JP2005233877A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 測定開始圧に対する静電容量を低くすることによって測定範囲内における変化量を増やすことができる圧力センサを提供する。
【解決手段】 基台１と、基台１表面に設けられた固定電極２と、固定電極２を覆うように積層された絶縁層３と、絶縁層３の上方に所定の空隙を形成して固定電極２と対向して配設された導電性のダイヤフラム５とを備え、ダイヤフラム５に圧力が加わった時、ダイヤフラム５が撓むことにより固定電極２間の静電容量の変化を検出する圧力センサであって、絶縁層３上には、ダイヤフラム５に向かって突出する突出部３ａを形成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ダイヤフラムの撓み量に伴う静電容量変化を利用して圧力を検出する圧力センサの構造に関する。

従来の圧力センサの構造としては、表面が導電性のダイヤフラムを設けた構造体と、金属膜からなる電極と、その上方を覆う誘電体膜が設けられた基体とを有し、ダイヤフラムと電極が対向し、かつダイヤフラムと誘電体膜間に隙間を設けた状態で接合して構成されたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

以下、従来の圧力センサの構造を図に基づいて説明する。
図９は従来の圧力センサを示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面断面図、（Ｃ）は電極部分を示す底面図である。

図において、構造体１０１のダイヤフラム１０３は、例えば単結晶シリコンからなるウエハをエッチングして窪ませることにより形成されている。基体１０２は、電極１０４と電気的絶縁状態を確保できるものであればよく、硝子板、セラミック板、硬質プラスチック板などがあり、好ましくはガラス板が用いられる。電極１０４は、金や銀などの金属材料を基体１０２の表面に蒸着、めっきなどの方法で形成されている。誘電体膜１０５は、硝子、セラミックなどの絶縁材料で成膜形成されている。
また、電極１０４は、図９（Ｃ）に示す通り、その長手方向寸法が、幅方向中心から幅方向端に向けて漸次増加する形状とされている。

基体１０２には、電極１０４と接続して基体１０２の辺縁部まで延びる端子部１０７と、誘電体膜１０５上に設けられ構造体１０１と電気的に接続された端子部１０６が設けられている。
基体１０２の誘電体膜１０５と、ダイヤフラム１０３との間に形成される隙間１０８は、ダイヤフラム１０３が圧力に応じて誘電体膜１０５側に接触し易いように、あるいは温度特性を持たないようにするため、内部が真空とされている。この隙間１０８の高さは適宜選択される。

この圧力センサ１１０は、外気圧変動に応じてダイヤフラム１０３が誘電体膜１０５側にたわみ、ダイヤフラム１０３が誘電体膜１０５と接触する。ダイヤフラム１０３が誘電体膜１０５に接触する面積に応じて、ダイヤフラム１０３と電極１０４間の静電容量は変化する。ダイヤフラム１０３に加わる圧力は、構造体１０１に接続して設けられた端子１０６と電極１０４に接続して設けられた端子１０７間での静電容量の変化を検出することによって測定される。

この圧力センサ１１０は、その長手方向寸法が、幅方向中心から幅方向端に向けて漸次増加する形状の電極１０４を設けたことによって、圧力増加に対する接触面積（ダイヤフラム１０３が電極１０４と接触する面積）の増加率を一定にし、圧力増加と静電容量の増加との直線的比例関係を改善している。

特開２００２−１９５９０３号公報

昨今、圧力センサの測定精度を高めるために、測定範囲における変化量を増やしたいという要望がある。しかしながら、ダイヤフラムを誘電体膜に接触させた状態から圧力測定を開始する上記従来の圧力センサの構成においては、測定開始圧に対する静電容量を低くできないという問題があり、測定範囲における変化量を増やすことは困難であった。このため、ダイヤフラムの誘電体膜に接触する部分に対応する固定電極の一部を切り欠いて、測定開始圧に対する静電容量を低くする構造も考えられるが、この構成においても限界があるという問題があった。

