JPH10288561A - 可変容量型圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ダイヤフラムに絶縁体の薄板を使用した可変
容量型圧力センサにおいて、可変電極を設けた可撓性ダ
イヤフラムと固定電極を設けた基板との間隔を所定の間
隔に精度高く維持することができる接着構造を提供す
る。 【解決手段】 表面に変位電極４を有する絶縁性ダイヤ
フラム２と、該ダイヤフラム２に設けた変位電極４に所
定の間隔をもって対向して配置される固定電極５を設け
た基板３とからなる可変容量型圧力センサにおいて、前
記ダイヤフラムにアルミナまたはジルコニア等のセラミ
ックもしくはシリコンまたは水晶等の絶縁体を使用し、
基板３とダイヤフラム２との間に間隙形成用部材６５を
印刷によって設けるとともに、ダイヤフラムと基板を封
止部材６によって固着封止した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】可撓性を有する絶縁性のダイ
ヤフラム上および基板上にそれぞれ設けた対向する二つ
の電極からなる可変容量型圧力センサに関し、ことに、
ダイヤフラムおよび基板にセラミックからなる絶縁性材
料を用い、前記両電極間を所定の間隔に維持することが
できる可変容量型圧力センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の可変容量型圧力センサは、可撓性
のダイヤフラムの表面に設けた変位電極と基板の表面に
設けた固定電極を所定の間隔をもって対向させて構成
し、圧力により前記可撓性ダイヤフラムの変位した量を
両電極の間隔の変化に基づく静電容量の変化として検出
するものである。このような圧力センサを作成するにあ
たっては、両電極の面を並行面に保つとともにその間隔
を所定の間隔に保つことによって、加圧されない状態で
の静電容量を所定の値とすることが必要である。

【０００３】可変容量型圧力センサの概念を断面図で示
す図７を用いて説明する。このような可変容量型圧力セ
ンサ１は、例えばアルミナ、ジルコニア等のセラミック
もしくはシリコン、もしくは、水晶等の薄板からなる可
撓性を有する絶縁性のダイヤフラム２および同様の絶縁
材料からなる基板３を例えば低融点ガラスからなる封止
部材６で固着封止して構成される。

【０００４】可撓性を有する絶縁性ダイヤフラム２の表
面には、導電性材料例えば金などの金属によって形成さ
れた変位電極４が設けられており、基板３の表面には同
様に導電性材料例えば金などの金属によって形成された
固定電極５が前記変位電極４に対向して設けられてい
る。

【０００５】基板３には基板の上下を貫通する端子孔７
１および貫通孔７２が設けられている。端子孔７１は絶
縁性ダイヤフラム２の表面に設けた変位電極４の電極パ
ッド４１の上方に位置するように形成されている。端子
孔７１には端子として働く引出部材８が導電性ペースト
７３を介して挿入され、引出部材８の底面は変位電極４
の電極パッド４１に接触させられている。

【０００６】貫通孔７２は端子孔７１から離れた位置に
形成され、その内面を固定電極５の延長部５３が覆って
おり、電極パッド５１と電気的に接続されるとともに、
基板３の他方の表面に設けた電極パッド９に接続されて
いる。

【０００７】接着剤として働く封止部材６は、例えば低
融点ガラスからなり、絶縁性ダイヤフラムと基板との間
を所定の間隔に保つ間隙形成部材として働く所定の粒径
のガラスビーズを混入している。

【０００８】このようなビーズを混入した封止用ガラス
を焼成（溶融）して圧力センサを封止するときには、焼
成温度の上昇にともなって、絶縁性ダイヤフラムと基板
と封止部材によって形成される内部空間２３の圧力が上
昇し溶融したガラスが特定の方向に流れる傾向を生じ
る。このようなビーズを混入した封止用ガラスが流動す
ることによって均一に混入したビーズが一方向に偏って
しまい、間隙に傾きを生じる怖れがある。また、ビーズ
の集まった方向は、封止部材の強度が低下し圧力センサ
の使用時に内部空間が外部と連通し圧力センサとして機
能しなくなるという問題を生じる怖れがある。

