(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン部材の厚さより薄い電極部とこれを支持するリングダイヤフラムを有する単結晶シリコンからなる第１のシリコン部材の両面に、少なくとも前記電極部に対向する薄膜電極を有する２枚のセラミック部材が低融点ガラス膜を介して陽極接合されてなり、電極部と薄膜電極が２つの静電容量を形成している圧力および温度計測用静電容量型センサにおいて、シリコン単結晶からなり平坦な凹部である電極部が形成された第２のシリコン部材が、前記セラミック部材に低融点ガラス膜を介して陽極接合されてなる４層構造の静電容量型センサであり、さらに第２のシリコン部材の電極部とこれに対向する部分に形成されたセラミック部材の第２の電極薄膜とがギャップを挟んで第３の静電容量を形成していることを特徴とする圧力および温度計測用静電容量型センサ。
【請求項２】
前記セラミック部材には、前記第２のシリコン部材の電極部に対向する部分に開口するスルーホールが開けられており、かつ前記第２の電極薄膜はこのスルーホールの内面および前記第１のシリコン部材のスルーホールの開口部面にも拡張して形成されており、前記第１のシリコン部材が３つの静電容量の共通電極とされていることを特徴とする請求項１に記載の圧力および温度計測用静電容量型センサ。
【請求項３】
前記第２のシリコン部材には前記ギャップに通じるスルーホールが開けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力および温度計測用静電容量型センサ。
【請求項４】
請求項１ないし３に記載の圧力および温度計測用静電容量型センサの製造方法であって、前記第１のシリコン部材の両面に前記２枚のセラミック部材を低融点ガラス膜を介して陽極接合するとともに、前記陽極接合は前記第１のシリコン部材と前記２枚のセラミック部材が３層に積層された状態で行われ、かつ全体が均一な温度に加熱されて行われるようにして、前記第１のシリコン部材と前記２枚のセラミック部材とを３層構造に形成した後、前記セラミック部材の所定面に前記第２のシリコン部材を低融点ガラス  を介して陽極接合することを特徴とする圧力および温度計測用静電容量型センサの製造方法。
【請求項５】
前記低融点ガラスは予め前記絶縁性セラミック部材上に形成された膜であることを特徴とする請求項４に記載の圧力および温度計測用静電容量型センサの製造方法。
【請求項６】
前記陽極接合は、前記３層構造および第２のシリコン部材を挟むそれぞれに独立に温度制御される２つのヒータによりなされ、陽極接合温度を任意に変化させることを特徴とする請求項４または５に記載の圧力および温度計測用静電容量型センサの製造方法。
【請求項７】
請求項２に記載の４層構造の圧力および温度計測用静電容量型センサに、第２のシリコン部材のスルーホールおよび第２のシリコン部材の配された方のセラミック部材のスルーホールの開口部および外部に向けて開けられた開口部を同一空間に有する第１の圧力室をなす第１のパッケージ、および他のセラミック部材のスルーホールの開口部および外部に向けて開けられた開口部を同一空間に有する第２の圧力室をなす第２のパッケージが付加されてなり、第１の圧力室には誘電率の温度係数の大きい流体を充填してあって、第１の圧力室と第２の圧力室の圧力差を計測し、また第３の静電容量の温度変化から温度計測ができることを特徴とする圧力および温度計測用静電容量型センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、単結晶シリコンシリコン部材およびその両面に固着された絶縁性セラミックからなる圧力および温度計測用静電容量型センサおよびセンサ装置、およびそれらの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は従来の圧力計測用静電容量型センサの断面図である。
