(57)【要約】      （修正有）【課題】印加された圧力に対する容量性応答を増加させた容量性圧力センサ装置を提供する。【解決手段】容量性センサ装置４００は、基板４０２と、基板上に形成される第１の電極層４１０と、基板に対向する変形可能なダイアフラム層４０４と、ダイアフラム層に形成され、且つ、第１の電極層と向かい合う、第２の電極層４１２と、第１の電極層と第２の電極層との間の、１５マイクロメータより小さな空隙４１４と、第１の電極層と第２の電極層との間のガラス障壁層４１２と、を含む。【選択図】図４
2019020398.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容量性センサ装置であって、
剛性の絶縁体プレートと、
前記剛性の絶縁体プレート上に形成される第１の電極と、
前記剛性の絶縁体プレートに対向する変形可能な絶縁体プレートと、
前記変形可能な絶縁体プレート上に形成され、且つ、前記第１の電極と向かい合う、第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の、１５マイクロメータより小さな空隙と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間のガラス障壁と、
を含む、容量性センサ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であって、前記剛性の絶縁体プレートがセラミック材料から作られる、装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置であって、前記変形可能な絶縁体プレートがセラミック材料から作られる、装置。
【請求項４】
請求項１に記載の装置であって、前記第１の電極および前記第２の電極が、それぞれの金属層を含む、装置。
【請求項５】
請求項１に記載の装置であって、前記変形可能な絶縁体プレートが変形されていない状態のとき、前記第１の電極と前記第２の電極との間に約５ｐＦ〜約５０ｐＦの静電容量を含む、装置。
【請求項６】
請求項１に記載の装置であって、変形されていない状態から最大に変形した状態への、前記変形可能な絶縁体の撓みに応答して、０．５ｐＦ〜４０ｐＦの静電容量変化を含む、装置。
【請求項７】
請求項１に記載の装置であって、前記変形可能な絶縁体プレートが、印加された圧力に応答して、前記空隙を通って変形するように選択される領域および厚さを含む、装置。
【請求項８】
圧力を感知するための方法であって、
剛性の誘電体基板上に第１の電極層を提供することと、
可撓性の誘電体基板上に第２の電極層を提供することであって、前記第２の電極層が、前記第１の電極層と向かい合い、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間の分離距離が、１５マイクロメータより小さな間隙を規定する、前記第２の電極層を提供することと、
前記第１の電極層を覆う固体誘電体材料製の第１の誘電体層を前記間隙において提供することであって、前記第１の誘電体層が、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間の静電容量の所定の増加を提供するように選択される厚さおよび誘電率を有する、前記第１の誘電体層を提供することと、
前記第２の電極層に隣接する、圧縮可能な誘電体材料製の第２の誘電体層を前記間隙において提供することと、
前記可撓性の誘電体基板を圧力にさらすことと、
前記第１の電極層と前記第２の誘電体層との間の静電容量を測定すること
を含む、方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法であって、前記第２の誘電体層が、前記間隙に向かった、前記可撓性の誘電体基板の所定の撓み距離を可能にするように選択される厚さを有する、方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法であって、前記第２の誘電体層がガス層を含む、方法。
【請求項１１】
