JP5336242B2 - 静電容量型圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、被測定媒体の圧力に応じた静電容量を検出するダイアフラム構造の圧力センサチップを備えた静電容量型圧力センサに関する。

従来から被測定圧力の変化を静電容量の変化として検出する隔膜式の圧力センサは広く知られている。係る圧力センサの一例として、真空チャンバと隔膜真空計との連通孔にフィルタを被せることにより、未反応生成物や副反応生成物及びパーティクル等が真空チャンバから真空計内に入るのを防止し、これらの堆積成分が隔膜センサを構成する感圧ダイアフラムに付着して堆積することを防ぐようにした隔膜式センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−１５３５１０号公報（２−３頁、図１）

上記構成の隔膜式センサにおいては、被測定媒体に含まれる未反応生成物や副反応生成物及びパーティクル等であって直進性の高い堆積成分の感圧ダイアフラムへの付着を回避することは可能であるが、測定圧を感圧ダイアフラムに導く必要上、フィルタによって堆積成分を完全に排除することは不可能である。

係る被測定媒体中の堆積成分の一部が感圧ダイアフラムと接触する面に堆積すると、感圧ダイアフラムを一方向に撓ませこととなり、零点シフト（零点移動）が発生する。即ち、感圧ダイアフラムに付着した堆積物は、その成分に応じて付着後に圧縮応力又は引っ張り応力等の内部応力を発生し、これに伴い感圧ダイアフラムの被測定媒体と接触する側も引っ張られたり圧縮されたりして、感圧ダイアフラムの厚さ方向での力のバランスが崩れる。これにより、被測定媒体側若しくはこれと反対側が凸状となるように感圧ダイアフラムに撓みが発生する。

被測定媒体ごとに異なる堆積物と感圧ダイアフラムの材料を常に一致させることは不可能であり、かつ堆積物と感圧ダイアフラムの原子の配列が、ミクロ的に完全に一致することは稀有であるため、堆積物は、通常上述したように収縮若しくは伸長を生じることとなる。そして、感圧ダイアフラムの撓みは、感圧ダイアフラムに堆積する堆積物が多くなる程大きくなる。

静電容量型圧力センサにおいては、感圧ダイアフラムの撓みにより変化する静電容量に基づいて圧力差を検出しているので、上述した現象により感圧ダイアフラムの両側で圧力差がない状態でも、「差がある」との信号を検出することとなり、いわゆる零点シフトと呼ばれる零点誤差を生じるようになる。このため、測定誤差を生じるという問題が発生する。これに伴い、感圧ダイアフラム、即ち隔膜式センサの交換頻度が高くなり、耐久性の低下及び費用が嵩むという問題も発生する。

本発明の目的は、被測定媒体が感圧ダイアフラムに付着して堆積した場合でも感圧ダイアフラムの撓みを抑制して零点シフトを極力生じさせないようにした静電容量型圧力センサを提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の請求項１に係る記載の静電容量型圧力センサは、
未反応生成物や副反応生成物であって圧力測定時において圧力測定用のセンサダイアフラムの受圧面に堆積する成分を含む被測定媒体の圧力に応じた静電容量を検出する圧力センサチップを備えた静電容量型圧力センサにおいて、
前記圧力センサのセンサダイアフラムの一面は前記被測定媒体を導入する圧力導入室側をなし、他面はコンデンサ部を形成するコンデンサ室側をなし、当該センサダイアフラムの受圧面の周囲縁面は前記圧力導入室の一部と前記コンデンサ室の一部とでサンドイッチ状に接合挟持され、
前記センサダイアフラムは、前記圧力導入室側の被測定媒体導入方向から見て、前記コンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁部から中央部まで連続する所定の深さの窪みを有し、
前記窪みの幅が前記周縁部から中央部に向かって、段階的に広くなることで、前記コンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁部から中央部に向って剛性が低くなっていることを特徴としている。

コンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁部よりも中央部のセンサダイアフラムの剛性を低くすることで、センサダイアフラムの被測定媒体と接触する面に被測定媒体中の成分が付着して堆積した場合でも堆積物の内部応力に起因するセンサダイアフラムの一方向への撓みを抑制することができ、圧力センサの零点シフトを抑えることができる。
より詳細には、センサダイアフラムの被測定媒体と接触する面に周縁部から中央部に向かって連続する所定の深さの窪みを有し、窪みの幅を周縁部から中央部に向かって段階的に広くすることで、周縁部から中央部に向って剛性を連続的に低くすることができる。また、センサダイアフラムに被測定媒体中の堆積成分が付着して堆積した場合に、この堆積物を階段状の堆積片に分断する。その結果、従来は、堆積物の内部応力が被測定媒体の成分に応じてセンサダイアフラムに作用する引っ張り力又は圧縮力として発生していたが、本発明によるとその引っ張り力と圧縮力を軽減し、この内部応力に起因するセンサダイアフラムの厚み方向の撓みを抑制することができ、センサダイアフラムの被測定媒体と接触する面に被測定媒体中の成分が付着して堆積した場合であっても、圧力センサの零点シフトを抑えることができる。

センサダイアフラムの被測定媒体と接触する面に被測定媒体中の堆積成分が付着して堆積しても堆積物の内部応力に起因するセンサダイアフラムの一方向への撓みを抑制することができ、圧力センサの零点シフトを抑えることができる。また、センサダイアフラムの構成を簡略化することができる。

本発明に係る静電容量型圧力センサの圧力センサチップを部分的に示す一部断面斜視図である。 図１に示した圧力センサチップの一部断面図である。 図２に示した圧力センサチップの凹部底面の一部拡大図である。 図２に示したセンサダイアフラムに被測定媒体の堆積成分が付着して撓んだ状態の一例を示す説明図である。 図２に示したセンサダイアフラムに被測定媒体の堆積成分が付着して撓んだ状態の他の例を示す説明図である。 図２に示したセンサダイアフラムの変形例を示す断面図である。 図２に示したセンサダイアフラムの他の変形例を示す断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る静電容量型圧力センサ（以下単に「圧力センサ」という）について図面に基づいて説明する。本発明の概要を説明すると、圧力センサチップを構成するセンサダイアフラムのコンデンサ室側の固定部と境界をなす周縁部と中央部の形状を変えることにより実現する。基本的構成として、中央部の厚みを周縁部よりも薄くすることで、中央部の剛性を周縁部の剛性よりも低くする。

図１は、本発明の静電容量型圧力センサの基本となる圧力センサの圧力センサチップの切欠断面図を示すもので、圧力センサ１０は、図示しないパッケージ内に収容された台座プレート１１と、同じくパッケージ内に収容され台座プレート１１に接合された圧力センサチップ２０と、前記パッケージに直接取付けられ当該パッケージの内外を導通接続する図示しない電極リード部とを備えている。また、台座プレート１１は、前記パッケージに対して離間しており、支持ダイアフラム１５のみを介して前記パッケージに支持されている。前記パッケージは、耐食性金属である例えばニッケル合金からなり、それぞれ溶接により接合されている。

支持ダイアフラム１５は前記パッケージの形状に合わせた外形形状を有するニッケル合金の薄板からなり、周囲縁部は前記パッケージのロアハウジングとアッパーハウジングの縁部に挟まれて溶接等により接合されている。

なお、支持ダイアフラム１５の厚さは、例えば本実施形態の場合数十μｍであって、台座プレート１１を形成するロア台座プレート１２、アッパー台座プレート１３より充分薄い厚さとなっている。また、支持ダイアフラム１５の中央部分には、圧力センサチップ２０に圧力を導くための圧力導入孔１５ａが形成されている。

支持ダイアフラム１５の両面には、支持ダイアフラム１５と前記パッケージの接合部から周方向全体に亘って或る程度離間した位置に酸化アルミニウムの単結晶体であるサファイアからなる薄いリング状のロア台座プレート１２とアッパー台座プレート１３が接合されている。

なお、台座プレート１２，１３は、支持ダイアフラム１５の厚さに対して上述の通り十分に厚くなっており、かつ支持ダイアフラム１５を両台座プレート１２，１３でいわゆるサンドイッチ状に挟み込む構造を有している。これによって、支持ダイアフラム１５の台座プレート１１の熱膨張率の違いによって発生する熱応力でこの部分が反るのを防止している。

