JP2006208135A - Pressure sensor and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ダイヤフラム構造静電容量方式の圧力センサの構造および製造方法に関する。 The present invention relates to a structure and manufacturing method of a diaphragm type capacitive pressure sensor.
従来技術としては、図３５に示す構成の一般に知られている、ダイヤフラム１００とこのダイヤフラム１００に対向する、基板１０５上の固定電極１０１との距離に応じて容量が変化し、この容量の変化から周囲の圧力の変動を検出するダイヤフラム方式圧力センサがある。
この従来の圧力センサは、周囲の圧力が変化することにより、ダイヤフラム１００が歪み、この歪みに応じてダイヤフラム１００と対向する固定電極との距離が変化し、この距離の変化により容量値が変化する。
しかしながら、上記従来例は、圧力の変動により容量値が変化するが、ダイヤフラム１００が圧力により歪むが、ダイヤフラム１００の中央部と、周辺部とにおいて歪みの量が異なるため、線形性（例えば、直線性）に問題があった。
As the prior art, the capacitance changes according to the distance between the
In this conventional pressure sensor, when the ambient pressure changes, the
However, in the above conventional example, the capacitance value changes due to pressure fluctuation, but the
また、上記従来例の問題を解決する手段として、例えば、図３６に示すように、ダイヤフラム２００の形状に工夫を施し、周辺部２０３のみを薄くすることで、周辺部２０３のみを歪ませ、中央部２０２を肉厚にして、変形しないようにすることにより、基板２０５に設けられた固定電極２０１に対向するダイヤフラム２００の中央部２０２が、固定電極２０１と平行に変形するようにして、線形性を改善する方法が取られている。
しかしながら、上述した従来例は、直線性をある程度は改善するが、歪みの部分を周辺部のみにしたために、ダイヤフラム周辺部への機械的ストレスが非常に大きくかかり、機械的強度が弱く、耐久性に乏しいという問題がある。
また、上述した従来例は、周辺部の歪む部分の膜厚制御が特性に大きく影響するため、製造されたセンサ間に大きい特性のばらつきを有するという問題がある。
さらに、図２５に示す圧力センサは、ダイヤフラムが厚く形成されているため、純粋に印加される圧力だけでなく、設置される状態により重力や加速度に影響を受けることとなり、正確な圧力測定が行われない場合がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、線形性の改善の代償として有する、機械的強度が弱く、耐久性に乏しく、また、特性のばらつきが大きいという欠点を除去し、線形性の改善，耐久性及びセンサ間のばらつきの少ない圧力センサを提供することを目的とする。
However, the above-described conventional example improves the linearity to some extent, but because the distortion part is only the peripheral part, the mechanical stress on the peripheral part of the diaphragm is very large, the mechanical strength is weak, and the durability is high. There is a problem that it is scarce.
Further, the above-described conventional example has a problem that there is a large variation in characteristics between manufactured sensors because the film thickness control of the distorted portion in the peripheral part greatly affects the characteristics.
Furthermore, since the diaphragm shown in FIG. 25 has a thick diaphragm, it is affected not only by the pressure applied purely but also by gravity and acceleration depending on the installed state, and accurate pressure measurement is performed. There are cases where it is not.
The present invention has been made in view of such circumstances, and has the disadvantages of having low mechanical strength, poor durability, and large variations in characteristics, as a compensation for improving linearity. An object of the present invention is to provide a pressure sensor with improved performance, durability and less variation between sensors.
本発明の圧力センサは、ダイヤフラム方式による静電容量型の圧力センサであり、ダイヤフラム（例えば、一実施形態のダイヤフラム部７）が設けられた第１の筺体（例えば、一実施形態の上部基板４）と、前記ダイヤフラムと対向する電極（例えば、一実施形態の固定電極２）が形成された第２の筺体（例えば、一実施形態の基板１）とを有し、前記電極が湾曲を有した形状に形成されている。
この構成により、本発明の圧力センサは、基板に固定された前記電極が、ダイヤフラムの湾曲に対応した形状に形成されるので、所定の範囲内において、ダイヤフラムとこの電極との距離が、周囲の圧力に対応してほぼ均一に変化するため、周囲の圧力値の変化と圧力センサの容量値との変化の線形性（例えば、直線性）を得ることが可能となるため、周囲の圧力を高感度で測定することができる。
また、本発明の圧力センサは、電極とダイヤフラムとか同様の形状で形成されるため、ダイヤフラムを厚く形成する必要が無く、ほぼ純粋に印加される圧力のみを検出することができ、設置される状態によって、従来のように、重力や加速度に影響を受けることがなく、正確な圧力測定が行われる。
The pressure sensor of the present invention is a diaphragm type capacitive pressure sensor, and is provided with a first casing (for example, the
With this configuration, in the pressure sensor of the present invention, since the electrode fixed to the substrate is formed in a shape corresponding to the curvature of the diaphragm, the distance between the diaphragm and the electrode is within a predetermined range. Since the pressure changes almost uniformly according to the pressure, it is possible to obtain linearity (for example, linearity) between the change in the surrounding pressure value and the capacitance value of the pressure sensor. It can be measured with sensitivity.
Moreover, since the pressure sensor of the present invention is formed in the same shape as the electrode and the diaphragm, it is not necessary to form the diaphragm thickly, and only the pressure applied almost purely can be detected and installed. Thus, unlike conventional methods, accurate pressure measurement is performed without being affected by gravity or acceleration.
本発明の圧力センサは、前記電極が、圧力センサの測定範囲の略中間の圧力のときに、前記ダイヤフラムの形状と同様の湾曲を有する形状にて形成されている。
この構成により、本発明の圧力センサは、基板に固定された前記電極の湾曲と、ダイヤフラムの湾曲とを同様の形状に形成し、かつ、ダイヤフラムと電極との距離を、周囲の初期の圧力値に対応させて、周囲の圧力値の変化と圧力センサの容量値との変化が線形（例えば、直線）である範囲のほぼ中間に設定するため、ダイヤフラムとこの電極との距離が、周囲の圧力に対応してほぼ均一に変化させることが可能となり、所定の圧力範囲内において、周囲の圧力を高感度で測定することができる。
The pressure sensor of the present invention is formed in a shape having a curve similar to the shape of the diaphragm when the electrode is at a pressure approximately in the middle of the measurement range of the pressure sensor.
