JP4414746B2 - 静電容量型圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、静電容量型圧力センサに係り、特に、積層構造の静電容量型圧力センサ素子を着脱可能に固定した測定精度に優れた圧力センサに関する。

近年、半導体デバイスなどの製造技術を用いて、様々な製品開発が進められている。これは、マイクロマシン技術と呼ばれ、小型化や軽量化などを目的とし、アクチュエータ及びセンサなど多くの技術分野で利用され始めている。そのうちのひとつに、静電容量型圧力センサがある。

従来の静電容量型圧力センサとしては、ダイヤフラム電極が形成されたシリコン基板と固定電極が形成されたガラス基板とを両電極間に気密室をつくるように接合して作製した圧力センサ素子を、圧力導入部が設けられた保持部材に接着固定した構造のものが一般に用いられてきた。この構造の圧力センサは、寿命によりセンサ素子を交換する場合保持部材ごと交換しなければならないため、著しく非経済的であるという問題があった。そこで、本発明者は、Ｏ−リング等のシール部材を介して保持部材上にセンサ素子を挟持し、センサ素子だけを交換可能とした圧力センサの検討を行った。これを図８及び図９に基づき詳細に説明する。図８及び図９は、それぞれ従来の静電型圧力センサを示す模式的断面図及び斜視図である。

この圧力センサ素子１は、例えば、固定電極１３が形成されたガラス基板１０、ダイヤフラム電極１５が形成されたシリコン基板１１、圧力導入孔１８が形成されたガラス基板１２が接合された構造をなしている。固定電極１３及びダイヤフラム電極１５はそれぞれリード線１４，１４’を介して計測器（不図示）に接続されている。

ガラス基板１０とシリコン基板１１との間には気密室１６が形成され、その内部は残留ガスを吸着する非蒸発型ゲッタ１７により常に高真空に保たれている。シリコン基板１１のダイヤフラム１５の厚さは通常数μｍ〜数十μｍであり、このダイヤフラムの厚さ及び大きさは測定する圧力範囲に応じて定められる。ダイヤフラムはその両側の圧力差により変形し、その変形の大きさに応じて固定電極１３とダイヤフラム電極１５との間の静電容量が変化することになる。静電容量と圧力との関係から、被測定空間４の圧力を求めることができる。

このセンサ素子１は、図に示したように、Ｏ−リング３０を介して保持部材３上に載置され、押さえ板２によりセンサ素子１全体を押さえつけて、複数のねじ（不図示）等で固定される。この状態で、真空装置などに取り付けられ、例えば表示電源の調整用トリマによりゼロ点調整が行われた後、実際の圧力測定に用いられる。

このような構成とすることにより、センサ素子１が損傷或いは劣化した場合、保持部材３はそのまま使用し、センサ素子１のみを交換すれば圧力センサとしての機能を回復することができるので、圧力センサ全体としてコスト低減を図ることができる。
特開平８−３５８９９ 特開２００１−２０１４１７

しかし、図８及び図９に示した構成の圧力センサは、センサ素子１の取り付け方によって圧力の指示値が変化してしまい、測定精度が低下することが分かった。即ち、真空シールを確実に行うためには、押さえ板２によりＯ−リング３０が潰れる程度の力でセンサ素子１を押さえ込む必要があるが、押さえ板２の締め付けの程度及びその均一性に関係して測定値が変化してしまう事態が生じた。

この原因を検討したところ、上述したように、ダイヤフラム１５は薄くて変形しやすい構造としているために、センサ素子１の装着方法や押さえつける力によってダイヤフラム自体に歪みが生じて静電容量の値が設計値から大きくずれてしまい、これが圧力の測定誤差となることが分かった。従って、所定の圧力範囲で正確な測定を行うには、静電容量の設計値からのずれを電気回路で補正できる範囲に収まるようにねじの締め具合を調整する必要があるが、この作業は極めて煩雑でまた熟練を要する等の問題があった。

そこで、本発明者は、以上の知見を基にダイヤフラムに歪みが発生しにくいセンサ構造及び取り付け方法を種々検討し、その結果として正確な圧力測定が可能な本発明の圧力センサを完成するに至ったものである。即ち、本発明は、静電容量型センサ素子の脱着可能な圧力センサであって、その取り付け方による静電容量の変動やバラツキを抑えた圧力センサを提供し、さらには環境温度が変化する系であっても、温度変化に伴う出力の変動を抑え信頼性のある圧力測定が可能な圧力センサを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の静電容量型センサは次のように構成される。

