JPH11201848A - 静電容量型センサ及び検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 測定対象媒体を問わず、高感度で測定範囲が
広い静電容量型センサを提供すること 【解決手段】 半導体基板１０のダイアフラム１２は圧
力を受けてドーム状に撓み変形する。平面形状を保つ可
動板１６の中央部がダイアフラムの中央部に柱部１４を
介して局部的に連結・支持されていて、ダイアフラムが
撓んだときに可動板がその厚み方向に平行変位するが、
平面形状は保持される。よって、この可動板と、それに
対向するダイアフラム等に第２電極２１，第１電極２０
を形成しておくと、ダイアフラムの変形に伴い電極間距
離が変化し、電極間に発生する静電容量も変わる。ダイ
アフラムの電極非形成面が受圧面となるので、測定対象
媒体は電極に触れないため腐食しない。また、圧力を受
けてダイアフラムが撓むと電極間距離が離れる方向に変
位するので、高感度で測定範囲が広くなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、静電容量型センサ
及び検出方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１は、従来の静電容量型センサの一例
を示している。同図（Ａ）に示すように、半導体基板１
と固定基板２とを接合する。半導体基板１には、その中
央部に薄肉のダイアフラム３を形成し、そのダイアフラ
ム３の固定基板２側を可動電極４とし、その可動電極４
に対向する固定基板２の表面に固定電極５を形成する。
そして、可動電極４と固定電極５は、所定の距離だけ離
れており、両電極間にはその距離に応じた静電容量が発
生している。さらに、両電極間には適宜な空間６が形成
されており、その空間６内でダイアフラム３が変形可能
となっている。これにより、図中下側からダイアフラム
３に圧力が加わるとダイアフラム２が圧力を受けてほぼ
全面的に上に凸のドーム状に撓み変形するので、両電極
間の距離が変化する。従って、その電極間に発生する静
電容量の変化から、ダイアフラム３の撓み量、ひいて
は、ダイアフラム３に加わった圧力が測定できる。

【０００３】また、図示省略するが、例えば固定基板２
に厚み方向に貫通する圧力導入孔を形成し、測定圧力を
上記空間６内に導入可能としたものもある。係るタイプ
の場合には、ダイアフラム３に対して可動電極４側から
圧力が加わるので、ダイアフラム３は、固定基板２（固
定電極５）から離れる方向に撓むことになる。このとき
固定電極とダイアフラムの距離変化は中央部がいちばん
大きく、また、一方の電極が固定基板に対して固定され
ており、他方の電極がダイアフラム形成面に設けられて
いることが特徴である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】静電容量型センサの場
合、各種の変形例があるが、基本的には上記２つのタイ
プに分けることができる。そして、前者の圧力が加わっ
たときに電極間距離が短くなるタイプでは、測定媒体が
空間６内に侵入しないので、仮に測定媒体が電極を腐食
させるような特殊な気体であっても、電極に触れること
がないので測定可能となるという利点を有する。しか
し、ダイアフラム３の移動距離は、空間６で規制される
ので、あまり大きくとることができず、しかも、空間６
の距離を大きくとると、基準状態での静電容量が小さ
く、ダイアフラム３の変化開始当初の静電容量の変化が
小さくなる。つまり、感度が低く測定可能なレンジも狭
いという問題を有する。

【０００５】逆に、後者の圧力が加わったときに電極間
距離が長くなるタイプでは、上記とは逆に感度を高く
し、測定可能なレンジも広くとることができるものの、
電極に測定媒体が触れるため、腐食性のガス等について
の測定ができず、測定可能な媒体が限られるという問題
を有する。

【０００６】このように、いずれのタイプも一長一短が
あり、仕様に応じて使い分けることになる。さらに、従
来の静電容量センサは、いずれもダイアフラム３の中心
部が最も大きく変化する。換言すると、ダイアフラム周
縁部は変化が少なく、寄生容量に近いものとなってい
る。そして、当然のことながらダイアフラム３の面積を
考えると、変化の大きい中央部分の面積よりも、周縁の
あまり変化のない部分の面積の方が大きい。その結果、
ダイアフラム３が変化しても、それに基づいて変化する
静電容量は、面積の小さい中央部分に起因するものであ
るので小さくなる。

【０００７】さらに、従来の静電容量型センサは、平行
変位する部分が、ダイアフラム３の中心部の唯一点のみ
である。つまり、ダイアフラム３が圧力を受けてほぼ全
面的にドーム状に撓み変形すると、これと一体の可動電
極４もドーム状に撓み変形するので、可動電極４と固定
電極５との間隔が場所により異なる。この電極間隔の不
均一な分布のせいで、圧力入力に対する電気出力の直線
性が悪くなるという問題もある。

【０００８】一方、係る平行変位する部分が少ないとい
う問題を解決するために、例えば図１（Ｂ）に示すよう
に、固定電極５に対向する半導体基板１にメサ８を設
け、そのメサ８と半導体基板１を薄肉の変形領域９を介
して変位可能に連結し、メサ８の対向面を可動電極３に
したものもある。係る構成のセンサでは、可動電極３は
平行変位するものの、変形領域９が小さいため、その変
形領域９の弾性係数が大きくなりマイクロマシンで扱う
微小圧力の検出は困難となる。さらに、可動電極３は平
行変位するものの、ギャップが狭まる方向に変位するた
め、高感度かつ広い測定レンジを両立させることはでき
ない。また、仮にギャップが広がる方向に変位するよう
に構成したとしても、変形領域９では大きな変位量をと
ることができないため、同様の問題は残る。

【０００９】さらに、従来の静電容量センサは固定電極
に対応している可動電極は、ダイアフラムのみである。
そして、半導体基板１の周辺の枠体の底面部分がダイボ
ンド部１ａとなり、このダイボンド部１ａの幅は、ある
程度確保する必要がある。従って、センサを小型化する
と、ダイボンド部１ａが小さくできないので、ダイアフ
ラム３の面積が小さくなってしてしまい、その結果、電
極が小さくなるため感度も小さくなる。よって、小型化
によるコストダウンにも限界があった。

