(57)【要約】【課題】  接合に伴う面内歪みの低減がなされた圧力センサを提供すること。【解決手段】  受圧基板１０に形成されたダイアフラム１１の対向面１０ａ側に可動電極１３が、対向基板２０における可動電極１３と対向する領域に対向電極２１が形成され、両基板１０，２０は、受圧基板１０の対向面１０ａに形成された導電膜１４ａ，１４ｃを介して陽極接合される。対向基板２０の対向面２０ａには導電膜１４ａとの接合領域に沿って、スリット２４が形成されている。スリット２４の周辺部は、変形のしやすい変形容易部として機能し、この変形容易部の変形によって対向基板２０側の面内歪みは吸収される。また、スリット２４によって接合面における受圧基板１０に対する追従性も良くなるので、受圧基板１０側の面内歪みも緩和される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイアフラムに形成された可動電極を有する基板と、前記可動電極と対向する対向電極を有する基板とが、それぞれ対向面で接合されてなる圧力センサであって、
二つの前記基板のうちの少なくとも一方に、スリットが形成されていることを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
前記スリットは、前記対向面側に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記スリットは、前記接合部に近接する領域に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記二つの基板が接合されることにより、前記ダイアフラムの前記対向面側における所定領域が圧力基準室として封止されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の圧力センサ。
【請求項５】
前記スリットは、前記圧力基準室内に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の圧力センサ。
【請求項６】
前記ダイアフラムを有する基板には、水晶板が用いられていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の圧力センサ。
【請求項７】
前記ダイアフラムを有する基板には、ＡＴカットにより切り出された水晶板が用いられていることを特徴とする請求項６に記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ダイアフラムの変形量から圧力を検出する圧力センサとして、特許文献１に開示するようなものがある。この文献に係る圧力センサは、可動電極として機能するダイアフラムを有するシリコン基板がガラス基板と接合されることで、ダイアフラムの一面側が圧力基準室として封止された構造となっている。
【０００３】
ダイアフラムは、使用環境下において外圧と圧力基準室における基準圧力との圧力差を反映して撓み変形し、ガラス基板上の誘電体層と接触した状態となっている。ガラス基板の誘電体層下には対向電極が形成されており、かくして、外圧に依存した当該接触面積変化を電極間容量の変化として検出することで、圧力センサとしての機能を発揮するようになっている。このような構成の圧力センサは、タッチモード容量型の圧力センサとよばれ、高い検出感度と耐圧性を備えるものである。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２１４０５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の圧力センサにおいて、シリコン基板とガラス基板との接合は陽極接合を用いて行うことができる。この陽極接合は、接合材（ロウ材など）を用いた接合に比べ、ガスの発生を伴わないため圧力基準室内における基準圧力を適正に合わせ込むのに適しており、また、可動電極と対向電極（誘電体層）とのギャップを厳密に規定するのにも適した手法である。
【０００６】
しかしながら、陽極接合は、その工程において基板を加熱する必要があるため、接合する基板間の熱膨張係数が異なる場合、基板に面内歪みを生じるという問題がある。特に、ダイアフラムは変形しやすい部分であるためにこのような歪みの影響を受けやすく、特性ばらつきを引き起こしてしまうことにもなる。
【０００７】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、接合に伴う面内歪みの低減がなされ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】
【０００８】
本発明は、ダイアフラムに形成された可動電極を有する基板と、前記可動電極と対向する対向電極を有する基板とが、それぞれ対向面で接合されてなる圧力センサであって、二つの前記基板のうちの少なくとも一方に、スリットが形成されていることを特徴とする。
この発明の圧力センサによれば、スリットの周辺部が変形のしやすい変形容易部として機能するので、この変形容易部の変形によってスリットを有する側の基板の面内歪みが吸収される。
