JP2014115099A - Pressure sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、検出すべき圧力によって変位するダイアフラムを備えた圧力センサに関する。 The present invention relates to a pressure sensor including a diaphragm that is displaced by a pressure to be detected.
現在、流体の圧力を検出するセンサや1軸の押圧力を検出する力覚センサの市場ニーズが高まっている。本発明においては、流体の圧力を検出するセンサも力覚センサも圧力を検出するセンサであるので、上位概念としての圧力センサとして扱う。 Currently, there is a growing market need for sensors that detect fluid pressure and force sensors that detect uniaxial pressing force. In the present invention, both the sensor for detecting the pressure of the fluid and the force sensor are sensors for detecting the pressure, and thus are treated as pressure sensors as a general concept.
例えば、特許文献1,2には、検出すべき圧力によって変位するダイアフラムを備えた圧力センサが開示されている。
For example,
特許文献1の圧力センサは、ダイアフラムの固定部周辺にピエゾ抵抗を配し、圧力によってダイアフラムが押されることで発生する応力を検出するピエゾ抵抗式圧力センサである。
The pressure sensor of
特許文献2の圧力センサは、ダイアフラムとそれに対向する位置に電極を配し、圧力によって対向する間隔が変化することを容量変化で検出する静電容量式圧力センサである。
The pressure sensor disclosed in
図8は特許文献2に示されている圧力センサの断面図である。図8において、圧力センサ30は、比較的厚みのある板状の基体32の上に検出体41を接合した構造である。基体32の上面には第1の電極44、誘電体膜22等が形成されている。検出体41は水晶板のほぼ中央部分に矩形薄板の変形領域42が形成されたものである。変形領域42の下面には第2の電極46が形成されている。また、検出体41の下面から上面にかけて導電部37、引き出し電極46a、電極パット46bが形成されている。そして、電極パット46bおよび導電部37にボンディングワイヤW1およびW2がそれぞれ接続されている。
FIG. 8 is a cross-sectional view of the pressure sensor disclosed in
特許文献1に示されているピエゾ抵抗式圧力センサにおいてはダイアフラムの構造を形成するとともにピエゾ抵抗素子の形成も必要となり、プロセスが多く、製造コストが嵩む。
In the piezoresistive pressure sensor shown in
また、特許文献2に示されている静電容量式圧力センサにおいては、図8に表れているように、対向電極からの配線引き回しが非常に複雑になる。そのため、やはりプロセスが多く、製造コストが嵩む。
Moreover, in the capacitance-type pressure sensor shown in
そこで、本発明は、これらの事情に鑑み、複雑な層構造や配線引き回し構造を必要とせずに、低コスト化を図った圧力センサを提供することを目的としている。 Therefore, in view of these circumstances, an object of the present invention is to provide a pressure sensor that achieves cost reduction without requiring a complicated layer structure or wiring routing structure.
(1)本発明は、導体により構成された、または一部に導体を有し、検出すべき圧力によって変位するダイアフラムと、前記ダイアフラムに対向する同一面に形成され、電極間に生じるフリンジ電界による静電容量が前記ダイアフラムとの間隙によって変化する、少なくとも二つの電極とを備えたことを特徴とする。 (1) The present invention is based on a fringe electric field that is formed on a same surface facing the diaphragm, and a diaphragm that is constituted by a conductor or has a conductor in part and is displaced by pressure to be detected. It is characterized by comprising at least two electrodes whose capacitance varies depending on the gap with the diaphragm.
(2)誘電体により構成された、または一部に誘電体を有し、検出すべき圧力によって変位するダイアフラムと、前記ダイアフラムに対向する同一面に形成され、電極間に生じるフリンジ電界による静電容量が前記ダイアフラムとの間隙によって変化する、少なくとも二つの電極とを備えたことを特徴とする。 (2) A diaphragm made of a dielectric material or having a dielectric material in part and displaced by a pressure to be detected, and a static electricity generated by a fringe electric field formed between the electrodes formed on the same surface facing the diaphragm. It is characterized by comprising at least two electrodes whose capacitance changes depending on the gap with the diaphragm.
本発明によれば、ダイアフラムが対向する面にのみ電極を配するので、複雑な層構造や配線引き回し構造を必要とせずに、低コスト化な圧力センサを構成できる。 According to the present invention, since the electrodes are disposed only on the surface facing the diaphragm, a low-cost pressure sensor can be configured without requiring a complicated layer structure or wiring routing structure.