【００１０】本発明は、上記した背景に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、上記した問題を解決
し、測定対象媒体の種類を問わず、電極の腐食もなく、
感度が高くて測定レンジも広くすることができ、しか
も、入出力特性の直線性を良好にすることができ、ま
た、ダイボンド部の幅を十分にとることができ、小型化
が可能な静電容量型センサ及び検出方法を提供すること
にある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明に係る静電容量型センサでは、ダイアフ
ラム付きの基板と、そのダイアフラムの中央に設けた柱
部と、その柱部に接続され、前記ダイアフラムの変形に
伴い変位する可動板と、前記基板と前記可動板の対向面
にそれぞれ設けた第１，第２電極と、前記第１，第２電
極間に発生する静電容量に基づく信号を外部に取り出す
手段とを備えて構成した（請求項１）。なお、柱部は、
実施の形態では絶縁膜により可動板及びダイアフラムと
別部材で形成したが、本発明それに限ることはなく、一
方の部材と一体的に形成してもよい。

【００１２】また、ダイアフラムを有する基板と、その
ダイアフラムに連結され、初期形状を保持しながら前記
ダイアフラムの変形にともなって平行移動する可動板
と、前記基板と前記可動板の対向面にそれぞれ設けた第
１，第２電極と、前記第１，第２電極間に発生する静電
容量に基づく信号を外部に取り出す手段とを備えて構成
してもよい（請求項２）。つまり、ダイアフラムと可動
板は、直接または間接的に接続されておればよい。

【００１３】また、基板と、可動板と、それらを連結す
る柱部とを有し、前記柱部が接続される前記基板の周辺
をダイアフラム化してそのダイアフラムの変形にともな
い前記可動板を変位するようにし、前記基板と前記可動
板の対向面にそれぞれ第１，第２電極を設けるようにし
てもよい（請求項４）。

【００１４】上記した各構成にすると、ダイアフラムの
非接合面側が受圧面となり、可動板がダイアフラムと連
動して動くことで、センサギャップの変化を発生させ
る。従って、測定媒体はダイアフラムの非接合面側のみ
に接触させ、電極と非接触状態にすることができる。よ
って、測定媒体は問わない。さらに、圧力，加速度等の
物理量を受けてダイアフラムが変形すると、柱部を介し
て接続された可動板も移動する。この時、ダイアフラム
は柱部が凸になるように膨らむものの、可動板には物理
量が加わるわけではなく、しかも周囲（外周囲）が開放
されているので、基準状態のまま変位する。従って、ダ
イアフラムの周囲の領域や基板と対向する領域における
可動板の距離が広がる。そこで、可動板と基板にそれぞ
れ電極を設けることにより、変位量すなわち物理量を静
電容量の変化としてとらえることができる。

【００１５】さらに、圧力等の物理量が加わったときの
変位は、電極間距離が離れる方向となる。そこで、測定
限界圧力が大きく、ギャップ変化の大きい領域が広く、
高感度なセンサとなる。

【００１６】また、中央部に設けた柱部を介してダイア
フラムと可動板とを接続したため、ギャップ変化の大き
い箇所は、周縁領域となるので、当該ギャップ変化の大
きい領域が最も広く得ることができる。

【００１７】なお、基板は例えば半導体基板で形成する
ことができる。また、可動板は半導体基板（半導体ウエ
ハのみでなく、半導体を成膜するものも含む）やガラス
基板等を用いて形成できる。そして、半導体基板で形成
した場合には、ガラス基板未使用により大幅なコストダ
ウンが可能となる。

【００１８】また、別の解決手段としては、ダイアフラ
ムを有する基板と、その基板表面の前記ダイアフラムの
外周囲に設けた第１電極と、前記ダイアフラムに連結さ
れ、前記第１電極に対して平行状態を保持しながら前記
ダイアフラムの変形にともなって移動する可動板と、前
記可動板の前記第１電極に対向する部分に設けられた第
２電極と、前記第１，第２電極間に発生する静電容量に
基づく信号を外部に取り出す手段とを備えて構成するこ
とができる（請求項３）。このようにすると、第１，第
２電極は、平行変位するので加わった物理量（入力）に
対するセンサ出力の直線性が向上する。

【００１９】そして、本発明に係る検出方法としては、
ダイアフラムを有する基台（実施の形態では「半導体基
板１０」に相当）と、そのダイアフラムに連結され前記
ダイアフラムの変形にともなって移動する可動板とを配
備し、前記基台と前記可動板の対向面（基台側はダイア
フラムの部分及びまたは非形成部分のどこでも可）にそ
れぞれ第１，第２電極を設け（電極を設ける部分は、対
向する表面の全面でも良く一部でもよい）、前記ダイア
フラムの変位に伴って変化する両電極の相対位置に伴い
両電極間に発生する静電容量に基づく信号を検出するこ
とにより、前記ダイアフラムの変位量或いはそのダイア
フラムに加わる物理量を検出するようにした（請求項
５）。

【００２０】さらに本発明のより具体的な好ましい構造
として、以下のような手段をとると、上記した基本構成
に基づく作用効果に加え、さらに有為な効果を奏する。
すなわち、例えば、前記可動板は、前記ダイアフラムよ
りも大きい平面形状とし、前記可動板に形成する第２電
極の少なくとも一部が、前記ダイアフラムの外側の前記
基板表面に対向するように構成することができる。その
ように構成すると、ダイアフラムを形成していない基板
の表面は、当然のことながら圧力が加わっても変化しな
い。そして、上記したように可動板も撓むことがない。
よって、ダイアフラムの外側部分で対向する第１，第２
電極は、平行変位領域となるので、入出力特性の直線性
が向上する。また、ボンディング部を広くとることが可
能となるので、より小さなダイアフラムで十分な容量が
得られチップサイズの小型化が可能となる。また、ダイ
アフラムを小さくすることでダイアフラムバネ係数が大
きくなり、結果として応答速度が速くなる。

