WO2020039926A1 - 圧力センサ - Google Patents

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WO2020039926A1
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sensor element
pressure
sensor
support diaphragm
diaphragm
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Inventor
正志 関根
卓也 石原
将 添田
Original Assignee
アズビル株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges

Definitions

  • the present invention relates to a pressure sensor.
  • the pressure sensor according to the technology described in Patent Literature 1 includes a sensor element for detecting pressure, a pedestal plate supporting the sensor element, and a support diaphragm joined to the pedestal plate and supporting the pedestal plate. Further, in the pressure sensor according to the technology described in Patent Document 1, a part of the support diaphragm is joined to the package, and the sensor element and the pedestal plate are supported in the package only through the support diaphragm. Then, in the pressure sensor according to the technology described in Patent Document 1, the pedestal plate is made of the first pedestal plate and the second pedestal plate made of the same material, and the support diaphragm is made of the first pedestal plate and the second pedestal plate. Are joined in a state sandwiched by the pedestal plate.
  • the sensor element is supported in the package by the above-described support structure, so that the thermal stress generated by a rapid thermal change can be reduced by the flexibility to the thermal stress of the support diaphragm. Can be eased.
  • the pressure sensor according to the technique described in Patent Document 1 uses two pedestal supporting plates, so there is room for improvement in reducing the size of the pressure sensor. Further, the pressure sensor according to the technology described in Patent Literature 1 has a possibility that the number of parts and the number of manufacturing steps are increased due to the use of the base plate, and there is room for improvement in reducing the manufacturing cost of the pressure sensor. There is.
  • An object of the present invention is to provide a new and improved pressure sensor capable of reducing the size and manufacturing cost.
  • a pressure sensor includes a sensor element that detects pressure, a package that houses the sensor element, and a support structure that supports the sensor element in the package.
  • the support structure includes a ring-shaped support diaphragm having an outer edge fixed to the package, a pedestal member formed of a material having a coefficient of thermal expansion within a predetermined range, and sandwiching the support diaphragm in cooperation with the sensor element.
  • the sensor element is joined to the support diaphragm in a state in which the opening of the support diaphragm is closed, and the pedestal member has a pressure guiding portion, and the pressure guiding portion has an opening of the support diaphragm. It is joined to the support diaphragm so as to overlap.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining a schematic configuration of the pressure sensor according to the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged sectional view showing the sensor element and the support structure of the sensor element according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a perspective view of the sensor element and the support structure of the sensor element according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the output value of the sensor element having a measurement pressure range of 0 to 10 Torr (0 to 1333.2 Pa), the thickness of the base member, and the inner diameter of the support diaphragm.
  • FIG. 5 is a sectional view showing a schematic configuration of the sensor element before joining.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of the sensor element after bonding.
  • FIG. 5 is a sectional view showing a schematic configuration of the sensor element before joining.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of the sensor element after bonding.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of the sensor element after bonding.
  • FIG. 8 shows the output value of the sensor element, the thickness of the pedestal member, and the inner diameter of the support diaphragm when the hole diameter of the pressure-guiding part whose measurement pressure range is 0-0.1 Torr (0-13.332 Pa) is relatively large.
  • 6 is a graph showing a relationship with the graph.
  • FIG. 9 is a perspective view of a sensor element and a support structure of the sensor element according to the second embodiment.
  • FIG. 10 shows the relationship between the output value of the sensor element and the inner diameter of the supporting diaphragm when the hole diameter of the pressure guiding portion where the measurement pressure range is 0-0.1 Torr (0-13.332 Pa) is relatively small. It is a graph.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of the sensor element after bonding.
  • FIG. 12 is a perspective view of a sensor element and a support structure of the sensor element according to the third embodiment.
  • FIG. 13 is a graph showing the relationship between the output value of the sensor element and the inner diameter of the support diaphragm when the distance between the support diaphragm and the sensor element is relatively short and long.
  • FIG. 14 is a perspective view of a sensor element and a support structure of the sensor element according to the fourth embodiment.
  • FIG. 15 shows the output value of the sensor element, the thickness of the pedestal member, and the inner diameter of the support diaphragm when the measurement pressure range is 0-0.1 Torr (0-13.332 Pa) and the hole diameter of the pressure guiding portion is relatively small.
  • FIG. 6 is a graph showing a relationship with the graph.
  • FIG. 16 is a plan view showing a modification of the pressure guiding portion of the pedestal member.
  • FIG. 17 is a graph showing the relationship between the output value of the sensor element and the inner diameter of the support diaphragm when there is one pressure guiding portion and when there are a plurality of pressure guiding portions.
  • FIG. 3 shows a state where the sensor element and the support structure are broken at the center of the support diaphragm.
  • the capacitance type pressure sensor 1 shown in FIG. 1 includes a heating case 2 located at the outermost position in FIG. 1 and a sensor package 3 housed in the heating case 2.
  • the sensor package 3 corresponds to a “package” according to the present invention.
  • the heating case 2 has a cylindrical case body 4 surrounding the sensor package 3, a self-heating heater 5 covering an outer peripheral surface of the case body 4, and a heat insulating material covering the case body 4 and the heater 5. 6 and the like.
  • the sensor package 3 is formed in a cylindrical shape with a bottom by welding a plurality of members to each other, and is housed in the heating case 2 with the bottom positioned upward in FIG.
  • a plurality of members constituting the sensor package 3 are provided via a lower package 12 having a small diameter portion 11 projecting downward in FIG. 1 from the heating case 2 and a large diameter portion 13 of the lower package 12 via a support diaphragm 14 described later.
  • a disk-shaped cover 16 for closing the open end of the upper package 15.
  • the lower package 12 and the upper package 15 are formed of a metal material having corrosion resistance.
  • the support diaphragm 14 is formed in an annular plate shape from a corrosion-resistant metal material, and its outer edges are welded to the lower package 12 and the upper package 15, respectively, and are supported by these members.
  • the opening 14a of the support diaphragm 14 is formed in a circular shape when viewed from the thickness direction of the support diaphragm 14, and is closed by the sensor element 21 in a state where a sensor element 21 described later is joined to the support diaphragm 14. For this reason, the support diaphragm 14 divides the inside of the sensor package 3 into an introduction portion 22 and a reference vacuum chamber 23 in cooperation with the sensor element 21.
  • a baffle 24 is provided in the introduction section 22.
  • the reference vacuum chamber 23 is maintained at a predetermined degree of vacuum.
  • a plurality of electrode lead portions 26 are embedded in the cover 16 via a hermetic seal 25.
  • the electrode lead portion 26 includes an electrode lead pin 27 and a metal shield 28.
  • the electrode lead pin 27 is supported in the shield 28 via a hermetic seal 29.
  • One end of the electrode lead pin 27 is exposed outside the sensor package 3 and is connected to an external signal processing unit via a wiring (not shown).
  • the other end of the electrode lead pin 27 is connected to a contact pad 31 of the sensor element 21 described later via a contact spring 30 having conductivity.
  • the sensor element 21 detects the pressure of the introduction section 22 in the sensor package 3 based on the capacitance, and is supported in the sensor package 3 by a support structure 32 described later.
  • the sensor element 21 includes a sensor diaphragm 33 and a sensor pedestal 34 joined to the sensor diaphragm 33.
