JP2007225344A - Pressure sensor - Google Patents

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Takahiro Kameda
高弘 亀田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high-precision pressure sensor of static capacitance type excellent in linearity of pressure-capacitance performance. <P>SOLUTION: The pressure sensor 1 is provided with a capacitor constituted of the first electrode 7 formed on the bottom surface of diaphragm 4 of the upper substrate, the second electrode 9 formed on the top surface of the lower substrate and coated with the dielectric film 10 in the vacuum chamber 18 demarcated by airtightly joining the upper substrate 2 of AT cut crystal plate and the lower substrate 3 of glass material. The pressure is measured by the static capacitance varying by the static capacitance caused by contacting the first electrode and the dielectric film by the external pressure. By providing the second electrode in the area provided with the recess 12 on the top surface of the lower substrate, the contact area between the first electrode and the dielectric film is linearly increased regarding the pressure, consequently the linearity of the pressure-capacitance performance is improved. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、圧力によるダイヤフラムの撓み量に対応した静電容量の変化を利用して圧力を測定する圧力センサに関し、特にタッチモード式と呼ばれる静電容量型圧力センサに関する。   The present invention relates to a pressure sensor that measures pressure using a change in capacitance corresponding to the amount of diaphragm deflection caused by pressure, and more particularly to a capacitive pressure sensor called a touch mode type.

従来から、印加する圧力により変形するダイヤフラムと固定された電極とを狭い間隙をもって対向配置し、ダイヤフラムと電極間の静電容量の変化から圧力を測定する静電容量型の圧力センサが知られている。特に、タッチモード式の静電容量型圧力センサは、印加圧力に関する静電容量の出力特性における優れた直線性及び高い耐圧性を発揮することから、自動車タイヤの空気圧センサなど、様々な用途への利用が提案されている。   Conventionally, a capacitance type pressure sensor is known in which a diaphragm deformed by an applied pressure and a fixed electrode are arranged to face each other with a narrow gap, and the pressure is measured from a change in capacitance between the diaphragm and the electrode. Yes. In particular, the capacitive pressure sensor of the touch mode type exhibits excellent linearity and high pressure resistance in the output characteristics of the capacitance with respect to the applied pressure, so that it can be used for various applications such as automobile tire air pressure sensors. Use is proposed.

一般にタッチモード式圧力センサは、シリコン基板にダイヤフラムを形成しかつこれにボロンなどの不純物をドーピングして可動電極とし、これに対向する固定電極をガラス基板上に形成しかつその上に誘電体膜を形成し、ダイヤフラムと誘電体膜間の隙間を真空に封止して構成される(例えば、特許文献1,2を参照)。また、水晶基板にダイヤフラムを形成することにより、その厚みを高精度に制御して加工することができ、シリコン製のダイヤフラムにおける検出精度の低下、及び弾性変形の繰り返し再現性の悪さを解消した圧力センサが知られている(例えば、特許文献3を参照)。   Generally, a touch mode type pressure sensor is formed by forming a diaphragm on a silicon substrate and doping it with impurities such as boron to form a movable electrode, and forming a fixed electrode on the glass substrate on the glass substrate, and a dielectric film thereon And the gap between the diaphragm and the dielectric film is sealed in a vacuum (see, for example, Patent Documents 1 and 2). In addition, by forming a diaphragm on the quartz substrate, the thickness can be controlled with high precision, and the pressure that eliminates the poor detection accuracy and poor repeatability of elastic deformation in silicon diaphragms. Sensors are known (see, for example, Patent Document 3).

図12は、従来のタッチモード式圧力センサにおける、印加圧力に対する静電容量の変化を示している。ダイヤフラムが誘電体膜に接触する前の未接触領域Aでは、静電容量がほとんど変化しない。圧力P0 でダイヤフラムが誘電体膜との接触を開始する接触初期領域Bでは、静電容量が急激に上昇する。その後、圧力P1 P2 間の領域Cにおいて、静電容量が圧力に関して概ね直線的に変化する。圧力P2 を超えると、静電容量は飽和してそれ以上増加しなくなる。一般に、直線的な領域Cを測定可能な圧力範囲として使用している。出力特性の直線性は、ダイヤフラムの形状と関係があり、ダイヤフラムの厚さと隙間の幅を最適化する必要があるとされている(例えば、非特許文献1を参照)。   FIG. 12 shows a change in capacitance with applied pressure in a conventional touch mode type pressure sensor. In the non-contact area A before the diaphragm contacts the dielectric film, the capacitance hardly changes. In the initial contact region B where the diaphragm starts to contact the dielectric film at the pressure P0, the capacitance increases rapidly. Thereafter, in the region C between the pressures P1 and P2, the capacitance changes approximately linearly with respect to the pressure. When the pressure P2 is exceeded, the capacitance saturates and does not increase any further. In general, the linear region C is used as a measurable pressure range. The linearity of the output characteristics is related to the shape of the diaphragm, and it is said that the thickness of the diaphragm and the width of the gap need to be optimized (see, for example, Non-Patent Document 1).

また、電極の平面形状により出力特性の直線性を向上させる様々な圧力センサが知られている。例えば、圧力に対する静電容量の直線領域を広げて、測定範囲を広げるために、ガラス基板に形成される電極をその長手方向寸法が幅方向中心から幅方向に向けて漸次増加する形状とし、ダイヤフラムが電極と接触する面積の増加率を圧力増加に対して一定にした圧力センサがある(例えば、特許文献4を参照)。更に、電極のダイヤフラムの初期接触領域と対向した部分に切欠き部を設け、測定に寄与しない浮遊容量を低減し、低容量で高感度を実現する圧力センサ(例えば、特許文献5を参照)がある。また、ダイヤフラムと対向する電極に分割領域を設けてコンデンサの電極面積を変化させ、センサ出力を調整できるようにした圧力センサ(例えば、特許文献6を参照)が知られている。   Various pressure sensors that improve the linearity of output characteristics by the planar shape of the electrodes are known. For example, in order to widen the linear region of the capacitance with respect to the pressure and widen the measurement range, the electrode formed on the glass substrate has a shape in which the longitudinal dimension gradually increases from the center in the width direction to the width direction, and the diaphragm There is a pressure sensor in which the rate of increase of the area in contact with the electrode is constant with respect to the pressure increase (see, for example, Patent Document 4). Further, there is a pressure sensor (see, for example, Patent Document 5) that provides a notch portion at a portion facing the initial contact region of the electrode diaphragm, reduces stray capacitance that does not contribute to measurement, and realizes high sensitivity with low capacitance. is there. Further, there is known a pressure sensor (see, for example, Patent Document 6) in which a divided region is provided in an electrode facing the diaphragm so that the electrode area of the capacitor can be changed to adjust the sensor output.

更に、導電性の金属材からなる基台の表面に、その中心から外方に向けてダイヤフラムとの空隙が縮まるような窪み部を形成し、該窪み部上に電極部と絶縁層とを形成することにより、ダイヤフラムが撓む際に電極部との空隙が一定の変化率で安定に変化し、それにより静電容量も一定に安定して変化するようにし、電極の接触面積を工夫することなく、飽和領域をなくし、ダイナミックレンジを広げることができる圧力センサが開発されている(例えば、特許文献7を参照)。   Furthermore, a recess is formed on the surface of the base made of a conductive metal material so that the gap with the diaphragm is reduced outward from the center, and an electrode portion and an insulating layer are formed on the recess. As a result, when the diaphragm bends, the gap between the electrode and the electrode section will change stably at a constant rate of change, so that the capacitance will also change stably and stably, and the electrode contact area will be devised. However, pressure sensors that can eliminate the saturation region and widen the dynamic range have been developed (see, for example, Patent Document 7).

