JP3136549B2 - 静電容量式圧力センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被測定圧力の変化を静
電容量的に検出するダイアフラム構造の静電容量式セン
サに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の圧力センサとしては、図
１９に断面で示すように固定電極４１を有するパイレッ
クスなどからなるカバーガラス４２と、表裏面に凹部を
形成し表面側の凹部内に可動電極４３を形成したシリコ
ンウエハ４４とをその電極面を対向配置させその周辺部
分を陽極接合による接合部４５により接合してセンサ素
子４６が構成され、このように構成されたセンサ素子４
６はその接合部４７により基台４８に固定される。な
お、４９は圧力導入口である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに構成された静電容量式圧力センサは、センサ素子４
６の材料と基台４８の材料との熱膨張率の差により、周
囲温度の変化があると、センサ素子６に応力が加わるこ
とになる。この応力が大きいと、センサ素子４６の温度
特性の誤差の発生の原因になるという問題があった。ま
た、センサ素子４６と基台４８との接合部４７は、半田
付けなど接合時に熱の発生する接合が広く行われる。こ
の場合も接合時と使用時との温度差によりセンサ素子４
６に残留応力が発生し、また、応力が経時変化するた
め、圧力計測の誤差発生の原因となり、高精度で信頼性
の高い圧力計測が不可能となるなどの問題があった。

【０００４】したがって本発明は、前述した従来の課題
を解決するためになされたものであり、その目的は、セ
ンサ素子と基台とを接合することにより発生するセンサ
素子の応力を大幅に減少させ、この応力に起因するセン
サ素子の被測定圧力−容量値特性の温度特性やその経時
変化を大幅に減少させ、高精度でかつ信頼性の高い圧力
計測を可能にした静電容量式圧力センサを提供すること
にある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために本発明は、一方の面に第１の電極が形成された
基板と、前記第１の電極と対向する面に第２の電極が形
成されたダイアフラム板とがギャップを介して対向配置
されセンサ素子を構成するとともに前記センサ素子の長
さ方向の第１の電極，第２の電極を含む一端側に圧力計
測部が形成され他端側に圧力計測に寄与しない固定部が
形成され、前記固定部の少なくとも１つの面に圧力容器
を固定配置させたものである。また、本発明の他の発明
は、一方の面に第１の電極が形成された基板と、前記第
１の電極と対向する面に第２の電極が形成されたダイア
フラム板とが第１のギャップを介して対向配置されかつ
前記ダイアフラム板の外面側にストッパ板の第２の電極
が形成されたダイアフラム板の他端側と対向する表面に
第２のギャップが形成されたストッパ板が対向配置され
てセンサ素子を構成するとともに前記センサ素子の長さ
方向の一端側に圧力計測部が形成され他端側に圧力計測
に寄与しない固定部が形成され、前記固定部のいずれか
一方に圧力容器を固定配置させたものである。

【０００６】

【作用】本発明においては、センサ素子の圧力計測部を
除く固定部分で圧力容器に固定されるので、圧力容器の
固定により固定部で発生する計測誤差要因の圧力計測部
への伝達が軽減される。

【０００７】

【実施例】以下、図面を用いて本発明に実施例を詳細に
説明する。図１は本発明による静電容量式圧力センサの
一実施例による構成を示す図であり、図１（ａ）は平面
図，図１（ｂ）はそのＢ−Ｂ線の断面図，図１（ｃ）は
そのＣ−Ｃ線の平面図である。同図において、１１は例
えば石英ガラスなどから形成された基板、１２は基板１
１の上面側に全体形状がほぼ正方形で断面が凹状となる
一定の深さを有して形成されたリード線を配置するため
のギャップ１２ｇとしての溝、１３はこの溝１２内の底
面に形成された導電性薄膜からなる固定電極である。

【０００８】また、１４は基板１１の周面部分で接合固
定された例えば石英ガラスなどからなるダイアフラム
板、１５はダイアフラム板１４の固定電極１３と対向す
る面に形成された導電性薄膜からなる可動電極、１６は
ダイアフラム板１４の端部側に貫通して形成された固定
電極１３のリード線、１７はその電極端子であり、これ
らの基板１１に形成された固定電極１３とダイアフラム
板１４に形成された可動電極１５とがギャップ１２ｇを
介して対向配置されコンデンサ構造が形成されて容量式
のセンサ素子１８が構成されている。

