WO2019220772A1 - 圧力センサ - Google Patents

圧力センサ Download PDF

Info

Publication number
WO2019220772A1
WO2019220772A1 PCT/JP2019/011861 JP2019011861W WO2019220772A1 WO 2019220772 A1 WO2019220772 A1 WO 2019220772A1 JP 2019011861 W JP2019011861 W JP 2019011861W WO 2019220772 A1 WO2019220772 A1 WO 2019220772A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fixed electrode
membrane
pressure
capacitance
base member
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/011861
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
良平 濱▲崎▼
大喜 辻
Original Assignee
株式会社村田製作所
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社村田製作所 filed Critical 株式会社村田製作所
Priority to CN201980032162.4A priority Critical patent/CN112154313B/zh
Publication of WO2019220772A1 publication Critical patent/WO2019220772A1/ja
Priority to US17/035,805 priority patent/US11604111B2/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • 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
    • G01L9/0042—Constructional details associated with semiconductive diaphragm sensors, e.g. etching, or constructional details of non-semiconductive diaphragms
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • 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
    • G01L9/0073—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance using a semiconductive diaphragm
    • 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.
  • Such a touch mode pressure sensor includes a fixed electrode and a membrane that is disposed at a distance from the fixed electrode and bends under pressure.
  • the fixed electrode is provided with a dielectric layer facing the membrane.
  • the central portion of the dielectric layer facing the central portion of the membrane is recessed as compared with other portions. Therefore, the first pressure range from the pressure at which the membrane starts to contact the depressed portion of the dielectric layer to the first predetermined pressure, and the second pressure from the pressure at which the membrane starts to contact the undepressed portion of the dielectric layer. In the second pressure range up to a predetermined pressure, that is, in two different pressure ranges, the linearity of the change in capacitance with respect to the change in pressure is low.
  • the present invention can obtain a high linearity over the entire pressure measurement range with respect to the change in capacitance between the fixed electrode and the membrane with respect to the change in pressure acting on the membrane, thereby measuring the pressure with high accuracy. It is an object of the present invention to provide a pressure sensor that can be used.
  • a base member A membrane disposed at a distance from the base member; A first fixed electrode provided on the base member to face the membrane and provided with a dielectric layer; A second fixed electrode provided on the base member so as to face the membrane; Have When the pressure acting on the membrane is increased and the membrane is deflected toward the base member, the membrane is moved before the distance between the membrane and the second fixed electrode becomes constant.
  • a pressure sensor is provided that contacts a dielectric layer of one fixed electrode.
  • a pressure sensor that can be provided can be provided.
  • FIG. Schematic configuration diagram of a pressure sensor according to Embodiment 1 Pressure-capacitance characteristic diagram of pressure sensor according to Embodiment 1
  • FIG. Pressure-capacitance characteristic diagram of pressure sensor according to Embodiment 2 The disassembled perspective view of the pressure sensor element in the pressure sensor which concerns on Embodiment 3 of this invention. Sectional drawing of the pressure sensor element in the pressure sensor which concerns on Embodiment 3.
  • a pressure sensor includes a base member, a membrane disposed at a distance from the base member, and a dielectric layer provided on the base member so as to face the membrane.
  • 1 fixed electrode and a second fixed electrode provided on the base member so as to face the membrane, the pressure acting on the membrane increases, and the membrane moves toward the base member. As it bends, the membrane contacts the dielectric layer of the first fixed electrode before the distance between the membrane and the second fixed electrode becomes constant.
  • the second fixed electrode is opposed to the central portion of the membrane, and the first fixed electrode is an annular shape that surrounds the second fixed electrode in the opposite direction of the membrane and the base member, A portion of the base member where the first fixed electrode is provided may be closer to the membrane than a portion where the second fixed electrode is provided.
  • the first fixed electrode is opposed to the central portion of the membrane, and the second fixed electrode is an annular shape that surrounds the first fixed electrode as viewed in the facing direction of the membrane and the base member, A portion of the base member where the first fixed electrode is provided may be closer to the membrane than a portion where the second fixed electrode is provided.
  • the second fixed electrode is opposed to a central portion of the membrane, and the first fixed electrode is an annular shape surrounding the second fixed electrode when viewed in the facing direction of the membrane and the base member.
  • the first fixed electrode and the second fixed electrode may be provided on the same plane of the base member.
  • the pressure sensor is provided by the first fixed electrode and the second fixed electrode. Has a thicker contact limiting member.
  • the contact limiting member may be a cylindrical member surrounded by the first fixed electrode while surrounding the second fixed electrode as viewed in the facing direction of the membrane and the base member.
  • FIG. 1 is a perspective view of a pressure sensor element in a pressure sensor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the pressure sensor element in the pressure sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram of the pressure sensor according to the first embodiment.
  • 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 capacitance type pressure sensor.
  • the pressure sensor element 10 includes a base member 12, a first fixed electrode 14 and a second fixed electrode 16 provided on the base member 12, and a conductive membrane disposed at a distance from the base member 12. 18 and a support member 20 that supports the membrane 18.
  • the base member 12 is an insulating substrate made of, for example, an insulating material.
  • the first fixed electrode 14 is an electrode having a through hole 14 a and is an electrode fixed to the base member 12. Further, as shown in FIG. 3, the first fixed electrode 14 is provided on the base member 12, for example, on the surface of the conductor 22 made of a conductive polysilicon material and the surface of the conductor 22 facing the membrane 18. And a dielectric layer 24 provided.
  • the second fixed electrode 16 has a disk shape and is an electrode fixed to the base member 12. Further, as shown in FIG. 3, the second fixed electrode 16 is provided on the base member 12, for example, on the surface of the conductor 26 made of a conductive polysilicon material and the surface of the conductor 26 facing the membrane 18. And a dielectric layer 28 provided. Furthermore, the second fixed electrode 16 is sized to be accommodated in the through hole 14 a of the first fixed electrode 14 when viewed in the opposite direction of the membrane 18 and the base member 12 (viewed in the Z-axis direction). That is, the inner diameter of the first fixed electrode 14 is larger than the outer diameter of the second fixed electrode 16 when viewed in the Z-axis direction.
  • the membrane 18 is a conductor having elasticity and conductivity by being made of, for example, a conductive silicon material.
  • the membrane 18 includes a pressure receiving surface 18 a that receives pressure, and an electrode surface 18 b that is opposite to the pressure receiving surface 16 a and faces the first and second fixed electrodes 14 and 16.
  • the outer peripheral edge portion of the electrode surface 18 b of the membrane 18 is supported by the support member 20.
  • the membrane 18 is arranged with a space from the base member 12.
  • the portion of the membrane 18 excluding the outer peripheral edge supported by the support member 20 bends toward the base member 12, that is, the electrode surface 18b of the membrane 18 has the first and second portions.
  • the fixed electrodes 14 and 16 are approached.
  • the support member 20 is an annular, that is, a frame-like member made of an insulating material, for example.
  • the base member 12, the membrane 18, and the support member 20 define an internal space 30 that accommodates the first and second fixed electrodes 14 and 16.
  • the surface 12a of the base member 12 facing the membrane 18 is provided with a first recess 12c having a first bottom surface 12b. Further, the first bottom surface 12b is provided with a second recess 12e having a second bottom surface 12d.
  • the first bottom surface 12b has an annular shape, and the second bottom surface 12d has a circular shape.
  • the first bottom surface 12b and the second bottom surface 12d are provided on the base member 12 concentrically as viewed in the facing direction of the membrane 18 and the base member 12 (viewed in the Z-axis direction).
  • the annular first bottom surface 12b is closer to the membrane 18 than the circular second bottom surface 12d. Further, the second bottom surface 12d faces the center portion of the membrane 18, and the first bottom surface 12b faces the outer peripheral side portion of the membrane 18 surrounding the center portion.
  • An annular first fixed electrode 14 is provided on the annular first bottom surface 12b.
  • a disc-shaped second fixed electrode 16 is provided on the circular second bottom surface 12d.
  • the first fixed electrode 14 is disposed closer to the membrane 18 than the second fixed electrode 16.
  • the second fixed electrode 16 faces the central portion of the membrane 18.
  • the first fixed electrode 14 and the second fixed electrode 16 are concentrically provided on the base member 12 as viewed in the opposite direction of the membrane 18 and the base member 12 (viewed in the Z-axis direction). Thereby, the first fixed electrode 14 surrounds the second fixed electrode 16 when viewed in the opposite direction. The reason why the first fixed electrode 14 and the second fixed electrode 16 are provided on the base member 12 in such an arrangement will be described later.
  • the pressure sensor 40 includes a pressure sensor element 10 and a sensor controller 50 connected thereto.
