(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板と、
この第１の基板上に配設された第１の平板電極と、
前記第１の基板上に設けられた前記第１の平板電極を取り囲む感圧枠部と、
前記第１の基板と対向して前記感圧枠部に接合され、前記第１の基板と前記感圧枠部とともに容量室を形成する第２の基板と、
前記容量室内における前記第２の基板上に設けられ、前記感圧枠部から離間するとともに前記第１の平板電極と対向かつ離間したステージと、
このステージ上に設けられ、前記第１の平板電極と対向した第２の平板電極とを備え、
前記感圧枠部は、前記第１および第２の基板に印加された圧力に応じて弾性変形することを特徴とする容量式圧力センサ。
【請求項２】
請求項１に記載された容量式圧力センサにおいて、
前記感圧枠部の一部に前記第１の平板電極と対向する領域を形成し、この領域に前記第１の平板電極と対向して参照電極を設けたことを特徴とする容量式圧力センサ。
【請求項３】
請求項１に記載された容量式圧力センサにおいて、
前記基板は、サファイア、シリコン、ガラスまたはダイアモンドからなることを特徴とする容量式圧力センサ。
【請求項４】
請求項１に記載された容量式圧力センサにおいて、
前記ステージの一部と前記感圧枠部の一部とを接続する橋絡部と、
この橋絡部上に設けられ、一端が前記第２の平板電極と接続されかつ他端が前記容量室の外部まで引き出されたリード線と
を備えたことを特徴とする容量式圧力センサ。
【請求項５】
請求項１に記載された容量式圧力センサにおいて、
前記第１の平板電極は、互いに近接配置された２個の平板電極によって構成され、これら２個の平板電極のそれぞれに前記容量室の外部まで引き出されたリード線が接続され、
前記第２の平板電極は、電気的に浮遊した状態で設けられていることを特徴とする容量式圧力センサ。
【請求項６】
第１の基板に凹部を形成してからこの凹部内に第１の平板電極を形成する工程と、
弾性を有する第２の基板の一方の面に周回する深さ一定の溝を形成してから、この一方の面に第３の基板を直接接合し、前記第２の基板の他方の面を研磨して前記溝を露出させることにより、前記溝に囲まれたステージを形成し、このステージ上に第２の平板電極を形成する工程と、
前記第１の基板と、前記第２および第３の基板の一対構造とを直接接合することにより、前記第１および第２の平板電極が対向する容量室を形成する工程と
を備えたことを特徴とする容量式圧力センサの製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載された容量式圧力センサの製造方法において、
前記第２の基板に設ける溝の一部の深さを他の部分よりも浅くし、
前記研磨によって前記溝の一部に橋絡部を設け、この橋絡部上に一端が前記上部電極に接続されかつ他端が外部に引き出されたリード線を形成する工程をさらに有することを特徴とする容量式圧力センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、容量式圧力センサおよびその製造方法に関し、特に外部からの圧力印加によって生じた容量室の変形に基づく容量変化（電極間距離の変位）を検出する容量式圧力センサおよびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の一般的な容量式圧力センサにおいては、可撓性のダイアフラムと基台とで囲まれた容量室内に、互いに対向する２個の電極を配置し、ダイアフラムの弾性変形による電極間距離の変化（容量変化）に基づいて圧力を測定する。
その一方で、特表平１１−５０１１２３号公報には、従来とは異なる発想に基づく圧力センサが提案されている。これはサファイア等の弾性を有する基板内に容量室を設け、この容量室に対向する２個の電極を配置し、圧力印加によって容量室を構成する基板が圧縮変形されることによって生じた電極間距離の変化（容量変化）を検出する。
【０００３】
図１０は、特表平１１−５０１１２３号公報に開示された圧力センサを示す分解斜視図である。同図に示すように、この圧力センサは凹部内に下部電極１０１ａおよびリード線１０１ｂが設けられたサファイア製の基板１０１と、この基板１０１と対向し、同じく凹部内に上部電極１０２ａとリード線１０２ｂとが設けられたサファイア製の基板１０２とを接合することによって構成されている。
【０００４】