【０００９】
また好ましくは、前記圧力センサにおいて、前記スリットは、前記対向面側に形成されていることを特徴とする。
この発明の圧力センサによれば、対向する基板に対する接合面の追従性が良くなるので、当該対向する側の基板の面内歪みも好適に緩和される。
【００１０】
また好ましくは、前記圧力センサにおいて、前記スリットは、前記接合部に近接する領域に形成されていることを特徴とする。
この発明の圧力センサによれば、面内歪みが好適に抑えられる。
【００１１】
また好ましくは、前記圧力センサにおいて、前記二つの基板が接合されることにより、前記ダイアフラムの前記対向面側における所定領域が圧力基準室として封止されていることを特徴とする。
この発明の圧力センサは、基板の接合と圧力基準室の封止とが共通する手段で実現されるので、製造が容易でコンパクトである。
【００１２】
また好ましくは、圧力基準室の封止がなされた前記圧力センサにおいて、前記スリットは、前記圧力基準室内に形成されていることを特徴とする。
この発明の圧力センサによれば、ダイアフラム領域における歪みが好適に緩和されると共に、スリットによって圧力基準室の容積が実質的に大きくなるため、基準圧力の安定性が良くなる。
【００１３】
また好ましくは、前記圧力センサにおいて、前記ダイアフラムを有する基板には、水晶板が用いられていることを特徴とする。
より好ましくは、前記ダイアフラムを有する基板には、ＡＴカットにより切り出された水晶板が用いられていることを特徴とする。
【００１４】
この発明の圧力センサによれば、機械変形におけるヒステリシスの小さい水晶でダイアフラムが形成されているので、検出特性の安定性が良い。また、ダイアフラム形成時においてその圧電共振特性をモニタすることができるので、その変形特性に関わる形状寸法の加工精度を高めることができる。好ましくは、ＡＴカットで切り出された水晶板を用いることにより、変形特性に鋭敏に影響するダイアフラムの厚みについての加工精度を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
なお、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。また、以下の説明で参照する図では、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、これらの縮尺を実際のものとは異なるように表している。
【００１６】
まずは、図１、図２、図３、図４、図５を参照して本発明に係る圧力センサの構成について説明する。
図１は、圧力センサの内部構成を示す分解斜視図である。図２は、圧力センサの外観構成を示す斜視図である。図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。図４は、図２のＢ−Ｂ断面図である。図５は、使用環境下における図２のＢ−Ｂ断面図である。
【００１７】
図１〜図４において、圧力センサ１は、ダイアフラム１１を有する受圧基板１０と対向基板２０とが、それぞれ対向面１０ａ、対向面２０ａで接合されて構成されている。本実施形態では、受圧基板１０にはＡＴカットにより切り出された水晶板が、対向基板２０には陽極接合に必要なアルカリが含有され、線膨張係数を受圧基板と近似させたガラスが用いられている。
【００１８】
受圧基板１０において、所定領域が薄肉化されたダイアフラム１１は、表面が対向面１０ａおよび外面１０ｂから窪んだ状態で略正方形形状に形成されている。また、受圧基板１０には、ダイアフラム１１よりもやや小さめで、表面が対向面１０ｂから窪んだ状態で薄肉化された薄肉部１２が形成されている。
【００１９】
受圧基板１０の対向面１０ａ側には、アルミニウム等でパターン形成された可動電極１３および、導電膜１４ａ，１４ｂ，１４ｃが設けられている。ここで、可動電極１３は、ダイアフラム１１上に形成されている。導電膜１４ａは、受圧基板１０の外縁部１０ｃに沿うように形成されている。導電膜１４ｂは、導電膜１４ａから延出して薄肉部１２上に形成されている。導電膜１４ｃは、可動電極１３から延出して受圧基板１０に形成されたスルーホール１５の開口周りに形成されている。
【００２０】
対向基板２０の対向面２０ａには、アルミニウム等でパターン形成された対向電極２１およびリード配線２２と、ＳｉＯ2等でパターン形成された誘電体膜２３が設けられている。対向電極２１は受圧基板１０側の可動電極１３と対向するように、誘電体膜２３は対向電極２１を覆うように形成されている。また、リード配線２２は、対向電極２１から延出して受圧基板１０側の導電膜１４ｂと対向するように形成されている。
【００２１】
受圧基板１０上の導電膜１４ａ，１４ｃは、対向基板２０の対向面２０ａと陽極接合され、これにより、ダイアフラム１１の対向面１０ａ側の所定領域が圧力基準室２として封止された状態となっている。ここで、圧力基準室２の内圧は、所定の基準圧力（一般には減圧状態）に保たれている。
【００２２】