【０００９】また、このように構成されたセンサ素子１
８は、図１（ａ），（ｂ）に示すようにダイアフラム板
１４側にはダイアフラムセンシング部１４ａ，ダイアフ
ラム連結部１４ｂおよびダイアフラム接合部１４ｃの領
域が形成され、また、基板１１側には基板センシング部
１１ａ，基板連結部１１ｂおよび基板接合部１１ｃの領
域がそれぞれ形成される。

【００１０】そしてこのように構成されたセンサ素子１
８は、ダイアフラム板１４のダイアフラム接合部１４ｃ
に設けられた電極端子１７を囲むように開口１９ａを有
する圧力容器１９がその開口１９ａで接合固定されてい
る。つまりセンサ素子１８のセンシングに寄与しないダ
イアフラム接合部１４ｃ部分で圧力容器１９と固定さ
れ、圧力容器１９内に配置される構成となっている。な
お、圧力容器１９との固定は基板接合部１１ｃ部分で行
っても良い。

【００１１】このような構成において、圧力容器１９内
の圧力により、ダイアフラム板１４のダイアフラムセン
シング部１４ａが変位することで、可動電極１５と固定
電極１３との間の距離が変化し、圧力値を両電極間の容
量値として検出することができる。また、基板１１の基
板センシング部１１ａが変位しても、ダイアフラム板１
４と基板１１とが変位しても良い。また、開口部１９ａ
から溝１２へ連通する圧力導入口があっても良い。ま
た、固定電極１３が電気的絶縁された２枚から構成され
ている例を示したが、１枚でも本発明を実施できること
は言うまでもない。また、固定電極１３の形状は直方形
としたが、円形でもその他の多角形でも良い。

【００１２】このような構成によると、センサ素子１８
がそのセンシング部１４ａからダイアフラム連結部１４
ｂを介して離間したダイアフラム接合部１４ｃで圧力容
器１９にその開口１９ａ部分で固定保持されるので、ダ
イアフラム接合部１４ｃで圧力容器１９の固定によって
発生する計測誤差要因のセンシング部１４ａへの伝達が
軽減できる。また、基板１１とダイアフラム板１４とは
同一材料であり、それらの接合を接着層を設けずに行う
ことも可能であり、この場合、異種材料接着層があるこ
とにより生ずる誤差要因（熱応力の発生など）を除去す
る効果もある。

【００１３】図２は本発明による静電容量式圧力センサ
のさらに他の実施例による構成を示す図であり、図２
（ａ）は平面図，図２（ｂ）はそのＢ−Ｂ線の断面図，
図２（ｃ）はそのＣ−Ｃ線の平面図であり、前述の図と
同一部分には同一符号を付してある。同図において、図
１と異なる点は、ダイアフラム板１４上にはこのダイア
フラム板１４と対向する面にギャップ２０ｇおよびこの
ギャップ２０ｇに連通する圧力導入穴２０ｈを有するス
トッパ板２０が接合して固定配置され、また、このスト
ッパ板２０には固定電極１３のリード線１６が挿通さ
れ、その表面にはその電極端子１７が設けられてセンサ
素子１８Ａが構成されている。

【００１４】そして、このように構成されたセンサ素子
１８Ａは、図２（ｂ）に示すようにストッパ板２０側に
はストッパセンシング部２０ａ，ストッパ連結部２０ｂ
およびストッパ接合部２０ｃの領域がそれぞれ形成され
ており、このストッパ接合部２０ｃに設けられた電極端
子１７を囲むように開口１９ａを有する圧力容器１９が
接合固定され、このセンサ素子１８Ａが収容されてい
る。つまりセンサ素子１８Ａのセンシングに寄与しない
ストッパ接合部２０ｃ部分で圧力容器１９が固定され、
圧力容器１９内に配置される構成となっている。なお、
圧力容器１９との固定は基板接合部１１ｃ行っても良
い。

【００１５】このような構成において、圧力容器１９内
の圧力により、ダイアフラム板１４のダイアフラムセン
シング部１４ａまたは基板センシング部１１ａが変位す
ることで、固定電極１３と可動電極１５との間の距離が
変化し、圧力値を両電極間の容量値として検出すること
ができる。また、基板１１の基板センシング部１１ａが
変位しても、ダイアフラム板１４と基板１１とが変位し
ても良い。

【００１６】このような構成においても、ストッパ接合
部２０ｃで圧力容器１９の固定によって発生する計測誤
差要因の基板センシング部１１ａまたはダイアフラムセ
ンシング部１４ａへの伝達が軽減できる。また、ダイア
フラム板１４上にストッパ板２０を設けたことによって
ダイアフラム板１４の剛性を補強し、片寄った圧力容器
１９との固定位置に起因するセンサ素子１８Ａの反りの
発生を軽減することができる。さらにダイアフラムセン
シング部１４ａがストッパ板２０側に変位したときのス
トッパになる。また、開口１９ａから溝１２へ連通する
圧力導入口があっても良い。

