JPH08304204A - ダイヤフラムユニットの作製方法及びそのダイヤフラムユニットを用いた圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 撓みや破れの無い平坦なダイヤフラム膜を得
るためのダイヤフラムユニットの作製方法、さらにはセ
ンサヘッドの大きさに対する感圧部の大きさを大きくす
るための光ファイバ式圧力センサを提供する。 【構成】 スペ−サ１に貫通孔を設け、除去層４ｂと接
合層４ａの２層からなる基板４を接合層４ａを接合面と
してスペ−サ１の片面に接合し、基板の除去層を除去
し、接合層４ａ上面にダイヤフラム膜３を成膜するもし
くはスペ−サ１に貫通孔を設け、ダイヤフラム膜層と接
合層４ａの２層からなる基板の接合層をスペ−サ１の片
面に接合することによりダイヤフラムユニットＤを形成
する。光ファイバ圧力センサは、ダイヤフラムユニット
Ｄのスペ−サ１を挟んで透明基板と光ファイバ端面とが
固着された光ファイバとからなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、小型化の容易なダイヤ
フラムユニットの作製方法及び小型の光ファイバ−式圧
力センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、細管内や人体内等の検査、作業に
利用できるマイクロマシン技術の研究開発が活発に行わ
れている。その中でダイヤフラムユニットは、膜を故意
に撓ませて力を取出し（マイクロポンプ等）たり、変位
を利用（マイクロバルブ等）したり、また外力（力、温
度などの変化）による膜の撓みや性質の変化を利用（マ
イクロセンサ）したりできる。

【０００３】そして前記ダイヤフラムユニットの作製方
法として図３に示されるような方法が試みられている。
図３は従来のダイヤフラムユニットの作製方法であり、
ウェハ内に多数作製された内の１チップを拡大したもの
である。これに沿って詳述すると、スペ−サとなるシリ
コンウェハ１（図３（ａ））を加熱し表面に酸化膜２を
つけ（図３（ｂ））、前記シリコンウェハ１の片面にダ
イヤフラム膜３を成膜し（図３（ｃ））、これとは反対
の面に所定の形状にパタ−ニングを施す（図３
（ｄ））。そしてシリコンの異方性エッチングによりシ
リコンウェハ１を加工することによりダイヤフラム膜３
とは反対の面からダイヤフラム膜３側の面に向け、断面
方形の孔の大きさが小さくなっていくように傾斜のある
空孔が設けられる（図３（ｅ））。その後、酸化膜２を
除去して（図３（ｆ））ダイシングによる素子化を行い
チップ化されたダイヤフラムユニットが作製される。こ
のような作製方法はダイヤフラムユニットの小型化や量
産化の点で優れている。

【０００４】また、前記ダイヤフラムユニットを光ファ
イバ式圧力センサに用いる場合、例えば前述のダイヤフ
ラムユニット作製方法のダイシングによる素子化の前
に、スペ−サのダイヤフラム膜のある面とは反対の面に
透明基板と光ファイバの位置決め用の案内板を取付け、
その後ダイシングを行い素子化し、前記案内板に光ファ
イバを固着し、圧力センサを作製する方法などがある。
なお、このような光ファイバ式圧力センサの場合前記ダ
イヤフラム膜は可撓性をもち光を反射することが可能な
可撓性反射膜である必要がある。

【０００５】そして前述のようにして作製された圧力セ
ンサは図４に示す構造を有している。即ち、センサ先端
より順にダイヤフラム膜１３と、該ダイヤフラム膜１３
側より他方に向けてテ−パ状に広がっていく孔を持った
スペ−サ１１と、透明基板１５と、案内板１６と、光フ
ァイバ１７とから構成されている。

【０００６】前記のような構成の圧力センサの場合、そ
の動作を簡単に説明すると、送光と受光を兼ねる光ファ
イバ１７からダイヤフラム膜１３に向けて出射された光
は前記ダイヤフラム膜１３によって反射され、その戻り
光が光ファイバ１７に受光される。そして圧力により前
記ダイヤフラム膜１３が撓むとそれに反射した戻り光は
変調して、光ファイバ１７に受光される。この時の光の
変調を平常状態のときと比較演算することによって圧力
を検出することができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前述のダイヤフラムユ
ニット作製方法によって得られたダイヤフラムユニット
では、ダイヤフラム膜を成膜後シリコンの異方性エッチ
ングを行うのでダイヤフラム膜に撓みや破れが生じると
いう問題が生じていた。またチップ化する前には部分的
にダイヤフラム膜がスペ−サとなるシリコンウェハから
剥離している場合も生じる。

