(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体および金属のいずれか一方からなるダイアフラムの中央部分が変位可能となるように空隙を形成した状態で、当該ダイアフラムの周縁部分を両側から狭持する一対の絶縁物が設けられ、前記一対の絶縁物の一方には、測定圧を導入する測定圧導入孔が形成され、前記一対の絶縁物の他方には、基準圧を導入する基準圧導入孔が形成され、かつ、これらの一対の絶縁物の少なくとも一方の絶縁物には、前記ダイアフラムとの対向面に電極が形成され、前記測定圧による前記ダイアフラムの変位を、当該ダイアフラムと前記電極との間の静電容量の変化から検出するための圧力センサチップと、
この圧力センサチップを収納するとともに、当該ケースの内部に前記測定圧を導入するための圧力導入孔が設けられたケースと、
前記圧力センサチップの静電容量を所定の電気信号に変換する信号処理回路とを備えた静電容量式の気体用圧力センサであって、
前記ケースには、前記圧力センサチップが配置された面に形成された溝と、この溝を覆うとともに、前記圧力センサチップの電極と平行に配置された面状の蓋部とが設けられ、これら溝および蓋部が前記圧力導入孔から前記圧力センサチップにまで延びる圧力導入路を形成し、かつ、前記蓋部との間に前記圧力センサチップを挟み込む位置に面状のシールド材が設けられていることを特徴とする静電容量式の気体用圧力センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の静電容量式の気体用圧力センサにおいて、前記蓋部は、前記圧力センサチップとほぼ同程度の熱膨張温度特性を有する材質からなることを特徴とする静電容量式の気体用圧力センサ。
【請求項３】
請求項２に記載の静電容量式の気体用圧力センサにおいて、前記蓋部の材質は、コバールおよびガラスのいずれか一方であることを特徴とする静電容量式の気体用圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定圧力を受けるダイアフラムの変位を静電容量の変化として検出する静電容量式の気体用圧力センサに関する。
【０００２】
【背景技術】
従来より、測定圧力を受けて変位するダイアフラムと、このダイアフラムの変位を静電容量に変換するための電極を有し、これにより、測定圧力の検出を可能とした静電容量式の圧力センサが利用されている。
この静電容量式の圧力センサの一例としては、特開平７−２８６９２５号公報に示されるものが知られている。
この圧力センサは、全体の小型化を図るために、比較的底の深い容器状のベースの内部に、ダイアフラム、電極、および、信号処理回路等の材質の異なる各種の構成要素を積み重ねて形成されている。
一方、特開平２−２９０５２４号公報に示されるように、ダイアフラムおよび電極の両方を小型の半導体チップに組み込んだ圧力センサチップが、半導体製造プロセスを利用して製造されている。
このような圧力センサチップは、写真製版技術の応用等により、微細加工においても優れた精度が得られるうえ、部品点数が低減されるので、圧力センサの小型化に大いに貢献できる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
特開平７−２８６９２５号公報に示されるような圧力センサでは、多数の構成要素を下から積み重ねる構造となっており、組立手順が限られることから、組立作業が煩雑となるうえ、組立工数の削減が困難であるという問題がある。
また、各構成要素は、材質が同一でなく、その線膨張計数が異なっているので、温度変化により、互いの間隔等が変動する。
このため、静電容量式とした場合には、電極の間隔も変動するので、温度変化により出力値が変動し、圧力測定が不安定となるという問題がある。
【０００４】
