(57)【要約】【課題】  ダイヤフラム式圧力センサにおいて、容器及び圧電感応素子との熱膨張係数差のため発生する感度低下を抑制し、尚且つ高い圧力耐性を持つ圧力センサを提供すること【解決手段】  ダイヤフラム式圧力センサにおいて、上側部材１及び下側部材３と水晶振動子２の接合面に、非晶質の炭化シリコン層１１、３１及びエピタキシャルＳｉＯ２層１２，３２を成長させ、表面化活性化法によって接合することにより、接着剤等の異種材料を接合部に挟み込むために生ずる熱膨張係数差により、水晶振動子２に応力が発生し、検出感度が低下することを防ぐことができ、容器にシリコン材料を用いることで高い圧力耐性を持たせることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部からの圧力により撓むダイヤフラムを構成し、下面側に凹部が形成されたシリコンからなる上側部材と、
上面側に凹部が形成され、前記上側部材と共に容器をなすシリコンからなる下側部材と、
前記上側部材の周縁部と下側部材の周縁部との間にその周縁部が全周に亘って挟まれ、前記凹部により形成される空間に感圧素子である水晶振動子が形成された水晶板と、
この水晶板の周縁部と前記上側部材の周縁部との間、及び前記水晶板の周縁部と前記下側部材の周縁部との間の各々に水晶板側からこの順番に形成された二酸化シリコンからなるエピタキシャルＳｉＯ２層及び非晶質の炭化シリコン層と、を備え、
前記上側部材、水晶板及び下側部材が前記エピタキシャルＳｉＯ２層及び炭化シリコン層を介して互に接合されていることを特徴とする圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水晶振動子を用いた、ダイヤフラム方式の圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のタイヤの空気圧を常時モニタリングし、設定された空気圧以下になると警報を発するＴＰＭＳ（タイヤ・プレッシャー・モニタリング・システム）においては、当該空気圧を測定するために水晶振動子を用いた圧力センサを用いることが検討されている。
【０００３】
ダイヤフラム式の圧力センサは、ダイヤフラムに支持された圧力感応素子、例えば水晶振動子が外部からの応力を受けることによって生じる共振周波数の変化を検出するセンサである。
【０００４】
ダイヤフラム式の圧力センサは、ダイヤフラムの変形を検出する感度が極めて高く、高感度な圧力センサである。しかしながら、その感度の高さのため、圧力以外の外乱により、ダイヤフラムがわずかに変形した場合でも、変形を検出するおそれがある。外乱としては例えば環境の温度が変化したときに、容器と圧力感応素子の熱膨張係数の差により、圧力感応素子に応力が生じる場合が挙げられる。
【０００５】
特許文献１は、容器と圧力感応素子を熱膨張率の近い材料で構成することにより、例えば容器及び圧力感応素子を夫々シリコン及び水晶で構成するか、あるいは両者を共に水晶で構成することで、温度変化による感度低下を減らす技術が記載されている。しかしながら圧力感応素子の接合は接着剤でなされており、容器及び水晶振動子と接合材料（接着剤）の間の熱膨張係数差により、温度変化による感度低下が生じていた。また容器に水晶が用いられるため、応力が低く圧力耐性が低い圧力センサであった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２８１５７３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明はこのような事情の下になされたものであり、ダイヤフラム式圧力センサにおいて、容器及び感圧素子の材料の熱膨張係数差に起因する感度低下を抑制することのできる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】
【０００８】
本発明の圧力センサは外部からの圧力により撓むダイヤフラムを構成し、下面側に凹部が形成されたシリコンからなる上側部材と、
上面側に凹部が形成され、前記上側部材と共に容器をなすシリコンからなる下側部材と、
前記上側部材の周縁部と下側部材の周縁部との間にその周縁部が全周に亘って挟まれ、前記凹部により形成される空間に感圧素子である水晶振動子が形成された水晶板と、
この水晶板の周縁部と前記上側部材の周縁部との間、及び前記水晶板の周縁部と前記下側部材の周縁部との間の各々に水晶板側からこの順番に形成された二酸化シリコンからなるエピタキシャルＳｉＯ２層及び炭化シリコン層と、を備え、
前記上側部材、水晶板及び下側部材が前記エピタキシャルＳｉＯ２層及び炭化シリコン層を介して互に接合されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、圧力センサの容器を形成する上側部材及び下側部材としてシリコンを材料に用い、非晶質の炭化シリコン層とエピタキシャルＳｉＯ２層とを介して上側部材、水晶振動子を含む水晶板及び下側部材を接合している。前記炭化シリコン層は弾性が大きく、緩衝層の役割を果たすため、環境温度の変化が起こった場合に、シリコンと水晶との熱膨張率の違いを当該緩衝層が吸収するため応力の発生が少なく、検出感度の低下が抑えられる。また炭化シリコン層はシリコン及び水晶と強固に面接合することから容器と水晶板との結合力が大きい。更にまた容器としてシリコンを用いることにより圧力センサの耐圧性が大きい。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態に係る圧力センサの縦断側面図及び、平面透視図である。