【０００８】そして前記ダイヤフラムユニットを圧力セ
ンサに用いた場合には、前述の問題によるセンサ特性の
個体間によるばらつき、歩留りが悪いといった問題に加
えて、スペ−サの貫通孔などで形成される圧力基準室の
形状がダイヤフラム膜側に向けて小さくなっていること
により、実際に感圧部となる圧力基準室に露出したダイ
ヤフラム膜の大きさに対して、センサヘッド全体の大き
さが無用に大きくなってしまうといった問題があった。

【０００９】従って本発明は、撓みや破れの無い平坦な
ダイヤフラム膜を得るためのダイヤフラムユニットの作
製方法、さらにはセンサヘッドの大きさに対する感圧部
の大きさを大きくするための光ファイバ式圧力センサを
提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明のダイヤフラムユ
ニット作製方法は、（１）貫通孔を有するスペ−サに、
除去層と接合層の２層からなる基板の前記接合層側を接
合し、該基板の除去層を除去し、接合層上面にダイヤフ
ラム膜を成膜すること、（２）予め接合層となる基材に
ダイヤフラム膜層を成膜した積層体を形成しておき、こ
れを貫通孔を有するスペ−サに、前記積層体の接合層側
を接合することを特徴とするものである。

【００１１】そして（１）、（２）において、スペ−サ
と接合層とを接合した後、ダイヤフラム膜とスペ−サと
の間に残留している接合層によって、前記ダイヤフラム
膜の撓みを利用する場合にダイヤフラム膜が撓まないま
たは撓み量が少なく感度不良である場合などは、前記接
合層のうちスペ−サの開口部に露出している部分につい
て除去することが好適である。

【００１２】（１）において前記基板が除去層と接合層
の２層からなっている理由は、微小な構造体においては
ダイヤフラム膜と既に貫通孔が設けられたスペ−サとの
均一な接合は困難であるため、まずスペ−サとの接合を
容易にする接合層を設ける必要がある。そしてこの接合
層は最終的なダイヤフラムユニットにおいて、ダイヤフ
ラム膜とともに用いるか、またはスペ−サの開口部に露
出している部分を除去されることから、前者においては
可撓性を有する必要があり、後者では容易に除去できる
必要がある。これらを満足するには前記接合層はできる
だけ薄い方がよく、さらに用途によりダイヤフラム膜を
も薄くする必要がある場合はこれらの２層を組み合わせ
て用いることが極めて困難である。

【００１３】そのため予め除去層を設けた２層構造とし
ており、接合後、不用部分である除去層を取り除き接合
層上にダイヤフラム膜を成膜することで接合層及びダイ
ヤフラム膜がともに薄い場合であって、さらにスペ−サ
に貫通孔を設けた後においてもダイヤフラムユニットを
作製することができる。

【００１４】（２）において前記積層体がダイヤフラム
膜層と接合層の２層からなっている理由は、微小な構造
体においてはダイヤフラム膜と既に貫通孔が設けられた
スペ−サとの均一な接合は困難であるため、ダイヤフラ
ム膜とスペ−サとの均一な接合を容易にするためダイヤ
フラム膜と接合層の２層構造の積層体としている。

【００１５】前記スペ−サとしては貫通孔を設けること
ができれば良く特に制限はないが、前記スペ−サをシリ
コンとした場合、異方性エッチングなどの半導体技術に
より貫通孔を形成することができ、ダイヤフラムユニッ
トを小型化とともに同時に多数形成することができる点
でも好ましい。

【００１６】前記基板の除去層としても特に制限はない
が後工程で除去することから接合層や、スペ−サなどの
他の構成部材に影響することなく容易に除去できること
が望ましい。具体的にはシリコンをウェットエッチング
により除去することが既存の半導体プロセスを使用でき
好適である。

【００１７】また前記スペ−サと接合層との接合は微小
な構造体を作製するためには陽極接合法により接合する
ことが望ましい。そして陽極接合法を用いる場合には前
記接合層にはナトリウムを含有したガラス、例えばパイ
レックスガラス（コ−ニング社、商品名）、ＳＤ２（Ｈ
ＯＹＡ社、商品名）などを用いることが望ましい。

