JP3447295B2 - 懸架ダイアフラム圧力センサ - Google Patents

懸架ダイアフラム圧力センサ

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JP3447295B2 JP50974895A JP50974895A JP3447295B2 JP 3447295 B2 JP3447295 B2 JP 3447295B2 JP 50974895 A JP50974895 A JP 50974895A JP 50974895 A JP50974895 A JP 50974895A JP 3447295 B2 JP3447295 B2 JP 3447295B2
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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は圧力センサに関する。特に本発明は、応力分
離を達成するために懸架状態とされたダイアフラム圧力
センサに関する。
従来技術は、圧力感知のために偏向可能なダイアフラ
ムを備えた種々の固体圧力センサを開示している。それ
らの幾つかはバッチ処理で製造されることができる。固
体圧力センサを半導体材料などの比較的脆弱な材料で作
り、しかも“堅固な取り付け”（hard mounted）とする
ことは望ましいことである。ここで「堅固な取り付け」
とは、支持面上に非弾性的に取り付けられる取り付け表
面を有することを意味する。また、被測定流体圧によっ
て感知素子が完全に包囲されること、およびセンサ全体
や支持構造物が同じ材料で構成されることも望ましいこ
とである。このような型式の構造はライン圧の変動に起
因する誤差を最小にするであろう。換言すれば、センサ
は差圧には応答するが、共通圧力の変化には感応しなく
なるであろう。動作中に、これらのセンサはしばしば外
部要因による歪みにさらされる。測定ダイアフラムに対
する好ましくない応力の原因となる、支持表面に対する
外部歪みの影響を最小にするには多くの困難があった。
このために偽の、または不正確な圧力の読みが与えられ
る。1986年９月16日に発行された「容量式圧力センサ」
と題する米国特許第4612599号には、シリコンで作られ
た圧力センサが示されている。1989年１月３日に発行さ
れた「堅固な取り付けのための歪み分離を備えた圧力ト
ランスジューサ」と題する米国特許第4800758号には応
力分離手段を備えたバッチ製造の圧力センサが開示され
ている。
発明の概要 本発明はバッチ製造される懸架式ダイアフラム圧力セ
ンサに改善された応力分離をもたらすと共に、静圧の変
動がある場合の正確度を改善する。ダイアフラム組立体
は、リムに沿って互いに接合された１対のダイアフラム
を含む。ダイアフラムは、それらの間に空所が形成され
るように互いに隔離された中心部を有する。感知手段は
少なくとも一方のダイアフラムに保持されてその偏向を
感知し、出力を発生する。ダイアフラム組立体の外側表
面に圧力が加わるにつれて、空所の寸法が変化し、ダイ
アフラムが偏向する。この偏向は加わった圧力を表わ
す。ダイアフラム組立体はリムに連結されたタブによっ
て取り付けブロックに固定されるので、空所およびリム
の残りの部分は固定的取り付けされずに自由にされる。
図面の簡単な説明 図１は本発明による懸架式ダイアフラム圧力センサの
一部破断斜視図である。
図２は図１の２−２線に沿った断面図である。
図３は図１の３−３線に沿った断面図である。
図４は本発明にしたがった差圧センサの断面斜視図で
ある。
図５は図４の差圧センサの分解斜視図である。
図６は本発明の他の実施例による懸架式ダイアフラム
圧力センサの断面図である。
図７は本発明の他の実施例による懸架式ダイアフラム
圧力センサの断面図である。
図８は本発明の他の実施例による懸架式ダイアフラム
圧力センサの断面図である。
図９は本発明の他の実施例による懸架式ダイアフラム
圧力センサの断面図である。
