JP2007225344A

JP2007225344A - 圧力センサ

Info

Publication number: JP2007225344A
Application number: JP2006044439A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Kameda; 高弘亀田
Original assignee: Epson Toyocom Corp
Current assignee: Miyazaki Epson Corp
Priority date: 2006-02-21
Filing date: 2006-02-21
Publication date: 2007-09-06

Abstract

【課題】圧力−容量特性の直線性に優れた高精度の静電容量型圧力センサを提供する。
【解決手段】圧力センサ１は、ＡＴカット水晶板からなる上側基板２とガラス材料の下側基板３とを気密に接合することにより画定される真空チャンバ１８内に、上側基板のダイヤフラム４下面に形成した第１電極７と、下側基板上面に形成されかつ誘電体膜１０で被覆した第２電極９とから構成されるコンデンサを備える。外部の圧力でダイヤフラムが撓むことにより第１電極と誘電体膜とが接触し、その接触面積により変化するコンデンサの静電容量を検出して、圧力を測定する。下側基板上面の凹部１２を形成した領域に第２電極を設けることにより、第１電極と誘電体膜間の接触面積を圧力に関して直線的に増加させ、圧力−容量特性の直線性を改善する。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧力によるダイヤフラムの撓み量に対応した静電容量の変化を利用して圧力を測定する圧力センサに関し、特にタッチモード式と呼ばれる静電容量型圧力センサに関する。

従来から、印加する圧力により変形するダイヤフラムと固定された電極とを狭い間隙をもって対向配置し、ダイヤフラムと電極間の静電容量の変化から圧力を測定する静電容量型の圧力センサが知られている。特に、タッチモード式の静電容量型圧力センサは、印加圧力に関する静電容量の出力特性における優れた直線性及び高い耐圧性を発揮することから、自動車タイヤの空気圧センサなど、様々な用途への利用が提案されている。

一般にタッチモード式圧力センサは、シリコン基板にダイヤフラムを形成しかつこれにボロンなどの不純物をドーピングして可動電極とし、これに対向する固定電極をガラス基板上に形成しかつその上に誘電体膜を形成し、ダイヤフラムと誘電体膜間の隙間を真空に封止して構成される（例えば、特許文献１，２を参照）。また、水晶基板にダイヤフラムを形成することにより、その厚みを高精度に制御して加工することができ、シリコン製のダイヤフラムにおける検出精度の低下、及び弾性変形の繰り返し再現性の悪さを解消した圧力センサが知られている（例えば、特許文献３を参照）。

図１２は、従来のタッチモード式圧力センサにおける、印加圧力に対する静電容量の変化を示している。ダイヤフラムが誘電体膜に接触する前の未接触領域Ａでは、静電容量がほとんど変化しない。圧力Ｐ0 でダイヤフラムが誘電体膜との接触を開始する接触初期領域Ｂでは、静電容量が急激に上昇する。その後、圧力Ｐ1 Ｐ2 間の領域Ｃにおいて、静電容量が圧力に関して概ね直線的に変化する。圧力Ｐ2 を超えると、静電容量は飽和してそれ以上増加しなくなる。一般に、直線的な領域Ｃを測定可能な圧力範囲として使用している。出力特性の直線性は、ダイヤフラムの形状と関係があり、ダイヤフラムの厚さと隙間の幅を最適化する必要があるとされている（例えば、非特許文献１を参照）。

また、電極の平面形状により出力特性の直線性を向上させる様々な圧力センサが知られている。例えば、圧力に対する静電容量の直線領域を広げて、測定範囲を広げるために、ガラス基板に形成される電極をその長手方向寸法が幅方向中心から幅方向に向けて漸次増加する形状とし、ダイヤフラムが電極と接触する面積の増加率を圧力増加に対して一定にした圧力センサがある（例えば、特許文献４を参照）。更に、電極のダイヤフラムの初期接触領域と対向した部分に切欠き部を設け、測定に寄与しない浮遊容量を低減し、低容量で高感度を実現する圧力センサ（例えば、特許文献５を参照）がある。また、ダイヤフラムと対向する電極に分割領域を設けてコンデンサの電極面積を変化させ、センサ出力を調整できるようにした圧力センサ（例えば、特許文献６を参照）が知られている。

