(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の凹部とこの第１の凹部に連通した第２の凹部とを有する第１の基材と、底部が受圧ダイアフラムを構成した第３の凹部とこの第３の凹部に連通した第４の凹部とを有する第２の基材と、前記第１の凹部に設けられた固定電極と、前記第２の凹部に設けられかつ前記固定電極に第１の配線で接続された第１のパッドと、前記第３の凹部に設けられた可動電極と、前記第４の凹部に設けられかつ前記可動電極に第２の配線で接続された第２のパッドと、前記第１のパッドに接続されかつ前記第１の基材に設けられた貫通孔を介して外部に引き出された第１の引き出し電極と、前記第２のパッドに接続されかつ前記第１の基材に設けられた貫通孔を介して外部に引き出された第２の引き出し電極とを備え、
前記第１および第２の基材は、接合されて、前記固定電極と前記可動電極とが対向するとともに、前記第２および第４の凹部がそれぞれ対向する基材の凹部と重なり合わないことを特徴とする容量式圧力センサ。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１および第２の引き出し電極は、前記第１の基材に設けられた貫通孔に注入された溶融はんだが冷却凝固することにより、前記固定電極および前記可動電極のそれぞれに固着したものであることを特徴とする容量式圧力センサ。
【請求項３】
請求項２において、
前記第２の凹部内にはんだ流出防止壁を備え、このはんだ流出防止壁と前記第２の凹部の内側面とで前記溶融はんだの迂回路を構成するとともに、
前記第４の凹部内にはんだ流出防止壁を備え、このはんだ流出防止壁と前記第４の凹部の内側面とで前記溶融はんだの迂回路を構成していることを特徴とする容量式圧力センサ。
【請求項４】
請求項２において、
前記第１の凹部と前記第２の凹部とを連通する部分における前記第１の配線上に、前記溶融はんだの流出を抑制するためのはんだ流出防止突起が設けられ、
前記第３の凹部と前記第４の凹部とを連通する部分における前記第２の配線上に、前記溶融はんだの流出を抑制するためのはんだ流出防止突起が設けられていることを特徴とする容量式圧力センサ。
【請求項５】
請求項４において、
前記はんだ流出防止突起は、そのはんだ濡れ性が前記第１の配線および前記第２の配線のはんだ濡れ性よりも悪い材料によって形成されていることを特徴とする容量式圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、容量式圧力センサに関し、特に容量素子を構成する固定電極および可動電極のそれぞれに対して、溶融はんだで形成された引き出し電極が接続された容量式圧力センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の容量式圧力センサでは、ダイアフラムを構成する薄いウエハと、基台となる厚いウエハとを張り合わせ、厚いウエハ側にくぼみを設けて容量室を形成していた。この場合、容量素子を構成する電極は、上記容量室内で互いに対向するように配置されている。
【０００３】
図８は従来の容量式圧力センサを示す平面図、図９は図８のＩＸ−ＩＸ’線における断面図である。これらの図に示すように、圧力センサ１０１は、下側ウエハ１０２と、上側ウエハ１０３と、引き出し電極１０４と、固定電極１０５と、パッド１０６と、可動電極１０７と、パッド１０８と、リファレンス電極１０９とで構成されている。
【０００４】
下側ウエハ１０２および上側ウエハ１０３は、ともにサファイア、シリコン、ガラスまたはアルミナ等で形成された基板である。下側ウエハ１０２は、その縁部を除く中央部一体に凹部（以下、容量形成部１０２ａという）が設けられ、この容量形成部１０２ａを覆うようにして上側ウエハ１０３が張り合わされている。上側ウエハ１０３は、外部の圧力変化に応じて撓み易いようにその厚さが十分薄く形成され、受圧ダイアフラムを構成している。この圧力変化に応じて撓み易い受圧ダイアフラムの中心部には可動電極１０７が密着固定され、圧力変化によっても撓みにくい受圧ダイアフラムの縁部にはリファレンス電極１０９が密着固定されている。一方、下側ウエハ１０２には、これら可動電極１０７およびリファレンス電極１０９と対向するようにして、固定電極１０５が密着固定されている。また、各電極には、それぞれ下側ウエハ１０２を貫通する引き出し電極１０４が取り付けられている。
【０００５】
