JP2007071770A - 静電容量型圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 気密空間にリークを生じたり、検出体や基体が破壊されたりすることを防止できる静電容量型圧力センサを提供すること。
【解決手段】 誘電体材料でなる基体３２と、該基体に重ねて固定されており、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４１と、前記検出体の変形面４９と、前記基体とが互いに対向する対向面のいずれか一方の面に形成された放射状の電極指を有する第１の電極４４と、他方の面に形成され、前記第１の電極４４と所定の間隔を置いて重ならない位置に形成した第２の電極３６とを備える。
【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）を有する静電容量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静電容量型圧力センサは、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。
このような静電容量型圧力センサは、圧力に応じて変形する一方の電極が形成されたダイヤフラムと、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、従来の静電容量型圧力センサ（以下、「圧力センサ」という）は、図４に示すように構成されている（特許文献１、図１参照）。
図４（ａ）は圧力センサの概略断面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
図示の圧力センサは、収容体であるパッケージ２に収容されている。
パッケージ２は、基体４と、その上に一体に設けた枠状の側壁部５からなる箱状の形態であり、内側に検出体１０を収容して、蓋体６により封止されている。ここで、基体４はガラス、セラミック板、硬質プラスチック、シリコンウエハなどを用いることができる。

基体４の表面には下部電極７が形成されており、その上には誘電体膜８が形成されている。その上に検出体１０が接合されている。
検出体１０は、シリコンや水晶などでなる板体であり、中央部には円形の薄肉にしたダイヤフラム部１２と、その周囲を囲むように板厚を厚くした枠部１１を有している。そして、ダイヤフラム部１２の下面には上部電極１３が形成されており、該上部電極１３と誘電体膜８の間には隙間もしくは気密空間Ｓが形成されている。
上部電極１３と、下部電極７とは図４（ｂ）に示すように、パッケージ２外部へ引き回すように引出し電極１３ａ，７ａが設けられている。

圧力センサ１は以上のように構成されており、引出し電極１３ａ，７ａを介して通電されることにより、気密空間Ｓおよび誘電体膜８を介して対向されている上部電極１３と下部電極７との間の容量値変化に基づいて、ダイヤフラム部１２に加えられた圧力を検出することができる。
すなわち、図５に示すように、ダイヤフラム部１２に圧力Ｐが加わると、ダイヤフラム部１２は、下方に凸となるように変形する。そして、ダイヤフラム部１２の下面に形成されている上部電極１３が誘電体膜８に押し付けられて接触する。

そして、圧力Ｐが大きいと図６（ａ）のように接触面積Ｍ１が大きくなり、圧力Ｐがこれより小さいと、図６（ｂ）に示されているように接触面積Ｍ２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Ｐの作用した際の静電容量値を計測することで、圧力Ｐの大きさを計測することができるものである。
なお、ほぼ同様の構造が他の文献にも記載されており、図７に示すように、静電容量値が圧力の大きさに対応することが明らかにされている（特許文献２、図１、図４参照）。

ＷＯ ２００５／００３７１１ 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。
すなわち、第１の問題として、ダイヤフラム部１２側と下部電極７との短絡を防ぐために誘電体膜８はある程度厚く形成されており、通常０．１μｍ〜数μｍの厚みを有している。
そうすると、この誘電体膜８の膜応力により、基体４が反ってしまい、該基体４と検出体１０の均一な接合が困難となり、気密空間Ｓのリークを生じてしまうことがある。

また、基体４をガラスウエハなどから、ダイヤフラム部１２をシリコンウエハなどから形成することで、一度に多数の圧力センサ１を製造することが可能である。
この場合、各外形を形成した後で、ウエハ同士で接合することが考えられるが、基体４側のウエハに誘電体膜８を形成したことにより、該ウエハが反ってしまうと、反りが大きい場合には、ウエハが破損して多数個分が一度に駄目になってしまったり、個々の製品単位まで加工できた場合においても、上記した気密空間Ｓのリークにより不良品が発生することで、歩留まりが著しく低下する。

また、第２の問題としては、図７で示されているように、静電容量と圧力との相関が直線的変化となっている箇所としてのＧの領域では、感度に優れた圧力センサとして使用することができるが、特に、高圧力領域では、符号Ｚの範囲で示すように、圧力変化に対する静電容量変化が小さくなり、感度が悪くなる欠点がある。

