(57)【要約】【課題】過酷な環境下において使用しても精度良く静電容量の変化を検出することができ、消費電力を小さく、かつ、センサ性能の低下を防止することができる静電容量型圧力センサを提供すること。【解決手段】キャビティ１５内のガラス基板１１には、第１導電部材１２が埋設されている。ガラス基板１１のキャビティ１５以外の領域に、環状の第２導電部材１３が埋設されている。ガラス基板１１の主面１１ｂ上には、第１及び第２導電部材１２，１３の露出部分と電気的に接続するように引き出し電極１４ａ，１４ｂがそれぞれ形成されている。ガラス基板１１の主面１１ａの接合面１１ｄ上には、感圧ダイヤフラム１６ａを有するシリコン基板１６が接合されている。感圧ダイヤフラム１６ａを有するシリコン基板１６をガラス基板１１上に接合することにより、凹部１６ｄとガラス基板１１との間にキャビティ１５が形成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互に対向する一対の主面を有し、前記一対の主面の両方の主面で露出するように埋め込まれた、固定電極となる第１導電部材及び前記第１導電部材を囲むように配置された環状の第２導電部材を有するガラス基板と、前記ガラス基板の一方の主面上に接合されており、前記第１導電部材と所定の間隔をおいて対向して配置された可動電極を有し、前記第２導電部材と電気的に接続するシリコン基板と、を具備することを特徴とする静電容量型圧力センサ。
【請求項２】
前記第１及び第２導電部材がシリコンで構成されており、前記第１及び第２導電部材、前記シリコン基板、並びに前記ガラス基板は、相対的に近い熱膨張係数を有す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】
前記可動電極並びに前記第１及び第２導電部材が平面視方向において、それぞれの中心に対して対称性を持つことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の静電容量型圧力センサ。
【請求項４】
前記ガラス基板の他方の主面において、前記第１及び第２導電部材上に引き出し電極が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか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、静電容量を用いて圧力を検知する静電容量型圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
静電容量型圧力センサは、可動電極である感圧ダイヤフラムを有する基板と、固定電極を有する基板とを、感圧ダイヤフラムと固定電極との間に所定の間隔（キャビティ）を有するように接合することにより構成されている。この静電容量型圧力センサにおいては、感圧ダイヤフラムに圧力が加わると感圧ダイヤフラムが変形し、これにより感圧ダイヤフラムと固定電極との間隔が変わる。この間隔の変化により感圧ダイヤフラムと固定電極との間の静電容量が変化し、この静電容量の変化を利用して圧力の変化を検出する。
【０００３】
このような静電容量型圧力センサは、図６に示すように、可動電極である感圧ダイヤフラム１００と感圧ダイヤフラム１００に対向する固定電極（図示せず）との間で生じる静電容量を電気的に取り出すために、感圧ダイヤフラム１００が接続電極１０１を通じて引き出し電極１０２と電気的に接続されている。従来の静電容量型圧力センサにおいては、構造は種々あるが、接続電極１０１が、図６に示すように、島状に設けられており、感圧ダイヤフラム１００が、その接続電極１０１と局所的に接続されている（特許文献１，２参照）。
【特許文献１】特開２００１−１０８５４７号公報
【特許文献２】特開２００５−９１２３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
静電容量型圧力センサによる静電容量の変化の検出においては、センサの抵抗が問題となる。特に、バッテリー式のＴＰＭＳ（Tire Pressure Monitoring System）や、腕時計などの電池の電力を使用する静電容量型圧力センサの場合、バッテリーや電池の寿命を延ばすために、消費電力を小さくすることが要求されている。また、タイヤ圧の監視のように、熱的な変化の大きい過酷な環境下で静電容量型圧力センサを用いる場合には、異種材料間の熱膨張率差により、センサ性能の低下を及ぼす恐れがある。
