WO2020184206A1 - 圧力センサ - Google Patents

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WO2020184206A1
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亮介 丹羽
康一 吉田
Original Assignee
株式会社村田製作所
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
    • G01L9/0073—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance using a semiconductive diaphragm
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a pressure sensor for measuring pressure such as atmospheric pressure.
  • the capacitance type pressure sensor includes a flat base (base substrate), an insulating layer provided on the substrate, an internal electrode layer (fixed electrode) provided on the insulating layer, and the like.
  • a frame-shaped side wall provided in an insulating layer so as to surround the fixed electrode, and a diaphragm plate (membrane) facing the fixed electrode at intervals are provided.
  • the membrane is supported by the sidewalls. The pressure acting on the membrane is detected (calculated) based on the capacitance between the membrane and the fixed electrode.
  • the side wall portion is composed of a shield electrode provided on the insulating layer and an insulating layer on the membrane side provided on the shield electrode.
  • This shield electrode reduces the influence of capacitance (parasitic capacitance) on the side wall. As a result, the sensing sensitivity is improved and the linearity of the change in capacitance with respect to the change in pressure is improved.
  • the drive current supplied to the sensor to drive the sensor flows through the capacitance between the fixed electrode and the membrane and is shielded. It flows through the capacitance between the electrode and the membrane. That is, a part of the electric power supplied to the pressure sensor is consumed without being used for sensing.
  • the capacitance type sensor described in Patent Document 1 has a structure in which the distance between the shield electrode and the membrane and the distance between the fixed electrode and the membrane are the same. Therefore, if the thickness of the insulating layer on the side wall portion is increased, the distance between the fixed electrode and the membrane also increases. As a result, the capacitance between the fixed electrode and the membrane is also reduced, and the sensing sensitivity is lowered.
  • the capacitance between the shield electrode and the membrane is used without lowering the sensing sensitivity.
  • the challenge is to reduce power consumption.
  • the side wall portion includes a shield electrode arranged on the first insulating layer and a second insulating layer arranged on the shield electrode.
  • a pressure sensor is provided in which the distance between the fixed electrode and the membrane is smaller than the distance between the shield electrode and the membrane.
  • the capacitance between the shield electrode and the membrane is used without lowering the sensing sensitivity. Power consumption can be suppressed.
  • FIG. 1 Perspective view of the pressure sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 Sectional drawing of the pressure sensor which concerns on Embodiment 1 of this invention.
  • the figure which shows an example of the connection of a pressure sensor and an inverting amplifier circuit An exploded perspective view of the pressure sensor according to the second embodiment of the present invention.
  • Sectional drawing of the pressure sensor which concerns on Embodiment 3 of this invention Sectional view of the pressure sensor according to another embodiment of the present invention.
  • the pressure sensor according to one aspect of the present invention is provided on the base substrate, the first insulating layer provided on the base substrate, the fixed electrodes provided on the first insulating layer, and the first insulating layer. It has a side wall portion that surrounds the fixed electrode, and a membrane that is conductive, faces the fixed electrode at intervals, and is supported by the side wall portion, and the side wall portion is the first.
  • a shield electrode arranged on the insulating layer of the above and a second insulating layer arranged on the shield electrode are provided, and the distance between the fixed electrode and the membrane is the distance between the shield electrode and the membrane. Small compared to the distance between them.
  • the capacitance between the shield electrode and the membrane is used without lowering the sensing sensitivity. Power consumption can be suppressed.
  • the surface of the membrane on the base substrate side is provided so as to surround the first stepped surface facing the fixed electrode and the first stepped surface facing the fixed electrode and the membrane.
  • a multi-stage structure including at least a second step surface supported by the side wall portion, even if the second step surface is farther from the base substrate than the first step surface. Good.
  • the side wall portion has a rectangular frame shape having a longitudinal direction and a lateral direction in the facing direction, and the first stepped surface of the membrane is the facing direction. It may have a shape constricted in at least one of the longitudinal direction and the lateral direction.
  • the thickness of at least the central portion of the fixed electrode may be larger than the thickness of the shield electrode.
  • a dielectric layer may be provided on the surface of the fixed electrode facing the membrane.
  • the pressure sensor can be used as a touch mode type pressure sensor.
  • FIG. 1 is a perspective view of the pressure sensor according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is an exploded perspective view thereof
  • FIG. 3 is a sectional view thereof.
  • the XYZ Cartesian coordinate system shown in the figure is for facilitating the understanding of the present invention, and does not limit the invention.
  • the pressure sensor 10 is a capacitance type pressure sensor, and is a base substrate 12 and a first insulating layer 14 provided on the base substrate 12.
  • a fixed electrode 16 provided on the first insulating layer 14, a frame-shaped side wall portion 18 provided on the first insulating layer 14 so as to surround the fixed electrode 16, and a membrane supported by the side wall portion 18.
  • the base substrate 12 is a substrate made of an insulating material and provided with a conductor pattern, external connection terminals (not shown), and the like.
  • the base substrate 12 is a silicon substrate.
  • the first insulating layer 14 is a layer made of an insulating material, and is provided on the base substrate 12 so as to cover the surface of the base substrate 12 on the membrane 20 side.
  • the first insulating layer 14 is a silicon oxide (SiO 2 ) film produced by thermally oxidizing the surface of the base substrate 12 which is a silicon substrate.
  • the fixed electrode 16 is an electrode made of a conductive material and is provided on the first insulating layer 14. In the case of the first embodiment, the fixed electrode 16 is made of conductive polysilicon. Further, the fixed electrode 16 is electrically connected to the conductor pattern on the base substrate 12 via the via conductor 22 penetrating the first insulating layer 14.
  • the side wall portion 18 is a frame-shaped member provided on the first insulating layer 14, and is a first so as to surround the fixed electrode 16 when viewed in the opposite direction (Z-axis direction) between the fixed electrode 16 and the membrane 20. It is provided in the insulating layer 14 of the above. A space is provided between the side wall portion 18 and the fixed electrode 16.
