JPH0583854B2 - - Google Patents
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- JPH0583854B2 JPH0583854B2 JP60033645A JP3364585A JPH0583854B2 JP H0583854 B2 JPH0583854 B2 JP H0583854B2 JP 60033645 A JP60033645 A JP 60033645A JP 3364585 A JP3364585 A JP 3364585A JP H0583854 B2 JPH0583854 B2 JP H0583854B2
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
- G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
- G01L9/0073—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance using a semiconductive diaphragm
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Description
[産業上の利用分野]
この発明は、支持部材と、支持部材上に設けら
れた固定型キヤパシタプレートと、支持部材上に
設けられたシリコン部材とを有し、シリコン部材
は固定型キヤパシタプレートを囲み、かつこのシ
リコン部材の中心部分は、可動型キヤパシタプレ
ートとして作動し、並びに開口部の底部を形成す
るように、周辺部より薄いシリコン膜である圧力
用デイテクタに関する。 [従来の技術] 従来の技術として、(1)米国特許第4386453号
(発明者Gianchino等)、(2)米国特許第4257274号
(発明者Shimada等)、(3)米国特許第4332000号
(発明者Petersen)、(4)米国特許第4390925号(発
明者Freud)、(5)米国特許第3397278号(発明者
Pomerantz)、(6)著作者K.E、Beanである、“シ
リコンの異方性のエツチング”(Anisotropic
Etching of Silion)、及びIEEE Transactions
on Electron Devices)Vol.ED−25(1978)No.
10、pp.1185−93に記載されている。 (1)〜(4)に記載されている従来の小形の容量性の
圧力用デイテクタは、シリコンとガラスから形成
されている。(6)に記載されているシリコンは化学
エツチングにより処理され、かつマイクロリトグ
ラフの手段によりパターン化されている。シリコ
ンとガラスとは、(5)に記載されている静電気的手
段により連結されている。 デイテクタ用のガラスとして、例えば、コーニ
ング社製のタイプ7740“パイレツクス(Phrex)”
又はスコツト社製の“Tempex”が存在する。こ
れらは、アルカリ金属のイオンを有し、静電結合
を果たすのに適している。これらのガラスの熱膨
脹率は、シリコンと同じオーダである。室温のと
き、シリコンの熱膨脹率は、2.5ppm/℃であり、
ガラスの熱膨脹率は、3.2ppm/℃である。温度
が高くなるのに従つて、シリコの熱膨脹率は線形
的に比例せず、かつガラスの熱膨脹率より大きき
なる。 ガラスのシリコンとの熱膨脹率の相違は、略
0.7ppm/℃であり、シリコンとガラスとで形成
された容量性圧力用デイテクタにおいて、このこ
とが、温度に依存して影響する最も重要な要因で
ある。 第1図には、容量性の圧力用デイテクタにおい
て、温度に依存した基本原理が概略されている。
圧力により偏向される薄い部分3を備えたシリコ
ン片2は、静電気方法によりガラス板1上に装着
されている。薄い部分3全体に渡つて作用する圧
力の相違により薄い部分3がそらされ、この結
果、薄い部分3と、ガラス板1上に位置する固定
型キヤパシタプレート4との間の距離、及びキヤ
パシタンスが変化する。 シリコンとガラスとの熱膨脹率が異なる場合、
温度が上昇したとき、水平方向の力Fが、圧力を
