JP2000356563A - 静電容量型圧力検出素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 差圧感度を確保しつつ、応答性の確保を達成
できる静電容量型圧力検出素子を提供する。 【解決手段】 シリコン製のダイアフラム１１と、この
ダイアフラムを挟んで接合された２枚の絶縁部材２１，
３１とを有する。絶縁部材２１，３１にはダイアフラム
との対向面に電極２２，３２が形成され、さらに、ダイ
アフラムと電極を含む絶縁部材とにより形成された空隙
４１，４２に連通する圧力導入口２３Ａ〜３Ｃ，３３Ａ
〜３３Ｃが、ダイアフラムを挟んで対称の位置関係で、
それぞれの絶縁部材２１，３１に複数個設けられてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、静電容量型圧力検
出素子に関する。詳しくは、渦流量計の流体振動の検出
など比較的速い応答性、特に、１５０Ｈｚ以上の速い流
体振動に対する応答性が要求される用途に好適な静電容
量型圧力検出素子に関する。

【０００２】

【背景技術】渦流量計は、流路に設けた渦発生体から生
じる流体振動の周波数が流速に比例する（流路の断面積
が決まっているから、従って流量に比例する）ことを利
用するもので、構造が簡単で可動部がなく、圧力損失も
小さく、しかも、レンジアビリティが大きいことから、
広範囲の流体の体積流量の測定に用いられている。

【０００３】流体の振動を検出する方法としては、流量
に比例して変化する渦周波数が交番差圧を発生するた
め、この渦発生体近傍の交番差圧を直接検出する方法が
知られている。この交番差圧の検出による方法は、特に
気体の流量を測定する場合は効果的であるが、この渦周
波数の交番差圧を検出する差圧検出素子が必要となる。

【０００４】流路に置かれた渦発生体の近傍に発生する
交番差圧を検出する具体的な差圧検出素子としては、従
来からある静電容量型圧力検出素子が知られている。こ
れは、図５に示すように、シリコン製のダイアフラム１
と、このダイアフラム１を挟んで接合されかつダイアフ
ラム１との間に空隙２，３を有するガラス製の２枚の絶
縁部材４，５とを備える。各絶縁部材４，５には、前記
ダイアフラム１と対向する面に電極６，７がそれぞれ形
成されているとともに、ダイアフラム１の中央部分と対
向する位置に前記空隙２，３に連通する圧力導入口８，
９が貫通形成されている。

【０００５】差圧検出素子の両面に差圧が生じると、圧
力は圧力導入口８，９を経てダイアフラム１と絶縁部材
４，５とで形成される空隙２，３に伝播していき、ダイ
アフラム両面の差圧とダイアフラム剛性がつり合う位置
にダイアフラム１が変位される。このとき、ダイアフラ
ム１とその両側の電極６，７との間の静電容量が変化す
る。この静電容量変化が、差圧検出素子とは別に設けら
れた電気回路によって電気信号に変換され、交番差圧と
して検出される。

【０００６】上述した静電容量型圧力検出素子は、マイ
クロマシニング技術により製作される素子で、差圧検出
時の内容積変化が少なく、流路に対称性があるから、単
に静的な差圧の測定だけでなく、動的な差圧の測定にも
適している。ちなみに、図５に示す静電容量型圧力検出
素子のサイズは、概略、次のサイズ、ないし、これらの
１／３程度のサイズである。すなわち、外形は１０×１
０ｍｍの正方形、ダイアフラム１の厚さ１０μｍ、ダイ
アフラム１と絶縁部材４，５とで形成される空隙２，３
は両側ともに同じ大きさの１５μｍ、絶縁部材４，５を
貫通する圧力導入口８，９の口径は直径１ｍｍである。