また、固定電極を覆う絶縁層上に、ダイヤフラムに向けた突出部を形成して、ダイヤフラムの絶縁層と接触する部分と固定電極間の距離を増加させ、又は固定電極の中央部に切欠き部を形成して、ダイヤフラムと対向する固定電極の対向面積を少なくして、測定開始圧に対する静電容量を低くし、測定範囲内での変化量を増やした圧力センサが提案されている(例えば、特許文献8を参照)。   In addition, a projecting portion toward the diaphragm is formed on the insulating layer covering the fixed electrode to increase the distance between the fixed electrode and the portion in contact with the insulating layer of the diaphragm, or a notch in the central portion of the fixed electrode A pressure sensor has been proposed in which the opposed area of the fixed electrode facing the diaphragm is reduced, the capacitance with respect to the measurement start pressure is lowered, and the amount of change within the measurement range is increased (for example, (See Patent Document 8).

また、タッチモード式ではないが、ダイヤフラムを有する半導体基板と接合一体化される固定基板の表面に固定電極を設け、外部の圧力で変位するダイヤフラムと固定電極間に発生する静電容量の変化に基づく信号を出力する静電容量型圧力センサが知られている(例えば、特許文献9を参照)。この圧力センサは、固定基板の表面に凹部を形成することにより第2の室を設け、その中にダイヤフラムの変位による圧力を受けた空気が逃げることによって、ダイヤフラムにかかる空気の粘性やダンピング効果の影響を解消し、正確な圧力測定を可能にしている。   In addition, although it is not a touch mode type, a fixed electrode is provided on the surface of a fixed substrate that is bonded and integrated with a semiconductor substrate having a diaphragm, and the capacitance generated between the diaphragm and the fixed electrode that is displaced by external pressure is changed. A capacitance-type pressure sensor that outputs a signal based thereon is known (for example, see Patent Document 9). This pressure sensor is provided with a second chamber by forming a recess in the surface of the fixed substrate, in which air that has received pressure due to the displacement of the diaphragm escapes, and thus the viscosity of the air applied to the diaphragm and the damping effect are reduced. The effect is eliminated and accurate pressure measurement is possible.

山本敏外、「タッチモード容量型圧力センサ」、フジクラ技報、2001年10月、第101号、p.71〜74Toshigai Yamamoto, “Touch Mode Capacitive Pressure Sensor”, Fujikura Technical Report, October 2001, No. 101, p. 71-74 特表平10−509241号公報Japanese National Patent Publication No. 10-509241 特開2002−214058号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2002-214058 国際公開WO2005/003711号パンフレットInternational Publication WO2005 / 003711 Pamphlet 特開2002−195903号公報JP 2002-195903 A 特開2002−221460号公報JP 2002-221460 A 特開2002−221461号公報JP 2002-221461 A 特開2005−83801号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2005-83801 特開2005−233877号公報JP 2005-233877 A 特開平10−332511号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-332511

しかしながら、上述した従来のタッチモード式静電容量型圧力センサには、次のような問題がある。ダイヤフラム側の可動電極とガラス基板側の固定電極間の静電容量Cが、誘電体膜の膜厚をd、その誘電率をε、可動電極と誘電体膜との接触面積をSとしたとき、C=ε・S/dで表されることは、従来公知である。一般に、誘電体膜の膜厚dは一定であるが、接触面積Sは、下向き凸に撓むダイヤフラムの中心部から接触面の外縁までの距離(半径)の2乗に比例する。そのため、特許文献1などの圧力センサは、図12の領域Cにおける静電容量の変化が完全な直線ではなく、むしろ上向き凸の放物線を描くように変化するので、高い測定精度を確保することが困難である。   However, the above-described conventional touch mode type capacitive pressure sensor has the following problems. When the capacitance C between the movable electrode on the diaphragm side and the fixed electrode on the glass substrate side is d, the dielectric film thickness is d, the dielectric constant is ε, and the contact area between the movable electrode and the dielectric film is S. , C = ε · S / d is conventionally known. In general, the film thickness d of the dielectric film is constant, but the contact area S is proportional to the square of the distance (radius) from the center of the diaphragm bent downward to the outer edge of the contact surface. Therefore, in the pressure sensor of Patent Document 1 or the like, the change in the capacitance in the region C of FIG. 12 is not a complete straight line, but rather changes to draw an upwardly convex parabola, so that high measurement accuracy can be ensured. Have difficulty.

また、特許文献5などに記載されるように、固定電極を様々な異形形状にした場合、ダイヤフラムの撓み位置と電極位置とを正確に整合させることが困難である。そのため、測定精度にばらつきが生じたり、歩留まりを低下させる虞がある。   Further, as described in Patent Document 5 and the like, when the fixed electrode has various irregular shapes, it is difficult to accurately align the bending position of the diaphragm and the electrode position. For this reason, the measurement accuracy may vary, and the yield may be reduced.

特許文献7に記載される圧力センサは、基台自体が固定電極であるため、ダイヤフラムとの電気的絶縁性を確保することが困難であり、そのために複雑な構造が要求される虞がある。また、高圧側において飽和領域を無くして測定圧力範囲を広げることはできるが、低圧側の測定圧力範囲を広げることはできない。低圧側では、接触初期状態における絶縁層の厚さが厚いため、むしろ測定感度が低下する虞がある。特許文献8に記載される圧力センサも同様に、低圧側での静電容量変化を少なくしているので、低圧側の測定圧力範囲を広げることは困難である。   In the pressure sensor described in Patent Document 7, since the base itself is a fixed electrode, it is difficult to ensure electrical insulation from the diaphragm, and thus a complicated structure may be required. Further, the measurement pressure range can be expanded by eliminating the saturation region on the high pressure side, but the measurement pressure range on the low pressure side cannot be expanded. On the low pressure side, the thickness of the insulating layer in the initial contact state is thick, so there is a possibility that the measurement sensitivity is rather lowered. Similarly, since the pressure sensor described in Patent Document 8 reduces the capacitance change on the low pressure side, it is difficult to widen the measurement pressure range on the low pressure side.

また、圧力−容量特性の直線性が不十分な場合には、これを改善するために、圧力センサの出力に補償回路を接続するなど、余分な構成を追加するなどの工夫をしなければならない。その場合にも、圧力によって必要な補正の大きさが変わるから、センサの分解能に差が生じ、安定して高精度な圧力測定を行うことは困難である。   In addition, when the linearity of the pressure-capacitance characteristics is insufficient, it is necessary to devise extra measures such as adding a compensation circuit to the output of the pressure sensor to improve this. . Even in such a case, since the necessary correction amount varies depending on the pressure, a difference occurs in the resolution of the sensor, and it is difficult to stably perform highly accurate pressure measurement.

そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、タッチモード式静電容量型圧力センサにおいて、比較的簡単な構成により、センサの感度及び耐圧に影響を与えることなく、圧力−容量特性の直線性を改善し、安定して高い測定精度を可能にすることにある。特に本発明は、低圧側における圧力−容量特性の直線性を向上させ、測定可能な圧力範囲をより広く設定できるようにすることを目的とする。   Therefore, the present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and the object of the present invention is to influence the sensitivity and withstand voltage of the touch mode type capacitive pressure sensor with a relatively simple configuration. It is to improve the linearity of the pressure-capacitance characteristic without giving, and to enable high measurement accuracy stably. In particular, an object of the present invention is to improve the linearity of the pressure-capacitance characteristic on the low pressure side, and to set a wider measurable pressure range.

本発明によれば、上記目的を達成するために、ダイヤフラム及びその下面に形成した第1電極を有する絶縁材料の上側基板と、第2電極及びその上に積層した誘電体膜を有する絶縁材料の下側基板とを備え、上側基板と下側基板とが、それらの間に真空に封止されるチャンバを画定しかつ該チャンバ内で誘電体膜と第1電極とを僅かな間隙をもって対向配置するように、一体にかつ気密に接合され、下側基板がその上面に凹部を有し、かつ該凹部を含む上面の領域に第2電極が形成されると共に、ダイヤフラムが外部から圧力を受けて撓むことにより誘電体膜に接触する第1電極と第2電極間の静電容量を検出して圧力を測定するために、該圧力に関して誘電体膜と第1電極との接触面積が直線的に増加するように、前記凹部を設けた圧力センサが提供される。   According to the present invention, in order to achieve the above object, an insulating material having an upper substrate made of an insulating material having a diaphragm and a first electrode formed on the lower surface thereof, an insulating material having a second electrode and a dielectric film laminated thereon. A lower substrate, wherein the upper substrate and the lower substrate define a chamber sealed in a vacuum therebetween, and the dielectric film and the first electrode are opposed to each other with a slight gap in the chamber The lower substrate has a concave portion on the upper surface thereof, and the second electrode is formed in the region of the upper surface including the concave portion, and the diaphragm receives pressure from the outside. In order to measure the pressure by detecting the capacitance between the first electrode and the second electrode that are in contact with the dielectric film by bending, the contact area between the dielectric film and the first electrode is linear with respect to the pressure. The pressure sensor provided with the concave portion. Service is provided.

誘電体膜を挟んで第1電極と第2電極とにより構成されるコンデンサの静電容量Cは、上述したように、誘電体膜の膜厚及び誘電率をd、εとし、第1電極と誘電体膜との接触面積をSとしたとき、C=ε・S/dで表される。接触面積Sは、誘電体膜の中心部から接触面の外縁までの距離(半径)の2乗に比例するが、その増加を凹部の面積分だけ減らすことによって緩やかに、より直線的に設定することができる。従って、圧力の増加に関する静電容量の増加、即ち圧力−容量特性の直線性を効果的にかつ従来より良好に改善することができる。   As described above, the capacitance C of the capacitor composed of the first electrode and the second electrode with the dielectric film interposed therebetween is set such that the film thickness and the dielectric constant of the dielectric film are d and ε, When the contact area with the dielectric film is S, C = ε · S / d. The contact area S is proportional to the square of the distance (radius) from the center of the dielectric film to the outer edge of the contact surface, but is set more gently and more linearly by reducing the increase by the area of the recess. be able to. Accordingly, it is possible to effectively improve the increase in the electrostatic capacity with respect to the increase in pressure, that is, the linearity of the pressure-capacitance characteristic more effectively than before.

しかも、ダイヤフラム及び第1電極は何ら特別な構成及び動作を必要としないから、センサの感度及び耐圧を損なう虞が無く、高い安定性及び検出精度を得ることができる。更に、圧力−容量特性の直線性向上により、圧力センサから検出した信号の補償回路が必要だとしても、その補正は僅かで済ませることができる。従って圧力の大小によりセンサの分解能に差が出ることはなく、広い測定範囲に亘って安定して高精度の圧力測定が可能になる。また、凹部の容積分だけ、下側基板と上側基板とにより画定される真空チャンバの容積が増加するから、たとえ該チャンバに外部から水分などが侵入しても、センサの動作に影響を与えないように、凹部に溜めることができる。   In addition, since the diaphragm and the first electrode do not require any special configuration and operation, there is no risk of damaging the sensitivity and pressure resistance of the sensor, and high stability and detection accuracy can be obtained. Further, the linearity of the pressure-capacitance characteristic improves the compensation of the signal detected from the pressure sensor even if it is necessary. Therefore, there is no difference in the resolution of the sensor due to the magnitude of pressure, and pressure measurement can be performed stably and accurately over a wide measurement range. In addition, since the volume of the vacuum chamber defined by the lower substrate and the upper substrate increases by the volume of the recess, even if moisture enters the chamber from the outside, the operation of the sensor is not affected. As such, it can be stored in the recess.

或る実施例では、下側基板の凹部が、ダイヤフラムの撓みによる第1電極と誘電体膜との初期接触領域の中心位置に形成される。これにより、ダイヤフラムに作用する圧力に関して第1電極と誘電体膜間の初期接触における静電容量の急激な上昇を緩和し、特に圧力センサの低圧側における圧力−容量特性の直線性を向上させて、低圧側での測定範囲を拡大することができる。   In one embodiment, the concave portion of the lower substrate is formed at the center position of the initial contact region between the first electrode and the dielectric film due to the deflection of the diaphragm. This alleviates the sudden increase in capacitance at the initial contact between the first electrode and the dielectric film with respect to the pressure acting on the diaphragm, and particularly improves the linearity of the pressure-capacitance characteristics on the low pressure side of the pressure sensor. The measurement range on the low pressure side can be expanded.

別の実施例では、下側基板の凹部が、ダイヤフラムの撓みによる第1電極と誘電体膜との初期接触領域の中心位置に関して放射方向に延長するように形成される。これにより、ダイヤフラムへの印加圧力に関して圧力センサの圧力−容量特性の直線性を全体的に向上させ、特に高圧側に測定範囲を拡大することができる。   In another embodiment, the concave portion of the lower substrate is formed to extend in the radial direction with respect to the center position of the initial contact region between the first electrode and the dielectric film due to the deflection of the diaphragm. Thereby, the linearity of the pressure-capacitance characteristic of the pressure sensor with respect to the pressure applied to the diaphragm can be improved as a whole, and the measurement range can be expanded particularly on the high pressure side.

また、或る実施例では、ダイヤフラムが、その撓みによる第1電極と誘電体膜との接触領域の全体について一定の厚さを有することにより、圧力センサの測定範囲においてダイヤフラム全体を一様に撓ませ、その動作をより安定させることができる。   In one embodiment, the diaphragm has a constant thickness over the entire contact area between the first electrode and the dielectric film due to the deflection, so that the entire diaphragm can be uniformly bent in the measurement range of the pressure sensor. The operation can be made more stable.

