(57)【要約】【課題】応答に線形性を有する状態で、微圧感度を大きくできるようにする。【解決手段】受圧部となるダイアフラム１０２は、基台１０１の上に支持部１０１ａによって支持されている。また、基台１０１には、凹面１２１が形成され、ダイアフラム１０２は、凹面１２１が形成されている可動領域１２２において、基台１０１と離間して配置されている。また、ダイアフラム１０２は、可動領域１２２で基台１０１（凹面１２１）の方向に変位可能とされ、測定対象からの圧力を受ける。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基台と、
前記基台に形成された凹面と、
前記基台の上に支持されて前記凹面が形成されている可動領域で前記基台と離間して配置され、測定対象からの圧力を受けて前記可動領域で前記基台の方向に変位可能とされた受圧部と、
前記可動領域における前記受圧部と前記基台との間に形成された容量室と、
前記容量室の中心より周縁部の側で前記受圧部の前記可動領域に形成された可動電極と、
前記容量室の内部で前記基台の上に前記可動電極に向かい合って形成された固定電極と、
前記容量室の内部で前記受圧部の前記可動領域に形成されて前記受圧部の歪みを計測する歪計測部と、
前記可動電極と前記固定電極との間の容量の変化および前記歪計測部が計測した歪より前記受圧部が前記測定対象から受けた圧力を求めるように構成された圧力算出部と
を備えることを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
請求項１記載の圧力センサにおいて、
前記凹面は、前記受圧部が変形して中央で前記受圧部と前記凹面とが接触した状態で、前記可動電極と前記固定電極とが接触しない形状とされていることを特徴とする圧力センサ。
【請求項３】
請求項１記載の圧力センサにおいて、
前記凹面は、前記受圧部が最も大きく変形した状態で、前記可動電極と前記固定電極とが接触しない形状とされていることを特徴とする圧力センサ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧力センサにおいて、
２組の前記可動電極および前記固定電極を備え、
一方の前記可動電極と他方の前記可動電極とが電気的に接続され、
前記圧力算出部は、一方の前記可動電極と他方の前記可動電極との間で検出される合計の容量の変化と前記歪計測部が計測した歪より前記受圧部が前記測定対象から受けた圧力を求める
ことを特徴とする圧力センサ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧力センサにおいて、
前記歪計測部は、ピエゾ抵抗による圧力検出素子から構成されていることを特徴とする圧力センサ。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧力センサにおいて、
前記歪計測部は、歪みゲージから構成されていることを特徴とする圧力センサ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の圧力センサにおいて、
前記容量室に配置された誘電率が１を超える気体または液体を備えることを特徴とする圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、容量式と歪式とを組み合わせた圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧力を受けたダイアフラムのたわみ量、すなわち変位より圧力値を出力する圧力センサは、ガス種依存性が少ないことから、半導体設備をはじめ、工業用途で広く使用されている。この種の圧力センサには、ダイアフラムの変位を静電容量の変化として検出し、検出した静電容量の変化から圧力値を出力する容量式がある。容量式では、ダイアフラム側に可動電極を設け、これに向かい合って配置される固定電極と可動電極との間の容量を検出している。また、上述した圧力センサには、ダイアフラムの変位を歪として検出し、検出した歪から圧力値を出力する歪式がある。
【０００３】
ここで、歪式は、線形性に優れているが、ダイアフラムの変位が小さい微圧感度が低いという問題がある。例えば、歪の検出には、半導体結晶のピエゾ抵抗を利用する形式があるが、この場合、検出された値が小さいと、半導体暗電流ノイズに埋もれ、圧力変化を検知できない場合が発生する。
【０００４】
一方、容量式は、容量値が可動電極と固定電極との距離に反比例するため、距離を小さくすることで微圧感度を大きくすることができる。しかしながら、距離を小さくすると、ダイアフラムの可動範囲が小さくなり、測定範囲が狭まる。当然ながら、測定範囲を大きくするために距離を大きくすると、微圧感度が低下し、また線形性が損なわれるようになる。
【０００５】
上述した容量式と歪式とを組み合わせることで、各々の問題点を補うことが可能となる。例えば、ダイアフラムに、容量式ゲージを構成する上部電極（可動電極）を設けるとともに、薄膜抵抗歪みゲージ式検出部を設ける技術が提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１１６２８７号公報
