JPS5957131A - シリコンダイアフラムの容量圧力トランスデユ−サ - 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、シリコンのような導電性半導体材料の板をダ
イアフラム拐料として利用する型式の可変容景圧カトラ
ンスデューサに関する。この導電性板は、硼珪酸ガ゛ラ
スのような直気絶縁性の無機材料の一対の板の間に挾ま
れ、互いに静電接着さね，てトランスデューサを形成し
ている。この構造のシリコンーダイアフラムトランスデ
ューサは典型的にはシリコン板の両面に、或は髪形とし
て、ガラス板の表面にエッチングされた一対の同心円形
の凹部をもち、７リコン板の両側にキャビテイを形成し
、シリコン板にダイアプラム領域を構成している。キャ
ビテイ内において、ガラス板の表面には円形の薄いフイ
ルムの金属層が設けられ、金属層とダイアフラムととも
にコンデンサを形成する。

キャビテイが異なる圧力にさらされているとき、ダイア
プラムが撓み、一方の側では電気容９′が増加し、他方
の側では１狂気容搦が減少する。が〈して、これらの屯
気容月・の変化に応答する測定回路でもって、圧力差の
測定を得ることが可能になる。

この測定は、一方のキャビティがＥ囲取り巻き圧力にさ
らさねるときＫはグージ圧の沖１定であり、或は、ダイ
アフラムの両側のキャビティが両方とも処理圧力にざら
されるときには、圧カ差の測定と称されているものであ
る。

上述のような圧力トランスデューサは、ｌ９ｇ／年３月
２弘日に発行ざれた発明者ＳＨ　Ｉ　ＭＡＤＡ等の米国
特許第’Ｉ，　２．ｔ７．　２７ｑ号に示さねてぃる。

この型式の川カトランスデューサを製造するための方法
は、発明者ＧＩＡＣＨＩＮＯＩＣよって／９ｇ／年ダ月
／弘日に発行された米Ｉ−！ｊ特許フＡｔグ，ユ乙／，
Ｏｇ乙号にＨ己本にさわている。

上述の型式の装置によって測定することのできる１モカ
差の圧力範囲は、ダイアフラム領域の直径とダイアプラ
ムの厚濾とによって決定される。ダイアフラム領域の直
径が一定ならば、ダイアプラムの厚はを増すことによっ
て圧カ範囲を増すことができる。範囲が増すと、ダイア
フラムに作用する力は、圧力とダイアフラム領域との積
に比例して増加する。これらの力が材料強度を越えるよ
うな１ｔ力に達する。破，損を回避するために、通常、
第／に、’ｉｉｉｌｌ定される圧力を保持するに十分小
さなギャビテイ直径を特定す７．）ことによって、キャ
ビテイ及びダイアスラムの大きさの】ゾ４択を行ない、
第ノにダイアフラムの厚さを選択して、副定ざれる圧力
『１１１囲に対して希望のダイアフラムの撓みを力える
。もちろん幅広く適用司能なユニットを提供するために
、これらの装岡の圧力紳．四をできる限り広げイ）のが
ｇ！ましい。

この型式の圧力トランスデューサを過度の圧力差にさら
すと、ダイアフラムの過度の撓みによって、高ＵＥ側の
ガラス板に半径方向の亀裂を生じさせるようになり、ト
ランスデューサの破損が起こることがわかった。従って
、本発明の目的は、通常亀裂の生ずる圧力範囲でこのよ
うな亀裂の形成を阻止し、これによって、この型式のト
ランスデューサの庄力範囲を広けＺことにある。

電気絶縁性の無機月料の一対の板の間に挾まれ、これら
の板に静゛亀接着される導電性半導体材料の板を利用す
る容（Ｊ、圧カドランスデューサが提供される。導電性
板の両側にキャビティを形成し、導電性板にダイアフラ
ム領域を構成するように、一対の同心円Ｊし凹部が板圧
エツチングさ−ｈる。キャビティを、’６１１４定され
る圧力にさらすために、絶縁４Ｍ　Ｋ　１’ｊｙ口部が
開けられる。ギャビナイ内で絶縁板の表１（ｕに導１ａ
性表面を付着させ、これらの表面は、導１民性板のダイ
アフラム領域とともにコンデンサを形成する。高圧１１
１１Ｉには、ダイアフラム領域を囲んで応力逃し領域が
設りらｉｌ、”Ｃいる。この応力逃し領域では、導電性
板は隣接する絶縁板によって拘束されない。この応力逃
し領域を設けろことによって、トランスデユーサの圧力
範囲を、特定のトランスデユーサの大きさについて通常
重用である範囲以上に広けることが可能になる。

