专利名称：石英压力传感器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及对压力传感器的改进，涉及一种通过以石英片构成检测片来提高可靠性的石英压力传感器及其制造方法，检测片常规地是由硅材料制成的。
背景技术：
常规地公知一种轮胎压力监视系统，其使用压力传感器来检测装配在诸如汽车的车辆中的各个轮胎的气压，并在出现异常时发出警报。
作为设置在汽车等的橡胶轮胎中并测量气压的气压传感器，在日本专利申请特开No.2001-174357中公开了如下技术其中，由陶瓷制成的膜片(diaphragm)和由陶瓷制成的基底(base)彼此接合，并且将在这两个部件之间形成的间隙中的静电电容的变化转换为压力。然而，在使用陶瓷作为检测片的气压传感器中，存在希望提高检测精度的问题。
作为没有这种缺点的气压传感器，近来关注着如图7所示的使用由硅(Si)制成的检测片的接触模式电容型压力传感器。该压力传感器在玻璃片100上装配有电极膜101、介电薄膜102、电极膜103以及由硅制成的检测片104。该压力传感器利用由于根据压力所导致变形而使得检测片104的薄膜部(膜片)104a与介电薄膜102直接接触从而出现的静电电容变化来进行压力检测。例如，在IEEJ Trans.SM，Vol.123，No.1，2003(Transaction of The Institute of Electrical Engineers of Japan，SM，Vol.123，No.1，2003)的“Touch Mode Capacitive Pressure Sensor for Passive TireMonitoring System”中公开了这种气压传感器。
日本专利申请特开No.2001-174357[非专利文献1]IEEJ Trans.SM，Vol.123，No.1，2003(Transaction ofThe Institute of Electrical Engineers of Japan，SM，Vol.123，No.1，2003)，“Touch Mode Capacitive Pressure Sensor for Passive Tire MonitoringSystem”发明内容本发明要解决的问题在使用由硅制成的检测片的气压传感器中，不仅必须利用刻蚀将硅晶片的膜片104a处理为薄至其厚度变为约3μm的程度，而且必须在膜片104a与介电薄膜102之间设置约3μm的极小间隙。
如在上述公报中所述，形成膜片104a的过程包括以下步骤将硼掺杂到硅片的一个表面；通过从晶片的另一表面进行刻蚀来执行刻蚀；以及在到达掺杂有硼的层时停止刻蚀。即，通过掺杂硼形成的重整层的厚度成为膜片的厚度。然而，必须例如通过管理硼的掺杂时间来控制掺杂有硼的层的厚度，即，膜片104a的厚度。因此，即使由于制造条件等的波动而导致硼的掺杂速度发生变化，由于不能执行基于这种变化的控制，所以个体之间的差异很大。结果，制造气压传感器中的波动很大。此外，由于硅材料的Q值不高，因此还存在弹性形变的重复再现性的问题。如进一步详述的，在膜片型压力传感器中，因为静电电容由于膜片的挠曲而发生变化，所以为了使得个体之间的静电电容的变化量均匀，当加工膜片时不可避免地要进行高精度的厚度控制以使得膜片的挠曲特性均匀。
此外，在接触模式电容型压力传感器中，由于应力集中于变为与底板接触的膜片的可动部分，因此在加工膜片时不可避免要以更高精度进行厚度控制，这不仅是为了实现传感器精度而且是为了将机械强度保持在希望水平。
在这点上，具体地，在使用硅的接触模式电容型压力传感器中，由于不可能在加工期间测量并控制精确的厚度，因此各个膜片之间的厚度差很大。结果，出现诸如产量下降或小型化极限的问题。即，当推进压力传感器的小型化时，由于必须在减小膜片的可动部分的面积的同时保持压力灵敏度特性，因此要求膜片的可动部分变薄，这导致需要更高的膜片加工精度。
考虑到上述问题获得本发明，本发明的目的是提供一种石英压力传感器，该石英压力传感器通过利用石英(具体地，为AT切割)(常规上并未将其用作构成检测片的材料并且其为即使本领域技术人员也并未认识到其用途的材料)作为接触模式电容型压力传感器中的压力传感器的检测片，可以分别解决由于低刻蚀精度而导致的膜片厚度控制的困难(这是在使用由硅制成的检测片的压力传感器中的缺点)、以及由于该困难而导致的检测精度劣化和不良的弹性形变重复再现性。