  • This sensor element 21 is joined to the above-mentioned support diaphragm 14 by a diffusion joining method.
  • the sensor diaphragm 33 is formed in a disk shape by sapphire.
  • the opening 14 a of the support diaphragm 14 is closed by the sensor diaphragm 33.
  • the sensor pedestal 34 is formed in a box lid shape by sapphire. The opening of the sensor pedestal 34 is closed by the sensor diaphragm 33.
  • the sensor pedestal 34 is provided with a communication hole 36 for communicating the capacity chamber 35 inside the sensor pedestal 34 with the reference vacuum chamber 23 outside the sensor pedestal 34.
  • the capacity chamber 35 and the reference vacuum chamber 23 maintain the same degree of vacuum.
  • Two types of electrodes 37 to 40 are provided on an inner bottom surface 34a of the sensor pedestal 34 and a surface 33a of the sensor diaphragm 33 facing the inner bottom surface 34a of the sensor pedestal 34, respectively.
  • a pair of pressure-sensitive electrodes 37 and 38 are provided at the center of the sensor diaphragm 33 and at the center of the inner bottom surface 34a of the sensor base 34.
  • a pair of reference electrodes 39 and 40 are provided on the outer peripheral portion of the sensor diaphragm 33 and the outer peripheral portion of the inner bottom surface 34 a of the sensor pedestal 34.
  • the pressure-sensitive electrodes 37 and 38 provided at the center constitute a pressure-sensitive capacitor having a capacitance of Cx.
  • the reference electrodes 39 and 40 provided on the outer periphery constitute a reference capacitor having a capacitance of Cr.
  • the pressure-sensitive capacitor and the reference capacitor are formed so that the capacitance values become equal by adjusting the electrode area.
  • the support structure 32 includes a ring-shaped support diaphragm 14 having an outer peripheral portion fixed to the sensor package 3, and a pedestal member 41 that sandwiches the support diaphragm 14 in cooperation with the sensor element 21. are doing.
  • the pedestal member 41 is formed of a material having a coefficient of thermal expansion within a predetermined range. Examples of the material that forms the pedestal member 41 and has a coefficient of thermal expansion within a predetermined range include “the same material as the material that forms the sensor diaphragm 33 and the sensor pedestal 34” and “the sensor diaphragm 33 and the sensor pedestal 34. Is a material whose difference in thermal expansion coefficient from the material forming the material is so small that it can be considered substantially equal. " That is, the materials that form the pedestal member 41 and have a coefficient of thermal expansion within the predetermined range include the same material as the sensor diaphragm 33 and the sensor pedestal 34, and substantially the same material.
  • the pedestal member 41 is formed in a plate shape having one or a plurality of through holes 42. In this embodiment, an example in which one through hole 42 is formed in the base member 41 will be described.
  • the shape of the pedestal member 41 viewed from the thickness direction is the same square as the sensor element 21.
  • the pedestal member 41 according to this embodiment is formed such that the outer dimensions as viewed from the thickness direction are substantially equal to the sensor element 21.
  • the through hole 42 of the pedestal member 41 has a circular opening shape and is formed at the center of the pedestal member 41.
  • the pedestal member 41 is joined to the support diaphragm 14 together with the sensor element 21 by a diffusion joining method so that the through hole 42 overlaps the opening 14a of the support diaphragm 14.
  • the through hole 42 is not limited to a single hole provided at the center of the pedestal member 41.
  • the through holes 42 may be provided at a plurality of positions of the pedestal member 41, respectively.
  • the through-hole 42 corresponds to a “pressure guiding portion” according to the present invention.
  • the thickness T of the pedestal member 41 and the inner diameter D of the opening 14a of the support diaphragm 14 are different from the shape shown in FIG. It is prescribed to warp.
  • the thickness T of the pedestal member 41 and the inner diameter D of the opening 14a of the support diaphragm 14 are adjusted to optimal values, the direction of deformation of the sensor diaphragm 33 and the sensor pedestal 34 due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the support diaphragm 14 and It is possible to warp the sensor element 21 so that the deformation amounts are equal.
  • the capacitance value change amounts of the capacitances Cx and Cr become equal.
  • the inner diameter D of the support diaphragm 14 By adjusting the inner diameter D of the support diaphragm 14 to an optimum inner diameter, the joint area between the support diaphragm 14 and the sensor element 21 is adjusted, and the sensor element 21 is easily warped due to thermal stress as shown in FIG.
  • the thickness T of the pedestal member 41 is simply referred to as “thickness T”
  • the inner diameter D of the opening 14a of the support diaphragm 14 is simply referred to as “inner diameter D”.
  • the output values of the sensor element 21 when the temperature changes for a plurality of types of support structures 32 having different thicknesses T and inner diameters D were obtained.
  • the output value of the sensor element 21 is determined by the direction and amount of deformation of the sensor diaphragm 33 and the sensor pedestal 34, and is obtained by subtracting the capacitance Cr of the reference capacitor from the capacitance Cx of the pressure-sensitive capacitor.
  • the sensor diaphragm 33 and the sensor pedestal 34 similarly warp due to the thermal stress generated in the sensor element 21, and the amount of change in the capacitance value after joining is reduced. It is possible to reduce it. It has been found that the output value of the sensor element 21 when the temperature changes changes as shown in FIG.
  • “when the temperature changes” means when the sensor element 21 and the pedestal member 41 are cooled to room temperature after being joined to the support diaphragm 14 by the diffusion joining method.
  • FIG. 4 shows a case where the sensor element 21 having a measurement pressure range of 0 to 10 Torr (0 to 1333.2 Pa) is used.
  • the thickness of the support diaphragm 14 is determined for each measurement pressure range. When the measurement pressure range changes, the thickness increases in accordance with the size of the measurement pressure range.
  • the type of the sensor element 21 actually manufactured is not limited to the above-described measurement pressure range, but also ranges from 0 to 0.1 Torr (0 to 13.332 Pa) to 0 to 1000 Torr (0 to 133320 Pa). There are multiple types, and there are multiple types depending on the application. The electrode size of the sensor element 21 differs for each of these types. For this reason, the thickness T and the inner diameter D at which Cx-Cr becomes 0 are different for each type.
  • FIG. 5 is a schematic sectional view of the sensor element 21 before being joined to the support diaphragm 14, and FIGS. 6 and 7 are schematic sectional views of the sensor element 21 after being joined to the support diaphragm 14. 6 and 7, the illustration of the support diaphragm 14 and the pedestal member 41 is omitted.
  • the respective capacitance values before joining are shown as Cx (bef) and Cr (bef).
  • the respective capacitance values after the joining are shown as Cx (aft) and Cr (aft).
  • Cx (bef) -Cr (bef) 0 before joining, but in practice, it often does not become 0 due to the influence of the flatness or warpage of the member.
  • there is no change in the warpage of the sensor element 21 after joining but if the warp is present as shown in FIG.
  • the characteristics of the sensor element 21 include pressure sensitivity.
  • the pressure sensitivity is the amount of change in the capacitance value with respect to the application of pressure, and differs for each sensor element. For example, when a pressure of 10 Torr (1333.2 Pa) is applied to the sensor element 21 for the 0-10 Torr ((0-1333.2 Pa) range, the pressure sensitivity is about 4 pF.
