JP2011179850A - 振動式圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】簡便にセンサの耐圧性能を向上させた振動式圧力センサを実現することにある。
【解決手段】 ダイアフラムに振動子が設けられた検出素子を備えた振動式圧力センサにおいて、
前記検出素子の上面に設けられた圧力保護部材と、
前記検出素子の下面に設けられた支持部材と
を具備し、
前記圧力保護部材は、前記ダイアフラムと所定の間隔を保つように形成され、
前記ダイアフラムは過大圧力が印加されることにより変位して前記圧力保護部材に押圧されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動子をダイアフラムに備えた振動式圧力センサに関し、詳しくは、ダイアフラムの過大圧保護に関するものである。

圧力センサの一種に、振動子に加わる圧力の大きさに応じた振動子の共振周波数の変化を利用した振動式圧力センサがある。このような振動式圧力センサは、センサに外部から磁界を与えて駆動する電磁駆動方法や、センサ内にセンシングと駆動機能も合わせ持った静電駆動方法や圧電駆動方法などで駆動される。

図７に、従来の電磁駆動される振動式圧力センサの断面構成例の図を示す。

図７において、センサは、検出素子１と、検出素子１の中央部分に膜として形成されたダイアフラム２と、このダイアフラム２の上面に設けられた振動子３と、振動子３の上面でかつダイアフラム２の上面中央部分に配置された磁石４と、磁石４を挟むように形成されたヨーク５と、ダイアフラム２の下面に形成された支持部材６と、ダイアフラム２と電気的接続をするためにワイアボンディングで接続されたハーメチック端子７と、ハーメチック端子７を保持するように形成されたハーメチック８と、ダイアフラム２、磁石４、ヨーク５とキャップ９とで構成されている。なお、適切な磁界をダイアフラム２に与えるために、ヨーク５と振動子３は所定の間隔を保つように対向配置されている。これら構成部品は、それぞれ個別に加工されることから、ヨーク５とダイアフラム２の間隔は、各センサ毎に個別に調整される。

図８に、図７の振動式圧力センサの圧力印加時におけるセンサの断面構成を示す。

ダイアフラム２に支持部材６側から圧力が印加されると、ダイアフラム２は支持部材６とは反対方向に変位する。ダイアフラム２の過大圧力に対する破壊強度は、母材シリコンの寸法形状によって決定される。

以上の構成において、ダイアフラム２の下面に支持部材６側から高圧の圧力が導入されてダイアフラム２の上面から低圧の圧力が加わると、ダイアフラム２は高圧側圧力と低圧側圧力との差圧に応じて変位する。この変位に伴って変化する振動子３の共振周波数を電気的に検出すれば、差圧を検出できる。

特許文献１には、振動子を囲む真空室を安定に形成するとともに、共振周波数を検出するための静電容量の静電ギャップを、必要十分に狭く、かつ精度良く制御する振動式トランスデューサが記載されている。

特開２００７−１７０８４３号公報

しかしながら、図７に示す従来例のダイアフラム２には、静圧に対する保護機能は工夫されているが、差圧に対する過大な圧力の保護機能がないという問題がある。

また、静電駆動方法や圧電駆動方法の場合は、磁石などを除いた状態で使用されるが、ダイアフラム２には差圧に対する過大な圧力の保護機能を備えた構造はないという問題がある。

本発明の目的は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、比較的簡単な構成でセンサの耐圧性能を改善できる振動式圧力センサを実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
ダイアフラムに振動子が設けられた検出素子を備えた振動式圧力センサにおいて、
前記検出素子の上面に設けられた圧力保護部材と、
前記検出素子の下面に設けられた支持部材と
を具備し、
前記圧力保護部材は、前記ダイアフラムと所定の間隔を保つように形成され、
前記ダイアフラムは過大圧力が印加されることにより変位して前記圧力保護部材に押圧されることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記圧力保護部材の前記ダイアフラムとの対向面には、凹部が形成されていることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２に記載の発明において、
前記凹部にはさらに一段低い凹部が形成されていることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、
前記圧力保護部材の前記ダイアフラムと対向する位置に、貫通穴が形成されていることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１から４いずれかに記載の発明において、
前記圧力保護部材は、
前記検出素子と少なくとも２辺で接合されていることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１から５いずれかに記載の発明において、
前記圧力保護部材と前記検出素子との接合部にスペーサを介在させたことを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項１から６いずれかに記載の発明において、
前記検出素子の前記圧力保護部材との対向面には凹部が形成されていることを特徴とする。

