JP5033913B2 - 静電容量式圧力センサー - Google Patents

Description

本発明は、静電容量式圧力センサーに関する。

静電容量式圧力センサーは、曲げ耐性の基体部と、弾性測定膜もしくはダイヤフラムとを含み、弾性測定膜は基体部の表面に接合され、外縁部（エッジ）で密封された測定室を形成する。

基体部および／または測定膜は、セラミック、ガラス、もしくは単結晶材料を含む。

測定膜は、基体部の表面に面する少なくとも一つの第一の電極を含む。

基体部の表面は、測定膜の表面に面する少なくとも一つの第二の電極を含む。

第一の電極と第二の電極の間の静電容量は、測定される圧力の尺度である。

典型的な電極材料は金属であり、これは基体部または測定膜上に堆積され、特に蒸着もしくはスパッタ成膜される。これについて例えばタンタルが考えられ、タンタルは、例えば活性硬ろう（はんだ）を用いて基体部および測定膜を接続するために使用される高真空はんだ付けプロセスに適合する。

そうした種類の圧力センサーは多かれ少なかれ感湿性であるため、巨視的に滑らかなセラミック表面上であっても、水分子の吸着に対して多くの欠陥がある。湿度依存性を軽減するために、測定室内の表面を疎水性にすることができ、および／またはガラス層で覆うことができる。

このようにして、基本的には許容可能な感湿性を持つ圧力センサーを製造できる。しかしながら、感湿性にさらに寄与するものとして、上述の対策を用いて条件付きでしか制御できないものがある。つまり、より精密な研究が示すところでは、電極のエッジ領域では、電極と光沢基板の間に明確な境界がないが、その代わりに、電極材料の絶縁された島もしくはクラスターが、電極表面の望ましいエッジの外側に生じる可能性がある。この、電極表面の望ましいエッジの外側でのクラスター形成の原因の一つは、電極材料のスパッタ成膜もしくは蒸着の最中に基体部もしくは測定膜が覆われるマスクに関連する。マスクが十分に密封しないと、マスクで覆われた表面の領域に電極材料が達し、そこで凝集してクラスターを生じる可能性がある。

クラスター自体は分離しているが、少量の吸収された水分子によって連結している可能性がある。これが電極の総電気容量に寄与し、ひいては測定精度の低下につながる。

さらに、タンタル電極は例えば180℃を超える高温で酸化しやすく、これも同様に電極の有効表面積を変化させ、その結果、測定精度を低下させる。

従って本発明の目的は従来技術と比べて改良された圧力センサーを提供することである。

この目的は、本発明に従い独立請求項１に記載の圧力センサーによって実現される。

本発明の圧力センサーは、基本的に曲げ耐性の基体部と、少なくとも一つの弾性測定膜とを含み、少なくとも一つの弾性測定膜は基体部の表面に接合され、エッジで密封された測定室を形成する。

基体部および／または測定膜は、セラミック、ガラス、もしくは単結晶材料を含む。

測定膜は、基体部の表面に面する少なくとも一つの第一の電極を含む。

基体部の表面は、測定膜の表面に面する少なくとも一つの第二の電極を含む。

第一の電極と第二の電極の間の静電容量は、測定される圧力の尺度である。

第一の電極と第二の電極のうちの少なくとも一方が、金属およびガラスを含む導電層を含み、金属は少なくとも一つの貴金属元素を含む。

本発明の一実施形態では、導電層は例えば4:1以下、好ましくは3:1以下、さらに好ましくは2.5:1以下、特に好ましくは2.3:1以下の金属対ガラスの体積比を持つ。さらに導電層は、例えば1.5:1以上、好ましくは1.8:1以上、さらに好ましくは2.1:1以上の金属対ガラスの体積比を持つ。

本発明の、この場合の好ましい実施形態では、導電層は約2.2:1の貴金属対ガラスの体積比を持つ。

貴金属はとりわけ、いわゆる新表記法（Chemical and Engineering News, 63(5), 27, 1985を参照）に従う元素周期表の10族もしくは11族の貴金属元素であり得る。この場合、Au、Ag、PdおよびPtが好ましい。本発明の一実施形態では、導電層は少なくとも一つの11族の貴金属および／または少なくとも一つの10族の貴金属を含む。

貴金属は導電層内で合金および／または元素形態で存在し得る。

本発明の第一の実施形態では、11族の金属対10族の金属の化学量論比、すなわち11族の金属の原子数対10族の金属の原子数の比は、例えば20:1以下、好ましくは10:1以下、さらに好ましくは5:1以下である。第一の実施形態に従う11族の金属対10族の金属の化学量論比は、例えば1.5:1以上、好ましくは2:1以上、さらに好ましくは3:1以上に達する。本発明の、この場合の好ましい実施形態では、11族の金属対10族の金属の化学量論比は約4:1に達する。

