JPS60202323A - 圧力用デイテクタ - 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】 ［産業上の利用分野］ ゛この発明は、支持部材と、支持部材上に設けられた固
定型キャパシタプレートと、支持部材上に設けられたシ
リコン部材とを有し、シリコン部材は固定型キャパシタ
プレートを囲み、かつこのシリコン部材の中心部分は、
可動型キャパシタプレートとして作動し、並びに開口部
の底部を形成するように、周辺部より薄いシリコン膜で
ある圧力用ディテクタに関する。

［従来の技術］ 従来の技術として、（１）米国特許第４３８６４５３号
（発明者Ｇｉ　ａｎｃｈ　ｉ　ｎｏ等）、（２）米国特
許第４２５７２７４号（発明者３ｈｉｍａｄ８等）、（
３）米国特許第４３３２０００号（発明者Ｐｅｔｅｒｓ
ｅｎ）、（４）米国特許第４３９０９２５号（発明者Ｆ
ｒｅｕｄ）、（５）米国特許第３３９７２７８号（発明
者Ｐｏｍｅ　ｒ　ａ　ｎ　ｔ　ｚ　）、（６）著作者に
、Ｅ。

３ｅａｎである、゛シリコンの異方性のエツチング”（
Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ　Ｅｔｃｈｉｎｇｏｆ　５ｉｌ
ｉｃｏｎ）、及びＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ
　ｏｎ　ＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓ）　Ｖｏｌ、
ＥＤ−２５（１９７８）　Ｎｏ、１０、ｐＩ）、１１８
５−９３に記載されている。

（１）〜（４）に記載されている従来の小形の容量性の
圧力用ディテクタは、シリコンとガラスから形成されて
いる。（６）に記載されているシリコンは化学エツチン
グにより処理され、かつマイクロリトグラフの手段によ
りパターン化されている。シリコンとガラスとは、（５
）に記載されている静電気的手段により連結されている
。

ディテクタ用のガラスとして、例えば、コーニング社製
の　タイプ　７７４０　“パイレックス（ＰｈｒｅＸ）
”又はスコツト社製の”　Ｔｅ　ｍ　ｐｅ　ｘ　”が存
在する。これらは、アルカリ金属のイオンを有し、静電
結合を果たすのに適している。

これらのガラスの熱膨張率は、シリコンと同じオーダで
ある。室温のとき、シリコンの熱膨張率は、〉、５ｐｐ
ｍ／℃であり、ガラスの熱膨張率は、３．２ｐｐｍ／℃
である。温度が高くなるのに従って、シリコの熱膨張率
は線形的に比例せず、かつガラスの熱膨張率より大きき
なる。

ガラスとシリコンとの熱膨張率の相違は、略０．７ｐｐ
ｍ／’Ｃであり、シリコンとガラスとで形成された容量
性圧力用ディテクタにおいて、このことが、温度に依存
して影響する最も重要な要因である。

第１図には、容量性の圧力用ディテクタにおいて、温度
に依存した基本原理が概略されている。

圧力により偏向される薄い部分３を備えたシリコン片２
は、静電気方法によりガラス板１上に装着されている。

薄い部分３全体に渡って作用する圧力の相違により薄い
部分３がそらされ、この結果、薄い部分３と、ガラス板
１上に位置する固定型キャパシタプレート４との間の距
離、及びキャパシタンスが変化する。

シリコンとガラスとの熱膨張率が異なる場合、温度が上
昇したとき、水平方向の力Ｆが、圧力を検知する薄い部
分３に生じる。ガラスがシリコンより大きく膨張する場
合、薄い部分３に加わる力Ｐにより生じる偏向が、力Ｆ
により減少される。

力Ｆがないときの、偏向の圧力感度をＳＯとすれば、力
Ｆがあるときの圧力感度は、次式のようになる。

５＝Ｓｏ　／１　＋Ｋ　（ａ／ｈ　）　２　εｓｉここ
で、ａは薄い部分３の辺の長さく３１い部分３が正方形
のとき）、又は直径（ＷＩい部分３が円のとき）である
。係数には、薄い部分３が正方形のとき、０．２７であ
り、薄い部分３が円のとき０．２である。εｓｉは、薄
い部分３内の力Ｆにより生じる変形（伸び率）である。