また、アッパー台座プレート１３には酸化アルミニウムの単結晶体であるサファイアでできた上面視矩形状の圧力センサチップ２０が接合後にスペーサ１６やアッパー台座プレート１３と同一の材料に変化する酸化アルミニウムベースの接合材を介して接合されている。なお、この接合方法については、特開２００２−１１１０１１号公報において詳しく記載されているので、ここでの詳細な説明を省略する。

圧力センサチップ２０は、平面視矩形状の薄板からなるスペーサ１６と、スペーサ１６に接合されかつ圧力の印加に応じて歪が生じる感圧ダイアフラムとしてのセンサダイアフラム１１１と、外形がスペーサ１６と同じでセンサダイアフラム１１１に接合して真空の容量室（リファレンス室）２０Ａを形成するセンサ台座１７を有している。センサ台座１７は、下面に円形の穴状をなす凹み部１７ａが形成されており、この凹み部１７ａが容量室２０Ａとされている。また、真空の容量室２０Ａと圧力センサチップ２０を収容する前記パッケージ内の基準真空室とはセンサ台座１７の適所に穿設された図示しない連通孔を介して双方共同一の真空度を保っている。また、スペーサ１６には穴１６ａが形成されている。

スペーサ１６、センサダイアフラム１１１、及びセンサ台座１７はいわゆる直接接合によって互いに接合され、一体化した圧力センサチップ２０を構成している。また、圧力センサチップ２０の容量室２０Ａには、センサ台座１７の凹み部１７ａに白金等の導体でできた感圧側固定電極２１、参照側固定電極２２が形成されているとともに、これと対向するセンサダイアフラム１１１の表面（上面）１１１ａ上に白金等の導体でできた感圧側可動電極２３、参照側可動電極２４が形成されている。

なお、感圧側固定電極２１は、凹み部１７ａの中央部に平面視で円形をなして形成され、参照側固定電極２２は感圧側固定電極２１と離間してこれの周囲をほぼ囲むように平面視円弧をなして同心状に形成されている。

また、感圧側可動電極２３及び参照側可動電極２４は、それぞれ感圧側固定電極２１及び参照側固定電極２２と対向配置するようにそれぞれ対応する形状をなしてセンサダイアフラム１１１の容量室２０Ａ側表面（上面）１１１ａに形成されている。そして、感圧側固定電極２１と感圧側可動電極２３は、圧力に対して高感度であって、圧力測定を行う役目を果たす一方、参照側固定電極２２と参照側可動電極２４は圧力に対して低感度であって電極間の誘電率を補正する役目を果たしている。

また、圧力センサチップ２０の上面四隅には、それぞれ電極取り出し用パッドが蒸着されている。これらの電極取り出し用パッドは、感圧側固定電極取り出し用パッド２５、感圧側可動電極取り出し用パッド２６、参照側固定電極取り出し用パッド２７、参照側可動電極取り出し用パッド２８である。そして、感圧側固定電極２１と感圧側固定電極取り出し用パッド２５は電極取り出し穴に成膜された導体を介して電気的に接続されている。

同様に、参照側固定電極２２と参照側固定電極取り出し用パッド２７、感圧側可動電極２３と感圧側可動電極取り出し用パッド２６、参照側可動電極２４と参照側可動電極取り出し用パッド２８もそれぞれ電極取り出し穴に成膜された導体を介して個別に電気的に接続されている。

前記電極リード部は、各電極取り出し用パッドに対応して４本設けられ、電極リードピンと金属製のシールドを備え、電極リードピンは金属製のシールドにガラスなどの絶縁性材料からなるハーメチックシールによってその中央部分が埋設され、電極リードピンの両端部間で気密状態を保っている。

そして、電極リードピンの一端は前記パッケージの外部に露出して図示しない配線によって圧力センサ１０の出力を外部の信号処理部に伝達するようになっている。なお、前記シールドとパッケージのカバーとの間にもハーメチックシールが介在している。

