(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の絶縁性基板層からなる積層体であり、ガス入口及びガス出口をもち内部流路を有する絶縁性基板と、
前記絶縁性基板の表面又は裏面に直接装着され前記内部流路に通じるポートを介して前記内部流路に接続されたＭＥＭＳバルブ素子を含むバルブ機構と、
前記絶縁性基板の表面又は裏面に直接装着され前記内部流路に通じるポートを介して前記内部流路に接続されたＭＥＭＳ圧力センサ素子を含む圧力センサ部と、
前記圧力センサ部の検出信号に基づいて前記バルブ機構をフィードバック制御する制御部と、を備え、
前記絶縁性基板の表面、裏面及び内部接合面の少なくとも１つの面には、電気的接続のための金属層が形成されているガス圧力コントローラ。
【請求項２】
前記絶縁性基板の表面、裏面及び内部接合面の少なくとも１つの面には、電気的接続に寄与しない電磁シールドのための金属層が形成されている請求項１に記載の圧力コントローラ。
【請求項３】
前記絶縁性基板はアルミナセラミックスからなる請求項１又は２に記載の圧力コントローラ。
【請求項４】
前記ＭＥＭＳバルブ素子又は前記ＭＥＭＳ圧力センサ素子はシリコンからなる請求項３に記載の圧力コントローラ。
【請求項５】
前記内部流路は前記ガス出口に通じる流路よりも流路幅が狭くなった流路抵抗部分を有する請求項１から４のいずれか一項に記載の圧力コントローラ。
【請求項６】
前記ＭＥＭＳ圧力センサ素子は静電容量型圧力センサ素子であり、
前記圧力センサ部は前記静電容量型圧力センサ素子の検出容量を電圧出力に変換する容量デジタルコンバータを含んでおり、
前記静電容量型圧力センサ素子と前記容量デジタルコンバータとは接近して配置されている請求項１から５のいずれか一項に記載の圧力コントローラ。
【請求項７】
前記容量デジタルコンバータは温度測定機能を備えたものであり、
前記容量デジタルコンバータの温度測定機能により測定された温度に対応する信号に基づいて前記ＭＥＭＳ圧力センサ素子の検出出力の温度による変動を補正する温度補正部をさらに備えている請求項６に記載の圧力コントローラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばガスクロマトグラフなどの分析装置においてキャリアガスの流量の制御や検出器に供給するガスの流量の制御に用いられるガス圧力コントローラに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスクロマトグラフによる分析においては、分離カラムに試料を搬送するためのキャリアガスの流量や検出器に供給するガスの流量を一定に維持することが必要である。そのため、ガスボンベから減圧されたガスがガスクロマトグラフに供給される位置にガス圧力コントローラを設け、ガス圧力コントローラにはガスボンベから供給されるガスの圧力を調節する圧力バルブや圧力バルブの出口側の流路の圧力を検知する圧力センサを取り付け、圧力センサによって検知される圧力に基づいてその圧力が一定圧力になるように圧力バルブを制御することが行なわれている。【０００３】
圧力バルブや圧力センサは共通の金属製の流路基板に取り付けられることが一般的である（特許文献１、特許文献２参照。）。流路基板は内部に流路を有する基板であり、金属製の平板が積層されて構成されており、流路基板には圧力バルブや圧力センサの入口と出口を接続するポートの他に、ガスを供給するボンベを接続するポートやガスクロマトグラフへ接続するためのポートが設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−０２６３００号公報
【特許文献２】特開平１１−２１８５２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
流路基板に圧力バルブや圧力センサを搭載したガス圧力コントローラを小型化したいという要求がある。ガス圧力コントローラを小型化する方法としては、例えば圧力バルブや圧力センサとしてＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）技術により形成された素子を使用することが考えられる。ＭＥＭＳ技術で形成された素子（以下、ＭＥＭＳ素子という）は一般にシリコン基板を微細加工して形成されている。そのため、ＭＥＭＳ素子を金属製の流路基板に搭載すると、ＭＥＭＳ素子を構成するシリコンと流路基板の金属との線膨張係数の差が大きいため、温度変化によってＭＥＭＳ素子に応力がかかり、ＭＥＭＳ素子の性能が低下する問題が生じる。【０００６】
