WO2023058660A1 - 圧力センサ構造および圧力センサ装置 - Google Patents

Abstract

圧力センサ構造１は、センス電極として機能するダイアフラムプレート３２、ダイアフラムプレート３２に対向するベース電極３１、およびダイアフラムプレート３２とベース電極３１との間の間隙を維持する側壁層２０を含むセンサ本体と、該センサ本体を支持するための導電性のベース基板１０とを備える。側壁層２０は、ガード電極層２２と、ガード電極層２２を電気的に絶縁する上側および下側ガード電極絶縁層２１，２３を含む。ダイアフラムプレート３２の外側表面および側壁層２２の外側表面は電気絶縁膜４０で被覆されている。電気絶縁膜４０には、ガード電極層２２の一部が外気に繋がるコンタクト領域ＣＴが設けられる。こうした構成により、外乱の影響を抑制でき、高精度の圧力測定が実施できる。

Description

圧力センサ構造および圧力センサ装置

　本発明は、気圧や水圧などの圧力を測定するための圧力センサ構造およびそれを用いた圧力センサ装置に関する。

　圧力センサは、半導体製造技術を応用したＭＥＭＳ（マイクロ電気機械システム）技術を用いて製造でき、例えば、約０．５～２ｍｍ角の超小型センサが実現できる。典型的な圧力センサは、２つの電極を備えたキャパシタ構造を有し、周囲圧力の変化に起因した静電容量の変化を検知することによって圧力測定が可能である。

　図５は、従来の圧力センサ構造の一例を示す断面図である。この圧力センサ構造は、例えば、特許文献１に開示されており、センス電極として機能するダイアフラムプレート３２と、これに対向するベース電極３１と、側壁層２０などで構成される。側壁層２０は、ガード電極層２２と、その上下に配置された電気絶縁層２１，２３とを含む。ベース基板１０は、導電性材料で形成され、ベース電極３１と導通している。ガード電極層２２は、ベース電極３１と同一層内に形成され、上方のダイアフラムプレート３２と下方のベース基板１０との間に挟まれて３層電極構造を構成している。これにより圧力変化に関係しない浮遊静電容量をキャンセルすることが可能になる。

　圧力センサ構造の上側部分、即ち、ダイアフラムプレート３２および側壁層２０の外側表面は、パッシベーション膜として機能する電気絶縁膜４０で全面に渡って被覆される。電気絶縁膜４０は、例えば、ＳｉＮ_ｘ、ＳｉＯ_２などの電気絶縁材料で形成され、電極間の短絡を防止し、圧力センサ構造を保護する。

　図６は、図５に示す圧力センサ構造に接続可能な容量変換回路の一例を示す回路図である。この容量変換回路は、演算増幅器ＯＰ、ベース電極のためのベース端子ＴＢ、センス電極（ダイアフラムプレート）のためのセンス端子ＴＳ、ガード電極のためガード端子ＴＧ、電圧源ＣＶ、および基準インピーダンスＲＡを含む。こうした容量変換回路を使用することによって、浮遊静電容量をキャンセルして外乱の影響を抑制しつつ、ダイアフラムプレートとベース電極との間の静電容量を示す電圧出力が得られる。

国際公開第２０１５／１０７４５３号

　図５に示す圧力センサ構造は、ＭＥＭＳ技術を用いて１枚の半導体ウエハに多数形成した後、個々のチップに切断することによって得られる。得られたチップは、信号処理を行う集積回路とともに合成樹脂製のハウジング５０内に収容されて、圧力センサ装置が完成する。

　この場合、圧力センサ構造の下側部分、即ち、ベース基板１０の裏面および側面はハウジング５０に密着しているが、圧力センサ構造の上側部分は外気に露出している。そのため結露や浸水などに起因して、電気絶縁膜４０の上に水などの液体ＬＱが付着する可能性がある。こうした液体ＬＱは、一般にイオンなどの導電性成分を含んでいるため、導体または電極として機能し得る。そのためダイアフラムプレート３２とベース基板１０との間の浮遊容量が変化して、圧力出力値がシフトすることがある。また、ダイアフラムプレート３２およびベース電極３１は、外部から到来する電磁ノイズの影響を受けて、圧力出力値がシフトすることがある。

