JP2009265041A - 静電容量型圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】被測定媒体が感圧ダイアフラムに付着して堆積した場合でも感圧ダイアフラムの撓みを抑制して零点シフトを抑制するようにした静電容量型圧力センサを提供する。
【解決手段】被測定媒体の圧力に応じた静電容量を検出するダイアフラム構造の圧力センサチップを備えた静電容量型圧力センサにおいて、センサダイアフラム３２０の一面は被測定媒体を導入する圧力導入室側とし、他面はコンデンサ部を形成するコンデンサ室側とし、センサダイアフラム３２０の圧力導入室側の周縁がセンサダイアフラムのコンデンサ室側の周縁よりも圧力導入室側の被測定媒体導入方向から見て外側に位置し、かつセンサダイアフラム３２０の圧力導入室側の周縁のコンデンサ室側の周縁に対する圧力導入室側の被測定媒体導入方向から見た広がり幅が、センサダイアフラム３２０の半径の１％〜１５％となっている。
【選択図】図１３

Description

本発明は、被測定媒体の圧力に応じた静電容量を検出するダイアフラム構造の圧力センサチップを備えた静電容量型圧力センサに関する。

従来から被測定圧力の変化を静電容量の変化として検出する隔膜式の圧力センサは広く知られている。係る圧力センサの一例として、真空チャンバと隔膜真空計との連通孔にフィルタを被せることにより、未反応生成物や副反応生成物及びパーティクル等が真空チャンバから真空計内に入るのを防止し、これらの堆積成分が隔膜センサを構成する感圧ダイアフラムに付着して堆積することを防ぐようにした隔膜式センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−１５３５１０号公報（２―３頁、図１）

上記構成の隔膜式センサにおいては、被測定媒体に含まれる未反応生成物や副反応生成物及びパーティクル等であって直進性の高い堆積成分の感圧ダイアフラムへの付着を回避することは可能であるが、測定圧を感圧ダイアフラムに導く必要上フィルタによって堆積成分を完全に排除することは不可能である。

係る被測定媒体中の堆積成分の一部が感圧ダイアフラムと接触する面に堆積すると、感圧ダイアフラムを一方向に撓ませこととなり、零点シフト（零点移動）が発生する。即ち、感圧ダイアフラムに付着した堆積物は、その成分に応じて付着後に圧縮応力又は引っ張り応力等の内部応力を発生し、これに伴い感圧ダイアフラムの被測定媒体と接触する側も引っ張られたり圧縮されたりして、感圧ダイアフラムの厚さ方向での力のバランスが崩れる。これにより、被測定媒体側若しくはこれと反対側が凸状となるように感圧ダイアフラムに撓みが発生する。

被測定媒体ごとに異なる堆積物と感圧ダイアフラムの材料を常に一致させることは不可能であり、かつ堆積物と感圧ダイアフラムの原子の配列が、ミクロ的に完全に一致することは稀有であるため、堆積物は、通常上述したように収縮若しくは伸長を生じることとなる。そして、感圧ダイアフラムの撓みは、感圧ダイアフラムに堆積する堆積物が多くなる程大きくなる。

静電容量型圧力センサにおいては、感圧ダイアフラムの撓みにより変化する静電容量に基づいて圧力差を検出しているので、上述した現象により感圧ダイアフラムの両側で圧力差がない状態でも、「差がある」との信号を検出することとなり、いわゆる零点シフトと呼ばれる零点誤差を生じることとなる。このため、測定誤差を生ずるという問題が発生する。これに伴い、感圧ダイアフラム、即ち隔膜式センサの交換頻度が高くなり、耐久性の低下及び費用が嵩むという問題も発生する。

本発明の目的は、被測定媒体が感圧ダイアフラムに付着して堆積した場合でも感圧ダイアフラムの撓みを抑制して零点シフトを極力生じさせないようにした静電容量型圧力センサを提供することにある。

被測定媒体の圧力に応じた静電容量を検出するダイアフラム構造の圧力センサチップを備えた静電容量型圧力センサにおいて、
センサダイアフラムの一面は前記被測定媒体を導入する圧力導入室側とし、他面はコンデンサ部を形成するコンデンサ室側とし、圧力導入室側の被測定媒体導入方向から見て前記センサダイアフラムの圧力導入室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁がコンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁よりも外側に位置し、かつ
圧力導入室側の被測定媒体導入方向から見た前記センサダイアフラムの圧力導入室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁の前記コンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁に対する広がり幅が、前記センサダイアフラムの半径の１％〜１５％となっていることを特徴としている。

センサダイアフラムの圧力導入室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁がセンサダイアフラムのコンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁よりも被測定媒体導入室側の圧力導入方向から見て外側に位置し、かつセンサダイアフラムの圧力導入室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁のコンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁に対する圧力導入室側の被測定媒体導入方向から見た広がり領域の広がり幅をセンサダイアフラムの半径の１％〜１５％としたことで、この圧力導入室側のセンサダイアフラムの広がり領域にも被測定媒体中の堆積成分が堆積する。このような幅の広がり領域を設けることで、この広がり領域に堆積した堆積物によるセンサダイアフラムの撓みがセンサダイアフラムの広がり領域によって囲まれる主領域に堆積した堆積物によるセンサダイアフラムの撓みを打ち消す（相殺する）ように作用し、その結果、後者の堆積のみが発生した場合に生じるセンサダイアフラムの撓みを発生させないようにする。

また、本発明の請求項２に記載の静電容量型圧力センサは、請求項１に記載の静電型圧力センサにおいて、
前記被測定媒体が接触する圧力導入室側のセンサダイアフラム全面に所定パターンの凹凸部を連続して形成することで当該センサダイアフラム全面を複数の小さな凹み領域に画成したことを特徴としている。

