KR101375193B1 - 정전 용량형 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 소비 전력을 저감시킬 수 있고, 간헐 동작을 할 수 있는 정전 용량형 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
제1 정전 용량과 제2 정전 용량을 검출할 수 있는 정전 용량형 센서(1)로서, 도전성을 갖는 가동의 다이어프램(11)이 형성된 부재(10)와, 다이어프램(11)과의 사이에 제1 정전 용량을 형성하는 박막 전극(21)과, 다이어프램(11)과의 사이에 제2 정전 용량을 형성하는 박막 전극(31)과, 다이어프램(11)의 상면과의 사이에 공간(S1)을 형성하도록 설치되는 상부 부재(20)와, 다이어프램(11)의 하면과의 사이에 공간(S2)을 형성하도록 설치되는 하부 부재(30)를 구비하고, 공간(S1)에 기체(A1)가 봉입되며, 공간(S2)에 기체(A1)와 열팽창률이 상이한 기체(A2)가 봉입된다.

Description

정전 용량형 센서{CAPACITANCE SENSOR}
본 발명에 따른 몇 가지 양태는, 예컨대 온도를 검출할 수 있는 정전 용량형 센서에 관한 것이다.
종래, 백금 저항체, 열전대, 반도체식 온도 센서 등을 이용한 전기식 온도계로서, 서로 상이한 2종류의 금속 재료와, 이들의 보호하는 보호관을 갖는 온도 검출부를 구비하고, 2종류의 금속 재료를 트위스트 페어화하고, 동축 케이블화함으로써, 내(耐)노이즈성을 높인 것이 알려져 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조).
일본 특허 출원 공개 평8-86694호 공보
전기식 온도계는 외란의 영향을 막기 위해 온도 검출부가 보호관이나 패키지 등에 의해 덮여 있다. 따라서, 온도 검출부가 온도 측정 대상과 동일한 온도에 도달하기까지의 시간(이하, 온도 측정 대상의 63.2%에 도달하기까지의 시간을 「응답 시간」이라 하고, 90%에 도달하기까지의 시간을 「안정시간」이라고 함)으로서, 어느 정도의 긴 시간, 종류에 따라서는 예컨대 수초 내지 수분의 시간을 필요로 하였다. 따라서, 통전 후에 응답 시간(안정 시간)을 필요로 하기 때문에, 온도 측정 시에 통전(동작)하고 온도 측정 후에 정지하는, 소위 간헐 동작을 하기에는 부적합했다.
종래, 이러한 사정을 대응하기 위해, 전기식 온도계를 항상 통전시켜(전기식 온도계에 전기적 에너지를 항상 공급하여), 온도 측정 시에 즉시 온도를 측정할 수 있도록 하였다. 그러나, 이러한 방법은 온도 측정시 이외에도 전력을 소비하기 때문에, 소비 전력을 저감시키는 것이 어려웠다. 즉, 소비 전력을 저감할 수 없고, 소비 전력 저감을 위한 간헐 동작을 할 수 없다고 하는 문제가 있었다.
본 발명의 몇 가지 양태는 전술한 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 소비 전력을 저감시킬 수 있고, 간헐 동작을 할 수 있는 정전 용량형 센서를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
본 발명에 따른 정전 용량형 센서는, 제1 정전 용량과 제2 정전 용량을 검출할 수 있는 정전 용량형 센서로서, 도전성을 갖는 가동의 전극판이 형성된 제1 부재와, 전극판과의 사이에 제1 정전 용량을 형성하는 제1 전극과, 전극판과의 사이에 제2 정전 용량을 형성하는 제2 전극과, 전극판의 한쪽 면과의 사이에 제1 공간을 형성하도록 설치되는 제2 부재와, 전극판의 다른쪽 면과의 사이에 제2 공간을 형성하도록 설치되는 제3 부재를 구비하고, 제1 공간에 제1 기체가 봉입되며, 제2 공간에 제1 기체와 열팽창률이 상이한 제2 기체가 봉입된다.
이러한 구성에 의하면, 제1 공간에 제1 기체가 봉입되고, 제2 공간에 제1 기체와 열팽창률이 상이한 제2 기체가 봉입된다. 여기서, 제1 공간과 제2 공간에, 서로 열팽창률이 상이한 제1 기체와 제2 기체가 각각 봉입되는 경우, 온도 측정 대상, 예컨대 외부의 대기 온도가 변화하면, 내부의 제1 기체 및 제2 기체의 온도도 변화한다. 이 때, 제1 기체와 제2 기체의 열팽창률차에 의해, 제1 공간의 압력과 제2 공간의 압력 사이에 압력차가 생긴다. 제1 공간과 제2 공간 사이에 배치되는 전극판은 이 압력차에 따라 변위하여, 제1 정전 용량과 제2 정전 용량이 변화한다. 따라서, 제1 정전 용량과 제2 정전 용량을 검출함으로써, 온도 측정 대상의 온도를 측정하는 것이 가능해진다. 또한, 전극판은 통전하지 않고서 온도 측정 대상의 온도 변화에 따라 변위하기 때문에, 통전 시에 즉시 제1 정전 용량과 제2 정전 용량을 검출하는 것이 가능해진다. 또한, 정전 용량을 형성하는 이격된 2개의 전극, 즉 커패시터(콘덴서)는 낮은 주파수의 교류 전압을 인가하는 것에 의해 임피던스(용량 리액턴스)가 높아지기 때문에, 통전 시에 흐르는 전류를 적게 하는 것이 가능해진다.
또한, 본 발명에 따른 정전 용량형 센서는, 제1 정전 용량과 제2 정전 용량을 검출할 수 있는 정전 용량형 센서로서, 도전성을 갖는 가동의 전극판이 형성된 제1 부재와, 전극판과의 사이에 제1 정전 용량을 형성하는 제1 전극과, 제2 정전 용량을 형성하기 위한 제2 전극과, 전극판의 한쪽 면과의 사이에 제1 공간을 형성하도록 설치되는 제2 부재와, 전극판의 다른쪽 면과의 사이에 제2 공간을 형성하도록 설치되는 제3 부재를 구비하고, 제1 공간에 제1 기체가 봉입되며, 제2 공간에 제1 기체와 열팽창률이 상이한 제2 기체가 봉입된다.
바람직하게는, 제1 부재는 도전성을 가지며, 제2 전극과의 사이에 제2 정전 용량을 형성하는 전극부가 형성된다.
바람직하게는, 제2 전극과의 사이에 제2 정전 용량을 형성하는 제3 전극을 더 구비한다.
바람직하게는, 도전성을 가지며, 상기 제2 전극과의 사이에 상기 제2 정전 용량을 형성하는 전극부가 형성된 제4 부재를 더 구비한다.
바람직하게는, 전극판은 제1 기체와 제2 기체 중 열팽창률이 높은 기체가 봉입되는 공간을 향하는 면에, 메사 형상을 갖는다.
바람직하게는, 제1 부재는 전극판이 형성되는 제1 도전층과, 제2 도전층과, 이 제1 도전층과 이 제2 도전층 사이에 개재되는 절연층을 포함한다.
바람직하게는, 제1 부재는 전극판이 형성되는 제1 도전층과, 제2 전극이 형성되는 제2 도전층과, 이 제1 도전층과 이 제2 도전층 사이에 개재되는 절연층을 포함한다.
바람직하게는, 제1 부재에는, 게터재를 수납하고 제1 공간과 연통하는 제3 공간이 형성되며, 제1 기체는 진공 상태이다.
본 발명에 따른 정전 용량형 센서에 의하면, 제1 정전 용량과 제2 정전 용량을 검출함으로써, 온도 측정 대상의 온도를 측정하는 것이 가능해진다. 또한, 전극판은 통전하지 않고서 온도 측정 대상의 온도 변화에 따라 변위하기 때문에, 통전 시에 즉시 제1 정전 용량과 제2 정전 용량을 검출하는 것이 가능해진다. 또한, 정전 용량을 형성하는 이격된 2개의 전극, 즉 커패시터(콘덴서)는 낮은 주파수의 교류 전압을 인가하는 것에 의해 임피던스(용량 리액턴스)가 높아지기 때문에, 통전 시에 흐르는 전류를 적게 하는 것이 가능해진다. 이것에 의해, 전기적 에너지를 항상 공급하지 않고 온도를 측정할 수 있어, 소비 전력을 저감시킬 수 있다. 또한, 응답 시간(안정 시간)을 대폭 단축할 수 있어, 간헐 동작을 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에서의 정전 용량형 센서의 측방 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 다이어프램의 형상을 설명하는 평면도이다.
도 3은 도 1에 도시한 정전 용량형 센서가 검출하는 정전 용량을 설명하는 도면이다.
도 4는 밀폐된 공간에 봉입된 기체의 온도와 압력의 관계를 설명하는 그래프이다.