したがって、本発明では上述した問題点を解決し、測定開始圧に対する静電容量を低くすることによって測定範囲内における変化量を増やすことができる圧力センサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明では第１の解決手段として、基台と、この基台表面に設けられた固定電極と、この固定電極を覆うように積層された絶縁層と、この絶縁層の上方に所定の空隙を形成して前記固定電極と対向して配設された導電性のダイヤフラムとを備え、前記ダイヤフラムに圧力が加わった時、前記ダイヤフラムが撓むことにより前記固定電極間の静電容量の変化を検出する圧力センサであって、前記絶縁層上には、前記ダイヤフラムに向かって突出する突出部を形成した構成とした。

また、第２の解決手段として、前記突出部は、前記固定電極のほぼ中央部となる位置に配設されている構成とした。
また、第３の解決手段として、前記固定電極の中央部には、前記ダイヤフラムが接触する部分に対応して切り欠き部が形成されている構成とした。

また、第４の解決手段として、前記固定電極は円盤状に形成され、前記切り欠き部は、円盤の中心から外周方向へ放射状に設けられた複数の先尖部を有する星形の貫通孔からなる構成とした。
また、第５の解決手段として、前記固定電極は円盤状に形成され、前記切り欠き部は、円盤の中央に設けられた大孔と、この大孔の周囲に設けられた複数の小孔とからなる構成とした。

上述したように、本発明の圧力センサは、基台と、基台表面に設けられた固定電極と、固定電極を覆うように積層された絶縁層と、絶縁層の上方に所定の空隙を形成して固定電極と対向して配設された導電性のダイヤフラムとを備え、ダイヤフラムに圧力が加わった時、ダイヤフラムが撓むことにより固定電極間の静電容量の変化を検出する圧力センサであって、絶縁層上には、ダイヤフラムに向かって突出する突出部を形成したことから、絶縁層上に突出部を設けることにより、ダイヤフラムの絶縁層に接触する部分と固定電極との間の距離を増加させることができるので、ダイヤフラムを絶縁層に接触させた状態から圧力測定を開始する際の、測定開始圧に対する静電容量を低くすることができる。

また、突出部は、固定電極のほぼ中央部となる位置に配設されていることから、加圧時に最初に撓むダイヤフラムの中央が固定電極の中央部に設けられた突出部と確実に接触するので、測定開始圧に対する静電容量を低くすることができる。
また、固定電極の中央部には、ダイヤフラムが接触する部分に対応して切り欠き部が形成されていることから、ダイヤフラムと対向する固定電極の対向面積が少なくなるので、更に、測定開始圧に対する静電容量を低くできる。

また、固定電極は円盤状に形成され、切り欠き部は、円盤の中心から外周方向へ放射状に設けられた複数の先尖部を有する星形の貫通孔からなることから、ダイヤフラムと対向する固定電極の対向面積が外側に向かって漸次増加するので、外側の高圧領域での飽和を少なくすることができる。
また、固定電極は円盤状に形成され、切り欠き部は、円盤の中央に設けられた大孔と、大孔の周囲に設けられた複数の小孔とからなることから、同じく、ダイヤフラムと対向する固定電極の対向面積が外側に向かって漸次増加するので、外側の高圧領域での飽和を少なくすることができる。また、複数の小孔を通して絶縁層と基台との間の食いつきが良くなり、固定電極剥がれを防止できる。

以下、本発明の圧力センサの実施形態を図１乃至図８に示す。図１は本発明の圧力センサの断面図、図２は圧力センサの固定電極の平面図、図３は本発明の圧力センサの第２実施例を示す断面図、図４は同じく圧力センサの固定電極の平面図、図５は本発明の圧力センサの第３実施例を示す断面図、図６は同じく圧力センサの固定電極の平面図、図７は本発明の圧力センサの第４実施例を示す圧力センサの固定電極の平面図、図８は圧力センサの圧力と静電容量の関係を示すグラフである。

本実施例に係る圧力センサは、ダイヤフラムが圧力を受けて絶縁層（誘電体層）と接触する接触面積の変化を検出して、電極部とダイヤフラム間の静電容量を測定することにより圧力測定する構成となっており、基台１と、この基台１の表面に設けられた固定電極と、この固定電極を覆うように固定電極上に積層された絶縁層と、この絶縁層の上方に所定の空隙を形成して固定電極と対向して配設されたダイヤフラムとから主に構成されている。