圧力センサチップのセンサダイアフラムの被測定媒体と接触する面に所定形状の凹凸部を連続して形成してこの面を複数の小さい凹み領域に画成することで、センサダイアフラムに被測定媒体中の堆積成分が付着して堆積した場合に、この堆積物を実質的に多数の堆積片に分断する。その結果、堆積物の内部応力がその成分に応じてセンサダイアフラムに作用する引っ張り力又は圧縮力を実質的に軽減し、この内部応力に起因するセンサダイアフラムの厚み方向の撓みを抑制する。

また、センサダイアフラムの形成時に凹凸の深さにバラツキが生じた場合、センサダイアフラムの主領域に堆積した堆積物の内部応力によるセンサダイアフラムの中央部の撓みとセンサダイアフラムのダイアフラム固定部との境界をなす周縁の広がり領域の堆積物によるセンサダイアフラムの中央部の逆方向への撓みがこの凹凸を深さに応じて共に変化する。そのため、センサダイアフラムの凹凸の深さにばらつきが生じても、前者の撓みと後者の撓みが結果的に互いに相殺されて堆積物の影響による撓みが抑制される。

また、本発明の請求項３に記載の静電容量型圧力センサは、請求項２に記載の静電型圧力センサにおいて、
前記所定パターンは前記圧力導入室側の被測定媒体導入方向から見てハニカム形状をなすことを特徴としている。

センサダイアフラムの被測定媒体と接触する圧力導入側に形成する所定パターンをハニカム形状とすることで、センサダイアフラムの剛性が向上する。その結果、センサダイアフラムの板厚を薄くすることが可能となり、軽量化を図ることができる。

また、センサダイアフラムを軽量化することで共振周波数を高くすることができる。その結果、静電容量型圧力センサの電極間に印加する駆動電圧の周波数を高めに設定することができ、その応答性の低下を抑えることができる。

本発明によると、被測定媒体が感圧ダイアフラムに付着して堆積した場合でも感圧ダイアフラムの撓みを抑制して零点シフトを極力生じさせないようにした静電容量型圧力センサを提供することができる。

以下、本発明の一実施形態に係る静電容量型圧力センサ（以下単に「圧力センサ」という）について図面に基づいて説明する。なお、本発明に係るセンサダイアフラムの構造については、最初に本発明に関連するセンサダイアフラム３２の構造について説明し、後に本発明の特徴的な作用を発揮するセンサダイアフラム３２０の構造について説明する。

図１及び図２は、本発明の静電容量型圧力センサの基本となる圧力センサ１を示すもので、この圧力センサ１は、パッケージ１０と、パッケージ１０内に収容された台座プレート２０と、同じくパッケージ１０内に収容され台座プレート２０に接合された圧力センサチップ３０と、パッケージ１０に直接取付けられ当該パッケージ１０の内外を導通接続する電極リード部４０とを備えている。また、台座プレート２０は、パッケージ１０に対して離間しており、支持ダイアフラム５０のみを介してパッケージ１０に支持されている。

パッケージ１０は、ロアハウジング１１、アッパーハウジング１２、及びカバー１３から構成されている。なお、ロアハウジング１１、アッパーハウジング１２、及びカバー１３は、耐食性金属であるインコネルからなり、それぞれ溶接により接合されている。

ロアハウジング１１は、径の異なる円筒体を連結した形状を備え、その大径部１１ａは支持ダイアフラム５０との接合部を有し、その小径部１１ｂは被測定媒体（被測定流体）が流入する圧力導入部１０Ａをなしている。なお、大径部１１ａと小径部１１ｂとの結合部にはバッフル１１ｃが形成されると共に、当該バッフル１１ｃはその周囲に周方向所定の間隔で圧力導入孔１１ｄが形成されている。

バッフル１１ｃは、圧力導入部１０Ａからプロセスガスなどの被測定媒体を後述する圧力センサチップ３０に直接到達させずに迂回させる役目を果たすものであり、圧力センサチップ３０に被測定媒体の成分や被測定媒体中の不純物が直接衝突することで、これら堆積成分がダイアフラムに直接付着して堆積するのを防止するようになっている。

アッパーハウジング１２は略円筒体形状を有し、後述するカバー１３、支持ダイアフラム５０、台座プレート２０、及び圧力センサチップ３０を介してパッケージ１０内に被測定媒体の導入する領域と独立した真空の基準真空室（密閉空間）１０Ｂを形成している。なお、基準真空室１０Ｂにはいわゆるゲッター（図示せず）と呼ばれる気体吸着物質が備わり、高い真空度を維持している。

また、アッパーハウジング１２の支持ダイアフラム取付け側にはストッパ１２ａが周方向適所に突出形成されている。なお、このストッパ１２ａは、被測定媒体の急激な圧力上昇により台座プレート２０が過度に変移するのを規制する役目を果たしている。

また、カバー１３は円形のプレートからなり、カバー１３の所定位置には電極リード挿通孔１３ａが形成されており、ハーメチックシール６０を介して電極リード部４０が埋め込まれ、この部分のシール性が確保されている。

一方、支持ダイアフラム５０はパッケージ１０の形状に合わせた外形形状を有するインコネルの薄板からなり、周囲縁部は上述したロアハウジング１１とアッパーハウジング１２の縁部に挟まれて溶接等により接合されている。

なお、支持ダイアフラム５０の厚さは、例えば本実施形態の場合数十μｍであって、台座プレート２０を形成するロア台座プレート２１、アッパー台座プレート２２より充分薄い厚さとなっている。また、支持ダイアフラム５０の中央部分には、圧力センサチップ３０に圧力を導くための圧力導入孔５０ａが形成されている。