そこで、本発明は、小型のガス圧力コントローラとするためにＭＥＭＳ素子を使用した場合でも温度変化によるＭＥＭＳ素子の性能低下を抑えることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のガス圧力コントローラは、ガス入口及びガス出口をもち内部流路を有する絶縁性基板と、前記絶縁性基板の表面又は裏面に直接装着され前記内部流路に通じるポートを介して前記内部流路に接続されたＭＥＭＳバルブ素子を含むバルブ機構と、前記絶縁性基板の表面又は裏面に直接装着され前記内部流路に通じるポートを介して前記内部流路に接続されたＭＥＭＳ圧力センサ素子を含む圧力センサ部と、前記圧力センサ部の検出信号に基づいて前記バルブ機構をフィードバック制御する制御部と、を備えている。【０００８】
前記絶縁性基板の一形態は、複数の絶縁性基板層からなる積層体である。積層体であれば内部流路を形成するのが容易になる。【０００９】
前記絶縁性基板の表面、裏面及び内部接合面の少なくとも１つの面には、電気的接続に寄与しない電磁シールドのための金属層が形成されていることが好ましい。内部接合面は絶縁性基板が複数の絶縁性基板層からなる積層体である場合に存在するものである。電磁シールドのための金属層を設けることにより外来ノイズを吸収することができる。【００１０】
絶縁性基板の一例はアルミナセラミックスである。アルミナセラミックスは熱伝導率も高く、基板全体の温度を均一にする上でも好都合である。【００１１】
前記内部流路はガス出口に通じる流路よりも流路幅が狭くなった流路抵抗部分を有することが好ましい。流量を調整するための流路抵抗を設ける場合、外付けの流路抵抗ではその流路抵抗とそれを内部流路に接続するためのコネクタの分だけ大型化し、さらにコネクタからのガス漏れのおそれも生じる。それに対し、内部流路に流路抵抗部分を設けるとそのような不都合は生じない。【００１２】
ＭＥＭＳバルブ素子には駆動源としてアクチュエータが必要なものがある。そのようなアクチュエータは特に限定されるものではないが、ピエゾアクチュエータやソレノイドアクチュエータを用いることができる。また、ＭＥＭＳバルブ素子には駆動源が必要でないものもある。そのようなＭＥＭＳバルブ素子としては静電駆動型ＭＥＭＳバルブ素子がある。本発明ではいずれのＭＥＭＳバルブ素子も使用することができる。【００１３】
本発明で使用するＭＥＭＳ圧力センサ素子は特に限定されるものではなく、例えば静電容量型圧力センサ素子又はピエゾ抵抗型圧力センサ素子を使用することができる。静電容量型圧力センサ素子の場合は圧力センサ部は検出容量を電圧出力に変換する容量デジタルコンバータを含む。ピエゾ抵抗型圧力センサ素子の場合は電圧出力を発生するので、静電容量型圧力センサ素子の場合のようなコンバータは必要ではない。【００１４】
制御部はＭＥＭＳ圧力センサ素子の検出出力の温度による変動を補正する温度補正部を備えていることが好ましい。温度補正には温度センサが必要であるが、容量デジタルコンバータが温度測定機能を備えたものである場合には、温度補正部は容量デジタルコンバータの温度測定機能により測定された温度に対応する信号に基づいて記ＭＥＭＳ圧力センサ素子の検出出力の温度による変動を補正するように構成されているようにすることができる。前記絶縁性基板に温度計測用素子が設けられていてもよく、その場合は温度補正部はその温度計測用素子の検出信号に基づいてＭＥＭＳ圧力センサ素子の検出出力の温度による変動を補正するように構成されているようにすることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のガス圧力コントローラでは、内部流路を有する絶縁性基板にＭＥＭＳバルブ素子とＭＥＭＳ圧力センサ素子が直接装着されているので、基板とバルブ素子の間の線膨張係数の差が小さくなり、また基板と圧力センサ素子の間の線膨張係数の差も小さくなるので、温度変化によりバルブ素子や圧力センサ素子が受ける応力が小さくなり環境温度に対する影響が小さくなる。その結果、バルブ素子や圧力センサ素子の性能低下を抑えることができる。【００１６】