【００２１】また、前記柱部の周囲における前記基板と
前記可動板の間隔を、前記可動板の周縁付近における前
記基板と前記可動板の間隔よりも広くしてもよい。すな
わち、柱部の周囲は、圧力がかかってもあまりギャップ
は変化しない。従って、係る部分に電極を設けた場合に
は、当該部分で静電容量が変化せず、寄生容量となる。
そこで、容量変化の少ない領域のギャップを広げること
により、寄生容量が減少され、結果として、入出力特性
の直線性が向上する。

【００２２】そして、係る効果をさらに向上させるため
には、例えば前記柱部の周囲における前記可動板に貫通
孔を設けるとよい。これにより、寄生容量がさらに減少
する。さらに、貫通孔を設けた場合には、その貫通孔が
空気の通路となるので、応答性が向上する。

【００２３】さらにまた、前記第１，第２電極は、前記
ダイアフラム未形成の領域及びそれに対向する領域のみ
に設けてもよい。そのようにすると、さらに寄生容量が
なくなり、直線性が向上する。

【００２４】一方、前記可動板と前記基板の対向面の少
なくとも一方に絶縁膜を設けてもよい。すなわち、本発
明では、ギャップは広がる方向に移動するが仮に可動板
とダイアフラム（基板）が接触しても、ショートするお
それがなく、湿度などによる耐性も向上する。また、こ
の時、空気よりも誘電率の高い絶縁膜を用いると、静電
容量が増加して感度が向上する。なお、感度の向上を図
ることが目的とした場合には、広誘電材料であれば、必
ずしも絶縁膜でなくてもよい。そして、そのように誘電
率の高い材質を可動部の周縁部（平行変位する領域）に
のみ形成すると、平行変位する領域のみ静電容量が増加
し、寄生容量が減少するとともに感度が向上する。

【００２５】さらにまた、前記静電容量に基づく信号を
外部に取り出す手段は、前記可動板に連結された引出配
線を有し、前記可動板の所定位置に前記柱部近傍まで切
り込まれた切欠部を設け、前記引出線の一部が前切欠部
内に配置されるとともに、その引出配線の一端が前記切
欠部の奥側の前記柱部近傍に接続されるようにしてもよ
い。このように構成すると、可動板の端から配線を引き
出す場合に比べ、可動板に余分な応力がかからないの
で、安定した特性が検出できる。

【００２６】また、前記静電容量に基づく信号を外部に
取り出す手段は、前記可動板に連結された引出配線を有
し、前記柱部を基準として前記引出配線と点対称になる
ようにダミー配線（同一物質，同一形状）を設けてもよ
い。そのように構成すると、引出配線により生じる応力
が、可動板に対して対称に加わるので、可動板の傾き，
ねじれなどを抑えることができる。

【００２７】さらにまた、前記静電容量に基づく信号を
外部に取り出す手段は、前記可動板に連結された引出配
線を有し、前記引出配線の応力を前記可動板よりも小さ
くしてもよい。応力を小さくする方法としては、例えば
肉厚を薄くしたり、剛性の弱い材質を使用して引出配線
を製造する等の方法がとれる。このように構成すると、
引出配線により生じる応力（バネの力）が、ダイアフラ
ムの変位に影響しにくくなるので、感度の向上及び応答
性が向上する。

【００２８】

【発明の実施の形態】図２は、本発明に係る静電容量型
センサの第１の実施の形態を示している。同図に示すよ
うに、シリコンからなる第１半導体基板１０の下端中央
部除去して薄肉のダイアフラム１２を設け、そのダイア
フラム１２の周囲が枠体１３となる。この枠体１３の下
面がダイボンド部１３ａとなる。また、ダイアフラム１
２の上面中央に絶縁体からなる柱部１４を介して可動板
１６を連結している。そして、この可動板１６もシリコ
ンからなる第２半導体基板１８から構成される。さら
に、可動板１６は、平面略正方形状の平板からなり、周
囲からほぼ独立して宙に浮いた状態となる（厳密には、
上記柱部１４を介してダイアフラム１２に接続されると
ともに、後述する引出配線をワイヤパッドに接続されて
いる）。

【００２９】従って、ダイアフラム１２と可動板１６と
は絶縁状態にあり、ダイアフラム１２の上面が第１電極
２０となり、可動板１６の下面が第２電極２１となる。
そして、両電極２０，２１間に、距離に応じた静電容量
が発生する。係る構成が基本構成であり、圧力がかから
ない基準状態では、図示するように、可動板１６とダイ
アフラム１２は、ともにほぼ水平状態を保持し、両電極
２０，２１間の距離は、柱部１４の高さとなる。

【００３０】そして、この状態からダイアフラム１２の
下面に対し、上方向への圧力が加わるとすると、図３に
示すように、ダイアフラム１２が変位し、上に凸のドー
ム状に撓む。すると、平面形状を保つ可動板１６は、そ
の中央にてダイアフラム１２の中央部に柱部１４を介し
て局部的に支持されているだけであるので、ダイアフラ
ム１２がドーム状に撓み変形したとき、可動板１６は平
面形状を保ったままでその厚み方向に平行変位する。そ
の結果、ダイアフラム１２の周縁部と可動板１６間の間
隔が広がるので、当該部分における両電極２０，２１間
のギャップが広がり、両電極２０，２１間に発生する静
電容量が変化する。そして、変化した静電容量に基づい
て加わった圧力を測定することができる。