更に、導電性の金属材からなる基台の表面に、その中心から外方に向けてダイヤフラムとの空隙が縮まるような窪み部を形成し、該窪み部上に電極部と絶縁層とを形成することにより、ダイヤフラムが撓む際に電極部との空隙が一定の変化率で安定に変化し、それにより静電容量も一定に安定して変化するようにし、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が開発されている（例えば、特許文献７を参照）。

また、固定電極を覆う絶縁層上に、ダイヤフラムに向けた突出部を形成して、ダイヤフラムの絶縁層と接触する部分と固定電極間の距離を増加させ、又は固定電極の中央部に切欠き部を形成して、ダイヤフラムと対向する固定電極の対向面積を少なくして、測定開始圧に対する静電容量を低くし、測定範囲内での変化量を増やした圧力センサが提案されている（例えば、特許文献８を参照）。

また、タッチモード式ではないが、ダイヤフラムを有する半導体基板と接合一体化される固定基板の表面に固定電極を設け、外部の圧力で変位するダイヤフラムと固定電極間に発生する静電容量の変化に基づく信号を出力する静電容量型圧力センサが知られている（例えば、特許文献９を参照）。この圧力センサは、固定基板の表面に凹部を形成することにより第２の室を設け、その中にダイヤフラムの変位による圧力を受けた空気が逃げることによって、ダイヤフラムにかかる空気の粘性やダンピング効果の影響を解消し、正確な圧力測定を可能にしている。

山本敏外、「タッチモード容量型圧力センサ」、フジクラ技報、２００１年１０月、第１０１号、ｐ．７１〜７４特表平１０−５０９２４１号公報特開２００２−２１４０５８号公報国際公開ＷＯ２００５／００３７１１号パンフレット特開２００２−１９５９０３号公報特開２００２−２２１４６０号公報特開２００２−２２１４６１号公報特開２００５−８３８０１号公報特開２００５−２３３８７７号公報特開平１０−３３２５１１号公報

しかしながら、上述した従来のタッチモード式静電容量型圧力センサには、次のような問題がある。ダイヤフラム側の可動電極とガラス基板側の固定電極間の静電容量Ｃが、誘電体膜の膜厚をｄ、その誘電率をε、可動電極と誘電体膜との接触面積をＳとしたとき、Ｃ＝ε・Ｓ／ｄで表されることは、従来公知である。一般に、誘電体膜の膜厚ｄは一定であるが、接触面積Ｓは、下向き凸に撓むダイヤフラムの中心部から接触面の外縁までの距離（半径）の２乗に比例する。そのため、特許文献１などの圧力センサは、図１２の領域Ｃにおける静電容量の変化が完全な直線ではなく、むしろ上向き凸の放物線を描くように変化するので、高い測定精度を確保することが困難である。

また、特許文献５などに記載されるように、固定電極を様々な異形形状にした場合、ダイヤフラムの撓み位置と電極位置とを正確に整合させることが困難である。そのため、測定精度にばらつきが生じたり、歩留まりを低下させる虞がある。

特許文献７に記載される圧力センサは、基台自体が固定電極であるため、ダイヤフラムとの電気的絶縁性を確保することが困難であり、そのために複雑な構造が要求される虞がある。また、高圧側において飽和領域を無くして測定圧力範囲を広げることはできるが、低圧側の測定圧力範囲を広げることはできない。低圧側では、接触初期状態における絶縁層の厚さが厚いため、むしろ測定感度が低下する虞がある。特許文献８に記載される圧力センサも同様に、低圧側での静電容量変化を少なくしているので、低圧側の測定圧力範囲を広げることは困難である。

また、圧力−容量特性の直線性が不十分な場合には、これを改善するために、圧力センサの出力に補償回路を接続するなど、余分な構成を追加するなどの工夫をしなければならない。その場合にも、圧力によって必要な補正の大きさが変わるから、センサの分解能に差が生じ、安定して高精度な圧力測定を行うことは困難である。

そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、タッチモード式静電容量型圧力センサにおいて、比較的簡単な構成により、センサの感度及び耐圧に影響を与えることなく、圧力−容量特性の直線性を改善し、安定して高い測定精度を可能にすることにある。特に本発明は、低圧側における圧力−容量特性の直線性を向上させ、測定可能な圧力範囲をより広く設定できるようにすることを目的とする。

