JPS594177A - 多範囲容量圧力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は規格を低下させることなく、通常単一ダイアプ
ラム型式で可能な圧力範囲よりも幅広い圧力範囲を取代
うことのり能なＦＥ圧力変換装置関する。

１９８１年３月２４日に発行された発明者ＳＨＩＭＡＤ
Ａ等の米国特許第４，２５７，２７４号に示すような圧
力変換装置ｔば、ダイアフラ人材料としてのシリコンの
製造上の容易性および好ましい特性を利用してシリコン
の両面に陽極接着法により接着される硼珪酸ガラス板と
組み合わせて開発された。ダイアフラムの表面のエツチ
ングされた凹部はガラス板と共に対向するキャビティを
形成し、該キャビティは、温度変化に対して安定な圧力
変換装置構造を与えるようにエツチング処理によって極
めて正確な寸法に作られている。またこの型式のＪ力変
換装置は極めて簡単な構造に基りた利点をもつ。すなわ
ち、大Ｉ生産が極めて容易であり、ざらに優ｆｌた変換
装置に必要な特性を失うことなく小型化することが可能
である。

上述の特許に述べられている型式の圧力変換装置を製造
する方法は、１９８１年４月１４日に発行された発明者
ＧＩＡＣＨＩＮＯによる米国特許第４．２６１゜０８６
号に示されている。この方法では、多数の変換装置が単
一のシリコンのウェファから製造されることを必要とし
、該ウェファは製造処理の最終工程で薄切りされ１個々
の変換装置となるものであり、その結果回分加工技術を
使用するのに都合が良い。

上述の特許に記載された型式の圧力変換装置では全て静
電接着法（時々陽極接着法と呼ばれることもある）と称
される処理を利用して、２枚の硼珪酸がラスの検知電極
支持板を、円形凹部がエツチングされているシリコン円
板の両面に俄す付けている。この凹部の直径によｐダイ
アフラム領域の直径がきまり、一方、凹部の深さによっ
てコンデンサ板の間隔がきまる。一方の側に圧力が加わ
った時に生じるダイアフラムの撓みは、ダイアフラムの
一方の側の容量の増加と他方の側の容量の減少とによっ
て検知される。この装置によって測定ｉＪ能な圧力範囲
はダイアフラムにかかる一定量の圧力による涜みによっ
て決定され、この撓みはフランジ止めされたダイアフラ
ムの理論によれば、ダイアフラムのＩＫ径の４乗をその
厚みの３乗で割った値に比例する。

ここで、Ｄ・＝ダイアフラムの直径、 ｔ−厚さ。

ｄ−中央点の撓み、 Ｐ−圧力差。

上述の技術に従って製造された圧力変換装置の圧力範囲
は、ダイアフラムの直径ＩｏＩとダイアフラムの厚みＩ
ｔｌｆとを変えることによって変えられる。例えば、直
径を半分にすると、圧力範囲は１６倍に増し、また厚み
を２倍にすれば、圧力範囲は８倍に増す。理論上は、ダ
イアプラムの最大撓みを仮定すれば、厚さと直径を適当
に選択することによって、任意の圧力範囲を得ることが
できる。しかし、１個のダイアプラムにおいて実際に得
られる厚さとｒＬＦ径との値には限界があるから、実際
には任意の範囲を得ることはできない。かくして、これ
らの値によって規定される単一のダイアフラムでは実際
上圧力に上限がある。

直径を一定にした場合、ダイアフラムの厚さを増すこと
によって、圧力範囲を広げることができる。圧力範囲が
広がると、キャビティに作用する力は、キャビティの面
積と圧力との積に比例して増す。その結果ダイアフラム
の厚さを、適確な撓みが生ずるよう規定することができ
ても、これらの力が材料強度を越えるような圧力に達す
る。これに対処するには、ダイアフラムの厚さを増すが
わりにキャビティの１「径を減少しなければならない。

従って、１ず装置の強度に対し測定中の圧力を収容する
に十分小さな直径を特定することによって寸法の選択を
行なう。次に、測定される圧力で、希望のダイアフラム
の撓みを与えるように、ダイアプラムの厚みを選択する
。

また、ダイアフラムの１α径が減少すると、装置の容量
は直径の２乗に比例して減少するので、ダイアフラムの
直径を小さくするのにも限界がある。

このことは、変換装置への電気接続部がこれらと関連し
たある程度の浮遊各号を常に持つことを考ｔセする時、
１Ｆ橡になる。かくして、ダイアフラムの直径が減少し
、装置の容量が下ると、上記浮遊容針が装置の容にと比
べて非常に大きくなり、測定の線型特性が失われるよう
になる。第２の問題は、小さなＩＵ径のダイアプラムを
使用することがら生じるものであり、装置のインピーダ
ンスが非常に高いことから典型的には交流電流である測
定信号が非常に小さくなり、また、信号対ノイズ比ある
いけ温度係数の制限から種度が下がることにある。