次に、本発明に関連するセンサダイアフラム１１１の構造について説明する。センサダイアフラム１１１は、外形がスペーサ１６の外形と同じ板体をなし、図２において下側の面、即ち被測定媒体と接触する圧力導入室側（被測定媒体の接触面）の面（下面）１１１ｂには円形の凹部（窪み）１１１ｃが形成されている。凹部１１１ｃの開口部の大きさは、センサダイアフラム１１１の被測定媒体と接触する領域の径の略半分程度で、凹部１１１cの開口部の深さは板厚の１／１０程度である。なお、凹部１１１cの開口部の大きさと深さの組み合わせは、本実施例に限定されるものではなく、凹部１１１cの開口部の大きさ（開口領域の寸法）に対して、最適な深さが設計される。

また、凹部１１１ｃの底面１１１ｄにはセンサ台座１７の凹み部１７ａ及びスペーサ１６の穴１６ａの内周面と境界をなす周縁部から中央部まで全面に亘り図３に一部拡大して示すように微細な凹凸１１１ｅが形成されている。この凹凸１１１ｅは、公知のマイクロマシニング技術によって形成される。センサダイアフラム１１１は、前述したようにサファイアにより形成されているが、これに限るものではなく他の部材、例えば耐食性を有するニッケル合金を使用しても良い。

センサダイアフラム１１１は、コンデンサ室側のセンサ台座１７、圧力導入室側のスペーサ１６との間にサンドイッチ状に挟持され、周縁部がこれらのセンサ台座１７、スペーサ１６の端面１７ｂ，１６ｂに接合固定されている。従って、センサダイアフラム１１１は、当該センサダイアフラム１１１の固定部としてのセンサ台座１７の円形の凹み部１７ａ、スペーサ１６の穴１６ａとの境界をなす周縁部１１１ｆから凹部１１１ｃまでの領域の厚さよりも中央部１１１ｇの厚さが薄くなっている。即ち、センサダイアフラム１１１は、周縁部１１１ｆの剛性よりも中央部１１１ｇの剛性が低くなっている。

図４は、センサダイアフラム１１１の被測定媒体と接触する面（下面）１１１ｂに被測定媒体中の堆積成分３０が付着して堆積し、センサダイアフラム１１１の周縁部１１１ｆの領域（凹部１１１ｃの外側の領域）が圧力導入室側（被測定媒体の接触面）（図中下方）に向って僅かに撓み（伸張し）、中央部１１１ｇの領域（凹部１１１ｃの領域）がコンデンサ室側（容量室２０Ａ）（図中上方）に向って僅かに撓んだ（収縮した）状態を示す。

また、図５は、センサダイアフラム１１１の被測定媒体と接触する面（下面）１１１ｂに被測定媒体中の堆積成分３０が付着して堆積し、センサダイアフラム１１１の周縁部１１１ｆの領域（凹部１１１ｃの外側の領域）がコンデンサ室側（容量室２０Ａ）（図中上方）に向って僅かに撓み（収縮し）、中央部１１１ｇの領域（凹部１１１ｃの領域）が圧力導入室側（被測定媒体の接触面）（図中下方）に向って僅かに撓んだ（伸張した）状態を示す。

前述したように被測定媒体ごとに異なる堆積物とセンサダイアフラム１１１の材料を常に一致させることは不可能であり、かつ堆積物とセンサダイアフラムの原子の配列がミクロ的に完全に一致することは稀有であるため、堆積物は、通常上述したように収縮若しくは伸長を生じることとなる。そして、感圧ダイアフラムの撓みは、感圧ダイアフラムに堆積する堆積物が多くなる程大きくなる。従って、センサダイアフラム１１１の撓みは、当該センサダイアフラム１１１の材質及び被測定媒体の種類により図４或いは図５に示すように撓むことになる。

このように、センサダイアフラム１１１の被測定媒体と接触する面１１１ｂに被測定媒体中の堆積成分３０が付着して堆積した場合でも、被測定媒体中の堆積成分３０の収縮又は伸長に起因するセンサダイアフラム１１１の一方向への撓みを抑制することにより、対向する感圧側固定電極２１と感圧側可動電極２３、参照側固定電極２２と参照側可動電極２４との間隔の変化を少なくすることが可能となり、圧力センサ１０の零点シフトを抑えることができる。

