WO2010113803A1 - 静電容量型圧力センサ - Google Patents
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- G01L9/0042—Constructional details associated with semiconductive diaphragm sensors, e.g. etching, or constructional details of non-semiconductive diaphragms
Definitions
- the present invention relates to a capacitance-type pressure sensor provided with a pressure sensor chip of a diaphragm structure that detects capacitance according to the pressure of a medium to be measured.
- a diaphragm type pressure sensor that detects a change in measured pressure as a change in capacitance is widely known.
- a filter is placed on the communication hole between the vacuum chamber and the diaphragm vacuum gauge to prevent unreacted products, side reaction products, particles and the like from entering the vacuum gauge from the vacuum chamber,
- a diaphragm type sensor is known which is configured to prevent the deposition components from adhering to and depositing on a pressure sensitive diaphragm that constitutes the diaphragm sensor (see, for example, Patent Document 1).
- the diaphragm type sensor having the above-mentioned configuration, it is possible to avoid adhesion of deposition components having high rectilinearity to the pressure sensitive diaphragm, which are unreacted products, by-products and particles contained in the medium to be measured.
- the need to direct the measured pressure to the pressure sensitive diaphragm it is not possible to completely eliminate the deposited components with the filter.
- the pressure sensitive diaphragm When a part of the deposition component in the medium to be measured is deposited on the surface in contact with the pressure sensitive diaphragm, the pressure sensitive diaphragm is bent in one direction, and a zero point shift (zero point shift) occurs. That is, the deposit attached to the pressure-sensitive diaphragm generates internal stress such as compressive stress or tensile stress after attachment depending on the component, and the side of the pressure-sensitive diaphragm in contact with the medium to be measured is also pulled accordingly When compressed, the pressure balance in the thickness direction of the pressure sensitive diaphragm is broken. As a result, the pressure-sensitive diaphragm bends so that the measured medium side or the opposite side is convex.
- the pressure difference is detected based on the capacitance that changes due to the deflection of the pressure-sensitive diaphragm, so even if there is no pressure difference on both sides of the pressure-sensitive diaphragm due to the phenomenon described above Thus, a signal of “there is a difference” is detected, and a zero point error called so-called zero point shift is generated. For this reason, the problem of producing a measurement error arises.
- the frequency of replacement of the pressure-sensitive diaphragm, i.e., the diaphragm-type sensor becomes high, which causes a problem of reduced durability and increased costs.
- An object of the present invention is to provide a capacitance type pressure sensor which suppresses deflection of a pressure sensitive diaphragm even when a medium to be measured adheres to and deposits on the pressure sensitive diaphragm so as to minimize the zero point shift. is there.
- the capacitance-type pressure sensor is a capacitance-type pressure sensor including a pressure sensor chip that detects capacitance according to the pressure of the medium to be measured.
- one side of the sensor diaphragm of the pressure sensor is a pressure introducing chamber side for introducing the medium to be measured, and the other side is a capacitor chamber side forming a capacitor portion, and the sensor diaphragm is a diaphragm of the capacitor chamber It is characterized in that the rigidity is lowered from the peripheral portion forming the boundary with the fixing portion toward the central portion.
- the component in the medium to be measured adheres to the surface of the sensor diaphragm in contact with the medium. Even in the case of deposition, deflection in one direction of the sensor diaphragm due to internal stress of the deposit can be suppressed, and the zero shift of the pressure sensor can be suppressed.
- the present invention may optionally include the following aspects.
- the sensor diaphragm has a thickness decreasing from the peripheral portion forming a boundary with the diaphragm fixing portion on the capacitor chamber side toward the central portion about.
- the rigidity of the central portion can be lowered by making the thickness of the central portion thinner than the thickness of the peripheral portion rather than the peripheral portion forming the boundary with the diaphragm fixing portion on the capacitor chamber side. it can. Thereby, even when the component in the medium to be measured adheres to and is deposited on the surface of the sensor diaphragm in contact with the medium to be measured, it is possible to suppress the deflection in one direction of the sensor diaphragm due to the internal stress of the deposit. .
- the sensor diaphragm has a thin thickness continuously from the peripheral portion forming the boundary with the diaphragm fixing portion on the capacitor chamber side toward the central portion It has become.
- the thickness is continuously reduced (tapered) from the peripheral edge forming the boundary with the diaphragm fixing portion on the capacitor chamber side toward the central portion of the sensor diaphragm.
- rigidity can be continuously reduced from the peripheral portion toward the central portion.
- the thickness of the sensor diaphragm is gradually reduced from the peripheral portion forming the boundary with the diaphragm fixing portion on the capacitor chamber side toward the central portion It has become.
- the thickness may be reduced stepwise (formed to be reduced stepwise) from the peripheral edge forming the boundary with the diaphragm fixing portion on the capacitor chamber side toward the central portion of the sensor diaphragm.
- the rigidity can be sequentially lowered from the peripheral portion toward the central portion.
- the sensor diaphragm has a predetermined recess when viewed from the measurement medium introduction direction on the pressure introduction chamber side.
- the deposition component in the medium to be measured adheres to the sensor diaphragm and is deposited. Divide the deposit into deposits corresponding to the depressions.
- the internal stress of the deposit has been generated as a tensile force or compressive force acting on the sensor diaphragm in accordance with the component of the medium to be measured, but according to the present invention, the tensile force and compressive force are reduced. Further, the deformation in the thickness direction of the sensor diaphragm due to the internal stress is suppressed.
- the sensor diaphragm has a predetermined depth which is continuous in the central direction from a peripheral edge forming a boundary with the diaphragm fixing portion on the capacitor chamber side. And the width of the recess gradually increases from the peripheral portion toward the central portion.
- the surface of the sensor diaphragm in contact with the medium to be measured has a recess with a predetermined depth continuous from the peripheral portion to the central portion, and the width of the recess is from the peripheral portion to the central portion
- the rigidity can be continuously reduced from the peripheral portion toward the central portion by gradually widening toward the Also, when the deposition component in the medium to be measured adheres to the sensor diaphragm and deposits, the deposit is divided into step-like deposits.
- the internal stress of the deposit has been generated as a tensile force or compressive force acting on the sensor diaphragm in accordance with the component of the medium to be measured, but according to the present invention, the tensile force and compressive force are reduced. Further, the deformation in the thickness direction of the sensor diaphragm due to the internal stress is suppressed.
- the peripheral portion of the sensor diaphragm which forms a boundary with the diaphragm fixing portion on the capacitor chamber side and the central portion of the sensor diaphragm are made of different materials.
- the material of the central portion is a material less rigid than the material of the peripheral portion.
- the peripheral portion forming the boundary with the diaphragm fixing portion on the capacitor chamber side and the central portion are made of different materials, and the material of the central portion is a material having rigidity lower than the material of the peripheral portion Even if the component in the medium to be measured adheres to and is deposited on the surface of the sensor diaphragm in contact with the medium to be measured, the deflection in one direction of the sensor diaphragm due to the internal stress of the deposit is suppressed. It is possible to suppress the zero shift of the pressure sensor.
- the peripheral portion of the sensor diaphragm which forms a boundary with the diaphragm fixing portion on the capacitor chamber side is made of the same material, and the central portion of the sensor diaphragm Has a two-layer structure of different materials, the pressure introducing chamber side of the sensor diaphragm is made of the same material as the peripheral portion, and the capacitor chamber side of the sensor diaphragm is made of a material less rigid than the material of the peripheral portion about.
- the peripheral portion forming the boundary with the diaphragm fixing portion on the side of the capacitor chamber is made of the same material, and the central portion has a two-layer structure made of different materials.
- the side of the sensor diaphragm is made of the same material as that of the peripheral portion, and the capacitor chamber side of the sensor diaphragm is made of a material that is less rigid than the material of the peripheral portion. Even in the case where deposits adhere to one another, deflection in one direction of the sensor diaphragm due to internal stress of the deposit can be suppressed.
- the rigidity is determined from Young's modulus and Poisson's ratio of the material.
- the rigidity of the central portion is determined by determining the rigidity of the sensor diaphragm having a two-layer structure in which the material of the peripheral portion and the central portion is different from the Young's modulus and Poisson's ratio of each material. It can be less than rigid. Thereby, even when the component in the medium to be measured adheres to and is deposited on the surface of the sensor diaphragm in contact with the medium to be measured, it is possible to suppress the deflection in one direction of the sensor diaphragm due to the internal stress of the deposit. .
- the material of the peripheral portion of the sensor diaphragm is sapphire, and the material of the central portion is quartz glass.
- the material of the peripheral portion of the diaphragm is sapphire
- the material of the central portion is quartz glass having a rigidity lower than that of sapphire, whereby the rigidity of the central portion is lower than the rigidity of the peripheral portion can do.
- the sensor diaphragm has a predetermined recess when viewed from the measurement medium introduction direction on the pressure introduction chamber side.
- the deposition component in the medium to be measured adheres to the sensor diaphragm and is deposited. Divide the deposit into deposits corresponding to the depressions.
- the internal stress of the deposit has been generated as a tensile force or compressive force acting on the sensor diaphragm in accordance with the component of the medium to be measured, but according to the present invention, the tensile force and compressive force are reduced. Further, the deformation in the thickness direction of the sensor diaphragm due to the internal stress is suppressed.
- FIG. 2 is a partial cross-sectional view of a pressure sensor chip according to Embodiment 1.
- FIG. 6 is a partially enlarged view of the bottom surface of the concave portion of the pressure sensor chip according to the first embodiment.
- FIG. 6 is an explanatory view showing an example of a state in which a deposition component of the medium to be measured is attached to the sensor diaphragm according to the first embodiment and is bent.
- FIG. 7 is an explanatory view showing another example of a state in which the deposition component of the medium to be measured is attached to the sensor diaphragm according to the first embodiment and is bent.
- FIG. 7 is a cross-sectional view showing a modified example of the sensor diaphragm according to Embodiment 1.
- FIG. 7 is a cross-sectional view showing another modified example of the sensor diaphragm according to Embodiment 1.
- 7 is a partial cross-sectional view of a pressure sensor chip according to Embodiment 2.
- FIG. 7 is a partially enlarged view of the lower surface of the pressure sensor chip according to the second embodiment.
- FIG. 14 is an explanatory view showing an example of a state in which a deposition component of the medium to be measured is attached to the sensor diaphragm according to the second embodiment and is bent.
- FIG. 14 is an explanatory view showing another example of a state in which the deposition component of the medium to be measured is attached to the sensor diaphragm according to the second embodiment and is bent.
- a capacitive pressure sensor (hereinafter simply referred to as a "pressure sensor”) according to a first embodiment of the present invention will be described based on the drawings.