【００１８】さらにダイヤフラム膜層についてはダイヤ
フラムユニットの用途に応じて材料を選択すればよく、
例えばマイクロポンプなどのようにダイヤフラム膜を稼
動させて用いる場合には、加熱することで変形するよう
な材料（例えば熱膨張率の異なる材料を組み合わせたバ
イメタル、バイモルフや形状記憶合金など）や電圧を印
加することにより歪みを生じる圧電材料などを用いるこ
とが望ましく、またマイクロ光ファイバ圧力センサとし
て用いる場合には光を反射することができる材料である
ことが必要である。

【００１９】さらに接合層を接合するスペ−サの面につ
いては、スペ−サの貫通孔がテ−パを有している際には
ダイヤフラムユニットの小型化及びダイヤフラムユニッ
ト全体の大きさに対するダイヤフラム膜の可動範囲を大
きくすることができ（例えばこのダイヤフラムユニット
を用いて圧力センサとする場合に感圧部を大きくでき
る）ことから前記スペ−サのテ−パを有する貫通孔の開
口部の大きい側の面に接合することが好適である。

【００２０】そして前記ダイヤフラムユニットを利用し
た光ファイバ圧力センサは、前述のようにして作製され
たダイヤフラムユニットのスペ−サを挟んでダイヤフラ
ム膜のある面とは反対の面に透明基板を、さらに該透明
基板を挟んでダイヤフラム膜に対向するように前記透明
基板と光ファイバ端面とが固着された光ファイバとから
なる。

【００２１】また光ファイバ圧力センサにダイヤフラム
膜を用いる場合は光を反射することが可能な可撓性反射
膜であることが必要であり、該可撓性反射膜としては可
撓性を有するとともに光を反射することができればよい
が、例えば性質の劣化の少ない安定な材料例えば金、シ
リコン、チタン、白金、Ｐｄなど各種金属が好ましい。

【００２２】

【作用】前記手段を用いることによりダイヤフラムユニ
ット作製においてダイヤフラム膜の成膜がシリコンの異
方性エッチングの後に行われることになり、撓みや破れ
が生じることなく平坦なダイヤフラム膜を作製すること
ができる。また前記ダイヤフラムユニットを圧力センサ
に用いた場合においては、センサの特性を安定にでき歩
留りも向上されるとともにダイヤフラムユニットにダイ
ヤフラム膜を成膜する面も空孔部作製後に選択できるた
めに同じセンサヘッドの大きさで感圧部を大きく、また
は同じ感圧部の大きさでセンサヘッドを小さくすること
も可能となる。

【００２３】

【実施例】以下図面に基づいて本発明の一実施例を詳細
に説明する。図１は本発明のダイヤフラムユニット作製
方法の一実施例を示すウェハ上に多数作製されるダイヤ
フラムユニット１チップ分の拡大断面図であり、以下こ
れに沿って説明する。

【００２４】図１（ａ）はスペ−サとして用いるシリコ
ンウェハ１を加熱し、表面に酸化膜２を設けた状態を示
している。そしてこの片面を所定の形状にパタ−ニング
し（図１（ｂ））、シリコンの異方性エッチングにより
シリコンウェハ１を加工、その後、酸化膜２を除去する
ことによりシリコンウェハ１に貫通孔が作製される（図
１（ｃ））。

【００２５】そして除去層となるシリコンウェハ４ｂに
接合層となるナトリウムを含有したガラス４ａを蒸着し
たシリコンウェハ４ｂとナトリウムを含有したガラス４
ａの２層からなる基板４のナトリウムを含有したガラス
層４ａ側と、シリコンウェハ１の開口部の大きい側の面
とを陽極接合法により接合し（図１（ｄ））、前記基板
４のシリコンウェハ４ｂをエッチングにより除去し、後
工程においてダイヤフラム膜３を成膜するための基板と
なるナトリウムを含有したガラス４ａのみを残す（図１
（ｅ））。

【００２６】残った基板４のナトリウムを含有したガラ
ス４ａ上にダイヤフラム膜３となる金を成膜し（図１
（ｆ））、シリコンウェハ１の開口部に露出したナトリ
ウムを含有したガラス４ａを除去することによりダイヤ
フラムユニットが形成される（図１（ｇ））。

【００２７】なお、通常は図１（ｂ）においてシリコン
ウェハ１に多数の貫通孔ができるようにパタ−ニングを
施すことにより、シリコンウェハ１上に多数のダイヤフ
ラムユニットを形成し、後にダイシングにより切断して
チップ化する方法が採用される。