解决问题的手段为了解决上述问题，权利要求1中描述的发明提供了一种压力传感器，该压力传感器包括由绝缘材料制成的底板；顺序层叠在底板的表面上的下电极膜和介电膜；在其与介电膜相对的位置设置有薄部并且固定在底板的表面上的检测片；以及形成在薄部的至少一部分中并具有与下电极膜相对的位置关系的上电极膜，其中，在上电极膜与介电膜之间设置有微小间隙的气密空间，所述压力传感器的特征在于检测片由石英材料制成。
根据本发明，由于使用石英而不是常规使用的硅作为检测片的材料，因此提供了以下优越性。即，与硅相比，石英是物理稳定的材料，并且经年变化小、且由于机械变形的再现性高(迟滞减小)。利用石英，容易严格地管理作为膜片的薄部10a的厚度，从而可以获得对于各个体没有薄部间厚度差的具有均匀片厚度的膜片。
权利要求2中描述的发明提供了一种压力传感器，该压力传感器包括由绝缘材料制成的底板；层叠在底板的表面上的下电极膜；在其与下电极膜相对的位置设置有薄部并且固定在底板的表面上的检测片；以及形成在薄部的至少一部分中并具有与下电极膜相对的位置关系的上电极膜，其中，在上电极膜与下电极膜之间设置有微小间隙的气密空间，所述压力传感器的特征在于检测片由石英材料制成。
不使用介电膜就可以构成根据本发明的压力传感器。在这种情况下，构成检测片的石英的薄部还可以用作介电膜和膜片。
权利要求3中描述的发明提供了根据权利要求1或2所述的压力传感器，其特征在于所述气密空间是由形成在检测片的下表面的一部分上的凹部或者形成在绝缘板的表面上的凹陷形成的。
气密空间是形成在薄部与底板之间的微小间隙，但是气密空间可以由形成在检测片的下表面上的凹部或者形成在底板上的凹陷形成。
权利要求4中描述的发明提供了一种压力传感器，该压力传感器包括顺序层叠在由绝缘材料制成的底板的表面上的下电极膜和介电膜；由薄部和包围该薄部的厚部构成的检测片；以及形成在检测片的薄部的下表面的至少一部分中的上电极膜，其中通过将检测片的厚部的下表面经由上电极膜以紧密接触的方式固定于底板的表面而在薄部与底板之间形成有微小间隙的气密空间，所述压力传感器的特征在于检测片由石英材料制成。
权利要求5中描述的发明提供了根据权利要求1至4所述的压力传感器，其特征在于底板由石英材料制成。
权利要求6中描述的发明提供了一种压力传感器，该压力传感器包括介电膜，也用作下电极膜并层叠在由导电材料制成的底板的表面上；检测片，由薄部和包围该薄部的厚部构成；以及上电极膜，形成在检测片的薄部的下表面或者上表面的至少一部分中，其中通过将检测片的厚部的下表面以紧密接触的方式固定于底板的表面而在薄部与底板之间形成有由微小间隙限定的气密空间，所述压力传感器的特征在于检测片由石英材料制成。
通过以导体来制造底板，可以省去下电极膜。
权利要求7中描述的发明提供了一种压力传感器，其特征在于根据权利要求1至6中的任一项所述的检测片被设置为使得薄部在其平坦面侧的主面与底板的表面相对。
当检测片的一个主面是平坦面而其另一主面是非平坦面时，通过使检测片的平坦面与底板的上表面相对，可以容易地获得气密空间。
权利要求8中描述的发明提供了根据权利要求1至7所述的压力传感器，其特征在于通过用刻蚀对石英片进行变薄加工而使得检测片形成有薄部。
在对石英材料的变薄加工中，可以通过刻蚀精细地控制厚度。
权利要求9中描述的发明提供了根据权利要求1至8所述的压力传感器，其特征在于检测片和底板是由同一种石英材料制成的，并且检测片是按使得检测片和底板的晶轴彼此一致的方式接合到底板的。
通过不仅使得要使用的材料彼此一致而且使得检测片和底板的晶轴彼此一致，可以使得检测片和底板对温度变化的特性彼此严格一致。
权利要求10中描述的发明提供了根据权利要求1至9所述的压力传感器，其特征在于所述石英压力传感器是接触模式电容型压力传感器。
与诸如硅的半导体材料相比，石英具有非常高的厚度处理精度并且使得可以制造具有希望厚度的检测片。因此，在要求薄部厚度的精度高的接触模式电容型压力传感器中，石英材料提供了优异的便利性。
权利要求11中描述的发明提供了根据权利要求1至10所述的压力传感器，其特征在于检测片中的薄部或者上电极膜在非测量期间与介电膜或底板的表面相接触。
在接触模式电容型压力传感器中，当薄部在非测量期间与底板间隔开时，在初始测量状态下发生波动，但是如果使薄部从测量开始就与底板相接触则从测量开始就可以以稳定的精度进行测量。