- the outline of the present embodiment 1 will be described by changing the shapes of the peripheral portion and the central portion that form boundaries with the fixing portion on the capacitor chamber side of the sensor diaphragm that constitutes the pressure sensor chip.
- the rigidity of the central portion is made lower than the rigidity of the peripheral portion.
- FIG. 1 shows a cutaway cross-sectional view of a pressure sensor chip of a pressure sensor which is a basis of the capacitance type pressure sensor of the present invention
- the pressure sensor 10 comprises a pedestal plate 11 housed in a package not shown.
- the pressure sensor chip 20 similarly housed in the package and joined to the pedestal plate 11, and an electrode lead portion (not shown) directly attached to the package and conductively connecting the inside and outside of the package.
- the pedestal plate 11 is spaced apart from the package, and is supported by the package only via the support diaphragm 15.
- the package is made of, for example, a nickel alloy which is a corrosion-resistant metal and is joined by welding.
- the support diaphragm 15 is made of a thin nickel alloy sheet having an outer shape conforming to the shape of the package, and the peripheral edge is sandwiched between the lower and upper housing edges of the package and joined by welding or the like.
- the thickness of the support diaphragm 15 is, for example, several tens of ⁇ m in the case of the present embodiment, and is sufficiently thinner than the lower pedestal plate 12 and the upper pedestal plate 13 which form the pedestal plate 11. Further, a pressure introducing hole 15 a for introducing pressure to the pressure sensor chip 20 is formed in the central portion of the support diaphragm 15.
- the pedestal plates 12 and 13 are sufficiently thick relative to the thickness of the support diaphragm 15 as described above, and have a structure in which the support diaphragm 15 is sandwiched between the pedestal plates 12 and 13 in a so-called sandwich shape There is. This prevents this portion from being warped by the thermal stress generated by the difference in the thermal expansion coefficient of the pedestal plate 11 of the support diaphragm 15.
- the upper pedestal plate 13 is made of aluminum oxide-based pressure sensor chip 20 made of sapphire which is a single crystal of aluminum oxide and changed into the same material as the spacer 16 and the upper pedestal plate 13 after bonding. It is joined via a joining material.
- the joining method is described in detail in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-111011, and thus the detailed description thereof is omitted here.
- the pressure sensor chip 20 has a spacer 16 formed of a thin plate having a rectangular shape in a plan view, a sensor diaphragm 111 as a pressure-sensitive diaphragm joined to the spacer 16 and generating strain in response to application of pressure. It has a sensor pedestal 17 joined to the sensor diaphragm 111 to form a vacuum volume chamber (reference chamber) 20A.
- the sensor pedestal 17 is formed with a recess 17a in the form of a circular hole on the lower surface, and this recess 17a is used as a volume chamber 20A.
- the vacuum volume chamber 20A and the reference vacuum chamber in the package for accommodating the pressure sensor chip 20 maintain the same degree of vacuum via a communication hole (not shown) drilled at an appropriate position of the sensor pedestal 17. There is. Further, a hole 16 a is formed in the spacer 16.
- the recess 17 a of the sensor pedestal 17 and the hole 16 a of the spacer 16 preferably have substantially the same diameter.
- the spacer 16, the sensor diaphragm 111, and the sensor pedestal 17 are bonded to each other by so-called direct bonding to constitute an integrated pressure sensor chip 20. Further, in the capacity chamber 20A of the pressure sensor chip 20, the pressure sensitive side fixed electrode 21 and the reference side fixed electrode 22 made of a conductor such as platinum are formed in the recess 17a of the sensor pedestal 17 and opposed thereto. On the surface (upper surface) 111 a of the sensor diaphragm 111, a pressure-sensitive movable electrode 23 and a reference movable electrode 24 made of a conductor such as platinum are formed.
- the pressure sensitive side fixed electrode 21 is formed in a central portion of the recess 17 a so as to be circular in plan view, and the reference side fixed electrode 22 is separated from the pressure sensitive side fixed electrode 21 so as to substantially surround the periphery thereof. It is concentrically formed to form a viewing arc.
- the pressure sensitive side movable electrode 23 and the reference side movable electrode 24 have shapes corresponding to the pressure sensitive side fixed electrode 21 and the reference side fixed electrode 22 so as to face each other, and the surface of the sensor diaphragm 111 on the side of the capacitance chamber Upper surface) 111a is formed.
- the pressure-sensitive fixed electrode 21 and the pressure-sensitive movable electrode 23 are highly sensitive to pressure and play a role in performing pressure measurement, while the reference fixed electrode 22 and the reference movable electrode 24 have pressure. It has a low sensitivity and serves to correct the dielectric constant between the electrodes.
- electrode extraction pads are deposited on the four corners of the upper surface of the pressure sensor chip 20, respectively. These electrode extraction pads are the pressure sensitive side fixed electrode extraction pad 25, the pressure sensitive side movable electrode extraction pad 26, the reference side fixed electrode extraction pad 27, and the reference side movable electrode extraction pad 28.
- the pressure-sensitive fixed electrode 21 and the pressure-sensitive fixed electrode lead-out pad 25 are electrically connected to each other via a conductor formed in the electrode lead-out hole.
- the four electrode lead portions are provided corresponding to each electrode lead-out pad, and are provided with electrode lead pins and a metal shield, and the electrode lead pins are made of a metal shield by a hermetic seal made of an insulating material such as glass.
- the central portion is embedded and kept airtight between both ends of the electrode lead pin.
- one end of the electrode lead pin is exposed to the outside of the package, and the output of the pressure sensor 10 is transmitted to an external signal processing unit by a wire (not shown).
- a hermetic seal intervenes between the shield and the package cover.
- the sensor diaphragm 111 has a plate whose outer shape is the same as the outer shape of the spacer 16, and in FIG. 2, the lower surface, that is, the surface (lower surface) of the pressure introducing chamber side (contact surface of the medium to be measured) A circular recess (depression) 111 c is formed in 111 b.
- the size of the opening of the recess 111c is about half of the diameter of the area of the sensor diaphragm 111 in contact with the medium to be measured, and the depth of the opening of the recess 111c is about 1/10 of the plate thickness.
- the combination of the size and the depth of the opening of the recess 111c is not limited to this embodiment, and the optimum depth is the size of the opening of the recess 111c (the size of the opening area). Designed.
- the bottom surface 111 d of the recess 111 c covers the entire surface from the peripheral edge portion to the central portion bordering with the recess portion 17 a of the sensor pedestal 17 and the inner peripheral surface of the hole 16 a of the spacer 16.
- the fine unevenness 111e is formed across the surface.
- the unevenness 111e is formed by a known micromachining technique.
- the sensor diaphragm 111 is made of sapphire, but the invention is not limited thereto. Other members, for example, a corrosion resistant nickel alloy may be used.
- the sensor diaphragm 111 is sandwiched between the sensor pedestal 17 on the capacitor chamber side and the spacer 16 on the pressure introducing chamber side, and the peripheral portion is joined and fixed to the end surfaces 17 b and 16 b of the sensor pedestal 17 and the spacer 16. ing. Therefore, the sensor diaphragm 111 has a center more than the thickness of the region from the peripheral edge portion 111 f to the recess portion 111 c forming the boundary with the circular recess 17 a of the sensor pedestal 17 as the fixed portion of the sensor diaphragm 111 and the hole 16 a of the spacer 16. The thickness of the portion 111g is reduced. That is, in the sensor diaphragm 111, the rigidity of the central portion 111g is lower than the rigidity of the peripheral portion 111f.
- the deposition component 30 in the medium to be measured adheres to the surface (lower surface) 111 b of the sensor diaphragm 111 in contact with the medium to be measured, and the area of the peripheral portion 111 f of the sensor diaphragm 111 (outside the recess 111 c Region slightly flexes (stretches) toward the pressure introducing chamber side (contact surface of the medium to be measured) (downward in the figure), and the region of the central portion 111g (region of the recess 111c) is the capacitor chamber side (capacity chamber 20A ) Slightly bent (contracted) toward (the upper side in the figure).
- the deposition component 30 in the medium to be measured adheres to the surface (lower surface) 111b of the sensor diaphragm 111 in contact with the medium to be measured.
- the outer region slightly bends (contracts) toward the capacitor chamber side (capacity chamber 20A) (upper side in the figure), and the region of the central portion 111g (region of the recess 111c) is the pressure introducing chamber side (the measurement medium) It shows a slightly bent (stretched) state toward the contact surface (downward in the figure).
- the deflection of the sensor diaphragm 111 is, as shown in FIG. 4 or 5, depending on the material of the sensor diaphragm 111 and the type of the medium to be measured.
- the sensor is caused by the contraction or extension of the deposition component 30 in the measurement medium
- the sensor is caused by the contraction or extension of the deposition component 30 in the measurement medium
- the deposition component 30 in the medium to be measured adheres to the sensor diaphragm by forming the fine unevenness 111e on the bottom surface 111d of the recess 111c formed on the surface (lower surface) 111b in contact with the medium to be measured It is possible to divide the deposit into deposits corresponding to the depression, and the internal stress of the deposit substantially reduces the tensile or compressive force acting on the sensor diaphragm 111 depending on its component, It is possible to suppress the deflection in the thickness direction of the sensor diaphragm due to the internal stress. Thereby, the zero shift of the pressure sensor 10 can be suppressed more effectively.
- FIG. 6 shows a modification of the sensor diaphragm 111 according to the present invention shown in FIG.
- a conical recess (recess) 112c is formed on the lower surface, that is, the surface (lower surface) 112b on the pressure introducing chamber side (contact surface of the measurement medium) in contact with the measurement medium.
- the conical recess 112c is tapered from the peripheral portion 112f that forms the boundary between the sensor pedestal 17 and the end surfaces 17b and 16b as the diaphragm fixing portion of the spacer 16 and has a thickness that is continuous toward the central portion 112g. It is getting thinner.
- the thickness of the central portion 112g is approximately half that of the peripheral portion 112f.
- the shape of the recess (depression) 112c formed on the surface (lower surface) 112b of the sensor diaphragm 112 is the optimum opening according to the size (dimension of the opening area) of the opening of the recess (depression) 112c.
- the taper angle (depth) is designed.
- the thickness to be continuously reduced (tapered in thickness) from the peripheral portion 112 f forming the boundary with the diaphragm fixing portion on the capacitor chamber side toward the center of the sensor diaphragm 112
- the rigidity can be continuously reduced from the peripheral portion 112 f toward the central portion 112 g.
- the sensor diaphragm 112 is caused by the contraction or elongation of the deposition component (deposition). Bending in one direction can be suppressed.