支持ダイアフラム５０の両面には、支持ダイアフラム５０とパッケージ１０の接合部から周方向全体に亘って或る程度離間した位置に酸化アルミニウムの単結晶体であるサファイアからなる薄いリング状のロア台座プレート２１とアッパー台座プレート２２が接合されている。

なお、各台座プレート２１，２２は、支持ダイアフラム５０の厚さに対して上述の通り十分に厚くなっており、かつ支持ダイアフラム５０を両台座プレート２１，２２でいわゆるサンドイッチ状に挟み込む構造を有している。これによって、支持ダイアフラム５０と台座プレート２０の熱膨張率の違いによって発生する熱応力でこの部分が反るのを防止している。

また、アッパー台座プレート２２には酸化アルミニウムの単結晶体であるサファイアでできた上面視矩形状の圧力センサチップ３０が接合後にスペーサ３１やアッパー台座プレート２２と同一の材料に変化する酸化アルミニウムベースの接合材を介して接合されている。なお、この接合方法については、特開２００２−１１１０１１号公報において詳しく記載されているので、ここでの詳細な説明を省略する。

圧力センサチップ３０は、四角角型の薄板からなるスペーサ３１と、スペーサ３１に接合されかつ圧力の印加に応じて歪が生じる感圧ダイアフラムとしてのセンサダイアフラム３２と、センサダイアフラム３２に接合して真空の容量室（リファレンス室）３０Ａを形成するセンサ台座３３を有している。また、真空の容量室３０Ａと基準真空室１０Ｂとはセンサ台座３３の適所に穿設された図示しない連通孔を介して共に同一の真空度を保っている。

なお、本発明に関連するセンサダイアフラム３２及び本発明の特徴的作用を発揮するセンサダイアフラム３２０の詳細構造については後述する。

スペーサ３１、センサダイアフラム３２、及びセンサ台座３３はいわゆる直接接合によって互いに接合され、一体化した圧力センサチップ３０を構成している。また、圧力センサチップ３０の容量室３０Ａには、図１及び図２に示すように、センサ台座３３の凹み部に白金等の導体でできた感圧側固定電極１１０、参照側固定電極１２０が形成されているとともに、これと対向するセンサダイアフラム３２の表面上に白金等の導体でできた感圧側可動電極２１０、参照側可動電極２２０が形成されている。

なお、感圧側固定電極１１０は、図３に示すように、凹み部の中央部に平面視で円形をなして形成され、参照側固定電極１２０は感圧側固定電極１１０と僅かに離間してこれの周囲をほぼ囲むように平面視円弧をなして同心状に形成されている。

また、感圧側可動電極２１０及び参照側可動電極２２０は、それぞれ感圧側固定電極１１０及び参照側固定電極１２０と対向配置するようにそれぞれ対応する形状をなしてセンサダイアフラム３２の容量室３０Ａ側表面に形成されている。そして、感圧側固定電極１１０と感圧側可動電極２１０は、圧力に対して高感度であって、圧力測定を行う役目を果たし、参照側固定電極１２０と参照側可動電極２２０は圧力に対して低感度であって電極間の誘電率を補正する役目を果たしている。

また、圧力センサチップ３０の上面四隅には、それぞれ電極取り出し用パッドが蒸着されている。これらの電極取り出し用パッドは、感圧側固定電極取り出し用パッド１１１、感圧側可動電極取り出し用パッド２１１、参照側固定電極取り出し用パッド１２１、参照側可動電極取り出し用パッド２２１である。そして、感圧側固定電極１１０と感圧側固定電極取り出し用パッド１１１は電極取り出し穴に成膜された導体を介して電気的に接続されている。

同様に、参照側固定電極１２０と参照側固定電極取り出し用パッド１２１、感圧側可動電極２１０と感圧側可動電極取り出し用パッド２１１、参照側可動電極２２０と参照側可動電極取り出し用パッド２２１もそれぞれ電極取り出し穴に成膜された導体を介して個別に電気的に接続されている。

一方、電極リード部４０は、各電極取り出し用パッドに対応して４本設けられ、図１に示すように、電極リードピン４１と金属製のシールド４２を備え、電極リードピン４１は金属製のシールド４２にガラスなどの絶縁性材料からなるハーメチックシール４３によってその中央部分が埋設され、電極リードピン４１の両端部間で気密状態を保っている。

そして、電極リードピン４１の一端はパッケージ１０の外部に露出して図示しない配線によって圧力センサ１の出力を外部の信号処理部に伝達するようになっている。なお、シールド４２とカバー１３との間にも上述の通りハーメチックシール６０が介在している。また、電極リードピン４１の他方の端部には導電性を有するコンタクトバネ４５が接続されている。

コンタクトバネ４５は、圧力導入部１０Ａから被測定媒体が急に流れ込むことで発生する急激な圧力上昇により支持ダイアフラム５０が若干変移しても、コンタクトバネ４５の付勢力が圧力センサチップ３０の測定精度に影響を与えない程度の十分な柔らかさを有している。

なお、圧力センサチップ３０の製造方法は以下の通りである。まず、第１工程として、最適化したパッド形状がパターニングされたメタルマスクをステンレス薄板のエッチングにより作製する。

次いで、第２工程として、センサパッケージ体（パッドを蒸着する前の図２にある構造体）に第１工程で作製したメタルマスクを被せ、位置決めした後、治具によりセンサパッケージ体とメタルマスクを固定する。

