JP2008032451A - 容量変化型圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】熱環境が変化しても良好な感度を保ち、破損しやすくなることを防止できる容量変化型圧力センサを提供すること。
【解決手段】基体３２と、受ける圧力に応じて変形するように厚みを薄くして形成した変形領域４２と、該変形領域と一体でその周囲を囲むようにされ、前記基体に対して固定される厚みの大きな支持部４３とを備える検出体４１と、 該検出体の前記変形領域の変形面と、前記基体とが互いに対向する対向面の前記基体側に形成された第１の電極４４と、前記第１の電極と所定の間隔を置いて前記対向面の前記変形面側に形成した第２の電極４６と、前記第１の電極と第２の電極の間に介在されるようにして、前記第１の電極の表面側に形成された誘電体膜２２とを含んでおり、前記変形領域を囲むようにして、前記支持部に形成された有底の溝５４，５５を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、受ける圧力に応じて変形するように厚みを薄くして形成した検出体（ダイヤフラム）を有する容量変化型圧力センサの改良に関する。

血圧計などの医療機器や、自動車のタイヤ空気圧モニタリングシステムなどの工業用の計器として多用されている容量変化型圧力センサは、他の方式、すなわちピエゾ抵抗型圧力センサなどと比較すると、微圧の測定においても高い感度を有し、測定時の消費電力が小さい等といった多くの利点を有している。
このような容量変化型圧力センサは、一方の電極が形成され、圧力に応じて変形するダイヤフラムと、他方の電極が形成された基体とをある程度の隙間をあけて誘電体膜を介在させるように対向させた構造を有している。そして、変形によるダイヤフラム側と基体側との間の静電容量の変化から圧力を検出するものである。

具体的には、従来の容量変化型圧力センサ（タッチ式圧力センサ）（以下、「圧力センサ」という）は、例えば、図６に示すように構成されている（特許文献１、図１（ｂ）参照）。
図６は圧力センサの概略断面図であり、図において、該圧力センサ１は、変形領域としての導電性を有するダイヤフラム２と、厚みの薄い変形領域であるダイヤフラム２をその周囲で枠状に支持する支持部３とを有するシリコン構造体を有している。
このシリコン構造体を、電極４と該電極４を覆う誘電体膜５を形成した基体６の上に、隙間７を設けて接合している。

圧力センサ１は以上のように構成されており、図示しない引出し電極を介して通電されることにより、気密空間である隙間７および誘電体膜５を介して対向されている変形領域２との間の容量値変化に基づいて、該変形領域２に加えられた圧力を検出することができる。
すなわち、変形領域２に圧力が加わると、該変形領域２は、下方に凸となるように変形する。そして、変形領域２の下面が誘電体膜５に押し付けられて接触する。

この構造では、加えられる圧力が大きいと、変形領域２と誘電体膜５との接触面積が大きくなり、加えられる圧力がそれより小さいと、接触面積は小さくなる。そして、接触面積が大きい方が静電容量は大きくなることから、圧力の作用した際の静電容量値を計測することで、当該圧力の大きさを計測することができるものである。

特開２００２−２１４０５８

しかしながら、従来の圧力センサ１においては、以下のような不都合がある。
図７は図６の圧力センサ１を簡略に図示したものであり、図７（ａ）に示すように、シリコン製の支持部３と、基体６とは、例えば、加熱融着や無機接着剤などを用いて接合されている。
ここで、支持部３を構成するシリコンと、基体６を構成するガラスや硬質プラスチックなどは熱膨張の際の膨張係数が相違する。

例えば、環境温度が高くなると、基体６側の膨張率が大きい場合には、図７（ｂ）に示すように、基体６に反りが発生し、このために、シリコン構造体の変形領域２に引っ張り応力が作用し、弾力性が変化して、変形領域２が硬くなり、応力感度が悪くなる。
また、シリコン構造体の変形領域２に引っ張り応力が作用し、耐圧能力が低下して、破損しやすくなるという問題がある。
すなわち、圧力が作用した際の変形領域２の変形が小さくなることから、容量変化が鈍くなり、図８に示すように、応力変化に対する感度が低下してしまう。
また、変形領域２に基体６の反りによる応力が伝えられことによって、応力に起因した耐圧能力の低下が生じ、破損しやすくなる欠点がある。