本発明によれば、上記目的を達成するために、ダイヤフラム及びその下面に形成した第１電極を有する絶縁材料の上側基板と、第２電極及びその上に積層した誘電体膜を有する絶縁材料の下側基板とを備え、上側基板と下側基板とが、それらの間に真空に封止されるチャンバを画定しかつ該チャンバ内で誘電体膜と第１電極とを僅かな間隙をもって対向配置するように、一体にかつ気密に接合され、下側基板がその上面に凹部を有し、かつ該凹部を含む上面の領域に第２電極が形成されると共に、ダイヤフラムが外部から圧力を受けて撓むことにより誘電体膜に接触する第１電極と第２電極間の静電容量を検出して圧力を測定するために、該圧力に関して誘電体膜と第１電極との接触面積が直線的に増加するように、前記凹部を設けた圧力センサが提供される。

誘電体膜を挟んで第１電極と第２電極とにより構成されるコンデンサの静電容量Ｃは、上述したように、誘電体膜の膜厚及び誘電率をｄ、εとし、第１電極と誘電体膜との接触面積をＳとしたとき、Ｃ＝ε・Ｓ／ｄで表される。接触面積Ｓは、誘電体膜の中心部から接触面の外縁までの距離（半径）の２乗に比例するが、その増加を凹部の面積分だけ減らすことによって緩やかに、より直線的に設定することができる。従って、圧力の増加に関する静電容量の増加、即ち圧力−容量特性の直線性を効果的にかつ従来より良好に改善することができる。

しかも、ダイヤフラム及び第１電極は何ら特別な構成及び動作を必要としないから、センサの感度及び耐圧を損なう虞が無く、高い安定性及び検出精度を得ることができる。更に、圧力−容量特性の直線性向上により、圧力センサから検出した信号の補償回路が必要だとしても、その補正は僅かで済ませることができる。従って圧力の大小によりセンサの分解能に差が出ることはなく、広い測定範囲に亘って安定して高精度の圧力測定が可能になる。また、凹部の容積分だけ、下側基板と上側基板とにより画定される真空チャンバの容積が増加するから、たとえ該チャンバに外部から水分などが侵入しても、センサの動作に影響を与えないように、凹部に溜めることができる。

或る実施例では、下側基板の凹部が、ダイヤフラムの撓みによる第１電極と誘電体膜との初期接触領域の中心位置に形成される。これにより、ダイヤフラムに作用する圧力に関して第１電極と誘電体膜間の初期接触における静電容量の急激な上昇を緩和し、特に圧力センサの低圧側における圧力−容量特性の直線性を向上させて、低圧側での測定範囲を拡大することができる。

別の実施例では、下側基板の凹部が、ダイヤフラムの撓みによる第１電極と誘電体膜との初期接触領域の中心位置に関して放射方向に延長するように形成される。これにより、ダイヤフラムへの印加圧力に関して圧力センサの圧力−容量特性の直線性を全体的に向上させ、特に高圧側に測定範囲を拡大することができる。

また、或る実施例では、ダイヤフラムが、その撓みによる第１電極と誘電体膜との接触領域の全体について一定の厚さを有することにより、圧力センサの測定範囲においてダイヤフラム全体を一様に撓ませ、その動作をより安定させることができる。

別の実施例では、ダイヤフラムが、その撓みによる第１電極と誘電体膜との初期接触領域において一定の厚さを有する平坦部と、該平坦部から漸次増加する厚さを有する傾斜部とを備える。これにより、ダイヤフラムに作用する圧力に関して第１電極と誘電体膜との接触面積を緩やかに増加させ、圧力センサの圧力−容量特性の直線性を全体的により向上させて、特に高圧側に測定範囲を拡大することができる。

更に或る実施例では、上側基板がＡＴカット水晶板で形成される。水晶は、その結晶方位により高精度にウエットエッチングすることが可能であり、ダイヤフラムを所望の均一な厚さに容易に加工することができる。特にＡＴカット水晶板は、結晶構造の異方性に基づくエッチングレートの差を利用して、上述したように平坦部と傾斜部とを有するダイヤフラムを高精度に加工することができる。

以下に、本発明の好適実施例について添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１（Ａ）、（Ｂ）及び図２は、本発明による圧力センサの好適な第１実施例の構成を概略的に示している。圧力センサ１は、それぞれ絶縁材料からなり、かつ一体に接合された矩形の上側基板２と下側基板３とを備える。本実施例において、上側基板２は例えばＡＴカットなどの水晶で形成され、下側基板３はソーダガラスやパイレックスガラスなどのガラス材料、水晶、セラミックで形成される。別の実施例では、上側基板２にシリコンやパイレックスガラス、ソーダガラスなどのガラス材料を用いることもできる。上側基板２と下側基板３とを異なる材料で形成する場合には、それらの熱膨張率が互いに同等又は近似するように選択することが好ましい。

