WO2019171838A1 - 圧力センサ - Google Patents

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WO2019171838A1
WO2019171838A1 PCT/JP2019/003364 JP2019003364W WO2019171838A1 WO 2019171838 A1 WO2019171838 A1 WO 2019171838A1 JP 2019003364 W JP2019003364 W JP 2019003364W WO 2019171838 A1 WO2019171838 A1 WO 2019171838A1
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pressure sensor
dielectric
contact
facing
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良平 濱▲崎▼
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株式会社村田製作所
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Publication date
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/12—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in capacitance, i.e. electric circuits therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/84—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of applied mechanical force, e.g. of pressure

Definitions

  • the present invention relates to a pressure sensor for measuring pressure such as atmospheric pressure.
  • a touch mode pressure sensor is known as a capacitive pressure sensor.
  • a touch mode pressure sensor includes a fixed electrode, a diaphragm (membrane) that is arranged at a distance from the fixed electrode and bends under pressure, and a dielectric film that is provided on the fixed electrode and faces the membrane ( Dielectric).
  • Dielectric dielectric film
  • the present invention can obtain a higher linearity with respect to a change in capacitance between the fixed electrode and the membrane with respect to a change in pressure acting on the membrane, and thereby can measure the pressure with high accuracy. It is an object to provide a pressure sensor.
  • a base member A fixed electrode provided on the base member; A membrane that is provided facing the fixed electrode with a gap, and has flexibility and conductivity; A dielectric provided on the fixed electrode and facing the membrane; A pressure sensor is provided that includes a contact limiting member that contacts the membrane to limit contact between a portion of the dielectric and the membrane.
  • the pressure sensor according to the first aspect is provided in which the region of the dielectric that can contact the membrane has a shape including a constriction sandwiching the central portion of the dielectric facing the central portion of the membrane.
  • the pressure sensor according to the first or second aspect is provided in which the region of the dielectric that can contact the membrane has a shape having a portion where the linear distance from the center to the outer peripheral portion is different.
  • the region of the dielectric that can contact the membrane has a shape having two outer arcs that project outward and two arcs that project inward and facing each other. Any one pressure sensor is provided.
  • One pressure sensor is provided.
  • the pressure sensor according to any one of the first to third aspects is provided, wherein a region of the dielectric that can contact the membrane has a substantially cross shape.
  • the contact limiting member has a pair of first contact limiting members facing each other with the dielectric interposed therebetween in a first direction orthogonal to the facing direction of the membrane and the dielectric.
  • a pressure sensor according to any one of the six aspects is provided.
  • the contact restriction member includes a pair of second contact restriction members that face each other with the dielectric interposed in the second direction orthogonal to the facing direction and the first direction.
  • the described pressure sensor is provided.
  • the pressure sensor according to any one of the first to eighth aspects, wherein the dielectric is any one of a circular shape, a square shape, and a rectangular shape.
  • the membrane is provided on the base member via a support member that supports an outer peripheral edge portion of the membrane,
  • the pressure sensor according to any one of the first to ninth aspects, wherein the contact limiting member is provided on the support member as a protrusion that protrudes inward from the support member toward the center of the dielectric. Is done.
  • a pressure sensor according to a tenth aspect is provided, wherein the protruding portions are a pair, and are provided so as to face each other with the dielectric interposed in a direction orthogonal to the facing direction of the membrane and the dielectric.
  • a pressure sensor can be provided.
  • the perspective view of the pressure sensor element in the pressure sensor which concerns on the 1st Embodiment of this invention The partial exploded perspective view of the pressure sensor element in the pressure sensor which concerns on the 1st Embodiment of this invention
  • Sectional drawing of the pressure sensor element along the BB line of FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a pressure sensor according to a first embodiment of the present invention.
  • the figure which shows the pressure-capacitance characteristic of the pressure sensor element with which the pressure sensor which concerns on the 1st Embodiment of this invention is provided 2 is a cross-sectional view of the pressure sensor element taken along line AA in FIG. Sectional view of the pressure sensor element along the line BB in FIG.
  • the top view which shows the contactable area
  • the top view which shows the change of the contact area of a membrane and a dielectric material which arises by the increase in the pressure which acts on a membrane in the pressure sensor element with which the pressure sensor which concerns on the 1st Embodiment of this invention is equipped
  • the top view of the state which removed the membrane in the pressure sensor element with which the pressure sensor concerning a 2nd embodiment of the present invention is provided
  • region of a membrane and a dielectric material in the pressure sensor element with which the pressure sensor which concerns on the 2nd Embodiment of this invention is equipped
  • the top view of the state which removed the membrane in the pressure sensor element with which the pressure sensor concerning a 3rd embodiment of the present invention is provided
  • region of a membrane and a dielectric material in the pressure sensor element with which the pressure sensor which concerns on the 3rd Embodiment of this invention is equipped
  • the top view of the state which removed the membrane in the pressure sensor element with which the pressure sensor concerning a 4th embodiment of the present invention is provided
  • region of a membrane and a dielectric material in the pressure sensor element with which the pressure sensor which concerns on the 4th Embodiment of this invention is equipped
  • FIG. 1 is a perspective view of a pressure sensor element in a pressure sensor according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a partially exploded perspective view of the pressure sensor element in the pressure sensor according to the present embodiment.
  • 3A is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 2
  • FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line BB in FIG.
  • the XYZ orthogonal coordinate system shown in the figure is for facilitating the understanding of the present invention, and does not limit the invention.
  • the pressure sensor element 10 is a pressure sensor element used for a capacitive pressure sensor, particularly a touch mode pressure sensor.
  • the pressure sensor element 10 includes a base member 12, a fixed electrode 14 provided on the base member 12, a conductive membrane 16 disposed at a distance from the fixed electrode 14, and an outer peripheral edge portion of the membrane 16.
  • An annular support member 18 to be supported and a dielectric 20 provided on the fixed electrode 14 are provided.
  • the pressure sensor element 10 has a circular shape when viewed from above, that is, viewed in the Z-axis direction, that is, the outer shape of the base member 12, the fixed electrode 14, the membrane 16, and the support member 18 is circular. It is.
  • the dielectric 20 is also circular.
  • the base member 12 is an insulating substrate made of, for example, an insulating material.
  • the fixed electrode 14 is a circular conductor provided on the base member 12, for example, a conductor made of a conductive polysilicon material.
  • the fixed electrode 14 includes an electrode surface 14 a that faces the membrane 16.
  • the membrane 16 is a circular conductor having elasticity and conductivity by being made of, for example, a conductive silicon material.
  • the membrane 16 includes a pressure receiving surface 16 a that receives pressure, and an electrode surface 16 b that is opposite to the pressure receiving surface 16 a and faces the electrode surface 14 a of the fixed electrode 14.
  • the membrane 16 is supported by the support member 18 at the outer peripheral edge portion of the electrode surface 16b. Therefore, when pressure acts on the pressure receiving surface 16a, the central portion of the membrane 16 excluding the outer peripheral edge portion bends toward the fixed electrode 14, that is, the electrode surface 16b of the membrane 16 approaches the electrode surface 14a of the fixed electrode 14.
  • the support member 18 is, for example, a ring-shaped member made of an insulating material, that is, a frame-shaped member.
  • the support member 18 is provided on the base member 12 via the fixed electrode 14.
  • the membrane 16 is spaced from the fixed electrode 14 by supporting the outer peripheral edge portion of the membrane 16 with the support member 18 interposed between the fixed electrode 14 and the membrane 16.
