(57)【要約】【課題】複雑な層構造や配線引き回し構造を必要とせずに、低コスト化可能な圧力センサを構成する。【解決手段】圧力センサは基材１と、その上部に形成されたダイアフラム２を備えている。ダイアフラム２の内面には導体膜３が形成されている。基材１のダイアフラム２が対向する面に二つの電極４，５が形成されている。基材１の下面には電極４，５と導通する端子６，７が形成されている。検出すべき圧力に応じてダイアフラム２が変位すると、導体膜３と電極４，５との間隔が変化する。ダイアフラム２に形成されている導体膜３は、電極４，５間に生じるフリンジ電界に影響を及ぼし、その程度は導体膜３と電極４，５との間隔によって変化する。すなわち、外力Ｆに応じて電極４，５間の静電容量が変化し、この静電容量によって外力Ｆを検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導体により構成された、または一部に導体を有し、検出すべき圧力によって変位するダイアフラムと、
前記ダイアフラムに対向する同一面に形成され、電極間に生じるフリンジ電界による静電容量が前記ダイアフラムとの間隙によって変化する、少なくとも二つの電極とを備えた圧力センサ。
【請求項２】
誘電体により構成された、または一部に誘電体を有し、検出すべき圧力によって変位するダイアフラムと、
前記ダイアフラムに対向する同一面に形成され、電極間に生じるフリンジ電界による静電容量が前記ダイアフラムとの間隙によって変化する、少なくとも二つの電極とを備えた圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検出すべき圧力によって変位するダイアフラムを備えた圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、流体の圧力を検出するセンサや１軸の押圧力を検出する力覚センサの市場ニーズが高まっている。本発明においては、流体の圧力を検出するセンサも力覚センサも圧力を検出するセンサであるので、上位概念としての圧力センサとして扱う。
【０００３】
例えば、特許文献１，２には、検出すべき圧力によって変位するダイアフラムを備えた圧力センサが開示されている。
【０００４】
特許文献１の圧力センサは、ダイアフラムの固定部周辺にピエゾ抵抗を配し、圧力によってダイアフラムが押されることで発生する応力を検出するピエゾ抵抗式圧力センサである。
【０００５】
特許文献２の圧力センサは、ダイアフラムとそれに対向する位置に電極を配し、圧力によって対向する間隔が変化することを容量変化で検出する静電容量式圧力センサである。
【０００６】
図８は特許文献２に示されている圧力センサの断面図である。図８において、圧力センサ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。基体３２の上面には第１の電極４４、誘電体膜２２等が形成されている。検出体４１は水晶板のほぼ中央部分に矩形薄板の変形領域４２が形成されたものである。変形領域４２の下面には第２の電極４６が形成されている。また、検出体４１の下面から上面にかけて導電部３７、引き出し電極４６ａ、電極パット４６ｂが形成されている。そして、電極パット４６ｂおよび導電部３７にボンディングワイヤＷ１およびＷ２がそれぞれ接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−１８０６２２号公報
【特許文献２】特開２００７−２７８７１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に示されているピエゾ抵抗式圧力センサにおいてはダイアフラムの構造を形成するとともにピエゾ抵抗素子の形成も必要となり、プロセスが多く、製造コストが嵩む。
【０００９】
また、特許文献２に示されている静電容量式圧力センサにおいては、図８に表れているように、対向電極からの配線引き回しが非常に複雑になる。そのため、やはりプロセスが多く、製造コストが嵩む。
【００１０】
そこで、本発明は、これらの事情に鑑み、複雑な層構造や配線引き回し構造を必要とせずに、低コスト化を図った圧力センサを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（１）本発明は、導体により構成された、または一部に導体を有し、検出すべき圧力によって変位するダイアフラムと、前記ダイアフラムに対向する同一面に形成され、電極間に生じるフリンジ電界による静電容量が前記ダイアフラムとの間隙によって変化する、少なくとも二つの電極とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