도 5는 밀폐된 공간에 봉입된 기체의 온도와 다이어프램의 변위의 관계를 설명하는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시형태에서의 정전 용량형 센서의 측방 단면도이다.
도 7은 도 6에 도시한 정전 용량형 센서가 검출하는 정전 용량을 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시형태에서의 정전 용량형 센서의 다른 예를 도시하는 측방 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시형태에서의 정전 용량형 센서의 다른 예를 도시하는 측방 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시형태의 변형예에서의 정전 용량형 센서를 도시하는 측방 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시형태의 변형예에서의 정전 용량형 센서의 다른 예를 도시하는 측방 단면도이다.
도 12는 본 발명의 제3 실시형태에서의 정전 용량형 센서의 측방 단면도이다.
도 13은 도 12에 도시한 다이어프램의 형상을 설명하는 평면도이다.
도 14는 본 발명의 제3 실시형태에서의 정전 용량형 센서의 다른 예를 도시하는 측방 단면도이다.
도 15는 본 발명의 제4 실시형태에서의 정전 용량형 센서의 측방 단면도이다.
도 16은 도 15에 도시한 전극부의 평면도이다.
도 17은 본 발명의 제4 실시형태에서의 정전 용량형 센서의 다른 예를 도시하는 측방 단면도이다.
도 18은 본 발명의 제5 실시형태에서의 정전 용량형 센서의 측방 단면도이다.
도 19는 본 발명의 제5 실시형태에서의 정전 용량형 센서의 다른 예를 도시하는 측방 단면도이다.
도 20은 본 발명의 제5 실시형태에서의 정전 용량형 센서의 다른 예를 도시하는 측방 단면도이다.
도 21은 본 발명의 제5 실시형태에서의 정전 용량형 센서의 다른 예를 도시하는 측방 단면도이다.
이하에 본 발명의 실시형태를 설명한다. 이하의 도면의 기재에서, 동일 또는 유사한 부분에는 동일 또는 유사한 부호로 나타내고 있다. 단, 도면은 모식적인 것이다. 따라서, 구체적인 치수 등은 이하의 설명에 비추어서 판단해야 하는 것이다. 또한, 도면 상호 간에도 서로의 치수 관계나 비율이 상이한 부분이 포함되어 있는 것은 물론이다.
(제1 실시형태)
도 1 내지 도 5는 본 발명에 따른 정전 용량형 센서의 제1 실시형태를 설명하기 위한 것이다. 도 1은 본 발명의 제1 실시형태에서의 정전 용량형 센서의 측방 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시한 다이어프램의 형상을 설명하는 평면도이며, 도 3은 도 1에 도시한 정전 용량형 센서가 검출하는 정전 용량을 설명하는 도면이다. 또한, 도 1 및 도 2에 도시하는 X축, Y축, 및 Z축은 서로 직교하는 좌표축이며, Y축은 X축에 대하여 수평 방향으로 직교하고, Z축은 X축에 대하여 수직 방향으로 직교한다. 또한, 이후의 도면에서도 마찬가지라고 한다. 또한, 이하의 설명에서, 도면의 상측을 상, 하측을 하, 좌측을 좌, 우측을 우로 나타낸다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 정전 용량형 센서(1)는 외부의 환경, 예컨대 주변의 대기 등의 온도 측정 대상의 온도를 측정하기 위한 것이다. 정전 용량형 센서(1)는 도전성의 부재(10)와, 부재(10)의 상부에 설치되는 상부 부재(20)와, 부재(10)의 하부에 설치되는 하부 부재(30)를 구비한다.
부재(10)는, 예컨대 도전성의 단결정 실리콘(저저항화한 실리콘)으로 구성된다. 부재(10)에는, 정해진 방향(도 1에서의 Z축 방향)으로 변위 가능한 다이어프램(11)이 형성되어 있다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 다이어프램(11)은 평면에서 봤을 때, 긴 길이 방향(긴 변, 도 2에서의 X축 방향)이 길이 L, 짧은 길이 방향(짧은 변, 도 2에서의 Y축 방향)이 길이 W인 직사각형의 형상을 갖고 있다. 다이어프램(11)은 두께(도 1에서의 Z축 방향의 길이)가 부재(10)보다 얇은 가동(可動)의 전극판으로서 기능한다.
또한, 다이어프램(11)의 상면 및 하면의 형상은 도 1에 도시하는 바와 같은 평탄(플랫)한 형상에 한정되지 않고, 적어도 한쪽의 면이 코르게이션(물결) 형상이어도 좋다. 또한, 다이어프램(11)을 평면에서 봤을 때의 형상은 도 2에 도시하는 바와 같은 직사각형에 한정되지 않고, 정사각형, 다각형, 원형, 타원형 등이어도 좋다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 다이어프램(11)의 상면과 하면에는, 각각 전기적 절연성을 갖는 박막형의 돌기(11a, 11b)가 형성되어 있다. 이것에 의해, 후술하는 박막 전극(21, 31)과 전기적으로 절연할 수 있고, 또는 스티킹(부착)을 방지할 수 있다.
상부 부재(20)는, 예컨대 세라믹스로 구성된다. 상부 부재(20)의 하면은 다이어프램(11)의 상면과의 사이에 밀폐된 공간(S1)을 형성하도록, 부재(10)의 상면에 접합되어 있다. 또한, 상부 부재(20)의 하면에는, 다이어프램(11)에 대향하는 위치에 박막 전극(21)이 설치되어 있다. 도 3에 도시하는 바와 같이, 박막 전극(21)은 다이어프램(11)으로부터 간격 dA1만큼 이격되어 있고, 다이어프램(11)과의 사이에 정전 용량(C1)을 형성한다. 박막 전극(21)과 다이어프램(11)은 커패시터(콘덴서)로서 기능한다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 하부 부재(30)는, 예컨대 세라믹스로 구성된다. 하부 부재(30)의 상면은 다이어프램(11)의 하면과의 사이에 밀폐된 공간(S2)을 형성하도록, 부재(10)의 하면에 접합되어 있다. 또한, 하부 부재(30)의 상면에는, 다이어프램(11)에 대향하는 위치에 박막 전극(31)이 설치되어 있다. 도 3에 도시하는 바와 같이, 박막 전극(31)은 다이어프램(11)으로부터 간격 dA2만큼 이격되어 있고, 다이어프램(11)과의 사이에 정전 용량(C2)을 형성한다. 박막 전극(31)과 다이어프램(11)은 커패시터(콘덴서)로서 기능한다.
부재(10)와, 상부 부재(20) 또는 하부 부재(30)와의 접합은, 예컨대 공간(S1, S2)의 기밀성을 고려한 기계적인 접합, 직접 접합, 또는 양극(陽極) 접합법 등을 이용하여 이루어진다.
상부 부재(20) 및 하부 부재(30)의 재료는 세라믹스에 한정되지 않고, 적어도 한쪽은 붕산계 유리(알칼리성 유리), 석영, 수정, 또는 사파이어로서, 전술한 접합 방법으로 접합 가능한 것이어도 좋다. 구체적으로는, 양극 접합의 경우는 파일렉스(등록상표) 유리, 템팍스, SD2 유리, SW-Y, SW-YY 유리, 또는 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramics) 등을 이용하여도 좋다. 또한, 상부 부재(20) 및 하부 부재(30)의 재료로서, 적어도 한쪽에, 부재(10)와 마찬가지로 도전성의 실리콘이나 금속을 이용하여도 좋다. 이러한 경우, 절연막을 사이에 두고 부재(10)와 접합된다. 또한, 상부 부재(20) 및 하부 부재(30)의 재료로서, 적어도 한쪽에, 도전성의 박막 전극을 가지며, 다이어프램(11)과의 사이에 정전 용량을 형성할 수 있는 결정이나 다결정을 이용하여도 좋다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 박막 전극(21)의 좌단부는 도전성의 피드스루홀(feedthrough hole) 전극(H1)에 접속된다. 피드스루홀 전극(H1)은 상부 부재(20)의 상면에 설치된 전극용 패드(단자)(P1)와 전기적으로 접속된다. 다이어프램(11)의 우단은 부재(10)의 일부를 구성하는 도전부(12)와 접속된다. 도전부(12)는 도전성의 피드스루홀 전극(H2)을 통해, 상부 부재(20)의 상면에 설치된 다이어프램용 패드(단자)(P2)와 전기적으로 접속된다. 박막 전극(31)의 우단부는 부재(10)의 일부를 구성하는 실리콘 아일랜드(13)와 접속된다. 실리콘 아일랜드(13)는 도전성의 피드스루홀 전극(H3)을 통해, 상부 부재(20)의 상면에 설치된 전극용 패드(단자)(P3)와 전기적으로 접속된다.
