(57)【要約】【課題】  より測定精度の高い静電容量型圧力センサを提供する。【解決手段】  圧力センサ１は、下側基板２に形成した第１電極５と上側基板３のダイヤフラム９下面に形成した第２電極１０とから構成されるコンデンサを備え、かつ第１、第２電極間には真空なキャビティ１８が画定される。第２電極１０上には、中心部８ａから外側に向けて緩やかに上向きに傾斜し、かつ頂点部８ｂを越えて更に外側に緩やかに下向きに傾斜する断面形状の誘電体膜８が積層されている。第２電極と誘電体膜との接触面積は、中心部から接触面の外縁まで距離（半径）の２乗に比例するが、誘電体膜の膜厚が中心部から頂点部に向けて緩やかに増加し、かつ頂点部を越えて緩やかに減少することにより、外部圧力に関するコンデンサの静電容量の直線性を確保することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極及びその上に積層した誘電体膜とを上面に有する絶縁材料の下側基板と、ダイヤフラム及びその下面に形成した第２電極を有する絶縁材料の上側基板とを備え、前記誘電体膜と前記第２電極とが僅かな間隙をもって対向配置され、かつそれらの間に画定されるチャンバを真空に封止するように、前記下側基板と前記上側基板とが一体にかつ気密に接合され、前記ダイヤフラムが圧力を受けて撓むことにより前記誘電体膜に接触する前記第２電極と第１電極との間の静電容量を測定して、前記圧力を測定するための圧力センサであって、
前記誘電体膜が、前記ダイヤフラムの撓みの中心位置に対応する中心部から外側へ漸次上向きに傾斜し、頂点部を越えて更に外側へ漸次下向きに傾斜する断面形状を有することを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
前記下側基板及び前記上側基板が水晶で形成され、前記両基板が全周縁に沿って金属接合部により一体にかつ気密に接合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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力によるダイヤフラムの撓み量に対応した静電容量の変化を利用して圧力を測定する静電容量型圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、印加の圧力により変形するダイヤフラムと固定された電極とを間隙をもって対向配置し、ダイヤフラムと電極間の静電容量の変化から圧力を測定する静電容量型の圧力センサが知られている。特に、タッチモード式と呼ばれる静電容量型圧力センサは、印加圧力に関する静電容量の出力特性における優れた直線性、及び高い耐圧性を発揮することから、自動車タイヤの空気圧センサなど、様々な用途への利用が提案されている。
【０００３】
一般にタッチモード式圧力センサは、シリコン基板にダイヤフラムを形成しかつこれにボロンなどの不純物をドーピングして可動電極とし、これに対向する固定電極をガラス基板上に形成しかつその上に誘電体膜を形成し、ダイヤフラムと誘電体膜間の隙間を真空に封止して構成される（例えば、特許文献１，２を参照）。図７は、従来のタッチモード式圧力センサにおける、印加圧力に対する静電容量の変化を示している。ダイヤフラムが誘電体膜に接触する前の未接触領域Ａでは、静電容量がほとんど変化しない。圧力Ｐ0 でダイヤフラムが誘電体膜との接触を開始する接触初期領域Ｂでは、静電容量が急激に上昇する。その後、圧力Ｐ1 Ｐ2 間の領域Ｃにおいて、静電容量が圧力に関して概ね直線的に変化する。圧力Ｐ2 を超えると、静電容量は飽和してそれ以上増加しなくなる。一般に、直線的な領域Ｃを測定可能な圧力範囲として使用している。出力特性の直線性は、ダイヤフラムの形状と関係があり、ダイヤフラムの厚さと隙間の幅を最適化する必要があるとされている（例えば、非特許文献１を参照）。
【０００４】
