(57)【要約】【課題】ダイアフラムの反りを容易に軽減又は解消する。【解決手段】この圧力検出チップ２００のダイアフラム８′は、従来の圧力検出チップと略同様に、絶縁体（絶縁膜２１０）と共有電極（１ａ）とシリコン基板薄膜部１ｃとを合わせて形成されている。ただし、絶縁体（絶縁膜２１０）の正負両電極間の正負両電極に略平行な一断面における平面形状は、その一断面上において島状に分散配置されている。この様な圧力検出チップ２００（図１）では、絶縁膜２１０を島状に形成することにより、共有負電極１ａと絶縁膜２１０の間に歪みが生じる現象が事実上殆ど表面化しなくなるため、圧力センサ設計時に共有負電極１ａや絶縁膜２１０の各膜厚（或いは膜厚比）に関する最適値を求めるための各種の試行錯誤（実験やシミュレーション等）が不要となる。【選択図】  図１
2004294156.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変容量を構成する正負両電極間の一部分に絶縁体が挿入配置されている静電容量型圧力センサにおいて、
前記正負両電極間における前記正負両電極に対して略平行な平面上において、前記絶縁体が複数の島状に配置されている
ことを特徴とする静電容量型圧力センサ。
【請求項２】
前記正負両電極間の前記平面上における前記絶縁体の断面積占有率は、
１／２以下である
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。
【請求項３】
前記断面積占有率は、１／１０以下である
ことを特徴とする請求項２に記載の静電容量型圧力センサ。
【請求項４】
前記絶縁体は、
前記正負両電極の何れか一方を形成するダイアフラム上で、前記ダイアフラムと一体成形されることにより、前記正負両電極間に挿入配置されている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の静電容量型圧力センサ。
【請求項５】
前記絶縁体は、前記平面上において、
略均一に分散配置されている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の静電容量型圧力センサ。
【請求項６】
前記絶縁体は、前記平面上において、
網穴状又は整列ブロック状に配列されている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の静電容量型圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可変容量を構成する正負両電極間の一部分に絶縁体が挿入配置されている静電容量型圧力センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開２０００−１３３８１８号公報
【非特許文献１】
鈴木、上野、中村、杉山、”Ａｎ  Ｘ−ｒａｙ  Ｍａｓｋ  ｗｉｔｈ  ａ  Ｌｏｗ−Ｓｔｒｅｓｓ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｉｎ  Ｕｓｅ  ｆｏｒ  Ｈｉｇｈ  Ａｓｐｅｃｔ  Ｒａｔｉｏ  Ｐａｔｔｅｒｎ  Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ”，Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｔｈｅ  １５ｔｈ  Ｓｅｎｓｏｒ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ．  １９９７，ｐｐ．１９７−２００
【０００３】
可変容量を構成する正負両電極間の一部分に絶縁体が挿入配置されている従来の静電容量型圧力センサとしては、例えば上記の特許文献１に記載されている圧力センサ等が一般に知られている。
図４に従来の静電容量型圧力センサに用いられている圧力検出チップ１００の模式的な断面図を例示する。ただし、本図４（ｂ）の断面図においては、本図４（ａ）の平面図の配線６ａに沿って、図示されるべき断面を一部折り曲げて記載してある。