【図２】前記圧力センサの上側部材の製造工程の一部を示す平面図である。
【図３】前記上側部材の製造工程の一部を示す縦断側面図である。
【図４】前記圧力センサの下側部材の製造工程の一部を示す平面図である。
【図５】前記下側部材の製造工程の一部を示す平面図である。
【図６】前記圧力センサの水晶振動子の製造工程の一部を示す平面図である。
【図７】前記圧力センサの水晶振動子の製造工程の一部を示す縦断側面図である。
【図８】前記圧力センサの上側部材、水晶振動子及び、下側部材の接合の工程を示す斜視図である。
【図９】本発明の実施の形態に係る圧力センサに圧力が加わった様子を模式的に示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
先ず本発明の実施の形態における圧力センサの構造について説明する。図１に示すように、圧力センサは容器を構成するための上側部材１及び下側部材３と、上側部材１及び下側部材３の間に設けられる感圧素子である水晶振動子２が形成された水晶板２５と、を備えている。上側部材１及び下側部材３は各々シリコンにより作られている。上側部材１は扁平な円柱形の上面側に円形の凹部１３が形成されると共に、下面側に前記凹部１３よりも口径の小さい円形の凹部１４が形成され、これら凹部１３、１４の間の薄肉部分（底部分）をダイヤフラム１５として構成したものである。そのダイヤフラム１５は直径が例えばおよそ１０ｍｍに設定されている。その厚さが例えば１.４ｍｍであり、押圧されると撓む弾性板として構成されている。
【００１２】
ダイヤフラム１５は上面が例えば車両に設けられたタイヤの内部空間などの測定雰囲気に面し、測定雰囲気の圧力に応じて変形する。即ち、ダイヤフラム１５は測定雰囲気の圧力が容器内の圧力よりも大きくなったときに容器の内側へ撓み、小さくなったときに容器の外側へ撓む。
【００１３】
水晶板２５は例えばＡＴカットの水晶からなり、後述のようにエッチングによりくり抜かれて、環状枠部２３で囲まれる領域にその両端が当該環状枠部２３に連結されて直径方向に伸びる短冊形状の水晶片２４が形成された構成になっている。
【００１４】
環状枠部２３は上側部材１の環状壁１６と下側部材３の環状壁３８との間にその周縁部が全周に亘って挟みこまれており、上側部材１及び下側部材３により囲まれた気密空間内に置かれることとなる。水晶片２４と上側部材１及び下側部材３との接合面は、水晶片２４側より、夫々厚さ１〜１０μｍの二酸化シリコンからなるエピタキシャルＳｉＯ２層１２、３２、厚さ５０〜１００μｍの炭化シリコンの炭化シリコン層１１、３１の順に構成されている。当該水晶振動子２はダイヤフラム１５と平行に、つまりダイヤフラム１５と対向して配置されていることになり、両端を支えられた両梁支えの構造となっている。
【００１５】
短冊形状の水晶片２４の両面には例えばＣｒを下地層とし、その上にＡｕを積層した励振電極２１、２２が形成され、電極２１、２２は下側部材３の環状壁３６の上面側からの下面側へ貫通する貫通孔３４内を通る導電路３９を介して、容器外部へと引き回され、外部端子３６に接続されている。
【００１６】
次に本発明に係る圧力センサの製造方法について説明する。先ず上側部材用ウエハ１０、水晶振動子用ウエハ２０、下側部材用ウエハ３０を用意する。上側部材用及び、下側部材用ウエハ１０、３０は、例えばシリコンを材料とする。水晶振動子用ウエハ２０は前述のようにＡＴカットされた水晶を用いる。各ウエハ１０、２０、３０はフォトリソグラフィ工程によるマスクの形成及びエッチング工程により、それぞれ上側部材１、水晶板２５、下側部材３の外形が作製される。
【００１７】
上側部材用ウエハ１０はＲＣＡ洗浄により表面に親水化処理が施された後、図３に示すように片面に、非結晶質である炭化シリコン（ＳｉＣ）層１１が形成される。炭化シリコン層１１はシリコン上に格子定数差の大きいヘテロエピタキシャルＳｉＯ２層を成長させるために設けられる層であり、規則的な原子配列を持たない非晶層を設けることで、例えばシリコン等の基板の上にエピタキシャルＳｉＯ２層のような格子定数の異なる層を成長させることができる。炭化シリコン層１１は、図３に示すように、水晶板２５と接合する面の表面全体に形成される。炭化シリコン層１１は、例えば光ＣＶＤ装置により、反応ガスとして、シラン（ＳｉＨ４と酸素（Ｏ２）、キャリアガスとして水素（Ｈ２）を用いて基板加熱温度２００℃の低温で、シリコン基板上に成膜される。
【００１８】
次に図３に示すように、上側部材用ウエハ１０における前記炭化シリコン層１１の上にエピタキシャルＳｉＯ２層１２が成長される。エピタキシャルＳｉＯ２層１２は例えば光ＣＶＤ装置を用いて、反応ガスとして、シラン（ＳｉＨ４）と酸素（Ｏ２）５００〜５７０℃の温度で成長される。
【００１９】