  • the first fixed electrode 14 in the pressure sensor element 10 is connected to the sensor controller 50 via the fixed electrode wiring 42.
  • the second fixed electrode 16 is connected to the sensor controller 50 via a fixed electrode wiring 44.
  • the membrane 18 is connected to the sensor controller 50 via the membrane wiring 46.
  • the sensor controller 50 includes a first capacitance C1 between the first fixed electrode 14 of the pressure sensor element 10 and the membrane 18 and a second capacitance between the second fixed electrode 16 and the membrane 18. Based on C2, the pressure acting on the pressure receiving surface 18a of the membrane 18 is calculated, and the calculated value is output to the outside as the output pressure value Pout.
  • the sensor controller 50 includes a first capacitance detector 52 that detects a first capacitance C1 between the first fixed electrode 14 and the membrane 18, a second fixed electrode 16, and a membrane. 18 and a second capacitance detection unit 54 that detects a second capacitance C2 between the second capacitance C2 and the second capacitance C2. Further, the sensor controller 50 outputs the output pressure value from the first and second capacitances C1 and C2 using the storage unit 56 and the first and second calculation formulas Eq1 and Eq2 stored in the storage unit 56. And a pressure calculation unit 58 for calculating Pout.
  • the first and second capacitance detectors 52 and 54 detect electrostatic capacitances that detect the first and second capacitances C1 and C2 between the first and second fixed electrodes 14 and 16 and the membrane 18, respectively. Consists of a capacitive sensor or a capacitor incorporated as part of the circuit.
  • FIG. 4 is a pressure-capacitance characteristic diagram of the pressure sensor according to the first embodiment. As shown in FIG. 4, the first and second capacitance detectors 52 and 54 detect the first and second capacitance detectors 52 and 54 according to the change in the actual pressure value Pin, which is the pressure received by the pressure receiving surface 18a of the membrane 18. Capacitances C1 and C2 also change. In FIG. 4, the change in the first capacitance C1 is indicated by a solid line, and the change in the second capacitance C2 is indicated by a broken line.
  • the storage unit 56 is a storage device such as a memory, for example, and calculates the output pressure value Pout from the first and second capacitances C1 and C2 detected by the first and second capacitance detection units 52 and 54.
  • the first and second calculation formulas Eq1 and Eq2 are stored.
  • the first and second calculation formulas Eq1 and Eq2 for calculating the output pressure value Pout are functions of capacitance based on the pressure-capacitance characteristics of the pressure sensor element 10, and are high-order polynomials, for example.
  • the pressure calculation unit 58 acquires the first and second capacitances C1 and C2 detected by the first and second capacitance detection units 52 and 54 as capacitance signals, and the first and second capacitances C1 and C2 are obtained from the storage unit 56.
  • it is a processor capable of acquiring the second calculation formulas Eq1 and Eq2 as calculation formula data and calculating the output pressure value Pout based on the capacitance signal and the calculation formula data.
  • the processor uses the first and second capacity detection units 52 and 54 detected by the first and second calculation formulas Eq1 and Eq2 stored in the storage unit 56.
  • the output pressure value Pout is calculated by executing a program for calculating the output pressure value Pout from the capacitances C1 and C2.
  • the pressure calculation unit 58 of the sensor controller 50 includes the first capacitance C1 detected by the first capacitance detection unit 52 and the second electrostatic capacitance detected by the second capacitance detection unit 54.
  • One output pressure value Pout is not calculated by using both of the capacitors C2 at the same time. That is, the pressure calculation unit 58 is configured to use the first capacitance C1 and the second capacitance C2 properly.
  • the output pressure value Pout is calculated from the first capacitance C1 in a part of the pressure measurement range of the pressure sensor 40, and output from the second capacitance C2 in the remaining part of the pressure measurement range. The pressure value Pout is calculated. This will be specifically described with reference to FIG.
  • the first capacitance C1 and the second capacitance C2 show different changes with respect to changes in the actual pressure value Pin. Such different changes occur because the relative positions of the first and second fixed electrodes 14 and 16 with respect to the membrane 18 are different as shown in FIG. That is, the second fixed electrode 16 faces the central portion of the membrane 18, the first fixed electrode 14 faces the outer peripheral side portion of the membrane 18 surrounding the central portion, and the first fixed electrode 14 Is caused by being closer to the membrane 18 than the second fixed electrode 16.
  • the membrane 18 bends toward the base member 12 from its central portion. As a result, the distance between the membrane 18 and each of the first and second fixed electrodes 14 and 16 is reduced. As a result, as shown in FIG. 4, the first capacitance C1 and the second electrostatic capacitance are reduced. Each of the capacitors C2 increases.
  • the membrane 18 comes into contact with the first fixed electrode 14. Before and after the contact timing, the membrane 18 contacts the opening edge 12f of the second recess 12e as shown in FIGS.
  • the first capacitance C1 increases abruptly. Then, as the actual pressure value Pin increases, the contact area and the contact pressure of the first fixed electrode 14 with respect to the membrane 18 increase, and the first capacitance C1 rapidly increases accordingly. Thus, after the transition period Tr surrounded by the two-dot chain line in which the membrane 18 and the first fixed electrode 14 are in contact with each other and the first capacitance C1 is rapidly increased, the actual pressure value Pin increases as the actual pressure value Pin increases.
  • the capacitance C1 of 1 increases linearly (the first capacitance C1 increases approximately in proportion to the actual pressure value Pin).
  • the membrane 18 comes into contact with the first fixed electrode 14 or the opening edge 12f, the central portion of the membrane 18 becomes difficult to approach the second fixed electrode 16. Thereby, the increase in the second capacitance C2 with respect to the increase in the actual pressure value Pin is slowed down. Eventually, the distance between the membrane 18 and the second fixed electrode 16 becomes substantially constant (a constant value that is not zero), whereby the second capacitance C2 is also substantially constant (constant). Value).
  • the thickness of the membrane 18 and the depth of the second recess 12e are set so that the membrane 18 and the second fixed electrode 16 do not contact each other. It has been decided.
  • the second capacitance C2 becomes substantially constant.
  • the membrane 18 contacts the first fixed electrode 14 at a pressure Pce.
  • the pressure is higher than the pressure in the transition period Tr of the first capacitance C1, and the distance between the membrane 18 and the second fixed electrode 16 is substantially constant.
  • the pressure calculation unit 58 calculates the output pressure value Pout using the second capacitance C2. This is because, in this pressure range, the first capacitance C1 has a low linearity because there is a transition period Tr in which the value increases rapidly, and the second capacitance C2 is the first one. This is because the linearity is higher than the capacitance C1.
  • the pressure calculation unit 58 calculates the output pressure value Pout using the first capacitance C1. This is because, in this pressure range, the second capacitance C2 has a lower linearity and sensitivity because there is a pressure range in which the value is substantially constant, and the first capacitance C1 has a lower value. This is because the linearity and sensitivity are higher than those of the second capacitance C2.
  • the “sensitivity” referred to here corresponds to the amount of change in capacitance per unit change amount of the actual pressure value Pin, that is, the slope of the capacitance curve shown in FIG. The greater the slope, the higher the “sensitivity”.
  • the first calculation formula Eq1 calculates the output pressure value Pout from the first capacitance C1 that changes with high linearity with respect to a change in pressure in a pressure range higher than the pressure Pth.
  • the first calculation formula Eq1 is an output pressure value from the first capacitance C1 that changes with low linearity with respect to a change in pressure due to the presence of the transition period Tr in a pressure range lower than the pressure Pth. Pout is not calculated.
  • the first calculation formula Eq1 is simplified compared to the case where the output pressure value Pout is calculated from the first capacitance C1 in the entire pressure measurement range.
  • the second calculation formula Eq2 calculates the output pressure value Pout from the second capacitance C2 that changes with high linearity with respect to the pressure change. In other words, the second calculation formula Eq2 does not calculate the output pressure value Pout from the substantially constant second capacitance C2 in a pressure range higher than the pressure Pth. As a result, the second calculation formula Eq2 is simplified compared to the case where the output pressure value Pout is calculated from the second capacitance C2 in the entire pressure measurement range.
  • the output pressure value Pout is calculated from the second capacitance C2 using the second calculation formula Eq2.
  • the output pressure value Pout is calculated from the first capacitance C1 using the first calculation formula Eq1.
  • the output pressure value Pout is calculated from the capacitance that changes with high linearity with respect to the pressure change over the entire pressure measurement range of the pressure sensor 40.
  • the first and second calculation formulas Eq1, Eq2 are simplified formulas, the calculation accuracy of the output pressure value Pout is high, that is, the error from the actual pressure value Pin is small. Therefore, the pressure sensor 40 can measure the pressure with high accuracy.