検知する薄い部分3に生じる。ガラスがシリコン
より大きく膨脹する場合、薄い部分3に加わる力
Pにより生じる偏向が、力Fにより減少される。
力Fがないときの、偏向の圧力感度をS0とすれ
ば、力Fがあるときの圧力感度は、次式のように
なる。 S=S0/1+K(a/h)2εsi ここで、aは薄い部分3の辺の長さ(薄い部分
3が正方形のとき)、又は直径(薄い部分3が円
のとき)である。係数Kは、薄い部分3が正方形
のとき、0.27であり、薄い部分3が円のとき0.2
である。εsiは、薄い部分3内の力Fにより生じ
る変形(伸び率)である。 ガラス板1の厚さがシリコン片2の厚さより大
きいとき、次式が適用される。 εsi=ΔαΔt ここで、Δαは、シリコンとガラスとの熱膨脹
率の相違であり、Δtは温度変化である。 S0とεsiとは、温度に依存している。S0の温度
の依存性は、シリコンの弾性率の温度の依存性か
ら生じる。感度Sの温度係数は、次式の通りであ
る。 1/SδS/δT=−K(a/h)2Δα/1+K(a/
h)2εsi+1/SoδSo/δT ここでシリコン(100)|ebe|のとき、(1/
S)(δS/δT)は、略70ppm/℃である。a/h
=20のとき、 (1/S0)(δS0/δT)は、略0であり、これ
らの現象が互いに打消し合う。しかし、a/h=
20の条件は、大きい圧力(約50バール)のときの
み適している。 測定する圧力が、1バールより小さいとき、
a/hは80より大きい。この結果、温度係数は
1000ppm/℃より大きい。熱膨脹率の相違Δαが
減少して、小さい圧力範囲用のデイテクタが、温
度に対して安定にすることができる。シリコンの
熱膨脹率に近い熱膨脹率である適当なガラスは、
費用の関係上使用できない。しかし、ガラス板1
の熱膨脹率は、構成にすることにより所望のレベ
ルにすることができる。 [発明が解決しようとする問題点] この発明の目的は、従来の欠点に解消して、支
持部材の熱膨脹率を所望の値にすることができる
圧力用デイテクタを提供することにある。 [問題点を解決するための手段] この発明を実施例において、絶縁した支持部材
と、圧力を感知するシリコン膜との熱膨脹率の相
違が調整され、シリコンの弾性率の温度の依存性
が無視できる。支持部材は、互いに連結されたガ
ラス板とシリコン板とを有し、このサンドイツチ
形状の構成体は、ガラス板とシリコン板との厚さ
を選択することにより、所望の熱膨脹率にするこ
とができる。このサンドイツチ形状の構成体にお
いて、シリコン板とガラス板とは静電気の方法に
より連結されている。ガラス板の厚さは、50ミク
ロンから1mmである。 この発明は、支持部材は、シリコン層と、前記
シリコン部材に対向し、かつシリコン層上に設け
られたガラス層とを有し、ガラス層はシリコン層
より薄く、ガラス層及びシリコン層の夫々の弾性
率及び熱膨脹率により、支持部材と前記シリコン
膜との熱膨脹率の相違が減少することを特徴とす
る。 この発明において、所望の手段により容量性の
圧力用デイテクタの熱膨脹率を調整することがで
きる。 実施例 以下、この発明の一実施を図面に基づいて説明
する。 第2図において、第1図に示す厚いガラス板1
の代わりに、ガラス層を形成する薄いガラス板5
とこのガラス板5よりシリコン層を形成する厚い
シリコン板6とが、積層して設けられている。こ
のガラス板5とシリコン板6とにより支持部材が
形成されている。ガラス板5とシリコン板6と
は、後述する静電的な手段により最も効果的に連
結される。 シリコン板6がガラス板5と比較して厚いと
き、偏向が無視され、このサンドイツチ形状の構
成体の熱膨脹率が次式のように計算される。 α=α2+mnα1/1−mn 上式において、α2はシリコンの熱膨脹率であ
り、α1はガラスの熱膨脹率である。また、mは
ガラスとシリコンとの厚さの比率であり、nはガ
ラスとシリコンとの弾性率の比率である。 シリコンとサンドイツチ形状の構成体との温度
係数の相違は、次式で与えられる。 Δα=mn(α1−α2)/1+mn 上式において、ガラスとシリコンの場合には、
n=0.36である。m=0.5のとき、Δαは略0.15(α1
−α2である。即ち、シリコンとガラスとの熱膨
脹率の不都合を減少させることができる。厚さの
