JP7384586B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、圧力センサに関する。

外部からの熱による熱応力の影響を受けることなく、高精度の圧力検出を行う圧力センサに関する技術が開発されている。上記技術としては、例えば下記の特許文献１に記載の技術が挙げられる。

特許第４０１４００６号公報

特許文献１に記載の技術に係る圧力センサは、圧力を検出するセンサ素子と、当該センサ素子を支持する台座プレートと、当該台座プレートに接合され、当該台座プレートを支持する支持ダイアフラムとを有する。また、特許文献１に記載の技術に係る圧力センサは、支持ダイアフラムの一部がパッケージに接合され、当該支持ダイアフラムのみを介してセンサ素子、台座プレートがパッケージ内で支持される。そして、特許文献１に記載の技術に係る圧力センサでは、台座プレートが、同一材料からなる第1の台座プレートと第２の台座プレートとからなり、支持ダイアフラムが当該第１の台座プレートと第２の台座プレートとによって挟まれた状態で接合される。特許文献１に記載の技術が用いられる場合、上記のような支持構造によってセンサ素子がパッケージ内で支持されることにより、急激な熱的変化によって生じる熱応力を支持ダイアフラムの熱応力に対する柔軟性で緩和することができる。

その一方で、特許文献１に記載の技術に係る圧力センサは、２つの支持用の台座プレートを使用するので、圧力センサの小型化を図る上で改良の余地がある。また、特許文献１に記載の技術に係る圧力センサは、台座プレートを使用する分だけ部品数や製造工程数が多くなる可能性があり、圧力センサの製造コストの低減を図る上で改良の余地がある。

本発明の目的は、小型化と製造コストの低減とを図ることが可能な、新規かつ改良された圧力センサを提供することである。

この目的を達成するために、本発明に係る圧力センサは、圧力を検出するセンサ素子と、前記センサ素子を収容するパッケージと、前記センサ素子を前記パッケージ内で支持する支持構造とを備え、前記支持構造は、前記パッケージに外縁部が固定されたリング状の支持ダイアフラムと、前記センサ素子を形成する材料と同一の材料、もしくは、前記センサ素子を形成する材料と熱膨張率が実質的に等しい材料によって形成され、前記支持ダイアフラムを前記センサ素子と協働して挟む台座部材とを有し、前記センサ素子は、前記支持ダイアフラムの開口部を塞ぐ状態で前記支持ダイアフラムに接合され、前記台座部材は、導圧部を有し、この導圧部が前記支持ダイアフラムの開口部と重なるように前記支持ダイアフラムに接合されているものである。

本発明は、前記圧力センサにおいて、前記支持ダイアフラムの開口部の内径Ｄと、前記台座部材の厚みＴとは、前記センサ素子の圧力印加に対する容量値変化量からなる圧力感度と、温度が変化した状態における容量値変化の許容量とに基づいて定められ、前記圧力感度に対する前記許容量の割合が下記式１で定めた値以下となるような前記内径Ｄと前記厚みＴとであてもよい。
（式１）：圧力感度に対する接合後の容量値変化の許容値（Ｃｘ―Ｃｒの変化量）の割合 ＝温度変化後（接合前後）の容量値（Ｃｘ－Ｃｒの変化量）／圧力感度×１００％

本発明は、前記圧力センサにおいて、前記台座部材の前記導圧部の穴径ｄと、前記台座部材の厚みＴと、前記支持ダイアフラムと前記センサ素子との間の距離Ｌとは、前記センサ素子の圧力印加に対する容量値変化量からなる圧力感度と、温度が変化した状態における容量値変化の許容量とに基づいて定められ、前記圧力感度に対する前記許容量の割合が下記式２で定めた値以下となるような前記導圧部の前記穴径ｄと前記厚みＴと前記距離Ｌとであってもよい。
（式２）：圧力感度に対する接合後の容量値変化の許容値（Ｃｘ―Ｃｒの変化量）の割合 ＝温度変化後（接合前後）の容量値（Ｃｘ－Ｃｒの変化量）／圧力感度×１００％

