JPH11248574A - Pressure sensor - Google Patents
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- JPH11248574A JPH11248574A JP4962098A JP4962098A JPH11248574A JP H11248574 A JPH11248574 A JP H11248574A JP 4962098 A JP4962098 A JP 4962098A JP 4962098 A JP4962098 A JP 4962098A JP H11248574 A JPH11248574 A JP H11248574A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】低い圧力領域では感度が高く、測定可能な圧力
範囲が広い静電容量式の圧力センサを提供する。
【解決手段】薄肉部で囲まれた厚肉部を可動電極とする
ダイアフラムと固定電極を備えた固定板とで構成される
圧力センサにおいて、ダイアフラム1aの第1の厚肉部11
を囲む薄肉部の中間に第2の厚肉部14を設け、第2の厚
肉部14と固定板2及び3とのギャップを、第1の厚肉部
11と固定電極21及び31とのギャップより小さくし、圧力
印加時に、第1の厚肉部11が固定電極21あるいは31に接
触するより低い圧力で、第2の厚肉部14が固定板2ある
いは3に接触するようにしている。第2の厚肉部が固定
板に接触するまでの低い圧力領域では感度が高く、両者
が接触した後の圧力領域では感度が低くなって測定圧力
範囲が広がる。
(57) [Problem] To provide a capacitance type pressure sensor having high sensitivity in a low pressure range and a wide measurable pressure range. The A thick portion surrounded by the thin portion in the pressure sensor composed of a fixed plate having a diaphragm and a fixed electrode to the movable electrode, a first thick portion 11 of the diaphragm 1a
A second thick portion 14 is provided in the middle of the thin portion surrounding the first thick portion, and a gap between the second thick portion 14 and the fixing plates 2 and 3 is formed by the first thick portion.
The gap between the first thick portion 11 and the fixed electrode 21 or 31 is smaller than the gap between the first thick portion 11 and the fixed electrode 21 or 31 when the pressure is applied. Or, it is made to contact 3. The sensitivity is high in a low pressure region until the second thick portion comes into contact with the fixing plate, and the sensitivity is low in the pressure region after the two thick portions come into contact, and the measurement pressure range is widened.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は、印加した圧力に
よるダイアフラムの変位を静電容量値の変化として圧力
を測定する静電容量式の圧力センサに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a capacitance type pressure sensor for measuring a pressure by using a displacement of a diaphragm caused by an applied pressure as a change in a capacitance value.
【0002】[0002]
【従来の技術】圧力値を測定する方法としては多くの方
法がある。その中でも、圧力をダイアフラムの変位に置
き換え、その変位をダイアフラムとそれに対向する固定
電極との間の静電容量値の変化として測定する方法は、
広く利用されている方法である。2. Description of the Related Art There are many methods for measuring a pressure value. Among them, a method of replacing the pressure with the displacement of the diaphragm and measuring the displacement as a change in the capacitance value between the diaphragm and the fixed electrode facing the diaphragm,
This is a widely used method.
【0003】図6は、そのような静電容量式の圧力セン
サの従来技術による一例の構造を示すものである。この
例はダイアフラムを挟んで両側に対称に固定電極が配置
されている、いわゆる差動式の圧力センサである。ダイ
アフラム1は、導電性の弾性板、例えば 0.1Ωcm程度の
抵抗率をもつ単結晶シリコン板、からなり、圧力により
変位する可動電極としての円形の厚肉部11と、圧力によ
って変形して厚肉部11を変位させる厚肉部11と同心の円
環状の薄肉部12と、外周部13とで構成されている。この
ダイアフラム1の両側には、ダイアフラム1に近い熱膨
張係数をもつ絶縁性板、例えばパイレックスガラス板あ
るいはセラミックス板、からなる2つの固定板2及び3
が、ダイアフラム1の外周部13に接合されている。この
固定板2及び3にはそれぞれに、圧力を導入する導圧孔
22及び32が形成されており、ダイアフラム1の厚肉部11
に対向する位置には固定電極21及び31が形成されてい
る。ダイアフラム1の厚肉部11及び薄肉部12は、それぞ
れ両面からその厚さに応じた深さずつエッチングされて
形成される。したがって、ダイアフラム1に圧力が印加
されていない状態においては、厚肉部11と固定電極21あ
るいは31との距離(ギャップ)はほぼ同じである。FIG. 6 shows an example of the structure of such a capacitance type pressure sensor according to the prior art. This example is a so-called differential pressure sensor in which fixed electrodes are symmetrically arranged on both sides of a diaphragm. The diaphragm 1 is made of a conductive elastic plate, for example, a single crystal silicon plate having a resistivity of about 0.1 Ωcm, and has a circular thick portion 11 as a movable electrode which is displaced by pressure, and It comprises an annular thin portion 12 concentric with the thick portion 11 that deforms and displaces the thick portion 11, and an outer peripheral portion 13. On both sides of the diaphragm 1, an insulating plate having a thermal expansion coefficient close to the diaphragm 1, for example, Pyrex glass plate or ceramic plate, two fixing plates 2 and 3 made of
Are joined to the outer peripheral portion 13 of the diaphragm 1 . Each of the fixing plates 2 and 3 has a pressure guiding hole for introducing pressure.