次いで、第３工程として、白金や金などを蒸着することによりパッドを形成すると同時に、センサチップ内部のセンサ電極との電気的接続を得て、これによって圧力センサチップ３０の製造を終える。

次に、本発明に関連するセンサダイアフラム３２の構造について詳細に説明する。センサダイアフラム３２は、外形が図４に示すように四角角型のスペーサ３１の外径と同じ四角角型の板体をなし、図２において下側の面、即ち被測定媒体と接触する圧力導入室側（被測定媒体の接触面）３２ａにはスペーサ３１の内径と同じ大きさの円形をなし実質的にセンサダイアフラムを形成するダイアフラム部３２Ａに所定パターンの凹凸部３２ｂが連続して形成されている。そして、ダイアフラム部３２Ａの外側の領域３２Ｂがスペーサ３１とセンサ台座３３との間にサンドイッチ状に挟持されて接合される接合部とされている。

この凹凸部３２ｂは、多角形、例えば正六角形状の複数の凹部（堀り込み部）３２ｃが隣り合う各凹部３２ｃと隔壁（凸部）３２ｄを共有して連続して形成されており、被測定媒体側から見ていわゆる蜂の巣の形状（以下「ハニカム形状」という）をなしている。

センサダイアフラム３２の凹凸部３２ｂは、図５に示すように被測定媒体と接触する圧力導入室側の面３２ａに凹部３２ｃを穿って形成されている。従って、凹部３２ｃの底部３２ｅの板厚は、センサダイアフラム３２の板厚よりも薄く形成され、隔壁３２ｄの上面がセンサダイアフラム３２の被測定媒体と接触する圧力導入室側の面３２ａであってダイアフラム部３２Ａの外側の領域３２Ｂと面一をなしている。これによって、センサダイアフラム３２、即ちダイアフラム部３２Ａの軽量化が図られる。なお、ダイアフラム部３２Ａの形状は、公知のマイクロマシニング技術によって形成される。

このようにダイアフラム部３２Ａの被測定媒体の接触する圧力導入室側の面３２ａに隣り合う凹部３２ｃ間の隔壁３２ｄを共有する連続した複数の小さい凹み領域を画成することにより、ダイアフラム部３２Ａに付着する堆積物を多数の堆積片に実質的に分断することが可能となる。

また、ダイアフラム部３２Ａの軽量化により、共振周波数が低下することを防止することが可能となる。このため、静電容量型圧力センサにおいて電極間に印加される駆動電圧の周波数を高めに設定することができ、その応答性の低下を妨げる効果もある。

なお、ダイアフラム部３２Ａに形成する凹凸部３２ｂの形状としては、上述した正六角形状（ハニカム形状）に限るものではなく他の形状、例えば四角形や五角形等の多角形、正弦波形、ずれ六角形、複波形等の形状としても良い。更に、凹凸部３２ｂとして例えば凹部（堀込み部）３２ｃと隔壁（凸部）３２ｄとを反対にして凹部３２ｃがスリット状になると共に凸部３２ｄが或る程度の広さを有する領域となった構造としても良い。

このセンサダイアフラム３２は、図２及び図６に示すようにダイアフラム部３２Ａの外側の領域３２Ｂがスペーサ３１とセンサ台座３３との間にサンドイッチ状に挟まれて接合される。図６は、図２に示すセンサダイアフラム３２、スペーサ３１、センサ台座３２等からなる圧力センサチップ３０の拡大図で、対応する部材には対応する符号を付して詳細な説明を省略する。なお、図６においてセンサダイアフラム３２については、断面形状を分かり易くするためにハッチングを省略して示している。

図７は、図４に示した本発明に関連するセンサダイアフラム３２の変形例を示している。被測定媒体と接触する面３２ａ’のダイアフラム部３２Ａ’は、２つの領域３２Ｃ’と３２Ｄ’からなり、領域３２Ｃ’と領域３２Ｄ’は、同心的に形成され、かつ領域３２Ｄ'と領域３２Ｃ'は全周にわたり連続して形成されている。そして、ダイアフラム部３２Ａ’の一部をなす外側の環状の領域３２Ｃ’は、外径がスペーサ３１の内径と同一とされ、かつその板厚がセンサダイアフラム３２’の板厚と同じ板厚の厚肉部とされている。そして、ダイアフラム部３２Ａ’の外側の領域３２Ｂ’がスペーサ３１とセンサ台座３３との間にサンドイッチ状に挟持されて接合される接合部となっている。

また、ダイアフラム部３２Ａ’ の一部を形成する内側の円形の領域３２Ｄ’は、図７及び図８に示すように、被測定媒体と接触する側の面３２ａ’に前述したセンサダイアフラム３２の所定パターンとしての凹凸部３２ｂと同様に複数の正六角形状の凹部３２ｃ’と、各隣り合う凹部３２ｃ’が隔壁３２ｄ’を共有して形成され、凹部３２ｃ’の底部３２ｅ’がセンサダイアフラム３２’の板厚よりも薄い凹凸部（堀込み部）３２ｂ’となっている。

なお、ダイアフラム部３２Ａ’の内側の領域３２Ｄ’（堀込み部）の外径（最外径）は、外側の領域３２Ｃ’の外径よりも数パーセント程度小さく設定されているに過ぎず、外側の領域３２Ｃ’（厚肉部）の幅は、狭く形成されている。

センサダイアフラム３２’に関しては、図９に示すように、前述したセンサダイアフラム３２と同様にダイアフラム部３２Ａ’の外側の領域３２Ｂ’がスペーサ３１とセンサ台座３３との間にサンドイッチ状に挟まれて接合される。