权利要求12中描述的发明提供了根据权利要求11所述的压力传感器，其特征在于所述气密空间处于真空状态。
气密空间中的不存在空气的真空状态消解了由于热等导致的气体膨胀而带来的不利影响。
权利要求13中描述的发明提供了根据权利要求1至12所述的压力传感器，其特征在于所述检测片由具有可以通过片厚度调整来控制谐振频率的切割角(cut angle)的石英材料制成。
由于可以基于薄部的固有振荡频率对厚度进行精确测量，所以可以改进加工精度并提高产量。
权利要求14中描述的发明提供了一种压力传感器，其特征在于根据权利要求13所述的石英材料是由具有厚度滑动振荡模式(thicknesssliding oscillation mode)或厚度垂直模式(thickness vertical mode)的石英材料制成的。
权利要求14中描述的石英材料可以例示为具有厚度滑动振荡模式或厚度垂直模式的石英材料。
权利要求15中描述的发明提供了根据权利要求1至14所述的压力传感器，其特征在于检测片由AT切割石英片构成。
当通过湿法刻蚀等对AT切割石英片进行处理时，在可动部分出现厚度差，但是，由于可以通过进行频率换算来控制薄部的厚度，所以这是非常方便的。
权利要求16中描述的发明提供了根据权利要求13至15中的任一项所述的石英压力传感器的制造方法，其特征在于包括对薄部的厚度进行频率换算以对其进行确认的步骤。
权利要求17中描述的发明提供了根据权利要求10至12所述的压力传感器，其特征在于所述压力传感器是其中将具有石英片表面的法线与石英晶体Z轴方向大致一致的切割角的石英片用作构成检测片的石英片的接触模式型压力传感器。
发明效果根据本发明，通过利用石英(具体地，AT切割)作为电容型压力传感器中的压力传感器的检测片，可以提供一种石英压力传感器，该石英压力传感器可以分别解决膜片厚度控制的困难(这是使用由硅制成的检测片的压力传感器的缺点)以及由于该困难而导致的检测精度劣化和不良的弹性形变重复再现性。
常规上并不采用石英作为构成电容型压力传感器的检测片的材料，并且石英是即使本领域技术人员也并未认识到其用途的材料。
根据权利要求1、4和5中描述的发明，由于使用石英而不是常规使用的硅作为检测片的材料，所以提供了以下优越性。即，与硅相比，石英是物理稳定的材料，并且经年变化小、由于机械变形的再现性高(迟滞减小)。利用石英，容易严格地管理作为膜片的薄部10a的厚度，从而可以获得对于各个体没有薄部间厚度差的具有均匀片厚度的膜片。
根据权利要求2中描述的发明，无需使用介电膜就可以构成压力传感器。在这种情况下，构成检测片的石英的薄部还可以用作介电膜和膜片。
根据权利要求3中描述的发明，气密空间是形成在薄部与底板之间的微小间隙，但是所述气密空间可以由形成在检测片的下表面上的凹部或形成在底板上的凹陷形成。
根据权利要求6中描述的发明，通过以导体来制造底板，可以省去下电极膜。
根据权利要求7中描述的发明，当检测片的一个主面是平坦面而其另一主面是非平坦面时，通过将检测片的平坦面与底板的上表面相对，可以容易地形成气密空间。
根据权利要求8中描述的发明，可以通过在对石英材料的处理中进行刻蚀来精细地控制厚度。
根据权利要求9中描述的发明，通过不仅使得要使用的材料彼此一致而且使得晶轴彼此一致，可以使检测片和底板对温度变化的特性彼此严格一致。
根据权利要求10中描述的发明，石英压力传感器是接触模式电容型压力传感器。与诸如硅的半导体材料相比，石英具有非常高的厚度处理精度并使得可以制造具有希望厚度的检测片。因此，在要求薄部厚度的精度高的接触模式电容型压力传感器中，石英材料提供了优异的便利性。
根据权利要求11中描述的发明，在接触模式电容型压力传感器中，当薄部在非测量期间与底板间隔开时，在初始测量状态下发生波动，但是如果使薄部从测量开始就与底板相接触则从测量开始就可以以稳定的精度进行测量。
根据权利要求12中描述的发明，气密空间中的不存在空气的真空状态消解了由于热等导致的气体膨胀而带来的不利影响。
根据权利要求13中描述的发明，由于可以基于薄部的固有振荡频率对厚度进行精确测量，所以可以改进处理精度并提高产量。
根据权利要求14中描述的发明，具有厚度滑动振荡模式或厚度垂直模式的石英材料可以例示为权利要求7中描述的石英材料的示例。