請求項９に記載の方法であって、前記第２の誘電体層が空気層を含む、方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法であって、前記第１の誘電体層がガラス層を含む、方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法であって、前記第２の誘電体層が、約１７マイクロメータの厚さを有する、方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法であって、前記第１の誘電体層が、約７マイクロメータの厚さを有する、方法。
【請求項１５】
請求項８に記載の方法であって、前記剛性の誘電体基板が、セラミック材料から作られる、方法。
【請求項１６】
請求項８に記載の方法であって、前記可撓性の誘電体基板が、セラミック材料から作られる、方法。
【請求項１７】
請求項８に記載の方法であって、前記第１の電極および前記第２の電極がそれぞれの金属層を含み、当該それぞれの金属層は、それぞれが、約０．４マイクロメータの厚さである、方法。
【請求項１８】
請求項８に記載の方法であって、前記可撓性の誘電体基板が変形されていない状態にあるとき、静電容量が約５ｐＦ〜約５０ｐＦの間にある、方法。
【請求項１９】
請求項８に記載の方法であって、変形されていない状態から最大に変形した状態への、前記可撓性の誘電体基板の撓みに応答して、静電容量が、０．５ｐＦ〜４０ｐＦの間で変化する、方法。
【請求項２０】
請求項８に記載の方法であって、前記可撓性の誘電体基板が、圧力に応答して、前記第２の誘電体層を通って変形するように選択される領域および厚さを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、圧力トランスデューサの分野に関し、より詳細には、コンデンサタイプの圧力感知素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧力トランスデューサが、トランスデューサ位置で流体圧力および印加された力を感知するため、様々な機械およびシステムにおいて使用される。圧力トランスデューサは、概して、印加された圧力の大きさを、その大きさを表す電気信号に変換する。例えば、既に知られた容量性圧力センサは、印加された圧力の大きさを、電気的静電容量の大きさに変換する。
【０００３】
圧力トランスデューサ用途において用いられ得る既に知られた圧力感知素子には、容量性感知技術に基づくものがある。このような感知素子の或る例は、空隙によって離間された一対のセラミックプレートおよび電極を用い、これらが、剛性のセラミックプレート基板上に平行のプレートコンデンサを形成する。変形可能なセラミックプレートがダイアフラムを形成し、このダイアフラムが、間隙両端の２つの電極の間の距離を調整する。感知素子の公称静電容量、および、圧力荷重の印加の下での静電容量の変化量が、感知素子の特性であり、この特性は、いくつかの機械的要因によって決定される。これらの要因には、ダイアフラムの厚さや、変形可能とされるダイアフラムの領域、電極の領域、電極間の空隙の厚さが含まれる。
【０００４】
幾つかの用途において、感知素子の電極の空隙距離は、マイクロメータの桁である。そのような小さな間隙の厚さを備えて製造される感知素子は、電極間に導電性経路を提供し得る空隙中の導電性粒子による汚染に起因して、高い不良率を有することがある。導電性粒子は、製造の間、完璧に取り除くことが困難である。
【０００５】
感知素子の空隙における導電性粒子汚染に起因する製造時の不良を削減するために、既に知られた容量性（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ）感知素子の中には、電極間の電気的絶縁を提供するために、電極のうちの一方の上にガラス層を含むものがある。しかし、ガラス層は、間隙における空気と異なる誘電率を有するので、ガラス層は、公称静電容量や、圧力荷重の印加の下での静電容量の変化量など、感知素子特性を変質させるという好ましくない効果を有する。さらに、電極のうちの一方の上にガラス障壁を含むことによって、変形可能なセラミックプレートがガラス障壁に接触する前に達成し得る撓みの量が制限される。電極のうちの一方の上に余分なガラス層を含む、既に知られた容量性感知素子において、センサの容量性応答特性に対する変化は、ガラス層の厚さを最小にすることによって、または、空隙の厚さを増加させることによって、最小化または減少される。
【発明の概要】
【０００６】