【００３１】ここで注目すべき点は、ダイアフラム１２
の変位に基づいて変化する電極２０，２１間のギャップ
部分は、面積の大きなダイアフラム１２の周縁部になっ
ていることである。これにより、従来と同程度にダイア
フラム１２が変化した際の静電容量の変化量も大きくな
り、高感度となる。さらに、圧力が加わった際のダイア
フラム１２の変位方向は、電極２０，２１間のギャップ
が広がる方向であるので、測定レンジを広くできるとと
もに、基準状態での電極間距離を短くできるので、係る
点でも高感度となる。しかも、圧力を測定する媒体は電
極に接触しないので、測定媒体の種類を問わない。従っ
て、従来、表裏の関係にあった高感度・広測定レンジ化
と、測定媒体を問わないという両方の要求を同時に満た
すことができるようになる。また、ダイアフラム１２と
可動板１６をともに導電性の半導体基板を用いて形成し
たため、接合後に熱歪みの影響を受けなくなる。

【００３２】そして、本形態では、ダイアフラム１２
（第１電極２０）と可動板１６（第２電極２１）をとも
に半導体（シリコン）基板で形成したことから、両電極
２０，２１間に正しく静電容量を発生させるとともに、
発生した静電容量を取り出すためにさらに以下のような
構造をとった。

【００３３】すなわち、両半導体基板１０，１８を接合
する際に、その間に絶縁膜２２を介在させるようにし、
各基板１０，１８は絶縁膜２２に接続するようにした。
そして、絶縁膜２２としては、例えば第１半導体基板１
０の上面にパターニングして酸化膜を成膜することによ
り形成でき、この絶縁膜２２により上記した柱部１４を
製造することもできる。

【００３４】さらに、両電極２０，２１が接触して短絡
するのを防止するため、可動板１６、すなわち、第２半
導体基板１８の接合面側表面（図中、下面）を絶縁性の
保護膜２４で被覆した。これにより誤って可動板１６が
ダイアフラム１２に接触したとしても、両者間には保護
膜２４が存在するため短絡しない。また、第２半導体基
板１８の非接合面側表面も同様に絶縁性の保護膜２５を
成膜し、短絡するのを防止している。

【００３５】また、両電極２０，２１間に発生する静電
容量を外部に取り出す機構としては、まず、第１電極２
０側は、絶縁膜２２の一部に孔部２２ａを形成して下側
に位置する第１半導体基板１０を露出させ、その露出し
た第１半導体基板１０に電気的に接続するようにしてア
ルミ等をスパッタリングしてワイヤパッド２６を形成す
る。これにより、第１電極２０は、ダイアフラム１２，
第１半導体基板１０を介してワイヤパッド２６と導通さ
れるので、そのワイヤパッド２６にボンデンィグワイヤ
を接続することにより、外部の装置に接続できる。

【００３６】また、第２電極２１側は、可動板１６と一
体に形成された引出配線２７を介して第１半導体基板１
０の枠体１３の上方に形成されたターミナル部２８に接
続され、そのターミナル部２８の上面に形成された保護
膜２５の一部に孔部２５ａを形成しその下側に位置する
ターミナル部２８を露出させ、その露出したターミナル
部２８に電気的に接続するようにしてアルミ等をスパッ
タリングしてワイヤパッド２９を形成する。これによ
り、第２電極２１は、上記した経路を通ってワイヤパッ
ド２９と導通されるので、そのワイヤパッド２９にボン
デンィグワイヤを接続することにより、外部の装置に接
続できる。

【００３７】さらに、枠体１３の上面には、絶縁膜２２
を介してフレーム３０が形成されている。このフレーム
３０の上下両面にも、保護膜２４，２５が成膜されてい
る。このフレーム３０は、可動板１６の周囲を囲むよう
に配置され、このフレーム３０を設けたことにより、可
動板１６の側面に何らかの物体が衝突することが可及的
に抑制される。そして、上記した可動板１６，引出配線
２７，ターミナル部２８及びフレーム３０が、第２半導
体基板１８により形成される。つまり、第２半導体基板
１８をエッチングしてパターニングすることにより、同
時に形成できる。一方、そのように第２半導体基板１８
から製造されることから、引出配線２７は従来のボンデ
ィングワイヤなどに比べると剛性があるため、係る引出
配線２７が可動板１６の変位に対して悪影響を与えない
ようにする必要がある。

【００３８】そこで本形態では、引出配線２７を細長く
することにより引出配線２７自体の剛性を弱くするよう
にした。しかも、できるだけ長くすることにより、可動
板１６が変位した際に、弾性復元力が働かないようにし
た。つまり、図２（Ｂ）に示すように、引出配線２７の
一端２７ａを可動板１６の１つの頂点付近に連結し、引
出配線２７は、可動板１６の１辺と平行に配置しその他
端２７ｂを可動板１６の他の頂点付近まで延長形成して
いる。なお、より好ましくは、さらに延長し、可動板１
６の隣接する２つの辺に沿うように形成（引出配線は途
中で折曲される）してもよい。

【００３９】図４，図５は、本発明の第２の実施形態を
示している。本実施の形態は、基本的には上記した第１
の実施の形態と同様であるが、ダイアフラム１２の寸法
形状を、可動電極１６よりも小さくしている。そして、
第１電極２０は、第２電極２１と対向する面、すなわ
ち、ダイアフラム１２の上面２０ａはもちろんのこと、
第１半導体基板１０の枠体１３の上面の一部２０ｂも第
１電極２０となる。

【００４０】係る構成にすると、図４（Ａ）と図５を比
較すると明らかなように、圧力が加わることによりダイ
アフラム１２が撓み両電極２０，２１間のギャップが変
化した場合に、その多くの領域（枠体１３の上面に形成
した電極部分２０ｂと第２電極２１との間）では、電極
間距離は平行変位するので、入出力特性（圧力変化に対
する静電容量の変化）が直線性が得られる領域が広くな
る。