根据权利要求15中描述的发明，当通过湿法刻蚀等对AT切割石英片进行处理时，在可动部分出现厚度差，但是，由于可以通过进行频率换算来控制薄部的厚度，所以这是非常方便的。
根据权利要求16中描述的发明，由于提供了对薄部的厚度进行频率换算以对其进行确认的步骤，所以可以以高精度控制薄部的厚度。
根据权利要求17中描述的发明，由于将具有石英片表面法线与石英晶体Z轴方向大致一致的切割角的石英片用作构成权利要求10至12所述发明中所描述的检测片的石英片，所以加工变得容易。
具体实施例方式
下面将详细说明附图中示出的本发明的实施例。
图1(a)和1(b)是示出根据本发明实施例的接触模式电容型压力传感器的整体结构的垂直剖面图、以及沿图1(a)所示的线A-A取的剖视图。
接触模式电容型压力传感器(以下称为“压力传感器”或“接触模式型压力传感器”)1容纳在由诸如陶瓷的绝缘材料制成的容器20中。陶瓷容器20一般包括底板21、从底板21的周缘竖立的四个侧壁22、以及固定于侧壁22形成的上开口并设置有通气孔23a的上盖23。
由于侧壁22和上盖23不是必需的，因此在实际应用即使检测片10等装配在底板21上的结构就足够了。
以这种方式容纳在陶瓷容器20中的压力传感器1以其装配到要使用的发送应答器的状态固定地设置在车辆(例如汽车)的轮胎的适当部分。发送应答器设置有天线线圈。由从车辆侧边的天线输出的电磁波在天线线圈中感生的电流启动压力传感器。然后，测量出的压力信息作为电磁波输出到车辆侧边。由于轮胎中的气压经由形成在上盖23中的开口23a施加到容器20内的压力传感器1的薄部10a，所以当轮胎内的气压是超过例如被设置为作为基准压力的大气压的气密空间S内的压力的压力时，薄部10a发生挠曲和变形。
压力传感器1设置有介电膜3，其经由下电极膜2紧密层叠在陶瓷容器20的底板(绝缘板)21的表面上；检测片10，设置有薄部10a和包围薄部10a的厚部10b；以及上电极膜11，从薄部10a的下表面到厚部10b地形成在检测片10上。压力传感器1具有如下结构其中，通过将检测片10的厚部的下表面经由上电极膜11紧密固定在绝缘部件21的表面上，形成对应于薄部10a的凹部10A作为气密空间S。
基板由底板21、下电极膜2以及介电膜3构成。
本发明的压力传感器1的特征性结构在于将诸如石英的压电材料用于检测片10，更具体地在于检测片10是由具有厚度滑动振荡模式或厚度垂直模式的压电材料片(例如AT切割石英片)制成的这一点。
在实施例中，尽管检测片10的对应于薄部10a的下表面形成为凹部10A以形成气密空间S，但是如稍后所述，该结构仅仅是作为示例。即，如果通过在介电膜3与薄部10a的下表面上的上电极膜11之间形成微小间隙(约3μm)来形成气密空间，则可以采用任意结构。
在实施例中，形成从设置在诸如陶瓷的绝缘板21的上表面上的下电极膜2延伸到容器外部的引导电极2a。形成从形成在检测片10的下表面上的上电极11延伸到容器外部的引导电极11a。使用两个引导电极2a和11a，可以检测被设置为经由气密空间和介电膜3彼此相对的上电极膜11与下电极膜2之间的电容值的变化，并基于检测结果计算外部压力。
即，由下式来表达电容器的电容值CC＝ε·(S/d)(ε表示电介质的介电常数；S表示电极面积；d表示电极之间的距离)即，当电极膜2与11之间的距离d被设置为很小时，电容值C变大，但是当电极2和11之间的距离d被设置为很大时，电容C变小。另一方面，当使得彼此相对的两个电极膜的相对面积很大时，电容值C变大。相反，当彼此相对的两个电极膜的相对面积很小时，电容值C变小。
以上述方式构造的接触模式型压力传感器1以配置在容器20中的状态设置在大气中。气密空间S的内部设置为近似大气压的压力。当外部气压与气密空间S内的气压相等时，如图2(a)所示，由于气密空间内的气压与外部压力保持平衡，因此用作膜片的薄部10a不变形。另一方面，当外部气压高于气密空间内的气压时，如图2(b)所示，薄部10a变形为接近介电膜3。图2(c)和2(d)示出了薄部10a与介电膜3的接触面积S1和S2根据外部压力的大小而变化的状态。当对图2(c)所示接触面积S1的情况下和图2(d)所示接触面积S2的情况下(S1＜S2)的电容值C1和C2进行相互比较时，在接触面积为S1时获得C1＝ε·(S1/d)，在接触面积为S2时获得C2＝ε·(S2/d)。