従来の圧力計測用静電容量型センサＳａの主要構成部材は単結晶シリコンのシリコン部材１とその両面に固着されたセラミック部材２である。シリコン部材１の中央にはシリコン部材より薄い電極板１ｅとこれを支持するさらに薄いリングダイヤフラム１ｄが作り込まれている。電極板１ｅの両面には例えばＳｉＯ2 からなる絶縁膜１ｉが形成されている。シリコン部材１ａとほぼ同じ周形の２つのセラミック部材２ａの中央にはスルーホールＨ１が貫通している。セラミック部材２のシリコン部材１ａに対向する面には低融点ガラス薄膜２ｇが形成されている。低融点ガラス薄膜２ｇの電極板１ｅに対向する面、スルーホールＨ１の表面およびセラミック部材２ａの他の表面は金属からなる薄膜電極２ｍにより被覆されている。シリコン部材１ａとセラミック部材２ａは低融点ガラス薄膜２ｇを介して、陽極接合されて互いに密着固定されている。
【０００３】
このようにして、セラミック部材２ａおよび電極板１ｅとリングダイヤフラム１ｄにより囲まれた２つの室が形成され、各室はスルーホールＨ１により外部空間に連なっている。電極板１ｅの表面と対向するセラミック部材の薄膜電極２ｍはその間の空間すなわちギャップＧ１、Ｇ２をそれぞれ挟み第１および第２の静電容量を形成している。リングダイヤフラム１ｄは極めて薄いので、各スルーホールＨ１を通じて両室に圧力差を生じさせれば、これに対応して電極板１ｅは動き、電極板１ｅの両側の第１および第２の静電容量に差が生ずる、すなわち静電容量型の圧力センサとなる。圧力差がないとき２つの静電容量は等しい。そして、図示してない回路により静電容量の差を検出し、圧力差信号を出力している。従って、一方のギャップを既知の圧力に固定すれば、他方のギャップの絶対圧力を計測することができる。
【０００４】
通常は静電容量型センサ（以下センサと略記することもある）に直接外力が加わらないように、センサをパッケージに収容しセンサ装置を構成している。図８は従来の静電容量型センサ装置の断面図である。外部への開口部が形成されている第１のパッケージ部材Ｐ１は一方のセラミック部材２ａに薄膜電極2mを介して接続され、スルーホールＨ１と開口部が連結されている。外部への開口部が形成されている第２のパッケージ部材Ｐ２は第１のパッケージ部材Ｐ１の周縁部に接続され他のセラミック部材２ａのスルーホールＨ１は第２のパッケージ部材Ｐ２内に開口している。パッケージ部材は金属またはセラミックからなっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような陽極接合された単結晶シリコンおよびセラミックからなる静電容量型センサには以下のような問題点がある。
単結晶シリコンと絶縁性セラミックの線膨張係数はともに2 ×10-6〜4 ×10-6／℃程度であるが、その値を厳密に等しくすることは難しく、例え常温付近でその値が等しく製造できたとしても、センサの温度が変わると、見かけ上の圧力差が生じてしまう。
【０００６】
この原因は、従来の製造方法、特に陽極接合方法にある。図９は従来の陽極接合工程における静電容量型センサの断面図であり、（ａ）は第１の陽極接合時、（ｂ）は第２の陽極接合時である。陽極接合は、シリコン部材とセラミック部材を重ね、所定温度の金属表面（陽極接合部に電圧印加するためヒータＴの表面は金属膜Ｔｓで被覆されている）のヒータに置き、接合部に電圧印加して行う。第１の陽極接合時では、温度200 〜700 ℃で両材質が熱膨張した状態で、第１のシリコン部材１ａとセラミック部材２ａを接合しておき、次いで、他のセラミック部材２ａに先の２層を重ね、同様に陽極接合を行っていた。いずれの場合も、ヒータ側を高温として温度勾配が生じており、セラミック部材より機械的強度の小さいシリコン部材に引張りあるいは圧縮応力が残留していた。その防止のため、第１および第２の陽極接合時の温度を同じとしても、やはり、シリコン部材の両面には数十℃の温度差が生じ、シリコン部材の両面間には残留応力の差が生じていた。従って、両室の圧力差が無い場合にも、見かけ上の圧力差が生じ、高精度な圧力計測には適さないことがあった。
【０００７】
また、上記の構造のセンサでは圧力（あるいは圧力差）のみしか計測できなかった。
