JP2001215160A

JP2001215160A - 力学的物理量の変換器

Info

Publication number: JP2001215160A
Application number: JP2000023840A
Authority: JP
Inventors: Yukimitsu Sekimori; 幸満関森; Seiichi Yokoyama; 誠一横山; Naohiko Maruno; 尚彦丸野
Original assignee: Nagano Keiki Co Ltd
Current assignee: Nagano Keiki Co Ltd
Priority date: 2000-02-01
Filing date: 2000-02-01
Publication date: 2001-08-10

Abstract

(57)【要約】【課題】寄生静電容量の形成、ならびに、歩留まりおよ
び生産性の低下を生じさせることなく、小型化が達成で
きる力学的物理量の変換器の提供。【解決手段】ガラス基板４に埋め込まれた細い導電性部
材4Aを設け、この導電性部材4Aで導電性パターン３の電
位を外部に取り出す。これにより、スルーホールの形成
が不要となり、さらに変換器１を小型化できるうえ、変
換器１の内部には、シリコン基板５の近傍から外部へ延
びる導電性パターンが不要となり、両面に導電性パター
ン２，３が形成されたガラス基板４と、エッチングによ
りダイアフラム5Aが設けられたシリコン基板５との間に
隙間が発生せず、歩留まりが向上し、寄生静電容量の形
成が防止される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧力、荷重、変位
および加速度等の力学的物理量を検出するための変換器
に関し、詳しくは、互いに接合されたガラス基板および
シリコン基板を備えた力学的物理量の変換器に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、絶対圧力等の力学的物理量を
検出する変換器として、ガラス基板とシリコン基板とを
接合した小型の変換器が知られている。このようなガラ
ス基板とシリコン基板とを接合した変換器としては、図
８に示されるように、シリコン基板61とガラス基板62と
により形成される静電容量の変化で力学的物理量を検出
する静電容量式の圧力変換器60が知られている。

【０００３】図８において、圧力変換器60は、圧力によ
り変位を生じるダイアフラム61A が形成されたシリコン
基板61と、ダイアフラム61A に対向する電極62A が形成
されたガラス基板62とが接合ガラス63を介して接合され
たものとなっている。この圧力変換器60を製造するにあ
たり、ガラス基板62とシリコン基板61とを真空中で接合
することにより、ダイアフラム61A と電極62A との間に
形成される空隙が真空に封止されている。これにより、
圧力変換器60は、絶対圧力を検出する絶対圧力変換器と
なっている。また、ガラス基板62の二つの面のうち、ダ
イアフラム61A 側の面には、電極62A からガラス基板62
の端縁まで延びる導電性パターンからなる引き出し線62
B が設けられている。この引き出し線62B は、シリコン
基板61との間を接合ガラス63で絶縁されている。ガラス
基板62の電極62A は、引き出し線62B を介して外部接続
のために設けられた端子62C と導通している。このよう
な圧力変換器60では、ダイアフラム61A に圧力が印加さ
れると、ダイアフラム61A に撓みが生じ、ダイアフラム
61A と電極62A とが形成する静電容量が変化し、この静
電容量がシリコン基板61上に形成された端子64とガラス
基板62の端子62C とに出力され、絶対圧力が検出され
る。

【０００４】図９には、差圧を検出するための変換器の
一例として、圧力変換器70が示されている。図９におい
て、圧力変換器70は、圧力により変位を生じるダイアフ
ラム71A が設けられたシリコン基板71と、導電性のスル
ーホール72A が形成されたガラス基板72とが陽極接合さ
れたものとなっている。シリコン基板71は、陽極接合さ
れたガラス基板72よりも寸法が大きく、シリコン基板71
のガラス基板72側の面には、導電性パターン73がマスク
蒸着で形成されている。導電性パターン73は、シリコン
基板71の表面からガラス基板72の端面を経由し、ガラス
基板72の表面まで延び、端子74と導通している。ガラス
基板72のダイアフラム71A と対向する面には、導電性パ
ターンからなる電極75が形成され、この電極75は、導電
性のスルーホール72A を介して、ガラス基板72の表面に
形成された端子76と導通している。このような圧力変換
器70では、測定対象となる二つの圧力のうち、一方の圧
力がスルーホール72A を通って導かれ、ダイアフラム71
A の一方の面に印加され、他方の圧力がダイアフラム71
A の他方の面に印加される。これにより、ダイアフラム
71A には、二つの圧力が加わり、これらの圧力の差圧に
応じてダイアフラム71A に撓みが生じ、ダイアフラム71
A と電極75とが形成する静電容量が変化する。そして、
この静電容量がシリコン基板71に形成された端子74とガ
ラス基板72の端子76とに出力され、差圧が検出される。