本発明によれば、小型化と製造コストの低減とを図ることができる。

本発明に係る圧力センサの概略の構成を説明するための断面図である。 第１の実施の形態によるセンサ素子およびセンサ素子の支持構造を拡大して示す断面図である。 第１の実施の形態によるセンサ素子およびセンサ素子の支持構造の斜視図である。 測定圧力レンジが０－１０Ｔｏｒｒ（０－１３３３．２Ｐａ）であるセンサ素子の出力値と台座部材の厚みおよび支持ダイアフラムの内径との関係を示すグラフである。 接合前のセンサ素子の概略の構成を示す断面図である。 接合後のセンサ素子の概略の構成を示す断面図である。 接合後のセンサ素子の概略の構成を示す断面図である。 測定圧力レンジが０－０．１Ｔｏｒｒ（０－１３．３３２Ｐａ）である導圧部の穴径が相対的に大きい場合におけるセンサ素子の出力値と台座部材の厚みおよび支持ダイアフラムの内径との関係を示すグラフである。 第２の実施の形態によるセンサ素子およびセンサ素子の支持構造の斜視図である。 測定圧力レンジが０－０．１Ｔｏｒｒ（０－１３．３３２Ｐａ）である導圧部の穴径が相対的に小さい場合におけるセンサ素子の出力値と支持ダイアフラムの内径との関係を示すグラフである。 接合後のセンサ素子の概略の構成を示す断面図である。 第３の実施の形態によるセンサ素子およびセンサ素子の支持構造の斜視図である。 支持ダイアフラムとセンサ素子との距離が相対的に短い場合と長い場合とにおけるセンサ素子の出力値と支持ダイアフラムの内径との関係を示すグラフである。 第４の実施の形態によるセンサ素子およびセンサ素子の支持構造の斜視図である。 測定圧力レンジが０－０．１Ｔｏｒｒ（０－１３．３３２Ｐａ）である導圧部の穴径が相対的に小さい場合におけるセンサ素子の出力値と台座部材の厚みおよび支持ダイアフラムの内径との関係を示すグラフである。 台座部材の導圧部の変形例を示す平面図である。 導圧部が１箇所である場合と複数箇所ある場合とにおける、センサ素子の出力値と支持ダイアフラムの内径との関係を示すグラフである。

（第１の実施の形態）
以下、本発明に係る圧力センサの一実施の形態を図１～図７を参照して詳細に説明する。図３は支持ダイアフラムの中央部でセンサ素子および支持構造を破断した状態で描いてある。この実施の形態においては、本発明を静電容量型圧力センサに適用する場合の例について説明する。
図１に示す静電容量型圧力センサ１は、図１において最も外側に位置する加熱用ケース２と、この加熱用ケース２の中に収容されたセンサパッケージ３などを備えている。この実施の形態においては、このセンサパッケージ３が本発明でいう「パッケージ」に相当する。

加熱用ケース２は、センサパッケージ３を囲む円柱状に形成されたケース本体４と、このケース本体４の外周面を覆う自己加熱用ヒータ５と、これらのケース本体４およびヒータ５を覆う断熱材６などによって構成されている。
センサパッケージ３は、複数の部材を互いに溶接して有底円筒状に形成されており、底部が図１において上に位置する状態で加熱用ケース２の中に収容されている。
センサパッケージ３を構成する複数の部材は、加熱用ケース２から図１において下方に突出する小径部１１を有するロアパッケージ１２と、このロアパッケージ１２の大径部１３に後述する支持ダイアフラム１４を介して接続された円筒状のアッパパッケージ１５と、このアッパパッケージ１５の開口端を閉塞する円板状のカバー１６である。これらのロアパッケージ１２と、アッパパッケージ１５は、耐食性を有する金属材料によって形成されている。

支持ダイアフラム１４は、耐食性を有する金属材料によって円環板状に形成されており、外縁部がロアパッケージ１２とアッパパッケージ１５とにそれぞれ溶接されてこれらの部材に支持されている。支持ダイアフラム１４の開口部１４ａは、支持ダイアフラム１４の厚み方向から見て円形に形成されており、支持ダイアフラム１４に後述するセンサ素子２１が接合された状態でセンサ素子２１によって閉塞されている。このため、支持ダイアフラム１４は、センサ素子２１と協働してセンサパッケージ３内を導入部２２と基準真空室２３とに分けている。導入部２２内にはバッフル２４が設けられている。基準真空室２３は、所定の真空度に保たれている。

カバー１６にはハーメチックシール２５を介して複数の電極リード部２６が埋め込まれている。電極リード部２６は、電極リードピン２７と金属製のシールド２８とを備えている。電極リードピン２７は、シールド２８の中にハーメチックシール２９を介して支持されている。電極リードピン２７の一端は、センサパッケージ３の外に露出し、図示しない配線を介して外部の信号処理部に接続されている。電極リードピン２７の他端は、導電性を有するコンタクトばね３０を介して後述するセンサ素子２１のコンタクトパッド３１に接続されている。