  • the outer shape of the side wall portion 18 is rectangular when the fixed electrode 16 and the membrane 20 are viewed in opposite directions.
  • the side wall portion 18 also supports the membrane 20 so that the fixed electrode 16 and the membrane 20 face each other at a distance. That is, the thickness of the side wall portion 18 from the first insulating layer 14 is larger than the thickness of the fixed electrode 16.
  • the membrane 20 is a thin plate-shaped member made of a conductive material and having flexibility.
  • the membrane 20 is made of conductive silicon.
  • the membrane 20 includes a pressure receiving surface 20a on which the pressure to be sensed acts. Due to the pressure acting on the pressure receiving surface 20a, the diaphragm portion 20b, which is a portion of the membrane 20 not supported by the side wall portion 18, is displaced toward the fixed electrode 16.
  • the side wall portion 18 includes a shield electrode 24 and a second insulating layer 26.
  • the shield electrode 24 is arranged on the first insulating layer 14.
  • the shield electrode 24 is a frame-shaped electrode made of a conductive material. In the case of the first embodiment, it is made of conductive polysilicon as in the fixed electrode 16.
  • the shield electrode 24 is also manufactured by the same process as the fixed electrode 16. Specifically, a polysilicon film is formed over the entire first insulating layer 14. By forming an annular groove in the polysilicon film by etching or the like, the polysilicon film is processed into a fixed electrode 16 and a shield electrode 24 surrounding the fixed electrode 16. Therefore, the thickness of the fixed electrode 16 and the thickness of the shield electrode 24 are the same. The role of the shield electrode 24 will be described later.
  • the second insulating layer 26 is arranged on the shield electrode 24 and supports the membrane 20.
  • the second insulating layer 26 is a layer made of an insulating material.
  • the second insulating layer 26 is a silicon oxide (SiO 2 ) film formed by thermally oxidizing a membrane 20 made of conductive silicon.
  • the membrane 20 provided with the second insulating layer 26 is provided with the base substrate provided with the first insulating layer 14, the fixed electrode 16, and the shield electrode 24.
  • the pressure sensor 10 is manufactured. These are joined, for example, by fusion bonding.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of connection between the pressure sensor and the inverting amplifier circuit.
  • the pressure sensor 10 is used by being connected to, for example, an inverting amplifier circuit 30.
  • the inverting amplifier circuit 30 is composed of an amplifier 32 and a feedback circuit 34.
  • a fixed electrode 16 is connected to the inverting input terminal of the amplifier 32.
  • the feedback circuit 34 is, for example, a resistor having a predetermined impedance.
  • the membrane 20 is connected to the power supply 36.
  • the non-inverting input terminal of the amplifier 32 and the shield electrode 24 are grounded.
  • the pressure acting on the pressure receiving surface 20a of the membrane 20 that is, the voltage Vout corresponding to the distance between the fixed electrode 16 and the membrane 20 is output from the inverting amplifier circuit 30.
  • the pressure acting on the pressure receiving surface 20a changes, the distance between the fixed electrode 16 and the membrane 20 changes, and the capacitance between them changes.
  • the output voltage Vout of the inverting amplifier circuit 30 changes in response to the change in capacitance. Therefore, the pressure acting on the pressure receiving surface 20a of the membrane 20 can be calculated based on the output voltage Vout of the inverting amplifier circuit 30.
  • the inverting amplifier circuit 30 may be incorporated in the pressure sensor 10 or may be provided on a substrate on which the pressure sensor 10 is mounted.
  • the shield electrode 24 reduces the influence of the capacitance (parasitic capacitance) on the side wall portion 18, that is, the influence on the sensing performance of the pressure sensor 10.
  • the capacitance of the side wall portion 18 is likely to fluctuate due to changes in the surrounding environment.
  • the capacitance of the side wall portion 18 fluctuates, it affects the capacitance between the fixed electrode 16 and the membrane 20.
  • the sensing performance of the pressure sensor 10 related to the capacitance between the fixed electrode 16 and the membrane 20, for example, the sensing sensitivity and the linearity of the change in capacitance with respect to the change in pressure.
  • a grounded shield electrode 24 is provided on the side wall portion 18.
  • the change in capacitance in the side wall portion 18 is suppressed, the sensing sensitivity of the pressure sensor 10 is improved, and the linearity of the change in capacitance with respect to the change in pressure is improved.
  • the shield electrode 24 is provided on the side wall portion 18, the power consumption of the pressure sensor 10 increases.
  • a capacitance C1 is formed between the fixed electrode 16 and the membrane 20, and a capacitance C2 is also formed between the shield electrode 24 and the membrane 20.
  • the current supplied from the power supply 36 flows through the capacitance C1 and also flows through the capacitance C2. That is, a part of the electric power supplied from the power source 36 to the pressure sensor 10 is charged to the capacitance C2 and consumed without contributing to sensing.
  • the distance L1 between the fixed electrode 16 and the membrane 20 is set between the shield electrode 24 and the membrane 20. It is smaller than the distance L2.
  • the surface 20c of the membrane 20 on the base substrate 12 side (that is, the surface opposite to the pressure receiving surface 20a) has a multi-stage structure.
  • the surface 20c of the multi-stage membrane 20 includes a first step surface 20d facing the fixed electrode 16 and a second step surface 20e supported by the side wall portion 18.
  • the second step surface 20e surrounds the first step surface 20d in the facing direction (Z-axis direction) of the fixed electrode 16 and the membrane 20.
  • the second step surface 20e is farther from the base substrate 12 than the first step surface 20d.
  • the first step surface 20d has a rectangular shape when viewed in the opposite direction (Z-axis direction) between the fixed electrode 16 and the membrane 20.
