JPH09280988A - 気体用圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】部品点数が少なく生産性が向上するうえ、周囲
温度の変化および外部ノイズに対して影響を受けにく
く、安定した測定が行える静電容量式の気体用圧力セン
サの提供。 【解決手段】測定圧力で変位するダイアフラム31の両側
を絶縁物32, 33で狭持して形成した圧力センサチップ30
を、ケース10に設けた圧力導入孔14の位置から外れた位
置に配置し、ケース10の残りの部分に信号処理回路を構
成する回路部品を配置する。そして、圧力導入孔14から
圧力センサチップ30にまで延びる圧力導入路15を設け
る。圧力センサチップ30と回路部品とがケース10内に並
設されるので、組立手順に自由度が生じて組立が容易と
なるうえ、圧力センサチップ30のみをシールド材16, 38
で覆うことが容易となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、測定圧力を受ける
ダイアフラムの変位を静電容量の変化として検出する静
電容量式の気体用圧力センサに関する。

【０００２】

【背景技術】従来より、測定圧力を受けて変位するダイ
アフラムと、このダイアフラムの変位を静電容量に変換
するための電極を有し、これにより、測定圧力の検出を
可能とした静電容量式の圧力センサが利用されている。
この静電容量式の圧力センサの一例としては、特開平７
−２８６９２５号公報に示されるものが知られている。
この圧力センサは、比較的底の深い容器状のベースの内
部に、ダイアフラム、電極、および、信号処理回路等の
構成要素を積み重ねることにより、全体の小型化を図っ
たものである。このような静電容量式の圧力センサは、
外部電界等のノイズによる影響が大きいので、圧力セン
サ全体あるいは電極のみをシールド板で覆うなどによ
り、外部ノイズの影響を受け難くしている。一方、特開
平２−２９０５２４号公報に示されるように、ダイアフ
ラムおよび電極の両方を小型の半導体チップに組み込ん
だ圧力センサチップが、半導体製造プロセスを利用して
製造されている。このような圧力センサチップは、特開
平７−２９４３５２号公報に示されるように、信号処理
回路等も内部に組み込めるため、圧力センサの小型化に
大いに貢献できる。また、特開平７−２９４３５２号公
報の圧力センサチップは、歪みゲージ式のもので、その
ままでは個々の温度特性等にばらつきがあるので、外部
に突出する調整用の端子が設けられている。この端子を
利用してその特性を測定しながら、圧力センサチップ内
部の信号処理回路に設けられた温度補償調整用抵抗等を
トリミングし、所定の特性が得られるように調整を行っ
た後、調整用の端子を切り離している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】特開平７−２８６９２
５号公報に示されるような圧力センサでは、その構成要
素を下から積み重ねる構造となっているので、組立手順
が限られることから、組立工数の削減が困難なうえ、べ
ースの高さ寸法が嵩み、高さ寸法を小さくすることが困
難となるという問題がある。また、外部電界の影響を受
け難くするために、圧力センサ全体を覆う大型のシール
ド部材や、電極を挟んで配置される一対の大きなシール
ド板等が必要となり、部品点数および組立工数が増加
し、生産性を阻害するという問題がある。ここで、圧力
センサのベースやケースを金属製にしたり、ベースやケ
ース内面を金属メッキ等でメタライズするなどにより、
ベースやケースそのものにシールド効果を付与すること
が考えられるが、金属製のベースやケースでは、合成樹
脂製のものよりも量産性や生産性の点で劣り、メタライ
ズされたベースやケースでは、製作に工数がかかり、や
はり量産性・生産性の点で問題がある。また、圧力セン
サチップの静電容量変化は、個々のチップによりばらつ
きがあり、このばらつきを是正するために、信号処理回
路を個々に調整しているが、この調整は、浮遊容量の変
動を防ぐために、圧力センサチップをシールド効果のあ
るケース等の内部に封止した状態で行わなければならな
い。このため、ケース等の外部に突出する調整用の端子
を設ける必要があり、部品点数が増えるうえ、調整用の
端子は、調整後、ケース等から切り離す、あるいは、合
成樹脂等で覆う必要があるので、完成までの工数が増
え、この点からも、生産性を阻害するという問題が生じ
る。