請求項８記載の発明は、請求項１から７いずれかに記載の発明において、
前記圧力保護部材は、
ガラス、シリコン、セラミックのいずれかで構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、検出素子のダイアフラムに過大圧がかかった場合、ダイアフラムと対向するように配置した圧力保護部材側へ力を逃がすことができ、センサの耐圧性能を高めることができる。また、ウェーハプロセスで加工ができるようになるため、容易に製作することができる。

本発明の一実施例を示した構成断面図である。 図１の振動式圧力センサに圧力が印加されたときの要部断面図である。 図１の圧力保護部材およびダイアフラムの一実施例を示す上面図である。 本発明の他の実施例を示した要部構成図である。 本発明の他の実施例を示した要部構成図である。 本発明の他の実施例を示した要部構成図である。 従来の振動式圧力センサの断面構成例の図である。 図７の振動式圧力センサの圧力印加時におけるセンサ断面構成を示す図である。

以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の振動式圧力センサの一実施例を示す構成断面図である。なお、図３と同じ要素には同一符号を付す。

本発明に係るセンサは、検出素子１０と、検出素子１０の中央部分に膜として形成されたダイアフラム１１と、このダイアフラム１１に設けられた振動子１２と、このダイアフラム１１の上面に配置された圧力保護部材２０と、このダイアフラム１１の下面に設けられた支持部材６と、ダイアフラム１１と電気的接続をするためにワイアボンディングで接続されたハーメチック端子７と、ハーメチック端子７を保持するように形成されたハーメチック８と、センサの上部に設けられたキャップ９とで構成されている。

図７と異なる点は、ダイアフラム１１の上面に圧力保護部材２０を設け、この圧力保護部材２０のダイアフラム１１との対向面にはダイアフラム１１と所定の間隔を保つように凹部２１が形成され、ダイアフラム１１に振動子１２が形成されている箇所と対向する位置には凹部２１よりさらに一段低い凹部２２が形成されている点である。すなわち、２段階の凹部２１、２２を設けている点である。

圧力保護部材２０に２段階の凹部２１，２２を設けたことにより、ダイアフラム１１にかかる力が集中するのを防ぐことができる。また、過大圧が掛からないときには、圧力保護部材２０とダイアフラム１１に設けられた振動子１２とが、接触しないようにすることができる。

また、図１に示す振動子１２は、静電駆動される。静電駆動方式では、磁界などの外力が不要となり、回路に接続するだけで振動子１２として機能できるため、振動子１２単体での駆動ができる。したがって、電磁駆動式のように振動子１２の近傍に磁石を備える必要がないことから、振動子１２を備えたダイアフラム１１の上面に圧力保護部材２０を容易に形成できる。

以上の構成において、ダイアフラム１１の下面に支持部材６側から高圧側圧力が導入され、ダイアフラム１１の外側から低圧側圧力が加わると、ダイアフラム１１は、高圧側圧力と低圧側圧力との差圧に応じて変位する。この変位に伴う振動子１２の共振周波数の変化を電気的に検出すれば、差圧を検出できる。

図２は図１の振動式圧力センサに圧力が印加されたときの要部断面図であり、ダイアフラムの下面に支持部材６側から圧力が印加された場合の断面図を示している。

ダイアフラム１１の下面に支持部材６側から圧力が印加されると、圧力保護部材側２０の凹部２１に向かってダイアフラム１１の中央部が変位し、この中央部分が圧力保護部材２０の凹部２１に接触している。圧力保護部材２０にダイアフラム１１が接触することによって、ダイアフラム１１にかかる力を圧力保護部材２０側に分散することができ、センサの耐圧性能を向上させることができる。

また、凹部２１を設けることで、過大な圧力がかかったときにのみダイアフラム１１と圧力保護部材２０が接触するようになり、通常の圧力測定のときには、ダイアフラム１１が圧力保護部材２０と接触しない構造となっている。

また、圧力保護部材２０、検出素子１０、支持部材６などの構成部材はウェーハプロセスで加工できるため、容易に製作できる。

図３は図１の圧力保護部材およびダイアフラムの構成を示す上面図である。

検出素子１の中央部分には膜としてダイアフラム１１が形成され、このダイアフラム１１の上面に振動子３が設けられている。また、ハーメチック端子７と電気的に接合するための端子１３がそれぞれ形成されている。また、検出素子１０に接合する圧力保護部材２０は、ダイアフラム１１を挟んだ二辺に接合している。検出素子１０に形成した端子１３上には、圧力保護部材２０を配置していないため、検出素子１０上に設けられた端子１３に回路などと電気的な接続をワイヤボンディングなどで容易に実現することができる。

