JP2005326290A - タッチモード容量型圧力センサの構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型の底板上の所定の位置に極めて薄型の検出片を載置して、該検出片によって底板上部の凹所を密封するように接着剤を塗布し固着する組立作業において、接着剤が検出片と底板の間を経てダイアフラム側に流れ込むおそれがある。そのため、圧力センサの特性にばらつきが生じる。
【解決手段】 検出片１１凹陥部１１ａの周辺の厚肉部１１ｃの底面三方の縁端部に上部電極膜１５の三方を囲むように略Ｕ字型に蒸着金属膜１３を形成する。また、前記蒸着金属膜１３とは電気的に隔離された他の蒸着金属膜１３ａを形成する。また、基台１２の上面には凹所１２ａの三方を囲むように略Ｕ字型に蒸着金属膜１４を形成し、基台１２の凹所１２ａを囲む他の一方の上面には、前記蒸着金属膜１４とは電気的に隔離された他の蒸着金属膜１４ａが形成される。前記蒸着金属膜１３、１４と他の蒸着金属膜１３ａ、１４ａとが対向するように検出片１１と基台１２とを溶着する。
【選択図】図２

Description

本発明は、タッチモード容量型圧力センサに関し、特に、圧力検出片に水晶板を用いたタッチモード容量型圧力センサの構造に関する。

従来より、石油プラントあるいは化学プラントの配管内に圧力センサを装着して管内の流量を計測するシステムや、自動車等の車両のゴムタイヤ内に圧力センサを装着して、異常発生時に警告を発するタイヤ圧モニタリングシステムが知られている。
自動車等のタイヤ内に装備されて空気圧を測定する空気圧センサとして、特開２００１−１７４３５７公報に、セラミクスから成るダイヤフラムとセラミクスから成るベースとを接合し、両者間に形成される隙間内の静電容量変化を圧力に変換する技術が開示されている。しかし、セラミクスを検出片として使用した空気圧センサは、検出精度の点で問題があり改善が望まれている。
このような不具合をもたない空気圧センサとして、最近ではシリコン（Si）から成る検出片を用いたタッチモード容量型圧力センサが注目されている。

図３は、従来のタッチモード容量型圧力センサの構造を示す縦断面図である。
同図に示すように、このタッチモード容量型圧力センサ（以下、圧力センサという）２０は、ガラス板２１上に電極膜２２、誘電体薄膜２３、電極膜２４、及びシリコン製の検出片２５を組み付けた構成を備えている。
この圧力センサは、圧力によって検出片２５の薄肉部（ダイヤフラム）２５ａが変形して誘電体薄膜２３に直接接触することによって生じる静電容量変化を圧力検出に利用している。この種の空気圧センサは、例えば電学論Ｅ.１２３巻、２００３年「タイヤ圧モニタリングシステム用タッチモード容量型圧力センサ」に開示されている。

図３に示すシリコン製の検出片を用いた圧力センサにあっては、シリコンウェハのダイヤフラム２５ａの肉厚を３μｍ程度までエッチングによって薄く加工する必要があるばかりでなく、ダイヤフラム２５ａと誘電体薄膜２３との間のギャップを３μｍ程度の極小寸法に設定する必要がある。
しかし、シリコンをエッチングする場合には厚みを正確にコントロールすることが難しく、この程度に微小な寸法レベルで高い精度を確保することが困難であり、その結果、製造ばらつきが大きくなるという問題があった。また、シリコン材料はＱ値が高くないため、弾性変形の繰り返し再現性の点で問題があった。
この問題に対応すべく、本出願人によって検出片の素材にＡＴカットの水晶を用いた圧力センサが、特願２００３-１９１０６６において提示されている。

図４は、特願２００３-１９１０６６に提示されているタッチモード容量型圧力センサの構造を示す縦断面図である。
同図に示すように、このタッチモード容量型圧力センサ（以下、圧力センサという）３０は、ＡＴカットの水晶板から成る上面に凹陥部３１ａを設けた検出片３１と、セラミック、ガラスあるいは水晶等から成る上面に凹所３２ａを設けた底板３２とで構成される。そして、肉厚0.25ｍｍ程度の前記底板３２の上面に設けた凹所３２ａを覆うように、前記検出片３１を底板３２上面にエポキシ接着剤等の接着剤３３によってシーリングして密着固定される。これによって、凹所３２ａ内は深さ３μm程度の気密空間Ｐとなっている。

