JP2005062031A - 静電容量型のサファイヤダイヤフラム圧力センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 検出用液体の温度等により圧力伝達係数が変化して発生する温度ドリフトの影響を回避できる、検出精度の高い、静電容量型のサファイヤダイヤフラム圧力センサおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】 サファイヤダイヤフラム圧力センサは、サファイヤダイアフラムを対向配置させ、サファイヤダイアフラムのそれぞれ対向側に蒸着電極を形成した受圧部（１０Ａ，３０Ａ）とファイヤダイアフラムの表面の一部に金属を蒸着した固定部分を備えた圧力検出部材（１０，３０）と、圧力検出部材の固定部分において圧力検出部材を固定するための金属架台（１１，３１）と、金属を蒸着した固定部分と前記金属架台との間をシールする導電性シール剤（１３，３３）と、少なくとも前記導電性シール剤を、圧力を検出すべき媒体から保護するためのニッケル保護材（１４，３４）と、を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧力センサおよびその製造方法に関し、特に、例えば薬液容器、薬液用配管における液圧を検出する静電容量型のサファイヤダイヤフラム圧力センサおよびその製造方法に関するものである。

一般に、薬液容器、薬液用配管における液圧を検出する圧力センサは、圧力感知部としてダイヤフラムを備え、加えられた圧力によるダイヤフラムの歪みを電気信号に変換して圧力を検出するように構成されている。

このようなダイヤフラム圧力センサの一例は、特願２００２−１３０４４２号に、発明の名称「静電容量型のダイヤフラム圧力センサ」として開示されている。
かかるダイヤフラム圧力センサは、例えば、対向配置された短冊状または矩形平板状に形成されたダイアフラムと、これらダイアフラムのそれぞれ対向側に形成された蒸着電極とを含む受圧部を備えた圧力検出部材と、検出用液体に対して耐腐食性の材料で製造された、圧力検出部材の受圧部を収納する収納部材と、ダイアフラム歪み検出用電子回路と、を備えている。

このようなダイヤフラム圧力センサは、収納部材を検出用液体に浸漬することによって、検出されるべき液圧が受圧部に伝達され、対向配置されたダイアフラムの間隙距離の変化による静電容量変化を生じさせるように構成されている。

前述のような従来のダイヤフラム圧力センサにおいて、測定精度を低下させる一つの大きな原因は、検出用液体の温度等により圧力伝達係数が変化して発生する温度ドリフト等の不安定要素である。ダイヤフラム圧力センサにおいて、温度ドリフトを発生させる最も大きな要因は、ダイヤフラム材質の熱膨張収縮率であることが知られている。

このような温度ドリフトの影響を回避するために、従来のダイヤフラム、特に金属ダイヤフラム圧力センサにおいては、ダイヤフラムの圧力歪みを検出する圧力検出回路に温度補償回路を設けたり、或いはダイヤフラム内に温度センサを設けてダイヤフラムの温度を測定し、その測定温度に対応した補償電気信号を圧力検出回路に与えることによって、温度ドリフト、即ちダイヤフラム材質の温度による膨張収縮率を補正している。

一方、圧力検出素子としてダイヤフラムをサファイヤ板で形成するサファイヤダイヤフラム圧力センサが知られている。サファイヤは、金属材料に比べて熱膨張率が非常に小さいために、温度ドリフトを補償するのに有効であることが分かっている。

しかしながら、サファイヤダイヤフラム圧力センサの製造過程において、サファイヤダイヤフラムを、その保持用の金属架台に固定するのが極めて困難であり、それ故、これはサファイヤダイヤフラム圧力センサの提供を阻害する一因となっている。

具体的に、従来のサファイヤダイヤフラムの金属架台への固定方法として、第一に、接着剤による固定法がある。しかし、この方法によると、接着剤の不十分な使用や劣化により、また分子間の結合も弱く、剥離の可能性があり、また接着剤の種類が検出用の媒体の種類を制限することになる。

第二の固定法として、固定金具を含めて全体を金属薄膜で覆う固定法がある。しかし、この方法は、ダイヤフラムの受圧面を金属薄膜で覆うために、この金属の熱膨張による新たなドリフトを発生させることになる。

第三の固定法として、サファイヤダイヤフラムを収納部材に納めて、シリコン等の液体内に封入する固定法がある。しかし、この方法は、収納部材と封入液体の熱膨張による新たなドリフトを発生させることになる。

