波数に基づいて薄肉部の肉厚を正確に測定することが可能となる。つまり、厚味すべり特性、或いは厚味縦モード特性を利用することにより、肉厚を周波数換算することが可能となり、正確性を期することが可能となる。
特に、ウエットエッチング、ドライエッチング等のエッチング法によって薄肉部を加工する場合に、薄肉部の肉厚を周波数換算する測定方法を利用することにより、所望の薄い肉厚を有した薄肉部を形成することが可能となる。即ち、厚味すべり特性を有した圧電材料を使用して検出片を製造する場合には、薄肉部１０ａの厚さを周波数換算して確認する工程を実施することが、加工精度の向上による歩留まり改善を実現する上で好ましい。

厚みすべり振動モード、或いは厚味縦モードを有する圧電材料板のように、板厚によって共振周波数を制御することができるカットアングルである水晶材料から構成した場合には、どのような圧電材料であっても適用することができるが、代表的な一例として、ＡＴカット水晶板を例示することができる。
また、検出片１０と底板２１とを同一種類の圧電結晶材料から構成し、検出片と底板の結晶軸を一致させるように底板上に検出片を接合することにより、単に同質材料を用いるとした場合よりも、両者の熱膨張特性を厳密に一致させることができ、圧力センサの性能を安定させることができる。
なお、本発明の圧力センサは、底板上の誘電体膜と検出片の薄肉部との接触面積に基づいて圧力を測定するタッチモード式圧力センサのみならず、タッチモード以外のギャップ式圧力センサ（ダイヤフラムと底板との間隔を基に静電容量を制御するもの）に適用することも可能である。即ち、厚味滑りモードを有する圧電材料にて検出片を形成する場合には、薄肉部１０ａの厚さを高精度に設定することができるため、タッチモード式圧力センサに適用することにより、固体間での電気的・機械的特性のばらつきを抑えることが可能となるが、厚味すべりモードを有する圧電材料にてギャップ式圧力センサの検出片を製造した場合にも、固体間での電気的・機械的特性のばらつきを抑えることができる。

上記実施形態では、気密空間Ｓ内を大気圧に設定することにより非測定時に検出片の薄肉部１０ａが誘電体膜等と非接触となる例を示したが、非測定時に、検出片の薄肉部１０ａ（上部電極膜１１）が、誘電体膜３、上部電極膜２、或いは底板２１面上に接触した状態となるように初期状態を設定してもよい。即ち、この場合には、気密空間Ｓ内の気圧を大気圧よりも低い気圧状態、例えば真空の状態とすることにより、圧力センサを大気圧中に配置した非測定時に、薄肉部１０ａを誘電体膜３、上部電極膜２、或いは底板２１上に接触させた状態とすることができる。
即ち、気密空間Ｓ内を大気圧に保持した場合には、空間内部の気体が周囲温度の変化によって膨張収縮を起こすため、薄肉部１０ａの初期位置がばらつきを起こす。このため、正確な測定が困難となる。気密空間Ｓ内を真空（大気圧よりも減圧した状態を広く含む）とした場合には、周囲温度の変化によって気密空間Ｓの膨張収縮が生じないので、ダイヤフラムは測定気圧の変化によってのみ動作し、特にタッチモードセンサであれば、外気圧によって薄肉部１０ａは常に底板側に変形した状態となり、誘電体膜３、或いは底板２１上面と接触した状態を初期状態として維持することとなる。
このように気密空間内を真空とすることにより、基準気圧値が絶対ゼロ気圧であるため、外気温度の変化によってずれが生じる余地が無くなり、感度、精度が安定する。また、薄肉部１０ａが底板側にタッチした状態で圧力測定がスタートするため、直線性に優れた感度の良い測定が可能となる。つまり、初期状態において薄肉部が底板から離間している場合には、外部圧力の変化によって薄肉部が底板側にタッチするまでの検出精度が悪くなる一方で、タッチした状態からスタートするようにすれば、そのような不具合が解消される。