정전 용량(C1)은, 예컨대 전극용 패드(P1) 및 다이어프램용 패드(P2)에, 정해진 주파수의 교류 전압을 인가하고, 인가 시에 흐르는 전류를 측정함으로써, 검출하는 것이 가능하다. 또한, 정전 용량(C2)은, 예컨대 전극용 패드(P3) 및 다이어프램용 패드(P2)에 정해진 주파수의 교류 전압을 인가하고, 인가 시에 흐르는 전류를 측정함으로써, 검출하는 것이 가능하다.
각 피드스루홀 전극(H1∼H3)의 형성은 상부 부재(20)에 각각 관통 구멍(도시 생략)을 형성하고, 이 관통 구멍에 전극재의 매립 성막, 도금법, 또는 매립 배선 등을 실시하여 행해진다.
도전부(12)와 실리콘 아일랜드(13)의 형성은 드라이 에칭 등의 기상중의 화학 반응성 에칭법이나 수용성의 화학 에칭법 등에 의해 행해진다. 또한, 다이어프램(11)의 형성은, 수용성의 화학 에칭법을 이용하여 에칭 시간에 따라 두께를 제어하거나, 또는 다이어프램에 해당하는 부재(10) 상의 위치에 고농도 불순물을 확산시켜 선택 에칭을 실시하여 행해진다.
공간(S1)에는, 기체(A1), 예컨대 진공 상태의 기체가 봉입되고, 공간(S2)에는, 공간(S1)에 봉입된 기체와 열팽창률이 상이한 기체(A2), 예컨대 불활성 기체가 봉입된다.
본원에서, 「진공 상태」란 아무것도 없는 상태를 의미하는 것이 아니라, 대기압보다 압력이 낮은 상태(부압)를 의미하는 것이다. 따라서, 어느 공간이 진공 상태여도 물질(본원에서는 기체)이 존재하는 것이 되기 때문에, 이 공간에 존재하는 기체를 「진공 상태의 기체」로 나타낸다.
또한, 공간(S1)에 봉입되는 기체와 공간(S2)에 봉입되는 기체의 조합은 전술한 것에 한정되지 않고, 서로 열팽창률, 보다 정확하게는 체적 팽창률이 상이하면 된다. 예컨대 기체(A1)로서 제1 불활성 기체로 하고, 기체(A2)로서 제2 불활성 기체 또는 건조 공기로 하여도 좋다. 단, 습도가 높은 기체는 온도가 저하되면 결로가 발생하여, 후술하는 기체의 체적 변화에 대한 영향이 크다. 따라서, 진공 상태의 기체, 불활성 기체, 건조 공기 등, 결로하기 어려운 기체가 바람직하다.
여기서, 밀폐된 공간(S1)과 공간(S2)에, 서로 열팽창률이 상이한 기체(A1)와 기체(A2)가 각각 봉입되는 경우, 온도 측정 대상, 예컨대 외부의 대기 온도가 변화하면, 내부의 기체(A1) 및 기체(A2)의 온도도 변화한다. 이 때, 기체(A1)와 기체(A2)의 열팽창률차에 의해, 공간(S1)의 압력과 공간(S2)의 압력 사이에 압력차가 생긴다. 공간(S1)과 공간(S2) 사이에 배치되는 다이어프램(11)은 이 압력차에 따라 변위하여, 정전 용량(C1)과 정전 용량(C2)이 변화한다. 따라서, 정전 용량(C1)과 정전 용량(C2)을 검출하는 것에 의해, 온도 측정 대상의 온도를 측정하는 것이 가능해진다. 또한, 다이어프램(11)은 통전하지 않고서 온도 측정 대상의 온도 변화에 따라 변위하기 때문에, 통전 시에 즉시 정전 용량(C1)과 정전 용량(C2)을 검출하는 것이 가능해진다. 또한, 정전 용량을 형성하는 이격된 2개의 전극, 즉 커패시터(콘덴서)는 낮은 주파수의 교류 전압을 인가하는 것에 의해 임피던스(용량 리액턴스)가 높아지기 때문에, 통전 시에 흐르는 전류를 적게 하는 것이 가능해진다.
종래, 소비 전력을 저감시킬 수 있는 온도계로서, 유리제 온도계나 액주식 온도계, 또는 금속제 온도계나 바이메탈식 온도계가 알려져 있었다. 유리제 온도계나 액주식 온도계는 온도 측정 대상의 온도 변화에 따른 물질의 열팽창 성질을 이용하기 때문에, 전기식 온도계와 같이 전기적 에너지를 필요로 하지 않고, 온도를 측정할 수 있다. 그러나, 계측된 온도는 원칙으로서 눈금을 육안으로 확인함으로써 판독되기 때문에, 전기 신호로의 변환, 및 정확한 온도 측정이 어려웠다. 또한, 이미지 센서 및 신호 처리 회로를 부착하여 눈금의 온도를 전기 신호로 변환하는 것도 가능하지만, 비용 및 소비 전력의 증가를 초래할 우려가 있었다. 한편, 금속제 온도계나 바이메탈식 온도계는 계측된 온도를 용이하게 전기 신호로 변환할 수 있다. 그러나, 온도에 대한 감도를 유지하기 위해, 검출부를 드러내는 구조로 되어 있기 때문에, 습도, 진동, 티끌, 분진 등의 외란의 영향을 받기 쉬웠다.
이것에 대해, 본 발명에 따른 정전 용량형 센서(1)는 정전 용량(C1)과 정전 용량(C2)을 검출함으로써, 용이하게 온도의 전기 신호로 변환할 수 있다. 또한, 기체(A1)와 기체(A2)는 밀폐된 공간(S1)과 공간(S2)에 각각 봉입되기 때문에, 외란의 영향을 받기 어렵다고 하는 이점을 갖는다.
다음에, 온도 측정 대상의 온도 변화와 정전 용량형 센서의 정전 용량 변화의 관계에 대해서, 도 4 내지 도 6을 이용하여 상세히 설명한다. 또한, 이하에서, 특별히 기재가 없는 한, 기체(A1)는 진공 상태의 기체, 기체(A2)는 불활성 기체로서 설명한다.
도 4는 밀폐된 공간에 봉입된 기체의 온도와 압력의 관계를 설명하는 그래프이다. 일반적으로, 정해진 체적을 갖는 밀폐된 공간에 기체가 봉입되어 있는 경우, 이 기체의 거동(행동, 동작)은 근사적으로 이상(理想) 기체의 상태 방정식을 이용하여 표현할 수 있다. 즉, 절대 영도(절대 온도)에서의 체적을 v0, 압력을 p0라고 가정하면, 정해진 온도 t1에서의 압력 p1 및 체적 v1은 이하의 식 (1) 및 식 (2)의 관계를 만족시킨다.
p1v1=p0v0(1+βt1) … (1)
v1=v0(1+gt1) … (2)
단, β는 기체의 체적 팽창률, g는 공간을 밀폐하는 밀봉재의 체적 팽창률을 나타낸다.
마찬가지로, 다른 정해진의 온도 t2에서의 압력 p2 및 체적 v2는 이하의 식 (3) 및 식 (4)의 관계를 만족시킨다.
p2v2=p0v0(1+βt2) …(3)
v2=v0(1+gt2) …(4)
여기서, 밀폐된 공간에 봉입된 기체의 온도가 t1로부터 t2로 변화하는 경우, 온도 변화 후의 압력 p2은 식 (1)∼식 (4)를 정리하여, 이하의 식 (5)로 나타낼 수 있다.
p2={(1+βt2)/(1+βt1)}{(1+gt1)/(1+gt2)}×p1 …(5)
식 (5)를 이용하여 압력 p2를 산출하면, 도 4에 도시하는 바와 같이, 밀폐된 공간에 봉입된 기체의 온도와 압력의 관계가 선형적인 관계인 것을 알 수 있다.
도 5는 밀폐된 공간에 봉입된 기체의 온도와 다이어프램의 변위와의 관계를 설명하는 그래프이다. 한 문헌(Stephen P. Timoshenko, S. Woinowsky-Krieger, 「Theory Of Plates and Shells」, New-York: McGRAW-HILL, Inc., 2nd Edition.)에 의하면, 일반적으로, 평면에서 봤을 때 주변 고정으로 형상이 직사각형인 다이어프램의 경우, 이 평면의 좌표 (x, y)에서의 수직 방향(예컨대, 도 2에서의 Z축 방향)의 변위 w(x, y)는 다이어프램에 가해지는 압력 p를 이용하여 이하의 식 (6) 및 식 (7)로 나타낼 수 있다.
Figure 112012029864826-pct00001
단, a는 다이어프램의 짧은 변의 길이, b는 다이어프램의 긴 변의 길이, D는 다이어프램의 탄성 특성(굽힘 강성, flexural rigidity)을 나타내는 함수, Am, Bm, Cm은 형상 상수, E는 다이어프램 재료의 영률, h는 다이어프램의 두께, ν는 다이어프램 재료의 프와송비를 나타낸다.