図１及び図２において、基台１は、セラミック等の絶縁材で厚肉の方形状に形成されている。この基台１の表面（上面）には、導電性の板状金属材からなる、円形状の固定電極２が設けられている。この場合、金属材料としては、一般に使用される各種の金属（例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔｉなど）が使用されている。

また、固定電極２上には、この固定電極２を覆うように絶縁層３が積層されている。この絶縁層３は、硝子、セラミック、ポリイミド、シリコン、などの絶縁材から形成されており、この絶縁層３が誘電体層を構成している。また、この絶縁層３には、前記固定電極２のほぼ中央部となる位置に、上方へ突出する突出部３ａが形成されている。この場合、本実施例では、前記絶縁層３を、窒化シリコンで形成しており、前記突出部３ａをスパッタリングなどの方法により前記絶縁層３上に積層して形成している。

また、前記基台１の固定電極２が形成された外周部の上面には、環状の導電部材４が固着されており、この導電部材４の上面に平板状のダイヤフラム５が取付けられている。このダイヤフラム５は、弾性を有する導電性の薄板金属板や、シート状のゴム材等から形成されており、ゴム材の場合には、表面にカーボンなどの導電材が塗布されたものとなっている。尚、導電部材４とダイヤフラム５は一体で形成されていても良い。

また、前記ダイヤフラム５が前記導電部材４に取付けられる際には、ダイヤフラム５は、固定電極２を覆うように積層された絶縁層３の上方に所定の空隙Ｓを形成して固定電極２と対向して配設されるようになっている。また、固定電極２の中央部は、前記突出部３ａが設けられていることから、ダイヤフラム５との空隙Ｓは前記突出部３ａがない場合に比べて大きくなっている。

また、固定電極２を覆うように積層された絶縁層３と、ダイヤフラム５との間に形成される空隙Ｓは、ダイヤフラム５が圧力に応じて絶縁層３側に接触し易いように、あるいは温度特性を持たないようにするため、内部が真空とされており、この空隙Ｓの高さ、すなわち絶縁層３とダイヤフラム５間の寸法は、ダイヤフラム５の寸法（大きさ、厚さ）に応じて適宜選択されるものとなっている。

この圧力センサは、外気圧等の変動に応じてダイヤフラム５が絶縁層３側に撓み、ダイヤフラム５が絶縁層３と接触する。そして、ダイヤフラム５が絶縁層３に接する接触面積に応じて、ダイヤフラム５と電極部２間の静電容量が変化するので、ダイヤフラム５に加わる圧力は、この静電容量の変化を検出することによって測定されるものとなっている。この時、固定電極２、及びダイヤフラム５にはそれぞれ接続リード６ａ、６ｂが接続されており、この接続リード６ａ、６ｂを介して静電容量の変化が検出されるものとなっている。
また、ダイヤフラム５は、圧力が加わった時の撓む過程において、誘電率の高い絶縁層３に接触するようにしてあるので、更に、撓み量に対する静電容量の変化を大きくすることができる。

次に、上記構成の圧力センサの動作を説明する。
図１に示すのは、ダイヤフラム５に加わる圧力が比較的小さい時の状態、すなわち測定開始圧時を示している。この場合、ダイヤフラム５の中央のみが、対向された絶縁層３の中央の突出部３ａと接触した状態となっており、それ以外の周辺部分については絶縁層３と一定の空隙Ｓを有して対向した状態である。この状態においては、ダイヤフラム５と固定電極２との間に、まだ空隙Ｓが存在しているので静電容量は比較的小さい値を示すものとなる。

本実施例では、絶縁層３上に突出部３ａを設けることにより、ダイヤフラム５の絶縁層３に接触する部分と固定電極２との間の距離を増加させることができるので、ダイヤフラム５を絶縁層３に接触させた状態から圧力測定を開始する際の、測定開始圧に対する静電容量を低くすることができるものとなっている。