当外部压力大于气密空间S内的压力(大气压)时，薄部10a(膜片)发生变形并且上电极膜11变为与介电膜3接触。因此，通过将此时上电极膜11与介电膜3的接触面积的变化作为电容值来进行检测，可以感知压力。
图1和图2所示的压力传感器1使用用作绝缘板的陶瓷作为底板21，但是除陶瓷外的诸如玻璃或石英的任何其他材料也可以用作绝缘板。当将石英材料用于底板21时，由于其热膨胀系数与构成检测片10的石英材料的热膨胀系数一致，因此具有可以避免由于热应变而导致不利影响的优点。具有这种底板21和这种膜片的压力传感器1可以容纳在由陶瓷等制成的封装中。
可以将诸如金属的导电材料代替绝缘材料用于底板21。在这种情况下，可以将本身作为导电材料的底板21用作下电极，而无需在底板上形成下电极膜2。
图3是示出根据本发明的压力传感器的修改实施例的剖面图。在该实施例中，将厚度约0.25mm的石英片用作底板21。通过使用诸如环氧粘合剂(epoxy adhesive)的粘合剂6来进行密封，以覆盖设置在石英底板21的上表面上的凹陷5的方式将由石英制成的检测片10紧密固定在底板的上表面上。因此，凹陷5的内部构成深度约3μm的气密空间S。在包括凹陷5的内壁的底板21的表面上形成有由Cu-Al等制成的下电极膜2。通过在下电极膜2的一个端部上涂布导电粘合剂7来形成电端子。通过在上电极膜11位于其一个端部附近的部分上涂布导电粘合剂12来形成另一电端子。
在本实施例中，通过仅在检测片10(其为石英片)的上表面上形成凹部10A并将其下表面形成为平坦面，来形成约5μm的薄部10a。厚部10b支承薄部10a的外周。由Cu-Al等制成的上电极膜11形成在检测片10的上表面上。该实施例的特征在于没有单独地设置介电膜，将由石英制成的薄部用作膜片并且还用作介电膜。即，当外部气压超过气密空间S内的气压时，薄部10a向下挠曲从而使得平坦的下表面变得与下电极膜2接触。通过将此时薄部下表面与下电极膜2的接触面积的变化作为电容值来检测，可以感知外部压力。
在该实施例中，凹陷5形成在底板21的表面上，检测片10的下表面被形成为平坦的。相反，可以将底板21的表面形成为平坦的，可以将凹部形成在与之相对的检测片10的下表面上。
在该实施例中，将构成薄部的石英片用作介电体，而无需设置单独的介电膜。此外，可以将压力传感器构成为在位于凹陷5内的下电极膜2的一部分上设置由除石英外的介电材料制成的单独介电膜、并且使薄部的下表面与介电膜通常处于非接触状态。
图4是示出根据图3所示实施例的接触模式电容型压力传感器的特性的曲线图。在图4中，纵轴表示测得的电容值(pF)，横轴表示与各电容值对应的外部压力。如该图中所显见，根据本实施例，可以以高灵敏度来测量外部压力。
接着，图5是根据本发明另一实施例的接触模式电容型压力传感器的剖面图。压力传感器1设置有底板21，厚度约为0.25mm，由诸如陶瓷、玻璃或石英的绝缘材料制成；以及检测片10，由石英制成，其上表面具有凹陷部且其下表面是平坦的。该压力传感器具有如下结构检测片10被设置为紧靠形成在底板21的上表面上的凹陷5(深度约3μm)，凹陷5由粘合剂6气密封闭。检测片10在其上表面上具有凹部，凹部的底部构成薄部10a。在薄部10a的底面上形成有上电极膜11，并且上电极膜11电连接到设置在底板21上的另一电极膜8(其与下电极膜2电绝缘)。下电极膜2被形成为从底板21的上表面延伸至凹陷5的内壁和内底面，并且在凹陷内底面上的下电极膜上以不与检测片的下表面接触的方式设置有诸如SiO2的介电膜3(厚度为2000至5000)。因此，检测片10的下表面上的上电极11与气密空间S内的介电膜3经由预定间隙彼此相对。此外，下电极膜2位于介电膜3下面。
利用上述结构，当外部气压超过气密空间S内的气压时，可以将当薄部10a向下挠曲并且上电极11的下表面变为与介电膜3相接触时发生的上电极11与介电膜3的接触面积的变化作为电容值来检测，并且感知外部气压。
在上述发明的各实施例中的共同结构特征在于将石英代替硅用作检测片10的材料，并且本发明的优越性在于以下点。
首先，与硅相比，石英是物理稳定的材料，并且经年变化小、由于机械变形的再现性高(迟滞减小)。
其次，利用石英，容易严格地管理用作膜片的薄部10a的厚度，即，为了将薄部加工为目标厚度，首先通过对石英片进行刻蚀来形成薄部10a。然后，通过使电流流过薄部10a来测量基于薄部厚度的固有频率，并将测得的频率与目标频率(目标厚度)进行比较。当测得的频率与目标频率不一致时，进行精细刻蚀直到测得频率达到目标频率。于是，可以获得在膜片个体中没有薄部厚度差的具有均匀片厚度的膜片。