  • the thickness T and the inner diameter D are such that the ratio of the allowable value (target value) of the capacitance value change in the state in which the temperature changes to the pressure sensitivity is equal to or less than the predetermined target value, the characteristics are good even after the temperature change. Is obtained.
  • the pressure sensitivity (the amount of change in Cx-Cr) when a pressure of 10 Torr (1333.2 Pa) is applied to the sensor element 21 is 4 pF.
  • the allowable value of the change in the capacitance value after the joining is ⁇ 0.8 pF.
  • the capacitance type pressure sensor 1 since the sensor element 21 is joined to the support diaphragm 14, the capacitance type pressure sensor 1 is compared with the conventional capacitance type pressure sensor described in Patent Document 1.
  • the need for two pedestal plates is eliminated, and the number of parts is reduced. Also, the step of joining the sensor element and the pedestal plate becomes unnecessary, and the work time required for manufacturing can be reduced. Therefore, the number of parts and the working time can be reduced, so that the manufacturing cost can be reduced.
  • the sensor package 3 and the heating case 2 can be made smaller by the absence of the pedestal plate, and other components connected to the sensor package 3 can be downsized.
  • the capacitance type pressure sensor 1 can be downsized. Therefore, according to this embodiment, it is possible to reduce the size of the capacitance type pressure sensor and reduce the manufacturing cost.
  • the heat capacity is reduced because the sensor package 3 is made compact. Therefore, power consumption of the self-heating heater 5 when the sensor package 3 is heated to a predetermined temperature by the self-heating heater 5 can be reduced.
  • the capacitance value of the sensor element 21 may change.
  • the inner diameter D of the opening 14a of the support diaphragm 14 and the thickness T of the pedestal member 41 can be set so that the capacitance value falls within a predetermined target range. For this reason, by making the direction of deformation and the amount of deformation of the sensor diaphragm 33 and the sensor pedestal 34 equal, the amount of change in the capacitance value can be reduced.
  • FIG. 8 is a graph based on data obtained by analyzing the pressure sensor 1 according to the first embodiment by the finite element method.
  • FIG. 8 shows a change in the output value after bonding of the sensor element 21 when the hole diameter d of the through hole 42 is relatively large.
  • the horizontal axis in FIG. 8 indicates the inner diameter of the support diaphragm 14, and the vertical axis indicates the value of Cx-Cr after bonding.
  • This analysis was performed using the sensor element 21 having a measurement pressure range of 0 to 0.1 Torr (0 to 13.332 Pa).
  • the degree of freedom in design is small in order to realize the pressure sensor 1 in which the amount of change in Cx-Cr after bonding is small with the configuration shown in the first embodiment.
  • the pedestal member 41 is formed to have high rigidity so as to balance the deformation with the sensor element 21 in order to suppress the warpage of the sensor pedestal 34. It was done.
  • the rigidity of the pedestal member 41 can be increased by adjusting the hole diameter d of the through hole 42 of the pedestal member 41 or adjusting the thickness T of the pedestal member 41.
  • the hole diameter d of the through hole 42 of the pedestal member 41 and the thickness T of the pedestal member 41 are adjusted to optimal values in suppressing the warpage of the sensor element 21. Have been.
  • the hole diameter d and the thickness T are determined based on the pressure sensitivity, which is the amount of change in the capacitance value with respect to the application of pressure to the sensor element 21, and the allowable amount of change in the capacitance value after joining.
  • the optimal hole diameter d and the optimal thickness T are values such that the ratio of the allowable amount of change in capacitance value after bonding to the pressure sensitivity of the sensor element 21 is equal to or less than a predetermined target value. These hole diameter d and thickness T can be defined based on data obtained by analysis by the finite element method.
  • FIG. 10 is a graph showing a change in the output value of the sensor element 21 after joining.
  • the pressure sensor according to the present invention can be configured as shown in FIG. 12, members that are the same as or equivalent to those described with reference to FIGS. 1 to 7 are given the same reference numerals, and detailed descriptions thereof will be omitted as appropriate.
  • the amount of change in capacitance value after joining is small. This can be achieved by minimizing the effect of thermal stress on the sensor element 21.
  • it is effective to increase the distance L between the support diaphragm 14 and the sensor element 21 (sensor diaphragm 33) as shown in FIG.
  • the outer edge of the sensor diaphragm 33 to be joined to the support diaphragm 14 is formed thick, or a spacer 51 is provided between the support diaphragm 14 and the sensor diaphragm 33 as shown in FIG. Can be realized by inserting
  • the sensor diaphragm 33 of the sensor element 21 shown in FIG. 12 is joined to the support diaphragm 14 via the spacer 51.
  • the spacer 51 is made of a material that is the same as the material forming the sensor diaphragm 33, the sensor pedestal 34, and the like, and that the difference in the coefficient of thermal expansion between the material forming the sensor diaphragm 33, the sensor pedestal 34, and the like is substantially equal. It is formed by small materials.
  • the shape of the spacer 51 viewed from the thickness direction is a rectangular frame shape overlapping the sensor diaphragm 33.
  • the hollow portion of the spacer 51 is formed in a circular shape having a diameter substantially equal to that of the opening 14a of the support diaphragm 14 when viewed from the thickness direction.
  • the distance L between the support diaphragm 14 and the sensor element 21 is determined based on the pressure sensitivity, which is the amount of change in the capacitance value with respect to the application of pressure to the sensor element 21, and the allowable amount of the change in the capacitance value when the temperature changes. .
  • the optimum distance L is a value such that the ratio of the allowable amount of the capacitance value change to the pressure sensitivity is equal to or less than a predetermined target value.
  • Such a distance L can be defined based on data obtained by analysis by the finite element method (see FIG. 13).
  • FIG. 13 is a graph showing a change in the output value when the temperature of the sensor element 21 changes when the distance L between the support diaphragm 14 and the sensor element 21 is long and short.
  • the horizontal axis in FIG. 13 shows the inner diameter of the support diaphragm 14, and the vertical axis shows the value of Cx-Cr after bonding.
  • the data shown in FIG. 13 was obtained using the data of the sensor element 21 of the first embodiment shown in FIG.
  • the first embodiment is not changed.
  • the capacitance pressure sensor it is possible to provide a capacitance type pressure sensor in which the amount of change in capacitance value after bonding is small.
  • the pressure sensor according to the present invention can be configured as shown in FIG. In FIG. 14, members that are the same as or equivalent to those described with reference to FIGS. 1 to 9 and 12 are given the same reference numerals, and detailed descriptions thereof will be omitted as appropriate.
  • the amount of change in capacitance value after joining is small. This can be achieved by improving the rigidity of the pedestal member 41 and minimizing the influence of thermal stress on the sensor element 21.
  • it can be realized by adjusting the hole diameter d of the through hole 42 of the pedestal member 41 or adjusting the thickness T of the pedestal member 41. .
  • it is effective to increase the distance L between the support diaphragm 14 and the sensor element 21 (sensor diaphragm 33).
  • an outer edge portion of the sensor diaphragm 33 to be joined to the support diaphragm 14 is formed thick, or a spacer 51 is provided between the support diaphragm 14 and the sensor diaphragm 33 as shown in FIG. Can be realized by inserting
  • the hole diameter d of the through hole 42 of the pedestal member 41, the thickness T of the pedestal member 41, and the distance L between the support diaphragm 14 and the sensor element 21 are the amount of change in the capacitance value of the sensor element 21 with respect to pressure application. It is determined based on the pressure sensitivity and the permissible amount of the capacitance value change in the state where the temperature has changed.