また、突出部３ａは、固定電極２のほぼ中央部となる位置に配設されていることから、加圧時に最初に撓むダイヤフラム５の中央が固定電極２の中央部に設けられた突出部３ａと確実に接触するので、測定開始圧に対する静電容量を低くすることができるものとなる。

この状態から、更に大きな圧力がダイヤフラム５に加わった時には、ダイヤフラム５は、中央に加えて周辺部の全体にわたって対向された絶縁層３と接触した状態となり、空隙Ｓがほとんど無い状態となる。この状態においては、ダイヤフラム５と固定電極２との間に空隙Ｓがほとんど存在しなくなるので、静電容量は大きな値を示すものとなる。
この場合、ダイヤフラム５は、空隙Ｓに対応する内形が円形状に形成されているので、円滑に撓むことができ動作が安定し、角部がないので破損などの発生を防止できるものとなっている。

図３及び図４は、本発明の第２実施例を示している。
本実施例においては、上記した第１実施例の構成に対して、固定電極の構成が一部相違している。尚、上記した第１実施例の構成と同一の構成部品については同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

すなわち、本実施例においては、絶縁層３に、固定電極のほぼ中央部となる位置に、上方へ突出する突出部３ａが形成されている構成においては上記した第１実施例の構成と同一であるが、本実施例の固定電極７には、図４に示す通り、その中央部に、ダイヤフラム５が接触する部分に対応して切り欠き部７ａが形成されている。そして、前記絶縁層３が、この切り欠き部７ａの内部にも形成されており、この切り欠き部７ａの上方に前記突出部３ａが形成されている。

このように本実施例においては、前記固定電極７の中央部に、ダイヤフラム５が接触する部分に対応して前記切り欠き部７ａが形成されていることから、ダイヤフラム５と対向する固定電極７の対向面積が少なくなるので、更に、測定開始圧に対する静電容量を低くできるものとなっている。

また、本実施例では、ダイヤフラム５の空隙Ｓに対応する円形状の内形の周縁部下方に、前記絶縁層３の外周縁部から上方に膨出する環状の膨出部３ｂが形成されている。この膨出部３ｂを形成することにより、ダイヤフラム５に大きな圧力が加わった場合においても、前記膨出部３ｂが、固定電極７と対向して配設されたダイヤフラム５と近接あるいは当接した状態で配置されたものとなっているため、ダイヤフラム５が撓む際に、応力が集中し易い内形の周縁部の応力が軽減され、ダイヤフラム５の損傷や破壊などの発生を防止することができるものとなっている。

図５及び図６は、本発明の第３実施例を示している。
本実施例においては、上記した第２実施例の構成に対して、固定電極に形成された切り欠き部の構成が一部相違している。尚、上記した第１、第２実施例の構成と同一の構成部品については同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

すなわち、本実施例においては、絶縁層３に、固定電極のほぼ中央部となる位置に、上方へ突出する突出部３ａが形成されている構成においては上記した第１、第２実施例の構成と同一であるが、本実施例の固定電極８には、図６に示す通り、その中央部に、ダイヤフラム５が接触する部分に対応して、中心から外周方向へ放射状に設けられた複数の先尖部を有する星形の貫通孔からなる切り欠き部８ａが形成されている。そして、前記絶縁層３が、この切り欠き部８ａの内部にも形成されており、この切り欠き部８ａの上方に前記突出部３ａが形成されている。

このように本実施例においては、前記固定電極８の中央部に、ダイヤフラム５が接触する部分に対応して中心から外周方向へ放射状に設けられた複数の先尖部を有する星形の貫通孔からなる前記切り欠き部８ａが形成されていることから、測定開始圧に対する静電容量を低くできると共に、ダイヤフラム５と対向する固定電極８の対向面積が外側に向かって漸次増加するので、外側の高圧領域での飽和を少なくすることができるものとなっている。