上側基板２は、図１（Ａ）に示すように矩形のダイヤフラム４を有する。ダイヤフラム４は、上側基板２の上下両面を例えばウエットエッチングして凹部５，６を形成することにより、図２に示すように一定の厚さに薄肉化される。ダイヤフラム４は、要求される圧力感度に応じて薄く又は厚く形成することができ、本実施例の水晶の場合には、例えば１０μｍ以下の厚さまで薄くすることができる。ダイヤフラム４の下面には、図３に示すように矩形の第１電極７が形成されている。更に上側基板２の下面には、その一方の側辺に向けて第１電極７から凹所６の一方の側辺を超えて外部への取出電極８が引き出されている。

下側基板３の上面には、図４（Ａ）に示すように、ダイヤフラム４の第１電極７に対応する矩形の第２電極９が、それと対向する位置に形成されている。第２電極９上には、厚さ一定の誘電体膜１０が積層されている。誘電体膜１０は、例えばガラス材料をスパッタリングすることにより形成することができる。前記誘電体膜には、ガラス以外に、例えばＳｉＯ_２やセラミックスなどの絶縁材料を用いることができる。更に下側基板３の上面には、第１電極７の取出電極８と同じ一方の側辺に向けて第２電極９から外部への取出電極１１が引き出されている。

本実施例によれば、下側基板３の上面には、第２電極９を形成する領域に複数の凹部１２が形成されている。各凹部１２は、それぞれダイヤフラム４の中心位置に関して放射方向に延長する扇形を有する。凹部１２の形状、寸法及び配置は、ダイヤフラム４が外部から圧力を受けて撓む際に、該圧力に関して誘電体膜１０と第１電極との接触面積が直線的に増加するように設定する。図４（Ｂ）に示すように、第２電極９及び誘電体膜１０は、各凹部１２の内面にも連続して形成される。

第１及び第２電極７，９は、それぞれ例えばＡｌ膜やＡｌ合金などの導電性金属材料を蒸着やスパッタリングなどで成膜しかつこれをパターニングすることにより形成される。取出電極８，１１は、例えばＣｒ／Ａｕ膜またはＣｒ／Ｎｉ／Ａｕ膜で形成され、同様にこれらの導電性金属材料を蒸着やスパッタリングなどで成膜しかつこれをパターニングすることにより形成される。

更に下側基板３には、上側基板２の取出電極８に対応する位置及び該下側基板の取出電極１１に対応する位置に、それぞれ貫通孔１３，１４が設けられている。貫通孔１３，１４は、前記下側基板をエッチング又は機械加工などすることにより、それぞれ下面から上面に向けてテーパ状に形成されている。図１（Ｂ）に示すように、下側基板３下面には、各貫通孔１３，１４の開口周縁にそれぞれ外部電極１５，１６が形成されている。

図３に示すように、上側基板２の下面には、その全周縁に沿って所定幅の電極膜からなる金属接合部１７が形成されている。上側基板２と下側基板３とは、金属接合部１７において陽極接合することにより、一体にかつ気密に接合される。これにより、圧力センサ１の内部には、ダイヤフラム４と下側基板３間に厚さ一定の狭い隙間からなるチャンバ１８が画定される。別の実施例では、前記上側基板及び下側基板の対向面にそれぞれ全周縁に沿って金属接合部を設け、かつそれらを熱圧着又は共晶接合することにより、同様に一体にかつ気密に接合することができる。

各貫通孔１３，１４には、それぞれ導電材料からなる封止材１９，２０が充填される。前記封止材は、上側基板２と下側基板３との接合後に、真空雰囲気内で前記貫通孔を気密に封止するように充填する。これにより、チャンバ１８が真空に封止されると同時に、封止材１９，２０により取出電極８，１１即ち第１及び第２電極７，９と対応する外部電極１５，１６とがそれぞれ互いに電気的に接続される。前記封止材には、例えばＡｕＳｎ、ＡｕＧｅ、はんだ材料、高温はんだなどを用いることができる。また、前記各貫通孔の内周面が金属膜で予め被覆されていると、封止材の導入が容易になるので有利である。