本発明の別の実施形態では、10族の金属対11族の金属の化学量論比は例えば3.5:1以上、好ましくは4:1以上、さらに好ましくは5:1以上に達する。

本発明の一実施形態では、導電層は、場合によっては存在し得る不純物を除き、鉛および／またはホウ素を含まないガラスを含む。B含有ガラスおよび／またはPb含有ガラスは、真空・高温下で熱分解するため、あるいは一部の成分が蒸発するため、適さないことがわかっている。

本発明の一実施形態では、導電層は例えばバリウム、ケイ素、および／またはアルミニウムの酸化物を含むガラスからなる。

例えばガラスは、45質量%以上かつ60質量%以下のSiO₂、30質量%以上かつ40質量%以下のBaO、および8質量%以上かつ16質量%以下のAl₂O₃を含む。

ガラスは、好ましくは、50質量%以上かつ56質量%以下のSiO₂、33質量%以上かつ37質量%以下のBaO、および10質量%以上かつ14質量%以下のAl₂O₃を含む。

この場合の好ましい実施形態では、ガラスは53.1質量%のSiO₂、35.1質量%のBaO、および11.8質量%のAl₂O₃を含む。

際立った結晶性ドメインは結合強度を損ない、感湿性の増加につながり得るので、燃焼中に過剰な結晶形成が起こらないようなガラスが使用されることが好ましい。

導電層の材料は、基体部の表面上もしくは測定膜の表面上にスクリーン印刷を用いてペーストとして塗布できる。ペーストは導電層の成分だけでなく、有機結合剤と溶媒も含み、これらはスクリーン印刷後の乾燥ステップ、もしくはその後の燃焼ステップにおいて材料から蒸発する。

ペーストは例えば質量分率で約1/4から2/5の有機結合剤と約3/4から3/5の金属‐ガラス混合物であり得る。この場合の好ましいペーストは、質量分率で約1/3の有機結合剤と約2/3の金属‐ガラス混合物である。

ペーストは例えば0.08 m²/g以上、好ましくは0.12 m²/g以上、さらに好ましくは約0.25 m²/g以上のBET表面積を持つ貴金属粒子を持ち得る。この場合の好ましいペーストでは、Au粒子が約0.3 m²/gのBET表面積を持つ。これは約1μmの平均粒径に相当する。対応する粒径要件がPtにも当てはまる。

より微細な粒子もまた利用できる。例えばあるペーストでは8 m²/gのBET表面積を持つPt粒子が使用された。

ガラス成分、すなわちペースト中のガラスの粒径は、例えば最大で5μmであり得る。平均粒径は約0.5μmから5μmであることが好ましい。

有機結合剤として使用できるものは、例えばテルピネオール中のエチルセルロース、もしくはフタル酸ジブチルである。

スクリーン印刷法を用いてペーストを塗布するために、例えば400メッシュ、もしくは約37μmのメッシュサイズのステンレス鋼スクリーンを利用できる。少なくとも二つの層の適用が、この場合、好ましい。リフトオフは例えば0.15 mmから0.5 mmであり得る。

スクリーン印刷で塗布されるペーストは、例えば100μm以下、好ましくは50μm以下、特に好ましくは25μm以下のコーティング厚さを持ち得る。

ペーストの塗布後、例えば約100℃から200℃のやや高い温度で乾燥を行う。140℃から160℃の乾燥温度が、この場合、好ましい。乾燥時間は、とりわけペーストのコーティング厚さと選択温度に依存する。しかしながら、経験に基づき、数分から最大で15分の乾燥時間で十分である。

乾燥後、層を燃焼させる。このため、温度は最大温度まで上げられ、冷却が始まる前に、予め設定可能な時間にわたって層をその温度で保持する。燃焼中の最大温度は少なくとも900℃、好ましくは少なくとも約930℃から960℃、特に好ましくは約950℃に達する。燃料時間は例えば1時間から2時間であってよいが、最大温度が約10分から20分間維持されれば十分である。

結果として得られる、燃焼させた層のコーティング厚さは、好ましくは8μm以下、さらに好ましくは6μm以下、特に好ましくは4μm以下に達する。

このようにしてセラミック体上に備えられた導電層は、特に、損傷されたり分解生成物を放出することなく、その後に続く約10^-6 mbarの圧力で約910℃の温度での高真空はんだ付け（ろう付け）プロセスに耐えられるという事実により、卓越している。そうした高真空はんだ付けプロセスは、例えばセンサーのセラミック部品を活性硬ろうで接合するために利用される。このため、吸収されたガラスの分解生成物は、接合されるセラミック体の自由表面部分の湿潤性を変化させ、高真空プロセス中にこうした表面部分に活性硬ろうが流れ込んでしまう可能性があることから、上記のような要件は重要である。このような場合、高真空はんだ付けプロセスはもはや使用できない。そうした分解生成物は、特にPb含有ガラスもしくはB含有ガラスの場合に観察されていた。