このように、上側ウエハ１０３に設けられた可動電極１０７およびリファレンス電極１０９と、下側ウエハ１０２に設けられた固定電極１０５とで容量素子を構成している。したがって、圧力変化によってダイアフラムが撓むと可動電極１０７も一緒に撓み、可動電極１０７と固定電極１０５との距離が変化するため、これらの電極間における容量変化を検出することにより、圧力変化を間接的に測定することができるようになっている。なお、リファレンス電極１０９は、可動電極１０７と固定電極１０５間で検出された容量の補正に用いられる。
【０００６】
ここで、このような容量式圧力センサの製造方法について簡単に述べる。下側ウエハ１０２および上側ウエハ１０３は、それぞれサファイア等の基板を加工することによって作製される。すなわち、下側ウエハ１０２は機械加工、レーザ加工または超音波加工等により、引き出し電極１０４形成用の貫通孔が形成される。そして、ドライエッチングによって下側ウエハ２の表面には、凹部が形成され、その中に金属膜を蒸着、イオンプレーティングまたはスパッタ等することにより形成してからエッチングにより固定電極１０５を作製する。固定電極１０５はＰｔ／密着増強膜で形成されており、密着増強膜としてはＴｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｎｂ，Ｚｒ，ＨｆまたはＴａ等が用いられる。もちろん、エッチングを行わずにシャドーマスクを介してスパッタ等してもよい。
【０００７】
一方、上側ウエハ１０３はサファイア等の基板にスパッタ等により金属膜（固定電極１０５と同様）を形成してからエッチングにより、可動電極１０８およびリファレンス電極１０９、パッド１０６を形成する。パッド１０６はＡｕ／バリア膜／密着増強膜で形成し、例えばバリア膜にＰｔ、密着増強膜にＮｂを用いる。もちろん、金属膜を成膜してからエッチングにより電極を作製する代わりに、シャドーマスクを介してスパッタすることにより電極を作製してもよい。その後、下側ウエハ１０２に上側ウエハ１０３を張り合わせてから、４００〜１３００℃の雰囲気下で直接接合することにより両者を接合し、上記貫通孔に溶融はんだ（Ｓｎ−Ａｇはんだ等）を流し込むことによって引き出し電極１０４を形成する。なお、貫通孔の開口部とパッド１０６および１０８が対向するように配置しておくことにより、溶融はんだはこれらのパッドに付着するため、確実に電極を取り出すことができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来例には種々の問題点がある。すなわち、ダイアフラムを構成する上側ウエハ１０３においては、可動電極１０７およびリファレンス電極１０９を形成する面と、ウエハ同士の接合面とが同一面にあるため、電極の形成不良やウエハの位置合わせにずれが生じた場合に、はみ出した電極によってウエハの接合を阻害する恐れがある。一般的に下側ウエハおよび上側ウエハを同一材料（例えばサファイア等）で作製した場合、直接接合により両者を接合することが多いが、直接接合においては接合面における平面性および微少面粗度が要求されるため、電極のはみ出しがウエハの接合強度を著しく落としてしまう原因となる。そのため、従来においては、電極やそれに付随するリード部をウエハの接合部から十分に離して設けなければならず、その分余分なスペースを作らなければならないため、センサの小型化が困難であった。
【０００９】
また、図９においては、引き出し電極の形成時に溶融はんだが容量室内に流れ込んで電極同士が短絡することを防止するため、パッド１０６および１０８を設けるだけでなく、段差γを設けることによってパッドと貫通孔との距離を短くし、流出するはんだ量を抑制していた。ところが、このような急峻な段差γを設けるとスパッタ時などにおいて、領域δにおける金属膜の形成が困難となり、第１の配線の形成不良の原因となる。
【００１０】