線膨張係数の例を示すと以下の通りである。
シリコン：２×１０-6／℃、
アルミナセラミックス：７×１０-6／℃、
ステンレス：１０〜１７×１０-6／℃。【００１７】
アルミナセラミックスは絶縁性基板の代表的な例であるが、金属の代表としてのステンレスに比べると線膨張係数はシリコンにより近いことがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】一実施例の要部を概略的に示す斜視図である。
【図２】同実施例の各基板層の表面側を示す平面図である。
【図３】他の実施例の各基板層の表面側を示す平面図である。
【図４Ａ】さらに他の実施例を示す斜視図である。
【図４Ｂ】図４ＡのＡ−Ａ線位置での断面図である。
【図５Ａ】同実施例の第１層目基板層の表面側を示す平面図である。
【図５Ｂ】同実施例の第２層目基板層の表面側を示す平面図である。
【図５Ｃ】同実施例の第３層目基板層の表面側を示す平面図である。
【図５Ｄ】同実施例の第４層目基板層の表面側を示す平面図である。
【図５Ｅ】同実施例の第５層目基板層の表面側を示す平面図である。
【図５Ｆ】同実施例の第６層目基板層の表面側を示す平面図である。
【図５Ｇ】同実施例の第６層目基板層の裏面側を示す平面図である。
【図６】同実施例におけるバルブ素子を示す断面図である。
【図７】同実施例における圧力センサ素子を示す断面図である。
【図８】各実施例に共通のガス圧力制御のフィードバック系を示すブロック図である。
【図９】静電容量型圧力センサ素子の検出出力の温度補正の例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１と図２により一実施例のガス圧力コントローラを概略的に示す。絶縁性基板２は内部流路を備え、内部流路につながるガス入口４とガス出口６が基板２の一表面に形成されている。絶縁性基板２は、ここではアルミナセラミックス基板であるが、ポリイミドなど多層配線基板に使用されている樹脂や、ガラスなど、他の絶縁物からなる基板であってもよい。
【００２０】
基板２は内部流路を備えることから、複数の絶縁性基板層からなる積層体であることが好ましい。この実施例では、図２に示されるように、厚さが０．１〜０．５ｍｍ程度のアルミナセラミックス基板層２−１〜２−３からなる。基板層２−３が最下層、基板層２−２が中間層、そして基板層２−１が最上層となるように積層され、焼結されて一体化されている。図１、図２では図示を省略しているが、基板２の表面、裏面及び内部の少なくともいずれかには、金属層が形成されている。金属層は電気接続のための金属配線層の他にノイズ除去のための金属層や、コネクタ等の部品を半田により固着するための金属層も含む。
【００２１】
図２を参照すると、内部流路を構成するために、中間の基板層２−２には内部流路となる貫通した溝８−１と８−２が形成されている。溝８−１は入口側流路となるものであり、その一端４ａは基板の周辺側に配置され、他端１０ａは基板の中央側に配置されている。溝８−２は出口側流路となるものであり、その一端６ａは基板の周辺側に配置され、他端１２ａは基板の中央側に配置されている。溝８−１の他端１０ａと溝８−２の他端１２ａはこの基板２に搭載されるＭＥＭＳバルブ素子の入口と出口に対応する位置に配置されている。溝８−１及び８−２は幅が約１ｍｍである
【００２２】
下層の基板層２−３には、溝８−１の一端４ａに対応する位置にガス入口４となる貫通穴４ｂが形成され、溝８−２の一端６ａに対応する位置にガス出口６となる貫通穴６ｂが形成されている。
【００２３】
上層の基板層２−１には、溝８−１の他端１０ａに対応する位置にバルブ入口穴となる貫通穴１０ｂが形成され、溝８−２の他端１２ａに対応する位置にバルブ出口穴となる貫通穴１２ｂが形成されている。貫通穴１０ｂと１２ｂを囲むように破線で示された領域１１はバルブ素子搭載位置であり、その領域１１には図１に示されるように、基板２の表面側にＭＥＭＳバルブ素子１４が接着剤により固着されて搭載されている。
【００２４】