前記検出片３１は、上面の凹陥部３１ａの底部を薄肉部（ダイアフラム）３１ｂとした構造を備えている。薄肉部３１ｂの底面には、上部電極膜３４が形成され、この上部電極膜３４は、検出片３１と底板３２が密着固定されることによって、底板３２上に設けられた後述の下部電極膜３５と電気的に隔離された他の電極膜３６に電気的に接続されている。
底板３２の凹所３２ａの内底面には下部電極膜３５が形成され、この下部電極膜３５上にはＳｉＯ_２等の誘電体膜３８が検出片３１上部電極膜３４と非接触状態で配置されている。
従って、検出片３１下面の上部電極膜３４と誘電体膜３８とは気密空所Ｐ内において所定の間隔をもって対向しており、更に、誘電体膜３８の下方には下部電極膜３５が誘電体膜３８と接触して位置している。
また、下部電極膜３５は底板３２上に設けられた第２の他の電極膜３７と電気的に接続されている。

通常、上記構造の圧力センサは、図示しない上部が開口した容器に収容して使用される。そして、前記開口部を経て加わる外部圧力が気密空間Ｐ内の圧力を上回った場合に、薄肉部３１ｂが図の下方に撓んでその下面の上部電極膜３４が誘電体膜３８に接触する。
このときの上部電極膜３４下面と誘電体膜３８との接触面積の変化を容量値の変化として検出して外部圧力をセンシングすることが可能となる。

電極面積Ｓ、誘電体の誘電率ε、電極の間隔ｄとしたときのコンデンサの静電容量Ｃは、式（１）で表されることが知られている。
Ｃ＝ε・（Ｓ/ｄ） （１）
いま、前記圧力センサ３０の検出片３１に加わる外部圧力が圧力センサの気密空間Ｐ内の圧力を上回って上部電極膜３４の下面が誘電体膜３８と接触したときの接触面積をＳ１、誘電体膜３８の肉厚をｄ１、誘電体膜の誘電率をε１とすると、誘電体膜３８を挟んで上部電極膜３４の接触部と下部電極膜３５とで形成されるコンデンサの静電容量Ｃ１は、式（１）より式（２）が得られる。
Ｃ１＝ε１・（Ｓ１/ｄ１） （２）
更に外部圧力が増して接触面積がＳ２となると、コンデンサの容量Ｃ２は、式（３）のように変化する。
Ｃ２＝ε１・（Ｓ２/ｄ１） （３）

図４の上部電極膜３４に接続する前記他の電極膜３６と下部電極膜３５に接続する第２の他の電極膜３７とから、それぞれ容器外へ図示しない引き出し電極を延長形成し、両引き出し電極から通電して対向配置された上部電極膜３４と下部電極膜３５間の容量値を測定することができる。
特開２００１−１７４３５６公報 特願２００３−１９１０６６ 電学論Ｅ.１２３巻、２００３年「タイヤ圧モニタリングシステム用タッチモード容量型圧力センサ

図４に示される検出片の材料にＡＴカットの水晶を用いた圧力センサは、従来のシリコン製の検出片による圧力センサに比べて、精度高くエッチングが可能となるので検出片のダイアフラムの厚みのコントロールが容易になり、そのため検出精度を高くすることができるというメリットをもっている。
しかしながら、一方、平面寸法が約２ｍｍ角の底板上の所定の位置に側面高さ寸法が約０．０８ｍｍの検出片を載置して、該検出片によって底板上部の凹所を密封するように接着剤を塗布し固着する極めて細かい組立作業が行われなければならない。そのため、底板と検出片の接着作業にばらつきが生じことがあり、また、接着剤が検出片と底板の間を経てダイアフラム側に流れ込むおそれがある。そのため、圧力センサの特性にばらつきが生じるという問題があった。
また、検出片と底板とを接着剤によって固着する手段よらず、陽極接合によって接合する方法が望ましいが水晶材料の陽極接合は困難であるという問題があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、検出片と底板の接合が確実であって、圧力センサの特性ばらつきが少ないＡＴカットの水晶材を用いたタッチモード容量型圧力センサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明においては、上面に凹所を備え該凹所内底面上に順次積層された下部電極膜と誘電体膜とを備えた水晶材からなる基台と、厚肉の環状囲繞部に囲まれた薄肉部を有し該薄肉部下面の前記誘電体膜に対抗する位置に上部電極膜を備えた水晶材からなる検出片とを、基台の前記凹所を覆うように基台上に検出片を接合することによって、誘電体膜と上部電極膜との間に微小空隙をもった気密空間を備えたタッチモード容量型圧力センサであって、
前記基台は、前記凹所の周囲の上面三方を略Ｕ字型に囲む第１の金属蒸着膜を備え、前記凹所の周囲の上面の他の一方に前記第１の金属蒸着膜と電気的に隔離された第１の他の金属蒸着膜を備えたことによって、前記凹所の四方が前記第１の金属蒸着膜及び第１の他の金属蒸着膜によって囲まれた構造を有し、
前記検出片は、前記厚肉の環状囲繞部の下面に前記凹陥部の三方を略Ｕ字型に囲む第２の金属蒸着膜を備え、前記厚肉の環状囲繞部下面の他の一方には前記第２の金属蒸着膜と電気的に隔離された第２の他の金属蒸着膜を備えたことによって、前記凹陥部の四方が前記第２の金属蒸着膜及び第２の他の金属蒸着膜によって囲まれた構造を有し、
前記基台と検出片の金属蒸着膜及び他の金属蒸着膜同士を溶着することによって前記基台凹所内を密封空間としたことを特徴とする。