또한, 평면에서 봤을 때의 다이어프램의 형상이 직사각형 이외의 것인 경우, 식 (6)을 변형함으로써, 마찬가지로, 변위 w(x, y)는 다이어프램에 가해지는 압력 p를 이용하여 나타낼 수 있다.
여기서, 전술한 이론을 본 발명에 적용하여 생각해 본다. 즉, 온도 t1일 때에 다이어프램(11)의 최대 변위를 d1이라고 가정하고, 밀폐된 공간에 봉입된 기체의 온도가 t1로부터 t2로 변화하는 경우, 기체(A1)는 진공 상태의 기체이기 때문에, 공간(S1)의 압력은 불변(또는 대략 불변)이다. 따라서, 다이어프램(11)에 가해지는 압력은 공간(S2)의 압력뿐이다. 이 때, 다이어프램(11)의 최대 변위 d2는 식 (6)에서의 압력 p에 식 (5)의 p2를 대입하여 산출할 수 있다. 도 5에 도시하는 바와 같이, 기체(A2)의 온도와 다이어프램(11)의 변위와의 관계도 선형적인 관계인 것을 알 수 있다.
또한, 공간(S1)에 봉입되는 기체(A1)가 온도 변화에 따라 압력이 변화하는 것, 예컨대 불활성 기체인 경우, 공간(S1)에 대해서도, 전술한 바와 마찬가지로 식 (1)'∼식 (4)'가 성립하기 때문에, 이들 식으로부터 식 (5)'를 도출한다. 여기서, 식 (1)'∼식 (4)', 식 (5)'는, 전술한 식 (1)∼식 (4), 식 (5)에서의 β(기체의 체적 팽창률), g(밀봉재의 체적 팽창률)가 변하기 때문에, '를 붙여서 기체가 온도 변화에 따라 압력 변화하는 것을 나타낸다. 식 (5)-(5)'를 산출하고(=Δp), 산출된 Δp를 식 (6)에서의 압력 p에 대입함으로써, 마찬가지로, 다이어프램(11)의 최대 변위 d2를 산출할 수 있다.
전극이 수직 방향으로 가동 변위하는 경우의 정전 용량(C)은 다이어프램(11)의 변위 w(x, y)를 이용하여 이하의 식 (8)로 나타낼 수 있다.
Figure 112012029864826-pct00002
단, C0는 정해진 온도(초기 온도)에서의 정전 용량, ε0은 진공중의 유전률, d는 초기 상태에서의 전극간 거리를 나타낸다.
또한, 정전 용량형 센서(1)의 정전 용량 변화(ΔC)는 이하의 식 (9)로 정의할 수 있다.
ΔC=(C1-C2)/C2 …(9)
따라서, 식 (8)에서의 변위 w(x, y)에 식 (6)을 대입하여, 식 (9)를 산출함으로써, 정전 용량형 센서(1)의 정전 용량 변화(ΔC)를 온도로(온도의 함수로서) 나타낼 수 있다. 정전 용량 변화(ΔC)는, 온도 변화에 대하여, 센서 또는 제조 공정에서의 변동이 있고, 비선형 특성을 가져도 보정 방법에 의해, 온도에 대한 선형성을 갖게 하는 것이 가능하다.
본 실시형태에서는, 부재(10)의 재료로서 도전성을 갖는 것을 이용하도록 했지만, 이것에 한정되지 않는다. 예컨대, 절연성의 재료를 이용하여, 다이어프램(11)의 상면 및 하면(양면)에 도전성 물질의 박막을 형성하도록 하여도 좋다. 이러한 경우, 도전부(12) 및 실리콘 아일랜드(13)도 마찬가지로 도전성 물질로 형성된다.
이와 같이, 본 실시형태의 정전 용량형 센서(1)에 의하면, 공간(S1)에 기체(A1)가 봉입되고, 공간(S2)에 기체(A1)와 열팽창률이 상이한 기체(A2)가 봉입된다. 여기서, 밀폐된 공간(S1)과 공간(S2)에, 서로 열팽창률이 상이한 기체(A1)와 기체(A2)가 각각 봉입되는 경우, 온도 측정 대상, 예컨대 외부의 대기 온도가 변화하면, 내부의 기체(A1) 및 기체(A2)의 온도도 변화한다. 이 때, 기체(A1)와 기체(A2)의 열팽창률차에 의해, 공간(S1)의 압력과 공간(S2)의 압력 사이에 압력차가 생긴다. 공간(S1)과 공간(S2) 사이에 배치되는 다이어프램(11)은 이 압력차에 따라 변위하여, 정전 용량(C1)과 정전 용량(C2)가 변화한다. 따라서, 정전 용량(C1)과 정전 용량(C2)을 검출함으로써, 온도 측정 대상의 온도를 측정하는 것이 가능해진다. 또한, 다이어프램(11)은 통전하지 않고서 온도 측정 대상의 온도 변화에 따라 변위하기 때문에, 통전 시에 즉시 정전 용량(C1)과 정전 용량(C2)을 검출하는 것이 가능해진다. 또한, 정전 용량을 형성하는 이격된 2개의 전극, 즉 커패시터(콘덴서)는 낮은 주파수의 교류 전압을 인가하는 것에 의해 임피던스(용량 리액턴스)가 높아지기 때문에, 통전 시에 흐르는 전류를 적게 하는 것이 가능해진다. 이것에 의해, 전기적 에너지를 항상 공급하지 않고 온도를 측정할 수 있어, 소비 전력을 저감시킬 수 있다. 또한, 응답 시간(안정 시간)을 대폭 단축할 수 있어, 간헐 동작을 할 수 있다.
(제2 실시형태)
도 6 내지 도 9는 본 발명에 따른 정전 용량형 센서의 제2 실시형태를 설명하기 위한 것이다. 또한, 특별히 기재가 없는 한, 전술한 제1 실시형태와 동일 구성 부분은 동일 부호로 나타내고, 그 설명을 생략한다. 또한, 도시하지 않는 구성 부분은 전술한 제1 실시형태와 같게 한다.
제2 실시형태와 제1 실시형태의 상위점은 정전 용량형 센서(2A, 2B, 2C)가 박막 전극(31) 대신에 참조 전극(22)을 구비하는 것이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시형태에서의 정전 용량형 센서의 측방 단면도이며, 도 7은 도 6에 도시한 정전 용량형 센서가 검출하는 정전 용량을 설명하는 도면이다. 도 6에 도시하는 바와 같이, 부재(10)에는, 다이어프램(11)의 우단에, 도전부(12) 대신에 고정부(14)가 형성되어 있다. 다이어프램(11)이 정해진 방향(도 6에서의 Z축 방향)으로 변위 가능한 것에 대하여, 고정부(14)는 적어도 이 정해진 방향(도 6에서의 Z축 방향)으로 변위 불가능(부동)하다.
고정부(14)의 상면에는, 전기적 절연성을 갖는 박막형의 돌기(11c)가 형성되어 있다. 이것에 의해, 후술하는 참조 전극(22)과 전기적으로 절연할 수 있고, 또는 스티킹(부착)을 방지할 수 있다.
상부 부재(20)의 하면에는, 박막 전극(21)과 함께, 고정부(14)에 대향하는 위치에 박막형의 참조 전극(22)이 설치되어 있다. 도 7에 도시하는 바와 같이, 참조 전극(22)은 고정부(14)로부터 간격 dA1만큼 이격되어 있고, 고정부(14)와의 사이에 정전 용량(C3)을 형성한다. 참조 전극(22)과 고정부(14)는 커패시터(콘덴서)로서 기능한다.
도 6에 도시하는 바와 같이, 다이어프램(11)의 좌단은 부재(10)의 일부를 구성하는 부분(도시 생략)과 접속된다. 이 부분은 피드스루홀 전극(H2)을 통해, 다이어프램용 패드(단자)(P2)와 전기적으로 접속된다. 참조 전극(22)의 우단부는 피드스루홀 전극(H3)에 접속된다. 피드스루홀 전극(H3)은 박막 전극용 패드(단자)(P3)와 전기적으로 접속된다.
또한, 정전 용량형 센서(2A)의 정전 용량 변화(ΔC)는 이하의 식 (9)'로 정의할 수 있다.
ΔC=(C1-C3)/C3 … (9)'
여기서, 제1 실시형태와 마찬가지로, 공간(S1)의 압력과 공간(S2)의 압력 사이에 압력차가 생긴 경우, 다이어프램(11)은 이 압력차에 따라 변위하는 한편, 고정부(14)는 이 압력차가 생겨도 변위하지 않는다. 따라서, 온도 변화에 대하여 정전 용량(C1)은 변화하지만 정전 용량(C3)은 변화하지 않기 때문에, 정전 용량형 센서(2A)의 정전 용량 변화(ΔC)는 식 (9)'로부터 정전 용량(C1)의 변화분이 된다.