- FIG. 7 shows another modification of the sensor diaphragm 111 according to the present invention shown in FIG.
- the sensor diaphragm 113 has a lower surface, that is, a peripheral edge forming a boundary with the diaphragm fixing portion on the capacitor chamber side on the surface (lower surface) 113b on the pressure introducing chamber side (contact surface of the medium to be measured) in contact with the medium to be measured.
- a step-shaped recess (depression) 113c is formed in such a manner that the diameter becomes smaller in a stepwise manner concentrically in a stepwise manner from 113f to the central portion 113g.
- the horizontal solid lines indicating the stepped portions are omitted for simplification and clarification of the illustration.
- the sensor diaphragm 113 is gradually reduced in thickness stepwise from the peripheral portion 113f toward the central portion 113g. Further, in the present embodiment, the thickness of the central portion 113g is approximately half that of the peripheral portion 113f.
- the shape of the recess (depression) 113c formed on the surface (lower surface) 113b of the sensor diaphragm 113 is an optimum opening according to the size (size of the opening area) of the opening of the recess (depression) 113c. Step (depth) is designed.
- the thickness may be continuously reduced to a predetermined thickness, for example, and thereafter the thickness may be constant (taper + planar), or may be gradually increased to a predetermined thickness. It may be thin, and then the thickness may be constant (stepwise + planar), or the thickness may be continuously reduced to a predetermined thickness, and then the thickness may be gradually reduced. (It may be tapered + stepped). Furthermore, the thickness may be gradually reduced to a predetermined thickness, and thereafter the thickness may be continuously reduced (stepped + tapered). You may form.
- the sensor diaphragm has a recess with a predetermined depth which continues from the peripheral edge to the central portion which is a boundary with the diaphragm fixing portion on the capacitor chamber side, and the width of this recess steps from the peripheral edge toward the central region It may be as wide as possible.
- the optimum depth of the opening is designed according to the size (size of the opening area) of the opening of the recess (depression) Just do it.
- the rigidity of the sensor diaphragm in the central portion lower than the peripheral portion forming the boundary with the diaphragm fixing portion on the capacitor chamber side, the surface of the sensor diaphragm in contact with the medium to be measured is contained in the medium to be measured. Even when components adhere and deposit, deflection in one direction of the sensor diaphragm due to contraction or extension of the deposit can be suppressed, and the zero shift of the pressure sensor can be suppressed.
- the rigidity is lowered from the peripheral edge bordering on the fixed portion on the capacitor chamber side of the sensor diaphragm constituting the pressure sensor chip toward the center.
- the materials on the center side and the peripheral edge are changed, and the material on the central side is a material having rigidity lower than that of the peripheral edge.
- this stiffness is defined by the Young's modulus and Poisson's ratio of the material.
- the structure of the pressure sensor according to the second embodiment is the same as the structure (see FIG. 1) described in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.
- the pressure sensor chip 20 is a spacer 16 formed of a thin plate having a rectangular shape in a plan view, and a pressure-sensitive diaphragm which is joined to the spacer 16 and generates strain in response to application of pressure.
- a sensor pedestal 17 which has the same outer shape as the spacer 16 and is joined to the sensor diaphragm 114 to form a vacuum volume chamber (reference chamber) 20A.
- the sensor pedestal 17 is formed with a recess 17a in the form of a circular hole on the lower surface, and this recess 17a is used as a volume chamber 20A.
- the vacuum volume chamber 20A and the reference vacuum chamber in the package for accommodating the pressure sensor chip 20 maintain the same degree of vacuum via a communication hole (not shown) drilled at an appropriate position of the sensor pedestal 17.
- a communication hole (not shown) drilled at an appropriate position of the sensor pedestal 17.
- a hole 16 a having substantially the same diameter as the recess 17 a of the sensor pedestal 17 is formed.
- the spacer 16, the sensor diaphragm 114, and the sensor pedestal 17 are bonded together by so-called direct bonding to constitute an integrated pressure sensor chip 20. Further, in the capacity chamber 20A of the pressure sensor chip 20, the pressure sensitive side fixed electrode 21 and the reference side fixed electrode 22 made of a conductor such as platinum are formed in the recess 17a of the sensor pedestal 17 and opposed thereto. On the surface (upper surface) 114 a of the sensor diaphragm 114, a pressure-sensitive movable electrode 23 and a reference movable electrode 24 made of a conductor such as platinum are formed.
- the pressure sensitive side fixed electrode 21 is formed in a central portion of the recess 17 a so as to be circular in plan view, and the reference side fixed electrode 22 is separated from the pressure sensitive side fixed electrode 21 so as to substantially surround the periphery thereof. It is concentrically formed to form a viewing arc.
- the pressure-sensitive movable electrode 23 and the reference-side movable electrode 24 respectively have shapes corresponding to the pressure-sensitive fixed electrode 21 and the reference fixed electrode 22 so as to face each other, and the surface of the sensor diaphragm 114 on the side of the capacitance chamber 20A Upper surface) 114a is formed.
- the pressure-sensitive side movable electrode 23 is formed on the upper surface of a glass plate 115 provided on the surface (upper surface) 114 a of the sensor diaphragm 114 described later on the side of the capacitive chamber 20A.
- the pressure-sensitive fixed electrode 21 and the pressure-sensitive movable electrode 23 are highly sensitive to pressure and play a role in performing pressure measurement, while the reference fixed electrode 22 and the reference movable electrode 24 have pressure. It has a low sensitivity and serves to correct the dielectric constant between the electrodes.
- electrode extraction pads are deposited on the four corners of the upper surface of the pressure sensor chip 20, respectively. These electrode extraction pads are the pressure sensitive side fixed electrode extraction pad 25, the pressure sensitive side movable electrode extraction pad 26, the reference side fixed electrode extraction pad 27, and the reference side movable electrode extraction pad 28.
- the pressure-sensitive fixed electrode 21 and the pressure-sensitive fixed electrode lead-out pad 25 are electrically connected to each other via a conductor formed in the electrode lead-out hole.
- the four electrode lead portions are provided corresponding to each electrode lead-out pad, and are provided with electrode lead pins and a metal shield, and the electrode lead pins are made of a metal shield by a hermetic seal made of an insulating material such as glass.
- the central portion is embedded and kept airtight between both ends of the electrode lead pin.
- one end of the electrode lead pin is exposed to the outside of the package, and the output of the pressure sensor 10 is transmitted to an external signal processing unit by a wire (not shown).
- a hermetic seal intervenes between the shield and the package cover.
- the sensor diaphragm 114 has a plate whose outer shape is the same as the outer shape of the spacer 16, and a circular recess (a central portion 114g of the surface (upper surface) 114a of the upper surface, that is, the capacitor chamber 20A) in FIG. A recess 114c is formed.
- a disc-shaped glass plate 115 is fitted and fixed flush with the upper surface 114 a of the sensor diaphragm 114 in the recess 114 c.
- Glass made of a material different from that of the sensor diaphragm 114 is used for the glass plate 115, and glass made of a material whose rigidity is lower than that of the sensor diaphragm 114 is used.
- the sensor diaphragm 114 is formed of sapphire as an example, and the glass plate 115 is formed of, for example, quartz glass.
- the rigidity of the sensor diaphragm 114 can be obtained from the peripheral portion 114f. It can be lowered towards the central portion 114g.
- the rigidity is defined by the Young's modulus and Poisson's ratio of the materials of the sensor diaphragm 114 and the glass plate 115.
- Table flexural rigidity of the plate D, and the plate thickness h, in elastic modulus when the (Young's modulus) of E, a Poisson's ratio [nu, the flexural rigidity D of the plate, D Eh 3/12 ( 1- ⁇ 2) Be done. Therefore, by selecting the material of the plate-like sensor diaphragm 114 and the material of the glass plate 115, the rigidity of the sensor diaphragm 114 can be lowered from the peripheral portion 114f toward the central portion 114g.
- the lower surface of the sensor diaphragm 114 that is, the surface (lower surface) 114b on the pressure introducing chamber side (contact surface of the measurement medium) in contact with the measurement medium.
- a fine asperity 114e is formed over the entire surface from the peripheral edge portion to the central portion bordering with the recess portion 17a of the sensor pedestal 17 and the inner peripheral surface of the hole 16a of the spacer 16.
- the unevenness 114e is formed by a known micromachining technique.
- the sensor diaphragm 114 is made of sapphire, but the present invention is not limited to this, and other members such as a nickel alloy having corrosion resistance, silicon or other ceramics may be used.
- the sensor diaphragm 114 is sandwiched between the sensor pedestal 17 on the side of the capacitor chamber and the spacer 16 on the side of the pressure introducing chamber and joined and fixed to the sensor pedestal 17 and the end faces 17 b and 16 b of the spacer 16. .
- the sensor diaphragm 114 is lower in rigidity of the central portion 114g than the rigidity of the inner peripheral portion 114f with the inner periphery of the sensor pedestal 17 and the spacer 16 as a boundary.
- the deposition component 30 in the medium to be measured adheres to the surface (lower surface) 114b of the sensor diaphragm 114 in contact with the medium to be measured, and the area of the peripheral portion 114f of the sensor diaphragm 114 (outside the recess 114c) Area slightly flexes (stretches) toward the pressure introducing chamber side (the contact surface side of the medium to be measured and downward in FIG. 10), and the area of the central portion 114g (area of the recess 114c) The state slightly bent (contracted) toward the volume chamber 20A) (upward in FIG. 10) is shown.
- the deposition component 30 in the medium to be measured adheres to the surface (lower surface) 114b of the sensor diaphragm 114 in contact with the medium to be measured, and the area of the peripheral portion 114f of the sensor diaphragm 114 (the recess 114c The outer region) is slightly bent (contracted) toward the capacitor chamber side (the side of the capacity chamber 20A and upward in FIG. 11), and the region of the central portion 114g (the region of the recess 114c) is the pressure introducing chamber side It shows a state of being slightly bent (stretched) toward the contact surface side of the measurement medium and downward in FIG.
- the deflection of the sensor diaphragm 114 is, as shown in FIG. 10 or 11, depending on the material of the sensor diaphragm 114 and the glass plate 115 and the type of the medium to be measured.
- the sensor is caused by the contraction or extension of the deposition component 30 in the measurement medium
- the sensor is caused by the contraction or extension of the deposition component 30 in the measurement medium
- the deposition component 30 in the medium to be measured adheres to the sensor diaphragm 114 by forming the fine unevenness 114 e on the surface (lower surface) 114 b in contact with the medium to be measured, the deposition component 30 is It becomes possible to divide the deposit into pieces corresponding to the depression, and the internal stress of the deposit substantially reduces the tensile force or compressive force acting on the sensor diaphragm 114 depending on the component, and the sensor resulting from this internal stress Deflection of the diaphragm 114 in the thickness direction can be suppressed. Thereby, the zero shift of the pressure sensor 10 can be suppressed more effectively.