対向基板２０の対向面２０ａには、導電膜１４ａとの接合領域に沿ってスリット２４が形成されている。このスリット２４は、両基板１０，２０が陽極接合されることで基板間の熱膨張係数の差に依存した面内歪みが発生するので、この歪みを緩和するために設けられているものである。すなわち、対向基板２０におけるスリット２４の周辺部が変形のしやすい変形容易部として機能し、この変形容易部の変形によって対向基板２０側の面内歪みが吸収される。また、本実施形態のように対向面２０ａにスリット２４が形成されている場合には、スリット２４によって接合面における受圧基板１０に対する追従性も良くなるので、受圧基板１０側の面内歪みも緩和されることになる。
【００２３】
またこの実施形態では、圧力基準室２内にスリット２４が形成されており、実質的に圧力基準室２の容積が大きくなっている。このため、リーク等に対する基準圧力の安定性に優れている。
【００２４】
リード配線２２と導電膜１４ｂとは、基板１０，２０が接合された状態において機械的に接触して接点３を構成する。このとき接点３では、受圧基板１０側に形成された薄肉部１２のバネ性により、リード配線２２と導電膜１４ｂの厚みに対しての好適な追従性を示しつつ、確実な電気的接続がなされる。かくして、基板１０，２０の接合面（接触面）の平坦化が図られており、強固な基板の接合と圧力基準室２の確実な封止を行うことができるようになっている。
【００２５】
再び図１〜図４に戻って、受圧基板１０の外面１０ｂ側には、アルミニウム等でパターン形成された端子配線１７，１８が設けられている。端子配線１７は、スルーホール１５の内面まで連続的に形成されて導電膜１４ｃと接続し、また、端子配線１８は、受圧基板１０の一角に設けられたキャスタレーション１６まで連続的に形成されて導電膜１４ａと接続している。かくして、端子配線１７は導電膜１４ｃを介して可動電極１３の出力端子として、端子配線１８は導電膜１４ａ，１４ｂ、接点３、リード配線２２を介して対向電極２１の出力端子として機能する。
【００２６】
可動電極１３と誘電体膜２３とは、基準圧力と外圧との均衡がとれている状態において、図３、図４に示すように微小な間隙を介して対向した状態である。そして、圧力センサ１が使用環境下（例えば、大気圧下）に置かれると、図５に示すように、ダイアフラム１１は基準圧力と外圧との圧力差によって撓み変形を起こす。かくして、外圧に依存したダイアフラム１１の変形量に応じて可動電極１３と誘電体膜２３との接触面積が変化するので、当該接触面積の変化に対応した電極間容量の変化から、外圧を検出することができる。
【００２７】
本実施形態では、受圧基板１０が絶縁体で、可動電極１３がダイアフラム１１上にパターン形成された金属膜となっている。このため、特許文献１のようにシリコン基板全体が導体化されて可動電極を構成した圧力センサに比べると、両電極からの導線間で余分な（電極間容量に対しての）並列容量が発生せず、相対的な容量変化の感度に優れている。これに関連して、この圧力センサ１においては、接点３におけるリード配線２２と導電膜１４ｂとの間にわずかな直列容量が寄生することになるが、電極間容量と比べるとごくわずかな寄与（１％以下）に過ぎないものである。
【００２８】
また本実施形態では、ダイアフラム１１が形成される受圧基板１０として、機械変形のヒステリシスの小さい水晶板が用いられている。このため、この圧力センサ１は、ダイアフラム１１の変形特性、ひいては検出特性の安定性に優れている。
【００２９】
次に、図１〜図４および図６を参照して、圧力センサの製造方法について説明する。
図６は、圧力センサの製造工程を示すフローチャートである。
【００３０】
圧力センサ１は、受圧基板１０について図６の工程Ｓ１〜Ｓ５、対向基板２０について図６の工程Ｓ６〜Ｓ８の加工処理をそれぞれ施し、両基板１０，２０を陽極接合により接合し（図６の接合工程Ｓ９）、最後に個体毎にダイシングして（図６の工程Ｓ１０）製造される。以下、各工程の詳細について説明を行う。
【００３１】
工程Ｓ１では、受圧基板１０にエッチング等により、スルーホール１５およびキャスタレーション１６を形成する。尚、キャスタレーション１６は、ダイシング前においては、スルーホール１５と同じような構造である。
【００３２】
工程Ｓ２では、受圧基板１０の両面にエッチング処理を施すなどして、ダイアフラム１１を形成する。ダイアフラム１１の形状寸法は、使用環境下において適切な変形特性が得られるように設計されており、その一辺の寸法は例えば０．９ｍｍ程度、その厚み寸法は例えば１０μｍ程度である。また、対向面１０ａからダイアフラム１１の表面までの窪みの深さは、使用環境下において可動電極１３と誘電体膜２３との接触面積が適切な範囲となるように設計されており、例えば６μｍ程度である。
【００３３】
ダイアフラム１１の厚み寸法はその変形特性に特に鋭敏に影響するため、特性のばらつきを抑えるためには、当該厚み寸法についての高精度な加工制御が必要である。ＡＴカット等の厚み滑り振動片では、厚み寸法と共振周波数が反比例の関係にあることが知られている。そこで本実施形態では、ダイアフラム１１について厚みすべりモードないし厚み縦モードの圧電振動特性を測定することで、厚み寸法の正確な測定を行い、微調整エッチングによるロット間ないし個体間での寸法の合わせこみを行うようになっている。受圧基板１０にＡＴカットで切り出された水晶板が用いられているのは、この圧電振動特性の測定の便宜のためである。