　本発明の目的は、外乱の影響を抑制でき、高精度の圧力測定が実施できる圧力センサ構造およびそれを用いた圧力センサ装置を提供することである。

　本発明の一態様は、電極間の静電容量の変化を検知する圧力センサ構造であって、
　センス電極として機能するダイアフラムプレート、該ダイアフラムプレートに対向するベース電極、および前記ダイアフラムプレートと前記ベース電極との間の間隙を維持する側壁層を含むセンサ本体と、
　該センサ本体を支持するための導電性のベース基板と、を備え、
　前記側壁層は、ガード電極層、ならびに該ガード電極層を電気的に絶縁する上側および下側ガード電極絶縁層を含み、
　前記ダイアフラムプレートの外側表面および前記側壁層の外側表面が電気絶縁膜で被覆されており、
　該電気絶縁膜には、前記ガード電極層の一部が外気に繋がるコンタクト領域が設けられる。

　本発明の他の態様に係る圧力センサ装置は、上記の圧力センサ構造と、
　前記圧力センサ構造を収容するハウジングと、
　前記圧力センサ構造からの信号を処理し、前記ダイアフラムプレートの周囲にある浮遊静電容量をキャンセルする容量変換回路と、を備える。

　本発明によれば、外乱の影響を抑制でき、高精度の圧力測定が実施できる。

本発明の実施形態１に係る圧力センサ構造の一例を示す断面図である。 図１に示す圧力センサ構造に接続可能な容量変換回路の一例を示す回路図である。 本発明の実施形態２に係る圧力センサ構造の一例を示す断面図である。 図３に示す圧力センサ構造がハウジングに収納された状態を示す断面図である。 図５（Ａ）は、本発明の実施形態４に係る圧力センサ構造１の一例を示す断面図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示す圧力センサ構造１の平面図であり、理解容易のために電気絶縁膜４０を除去した状態を示す。 図５に示す圧力センサ構造がハウジングに収納された状態を示す断面図である。 従来の圧力センサ構造の一例を示す断面図である。 図７に示す圧力センサ構造に接続可能な容量変換回路の一例を示す回路図である。

　本発明の一態様は、電極間の静電容量の変化を検知する圧力センサ構造であって、
　センス電極として機能するダイアフラムプレート、該ダイアフラムプレートに対向するベース電極、および前記ダイアフラムプレートと前記ベース電極との間の間隙を維持する側壁層を含むセンサ本体と、
　該センサ本体を支持するための導電性のベース基板と、を備え、
　前記側壁層は、ガード電極層、ならびに該ガード電極層を電気的に絶縁する上側および下側ガード電極絶縁層を含み、
　前記ダイアフラムプレートの外側表面および前記側壁層の外側表面が電気絶縁膜で被覆されており、
　該電気絶縁膜には、前記ガード電極層の一部が外気に繋がるコンタクト領域が設けられる。

　この構成によれば、結露や浸水などに起因して電気絶縁膜の上に水などの液体が付着した場合でも、電気絶縁膜のコンタクト領域を経由してガード電極層および付着した液体は同じ電位に維持される。そのため液体の付着に起因した圧力出力値のシフトを防止でき、外乱の影響を抑制できる。

　前記コンタクト領域は、前記ガード電極層の一部が前記ダイアフラムプレートおよび前記上側ガード電極絶縁層に形成された開口を経由して外気に繋がるように設けられてもよい。

　この構成によれば、液体が付着し滞留しやすい場所にコンタクト領域ＣＴを配置することによって、外乱の影響を抑制して高精度の圧力測定を実現できる。

　前記電気絶縁膜の上には、前記コンタクト領域を経由して前記ガード電極層と電気的に接続された導電膜が設けられてもよい。

　この構成によれば、結露や浸水などに起因して電気絶縁膜の上に水などの液体が付着した場合でも、導電膜および電気絶縁膜のコンタクト領域を経由してガード電極層および付着した液体は同じ電位に維持される。そのため液体の付着に起因した圧力出力値のシフトを防止でき、外乱の影響を抑制できる。

