JPH0749244A

JPH0749244A - 静電容量型センサ

Info

Publication number: JPH0749244A
Application number: JP5215089A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Yabe; 衛矢部
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1993-08-05
Filing date: 1993-08-05
Publication date: 1995-02-21

Abstract

(57)【要約】【目的】高誘電率の液体を電極間に保持させ、感度を
向上させた静電容量型センサを提供する。【構成】単結晶シリコンウエハからエッチング等によ
り、角枠状の枠内中央に薄膜状の弾性変形部２ａによっ
てメサ部２ｂを揺動自在に支持させたフレーム１を作成
する。メサ部２ｂには小径の凹部３を設け、その周囲に
可動電極４を形成する。別な単結晶シリコンウエハから
窪み６を設けたカバー５を作成し、窪み６には固定電極
７を形成する。メサ部２ｂ上の凹部３に、高誘電率を有
する液体９例えばシリコンオイルを少量保持させ、可動
電極４と固定電極７とを対向させてフレーム１上にカバ
ー５を重ね、その周辺部を低温接合法により接合して圧
力センサＡを作成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は静電容量型センサに関す
る。具体的には、検知部の変位に比例して生じる静電容
量の変化を検出して、自動車の加速度や空気等のゲージ
圧等の物理量を測定するために用いられる静電容量型セ
ンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、静電容量型圧力センサの感度を向
上させる手段として、圧力センサに加えられた圧力を検
知するダイヤフラムを薄くして、圧力に対してダイヤフ
ラムの変化量を大きくする方法がある。しかし、この方
法では、ダイヤフラムを薄く作成するには限界があり、
また、ダイヤフラムを薄く作成すれば、ばらつきも相対
的に大きくなって、圧力センサの感度に大きなばらつき
を生じていた。

【０００３】また、特開平２−２２０４７６号公報に開
示されたように、圧力センサの静電容量を構成する２つ
の電極の両方を可動電極にする方法がある。この方法で
は、２つの可動電極に圧力を加えることになるので、電
極間のギャップは１つの電極を可動電極とした場合に比
べ２倍量変化する。しかし、この方法では圧力センサの
感度を２倍以上に向上させることはできない。

【０００４】一方、ダイヤフラムに生じる結露を防ぎ圧
力センサの感度を向上させる方法として、２重ダイヤフ
ラム構造を応用する方法がある。２重ダイヤフラム構造
とは、例えば、図８に示すように、ステンレス製の大き
な受圧面積を有する第１のダイヤフラム５１がＯリング
５２を介してケース５３に固定され、シリコン製の小さ
な受圧面積を有する第２のダイヤフラム５４が、圧力室
５５を介して第１のダイヤフラム５１と反対側に設けら
れている。導入口５６から導入された空気等の圧力は、
まず第１のダイヤフラム５１を変位させる。この変位は
圧力室５５によって第２のダイヤフラム５４に伝えら
れ、この第２のダイヤフラム５４の変位を検知すること
により、加えられた圧力の大きさを知ることができる。
この２重ダイヤフラム構造にあっては、第１のダイヤフ
ラム５１の変位は圧力室５５を介して第２のダイヤフラ
ム５４に伝わるので、センサ信号として取り出す第２の
ダイヤフラム５４に結露を生じることはない。しかし、
この方法では圧力センサの構造が複雑となってコストが
高くなる。また、第１のダイヤフラム５１の面積を大き
くしてダイヤフラムの変位を増幅するように第２のダイ
ヤフラム５４に伝えてはいるが、第１のダイフラム５１
の材質上感度は悪く、却って感度は低下するという問題
点があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は叙上の従来例
の欠点に鑑みてなされたものであり、その目的とすると
ころは、静電容量を構成する電極間に誘電性液体を封入
することにより、圧力センサの感度を向上させることを
目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の静電容量
型センサは、検知部を弾性的に支持させた支持基板と前
記支持基板のいずれか一方の面に接合した固定基板とに
より囲まれた空間を形成し、前記検知部に設けた可動電
極と対向して前記空間に面した前記固定基板に固定電極
を設けた静電容量型センサにおいて、前記空間内に、前
記空間の一部を残して誘電性液体を封入したことを特徴
としている。