  • the optimal hole diameter d, the optimal thickness T, and the optimal distance L are values such that the ratio of the allowable amount of the capacitance value change to the pressure sensitivity is equal to or less than a predetermined target value.
  • FIG. 15 is a graph showing a change in an output value after the sensor element 21 is joined.
  • FIG. 15 shows a case where the hole diameter d of the through hole 42 is relatively small and the rigidity of the pedestal member 41 is relatively high.
  • the horizontal axis in FIG. 15 shows the inner diameter of the support diaphragm 14, and the vertical axis shows the value of Cx-Cr after bonding.
  • the pedestal member has one through hole.
  • the pedestal member can be provided with a plurality of through holes.
  • members that are the same as or equivalent to those described with reference to FIGS. 1 to 3 are given the same reference numerals, and detailed descriptions thereof will be omitted as appropriate.
  • the pedestal member 41 shown in FIG. 16 has four through holes 42. These through holes 42 are respectively formed at positions corresponding to the four corners of the pedestal member 41 formed in a rectangular plate shape.
  • the hole diameter of the through hole 42 according to this embodiment is the same as the through hole 42 having a relatively small hole diameter shown in the second embodiment.

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Abstract

圧力を検出するセンサ素子（２１）と、センサ素子（２１）を収容するセンサパッケージ（３）と、センサ素子（２１）をセンサパッケージ（３）内で支持する支持構造（３２）とを備える。支持構造３２は、パッケージに外縁部が固定されたリング状の支持ダイアフラム（１４）と、熱膨張率が所定の範囲内の材料によって形成され、支持ダイアフラム（１４）をセンサ素子（２１）と協働して挟む台座部材（４１）とを有している。センサ素子（２１）は、支持ダイアフラム（１４）の開口部（１４ａ）を塞ぐ状態で支持ダイアフラム（１４）に接合されている。台座部材（４１）は、導圧部（４２）を有し、この導圧部が支持ダイアフラム（１４）の開口部（１４ａ）と重なるように支持ダイアフラム（１４）に接合されている。　本発明によれば、小型化と製造コストの低減とを図ることができる。

Description

圧力センサ
　本発明は、圧力センサに関する。
　外部からの熱による熱応力の影響を受けることなく、高精度の圧力検出を行う圧力センサに関する技術が開発されている。上記技術としては、例えば下記の特許文献１に記載の技術が挙げられる。
特許第４０１４００６号公報
　特許文献１に記載の技術に係る圧力センサは、圧力を検出するセンサ素子と、当該センサ素子を支持する台座プレートと、当該台座プレートに接合され、当該台座プレートを支持する支持ダイアフラムとを有する。また、特許文献１に記載の技術に係る圧力センサは、支持ダイアフラムの一部がパッケージに接合され、当該支持ダイアフラムのみを介してセンサ素子、台座プレートがパッケージ内で支持される。そして、特許文献１に記載の技術に係る圧力センサでは、台座プレートが、同一材料からなる第1の台座プレートと第２の台座プレートとからなり、支持ダイアフラムが当該第１の台座プレートと第２の台座プレートとによって挟まれた状態で接合される。特許文献１に記載の技術が用いられる場合、上記のような支持構造によってセンサ素子がパッケージ内で支持されることにより、急激な熱的変化によって生じる熱応力を支持ダイアフラムの熱応力に対する柔軟性で緩和することができる。
　その一方で、特許文献１に記載の技術に係る圧力センサは、２つの支持用の台座プレートを使用するので、圧力センサの小型化を図る上で改良の余地がある。また、特許文献１に記載の技術に係る圧力センサは、台座プレートを使用する分だけ部品数や製造工程数が多くなる可能性があり、圧力センサの製造コストの低減を図る上で改良の余地がある。
　本発明の目的は、小型化と製造コストの低減とを図ることが可能な、新規かつ改良された圧力センサを提供することである。
　この目的を達成するために、本発明に係る圧力センサは、圧力を検出するセンサ素子と、前記センサ素子を収容するパッケージと、前記センサ素子を前記パッケージ内で支持する支持構造とを備え、前記支持構造は、前記パッケージに外縁部が固定されたリング状の支持ダイアフラムと、熱膨張率が所定の範囲内の材料によって形成され、前記支持ダイアフラムを前記センサ素子と協働して挟む台座部材とを有し、前記センサ素子は、前記支持ダイアフラムの開口部を塞ぐ状態で前記支持ダイアフラムに接合され、前記台座部材は、導圧部を有し、この導圧部が前記支持ダイアフラムの開口部と重なるように前記支持ダイアフラムに接合されているものである。
　本発明によれば、小型化と製造コストの低減とを図ることができる。