  • the internal space 22 is defined by the fixed electrode 14, the membrane 16, and the support member 18.
  • the dielectric 20 is a circular film or layer made of, for example, a dielectric material and formed on the electrode surface 14 a of the fixed electrode 14.
  • the dielectric 20 is disposed on the central portion of the electrode surface 14 a of the fixed electrode 14 so as to be surrounded by the support member 18, specifically, at an equal distance from the inner wall surface 18 a of the support member 18. Yes.
  • the dielectric 20 includes a facing surface 20a that faces the electrode surface 16b of the membrane 16 with a space therebetween.
  • FIG. 4 is a schematic configuration diagram of the pressure sensor according to the present embodiment.
  • the pressure sensor 30 has a pressure sensor element 10 and a sensor controller 40.
  • the fixed electrode 14 in the pressure sensor element 10 is connected to the sensor controller 40 via the fixed electrode wiring 32.
  • the membrane 16 in the pressure sensor element 10 is connected to the sensor controller 40 through the membrane wiring 34.
  • the sensor controller 40 calculates an output pressure value Pout as a detected value of the pressure received by the pressure receiving surface 16a of the membrane 16 based on the capacitance between the fixed electrode 14 of the pressure sensor element 10 and the membrane 16, and the calculation The output pressure value Pout is output to the outside.
  • the sensor controller 40 includes a capacitance detection unit 42 that detects the capacitance between the fixed electrode 14 and the membrane 16.
  • the storage unit 44 stores a correction formula Eq, which is a calculation formula for calculating the output pressure value Pout from the capacitance detected by the capacitance detection unit 42.
  • a pressure calculation unit 46 that calculates the output pressure value Pout using the capacitance value detected by the capacitance detection unit 42 and the correction equation Eq stored in the storage unit 44 is provided.
  • the capacitance detection unit 42 is configured by a capacitance sensor that detects the capacitance between the fixed electrode 14 and the membrane 16 or a capacitor that is incorporated as part of a circuit.
  • the capacitance detected by the capacitance detector 42 also changes according to the change in the actual pressure value Pin, which is the pressure received by the pressure receiving surface 16a of the membrane 16.
  • the storage unit 44 is a storage device such as a memory, for example, and stores a correction formula Eq (calculation formula) for correcting the capacitance detected by the capacitance detection unit 42 and calculating the output pressure value Pout. doing.
  • the correction equation Eq for calculating the output pressure value Pout is a function of capacitance based on the pressure-capacitance characteristics of the pressure sensor element 10, and is, for example, a high-order polynomial.
  • the pressure calculation unit 46 acquires the capacitance detected by the capacitance detection unit 42 as a capacitance signal, acquires the correction formula Eq from the storage unit 44 as correction formula data, and acquires the capacitance signal and the correction formula.
  • An output pressure value Pout can be calculated based on the data, for example, a processor.
  • the processor executes the program for correcting the capacitance detected by the capacitance detection unit 42 using the correction formula Eq, which is stored in the storage unit 44, thereby obtaining the output pressure value Pout. calculate.
  • FIG. 5 is a diagram showing the pressure-capacitance characteristics of the pressure sensor element provided in the pressure sensor according to the present embodiment. The operation of the pressure sensor 30 will be described with reference to the pressure-capacitance characteristics of the pressure sensor element 10 shown in FIG.
  • the central portion of the membrane 16 excluding the outer peripheral edge portion bends toward the fixed electrode 14, and the central portion of the membrane 16 is fixed. Approaches the electrode 14 side. Thereby, the distance between the fixed electrode 14 and the membrane 16 decreases, and the capacitance between the fixed electrode 14 and the membrane 16 increases.
  • the operation mode until the electrode surface 16b of the membrane 16 contacts the opposing surface 20a of the dielectric 20 is called a non-touch mode.
  • the central portion of the electrode surface 16b of the membrane 16 and the central portion of the opposing surface 20a of the dielectric 20 come into contact with each other. Further, when the pressure acting on the pressure receiving surface 16 a of the membrane 16 increases, the pressure acts on the dielectric 20 through the membrane 16. If the pressure acting on the pressure receiving surface 16a of the membrane 16 further increases from there, the area of the portion where the electrode surface 16b of the membrane 16 and the opposing surface 20a of the dielectric 20 are in contact, that is, the membrane 16 and the dielectric 20 The contact area increases.
  • a touch mode The operation mode in which the contact area between the membrane 16 and the dielectric 20 increases is called a touch mode.
  • the linearity of the change in capacitance between the fixed electrode 14 and the membrane 16 with respect to the change in pressure acting on the membrane 16 is preferably higher. That is, it is preferable that the contact area between the membrane 16 and the dielectric 20 increases in proportion to an increase in pressure acting on the membrane 16 in the touch mode.
  • the correction equation Eq used when calculating the output pressure value Pout from the capacitance detected by the capacitance detector 42 can be simplified.
  • the pressure sensor 30 can calculate the pressure with high accuracy from the capacitance, and the pressure sensor 30 can measure the pressure with higher accuracy.
  • a pair of protrusions are formed on the support member 18 so that the contact area between the membrane 16 and the dielectric 20 increases in proportion to the increase in pressure acting on the membrane 16.
  • 18b is provided.
  • the pair of projecting portions 18b partially restricts deformation of the membrane 16 that bends to the fixed electrode 14 side by acting pressure by contacting the membrane 16, and a part of the facing surface 20a of the dielectric 20 and the electrode of the membrane 16 are restricted. It is comprised so that a contact with the surface 16b may be restrict
  • each of the pair of protrusions 18b protrudes inward from the inner wall surface 18a of the support member 18 toward the center of the dielectric 20. Further, the pair of projecting portions 18b are provided so as to face each other across the dielectric 20 in the direction orthogonal to the Z-axis direction that is the facing direction of the membrane 16 and the dielectric 20, that is, the X-axis direction. Moreover, the tip shape of the protrusion 18b is an arc shape when viewed in the Z-axis direction.
  • FIG. 6A and 6B are cross-sectional views of the pressure sensor element 10 in a state where pressure is applied, specifically, in a state where pressure at the upper limit of measurement is applied.
  • 6A is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 2
  • FIG. 6B is a cross-sectional view taken along line BB in FIG.
  • FIG. 7 is a top view showing a contactable region between the membrane and the dielectric in the pressure sensor element provided in the pressure sensor according to the present embodiment. In FIG. 7, the contactable area ACR is indicated by cross hatching.
  • the portion of the membrane 16 far from the protruding portion 18b can bend toward the fixed electrode 14 from the central portion to the portion in the vicinity of the inner wall surface 18a of the support member 18.
  • the electrode surface 16 b of the membrane 16 can be in contact with a portion far from the projecting portion 18 b in the portion of the outer peripheral edge from the central portion of the facing surface 20 a of the dielectric 20. .
  • the electrode surface 16 b of the membrane 16 cannot contact a portion in the vicinity of the protruding portion 18 b on the facing surface 20 a of the dielectric 20.
  • the electrode surface 16b of the membrane 16 can be in contact with a portion other than the portion in the vicinity of the protruding portion 18b of the facing surface 20a of the dielectric 20.
  • the pair of protrusions 18 b cannot contact the contactable region ACR that can contact the electrode surface 16 b of the membrane 16 and the electrode surface 16 b of the membrane 16 on the facing surface 20 a of the dielectric 20.
