JPH0933372A - 静電容量式圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 単純な構造で製作工数を大幅に削減でき、か
つ小型化を容易する。また、小型化による性能劣化させ
ることなく高性能を得る。 【解決手段】 筒状の枠体１１の両端部に、中央部分に
薄肉ダイアフラム部１２ａを有し、周縁部分に厚肉固定
部１２ｂを有する蓋体１２および同等の構造を有する蓋
体１３がその固定部１２ｂ，１３ｂを密着させて対向配
置され、蓋体１２および蓋体１３の固定部１２ｂ，１３
ｂの内面にそれぞれ固定電極１８，２０が形成され、ダ
イアフラム部１２ａ，１３ａの対向面間には支柱１５が
連結され、蓋体１２と蓋体１３との間には固定電極１
８，２０と間隙部を介して対向する電極支持板１６が支
柱１５に支持固定され、電極支持板１６の固定電極１
８，２０と間隙部を介して対向する面に可動電極１７，
１９が形成されて構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定圧力の変化
を静電容量的に検出するダイアフラム構造の静電容量式
圧力センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図４は、この種の静電容量式圧力センサ
の構成を示す断面図である。図４において、１はダイア
フラム支持体としての枠体、２，３はこの枠体１の両端
開口部をそれぞれ閉塞するように形成された薄肉状のダ
イアフラム、４は枠体１内でダイアフラム２とダイアフ
ラム３とを接続固定する支柱、５はこの支柱４にダイア
フラム２およびダイアフラム３に対向して支持固定され
た可動電極支持板、６は可動電極支持板５の上面に形成
された導電性薄膜からなる可動電極である。

【０００３】また、７は枠体１の内壁面に可動電極支持
体５と対向しかつ支持体４を挿通して支持された固定電
極支持板、８はこの固定電極支持板７の可動電極６と対
向する面に形成された同じく導電性薄膜からなる固定電
極であり、これらの枠体１，ダイアフラム２，ダイアフ
ラム３，支柱４，可動電極６および固定電極支持板７
は、例えばサファイアガラスなどの材料により形成され
ている。

【０００４】そして、可動電極６と可動電極８とは、電
極間ギャップＧ（約１μｍ程度）を介して対向配置され
てコンデンサＣが形成され、容量式のセンサ素子が構成
されている。さらに、このセンサ素子の内部は、外部環
境と隔離されて完全に密封され、真空に保持されるか、
またはガスが封入される構造となっている。なお、Ｐ
１，Ｐ２は、それぞれダイアフラム２，ダイアフラム３
に印加される測定圧力である。

【０００５】このように構成された静電容量式圧力セン
サは、測定圧力Ｐ１および測定圧力Ｐ２がそれぞれダイ
アフラム２およびダイアフラム３に印加されると、これ
らのダイアフラム２およびダイアフラム３が変形し、固
定電極８と可動電極６とで構成されるコンデンサＣの容
量値が変化し、この容量値を測定することにより、差圧
Ｐ１−Ｐ２（Ｐ１＞Ｐ２）を検出することができる。な
お、この種の静電容量式圧力センサは、例えば特開平６
−１８６１０６号公報に開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに構成された静電容量式圧力センサは、固定電極支持
板７の機械的強度を安定させる必要がある。すなわち、
可動電極６と可動電極８の間の電極間ギャップＧは、通
常１μｍ程度であるため、固定電極支持板７が変化した
場合、ダイアフラムの変形に無関係に容量値が変化し、
性能に直接影響を与えることになる。したがって、製作
時の寸法管理および経年変化を生じるような内部応力を
確実に防止するための製作方法が要求される。

【０００７】このため、固定電極支持板７と可動電極支
持板５とが相互に入り組んだ複雑な構造と相俟って多大
の工程数を要するという問題があった。また、固定電極
支持板７の強度上の要求から小型化に反するという問題
もあった。例えば小型化のために固定電極支持板７の板
厚を薄くすると、変形が生じ易く、ダイアフラムと関係
なく容量値が変わり、零シフトなどの劣化を招くもので
あった。

【０００８】したがって、本発明は、前述した従来の課
題を解決するためになされたものであり、その目的は、
単純な構造で製作工数を大幅に削減でき、かつ小型化が
容易な静電容量式圧力センサを提供することにある。ま
た、他の目的は、小型化による性能劣化のない高性能の
静電容量式圧力センサを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために本発明による静電容量式圧力センサは、筒状の
ダイアフラム支持体両端部に、中央部分に薄肉部からな
るダイアフラム部を有し、周縁部分に厚肉部からなる固
定部を有する第１の蓋体および第２の蓋体が閉塞するよ
うにその固定部を密着させて対向配置され、第１の蓋体
および第２の蓋体の少なくとも一方の固定部内面に固定
電極が形成され、第１の蓋体および第２の蓋体に形成さ
れたダイアフラム部の対向面間に支柱が連結され、第１
の蓋体と第２の蓋体との間には固定電極と間隙部を介し
て対向する電極支持板が支柱に支持固定され、電極支持
板の固定電極と間隙部を介して対向する少なくとも一方
の面に可動電極が形成されて構成され、ダイアフラム支
持体内は外部と隔離されるとともに可動電極と固定電極
との間にコンデンサ構造が形成される。