図４は本発明の振動式圧力センサの他の実施例を示す要部構成図であり、（a）はダイアフラムの断面図であり、(b)はダイアフラムの上面図である。

図１と異なる点は、圧力保護部材３０の振動子１２と対向する位置に貫通穴３１が形成されている点である。圧力保護部材３０に貫通穴３１を形成した場合、２段階の凹部２１、２２を形成するよりも圧力伝達を早くすることができる。

また、圧力保護部材２０、３０における２段階の凹部２１、２２や貫通穴３１などは、エッチング、研削加工、サンドブラスト加工、成型などにより形成することができる。また、２段階の凹部２１、２２、貫通穴３１などの形状を形成後、表面の粗さや加工精度に影響が生じるため、ダイアフラム１１の形状寸法や、必要耐圧、加工コストを考慮して加工形状を選択することが望ましい。

なお、製作工程を簡便にするためウェーハ状態で図２から図４のような構成に製作できるが、ウェーハをカットした後に、図２から図４のような構造を形成してもよい。また、ウェーハをカットした後に、図２から図４のような構造を形成すると工程数が多くなり煩雑な製作工程になるが、ウェーハをカットした後に接合することにより、各振動子毎のダイアフラム１１と圧力保護部材２０，３０との距離(以下ギャップという)をそれぞれ変更することもできる。

また、圧力保護部材２０，３０と検出素子１０のそれぞれの接合位置は、ダイアフラム１１を挟んだ２辺としたが、３辺以上と接合してもよい。たとえば、ダイアフラム１１を囲むように、圧力保護部材２０，３０と検出素子１０との４辺を接合することにより、２辺や３辺を接合するよりも圧力保護部材２０，３０と検出素子１０との接合強度を上げる効果が得られる。

また、圧力保護部材２０，３０と検出素子１０の接合部は辺としてではなく、２点以上の点付け接合としてもよいが、圧力保護部材２０，３０の接合強度面を考慮すると、接合面積が多い方がよい。逆に、圧力の伝達速度や圧力特性を上げるためには、接合面積を少なくすればよい。

ダイアフラム１１と圧力保護部材２０，３０とのギャップ量と同様の考え方により、ダイアフラム１１形成用のエッチング量を小さく設計することで、支持部材６を圧力保護部材２０，３０に活用することもできる。また、差圧センサの場合は、両側に過大な圧力が印加されることも考えられるが、どちらに過大な圧力が印加されても耐性性能が高い振動子を提供することができる。

図５も本発明の振動式圧力センサの他の実施例を示す要部構成図である。

図１や図４と異なる点は、圧力保護部材２０，３０の凹部２１，２２や貫通穴３１に代えて、検出素子１０と圧力保護部材４０との間に接合部としてスペーサ５０が設けられていることである。

このスペーサ５０は、圧力保護部材４０やダイアフラム１１のそれぞれのギャップを調節するために設けられている。ギャップ量は、ダイアフラム１１の面積形状などによって最適値が異なるが、ダイアフラム１１に圧力が印加され、ダイアフラム１１が撓み、脆性破壊する前に、圧力保護部材４０と接触するようにギャップを狭く設定する必要がある量をいう。

このスペーサ５０を設けることにより、スペーサ５０によってギャップ量を調整できるため、凹部２１は不要になり、自動的に調整することができる。

図６も本発明の振動式圧力センサの他の実施例を示す要部構成図である。

図６においても、検出素子７０の中央部分にはダイアフラム７１が形成されて振動子７２が設けられているが、図１や図４と異なる点は、圧力保護部材２０，３０の凹部２１，２２や貫通穴３１に代えて、圧力保護部材６０との対向面には凹部７３が形成されていることである。

なお、図１と同様に、圧力保護部材６０のダイアフラム１１側の対向面にも凹部を形成してもよい。

このように検出素子７０に凹部７３を形成することにより、容易にギャップを調節することができる。また、同じギャップを設ける場合でも、図５よりも図６の方が、部材を増やすことなく、検出素子７０を製造する際に一度に凹部７３を形成することができるため、コストを安くすることができる。

なお、本発明では、圧力保護部材２０，３０，４０，６０の素材としてガラスを使用しているが、たとえばシリコン、セラミックなどを使用してもよい。また、シリコンと線膨張係数が近い材料を選択することが望ましい。