本発明は、以上の課題を解決するためになされたもので、気密空間にリークを生じたり、検出体や基体が破壊されたりすることを防止できる静電容量型圧力センサを提供することを第１の目的とする。
さらに、好ましくは、第１の目的に加えて、高圧力領域で、優れた感度を備えた静電容量型圧力センサを提供することを第２の目的とする。

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、該基体に重ねて固定されており、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と、前記検出体の変形面と、前記基体とが互いに対向する対向面のいずれか一方の面に形成された放射状の電極指を有する第１の電極と、他方の面に形成され、前記第１の電極と所定の間隔を置いて重ならない位置に形成した第２の電極とを備える静電容量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、前記基体と前記検出体の互いに対向する面の一方には、放射状の電極指を有する第１の電極があり、他方の面には第２の電極が形成されている。そして、これらの電極同士は所定の間隔を隔てていて、重ならない位置とされている。
すなわち、従来の構成では、電極同士は重なる位置にあるが、電極同士の間に誘電体膜が形成されていて、短絡をしないようにすることで、所定の容量を得るようにしていたものである。
ところが、本願発明では、従来使用していたこの誘電体膜を用いないので、従来問題とされていた膜応力により、基体や検出体が変形して、気密空間のリークを生じたり、基体や検出体が破壊されたりすることが有効に防止される。

ここで、検出体が所定の圧力を受けて変形し、前記対向面がお互いに接触しても、第１の電極と第２の電極とは重ならない位置にあるから、前記誘電体膜を用いなくても短絡しない。そして、この接触状態で、第１の電極と第２の電極の間には、必ず前記基体が介在することになる。
すなわち、従来電極間で誘電体膜が果たした役割は、本発明では、誘電体材料で形成された基体が果たすことになる。また、圧力の大きさに応じて検出体が変形した際に基体と接触する接触面積が、圧力の増加により大きくなると、放射状の第１の電極の基体への接触量が増大するので、容量が大きくなる。このように誘電体膜を使用しなくても圧力値を静電容量の変化との関係で検出することが可能である。

第２の発明は、第１の発明の構成において、前記第１の電極の放射状の中心位置が、前記検出体の最も厚みを薄くした箇所に配置されていることを特徴とする。
第２の発明の構成によれば、前記検出体の最も変形しやすい箇所に対応して、前記第１の電極の中心部が配置されることで、圧力の変化と静電容量の相関がより直線的になる。

第３の発明は、第１または２のいずれかの発明の構成において、前記第１の電極の前記電極指が前記放射状の外縁付近において幅広く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、上記第２の目的が達成される。つまり、前記検出体が圧力を受けて変形する上で、変形されにくい周縁領域にいくほど、前記電極指の幅を大きくされていることにより該検出体の変形に対する電極の接触面積が増大するので、高圧力領域における感度が向上する。

第４の発明は、第１ないし３のいずれかの発明の構成において、前記第１の電極と第２の電極の両方、もしくはいずれか一方に、誘電体膜を１０００オングストローム（０．１μｍ）未満の膜厚で形成することを特徴とする。
第４の発明の構成によれば、電極に誘電体膜を形成することにより、より確実に短絡を防止することができる。この場合、誘電体膜の膜厚を１０００オングストローム未満とすることにより、膜の引っ張り応力が制限され、膜の引っ張り応力による悪影響が抑制される。

第５の発明は、第４の発明の構成において、前記第１の電極と第２の電極のうち、前記基体表面に形成される方の電極にのみ前記誘電体膜を形成することを特徴とする。
第５の発明の構成によれば、特に厚みを薄く形成される検出体の変形領域を避けて、基体側にだけ前記誘電体膜を形成するようにすれば、誘電体膜の引っ張り応力による悪影響がより確実に抑制される。

図１は、本発明の実施形態に係る静電容量型圧力センサの概略平面図、図２は図１のＢ−Ｂ概略断面図である。
これらの図において、静電容量型圧力センサ（以下、「圧力センサ」という）３０は、図１に示すような中空の収容容器としてのパッケージ３１に、検出体４１を収容し、蓋体３４により封止した構成である。

