JP3932302B2

JP3932302B2 - 圧力センサ

Info

Publication number: JP3932302B2
Application number: JP2000397477A
Authority: JP
Inventors: 守人秋山; 政宏木下; 英之備後; 誠中村
Original assignee: Omron Corp; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: Omron Corp; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2007-06-20
Anticipated expiration: 2020-12-27
Also published as: JP2002195904A; EP1219940A2; US6606911B2; EP1219940A3; US20020078756A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧力センサ、特に、超薄型の静電容量式圧力センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、静電容量式圧力センサとしては、例えば、特開平７−５５６１５号公報に記載のものがある。すなわち、コンデンサ素子の対向電極間に、加圧により弾性変化する弾性誘電体を介装したことを特徴とする静電容量型力センサである。そして、このセンサに圧力が加わると、弾性誘電体が弾性変化し、対向電極間の距離が変化する。このため、コンデンサ素子の静電容量が変化し、この静電容量の変化を測定することにより、圧力を検出できる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の圧力センサでは、弾性誘電体を厚さ方向に弾性変形させる必要があるので、弾性誘電体に所定の厚さを必要とし、圧力センサの薄型化に限界がある。
また、弾性誘電体の厚さ方向の弾性変形に応じて片側の対向電極も変形し、機械的疲労が蓄積するので、所望の寿命が得られない。
さらに、前記弾性誘電体の誘電率は外部温度の影響によって変化しやすく、特性が不安定である。このため、温度変化による影響を回避するための工夫が必要となり、構造が複雑になるという問題点がある。
【０００４】
本願発明は、前記問題点に鑑み、構造が簡単で、耐久性に優れた超薄型の圧力センサを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる圧力センサは、前記目的を達成するため、ＡｌＮ、ＧａＮ，ＩｎＮ，ＮｂＮ，ＴａＮのいずれか一つもしくはそれらの組み合わせからなり、かつ、圧力によって誘電率を変化させる感圧膜を、対向する電極間に配置して積層一体化した構成としてある。
したがって、本発明によれば、従来例のように厚さ方向の弾性変形を考慮する必要がなく、超薄型の圧力センサが得られる。また、従来例のように弾性変形する部分がないので、対向電極に機械的疲労が蓄積せず、耐久性が向上する。さらに、従来例のように温度の影響を受けやすい弾性誘電体を使用する必要がなく、外部温度の影響を考慮する必要がない。このため、構造が簡単で、製造が容易な圧力センサを得られるという効果がある。
【０００６】
さらに、最下層に位置する電極をセラミック製基材の表面、あるいは、フレキシブルなフィルムの表面に積層一体化して圧力センサを構成してもよい。
本実施形態によれば、前述の効果に加え、使い勝手の良い圧力センサを得られるという効果がある。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の圧力センサにかかる実施形態を図１ないし図７の添付図面に従って説明する。
第１実施形態は、図１に示すように、セラミック製基材１０の表面に圧力センサを形成した場合である。すなわち、基材１０の表面中央に第１電極１１、感圧膜１３、第２電極１４を順次積層一体化した後、保護膜１６で被覆した場合である。なお、説明の便宜上、図１（Ａ）において保護膜１６は図示されていない。
【０００８】
前記基材１０としては、例えば、単結晶セラミック、多結晶セラミック（ＭｏＳｉ₂，Ａｌ₂Ｏ₃，ＳｉＣ，Ｓｉ₃Ｎ₄）、あるいは、ガラス等の無機質材が挙げられる。