２β／図を参照すると、圧力トランスデユーサ構造は硼
Ｊ」、酸ガラスのような電気絶ｆ号性無機旧料の一対の
叛１６．１６ａの間にはさまれた年結晶シリコンのよう
な導電性半導体材料の板１ｏを利用している。シリコン
板は、接触面全体に沿って硼珪酸ガラス板の間に静電接
着されている。発明者Ｐ　ＯＭ　Ｅ　ＲＡ　Ｎ　Ｔ　Ｚ
　Ｋよる／ｑ乙ｇ年ｇ月１３日に発行の米国特許第３，
３９７，２７ｇ号に記載された静電接着手順によれば、
この接着工程はガラス板とシリコン板との間にこれらの
材料自体の強度にほぼ等しい接着度を与える。

シリコン板はその両面にエツチングされた円形凹部１２
．１２ａをもら、７リコン板にダイアフラム領域を形成
している。この領域は、小さい断面積をもち、シリコン
板のこの部分が圧力差にさらされるとき撓む。

各ガラス板１６．１６ａは、シリコン板の凹部１２．１
２ａに面しているガラス板のその表面に付着させた円形
の薄い金属フィルム１Ｂ、１８ａを有している。これら
の薄いフィルム層１８．１８ａの各々は、夫々、各厚い
フィルム層２０．２０ａに連結されている。相互連結用
の薄いフィルム層２２．２２ａがガラス板の夫々の開口
部２４．２４ａの表面に設けらねている。フィルムＷａ
１Ｂ、１８ａの各々は、コンデンサの一方の板を形成し
、シリコン板１０のダイアフラム領域がコンフ′ンサの
他方の板であることが明らかであろう。かくして１、高
い圧力が中央の開口部２４へ導入され、低い圧力が他の
中央の開口部２４ａへ導入キれるとき、シリコン板１０
のダイアフラム領域は下方に涜む。これによって、フィ
ルム層１８と板１０との間の’Ｍ　’、３ｉ：　、並び
にフィルム層１８ａと板１０との間の容量を変化させる
。これらの容）イ１゛変化は反対方向にあり、例えばダ
イアフラムを横切る圧力差を測定するためにブリッジ回
路に利用することができる。この目的のために１フィル
ム層２０並びにフィルム層２０ａと板１０とに別の電気
接続部を作ることができる。

開口部２４を通って導入された高い圧力が開口部２４ａ
を通って導入された低い圧力に比べ、トランスデユーサ
の大きさ及び材料にとって過剰である♀だけ高いとき、
静電接着手順によって与えられたような接触面に沿う強
い接着力と、シリコン板１０のダイアフラム領域の撓み
とによって、トランスデユーサの高い圧力側のガラス板
１６は例えば半径方向の亀裂２６の形成によって張力が
弱ってしまう。この亀裂はシリコン−ガラス接触面の近
くで、シリコンのエツチングされた凹部の外縁部で始°
まり、増加する圧力とともに半径方向に離れてゆく。亀
裂は、シリコンダイアフラムの撓みによってガラスに生
じた引張反作用応力の結果である。亀裂の成長は、高圧
側のガラス板の十分な引張応力が、低圧側のガラス板の
圧縮応力に変換されたとき停止する。ガラスは張力より
も圧縮の方が非常に強いから、装置は小さい全基準設計
圧力でさらに破損することなく機能し続けることができ
る。

もちろん、特定の全基準圧力用のトランスデユーサを設
計することが望ましく、従って、通常上述の亀裂を生じ
させるが、これらの亀裂から生ずる設計圧力の減少を調
節する必要のない圧力範囲でトランスデユーサを利用す
ることができるのが有利である。この目的のために、本
発明によれば、ダイヤフラム領域を囲む応力逃し領域を
設け、凹部にすぐｌ（４接するｊｉ圧側のガラス板のそ
のＳ＋＋分によるシリコン板の耀みの拘束をなくシ、換
言すハば〜亀裂の入るようなダイアプラム領域を囲む領
域にはシリコン板の撓み拘束部はなくなる。

第２図には、必要な応力逃し領域を備える本発明の一つ
の形態が示されており、シリコン板１０の高圧側のエツ
チングされた凹部は直径が増加している。直径のこの増
加角、は、例えば高圧側の四部１２の直径が低圧側の凹
部１２ａの直径の約１３乃至／、３倍になるような大き
さのものが良い。

高ＥＥ側のこのような直径の増加で、トランスデユーサ
はガラスの破れによっては破損しないがその代わりにシ
リコンダイアフラムの強度によって制限されることがわ
かった。

第３図には、本発明の他の形態が示されており、トラン
スデユーサの高圧側のシリコン板にエツチングされた四
部を省きながら、トランスデユーサの高圧側のガラス板
に凹部なエツチングす゛ることによって応力逃し領域が
設けられている。第２図について上述したように、こね
、らの凹部は、ガラス板の亀裂を防止するために低圧側
の凹部の直径の約１３乃至ｌ５倍の大きさでなければな
らない。