【０００７】この静電容量型圧力検出素子に必要となる
特性は、低流量域での微少な差圧を検出できるような差
圧感度の確保と、高流量域での応答性の確保である。差
圧感度確保の面からみると、ダイアフラムを薄くして撓
みやすくし、空隙を狭くして大きな静電容量変化が得ら
れるようにし、圧力導入口の口径を小さくしてダイアフ
ラムと対向する電極の面積をできるだけ大きくとったほ
うが有利である。一方、高流量域での応答性の確保とい
う面から見ると、ダイアフラムを厚くして剛性を上げ、
空隙を広くかつ圧力導入口の口径を大きくして空隙の奥
までの圧力伝達をスムーズにしたほうが有利である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述した静電容量型圧
力検出素子は、差圧感度の確保と応答性の確保とには背
反する部分があるため、差圧検出素子からの差圧信号を
処理する回路としてフィルタ回路などの工夫をした場合
であっても、具体的な渦発生体の交番差圧の検出におい
て、低流量域において必要となる０．０５Ｐａ程度の差
圧感度を確保した場合、高流量域での安定な交番差圧の
検出は１５０Ｈｚ程度が限界であった。

【０００９】また、製造コストの面からも、全体として
素子を小さくし１ウェーハからの収量を増やしたいが、
空隙も少なくすると応答性が悪化し、ダイアフラムを薄
くすると製造工程内での歩留まりが下がるなど、結局、
全体として素子を小さくして製造コストを下げていくに
も限界があった。

【００１０】このような事情から、従来からある静電容
量型圧力検出素子を用いた流体振動の交番差圧検出にお
いては、低流量域での微少な差圧を検出に重点を置く場
合は、ダイアフラムを薄くして剛性を下げ、空隙を狭く
圧力導入口径を小さくして静電容量変化を大きくしてい
た。一方、高流量域での応答性に重点を置く場合は、ダ
イアフラムを厚めにして剛性を上げ、空隙を広くかつ圧
力導入口径を大きくしてダイアフラムへの圧力伝達をよ
くしていた。

【００１１】本発明の目的は、このような従来の欠点を
解消し、差圧感度を確保しつつ、応答性の確保を達成で
きる静電容量型圧力検出素子を提供することにある。つ
まり、差圧感度の確保と応答性の確保とを同時に満足さ
せることができる静電容量型圧力検出素子を提供するこ
とにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の静電容量型圧力
検出素子は、上記目的を達成するため、次の構成を採用
する。請求項１に記載の発明は、中央部分が圧力に応じ
て変位する感応部に形成され、その感応部に電極部を有
するダイアフラムと、このダイアフラムを挟んでそのダ
イアフラムの周縁部両面に接合された２枚の基板とを有
し、この２枚の基板にはダイアフラムとの対向面に静電
容量を生じさせるための電極が形成され、かつ、基板を
貫通して前記ダイアフラムと電極を含む基板とにより形
成された空隙に連通する圧力導入口を有する静電容量型
圧力検出素子において、前記圧力導入口が、前記ダイア
フラムを挟んで対称の位置関係で前記各基板に複数個設
けられていることを特徴とする。

【００１３】ここで、ダイアフラムにおいて、感応部に
電極部を有するとは、ダイアフラムが絶縁体で構成され
る場合には、たとえば、半導体プロセスなどの技術によ
り電極部を形成すればよく、また、ダイアフラム自体が
半導体または導体で構成される場合には、このダイアフ
ラム自体が電極部を構成する。また、複数の圧力導入口
の配置については、ダイアフラムの感応部に対して偏っ
て配置するよりは、均等に分散して配置されているのが
好ましい。

【００１４】この発明によれば、圧力導入口が、ダイア
フラムを挟んだ対称の位置関係で各基板に複数個設けら
れているから、圧力導入口が各基板に１個のみ設けられ
た構造に比べ、１つあたりの圧力導入口からダイアフラ
ムに圧力を伝えるべき空隙の範囲が小さくなるから、応
答性を向上させることができる。従って、低流量域にお
いて必要な差圧感度を確保できるように構成しつつ、圧
力導入口をダイアフラムを挟んだ対称の位置関係で各基
板に複数個設けることにより、差圧感度の確保と応答性
の確保とを同時に満足させることができる。