【０００９】また、このような可変容量型圧力センサ１
は、変位電極４と固定電極５との間隔を、例えば１８μ
ｍ±２μｍ程度に管理することが必要であり、両電極間
の間隔を封止部材６に混入した図示を省略したガラスビ
ーズによって形成している。しかしながら、このような
ガラスビーズは、その製造方法および供給方法から、必
然的にその大きさにバラツキがあり、上記間隔の許容範
囲を越える粒径のビーズが混入する怖れがある。

【００１０】このような粒径にバラツキのあるガラスビ
ーズからなる間隙形成部材を用いた場合には、両電極間
隔を正確に保つ必要のある可変容量型圧力センサでは、
電極間間隔のバラツキは出力のバラツキとなり、特に大
きな粒径のガラスビーズが少数でも混入すると、電極間
間隔は所定の値より大きくなり製品の均一性およびセン
サの精度を下げる原因となる。また、粒径のバラツキに
よる上記問題を解決するためにバラツキの小さなビーズ
を用いることは、価格の高いビーズを用いることとなり
製品コストを引き上げる原因となる。

【００１１】さらに、端子孔７１および貫通孔７２に導
電性ペースト７３を充填するに当たって、それぞれの孔
の下端部が直角に形成されているときには、封止部材６
に設けた空間６２に導電性ペースト７３を完全に充填す
ることができない場合が生じ、この場合には図示のよう
な空間を生じ、電極パッド４１と端子８の下端部とを確
実に接着することができなくなる怖れがあった。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題点
に鑑み、可撓性を有するダイヤフラムにアルミナ、ジル
コニア等のセラミック、または、シリコン、もしくは、
水晶等の絶縁体の薄板を使用した可変容量型圧力センサ
において、可変電極を設けた絶縁性ダイヤフラムと固定
電極を設けた基板との間隔を所定の間隔に精度高く維持
することができる接着構造を提供することを目的とす
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、表面に変位電極を設けた可撓性を有する
絶縁性ダイヤフラムと、該ダイヤフラムに設けた変位電
極に所定の間隔をもって対向して配置される固定電極を
設けた基板とからなる可変容量型圧力センサにおいて、
前記ダイヤフラムにアルミナまたはジルコニア等のセラ
ミックもしくはシリコンまたは水晶等の絶縁体を使用す
るとともに、基板とダイヤフラムとの間に間隙形成用部
材を印刷によって設けた。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明にかかる可変容量型
圧力センサの構成を図１〜図４を用いて説明する。図１
は、可変容量型圧力センサの構造を説明する縦断面図で
あって図２のＣ−Ｃ線における展開縦断面を示してお
り、図２は、図１および図３のＡ−Ａ線から見た絶縁性
ダイヤフラムの平面図であり、図３は、図２のＤ−Ｄ線
における展開縦断面を示す縦断面図であり、図４は、図
１および図３のＢ−Ｂ線から見た基板の平面図である。

【００１５】本発明にかかる可変容量型圧力センサ１
は、表面に導電性の変位電極４を形成した可撓性を有す
る絶縁性ダイヤフラム２と、表面に導電性の固定電極５
を形成した絶縁性の基板３を両電極が対向するように積
層し封止部材６によって接着封止することによって構成
される。さらに、本発明は、絶縁性ダイヤフラム２およ
び／または基板３の表面に間隙形成用部材６５を印刷に
よって形成している。この間隙形成用部材６５は、その
パターンが円周上に等間隔に配置されている。

【００１６】絶縁性ダイヤフラム２の表面には、変位電
極４と、電極パッド４１と、電極と電極パッドを接続す
る引出線４２が形成されている。これらの電極などは、
金等の導電性材料を、蒸着、スパッタリング、スクリー
ン印刷等によって１μｍの厚さに形成されている。変位
電極４は、引出線４２を介して外部に電気出力を取り出
すための電極パッド４１に接続されている。絶縁性ダイ
ヤフラム２は、直径２０．６ｍｍ、厚さ０．２〜２．０
ｍｍ程度の円形に形成された、例えば、アルミナ（Ａｌ
₂Ｏ₃）製セラミック薄板から構成され、その周辺に位置
合わせ用溝２１が形成されている。変位電極４の直径
は、例えば１２．８ｍｍに形成されている。