【０００５】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、過酷な環境下において使用しても精度良く静電容量の変化を検出することができ、消費電力を小さく、かつ、センサ性能の低下を防止することができる静電容量型圧力センサを提供することを目的とする。
【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、相互に対向する一対の主面を有し、前記一対の主面の両方の主面で露出するように埋め込まれた、固定電極となる第１導電部材及び前記第１導電部材を囲むように配置された環状の第２導電部材を有するガラス基板と、前記ガラス基板の一方の主面上に接合されており、前記第１導電部材と所定の間隔をおいて対向して配置された可動電極を有し、前記第２導電部材と電気的に接続するシリコン基板と、を具備することを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、シリコン基板と第２導電部材との間の接触面積を広くすることができ、両者の電気的接続を安定させることができる。その結果、シリコン基板と第２導電部材との間のコンタクト抵抗を低減させることが可能となる。したがって、消費電力を小さくすることが可能となり、自動車のバッテリーや電池の寿命を延ばすことが可能となる。
【０００８】
本発明の静電容量型圧力センサにおいては、前記第１及び第２導電部材がシリコンで構成されており、前記第１及び第２導電部材、前記シリコン基板、並びに前記ガラス基板は、相対的に近い熱膨張係数を有することが好ましい。この構成によれば、熱的な安定性を向上させることができ、過酷な環境下において使用してもセンサ性能の低下を防止することができる。
【０００９】
本発明の静電容量型圧力センサにおいては、前記可動電極並びに前記第１及び第２導電部材が平面視方向において、それぞれの中心に対して対称性を持つことが好ましい。この構成によれば、構造強度が高くなるので、温度変動などにより応力が加わってもセンサ性能の変動を軽減することができる。
【００１０】
本発明の静電容量型圧力センサにおいては、前記ガラス基板の他方の主面において、前記第１及び第２導電部材上に引き出し電極が形成されていることが好ましい。この構成によれば、外部への取り出し電極を一つの面上に形成できるので、表面実装に適したデバイスとすることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の静電容量型圧力センサによれば、相互に対向する一対の主面を有し、前記一対の主面の両方の主面で露出するように埋め込まれた、固定電極となる第１導電部材及び前記第１導電部材を囲むように配置された環状の第２導電部材を有するガラス基板と、前記ガラス基板の一方の主面上に接合されており、前記第１導電部材と所定の間隔をおいて対向して配置された可動電極を有し、前記第２導電部材と電気的に接続するシリコン基板と、を具備するので、過酷な環境下において使用しても精度良く静電容量の変化を検出することができ、消費電力を小さく、かつ、センサ性能の低下を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサを示す断面図である。図中１１はガラス基板を示す。ガラス基板１１は、相互に対向する一対の主面１１ａ，１１ｂを有する。後述するキャビティ１５内のガラス基板１１には、固定電極である第１導電部材１２が埋設されている。また、ガラス基板１１のキャビティ１５以外の領域に、後述する可動電極用の接続電極である環状の第２導電部材１３が埋設されている。第１及び第２導電部材１２，１３は、それぞれ主面１１ａ，１１ｂでそれぞれ露出している。
【００１３】
ガラス基板１１の主面１１ｂ上には、第１導電部材１２の露出部分と電気的に接続するように引き出し電極１４ａが形成されており、第２導電部材１３の露出部分と電気的に接続するように引き出し電極１４ｂが形成されている。このように引き出し電極１４ａ，１４ｂがそれぞれ主面１１ｂ上に設けられていることにより、外部への取り出し電極を一つの面上に形成できるので、表面実装に適したデバイスとすることができる。