　前記導電膜は、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｔｉ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｚｒ，ＮｂもしくはＳｉ、またはこれらの少なくとも１つを含む合金で形成されてもよい。

　この構成によれば、導電膜の耐腐食性が高くなる。そのため電気絶縁膜に付着する液体が、例えば、塩素水、海水などの腐食性液体である場合でも導電膜の劣化を抑制できる。

　　本発明の一態様に係る圧力センサ装置は、上記の圧力センサ構造と、
　前記圧力センサ構造を収容するハウジングと、
　前記圧力センサ構造からの信号を処理し、前記ダイアフラムプレートの周囲にある浮遊静電容量をキャンセルする容量変換回路と、を備える。

　この構成によれば、結露や浸水、電磁ノイズなどの外乱の影響を抑制できる圧力センサ装置が実現できる。

（実施形態１）
　図１は、本発明の実施形態１に係る圧力センサ構造１の一例を示す断面図である。この圧力センサ構造１は、ダイアフラムプレート３２、ベース電極３１および側壁層２０を含むセンサ本体と、センサ本体を支持するベース基板１０などを備える。

　ダイアフラムプレート３２は、例えば、多結晶Ｓｉ、アモルファスＳｉ、単結晶Ｓｉなどの導電性材料で形成され、周囲圧力差に応じて変形可能なセンス電極として機能する。ダイアフラムプレート３２は、単層構成を例示するが、２層以上を含んでもよい。

　ベース電極３１は、例えば、多結晶Ｓｉ、アモルファスＳｉ、単結晶Ｓｉなどの導電性材料で形成され、ダイアフラムプレート３２に対向して配置される。側壁層２０は、ダイアフラムプレート３２とベース電極３１との間の間隙Ｇを維持するために設けられる。間隙Ｇは、外部から密閉された空間であり、例えば、不活性ガスが封入されて一定の圧力に維持される。

　ダイアフラムプレート３２およびベース電極３１は、平行板キャパシタを構成する。電極間の静電容量Ｃは、間隙Ｇの誘電率ε、電極面積Ｓ、電極間距離ｄを用いて、Ｃ＝ε×Ｓ／ｄで表される。外部と間隙Ｇとの圧力差に応じてダイアフラムプレート３２が弾性変形すると、電極間距離ｄが変化し、それに応じて静電容量Ｃも変化する。

　側壁層２０は、間隙Ｇを取り囲むように枠状に設置され、少なくとも３層で構成され、ガード電極層２２と、ガード電極層２２およびベース電極３１の下側に配置された電気絶縁層２１と、ガード電極層２２の上側に配置された電気絶縁層２３とを含む。ここでは、側壁層２０は３層構成を例示するが、４層以上を含んでもよい。ガード電極層２２は単層構成を例示するが、２層以上を含んでもよい。電気絶縁層２１，２３は、単層構成を例示するが、２層以上を含んでもよい。

　ベース基板１０は、例えば、多結晶Ｓｉ、アモルファスＳｉ、単結晶Ｓｉなどの導電性材料で形成される。ベース基板１０は、１層または複数の層で構成でき、例えば、ベース基板１０の下面に電気絶縁層を設けてもよい。

　ダイアフラムプレート３２、ベース電極３１および側壁層２０の平面形状は、典型的には長方形状であるが、その他に正方形状、真円形状、楕円形状、多角形状などでもよい。

　ダイアフラムプレート３２の外側表面および側壁層２０の外側表面は、パッシベーション膜として機能する電気絶縁膜４０で被覆される。電気絶縁膜４０は、例えば、ＳｉＮ_ｘ、ＳｉＯ_２などの電気絶縁材料で形成され、電極間の短絡を防止し、圧力センサ構造を保護する。