【００１７】絶縁性ダイヤフラム２は、アルミナまたは
ジルコニアのセラミック（焼結体）、シリコン（Ｓ
i）、水晶等の絶縁体を用いることができ、薄い板とす
ることによって可撓性とされている。上記の材料の内、
アルミナのセラミックは、弾性体としての機械特性が非
常に良いこと、入手性、コスト、性能面から有望であ
り、ジルコニアのセラミックは、曲げ強度および耐圧性
ならびに圧力印加時の最大応力の特性から絶縁性ダイヤ
フラムの許容応力を高く設定できるので高圧の仕様での
利用に適している。

【００１８】基板３は、絶縁性ダイヤフラム２と同じ平
面形状のアルミナ等の厚さ４ｍｍのセラミックから形成
され、基板３の前記電極パッド４１に対向する位置に
は、上下に貫通する端子孔７１が設けられており、か
つ、ダイヤフラムと対向する面に金（Ａｕ）電極５を設
けてあり、さらに、電極パッド５１に囲まれた個所に端
子孔７２が形成されている。例えば電極５の直径は９ｍ
ｍである。端子孔７１には、引出部材８が挿入されると
ともに端子孔７１と引出部材８との間には導電性ペース
ト７３が充填されている。端子孔７１の上部は皿繰りさ
れて引出部材８および導電性ペースト７３を挿入し易く
されている。

【００１９】引出部材８の下端部は、封止部材６層を貫
通して変位電極４の電極パッド４１に接しており、導電
性ペースト７３によって低い抵抗値で接着されている。
さらに、基板３の端子孔７１および貫通孔７２の下端は
皿繰りされており、導電性ペースト７３の流入性を向上
させており、空間６２および空間６９への導電性ペース
トが完全に流入して空間内に空隙が形成されず端子８と
電極パッド４１の接続が確実に行われるようにされてい
る。電極パッド４１および引出部材８を、ダイヤフラム
２が変形しない封止部材６層で覆われる位置に配置する
ことによって、引出部材８にダイヤフラム２の変形が伝
達されることを防ぐことができる。

【００２０】貫通孔７２の内壁には、電極パッド５１の
延長部５３が設けられ基板３の他の表面に設けた電極パ
ッド９に接続されている。さらに貫通孔７２内には導電
性ペースト７３が充填されている。

【００２１】基板３の材料として、ダイヤフラムの構成
材料と同じ材料、すなわちアルミナまたはジルコニアの
セラミック（焼結体）、シリコン（Ｓi）、水晶等の絶
縁体を用いることが熱膨張係数を同じにする観点から望
ましい。

【００２２】絶縁性ダイヤフラム２と基板３とは、間隙
形成用部材６５によって間隔が保持され、封止部材６に
よって接着封止されて内部に密閉された空間２３を形成
している。この実施の形態では、間隙形成用部材６５
は、高融点のガラスを用いて形成され、例えば、変位電
極４および電極パッド４１ならびに引出線４２が形成さ
れた絶縁性ダイヤフラム２の表面にガラスペーストを用
いてスクリーン印刷によって形成した後、８００〜９０
０℃で焼成して所定の高さに形成される。この方法によ
れば、焼成後の間隙形成部材６５の膜厚すなわち間隙を
厳密に管理することができる。さらに、この実施の形態
では、間隙形成用部材６５を円周上に等間隔に配置した
ので、封止部材６が均質に配置され、封止部材の封着が
封着部の全周にわたって均質となり、封着性が向上す
る。