結果として、本発明の圧力センサーは、耐熱性で、かつセラミック基板に安全に付着する導電層を有する。

ここで本発明を、図示された一実施形態例に基づいて説明していく。図面中の各図は以下を示す。
本発明の静電容量式絶対圧センサーの縦断面。 本発明の静電容量式二室型差圧センサーの縦断面。 本発明の静電容量式一室型差圧センサーの縦断面。

図１に示す静電容量式圧力センサーは絶対圧センサーである。これは基本的に円筒形のセラミック基体部1と、円形円盤型のセラミック測定膜2を含み、測定膜2は基体部1の末端で基体部1に接続し、耐圧測定室3を形成する。このため測定膜2は910℃の高真空はんだ付けプロセスにおいて活性はんだリング4を用いて基体部1に接合される。その場合、活性はんだリングの材料厚さにより、測定膜2と基体部1の端部との間の距離が予め決定される。はんだ付けプロセス後、距離は例えば20から100μmになり得る。

圧力室3内には、基体部1の端面に第一の電極5が配置され、測定室に面する測定膜2の表面には第二の電極6が配置される。測定動作では、測定膜2が圧力依存的に変形し、それによって第一の電極と第二の電極の間の静電容量が変化する。電極は本発明の電極材料の導電層を含む。

電極の接続は当業者に既知のいかなるフィードスルー（貫通端子）を用いて実現されてもよい。例えば、基体部1を貫通する適切な穴の中に金属ピン7を導入でき、金属ピン7は活性硬ろうのシールで補助的に密封し適所に固定できる。さらに、電極のうちの一方は活性硬ろうを用いて圧力センサーの外側面から接触されてもよい。

本発明の圧力センサーはさらに、相対圧センサーもしくは差圧センサーとして具体化できる。

絶対圧センサーとは対照的に、相対圧センサーは基準空気路を含み、これは例えば基体部を貫通する穴を含むことができる。

差圧センサーは、二室型差圧センサーもしくは一室型差圧センサーとして実装できる。

二室型差圧センサーが図２に示される。これは第一の円筒基体部11と第二の円筒基体部12、および測定膜13を含み、測定膜13は第一の基体部と第二の基体部の端面に活性硬ろう17を用いて接合され、第一の測定室14と第二の測定室15を形成する。測定室の各々は少なくとも一つの測定静電容量を与え、この静電容量はそれぞれ測定膜側の電極16と各基体部の端面側の電極16との間で形成され、適切なフィードスルーを介して記録される。電極は本発明の電極材料の導電層を含む。二つの測定室はそれぞれ、関連する基体部を通る穴を介して媒体圧力を供給される。

最後に図３は、静電容量式単室型差圧センサーを示す。円筒基体部21の二つの端面には、活性硬ろう28を用いて測定膜が接合され、それにより、第一の測定膜22と基体部の間に第一の測定室部分24が形成され、第二の測定膜23と基体部の間に第二の測定室部分25が形成される。二つの測定室部分は基体部21を通る導管26を介して連通し、例えばシリコーンオイルなどの移送液で充填される。測定室部分の各々の中には、それぞれ測定膜側の電極と基体部の末端側の電極を持つ電極のペアが配置される。基体部側の電極は、例えば基体部の外側面から基体部の端面へとのびる導体を介して接触される。

電極は本発明の電極材料の導電層を含み、これはガラスと金属を含む。金属は少なくとも一つの貴金属元素であるか、もしくは二つの貴金属元素である。

この場合の好ましい実施形態では、本発明の圧力センサーの電極材料は約2.2対1の金属対ガラスの体積比を持つ。金属の割合が増加するにつれ、導電性が増加するが、層の接着強度は低下する。接着能力のいくらかの減少は許容できる。金属の割合が減少すると、それに応じて導電性が減少する。

この場合の好ましいガラスは、質量分率で次の組成を持つ。すなわち、50%から56%のSiO₂、33%から37%のBaO、および10%から14%のAl₂O₃。

金属は約4:1の質量比でAuとPtの混合物を含み、金粒子は約0.5μmから約1.2μmの平均サイズを持ち、Pt粒子は約0.03μmから約0.05μｍの平均サイズを持つ。