もちろん、変換４０置が接続されている測定装置は標準
化式れているのが望せしい。がくして、測定範囲におけ
るｆ４量レベルと容量変化は、全ての範囲で同一である
必俊がある。この理由がら、コンデンサ板を形成する破
着層の直径は全て同一であり、甘たコンデンサの間隙も
同一でなければならない。７＃終的に、ダイアフラム板
に通常エツチング処理により形成される四部は全てのキ
ャビティで同一の深さでなければならない。これによっ
て、製造の容易化、及び低価格化が可能になる。

本発明の目的は、同一の容量および同一の容ｌ変化を与
えながら多数の異なる範囲に有用であり、しかも種度が
低Ｆすることのない圧力変換装置を提供することにある
。

本発明によれば一対の絶縁板の間に導電、性のダイアフ
ラム板を接着させることによる多範囲可変容量圧力変換
装置ｇが提供され、ダイアフラム板は、異なる大きさの
ダイアフラム噛み領域を構成するように、両側に複数の
キャビティを有している。

キャビティ内における一対の板の表面は導電被膜によっ
ておおわれており、これら被膜と撓み領域とでコンデン
サが形成される。測定される千力差が浣み領域の両端に
現われるように、各キャビティには流体連通路が設けら
れている。１つのユニットで多数の圧力範囲に対する圧
力変換装置を提供するために、前記コンデンサを選択的
に組合せて電気的に従続する。

本発明によｆｌば、半導体材料のダイアフラム板を誘電
体材料の２枚の板の間に静電接着するような容量性圧力
変換装置の一つの構成が提供される。

このダイアフラム板は機数の領域から材料が除去されて
、多数の異なる圧力範囲を得るのに必要とされる。Ｉば
径の異なる複数の四部が形成きれている。誘電体板の表
面には凹部に対応する金属化領域が形成ばれている。接
着された板と凹部とによって形成されたキャビティは測
定にかかわる圧力にさらされ、コンデンサ板は、多数の
異なる圧力範囲を測定することのできる変換装置を一つ
のユニットに形成するために必要に応じて互いに電気的
に接続される。

第１図には変換装置の平面図が示されており、例えば仮
１０のような矩形の板が示され、またダイアフラムの撓
み領域が破線で示されている。例えば、撓み領域１およ
び２け、それぞれが異なる圧力範囲で有効なように互い
に異なる直径をもって示されでいる。醐み領域３および
４は互いに同様の直径をもつが、撓み領域１および２よ
りも小さな直径をもって示されており、領域３および４
を組み合わせて電気接続によって、領域１および２に対
して適当な圧力よりも高い圧力に対する圧力変換装置を
得ることができる。

第１図は、開１］部１１、】２．１３．１４が、夫々ダ
イアフラムの撓み領域１．２．３および４に流体を連通
させる手段として示されている。

図示の変換装置は第２図において正面図で示されており
、第２図には、一対の非傭電性材料の板、即ち板１０．
１６が示されている。これらの板は、硼珪酸ガラスであ
るのが望ましい。

ダイアフラム板１８が板１０．１６の間にはさまれこれ
らに接着されて示されている。４反１８は遅霜１件の単
結晶シリコンからなるのが望ましい。

板１０．１６と板１８との間の接着は、ダイアプラム板
１８の各撓み領域の両側に流体密のキャビティが設けら
れるように、静′醒接着工程によってなされるのが有利
である。シリコンダイアフラム板１８の中に、四部をエ
ツチングすることによってこのキャビティを形成するの
が有利であり、か１ くして、第１図に示すようにダイアプラム板１８の異な
る大きさの撓み領域が構成され、多範囲変換装置が得ら
れる。

第２図に示すように、浦み領域ｌの各側に形成されたキ
ャビディは、変換装置によって測定される流体圧に開口
部１１．２０を通して流体連通している。開口部１１は
導電性金属２２でメッキされた外周部を有し、これによ
り板１ｏに被着された導電性領域２４．２６の間を電気
接続する。同様の導電性領域２８．３０は、阪１６に被
着されて、外部接触領域３ｏと可変コンデンサの一１１
１極として作用する導電性領域２８との間に接続ピン３
２を設け、この接続ビン３２によって電気接続する。シ
リコンの撓み領域１が板２８に対向して必賛とさノする
電極である。同様のコンデンサがダイアフラムの反対側
であって導電性領域２４とダ・イアフラム撓み領域１間
に設けられている。