図10は本発明の他の実施例による懸架式ダイアフラム
圧力センサの断面図である。
図11は本発明にしたがったダイアフラム対よりなる電
気的容量装置の断面図である。
図12はガード容量回路の概略図である。
好ましい実施例の詳細な説明 本発明の圧力センサ層はバッチ製造技術で作られる。
シリコンウエーファすなわちシリコン層が通常の方法で
エッチングされて所望の形状に整形され、さらに適当な
材質の他の層とサンドイッチ状に組合わされてセンサが
構成される。ウエーファまたは層の整形の後、それらは
個々のセンサに切断される。このようなバッチ製造技術
は一般的に好ましいものである。既知の処理技術は、ガ
ラス、絶縁材、金属、シリコンのような半導体、および
その他の適当な半導体またはサファイアなどを陽極接合
や溶融（fusion）接合によって、あるいはガラスフリッ
トを含む材料で一体に接合する工程を含む。適当なエポ
キシ、その他の接合材もまた使用することができる。素
材層の一体的接合に際しては、特定の接合方法である必
要はなく、上述のような既知の方法を含むことができ
る。
さらに、シリコンウエーファ内に、より薄いダイアフ
ラム部を形成し、その周縁に一体的なリムを具備させる
ためには既知のエッチング技術が必要である。このよう
なウエーファに、開口部およびこれを取り巻く肩部をエ
ッチングまたは他の技術で形成することは、既知の技術
範囲内にある。
図１は本発明による懸架式ダイアフラム圧力センサ10
の一部破断斜視図である。懸架式ダイアフラム圧力セン
サ10は下部基板12および上部基板14を有する。下部ダイ
アフラム基板16は下部基板12に接合され、上部ダイアフ
ラム基板18は上部基板14に接合される。下部ダイアフラ
ム基板16と上部ダイアフラム基板18とは相互に一体に接
合される。下部ダイアフラム基板16は溝20および電気接
点22、24を有する。圧力導入口26は上部基板14を貫通し
て伸びている。上部ダイアフラム基板18は支持タブ30に
よって支持された上部ダイアフラム28を含む。
図２は図１の２−２線に沿う懸架ダイアフラム式圧力
センサ10の断面図である。図３は図１の３−３線に沿う
懸架ダイアフラム式圧力センサ10の断面図である。図２
および３は、上部ダイアフラム28に結合された下部ダイ
アフラム32を示す。上部ダイアフラム28および下部ダイ
アフラム32はダイアフラム空所34を有するダイアフラム
組立体を構成し、通常このダイアフラム空所34は溝20を
介して供給される基準圧力に保持される。上部ダイアフ
ラム28と下部ダイアフラム32はそれらのリムに沿って互
いに接合されている。上部ダイアフラム28と下部ダイア
フラム32とは、圧力導入口26に連通している圧力導入空
所36内に懸架されている。
動作時には、懸架式ダイアフラム圧力センサはダイア
フラム空所34と圧力導入空所36との間の圧力差を感知す
るのに使用される。ダイアフラム空所34は圧力導入口26
を介して供給される圧力に応答し、圧力導入空所36内で
膨脹したり、収縮したりする。この結果、上部ダイアフ
ラム28と下部ダイアフラム32とがダイアフラム空所34の
内側に向かって湾曲するか、あるいは、ダイアフラム空
所34から外向きに偏向する。流体は、支持タブ30を通し
て延びる溝20を介してダイアフラム空所34に流れ込む
か、あるいはダイアフラム空所34から流出する。ダイア
フラム28および32の偏向（したがって、印加された圧
力）は電気接点22および24を介して検知される。これら
の接点はダイアフラム28および32に形成されたセンサに
接続されている。
ある実施例においては、これらのセンサはコンデンサ
電極すなわちメタライズ層である。上部ダイアフラム28
はコンデンサ電極を有し、下部ダイアフラム32もコンデ
ンサ電極を有する。圧力導入口26を介して供給される印
加圧力にしたがってこれら２つの電極が変位すると、両
者間の容量が変化する。他の実施例においては、前記電
気接点22および24は、ダイアフラム上に設けら、上部ダ
イアフラム28と下部ダイアフラム32との変形につれてそ