【０００７】本発明の第２の静電容量型センサは、検知
部を弾性的に支持させた支持基板と前記支持基板のいず
れか一方の面に接合した固定基板とにより囲まれた空間
を形成し、前記検知部に設けた可動電極と対向して前記
空間に面した前記固定基板に固定電極を設けた静電容量
型センサにおいて、前記空間内に誘電性液体を充填し、
前記検知部の変位により前記空間内から前記空間外に押
し出された前記誘電性液体を収容し、前記誘電性液体を
前記空間外から前記空間内に再充填を行うための開口を
前記固定基板若しくは前記支持基板若しくは前記固定基
板と前記支持基板との接合面に設けたことを特徴として
いる。

【０００８】また、磁性を帯びた誘電性流体を用いて、
前記誘電性液体に磁力を印加することにより前記誘電性
液体を前記空間内に保持させることとしてもよい。

【０００９】

【作用】本発明の第１の静電容量型センサにあっては、
固定電極が形成された固定基板と可動電極が形成された
検知基板との間の空間に、空間の一部を残すように空気
よりも大きな誘電率を有する誘電性液体が封入されてい
るので、検知部は誘電性液体の抵抗を受けることなく、
加えられた加速度または圧力の大きさに応じて自由に変
位することができる。

【００１０】本発明の第２の静電容量型センサにあって
は、検知部の変位により空間外に押し出された誘電性液
体を収容し、再び空間内へ充填を行うための開口を固定
基板に設けているので、空間内の誘電性液体は検知部の
変化により自由に開口から空間外に出入りすることがで
きる。このため、検知部は誘電性液体の抵抗を受けるこ
となく、加えられた加速度や圧力の大きさに応じて自由
に変位することができる。

【００１１】このように本発明の静電容量型センサにお
いては、固定電極と可動電極との間に空気より大きな誘
電率を有する誘電性液体を封入しているので、固定電極
と可動電極との間の誘電率を向上させることができる。
しかも、誘電性液体の圧縮応力を逃がす工夫をしている
ので、検知部の動きが妨げられず、静電容量型センサの
感度を向上させることができる。

【００１２】また、第１の静電容量型センサにあっては
検知部の変位とともに両電極間に誘電率の大きな領域が
拡大縮小されるので、電極間の容量がより大きく変化し
て、さらに静電容量型センサの感度を向上させることが
できる。

【００１３】また、第２の静電容量型センサにあっては
固定電極と可動電極との間の空間は誘電性液体で充填さ
れているので、空間内に結露が生じず、静電容量型セン
サの安定性を向上させることができる。

【００１４】さらに、誘電性液体に磁性を有する液体を
用いて、センサ外部から磁力を印加して誘電性液体を保
持することにすれば、誘電性液体を所定の位置に維持さ
せることができる。このように誘電性液体を保持させな
い場合には、例えば、静電容量型センサに振動が加わっ
たり、静電容量型センサを傾けて使用すると、電極間に
位置する誘電性液体の量が少なくなり、電極間の誘電率
が低下して電極間の容量が変化する。しかし、誘電性液
体を電極間に挟み込むように磁力を加えて、例えば電極
の中央付近に保持させておくと、かかる場合でも電極間
のほぼ一定位置に誘電性液体を位置させておくことがで
きる。したがって、静電容量型センサの検出誤差を防
ぎ、安定した動作を得ることができる。

【００１５】

【実施例】図１（ａ）は、本発明の一実施例である圧力
センサＡの平面図、図１（ｂ）はその断面図である。圧
力センサＡは、角枠状をしたシリコン製のフレーム１の
枠内中央にメサ部２ｂが薄膜状の弾性変形部２ａにより
揺動自在に支持されたダイヤフラム部２が配設されてい
る。また、フレーム１と弾性変形部２ａ及びメサ部２ｂ
は単結晶シリコンウエハを半導体製造プロセスを用いて
一体として作成され、メサ部２ｂの中央には小径の凹部
３が設けられている。また、凹部３周囲のメサ部２ｂ上
面には可動電極４が形成されている。

【００１６】フレーム１の上面にはシリコン製のカバー
５が重ねられ、カバー５の周辺部は低温接合法によりフ
レーム１に接合されている。カバー５の内面には、弾性
変形部２ａの弾性変形によりメサ部２ｂがその厚さ方向
に自由に微小変位できるように窪み６が設けられ、カバ
ー５は単結晶シリコンウエハを半導体製造プロセスを用
いて作成されている。また、窪み６にはメサ部２ｂの可
動電極４と微小なギャップを隔てて固定電極７が形成さ
れており、可動電極４と固定電極７との間にコンデンサ
が構成されている。