- the glass plate 115 is fitted and fixed to the concave portion 114c provided on the upper surface 114a of the sensor diaphragm 114 so that the central portion has a two-layer structure so that the rigidity decreases from the peripheral portion toward the central portion.
- the invention is not limited to this, and it is also possible to have a multilayer structure of three or more layer structure.
- the peripheral portion forming the boundary with the diaphragm fixing portion on the capacitor chamber side and the central portion are made of different materials, and the material of the central portion is a material having rigidity lower than that of the peripheral portion. Even when the component in the medium to be measured adheres to and is deposited on the surface of the sensor diaphragm in contact with the medium to be measured, it is possible to suppress the deflection in one direction of the sensor diaphragm due to the contraction or extension of the deposit. Zero shift of the pressure sensor can be suppressed.
- the concave portion 114c is formed on the upper surface 114a of the sensor diaphragm 114 to fit and fix the glass plate 115, and the pressure-sensitive movable electrode 23 is formed on the upper surface of the glass plate 115.
- the material of the sensor diaphragm 114 having the contact surface of the gas on one side is sapphire which is excellent in corrosion resistance Because of
- a concave portion is formed on the lower surface 114b of the sensor diaphragm 114 which makes a contact surface with the medium to be fitted.
- the function of the present invention can be exhibited. Further, even in the embodiment in which a concave portion is formed on the lower surface 114b of the sensor diaphragm 114 and the plate is fitted and fixed, the plate of the present invention can be obtained by using a plate made of corrosion resistant material instead of the glass plate 115. It is possible to exert an action.
- the senor diaphragm 114 is made concave and the sensor pedestal 17 is formed into a plate shape, and the space defined by the sensor diaphragm and the sensor pedestal is used as a capacitor chamber, the present invention is applied. It is possible to do.
- the function of the present invention can be exhibited even in a form integral with the sensor diaphragm.
- the diaphragm may be edged to form an integral product.
Abstract
【課題】被測定媒体が感圧ダイアフラムに付着して堆積した場合でも感圧ダイアフラムの撓みを抑制して零点シフトを抑制するようにした静電容量型圧力センサを提供する。 【解決手段】被測定媒体の圧力に応じた静電容量を検出するダイアフラム構造の圧力センサチップを備えた静電容量型圧力センサ１０において、圧力センサのセンサダイアフラム１１１の一面１１１ｂは被測定媒体を導入する圧力導入室側をなし、他面１１１ａはコンデンサ部を形成するコンデンサ室側をなし、センサダイアフラムはコンデンサ室側のダイアフラム固定部１６，１７との境界をなす周縁部１１１ｆから中央部１１１ｇに向って剛性が低くなっている。
Description
本発明は、被測定媒体の圧力に応じた静電容量を検出するダイアフラム構造の圧力センサチップを備えた静電容量型圧力センサに関する。
従来から被測定圧力の変化を静電容量の変化として検出する隔膜式の圧力センサは広く知られている。係る圧力センサの一例として、真空チャンバと隔膜真空計との連通孔にフィルタを被せることにより、未反応生成物や副反応生成物及びパーティクル等が真空チャンバから真空計内に入るのを防止し、これらの堆積成分が隔膜センサを構成する感圧ダイアフラムに付着して堆積することを防ぐようにした隔膜式センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。
上記構成の隔膜式センサにおいては、被測定媒体に含まれる未反応生成物や副反応生成物及びパーティクル等であって直進性の高い堆積成分の感圧ダイアフラムへの付着を回避することは可能であるが、測定圧を感圧ダイアフラムに導く必要上、フィルタによって堆積成分を完全に排除することは不可能である。
係る被測定媒体中の堆積成分の一部が感圧ダイアフラムと接触する面に堆積すると、感圧ダイアフラムを一方向に撓ませこととなり、零点シフト（零点移動）が発生する。即ち、感圧ダイアフラムに付着した堆積物は、その成分に応じて付着後に圧縮応力又は引っ張り応力等の内部応力を発生し、これに伴い感圧ダイアフラムの被測定媒体と接触する側も引っ張られたり圧縮されたりして、感圧ダイアフラムの厚さ方向での力のバランスが崩れる。これにより、被測定媒体側若しくはこれと反対側が凸状となるように感圧ダイアフラムに撓みが発生する。
被測定媒体ごとに異なる堆積物と感圧ダイアフラムの材料を常に一致させることは不可能であり、かつ堆積物と感圧ダイアフラムの原子の配列が、ミクロ的に完全に一致することは稀有であるため、堆積物は、通常上述したように収縮若しくは伸長を生じることとなる。そして、感圧ダイアフラムの撓みは、感圧ダイアフラムに堆積する堆積物が多くなる程大きくなる。
静電容量型圧力センサにおいては、感圧ダイアフラムの撓みにより変化する静電容量に基づいて圧力差を検出しているので、上述した現象により感圧ダイアフラムの両側で圧力差がない状態でも、「差がある」との信号を検出することとなり、いわゆる零点シフトと呼ばれる零点誤差を生じるようになる。このため、測定誤差を生じるという問題が発生する。これに伴い、感圧ダイアフラム、即ち隔膜式センサの交換頻度が高くなり、耐久性の低下及び費用が嵩むという問題も発生する。
本発明の目的は、被測定媒体が感圧ダイアフラムに付着して堆積した場合でも感圧ダイアフラムの撓みを抑制して零点シフトを極力生じさせないようにした静電容量型圧力センサを提供することにある。
（１）上述した課題を解決するために、本発明に係る静電容量型圧力センサは、被測定媒体の圧力に応じた静電容量を検出する圧力センサチップを備えた静電容量型圧力センサにおいて、前記圧力センサのセンサダイアフラムの一面は前記被測定媒体を導入する圧力導入室側をなし、他面はコンデンサ部を形成するコンデンサ室側をなし、前記センサダイアフラムは、前記コンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁部から中央部に向って剛性が低くなっていることを特徴としている。
コンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁部よりも中央部のセンサダイアフラムの剛性を低くすることで、センサダイアフラムの被測定媒体と接触する面に被測定媒体中の成分が付着して堆積した場合でも堆積物の内部応力に起因するセンサダイアフラムの一方向への撓みを抑制することができ、圧力センサの零点シフトを抑えることができる。
本発明は所望により以下の態様を備えていてもよい。
（２）上記（１）に記載の静電型圧力センサにおいて、前記センサダイアフラムは、前記コンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁部から中央部に向って厚さが薄くなっていること。
（２）上記（１）に記載の静電型圧力センサにおいて、前記センサダイアフラムは、前記コンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁部から中央部に向って厚さが薄くなっていること。
上記（２）の態様によれば、コンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁部よりも中央部の厚さを周縁の厚さよりも薄くすることで中央部の剛性を低くすることができる。これにより、センサダイアフラムの被測定媒体と接触する面に被測定媒体中の成分が付着して堆積した場合でも堆積物の内部応力に起因するセンサダイアフラムの一方向への撓みを抑制することができる。
（３）上記（２）に記載の静電型圧力センサにおいて、前記センサダイアフラムは、前記コンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁部から中央部に向かって連続的に厚さが薄くなっていること。
