JP4035261B2 - 静電容量型圧力検出素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電容量型圧力検出素子に関する。詳しくは、渦流量計の流体振動の検出など比較的速い応答性、特に、１５０Ｈｚ以上の速い流体振動に対する応答性が要求される用途に好適な静電容量型圧力検出素子に関する。
【０００２】
【背景技術】
渦流量計は、流路に設けた渦発生体から生じる流体振動の周波数が流速に比例する（流路の断面積が決まっているから、従って流量に比例する）ことを利用するもので、構造が簡単で可動部がなく、圧力損失も小さく、しかも、レンジアビリティが大きいことから、広範囲の流体の体積流量の測定に用いられている。
【０００３】
流体の振動を検出する方法としては、流量に比例して変化する渦周波数が交番差圧を発生するため、この渦発生体近傍の交番差圧を直接検出する方法が知られている。
この交番差圧の検出による方法は、特に気体の流量を測定する場合は効果的であるが、この渦周波数の交番差圧を検出する差圧検出素子が必要となる。
【０００４】
流路に置かれた渦発生体の近傍に発生する交番差圧を検出する具体的な差圧検出素子としては、従来からある静電容量型圧力検出素子が知られている。
これは、図５に示すように、シリコン製のダイアフラム１と、このダイアフラム１を挟んで接合されかつダイアフラム１との間に空隙２，３を有するガラス製の２枚の絶縁部材４，５とを備える。各絶縁部材４，５には、前記ダイアフラム１と対向する面に電極６，７がそれぞれ形成されているとともに、ダイアフラム１の中央部分と対向する位置に前記空隙２，３に連通する圧力導入口８，９が貫通形成されている。
【０００５】
差圧検出素子の両面に差圧が生じると、圧力は圧力導入口８，９を経てダイアフラム１と絶縁部材４，５とで形成される空隙２，３に伝播していき、ダイアフラム両面の差圧とダイアフラム剛性がつり合う位置にダイアフラム１が変位される。このとき、ダイアフラム１とその両側の電極６，７との間の静電容量が変化する。この静電容量変化が、差圧検出素子とは別に設けられた電気回路によって電気信号に変換され、交番差圧として検出される。
【０００６】
上述した静電容量型圧力検出素子は、マイクロマシニング技術により製作される素子で、差圧検出時の内容積変化が少なく、流路に対称性があるから、単に静的な差圧の測定だけでなく、動的な差圧の測定にも適している。
ちなみに、図５に示す静電容量型圧力検出素子のサイズは、概略、次のサイズ、ないし、これらの１／３程度のサイズである。すなわち、外形は１０×１０ｍｍの正方形、ダイアフラム１の厚さ１０μｍ、ダイアフラム１と絶縁部材４，５とで形成される空隙２，３は両側ともに同じ大きさの１５μｍ、絶縁部材４，５を貫通する圧力導入口８，９の口径は直径１ｍｍである。
【０００７】
この静電容量型圧力検出素子に必要となる特性は、低流量域での微少な差圧を検出できるような差圧感度の確保と、高流量域での応答性の確保である。
差圧感度確保の面からみると、ダイアフラムを薄くして撓みやすくし、空隙を狭くして大きな静電容量変化が得られるようにし、圧力導入口の口径を小さくしてダイアフラムと対向する電極の面積をできるだけ大きくとったほうが有利である。
一方、高流量域での応答性の確保という面から見ると、ダイアフラムを厚くして剛性を上げ、空隙を広くかつ圧力導入口の口径を大きくして空隙の奥までの圧力伝達をスムーズにしたほうが有利である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述した静電容量型圧力検出素子は、差圧感度の確保と応答性の確保とには背反する部分があるため、差圧検出素子からの差圧信号を処理する回路としてフィルタ回路などの工夫をした場合であっても、具体的な渦発生体の交番差圧の検出において、低流量域において必要となる０．０５Ｐａ程度の差圧感度を確保した場合、高流量域での安定な交番差圧の検出は１５０Ｈｚ程度が限界であった。
【０００９】
また、製造コストの面からも、全体として素子を小さくし１ウェーハからの収量を増やしたいが、空隙も少なくすると応答性が悪化し、ダイアフラムを薄くすると製造工程内での歩留まりが下がるなど、結局、全体として素子を小さくして製造コストを下げていくにも限界があった。
【００１０】
このような事情から、従来からある静電容量型圧力検出素子を用いた流体振動の交番差圧検出においては、低流量域での微少な差圧を検出に重点を置く場合は、ダイアフラムを薄くして剛性を下げ、空隙を狭く圧力導入口径を小さくして静電容量変化を大きくしていた。
一方、高流量域での応答性に重点を置く場合は、ダイアフラムを厚めにして剛性を上げ、空隙を広くかつ圧力導入口径を大きくしてダイアフラムへの圧力伝達をよくしていた。