【０００４】
この圧力検出チップ１００のダイアフラム８は、絶縁体（絶縁膜１０）と共有負電極１ａとシリコン基板薄膜部１ｃとを合わせて形成されている。ガラス基板２の底面上には、Ｔｉ／Ａｌより成る圧力検出側正電極４と、同じくＴｉ／Ａｌより成る比較参照側正電極５とが蒸着処理により成膜されている。可変形空間Ｇ１を挟んで、両正電極（４，５）の反対側に位置する共有負電極１ａは、シリコン基板１の上面にｎ型の不純物を薄く広く高濃度に添加することにより薄膜状に形成されており、更に、この共有負電極１ａと可変形空間Ｇ１との間には、絶縁膜１０が配置されている。この絶縁膜１０が配置される可変形空間Ｇ１は、開気孔１ｂを介して外気に対して開放されている。符号６ｂは電極配線、符号７は電極パッドを表している。
【０００５】
上記の絶縁膜１０は、上記の共有負電極１ａが、両正電極（４，５）に対して直接接触することを防止するためのものであり、この絶縁膜１０の作用により、過大な圧力がガラス基板３に設けられた被測定圧導入孔３ａを通して被測定圧導入室Ｇ２に掛かった際にも、正電極（４，５）と負電極（共有負電極１ａ）とがショートする恐れが無い。
【０００６】
また、正負両電極がショートすると、それらの接触面積や接触時間やその時の電極間電位差等の条件によっては、両電極が固着してそのまま接触状態が半永久的に継続される場合があるが、図４の圧力検出チップ１００を用いた場合には、絶縁膜１０の作用によりその様な故障の恐れも払拭できる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
絶縁膜１０と共有負電極１ａは、それぞれ互いに異なる物質から形成されるため、両者間の例えば熱膨張係数差や或いは格子定数差等の各種の物性的要因により、ダイアフラム８が反る場合がある。この様なダイアフラム８の反りは、圧力センサの測定可能な圧力の範囲や測定精度や或いは略線型的出力特性等の各種の検出特性を劣化させる要因となるため注意を要する。
【０００８】
この様なダイアフラム８の反りを軽減する現在の技術としては、絶縁膜１０と共有負電極１ａの各膜厚や或いはこれらの膜厚比を調整する方法等があり、例えば上記の非特許文献１などは、この様な調整を実施する上である程度参考に成る。
【０００９】
しかしながら、これらの膜厚や膜厚比を最適化するための柔軟、簡単或いは効率的な方法は殆ど無く、圧力センサ設計時に実際にこれらの膜厚や膜厚比に関する最適値を求める際には、それぞれの具体的仕様を有する各静電容量型圧力センサの型式毎に、実験などを通して試行錯誤を随時行なわなければならないのが現状である。
【００１０】
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、上記の様なダイアフラムの反りを容易に軽減又は解消する手段を提供することである。
また、本発明のその他の目的は、例えば図４の様な可変形空間Ｇ１に侵入し得るイオンが、圧力測定精度等の検出特性に対して及ぼす悪影響を軽減又は解消する手段を提供することである。
ただし、上記の個々の目的は、本発明の個々の手段の内の少なくとも何れか１つによって、個々に達成されれば十分なものであって、本願の個々の発明は、上記の全ての課題を同時に解決し得る手段が存在することを必ずしも保証するものではない。
【００１１】
【課題を解決するための手段、並びに、作用及び発明の効果】
上記の課題を解決するためには、以下の手段が有効である。
即ち、本発明の第１の手段は、可変容量を構成する正負両電極間の一部分に絶縁体が挿入配置されている静電容量型圧力センサの、正負両電極間における正負両電極に対して略平行な平面上において、絶縁体を複数の島状に配置することである。
【００１２】
このような構成に従えば、一様の薄膜状に略均一の膜厚で形成された絶縁体を正負両電極間に配置する必要がなくなり、この絶縁体でダイアフラム上に形成される層の膜厚が比較的薄くなった凹部、絶縁体が殆ど形成されていない凹部、或いは絶縁体が全く形成されていない凹部においては、水平方向の応力の影響（伝達）が減衰される。よって、上記の様な構成に従えば、ダイアフラム内に生じていた応力を容易に軽減又は解消することができる。即ち、上記の構成に従えば、測定可能な圧力範囲や測定精度や或いは略線型的出力特性等の各種の検出特性に優れた静電容量型圧力センサを容易に設計したり、製造したりすることができる。