【００１０】第１の蓋体のダイアフラム部に測定圧力
（例えば大気圧）Ｐ１が印加され、第２の蓋体のダイア
フラム部に測定圧力Ｐ２が印加されると、測定圧力Ｐ１
と測定圧力Ｐ２とに圧力差が発生する。これによって第
１の蓋体のダイアフラム部および第２の蓋体のダイアフ
ラム部と支柱とが一体となって変位し、可動電極と固定
電極との間の間隙部の寸法が変化し、可動電極と固定電
極とで構成されるコンデンサ構造の容量値が変化する。
この容量値を測定することで測定圧力が検知される。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
の形態について詳細に説明する。図１は、本発明による
静電容量式圧力センサの実施の形態を説明する構成の断
面図である。図１において、１１はほぼ角筒状に形成さ
れたダイアフラム支持体としての枠体、１２，１３はこ
の枠体１の両端開口端部にそれぞれ閉塞するように密封
して対向配置された第１の蓋体，第２の蓋体である。

【００１２】この第１の蓋体１２および第２の蓋体１３
は、それぞれ中央部分に薄肉部からなる薄肉状のダイア
フラム部１２ａ，１３ａと、周縁部分に厚肉部からなる
固定部１２ｂ，１３ｂとから一体的に形成され、ダイア
フラム部１２ａ，１３ａと固定部１２ｂ，１３ｂとの接
続位置、すなわち固定部１２ｂ，１３ｂの内周またはダ
イアフラム部１２ａ，１３ａの外周は、枠体１１の内径
よりも小さい径を有して形成されている。

【００１３】そして、枠体１１の両端開口部にそれぞれ
第１の蓋体１２の固定部１２ｂと第２の蓋体１３の固定
部１３ｂとが密着配置されることにより、それぞれ薄膜
状のダイアフラム部１２ａ，１３ａが枠体１１の中央部
分に配設された状態で保持固定されてハウジング１４が
構成されている。

【００１４】また、１５は枠体１１内で第１の蓋体１２
のダイアフラム部１２ａと第２の蓋体１３のダイアフラ
ム部３との対向面間に接続固定されかつダイアフラム部
１２ａとダイアフラム部１３ａとを連結する支柱、１６
はこの支柱１５に一体的に形成されかつ第１のダイアフ
ラム部１２ａおよび第２のダイアフラム部１３ａに対向
して支持固定された電極支持板である。

【００１５】また、１７はこの電極支持板１６の上面側
周縁部に形成された導電性薄膜からなる第１の可動電
極、１８は電極支持板１６上の第１の可動電極１７と対
向する第１の蓋体固定部１２ｂの内面側に電極間ギャッ
プＧ（約１μｍ程度）を介して形成された導電性薄膜か
らなる第１の固定電極であり、第１の可動電極１７と第
１の固定電極１８とは電極間ギャップＧを介して対向配
置されて第１のコンデンサＣ１が形成される構造となっ
ている。

【００１６】また、１９はこの電極支持板１６の下面側
周縁部に形成された導電性薄膜からなる第２の可動電
極、２０は電極支持板１６の下面に形成された第２の可
動電極１９と対向する第２の蓋体固定部１３ｂの内面側
に電極間ギャップＧ（約１μｍ程度）を介して形成され
た導電性薄膜からなる第２の固定電極であり、第２の可
動電極１９と第２の固定電極２０とは電極間ギャップＧ
を介して対向配置されて第２のコンデンサＣ２が形成さ
れて容量式のセンサ素子が構成されている。さらにこれ
らのコンデンサＣ１およびコンデンサＣ２が形成された
枠体１１内は、外部環境と隔離されて完全に密封され、
その内部には真空またはガスが封入されて容量式のセン
サ素子が構成されている。

【００１７】なお、前述した第１の蓋体１２および第２
の蓋体１３は、例えばガラス，石英またはサファイアな
どの絶縁材料により形成され、枠体１１，支柱１５およ
び可動電極支持体１６は例えばシリコンにより形成され
ている。