With this configuration, the pressure sensor of the present invention forms the curve of the electrode fixed to the substrate and the curve of the diaphragm in the same shape, and sets the distance between the diaphragm and the electrode to the initial pressure value around Therefore, the distance between the diaphragm and this electrode is set to the ambient pressure because the change in the ambient pressure value and the change in the capacitance value of the pressure sensor are set approximately in the middle of the linear range (for example, a straight line). It is possible to change almost uniformly in response to the above, and the ambient pressure can be measured with high sensitivity within a predetermined pressure range.
本発明の圧力センサは、前記ダイヤフラムが周辺部に比し、中央部が厚く形成されている。
この構成により、本発明の圧力センサは、所定の範囲の圧力変化において、前記ダイヤフラムの初期の湾曲の形状を、電極の湾曲の形状に対応させたままで、ダイヤフラムと電極との対向する部分の距離を、対向面に渡って均一に変化させることができるため、所定の圧力範囲内において、周囲の圧力を高感度で測定することができる。
In the pressure sensor of the present invention, the diaphragm is formed thicker at the center than at the periphery.
With this configuration, the pressure sensor according to the present invention enables the distance between the opposed portions of the diaphragm and the electrode while maintaining the initial curved shape of the diaphragm corresponding to the curved shape of the electrode in a predetermined range of pressure change. Can be uniformly changed over the opposing surface, so that the ambient pressure can be measured with high sensitivity within a predetermined pressure range.
本発明の圧力センサは、前記第１の筺体と第２の筺体とで囲まれた密閉部分が略真空に封止されている。
この構成により、本発明の圧力センサは、周囲の圧力に対して減圧状態で所定の圧力に調整することで、密閉部分の圧力を、ダイヤフラムと電極との距離が、周囲の初期の圧力値において、周囲の圧力値の変化と圧力センサの容量値との変化が線形（例えば、直線）である範囲のほぼ中間に設定することが可能なため、所定の圧力範囲内において、周囲の圧力を高感度で測定することができる。
In the pressure sensor of the present invention, a sealed portion surrounded by the first casing and the second casing is sealed in a substantially vacuum.
With this configuration, the pressure sensor of the present invention adjusts the pressure of the sealed portion to a predetermined pressure in a reduced pressure state with respect to the ambient pressure, so that the distance between the diaphragm and the electrode is the initial pressure value of the ambient. Since the change in the ambient pressure value and the change in the capacitance value of the pressure sensor can be set to approximately the middle of a linear (for example, straight) range, the ambient pressure can be increased within a predetermined pressure range. It can be measured with sensitivity.
本発明の圧力センサの製造方法は、ダイヤフラムが設けられた第１の筺体と、前記ダイヤフラムと同様の湾曲形状を有する電極が形成された第２の筺体と、からなる静電容量型の圧力センサの製造方法であり、基板表面のフォトレジストに対し、グレースケール露光を行う露光過程と、前記フォトレジストを現像処理し、湾曲形状のレジストパターンを形成するパターン形成過程と、前記レジストの表面から前記基板に向けて全面を略均等にエッチングして前記湾曲形状を前記基板上に形成する過程と、前記基板の前記湾曲形状に沿って電極を形成することにより第２の筐体を形成する電極形成過程とを有している。
この過程により、本発明の圧力センサの製造方法は、圧力センサの測定範囲の略中間の圧力の時のダイヤフラムの形状と同様の湾曲を、制御性良く、簡単な製造工程により形成できるため、上記湾曲を少ないバラツキで作成でき、周囲の圧力を高感度で測定できる圧力センサを容易に精度よく製造できる。
The method for manufacturing a pressure sensor according to the present invention is a capacitance type pressure sensor comprising: a first casing provided with a diaphragm; and a second casing formed with an electrode having a curved shape similar to that of the diaphragm. The photoresist on the substrate surface, an exposure process for performing gray scale exposure, a pattern forming process for developing the photoresist to form a curved resist pattern, and the resist surface from the surface of the resist. A process of forming the curved shape on the substrate by etching the entire surface substantially uniformly toward the substrate, and forming an electrode that forms a second housing by forming an electrode along the curved shape of the substrate Process.
Through this process, the pressure sensor manufacturing method of the present invention can form a curve similar to the shape of the diaphragm at a pressure substantially in the middle of the measurement range of the pressure sensor with a good controllability and a simple manufacturing process. It is possible to easily and accurately manufacture a pressure sensor that can create a curve with less variation and can measure ambient pressure with high sensitivity.
また、本発明の圧力センサの製造方法は、ダイヤフラムが設けられた第１の筺体と、前記ダイヤフラムと同様の湾曲形状を有する電極が形成された第２の筺体と、からなる静電容量型の圧力センサの製造方法であり、前記湾曲形状に合致する形状を有する金型を基板上に重ねて熱プレスすることにより前記基板上に前記湾曲形状を形成する熱プレス過程と、前記基板の前記湾曲形状に沿って電極を形成することにより前記第２の筐体を形成する電極形成過程とを有する製造方法であってよい。
このような製造方法においても、圧力センサの測定範囲の略中間の圧力の時のダイヤフラムの形状と同様の湾曲を、制御性良く、簡単な製造工程により形成できるため、上記湾曲を少ないバラツキで作成でき、周囲の圧力を高感度で測定できる圧力センサを容易に精度よく製造できる。
Further, the pressure sensor manufacturing method of the present invention is a capacitance type comprising a first housing provided with a diaphragm and a second housing formed with an electrode having a curved shape similar to the diaphragm. A method of manufacturing a pressure sensor, wherein a heat press process of forming the curved shape on the substrate by stacking and pressing a mold having a shape matching the curved shape on the substrate, and the bending of the substrate It may be a manufacturing method having an electrode forming process of forming the second casing by forming an electrode along a shape.
