JPH036433A - 静電容量型圧力変換器 - Google Patents

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、加えられる圧力に応して静電容量が変化する
静電容量型圧力変換器に係り、流体圧力や接触圧力の測
定などに利用できる。

〔背景技術〕

従来より、管路や容器内の流体圧力や部材どうしの接触
圧力等を測定する際には、様々な形式の圧力センサが利
用されている。このうち、静電容量型圧力変換器は、加
えられた圧力に応じた変形量を静電容量の変化として検
出するものであり、構造が簡単で小型化できるうえ測定
精度が高いため、近年盛んに利用されている。

このような静電容量型圧力変換器の一例として、第５図
に示すような静電容量型圧力センサ５０が知られている
。

同図において、シリコン製の表面板５１は、一方の面に
、エツチング技術等により加工された中央部厚肉形状の
ダイアフラム５２が形成されている。

表面板５１にはシリコン酸化膜や低融点ガラス等からな
る接合層５４を介し、シリコン製基板５３が積層されて
いる。表面板５１および基板５３に用いられるシリコン
は、いずれも導電性の高い低抵抗率のシリコンであり、
接合層５４は表面板５１と基板５３との絶縁機能を有し
ている。

ダイアフラム５２と基板５３との間隙には測定室５５が
形成されている。この測定室５５は、基板５３に形成さ
れたスルーホール５６により背圧を外部に逃がすように
構成され、ダイアフラム５２は外部がらの圧力に応じて
厚み方向に変位し、基板５３との間の間隔が変化する。

従って、表面板５１を移動電極としかつ基板５３を固定
電極とし、それぞれ電極端子５７、５８で各りの間の静
電容量を測定すれば、その値は外部からの圧力によるダ
イアフラム５２の変位に応じて変化することになり、得
られた静電容量に基づいてダイアフラム５２に加えられ
た圧力を計測することができる。

一方、第６図には他の形式の静電容量型圧力センサ６０
が示されている。

同図において、この静電容量型圧力センサ６ｏは、シリ
コン製ダイアフラム６２を有する表面板６１に積層され
る基板６３に絶縁材料を用いたものである。

この基板６３のダイアフラム６２側の中央部には固定電
極６９が配置され、この固定電極６９はスルーボール６
６を通って外部へ延びる導電パターン６９八、を介して
電極端子６８に接続されている。従って、この電極端子
６８と表面板６１側の電極端子６７との間の静電容量、
すなわちダイアフラム６２と固定電極６９との間隔に応
じた静電容量を検出することにより加えられる圧力を測
定できる。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、前記第５図に示した静電容量型圧力センサ５
０では、移動電極である表面板５１と固定電極である基
板５３との間に介装された絶縁性を有する接合層５４が
薄くかつ誘電率が大きいため、この部分に発生する容量
（いわゆる寄生容量）が本来の圧力測定に寄与するダイ
アフラム５２と基板５３との間の容量に対して極めて大
きくなる。つまり、電極端子５７．５８間すなわち表面
板５１と基板５３との間の静電容量全体としてみると、
加えられた圧力に応じた静電容量の変化の割合が小さく
なり圧力の測定精度が悪くなるという問題がある。

これに対し、前記第６図に示した静電容量型圧力センサ
６０では、ダイアフラム６２と固定電極６９との間隔部
分に圧力測定に寄与しない静電容量等がほとんど無いた
め精度の高い測定が可能となる。

しかし、積層されるシリコン製ダイアフラム６２と絶縁
材料製基板６３とが異種材料となるため、熱膨張率の差
により温度変化による歪が発生し、同じ材料を使用した
場合に比べてセンサの温度特性が悪くなるという問題が
あった。

本発明の目的は、測定精度が高くかつ温度特性が良好な
静電容量型圧力変換器を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、ダイアフラムを有するシリコン製の表面板に
シリコン製の基板を積層し、この基板とダイアプラムと
の間に測定室を形成するとともに、前記基板の測定室内
側に所定間隔でダイアフラムに対向された絶縁板を配置
し、この絶縁板のダイアフラム側表面に少なくとも１つ
の固定電極を設けて静電容量型圧力変換器を構成したも
のである。