また、圧力に対する静電容量の直線領域を広げて、測定範囲を広げるために、ガラス基板に形成される電極をその長手方向寸法が幅方向中心から幅方向に向けて漸次増加する形状とし、ダイヤフラムが電極と接触する面積の増加率を圧力増加に対して一定にした圧力センサが提案されている（例えば、特許文献３を参照）。更に、電極のダイヤフラムの初期接触領域と対向した部分に切欠き部を設け、測定に寄与しない浮遊容量を低減し、低容量で高感度を実現する圧力センサ（例えば、特許文献４を参照）や、ダイヤフラムと対向する電極に分割領域を設けてコンデンサの電極面積を変化させ、センサ出力を調整できるようにした圧力センサ（例えば、特許文献５を参照）が知られている。
【０００５】
また、測定精度の長期安定性を保証するために、ガラス基板に溝を形成しかつこれに導電性材料を埋めて、下部電極をガラス基板表面と同じ高さに形成し、シリコン基板とガラス基板とを隙間無く陽極接合できるようにした圧力センサが知られている（例えば、特許文献６を参照）。
【０００６】
更に、導電性の金属材からなる基台の表面に、その中心から外方に向けてダイヤフラムとの空隙が縮まるような窪み部を形成し、該窪み部上に電極部と絶縁層とを形成することにより、ダイヤフラムが撓む際に電極部との空隙が一定の変化率で安定に変化し、それにより静電容量も一定に安定して変化するようにし、電極の接触面積を工夫することなく、飽和領域をなくし、ダイナミックレンジを広げることができる圧力センサが開発されている（例えば、特許文献７を参照）。
【０００７】
また、固定電極を覆う絶縁層上に、ダイヤフラムに向けた突出部を形成して、ダイヤフラムの絶縁層と接触する部分と固定電極間の距離を増加させ、又は固定電極の中央部に切欠き部を形成して、ダイヤフラムと対向する固定電極の対向面積を少なくして、測定開始圧に対する静電容量を低くし、測定範囲内での変化量を増やした圧力センサが提案されている（例えば、特許文献８を参照）。
【０００８】
【非特許文献１】山本敏外、「タッチモード容量型圧力センサ」、フジクラ技法、２００１年１０月、第１０１号、ｐ．７１〜７４
【特許文献１】特表平１０−５０９２４１号公報
【特許文献２】特開２００２−２１４０５８号公報
【特許文献３】特開２００２−１９５９０３号公報
【特許文献４】特開２００２−２２１４６０号公報
【特許文献５】特開２００２−２２１４６１号公報
【特許文献６】特開２００４−１９１１３７号公報
【特許文献７】特開２００５−８３８０１号公報
【特許文献８】特開２００５−２３３８７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述した従来のタッチモード式静電容量型圧力センサには、次のような問題点がある。よく知られているように、ダイヤフラム側の可動電極とガラス基板側の固定電極間の静電容量Ｃは、誘電体膜の膜厚をｄ、その誘電率をε、可動電極と誘電体膜との接触面積をＳとしたとき、Ｃ＝ε・Ｓ／ｄで表される。誘電体膜の膜厚ｄは一定であるが、接触面積Ｓが下向き凸に撓むダイヤフラムの中心部から接触面の外縁まで距離（半径）の２乗に比例する。そのため、上記特許文献１などに記載される圧力センサは、図７の領域Ｃにおける静電容量の変化が完全な直線ではなく、むしろ上向き凸の放物線を描くように変化するので、高い測定精度を確保することが困難である。これを解消するためには、圧力センサの出力に補償回路を接続するなど、何らかの工夫をする必要がある。
【００１０】
また、上記特許文献３などに記載されるように、固定側の電極を異形形状にした場合、ダイヤフラムの撓み位置と電極位置とを整合させることが困難である。そのため、測定精度にばらつきが生じたり、歩留まりを低下させる虞がある。
【００１１】
上記特許文献７に記載される圧力センサは、基台自体が固定電極であるため、ダイヤフラムとの電気的絶縁性を確保することが困難であり、そのために複雑な構造が要求される虞がある。また、高圧側において飽和領域を無くして測定圧力範囲を広げることはできるが、低圧側の測定圧力範囲を広げることはできない。低圧側では、接触初期状態における絶縁層の厚さが厚いため、むしろ測定感度が低下する虞がある。上記特許文献８に記載される圧力センサも同様に、低圧側での静電容量変化を少なくしているので、低圧側の測定圧力範囲を広げることは困難である。