圧力センサ１の使用時において、ダイヤフラム４が外部圧力により撓むと、その大きさに対応して第１電極７が誘電体膜１０と接触する。その接触面積は、凹部１２を設けた領域において緩やかに増加し、前記圧力に関して直線的に変化する。

図５は、本実施例の圧力センサ１における圧力と、第１電極７と第２電極９とにより構成されるコンデンサの静電容量との関係を、実線２１で示している。同図には、比較のために、第２電極を形成した下側基板上面に凹部を有しない従来技術の圧力センサにおける圧力と静電容量との関係を破線２２で示す。

同図において、従来技術に関連して上述した図１２と同様に、圧力Ｐ0 は、第１電極７が誘電体膜１０に接触し始めたときの圧力であり、圧力Ｐ1 は、接触初期状態から直線的関係を開始する圧力である。本実施例では、従来技術の圧力Ｐ2 よりも高い圧力Ｐ3 において直線的関係が終了し、飽和領域Ｄが開始する。同図から、圧力Ｐ0 Ｐ1 間の接触初期領域Ｂでは、本実施例は従来技術と大差ないが、直線的関係にある圧力Ｐ1 Ｐ3 間の領域Ｃは、本実施例の方が、従来技術による圧力Ｐ1 Ｐ2 間の領域よりも大きく拡大していることが分かる。このように本実施例によれば、ダイヤフラムに印加する圧力の増加に関する静電容量の増加、即ち圧力−容量特性の直線性が効果的にかつ従来より良好に改善される。更に、直線性の範囲が高圧側に拡大するので、圧力センサの測定可能な範囲を従来よりも高圧側に拡大することができる。

図６は、本発明により圧力センサの第２実施例に使用する下側基板３を示している。第２実施例では、下側基板３の上面に追加の凹部２３が設けられている点において、第１実施例と異なる。凹部２３は、図４（Ａ）における放射方向の凹部１２の中央に、即ちダイヤフラム４のほぼ中心位置に形成されている。凹部２３の形状及び寸法は、ダイヤフラム４が外部圧力により撓む際に、第１電極７と誘電体膜１０との初期接触において接触面積の急激な増加を回避するように設定する。

この凹部２３によって、第２実施例の圧力センサは、第１電極７と誘電体膜１０間の接触初期における接触面積の大幅な減少により、静電容量の急激な上昇を緩和することができる。従って、図５において実線２４で示すように、接触初期領域Ｂにおける静電容量、特に圧力Ｐ1 における静電容量を従来よりも減少させることができる。その結果、接触初期領域Ｂを領域Ｃに連続する直線状に調整でき、高精度に測定可能な圧力範囲を低圧側にも拡大することができる。

図７（Ａ）、（Ｂ）及び図８は、本発明による圧力センサの第３実施例の構成を概略的に示している。この圧力センサ３１は、第１実施例と同様に、それぞれ絶縁材料からなる矩形の上側基板３２と下側基板３３とを備える。本実施例の上側基板３２は、ＡＴカット水晶板で形成され、下側基板３３は、ソーダガラスやパイレックスガラスなどのガラス材料、水晶、セラミックで形成される。

上側基板３２は、図７（Ａ）に示すように矩形のダイヤフラム３４を有する。ダイヤフラム３４は、図８に示すように、一定の厚さを有する矩形の平坦部３４ａと、該平坦部から厚さが漸次増加する矩形の傾斜部３４ｂと備える。ダイヤフラム３４の下面は、全体が平坦であるのに対し、その上面は、傾斜部３４ｂが平坦部３４ａから一定の斜度で徐々に浅くなるように形成されている。このような断面形状のダイヤフラム３４は、ＡＴカット水晶板の結晶構造の異方性に基づくエッチングレートの差を利用して、ウエットエッチングで上側基板３２の上下両面に凹部３５，３６を形成することにより、比較的容易にかつ十分に制御して加工することができる。ダイヤフラム３４の下面には、図９に示すように矩形の第１電極３７が形成されている。更に上側基板３２の下面には、その一方の側辺に向けて第１電極３７から凹所３６の一方の側辺を超えて外部への取出電極３８が引き出されている。

