JPS63308529A - 容量性圧力変換器 - 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、特許請求の範囲第１項の前提部に記載の容
量性圧力変換器に関する。

［従来の技術］ 従来技術の引用例には、以下のような特許公報がある。

（１）　　ＵＳ　　４５８９０５４（にｕｉｓｎ＋ａ）
（２）　　Ｕ　ｓ　　４５９７０２７　ｆＬｅｈｔｏ）
（３）　　　Ｕ　Ｓ　　　３３９７２７８　　（Ｐｏ１
１ｅｒａｎｔｚ）（４）　　　Ｕ　Ｓ　　　４６０９９
６６　　（ＫｕｉｓＩｌａ）（５）　　　Ｕ　Ｓ　　　
４５９９９０６　　（Ｆｒｅｕｄ　　ｅｔ　　ａｌ、）
＜　６　）　　Ｕ　Ｓ　　４５４２４３５　［Ｆｒｅｕ
ｄ　ｅｔ　ａｌ、）（７）　　Ｕ　Ｓ　　４２５７２７
４　（Ｓｈｉｎａｄａ　ｅｔ　ａｌ、）（８）　　　Ｕ
Ｓ　　　４６２８４０３　　（にｕｉｓｍａ）［発明が
解決しようとする課題］ 従来技術の構造の欠点は、コンデンサーを大量に生産す
ることが困難なことである。さらに、穏当なレベルまで
温度依存誤差を除去することが従来できなかっな。

この発明の目的は、従来技術の欠点を除去し、全く新し
い、圧力変換器のためのコンデンサー構造を提供するこ
とにある。

［課題を解決するための手段］ この発明では、例えば弾性体から製造された弾性絶縁層
によって、変換器のケースの２つの金属性シート半休の
間に、容量性センサー要素が取付けられ、その結果、容
量性センサー要素が弾性絶縁層の間で浮上している。

換言すると、この発明に基づくコンデンサー構造は、特
許請求の範囲第１項の特徴部に記載されていることが特
徴である。

［効果コ この発明には、以下のような効果がある。

引用例（６）（７）における同様な物質から製造された
差圧コンデンサーより、大量生産に適し、結合性が良い
。

容量性センサーと金属ケースとの間の熱膨張係数の差に
基づく誤差の生起、及び計測圧力がかけられている金属
部品の変形に基づく誤差の生起が除去されている。例え
は、引用例（６）と比較すれば、引用例（６）には、同
じ効果を達成するために、複雑な構造が述べられている
。

引用例（８）から知られているように、コンデンサーの
圧力感度の効果的な依存性により、高い圧力における感
度に比べると、低い圧力において高い感度が得られる。

この特性は、差圧センサーに利用される。これにより、
溝２２の圧力Ｐ１は、溝２３の圧力Ｐ２より大きくされ
なければならない。引用例（６）＜７）における差圧コ
ンデンサーの対称的な構造に比べると、この発明では、
単一のセンサー要素により広い計測範囲が得られる。

センサーのコンデンサーと金属ケースとの熱膨張係数の
相違に基づく熱膨張の差によって生起される、又は金属
ケースの変形によって生起される機械的応力は、弾性体
の弾性が高いため、弾性体を通してセンサーのコンデン
サーに伝達されない。

センサーのコンデンサーの位置は、２つの支持面の間に
固定されているなめ、計測されるべき圧力差によって、
弾性体の層（１つ）は、その面に垂直な方向に過度に伸
ばされない。弾性体のせん断強さは、広い領域の薄い層
を用いることによって、充分な水準まで増大される。

この発明では、絶縁物質の誘電特性の温度依存の補償が
提供されるだけでなく、弾性応力特性及び熱膨張特性に
よって生起される温度依存誤差がなくなり、隔離ダイア
フラムがセンサー要素に近接して位置され且つセンサー
要素に熱的に良く接触していれば、シリコンオイル圧力
媒体の熱膨張によって生起される温度依存誤差がなくな
る。

「実施例の説明］ 第１図及び第２図には、センサーのコンデンサー　！Ｒ
３６の圧力感知部分が示されている。この圧力感知部分
は、引用例（１）の第３．４図の構造に類似している。