【０００５】図１０には、図８で示した圧力変換器70の
構造を利用した絶対圧力変換器の一例である圧力変換器
80が示されている。図１０において、圧力変換器80は、
図８で示した圧力変換器70のガラス基板72に設けたスル
ーホール72A を封止材料81で完全に塞いだものである。
ここで、封止材料81としては、結晶化ガラスが採用され
ている。このような圧力変換器80では、ガラス基板72の
スルーホール72A を封止材料81で塞いだ後、ガラス基板
72とシリコン基板71とを真空中で接合することにより、
圧力変換器80の製作が行われる。そして、ダイアフラム
71A と電極75との間の空隙が真空に封止されるので、絶
対圧力を検出することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図８に示される変換器
60では、シリコン基板61とガラス基板62との間に引き出
し線62B が部分的に形成されているので、引き出し線62
B の厚さにより、引き出し線62B の周囲に隙間が生じる
ことがあり、この隙間は、製品として不備となることか
ら、歩留まりを低下させるという問題がある。しかも、
このような隙間は、変換器内の気密性を低下させるの
で、圧力変換器の場合には、この点からも検出精度が低
下するという問題がある。また、ガラス基板62に導電性
パターンからなる引き出し線62B が形成され、この引き
出し線62B がシリコン基板61と大きな寄生静電容量を形
成するので、静電容量式の変換器の場合には、この寄生
静電容量により、力学的物理量の検出精度が低下すると
いう問題がある。

【０００７】ここで、寄生静電容量に起因する問題は、
歪みゲージ式の変換器には発生しないことから、図８に
示した変換器の基本的な構造を歪みゲージ式の変換器に
適用することが考えられる。すなわち、図８におけるダ
イアフラム61A の内側（図中下方）の面に、歪みゲージ
を形成し、寄生静電容量により生じる問題を解決するこ
とが考えられるが、このようにしても、引き出し線62B
の周囲に生じる隙間に起因する歩留まりの問題や、気密
性の低下による問題を解決することはできない。このた
め、通常の歪みゲージ式変換器は、図１１に示されるよ
うに、ダイアフラム61B の外側（図中上方）の面に、歪
みゲージ61C を形成し、構造的に隙間が生じないように
し、気密性低下等の問題が発生しないようにしている。
しかしながら、このような変換器では、過大な圧力が加
わった際に、ダイアフラム61B の変形を抑制するものが
何もなく、過大な圧力が加わると、ダイアフラム61B が
破損してしまう。このため、他の部品よりも脆弱なダイ
アフラム61B の強度で変換器の許容耐圧が決まるので、
許容耐圧が低いという問題がある。

【０００８】図９に示される変換器70では、大きな寄生
静電容量が形成されることはないが、ガラス基板72の導
電性スルーホール72A は、内周面に導電性薄膜を蒸着す
るため、所定寸法以上の内径を必要とするので、いまま
で以上の小型化が困難であるという問題がある。なお、
ガラス基板72の導電性スルーホール72A を小さくしよう
とすると、内周面に導電性薄膜を蒸着して導電性を確保
するのが困難となるうえ、ガラス基板72に対する孔開機
械加工も困難となり、変換器70の生産性が著しく低くな
るという問題が発生する。なお、ガラス基板を貫通する
導電性スルーホールが省略された変換器としては、特開
平９−１７８５７８号公報、および、特開平１１−２０
１８４７号公報の図２ないし図６に示されるものがある
が、これらの変換器では、大きな寄生静電容量が形成さ
れてしまう。

【０００９】図１０に示される変換器80では、導電性ス
ルーホール72A を形成しているので、いままで以上の小
型化が困難であるという問題があるうえ、スルーホール
72Aを結晶化ガラスからなる封止材料81で塞ぐ作業は、
自動化が困難な煩雑なものなので、変換器80の生産性が
低くなるという問題がある。また、スルーホール72A を
封止材料81で塞ぐと、ガラス基板72の表面に凹凸が形成
されるため、真空吸着によるガラス基板72のハンドリン
グに支障をきたすことがあり、この点からも、変換器80
の生産性が低くなるという問題がある。

【００１０】本発明の目的は、寄生静電容量の形成、な
らびに、歩留まりおよび生産性の低下を生じさせること
なく、小型化が達成できる力学的物理量の変換器を提供
することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、両面に導電性
パターンが形成されたガラス基板と、エッチングにより
形成されている力学的物理量の感応部が設けられたシリ
コン基板とを備え、前記ガラス基板と前記シリコン基板
とが接合されている力学的物理量の変換器であって、前
記ガラス基板には、その表面に対して垂直方向に延びる
導電性部材が埋め込まれ、前記ガラス基板の両面に形成
された前記導電性パターンは、前記導電性部材を介して
電気的に相互に接続されていることを特徴とする。