第２図に示すように、開口部２０は、ガラス要素３３に
よって変換装置の板１６の側にある他の開口部と分板し
ており、その結果、変換装置の下２ 側にある全ての開口部は、開口部３４に導入された流体
圧にさらされる。この圧力は、例えば、変換装置がｒ−
ノ圧を測定するために使用される場合は大気圧であり、
２つの圧力差を変換装置によって測定する場合には、こ
こに加わる圧力は２つの圧力のうちの一方であり、他方
の圧力は開口部１１．１２に加えられる。

第２図においては、撓み領域ｌで形成された２つの可変
コンデンサは、下側コンデンサの両端に容量Ｃ１＋が現
われ、一方、上側コンデンサの両端に容ｆｉｉＣ１−が
現われるように差動的に電気接続はれている。これらの
２つのコンデンサに適当な測定装置を接続することによ
って、特定の圧力範囲を有利に測定することができる。

ダイアフラム１の撓み領域は、この変換装置の他の撓み
領域よりも大きいので、この特定の変換装置の設計にお
いてダイアフラム１は最も低い圧力範囲の測定に使用さ
れる。

二番目に小さな直径をもつ繞み領域は、ダイアフラム２
によって設定され、このダイアプラム２はダイアフラム
１と同様な構成を有し、２つのキャビティ、それ故２つ
のコンデンサ、即ちＣ２−１−とＣ２−を同様に備え、
これらのコンデンサは、ダイアフラム１によって測定さ
れる圧力範囲とは異なるＩＥ力範囲、すなわちより高い
圧力差まで広がる圧力範囲を測定する適当な測定装置に
接続することが可能である。

図示の変換装置の使用において、圧力測定にかかわる流
体圧の他方を開口部１１．１２．１３および１４へ導入
する装置が設けられている。説明を簡単にするために、
この構成は図には示さない。

また、変換装置の一つの態様においては、開口部１１．
１２．１３および】４をさらす流体圧を、この変換装置
自身の表面をさらす圧力とすることができる。かくして
、図示するようなユニットの全体を、測定にかかわる圧
力の一方、通常高い方の圧力、にさらされるキャビティ
に入れる一方。

測定にかかわる低い方の圧力を例えば、別の管（図示せ
ず）によって開口３４へ導入することができる。

第３図には、変換装置の０１ｌｌ而図が示されており、
開み領域３および４の横断面が示されている。これらの
領域は最も高論圧力範囲を測定するのに使用される変換
装置の部分として示されている。かぐして、シリコン板
のこれら撓み領域とガラス板に被着された導電性領域と
によって形成されたコンデンサは被着領域３８、及び外
部接続線４０によって電気的に接続され、その結果、変
換装置の各側におけるコンデンサは、並列に接続されて
、Ｃ３−４＋、Ｃ３−４−と称すコンデンサの組合せ全
構成する。第３図に示すように、開口部１４は、表面３
８と被着された導電性領域４２とのｍｌが接触するよう
に金属溝’＊、体で破覆された外周部を有する。ダイア
フラム領域４のｆ１０方の側では、導電性領域４４け接
続ピン４６によって線４０と接続するための接触部を提
供する曲の導電性領域に接続している。同様な構造の構
成はダイアフラム領域３においても利用され、第３図に
示すようにマニホルド３３によって、第２図において示
し、上述したのと同一の圧力がダイアフラム領域の他方
の５ 側に加わるようになっている。

従って、撓み領域３．４によって形成された差動コンデ
ンサを並列に接続して、上記撓み領域を構成する各キャ
ビティの領域が小さいことによって高圧ｄ１１１定の可
能な可変容Ｉｋを、これらのコンデンサの両端に接続さ
れる装置に対して提供する。

これらのコンデンサを並列に結合することによって、測
定に適した容ｌを提供する。がくして、導電性表面４２
．４４０面積は、撓み領域３と関連したキャビティの導
電性領域と同じであり、これらによって形成されたコン
デンサの有効な全電極面積は、導電性領域２４並びに導
電性領域２８の各面積に等しい。