ここで、表面板および基板の材料としては、通常半導体
素子等に用いられる低抵抗率のシリコンの薄板等を利用
すればよい。

また、表面板にダイアフラムを形成するにあたっては、
エツチング等により表面板の所定部分を加工除去してダ
イアフラムとする方法等が採用できる。

さらに、基板とダイアフラムとの間に測定室を形成する
にあたっては、ダイアフラム部分の凹部等を利用すれば
よく、必要に応じて基板側にも凹部を形成し、積層され
た際に絶縁板を収容するのに十分な空間が確保されれば
よい。

また、ダイアフラムの背圧を解消するために、測定室を
外部に開放させる貫通孔やスルーホールを適宜基板等に
形成してもよく、絶縁板に設けた固定電極に外部からの
接続を行うために、絶縁板の表面に一端が固定電極に接
続されかつ他端が前記貫通孔を通して外部から接触可能
な位置まで延長されたリードパターンを設けてもよい。

この時、絶縁板に設けた固定電極やリードパターンは、
表面板や基板のシリコン部分に接触しないようにして、
これらのシリコン部分とは電気的に絶縁状態とする。

〔作用］ このような本発明においては、外部から測定すべき圧力
をダイアフラムに加えることにより、ダイアフラムは圧
力によって変位し、ダイアフラムと絶縁材料上の固定電
極との間隔が変化し、これらの間の静電容量が加えられ
た圧力に応して変化する。従って、移動電極となるダイ
アフラムないし表面板と固定電極とに各々電極端子を接
続して各々の間の静電容量を測定することによりダイア
フラムに加えられた圧力が測定できる。

ここで、固定電極は測定室内に配置された絶縁板状に形
成されてダイアフラムに所定間隔で対向されており、固
定電極とダイアフラムとの間に測定に寄与しない大きな
静電容量を生じる部位の介在がないため、測定される静
電容量が専ら固定電極とダイアフラムとの間の圧力変化
を表すものとすることができ、高精度の圧力測定が可能
となる。

また、ダイアフラムを設けた表面板と、この表面板に積
層される基板とには、それぞれ同じシリコン等を用いる
ことにより、各々の熱膨張率を一致させて温度に伴う歪
み等を低減させている。また、この時、絶縁板は表面板
と接合することなく、基板の一部に固定されるため、絶
縁板と基板との熱膨張率の差により生しる温度変化に伴
う歪みはダイアフラムにほとんど伝わらない。これによ
り温度特性が良好に維持される。

従って、本発明の静電容量型圧力変換器においては、高
精度の圧力測定と良好な温度特性とを同時に満足するこ
とができ、これにより前記目的が達成される。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図および第２図には本発明に基づく静電容量型圧力
センサ１が示されている。

図において、表面板１１は結晶面＜１００＞を主平面と
するシリコンウェハによる板材であり、裏面の中央部に
はエツチングにより凹部１２が形成されている。この凹
部１２により表面板１１の中央部は薄肉化され、当該薄
肉部分によりダイアフラム１０が構成されている。

表面板１１の凹部１２側には、ガラス等を用いた薄い接
合層１３を介して基板１４が積層されている。

この基板１４は、表面板１１と同様に結晶面＜１００＞
を主平面とするシリコンウェハを用いたものであり、表
面板１１と積層される側にはエツチングにより表面板１
１の凹部１２に対応した凹部１５が設けられている。こ
のため、積層された表面板１１と基板１４との間には、
凹部１２および１５により空間が形成され、この間隔部
分には基板１４とダイアフラム１０とに囲われた測定室
１６が構成されている。

また、基板１４に形成された凹部の底面にはエツチング
により十字型の梁１７を残すように４つの貫通部１８が
形成されており、これらの各貫通部１８により測定室１
６は外部に開放されている。

一方、基板１４の梁１７には、凹部１５内に納まるよう
な適当な大きさのガラス製の絶縁板２１が、低融点ガラ
ス等の接合層２２を介して固定されている。

この絶縁板２１は、基板１４と表面板１１との積層に伴
って測定室１６内に収容され、ダイアフラム１０に一定
の間隔で対向配置されるものであり、ダイアフラム１０
との間は接合層２２の厚みを調整することにより所定の
間隔となるように構成されている。