Even in such a manufacturing method, a curve similar to the shape of the diaphragm at a pressure approximately in the middle of the measurement range of the pressure sensor can be formed by a simple manufacturing process with good controllability, so the above curve is created with little variation. Thus, a pressure sensor capable of measuring the ambient pressure with high sensitivity can be manufactured easily and accurately.
以上説明したように、本発明の圧力センサによれば、圧力変化によるダイヤフラムの歪み量が、ダイヤフラム中央部と周辺部で、大きな差が無くなり、周囲の圧力変化と容量変化との線形性（例えば、直線性）が改善されて、周囲の圧力を高感度で測定することができる。
また、本発明の圧力センサの製造方法によれば、ダイヤフラムの形状が従来の圧力センサと同等であるが、従来に比して、ダイヤフラムの機械的強度が維持され、複雑な製造工程を必要としないため、製造されるセンサ間のばらつきを小さくすることができる。
As described above, according to the pressure sensor of the present invention, the amount of distortion of the diaphragm due to the pressure change is not greatly different between the central portion and the peripheral portion of the diaphragm, and the linearity between the surrounding pressure change and the capacitance change (for example, , Linearity) is improved, and ambient pressure can be measured with high sensitivity.
Further, according to the pressure sensor manufacturing method of the present invention, the shape of the diaphragm is the same as that of the conventional pressure sensor, but the mechanical strength of the diaphragm is maintained as compared with the conventional pressure sensor, and a complicated manufacturing process is required. Therefore, the variation between manufactured sensors can be reduced.
以下、本発明の圧力センサを図面を参照して説明する。 The pressure sensor of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図１は、本発明の第１実施形態の圧力センサの構造例を示す斜視図である。図２は図１の線分Ａ−Ａにおける線視断面図である。
図において、基板１は、ガラス及びセラミックなどの絶縁体材料で構成されており、図２に示すように、後に説明するダイヤフラム部７に対向する領域が、このダイヤフラム部７の湾曲の形状に対応して、同様の湾曲形状に加工された、円形状の対向部１ａを有している。
固定電極２は、例えば、Ｐt/Ｔi（プラチナとチタンとの積層）などの導電体が用いられ、上記基板１表面の対向部１aを覆うように形成され、一端が延在されて外部と接続する端子部２ａとなっており、他端がこの対向部１ａの端部で終端している。
FIG. 1 is a perspective view showing a structural example of a pressure sensor according to a first embodiment of the present invention. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
In the figure, the
The
上部基板４は、Ｓi（シリコン）等の半導体が用いられ、基板１の対向部１ａに対向する部分を含む近傍の領域に溝６が形成されている。
溝６には、基板１の対向部１ａに対し、上記溝６の裏面に、平面視で対向する位置に円形状のダイヤフラム部７が設けられている。
このダイヤフラム部７は、溝６の底部において、ダイヤフラム部７と、このダイヤフラム部７以外の周辺部４ａと境界部の基板の厚さを、所定の倍率だけダイヤフラム部７の厚さに比較して厚く形成しても良い。
For the
In the
This
この上部基板４は、基板１表面において、上記固定電極２の他端の終端に対し電気的に接触しないように、所定の幅を有して、基板１上面の外周部に、気密性を有して配設されている。
また、この上部基板４は、一辺において、固定電極２の延在された端子部２ａが外部に引き出される開口部８が設けられている。
ここで、上記端子部２ａは、上記開口部８から上部基板４と、電気的に接触しないように、上部基板４から引き出されている。
The
Further, the
Here, the
この開口部８には、端子部２ａと上部基板４との間に、絶縁性の材料で作成された封止材３が、気密性を有した状態において設けられている。
そして、空間部９は、基板１と上部基板４とが気密性を有して接続され構成されており、また、開口部８も上記封止材３により気密性が確保され、所定の圧力に減圧された状態となっている。
この上記所定の圧力とは、この圧力センサを用いる測定する環境の初期の圧力（または測定する圧力範囲の中心圧力）に対して、ダイヤフラム部７と対向部１ａとの初期の距離が、線形的（例えば、直線的）に変化する距離範囲の中心の距離となるように設定された圧力を指している。
In the
The space 9 is configured such that the
The predetermined pressure is such that the initial distance between the
また、この圧力センサを用いる測定する環境の初期の圧力（または測定する圧力範囲の中心圧力）に対して、ダイヤフラム部７と対向部１ａとの初期の距離が、線形的（例えば、直線的）に変化する距離範囲の中心の距離となるように、空間部９の圧力を調整するとともに、対向部１ａの形状を、ダイヤフラム部７の湾曲形状に対応するように構成してもよい。
電極５は、Ａu/Ｔi（金とチタンとの積層）などの導電体が用いられ、上部基板４とオーミック性を有して電気的に接続されている。
Further, the initial distance between the
The
次に、図面を参照して、本発明の第１実施形態の圧力センサの製造工程の説明を行う。
＜上部基板４の製造工程＞
図３から図８を参照して、上部基板４の製造工程を説明する。
図３は上部基板４の裏面、すなわち、圧力センサの構成において基板１の表面と対向する面を示している。図４及び図５は図３の線分Ａ−Ａにおける線視断面図である。図６は図３と同様に上部基板４の裏面を示している。図７及び図８は図６の線分Ａ−Ａにおける線視断面図を示している。ここで、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、必ずしも実際の圧力センサの寸法関係に対応するものではない。
図３及び図４において、例えば、上部基板４に比抵抗０.０１Ωcmのｐ型シリコンを用い、表面を酸素雰囲気中において加熱することで、２００nmの熱酸化膜３０を形成する。