本開示の態様は、容量性センサ装置を含む。この容量性センサ装置は、剛性の絶縁体プレート、剛性の絶縁体プレート上に形成される第１の電極、剛性の絶縁体プレートに対向する変形可能な絶縁体プレート、および、変形可能な絶縁体プレート上に形成され、且つ、前記第１の電極と向かい合う、第２の電極を含む。空隙が、第１の電極と第２の電極との間に形成される。また、ガラス障壁層が、第１の電極と第２の電極との間に形成される。ガラス障壁層は、容量性パフォーマンスの所定の増加を達成するために、所定のガラス障壁層の厚さを用いることによって、および／または、ガラス障壁層材料を選択することによって構成される。変形可能な絶縁体プレートは、印加された圧力に応答して空隙を通って変形するように選択される、領域および厚さを有する、
【０００７】
本開示の別の態様は、圧力を感知するための方法を含む。この方法は、剛性の誘電体基板上に第１の電極層を提供することと、可撓性の誘電体基板上に第１の電極層と向かい合う第２の電極層を提供することを含む。方法はさらに、第１の電極層と第２の層との間の間隙において第１の誘電体層を提供することを含む。第１の誘電体層は、例えば、第１の電極層を覆う、ガラスなどの固体誘電体材料を含む。本開示の態様によれば、第１の誘電体層の厚さおよび誘電率は、第１の電極層と第２の電極層との間の静電容量の所定の増加を提供するように選択される。方法はさらに、間隙において第２の誘電体層を提供することを含む。第２の誘電体層は、第２の電極層に隣接する圧縮可能な誘電体材料を含む。第２の誘電体層は、例えば、空気またはその他の気体であってよい。方法は、可撓性の誘電体基板を圧力にさらすことと、第１の電極層と第２の誘電体層との間の静電容量を測定することを含む。第２の誘電体層は、間隙内への、可撓性の誘電体基板の所定の撓み距離を可能にするように選択される厚さを有する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
本開示の１つまたは複数の実施形態の詳細が、添付の図面および以下の説明において述べられる。本開示のその他の特徴、目的および利点が、図面および説明から、ならびに、特許請求の範囲から明らかとなる。
【０００９】
【図１】既に知られた容量性感知素子の概略図である。
【図２】既に知られた容量性感知素子の概略図である。
【図３】従来技術に従った、ガラス障壁層を含む容量性感知素子の概略図である。
【図４】本開示の態様に従った、ガラス障壁層を含む改良された容量性感知素子の概略図である。
【図５】本開示の態様に従った、改良された容量性感知素子の改善された容量性応答を示すグラフである。
【図６】本開示の態様に従った、圧力を感知するための方法を示すプロセスフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、既に知られた容量性感知素子を示し、この容量性感知素子は、コンデンサを形成する２つの電極、電極間の離間を提供する境界ガラスの層、剛性の基板、および、印加された圧力に応答して予想通りに撓むことが可能な薄いダイアフラムを有する。
【００１１】
図１に示すように、既に知られた圧力トランスデューサ１００は、基板１０２、ダイアフラム層１０４、および、基板１０２とダイアフラム層１０４との間の境界ガラス層１０６を含む。空所（ｖｏｉｄ）１０８が、境界ガラス層１０６を通って延在する。第１の電極層１１０が、空所１０８において基板１０２上に形成され、第２の電極層１１２が、空所１０８においてダイアフラム層１０４上に形成される。空隙１１４が、第１の電極１１０と第２の電極１１２と間に空所１０８において形成される。
【００１２】
図２は、図１に示された同一の容量性感知素子１００を示し、ダイアフラムを撓ませるように圧力が印加されている。電極間の縮小された距離は、感知素子の静電容量を増加させ、縮小された距離は、材料特性および寸法から計算され得る。
【００１３】
圧力１１８がダイアフラム層１０４に印加されると、ダイアフラム層１０４は、空所１０８の中へ撓まされ、これによって、第１の電極層１１０と第２の電極層１１２との間の空隙の厚さが減少する。減少された空隙の厚さは、結果として、第１の電極層１１０と第２の電極層１１２との間の静電容量の相違となる。静電容量の変化は、容易に測定可能であり、印加された圧力１１８を表す信号を提供する。
【００１４】