【００１２】このような本発明では、ガラス基板の製造
時に、ガラス基板の内部に導電性部材が埋め込まれてい
るので、スルーホールの形成が不要となる。また、導電
性部材としては、導電性が確保できる程度のきわめて細
いものが採用できるので、変換器のさらなる小型化が可
能となる。そして、感応部に対向した電極等を電気的に
外部に取り出すにあたり、導電性部材を利用できるの
で、シリコン基板とガラス基板との間の引き出し線が不
要となり、ガラス基板とシリコン基板との間に隙間が生
じることがなく、歩留まりが低下することがない。ま
た、引き出し線による隙間が発生しないことから、気密
性の確保が確実に行え、気密信頼性が向上する。さら
に、導電性部材の長さ寸法を、ガラス基板の厚さ寸法と
ほぼ同一にすれば、ガラス基板の表面は、真空吸着可能
な程度に平坦となり、真空吸着搬送装置でガラス基板の
ハンドリングが確実に行え、自動化が可能となり、変換
器の生産性の向上が図れる。また、ガラス基板には、必
要な電極以外に、シリコン基板の近傍に配置される導電
性パターンが形成されることがないので、静電容量式の
変換器の場合には、寄生静電容量が発生せず、力学的物
理量の検出精度が向上される。

【００１３】ここで、ガラス基板に貫通孔を形成する場
合には、ガラス基板に複数形成された導電性部材のうち
の少なくとも一つの導電性部材がエッチングで除去され
ることにより、当該ガラス基板を貫通する貫通孔を形成
することが好ましい。このようにすれば、ガラス基板を
製造するにあたり、ガラス基板に対する孔開機械加工が
不要となるうえ、開けた孔の内周面に導電性薄膜を蒸着
する作業も不要となる。しかも、導電性部材としては、
前述のように、導電性が確保できる程度のきわめて細い
ものが採用できるので、内径の小さな貫通孔が形成可能
となり、内径の小さな貫通孔を形成しても、変換器の生
産性が損なわれないうえ、この点からも、変換器のさら
なる小型化が可能となる。

【００１４】また、前記シリコン基板の前記感応部と前
記ガラス基板の前記導電性パターンとが静電容量を形成
し、前記力学的物理量により前記感応部が変位し、この
変位による前記感応部と前記導電性パターンとの間の静
電容量の変化から前記力学的物理量を検出することが望
ましい。このようにすれば、前述したように、寄生静電
容量がなくなるので、力学的物理量の検出精度が向上さ
れる。

【００１５】ここで、ガラス基板に貫通孔を設ける場合
には、前記感応部として、圧力により変位を生じるダイ
アフラムが形成され、前記力学的物理量は、前記ダイア
フラムの両面に加わる圧力の差である差圧となっている
ことが好ましい。このようにすれば、差圧やゲージ圧等
を検出するための変換器に対して、さらなる小型化およ
び精度の向上が図れる。

【００１６】そして、前記貫通孔は、前記シリコン基板
に形成された前記感応部の周縁よりも外側となる平面位
置に配置され、前記導電性パターンおよび前記感応部と
間には、前記感応部の変位を許容するための空隙が形成
され、前記シリコン基板および前記ガラス基板の少なく
とも一方の一部分を除去することにより形成された通路
を介して前記空隙と前記貫通孔とが互いに連通している
ことが望ましい。このようにすれば、外部圧力等の力学
的物理量が貫通孔および通路を通じて空隙まで導かれ、
感応部の変位により力学的物理量の検出が可能となる。
また、感応部の周縁よりも外側となる平面位置に貫通孔
が配置されているので、内部信号を電気的に外部に取り
出すにあたり、感応部の周縁よりも内側の平面位置に設
けられた導電性部材が利用可能となり、感応部の周縁よ
りも内側の平面位置に、一つしか導電性部材がなくと
も、貫通孔が形成可能となるうえ、寄生静電容量の形成
も未然に防止される。さらに、静電容量式の変換器の場
合、感応部の周縁よりも外側となる平面位置に配置され
た貫通孔を採用すれば、シリコン基板の感応部と対向す
るように、ガラス基板に設けられた電極が、貫通孔の形
成により狭められないので、変換器の感度が向上する。

【００１７】一方、ガラス基板に貫通孔を設けない場合
には、前記導電性パターンおよび前記感応部との間に
は、前記感応部の変位を許容するために形成された空隙
が、密閉された閉鎖空間であることが好ましい。このよ
うにすれば、絶対圧力を検出するための変換器に対し
て、さらなる小型化および精度の向上が図れる。

【００１８】この際、前記シリコン基板の前記感応部と
前記ガラス基板の前記導電性パターンとが静電容量を形
成し、前記力学的物理量により前記感応部が変位し、こ
の変位による前記感応部と前記導電性パターンとの間の
静電容量の変化から前記力学的物理量を検出することが
望ましい。このようにすれば、前述したように、寄生静
電容量がなくなるので、静電容量の変化から検出される
絶対圧力の精度が向上される。