上記（３）の態様によれば、コンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁部からセンサダイアフラムの中央部に向って連続的に厚さを薄くする（テーパ状に薄くする）ように形成する）ことで、周縁部から中央部に向って剛性を連続的に低くすることができる。これにより、センサダイアフラムの被測定媒体と接触する面に被測定媒体中の成分が付着して堆積した場合でも堆積物の内部応力に起因するセンサダイアフラムの一方向への撓みを抑制することができる。
（４）上記（２）に記載の静電型圧力センサにおいて、前記センサダイアフラムは、前記コンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁部から中央部に向かって段階的に厚さが薄くなっていること。
上記（４）の態様によれば、コンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁部からセンサダイアフラムの中央部に向って段階的に薄くする（階段状に薄くするように形成する）ことで、周縁部から中央部に向って剛性を順次低くすることができる。
（５）上記（２）～（４）の何れかに記載の静電型圧力センサにおいて、前記センサダイアフラムは前記圧力導入室側の被測定媒体導入方向から見て、所定の窪みを有すること。
上記（５）の態様によれば、センサダイアフラムの被測定媒体と接触する面に所定の窪みを形成することで、センサダイアフラムに被測定媒体中の堆積成分が付着して堆積した場合に、この堆積物を窪みに応じた堆積片に分断する。その結果、従来は、堆積物の内部応力が被測定媒体の成分に応じてセンサダイアフラムに作用する引っ張り力又は圧縮力として発生していたが、本発明によるとその引っ張り力と圧縮力を軽減し、この内部応力に起因するセンサダイアフラムの厚み方向の撓みを抑制する。
（６）上記（５）に記載の静電型圧力センサにおいて、前記センサダイアフラムは、前記コンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁部から中央部方向に向かって連続する所定の深さの窪みを有し、前記窪みの幅が前記周縁部から中央部に向かって、段階的に広くなっていること。
上記（６）の態様によれば、センサダイアフラムの被測定媒体と接触する面に周縁部から中央部に向かって連続する所定の深さの窪みを有し、窪みの幅を周縁部から中央部に向かって段階的に広くすることで、周縁部から中央部に向って剛性を連続的に低くすることができる。また、センサダイアフラムに被測定媒体中の堆積成分が付着して堆積した場合に、この堆積物を階段状の堆積片に分断する。その結果、従来は、堆積物の内部応力が被測定媒体の成分に応じてセンサダイアフラムに作用する引っ張り力又は圧縮力として発生していたが、本発明によるとその引っ張り力と圧縮力を軽減し、この内部応力に起因するセンサダイアフラムの厚み方向の撓みを抑制する。
（７）上記（１）に記載の静電型圧力センサにおいて、前記コンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす前記センサダイアフラムの周縁部と前記センサダイアフラムの中央部と異なる材料から成り、前記中央部の材料は、前記周縁部の材料よりも剛性の低い材料であること。
上記（７）の態様によれば、コンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁部と中央部とが異なる材料から成り、中央部の材料は、周縁部の材料よりも剛性の低い材料とすることで、センサダイアフラムの被測定媒体と接触する面に被測定媒体中の成分が付着して堆積した場合でも堆積物の内部応力に起因するセンサダイアフラムの一方向への撓みを抑制することができ、圧力センサの零点シフトを抑えることができる。
（８）上記（１）に記載の静電型圧力センサにおいて、前記コンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす前記センサダイアフラムの周縁部は同一材料で構成すると共に、前記センサダイアフラムの中央部は異なる材料から成る二層構造とし、当該センサダイアフラムの圧力導入室側は前記周縁部と同一材料からなり、かつ当該センサダイアフラムのコンデンサ室側は前記周縁部の材料よりも剛性の低い材料からなること。
上記（８）の態様によれば、コンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁部は同一材料で構成すると共に、中央部は異なる材料から成る二層構造とし、センサダイアフラムの圧力導入室側は周縁部と同一材料であり、かつセンサダイアフラムのコンデンサ室側は周縁部の材料よりも剛性の低い材料とすることで、センサダイアフラムの被測定媒体と接触する面に被測定媒体中の成分が付着して堆積した場合でも堆積物の内部応力に起因するセンサダイアフラムの一方向への撓みを抑制することができる。
（９）上記（７）又は（８）に記載の静電型圧力センサにおいて、前記剛性は、前記材料のヤング率とポアソン比とから定まること。
上記（９）の態様によれば、周縁部と中央部の材質が異なる二層構造のセンサダイアフラムの剛性を各材料のヤング率とポアソン比とから定めることにより、中央部の剛性を周縁部の剛性よりも低くすることができる。これにより、センサダイアフラムの被測定媒体と接触する面に被測定媒体中の成分が付着して堆積した場合でも堆積物の内部応力に起因するセンサダイアフラムの一方向への撓みを抑制することができる。
（１０）上記（７）又は（８）に記載の静電型圧力センサにおいて、前記センサダイアフラムの前記周縁部の材料はサファイアであり、前記中央部の材料は石英ガラスであること。
上記（１０）の態様によれば、ダイアフラムの周縁部の材料をサファイアとし、中央部の材料をサファイアよりも剛性の低い石英ガラスとすることにより、中央部の剛性を周縁部の剛性よりも低くすることができる。
（１１）上記（７）又は（８）に記載の静電型圧力センサにおいて、前記センサダイアフラムは前記圧力導入室側の被測定媒体導入方向から見て、所定の窪みを有すること。
上記（１１）の態様によれば、センサダイアフラムの被測定媒体と接触する面に所定の窪みを形成することで、センサダイアフラムに被測定媒体中の堆積成分が付着して堆積した場合に、この堆積物を窪みに応じた堆積片に分断する。その結果、従来は、堆積物の内部応力が被測定媒体の成分に応じてセンサダイアフラムに作用する引っ張り力又は圧縮力として発生していたが、本発明によるとその引っ張り力と圧縮力を軽減し、この内部応力に起因するセンサダイアフラムの厚み方向の撓みを抑制する。
センサダイアフラムの被測定媒体と接触する面に被測定媒体中の堆積成分が付着して堆積しても堆積物の内部応力に起因するセンサダイアフラムの一方向への撓みを抑制することができ、圧力センサの零点シフトを抑えることができる。また、センサダイアフラムの構成を簡略化することができる。
次に本発明の好適な実施の形態を図面を参照しながら説明する。各図面に示される構造は例示であり、寸法および比率に限定はなく、仕様に応じて適宜設計変更して用いることが可能である。また、図面間で同じ構成については同一の符号を付すこととし、説明を適宜省略する。
（実施形態１）
以下、本発明の実施形態１に係る静電容量型圧力センサ（以下単に「圧力センサ」という）について図面に基づいて説明する。本実施形態１の概要を説明すると、圧力センサチップを構成するセンサダイアフラムのコンデンサ室側の固定部と境界をなす周縁部と中央部の形状を変えることにより実現する。基本的構成として、中央部の厚みを周縁部よりも薄くすることで、中央部の剛性を周縁部の剛性よりも低くする。
以下、本発明の実施形態１に係る静電容量型圧力センサ（以下単に「圧力センサ」という）について図面に基づいて説明する。本実施形態１の概要を説明すると、圧力センサチップを構成するセンサダイアフラムのコンデンサ室側の固定部と境界をなす周縁部と中央部の形状を変えることにより実現する。基本的構成として、中央部の厚みを周縁部よりも薄くすることで、中央部の剛性を周縁部の剛性よりも低くする。
[圧力センサの構造]
図１は、本発明の静電容量型圧力センサの基本となる圧力センサの圧力センサチップの切欠断面図を示すもので、圧力センサ１０は、図示しないパッケージ内に収容された台座プレート１１と、同じくパッケージ内に収容され台座プレート１１に接合された圧力センサチップ２０と、前記パッケージに直接取付けられ当該パッケージの内外を導通接続する図示しない電極リード部とを備えている。また、台座プレート１１は、前記パッケージに対して離間しており、支持ダイアフラム１５のみを介して前記パッケージに支持されている。前記パッケージは、耐食性金属である例えばニッケル合金からなり、それぞれ溶接により接合されている。
図１は、本発明の静電容量型圧力センサの基本となる圧力センサの圧力センサチップの切欠断面図を示すもので、圧力センサ１０は、図示しないパッケージ内に収容された台座プレート１１と、同じくパッケージ内に収容され台座プレート１１に接合された圧力センサチップ２０と、前記パッケージに直接取付けられ当該パッケージの内外を導通接続する図示しない電極リード部とを備えている。また、台座プレート１１は、前記パッケージに対して離間しており、支持ダイアフラム１５のみを介して前記パッケージに支持されている。前記パッケージは、耐食性金属である例えばニッケル合金からなり、それぞれ溶接により接合されている。
支持ダイアフラム１５は前記パッケージの形状に合わせた外形形状を有するニッケル合金の薄板からなり、周囲縁部は前記パッケージのロアハウジングとアッパーハウジングの縁部に挟まれて溶接等により接合されている。
なお、支持ダイアフラム１５の厚さは、例えば本実施形態の場合数十μｍであって、台座プレート１１を形成するロア台座プレート１２、アッパー台座プレート１３より充分薄い厚さとなっている。また、支持ダイアフラム１５の中央部分には、圧力センサチップ２０に圧力を導くための圧力導入孔１５ａが形成されている。
支持ダイアフラム１５の両面には、支持ダイアフラム１５と前記パッケージの接合部から周方向全体に亘って或る程度離間した位置に酸化アルミニウムの単結晶体であるサファイアからなる薄いリング状のロア台座プレート１２とアッパー台座プレート１３が接合されている。
なお、台座プレート１２，１３は、支持ダイアフラム１５の厚さに対して上述の通り十分に厚くなっており、かつ支持ダイアフラム１５を両台座プレート１２，１３でいわゆるサンドイッチ状に挟み込む構造を有している。これによって、支持ダイアフラム１５の台座プレート１１の熱膨張率の違いによって発生する熱応力でこの部分が反るのを防止している。
また、アッパー台座プレート１３には酸化アルミニウムの単結晶体であるサファイアでできた上面視矩形状の圧力センサチップ２０が接合後にスペーサ１６やアッパー台座プレート１３と同一の材料に変化する酸化アルミニウムベースの接合材を介して接合されている。なお、この接合方法については、特開２００２－１１１０１１号公報において詳しく記載されているので、ここでの詳細な説明を省略する。