センサ素子２１は、センサパッケージ３内の導入部２２の圧力を静電容量に基づいて検出するもので、後述する支持構造３２によってセンサパッケージ３内で支持されている。センサ素子２１は、図２に示すように、センサダイアフラム３３と、このセンサダイアフラム３３に接合されたセンサ台座３４とを備えている。このセンサ素子２１は、拡散接合法によって上述した支持ダイアフラム１４に接合されている。
センサダイアフラム３３は、サファイアによって円板状に形成されている。支持ダイアフラム１４の開口部１４ａは、このセンサダイアフラム３３によって閉塞されている。

センサ台座３４は、サファイアによって箱蓋状に形成されている。センサ台座３４の開口部は、センサダイアフラム３３によって閉塞されている。センサ台座３４には、センサ台座３４の内部の容量室３５とセンサ台座３４の外の基準真空室２３とを連通する連通孔３６が穿設されている。容量室３５と基準真空室２３とは同一の真空度を保っている。
このセンサ台座３４の内側底面３４ａと、センサダイアフラム３３におけるセンサ台座３４の内側底面３４ａと対向する面３３ａとには、それぞれ２種類の電極３７～４０が設けられている。

センサダイアフラム３３の中央部とセンサ台座３４の内側底面３４ａの中央部とには、一対の感圧電極３７，３８が設けられている。センサダイアフラム３３の外周部とセンサ台座３４の内側底面３４ａの外周部とには、一対の参照電極が３９，４０が設けられている。中央部に設けられている感圧電極３７，３８は、静電容量がＣｘとなる感圧キャパシタを構成している。外周部に設けられている参照電極３９，４０は、静電容量がＣｒとなる参照キャパシタを構成している。感圧キャパシタと参照キャパシタは、電極面積を調整して容量値が等しくなるように形成されている。

支持構造３２は、図１に示すように、センサパッケージ３に外周部が固定されたリング状の支持ダイアフラム１４と、この支持ダイアフラム１４をセンサ素子２１と協働して挟む台座部材４１とを有している。
台座部材４１は、熱膨脹率が所定の範囲内の材料によって形成されている。台座部材４１を形成する熱膨張率が所定の範囲内の材料としては、例えば、"センサダイアフラム３３やセンサ台座３４などを形成する材料と同一の材料"と、"センサダイアフラム３３やセンサ台座３４などを形成する材料との熱膨張率の差が、実質的に等しいとみなせる程小さな材料"とが挙げられる。つまり、台座部材４１を形成する熱膨張率が所定の範囲内の材料には、センサダイアフラム３３やセンサ台座３４などと同じ材料と、略同一の材料、すなわち、センサ素子２１を形成する材料と熱膨張率が実質的に等しい材料とが含まれる。

台座部材４１は、１つまたは複数の貫通穴４２を有する板状に形成されている。この実施の形態においては、１つの貫通穴４２が台座部材４１に形成されている例について説明する。台座部材４１の厚み方向から見た形状は、センサ素子２１と同一の四角形である。この実施の形態による台座部材４１は、厚み方向から見た外形寸法がセンサ素子２１と略等しくなるように形成されている。

台座部材４１の貫通穴４２は、開口形状が円形で、台座部材４１の中央部に形成されている。台座部材４１は、この貫通穴４２が支持ダイアフラム１４の開口部１４ａと重なるように、支持ダイアフラム１４に拡散接合法によってセンサ素子２１とともに接合されている。なお、貫通穴４２は、台座部材４１の中央部に１つだけ設けられた穴に限定されることはない。貫通穴４２は、台座部材４１の複数の位置にそれぞれ設けてもよい。この実施の形態においては、この貫通穴４２が本発明でいう「導圧部」に相当する。
図２に示すように、台座部材４１の厚みＴと、支持ダイアフラム１４の開口部１４ａの内径Ｄは、センサ素子２１に熱応力が生じたときに、センサ素子２１が後述する図７に示す形状に反るように規定されている。

