(57)【要約】【課題】  電極の接触面積を工夫することなく、飽和領域をなくし、ダイナミックレンジを広げることができる圧力センサを提供する。【解決手段】  基台１と、基台１表面に設けられた電極部２と、電極部２を覆うように積層された絶縁層３と、絶縁層３の上方に所定の空隙を形成して電極部２と対向して配設された少なくとも表面が導電性のダイヤフラム５とを備え、ダイヤフラム５に圧力が加わった時、ダイヤフラム５が撓むことにより電極部２間の静電容量の変化を検出する圧力センサであって、基台１表面には、その中心から外方に行くに従ってダイヤフラム５との空隙が縮まるように窪み部１ｃを形成し、この窪み部１ｃ上に電極部２と絶縁層３を形成した。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基台と、この基台表面に設けられた電極部と、この電極部を覆うように積層された絶縁層と、この絶縁層の上方に所定の空隙を形成して前記電極部と対向して配設された少なくとも表面が導電性のダイヤフラムとを備え、前記ダイヤフラムに圧力が加わった時、前記ダイヤフラムが撓むことにより前記電極部間の静電容量の変化を検出する圧力センサであって、前記基台表面には、その中心から外方に行くに従って前記ダイヤフラムとの空隙が縮まるように窪み部を形成し、この窪み部上に前記電極部と前記絶縁層を形成したことを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
前記ダイヤフラムは、圧力が加わった時の撓む過程において、前記絶縁層に接触するようにしたことを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記ダイヤフラムは、外形が円形状に形成されていることを特徴とする請求項１、又は２記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記絶縁層は、硝子で形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の圧力センサ。
【請求項５】
前記絶縁層の外周縁部を、前記電極部と対向して配設された前記ダイヤフラムの表面と近接あるいは当接した状態で配置したことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイヤフラムの撓み量に伴う静電容量変化を利用して圧力を検出する圧力センサの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の圧力センサの構造としては、表面が導電性のダイヤフラムを設けた構造体と、金属膜からなる電極と、その上方を覆う誘電体膜が設けられた基体とを有し、ダイヤフラムと電極が対向し、かつダイヤフラムと誘電体膜間に隙間を設けた状態で接合して構成されたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
以下、従来の圧力センサの構造を図に基づいて説明する。
図６は従来の圧力センサを示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面断面図、（Ｃ）は電極部分を示す底面図、図７は圧力センサの圧力と静電容量の関係を示すグラフである。  
【０００４】
図において、構造体１０１のダイヤフラム１０３は、例えば単結晶シリコンからなるウエハをエッチングして窪ませることにより形成されている。基体１０２は、電極１０４と電気的絶縁状態を確保できるものであればよく、硝子板、セラミック板、硬質プラスチック板などがあり、好ましくはガラス板が用いられる。電極１０４は、金や銀などの金属材料を基体１０２の表面に蒸着、めっきなどの方法で形成されている。誘電体膜１０５は、硝子、セラミックなどの絶縁材料で成膜形成されている。
また、電極１０４は、図７（Ｃ）に示す通り、その長手方向寸法が、幅方向中心から幅方向端に向けて漸次増加する形状とされている。
【０００５】
基体１０２には、電極１０４と接続して基体１０２の辺縁部まで延びる端子部１０７と、誘電体膜１０５上に設けられ構造体１０１と電気的に接続された端子部１０６が設けられている。
基体１０２の誘電体膜１０５と、ダイヤフラム１０３との間に形成される隙間１０８は、ダイヤフラム１０３が圧力に応じて誘電体膜１０５側に接触し易いように、あるいは温度特性を持たないようにするため、内部が真空とされている。この隙間１０８の高さは適宜選択される。
【０００６】
この圧力センサ１１０は、外気圧変動に応じてダイヤフラム１０３が誘電体膜１０５側にたわみ、ダイヤフラム１０３が誘電体膜１０５と接触する。ダイヤフラム１０３が誘電体膜１０５に接触する面積に応じて、ダイヤフラム１０３と電極１０４間の静電容量は変化する。ダイヤフラム１０３に加わる圧力は、構造体１０１に接続して設けられた端子１０６と電極１０４に接続して設けられた端子１０７間での静電容量の変化を検出することによって測定される。
【０００７】