【００２３】封止部材６は、例えば焼成温度が６００〜
７００℃の低融点ガラスを用いて間隙形成用ガラス６５
と同様にスクリーン印刷によって、絶縁性ダイヤフラム
２および／または基板３上に形成する。このとき、封止
部材６のパターンは、間隙形成用ガラス６５が配置され
る間隙形成部材配置用空間６１および変位電極４の電極
パッド４１が配置される電極パッド配置用空間６２およ
び導電性ペースト充填空間６９を形成する。このような
封止部材６が印刷された絶縁性ダイヤフラム２と基板３
を突き合わせて圧力を加えた状態で上記温度で焼成して
両者を接着封止する。この場合、溶融した封止部材６は
流動するが間隙形成部材６は移動せず、間隙を一定に保
つことができる。

【００２４】この実施の形態では、封止部材６を焼成し
た後も間隙形成部材配置用空間６１および電極パッド配
置用空間６２が残る態様が示されているが、この空間は
焼成時に流動した封止部材によって塞がれてもなんら問
題は無い。このように、絶縁性ダイアフラム２と基板３
を封止部材６で接着封止することによって、所定の間隔
を有し、所定の圧力とされた空間２３を密封することが
できる。

【００２５】低融点ガラスは、良好な弾性体であり、し
かも熱膨張率もセラミックと略同じであること（線膨張
係数：アルミナ＝７．１×１／１０⁶、低融点ガラス＝
５〜７×１／１０⁶）から、接着個所への応力の集中を
生じさせることがなくなり、良好な接着封止効果を期待
できる。また、低融点ガラスからなる封止部材６は、絶
縁性ダイヤフラム２または基板３のいずれか一方に形成
してもよく、双方に形成してもよい。封止部材６を絶縁
性ダイヤフラム２と基板３の双方に形成した場合には、
接着強度を高めることができる。

【００２６】このように構成された、可変容量型圧力セ
ンサ１は、引出部材８から出力信号が取り出され、図示
を省略した電子回路によって必要な電気出力を得ること
ができる。この実施の形態では、間隙形成部材６５とし
て高融点ガラスを用いたが、封止用部材よりも焼成温度
が高く、焼成後の膜厚を管理することができる材料であ
れば、例えば金属ペーストなどいかなる材料をも用いる
ことができる。また、封止部材６として、圧力センサを
使用する環境温度や被測定圧力が低いときには、低融点
ガラスに代えて、熱硬化性樹脂などの封止材料を用いる
こともできる。

【００２７】（製造方法）図５を用いて上記可変容量型
圧力センサの製造工程を説明する。この例は、間隙形成
用ガラス６５を可撓性ダイヤフラム２に設けるとともに
封止部材６を絶縁性ダイヤフラム２と基板３の双方に設
けた場合を示している。

【００２８】まず、アルミナ粉末をバインダと混練した
材料を、位置合わせ溝２１を有する所定の大きさ形状に
圧縮成型した後焼成して絶縁性ダイヤフラム２を得る。
この絶縁性ダイヤフラム２の表面に、金ペーストを変位
電極４および電極パッド４１ならびに引出線４２のパタ
ーンにスクリーン印刷した後、焼成して変位電極などを
形成する（工程１）。

【００２９】この絶縁性ダイヤフラム２の同じ面に高融
点のガラスペーストを用いて間隙形成部材６５のパター
ンを３０μｍの厚さにスクリーン印刷した後、１００〜
１５０℃で１０〜１５分間乾燥する。この絶縁性ダイヤ
フラム２をベルト炉またはバッチ炉等を用いて９００℃
でおよそ３０分間焼成し、間隙形成用部材６５を形成す
る（工程２）。この時の焼成パターンは、２０℃／分で
８００℃まで加熱した後、５℃／分で９００℃まで上昇
させ、９００℃で３０分間焼成した後、２０〜５０℃／
分で冷却する。この焼成の結果、高さ１８μｍの間隙形
成用部材６５を得ることができる。間隙形成部材用材料
の種類を選択すること、印刷を複数回繰り返すこと、焼
成条件を選択すること、印刷マスクを選択することによ
って任意の厚みを得ることができる。