上記の問題点に鑑み、本発明の目的は、シリコン部材の歪みが小さくみかけの圧力差のないセンサの製造方法を提供し、さらに圧力だけでなく温度も計測できる高精度な多層の静電容量センサとその製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、シリコン部材の厚さより薄い電極部とこれを支持するリングダイヤフラムを有する単結晶シリコンからなる第１のシリコン部材の両面に、少なくとも前記電極部に対向する薄膜電極を有する２枚のセラミック部材が低融点ガラス膜を介して陽極接合されてなり、電極部と薄膜電極が２つの静電容量を形成している圧力および温度計測用静電容量型センサにおいて、シリコン単結晶からなり平坦な凹部である電極部が形成された第２のシリコン部材が、前記セラミック部材に低融点ガラス膜を介して陽極接合されてなる４層構造の静電容量型センサであり、さらに第２のシリコン部材の電極部とこれに対向する部分に形成されたセラミック部材の第２の電極薄膜とがギャップを挟んで第３の静電容量を形成していることとする。
【００１０】
前記セラミック部材には、前記第２のシリコン部材の電極部に対向する部分に開口するスルーホールが開けられており、かつ前記第２の電極薄膜はこのスルーホールの内面および前記第１のシリコン部材のスルーホールの開口部面にも拡張して形成されており、前記第１のシリコン部材が３つの静電容量の共通電極とされていると良い。
【００１１】
前記第２のシリコン部材には前記ギャップに通じるスルーホールが開けられていると良い。
上記の４層構造の圧力および温度計測用静電容量型センサの製造方法であって、前記第１のシリコン部材の両面に前記２枚のセラミック部材を低融点ガラス膜を介して陽極接合するとともに、前記陽極接合は前記第１のシリコン部材と前記２枚のセラミック部材が３層に積層された状態で行われ、かつ全体が均一な温度に加熱されて行われるようにして、前記第１のシリコン部材と前記２枚のセラミック部材とを３層構造に形成した後、前記セラミック部材の所定面に前記第２のシリコン部材を低融点ガラスを介して陽極接合することする。
【００１２】
前記低融点ガラスは予め前記絶縁性セラミック部材上に形成された膜であると良い。
前記陽極接合は、前記３層構造および第２のシリコン部材を挟むそれぞれに独立に温度制御される２つのヒータによりなされ、陽極接合温度を任意に変化させると良い。
【００１３】
上記の４層構造の圧力および温度計測用静電容量型センサに、第２のシリコン部材のスルーホールおよび第２のシリコン部材の配された方のセラミック部材のスルーホールの開口部および外部に向けて開けられた開口部を同一空間に有する第１の圧力室をなす第１のパッケージ、および他のセラミック部材のスルーホールの開口部および外部に向けて開けられた開口部を同一空間に有する第２の圧力室をなす第２のパッケージが付加されてなり、第１の圧力室には誘電率の温度係数の大きい流体を充填してあって、第１の圧力室と第２の圧力室の圧力差を計測し、また第３の静電容量の温度変化から温度計測ができることとする。
【００１４】
本発明の製造方法によれば、シリコン部材とその両面に接合するセラミック部材の３層構造を３層同時に均一温度で陽極接合するので、熱応力歪みは従来の製造方法の接合時のシリコン部材の両面の状況が異なる場合よりは小さく、また、シリコン部材内部で面方向に対称である。従って、センサの温度変化によって電極部は移動せずギャップは変化しない、すなわち各静電容量は変化せず、従って、センサが温度変化してもみかけの圧力差は常に生じないことが期待できる。
【００１５】
また、本発明に係る４層構造では、新たに付加されたギャップが閉空間の場合は、センサ固有の一定静電容量であり、これを基準圧力とみなすことができるので、これとの比較により絶対圧力を計測することができる。また、２つの計測用静電容量に僅かに生じた差の補正のために使用することもでき、高精度の圧力計測が可能となる。
【００１６】
また開空間の場合は、新たに付加されたギャップと従来のギャップとに同じ流体を入れておくことと、静電容量は圧力変動を受けないので、ギャップ内の流体の誘電率の温度変化による静電容量の変化のみが生じ、温度測定ができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の実施例ついて説明する。
実施例１