简言之，作为用于要求相当高尺寸精度的接触模式电容型压力传感器中的检测片的材料，在对薄部的厚度控制的容易性和可加工性的角度，可以说石英是最合适的。在对由诸如硅的半导体材料制成的检测片中的薄部的加工处理中，使用从其一个表面层进行了硼掺杂的硅片。接着，进行通过从与其硼掺杂表面相对的表面对硅片进行刻蚀以仅去除硅部而留下硼掺杂层作为薄部的步骤。然而，由于不能在硼掺杂时精确控制硼掺杂层的层厚度，因此出现在刻蚀之后留下的硼掺杂层中的膜厚度波动。另一方面，当使用石英片时，由于通过仅进行刻蚀而不进行掺杂工艺可以以高精度控制薄部的厚度，因此可以说石英片是最适合于接触模式型压力传感器的材料。
用于测量诸如石英的压电材料制成的薄部10a的固有频率以精细调整其厚度的技术公知为例如在日本专利申请特开平No.06-021740中公开的由本申请人获得的对超薄片压电振荡器的加工技术，该技术可以原样地应用于测量技术。
接着，当检测片10由具有使得可以根据片厚度对谐振频率进行控制的切割角的石英材料构成时，在加工期间可以基于薄部的谐振频率精确地测量薄部的厚度。即，由于常规上通过光学测量方法或调查方法对薄部厚度进行测量，所以误差很大，这导致产品间特性的波动。另一方面，通过利用可以根据片厚度来控制谐振频率的特性，可以在根据频率换算确认厚度的同时对厚度进行控制，因此可以获得精度。
例如，当检测片10由具有厚度滑动振荡模式的压电材料片制成时以及由具有厚度垂直模式的压电材料片制成时，可以基于薄部的谐振频率来精确测量薄部厚度。即，通过利用厚度滑动特性或厚度垂直模式特性，可以对厚度进行频率换算，从而可以获得精度。
具体地，当通过诸如湿法刻蚀或干法刻蚀的刻蚀工艺对薄部进行加工时，通过利用对薄部的厚度进行频率换算的测量方法，可以形成具有希望薄厚度的薄部。即，当通过使用具有厚度滑动特性的压电材料制造检测片时，优选地进行对薄部10a的厚度进行频率换算以对其进行确认的步骤，从而由于加工精度的提高而实现产量的提高。
当薄部由具有使得可以根据片厚度来控制谐振频率的切割角的石英材料(例如具有厚度滑动振荡模式或厚度垂直模式的压电材料片)构成时，可以将任何压电材料用于薄部，但是AT切割石英片可以例示为典型示例。
此外，通过以同种压电晶体材料构成检测片10和底板21并以使得检测片和底板的晶轴彼此一致的方式将检测片接合到底板，与仅仅采用相同材料时相比，可以使得两者的热膨胀特性彼此严格一致，并且可以使得压力传感器的性能稳定。
本发明的压力传感器不仅可以用于基于底板上的介电膜与检测片的薄部的接触面积来测量压力的接触模式型压力传感器，而且可以用于除接触模式型压力传感器外的间隙型压力传感器(基于膜片与底板之间的距离对静电电容进行控制)。即，当检测片由具有厚度滑动模式的压电材料制成时，可以以高精度设置薄部10a的厚度。因此，通过应用于接触模式型压力传感器，可以抑制个体间的电特性和机械特性的波动。此外，即使在间隙型压力传感器的检测片由具有厚度滑动模式的压电材料制成时，也可以抑制个体间的电特性和机械特性的波动。
在上述实施例中，示出了通过将气密空间S设置为大气压从而使得在非测量期间检测片的薄部10a与介电膜等处于非接触状态的示例。另一方而，可以进行初始设置以使得在非测量期间检测片的薄部10a(上电极膜11)与介电膜3、上电极膜2或底板21的表面接触。即，在这种情况下，通过将气密空间S中的气压设置为低于大气压的压力(例如，真空状态)，可以使得在压力传感器置于大气压下的非测量期间薄部10a处于与介电膜3、上电极膜2、或底板21相接触的状态。
即，当将气密空间S保持在大气压时，该空间中的气体膨胀和收缩随环境温度的变化而出现。因此，由于薄部10a的初始位置发生波动，所以难以进行精确测量。当将气密空间S设置为真空状态(包括低于大气压的减小压力状态)时，气密空间S不会由于环境温度的变化而出现膨胀和收缩。因此，膜片仅仅根据测量的气压变化而动作。因此，具体地，在接触模式传感器中，由于外部气压，薄部10a始终处于向底板变形的状态，从而其保持与介电膜3或底板21的上表面的接触状态作为初始状态。通过以这种方式将气密空间设置为真空，因为基准压力值是绝对零压力，所以消除了允许薄部10a由于外部温度变化而发生偏移的余地，从而使得灵敏度和精度稳定。由于压力测量始于薄部10a与底板侧的接触状态，所以可以以线性度优异的良好灵敏度进行测量。即，当在初始状态薄部与底板分开时，在薄部根据外部压力的变化而接触底板侧之前检测精度劣化，但是当从薄部与底板的接触状态开始检测时，可以消除这种缺点。