【００１７】図３は本発明による静電容量式圧力センサ
の他の実施例による構成を示す図であり、図３（ａ）は
平面図，図３（ｂ）はそのＢ−Ｂ線の断面図，図３
（ｃ）はそのＣ−Ｃ線の平面図であり、前述の図と同一
部分には同一符号を付してある。同図において、図２と
異なる点は、基板１１の基板連結部１１ｂ部とストッパ
連結２０ｃには外面となるそれぞれの１面にＵ字状とな
る窪み１１ｄ，２０ｄが形成されている。また、ストッ
パ板２０のストッパ連結部２０ｂにも外面の３面にわた
って断面がＵ字状となる溝２０ｄが形成されている。さ
らに図示されないが、ダイアフラム板１４にもそのダイ
アフラム連結部１４ｂに窪み１１ｄおよび溝２０ｄに連
通する同一構造の溝が形成されてセンサ素子１８Ｂが構
成されている。

【００１８】また、これらの溝は、センサ素子１８Ｂを
１周するように形成したが、１周がマストではなく、溝
は対向する２つの外面にペアで形成しても同様な効果が
得られる。また、溝の形状はＵ字状に限定されるもので
はなく、Ｖ字状でも角溝でも台形溝でも良い。

【００１９】このような構成においても、前述と同様な
効果が得られるとともにセンサ素子１８Ｂの連結部分に
窪み１１ｄおよび溝２０ｄなどを設けたことにより、圧
力容器１９と固定されるセンサ素子１８Ｂの接合部１８
ｃで発生する計測誤差要因のセンシング部１８ａへの伝
達の軽減をより確実なものとすることができる。

【００２０】図４は本発明による静電容量式圧力センサ
の他の実施例による構成を示す図であり、図４（ａ）は
平面図，図４（ｂ）はそのＢ−Ｂ線の断面図，図４
（ｃ）はそのＣ−Ｃ線の平面図であり、前述の図と同一
部分には同一符号を付してある。同図において、図２と
異なる点は、センサ素子１８Ａがその連結部１８ｂの長
さＬ_C がセンシング部１８ａの長さＬ_S よりも長くして
（Ｌ_C＞Ｌ_S）形成されている。

【００２１】このような構成によると、センサ素子１８
Ａの連結部１８ｂの長さをセンシング部１８ａの長さよ
りも長くすることにより、圧力容器１９が固定される接
合部１８ｃで発生する計測誤差要因のセンシング部１８
ａへの伝達の軽減をより確実なものとすることができ
る。

【００２２】図５は本発明による静電容量式圧力センサ
の他の実施例による構成を示す図であり、図５（ａ）は
平面図，図５（ｂ）はそのＢ−Ｂ線の断面図，図５
（ｃ）はそのＣ−Ｃ線の平面図であり、前述の図と同一
部分には同一符号を付してある。同図において、図２と
異なる点は、センサ素子１８Ｂがその接合部１８ｃと圧
力容器１９の開口部１９ａとがスペーサ板２１を介して
接合されて圧力容器１９に固定されている。

【００２３】このような構成においても、前述と同様の
効果が得られるとともにスペーサ板２１の熱膨張率
（α）を、このスペーサ板２１に接する接合部材の熱膨
張率と圧力容器１９の容器部材の熱膨張率との間に設定
することにより、基板１１が圧力容器１９との熱膨張率
の相違のために温度変化時に受ける応力を軽減し、接合
の信頼性を高め、センサ素子１８Ｂのセンシング部１８
ａに伝達される計測誤差要因を減少できる。例えばセン
サ素子１８Ｂが石英ガラス（α＝０．６×１０^-6／℃）
で形成され、圧力容器１９がステンレス（α＝１８×１
０^-6／℃）で形成された場合、接合部材の熱膨張率はこ
れらの間の値のものが選ばれる。

【００２４】図６は本発明による静電容量式圧力センサ
の他の実施例による構成を示す図であり、図６（ａ）は
平面図，図６（ｂ）はそのＢ−Ｂ線の断面図，図６
（ｃ）はそのＣ−Ｃ線の平面図であり、前述の図と同一
部分には同一符号を付してある。同図において、図５と
異なる点は、基板１１の接合部１１ｃおける溝１２内に
は固定電極１３とほぼ面積が等しい参照固定電極２２が
独立して形成され、さらにギャップ１２ｇを介してこの
参照固定電極２２に対向するダイアフラム板１４上には
参照対向電極２３が形成されてセンサ素子１８Ｄが構成
されている。