図１は本発明に係る固定ギャップを有する静電容量型センサの断面図である。従来の３層構造センサのセラミック部材に新たに第２のシリコン部材を付加してある。従来のセンサ（図７）と異なっている部分のみを説明する。一方のセラミック部材２ｂの両面には低融点ガラス薄膜２ｇが形成され、さらにスルーホールＨ２が開けられている。スルーホールＨ２の表面、底（第１のシリコン部材）および低融点ガラス薄膜２ｇの表面には金属薄膜２ｍおよび２ｎが形成されている。
【００１８】
セラミック部材２ｂに陽極接合されている第２のシリコン部材１ｂには凹部が形成されており、その底部（電極部である）は平面であり、絶縁膜１ｉが形成されている。この電極部と対向するセラミック部材２ｂの金属薄膜２ｎはこれらの間の空間すなわち固定ギャップＧ３を挟んで第３の静電容量を形成している。この第３の静電容量は圧力に依存しないので、絶対圧力とみなしたり、あるいは２つの静電容量の微差の補正に用いることができる。
【００１９】
次に、上記センサの製造方法を説明する。
図２は本発明に係る第３の静電容量を有する静電容量型センサの各セラミック部材の製造工程における断面図であり、（ａ１）および（ａ２）は低融点ガラス膜形成後、（ｂ１）および（ｂ２）はスルーホール形成後、（ｃ１）および（ｃ２）は薄膜電極形成後である。
【００２０】
先ず、厚さ数mmの板状のセラミック部材２ａおよび２ｂの片面に、パイレックスガラスなどのホウ珪酸ガラスからなる厚さ数μm の低融点ガラス膜２ｇをスパッタリングにより形成し（図２（ａ１）、（ａ２））、超音波加工などによりスルーホールＨ１およびＨ２（セラミック部材２ｂのみ）を形成した（図２（ｂ１）、（ｂ２））。次に、両側から、スパッタなどにより、金およびクロムからなる薄膜電極２ｍをスルーホールＨ１の内面とそれに連なる両面の所定領域に蒸着した（図２（ｃ１）、（ｃ２））。
【００２１】
図３は本発明に係る３層同時陽極接合時の状態を示す断面図である。
シリコン部材１ａには、プラズマエッチングにより両面から静電容量形成のためのギャップ相当分の凹部を加工した後、リング状の溝加工を施しリングダイヤフラム１ｄおよびリングダイヤフラム１ｄに周縁部を支持された電極部１ｅを形成してある。電極部１ｅの両面には静電容量を増加させるためＳｉＯ2 等の誘電体膜１ｉを形成してある。
【００２２】
このシリコン部材１ａの両面に、上記のセラミック部材２ａおよび２ｂの低融点融点ガラス膜２ｇを密着させ全３層とし、この３層を２つのヒータＴで挟み加圧、加熱し、またシリコン部材１ａとセラミック部材２ａ、２ｂには電圧（電源Ｅ）を印加して陽極接合を行った。
陽極接合時、加圧圧力は約100N/cm2以下とし、温度を200 〜700 ℃の範囲で保持した。印加電圧は300 〜700Vとした。特に、シリコン部材１ａとセラミック部材２ａ、２ｂ内部に温度差が生じないように２つのヒータの温度をそれぞれ制御した、そのため、室温に下げられたとき、シリコン部材１ａとセラミック部材２ａ、２ｂの熱膨張係数の微細な差によって生ずる熱歪みはリングダイヤフラム面に対して対称であり、リングダイヤフラムがいずれかの方向にずれることはなく、この３層構造体（スルーホールＨ２がなければ従来のセンサと同じである）の２つの静電容量には差はなくまたその温度変化も生じなかった。
【００２３】
そして、セラミック部材２ｂの所定領域、スルーホールＨ２の内面および底面（第１のシリコン部材１ａ）に薄膜電極２ｎをスパッタにより形成した。
次に、プラズマエッチングによりギャップ相当分の凹部を形成した第２のシリコン部材１ｂを上記の３層構造体のセラミック部材２ｂに取り付けた。図４は本発明に係る４層構造のセンサの第２のシリコン部材と３層構造体との陽極接合時を示す断面図である。この場合２つのヒータの温度は３層構造の陽極接合時より低くし、熱歪みが増加しないようにした。
【００２４】
なお、上記の３層構造迄の製造方法は従来の３層構造の圧力計測用のセンサの製造にも適用できることは明らかである。
実施例２
図５は本発明に係る温度計測可能な静電容量型センサの断面図である。この静電容量型センサＳｃでは、実施例１における第２のシリコン部材１ｂに換えて、電極部１ｅにギャップＧ３とセンサ外部とを連通するスルーホールＨ３が開けられている第３のシリコン部材１ｃが取り付けられている。この４層構造のセンサの他の部分およびその製造方法は実施例１と同じであるので説明を省略する。