【００４１】また、このようにダイアフラム１２の面積
を小さくしても高感度となることから、枠体１３の幅を
広くすることができ、ダイボンド部１３ａの幅を広くと
る。従って、センサを小型化しても所望のセンサ特性を
得つつ確実に面実装するためのダイボンド部１３ａの幅
を確保できるので、さらなる小型化が可能となる。な
お、その他の構成並びに作用効果は、上記した第１の実
施の形態と同様であるので、同一符号を付しその詳細な
説明を省略する。

【００４２】図６は、第３の実施の形態を示している。
本実施の形態では、上記した第２の実施の形態を基本と
し、さらに絶縁耐圧の向上を図っている。すなわち、枠
体１３の上面に位置する電極部分２０ｂの上面を覆うよ
うにして絶縁膜３１を成膜している。この絶縁膜３１を
設けたことにより、両電極２０，２１間には、保護膜２
４と絶縁膜３１が存在しているので、より確実に電極２
０，２１間の短絡が防止される。なお、その他の構成並
びに作用効果は、上記した第２の実施の形態と同様であ
るので、その説明を省略する。

【００４３】また、上記した絶縁膜３１として、ＳｉＮ
膜等誘電率の高い絶縁膜を用いるとよい。つまり、物理
的な距離はダイアフラム１２部分のギャップと枠体１３
部分のギャップとが等しいとしても（基準状態）、枠体
１３部分のギャップで発生する静電容量が大きくなる。
従って、平行変位しギャップ間隔も変わる領域のみ静電
容量を増加することができ、高感度化と、入出力特性の
直線性の向上が図れる。そして、係る構造は、例えば第
１半導体基板１０の上面全面にＳ１Ｎ膜を堆積させ、必
要領域以外をドライエッチングなどで除去することによ
り絶縁膜３１を成膜できる。その後、絶縁膜２２（柱部
１４）を形成し、第２半導体基板１８を接合するなどの
通常のプロセス通りに加工することにより本形態のセン
サを構成できる。

【００４４】図７は、本発明の第４の実施の形態を示し
ている。本実施の形態では、上記した第１の実施の形態
を基本とし、可動板１６の下面のうち柱部１４の周囲の
領域に溝３２を形成している。すなわち、図３からも明
らかなように、ダイアフラム１２の変位に伴う柱部１４
の周囲の電極間距離の変化量が小さい。従って、センサ
全体の電極２０，２１間に発生する静電容量を考えた場
合、当該柱部１４の周囲の領域で発生する静電容量は、
圧力がかかってもあまり変化せず、寄生容量となる。従
って、図示のように溝３２を形成し、当該領域のギャッ
プを広げ、その溝３２を挟んで対向する電極部分に発生
する静電容量を小さくすることにより、上記寄生容量を
削減して入出力特性の直線性の向上を図るようにした。

【００４５】そして、そのように溝３２を設け寄生容量
の削減を図るタイプとしては、図示のものに限ることは
なく、例えば図８に示すように、可動板１６の下面中央
を柱部１４が連結する部分も含めて溝３２を形成し、そ
の溝３２のほぼ中心位置に柱部１４を接続するようにし
てもよい。また、図９（Ａ），（Ｂ）に示すように、ダ
イアフラム１２側に溝３３を設けてもよい。さらには、
それらを適宜組み合わせて実施することも可能である。

【００４６】さらに、図８，図９（Ｂ）に示すように構
成した場合には、柱部１４が溝３２，３４内のほぼ中央
に位置すればよいので、図７，図９（Ａ）のものに比べ
ると組立が容易に行える。また、図７，図８に示すよう
な形状を構成するには、予め第２半導体基板１８の下面
の所定位置（溝３２の形成部分）をエッチングにより除
去した後、保護膜を成膜し、それを絶縁膜２２付きの第
１半導体基板１０に接合することにより簡単に製造でき
る。

【００４７】さらにまた、第２の実施の形態（ダイアフ
ラム面積を小さくし、電極間距離が平行変位する領域を
大きくしたタイプ）のものにおいても、上記した第４の
実施の形態を適用できる。一例を示すと、図１０に示す
ように、可動板１６の下面のうち、柱部１４の周囲に溝
３２を形成することができる。もちろん、図示省略する
が、図８に示したようにように可動板１６の下面中央に
溝を設け、その溝内に柱部１４の上端を接合するように
してもよい。また、図１１に示すように、ダイアフラム
１２の上面中央部位に溝３３を設け、その溝３３内に柱
部１４の下端を接続してもよい。もちろん、図示省略す
るが、図９（Ａ）に示したように柱部１４の周囲のみに
溝を設けるようにしてもよい。

【００４８】図１２は、本発明の第５の実施の形態を示
している。本実施の形態では、上記した第２の実施の形
態を基本とし、さらに入出力特性の直線性の改善を図っ
ている。すなわち、可動板１６のうち、ダイアフラム１
２に対向する部分に貫通孔３５を設けている。これに伴
い、柱部１４と可動板１６とは、十字状に延びた梁３６
により連結されている。そして、係る貫通孔３５は、第
２半導体基板１８をエッチングして可動板１６を形成す
る際に同時に製造できる。

【００４９】係る構成にすると、ダイアフラム１２に対
向する部分には、導電体がほとんどない（梁部３６の
み）ので、第１半導体基板１０側に形成する第１電極２
０は、変位しない枠体１３の上面部分のみ（或いは大部
分）となる。従って、上記した第４の実施に比べさらに
寄生容量が減少し、電極のほとんどが平行変位する部分
となる。これにより、入出力特性の直線性がさらに向上
する。