  • switching of the capacitance used to calculate the output pressure value Pout corresponds to the pressure Pth as shown in FIG. This is executed at the timing when the second capacitance detection unit 54 detects the capacitance value Cth to be performed.
  • high linearity can be obtained over the entire pressure measurement range 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.
  • the pressure sensor can measure the pressure with high accuracy.
  • Embodiment 2 The second embodiment of the present invention is substantially the same as the first embodiment described above except that the shapes of the first and second fixed electrodes and the arrangement with respect to the membrane are different. Therefore, the second embodiment will be described focusing on the different points.
  • symbol is attached
  • FIG. 1 the same code
  • FIG. 5 is an exploded perspective view of the pressure sensor element in the pressure sensor according to the second embodiment.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the pressure sensor element in the pressure sensor according to the second embodiment.
  • the first fixed electrode 114 has a disc shape
  • the second fixed electrode 116 has a circular shape with a through hole 116a. Annular.
  • the first fixed electrode 114 is sized to be accommodated in the through hole 116 a of the second fixed electrode 116 when viewed in the opposite direction of the membrane 18 and the base member 112 (viewed in the Z-axis direction). That is, the inner diameter of the second fixed electrode 116 is larger than the outer diameter of the first fixed electrode 114 when viewed in the Z-axis direction.
  • the surface 112a of the base member 112 facing the membrane 18 is provided with a concave portion 112c having a bottom surface 112b and a convex portion 112e having a top surface 112d.
  • the bottom surface 112b has an annular shape
  • the top surface 112d has a circular shape. Note that the bottom surface 112b and the top surface 112d are provided on the base member 112 concentrically as viewed in the opposing direction of the membrane 18 and the base member 112 (viewed in the Z-axis direction).
  • the circular top surface 112d is closer to the membrane 18 than the annular bottom surface 112b. Moreover, the top surface 112d faces the center portion of the membrane 18, and the bottom surface 112b faces the outer peripheral side portion of the membrane 18 surrounding the center portion.
  • An annular second fixed electrode 116 is provided on the annular bottom surface 112b.
  • a disc-shaped first fixed electrode 114 is provided on the circular top surface 112d.
  • the first fixed electrode 114 is disposed closer to the membrane 18 than the second fixed electrode 116.
  • the first fixed electrode 114 faces the central portion of the membrane 18.
  • the first fixed electrode 114 and the second fixed electrode 116 are provided concentrically on the base member 112 when viewed in the opposite direction of the membrane 18 and the base member 112 (viewed in the Z-axis direction).
  • the second fixed electrode 116 surrounds the first fixed electrode 114 when viewed in the opposite direction (viewed in the Z-axis direction).
  • FIG. 7 is a pressure-capacitance characteristic diagram of the pressure sensor according to the second embodiment.
  • the first fixed electrode 114 and the membrane 18 are moved before the distance between the second fixed electrode 116 and the membrane 18 becomes substantially constant, that is, the second capacitance C2. Before the pressure becomes substantially constant, contact is made at pressure Pce.
  • the thickness of the membrane 18 and the depth of the recess 112c are determined so that the membrane 18 and the second fixed electrode 116 do not come into contact with each other in the pressure measurement range of the pressure sensor. .
  • the pressure calculation unit in the sensor controller of the pressure sensor according to the second embodiment is based on the pressure Pth that is higher than the pressure Pce and before the second capacitance C2 becomes substantially constant.
  • the first capacitance C1 and the second capacitance C2 are configured to be used properly.
  • the second capacitance C2 between the second fixed electrode 116 and the membrane 18 has higher linearity than the first capacitance C1. Therefore, in this pressure range, the output pressure value is calculated using the second capacitance C2.
  • the linearity of the change in the capacitance between the fixed electrode and the membrane with respect to the change in pressure acting on the membrane is high. Can be obtained over. Thereby, the pressure sensor can measure the pressure with high accuracy.
  • the third embodiment of the present invention is substantially the same as the first embodiment described above except that the arrangement of the first and second fixed electrodes with respect to the membrane is different. Therefore, the third embodiment will be described focusing on the different points.
  • symbol is attached
  • FIG. 8 is an exploded perspective view of the pressure sensor element in the pressure sensor according to the third embodiment.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the pressure sensor element in the pressure sensor according to the third embodiment.
  • the first fixed electrode 214 has an annular shape including a through hole 214a, and the second fixed electrode 216 is a disc. Is.
  • the second fixed electrode 216 is sized to be accommodated in the through-hole 214a of the first fixed electrode 214 when the membrane 18 and the base member 212 are viewed in the opposite direction (viewed in the Z-axis direction). That is, the inner diameter of the first fixed electrode 214 is larger than the outer diameter of the second fixed electrode 216 when viewed in the Z-axis direction.
  • the surface 212a of the base member 212 facing the membrane 18 is provided with a recess 212c having a bottom surface 212b.
  • the bottom surface 212b has a circular shape.
  • an annular first fixed electrode 214 and a disk-shaped second fixed electrode 216 are provided on a circular bottom 212b. That is, they are provided on the same plane. Further, the second fixed electrode 216 faces the center portion of the membrane 18.
  • the first fixed electrode 214 and the second fixed electrode 216 are concentrically provided on the base member 212 as viewed in the opposite direction of the membrane 18 and the base member 212 (viewed in the Z-axis direction). Thereby, the first fixed electrode 214 surrounds the second fixed electrode 216 when viewed in the opposite direction.
  • the first fixed electrode 214 and the second fixed electrode 216 are provided on the bottom surface 212 b that is the same plane, and the second fixed electrode 216 faces the central portion of the membrane 18. Therefore, when the membrane 18 bends under pressure, the membrane 18 approaches the second fixed electrode 216 rather than the first fixed electrode 214.
  • the pressure sensor element 210 is provided with a contact limiting member 232 that is thicker than the first fixed electrode 214 and the second fixed electrode 216.
  • the contact limiting member 232 limits the contact between the membrane 18 and the second fixed electrode 216 by contacting the membrane 18.
  • the contact limiting member 232 is a cylindrical member as shown in FIG. 8, and between the first fixed electrode 214 and the second fixed electrode 216 as shown in FIG. 9. Is provided on the circular bottom surface 212b of the base member 212. That is, the contact limiting member 232 is surrounded by the first fixed electrode 214 while surrounding the second fixed electrode 216 when viewed in the opposite direction of the membrane 18 and the base member 212 (viewed in the Z-axis direction).
  • the contact limiting member 232 is not limited to a cylindrical member.
  • at least three or more columnar members provided at equal intervals along the outer periphery of the second fixed electrode 216 may be used.
  • FIG. 10 is a pressure-capacitance characteristic diagram of the pressure sensor according to the third embodiment.
  • the first fixed electrode 214 and the membrane 18 are moved before the distance between the second fixed electrode 216 and the membrane 18 becomes substantially constant, that is, the second capacitance C2.
  • contact is made at pressure Pce.
  • the membrane 18 contacts the contact limiting member 232 at a pressure Pcs that is lower than the pressure Pce. Thereby, the contact between the membrane 18 and the second fixed electrode 216 is limited in the pressure measurement range of the pressure sensor.
  • the pressure calculation unit in the sensor controller of the pressure sensor according to the third embodiment is based on the pressure Pth that is higher than the pressure Pce and before the second capacitance C2 becomes substantially constant.
  • the first capacitance C1 and the second capacitance C2 are configured to be used properly.
  • the output pressure value is calculated using the first capacitance C1.
  • the second capacitance C2 between the second fixed electrode 216 and the membrane 18 has higher linearity than the first capacitance C1. Therefore, in this pressure range, the output pressure value is calculated using the second capacitance C2.
  • the linearity of the change in the capacitance between the fixed electrode and the membrane with respect to the change in the pressure acting on the membrane is high. Can be obtained over. Thereby, the pressure sensor can measure the pressure with high accuracy.
  • the second fixed electrode 16 that does not contact the membrane 18 in the pressure measurement range of the pressure sensor 40 includes a dielectric layer 28 facing the membrane 18. ing. If the pressure in the measurement environment is stable in the pressure measurement range of the pressure sensor 40, that is, there is substantially no possibility of contact between the membrane 18 and the second fixed electrode 16 at the pressure in the pressure measurement range.
  • the second fixed electrode 16 may be composed of only the conductor 26 without including the dielectric layer 28.
  • the pressure sensor according to the embodiment of the present invention is provided on the base member so as to face the membrane, the membrane disposed with a space from the base member, and the membrane.
  • the membrane bends toward the base member, the membrane contacts the dielectric layer of the first fixed electrode before the distance between the membrane and the second fixed electrode becomes constant. It is a pressure sensor.
  • the present invention can be applied to a capacitive pressure sensor.
  • Base member 14 First fixed electrode 16 Second fixed electrode 18 Membrane 24 Dielectric layer 40 Pressure sensor Pin Pressure (actual pressure value)