このような既に知られた圧力トランスデューサ１００は、空隙１１４に導電性粒子がある場合に故障する傾向がある。空隙１１４に入って、第１の電極と第２の電極との間に導電性ブリッジを提供し得る導電性粒子は、製造プロセスの自然的副産物であり、完全に取り除くことが困難または不可能であった。
【００１５】
図３は、既に知られた容量性感知素子３００を示し、容量性感知素子３００は、図１および図２に示された感知素子１００と類似しているが、電極３１０の上にガラス障壁層３１６をさらに含む。
【００１６】
容量性感知素子３００は、基板３０２、ダイアフラム層３０４、および、基板３０２とダイアフラム層３０４との間の境界ガラス層３０６を含む。境界ガラス層３０６は、基板３０２とダイアフラム層３０４との間に間隙を作る空所３０８を含む。第１の電極層３１０が、空所３０８において基板３０２上に形成され、第２の電極層３１２が、空所３０８においてダイアフラム層３０４上に形成される。空隙３１４が、第１の電極３１０と第２の電極３１２との間に空所３０８において形成される。
【００１７】
ガラス障壁層３１６によって、空隙３１４における導電性粒子による、電極層３１０、３１２間のブリッジングが防止される。第１の電極３１０と第２の電極３１２との間のガラス障壁層３１６は、元の位置に置かれる空気より高い誘電率を有し、そのため、図１および図２に示した感知素子１００と比較すると感知素子３００の静電容量を増加させる。
【００１８】
ガラス障壁層３１６の異なる誘電率は、印加された圧力に応答して、センサ素子３００の静電容量３１８に影響を及ぼす。また、ガラス障壁層３１６の誘電挙動は、空気とは異なる比率で温度と共に変化する。これらの相違が、温度変化と共に、結果として生じるセンサ素子精度に影響を及ぼし得る。既に知られた容量性感知素子３００は、対象の間隙寸法を増加させることによって、ガラス障壁層の容量性影響を最小化するように構成される。例えば、容量性感知素子３００において、最小のコンデンサ間隙対象は、ガラス障壁層を含まない容量性感知素子１００（図１および図２）における約１４〜１７マイクロメータの最小のコンデンサ間隙対象と比較して、約２１〜２５マイクロメータに増大される。容量性感知素子３００において、ガラス障壁層３１６は、７マイクロメータの厚さを有する。
【００１９】
ガラス障壁層３１６は電極間の短絡を防止し得るが、その容量の影響は、電極間の間隙のさらなる縮小を妨げ、それゆえ、従来、容量性感知素子のサイズをさらに縮小するのに効果的でなかった。
【００２０】
本開示の態様によれば、ガラス障壁層、または、そうしたガラス障壁層の代わりに電極を離間するその他の誘電体材料は、容量性感知素子の容量性応答を増加させるように選択され得、最小化されるべき副作用として扱われない。
【００２１】
図４は、本開示の態様に従った容量性感知素子４００を示す。容量性感知素子４００は、図３に示した感知素子３００など、既に知られた感知素子の欠点を克服する。
【００２２】
容量性感知素子４００は、基板４０２、ダイアフラム層４０４、および、基板４０２とダイアフラム層４０４との間の境界ガラス層４０６を含む。境界ガラス層４０６は、基板４０２とダイアフラム層４０４との間に間隙を作る空所４０８を含む。第１の電極層４１０が、空所４０８において基板４０２上に形成され、第２の電極層４１２が、空所４０８においてダイアフラム４０４上に形成される。空隙４１４が、第１の電極３１０と第２の電極４１２と間に空所３０８において形成される。
【００２３】
ガラス障壁層４１６は、空隙４１４における導電性粒子による、電極層４１０、４１２間のブリッジングを防止する。ガラス障壁層４１６の容量性影響は、容量性感知素子４００の容量性応答を増加させる。
【００２４】
ガラス障壁層４１６の異なる誘電率は、印加された圧力４１８に応答して、センサ素子４００の静電容量に影響を及ぼす。また、ガラス障壁層４１６の誘電挙動は、空気とは異なる比率で温度と共に変化する。これらの相違が、温度変化と共に、結果として生じるセンサ素子精度に影響を及ぼし得る。
【００２５】