【００１７】窪み６によって形成されたフレーム１とカ
バー５の間の空間ｓ内には、空間ｓの一部を残して例え
ば凹部３内に保持させるようにして、少量の高誘電率の
液体９が封入されており、液体９には例えばシリコンオ
イルが使用されている。液体９の表面張力や粘性により
液体９の一部が固定電極７に接触して凹部３と固定電極
７の間に挟まれ、ほぼ電極面の中央付近に保持されてい
る。なお、液体９はシリコンオイルに限らず、揮発性が
低くまたフレーム１及びカバー５の接合時の加熱に耐え
られる誘電性液体であればよく、適当な粘性があればな
お一層好ましい。

【００１８】しかして図２（ｂ）に示すようにメサ部２
ｂの下側より圧力Ｐが加わると、圧力Ｐの大きさに応じ
て弾性変形部２ａが弾性変形してメサ部２ｂはカバー５
側へ変位する。メサ部２ｂが変位すると両電極４，７間
のギャップが狭まるとともに、図２（ａ）に示すよう
に、空間ｓの中央部に封入されていた液体９が空間ｓ内
の空気を圧縮しながら外周方向へ薄く広がる。このよう
に、圧力センサＡに圧力Ｐが加わると電極間のギャップ
が狭くなって当該コンデンサの静電容量Ｃが大きくなる
とともに、液体９が固定電極７及び可動電極４に接する
面積の電極面積に対する割合が多くなるために、当該コ
ンデンサ内の誘電率の大きな領域の面積が大きくなり、
その結果静電容量Ｃはさらに大きくなることとなる。

【００１９】例えば、ギャップの距離ｄ₀の空間ｓ内に
体積Ｗの高誘電率を有する液体９（誘電率：ε2）を封
入した圧力センサＡに、圧力Ｐが加えられた場合を考え
ると、圧力センサＡに構成される静電容量Ｃは次の数式
１で表わされる。

【００２０】

【数１】

【００２１】但し、Ｓは電極面積、ε1は空気の誘電
率、ｋは圧力に対する弾性変形部２ａのバネ定数であ
る。また、ギャップの距離はｄ（ｄ＜ｄ₀）となったも
のとする。

【００２２】このように、空間ｓに液体９を封入する
と、液体９が封入されていない場合に比べ、ギャップの
距離に対して２次の反比例項、つまり、(ε2−ε1）×
（Ｗ／（ｄ₀−Ｐ／ｋ）²）分の静電容量が付加され、こ
の２次の反比例項が大きな変化を示すために、圧力セン
サＡの感度を向上させることができる。

【００２３】なお、電極４，７間に高誘電率の液体９を
満たす方法として、空間ｓ内の全体に液体９を封入する
こともできるが、この場合には充填された液体９を圧縮
させなければメサ部２ｂが自由に変位できないので、圧
力センサＡの感度が却って低下する。これに対し本実施
例では、メサ部２ｂが自由に移動できるように空間ｓの
一部を残して液体９を少量だけ空間ｓ内に封入しておく
と、封入された液体９によってメサ部２ｂの変位が妨げ
られることがなく、圧力センサＡの感度を向上させるこ
とができる。

【００２４】図３は、圧力センサＡが多数形成された半
導体親基板を示す一部破断した分解断面図であって、以
下図３に基づいて圧力センサ１の作成方法を述べる。ま
ず、単結晶シリコンウエハ（親基板）にエッチング処理
を施して精度よく弾性変形部２ａ及びメサ部２ｂを多数
形成し、フレーム１となるシリコン基板１１を作成す
る。次にメサ部２ｂにさらにエッチング処理を施して凹
部３を形成し、凹部３の周囲に可動電極４を形成すると
ともに凹部３に液体９を少量保持させる。別な単結晶シ
リコンウエハ（親基板）をエッチング処理して、窪み６
を形成してカバー５となるシリコン基板１２を作成す
る。可動電極４と固定電極７とが対向するようにシリコ
ン基板１１の上にシリコン基板１２を重ねて低温接合
し、圧力センサＡが多数形成された半導体親基板を作成
する。この後所定の位置でダイシングソーなどにより切
断して、同時に多数の圧力センサＡを作成することがで
きる。