【００３０】次いで、電極および間隙形成用部材が形成
された絶縁性ダイヤフラム２の同じ面に、間隙形成部材
用材料よりも融点の低いガラスペーストを用いて封止用
ガラスのパターンをスクリーン印刷し、１００〜１５０
℃で１０〜１５分間乾燥し、封止用ガラス６パターンを
形成する（工程３）。このとき、間隙形成用部材６５の
周囲に間隙形成用部材配置空間６１を設ける。

【００３１】他方、アルミナ粉末をバインダと混練して
位置合わせ溝３１および端子孔７１ならびに貫通孔７２
を有する所定の大きさ形状に圧縮整形した後焼成して基
板３を得る。この基板３の表面に、金ペーストを固定電
極５および電極パッド５１ならびに引出線５２のパター
ンにスクリーン印刷した後、焼成して固定電極などを形
成する（工程４）。このとき、貫通孔７２の内面に導電
性部材からなる延長部５３を設けるとともに、基板３の
他面に配線用の電極パッド９と電気部品配置用配線パタ
ーンを印刷形成する。

【００３２】次いで、電極５が形成され間隙形成用部材
６５が接する基板３の同じ面に、間隙形成用部材用材料
よりも融点の低いガラスペーストを用いて封止用部材の
パターンをスクリーン印刷し、１００〜１５０℃で１０
〜１５分間乾燥し、封止用部材６を形成する（工程
５）。このとき、間隙形成用部材６５が配置される空間
６１を絶縁性ダイヤフラムの場合と同様に設ける。

【００３３】工程３で得た絶縁性ダイヤフラム２の封止
用部材６のパターンと、工程５で得た基板３の封止用部
材６のパターンを位置合わせ用溝２１，３１を用いて整
合させて突き合わせ、圧力センサを仮りに組み立て、こ
の仮組み立て圧力センサをベルト炉またはバッチ炉等を
用いて７００℃でおよそ３０分間焼成し、封止用部材６
を互いに溶着する。（工程６）。この焼成の際、接合面
に圧力を加えることによって、封止用部材６は強固にか
つ気密の状態に溶着される。このときの焼成パターン
は、２０℃／分で６００℃まで加熱した後、５℃／分で
７００℃まで上昇させ、７００℃で３０分間焼成した
後、２０〜５０℃／分で冷却して常温に戻す。

【００３４】次ぎに、端子孔７１に引出部材８を導電性
ペースト７３とともに挿入してその底を電極パッド４１
に接触させ、他方貫通孔７２に導電性ペースト７３を充
填して封止して、可変容量型圧力センサ素子を得る。そ
の後、基板３の外面に設けた配線パターンを用いて電気
回路部品を組み付けて可変容量型圧力センサ１を完成さ
せる（工程７）。このようにして、電極間を所定の間隔
に管理した可変容量型圧力センサを容易に得ることがで
きる。

【００３５】（実施例）図６を用いて、本発明の他の実
施例を説明する。この例は、図２または図４に示した封
止用部材６にクラックが生じても、外部の雰囲気から内
部空間２３を絶縁保持することができるようにした構成
を示している。図６は、図１のＡ−Ａ線から見た絶縁性
ダイヤフラム２のの平面を示している。図６において、
図１〜図４に示した構成要素と同じ構成要素には同一の
符号を付している。本実施例は、複数の間隙形成用部材
６５に対向する封止用部材６に設けた複数の空間６１を
相互に結ぶ分離溝６３を設けた点に特徴を有している。
このように、封止用部材６に溝を設けることによって、
半径方向にクラックが生じた場合でも外部から内部空間
までクラックが連通することが無くなり、封止効果を高
めることができる。