Next, the manufacturing process of the pressure sensor according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
<Manufacturing process of
A manufacturing process of the
FIG. 3 shows the back surface of the
3 and 4, for example, p-type silicon having a specific resistance of 0.01 Ωcm is used for the
そして、上部基板４の裏面側に、レジストが塗布し、ダイヤフラム部７と、後に固定電極２の端子部２ａを外部に引き出すための配線が通る開口部８と、後に端子部２ａが形成される領域に設けられる溝４ｂと、を作成するためのレジストパターンを、リソグラフィ（フォトリソグラフィ）によって形成する。
ここで、ポジレジストを用い、ダイヤフラム部７，開口部８及び溝４ｂの部分が露光されるマスクを用い、露光された部分のレジストを除去することにより、レジストパターンが形成される（以下の説明においても同様）。
次に、上記ダイヤフラム部７，開口部８及び溝４ｂの部分のレジストを除去し、熱酸化膜３０をウエットエッチングにより除去する。
そして、レジストと熱酸化膜３０とをマスクとして、熱酸化膜３０が除去されているダイヤフラム部７，開口部８及び溝４ｂの部分のシリコンを、１〜２μｍの深さに、ウエットエッチングまたはドライエッチングによりエッチング処理する。これにより、上部基板４は図４に示す断面図の形状となる。
Then, a resist is applied to the back surface side of the
Here, a resist pattern is formed by removing the exposed portion of the resist using a positive resist and a mask in which the portions of the
Next, the resist of the
Then, using the resist and the
次に、上部基板４の裏面にあるレジストパターンを形成しているレジストを、アッシングまたは有機溶媒等により全面で除去し、熱酸化膜３０の洗浄（酸化膜のウォッシング）を行う。
そして、上部基板４の裏面に新たにレジストを塗布し、後に仮固定部４ｃを上部基板４から分離させるための溝４ｄを、上記溝４ｂの内側かつ近傍に生成するためのレジストパターンを、リソグラフィにより形成する。
次に、レジストパターンをマスクとして、ドライエッチングによりシリコンをエッチングし、１００μｍの深さの溝４ｄを形成する。
そして、上部基板４の裏面にあるレジストパターンを形成しているレジストを、アッシングまたは有機溶媒等により全面で除去する。これにより、上部基板４は図５に示す断面図の形状となる。
Next, the resist forming the resist pattern on the back surface of the
Then, a resist is newly applied on the back surface of the
Next, using the resist pattern as a mask, the silicon is etched by dry etching to form a
Then, the resist forming the resist pattern on the back surface of the
次に、上部基板４の表面及び裏面双方の全面に、１０ｎｍのシリコン窒化膜３１を形成する。
そして、上部基板４の表面、すなわち、上部基板４と基板１とを接合し、圧力センサを形成させるときに、基板１の表面と対向しない面において、上記シリコン窒化膜３１上にレジストを塗布し、溝６を形成するためのレジストパターンをリソグラフィにより形成する。
そして、溝６が形成される部分のシリコン窒化膜３１を、ウエットエッチングにより除去する。
Next, a 10 nm
Then, a resist is applied on the
Then, the portion of the
この後、レジストパターン及びシリコン窒化膜３１をマスクとして、ＫＯＨ（水酸化カリウム）溶液またはＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）溶液により、異方性を有するウエットエッチングにより、ダイヤフラム部７が所定の厚さになるよう、溝の深さを制御しつつ溝６の形成を行う。これにより、上部基板４は図７に示す断面図の形状となる。
次に、上部基板４上のレジストパターンを除去した後、上部基板４全体の窒化膜を除去する。
Thereafter, using the resist pattern and the
Next, after removing the resist pattern on the
そして、上部基板４の表面に導電性金属（例えば、Ａu／Ｔi）の金属層をスパッタ等により堆積させ、この金属層上部にレジストを塗布し、電極５を形成するためのレジストパターンをリソグラフィにより作成する。
次に、このレジストパターンをマスクとして、異方性エッチングにより電極５以外の部分の金属層を除去し、電極５を形成する。これにより、上部基板４は図８に示す断面図の形状となる。
Then, a metal layer of conductive metal (for example, Au / Ti) is deposited on the surface of the
Next, using this resist pattern as a mask, the metal layer other than the
＜基板１の製造工程＞
次に、図９から図１５を用いて、基板１の製造工程を説明する。
図１５は基板１の完成後の表面、すなわち、圧力センサの構成において上部基板４の裏面と対向する面を示している。図９から図１２は、図１５の線分Ａ−Ａにおける、各工程毎の加工後の構造を示す線視断面図である。
図９において、例えば、基板１にガラス基板を用い、表面に所定の厚さ（作成する対向部１ａの深さや面積に対応して調整する）のレジスト５０を塗布する。
<Manufacturing process of
Next, the manufacturing process of the board |
FIG. 15 shows the surface of the
In FIG. 9, for example, a glass substrate is used as the
そして、このレジスト５０において、上部基板４と基板１とを結合して圧力センサとする場合に、上部基板４に形成されたダイヤフラム部７と平面視にて重なる領域５０ａに対してグレースケール露光を行う。
このとき、グレースケール露光を行う領域５０ａの中心の露光量が最大となるようにし、かつ、上部基板４と基板１とを重ね合わせたとき、このグレースケール露光された領域５０ａの中心と、ダイヤフラム部７の中心とが一致するように、レジスト５０に対して露光処理を行う。そして、有機溶剤等により所定の現像を行うことにより、図９に示す構造となる。
In the resist 50, when the
At this time, when the exposure amount at the center of the
次に、レジスト５０全面に対して、レジスト５０と基板１とのドライエッチングを行い、図１０に示す断面構造の対向部１ａを形成して、基板１の表面のレジスト５０の残差を除去する。
Next, dry etching of the resist 50 and the
また、以下に示すように、図１０に示す断面構造の基板１を製造しても良い。
すなわち、図１１に示すように、作成する対向部１ａの湾曲形状に合致する形状を有するＮｉやＳｉＣなどからなる金型４０を基板１上に重ね、４００〜７００℃で熱プレスすることにより、上部基板４と基板１とを結合して圧力センサとする場合に、上部基板４に形成されたダイヤフラム部７と平面視にて重なる基板１の領域に、図１２に示すように、円形状の湾曲形状を有する対向部１ａを形成する。