パッケージ３１は、図２に示すように、例えば、矩形の箱状に形成されている。具体的には、パッケージ３１は、第１の基板となる基体３２と、該基体３２の上に配置された枠状の第２の基板３３とを有している。
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、第１の基板である基体３２と第２の基板３３とを、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それぞれ成形して、各基板について図示の形状とした後で重ね、焼結して形成することができる。

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。
検出体４１は、基体３２と組み合わせることで、必ずしもパッケージ３１等に収容しないでも単体として圧力検出手段（センサ）として利用することができる。

この実施形態では、検出体４１は、水晶から形成されており、図１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から加工される。具体的には、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カット水晶板を用いて、該水晶板の中央部をできるだけ円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、それそれ中央領域について、円形にハーフエッチングし、図２に示す円形の変形領域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。
そして、検出体４１は、図２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。

この実施形態では、例えば、図２に示されているように、基体３２の上面と対向している検出体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、該変形面４９に第２の電極３６が形成されている。
図１において、上記第１の電極４４は点線で、上記第２の電極３６は実線で表されている。なお、第１の電極４４を検出体４１側に、第２の電極３６を基体３２側に形成してもよい。

図１および図２に示すように、第１の電極４４は、ほぼ円形の変形面４９の中心とほぼ一致する中心を有する放射状の電極である。この放射状の第１の電極４４の一本一本のスポーク状の部分、すなわち、電極指４８の外縁もしくは外側の端部付近４８ａは電極幅が拡大されている。好ましくは、電極指４８は外縁に向かうほど次第に電極幅が大きくなるようにされると好ましい。

また、第１の電極４４の中心は、検出体４１の変形領域４２を形成する際にその材料厚みが最も薄くなった箇所である最も変形し易い箇所を選んで、その位置を決めると好ましい。さらに、検出体４１の変形領域４２をウエットエッチングで形成する場合には、そのエッチング異方性に基づいて、円形の中央部ではない、最も材料厚みの薄くなる箇所を選択して、第１の電極４４の中心とすることがより好ましい。
第１の電極４４は、図１に示すように、放射状部分の外側でリング状に引き回されたリング部４４ａを経て、パッケージ３１の一側に引き回されることにより、引出し電極４５が形成されている。該引出し電極４５は基体３２の外縁を回り込んで、底面に引き回され、実装端子４６と電気的に接続されている。なお、リング部４４ａは陽極接合により密閉空間Ｓ１を封止するための封止用電極である。

上記第１の電極４４に対して、図１に示すように互いに重ならない位置、すなわち、各電極の対向位置において、あるいは図１のような投影位置において互いに重ならない位置に、上記第２の電極３６が形成されている。第２の電極３６は図１において、実線で示されている。つまり、第１の電極４４と第２の電極３６は、検出体４１の変形領域４２の変形により、該変形領域４２の変形面４９が基体３２の上面に接触し、各電極が互いに接近したとしても、図示の実線と点線とで示すような僅かな間隔である所定の間隔を隔てている。
第２の電極３６は、図１に示すように、第１の電極４４の各スポーク状の電極指４８を避けるように隙間３６ｃを形成して区分された複数の同じ大きさの三角状もしくは扇状の部分と、これら各部の外側を一体に接続するバスバー３６ａの部分を有している。符号３６ｂで示す部分は電極形成が除かれており、変形領域４２の外縁付近にて、あまり変形が生じない箇所には無用な電極をできるだけ形成しないようにしている。

この第２の電極３６は、基体３２の表面から、検出体４１の表側に図示しない導電スルーホールなどで引き回し、検出体４１上面の端子３７と接続されている。
一方、パッケージ３１の基体３２上面には電極部（引出し電極）３８が形成され、該電極部３８は基体３２の外縁を回り込んで、底面に引き回され、実装端子３９と電気的に接続されている。
検出体４１上面の端子３７と、パッケージ３１の電極部３８とはワイヤ４７によりワイヤボンディングすることにより電気的に接続されている。
蓋体３４は、例えば、ガラスやセラミックス、あるいは金属などで形成されており、パッケージ３１を封止するとともに、中央付近に貫通孔でなる通気孔５１が形成されている。