比率mを適宜に選択することにより、熱膨脹率の
相違と弾性率とが、熱による依存性を無視するこ
とができる。 この発明は、第3図及び第4図に示す絶対圧に
使用されるデイテクターの構造に適用できる。シ
リコン部材13には、真空カプセル用の開口部1
4と圧力を感知するキヤパシタ(pressure−
sensitive capacitor)のブレード間のギヤツプで
ある凹部8とが設けられている。この真空カプセ
ルは、ガラス層を形成する薄いガラス板17とシ
リコン層を形成するシリコン厚いシリコン板18
とを備えたプレート15により囲まれている。ガ
ラス板17とシリコン板18とは静電的手段によ
り連結されている。さらに、このサンドイツチ形
状のプレート15は、同じ手段によりシリコン部
材13に装着されている。 開口部14と凹部8との間には、シリコン部材
13の一部としてシリコン膜16が形成されてい
る。このシリコン膜16が、外的圧力により開口
部14に向かつて偏向されている。シリコン部材
13は支持部材19に装着されている。支持部材
19の表面は、絶縁材料で形成され、支持部材1
9の表面上には、固定型キヤパシタデイスク7と
導体12と基端部10,11で形成された薄い金
属膜が形成されている。圧力を感知するキヤパシ
タは、可撓性のシリコン膜16とキヤパシタデイ
スク7との間に形成されている。デイテクタのキ
ヤパシタンスは、基端部10と基端部11との間
により測定される。基端部11は、シリコン部材
13に電気的接触をし、基端部10は、通路9に
沿つて形成されている導体12を介してキヤパシ
タデイスク7に、導的接触をする。測定される圧
力は、通路9を介してシリコン膜16に作用す
る。支持部材19は、静電気的な手段により互い
に連結されたガラス層20とシリコン層21とを
有する。シリコン部材13は、この静電気な手段
により支持部材19に装着されている。 上述した圧力用デイテクタの温度の依存性は、
開口部14を囲むプレート15と支持部材19と
が、ガラスのみにより形成された構造の温度の依
存性より低い。このデイテクタの形状は対称なの
で、温度に依存したトルクと、プレート15と支
持部材19とのサンドイツチ構造から得られるト
ルクが、互いに無視される。 この発明の範囲内で、上述した実施例を変形さ
せることができる。即ち支持部材として、絶縁フ
イルム上にシリコン板を設けることができる。こ
の絶縁フイルムは、厚いので、浮遊容量が防止さ
れ、かつ厚いフイルムの沈澱は、遅く費用がかか
る。静電気な手段により、みがき板ガラスの連結
が迅速であり、仕事の作業能率が上昇する。 第3図又は第4図に示す実施例の大きさは、以
下の通りである。尚、括弧内の値は典型的な範囲
である。 ガラス層17,20 幅 4mm(2〜6mm) 厚さ 100ミクロン(10〜200) シリコン板18,21 幅 4mm(2〜6mm) 厚さ 1mm(0.5〜1.5mm) シリコン部材13 部材の厚さ 0.4mm(0.2〜0.5mm) 膜の厚さ 5〜200ミクロン(温度に従属) キヤパシタデイスク7と基端部10,11 厚さ 0.2ミクロン(0.1〜1.0) 凹部8 幅 4ミクロン(1〜10ミクロン)
れた固定型キヤパシタプレートと、支持部材上に
設けられたシリコン部材とを有し、シリコン部材
は固定型キヤパシタプレートを囲み、かつこのシ
リコン部材の中心部分は、可動型キヤパシタプレ
ートとして作動し、並びに開口部の底部を形成す
るように、周辺部より薄いシリコン膜である圧力
用デイテクタに関する。 [従来の技術] 従来の技術として、(1)米国特許第4386453号
(発明者Gianchino等)、(2)米国特許第4257274号
(発明者Shimada等)、(3)米国特許第4332000号
(発明者Petersen)、(4)米国特許第4390925号(発
明者Freud)、(5)米国特許第3397278号(発明者
Pomerantz)、(6)著作者K.E、Beanである、“シ
リコンの異方性のエツチング”(Anisotropic
Etching of Silion)、及びIEEE Transactions
on Electron Devices)Vol.ED−25(1978)No.