また、圧力保護部材２０，３０，４０，６０の素材としてシリコンを使用した場合は、ダイアフラム１１，７１と材料が同じになり、ダイアフラム１１，７１に印加する圧力が静圧の場合に均等な圧縮応力が働くことから、素材がガラスの場合よりも静圧に対する良好な特性が期待できる。

さらに、圧力保護部材２０，３０，４０，６０の素材としてシリコンを使用した場合は、ガラスのような透過性や絶縁性は得られないものの、エッチングによる加工が容易であるという利点が得られる。

圧力保護部材２０，３０，４０，６０の素材としてガラスを使用した場合は、ガラスは透過性があるため、振動子１２，７２が設けられたダイアフラム１１，７１と圧力保護部材２０，３０，４０，６０との調整の確認や、両者のギャップ内に入り込んだ異物などの不具合チェックをすることができる。

また、ガラスは絶縁体であるため、圧力保護部材２０，３０，４０，６０とダイアフラム１１，７１との接触面との間に生ずる寄生容量を大幅に低減できる。そして、ガラスはシリコンとの陽極接合ができるため、圧力保護部材２０，３０，４０，６０にガラスを使用することで容易に強固な接合ができる。

振動子１２，７２が設けられたダイアフラム１１，７１と圧力保護部材２０，３０，４０，６０との接合方法は、陽極接合以外にも、活性化接合、共晶接合、そして異種材料を介したロウ付け接合などによる方法もある。

陽極接合や活性化接合などの場合は、接合に関係する部材がほとんど変形しないため、ギャップの制御を容易にできる。さらに、ギャップ精度をそれほど必要としないセンサの場合（ダイアフラム１１，７１の径が大きくダイアフラム１１，７１の撓み量を大きく取れる場合など）には、共晶接合、ロウ付け接合なども選択することができる。

なお、本発明において、図１の凹部２１と同様に、図２、４，５，６における凹部を形成する場合には、ダイアフラム１１，７１より大きくそれぞれの凹部２１、３２、７３(図５では検出素子１０、圧力保護部材４０、スペーサ５０で囲まれている部分をここでの凹部とする)が形成することが望ましい。

また、凹部７３の幅ａは、検出素子７０の支持部材６に対向する側に形成されている凹部の幅ｂよりも長く設計されている。幅ａが幅ｂよりも長く設計されることは、図６の実施例だけでなく、本発明の全ての実施例に共通することである。

さらに、上記実施例では、振動式圧力センサについて説明したが、センサをセンサチップとして一体化した場合にはセンサチップのみでの耐圧性能を向上させることができる。

以上説明したように、本発明によれば、耐圧性能の優れた振動式圧力センサを容易に製作することができる。

６ 支持部材
１０、７０ 検出素子
１１、７１ ダイアフラム
１２、７２ 振動子
１３ 端子
２０、３０、４０、６０ 圧力保護部材
２１、２２、３２、６１ 凹部
３１ 貫通穴
５０ スペーサ

Claims (8)

1. ダイアフラムに振動子が設けられた検出素子を備えた振動式圧力センサにおいて、
   前記検出素子の上面に設けられた圧力保護部材と、
   前記検出素子の下面に設けられた支持部材と
   を具備し、
   前記圧力保護部材は、前記ダイアフラムと所定の間隔を保つように形成され、
   前記ダイアフラムは過大圧力が印加されることにより変位して前記圧力保護部材に押圧されることを特徴とする振動式圧力センサ。
2. 前記圧力保護部材の前記ダイアフラムとの対向面には、凹部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の振動式圧力センサ。
3. 前記凹部にはさらに一段低い凹部が形成されていることを特徴とする請求項２記載の振動式圧力センサ。
4. 前記圧力保護部材の前記ダイアフラムと対向する位置に、貫通穴が形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の振動式圧力センサ。
5. 前記圧力保護部材は、
   前記検出素子と少なくとも２辺で接合されていることを特徴とする請求項１から４いずれかに記載の振動式圧力センサ。
6. 前記圧力保護部材と前記検出素子との接合部にスペーサを介在させたことを特徴とする請求項１から５いずれかに記載の振動式圧力センサ。
7. 前記検出素子の前記圧力保護部材との対向面には凹部が形成されていることを特徴とする請求項１から６いずれかに記載の振動式圧力センサ。
8. 前記圧力保護部材は、
   ガラス、シリコン、セラミックのいずれかで構成されていることを特徴とする請求項１から７いずれかに記載の振動式圧力センサ。