  • a non-contact area NCR is generated. That is, the contactable area ACR has a single constriction sandwiching the central portion of the dielectric 20 facing the central portion of the membrane 16 when viewed from above, that is, viewed in the Z-axis direction, by the pair of protrusions 18b.
  • the contactable area ACR has a shape having an outer shape composed of two arcs projecting outwardly facing each other and two arcs projecting inward facing each other when viewed from above, that is, viewed in the Z-axis direction. Further, the contactable region ACR has a shape having a portion where the linear distance from the center to the outer peripheral portion is different when viewed from above, that is, viewed in the Z-axis direction.
  • FIG. 8 is a top view showing a change in the contact area between the membrane and the dielectric caused by an increase in pressure acting on the membrane in the pressure sensor element provided in the pressure sensor according to the present embodiment.
  • the contact region CR is indicated by cross hatching.
  • the contact region CR where the facing surface 20a of the dielectric 20 and the electrode surface 16b of the membrane 16 are in contact with each other increases as the pressure acting on the membrane 16 increases, and the area increases.
  • the shape of the contact region CR where the facing surface 20a of the dielectric 20 and the electrode surface 16b of the membrane 16 are in contact with each other as the pressure acting on the membrane 16 increases increases from a circular shape when viewed from above, that is, viewed in the Z-axis direction. The shape will change.
  • FIG. 9 is a diagram showing a relationship between a change in pressure acting on the membrane and a change in contact area between the membrane and the dielectric in the pressure sensor element provided in the pressure sensor according to the present embodiment.
  • the solid line shows the pressure sensor element 10 according to the present embodiment
  • the broken line shows the pressure sensor element according to the comparative example.
  • the pressure sensor element according to the comparative example is different from the pressure sensor element 10 according to the present embodiment only in that the support member is not provided with a pair of protrusions, and the support member is annular in plan view. Yes.
  • the area of the contact region CR that is, the opposing surface 20 a of the dielectric 20 and the electrode surface of the membrane 16.
  • the contact area of 16 b increases in proportion to the increase in pressure acting on the membrane 16.
  • the membrane 16 is less likely to bend than the pressure sensor element according to the comparative example that does not include the pair of protrusions 18b. Therefore, when the pressure acting on the membrane 16 is the same, the contact area of the pressure sensor element 10 is smaller than the contact area of the pressure sensor element according to the comparative example.
  • the contact area increase rate that is, the contact area increase amount per unit pressure becomes smaller. . This is because the outer peripheral edge portion of the membrane 16 near the support member 18 is less likely to bend than the center portion. That is, in the membrane 16, the amount of deflection at the center portion is larger than the amount of deflection at the outer peripheral edge portion.
  • the pressure sensor element 10 by providing the pair of protrusions 18b, compared to the pressure sensor element according to the comparative example in which the pair of protrusions are not provided.
  • the contact area between the membrane 16 and the dielectric 20 increases in proportion to the increase in pressure acting on the membrane 16.
  • a pressure sensor that can be measured can be provided.
  • the pressure sensor element 10 has a circular shape when viewed in the opposite direction of the membrane 16 and the dielectric 20, that is, when viewed in the Z-axis direction.
  • the dielectric 20 is also circular when viewed in the Z-axis direction.
  • the embodiment of the present invention is not limited to this.
  • FIG. 10A is a top view showing a state in which a membrane is removed from a pressure sensor element provided in a pressure sensor according to a second embodiment of the present invention.
  • the pressure sensor element 110 has a rectangular shape, particularly a square shape, as viewed in the opposite direction of the membrane 120 and the dielectric 120, that is, as viewed in the Z-axis direction.
  • the dielectric 120 is also square when viewed in the Z-axis direction.
  • the support member 118 is provided with a pair of protrusions 118b.
  • Each of the pair of protrusions 118b protrudes inward from the inner wall surface 118a of the support member 118 toward the center of the dielectric 120.
  • the pair of protrusions 118b are provided so as to face each other with the dielectric 120 interposed therebetween in a direction orthogonal to the Z-axis direction, which is the facing direction of the membrane and the dielectric 120, that is, the X-axis direction.
  • the tip shape of the protruding portion 118b is an arc shape when viewed in the Z-axis direction.
  • FIG. 10B is a top view showing a contactable region between the membrane and the dielectric in the pressure sensor element provided in the pressure sensor according to the present embodiment.
  • the contactable area ACR is indicated by cross hatching.
  • the pair of protrusions 118b generates a contactable area ACR that can contact the electrode surface of the membrane and a non-contact area NCR that cannot contact the electrode surface of the membrane on the facing surface 120a of the dielectric 120.
  • the contactable area ACR has a single constriction sandwiching the central part of the dielectric 120 facing the central part of the membrane as viewed from above, that is, viewed in the Z-axis direction, by the pair of protrusions 118b.
  • the contactable area ACR has a shape having an outer shape composed of two parallel straight lines facing each other and two arcs protruding inward facing each other when viewed from above, that is, viewed in the Z-axis direction. Further, the contactable region ACR has a shape having a portion where the linear distance from the center to the outer peripheral portion is different when viewed from above, that is, viewed in the Z-axis direction.
  • FIG. 11A is a top view of the pressure sensor element included in the pressure sensor according to the third embodiment of the present invention with the membrane removed.
  • the pressure sensor element 210 according to the third embodiment has a rectangular shape when viewed from the opposite direction of the membrane 220 and the dielectric 220 (ie, viewed in the Z-axis direction), and has a dielectric shape.
  • the body 220 is also rectangular when viewed in the Z-axis direction.
  • FIG. 11B is a top view showing a contactable region between the membrane and the dielectric in the pressure sensor element included in the pressure sensor according to the present embodiment. In FIG. 11B, the contactable area ACR is indicated by cross hatching. As shown in FIGS.
  • such a pressure sensor element 210 also acts on the membrane by providing a pair of protrusions 218b, as in the pressure sensor element 110 of the second embodiment described above. Higher linearity can be obtained for the change in capacitance between the fixed electrode 214 and the membrane with respect to the change in pressure. Thereby, the pressure sensor using the pressure sensor element 210 can measure the pressure with high accuracy.
  • FIG. 12A is a top view of a state in which a membrane is removed from a pressure sensor element provided in a pressure sensor according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the pressure sensor element 310 has a square shape when viewed in a facing direction between a membrane (not shown) and the dielectric 320, that is, when viewed in the Z-axis direction. Is also square when viewed in the Z-axis direction.
  • the support member 318 is provided with two pairs of protrusions 318b and 318c.
  • Each of the two pairs of protrusions 318 b and 318 c protrudes inward from the inner wall surface 318 a of the support member 318 toward the center of the dielectric 320.
  • the pair of protrusions 318b that are the first contact limiting members are provided so as to face each other with the dielectric 320 interposed therebetween in a first direction orthogonal to the Z-axis direction that is the facing direction of the membrane and the dielectric 320. ing.
  • the first direction is one diagonal direction of the square-shaped dielectric 320 as viewed in the Z-axis direction.
  • Another pair of protrusions 318c which are the second contact limiting members, are orthogonal to the Z-axis direction, which is the facing direction of the membrane and the dielectric 320, and the first direction, which is the facing direction of the pair of protrusions 318b. They are provided so as to face each other with the dielectric 320 interposed therebetween in the second direction.
  • the second direction is the other diagonal direction of the square-shaped dielectric 320 as viewed in the Z-axis direction.