台座部材４１の厚みＴと支持ダイアフラム１４の開口部１４ａの内径Ｄを最適な値に調節することにより、支持ダイアフラム１４との熱膨張率の違いによりセンサダイアフラム３３とセンサ台座３４の変形の向き、変形量が等しくなるようにセンサ素子２１を反らすことが可能になる。図７に示すセンサ素子２１は、センサダイアフラム３３とセンサ台座３４とが同じように反っているから、静電容量Ｃｘと静電容量Ｃｒの容量値変化量が等しくなる。
支持ダイアフラム１４の内径Ｄを最適な内径に調節することにより、支持ダイアフラム１４とセンサ素子２１との接合面積が調整され、センサ素子２１が熱応力によって図７に示すように反り易くなる。以下においては、台座部材４１の厚みＴを単に「厚みＴ」といい、支持ダイアフラム１４の開口部１４ａの内径Ｄを単に「内径Ｄ」という。

この実施の形態において厚みＴと内径Ｄとを定めるにあたっては、厚みＴと内径Ｄとが異なる複数種類の支持構造３２について、それぞれ温度が変化したときのセンサ素子２１の出力値を求めて行った。
センサ素子２１の出力値は、センサダイアフラム３３とセンサ台座３４の変形の方向、変形量などによって決まり、感圧キャパシタの静電容量Ｃｘから参照キャパシタの静電容量Ｃｒを減算することにより得られる。

厚みＴと内径Ｄとを最適な値とすることにより、センサ素子２１に生じた熱応力でセンサダイアフラム３３とセンサ台座３４とが同じように反るようになり、接合後の容量値変化量を少なくすることが可能になる。
温度が変化したときのセンサ素子２１の出力値は、図４に示すように変化することが判った。ここでいう「温度が変化したとき」とは、センサ素子２１および台座部材４１が支持ダイアフラム１４に拡散接合法によって接合された後に室温に冷却されたときである。
図４は、測定圧力レンジが０－１０Ｔｏｒｒ（０－１３３３．２Ｐａ）のセンサ素子２１を用いた場合を示す。
支持ダイアフラム１４の厚みは、測定圧力レンジ毎に定められており、測定圧力レンジが変わると、測定圧力レンジの大きさに合わせて厚くなる。

図４に示すように、Ｃｘ－Ｃｒが０になる厚みＴと内径Ｄとが存在することが分かる。
実際に製造されるセンサ素子２１の種類は、上記の測定圧力レンジのものだけではなく測定圧力レンジが０－０．１Ｔｏｒｒ（０－１３．３３２Ｐａ）～０－１０００Ｔｏｒｒ（０－１３３３２０Ｐａ）の範囲で複数種類あり、用途に応じても複数の種類がある。センサ素子２１の電極サイズは、これらの種類毎に異なっている。このため、Ｃｘ－Ｃｒが０になる厚みＴと内径Ｄも種類毎に異なる。

ここで、センサ素子２１の温度が変化したときのＣｘ－Ｃｒの値を図５～図７を参照して説明する。図５は、支持ダイアフラム１４に接合される以前のセンサ素子２１の概略断面図、図６および図７は、支持ダイアフラム１４に接合された後のセンサ素子２１の概略断面図である。図６および図７においては、支持ダイアフラム１４と台座部材４１の図示を省略している。
図５においては、接合前の各容量値をＣｘ（ｂｅｆ）、Ｃｒ（ｂｅｆ）として示してある。図６および図７においては、接合後の各容量値をＣｘ（ａｆｔ）、Ｃｒ（ａｆｔ）として示してある。

接合前のＣｘ（ｂｅｆ）－Ｃｒ（ｂｅｆ）＝０となることが理想であるが、実際には部材の平面度、反りなどの影響を受けて０にはならないことが多い。理想は、Ｃｘ（ｂｅｆ）とＣｘ（ａｆｔ）とが接合前後で変わらず、Ｃｒ（ａｆｔ）とＣｒ（ｂｅｆ）が接合前後で変わらないことである。これらの条件を満たせば、
｛Ｃｘ（ａｆｔ）－Ｃｒ（ａｆｔ）｝－｛Ｃｘ（ｂｅｆ）－Ｃｒ（ｂｅｆ）｝＝０
になる。
このように接合後にセンサ素子２１の反り変化がないことが理想であるが、図７に示すように反れば容量値の変化量が少なくなるため、センサ素子２１の特性は良好になる。一方、図６に示すように反ると、Ｃｘの値が小さくなり、Ｃｘ－Ｃｒの値がマイナスとなってセンサ素子２１の特性が悪化してしまう。