この圧力センサ１１０は、その長手方向寸法が、幅方向中心から幅方向端に向けて漸次増加する形状の電極１０４を設けたことによって、圧力増加に対する接触面積（ダイヤフラム１０３が電極１０４と接触する面積）の増加率を一定にし、圧力増加と静電容量の増加との直線的比例関係を改善している。
【０００８】
ダイヤフラム１０３に加える圧力を漸次増加させた場合、ダイヤフラム１０３が撓み、誘電体膜１０５を介して電極１０４と対向する。ダイヤフラム１０３が誘電体１０５側に最初に接触する際には、ダイヤフラム１０３の接触は殆ど直線状に接触する。圧力上昇に伴い、この接触部分は、幅方向に広がってゆく。そしてダイヤフラム１０３の接触面積は、限界に達すると、それ以上増加しなくなる。
【０００９】
この従来の圧力センサに記述されている従来例にあっては、長方形状のダイヤフラム１０３と同形状の電極を設けたものなので、ダイヤフラム１０３に加える圧力を漸次増加させた場合、ある程度の圧力までは、圧力増加と静電容量の増加が直線的比例関係となるが（図７の曲線Ａの直線領域参照）、それ以上の高圧力域では、ダイヤフラム１０３の幅方向の広がり度合が減少することによって、圧力増加に対する接触面積の増加率も減少し、圧力増加に対する静電容量の増加が次第に頭打ちになってくる（図７の曲線Ａの飽和領域参照）。
【００１０】
この従来例に対し、従来の発明では、ダイヤフラム１０３が電極１０４側に接する接触部分の幅方向の広がり度合における低下を補償するように、接触面（電極１０４）の長さを幅方向中央から幅方向に向けて徐々に延ばすことにより、圧力増加に対する接触面積（ダイヤフラム１０３が誘電体１０５と接触する面積）の増加率が一定になり、圧力増加と静電容量の増加との直線的比例関係が得られる直線領域を広げることができる（図７の曲線Ｂ，Ｃの直線領域参照）。
【００１１】
【特許文献１】特開２００２−１９５９０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上述した従来の圧力センサにおいては、電極の形状を工夫することによって、飽和領域（高圧力領域）をなくして直線領域を広げることができるものとなっているが、ダイヤフラムと電極との接触面積が小さくなることから、そのダイナミックレンジを広げるには限界があるという問題があった。
また、過大な圧力が加わった時ダイヤフラムの外周縁部には応力が集中しダイヤフラムが破損するおそれもあった。
【００１３】
したがって、本発明では上述した問題点を解決し、電極の接触面積を工夫することなく、飽和領域をなくし、ダイナミックレンジを広げることができる圧力センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために本発明では第１の解決手段として、基台と、この基台表面に設けられた電極部と、この電極部を覆うように積層された絶縁層と、この絶縁層の上方に所定の空隙を形成して前記電極部と対向して配設された少なくとも表面が導電性のダイヤフラムとを備え、前記ダイヤフラムに圧力が加わった時、前記ダイヤフラムが撓むことにより前記電極部間の静電容量の変化を検出する圧力センサであって、前記基台表面には、その中心から外方に行くに従って前記ダイヤフラムとの空隙が縮まるように窪み部を形成し、この窪み部上に前記電極部と前記絶縁層を形成した構成とした。
【００１５】
また、第２の解決手段として、前記ダイヤフラムは、圧力が加わった時の撓む過程において、前記絶縁層に接触するようにした構成とした。
また、第３の解決手段として、前記ダイヤフラムは、外形が円形状に形成されている構成とした。
【００１６】
また、第４の解決手段として、前記絶縁層は、硝子で形成されている構成とした。
また、第５の解決手段として、前記絶縁層の外周縁部を、前記電極部と対向して配設された前記ダイヤフラムの表面と近接あるいは当接した状態で配置した構成とした。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明の圧力センサは、基台と、基台表面に設けられた電極部と、電極部を覆うように積層された絶縁層と、絶縁層の上方に所定の空隙を形成して電極部と対向して配設された少なくとも表面が導電性のダイヤフラムとを備え、ダイヤフラムに圧力が加わった時、ダイヤフラムが撓むことにより電極部間の静電容量の変化を検出する圧力センサであって、基台表面には、その中心から外方に行くに従ってダイヤフラムとの空隙が縮まるように窪み部を形成し、この窪み部上に電極部と絶縁層を形成したことから、ダイヤフラムが圧力で撓む際には、電極部との空隙が一定の変化率で安定して変化するため、電極部間の静電容量の変化も一定に安定して変化するので、高圧領域での飽和を減らすことができ、ダイナミックレンジの広い圧力センサを提供できる。
【００１８】
また、ダイヤフラムは、圧力が加わった時の撓む過程において、誘電率の高い絶縁層に接触するようにしたことから、更に、撓み量に対する静電容量の変化を大きくすることができる。