【００１８】このように構成された静電容量式圧力セン
サは、第１の蓋体１２のダイアフラム部１２ａおよび第
２の蓋体１３のダイアフラム部１３ｂにそれぞれ測定圧
力Ｐ１，Ｐ２が印加され、圧力差Ｐ１−Ｐ２が発生する
と、ダイアフラム部１２ａ，およびダイアフラム部１３
ａと支柱１５とが一体となって変位し、これによって第
１の可動電極１７と第１の固定電極１８とで構成される
コンデンサＣ１による第１の容量値と、第２の可動電極
１９と第２の固定電極２０とで構成されるコンデンサＣ
２による第２の容量値とが変化し、第１の容量値と第２
の容量値との変化分を測定することにより、測定圧力を
検知することができる。

【００１９】このような構成によれば、圧力差Ｐ１−Ｐ
２に応じた容量値の変化分のみが得られることになるの
で、大気環境の変化により発生する誤差要因の全てを完
全に取り除くことができ、環境変化に影響されることな
く、微圧から高圧までの圧力レンジの計測が可能となる
（ダイナミックレンジが大きくとれる）とともに高精度
で信頼性の高い圧力計測が可能となる。

【００２０】

【実施例】図２（ａ）〜（ｅ）は、図１に説明した静電
容量式圧力センサの製造方法を説明する各工程の断面図
である。まず、図２（ａ）に示すように図１のダイアフ
ラム部を構成する絶縁基板２１と、超音波加工，レーザ
ー加工などによりダイアフラム部に等しい大きさの開口
を形成した図１の固定部を構成する厚肉の絶縁リング２
２とを直接接合法により接合して図１の第１の蓋体１２
または第２の蓋体１３に相当する蓋体構造２３を形成す
る。

【００２１】次に図２（ｂ）に示すように絶縁基板２１
上にＰｔ，Ａｕなどの電極材料を蒸着法，スパッタリン
グ法またはイオンプレーティング法などにより金属薄膜
を形成し、フォトリソグラフィ法，エッチング法または
リフトオフ法などによりパターニングを行って絶縁基板
２１上の絶縁リング２２に対応する所定位置に図１の第
１の固定電極１８または第２の固定電極２０に相当する
固定電極２４を形成して電極付き蓋体構造２５を形成す
る。

【００２２】次に図２（ｃ）に示すようにシリコンウエ
ハの両面に図示しない酸化膜をパターニングしてＫＯＨ
またはＴＭＡＨなどのエッチング液に浸漬し、図１の枠
体１１，支柱１５および電極支持板１６となるブロック
体２６を形成する。この場合、このブロック体２６は、
図１の第１の可動電極１７と第１の固定電極１８との間
の距離または第２の可動電極１９と第２の固定電極２０
との間の距離、すなわちコンデンサＣ１またはコンデン
サＣ２の容量値は前述したエッチング時間で制御され、
また、第１の可動電極１７および第２の可動電極１９は
シリコン自体で形成されるので、電極支持板１６と共通
となって形成されている。

【００２３】次に図２（ｄ）に示すように酸化膜を除去
した図２（ｃ）に示すブロック体２６を電極付き蓋体構
造２５上に所定の方向で接合し、その後、電極支持板１
６となる部分の周囲をドライエッチング法により貫通す
るようにエッチング除去して図１に示す枠体１１，支柱
１５およびこの支柱１５に支持固定された電極支持体１
６が形成される。なお、この場合、ブロック体２６と電
極付き蓋体構造２５との接合方法としては、材料により
陽極接合，直接接合またはパイレックスガラス薄膜を介
した陽極接合法など適宜選ばれる。

【００２４】次に図２（ｅ）に示すようにブロック体２
６上に図２（ｂ）と同様の方法で形成された電極付き蓋
体構造２５を所定の方向で接合することにより、図１に
示したような容量式のセンサ素子が完成される。

【００２５】図３は、図１に示す静電容量式圧力センサ
の他の製造方法の一部を説明する工程の断面図であり、
この図３では、図１の枠体１１，支柱１５および電極支
持板１６が例えばガラス材により形成された場合の図２
（ｃ）に該当する工程を示している。この場合、ガラス
基板の両面に図示しないレジストまたは金属薄膜をパタ
ーニングしてＨＦなどのエッチング液に浸漬またはドラ
イエッチングを行って図１の枠体１１，支柱１５および
電極支持板１６となるブロック体３０を形成する。

【００２６】次にこのブロック体３０にＰｔ，Ａｕなど
の電極材料を蒸着法，スパッタリング法またはイオンプ
レーティング法などにより所定の形状にパターニング
し、図１の第１の可動電極１７，第２の可動電極１９に
相当する可動電極３１を形成して電極付きブロック体３
２を形成する。その後は、図２（ｄ）に示す工程に継続
される。