図１は、本発明に係る圧力センサの概略の構成を説明するための断面図である。 図２は、第１の実施の形態によるセンサ素子およびセンサ素子の支持構造を拡大して示す断面図である。 図３は、第１の実施の形態によるセンサ素子およびセンサ素子の支持構造の斜視図である。 図４は、測定圧力レンジが０－１０Ｔｏｒｒ（０－１３３３．２Ｐａ）であるセンサ素子の出力値と台座部材の厚みおよび支持ダイアフラムの内径との関係を示すグラフである。 図５は、接合前のセンサ素子の概略の構成を示す断面図である。 図６は、接合後のセンサ素子の概略の構成を示す断面図である。 図７は、接合後のセンサ素子の概略の構成を示す断面図である。 図８は、測定圧力レンジが０－０．１Ｔｏｒｒ（０－１３．３３２Ｐａ）である導圧部の穴径が相対的に大きい場合におけるセンサ素子の出力値と台座部材の厚みおよび支持ダイアフラムの内径との関係を示すグラフである。 図９は、第２の実施の形態によるセンサ素子およびセンサ素子の支持構造の斜視図である。 図１０は、測定圧力レンジが０－０．１Ｔｏｒｒ（０－１３．３３２Ｐａ）である導圧部の穴径が相対的に小さい場合におけるセンサ素子の出力値と支持ダイアフラムの内径との関係を示すグラフである。 図１１は、接合後のセンサ素子の概略の構成を示す断面図である。 図１２は、第３の実施の形態によるセンサ素子およびセンサ素子の支持構造の斜視図である。 図１３は、支持ダイアフラムとセンサ素子との距離が相対的に短い場合と長い場合とにおけるセンサ素子の出力値と支持ダイアフラムの内径との関係を示すグラフである。 図１４は、第４の実施の形態によるセンサ素子およびセンサ素子の支持構造の斜視図である。 図１５は、測定圧力レンジが０－０．１Ｔｏｒｒ（０－１３．３３２Ｐａ）である導圧部の穴径が相対的に小さい場合におけるセンサ素子の出力値と台座部材の厚みおよび支持ダイアフラムの内径との関係を示すグラフである。 図１６は、台座部材の導圧部の変形例を示す平面図である。 図１７は、導圧部が１箇所である場合と複数箇所ある場合とにおける、センサ素子の出力値と支持ダイアフラムの内径との関係を示すグラフである。
（第１の実施の形態）
　以下、本発明に係る圧力センサの一実施の形態を図１～図７を参照して詳細に説明する。図３は支持ダイアフラムの中央部でセンサ素子および支持構造を破断した状態で描いてある。この実施の形態においては、本発明を静電容量型圧力センサに適用する場合の例について説明する。
　図１に示す静電容量型圧力センサ１は、図１において最も外側に位置する加熱用ケース２と、この加熱用ケース２の中に収容されたセンサパッケージ３などを備えている。この実施の形態においては、このセンサパッケージ３が本発明でいう「パッケージ」に相当する。
　加熱用ケース２は、センサパッケージ３を囲む円柱状に形成されたケース本体４と、このケース本体４の外周面を覆う自己加熱用ヒータ５と、これらのケース本体４およびヒータ５を覆う断熱材６などによって構成されている。
　センサパッケージ３は、複数の部材を互いに溶接して有底円筒状に形成されており、底部が図１において上に位置する状態で加熱用ケース２の中に収容されている。
　センサパッケージ３を構成する複数の部材は、加熱用ケース２から図１において下方に突出する小径部１１を有するロアパッケージ１２と、このロアパッケージ１２の大径部１３に後述する支持ダイアフラム１４を介して接続された円筒状のアッパパッケージ１５と、このアッパパッケージ１５の開口端を閉塞する円板状のカバー１６である。これらのロアパッケージ１２と、アッパパッケージ１５は、耐食性を有する金属材料によって形成されている。
　支持ダイアフラム１４は、耐食性を有する金属材料によって円環板状に形成されており、外縁部がロアパッケージ１２とアッパパッケージ１５とにそれぞれ溶接されてこれらの部材に支持されている。支持ダイアフラム１４の開口部１４ａは、支持ダイアフラム１４の厚み方向から見て円形に形成されており、支持ダイアフラム１４に後述するセンサ素子２１が接合された状態でセンサ素子２１によって閉塞されている。このため、支持ダイアフラム１４は、センサ素子２１と協働してセンサパッケージ３内を導入部２２と基準真空室２３とに分けている。導入部２２内にはバッフル２４が設けられている。基準真空室２３は、所定の真空度に保たれている。
　カバー１６にはハーメチックシール２５を介して複数の電極リード部２６が埋め込まれている。電極リード部２６は、電極リードピン２７と金属製のシールド２８とを備えている。電極リードピン２７は、シールド２８の中にハーメチックシール２９を介して支持されている。電極リードピン２７の一端は、センサパッケージ３の外に露出し、図示しない配線を介して外部の信号処理部に接続されている。電極リードピン２７の他端は、導電性を有するコンタクトばね３０を介して後述するセンサ素子２１のコンタクトパッド３１に接続されている。
　センサ素子２１は、センサパッケージ３内の導入部２２の圧力を静電容量に基づいて検出するもので、後述する支持構造３２によってセンサパッケージ３内で支持されている。センサ素子２１は、図２に示すように、センサダイアフラム３３と、このセンサダイアフラム３３に接合されたセンサ台座３４とを備えている。このセンサ素子２１は、拡散接合法によって上述した支持ダイアフラム１４に接合されている。
　センサダイアフラム３３は、サファイアによって円板状に形成されている。支持ダイアフラム１４の開口部１４ａは、このセンサダイアフラム３３によって閉塞されている。
　センサ台座３４は、サファイアによって箱蓋状に形成されている。センサ台座３４の開口部は、センサダイアフラム３３によって閉塞されている。センサ台座３４には、センサ台座３４の内部の容量室３５とセンサ台座３４の外の基準真空室２３とを連通する連通孔３６が穿設されている。容量室３５と基準真空室２３とは同一の真空度を保っている。
　このセンサ台座３４の内側底面３４ａと、センサダイアフラム３３におけるセンサ台座３４の内側底面３４ａと対向する面３３ａとには、それぞれ２種類の電極３７～４０が設けられている。
　センサダイアフラム３３の中央部とセンサ台座３４の内側底面３４ａの中央部とには、一対の感圧電極３７，３８が設けられている。センサダイアフラム３３の外周部とセンサ台座３４の内側底面３４ａの外周部とには、一対の参照電極が３９，４０が設けられている。中央部に設けられている感圧電極３７，３８は、静電容量がＣｘとなる感圧キャパシタを構成している。外周部に設けられている参照電極３９，４０は、静電容量がＣｒとなる参照キャパシタを構成している。感圧キャパシタと参照キャパシタは、電極面積を調整して容量値が等しくなるように形成されている。
　支持構造３２は、図１に示すように、センサパッケージ３に外周部が固定されたリング状の支持ダイアフラム１４と、この支持ダイアフラム１４をセンサ素子２１と協働して挟む台座部材４１とを有している。
　台座部材４１は、熱膨脹率が所定の範囲内の材料によって形成されている。台座部材４１を形成する熱膨張率が所定の範囲内の材料としては、例えば、"センサダイアフラム３３やセンサ台座３４などを形成する材料と同一の材料"と、"センサダイアフラム３３やセンサ台座３４などを形成する材料との熱膨張率の差が、実質的に等しいとみなせる程小さな材料"とが挙げられる。つまり、台座部材４１を形成する熱膨張率が所定の範囲内の材料には、センサダイアフラム３３やセンサ台座３４などと同じ材料と、略同一の材料とが含まれる。
　台座部材４１は、１つまたは複数の貫通穴４２を有する板状に形成されている。この実施の形態においては、１つの貫通穴４２が台座部材４１に形成されている例について説明する。台座部材４１の厚み方向から見た形状は、センサ素子２１と同一の四角形である。この実施の形態による台座部材４１は、厚み方向から見た外形寸法がセンサ素子２１と略等しくなるように形成されている。
