JP2002022583A - 容量式圧力センサおよびその製造方法 - Google Patents
容量式圧力センサおよびその製造方法Info
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Abstract
測定レンジを広くする。 【解決手段】 第1の基板(1)と、この第1の基板
(1)上に配設された第1の平板電極(1a)と、第1
の基板(1)上に設けられた第1の平板電極(1a)を
取り囲む感圧枠部(4)と、第1の基板(1)と対向し
て感圧枠部(4)に接合され、第1の基板(1)と感圧
枠部(4)とともに容量室を形成する第2の基板(3)
と、容量室内における第2の基板(3)上に設けられ、
感圧枠部(4)から離間するとともに第1の平板電極
(1a)と対向かつ離間したステージ(5)と、このス
テージ(5)上に設けられ、第1の平板電極(1a)と
対向した第2の平板電極(2a)とを備える。感圧枠部
(4)は、第1および第2の基板(1,3)に印加され
た圧力に応じて弾性変形する。
Description
およびその製造方法に関し、特に外部からの圧力印加に
よって生じた容量室の変形に基づく容量変化(電極間距
離の変位)を検出する容量式圧力センサおよびその製造
方法に関するものである。
ては、可撓性のダイアフラムと基台とで囲まれた容量室
内に、互いに対向する2個の電極を配置し、ダイアフラ
ムの弾性変形による電極間距離の変化(容量変化)に基
づいて圧力を測定する。その一方で、特表平11−50
1123号公報には、従来とは異なる発想に基づく圧力
センサが提案されている。これはサファイア等の弾性を
有する基板内に容量室を設け、この容量室に対向する2
個の電極を配置し、圧力印加によって容量室を構成する
基板が圧縮変形されることによって生じた電極間距離の
変化(容量変化)を検出する。
報に開示された圧力センサを示す分解斜視図である。同
図に示すように、この圧力センサは凹部内に下部電極1
01aおよびリード線101bが設けられたサファイア
製の基板101と、この基板101と対向し、同じく凹
部内に上部電極102aとリード線102bとが設けら
れたサファイア製の基板102とを接合することによっ
て構成されている。
面図である。同図に示すように上部電極102aは、従
来のダイアフラムよりも分厚い基板102の上に設けら
れており、基板102は外部から圧力が印可されてもほ
とんど変形しない。その代わりに容量室の側壁を形成す
る基板(以下、感圧枠部104という)の圧縮変形によ
り、電極間距離が変化することによって容量変化が検出
される。ちなみにサファイアのヤング率は、30,00
0kg/mm2 である。したがって、このような圧力セ
ンサにおいては、圧力印可時に下部電極101aと上部
電極102aとが互いに平行を保った状態で近づくこと
になり、センサ出力の線形性が保たれるなどの利点があ
る。また、ダイアフラムと比べて感圧枠部は圧縮されに
くいため、射出成形機内における圧力測定など、高圧下
での用途に適用できるという利点がある。
うな従来例においては、測定感度を向上させようとして
電極間距離を短くすると、感圧枠部104の縦方向の長
さが短くなって圧縮されにくくなり、却って測定感度を
低下させる原因となってしまう。したがって、従来構造
では、高圧下での用途にしか適用できず、測定レンジが
非常に狭いという問題点があった。本発明は、このよう
な課題を解決するためのものであり、従来よりも測定感
度を向上させることができ、また従来よりも測定レンジ
を広くすることができる容量式圧力センサを提供するこ
とを目的とする。
るために、本発明に係る容量式圧力センサは、第1の基
板と、この第1の基板上に配設された第1の平板電極
と、前記第1の基板上に設けられた前記第1の平板電極
を取り囲む感圧枠部と、前記第1の基板と対向して前記
感圧枠部に接合され、前記第1の基板と前記感圧枠部と
ともに容量室を形成する第2の基板と、前記容量室内に
おける前記第2の基板上に設けられ、前記感圧枠部から