即ち、本発明の静電容量型圧力センサは、固定電極が形成されたガラス基板と圧力導入孔が形成されたガラス基板との間にダイヤフラム電極が形成されたシリコン基板を介在させ、前記固定電極、前記ダイヤフラム電極及び前記圧力導入孔が、空間を介して重なり合うように接合された静電容量型圧力センサ素子を、Ｏ−リングからなるシール部材を介して着脱可能にステンレス鋼製の保持部材に固定した圧力センサであって、
前記圧力導入孔が形成されたガラス基板に、前記シリコン基板よりも外方に延在する領域を設け、該領域に前記シール部材と当接するシール面を設け、前記領域を、前記シール面と反対側の面から、O―リングからなる緩衝体を介して、ステンレス鋼製の押さえ板で押し付けることにより、前記シール面が前記シール部材を介して前記保持部材に押接される構成としたことを特徴とする。

このように、センサ素子全体に力を加えることなく、圧力導入孔が形成された基板のみに力を加えてセンサ素子を狭持固定する構成としたため、装着に伴うダイヤフラムの歪みが抑制されることとなる。これにより設計値通りの静電容量を得ることが可能となり、所望の圧力領域で測定精度の高い圧力測定を安定して行うことができる。

なお、本発明において、各基板の接合には陽極接合法が好適に用いられことから、固定電極が形成された基板及び圧力導入孔が形成された基板には絶縁性基板、ダイヤフラム電極が形成された基板には導電性基板が用いられる。絶縁性基板及び導電性基板の材質としては、熱膨張係数が近いパイレックス（登録商標）ガラス（コーニング社製）とシリコン基板との組み合わせが好適に用いられる。また、ダイヤフラムの厚さ、大きさは、測定圧力範囲に応じて適宜選択され、これに応じてダイヤフラム電極が形成された基板の大きさが定められる。さらに、圧力導入孔が形成された基板は、シール部材のシール面を形成する必要上、通常ダイヤフラム電極が形成された基板より片側３ｍｍ以上大きくするのが好ましい。また、圧力導入孔が形成された基板の厚さは１〜５ｍｍである。

また、前記押さえ板と前記保持部材との間隔が所定の距離以下となるのを防止するガイド部材を配置するのが好ましい。これにより、ねじ等の締め付けすぎによる基板の破損を防止することができ、センサの取り付け作業をより容易かつ安全に行うことができる。

さらに、前記押さえ板と前記領域との間に緩衝体を配置するのが好ましい。特に、シール部材として用いるＯ−リングを基板の上下の対称な位置に配置する構成が好ましい。このような緩衝体を配置することにより、熱膨張の違いは緩衝体に吸収され基板の歪みを緩和することから、結果として静電容量の温度特性が向上し、より高精度の圧力測定が可能となる。
本発明において、緩衝体とは、押さえ板と圧力導入孔を形成した基板との熱膨張の違いに帰因する圧力導入孔を形成した基板の歪みを緩和するものをいい、例えばゴムのような弾性体の他、剛性体であっても低摩擦係数の材料を用いることができる。

本発明により、即ち、固定電極が形成された基板やダイヤフラム電極が形成された基板よりも圧力導入孔が形成された基板を大きくしてその周縁部を他の基板からはみ出させ、そのはみ出た部分にシール部材（Ｏ−リング）を当てて保持部材と真空シールさせ、かつそのＯ−リングシール部のみを押さえるような取り付け方法を採用することにより、圧力測定の要であるシリコン基板に不本意な応力が発生して測定誤差を生ずることなく、正確な圧力を測定することができる。

さらに、押さえ板とガラス基板との間に緩衝体を配置することにより、温度変動に伴う歪みが緩和され、その結果、温度変動する系でも信頼性の高い圧力測定可能なセンサを提供することが可能となる。

以下、図を参照して本発明の実施の形態について説明するが、構成及び配置関係については本発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明が好適な構成例につき説明するが、各構成（材質）及び数値的条件などは単なる好適例に過ぎない。従って、本発明は以下の実施の形態に限定されず、特許請求の範囲の記載に基づく様々な形態に適用可能である。

図１は本発明の静電容量型圧力センサの構成例を説明するための概略断面図であり、図２は分解斜視図である。
図に示したように、本実施形態の圧力センサ素子１は、固定電極１３が形成されたガラス基板１０と、厚さ数μｍ〜数十μｍのダイヤフラム（電極）１５が形成されたシリコン基板（例えば、ボロンドープシリコン）１１と、圧力導入孔１８が形成されたガラス基板１２と、が接合された構造をなしている。ガラス基板１２は、ガラス基板１０やシリコン基板１１よりも大きく、その周縁部が他の基板よりはみ出た構造になっている。

固定電極１３の電気信号は、ガラス基板１０を貫通するリード線１４を介して外部に取り出され、ダイヤフラム電極１５の電気信号はシリコン基板１１に接続されたリード線１４’を介して外部に取り出される。