　台座部材４１の貫通穴４２は、開口形状が円形で、台座部材４１の中央部に形成されている。台座部材４１は、この貫通穴４２が支持ダイアフラム１４の開口部１４ａと重なるように、支持ダイアフラム１４に拡散接合法によってセンサ素子２１とともに接合されている。なお、貫通穴４２は、台座部材４１の中央部に１つだけ設けられた穴に限定されることはない。貫通穴４２は、台座部材４１の複数の位置にそれぞれ設けてもよい。この実施の形態においては、この貫通穴４２が本発明でいう「導圧部」に相当する。
　図２に示すように、台座部材４１の厚みＴと、支持ダイアフラム１４の開口部１４ａの内径Ｄは、センサ素子２１に熱応力が生じたときに、センサ素子２１が後述する図７に示す形状に反るように規定されている。
　台座部材４１の厚みＴと支持ダイアフラム１４の開口部１４ａの内径Ｄを最適な値に調節することにより、支持ダイアフラム１４との熱膨張率の違いによりセンサダイアフラム３３とセンサ台座３４の変形の向き、変形量が等しくなるようにセンサ素子２１を反らすことが可能になる。図７に示すセンサ素子２１は、センサダイアフラム３３とセンサ台座３４とが同じように反っているから、静電容量Ｃｘと静電容量Ｃｒの容量値変化量が等しくなる。
　支持ダイアフラム１４の内径Ｄを最適な内径に調節することにより、支持ダイアフラム１４とセンサ素子２１との接合面積が調整され、センサ素子２１が熱応力によって図７に示すように反り易くなる。以下においては、台座部材４１の厚みＴを単に「厚みＴ」といい、支持ダイアフラム１４の開口部１４ａの内径Ｄを単に「内径Ｄ」という。
　この実施の形態において厚みＴと内径Ｄとを定めるにあたっては、厚みＴと内径Ｄとが異なる複数種類の支持構造３２について、それぞれ温度が変化したときのセンサ素子２１の出力値を求めて行った。
　センサ素子２１の出力値は、センサダイアフラム３３とセンサ台座３４の変形の方向、変形量などによって決まり、感圧キャパシタの静電容量Ｃｘから参照キャパシタの静電容量Ｃｒを減算することにより得られる。
　厚みＴと内径Ｄとを最適な値とすることにより、センサ素子２１に生じた熱応力でセンサダイアフラム３３とセンサ台座３４とが同じように反るようになり、接合後の容量値変化量を少なくすることが可能になる。
　温度が変化したときのセンサ素子２１の出力値は、図４に示すように変化することが判った。ここでいう「温度が変化したとき」とは、センサ素子２１および台座部材４１が支持ダイアフラム１４に拡散接合法によって接合された後に室温に冷却されたときである。
　図４は、測定圧力レンジが０－１０Ｔｏｒｒ（０－１３３３．２Ｐａ）のセンサ素子２１を用いた場合を示す。
　支持ダイアフラム１４の厚みは、測定圧力レンジ毎に定められており、測定圧力レンジが変わると、測定圧力レンジの大きさに合わせて厚くなる。
　図４に示すように、Ｃｘ－Ｃｒが０になる厚みＴと内径Ｄとが存在することが分かる。
　実際に製造されるセンサ素子２１の種類は、上記の測定圧力レンジのものだけではなく測定圧力レンジが０－０．１Ｔｏｒｒ（０－１３．３３２Ｐａ）～０－１０００Ｔｏｒｒ（０－１３３３２０Ｐａ）の範囲で複数種類あり、用途に応じても複数の種類がある。センサ素子２１の電極サイズは、これらの種類毎に異なっている。このため、Ｃｘ－Ｃｒが０になる厚みＴと内径Ｄも種類毎に異なる。
　ここで、センサ素子２１の温度が変化したときのＣｘ－Ｃｒの値を図５～図７を参照して説明する。図５は、支持ダイアフラム１４に接合される以前のセンサ素子２１の概略断面図、図６および図７は、支持ダイアフラム１４に接合された後のセンサ素子２１の概略断面図である。図６および図７においては、支持ダイアフラム１４と台座部材４１の図示を省略している。
　図５においては、接合前の各容量値をＣｘ（ｂｅｆ）、Ｃｒ（ｂｅｆ）として示してある。図６および図７においては、接合後の各容量値をＣｘ（ａｆｔ）、Ｃｒ（ａｆｔ）として示してある。
　接合前のＣｘ（ｂｅｆ）－Ｃｒ（ｂｅｆ）＝０となることが理想であるが、実際には部材の平面度、反りなどの影響を受けて０にはならないことが多い。理想は、Ｃｘ（ｂｅｆ）とＣｘ（ａｆｔ）とが接合前後で変わらず、Ｃｒ（ａｆｔ）とＣｒ（ｂｅｆ）が接合前後で変わらないことである。これらの条件を満たせば、
｛Ｃｘ（ａｆｔ）－Ｃｒ（ａｆｔ）｝－｛Ｃｘ（ｂｅｆ）－Ｃｒ（ｂｅｆ）｝＝０
になる。
　このように接合後にセンサ素子２１の反り変化がないことが理想であるが、図７に示すように反れば容量値の変化量が少なくなるため、センサ素子２１の特性は良好になる。一方、図６に示すように反ると、Ｃｘの値が小さくなり、Ｃｘ－Ｃｒの値がマイナスとなってセンサ素子２１の特性が悪化してしまう。
　センサ素子２１の特性としては、圧力感度が挙げられる。この圧力感度とは、圧力印加に対する容量値の変化量で、各センサ素子によって異なる。例えば、０－１０Ｔｏｒｒ（（０－１３３３．２Ｐａ）レンジ用のセンサ素子２１に１０Ｔｏｒｒ（１３３３．２Ｐａ）の圧力が印加されたときの圧力感度は４ｐＦ程度である。
　圧力感度に対する、温度が変化した状態における容量値変化の許容値（目標値）の割合が予め定めた目標値以下となるような厚みＴと内径Ｄであれば、温度変化後も特性が良好になる圧力センサ１が得られる。これを測定圧力レンジが０－１０Ｔｏｒｒ（０－１３３３．２Ｐａ）であるセンサ素子２１を用いる場合について説明する。
　このセンサ素子２１に１０Ｔｏｒｒ（１３３３．２Ｐａ）の圧力が印加されたときの圧力感度（Ｃｘ－Ｃｒの変化量）を４ｐＦとする。また、接合後の容量値変化の許容値を±０．８ｐＦとする。
　この場合の「圧力感度に対する、接合後の容量値変化の許容値（Ｃｘ－Ｃｒの変化量）の割合」は、次の式で示すようになる。
　温度変化後（接合前後）の容量値変化の許容値（Ｃｘ－Ｃｒの変化量）／圧力感度×１００％＝±０．８／４×１００（％）＝±２０（％）
　すなわち、圧力感度に対する、接合後の容量値変化の許容値の割合が２０％以下になるような厚みＴと内径Ｄであれば、接合後も特性が良好な圧力センサ１が得られる。
　上述したように構成された静電容量型圧力センサ１においては、センサ素子２１が支持ダイアフラム１４に接合されているから、特許文献１に記載されている従来の静電容量型圧力センサと較べて２枚の台座プレートが不要になり、部品数が削減される。また、センサ素子と台座プレートとの接合工程が不要になり、製造に必要な作業時間を削減することができる。このため、部品数の低減と作業時間の短縮とが図られるから、製造コストを低減することができる。
　しかも、台座プレートを有していない分だけセンサパッケージ３と加熱用ケース２とを小さく形成することができ、センサパッケージ３に接続される他の部品も小型化できるから、製造コストの低減のみならず静電容量型圧力センサ１を小型化することができる。したがって、この実施の形態によれば、静電容量型圧力センサの小型化と製造コストの低減とを図ることができる。
　この実施の形態による静電容量型圧力センサ１においては、センサパッケージ３のコンパクト化が図られるために熱容量が低減される。このため、センサパッケージ３を自己加熱用ヒータ５で所定の温度に加熱するときの自己加熱用ヒータ５の消費電力を少なく抑えることができる。
　センサ素子２１が支持ダイアフラム１４に接合されていることに起因してセンサ素子２１に熱応力が生じると、前記センサ素子２１の容量値が変化するおそれがある。この実施の形態によれば、支持ダイアフラム１４の開口部１４ａの内径Ｄと、台座部材４１の厚みＴとを、容量値が予め定めた目標範囲内となるように設定することができる。このため、センサダイアフラム３３とセンサ台座３４の変形の向き、変形量を等しくすることにより容量値変化量を少なく抑えることができる。