の抵抗値が変化する歪み計に接続される。
図１〜３に示すように、圧力を検知するダイアフラム
組立体（上部ダイアフラム28、下部ダイアフラム32およ
び空所34）は、支持構造体である下部基板12、下部ダイ
アフラム基板16からは応力の点で事実上隔絶されてい
る。その理由は、ダイアフラム28、32で構成されるダイ
アフラム組立体が支持タブ30のみを介して周囲の支持構
造物に連結されているからである。これにより基板12、
14に加わる応力に起因する上部ダイアフラム28、下部ダ
イアフラム32のあらゆる変形が低減される。これが圧力
測定の精度を改善し、所望の精度での圧力測定に必要な
ダイアフラム空所34の寸法を減少させる。
懸架ダイアフラム式圧力センサ10の測定範囲を超える
ような過大圧がもしも加わったとしても、上部ダイアフ
ラム28と下部ダイアフラム32が互いに押し合うだけで、
センサ10が破損することはないという点で、本発明はも
う一つの利点を有する。過大圧が加わった状態では、ダ
イアフラムの中心部の材料は引っ張り状態ではなくて圧
縮状態になる。シリコンのような脆弱材料は圧縮状態で
は大きな強度を有するが、引っ張り状態では弱い。これ
に加えて本発明は、動作のためには非常に少量の充填油
しか必要としないので測定精度も改善される。
好ましい実施例においては、懸架ダイアフラム式圧力
センサ10は単結晶シリコンやサファイヤ材のような脆弱
材料で、バッチ処理工程で製造される。これらの材料は
非常に僅かなヒステリシス特性と良好な寸法上の安定性
を備えているので、精密性の改善に役立つ。さらにシリ
コン、セラミック、ガラスなどの物質は、既知の製造技
術を用いて容易にバッチ製造できる。
図４は本発明にしたがって製造された懸架ダイアフラ
ム式圧力センサ40の断面斜視図である。圧力センサ40
は、図１に示した圧力センサ10と同様の、ダイアフラム
組立体の間に延在する溝20（図１）のような溝（図４で
は、図示を省略している）を有する１対の圧力センサを
一体的に配置して形成される。
差圧センサ40は下部基板42、上部基板44、下部ダイア
フラム基板46、上部ダイアフラム基板48を含む。差圧は
圧力導入口50A、50Bを介して供給される。圧力導入口50
A、50Bはそれぞれダイアフラム組立体54A、54Bはに連通
される。ダイアフラム組立体54Aはダイアフラム空所62A
を構成する上部ダイアフラム58Aおよび下部ダイアフラ
ム60Aを含む。ダイアフラム空所62Aは、圧力導入口50A
に連通される圧力導入空所64A内に保持される。ダイア
フラム組立体54Bの構造はダイアフラム組立体54Aのそれ
と類似している。
懸架ダイアフラム式差圧センサ40では、ダイアフラム
空所62Aは図４では図示されていないが、図１に示した
溝20と類似である溝を通過してダイアフラム空所62Bに
連通される。ダイアフラム空所62Aおよび62Bを連通する
溝はダイアフラム組立体54A、および54Bを圧力導入空所
64A、64B内にそれぞれ支持するタブを介して延在してい
る。ダイアフラム空所62A、62Bは、ある封入量の比較的
非圧縮性の流体で充満されているから、１つの空所が供
給圧力によって膨脹されると他方の空所は収縮する。
図５は差圧センサ40の分解図であり、圧力導入口50
A、50Bに連通された圧力管66A、66Bを示す。図４には示
されなかったが、上部基板はアクセス孔68A、68B、68C
および68Dを含む。アクセス孔68A、68Bおよび68Dはダイ
アフラム組立体を電気的に接続するのに用いられ、アク
セス孔68Cはダイアフラム空所62Aおよびダイアフラム空
所62Bへの油充填に使用される。
下部ダイアフラム基板46は下部ダイアフラム60A、60B
に支持され、導体リード72A、72Bにそれぞれ接続された
コンデンサ電極板70A、70Bを含む。上部ダイアフラム基
板48は電気接点76A、76B、76Cを含む。電気接点76Aは接
点72Aに接続され、接点76Cは接点72Bに接続される。接
点76Bは、点線で示した基板48上の導電性溝（トレン
チ）74に接続される。導電性溝74は上部ダイアフラム58