【００１９】また、本発明は、前記感応部として、前記
シリコン基板に対して垂直方向の加速度により変位を生
じる可動部が形成され、前記力学的物理量が加速度とな
っているものも採用できる。このようにすれば、加速度
を検出するための変換器に対して、さらなる小型化およ
び精度の向上が図れる。

【００２０】さらに、前記感応部として、前記シリコン
基板に対して垂直方向の加速度によって変位を生じる可
動部と、圧力により変位を生じるダイアフラム部とが形
成され、前記力学的物理量として、加速度および圧力の
両方が検出可能となっているものも採用できる。このよ
うにすれば、加速度および圧力の両方を検出する変換器
に対して、さらなる小型化および精度の向上が図れる。

【００２１】また、前記ガラス基板は、アルカリ金属を
含む陽極接合可能なガラスから形成され、前記ガラス基
板と前記シリコン基板とは、陽極接合により接合されて
いることが好ましい。このようにすれば、ガラス基板と
シリコン基板とを強固に接合でき、変換器が堅牢なもの
となる。また、ガラス基板とシリコン基板との間の空隙
が確実に密閉されるようになるので、圧力を検出する場
合には、空隙内の圧力が外部に逃げることがなくなり、
検出対象となる圧力の検出精度を向上できる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図１には、本発明の第１実施形態
に係る静電容量式圧力変換器１が示されている。この変
換器１は、両面に導電性パターン２，３が形成されたガ
ラス基板４と、力学的物理量の感応部としてのダイアフ
ラム5Aが設けられたシリコン基板５とを備えたものであ
る。

【００２３】ガラス基板４は、アルカリ金属を含む陽極
接合可能なガラスから形成されたものであり、シリコン
基板５とは、陽極接合により接合されている。ガラス基
板４の導電性パターン２，３のうち、ダイアフラム5Aと
対向する面に形成された導電性パターン２は、シリコン
製のダイアフラム5Aとともに静電容量を形成する電極2A
となっている。この導電性パターン２は、ガラス基板４
に蒸着されたチタン薄膜等からなるものである。ガラス
基板４には、その表面に対して垂直方向に延びる柱状の
導電性部材4Aが埋め込まれている。ガラス基板４の両面
に形成された導電性パターン２および導電性パターン３
は、導電性部材4Aを介して電気的に相互に接続されてい
る。ガラス基板４の導電性パターン３は、アルミニウム
薄膜等からなるワイヤボンドパッド3Aであり、その端縁
部分に外部配線７が接続されている。導電性部材4Aは、
タングステンやモリブデン等の金属製のものであり、充
分な導電率が確保される太さを有している。

【００２４】シリコン基板５のダイアフラム5Aは、所定
の圧力感度が確保される厚さ寸法を備えたものであり、
シリコン基板５のガラス基板４側の面を電極2Aに応じて
エッチングするとともに、反対側の面を同様にエッチン
グすることにより、形成されている。シリコン基板５
は、陽極接合されたガラス基板４よりも寸法が大きく、
シリコン基板５のガラス基板４側の面には、導電性パタ
ーン６がマスク蒸着で形成されている。導電性パターン
６は、シリコン基板５の表面からガラス基板４の端面を
経由し、ガラス基板４の表面まで延びている。ガラス基
板４の表面の端縁部分に達した導電性パターン６の端部
には、外部配線８が接続されている。

【００２５】ここで、電極2Aおよびダイアフラム5Aとの
間には、ダイアフラム5Aの変位を妨げないように空隙９
が形成されている。この空隙９は、密閉された閉鎖空間
であり、内部は真空となっている。そして、シリコン基
板５のダイアフラム5Aと、ガラス基板４の電極2Aとが静
電容量を形成し、ダイアフラム5Aが圧力を受けて変位す
ると、この変位により、ダイアフラム5Aと電極2Aとが形
成する静電容量が変化し、この変化する静電容量から絶
対圧力が検出可能となっている。

【００２６】次に、本実施形態の変換器１の製造手順に
ついて説明する。まず、複数の導電性部材4Aが埋め込ま
れたガラスインゴットを、所定の厚さにスライス・研磨
して大判のガラス基板４を製作する。ここで、導電性部
材4Aとしては、タングステン線およびモリブデン線等の
線材が採用でき、あるいは、線材でなく角材など他の断
面形状のものも採用できるが、ここでは、直径０．１５
mmのタングステン線を採用する。また、ガラス基板４の
厚さ寸法は、約５００μｍにするのが好ましい。なお、
導電性部材4Aとしてタングステン線を採用した場合に
は、タングステンがガラスよりも硬く、研磨において減
り方が少ないので、研磨の途中で薬品によりタングステ
ン線の端部をエッチングし、ガラス基板４の表面から数
μｍ程度陥没させ、ダイアフラム5Aの変位を妨げないよ
うにするのが好ましい。