その後、基板１から金型４０を離型することにより図１０に示す断面構造の基板１とする。
Further, as shown below, the
That is, as shown in FIG. 11, a
Thereafter, the
次に、図１０に示す基板１の表面にレジスト５２を所定の厚さに塗布する。レジスト５２の塗布方法としては、対向部１ａの外形形状に沿って均一な厚みに塗布するために、スプレーコート法により行うことが望ましい。次いで、レジスト５２をリソグラフィにより、対向部１ａの固定電極２と、端子部２ａと、固定電極２及び端子部２ａを電気的に接続する配線２ｂとの形成領域のレジスト５２を除去したレジストパターンを形成する。
Next, a resist 52 is applied to a predetermined thickness on the surface of the
その後、基板１の全表面に導電性金属（例えば、Ｐt／Ｔi）の金属層５３をスパッタ等により堆積させ、図１３に示す断面の構造とする。
そして、レジストパターン（レジスト５２）を除去することにより、このレジストパターン上部の金属層５３を除去し、すなわちリフトオフ法により、基板１の湾曲形状に沿って、対向部１ａの固定電極２と、端子部２ａと、この固定電極２及び端子部２ａを電気的に接続する配線２ｂとを形成し、図１４に示す断面の構造とする。
Thereafter, a
Then, by removing the resist pattern (resist 52), the
なお、図１４に示す固定電極２と、端子部２ａと、固定電極２及び端子部２ａを電気的に接続する配線２ｂは、図１０に示す断面構造の基板１上の所定の位置に、モリブデン等の金属薄板を用い、必要部分に開口部を形成したステンシルマスクを設けて、基板１の全表面に金属層５３をスパッタ等により堆積させ、その後、ステンシルマスクおよびステンシルマスク上の金属層５３を除去することにより形成してもよい。
The fixed
図１５には、基板１の表面に形成された固定電極２と、端子部２ａと、この固定電極２及び端子部２ａを電気的に接続する配線２ｂとの平面視した構造が示されている。
FIG. 15 shows a structure in plan view of the fixed
また、図１６に示すように、固定電極２を複数の電極部に分割し、この分割した電極部各々を独立に、端子部２ａに接続するように構成しても良い。
これにより、圧力センサの製造後において、周囲の圧力変化と容量値の変化との線形性（例えば、直線性）を、各配線２ｂの切断の有無により、製造された各圧力センサ毎に調整し、製造バラツキを補正することが可能となり、均一な特性の圧力センサを製造することができる。容量値を調整しやすいように、分割される電極部を大きい面積のものと小さい面積のものとで形成しておくようにしてもよい。
Further, as shown in FIG. 16, the fixed
Thereby, after manufacturing the pressure sensor, the linearity (for example, linearity) between the change in the surrounding pressure and the change in the capacitance value is adjusted for each manufactured pressure sensor depending on whether or not each
＜圧力センサの製造工程＞
次に、図１７，図１８及び図１９を用いて、基板１と上部基板４とを接合して形成する圧力センサの製造工程を説明する。
すでに述べたように、図１は圧力センサの完成後の斜視図であり、図１７から図１９は、図１の線分Ａ−Ａにおける、各工程毎の加工後の構造を示す線視断面図である。
図１７に示すように、基板１の表面と、上部基板４の裏面とが対向するように、基板１と上部基板４とを、重ね合わせて、陽極接合によって接合部が気密性を有する接合を行う。
<Manufacturing process of pressure sensor>
Next, a manufacturing process of a pressure sensor formed by bonding the
As described above, FIG. 1 is a perspective view after the pressure sensor is completed, and FIGS. 17 to 19 are sectional views taken along line AA in FIG. FIG.
As shown in FIG. 17, the
ここで、基板１と上部基板４とを重なり合わせるとき、ダイヤフラム部７の中心と、固定電極２の中心とが平面視で一致するように行う。
これにより、固定電極２と、端子部２ａと、固定電極２及び端子部２ａを接続する配線２ｂとが、各々ダイヤフラム部７，溝４ｂ，開口部８により、上部基板４と対向して接続される。
この結果、固定電極２と、端子部２ａと、固定電極２及び端子部２ａを接続する配線２ｂとが、上部基板４と電気的に接触せず、絶縁された状態となる。
そして、張り合わせた後、この圧力センサをダイシング用テープに貼着して固定し、図１８に示すように溝４ｄ部分に対してハーフダイシングすることにより、図１９に示すように、上部基板４から仮固定部４ｃを分離する。
Here, when the
As a result, the fixed
As a result, the fixed
Then, after pasting, this pressure sensor is adhered and fixed to a dicing tape, and half dicing is performed on the
そして、基板１に複数形成されている圧力センサ各々をダイシングにより切り出し、真空中（例えば、すでに説明した所定の圧力中）において、図２に示すように封止材３により気密性を有した状態で封止する。これにより、空間部９は上記所定の圧力に設定されることになる。
A plurality of pressure sensors formed on the
＜作成された圧力センサの評価＞
静電容量方式のダイヤフラム型圧力センサでは、すでに述べたように、可動電極であるダイヤフラム部７が圧力によって変形し、対向する固定電極２との距離が変化することにより、静電容量が変化し、圧力を検出する。
このダイヤフラム部７が、周囲の圧力に比例して、固定電極２に対し、平行に変位する場合には、その静電容量は、距離の逆数に比例することになる。
このとき、図２０に示す簡単な共振回路におけるコンデンサ７０として圧力センサを用いると、この共振回路の周波数がコンデンサ７０の容量に対応して変化する。
理想的な平行平板の構成のコンデンサであれば、発振周波数と圧力との関係は線形（直線）性を有しており、この関係を圧力と発振周波数（すなわち容量）との線形性と定義する。
<Evaluation of the created pressure sensor>
In the capacitance type diaphragm type pressure sensor, as already described, the
When the
At this time, when a pressure sensor is used as the
In the case of a capacitor having an ideal parallel plate configuration, the relationship between the oscillation frequency and the pressure is linear (linear), and this relationship is defined as the linearity between the pressure and the oscillation frequency (ie, capacitance). .