図１１は、図１０のＦ−Ｆ’線における断面図である。同図に示すように上部電極１０２ａは、従来のダイアフラムよりも分厚い基板１０２の上に設けられており、基板１０２は外部から圧力が印可されてもほとんど変形しない。その代わりに容量室の側壁を形成する基板（以下、感圧枠部１０４という）の圧縮変形により、電極間距離が変化することによって容量変化が検出される。ちなみにサファイアのヤング率は、３０，０００ｋｇ／ｍｍ2 である。したがって、このような圧力センサにおいては、圧力印可時に下部電極１０１ａと上部電極１０２ａとが互いに平行を保った状態で近づくことになり、センサ出力の線形性が保たれるなどの利点がある。また、ダイアフラムと比べて感圧枠部は圧縮されにくいため、射出成形機内における圧力測定など、高圧下での用途に適用できるという利点がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来例においては、測定感度を向上させようとして電極間距離を短くすると、感圧枠部１０４の縦方向の長さが短くなって圧縮されにくくなり、却って測定感度を低下させる原因となってしまう。したがって、従来構造では、高圧下での用途にしか適用できず、測定レンジが非常に狭いという問題点があった。
本発明は、このような課題を解決するためのものであり、従来よりも測定感度を向上させることができ、また従来よりも測定レンジを広くすることができる容量式圧力センサを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明に係る容量式圧力センサは、第１の基板と、この第１の基板上に配設された第１の平板電極と、前記第１の基板上に設けられた前記第１の平板電極を取り囲む感圧枠部と、前記第１の基板と対向して前記感圧枠部に接合され、前記第１の基板と前記感圧枠部とともに容量室を形成する第２の基板と、前記容量室内における前記第２の基板上に設けられ、前記感圧枠部から離間するとともに前記第１の平板電極と対向かつ離間したステージと、このステージ上に設けられ、前記第１の平板電極と対向した第２の平板電極とを備え、前記感圧枠部は、前記第１および第２の基板に印加された圧力に応じて弾性変形するものである。
【０００７】
また、本発明はその他の態様として次に示す構成を含む。すなわち、前記感圧枠部の一部に前記第１の平板電極と対向する領域を形成し、この領域に前記第１の平板電極と対向して参照電極を設ける。また、前記基板は、サファイア、シリコン、ガラスまたはダイアモンドからなる。また、前記ステージの一部と前記感圧枠部の一部とを接続する橋絡部と、この橋絡部上に設けられ、一端が前記第２の平板電極と接続されかつ他端が前記容量室の外部まで引き出されたリード線とを備える。また、前記第１の平板電極は、互いに近接配置された２個の平板電極によって構成され、これら２個の平板電極のそれぞれに前記容量室の外部まで引き出されたリード線が接続され、前記第２の平板電極は、電気的に浮遊した状態で設けられている。
【０００８】
また、本発明に係る容量式圧力センサの製造方法は、第１の基板に凹部を形成してからこの凹部内に第１の平板電極を形成する工程と、弾性を有する第２の基板の一方の面に周回する深さ一定の溝を形成してから、この一方の面に第３の基板を直接接合し、前記第２の基板の他方の面を研磨して前記溝を露出させることにより、前記溝に囲まれたステージを形成し、このステージ上に第２の平板電極を形成する工程と、前記第１の基板と、前記第２および第３の基板の一対構造とを直接接合することにより、前記第１および第２の平板電極が対向する容量室を形成する工程とを備える。
【０００９】
また、本発明はその他の態様として次に示す構成を含む。すなわち、前記第２の基板に設ける溝の一部の深さを浅くし、前記研磨によって前記溝の一部に橋絡部を設け、この橋絡部上に一端が前記上部電極に接続されかつ他端が外部に引き出されるリード線を形成する。
【００１０】
したがって、このように構成することにより本発明は、圧力印可によって弾性変形される感圧枠部の長さを十分に大きく維持できるとともに、ステージ上に上部電極を形成することによって上部および下部電極間の距離を狭めることができ、従来よりも測定感度および測定レンジを向上させることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の一つの実施の形態について図を用いて説明する。