【００３４】
工程Ｓ３では、工程Ｓ２と同様の手順で薄肉部１２を形成する。薄肉部１２の形状寸法については、接点３のバネ特性に関わる要素なので、適切な設計を行う必要がある。尚、この薄肉部１２は、先に説明したように基板１０，２０の接合面（接触面）の平坦性を高めるために設けているものであるが、これは発明の効果を高めるための加重要件であって、省略することも可能である。
【００３５】
工程Ｓ４では、気相法およびフォトリソグラフィー法を用いるなどして、受圧基板１０の対向面１０ａ側に可動電極１３および導電膜１４ａ，１４ｂ，１４ｃを形成する。すなわち、この工程Ｓ４は本発明の導電膜形成工程となっている。
【００３６】
工程Ｓ５では、気相法およびフォトリソグラフィー法を用いるなどして、受圧基板１０の外面１０ｂ側に端子配線１７，１８を形成する。尚、この工程Ｓ５では、端子配線１７と端子配線１８とを同一基板内の全個体間を通してショートさせるためのダミー配線も、ダイシングで切り落とされる領域に形成される。これは、工程Ｓ９で陽極接合を行う場合において、単一の端子で導電膜１４ａ，１４ｂ，１４ｃに共通電位を与えるための配慮である。
【００３７】
工程Ｓ６では、サンドブラスター等を用いて、対向基板２０の対向面２０ａ側にスリット２４を形成する。接合による面内歪みを緩和させる目的のためには、スリット２４の幅は狭くてもよいが、深さ寸法についてはある程度（例えば、基板厚の４割）以上とすることが好ましい。
【００３８】
工程Ｓ７では、気相法およびフォトリソグラフィー法を用いるなどして、対向基板２０の対向面２０ａ側に対向電極２１およびリード配線２２を形成する。
【００３９】
工程Ｓ８では、気相法およびフォトリソグラフィー法を用いるなどして、対向基板２０の対向面２０ａ側に誘電体膜２３を形成する。
【００４０】
接合工程Ｓ９では、加圧並びに加熱処理をおこないつつ、導電膜１４ａ，１４ｂ，１４ｃを陽極、対向基板２０を陰極として両者間に高電圧を印加して、受圧基板１０と対向基板２０とを陽極接合する。両基板１０，２０の接合は、段差のない平坦な接合面、すなわち導電膜１４ａ，１４ｃの表面と対向面２０ａとの間でなされるため、強固な接合強度と圧力基準室２における高い封止信頼性が得られる。尚、この接合工程Ｓ９は基準圧力と同じ圧力下で行われ、これにより圧力基準室２の基準圧力が規定される。
【００４１】
基板１０，２０は、陽極接合後の冷却の過程においてそれぞれの熱膨張係数に依存した分だけ収縮しようとするが、基板間の熱膨張係数の差に依存して、両基板１０，２０内には面内歪み（残留応力）が発生する。本実施形態では、水晶を用いた受圧基板１０はガラスを用いた対向基板２０よりも収縮しようとするため、受圧基板１０には基板面内方向に伸長させようとする歪みが、対向基板２０には基板面内方向に収縮させようとする歪みが生じることになる。スリット２４は、先に説明したように、このような歪みを緩和する役割を果たすものである。
【００４２】
最後に、工程Ｓ１０で基板を個体毎にダイシングする。この際、工程Ｓ５で形成されていたダミー配線の形成領域は切り落とされ、個体としての圧力センサ１が完成する。
【００４３】
（変形例１）
次に、図７を参照して、本発明の変形例１について先の実施形態との相違点を中心に説明する。
図７は、変形例１に係る圧力センサの内部構成を示す分解斜視図である。
【００４４】
この変形例１では、受圧基板１０の対向面１０ａにもスリット３１が形成されており、面内歪みの一層の緩和が図られている。また、対向基板２０の対向面２０ａにおいて、導電膜１４ｃとの接合部と対向電極２１とを仕切るようにスリット２５が形成されており、導電膜１４ｃと対向面２０ａとの接合に対応して生じる面内歪みの好適な緩和が図られている。
【００４５】
この変形例１のように、スリットは受圧基板に設けられていてもよい。また、接合部に合わせてスリットの形成領域を変えることも自由である。
【００４６】
（変形例２）
次に、図８を参照して、本発明の変形例２について先の実施形態との相違点を中心に説明する。
図８は、変形例２に係る圧力センサの断面図である。
【００４７】
この変形例２では、受圧基板１０の外面１０ｂにスリット３２が、対向基板２０の外面２０ｂにスリット２６が形成されている。この変形例２のように、スリットは、基板の外面側に設けられていてもよい。
【００４８】
本発明は上述の実施形態に限定されない。
例えば、受圧基板には、水晶の他に、ガラスやシリコン、セラミック等を用いることもできる。
また、上述の実施形態では二つの基板間の接合を陽極接合を用いて行うこととしたが、接合の態様はこれに限定されるものではなく、温度変化（加熱処理等）を伴う接合方法を用いた態様ならば、スリットによって同様の発明の効果を得ることができる。
また、ダイアヤフラムにおける可動電極は、特許文献１に係る圧力センサのように、シリコン基板に形成されたダイアフラム領域に不純物をドーピングした態様とすることもできる。