【００１３】
上記の応力緩和作用の大小は、両電極間の上記の平面上における絶縁体の断面積占有率の大小よりもむしろ、島状に形成される絶縁体の個々の島の大きさ（直径または太さ）に大きく依存する。したがって、十分に多数の十分に小さな島を略一様に配置することができるならば、上記の応力緩和作用は、両電極間の上記の平面上における絶縁体の断面積占有率の大小如何に関わらず、勿論、十分に得ることができるものである。
即ち、上記の応力緩和作用は、絶縁体の配置形態を島状に形成することにより得られるものである。
【００１４】
また、以上の様な本発明の構成に従えば、上記の絶縁体と上記のダイアフラム上の電極とを必ずしも同種の材料とする必要が無くなり、よって、これらの部分を異種の材料から形成することも容易となるため、上記の絶縁体や、ダイアフラム上の電極等の材料を選択する自由度を大幅に拡大することが可能となる。
また、上記の応力緩和作用により、ダイアフラムを構成する各層の膜厚に関する制約も大幅に緩和されるため、本発明の手段によれば設計工数を大幅に削減することが可能となる。
【００１５】
また、本発明の第２の手段は、上記の第１の手段において、正負両電極間の上記の平面上における絶縁体の断面積占有率を１／２以下にすることである。
絶縁体（図４では絶縁膜１０）が配置される可変形空間（図４ではＧ１）は、通常、外気に対して開放されるので、この空間には例えば圧力検出チップが複数配列されたウエハの分割溝形成のための切削加工の工程実行時等に、ガラス基板や加工設備等から排出されるイオン（例：Ｎａ＋  ）が侵入することがある。
【００１６】
例えばガラス基板等に含まれているナトリウムイオン（Ｎａ＋  ）が、可変形空間に侵入した場合、これらのイオンの一部は、絶縁体（図４では絶縁膜１０）の中を比較的容易に拡散又は移動する。したがって、正負両電極間に電位差が設けられている時には、この陽イオンは当然電位の低い方へ移動する。絶縁体の中ではこの移動速度はマクロ的（平均的）に見て通常非常にゆっくりであるので、その結果、圧力センサの静電容量の容量値は比較的長い時間をかけて徐々に経時的に変化することになる。
例えばこの様に、可変形空間Ｇ１に侵入し得るイオンは、圧力測定精度等の検出特性に対して悪影響（：経時的変動）を及ぼすことがある。
【００１７】
また、ガラス基板にシリコン基板等を所望の位置に正確に接合したい場合などには、陽極接合が有効であるが、陽極接合を実施する際には可動イオンとして例えばナトリウムイオン（Ｎａ＋  ）等をガラス基板に含有させる必要性があるため、可変形空間Ｇ１等において上記の化学反応を完全に排除することは容易ではない。
【００１８】
一方、検出特性の経時的変動の変動幅は、絶縁体（図４では絶縁膜１０）の占める体積に対して略単調に増加する。より正確には、絶縁体（図４では絶縁膜１０）の表面上で、特に共有負電極１ａまでの距離が長い位置に、イオン（または不純物等のイオン源）が多く付着した場合程、この経時的変動の変動幅は大きくなる。これは、絶縁体の表面からの共有電極（１ａ）までの距離が、イオン（Ｎａ＋  ）の移動距離と概ね一致するためである。言い換えれば、上記の検出特性の経時的変動の変動幅は、付着するイオン等の量や、その付着位置と共有負電極１ａまでの距離等に対して略単調に増加する。
したがって、上記の本発明の第２の手段によれば、可変形空間における絶縁体（図４では絶縁膜１０）の占める体積比を大幅に削減することができるので、上記の検出特性の経時的変動の変動幅を大幅に削減することができる。
【００１９】
また、第３の手段は、上記の第２の手段において、上記の断面積占有率を１／１０以下にすることである。