更具体地说，如上所述，电容器的电容值C可以由下式表示。
C＝ε·(S/d)(ε表示介电体的介电常数；S表示电极的面积；d表示电极间的距离)例如，在接触模式型压力传感器中，当测量等于或大于大气压的压力时，将用作基准压力室的气密空间S设置为真空状态。因此，可以使得检测片的薄部接近或接触底板的上表面，可以获得从低压状态到高压状态线性度优异的传感器灵敏度特性。即，当电极间的距离d相对较大时，压力传感器检测在低压状态下针对电极间距离d的变化的电容值C。之后，当由于进行到高压状态而使得薄部开始接触底板表面时，压力传感器进行操作以检测针对电极的面积S(接触面积)的变化量的电容值C。
在这种情况下，由于电容值C针对电极间距离d的变化的变化量小于电容值C针对电极面积S的变化的变化量(针对单位压力变化的电容值变化)，所以有时针对压力变化的电容变化特性(传感器灵敏度特性)变得非线性。因此，为了实现从低压状态到高压状态线性度优异的传感器灵敏度特性，必须通过将气密空间S设置为真空状态来使得薄部向底板侧挠曲，从而使得上电极膜和下电极膜始终处于其彼此接触或彼此接近的状态。
作为构成检测片10的材料，使用具有相对较高韧性的六角石英结构的石英材料是有效的。即，由于具有六角石英结构的石英片具有优异的韧性，因此它也可以用作振荡器，并且它是适用于应力集中在检测片的特定部分(薄部)上的接触模式型压力传感器的材料。
当检测片由作为透明体的石英构成时，可以以高精度光学地测量薄部的厚度。
另一方面，例如，当通过以湿法刻蚀对具有各向异性的AT切割石英片进行加工来制造具有薄部10a的检测片10时，如图6(a)所示，在薄部10a的厚度中出现厚度差。由于将薄部10a中的厚度差换算为薄部厚度的均值，所以厚度差大于薄部的最薄部分10a’。因此，即使必须将薄部10处理得尽可能薄，也不可能将处理进行到刻蚀工艺的极限值。
另一方面，当对Z轴石英片(石英片主面的法线与石英晶轴Z的方向一致)进行湿法刻蚀时，几乎不会发生由于在刻蚀表面的各向异性刻蚀而导致的刻蚀速度波动。因此，如图6(b)所示，由于可以均匀地使薄部10a的厚度变薄并且可以在保持薄部的机械强度的同时达到刻蚀工艺的极限值，所以Z轴石英片尤其有效地适用于接触模式型压力传感器。
Z轴石英片不具有可以将厚度换算为频率的振荡特性。因此，作为确认厚度的方法，可以利用石英片为透明的特征来采用光学测量。
已经使用凹陷的膜片说明了本发明，但是本发明并不限于凹陷的膜片，也可以使用具有平板形状的膜片。
除了测量诸如轮胎的密闭空间中的气体的压力变化外，本发明的压力传感器还可以应用于对流体的压力测量。
图1(a)和1(b)是示出根据本发明实施例的接触模式电容型压力传感器的整体结构的垂直剖面图、以及是沿线A-A截取的接触模式电容型压力传感器的剖视图。
图2(a)至2(d)是图1所示的压力传感器的操作的说明图。
图3是示出根据本发明另一实施例的压力传感器的结构的剖面图。
图4是示出图3所示的压力传感器的特性的曲线图。
图5是示出根据本发明另一实施例的压力传感器的结构的剖面图。
图6(a)是由具有各向异性的石英材料制成的检测片的剖面图，图6(b)是根据本发明实施例的检测片的剖面图。
图7是常规示例的说明图。
标号说明1接触模式电容型压力传感器(压力传感器)2下电极膜3介电膜5凹陷6粘合剂10检测片10a薄部10b厚部10A凹部
11上电极膜20容器21底板22侧壁23上盖
权利要求
1.一种石英压力传感器，包括由绝缘材料制成的底板；顺序层叠在所述底板的表面上的下电极膜和介电膜；检测片，在其与所述介电膜相对的位置设置有薄部并且固定在所述底板的表面上；以及上电极膜，形成在所述薄部的至少一部分中并且具有与所述下电极膜相对的位置关系，其中在所述上电极膜与所述介电膜之间设置有微小间隙空间，所述石英压力传感器的特征在于所述检测片由石英材料制成。
2.一种石英压力传感器，包括由绝缘材料制成的底板；层叠在所述底板的表面上的下电极膜；检测片，在其与所述下电极膜相对的位置设置有薄部并且固定在所述底板的表面上；以及上电极膜，形成在所述薄部的至少一个部分中并且具有与所述下电极膜相对的位置关系，其中在所述上电极膜与所述下电极膜之间设置有微小间隙空间，所述石英压力传感器的特征在于所述检测片由石英材料制成。