【０００４】本発明の目的は、部品点数が少なく生産性
が向上するうえ、周囲温度の変化および外部ノイズに対
して影響を受けにくく、安定した測定が行える静電容量
式の気体用圧力センサを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、半導体および
金属のいずれか一方からなるダイアフラムの中央部分が
変位可能となるように空隙を形成した状態で、当該ダイ
アフラムの周縁部分を両側から狭持する一対の絶縁物が
設けられ、前記一対の絶縁物の一方には、測定圧を導入
する測定圧導入孔が形成され、前記一対の絶縁物の他方
には、基準圧を導入する基準圧導入孔が形成され、か
つ、これらの一対の絶縁物の少なくとも一方の絶縁物に
は、前記ダイアフラムとの対向面に電極が形成され、前
記測定圧による前記ダイアフラムの変位を、当該ダイア
フラムと前記電極との間の静電容量の変化から検出する
ための圧力センサチップと、この圧力センサチップを収
納するとともに、当該ケースの内部に前記測定圧を導入
するための圧力導入孔が設けられたケースと、前記圧力
センサチップの静電容量を所定の電気信号に変換する信
号処理回路とを備えた気体用圧力センサであって、前記
圧力センサチップは、前記ケースの前記圧力導入孔の位
置から外れた位置に配置され、前記ケースの残りの部分
には、前記信号処理回路を構成する回路部品が配置さ
れ、かつ、前記ケースには、前記圧力導入孔から前記圧
力センサチップにまで延びる圧力導入路が設けられ、こ
の圧力導入路は、前記ケースの前記圧力センサチップが
配置された面に形成された溝と、この溝を覆う蓋部とに
囲まれた空間であることを特徴とする。

【０００６】以上において、前記蓋部は、前記信号処理
回路を形成するプリント基板の一部とすることができ
る。また、前記圧力センサチップは、その電極を覆うよ
うに配置された一対のシールド材の間に配置されている
ことが望ましい。さらに、前記一対のシールド材の少な
くとも一方は、前記ケースとは別体となっていることが
好ましい。また、前記信号処理回路が形成されるプリン
ト基板上には、前記用圧力センサの出力調整端子が設け
られていることが望ましい。さらに、前記蓋部は、前記
圧力センサチップが接合されるとともに、当該圧力セン
サチップとほぼ同程度の熱膨張温度特性を有する材質か
らなることが好ましい。また、前記蓋部の少なくとも前
記センサチップとの接合部分の材質は、コバールおよび
ガラスのいずれか一方であることが望ましい。