さらに、下層の基板層２−３には、溝８−２の他端１２ａに対応する位置に圧力センサ入口穴となる貫通穴１０ｃが形成されている。貫通穴１０ｃを囲むように破線で示された領域１３は圧力センサ素子搭載位置であり、その領域１３には、図１に示されるように、基板２の裏面側にＭＥＭＳ圧力センサ素子１６が接着剤により固着されて搭載されている。
【００２５】
このように、バルブ素子１４と圧力センサ素子１６を基板２に直接取り付けて基板２内の流路につなぐことにより、バルブ素子１４と圧力センサ素子１６間の接続としてガス管による配管が不要となり小型化できる。
【００２６】
下層の基板層２−３で領域１３に接近して配置され破線で示される領域１５は容量デジタルコンバータ搭載位置である。容量デジタルコンバータは圧力センサ素子１６が静電容量型である場合に必要となるものである。この実施例では静電容量型圧力センサ素子を使用するので、その領域１５には、図１に示されるように、基板２の裏面側に容量デジタルコンバータ１８が搭載されている。基板２の裏面には金属配線層（図示略）が形成されており、容量デジタルコンバータ１８はその金属配線層に半田材により電気的接続と機械的接合がなされて搭載されている。圧力センサ素子１６と容量デジタルコンバータ１８はワイヤーボンディング２０により接続されている。
【００２７】
圧力センサ素子１６と容量デジタルコンバータ１８は互いに近くに配置する方がワイヤーボンディングのワイヤーが短くなり、それだけ寄生容量が小さくなってノイズを低減できる。
【００２８】
基板層２−１〜２−３の少なくとも１つには容量デジタルコンバータ１８に接続される金属配線層の他に、必要に応じて他の電子部品を接続するための金属配線層や層間を接続するビアホール又はスルーホールも形成されている。容量デジタルコンバータ１８に付随する電子部品も基板２の金属配線層に半田材により電気的接続と機械的接合がなされて搭載されている。さらに、基板層２−１〜２−３の少なくとも１つには電気的接続に寄与しない電磁シールドのための金属層が形成されている。その金属層はグラウンドに接続されてノイズ低減のために使用される。
【００２９】
図２において各基板層の四隅に形成されている貫通穴２１は、この絶縁性基板２を固定ベースにネジで固定するための穴である。固定ベースは図１では図示を省略しているが、例えば図４の実施例に示された固定ベース３０のようなものである。
【００３０】
バルブ素子１４を駆動するために、バルブ素子１４の上部にはボール２４を介してアクチュエータ２６が配置されている。アクチュエータ２６はピエゾアクチュエータ又はソレノイドアクチュエータである。圧力センサ素子１６を含む圧力センサ部の検出信号に基づいて、アクチュエータ２６を介してバルブ素子１４を駆動するために制御部２２が設けられている。制御部２２は圧力センサ素子１６の検出信号が所定の値となるように、アクチュエータ２６を介してバルブ素子１４をフィードバック制御する。
【００３１】
バルブ素子１４としては静電駆動型ＭＥＭＳバルブ素子を用いることもできる。静電駆動型ＭＥＭＳバルブ素子の場合は１素子内に設けた２枚の電極間に電圧を印加し生じる静電引力を駆動力とするため、素子の外部に設けるアクチュエータ２６は不要になる。
【００３２】
圧力センサ素子１６は静電容量型とピエゾ抵抗型のいずれでもよい。この実施例のように静電容量型の場合は検出出力がキャパシタンスであるので、キャパシタンスを電圧に変換するための容量デジタルコンバータ１８が必要であるが、ピエゾ抵抗型の場合は出力が電圧であるので容量デジタルコンバータ１８は必要ではなくなる。
【００３３】
制御部２２は温度補正部２３を備えている。圧力センサ素子１６が静電容量型の場合は、検出される静電容量値が温度依存性をもっているので、温度補正部２３は後で図９に示すように環境温度の変動にともなう静電容量値の変動を抑える機能をもっている。
【００３４】
静電容量値の温度による変動を補正するためには、センサ素子近傍の環境温度を検出する必要がある。そのための温度センサを基板２に接触して設けることができる。基板２としてアルミナセラミックスを使用した場合には、アルミナセラミックスは熱伝導性がよく、基板２の温度が場所によらず均一になるので、温度センサを配置する位置は特に限定されない。熱伝導性のよくない基板２を使用する場合には、温度センサは圧力センサ素子１６に近接して配置するのが好ましい。
【００３５】
