JPH0694665A - キャパシタ及びそれを用いた流体センサ - Google Patents

キャパシタ及びそれを用いた流体センサ

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JPH0694665A
JPH0694665A JP27104592A JP27104592A JPH0694665A JP H0694665 A JPH0694665 A JP H0694665A JP 27104592 A JP27104592 A JP 27104592A JP 27104592 A JP27104592 A JP 27104592A JP H0694665 A JPH0694665 A JP H0694665A
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electrodes
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幸二 井上
Yoshihiko Suzuki
義彦 鈴木
Soichi Ogawa
倉一 小川
Yasusuke Shibahara
庸介 柴原
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Tatsuta Electric Wire and Cable Co Ltd
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Tatsuta Electric Wire and Cable Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 製作が容易でしかも電極間距離が小さく且つ
ばらつきの小さい静電容量測定用電極とそれを用いた流
体センサを提供する。 【構成】 2枚のシリコン基板2,3の対向位置に異方
性エッチングにより深さの等しいV溝8,9,10,1
1を設け、直径の等しい絶縁円柱棒12,13又は絶縁
球を前記2枚のシリコン基板2,3のV溝8,9,1
0,11間に介在させて、前記シリコン基板2,3の対
向平面部4,6に設けた1対の電極5,7間の間隙を所
定値gとしたキャパシタである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電極間に注入される流
体による誘電率の変動に基づく静電容量の変化、または
流体圧力の変動による電極間の距離の変化に基づく静電
容量の変化を検知して流体の種類や流量や圧力を検知す
る汎用性を有するキャパシタ及びそれを用いた流体セン
サに関するものである。
【0002】
【従来の技術】この種の流体センサで特にガスの種類を
検知するのに適したものとして、半導体ガスセンサが知
られている。この半導体ガスセンサは、感応体部と加熱
部とから成り、高温に保持された半導体にガスが触れる
と、そのガスの種類に応じて電気伝導度が変化する等の
原理を応用するものである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上述した半導体ガスセ
ンサは、感応体部が高温に保持されるため、感応体自身
の劣化や基板との密着性の低下などにより、流体センサ
としての耐久性に問題を有している。そこで常温での電
気抵抗や静電容量等の変化を検知するものも考えられる
が、電気抵抗の変化を検知するものは、測定温度の影響
を受けやすく、静電容量の変化を検知するものは、一般
に検知感度がよくないという問題があり、検知感度をよ
くするには、電極間距離を小さくし、しかもばらつきを
小さくするため電極の製作が極めて困難で実用的ではな
かった。
【0004】本発明は、製作が容易でしかも電極間距離
が小さく且つばらつきの小さいキャパシタとそれを用い
た流体センサの提供を目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のキャパシタ1は、2枚のシリコン基板2,
3の対向位置に異方性エッチングにより形状の等しいV
溝8,9,10,11を設け、直径の等しい絶縁円柱棒
12,13又は絶縁球を前記2枚のシリコン基板2,3
のV溝8,9,10,11間に介在させて、前記シリコ
ン基板2,3の対向平面部4,6に設けた1対の電極
5,7間の間隙を所定値gとしたものである。
【0006】また本発明の流体センサは、上記キャパシ
タ1と、絶縁ゲートFET20と、直流電源21と、電
流計22とを備え、キャパシタ1の電極5又は7と絶縁
ゲートFET20のゲート電極Gを接続し、キャパシタ
1の他方の電極7又は5と絶縁ゲートFET20のソー
ス電極Sとの間及び絶縁ゲートFET20のドレイン電
極Dとソース電極Sとの間に直流電源21により直流電
圧を印加し、電流計22によりドレイン電流を測定する
よう接続して成るものである。
【0007】
【作用】本発明のキャパシタ1は、2枚のシリコン基板
2,3の対向位置にV溝を異方性エッチングにより形成
するので、マスキングの位置、形状(正方形又は長方
形)、面積等を設定すれば、V溝の位置及び深さが決ま
る。また、前記2枚のシリコン基板2,3のV溝間に直
径の等しい絶縁円柱棒12,13又は絶縁球を介在させ
るので、電極の間隙設定が極めて正確で且つ容易であ