本発明は、このような課題を解決するためのものであり、固定電極の設けられた基材と可動電極の設けられた基材とを接合する際に、はみ出した電極によって接合不良が生じることを防ぐことができる容量式圧力センサを提供することを目的とする。また、本発明のその他の目的は、溶融はんだを使った引き出し電極の作製時に、この溶融はんだが容量室内に流れ込むのを防止することができる容量式圧力センサを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明に係る容量式圧力センサは、第１の凹部とこの第１の凹部に連通した第２の凹部とを有する第１の基材と、底部が受圧ダイアフラムを構成した第３の凹部とこの第３の凹部に連通した第４の凹部とを有する第２の基材と、上記第１の凹部に設けられた固定電極と、上記第２の凹部に設けられかつ上記固定電極に第１の配線で接続された第１のパッドと、上記第３の凹部に設けられた可動電極と、上記第４の凹部に設けられかつ上記可動電極に第２の配線で接続された第２のパッドと、上記第１のパッドに接続されかつ上記第１の基材に設けられた貫通孔を介して外部に引き出された第１の引き出し電極と、上記第２のパッドに接続されかつ上記第１の基材に設けられた貫通孔を介して外部に引き出された第２の引き出し電極とを備えている。そして、上記第１および第２の基材は、上記第２および第４の凹部が対向する基材の凹部と重なり合わないように、かつ、上記固定電極と上記可動電極とが対向するようにして接合されている。
【００１２】
また、本発明はその他の態様として、次のような構成も含むものである。すなわち、上記第１および第２の引き出し電極は、上記第１の基材に設けられた貫通孔に注入された溶融はんだが冷却凝固することにより、上記固定電極および上記可動電極のそれぞれに固着したものであってもよい。
上記第２の凹部内にはんだ流出防止壁を備え、このはんだ流出防止壁と上記第２の凹部の内側面とで上記溶融はんだの迂回路を構成するとともに、上記第４の凹部内にはんだ流出防止壁を備え、このはんだ流出防止壁と上記第４の凹部の内側面とで上記溶融はんだの迂回路を構成していてもよい。
上記第１の凹部と上記第２の凹部とを連通する部分における上記第１の配線上に、上記溶融はんだの流出を抑制するためのはんだ流出防止突起が設けられ、上記第３の凹部と上記第４の凹部とを連通する部分における上記第２の配線上に、上記溶融はんだの流出を抑制するためのはんだ流出防止突起が設けられていてもよい。
上記はんだ流出防止突起は、そのはんだ濡れ性が上記固定電極および上記可動電極のはんだ濡れ性よりも悪い材料によって形成されていてもよい。
【００１３】
したがって、本発明は、固定電極および可動電極のそれぞれが、第１の基材および第２の基材に設けられた凹部内に設置されているため、第１の基材と第２の基材との接合面に電極がはみ出しにくい構造を有する。そのため、第１の基材と第２の基材同士の接合不良が生じにくく、従来例のように基材の接合部と電極形成部とを十分離すための余分なスペースを必要としないため、センサの小型化を実現することができる。
また、パッドの設けられた凹部が対向する基材の凹部と重なり合わないように配置されているため、引き出し電極を形成するために設けられた貫通孔と対向する基材との距離を短くすることができ、溶融はんだがはみ出しにくい構造となっている。特にはんだ流出防止壁を用いて溶融はんだの迂回路を形成することにより、容量室内へのはんだの流入を抑制して電極同士の短絡を防ぐことができる。さらに、はんだ流出防止突起を設けることにより、溶融はんだの容量室内への流れ混みを防ぐことができる。はんだ流出防止突起を電極よりもはんだ濡れ性の悪い材料を用いることにより、はんだの流入をより効果的に防ぐこともできる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の一つの実施の形態について図を用いて説明する。
図１は本発明の一つの実施の形態を示す平面図であり、  図２は図１のＩＩ−ＩＩ’線における断面図である。ただし、図１においては、最上層に位置する上側ウエハ３を透過した状態を示す。これらの図に示すように、本実施の形態に係る容量式圧力センサ１は、下側ウエハ２と、上側ウエハ３と、引き出し電極４と、固定電極５と、パッド６と、可動電極７と、パッド８と、リファレンス電極９とを備える。
【００１５】
下側ウエハ２および上側ウエハ３は、ともにサファイア、シリコン、ガラスまたはアルミナ等で形成された基板である。下側ウエハ２は、その縁部を除く中央部一体に凹部（以下、容量形成部２ａという）が設けられ、この容量形成部２ａを覆うようにして上側ウエハ３が貼り合わされている。上側ウエハ３は、その縁部を除く中央部一体に凹部（以下、容量形成部３ａという）が設けられ、その底部は外部の圧力変化に応じて撓み易いようにその厚さが十分薄く形成され、受圧ダイアフラムを構成している。この圧力変化に応じて撓み易い受圧ダイアフラムの中心部には可動電極７が密着固定され、圧力変化によっても撓みにくい受圧ダイアフラムの縁部にはリファレンス電極９が密着固定されている。一方、下側ウエハ２には、これら可動電極７およびリファレンス電極９と対向するようにして、固定電極５が密着固定されている。また、各電極には、それぞれ下側ウエハ２を貫通する引き出し電極４が取り付けられている。