　本実施形態では、電気絶縁膜４０は、圧力センサ構造１の上側部分を全面に渡って被覆しておらず、電気絶縁膜４０には、ガード電極層２２の一部が外部に露出して、外気に繋がるコンタクト領域ＣＴが設けられる。こうしたコンタクト領域ＣＴは、ガード電極層２２の外周に沿って連続的に設けてもよく、あるいは、例えば、点線、破線、一点鎖線のように部分的または間欠的に設けてもよい。

　次に、こうしたコンタクト領域ＣＴの機能について説明する。結露や浸水などに起因して、電気絶縁膜４０の上に水などの液体が付着する可能性がある。こうした液体は、一般にイオンなどの導電性成分を含んでいるため、ダイアフラムプレート３２とベース基板１０との間の浮遊容量が変化して、圧力出力値がシフトすることがある。本実施形態では、コンタクト領域ＣＴが存在することによって、電気絶縁膜４０の上に液体が付着した場合でも、コンタクト領域ＣＴを経由してガード電極層２２および付着した液体は同じ電位に維持される。そのため液体の付着に起因した圧力出力値のシフトを防止でき、外乱の影響を抑制できる。

　図２は、図１に示す圧力センサ構造１に接続可能な容量変換回路の一例を示す回路図である。この容量変換回路は、演算増幅器ＯＰ、ベース電極のためのベース端子ＴＢ、センス電極（ダイアフラムプレート）のためのセンス端子ＴＳ、ガード電極のためガード端子ＴＧ、電圧源ＣＶ、および基準インピーダンスＲＡを含む。液体ＬＱが電気絶縁膜４０の上に付着すると、センス端子ＴＳとベース端子ＴＢとの間の静電容量に影響を及ぼすが、コンタクト領域ＣＴを経由してガード電極層２２および付着した液体は同じ電位に維持されるため、液体ＬＱの付着に起因した圧力出力値のシフトを防止できる。

　図２において、ベース端子ＴＢは演算増幅器ＯＰの反転入力の仮想接地点ＶＧに接続し、かつ、ガード端子ＴＧは接地電位である。このため、ガード電極とベース電極との間の電圧と電流は無視できるものであり、ベース電極とダイアフラムプレートとの間で測定される容量値に実質的に影響を及ぼさない。センス端子ＴＳは、ガード電極とダイアフラムプレートとの間の電流が無視できるものであって、ダイアフラムプレートとベース電極との間で測定される容量値に実質的な影響を及ぼさないように、電圧源ＣＶに接続される。ガード電極とベース電極との間の静電容量は、接地と仮想接地点ＶＧとの間に接続され、ダイアフラムプレートとベース電極との間で測定される容量値に実質的な影響を及ぼさない。

　ベース端子ＴＢとセンス端子ＴＳとの間の静電容量をＣＳとし、ベース端子ＴＢとガード端子ＴＧとの間の静電容量をＣＬとする。また、電圧源ＣＶを実効電圧ＵｉのＡＣ電圧源と仮定し、フィードバック回路要素ＲＡをＣＦに等しい静電容量のコンデンサと仮定し、増幅器ＯＰの開ループ利得をＡと仮定する。増幅器の出力電圧Ｕｏは、次のように表される。

　このように、ＣＬの影響は、増幅器開ループ利得Ａの量に応じて減少する。センス端子ＴＳとガード端子ＴＧとの間の静電容量もまた、理想的な電圧源として電圧を変化させることなく電流をこの静電容量に供給できる電圧源Ｕｉと並列に接続されるので、出力電圧に影響を及ぼさない。

（実施形態２）
　図３は、本発明の実施形態２に係る圧力センサ構造１の一例を示す断面図である。この圧力センサ構造１は、ダイアフラムプレート３２、ベース電極３１および側壁層２０を含むセンサ本体と、センサ本体を支持するベース基板１０などを備える。これらの材質、機能は、図１に示す構造と同様であるため、重複説明を省略する。

