JPH03239939A - 容量型圧力センサ - Google Patents
容量型圧力センサInfo
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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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- sensitive diaphragm
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- Measuring Fluid Pressure (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
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。
た容量型圧力センサに関する。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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)
- 【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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3681390A JPH03239939A (ja) | 1990-02-16 | 1990-02-16 | 容量型圧力センサ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3681390A JPH03239939A (ja) | 1990-02-16 | 1990-02-16 | 容量型圧力センサ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH03239939A true JPH03239939A (ja) | 1991-10-25 |
Family
ID=12480212
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP3681390A Pending JPH03239939A (ja) | 1990-02-16 | 1990-02-16 | 容量型圧力センサ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH03239939A (ja) |
Cited By (1)
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)
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 |
-
1990
- 1990-02-16 JP JP3681390A patent/JPH03239939A/ja active Pending
Patent Citations (2)
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 |
Cited By (1)
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 |
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