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)

Abstract

圧力センサ４０は、ベース部材１２と、ベース部材１２に対して間隔をあけて配置されたメンブレン１８と、メンブレン１８に対向するようにベース部材１２に設けられ、誘電体層２４を備える第１の固定電極１４と、メンブレン１８に対向するようにベース部材１２に設けられた第２の固定電極１６とを有する。メンブレン１８に作用する圧力Ｐｉｎが増加してメンブレン１８がベース部材１２に向かってたわんでいくと、メンブレン１８と第２の固定電極１６との間の距離が一定になる前に、メンブレン１８が第１の固定電極１４の誘電体層２４に接触する。

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メンブレンとを備えている。固定電極には、メンブレンに対向する誘電体層が設けられている。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。メンブレンが固定電極の誘電体層に接触した後、すなわちタッチモード中は、メンブレンに対する誘電体層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２０１３－１０４７９７号公報
　しかしながら、特許文献１に記載されているタッチモード圧力センサの場合、メンブレンが固定電極の誘電体層に接触し始める圧力から所定圧力までの圧力範囲においては、圧力の変化に対する静電容量の変化が他の圧力範囲に比べて異なり、線形性が低い。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。
　特に、特許文献１に記載されたタッチモード圧力センサの場合、メンブレンの中央部分に対向する誘電体層の中央部分が他の部分に比べて窪んでいる。そのため、メンブレンが誘電体層の窪んだ部分に接触し始める圧力から第１の所定圧力までの第１の圧力範囲と、メンブレンが誘電体層の窪んでいない部分に接触し始める圧力から第２の所定圧力までの第２の圧力範囲とにおいて、すなわち２つの異なる圧力範囲において、圧力の変化に対する静電容量の変化の線形性が低い。
　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高い線形性を圧力測定範囲全体にわたって得ることができ、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、本発明の一態様によれば、
　ベース部材と、
　前記ベース部材に対して間隔をあけて配置されたメンブレンと、
　前記メンブレンに対向するように前記ベース部材に設けられ、誘電体層を備える第１の固定電極と、
　前記メンブレンに対向するように前記ベース部材に設けられた第２の固定電極と、
を有し、
　前記メンブレンに作用する圧力が増加して前記メンブレンが前記ベース部材に向かってたわんでいくと、前記メンブレンと前記第２の固定電極との間の距離が一定になる前に、前記メンブレンが前記第１の固定電極の誘電体層に接触する、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高い線形性を圧力測定範囲全体にわたって得ることができ、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。
本発明の実施の形態１に係る圧力センサにおける圧力センサ素子の斜視図 実施の形態１に係る圧力センサにおける圧力センサ素子の分解斜視図 実施の形態１に係る圧力センサの概略的構成図 実施の形態１に係る圧力センサの圧力－容量特性図 本発明の実施の形態２に係る圧力センサにおける圧力センサ素子の分解斜視図 実施の形態２に係る圧力センサにおける圧力センサ素子の断面図 実施の形態２に係る圧力センサの圧力－容量特性図 本発明の実施の形態３に係る圧力センサにおける圧力センサ素子の分解斜視図 実施の形態３に係る圧力センサにおける圧力センサ素子の断面図 実施の形態３に係る圧力センサの圧力－容量特性図
　本発明の一態様の圧力センサは、ベース部材と、前記ベース部材に対して間隔をあけて配置されたメンブレンと、前記メンブレンに対向するように前記ベース部材に設けられ、誘電体層を備える第１の固定電極と、前記メンブレンに対向するように前記ベース部材に設けられた第２の固定電極と、を有し、前記メンブレンに作用する圧力が増加して前記メンブレンが前記ベース部材に向かってたわんでいくと、前記メンブレンと前記第２の固定電極との間の距離が一定になる前に、前記メンブレンが前記第１の固定電極の誘電体層に接触する。
　この態様によれば、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高い線形性を圧力測定範囲全体にわたって得ることができ、それにより圧力センサは高精度に圧力を測定することができる。
　例えば、前記第２の固定電極が前記メンブレンの中央部分に対向し、前記第１の固定電極が、前記メンブレンと前記ベース部材の対向方向視で、前記第２の固定電極を囲む環状であり、前記ベース部材における前記第１の固定電極が設けられている部分が前記第２の固定電極が設けられている部分に比べて前記メンブレンに近くてもよい。
　例えば、前記第１の固定電極が前記メンブレンの中央部分に対向し、前記第２の固定電極が、前記メンブレンと前記ベース部材の対向方向視で、前記第１の固定電極を囲む環状であり、前記ベース部材における前記第１の固定電極が設けられている部分が前記第２の固定電極が設けられている部分に比べて前記メンブレンに近くてもよい。
　例えば、前記第２の固定電極が、前記メンブレンの中央部分に対向し、前記第１の固定電極が、前記メンブレンと前記ベース部材の対向方向視で、前記第２の固定電極を囲む環状であり、前記第１の固定電極と前記第２の固定電極が、前記ベース部材の同一平面に設けられてもよく、この場合、圧力センサが、前記第１の固定電極と前記第２の固定電極よりも厚い接触制限部材を有する。
　例えば、前記接触制限部材が、前記メンブレンと前記ベース部材の対向方向視で、前記第２の固定電極を囲みつつ前記第１の固定電極に囲まれる筒状部材であってもよい。
　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。
（実施の形態１）
　図１は、本発明の実施の形態１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１に係る圧力センサにおける圧力センサ素子の分解斜視図である。図３は、本実施の形態１に係る圧力センサの概略的構成図である。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１に係る圧力センサ素子１０は、静電容量型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に設けられた第１の固定電極１４および第２の固定電極１６と、ベース部材１２に対して間隔をあけて配置された導電性のメンブレン１８と、メンブレン１８を支持する支持部材２０とを有する。
　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２に示すように、第１の固定電極１４は、貫通穴１４ａを備える円環状であって、ベース部材１２に固定される電極である。また、第１の固定電極１４は、図３に示すように、ベース部材１２上に設けられ、例えば導電性ポリシリコン材料から作製された導体２２と、メンブレン１８に対向する導体２２上の表面に設けられた誘電体層２４とを備える。
　図２に示すように、第２の固定電極１６は、円板状であって、ベース部材１２に固定される電極である。また、第２の固定電極１６は、図３に示すように、ベース部材１２上に設けられ、例えば導電性ポリシリコン材料から作製された導体２６と、メンブレン１８に対向する導体２６上の表面に設けられた誘電体層２８とを備える。さらに、メンブレン１８とベース部材１２の対向方向視（Ｚ軸方向視）で、第２の固定電極１６は、第１の固定電極１４の貫通穴１４ａ内に収容される大きさである。すなわち、Ｚ軸方向視で、第１の固定電極１４の内径は第２の固定電極１６の外径に比べて大きい。
　メンブレン１８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導体である。また、メンブレン１８は、圧力を受ける受圧面１８ａと、受圧面１６ａに対して反対側であって第１および第２の固定電極１４、１６に対向する電極面１８ｂとを備える。
　また、メンブレン１８は、図３に示すように、電極面１８ｂの外周縁部分が、支持部材２０によって支持されている。それにより、メンブレン１８は、ベース部材１２に対して間隔をあけて配置される。また、受圧面１８ａに圧力が作用すると、支持部材２０によって支持されている外周縁部分を除くメンブレン１８の部分がベース部材１２に向かってたわむ、すなわちメンブレン１８の電極面１８ｂが第１および第２の固定電極１４、１６に接近する。
　支持部材２０は、図２に示すように、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。図３に示すように、ベース部材１２、メンブレン１８、および支持部材２０により、第１および第２の固定電極１４、１６を収容する内部空間３０が画定されている。
　本実施の形態１に係る圧力センサにおける圧力センサ素子１０のさらなる特徴について説明する。
　図２に示すように、メンブレン１８に対向するベース部材１２の表面１２ａには、第１の底面１２ｂを備える第１の凹部１２ｃが設けられている。さらに、その第１の底面１２ｂには、第２の底面１２ｄを備える第２の凹部１２ｅが設けられている。また、第１の底面１２ｂが円環状であって、第２の底面１２ｄが円形状である。なお、第１の底面１２ｂと第２の底面１２ｄは、メンブレン１８とベース部材１２の対向方向視（Ｚ軸方向視）で同心に、ベース部材１２に設けられている。
　図３に示すように、円環状の第１の底面１２ｂは、円形状の第２の底面１２ｄに比べてメンブレン１８に近い。また、第２の底面１２ｄがメンブレン１８の中央部分に対向し、その中央部分を囲むメンブレン１８の外周側部分に第１の底面１２ｂが対向している。
　円環状の第１の底面１２ｂには、円環状の第１の固定電極１４が設けられている。円形状の第２の底面１２ｄには、円板状の第２の固定電極１６が設けられている。その結果、第１の固定電極１４が、第２の固定電極１６に比べてメンブレン１８に近くなるように配置されている。また、第２の固定電極１６がメンブレン１８の中央部分に対向する。なお、メンブレン１８とベース部材１２の対向方向視（Ｚ軸方向視）で、第１の固定電極１４と第２の固定電極１６は同心にベース部材１２に設けられている。それにより、その対向方向視で、第１の固定電極１４が第２の固定電極１６を囲んでいる。このような配置で第１の固定電極１４と第２の固定電極１６とをベース部材１２に設ける理由については後述する。