【００２７】ガラス基板４の研磨が完了したら、ガラス
基板４の両面に、チタン等の金属膜を蒸着するとともに
フォトリソグラフィーによるパターニングを行い、導電
性パターン２，３を形成する。この導電性パターン２，
３は、ガラス基板４に埋め込まれた導電性部材4Aの端部
を覆っており、この導電性部材4Aにより相互に導通され
ている。なお、導電性パターン２，３は、フォトリソグ
ラフィーが容易なチタン膜やアルミニウム膜とするのが
好ましいが、フォトリソグラフィーやワイヤボンディン
グが行えれば、金や銅等の他の材質の膜も採用できる。

【００２８】ガラス基板４の製作と前後して、シリコン
基板５の製作を行う。すなわち、両面を鏡面研摩したシ
リコンウェーハの両面に対し、酸化、フォトリソグラフ
ィー、シリコンエッチングおよび酸化膜除去の作業を順
次行い、所定厚さにされた複数のダイアフラム5Aが形成
された大判のシリコン基板５を製作する。ここで、シリ
コン基板５は、ガラス基板４の導電性パターン２に応じ
た位置と数量のダイアフラム5Aが形成されている。

【００２９】大判のガラス基板４およびシリコン基板５
の両方が完成したら、ガラス基板４およびシリコン基板
５の互いの位置を合わせ、真空中で両者を陽極接合す
る。この際、真空容器中の雰囲気の温度を約４００℃に
しておく。接合完了後、ガラス基板４を部分的に除去
し、変換器１の端縁位置に相当するシリコン基板５の一
部を露出させる。この後、シリコン基板５のダイアフラ
ム5Aの電位を取り出すために、メタルマスクで所定部分
をマスキングした状態で、シリコン基板５の露出部分か
らガラス基板４の表面にかけて延びる金属薄膜を蒸着形
成し、これにより、導電性パターン６を形成する。この
際、金属薄膜としては、導電性パターン６へのワイヤボ
ンディングが可能な金属製の薄膜が採用できるが、ここ
では、アルミニウム蒸着薄膜を採用した。導電性パター
ン６の完成の後、ダイシングにより個々の変換器１に切
り分け、変換器１が完成する。

【００３０】前述のような本実施形態によれば、次のよ
うな効果が得られる。すなわち、両面のそれぞれに形成
された導電性パターン２，３を相互に導通させる導電性
部材4Aが埋め込まれたガラス基板４を採用し、ダイアフ
ラム5Aに対向した電極2Aの電位を電気的に外部に取り出
すにあたり、導電性部材4Aを利用するようにしたので、
直径が大きなスルーホールが不要となり、かつ、導電性
が確保でき、きわめて細い導電性部材4Aが採用できるよ
うになり、変換器１の大きさを小型化できる。しかも、
ガラス基板４には、電極2A以外に、シリコン基板５の近
傍に導電性パターンが形成されず、寄生静電容量の形成
を未然に防止でき、これにより、検出対象となる圧力の
変動に対する応答を良好なものとできるうえ、寄生静電
容量がなくなるので、圧力の検出精度を向上できる。

【００３１】また、シリコン基板５とガラス基板４との
間には、引き出し線がないので、引き出し線による隙間
が発生せず、変換器１を製造するにあたり、その歩留ま
りが低下することがなく、気密性の確保が確実に行え、
気密信頼性を向上することができる。さらに、ガラス基
板４のダイアフラム5A側の面および反対側の面の両方に
ついて、導電性部材4Aの端部が突出しないようにしたの
で、ガラス基板４の表面が、真空吸着可能な程度に平坦
となり、真空吸着搬送装置でガラス基板４のハンドリン
グが確実に行え、自動化が可能となり、変換器１の生産
性を向上できる。

【００３２】また、アルカリ金属を含む陽極接合可能な
ガラスから形成されたガラス基板４採用し、ガラス基板
４とシリコン基板５とを陽極接合により接合したので、
ガラス基板４とシリコン基板５とを強固に接合でき、変
換器１を堅牢なものとできるうえ、ガラス基板４とシリ
コン基板５との間の空隙９が確実に密閉され、高い測定
精度を確保でき、しかも、空隙９の真空度が長期にわた
って維持されるようになり、その精度を長期にわたって
維持できる。