また、ダイヤフラムは、外形が円形状に形成されていることから、円滑に撓むことができ動作が安定し、角部がないので破損などの発生を防止できる。
【００１９】
また、絶縁層は、硝子で形成されていることから、強度が強固で、経時変化にも強いので信頼性が向上される。
また、絶縁層の外周縁部を、電極部と対向して配設されたダイヤフラムの表面と近接あるいは当接した状態で配置したことから、ダイヤフラムが撓む際に応力が集中し易い外周縁部の応力が軽減され、ダイヤフラムの損傷や破壊などの発生を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の圧力センサの１実施例を図１乃至図５に示す。図１は本発明の圧力センサの平面図、図２は圧力センサの断面図、図３はダイヤフラムに小さい圧力が加わった時の動作説明図、図４はダイヤフラムに大きい圧力が加わった時の動作説明図、図５は圧力センサの圧力と静電容量の関係を示すグラフである。
【００２１】
本実施例に係る圧力センサは、ダイヤフラムが圧力を受けて絶縁層（誘電体層）と接触する接触面積の変化を検出して、電極部とダイヤフラム間の静電容量を測定することにより圧力測定する構成となっており、基台１と、この基台１の表面に設けられた電極部と、この電極部を覆うように電極部上に積層された絶縁層と、この絶縁層の上方に所定の空隙を形成して電極部と対向して配設されたダイヤフラムとから主に構成されている。
【００２２】
図１及び図２において、基台１は、導電性の金属材からなり、円形状の基部１ａと、この基部１ａから同じく円形状に突出して形成された突出部１ｂとを有している。また、前記突出部１ｂの表面には円形の外周から中心に向かって段々と深くなるような窪み部１ｃが形成されており、この窪み部１ｃの表面が電極部２を構成している。この場合、基台１の材料としては、電極用材料として一般に使用される各種の金属（例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔｉなど）が使用されている。
【００２３】
また、電極部２上には、この電極部２を覆うように絶縁層３が積層されている。この絶縁層３は、硝子、セラミック、ポリイミドなどの絶縁材から形成されており、この絶縁層３が誘電体層を構成している。また、この絶縁層３は、前記窪み部１ｃの形状に合わせて中央部３ａが厚く形成され、外周縁部３ｂに向かうに従って薄くなるように形成されている。この場合、絶縁層３を、硝子で形成するようにすれば、強度が強固で、経時変化にも強いので信頼性が向上される。
【００２４】
また、前記基台１の基部１ａの上面には、円環状の絶縁部材４が固着されており、この絶縁部材４の上面に円形状のダイヤフラム５が取付けられている。このダイヤフラム５は、弾性を有する導電性の薄板金属板や、シート状のゴム材等から形成されており、ゴム材の場合には、表面にカーボンなどの導電材が塗布されたものとなっている。
【００２５】
また、前記ダイヤフラム５が前記絶縁部材４に取付けられる際には、ダイヤフラム５は、電極部２を覆うように積層された絶縁層３の上方に所定の空隙Ｓを形成して電極部２と対向して配設されるようになっている。また、基台１の突出部１ｂの表面には、その中心から外方に行くに従ってダイヤフラム５との空隙が縮まるように前記窪み部１ｃが形成されたものとなっている。
【００２６】
また、電極部２を覆うように積層された絶縁層３と、ダイヤフラム５との間に形成される空隙Ｓは、ダイヤフラム５が圧力に応じて絶縁層３側に接触し易いように、あるいは温度特性を持たないようにするため、内部が真空とされており、この空隙Ｓの高さ、すなわち絶縁層３とダイヤフラム５間の寸法は、ダイヤフラム５の寸法（大きさ、厚さ）に応じて適宜選択されるものとなっている。
【００２７】
この圧力センサは、外気圧等の変動に応じてダイヤフラム５が絶縁層３側に撓み、ダイヤフラム５が絶縁層３と接触する。そして、ダイヤフラム５が絶縁層３に接する接触面積に応じて、ダイヤフラム５と電極部２間の静電容量が変化するので、ダイヤフラム５に加わる圧力は、この静電容量の変化を検出することによって測定されるものとなっている。
また、ダイヤフラム５は、圧力が加わった時の撓む過程において、誘電率の高い絶縁層３に接触するようにしてあるので、更に、撓み量に対する静電容量の変化を大きくすることができる。
【００２８】
図３及び図４に基づいて圧力センサの動作を説明する。
図３に示すのは、ダイヤフラム５に加わる圧力が比較的小さい時の状態を示している。この場合、ダイヤフラム５の中央のみが、対向された絶縁層３の中央と接触した状態となっており、それ以外の周辺部分については絶縁層３と一定の空隙Ｓを有して対向した状態である。この状態においては、ダイヤフラム５と電極部２との間に、まだ空隙Ｓが存在しているので静電容量は比較的小さい値を示すものとなる。
【００２９】