ガラス板１の厚さがシリコン片２の厚さより大きいとき
、次式が適用される。

εｓｌ＝ΔαΔｔ ここで、Δαは、シリコンとガラスとの熱膨張率の相違
であり、Δｔは温度変化である。

ＳＯとεＳ１とは、温度に依存している。ＳＯの温度の
依存性は、シリコンの弾性率の温度の依存性から生じる
。感度Ｓの温度係数は、次式の通りＳｏ　δＴ ここでシリコン（１００）ｌｅｂｅｌのとき、（１／Ｓ
）（６８７６丁）は、略７０ｐｐｍ／℃である。ａ／ｈ
−２０のとき、 （１／Ｓｏ　）（δＳｏ／δ丁）は、略０であり、これ
らの現象が互いに打消し合う。しかし、ａ／ｈ＝２０の
条件は、大きい圧力（約５０バール）のときのみ適して
いる。

測定する圧力が、１バールより小さいとき、ａ／ｈは８
０より大きい。この結果、温度係数は１１０００ｐｐ／
’Ｃより大きい。熱膨張率の相違Δαが減少して、小さ
い圧力範囲用のディテクタが、温度に対して安定にする
ことができる。シリコンの熱膨張率に近い熱膨張率であ
る適当なガラスは、費用の関係上使用できない。しかし
、ガラス板１の熱膨張率は、構成にすることにより所望
のレベルにすることができる。

［発明が解決しようとする問題点］ この発明の目的は、従来の欠点を解消して、支持部材の
熱膨張率を所望の値にすることができる圧力用ディテク
タを提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ この発明の実施例において、絶縁した支持部材と、圧力
を感知するシリコン膜との熱膨張率の相違が調整され、
シリコンの弾性率の温度の依存性が無視できる。支持部
材は、互いに連結されたガラス板とシリコン板とを有し
、このサンドインチ形状の構成体は、ガラス板とシリコ
ン板との厚さを選択することにより、所望の熱膨張率に
することができる。このサンドイッチ形状の構成体にお
いて、シリコン板とガラス板とは静電気の方法により連
結されている。ガラス板の厚さは、５０ミクロンから１
５１１である。

この発明は、支持部材は、シリコン層と、前記シリコン
部材に対向し、かつシリコン層上に設けられたガラス層
とを有し、ガラス層はシリコーン層より薄く、ガラス層
及びシリコン層の夫々の弾性率及び熱膨張率により、支
持部材と前記シリコン膜との熱膨張率の相違が減少する
ことを特徴とする。

この発明において、所望の手段により容量性の圧力用デ
ィテクタの熱膨張率を調整することができる。

「実施例」 以下、この発明の一実施を図面に基づいて説明する。

第２図において、第１図に示す厚いガラス板１の代わり
に、ガラス層を形成する薄いガラス板５とこのガラス板
５よりシリコン層を形成する厚いシリコン板６とが、積
層して設けられている。このガラス板５とシリコン板６
とにより支持部材が形成されている。ガラス板５とシリ
コン板６とは、後述する静電的な手段により最も効果的
に連結される。

シリコン板６がガラス板５と比較して厚いとき、偏向が
無視され、このサンドインチ形状の構成体の熱膨張率が
次式のように計算される。

α＝α２　＋ｍｎα１／１−ｍｎ 上式において、α２はシリコンの熱膨張率であり、α１
はガラスの熱膨張率である。また、ｍはガラスとシリコ
ンとの厚さの比率であり、ｎはガラスとシリコンとの弾
性率の比率である。

シリコンとサンドイッチ形状の構成体との温度係数の相
違は、次式で与えられる。

Δα−ｍｎ　（α１−α２　）、’１＋ｍｎ上式におい
て、ガラスとシリコンの場合には、ｎ＝０．３６である
。ｍ＝０．５のとき、Δαは略０．１５（α１−α２で
ある。即ち、シリコン　；、とガラスとの熱膨張率の不
適合を減少させることができる。厚さの比率ｍを適宜に
選択することにより、熱膨張率の相違と弾性率とが、熱
による依存性を無視することができる。

この発明は、第３図及び第４図に示す絶対圧に使用され
るディテクターの構造に適用できる。シリコン部材１３
には、真空カプセル用の開口部１４と圧力を感知するキ
ャパシタ（ｐｒｅｓｓｕｒｅ−ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　ｃ
ａｐａｃｉｔｏｒ）のプレート間のギャップである凹部
８とが設けられ゛ている。この真空カプセルは、ガラス
層を形成する薄いガラス板、１７とシリコン層を形成す
るシリコン厚いシリコン板１８とを備えたプレート１５
により囲まれている。ガラス板１７とシリコン板１８と
は静電的手段により連結されている。さらに、このサン
ドインチ形状のプレート１５は、同じ手段によりシリコ
ン部材１３に装着されている。