《第1の実施形態》
図1は第1の実施形態に係る圧力センサの主要部の断面図である。この圧力センサは基材1と、その上部に形成されたダイアフラム2を備えている。ダイアフラム2の内面には導体膜3が形成されている。基材1のダイアフラム2が対向する面に二つの電極4,5が形成されている。基材1の下面には電極4,5と導通する端子6,7が形成されている。
<< First Embodiment >>
FIG. 1 is a cross-sectional view of the main part of the pressure sensor according to the first embodiment. This pressure sensor includes a
図2は、図1に示す圧力センサのダイアフラムを取り除いた状態での斜視図である。二つの電極4,5はそれぞれ櫛歯状の電極であり、交互に入り込んでいる。電極4,5間に電圧が印加されることにより、電極4,5が対向する間隙およびその近傍にフリンジ電界(まわり込み電界)が生じる。図1中の波線はそのフリンジ電界の電気力線を概念的に示している。
FIG. 2 is a perspective view of the pressure sensor shown in FIG. 1 with the diaphragm removed. Each of the two
前記基材1は例えばSi基板、電極4,5および導体膜3は例えばAl膜である。これらは半導体プロセスによって製造されるが、ダイアフラム側の導体膜は微細パターンの形成が不要であるので構造が簡単であり、例えば深堀りRIE(Deep RIE)でSi基板をエッチングする必要もなく、製造コストを抑えられる。
The
ダイアフラム2は外力F(図1参照)によって湾曲変形(変位)する。ダイアフラム2の内面に形成されている導体膜3はダイアフラム2と共に変形するので、この導体膜3と電極4,5との間隔はダイアフラム2の変位に応じて変化する。
The
導体膜3は電気的にフローティング状態にあるが、導体膜3の一部は電極4,5間に生じるフリンジ電界中に存在するので、導体膜3はフリンジ電界に影響を及ぼし、その程度は導体膜3と電極4,5との間隔によって変化する。すなわち、電極4,5間の静電容量は、電極4,5間の間隔だけでなく、電極4,5と導体膜3との間隔によって定まる。したがって、外力Fに応じて電極4,5間の静電容量が変化し、この静電容量によって外力Fを検出できる。
Although the
図3は図1に示した圧力センサの端子6,7に接続される容量検出回路の例である。この容量検出回路は、オペアンプを含むスイッチド・キャパシタ回路で構成されている。図3において、キャパシタCw1,Cw2のうち一方は、上記圧力センサの容量、他方は参照用の容量である。キャパシタCfはオペアンプOPの反転入力端子への帰還容量であり、オペアンプOPはキャパシタCfとともに積分回路を構成する。電源端子+Vinと−Vinには正負の定電圧が印加される。複数のスイッチS1,S2は交互にオン/オフされる。このことにより、キャパシタCw1,Cw2の容量比に比例する電圧がVout端子へ出力される。
FIG. 3 shows an example of a capacitance detection circuit connected to the
《第2の実施形態》
図4(A)、図4(B)、図4(C)は、第2の実施形態に係る圧力センサのダイアフラムが対向する面に形成されている二つの電極のパターンを示す図である。
<< Second Embodiment >>
FIG. 4A, FIG. 4B, and FIG. 4C are diagrams showing patterns of two electrodes that are formed on the surface of the pressure sensor according to the second embodiment on which the diaphragms face each other.
図4(A)の例では、電気的に互いに接続された電極4a,4b、および電気的に互いに接続された電極5a,5bを備えている。同電位の電極を仮に色付けすれば、市松模様(チェッカーパターン)のようになる。
In the example of FIG. 4A,
図4(B)の例では、図4(A)に示した電極4a,4b,5a,5bのうち隣接位置を櫛歯状に入り込ませたパターンにしている。
In the example of FIG. 4B, the adjacent positions of the
図4(C)の例では、2つの電極4,5を同心円弧状にし、且つ2つの電極4,5を交互に入り込ませたパターンにしている。
In the example of FIG. 4C, the two
これらの例で示すように、対向する二つの電極から生じるフリンジ電界の分布範囲を拡げることで、フランジの変位に対する電極間容量の変化率を高めることができ、圧力検出感度を高めることができる。 As shown in these examples, by expanding the distribution range of the fringe electric field generated from the two electrodes facing each other, the rate of change of the interelectrode capacitance with respect to the displacement of the flange can be increased, and the pressure detection sensitivity can be increased.
