(57)【要約】【課題】  低圧から高圧までの広い圧力範囲にわたって容量変化を高感度で検出できる静電容量型圧力センサの提供。【解決手段】  圧力によって弾性変形するダイヤフラムからなる可動電極３が形成された一方の基板２と、固定電極４が形成された他方の基板５とが可動電極３と固定電極４の間に設けられたギャップ６を介して対向配置され、可動電極３と固定電極４との間の静電容量の変化を検出する静電容量型圧力センサであって、固定電極４は、該固定電極４の中心部におけるギャップ６が、固定電極４の周縁部におけるギャップ６より狭くなるような形状とされ、固定電極４及び／又は可動電極３のギャップ側の表面を覆う絶縁膜１２が形成された静電容量型圧力センサ１。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力によって弾性変形するダイヤフラムからなる可動電極が形成された一方の基板と、固定電極が形成された他方の基板とが前記可動電極と固定電極の間に設けられたギャップを介して対向配置され、前記可動電極と固定電極との間の静電容量の変化を検出する静電容量型圧力センサであって、
前記固定電極は、該固定電極の中心部における前記ギャップが、前記固定電極の周縁部における前記ギャップより狭くなるような形状とされ、
前記固定電極及び／又は前記可動電極のギャップ側の表面を覆う絶縁膜が形成されたことを特徴とする静電容量型圧力センサ。
【請求項２】
前記ギャップの縦断面は、前記固定電極の周縁部から中心部にかけて階段状に狭くなる形状であることを特徴とする請求項１記載の静電容量型圧力センサ。
【請求項３】
前記固定電極の形状が凸字状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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一方の基板に形成された固定電極部と、他方の基板に形成されたダイヤフラム部との間にギャップが設けられた静電容量型圧力センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
静電容量型圧力センサは、小型でしかも構造が単純であることから、最近になって様々な分野において急速に普及している。
図８に、従来の静電容量型圧力センサを示す。従来の静電容量型圧力センサ１０１は、図８に示すように、Ｓｉ基板１０２の一部を薄くして形成されたダイヤフラム１０３と、このダイヤフラム１０３に対向配置された固定電極１０４と、この固定電極１０４のダイヤフラム１０３側表面の一部に形成された凸状絶縁膜１１２と、固定電極１０４及びＳｉ基板１０２を支持する支持基板１０５とを主体として構成されている。固定電極１０４及び凸状絶縁膜１１２と、ダイヤフラム１０３との間にはギャップ１０６が設けられており、このギャップ１０６が誘電体となって一種の静電容量が形成されている（例えば、特許文献１参照）。
Ｓｉ基板１０２の上面には電極パッド（図示略）が形成され、この電極パッドにワイヤ（図示略）が接続されており、固定電極１０４には支持基板１０５をくぐって形成された取出電極（図示略）が接続されており、この取出電極にワイヤ（図示略）が接続されている。
【０００３】
この静電容量型圧力センサ１０１では、流体の圧力変化に対応してダイヤフラム１０３が弾性変形して撓むことによってギャップの幅が変動し、このギャップ幅の変動を静電容量の変化で捉えて圧力を検知できるようになっているものである。詳しくは、流体の圧力が高くなると、まずダイヤフラム１０３は撓んで凸状絶縁膜１１２に接触した状態となる。さらにダイヤフラム１０３が撓むと、図８の点線Ａで示すように絶縁膜１１２との接触部を支点とし、この支点の両側でそれぞれ撓むことで固定電極１０４とのギャップ幅が変化して、容量変化が生じる。
【特許文献１】特開２００２−３１８１６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら従来の静電容量型圧力センサにおいては、高圧力側ではダイヤフラム１０３が絶縁膜１１２との接触部の両側でそれぞれ撓んで固定電極１０４とのギャップが狭くなるため圧力に対する容量変化（感度）が大きいが、低圧力側ではダイヤフラム１０３と固定電極１０４の距離が遠い（例えば、ダイヤフラム１０３が絶縁膜１１２に接触しているだけの状態）ために、圧力に対する容量変化（感度）が小さいという問題があった。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、低圧から高圧までの広い圧力範囲にわたって容量変化を高感度で検出できる静電容量型圧力センサの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の静電容量型圧力センサは、圧力によって弾性変形するダイヤフラムからなる可動電極が形成された一方の基板と、固定電極が形成された他方の基板とが上記可動電極と固定電極の間に設けられたギャップを介して対向配置され、上記可動電極と固定電極との間の静電容量の変化を検出する静電容量型圧力センサであって、