る。
【0008】また前記電極を用いたセンサは、電極間容
量の変化により絶縁ゲートFETのゲート電極の電位が
変化し、そのためドレイン電流が鋭敏に変化する。
【0009】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説
明する。図1は本発明のキャパシタの側面断面図、図2
は図1のA−A断面図である。
【0010】図1及び図2において、キャパシタ1は2
枚のシリコン基板2,3を対向させ、シリコン基板2,
3の対向平面部4,6に一対の電極5,7を設けて所定
間隔gで対向させたものである。ここで、所定間隔gは
例えば10μm程度と微小間隔であり、正確な所定間隔
gの確保のために、シリコン基板2,3の対向位置に異
方性エッチングにより平行で深さの等しい2条のV溝
8,9,10,11を設け、直径の等しい絶縁円柱棒1
2,13をV溝8,9,10,11間に介在させてい
る。
【0011】シリコン基板2,3は断面V字型で平行な
2条のV溝8,9,10,11を対向平面部4,6の両
側に周知の異方性エッチングにより形成し、その後全体
を加熱して表面に二酸化シリコン被膜2a,3aが形成
されたものである。そして、対向平面部4,6にアルミ
ニウムを蒸着後、パターニングにより一対の電極5,7
を設ける。電極5,7の端子5a,7aも設けられる。
異方性エッチングはV溝8,9,10,11の開口に相
当する部分以外に二酸化シリコン被膜のパターンを形成
してマスキングし、EDPと呼ばれるエチレンジアミン
−ピロカテコール−水の混合液、それにさらにピラジン
を加えた混合液、CsOH等のアルカリ金属の水酸化物
又はヒドラジン等をエッチャントとするシリコンの異方
性エッチング技術でV溝8,9,10,11の部分をエ
ッチングで彫り込むものである。エッチャントとして
は、EDPにピラジンを加えた混合液が好ましく、混合
比率は、例えば次のようにするのが好ましい。 エチレンジアミン7.5ミリリットル、 ピロカ
テコール1.2グラム、 水1ミリリットル、 ピ
ラジン エチレンジアミン1リットルに対して6グラ
ム。 異方性エッチングにおいては、シリコン結晶体の性質上
{111}面が殆どエッチングされないので、V溝の開
口部の位置、形状(正方形又は長方形)、面積は、{1
00}面でのマスキングの位置、形状、面積を設定すれ
ば正確且つ簡単に設定できる。シリコン結晶体は、前記
マスキングの正方形又は矩形の各辺から{100}面で
ある対向平面部4又は6に対して54.74度の角度で
腐食され、エッチングがV字状の底部に達した後は、そ
れ以上腐食されないので、V溝の深さは自ずから定ま
る。エッチング時間はこのV溝形成に必要な最低時間以
上であればよく、厳密な制御を必要としない。
【0012】シリコン基板2,3のV溝8,9,10,
11にスペーサとして介在させる絶縁円柱棒12,13
は直径が小さく均一なものでなければならないので、光
ファイバを用いることが好ましい。光ファイバとして
は、例えば汎用されている直径125μmのものを流用
し、V溝8,9,10,11の深さを調整することによ
り、電極5,7間を例えば10μmとすることができ
る。また、絶縁円柱棒12,13に代わり、絶縁球を用
いることもできる。この絶縁球として液晶スペーサに用
いられるジビニルベンゼン系の真球状ポリマー粒子を流
用できる。この時、V溝8,9,10,11に絶縁球を
列設してもよく、2条の平行なV溝に代わって四角錐の
V溝とし電極5,7の周囲に3か所以上配設し絶縁球を
一個ずつスペーサとして用いるものでもよい。
【0013】つぎに、上述したキャパシタ1の作動を図
1及び図4により説明する。シリコン基板2,3のV溝
8,9,10,11にスペーサとしての絶縁円柱棒1
2,13が介在されることにより水平方向の位置決めが
なされる。また、V溝8,9,10,11の深さHと絶
縁円柱棒12,13の直径が厳密な寸法であるため、電
極5,7の間隙gは例えば10μmの如き微小間隙を確
保できる。図4において、V溝の横断面をACA、これ
に載置した光ファイバ断面の中心をO、直線OCと直線
AAの交点をBとし、光ファイバ断面の中心OからV溝
の辺ACに下ろした垂線の足をPとすると、∠COPは
∠CAB=αに等しい。角αは、{100}面である対
向平面部6と{111}面であるAC面とのなす角度で
あり、54.74度となる。したがって、光ファイバの
半径をR、OCの長さをX、V溝の深さをH、V溝の幅
をWとすると、電極間ギャップgは下記の数式4によっ
て得られる。
【0014】 X=R/cosα ・・・数式1 H=(Wtanα)/2 ・・・数式2 g=2(X−H−δ) ・・・数式3 数式3に数式1,2を代入すると、 g=2(R/cosα−Wtanα/2−δ) ・・・数式4 となる。
【0015】電極間ギャップgは、上記数式から明らか
なように、光ファイバ半径R、V溝深さH又はV溝幅
W、電極厚さδを適宜選択することにより、所望の値と
することができる。さらに、シリコン基板2,3の二酸
化シリコン被膜は流体によって腐食されにくいものであ
り、電極5,7も流体によって腐食されにくい金属電極
を使用すると、キャパシタ1の耐久性が向上する。
【0016】図3は本発明のキャパシタを用いた流体セ