【０００７】このような本発明では、圧力センサチップ
がケースに設けられる圧力導入孔の位置から外れた位置
に配置され、ケースの残りの部分に信号処理回路を構成
する回路部品が配置されることから、圧力センサチップ
と信号処理回路とがケース内に並設されるようになるの
で、積み重ね構造となった従来の圧力センサと異なり、
組立手順に自由度が生じ、組立工数の削減が可能となっ
て組立が容易となり、その生産性が向上するうえ、ケー
スの高さ寸法が小さくなる。しかも、圧力センサチップ
をケースに設けられた圧力導入孔の位置から外れた位置
に配置しても、圧力導入路により、圧力導入孔から圧力
センサチップまで測定圧力が伝達されるようになるの
で、圧力の測定が可能である。この際、圧力センサチッ
プ側の面に形成された溝と、この溝を覆う蓋部とに囲ま
れた空間で圧力導入路を形成すれば、圧力センサの組立
容易性が阻害されず、良好な生産性が維持される。ま
た、信号処理回路を形成するプリント基板の一部を蓋部
として利用すれば、部品点数が増えないので、良好な組
立容易性が確保され、ひいては、良好な生産性が維持さ
れる。さらに、圧力センサチップの電極を覆うように配
置された一対のシールド材の間に圧力センサチップを配
置すれば、簡単な構造で圧力センサチップが完全にシー
ルドされるようになり、外部ノイズに対して影響を受け
にくく、安定した測定が行えるうえ、合成樹脂製等のケ
ースの採用が可能となり、合成樹脂製のケースの採用に
より、量産性および生産性がさらに向上される。また、
一対のシールド材の少なくとも一方を、ケースと別体と
すれば、ケースの加工が容易となり、この点からも良好
な生産性が維持される。ここで、信号処理回路が形成さ
れるプリント基板上に圧力センサの出力調整端子を設け
れば、ケースで封止しなくとも、圧力センサチップがシ
ールド材で完全にシールドされた状態となり、ケースを
開けた状態で、出力調整端子を用いて調整が可能とな
り、ケースの外部に突出する調整用の端子、および、調
整後の端子の切り離し作業も不要となり、完成までの工
数が減り、この点からも、生産性が向上される。また、
圧力センサチップとほぼ同程度の熱膨張温度特性を有す
る材質、例えば、コバールまたはガラスで蓋部を形成す
れば、蓋部との熱膨張差による圧力センサチップの歪み
が防止され、温度の変化に影響を受けない良好な出力特
性が確保されるようになる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の一形態を図
面に基づいて説明する。図１および図２には、本発明の
第１実施形態に係る気体用の圧力センサ１が示されてい
る。圧力センサ１は、ケース10の内部に信号処理回路を
構成する回路部品であるＩＣチップ20と、静電容量式の
圧力センサチップ30とを設けたものである。ケース10
は、合成樹脂製のボトムケース10A と、合成樹脂製のア
ッパーケース10B とに分割されたものである。

【０００９】ボトムケース10A は、周縁に設けられた立
ち上がり部11A に囲まれた凹部12を有する容器状のもの
である。一方、アッパーケース10B は、ボトムケース10
A の立ち上がり部11A と嵌合する垂れ下がり部11B が周
縁に設けられた蓋状のものである。ボトムケース10A の
図１中下方の面10C の中心位置近傍には、被測定流体が
流通する配管等に接続するための継手部13が突設されて
いる。この継手部13の中心には、被測定流体の圧力であ
る測定圧力を圧力センサ１の内部に導入するための圧力
導入孔14が設けられている。ボトムケース10A の凹部12
の内部には、ケース10A の中心から周縁方向へ片寄った
位置に圧力センサチップ30が配置され、ボトムケース10
A の凹部12の残りの部分には、ＩＣチップ20を実装した
プリント基板21が配置されている。

【００１０】ボトムケース10A の圧力センサチップ30が
配置された面には、溝15が設けられいる。この溝15は、
圧力導入孔14から圧力センサチップ30の直下にまで延
び、図中上方に配置された蓋部16に覆われている。これ
らの溝15および蓋部16とに囲まれた空間は、圧力導入孔
14から圧力センサチップ30にまで延びる圧力導入路とな
っている。ここで、蓋部16およびボトムケース10A は、
溝15に導かれる圧力に耐えうるように接着剤等で相互に
接合されている。また、蓋部16には、圧力センサチップ
30の直下となる位置に連通孔17が設けられている。一
方、プリント基板21には、圧力センサ１の出力調整端子
22が複数設けられている。これらの出力調整端子22は、
プリント基板21の図２中上方の端縁に沿って配列されて
いる。プリント基板21の図２中左側の端縁には、圧力セ
ンサ１の外部へ出力信号を送出するとともに外部からの
電源電圧を受けるために、複数の電線23が接続されてい
る。