本発明の目的は、部品点数が少なく生産性が向上するうえ、周囲温度の変化に対して影響を受けにくく、安定した測定が行える静電容量式の気体用圧力センサを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体および金属のいずれか一方からなるダイアフラムの中央部分が変位可能となるように空隙を形成した状態で、当該ダイアフラムの周縁部分を両側から狭持する一対の絶縁物が設けられ、前記一対の絶縁物の一方には、測定圧を導入する測定圧導入孔が形成され、前記一対の絶縁物の他方には、基準圧を導入する基準圧導入孔が形成され、かつ、これらの一対の絶縁物の少なくとも一方の絶縁物には、前記ダイアフラムとの対向面に電極が形成され、前記測定圧による前記ダイアフラムの変位を、当該ダイアフラムと前記電極との間の静電容量の変化から検出するための圧力センサチップと、この圧力センサチップを収納するとともに、当該ケースの内部に前記測定圧を導入するための圧力導入孔が設けられたケースと、前記圧力センサチップの静電容量を所定の電気信号に変換する信号処理回路とを備えた静電容量式の気体用圧力センサであって、前記ケースには、前記圧力センサチップが配置された面に形成された溝と、この溝を覆うとともに、前記圧力センサチップの電極と平行に配置された面状の蓋部とが設けられ、これら溝および蓋部が前記圧力導入孔から前記圧力センサチップにまで延びる圧力導入路を形成し、かつ、前記蓋部との間に前記圧力センサチップを挟み込む位置に面状のシールド材が設けられていることを特徴とする。
【０００６】
以上において、前記蓋部は、前記圧力センサチップとほぼ同程度の熱膨張温度特性を有する材質からなることが好ましく、例えば、コバールまたはガラスからなる蓋部が採用できる。
【０００７】
このような本発明では、圧力センサの構成要素である部品として、測定圧を受けるダイアフラムと電極が形成された絶縁物とが一体化された圧力センサチップを採用するので、圧力センサの小型化と、部品点数の低減が図れる。
また、圧力導入孔から圧力センサチップにまで測定圧を導く圧力導入路は、当該ケースに形成された溝と、この溝を覆う蓋部とで形成されるので、狭いケース内に小さな圧力センサチップ等の部品を取付けていく組立手順が採用できる他、面状の蓋部に圧力センサチップ等の部品を取付け、部品の取付けが完了した蓋部をケースに取付けるといった組立手順等も採用でき、組立手順の自由度が拡大され、組立工数の削減が可能となり、組立作業の容易化が図れる。
さらに、圧力センサチップとほぼ同程度の熱膨張温度特性を有する材質、例えば、コバールまたはガラスで蓋部を形成すれば、蓋部との熱膨張差による圧力センサチップの歪みが防止され、温度の変化に影響を受けない良好な出力特性が確保されるようになる。
また、金属のメッキや蒸着等により、蓋部に導電性を付与すれば、圧力センサチップの両側にシールド材を配置することにより、簡単な構造で圧力センサチップが静電遮蔽されるようになり、外部ノイズに対して影響を受けにくく、安定した測定が行える。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の一形態を図面に基づいて説明する。
図１および図２には、本発明の一実施形態に係る静電容量式の気体用圧力センサ１が示されている。圧力センサ１は、ケース１０の内部に信号処理回路を構成する回路部品であるＩＣチップ２０と、静電容量式の圧力センサチップ３０とを設けたものである。
ケース１０は、合成樹脂製のボトムケース１０Ａ  と、合成樹脂製のアッパーケース１０Ｂ  とに分割されたものである。
【０００９】
ボトムケース１０Ａ  は、周縁に設けられた立ち上がり部１１Ａ  に囲まれた凹部１２を有する容器状のものである。
一方、アッパーケース１０Ｂ  は、ボトムケース１０Ａ  の立ち上がり部１１Ａ  と嵌合する垂れ下がり部１１Ｂ  が周縁に設けられた蓋状のものである。
ボトムケース１０Ａ  の図１中下方の面１０Ｃ  の中心位置近傍には、被測定流体が流通する配管等に接続するための継手部１３が突設されている。この継手部１３の中心には、被測定流体の圧力である測定圧力を圧力センサ１の内部に導入するための圧力導入孔１４が設けられている。
ボトムケース１０Ａ  の凹部１２の内部には、ケース１０Ａ  の中心から周縁方向へ片寄った位置に圧力センサチップ３０が配置され、ボトムケース１０Ａ  の凹部１２の残りの部分には、ＩＣチップ２０を実装したプリント基板２１が配置されている。
【００１０】
ボトムケース１０Ａ  の圧力センサチップ３０が配置された面には、溝１５が設けられいる。この溝１５は、圧力導入孔１４から圧力センサチップ３０の直下にまで延び、かつ、図中上方に配置された蓋部１６に覆われている。これらの溝１５および蓋部１６とに囲まれた空間は、圧力導入孔１４から圧力センサチップ３０にまで延びる圧力導入路となっている。