もちろん、ダイアフラムの低圧側の凹部をシリコン板に
エツチングするよりもガラス板にエツチングするのが良
いことは当業者には明らかであろう。かくして、両方の
四部をシリコン板にエツチングしても良いし或は夫々の
ガラス板にエツチングし２てｔＪＪｌく、或ハ、亥形例
とし゛〔一方の凹部なガラス板に、他方の凹部なシリコ
ン板にエツチングしても良い。本発明の更に他の変形は
、亀裂が辿當起こるような凹部１２の外周部に訃ける板
１６と板１０との間の４ルｆ；：ｉ＋面のその領域の静
電接着を阻止することによって提供源わる。亀裂を防止
する当該領域に接着が生じないようにすることによって
、シリコン板のその領域はガラス板によって拘束ζねな
い。かくして、過度の圧力状態を加えるときに亀裂を防
止−ノーるのに必要な応力逃し領域が設けられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は先行技術における型式の容量圧カドランスデュ
ーサの断面図であり、過度の圧力状態の下で亀裂による
破損が起こる領域を示している。 第２図は、本発明の一つの形態な示す容量圧力トランス
デユーサの断面図である。 第３図は、本籟明の他の形態を示す容景圧カドランスデ
ューサの断面図である。 １０・・・・・・導電性板　　１２．１２ａ・・・・・
・凹部１Ｂ、１６２１・・・・・・電、気絶縁板１８．
１８ａ・・・・・・金属フィルム２０．２０ａ・・・・
・・フィルム層 ・２４．２４ａ・・・・・・開口部　　２６・・・・・
・亀裂毛　続　袖　正　ｆ（１（方式） ！１！１許庁長官　殿 １、　＝Ｊｉ　４’ｌの表示　昭和５８年　特￥１願　
第１０４８５２号２、発明の名称　　シリコンダイアフ
ラムの容量圧カドランスデユーづ ：つ、補正をする者 事件よの関係　　出願人 名称　　　ゼネラル　シグナル　」−ポレーション４、
代理人 ５、補正命令の１］付　　　昭和５８年９月２７日６、
補正の対象　　　　　全図面

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）導電性半導体材料の板を、電気絶縁性の無機材料
   の一対の板の間に挾み、これらの板に導電性半導体材料
   の板を静電接着したコンデンサ型式の圧カドランスデュ
   ーサであって、前記導電性板の両側にキャビティを形成
   して前記導電性板にダイアフラム領域を構成するために
   前記導電性板に一対の同心円形の四部をエツチングし、
   前記絶縁板に開口部をあけ、前記導電性板のダイアフラ
   ム領域とともにコンデンサを形成する導電性フィルムを
   前記キャビティ内において前記絶縁板の一方の表面に付
   着させて成るコンデンサ型式の圧カドランスデューサに
   おいて、前記トランスデユーサの温度の圧力による破損
   を防ぐために、前記導電性板の撓みが高圧側の隣接する
   絶縁板によって拘束されないように、前記ダイアフラム
   領域を囲む応力逃し領域な設けたことをｌ特徴とするコ
   ンデンサ型式の圧カドランスデューサ。 ＠　キャビティは、導１“に性根の両面にエツチングさ
   れた円形四部によって形成はれ、前記応力逃し領域は、
   高圧側の凹部の直径を低圧側の凹部の直径よりも大きく
   することによって作られ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。 ■　高圧１＋１０のキャビティは高圧側の絶縁板の凹部
   によって形成され、応力逃し領域は高圧側の前記凹部を
   低圧側の凹部の直径よりも大きな直径にすることによっ
   て作られることを特徴とする特許請求の範囲第７項に記
   載の装置。 （の　前記導電性板は単結晶シリコンで作られ、前記絶
   縁板は硼珪酸ガラスで作られていることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項、第２項、第３項のいす名かに記載
   の装置。 （イ）高圧側の凹部は、低圧側の凹部の直径の少なくと
   も１３倍であることを特徴とする特許請求の範囲第コ項
   又は第３項に記載の装置。 （乙）応力逃し領域は、高圧側の絶縁板と導電性板との
   間の接触面に未接着の領域を設けることによって作られ
   、前記領域は、高圧側のキャビテイの外周部にあること
   を特徴とする特許請求の範囲第７項に記載の装置。 （７）未接着の領域は、低圧側のキャビテイの直径のｌ
   ３倍以上の直径１で延びていることをｑ，’ｉ　徴とす
   る特許請求の範囲第Ａ項に記載の装置。 促》第７の板を一対の板の間に挾んでこれらに接着して
   成る型式の圧力トランスデューサであって、 前記一対の板は、前記第／の板忙ダイアフラム領域を構
   成するために前記第ｌの板の両側にキャビテイを形成す
   る一対の同心円形の四部を有し、前記キャピテイが比較
   すべき圧力圧さらされる圧力トランスデューサにおいて
   、前記トランスデューサの過度の圧力による破損を防ぐ
   ために、前記第／の板の撓みが隣接する根によって拘束
   されないように前記第／の板の高上側の前記ダイアフラ
   ム領域を囲む応力逃し領域を設けて成ることを特徽とす
   る圧力トランスデューサ。