　本実施形態では、電気絶縁膜４０の上には、コンタクト領域ＣＴを経由してガード電極層２２と電気的に接続された導電膜２４が設けられる。導電膜２４は、コンタクト領域ＣＴと物理的に接触しつつ、側壁層２０の外壁を覆うように設けられる。これにより液体ＬＱとガード電極層２２とが導通する確率が増加する。こうした導電膜２４は、ガード電極層２２の外周に沿って連続的に設けてもよく、あるいは、例えば、部分的または間欠的に設けてもよく、メッシュ状に設けてもよい。

　図４は、図３に示す圧力センサ構造１がハウジング５０に収納された状態を示す断面図である。圧力センサ構造１の下側部分、即ち、ベース基板１０の裏面および側面はハウジング５０に密着しているが、圧力センサ構造の上側部分は外気に露出している。そのため結露や浸水などに起因して、電気絶縁膜４０の上に水などの液体ＬＱが付着する可能性がある。ハウジング５０の内部空間は、ボウル容器のように窪んでいるため、液体ＬＱは、側壁層２０の外壁付近に滞留する傾向がある。液体ＬＱは導電膜２４と物理的に接触するようになり、導電膜２４および電気絶縁膜４０のコンタクト領域ＣＴを経由してガード電極層２２および付着した液体ＬＱは同じ電位に維持される。そのため液体の付着に起因した圧力出力値のシフトを防止でき、外乱の影響を抑制できる。

　導電膜２４は、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｔｉ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｚｒ，ＮｂもしくはＳｉ、またはこれらの少なくとも１つを含む合金、例えば、ステンレス鋼、アルミ合金、チタン合金、ニッケル合金などで形成されてもよい。これにより導電膜２４の耐腐食性が高くなる。そのため電気絶縁膜４０に付着する液体が、例えば、塩素水、海水などの腐食性液体である場合でも導電膜２４の劣化を抑制できる。導電膜２４の成膜方法は、例えば、蒸着、スパッタ、メッキ、塗布などが例示できる。

（実施形態３）
　図１、図３に示した圧力センサ構造１は、図２に示す容量変換回路とともに、図４に示すようなハウジング５０に収納される。これにより結露や浸水、電磁ノイズなどの外乱の影響を抑制できる圧力センサ装置を実現できる。

（実施形態４）
　図５（Ａ）は、本発明の実施形態４に係る圧力センサ構造１の一例を示す断面図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示す圧力センサ構造１の平面図であり、理解容易のために電気絶縁膜４０を除去した状態を示す。この圧力センサ構造１は、ダイアフラムプレート３２、ベース電極３１および側壁層２０を含むセンサ本体と、センサ本体を支持するベース基板１０などを備える。これらの材質、機能は、図１に示す構造と同様であるため、重複説明を省略する。

　本実施形態では、図１に示す圧力センサ構造において、電気絶縁層２３、ダイアフラムプレート３２および電気絶縁膜４０が部分的に除去され、ガード電極層２２の上面の一部が外気に露出する開口が設けられる。ガード電極層２２の露出部分は、外気に繋がるコンタクト領域ＣＴとして機能する。図５（Ｂ）では、こうしたコンタクト領域ＣＴが矩形状の連続線である場合を例示している。コンタクト領域ＣＴは、矩形状以外にも正方形、円形、楕円形など他の幾何形状でもよく、連続線以外にも点線、破線、一点鎖線のように部分的または間欠的に設けてもよい。コンタクト領域ＣＴの外側には、電気絶縁層２３ａおよびダイアフラムプレート３２ａが残留する。このように液体が付着し滞留しやすい場所にコンタクト領域ＣＴを配置することによって、外乱の影響を抑制して高精度の圧力測定を実現できる。

　図６は、図５に示す圧力センサ構造１がハウジング５０に収納された状態を示す断面図である。圧力センサ構造１は、実施形態２と同様に、電気絶縁膜４０の上に、コンタクト領域ＣＴを経由してガード電極層２２と電気的に接続された導電膜２４が設けられる。こうした導電膜２４は、実施形態１と同様に省略してもよい。

