JPH0652212B2 - 静電容量式圧力センサにおけるギヤツプ形成方法 - Google Patents

静電容量式圧力センサにおけるギヤツプ形成方法

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JPH0652212B2
JPH0652212B2 JP62048696A JP4869687A JPH0652212B2 JP H0652212 B2 JPH0652212 B2 JP H0652212B2 JP 62048696 A JP62048696 A JP 62048696A JP 4869687 A JP4869687 A JP 4869687A JP H0652212 B2 JPH0652212 B2 JP H0652212B2
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gap
pressure sensor
capacitance type
type pressure
forming
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一成 相田
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Fuji Electric Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、静電容量式圧力センサにおけるギャップの
形成方法に関する。このようなセンサでは、その検出部
となるギャップをできるだけ一定に形成することが重要
である。
〔従来の技術〕
従来、この種のギャップを形成する方法として、材料を
機械的に削る方法と、蒸着やスパツタ装置を用いて微小
材料を重ねて行つたり、またはエツチング処理により僅
かずつ溶解して材料を取り去つて行く方法とが知られて
いる。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかしながら、前者の方法では10ミクロンの誤差を制
御することは困難であり、一般に100ミクロン以上の
ギヤツプとなる。つまり、ギヤツプが大きくなれば、面
積をより大きくし静電容量変化率を大きくして検出感度
を上げなければならず、そのため、どうしても検出部が
大きくなつてしまうと云う問題がある。
一方、後者は5ミクロン以下の微細なギヤツプを形成す
ることができ、小型化でき利点を有する反面、変形可能
なギヤツプ幅が小さいため、大きな圧力を検出すること
が困難になると云う問題がある。また、蒸着やスパツタ
等で10ミクロン以上のギヤツプを形成することは技術
的には可能であるが、時間が掛かり過ぎるため連続して
大量に処理することができず、実用化が難かしいと云う
問題がある。
したがつて、この発明は低圧から高圧までの広い範囲で
感度良く検出することができ、かつギヤツプ寸法を10
〜20ミクロンの範囲にして空間体積を精度良く形成す
ることが可能で、しかも小型にすることが可能なギヤツ
プ形成方法を提供することを目的とする。
〔問題点を解決するための手段〕
一方の基板上の所定空間領域部を除く領域に、結晶性ガ
ラスまたはSiO成分が増量された非晶質ガラスから
なり所定の溶剤にてペースト状にされたガラス材料を略
均一に塗布し、その上の所定位置に、所定寸法をもつ直
方体または円筒体のギヤツプ形成材を固定し、さらにそ
の上に他方の基板を重ね合わせたのち、荷重を掛けつゝ
高温処理するか、または上記と同様のガラス材料と所定
寸法をもつ球体,球体に近い多面体または円筒体のギヤ
ツプ形成材とを混合して一方の基板上の所定領域に略均
一に塗布し、その上に他方の基板を重ね合わせた後、荷
重を掛けつゝ高温処理する。いずれの場合もガラス材料
としては結晶性ガラス材料またはSiO成分が増量さ
れた非晶性ガラス材料が用いられ、またガラス材料の粒
径は10〜20ミクロンのギヤツプに対して3〜5ミク
ロンとされ、さらにガラス材料の充填率は所定の体積に
対して80〜95%となるようにされる。
〔作用〕
空間体積の変化を静電容量変化に変換して圧力を測定す