　図３に示すように、本実施の形態１に係る圧力センサ４０は、圧力センサ素子１０と、それに接続されたセンサコントローラ５０とを有する。
　具体的には、圧力センサ素子１０における第１の固定電極１４は、固定電極用配線４２を介してセンサコントローラ５０に接続されている。また、第２の固定電極１６は、固定電極用配線４４を介してセンサコントローラ５０に接続されている。そして、メンブレン１８は、メンブレン用配線４６を介してセンサコントローラ５０に接続されている。
　センサコントローラ５０は、圧力センサ素子１０の第１の固定電極１４とメンブレン１８との間の第１の静電容量Ｃ１および第２の固定電極１６とメンブレン１８との間の第２の静電容量Ｃ２に基づいて、メンブレン１８の受圧面１８ａに作用する圧力を算出し、その算出値を出力圧力値Ｐｏｕｔとして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５０は、第１の固定電極１４とメンブレン１８との間の第１の静電容量Ｃ１を検出する第１の容量検出部５２と、第２の固定電極１６とメンブレン１８との間の第２の静電容量Ｃ２を検出する第２の容量検出部５４とを有する。また、センサコントローラ５０は、記憶部５６と、その記憶部５６に記憶された第１および第２の算出式Ｅｑ１、Ｅｑ２を用いて第１および第２の静電容量Ｃ１、Ｃ２から出力圧力値Ｐｏｕｔを算出する圧力算出部５８とを有する。
　第１および第２の容量検出部５２、５４は、第１および第２の固定電極１４、１６それぞれとメンブレン１８との間の第１および第２の静電容量Ｃ１、Ｃ２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。図４は、本実施の形態１に係る圧力センサの圧力－容量特性図である。図４に示すように、メンブレン１８の受圧面１８ａが受ける圧力である実圧力値Ｐｉｎの変化に応じて、第１および第２の容量検出部５２、５４によって検出される第１および第２の静電容量Ｃ１、Ｃ２も変化する。なお、図４において、第１の静電容量Ｃ１の変化は実線で、第２の静電容量Ｃ２の変化は破線で示されている。
　記憶部５６は、例えばメモリなどの記憶装置であって、第１および第２の容量検出部５２、５４によって検出された第１および第２の静電容量Ｃ１、Ｃ２から出力圧力値Ｐｏｕｔを算出するための第１および第２の算出式Ｅｑ１、Ｅｑ２を記憶している。出力圧力値Ｐｏｕｔを算出するための第１および第２の算出式Ｅｑ１、Ｅｑ２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５８は、第１および第２の容量検出部５２、５４によって検出された第１および第２の静電容量Ｃ１、Ｃ２を静電容量信号として取得し、記憶部５６から第１および第２の算出式Ｅｑ１、Ｅｑ２を算出式データとして取得し、静電容量信号と算出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５６に記憶されている、第１および第２の算出式Ｅｑ１、Ｅｑ２を用いて第１および第２の容量検出部５２、５４によって検出された第１および第２の静電容量Ｃ１、Ｃ２から出力圧力値Ｐｏｕｔを算出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。
　厳密に言えば、センサコントローラ５０の圧力算出部５８は、第１の容量検出部５２によって検出された第１の静電容量Ｃ１と第２の容量検出部５４によって検出された第２の静電容量Ｃ２の両方を同時に用いて１つの出力圧力値Ｐｏｕｔを算出するわけではない。すなわち、圧力算出部５８は、第１の静電容量Ｃ１と第２の静電容量Ｃ２を使い分けるように構成されている。具体的には、圧力センサ４０の圧力測定範囲の一部分においては第１の静電容量Ｃ１から出力圧力値Ｐｏｕｔを算出し、圧力測定範囲の残りの部分においては第２の静電容量Ｃ２から出力圧力値Ｐｏｕｔを算出する。このことについて、図４を参照しながら具体的に説明する。
　図４に示すように、実圧力値Ｐｉｎの変化に対して、第１の静電容量Ｃ１と第２の静電容量Ｃ２は異なる変化を示す。このような異なる変化は、図３に示すように、メンブレン１８に対する第１および第２の固定電極１４、１６それぞれの相対位置が異なるために生じる。すなわち、第２の固定電極１６がメンブレン１８の中央部分に対向すること、その中央部分を囲むメンブレン１８の外周側部分に第１の固定電極１４が対向すること、そして、第１の固定電極１４が第２の固定電極１６に比べてメンブレン１８に近いことによって生じる。
　具体的に説明すると、実圧力値Ｐｉｎがゼロから増加するにしたがい、メンブレン１８は、その中央部分からベース部材１２に向かってたわんでいく。これにより、メンブレン１８と第１および第２の固定電極１４、１６それぞれとの間の距離が減少し、その結果として、図４に示すように第１の静電容量Ｃ１と第２の静電容量Ｃ２それぞれが増加する。
　実圧力値Ｐｉｎがさらに増加して所定の圧力Ｐｃｅに達すると、第１の固定電極１４にメンブレン１８が接触する。その接触タイミングの前後で、メンブレン１８は、図２および図３に示すように、第２の凹部１２ｅの開口縁１２ｆに接触する。
　メンブレン１８が第１の固定電極１４に接触することにより、第１の静電容量Ｃ１が急激に増加する。そして、実圧力値Ｐｉｎの増加にしたがい、メンブレン１８に対する第１の固定電極１４の接触面積および接触圧が増加し、それにともない第１の静電容量Ｃ１が急激に増加していく。このようにメンブレン１８と第１の固定電極１４とが接触して第１の静電容量Ｃ１が急激に増加する二点鎖線で囲む移行期間Ｔｒ後は、実圧力値Ｐｉｎの増加にしたがい、第１の静電容量Ｃ１は線形的に増加する（実圧力値Ｐｉｎに略比例して第１の静電容量Ｃ１が増加していく）。
　一方、メンブレン１８が第１の固定電極１４や開口縁１２ｆに接触すると、メンブレン１８の中央部分が第２の固定電極１６に接近しにくくなる。それにより、実圧力値Ｐｉｎの増加に対する第２の静電容量Ｃ２の増加が鈍化する。最終的には、メンブレン１８と第２の固定電極１６との間の距離が実質的に一定（ゼロではない一定値）になり、それにより第２の静電容量Ｃ２も実質的に一定（一定値）になる。なお、本実施の形態１の場合、圧力センサ４０の圧力測定範囲において、メンブレン１８と第２の固定電極１６が接触しないように、例えばメンブレン１８の厚さや第２の凹部１２ｅの深さなどが決定されている。
　図４に示すように、本実施の形態１の場合、実圧力値Ｐｉｎが増加してメンブレン１８がベース部材１２に向かってたわんでいくと、第２の静電容量Ｃ２が実質的に一定になる前に、すなわちメンブレン１８と第２の固定電極１６との間の距離が実質的に一定になる前に、メンブレン１８が圧力Ｐｃｅで第１の固定電極１４に接触する。具体的には、メンブレン１８と第２の固定電極１６との間の距離が実質的に一定になる前に、第１の静電容量Ｃ１が急激に増加する移行期間Ｔｒが発生する。
　すなわち、本実施の形態１の場合、第１の静電容量Ｃ１の移行期間Ｔｒでの圧力に比べて高く、且つ、メンブレン１８と第２の固定電極１６との間の距離が実質的に一定になる圧力に比べて低い圧力Ｐｔｈが存在する。この圧力Ｐｔｈを基準として、圧力算出部５８は、第１の静電容量Ｃ１と第２の静電容量Ｃ２を使い分けるように構成されている。
　圧力Ｐｔｈに比べて低い圧力範囲では、圧力算出部５８は、第２の静電容量Ｃ２を用いて出力圧力値Ｐｏｕｔを算出する。これは、この圧力範囲においては、第１の静電容量Ｃ１はその値が急激に増加する移行期間Ｔｒが存在するために線形性が低く、第２の静電容量Ｃ２の方が第１の静電容量Ｃ１に比べて線形性が高いからである。
　圧力Ｐｔｈに比べて高い圧力範囲では、圧力算出部５８は、第１の静電容量Ｃ１を用いて出力圧力値Ｐｏｕｔを算出する。これは、この圧力範囲においては、第２の静電容量Ｃ２はその値が実質的に一定になる圧力範囲が存在するために線形性および感度が低く、第１の静電容量Ｃ１の方が第２の静電容量Ｃ２に比べて線形性および感度が高いからである。なお、ここで言う「感度」は、実圧力値Ｐｉｎの単位変化量あたりの静電容量の変化量、すなわち、図４に示す静電容量曲線の傾きに対応する。この傾きが大きいほど、「感度」が高い。
　このように第１の静電容量Ｃ１と第２の静電容量Ｃ２を使い分けることにより、圧力センサ４０の圧力測定範囲全体にわたって、圧力の変化に対して高い線形性で変化する静電容量を出力圧力値Ｐｏｕｔの算出に使用することができる。それにより、第１の静電容量Ｃ１のみまたは第２の静電容量Ｃ２のみを用いて出力圧力値Ｐｏｕｔを算出する場合に比べて、第１および第２の算出式Ｅｑ１、Ｅｑ２を簡素化することができる。
　すなわち、第１の算出式Ｅｑ１は、圧力Ｐｔｈに比べて高い圧力範囲において、圧力の変化に対して高い線形性で変化する第１の静電容量Ｃ１から出力圧力値Ｐｏｕｔを算出する。言い換えると、第１の算出式Ｅｑ１は、圧力Ｐｔｈに比べて低い圧力範囲において、移行期間Ｔｒの存在によって圧力の変化に対して低い線形性で変化する第１の静電容量Ｃ１から出力圧力値Ｐｏｕｔを算出しない。その結果、圧力測定範囲全体において第１の静電容量Ｃ１から出力圧力値Ｐｏｕｔを算出する場合に比べて、第１の算出式Ｅｑ１は簡素化される。
　圧力Ｐｔｈに比べて低い圧力範囲においては、第２の算出式Ｅｑ２が、圧力の変化に対して高い線形性で変化する第２の静電容量Ｃ２から出力圧力値Ｐｏｕｔを算出する。言い換えると、第２の算出式Ｅｑ２は、圧力Ｐｔｈに比べて高い圧力範囲において、実質的に一定の第２の静電容量Ｃ２から出力圧力値Ｐｏｕｔを算出しない。その結果、圧力測定範囲全体において第２の静電容量Ｃ２から出力圧力値Ｐｏｕｔを算出する場合に比べて、第２の算出式Ｅｑ２は簡素化される。
　このように、圧力Ｐｔｈに比べて低い圧力範囲においては、第２の算出式Ｅｑ２を用いて第２の静電容量Ｃ２から出力圧力値Ｐｏｕｔが算出される。また、圧力Ｐｔｈに比べて高い圧力範囲においては、第１の算出式Ｅｑ１を用いて第１の静電容量Ｃ１から出力圧力値Ｐｏｕｔが算出される。その結果、圧力センサ４０の圧力測定範囲全体にわたって、圧力の変化に対して高い線形性で変化する静電容量から出力圧力値Ｐｏｕｔが算出される。また、第１および第２の算出式Ｅｑ１、Ｅｑ２が簡素化された式であるために、出力圧力値Ｐｏｕｔの算出精度が高い、すなわち実圧力値Ｐｉｎとの誤差が小さい。したがって、圧力センサ４０は、高精度に圧力を測定することができる。