ンサのブロック図である。図において、1はキャパシ
タ、20は絶縁ゲートFET、21は直流電源、22は
電流計である。そして、流体センサは、絶縁ゲートFE
T20のゲート電極Gをキャパシタ1の一方の電極7a
に接続し、絶縁ゲートFET20のソース電極Sを直流
電源21aを介してキャパシタ1の他方の電極5aに接
続し、絶縁ゲートFET20のドレイン電極Dとソース
電極Sとの間に電流計22及び直流電源21bを接続す
る構成である。絶縁ゲートFETとしては、一般にMO
SFETが用いられる。
【0017】このような構成の流体センサにおいて、直
流電源21aによって印加される電圧は、キャパシタ1
の第1,第2電極5,7間の静電容量と絶縁ゲートFE
T20の絶縁ゲートの静電容量とによって分圧され、絶
縁ゲートFET20のゲート電極Gに特定電圧が印加さ
れる。ゲート電極Gに印加される特定電圧に対応し、絶
縁ゲートFET20のドレイン電極Dからソース電極S
へと電流が流れ、その電流値が電流計22で計測され
る。ここで、キャパシタ1の電極間に誘電率の異なる流
体が流れると、電極間の静電容量が変化し、絶縁ゲート
FET20のゲート電極Gに印加される電圧も変化し、
電流計22で計測される電流値も変わって特定流体の存
在が検出される。また、キャパシタ1に作用する流体圧
で電極の間隙が変わっても同様に電流計22で検出で
き、流体圧センサとしても使用できる。図3において、
絶縁ゲートFET20はnチャネル型のMOSFETと
したが、pチャネル型のものを用いてもよい。また、直
流電源21a,21bが同じ電圧のものでよい場合は、
1個にまとめてもよい。さらに、ドレイン電流検出手段
22としては電流計のほか、キャパシタ1の静電容量の
変化に対応する充放電時間を測定するものなど種々の回
路が考えられる。
【0018】
【発明の効果】本発明のキャパシタは、2枚のシリコン
基板2,3のV溝8,9,10,11を異方性エッチン
グにより形成するので、マスキングの位置、形状(正方
形又は長方形)、面積等を設定すれば、V溝の位置及び
深さが定まり、エッチング時間も一定時間以上であれば
よく、厳密な制御を必要としない。また、前記2枚のシ
リコン基板2,3のV溝間に直径の等しい絶縁円柱棒1
2,13又は絶縁球を介在させるだけで電極の間隙設定
ができるので、製作が容易でしかも電極間距離が小さく
且つバラツキの小さいものを量産できる。
【0019】また、上記キャパシタを用いた流体センサ
は、電極間容量の変化により絶縁ゲートFET20のゲ
ート電極Gの電位が変化し、そのためドレイン電流が鋭
敏に変化するので、流体の種類や流量や圧力を高い精度
で検出できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のキャパシタの側面断面図である。
【図2】図1のA−A断面図である。
【図3】本発明のキャパシタを用いた流体センサのブロ
ック図である。
【図4】本発明のキャパシタの電極間間隙gの算出方法
説明図である。
【符号の説明】
1 キャパシタ 2,3 シリコン基板 4,6 対向平面部 5,7 電極 8,9,10,11 V溝 12,13 絶縁円柱棒 20 絶縁ゲートFET 21 直流電源 22 ドレイン電流検出手段
フロントページの続き (72)発明者 柴原 庸介 大阪府東大阪市岩田町2丁目3番1号 タ ツタ電線株式会社内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 2枚のシリコン基板2,3の対向位置に
    異方性エッチングにより形状の等しいV溝8,9,1
    0,11を設け、直径の等しい絶縁円柱棒12,13又
    は絶縁球を前記2枚のシリコン基板2,3のV溝8,
    9,10,11間に介在させて、前記シリコン基板2,
    3の対向平面部4,6に設けた1対の電極5,7間の間
    隙を所定値gとしたキャパシタ。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載のキャパシタ1と、絶縁
    ゲートFET20と、直流電源21と、電流計22とを
    備え、キャパシタ1の電極5又は7と絶縁ゲートFET
    20のゲート電極Gを接続し、キャパシタ1の他方の電
    極7又は5と絶縁ゲートFET20のソース電極Sとの
    間及び絶縁ゲートFET20のドレイン電極Dとソース
    電極Sとの間に直流電源21により直流電圧を印加し、
    電流計22によりドレイン電流を測定するよう接続して
    成る流体センサ。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2007322270A (ja) * 2006-06-01 2007-12-13 Casio Comput Co Ltd 半導体センサ及び同定方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2007322270A (ja) * 2006-06-01 2007-12-13 Casio Comput Co Ltd 半導体センサ及び同定方法

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