上述のように、ダイアフラムの撓み領域の直径、および
これら領域で形成されたコンデンサの電気接続によって
決定される。３つの異なる圧力範囲を測定可能な圧力変
換装置を図示する。異なる直径及び形成されたコンデン
サの異なる′醒気的接続による他の変形によって他の希
望の多範囲に適用させることが可能であることは当業者
には自明で６ あろう。かくして、例えば、１．４７麹／ｃｍ２（２１
ｐｓｌ）、３．２２ｋＱ／ｃｍ２　（４６ｐｓｌ　）お
よび７　、０３ｋＱ／ｃｒｎ２　　（１００ｐｓｉ　　
）のような３つの別個の圧力範囲をもち、しかも、これ
らの範囲に関する所要の規格を維持できる多範囲圧力変
換装置を構成することが可能である。このように、１つ
のユニットに３つの異なる圧力範囲を設けることによっ
て、供給者はより少ない素材で、種々の応用で要求され
る必要な圧力範囲を維持するような装置を提供できるよ
うになる。図に示すように、異々る圧力範囲は電気接続
によって与えられ、希望のときには、これらの電気接続
を、もちろん切り換えて、ユニットをその適用に志して
、異なる圧力範囲に選択的に利用することができる。

本発明によって、多範囲特性をもたないユニットの大き
さは１通常約３　、２　ｃｍ２　　（１／２平方インチ
）であったのに対して、図に示すように、ユニットの大
きさが約４　、８ｃｒｎ２　　（５７４平方インチ）で
あるような多範囲圧力変換装置を得ることが可能である
ことがわかった。ユニットの多範囲特性に伴う、大きさ
およびコストにおけるこの少しの増加による多範囲ユニ
ットの価格は、単一範囲装置に較べて極くわずかしが上
昇せず、がくして、可成りの市販優位性、並びに、可成
りの汎用性を提供する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例の平面図であり、第２図は
、２つの撓み領域を示す正面図であり。 第３図は、その他の２つの綿み領域を示す側面図である
。 図中、同一の要素には同一の参照番号が付されている。 】、２．３．４・・・ダイアフラムの開み領域、】０．
１６・・・一対の板、１１．１２．１３．１４．２０・
・・ＵＤＮ、］　８・・・ダイアフラム板、２２・・・
導電性金属、２４．２６．２８．３０゜３８．４２．４
４．４８・・・導電性領域、３２．４６０９．接続ビン
、３３・・・マニホルド、４０・・・外部接続線

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）非導電性材料からなる一対の板と、前記一対の板
   の間に接着され、キャビティによって構成された複数の
   導電性撓み領域を両側に有するダイアフラム板ト、 礎み領域に対向して、前記一対の板に被着され、前記撓
   み領域と共にコンデンサを形成する導電性領域と、 僚み領域の両側が被測定流体圧にさらされるように流体
   をキャビティに連通させる装置と、前記導電性領域間に
   形成されたコンデンサの選択的組合せが異なる範囲に暇
   る前記流体の圧力測定に対して、同じ容量および同じ容
   量変化を与えるように、導電性領域に′心気接続する装
   置からなることを特徴とする多範囲可変容量圧力変換装
   置。
2. （２）　　前記一対の板は硼珪酸ガラスで構成され、前
   記ダイアフラム板はシリコンからなることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載の装置。
3. （３）　　キャピテイに、ダイアフラム仮に凹部をエツ
   チングすることによって形成されることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項及び第２項に記載の装置。
4. （４）流体を連通させる前記装置は、前記ダイアプラム
   の一方の側の全てのキャビティに共通参照ＥＥ力を与え
   るマニホールドを有することを特徴とする特許請求の範
   囲第１項、及び第２項に記載の装置。
5. （５）　　間隔をへ５だでた領域に亘って破着された異
   なる大きさの膜数の円形の導電性表面を一方の表面に持
   つ電気絶縁無機材料からなる一対の板と、前記一対の阪
   の間に静電接着された導電性半導体材料からなっていて
   、前記導電面と対向した関係でかつ一致して両面に異な
   る大きさのａ故の円形四部を持ち、前記四部によって構
   成されたダイアフラムの両側にある流体密キャビティに
   前記一対の板の導電性表面と共に複数のコンデンサを形
   成する導′酸性半導体材料からなる他の板と、 各ダイアプラムの両側が被測定圧にざらさねるようＶＣ
   キャビティに流体連通させる装置と、前記コンデンサを
   選択的に組合せて接続し、異なる圧力範囲に区って圧力
   測定ができるように前記一対の各板の導電性表面と前記
   他の板とに電気接続する装置と、からなることを特徴と
   する多範囲町変容継圧力変換装置。
6. （６）　　キャビティに流体を連通させる前記装置は、
   上記一対の板のそれぞれを通って前記変換装置のキャビ
   ティに連結する開口部と、 前記他の仮の一方の側のキャビティに至る開口部を相互
   に連結するマニホールドと、を含むことを特徴とする特
   許請求の範囲第５項に記載の変換装置。