エピタキシャルＳｉＯ２層１２が形成された、しかる後、上側部材１は上面部側及び接合面側に図３に示すように凹部１３、１４が形成される。具体的な加工については上側部材１の両面にスパッタリングにより金属膜が形成され、フォトリソグラフィにより、金属マスクパターンが形成される。その後上側部材１の上面部側には例えば、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）加工により凹部１３が形成されると共に、接合部側は、例えばケミカルエッチング加工により凹部１４が形成されることで、例えば厚さ１．４ｍｍ程度のダイヤフラム１５が形成される。
【００２０】
一方下側部材用ウエハ３０は上面部側が接合面になる。この接合面には、上側部材１と同様にＲＣＡ洗浄が施された後に、図５に示すように、炭化シリコン層３１が低温成長され、その後図５に示すように、当該炭化シリコン層３１上に一面を覆うようにエピタキシャルＳｉＯ２層３２が形成される。
【００２１】
次に図５に示すように下側部材３に凹部３３が設けられると共に、配線３５を通す貫通孔３４が下側部材３の環状壁３８の上面部から、下面部側へ垂直に貫通するように設けられ、水晶振動子２に設けられた電極２１、２２を接続するための導電路３９が形成される。貫通孔３４は、例えばサンドブラストによって形成される。
【００２２】
次に前記貫通孔３４に配線３５が形成され、下側部材３の下面部に外部端子部３６が形成される。貫通孔３４に設けられる配線３５は、例えばペースト状のＡｕ等の導電材料を貫通孔３４に充填することで形成され、前記外部端子部３６と接合される。当該配線の下側部材３の上面部側には、後述する水晶振動子２に設けられた電極２１、２２に接続するための接合部３７が設けられる。
【００２３】
水晶片２４の両面には図６、７に示すように、電極２１，２２が形成される。電極２１は、励振電極に相当する水晶片２４上面部側中央部位から一端側を介して環状部材２３の下面側へ引き回され、下側部材３に設けられた一方の接続部３７に対応する位置まで伸ばされる。電極２２は他方の接続部３７に対応する位置より水晶片２４の下面部に沿って中央部まで引き回され、両面に形成された電極２１、２２で水晶片２４を挟み込むように形成される。
【００２４】
続いて図８に示すように、上側部材１、水晶板２５及び下側部材３を平面方向の互いの位置を合わせた状態で、この順に重ね合わせ互いに接合させる。この結果、上側部材１及び下側部材３の夫々に設けられたエピタキシャルＳｉＯ２層１２、３２により水晶板２５を上下から挟み込むように接合される。上側部材１と水晶板２５とは、例えばアルゴンビームを用いた表面活性化接合により常温下で接合される。一方下側部材３と水晶板２５とは酸素プラズマを用いた表面活性化接合により常温下で接合されると共に前記電極２１、２２及び、配線の接合部３７が電気的に接続される。その後ダイシングを行うことにより、個々の圧力センサに切り分けられる。
【００２５】
次に上述実施の形態に係る圧力センサの作用を説明する。本発明の圧力センサの上側部材１を例えばタイヤのバルブに取り付ける。このときタイヤの内部は加圧状態（大気圧以上の雰囲気）であり、その圧力に応じてダイヤフラム１５の円板部が容器の内側に撓む。この撓み量に応じて、上側部材の環状壁１６は外側に押し広げられるため、上側部材１の環状壁１６を介して接合された水晶振動子２の両端部に水晶振動子の長さ方向の引っ張り応力が加わり、図９に示すように、当該水晶振動子２が撓む。この撓みにより水晶振動子２の共振周波数が変化し、その周波数信号が外部端子３６を介し、図示しない外部導電路及び発振回路を介して計測回路部により計測され、これにより圧力値が検出される。
【００２６】
上述実施の形態によれば、圧力センサの容器を形成する上側部材１及び下側部材３としてシリコンを材料に用い、非晶質の炭化シリコン層１１、３１とエピタキシャルＳｉＯ２層１２、３２とを介して上側部材１、水晶振動子２を含む水晶板２５及び下側部材３を互いに接合している。前記炭化シリコン層１１、３１は弾性が大きく、緩衝層の役割を果たすため、環境温度の変化が起こった場合に、シリコン容器１、３と水晶片２４との熱膨張率の違いを当該炭化シリコン層１１、３１が吸収するため応力の発生が少なく、検出感度の低下が少なく抑えられる。
【００２７】
また炭化シリコン層１１、３１は非晶質であり、特定の原子配置を持たないため、接合面の原子の配置を一致させることができ、シリコン及び水晶と強固に面接合することから容器と水晶板２５との結合力が大きい。
【００２８】
更にまた容器としてシリコンを用い、シリコンの基板で水晶を挟むことにより大きな強度の圧力センサが得られる。
【符号の説明】
【００２９】
１                上側部材
１１、３１        炭化シリコン層
１２、３２        エピタキシャルＳｉＯ２層
１５              ダイヤフラム
２                水晶振動子
２１、２２        電極
３                下側部材
３５              配線
３６              外部端子
【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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【図９】
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