ところが、実際には、静電容量方式のダイヤフラム型圧力センサにおいて、図３５に示す従来の圧力センサの構造のように、ダイヤフラム１００が、周囲で固定されているため、中央部がより大きく撓み、周辺部へ行くほど撓みが小さくなる。
このために、固定電極１０１とダイヤフラム１００との距離が対向面において均一に変化しないため、圧力と周波数出力との関係に、線形性が損なわれる。
一方、本発明の第１実施形態においては、この線形性を改善するため、ダイヤフラム部７と対向部１ａ（すなわち、固定電極２）とを同様の形状に湾曲させているため、ダイヤフラム部７と固定電極２との距離が対向面においてほぼ均一に変化することになる。
However, in reality, in the diaphragm type pressure sensor of the electrostatic capacity type, since the
For this reason, since the distance between the fixed
On the other hand, in the first embodiment of the present invention, in order to improve the linearity, the
その改善効果を示すため、図２１に従来例と本発明との圧力センサを用いた場合の図２０における圧力と周波数出力との関係のグラフを示す。
このグラフにおいては、ダイヤフラム部７の厚さを５０μｍとし、ダイヤフラム部７と固定電極２との対向する領域の面積を径１mmの円（平面視において）とし、対向する面の距離を数μ（１〜３μｍ）とした構造の圧力センサを例としている。
また、比較する従来も同様な寸法により形成されている。
In order to show the improvement effect, FIG. 21 shows a graph of the relationship between the pressure and the frequency output in FIG. 20 when the pressure sensor of the conventional example and the present invention is used.
In this graph, the thickness of the
Also, the conventional ones to be compared are formed with similar dimensions.
グラフ中には、各グラフに対するＲ２乗値（回帰分析における）を示しており、１に近いほど線形に近いことを示している。
理想的なコンデンサ（平行平板）の線は、ダイヤフラムが固定電極に平行に変位する場合を示しており、理論通り比例関係にある。
本発明の構造においては、固定電極２側を、５００ｋPa（パスカル）の圧力を印加したときのダイヤフラム部７の形状と同じ形状に加工した場合であり、従来構造に比べて大幅に線形性が改善されていることが分かる。
In the graph, the R square value (in regression analysis) for each graph is shown, and the closer to 1, the closer to linear.
An ideal capacitor (parallel plate) line shows a case where the diaphragm is displaced in parallel to the fixed electrode, and is in a proportional relation as in theory.
In the structure of the present invention, the fixed
図２２は、本発明の第２実施形態の構造例を示す断面図である。なお、図２２において、図２と同一の部分については同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分のみ説明する。
図２２に示す第２実施形態の圧力センサが、図２に示す第１実施形態の圧力センサと異なるところは、上部基板４の開口部８に代えて、端子部２ａが基板１２を貫通する取出電極１ｂと基板１２の下面に形成された電極パッド２２とを介して外部と電気的に接続されている点、電極５に代えて、基板１２を貫通する取出電極１ｃと基板１２の下面に形成された電極パッド５３とが設けられている点である。
FIG. 22 is a cross-sectional view showing a structural example of the second embodiment of the present invention. In FIG. 22, the same parts as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, description thereof is omitted, and only different parts will be described.
The pressure sensor of the second embodiment shown in FIG. 22 differs from the pressure sensor of the first embodiment shown in FIG. 2 in that the
基板１２は、ガラスで構成され、シリコンからなる取出電極１ｂ、１ｃを備えている。また、基板１２は、上部基板４２と気密性を有して接続され、図２２に示すように、第１実施形態の圧力センサと同様に、ダイヤフラム部７に対向する領域が、ダイヤフラム部７の湾曲の形状に対応して、同様の湾曲形状に加工された、円形状の対向部１ａを有している。
The
次に、図面を参照して、本発明の第２実施形態の圧力センサの製造工程の説明を行う。なお、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、必ずしも実際の圧力センサの寸法関係に対応するものではない。
＜上部基板４２の製造工程＞
図２３から図２５を参照して、上部基板４２の製造工程を説明する。
図２３は上部基板４２の裏面、すなわち、圧力センサの構成において基板１２の表面と対向する面を示している。図２４および図２５は図２３の線分Ａ−Ａにおける線視断面図である。
Next, with reference to drawings, the manufacturing process of the pressure sensor of 2nd Embodiment of this invention is demonstrated. In addition, the magnitude | size, thickness, dimension, etc. of each part shown in figure do not necessarily respond | correspond to the dimensional relationship of an actual pressure sensor.