A、58Bの下側に保持されたコンデンサ電極板71A、71Bに
電気的に接続され、図５では点線で示されている。加え
て、溝74はダイアフラム空所62A、62Bと油充填口78との
間の流体連通路となる。基板46、48もまたレーザカット
経路80を含み、これが上部ダイアフラム58A、58Bおよび
下部ダイアフラム60A、60Bを規定する。
製造の途中において、標準的なバッチ製造のエッチン
グおよびマスク技術を用いて基板42、44、46および48が
作られる。コンデンサ電極板70A、70B、71A、71Bが、ダ
イアフラム60A、60B、58A、58Bの上にそれぞれ沈積され
る。ダイアフラム58A、58B、60A、60Bは、ダイアフラム
の背面（空所64A、64Bに露出した面）を、より撓み易い
ダイアフラム膜が形成されるようにエッチング除去して
作られる。基板46、48が、流体密な接合が形成されるよ
うに一体に接合される。この接合によって同時に、ダイ
アフラム58Aのリムがダイアフラム60Aのリムに、またダ
イアフラム58Bのリムがダイアフラム60Bのリムにそれぞ
れ接合される。前記「リム」は、コンデンサ電極板70
A、70B、71A、71Bの縁を越えて突出しているダイアフラ
ムの領域である。接合工程の後に、ダイアフラム組立体
54A、54Bが支持タブ82A、82Bによって基板46、48に結合
されるように、支持タブ82A、82Bの回りを除いて、レー
ザカット経路80に沿って経路をレーザで切削することに
より、ダイアフラム組立体54A、54Bが基板46、48から切
り離される。基板46、48の一体化接合に続いて、基板4
2、44が基板46、48にそれぞれ接合される。接合は、ダ
イアフラム58A、58B、60A、60Bを規定する凹部領域62
A、62Bを除くすべての部分で行なわれる。これらの凹部
は、過負荷状態で応力を最小にするように、できるだけ
小さく作られる。凹部領域62A、62Bは、典型的には約0.
1ミルの厚みである。
基板42〜48が一体に接合された後、ダイアフラム組立
体54A、54Bに油を充填するのが望ましい。油の充填は、
油充填口78、溝74、およびダイアフラム空所62A、62Bに
連通するアクセス孔68Cを通じて行なわれる。圧力油が
入り口78から注入され、空所62A、62Bに充填される。そ
の後、入り口78は油が漏出しないように封止される。あ
る実施例では、入り口78は開口68Cに挿入された金栓で
封止される。
１つの実施例では、基板42、44は約50ミル（mil）、
基板46、48は約10ミルである。完成したセンサの寸法は
幅が350ミル、長さが700ミル、厚さが115ミルである。
図６、７、８、９、10は本発明による他の多くのダイ
アフラム構造の断面図である。図６は隔離層88、90を含
む懸架式ダイアフラム圧力センサ86である。隔離層88、
90はダイアフラム組立体から外側基板層を分離するのに
用いられる。図７は、ダイアフラム組立体のための空所
を提供するのに外側基板がエッチングされていない懸架
式ダイアフラム圧力センサ92である。図７の構成は好ま
しい実施例の１つである。図８は、基板層へのエッチン
グ沈下（depression）のためというよりは、隔離のため
に隔離層96、98、100が使用されている懸架式ダイアフ
ラム圧力センサ94である。図９は、上部および下部ダイ
アフラム層がダイアフラム空所を形成するためにエッチ
ングされておらず、油が充填されてダイアフラムが分離
されている懸架式ダイアフラム圧力センサ102である。
加えて、上部および下部基板がエッチングされている。
図10は、ダイアフラム空所に油が不足気味に充填されて
いる懸架式ダイアフラム圧力センサ104である。これに
より、圧力センサは異なる圧力範囲に亘って作動するこ
とができる。
本発明の懸架式ダイアフラムの偏向は、差圧であれ、
絶対圧であれ、印加される圧力に関係する。この偏向ま
たは変形を検知することによって圧力を決定することが
できる。この検知はどのような適当な手法でも測定でき