【００１４】
ガラス基板１１の主面１１ａの接合面１１ｄ上には、圧力センサの可動電極である感圧ダイヤフラム１６ａ及び厚肉部１６ｂを有するシリコン基板１６が接合されている。このシリコン基板１６は、両主面側からそれぞれエッチングを施して凹部１６ｃ，１６ｄを形成することにより感圧ダイヤフラム１６ａを構成している。このような感圧ダイヤフラム１６ａを有するシリコン基板１６をガラス基板１１の主面１１ａ上に接合することにより、凹部１６ｄとガラス基盤１１の主面１１ａとの間にキャビティ１５が形成される。これにより、感圧ダイヤフラム１６ａ（可動電極）と第１導電部材１２（固定電極）との間に静電容量が発生する。
【００１５】
なお、この凹部１６ｃの幅は、少なくとも固定電極である第１導電部材１２の幅よりも大きく設定することが望ましい。このように設定することにより、第１導電部材１２をシリコンで構成する場合に、キャビティ１５内にガラスとシリコンとの界面が存在し、他の材料間の界面が存在しないことになり、キャビティ１５内の密閉性を向上させることができる。
【００１６】
第１及び第２導電部材１２，１３を構成する材料としては、シリコン、金属などの導電性材料を用いることができるが、第１導電部材１２については、上記のようにガラスとの間の密閉性を考慮して、シリコンで構成することが好ましい。なお、第１及び第２導電部材１２，１３を構成する材料として、シリコン以外の導電性材料を用いても良い。
【００１７】
第２導電部材１３は、可動電極である感圧ダイヤフラム１６ａと引き出し電極１４ｂとを電気的に接続する接続電極であり、固定電極である第１導電部材１２を囲むように配置された環状部材である。ここでは、図２に示すように、第１導電部材１２が略円柱形状を有しており、第２導電部材１３は、第１導電部材１２を囲む略円環柱形状を有する。なお、第２導電部材１３の形状については、環状であれば特に制限はない。
【００１８】
このように接続電極として環状の導電部材を配置することにより、図２に示すように、シリコン基板１６と第２導電部材１３との間の接触部１３ａの面積を広くすることができ、両者の電気的接続を安定させることができる。その結果、シリコン基板１６と第２導電部材１３との間のコンタクト抵抗を低減させることが可能となる。また、第２導電部材１３が環状に設けられているので、引き出し電極１４ｂを形成する領域が広くなり、設計上の自由度を増加させることができる。
【００１９】
ここでは、第１及び第２導電部材１２，１３がシリコンで構成されている。この場合において、第１及び第２導電部材１２，１３、シリコン基板１６、並びにガラス基板１１を、相対的に近い熱膨張係数を有するように材料選択することにより、熱的な安定性を向上させることができる。例えば、シリコンの熱膨張係数に近い熱膨張係数を有するガラスを用いる。その結果、過酷な環境下において使用してもセンサ性能の低下を防止することができる。
【００２０】
可動電極である感圧ダイヤフラム１６ａ、第１及び第２導電部材１２，１３が平面視方向（図１における矢印Ｘ方向）において、それぞれの中心に対して対称性を持つことが好ましい。このように構成することにより、構造強度が高くなるので、温度変動などにより応力が加わってもセンサ性能の変動を軽減することができる。
【００２１】
本実施の形態においては、第２導電部材１３とシリコン基板１６とを直接接合する構成となっているが、本発明においては、第２導電部材１３とシリコン基板１６との間には電極が介在されている構成であっても良い。この場合、電極材料としては、センサ性能を考慮して、シリコン基板１６や第２導電部材１３の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する材料を用いることが好ましい。
【００２２】