上記の陽イオン（Ｎａ＋  ）の発生量は、大気の湿度が高い時程多い。しかしながら、その様な劣悪環境下においても、上記の断面積占有率を１／１０以下にすれば、可変形空間における絶縁体（図４では絶縁膜１０）の占める体積比を更に大幅に削減することができるので、圧力センサの検出特性の経時的変動の変動幅をより効果的に削減することができる。
【００２０】
この断面積占有率は、正負両電極間にショートが生じたり、固着が生じたりする恐れの無い限りにおいて、小さいほど望ましいが、実際に要求される圧力センサの測定精度や設計工数、加工工数等を総合的に加味・判断して、適度な値を用いれば良い。経験的には、１／４〜１／１６程度の範囲であれば、ある程度或いは十分に使用に耐え得ることが判っている。また、この範囲は、現行のエッチング加工技術や設計手法等を考慮しても、設計工数、加工工数等の開発・生産コストに十分に見合った範囲と思われる。
特に上記の断面積占有率を１／１０以下にすれば、比較的長時間にわたって検出特性の経時的変動幅の小さな高精度の圧力センサを効果的に構成することが可能となる。
【００２１】
また、第４の手段は、上記の第１乃至第３の何れか１つの手段において、正負両電極の何れか一方を形成するダイアフラム上で、上記の絶縁体をそのダイアフラムと一体成形することにより、上記の絶縁体を正負両電極間に挿入配置することである。
例えばこの様な構成により、上記の第１乃至第３の何れか１つの手段を容易或いは低コストで実現することができる。
より具体的には、上記の絶縁体（図４では絶縁膜１０）と半導体（図４ではシリコン基板１）の一部から成るダイアフラム（図４では共有負電極１ａ等の半導体）とを一体成形する技法としては、例えば、薄膜形成処理（絶縁体層積層工程）とエッチング処理（その絶縁体層に対する島状加工工程）とを組み合わせて順次実施する方法等がコスト面等で有効な場合が多い。特に、上記のエッチング工程では、反応性プラズマエッチング法等によるエッチング処理がコスト面等で有利或いは有用と考えられる。
【００２２】
また、第５の手段は、上記の第１乃至第４の何れか１つの手段において、絶縁体を、上記の平面上において、略均一に分散配置することである。
この様な構成に従えば、両極間のショートの恐れを確実に排除しつつ、より効果的に上記の断面積占有率を削減することができる。
【００２３】
また、第６の手段は、上記の第１乃至第５の何れか１つの手段において、絶縁体を、上記の平面上において、網穴状又は整列ブロック状に配列することである。
この様な構成に従えば、絶縁体の上記平面上における分散配置形状を比較的容易に設計したり加工したりすることができる。
以上の本発明の手段により、前記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。ただし、本発明は以下に示す実施例に限定されるものではない。
〔第１実施例〕
図１に、本発明の静電容量型圧力センサに用いられる圧力検出チップ２００の模式的な断面図を例示する。ただし、本図１（ｂ）の断面図においては、本図１（ａ）の平面図の配線６ａに沿って、図示されるべき断面を一部折り曲げて記載してある。
【００２５】
この圧力検出チップ２００のダイアフラム８′は、前述の図４の圧力検出チップ１００と略同様に、絶縁体（絶縁膜２１０）と共有負電極１ａとシリコン基板薄膜部１ｃとを合わせて形成されている。ただし、絶縁体（絶縁膜２１０）の正負両電極間の正負両電極に略平行な一断面における平面図（図２（ａ））を交えて後から詳細に説明する様に、この絶縁体（絶縁膜２１０）は、その一断面上において島状に分散配置されている。
【００２６】
ガラス基板２の底面上には、Ｔｉ／Ａｌより成る圧力検出側正電極４と、同じくＴｉ／Ａｌより成る比較参照側正電極５とが蒸着処理により成膜されている。可変形空間Ｇ１を挟んで、両正電極（４，５）の反対側に位置する共有負電極１ａは、シリコン基板１の上面にｎ型の不純物を薄く広く高濃度に添加することにより薄膜状に形成されており、更に、この共有負電極１ａと可変形空間Ｇ１との間には、島状に絶縁体（絶縁膜２１０）が配置されている。絶縁膜２１０が配置される可変形空間Ｇ１は、開気孔１ｂを介して外気に対して開放されている。符号６ｂは電極配線、符号７は電極パッドを表している。