  • FIG. 12B is a top view showing a contactable area between the membrane and the dielectric in the pressure sensor element provided in the pressure sensor according to the present embodiment.
  • the contactable area ACR is indicated by cross hatching.
  • the contactable region ACR that can contact the electrode surface of the membrane on the opposing surface 320a of the dielectric 320 by the pair of protrusions 318b and another pair of protrusions 318c, and the electrode surface of the membrane A non-contact area NCR that cannot be touched is generated.
  • the contactable region ACR is orthogonal to each other across the center portion of the dielectric 320 facing the center portion of the membrane as viewed from above, that is, viewed in the Z-axis direction. It is a shape provided with two constrictions provided in the direction.
  • the contactable area ACR is formed in a direction in which two parallel straight lines facing each other and two shapes having two outer arcs projecting inwardly facing each other are orthogonal to each other when viewed from above, that is, viewed in the Z-axis direction.
  • the overlapping shape that is, a substantially cross shape.
  • the contactable region ACR has a shape having a portion where the linear distance from the center to the outer peripheral portion is different when viewed from above, that is, viewed in the Z-axis direction.
  • the pair of protrusions 18b provided on the support member 18 disposed between the fixed electrode 14 and the membrane 16 are operated. It is a contact limiting member for limiting contact between a part of the facing surface 20a of the dielectric 20 and the electrode surface 16b of the membrane 16 by contacting the membrane 16 which is bent by the pressure applied.
  • the embodiment of the present invention is not limited to this.
  • the contact limiting member may be a separate member from the support member.
  • the contact limiting member may be disposed between the membrane and the dielectric.
  • the dielectric 20 is provided at the central portion of the electrode surface 14 a of the fixed electrode 14. That is, the area of the dielectric 20 is smaller than the area of the fixed electrode 14 when viewed in the opposite direction of the membrane 16 and the dielectric 20, that is, when viewed in the Z-axis direction.
  • the embodiment of the present invention is not limited to this.
  • the dielectric may have the same area as the fixed electrode when viewed from the opposite direction of the membrane and the dielectric.
  • the pressure sensor according to the embodiment of the present invention is provided with a base member, a fixed electrode provided on the base member, and opposed to the fixed electrode with an interval therebetween.
  • the present invention can be applied to a capacitive pressure sensor.
  • Base member 14 Fixed electrode 16

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Abstract

圧力センサは、ベース部材１２と、ベース部材１２に設けられた固定電極１４と、固定電極１４に対して間隔をあけて対向して設けられ、可撓性及び導電性を有するメンブレン１６と、固定電極１４に設けられ、メンブレン１６と対向する誘電体２０と、メンブレン１６と接触して誘電体２０の一部分とメンブレン１６との接触を制限する接触制限部材１８ｂとを有する。

Description

圧力センサ
　本発明は、気圧などの圧力を測定するための圧力センサに関する。
　従来より、例えば特許文献１に記載するように、静電容量型圧力センサとして、タッチモード圧力センサが知られている。このようなタッチモード圧力センサは、固定電極と、固定電極に対して間隔をあけて配置され、圧力を受けてたわむダイアフラム（メンブレン）と、固定電極に設けられてメンブレンに対向する誘電体膜（誘電体）とを備えている。まず、メンブレンに圧力が作用してメンブレンがたわむと、固定電極とメンブレンとの間の距離が減少し、固定電極とメンブレンとの間の静電容量が増加する。メンブレンが誘電体に接触した後、すなわちタッチモード中は、メンブレンに対する誘電体の接触面積が増加することにより固定電極とメンブレンとの間の静電容量が増加する。このような圧力－容量特性を用いて、タッチモード圧力センサは、静電容量値から圧力を算出し、その算出結果を圧力測定値として出力する。
