JPH0875571A - 静電容量型圧力センサ及びその製造方法並びに血圧計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 陽極接合時におけるダイアフラムとガラス基
板の固着を防ぐ。 【構成】 シリコンウエハをエッチングしてダイアフラ
ム２をフレーム１に形成し、ダイアフラム２下面には可
動電極５を形成する。ガラス製のカバー３には、ダイア
フラム２と対向する領域には、固定電極９とその周囲に
円環状の凹部８を形成する。ダイアフラム２と固定電極
９及び凹部８とを対向させるようにして、フレーム１と
カバー３とを重ね合わせ陽極接合をする。 【効果】 陽極接合時に可動電極と固定電極間の静電引
力によってダイアフラムがカバーの方向に撓んだとして
も、固定電極周囲に凹部があるため、ダイアフラムは固
定電極周囲のガラス領域と接触せず、固着しない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は静電容量型圧力センサ及
びその製造方法並びに血圧計に関する。具体的には、血
圧計やガスメータ等に使用される流体の圧力を測定する
静電容量型圧力センサ及びその製造方法並びに当該静電
容量型圧力センサを使用した血圧計に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６に示すものは従来例の圧力センサＥ
の断面図である。圧力センサＥは、角枠状をしたフレー
ム５１のほぼ中央にダイアフラム５２が支持されてお
り、ダイアフラム５２及びフレーム５１はシリコンウエ
ハをエッチングすることにより一体として形成され、ダ
イアフラム５２の下面には可動電極５３が形成されてい
る。フレーム５１の下面にはガラス基板５４が重ねられ
てその周辺部をフレーム５１に陽極接合されている。フ
レーム５１とガラス基板５４との間には、ダイアフラム
５２がその厚さ方向に自由に変位できるように窪み５５
が形成されている。また、ガラス基板５４の内面には可
動電極５３と対向して微小なギャップを隔てて固定電極
５６が形成されている。

【０００３】しかして、ダイアフラム５２の上面から測
定対象たるガス圧（測定圧力）が加えられると、導入さ
れたガス圧に応じてダイアフラム５２がその厚さ方向に
撓む。ダイアフラム５２が撓むと可動電極５３と固定電
極５６とのギャップが小さくなり両電極間の静電容量の
大きさが増加する。したがって、この静電容量の変化を
検知することにより、加えられたガス圧の大きさを知る
ことができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような静電容量型
圧力センサにあっては、センサ特性から見た場合静電容
量をできるだけ大きくする方が好ましいが、静電容量を
大きくするために電極面積を大きくすれば圧力センサが
大きくなってしまう。そこで、圧力センサを大きくする
ことなく静電容量の大きさを大きくするためには、電極
間のギャップを小さくするのがよい。

【０００５】しかしながら、固定電極５６は固定電極５
６とフレーム５１との短絡を防止するため、可動電極５
３よりも小さく形成される。このため、電極間のギャッ
プを小さくすれば、陽極接合時に印加される高い印加電
圧（通常数百Ｖ程度）によって生じる静電引力のために
ダイアフラム５２が撓み、図６の破線で示すようにダイ
アフラム５２の周縁部が固定電極５６周囲のガラス基板
５４内面（ガラス領域）に固着してしまうという問題点
があった。

【０００６】本発明は叙上の従来例の欠点に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところは、陽極接合時
における可動電極と固定電極との固着を防ぐことにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の静電容量
型圧力センサは、圧力変化によって撓み量が変化するダ
イアフラムを設けたシリコン基板と、固定電極を設けた
ガラス基板とを接合させてダイアフラムと固定電極とを
対向させ、ダイアフラムに形成された可動電極及び固定
電極間の静電容量から圧力を検出する静電容量型圧力セ
ンサにおいて、前記ガラス基板の、ダイアフラムと対向
する領域のうち、固定電極が存在する領域のダイアフラ
ムとの距離が、固定電極が存在しない領域のダイアフラ
ムとの距離よりも小さいことを特徴としている。

【０００８】本発明の第２の静電容量型圧力センサは、
圧力変化によって撓み量が変化するダイアフラムを設け
たシリコン基板と、固定電極を設けたガラス基板とを接
合させてダイアフラムと固定電極とを対向させ、ダイア
フラムに形成された可動電極及び固定電極間の静電容量
から圧力を検出する静電容量型圧力センサにおいて、前
記ガラス基板の、ダイアフラムと対向する領域のうち、
固定電極が存在しない領域を凹部としたことを特徴とし
ている。