【特許文献２】特開２０００−１７１３１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した従来の技術では、容量式ゲージを構成する上部電極と下部電極とが、各々平行な平面に形成された平行平板型となっているため、これらの間隔を小さくすると、低い圧力で２つの電極が接触し、歪みゲージ式検出部で検出する発生応力の線形性を損なうという問題がある。このように、従来では、線形性を有する状態で、微圧感度を大きくすることが容易ではないという問題があった。
【０００８】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、応答に線形性を有する状態で、微圧感度を大きくできるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る圧力センサは、基台と、基台に形成された凹面と、基台の上に支持されて凹面が形成されている可動領域で基台と離間して配置され、測定対象からの圧力を受けて可動領域で基台の方向に変位可能とされた受圧部と、可動領域における受圧部と基台との間に形成された容量室と、容量室の中心より周縁部の側で受圧部の可動領域に形成された可動電極と、容量室の内部で基台の上に可動電極に向かい合って形成された固定電極と、容量室の内部で受圧部の可動領域に形成されて受圧部の歪みを計測する歪計測部と、可動電極と固定電極との間の容量の変化および歪計測部が計測した歪より受圧部が測定対象から受けた圧力を求めるように構成された圧力算出部とを備える。
【００１０】
上記圧力センサにおいて、凹面は、受圧部が変形して中央で受圧部と凹面とが接触した状態で、可動電極と固定電極とが接触しない形状とされているとよい。
【００１１】
上記圧力センサにおいて、凹面は、受圧部が最も大きく変形した状態で、可動電極と固定電極とが接触しない形状とされていてもよい。
【００１２】
上記圧力センサにおいて、２組の可動電極および固定電極を備え、一方の可動電極と他方の可動電極とが電気的に接続され、圧力算出部は、一方の可動電極と他方の可動電極との間で検出される合計の容量の変化と歪計測部が計測した歪より受圧部が測定対象から受けた圧力を求めるようにしてもよい。
【００１３】
上記圧力センサにおいて、歪計測部は、ピエゾ抵抗による圧力検出素子から構成すればよい。また、歪計測部は、歪みゲージから構成してもよい。
【００１４】
上記圧力センサにおいて、容量室に配置された誘電率が１を超える気体または液体を備えるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように、本発明によれば、可動領域の基台に凹面を形成し、凹面に向かい合う受圧部（ダイアフラム）の周辺部に、可動電極を配置し、また、受圧部に歪計測部を設けたので、応答に線形性を有する状態で、微圧感度が大きくできるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１における圧力センサの構成を示す構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態２における圧力センサの構成を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００１８】
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１おける圧力センサについて図１を参照して説明する。この圧力センサは、基台１０１、ダイアフラム１０２、可動電極１０４、固定電極１０５を備える。
【００１９】
受圧部となるダイアフラム１０２は、基台１０１の上に支持部１０１ａによって支持されている。また、基台１０１には、凹面１２１が形成され、ダイアフラム１０２は、凹面１２１が形成されている可動領域１２２において、基台１０１と離間して配置されている。また、ダイアフラム１０２は、可動領域１２２で基台１０１（凹面１２１）の方向に変位可能とされ、測定対象からの圧力を受ける。基台１０１およびダイアフラム１０２は、例えば、単結晶シリコンから構成されている。なお、ダイアフラム１０２は、可動領域１２２の外側の接合領域で、支持部１０１ａの上面に接合されている。
【００２０】
可動領域１２２におけるダイアフラム１０２と基台１０１との間には、容量室１０３が形成され、容量室１０３の内部に、可動電極１０４および固定電極１０５が配置されている。可動電極１０４は、容量室１０３の中心より周縁部の側でダイアフラム１０２の可動領域１２２に形成されている。また、固定電極１０５は、容量室１０３の内部で基台１０１の上に可動電極１０４に向かい合って形成されている。よく知られているように、静電容量式の圧力センサは、可動電極１０４と固定電極１０５との間に形成される容量の変化により、ダイアフラム１０２の受圧領域で受けた圧力を測定する。
【００２１】