本発明は、以上の課題を解決するためになされたもので、熱環境が変化しても良好な感度を保ち、破損しやすくなることを防止できる容量変化型圧力センサを提供することを目的とする。

上記第１の目的は、第１の発明にあっては、誘電体材料でなる基体と、受ける圧力に応じて変形するように厚みを薄くして形成した変形領域と、該変形領域と一体でその周囲を囲むようにされ、前記基体に対して固定される厚みの大きな支持部とを備える検出体と、 該検出体の前記変形領域の変形面と、前記基体とが互いに対向する対向面の前記基体側に形成された第１の電極と、前記第１の電極と所定の間隔を置いて前記対向面の前記変形面側に形成した第２の電極と、前記第１の電極と第２の電極の間に介在されるようにして、前記第１の電極の表面側に形成された誘電体膜とを含んでおり、前記変形領域を囲むようにして、前記支持部に形成された有底の溝を備える容量変化型圧力センサにより、達成される。

第１の発明の構成によれば、前記検出体の変形領域が圧力を受けると、該変形領域が下方に凸となるように変形し、その変形面が前記基体の上面に接触する。その接触面積に応じて、第１の電極と第２の電極の間に絶縁体としての基体が介在されて、その面積分だけ第１の電極と第２の電極の対向面積が増大する。このため、容量値Ｃが増大し、この容量値変化を検出することにより、前記変形領域に加えられた圧力を検出することができる。
この場合、周囲の温度環境が変化して、前記基体と前記支持部の材料の相違に起因する熱膨張率の相違によって、前記基体に反りが生じ、これに固定されている前記支持部が引っ張られても、該支持部には、前記変形領域を囲むようにして、有底の溝が形成されているので、この溝部が変形することにより、基体の反りによる応力が吸収されるから、前記変形領域に伝えられる応力は極端に低減される。したがって、応力により前記変形領域の弾性が変化するということがほとんど無く、圧力に対する感度が低下することなく、良好な感度を維持することができる。
また、前記変形領域に基体の反りによる応力が伝えられることがほとんどなく、そのような応力に起因した耐圧能力の低下がないから、破損しやすくなってしまうことがない。

第２の発明は、第１の発明の構成において、前記有底の溝は、前記支持部の表面および／または裏面に設けられていることを特徴とする。
第２の発明の構成によれば、前記有底の溝は、前記支持部の表裏にそれぞれ設けられていれば、基体側の変形を受けて、一方の溝部が拡がり、他方の溝部の間隔が狭くなるように作用することで、適切に変形できるので、該溝部で基体側からの応力がより確実に吸収される。

第３の発明は、第２の発明の構成において、前記表裏の各溝の内縁位置と外縁位置が近接して形成されていることを特徴とする。
第３の発明の構成によれば、溝同士間の材料厚みが小さくなり、変形がしやすくなる。

第４の発明は、第３の発明の構成において、前記検出体が水晶により形成されており、かつ前記表裏の各溝の内縁位置と外縁位置がほぼ一致する箇所に形成されていることを特徴とする。
第４の発明の構成によれば、表裏の各溝をウエットエッチングで形成すると、水晶のエッチング異方性により、表側と裏側とからのエッチングが重なることがなく、適切な材料厚みを実現できる。

第５の発明は、第１ないし４のいずれかの発明の構成において、前記有底の溝の深さ寸法が、前記支持部の厚み寸法の半分以上の大きさを備えることを特徴とする。
第５の発明の構成によれば、基体側の応力を受けて十分に変形できるので、より変形領域に応力を伝えない構造とすることができる。