ここで、絶縁板２１のダイアフラム１０側表面には固定
電極２０が蒸着によって形成され、その一部はリードパ
ターン２３に連続されている。このリードパターン２３
は、絶縁板２１の裏面まで回り込むように延長され、先
端を貫通部１８を通して外部から接触可能な位置に配置
されており、当該先端には固定側電極端子２４が形成さ
れている。これらの固定電極２０、リードパターン２３
、固定側電極端子２４は各々基板１４と電気的に絶縁さ
れている。

なお、表面板１１の表面には移動側電極端子２５が０ 形成され、この電極端子２５は表面板１１を通してダイ
アフラム１０と電気的に導通されている。従って、これ
らの電極端子２４．２５間の静電容量を測定することに
よりダイアフラム１０と固定電極２０との間の静電容量
が測定可能である。

このように構成された本実施例においては、計測すべき
圧力をダイアフラム１０の表面に加えるとともに、固定
側電極端子２４にリード線２６を介して図示しない静電
容量検出器の一方の極を接続し、その他方の極をリード
線２７を介して移動側電極端子２５に接続し、ダイアフ
ラム１０と固定電極２０との間の静電容量を測定する。

この際、ダイアフラム１０は表面側から加えられた圧力
と裏面（測定室１６）側の圧力との差圧に応じて撓みを
生じ、固定電極２０に対する間隔が変化する。この間隔
の変化に伴ってダイアフラム１０と固定電極２０との間
の静電容量が変化し、その値は固定側および移動側の電
極端子２４．２５に接続された静電容量検出器により測
定される。

従って、予め既知の圧力に対応する静電容量の値を測定
しておき、静電容量の測定値と加える圧力との関係を確
定しておけば、測定された静電容量に基づいて計測すべ
き圧力を算出することができる。

このような本実施例によれば、固定側および移動側の電
極端子２４．２５から取り出されるダイアフラム１０と
固定電極２０との間の静電容量により、ダイアプラム１
０に加えられた圧力を正確に計測することができる。

また、ダイアフラム１０と固定電極２０との間には圧力
測定に係りなく検出される静電容量（寄生容量）の生じ
る部位がほとんど介在しないため、固定側および移動側
の電極端子２４．２５から取り出される静電容量は、専
ら圧力測定に寄与するダイアフラム１０と固定電極２０
との間の静電容量となりる。

従って、他の静電容量により擾乱されることもなく、ダ
イアフラム１０に加えられた圧力の微妙な変化も確実に
検出することができ、高精度の圧力測定を行うことがで
きる。

さらに、ダイアフラム１０を有する表面板１１と基１ ２ 仮１４とを、それぞれ同じ材質（シリコン）としたため
、各々における温度変化による影響も同じとなる。従っ
て、環境温度の変化に伴って歪み等が発生する可能性を
小さく抑えることができ、多様な測定環境においても安
定した計測動作を確保することができ、温度特性を良好
に維持することができる。

なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、
以下に示すような変形をも含むものである。

すなわち、前記実施例においては、表面板１１に凹部１
２を設け、基板１４に凹部１５を設けておき、これらの
表面板１１および基板１４を積層した際に凹部１２）１
５により測定室１６を形成したが、凹部１２または凹部
１５の何れかの深さを大きくとって他方を浅くあるいは
省略してもよく、要するに、表面板１１に測定すべき圧
力によって変位するダイアフラム１０を形成するととも
に、このダイアフラム１ｏに対向される絶縁板２１およ
び固定電極２０を収容可能な測定室１６を形成するとい
うことである。