【００２５】このような構成においては、圧力容器１９
の開口部１９ａを封止することで、圧力容器１９中の圧
力と圧力導入穴１１ｈから導かれる圧力との差圧により
ダイアフラムセンシング部１４ａ内の可動ダイアフラム
が変位することで可動電極１５と固定電極１３との間に
距離が変わり、圧力値を両電極間の容量値として検出す
ることができ、しかもこの差圧によっては、参照固定電
極２２と参照対向電極２３との間の距離は変わらず、こ
の電極間の容量値も不変である。

【００２６】このような構成においても、前述と同様の
効果が得られるとともに可動電極１５と固定電極１３と
で構成されるセンシングコンデンサと、参照固定電極２
２と参照対向電極２３とで構成されるレファレンスコン
デンサとには、同一測定気体または同一大気が入り込む
ため、湿度などの環境要因には同一影響を受け、しかも
差圧には異なる影響を受けるので、両コンデンサの出力
により、環境要因を補正した圧力値の検出ができる。

【００２７】図７は本発明による静電容量式圧力センサ
の他の実施例による構成を示す図であり、図７（ａ）は
平面図，図７（ｂ）はそのＢ−Ｂ線の断面図，図７
（ｃ）はそのＣ−Ｃ線の平面図であり、前述の図と同一
部分には同一符号を付してある。同図において、図２と
異なる点は、ストッパ板２０の接合部２０ｃには電極取
り出し用穴２０ｅが形成され、可動電極１５または固定
電極１３とリード線１６を介して接続された電極端子１
７が電極取り出し用穴２０ｅ内のダイアフラム板１４の
接合部１４ａ上に形成されてセンサ素子１８Ｋが構成さ
れている。

【００２８】このような構成においても前述と同様な効
果が得られる。また、可動電極１５または固定電極１３
から電極端子１７までのリード線１６からの縦方向の連
絡長を短くすることで電極取り出し部を容易に製作する
ことができる。

【００２９】図８は本発明による静電容量式圧力センサ
の他の実施例による構成を示す図であり、図８（ａ）は
平面図，図８（ｂ）はそのＢ−Ｂ線の断面図，図８
（ｃ）はそのＣ−Ｃ線の平面図であり、前述の図と同一
部分には同一符号を付してある。同図において、図７と
異なる点は、圧力容器１９上には電極端子１７からワイ
ヤ２５で連結された信号処理用半導体チップ２６が配置
されている。

【００３０】このような構成においても前述と同様に効
果が得られるとともに計測体と分離した構成であってし
かも計測部の近傍に信号処理用半導体チップ２６を有す
ることで信号処理部の信頼性確保と浮遊容量の排除との
両立がなされる。

【００３１】図９〜図１８は本発明による静電容量式圧
力センサの製造方法の一実施例を説明する工程の平面図
である。同図において、まず、図９に示すように基板１
１の一方の面上で基板センシング部１１ａおよびその配
線を引き回す部分に公知の写刻技術によりマスクを作製
後、断面が凹状となるギャップとしての溝１２を形成す
る。

【００３２】次に図１０に示すようにこの溝１２を形成
した基板１１上に電極用の金属膜を成膜した後、公知の
写刻技術により溝１２内に所用形状の固定電極１３およ
びその配線を形成する。

【００３３】次に図１１に示すようにダイアフラム板１
４の基板１１と対向する面に固定電極１３と同様の方法
によって所用の形状に可動電極１５を形成する。

【００３４】次に図１２に示すようにこのダイアフラム
板１４の背面側の所定位置に底部３０が貫通するように
ほぼ楕円状の電極取り出し用穴３１をフッ酸エッチング
により形成する。

【００３５】次に図１３に示すようにこのダイアフラム
板１４の穴３１が形成された全面に金属膜３２を成膜す
る。

【００３６】次に図１４に示すようにダイアフラム板１
４の金属膜３２が形成された面を研磨して所用の厚さに
薄くする。これによってダイアフラム板１４内にリード
線１６が貫通した構造が形成される。

【００３７】次に図１５に示すようにストッパ板２０の
ダイアフラム板１４との接着面側のストッパセンシング
部にギャップ２０ｇおよび圧力導入穴２０ｈを形成す
る。

【００３８】次に図１６に示すようにストッパ板２０の
ギャップ２０ｇおよび圧力導入穴２０ｈを設けた背面側
のストッパ接合部にこのストッパ板２０を底部３３が貫
通する穴３４をフッ酸エッチングにより形成する。