　なお、出力圧力値Ｐｏｕｔの算出に使用する静電容量の切り替えは、すなわち第２の静電容量Ｃ２から第１の静電容量Ｃ１への切り替えは、図４に示すように、圧力Ｐｔｈに対応する静電容量値Ｃｔｈを第２の容量検出部５４が検出したタイミングに実行される。
　このような本実施の形態１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高い線形性を圧力測定範囲全体にわたって得ることができる。それにより、圧力センサは高精度に圧力を測定することができる。
（実施の形態２）
　本発明の実施の形態２は、第１および第２の固定電極それぞれの形状とメンブレンに対する配置が異なる以外、上述の実施の形態１と実質的に同一である。したがって、その異なる点を中心に、本実施の形態２を説明する。なお、上述の実施の形態１における構成要素と実質的に同一の本実施の形態２における構成要素には、同一の符号が付されている。
　図５は、本実施の形態２に係る圧力センサにおける圧力センサ素子の分解斜視図である。また、図６は、本実施の形態２に係る圧力センサにおける圧力センサ素子の断面図である。
　図５に示すように、本実施の形態２に係る圧力センサの圧力センサ素子１１０において、第１の固定電極１１４は円板状であって、第２の固定電極１１６は貫通穴１１６ａを備える円環状である。メンブレン１８とベース部材１１２の対向方向視（Ｚ軸方向視）で、第１の固定電極１１４は、第２の固定電極１１６の貫通穴１１６ａ内に収容される大きさである。すなわち、Ｚ軸方向視で、第２の固定電極１１６の内径は第１の固定電極１１４の外径に比べて大きい。
　図５に示すように、メンブレン１８に対向するベース部材１１２の表面１１２ａには、底面１１２ｂを備える凹部１１２ｃと、頂面１１２ｄを備える凸部１１２ｅが設けられている。また、底面１１２ｂは円環状であって、頂面１１２ｄは円形状である。なお、底面１１２ｂと頂面１１２ｄは、メンブレン１８とベース部材１１２の対向方向視（Ｚ軸方向視）で同心に、ベース部材１１２に設けられている。
　図６に示すように、円形状の頂面１１２ｄは、円環状の底面１１２ｂに比べてメンブレン１８に近い。また、頂面１１２ｄがメンブレン１８の中央部分に対向し、その中央部分を囲むメンブレン１８の外周側部分に底面１１２ｂが対向している。
　円環状の底面１１２ｂには、円環状の第２の固定電極１１６が設けられている。円形状の頂面１１２ｄには、円板状の第１の固定電極１１４が設けられている。その結果、第１の固定電極１１４が、第２の固定電極１１６に比べてメンブレン１８に近くなるように配置されている。また、第１の固定電極１１４がメンブレン１８の中央部分に対向する。なお、メンブレン１８とベース部材１１２の対向方向視（Ｚ軸方向視）で、第１の固定電極１１４と第２の固定電極１１６は、同心にベース部材１１２に設けられている。それにより、その対向方向視（Ｚ軸方向視）で、第２の固定電極１１６が第１の固定電極１１４を囲んでいる。
　図７は、本実施の形態２に係る圧力センサの圧力－容量特性図である。
　図７に示すように、第１の固定電極１１４とメンブレン１８は、第２の固定電極１１６とメンブレン１８との間の距離が実質的に一定になる前に、すなわち第２の静電容量Ｃ２が実質的に一定になる前に、圧力Ｐｃｅで接触する。なお、本実施の形態２の場合、圧力センサの圧力測定範囲において、メンブレン１８と第２の固定電極１１６が接触しないように、例えばメンブレン１８の厚さや凹部１１２ｃの深さなどが決定されている。
　本実施の形態２に係る圧力センサのセンサコントローラにおける圧力算出部は、圧力Ｐｃｅより高く、且つ、第２の静電容量Ｃ２が実質的に一定になる前の圧力である圧力Ｐｔｈを基準として、第１の静電容量Ｃ１と第２の静電容量Ｃ２を使い分けるように構成されている。
　圧力Ｐｔｈに比べて高い圧力範囲では、第１の固定電極１１４とメンブレン１８との間の第１の静電容量Ｃ１は、第２の静電容量Ｃ２に比べて線形性が高い。したがって、この圧力範囲では、第１の静電容量Ｃ１を用いて出力圧力値が算出される。
　圧力Ｐｔｈに比べて低い圧力範囲では、第２の固定電極１１６とメンブレン１８との間の第２の静電容量Ｃ２は、第１の静電容量Ｃ１に比べて線形性が高い。したがって、この圧力範囲では、第２の静電容量Ｃ２を用いて出力圧力値が算出される。
　このような本実施の形態２も、上述の実施の形態１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とメンブレンとの間の静電容量の変化について高い線形性を圧力測定範囲全体にわたって得ることができる。それにより、圧力センサは高精度に圧力を測定することができる。
（実施の形態３）
　本発明の実施の形態３は、メンブレンに対する第１および第２の固定電極の配置が異なる以外、上述の実施の形態１と実質的に同一である。したがって、その異なる点を中心に、本実施の形態３を説明する。なお、上述の実施の形態１における構成要素と実質的に同一の本実施の形態３における構成要素には、同一の符号が付されている。
　図８は、本実施の形態３に係る圧力センサにおける圧力センサ素子の分解斜視図である。また、図９は、本実施の形態３に係る圧力センサにおける圧力センサ素子の断面図である。
　図８に示すように、本実施の形態３に係る圧力センサの圧力センサ素子２１０において、第１の固定電極２１４は貫通穴２１４ａを備える円環状であって、第２の固定電極２１６は円板状である。メンブレン１８とベース部材２１２の対向方向視（Ｚ軸方向視）で、第２の固定電極２１６は、第１の固定電極２１４の貫通穴２１４ａ内に収容される大きさである。すなわち、Ｚ軸方向視で、第１の固定電極２１４の内径は第２の固定電極２１６の外径に比べて大きい。
　図８に示すように、メンブレン１８に対向するベース部材２１２の表面２１２ａには、底面２１２ｂを備える凹部２１２ｃが設けられている。また、底面２１２ｂは円形状である。
　図９に示すように、円形状の底面２１２ｂには、円環状の第１の固定電極２１４と円板状の第２の固定電極２１６が設けられている。すなわち、これらは同一平面に設けられている。また、第２の固定電極２１６は、メンブレン１８の中央部分に対向する。なお、メンブレン１８とベース部材２１２の対向方向視（Ｚ軸方向視）で、第１の固定電極２１４と第２の固定電極２１６は、同心にベース部材２１２に設けられている。それにより、その対向方向視で、第１の固定電極２１４が第２の固定電極２１６を囲んでいる。
　図９に示すように、第１の固定電極２１４と第２の固定電極２１６が同一平面である底面２１２ｂに設けられ、第２の固定電極２１６がメンブレン１８の中央部分に対向している。そのため、メンブレン１８が圧力を受けてたわむと、メンブレン１８は、第１の固定電極２１４よりも第２の固定電極２１６に近づいていく。
　圧力センサ素子２１０には、第１の固定電極２１４と第２の固定電極２１６よりも厚い接触制限部材２３２が設けられている。接触制限部材２３２は、メンブレン１８と接触することにより、メンブレン１８と第２の固定電極２１６との接触を制限する。
　本実施の形態３の場合、接触制限部材２３２は、図８に示すように筒状部材であって、図９に示すように、第１の固定電極２１４と第２の固定電極２１６との間に位置するようにベース部材２１２の円形状の底面２１２ｂに設けられている。すなわち、メンブレン１８とベース部材２１２の対向方向視（Ｚ軸方向視）で、接触制限部材２３２は、第２の固定電極２１６を囲みつつ、第１の固定電極２１４に囲まれている。
　なお、接触制限部材２３２は、筒状部材に限らない。例えば、第２の固定電極２１６の外周に沿って等間隔に設けられた少なくとも３本以上の柱状部材であってもよい。
　図１０は、本実施の形態３に係る圧力センサの圧力－容量特性図である。
　図１０に示すように、第１の固定電極２１４とメンブレン１８は、第２の固定電極２１６とメンブレン１８との間の距離が実質的に一定になる前に、すなわち第２の静電容量Ｃ２が実質的に一定になる前に、圧力Ｐｃｅで接触する。その圧力Ｐｃｅに比べて低い圧力Ｐｃｓでメンブレン１８が接触制限部材２３２に接触する。これにより、圧力センサの圧力測定範囲において、メンブレン１８と第２の固定電極２１６との接触が制限される。
　本実施の形態３に係る圧力センサのセンサコントローラにおける圧力算出部は、圧力Ｐｃｅより高く、且つ、第２の静電容量Ｃ２が実質的に一定になる前の圧力である圧力Ｐｔｈを基準として、第１の静電容量Ｃ１と第２の静電容量Ｃ２を使い分けるように構成されている。
　圧力Ｐｔｈに比べて高い圧力範囲では、第１の固定電極２１４とメンブレン１８との間の第１の静電容量Ｃ１は、第２の静電容量Ｃ２に比べて線形性が高い。したがって、この圧力範囲では、第１の静電容量Ｃ１を用いて出力圧力値が算出される。
　圧力Ｐｔｈに比べて低い圧力範囲では、第２の固定電極２１６とメンブレン１８との間の第２の静電容量Ｃ２は、第１の静電容量Ｃ１に比べて線形性が高い。したがって、この圧力範囲では、第２の静電容量Ｃ２を用いて出力圧力値が算出される。
　このような本実施の形態３も、上述の実施の形態１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とメンブレンとの間の静電容量の変化について高い線形性を圧力測定範囲全体にわたって得ることができる。それにより、圧力センサは高精度に圧力を測定することができる。
　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１の場合、図３に示すように、圧力センサ４０の圧力測定範囲においてメンブレン１８に接触しない第２の固定電極１６は、メンブレン１８と対向する誘電体層２８を備えている。測定環境における圧力が圧力センサ４０の圧力測定範囲で安定しているのであれば、すなわち圧力測定範囲の圧力でメンブレン１８と第２の固定電極１６との接触の可能性が実質的にないのであれば、第２の固定電極１６は、誘電体層２８を備えることなく、導体２６のみで構成されてもよい。
　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、前記ベース部材に対して間隔をあけて配置されたメンブレンと、前記メンブレンに対向するように前記ベース部材に設けられ、誘電体層を備える第１の固定電極と、前記メンブレンに対向するように前記ベース部材に設けられた第２の固定電極と、を有し、前記メンブレンに作用する圧力が増加して前記メンブレンが前記ベース部材に向かってたわんでいくと、前記メンブレンと前記第２の固定電極との間の距離が一定になる前に、前記メンブレンが前記第１の固定電極の誘電体層に接触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　　　第１の固定電極
　　　１６　　　第２の固定電極
　　　１８　　　メンブレン
　　　２４　　　誘電体層
　　　４０　　　圧力センサ
　　　Ｐｉｎ　　圧力（実圧力値）