ここで、蓋部１６およびボトムケース１０Ａ  は、溝１５に導かれる圧力に耐えうるように接着剤等で相互に接合されている。また、蓋部１６には、圧力センサチップ３０の直下となる位置に連通孔１７が設けられている。
一方、プリント基板２１には、圧力センサ１の出力調整端子２２が複数設けられている。これらの出力調整端子２２は、プリント基板２１の図２中上方の端縁に沿って配列されている。プリント基板２１の図２中左側の端縁には、圧力センサ１の外部へ出力信号を送出するとともに外部からの電源電圧を受けるために、複数の電線２３が接続されている。
【００１１】
圧力センサチップ３０は、図３に示されるように、中央部分が表裏とも凹んだダイアフラム３１の表側および裏側の両方に、図示しない電極が形成された面状の絶縁物３２，  ３３を一体化したものであり、柔らかいシリコーン樹脂１６Ａ  で蓋部１６に接着されている。
ダイアフラム３１は、半導体から形成されたものある。ダイアフラム３１の周縁部分は、両側から絶縁物３２，  ３３に挟持されている。
ここで、ダイアフラム３１の中央部分は、その凹みにより、絶縁物３２，  ３３との間に空隙が設けられ、図中上下方向に変位可能となっている。
絶縁物３２，  ３３の各々は、耐熱ガラス等のガラスで形成されたものである。絶縁物３２，  ３３の各々には、ダイアフラム３１との対向面に前述の電極が形成されている。なお、これらの電極は、ボンディングワイヤ１６Ｂ  によりプリント基板２１と電気的に接続されている。
【００１２】
絶縁物３２，  ３３のうち、図中下方の絶縁物３２には、測定圧を導入するための測定圧導入孔３４が形成され、図中上方の絶縁物３３には、基準圧を導入するための基準圧導入孔３５が形成されている。
ここで、圧力センサチップ３０を蓋部１６に接着するシリコーン樹脂１６Ａ  は、蓋部１６および絶縁物３２の間の空間を、蓋部１６の連通孔１７および絶縁物３２の測定圧導入孔３４の全周に渡って完全に密閉するものとなっている。
これにより、圧力導入孔１４から導入される測定圧がダイアフラム３１まで確実に伝達され、測定圧による変位でダイアフラム３１と絶縁物３２，  ３３の電極との間の静電容量が変化し、測定圧が正確に検出可能となっている。
【００１３】
プリント基板２１の圧力センサチップ３０側の端縁近傍には、棒状の支持部材３６，  ３７が立設されている。これらの支持部材３６，  ３７と、ボトムケース１０Ａ  の立ち上がり部１１Ａ  との間には、シールド材３８が架け渡されている。
シールド材３８は、金属等の電気抵抗の小さい導体板からなり、ボトムケース１０Ａ  とは別体となっている。
蓋部１６は、圧力センサチップ３０の絶縁物３２，  ３３と線膨張係数が近似するニッケル合金であるコバールから構成され、シールド材の機能を有している。
これらの蓋部１６およびシールド材３８は、圧力センサチップ３０の両側に配置されるとともに、電気的に相互に接続されている。これにより、圧力センサチップ３０は、静電遮蔽された状態となっている。
【００１４】
前述のような本実施形態によれば、次のような効果が得られる。
すなわち、圧力センサ１の構成要素である部品として、測定圧を受けるダイアフラム３１と電極が形成された絶縁物３２，  ３３とを一体化した圧力センサチップ３０を採用したので、圧力センサ１を小型化できるうえ、部品点数を低減できる。
【００１５】
また、圧力導入孔１４から圧力センサチップ３０にまで測定圧を導く圧力導入路を、ケース１０に形成された溝１５と、この溝１５を覆う蓋部１６とで形成したので、狭いケース１０内に小さな圧力センサチップ３０等の部品を取付けていく組立手順の他に、蓋部１６に圧力センサチップ３０等の部品を取付けた後、部品の取付けが完了した蓋部１６をケース１０に取付ける組立手順等も採用でき、組立手順の自由度が拡大され、組立工数の削減が可能となり、組立作業を容易化とすることができる。
【００１６】
さらに、圧力センサチップ３０とほぼ同程度の熱膨張温度特性を有するコバールで蓋部１６を形成したので、蓋部１６との熱膨張差による圧力センサチップ３０の歪みが防止され、温度の変化に影響を受けない良好な出力特性が確保され、外部ノイズに対して影響を受けにくく、安定した測定を行うことができる。
【００１７】
また、金属であるコバールで形成することにより、蓋部１６に導電性を付与したので、圧力センサチップ３０の両側にシールド材が配置されることとなり、簡単な構造で圧力センサチップ３０がシールドされ、外部ノイズに対して影響を受けにくく、この点からも、安定した測定を行うことができる。