第四の固定法として、ダイヤフラムが円形の場合に、Ｏリングを使用する固定法がある。しかし、この方法は、固定状態が比較的不安定であり、検出用の媒体の漏れの問題があり、また圧力検出を開始する際に検出用の媒体による締め付けにより、初期歪みによる検出精度の低下がある。また、この方法は、Ｏリングの材質による検出用の媒体の種類の制限や、バックアップリングの取り付け状態による検出用の媒体の漏れの危険性もある。

本発明の課題は、検出用液体の温度等により圧力伝達係数が変化して発生する温度ドリフトの影響を回避できる、検出精度の高い、静電容量型のサファイヤダイヤフラム圧力センサおよびその製造方法を提供することである。

本発明によれば、静電容量型のサファイヤダイヤフラム圧力センサにおいて、サファイヤダイアフラムを対向配置させ、サファイヤダイアフラムのそれぞれ対向側に蒸着電極を形成した受圧部とファイヤダイアフラムの表面の一部に金属を蒸着した固定部分を備えた圧力検出部材と、圧力検出部材の固定部分において圧力検出部材を固定するための金属架台と、金属を蒸着した固定部分と金属架台との間をシールする導電性シール剤と、少なくとも前記導電性シール剤を、圧力を検出すべき媒体から保護するためのニッケル保護材と、を備え、検出されるべき媒体の圧力が、受圧部に伝達され、対向配置された前記サファイヤダイアフラムのそれぞれ対向側に形成された蒸着電極の間隙距離の変化による静電容量変化を生じさせるように構成される。

また、本発明によれば、流体の圧力を検出する静電容量型のサファイヤダイヤフラム圧力センサの製造方法において、サファイヤのダイアフラムを対向配置させ、ダイアフラムのそれぞれ対向側に蒸着電極を形成して、圧力検出部材の受圧部を形成する工程と、圧力検出部材を固定するための金属架台を準備する工程と、金属架台に対して固定される圧力検出部材の固定部分に金属を蒸着する工程と、圧力検出部材と前記金属架台との間の少なくとも一部を熱硬化性のエポキシ樹脂で固定する工程と、圧力検出部材の受圧部側において、金属を蒸着された固定部分と金属架台との接触部を、導電性シール剤によってシールする工程と、少なくとも導電性シール剤によるシール部分を残してシリコン樹脂で覆う工程と、シリコン樹脂で覆われなかった前記シール部分にニッケルによる電気鋳造を実施して、ニッケルの保護材を形成する工程と、電気鋳造により形成されたニッケルの保護材を残して、前記シリコン樹脂を剥離する工程と、からなる。

本発明によれば、圧力検出部材として形成されるサファイヤダイヤフラムを金属架台に極めて簡単且つ強固に固定することができるので、サファイヤダイヤフラムの特性を有効に利用して、特に温度ドリフトを低減可能な、検出精度の高い、静電容量型ダイヤフラム圧力センサを提供することができる。

また、本発明によれば、サファイヤダイヤフラムを金属架台に強固に固定する極めて簡単な構造となっているので、静電容量型ダイヤフラム圧力センサの製造が極めて容易である。

また、本発明によれば、温度ドリフトを低減可能なサファイヤダイヤフラムを使用する簡単な構造のダイヤフラム圧力センサを提供でき、このため圧力検出回路に温度補償回路を設ける必要もなく、従って、ダイヤフラム圧力センサの製造コストを著しく低減することができる。

図１は、静電容量型のサファイヤダイヤフラム圧力センサの主要部を構成する短冊状の圧力検出部材（サファイヤ板）１０を示すと共に、その圧力センサの製造のための基本的な工程を示している。

図１Ａにおいて、圧力検出部材１０は、説明を簡単にするために、短冊状の部材として図示され詳細は示されていないが、実際には、サファイヤで短冊状に形成された二枚のダイアフラムを、スペーサを介して対向配置させ、二枚のサファイヤダイアフラムのそれぞれ対向側に蒸着電極を形成して、一体的に構成されている。対向する蒸着電極はそれぞれ、検出信号を出力するために、リード線を介して、圧力検出部材１０の端部に形成される電極出力端子に接続される。

このように一体的に構成されたサファイヤダイアフラムの表面に対して、ダイアフラム固定用の金属架台１１に対する固定部分１０Ａを残してマスキングし、固定部分１０Ａを、メッキ処理の下地として、錫、銅、銀、金のようなイオン化傾向の大きい金属を蒸着する。