【００３９】次に図１７に示すようにダイアフラム板１
４とストッパ板２０とを接着して張り合わせた後、スト
ッパ板２０の穴３４の形成面に金属膜を成膜し、公知の
写刻技術で電極端子１７を形成する。

【００４０】次に図１８に示すようにストッパ板２０上
の所定位置に圧力容器１９を接合して完成する。

【００４１】なお、前述した実施例において、基板，ダ
イアフラム板，ストッパ板の材料は、石英ガラスとした
場合について説明したが、その他の材料、例えばセラミ
ック，シリコン，石英ガラス以外のガラスで形成しても
良い。

【００４２】

【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
センサ素子の固定部分に圧力容器を接合固定したことに
より、センサ素子の固定部分で発生する応力などによる
計測誤差要因が圧力計測部へ伝達され難くなるので、高
精度で信頼性の高い圧力計測が可能となるなどの極めて
優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による静電容量式圧力センサの一実施例
による構成を示す図である。

【図２】本発明による静電容量式圧力センサの他の実施
例による構成を示す図である。

【図３】本発明による静電容量式圧力センサのさらに他
の実施例による構成を示す図である。

【図４】本発明による静電容量式圧力センサの他の実施
例による構成を示す図である。

【図５】本発明による静電容量式圧力センサの他の実施
例による構成を示す図である。

【図６】本発明による静電容量式圧力センサの他の実施
例による構成を示す図である。

【図７】本発明による静電容量式圧力センサの他の実施
例による構成を示す図である。

【図８】本発明による静電容量式圧力センサの他の実施
例による構成を示す図である。

【図９】本発明による静電容量式圧力センサの製造方法
を説明する工程の平面図である。

【図１０】図９に引き続く工程の平面図である。

【図１１】図１０に引き続く工程の平面図である。

【図１２】図１１に引き続く工程の平面図である。

【図１３】図１２に引き続く工程の平面図である。

【図１４】図１３に引き続く工程の平面図である。

【図１５】図１４に引き続く工程の平面図である。

【図１６】図１５に引き続く工程の平面図である。

【図１７】図１６に引き続く工程の平面図である。

【図１８】図１７に引き続く工程の平面図である。

【図１９】従来の静電容量式圧力センサの構成の一例を
説明する断面図である。

【符号の説明】

１１ 基板 １２ 溝 １３ 固定電極 １４ ダイアフラム板 １４ａ ダイアフラムセンシング部 １４ｂ ダイアフラム連結部 １４ｃ ダイアフラム接合部 １５ 可動電極 １６ リード線 １７ 電極端子 １８ センサ素子 １８Ａ センサ素子 １８Ｂ センサ素子 １８Ｄ センサ素子 １８Ｋ センサ素子 １８ａ センサ素子センシング部 １８ｂ センサ素子連結部 １８ｃ センサ素子接合部 １９ 圧力容器 １９ａ 開口 １９ｂ 電極取り出し用穴 ２０ ストッパ板 ２０ａ ストッパ板センシング部 ２０ｂ ストッパ板連結部 ２０ｃ ストッパ板接合部 ２０ｄ 溝 ２０ｅ 電極取り出し用穴 ２１ スペーサ板 ２２ 参照固定電極 ２３ 参照対向電極 ２４ スペーサ板 ２５ ワイヤ ２６ 半導体チップ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−134570（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−305229（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01L 9/12

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一方の面に第１の電極が形成された基板
   と、前記第１の電極と対向する面に第２の電極が形成さ
   れたダイアフラム板とがギャップを介して対向配置され
   センサ素子を構成するとともに前記センサ素子の長さ方
   向の第１の電極，第２の電極を含む一端側に圧力計測部
   が形成され他端側に圧力計測に寄与しない固定部が形成
   され、前記固定部の少なくとも１つの面に圧力容器を固
   定配置させたことを特徴とする静電容量式圧力センサ。
2. 【請求項２】 一方の面に第１の電極が形成された基板
   と、前記第１の電極と対向する面に第２の電極が形成さ
   れたダイアフラム板とが第１のギャップを介して対向配
   置されかつ前記ダイアフラム板の外面側にストッパ板の
   第２の電極が形成されたダイアフラム板の他端側と対向
   する表面に第２のギャップが形成されたストッパ板が対
   向配置されてセンサ素子を構成するとともに前記センサ
   素子の長さ方向の一端側に圧力計測部が形成され他端側
   に圧力計測に寄与しない固定部が形成され、前記固定部
   のいずれか一方に圧力容器を固定配置させたことを特徴
   とする静電容量式圧力センサ。