【００１５】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の静電容量型圧力検出素子において、前記圧力導入口
は、前記ダイアフラムの感応部中央から等距離で、ダイ
アフラムの感応部周縁に沿って互いに等間隔に配置され
ていることを特徴とする。この発明によれば、複数個の
圧力導入口が、ダイアフラムの変位が小さい感応部周縁
に沿って集中的に配置されているから、ダイアフラム中
央にのみ比較的大きな圧力導入口を設けた構造に比べ、
圧力導入口の占める合計面積がやや大きくても圧力感度
低下がほとんどない。

【００１６】請求項３に記載の発明は、請求項１または
請求項２に記載の静電容量型圧力検出素子において、前
記ダイアフラムを挟んで対称の位置関係にある圧力導入
口の対については、ダイアフラム対向面側端部の開口面
積が略等しく形成されていることを特徴とする。圧力検
出素子に同相の圧力振動が印加される場合において、圧
力導入口に印加された圧力が、ゆっくりとした変化であ
る場合は、両圧力導入口の大きさがそれぞれ多少異なっ
ていても、差圧として検出されない。しかし、圧力が急
変する場合は、両圧力導入口の大きさ、とりわけ、ダイ
アフラム対向面側端部の径が異なっていると、伝達され
る圧力がダイアフラムの両面で平衡しきれずに、ダイア
フラムに変位を生じさせる。この発明では、ダイアフラ
ムを挟んで対称の位置関係にある圧力導入口の対につい
ては、ダイアフラム対向面側端部の開口面積が略等しく
形成されているから、圧力が急変する場合でも、伝達さ
れる圧力がダイアフラムの両面で平衡しダイアフラムに
変位を生じさせることも少ないから、誤作動を極力防止
できる。

【００１７】請求項４に記載の発明は、請求項１ないし
請求項３のいずれかに記載の静電容量型圧力検出素子に
おいて、１個の圧力導入口が前記ダイアフラムの感応部
の略中心位置に対向して配置され、その中心位置の圧力
導入口を中心とする同一円周上に複数個の圧力導入口が
互いに等間隔に配置されていることを特徴とする。この
発明によれば、圧力導入口が、ダイアフラムの感応部の
略中心位置と対向する位置にも配置されているから、つ
まり、ダイアフラム中央を変位させる力が加わったた
め、応答性をより一層向上させることができる。また、
ダイアフラム中央にのみ比較的大きな圧力導入口を設け
た構造に比べ、中央部の圧力導入口の占める面積を小さ
くでき、圧力感度低下を小さく抑えることができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。なお、以下の実施形態の説明にあ
たって、同一構成要件については、同一符号を付し、そ
の説明を省略もしくは簡略化する。 （第１実施形態）第１実施形態の静電容量型圧力検出素
子は、図１に示すように、中央部分が圧力に応じて変位
する感応部１２とされたダイアフラム１１と、このダイ
アフラム１１を挟んでそのダイアフラム１１の周縁部両
面に接合されたガラスなどからなる基板としての２枚の
絶縁部材２１，３１とを備える。

【００１９】前記ダイアフラム１１は、導電性が付与さ
れたシリコンからなり、所定厚のシリコン素材の中央部
分をホトレジスト加工などによりエッチング加工して薄
肉部を形成し、これを感応部１２とした構成である。従
って、この感応部１２自身、つまり、ダイアフラム１１
自身が電極部を構成している。前記各絶縁部材２１，３
１には、前記ダイアフラム１１の対向面（感応部１２）
との間に静電容量を生じさせるための電極２２，３２が
それぞれ形成されている。電極２２，３２は、フォトリ
ソグラフィーによりパターニング形成されたアルミニウ
ム蒸着薄膜によって形成されている。ここで、アルミニ
ウム蒸着薄膜の厚さは１μｍ程度、ダイアフラム１１と
の間の空隙４１，４２は５μｍ以上１５μｍ以下で、両
側ともに等しい寸法である。