図１は、本発明の実施形態に係る容量変化型圧力センサの概略断面図である。
図において、容量変化型圧力センサ（以下、「圧力センサ」という）３０は、比較的厚みのある板状の基体３２の上に検出体４１を接合した構造である。
図示の構造では、検出体４１は基体３２の上で露出されているが、該検出体４１を図示しない中空の収容容器としてのパッケージ等に気密に収容するようにしてもよい。
また、図２は検出体４１を示す図であり、図２（ａ）は概略平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ線概略断面図、図２（ｃ）は概略底面図、図３は基体３２を示す図であり、図３（ａ）は概略平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＣ−Ｃ線概略断面図、図３（ｃ）は基体３２の底面図である。
これらの図を適宜参照しながら、圧力センサ３０の構成を説明する。

基体３２は、誘電体材料でなり、例えば、ガラス、セラミック板、硬質プラスチック、シリコンなどにより形成することができ、ガラスやシリコンを用いる場合、それらのウエハを加工する工程から作ることができる。
あるいは、基体３２をセラミックで形成する場合には、例えば、酸化アルミニウム質のセラミックグリーンシートを成形して、図示の形状とすることができる。基体３２の厚み寸法は例えば２００μｍ程度である。
検出体４１は、好ましくはウエハ材料での加工が可能なものが選択され、例えば、シリコンや水晶材料から形成することができる。本実施形態では、特に水晶を用いた場合で説明する。

すなわち、検出体４１は、例えば水晶から形成されており、図２から理解されるように、全体として正方形もしくは矩形の水晶板を加工して得られる。
具体的には、検出体４１は、厚みすべり振動モードもしくは厚み縦振動モードを有するＡＴカット水晶板でなる水晶ウエハを用いて、該水晶板のほぼ中央部分を、図２に示すように、例えば矩形に薄板に形成する。つまり、例えば該水晶板の表面と裏面から、それぞれ中央領域について、矩形にハーフエッチングし、図２に示す変形領域４２を形成する。この変形領域４２の下面が変形面４９である。変形領域４２は、後述するように圧力を受けて変形する領域である。

なお、この場合のエッチングは、例えばフッ酸溶液によるウエットエッチングが利用できる。また、表面のエッチング量（深さ）は例えば８４μｍ程度、裏面のエッチング量（深さ）は例えば６μｍ程度とすることができる。
この変形領域４２の形成と同時に、該変形領域４２の周囲を囲むように、支持部４３が形成される。支持部４３は、水晶材料が、上記エッチング工程でエッチングされずに、材料厚みの寸法が大きい状態で残されることで形成される領域である。支持部４３は、基体３２に対して接合されるのに利用される。

また、これと同時に変形領域４２から側方にずれた箇所に貫通孔４５を穿設している。貫通孔４５は変形領域４２のハーフエッチングと同時に表裏からそれぞれエッチングし、変形領域の完成後に、該貫通孔４５の箇所だけエッチングを続行するようにして形成することができる。
そして、検出体４１は、図１に符号Ｓ１で示す気密空間を形成するように、例えば大気圧中で、基体３２に接合される。この接合は、基体３２の材料と、検出体４１の材料とがそれぞれウエハの状態において、行われるようにしてもよい。検出体４１の厚みは例えば、１００μｍ程度である。

変形領域４２の周囲に位置する支持部４３には、基体３２の反りに起因して検出体４１に伝えられる応力を吸収するための有底の溝（以下、「溝」と表現する）が形成されている。溝は変形領域を囲むように形成されるものである。
この実施形態では、溝は２つ設けられており、図１において検出体４１の表面側から設けた第１の溝５４と、それよりも内側で、検出体４１の裏面から設けた第２の溝５５であり、これらの溝は、例えば、厚み方向に沿って溝幅が小さくされている。
また、第１の溝５４と第２の溝５５は上述したエッチング工程を利用して形成される。これら第１の溝５４と第２の溝５５は、近すぎて一体にならない限りにおいて、互いに接近していることが好ましい。
この実施形態では、第１の溝５４の内縁位置５４ａと第２の溝５５の外縁位置５５ｂとが、図１の位置Ｐ上で一致するように形成されている。
製造の際に、このように位置決めする、水晶のエッチング異方性により、所定方向のエッチングスピードが遅れることから、第１の溝５４と第２の溝５５とが連通せず、しかも適切に接近して形成される。
これらの溝の機能は後で詳しく説明する。