また、請求項２の発明においては、請求項１に記載のタッチモード容量型圧力センサにおいて、前記第１、第２の金属蒸着膜及び他の金属蒸着膜がＡｕとＳｎを所定の回数蒸着して形成されたＡｕ-Ｓｎ２０合金であることを特徴とする。

本発明のタッチモード容量型圧力センサにおいては、検出片薄肉部下面の上部電極膜と基台の凹所の下部電極膜の四方をそれぞれ囲むように検出片厚肉の環状囲繞部と基台凹所周辺にＡｕ-Ｓｎ２０合金による金属蒸着膜を形成し、検出片の金属蒸着膜と基台の金属蒸着膜とが対向するように検出片と基台とを溶着することによって、基台の凹所空間を密封するようにした。
その結果、接着剤によって検出片と基台を接合したために、接着剤がダイアフラムとしての検出片の薄肉部に回り込み、そのため圧力の検出特性にばらつきが生じるという従来の圧力センサがもっていた問題点を解消でき、本発明の圧力センサは、安定した特性をもつタッチモード容量型圧力センサを提供する上で顕著な効果を期待できる。

本発明を図面に示した実施の形態に基づいて説明する。図１は、本発明に係わる水晶材によるタッチモード容量型圧力センサの実施の一形態例を示す縦断面図である。
同図に示すように、本実施例のタッチモード容量型圧力センサ（以下、圧力センサという）１０は、ＡＴカットの水晶板から成る上面に凹陥部１１ａを設けた検出片１１と、水晶から成る上面に凹所１２ａを設けた基台１２とで構成される。そして、前記基台１２上面の凹所１２ａを覆うように、後述する検出片１１下面と基台１２上面に設けられた金属蒸着膜によって前記検出片１１を基台１２上面に接合することによって凹所１２ａ内は気密空間Ｐとなっている。

前記検出片１１は、上面の凹陥部１１ａの底部を薄肉部（ダイアフラム）１１ｂとした構造を備え、該薄肉部１１ｂの下面には、上部電極膜１５が形成される。
基台凹所１２ａの内底面には下部電極膜１６が形成され、この下部電極膜１６上にＳｉＯ_２等の誘電体膜１７が検出片１１下面の上部電極膜１５と非接触状態で配置されている。
なお、本発明に係わる圧力センサ１０の上記各構成部位のうち、検出片１１、凹陥部１１ａ、薄肉部１１ｂ、基台１２、凹所１２ａ、誘電体膜１７、気密空間Ｐの構造機能は、図４の検出片３１、凹陥部３１ａ、薄肉部３１ｂ、底板３２、凹所３２ａ、誘電体膜３７、気密空間Ｐとそれぞれ同じであり、また、本圧力センサ１０の使用方法も図４の圧力センサ３０の場合と同じであるので、共通部分の詳細な説明は省略する。
本発明の圧力センサ１０の特徴は、検出片１１及び基台１２に設けられた上部電極膜１５、下部電極膜１６、並びに後述の金属蒸着膜及び金属蒸着膜の構造にある。