도 8은 본 발명의 제2 실시형태에서의 정전 용량형 센서의 다른 예를 도시하는 측방 단면도이다. 본 실시형태에서는, 다이어프램(11)의 우단에 고정부(14)를 형성하고 고정부(14)와의 사이에 정전 용량(C3)을 형성하도록 했지만, 이것에 한정되지 않는다. 예컨대, 도 8에 도시하는 바와 같이, 정전 용량형 센서(2B)는 부재(10)에, 다이어프램(11)과 전기적으로 절연된 다른 하나의 다이어프램(17)을 형성하여도 좋다. 이러한 경우, 다이어프램(17)의 상면에는, 전기적 절연성을 갖는 박막형의 돌기(17a)가 형성되어 있다. 또한, 상부 부재(20)의 하면에는, 다이어프램(17)의 상면에 대향하는 위치에 참조 전극(22)이 설치되어 있다. 참조 전극(22)은, 다이어프램(17)의 상면과의 사이에 정전 용량(C3)을 형성한다. 참조 전극(22)과 다이어프램(17)의 상면은 커패시터(콘덴서)로서 기능한다. 다이어프램(17)의 우단은 부재(10)의 일부를 구성하는 부분(도시 생략)과 접속된다. 이 부분은 피드스루홀 전극(H4)을 통해, 다이어프램용 패드(단자)(P4)와 전기적으로 접속된다. 참조 전극(22)은 피드스루홀 전극(H3)에 접속된다. 피드스루홀 전극(H3)은 박막 전극용 패드(단자)(P3)와 전기적으로 접속된다.
상부 부재(20)의 하면과 다이어프램(17)의 상면 사이에 형성되어 밀폐된 공간(S4)에는, 예컨대 기체(A2)가 봉입된다. 하부 부재(30)의 상면과 다이어프램(17)의 하면 사이에 형성되어 밀폐된 공간(S5)에는, 공간(S4)과 동일한 기체, 예컨대 기체(A2)가 봉입된다.
여기서, 온도 측정 대상, 예컨대 외부의 대기 온도가 변화하는 경우, 공간(S4)과 공간(S5)에 열팽창률이 동일한 기체가 봉입되어 있기 때문에, 공간(S4)의 압력과 공간(S5)의 압력 사이에 압력차가 생기지 않는다. 따라서, 도 6에 도시한 경우와 마찬가지로, 온도 변화에 대하여 정전 용량(C1)은 변화하지만 정전 용량(C3)은 변화하지 않기 때문에, 정전 용량형 센서(2B)의 정전 용량 변화(ΔC)는 식 (9)'로부터 정전 용량(C1)의 변화분이 된다.
또한, 참조 전극(22)과의 사이에 정전 용량(C3)을 형성하는 전극은 다이어프램(17)에 한정되지 않고, 부재(10)에 형성된 고정 전극(부)이어도 좋고, 부재(10) 이외의 부재에 형성되어도 좋다. 또한, 공간(S4) 및 공간(S5)에 봉입되는 기체는 불활성 기체인 점에서 기체(A2)가 바람직하지만, 이것에 한정되지 않고, 기체(A1) 또는 다른 기체여도 좋다.
도 9는 본 발명의 제2 실시형태에서의 정전 용량형 센서의 다른 예를 도시하는 측방 단면도이다. 또한, 도 9에 도시하는 바와 같이, 정전 용량형 센서(2C)는 상부 부재(20)의 하면에 설치된 참조 전극(22)과, 하부 부재(30)의 상면에서의 참조 전극(22)에 대향하는 위치에 설치된 박막형의 참조 전극(34)을 구비하도록 하여도 좋다. 참조 전극(34)은 참조 전극(22)과의 사이에 정전 용량(C3)을 형성한다. 참조 전극(22)과 참조 전극(34)은 커패시터(콘덴서)로서 기능한다. 참조 전극(34)은 피드스루홀 전극(H4)에 접속된다. 피드스루홀 전극(H4)은 다이어프램용 패드(단자)(P4)와 전기적으로 접속된다. 참조 전극(22)은 피드스루홀 전극(H3)에 접속된다. 피드스루홀 전극(H3)은 박막 전극용 패드(단자)(P3)와 전기적으로 접속된다.
상부 부재(20)의 하면과 하부 부재(30)의 상면 사이에 형성되어 밀폐된 공간(S4)에는, 예컨대 기체(A2)가 봉입된다.
여기서, 온도 측정 대상, 예컨대 외부의 대기 온도가 변화하는 경우, 참조 전극(22)과 참조 전극(34)은 고정되어 있기 때문에, 도 6에 도시한 경우와 마찬가지로, 온도 변화에 대하여 정전 용량(C1)은 변화하지만 정전 용량(C3)은 변화하지 않는다. 따라서, 정전 용량형 센서(2C)의 정전 용량 변화(ΔC)는 식 (9)'로부터 정전 용량(C1)의 변화분이 된다.
또한, 공간(S4)에 봉입되는 기체는 도 8에 도시한 경우와 마찬가지로, 불활성 기체인 점에서 기체(A2)가 바람직하지만, 기체(A1) 또는 다른 기체여도 좋다.
이와 같이, 본 실시형태의 정전 용량형 센서(2A, 2B, 2C)에 의하면, 정전 용량(C3)을 형성하기 위한 참조 전극(22)을 구비한다. 여기서, 제1 실시형태와 마찬가지로, 공간(S1)의 압력과 공간(S2)의 압력 사이에 압력차가 생긴 경우, 다이어프램(11)은 이 압력차에 따라서 변위하는 한편, 예컨대 고정부(14)는 상기 압력차가 생겨도 변위하지 않는다. 따라서, 온도 변화에 대하여 정전 용량(C1)은 변화하지만 정전 용량(C3)은 변화하지 않기 때문에, 정전 용량형 센서(2A, 2B, 2C)의 정전 용량 변화(ΔC)는 식 (9)'로부터 정전 용량(C1)의 변화분이 된다. 이것에 의해, 정전 용량형 센서(2A, 2B, 2C)의 구성에 의해서도, 제1 실시형태와 마찬가지로, 소비 전력을 저감시킬 수 있고, 간헐 동작을 할 수 있다.
(제2 실시형태의 변형예)
도 10 및 도 11은 본 발명에 따른 정전 용량형 센서의 제2 실시형태의 변형예를 설명하기 위한 것이다. 또한, 특별히 기재가 없는 한, 전술한 제2 실시형태와 동일 구성 부분은 동일 부호로 나타내고, 그 설명을 생략한다. 또한, 도시하지 않는 구성 부분은 전술한 제2 실시형태와 같게 한다.
변형예와 제2 실시형태의 상위점은 정전 용량형 센서(2D, 2E)가 새로운 부재를 더 구비하는 것이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시형태의 변형예에서의 정전 용량형 센서의 측방 단면도이다. 도 10에 도시하는 바와 같이, 정전 용량형 센서(2D)는 하부 부재(30)의 하부에 설치되는 제2 부재(40)와, 제2 부재(40)의 하부에 설치되는 제2 하부 부재(50)를 구비한다. 제2 부재(40)는, 예컨대 도전성의 단결정 실리콘(저저항화한 실리콘)으로 구성된다. 또한, 제2 하부 부재(50)는 세라믹스로 구성된다.
제2 부재(40)에는, 다이어프램(41)이 형성되어 있다. 다이어프램(41)의 상면에는, 전기적 절연성을 갖는 박막형의 돌기(41a)가 형성되어 있다. 하부 부재(30)의 하면에는, 다이어프램(41)의 상면에 대향하는 위치에 참조 전극(22)이 설치되고, 다이어프램(41)의 상면과의 사이에 정전 용량(C3)을 형성한다. 참조 전극(22)과 다이어프램(41)의 상면은 커패시터(콘덴서)로서 기능한다. 다이어프램(41)의 좌단은 제2 부재(40)의 일부를 구성하는 부분(도시 생략)과 접속된다. 이 부분은 피드스루홀 전극(H4)을 통해, 다이어프램용 패드(단자)(P4)와 전기적으로 접속된다. 참조 전극(22)의 좌단은 피드스루홀 전극(H3)에 접속된다. 피드스루홀 전극(H3)은 박막 전극용 패드(단자)(P3)와 전기적으로 접속된다.
하부 부재(30)의 하면과 다이어프램(41)의 상면 사이에 형성되어 밀폐된 공간(S4)에는, 예컨대 기체(A2)가 봉입된다. 제2 하부 부재(50)의 상면과 다이어프램(41)의 하면 사이에 형성되어 밀폐된 공간(S5)에는, 공간(S4)과 동일한 기체, 예컨대 기체(A2)가 봉입된다.