10、pp.1185−93に記載されている。 (1)〜(4)に記載されている従来の小形の容量性の
圧力用デイテクタは、シリコンとガラスから形成
されている。(6)に記載されているシリコンは化学
エツチングにより処理され、かつマイクロリトグ
ラフの手段によりパターン化されている。シリコ
ンとガラスとは、(5)に記載されている静電気的手
段により連結されている。 デイテクタ用のガラスとして、例えば、コーニ
ング社製のタイプ7740“パイレツクス(Phrex)”
又はスコツト社製の“Tempex”が存在する。こ
れらは、アルカリ金属のイオンを有し、静電結合
を果たすのに適している。これらのガラスの熱膨
脹率は、シリコンと同じオーダである。室温のと
き、シリコンの熱膨脹率は、2.5ppm/℃であり、
ガラスの熱膨脹率は、3.2ppm/℃である。温度
が高くなるのに従つて、シリコの熱膨脹率は線形
的に比例せず、かつガラスの熱膨脹率より大きき
なる。 ガラスのシリコンとの熱膨脹率の相違は、略
0.7ppm/℃であり、シリコンとガラスとで形成
された容量性圧力用デイテクタにおいて、このこ
とが、温度に依存して影響する最も重要な要因で
ある。 第1図には、容量性の圧力用デイテクタにおい
て、温度に依存した基本原理が概略されている。
圧力により偏向される薄い部分3を備えたシリコ
ン片2は、静電気方法によりガラス板1上に装着
されている。薄い部分3全体に渡つて作用する圧
力の相違により薄い部分3がそらされ、この結
果、薄い部分3と、ガラス板1上に位置する固定
型キヤパシタプレート4との間の距離、及びキヤ
パシタンスが変化する。 シリコンとガラスとの熱膨脹率が異なる場合、
温度が上昇したとき、水平方向の力Fが、圧力を
検知する薄い部分3に生じる。ガラスがシリコン
より大きく膨脹する場合、薄い部分3に加わる力
Pにより生じる偏向が、力Fにより減少される。
力Fがないときの、偏向の圧力感度をS0とすれ
ば、力Fがあるときの圧力感度は、次式のように
なる。 S=S0/1+K(a/h)2εsi ここで、aは薄い部分3の辺の長さ(薄い部分
3が正方形のとき)、又は直径(薄い部分3が円
のとき)である。係数Kは、薄い部分3が正方形
のとき、0.27であり、薄い部分3が円のとき0.2
である。εsiは、薄い部分3内の力Fにより生じ
る変形(伸び率)である。 ガラス板1の厚さがシリコン片2の厚さより大
きいとき、次式が適用される。 εsi=ΔαΔt ここで、Δαは、シリコンとガラスとの熱膨脹
率の相違であり、Δtは温度変化である。 S0とεsiとは、温度に依存している。S0の温度
の依存性は、シリコンの弾性率の温度の依存性か
ら生じる。感度Sの温度係数は、次式の通りであ
る。 1/SδS/δT=−K(a/h)2Δα/1+K(a/
h)2εsi+1/SoδSo/δT ここでシリコン(100)|ebe|のとき、(1/
S)(δS/δT)は、略70ppm/℃である。a/h
=20のとき、 (1/S0)(δS0/δT)は、略0であり、これ
らの現象が互いに打消し合う。しかし、a/h=
20の条件は、大きい圧力(約50バール)のときの
み適している。 測定する圧力が、1バールより小さいとき、
a/hは80より大きい。この結果、温度係数は
1000ppm/℃より大きい。熱膨脹率の相違Δαが
減少して、小さい圧力範囲用のデイテクタが、温
度に対して安定にすることができる。シリコンの
熱膨脹率に近い熱膨脹率である適当なガラスは、
費用の関係上使用できない。しかし、ガラス板1
の熱膨脹率は、構成にすることにより所望のレベ
ルにすることができる。 [発明が解決しようとする問題点] この発明の目的は、従来の欠点に解消して、支
持部材の熱膨脹率を所望の値にすることができる