Claims (5)

  1. 　ベース部材と、
    　前記ベース部材に対して間隔をあけて配置されたメンブレンと、
    　前記メンブレンに対向するように前記ベース部材に設けられ、誘電体層を備える第１の固定電極と、
    　前記メンブレンに対向するように前記ベース部材に設けられた第２の固定電極と、
    を有し、
    　前記メンブレンに作用する圧力が増加して前記メンブレンが前記ベース部材に向かってたわんでいくと、前記メンブレンと前記第２の固定電極との間の距離が一定になる前に、前記メンブレンが前記第１の固定電極の誘電体層に接触する、圧力センサ。
  2. 　前記第２の固定電極が前記メンブレンの中央部分に対向し、
    　前記第１の固定電極が、前記メンブレンと前記ベース部材の対向方向視で、前記第２の固定電極を囲む環状であり、
    　前記ベース部材における前記第１の固定電極が設けられている部分が前記第２の固定電極が設けられている部分に比べて前記メンブレンに近い、請求項１に記載の圧力センサ。
  3. 　前記第１の固定電極が前記メンブレンの中央部分に対向し、
    　前記第２の固定電極が、前記メンブレンと前記ベース部材の対向方向視で、前記第１の固定電極を囲む環状であり、
    　前記ベース部材における前記第１の固定電極が設けられている部分が前記第２の固定電極が設けられている部分に比べて前記メンブレンに近い、請求項１に記載の圧力センサ。
  4. 　前記第２の固定電極が、前記メンブレンの中央部分に対向し、
    　前記第１の固定電極が、前記メンブレンと前記ベース部材の対向方向視で、前記第２の固定電極を囲む環状であり、
    　前記第１の固定電極と前記第２の固定電極が、前記ベース部材の同一平面に設けられ、
    　前記第１の固定電極と前記第２の固定電極よりも厚い接触制限部材を有する、請求項１に記載の圧力センサ。
  5. 　前記接触制限部材が、前記メンブレンと前記ベース部材の対向方向視で、前記第２の固定電極を囲みつつ前記第１の固定電極に囲まれる筒状部材である、請求項４に記載の圧力センサ。
PCT/JP2019/011861 2018-05-16 2019-03-20 圧力センサ WO2019220772A1 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201980032162.4A CN112154313B (zh) 2018-05-16 2019-03-20 压力传感器
US17/035,805 US11604111B2 (en) 2018-05-16 2020-09-29 Pressure sensor enabling high linearity of change in electrostatic capacitance