여기서, 온도 측정 대상, 예컨대 외부의 대기 온도가 변화하는 경우, 공간(S4)과 공간(S5)에 열팽창률이 동일한 기체가 봉입되어 있기 때문에, 공간(S4)의 압력과 공간(S5)의 압력 사이에 압력차가 생기지 않는다. 따라서, 제2 실시형태의 경우와 마찬가지로, 온도 변화에 대하여 정전 용량(C1)은 변화하지만 정전 용량(C3)은 변화하지 않기 때문에, 정전 용량형 센서(2D)의 정전 용량 변화(ΔC)는 식 (9)'로부터 정전 용량(C1)의 변화분이 된다.
또한, 도 8에 도시한 경우와 마찬가지로, 참조 전극(22)과의 사이에 정전 용량(C3)을 형성하는 전극은 다이어프램(41)에 한정되지 않고, 제2 부재(40)에 형성된 고정 전극(부)이어도 좋다. 또한, 공간(S4) 및 공간(S5)에 봉입되는 기체는 불활성 기체인 점에서 기체(A2)가 바람직하지만, 이것에 한정되지 않고, 기체(A1) 또는 다른 기체여도 좋다.
도 11은 본 발명의 제2 실시형태의 변형예에서의 정전 용량형 센서의 다른 예를 도시하는 측방 단면도이다. 본 변형예에서는, 제2 부재(40)와 제2 하부 부재(50)를 구비하도록 했지만, 이것에 한정되지 않는다. 예컨대 도 11에 도시하는 바와 같이, 정전 용량형 센서(2E)는 제2 부재(40)의 상부에 설치되는 제2 상부 부재(60)를 더 구비하도록 하여도 좋다. 즉, 정전 용량형 센서(2E)는 부재(10), 상부 부재(20), 및 하부 부재(30)를 포함하는 제1 정전 용량 센서(도시 생략)와, 제2 부재(40), 제2 상부 부재(60), 및 제2 하부 부재(50)를 포함하는 제2 정전 용량 센서(도시 생략)를 구비하고, 대략 동일한 구성(구조)을 갖는 2개의 센서에 의해 구성된다.
이러한 경우, 다이어프램(41)의 하면에 돌기(41a)가 형성되고, 제2 하부 부재(50)의 상면에서의 다이어프램(41)의 하면에 대향하는 위치에 참조 전극(22)이 설치되어 있다. 참조 전극(22)은 다이어프램(41)의 하면과의 사이에 정전 용량(C3)을 형성한다. 참조 전극(22)과 다이어프램(41)의 하면은 커패시터(콘덴서)로서 기능한다. 다이어프램(41)의 좌단은 제2 부재(40)의 일부를 구성하는 부분(도시 생략)과 접속된다. 이 부분은 피드스루홀 전극(H4)을 통해, 다이어프램용 패드(단자)(P4)와 전기적으로 접속된다. 참조 전극(22)의 좌단은 피드스루홀 전극(H3)에 접속된다. 피드스루홀 전극(H3)은 박막 전극용 패드(단자)(P3)와 전기적으로 접속된다.
제2 상부 부재(60)의 하면과 다이어프램(41)의 상면 사이에 형성되어 밀폐된 공간(S4)에는, 예컨대 기체(A2)가 봉입된다. 제2 하부 부재(50)의 상면과 다이어프램(41)의 하면 사이에 형성되어 밀폐된 공간(S5)에는, 공간(S4)과 동일한 기체, 예컨대 기체(A2)가 봉입된다.
여기서, 온도 측정 대상, 예컨대 외부의 대기 온도가 변화하는 경우, 공간(S4)과 공간(S5)에 열팽창률이 동일한 기체를 봉입하고 있기 때문에, 공간(S4)의 압력과 공간(S5)의 압력 사이에 압력차가 생기지 않는다. 따라서, 도 10에 도시한 경우와 마찬가지로, 온도 변화에 대하여 정전 용량(C1)은 변화하지만 정전 용량(C3)은 변화하지 않기 때문에, 정전 용량형 센서(2E)의 정전 용량 변화(ΔC)는 식 (9)'로부터 정전 용량(C1)의 변화분이 된다.
또한, 도 10에 도시한 경우와 마찬가지로, 참조 전극(22)과의 사이에 정전 용량(C3)을 형성하는 전극은 다이어프램(41)에 한정되지 않고, 제2 부재(40)에 형성된 고정 전극(부)이어도 좋다. 또한, 공간(S4) 및 공간(S5)에 봉입되는 기체는 불활성 기체인 점에서 기체(A2)가 바람직하지만, 이것에 한정되지 않고, 기체(A1) 또는 다른 기체여도 좋다.
이와 같이, 정전 용량형 센서(2D, 2E)의 구성에 의해서도, 제1 실시형태와 마찬가지로, 소비 전력을 저감시킬 수 있고, 간헐 동작을 할 수 있다.
(제3 실시형태)
도 12 내지 도 14는 본 발명에 따른 정전 용량형 센서의 제3 실시형태를 설명하기 위한 것이다. 또한, 특별히 기재가 없는 한, 전술한 제1 실시형태 또는 제2 실시형태와 동일 구성 부분은 동일 부호로 나타내고, 그 설명을 생략한다. 또한, 도시하지 않는 구성 부분은 전술한 제1 실시형태 또는 제2 실시형태와 같게 한다.
제3 실시형태와 제1 실시형태 또는 제2 실시형태의 상위점은 정전 용량형 센서(3)의 다이어프램(11)이 메사 형상(111)을 갖는 것이다.
본원에서, 「메사 형상」이란, 사다리꼴 형상으로 성형된 것을 말하고, 한 쌍의의 대변이 평행 또는 대략 평행한 것을 말한다.
도 12는 본 발명의 제3 실시형태에서의 정전 용량형 센서의 측방 단면도이다. 도 12에 도시하는 바와 같이, 다이어프램(11)은 하면에 메사 형상(111)을 갖는다. 또한, 메사 형상(111)은 다이어프램(11)의 하면에 갖는 경우로 한정되지 않는다. 다이어프램(11)은 기체(A1)와 기체(A2) 중 열팽창률이 높은 기체가 봉입되는 공간을 향하는 면에, 메사 형상을 가지면 된다. 본 실시형태에서는, 기체(A1)가 진공 상태의 기체이고, 기체(A2)가 불활성 기체이기 때문에, 기체(A2)가 봉입되는 공간(S2)을 향하는 면, 즉 다이어프램(11)의 하면에 메사 형상을 갖는다. 또한, 다이어프램(11)의 다른쪽 면, 본 실시형태에서는 상면에도, 메사 형상을 갖고 있어도 좋다.
도 13은 도 12에 도시한 다이어프램의 형상을 설명하는 평면도이다. 도 13에 도시하는 바와 같이, 메사 형상(111)은 평면에서 봤을 때, 다이어프램(11)의 중앙부(중앙 및 그 주변 영역)에 형성되어 있다. 또한, 메사 형상의 가로(도 13에서의 X축 방향의 길이), 세로(도 13에서의 Y축 방향의 길이), 높이(도 13에서의 Z축 방향의 길이)는 적절하게 변경 가능하다.
여기서, 제1 실시형태와 마찬가지로, 공간(S1)의 압력과 공간(S2)의 압력 사이에 압력차가 생긴 경우, 메사 형상(111)을 포함하는 다이어프램(11)은 면의 중앙부가 곡선형(오목형)으로 변형되기 어려워져, 면이 그대로 평행 이동하기 쉬워진다. 따라서, 정전 용량(C1)과 정전 용량(C2)을 정밀도 좋게 검출할 수 있다.
도 14는 본 발명의 제3 실시형태에서의 정전 용량형 센서의 다른 예를 도시하는 측방 단면도이다. 도 14에 도시하는 바와 같이, 제2 실시형태와 마찬가지로, 정전 용량형 센서(3)가 참조 전극(22)을 구비하는 경우도, 다이어프램(11)은 기체(A1)와 기체(A2) 중 열팽창률이 높은 기체가 봉입되는 공간을 향하는 면에, 메사 형상(111)을 포함한다. 이러한 경우도 도 12 및 도 13에 도시한 경우와 마찬가지로, 정전 용량(C1)을 정밀도 좋게 검출할 수 있다.
이와 같이, 본 실시형태의 정전 용량형 센서(3)에 의하면, 다이어프램(11)은 기체(A1)와 기체(A2) 중 열팽창률이 높은 기체가 봉입되는 공간을 향하는 면에, 메사 형상(111)을 갖는다. 여기서, 제1 실시형태와 마찬가지로, 공간(S1)의 압력과 공간(S2)의 압력 사이에 압력차가 생긴 경우, 메사 형상(111)을 갖는 다이어프램(11)은 면의 중앙부가 곡선형(오목형)으로 변형되기 어려워져, 면이 그대로 평행 이동하기 쉬워진다. 따라서, 정전 용량(C1)을 정밀도 좋게 검출할 수 있다. 이것에 의해, 측정 대상의 온도를 더 정확하게 측정할 수 있다.