特開２０１５－１５２４５０号公報
　しかしながら、特許文献１に記載された圧力センサの場合、メンブレンが誘電体に接触した後では、圧力の変化に対する静電容量の変化の線形性は低い。そのため、静電容量値から圧力測定値を算出するための算出式が複雑化するとともに算出精度が低い。その結果、圧力センサの測定精度（圧力の算出精度）が低い。
　そこで、本発明は、メンブレンに作用する圧力の変化に対する固定電極とメンブレンとの間の静電容量の変化についてより高い線形性を得ることができ、それにより高精度に圧力を測定することができる圧力センサを提供することを課題とする。
　上記技術的課題を解決するために、本発明の第１の態様によれば、
　ベース部材と、
　前記ベース部材に設けられた固定電極と、
　前記固定電極に対して間隔をあけて対向して設けられ、可撓性及び導電性を有するメンブレンと、
　前記固定電極に設けられ、前記メンブレンと対向する誘電体と、
　前記メンブレンと接触して前記誘電体の一部分と前記メンブレンとの接触を制限する接触制限部材と、を有する、圧力センサが提供される。
　本発明の第２の態様によれば、
　前記誘電体におけるメンブレンと接触可能な領域が、前記メンブレンの中央部分に対向する前記誘電体の中央部分を挟むくびれを備える形状である、第１の態様の圧力センサが提供される。
　本発明の第３の態様によれば、
　前記誘電体におけるメンブレンと接触可能な領域が、中心から外周部までの直線距離が異なる部分を有する形状である、第１または第２の態様の圧力センサが提供される。
　本発明の第４の態様によれば、
　前記誘電体におけるメンブレンと接触可能な領域が、互いに対向する外側に突出する２つの円弧と互いに対向する内側に突出する２つの円弧からなる外形を有する形状である、第１から第３の態様のいずれか一の圧力センサが提供される。
　本発明の第５の態様によれば、
　前記誘電体におけるメンブレンと接触可能な領域が、互いに対向する平行な２つの直線と互いに対向する内側に突出する２つの円弧からなる外形を有する形状である、第１から第３の態様のいずれか一の圧力センサが提供される。
　本発明の第６の態様によれば、
　前記誘電体におけるメンブレンと接触可能な領域が、略十字形状である、第１から第３の態様のいずれか一の圧力センサが提供される。
　本発明の第７の態様によれば、
　前記接触制限部材として、前記メンブレンと前記誘電体との対向方向に対して直交する第１の方向に前記誘電体を挟んで対向し合う一対の第１の接触制限部材を有する、第１から第６の態様のいずれか一の圧力センサが提供される。
　本発明の第８の態様によれば、
　前記接触制限部材として、前記対向方向および前記第１の方向に対して直交する第２の方向に前記誘電体を挟んで対向し合う一対の第２の接触制限部材を有する、第７の態様に記載の圧力センサが提供される。
　本発明の第９の態様によれば、
　前記誘電体が、円形状、正方形状、長方形状のいずれかである、第１から第８の態様のいずれか一の圧力センサが提供される。
　本発明の第１０の態様によれば、
　前記メンブレンが、前記メンブレンの外周縁部分を支持する支持部材を介して前記ベース部材に設けられ、
　前記接触制限部材が、前記支持部材から前記誘電体の中央に向かって内側に突出する突出部として前記支持部材に設けられている、第１から第９の態様のいずれか一の圧力センサが提供される。
　本発明の第１１の態様によれば、
　前記突出部は一対であって、前記メンブレンと前記誘電体の対向方向に対して直交する方向に前記誘電体を挟んで対向するように設けられている、第１０の態様の圧力センサが提供される。
　本発明によれば、メンブレンに作用する圧力の変化に対する固定電極とメンブレンとの間の静電容量の変化についてより高い線形性を得ることができ、それにより高精度に圧力を測定することができる圧力センサを提供することができる。
本発明の第１の実施の形態に係る圧力センサにおける圧力センサ素子の斜視図 本発明の第１の実施の形態に係る圧力センサにおける圧力センサ素子の部分的分解斜視図 図２のＡ－Ａ線に沿った圧力センサ素子の断面図 図２のＢ－Ｂ線に沿った圧力センサ素子の断面図 本発明の第１の実施の形態に係る圧力センサの概略的構成図 本発明の第１の実施の形態に係る圧力センサが備える圧力センサ素子の圧力－容量特性を示す図 圧力が作用した状態における、図２のＡ－Ａ線に沿った圧力センサ素子の断面図 圧力が作用した状態における、図２のＢ－Ｂ線に沿った圧力センサ素子の断面図 本発明の第１の実施の形態に係る圧力センサが備える圧力センサ素子における、メンブレンと誘電体との接触可能領域を示す上面図 本発明の第１の実施の形態に係る圧力センサが備える圧力センサ素子における、メンブレンに作用する圧力の増加によって起こるメンブレンと誘電体の接触領域の変化を示す上面図 本発明の第１の実施の形態に係る圧力センサが備える圧力センサ素子における、メンブレンに作用する圧力の変化とメンブレンと誘電体の接触面積の変化との関係を示す図 本発明の第２の実施の形態に係る圧力センサが備える圧力センサ素子におけるメンブレンを取り除いた状態の上面図 本発明の第２の実施の形態に係る圧力センサが備える圧力センサ素子における、メンブレンと誘電体との接触可能領域を示す上面図 本発明の第３の実施の形態に係る圧力センサが備える圧力センサ素子におけるメンブレンを取り除いた状態の上面図 本発明の第３の実施の形態に係る圧力センサが備える圧力センサ素子における、メンブレンと誘電体との接触可能領域を示す上面図 本発明の第４の実施の形態に係る圧力センサが備える圧力センサ素子におけるメンブレンを取り除いた状態の上面図 本発明の第４の実施の形態に係る圧力センサが備える圧力センサ素子における、メンブレンと誘電体との接触可能領域を示す上面図
　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
　図１は、本発明の第１の実施の形態に係る圧力センサにおける圧力センサ素子の斜視図である。図２は、本実施の形態に係る圧力センサにおける圧力センサ素子の部分的分解斜視図である。図３Ａは図２におけるＡ－Ａ線に沿った断面図であって、図３Ｂは図２におけるＢ－Ｂ線に沿った断面図である。なお、図に示すＸ－Ｙ－Ｚ直交座標系は本発明の理解を容易にするためのものであって、発明を限定するものではない。
　図１および図２に示すように、本実施の形態に係る圧力センサ素子１０は、静電容量型圧力センサ、特にタッチモード圧力センサに使用される圧力センサ素子である。圧力センサ素子１０は、ベース部材１２と、ベース部材１２に設けられた固定電極１４と、固定電極１４に対して間隔をあけて配置された導電性のメンブレン１６と、メンブレン１６の外周縁部分を支持する環状の支持部材１８と、固定電極１４に設けられた誘電体２０とを有する。なお、本実施の形態の場合、上方視すなわちＺ軸方向視で、圧力センサ素子１０は円形状であって、すなわちベース部材１２、固定電極１４、メンブレン１６、および支持部材１８の外形が円形状である。また、誘電体２０も円形状である。
　ベース部材１２は、例えば絶縁材料から作製された絶縁基板である。
　図３Ａおよび図３Ｂに示すように、固定電極１４は、ベース部材１２上に設けられた円形状の導体であって、例えば導電性ポリシリコン材料から作製された導体である。また、固定電極１４は、メンブレン１６と対向する電極面１４ａを備える。
　メンブレン１６は、例えば導電性シリコン材料から作製されることにより、弾性と導電性とを備える円形状の導体である。また、メンブレン１６は、圧力を受ける受圧面１６ａと、受圧面１６ａに対して反対側であって固定電極１４の電極面１４ａと対向する電極面１６ｂとを備える。本実施の形態の場合、メンブレン１６は、電極面１６ｂの外周縁部分が、支持部材１８によって支持されている。そのため、受圧面１６ａに圧力が作用すると、外周縁部分を除くメンブレン１６の中央部分が固定電極１４側にたわむ、すなわちメンブレン１６の電極面１６ｂが固定電極１４の電極面１４ａに接近する。