離間するとともに前記第1の平板電極と対向かつ離間し
たステージと、このステージ上に設けられ、前記第1の
平板電極と対向した第2の平板電極とを備え、前記感圧
枠部は、前記第1および第2の基板に印加された圧力に
応じて弾性変形するものである。
す構成を含む。すなわち、前記感圧枠部の一部に前記第
1の平板電極と対向する領域を形成し、この領域に前記
第1の平板電極と対向して参照電極を設ける。また、前
記基板は、サファイア、シリコン、ガラスまたはダイア
モンドからなる。また、前記ステージの一部と前記感圧
枠部の一部とを接続する橋絡部と、この橋絡部上に設け
られ、一端が前記第2の平板電極と接続されかつ他端が
前記容量室の外部まで引き出されたリード線とを備え
る。また、前記第1の平板電極は、互いに近接配置され
た2個の平板電極によって構成され、これら2個の平板
電極のそれぞれに前記容量室の外部まで引き出されたリ
ード線が接続され、前記第2の平板電極は、電気的に浮
遊した状態で設けられている。
造方法は、第1の基板に凹部を形成してからこの凹部内
に第1の平板電極を形成する工程と、弾性を有する第2
の基板の一方の面に周回する深さ一定の溝を形成してか
ら、この一方の面に第3の基板を直接接合し、前記第2
の基板の他方の面を研磨して前記溝を露出させることに
より、前記溝に囲まれたステージを形成し、このステー
ジ上に第2の平板電極を形成する工程と、前記第1の基
板と、前記第2および第3の基板の一対構造とを直接接
合することにより、前記第1および第2の平板電極が対
向する容量室を形成する工程とを備える。
す構成を含む。すなわち、前記第2の基板に設ける溝の
一部の深さを浅くし、前記研磨によって前記溝の一部に
橋絡部を設け、この橋絡部上に一端が前記上部電極に接
続されかつ他端が外部に引き出されるリード線を形成す
る。
り本発明は、圧力印可によって弾性変形される感圧枠部
の長さを十分に大きく維持できるとともに、ステージ上
に上部電極を形成することによって上部および下部電極
間の距離を狭めることができ、従来よりも測定感度およ
び測定レンジを向上させることができる。
について図を用いて説明する。図1は本発明の一つの実
施の形態を示す分解斜視図であり、図2(a)はA−
A’線断面図、図2(b)はB−B’線断面図である。
図1に示すように、本実施の形態に係る圧力センサは、
凹部内に下部電極1aおよびリード線1bの設けられた
サファイア製の基板1と、下部電極1aと対向して図示
しない上部電極の設けられたサファイア製の基板2と、
基板2に接合された基板3とで構成されている。また、
図2(a)に示すように、上部電極2aは溝で仕切られ
た内側の領域(以下、ステージという)に設けられ、下
部電極1aは基板1の凹部内に設けられている。そし
て、図2(b)に示すように、上部電極2aは橋絡部2
d上に形成させれたリード線を介して、図示しない外部
装置と接続されている。
する。図2(a)に示すように、上部電極2aは溝2c
で仕切られたステージ5上に設けられているため、圧力
印可時に変形される領域(感圧枠部4)は図の縦方向に
広くなっている。そのため、本構造においては、電極1
a,2a間の距離を狭く保った状態で、圧縮される領域
を広くすることができる。したがって、本実施の形態は
測定感度の向上および測定レンジの拡大を実現すること
ができる。なお、図2(b)に示すように、上部電極2
aに接続されたリード線を引き出すため、溝2cの一部
に橋絡部2dを設けているが、この橋絡部2dは溝2c
の大きさに比べて非常に小さなものであるため、感圧枠
部の圧縮に影響を与えず、圧力測定の支障となるもので
はない。
ついて図を参照しながら説明する。図3(a)は上部電
極の一つの実施の形態を示す平面図、図3(b)はC−
C’線における断面図である。上部電極2aは、基板2
の溝2cで仕切られたステージ5上に設けられ、橋絡部
2dを介してリード線2bが上部電極2aに接続されて
いる。これは図1に示した圧力センサに用いられている
構造である。