  • the distance L1 between the fixed electrode 16 and the membrane 20 is the shield electrode 24 and the membrane 20 (that is, the second step). It is smaller than the distance L2 between the surface 20e). That is, the capacitance C1 between the fixed electrode 16 and the membrane 20 is larger than the capacitance C2 between the shield electrode 24 and the membrane 20 as compared with the case where the distance L1 is the same as the distance L2. Become. As a result, the amount of current flowing from the power supply 36 flowing through the capacitance C2 decreases and the amount of current flowing through the capacitance C1 increases as compared with the case where the distance L1 is the same as the distance L2.
  • the shield electrode is used without lowering the sensing sensitivity. It is possible to suppress the power consumption in the capacitance C2 between the 24 and the membrane 20.
  • the second embodiment is an improved form of the first embodiment described above. Therefore, in the pressure sensor according to the second embodiment, the same reference numerals are given to the components substantially the same as the components of the pressure sensor 10 according to the first embodiment described above. Further, the pressure sensor according to the second embodiment will be described with a focus on the points different from the first embodiment described above.
  • FIG. 5 is an exploded perspective view of the pressure sensor according to the second embodiment of the present invention. Further, FIG. 6 is a diagram showing the surface of the pressure sensor according to the second embodiment of the present invention on the base substrate side.
  • the first step surface 20d of the membrane 20 is rectangular in the facing direction (Z-axis direction) of the fixed electrode 16 and the membrane 20.
  • the first step surface 120d of the membrane 120 in the pressure sensor 110 according to the second embodiment is in the opposite direction (Z-axis direction view) between the fixed electrode 16 and the membrane 120.
  • a shape constricted in the longitudinal direction (X-axis direction) that is, a shape having constricted portions 120f at both ends in the longitudinal direction.
  • the ratio of the longitudinal direction (X-axis direction) size to the lateral direction (Y-axis direction) size is the pressure of the above-described first embodiment. It is larger than the sensor 10.
  • a part of the diaphragm portion 120b in the membrane 120 is easily deformed when an external force is applied.
  • the pressure sensor 110 is embedded and protected in a resin package with the diaphragm portion 120b exposed to the outside, the pressure sensor 110 continues to receive compressive stress as an external force due to hardening (that is, shrinkage) of the resin package.
  • the pressure sensor 110 continues to receive compressive stress as an external force due to hardening (that is, shrinkage) of the resin package.
  • both end portions of the diaphragm portion 120b in the longitudinal direction are maintained in a deformed state.
  • the degree and form of this deformation differ for each of the plurality of pressure sensors 110 manufactured.
  • the distances between both end portions of the diaphragm portion 120b and the fixed electrode 16 vary, and as a result, the sensing performance also varies.
  • the first step surface 120d has a shape constricted in the longitudinal direction so as to avoid hatching). As a result, deformation of the first step surface 120d forming the capacitance C1 with the fixed electrode 16 is suppressed. As a result, variations in the sensing performance of the plurality of pressure sensors 110 are suppressed.
  • the power consumption in the capacitance between the shield electrode 24 and the membrane 20 is suppressed without lowering the sensing sensitivity. be able to.
  • the third embodiment has a structure different from that of the first embodiment described above, and the distance between the fixed electrode and the membrane is smaller than the distance between the shield electrode and the membrane.
  • the same reference numerals are given to the components substantially the same as the components of the pressure sensor 10 according to the first embodiment described above. Further, the pressure sensor according to the third embodiment will be described with a focus on the points different from the first embodiment described above.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the pressure sensor according to the third embodiment of the present invention.
  • the distance L1 between the fixed electrode 216 and the membrane 220 is smaller than the distance L2 between the shield electrode 24 and the membrane 220.
  • the surface 220c on the base substrate 12 side of the membrane 220 is different from the above-described first embodiment, that is, it is not a multi-stage structure but one plane. Instead, the thickness of at least the central portion of the fixed electrode 216 is made larger than the thickness of the shield electrode 24. As a result, the distance L1 between the fixed electrode 216 and the membrane 220 is smaller than the distance L2 between the shield electrode 24 and the membrane 220.
  • the power consumption in the capacitance between the shield electrode 24 and the membrane 220 is suppressed without lowering the sensing sensitivity. be able to.
  • the surface 20c of the membrane 20 on the base substrate 12 side has a two-stage structure including a first step surface 20d and a second step surface 20e. is there.
  • the embodiments of the present invention are not limited to this.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a pressure sensor according to another embodiment of the present invention.
  • the surface 320c of the membrane 320 on the base substrate 12 side has a multi-stage structure, and has a first step surface 320d and a second step surface 320e. , And a third stepped surface of 320 g.
  • the first step surface 320d is between the first step surface 320d and the second step surface 320e and surrounds the first step surface 320d.
  • 320 g of the step surface of 3 is provided.
  • first step surface 320d faces the central portion of the fixed electrode 16
  • third step surface 320g faces the outer peripheral edge portion of the fixed electrode 16
  • second step surface 320e faces the side wall portion 18. It is supported. Further, in the first to third step surfaces 320d, 320e, 320g, the first step surface 320d is the closest to the base substrate 12, and the second step surface 320e is the farthest from the base substrate 12.
  • the power consumption in the capacitance between the shield electrode 24 and the membrane 320 is suppressed without lowering the sensing sensitivity. be able to.
  • the first and second step surfaces are connected by a wall surface substantially orthogonal to these.
  • the two stepped surfaces may be connected by a sloped slope.
  • the first step surface 120d of the membrane 120 has a shape constricted in the longitudinal direction (X-axis direction).
  • the external force that continues to act on the pressure sensor that keeps part of the diaphragm portion of the membrane in a deformed state depends on the mode of use of the pressure sensor.
  • FIG. 9 shows the surface of the pressure sensor membrane according to the different embodiments of the present invention on the base substrate side.
  • FIG. 10 shows the surface of the pressure sensor membrane according to still another embodiment of the present invention on the base substrate side.
  • the first step surface 420d of the membrane 420 of the pressure sensor according to the different embodiment is constricted in the lateral direction (Y-axis direction). This is adopted when an external force that keeps deforming both end portions (cross-hatched portions) of the diaphragm portion 420b in the membrane 420 in the lateral direction continues to act on the pressure sensor.