　支持部材１８は、例えば絶縁材料から作製された環状、すなわち枠状の部材である。本実施の形態の場合、支持部材１８は、固定電極１４を介して、ベース部材１２上に設けられている。本実施の形態の場合、支持部材１８が固定電極１４とメンブレン１６との間に介在した状態で該メンブレン１６の外周縁部分を支持することにより、メンブレン１６が固定電極１４に対して間隔をあけて対向した状態で配置される。言い換えると、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、固定電極１４、メンブレン１６、および支持部材１８により、内部空間２２が画定されている。
　誘電体２０は、例えば誘電材料から作製され、また固定電極１４の電極面１４ａ上に形成された円形状の膜または層である。また、誘電体２０は、支持部材１８に囲まれるように、具体的には支持部材１８の内壁面１８ａから等しい距離をあけるように、固定電極１４の電極面１４ａの中央部分上に配置されている。さらに、誘電体２０は、メンブレン１６の電極面１６ｂに対して間隔をあけて対向する対向面２０ａを備える。
　図４は、本実施の形態に係る圧力センサの概略的構成図である。
　図４に示すように、圧力センサ３０は、圧力センサ素子１０と、センサコントローラ４０とを有する。
　圧力センサ素子１０における固定電極１４は、固定電極用配線３２を介してセンサコントローラ４０に接続されている。また、圧力センサ素子１０におけるメンブレン１６は、メンブレン用配線３４を介してセンサコントローラ４０に接続されている。
　センサコントローラ４０は、圧力センサ素子１０の固定電極１４とメンブレン１６との間の静電容量に基づいて、メンブレン１６の受圧面１６ａが受ける圧力の検出値として出力圧力値Ｐｏｕｔを算出し、その算出した出力圧力値Ｐｏｕｔを外部に出力するように構成されている。
　具体的には、センサコントローラ４０は、固定電極１４とメンブレン１６との間の静電容量を検出する静電容量検出部４２を有する。また、静電容量検出部４２によって検出された静電容量から出力圧力値Ｐｏｕｔを算出するための算出式である補正式Ｅｑを記憶する記憶部４４を有する。さらに、静電容量検出部４２によって検出された静電容量の値と記憶部４４に記憶された補正式Ｅｑとを用いて出力圧力値Ｐｏｕｔを算出する圧力算出部４６を有する。
　静電容量検出部４２は、固定電極１４とメンブレン１６との間の静電容量を検出する静電容量型センサまたは回路の一部として組み込まれているキャパシタで構成される。メンブレン１６の受圧面１６ａが受ける圧力である実圧力値Ｐｉｎの変化に応じて、静電容量検出部４２によって検出される静電容量も変化する。
　記憶部４４は、例えばメモリなどの記憶装置であって、静電容量検出部４２によって検出された静電容量を補正して出力圧力値Ｐｏｕｔを算出するための補正式Ｅｑ（算出式）を記憶している。出力圧力値Ｐｏｕｔを算出するための補正式Ｅｑは、圧力センサ素子１０の圧力－容量特性に基づく静電容量の関数であって、例えば高次多項式である。
　圧力算出部４６は、静電容量検出部４２によって検出された静電容量を静電容量信号として取得し、記憶部４４から補正式Ｅｑを補正式データとして取得し、静電容量信号と補正式データとに基づいて出力圧力値Ｐｏｕｔを算出することができる、例えばプロセッサである。プロセッサは、例えば、記憶部４４に記憶されている、補正式Ｅｑを用いて静電容量検出部４２によって検出された静電容量を補正するためのプログラムを実行することにより、出力圧力値Ｐｏｕｔを算出する。
　図５は、本実施の形態に係る圧力センサが備える圧力センサ素子の圧力－容量特性を示す図である。圧力センサ３０の動作について、図５に示す圧力センサ素子１０の圧力－容量特性を参照しながら説明する。
　圧力センサ３０においては、まず、圧力センサ素子１０におけるメンブレン１６の受圧面１６ａに圧力が作用すると、外周縁部分を除くメンブレン１６の中央部分が固定電極１４側にたわみ、メンブレン１６の中央部分が固定電極１４側に接近する。これにより、固定電極１４とメンブレン１６との間の距離が減少し、固定電極１４とメンブレン１６との間の静電容量が増加する。メンブレン１６の電極面１６ｂが誘電体２０の対向面２０ａに接触するまでの動作モードは、ノンタッチモードと呼ばれる。
　メンブレン１６の受圧面１６ａに作用する圧力がさらに増加すると、メンブレン１６の電極面１６ｂの中央部分と誘電体２０の対向面２０ａの中央部分とが接触する。さらにメンブレン１６の受圧面１６ａに作用する圧力が増加すると、メンブレン１６を介して誘電体２０に圧力が作用する。そこからさらにメンブレン１６の受圧面１６ａに作用する圧力が増加すると、メンブレン１６の電極面１６ｂと誘電体２０の対向面２０ａとの接触している部分の面積、すなわちメンブレン１６と誘電体２０との接触面積が増加する。すなわち、誘電体２０の対向面２０ａにおけるメンブレン１６の電極面１６ｂと接触する部分が対向面２０ａの中央から外側に向かって拡がっていく。このメンブレン１６と誘電体２０との接触面積が増加していく動作モードは、タッチモードと呼ばれる。
　図５に示すように、タッチモードにおいて、メンブレン１６に作用する圧力の変化に対する固定電極１４と該メンブレン１６との間の静電容量の変化の線形性は、高い方が好ましい。すなわち、タッチモードにおけるメンブレン１６に作用する圧力の増加に比例して該メンブレン１６と誘電体２０との接触面積が増加するのが好ましい。その方が、静電容量検出部４２によって検出された静電容量から出力圧力値Ｐｏｕｔを算出する際に用いる補正式Ｅｑをより簡易化することができる。その結果、圧力センサ３０が静電容量から高精度に圧力を算出することができ、圧力センサ３０がより高精度に圧力を測定することが可能になる。
　本実施の形態では、メンブレン１６に作用する圧力の増加に比例して該メンブレン１６と誘電体２０との接触面積が増加するように、図２に示すように、支持部材１８に一対の突出部１８ｂが設けられている。一対の突出部１８ｂは、メンブレン１６と接触することにより、作用する圧力によって固定電極１４側にたわむメンブレン１６の変形を部分的に制限し、誘電体２０の対向面２０ａの一部分とメンブレン１６の電極面１６ｂとの接触を制限するように構成されている。
　具体的には、一対の突出部１８ｂそれぞれは、支持部材１８の内壁面１８ａから誘電体２０の中央に向かって内側に突出している。また、一対の突出部１８ｂは、メンブレン１６と誘電体２０の対向方向であるＺ軸方向に対して直交する方向、すなわちＸ軸方向に誘電体２０を挟んで対向するように設けられている。また、突出部１８ｂの先端形状は、Ｚ軸方向視で円弧状である。
　一対の突出部１８ｂが作用する圧力によってたわむメンブレン１６に接触することにより、誘電体２０の対向面２０ａの一部分とメンブレン１６の電極面１６ｂとの接触が制限される。このように、突出部１８ｂが接触制限部材として機能する。このことを、具体的に、図６Ａ、図６Ｂ、および図７を参照しながら説明する。
　図６Ａおよび図６Ｂは、圧力が作用した状態、具体的には測定上限の圧力が作用した状態の圧力センサ素子１０の断面図である。図６Ａは図２のＡ－Ａ線に沿った断面図であり、図６Ｂは図２のＢ－Ｂ線に沿った断面図である。図７は、本実施の形態に係る圧力センサが備える圧力センサ素子における、メンブレンと誘電体との接触可能領域を示す上面図である。なお、図７において、接触可能領域ＡＣＲはクロスハッチングで示されている。
　図６Ａに示すように、メンブレン１６における突出部１８ｂから遠い部分では、中央部分から支持部材１８の内壁面１８ａ近傍の部分まで、固定電極１４側にたわむことができる。それにより、図７に示すように、メンブレン１６の電極面１６ｂは、誘電体２０の対向面２０ａの中央部分から外周縁の部分のうち突出部１８ｂから遠い部分までと接触することが可能である。
　一方、図６Ｂに示すように、メンブレン１６における突出部１８ｂ近傍の部分では、突出部１８ｂにより、支持部材１８の内壁面１８ａ近傍の部分が固定電極１４側にたわむことができない。そのため、図７に示すように、メンブレン１６の電極面１６ｂは、誘電体２０の対向面２０ａにおける突出部１８ｂ近傍の部分と接触することができない。言い換えれば、メンブレン１６の電極面１６ｂは、誘電体２０の対向面２０ａの突出部１８ｂ近傍の部分を除く部分と接触することが可能である。