開口部１４と凹部８との間には、シリコン部材１３の一
部としてシリコン膜１６が形成されている。このシリコ
ン膜１６が、外的圧力により開口部１４に向かって偏向
されている。シリコン部材１３は支持部材１９に装着さ
れている。支持部材１９の表面は、絶縁材料で形成され
、支持部材１９の表面上には、固定型キャパシタディス
ク７と導体１２と基端部１０．１１で形成された薄い金
属膜が形成されている。圧力を感知するキャパシタは、
可撓性のシリコン膜１６とキャパシタディスク７との藺
に形成されている。ディテクタのキャパシタンスは、基
端部１０と基端部１１との間により測定される。基端部
１１は、シリコン部材１３に電気的接触をし、基端部１
０は、通路９に沿って形成されている導体１２を介して
キャパシタディスク７に、導的接触をする。測定される
圧力は、通路９を介してシリコン膜１６に作用する。

支持部材１９は、静電気的な手段により互いに連結され
たガラス層２０とシリコン層２１とを有する。シリコン
部材１３は、この静電気な手段により支持部材１９に装
着されている。

上述した圧力用ディテクタの温度の依存性は、開口部１
４を囲むプレート１５と支持部材１９とが、ガラスのみ
により形成された構造の温度の依存性より低い。このデ
ィテクタの形状は対称なので、温度に依存したトルクと
、プレート１５と支持部材１９とのサンドインチ構造か
ら得られるトルクが、互いに無視される。

この発明の範囲内で、上述した実施例を変形させること
ができる。即ち支持部材として、絶縁フィルム上にシリ
コン板を設けることができる。この絶縁フィルムは、厚
いので、浮遊容量が防止され、かつ厚いフィルムの沈澱
は、遅く費用がかがる。静電気な手段により、みがき板
ガラスの連結が迅速であり、仕事の作業能率が上昇する
。

第３図又は第４図に示す実施例の大きさは、以下の通り
である。尚、括弧内の値は典型的な範囲である。

ガラス層１７．２０ 幅　４ｍ＜２〜６　ｍ　） 厚さ　１００ミクロン（１０〜２００）シリコン板１８
．２１ 幅　４　ｍ　（２〜６ｍ　） 厚さ　ｉｍ（０，５〜１．５ｓｒ） シリコン部材１３ 部材の厚さ　０．４ｍｍ　（０，２〜０．５ｍ＋）膜の
厚さ　５〜２００ミクロン（温度に従属）キャパシタデ
ィスク７と基端部１０，１１厚さ　０．２ミク０ン（０
，１〜１．０）凹部８ 幅　４ミクロン（１〜１０ミクロン）

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の圧力用ディテクタを示す主要図、第２図
はこの発明の実施例を示す圧力用ディテクタの断面図、
第３図はこの発明の変形例を示す断面図、第４図は第３
図のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 ２・・・シリコン板、３・・・シリコン層、４・・・固
定型キャパシタプレート、５・・・ガラス層、６・・・
シリコン層。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）支持部材と、 この支持部材上に設けられた固定型キャパシタプレート
   と、 前記支持部材上に設けられたシリコン部材とを有し、 前記シリコン部材は前記固定型キャパシタプレートを囲
   み、かつこのシリコン部材の中心部分は、可動型キャパ
   シタプレートとして作動し、並びに開口部の底部を形成
   するように、周辺部より薄いシリコン膜である圧力用デ
   ィテクタにおいて、前記支持部材は、シリコン層と、前
   記シリコン部材に対向し、かつシリコン層上に設けられ
   たガラス層とを有し、 このガラス層は前記シリコン層より薄く、かつガラス層
   及びシリコン層の夫々の弾性率及び熱膨−脹率により、
   前記支持部材と前記シリコン膜との熱膨張率の相違が減
   少することを特徴とする圧力用ディテクタ。
2. （２）絶対圧を検知するとき、前記シリコン部材には、
   前記開口部を覆うカバープレートが設けられ、このカバ
   ープレートは、シリコン層と、前記シリコン部材に対向
   し、かつシリコン層上に設けられたガラス層とを有し、
   このガラス層はこのシリコン層より薄いことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の圧力用ディテクタ。
3. （３）前記シリコン層と前記ガラス層とは、静電気的な
   方法により連結されていることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項又は第２項に記載の圧力用ディテクタ。
4. （４）膜状の圧力感知部分の熱膨張の効果が、シリコン
   の温度依存性の効果と比較して、実質的に等しく、かつ
   反対方向であるように、前記ガラス層とシリコン層との
   厚さの比率が選択されることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項ないし第３項のいずれか１項に記載の圧力用デ
   ィテクタ。