図２は圧力センサ１０の検出片１１下面及び基台１２の上面に設けられた電極膜と蒸着金属膜の構造を示す図であって、（ａ）は検出片１１を基台１２から開放したときの検出片の底面と基台の上面の斜視図、（ｂ）は電極膜と蒸着金属膜の構造図である。
同図（ａ）に示されるように、検出片１１には、薄肉部１１ｂの下面略中央に上部電極膜１５が形成され、該上部電極膜１５の周辺の厚肉の環状囲繞部１１ｃの下面三方の縁端部に上部電極膜１５を囲むように略Ｕ字型に蒸着金属膜１３が形成される。
また、環状囲繞部１１ｃ下面の他の一方には前記上部電極膜１５から延出するリード電極膜に接続された接続電極膜１５ａ形成され、該接続電極膜１５ａにつながって環状囲繞部１１ｃの下面の縁端部に前記蒸着金属膜１３とは電気的に隔離された他の蒸着金属膜１３ａが形成される。
その結果、上部電極膜１５は略Ｕ字型の蒸着金属膜１３と他の蒸着金属膜１３ａとによって四方を囲まれた構造となる。

基台１２の上面の凹所１２ａ内底面に下部電極膜１６が形成され、該下部電極膜１６の上に誘電体膜１７が配置される。また、基台１２の上面には凹所１２ａの三方を囲むように略Ｕ字型に蒸着金属膜１４が形成され、この蒸着金属膜１４は下部電極膜１６から延出するリード電極膜によって下部電極膜１６と接続されている。また、基台１２の凹所１２ａを囲む他の一方の上面には、前記蒸着金属膜１４とは電気的に隔離された他の蒸着金属膜１４ａが形成される。
その結果、基台凹所１２ａは略Ｕ字型の蒸着金属膜１４と他の蒸着金属膜１４ａとによって四方を囲まれた構造となる。
更に前記他の蒸着金属膜１４ａからは該他の蒸着金属膜１４ａから延出するリード電極膜によって接続された端子電極膜１８が基台１２上面の縁端部に形成され、前記他の蒸着金属膜１４ａに対向する基台１２上面の縁端部には蒸着金属膜１４から延出するリード電極膜によって接続された端子電極膜１９が形成される。

上記構成の基台１２の上に該基台１２の凹所１２ａを覆うように、検出片１１を装着したとき、基台１２の蒸着金属膜１４と検出片の蒸着金属膜１３とが対面し、また基台１２の他の蒸着金属膜１４ａと検出片の他の蒸着金属膜１３ａとが、それぞれ対面する。

前述の検出片１１及び基台１２に設けられた各電極膜、蒸着金属膜は、次のようにして形成される。
図２（ｂ）は、本発明に係わる電極膜あるいは金属膜の構造を示す断面図である。同図に示すように、検出片１１あるいは基台１２としての水晶板１１０上の、前記上部電極膜１５、接続電極膜１５ａ、蒸着金属膜１３、１３ａ、下部電極膜１６、蒸着金属膜１４、１４ａ、端子電極膜１８、１９及び各リード電極膜に該当する部分には、蒸着によって先ずＣｒ層１１１が形成される。続いてその上にＮｉ層１１２、Ａｕ層１１３が蒸着される。
このＡｕ蒸着層１１３が前記上部電極膜１５、接続電極膜１５ａ、下部電極膜１６、端子電極膜１８、１９及び各リード電極膜を構成する。

次に、前記蒸着金属膜１３、１３ａ、１４、１４ａに該当する部分には、前記Ａｕ蒸着層１１３の上にＳｎ１１４の蒸着層が形成される。更に前記Ｓｎ層の上にＡｕ層１１３とＳｎ層１１４が所定の回数繰り返し蒸着されてＡｕ-Ｓｎ２０の合金が形成される。
このようにして形成されたＡｕ-Ｓｎ２０の合金層が前記蒸着金属膜１３、１４、他の蒸着金属膜１３ａ、１４ａを構成する。
上記構造の蒸着金属膜１３、１３ａを備えた検出片１１を、同じ構造の蒸着金属膜１４、１４ａを備えた基台１２に載置して、所定の圧力で加圧しながら所定の温度に加温することによって蒸着金属膜１３、１３ａ、１４、１４ａが溶着されて、基台１２の凹所１２ａ内は気密空間Ｐとしてシーリングされる。このとき、図２（ａ）の点線で囲まれた蒸着金属膜１３と他の蒸着金属膜１３ａ（蒸着金属膜１４と他の蒸着金属膜１４ａ）との突合せ部分には図示しない接着剤を塗布してシーリングを完全にする。
また、この接着剤の塗布・硬化を真空雰囲気内で行うことにより絶対圧センサを実現することも可能となる。