  • the first stepped surface 520d of the membrane 520 of the pressure sensor is constricted in both the longitudinal direction (X-axis direction) and the lateral direction (Y-axis direction). .. This is adopted when an external force that keeps deforming both ends in the longitudinal direction and both ends in the lateral direction of the diaphragm portion 520b in the membrane 520 continues to act on the pressure sensor.
  • the pressure sensor 10 can measure the pressure up to the pressure at which the membrane 20 is brought into contact with the fixed electrode 16.
  • the embodiments of the present invention are not limited to this.
  • a dielectric layer may be provided on the surface of the fixed electrode facing the membrane.
  • the membrane approaches and contacts the dielectric layer. After contact, the contact area of the membrane with the dielectric layer increases as the pressure increases. Until the contact, the capacitance between the membrane and the fixed electrode increases as the distance between them decreases, and after the contact, the capacitance increases due to the increase in the contact area.
  • the pressure acting on the membrane is measured (calculated) based on such a two-step change in capacitance.
  • a pressure sensor is called a touch mode pressure sensor.
  • the pressure sensor according to the embodiment of the present invention includes a base substrate, a first insulating layer provided on the base substrate, and a fixed electrode provided on the first insulating layer. It has a side wall portion provided on the first insulating layer and surrounding the fixed electrode, and a membrane having conductivity, facing the fixed electrode at intervals, and being supported by the side wall portion.
  • the side wall portion includes a shield electrode arranged on the first insulating layer and a second insulating layer arranged on the shield electrode, and the distance between the fixed electrode and the membrane is determined. It is small compared to the distance between the shield electrode and the membrane.
  • the present invention is applicable to a capacitance type pressure sensor.

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Abstract

圧力センサ１０は、ベース基板１２と、ベース基板１２に設けられた第１の絶縁層１４と、第１の絶縁層１４に設けられた固定電極１６と、第１の絶縁層１４に設けられ、固定電極１６を囲む側壁部１８と、導電性を備え、固定電極１６に間隔をあけて対向し、且つ側壁部１８に支持されるメンブレン２０とを有する。側壁部１８が、第１の絶縁層１４上に配置されるシールド電極２４と、シールド電極２４上に配置される第２の絶縁層２６とを備える。固定電極１６とメンブレン２０との間の距離Ｌ１が、シールド電極２４とメンブレン２０との間の距離Ｌ２に比べて小さい。

Description

圧力センサ
　本発明は、気圧などの圧力を測定するための圧力センサに関する。
　例えば特許文献１に記載するように、静電容量型圧力センサは、平面ベース（ベース基板）と、基板に設けられた絶縁層と、絶縁層に設けられた内部電極層（固定電極）と、固定電極を囲むように絶縁層に設けられた枠状の側壁部と、固定電極に対して間隔をあけて対向しているダイヤフラムプレート（メンブレン）とを備える。メンブレンは側壁部によって支持されている。メンブレンと固定電極との間の静電容量に基づいて、メンブレンに作用する圧力が検出（算出）される。