別の実施例では、ダイヤフラムが、その撓みによる第1電極と誘電体膜との初期接触領域において一定の厚さを有する平坦部と、該平坦部から漸次増加する厚さを有する傾斜部とを備える。これにより、ダイヤフラムに作用する圧力に関して第1電極と誘電体膜との接触面積を緩やかに増加させ、圧力センサの圧力−容量特性の直線性を全体的により向上させて、特に高圧側に測定範囲を拡大することができる。   In another embodiment, the diaphragm includes a flat portion having a constant thickness in an initial contact region between the first electrode and the dielectric film due to the bending, and a slope portion having a thickness gradually increasing from the flat portion. Prepare. As a result, the contact area between the first electrode and the dielectric film is gradually increased with respect to the pressure acting on the diaphragm, and the linearity of the pressure-capacitance characteristic of the pressure sensor is further improved as a whole. Can be enlarged.

更に或る実施例では、上側基板がATカット水晶板で形成される。水晶は、その結晶方位により高精度にウエットエッチングすることが可能であり、ダイヤフラムを所望の均一な厚さに容易に加工することができる。特にATカット水晶板は、結晶構造の異方性に基づくエッチングレートの差を利用して、上述したように平坦部と傾斜部とを有するダイヤフラムを高精度に加工することができる。   Further, in some embodiments, the upper substrate is formed of an AT cut quartz plate. Quartz can be wet-etched with high precision by its crystal orientation, and the diaphragm can be easily processed to a desired uniform thickness. In particular, the AT-cut quartz plate can process the diaphragm having the flat portion and the inclined portion with high accuracy as described above by using the difference in the etching rate based on the anisotropy of the crystal structure.

以下に、本発明の好適実施例について添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
図1(A)、(B)及び図2は、本発明による圧力センサの好適な第1実施例の構成を概略的に示している。圧力センサ1は、それぞれ絶縁材料からなり、かつ一体に接合された矩形の上側基板2と下側基板3とを備える。本実施例において、上側基板2は例えばATカットなどの水晶で形成され、下側基板3はソーダガラスやパイレックスガラスなどのガラス材料、水晶、セラミックで形成される。別の実施例では、上側基板2にシリコンやパイレックスガラス、ソーダガラスなどのガラス材料を用いることもできる。上側基板2と下側基板3とを異なる材料で形成する場合には、それらの熱膨張率が互いに同等又は近似するように選択することが好ましい。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
1A, 1B and 2 schematically show the structure of a first preferred embodiment of a pressure sensor according to the present invention. The pressure sensor 1 includes a rectangular upper substrate 2 and a lower substrate 3 that are each made of an insulating material and bonded together. In this embodiment, the upper substrate 2 is formed of quartz such as AT cut, and the lower substrate 3 is formed of glass material such as soda glass or pyrex glass, quartz, and ceramic. In another embodiment, the upper substrate 2 can be made of a glass material such as silicon, pyrex glass, or soda glass. When the upper substrate 2 and the lower substrate 3 are formed of different materials, it is preferable to select them so that their coefficients of thermal expansion are equal or close to each other.

上側基板2は、図1(A)に示すように矩形のダイヤフラム4を有する。ダイヤフラム4は、上側基板2の上下両面を例えばウエットエッチングして凹部5,6を形成することにより、図2に示すように一定の厚さに薄肉化される。ダイヤフラム4は、要求される圧力感度に応じて薄く又は厚く形成することができ、本実施例の水晶の場合には、例えば10μm以下の厚さまで薄くすることができる。ダイヤフラム4の下面には、図3に示すように矩形の第1電極7が形成されている。更に上側基板2の下面には、その一方の側辺に向けて第1電極7から凹所6の一方の側辺を超えて外部への取出電極8が引き出されている。   The upper substrate 2 has a rectangular diaphragm 4 as shown in FIG. The diaphragm 4 is thinned to a certain thickness as shown in FIG. 2 by, for example, wet etching the upper and lower surfaces of the upper substrate 2 to form the recesses 5 and 6. The diaphragm 4 can be formed thin or thick according to the required pressure sensitivity. In the case of the quartz crystal of this embodiment, the diaphragm 4 can be thinned to a thickness of 10 μm or less, for example. A rectangular first electrode 7 is formed on the lower surface of the diaphragm 4 as shown in FIG. Furthermore, an extraction electrode 8 is drawn out from the first electrode 7 to the outside of the lower surface of the upper substrate 2 beyond the one side of the recess 6 toward the one side.

下側基板3の上面には、図4(A)に示すように、ダイヤフラム4の第1電極7に対応する矩形の第2電極9が、それと対向する位置に形成されている。第2電極9上には、厚さ一定の誘電体膜10が積層されている。誘電体膜10は、例えばガラス材料をスパッタリングすることにより形成することができる。前記誘電体膜には、ガラス以外に、例えばSiO やセラミックスなどの絶縁材料を用いることができる。更に下側基板3の上面には、第1電極7の取出電極8と同じ一方の側辺に向けて第2電極9から外部への取出電極11が引き出されている。 As shown in FIG. 4A, a rectangular second electrode 9 corresponding to the first electrode 7 of the diaphragm 4 is formed on the upper surface of the lower substrate 3 at a position facing it. A dielectric film 10 having a constant thickness is stacked on the second electrode 9. The dielectric film 10 can be formed, for example, by sputtering a glass material. In addition to glass, for example, an insulating material such as SiO 2 or ceramics can be used for the dielectric film. Further, an extraction electrode 11 is drawn out from the second electrode 9 to the outside on the upper surface of the lower substrate 3 toward the same side as the extraction electrode 8 of the first electrode 7.

本実施例によれば、下側基板3の上面には、第2電極9を形成する領域に複数の凹部12が形成されている。各凹部12は、それぞれダイヤフラム4の中心位置に関して放射方向に延長する扇形を有する。凹部12の形状、寸法及び配置は、ダイヤフラム4が外部から圧力を受けて撓む際に、該圧力に関して誘電体膜10と第1電極との接触面積が直線的に増加するように設定する。図4(B)に示すように、第2電極9及び誘電体膜10は、各凹部12の内面にも連続して形成される。   According to the present embodiment, a plurality of recesses 12 are formed on the upper surface of the lower substrate 3 in the region where the second electrode 9 is to be formed. Each recess 12 has a sector shape extending radially with respect to the center position of the diaphragm 4. The shape, size, and arrangement of the recesses 12 are set such that when the diaphragm 4 is bent by receiving pressure from the outside, the contact area between the dielectric film 10 and the first electrode increases linearly with respect to the pressure. As shown in FIG. 4B, the second electrode 9 and the dielectric film 10 are also formed continuously on the inner surface of each recess 12.

第1及び第2電極7,9は、それぞれ例えばAl膜やAl合金などの導電性金属材料を蒸着やスパッタリングなどで成膜しかつこれをパターニングすることにより形成される。取出電極8,11は、例えばCr/Au膜またはCr/Ni/Au膜で形成され、同様にこれらの導電性金属材料を蒸着やスパッタリングなどで成膜しかつこれをパターニングすることにより形成される。   The first and second electrodes 7 and 9 are formed by depositing and patterning a conductive metal material such as an Al film or an Al alloy, for example, by vapor deposition or sputtering. The extraction electrodes 8 and 11 are formed of, for example, a Cr / Au film or a Cr / Ni / Au film, and are similarly formed by depositing these conductive metal materials by vapor deposition or sputtering and patterning them. .