<Manufacturing process of
A manufacturing process of the
FIG. 23 shows the back surface of the
図２３及び図２４において、第１実施形態と同様にして、表面および裏面に熱酸化膜３０を形成し、上部基板４２の裏面側にレジストを塗布して、ダイヤフラム部７と、後に端子部２ａが形成される領域に設けられる凹部４ｅとを作成するためのレジストパターンを形成する。
次に、第１実施形態と同様にして、ダイヤフラム部７及び凹部４ｅの部分のレジストと熱酸化膜３０とを除去し、ダイヤフラム部７及び凹部４ｅの部分をエッチング処理する。これにより、上部基板４２は図２４に示す断面図の形状となる。
23 and 24, as in the first embodiment, a
Next, in the same manner as in the first embodiment, the resist and the
次に、第１実施形態と同様にして、上部基板４２の裏面にあるレジストパターンを形成しているレジストを除去し、熱酸化膜３０の洗浄を行う。
次に、第１実施形態と同様にして、溝６の形成を行う。これにより、上部基板４２は図２５に示す断面図の形状となる。
Next, similarly to the first embodiment, the resist forming the resist pattern on the back surface of the
Next, the
＜基板１２の製造工程＞
次に、図２６から図３３を用いて、基板１２の製造工程を説明する。
図２６は基板１２の完成後の表面、すなわち、圧力センサの構成において上部基板４２の裏面と対向する面を示している。図２７から図３３は、図２６の線分Ａ−Ａにおける、各工程毎の加工後の構造を示す線視断面図である。図２６には、基板１２の表面に形成された固定電極２と、端子部２ａと、この固定電極２及び端子部２ａを電気的に接続する配線２ｂとの平面視した構造が示されている。
<Manufacturing process of
Next, the manufacturing process of the
FIG. 26 shows the surface of the
基板１２を製造するには、まず、図２７に示すように、シリコン基板１５の一部をエッチング等により加工して突起状の取出電極１ｂ、１ｃを形成する。例えば、取出電極１ｂ、１ｃの高さは、基板１２の厚みに応じて適宜決定される。
To manufacture the
次に、図２８に示すように、シリコン基板１５の取出電極１ｂ、１ｃ上に基板１２を重ね、基板１２上に円形状の湾曲形状を有する対向部１ａを形成するための金型４０を重ね、４００〜７００℃で熱プレスすることにより、図２９に示すように、基板１２内にシリコン基板１５の取出電極１ｂ、１ｃを挿入するとともに、上部基板４２と基板１２とを結合して圧力センサとする場合に、上部基板４２に形成されたダイヤフラム部７と平面視にて重なる基板１２の領域に対向部１ａとなる円形状の湾曲形状を形成する。
Next, as shown in FIG. 28, the
その後、取出電極１ｂ、１ｃが挿入された基板１２を冷却し、図３０に示すように、基板１２から金型４０を離型する。次に、３００〜４５０℃に加熱した状態で３００〜１０００Ｖ程度の電圧をかけてシリコン基板１５と基板１２とを陽極接合する。
次に、基板１２の下面をエッチングまたは研磨してシリコン基板１５の基部を除去し、基板１２の上面をエッチングまたは研磨して基板１２の表面に取出電極１ｂ、１ｃの頂部を露出させることにより、図３１に示すように、シリコンからなり基板１２を貫通する取出電極１ｂ、１ｃを備え、円形状の湾曲形状を有する対向部１ａが形成された基板１２が得られる。
Thereafter, the
Next, the bottom surface of the
次に、第１実施形態と同様にして、対向部１ａの固定電極２と、端子部２ａと、固定電極２及び端子部２ａを電気的に接続する配線２ｂの形成領域のレジスト５２を除去したレジストパターンを形成し、基板１２の全表面に導電性金属（例えば、Ｐt／Ｔi）の金属層５３をスパッタ等により堆積させ、図３２に示す断面の構造とする。
Next, as in the first embodiment, the resist 52 in the formation region of the fixed
そして、第１実施形態と同様にして、レジストパターン（レジスト５２）と金属層５３を除去することにより、基板１の湾曲形状に沿って、対向部１ａの固定電極２と、端子部２ａと、この固定電極２及び端子部２ａを電気的に接続する配線２ｂとを形成する。
次いで、基板１２の裏面に導電性金属（例えば、Ａu／Ｔi）の金属層をスパッタ等により堆積させ、この金属層上部にレジストを塗布し、電極パッド２２、５３を形成するためのレジストパターンをリソグラフィにより作成する。
次に、このレジストパターンをマスクとして、異方性エッチングにより電極パッド２２、５３以外の部分の金属層を除去し、電極パッド２２、５３を形成する。これにより、基板１２は図３３に示す断面の構造となる。
Then, in the same manner as in the first embodiment, by removing the resist pattern (resist 52) and the
Next, a metal layer of conductive metal (for example, Au / Ti) is deposited on the back surface of the
Next, using this resist pattern as a mask, the metal layers other than the
＜圧力センサの製造工程＞
次に、基板１２の表面と上部基板４２の裏面とが対向するように、基板１２と上部基板４２とを重ね合わせ、陽極接合によって接合部が気密性を有する接合を行い、空間部９を形成する。基板１２と上部基板４とを重ね合わせるとき、固定電極２と端子部２ａとが、各々ダイヤフラム部７と凹部４ｅとに対向するように配置される。
その後、基板１２に複数形成されている圧力センサ各々をダイシングにより切り出し、図２２に示す圧力センサとする。
<Manufacturing process of pressure sensor>
Next, the
Thereafter, each of the plurality of pressure sensors formed on the
本発明の第２実施形態の圧力センサにおいても、第１実施形態と同様に、ダイヤフラム部７と対向部１ａ（すなわち、固定電極２）とを同様の形状に湾曲させているため、ダイヤフラム部７と固定電極２との距離が対向面においてほぼ均一に変化することになる。したがって、周囲の圧力変化と容量変化との線形性を改善することができる。
Also in the pressure sensor of the second embodiment of the present invention, the
また、第２実施形態の圧力センサは、基板１２と上部基板４２との陽極接合によって空間部９が形成されるので、封止材３を設けることにより空間部９を形成する第１実施形態と比較して、気密性に優れたものとなる。また、封止材３を設ける必要がなく、基板１２と上部基板４２とを接合するだけで、空間部９を形成することができるので、製造が容易である。
また、第２実施形態の圧力センサは、基板１２の下面に設けられた電極パッド２２と電極パッド５３とを介して外部と電気的に接続できるので、外部と容易に接続できる。
Further, in the pressure sensor of the second embodiment, the space portion 9 is formed by anodic bonding of the
Moreover, since the pressure sensor of the second embodiment can be electrically connected to the outside via the
図３４は、本発明の第３実施形態の構造例を示す断面図である。なお、図３４において、図２と同一の部分については同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分のみ説明する。
図３４に示す第３実施形態の圧力センサが、図２に示す第１実施形態の圧力センサと異なるところは、上部基板４の開口部８に代えて、端子部２ａが基板１３を貫通する取出電極１ｂと基板１３の下面に形成された電極パッド２２とを介して外部と電気的に接続されている点、電極５に代えて、上部基板４３上の端子部２ａと平面的に重なり合う領域に電極５５が設けられている点である。
FIG. 34 is a cross-sectional view showing a structural example of the third embodiment of the present invention. In FIG. 34, the same portions as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, description thereof is omitted, and only different portions are described.
