JPH03239939A - 容量型圧力センサ - Google Patents

容量型圧力センサ

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JPH03239939A
JPH03239939A JP3681390A JP3681390A JPH03239939A JP H03239939 A JPH03239939 A JP H03239939A JP 3681390 A JP3681390 A JP 3681390A JP 3681390 A JP3681390 A JP 3681390A JP H03239939 A JPH03239939 A JP H03239939A
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JP
Japan
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pressure
electrode
sensitive diaphragm
electrodes
measured
Prior art date
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Pending
Application number
JP3681390A
Other languages
English (en)
Inventor
Tomiki Sakurai
桜井 止水城
Yukihiko Fukaya
深谷 幸彦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Japan Science and Technology Agency
Toyoda Koki KK
Original Assignee
Research Development Corp of Japan
Toyoda Koki KK
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Publication date
Application filed by Research Development Corp of Japan, Toyoda Koki KK filed Critical Research Development Corp of Japan
Priority to JP3681390A priority Critical patent/JPH03239939A/ja
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】
本発明は、電極が形成された基板同士を接合して形成し
た容量型圧力センサに関する。
【従来技術】
従来、容量型圧力センサ30として、第7図の縦断面図
に示されたものが知られている。その容量型圧力センサ
30では、単結晶シリコンから成る半導体基板3/に被
測定圧力Pを受ける感圧ダイヤフラム部32及び凹部3
3が形成され、その凹部33部分に電極34が形成され
ている。一方、パイレックスガラスから成るガラス基板
41には電極44が形成されている。そして、半導体基
板3/の電極34とガラス基板41の電極44とが対向
するように、半導体基板3/とガラス基板41とが周知
の陽極接合技術を用いて接合されている。この接合後に
は、半導体基板3/の凹部33は密封された基準圧室3
5となる。 又、半導体基板3/には電極34.44間の容量から圧
力値を求めるための回路部36が半導体製造技術を用い
て形成され集積化されている。 尚ミ48は外部に信号を取り出す償号線であり、その信
号線48は半導体基板3/に形成された回路部36と導
電性接着剤49等を介して接続されている。
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、IC化された容量型圧力センサは、感
圧ダイヤフラム部32が受ける被測定圧力Pによる変位
によって変化する電極34と電極44との間の容量を直
接検出するものである。 電極間容量Cは、感圧ダイヤプラム部32が受ける被測
定圧力Pによる変位が一様であるとすれば、 C=ε                      
    (1)(ε:誘電率、A:電極面積、d:電極
間隔)で求められる。 又、電極間隔dは被測定圧力Pに対して、d=do−α
(P−Po)(2) の関係がある。但し、Poは基準圧室35内の基準圧、
d、は外圧が基準圧P。に等しい時の電極間隔、αは定
数である。 従って、被測定圧力Pと容量Cとの関係は、となり、第
3図(a)に示したように、被測定圧力Pと容量Cとは
逆比例の関係の非直線性を有している。 一方、この容量Cは、回路部36にて容量Cを充電及び
放電させるときの容量Cの端子電圧波形の周波数fを測
定することで求められている。この容量Cと周波数fと
は、 β f = −゛(41 (β:定数) で、第3図(b)に示したように変化する。 (3)式及び(4)式より、 の関係があり、周波数rは被測定圧力Pに比例すること