この実施形態では、例えば、図３に示されているように、検出体４１の変形面４９の対向面である基体３２の上面には、第１の電極４４が形成されている。そして、図２に示すように、変形面４９に第２の電極４６が形成されている。
図１および図２に示すように、第１の電極４４は、基体３２の上面に設けた下地層４８の上に形成されている。第１の電極４４の膜厚は、例えば１５００オングストローム程度である。第２の電極４６の膜厚は、例えば２０００オングストローム程度である。
すなわち、例えば基体３２が水晶で、第１の電極４４を例えば金（Ａｕ）により形成する場合には、基体３２の表面に下地層４８を形成することが好ましく、これにより、基体３２に対する金の付着を良くし、あるいはメッキにより金を成膜することも可能となる。
また、第１の電極４４がアルミニウム（Ａｌ）もしくはその合金である場合には、基体３２の表面に直接、スパッタリングや蒸着などにより該第１の電極４４を成膜できるので、下地層４８は不要である。

電極の構成についてさらに説明する。
図２（ｃ）に示すように、検出体４１の裏面５１の外周に沿ってその縁部には、導電部３７が形成されている。この導電部３７は基体３２と検出体４１を接合する役割を果たす
。
つまり、導電部３７の金属と、基体３２のガラスとの間で陽極接合することにより、検出体４１と基体３２とが接合されている。
また、導電部３７は、図１に示すように、固定電極である第１の電極４４から一体に延びる引出し電極４４ａ（下地電極）と接続されて、第１の電極４４と電気的に接続されている。なお、図２（ａ）では図示していないが、導電部３７は検出体４１の表面５２側に引き回されて駆動電圧を供給するためのボンディングワイヤＷ２が接続されている。

図１および図２（ｃ）に示すように、貫通孔４５には導電材料が充填されるなどして、導電スルーホールとされており、可動電極である第２の電極４６から延びる引出し電極４６ａと接続され、さらに該導電材料により、図２（ａ）に示すように貫通孔４５の表面側の孔周辺に形成した電極パッド４６ｂと接続されている。この電極パット４６ｂには駆動用の電圧を供給するためのボンディングワイヤＷ１が接続されている。
さらに検出体４１の対向する端縁には、図２（ａ）や図２（ｃ）に示すように、電極パッド４８ａ，４６ｂが形成されており、これら電極パッド４８ａ，４６ｂは、検出体４１の変形による容量変化を検出できる実装端子として利用できるようになっている。

本実施形態の圧力センサ３０は以上のように構成されており、以下のように動作することができる。
圧力センサ３０を例えば大気中に配置する。この状態では、気密空間Ｓ１の気圧は大気圧なので外部の気圧とつり合っており、検出体４１の変形領域４２は変形しない。
ここで、圧力変化がある場合には、その圧力変化を変形領域４２が受けると、第１の電極４４と第２の電極４６間の容量値が変化し、該容量変化に基づいて、その圧力を検出することができる。

すなわち、変形領域４２が受ける圧力に応じて、該変形領域４２が下方に凸となるように変形し、変形面４９が基体３２の上面に接触すると、接触面積に応じて、第１の電極４４と第２の電極４６の間に絶縁体としての基体３２が介在されて、その面積分だけ第１の電極４４と第２の電極４６の対向面積が増大する。そして、第１の電極４４と第２の電極４６の対向面積が増大すると、容量値Ｃが増大する。
この容量値変化を検出することにより、変形領域４２に加えられた圧力を検出することができるものである。