ガラス基板１０とシリコン基板１１との間には気密（真空）室１６が形成され、内部は、残留ガスを吸着する非蒸発型ゲッタ１７等により常に高真空に保たれている。被測定空間４と気密室１６とで圧力差があると、ダイヤフラム１５はその圧力差に応じて変形し、その結果容量電極１３とダイヤフラム電極１５との間の静電容量が変化する。従って、この静電容量を求めることにより、圧力と静電容量との関係から、被測定空間４の圧力を求めることができる。
なお、ダイヤフラムの形成方法や各基板の接合方法は、例えば特開２００２−４３５８５号公報に記載された公知の方法を用いることができる。

次に、センサ素子１を保持部材３に装着する方法を以下に説明する。
保持部材には、例えばＯ−リング装着用の正方形状の溝３１が形成されており、この溝の大きさは、装填されるＯ−リング３０がガラス基板１２の周辺部、即ち、ガラス基板１０やシリコン基板１１からはみ出た部分に接する大きさとされる。また、センサ押さえ板２はその中心部に窓２１が形成され、センサ素子１を上から押さえたときにガラス基板１０とシリコン基板１１がその窓２１内に収まるようにする。

このような構成とすることにより、確実な真空シールを得るためにセンサ素子１を強い力で押さえつけたとしても、また、ねじの締め付け具合にバラツキがあったとしても、ガラス基板１２にのみ力が加わりシリコン基板１１には力が加わることがない。即ち、ダイヤフラム１５に歪みを生じることなくセンサ素子１を保持部材３にしっかりと装着することが可能となる。結果として、設計通りの静電容量が確保され、正確な圧力測定が可能となる。

ここで、図１及び図８に示したセンサ素子がＯ−リングによる応力を受けて歪む様子を解析した結果を以下に説明する。この解析は、ＣＯＳＭＯＳ ＷＯＲＫＳ社の構造解析ソフトを用い、Ｏ−リングが２０％潰れるように２４Ｎの圧力を接触面に加えたときの変位量を求めた。
ここで、固定電極が形成されたガラス基板１０及びダイヤフラム電極が形成された基板１１は、いずれも１１．６ｘ１１．６ｍｍで、厚さはそれぞれ０．４ｍｍ及び０．８ｍｍである。また、ダイヤフラムは４．２ｘ４．２ｍｍで、厚さは７μｍとした。また、圧力導入孔が形成された基板１２は、図１のセンサの場合は２０ｘ２０ｘ２．０ｍｍ、図８では１１．６ｘ１１．６ｘ２．０ｍｍとした。さらに、センサの材料としては、固定電極が形成された基板及び圧力導入孔が形成された基板はパイレックス（登録商標）ガラス（コーニング社製７７４０）、ダイヤフラム電極が形成された基板はｐ型Ｓｉ基板（ｐ−Ｓｉ)とし、それぞれの材料特性は表１に示す値を用いた。

図１及び図８のセンサについての解析結果を、それぞれ図３及び図４に示す。図において、黒色（最も濃い色）と白色（最も薄い色）は、変位量がそれぞれ７ｘ１０^−１３ｍ以上、及び３．５ｘ１０^−１３ｍ以下となる領域を示している。また中間色はその間の変位量となる領域であって、濃くなるにつれて変位量が大きくなることを示している。

図３及び図４から分かるように、従来のセンサ構造（図８）ではダイヤフラムが力を受け大きく歪むのに対し、本実施形態のセンサ素子１が力を受けるのはＯ−リング３０とガラス基板１２が接する部分のみであり、その他の部分は全く力を受けないことが分かる。つまり、Ｏ−リング３０によってセンサ素子１の真空シールをしっかり確保するために、かなり強い力でセンサ押さえ板２がセンサ素子１を押さえるようにしても、それによってシリコン基板１１のダイヤフラム１５が歪むことはなく、安定して正確な圧力測定を行うことが可能となることが分かる。

次に、本発明の圧力センサの第２の実施例を図５に示す。
図５は、図１のセンサ素子１周辺部にガイド部材３２を配置したものである。このような構造とすることにより、ガラス板１２に必要以上の力が加わるのを防止し、破損等を回避できることから、取り付け作業がより安全かつ容易となる。

上述したように、実施例１及び２（いずれも参考例）の圧力センサは、取り付け方法によるセンサ素子の歪みを抑制することができ、得られる静電容量の変動やバラツキを大きく低減することが可能となった。その一方で、実施例１及び２のセンサ（いずれも参考例）は、従来のセンサに比べて小さいものの、環境温度により出力が変動することが明らかになった。また、この出力変動が起こる原因の調査・検討を行う過程で、静電容量の設計値からのずれが大きいほど、この温度変化が大きくなることが分かった。