コンデンサーは、等しい熱膨張係数を有するシリコン及
びホウケイ酸ガラスの厚さの異なる層からなる。第１図
において、シリコンは、ウェハ１のための物質である。

シリコンウェハ１は、従来の方法、例えば、引用例（１
）（２＞に示された方法を用いて、ガラスウェハ４に接
着されている。同様に、シリコンウェハ２は、シリコン
から製造されており、ガラスウェハ５に接着されている
。シリコンウェハ１とガラスウェハ４とが、一つのウェ
ハｍ３Ｉ　１　、４を構成しており、シリコンウェハ２
とガラスウェハ５とが、他のウェハ構造を構成している
。これらのウェハ′Ｍ４造の間に、シリコンから製造さ
れたシリコン要素３が介在されている。このシリコン要
素３は、薄い中央領域６（シリコンダイアフラム）を囲
う厚い境界リムを有するように形成されている。シリコ
ン要素３は、ウェハ構造（１，４）（２，５）のガラス
ウェハ４，５の面に、その厚い境界リムによって、例え
ば、引用例（３）に示された陽極接着方法を用いて接着
されている。

シリコン要素３のガラスウェハ５の側に、井筒状の空洞
１２が形成されている。この空洞１２は、センサーのコ
ンデンサーの誘電間隙を形成している。空洞１２は、溝
１０，１１を介して、外部圧力に連通している。薄肉に
されたシリコンダイアフラム６の他側には、井筒状の第
２の空洞７Ｂが形成されている。この第２の空洞７Ｂは
、ウェハ構造（１，４＞内に形成された孔７を介して、
外部圧力に連通されている。気体の又は液体の圧力媒体
を用いて、外部圧力ＰＩが孔７を介して第２の空洞７Ｂ
に加えられる一方、外部圧力Ｐ２が溝１０．１１を介し
て空洞１２に加えられた場合、シリコンダイアフラム６
は、圧力差ｐ２−ｐ、に応じて偏向する。

第２図に示されるように、薄い金属フィルムの領域１５
．１’６．１７、これらの連結された導体領域８，９、
及び接着パッド領域１４は、共に、ガラスウェハ５の面
に設けられている。陽極の接着領域は、符号１３によっ
て示されている。薄い金属フィルムの領域１５は、シリ
コン要素３との電気接点を形成しており、シリコン物質
の導体を介してシリコンダイアフラム６に連結されてい
る。

金属フィルムの領域１７，１．６は、各々、空洞１２及
びシリコンダイアフラム６を覆うように位置されている
。そのため、金属フィルムの領域１７は、シリコンダイ
アフラム６の圧力差により生起される偏向が最も大きい
所であるウェハ構造の中央に位置されている。金属フィ
ルムの領域１６は、シリコンダイアフラムの圧力差によ
る偏向が非常に小さい所であるリムに位置されている。

その結果、センサーのコンデンサー構造には、次のよう
な２つのコンデンサーが含まれる。一つは、金属フィル
ムの領域１７とシリコンダイアフラム６とにより形成さ
れるコンデンサーであり、他方は、金属フィルムの領域
１６とシリコンダイアフラムとにより形成されるコンデ
ンサーである。空洞１２は、２つのコンデンサーのため
の誘電絶縁間隙である。金属フィルムの領域１７とシリ
コンダイアフラム６とにより形成されるコンデンサーの
静電容量は、Ｃｐで表示される一方、金属フィルムの領
域１６とシリコンダイアフラムとにより形成されるコン
デンサーの静電容量は、Ｃｔで表示される。

静電容ｌＣｐは、圧力差に大きく依存する。なぜなら、
変化する圧力差は、シリコンダイフラム６を偏向させ、
シリコンタイアフラム６と金属フィルムの領域１７との
間の僅かの距離を変動させ、その結果、静電容量を変化
させるからである。　１１ｍ１電容量Ｃ１は、圧力差に
ほとんど依存しない。なぜなら、圧力差の変動によって
、シリコンダイアフラム６と金属フィルムの領域１７と
の間の僅かの距離がほとんど変化しないからである。静
電容量Ｃｐ　、ｃｔが空洞１２の絶縁媒体の静電特性に
依存することは、本質的に同じである。