【０００９】本発明の第３の静電容量型圧力センサは、
圧力変化によって撓み量が変化するダイアフラムを設け
たシリコン基板と、固定電極を設けたガラス基板とを接
合させてダイアフラムと固定電極とを対向させ、ダイア
フラムに形成された可動電極及び固定電極間の静電容量
から圧力を検出する静電容量型圧力センサにおいて、前
記ガラス基板の固定電極周囲に環状の凹部を設けたこと
を特徴としている。

【００１０】本発明の第４の静電容量型圧力センサは、
圧力変化によって撓み量が変化するダイアフラムを設け
たシリコン基板と、固定電極を設けたガラス基板とを接
合させてダイアフラムと固定電極とを対向させ、ダイア
フラムに形成された可動電極及び固定電極間の静電容量
から圧力を検出する静電容量型圧力センサにおいて、前
記ガラス基板に周囲よりも突出した凸部を設け、前記凸
部に固定電極を形成したことを特徴としている。

【００１１】本発明の静電容量型圧力センサの製造方法
は、圧力感知用のダイアフラムを有するシリコン基板
と、固定電極を有するガラス基板であって、固定電極が
存在する領域がその周囲よりも高くなっているガラス基
板とを、ダイアフラムと固定電極とを対向させるように
して陽極接合することを特徴としている。

【００１２】本発明の血圧計は、上記本発明の静電容量
型圧力センサを備えたことを特徴としている。

【００１３】

【作用】本発明の第１の静電容量型圧力センサにあって
は、ガラス基板のダイアフラムと対向する領域のうち、
固定電極が存在する領域におけるダイアフラムとの距離
が、固定電極が存在しない領域におけるダイアフラムと
の距離よりも小さく、陽極接合時の静電引力によりダイ
アフラムがガラス基板に向かって撓んだとしても、撓ん
だダイアフラムが固定電極が存在していないガラス領域
と接触することがなく、ダイアフラムとガラス基板との
固着を防ぐことができる。

【００１４】また、本発明の第２、第３、第４の静電容
量型圧力センサは、第１の静電容量型圧力センサをより
具体的に示したものであって、第２の静電容量型圧力セ
ンサのように固定電極の存在しない領域に凹部を設ける
こととすればよく、固定電極が円形状であれば、第３の
静電容量型圧力センサのように固定電極の周囲に環状の
凹部を設けることにすればよい。さらに、第４の静電容
量型圧力センサのように、周囲よりも突出した凸部をガ
ラス基板に設け、当該凸部に固定電極を設けることにす
ればよい。

【００１５】したがって、本発明の静電容量型圧力セン
サによれば、製造時の歩留りを向上することができ、特
にダイアフラムと固定電極との距離が小さい、検出感度
のよい静電容量型圧力センサにあっては有効な方法であ
る。

【００１６】また、固定電極とダイアフラムとの間に侵
入したゴミ等はダイアフラムとの距離の大きな固定電極
が形成されていない領域に落とし込むことができ、侵入
したゴミによって圧力センサの動作が妨げられるのを防
ぐことができる。