なお、基材１０は板状無機質材に限らず、例えば、金属フィルム，樹脂フィルムであってもよい。金属フィルムとしては、例えば、ステンレス，りん青銅を代表とする銅合金，アルミニウム，チタン等のフィルムが挙げられる。また、樹脂フィルムとしては、例えば、ポリイミド，ポリエチレンテレフタレート，ポリカーボネイト，ポリフェニレンサルファイド等のフィルムが挙げられる。
【０００９】
第１電極１１はコンデンサー素子の一部を構成するものであり、前記基材１０および後述する感圧膜１３との相性を考慮して選択すればよく、例えば、Ｃｒ，Ａｕ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｌ，Ｔａ等の他、ＡｇＮｉ等の合金が挙げられる。第１電極１１の形成方法としては、例えば、印刷，薄膜処理，スパッタ，蒸着，イオンプレーティングが挙げられる。
【００１０】
感圧膜１３は圧力によって誘電率が変化するものであり、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）の他、ＧａＮ，ＩｎＮ，ＮｂＮ，ＴａＮが挙げられる。なお、感圧膜１３は、必ずしも単一の素材で形成する必要はなく、必要に応じて前述の材料を組み合わせ、あるいは、積層して形成してもよい。
また、感圧膜１３の厚さは必要に応じて選択できるが、厚さ１μｍないし１０μｍ、特に、２μｍないし５μｍが好適である。１μｍ未満であると、絶縁不良を発生するからであり、１０μｍを越えると、静電容量が小さく、製造コストがアップするからである。
特に、窒化アルミニウムで感圧膜１３を形成する場合には、厚さ３μｍないし５μｍが好適である。３μｍ未満であると、ピンホールが発生し、絶縁不良が発生するからであり、５μｍを越えると、静電容量が小さく、製造コストがアップするからである。
さらに、感圧膜１３の形成方法としては、任意の方法を選択でき、例えば、スパッタリング法，イオンプレーティング法，ＣＶＤ法，ＰＶＤ法などが挙げられる。
【００１１】
第２電極１４は、第１電極１１と同様、コンデンサー素子の一部を構成するものであり、第１電極１１と同一の材料および方法で形成できる。ただし、必ずしも常に第１電極１１と同一の材料，方法で形成する必要はなく、必要に応じて異なる材料，方法で形成してもよい。
【００１２】
保護膜１６は、例えば、ポリイミドをはじめとする樹脂フィルム，ガラス材，ＳｉＯ₂からなるものが挙げられる。ただし、第１電極１１，第２電極１４のリード線１２，１５の端部は保護膜１６に被覆されていない。
【００１３】
次に、前述の構成からなる圧力センサの動作について説明する。
圧力センサに外部圧力が負荷されていない場合には、感圧膜１３は誘電率が一定であり、静電容量も一定である。そして、保護膜１６に所定の外部圧力が負荷されると、感圧膜１３の誘電率が変化し、静電容量が変化する。このため、電極１１，１４で静電容量を測定することにより、圧力の大きさを測定できる。
【００１４】
第２実施形態は、図２に示すように、前述の第１実施形態とほぼ同様であり、異なる点は第１，第２電極１１，１４のリード線１２，１５を基材１０の下面まで延在させた点、および、前記基材１０の下面を除いて保護膜１６で被覆した点である。他は前述の実施形態とほぼ同様であるので、説明を省略する。
本実施形態によれば、プリント基板に表面実装できるので、組立作業が容易になるという利点がある。
【００１５】
第３実施形態は、図３に示すように、第１実施形態とほぼ同様であり、異なる点は、基材１０を貫通する一対の接続端子１７，１８を第１，第２電極１１，１４のリード線１２，１５にそれぞれ接続した点である。他は前述の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
本実施形態によれば、センサ素子を汎用リード部品と同様に扱うことができ、構成部品すべてを同一方向から組立てられるという利点がある。
【００１６】
第４実施形態は、図４に示すように、前述の第３実施形態とほぼ同様であり、異なる点は基材１０の上方全面を保護膜１６で被覆した点である。
本実施形態によれば、基材１０の上方全面が保護膜１６で被覆されている一方、接続端子１７，１８の下端部が基材１０の下面から突出している。このため、本実施形態にかかる圧力センサをプリント基板に実装すれば、絶縁性の高い圧力センサが得られる。
【００１７】