圧力用デイテクタを提供することにある。 [問題点を解決するための手段] この発明を実施例において、絶縁した支持部材
と、圧力を感知するシリコン膜との熱膨脹率の相
違が調整され、シリコンの弾性率の温度の依存性
が無視できる。支持部材は、互いに連結されたガ
ラス板とシリコン板とを有し、このサンドイツチ
形状の構成体は、ガラス板とシリコン板との厚さ
を選択することにより、所望の熱膨脹率にするこ
とができる。このサンドイツチ形状の構成体にお
いて、シリコン板とガラス板とは静電気の方法に
より連結されている。ガラス板の厚さは、50ミク
ロンから1mmである。 この発明は、支持部材は、シリコン層と、前記
シリコン部材に対向し、かつシリコン層上に設け
られたガラス層とを有し、ガラス層はシリコン層
より薄く、ガラス層及びシリコン層の夫々の弾性
率及び熱膨脹率により、支持部材と前記シリコン
膜との熱膨脹率の相違が減少することを特徴とす
る。 この発明において、所望の手段により容量性の
圧力用デイテクタの熱膨脹率を調整することがで
きる。 実施例 以下、この発明の一実施を図面に基づいて説明
する。 第2図において、第1図に示す厚いガラス板1
の代わりに、ガラス層を形成する薄いガラス板5
とこのガラス板5よりシリコン層を形成する厚い
シリコン板6とが、積層して設けられている。こ
のガラス板5とシリコン板6とにより支持部材が
形成されている。ガラス板5とシリコン板6と
は、後述する静電的な手段により最も効果的に連
結される。 シリコン板6がガラス板5と比較して厚いと
き、偏向が無視され、このサンドイツチ形状の構
成体の熱膨脹率が次式のように計算される。 α=α2+mnα1/1−mn 上式において、α2はシリコンの熱膨脹率であ
り、α1はガラスの熱膨脹率である。また、mは
ガラスとシリコンとの厚さの比率であり、nはガ
ラスとシリコンとの弾性率の比率である。 シリコンとサンドイツチ形状の構成体との温度
係数の相違は、次式で与えられる。 Δα=mn(α1−α2)/1+mn 上式において、ガラスとシリコンの場合には、
n=0.36である。m=0.5のとき、Δαは略0.15(α1
−α2である。即ち、シリコンとガラスとの熱膨
脹率の不都合を減少させることができる。厚さの
比率mを適宜に選択することにより、熱膨脹率の
相違と弾性率とが、熱による依存性を無視するこ
とができる。 この発明は、第3図及び第4図に示す絶対圧に
使用されるデイテクターの構造に適用できる。シ
リコン部材13には、真空カプセル用の開口部1
4と圧力を感知するキヤパシタ(pressure−
sensitive capacitor)のブレード間のギヤツプで
ある凹部8とが設けられている。この真空カプセ
ルは、ガラス層を形成する薄いガラス板17とシ
リコン層を形成するシリコン厚いシリコン板18
とを備えたプレート15により囲まれている。ガ
ラス板17とシリコン板18とは静電的手段によ
り連結されている。さらに、このサンドイツチ形
状のプレート15は、同じ手段によりシリコン部
材13に装着されている。 開口部14と凹部8との間には、シリコン部材
13の一部としてシリコン膜16が形成されてい
る。このシリコン膜16が、外的圧力により開口
部14に向かつて偏向されている。シリコン部材
13は支持部材19に装着されている。支持部材
19の表面は、絶縁材料で形成され、支持部材1
9の表面上には、固定型キヤパシタデイスク7と
導体12と基端部10,11で形成された薄い金
属膜が形成されている。圧力を感知するキヤパシ
タは、可撓性のシリコン膜16とキヤパシタデイ
スク7との間に形成されている。デイテクタのキ
ヤパシタンスは、基端部10と基端部11との間
により測定される。基端部11は、シリコン部材
13に電気的接触をし、基端部10は、通路9に
沿つて形成されている導体12を介してキヤパシ