　また、特許文献１に記載された静電容量型圧力センサの場合、側壁部は、絶縁層に設けられたシールド電極と、シールド電極に設けられたメンブレン側の絶縁層とから構成されている。このシールド電極により、側壁部における静電容量（寄生容量）の影響を低減している。その結果、センシング感度が向上するとともに、圧力の変化に対する静電容量の変化の線形性が向上する。
特表２０１７－５０６３２９号公報
　しかしながら、特許文献１に記載された静電容量型圧力センサの場合、センサを駆動するために該センサに供給された駆動電流が、固定電極とメンブレンとの間の静電容量に流れるとともに、シールド電極とメンブレンとの間の静電容量に流れる。すなわち、圧力センサに供給された電力の一部が、センシングのために使用されずに消費される。
　その対処として、側壁部における絶縁層の厚さを大きくし、シールド電極とメンブレンとの距離を大きくすることにより、シールド電極とメンブレンとの間の静電容量を小さくすることが考えられる。しかしながら、特許文献１に記載された静電容量型センサは、シールド電極とメンブレンとの間の距離と固定電極とメンブレンとの間の距離とが同一である構造を備える。そのため、側壁部における絶縁層の厚さを大きくすると、固定電極とメンブレンとの間の距離も大きくなる。その結果、固定電極とメンブレンとの間の静電容量も小さくなり、センシング感度が低下する。
　そこで、本発明は、メンブレンを支持する側壁部がシールド電極を含んでいる構造の静電容量型圧力センサにおいて、センシング感度を低下させることなく、シールド電極とメンブレンとの間の静電容量での電力消費を抑制することを課題とする。
　上記技術的課題を解決するために、本発明の一態様によれば、
　ベース基板と、
　前記ベース基板に設けられた第１の絶縁層と、
　前記第１の絶縁層に設けられた固定電極と、
　前記第１の絶縁層に設けられ、前記固定電極を囲む側壁部と、
　導電性を備え、前記固定電極に間隔をあけて対向し、且つ前記側壁部に支持されるメンブレンと、を有し、
　前記側壁部が、前記第１の絶縁層上に配置されるシールド電極と、前記シールド電極上に配置される第２の絶縁層とを備え、
　前記固定電極と前記メンブレンとの間の距離が、前記シールド電極と前記メンブレンとの間の距離に比べて小さい、圧力センサが提供される。
　本発明によれば、メンブレンを支持する側壁部がシールド電極を含んでいる構造の静電容量型圧力センサにおいて、センシング感度を低下させることなく、シールド電極とメンブレンとの間の静電容量での電力消費を抑制することができる。
本発明の実施の形態１に係る圧力センサの斜視図 本発明の実施の形態１に係る圧力センサの分解斜視図 本発明の実施の形態１に係る圧力センサの断面図 圧力センサと反転増幅回路の接続の一例を示す図 本発明の実施の形態２に係る圧力センサの分解斜視図 本発明の実施の形態２に係る圧力センサのメンブレンにおけるベース基板側の表面を示す図 本発明の実施の形態３に係る圧力センサの断面図 本発明の別の実施の形態に係る圧力センサの断面図 本発明の異なる実施の形態に係る圧力センサのメンブレンにおけるベース基板側の表面を示す図 本発明のさらに異なる実施の形態に係る圧力センサのメンブレンにおけるベース基板側の表面を示す図
　本発明の一態様の圧力センサは、ベース基板と、前記ベース基板に設けられた第１の絶縁層と、前記第１の絶縁層に設けられた固定電極と、前記第１の絶縁層に設けられ、前記固定電極を囲む側壁部と、導電性を備え、前記固定電極に間隔をあけて対向し、且つ前記側壁部に支持されるメンブレンと、を有し、前記側壁部が、前記第１の絶縁層上に配置されるシールド電極と、前記シールド電極上に配置される第２の絶縁層とを備え、前記固定電極と前記メンブレンとの間の距離が、前記シールド電極と前記メンブレンとの間の距離に比べて小さい。
　この態様によれば、メンブレンを支持する側壁部がシールド電極を含んでいる構造の静電容量型圧力センサにおいて、センシング感度を低下させることなく、シールド電極とメンブレンとの間の静電容量での電力消費を抑制することができる。
　例えば、前記ベース基板側の前記メンブレンの表面が、前記固定電極に対向する第１の段面と、前記固定電極と前記メンブレンとの対向方向視で前記第１の段面を囲むように設けられて前記側壁部に支持される第２の段面とを少なくとも含んでいる多段構造であって、前記第２の段面が、前記第１の段面に比べて前記ベース基板から離れていてもよい。
　例えば、前記側壁部が、前記対向方向視で長手方向と短手方向とを備える外形が矩形状の枠状であって、前記メンブレンの前記第１の段面が、前記対向方向視で、前記長手方向と短手方向の少なくとも一方の方向にくびれている形状を備えていてもよい。これにより、圧力センサが圧縮力などの外力を受け続けてメンブレンの長手方向の両端部分が変形状態で維持されても、固定電極に対向する第１の段面の変形は抑制される。
　例えば、前記固定電極の少なくとも中央部分の厚さが、前記シールド電極の厚さに比べて大きくてもよい。
　例えば、前記固定電極における前記メンブレンに対向する表面に誘電体層が設けられてもよい。これにより、圧力センサをタッチモード式圧力センサとして使用することができる。
　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
　図１は本発明の実施の形態１に係る圧力センサの斜視図であり、図２はその分解斜視図であり、そして図３はその断面図である。なお、図に示すＸ－Ｙ－Ｚ直交座標系は本発明の理解を容易にするためのものであって、発明を限定するものではない。
　図１～図３に示すように、本実施の形態１に係る圧力センサ１０は、静電容量型圧力センサであって、ベース基板１２と、ベース基板１２に設けられた第１の絶縁層１４と、第１の絶縁層１４に設けられた固定電極１６と、固定電極１６を囲むように第１の絶縁層１４に設けられた枠状の側壁部１８と、側壁部１８に支持されるメンブレン２０とを有する。
　ベース基板１２は、絶縁材料から作製され、導体パターン、外部接続端子（図示せず）などを備える基板である。本実施の形態１の場合、ベース基板１２は、シリコン基板である。
　第１の絶縁層１４は、絶縁材料から作製された層であって、ベース基板１２におけるメンブレン２０側の表面を覆うように該ベース基板１２に設けられている。本実施の形態１の場合、第１の絶縁層１４は、シリコン基板であるベース基板１２の表面を熱酸化処理することによって作製された酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜である。