上記固定電極は、該固定電極の中心部における上記ギャップが、上記固定電極の周縁部における上記ギャップより狭くなるような形状とされ、
上記固定電極及び／又は可動電極のギャップ側の表面を覆う絶縁膜が形成されたことを特徴とする。
【０００７】
本発明の静電容量型圧力センサでは、上記固定電極の中心部と上記可動電極間のギャップが、上記固定電極の周縁部と上記可動電極間のギャップより狭くされたことにより、低圧側で圧力が変化した場合はギャップが狭いところで可動電極と固定電極のギャップ幅が変化することとなり、低圧力側での容量変化を高感度で検出できる。また、圧力がさらに高くなると、上記固定電極の中心部と上記可動電極とが接触両側で固定電極と可動電極間のギャップ幅が変化するため、高圧力側の容量変化を高感度で検出できる。従って、本発明の静電容量型圧力センサでは、低圧から高圧までの広い圧力範囲にわたって容量変化を高感度で検出することができる。
【０００８】
また、上記構成の本発明の静電容量型圧力センサにおいて、上記ギャップの縦断面は、上記固定電極の周縁部から中心部にかけて階段状に狭くなる形状であってもよい。      
【０００９】
また、上記いずれかの構成の本発明の静電容量型圧力センサにおいて、上記固定電極の形状が凸字状であることが製造し易い点で好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、低圧から高圧までの広い圧力範囲にわたって容量変化を高感度で検出できる静電容量型圧力センサを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に図面を用いて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
なお、本発明は以下に説明する実施の形態に限定されるものではないことは勿論であるとともに、以下の図面においては各構成部分の縮尺について図面に表記することが容易となるように構成部分毎に縮尺を変えて記載している。
【００１２】
図１は、本発明の実施形態の静電容量型圧力センサの概略構成を示す断面図である。
本実施形態の静電容量型圧力センサ１は、シリコン基板（一方の基板）２の一部を薄くして形成された可動電極としてのダイヤフラム３と、このダイヤフラム３に対向配置された固定電極４と、固定電極４及びシリコン基板２を支持する支持基板（他方の基板）５とを主体として構成されている。
ダイヤフラム３と固定電極４との間にはギャップ６が設けられており、このギャップ６が誘電体となって一種の静電容量が形成されている。
支持基板５のシリコン基板２側の表面には、固定電極４を覆うように絶縁膜１２が形成されている。従って、この固定電極４のギャップ側の表面は絶縁膜１２が形成されている。絶縁膜１２の材質は、シリコン酸化膜や、シリコン窒化膜などが用いられ、また、厚みは０．０５μｍ〜０．２μｍ程度とされる。
この静電容量型圧力センサ１は、流体の圧力変化に対応してダイヤフラム３が弾性変形して撓むことによってギャップ幅が変動し、このギャップ幅の変動を静電容量の変化で捉えて圧力を検知できるものである。
【００１３】
固定電極４は、該固定電極４の中心部とダイヤフラム３間のギャップ６が、固定電極４の周縁部とダイヤフラム３間のギャップ６より狭くなるような形状とされている。
固定電極４は縦断面階段状とされ、特に、本実施形態では縦断面形状が凸字とされている。
固定電極４は、第１の導電性金属膜４ａと、この第１の導電性金属膜４ａの中央部に積層された第２の導電性金属膜４ｂから構成されることで、固定電極４の中央部に第２の導電性金属膜４ｂからなる凸部が設けられている。この凸部４ｂの頂部は、平坦面を有していることが好ましい。
第１の導電性金属膜４ａの直径はダイヤフラム３の直径の６０〜９０％程度とされ、第２の導電性金属膜４ｂの直径はダイヤフラム３の直径の５〜２０％程度とされることが好ましい。