る。好ましい実施例では、ダイアフラムの変形は、各ダ
イアフラムの上に１つずつ保持された２つのコンデンサ
電極間の容量の変化を測定することによって検知でき
る。
図11は、それぞれ上部コンデンサ電極114および下部
コンデンサ電極116を有する上部および下部ダイアフラ
ム110、112を含む懸架式ダイアフラム108の断面図であ
る。電極114、116が絶縁層118、120をそれぞれ介してダ
イアフラム110、112上に形成されている。ダイアフラム
110と112との間の領域が空所122に形成され、なるべく
はそこに油が充填される。
図11には、電極114と116との間の容量である静電容量
CAを示す。容量CAの値は懸架式ダイアフラム108に加わ
る圧力に関係する。故に、この容量を測ることによって
圧力が決定できる。しかし、浮遊容量CS1、CS2がこの測
定の妨害になる。この容量は電極114とダイアフラム110
との間、ならびに電極116とダイアフラム112との間の各
容量に依存する。この容量は、絶縁層118、120が電極11
4、116をそれぞれダイアフラム110、112から分離するこ
とによって発生する。それ故に、容量CSの測定から浮遊
容量を除去することが望ましい。
図12は、容量CS1、CS2による容量CAの測定に対する妨
害を除去するための回路124を示す。回路124はコンデン
サCAの被駆動側に接続された方形波ドライバ130を含
む。コンデンサCS1の１極（すなわち、基板110）が、CS
2の１極（すなわち、基板112）と同じように電気的接地
に接続される。コンデンサCAの感知側は演算増幅器132
の負入力に接続される。演算増幅器132は積分コンデン
サ134を介して負帰還接続される。演算増幅器132の非反
転入力は仮想接地を提供する。演算増幅器132の出力は
容量測定回路に与えられ、圧力の演算に用いられる。
回路124は基板110、112を感知電極116と「同電位」に
保持する。なぜならば、感知電極116が負帰還付き演算
増幅器132によって仮想接地（電位）に保持されるから
である。これにより、容量CS2が、電極116に接続された
回路によっては測定されなくなるので、浮遊容量に起因
して圧力測定に含まれる誤差が減少される。
本発明はバッチ製造に良く適合し、また応力分離に面
でも改良された懸架式ダイアフラム圧力センサを提供す
る。ダイアフラム空所を充填する油も少量で済み、これ
が正確度を改善する。さらに前記構造は、たとえ大きな
圧力が加わったとしてもダイアフラムは相互に凭れ合う
だけと言う点で、過大圧に対する自己保護性を有する。
本発明は平坦な素材からバッチ製造できる３次元構造体
を提供する。
本発明は好ましい実施例を参照して説明されたが、当
該技術分野の熟達者には、発明の精神や範囲から逸脱す
ることなしに、形式および詳細において変更が可能であ
ることを理解するであろう。例えば、ダイアフラム組立
体を支持するタブは近接隔離配列された多数のタブに分
割できる。さらにダイアフラム組立体はサファイアから
作られることができる。サファイアは導電度が低いの
で、半導体に比べて浮遊容量も減少する。加えて、単一
のダイアフラムのみが固定基板に対して相対的に変位す
ることによって圧力測定ができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01L 9/12

Claims (13)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】リムに沿って基板に接合されたダイアフラ
    ムを有し、前記ダイアフラムおよび基板が互いに隔離さ
    れて両者間に第１の空所が形成された第１のダイアフラ
    ム組立体と、 ダイアフラムの外部表面に圧力流体を供給する入り口手
    段と、 ダイアフラム上に配置されてその偏向を感知し、流体圧
    を代表する出力を発生する感知手段と、 リムに連結され、ダイアフラムおよび基板の中心部なら
    びに残りのリムをより強固な取り付けから自由にしてお