　固定電極１６は、導電材料から作製された電極であって、第１の絶縁層１４に設けられている。本実施の形態１の場合、固定電極１６は、導電性ポリシリコンから作製されている。また、固定電極１６は、第１の絶縁層１４を貫通するビア導体２２を介して、ベース基板１２上の導体パターンに電気的に接続されている。
　側壁部１８は、第１の絶縁層１４に設けられた枠状の部材であって、固定電極１６とメンブレン２０との対向方向（Ｚ軸方向）視で、固定電極１６を囲むように第１の絶縁層１４に設けられている。側壁部１８はと固定電極１６との間には間隔が設けられている。本実施の形態１の場合、固定電極１６とメンブレン２０との対向方向視で、側壁部１８の外形は矩形状である。
　側壁部１８はまた、固定電極１６とメンブレン２０とが間隔をあけて対向するように、メンブレン２０を支持する。すなわち、第１の絶縁層１４からの側壁部１８の厚さが、固定電極１６の厚さに比べて大きい。
　メンブレン２０は、導電材料から作製されて可撓性を備える薄板状の部材である。本実施の形態１の場合、メンブレン２０は、導電性シリコンから作製されている。また、メンブレン２０は、センシング対象の圧力が作用する受圧面２０ａを備える。受圧面２０ａに作用した圧力により、側壁部１８に支持されていないメンブレン２０の部分であるダイヤフラム部２０ｂが固定電極１６に向かって変位する。
　さらに、側壁部１８は、シールド電極２４と、第２の絶縁層２６とを備える。
　シールド電極２４は、第１の絶縁層１４上に配置されている。シールド電極２４は、導電材料から作製された枠状の電極である。本実施の形態１の場合、固定電極１６と同様に、導電性ポリシリコンから作製されている。
　シールド電極２４はまた、本実施の形態１の場合、固定電極１６と同一のプロセスで作製されている。具体的に説明すると、第１の絶縁層１４全体にわたってポリシリコン膜が形成される。そのポリシリコン膜に環状溝をエッチングなどによって作製することにより、ポリシリコン膜が、固定電極１６とその固定電極１６を囲むシールド電極２４とに加工される。したがって、固定電極１６の厚さとシールド電極２４の厚さは同一である。なお、シールド電極２４の役割については後述する。
　第２の絶縁層２６は、シールド電極２４上に配置されており、メンブレン２０を支持する。第２の絶縁層２６は、絶縁材料から作製された層である。本実施の形態１の場合、第２の絶縁層２６は、導電性シリコンから作製されたメンブレン２０を熱酸化処理することよって形成された酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜である。
　本実施の形態１の場合、図２に示すように、第２の絶縁層２６が設けられたメンブレン２０を、第１の絶縁層１４、固定電極１６、およびシールド電極２４が設けられたベース基板１２に接合することにより、圧力センサ１０が作製される。これらは、例えば、フュージョンボンディングによって接合される。
　図４は、圧力センサと反転増幅回路の接続の一例を示す図である。
　図４に一例として示すように、圧力センサ１０は、例えば、反転増幅回路３０に接続されて使用される。具体的には、反転増幅回路３０は、増幅器３２とフィードバック回路３４から構成されている。その増幅器３２の反転入力端子に固定電極１６が接続されている。フィードバック回路３４は、例えば、所定のインピーダンスを有する抵抗である。メンブレン２０は、電源３６に接続されている。増幅器３２の非反転入力端子と、シールド電極２４は接地されている。
　このような回路構成によれば、メンブレン２０の受圧面２０ａに作用する圧力、すなわち固定電極１６とメンブレン２０との間の距離に対応した電圧Ｖｏｕｔが反転増幅回路３０から出力される。受圧面２０ａに作用する圧力が変化すると、固定電極１６とメンブレン２０との間の距離が変化し、これらの間の静電容量が変化する。その静電容量の変化に対応して反転増幅回路３０の出力電圧Ｖｏｕｔが変化する。したがって、反転増幅回路３０の出力電圧Ｖｏｕｔに基づいて、メンブレン２０の受圧面２０ａに作用する圧力を算出することができる。
　なお、反転増幅回路３０は、圧力センサ１０に組み込まれてもよいし、圧力センサ１０が搭載される基板に設けられてもよい。
　このような回路構成において、シールド電極２４は、側壁部１８における静電容量（寄生容量）の影響、すなわち圧力センサ１０のセンシング性能への影響を低減する。
　具体的には、固定電極１６とメンブレン２０の間の静電容量に対して並列に側壁部１８における静電容量が存在する。側壁部１８における静電容量は、側壁部１８が圧力センサ１０の周囲環境に接しているために、その周囲環境の変化によって変動しやすい。側壁部１８の静電容量が変動すると、固定電極１６とメンブレン２０との間の静電容量に影響を与える。その結果、固定電極１６とメンブレン２０との間の静電容量に関連する圧力センサ１０のセンシング性能、例えば、センシング感度や圧力の変化に対する静電容量の変化の線形性に影響を与える。
　その対処として、側壁部１８に、接地されたシールド電極２４が設けられている。その結果、側壁部１８における静電容量の変化が抑制され、圧力センサ１０のセンシング感度が向上するとともに、圧力の変化に対する静電容量の変化の線形性が向上している。
　しかしながら、シールド電極２４を側壁部１８に設けると圧力センサ１０の消費電力が増加する。
　具体的には、図４に示すように、固定電極１６とメンブレン２０との間に静電容量Ｃ１が形成されるとともに、シールド電極２４とメンブレン２０との間にも静電容量Ｃ２が形成される。そのため、電源３６から供給された電流が、静電容量Ｃ１に流れるとともに、静電容量Ｃ２に流れる。すなわち、電源３６から圧力センサ１０に供給された電力の一部が、センシングに寄与することなく静電容量Ｃ２にチャージされて消費される。
　静電容量Ｃ２での電力消費を抑制するために、図３に示すように、圧力センサ１０において、固定電極１６とメンブレン２０との間の距離Ｌ１が、シールド電極２４とメンブレン２０との間の距離Ｌ２に比べて小さくされている。