るためには、空間体積が大きい程大きな圧力変化に対応
でき、感度を上げることが容易である。これに対し、小
さな空間体積で同程度の特性を維持するためには、ある
程度の空間が必要であり、また空間体積を決定するギヤ
ツプ寸法や面積の誤差を可能な限り小さくしなければな
らない。ギヤツプ形成材は広い温度範囲(−40〜12
0℃)で弾性率変化の少ない材料で絶縁性に優れ、さら
に高圧に耐えるだけの気密性,密着性が必要である。
以上の如き材料要求特性から考えて、エポキシ樹脂やポ
イイミドなどの有機系高分子材料では使用温度範囲でガ
ラス転移温度などの転位温度を持ち、また弾性率の温度
依存性が大きいため、ギヤツプ形成材として使用するの
は不適当である。つまり、ギヤツプ形成材としては硬質
かつ高温に耐える無機質材料で、均一な形状が得られや
すく、または加工により同一形状になる材料とすること
が望ましい。
一方、空間面積を制御し、接着剤となる材料として、こ
ゝでは非晶性ガラス材または結晶質ガラス材を用いる。
たゞし、非晶性ガラス材は一般に、温度上昇により粘度
が下がり、空間部をガラス充填部との境界面でガラスを
挾む上下の面との接触角を90゜±10゜範囲内に制御
することがむずかしく。この接触角の低下に伴ない上方
からの圧力特性と、下方からの圧力特性に差が生じてし
まうので、ガラス材のSiO成分を増すことにより、
溶融時の粘度を高く保つことが必要である。これに対
し、結晶性ガラスとして、特に融点から結晶化温度まで
の温度差の少ない材料を用いるとともに、ZnOなどの
結晶化促進材を加えて昇温速度を制御するようにすれ
ば、ガラスの流動を少なくおさえることができるため、
両面との接触角を90±5゜に制御することができ、し
たがつて非晶性ガラス材に比べて圧力方向の違いによる
検出感度をさらに良好にすることができる。
その他に、面積の寸法精度を上げるためには、ガラスの
空間充填率,粒径を管理することが重要である。例えば
空間充填率は、これが70%以下では気密性,密着性に
問題が生じ、95%以上にすると境界線の乱れ,はみ出
しが生じるため、ガラス充填率を80〜95%間になる
よう有機系材料を添加することにより、所定の面積寸法
精度を出すようにする。また、粒径については、これが
10ミクロン以上になると加熱,加圧時のつぶれ率が7
0%前後になり、高さ方向の誤差が大きくかつガラス充
填率も悪くなるので、粒径としては3ミクロンから5ミ
クロンのものが良好である。
以上のように、ガラス材の溶融粘度,ガラス充填率およ
び粒径を管理することにより、ギヤツプ形成材を用いな
くても、高さ方向の寸法に対して±10%の範囲に制御
することができるが、この発明では、さらにつぶれ停止
点(ギヤツプ)をもうけるためのギヤツプ形成材(無機
質絶縁材料)を使用することにより、寸法誤差を±5%
の範囲に制御することができるようにし、空間体積を一
定に保つことにより静電容量変化の誤差を少なくし、圧
力負荷時の容量変化率を精度良く測定できるようにす
る。
〔実施例〕
第1図はこの発明の実施例を説明するための説明図であ
る。これは、この発明によつて作られる圧力センサを示
すもので、同図(イ)は作成途中の状態を示す上面図、
同図(ロ)は完成品を示す断面図である。なお、同図に
おいて、1A,1Bは基板、2はガラス材、3はギヤツ
プ形成材、4は空間領域、5は電極材で、ギヤツプ形成
材としては直方体に形成されたマイカまたは円筒状の石
英ロツドが用いられる。また、基板1A,1Bとしては
電極付絶越板またはシリコンなどの導電性基板が用いら
れ、同図は電極付絶縁板を用いた例である。なお、導電
性基板の場合は電極材5は省略される。
以下、ギヤツプの形成方法について説明する。
〈方法I〉 (1)直径20ミクロンの石英製繊維を長さ5mmに切断
し、ギヤツプ形成材となる円筒状の石英ロツドを作成す
る。
(2)5ミクロン以下に粉砕した結晶性ガラス(ZnO,
,SiO)、アクリル樹脂およびテレビネオ
ール(溶剤)をそれぞれ10:0.1:2の割合で加え
て撹拌,混合し、ベースト状の結晶性ガラスを作成す
る。