【００２０】また、ダイアフラム１１の感応部１２と電
極２２，３２を含む絶縁部材２１，３１とにより形成さ
れた空隙４１，４２に連通する圧力導入口２３Ａ〜２３
Ｃ、３３Ａ〜３３Ｃが、ダイアフラム１１を挟んで対称
の位置関係で、前記各絶縁部材２１，３１に３個それぞ
れ貫通して形成されている。これらの圧力導入口２３Ａ
〜２３Ｃ、３３Ａ〜３３Ｃは、前記ダイアフラム１１の
感応部１２中央から等距離で、ダイアフラム１１の感応
部１２周縁に沿って互いに等間隔に配置されている。具
体的には、ダイアフラム１１の感応部１２の略中央を中
心とする同一円周上に直径が３ｍｍの３個の圧力導入口
２３Ａ〜２３Ｃ、３３Ａ〜３３Ｃが１２０度間隔で配置
されている。

【００２１】これらの圧力導入口２３Ａ〜２３Ｃ、３３
Ａ〜３３Ｃのうち、ダイアフラム１１を挟んで対称の位
置関係にある圧力導入口の対、つまり、２３Ａと３３Ａ
……２３Ｃと３３Ｃについては、ダイアフラム対向面側
端部の開口面積が略等しく形成されている。具体的に
は、対となる一方の圧力導入口のダイアフラム対向面側
端部の面積をＡ１、他方の圧力導入口のダイアフラム対
向面側端部の面積をＡ２、ダイアフラム１１の感応部１
２の面積をＢとすると、（Ａ１−Ａ２）／Ｂが１／１０
００以内に設定されている。ちなみに、これらの圧力導
入口２３Ａ〜２３Ｃ、３３Ａ〜３３Ｃの加工にあたって
は、絶縁部材２１，３１の材質がガラスであることか
ら、ドリル加工、超音波加工、サンドブラスト加工など
を用いることができる。

【００２２】本実施形態によれば、圧力導入口２３Ａ〜
２３Ｃ、３３Ａ〜３３Ｃが、ダイアフラム１１を挟んで
対称の位置関係で、各絶縁部材２１，３１に３個それぞ
れ貫通して形成されているので、１つあたりの圧力導入
口からダイアフラム１に圧力を伝えるべき空隙の範囲が
小さくなり、応答性を格段に向上させることができる
（図４の孔数３参照）。このため、差圧信号を処理する
目的で差圧検出素子に接続される回路の特性にもよる
が、２００Ｈｚ程度の交番差圧の安定な検出が可能であ
る。

【００２３】また、圧力導入口２３Ａ〜２３Ｃ、３３Ａ
〜３３Ｃを、ダイアフラム１１の変位が小さい周辺部に
集中的に設けたので、ダイアフラム中央部にのみ比較的
大きな圧力導入口を開ける場合に比べ、圧力導入口の占
める合計面積がやや大きくても圧力感度低下がほとんど
ない。

【００２４】（第２実施形態）第２実施形態の静電容量
型圧力検出素子は、図２に示すように、ダイアフラム１
１の感応部１２の略中央を中心とする同一円周上に５個
の圧力導入口２４Ａ〜２４Ｅ、３４Ａ…３４Ｄ…が互い
に等間隔に配置されている。なお、図では、絶縁部材３
１に２個の圧力導入口３４Ａ，３４Ｄが表現されている
だけであるが、実際には５個の圧力導入口が等間隔に配
置されている。これらの圧力導入口については、第１実
施形態の圧力導入口２３Ａ〜２３Ｃ，３３Ａ〜３３Ｃよ
り小さい直径である。本実施形態によれば、圧力導入口
の数が、第１実施形態における圧力導入口の数より多い
ので、応答性をより一層向上させることができる（図４
の孔数５参照）。

【００２５】（第３実施形態）第３実施形態の静電容量
型圧力検出素子は、図３に示すように、第２実施形態の
静電容量型圧力検出素子（図２）において、絶縁部材２
１，３１の略中央部に、一対の圧力導入口２４Ｆ，３４
Ｆが追加されている。本実施形態によれば、中央部に１
対の圧力導入口２４Ｆ，３４Ｆが追加されているから、
第２実施形態における効果に加え、ダイアフラム１１中
央部を変化させる力が加わったために、応答性を一層向
上させることができる（図４の孔数６参照）。このた
め、差圧信号を処理する目的で差圧検出素子に接続され
る回路の特性にもよるが、３００Ｈｚ程度の交番差圧の
安定な検出が可能である。また、ダイアフラム１１中央
部にのみ比較的大きな圧力導入口を開ける場合に比べ、
中央部の圧力導入口の占める面積を小さくでき、圧力感
度低下を小さくできる。