また、被測定媒体と接触する面（下面）１１１ｂに形成した凹部１１１ｃの底面１１１ｄに微細な凹凸１１１ｅを形成することにより、センサダイアフラムに被測定媒体中の堆積成分３０が付着して堆積した場合に、この堆積物を窪みに応じた堆積片に分断することが可能となり、堆積物の内部応力がその成分に応じてセンサダイアフラム１１１に作用する引っ張り力又は圧縮力を実質的に軽減し、この内部応力に起因するセンサダイアフラムの厚み方向の撓みを抑制することが可能となる。これにより、圧力センサ１０の零点シフトをより有効に抑えることができる。

図６は、図３に示した本発明に係るセンサダイアフラム１１１の変形例を示している。センサダイアフラム１１２は、下側の面、即ち被測定媒体と接触する圧力導入室側（被測定媒体の接触面）の面（下面）１１２ｂに円錐形の凹部（窪み）１１２ｃが形成されている。この円錐形の凹部１１２ｃは、センサ台座１７、スペーサ１６のダイアフラム固定部としての端面１７ｂ、１６ｂとの境界をなす周縁部１１２ｆから中央部１１２ｇに向かってテーパ状をなして連続的に厚さが薄くなっている。そして、本実施例では中央部１１２ｇにおける板厚が周縁部１１２ｆの板厚の略半分程度となっている。なお、センサダイアフラム１１２の面（下面）１１２ｂに形成され凹部（窪み）１１２ｃの形状については、凹部（窪み）１１２ｃの開口部の大きさ（開口領域の寸法）に応じて、最適な開口部のテーパ角度（深さ）が設計される。

このように、コンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁部１１２ｆからセンサダイアフラム１１２の中心に向って連続的に厚さを薄くする（テーパ状に薄くする）ように形成することで、周縁部１１２ｆから中央部１１２ｇに向って剛性を連続的に低くすることができる。これにより、センサダイアフラム１１２の被測定媒体と接触する面（下面）１１２ｂに被測定媒体中の堆積成分が付着して堆積した場合でも堆積成分（堆積物）の収縮又は伸長に起因するセンサダイアフラム１１２の一方向への撓みを抑制することができる。なお、この凹部１１２ｃの表面（テーパ面）にも図３に示すような凹凸を形成しても良い。

図７は、図３に示した本発明に係るセンサダイアフラム１１１の他の変形例を示している。センサダイアフラム１１３は、下側の面、即ち被測定媒体と接触する圧力導入室側（被測定媒体の接触面）の面（下面）１１３ｂにコンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁部１１３ｆから中央部１１３ｇに向かって階段状に同心的に順次小径となる階段状の凹部（窪み）１１３ｃが形成されている。なお、図７においては図示の簡略化と明確化を図るために段部を示す横方向の実線については省略して示している。

即ち、図７に示す他の変形例においては、センサダイアフラム１１３は、周縁部１１３ｆから中央部１１３ｇに向って段階的に厚さが順次薄くなっている。そして、本実施例では中央部１１３ｇにおける板厚が周縁部１１３ｆの板厚の略半分程度となっている。なお、センサダイアフラム１１３の面（下面）１１３ｂに形成される凹部（窪み）１１３ｃの形状については、凹部（窪み）１１３ｃの開口部の大きさ（開口領域の寸法）に応じて、最適な開口部の段差（深さ）が設計される。

このように、コンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁部１１３ｆから中央部１１３ｇに向って段階的に薄くする（階段状に薄くする）ことで、周縁部１１３ｆから中央部１１３ｇに向って剛性を順次低くすることができる。これにより、センサダイアフラム１１３の被測定媒体と接触する面（下面）１１３ｂに被測定媒体中の堆積成分が付着して堆積した場合でも堆積成分（堆積物）の収縮又は伸長に起因するセンサダイアフラム１１３の一方向への撓みを抑制することができる。なお、この凹部１１３ｃの表面（段差面）にも図３に示すような凹凸を形成しても良い。更に、段差の幅を周縁から中心に向うにつれて順次広くするようにしても良い。