圧力センサチップ２０は、平面視矩形状の薄板からなるスペーサ１６と、スペーサ１６に接合されかつ圧力の印加に応じて歪が生じる感圧ダイアフラムとしてのセンサダイアフラム１１１と、外形がスペーサ１６と同じでセンサダイアフラム１１１に接合して真空の容量室（リファレンス室）２０Ａを形成するセンサ台座１７を有している。センサ台座１７は、下面に円形の穴状をなす凹み部１７ａが形成されており、この凹み部１７ａが容量室２０Ａとされている。また、真空の容量室２０Ａと圧力センサチップ２０を収容する前記パッケージ内の基準真空室とはセンサ台座１７の適所に穿設された図示しない連通孔を介して双方共同一の真空度を保っている。また、スペーサ１６には穴１６ａが形成されている。センサ台座１７の凹み部１７ａとスペーサ１６の穴１６ａとは、略同径であることが好ましい。
スペーサ１６、センサダイアフラム１１１、及びセンサ台座１７はいわゆる直接接合によって互いに接合され、一体化した圧力センサチップ２０を構成している。また、圧力センサチップ２０の容量室２０Ａには、センサ台座１７の凹み部１７ａに白金等の導体でできた感圧側固定電極２１、参照側固定電極２２が形成されているとともに、これと対向するセンサダイアフラム１１１の表面（上面）１１１ａ上に白金等の導体でできた感圧側可動電極２３、参照側可動電極２４が形成されている。
なお、感圧側固定電極２１は、凹み部１７ａの中央部に平面視で円形をなして形成され、参照側固定電極２２は感圧側固定電極２１と離間してこれの周囲をほぼ囲むように平面視円弧をなして同心状に形成されている。
また、感圧側可動電極２３及び参照側可動電極２４は、それぞれ感圧側固定電極２１及び参照側固定電極２２と対向配置するようにそれぞれ対応する形状をなしてセンサダイアフラム１１１の容量室２０Ａ側表面（上面）１１１ａに形成されている。そして、感圧側固定電極２１と感圧側可動電極２３は、圧力に対して高感度であって、圧力測定を行う役目を果たす一方、参照側固定電極２２と参照側可動電極２４は圧力に対して低感度であって電極間の誘電率を補正する役目を果たしている。
また、圧力センサチップ２０の上面四隅には、それぞれ電極取り出し用パッドが蒸着されている。これらの電極取り出し用パッドは、感圧側固定電極取り出し用パッド２５、感圧側可動電極取り出し用パッド２６、参照側固定電極取り出し用パッド２７、参照側可動電極取り出し用パッド２８である。そして、感圧側固定電極２１と感圧側固定電極取り出し用パッド２５は電極取り出し穴に成膜された導体を介して電気的に接続されている。
同様に、参照側固定電極２２と参照側固定電極取り出し用パッド２７、感圧側可動電極２３と感圧側可動電極取り出し用パッド２６、参照側可動電極２４と参照側可動電極取り出し用パッド２８もそれぞれ電極取り出し穴に成膜された導体を介して個別に電気的に接続されている。
前記電極リード部は、各電極取り出し用パッドに対応して４本設けられ、電極リードピンと金属製のシールドを備え、電極リードピンは金属製のシールドにガラスなどの絶縁性材料からなるハーメチックシールによってその中央部分が埋設され、電極リードピンの両端部間で気密状態を保っている。
そして、電極リードピンの一端は前記パッケージの外部に露出して図示しない配線によって圧力センサ１０の出力を外部の信号処理部に伝達するようになっている。なお、前記シールドとパッケージのカバーとの間にもハーメチックシールが介在している。
[実施形態１に係るセンサダイアフラムの構造]
次に、図２を参照しながら、本発明に関連するセンサダイアフラム１１１の構造について説明する。センサダイアフラム１１１は、外形がスペーサ１６の外形と同じ板体をなし、図２において下側の面、即ち被測定媒体と接触する圧力導入室側（被測定媒体の接触面）の面（下面）１１１ｂには円形の凹部（窪み）１１１ｃが形成されている。凹部１１１ｃの開口部の大きさは、センサダイアフラム１１１の被測定媒体と接触する領域の径の略半分程度で、凹部１１１cの開口部の深さは板厚の１／１０程度である。なお、凹部１１１cの開口部の大きさと深さの組み合わせは、本実施例に限定されるものではなく、凹部１１１cの開口部の大きさ（開口領域の寸法）に対して、最適な深さが設計される。
次に、図２を参照しながら、本発明に関連するセンサダイアフラム１１１の構造について説明する。センサダイアフラム１１１は、外形がスペーサ１６の外形と同じ板体をなし、図２において下側の面、即ち被測定媒体と接触する圧力導入室側（被測定媒体の接触面）の面（下面）１１１ｂには円形の凹部（窪み）１１１ｃが形成されている。凹部１１１ｃの開口部の大きさは、センサダイアフラム１１１の被測定媒体と接触する領域の径の略半分程度で、凹部１１１cの開口部の深さは板厚の１／１０程度である。なお、凹部１１１cの開口部の大きさと深さの組み合わせは、本実施例に限定されるものではなく、凹部１１１cの開口部の大きさ（開口領域の寸法）に対して、最適な深さが設計される。
また、図３に一部拡大して示すように、凹部１１１ｃの底面１１１ｄにはセンサ台座１７の凹み部１７ａ及びスペーサ１６の穴１６ａの内周面と境界をなす周縁部から中央部まで全面に亘り、微細な凹凸１１１ｅが形成されている。この凹凸１１１ｅは、公知のマイクロマシニング技術によって形成される。センサダイアフラム１１１は、前述したようにサファイアにより形成されているが、これに限るものではなく他の部材、例えば耐食性を有するニッケル合金を使用しても良い。
センサダイアフラム１１１は、コンデンサ室側のセンサ台座１７、圧力導入室側のスペーサ１６との間にサンドイッチ状に挟持され、周縁部がこれらのセンサ台座１７、スペーサ１６の端面１７ｂ，１６ｂに接合固定されている。従って、センサダイアフラム１１１は、当該センサダイアフラム１１１の固定部としてのセンサ台座１７の円形の凹み部１７ａ、スペーサ１６の穴１６ａとの境界をなす周縁部１１１ｆから凹部１１１ｃまでの領域の厚さよりも中央部１１１ｇの厚さが薄くなっている。即ち、センサダイアフラム１１１は、周縁部１１１ｆの剛性よりも中央部１１１ｇの剛性が低くなっている。
図４は、センサダイアフラム１１１の被測定媒体と接触する面（下面）１１１ｂに被測定媒体中の堆積成分３０が付着して堆積し、センサダイアフラム１１１の周縁部１１１ｆの領域（凹部１１１ｃの外側の領域）が圧力導入室側（被測定媒体の接触面）（図中下方）に向って僅かに撓み（伸張し）、中央部１１１ｇの領域（凹部１１１ｃの領域）がコンデンサ室側（容量室２０Ａ）（図中上方）に向って僅かに撓んだ（収縮した）状態を示す。
また、図５は、センサダイアフラム１１１の被測定媒体と接触する面（下面）１１１ｂに被測定媒体中の堆積成分３０が付着して堆積し、センサダイアフラム１１１の周縁部１１１ｆの領域（凹部１１１ｃの外側の領域）がコンデンサ室側（容量室２０Ａ）（図中上方）に向って僅かに撓み（収縮し）、中央部１１１ｇの領域（凹部１１１ｃの領域）が圧力導入室側（被測定媒体の接触面）（図中下方）に向って僅かに撓んだ（伸張した）状態を示す。
前述したように被測定媒体ごとに異なる堆積物とセンサダイアフラム１１１の材料を常に一致させることは不可能であり、かつ堆積物とセンサダイアフラムの原子の配列がミクロ的に完全に一致することは稀有であるため、堆積物は、通常上述したように収縮若しくは伸長を生じることとなる。そして、感圧ダイアフラムの撓みは、感圧ダイアフラムに堆積する堆積物が多くなる程大きくなる。従って、センサダイアフラム１１１の撓みは、当該センサダイアフラム１１１の材質及び被測定媒体の種類により図４或いは図５に示すように撓むことになる。
このように、センサダイアフラム１１１の被測定媒体と接触する面１１１ｂに被測定媒体中の堆積成分３０が付着して堆積した場合でも、被測定媒体中の堆積成分３０の収縮又は伸長に起因するセンサダイアフラム１１１の一方向への撓みを抑制することにより、対向する感圧側固定電極２１と感圧側可動電極２３、参照側固定電極２２と参照側可動電極２４との間隔の変化を少なくすることが可能となり、圧力センサ１０の零点シフトを抑えることができる。
また、被測定媒体と接触する面（下面）１１１ｂに形成した凹部１１１ｃの底面１１１ｄに微細な凹凸１１１ｅを形成することにより、センサダイアフラムに被測定媒体中の堆積成分３０が付着して堆積した場合に、この堆積物を窪みに応じた堆積片に分断することが可能となり、堆積物の内部応力がその成分に応じてセンサダイアフラム１１１に作用する引っ張り力又は圧縮力を実質的に軽減し、この内部応力に起因するセンサダイアフラムの厚み方向の撓みを抑制することが可能となる。これにより、圧力センサ１０の零点シフトをより有効に抑えることができる。
[変形例に係るセンサダイアフラムの構造]
図６は、図３に示した本発明に係るセンサダイアフラム１１１の変形例を示している。センサダイアフラム１１２は、下側の面、即ち被測定媒体と接触する圧力導入室側（被測定媒体の接触面）の面（下面）１１２ｂに円錐形の凹部（窪み）１１２ｃが形成されている。この円錐形の凹部１１２ｃは、センサ台座１７、スペーサ１６のダイアフラム固定部としての端面１７ｂ、１６ｂとの境界をなす周縁部１１２ｆから中央部１１２ｇに向かってテーパ状をなして連続的に厚さが薄くなっている。そして、本実施例では中央部１１２ｇにおける板厚が周縁部１１２ｆの板厚の略半分程度となっている。なお、センサダイアフラム１１２の面（下面）１１２ｂに形成され凹部（窪み）１１２ｃの形状については、凹部（窪み）１１２ｃの開口部の大きさ（開口領域の寸法）に応じて、最適な開口部のテーパ角度（深さ）が設計される。
図６は、図３に示した本発明に係るセンサダイアフラム１１１の変形例を示している。センサダイアフラム１１２は、下側の面、即ち被測定媒体と接触する圧力導入室側（被測定媒体の接触面）の面（下面）１１２ｂに円錐形の凹部（窪み）１１２ｃが形成されている。この円錐形の凹部１１２ｃは、センサ台座１７、スペーサ１６のダイアフラム固定部としての端面１７ｂ、１６ｂとの境界をなす周縁部１１２ｆから中央部１１２ｇに向かってテーパ状をなして連続的に厚さが薄くなっている。そして、本実施例では中央部１１２ｇにおける板厚が周縁部１１２ｆの板厚の略半分程度となっている。なお、センサダイアフラム１１２の面（下面）１１２ｂに形成され凹部（窪み）１１２ｃの形状については、凹部（窪み）１１２ｃの開口部の大きさ（開口領域の寸法）に応じて、最適な開口部のテーパ角度（深さ）が設計される。
このように、コンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁部１１２ｆからセンサダイアフラム１１２の中心に向って連続的に厚さを薄くする（テーパ状に薄くする）ように形成することで、周縁部１１２ｆから中央部１１２ｇに向って剛性を連続的に低くすることができる。これにより、センサダイアフラム１１２の被測定媒体と接触する面（下面）１１２ｂに被測定媒体中の堆積成分が付着して堆積した場合でも堆積成分（堆積物）の収縮又は伸長に起因するセンサダイアフラム１１２の一方向への撓みを抑制することができる。なお、この凹部１１２ｃの表面（テーパ面）にも図３に示すような凹凸を形成しても良い。
[他の変形例に係るセンサダイアフラムの構造]
図７は、図３に示した本発明に係るセンサダイアフラム１１１の他の変形例を示している。センサダイアフラム１１３は、下側の面、即ち被測定媒体と接触する圧力導入室側（被測定媒体の接触面）の面（下面）１１３ｂにコンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁部１１３ｆから中央部１１３ｇに向かって階段状に同心的に順次小径となる階段状の凹部（窪み）１１３ｃが形成されている。なお、図７においては図示の簡略化と明確化を図るために段部を示す横方向の実線については省略して示している。