【００１２】
また、ダイヤフラム自体が可動電極となる従来の圧力センサでは、ガラス基板の表面に配線される電極膜とシリコン基板との接合部分に電気的絶縁性を確保する必要がある。そのため、ガラス基板とシリコン基板とを完全に気密に接合することが困難で、上記特許文献６に記載されるような構造上の工夫が必要である。そのために、工数が増加しかつ工程が複雑になり、生産性が低下して製造コストを増大させる虞がある。
【００１３】
そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、圧力に関する静電容量の出力特性における直線性を改善し、より高い測定精度を可能にするタッチモード式静電容量型圧力センサを提供することにある。特に本発明は、低圧側における静電容量の直線性を向上させ、測定可能な圧力範囲をより広く設定できるようにすることを目的とする。
【００１４】
また、本発明は、構造や工程を複雑にし又は工数を増やすことなく、ダイヤフラムと誘電体膜間に画定されるチャンバを確実に真空に封止することができ、安定した測定精度を確保し得るタッチモード式静電容量型圧力センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明によれば、上記目的を達成するために、第１電極及びその上に積層した誘電体膜とを上面に有する絶縁材料の下側基板と、ダイヤフラム及びその下面に形成した第２電極を有する絶縁材料の上側基板とを備え、誘電体膜と第２電極とが僅かな間隙をもって対向配置され、かつそれらの間に画定されるチャンバを真空に封止するように、下側基板と上側基板とが一体にかつ気密に接合され、ダイヤフラムが圧力を受けて撓むことにより誘電体膜に接触する第２電極と第１電極との間の静電容量を測定することによって、ダイヤフラムに印加した圧力を測定する圧力センサであって、誘電体膜が、ダイヤフラムの撓みの中心位置に対応する中心部から外側へ漸次上向きに傾斜し、頂点部を越えて更に外側へ漸次下向きに傾斜する断面形状を有する圧力センサが提供される。
【００１６】
このように誘電体膜の膜厚が中心部から接触面の外縁まで距離（半径）に関して緩やかに増加しかつ頂点部を越えて緩やかに減少することによって、第２電極と誘電体膜との接触面積は、誘電体膜の中心部から接触面の外縁まで距離（半径）の２乗に比例するが、放物線を描く従来の出力特性に対して、圧力の増加に対する静電容量の増加を効果的に抑制し、直線性の高い出力特性に調整することができる。
【００１７】
或る実施例では、下側基板及び上側基板が水晶で形成され、かつこれら両基板が全周縁に沿って、例えば陽極接合や金属接合などを用いて、金属接合部により一体にかつ気密に接合されている。従来のように下側及び上側基板間で絶縁膜を設ける必要が無く、簡単な構造で確実にダイヤフラムと誘電体膜間のチャンバを真空に封止できるので、安定して高い測定精度を維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明の好適実施例について添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１（Ａ）（Ｂ）は、本発明による圧力センサの好適な実施例の構成を概略的に示している。本実施例の圧力センサ１は、それぞれ矩形の水晶薄板からなる下側基板２と上側基板３とを備える。下側基板２は、図２に示すように、上側基板３との対向面に概ね正方形の浅い凹所４が、例えばウエットエッチング又は機械加工により形成されている。凹所４の平坦な底部には、概ね正方形の第１電極５が形成され、該凹所の中央側の側辺から引き出したリード６を介して、下側基板２上面の取出電極７に接続されている。第１電極５の上には、後述する断面形状の誘電体膜８が積層されている。
【００１９】