電極の製造の際には、固体（ガラスと金属）に有機結合剤を混合し、質量分率で約2/3の固体と約1/3の結合剤からなるペーストを形成する。

電極の導電層を形成するために、1サイクルもしくは2サイクルでスクリーン印刷を用いてコランダムセラミック基板上にペーストを塗布する。コランダムセラミック基板は基体部と測定膜である。

約150℃で約15分間乾燥させた後、層を燃焼させる。燃焼処理の最大温度は約950℃に達する。

本発明の圧力センサーの製造のために、本発明の電極を有する基体部と膜は、活性硬ろうを用いて高真空はんだ付けプロセスで接合される。

Claims (15)

1. 少なくとも一つの基体部（１）と少なくとも一つの弾性測定膜（２）とを含む圧力センサーであって、前記少なくとも一つの弾性測定膜（２）は前記基体部の表面に接合し、エッジで密封された測定室（３）を形成し、
   前記基体部（１）および／または測定膜（２）は、セラミック、ガラス、もしくは単結晶材料を含み、
   前記測定膜（２）は前記基体部（１）の表面に面する少なくとも一つの第一の電極（６）を含み、
   前記基体部（１）の表面は前記測定膜（２）に面する少なくとも一つの第二の電極（５）を含み、
   前記第一の電極と前記第二の電極の間の静電容量は測定される圧力の尺度である、圧力センサーにおいて、
   前記第一の電極と前記第二の電極のうちの少なくとも一方が、金属およびガラスを含む導電層を含み、前記金属は少なくとも一つの貴金属元素を含み、
   前記金属は前記貴金属元素の共存ドメインを含み、
   前記貴金属元素が、族をアラビア数字で表記する新表記法に従う元素周期表における、少なくとも一つの１１族の貴金属と少なくとも一つの１０族の貴金属を含み、Ｐｔと組み合わせてＡｕを含むか、もしくはＰｄと組み合わせてＡｇを含み、
   前記導電層が、１．５：１以上かつ４：１以下の金属対ガラスの体積比を持ち、
   前記ガラスは９００℃で高真空下において安定である
   ことを特徴とする、圧力センサー。
2. 前記１１族の金属対前記１０族の金属の化学量論比が、１：５以上で２０：１以下であることを特徴とする、請求項１に記載の圧力センサー。
3. 前記導電層が、不可避的に存在し得る不純物を除き、鉛および／またはホウ素を含まないガラスを含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の圧力センサー。
4. 前記導電層が、バリウム、ケイ素、および／またはアルミニウムの酸化物、４５質量％以上かつ６０質量％以下のＳｉＯ_２、３０質量％以上かつ４０質量％以下のＢａＯ、および８質量％以上かつ１６質量％以下のＡｌ_２Ｏ_３を含むガラスを含むことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の圧力センサー。
5. 前記導電層が、５０質量％以上かつ５６質量％以下のＳｉＯ_２、３３質量％以上かつ３７質量％以下のＢａＯ、および１０質量％以上かつ１４質量％以下のＡｌ_２Ｏ_３を含むガラスを含むことを特徴とする、請求項４に記載の圧力センサー。
6. 前記導電層が、８μｍ以下の厚さを持つことを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の圧力センサー。
7. 前記圧力センサーが、絶対圧センサー、相対圧センサー、もしくは差圧センサーであることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の圧力センサー。
8. 前記導電層の材料が、前記基体部の表面上もしくは前記測定膜の表面上にスクリーン印刷を用いてペーストとして塗布されることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の圧力センサーの製造方法。
9. 前記ペーストが質量分率で１／４から２／５の有機結合剤と約３／４から３／５の金属‐ガラス混合物であることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 前記ペーストが、０．０８ｍ^２／ｇ以上のＢＥＴ表面積を持つ貴金属粒子を含むことを特徴とする、請求項８もしくは９に記載の方法。
11. 前記有機結合剤がテルピネオール中のエチルセルロース、もしくはフタル酸ジブチルを含むことを特徴とする、請求項９に記載の方法。
12. 前記ペースト中のガラス成分の粒径が５μｍ以下であることを特徴とする、請求項８から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記ペーストの塗布後、約１００℃から２００℃の温度で乾燥を行うことを特徴とする、請求項８から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記導電層が、９００℃から９６０℃の最大温度で燃焼プロセスで燃焼されることを特徴とする、請求項８から１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 製造された前記導電層を有する圧力センサーのセラミック部品が、約１０^−６ｍｂａｒ以下の圧力、約９００℃以上の温度で、高真空はんだ付けプロセスにおいて活性硬ろうで接合されることを特徴とする、請求項８から１４のいずれか一項に記載の方法。

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