第１の導電性金属膜４ａは、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｗ、Ａｌ合金などから構成されており、第２の導電性金属膜４ｂはＡｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｐｔなどから構成されている。第１と第の導電性金属膜４ａ、４ｂに用いる材料は、異なる材料を用いるのが、固定電極を形成する際に異なるエッチング液を用いることにより縦断面階段状に成形し易い点で好ましい。
上記のように固定電極４は縦断面階段状とされていることで、静電容量型圧力センサに流体の圧力変化がかかっていない状態のときは、上記ギャップ６の縦断面は、固定電極４の周縁部から中心部にかけて階段状に狭くなる形状となっている。
【００１４】
シリコン基板２の上面で、ダイヤフラム３が形成されていない部分には電極パッド（図示略）が形成されている。
支持基板５は、例えば、パイレックス（登録商標）などの耐熱ガラスから構成されている。
シリコン基板２に形成された電極パッドにワイヤ（図示略）が接続され、また、固定電極４には支持基板５をくぐって形成された取出電極（図示略）が接続され、この取出電極にワイヤ（図示略）が接続されている。
【００１５】
次に、本実施形態の静電容量型圧力センサ１の製造方法について説明する。
本実施形態の静電容量型圧力センサ１の製造方法は、支持基板形成工程（他方の基板形成工程）と、絶縁膜形成工程と、シリコン基板形成工程（一方の基板形成工程）と、両基板接合工程とを具備して構成されている。
【００１６】
（支持基板形成工程）
まず、図３のＡに示すようにパイレックス（登録商標）からなる支持基板５の表面に第１の導電性金属膜４ａを形成し、さらにこの上に第２の導電性金属膜４ｂを形成する。
次いで、図３のＢに示すように、第２の導電性金属膜４ｂ上にマスク材（図示略）を配置し、ウエット又はドライエッチングによりすることにより、中央部のみ第２の導電性金属膜４ｂを残す。
次いで、図３のＣに示すように、第１の導電性金属膜４ａ上にマスク材（図示略）を配置し、ウエット又はドライエッチングすることにより、縦断面階段状の固定電極４を形成する。
ここでの工程では例えば第１の導電性金属膜４ａをＴｉから構成した場合にはエッチャントとしてフッ酸を用い、第２の導電性金属膜４ｂをＡｌから構成した場合には、エッチャントとしてリン酸を用いる。
【００１７】
（絶縁膜形成工程）
図４に示すように支持基板５の表面及び固定電極４の表面に絶縁膜１２を形成する。なお、この後、絶縁膜１２を固定電極４上及び固定電極４の周辺部のみ残すようにエッチングを行ってもよい。
（シリコン基板形成工程）
まず、図５に示すようにシリコン基板２の下面側（一方の面側）にギャップを形成するための凹部２１をエッチングにより形成した後、これの両面にＳｉＯ２膜又はＳｉ３Ｎ４膜からなるマスク材（図示略）を形成し、シリコン基板２の上側（ギャップが形成される側と反対側）のＳｉＯ２膜又はＳｉ３Ｎ４膜にダイヤフラム３を形成するための開口部（図示略）を形成し、この開口部内のシリコン基板を上記ＳｉＯ２膜又はＳｉ３Ｎ４膜をマスク材として用いる異方性エッチングにより所定の深さまでエッチングして厚みを薄くして、ダイヤフラム３を形成する。
【００１８】
（両基板接合工程）
図４の絶縁膜形成工程で絶縁膜１２を形成した支持基板５と、図５のシリコン基板形成工程で凹部２１及び可動電極となるダイヤフラム３を形成したシリコン基板２をダイヤフラム３がギャップ６を介して固定電極４と対向するように重ねて陽極接合すると、図１に示すような静電容量型圧力センサ１が得られる。
【００１９】
本実施形態の静電容量型圧力センサ１は、固定電極４の中央部に第２の導電性金属膜４ｂからなる凸部が設けられているので、固定電極４の中心部とダイヤフラム３間のギャップ６が、固定電極４の周縁部とダイヤフラム３間のギャップ６より狭くされているので、低圧側で圧力が変化した場合は図１の点線Ｂで示すようにダイヤフラム３は撓んで固定電極４の中心部のギャップ幅が変化することで容量が変化するため、低圧力側での容量変化を高感度で検出できる。
圧力がさらに高くなると、図２に示すように固定電極４の中心部とダイヤフラム３との接触両側でもそれぞれ固定電極４とダイヤフラム３のギャップ幅が変化することで容量が変化するため、高圧力側の容量変化を高感度で検出できる。
【００２０】