図１Ｂはダイアフラム固定用の金属架台１１の平面図を示し、図１Ｃはその中央断面図を示している。図示のように、金属架台１１の中央部には、短冊状の圧力検出部材１０を挿通可能な矩形の孔１１Ａと、圧力検出部材１０を固定するために孔１１Ａを包囲するほぼ矩形状の溝に形成された接着しろ１１Ｂが設けられている。また、金属架台１１の底面には、圧力検出部材１０の受圧部１０Ｂを収容する金属外筒（図２、２０）を固定するための環状突起１１Ｃが設けられている。

図１Ｄは、短冊状の圧力検出部材１０と金属架台１１の組み立て図であり、図１Ｅは、その側部断面図である。圧力検出部材１０は、その固定部分１０Ａ付近にまで金属架台１１の孔１１Ａに差し込まれ、接着しろ１１Ｂに熱硬化性のエポキシ樹脂１２を注入して硬化させ、これによって圧力検出部材１０を金属架台１１に固定して圧力検出部材１０の受圧部１０Ｂを画定する。更に、圧力検出部材１０の受圧部１０Ｂ側において、圧力検出部材１０の金属蒸着された固定部分１０Ａと金属架台１１との接触部は、銀ペイントまたは銀粒子混合の接着剤のような導電性シール剤１３によって完全にシールされる。

このように形成された圧力検出部材１０と金属架台１１の組み立て体には、固定部分１０Ａと金属架台１１との接触部、および金属架台１１の圧力検出媒体との接触部に対して、後述する円板状の保護材１４としてニッケルメッキが電気鋳造法により直接施される。その具体的な方法としては、先ず、検出信号を出力するために圧力検出部材１０の端部に形成された電極出力端子（図示せず）と保護材１４を施す部分とを残して、上記の組み立て体をシリコン樹脂で完全に覆い、メッキ液が浸透しないように前処理する。前処理された組み立て体は、ニッケル電解溶液のメッキ槽に浸漬され、ニッケルによる電気鋳造を実施し、これによりニッケルの保護材１４が形成される。

このニッケルの保護材１４は、圧力検出部材１０と金属架台１１の組み立て体をメッキ液に浸す時間と、メッキ電流を制御することによって、適正な厚さにすることが可能である。また、形成されたニッケル保護膜を更に濃硝酸に浸すことにより、ニッケル表面に不導態膜が形成され、その結果、特に強酸溶液に対して耐食性のある保護層を提供することが可能である。更に、ニッケル保護膜に対して電解研磨を施すことにより、ニッケル表面が平滑化され、清浄度が特に必要とされる半導体製造装置への使用に適したものとなる。

その後、前処理により形成されたシリコン樹脂を剥離することによって、圧力検出部材１０と金属架台１１とが強固に固定されたサファイヤダイヤフラム圧力センサが提供される。

図１Ｆに示された、保護材１４を備えた圧力検出部材１０と金属架台１１との組み立て体は、図２に示されたように、金属架台１１の環状突起１１Ｃにおいて、ニッケルの保護材１４を介して、電子ビーム溶接等の溶接法によりニッケル保護膜と、ステンレス鋼のような材料で形成された金属外筒２０とを接合し、これにより、サファイヤダイヤフラム圧力センサが完成する。

図２に示された短冊型のサファイヤダイヤフラム圧力センサは、例えば薬液用配管（図示せず）に取り付けて、その圧力検出部材１０の受圧部１０Ｂと共に金属外筒２０を薬液に直接浸漬し、金属外筒２０に取り込まれた薬液の圧力を検出することができる。即ち、検出されるべき液圧が圧力検出部材１０の受圧部１０Ｂに伝達され、対向配置されたダイアフラムの間隙距離の変化による静電容量変化が、圧力検出回路２１から検出信号として出力される。

図３は、第二の実施例として、静電容量型のサファイヤダイヤフラム圧力センサの主要部を構成する矩形平板状の圧力検出部材（サファイヤ板）３０を示すと共に、その圧力センサの製造のための基本的な工程を示している。

図３Ａにおいて、圧力検出部材３０は、説明を簡単にするために、矩形平板状の部材として図示され詳細は示されていないが、実際には、サファイヤで矩形平板状に形成された二枚のダイアフラムを、スペーサを介して対向配置させ、二枚のサファイヤダイアフラムのそれぞれ対向側に蒸着電極を形成して、一体的に構成されている。対向する蒸着電極はそれぞれ、検出信号を出力するために、リード線を介して、圧力検出部材３０の一部に形成される電極出力端子に接続される。