【００３３】図２には、本発明の第２実施形態に係る静
電容量式圧力変換器10が示されている。本第２実施形態
は、前記第１実施形態における密閉された空隙９を、外
部に連通した空隙9Aとしたものである。すなわち、ガラ
ス基板４には、当該ガラス基板４を貫通する貫通孔19が
形成されている。この貫通孔19により、空隙9Aは外部と
連通し、ダイアフラム5Aは、両面に加わる圧力の差圧に
よって変位するようになっている。これにより、変換器
10は、差圧を検出する差圧変換器となっている。ここ
で、貫通孔19は、ガラス基板４に二つ形成された導電性
部材4Aのうちの一方の導電性部材4Aがエッチングで除去
されることで形成されたものである。さらに詳しく説明
すると、貫通孔19は、ガラス基板４の製作時に、貫通孔
19を形成すべき位置に埋め込まれた導電性部材4Aを選択
的にエッチングで除去することにより形成されたもので
ある。これにより、貫通孔19は、内径が充分小さく、か
つ、内周面が滑らかなものとなっている。

【００３４】このような本実施形態においても前記第１
実施形態と同様な作用・効果を得ることができる他、次
のような効果を付加できる。すなわち、ガラス基板４に
埋め込まれた導電性部材4Aをエッチングで除去すること
により、ガラス基板４を貫通する貫通孔19を形成したの
で、内径の小さな貫通孔19が形成できる。このため、従
来、内径の大きなスルーホールが必要であった差圧変換
器からスルーホールを省略することができるので、差圧
を検出する変換器10を小型化することができる。

【００３５】また、導電性部材4Aのエッチングで貫通孔
19の形成を行ったので、ガラス基板４を製造するにあた
り、ガラス基板４に対する孔開機械加工が不要となるう
え、開けた孔の内周面に導電性薄膜を蒸着する作業も不
要となり、変換器10の生産性を向上できる。

【００３６】図３には、本発明の第３実施形態に係る静
電容量式圧力変換器20が示されている。本第３実施形態
は、前記第２実施形態における空隙9Aに直接接続される
貫通孔19を、空隙9Aに間接的に接続される貫通孔19A と
したものである。すなわち、貫通孔19A は、シリコン基
板５に形成されたダイアフラム5A の周縁よりも外側と
なる平面位置に配置されている。また、シリコン基板５
およびガラス基板４の少なくとも一方、ここでは、シリ
コン基板５には、その一部分を除去することにより、通
路21が形成されている。この通路21を介して貫通孔19A
が空隙9Aと間接的に接続され、これにより、貫通孔19A
と空隙9Aとが互いに連通している。

【００３７】このような本実施形態においても前記第２
実施形態と同様な作用・効果を得ることができる他、次
のような効果を付加できる。すなわち、ダイアフラム5A
の周縁よりも外側となる平面位置に貫通孔19A を配置
し、内部信号を電気的に外部に取り出すにあたり、ダイ
アフラム5Aの周縁よりも内側の平面位置に設けられた導
電性部材4Aが利用可能となり、最短の経路で内部信号を
電気的に外部に取り出せ、寄生静電容量の形成を未然に
防止できる。しかも、ダイアフラム5Aの周縁よりも内側
の平面位置に、一つしか導電性部材4Aがなくとも、ダイ
アフラム5Aの外側の導電性部材4Aを除去して貫通孔19A
を形成することができる。さらに、ダイアフラム5Aの周
縁よりも外側となる平面位置に配置された貫通孔19A を
設けることにより、シリコン基板５のダイアフラム5Aと
対向するように、ガラス基板４に設けられた電極2Aが、
貫通孔19A の形成により狭められないので、変換器20の
感度を向上することができる。

【００３８】図４には、本発明の第４実施形態に係る絶
対圧力変換器30が示されている。本第４実施形態は、前
記第１実施形態における静電容量式の圧力検出機構を、
歪みゲージ式の圧力検出機構としたものである。すなわ
ち、変換器30のダイアフラム5Aは、その空隙９側の面に
複数の歪みゲージ31が形成されたものである。この変換
器30は、圧力を受けると、ダイアフラム5Aとともに歪み
ゲージ31が撓み、撓みに応じて歪みゲージ31の電気抵抗
が変化し、この撓みに応じた歪みゲージ31の電気抵抗を
検出することで、圧力検出を行うものとなっている。各
歪みゲージ31は、ガラス基板４と接合している接合面ま
で延びる導電パターン32に接続されている。ガラス基板
４の空隙９側の面には、シリコン基板５に形成された導
電パターン32に応じた導電パターン２が形成されてい
る。この導電パターン２は、ガラス基板４を貫通する導
電性部材4Aを介して、反対側の面に形成された導電性パ
ターン３に接続されている。

【００３９】ここで、シリコン基板５側の導電パターン
32と、ガラス基板４側の導電パターン２とは、シリコン
基板５とガラス基板４との接合により互いに接触し、電
気的に導通している。これにより、歪みゲージ31は、導
電パターン32、導電パターン２および導電性部材4Aを介
して導電性パターン３と電気的に導通している。なお、
導電性パターン３は、外部配線7Aが接続されるワイヤボ
ンドパッド3Aとなっている。このような本実施形態にお
いても前記第１実施形態と同様な作用・効果を得ること
ができる。