図１は本発明の一つの実施の形態を示す分解斜視図であり、図２（ａ）はＡ−Ａ’線断面図、図２（ｂ）はＢ−Ｂ’線断面図である。図１に示すように、本実施の形態に係る圧力センサは、凹部内に下部電極１ａおよびリード線１ｂの設けられたサファイア製の基板１と、下部電極１ａと対向して図示しない上部電極の設けられたサファイア製の基板２と、基板２に接合された基板３とで構成されている。また、図２（ａ）に示すように、上部電極２ａは溝で仕切られた内側の領域（以下、ステージという）に設けられ、下部電極１ａは基板１の凹部内に設けられている。そして、図２（ｂ）に示すように、上部電極２ａは橋絡部２ｄ上に形成させれたリード線を介して、図示しない外部装置と接続されている。
【００１２】
ここで、本実施の形態の動作について説明する。
図２（ａ）に示すように、上部電極２ａは溝２ｃで仕切られたステージ５上に設けられているため、圧力印可時に変形される領域（感圧枠部４）は図の縦方向に広くなっている。そのため、本構造においては、電極１ａ，２ａ間の距離を狭く保った状態で、圧縮される領域を広くすることができる。したがって、本実施の形態は測定感度の向上および測定レンジの拡大を実現することができる。なお、図２（ｂ）に示すように、上部電極２ａに接続されたリード線を引き出すため、溝２ｃの一部に橋絡部２ｄを設けているが、この橋絡部２ｄは溝２ｃの大きさに比べて非常に小さなものであるため、感圧枠部の圧縮に影響を与えず、圧力測定の支障となるものではない。
【００１３】
ここで、上部電極および下部電極の詳細について図を参照しながら説明する。
図３（ａ）は上部電極の一つの実施の形態を示す平面図、図３（ｂ）はＣ−Ｃ’線における断面図である。上部電極２ａは、基板２の溝２ｃで仕切られたステージ５上に設けられ、橋絡部２ｄを介してリード線２ｂが上部電極２ａに接続されている。これは図１に示した圧力センサに用いられている構造である。
【００１４】
一方、図４（ａ）は上部電極のその他の形態を示す平面図、同図（ｂ）はＤ−Ｄ’線における断面図である。この実施の形態においては、ステージ５上の上部電極２ａの周縁に溝２ｃを挟んで参照電極２ｅを設けている。参照電極２ｅは基準容量を測定するために用いられる。したがって、参照電極２ｅによって得られた測定結果を用いることにより、可動電極２ａで得られた測定結果を補正することができる。また、圧力印可時に参照電極２ｅの電極間距離はβに依存するが、上部電極の電極間距離はαに依存する。例えば、α＞１００β程度に設定することにより、上部電極による測定感度を十分大きく保つことができる。
【００１５】
さらに一方、図５（ａ）は上部電極のその他の形態を示す平面図、同図（ｂ）は下部電極のその他の形態を示す平面図、同図（ｃ）はＥ−Ｅ’線における断面図である。上部電極２ａを電気的に浮遊状態にし、下部電極１ａを２個用意することにより、図５（ｄ）に示すような２個のコンデンサを直列接続した回路となる。したがって、上部電極２ａを浮遊状態にしておいても、２個の下部電極１ａ−１，１ａ−２を用意することにより、圧力変化を測定することができる。この場合、上部電極２ａから引き出されたリード線形成するための橋絡部が不要となり、図３のものよりも製造しやすいという利点がある。
【００１６】
次に、図１に示した圧力センサの製造工程について説明する。
図６は、図１に係る圧力センサの製造工程を示すＡ−Ａ’線における断面図である。まず、同図（ａ）に示すように、レーザ等により溝２ｃを形成した基台２に基台３を端面を鏡面研磨してから、数百℃程度の雰囲気下で直接接合により両者を接合する。
【００１７】
次いで、同図（ｂ）に示す部材が完成した後、基板２側の底部を溝２ｃが露出するまで研磨する。その結果、同図（ｃ）に示す部材ができあがる。本工程では、領域Ｘにおける溝底部の面状態は鏡面研磨面であり滑らかである。図６（ｃ）に示す部材を一個の基台にレーザを用いて溝を形成する場合、領域Ｘにおける溝底部の面状態を鏡面研磨状態にすることはほぼ不可能である。そして、このような鏡面状態でない底面を有する溝では、センサとして用いた場合に応力が不均一にかかってしまい、基板が破損され易い。このような観点から、本実施の形態に係る製造工程は、従来にない優れた効果を得ることができるといえる。
【００１８】
図７は、図６の続きの工程を示す断面図である。
次いで、図７（ｄ）に示すように、図６（ｃ）で作った部材に上部電極を形成し、また予め基台１に凹部および下部電極１ａを形成したものを用意しておき、両者を直接接合により接合する。この場合、電極が損傷しない程度の温度で直接接合する。