上側基板３は、図１（Ａ）（Ｂ）に示すように、その上面を例えばエッチング又は機械加工などして凹部を形成することにより薄肉化したダイヤフラム９を有する。ダイヤフラム９は、要求される圧力感度に応じて薄く又は厚く形成することができ、本実施例の水晶の場合には、例えば１０μｍ以下の厚さまで薄くすることができる。ダイヤフラム９の下面には、図３に示すように、概ね正方形をなす第２電極１０が形成されている。第２電極１０と第１電極５とは、誘電体膜８を挟んで互いに対応する対向位置に配置され、コンデンサを構成する。第２電極１０は、上側基板３下面を長手方向に反対側の端部に向けて引き出されたリード１１を介して、取出電極１２に接続されている。
【００２０】
第１電極５及び第２電極１０は、それぞれ例えばＡｌ膜やＡｌ合金などの導電性金属材料を蒸着やスパッタリングなどで成膜しかつこれをパターニングすることにより形成される。リード６，１１及び取出電極７，１２は、例えばＣｒ／Ａｕ膜またはＣｒ／Ｎｉ／Ａｕ膜で形成され、同様にこれらの導電性金属材料を蒸着やスパッタリングなどで成膜しかつこれをパターニングすることにより形成される。
【００２１】
更に上側基板３には、該上側基板の第２電極１０の取出電極１２に対応する位置、及び下側基板２の第１電極５の取出電極７に対応する位置に、それぞれ貫通孔１３，１４が設けられている。本実施例の貫通孔１３，１４は、水晶からなる上側基板３をウエットエッチングで加工することにより、上面及び下面からそれぞれ奥に向けてテーパ状に形成されている。上側基板３上面には、各貫通孔１３，１４の開口周縁にそれぞれ外部電極１５，１６が形成されている。
【００２２】
誘電体膜８は、図４に示すように、ダイヤフラム９の中心位置に対応する中心部８ａから外側に向けて漸次上向きに傾斜し、頂点部８ｂを越えて更に外側へ漸次下向きに傾斜する断面形状を有する。中心部８ａは下向き凸に緩やかに湾曲し、かつ頂点部８ｂは上向き凸に緩やかに湾曲している。従って、誘電体膜８の膜厚は、中心部８ａから頂点部８ｂに向けて緩やかに増加しかつ頂点部８ｂを越えて緩やかに減少する。誘電体膜８は、例えばガラス材料をスパッタリングすることにより形成することができる。前記誘電体膜には、ガラス以外に、例えばＳｉＯ２ やセラミックスなどの絶縁材料を用いることができる。
【００２３】
下側基板２と上側基板３とは、その全周縁に沿って金属接合部１７により一体にかつ気密に接合されている。前記下側基板及び上側基板の対向面にそれぞれ全周縁に沿って所定幅の金属接合部を設け、かつそれらを熱圧着又は共晶接合することにより、容易に一体にかつ気密に接合することができる。これにより、圧力センサ１の内部には、ダイヤフラム９と下側基板２の凹所４との間にキャビティ１８が画定される。
【００２４】
各貫通孔１３，１４には、それぞれ導電材料からなる封止材１９，２０が充填されている。前記封止材は、下側基板２と上側基板３との接合後に、真空雰囲気内で前記貫通孔を気密に封止するように充填する。これにより、キャビティ１８が真空に封止される。それと同時に、封止材１９，２０により取出電極７，１２即ち第１及び第２電極５，１０と対応する外部電極１５，１６とがそれぞれ互いに電気的に接続される。前記封止材には、例えばＡｕＳｎ、ＡｕＧｅ、はんだ材料、高温はんだなどを用いることができる。また、前記各貫通孔の内周面が金属膜で予め被覆されていると、封止材の導入が容易になるので有利である。
【００２５】
図５（Ａ）〜（Ｃ）は、圧力センサ１の使用時において、ダイヤフラム９の撓みに対応して第２電極１０と誘電体膜８との接触面が広がる様子を段階的に示している。図５（Ａ）は、ダイヤフラム９が外部圧力により撓み、第２電極１０が誘電体膜８と接触し始めた初期状態である。誘電体膜８が上述したように頂点部８ｂから中心部８ａに向けて凹んだ形状をなすので、この接触初期状態における第２電極１０と誘電体膜８との接触面積は、従来技術の平坦で膜厚一定の誘電体膜の場合よりも大きい。
【００２６】
外部圧力が増加してダイヤフラム９が更に撓むと、図５（Ｂ）に示すように、中心部８ａから頂点部８ｂへの上向き傾斜面に沿って第２電極１０と誘電体膜８との接触面積が増加する。頂点部８ｂが上向き凸に湾曲しているので、その近傍に近付くと、前記接触面積の増加は低下する。図５（Ｃ）に示すように、更にダイヤフラム９が頂点部８ｂを越えて撓むと、誘電体膜８が外側へ下向きに傾斜しているので、前記接触面積の増加は更に抑制され、限界に達する。