なお、センサダイアフラムの形状としては、図３に示す底面が平坦な凹部１１１ｃ、図６に示すテーパ状の凹部１１２ｃ、及び図７に示す階段状の凹部１１３ｃを形成したが、これに限るものではなく他の形状、例えば所定の厚さまで連続的に厚さが薄く、その後は厚さが一定となる（テーパ状＋平面状とする）ようにしても良く、或いは所定の厚さまで段階的に厚さが薄く、その後は厚さが一定となる（階段状＋平面状とする）ようにしても良く、或いは所定の厚さまで連続的に厚さが薄く、その後は厚さが段階的に薄くなる（テーパ状＋階段状とする）ようにしても良く、更に、所定の厚さまで段階的に厚さが薄く、その後は厚さが連続的に薄くなる（階段状＋テーパ状とする）ように形成しても良い。

更に、センサダイアフラムは、コンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁部から中央部まで連続する所定の深さの窪みを有し、この窪みの幅が周縁部から中央部に向かって段階的に広くなっているようにしても良い。

なお、センサダイアフラムの面（下面）に形成され凹部（窪み）の形状については、凹部（窪み）の開口部の大きさ（開口領域の寸法）に応じて、最適な開口部の深さを設計すれば良い。

以上説明したようにコンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁部よりも中央部のセンサダイアフラムの剛性を低くすることで、センサダイアフラムの被測定媒体と接触する面に被測定媒体中の成分が付着して堆積した場合でも堆積物の収縮又は伸長に起因するセンサダイアフラムの一方向への撓みを抑制することができ、圧力センサの零点シフトを抑えることができる。

１０ 圧力センサ
１１ 台座プレート
１２ ロア台座プレート
１３ アッパー台座プレート
１５ 支持ダイアフラム
１５ａ 圧力導入孔
１６ スペーサ
１６ａ 穴
１６ｂ 端面
１７ センサ台座
１７ａ 凹み部
１７ｂ 端面
２０ 圧力センサチップ
２０Ａ 容量室（リファレンス室）
２１ 感圧側固定電極
２２ 参照側固定電極
２３ 感圧側可動電極
２４ 参照側可動電極
２５ 感圧側固定電極取り出し用パッド
２６ 感圧側可動電極取り出し用パッド
２７ 参照側固定電極取り出し用パッド
２８ 参照側可動電極取り出し用パッド
３０ 被測定媒体中の堆積成分
１１１ センサダイアフラム
１１１ａ 表面（上面）
１１１ｂ 面（下面）
１１１ｃ 凹部（窪み）
１１１ｄ 底面
１１１ｅ 凹凸
１１１ｆ 周縁部
１１１ｇ 中央部
１１２ センサダイアフラム
１１２ｂ 下面
１１２ｃ 円錐形の凹部
１１２ｆ 周縁部
１１２ｇ 中央部
１１３ センサダイアフラム
１１３ｂ 下面
１１３ｃ 階段状の凹部
１１３ｆ 周縁部
１１３ｇ 中央部

Claims (1)

1. 未反応生成物や副反応生成物であって圧力測定時において圧力測定用のセンサダイアフラムの受圧面に堆積する成分を含む被測定媒体の圧力に応じた静電容量を検出する圧力センサチップを備えた静電容量型圧力センサにおいて、
   前記圧力センサのセンサダイアフラムの一面は前記被測定媒体を導入する圧力導入室側をなし、他面はコンデンサ部を形成するコンデンサ室側をなし、当該センサダイアフラムの受圧面の周囲縁面は前記圧力導入室の一部と前記コンデンサ室の一部とでサンドイッチ状に接合挟持され、
   前記センサダイアフラムは、前記圧力導入室側の被測定媒体導入方向から見て、前記コンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁部から中央部まで連続する所定の深さの窪みを有し、
   前記窪みの幅が前記周縁部から中央部に向かって、段階的に広くなることで、前記コンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁部から中央部に向って剛性が低くなっていることを特徴とする静電容量型圧力センサ。

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