【００４０】図５には、本発明の第５実施形態に係る加
速度変換器40が示されている。本第５実施形態は、前記
第１実施形態のダイアフラム5Aを、シリコン基板５に対
して垂直方向の加速度によって変位を生じる可動部5Bと
したものである。すなわち、変換器40は、感応部として
の可動部5Bを有するものである。可動部5Bは、シリコン
基板５のエッチングにより形成された厚肉の錘部41およ
び薄肉の可撓部42とを有するものである。錘部41は、そ
の周囲に部分的に設けられた可撓部42によりシリコン基
板５と連結されている。また、シリコン基板５のガラス
基板４とは反対側の面には、ガラス板44が陽極接合され
ている。これにより、可動部5Bの両側に空隙9Aおよび空
隙9Bが形成され、これらの空隙9Aおよび空隙9Bは、外部
から空気等が入り込まない密閉空間となっている。錘部
41およびシリコン基板５の間における、可撓部42以外の
部分は、隙間43となっている。可動部5Bの両側の空隙9A
および空隙9Bは、隙間43を介して相互に連通している。
これにより、可動部5Bは、変換器40に加わる加速度に応
じて錘部41が図中上下方向に容易に変位し、シリコン基
板５の可動部5Bと、ガラス基板４の電極2Aとが形成する
静電容量が変化し、この変化から加速度が検出可能とな
っている。このような本実施形態においても前記第１実
施形態と同様な作用・効果を得ることができる。

【００４１】なお、本発明は前述の各実施形態に限定さ
れるものではなく、次に示す変形などをも含むものであ
る。すなわち、ガラス基板に形成する孔を形成するにあ
たり、必ずしも、ガラス基板に埋め込まれた金属製の導
電性部材を除去する加工を行う必要はなく、図６に示さ
れるように、シリコン基板５の電位を取り出すために、
ガラス基板４に形成される孔51等、細径化が必ずしも必
要でない孔については、従来のサンドブラスト加工や超
音波加工によっても形成してもよい。なお、図６に示さ
れる孔51は、変換器10の角部に形成される四分の一円と
されており、四つの変換器10の角部を一つに寄せ集める
と丸孔を形成する。

【００４２】また、前記実施形態の各々では、シリコン
基板の一方にガラス基板を接合していたが、図７に示さ
れるように、シリコン基板５の他方にもガラス基板52を
設けてもよい。ここで、圧力変換器とする場合には、ガ
ラス基板52には、圧力導入口53を設ける必要がある。さ
らに、前記実施形態では、歪みゲージ式の圧力変換器と
して絶対圧力変換器30のみを説明したが、本発明は、歪
みゲージを用いたゲージ圧変換器および差圧変換器にも
適用できる。この場合、図４に示される変換器30に形成
された導電性部材4Bをエッチングして除去すれば、貫通
孔が容易に形成できる。

【００４３】また、変換器としては、シリコン基板の感
応部とガラス基板の導電性パターンとが静電容量を形成
し、力学的物理量により変化する静電容量を検出する静
電容量式のものや、シリコン基板の感応部に歪みゲージ
が設けられ、力学的物理量により変化する歪みゲージの
直流抵抗を検出する歪みゲージ式のものに限らず、力学
的物理量に応じた電圧を発生する圧電素子を利用したピ
エゾ方式等、他の検出方式によるものでもよい。さら
に、変換器が検出する力学的物理量としては、圧力およ
び加速度に限らず、荷重および変位でもよく、要するに
力学的物理量が検出できればよい。

【００４４】また、貫通孔としては、シリコン基板に形
成された感応部の周縁よりも外側となる平面位置に配置
されたものに限らず、シリコン基板に形成された感応部
の内部となる平面位置、つまり、感応部と重なる平面位
置に配置されたものでもよいが、感応部の外側に配置す
れば、前述の実施形態のような効果が得られる。さら
に、シリコン基板とガラス基板との間に形成された空隙
と貫通孔とを連通させるための通路としては、シリコン
基板の一部分を除去して形成したものに限らず、ガラス
基板の一部分を除去して形成したものや、シリコン基板
およびガラス基板の両方の一部分を除去することにより
形成したものでもよい。

【００４５】

【発明の効果】上述のように本発明によれば、寄生静電
容量の形成、ならびに、歩留まりおよび生産性の低下を
生じさせることなく、小型化を達成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態を示す断面図および分解
斜視図である。