更に下側基板3には、上側基板2の取出電極8に対応する位置及び該下側基板の取出電極11に対応する位置に、それぞれ貫通孔13,14が設けられている。貫通孔13,14は、前記下側基板をエッチング又は機械加工などすることにより、それぞれ下面から上面に向けてテーパ状に形成されている。図1(B)に示すように、下側基板3下面には、各貫通孔13,14の開口周縁にそれぞれ外部電極15,16が形成されている。   Further, the lower substrate 3 is provided with through holes 13 and 14 at positions corresponding to the extraction electrodes 8 of the upper substrate 2 and positions corresponding to the extraction electrodes 11 of the lower substrate. The through holes 13 and 14 are each formed in a tapered shape from the lower surface to the upper surface by etching or machining the lower substrate. As shown in FIG. 1B, external electrodes 15 and 16 are formed on the lower surface of the lower substrate 3 at the peripheral edges of the through holes 13 and 14, respectively.

図3に示すように、上側基板2の下面には、その全周縁に沿って所定幅の電極膜からなる金属接合部17が形成されている。上側基板2と下側基板3とは、金属接合部17において陽極接合することにより、一体にかつ気密に接合される。これにより、圧力センサ1の内部には、ダイヤフラム4と下側基板3間に厚さ一定の狭い隙間からなるチャンバ18が画定される。別の実施例では、前記上側基板及び下側基板の対向面にそれぞれ全周縁に沿って金属接合部を設け、かつそれらを熱圧着又は共晶接合することにより、同様に一体にかつ気密に接合することができる。   As shown in FIG. 3, the lower surface of the upper substrate 2 is formed with a metal bonding portion 17 made of an electrode film having a predetermined width along the entire periphery. The upper substrate 2 and the lower substrate 3 are integrally and airtightly bonded by anodic bonding at the metal bonding portion 17. As a result, a chamber 18 consisting of a narrow gap with a constant thickness is defined between the diaphragm 4 and the lower substrate 3 inside the pressure sensor 1. In another embodiment, metal bonding portions are provided along the entire periphery on the opposing surfaces of the upper substrate and the lower substrate, respectively, and they are bonded together by thermocompression bonding or eutectic bonding in the same manner. can do.

各貫通孔13,14には、それぞれ導電材料からなる封止材19,20が充填される。前記封止材は、上側基板2と下側基板3との接合後に、真空雰囲気内で前記貫通孔を気密に封止するように充填する。これにより、チャンバ18が真空に封止されると同時に、封止材19,20により取出電極8,11即ち第1及び第2電極7,9と対応する外部電極15,16とがそれぞれ互いに電気的に接続される。前記封止材には、例えばAuSn、AuGe、はんだ材料、高温はんだなどを用いることができる。また、前記各貫通孔の内周面が金属膜で予め被覆されていると、封止材の導入が容易になるので有利である。   The through holes 13 and 14 are filled with sealing materials 19 and 20 made of a conductive material, respectively. The sealing material is filled so that the through hole is hermetically sealed in a vacuum atmosphere after the upper substrate 2 and the lower substrate 3 are joined. As a result, the chamber 18 is sealed in a vacuum, and at the same time, the extraction electrodes 8 and 11, that is, the first and second electrodes 7 and 9 and the corresponding external electrodes 15 and 16 are electrically connected to each other by the sealing materials 19 and 20. Connected. As the sealing material, for example, AuSn, AuGe, a solder material, high-temperature solder, or the like can be used. Further, it is advantageous that the inner peripheral surface of each through-hole is previously coated with a metal film because the introduction of the sealing material is facilitated.

圧力センサ1の使用時において、ダイヤフラム4が外部圧力により撓むと、その大きさに対応して第1電極7が誘電体膜10と接触する。その接触面積は、凹部12を設けた領域において緩やかに増加し、前記圧力に関して直線的に変化する。   When the pressure sensor 1 is used, if the diaphragm 4 is bent by an external pressure, the first electrode 7 contacts the dielectric film 10 corresponding to the size. The contact area gradually increases in the region where the recess 12 is provided, and changes linearly with respect to the pressure.

図5は、本実施例の圧力センサ1における圧力と、第1電極7と第2電極9とにより構成されるコンデンサの静電容量との関係を、実線21で示している。同図には、比較のために、第2電極を形成した下側基板上面に凹部を有しない従来技術の圧力センサにおける圧力と静電容量との関係を破線22で示す。   FIG. 5 shows a relationship between the pressure in the pressure sensor 1 of the present embodiment and the capacitance of the capacitor formed by the first electrode 7 and the second electrode 9 by a solid line 21. In the figure, for comparison, the relationship between the pressure and the capacitance in a conventional pressure sensor having no recess on the upper surface of the lower substrate on which the second electrode is formed is shown by a broken line 22.

同図において、従来技術に関連して上述した図12と同様に、圧力P0 は、第1電極7が誘電体膜10に接触し始めたときの圧力であり、圧力P1 は、接触初期状態から直線的関係を開始する圧力である。本実施例では、従来技術の圧力P2 よりも高い圧力P3 において直線的関係が終了し、飽和領域Dが開始する。同図から、圧力P0 P1 間の接触初期領域Bでは、本実施例は従来技術と大差ないが、直線的関係にある圧力P1 P3 間の領域Cは、本実施例の方が、従来技術による圧力P1 P2 間の領域よりも大きく拡大していることが分かる。このように本実施例によれば、ダイヤフラムに印加する圧力の増加に関する静電容量の増加、即ち圧力−容量特性の直線性が効果的にかつ従来より良好に改善される。更に、直線性の範囲が高圧側に拡大するので、圧力センサの測定可能な範囲を従来よりも高圧側に拡大することができる。   In FIG. 12, the pressure P0 is a pressure when the first electrode 7 starts to contact the dielectric film 10, and the pressure P1 is from the initial contact state, as in FIG. It is the pressure that starts the linear relationship. In this embodiment, the linear relationship ends at the pressure P3 higher than the pressure P2 of the prior art, and the saturation region D starts. From this figure, in the initial contact region B between the pressures P0 P1, this embodiment is not much different from the prior art, but in the region C between the pressures P1 P3 having a linear relationship, the present embodiment is more dependent on the prior art. It can be seen that it is larger than the region between the pressures P1 and P2. As described above, according to the present embodiment, the increase in the electrostatic capacity with respect to the increase in the pressure applied to the diaphragm, that is, the linearity of the pressure-capacitance characteristic is effectively and better improved than before. Furthermore, since the linearity range expands to the high pressure side, the measurable range of the pressure sensor can be expanded to the high pressure side than before.

図6は、本発明により圧力センサの第2実施例に使用する下側基板3を示している。第2実施例では、下側基板3の上面に追加の凹部23が設けられている点において、第1実施例と異なる。凹部23は、図4(A)における放射方向の凹部12の中央に、即ちダイヤフラム4のほぼ中心位置に形成されている。凹部23の形状及び寸法は、ダイヤフラム4が外部圧力により撓む際に、第1電極7と誘電体膜10との初期接触において接触面積の急激な増加を回避するように設定する。   FIG. 6 shows the lower substrate 3 used in the second embodiment of the pressure sensor according to the present invention. The second embodiment differs from the first embodiment in that an additional recess 23 is provided on the upper surface of the lower substrate 3. The concave portion 23 is formed at the center of the concave portion 12 in the radial direction in FIG. 4A, that is, substantially at the center position of the diaphragm 4. The shape and dimensions of the recess 23 are set so as to avoid a sudden increase in the contact area in the initial contact between the first electrode 7 and the dielectric film 10 when the diaphragm 4 is bent by an external pressure.