このように一体的に構成されたサファイヤダイアフラムの表面に対して、ダイアフラム固定用の金属架台３１に対する固定部分３０Ａを残してマスキングし、固定部分３０Ａを、メッキ処理の下地として、錫、銅、銀、金のようなイオン化傾向の大きい金属を蒸着する。

図３Ｂはダイアフラム固定用の環状の金属架台３１の平面図を示し、図３Ｃはその中央断面図を示している。図示のように、環状の金属架台３１には、内径の異なる第一の環状部３１Ａと第二の環状部３１Ｂとが形成され、第二の環状部３１Ｂの内径は、第一の環状部３１Ａの内径より大きく形成され、圧力検出部材３０が、第一の環状部３１Ａを覆い、且つ第一の環状部３１Ａと第二の環状部３１Ｂとの間に貼着に形成される。

図３Ｄは、矩形平板状の圧力検出部材３０と環状の金属架台３１の組み立て断面図である。図示のように、圧力検出部材３０は、金属架台３１の第一の環状部３１Ａと第二の環状部３１Ｂとの間に嵌め込まれ、圧力検出部材３０の側部と第二の環状部３１Ｂの壁部との接触部に熱硬化性のエポキシ樹脂３２を注入して硬化させ、これによって圧力検出部材３０を金属架台３１に固定して圧力検出部材３０の受圧部３０Ｂを画定する。更に、圧力検出部材３０の受圧部３０Ｂ側において、圧力検出部材３０の金属蒸着された固定部分３０Ａと金属架台３１の第二の環状部３１Ｂとの間は、銀ペイントまたは銀粒子混合の接着剤のような導電性シール剤３３によって完全にシールされる。

このように形成された圧力検出部材３０と金属架台３１の組み立て体には、固定部分３０Ａと、導電性シール剤３３と、金属架台３１の端面３１Ｃに対して、後述する環状の保護材３４としてニッケルメッキが電気鋳造法により直接施される。その具体的な方法としては、保護材３４を施す部分を残して、上記の組み立て体をシリコン樹脂で完全に覆い、メッキ液が浸透しないように前処理する。前処理された組み立て体は、ニッケル電解溶液のメッキ槽に浸漬され、ニッケルによる電気鋳造を実施し、これによりニッケルの保護材３４が形成される。

このニッケルの保護材３４は、圧力検出部材３０と金属架台３１の組み立て体をメッキ液に浸す時間と、メッキ電流を制御することによって、適正な厚さにすることが可能である。また、形成されたニッケル保護膜を更に濃硝酸に浸すことにより、ニッケル表面に不導態膜が形成され、その結果、特に強酸溶液に対して耐食性のある保護層を提供することが可能である。

その後、前処理により形成されたシリコン樹脂を剥離することによって、圧力検出部材３０と金属架台３１とが強固に固定されたサファイヤダイヤフラム圧力センサが提供される。

図３Ｅに示された、保護材３４を備えた圧力検出部材３０と金属架台３１との組み立て体は、図４に示されたように、金属架台３１の環状の端面３１Ｃにおいて、ニッケルの保護材３４を介して、電子ビーム溶接等の溶接法によりニッケル保護膜と金属外筒４０とを接合し、これにより、サファイヤダイヤフラム圧力センサが完成する。

図４に示された矩形平板型のサファイヤダイヤフラム圧力センサは、例えば薬液用配管（図示せず）に取り付けて、その圧力検出部材３０の受圧部３０Ｂと共に金属外筒４０を薬液に直接浸漬し、金属外筒４０に取り込まれた薬液の圧力を検出することができる。即ち、検出されるべき液圧が圧力検出部材３０の受圧部３０Ｂに伝達され、対向配置されたダイアフラムの間隙距離の変化による静電容量変化が、圧力検出回路４１から検出信号として出力される。

図１Ａないし図１Ｆは、本発明のサファイヤダイヤフラム圧力センサの主要部を構成する短冊状の圧力検出部材とその固定用の金属架台を示すと共に、その製造のための基本的な工程を示す。 図２は、図１に示されたサファイヤダイヤフラム圧力センサの完成された概略の実用形態を示す。 本発明のサファイヤダイヤフラム圧力センサの主要部を構成する矩形平板状の圧力検出部材とその固定用の金属架台を示すと共に、その製造のための基本的な工程を示す。 図４は、図３に示されたサファイヤダイヤフラム圧力センサの完成された概略の実用形態を示す。