【００２５】図４に別な実施例である圧力センサＢの断
面図を示す。圧力センサＢは差圧型の圧力センサであっ
て、第１の実施例とほぼ同様な構造をしている。可動電
極４はメサ部２ｂの全面にわたって設けられ、カバー５
には基準圧力を導入するための差圧穴１３が設けられて
いる。圧力センサＢには、少量の高誘電率を有する磁性
を帯びた磁性液体１４、例えばシリコンオイルに磁性体
微粒子を分散させた磁性液体１４が可動電極４及び固定
電極７との間の空間ｓに挟み込まれている。また、この
磁性液体１４はカバー５の上面に配置した永久磁石１６
によって電極面のほぼ中央に保持されている。この磁性
液体１４はフレーム１及びカバー５を接合したのち、差
圧穴１３から磁性液体１４を注入し、その後、永久磁石
１６をカバー５上面に配置することで磁性液体１４を電
極面のほぼ中央に移動させて保持している。

【００２６】このように、磁性を帯びた磁性液体１４を
封入し、この磁性液体１４をセンサ外部から磁力を印加
することにより電極面のほぼ中央に維持させることがで
きる。こうすることにより、圧力センサＢに振動が加わ
り磁性液体１４が電極面の中央から電極外へ移動して検
出誤差を生じるのを防いだり、また、メサ部２ｂに凹部
３を設ける必要がなくなるなど圧力センサＢの製造工程
を簡略化することもできる。なお、永久磁石１６の代わ
りに電磁コイルを用いてもよい。

【００２７】図５にさらに別な実施例である圧力センサ
Ｃの断面図を示す。カバー５には可動電極４と固定電極
７の間の空間ｓに臨ませるようにして差圧穴１３が複数
個設けられ、空間ｓ内にはシリコンオイルなどの高誘電
率を有する液体９が充填されている。この液体９は空間
ｓ内に閉じ込められておらず、空間ｓと差圧穴１３の間
の開口１５を通して差圧穴１３に出入りできるようにな
っている。図６に圧力センサＣに圧力Ｐが加えられた状
態の断面図を示すが、メサ部２ｂの下側から圧力Ｐが加
えられると、メサ部２ｂが変位して固定電極７及び可動
電極４間のギャップが狭まると同時に、液体９はメサ部
２ｂに押されて開口１５から差圧穴１３内へと押し出さ
れる。圧力Ｐが除かれるとメサ部２ｂが弾性変形部２ａ
の復元力により元の位置へ戻されるとともに、差圧穴１
３内へ押し出されていた液体９は再び空間ｓ内へと戻さ
れ、空間ｓ内は液体９で充填された状態を維持される。

【００２８】この圧力センサＣのように差圧穴１３を設
けなければ、充填された液体９の抵抗を受けてメサ部２
ｂが自由に変位できず、却って圧力センサＣの感度が低
下する場合もあるが、固定基板３に差圧穴１３を設ける
ことにより、液体９は開口１５から差圧穴１３へ移動す
るので、メサ部２ｂは加えられた圧力Ｐに応じて自由に
変位することができる。一方、差圧穴１３には一定の基
準となる圧力が加えられているために、差圧穴１３から
液体９が外部に飛び出すことはない。また、圧力Ｐが加
えられていない場合には、空間ｓ内に液体９が充填され
ているので、空間ｓ内には空気が入り込まず、可動電極
４や固定電極７の表面に結露するのを防ぐこともでき
る。

【００２９】なお、第３の実施例においては基準圧力を
導入するための導入口と液体９を収容するための開口１
５とを兼ね備えた差圧穴１３を設けたが、液体９を収容
するための開口１５はフレーム１やフレーム１とカバー
５の接合面に設けてもよい。

【００３０】図７にさらに別な実施例である圧力センサ
Ｄの断面図を示す。圧力センサＤの空間ｓ内には磁性液
体１４が封入され、圧力センサＤの下面には永久磁石１
６が配置されている。磁性液体１４は永久磁石１６によ
り保持されているので、圧力センサＤの姿勢が変化して
傾いた場合でも、磁性液体１４を両電極４，７間に位置
させることができ、このため検出誤差を生じず、また、
磁力により保持されているので磁性液体１４は振動を受
けにくく、圧力センサＤに振動が加わった場合でも安定
した動作を得ることができる。