になり、周波数fと被測定圧力Pとの関係は直線性があ
る。 ところが、実際には、第8図に第7図の感圧ダイヤフラ
ムB32の拡大縦断面図を示したように、被測定圧力P
により、感圧ダイヤスラム部32がたわむため、上記電
極間隔dは感圧ダイヤプラム部32の全面に渡って一様
にはならない。又、そのたわみ形状も被測定圧力Pに依
存して変化する。 よって、(1)式は、正確には感圧ダイヤフラム部32
の全面に渡る面積分 によって求めなければならない。 そして、(6)式は、平均電極間隔 を用いると、 C−ε (7) となる。 しかし、平均電極間隔dは(2)式のように被測定圧力
Pの一次式とはならず、高次成分が含まれる。 よって、周波数fよ被測定圧力Pとの関係は(5)式の
ように一次式では表すことができず高次成分を含むこと
になり、直線性が悪くなり、測定精度が低下する。 本発明は、上記の課題を解決するために成されたもので
あり、その目的とするところは、感度を落とさないで、
直接的測定値の周波数fと被測定圧力Pとの特性におけ
る直線性を向上させ、より高精度な容量型圧力センサを
提供することである。
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための発明の構成は、少なくとも一
方の基板は半導体で構成され、相互に接合された2つの
基板と、前記両基板の接合部に形成され、微小ギヤノブ
の測定圧の基準値を与える基準圧室と、一方の基板に形
成され被測定圧力を受ける感圧ダイヤフラム部とを有す
る容量型圧力センサにおいて、前記感圧ダイヤフラム邪
の中央部分で前記基準圧室の対向する両面に該感圧ダイ
ヤプラム部の形状に対し、115〜3/5の範囲の寸法
比を有する形状に形成された電極と、前記半導体基板上
に形成され、前記電極間の容量を充放電するときの電圧
波形の周波数から圧力を求める回路部とを備えたことを
特徴とする。
【作用】
電極は感圧ダイヤプラム部の中央部分で基準圧室の対向
する両面にその感圧ダイヤフラム部の形状に対し、11
5〜3/5の範囲の寸法比を有する形状に形成されてお
り、被測定圧力を受ける感圧ダイヤフラム部におけるた
わみの変化率の小さな部分に形成されているので、被測
定圧力に対してほぼ平行に変位する。 そして、回路部は上記電極間の容量を充放電するときの
電圧波形のその周波数から圧力を求めるので、被測定圧
力と求める圧力との直線性が良いことからその検出精度
が向上する。
【実施例】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。 第1図は本発明に係る容量型圧力センサを示した縦断面
図である。そして、第2図は第1図においてガラス基板
を接合する前の状態を示した平面図である。 第1図及び第2図を参照して本発明の容量型圧力センサ
10を説明する。 11は被測定圧力Pを受ける感圧ダイヤフラム部12及
び凹部13を形成し、その凹部13部分に電極14を形
成した単結晶シリコンから成る半導体基板である。その
電極14は感圧ダイヤフラム部12の中央部分でその形
状に対して175〜3/5の範囲の寸法比である略1/
2の寸法比を有する形状に形成されている。 又、その半導体基板11上には電極14の形成と同様に
半導体製造技術を用いて一体的に接続端子部17及び回
路部16が形成されている。そして、電極14はその接
続端子部17を介して回路部16と接続されている。 又、21は電極24を形成したパイレックスガラスから
成るガラス基板である。 その電極24は上記電極14と同様に感圧ダイヤフラム
B12の中央部分でその形状に対して略1/2の寸法比
を有する形状に形成されている。 そして、半導体基板11の電極14とガラス基板21の
電極24とを対向させ陽極接合している。 接合後においては、半導体基板11の凹部13はガラス
基板21で密封されて基準圧室15となる。又、電極2
4は、電極14と同様に、接続端子部17を介して回路
部16と接続されている。 又、28は外部に儒号を取り出す信号線であり、その信
号線28は半導体基板11に形成された回路部16と導
電性接着剤29等を介して接続されている。 被測定圧力Pが感圧ダイヤフラム部12に印加されると
き、その感圧ダイヤフラム部12のたわみの分布は、第
5図に示したようになる。 第5図の特性図から分かる様に、感圧ダイヤフラム部の
中心(x =0)より片側半分(x =0.3)程度ま
ではたわみの変化率が小さい。 即ち、電極14.24の寸法を感圧ダイヤフラムR12
の寸法に比べて3/5以下とし、感圧ダイヤフラム部1
2の中央部分で基準圧室15の対向する両面にそれら電
極14.24を配設することにより、たわみの変化率を
小さくできる。 従って、上述の構成により、感圧ダイヤフラム部の中央
部分では、圧力に対する変位がほぼ一様となる。 ここで、半導体基板11の感圧ダイヤフラム部12は、
第4図に示したように、正方形で電極14が中心0に位
置しているとし、感圧ダイヤフラム部120片側寸法を
a、又、電極14の片側寸法をbとし、その寸法比であ
る電極比をb / aで表すことにする。 そして、感圧ダイヤフラム部12は角型の一辺の寸法が