【００２７】
図６は、本実施例による圧力センサ１における圧力と静電容量との関係を実線で示している。同図には、比較のために、従来技術の平坦で膜厚一定の誘電体膜を有する圧力センサにおける圧力と静電容量との関係を破線で示している。従来技術に関連して上述した図７と同様に、図６において、圧力Ｐ0 は第２電極１０が誘電体膜８に接触し始めたときの圧力であり、圧力Ｐ1 は接触初期状態から直線的関係を開始する圧力であり、圧力Ｐ2 は直線的関係が終了して飽和状態が開始する圧力である。圧力Ｐ0 Ｐ1 間の領域Ｂが接触初期状態であり、圧力Ｐ1 Ｐ2 間の領域Ｃが従来技術の直線的関係に対応する領域であり、圧力Ｐ2 以上の領域Ｄが飽和領域である。
【００２８】
第１電極５と第２電極１０とにより構成されるコンデンサの静電容量Ｃは、誘電体膜８の膜厚をｄ、誘電体膜８の誘電率をε、第２電極１０と誘電体膜８との接触面積をＳとしたとき、Ｃ＝ε・Ｓ／ｄで表される。接触面積Ｓは、中心部８ａから接触面の外縁まで距離（半径）の２乗に比例するが、誘電体膜８の膜厚ｄは、中心部８ａから接触面の外縁まで距離（半径）に関して緩やかに増加し、かつ頂点部８ｂを越えて緩やかに減少する。その結果、図６の領域Ｃでは、破線で示すように放物線を描く従来の出力特性から、圧力の増加に対する静電容量の増加を抑制し、実線で示すように直線性の高い出力特性に調整することができる。例えば、ダイヤフラム９の撓み量が圧力の増加に関して一定の割合で増加し、かつそれに対応して第２電極１０と誘電体膜８との接触面積が一定の割合で増加すると仮定した場合、静電容量の変化量ΔＣ＝ε・ΔＳ／Δｄが一定となるように、誘電体膜８の膜厚ｄを決定すればよい。
【００２９】
更に本実施例では、接触初期領域Ｂにおける第２電極１０と誘電体膜８との接触面積が従来よりも大きくなる。従って、接触初期領域Ｂにおける静電容量、特に圧力Ｐ0 における静電容量を従来よりも増加させることができる。その結果、接触初期領域Ｂを領域Ｃに連続する直線状に調整することができ、高精度に測定可能な圧力範囲を低圧力側に拡大することができる。
【００３０】
以上、本発明の好適な実施例について詳細に説明したが、本発明は上記実施例に様々な変形・変更を加えて実施することができる。例えば、上記実施例の上側及び下側基板は、その双方又は一方を、水晶以外にパイレックスガラスやソーダガラスなどのガラス材料、セラミックス材料、その他様々な公知の絶縁材料で形成することができる。また、上側基板と下側基板とを異なる材料で形成する場合には、それらの熱膨張率が互いに同等又は近似するように選択することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】（Ａ）図は本発明による圧力センサの実施例を示す平面図、（Ｂ）図はそのＩ−Ｉ線における断面図。
【図２】図１の圧力センサの下側基板を示す平面図。
【図３】図１の圧力センサの上側基板を示す下面図。
【図４】下側基板の固定電極及び誘電体膜を示す断面図。
【図５】本実施例の圧力センサの作動状態について、（Ａ）図は接触初期状態、（Ｂ）図は接触面積が増加した状態、（Ｃ）図は飽和状態をそれぞれ示す断面図。
【図６】本実施例の圧力センサにおける圧力と静電容量との関係を示す線図。
【図７】従来の静電容量型圧力センサにおける圧力と静電容量との関係を示す線図。
【符号の説明】
【００３２】
１…圧力センサ、２…下側基板、３…上側基板、４…凹所、５…第１電極、６，１１…リード、７，１２…取出電極、８…誘電体膜、８ａ…中心部、８ｂ…頂点部、９…ダイヤフラム、１０…第２電極、１３，１４…貫通孔、１５，１６…外部電極、１７…金属接合部、１８…チャンバ、１９，２０…封止材。
【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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