これを更に詳述すると、上述の如く、コンデンサの容量値Ｃは、
Ｃ＝ε・（Ｓ／ｄ）（ε：誘電体の誘電率、Ｓ：電極の面積、ｄ：電極の間隔）
で表される。
タッチモード式圧力センサにおいては、例えば、大気圧以上の圧力を測定する場合には、基準圧力室としての気密空間Ｓ内を真空状態とすることにより、検出片の薄肉部を底板上面に近接又は接触させることが可能であり、その結果、低圧状態から高圧状態に亘って直線性に優れたセンサ感度特性を得ることが可能となる。つまり、電極間の間隔ｄが比較的大きい場合、圧力センサは、低圧状態では電極の間隔ｄの変化に対する容量値Ｃを検出し、その後、高圧状態となり薄肉部が底板面に接触し始める時期になると、電極の面積Ｓ（接触面積）の変化量に対する容量値Ｃを検出するように動作する。
この場合、電極の間隔ｄの変化に対する容量値Ｃの変化量が、電極面積Ｓの変化に対する容量値Ｃの変化量（単位圧力変化に対する容量値変化）と比較して小さい為、圧力変化に対する容量変化特性（センサ感度特性）が直線的でなくなる場合がある。従って、低圧状態から高圧状態に亘って直線性に優れたセンサ感度特性を得る場合には、気密空間Ｓを真空状態とすることで薄肉部を底板側へ撓ませて、上部電極膜と下部電極膜とを常に接触、又は近接状態となるように構成する必要がある。

次に、検出片１０を構成する材料として、比較的高い靱性を有する六方結晶構造体を備えた水晶材料を使用することも有効であろう。即ち、六方結晶構造を有する水晶板は、優れた靱性を有するため、振動体としても使用されており、検出片の特定部分（薄肉部）に応力が集中するタッチモード式圧力センサに適用するのに適した材料であろう。
また、透明体としての水晶によって検出片を構成すれば、光学的に薄肉部の厚さを高精度に測定することが可能となる。
一方、例えば、異方性を有したＡＴカット水晶板をウエットエッチングにより加工することによって薄肉部１０ａを有した検出片１０を製造する場合、図６（ａ）に示すように薄肉部１０ａの肉厚に厚味差が生じる。薄肉部１０ａにおける厚味差は、薄肉部厚さの平均値に換算される為、薄肉部の最も薄い部分１０ａ’よりも厚くなってしまう。従って、薄肉部１０を可能な限り薄く加工する必要がある場合であっても、エッチング加工の限界値まで加工することは不可能である。
これに対して、Ｚ軸水晶板（水晶板の主面の法線が水晶結晶軸Ｚの方向にあるもの）をウエットエッチングした場合には、エッチング面に対して異方性エッチングによるエッチング速度のばらつきが発生しにくく、図６（ｂ）に示すように薄肉部１０ａの肉厚を均一に、且つ機械的強度を保ちつつエッチング加工の限界値まで薄くすることが可能であるから、特にタッチモード式圧力センサへの適用に有効である。
尚、Ｚ水晶板は、厚味を周波数換算できるような振動特性がないので、厚味の確認方法としては、水晶板が透明であるという特徴を活かして光学的な測量を適用すればよい。
なお、本発明を凹形状のダイヤフラムを用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、平板形状のダイヤフラムを用いても良い。
なお、本発明の圧力センサは、タイヤ等の閉空間内の気体の圧力変化を測定する以外にも、流体一般の圧力測定に適用することができる。

（ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施形態に係るタッチモード容量型圧力センサの全体構成を示す縦断面図、及びそのＡ−Ａ断面図である。 （ａ）乃至（ｄ）は図１の圧力センサの動作説明図である。 本発明の他の実施形態に係る圧力センサの構成を示す断面図である。 図３の圧力センサの特性を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る圧力センサの構成を示す断面図である。 （ａ）は異方性を有した水晶材料から成る検出片の断面図、（ｂ）は本発明の実施形態に係る検出片の断面図である。 従来例の説明図である。

符号の説明

１ タッチモード容量型圧力センサ（圧力センサ）、２ 下部電極膜、３ 誘電体膜、５ 凹所、６ 接着剤、１０ 検出片、１０ａ 薄肉部、１０ｂ 厚肉部、１０Ａ 凹陥部、１１ 上部電極膜、２０ 容器、２１ 底板、２２ 側壁、２３ 上蓋。

Claims (17)