図４に示すのは、図３の状態から、更に大きな圧力がダイヤフラム５に加わった時の状態を示している。この場合、ダイヤフラム５は、中央に加えて周辺部の全体にわたって対向された絶縁層３と接触した状態となっており、空隙Ｓがほとんど無い状態である。この状態においては、ダイヤフラム５と電極部２との間に空隙Ｓが存在しないので静電容量は大きな値を示すものとなる。
この場合、ダイヤフラム５は、外形が円形状に形成されているので、円滑に撓むことができ動作が安定し、角部がないので破損などの発生を防止できるものとなっている。
【００３０】
また、図４に示す通り、ダイヤフラム５に大きな圧力が加わった場合においても、絶縁層３の外周縁部３ｂが、電極部２と対向して配設されたダイヤフラム５と近接あるいは当接した状態で配置されたものとなっているため、ダイヤフラム５が撓む際に、応力が集中し易い外周縁部の応力が軽減され、ダイヤフラムの損傷や破壊などの発生を防止することができるものとなっている。
【００３１】
図５は、圧力センサの圧力と静電容量の関係を示すグラフで、横軸がダイヤフラム５に加わる圧力を示しており、縦軸がその圧力に対するダイヤフラム５と電極部２間の静電容量の変化を表わしている。
【００３２】
図５で、曲線Ａで示すのは、図示はしないが、電極部２が平面の場合、すなわち、基台１の突出部１ｂの表面が平面状に形成されている場合を示している。この場合、ダイヤフラム５に加わる圧力に伴ってダイヤフラム５と電極部２間の静電容量は増加しているが、曲線は放物線を描き、圧力が高くなるにつれて飽和領域を示している。従って、静電容量の変化が一定の直線領域を示しておらず検出精度に問題が生じるものとなる。
【００３３】
これに対して、曲線Ｂで示すのは、図２乃至図４に示すように電極部２が平面ではなく、すなわち、基台１の突出部１ｂの表面に円形の外周から中心に向かって段々と深くなるような窪み部１ｃを形成し、この窪み部１ｃの表面が電極部２を構成するものとなっている。この場合、ダイヤフラム５に加わる圧力に伴ってダイヤフラム５と電極部２間の静電容量は直線状に増加して直線領域を示している。
【００３４】
このように、基台１の突出部１ｂの表面に、その中心から外方に行くに従ってダイヤフラム５との空隙Ｓが縮まるように窪み部１ｃを形成し、この窪み部１ｃ上に電極部２と絶縁層３を形成するようにしたので、ダイヤフラム５が圧力で撓む際には、電極部２との空隙Ｓが一定の変化率で安定して変化するため、ダイヤフラム５と電極部２間の静電容量の変化も一定に安定して変化するので、高圧領域での飽和を減らすことができ、ダイナミックレンジの広い圧力センサを提供できるものとなっている。
【００３５】
また、窪み部１ｃの深さを適宜変更することにより、絶縁層３の中央部３ａの厚さを適宜変更すれば、圧力に対する静電容量の値を適宜変更することが可能である。例えば、図５に曲線Ｃで示すのは、図２乃至図４に示す絶縁層３の中央部３ａの厚さを若干薄く形成した例（図示せず）を示している。この場合にも、ダイヤフラム５に加わる圧力に伴ってダイヤフラム５と電極部２間の静電容量は直線状に増加して直線領域を示しているが、曲線Ｂに比較して曲線Ｃの方が立ち上がりが急になっており、圧力に対する静電容量の値の幅が大きく検出できるようになっている。このように、直線領域を広げることにより感度の高い圧力センサが得られるものとなる。
【００３６】
尚、上記実施例においては、基台１を導電性の金属材で形成し、この基台１の突出部１ｂの表面に窪み部１ｃを形成して、この窪み部１ｃの表面が電極部２を構成するようにしたが、これに限らず、基台１をセラミックなどの絶縁材で形成し、このセラミックの上部に電極と絶縁層を積層して形成するようにしても良い。この場合には、基台１とダイヤフラム５との間を絶縁するために基部１ａ上面に固着された絶縁部材４が不要となる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施例である圧力センサを示す平面図である。
【図２】本発明の一実施例である圧力センサを示す断面図である。
【図３】本発明の圧力センサのダイヤフラムに小さい圧力が加わった時の動作説明図である。
【図４】本発明の圧力センサのダイヤフラムに大きい圧力が加わった時の動作説明図である。
【図５】本発明の圧力センサの圧力と静電容量の関係を示すグラフである。
【図６】従来の圧力センサを示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面断面図、（Ｃ）は電極部分を示す底面図である。
【図７】従来の圧力センサの圧力と静電容量の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３８】
１：基台
１ａ：基部
１ｂ：突出部
１ｃ：窪み部
２：電極部
３：絶縁層
３ａ：中央部
３ｂ：外周縁部
４：絶縁部材
５：ダイヤフラム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2005083801.tif 000008
【図７】
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