なお、上記実施形態の静電容量型圧力センサにおいては、固定電極４の中央部に凸部４ｂを設けることで縦断面形状が階段状とされた場合について説明したが、本発明の静電容量型圧力センサでは、固定電極の中心部とダイヤフラム間のギャップが、上記固定電極の周縁部と上記ダイヤフラム間のギャップより狭くなっていればよいので、固定電極は図６に示すような形状であってもよい。図６の固定電極３４は縦断面形状が弓形とされていることで、固定電極３４の中心部とダイヤフラム３間のギャップが、上記固定電極３４の周縁部と上記ダイヤフラム３間のギャップより狭くなっている。この固定電極３４の表面にも絶縁膜１２が形成されている。
また、上記実施形態においては、固定電極４のギャップ側の表面を覆うように絶縁膜１２が形成された場合について説明したが、この絶縁膜１２はダイヤフラム３のギャップ側の表面に形成されていてもよいし、固定電極４のギャップ側の表面とダイヤフラム３のギャップ側の表面の両方に形成されていてもよい。
【実施例】
【００２１】
（実施例１）
パイレックス（登録商標）からなる支持基板に、厚さ０．２μｍ、径１０００μｍの第１の導電性金属膜とこれの中央部に設けた厚さ０．２μｍ、径１００μｍの第２の導電性金属膜からなる縦断面階段状の固定電極を形成し、この支持基板の表面に固定電極を覆うように厚さ０．０５μｍのシリコン酸化膜からなる絶縁膜を形成した。
次にシリコン基板に直径１２００μｍ、厚さ５０μｍのダイヤフラムと、ギャップ用の凹部を形成した。
ついで、上記絶縁膜を形成した支持基板と、上記凹部及びダイヤフラムを形成したシリコン基板をダイヤフラムがギャップを介して固定電極と対向するように重ねて陽極接合し、図１と同様の静電容量型圧力センサを作製し、実施例１とした。
実施例１の静電容量型圧力センサのギャップ幅（支持基板表面からダイヤフラムまでの距離）は、０．８μｍであった。また、固定電極の中心部とダイヤフラム間のギャップ幅は０．４μｍ、固定電極の周縁部とダイヤフラム間のギャップ幅は０．６μｍであった。
【００２２】
（比較例１）
パイレックス（登録商標）からなる支持基板に、厚さ０．２μｍ、径１０００μｍの固定電極を形成し、この固定電極の中央部に高さ０．２μｍ、底面の径１００μｍの円錐状絶縁膜（凸状絶縁膜）を形成した。
次にシリコン基板に直径１２００μｍ、厚さ５０μｍのダイヤフラムと、ギャップ用の凹部を形成した。
ついで、上記凸状絶縁膜を形成した支持基板と、上記凹部及びダイヤフラムを形成したシリコン基板をダイヤフラムがギャップを介して固定電極と対向するように重ねて陽極接合し、図８と同様の従来タイプの静電容量型圧力センサを作製し、比較例１とした。
比較例１の静電容量型圧力センサのギャップ幅（支持基板表面からダイヤフラムまでの距離）は、０．８μｍであった。また、凸状絶縁膜とダイヤフラム間のギャップ幅は０．４μｍ、固定電極の周縁部とダイヤフラム間のギャップ幅は０．６μｍであった。
【００２３】
図７に作製した実施例１と比較例１の静電容量型圧力センサにそれぞれ０ｋＰａ〜６００ｋＰａの圧力をかけたときの圧力（ｋＰａ）と容量（ｐＦ）の関係を示す。
図７に示す結果から実施例１の静電容量型圧力センサは、圧力が同じ値であっても比較例１の静電容量型圧力センサよりも容量変化が大きく、感度が優れており、このような傾向は低圧側でも高力側でも得られていることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態の静電容量型圧力センサの概略構成を示す断面図。
【図２】図１の静電容量型圧力センサの動作を説明するための断面図。
【図３】本実施形態の静電容量型圧力センサを製造するための支持基板形成工程の説明図。
【図４】本実施形態の静電容量型圧力センサを製造するための絶縁膜形成工程の説明図。
【図５】本実施形態の静電容量型圧力センサを製造するためのシリコン基板形成工程の説明図。
【図６】本発明の他の実施形態の静電容量型圧力センサの概略構成を示す断面図。
【図７】実施例１と比較例１の静電容量型圧力センサについて圧力と容量の関係を示すグラフ。
【図８】従来の静電容量型圧力センサの例を示す断面図。
【符号の説明】
【００２５】
１・・・静電容量型圧力センサ、２・・・シリコン基板（一方の基板）、３・・・ダイヤフラム（可動電極）、４，３４・・・固定電極、４ａ・・・第１の導電性金属膜、４ｂ・・・第２の導電性金属膜、５・・・支持基板（他方の基板）、６・・・ギャップ、１２・・・絶縁膜
【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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