以上の結果、図７（ｅ）に示すように、圧力センサができあがる。このように容量室内に受圧面に直交する方向に向かって溝を設けることにより、電極間（下部電極１ａ，上部電極２ａ）の距離を狭く保ったまま、圧力印可時における圧縮される領域を増加させることができ、従来よりも測定感度を向上でき、また圧力レンジを拡大することができる。
【００１９】
一方、以上の製造工程を別の断面から観察すると次のようになる。
図８は、図１に係る圧力センサの製造工程を示すＢ−Ｂ’線における断面図である。溝を形成する際に、橋絡部２ｄを形成したい部分における溝２ｃの深さを浅くしておく。そして、研磨の際にその部分を残すことにより、橋絡部２ｄを作ることができる。この橋絡部２ｄ上には上述のリード線２ｂが形成される。
【００２０】
図９（ａ）は圧力センサの感度を説明するための平面図、同図（ｂ）はその断面図である。感圧枠部４の長さａ＝２（ｍｍ）、電極間隔ｂ＝０．１（μｍ）、受圧面６から溝の底部までの長さｃ＝２（ｍｍ）、感圧枠部４の幅ｄ＝０．４（ｍｍ）、容量室の縦の長さｅ＝１０（ｍｍ）、容量室の横の長さｆ＝１０（ｍｍ）としている。また、サファイアのヤング率を３０，０００ｋｇ／ｍｍ2 とする。
【００２１】
以上より、受圧面６の面積＝１００（ｍｍ2 ）、感圧枠部４の面積（基板１との接合部の面積）≒１５．３６（ｍｍ2 ）となり、圧力拡大率は１００／１５．３６≒６．５となる。また、受圧面６に印加された圧力を１ｋｇ／ｃｍ2 、電極間隔ｂの変位をΔｂとすると、Δｂ／２＝１／３００００×０．０１×６．５（ｍｍ）となり、Δｂ＝４３（Å）となる。したがって、ベース容量が１００ｐＦの場合に感度は４．５ｐＦとなる。また、ｂ＝１（μｍ）の場合であっても感度は０．４３ｐＦとなる。なお、本構造が効果的に機能するためには、感圧枠部４の厚さが、基板１と基板３上のステージ５との離間距離よりも厚いことが必要である。
【００２２】
以上においては、ダイアフラムおよび基台の材料として、サファイアを用いた場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。例えばシリコン、ガラスまたはダイヤモンド等の単結晶材料を用いてもよい。また、参照電極は必須の構成でなく、必要に応じて付加すればよい。したがって、本発明には上部電極および下部電極のみを用いた構成も含まれる。また、ステージ５を上部電極２ａの下に設ける代わりに、下部電極１ａの下に設けるようにしてもよい。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したとおり本発明は、下部電極と上部電極との距離を狭く保った状態で、圧力印加時に圧縮変形される領域を従来例よりも大きくすることができ、測定感度の向上および測定レンジの拡大を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一つの実施の形態を示す分解斜視図である。
【図２】  （ａ）図１のＡ−Ａ’線断面図、（ｂ）Ｂ−Ｂ’線断面図である。
【図３】  （ａ）上部電極の一つの実施の形態を示す平面図、（ｂ）Ｃ−Ｃ’線における断面図である。
【図４】  （ａ）上部電極のその他の形態を示す平面図、（ｂ）Ｄ−Ｄ’線における断面図である。
【図５】  （ａ）上部電極のその他の形態を示す平面図、（ｂ）下部電極のその他の形態を示す平面図、（ｃ）Ｅ−Ｅ’線における断面図、（ｄ）上部電極および下部電極で構成された回路図である。
【図６】  図１に係る圧力センサの製造工程を示すＡ−Ａ’線における断面図である。
【図７】  図６の続きの工程を示す断面図である。
【図８】  図１に係る圧力センサの製造工程を示すＢ−Ｂ’線における断面図である。
【図９】  （ａ）圧力センサの感度を説明するための平面図、（ｂ）その断面図である。
【図１０】  従来例を示す分解斜視図である。
【図１１】  図１０のＦ−Ｆ’線における断面図である。
【符号の説明】
１，２，３…基板、１ａ…下部電極、１ｂ…リード線、２ａ…上部電極、２ｂ…リード線、２ｃ…溝、２ｄ…橋絡部、２ｅ…参照電極、４…感圧枠部、５…ステージ、６…受圧面。
【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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