また、本発明は、可動電極と誘電体膜とが接触しない（タッチモードではない）タイプの容量型圧力センサについても適用することができる。
また、各実施形態の各構成はこれらを適宜組み合わせたり、省略したり、図示しない他の構成と組み合わせたりすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】圧力センサの内部構成を示す分解斜視図。
【図２】圧力センサの外観構成を示す斜視図。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図。
【図４】図２のＢ−Ｂ断面図。
【図５】使用環境下における図２のＢ−Ｂ断面図。
【図６】圧力センサの製造工程を示すフローチャート。
【図７】変形例１に係る圧力センサの内部構成を示す分解斜視図。
【図８】変形例２に係る圧力センサの断面図。
【符号の説明】
【００５０】
１…圧力センサ、２…圧力基準室、３…接点、１０…受圧基板、１０ａ…対向面、１０ｂ…外面、１０ｃ…外縁部、１１…ダイアフラム、１２…薄肉部、１３…可動電極、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ…導電膜、１５…スルーホール、１６…キャスタレーション、１７，１８…端子配線、２０…対向基板、２０ａ…対向面、２０ｂ…外面、２１…対向電極、２２…リード配線、２３…誘電体膜、２４…スリット、２５…スリット、３１…スリット、３２…スリット。
【図１】
2007057349.tif 000003
【図２】
2007057349.tif 000004
【図３】
2007057349.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2007057349.tif 000008
【図７】
2007057349.tif 000009
【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年11月6日(2006.11.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイアフラムに形成された可動電極を有する基板と、前記可動電極と対向する対向電極を有する基板とが、それぞれ対向面で接合されてなる圧力センサであって、
二つの前記基板のうちの少なくとも一方に、スリットが形成されていることを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
前記スリットは、前記対向面側に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記スリットは、前記接合部に近接する領域に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記二つの基板が接合されることにより、前記ダイアフラムの前記対向面側における所定領域が圧力基準室として封止されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の圧力センサ。
【請求項５】
前記スリットは、前記圧力基準室内に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の圧力センサ。
【請求項６】
前記ダイアフラムを有する基板には、水晶板が用いられていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の圧力センサ。
【請求項７】
前記ダイアフラムを有する基板には、ＡＴカットにより切り出された水晶板が用いられていることを特徴とする請求項６に記載の圧力センサ。
【請求項８】
ダイアフラムを有し水晶板から構成される受圧基板と、前記受圧基板と対向する対向基板とが、それぞれ対向面で接合されてなる圧力センサであって、
二つの前記基板のうちの少なくとも一方に、スリットが形成されていることを特徴とする圧力センサ。
【請求項９】
前記ダイアフラムを有する受圧基板には、ＡＴカットにより切り出された水晶板が用いられていることを特徴とする請求項８に記載の圧力センサ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
この発明の圧力センサによれば、機械変形におけるヒステリシスの小さい水晶でダイアフラムが形成されているので、検出特性の安定性が良い。また、ダイアフラム形成時においてその圧電共振特性をモニタすることができるので、その変形特性に関わる形状寸法の加工精度を高めることができる。好ましくは、ＡＴカットで切り出された水晶板を用いることにより、変形特性に鋭敏に影響するダイアフラムの厚みについての加工精度を高めることができる。
また本発明はダイアフラムを有し水晶板から構成される受圧基板と、前記受圧基板と対向する対向基板とが、それぞれ対向面で接合されてなる圧力センサであって、二つの前記基板のうちの少なくとも一方に、スリットが形成されていることを特徴とする圧力センサに関係する。
また本発明は、前記ダイアフラムを有する受圧基板には、ＡＴカットにより切り出された水晶板が用いられていることを特徴とする圧力センサに関係する。