この凹部23によって、第2実施例の圧力センサは、第1電極7と誘電体膜10間の接触初期における接触面積の大幅な減少により、静電容量の急激な上昇を緩和することができる。従って、図5において実線24で示すように、接触初期領域Bにおける静電容量、特に圧力P1 における静電容量を従来よりも減少させることができる。その結果、接触初期領域Bを領域Cに連続する直線状に調整でき、高精度に測定可能な圧力範囲を低圧側にも拡大することができる。   By this recess 23, the pressure sensor of the second embodiment can mitigate a rapid increase in capacitance due to a significant decrease in the contact area in the initial contact between the first electrode 7 and the dielectric film 10. Therefore, as indicated by the solid line 24 in FIG. 5, the capacitance in the initial contact region B, particularly the capacitance at the pressure P1, can be reduced as compared with the prior art. As a result, the initial contact region B can be adjusted to a straight line continuous with the region C, and the pressure range that can be measured with high accuracy can be expanded to the low pressure side.

図7(A)、(B)及び図8は、本発明による圧力センサの第3実施例の構成を概略的に示している。この圧力センサ31は、第1実施例と同様に、それぞれ絶縁材料からなる矩形の上側基板32と下側基板33とを備える。本実施例の上側基板32は、ATカット水晶板で形成され、下側基板33は、ソーダガラスやパイレックスガラスなどのガラス材料、水晶、セラミックで形成される。   FIGS. 7A, 7B and 8 schematically show the structure of a third embodiment of the pressure sensor according to the present invention. As in the first embodiment, the pressure sensor 31 includes a rectangular upper substrate 32 and a lower substrate 33 each made of an insulating material. In this embodiment, the upper substrate 32 is formed of an AT-cut quartz plate, and the lower substrate 33 is formed of a glass material such as soda glass or pyrex glass, quartz, or ceramic.

上側基板32は、図7(A)に示すように矩形のダイヤフラム34を有する。ダイヤフラム34は、図8に示すように、一定の厚さを有する矩形の平坦部34aと、該平坦部から厚さが漸次増加する矩形の傾斜部34bと備える。ダイヤフラム34の下面は、全体が平坦であるのに対し、その上面は、傾斜部34bが平坦部34aから一定の斜度で徐々に浅くなるように形成されている。このような断面形状のダイヤフラム34は、ATカット水晶板の結晶構造の異方性に基づくエッチングレートの差を利用して、ウエットエッチングで上側基板32の上下両面に凹部35,36を形成することにより、比較的容易にかつ十分に制御して加工することができる。ダイヤフラム34の下面には、図9に示すように矩形の第1電極37が形成されている。更に上側基板32の下面には、その一方の側辺に向けて第1電極37から凹所36の一方の側辺を超えて外部への取出電極38が引き出されている。   The upper substrate 32 has a rectangular diaphragm 34 as shown in FIG. As shown in FIG. 8, the diaphragm 34 includes a rectangular flat portion 34 a having a constant thickness and a rectangular inclined portion 34 b whose thickness gradually increases from the flat portion. The lower surface of the diaphragm 34 is flat as a whole, whereas the upper surface is formed such that the inclined portion 34b gradually becomes shallower from the flat portion 34a with a certain inclination. The diaphragm 34 having such a cross-sectional shape uses the etching rate difference based on the anisotropy of the crystal structure of the AT-cut quartz plate to form the recesses 35 and 36 on the upper and lower surfaces of the upper substrate 32 by wet etching. Therefore, it is possible to process with relatively easy and sufficient control. A rectangular first electrode 37 is formed on the lower surface of the diaphragm 34 as shown in FIG. Further, an extraction electrode 38 is drawn out from the first electrode 37 to the outside of the lower surface of the upper substrate 32 beyond the one side of the recess 36 toward the one side.

下側基板33の上面には、図10に示すように、ダイヤフラム34の第1電極37に対応する矩形の第2電極39が、それと対向する位置に形成されている。第2電極39上には、厚さ一定の誘電体膜40が積層されている。誘電体膜40は、例えばガラス材料やSiO やセラミックスなどの絶縁材料をスパッタリングすることにより形成される。前記更に下側基板3の上面には、第1電極37の取出電極38と同じ一方の側辺に向けて第2電極39から外部への取出電極41が引き出されている。 As shown in FIG. 10, a rectangular second electrode 39 corresponding to the first electrode 37 of the diaphragm 34 is formed on the upper surface of the lower substrate 33 at a position facing it. A dielectric film 40 having a constant thickness is stacked on the second electrode 39. The dielectric film 40 is formed by sputtering an insulating material such as a glass material, SiO 2 or ceramics. Further, on the upper surface of the lower substrate 3, an extraction electrode 41 is drawn out from the second electrode 39 toward the same side as the extraction electrode 38 of the first electrode 37.

本実施例では、下側基板3上面の第2電極39を形成する領域に矩形の凹部42が形成され、ダイヤフラム34の平坦部34aのほぼ中心位置に配置されている。凹部42の形状及び寸法は、ダイヤフラム34の平坦部34aが外部圧力により撓む際に、第1電極37と誘電体膜40の初期接触において接触面積の急激な増加を回避するように設定する。この凹部42によって、第3実施例の圧力センサは、第1電極37と誘電体膜40間の接触初期における接触面積の大幅な減少により、静電容量の急激な上昇を緩和することができる。   In the present embodiment, a rectangular recess 42 is formed in a region where the second electrode 39 is formed on the upper surface of the lower substrate 3, and is disposed at substantially the center position of the flat portion 34 a of the diaphragm 34. The shape and dimensions of the recess 42 are set so as to avoid a sudden increase in the contact area in the initial contact between the first electrode 37 and the dielectric film 40 when the flat portion 34a of the diaphragm 34 is bent by an external pressure. By this recess 42, the pressure sensor of the third embodiment can mitigate a rapid increase in capacitance due to a significant decrease in the contact area in the initial contact between the first electrode 37 and the dielectric film 40.

更に下側基板33には、該下側基板の取出電極41に対応する位置及び上側基板32の取出電極38に対応する位置に、それぞれ貫通孔43,44が設けられている。貫通孔43,44は、前記下側基板をエッチング又は機械加工などすることにより、それぞれ下面から上面に向けてテーパ状に形成されている。図7(B)に示すように、下側基板3下面には、各貫通孔43,44の開口周縁にそれぞれ外部電極45,46が形成されている。   Further, the lower substrate 33 is provided with through holes 43 and 44 at positions corresponding to the extraction electrode 41 of the lower substrate and positions corresponding to the extraction electrode 38 of the upper substrate 32, respectively. The through holes 43 and 44 are formed in a tapered shape from the lower surface to the upper surface, respectively, by etching or machining the lower substrate. As shown in FIG. 7B, external electrodes 45 and 46 are formed on the lower surface of the lower substrate 3 at the opening peripheral edges of the through holes 43 and 44, respectively.