【００１１】
本発明の目的は、このような従来の欠点を解消し、差圧感度を確保しつつ、応答性の確保を達成できる静電容量型圧力検出素子を提供することにある。つまり、差圧感度の確保と応答性の確保とを同時に満足させることができる静電容量型圧力検出素子を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の静電容量型圧力検出素子は、上記目的を達成するため、次の構成を採用する。
請求項１に記載の発明は、中央部分が圧力に応じて変位する感応部に形成され、その感応部に電極部を有するダイアフラムと、このダイアフラムを挟んでそのダイアフラムの周縁部両面に接合された２枚の基板とを有し、この２枚の基板にはダイアフラムとの対向面に静電容量を生じさせるための電極が形成され、かつ、基板を貫通して前記ダイアフラムと電極を含む基板とにより形成された空隙に連通する圧力導入口を有する静電容量型圧力検出素子において、前記圧力導入口が、前記ダイアフラムを挟んで対称の位置関係で前記各基板に複数個設けられ、これら複数の圧力導入口のうち、１個の圧力導入口が前記ダイアフラムの感応部の略中心位置に対向して配置され、残りの圧力導入口が前記ダイアフラムの感応部周縁に沿って配置されていることを特徴とする。
【００１３】
ここで、ダイアフラムにおいて、感応部に電極部を有するとは、ダイアフラムが絶縁体で構成される場合には、たとえば、半導体プロセスなどの技術により電極部を形成すればよく、また、ダイアフラム自体が半導体または導体で構成される場合には、このダイアフラム自体が電極部を構成する。
また、複数の圧力導入口の配置については、ダイアフラムの感応部に対して偏って配置するよりは、均等に分散して配置されているのが好ましい。
【００１４】
この発明によれば、圧力導入口が、ダイアフラムを挟んだ対称の位置関係で各基板に複数個設けられているから、圧力導入口が各基板に１個のみ設けられた構造に比べ、１つあたりの圧力導入口からダイアフラムに圧力を伝えるべき空隙の範囲が小さくなるから、応答性を向上させることができる。
従って、低流量域において必要な差圧感度を確保できるように構成しつつ、複数の圧力導入口のうち、１個の圧力導入口をダイアフラムの感応部の略中心位置に、残りをダイアフラムの感応部周縁に沿って設けることにより、差圧感度の確保と応答性の確保とを同時に満足させることができる。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、中央部分が圧力に応じて変位する感応部に形成され、その感応部に電極部を有するダイアフラムと、このダイアフラムを挟んでそのダイアフラムの周縁部両面に接合された２枚の基板とを有し、この２枚の基板にはダイアフラムとの対向面に静電容量を生じさせるための電極が形成され、かつ、基板を貫通して前記ダイアフラムと電極を含む基板とにより形成された空隙に連通する圧力導入口を有する静電容量型圧力検出素子において、前記圧力導入口が、前記ダイアフラムを挟んで対称の位置関係で前記各基板に複数個設けられ、これら複数の圧力導入口の全てが、前記ダイアフラムの感応部周縁に沿って配置されていることを特徴とする。
この発明によれば、複数個の圧力導入口が、ダイアフラムの変位が小さい感応部周縁に沿って集中的に配置されているから、ダイアフラム中央にのみ比較的大きな圧力導入口を設けた構造に比べ、圧力導入口の占める合計面積がやや大きくても圧力感度低下がほとんどない。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の静電容量型圧力検出素子において、前記ダイアフラムを挟んで対称の位置関係にある圧力導入口の対については、ダイアフラム対向面側端部の開口面積が略等しく形成されていることを特徴とする。
圧力検出素子に同相の圧力振動が印加される場合において、圧力導入口に印加された圧力が、ゆっくりとした変化である場合は、両圧力導入口の大きさがそれぞれ多少異なっていても、差圧として検出されない。しかし、圧力が急変する場合は、両圧力導入口の大きさ、とりわけ、ダイアフラム対向面側端部の径が異なっていると、伝達される圧力がダイアフラムの両面で平衡しきれずに、ダイアフラムに変位を生じさせる。