【００５０】さらにまた、本形態では、貫通孔３５を設
けたことにより、ダイアフラム１２ひいては可動板１６
が変位する際に、空気の逃げ通路となるので、移動時の
空気抵抗が少なくスムーズに変位でき、微小圧力や高周
波周及びまたは瞬間的にかかる圧力であっても精度よく
検出できるという副次的効果も発揮する。なお、その他
の構成並びに作用効果は、上記した実施の形態（特に第
２の実施の形態）と同様であるので、その詳細な説明を
省略する。

【００５１】図１３は、本発明の第６の実施の形態を示
している。本実施の形態も、入出力特性の直線性の改善
を図ったものである。同図に示すように、上記した各実
施の形態と相違して、第２電極３８は、その可動板１６
の下面に成膜した保護膜２４の表面にアルミなどの金属
をスパッタリングなどして形成している。そして、その
第２電極３８は、可動板１６の下面のうち第１半導体基
板１０の枠体１３に対向する部分に形成している。

【００５２】係る構成をとると、第２半導体基板１８で
形成した可動板１６は、第２電極３８と電気的に非導通
状態となるので、可動板１６はダイアフラム１２の変形
に伴い平板状を保持したまま変位する機能、つまり、第
２電極３８を平行変位させるための機能を有することに
なる。可動板１６の下面の柱部１４の周囲には第２電極
３８を設けなかったため、ダイアフラム１２の上面との
間には静電容量が発生しない（仮に発生しても無視でき
る程度である）。従って、静電容量は、圧力が加わった
際に平行変位する第２電極３８とそれに対向する（変位
しない）枠体１３上に形成された第１電極２０間に発生
するため、入出力特性の直線性が向上する。

【００５３】図１４は、本発明の第７の実施の形態を示
している。本実施の形態では、第２電極を外部に引き出
すためのワイヤパッド２９に導通させるための引出構造
の改良に関する。そして、具体的なセンサ構造として
は、上記した第１〜第５の実施の形態のいずれも適用で
きる。すなわち、上記した各実施の形態では、可動板１
６とターミナル部２８を結ぶ１本の引出配線２７を設け
ていたが、本実施の形態では、その引出配線２７と点対
称（可動板１６の中心：柱部１４を基準）にダミー配線
３９を設け、そのダミー配線３９にて、可動板１６の側
縁と第２半導体基板１８の所定位置に形成したパターン
４０に接続している。このパターン４０は、フレーム３
０とは絶縁されている。

【００５４】係る構成にすると、可動板１６が変位した
際に引出配線２７から受ける反力と同程度の反力をダミ
ー配線３９からも受けることになる。従って、可動板１
６に対してはほぼ全体に均等に反力がかかるので、可動
板１６の傾き、ねじれがなくなる。よって確実に両電極
の平行状態を保ちながら変位することになる。なお、図
では配線が２箇所に設けられているが、例えば４箇所に
卍型に設けるようにすると、係る効力はさらに増大す
る。

【００５５】図１５は、本発明の第８の実施の形態を示
している。本実施の形態では、引出配線２７及びダミー
配線３９を点対称に配置する点では上記した第７の実施
の形態と同様であるが、各配線２７，３９と可動板１６
との接続箇所を異ならせている。すなわち、可動板１６
の１組の対辺のそれぞれの中点から中心に向かって帯状
の切欠部１６ａを設ける。その切欠部１６ａの奥側は、
柱部１４に位置している。そして、引出配線２７及びダ
ミー配線３９を、切欠部１６ａ内に挿入配置し、可動板
１６の中心側付近で接続している。これにより、ダイア
フラム１２の変位に伴い移動する柱部１４の付近で各配
線２７，３９が接続され、しかも、係る接続点付近は、
ギャップ変動が少ないこともあり、柱部１４を介してダ
イアフラム１２側に係る反力も小さくてすむ。そして、
配線２７，３９の応力は柱部１４付近にのみ加わり、可
動板１６のひずみ等を考慮する必要がなくなる。さら
に、両配線２７，３９の形状は１本の帯状としても、十
分長さを確保できる。従って、上記した各実施の形態の
ように、可動板１６とフレーム３０の間に、その隙間に
沿って引出配線２７等をはわす必要がないので、可動板
１６とフレーム３０との間隔を狭くし、小型化が図れ
る。

【００５６】図１６は、本発明の第９の実施の形態を示
している。本実施の形態では、上記した第８の実施の形
態をさらに改良したもので、可動板１６に設けた切欠部
１６ａ内に進入させ柱部１４近傍で接続した両配線２
７，３９を、可動板１６の周囲（隣接する２辺）に沿っ
て所定距離延長形成している。これにより、各配線２
７，３９は、可動板１６の３辺と平行になるようにな
り、総延長距離が長くなる。よって、本形態では、上記
した第７の実施の形態と同様に２つの配線２７，３９を
点対称にすることにより可動板１６に対する反力が均等
になり、また、第８の実施の形態と同様に柱部１４付近
で接続することにより、発生する反力自体を小さくする
という効果を発揮するとともに、両配線２７，３９の長
さを長くすることにより、配線２７，２９の応力を小さ
くし、よりスムーズに可動板１６が平行変位できるよう
にしている。

【００５７】図１７は、本発明の第１０の実施の形態を
示している。本実施の形態も引出配線２７の改良である
が、上記した各実施の形態に対して適用できる。すなわ
ち、可動板１６に比べて引出配線２７を薄くしている。
このようにすることにより、引出配線２７の応力が小さ
くなり、可動板１６に対する応力の影響が減少する。そ
して、係る構造のセンサを製造するには、例えば第２半
導体基板１８を第１半導体基板１０に接合する前に、第
２半導体基板１８の接合面側の引出配線２７の形成領域
をドライエッチングなどでエッチングして薄肉にしてお
く。その後、両半導体基板をフュージョンボンディング
により接合し、通常の作製プロセスを実施して作製する
ことができる。