センサ素子２１の特性としては、圧力感度が挙げられる。この圧力感度とは、圧力印加に対する容量値の変化量で、各センサ素子によって異なる。例えば、０－１０Ｔｏｒｒ（（０－１３３３．２Ｐａ）レンジ用のセンサ素子２１に１０Ｔｏｒｒ（１３３３．２Ｐａ）の圧力が印加されたときの圧力感度は４ｐＦ程度である。

圧力感度に対する、温度が変化した状態における容量値変化の許容値（目標値）の割合が予め定めた目標値以下となるような厚みＴと内径Ｄであれば、温度変化後も特性が良好になる圧力センサ１が得られる。これを測定圧力レンジが０－１０Ｔｏｒｒ（０－１３３３．２Ｐａ）であるセンサ素子２１を用いる場合について説明する。
このセンサ素子２１に１０Ｔｏｒｒ（１３３３．２Ｐａ）の圧力が印加されたときの圧力感度（Ｃｘ－Ｃｒの変化量）を４ｐＦとする。また、接合後の容量値変化の許容値を±０．８ｐＦとする。

この場合の「圧力感度に対する、接合後の容量値変化の許容値（Ｃｘ－Ｃｒの変化量）の割合」は、次の式で示すようになる。
温度変化後（接合前後）の容量値変化の許容値（Ｃｘ－Ｃｒの変化量）／圧力感度×１００％＝±０．８／４×１００（％）＝±２０（％）
すなわち、圧力感度に対する、接合後の容量値変化の許容値の割合が２０％以下になるような厚みＴと内径Ｄであれば、接合後も特性が良好な圧力センサ１が得られる。

上述したように構成された静電容量型圧力センサ１においては、センサ素子２１が支持ダイアフラム１４に接合されているから、特許文献１に記載されている従来の静電容量型圧力センサと較べて２枚の台座プレートが不要になり、部品数が削減される。また、センサ素子と台座プレートとの接合工程が不要になり、製造に必要な作業時間を削減することができる。このため、部品数の低減と作業時間の短縮とが図られるから、製造コストを低減することができる。

しかも、台座プレートを有していない分だけセンサパッケージ３と加熱用ケース２とを小さく形成することができ、センサパッケージ３に接続される他の部品も小型化できるから、製造コストの低減のみならず静電容量型圧力センサ１を小型化することができる。したがって、この実施の形態によれば、静電容量型圧力センサの小型化と製造コストの低減とを図ることができる。

この実施の形態による静電容量型圧力センサ１においては、センサパッケージ３のコンパクト化が図られるために熱容量が低減される。このため、センサパッケージ３を自己加熱用ヒータ５で所定の温度に加熱するときの自己加熱用ヒータ５の消費電力を少なく抑えることができる。

センサ素子２１が支持ダイアフラム１４に接合されていることに起因してセンサ素子２１に熱応力が生じると、前記センサ素子２１の容量値が変化するおそれがある。この実施の形態によれば、支持ダイアフラム１４の開口部１４ａの内径Ｄと、台座部材４１の厚みＴとを、容量値が予め定めた目標範囲内となるように設定することができる。このため、センサダイアフラム３３とセンサ台座３４の変形の向き、変形量を等しくすることにより容量値変化量を少なく抑えることができる。

また、センサ素子２１の圧力感度に対する、温度が変化した状態における容量値変化の許容量の割合が予め定めた目標値以下になるように内径Ｄと厚みＴとを設定することにより、接合後も特性が良好な静電容量型圧力センサを提供することができる。

（第２の実施の形態）
第１の実施の形態による圧力センサ１においては、測定圧力レンジが例えば０－０．１Ｔｏｒｒ（０－１３．３３２Ｐａ）となるように低い場合、すなわちセンサダイアフラム３３が薄くなるセンサ素子２１を使用する場合であっても、接合後の容量値変化を小さくすることが要請されている。第１の実施の形態による圧力センサ１に測定圧力レンジが０－０．１Ｔｏｒｒ（０－１３．３３２Ｐａ）のセンサ素子２１を使用した場合は、接合後の容量値変化が図８に示すようになる。図８は、第１の実施の形態による圧力センサ１を有限要素法によって解析して得られたデータに基づくグラフである。図８は、貫通穴４２の穴径ｄが相対的に大きくなる場合の、センサ素子２１の接合後の出力値の変化を示している。図８の横軸は、支持ダイアフラム１４の内径を示し、縦軸は、接合後のＣｘ－Ｃｒの値を示している。この解析は、測定圧力レンジが０－０．１Ｔｏｒｒ（０－１３．３３２Ｐａ）のセンサ素子２１を用いて行った。図８から判るように、第１の実施の形態に示す構成で接合後のＣｘ－Ｃｒ変化量が少なくなる圧力センサ１を実現するためには、設計上の自由度が小さい。