【００１１】圧力センサチップ30は、図３に示されるよ
うに、中央部分が表裏とも凹んだダイアフラム31を含ん
で構成されたものであり、柔らかいシリコーン樹脂16A
で蓋部16に接着されている。ダイアフラム31は、半導体
から形成されたものある。ダイアフラム31の両側には、
当該ダイアフラム31の周縁部分を狭持するように面状の
絶縁物32, 33が一対設けられている。ここで、ダイアフ
ラム31の中央部分は、その凹みにより、絶縁物32, 33と
の間に空隙が設けられ、図中上下方向に変位可能となっ
ている。絶縁物32, 33の各々は、耐熱ガラス等のガラス
で形成されたものである。絶縁物32, 33の各々には、ダ
イアフラム31との対向面に図示しない電極が形成されて
いる。なお、これらの電極は、ボンディングワイヤ16B
によりプリント基板21と電気的に接続されている。

【００１２】絶縁物32, 33のうち、図中下方の絶縁物32
には、測定圧を導入するための測定圧導入孔34が形成さ
れ、図中上方の絶縁物33には、基準圧を導入するための
基準圧導入孔35が形成されている。ここで、圧力センサ
チップ30を蓋部16に接着するシリコーン樹脂16A は、蓋
部16および絶縁物32の間の空間を、蓋部16の連通孔17お
よび絶縁物32の測定圧導入孔34の全周に渡って完全に密
閉するものとなっている。これにより、圧力導入孔14か
ら導入される測定圧がダイアフラム31まで確実に伝達さ
れ、測定圧による変位でダイアフラム31と絶縁物32, 33
の電極との間の静電容量が変化し、測定圧が正確に検出
可能となっている。

【００１３】プリント基板21の圧力センサチップ30側の
端縁近傍には、棒状の支持部材36,37が立設されてい
る。これらの支持部材36, 37と、ボトムケース10A の立
ち上がり部11A との間には、シールド材38が架け渡され
ている。シールド材38は、金属等の電気抵抗の小さい導
体板からなり、ボトムケース10A とは別体となってい
る。蓋部16は、圧力センサチップ30の絶縁物32, 33と線
膨張係数が近似するニッケル合金であるコバールから構
成され、シールド材の機能を有している。これらの蓋部
16およびシールド材38は、圧力センサチップ30の両側に
配置されるとともに、電気的に相互に接続されている。
これにより、圧力センサチップ30は、静電遮蔽された状
態となっている。

【００１４】前述のような本実施形態によれば、次のよ
うな効果が得られる。すなわち、圧力センサチップ30を
ケース10の中央部分から周縁方向へ片寄った位置に配置
し、ケース10の残りの部分に信号処理回路を構成するＩ
Ｃチップ20を配置し、圧力センサチップ30とＩＣチップ
20とをケース10内に並設するようにしたので、積み重ね
構造となった従来の圧力センサと異なり、圧力センサ１
の組立手順に自由度が生じ、組立工数の削減が可能とな
って組立が容易となり、その生産性を向上できるうえ、
ケース10の高さ寸法を小さくできる。

【００１５】しかも、圧力センサチップ30を圧力導入孔
14から離して配置しても、溝15を含んで構成された圧力
導入路により、圧力導入孔14から圧力センサチップ30ま
で測定圧力が伝達されるようになるので、圧力の測定が
可能であるうえ、溝15の加工が容易であるとともに、溝
15を蓋部16で覆うだけで圧力導入路が形成されることか
ら、圧力センサ１の組立容易性が阻害されず、生産性を
向上できる。

【００１６】また、圧力センサチップ30の電極を覆うよ
うに配置された一対のシールド材として、蓋部16および
シールド材38を設け、これらの蓋部16およびシールド材
38の間に圧力センサチップ30を配置するようにしたの
で、簡単な構造で圧力センサチップ30をシールドできる
ようになり、外部ノイズに対して影響を受けにくく、安
定した測定を行うことができる。