【００２７】
上記の絶縁膜２１０は、上記の共有負電極１ａが、両正電極（４，５）に対して直接接触することを防止するためのものであり、この絶縁膜２１０の作用により、過大な圧力がガラス基板３に設けられた被測定圧導入孔３ａを通して被測定圧導入室Ｇ２に掛かった際にも、正電極（４，５）と負電極（共有負電極１ａ）とがショートする恐れが無い。
【００２８】
また、正負両電極がショートすると、それらの接触面積や接触時間やその時の電極間電位差等の条件によっては、両電極が固着してそのまま接触状態が半永久的に継続される場合があるが、図１の圧力検出チップ２００を用いた場合には、絶縁膜２１０の作用によりその様な故障の恐れも払拭できる。
【００２９】
そして、更に、上記の圧力検出チップ２００（図１）では、絶縁膜２１０を島状に形成することにより、共有負電極１ａと絶縁膜２１０の間に歪みが生じる現象が事実上殆ど表面化しなくなるため、圧力センサ設計時に共有負電極１ａや絶縁膜２１０の各膜厚（或いは膜厚比）に関する最適値を、実験或いはシミュレーションなどに依る各種の試行錯誤によって求める必要がない。
【００３０】
また、更に、上記の圧力検出チップ２００（図１）では、可変形空間Ｇ１における絶縁体（図１の絶縁膜２１０）の占める体積比を大幅に削減することができるので、検出特性の経時的変動の変動幅を大幅に削減することができる。
【００３１】
図３は、前述の図４の従来の圧力検出チップ１００を用いて構成された静電容量型圧力センサのオフセット電圧変化量（ａ）と、第１実施例の圧力検出チップ２００を用いて構成された静電容量型圧力センサのオフセット電圧変化量（ｂ）とを相対比で比較したグラフである。ただし、圧力検出チップ２００の絶縁膜２１０の面積占有率は、圧力検出チップ１００における絶縁膜１０の面積占有率（≒１）の約１／６とした。
【００３２】
従来の静電容量型圧力センサでは、１時間経過後のオフセット電圧変化量が比較的大きいが、本発明に基づく静電容量型圧力センサでは、２時間以上経過した後においても、オフセット電圧変化量の幅（絶対値）は上記従来の１時間経過時点における変化量の幅（絶対値）の約１／４程度と格段に小さかった。その後も耐久試験を継続したが、オフセット電圧変化量の変化は、どちらの静電容量型圧力センサにおいても殆ど見られなかった。
例えばこの様に、本発明の手段によれば、検出特性の経時的変動の変動幅を大幅に削減することができる。
【００３３】
尚、上記の第１実施例においては、ダイアフラム上に共有負電極１ａを形成した構成を例示したが、ダイアフラム上に形成される電極は正電極であっても良い。固定される側の（変形しない方の）電極を負電極とする構成下においても、本発明の手段により、上記と略同等の作用・効果を得ることが可能である。
【００３４】
尚、上記の圧力検出チップ２００の製造工程の概略は次の通りである。
まず、シリコン基板１を上方（可変形空間Ｇ１側）からエッチングしてダイアフラムの一部（１ａ，１ｃ）を形成し、その後、スパッタリングにより絶縁膜２１０の原型となる絶縁層を成膜する。この絶縁層は多層構造にて形成してもよく、例えば窒化シリコンや酸化シリコン等から成膜することができる。この絶縁層は、フォトリソグラフを利用したエッチング処理により、例えば図１（ｂ）及び図２（ａ）に例示される様な所望の形状に形成されて、上述の絶縁膜２１０と成る。
【００３５】
次に、被測定圧導入室Ｇ２や被測定圧導入孔３ａをそれぞれ形成し、その後、上記のダイアフラムを有するシリコン基板１をガラス基板３上に接合する。
また、正電極（４，５）等が形成されたガラス基板２と、電極パッド７等が形成された上記のシリコン基板１とは、前述の陽極接合により所望の位置が接合される。
通常、これらの処理はウエハ単位で実施され、最後に圧力検出チップ（２００）単位に分割加工される。上記のナトリウムイオンは、この分割加工の際に、外気に対して開放されている開気孔１ｂから侵入する。
【００３６】
〔変形例〕