図７は、図３に示した本発明に係るセンサダイアフラム１１１の他の変形例を示している。センサダイアフラム１１３は、下側の面、即ち被測定媒体と接触する圧力導入室側（被測定媒体の接触面）の面（下面）１１３ｂにコンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁部１１３ｆから中央部１１３ｇに向かって階段状に同心的に順次小径となる階段状の凹部（窪み）１１３ｃが形成されている。なお、図７においては図示の簡略化と明確化を図るために段部を示す横方向の実線については省略して示している。
即ち、図７に示す他の変形例においては、センサダイアフラム１１３は、周縁部１１３ｆから中央部１１３ｇに向って段階的に厚さが順次薄くなっている。そして、本実施例では中央部１１３ｇにおける板厚が周縁部１１３ｆの板厚の略半分程度となっている。なお、センサダイアフラム１１３の面（下面）１１３ｂに形成される凹部（窪み）１１３ｃの形状については、凹部（窪み）１１３ｃの開口部の大きさ（開口領域の寸法）に応じて、最適な開口部の段差（深さ）が設計される。
このように、コンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁部１１３ｆから中央部１１３ｇに向って段階的に薄くする（階段状に薄くする）ことで、周縁部１１３ｆから中央部１１３ｇに向って剛性を順次低くすることができる。これにより、センサダイアフラム１１３の被測定媒体と接触する面（下面）１１３ｂに被測定媒体中の堆積成分が付着して堆積した場合でも堆積成分（堆積物）の収縮又は伸長に起因するセンサダイアフラム１１３の一方向への撓みを抑制することができる。なお、この凹部１１３ｃの表面（段差面）にも図３に示すような凹凸を形成しても良い。更に、段差の幅を周縁から中心に向うにつれて順次広くするようにしても良い。
なお、センサダイアフラムの形状としては、図３に示す底面が平坦な凹部１１１ｃ、図６に示すテーパ状の凹部１１２ｃ、及び図７に示す階段状の凹部１１３ｃを形成したが、これに限るものではなく他の形状、例えば所定の厚さまで連続的に厚さが薄く、その後は厚さが一定となる（テーパ状＋平面状とする）ようにしても良く、或いは所定の厚さまで段階的に厚さが薄く、その後は厚さが一定となる（階段状＋平面状とする）ようにしても良く、或いは所定の厚さまで連続的に厚さが薄く、その後は厚さが段階的に薄くなる（テーパ状＋階段状とする）ようにしても良く、更に、所定の厚さまで段階的に厚さが薄く、その後は厚さが連続的に薄くなる（階段状＋テーパ状とする）ように形成しても良い。
更に、センサダイアフラムは、コンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁部から中央部まで連続する所定の深さの窪みを有し、この窪みの幅が周縁部から中央部に向かって段階的に広くなっているようにしても良い。
なお、センサダイアフラムの面（下面）に形成され凹部（窪み）の形状については、凹部（窪み）の開口部の大きさ（開口領域の寸法）に応じて、最適な開口部の深さを設計すれば良い。
以上説明したようにコンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁部よりも中央部のセンサダイアフラムの剛性を低くすることで、センサダイアフラムの被測定媒体と接触する面に被測定媒体中の成分が付着して堆積した場合でも堆積物の収縮又は伸長に起因するセンサダイアフラムの一方向への撓みを抑制することができ、圧力センサの零点シフトを抑えることができる。
（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２に係る圧力センサについて図面に基づいて説明する。本発明の概要を説明すると、圧力センサチップを構成するセンサダイアフラムのコンデンサ室側の固定部と境界をなす周縁から中央に向って剛性を低くする。基本的構成として、中心側と周縁の材質を変え、中心側の材質を周縁の材質よりも剛性の低い材料とする。そして、この剛性は、材料のヤング率とポアソン比とから規定されるものである。
次に、本発明の実施形態２に係る圧力センサについて図面に基づいて説明する。本発明の概要を説明すると、圧力センサチップを構成するセンサダイアフラムのコンデンサ室側の固定部と境界をなす周縁から中央に向って剛性を低くする。基本的構成として、中心側と周縁の材質を変え、中心側の材質を周縁の材質よりも剛性の低い材料とする。そして、この剛性は、材料のヤング率とポアソン比とから規定されるものである。
本実施形態２に係る圧力センサの構造は、上記実施形態１にて説明した構造（図１参照）と同様であるため、その説明を省略する。
[実施形態２に係るセンサダイアフラムの構造]
図８に示すように、本実施形態２に係る圧力センサチップ２０は、平面視矩形状の薄板からなるスペーサ１６と、スペーサ１６に接合されかつ圧力の印加に応じて歪が生じる感圧ダイアフラムとしてのセンサダイアフラム１１４と、外形がスペーサ１６と同じでセンサダイアフラム１１４に接合して真空の容量室（リファレンス室）２０Ａを形成するセンサ台座１７を有している。センサ台座１７は、下面に円形の穴状をなす凹み部１７ａが形成されており、この凹み部１７ａが容量室２０Ａとされている。また、真空の容量室２０Ａと圧力センサチップ２０を収容する前記パッケージ内の基準真空室とはセンサ台座１７の適所に穿設された図示しない連通孔を介して双方共同一の真空度を保っている。また、スペーサ１６にはセンサ台座１７の凹み部１７ａと略同径の穴１６ａが形成されている。
図８に示すように、本実施形態２に係る圧力センサチップ２０は、平面視矩形状の薄板からなるスペーサ１６と、スペーサ１６に接合されかつ圧力の印加に応じて歪が生じる感圧ダイアフラムとしてのセンサダイアフラム１１４と、外形がスペーサ１６と同じでセンサダイアフラム１１４に接合して真空の容量室（リファレンス室）２０Ａを形成するセンサ台座１７を有している。センサ台座１７は、下面に円形の穴状をなす凹み部１７ａが形成されており、この凹み部１７ａが容量室２０Ａとされている。また、真空の容量室２０Ａと圧力センサチップ２０を収容する前記パッケージ内の基準真空室とはセンサ台座１７の適所に穿設された図示しない連通孔を介して双方共同一の真空度を保っている。また、スペーサ１６にはセンサ台座１７の凹み部１７ａと略同径の穴１６ａが形成されている。
スペーサ１６、センサダイアフラム１１４、及びセンサ台座１７はいわゆる直接接合によって互いに接合され、一体化した圧力センサチップ２０を構成している。また、圧力センサチップ２０の容量室２０Ａには、センサ台座１７の凹み部１７ａに白金等の導体でできた感圧側固定電極２１、参照側固定電極２２が形成されているとともに、これと対向するセンサダイアフラム１１４の表面（上面）１１４ａ上に白金等の導体でできた感圧側可動電極２３、参照側可動電極２４が形成されている。
なお、感圧側固定電極２１は、凹み部１７ａの中央部に平面視で円形をなして形成され、参照側固定電極２２は感圧側固定電極２１と離間してこれの周囲をほぼ囲むように平面視円弧をなして同心状に形成されている。
また、感圧側可動電極２３及び参照側可動電極２４は、それぞれ感圧側固定電極２１及び参照側固定電極２２と対向配置するようにそれぞれ対応する形状をなしてセンサダイアフラム１１４の容量室２０Ａ側表面（上面）１１４ａに形成されている。なお、感圧側可動電極２３は、後述するセンサダイアフラム１１４の容量室２０Ａ側表面（上面）１１４ａに設けられたガラス板１１５の上面に形成されている。そして、感圧側固定電極２１と感圧側可動電極２３は、圧力に対して高感度であって、圧力測定を行う役目を果たす一方、参照側固定電極２２と参照側可動電極２４は圧力に対して低感度であって電極間の誘電率を補正する役目を果たしている。
また、圧力センサチップ２０の上面四隅には、それぞれ電極取り出し用パッドが蒸着されている。これらの電極取り出し用パッドは、感圧側固定電極取り出し用パッド２５、感圧側可動電極取り出し用パッド２６、参照側固定電極取り出し用パッド２７、参照側可動電極取り出し用パッド２８である。そして、感圧側固定電極２１と感圧側固定電極取り出し用パッド２５は電極取り出し穴に成膜された導体を介して電気的に接続されている。
同様に、参照側固定電極２２と参照側固定電極取り出し用パッド２７、感圧側可動電極２３と感圧側可動電極取り出し用パッド２６、参照側可動電極２４と参照側可動電極取り出し用パッド２８もそれぞれ電極取り出し穴に成膜された導体を介して個別に電気的に接続されている。
前記電極リード部は、各電極取り出し用パッドに対応して４本設けられ、電極リードピンと金属製のシールドを備え、電極リードピンは金属製のシールドにガラスなどの絶縁性材料からなるハーメチックシールによってその中央部分が埋設され、電極リードピンの両端部間で気密状態を保っている。
そして、電極リードピンの一端は前記パッケージの外部に露出して図示しない配線によって圧力センサ１０の出力を外部の信号処理部に伝達するようになっている。なお、前記シールドとパッケージのカバーとの間にもハーメチックシールが介在している。
次に、本実施形態２に関連するセンサダイアフラム１１４の構造について説明する。センサダイアフラム１１４は、外形がスペーサ１６の外形と同じ板体をなし、図８において上側の面、即ちコンデンサ室側（容量室２０Ａ）の表面（上面）１１４ａの中央部１１４ｇには円形の凹部（窪み）１１４ｃが形成されている。
そして、この凹部１１４ｃに円板状のガラス板１１５がセンサダイアフラム１１４の上面１１４ａと面一をなして嵌合固定されている。このガラス板１１５は、センサダイアフラム１１４と異なる材質のガラスが使用されており、剛性がセンサダイアフラム１１４の剛性よりも低い材質のガラスが使用されている。センサダイアフラム１１４は、前述したように一例としてサファイアで形成されており、ガラス板１１５は、例えば石英ガラスにより形成されている。
このようにセンサダイアフラム１１４の周縁部１１４ｆと中央部１１４ｇとの材質を変え、中心部の材質を周縁部の材質よりも剛性の低い材料とすることで、センサダイアフラム１１４の剛性を周縁部１１４ｆから中央部１１４ｇに向って低くすることができる。
そして、この剛性は、センサダイアフラム１１４とガラス板１１５の材料のヤング率とポアソン比とから規定されるものである。板の曲げ剛性をＤ、板厚をｈ、弾性係数（ヤング率）をＥ、ポアソン比をνとした場合、板の曲げ剛性Ｄは、Ｄ＝Ｅｈ３／１２（１－ν２）で表される。従って、板状をなすセンサダイアフラム１１４の材質とガラス板１１５の材質を選定することにより、センサダイアフラム１１４の剛性を周縁部１１４ｆから中央部１１４ｇに向って低くすることが可能である。
また、図９に一部を拡大して示すように、センサダイアフラム１１４の下側の面、即ち被測定媒体と接触する圧力導入室側（被測定媒体の接触面）の面（下面）１１４ｂにはセンサ台座１７の凹み部１７ａ及びスペーサ１６の穴１６ａの内周面と境界をなす周縁部から中央部まで全面に亘り、微細な凹凸１１４ｅが形成されている。この凹凸１１４ｅは、公知のマイクロマシニング技術によって形成される。このセンサダイアフラム１１４は、前述したようにサファイアにより形成されているが、これに限るものではなく他の部材、例えば耐食性を有するニッケル合金、シリコンその他セラミックス等を使用しても良い。