第１図及び第２図は、圧力差センサーのコンデンサーの
必須の詳細を図示するなめに、簡略化されている。この
コンデンサーのシリコン要素の異なった変形例は、例え
ば、引用例（４）の第１図乃至第６図に示されているよ
うに、可能であり、効果的なこともある。第１図及び第
２図に示された金属パターンに加えて、ガラスウェハ５
の面には、引用例（４）の第１Ｂ図に示されるようなガ
ードリングが備えられていても良い。シリコンウェハ２
は、引用例（２）（４）に述べられた方法に基づく、ガ
ラスウェハ５を貫通する供給貫通構造によって、金属の
領域に接着されていても良い。

圧力差センサーのコンデンサーの寸法は、広い範囲で変
化できる。シリコンウェハ１，２及びシリコン要素３の
幅は、大略的には、２〜２０ｎｕｎであり、好ましくは
、５〜７ｎｕｎである。シリコンウェハ１，２の厚さは
、大略的には、０．２〜２Ｉｎｌであり、好ましくは、
約１ｍｎである。シリコン要素３の厚さは、０．１〜０
．５１であり、好ましくは、０．３８ｎＩＩである。ガ
ラスウェハ４，５の厚さは、大略的には、０、ＯＪ〜０
．２ｕであり、好ましくは、０゜０５ｍｍである。シリ
コンダイアフラム６の厚さは、０．００５〜０．２ｍｍ
の範囲で変化でき、好ましくは、圧力の範囲に応じて０
゜０１〜０．１＋ｎＩ′Ｎ内で変化できる。シリコンタ
イアフラム６の側部の長さく即ち、ダイアフラム円の径
）は、１〜１０ＩＩｌｆｆｉであり、好ましくは、２〜
４１′Ｉｌ′Ｎである。空洞１２の誘電距離は、大略的
には、０．００１〜０．Ｏ２ｎｍであり、好ましくは、
０゜００４〜０．００８＋ｎｍである。

第１図及び第２図に示されるコンデンサーは、第３図に
示されるように、圧力変換器の圧力感知要素として用い
られる。コンデンサーのシリコンウェハ２は、適切な弾
性体、例えば、シリコンラバーの薄い層１８を介して、
金属の基板２０の上に取付けられている。基板２０には
、ガラスブツシュ２８により基板２０から絶縁されてい
る金属リード線２７を有する供給貫通手段が設けられて
いる。ガラスブツシュ２８は、供給貫通手段の密封性を
確実にするために、適所で溶解されている。

コンデンサーの接着パッド領域１４は、細い金属のワイ
ヤー２６によって、金属リードｍ２７に適切に接着され
ている。基板２０は、金属のケースの大きい方の部分２
１に、その継目２５の回りを溶接することによって、取
付けられている。このケースの部分２１には、コンデン
サーのための空間２４が備えられている。コンデンサー
のシリコンウェハ１は、薄い弾性体の層１９を介して、
ケースの部分２１に取付けられている。そのため、コン
デンサーは、２つの弾性体の間で浮上している。弾性体
の層の厚さは、０．０５〜０．３１であり、好ましくは
、Ｏ，］、ｎｎである。

ケースの部分２１には、孔（溝）２２．２３が形成され
ている。この孔２２．２３を通して、測定圧力がコンデ
ンサーに加えられる。この孔２２は、空間２４に連通し
ており、孔２３は、シリコンウェハ１の孔７に整列され
ている６弾性体の層１つは、２つの孔（溝）２２．２３
を互いに隔離している。空間２４は、液体圧力ａ体、例
えば、シリコンオイルで充満されているため、この圧力
媒体は、清１０，１１を通して、空洞Ｊ２を充満する。

孔７を介して互いに連通されている孔２３と第２の空洞
７Ｂとは、液体又は気体（例えば、空気）である媒体に
より充満されている。

さらに、孔２３が、引用例（５Ｍ６．）に述べられてい
るのと同様に薄い金属のダイアフラムによって計測圧力
媒体から隔離されているオイル媒体の空間に連通されて
いても良い。圧力変換器が差圧の測定のためではなく、
ゲージ圧測定のために用いられた場合には、孔２３に液
体媒体を充満することは不要であり、薄い金属の隔離ダ
イアフラムも不要である。空間２４は、センサーのコン
デンサーの寸法に応じて、Ｊｌの量を最少にするように
形成されていれば良い。