　すなわち、図７に示すように、一対の突出部１８ｂにより、誘電体２０の対向面２０ａにおいて、メンブレン１６の電極面１６ｂに接触可能な接触可能領域ＡＣＲと、メンブレン１６の電極面１６ｂに接触できない非接触領域ＮＣＲが発生する。すなわち、一対の突出部１８ｂにより、接触可能領域ＡＣＲは上方視すなわちＺ軸方向視で、メンブレン１６の中央部分に対向する誘電体２０の中央部分を挟む１つのくびれを備える形状である。また、接触可能領域ＡＣＲは、上方視すなわちＺ軸方向視で、互いに対向する外側に突出する２つの円弧と互いに対向する内側に突出する２つの円弧からなる外形を有する形状である。さらに、接触可能領域ＡＣＲは、上方視すなわちＺ軸方向視で、中心から外周部までの直線距離が異なる部分を有する形状である。
　図８は、本実施の形態に係る圧力センサが備える圧力センサ素子における、メンブレンに作用する圧力の増加によって起こるメンブレンと誘電体の接触領域の変化を示す上面図である。なお、図８において、接触領域ＣＲはクロスハッチングで示されている。図８に示すように、誘電体２０の対向面２０ａとメンブレン１６の電極面１６ｂが接触する接触領域ＣＲは、メンブレン１６に作用する圧力が大きくなるにともなって拡大し、面積が増加する。そして、誘電体２０の対向面２０ａとメンブレン１６の電極面１６ｂが接触する接触領域ＣＲの形状は、メンブレン１６に作用する圧力が大きくなるにともなって上方視すなわちＺ軸方向視で円形からくびれを備える形状に変わっていく。
　図９は、本実施の形態に係る圧力センサが備える圧力センサ素子における、メンブレンに作用する圧力の変化とメンブレンと誘電体の接触面積の変化との関係を示す図である。図９において、実線は本実施の形態に係る圧力センサ素子１０を示し、破線は比較例に係る圧力センサ素子を示している。比較例に係る圧力センサ素子は、支持部材に一対の突出部が設けられておらず、支持部材が平面視して円環状である点のみが本実施の形態に係る圧力センサ素子１０と異なっている。
　図９に示すように、本実施の形態に係る圧力センサ素子１０に比べて、比較例に係る圧力センサ素子では、接触領域ＣＲの面積、すなわち誘電体２０の対向面２０ａとメンブレン１６の電極面１６ｂの接触面積は、メンブレン１６に作用する圧力の増加に比例して増加する。
　このことについて具体的に説明する。まず、タッチモードにおいて、圧力センサ素子１０では、一対の突出部１８ｂが存在するために、メンブレン１６は一対の突出部１８ｂを備えていない比較例に係る圧力センサ素子に比べてたわみにくい。そのため、メンブレン１６に作用する圧力が同一である場合、圧力センサ素子１０の接触面積は、比較例に係る圧力センサ素子の接触面積に比べて小さい。
　また、一対の突出部１８ｂの有無に関係なく、タッチモードでは、メンブレン１６に作用する圧力が測定上限圧力に近づくほど、接触面積の増加速度、すなわち単位圧力あたりの接触面積の増加量は小さくなる。これは、メンブレン１６における支持部材１８に近い外周縁部分が中央部分に比べてたわみにくいからである。すなわち、メンブレン１６では、中央部分のたわみ量は外周縁部分のたわみ量より大きい。
　本実施の形態に係る圧力センサ素子１０では、一対の突出部１８ｂを設けられていることにより、メンブレン１６に作用する圧力が測定上限圧力に近づくより早い時点において、接触面積の増加速度が比較例に係る圧力センサ素子より低い。すなわち、図８に示すように、本実施の形態に係る圧力センサ素子１０では、接触領域ＣＲの形状が上方視すなわちＺ軸方向視で円形からくびれを備える形状に変わり始めてから接触面積の増加速度が低下する。その結果、メンブレン１６に作用する圧力の変化にともなう接触面積の増加速度が測定上限圧力に至るまで略一様になり、その結果として、メンブレン１６に作用する圧力の増加に比例して接触面積が増加する。
　したがって、図９に示すように、本実施の形態に係る圧力センサ素子１０では、一対の突出部１８ｂを設けることにより、一対の突出部が設けられていない比較例に係る圧力センサ素子に比べて、メンブレン１６と誘電体２０の接触面積は、メンブレン１６に作用する圧力の増加に比例して増加する。それにより、メンブレン１６に作用する圧力の変化に対する固定電極１４とメンブレン１６との間の静電容量の変化についてより高い線形性を得ることができる。その結果として、このような圧力センサ素子１０を用いる圧力センサ３０は、高精度に圧力を測定することができる。
　このような本実施の形態によれば、メンブレンへの圧力の変化に対する固定電極と該メンブレンとの間の静電容量の変化についてより高い線形性を得ることができ、それにより高精度に圧力を測定することができる圧力センサを提供することができる。
　以上、上述の実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明の実施の形態はこれに限らない。
　例えば、上述の実施の形態の場合、図１および図２に示すように、圧力センサ素子１０は、メンブレン１６と誘電体２０との対向方向視すなわちＺ軸方向視で円形状である。また、誘電体２０もＺ軸方向視で円形状である。しかしながら、本発明の実施の形態はこれに限らない。
　図１０Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る圧力センサが備える圧力センサ素子におけるメンブレンを取り除いた状態の上面図である。
　図１０Ａに示すように、第２の実施の形態に係る圧力センサ素子１１０は、図示されていないメンブレンと誘電体１２０との対向方向視すなわちＺ軸方向視で、矩形状、特に正方形状であって、誘電体１２０もＺ軸方向視で正方形状である。
　また、圧力センサ素子１１０では、支持部材１１８に一対の突出部１１８ｂが設けられている。一対の突出部１１８ｂそれぞれは、支持部材１１８の内壁面１１８ａから、誘電体１２０の中央に向かって内側に突出している。また、一対の突出部１１８ｂは、メンブレンと誘電体１２０の対向方向であるＺ軸方向に対して直交する方向、すなわちＸ軸方向に誘電体１２０を挟んで対向するように設けられている。また、突出部１１８ｂの先端形状は、Ｚ軸方向視で円弧状である。図１０Ｂは、本実施の形態に係る圧力センサが備える圧力センサ素子における、メンブレンと誘電体との接触可能領域を示す上面図である。なお、図１０Bにおいて、接触可能領域ＡＣＲはクロスハッチングで示されている。図１０Ｂに示すように、一対の突出部１１８ｂにより、誘電体１２０の対向面１２０ａにおいて、メンブレンの電極面に接触可能な接触可能領域ＡＣＲと、メンブレンの電極面に接触できない非接触領域ＮＣＲが発生する。すなわち、一対の突出部１１８ｂにより、接触可能領域ＡＣＲは上方視すなわちＺ軸方向視で、メンブレンの中央部分に対向する誘電体１２０の中央部分を挟む１つのくびれを備える形状である。また、接触可能領域ＡＣＲは、上方視すなわちＺ軸方向視で、互いに対向する平行な２つの直線と互いに対向する内側に突出する２つの円弧からなる外形を有する形状である。さらに、接触可能領域ＡＣＲは、上方視すなわちＺ軸方向視で、中心から外周部までの直線距離が異なる部分を有する形状である。
　このような圧力センサ素子１１０においても、上述の第１の実施の形態の圧力センサ素子１０と同様に、一対の突出部１１８ｂを設けることにより、メンブレンに作用する圧力の変化に対する固定電極１１４とメンブレンとの間の静電容量の変化についてより高い線形性を得ることができる。これにより、圧力センサ素子１１０を用いる圧力センサは、高精度に圧力を測定することができる。