検出片１１の他の蒸着金属膜１３ａが基台１２の他の蒸着金属膜１４ａに接合されることによって、検出片１１の上部電極膜１５は接続電極膜１５ａ、他の蒸着金属膜１３ａ、他の蒸着金属膜１４ａを介して端子電極膜１８に接続されることになる。
したがって、前記端子電極１８と、下部電極膜１６に接続する端子電極膜１９とから、それぞれ図示しない圧力センサ容器外へ引き出し電極を延長形成し、両引き出し電極から通電して対向配置された上部電極膜１５と下部電極膜１６間の容量値を測定することができる。
上記構造にすることによって、水晶材の検出片１１と基台１２との接合に接着剤を用いることによって生ずる接着剤のダイアフラムへの流れ込みをなくし、圧力センサの特性のばらつきの少ない安定した特性を有する圧力センサを提供できる。

本発明に係わる水晶材によるタッチモード容量型圧力センサの実施の一形態例を示す縦断面図。 本発明の圧力センサの検出片の下面及び基台の上面に設けられた電極膜と蒸着金属膜の構造を示す図であって、（ａ）は検出片を基台から開放したときの検出片の底面と基台の上面の斜視図、（ｂ）は電極膜と蒸着金属膜の構造図。 従来のタッチモード容量型圧力センサの構造を示す縦断面図。 特願２００３-１９１０６６に提示されているタッチモード容量型圧力センサの構造を示す縦断面図。

１０・・タッチモード容量型圧力センサ、 １１・・検出片、 １１ａ・・凹陥部、
１１ｂ・・薄肉部（ダイアフラム）、１１ｃ・・厚肉部、１２・・基台、１２ａ・・凹所、
１３・・蒸着金属膜、 １３ａ・・他の蒸着金属膜、 １４・・蒸着金属膜、
１４ａ・・他の蒸着金属膜、 １５・・上部電極膜、 １６・・下部電極膜、
１７・・誘電体膜、１８、１９・・端子電極膜、
２０・・タッチモード容量型圧力センサ、２１・・ガラス板、 ２２・・電極膜、
２３・・誘電体薄膜、２４・・電極膜、２５・・検出片、２５ａ・・薄肉部（ダイヤフラム）
３０・・タッチモード容量型圧力センサ、 ３１・・検出片、 ３１ａ・・凹陥部、
３１ｂ・・薄肉部（ダイアフラム）、 ３２・・基台、 ３２ａ・・凹所、 ３３・・接着剤、
３４・・上部電極膜、 ３５・・下部電極膜、３６・・他の電極膜、３７・・誘電体膜、
３８・・導電性接着剤（電気端子）
１１０・・水晶板、 １１１・・Ｃｒ蒸着層、 １１２・・Ｎｉ蒸着層、
１１３・・Ｎｉ蒸着層、 １１４・・Ｓｎ蒸着

Claims (2)

1. 上面に凹所を備え該凹所内底面上に順次積層された下部電極膜と誘電体膜とを備えた水晶材からなる基台と、厚肉の環状囲繞部に囲まれた薄肉部を有し該薄肉部下面の前記誘電体膜に対抗する位置に上部電極膜を備えた水晶材からなる検出片とを、基台の前記凹所を覆うように基台上に検出片を接合することによって、誘電体膜と上部電極膜との間に微小空隙をもった気密空間を備えたタッチモード容量型圧力センサであって、
   前記基台は、前記凹所の周囲の上面三方を略Ｕ字型に囲む第１の金属蒸着膜を備え、前記凹所の周囲の上面の他の一方に前記第１の金属蒸着膜と電気的に隔離された第１の他の金属蒸着膜を備えたことによって、前記凹所の四方が前記第１の金属蒸着膜及び第１の他の金属蒸着膜によって囲まれた構造を有し、
   前記検出片は、前記厚肉の環状囲繞部の下面に前記凹陥部の三方を略Ｕ字型に囲む第２の金属蒸着膜を備え、前記厚肉の環状囲繞部下面の他の一方には前記第２の金属蒸着膜と電気的に隔離された第２の他の金属蒸着膜を備えたことによって、前記凹陥部の四方が前記第２の金属蒸着膜及び第２の他の金属蒸着膜によって囲まれた構造を有し、
   前記基台と検出片の金属蒸着膜及び他の金属蒸着膜同士を溶着することによって前記基台凹所内を密封空間としたことを特徴とするタッチモード容量型圧力センサ。
2. 前記第１、第２の金属蒸着膜及び他の金属蒸着膜がＡｕとＳｎを所定の回数蒸着して形成されたＡｕ-Ｓｎ２０合金であることを特徴とする請求項１に記載のタッチモード容量型圧力センサ。
   
   

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