【図２】本発明の第２実施形態を示す断面図である。

【図３】本発明の第３実施形態を示す断面図および分解
斜視図である。

【図４】本発明の第４実施形態を示す断面図である。

【図５】本発明の第５実施形態を示す断面図および分解
斜視図である。

【図６】本発明の変形例を示す斜視図である。

【図７】本発明の異なる変形例を示す断面図である。

【図８】従来例に係る静電容量式の変換器を示す図１に
相当する図である。

【図９】異なる従来例に係る静電容量式の変換器を示す
断面図である。

【図１０】さらに異なる従来例に係る静電容量式の変換
器を示す断面図である。

【図１１】従来例に係る歪みゲージ式の変換器を示す断
面図である。

【符号の説明】

１,10,20,30 変換器２導電性パターン３導電性パターン４ガラス基板 4A 導電性部材５シリコン基板 5A 感応部としてのダイアフラム 5B 感応部としての可動部 19,19A 貫通孔 21 通路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者丸野尚彦東京都大田区東馬込１−30−４長野計器株式会社内Ｆターム(参考） 2F055 AA40 BB01 BB03 BB05 CC02 DD05 EE25 FF11 FF43 FF49 GG01 GG11 4M112 AA01 AA02 BA07 CA11 CA13 CA15 DA02 DA18 DA20 EA02 EA13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】両面に導電性パターンが形成されたガラス
基板と、エッチングにより形成されている力学的物理量
の感応部が設けられたシリコン基板とを備え、前記ガラ
ス基板と前記シリコン基板とが接合されている力学的物
理量の変換器であって、前記ガラス基板には、その表面に対して垂直方向に延び
る導電性部材が埋め込まれ、前記ガラス基板の両面に形
成された前記導電性パターンは、前記導電性部材を介し
て電気的に相互に接続されていることを特徴とする力学
的物理量の変換器。
【請求項２】請求項１に記載の力学的物理量の変換器に
おいて、前記ガラス基板に複数形成された導電性部材の
うちの少なくとも一つの導電性部材がエッチングで除去
されることにより、当該ガラス基板を貫通する貫通孔が
形成されていることを特徴とする力学的物理量の変換
器。
【請求項３】請求項１または請求項２に記載の力学的物
理量の変換器において、前記シリコン基板の前記感応部
と前記ガラス基板の前記導電性パターンとが静電容量を
形成し、前記力学的物理量により前記感応部が変位し、
この変位による前記感応部と前記導電性パターンとの間
の静電容量の変化から前記力学的物理量を検出すること
を特徴とする力学的物理量の変換器。
【請求項４】請求項２または請求項３に記載の力学的物
理量の変換器において、前記感応部として、圧力により
変位を生じるダイアフラムが形成され、前記力学的物理
量は、前記ダイアフラムの両面に加わる圧力の差である
差圧となっていることを特徴とする力学的物理量の変換
器。
【請求項５】請求項２ないし請求項３のいずれかに記載
の力学的物理量の変換器において、前記貫通孔は、前記
シリコン基板に形成された前記感応部の周縁よりも外側
となる平面位置に配置され、前記導電性パターンおよび
前記感応部と間には、前記感応部の変位を許容するため
の空隙が形成され、前記シリコン基板および前記ガラス
基板の少なくとも一方の一部分を除去することにより形
成された通路を介して、前記空隙と前記貫通孔とが互い
に連通していることを特徴とする力学的物理量の変換
器。
【請求項６】請求項１に記載の力学的物理量の変換器に
おいて、前記導電性パターンおよび前記感応部と間に
は、前記感応部の変位を許容するための空隙が形成さ
れ、かつ、この空隙が密閉された閉鎖空間であることを
特徴とする力学的物理量の変換器。
【請求項７】請求項６に記載の力学的物理量の変換器に
おいて、前記シリコン基板の前記感応部と前記ガラス基
板の前記導電性パターンとが静電容量を形成し、前記力
学的物理量により前記感応部が変位し、この変位による
前記感応部と前記導電性パターンとの間の静電容量の変
化から前記力学的物理量を検出することを特徴とする力
学的物理量の変換器。
【請求項８】請求項１ないし請求項３ならびに請求項６
および請求項７のいずれかに記載の力学的物理量の変換
器において、前記感応部として、前記シリコン基板に対
して垂直方向の加速度により変位を生じる可動部が形成
され、前記力学的物理量が加速度となっていることを特
徴とする力学的物理量の変換器。
【請求項９】請求項１ないし請求項７のいずれかに記載
の力学的物理量の変換器において、前記感応部として、
前記シリコン基板に対して垂直方向の加速度によって変
位を生じる可動部と、圧力により変位を生じるダイアフ
ラム部とが形成され、前記力学的物理量として、加速度
および圧力の両方が検出可能となっていることを特徴と
する力学的物理量の変換器。
【請求項１０】請求項１ないし請求項７のいずれかに記
載の力学的物理量の変換器において、前記ガラス基板
は、アルカリ金属を含む陽極接合可能なガラスから形成
され、前記ガラス基板と前記シリコン基板とは、陽極接
合により接合されていることを特徴とする力学的物理量
の変換器。