(3)厚さ3mm,20mm角の電極付アルミナ基板の片面
に、スクリーン印刷機を用いてベースト状ガラスを直径
10〜12mm範囲の円形帯状に印刷する。
(4)次に、ガラス印刷面より外側4端にシアノアクリレ
ート系接着剤を滴下し、石英ロツドを固定する。なお、
このときの状態が第1図(イ)に示されている。
(5)その上に電極付アルミナ基板を乗せてガラス面を挾
み、荷重5Kg/cm2をかけた状態で800℃恒温槽に1時
間放置する。
(6)この方法では、所定の寸法に対するギヤツプ寸法の
誤差は±0.5ミクロンであり、直径の誤差は±5ミクロ
ンであつた。
〈方法II〉 (1)厚さ10ミクロンの薄葉状マイカを3mm角に切断
し、ギヤツプ形成材となるマイカ板を作成する。
(2)5ミクロン以下に粉砕した非晶性の鉛ガラス(Pb
O,B,SiO)、セルロースおよびテレビネ
オール(溶剤)をそれぞれ10:0.3:2の割合で加え
て撹拌,混合し、ベースト状のガラスを作成する。
(3)厚さ3mm,20mm角のパイレツクスガラス基板の片
面に、スクリーン印刷機を用いてベースト状ガラスを直
径10〜12mm範囲の円形帯状に印刷する。
(4)次に、ガラス印刷面より外側の4端にマイカ板を1
枚ずつ乗せる。このときの状態が第1図(イ)に示され
ている。
(5)その上に、パイレツクス基板を乗せてガラス面を挾
み、荷重2Kg/cm2をかけた状態で500℃恒温槽に1
時間放置する。
(6)冷却後、研磨し、実体顕微鏡を用いて寸法側定した
結果、所定の寸法に対してギヤツプ寸法の誤差は±0.5
ミクロン、空間部直径の誤差は±10ミクロンであつ
た。
第2図はこの発明の他の実施例を説明するための説明図
である。これは基本的には第1図と同様であるが、ギヤ
ツプ形成材が球体または球体に近い多面体でこれが略均
一に塗布される点が特徴である。
この場合のギヤツプ形成方法は、以下の通りである。
〈方法III〉 (1)例えば直径14ミクロンの球状アルミナ(ギヤツプ
形成材)を、分級により選別する。
(2)5ミクロン以下に粉砕した結晶性ガラス(ZnO,
,SiO)、アクリル樹脂およびテレピネオ
ール(溶剤)をそれぞれ10:0.2:3の割合で加えて
撹拌,混合し、ベースト状にした結晶性ガラスを作成
し、球状アルミナをガラスベーストに対して3wt%
(重量パーセント)添加し、均一に分散させる。
(3)厚さ3mm,20mm角の電極付アルミナ基板の片面
に、スクリーン印刷機を用いてベースト状ガラスを直径
10〜12mm範囲の円形帯状に印刷する。なお、このと
きの状態が第2図(イ)に示されている。
(4)その上に、アルミナ板を乗せてガラス面を挾み、荷
重5Kg/cm2をかけた状態で800℃恒温槽に1時間放置
する。
(5)冷却後、電極間の静電容量を測定した後、1200
℃で焼成してガラスを劣化させ、アルミナを剥離して空
間部の直径長さを測定すると、所定寸法に対しギヤツプ
寸法の誤差は±0.5ミクロン、直径の誤差は±5ミクロ
ンであつた。
第3図はこの発明のさらに他の実施例を説明するための
説明図である。これは基本的には第2図と同様である
が、基板1A,1Bとしてシリコンなどの導電材を用い
た例である。したがつて、第1図または第2図で用いら
れる電極材は、こゝでは省略されている。
この場合のギヤツプの形成は、例えば次のように行なわ
れる。
〈方法IV〉 (1)直径12ミクロンの球状アルミナ(ギヤツプ形成
材)を、分級により選別する。
(2)5ミクロン以下に粉砕した結晶性ガラス(ZnO,
,SiO)、アクリル樹脂およびテレピネオ
ール(溶剤)をそれぞれ10:0..2:3の割合で加えて
撹拌,混合し、ベースト状にした結晶性ガラスを作成
し、球状アルミナをガラスベーストに対し2wt%(重
量パーセント)添加し、均一に分散させる。
(3)厚さ4mm,20mm角のシリコン基板の片面に、スク
リーン印刷機を用いてペースト状ガラスを直径10〜1
2mm範囲の円形帯状に印刷する。なお、このときの状態
が第3図(イ)に示されている。
(4)その上に、シリコン板を乗せてガラス面を挾み、荷
重5Kg/cm2をかけた状態で800℃恒温槽に1時間放置