また、本実施例においても、ダイヤフラム５の空隙Ｓに対応する円形状の内形の周縁部下方に、前記絶縁層３の外周縁部から上方に膨出する環状の膨出部３ｂが形成されているので、ダイヤフラム５に大きな圧力が加わった場合においても、前記膨出部３ｂが、固定電極８と対向して配設されたダイヤフラム５と近接あるいは当接した状態で配置されたものとなっているため、ダイヤフラム５が撓む際に、応力が集中し易い内形の周縁部の応力が軽減され、ダイヤフラム５の損傷や破壊などの発生を防止することができるものとなっている。

図７は、本発明の第４実施例を示している。
本実施例においては、上記した第２、第３実施例の構成に対して、固定電極に形成された切り欠き部の構成が一部相違している。

すなわち、本実施例の固定電極９は、図７に示す通り、ダイヤフラム５が接触する部分に対応して、中央に設けられたやや大きめの大孔９ａと、この大孔９ａの周囲に設けられた複数の小さな小孔９ｂとからなる切り欠き部が形成されている。そして、前記絶縁層３が、これらの切り欠き部９ａ、９ｂの内部にも形成されており、切り欠き部９ａの上方に前記突出部３ａが形成されている。

このように本実施例においては、ダイヤフラム５が接触する部分に対応して中央に設けられたやや大きめの大孔９ａと、この大孔９ａの周囲に設けられた複数の小さな小孔９ｂとからなる切り欠き部が形成されていることから、測定開始圧に対する静電容量を低くできると共に、同じく、ダイヤフラム５と対向する固定電極９の対向面積が外側に向かって漸次増加するので、外側の高圧領域での飽和を少なくすることができるものとなっている。また、複数の小孔９ｂを通して絶縁層３と基台１との間の食いつきが良くなり、固定電極９の剥がれを防止できるものとなっている。

図８は、圧力センサの圧力と静電容量の関係を示すグラフで、横軸がダイヤフラム５に加わる圧力を示しており、縦軸がその圧力に対するダイヤフラム５と各固定電極２、７、８間の静電容量の変化を表わしている。

図８で、曲線Ａで示すのは、図６に示す従来例のように、電極１０４を覆う誘電体層１０５が平面の場合、すなわち、誘電体層１０５上には、ダイヤフラム１０３に向かって突出する突出部が形成されていない場合を示している。この場合、ダイヤフラム１０３に加わる圧力に伴ってダイヤフラム１０３と電極１０４間の静電容量は増加しているが、ダイヤフラム１０３を誘電体層１０５に接触させた状態から圧力測定を開始する際の、測定開始圧（約１００ｋＰａ）に対する静電容量は約１８ｐＦと高いものとなっている。

これに対して、曲線Ｂで示すのは、図１及び図２に示すように固定電極２を覆う絶縁層３上には、ダイヤフラム５に向かって突出する突出部３ａを形成した場合を示している。この場合には、カーブはやや放物線を描くが、ダイヤフラム５を絶縁層３に接触させた状態から圧力測定を開始する際の、測定開始圧（約１００ｋＰａ）に対する静電容量は従来例に比べて約９ｐＦと低いものとなっている。

このように、本実施例では、絶縁層３上に突出部３ａを設けることにより、ダイヤフラム５の絶縁層３に接触する部分と、固定電極２との間の距離を増加させることができるので、ダイヤフラム５を絶縁層３に接触させた状態から圧力測定を開始する際の、測定開始圧に対する静電容量を低くすることができるものとなっている。

図８で、曲線Ｃで示すのは、図３及び図４に示すように、固定電極７の中央部に、ダイヤフラム５が接触する部分に対応して円形状の切り欠き部７ａが形成されている場合を示しており、また、曲線Ｄで示すのは、固定電極８の中央部に、ダイヤフラム５が接触する部分に対応して星形状の切り欠き部８ａが形成されている場合を示している。これらの場合には、ダイヤフラム５を絶縁層３に接触させた状態から圧力測定を開始する際の、測定開始圧（約１００ｋＰａ）に対する静電容量は従来例に比べて約８ｐＦと更に低いものとなっている。

このように、固定電極７、８の中央部に、ダイヤフラム５が接触する部分に対応して切り欠き部７ａ、８ａを形成することにより、ダイヤフラム５と対向する固定電極７、８の対向面積が少なくなるので、更に、測定開始圧に対する静電容量を低くできるものとなっており、測定開始圧に対する静電容量を低くすることによって測定範囲内における変化量を増やすことができる圧力センサを提供できるものとなっている。