図９は、センサダイアフラム３２’を図２に示すセンサダイアフラム３２に代えて取り付けた場合におけるスペーサ３１、センサダイアフラム３２’、センサ台座３３等からなる圧力センサチップ３０の拡大図である。図９においては、対応する部材には対応する符号を付して詳細な説明を省略する。なお、図９においてセンサダイアフラム３２’については、断面形状を分かり易くするためにハッチングを省略して示している。

続いて、上述した圧力センサ１に図４及び図７に示した本発明に関連するセンサダイアフラム３２，３２’を適用した場合の圧力センサと、従来の単なる板状のセンサダイアフラムを適用した場合の圧力センサを比較例とした場合の特性評価試験の結果を図１０に基づいて説明する。

図１０は、上記した被測定媒体がセンサダイアフラムに付着して堆積した状態でのセンサダイアフラムの撓みをシミュレーションした結果の一例を示し、横軸をセンサダイアフラム径（図中左側がダイアフラムの中心方向、図中右側がダイアフラムのダイアフラム固定部との境界をなす固定部との境界をなす周縁）とし、縦軸を撓み量（比）として示している。図１０において曲線Ｉは、従来の単なる板状のセンサダイアフラムを使用した場合の特性を示し、曲線IIは、図４に示したセンサダイアフラムを使用した場合の特性を示し、曲線IIIは、図７に示したセンサダイアフラムを使用した場合の特性を示している。

なお、曲線Ｉ〜曲線IIIに示す各センサダイアフラムは、同じ量の堆積物が付着している状態の特性図である。図１０から明らかなように、図４に示した本発明に関連するセンサダイアフラムを圧力センサに適用した場合、従来形状のセンサダイアフラムと同じ量の堆積物が付着しているにも拘らず、その堆積物が被測定媒体の接触する面において実質的に複数(多数)の堆積片に分断されているため、従来形状のセンサダイアフラムに比べてダイアフラム径に対する撓み量が極めて小さくなっていることが明らかになった。

上述したように、本発明に関連するダイアフラムは、これらの圧力導入室側に付着する堆積物を複数の小さな堆積物の塊に分断して堆積物の付着に伴うダイアフラムの撓みを抑制した。また、図７に示した本発明に関連するセンサダイアフラムを圧力センサに適用した場合、ダイアフラムの周縁部によって囲まれる主領域に形成される凹凸により堆積物の影響を分離する部分と、その周辺部凹凸の無い部分とが、それぞれ堆積物によりダイアフラム部を撓ませる方向が逆となることを利用し、その効果が釣り合う領域を境目として、凹凸部と非凹凸部を形成しており、従来形状のセンサダイアフラムに比べてダイアフラム径に対する撓み量がより小さくなっていることが明らかになった。

しかしながら、この領域の境目はダイアフラム部の厚さと凹凸部の掘り込み深さにより決定され、掘り込み深さの製造上のバラツキはどうしても免れないため、ダイアフラムへの堆積物の付着のみによるダイアフラムの撓みを抑制することに関するより一層の効果を得られる構造が必要であると本発明者は認識した。なお、図１０の曲線IIIは、所望の掘り込み深さが実現された場合である。

そこで、本発明者は、センサダイアフラムの固定の仕方を工夫して圧力センサチップ３００を構成することでこの問題を解決した。以下に上述した本発明に関連するセンサダイアフラム３２と異なる本発明の特徴的作用を発揮するセンサダイアフラム３２０の構造について詳細に説明する。

図１１は、センサダイアフラム３２０を装着した圧力センサチップ３００を示す拡大断面図である。また、図１２は、図１１の圧力センサチップ３００の１／４分割をセンサダイアフラム３２０の圧力導入室側３２０ａから見た平面図であり、図１３は、その圧力センサチップ３００の１／４分割をセンサダイアフラム３２０の圧力導入室側から見た斜視図である。なお、図１１において、センサダイアフラム３２０については、断面形状を分かり易くするためにハッチングを省略して示している。

これらの図から明らかなように、センサダイアフラム３２０は、スペーサ３１の外径と同じ板状をなし、ダイアフラム部３２０Ａの外側の固定領域３２０Ｂがスペーサ３１とセンサ台座３３との間にサンドイッチ状に挟持されて接合されるが、スペーサ３１の内周部３１ａの内径がセンサ台座３３の内周部３３ａの内径より大きくなっている。このため、スペーサ３１に当接する圧力導入室側の外周辺固定幅Ｗａは、センサ台座３３に当接するコンデンサ室側の外周辺固定幅Ｗｂより狭くなっている。

この外周辺固定幅Ｗａ，Ｗｂの寸法関係をより具体的に説明する。センサダイアフラム３２０の一面を被測定媒体が導入される圧力導入室側とし、他面をコンデンサ部が形成されるコンデンサ室側とし、圧力導入室側の被測定媒体導入方向から見てセンサダイアフラム３２０の圧力導入室側の周縁がセンサダイアフラム３２０のコンデンサ室側の周縁よりも外側に位置している。そして、センサダイアフラム３２０の圧力導入室側の周縁のコンデンサ室側の周縁に対する圧力導入室側の被測定媒体導入方向から見た広がり領域３２０Ｓの広がり幅Ｗ（Ｗｂ−Ｗａ）が、センサダイアフラム３２０の半径の１％〜１５％となっている。

また、センサダイアフラム３２０の圧力導入室側３２０ａには、スペーサ３１の内径と同じ大きさ円形をなし実質的にセンサダイアフラム３２０を形成するダイアフラム部３２０Ａに所定の凹凸部３２０ｂが連続して形成されている。この凹凸部３２０ｂは、例えば平面視正六角形等の多角形をなす複数の凹部（堀り込み部）３２０ｃが隣り合う各凹部３２０ｃと隔壁（凸部）３２０ｄを共有して連続形成されており、被測定媒体側から見ていわゆる蜂の巣形状（以下「ハニカム形状」という）をなしている。