（２）誘電体により構成された、または一部に誘電体を有し、検出すべき圧力によって変位するダイアフラムと、前記ダイアフラムに対向する同一面に形成され、電極間に生じるフリンジ電界による静電容量が前記ダイアフラムとの間隙によって変化する、少なくとも二つの電極とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ダイアフラムが対向する面にのみ電極を配するので、複雑な層構造や配線引き回し構造を必要とせずに、低コスト化な圧力センサを構成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は第１の実施形態に係る圧力センサの主要部の断面図である。
【図２】図２は、図１に示す圧力センサのダイアフラムを取り除いた状態での斜視図である。
【図３】図３は図１に示した圧力センサの端子６，７に接続される容量検出回路の例である。
【図４】図４（Ａ）、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）は、第２の実施形態に係る圧力センサのダイアフラムが対向する面に形成されている二つの電極のパターンを示す図である。
【図５】図５は第３の実施形態に係る圧力センサの主要部の断面図である。
【図６】図６は第４の実施形態に係る圧力センサの主要部の断面図である。
【図７】図７は第５の実施形態に係る圧力センサの主要部の断面図である。
【図８】図８は特許文献２に示されている圧力センサの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
《第１の実施形態》
図１は第１の実施形態に係る圧力センサの主要部の断面図である。この圧力センサは基材１と、その上部に形成されたダイアフラム２を備えている。ダイアフラム２の内面には導体膜３が形成されている。基材１のダイアフラム２が対向する面に二つの電極４，５が形成されている。基材１の下面には電極４，５と導通する端子６，７が形成されている。
【００１６】
図２は、図１に示す圧力センサのダイアフラムを取り除いた状態での斜視図である。二つの電極４，５はそれぞれ櫛歯状の電極であり、交互に入り込んでいる。電極４，５間に電圧が印加されることにより、電極４，５が対向する間隙およびその近傍にフリンジ電界（まわり込み電界）が生じる。図１中の波線はそのフリンジ電界の電気力線を概念的に示している。
【００１７】
前記基材１は例えばＳｉ基板、電極４，５および導体膜３は例えばＡｌ膜である。これらは半導体プロセスによって製造されるが、ダイアフラム側の導体膜は微細パターンの形成が不要であるので構造が簡単であり、例えば深堀りRIE（Deep RIE）でＳｉ基板をエッチングする必要もなく、製造コストを抑えられる。
【００１８】
ダイアフラム２は外力Ｆ（図１参照）によって湾曲変形（変位）する。ダイアフラム２の内面に形成されている導体膜３はダイアフラム２と共に変形するので、この導体膜３と電極４，５との間隔はダイアフラム２の変位に応じて変化する。
【００１９】
導体膜３は電気的にフローティング状態にあるが、導体膜３の一部は電極４，５間に生じるフリンジ電界中に存在するので、導体膜３はフリンジ電界に影響を及ぼし、その程度は導体膜３と電極４，５との間隔によって変化する。すなわち、電極４，５間の静電容量は、電極４，５間の間隔だけでなく、電極４，５と導体膜３との間隔によって定まる。したがって、外力Ｆに応じて電極４，５間の静電容量が変化し、この静電容量によって外力Ｆを検出できる。
【００２０】
図３は図１に示した圧力センサの端子６，７に接続される容量検出回路の例である。この容量検出回路は、オペアンプを含むスイッチド・キャパシタ回路で構成されている。図３において、キャパシタＣｗ１，Ｃｗ２のうち一方は、上記圧力センサの容量、他方は参照用の容量である。キャパシタＣｆはオペアンプＯＰの反転入力端子への帰還容量であり、オペアンプＯＰはキャパシタＣｆとともに積分回路を構成する。電源端子＋Ｖｉｎと−Ｖｉｎには正負の定電圧が印加される。複数のスイッチＳ１，Ｓ２は交互にオン／オフされる。このことにより、キャパシタＣｗ１，Ｃｗ２の容量比に比例する電圧がＶｏｕｔ端子へ出力される。
【００２１】
《第２の実施形態》