下側基板３３の上面には、図１０に示すように、ダイヤフラム３４の第１電極３７に対応する矩形の第２電極３９が、それと対向する位置に形成されている。第２電極３９上には、厚さ一定の誘電体膜４０が積層されている。誘電体膜４０は、例えばガラス材料やＳｉＯ_２やセラミックスなどの絶縁材料をスパッタリングすることにより形成される。前記更に下側基板３の上面には、第１電極３７の取出電極３８と同じ一方の側辺に向けて第２電極３９から外部への取出電極４１が引き出されている。

本実施例では、下側基板３上面の第２電極３９を形成する領域に矩形の凹部４２が形成され、ダイヤフラム３４の平坦部３４ａのほぼ中心位置に配置されている。凹部４２の形状及び寸法は、ダイヤフラム３４の平坦部３４ａが外部圧力により撓む際に、第１電極３７と誘電体膜４０の初期接触において接触面積の急激な増加を回避するように設定する。この凹部４２によって、第３実施例の圧力センサは、第１電極３７と誘電体膜４０間の接触初期における接触面積の大幅な減少により、静電容量の急激な上昇を緩和することができる。

更に下側基板３３には、該下側基板の取出電極４１に対応する位置及び上側基板３２の取出電極３８に対応する位置に、それぞれ貫通孔４３，４４が設けられている。貫通孔４３，４４は、前記下側基板をエッチング又は機械加工などすることにより、それぞれ下面から上面に向けてテーパ状に形成されている。図７（Ｂ）に示すように、下側基板３下面には、各貫通孔４３，４４の開口周縁にそれぞれ外部電極４５，４６が形成されている。

また上側基板３２の下面には、図９に示すように、その全周縁に沿って所定幅の電極膜からなる金属接合部４７が形成されている。第１実施例と同様に、上側基板３２と下側基板３３とは、金属接合部４７において陽極接合することにより、一体にかつ気密に接合される。これにより、圧力センサ３１の内部には、ダイヤフラム３４と下側基板３３間に厚さ一定の狭い隙間からなるチャンバ４８が画定される。前記上側基板と下側基板とは、それらの対向面にそれぞれ全周縁に沿って金属接合部を設け、かつそれらを熱圧着又は共晶接合することにより、同様に一体にかつ気密に接合することもできる。上側基板３２と下側基板３３との接合後に、各貫通孔４３，４４は、真空雰囲気内でそれぞれ導電材料からなる封止材４９，５０を充填して、気密に封止する。これにより、チャンバ４８が真空に封止されると同時に、封止材４９，５０により取出電極３８，４１即ち第１及び第２電極３７，３９と対応する外部電極４５，４６とがそれぞれ互いに電気的に接続される。

本実施例の圧力センサ３１は、ダイヤフラム３４が傾斜部３４ｂを有することにより、第１電極３７と誘電体膜４０との初期接触後、その接触面積の増加を緩やかにすることができる。ダイヤフラム３４は、外部の圧力が印加すると、最初に薄肉の平坦部３４ａが下方へ撓み、誘電体膜４０と接触する。外部圧力が増すと、傾斜部３４ｂが徐々に撓み始めて、誘電体膜４０と接触する。傾斜部３４ｂは、平坦部３４ａから離れるに連れて剛性が大きくなるので、圧力に対する撓みは緩やかであり、従って誘電体膜４０と接触面積も圧力に関して緩やかに増加する。

図１１は、第３実施例の圧力センサ３１における圧力と、第１電極３７と第２電極３９とにより構成されるコンデンサの静電容量との関係を実線で示している。同図には、比較のために、従来技術の圧力センサにおける圧力と静電容量との関係を破線で示す。更に、ダイヤフラムが平坦部と傾斜部とを有するが、第２電極を形成した下側基板上面に凹部を有しない場合を想像線で示す。

同図において圧力Ｐ0 は、図５と同様に、第１電極３７が誘電体膜４０に接触し始めたときの圧力であり、圧力Ｐ1 は、接触初期状態から直線的関係を開始する圧力である。本実施例と同様にダイヤフラムが平坦部と傾斜部とを有する場合、従来技術の圧力Ｐ2 よりも高い圧力Ｐ3 で直線的関係が終了して飽和領域Ｄが開始し、直線的関係にある圧力Ｐ1 Ｐ3 間の領域Ｃが、圧力Ｐ1 Ｐ2 間の領域よりも大きく拡大している。しかしながら、その場合でも、第１電極と誘電体膜との接触初期における接触面積の増加が急激なため、圧力Ｐ0 Ｐ1 間の接触初期領域Ｂでは、従来技術と大差ない。