測定圧力レンジが低い場合であっても接合後のＣｘ－Ｃｒ変化量を小さくするためには、拡散接合後のセンサ台座３４の反り変形を抑えることが必要である。第２の実施の形態による圧力センサは、このようなセンサ台座３４の反り変形を抑えるために、台座部材４１を剛性が高くなるように形成してセンサ素子２１との変形のバランスをとるようにしたものである。

台座部材４１の剛性を高くするためには、台座部材４１の貫通穴４２の穴径ｄを調整したり、台座部材４１の厚みＴを調整することにより実現可能である。第２の実施の形態によるセンサ素子２１は、センサ素子２１の反り変形を抑えるにあたって、台座部材４１の貫通穴４２の穴径ｄと、台座部材４１の厚みＴとが、それぞれ最適な値に調整されている。穴径ｄと、厚みＴとは、センサ素子２１の圧力印加に対する容量値変化量からなる圧力感度と、接合後の容量値変化の許容量とに基づいて定められている。最適な穴径ｄと、最適な厚みＴとは、センサ素子２１の圧力感度に対する、接合後の容量値変化の許容量の割合が予め定めた目標値以下となるような値である。これらの穴径ｄと厚みＴとは、有限要素法によって解析して得られたデータに基づいて規定することができる。

台座部材４１の剛性を高くするにあたって貫通穴４２の穴径ｄを小さくする場合のセンサ素子２１は、図９に示すように構成される。図９に示す台座部材４１は、貫通穴４２の穴径ｄが第１の実施の形態による貫通穴４２（図３参照）の穴径より小さく形成されている。貫通穴４２の穴径ｄが相対的に小さい場合は、穴径ｄが相対的に大きい場合と較べると、図１０に示す解析結果から明らかなように、接合後のＣｘ－Ｃｒ変化量が少なくなる。図１０は、センサ素子２１の接合後の出力値の変化を示すグラフで、図１０の横軸は、支持ダイアフラム１４の内径を示し、縦軸は、接合後のＣｘ－Ｃｒの値を示している。この解析は、測定圧力レンジが０－０．１Ｔｏｒｒ（０－１３．３３２Ｐａ）のセンサ素子２１を用いて行った。このようにＣｘ－Ｃｒ変化量が少なくなることは、図１１に示すように、拡散接合後のセンサ素子２１の反り変化量が低減されることを意味する。

この実施の形態で示すように、台座部材４１の剛性を高くするために台座部材４１の貫通穴４２の穴径ｄと、台座部材４１の厚みＴとを調整する構成を採る場合であっても、第１の実施の形態を採るときと同様に、接合後も特性が良好な静電容量型圧力センサを提供することができる。

（第３の実施の形態）
本発明に係る圧力センサは、図１２に示すように構成することができる。図１２において、図１～図７によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略する。

測定圧力レンジが例えば０－０．１Ｔｏｒｒ（０－１３．３３２Ｐａ）となるように低いセンサ素子２１、言い換えればセンサダイアフラム３３が薄くなるセンサ素子２１を使用するにあたって接合後の容量値変化量を少なくするためには、センサ素子２１が受ける熱応力の影響を可及的小さくすることにより可能である。熱応力の影響を受け難くするためには、図１２に示すように、支持ダイアフラム１４とセンサ素子２１（センサダイアフラム３３）との距離Ｌを長くすることが有効である。この距離Ｌを長くするためには、センサダイアフラム３３の、支持ダイアフラム１４と接合される外縁部を厚く形成したり、図１２に示すように、支持ダイアフラム１４とセンサダイアフラム３３との間にスペーサ５１を挿入することによって実現できる。

図１２に示すセンサ素子２１のセンサダイアフラム３３は、スペーサ５１を介して支持ダイアフラム１４に接合されている。スペーサ５１は、センサダイアフラム３３やセンサ台座３４などを形成する材料と同一の材料や、センサダイアフラム３３やセンサ台座３４などを形成する材料との熱膨張率の差が、実質的に等しいとみなせる程小さな材料によって形成されている。スペーサ５１を厚み方向から見た形状は、センサダイアフラム３３と重なる矩形の枠状である。スペーサ５１の中空部は、厚み方向から見て、支持ダイアフラム１４の開口部１４ａと略等しい径の円形に形成されている。