また上側基板32の下面には、図9に示すように、その全周縁に沿って所定幅の電極膜からなる金属接合部47が形成されている。第1実施例と同様に、上側基板32と下側基板33とは、金属接合部47において陽極接合することにより、一体にかつ気密に接合される。これにより、圧力センサ31の内部には、ダイヤフラム34と下側基板33間に厚さ一定の狭い隙間からなるチャンバ48が画定される。前記上側基板と下側基板とは、それらの対向面にそれぞれ全周縁に沿って金属接合部を設け、かつそれらを熱圧着又は共晶接合することにより、同様に一体にかつ気密に接合することもできる。上側基板32と下側基板33との接合後に、各貫通孔43,44は、真空雰囲気内でそれぞれ導電材料からなる封止材49,50を充填して、気密に封止する。これにより、チャンバ48が真空に封止されると同時に、封止材49,50により取出電極38,41即ち第1及び第2電極37,39と対応する外部電極45,46とがそれぞれ互いに電気的に接続される。   Further, as shown in FIG. 9, a metal bonding portion 47 made of an electrode film having a predetermined width is formed on the lower surface of the upper substrate 32 along the entire periphery. Similar to the first embodiment, the upper substrate 32 and the lower substrate 33 are integrally and airtightly bonded by anodic bonding at the metal bonding portion 47. As a result, a chamber 48 having a narrow gap with a constant thickness is defined in the pressure sensor 31 between the diaphragm 34 and the lower substrate 33. The upper substrate and the lower substrate are similarly integrally and air-tightly joined by providing metal joint portions along their entire circumferences on their opposing surfaces, and thermocompression bonding or eutectic bonding. You can also. After joining the upper substrate 32 and the lower substrate 33, the through holes 43 and 44 are filled with sealing materials 49 and 50 made of a conductive material in a vacuum atmosphere, respectively, and hermetically sealed. As a result, the chamber 48 is sealed in vacuum, and at the same time, the extraction electrodes 38 and 41, that is, the first and second electrodes 37 and 39 and the corresponding external electrodes 45 and 46 are electrically connected to each other by the sealing materials 49 and 50, respectively. Connected.

本実施例の圧力センサ31は、ダイヤフラム34が傾斜部34bを有することにより、第1電極37と誘電体膜40との初期接触後、その接触面積の増加を緩やかにすることができる。ダイヤフラム34は、外部の圧力が印加すると、最初に薄肉の平坦部34aが下方へ撓み、誘電体膜40と接触する。外部圧力が増すと、傾斜部34bが徐々に撓み始めて、誘電体膜40と接触する。傾斜部34bは、平坦部34aから離れるに連れて剛性が大きくなるので、圧力に対する撓みは緩やかであり、従って誘電体膜40と接触面積も圧力に関して緩やかに増加する。   In the pressure sensor 31 of this embodiment, since the diaphragm 34 has the inclined portion 34b, the increase in the contact area after the initial contact between the first electrode 37 and the dielectric film 40 can be moderated. When an external pressure is applied to the diaphragm 34, the thin flat portion 34 a first bends downward and comes into contact with the dielectric film 40. When the external pressure increases, the inclined portion 34 b starts to bend gradually and comes into contact with the dielectric film 40. Since the inclined portion 34b increases in rigidity as it moves away from the flat portion 34a, the bending with respect to the pressure is gentle, and therefore, the dielectric film 40 and the contact area also gradually increase with respect to the pressure.

図11は、第3実施例の圧力センサ31における圧力と、第1電極37と第2電極39とにより構成されるコンデンサの静電容量との関係を実線で示している。同図には、比較のために、従来技術の圧力センサにおける圧力と静電容量との関係を破線で示す。更に、ダイヤフラムが平坦部と傾斜部とを有するが、第2電極を形成した下側基板上面に凹部を有しない場合を想像線で示す。   FIG. 11 shows the relationship between the pressure in the pressure sensor 31 of the third embodiment and the capacitance of the capacitor formed by the first electrode 37 and the second electrode 39 by a solid line. In the figure, for comparison, the relationship between the pressure and the capacitance in the pressure sensor of the prior art is shown by a broken line. Further, an imaginary line shows a case where the diaphragm has a flat portion and an inclined portion but does not have a concave portion on the upper surface of the lower substrate on which the second electrode is formed.

同図において圧力P0 は、図5と同様に、第1電極37が誘電体膜40に接触し始めたときの圧力であり、圧力P1 は、接触初期状態から直線的関係を開始する圧力である。本実施例と同様にダイヤフラムが平坦部と傾斜部とを有する場合、従来技術の圧力P2 よりも高い圧力P3 で直線的関係が終了して飽和領域Dが開始し、直線的関係にある圧力P1 P3 間の領域Cが、圧力P1 P2 間の領域よりも大きく拡大している。しかしながら、その場合でも、第1電極と誘電体膜との接触初期における接触面積の増加が急激なため、圧力P0 P1 間の接触初期領域Bでは、従来技術と大差ない。   5, the pressure P0 is the pressure when the first electrode 37 starts to contact the dielectric film 40, and the pressure P1 is the pressure at which the linear relationship starts from the initial contact state. . When the diaphragm has a flat portion and an inclined portion as in the present embodiment, the linear relationship ends at the pressure P3 higher than the pressure P2 of the prior art, the saturation region D starts, and the pressure P1 having the linear relationship is reached. The region C between P3 is larger than the region between the pressures P1 and P2. However, even in that case, since the contact area at the initial contact between the first electrode and the dielectric film increases rapidly, the contact initial region B between the pressures P0 and P1 is not much different from the prior art.

これに対し、本実施例の圧力センサでは、凹部42によって、平坦部34aにおける第1電極37と誘電体膜40間の接触初期に、接触面積の急激な増加が回避され、静電容量の急激な上昇を緩和することができる。従って、図11において実線で示すように、接触初期領域Bにおける静電容量、特に圧力P1 における静電容量を従来よりも減少させることができる。その結果、接触初期領域Bを領域Cに連続する直線状に調整でき、高精度に測定可能な圧力範囲を低圧側に拡大することができる。しかも、領域Cにおいて高圧側にも優れた直線性が得られるので、第2実施例の場合と同様に、圧力センサの測定可能な範囲を低圧側及び高圧側双方に拡大することができる。   On the other hand, in the pressure sensor of the present embodiment, the concave portion 42 avoids a rapid increase in the contact area at the initial contact between the first electrode 37 and the dielectric film 40 in the flat portion 34a, and the electrostatic capacitance rapidly increases. Can be mitigated. Therefore, as shown by a solid line in FIG. 11, the electrostatic capacity in the initial contact region B, particularly the electrostatic capacity at the pressure P1, can be reduced as compared with the prior art. As a result, the contact initial region B can be adjusted to a linear shape continuous to the region C, and the pressure range that can be measured with high accuracy can be expanded to the low pressure side. In addition, since excellent linearity is obtained on the high pressure side in the region C, the measurable range of the pressure sensor can be expanded to both the low pressure side and the high pressure side, as in the case of the second embodiment.