上記した本発明の実施例によれば、基台１と、この基台１表面に設けられた固定電極２、７、８、９と、この固定電極２、７、８、９を覆うように積層された絶縁層３と、この絶縁層３の上方に所定の空隙Ｓを形成して前記固定電極２、７、８、９と対向して配設された導電性のダイヤフラム５とを備え、前記ダイヤフラム５に圧力が加わった時、このダイヤフラム５が撓むことにより前記固定電極２、７、８、９間の静電容量の変化を検出する圧力センサであって、前記絶縁層３上には、前記ダイヤフラム５に向かって突出する突出部３ａを形成したことから、前記絶縁層３上に突出部３ａを設けることにより、前記ダイヤフラム５の前記絶縁層３に接触する部分と前記固定電極２、７、８、９との間の距離を増加させることができるので、前記ダイヤフラム５を前記絶縁層３に接触させた状態から圧力測定を開始する際の、測定開始圧に対する静電容量を低くすることができるものとなっている。

尚、上記実施例においては、固定電極７、８、９には各種形状の切り欠き部７ａ、８ａ、９ａ、９ｂを形成するようにしたが、本発明の構成では、固定電極には必ずしも切り欠き部は必要とせず、固定電極２のように切り欠き部を形成せず、絶縁層３に、固定電極２のほぼ中央部となる位置に、上方へ突出する突出部３ａを形成するようにすれば、簡単な構成で、確実に、前記ダイヤフラム５を前記絶縁層３に接触させた状態から圧力測定を開始する際の、測定開始圧に対する静電容量を低くすることができるものとなっている。

本発明の圧力センサを示す断面図である。 本発明の圧力センサの固定電極を示す平面図である。 本発明の圧力センサの第２実施例を示す断面図である。 本発明の圧力センサの第２実施例を示す固定電極の平面図である。 本発明の圧力センサの第３実施例を示す断面図である。 本発明の圧力センサの第３実施例を示す固定電極の平面図である。 本発明の圧力センサの第４実施例を示す固定電極の平面図である。 本発明の圧力センサの圧力と静電容量の関係を示すグラフである。 従来の圧力センサを示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面断面図、（Ｃ）は電極部分を示す底面図である。

符号の説明

１：基台
２：固定電極
３：絶縁層
３ａ：突出部
３ｂ：膨出部
４：絶縁部材
５：ダイヤフラム
６ａ：接続リード
６ｂ：接続リード
７：固定電極
７ａ：切り欠き部
８：固定電極
８ａ：切り欠き部
９：固定電極
９ａ：大孔（切り欠き部）
９ｂ：小孔（切り欠き部）

Claims (5)

1. 基台と、この基台表面に設けられた固定電極と、この固定電極を覆うように積層された絶縁層と、この絶縁層の上方に所定の空隙を形成して前記固定電極と対向して配設された導電性のダイヤフラムとを備え、前記ダイヤフラムに圧力が加わった時、前記ダイヤフラムが撓むことにより前記固定電極間の静電容量の変化を検出する圧力センサであって、前記絶縁層上には、前記ダイヤフラムに向かって突出する突出部を形成したことを特徴とする圧力センサ。
2. 前記突出部は、前記固定電極のほぼ中央部となる位置に配設されていることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
3. 前記固定電極の中央部には、前記ダイヤフラムが接触する部分に対応して切り欠き部が形成されていることを特徴とする請求項２記載の圧力センサ。
4. 前記固定電極は円盤状に形成され、前記切り欠き部は、円盤の中心から外周方向へ放射状に設けられた複数の先尖部を有する星形の貫通孔からなることを特徴とする請求項３記載の圧力センサ。
5. 前記固定電極は円盤状に形成され、前記切り欠き部は、円盤の中央に設けられた大孔と、この大孔の周囲に設けられた複数の小孔とからなることを特徴とする請求項３記載の圧力センサ。
   

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