【００１６】
このように、上側ウエハ３に設けられた凹部である容量形成部３ａと、下側ウエハ２に設けられた凹部である容量形成部２ａとによって空洞（以下、容量室という）が作られ、その中に設置されている可動電極７およびリファレンス電極９と、固定電極５とで容量素子が構成されている。したがって、圧力変化によってダイアフラムが撓むと可動電極７も一緒に撓み、可動電極７と固定電極５との距離が変化するため、この容量変化を検出することにより圧力変化を間接的に測定することができる。なお、リファレンス電極９は、可動電極７と固定電極５間で検出された容量の補正に用いられる。
【００１７】
ここで、本実施の形態の特徴とするところのパッド形成部２ｂ，３ｂの詳細について説明する。
図３（ａ）は図１の領域αを拡大した平面図、図３（ｂ）はその側面断面図である。これらの図から明らかなように、パッド形成部２ｂには、はんだ流出防止壁２ｃが設けられ、溶融はんだの迂回路が構成されている。すなわち、パッド６の下から流れ込んだ溶融はんだは、固定電極５と一体成形されたパッド５ａを伝ってパッド形成部２ｂ内に流れ出す。しかし、溶融はんだは、はんだ流出防止壁２ｃとパッド形成部２ｂとの隙間にできた迂回路を流れるため、従来よりも容量形成部２ａに流れ込みにくい構造となっている。
【００１８】
パッド形成部３ｂについても上記同様である。
図４（ａ）は図１の領域βを拡大した平面図、図４（ｂ）はその側面断面図である。これらの図から明らかなように、パッド形成部３ｂには、はんだ流出防止壁３ｃが設けられ、溶融はんだの迂回路が構成されている。すなわち、パッド８ａの下から流れ込んだ溶融はんだは、可動電極７と一体成形されたパッド８を伝ってパッド形成部３ｂ内に流れ出す。しかし、溶融はんだは、はんだ流出防止壁３ｃとパッド形成部３ｂとの隙間にできた迂回路を流れるため、従来よりも容量形成部３ａに流れ込みにくい構造となっている。
【００１９】
次に、このような容量式圧力センサの製造方法について述べる。下側ウエハ２および上側ウエハ３は、それぞれサファイア等の基板を加工することによって作製される。すなわち、下側ウエハ２は機械加工、レーザ加工または超音波加工等により、引き出し電極４形成用の貫通孔が形成される。そして、下側ウエハ２については、その表面をドライエッチングによって除去し、容量形成部２ａおよびパッド形成部２ｂを形成するための凹部を形成し、その中に金属膜を蒸着、イオンプレーティングまたはスパッタ等することによって形成してから、エッチングにより固定電極５およびパッド５ａを作製する。固定電極５はＰｔ／密着増強膜で形成されており、密着増強膜としてはＴｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｎｂ，Ｚｒ，ＨｆまたはＴａ等が用いられる。パッド５ａはＡｕ／バリア膜／密着増強膜で形成し、例えばバリア膜にＰｔ、密着増強膜にＮｂを用いる。もちろん、金属膜を成膜してからエッチングにより電極を作製する代わりに、シャドーマスクを介してスパッタすることにより電極を作製してもよい。
【００２０】
一方、上側ウエハ３は、サファイア等の基板にドライエッチングによって容量形成部３ａおよびパッド形成部３ｂを形成するための凹部が形成されてから、スパッタ等により金属膜を形成し、エッチングによって可動電極７およびリファレンス電極９、パッド８を形成する。パッド８はＡｕ／バリア膜／密着増強膜で形成し、例えばバリア膜にＰｔ、密着増強膜にＮｂを用いる。もちろん、金属膜を成膜してからエッチングにより電極を作製する代わりに、シャドーマスクを介してスパッタすることにより電極を作製してもよい。その後、下側ウエハ２に上側ウエハ３を張り合わせてから、４００〜１３００℃の雰囲気下で直接接合することにより両者を接合し、下側ウエハ２を上にして上記貫通孔に溶融はんだを流し込むことにより引き出し電極４を形成する。なお、貫通孔の開口部とパッド６および８が対向するように配置しておくことにより、溶融はんだはこれらのパッドに付着するため、容量室内に流れ込むことを防ぐことができる。さらに、図３，４に示したように、はんだ流出防止壁２ｃ，３ｃによって形成された迂回路により、溶融はんだが容量室に流れ込むことを効果的に抑制できる。
【００２１】
次に、本発明のその他の形態について説明する。