【００２８】そして前記チップ化する前の２インチのシ
リコンウェハ上に形成されたダイヤフラム膜は目視では
極めて平坦であり、また膜の破れもみられなかった。

【００２９】さらに前述のように作製されたダイヤフラ
ムユニットを用いて圧力センサを得る場合、その作製方
法として、例えばまだチップ化される前のウェハ状態の
ダイヤフラムユニットのスペ−サのダイヤフラム膜（光
ファイバ式圧力センサではダイヤフラム膜である必要が
ある）が成膜されている面とは反対側の面に透明ガラス
基板を陽極接合により接合し、この透明ガラス基板の反
対面に前記スペ−サのシリコンウェハ部分と同一構造の
案内板（前記ダイヤフラムユニットの作製方法の図１
（ａ）〜図１（ｃ）によって作製される）を陽極接合に
より接合し、ダイシングにより切断されチップ化された
後、前記案内板に光ファイバを挿入、光ファイバと透明
ガラス基板とを固着する。

【００３０】こうして得られた光ファイバ式圧力センサ
を図２に示す。この図について詳述すると、前述のダイ
ヤフラムユニットの作製方法によりスペ−サ２１の開口
部の大きい側にダイヤフラム膜２３となる金の膜が設け
られ、その後、接合層２４であるナトリウムを含有した
ガラスのうちのスペ−サ２１の開口部に露出している部
分を除去したダイヤフラムユニットと、該ダイヤフラム
ユニットのダイヤフラム膜２３のある面とは反対の面に
設けられた透明ガラス基板２５と、該透明ガラス基板２
５のダイヤフラムユニットとは反対側の面に、テ−パを
有する貫通孔をもち該貫通孔の開口部の小さい側を接合
した案内板２６とからなるセンサヘッドと、前記案内板
２６の貫通孔内で前記透明ガラス基板２５と固着された
光ファイバ２７とからなる光ファイバ式圧力センサであ
る。

【００３１】次に本発明の実施例及び従来例の具体的な
寸法例について示す。 ［実施例］前述の実施例の寸法例として外径１２５μｍ
の光ファイバを用いた場合について示す。センサヘッド
全体の外径寸法は幅３７５μｍ、奥行き３７５μｍ、高
さ約３５０μｍであり、各センサヘッド構成部材の厚さ
（センサヘッドの寸法における高さ方向）はダイヤフラ
ム膜２３が１μｍ、接合層であるナトリウムを含有した
ガラス２４が０．２μｍ、スペ−サ２１が１００μｍ、
透明ガラス基板２５が１５０μｍ、案内板２６が１００
μｍである。さらに圧力基準室の形状はダイヤフラム膜
側が２７５μｍ×２７５μｍの方形、透明ガラス基板２
５側が１３０μｍ×１３０μｍの方形、高さが１００μ
ｍであり、案内板２６の貫通孔は透明ガラス基板２５側
が１３０μｍ×１３０μｍ、開放部（センサヘッド端
部）側が２７５μｍ×２７５μｍである。

【００３２】［比較例］前述した従来例において外径１
２５μｍの光ファイバを用いた場合についての寸法例を
示す。センサヘッド全体の外径寸法は幅３７５μｍ、奥
行き３７５μｍ、高さ約３５０μｍであり、各センサヘ
ッド構成部材の厚さ（センサヘッドの寸法における高さ
方向）はダイヤフラム膜１３が１μｍ、熱酸化膜層１２
が０．６μｍ、スペ−サ１１が１００μｍ、透明ガラス
基板１５が１５０μｍ、案内板１６が１００μｍであ
る。さらに圧力基準室の形状はダイヤフラム膜側が１３
０μｍ×１３０μｍの方形、透明ガラス基板１５側が２
７５μｍ×２７５μｍの方形、高さが１００μｍであ
り、案内板１６の貫通孔は透明ガラス基板２５側が１３
０μｍ×１３０μｍ、開放部（センサヘッド端部）側が
２７５μｍ×２７５μｍである。

【００３３】これらの圧力センサについてセンサ特性を
０．１ＭＰａの圧力を負荷して５０個のセンサについて
評価したところ、従来のダイヤフラムユニットの作製方
法により得られたダイヤフラムユニットを用いて作製さ
れた圧力センサでは、センサの個体間の特性は平均受光
強度は約１．２μＷであり、標準偏差が０．３０２と個
体差が大きかったのに対して、本発明の圧力センサでは
平均受光強度は約１．２μＷであり、標準偏差が０．０
５と個体差は小さかった。