本開示の態様によれば、ガラス障壁層４１６は、電極間の短絡を防止し、ガラス障壁層４１６は、ガラス障壁層４１６の容量性影響が、電極間の間隙を増加させることなく、容量性感知素子４００の容量性応答を増加させるように選択および寸法される。例えば、容量性感知素子４００において、最小のコンデンサ間隙対象は、ガラス障壁層を有する既に知られた容量性感知素子３００（図３）における約２１〜２５マイクロメータの最小のコンデンサ間隙対象と比較して、約１７マイクロメータに縮小された。この間隙寸法は、ガラス障壁層を含まない容量性感知素子１００（図１および図２）における約１４〜１７マイクロメータの最小コンデンサ間隙対象と比べて遜色がない。
【００２６】
本願で開示される容量性センサ素子４００の対象の空隙は、約１０マイクロメータである。ガラス障壁層４１６の誘電率は、増加した静電容量および増加した容量性応答をダイアフラム層４０４の撓みに提供し、これにより、対象の空隙を、例えば、１５マイクロメータ、または、約１０マイクロメータより小さく縮小することが可能となる。７マイクロメータの厚さのガラス障壁層を付加すると、電極間の全体の間隙は、約１７マイクロメータに増大する。
【００２７】
比較すると、ガラス障壁層を有さないセンサ素子１００と同様の動作特性を提供するため、既に知られた容量性センサ素子３００における対象の空隙は、約１４マイクロメータであった。既に知られた容量性センサ素子３００において７マイクロメータのガラス障壁層を付加すると、電極間の全体の間隙は、約２１マイクロメータに増大する。
【００２８】
図５は、２つのグループの感知素子の測定された静電容量を示しており、２つのグループで異なっている唯一の点は、第１のグループ５０２が、図１および図２に示された感知素子１００を表し、第２のグループ５０４が、本開示の態様に従って、電極４１０の一方の上にガラス障壁層４１６を有する、図４に示された感知素子４００を表すことである。
【００２９】
図５の例の第１のグループ５０２における感知素子（感知素子の間隙にガラス障壁材料がない）について、１４マイクロメータのコンデンサ間隙対象が使用された。これは、導電性粒子が電極間の間隙をブリッジすることに起因した、著しい製造歩留まりの損失を生じさせることなく、現実的に達成され得る最も小さい間隙を表す。図５の例の第２のグループ５０４における感知素子（感知素子間隙にガラス障壁材料を有する）について、電極間の１７マイクロメータのコンデンサ間隙対象が使用された。第２のグループ５０４において、ガラス障壁厚さ対象は７マイクロメータであり、１５マイクロメータより小さい空隙を残すものであった。図５の例において使用された感知素子１００、４００のその他の設計パラメータは２つグループ間で全く同じである。
【００３０】
図５のグラフ５００において示される各ポイントは、単一の製造された感知素子を表す。横の目盛５０６は、圧力が印加されていない状態の、感知素子１００、４００の測定された静電容量を表す。縦の目盛は、圧力での同じ感知素子１００、４００のセットされたアプリケーション、すなわち代表的な圧力で測定された静電容量を表す。本明細書において説明されるように、本明細書において説明される改善された感知素子４００を表す第２のグループ５０４は、既に知られた感知素子１００を上回った容量性応答の増加を例証する。
【００３１】
既に知られた容量性感知素子３００についての測定された静電容量データは、図５に含まれていないが、既に知られた容量性感知素子３００における電極間の約２１マイクロメータの増大した間隙は、結果として、例えば、図５の５０２に示されたグループと同等またはそれよりも劣る容量性パフォーマンスとなる。
【００３２】
本開示の別の態様は、空隙においてガラス層を含むことによって、印加された圧力に対する容量性応答を増加させるための方法を含み、この方法において、ガラス層は、既に知られた容量性感知素子と比較して付加的な厚さを有する。付加的な厚さは、電極間の間隙の誘電率の所定の増加を達成するように選択される。説明的な実施形態において、結果として生じる容量性感知素子は、電極間に、２つの誘電体媒体、空気、および、ガラスを有する間隙を含み、間隙におけるガラス媒体の厚さ、および、残りの空隙の厚さは、センサ設計の所望の容量性応答特性を達成するため、ガラスおよび空気の誘電率に基づいて予め決められる。
【００３３】