このセンサダイアフラム１１４は、コンデンサ室側のセンサ台座１７、圧力導入室側のスペーサ１６との間にサンドイッチ状に挟持されてこれらのセンサ台座１７、スペーサ１６の端面１７ｂ，１６ｂに接合固定されている。そして、センサダイアフラム１１４は、センサ台座１７、スペーサ１６の内周面を境界として内側の周縁部１１４ｆの剛性よりも中央部１１４ｇの剛性が低くなっている。
図１０は、センサダイアフラム１１４の被測定媒体と接触する面（下面）１１４ｂに被測定媒体中の堆積成分３０が付着して堆積し、センサダイアフラム１１４の周縁部１１４ｆの領域（凹部１１４ｃの外側の領域）が圧力導入室側（被測定媒体の接触面側であって図１０中下方）に向って僅かに撓み（伸張し）、中央部１１４ｇの領域（凹部１１４ｃの領域）がコンデンサ室側（容量室２０Ａ）（図１０中上方）に向って僅かに撓んだ（収縮した）状態を示す。
また、図１１は、センサダイアフラム１１４の被測定媒体と接触する面（下面）１１４ｂに被測定媒体中の堆積成分３０が付着して堆積し、センサダイアフラム１１４の周縁部１１４ｆの領域（凹部１１４ｃの外側の領域）がコンデンサ室側（容量室２０Ａ側であって図１１中上方）に向って僅かに撓み（収縮し）、中央部１１４ｇの領域（凹部１１４ｃの領域）が圧力導入室側（被測定媒体の接触面側であって図１１中下方）に向って僅かに撓んだ（伸張した）状態を示す。
前述したように被測定媒体ごとに異なる堆積物とセンサダイアフラム１１４の材料を常に一致させることは不可能であり、かつ堆積物とセンサダイアフラムの原子の配列が、ミクロ的に完全に一致することは稀有であるため、堆積物は、通常上述したように収縮若しくは伸長を生じることとなる。そして、感圧ダイアフラムの撓みは、感圧ダイアフラムに堆積する堆積物が多くなる程大きくなる。従って、センサダイアフラム１１４の撓みは、当該センサダイアフラム１１４、ガラス板１１５の材質及び被測定媒体の種類により図１０或いは図１１に示すように撓むことになる。
このように、センサダイアフラム１１４の被測定媒体と接触する面１１４ｂに被測定媒体中の堆積成分３０が付着して堆積した場合でも、被測定媒体中の堆積成分３０の収縮又は伸長に起因するセンサダイアフラム１１４の一方向への撓みを抑制することにより、対向する感圧側固定電極２１と感圧側可動電極２３、参照側固定電極２２と参照側可動電極２４との間隔の変化を少なくすることが可能となり、圧力センサ１０の零点シフトを抑えることができる。
また、被測定媒体と接触する面（下面）１１４ｂに微細な凹凸１１４ｅを形成することにより、センサダイアフラム１１４に被測定媒体中の堆積成分３０が付着して堆積した場合に、この堆積成分３０を窪みに応じた堆積片に分断することが可能となり、堆積物の内部応力がその成分に応じてセンサダイアフラム１１４に作用する引っ張り力又は圧縮力を実質的に軽減し、この内部応力に起因するセンサダイアフラム１１４の厚み方向の撓みを抑制することが可能となる。これにより、圧力センサ１０の零点シフトをより有効に抑えることができる。
なお、上記実施の形態においてはセンサダイアフラム１１４の上面１１４ａに設けた凹部１１４ｃにガラス板１１５を嵌合固定して中央部を二層構造として周縁部から中央部に向けて剛性が低くなるように形成した場合について記述したが、これに限るものではなく三層構造以上の多層構造にすることも可能である。
以上説明したように、コンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁部と中央部とが異なる材料から成り、中央部の材料は、周縁部の材料よりも剛性の低い材料とすることで、センサダイアフラムの被測定媒体と接触する面に被測定媒体中の成分が付着して堆積した場合でも堆積物の収縮又は伸長に起因するセンサダイアフラムの一方向への撓みを抑制することができ、圧力センサの零点シフトを抑えることができる。
なお、上述の実施形態においては、センサダイアフラム１１４の上面１１４ａに凹部１１４ｃを形成してガラス板１１５を嵌合固定し、このガラス板１１５の上面に感圧側可動電極２３を形成した。これは、本実施形態では、腐食性ガスの圧力測定を想定して、ガスの接触面を一側（図８及び図１０中下側）に有するセンサダイアフラム１１４の材質を耐食性に優れたサファイアとしたためである。しかしながら、圧力測定の対象となる被測定媒体が腐食性ガスでない場合は、被測定媒体との接触面をなすセンサダイアフラム１１４の下面１１４ｂに凹部を形成してガラス板１１５を嵌合固定し、センサダイアフラム１１４の上面のガラス板１１５と対応する位置に感圧側可動電極２３を形成しても、本発明の作用を発揮できる。また、このようなセンサダイアフラム１１４の下面１１４ｂに凹部を形成して板材を嵌合固定した形態であっても、ガラス板１１５の代わりに耐食性のある材質でできた板材を用いれば、本発明の作用を発揮することは可能である。
また、上述の実施形態と異なり、センサダイアフラム１１４を凹状にして、センサ台座１７を板状にした形態としてこれらセンサダイアフラムとセンサ台座とで画成される空間をコンデンサ室としても、本発明を適用することは可能である。
また、スペーサ１６はセンサダイアフラム１１４とは別材でなくても、センサダイアフラムと一体品とした形態をとっても、本発明の作用を発揮することは可能である。なお、この場合はダイアフラムをエッジングして一体品として形成すれば良い。
１０ 圧力センサ
１１ 台座プレート
１２ ロア台座プレート
１３ アッパー台座プレート
１５ 支持ダイアフラム
１５ａ 圧力導入孔
１６ スペーサ
１６ａ 穴
１６ｂ 端面
１７ センサ台座
１７ａ 凹み部
１７ｂ 端面
２０ 圧力センサチップ
２０Ａ 容量室（リファレンス室）
２１ 感圧側固定電極
２２ 参照側固定電極
２３ 感圧側可動電極
２４ 参照側可動電極
２５ 感圧側固定電極取り出し用パッド
２６ 感圧側可動電極取り出し用パッド
２７ 参照側固定電極取り出し用パッド
２８ 参照側可動電極取り出し用パッド
３０ 被測定媒体中の堆積成分
１１１ センサダイアフラム
１１１ａ 表面（上面）
１１１ｂ 面（下面）
１１１ｃ 凹部（窪み）
１１１ｄ 底面
１１１ｅ 凹凸
１１１ｆ 周縁部
１１１ｇ 中央部
１１２ センサダイアフラム
１１２ｂ 下面
１１２ｃ 円錐形の凹部
１１２ｆ 周縁部
１１２ｇ 中央部
１１３ センサダイアフラム
１１３ｂ 下面
１１３ｃ 階段状の凹部
１１３ｆ 周縁部
１１３ｇ 中央部
１１４ センサダイアフラム
１１４ａ 表面（上面）
１１４ｂ 面（下面）
１１４ｃ 凹部（窪み）
１１４ｅ 凹凸
１１４ｆ 周縁部
１１４ｇ 中央部
１１５ ガラス板
１１ 台座プレート
１２ ロア台座プレート
１３ アッパー台座プレート
１５ 支持ダイアフラム
１５ａ 圧力導入孔
１６ スペーサ
１６ａ 穴
１６ｂ 端面
１７ センサ台座
１７ａ 凹み部
１７ｂ 端面
２０ 圧力センサチップ
２０Ａ 容量室（リファレンス室）
２１ 感圧側固定電極
２２ 参照側固定電極
２３ 感圧側可動電極
２４ 参照側可動電極
２５ 感圧側固定電極取り出し用パッド
２６ 感圧側可動電極取り出し用パッド
２７ 参照側固定電極取り出し用パッド
２８ 参照側可動電極取り出し用パッド
３０ 被測定媒体中の堆積成分
１１１ センサダイアフラム
１１１ａ 表面（上面）
１１１ｂ 面（下面）
１１１ｃ 凹部（窪み）
１１１ｄ 底面
１１１ｅ 凹凸
１１１ｆ 周縁部
１１１ｇ 中央部
１１２ センサダイアフラム
１１２ｂ 下面
１１２ｃ 円錐形の凹部
１１２ｆ 周縁部
１１２ｇ 中央部
１１３ センサダイアフラム
１１３ｂ 下面
１１３ｃ 階段状の凹部
１１３ｆ 周縁部
１１３ｇ 中央部
１１４ センサダイアフラム
１１４ａ 表面（上面）
１１４ｂ 面（下面）
１１４ｃ 凹部（窪み）
１１４ｅ 凹凸
１１４ｆ 周縁部
１１４ｇ 中央部
１１５ ガラス板
Claims (11)
- 被測定媒体の圧力に応じた静電容量を検出する圧力センサチップを備えた静電容量型圧力センサにおいて、
前記圧力センサのセンサダイアフラムの一面は前記被測定媒体を導入する圧力導入室側をなし、他面はコンデンサ部を形成するコンデンサ室側をなし、
前記センサダイアフラムは、前記コンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁部から中央部に向って剛性が低くなっていることを特徴とする静電容量型圧力センサ。 - 前記センサダイアフラムは、前記コンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁部から中央部に向って厚さが薄くなっている、
請求項１に記載の静電容量型圧力センサ。 - 前記センサダイアフラムは、前記コンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁部から中央部に向かって連続的に厚さが薄くなっている、
請求項２に記載の静電容量型圧力センサ。 - 前記センサダイアフラムは、前記コンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁部から中央部に向かって段階的に厚さが薄くなっている、
請求項２に記載の静電容量型圧力センサ。 - 前記センサダイアフラムは、前記圧力導入室側の被測定媒体導入方向から見て、所定の窪みを有する、
請求項２乃至請求項４の何れかに記載の静電容量型圧力センサ。 - 前記センサダイアフラムは、前記コンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす周縁部から中央部まで連続する所定の深さの窪みを有し、
前記窪みの幅が前記周縁部から中央部に向かって、段階的に広くなっている、
請求項５に記載の静電容量型圧力センサ。 - 前記コンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす前記センサダイアフラムの周縁部と前記センサダイアフラムの中央部と異なる材料から成り、
前記中央部の材料は、前記周縁部の材料よりも剛性の低い材料である、
請求項１に記載の静電容量型圧力センサ。 - 前記コンデンサ室側のダイアフラム固定部との境界をなす前記センサダイアフラムの周縁部は同一材料で構成すると共に、前記センサダイアフラムの中央部は異なる材料から成る二層構造とし、当該センサダイアフラムの圧力導入室側は前記周縁部と同一材料からなり、かつ当該センサダイアフラムのコンデンサ室側は前記周縁部の材料よりも剛性の低い材料からなる、
請求項１に記載の静電容量型圧力センサ。 - 前記剛性は、前記材料のヤング率とポアソン比とから定まる、
請求項７又は請求項８に静電容量型圧力センサ。 - 前記センサダイアフラムの前記周縁部の材料はサファイアであり、前記中央部の材料は石英ガラスである、
請求項７又は請求項８に記載の静電容量型圧力センサ。 - 前記センサダイアフラムは前記圧力導入室側の被測定媒体導入方向から見て、所定の窪みを有する、
請求項７又は請求項８に記載の静電容量型圧力センサ。
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