第３図には、本発明の他の実施例が示されている。図に
おいて、表面板１１Ａには凹部１２Ａが形成され、この
凹部１２Ａ　は周辺部１２Ｂが深いのに対し、中央部１
２Ｃが浅く形成されている。従って、表面板１１Ａに形
成されるダイアフラム１０＾は周辺部が肉薄だが中央部
が比較的肉厚とされている。一方、基板１４側および固
定電極２０等の構成は前記実施例と同様ある。このよう
な実施例によれば、前記実施例と同様な効果が得られる
ほか、ダイアフラム１０Ａの周辺部が肉薄であるため、
加えられる圧力に対して変位を大きくできるとともに、
中央部が肉厚で固定電極２０に対し、平行に接近するた
め、ダイアフラム１〇への変位に伴う静電容量の変化を
大きくすることができ、より微小な圧力まで測定するこ
とができる。なお、ダイアフラム１０＾と固定電極２０
との間隔が絶縁板２１および接合層２２の厚さを適当に
設定することによって調整できることは前記実施例と同
様である。

また、前記各実施例では表面板１１と基板１４との間に
ガラス等の接合層１３を介在させたが、センサ３ ４ １は絶縁板２１により固定電極２０と基板１４との絶縁
が確保されているので、接合層を介さない直接接合を用
いてもよい。

さらに、絶縁板２１に形成する固定電極２０ないしリー
ドパターン２３、固定側電極端子２４、および表面板１
１に形成する移動側電極端子２５の形状や位置等は前記
実施例の形態に限られるものではなく、実施にあたって
適宜変更してもよい。さらに、電極構成は前述のような
固定側および移動側の２極に限らず、各々に測定電極と
参照電極を設ＬＪで誤差補正を行うように構成してもよ
い。

第４図は、前記実施例における絶縁板２１状の電極パタ
ーンの異なる例である。この実施例は、前記実施例と同
様な表面板１１（図示省略）、基板１４、ダイアフラム
１０（図示省略）および絶縁板２１を備えるが、絶縁板
２１に形成された固定側の電極構造が異なるものである
。すなわち、図において、絶縁板２１の表面には、内側
に測定電極２０＾が形成されるとともに、周囲に参照電
極２０Ｂが形成されており、各々は絶縁板２１を貫通す
るスルーポール２３Ａ、　２３Ｂを通して裏面の電極に
接続されている。従って、各々によりダイアフラム１０
との間の静電容量を検出可能であり、これらの各電極２
０＾、２０Ｂからの出力の差分をとる等の周知の補正手
法を用いることにより、ノイズ成分や温度誤差を相殺す
る等により一層正確な測定が可能となる。

〔発明の効果〕

以上に説明したように、本発明の静電容量型圧力変換器
によれば、基板側にダイアフラムと対向する１！！縁板
を設け、この絶縁板上に固定電極を形成したため、ダイ
アフラムと検出電極との間の寄生容量の影響をほとんど
無くずことができ、圧力検出精度を向上させることがで
きるとともに、ダイアフラムを形成する表面板と基板と
を同し材料としたため、各々に他の材料を用いた場合よ
りも温度特性を良好にすることができ、センサの安定性
を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

５ ６ 第１図は本発明の一実施例を示す縦断面図、第２図は前
記実施例を示す底面図、第３図は本発明の他の実施例を
示す縦断面図、第４図は本発明のさらに他の実施例を示
す絶縁板の平面図、第５図は従来例を示す縦断面図、第
６図は他の従来例を示す縦断面図である。 １・・・静電容量型圧力センサ、１０・・・ダイアフラ
ム、１１・・・表面板、１２・・・凹部、１３・・・接
合層、１４・・・基板、１５・・・凹部、１６・・・測
定室、２０・・・固定電極、２１・・・絶縁板、２２・
・・接合層、２３・・・リードパターン、２４・・・固
定側電極端子、２５・・・移動側電極端子。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ダイアフラムを形成せしめたシリコン製の表面板
   にシリコン製の基板を積層し、この基板とダイアフラム
   との間に測定室を形成するとともに、前記基板の測定室
   内側に所定間隔でダイアフラムに対向された絶縁板を配
   置し、この絶縁板のダイアフラム側表面に少なくとも１
   つの固定電極を設けた
2. （２）特許請求の範囲第１項において、前記シリコン製
   基板の何れかに前記測定室内外を連通させる少なくとも
   １つの貫通部を形成したことを特徴とする静電容量型圧
   力変換器。