また、この圧力センサは、容量室１０３の内部でダイアフラム１０２の可動領域１２２に形成されてダイアフラム１０２の歪みを計測する歪計測部１０６を備える。歪計測部１０６は、よく知られたピエゾ抵抗による圧力検出素子（ピエゾ抵抗素子）から構成することができる。また、歪計測部１０６は、よく知られた歪みゲージから構成してもよい。また、この圧力センサは、圧力算出部１０８を備える。圧力算出部１０８は、可動電極１０４と固定電極１０５との間の容量の変化、および歪計測部１０６が計測した歪より、ダイアフラム１０２が測定対象から受けた圧力を求める。
【００２２】
ここで、基台１０１に形成されている可動領域１２２の凹面１２１は、例えば、平面視円形とされたなだらかにくぼんでいる領域である。凹面１２１は、基台１０１の平面に垂直な断面の形状が湾曲している。
【００２３】
実施の形態１によれば、ダイアフラム１０２が受圧していない状態では、可動領域１２２の中心部が、凹面１２１とダイアフラム１０２との距離が最も大きく、可動領域１２２の周辺に行くほど、この距離が小さくなる。実施の形態１では、両者の距離が小さくなる周辺に、可動電極１０４および固定電極１０５を配置しているので、容量検出における微圧感度をより大きくすることができる。
【００２４】
また、ダイアフラム１０２が受圧して撓むと、可動領域１２２の中心部の変位量が最も大きく、可動領域１２２の周辺に行くほど変位量が小さい。言い換えると、ダイアフラム１０２が受圧して撓むことによって、わい曲面が形成される。凹面１２１は、このわい曲面と同様な形状としている。従って、実施の形態１によれば、ダイアフラム１０２が大きく変形しても、ダイアフラム１０２と凹面１２１とが接触することが抑制されるようになる。
【００２５】
この結果、実施の形態１によれば、大きな圧力測定においても、可動電極１０４と固定電極１０５との接触が抑制されるようになり、歪計測部１０６で検出する発生応力の線形性を損なうこと無く、圧力算出部１０８で圧力が求められるようになる。
【００２６】
例えば、可動電極１０４、固定電極１０５を用いた容量検出では、微圧の領域測定のみに限定し、測定範囲での電極間距離を小さくすることで、線形性が良好な範囲のみで測定可能となる。また、２組の可動電極１０４、固定電極１０５を用い、各々の組を異なった電極間距離とし、微圧１のレンジでは一方の電極間距離の組で測定を実施し、微圧２のレンジでは他方の電極間距離の組で測定を実施してもよい。
【００２７】
また、測定圧力範囲内では、受圧して変形したダイアフラム１０２が凹面１２１に接触しない形状条件としておけば、ダイアフラム１０２が測定中に接触しないため、微圧以外の領域の歪計測部１０６を用いた測定の利点も生かすことが可能となる。
【００２８】
続いて、圧力センサの製造方法について簡単に説明する。圧力センサは、シリコン基板を加工することで形成した基台１０１と、別のシリコン基板を加工することで形成したダイアフラム１０２とを貼り合わせることで作製できる。
【００２９】
例えば、板厚３００μｍのｎ型とされたシリコン基板を用意し、公知のフォトリソグラフィー技術により、歪計測部１０６とする領域に開口を有するマスクパターンをシリコン基板の上に形成する。次に、公知のイオン注入法により、マスクパターンの開口部に露出するシリコン基板に、ボロンなどのｐ型不純物を導入してピエゾ抵抗素子を形成し、歪計測部１０６とする（特許文献２参照）。
【００３０】
次に、上述したマスクパターンを除去した後、再度、歪計測部１０６に接続する引き出し配線部とする領域に開口を有するマスクパターンをシリコン基板の上に形成する。次に、公知のイオン注入法により、マスクパターンの開口部に露出するシリコン基板に、より高濃度に不純物を導入し、引き出し配線構造を形成する。
【００３１】
次に、上述したマスクパターンを除去した後、公知のフォトリソグラフィー技術およびドライエッチング技術により、ダイアフラムとする領域を薄く加工し、上述したピエゾ抵抗素子による歪計測部１０６を備えるダイアフラム１０２を形成する。次に、このように形成したダイアフラム１０２に、金属層の形成、形成した金属層のパターニングにより、所定の箇所に可動電極１０４を形成すればよい。
【００３２】
一方で、他のシリコン基板を用意し、この上に、公知のフォトリソグラフィー技術により、可動領域１２２に対応する位置に凹面の形状を有するマスク層を形成する。例えば、ポジ型レジストを用い、結像位置を意図的にずらしたレンズ投影露光により凹面の形状を形成する。次に、よく知られたリアクティブイオンエッチングにより垂直異方性の高い状態で、マスク層をエッチバックする。このとき、ポジ型レジストのエッチング速度とシリコン基板のエッチング速度とが同一となるように、エッチング条件を設定する。このマスク層のエッチバックにより、マスク層に形成した凹面の形状をシリコン基板に転写すれば、凹面１２１が形成された基台１０１が形成できる。なお、ポジ型レジストのエッチング速度とシリコン基板のエッチング速度とを、例えば１：１０程度と一定の比率とすることで、マスク層の凹面の曲率に対して凹面の曲率をより小さくすることができる。この後、金属層の形成、形成した金属層のパターニングにより、凹面１２１の所定の箇所に固定電極１０５を形成すればよい。