上述したコンデンサー構造には、計測できる２つの静電
容量Ｃｐ　、Ｃｔがあるにのうち、Ｃ。

は、圧力差に大きく依存しているが、Ｃｔは、圧力差に
ほとんど依存しない。両者共に、媒体の静電特性に依存
している。

空洞１２を充満する媒体がシリコンオイルである場合、
その誘電定数の温度係数が高く、略、１０００１１１１
１／にである。これにより、静電容量Ｃｐ。

Ｃｔの高い温度依存が生起される。この高い温度依存に
よって、静電容量Ｃρのみが圧力差の計測のなめに用い
られた場合、圧力の計測に温度依存誤差が生起される。

静電容量Ｃρの圧力関係と異なる圧力関係を有する静電
容量Ｃｔも、強い温度依存を有している。そのため、静
電容量から、充分な正確さをもって、圧力差と温度のた
めの数値を見出すために、数学関数か公式化されている
。

Ｐ２〜Ｐ１＝ｐ　（Ｃｐ、Ｃｔ　） ｔ＝ｔ　（ｃｔ　、ｃρ） 関数ｐとｔとは、例えば、多孔式で表わされる。

これらの項の係数は、２つの静電容量ｃｐ　、　ｃｔを
計測することによって、圧力差と温度との種々の値にお
いて、決定される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明に基づく容量性センサー構造の断面
側面図、第２図は、第１図のＡ−Ａ面に沿う断面図、第
３図は、この発明に基づく容量性−１５＝ 圧力変換器の断面側面図である。 １．２．３・・・容量性センサー構造（１，２・・・シ
リコンウェハ、３・・・シリコン要素）　、１．４．２
６・・・電気導体（１，４・・・接着パッド領域、２６
・・・金属のワイヤー）、１８，１．９・・・弾性ＷＪ
造（弾性体の層）、２０．２１・・・ケース、２２．２
３・・・涌（孔）出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 Ｆｉｇ、１ Ｆｉｇ、３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ［１］容量性センサー構造（１、２、３）と、容量性セ
   ンサ構造（１、２、３）が取付けられているケース（２
   ０、２１）と、 ケース（２１）に適用され、容量性センサー構造（１、
   ２、３）に計測媒体を導入するための溝（２２、２３）
   と、 容量性センサー構造（１、２、３）からの容量性圧力情
   報を外部に伝達するための電気導体（１４、２６）と、
   を具備する容量性圧力変換器において、 容量性センサー構造（１、２、３）が薄い弾性構造（１
   ８、１９）によってケース（２０、２１）に支持され、
   その結果、容量性センサー構造が薄い弾性構造の間で浮
   上されていることを特徴とする、容量性圧力変換器。 ［２］弾性構造（１８、１９）の層の厚さは、０．０５
   〜０．３ｍｍであり、好ましくは、０．１ｍｍである、
   特許請求の範囲第１項に記載の容量性圧力変換器。 ［３］シリコンウェハ（２）と、このシリコンウェハ（
   ２）に静電接着方法によつて取付けられたガラスウェハ
   （５）とからなり、ガラスウェハ（５）がシリコンウェ
   ハ（２）より薄い支持基材板（２、５）と、 支持基材板（２、５）に配置され、固定された第１のコ
   ンデンサー板（１７）と、 第１のコンデンサー板（１７）を囲うように支持基材板
   （２、５）に配置され、可動コンデンサー板として働く
   ダイアフラム（６）である薄い中心部分を有し、その結
   果、計測圧力媒体を導入するための井筒状の空洞（１２
   、７Ｂ）がダイアフラム（６）の上と下とに形成されて
   いる、シリコン板（３）と、 シリコン板（３）に配置され、シリコンウェハ（１）と
   、このシリコンウェハに取付けられ且つシリコン板（３
   ）に対して位置されたガラスウェハ（４）とからなり、
   ガラスウェハ（４）がシリコンウェハ（１）より薄い、
   頂部板（１、４）と、を具備する、容量性圧力変換器で
   あって、 シリコン板（３）と第１のコンデンサー板（１７）との
   間であって、第１のコンデンサーを囲って、支持基材板
   （２、５）に配置された第２のコンデンサー板（１６）
   を備え、 容量性センサー構造（１、２、３）が、シリコンウェハ
   （１、２）の上と下で、弾性構造（１８、１９）によっ
   て、ケース（２０、２１）に取付けられている、特許請
   求の範囲第１項又は第２項に記載の容量性圧力変換器。