図６を参照すると、本開示の態様に従った、圧力を感知する方法６００は、ブロック６０２で、剛性の誘電体基板上に第１の電極層を提供すること、および、ブロック６０４で、可撓性の誘電体基板上に第２の電極層を、第２の電極層が第１の電極層と向かい合うように提供することを含む。第１の電極層と第２の電極層との間の離間距離が間隙を規定する。ブロック６０６で、方法は、第１の電極層を覆う固体誘電体材料製の第１の誘電体層を間隙に提供することを含む。本開示の態様によれば、第１の誘電体層は、第１の電極層と第２の電極層との間の静電容量の所定の増加を提供するように選択される厚さおよび誘電率を有する。ブロック６０８で、方法は、第２の電極層に隣接する圧縮可能な誘電体材料製の第２の誘電体層を間隙に提供することを含む。ブロック６１０で、方法は、可撓性の誘電体基板を圧力にさらすことを含み、ブロック６１２で、方法は、第１の電極層と第２の誘電体層との間の静電容量を測定することを含む。
【００３４】
本開示の態様によれば、剛性の誘電体基板および／または可撓性の誘電体基板は、セラミック材料から作られる。本開示の別の態様によれば、可撓性の誘電体基板は、圧力に応答して、第２の誘電体層を通って変形するように選択される領域および厚さを含む。説明的な実施形態において、本開示の態様によれば、第１の電極および第２の電極は、それぞれの金属層であり、それぞれが約０．４マイクロメータの厚さである。
【００３５】
本開示の態様によれば、第２の誘電体層は、間隙内への、可撓性の誘電体基板の所定の撓み距離を可能にするように選択される厚さを有する。第２の誘電体層はガス層であり、このガス層において、ガスは、センサ素子の容量性応答を増加させるため、その誘電体特性のために選択される空気または別の誘電体材料であってよい。
【００３６】
本開示の別の態様によれば、第１の誘電体層はガラス層である。説明的な実施形態において、第２の誘電体層は、約１０マイクロメータの厚さを有し、第１の誘電体層は、約７マイクロメータの厚さを有する。説明的な実施形態において、本開示のこの態様によれば、可撓性の誘電体基板が変形されていない状態のとき、静電容量は約５ｐＦ〜約８ｐＦの間である。説明的な実施形態において、静電容量は、変形されていない状態から最大に変形した状態への、可撓性の誘電体基板の撓みに応答して、０．８ｐＦ〜２．０ｐＦ間で変化する。異なる実施形態において、例えば、静電容量は、約５ｐＦ〜約５０ｐＦの範囲にあり得、容量性の変化は、約０．５ｐＦ〜約４０ｐＦの範囲にあり得る。
【００３７】
容量性圧力感知素子の容量性応答を増加させることによって、開示される方法および装置は、例えば、より小さな感知素子、および、拡張された圧力感知範囲を備えた、現在利用可能な大きさの感知素子の製造を促進する。
【００３８】
開示される感知素子および方法が、本明細書において、第１の電極と第２の電極との間のガラス誘電体層の観点から説明されたが、その他の固体誘電体層が、本開示の様々な代替の実施形態において、ガラスと置換されてよいことを理解するべきである。
【００３９】
本開示の範囲を逸脱することなく、様々な修正が、対応する例に関して上述したような例示的な実施形態に対して成されてよいので、前述の説明に含まれ、添付の図面に示された全ての事項は、限定的なものではなく、むしろ説明的なものであることが意図される。それゆえ、本開示の広さおよび範囲は、上述の例示的な実施形態のいずれかによって限定されるべきでなく、本願に添付の特許請求の範囲およびその均等物によってのみ規定されるべきである。
【００４０】
本開示の多数の実施態様が説明された。しかし、本開示の精神および範囲から逸脱することなく、様々な修正が成されてよいことが理解されよう。
【図１】
2019020398.tif 000003
【図２】
2019020398.tif 000004
【図３】
2019020398.tif 000005
【図４】
2019020398.tif 000006
【図５】
2019020398.tif 000007
【図６】
2019020398.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成30年7月20日(2018.7.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2019020398.tif 000009
【図２】
2019020398.tif 000010
【図３】
2019020398.tif 000011
【図４】
2019020398.tif 000012
【図５】
2019020398.tif 000013
【図６】
2019020398.tif 000014