《第3の実施形態》
図5は第3の実施形態に係る圧力センサの主要部の断面図である。この圧力センサは基材1と、その上部に形成されたダイアフラム23を備えている。この圧力センサは、ダイアフラム全体が導体膜で構成されている。基材1のダイアフラム23が対向する面に二つの電極4,5が形成されている。基材1の下面には電極4,5と導通する端子6,7が形成されている。
<< Third Embodiment >>
FIG. 5 is a cross-sectional view of the main part of the pressure sensor according to the third embodiment. The pressure sensor includes a
ダイアフラム23は例えばSi等で構成されている。このように、ダイアフラム全体が導体で構成されていてもよい。
The
《第4の実施形態》
図6は第4の実施形態に係る圧力センサの主要部の断面図である。この圧力センサは基材1と、その上部に形成されたダイアフラム2を備え、ダイアフラム2の内面に誘電体膜8が形成されている。基材1のダイアフラム2が対向する面に二つの電極4,5が形成されている。基材1の下面には電極4,5と導通する端子6,7が形成されている。
<< Fourth Embodiment >>
FIG. 6 is a cross-sectional view of the main part of the pressure sensor according to the fourth embodiment. This pressure sensor includes a
このように、基材に形成された電極に誘電体膜が対向していると、誘電体膜8の一部は電極4,5間に生じるフリンジ電界中に存在するので、誘電体膜8はフリンジ電界に影響を及ぼし、その程度は誘電体膜8と電極4,5との間隔によって変化する。すなわち、電極4,5間の静電容量は、電極4,5間の間隔だけでなく、電極4,5と誘電体膜8との間隔によって定まる。したがって、外力Fに応じて電極4,5間の静電容量が変化し、この静電容量によって外力Fを検出できる。
Thus, when the dielectric film is opposed to the electrode formed on the base material, a part of the
前記誘電体膜8を高εrの誘電体材料で構成することにより、必要な容量を省スペースで構成できる。金属膜とは異なり、誘電体膜表面には凹凸があるので、誘電体膜8が電極4,5に貼り付く(スティッキング)現象が起きにくく、基材1とダイアフラムとの間隙を予め狭く設計することができる。
By configuring the
《第5の実施形態》
図7は第5の実施形態に係る圧力センサの主要部の断面図である。この圧力センサは基材1と、その上部に形成されたダイアフラム28を備えている。この圧力センサは、ダイアフラム28全体が誘電体膜で構成されている。基材1のダイアフラム28が対向する面に二つの電極4,5が形成されている。基材1の下面には電極4,5と導通する端子6,7が形成されている。
<< Fifth Embodiment >>
FIG. 7 is a cross-sectional view of the main part of the pressure sensor according to the fifth embodiment. The pressure sensor includes a
ダイアフラム28は例えばガラスやPZT等で構成されている。このように、ダイアフラム全体が誘電体で構成されていてもよい。
The
なお、ダイアフラム全体が導体膜または誘電体膜で形成されている場合についても、電極4,5の形状は図4に示したように様々な形状をとり得る。
Even when the entire diaphragm is formed of a conductor film or a dielectric film, the
また、以上に示した圧力センサは単体の素子としても構成できるが各種信号処理を行うIC上に搭載することも可能である。また、センサ以外の回路が形成される半導体基板の一部にダイアフラムを構成することで、圧力センサ付きモジュールを構成することも可能である。 The pressure sensor described above can be configured as a single element, but can also be mounted on an IC that performs various signal processing. It is also possible to configure a module with a pressure sensor by configuring a diaphragm on a part of a semiconductor substrate on which a circuit other than the sensor is formed.
F…外力
1…基材
2…ダイアフラム
3…導体膜
4,5…電極
4a,4b,5a,5b…電極
6,7…端子
8…誘電体膜
23…ダイアフラム
28…ダイアフラム
F ...
Claims (2)
前記ダイアフラムに対向する同一面に形成され、電極間に生じるフリンジ電界による静電容量が前記ダイアフラムとの間隙によって変化する、少なくとも二つの電極とを備えた圧力センサ。 A diaphragm constituted by a conductor or having a conductor in part and displaced by the pressure to be detected;
A pressure sensor comprising at least two electrodes, which are formed on the same surface facing the diaphragm, and change in capacitance due to a fringe electric field generated between the electrodes depending on a gap with the diaphragm.
前記ダイアフラムに対向する同一面に形成され、電極間に生じるフリンジ電界による静電容量が前記ダイアフラムとの間隙によって変化する、少なくとも二つの電極とを備えた圧力センサ。 A diaphragm constituted by a dielectric material or having a dielectric material in part and displaced by a pressure to be detected;
A pressure sensor comprising at least two electrodes, which are formed on the same surface facing the diaphragm, and change in capacitance due to a fringe electric field generated between the electrodes depending on a gap with the diaphragm.
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CN109313095A (en) * | 2016-05-27 | 2019-02-05 | 罗伯特·博世有限公司 | Micro-mechanical component for pressure sensor apparatus |
US10488287B2 (en) * | 2016-04-06 | 2019-11-26 | City University Of Hong Kong | Electric device for detecting pressure |
US11280692B2 (en) | 2016-12-20 | 2022-03-22 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Pressure sensor device and pressure sensor module including same |
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