【００１７】また、本発明の静電容量型圧力センサは、
本発明の製造方法によって簡単に製造することができ
る。

【００１８】本発明の血圧計にあっては検出感度がよ
く、ゴミ等による動作不良を少なくすることができる。

【００１９】

【実施例】図１に示すものは本発明の一実施例である圧
力センサＡを示す一部破断した分解斜視図であって、図
２（ａ）（ｂ）にその平面図及び断面図を示す。圧力セ
ンサＡは、シリコン製の支持基板４にガラス基板３が重
ねられ、ガラス基板３の上にはシリコン製のダイアフラ
ム２が支持されたシリコン製のフレーム１が重ねられて
いる。支持基板４とガラス基板３との間やガラス基板３
とフレーム１との間はそれぞれ陽極接合によって接合さ
れており、シリコン／ガラス／シリコンの３層構造とな
っている。ダイアフラム２はフレーム１のほぼ中央に配
設されており、シリコンウエハからフレーム１とともに
一体として形成されている。ダイアフラム２は図２
（ｃ）に示すように、シリコンウエハの一方の面（図面
裏面側）からウェットエッチングによって異方性のディ
ープエッチングが施されて矩形状の薄膜部１３が形成さ
れ、次にもう一方の面（図面表面側）からＲＩＥやＬＯ
ＣＯＳなどのドライエッチングによってシャロウエッチ
ングが施されて円形状の窪み１２が形成されることによ
り、ほぼ円形状に形成されている。つまり、シリコンウ
エハを片側の面から大きな面積で深くエンチングし、そ
の後当該エッチング領域と対向する領域を当該シリコン
ウエハの反対側から小さな面積で円形状に浅くエッチン
グすることによって、所定の位置に精度よく円形状のダ
イアフラム２を形成することができる。このようにして
形成されたダイアフラム２の内面は可動電極５となって
おり、可動電極５は、フレーム１内面の接続配線（図示
せず）とガラス基板３上面の引出し配線６とが圧着され
てガラス基板３上面の電極パッド７に電気的に接続され
ている。

【００２０】ガラス基板３は、支持基板４の上に陽極接
合された後に表面が研磨されて薄板状に作製されてい
る。また、ガラス基板３の上面にはダイアフラム２と対
向する領域の内周域に環状の凹部８が形成されている。
この凹部８に囲まれ凸状となったガラス基板３上面には
可動電極５と微小なギャップを隔てて固定電極９が形成
され、ガラス基板３上面の別な電極パッド１０に電気的
に接続されている。

【００２１】支持基板４及びガラス基板３には圧力導入
口１１が開口されており、フレーム１の内面に形成され
た窪み１２（圧力室）内にダイアフラム２の下面に向け
て測定対象であるガス圧が導入されるようになってい
る。しかして、窪み１２内にガス圧が導入されるとダイ
アフラム２は導入されたガス圧とセンサ周囲の圧力（基
準圧力）との差圧の大きさに比例して、ダイアフラム２
はガラス基板３から遠ざかる方向に撓む。ダイアフラム
２が撓むと可動電極５と固定電極９との間のギャップ量
が変化して、両電極間の静電容量の大きさが変わる。し
たがって、この静電容量の変化を、電極パッド７，１０
に接続された検知回路（図示せず）等によって検知する
ことにより導入されたガス圧の大きさを知ることができ
る。

【００２２】この圧力センサＡにあっては、固定電極９
及びその周囲に設けられた凹部８とダイアフラム２とを
対向させるようにしてガラス基板３とフレーム１が陽極
接合されている。このため、陽極接合時の静電引力によ
りダイアフラム２が固定電極９に引き付けられたとして
も、凹部８があるためにダイアフラム２の周縁部がガラ
ス基板３の内面に固着しない。したがって、可動電極５
と固定電極９のギャップ量を小さくする場合には特に有
効であって、大きな静電容量を有する小型の圧力センサ
Ａを作製することができる。また、凹部８を設けてある
ため、窪み１２内に導入したガス中にギャップ量よりも
大きな粉塵などのゴミが侵入したとしても、凹部８内に
侵入したゴミを落とし込むことができるので、ゴミによ
ってダイアフラム２の撓みが妨げられないという効果も
得られる。

【００２３】さらにこの圧力センサＡにあっては薄いガ
ラス基板３の下面にシリコン製の支持基板４が接合され
シリコン／ガラス／シリコンの３層構造となっているた
めに、陽極接合時の加熱によっても線熱膨張率や弾性率
などの物性の違いによる反りや残留応力が小さく、精度
よく圧力センサＡを作製することができる。しかも、温
度変化による反りや応力の発生も抑えられるので、温度
特性のよい圧力センサＡとすることができる。特に、本
実施例にあってはガラス基板３は薄板状となっているの
でシリコンとガラスの物性の違いによる影響がさらに小
さく、より効果的である。

【００２４】また、本実施例のように、窪み１２内に測
定圧力を導入した際ダイアフラム２がガラス基板３から
遠ざかるように撓む構造としているので、電極間のギャ
ップ量を小さくしたとしてもダイアフラム２の撓みが制
限されることもないので、大きな測定圧力を導入できる
点で好都合である。

【００２５】なお、固定電極７周縁部に設けた凹部８内
には、ガラス以外のシリコンと陽極接合されない絶縁材
料を埋め込むこととしてもよい。また、図には示さない
が、固定電極９を形成する領域に周囲のガラス基板３上
面よりも突出させた凸部を設け、この凸部上面に固定電
極９を形成することとしてもよい。