【００２５】
図６は本発明に係る温度計測可能な静電容量型センサ装置の断面図である。従来センサ装置と同様に、パッケージ部材Ｐ１にセラミック部材２ａが取り付けられ、さらにパッケージ部材Ｐ２がスルーホールＨ１およびＨ３の開口部を内部に収めてパッケージ部材Ｐ１に接合されている。
誘電率の温度変化の大きい流体、例えばシリコンオイルをパッケージにいれ、圧力源と連結する。こうして、シリコン部材１ａの静電容量変化から圧力差を計測し、シリコン部材１ｃ側の固定ギャップでの静電容量は圧力変化により変化しないので、静電容量変化から温度を計測することができる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、電極部とこれを支持するリングダイヤフラムを有する単結晶シリコンからなる第１のシリコン部材の両面に、少なくとも前記電極部に対向する薄膜電極を有する２枚のセラミック部材が低融点ガラス膜を介して陽極接合されてなり、電極部と薄膜電極がギャップを挟んで２つの静電容量を形成している少なくとも３層構造を有する圧力および温度計測用静電容量型センサの製造方法において、前記陽極接合を前記第１のシリコン部材と前記２枚のセラミック部材が３層に積層された状態で行ない、かつ全体が均一な温度に加熱したため、熱応力歪みは従来の製造方法よりは小さく、また、シリコン部材内部で面方向に対称である。従って、センサの温度変化によって電極部は移動せずギャップは変化しないすなわち各静電容量は変化せず、センサが温度変化してもみかけの圧力差は常に生じない。
【００２７】
また、上記の製造方法による３層構造センサの前記セラミック部材に低融点ガラス膜を介して、シリコン単結晶からなり平坦な凹部である電極部が形成された第２のシリコン部材を陽極接合して第３の静電容量を付加したため、第３の静電容量を利用して絶対圧力や温度の計測ができるようになった。そのため他の温度計を必要としなくなり、計装が簡易化できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る固定静電容量を有する静電容量型センサの断面図
【図２】本発明に係る固定静電容量を有する静電容量型センサの各セラミック部材の製造工程における断面図であり、（ａ１）および（ａ２）は低融点ガラス膜形成後、（ｂ１）および（ｂ２）はスルーホール形成後、（ｃ１）および（ｃ２）は薄膜電極形成後を示す
【図３】本発明に係る３層同時陽極接合時の状態を示す断面図
【図４】本発明に係る４層構造のセンサの第２のシリコン部材と３層構造体との陽極接合時を示す断面図
【図５】本発明に係る温度計測可能な静電容量型センサの断面図
【図６】本発明に係る温度計測可能な静電容量型センサ装置の断面図
【図７】従来の静電容量型センサの断面図
【図８】従来の静電容量型センサ装置の断面図
【図９】従来の陽極接合工程における静電容量型センサの断面図であり、（ａ）は第１の陽極接合時、（ｂ）は第２の陽極接合時を示す
【符号の説明】
１ａ  第１のシリコン部材
１ｂ  第２のシリコン部材
１ｄ  リングダイヤフラム
１ｅ  電極部
１ｉ  絶縁膜
２ａ  セラミック部材
２ｂ  セラミック部材
２ｇ  低融点ガラス膜
２ｍ  薄膜電極
２ｎ  薄膜電極
Ｈ１  スルーホール
Ｈ２  スルーホール
Ｈ３  スルーホール
Ｇ１  ギャップ
Ｇ２  ギャップ
Ｇ３  固定ギャップ
Ｓａ  従来の静電容量型センサ
Ｓｂ  本発明に係る静電容量型センサ
Ｓｃ  本発明に係る静電容量型センサ
Ｔ    ヒータ
Ｔｓ  ヒータの金属表面部
Ｐ１  パッケージ部材
Ｐ２  パッケージ部材
Ｅ    電源
【図１】
0003724151.tif 000002
【図２】
0003724151.tif 000003
【図３】
0003724151.tif 000004
【図４】
0003724151.tif 000005
【図５】
0003724151.tif 000006
【図６】
0003724151.tif 000007
【図７】
0003724151.tif 000008
【図８】
0003724151.tif 000009
【図９】
0003724151.tif 000010