ガラス基板１１とシリコン基板１６との間の界面（接合面１１ｄ）は、高い密着性を有することが好ましい。ガラス基板１１にシリコン基板１６を接合する場合には、ガラス基板１１の接合部１１ｄ上にシリコン基板１６を搭載し、陽極接合処理を施すことにより、両基板１１，１６の密着性を高くすることができる。このようにガラス基板１１とシリコン基板１６との界面で高い密着性を発揮することにより、感圧ダイヤフラム１６ａとガラス基板１１の凹部１６ｄとの間で構成するキャビティ１５内の気密性を高く保つことができる。
【００２３】
ここで、陽極接合処理とは、所定の温度（例えば４００℃以下）で所定の電圧（例えば３００Ｖ〜１ｋＶ）を印加することにより、シリコンとガラスとの間に大きな静電引力が発生して、接触したガラス−シリコン界面で酸素を介した化学結合を形成される、もしくは、酸素の放出による共有結合を形成させる処理をいう。この界面での共有結合は、シリコンのＳｉ原子とガラスに含まれるＳｉ原子との間のＳｉ−Ｓｉ結合又はＳｉ−Ｏ結合である。したがって、このＳｉ−Ｓｉ結合又はＳｉ−Ｏ結合により、シリコンとガラスとが強固に接合して、両者間の界面で非常に高い密着性を発揮する。このような陽極接合を効率良く行うために、ガラス基板１１のガラス材料としては、ナトリウムなどのアルカリ金属を含むガラス材料（例えばパイレックス（登録商標）ガラス）であることが好ましい。
【００２４】
第１及び／又は第２導電部材１２，１３がシリコンで構成されている場合には、ガラス基板１１と第１及び／又は第２導電部材１２，１３との間の界面も陽極接合されていることが好ましい。後述するように、これらの界面は、加熱下において第１及び／又は第２導電部材１２，１３をガラス基板１１に押し込むことにより形成される。このような方法により得られた界面でも高い密着性を発揮できるが、第１及び／又は第２導電部材１２，１３をガラス基板１１に押し込んだ後に、陽極接合処理を施すことにより、密着性をより高くすることができる。
【００２５】
このような構成を有する静電容量型圧力センサにおいては、感圧ダイヤフラム１６ａとガラス基板１１内の固定電極である第１導電部材１２との間に所定の静電容量を有する。この圧力センサに圧力が加わると、感圧ダイヤフラム１６ａが圧力に応じて可動する。これにより、感圧ダイヤフラム１６ａが変位する。このとき、感圧ダイヤフラム１６ａとガラス基板１１内の固定電極との間の静電容量が変化する。したがって、この静電容量をパラメータとして、その変化を圧力変化とすることができる。
【００２６】
この静電容量型圧力センサにおいては、第１導電部材１２を囲むように配置された環状の第２導電部材を有するので、シリコン基板１６と第２導電部材１３との間の接触部１３ａの面積を広くすることができ、両者の電気的接続を安定させることができる。その結果、シリコン基板１６と第２導電部材１３との間のコンタクト抵抗を低減させることが可能となる。また、第２導電部材１３が環状に設けられているので、引き出し電極１４ｂを形成する領域が広くなり、設計上の自由度を増加させることができる。さらに、第１導電部材１２は、ガラス基板１１を貫通した電極であるので、寄生容量を低減し、配線引き回し数を低減し、部材間のコンタクト数を低減することができ、これによりセンサ抵抗を低減させることができる。また、本構造は、配線引き回し数を低減し、部材間のコンタクト数が少なく、簡易な構造であるので、製造工程数も少なく、製造コストも低減できる。
【００２７】
次に、本実施の形態の静電容量型圧力センサの製造方法について説明する。図３（ａ）〜（ｃ）及び図４（ａ），（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの製造方法を説明するための断面図である。
【００２８】
まず、不純物をドーピングして低抵抗化したシリコン基板１８を準備する。不純物としては、ｎ型不純物でも良く、ｐ型不純物でも良い。抵抗率としては、例えば０．０１Ω・ｃｍ程度とする。そして、図３（ａ）に示すように、このシリコン基板１８の一方の主面をエッチングして、第１及び第２導電部材１２，１３に相当する突出部１８ａ，１８ｂを形成する。すなわち、突出部１８ａが第１導電部材１２に相当し、突出部１８ｂが第２導電部材１３に相当する。第２導電部材１３に相当する突出部１８ｂは、第１導電部材１２に相当する突出部１８ａの周りを囲むように環状に形成される。
【００２９】
