JPH09280989A - 静電容量式の気体用圧力センサ - 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
温度の変化に対して影響を受けにくく、安定した測定が
行える気体用静電容量式の圧力センサの提供。 【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
を設けることにより、部品点数を低減して生産性を向上
させる。また、蓋部16をケース10と別体とすれば、圧力
センサチップ30とほぼ同程度の熱膨張温度特性を有する
材質で蓋部16を形成することが可能となり、周囲温度の
変化に対して影響を受けにくくなる。そして、蓋部16を
メタライズすれば、シールド材38との間に、圧力センサ
チップ30を配置するのみの簡単な構造で圧力センサチッ
プ30を静電遮蔽できる。

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、全体の小型化を図るために、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、信号処理回路等の材質の異なる各種の構成
要素を積み重ねて形成されている。一方、特開平２−２
９０５２４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、写真製版技術
の応用等により、微細加工においても優れた精度が得ら
れるうえ、部品点数が低減されるので、圧力センサの小
型化に大いに貢献できる。

【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、多数の構成
要素を下から積み重ねる構造となっており、組立手順が
限られることから、組立作業が煩雑となるうえ、組立工
数の削減が困難であるという問題がある。また、各構成
要素は、材質が同一でなく、その線膨張計数が異なって
いるので、温度変化により、互いの間隔等が変動する。
このため、静電容量式とした場合には、電極の間隔も変
動するので、温度変化により出力値が変動し、圧力測定
が不安定となるという問題がある。

【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静電容量式の気体用圧力センサで
あって、前記ケースには、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、この溝を覆うとともに、前
記圧力センサチップの電極と平行に配置された面状の蓋
部とが設けられ、これら溝および蓋部が前記圧力導入孔
から前記圧力センサチップにまで延びる圧力導入路を形
成し、かつ、前記蓋部との間に前記圧力センサチップを
挟み込む位置に面状のシールド材が設けられていること
を特徴とする。

【０００６】以上において、前記蓋部は、前記圧力セン
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く、例えば、コバールまたはガラス
からなる蓋部が採用できる。

【０００７】このような本発明では、圧力センサの構成
要素である部品として、測定圧を受けるダイアフラムと
電極が形成された絶縁物とが一体化された圧力センサチ
ップを採用するので、圧力センサの小型化と、部品点数
の低減が図れる。また、圧力導入孔から圧力センサチッ
プにまで測定圧を導く圧力導入路は、当該ケースに形成
された溝と、この溝を覆う蓋部とで形成されるので、狭
いケース内に小さな圧力センサチップ等の部品を取付け
ていく組立手順が採用できる他、面状の蓋部に圧力セン
サチップ等の部品を取付け、部品の取付けが完了した蓋
部をケースに取付けるといった組立手順等も採用でき、
組立手順の自由度が拡大され、組立工数の削減が可能と
なり、組立作業の容易化が図れる。さらに、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。また、金属のメッキや蒸着等によ
り、蓋部に導電性を付与すれば、圧力センサチップの両
側にシールド材を配置することにより、簡単な構造で圧
力センサチップが静電遮蔽されるようになり、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。

【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
一実施形態に係る静電容量式の気体用圧力センサ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、かつ、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の表側
および裏側の両方に、図示しない電極が形成された面状
の絶縁物32, 33を一体化したものであり、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の周縁部分は、両側から絶縁物32, 33に挟持されてい
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との対向面に前述の
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１の構成要
素である部品として、測定圧を受けるダイアフラム31と
電極が形成された絶縁物32, 33とを一体化した圧力セン
サチップ30を採用したので、圧力センサ１を小型化でき
るうえ、部品点数を低減できる。

【００１５】また、圧力導入孔14から圧力センサチップ
30にまで測定圧を導く圧力導入路を、ケース10に形成さ
れた溝15と、この溝15を覆う蓋部16とで形成したので、
狭いケース10内に小さな圧力センサチップ30等の部品を
取付けていく組立手順の他に、蓋部16に圧力センサチッ
プ30等の部品を取付けた後、部品の取付けが完了した蓋
部16をケース10に取付ける組立手順等も採用でき、組立
手順の自由度が拡大され、組立工数の削減が可能とな
り、組立作業を容易化とすることができる。

【００１６】さらに、圧力センサチップ30とほぼ同程度
の熱膨張温度特性を有するコバールで蓋部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
力特性が確保され、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】また、金属であるコバールで形成すること
により、蓋部16に導電性を付与したので、圧力センサチ
ップ30の両側にシールド材が配置されることとなり、簡
単な構造で圧力センサチップ30がシールドされ、外部ノ
イズに対して影響を受けにくく、この点からも、安定し
た測定を行うことができる。

【００１８】さらに、圧力センサチップ30をケース10の
中心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ＩＣ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、ケース10の高さ寸法を小さく
できる。

【００１９】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、測定に何ら支
障が生じないうえ、溝15の加工は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。

【００２０】また、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、ケース
10の加工が容易となり、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、または、メタライ
ズ処理したケースで封止しなくとも、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。

【００２１】また、圧力センサチップ30を柔らかいシリ
コーン樹脂16A 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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】

【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】本発明の一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。

【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 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 (3)

【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静電容量式の気体用圧力
   センサであって、 前記ケースには、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、この溝を覆うとともに、前記圧力セ
   ンサチップの電極と平行に配置された面状の蓋部とが設
   けられ、これら溝および蓋部が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を形成し、か
   つ、前記蓋部との間に前記圧力センサチップを挟み込む
   位置に面状のシールド材が設けられていることを特徴と
   する静電容量式の気体用圧力センサ。
2. 【請求項２】請求項１に記載の静電容量式の気体用圧力
   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
   を特徴とする静電容量式の気体用圧力センサ。
3. 【請求項３】請求項２に記載の静電容量式の気体用圧力
   センサにおいて、前記蓋部の材質は、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静電容量式
   の気体用圧力センサ。