【００２７】この場合、このブロック体３２は、図１の
第１の可動電極１７と第１の固定電極１８との間の距離
または第２の可動電極１９と第２の固定電極２０との間
の距離、すなわちコンデンサＣ１またはコンデンサＣ２
の容量値は前述したエッチング時間および可動電極３１
の厚さで制御されることになる。

【００２８】このように構成された静電容量式圧力セン
サは、第１の固定電極１８および第２の固定電極２０が
それぞれ第１の蓋体１２および第２の蓋体１３の充分な
機械的強度を有する固定部１２ｂおよび固定部１３ｂに
設けられているので、電極支持板１６の変形に起因する
ダイアフラム部１２ａおよびダイアフラム部１３ｂの変
形による零シフトなどの劣化の発生がなくなる。

【００２９】また、このように構成された静電容量式圧
力センサは、枠体１１に第１の固定電極１８および第２
の固定電極２０を取り付ける固定電極支持板を設けない
構成となっているので、電極支持板１６が固定電極支持
板に入り組むことがなく、構造が簡単となり、この結
果、製造工程が削減が図れ、製作が容易となる。

【００３０】なお、前述した実施例においては、第１の
ダイアフラム部１２ａおよび第２のダイアフラム部１３
ａの形状を四角形とした場合について説明したが、丸形
でも他の形状でも同様に構成することができる。また、
枠体１１の形状も四角形に限定されるものではなく、円
筒状または他の形状でも同様に構成しても良い。

【００３１】また、前述した実施例においては、ハウジ
ング１４内に第１の可動電極１７と第１の固定電極１８
とからなる第１の対向電極と、第２の可動電極１９と第
２の固定電極２０とからなる第２の対向電極とを設けた
場合について説明したが、本発明はこれに限定されるも
のではなく、これらの対向電極のいずれか一方を設けて
も前述と同様な効果が得られることは言うまでもない。

【００３２】

【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
枠体の両端部を密封する第１の蓋体および第２の蓋体の
少なくとも一方の厚肉固定部に固定電極を設けたので、
固定電極取り付け部分が強固となり、変形が発生しなく
なるので、零シフトなどの性能の劣化がなくなるという
極めて優れた効果が得られる。

【００３３】また、枠体に固定電極を支持する固定電極
支持板が不要となるので、構成が単純で製造工程が少な
く、製作時の内部応力の発生も小さく、小型化が可能と
なるという極めて優れた効果が得られる。

【００３４】また、本発明によれば、固定電極および可
動電極が被測定流体から隔離されているので、固定電極
および可動電極の劣化がなく、さらに固定電極と可動電
極との対向電極を二対設けた場合には、一方の容量値が
増加し、他方の容量値が減少するので、測定精度が大幅
に向上させることができるという極めて優れた効果が得
られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による静電容量式圧力センサの構成を
示す断面図である。

【図２】 図１に示す静電容量式圧力センサの製造方法
を説明する各工程の断面図である。

【図３】 本発明による静電容量式圧力センサの製造方
法の他の実施例を説明する中間工程の断面図である。

【図４】 従来の静電容量式圧力センサの構成を示す断
面図である。

【符号の説明】

１１…枠体、１２…第１の蓋体、１２ａ…ダイアフラム
部、１２ｂ…固定部、１３…第２の蓋体、１３ａ…ダイ
アフラム部、１３ｂ…固定部、１４…ハウジング、１５
…支柱、１６…電極支持板、１７…第１の可動電極、１
８…第１の固定電極、１９…第２の可動電極、２０…第
２の固定電極。

フロントページの続き (72)発明者 五所尾 康博 東京都渋谷区渋谷２丁目12番19号 山武ハ ネウエル株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ほぼ筒状に形成されたダイアフラム支持
   体と、 中央部分に薄肉部からなるダイアフラム部を有し、周縁
   部分に厚肉部からなる固定部を有し、前記ダイアフラム
   支持体の両端部を閉塞するように前記固定部を密着させ
   て対向配置された第１の蓋体および第２の蓋体と、 前記第１の蓋体および第２の蓋体の少なくとも一方の前
   記固定部内面に形成された固定電極と、 前記第１の蓋体および第２の蓋体に形成されたダイアフ
   ラム部の対向面間に接続されかつ対向するダイアフラム
   部を一体に連結する支柱と、 前記第１の蓋体と第２の蓋体との対向間に前記固定電極
   と間隙部を介して対向配置されかつ前記支柱に支持固定
   された電極支持板と、 前記電極支持板の前記固定電極と間隙部を介して対向す
   る少なくとも一方の面に形成された可動電極と、を備
   え、ダイアフラム支持体内は外部と隔離されるとともに
   可動電極と固定電極との間にコンデンサ構造を形成した
   ことを特徴とする静電容量式圧力センサ。