態を示す平面図、同図(b)はD−D’線における断面
図である。この実施の形態においては、ステージ5上の
上部電極2aの周縁に溝2cを挟んで参照電極2eを設
けている。参照電極2eは基準容量を測定するために用
いられる。したがって、参照電極2eによって得られた
測定結果を用いることにより、可動電極2aで得られた
測定結果を補正することができる。また、圧力印可時に
参照電極2eの電極間距離はβに依存するが、上部電極
の電極間距離はαに依存する。例えば、α>100β程
度に設定することにより、上部電極による測定感度を十
分大きく保つことができる。
他の形態を示す平面図、同図(b)は下部電極のその他
の形態を示す平面図、同図(c)はE−E’線における
断面図である。上部電極2aを電気的に浮遊状態にし、
下部電極1aを2個用意することにより、図5(d)に
示すような2個のコンデンサを直列接続した回路とな
る。したがって、上部電極2aを浮遊状態にしておいて
も、2個の下部電極1a−1,1a−2を用意すること
により、圧力変化を測定することができる。この場合、
上部電極2aから引き出されたリード線形成するための
橋絡部が不要となり、図3のものよりも製造しやすいと
いう利点がある。
について説明する。図6は、図1に係る圧力センサの製
造工程を示すA−A’線における断面図である。まず、
同図(a)に示すように、レーザ等により溝2cを形成
した基台2に基台3を端面を鏡面研磨してから、数百℃
程度の雰囲気下で直接接合により両者を接合する。
後、基板2側の底部を溝2cが露出するまで研磨する。
その結果、同図(c)に示す部材ができあがる。本工程
では、領域Xにおける溝底部の面状態は鏡面研磨面であ
り滑らかである。図6(c)に示す部材を一個の基台に
レーザを用いて溝を形成する場合、領域Xにおける溝底
部の面状態を鏡面研磨状態にすることはほぼ不可能であ
る。そして、このような鏡面状態でない底面を有する溝
では、センサとして用いた場合に応力が不均一にかかっ
てしまい、基板が破損され易い。このような観点から、
本実施の形態に係る製造工程は、従来にない優れた効果
を得ることができるといえる。
ある。次いで、図7(d)に示すように、図6(c)で
作った部材に上部電極を形成し、また予め基台1に凹部
および下部電極1aを形成したものを用意しておき、両
者を直接接合により接合する。この場合、電極が損傷し
ない程度の温度で直接接合する。以上の結果、図7
(e)に示すように、圧力センサができあがる。このよ
うに容量室内に受圧面に直交する方向に向かって溝を設
けることにより、電極間(下部電極1a,上部電極2
a)の距離を狭く保ったまま、圧力印可時における圧縮
される領域を増加させることができ、従来よりも測定感
度を向上でき、また圧力レンジを拡大することができ
る。
すると次のようになる。図8は、図1に係る圧力センサ
の製造工程を示すB−B’線における断面図である。溝
を形成する際に、橋絡部2dを形成したい部分における
溝2cの深さを浅くしておく。そして、研磨の際にその
部分を残すことにより、橋絡部2dを作ることができ
る。この橋絡部2d上には上述のリード線2bが形成さ
れる。
ための平面図、同図(b)はその断面図である。感圧枠
部4の長さa=2(mm)、電極間隔b=0.1(μ
m)、受圧面6から溝の底部までの長さc=2(m
m)、感圧枠部4の幅d=0.4(mm)、容量室の縦
の長さe=10(mm)、容量室の横の長さf=10
(mm)としている。また、サファイアのヤング率を3
0,000kg/mm2 とする。
2 )、感圧枠部4の面積(基板1との接合部の面積)≒
15.36(mm2 )となり、圧力拡大率は100/1
5.36≒6.5となる。また、受圧面6に印加された
圧力を1kg/cm2 、電極間隔bの変位をΔbとする
と、Δb/2=1/30000×0.01×6.5(m
m)となり、Δb=43(Å)となる。したがって、ベ
ース容量が100pFの場合に感度は4.5pFとな
る。また、b=1(μm)の場合であっても感度は0.