この発明では、ダイアフラムを挟んで対称の位置関係にある圧力導入口の対については、ダイアフラム対向面側端部の開口面積が略等しく形成されているから、圧力が急変する場合でも、伝達される圧力がダイアフラムの両面で平衡しダイアフラムに変位を生じさせることも少ないから、誤作動を極力防止できる。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の静電容量型圧力検出素子において、前記ダイアフラムと電極を含む前記基板とにより形成された空隙は５μｍ以上１５μｍ以下で、両側ともに等しい寸法に形成されていることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の実施形態の説明にあたって、同一構成要件については、同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
（第１実施形態）
第１実施形態の静電容量型圧力検出素子は、図１に示すように、中央部分が圧力に応じて変位する感応部１２とされたダイアフラム１１と、このダイアフラム１１を挟んでそのダイアフラム１１の周縁部両面に接合されたガラスなどからなる基板としての２枚の絶縁部材２１，３１とを備える。
【００１９】
前記ダイアフラム１１は、導電性が付与されたシリコンからなり、所定厚のシリコン素材の中央部分をホトレジスト加工などによりエッチング加工して薄肉部を形成し、これを感応部１２とした構成である。従って、この感応部１２自身、つまり、ダイアフラム１１自身が電極部を構成している。
前記各絶縁部材２１，３１には、前記ダイアフラム１１の対向面（感応部１２）との間に静電容量を生じさせるための電極２２，３２がそれぞれ形成されている。電極２２，３２は、フォトリソグラフィーによりパターニング形成されたアルミニウム蒸着薄膜によって形成されている。ここで、アルミニウム蒸着薄膜の厚さは１μｍ程度、ダイアフラム１１との間の空隙４１，４２は５μｍ以上１５μｍ以下で、両側ともに等しい寸法である。
【００２０】
また、ダイアフラム１１の感応部１２と電極２２，３２を含む絶縁部材２１，３１とにより形成された空隙４１，４２に連通する圧力導入口２３Ａ〜２３Ｃ、３３Ａ〜３３Ｃが、ダイアフラム１１を挟んで対称の位置関係で、前記各絶縁部材２１，３１に３個それぞれ貫通して形成されている。これらの圧力導入口２３Ａ〜２３Ｃ、３３Ａ〜３３Ｃは、前記ダイアフラム１１の感応部１２中央から等距離で、ダイアフラム１１の感応部１２周縁に沿って互いに等間隔に配置されている。具体的には、ダイアフラム１１の感応部１２の略中央を中心とする同一円周上に直径が３ｍｍの３個の圧力導入口２３Ａ〜２３Ｃ、３３Ａ〜３３Ｃが１２０度間隔で配置されている。
【００２１】
これらの圧力導入口２３Ａ〜２３Ｃ、３３Ａ〜３３Ｃのうち、ダイアフラム１１を挟んで対称の位置関係にある圧力導入口の対、つまり、２３Ａと３３Ａ……２３Ｃと３３Ｃについては、ダイアフラム対向面側端部の開口面積が略等しく形成されている。具体的には、対となる一方の圧力導入口のダイアフラム対向面側端部の面積をＡ１、他方の圧力導入口のダイアフラム対向面側端部の面積をＡ２、ダイアフラム１１の感応部１２の面積をＢとすると、（Ａ１−Ａ２）／Ｂが１／１０００以内に設定されている。
ちなみに、これらの圧力導入口２３Ａ〜２３Ｃ、３３Ａ〜３３Ｃの加工にあたっては、絶縁部材２１，３１の材質がガラスであることから、ドリル加工、超音波加工、サンドブラスト加工などを用いることができる。
【００２２】
本実施形態によれば、圧力導入口２３Ａ〜２３Ｃ、３３Ａ〜３３Ｃが、ダイアフラム１１を挟んで対称の位置関係で、各絶縁部材２１，３１に３個それぞれ貫通して形成されているので、１つあたりの圧力導入口からダイアフラム１１に圧力を伝えるべき空隙の範囲が小さくなり、応答性を格段に向上させることができる（図４の孔数３参照）。このため、差圧信号を処理する目的で差圧検出素子に接続される回路の特性にもよるが、２００Ｈｚ程度の交番差圧の安定な検出が可能である。
【００２３】
また、圧力導入口２３Ａ〜２３Ｃ、３３Ａ〜３３Ｃを、ダイアフラム１１の変位が小さい周辺部に集中的に設けたので、ダイアフラム中央部にのみ比較的大きな圧力導入口を開ける場合に比べ、圧力導入口の占める合計面積がやや大きくても圧力感度低下がほとんどない。
【００２４】
（第２実施形態）
第２実施形態の静電容量型圧力検出素子は、図２に示すように、ダイアフラム１１の感応部１２の略中央を中心とする同一円周上に５個の圧力導入口２４Ａ〜２４Ｅ、３４Ａ…３４Ｄ…が互いに等間隔に配置されている。なお、図では、絶縁部材３１に２個の圧力導入口３４Ａ，３４Ｄが表現されているだけであるが、実際には５個の圧力導入口が等間隔に配置されている。これらの圧力導入口については、第１実施形態の圧力導入口２３Ａ〜２３Ｃ，３３Ａ〜３３Ｃより小さい直径である。
本実施形態によれば、圧力導入口の数が、第１実施形態における圧力導入口の数より多いので、応答性をより一層向上させることができる（図４の孔数５参照）。
【００２５】
（第３実施形態）