【００３１】なお、差圧穴１３は加えられる圧力Ｐに応
じてその大きさと数を決めることにすればよい。また、
差圧穴１３に圧力を加えることにより、空間ｓ内の液体
９が外部に飛び出さないようにしてあるが、カバー５の
外側にガラス基板やシリコン基板を接合して差圧穴１３
を塞ぐようにしてもよい。

【００３２】また、本実施例にあっては圧力センサを用
いた実施例について説明したが、加速度センサについて
も応用することができる。

【００３３】

【発明の効果】本発明の静電容量型センサにあっては、
固定電極と可動電極との間の空間に、空気より大きな誘
電率を有する誘電性液体が空間の一部を残すように封入
され、あるいは、検知部の変位により空間外に押し出さ
れた誘電体液体を収容し、再び空間内へ再充填を行うた
めの開口を固定基板に設けて空間内に誘電性液体を充填
しているので、検知部は誘電性液体の抵抗を受けること
なく、加えられた加速度や圧力に応じて自由に変位する
ことができる。したがって、誘電性液体によって電極間
の誘電率を向上させ、しかも、検知部の動きが妨げられ
ずに、静電容量型センサの感度を向上させることができ
る。

【００３４】また、第１の静電容量型センサにあって
は、検知部の変位とともに電極間の誘電率の大きな領域
が拡大縮小されるため、さらに感度の向上を図ることが
できる。

【００３５】また、第２の静電容量型センサにあって
は、電極間の空間が誘電性液体で充填されているので、
空間内に結露が生じず、静電容量型センサの安定性を向
上させることができる。

【００３６】さらに、誘電性液体に磁性を有する液体を
用いて、センサ外部から磁力を印加して誘電性液体を保
持することにすれば、静電容量型センサの検出誤差を防
ぎ、安定した動作を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の一実施例である圧力センサを
示す平面図、（ｂ）はその断面図である。

【図２】（ａ）は同上の圧力センサに圧力が印加された
状態を示す平面図、（ｂ）はその断面図である。

【図３】同上の圧力センサが多数作成された半導体親基
板を示す分解断面図である。

【図４】本発明の別な実施例である圧力センサを示す断
面図である。

【図５】本発明のさらに別な実施例である圧力センサを
示す断面図である。

【図６】同上の圧力センサに圧力が印加された状態を示
す断面図である。

【図７】本発明のさらに別な実施例である圧力センサを
示す断面図である。

【図８】従来例である２重ダイヤフラム構造を示す一部
破断した概略構造図である。

【符号の説明】

２ダイヤフラム部２ａ弾性変形部２ｂメサ部４可動電極６窪み７固定電極９高誘電率を有する液体１３差圧穴１４高誘電率を有する磁性液体１５開口ｓ空間

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】検知部を弾性的に支持させた支持基板と
前記支持基板のいずれか一方の面に接合した固定基板と
により囲まれた空間を形成し、前記検知部に設けた可動
電極と対向して前記空間に面した前記固定基板に固定電
極を設けた静電容量型センサにおいて、前記空間内に、前記空間の一部を残して誘電性液体を封
入したことを特徴とする静電容量型センサ。
【請求項２】検知部を弾性的に支持させた支持基板と
前記支持基板のいずれか一方の面に接合した固定基板と
により囲まれた空間を形成し、前記検知部に設けた可動
電極と対向して前記空間に面した前記固定基板に固定電
極を設けた静電容量型センサにおいて、前記空間内に誘電性液体を充填し、前記検知部の変位に
より前記空間内から前記空間外に押し出された前記誘電
性液体を収容し、前記誘電性液体を前記空間外から前記
空間内に再充填を行うための開口を前記固定基板若しく
は前記支持基板若しくは前記固定基板と前記支持基板と
の接合面に設けたことを特徴とする静電容量型センサ。
【請求項３】前記誘電性液体は磁性を帯びた流体であ
って、前記誘電性液体に磁力を印加することにより前記
誘電性液体を前記空間内に保持したことを特徴とする請
求項１又は２に記載の静電容量型センサ。