    くタブを含む取り付けブロックとを具備した圧力セン
    サ。
  2. 【請求項２】リムに沿って接合され、互いに隔離されて
    両者間に第１の空所を形成するダイアフラムおよび基板
    を有する第１のダイアフラム組立体と、 リムに沿って接合され、両者間に第２の空所を形成する
    ように隔離されたダイアフラムおよび基板を有する第２
    のダイアフラム組立体と、 第１のダイアフラム組立体の外側表面に流体を適用する
    第１の入り口手段と、 第２のダイアフラム組立体の外側表面に流体を適用する
    第２の入り口手段と、 第１のダイアフラム組立体のリムに結合された第１のタ
    ブ、および第２のダイアフラム組立体のリムに結合され
    た第２のタブを含む支持構造物と、 第１のダイアフラム組立体に結合されてダイアフラムの
    偏向を感知し、流体圧を表わす出力を発生する感知手段
    とを具備し、 前記第１および第２のタブは相互に結合されて前記第１
    および第２の空所と流体的に連通し、これによって第１
    の空所の容積の変化が第２の空所の容積変化とは逆にな
    るようにして差圧を感知する圧力センサ。
  3. 【請求項３】タブがセンサ出力に接続されたリード線を
    含む請求項１または２記載の圧力センサ。
  4. 【請求項４】ダイアフラム組立体は、シリコンを主体と
    する材料から作られた請求項１ないし３いずれか記載の
    圧力センサ。
  5. 【請求項５】感知手段は、ダイアフラムに結合された第
    １の電極と、基板に結合された第２の電極とよりなる請
    求項１ないし４いずれか記載の圧力センサ。
  6. 【請求項６】ダイアフラムと基板とが、リムに沿った隔
    離層によって相互に接続された請求項１ないし５いずれ
    か記載の圧力センサ。
  7. 【請求項７】３次元構造物を構成するように相互に接合
    された複数の実質上平坦な基板と、 前記複数の基板から構成されて圧力に応答する圧力セン
    サと、 被測定圧を受ける複数の基板からなり、圧力センサを取
    り巻いている包囲部材とを具備し、 前記圧力センサがタブによって前記包囲部材に結合され
    ており、また、圧力センサがリムに沿って基板に接合さ
    れたダイアフラムを有するダイアフラム組立体よりな
    り、前記ダイアフラムおよび基板が互いに隔離されて両
    者間に空所が形成された圧力測定装置。
  8. 【請求項８】ダイアフラム組立体は、支持タブを除いて
    包囲部材から自由であり、これによって応力分離が行わ
    れる請求項７記載の圧力測定装置。
  9. 【請求項９】脆弱材料で作られ、流体の圧力に応答する
    センサ本体と、 センサ本体に支持され、センサ本体の変形に応答するセ
    ンサ素子と、 より強固な取り付けから前記センサ本体を自由にしてお
    くタブを備え、前記タブによって前記センサ本体と結合
    された取り付けブロックであって、前記タブは、前記セ
    ンサ素子に接続された電気導体を支持する溝を含み、セ
    ンサ本体と同じ材料で作られている、取り付けブロック
    とを具備する流体の圧力測定装置。
  10. 【請求項１０】前記取り付けブロックがセンサ本体と同
    じ材料で作られた請求項９記載の圧力測定装置。
  11. 【請求項１１】センサ素子は、可変コンデンサである請
    求項９または10記載の圧力測定装置。
  12. 【請求項１２】取り付けブロックおよびセンサ本体は、
    ３次元構造を形成するように、事実上平坦な基板を相互
    に接合して形成された請求項９ないし11いずれか記載の
    圧力測定装置。
  13. 【請求項１３】センサ本体は、リムに沿って互いに接合
    され、両者間に空所を形成する第１および第２のダイア
    フラムよりなる請求項９ないし12いずれか記載の圧力測
    定装置。
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