支持ダイアフラム１４とセンサ素子２１との間の距離Ｌは、センサ素子２１の圧力印加に対する容量値変化量からなる圧力感度と、温度が変化した状態における容量値変化の許容量とに基づいて定められる。最適な距離Ｌは、圧力感度に対する容量値変化の許容量の割合が予め定めた目標値以下となるような値である。このような距離Ｌは、有限要素法によって解析して得られたデータ（図１３参照）に基づいて規定することができる。図１３は、支持ダイアフラム１４とセンサ素子２１との距離Ｌが長い場合と短い場合とにおける、センサ素子２１の温度が変化したときの出力値の変化を示すグラフである。図１３の横軸は、支持ダイアフラム１４の内径を示し、縦軸は、接合後のＣｘ－Ｃｒの値を示している。図１３に示すデータを取得するにあたっては、第１の実施の形態の図３で示したセンサ素子２１のデータを用いて行った。

図１３から判るように、支持ダイアフラム１４とセンサ素子２１との距離Ｌが相対的に短い場合は、支持ダイアフラム１４の内径Ｄが変化するとＣｘ－Ｃｒの値が大きく変化する。しかし、支持ダイアフラム１４とセンサ素子２１との距離Ｌが長い場合は、支持ダイアフラム１４の内径Ｄが変化したときのＣｘ－Ｃｒの変化量が少なくなる。このことは、圧力センサの設計の幅を拡げることができることを意味する。

この実施の形態で示したように、熱応力の影響を受け難くするために支持ダイアフラム１４とセンサ素子２１との距離Ｌを長くする構成を採る場合であっても、第１の実施の形態を採るときと同様に、接合後の容量値変化量が少なくなる静電容量型圧力センサを提供することができる。

（第４の実施の形態）
本発明に係る圧力センサは、図１４に示すように構成することができる。図１４において、図１～図９および図１２によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略する。

測定圧力レンジが例えば０－０．１Ｔｏｒｒ（０－１３．３３２Ｐａ）となるように低いセンサ素子２１、言い換えればセンサダイアフラム３３が薄くなるセンサ素子２１を使用するにあたって接合後の容量値変化量を少なくするためには、台座部材４１の剛性向上を図るとともに、センサ素子２１が受ける熱応力の影響を可及的小さくすることにより可能である。台座部材４１の剛性を高くするためには、図１４に示すように、台座部材４１の貫通穴４２の穴径ｄを調整したり、台座部材４１の厚みＴを調整することにより実現可能である。熱応力の影響を受け難くするためには、支持ダイアフラム１４とセンサ素子２１（センサダイアフラム３３）との距離Ｌを長くすることが有効である。この距離Ｌを長くするためには、センサダイアフラム３３の、支持ダイアフラム１４と接合される外縁部を厚く形成したり、図１４に示すように、支持ダイアフラム１４とセンサダイアフラム３３との間にスペーサ５１を挿入することによって実現できる。

台座部材４１の貫通穴４２の穴径ｄと、台座部材４１の厚みＴと、支持ダイアフラム１４とセンサ素子２１との間の距離Ｌとは、センサ素子２１の圧力印加に対する容量値変化量からなる圧力感度と、温度が変化した状態における容量値変化の許容量とに基づいて定められる。最適な穴径ｄと、最適な厚みＴと、最適な距離Ｌは、圧力感度に対する容量値変化の許容量の割合が予め定めた目標値以下となるような値である。

台座部材４１の貫通穴４２の穴径ｄと、台座部材４１の厚みＴと、支持ダイアフラム１４とセンサ素子２１との間の距離Ｌとがそれぞれ最適な値となることにより、図１５に示す解析結果から明らかなように、支持ダイアフラム１４の内径Ｄが変化したときのＣｘ－Ｃｒの変化量が少なくなる。図１５は、センサ素子２１の接合後の出力値の変化を示すグラフである。図１５は、貫通穴４２の穴径ｄが相対的に小さく、台座部材４１の剛性が相対的に高くなる場合を示している。図１５の横軸は、支持ダイアフラム１４の内径を示し、縦軸は、接合後のＣｘ－Ｃｒの値を示している。この解析は、測定圧力レンジが０－０．１Ｔｏｒｒ（０－１３．３３２Ｐａ）のセンサ素子２１を用いて行った。図１５に示すように、Ｃｘ－Ｃｒの値は、台座部材４１の厚みＴが厚くなるほど０に近付く。このため、拡散接合後のセンサ素子２１の反り変化量が低減される。また、図１５に示すように、支持ダイアフラム１４の内径Ｄが変化したときのＣｘ－Ｃｒの変化量が少なくなることにより、圧力センサの設計の幅を拡げることが可能になる。
したがって、この実施の形態を採る場合においても、第１の実施の形態を採るときと同様に、接合後の容量値変化量が少なくなる静電容量型圧力センサを提供することができる。