【００１７】さらに、一対のシールド材としての蓋部16
およびシールド材38をケース10と別体としたので、合成
樹脂製のケース10を採用でき、この点からも良好な生産
性を確保できる。しかも、金属製のケース10、または、
メタライズ処理したケース10で封止しなくとも、圧力セ
ンサチップ30が蓋部16およびシールド材38でシールドさ
れた状態となり、ケース10を開けた状態で、プリント基
板21に設けた出力調整端子22を用いて調整が可能とな
り、ケース10の外部に突出する調整用の端子、および、
調整後の端子の切り離し作業が不要となり、完成までの
工数が減り、この点からも、生産性を向上できる。

【００１８】また、圧力センサチップ30の絶縁物32, 33
とほぼ同程度の線膨張計数を有する材質であるコバール
で蓋部16を形成したので、蓋部16との熱膨張差による圧
力センサチップ30の歪みが防止され、温度の変化に影響
を受けない良好な出力特性を確保することができる。し
かも、圧力センサチップ30を柔らかいシリコーン樹脂16
A で蓋部16に接着したので、シリコーン樹脂16A で熱膨
張差以外の外的ストレスをも吸収できるため、この点か
らも、圧力センサチップ30の歪みが防止され、温度等の
測定環境の変化による影響を受けない良好な出力特性を
確保することができる。

【００１９】図４および図５には、本発明の第２実施形
態が示されている。なお、以下の説明では、既に説明し
た部位・部材と同一の部位・部材には、同一の符号を付
し、その説明を省略もしくは簡略にする。本実施形態
は、前記第１実施形態における蓋部16とは別個に設けら
れたプリント基板21を、蓋部を兼用するプリント基板21
A としたものである。すなわち、プリント基板21A は、
凹部12とほぼ同じ程度の面積を有したものであり、図中
右側の部分が溝15を覆う蓋部となっている。このプリン
ト基板21A には、図６に示されるように、圧力センサチ
ップ30の直下となる位置に連通孔17が設けられている。
連通孔17は、内側全面が銅箔や金メッキ等で覆われたス
ルーホールとなっている。プリント基板21A の表面およ
び裏面の少なくとも一方の面には、圧力センサチップ30
の面積および位置に応じて、プリント基板21A の銅箔を
そのまま残した、いわゆるベタパターン24が形成されて
いる。このベタパターン24は、シールド機能を有し、圧
力センサチップ30直上のシールド板38と電気的に接続す
ることで、圧力センサチップ30を静電遮蔽している。こ
のような本実施形態においても、前記第１実施形態と同
様の作用、効果を得ることができる他、プリント基板21
A が蓋部を兼用するので、部品点数がさらに低減され、
良好な組立容易性を確保でき、ひいては、生産性をさら
に向上できるという効果を付加することができる。

【００２０】以上、本発明について好適な実施形態を挙
げて説明したが、本発明は、この実施形態に限られるも
のでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々
の改良並びに設計の変更が可能である。例えば、圧力セ
ンサチップのダイアフラムとしては、半導体からなるも
のに限らず、金属製のものでもよい。また、圧力センサ
チップの絶縁物としては、耐熱ガラスからなるものに限
らず、他のガラスやセラミックス製のものでもよい。さ
らに、圧力センサチップとしては、ダイアフラムを挟む
両方の絶縁物に電極を設けたものに限らず、ダイアフラ
ムを挟む一対の絶縁物のうちの一方のみに電極を設けた
ものでもよい。

【００２１】また、蓋部としては、ニッケル合金である
コバール製のものに限らず、他の金属製のものや、ガラ
ス等の電気絶縁材料からなるものでもよく、圧力センサ
チップの絶縁物と線膨張係数が近似していれば、熱歪み
により影響を低減できる。ここで、蓋部の材質として、
電気絶縁材料を採用する場合には、表面をメッキや蒸
着、塗装でメタライズすれば、シールド機能を付与する
ことができる。

【００２２】

【発明の効果】前述のように本発明によれば、部品点数
が少なくなり、生産性を向上でき、周囲温度の変化およ
び外部ノイズに対して影響を受けにくくなり、安定した
圧力測定を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態の気体用圧力センサの全
体を示す縦断面図である。