ダイアフラム部３２０Ａの凹凸部３２０ｂは、被測定媒体と接触する圧力導入室側の面３２０ａに凹部３２０ｃを穿って形成したものである。従って、凹部３２０ｃの底部３２０ｅの板厚は、センサダイアフラム３２０の板厚よりも薄く形成され、隔壁３２０ｄの上面がセンサダイアフラム３２０の被測定媒体と接触する圧力導入室側の面３２０ａであってダイアフラム部３２０Ａの外側の固定領域３２０Ｂと面一をなしている。これによって、センサダイアフラム３２０、即ちダイアフラム部３２０Ａの軽量化が図られている。なお、このダイアフラム部３２０Ａの形状は、公知のマイクロマシニング技術によって形成される。

上述したセンサダイアフラム３２０の差Ｗ（Ｗｂ−Ｗａ）の領域、即ち上述した圧力導入室側に設けられたダイアフラム部３２０Ａの圧力導入室側広がり領域（周縁領域）３２０Ｓにも堆積物が堆積することで、この広がり領域３２０Ｓにおける堆積物が広がり領域３２０Ｓによって囲まれるダイアフラム部３２０Ａの主領域３２０Ｒに堆積した堆積物により発生するダイアフラム部３２０Ａの撓みを抑制するように作用する。

より詳細には、ダイアフラム部３２０Ａの圧力導入室側広がり領域（周縁領域）３２０Ｓ以外の主領域３２０Ｒの堆積物内に引っ張り応力が作用してこの応力に応じてダイアフラム部３２０Ａを撓ませようとしても、ダイアフラム部３２０Ａの圧力導入室側広がり領域（周縁領域）３２０Ｓの堆積物により逆方向にダイアフラム部３２０Ａを撓ませようとすることで、相殺によりダイアフラム部３２０Ａの撓みが抑制される。

また、ダイアフラム部３２０Ａに付着する堆積物を多数の堆積片に実質的に分断することで、このような凹凸が無いダイアフラムに堆積物が連続して堆積した場合のように堆積物の種類に応じた引っ張り応力や圧縮応力がダイアフラムに作用し難くなり、これらの応力に起因するダイアフラム部３２０Ａの撓み（圧力導入室側への撓みやコンデンサ室側への撓みの双方を含む）を抑制することができる。

逆にダイアフラム部３２０Ａの圧力導入室側広がり領域（周縁領域）３２０Ｓ以外の主領域３２０Ｒの堆積物に圧縮応力が作用してこの応力に応じてダイアフラム部３２０Ａを撓ませようとしても、ダイアフラム部３２０Ａの圧力導入室側広がり領域（周縁領域）３２０Ｓの堆積物によりダイアフラム部３２０Ａの撓みを抑制する。

また、ダイアフラム部３２０Ａの軽量化により、共振周波数が低下することを防止することが可能となる。このため、静電容量型圧力センサにおいて電極間に印加される駆動電圧の周波数を高めに設定することができ、その応答性の低下を妨げる効果もある。

なお、ダイアフラム部３２０Ａに形成する凹凸部３２０ｂの形状としては、上述した正六角形状（ハニカム形状）に限るものではなく他の形状、例えば四角形や五角形等の多角形、正弦波形、ずれ六角形、複波形等の形状としても良い。更に、凹凸部３２０ｂとして例えば凹部（堀込み部）３２０ｃと隔壁（凸部）３２０ｄとを反対にして凹部３２０ｃがスリット状になると共に凸部３２０ｄが或る程度の広さを有する領域となった構造としても良い。

図１４は、被測定媒体が付着して堆積した状態でのセンサダイアフラム３２０の撓みをシミュレーションした結果の一例を示し、横軸をセンサダイアフラム３２０の半径位置比率（センサダイアフラムの中央部を０、周縁（エッジ部）を１）、即ち、図中左側がセンサダイアフラム３２０の中心方向、図中右側がダイアフラム部３２０Ａの周縁方向とし、縦軸を堆積時の撓み率（％）（図１０における曲線Iのセンサダイアフラムの中央部の撓みを１００％としている。）とした特性図である。

図１４において、曲線Ｘ−１、Ｘ−２は図７の本発明に関連するセンサダイアフラム３２を圧力センサに適用した場合の特性を示し、曲線Ｙ−１、Ｙ−２は図１１の本発明に係るセンサダイアフラム３２０を圧力センサに適用した場合の特性を示している。なお、曲線Ｘ−１、Ｘ−２、曲線Ｙ−１、Ｙ−２に示す各センサダイアフラムは、同じ量の堆積物が付着している場合の特性曲線である。

図１０に示したように、凹凸を形成したダイアフラム部の外周に凹凸を形成しない領域を設けた図７に示すダイアフラム部では、凹凸掘り込み深さ値を狙い通り製作した場合、撓み量はほぼ０％に抑制されるが、図１４においては、製作上凹凸掘り込み深さ値がバラツクことも加味しており、実圧力センサにおいて、Ｘ−１＝７．５％からＸ−２＝−７、５％、つまり両特性の差ＸをＸ＝１５％にできることが分かった。

これに対し、センサダイアフラム３２０を図１１に示すように固定し、圧力導入室側のダイアフラム部３２０Ａ全面に凹凸を形成した本発明によれば、同じ量の凹凸掘り込み深さバラツキが生じた場合でも、ダイアフラム部３２０Ａの撓みをＹ−１＝１．０％からＹ−２＝−２、０％、つまり両特性の差ＹをＹ＝３％に抑制できることが分かった。