3.根据权利要求1或2所述的石英压力传感器，其特征在于所述气密空间是至少由形成在所述检测片的下表面的一部分上的凹部或形成在所述底板的表面上的凹陷形成的。
4.一种石英压力传感器，包括下电极膜和介电膜，顺序层叠在由绝缘材料制成的底板的表面上；检测片，由薄部和包围所述薄部的厚部构成；以及形成在所述检测片的薄部的下表面的至少一部分中的上电极膜，其中通过将所述检测片中的厚部的下表面以紧密接触的方式固定到所述底板的表面而在所述薄部与所述底板之间形成有由微小间隙限定的气密空间，所述石英压力传感器的特征在于所述检测片由石英材料制成。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的石英压力传感器，其特征在于所述底板由石英材料制成。
6.一种石英压力传感器，包括介电膜，也用作下电极膜并层叠在由导电材料制成的底板的表面上；检测片，由薄部和包围所述薄部的厚部构成；以及上电极膜，形成在所述检测片的薄部的下表面或者上表面的至少一部分中，其中通过将所述检测片中的厚部的下表面以紧密接触的方式固定到所述底板的表面而在所述薄部与所述底板之间形成有由微小间隙限定的气密空间，所述石英压力传感器的特征在于所述检测片由石英材料制成。
7.一种石英压力传感器，其特征在于根据权利要求1至6中的任一项所述的检测片被设置为使得薄部在其平坦面侧的主面与所述底板的表面相对。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的石英压力传感器，其特征在于通过利用刻蚀对石英片进行变薄加工而使得所述检测片形成有薄部。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的石英压力传感器，其特征在于所述检测片和所述底板是由同一种石英材料制成的，并且检测片是按使得检测片和底板的晶轴彼此一致的方式接合到底板的。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的石英压力传感器，其特征在于所述石英压力传感器是接触模式型的。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的石英压力传感器，其特征在于所述检测片的薄部或者上电极膜在非测量期间与所述介电膜或者底板的表面相接触。
12.根据权利要求11所述的石英压力传感器，其特征在于所述气密空间处于真空状态。
13.根据权利要求1至12中的任一项所述的石英压力传感器，其特征在于所述检测片由具有可以通过片厚度调整来控制谐振频率的切割角的石英材料制成。
14.一种石英压力传感器，其特征在于根据权利要求13所述的石英材料是由具有厚度滑动振荡模式或厚度垂直模式的石英材料制成的。
15.根据权利要求1至14中的任一项所述的石英压力传感器，其特征在于所述检测片由AT切割石英片构成。
16.一种根据权利要求13至15中的任一项所述的石英压力传感器的制造方法，其特征在于包括对所述薄部的厚度进行频率换算以对其进行确认的步骤。
17.根据权利要求10至12中的任一项所述的石英压力传感器，其特征在于所述石英压力传感器是将具有石英片表面的法线与石英晶体Z轴方向大致一致的切割角的石英片用作构成所述检测片的石英片的接触模式型压力传感器。
全文摘要
一种石英型压力传感器，其通过使用石英作为压力传感器的检测片从而可以解决使用硅检测片的压力传感器的缺点，例如由于刻蚀精度低而导致难以控制膜片厚度以及由此导致的检测精度低和弹性变形再现性差。该压力传感器包括由绝缘材料构成的底板；顺序层叠在所述底板的表面上的下电极膜和介电膜；检测片，在与所述介电膜相对的位置设置有薄壁部并且固定到所述底板的表面；上电极膜，形成在所述薄壁部的至少一部分上并且位置关系为与所述下电极膜相对；以及在所述检测片的下表面与所述介电膜之间的微小间隙气密空间，该压力传感器的特征在于所述检测片由石英材料构成。
文档编号G01L9/12GK1813179SQ200480018179
公开日2006年8月2日 申请日期2004年7月2日 优先权日2003年7月3日
发明者渡边润 申请人:东洋通信机株式会社