【００３３】
以上のように形成したダイアフラム１０２と基台１０１とを貼り合わせ、圧力算出部１０８を接続すれば、圧力センサとなる。なお、ダイアフラム１０２の歪計測部１０６を形成した面に、熱酸化法などにより酸化シリコンの層を形成しておいてもよい。
【００３４】
ところで、凹面１２１の固定電極１０５を形成する箇所は、他の面よりへこんだ状態とし、このへこみ部に、固定電極１０５を形成してもよい。このようにすることで、受圧してわい曲したダイアフラム１０２が、凹面１２１に当接するような状態となっても、可動電極１０４と固定電極１０５との接触が防げる。
【００３５】
また、ダイアフラム１０２が最も大きく変形した状態の変位の大きさより、凹面１２１の深さを浅くしておくことで、凹面１２１をダイアフラム１０２のストッパとして機能させることができる。この構成とすることで、過大な圧力が印加されたときのダイアフラム１０２の破損が防げるようになる。
【００３６】
また例えば、凹面１２１を、ダイアフラム１０２が変形して中央でダイアフラム１０２と凹面１２１とが接触した状態で、可動電極１０４と固定電極１０５とが接触しない形状（非球面）としておいてもよい。また、凹面１２１を、ダイアフラム１０２が最も大きく変形した状態でも、可動電極１０４と固定電極１０５とが接触しない形状としてもよい。
【００３７】
ところで、容量室１０３に、誘電率（比誘電率）が１を超える気体または液体を配置しておくことで、より大きな容量値が得られるようになり、微圧感度をより向上させることができる。液体を用いる場合、可動領域１２２において基台１０１を貫通する排圧口を形成し、排圧口にリザーバタンクなどを設けた状態で、容量室１０３に誘電率（比誘電率）が１を超える液体を充填すればよい。また、気体の場合、容量室１０３を密閉状態とし、誘電率（比誘電率）が１を超える気体を充填して封止してもよい。
【００３８】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２おける圧力センサについて図２を参照して説明する。この圧力センサは、凹面１２１が形成された基台１０１、基台１０１の支持部１０１ａに支持されたダイアフラム１０２を備える。ダイアフラム１０２は、凹面１２１が形成されている可動領域１２２において基台１０１と離間して配置され、可動領域１２２において変位可能とされている。また、ダイアフラム１０２の歪みを計測する歪計測部１０６を備える。凹面１２１とダイアフラム１０２との間には、容量室１０３が形成される。これらの構成は、前述した実施の形態１と同様であり、詳細な説明は省略する。
【００３９】
実施の形態２では、まず、容量室１０３の中心より周縁部の側でダイアフラム１０２の可動領域１２２に形成された２つの可動電極１０４ａ，可動電極１０４ｂを備える。また、容量室１０３の内部で、基台１０１の上に可動電極１０４ａ，可動電極１０４ｂに向かい合って形成された２つの固定電極１０５ａ，固定電極１０５ｂを備える。固定電極１０５ａと固定電極１０５ｂとは、電気的に接続されている。
【００４０】
また、実施の形態２では、圧力算出部１０８ａは、可動電極１０４ａと可動電極１０４ｂとの間で検出される合計の容量の変化と，歪計測部１０６が計測した歪より、ダイアフラム１０２が測定対象から受けた圧力を求める。
【００４１】
実施の形態２では、可動電極１０４ａ，可動電極１０４ｂ、固定電極１０５ａ，固定電極１０５ｂにより、直列に接続した２つのコンデンサが構成され、容量変化の検出がダイアフラム１０２の側に形成された電極で行う。このように構成することで、容量室１０３から外部へ引き出す配線を、基台１０１の側に形成しない構成とすることができる。前述したように、ダイアフラム１０２には、歪計測部１０６なども形成し、これらの配線を形成するため、ダイアフラム１０２に各配線を集約させることが可能となり、より容易に圧力センサが作製できるようになる。
【００４２】
以上に説明したように、本発明では、可動領域の基台に凹面を形成し、凹面に向かい合う受圧部（ダイアフラム）の周辺部に、可動電極を配置し、また、受圧部に歪計測部を設けたので、応答に線形性を有する状態で、微圧感度が大きくできるようになる。
【００４３】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述では、基台およびダイアフラムをシリコンから構成したが、これに限るものではなく、サファイヤ、アルミナセラミックなどから構成してもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１０１…基台、１０１ａ…支持部、１０２…ダイアフラム（受圧部）、１０３…容量室、１０４…可動電極、１０５…固定電極、１０６…歪計測部、１０８…圧力算出部、１２１…凹面、１２２…可動領域。
【図１】
2019117101.tif 000003
【図２】
2019117101.tif 000004