【図２】前記実施形態の気体用圧力センサの全体を示す
平断面図である。

【図３】前記実施形態の気体用圧力センサの要部を示す
拡大断面図である。

【図４】本発明の第２実施形態の気体用圧力センサの全
体を示す縦断面図である。

【図５】前記実施形態の気体用圧力センサの全体を示す
平断面図である。

【図６】前記実施形態の気体用圧力センサの要部を示す
拡大断面図である。

【符号の説明】

１ 気体用圧力センサ 10 ケース 14 圧力導入孔 15 圧力導入路を構成する溝 16 圧力導入路を構成するとともに、シールド材を兼用
する蓋部 20 信号処理回路を構成するＩＣチップ 21A 一部が蓋部となったプリント基板 22 出力調整端子 30 圧力センサチップ 31 ダイアフラム 32, 33 絶縁物 34 測定圧導入孔 35 基準圧導入孔 38 シールド材

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体および金属のいずれか一方からなる
   ダイアフラムの中央部分が変位可能となるように空隙を
   形成した状態で、当該ダイアフラムの周縁部分を両側か
   ら狭持する一対の絶縁物が設けられ、前記一対の絶縁物
   の一方には、測定圧を導入する測定圧導入孔が形成さ
   れ、前記一対の絶縁物の他方には、基準圧を導入する基
   準圧導入孔が形成され、かつ、これらの一対の絶縁物の
   少なくとも一方の絶縁物には、前記ダイアフラムとの対
   向面に電極が形成され、前記測定圧による前記ダイアフ
   ラムの変位を、当該ダイアフラムと前記電極との間の静
   電容量の変化から検出するための圧力センサチップと、 この圧力センサチップを収納するとともに、当該ケース
   の内部に前記測定圧を導入するための圧力導入孔が設け
   られたケースと、 前記圧力センサチップの静電容量を所定の電気信号に変
   換する信号処理回路とを備えた気体用圧力センサであっ
   て、 前記圧力センサチップは、前記ケースの前記圧力導入孔
   の位置から外れた位置に配置され、前記ケースの残りの
   部分には、前記信号処理回路を構成する回路部品が配置
   され、かつ、前記ケースには、前記圧力導入孔から前記
   圧力センサチップにまで延びる圧力導入路が設けられ、
   この圧力導入路は、前記ケースの前記圧力センサチップ
   が配置された面に形成された溝と、この溝を覆う蓋部と
   に囲まれた空間であることを特徴とする気体用圧力セン
   サ。
2. 【請求項２】請求項１に記載の気体用圧力センサにおい
   て、前記蓋部は、前記信号処理回路を形成するプリント
   基板の一部であることを特徴とする気体用圧力センサ。
3. 【請求項３】請求項１に記載の気体用圧力センサにおい
   て、前記圧力センサチップは、その電極を覆うように配
   置された一対のシールド材の間に配置されていることを
   特徴とする気体用圧力センサ。
4. 【請求項４】請求項３に記載の気体用圧力センサにおい
   て、前記一対のシールド材の少なくとも一方は、前記ケ
   ースとは別体となっていることを特徴とする気体用圧力
   センサ。
5. 【請求項５】請求項４に記載の気体用圧力センサにおい
   て、前記信号処理回路が形成されるプリント基板上に
   は、前記用圧力センサの出力調整端子が設けられている
   ことを特徴とする気体用圧力センサ。
6. 【請求項６】請求項１に記載の気体用圧力センサにおい
   て、前記蓋部は、前記圧力センサチップが接合されると
   ともに、当該圧力センサチップとほぼ同程度の熱膨張温
   度特性を有する材質からなることを特徴とする気体用圧
   力センサ。
7. 【請求項７】請求項６に記載の気体用圧力センサにおい
   て、前記蓋部の少なくとも前記センサチップとの接合部
   分の材質は、コバールおよびガラスのいずれか一方であ
   ることを特徴とする気体用圧力センサ。