【００１８】
さらに、圧力センサチップ３０をケース１０の中心から周縁方向へ片寄った位置に配置し、ケース１０の残りの部分に信号処理回路を構成するＩＣチップ２０を配置し、圧力センサチップ３０とＩＣチップ２０とをケース１０内に並設するようにしたので、積み重ね構造となった従来の圧力センサと異なり、ケース１０の高さ寸法を小さくできる。
【００１９】
しかも、圧力センサチップ３０を圧力導入孔１４から離して配置しても、溝１５を含んで構成された圧力導入路により、圧力導入孔１４から圧力センサチップ３０まで測定圧力が伝達されるようになるので、測定に何ら支障が生じないうえ、溝１５の加工は容易であるとともに、溝１５を蓋部１６で覆うだけで圧力導入路が形成されることから、圧力センサ１の組立容易性が阻害されず、生産性を向上できる。
【００２０】
また、一対のシールド材としての蓋部１６およびシールド材３８をケース１０と別体としたので、ケース１０の加工が容易となり、この点からも良好な生産性を確保できる。
しかも、金属製のケース、または、メタライズ処理したケースで封止しなくとも、圧力センサチップ３０が蓋部１６およびシールド材３８でシールドされた状態となり、ケース１０を開けた状態で、プリント基板２１に設けた出力調整端子２２を用いて調整が可能となり、ケース１０の外部に突出する調整用の端子、および、調整後の端子の切り離し作業が不要となり、完成までの工数が減り、この点からも、生産性を向上できる。
【００２１】
また、圧力センサチップ３０を柔らかいシリコーン樹脂１６Ａ  で蓋部１６に接着したので、シリコーン樹脂１６Ａ  で熱膨張差以外の外的ストレスをも吸収できるため、この点からも、圧力センサチップ３０の歪みが防止され、温度等の測定環境の変化による影響を受けない良好な出力特性を確保することができる。
【００２２】
以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は、この実施形態に限られるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の改良並びに設計の変更が可能である。
例えば、圧力センサチップのダイアフラムとしては、半導体からなるものに限らず、金属製のものでもよい。
また、圧力センサチップの絶縁物としては、耐熱ガラスからなるものに限らず、他のガラスやセラミックス製のものでもよい。
さらに、圧力センサチップとしては、ダイアフラムを挟む両方の絶縁物に電極を設けたものに限らず、ダイアフラムを挟む一対の絶縁物のうちの一方のみに電極を設けたものでもよい。
【００２３】
また、蓋部としては、ニッケル合金であるコバール製のものに限らず、他の金属製のものや、ガラス等の電気絶縁材料からなるものでもよく、圧力センサチップの絶縁物と線膨張係数が近似していれば、熱歪みにより影響を低減できる。
ここで、蓋部の材質として、電気絶縁材料を採用する場合には、表面をメッキや蒸着、塗装でメタライズすれば、シールド機能を付与することができる。
【００２４】
【発明の効果】
前述のように本発明によれば、部品点数が少なくなり、生産性を向上でき、周囲温度の変化および外部ノイズに対して影響を受けにくくなり、安定した圧力測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の気体用圧力センサの全体を示す縦断面図である。
【図２】前記実施形態の気体用圧力センサの全体を示す平断面図である。
【図３】前記実施形態の気体用圧力センサの要部を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
１  気体用圧力センサ
１０    ケース
１４    圧力導入孔
１５    圧力導入路を構成する溝
１６    圧力導入路を構成するとともに、シールド材を兼用する蓋部
２０    信号処理回路を構成するＩＣチップ
３０    圧力センサチップ
３１    ダイアフラム
３２，  ３３    絶縁物
３４    測定圧導入孔
３５    基準圧導入孔
３８    シールド材
【図１】
0003550458.tif 000002
【図２】
0003550458.tif 000003
【図３】
0003550458.tif 000004