The pressure sensor of the third embodiment shown in FIG. 34 differs from the pressure sensor of the first embodiment shown in FIG. 2 in that the
上部基板４３は、第２実施形態を構成する上部基板４２上に電極５５を設けることにより製造できる。
また、基板１３は、図２２に示す第２実施形態と同様に、ガラスで構成され、シリコンからなる取出電極１ｂを備えたものであり、第２実施形態を構成する取出電極１ｃおよび電極パッド５３を設けないことを除いて第２実施形態と同様に製造できる。
そして、図３４に示す圧力センサは、第２実施形態と同様に、基板１３と上部基板４３とを重ね合わせて陽極接合し、ダイシングにより切り出すことによって得られる。
The
Similarly to the second embodiment shown in FIG. 22, the
The pressure sensor shown in FIG. 34 is obtained by superimposing the
本発明の第３実施形態の圧力センサにおいても、第１実施形態と同様に、ダイヤフラム部７と対向部１ａ（すなわち、固定電極２）とを同様の形状に湾曲させているため、ダイヤフラム部７と固定電極２との距離が対向面においてほぼ均一に変化することになる。したがって、周囲の圧力変化と容量変化との線形性を改善することができる。
Also in the pressure sensor of the third embodiment of the present invention, the
また、第３実施形態の圧力センサは、基板１３と上部基板４３との陽極接合によって空間部９が形成されるので、封止材３を設けることにより空間部９を形成する第１実施形態と比較して、気密性に優れたものとなる。また、封止材３を設ける必要がなく、基板１３と上部基板４３とを接合するだけで、空間部９を形成することができるので、製造が容易である。
また、第３実施形態の圧力センサは、端子部２ａと平面的に重なり合う領域に設けられた電極パッド２２および電極パッド５５を介して外部と電気的に接続できるので、外部と容易に接続できる。
In the pressure sensor according to the third embodiment, the space portion 9 is formed by anodic bonding of the
Moreover, since the pressure sensor of the third embodiment can be electrically connected to the outside through the
１、１２…基板、１ａ…対向部、１ｂ、１ｃ…取出電極、２…固定電極、２ａ…端子部、３…封止材、４、４２…上部基板、４ａ…周辺部、５、５５…電極、６，４ｂ，４ｄ…溝、４ｅ…凹部、７…ダイヤフラム部、８…開口部、９…空間部、１５…シリコン基板、２２、５３…電極パッド、４０…金型
DESCRIPTION OF
Claims (9)
ダイヤフラムが設けられた第１の筺体と、
前記ダイヤフラムと対向する電極が形成された第２の筺体と
を有し、
前記電極が湾曲を有した形状であることを特徴とする圧力センサ。 This is a capacitive pressure sensor using a diaphragm system.
A first housing provided with a diaphragm;
A second housing on which an electrode facing the diaphragm is formed;
The pressure sensor, wherein the electrode has a curved shape.
基板表面のフォトレジストに対し、グレースケール露光を行う露光過程と、
前記フォトレジストを現像処理し、湾曲形状のレジストパターンを形成するパターン形成過程と、
前記レジストの表面から前記基板に向けて全面を略均等にエッチングして前記湾曲形状を前記基板上に形成する過程と、
前記基板の前記湾曲形状に沿って電極を形成することにより第２の筐体を形成する電極形成過程と
を有することを特徴とする圧力センサの製造方法。 A capacitance type pressure sensor manufacturing method comprising: a first casing provided with a diaphragm; and a second casing formed with an electrode having a curved shape similar to that of the diaphragm;
An exposure process for performing gray scale exposure on the photoresist on the substrate surface;
A pattern forming process of developing the photoresist to form a curved resist pattern;
Etching the entire surface from the surface of the resist toward the substrate to form the curved shape on the substrate;
A method of manufacturing a pressure sensor, comprising: forming an electrode along the curved shape of the substrate to form a second housing.
前記湾曲形状に合致する形状を有する金型を基板上に重ねて熱プレスすることにより前記基板上に前記湾曲形状を形成する熱プレス過程と、
前記基板の前記湾曲形状に沿って電極を形成することにより前記第２の筐体を形成する電極形成過程と
を有することを特徴とする圧力センサの製造方法。 A capacitance type pressure sensor manufacturing method comprising: a first casing provided with a diaphragm; and a second casing formed with an electrode having a curved shape similar to that of the diaphragm;
A hot pressing process of forming the curved shape on the substrate by superposing and pressing a mold having a shape matching the curved shape on the substrate;
A method of manufacturing a pressure sensor, comprising: forming an electrode along the curved shape of the substrate to form the second casing.
シリコン基板の一部を加工して突起状の取出電極を形成する取出電極形成過程と、
前記シリコン基板の取出電極上に基板を重ね、前記基板上に前記湾曲形状に合致する形状を有する金型を重ねて熱プレスすることにより、前記基板内に前記取出電極を挿入するとともに、前記基板上に前記湾曲形状を形成する熱プレス過程と、
前記取出電極と電気的に接続される電極を前記基板の前記湾曲形状に沿って形成することにより前記第２の筐体を形成する電極形成過程と
を有することを特徴とする圧力センサの製造方法。
A capacitance type pressure sensor manufacturing method comprising: a first casing provided with a diaphragm; and a second casing formed with an electrode having a curved shape similar to that of the diaphragm;
Extraction electrode formation process in which a part of the silicon substrate is processed to form a protruding extraction electrode;
The substrate is stacked on the extraction electrode of the silicon substrate, and a metal mold having a shape matching the curved shape is stacked on the substrate and hot-pressed to insert the extraction electrode into the substrate, and the substrate A hot pressing process to form the curved shape on the top,
A method of manufacturing a pressure sensor, comprising: forming an electrode electrically connected to the extraction electrode along the curved shape of the substrate to form the second casing. .
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|---|---|---|---|
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Cited By (3)
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- 2005-01-27 JP JP2005019356A patent/JP2006208135A/en not_active Withdrawn
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