これに対し、本実施例の圧力センサでは、凹部４２によって、平坦部３４ａにおける第１電極３７と誘電体膜４０間の接触初期に、接触面積の急激な増加が回避され、静電容量の急激な上昇を緩和することができる。従って、図１１において実線で示すように、接触初期領域Ｂにおける静電容量、特に圧力Ｐ1 における静電容量を従来よりも減少させることができる。その結果、接触初期領域Ｂを領域Ｃに連続する直線状に調整でき、高精度に測定可能な圧力範囲を低圧側に拡大することができる。しかも、領域Ｃにおいて高圧側にも優れた直線性が得られるので、第２実施例の場合と同様に、圧力センサの測定可能な範囲を低圧側及び高圧側双方に拡大することができる。

以上、本発明の好適な実施例について詳細に説明したが、本発明は上記実施例に様々な変形・変更を加えて実施することができる。例えば、前記各凹部の形状は、上記実施例に限定されず、様々に変更することができる。また、上記第３実施例において、下側基板の上面には、ダイヤフラムの平坦部に対応する領域だけでなく、傾斜部に対応する領域にも凹部を設けることができる。更に、上記各実施例では、下側基板に設けた貫通孔を介して外部電極を引き出したが、上側基板に同様の貫通孔を設けて、その上面に外部電極を引き出すこともできる。

（Ａ）図は本発明による圧力センサの第１実施例を示す平面図、（Ｂ）図はその底面図。図１のII−II線における断面図。第１実施例の上側基板を示す下面図。（Ａ）図は第１実施例の下側基板を示す平面図、（Ｂ）図はそのIVB−IVB線における部分拡大断面図。第１及び第２実施例における圧力と静電容量との関係を示す線図。本発明の第２実施例の下側基板を示す平面図。（Ａ）図は本発明の第３実施例を示す平面図、（Ｂ）図はその底面図。図７のVIII−VIII線における断面図。第３実施例の上側基板を示す下面図。第３実施例の下側基板を示す平面図。第３実施例における圧力と静電容量との関係を示す線図。従来の静電容量型圧力センサにおける圧力と静電容量との関係を示す線図。

符号の説明

１，３１…圧力センサ、２，３２…上側基板、３，３３…下側基板、４，３４…ダイヤフラム、５，６，３５，３６…凹所、７，３７…第１電極、８，１１，３８，４１…取出電極、９，３９…第２電極、１０，４０…誘電体膜、１２，２３，４２…凹部、１３，１４，４３，４４…貫通孔、１５，１６，４５，４６…外部電極、１７，４７…金属接合部、１８，４８…チャンバ、１９，２０，４９，５０…封止材、２１，２４…実線、２２…想像線。

Claims

ダイヤフラム及びその下面に形成した第１電極を有する絶縁材料の上側基板と、第２電極及びその上に積層した誘電体膜を有する絶縁材料の下側基板とを備え、
前記下側基板と前記上側基板とが、それらの間に真空に封止されるチャンバを画定しかつ前記チャンバ内で前記誘電体膜と前記第１電極とを僅かな間隙をもって対向配置するように、一体にかつ気密に接合され、
前記下側基板が前記上面に凹部を有し、かつ前記凹部を含む前記上面の領域に前記第２電極が形成され、
前記ダイヤフラムが外部から圧力を受けて撓むことにより前記誘電体膜に接触する前記第１電極と前記第２電極間の静電容量を検出して前記圧力を測定するために、前記誘電体膜と前記第１電極との接触面積が前記圧力に関して直線的に増加するように、前記凹部が設けられていることを特徴とする圧力センサ。
前記凹部が、前記ダイヤフラムの撓みによる前記第１電極と前記誘電体膜との初期接触領域の中心位置に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
前記凹部が、前記ダイヤフラムの撓みによる前記第１電極と前記誘電体膜との初期接触領域の中心位置に関して放射方向に延長するように形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力センサ。
前記ダイヤフラムが、その撓みによる前記第１電極と前記誘電体膜との接触領域の全体について一定の厚さを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の圧力センサ。
前記ダイヤフラムが、その撓みによる前記第１電極と前記誘電体膜との初期接触領域において一定の厚さを有する平坦部と、前記平坦部から漸次増加する厚さを有する傾斜部とからなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の圧力センサ。
前記上側基板がＡＴカット水晶板で形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の圧力センサ。