　しかしながら、本発明の実施の形態はこれに限らない。図１１Ａは、本発明の第３の実施の形態に係る圧力センサが備える圧力センサ素子におけるメンブレンを取り除いた状態の上面図である。図１１Ａに示すように、第３の実施の形態に係る圧力センサ素子２１０は、図示されていないメンブレンと誘電体２２０との対向方向視すなわちＺ軸方向視）で、長方形状であって、誘電体２２０もＺ軸方向視で長方形状である。図１１Ｂは、本実施の形態に係る圧力センサが備える圧力センサ素子における、メンブレンと誘電体との接触可能領域を示す上面図である。なお、図１１Bにおいて、接触可能領域ＡＣＲはクロスハッチングで示されている。図１１Aおよび図１１Bに示すように、このような圧力センサ素子２１０においても、上述の第２の実施の形態の圧力センサ素子１１０と同様に、一対の突出部２１８ｂを設けることにより、メンブレンに作用する圧力の変化に対する固定電極２１４とメンブレンとの間の静電容量の変化についてより高い線形性を得ることができる。これにより、圧力センサ素子２１０を用いる圧力センサは、高精度に圧力を測定することができる。
　図１２Ａは、本発明の第４の実施の形態に係る圧力センサが備える圧力センサ素子におけるメンブレンを取り除いた状態の上面図である。
　図１２Ａに示すように、第４の実施の形態に係る圧力センサ素子３１０は、図示されていないメンブレンと誘電体３２０との対向方向視すなわちＺ軸方向視で正方形状であって、誘電体３２０もＺ軸方向視で正方形状である。
　また、圧力センサ素子３１０では、支持部材３１８に二対の突出部３１８ｂ，３１８ｃが設けられている。二対の突出部３１８ｂ，３１８ｃそれぞれは、支持部材３１８の内壁面３１８ａから、誘電体３２０の中央に向かって内側に突出している。第１の接触制限部材である一対の突出部３１８ｂは、メンブレンと誘電体３２０の対向方向であるＺ軸方向に対して直交する第１の方向に誘電体３２０を挟んで対向するように設けられている。具体的には、第１の方向は、Ｚ軸方向視で正方形状の誘電体３２０における一方の対角方向である。
　第２の接触制限部材である別の一対の突出部３１８ｃは、メンブレンと誘電体３２０の対向方向であるＺ軸方向および一対の突出部３１８ｂの対向方向である第１の方向に対して直交する第２の方向に誘電体３２０を挟んで対向するように設けられている。具体的には、第２の方向は、Ｚ軸方向視で正方形状の誘電体３２０における他方の対角方向である。
　図１２Ｂは、本実施の形態に係る圧力センサが備える圧力センサ素子における、メンブレンと誘電体との接触可能領域を示す上面図である。なお、図１２Bにおいて、接触可能領域ＡＣＲはクロスハッチングで示されている。図１２Ｂに示すように、一対の突出部３１８ｂと別の一対の突出部３１８ｃとにより、誘電体３２０の対向面３２０ａにおいて、メンブレンの電極面に接触可能な接触可能領域ＡＣＲと、メンブレンの電極面に接触できない非接触領域ＮＣＲが発生する。すなわち、一対の突出部３１８ｂと別の一対の突出部３１８ｃとにより、接触可能領域ＡＣＲは上方視すなわちＺ軸方向視で、メンブレンの中央部分に対向する誘電体３２０の中央部分を挟み、互いに直交する方向に設けられた２つのくびれを備える形状である。すなわち、接触可能領域ＡＣＲは、上方視すなわちＺ軸方向視で、互いに対向する平行な２つの直線と互いに対向する内側に突出する２つの円弧からなる外形を有する形状が２つ互いに直交する方向に重なり合った形状、すなわち、略十字形状である。さらに、接触可能領域ＡＣＲは、上方視すなわちＺ軸方向視で、中心から外周部までの直線距離が異なる部分を有する形状である。
　このような圧力センサ素子３１０においても、上述の第１の実施の形態の圧力センサ素子１０と同様に、メンブレンに作用する圧力の変化に対する固定電極３１４とメンブレンとの間の静電容量の変化についてより高い線形性を得ることができる。これにより、圧力センサ素子３１０を用いる圧力センサは、高精度に圧力を測定することができる。
　さらに、上述の第１の実施の形態の場合、図２に示すように、固定電極１４とメンブレン１６との間に配置されている支持部材１８に設けられている一対の突出部１８ｂが、作用する圧力によってたわむメンブレン１６に接触することにより誘電体２０の対向面２０ａの一部分とメンブレン１６の電極面１６ｂとの接触を制限するための接触制限部材である。しかしながら、本発明の実施の形態はこれに限らない。例えば、接触制限部材は、支持部材と別部材であってもよい。また、接触制限部材は、メンブレンと誘電体との間に配置されてもよい。
　加えて、上述の第１の実施の形態の場合、図２に示すように、固定電極１４の電極面１４ａにおける中央部分に誘電体２０が設けられている。すなわち、メンブレン１６と誘電体２０との対向方向視すなわちＺ軸方向視で、誘電体２０の面積が固定電極１４の面積に比べて小さい。しかしながら、本発明の実施の形態はこれに限らない。メンブレンと誘電体との対向方向視で、誘電体は固定電極と同一の面積を有していてもよい。
　すなわち、本発明の実施の形態に係る圧力センサは、広義には、ベース部材と、前記ベース部材に設けられた固定電極と、前記固定電極に対して間隔をあけて対向して設けられ、可撓性及び導電性を有するメンブレンと、前記固定電極に設けられ、前記メンブレンと対向する誘電体と、前記メンブレンと接触して前記誘電体の一部分と前記メンブレンとの接触を制限する接触制限部材と、を有する圧力センサである。
　以上、複数の実施の形態を挙げて本発明を説明したが、ある実施の形態に対して少なくとも１つの実施の形態を全体としてまたは部分的に組み合わせて本発明に係るさらなる実施の形態とすることが可能であることは、当業者にとって明らかである。
　本発明は、静電容量型圧力センサに適用可能である。
　　　１２　　　ベース部材
　　　１４　　　固定電極
　　　１６　　　メンブレン
　　　１８ｂ　　突出部
　　　２０　　　誘電体

Claims (11)

  1. 　ベース部材と、
    　前記ベース部材に設けられた固定電極と、
    　前記固定電極に対して間隔をあけて対向して設けられ、可撓性及び導電性を有するメンブレンと、
    　前記固定電極に設けられ、前記メンブレンと対向する誘電体と、
    　前記メンブレンと接触して前記誘電体の一部分と前記メンブレンとの接触を制限する接触制限部材と、を有する圧力センサ。
  2. 　前記誘電体におけるメンブレンと接触可能な領域が、前記メンブレンの中央部分に対向する前記誘電体の中央部分を挟むくびれを備える形状である、請求項１に記載の圧力センサ。
  3. 　前記誘電体におけるメンブレンと接触可能な領域が、中心から外周部までの直線距離が異なる部分を有する形状である、請求項１または２に記載の圧力センサ。
  4. 　前記誘電体におけるメンブレンと接触可能な領域が、互いに対向する外側に突出する２つの円弧と互いに対向する内側に突出する２つの円弧からなる外形を有する形状である、請求項１から３のいずれか一項に記載の圧力センサ。
  5. 　前記誘電体におけるメンブレンと接触可能な領域が、互いに対向する平行な２つの直線と互いに対向する内側に突出する２つの円弧からなる外形を有する形状である、請求項１から３のいずれか一項に記載の圧力センサ。
  6. 　前記誘電体におけるメンブレンと接触可能な領域が、略十字形状である、請求項１から３のいずれか一項に記載の圧力センサ。
  7. 　前記接触制限部材として、前記メンブレンと前記誘電体との対向方向に対して直交する第１の方向に前記誘電体を挟んで対向し合う一対の第１の接触制限部材を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の圧力センサ。
  8. 　前記接触制限部材として、前記対向方向および前記第１の方向に対して直交する第２の方向に前記誘電体を挟んで対向し合う一対の第２の接触制限部材を有する、請求項７に記載の圧力センサ。
  9. 　前記誘電体が、円形状、正方形状、長方形状のいずれかである、請求項１から８のいずれか一項に記載の圧力センサ。
  10. 　前記メンブレンが、前記メンブレンの外周縁部分を支持する支持部材を介して前記ベース部材に設けられ、
    　前記接触制限部材が、前記支持部材から前記誘電体の中央に向かって内側に突出する突出部として前記支持部材に設けられている、請求項１から９のいずれか一項に記載の圧力センサ。
  11. 　前記突出部は一対であって、前記メンブレンと前記誘電体の対向方向に対して直交する方向に前記誘電体を挟んで対向するように設けられている、請求項１０に記載の圧力センサ。
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