【００２６】図３に示すものは本発明の別な実施例であ
る圧力センサＢの断面図である。圧力センサＢは上記実
施例と同様にして作製されたダイアフラム２が支持され
たシリコン製のフレーム１と厚板状のガラス基板３とが
陽極接合されている。ガラス基板３には窪み１２の端部
に位置するようにして圧力導入口１１が設けられ、ガラ
ス基板３内面に設けた固定電極９の外周には円環状に凹
部８が形成されている。このように、ガラス基板３とフ
レーム１を陽極接合した２層構造の圧力センサＢにも適
用でき、ダイアフラム２がガラス基板３の内面に固着す
ることなく圧力センサＢを作製することができる。

【００２７】図４（ａ）（ｂ）に示すものはそれぞれ、
本発明のさらに別な実施例である圧力センサＣの分解斜
視図及び断面図である。圧力センサＣはダイアフラム２
２が支持されたシリコン製のフレーム２１の上面にガラ
ス基板２３が重ねられその周辺部は陽極接合されてい
る。ダイアフラム２２は、シリコンウエハをいずれか一
方の面からディープエッチングを施すことによりフレー
ム２１と一体として作製されている。ガラス基板２３の
内面には窪み２４が形成され圧力室２５となっており、
ガラス基板２３内面には圧力室２５の内周に沿って凹部
２６が形成されている。また、ガラス基板２３内面の凹
部２６内周域にはダイアフラム２２上面に形成された可
動電極２７と対向して固定電極２８が形成されており、
固定電極２８はガラス基板２３内面に設けられた接続配
線２９とフレーム２１上面に設けられた引出し配線３０
が圧着されてフレーム２１上面の電極パッド３１に電気
的に接続されている。また、ガラス基板２３の側面から
圧力室２５にかけて圧力導入口３２が配設されていて、
圧力室２５内に基準圧力を導入することができる。しか
して、ダイアフラム２２の下面に向けて測定圧力が導入
されると、導入された測定圧力（基準圧力との差圧）に
応じてダイアフラム２２が撓み、可動電極２７と固定電
極２８との間の静電容量の大きさが変化する。なお、３
３は可動電極２８と電気的に接続された別な電極パッド
である。

【００２８】この圧力センサＣにあっても固定電極２８
の周縁部に凹部２６が設けられているので、ダイアフラ
ム２２の周縁部がガラス基板２３に固着することなくフ
レーム２１とガラス基板２３とを陽極接合することがで
きる。

【００２９】本発明の圧力センサは、血圧計などに用い
ることができる。図５は本発明による血圧計の概略構成
図であって、血圧計Ｄは本発明による静電容量型圧力セ
ンサ４１、カフ４２、ポンプ４３やＣＰＵからなる制御
部４４などから構成されている。カフ４２と圧力センサ
４１との間は導圧管４５で接続されており、導圧管４５
にはポンプ４３が接続され、ポンプ４３からカフ４２に
空気を送ることができる。この血圧計Ｄで血圧を測定す
る場合にはまず、カフ４２を被測定者の上腕部にまきつ
け、キーボードなどの入力部４６から必要に応じて被測
定者の年齢や性別などを入力し、血圧計Ｄをスタートす
る。制御部４４は入力部４６からスタート信号を受信す
ると、制御弁４８を閉成し、ポンプ４３を起動させてカ
フ４２に所定の圧力になるまで空気を送り出し、上腕部
を締め付ける。カフ４２に印加された圧力は圧力センサ
４１によって常に検知されており、一定の圧力になると
制御部４４はポンプ４３を停止する。次いで制御部４４
は制御弁４８を開き、徐々にカフ４２内の空気を抜いて
減圧する。このとき、導圧管４５を介して圧力センサ４
１に印加される圧力は、上腕部を流れる血流の圧力と相
まって周期的に変化しながら小さくなる。したがって、
導圧管４５を介して圧力センサ４１に印加される圧力の
変化を制御部４４で検知することによって、最高血圧や
最低血圧並びに脈拍数を求めることができる。最低血圧
が求められたら制御部４４は制御弁４８を全開し、カフ
４２内の空気を大気圧まで排出する。求められた最高血
圧や最低血圧などはディスプレイなどからなる出力部４
７に表示し、あるいは入力された年齢などを参考にし、
必要に応じて異常値であることなどの注意を促すことが
できる。