　そのために、本実施の形態１の場合、図３に示すように、ベース基板１２側のメンブレン２０の表面２０ｃ（すなわち受圧面２０ａに対して反対側の面）は、多段構造である。具体的には、多段構造のメンブレン２０の表面２０ｃは、固定電極１６に対向する第１の段面２０ｄと、側壁部１８に支持される第２の段面２０ｅとを含んでいる。また、第２の段面２０ｅは、固定電極１６とメンブレン２０の対向方向（Ｚ軸方向）視で、第１の段面２０ｄを囲んでいる。そして、第２の段面２０ｅが、第１の段面２０ｄに比べてベース基板１２から離れている。第１の段面２０ｄは、固定電極１６とメンブレン２０との対向方向（Ｚ軸方向）視で、矩形状である。
　このようなメンブレン２０の多段構造の表面２０ｃによれば、固定電極１６とメンブレン２０（すなわち第１の段面２０ｄ）との間の距離Ｌ１が、シールド電極２４とメンブレン２０（すなわち第２の段面２０ｅ）との間の距離Ｌ２に比べて小さくなる。すなわち、距離Ｌ１が距離Ｌ２と同一である場合に比べて、固定電極１６とメンブレン２０との間の静電容量Ｃ１が、シールド電極２４とメンブレン２０との間の静電容量Ｃ２に比べて大きくなる。それにより、距離Ｌ１が距離Ｌ２と同一である場合に比べて、静電容量Ｃ２に流れる電源３６からの電流量が減少し、静電容量Ｃ１に流れる電流量が増加する。その結果、距離Ｌ１が距離Ｌ２と同一である場合に比べて、シールド電極２４とメンブレン２０との間の静電容量Ｃ２で電力が消費されることが抑制される。それとともに、圧力センサ１０のセンシング感度が向上する。
　以上のような本実施の形態１によれば、メンブレン２０を支持する側壁部１８がシールド電極２４を含んでいる構造の静電容量型圧力センサ１０において、センシング感度を低下させることなく、シールド電極２４とメンブレン２０との間の静電容量Ｃ２での電力消費を抑制することができる。
（実施の形態２）
　本実施の形態２は、上述の実施の形態１の改良形態である。したがって、本実施の形態２に係る圧力センサにおいて、上述の実施の形態１に係る圧力センサ１０の構成要素と実質的に同一の構成要素には同一の符号が付されている。また、上述の実施の形態１と異なる点を中心にして、本実施の形態２に係る圧力センサを説明する。
　図５は、本発明の実施の形態２に係る圧力センサの分解斜視図である。また、図６は、本発明の実施の形態２に係る圧力センサのメンブレンにおけるベース基板側の表面を示す図である。
　図２に示すように、上述の実施の形態１の圧力センサ１０の場合、メンブレン２０における第１の段面２０ｄは、固定電極１６とメンブレン２０との対向方向（Ｚ軸方向）視で、矩形状である。しかしながら、図５および図６に示すように、本実施の形態２に係る圧力センサ１１０におけるメンブレン１２０の第１の段面１２０ｄは、固定電極１６とメンブレン１２０の対向方向（Ｚ軸方向視）で、長手方向（Ｘ軸方向）にくびれている形状、すなわち長手方向の両端にくびれ部１２０ｆを備える形状である。
　図５に示すように、本実施の形態２に係る圧力センサ１１０の場合、短手方向（Ｙ軸方向）サイズに対する長手方向（Ｘ軸方向）サイズの比が、上述の実施の形態１の圧力センサ１０に比べて大きい。このような圧力センサ１１０の場合、外力が加わるとメンブレン１２０におけるダイヤフラム部１２０ｂの一部が変形しやすい。例えば、圧力センサ１１０がダイヤフラム部１２０ｂを外部に露出させた状態で樹脂パッケージに埋設されて保護される場合、その樹脂パッケージの硬化（すなわち収縮）によって圧力センサ１１０が外力として圧縮応力を受け続ける。この場合、図６にクロスハッチングで示すように、ダイヤフラム部１２０ｂの長手方向の両端部分が変形した状態で維持される。この変形の程度や形態は、製造される複数の圧力センサ１１０毎に異なる。その結果、複数の圧力センサ１１０において、ダイヤフラム部１２０ｂの両端部分それぞれと固定電極１６との間の距離にバラツキが生じ、それによりセンシング性能にもバラツキが生じる。
　この対処として、図６に示すように、固定電極１６との間の距離についてバラツキが生じやすい（バラツキの程度が許容限度を超える）ダイヤフラム部１２０ｂの長手方向（Ｘ軸方向）の両端部分（クロスハッチング）を避けるように、第１の段面１２０ｄが、長手方向にくびれている形状を備えている。これにより、固定電極１６との間に静電容量Ｃ１を形成する第１の段面１２０ｄの変形が抑制される。その結果、複数の圧力センサ１１０において、そのセンシング性能のバラツキが抑制される。
　以上のような本実施の形態２によっても、上述の実施の形態１と同様に、センシング感度を低下させることなく、シールド電極２４とメンブレン２０との間の静電容量での電力消費を抑制することができる。
（実施の形態３）
　本実施の形態３は、上述の実施の形態１と異なる構造で、固定電極とメンブレンとの間の距離が、シールド電極とメンブレンとの間の距離に比べて小さくされている。なお、本実施の形態３に係る圧力センサにおいて、上述の実施の形態１に係る圧力センサ１０の構成要素と実質的に同一の構成要素には同一の符号が付されている。また、上述の実施の形態１と異なる点を中心にして、本実施の形態３に係る圧力センサを説明する。
　図７は、本発明の実施の形態３に係る圧力センサの断面図である。
　図７に示すように、圧力センサ２１０において、固定電極２１６とメンブレン２２０との間の距離Ｌ１が、シールド電極２４とメンブレン２２０との間の距離Ｌ２に比べて小さくされている。
　具体的には、本実施の形態３の場合、メンブレン２２０におけるベース基板１２側の表面２２０ｃは、上述の実施の形態１と異なり、すなわち多段構造ではなく、１つの平面である。その代わりに、固定電極２１６の少なくとも中央部分の厚さが、シールド電極２４の厚さに比べて大きくされている。その結果、固定電極２１６とメンブレン２２０との間の距離Ｌ１が、シールド電極２４とメンブレン２２０との間の距離Ｌ２に比べて小さくなる。
　以上のような本実施の形態３によっても、上述の実施の形態１と同様に、センシング感度を低下させることなく、シールド電極２４とメンブレン２２０との間の静電容量での電力消費を抑制することができる。
　以上、上述の実施の形態１～３を挙げて本発明を説明したが、本発明の実施の形態はこれらに限らない。
　例えば、上述の実施の形態１の場合、図３に示すように、メンブレン２０におけるベース基板１２側の表面２０ｃは、第１の段面２０ｄと第２の段面２０ｅとからなる二段構造である。しかしながら、本発明の実施の形態はこれに限らない。
　図８は、本発明の別の実施の形態に係る圧力センサの断面図である。