次いで、突出部１８ａ，１８ｂを形成したシリコン基板１８上にガラス基板１１を置く。さらに、真空下で、このシリコン基板１８及びガラス基板１１を加熱し、シリコン基板１８をガラス基板１１に押圧して突出部１８ａ，１８ｂをガラス基板１１の主面１１ｂに押し込んで、図３（ｂ）に示すように、シリコン基板１８とガラス基板１１とを接合する。このときの温度は、シリコンの融点以下であって、ガラスが変形可能である温度（例えば、ガラスの軟化点温度以下）が好ましい。例えば加熱温度は約８００℃である。
【００３０】
さらに、シリコン基板１８の突出部１８ａ，１８ｂとガラス基板１１との界面１１ｄでの密着性をより高めるために、陽極接合処理をすることが好ましい。この場合、シリコン基板１８及びガラス基板１１にそれぞれ電極をつけて、約４００℃以下の加熱下で約３００Ｖ〜１ｋＶの電圧を印加することにより行う。これにより両者の界面での密着性がより高くなり、静電容量型圧力センサのキャビティ１７の気密性を向上させることができる。
【００３１】
次いで、ガラス基板１１の主面１１ａ側を研磨処理して、シリコン基板１８の突出部１８ａ，１８ｂを主面１１ａで露出させる。次いで、シリコン基板１８の裏面（突出部１８ａ，１８ｂを設けない面）側をエッチングしてガラス基板１１の主面１１ｂを露出させる。エッチングとしては、ドライエッチングでも良く、ウェットエッチングでも良い。また、裏面のシリコンは研磨による加工で除去しても良い。ただし、ウェットエッチングの場合には、シリコンとガラスでエッチングレートに差が出るため、シリコンとガラスの境界で段差が出ないように条件設定する必要がある。これにより、ガラス基板１１に第１導電部材１２及び環状の第２導電部材１３が埋め込まれた状態となる。
【００３２】
次いで、図３（ｃ）に示すように、ガラス基板１１の主面１１ｂ側において、第１及び第２導電部材１２，１３の露出部分と電気的に接続するように引き出し電極１４ａ，１４ｂを形成する。この場合、まず、ガラス基板１１の主面１１ｂの第１及び第２導電部材１２，１３上に電極材料を被着し、その上にレジスト膜を形成し、引き出し電極形成領域にレジスト膜が残るように、そのレジスト膜をパターニング（フォトリソグラフィー）し、そのレジスト膜をマスクとして電極材料をエッチングし、その後残存したレジスト膜を除去する。
【００３３】
次いで、不純物をドーピングして低抵抗化したシリコン基板１６を準備する。不純物としては、ｎ型不純物でも良く、ｐ型不純物でも良い。抵抗率としては、例えば０．０１Ω・ｃｍ程度とする。このシリコン基板１６の一方の主面をエッチングして、図４（ａ）に示すように、感圧ダイヤフラム１６ａに対応する領域に凹部１６ｃを形成する。この場合、シリコン基板１６を熱酸化してシリコン酸化膜を形成する。そして、シリコン酸化膜上にレジスト膜を形成し、凹部１６ｃ形成領域以外にレジスト膜が残るように、そのレジスト膜をパターニング（フォトリソグラフィー）し、そのレジスト膜をマスクとしてシリコン酸化膜をエッチングし、その後残存したレジスト膜を除去する。このようにして形成した開口部を有するシリコン酸化膜をマスクとしてシリコン基板１６をエッチングして凹部１６ｃを設ける。
【００３４】
次いで、このシリコン基板１６の他方の主面をエッチングして、図４（ｂ）に示すように、感圧ダイヤフラム１６ａに対応する領域に凹部１６ｄを形成する。この場合、シリコン基板１６を熱酸化してシリコン酸化膜を形成する。そして、シリコン酸化膜上にレジスト膜を形成し、凹部１６ｄ形成領域以外にレジスト膜が残るように、そのレジスト膜をパターニング（フォトリソグラフィー）し、そのレジスト膜をマスクとしてシリコン酸化膜をエッチングし、その後残存したレジスト膜を除去する。このようにして形成した開口部を有するシリコン酸化膜をマスクとしてシリコン基板１６をエッチングして凹部１６ｄを設ける。
【００３５】
上記エッチングとしては、ドライエッチングでも良く、ウェットエッチングでも良い。ただし、ウェットエッチングの場合には、エッチングレートに差が出るようにシリコン基板１６の表面の結晶面を規定して異方性エッチングすることが好ましい。
【００３６】