43pFとなる。なお、本構造が効果的に機能するため
には、感圧枠部4の厚さが、基板1と基板3上のステー
ジ5との離間距離よりも厚いことが必要である。
の材料として、サファイアを用いた場合について説明し
たが、本発明はこれに限られるものではない。例えばシ
リコン、ガラスまたはダイヤモンド等の単結晶材料を用
いてもよい。また、参照電極は必須の構成でなく、必要
に応じて付加すればよい。したがって、本発明には上部
電極および下部電極のみを用いた構成も含まれる。ま
た、ステージ5を上部電極2aの下に設ける代わりに、
下部電極1aの下に設けるようにしてもよい。
と上部電極との距離を狭く保った状態で、圧力印加時に
圧縮変形される領域を従来例よりも大きくすることがで
き、測定感度の向上および測定レンジの拡大を実現する
ことができる。
である。
B’線断面図である。
面図、(b)C−C’線における断面図である。
図、(b)D−D’線における断面図である。
図、(b)下部電極のその他の形態を示す平面図、
(c)E−E’線における断面図、(d)上部電極およ
び下部電極で構成された回路図である。
A’線における断面図である。
B’線における断面図である。
面図、(b)その断面図である。
る。
2a…上部電極、2b…リード線、2c…溝、2d…橋
絡部、2e…参照電極、4…感圧枠部、5…ステージ、
6…受圧面。
Claims (7)
- 【請求項1】 第1の基板と、 この第1の基板上に配設された第1の平板電極と、 前記第1の基板上に設けられた前記第1の平板電極を取
り囲む感圧枠部と、 前記第1の基板と対向して前記感圧枠部に接合され、前
記第1の基板と前記感圧枠部とともに容量室を形成する
第2の基板と、 前記容量室内における前記第2の基板上に設けられ、前
記感圧枠部から離間するとともに前記第1の平板電極と
対向かつ離間したステージと、 このステージ上に設けられ、前記第1の平板電極と対向
した第2の平板電極とを備え、 前記感圧枠部は、前記第1および第2の基板に印加され
た圧力に応じて弾性変形することを特徴とする容量式圧
力センサ。 - 【請求項2】 請求項1に記載された容量式圧力センサ
において、 前記感圧枠部の一部に前記第1の平板電極と対向する領
域を形成し、この領域に前記第1の平板電極と対向して
参照電極を設けたことを特徴とする容量式圧力センサ。 - 【請求項3】 請求項1に記載された容量式圧力センサ
において、 前記基板は、サファイア、シリコン、ガラスまたはダイ
アモンドからなることを特徴とする容量式圧力センサ。 - 【請求項4】 請求項1に記載された容量式圧力センサ
において、 前記ステージの一部と前記感圧枠部の一部とを接続する
橋絡部と、 この橋絡部上に設けられ、一端が前記第2の平板電極と
接続されかつ他端が前記容量室の外部まで引き出された
リード線とを備えたことを特徴とする容量式圧力セン
サ。 - 【請求項5】 請求項1に記載された容量式圧力センサ
において、 前記第1の平板電極は、互いに近接配置された2個の平
板電極によって構成され、これら2個の平板電極のそれ
ぞれに前記容量室の外部まで引き出されたリード線が接
続され、 前記第2の平板電極は、電気的に浮遊した状態で設けら
れていることを特徴とする容量式圧力センサ。 - 【請求項6】 第1の基板に凹部を形成してからこの凹
部内に第1の平板電極を形成する工程と、 弾性を有する第2の基板の一方の面に周回する深さ一定
の溝を形成してから、この一方の面に第3の基板を直接
接合し、前記第2の基板の他方の面を研磨して前記溝を
露出させることにより、前記溝に囲まれたステージを形
成し、このステージ上に第2の平板電極を形成する工程
と、 前記第1の基板と、前記第2および第3の基板の一対構
造とを直接接合することにより、前記第1および第2の
平板電極が対向する容量室を形成する工程とを備えたこ
とを特徴とする容量式圧力センサの製造方法。 - 【請求項7】 請求項6に記載された容量式圧力センサ
の製造方法において、 前記第2の基板に設ける溝の一部の深さを他の部分より
も浅くし、 前記研磨によって前記溝の一部に橋絡部を設け、この橋
絡部上に一端が前記上部電極に接続されかつ他端が外部
に引き出されたリード線を形成する工程をさらに有する
ことを特徴とする容量式圧力センサの製造方法。
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