(제4 실시형태)
도 15 내지 도 17은 본 발명에 따른 정전 용량형 센서의 제4 실시형태를 설명하기 위한 것이다. 또한, 특별히 기재가 없는 한, 전술한 제1 실시형태 내지 제3 실시형태와 동일 구성 부분은 동일 부호로 나타내고, 그 설명을 생략한다. 또한, 도시하지 않는 구성 부분은 전술한 제1 실시형태 내지 제3 실시형태와 같게 한다.
제4 실시형태와 제1 실시형태의 상위점은 정전 용량형 센서(4A, 4B)가 부재(10)로서 SOI(Silicon On Insulator) 기판(10A)을 이용하는 것이다.
도 15는 본 발명의 제4 실시형태에서의 정전 용량형 센서의 측방 단면도이다. 도 15에 도시하는 바와 같이, SOI 기판(10A)은 실리콘층(10a)과, 절연층(10b)과, 베이스 실리콘층(10c)을 포함한다.
실리콘층(10a)은, 예컨대 도전성의 실리콘으로 구성된다. 실리콘층(10a)에는, 다이어프램(11)과, 도전부(12)가 형성되어 있다. 여기서, 정해진 두께(도 15에서의 Z축 방향의 길이)로 설계된 실리콘층(10a)을 포함하는 SOI 기판(10A)을 이용함으로써, 예컨대 에칭 시에 두께 제어가 간단해진다.
절연층(10b)은, 예컨대 실리콘 산화물(SiO2)로 구성된다. 또한, 절연층(10b)은, 실리콘층(10a)과 베이스 실리콘층(10c) 사이에 개재되어 있다. 절연층(10b)은 실리콘층(10a)과 베이스 실리콘층(10c)을 전기적으로 절연시키는 절연막으로서 기능한다.
베이스 실리콘층(10c)은, 예컨대 도전성의 실리콘으로 구성된다. 베이스 실리콘층(10c)에는, 다이어프램(11)에 대향하는 위치에 전극부(15)가 형성되어 있다. 전극부(15)는 제1 실시형태에서의 박막 전극(31)과 마찬가지로, 다이어프램(11)과의 사이에 정전 용량(C2)을 형성한다. 전극부(15)와 다이어프램(11)은 커패시터(콘덴서)로서 기능한다.
또한, 전극부(15)는 베이스 실리콘층(10c)의 일부를 구성하는 부분(도시 생략)과 접속된다. 이 부분은 피드스루홀 전극(H3)을 통해, 하부 부재(30)의 하면에 설치된 전극용 패드(단자)(P3)와 전기적으로 접속된다. 또한, 피드스루홀 전극(H3)의 형성은 제1 실시형태와 마찬가지로, 하부 부재(30)에 각각 관통 구멍(도시 생략)을 형성하고, 이 관통 구멍에 전극재의 매립 성막, 도금법, 또는 배립 배선 등을 실시하여 이루어진다.
도 16은 도 15에 도시한 전극부의 평면도이다. 도 16에 도시하는 바와 같이, 전극부(15)는 평면에서 봤을 때 횡방향(도 16에서의 X축 방향) 및 종방향(도 16에서의 Y축 방향)으로 나열된 기둥형의 구멍(15a)을 복수개 갖고 있다. 이들 구멍(15a)은 절연층(10b)를 제거할 때에 이용된다. 일반적으로, 절연층(10b)을 제거하는 경우, 에칭에 있어서, 예컨대 플루오르화수소산 증기나 완충 플루오르화수소산(BHF)을 이용한다. 그러나, 이들 물질은 수직 방향(도 15 및 도 16에서의 Z축 방향)으로는 빠르게 퍼지지만, 수평 방향(도 15 및 도 16에서의 X축 방향 또는 Y축 방향)으로는 퍼지기 어려운 성질을 갖는다. 따라서, 이들 구멍(15a)을 통해 유입(흘러 넣기)시킴으로써, 플루오르화수소산 증기나 완충된 플루오르화수소산(BHF)을 수평 방향으로 확산시킬 수 있다.
또한, 각 구멍(15a)의 개구부의 형상은 정육각형에 한정되지 않고, 원형, 타원형, 직사각형, 정사각형, 다각형 등이어도 좋다. 단, 정육각형의 개구부를 갖는, 소위 허니컴 구조는 구조적으로 안정적이다. 또한, 구멍(15a)의 수나 크기는 다이어프램(11)과 대향하는 전극부(15)의 상면의 표면적과, 절연층(10b)을 제거율을 고려하여, 적절하게 변경 가능하다.
도 17은 본 발명의 제4 실시형태에서의 정전 용량형 센서의 다른 예를 도시하는 측방 단면도이다. 도 17에 도시하는 바와 같이, 제2 실시형태와 마찬가지로, 정전 용량형 센서(4B)가 참조 전극(22)을 구비하는 경우도, 부재(10)로서 SOI 기판(10A)을 이용한다. 이러한 경우도 도 15에 도시한 경우와 마찬가지로, 정해진 두께(도 17에서의 Z축 방향의 길이)로 설계된 실리콘층(10a)을 포함하는 SOI 기판(10A)을 이용함으로써, 예컨대 에칭 시에 두께 제어가 간단해진다.
이와 같이, 본 실시형태의 정전 용량형 센서(4A, 4B)에 의하면, SOI 기판(10A)은 다이어프램(11)이 형성되는 실리콘층(10a)과, 베이스 실리콘층(10c)과, 실리콘층(10a)과 베이스 실리콘층(10c) 사이에 개재되는 절연층(10b)을 포함한다. 여기서, 정해진 두께(도 15 및 도 17에서의 Z축 방향의 길이)로 설계된 실리콘층(10a)을 포함하는 SOI 기판(10A)을 이용함으로써, 예컨대 에칭 시에 두께 제어가 간단해진다. 이것에 의해, 용이하게 다이어프램(11)을 형성할 수 있다.
또한, 본 실시형태의 정전 용량형 센서(4A)에 의하면, SOI 기판(10A)은, 다이어프램(11)이 형성되는 실리콘층(10a)과, 전극부(15)가 형성되는 베이스 실리콘층(10c)과, 실리콘층(10a)과 베이스 실리콘층(10c) 사이에 개재되는 절연층(10b)을 포함한다. 여기서, 절연층(10b)을 제거하는 경우, 에칭에 있어서, 예컨대 플루오르화수소산 증기나 완충 플루오르화수소산(BHF)을 이용한다. 그러나, 이들 물질은 수직 방향(도 12 및 도 13에서의 Z축 방향)으로 빠르게 퍼지지만, 수평 방향(도 15 및 도 16에서의 X축 방향 또는 Y축 방향)으로 퍼지기 어려운 성질을 갖는다. 따라서, 이들 구멍(15a)을 통해 유입(흘려 넣기)시킴으로써, 플루오르화수소산 증기나 완충 플루오르화수소산(BHF)을 수평 방향으로 확산시킬 수 있다. 이것에 의해, 다이어프램(11)에 해당하는 부분의 절연층(10b)을 깨끗이(완전히) 제거할 수 있다.
(제5 실시형태)
도 18 내지 도 21은 본 발명에 따른 정전 용량형 센서의 제5 실시형태를 설명하기 위한 것이다. 또한, 특별히 기재가 없는 한, 전술한 제1 실시형태 내지 제4 실시형태와 동일 구성 부분은 동일 부호로 나타내고, 그 설명을 생략한다. 또한, 도시하지 않는 구성 부분은 전술한 제1 실시형태 내지 제4 실시형태와 같게 한다.
제5 실시형태와 제1 실시형태의 상위점은 정전 용량형 센서(5A, 5B)의 부재(10), 또는 정전 용량형 센서(5C, 5D)의 SOI 기판(10A)에, 게터실(S3)이 형성되는 것이다.
도 18은 본 발명의 제5 실시형태에서의 정전 용량형 센서의 측방 단면도이다. 도 18에 도시하는 바와 같이, 부재(10)에는, 공간(S1)과 연통하는 게터실(S3)이 형성되어 있다. 게터실(S3)에는, 게터재(16)가 수납되어 있다. 게터재(16)는 기체(가스)를 흡착(흡수)하는 성질을 갖는 것이며, 예컨대 비증발형 가스 흡착막이나 시판되는 가스 흡수재 등을 이용할 수 있다. 또한, 게터재의 재료를 이용하여 상부 부재(20)의 하면에 박막 전극(21)을 성막하여도 좋다.