以上、本発明の好適な実施例について詳細に説明したが、本発明は上記実施例に様々な変形・変更を加えて実施することができる。例えば、前記各凹部の形状は、上記実施例に限定されず、様々に変更することができる。また、上記第3実施例において、下側基板の上面には、ダイヤフラムの平坦部に対応する領域だけでなく、傾斜部に対応する領域にも凹部を設けることができる。更に、上記各実施例では、下側基板に設けた貫通孔を介して外部電極を引き出したが、上側基板に同様の貫通孔を設けて、その上面に外部電極を引き出すこともできる。   Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention can be implemented by adding various modifications and changes to the above embodiments. For example, the shape of each of the recesses is not limited to the above embodiment, and can be variously changed. In the third embodiment, the upper surface of the lower substrate can be provided with a recess not only in the region corresponding to the flat portion of the diaphragm but also in the region corresponding to the inclined portion. Further, in each of the above embodiments, the external electrode is drawn out through the through hole provided in the lower substrate, but the same through hole can be provided in the upper substrate and the external electrode can be drawn out on the upper surface thereof.

(A)図は本発明による圧力センサの第1実施例を示す平面図、(B)図はその底面図。(A) is a plan view showing a first embodiment of a pressure sensor according to the present invention, and (B) is a bottom view thereof. 図1のII−II線における断面図。Sectional drawing in the II-II line of FIG. 第1実施例の上側基板を示す下面図。The bottom view which shows the upper side board | substrate of 1st Example. (A)図は第1実施例の下側基板を示す平面図、(B)図はそのIVB−IVB線における部分拡大断面図。(A) The figure is a top view which shows the lower board | substrate of 1st Example, (B) The figure is the elements on larger scale of the IVB-IVB line. 第1及び第2実施例における圧力と静電容量との関係を示す線図。The diagram which shows the relationship between the pressure in 1st and 2nd Example, and an electrostatic capacitance. 本発明の第2実施例の下側基板を示す平面図。The top view which shows the lower board | substrate of 2nd Example of this invention. (A)図は本発明の第3実施例を示す平面図、(B)図はその底面図。(A) is a plan view showing a third embodiment of the present invention, and (B) is a bottom view thereof. 図7のVIII−VIII線における断面図。Sectional drawing in the VIII-VIII line of FIG. 第3実施例の上側基板を示す下面図。The bottom view which shows the upper side board | substrate of 3rd Example. 第3実施例の下側基板を示す平面図。The top view which shows the lower board | substrate of 3rd Example. 第3実施例における圧力と静電容量との関係を示す線図。The diagram which shows the relationship between the pressure and electrostatic capacitance in 3rd Example. 従来の静電容量型圧力センサにおける圧力と静電容量との関係を示す線図。The diagram which shows the relationship between the pressure and the electrostatic capacitance in the conventional electrostatic capacitance type pressure sensor.

符号の説明Explanation of symbols

1,31…圧力センサ、2,32…上側基板、3,33…下側基板、4,34…ダイヤフラム、5,6,35,36…凹所、7,37…第1電極、8,11,38,41…取出電極、9,39…第2電極、10,40…誘電体膜、12,23,42…凹部、13,14,43,44…貫通孔、15,16,45,46…外部電極、17,47…金属接合部、18,48…チャンバ、19,20,49,50…封止材、21,24…実線、22…想像線。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,31 ... Pressure sensor, 2,32 ... Upper board | substrate, 3,33 ... Lower board | substrate, 4,34 ... Diaphragm, 5, 6, 35, 36 ... Recessed part, 7, 37 ... 1st electrode, 8, 11 , 38, 41 ... take-out electrode, 9, 39 ... second electrode, 10, 40 ... dielectric film, 12, 23, 42 ... recess, 13, 14, 43, 44 ... through hole, 15, 16, 45, 46 ... external electrode, 17, 47 ... metal joint, 18, 48 ... chamber, 19, 20, 49, 50 ... sealing material, 21, 24 ... solid line, 22 ... imaginary line.

Claims (6)

ダイヤフラム及びその下面に形成した第1電極を有する絶縁材料の上側基板と、第2電極及びその上に積層した誘電体膜を有する絶縁材料の下側基板とを備え、
前記下側基板と前記上側基板とが、それらの間に真空に封止されるチャンバを画定しかつ前記チャンバ内で前記誘電体膜と前記第1電極とを僅かな間隙をもって対向配置するように、一体にかつ気密に接合され、
前記下側基板が前記上面に凹部を有し、かつ前記凹部を含む前記上面の領域に前記第2電極が形成され、
前記ダイヤフラムが外部から圧力を受けて撓むことにより前記誘電体膜に接触する前記第1電極と前記第2電極間の静電容量を検出して前記圧力を測定するために、前記誘電体膜と前記第1電極との接触面積が前記圧力に関して直線的に増加するように、前記凹部が設けられていることを特徴とする圧力センサ。
An upper substrate of an insulating material having a diaphragm and a first electrode formed on a lower surface thereof; and a lower substrate of an insulating material having a second electrode and a dielectric film laminated thereon;
The lower substrate and the upper substrate define a chamber sealed in a vacuum therebetween, and the dielectric film and the first electrode are disposed to face each other with a slight gap in the chamber. , United and airtight,
The lower substrate has a recess on the upper surface, and the second electrode is formed in a region of the upper surface including the recess,
In order to detect the capacitance between the first electrode and the second electrode contacting the dielectric film by bending the diaphragm under pressure from the outside, and to measure the pressure, the dielectric film The pressure sensor is characterized in that the recess is provided so that a contact area between the first electrode and the first electrode increases linearly with respect to the pressure.
前記凹部が、前記ダイヤフラムの撓みによる前記第1電極と前記誘電体膜との初期接触領域の中心位置に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の圧力センサ。   2. The pressure sensor according to claim 1, wherein the concave portion is formed at a center position of an initial contact region between the first electrode and the dielectric film due to bending of the diaphragm. 前記凹部が、前記ダイヤフラムの撓みによる前記第1電極と前記誘電体膜との初期接触領域の中心位置に関して放射方向に延長するように形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の圧力センサ。   The said recessed part is formed so that it may extend in a radial direction with respect to the center position of the initial contact area | region of the said 1st electrode and said dielectric film by the bending of the said diaphragm. Pressure sensor. 前記ダイヤフラムが、その撓みによる前記第1電極と前記誘電体膜との接触領域の全体について一定の厚さを有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の圧力センサ。   4. The pressure sensor according to claim 1, wherein the diaphragm has a constant thickness over the entire contact area between the first electrode and the dielectric film due to the bending thereof. 5. 前記ダイヤフラムが、その撓みによる前記第1電極と前記誘電体膜との初期接触領域において一定の厚さを有する平坦部と、前記平坦部から漸次増加する厚さを有する傾斜部とからなることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の圧力センサ。   The diaphragm includes a flat portion having a constant thickness in an initial contact region between the first electrode and the dielectric film due to the bending, and an inclined portion having a thickness gradually increasing from the flat portion. The pressure sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein 前記上側基板がATカット水晶板で形成されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の圧力センサ。
The pressure sensor according to any one of claims 1 to 5, wherein the upper substrate is formed of an AT-cut quartz plate.
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