する。
(5)冷却後、研磨し、実体顕微鏡を用いて寸法測定した
結果、所定の寸法に対しギヤツプ寸法の誤差は±0.3ミ
クロン、空間部の直径の誤差は±10ミクロンであつ
た。
〔発明の効果〕
この発明によれば、所定の寸法を持つギヤツプ形成材と
高粘度溶融ガラスを同時に用いるようにして、高粘度溶
融ガラスが2枚の基板間に溶融接着するときの該ガラス
の流動性を抑えるようにしたので、高さ方向,面方向の
寸法精度を所定の寸法に再現性良く形成することがで
き、その結果、圧力変化に対する静電容量変化の検出精
度を上げることができるだけでなく、検出部の小型化を
計ることができる利点もたらされる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の実施例を説明するための説明図、第
2図はこの発明の他の実施例を説明するための説明図、
第3図はこの発明のさらに他の実施例を説明するための
説明図である。 符号説明 1A,1B……基板、2……ガラス材、3……ギヤツプ
形成材、4……空間領域、5……電極材。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】静電容量式圧力センサを構成する2枚の基
    板にて挾まれる所定空間領域の高さおよび基板面方向の
    寸法を所定範囲内に保持するためのギャップ形成方法で
    あって、 一方の基板上の前記空間領域部を除く領域に、結晶性ガ
    ラスまたはSiO成分が増量された非晶質ガラスから
    なり所定の溶剤にてペースト状にされたガラス材料を略
    均一に塗布し、 その上の所定位置に、所定寸法を持つ直方体または円筒
    体の無機質絶縁材料から成るギャップ形成材を固定し、 さらにその上に他方の基板を重ね合わせたのち、荷重を
    かけつつ高温処理する、 ことを特徴とする静電容量式圧力センサにおけるギャッ
    プ形成方法。
  2. 【請求項2】特許請求の範囲第1項記載の静電容量式圧
    力センサにおけるギャップ形成方法において、前記ガラ
    ス材料の粒径を10ミクロンから20ミクロンのギャッ
    プに対して3〜5ミクロンとすることを特徴とする静電
    容量式圧力センサにおけるギャップ形成方法。
  3. 【請求項3】特許請求の範囲第1項又は第2項記載の静
    電容量式圧力センサにおけるギャップ形成方法におい
    て、前記ガラス材料の充填率を所定の体積に対して80
    〜95%となるようにすることを特徴とする静電容量式
    圧力センサにおけるギャップ形成方法。
  4. 【請求項4】静電容量式圧力センサを構成する2枚の基
    板にて挾まれる所定空間領域の高さおよび基板面方向の
    寸法を所定範囲内に保持するためのギャップ形成方法で
    あって、 一方の基板上の前記空間領域部を除く領域に、結晶性ガ
    ラスまたはSiO成分が増量された非晶質ガラスから
    なり所定の溶剤にてペースト状にされたガラス材料と、
    所定寸法をもつ球体、球体に近い他面体または円筒体の
    ギャップ形成材とを混合して略均一に塗布し、 その上に他方の基板を重ね合わせたのち、 荷重をかけつつ高温処理する、 ことを特徴とする静電容量式圧力センサにおけるギャッ
    プ形成方法。
  5. 【請求項5】特許請求の範囲第4項記載の静電容量式圧
    力センサにおけるギャップ形成方法において、前記ガラ
    ス材料の粒径を10ミクロンから20ミクロンのギャッ
    プに対して3〜5ミクロンとすることを特徴とする静電
    容量式圧力センサにおけるギャップ形成方法。
  6. 【請求項6】特許請求の範囲第4項又は第5項記載の静
    電容量式圧力センサにおけるギャップ形成方法におい
    て、前記ガラス材料の充填率を所定の体積に対して80
    〜95%となるようにすることを特徴とする静電容量式
    圧力センサにおけるギャップ形成方法。
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