さらに、図４を参照して、本実施形態の作用原理を説明する。
図４（ａ）は、加速度センサの基体３２と、これに接合された検出体４１の基部４３の状態を示す概略図である。
この状態から、周囲の温度環境が変化して、図４（ｂ）のように、基体３２と支持部４３の材料の相違に起因する熱膨張率の相違によって、該基体３２の周縁部がやや上方に反る状態となる。
このため、基体３２に固定されている支持部４３が引っ張られる。すなわち、変形による応力が支持部４３に伝えられる。
しかしながら、該支持部４３には、変形領域４２を囲むようにして、第１の溝５４と第２の溝５５が形成されているので図４（ｃ）に示すように、この溝が変形することにより、基体の反りによる応力が吸収される。

すなわち、図４（ｃ）において、基体３２側の変形を受けて、裏面に開く第２の溝５５は溝幅が拡がるように機能し、表面に開口した他方の溝部である第２の溝５５は、溝幅が小さくなるように、すなわち、間隔が狭くなるように作用することで、適切に変形できるので、これら溝部で基体側からの応力がより確実に吸収される。
このため、温度環境が変化しても、検出体４１の変形領域４２に伝えられる応力は極端に低減される。したがって、応力により変形領域４２の弾性が変化するということがほとんど無く、圧力に対する感度が低下することなく、良好な感度を維持することができる。
また、変形領域４２に基体３２の反りによる応力が伝えられることがほとんどなく、そのような応力に起因した耐圧能力の低下がないから、検出体４１が破損しやすくなってしまうという従来の弊害もない。
図５は、圧力に対する本実施形態の圧力センサ３０の圧力−容量値特性を示す図である。
さきに説明した図８と対照すると理解されるように、圧力−応力感度は著しく向上している。

本発明は上述の実施形態に限定されない。実施形態や変形例の各構成はこれらを適宜組み合わせたり、省略し、図示しない他の構成と組み合わせることができる。
上述の実施形態では、検出体４１は矩形のものとして説明されているが、正方形でも円形などでもよい。また、その変形面４９を矩形のものとして説明しているが、これを円形や正方形としてもよい。
基体３２を構成する基板は、単層のものとして説明されているが、複数層設けてもよい。

本発明の容量変化型圧力センサの実施形態の概略断面図。 図１の圧力センサの検出体の図。 図１の圧力センサの基体の図。 図１の圧力センサの作用原理を説明するための説明図。 図１の圧力センサの圧力−容量値特性を示す図。 従来の容量変化型圧力センサを示す概略断面図。 図６の圧力センサの環境温度変化による悪影響を示す説明図。 図６の圧力センサの圧力−容量値特性を示す図。

符号の説明

２２・・・誘電体膜、３０・・・（容量変化型）圧力センサ、３２・・・基体、４１・・・検出体、４２・・・変形領域、４４・・・第１の電極、４６・・・第２の電極、５４・・・第１の溝、５５・・・第２の溝

Claims (5)

1. 誘電体材料でなる基体と、
   受ける圧力に応じて変形するように厚みを薄くして形成した変形領域と、該変形領域と一体でその周囲を囲むようにされ、前記基体に対して固定される厚みの大きな支持部とを備える検出体と、
   該検出体の前記変形領域の変形面と、前記基体とが互いに対向する対向面の前記基体側に形成された第１の電極と、
   前記第１の電極と所定の間隔を置いて前記対向面の前記変形面側に形成した第２の電極と、
   前記第１の電極と第２の電極の間に介在されるようにして、前記第１の電極の表面側に形成された誘電体膜と
   を含んでおり、
   前記変形領域を囲むようにして、前記支持部に形成された有底の溝を備える
   ことを特徴とする容量変化型圧力センサ。
2. 前記有底の溝は、前記支持部の表面および／または裏面に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の容量変化型圧力センサ。
3. 前記表裏の各溝の内縁位置と外縁位置が近接して形成されていることを特徴とする請求項２に記載の容量変化型圧力センサ。
4. 前記検出体が水晶により形成されており、かつ前記表裏の各溝の内縁位置と外縁位置がほぼ一致する箇所に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の容量変化型圧力センサ。
5. 前記有底の溝の深さ寸法が、前記支持部の厚み寸法の半分以上の大きさを備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の容量変化型圧力センサ。
   
   

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