　図８に示すように、別の実施の形態に係る圧力センサ３１０において、メンブレン３２０におけるベース基板１２側の表面３２０ｃは、多段構造であって、第１の段面３２０ｄ、第２の段面３２０ｅ、および第３の段面３２０ｇを含んでいる。固定電極１６とメンブレン３２０の対向方向（Ｚ軸方向）視で、第１の段面３２０ｄと、第２の段面３２０ｅとの間に、且つ、第１の段面３２０ｄを囲むように、第３の段面３２０ｇが設けられている。また、第１の段面３２０ｄが固定電極１６の中央部分に対向し、第３の段面３２０ｇが固定電極１６の外周縁部分に対向し、そして、第２の段面３２０ｅが側壁部１８に支持されている。さらに、第１～第３の段面３２０ｄ、３２０ｅ、３２０ｇにおいて、第１の段面３２０ｄがベース基板１２に対して最も近く、第２の段面３２０ｅがベース基板１２に対して最も遠い。
　このような別の本実施の形態においても、上述の実施の形態１と同様に、センシング感度を低下させることなく、シールド電極２４とメンブレン３２０との間の静電容量での電力消費を抑制することができる。
　メンブレンにおけるベース基板側の表面の多段構造に関連して言えば、上述の実施の形態１の場合、第１および第２の段面がこれらに実質的に直交する壁面で接続されている。これに代わって、２つの段面がスロープ状の傾斜面で接続されてもよい。
　また例えば、上述の実施の形態２の場合、図６に示すように、メンブレン１２０における第１の段面１２０ｄは、長手方向（Ｘ軸方向）にくびれた形状を備える。しかしながら、メンブレンのダイヤフラム部の一部を変形状態で維持させる圧力センサに作用し続ける外力は、その圧力センサの使用の形態によって異なる。
　図９は、本発明の異なる実施の形態に係る圧力センサのメンブレンにおけるベース基板側の表面を示している。図１０は、本発明のさらに異なる実施の形態に係る圧力センサのメンブレンにおけるベース基板側の表面を示している。
　図９に示すように、異なる実施の形態に係る圧力センサのメンブレン４２０における第１の段面４２０ｄは、短手方向（Ｙ軸方向）にくびれている。これは、メンブレン４２０におけるダイヤフラム部４２０ｂの短手方向の両端部分（クロスハッチング部分）を変形させ続ける外力が圧力センサに作用し続ける場合に採用される。
　図１０に示すように、さらに異なる実施の形態に係る圧力センサのメンブレン５２０における第１の段面５２０ｄは、長手方向（Ｘ軸方向）および短手方向（Ｙ軸方向）の両方にくびれている。これは、メンブレン５２０におけるダイヤフラム部５２０ｂ長手方向の両端部分および短手方向の両端部分を変形させ続ける外力が圧力センサに作用し続ける場合に採用される。
　さらに、上述の実施の形態１の場合、圧力センサ１０は、メンブレン２０を固定電極１６に接触させる圧力までの圧力を測定可能である。しかしながら、本発明の実施の形態はこれに限らない。
　例えば、固定電極におけるメンブレンに対向する表面に誘電体層を設けてもよい。この場合、メンブレンに作用する圧力が増加するにしたがい、メンブレンが誘電体層に接近し、そして接触する。接触後は、圧力が増加するにしたがって誘電体層に対するメンブレンの接触面積が増加する。接触するまではメンブレンと固定電極との間の距離の減少にともなってこれらの間の静電容量が増加し、接触後においては接触面積の増加によって静電容量が増加する。このような２段階の静電容量の変化に基づいて、メンブレンに作用する圧力が測定（算出）される。このような圧力センサは、タッチモード式圧力センサと呼ばれている。
　すなわち、本発明の実施の形態に係る圧力センサは、広義には、ベース基板と、前記ベース基板に設けられた第１の絶縁層と、前記第１の絶縁層に設けられた固定電極と、前記第１の絶縁層に設けられ、前記固定電極を囲む側壁部と、導電性を備え、前記固定電極に間隔をあけて対向し、且つ前記側壁部に支持されるメンブレンと、を有し、前記側壁部が、前記第１の絶縁層上に配置されるシールド電極と、前記シールド電極上に配置される第２の絶縁層とを備え、前記固定電極と前記メンブレンとの間の距離が、前記シールド電極と前記メンブレンとの間の距離に比べて小さい。
　以上、複数の実施の形態を挙げて本発明を説明したが、ある実施の形態に対して少なくとも１つの実施の形態を全体としてまたは部分的に組み合わせて本発明に係るさらなる実施の形態とすることが可能であることは、当業者にとって明らかである。
　本発明は、静電容量型圧力センサに適用可能である。
　　　１０　　　圧力センサ
　　　１２　　　ベース基板
　　　１４　　　第１の絶縁層
　　　１６　　　固定電極
　　　１８　　　側壁部
　　　２０　　　メンブレン
　　　２４　　　シールド電極
　　　２６　　　第２の絶縁層
　　　Ｌ１　　　距離
　　　Ｌ２　　　距離

Claims (5)

  1. 　ベース基板と、
    　前記ベース基板に設けられた第１の絶縁層と、
    　前記第１の絶縁層に設けられた固定電極と、
    　前記第１の絶縁層に設けられ、前記固定電極を囲む側壁部と、
    　導電性を備え、前記固定電極に間隔をあけて対向し、且つ前記側壁部に支持されるメンブレンと、を有し、
    　前記側壁部が、前記第１の絶縁層上に配置されるシールド電極と、前記シールド電極上に配置される第２の絶縁層とを備え、
    　前記固定電極と前記メンブレンとの間の距離が、前記シールド電極と前記メンブレンとの間の距離に比べて小さい、圧力センサ。
  2. 　前記ベース基板側の前記メンブレンの表面が、前記固定電極に対向する第１の段面と、　前記固定電極と前記メンブレンとの対向方向視で前記第１の段面を囲むように設けられて前記側壁部に支持される第２の段面とを少なくとも含んでいる多段構造であり、
    　前記第２の段面が、前記第１の段面に比べて前記ベース基板から離れている、請求項１に記載の圧力センサ。
  3. 　前記側壁部が、前記対向方向視で長手方向と短手方向とを備える外形が矩形状の枠状であって、
    　前記メンブレンの前記第１の段面が、前記対向方向視で、前記長手方向と短手方向の少なくとも一方の方向にくびれている形状を備える、請求項２に記載の圧力センサ。
  4. 　前記固定電極の少なくとも中央部分の厚さが、前記シールド電極の厚さに比べて大きい、請求項１から３のいずれか一項に記載の圧力センサ。
  5. 　前記固定電極における前記メンブレンに対向する表面に誘電体層が設けられている、請求項１から４のいずれか一項に記載の圧力センサ。
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