次いで、上記のように作製したシリコン基板１６を、感圧ダイヤフラム１６ａが固定電極である第１導電部材１２と所定の間隔をおいて位置するようにして、ガラス基板１１の接合面１１ｄ上に接合する。このとき、シリコン基板１６及びガラス基板１１に対して、約４００℃以下の加熱下で約５００Ｖ程度の電圧を印加することにより陽極接合処理を行う。これによりシリコン基板１６とガラス基板１１との間の界面での密着性がより高くなり、キャビティ１５の気密性を向上させることができる。
【００３７】
このようにして得られた静電容量型圧力センサは、固定電極である第１導電部材１２が引き出し電極１４ａと電気的に接続され、感圧ダイヤフラム１６ａが第２導電部材１３を介して引き出し電極１４ｂと電気的に接続されている。したがって、感圧ダイヤフラム１６ａと固定電極との間で検知された静電容量の変化の信号は、引き出し電極１４ａ，１４ｂから取得することができる。この信号に基づいて測定圧力を算出することができる。
【００３８】
本実施の形態に係る静電容量型圧力センサによれば、第１導電部材１２を囲むように配置された環状の第２導電部材を有するので、シリコン基板１６と第２導電部材１３との間の接触部１３ａの面積を広くすることができ、両者の電気的接続を安定させることができる。その結果、シリコン基板１６と第２導電部材１３との間のコンタクト抵抗を低減させることが可能となる。
【００３９】
このようにコンタクト抵抗を低くできることによって、例えばバッテリー式のＴＰＭＳや腕時計などに装着された場合、従来の静電容量型圧力センサよりも消費電力を低く抑えることができ、バッテリーや電池の寿命を延ばすことが可能となる。
【００４０】
上記実施の形態においては、シリコン基板１６側にキャビティ１５用の凹部１６ｄを設ける場合について説明しているが、本発明はこれに限定されず、図５に示すように、ガラス基板１１側にキャビティ１５用の凹部１１ｅを設けても良い。このような構成において、環状の第２導電部材１３を設けることにより、上記実施の形態と同様の効果を発揮することができる。図５に示す構成の静電容量型圧力センサを製造する場合には、図３（ｃ）に示す構造体の両主面を研磨処理し、その後、ガラス基板１１の主面１１ａ側を第１導電部材１２と共にエッチングして、キャビティ１５用の凹部１１ｅを形成し、このようなガラス基板１１上に、予め薄板に加工したシリコン基板１６を上述したように接合する。
【００４１】
上記実施の形態で説明した数値や材質については特に制限はない。また、上記実施の形態で説明したプロセスについてはこれに限定されず、工程間の適宜順序を変えて実施しても良い。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサを示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサを示す斜視図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの製造方法を説明するための断面図である。
【図４】（ａ），（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの製造方法を説明するための断面図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの他の例を示す断面図である。
【図６】従来の静電容量型圧力センサを示す断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１１  ガラス基板
１１ａ，１１ｂ  主面
１１ｃ  接合面
１１ｄ  界面
１１ｅ，１６ｃ，１６ｄ  凹部
１２，１３  導電部材
１４ａ，１４ｂ  引き出し電極
１５  キャビティ
１６，１８  シリコン基板
１６ａ  感圧ダイヤフラム
１６ｂ  厚肉部
１８ａ，１８ｂ  突出部
【図１】
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【図２】
2007120957.tif 000004
【図３】
2007120957.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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