図１４の対比図から明らかなように、センサダイアフラム３２０の圧力導入室側の外周辺固定幅Ｗａを、コンデンサ室側の外周辺固定幅Ｗｂより狭くして圧力センサチップ３００を構成した本発明、より具体的には、センサダイアフラム３２０の一面を被測定媒体が導入される圧力導入室側とし、他面をコンデンサ部が形成されるコンデンサ室側とし、圧力導入室側の被測定媒体導入方向から見てダイアフラム部３２０Ａの圧力導入室側の周縁（ダイアフラム固定部との境界をなす周縁：以下単に「周縁」とする）がコンデンサ室側の周縁（ダイアフラム固定部との境界をなす周縁：以下単に「周縁」とする）よりも外側に位置し、かつダイアフラム部３２０Ａの圧力導入室側の周縁のコンデンサ室側の周縁に対する圧力導入室側の被測定媒体導入方向から見た広がり領域３２０Ｓの広がり幅が、ダイアフラム部３２０Ａの半径の１％〜１５％という構成になった本発明によれば、圧力導入室測は外周辺固定幅の差の領域、即ち圧力導入室側広がり領域３２０Ｓにも被測定媒体が堆積する。この際、広がり領域３２０Ｓで囲まれる主領域３２０Ｒへの堆積物内の圧縮応力や引っ張り応力で生じるダイアフラム部３２０Ａの撓みは、圧力導入室側広がり領域３２０Ｓに堆積した堆積物内によるダイアフラム部３２０Ａの撓みと相殺しているので、堆積物の付着によるダイアフラム部３２０Ａの撓みが抑制されることが分かった。

この結果、ダイアフラム部３２０Ａの凹部の形成にあたってこの深さにバラツキが生じた場合であっても、これに対応するダイアフラム部３２０Ａの撓みはダイアフラム部３２０Ａの広がり領域３２０Ｓ及びこの領域で囲まれる主領域３２０Ｒに堆積した堆積物によりそれぞれ発生するので、結果的にこれらの撓みは相殺されて凹凸の深さにばらつきが生じてもダイアフラム部３２０Ａの撓みを一律的に抑制することが可能となることが分かった。

また、圧力センサチップのダイアフラム部３２０Ａの被測定媒体と接触する圧力導入室側の全面に所定形状の凹凸部を連続して形成してこの面を複数の小さい領域に画成することで、ダイアフラム部３２０Ａに被測定媒体が付着して堆積した場合にこの堆積物を実質的に多数の堆積片に分断し、堆積物の収縮又は伸長に起因するダイアフラム部３２０Ａの厚み方向の撓みを抑制することが分かった。これにより、凹部の形成にあたってこの深さにバラツキが生じても、上記の外周辺固定幅の差による変形の抑制の点と相俟って圧力センサチップの零点シフトを確実に抑制することが可能となることが分かった。

なお、以上説明したセンサダイアフラムにはその圧力導入室側全体にハニカム形状をなす凹凸部が連続して形成されていた。しかしながら、センサダイアフラムにこのような凹凸部が形成されず、単にセンサダイアフラムの圧力導入室側の周縁がセンサダイアフラムのコンデンサ室側の周縁よりも圧力導入室側の圧力導入方向から見て外側に位置し、かつセンサダイアフラムの圧力導入室側の周縁のコンデンサ室側の周縁に対する圧力導入室側の圧力導入方向から見た広がり領域の広がり幅をセンサダイアフラムの半径の１％〜１５％としただけでも、本発明に係る特有の作用、即ち広がり領域に堆積した被測定媒体の堆積成分が、この広がり領域で囲まれる主領域に堆積する被測定媒体の堆積物によるセンサダイアフラムの中央部の撓みを相殺し、抑制させるという作用を発揮することを本発明者は更に確認した。

以下にこのような構成を有するセンサダイアフラムの作用を裏付ける実施例について説明する。

図１５は、本発明の他の実施例を示している。本実施例においては、圧力センサチップ３０は、ロア台座プレート２１に装着されており、圧力センサチップ３０内のスペーサ３１が存在しない構成となっている。そこで、センサダイアフラム４２０の圧力導入室側の周縁のコンデンサ室側の周縁に対する圧力導入室側の被測定媒体導入方向から見た広がり領域４２０Ｓを規定するため、センサダイアフラム４２０の周辺部に掘り込み部４２０Ｃを設けている。この広がり領域４２０Ｓのダイアフラム半径方向の幅Ｗをセンサダイアフラム４２０の半径の１％〜１５％としている。

図１６は、被測定媒体が付着して堆積した状態でのセンサダイアフラム４２０の撓みをシミュレーションした結果の一例を示し、横軸をセンサダイアフラム４２０の半径位置比率（センサダイアフラムの中央部を０、コンデンサ室側の周縁（エッジ部）を１）とし、縦軸を堆積時の撓み率（％）（図１０における曲線Iのセンサダイアフラムの中央部の撓みを１００％としている。）とした特性図である。Ｚ-１は広がり領域４２０Ｓのダイアフラム半径方向の幅Ｗをセンサダイアフラム４２０の半径の１．３３％、Ｚ-２は２．６７％、Ｚ-３は４％、Ｚ-４は５．３３％、Ｚ−５は６．６７％およびＺ−６は１３．３３％とした場合を示しており、いずれの場合も、センサダイアフラム４２０の撓みを軽減することが明らかになった。なお、本効果は、広がり領域４２０Ｓをスペーサとの接合により規定する場合においても、同様である。