第３実施形態の静電容量型圧力検出素子は、図３に示すように、第２実施形態の静電容量型圧力検出素子（図２）において、絶縁部材２１，３１の略中央部に、一対の圧力導入口２４Ｆ，３４Ｆが追加されている。
本実施形態によれば、中央部に１対の圧力導入口２４Ｆ，３４Ｆが追加されているから、第２実施形態における効果に加え、ダイアフラム１１中央部を変化させる力が加わったために、応答性を一層向上させることができる（図４の孔数６参照）。このため、差圧信号を処理する目的で差圧検出素子に接続される回路の特性にもよるが、３００Ｈｚ程度の交番差圧の安定な検出が可能である。
また、ダイアフラム１１中央部にのみ比較的大きな圧力導入口を開ける場合に比べ、中央部の圧力導入口の占める面積を小さくでき、圧力感度低下を小さくできる。
【００２６】
なお、上記実施形態では、圧力導入口を３個以上としたが、少なくとも２個以上であればよい。ちなみに、絶縁部材に設けられた圧力導入口が２個である場合は、１つ当たりの圧力導入口から伝えるべき空隙の範囲が、３個の圧力導入口が設けられた構造に比べあまり短くならないが、１個の圧力導入口が設けられた従来の構造に比べると、短くできるので、差圧感度を確保しつつ、応答性を向上させることができる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の静電容量型圧力検出素子によれば、圧力導入口が、ダイアフラムを挟んで対称の位置関係で各基板にそれぞれ複数個設けられているから、差圧感度の確保と応答性の確保とを同時に満足させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る静電容量型圧力検出素子の第１実施形態を示す平面図および断面図である。
【図２】本発明に係る静電容量型圧力検出素子の第２実施形態を示す平面図および断面図である。
【図３】本発明に係る静電容量型圧力検出素子の第３実施形態を示す平面図および断面図である。
【図４】上記第１〜第３実施形態および従来の静電容量型圧力検出素子について、応答性を比較した図である。
【図５】従来の静電容量型圧力検出素子を示す平面図および断面図である。
【符号の説明】
１１ ダイアフラム
１２ 感応部
２１，３１ 絶縁部材
２２，３２ 電極
２３Ａ〜２３Ｃ 圧力導入口
２４Ａ〜２４Ｆ 圧力導入口
３３Ａ〜３３Ｃ 圧力導入口
３４Ａ〜３４Ｆ 圧力導入口
４１，４２ 空隙

Claims (4)

1. 中央部分が圧力に応じて変位する感応部に形成され、その感応部に電極部を有するダイアフラムと、このダイアフラムを挟んでそのダイアフラムの周縁部両面に接合された２枚の基板とを有し、この２枚の基板にはダイアフラムとの対向面に静電容量を生じさせるための電極が形成され、かつ、基板を貫通して前記ダイアフラムと電極を含む基板とにより形成された空隙に連通する圧力導入口を有する静電容量型圧力検出素子において、
   前記圧力導入口が、前記ダイアフラムを挟んで対称の位置関係で前記各基板に複数個設けられ、
   これら複数の圧力導入口のうち、１個の圧力導入口が前記ダイアフラムの感応部の略中心位置に対向して配置され、残りの圧力導入口が前記ダイアフラムの感応部周縁に沿って配置されていることを特徴とする静電容量型圧力検出素子。
2. 中央部分が圧力に応じて変位する感応部に形成され、その感応部に電極部を有するダイアフラムと、このダイアフラムを挟んでそのダイアフラムの周縁部両面に接合された２枚の基板とを有し、この２枚の基板にはダイアフラムとの対向面に静電容量を生じさせるための電極が形成され、かつ、基板を貫通して前記ダイアフラムと電極を含む基板とにより形成された空隙に連通する圧力導入口を有する静電容量型圧力検出素子において、
   前記圧力導入口が、前記ダイアフラムを挟んで対称の位置関係で前記各基板に複数個設けられ、
   これら複数の圧力導入口の全てが、前記ダイアフラムの感応部周縁に沿って配置されていることを特徴とする静電容量型圧力検出素子。
3. 請求項１または請求項２に記載の静電容量型圧力検出素子において、
   前記ダイアフラムを挟んで対称の位置関係にある圧力導入口の対については、ダイアフラム対向面側端部の開口面積が略等しく形成されていることを特徴とする静電容量型圧力検出素子。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の静電容量型圧力検出素子において、
   前記ダイアフラムと電極を含む前記基板とにより形成された空隙は５μｍ以上１５μｍ以下で、両側ともに等しい寸法に形成されていることを特徴とする静電容量型圧力検出素子。

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