容量デジタルコンバータ１８を設けた場合は、容量デジタルコンバータ１８は一般に温度測定機能を内蔵しているので、温度センサとしてその温度測定機能を利用することにより温度センサを別途設けることを省略することができる。
【００３６】
圧力センサ素子１６が半導体材料によるピエゾ抵抗型である場合、ピエゾ抵抗変化はキャリア濃度変化による影響も受けキャリア濃度は温度に依存することから、ピエゾ抵抗値に温度依存性があるので、温度補正部２３により静電容量型の場合と同様に環境温度の変動にともなうピエゾ抵抗値の変動を抑えることが好ましい。ピエゾ抵抗型圧力センサ素子の場合は容量デジタルコンバータが搭載されないので、温度センサを含む温度補償用回路を基板２に搭載する。
【００３７】
制御部２２は、このガス圧力コントローラが搭載されるガスクロマトグラフなどの計測機器の専用のコンピュータにより、又は汎用のパーソナルコンピュータにより実現される。
【００３８】
図示はしていないが、基板２には制御部２２との接続を行うためのコネクタが搭載されている。
【００３９】
図１の実施例の動作について説明する。ガスボンベ等のガス供給部２８からのガスを供給するために、基板２のガス入口４にはコネクタを介してガス配管を接続し、内部流路を経たガスをガスクロマトグラフなどの分析機器に導くためにガス出口６にはコネクタを介してガス配管を接続する。
【００４０】
ガス供給部２８から供給されたガスはガス入口４から基板２の入口側内部流路８−１からバルブ素子１４を経て出口側内部流路８−２を通ってガス出口６に至る。このとき、内部流路８−２の圧力が圧力センサ素子１６により検出される。圧力センサ素子１６の出力信号が入力された容量デジタルコンバータ１８の出力信号によりアクチュエータ２６を介してバルブ素子１４がフィードバック制御されて、内部流路を流れるガスの圧力が一定になる。このようにして、ガス出口から出るガスの流量が一定になる。
【００４１】
図３は第２の実施例を表わす。第２の実施例と比べると、２層目の基板層２−２に形成される内部流路８−２ａは図２の内部流路８−２よりも流路の幅が狭くなって流路抵抗となっている点で異なる。流路８−１は幅が約１ｍｍであるが、流路８−２ａの幅は所望の流路抵抗に応じて狭く設定され、例えば０．１〜０．５ｍｍである。流路８−２ａの両端の穴６ａと１２ａは直径が１ｍｍ程度である。流路抵抗８−２ａは流量を調整するために使用される。
【００４２】
このように、基板内部に流路抵抗８−２ａを設けたことにより外付けの流路抵抗が不要になり、それだけ小型化に寄与する。また、外付けの流路抵抗を接続するためのコネクタからのガス漏れのおそれもなくなる。
【００４３】
次に、第３の実施例を図４から図８を用いて詳細に説明する。
図４Ａは全体の外観斜視指図、図４ＢはそのＡ−Ａ線位置での断面図である。絶縁性基板２ａはその穴２１（図５Ａ等を参照。）を介して金属製の固定ベース３０にネジにより固定されている。基板２ａの裏面側にはＭＥＭＳ圧力センサ素子１６が接着剤により固着されている。圧力センサ素子１６は例えば静電容量型である。図４Ａ、図４Ｂには現れていないが、圧力センサ素子１６に接近して容量デジタルコンバータが基板２ａの裏面側に搭載されており、容量デジタルコンバータは基板２ａの裏面に形成された金属配線層７７（図５Ｇ参照。）にハンダ材により電気的接続とともに機械的にも接合されている。
【００４４】
基板２ａの表面側にはＭＥＭＳバルブ素子１４が接着剤により固着されている。バルブ素子１４を駆動するためにバルブ素子１４の上部にはボール２４を介して上方から押圧するようにアクチュエータ２６が配置されている。アクチュエータ２６は例えばピエゾアクチュエータである。アクチュエータ２６はケース３２内に収納され、ケース３２内にはアクチュエータ２６の下部にピン３４が配置され、ピン３４とケース３２の先端部の内面との間にピン３４を上方に押し上げるように付勢するコイルバネ３６が収納されている。アクチュエータ２６の上端は玉ベース３８及びボール４０を介してキャップ４２で封止されている。これによりアクチュエータ２６はバネ３６で上方に押しつけられた状態でケース３２内に収納されている。ケース３２は固定枠４４を介してベース３０に固定されている。
【００４５】
アクチュエータ２６に電圧を印加して伸びる方向に作動させることにより、ピン３４がケース３２から下方に伸びてボール２４を介してバルブ１４を作動させる。