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、大気は蓋体３４の通気孔５１を通過してパッケージ３１内に侵入する。そして、気密空間Ｓ１の気圧は大気圧なのでパッケージ３１内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３６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、図６で説明した原理と同様に、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３６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３６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３６の対向面積が増大すると、容量値Ｃが増大することから、図３に示す相関が認められる。

すなわち、縦軸の静電容量と横軸の圧力の基本的関係は、従来の圧力センサと同じであり、同様の原理で圧力検出することができる。そして、上述の実施形態では、従来使用していたこの誘電体膜を用いないので、従来問題とされていた膜応力により、基体やダイヤフラムが変形して、気密空間Ｓ１のリークを生じたり、基体やダイヤフラムが破壊されたりすることが有効に防止される。

また、上述したように、第１の電極４４の電極指４８は、その外縁もしくは外側の端部付近４８ａは電極幅が拡大されている。
このため、検出体４１の変形領域４２にあっては、圧力を受けて変形する上で、変形されにくい周縁領域にいくほど、第１の電極４４の電極指４８の幅が大きくされていることになる。これにより、変形量が小さくても電極の接触面積が増大するので、図３に示すように、高圧力領域における感度を向上させ、従来の飽和領域の一部でも圧力検出を可能とすることができる。

さらに、第１の電極４４と第２の電極３６の両方、もしくはいずれか一方に、誘電体膜を１０００オングストローム（０．１μｍ）未満の膜厚で形成するようにしてもよい（図示せず）。
これにより、第１の電極４４と第２の電極３６同士の短絡をより確実に防止することができる。そして、この場合、誘電体膜の膜厚を１０００オングストローム未満とすることにより、膜の引っ張り応力が制限され、膜の引っ張り応力による悪影響が抑制される。
ここで、誘電体膜は、ＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４等により形成することがきる。

しかも、好ましくは、第１の電極４４と第２の電極３６のうち、基体３２表面に形成される方の電極にのみ誘電体膜を形成する。
これにより、特に厚みを薄く形成される検出体４１の変形領域４２を避けて、基体３２側にだけ前記誘電体膜を形成するようにすれば、誘電体膜の引っ張り応力による悪影響がより確実に抑制される。

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は正方形のものとして説明されているが、矩形でも円形などでもよい。また、その変形面４９を円形のものとして説明しているが、これを矩形や正方形としてもよい。
第１の電極４４の放射状の電極指の数は８本とされているが、それより少ない数でもよく、あるいは８本より多い数でもよい。
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。

本発明の静電容量型圧力センサの実施形態の概略平面図。 図１のＢ−Ｂ概略断面図。 実施形態の圧力センサの静電容量と検出圧力の関係を示す図。 従来の静電容量型圧力センサを示す図。 図４の圧力センサの動作を説明する図。 図４の圧力センサの動作を説明する図。 従来の圧力センサの静電容量と検出圧力の関係を示す図。

符号の説明

３０・・・（静電容量型）圧力センサ、３１・・・パッケージ、３２・・・基体、４１・・・検出体、４２・・・変形領域、４４・・・第１の電極、３６・・・第２の電極

Claims (5)

1. 誘電体材料でなる基体と、
   該基体に重ねて固定されており、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と、
   前記検出体の変形面と、前記基体とが互いに対向する対向面のいずれか一方の面に形成された放射状の電極指を有する第１の電極と、
   他方の面に形成され、前記第１の電極と所定の間隔を置いて重ならない位置に形成した第２の電極と
   を備えることを特徴とする静電容量型圧力センサ。
2. 前記第１の電極の放射状の中心位置が、前記検出体の最も厚みを薄くした箇所に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型圧力センサ。
3. 前記第１の電極の前記電極指が前記放射状の外縁付近において幅広く形成されていることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の静電容量型圧力センサ。
4. 前記第１の電極と第２の電極の両方、もしくはいずれか一方に、誘電体膜を１０００オングストローム（０．１μｍ）未満の膜厚で形成することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の静電容量型圧力センサ。
5. 前記第１の電極と第２の電極のうち、前記基体表面に形成される方の電極にのみ前記誘電体膜を形成することを特徴とする請求項４に記載の静電容量型圧力センサ。

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