図５（ａ）は図１に係るパッド形成部を示す平面図であり、図５（ｂ）はその他の形態に係るパッド形成部を示す平面図である。同図（ａ）に示すように、上記実施の形態においてはパッド形成部２ｂの中央部に位置するようにＣ字型のはんだ流出防止壁２ｃを設けることにより（Ｃ字の開口部を容量室とは反対側に向ける）、溶融はんだの迂回路を形成していた。この迂回路の働きによって溶融はんだが容量形成部２ａに流れ込むことを防止できるわけであるが、はんだ流出防止壁２ｃのレイアウトによっては、さらに効果的にはんだの流出を防止することができる。すなわち、同図（ｂ）に示すように、はんだ流出防止壁２ｃの一端をパッド形成部２ｂの側壁と接続することにより、迂回路の長さを飛躍的に長くすることができる。
【００２２】
図６は図１の構成にはんだ流出防止突起１０，１１を設けた様子を示す平面図であり、図７はそのＶＩＩ−ＶＩＩ’線における断面図である。同図６に示すように、パッド形成部２ｂおよび３ｂと、容量形成部２ａおよび３ａとの間にはんだ流出防止突起１０，１１を設けている。このはんだ流出防止突起１０，１１は、下側ウエハ２および上側ウエハ３をそれぞれ加工して作製してもよいし、別個の部材を新たに取り付けてもよい。このようにはんだ流出防止突起を設けることにより、万が一パッド形成部２ｂ，３ｂから溶融はんだが流れ出したとしても、容量形成部２ａ，３ａに流れ込むことを防止することができる。特にはんだ流出防止突起１０，１１を、電極よりもはんだ濡れ性の悪い材料で作製しておけばより効果的に流出を防止することができる。なお、上記はんだ流出防止壁２ｃ，３ｃについても、はんだ流出防止突起１０，１１と同様に別部材を取り付けるようにしてもよい。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したとおり本発明は、固定電極および可動電極のそれぞれが、第１の基材および第２の基材に設けられた凹部内に設置されているため、第１の基材と第２の基材との接合面に電極がはみ出しにくい構造を有する。そのため、第１の基材と第２の基材同士の接合不良が生じにくく、従来例のように基材の接合部と電極形成部とを十分離すための余分なスペースを必要としないため、センサの小型化を実現することができる。
また、パッドの設けられた凹部が対向する基材の凹部と重なり合わないように配置されているため、引き出し電極を形成するために設けられた貫通孔とその対向する基材との距離を短くすることができ、溶融はんだがはみ出しにくい構造となっている。特にはんだ流出防止壁を用いて溶融はんだの迂回路を形成することにより、容量室内へのはんだの流入を抑制して電極同士の短絡を防ぐことができる。
さらに、はんだ流出防止突起を設けることにより、溶融はんだの容量室内への流れ混みを防ぐことができる。はんだ流出防止突起を電極よりもはんだ濡れ性の悪い材料で形成することにより、はんだの流入をより効果的に防ぐこともできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一つの実施の形態を示す平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ’線における断面図である。
【図３】（ａ）図１の領域αを示す平面図、（ｂ）領域αの側面断面図である。
【図４】（ａ）図１の領域βを示す平面図、（ｂ）領域βの側面断面図である。
【図５】本発明のその他の実施の形態を示す平面図である。
【図６】本発明のその他の実施の形態を示す平面図である。
【図７】図６のＶＩＩ−ＶＩＩ’線における断面図である。
【図８】従来例を示す平面図である。
【図９】図８のＩＸ−ＩＸ’線における断面図である。
【符号の説明】
１…圧力センサ、２…下側ウエハ、２ａ…容量形成部、２ｂ…パッド形成部、２ｃ…はんだ流出防止壁、３…上側ウエハ、３ａ…容量形成部、３ｂ…パッド形成部、３ｃ…はんだ流出防止壁、４…引き出し電極、５…固定電極、５ａ…パッド、６…パッド、７…可動電極、８…パッド、８ａ…パッド、９…リファレンス電極、１０、１１…はんだ流出防止突起、α、β、δ…領域、γ…段差。
【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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【図９】
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