【００４６】
基板２ａの表面側と裏面側にはそれぞれコネクタ４６と４８が搭載されており、コネクタ４６と４８は基板２ａの表面側と裏面側の金属配線層７２ａ、７２ｇ（図５Ａ、図５Ｇ参照。）にそれぞれハンダ材により電気的接続とともに機械的にも接合されている。コネクタ４６はピエゾアクチュエータに電圧を印加するためのものであり、コネクタ４８は容量デジタルコンバータの信号を外部に取り出すためとピエゾアクチュエータを制御するためのものである。圧力センサ素子１６と容量デジタルコンバータはワイヤーボンディングにより接続されている。容量デジタルコンバータとコネクタ４８の間は基板２ａの表面、裏面及び内部に形成された金属配線層及びスルーホールの金属層７２ａ〜７２ｇ（図５Ａ〜図５Ｇ参照。）を介して接続されている。
【００４７】
図５Ａから図５Ｇは基板２ａの各層を詳細に示したものである。基板２ａは６層の絶縁性基板層２ａ−１〜２ａ−６が積層され焼結されて接合されたものである。各基板層２ａ−１〜２ａ−６は厚さが０．１〜０．５ｍｍ程度のアルミナセラミックス基板である。基板層２ａ−１〜２ａ−６は上層から順に１層目、２層目、…と呼ぶ。図５Ａから図５Ｆはそれぞれの基板層２ａ−１〜２ａ−６の上面側を表わしており、図５Ｇは６層目の基板層２ａ−６の裏面側を表わしている。６層目の基板層２ａ−６を最下層にして、その上に５層目の基板層２ａ−５、４層目の基板層２ａ−４、…と重ね、最上層が１層目の基板層２ａ−１となるように積層されて焼結されている。
【００４８】
３層目の基板層２ａ−３には内部流路となる貫通溝により入口側流路４０、出口側流路４２及び圧力センサの大気側連絡流路４９が形成されている。入口側流路４０の一端４０ａは４層目の基板層２ａ−４の貫通穴４０ｂ、５層目の基板層２ａ−５の貫通穴４０ｃ及び６層目の基板層２ａ−６の貫通穴４０ｄに重ね合わされてガス入口穴となる。出口側流路４２の一端４２ａは４層目の基板層２ａ−４の貫通穴４２ｂ、５層目の基板層２ａ−５の貫通穴４２ｃ及び６層目の基板層２ａ−６の貫通穴４２ｄと重ね合わせられてガス出口穴となる。
【００４９】
図５Ｇに示される６層目の基板層２ａ−６には圧力センサ素子１６を搭載するための矩形の貫通穴４５が開けられ、そこに圧力センサ素子１６が嵌め込まれて搭載される。圧力センサ素子１６と内部流路を接続するために、５層目の基板層２ａ−５には圧力センサ素子１６の検出側の開口位置に対応した位置に貫通穴４６ａ、４層目の基板層２ａ−４には貫通穴４６ｂがそれぞれ形成され、それらの穴４６ａ、４６ｂは３層目の基板層２ａ−３の出口側流路４２の分岐した部分４６ｃに重ね合わせられている。
【００５０】
圧力センサ素子１６は内部流路４２の圧力と大気圧との差圧として検出するように、５層目の基板層２ａ−５には圧力センサ素子１６の大気側の開口に対応する位置に貫通穴５０ａ、４層目の基板層２ａ−４には貫通穴５０ｂがそれぞれ形成され、それらの穴５０ａ、５０ｂは３層目の基板層２ａ−３の大気側連絡通路４９の一端に重ね合わせられている。３層目の基板層２ａ−３の大気側連絡通路４９の他端側に対応する位置には、４層目の基板層２ａ−４の貫通穴５２ａ、５層目の基板層２ａ−５の貫通穴５２ｂ、６層目の基板層２ａ−６の貫通穴５２ｃがそれぞれ形成されており、それらの貫通孔が重ね合わせられて大気に解放された大気穴となっている。
【００５１】
バルブ素子１４を搭載するために、１層目の基板層２ａ−１には矩形の貫通穴６０が形成され、バルブ素子１４はその貫通穴６０内に嵌め込まれて搭載される。２層目の基板層２ａ−２にはバルブ搭載位置にバルブ素子１４の入口に対応する位置にバルブ入口穴６２ａ、バルブ素子１４の出口に対応する位置にバルブ出口穴６４ａ、６６ａがそれぞれ貫通穴として形成されている。３層目の基板層２ａ−３の入口側流路溝４０の他端６２ｂが２層目の基板層２ａ−２のバルブ入口穴６２ａ内にくるように位置決めされ、基板層２ａ−３の出口側流路溝４２の他端６４ｂ、６６ｂが２層目の基板層２ａ−２のバルブ出口穴６４ａ、６６ａにそれぞれ重なるように位置決めされている。このようにして、バルブ素子１４は入口側流路溝４０と出口側流路溝４２の間に配置されている。
【００５２】
この実施例では、バルブ素子１４は２つの出口をもつものを示しているが、バルブ素子１４は出口が１つのものであってもよい。