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018-094921 2018-05-16
JP2018094921A JP2021165636A (ja) 2018-05-16 2018-05-16 圧力センサ

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US17/035,805 Continuation US11604111B2 (en) 2018-05-16 2020-09-29 Pressure sensor enabling high linearity of change in electrostatic capacitance

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2019220772A1 true WO2019220772A1 (ja) 2019-11-21

Family

ID=68540193

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2019/011861 WO2019220772A1 (ja) 2018-05-16 2019-03-20 圧力センサ

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11604111B2 (ja)
JP (1) JP2021165636A (ja)
CN (1) CN112154313B (ja)
WO (1) WO2019220772A1 (ja)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022201590A1 (de) 2022-02-16 2023-08-17 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Mikromechanischer Drucksensor mit Herstellungsverfahren und Verfahren zur Erfassung einer Druckgröße

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07174652A (ja) * 1993-12-16 1995-07-14 Omron Corp 半導体圧力センサ及びその製造方法並びに圧力検出方法
JPH08271364A (ja) * 1995-03-29 1996-10-18 Nagano Keiki Seisakusho Ltd 圧力センサ
JP2005326293A (ja) * 2004-05-14 2005-11-24 Appside Co Ltd 力センサー、力検出システム及び力検出プログラム
JP2005331328A (ja) * 2004-05-19 2005-12-02 Yamatake Corp 容量式圧力センサ
JP2007303922A (ja) * 2006-05-10 2007-11-22 Alps Electric Co Ltd 静電容量型圧力センサ
KR101489302B1 (ko) * 2013-07-31 2015-02-04 전자부품연구원 압력센서

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3114570B2 (ja) * 1995-05-26 2000-12-04 オムロン株式会社 静電容量型圧力センサ
JP2002195903A (ja) * 2000-12-26 2002-07-10 Fujikura Ltd 圧力センサ
EP2520917A1 (en) * 2011-05-04 2012-11-07 Nxp B.V. MEMS Capacitive Pressure Sensor, Operating Method and Manufacturing Method
JP5737148B2 (ja) * 2011-11-14 2015-06-17 オムロン株式会社 静電容量型圧力センサとその製造方法及び入力装置
JP6127625B2 (ja) * 2013-03-19 2017-05-17 オムロン株式会社 静電容量型圧力センサ及び入力装置
EP2806258B1 (en) * 2013-05-20 2018-09-12 ams international AG Differential pressure sensor
US9791340B2 (en) * 2015-07-22 2017-10-17 Nxp Usa, Inc. Self test for capacitive pressure sensors
JP2020046177A (ja) * 2016-12-20 2020-03-26 株式会社村田製作所 圧力センサ素子およびそれを備えた圧力センサモジュール

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07174652A (ja) * 1993-12-16 1995-07-14 Omron Corp 半導体圧力センサ及びその製造方法並びに圧力検出方法
JPH08271364A (ja) * 1995-03-29 1996-10-18 Nagano Keiki Seisakusho Ltd 圧力センサ
JP2005326293A (ja) * 2004-05-14 2005-11-24 Appside Co Ltd 力センサー、力検出システム及び力検出プログラム
JP2005331328A (ja) * 2004-05-19 2005-12-02 Yamatake Corp 容量式圧力センサ
JP2007303922A (ja) * 2006-05-10 2007-11-22 Alps Electric Co Ltd 静電容量型圧力センサ
KR101489302B1 (ko) * 2013-07-31 2015-02-04 전자부품연구원 압력센서

Also Published As

Publication number Publication date
US11604111B2 (en) 2023-03-14
CN112154313A (zh) 2020-12-29
JP2021165636A (ja) 2021-10-14
CN112154313B (zh) 2022-02-11
US20210010887A1 (en) 2021-01-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7219551B2 (en) Differential pressure sensor
US8333118B2 (en) Capacitive pressure sensor
JP4226643B2 (ja) 起歪体、静電容量式力センサー及び静電容量式加速度センサー
US6598483B2 (en) Capacitive vacuum sensor
US11650675B2 (en) Input device with movable handle on a capacitive detection surface and capacitive coupling devices
KR20060061364A (ko) 용량형 센서
US8201455B2 (en) Pressure sensor having thin film sections
JPWO2013051198A1 (ja) 隔膜型圧力計
HUE026046T2 (en) Capacitive pressure gauge cell to measure the pressure of the medium adjacent to the cell
WO2019220772A1 (ja) 圧力センサ
US20120127111A1 (en) Control methods for sensing devices
US11280692B2 (en) Pressure sensor device and pressure sensor module including same
KR20140045378A (ko) 다수의 물체들을 검출하기 위한 용량성 센서 및 방법
US11976994B2 (en) Sensor for detecting pressure, filling level, density, temperature, mass and/or flow rate including nanowires arranged on coupling section
WO2019171838A1 (ja) 圧力センサ
JP2013004456A (ja) スイッチ装置
US11248975B2 (en) High dynamic range capacitive pressure sensor
KR101665187B1 (ko) 환경 정보 센서 회로 및 환경 정보 측정 장치
JP2003287468A (ja) 静電容量式センサ
JPH11237292A (ja) 圧力検出素子及び圧力センサ
JPH036433A (ja) 静電容量型圧力変換器
JP2024031318A (ja) 圧力センサ
JP5621878B2 (ja) 圧力センサおよびデータ入力装置
JP2019158505A (ja) 湿度検知装置
JP2014235143A (ja) 焦電センサ

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19803962

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 19803962

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: JP