1. 絶縁材料から成る底板と、該底板の面上に順次積層された下部電極膜及び誘電体膜と、該誘電体膜と対向する位置に薄肉部を備えるとともに底板の面上に固定された検出片と、該薄肉部の少なくとも一部に形成され且つ下部電極膜と対向する位置関係にある上部電極膜と、を備え、該上部電極膜と該誘電体膜との間に微小ギャップの空間を備えた圧力センサにおいて、
   前記検出片は、水晶材料から成ることを特徴とする水晶式圧力センサ。
2. 絶縁材料から成る底板と、該底板の面上に積層された下部電極膜と、該下部電極膜と対向する位置に薄肉部を備えるとともに底板の面上に固定された検出片と、該薄肉部の少なくとも一部に形成され且つ下部電極膜と対向する位置関係にある上部電極膜と、を備え、該上部電極膜と該下部電極膜との間に微小ギャップの空間を備えた圧力センサにおいて、
   前記検出片は、水晶材料から成ることを特徴とする水晶式圧力センサ。
3. 前記気密空間は、少なくとも前記検出片下面の一部に形成した凹陥部、或いは前記底板の面上に形成した凹所によって形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の水晶式圧力センサ。
4. 絶縁材料から成る底板の面上に順次積層された下部電極膜及び誘電体膜と、薄肉部及び該薄肉部を包囲する厚肉部から成る検出片と、該検出片の薄肉部下面の少なくとも一部に形成された上部電極膜と、を備え、該検出片の厚肉部下面を底板面上に密着固定することにより薄肉部と底板との間に微小ギャップの気密空間を形成した圧力センサにおいて、
   前記検出片は、水晶材料から成ることを特徴とする水晶式圧力センサ。
5. 前記底板は、水晶材料から成ることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の水晶式圧力センサ。
6. 下部電極膜を兼ねる導体から成る底板の面上に積層された誘電体膜と、薄肉部及び該薄肉部を包囲する厚肉部から成る検出片と、該検出片の薄肉部の下面又は上面の少なくとも一部に形成された上部電極膜と、を備え、該検出片の厚肉部下面を底板面上に密着固定することにより薄肉部と底板との間に微小ギャップから成る気密空間を形成した圧力センサにおいて、
   前記検出片は、水晶材料から成ることを特徴とする水晶式圧力センサ。
7. 請求項１乃至６の何れか一項に記載の検出片は、薄肉部の平坦面側主面を底板面と対向配置されていることを特徴とする水晶式圧力センサ。
8. 前記検出片は、水晶板をエッチングにより薄く加工することによって薄肉部を形成したものであることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の水晶式圧力センサ。
9. 前記検出片と前記底板とが同一種類の水晶材料から成り、検出片と底板の結晶軸を一致させるように底板上に検出片を接合したことを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の水晶式圧力センサ。
10. 前記水晶式圧力センサは、タッチモード式であることを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載の水晶式圧力センサ。
11. 非測定時に、前記検出片の薄肉部、或いは上部電極膜は、前記誘電体膜、或いは底板面に接触した状態にあることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一項に記載の水晶式圧力センサ。
12. 前記気密空間は、真空状態であることを特徴とする請求項１１に記載の水晶式圧力センサ。
13. 前記検出片は、板厚調整によって共振周波数を制御することができるカットアングルを有した水晶材料から構成されることを特徴とする請求項１乃至１２の何れか一項に記載の水晶式圧力センサ。
14. 請求項１３に記載の水晶材料は、厚味すべり振動モード、或いは厚味縦モードを有する水晶材料から成ることを特徴とする水晶式圧力センサ。
15. 前記検出片は、ＡＴカット水晶板から構成されていることを特徴とする請求項１乃至１４の何れか一項に記載の水晶式圧力センサ。
16. 請求項１３乃至請求項１５の何れか一項に記載の水晶式圧力センサの製造方法であって、前記薄肉部の厚さを周波数換算して確認する工程を備えたことを特徴とする水晶式圧力センサの製造方法。
17. 前記水晶式圧力センサは、検出片を構成する水晶板として、水晶板面の法線が水晶結晶Ｚ軸方向にほぼ一致するカットアングルの水晶板を使用したタッチモード式圧力センサであることを特徴とする請求項１０乃至１２の何れか一項に記載の水晶式圧力センサ。

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