　圧力センサ構造１の下側部分、即ち、ベース基板１０の裏面および側面はハウジング５０に密着しているが、圧力センサ構造の上側部分は外気に露出している。そのため結露や浸水などに起因して、電気絶縁膜４０の上に水などの液体ＬＱが付着する可能性がある。ハウジング５０の内部空間は、ボウル容器のように窪んでいるため、液体ＬＱは、側壁層２０の外壁付近に滞留する傾向がある。液体ＬＱは導電膜２４と物理的に接触するようになり、導電膜２４および電気絶縁膜４０のコンタクト領域ＣＴを経由してガード電極層２２および付着した液体ＬＱは同じ電位に維持される。そのため液体の付着に起因した圧力出力値のシフトを防止でき、外乱の影響を抑制できる。

　導電膜２４は、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｔｉ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｚｒ，ＮｂもしくはＳｉ、またはこれらの少なくとも１つを含む合金、例えば、ステンレス鋼、アルミ合金、チタン合金、ニッケル合金などで形成されてもよい。これにより導電膜２４の耐腐食性が高くなる。そのため電気絶縁膜４０に付着する液体が、例えば、塩素水、海水などの腐食性液体である場合でも導電膜２４の劣化を抑制できる。導電膜２４の成膜方法は、例えば、蒸着、スパッタ、メッキ、塗布などが例示できる。

（実施形態５）
　図５に示した圧力センサ構造１は、図２に示す容量変換回路とともに、図６に示すようなハウジング５０に収納される。これにより結露や浸水、電磁ノイズなどの外乱の影響を抑制できる圧力センサ装置を実現できる。

　本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。

　本発明は、外乱の影響を抑制でき、高精度の圧力測定が実施できる圧力センサ構造が実現できるため、産業上極めて有用である。

　　１　　圧力センサ構造
　１０　　ベース基板
　２０　　側壁層
　２１，２３　　電気絶縁層
　２４　　導電膜
　２２　　ガード電極層
　３１　　ベース電極
　３２　　ダイアフラムプレート
　４０　　電気絶縁膜
　５０　　ハウジング
　ＣＴ　　コンタクト領域
　Ｇ　　間隙
　ＬＱ　　液体

Claims (5)

1. 　電極間の静電容量の変化を検知する圧力センサ構造であって、
   　センス電極として機能するダイアフラムプレート、該ダイアフラムプレートに対向するベース電極、および前記ダイアフラムプレートと前記ベース電極との間の間隙を維持する側壁層を含むセンサ本体と、
   　該センサ本体を支持するための導電性のベース基板と、を備え、
   　前記側壁層は、ガード電極層、ならびに該ガード電極層を電気的に絶縁する上側および下側ガード電極絶縁層を含み、
   　前記ダイアフラムプレートの外側表面および前記側壁層の外側表面が電気絶縁膜で被覆されており、
   　該電気絶縁膜には、前記ガード電極層の一部が外気に繋がるコンタクト領域が設けられる、圧力センサ構造。
2. 　前記コンタクト領域は、前記ガード電極層の一部が前記ダイアフラムプレートおよび前記上側ガード電極絶縁層に形成された開口を経由して外気に繋がるように設けられる、請求項１に記載の圧力センサ構造。
3. 　前記電気絶縁膜の上には、前記コンタクト領域を経由して前記ガード電極層と電気的に接続された導電膜が設けられる、請求項１に記載の圧力センサ構造。
4. 　前記導電膜は、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｔｉ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｚｒ，ＮｂもしくはＳｉ、またはこれらの少なくとも１つを含む合金で形成される、請求項３に記載の圧力センサ構造。
5. 　請求項１～４のいずれかに記載の圧力センサ構造と、
   　前記圧力センサ構造を収容するハウジングと、
   　前記圧力センサ構造からの信号を処理し、前記ダイアフラムプレートの周囲にある浮遊静電容量をキャンセルする容量変換回路と、を備える圧力センサ装置。

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