本発明の一実施形態及び本発明に関連する圧力センサの断面図である。 図１に示した圧力センサを部分的に示す一部断面斜視図である。 図１に示した圧力センサチップの平面図である。 図１に示したセンサダイアフラムを拡大して被測定媒体と接触する側から見た平面図である。 図４に示したセンサダイアフラムの矢線Ｖ―Ｖに沿う拡大断面図である。 図４に示したセンサダイアフラムを図２に示した圧力センサチップに装着した状態の拡大断面図である。 図４に示したセンサダイアフラムの変形例を示し、センサダイアフラムを拡大して被測定媒体と接触する側から見た平面図である。 図７に示したセンサダイアフラムの矢線VIII―VIIIに沿う拡大断面図である。 図７に示したセンサダイアフラムを図２に示した圧力センサチップに装着した状態の拡大断面図である。 図４に示したセンサダイアフラムと従来のセンサダイアフラムの堆積物による撓みのシミュレーション結果の一例を示す特性図である。 本発明に関連する圧力センサチップの拡大断面図である。 本発明に関連する圧力センサチップの１／４分割をセンサダイアフラムの圧力導入面側から見た平面図である。 本発明に関連する圧力センサチップの１／４分割をセンサダイアフラムの圧力導入面側から見た斜視図である。 図１１に示したセンサダイアフラムと図７に示したセンサダイアフラムの堆積物による撓みのシミュレーション結果の一例を示す特性図である。 本発明の他の実施例に係る圧力センサチップの拡大断面図である。 図１５に示したセンサダイアフラムの堆積物による撓みのシミュレーション結果の一例を示す特性図である。

符号の説明

１ 圧力センサ
１０ パッケージ
１０Ａ 圧力導入部
１０Ｂ 基準真空室（密閉空間）
１１ ロアハウジング
１１ａ 大径部
１１ｂ 小径部
１１ｃ バッフル
１１ｄ 圧力導入孔
１２ アッパーハウジング
１２ａ ストッパ
１３ カバー
１３ａ 電極リード挿通孔
２０ 台座プレート
２１ ロア台座プレート
２２ アッパー台座プレート
３０ 圧力センサチップ
３０Ａ 容量室（リファレンス室）
３１ スペーサ
３１ａ 内周部
３２ センサダイアフラム（感圧ダイアフラム）
３２ａ センサダイアフラムの被測定媒体と接触する面
３２ｂ 凹凸部（所定パターン）
３２ｃ 凹部
３２ｄ 隔壁（凸部）
３２ｅ 底部
３２Ａ ダイアフラム部
３２Ｂ ダイアフラム部３２Ａの外側の領域
３２’ センサダイアフラム（感圧ダイアフラム）
３２ａ’ センサダイアフラムの被測定媒体と接触する面
３２ｂ’ 凹凸部（所定パターン）
３２ｃ’ 凹部
３２ｄ’ 隔壁（凸部）
３２ｅ’ 底部
３２Ａ’ ダイアフラム部
３２Ｂ’ ダイアフラム部３２Ａ’の外側の領域
３２Ｃ’ ダイアフラム部３２Ａ’を形成する外側の環状の領域
３２Ｄ’ ダイアフラム部３２Ａ’を形成する内側の円形の領域
３３ センサ台座
３３ａ 内周部
４０ 電極リード部
４１ 電極リードピン
４２ シールド
４３ ハーメチックシール
４５ コンタクトバネ
５０ 支持ダイアフラム
５０ａ 圧力導入孔
６０ ハーメチックシール
１１０ 感圧側固定電極
１１１ 感圧側固定電極取り出し用パッド
１２０ 参照側固定電極
１２１ 参照側固定電極取り出し用パッド
２１０ 感圧側可動電極
２１１ 感圧側可動電極取り出し用パッド
２２０ 参照側可動電極
２２１ 参照側可動電極取り出し用パッド
３００ 圧力センサチップ
３２０ センサダイアフラム（感圧ダイアフラム）
３２０ａ センサダイアフラムの被測定媒体と接触する面
３２０ｂ 凹凸部（所定パターン）
３２０ｃ 凹部
３２０ｄ 隔壁（凸部）
３２０ｅ 底部
３２０Ａ ダイアフラム部
３２０Ｂ 固定領域
３２０Ｓ 圧力導入室側広がり領域
４２０ センサダイアフラム
４２０Ａ ダイアフラム部
４２０Ｃ 掘り込み部
４２０Ｓ 圧力導入室側広がり領域

Claims (3)

1. 被測定媒体の圧力に応じた静電容量を検出するダイアフラム構造の圧力センサチップを備えた静電容量型圧力センサにおいて、
   センサダイアフラムの一面は前記被測定媒体を導入する圧力導入室側とし、他面はコンデンサ部を形成するコンデンサ室側とし、圧力導入室側の被測定媒体導入方向から見て前記センサダイアフラムの圧力導入室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁がコンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁よりも外側に位置し、かつ
   圧力導入室側の被測定媒体導入方向から見た前記センサダイアフラムの圧力導入室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁の前記コンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁に対する広がり幅が、前記センサダイアフラムの半径の１％〜１５％となっていることを特徴とする静電容量型圧力センサ。
2. 前記被測定媒体が接触する圧力導入室側のセンサダイアフラム全面に所定パターンの凹凸部を連続して形成することで当該センサダイアフラム全面を複数の小さな凹み領域に画成したことを特徴とする請求項１に記載の静電容量型圧力センサ。
3. 前記所定パターンは前記圧力導入室側の被測定媒体導入方向から見てハニカム形状をなすことを特徴とする請求項２に記載の静電容量型圧力センサ。
   
   

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