この理由としては、例えば次のように考えられる。即ち、押さえ板や保持部材は通常ステンレス鋼製であるため、その熱膨張係数はシリコンやパイレックス（登録商標）ガラスよりも大きく、センサ素子を押さえ板により直接固定した場合、環境温度が変化すると熱膨張率の違いにより両者間に歪みが発生し、それにより静電容量が変化するものと考えられる。さらに、取り付け時の歪みが大きい場合には、温度変化により歪みが助長されて、より大きな温度変化を示すものと考えられる。

そこで、センサ素子を固定したときの歪みをさらに低減すべくセンサ構造を種々検討し、温度に対する出力変動が極めて小さい圧力センサを考案した。これを図６に示す。
図６に示した本実施例の圧力センサは、ガラス基板１２と押さえ板２の間にＯ−リング（緩衝体）を配置した以外は、実施例１の圧力センサと同じ構造である。
本実施例の圧力センサと実施例１の圧力センサを繰り返し真空容器に取り付け、それぞれについて静電容量の温度特性を測定した、その平均値を図７示す。図７において、縦軸は一定圧力測定時における圧力センサの静電容量変動量である。
図から明らかなように、本実施例のセンサ構造を採用することにより、静電容量の変動量を大きく低減できることが分かる。また、図には示していないが、実施例１のセンサは、ねじの締め方により温度による変動量が１０〜３０ｆＦ／℃と増大し且つばらつくのに対し、本実施例のセンサは１〜２ｆＦ／℃と変動量は減少しばらつきも観られなくなった。

なお、本実施例において、緩衝体３３としてシール部材３０と同じＯ−リングを用いたがこれに限る必要はなく、押さえ板と圧力導入孔を形成した基板との熱膨張の違いに帰因する圧力導入孔を形成した基板の歪みを緩和するものであればどのような材質・形状のものでも良い。例えば、ゴムのような弾性体の他、剛性体であってもフッ素樹脂等のように摩擦係数の小さな材料を用いても良い。また、その形状もガラス基板と押さえ板の間に部分的に配置する構成としても良い。ただし、ガラス基板に対して対称な位置に同じ、シール部材と同じ材質・形状のものを配置するのが好ましく、より歪みが小さく温度に対する出力変動のより小さな圧力センサが可能となる。なお、押さえ板に保持部材と同様にＯ−リング溝を設けても良い。

実施例１の静電容量型圧力センサを示す模式的断面図である。 図１の圧力センサの分解斜視図である。 図１に示した圧力センサのダイヤフラム等に加わる応力の分布を示す模式図である。 図８に示した圧力センサのダイヤフラム等に加わる応力の分布を示す模式図である。 実施例２の静電容量型圧力センサを示す模式的断面図である。 実施例３の静電容量型圧力センサを示す模式的断面図である。 圧力センサの静電容量と温度との関係を示すグラフである。 従来の着脱可能なセンサ素子を有する静電型圧力センサの一例を示す模式的断面図である。 従来の着脱可能なセンサ素子を有する静電型圧力センサの一例を示す模式的斜視図である。

符号の説明

１ 圧力センサ素子、
２ 押さえ板、
３ 保持部材、
４ 被測定空間、
１０ ガラス基板、
１１ シリコン基板、
１２ ガラス基板、
１３ 固定電極、
１４，１４’リード線、
１５ ダイヤフラム電極、
１６ 気密（真空）室、
１７ 非蒸発型ゲッタ、
１８ 圧力導入孔、
２１ 窓、
３０ Ｏ−リング、
３１ 溝、
３２ ガイド部材、
３３ 緩衝体。

Claims (4)

1. 固定電極が形成されたガラス基板と圧力導入孔が形成されたガラス基板との間にダイヤフラム電極が形成されたシリコン基板を介在させ、前記固定電極、前記ダイヤフラム電極及び前記圧力導入孔が、空間を介して重なり合うように接合された静電容量型圧力センサ素子を、Ｏ−リングからなるシール部材を介して着脱可能にステンレス鋼製の保持部材に固定した圧力センサであって、
   前記圧力導入孔が形成されたガラス基板に、前記シリコン基板よりも外方に延在する領域を設け、該領域に前記シール部材と当接するシール面を設け、前記領域を、前記シール面と反対側の面から、O―リングからなる緩衝体を介して、ステンレス鋼製の押さえ板で押し付けることにより、前記シール面が前記シール部材を介して前記保持部材に押接される構成としたことを特徴とする静電容量型圧力センサ。
2. 前記外方に延在する領域を前記緩衝体が押接する領域と、前記シール部材が押接する領域とは、前記圧力導入孔が形成されたガラス基板に対し上下に対称であり、かつ、前記緩衝体は前記シール部材と同じ材質・形状である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. 前記押さえ板と前記保持部材との間隔が所定の距離以下となるのを防止するガイド部材を配置したことを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量型圧力センサ。
4. 前記圧力導入孔が形成されたガラス基板の厚さが、１〜５ｍｍであることを特徴とする
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の静電容量型圧力センサ。