　また、センサ素子２１の圧力感度に対する、温度が変化した状態における容量値変化の許容量の割合が予め定めた目標値以下になるように内径Ｄと厚みＴとを設定することにより、接合後も特性が良好な静電容量型圧力センサを提供することができる。
（第２の実施の形態）
　第１の実施の形態による圧力センサ１においては、測定圧力レンジが例えば０－０．１Ｔｏｒｒ（０－１３．３３２Ｐａ）となるように低い場合、すなわちセンサダイアフラム３３が薄くなるセンサ素子２１を使用する場合であっても、接合後の容量値変化を小さくすることが要請されている。第１の実施の形態による圧力センサ１に測定圧力レンジが０－０．１Ｔｏｒｒ（０－１３．３３２Ｐａ）のセンサ素子２１を使用した場合は、接合後の容量値変化が図８に示すようになる。図８は、第１の実施の形態による圧力センサ１を有限要素法によって解析して得られたデータに基づくグラフである。図８は、貫通穴４２の穴径ｄが相対的に大きくなる場合の、センサ素子２１の接合後の出力値の変化を示している。図８の横軸は、支持ダイアフラム１４の内径を示し、縦軸は、接合後のＣｘ－Ｃｒの値を示している。この解析は、測定圧力レンジが０－０．１Ｔｏｒｒ（０－１３．３３２Ｐａ）のセンサ素子２１を用いて行った。図８から判るように、第１の実施の形態に示す構成で接合後のＣｘ－Ｃｒ変化量が少なくなる圧力センサ１を実現するためには、設計上の自由度が小さい。
　測定圧力レンジが低い場合であっても接合後のＣｘ－Ｃｒ変化量を小さくするためには、拡散接合後のセンサ台座３４の反り変形を抑えることが必要である。第２の実施の形態による圧力センサは、このようなセンサ台座３４の反り変形を抑えるために、台座部材４１を剛性が高くなるように形成してセンサ素子２１との変形のバランスをとるようにしたものである。
　台座部材４１の剛性を高くするためには、台座部材４１の貫通穴４２の穴径ｄを調整したり、台座部材４１の厚みＴを調整することにより実現可能である。第２の実施の形態によるセンサ素子２１は、センサ素子２１の反り変形を抑えるにあたって、台座部材４１の貫通穴４２の穴径ｄと、台座部材４１の厚みＴとが、それぞれ最適な値に調整されている。穴径ｄと、厚みＴとは、センサ素子２１の圧力印加に対する容量値変化量からなる圧力感度と、接合後の容量値変化の許容量とに基づいて定められている。最適な穴径ｄと、最適な厚みＴとは、センサ素子２１の圧力感度に対する、接合後の容量値変化の許容量の割合が予め定めた目標値以下となるような値である。これらの穴径ｄと厚みＴとは、有限要素法によって解析して得られたデータに基づいて規定することができる。
　台座部材４１の剛性を高くするにあたって貫通穴４２の穴径ｄを小さくする場合のセンサ素子２１は、図９に示すように構成される。図９に示す台座部材４１は、貫通穴４２の穴径ｄが第１の実施の形態による貫通穴４２（図３参照）の穴径より小さく形成されている。貫通穴４２の穴径ｄが相対的に小さい場合は、穴径ｄが相対的に大きい場合と較べると、図１０に示す解析結果から明らかなように、接合後のＣｘ－Ｃｒ変化量が少なくなる。図１０は、センサ素子２１の接合後の出力値の変化を示すグラフで、図１０の横軸は、支持ダイアフラム１４の内径を示し、縦軸は、接合後のＣｘ－Ｃｒの値を示している。この解析は、測定圧力レンジが０－０．１Ｔｏｒｒ（０－１３．３３２Ｐａ）のセンサ素子２１を用いて行った。このようにＣｘ－Ｃｒ変化量が少なくなることは、図１１に示すように、拡散接合後のセンサ素子２１の反り変化量が低減されることを意味する。
　この実施の形態で示すように、台座部材４１の剛性を高くするために台座部材４１の貫通穴４２の穴径ｄと、台座部材４１の厚みＴとを調整する構成を採る場合であっても、第１の実施の形態を採るときと同様に、接合後も特性が良好な静電容量型圧力センサを提供することができる。
（第３の実施の形態）
　本発明に係る圧力センサは、図１２に示すように構成することができる。図１２において、図１～図７によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略する。
　測定圧力レンジが例えば０－０．１Ｔｏｒｒ（０－１３．３３２Ｐａ）となるように低いセンサ素子２１、言い換えればセンサダイアフラム３３が薄くなるセンサ素子２１を使用するにあたって接合後の容量値変化量を少なくするためには、センサ素子２１が受ける熱応力の影響を可及的小さくすることにより可能である。熱応力の影響を受け難くするためには、図１２に示すように、支持ダイアフラム１４とセンサ素子２１（センサダイアフラム３３）との距離Ｌを長くすることが有効である。この距離Ｌを長くするためには、センサダイアフラム３３の、支持ダイアフラム１４と接合される外縁部を厚く形成したり、図１２に示すように、支持ダイアフラム１４とセンサダイアフラム３３との間にスペーサ５１を挿入することによって実現できる。
　図１２に示すセンサ素子２１のセンサダイアフラム３３は、スペーサ５１を介して支持ダイアフラム１４に接合されている。スペーサ５１は、センサダイアフラム３３やセンサ台座３４などを形成する材料と同一の材料や、センサダイアフラム３３やセンサ台座３４などを形成する材料との熱膨張率の差が、実質的に等しいとみなせる程小さな材料によって形成されている。スペーサ５１を厚み方向から見た形状は、センサダイアフラム３３と重なる矩形の枠状である。スペーサ５１の中空部は、厚み方向から見て、支持ダイアフラム１４の開口部１４ａと略等しい径の円形に形成されている。
　支持ダイアフラム１４とセンサ素子２１との間の距離Ｌは、センサ素子２１の圧力印加に対する容量値変化量からなる圧力感度と、温度が変化した状態における容量値変化の許容量とに基づいて定められる。最適な距離Ｌは、圧力感度に対する容量値変化の許容量の割合が予め定めた目標値以下となるような値である。このような距離Ｌは、有限要素法によって解析して得られたデータ（図１３参照）に基づいて規定することができる。図１３は、支持ダイアフラム１４とセンサ素子２１との距離Ｌが長い場合と短い場合とにおける、センサ素子２１の温度が変化したときの出力値の変化を示すグラフである。図１３の横軸は、支持ダイアフラム１４の内径を示し、縦軸は、接合後のＣｘ－Ｃｒの値を示している。図１３に示すデータを取得するにあたっては、第１の実施の形態の図３で示したセンサ素子２１のデータを用いて行った。
　図１３から判るように、支持ダイアフラム１４とセンサ素子２１との距離Ｌが相対的に短い場合は、支持ダイアフラム１４の内径Ｄが変化するとＣｘ－Ｃｒの値が大きく変化する。しかし、支持ダイアフラム１４とセンサ素子２１との距離Ｌが長い場合は、支持ダイアフラム１４の内径Ｄが変化したときのＣｘ－Ｃｒの変化量が少なくなる。このことは、圧力センサの設計の幅を拡げることができることを意味する。
　この実施の形態で示したように、熱応力の影響を受け難くするために支持ダイアフラム１４とセンサ素子２１との距離Ｌを長くする構成を採る場合であっても、第１の実施の形態を採るときと同様に、接合後の容量値変化量が少なくなる静電容量型圧力センサを提供することができる。
（第４の実施の形態）