【００３４】また前記測定条件においてセンサの分解能
等の精度については従来の圧力センサでは０．０１ＭＰ
ａであったのに対し、本発明の圧力センサでは０．００
２ＭＰａであり、センサの分解能等の精度は５倍となっ
た。

【００３５】また本発明のダイヤフラムユニットの作製
方法は上述のような光ファイバ式圧力センサのみでな
く、前述のマイクロポンプやマイクロバルブ等にも採用
することができ、この場合にも動作の安定したダイヤフ
ラムユニットを供給できる。また、ダイヤフラム膜をス
ペ−サの開口部の大きい側に取付けた場合、ダイヤフラ
ム膜の動作範囲を大きくすることができる。

【００３６】

【発明の効果】ダイヤフラムユニットの作製においてス
ペ−サに貫通孔を設けた後にダイヤフラム膜を作製する
ことによって撓みや破れのない平坦な膜を作製すること
ができ、歩留りが向上し、チップ間の個体差を減少する
ことができる。また、ダイヤフラム膜をスペ−サの開口
部の大きい側に作製することによってダイヤフラムユニ
ットの大きさに対するダイヤフラム膜の可動範囲を大き
くすることができる。

【００３７】またこのようにして得られたダイヤフラム
ユニットを圧力センサに用いることによってセンサ特性
の個体差がなくなるとともに歩留りも減少できる。また
本発明のダイヤフラムユニット作製方法により圧力セン
サのセンサヘッドの大きさを大きくすることなく感圧部
（ダイヤフラム膜）を大きくすることができるので従来
の圧力センサと同サイズで分解能等の精度を上げること
が可能であり、また従来と同じ分解能等の精度で圧力セ
ンサを小型化することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のダイヤフラムユニットの作製方法の１
チップ分を拡大した断面図である。

【図２】本発明のダイヤフラムユニットの作製方法によ
り得られたダイヤフラムユニットを用いた光ファイバ式
圧力センサの断面図である。

【図３】従来のダイヤフラムユニットの作製方法の１チ
ップ分を拡大した断面図である。

【図４】従来のダイヤフラムユニットの作製方法により
得られたダイヤフラムユニットを用いた光ファイバ式圧
力センサの断面図である。

【符号の説明】

１、１１、２１ スペ−サ ２，１２ 熱酸化膜 ３，１３，２３ ダイヤフラム膜 ４ 基板 ４ａ、２４ａ 接合層 ４ｂ 除去層 １５，２５ 透明基板 １６，２６ 案内板 １７，２７ 光ファイバ Ｄ ダイヤフラムユニット

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 貫通孔を有するスペ−サに、除去層と接
   合層の２層からなる基板の前記接合層側を接合し、該基
   板の除去層を除去し、接合層上面にダイヤフラム膜を成
   膜することを特徴とするダイヤフラムユニットの作製方
   法。
2. 【請求項２】 予め接合層となる基材にダイヤフラム膜
   層を成膜した積層体を形成しておき、これを貫通孔を有
   するスペ−サに、前記積層体の接合層側を接合すること
   を特徴とするダイヤフラムユニットの作製方法。
3. 【請求項３】 スペ−サと接合層とを接合した後、接合
   層のうちスペ−サの開口部に露出している部分を除去す
   ることを特徴とする請求項１及び２記載のダイヤフラム
   ユニットの作製方法。
4. 【請求項４】 貫通孔がテ−パを有しており、スペ−サ
   と接合層との接合を前記貫通孔の開口部の大きい側の面
   にすることを特徴とする請求項１及び２記載のダイヤフ
   ラムユニットの作製方法。
5. 【請求項５】 貫通孔がシリコンの異方性エッチングに
   より形成されることを特徴とする請求項１及び２記載の
   ダイヤフラムの作製方法。
6. 【請求項６】 接合層がナトリウムを含有したガラスで
   あることを特徴とする請求項１及び２記載のダイヤフラ
   ムの作製方法。
7. 【請求項７】 テ−パのある圧力基準室となる孔をもつ
   スペ−サと、該スペ−サの開口部の大きい側の面に設け
   たダイヤフラム膜と、前記スペ−サのダイヤフラム膜の
   ある面とは反対側の面に付設した透明基板と、前記スペ
   −サと透明基板を挟んでダイヤフラム膜と対向するよう
   に前記透明基板と光ファイバ端面とが固着された光ファ
   イバとからなることを特徴とする光ファイバ−式圧力セ
   ンサ。