第５実施形態は、図５に示すように、第１電極１１を中心電極１９ａと環状電極１９ｂとからなる同心円状に形成した場合である。そして、基材１０を貫通する一対の接続端子１８，１７が前記中心電極１９ａおよび環状電極１９ｂにそれぞれ接続されている。なお、本実施形態にかかる中心電極１９ａおよび環状電極１９ｂの大きさ，比率等は必要に応じて変更できることは勿論である。
本実施形態によれば、同一表面に形成した第１電極１１の中心電極１９ａおよび環状電極１９ｂに接続端子１８，１７をそれぞれ接続できるので、第２電極１４の形状が簡単になり、製造が容易になる。また、圧力と誘電率との相関関係が線形になり、測定しやすいという利点がある。
【００１８】
第６実施形態は、図６に示すように、第１電極１１を一対の半円形状の分割電極２０ａ，２０ｂで構成した場合である。
本実施形態によれば、第１実施形態にかかる第１電極１１にスリットを入れて分割電極２０ａ，２０ｂを形成し、それぞれに接続端子１７，１８を接続する。このため、第１電極１１の形状を複雑にすることなく、一対の接続端子１７，１８を接続できるので、製造が容易になるという利点がある。
【００１９】
第７実施形態は、図７に示すように、フィルム状基材２１の表面に圧力センサとＩＣ部品２４とを配置し、接続した場合である。
すなわち、平面長方形のポリイミドフィルムからなる基材２１の表面に第１電極１１、リード線１２，１５、および、接続パッド２２ａないし２２ｄ、２３ａないし２３ｄを形成した（図Ａ）。ついで、第１電極１１の上面に強誘電体、例えば、窒化アルミニウムからなる感圧膜１３をスパッタリングで形成する（図Ｂ）。さらに、前記感圧膜１３の表面に第２電極１４を形成するとともに、この第２電極１４をリード線１５に接続する（図Ｃ）。最後に、前記接続パッド２２ａないし２２ｄ、２３ａないし２３ｄにＩＣ部品２４の接続端子をそれぞれ位置決めし、電気接続する（図Ｄおよび図Ｅ）。
本実施形態によれば、通常、圧力センサを設置しにくい狭い空間、あるいは、密閉した空間内の圧力をも容易に検知できるという利点がある。例えば、自動車タイヤ内の圧力測定、あるいは、腕時計内に組み込んで外気圧を測定，表示するという使用方法が挙げられる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明にかかる圧力センサによれば、従来例のように厚さ方向の弾性変形を考慮する必要がなく、超薄型の圧力センサが得られる。また、従来例のように弾性変形する部分がないので、対向電極に機械的疲労が蓄積せず、耐久性が向上する。さらに、従来例のように温度の影響を受けやすい弾性誘電体を使用しないので、外部温度の影響を考慮する必要がなくなり、構造が簡単で、製造が容易な圧力センサを得られるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明にかかる圧力センサの第１実施形態を示し、図Ａは平面図、図Ｂは縦断面図である。
【図２】本願発明にかかる圧力センサの第２実施形態を示し、図Ａは平面図、図Ｂは縦断面図である。
【図３】本願発明にかかる圧力センサの第３実施形態を示し、図Ａは平面図、図Ｂは縦断面図である。
【図４】本願発明にかかる圧力センサの第４実施形態を示し、図Ａは平面図、図Ｂは縦断面図である。
【図５】本願発明にかかる圧力センサの第５実施形態を示し、図Ａは平面図、図Ｂは縦断面図である。
【図６】本願発明にかかる圧力センサの第６実施形態を示し、図Ａは平面図、図Ｂは縦断面図である。
【図７】本願発明にかかる圧力センサの第７実施形態を示し、図Ａないし図Ｄは製造工程を示す平面図、図Ｅは縦断面図である。
【符号の説明】
１０…基材、１１…第１電極、１２…リード線、１３…感圧膜、１４…第２電極、１５…リード線、１６…保護膜、１７，１８…接続端子、１９ａ…中心電極、１９ｂ…環状電極、２０ａ，２０ｂ…分割電極、２１…基材、２４…ＩＣ部品。

Claims

ＡｌＮ、ＧａＮ，ＩｎＮ，ＮｂＮ，ＴａＮのいずれか一つもしくはそれらの組み合わせからなり、かつ、圧力によって誘電率を変化させる感圧膜を、対向する電極間に配置して積層一体化したことを特徴とする圧力センサ。
最下層に位置する電極を、セラミック製基材の表面に積層一体化したことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
最下層に位置する電極を、フレキシブルなフィルムの表面に積層一体化したことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。