【００２６】なお、上記実施形態では、圧力導入口を３
個以上としたが、少なくとも２個以上であればよい。ち
なみに、絶縁部材に設けられた圧力導入口が２個である
場合は、１つ当たりの圧力導入口から伝えるべき空隙の
範囲が、３個の圧力導入口が設けられた構造に比べあま
り短くならないが、１個の圧力導入口が設けられた従来
の構造に比べると、短くできるので、差圧感度を確保し
つつ、応答性を向上させることができる。

【００２７】

【発明の効果】本発明の静電容量型圧力検出素子によれ
ば、圧力導入口が、ダイアフラムを挟んで対称の位置関
係で各基板にそれぞれ複数個設けられているから、差圧
感度の確保と応答性の確保とを同時に満足させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る静電容量型圧力検出素子の第１実
施形態を示す平面図および断面図である。

【図２】本発明に係る静電容量型圧力検出素子の第２実
施形態を示す平面図および断面図である。

【図３】本発明に係る静電容量型圧力検出素子の第３実
施形態を示す平面図および断面図である。

【図４】上記第１〜第３実施形態および従来の静電容量
型圧力検出素子について、応答性を比較した図である。

【図５】従来の静電容量型圧力検出素子を示す平面図お
よび断面図である。

【符号の説明】

１１ ダイアフラム １２ 感応部 ２１，３１ 絶縁部材 ２２，３２ 電極 ２３Ａ〜２３Ｃ 圧力導入口 ２４Ａ〜２４Ｆ 圧力導入口 ３３Ａ〜３３Ｃ 圧力導入口 ３４Ａ〜３４Ｆ 圧力導入口 ４１，４２ 空隙

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 海瀬 文男 東京都大田区東馬込１−30−４ 長野計器 株式会社内 (72)発明者 関森 幸満 東京都大田区東馬込１−30−４ 長野計器 株式会社内 (72)発明者 丸野 尚彦 東京都大田区東馬込１−30−４ 長野計器 株式会社内 (72)発明者 温井 一光 神奈川県藤沢市みその台９−10 (72)発明者 中村 充博 茨城県北相馬郡守谷町みずき野１−14−３ Ｆターム(参考） 2F055 AA39 BB06 CC02 DD05 EE25 FF17 GG01 GG12 GG25 HH05

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中央部分が圧力に応じて変位する感応部
   に形成され、その感応部に電極部を有するダイアフラム
   と、このダイアフラムを挟んでそのダイアフラムの周縁
   部両面に接合された２枚の基板とを有し、この２枚の基
   板にはダイアフラムとの対向面に静電容量を生じさせる
   ための電極が形成され、かつ、基板を貫通して前記ダイ
   アフラムと電極を含む基板とにより形成された空隙に連
   通する圧力導入口を有する静電容量型圧力検出素子にお
   いて、 前記圧力導入口が、前記ダイアフラムを挟んで対称の位
   置関係で前記各基板に複数個設けられていることを特徴
   とする静電容量型圧力検出素子。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の静電容量型圧力検出素
   子において、 前記圧力導入口は、前記ダイアフラムの感応部中央から
   等距離で、ダイアフラムの感応部周縁に沿って互いに等
   間隔に配置されていることを特徴とする静電容量型圧力
   検出素子。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の静電容
   量型圧力検出素子において、 前記ダイアフラムを挟んで対称の位置関係にある圧力導
   入口の対については、ダイアフラム対向面側端部の開口
   面積が略等しく形成されていることを特徴とする静電容
   量型圧力検出素子。
4. 【請求項４】 請求項１ないし請求項３のいずれかに記
   載の静電容量型圧力検出素子において、 １個の圧力導入口が前記ダイアフラムの感応部の略中心
   位置に対向して配置され、その中心位置の圧力導入口を
   中心とする同一円周上に複数個の圧力導入口が互いに等
   間隔に配置されていることを特徴とする静電容量型圧力
   検出素子。