【００５８】なお、上記した各実施の形態では、いずれ
も第２電極２１（可動板１６）を外部に引き出すための
引出配線を、可動板１６を製造する第２半導体基板１８
を用いて一体的に形成したが、本発明はこれに限ること
はなく、例えば図１８に示すように、ボンディングワイ
ヤ４３等の別部材を用いて接続してもよい。この例で
は、可動板１６の上面にワイヤパッド４４を設け（保護
膜を設けている場合には、保護膜の該当する部分に孔部
を形成する）、そのワイヤパッド４４と電極パッド２９
にボンディングワイヤ４３の両端を接続している。この
ようにボンディングワイヤ４３を用いた場合には、上記
した各実施の形態のように引出配線の応力の影響がなく
なるという点では好ましい。この場合、ダイアフラムを
形成する前に、ワイヤボンドを行うと、ボンディングが
容易に行える。

【００５９】図１９，図２０は本発明の第１１の実施の
形態を示している。本実施の形態では、上記した各実施
の形態と相違して、可動板４６をガラス基板を用いて形
成している。すなわち、まずダイアフラム４７を形成し
た第１半導体基板４８の上面全面に絶縁膜４９を成膜す
る。そして、この絶縁膜４９の上面所定位置にはアルミ
等をスパッタリングすることにより配線パターン５０を
形成し、その配線パターン５０の一端５０ａを幅広にし
てワイヤパッドとする。

【００６０】一方、可動板４６の下面中央に凸部４６ａ
を形成する。そして、可動板４６の下面側の周縁、つま
り第１半導体基板４８の枠体５１に対向する部分にアル
ミ等をスパッタリングして第２電極５３を形成し、その
第２電極５３に連続して上記凸部４６ａまで延びる配線
パターン５５も同時に形成する。そして、上記した配線
パターン５０の他端５０ｂには、インタコネクション部
５７を設け、そのインタコネンクション部５７に、上記
凸部４６ａを接合する。インタコネクション部５７はア
ルミにより形成されているので、これにより第２電極５
３は、配線パターン５０→インタコネクション部５７→
配線パターン５５を通ってワイヤパッド５０ａに導通さ
れる。そして、凸部４６ａ並びにインタコネクション部
５７により柱部が形成される。このようにインタコネク
ションを利用することにより、可動板の周囲をフリー状
態にすることができるので、可動板に応力がかからず、
歪みの発生も可及的に抑制できる。

【００６１】なお、第２電極５３に対向する第１半導体
基板４８の枠体５１の上面が第１電極５８となり、両電
極５３，５８間にギャップ間距離に応じた静電容量が発
生する。そして、第１電極５８は、絶縁膜４９の所定位
置に形成された孔部４９ａを介して露出する第１半導体
基板４８にアルミをスパッタリングすることにより形成
されたワイヤパッド６０を介して外部と導通可能とな
る。

【００６２】図２１は、本発明の第１２の実施の形態を
示している。本実施の形態では、上記した各実施の形態
を基本とし、その可動板１６の上方空間を覆うようにし
てカバー６１を形成している。係る構成をとることによ
り、ギャップ内へのゴミなどの侵入を防ぐことができ
る。そして、係るカバー６１をシリコン等の半導体基板
を適宜エッチングして形成したものを用いると、半導体
プロセスにより一連の処理により製造することができ
る。

【００６３】上記した各構成のセンサを製造するには、
例えば第１の半導体基板と、第２の半導体基板をそれぞ
れ別々のシリコンウエハから形成し、例えば第１の半導
体基板の上に柱部を形成した後、その柱部の上面に第２
半導体基板を接合後、さらにエッチングによるパターニ
ングを行うことにより半導体プロセスを用いて製造する
ことができる。

【００６４】また、別の方法としては、例えば図２２に
示す方法によっても製造できる。すなわち、表面マイク
ロ技術を用い、ダイアフラム基板上に堆積した導電性薄
膜で、対向電極を形成するには、以下のように行う。 （１）まず、第１半導体基板となるシリコンウエハ１
０′上にＳｉＮ膜等を堆積させ、ＳｉＮをエッチングし
て柱部１４等を形成する。 （２）ギャップとなる部分に酸化膜６２を堆積させる。
この酸化膜が犠牲層となる。 （３）柱部１４の上方に位置する酸化膜を除去し、ポリ
シリコンを堆積させ可動板１６及び引出配線をパターン
形成する。もちろんポリシリコンの堆積前後に保護膜も
成膜する。これにより、図２２（Ａ）の中間製造物が形
成できる。 （４）ウェットエッチングにより、処理（２）で製造し
た酸化膜（犠牲層）をエッチングして上記し、ギャップ
を形成する。これにより、図２２（Ｂ）の中間製造物が
形成できる。 （５）ワイヤボンディング用のパッドを形成するととも
にシリコンウエハの下面所定位置をエッチングしてダイ
アフラム１２を形成する。これにより、図２２（Ｃ）に
示すようなセンサが製造される。係るプロセスによりセ
ンサチップを作成すればウエハ１枚で作成可能になり、
コストダウンにつながる。

【００６５】さらに、上記した工程（３）では可動板
（第２電極）と引出配線をともにポリシリコンで形成し
たが、例えば可動板を単結晶シリコンで作製し、引出配
線の部分を表面マイクロ技術によりポリシリコンで作製
すれば、「可動板の剛性＞引出配線の剛性」となり、引
出配線により生じる応力の影響が対向電極にかかりにく
い構造とすることができる。

【００６６】なお、上記した実施の形態及び適用例で
は、圧力センサに適用した例について説明したが、加速
度や振動であってももちろんよい。その場合には、加速
度等によってダイアフラムが変形しやすいようにするた
め、例えばダイアフラムの中央部分に外側に突出する重
りを設けるとよい。