【００５３】
基板層２ａ−２、２ａ−５及び２ａ−６はそれぞれの上面にハッチングで示された金属層６８ａ、６８ｂ及び６８ｃがそれぞれ形成されている。基板層２ａ−６はその下面にも金属層６８ｄが形成されている。これらの金属層は外来ノイズを遮蔽するためのものであり、それぞれがビアホール又はスルーホール７０ａ〜７０ｅを介して互いに電気的に接続されている。
【００５４】
１層目の基板層２ａ−１の上面で符号７１で示された位置はコネクタ４６を搭載する位置であり、６層目の基板層２ａ−６の裏面で符号７３で示された位置はコネクタ４８を搭載する位置である。コネクタ４６と４８はビアホール又はスルーホールと、基板２ａの表面、裏面及び内部の金属層７２ａ〜７２ｇを介して、半田材により互いに電気的に接続されるとともに、基板２ａに固着されている。
【００５５】
各基板層２ａ−１〜２ａ−６には同じ位置に６つの貫通穴２１があけられており、それらの穴２１を介して基板２ａが固定ベース３０にネジにより固定されている。貫通穴２１の数は特に限定されない。
【００５６】
６層目の基板層２ａ−６の裏面側で符号７５で示された位置は容量デジタルコンバータが搭載される位置であり、容量デジタルコンバータを半田材により電気的に接続し、機械的にも固着するための金属層７７が形成されている。符号７９で示された位置は容量デジタルコンバータで使用されるコンデンサを搭載するための位置、符号８１で示された位置は容量デジタルコンバータで使用される抵抗を搭載する位置である。
【００５７】
基板２ａに搭載されたバルブ素子１４を図６に示す。バルブ素子１４は２層のＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）基板８０、８２とガラス基板８４により構成されている。ＳＯＩ基板はシリコン基板中にＢｏｘ層（埋込み酸化物層）をもつものである。ガラス基板８４の材質は特に限定されないが、ここでは線膨張係数がシリコンの線膨張係数に近いガラス基板としてテンパックス（TEMPAX、登録商標）ガラス基板を使用した。
【００５８】
ＳＯＩ基板８２によりバルブシート（弁座）８２ａが形成され、ＳＯＩ基板８０により弁体部８０ａが形成されている。弁体部８０ａはダイヤフラム８０ｂにより上下方向に移動可能に支えられ、弁体部８０ａはバルブシート８２ａに対して開閉可能になっている。弁体部８０ａの上部中央部には押圧部８２ｂが当接しており、押圧部８２ｂの上部はボール２４を介してアクチュエータ２６（図４Ｂ参照。）により下方向に押されるようになっている。基板２ａに形成された入口側流路４０は弁体部８０ａの下方とバルブシート８２ａの外側につながり、出口側流路４２はバルブシート８２ａの内側につながっている。
【００５９】
弁体部８０ａとバルブシート８２ａとの間を除き、ＳＯＩ基板８０と８２の間は金を用いた接合、ＳＯＩ基板８２とガラス基板８４の間は陽極接合、ＳＯＩ基板８０と絶縁基板層２ａ−２との間は接着剤により接合されている。
【００６０】
アクチュエータ２６によりボール２４を介して押圧部８２ｂが下方向に押されると弁体部８０ａが下方向に移動してバルブシート８２ａとの間に隙間ができてバルブが開き、入口側流路４０から出口側流路４２にガスが流れる。アクチュエータ２６による押圧を解除すると、弁体部８０ａが入口側流路４０からのガス圧に押されて上方向に移動してバルブシート８２ａとの間の隙間が閉じられ、入口側流路４０から出口側流路４２へのガスの流れが停止する。
【００６１】
基板２ａに搭載された圧力センサ素子１６を図７に示す。この圧力センサ素子１６は静電容量型であり、ＳＯＩ基板９０とガラス基板９２により構成されている。ガラス基板９２の材質は特に限定されないが、ここでも線膨張係数がシリコンの線膨張係数に近いガラス基板としてテンパックス（TEMPAX、登録商標）ガラス基板を使用した。ＳＯＩ基板９０はシリコン基板中にＢｏｘ層９０ｂが形成されたものであり、シリコン層９０ａ、Ｂｏｘ層９０ｂ及びシリコン層９０ｃの３層構造になっている。
【００６２】