符号の説明

１０、３０ 圧力検出部材（サファイヤ板）
１０Ａ、３０Ａ 固定部分
１０Ｂ、３０Ｂ 受圧部
１１、３１ 金属架台
１１Ａ 孔、
１１Ｂ 接着しろ
１１Ｃ 環状突起
１２、３２ エポキシ樹脂
１３、３３ シール剤
１４、３４ 保護材
２０、４０ 金属外筒
２１、４１ 圧力検出回路
３１Ａ 第一の環状部
３１Ｂ 第二の環状部
３１Ｃ 端面

Claims (13)

1. サファイヤダイアフラムを対向配置させ、該サファイヤダイアフラムのそれぞれ対向側に蒸着電極を形成した受圧部と、前記ファイヤダイアフラムの表面の一部に金属を蒸着した固定部分を備えた圧力検出部材と、
   前記圧力検出部材の固定部分において圧力検出部材を固定するための金属架台と、
   前記金属を蒸着した固定部分と前記金属架台との間をシールする導電性シール剤と、
   少なくとも前記導電性シール剤を、圧力を検出すべき媒体から保護するためのニッケル保護材と、
   を備え、
   検出されるべき媒体の圧力が、前記受圧部に伝達され、対向配置された前記サファイヤダイアフラムのそれぞれ対向側に形成された蒸着電極の間隙距離の変化による静電容量変化を生じさせるように構成されたことを特徴とする静電容量型のサファイヤダイヤフラム圧力センサ。
2. 前記圧力検出部材が、短冊状の部材として形成されることを特徴とする請求項１に記載のサファイヤダイヤフラム圧力センサ。
3. 前記圧力検出部材が、矩形平板状の部材として形成されることを特徴とする請求項１に記載のサファイヤダイヤフラム圧力センサ。
4. 前記圧力検出部材の前記固定部分が、錫、銅、銀、金のようなイオン化傾向の大きい金属から選択されたいずれかの金属で蒸着されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のサファイヤダイヤフラム圧力センサ。
5. 前記導電性シール剤が、銀ペイントまたは銀粒子混合の接着剤であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のサファイヤダイヤフラム圧力センサ。
6. 前記圧力検出部材の受圧部に対して、圧力を検出すべき流体を導くための金属外筒を備えたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のサファイヤダイヤフラム圧力センサ。
7. 流体の圧力を検出する静電容量型のサファイヤダイヤフラム圧力センサの製造方法において、
   サファイヤのダイアフラムを対向配置させ、該ダイアフラムのそれぞれ対向側に蒸着電極を形成して、圧力検出部材の受圧部を形成する工程と、
   前記圧力検出部材を固定するための金属架台を準備する工程と、
   前記金属架台に対して固定される前記圧力検出部材の固定部分に金属を蒸着する工程と、
   前記圧力検出部材と前記金属架台との間の少なくとも一部を熱硬化性のエポキシ樹脂で固定する工程と、
   前記圧力検出部材の受圧部側において、金属を蒸着された前記固定部分と前記金属架台との接触部を、導電性シール剤によってシールする工程と、
   少なくとも前記導電性シール剤によるシール部分を残してシリコン樹脂で覆う工程と、
   前記シリコン樹脂で覆われなかった前記シール部分にニッケルによる電気鋳造を実施して、ニッケルの保護材を形成する工程と、
   前記電気鋳造により形成されたニッケルの保護材を残して、前記シリコン樹脂を剥離する工程と、
   からなることを特徴とする静電容量型のサファイヤダイヤフラム圧力センサの製造方法。
8. 前記圧力検出部材が、短冊状の部材として形成されることを特徴とする請求項７に記載の製造方法。
9. 前記圧力検出部材が、矩形平板状の部材として形成されることを特徴とする請求項７に記載の製造方法。
10. 前記圧力検出部材の前記固定部分が、錫、銅、銀、金のようなイオン化傾向の大きい金属から選択されたいずれかの金属で蒸着されることを特徴とする請求項７ないし９のいずれかに記載の製造方法。
11. 前記導電性シール剤が、銀ペイントまたは銀粒子混合の接着剤であることを特徴とする請求項７ないし１０のいずれかに記載の製造方法。
12. 前記ニッケルの保護材を濃硝酸に浸すことにより、ニッケル表面に強酸溶液に対する不導態膜を形成する工程を更に含むことを特徴とする請求項７ないし１１のいずれかに記載の製造方法。
13. 前記圧力検出部材の受圧部に対して、圧力を検出すべき流体を導くための金属外筒を形成する工程を更に含むことを特徴とする請求項７ないし１２のいずれかに記載の製造方法。
    

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