タデイスク7に、導的接触をする。測定される圧
力は、通路9を介してシリコン膜16に作用す
る。支持部材19は、静電気的な手段により互い
に連結されたガラス層20とシリコン層21とを
有する。シリコン部材13は、この静電気な手段
により支持部材19に装着されている。 上述した圧力用デイテクタの温度の依存性は、
開口部14を囲むプレート15と支持部材19と
が、ガラスのみにより形成された構造の温度の依
存性より低い。このデイテクタの形状は対称なの
で、温度に依存したトルクと、プレート15と支
持部材19とのサンドイツチ構造から得られるト
ルクが、互いに無視される。 この発明の範囲内で、上述した実施例を変形さ
せることができる。即ち支持部材として、絶縁フ
イルム上にシリコン板を設けることができる。こ
の絶縁フイルムは、厚いので、浮遊容量が防止さ
れ、かつ厚いフイルムの沈澱は、遅く費用がかか
る。静電気な手段により、みがき板ガラスの連結
が迅速であり、仕事の作業能率が上昇する。 第3図又は第4図に示す実施例の大きさは、以
下の通りである。尚、括弧内の値は典型的な範囲
である。 ガラス層17,20 幅 4mm(2〜6mm) 厚さ 100ミクロン(10〜200) シリコン板18,21 幅 4mm(2〜6mm) 厚さ 1mm(0.5〜1.5mm) シリコン部材13 部材の厚さ 0.4mm(0.2〜0.5mm) 膜の厚さ 5〜200ミクロン(温度に従属) キヤパシタデイスク7と基端部10,11 厚さ 0.2ミクロン(0.1〜1.0) 凹部8 幅 4ミクロン(1〜10ミクロン)
第1図は従来の圧力用デイテクタを示す主要
図、第2図はこの発明の実施例を示す圧力用デイ
テクタの断面図、第3図はこの発明の変形例を示
す断面図、第4図は第3図のA−A線に沿つた断
面図である。 2……シリコン板、3……シリコン膜、4……
固定型キヤパシタプレート、5……ガラス層、6
……シリコン層。
図、第2図はこの発明の実施例を示す圧力用デイ
テクタの断面図、第3図はこの発明の変形例を示
す断面図、第4図は第3図のA−A線に沿つた断
面図である。 2……シリコン板、3……シリコン膜、4……
固定型キヤパシタプレート、5……ガラス層、6
……シリコン層。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 支持部材と、 この支持部材上に設けられた固定型キヤパシタ
プレートと、 前記支持部材上に前記固定型キヤパシタプレー
トを囲むように設けられ、可動型キヤパシタプレ
ートとして作動するシリコン膜からなる薄い中心
部と真空カプセルの底部とを有するシリコン部材
とを具備し、 前記支持部材は、シリコン層と、このシリコン
層上に取着され前記シリコン部材に対応するよう
に位置したガラス層とを具備し、このガラス層は
シリコン層よりも薄くかつこれらの厚さの比がシ
リコン膜の圧力感知温度での熱膨張の相意の影響
がシリコンの弾性率の温度依存性の影響と比較し
て等しいが異なる方向に作用し、シリコン層とガ
ラス層との弾性率並びに熱膨脹率の相違による支
持部材とシリコン膜との間の、熱膨脹率を減じる
ように設定されている圧力用デイテクタ。 2 絶対圧デイテクタとして機能し、前記シリコ
ン部材上に配置され、前記真空カプセルを覆うカ
バープレートをさらに具備し、このカバープレー
トはシリコン層と、このシリコン層に取着され前
記シリコン部材に対応して配置されたガラス層と
を有し、このガラス層は前記シリコン層よりも薄
い特許請求の範囲第1項記載の圧力用デイテク
タ。 3 前記シリコン部材のシリコン層は静電的手段
によりガラス層に接続されている特許請求の範囲
第2項記載の圧力用デイテクタ。
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