【００３０】

【発明の効果】本発明にあっては、ダイアフラムがガラ
ス基板に固着することなくダイアフラムを有するシリコ
ン基板と固定電極を有するガラス基板とを陽極接合する
ことができ、歩留りよく静電容量型圧力センサを作製す
ることができる。また、可動電極と固定電極との間のギ
ャップに例えゴミが侵入したとしても、侵入したゴミは
ダイアフラムとの距離が大きくなった領域内に落とし込
めるので、圧力センサの動作が妨げられない。したがっ
て、本発明による圧力センサを利用することにより、検
出感度がよく動作不良のない血圧計を安価に提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である静電容量型圧力センサ
を示す分解斜視図である。

【図２】（ａ）は同上の静電容量型圧力センサを示す平
面図、（ｂ）はその断面図、（ｃ）は同上の静電容量型
圧力センサのフレームを示す裏面図である。

【図３】本発明の別な実施例である静電容量型圧力セン
サを示す断面図である。

【図４】（ａ）は本発明はさらに別な実施例である静電
容量型圧力センサを示す分解斜視図、（ｂ）はその断面
図である。

【図５】本発明による血圧計を示す概略構成図である。

【図６】従来例の静電容量型圧力センサ示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１ シリコン製のフレーム ２ ダイアフラム ３ ガラス基板 ４ シリコン製の支持基板 ８ 凹部 ９ 固定電極 １１ 圧力導入口 １２ 窪み（圧力室）

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧力変化によって撓み量が変化するダイ
   アフラムを設けたシリコン基板と、固定電極を設けたガ
   ラス基板とを接合させてダイアフラムと固定電極とを対
   向させ、ダイアフラムに形成された可動電極及び固定電
   極間の静電容量から圧力を検出する静電容量型圧力セン
   サにおいて、 前記ガラス基板の、ダイアフラムと対向する領域のうち
   固定電極が存在する領域のダイアフラムとの距離が、固
   定電極が存在しない領域のダイアフラムとの距離よりも
   小さいことを特徴とする静電容量型圧力センサ。
2. 【請求項２】 圧力変化によって撓み量が変化するダイ
   アフラムを設けたシリコン基板と、固定電極を設けたガ
   ラス基板とを接合させてダイアフラムと固定電極とを対
   向させ、ダイアフラムに形成された可動電極及び固定電
   極間の静電容量から圧力を検出する静電容量型圧力セン
   サにおいて、 前記ガラス基板の、ダイアフラムと対向する領域のうち
   固定電極が存在しない領域を凹部としたことを特徴とす
   る静電容量型圧力センサ。
3. 【請求項３】 圧力変化によって撓み量が変化するダイ
   アフラムを設けたシリコン基板と、固定電極を設けたガ
   ラス基板とを接合させてダイアフラムと固定電極とを対
   向させ、ダイアフラムに形成された可動電極及び固定電
   極間の静電容量から圧力を検出する静電容量型圧力セン
   サにおいて、 前記ガラス基板の固定電極周囲に環状の凹部を設けたこ
   とを特徴とする静電容量型圧力センサ。
4. 【請求項４】 圧力変化によって撓み量が変化するダイ
   アフラムを設けたシリコン基板と、固定電極を設けたガ
   ラス基板とを接合させてダイアフラムと固定電極とを対
   向させ、ダイアフラムに形成された可動電極及び固定電
   極間の静電容量から圧力を検出する静電容量型圧力セン
   サにおいて、 前記ガラス基板に周囲よりも突出した凸部を設け、前記
   凸部に固定電極を形成したことを特徴とする静電容量型
   圧力センサ。
5. 【請求項５】 圧力感知用のダイアフラムを有するシリ
   コン基板と、固定電極を有するガラス基板であって、固
   定電極が存在する領域がその周囲よりも高くなっている
   ガラス基板とを、ダイアフラムと固定電極とを対向させ
   るようにして陽極接合することを特徴とする静電容量型
   圧力センサの製造方法。
6. 【請求項６】 請求項１、２、３又は４に記載の静電容
   量型圧力センサを備えたことを特徴とする血圧計。