Ｂｏｘ層９０ｂ上のシリコン層９０ｃによりダイヤフラム９４が形成され、ダイヤフラム９４上でガラス基板９２側に下部電極９６が形成されている。ガラス基板９２にはダイヤフラム９４に対向する側に空洞が形成され、その空洞内には下部電極９６に対向する上部電極９８が形成されている。上部電極９８と下部電極９６間の静電容量を検出するために、上部電極９８の取出し電極９８ａと下部電極９６の取出し電極９６ａが設けられている。ダイヤフラム９４の上側、すなわち上部電極９８と下部電極９６の間の空間は絶縁基板２ａ内の内部流路４２につながり、ダイヤフラム９４の下側の空間は大気側連絡通路４９につながっている。
【００６３】
内部流路４２内の圧力と大気圧との差圧によりダイヤフラム９４が図７で上下方向に変形し、それに伴って両電極９６と９８の間の間隔が変化して両電極９６、９８間の静電容量が変化する。静電容量は容量デジタルコンバータにより電圧に変換された後、圧力値に変換される。
【００６４】
この実施例は互いに電気的に接続されたノイズ遮蔽のための金属層６８ａ〜６８ｃを備えている。このような金属層を設けない場合はノイズレベルが約１３０ａＦp-pであったの対し、金属層６８ａ〜６８ｄを備えたこの実施例ではノイズレベルが約９０ａＦp-pに低減することができた。
【００６５】
ここで，各実施例に共通の製作方法について述べる。必要に応じて貫通穴及び溝があけられた半乾き状態のアルミナセラミックス基板層にビア金属の埋め込みやモリブデン等の金属層を印刷塗布する。その後、アルミナセラミックス基板層を重ねて積層状態とし、１０００〜１５００℃程度で焼結し必要な箇所に金メッキ等を施すと、基板２，２ａとなる。その後、焼結された基板の所定の位置にバルブ素子と圧力センサ素子を接着剤により固着し、必要に応じて静電容量デジタルコンバータやコネクタを半田接続し、必要な電気接続のためのワイヤボンディングを施す。
【００６６】
図８は各実施例に共通のガス圧力コントロールの制御系を概略的に示したものである。圧力センサ素子１６の検出信号である静電容量が容量デジタルコンバータ１８により電圧に変換されて制御部２２のコンピュータに取り込まれる。コンピュータ２２は圧力センサ素子１６の検出信号が所定の値になるように、アクチュエータ２６を介して圧力バルブ１４の開き具合をフィードバック制御することにより、圧力バルブ出口側のガスが所定の一定圧力で供給される。２８はガスボンベ等のガス供給部である。図８において、実線はガスの流れ、破線は信号の流れを示している。
【００６７】
図１に示されているように、制御部２２は温度補正部２３を備えている。容量デジタルコンバータに内蔵されている温度測定機能を利用して環境温度変化による影響を補正した。この温度補正は次のようにして電子部品の温度補正をソフトウエアで処理した。
【００６８】
容量デジタルコンバータはカタログ仕様として基準温度２５℃に対して−１ａｆ／℃の温度特性を持っている。またコンデンサは基準温度２０℃で−４０ｐｐｍ／℃の温度特性と仮定した。測定温度と基準温度の差によって生じる静電容量分を補正値とした。
【００６９】
そのようにして行った温度補正の結果を図９に示す。Ａは温度変動幅で２．６８９℃であった。その場合、静電容量値は補正前の変動幅Ｂが１．６２７ｐＦであったものが、補正を行うことで変動幅Ｃが０．３０１ｐＦに小さくできた。
【符号の説明】
【００７０】
２      基板
２ａ      絶縁性基板
２−１〜２−３、２ａ−１〜２ａ−６      基板層
４      ガス入口
６      ガス出口
８−１、８−２      内部流路となる貫通溝
８−２ａ      流路抵抗用の貫通溝
１４      バルブ素子
１６      圧力センサ素子
１８      容量デジタルコンバータ
２２      制御部
２３      温度補正部
２６      アクチュエータ
３０      固定ベース
４５      圧力センサ素子搭載位置
６０      バルブ素子搭載位置
６８ａ、６８ｂ、６８ｃ、６８ｄ      金属層
７５      容量デジタルコンバータ搭載位置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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【図５Ｇ】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図７】
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