　本発明に係る圧力センサは、図１４に示すように構成することができる。図１４において、図１～図９および図１２によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略する。
　測定圧力レンジが例えば０－０．１Ｔｏｒｒ（０－１３．３３２Ｐａ）となるように低いセンサ素子２１、言い換えればセンサダイアフラム３３が薄くなるセンサ素子２１を使用するにあたって接合後の容量値変化量を少なくするためには、台座部材４１の剛性向上を図るとともに、センサ素子２１が受ける熱応力の影響を可及的小さくすることにより可能である。台座部材４１の剛性を高くするためには、図１４に示すように、台座部材４１の貫通穴４２の穴径ｄを調整したり、台座部材４１の厚みＴを調整することにより実現可能である。熱応力の影響を受け難くするためには、支持ダイアフラム１４とセンサ素子２１（センサダイアフラム３３）との距離Ｌを長くすることが有効である。この距離Ｌを長くするためには、センサダイアフラム３３の、支持ダイアフラム１４と接合される外縁部を厚く形成したり、図１４に示すように、支持ダイアフラム１４とセンサダイアフラム３３との間にスペーサ５１を挿入することによって実現できる。
　台座部材４１の貫通穴４２の穴径ｄと、台座部材４１の厚みＴと、支持ダイアフラム１４とセンサ素子２１との間の距離Ｌとは、センサ素子２１の圧力印加に対する容量値変化量からなる圧力感度と、温度が変化した状態における容量値変化の許容量とに基づいて定められる。最適な穴径ｄと、最適な厚みＴと、最適な距離Ｌは、圧力感度に対する容量値変化の許容量の割合が予め定めた目標値以下となるような値である。
　台座部材４１の貫通穴４２の穴径ｄと、台座部材４１の厚みＴと、支持ダイアフラム１４とセンサ素子２１との間の距離Ｌとがそれぞれ最適な値となることにより、図１５に示す解析結果から明らかなように、支持ダイアフラム１４の内径Ｄが変化したときのＣｘ－Ｃｒの変化量が少なくなる。図１５は、センサ素子２１の接合後の出力値の変化を示すグラフである。図１５は、貫通穴４２の穴径ｄが相対的に小さく、台座部材４１の剛性が相対的に高くなる場合を示している。図１５の横軸は、支持ダイアフラム１４の内径を示し、縦軸は、接合後のＣｘ－Ｃｒの値を示している。この解析は、測定圧力レンジが０－０．１Ｔｏｒｒ（０－１３．３３２Ｐａ）のセンサ素子２１を用いて行った。図１５に示すように、Ｃｘ－Ｃｒの値は、台座部材４１の厚みＴが厚くなるほど０に近付く。このため、拡散接合後のセンサ素子２１の反り変化量が低減される。また、図１５に示すように、支持ダイアフラム１４の内径Ｄが変化したときのＣｘ－Ｃｒの変化量が少なくなることにより、圧力センサの設計の幅を拡げることが可能になる。
　したがって、この実施の形態を採る場合においても、第１の実施の形態を採るときと同様に、接合後の容量値変化量が少なくなる静電容量型圧力センサを提供することができる。
（台座部材の変形例）
　上述した各実施の形態においては、台座部材の貫通穴が１つである例を示した。しかし、図１６に示すように、台座部材には複数の貫通穴を設けることができる。図１６において、図１～図３によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略する。図１６に示す台座部材４１は、４つの貫通穴４２を有している。これらの貫通穴４２は、矩形の板状に形成された台座部材４１の４つの角部と対応する位置にそれぞれ形成されている。この実施の形態による貫通穴４２の穴径は、第２の実施の形態で示した、穴径が相対的に小さい貫通穴４２と同一である。
　貫通穴４２が４つある場合と、貫通穴４２が１つである場合とについて、拡散接合後のセンサ素子２１のＣｘ－Ｃｒの値を求めたところ、図１７に示すような結果が得られた。図１７に示すように、貫通穴４２の数はＣｘ－Ｃｒの値に殆ど影響を及ぼすことがないことが判った。すなわち、台座部材４１の導圧部は、複数の小孔によって構成することができる。
　以上、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明した。しかしながら、本発明の技術的範囲はかかる例に限定されない。本発明の技術分野における通常の知識を有する者であれば、請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、様々な変形例に想到しうることは明らかであり、これらの変形例についても、当然に本発明の技術的範囲に属する。
　１…静電容量型圧力センサ、３…センサパッケージ（パッケージ）、１４…支持ダイアフラム、１４ａ…開口部、２１…センサ素子、３２…支持構造、４１…台座部材、４２…貫通穴。

Claims (5)

  1. 　圧力を検出するセンサ素子と、
    　前記センサ素子を収容するパッケージと、
    　前記センサ素子を前記パッケージ内で支持する支持構造とを備え、
    　前記支持構造は、
    　前記パッケージに外縁部が固定されたリング状の支持ダイアフラムと、
    　熱膨張率が所定の範囲内の材料によって形成され、前記支持ダイアフラムを前記センサ素子と協働して挟む台座部材とを有し、
    　前記センサ素子は、前記支持ダイアフラムの開口部を塞ぐ状態で前記支持ダイアフラムに接合され、
    　前記台座部材は、導圧部を有し、この導圧部が前記支持ダイアフラムの開口部と重なるように前記支持ダイアフラムに接合されていることを特徴とする圧力センサ。
  2. 　前記支持ダイアフラムの開口部の内径と、前記台座部材の厚みとは、
    　前記センサ素子の圧力印加に対する容量値変化量からなる圧力感度と、温度が変化した状態における容量値変化の許容量とに基づいて定められ、
    　前記圧力感度に対する前記許容量の割合が予め定めた目標値以下となるような前記内径と前記厚みとであることを特徴とする、請求項１に記載の圧力センサ。
  3. 　前記台座部材の前記導圧部の穴径と、前記台座部材の厚みとは、
    　前記センサ素子の圧力印加に対する容量値変化量からなる圧力感度と、温度が変化した状態における容量値変化の許容量とに基づいて定められ、
    　前記圧力感度に対する前記許容量の割合が予め定めた目標値以下となるような前記導圧部の前記穴径と前記厚みとであることを特徴とする、請求項１に記載の圧力センサ。
  4. 　前記支持ダイアフラムと前記センサ素子との間の距離は、
    　前記センサ素子の圧力印加に対する容量値変化量からなる圧力感度と、温度が変化した状態における容量値変化の許容量とに基づいて定められ、
    　前記圧力感度に対する前記許容量の割合が予め定めた目標値以下となるような前記距離であることを特徴とする、請求項１に記載の圧力センサ。
  5. 　前記台座部材の前記導圧部の穴径と、前記台座部材の厚みと、前記支持ダイアフラムと前記センサ素子との間の距離とは、
    　前記センサ素子の圧力印加に対する容量値変化量からなる圧力感度と、温度が変化した状態における容量値変化の許容量とに基づいて定められ、
    　前記圧力感度に対する前記許容量の割合が予め定めた目標値以下となるような前記導圧部の前記穴径と前記厚みと前記距離とであることを特徴とする、請求項１に記載の圧力センサ。
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