【００６７】

【発明の効果】本発明の静電容量型センサ及び検出方法
は、ダイアフラムの変形に伴う静電容量の変化が、ダイ
アフラムの周縁側の大きな面積の領域で最も大きくする
ことができる。その結果、測定対象物理量の変化に対す
るセンサ出力の変化が大きくなり、高感度となる。ま
た、ダイアフラムの非接合面側を測定圧力の受圧面とす
ることができるので、測定対象の物理量が圧力の場合で
も、測定対象の媒体が電極に接触することがなくなる。
よって、測定対象媒体の種類を問わず、電極の腐食もな
い。そして、ダイアフラムが撓んだ際に、それに接合さ
れた可動板も移動し、両電極間距離が離れるので、感度
が高くて測定レンジも広くすることができる。

【００６８】また、電極をダイアフラム付きの基板の周
囲、つまりダイアフラムの形成されていない領域に形成
した場合には、その部分では電極間距離が平行変位する
ので、入出力特性の直線性を良好にすることができ、ま
た、ダイボンド部の幅を十分にとることができ、小型化
が可能となる。さらに、柱部付近のギャップ間距離（誘
電率を考慮して実質的な距離も含む）を広くしたりする
と、寄生容量を減少できるので、入出力特性の直線性を
向上できる。さらに、引出配線の構造を工夫すると、可
動板に対する応力が減少したり、悪影響をなくすことが
できるので、特性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の静電容量型センサの一例を示す断面図で
ある。

【図２】本発明に係る静電容量型センサの第１の実施の
形態を示す図である。

【図３】本発明に係る静電容量型センサの第１の実施の
形態を示す図である。

【図４】本発明に係る静電容量型センサの第２の実施の
形態を示す図である。

【図５】本発明に係る静電容量型センサの第２の実施の
形態を示す図である。

【図６】本発明に係る静電容量型センサの第３の実施の
形態を示す図である。

【図７】本発明に係る静電容量型センサの第４の実施の
形態を示す図である。

【図８】本発明に係る静電容量型センサの第４の実施の
形態の変形例を示す図である。

【図９】本発明に係る静電容量型センサの第４の実施の
形態の変形例を示す図である。

【図１０】本発明に係る静電容量型センサの第４の実施
の形態の変形例を示す図である。

【図１１】本発明に係る静電容量型センサの第４の実施
の形態の変形例を示す図である。

【図１２】本発明に係る静電容量型センサの第５の実施
の形態を示す図である。

【図１３】本発明に係る静電容量型センサの第６の実施
の形態を示す図である。

【図１４】本発明に係る静電容量型センサの第７の実施
の形態を示す図である。

【図１５】本発明に係る静電容量型センサの第８の実施
の形態を示す図である。

【図１６】本発明に係る静電容量型センサの第９の実施
の形態を示す図である。

【図１７】本発明に係る静電容量型センサの第１０の実
施の形態を示す図である。

【図１８】本発明に係る静電容量型センサの第１０の実
施の形態の変形例を示す図である。

【図１９】本発明に係る静電容量型センサの第１１の実
施の形態を示す図である。

【図２０】本発明に係る静電容量型センサの第１１の実
施の形態を示す図である。

【図２１】本発明に係る静電容量型センサの第１２の実
施の形態を示す図である。

【図２２】製造プロセスの一例を説明する図である。

【符号の説明】

１０ 第１の半導体基板 １２ ダイアフラム １３ 枠体 １３ａ ダイボンド部 １４ 柱部 １６ 可動板 １８ 第２の半導体基板 ２０ 第１電極 ２１ 第２電極 ２２ 絶縁膜 ２４，２５ 保護膜 ２７ 引出配線 ３９ ダミー配線

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ダイアフラム付きの基板と、 そのダイアフラムの中央に設けた柱部と、 その柱部に接続され、前記ダイアフラムの変形に伴い変
   位する可動板と、 前記基板と前記可動板の対向面にそれぞれ設けた第１，
   第２電極と、 前記第１，第２電極間に発生する静電容量に基づく信号
   を外部に取り出す手段とを備えた静電容量型センサ。
2. 【請求項２】 ダイアフラムを有する基板と、 そのダイアフラムに連結され、初期形状を保持しながら
   前記ダイアフラムの変形にともなって平行移動する可動
   板と、 前記基板と前記可動板の対向面にそれぞれ設けた第１，
   第２電極と、 前記第１，第２電極間に発生する静電容量に基づく信号
   を外部に取り出す手段とを備えた静電容量型センサ。
3. 【請求項３】 ダイアフラムを有する基板と、 その基板表面の前記ダイアフラムの外周囲に設けた第１
   電極と、 前記ダイアフラムに連結され、前記第１電極に対して平
   行状態を保持しながら前記ダイアフラムの変形にともな
   って移動する可動板と、 前記可動板の前記第１電極に対向する部分に設けられた
   第２電極と、 前記第１，第２電極間に発生する静電容量に基づく信号
   を外部に取り出す手段とを備えた静電容量型センサ。
4. 【請求項４】 基板と、可動板と、それらを連結する柱
   部とを有し、 前記柱部が接続される前記基板の周辺をダイアフラム化
   してそのダイアフラムの変形にともない前記可動板を変
   位するようにし、 前記基板と前記可動板の対向面にそれぞれ第１，第２電
   極を設けた静電容量型センサ。
5. 【請求項５】 ダイアフラムを有する基台と、そのダイ
   アフラムに連結され前記ダイアフラムの変形にともなっ
   て移動する可動板とを配備し、 前記基台と前記可動板の対向面にそれぞれ第１，第２電
   極を設け、 前記ダイアフラムの変位に伴って変化する両電極の相対
   位置に伴い両電極間に発生する静電容量に基づく信号を
   検出することにより、前記ダイアフラムの変位量或いは
   そのダイアフラムに加わる物理量を検出する検出方法。