図４（Ａ）、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）は、第２の実施形態に係る圧力センサのダイアフラムが対向する面に形成されている二つの電極のパターンを示す図である。
【００２２】
図４（Ａ）の例では、電気的に互いに接続された電極４ａ，４ｂ、および電気的に互いに接続された電極５ａ，５ｂを備えている。同電位の電極を仮に色付けすれば、市松模様（チェッカーパターン）のようになる。
【００２３】
図４（Ｂ）の例では、図４（Ａ）に示した電極４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂのうち隣接位置を櫛歯状に入り込ませたパターンにしている。
【００２４】
図４（Ｃ）の例では、２つの電極４，５を同心円弧状にし、且つ２つの電極４，５を交互に入り込ませたパターンにしている。
【００２５】
これらの例で示すように、対向する二つの電極から生じるフリンジ電界の分布範囲を拡げることで、フランジの変位に対する電極間容量の変化率を高めることができ、圧力検出感度を高めることができる。
【００２６】
《第３の実施形態》
図５は第３の実施形態に係る圧力センサの主要部の断面図である。この圧力センサは基材１と、その上部に形成されたダイアフラム２３を備えている。この圧力センサは、ダイアフラム全体が導体膜で構成されている。基材１のダイアフラム２３が対向する面に二つの電極４，５が形成されている。基材１の下面には電極４，５と導通する端子６，７が形成されている。
【００２７】
ダイアフラム２３は例えばＳｉ等で構成されている。このように、ダイアフラム全体が導体で構成されていてもよい。
【００２８】
《第４の実施形態》
図６は第４の実施形態に係る圧力センサの主要部の断面図である。この圧力センサは基材１と、その上部に形成されたダイアフラム２を備え、ダイアフラム２の内面に誘電体膜８が形成されている。基材１のダイアフラム２が対向する面に二つの電極４，５が形成されている。基材１の下面には電極４，５と導通する端子６，７が形成されている。
【００２９】
このように、基材に形成された電極に誘電体膜が対向していると、誘電体膜８の一部は電極４，５間に生じるフリンジ電界中に存在するので、誘電体膜８はフリンジ電界に影響を及ぼし、その程度は誘電体膜８と電極４，５との間隔によって変化する。すなわち、電極４，５間の静電容量は、電極４，５間の間隔だけでなく、電極４，５と誘電体膜８との間隔によって定まる。したがって、外力Ｆに応じて電極４，５間の静電容量が変化し、この静電容量によって外力Ｆを検出できる。
【００３０】
前記誘電体膜８を高εｒの誘電体材料で構成することにより、必要な容量を省スペースで構成できる。金属膜とは異なり、誘電体膜表面には凹凸があるので、誘電体膜８が電極４，５に貼り付く（スティッキング）現象が起きにくく、基材１とダイアフラムとの間隙を予め狭く設計することができる。
【００３１】
《第５の実施形態》
図７は第５の実施形態に係る圧力センサの主要部の断面図である。この圧力センサは基材１と、その上部に形成されたダイアフラム２８を備えている。この圧力センサは、ダイアフラム２８全体が誘電体膜で構成されている。基材１のダイアフラム２８が対向する面に二つの電極４，５が形成されている。基材１の下面には電極４，５と導通する端子６，７が形成されている。
【００３２】
ダイアフラム２８は例えばガラスやＰＺＴ等で構成されている。このように、ダイアフラム全体が誘電体で構成されていてもよい。
【００３３】
なお、ダイアフラム全体が導体膜または誘電体膜で形成されている場合についても、電極４，５の形状は図４に示したように様々な形状をとり得る。
【００３４】
また、以上に示した圧力センサは単体の素子としても構成できるが各種信号処理を行うＩＣ上に搭載することも可能である。また、センサ以外の回路が形成される半導体基板の一部にダイアフラムを構成することで、圧力センサ付きモジュールを構成することも可能である。
【符号の説明】
【００３５】
Ｆ…外力
１…基材
２…ダイアフラム
３…導体膜
４，５…電極
４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂ…電極
６，７…端子
８…誘電体膜
２３…ダイアフラム
２８…ダイアフラム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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