1mm、その厚みが30犀、電極間隔が1虜で、基準圧
室15の圧力に対する被測定圧力Pとして1kgf/c
m”を印加したときの電極比b / aに対する非直線
性R(%)、容量変化ΔC(pF)、周波数感度K (
ppm/mm Hg>との関係は、第6図に示したよう
になる。 ここで、容量型圧力センサは電極比b / aが大きい
程、容量変化ΔCが大きい曲線を示す。又、被測定圧力
に対する求める圧力値の非直線性Rは電極比b/aに対
して感圧ダイヤプラム邪のたわみ方により下に凸の曲線
となる。そして、被測定圧力Pとして基準圧室の圧力値
に1kgf/cm’を印加したときの周波数の変化を表
す周波数感度には電極比b/aが大きくなる程低下する
曲線となる。 従って、電極の寸法を感圧ダイヤフラム部の寸法に比べ
て375以下の電極比b / aとすることにより、周
波数感度Kをあまり悪くさせずに非直線性Rを急激に向
上することができる。又、電極の寸法を感圧ダイヤフラ
ム部の寸法に比べて115以上の電極比b / aとす
ることにより、容量変化ΔCが小さくなり過ぎて浮遊容
量に埋もれてしまうことを防止できる。 つまり、115〜3/5の範囲の電極比の感圧ダイヤフ
ラム部を有する容量型圧力センサは出力値の直線性が良
く、周波数の変化が大きいので圧力検出精度を向上させ
ることができる。 尚、本実施例のように、略〕/2の電極比とすれば、特
に、上記効果を顕著に表した容量型圧力センサとなる。
【発明の効果】
本発明は、感圧ダイヤフラム部の中央部分で基準圧室の
対向する両面にその感圧ダイヤフラム邪の形状に対し、
115〜3/5の範囲の寸法比を有する形状に形成され
た電極と、半導体基板上に形成され、上記電極間の容量
を充放電するときの電圧波形の周波数から圧力を求める
回路部とを備えており、感圧ダイヤプラム部の115〜
3/5の範囲の寸法の電極においては、感圧ダイヤプラ
ム部のたわみの変化率の小さな部分であり、感圧ダイヤ
プラム部の電極は対向する電極に対して略平行に変位す
る。 更に、被測定圧力に対する電極間の容量を充放電すると
きの電圧波形の周波数から圧力を求める回路部により、
被測定圧力に対して求める圧力値はほぼ直線的に変化す
ることになり高精度な容量型圧力センサが提供できる。
【図面の簡単な説明】
v1図は本発明の具体的な一実施例に係る容量型圧力セ
ンサを示した縦断面図。第2図は第1図においてガラス
基板を接合する前の状態を示した平面図。第3図(a)
は被測定圧力Pと容量Cとの関係を示した特性図。第3
図ら)は容量Cと周波数fとの関係を示した特性図。第
4図は感圧ダイヤフラム部と電極の寸法関係を示した説
明図。第5図は感圧ダイヤプラム邪のたわみを示した特
t!IE図。 第6図は電極比に対する非直線性、容量変化及び周波数
感度を示した特性図。第7図は従来の容量型圧力センサ
を示した縦断面図。第8図は第7図の感圧ダイヤフラム
邪の拡大縦断面図である。 10 容量型圧力センサ 11  半導体基板12 感
圧ダイヤフラム部 14.24  電極15 基準圧室
 1G 回路部 21 ガラス基板 P 被測定圧力 第1図 分l聚万カ[シブ ノき丘ダχヤ7テム搗P 第2図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 少なくとも一方の基板は半導体で構成され、相互に接合
    された2つの基板と、前記両基板の接合部に形成され、
    微小ギャップの測定圧の基準値を与える基準圧室と、一
    方の基板に形成され被測定圧力を受ける感圧ダイヤフラ
    ム部とを有する容量型圧力センサにおいて、前記感圧ダ
    イヤフラム部の中央部分で前記基準圧室の対向する両面
    に該感圧ダイヤフラム部の形状に対し、1/5〜3/5
    の範囲の寸法比を有する形状に形成された電極と、 前記半導体基板上に形成され、前記電極間の容量を充放
    電するときの電圧波形の周波数から圧力を求める回路部
    と を備えたことを特徴とする容量型圧力センサ。
JP3681390A 1990-02-16 1990-02-16 容量型圧力センサ Pending JPH03239939A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015087131A (ja) * 2013-10-28 2015-05-07 国立大学法人東北大学 センサ装置およびその製造方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63308529A (ja) * 1987-05-08 1988-12-15 バイサラ・オーワイ 容量性圧力変換器
JPS6416943A (en) * 1987-07-10 1989-01-20 Matsushita Electric Ind Co Ltd Electrostatic capacity type pressure sensor

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