【００３６】このような溝６３は、絶縁性ダイヤフラム
２側の封止用部材６のみならず、基板３側に設けた封止
用部材６に設けることもできる。

【００３７】

【発明の効果】以上のように、本発明に用いるアルミナ
またはジルコニア等のセラミックやシリコン等の絶縁材
料からなる薄板（ダイヤフラム）は、応力に対してほぼ
完全弾性体として働き、高い曲げ強度、高耐食性、微少
な機械的ヒステリシスといった特徴を持つので、可変容
量型圧力センサの絶縁性ダイヤフラムとして用いること
によって、高精度で再現性の高い圧力センサを構成する
ことができる。

【００３８】また、厚みを精度高く管理できる間隙形成
部材を介して絶縁性ダイヤフラム２と基板３を封止する
ことによって、精度の高い静電型圧力センサを容易にか
つ安価に提供することができるとともに、封止部材を溶
融するときに封止部材が流動しても間隙形成部材は移動
せず製造時の歩留まりを向上させることができる。

【００３９】絶縁性ダイヤフラム２と基板３の間の空間
８を低融点ガラス等を用いて密封することによって、冷
凍サイクル等の密閉サイクル中の使用において、圧力検
出装置が位置する高度にともなう気圧の変化による出力
エラーを防止できる。さらに、このように、密封構造と
することによって、万が一絶縁性ダイヤフラム２が破壊
した場合でも基板３によって圧力媒体の急激な放出を防
止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる可変容量型圧力センサの構造を
説明する図２のＣ−Ｃ線における縦断面図。

【図２】図１のＡ−Ａ線から見た絶縁性ダイヤフラム側
の構成を示す横断面図。

【図３】本発明にかかる可変容量型圧力センサの構造を
説明する図２のＤ−Ｄ線における縦断面図。

【図４】図１のＢ−Ｂ線から見た基板側の構成を示す横
断面図。

【図５】本発明にかかる可変容量型圧力センサの製造工
程を説明する工程図。

【図６】絶縁性ダイヤフラムの他の構成を示す図１のＡ
−Ａ線から見た横断面図。

【図７】従来の可変容量型圧力センサの構造の概念を説
明する断面図。

【符号の説明】

１ 可変容量型圧力センサ ２ 絶縁性ダイヤフラム ３ 基板 ４ 変位電極 ４１ 電極パッド ４２ 引出線 ５ 固定電極 ５１ 電極パッド ５２ 引出線 ５３ 延長部 ６ 封止部材 ６１ 間隙形成部材配置空間 ６２，６９ 電極パッド配置空間 ６３ 分離溝 ６５ 間隙形成用部材 ７１ 端子孔 ７２ 貫通孔 ７３ 導電性ペースト ８ 引出部材（端子） ９ 電極パッド

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面に変位電極を有する絶縁性ダイヤフ
   ラムと、該ダイヤフラムに設けた変位電極に所定の間隔
   をもって対向して配置される固定電極を設けた基板とか
   らなる可変容量型圧力センサにおいて、 前記絶縁性ダイヤフラムにアルミナまたはジルコニア等
   のセラミックもしくはシリコンまたは水晶等の絶縁体を
   使用し、 前記基板と前記絶縁性ダイヤフラムとの間に間隙形成用
   部材を印刷によって設けたことを特徴とする可変容量型
   圧力センサ。
2. 【請求項２】 間隙形成用部材を円周上に等間隔に配置
   した請求項１記載の可変容量型圧力センサ。
3. 【請求項３】 変位電極および固定電極を導電材料を用
   いて形成した請求項１または請求項２記載の可変容量型
   圧力センサ。
4. 【請求項４】 絶縁性ダイヤフラムと基板を封着用ガラ
   スを用いて固着した請求項１乃至請求項３のいずれか記
   載の可変容量型圧力センサ。
5. 【請求項５】 固着手段が低融点ガラスまたは熱硬化性
   樹脂からなる接着剤である請求項４記載の可変容量型圧
   力センサ。
6. 【請求項６】 間隙形成用ガラスを絶縁性ダイヤフラム
   又は基板のいずれかの表面もしくは双方の表面に印刷す
   る請求項５記載の可変容量型圧力センサ。