図２に、絶縁体２１０の平面図（ａ）、及びその他の変形例を示す絶縁体３１０の平面図（ｂ）とその断面図（ｃ）を示す。絶縁体２１０の平面図（ａ）から判る様に、この絶縁体２１０の水平方向の平面上における面積占有率は、約１／４程である。この面積占有率は、経験的には、１／４〜１／１６程度の範囲であれば、ある程度或いは十分に使用に耐え得ることが判っている。また、特に上記の断面積占有率を１／１０以下にすれば、比較的長時間にわたって、更に、検出特性の経時的変動幅の小さな高精度の圧力センサを効果的に構成することが可能となる。
【００３７】
尚、図１（ｂ）の絶縁膜２１０は、図２（ａ）の平面図からも判る様に、略直方体の形状のものが共有負電極１ａ上に分散して整列ブロック状に配置されているが、絶縁膜２１０の形状は必ずしも略直方体である必要はなく、また、必ずしも整列ブロック状に分散配置しなくとも良い。
例えば、図１（ｂ）に図示される垂直断面における絶縁膜２１０の垂直断面形状は台形でも略半円のドーム型でも良い。
【００３８】
また、絶縁膜の断面形状は、図２（ｃ）に例示する様に、平面上に略一連に連続的に繋がっていても良い。例えばこの様な形状に絶縁膜３１０を配置しても、図２（ｂ）に図示する様に、正負両電極間における一断面において、絶縁体を島状に分散配置することができる。
【００３９】
図２（ｂ），（ｃ）に例示される絶縁膜３１０の最高位置（頂部）の高さは、正負両電極間をショートさせない程度に必要十分に確保されている。しかしながら、谷間（凹部）においてはその膜厚の削減が図られており、膜厚が削減された分だけダイアフラムの反れをもたらす応力も減衰される。したがって、図２（ｂ），（ｃ）に例示する様に、共有負電極１ａとの接触面上における絶縁膜の接触面積が非常に大きい場合にも、本発明の構成に基づいて、十分な絶縁作用と十分な応力緩和作用とを同時に得ることができる。また、この様な構成下では、上記の頂部の高さを絶縁膜の全面にわたって一様に確保するよりも、絶縁膜３１０の体積が大幅に削減できるので、この様な構成によっても、検出特性の経時的変動幅の小さな圧力センサを構成することが可能である。
【００４０】
尚、絶縁体（絶縁膜１０／２１０／３１０）の膜厚や形状は、正負両電極間におけるショートを確実に防止できる範囲内において、その絶縁体の体積占有率を最小に留めることができる形状を選択することが、検出特性の経時的変動幅の小さな高精度の圧力センサを効果的に構成する上でより望ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の静電容量型圧力センサに用いられる圧力検出チップ２００の模式的な断面図。
【図２】絶縁体２１０の平面図（ａ）、及びその他の変形例を示す絶縁体３１０の平面図（ｂ）とその断面図（ｃ）。
【図３】図４の従来の圧力検出チップ１００を用いて構成された静電容量型圧力センサのオフセット電圧変化量（ａ）と、第１実施例の圧力検出チップ２００を用いて構成された静電容量型圧力センサのオフセット電圧変化量（ｂ）とを比較するグラフ。
【図４】従来の静電容量型圧力センサに用いられている圧力検出チップ１００の模式的な断面図。
【符号の説明】
１００，２００  …  圧力検出チップ
１  …  シリコン基板
１ａ…  共有負電極（シリコン基板１の高濃度のｎ型ドープ部）
１ｂ…  開気孔（外気に対して開放されている）
１ｃ…  シリコン基板薄膜部
２  …  ガラス基板
３  …  ガラス基板
３ａ…  被測定圧導入孔
４  …  正電極（圧力検出側）
５  …  正電極（比較参照側）
６ａ，  ６ｂ…  電極配線
７  …  電極パッド
８，８′…  ダイアフラム
１０  …  絶縁膜（絶縁体；従来例）
２１０  …  絶縁体（第１実施例）
３１０  …  絶縁膜（絶縁体；変形例）
Ｇ１  …  可変形空間（外気圧導入室）
Ｇ２  …  被測定圧導入室
【図１】
2004294156.tif 000003
【図２】
2004294156.tif 000004
【図３】
2004294156.tif 000005
【図４】
2004294156.tif 000006