（台座部材の変形例）
上述した各実施の形態においては、台座部材の貫通穴が１つである例を示した。しかし、図１６に示すように、台座部材には複数の貫通穴を設けることができる。図１６において、図１～図３によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略する。図１６に示す台座部材４１は、４つの貫通穴４２を有している。これらの貫通穴４２は、矩形の板状に形成された台座部材４１の４つの角部と対応する位置にそれぞれ形成されている。この実施の形態による貫通穴４２の穴径は、第２の実施の形態で示した、穴径が相対的に小さい貫通穴４２と同一である。

貫通穴４２が４つある場合と、貫通穴４２が１つである場合とについて、拡散接合後のセンサ素子２１のＣｘ－Ｃｒの値を求めたところ、図１７に示すような結果が得られた。図１７に示すように、貫通穴４２の数はＣｘ－Ｃｒの値に殆ど影響を及ぼすことがないことが判った。すなわち、台座部材４１の導圧部は、複数の小孔によって構成することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明した。しかしながら、本発明の技術的範囲はかかる例に限定されない。本発明の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、様々な変形例に想到しうることは明らかであり、これらの変形例についても、当然に本発明の技術的範囲に属する。

１…静電容量型圧力センサ、３…センサパッケージ（パッケージ）、１４…支持ダイアフラム、１４ａ…開口部、２１…センサ素子、３２…支持構造、４１…台座部材、４２…貫通穴、５１…スペーサ、Ｄ…内径、Ｔ…厚み、Ｌ…距離。

Claims (3)

1. 圧力を検出するセンサ素子と、
   前記センサ素子を収容するパッケージと、
   前記センサ素子を前記パッケージ内で支持する支持構造とを備え、
   前記支持構造は、
   前記パッケージに外縁部が固定されたリング状の支持ダイアフラムと、
   前記センサ素子を形成する材料と同一の材料、もしくは、前記センサ素子を形成する材料と熱膨張率が実質的に等しい材料によって形成され、前記支持ダイアフラムを前記センサ素子と協働して挟む台座部材とを有し、
   前記センサ素子は、前記支持ダイアフラムの開口部を塞ぐ状態で前記支持ダイアフラムに接合され、
   前記台座部材は、導圧部を有し、この導圧部が前記支持ダイアフラムの開口部と重なるように前記支持ダイアフラムに接合されていることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記支持ダイアフラムの開口部の内径Ｄと、前記台座部材の厚みＴとは、
   前記センサ素子の圧力印加に対する容量値変化量からなる圧力感度と、温度が変化した状態における容量値変化の許容量とに基づいて定められ、
   前記圧力感度に対する前記許容量の割合が下記式１で定めた値以下となるような前記内径Ｄと前記厚みＴとであることを特徴とする、請求項１に記載の圧力センサ。
   （式１）：圧力感度に対する接合後の容量値変化の許容値（Ｃｘ―Ｃｒの変化量）の割合 ＝温度変化後（接合前後）の容量値（Ｃｘ－Ｃｒの変化量）／圧力感度×１００％
3. 前記台座部材の前記導圧部の穴径ｄと、前記台座部材の厚みＴと、前記支持ダイアフラムと前記センサ素子との間の距離Ｌとは、
   前記センサ素子の圧力印加に対する容量値変化量からなる圧力感度と、温度が変化した状態における容量値変化の許容量とに基づいて定められ、
   前記圧力感度に対する前記許容量の割合が下記式２で定めた値以下となるような前記導圧部の前記穴径ｄと前記厚みＴと前記距離Ｌとであることを特徴とする、請求項１に記載の圧力センサ。
   （式２）：圧力感度に対する接合後の容量値変化の許容値（Ｃｘ―Ｃｒの変化量）の割合 ＝温度変化後（接合前後）の容量値（Ｃｘ－Ｃｒの変化量）／圧力感度×１００％

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