전술한 바와 같이, 공간(S1)에 봉입되는 기체(A1)는 진공 상태의 기체이다. 이것에 의해, 게터실(S3)에 수납되는 게터재(16)가 공간(S1)에 잔류하는 기체(가스)를 흡착하기 때문에, 공간(S1)에 봉입되는 기체(A1)의 진공도를 높일 수 있다.
특히, 양극 접합법을 이용하여 부재(10)와 상부 부재(20)를 접합할 때에, 유리 등으로 구성되는 상부 부재(20)로부터 산소(또는 산소 이온)가 방출되는 경우가 있다. 이러한 경우에, 기체(A1)의 진공도가 저하되는 것을 방지할 수 있다.
도 19는 본 발명의 제5 실시형태에서의 정전 용량형 센서의 다른 예를 도시하는 측방 단면도이다. 도 19에 도시하는 바와 같이, 제2 실시형태와 마찬가지로, 정전 용량형 센서(5B)가 참조 전극(22)을 구비하는 경우도, 부재(10)에 게터실(S3)이 형성된다. 이러한 경우도, 도 18에 도시한 경우와 마찬가지로, 게터실(S3)에 수납되는 게터재(16)가 공간(S1)에 잔류하는 기체(가스)를 흡착하기 때문에, 공간(S1)에 봉입되는 기체(A1)의 진공도를 높일 수 있다.
도 20은 본 발명의 제5 실시형태에서의 정전 용량형 센서의 다른 예를 도시하는 측방 단면도이다. 도 20에 도시하는 바와 같이, 제4 실시형태에 도시한 도 15와 마찬가지로, 정전 용량형 센서(5C)가 부재(10)로서 SOI 기판(10A)를 이용하여, 전극부(15)가 형성되는 경우도 SOI 기판(10A), 구체적으로는 베이스 실리콘층(10c)에 게터실(S3)이 형성된다. 또한, 게터실(S3)을 실리콘층(10a)보다 두꺼운 베이스 실리콘층(10c)에 형성하는 것은 용이성에 따른 이유일 뿐이므로, 실리콘층(10a)에 형성하여도 좋다.
도전부(12)에는, 공간(S1)과 게터실(S3)을 연통하는 연통 구멍(12a)이 형성되어 있다. 또한, 하부 부재(30)에는, 공간(S2)에 기체(A2)를 봉입하기 위한 관통 구멍(32)이 형성되어 있다. 관통 구멍(32)의 개구부는, SOI 기판(10A)과 하부 부재(30)를 접합하여, 공간(S2)에 기체(A2)를 넣은 후에, 밀봉재(33)로 밀봉된다.
또한, SOI 기판(10A)과 하부 부재(30)를 접합했을 때에, 공간(S2)에는 대기(공기)가 채워져 있다. 이 상태로 기압이 낮은 장소로 이동하면, 공간(S2)로부터 대기(공기)가 빠지기 때문에, 기체(A2)로 치환하는 것이 가능해진다.
이러한 경우도 도 18에 도시한 경우와 마찬가지로, 게터실(S3)에 수납되는 게터재(16)가 공간(S1)에 잔류하는 기체(가스)를 흡착하기 때문에, 공간(S1)에 봉입되는 기체(A1)의 진공도를 높일 수 있다.
도 21은 본 발명의 제5 실시형태에서의 정전 용량형 센서의 다른 예를 도시하는 측방 단면도이다. 도 21에 도시하는 바와 같이, 제4 실시형태에 도시한 도 17과 마찬가지로, 정전 용량형 센서(5D)가 부재(10)로서 SOI 기판(10A)을 이용하여, 참조 전극(22)을 구비하는 경우도 SOI 기판(10A), 구체적으로는 베이스 실리콘층(10c)에 게터실(S3)이 형성된다. 또한, 게터실(S3)은 도 20에서 설명한 경우와 마찬가지로, 실리콘층(10a)에 형성되어도 좋다.
하부 부재(30)에는, 공간(S2)에 기체(A2)를 봉입하기 위한 관통 구멍(32)이 형성되어 있다. 관통 구멍(32)의 개구부는, SOI 기판(10A)과 하부 부재(30)를 접합하여, 공간(S2)에 기체(A2)를 넣은 후에, 밀봉재(33)로 밀봉된다.
이러한 경우도, 도 18에 도시한 경우와 마찬가지로, 게터실(S3)에 수납되는 게터재(16)가 공간(S1)에 잔류하는 기체(가스)를 흡착하기 때문에, 공간(S1)에 봉입되는 기체(A1)의 진공도를 높일 수 있다.
이와 같이, 본 실시형태의 정전 용량형 센서(5A, 5B, 5C, 5D)에 의하면, 부재(10) 또는 SOI 기판(10A)에는, 게터재(16)를 수납하며 공간(S1)과 연통하는 게터실(S3)가 형성되며, 공간(S1)에 봉입되는 기체(A1)는 진공 상태이다. 이것에 의해, 게터실(S3)에 수납되는 게터재(16)가 공간(S1)에 잔류하는 기체(가스)를 흡착하기 때문에, 공간(S1)에 봉입되는 기체(A1)의 진공도를 높일 수 있다.
또한, 전술한 각 실시형태의 구성은 조합되거나 또는 일부 구성 부분을 교체하여도 좋다. 또한, 본 발명의 구성은 전술한 실시형태에만 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에서 여러 가지로 변경되어도 좋다.
[산업상 이용가능성]
본 발명은 간헐 동작을 하여 온도를 측정하는 기술에 적용할 수 있다.
1: 정전 용량형 센서 10: 부재
11: 다이어프램 20: 상부 부재
21: 박막 전극 30: 하부 부재
31: 박막 전극 A1: 기체
A2: 기체 C1: 정전 용량
C2: 정전 용량 S1: 공간
S2: 공간

Claims (9)

  1. 제1 정전 용량과 제2 정전 용량을 검출할 수 있는 정전 용량형 센서에 있어서,
    도전성을 갖는 가동의 전극판이 형성된 제1 부재와,
    상기 전극판과의 사이에 상기 제1 정전 용량을 형성하는 제1 전극과,
    상기 전극판과의 사이에 상기 제2 정전 용량을 형성하는 제2 전극과,
    상기 전극판의 한쪽 면과의 사이에 제1 공간을 형성하도록 설치되는 제2 부재와,
    상기 전극판의 다른쪽 면과의 사이에 제2 공간을 형성하도록 설치되는 제3 부재
    를 구비하고,
    상기 제1 공간에 제1 기체가 봉입되며, 상기 제2 공간에 상기 제1 기체와 열팽창률이 상이한 제2 기체가 봉입되는 것인 정전 용량형 센서.
  2. 제1 정전 용량과 제2 정전 용량을 검출할 수 있는 정전 용량형 센서에 있어서,
    도전성을 갖는 가동의 전극판이 형성된 제1 부재와,
    상기 전극판과의 사이에 상기 제1 정전 용량을 형성하는 제1 전극과,
    상기 제2 정전 용량을 형성하기 위한 제2 전극과,
    상기 전극판의 한쪽 면과의 사이에 제1 공간을 형성하도록 설치되는 제2 부재와,
    상기 전극판의 다른쪽 면과의 사이에 제2 공간을 형성하도록 설치되는 제3 부재
    를 구비하고,
    상기 제1 공간에 제1 기체가 봉입되며, 상기 제2 공간에 상기 제1 기체와 열팽창률이 상이한 제2 기체가 봉입되는 것인 정전 용량형 센서.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 부재는 도전성을 가지며, 상기 제2 전극과의 사이에 상기 제2 정전 용량을 형성하는 전극부가 형성되는 것인 정전 용량형 센서.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제2 전극과의 사이에 상기 제2 정전 용량을 형성하는 제3 전극을 더 구비하는 정전 용량형 센서.
  5. 제2항에 있어서, 도전성을 가지며, 상기 제2 전극과의 사이에 상기 제2 정전 용량을 형성하는 전극부가 형성된 제4 부재를 더 구비하는 정전 용량형 센서.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극판은 상기 제1 기체와 상기 제2 기체 중 열팽창률이 높은 기체가 봉입되는 공간을 향하는 면에, 메사 형상을 갖는 것인 정전 용량형 센서.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 부재는, 상기 전극판이 형성되는 제1 도전층과, 제2 도전층과, 이 제1 도전층과 이 제2 도전층 사이에 개재되는 절연층을 포함하는 것인 정전 용량형 센서.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 부재는, 상기 전극판이 형성되는 제1 도전층과, 상기 제2 전극이 형성되는 제2 도전층과, 이 제1 도전층과 이 제2 도전층 사이에 개재되는 절연층을 포함하는 것인 정전 용량형 센서.
  9. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 부재에는, 게터재를 수납하고 상기 제1 공간과 연통하는 제3 공간이 형성되며,
    상기 제1 기체는 진공 상태인 것인 정전 용량형 센서.
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