22 and 32 are formed, and the thick portion 11 of the diaphragm 1 is formed.
Fixed electrodes 21 and 31 are formed at positions opposed to. The thick portion 11 and the thin portion 12 of the diaphragm 1 are formed by etching from both surfaces by a depth corresponding to the thickness. Therefore, when no pressure is applied to the diaphragm 1 , the distance (gap) between the thick portion 11 and the fixed electrode 21 or 31 is substantially the same.
【0004】この状態において、導圧孔32から圧力が印
加されるとダイアフラム1の薄肉部12が撓んで厚肉部11
が上方に変位し、厚肉部11と固定電極21及び31との距離
がそれぞれ減少及び増加し、それぞれの静電容量値が増
加及び減少し、それらを測定することによって圧力が測
定できる。以下に、測定した静電容量値を演算して圧力
を算出する方法の一例を示す。In this state, when a pressure is applied from the pressure guiding hole 32, the thin portion 12 of the diaphragm 1 bends and the thick portion 11
Is displaced upward, the distance between the thick portion 11 and the fixed electrodes 21 and 31 decreases and increases, respectively, the capacitance value increases and decreases, and the pressure can be measured by measuring them. Hereinafter, an example of a method of calculating the pressure by calculating the measured capacitance value will be described.
【0005】厚肉部11と固定電極21との間の静電容量値
をC1、厚肉部11と固定電極31との間の静電容量値をC2、
厚肉部11と固定電極21及び31との間の空間の誘電率を
ε、厚肉部11の面積をA、圧力を印加していない状態の
厚肉部11と固定電極21あるいは31との距離は共に同じで
G、圧力Pによる厚肉部11の変位をΔとすると、 C1=εA/(G−Δ)、 C2=εA/(G+Δ) となる。[0005] The capacitance value between the thick portion 11 and the fixed electrode 21 is C1, the capacitance value between the thick portion 11 and the fixed electrode 31 is C2,
The dielectric constant of the space between the thick part 11 and the fixed electrodes 21 and 31 is ε, the area of the thick part 11 is A, and the pressure is not applied between the thick part 11 and the fixed electrode 21 or 31. Assuming that the distance is the same and G is the displacement of the thick portion 11 due to the pressure P is Δ, C1 = εA / (G−Δ) and C2 = εA / (G + Δ).
【0006】このC1及びC2を用いて、次の演算式により
F値を求めると、 F≡(C1−C2)/(C1+C2)=Δ/G となる。すなわち、Gは個々の圧力センサによって決ま
っている一定値であるから、F値はΔに比例するという
関係を得る。When the F value is obtained by using the C1 and C2 by the following equation, F≡ (C1−C2) / (C1 + C2) = Δ / G. That is, since G is a constant value determined by each pressure sensor, the relationship that the F value is proportional to Δ is obtained.
【0007】薄肉部12の撓みが小さい状態においては、
変位Δは圧力Pに比例するので、F値を求めることによ
って、圧力Pを求めることができる。圧力Pを受けたダ
イアフラム1に生ずる最大応力σは薄肉部12の外周部に
生じ、圧力Pに比例する。圧力Pが上昇してダイアフラ
ム1の厚肉部11が固定板2の固定電極21に接触し、上方
への変位を阻止された状態においては、圧力の増加に対
する最大応力σの増加の割合が小さくなる。この傾向
は、梁の最大応力と同様に考えることができる。すなわ
ち、厚肉部11が固定板2の固定電極21に接触するまでは
片持ち梁の状態であり、接触してからは両端固定梁の状
態と考えればよい。この最大応力σと圧力Pとの関係を
図4に点線で示した。厚肉部11が固定板2の固定電極21
に接触する圧力がP1であり、その時の最大応力がσ1 で
ある。When the bending of the thin portion 12 is small,
Since the displacement Δ is proportional to the pressure P, the pressure P can be obtained by obtaining the F value. The maximum stress a generated in the diaphragm 1 under the pressure P is generated at the outer peripheral portion of the thin portion 12 and is proportional to the pressure P. In a state where the pressure P increases and the thick portion 11 of the diaphragm 1 contacts the fixed electrode 21 of the fixed plate 2 and the upward displacement is prevented, the ratio of the increase of the maximum stress σ to the increase of the pressure is small. Become. This tendency can be considered similarly to the maximum stress of the beam. In other words, it can be considered that the thick portion 11 is in a cantilever state until it comes into contact with the fixed electrode 21 of the fixed plate 2, and after contact, it is in a state of a fixed beam at both ends. The relationship between the maximum stress σ and the pressure P is shown by a dotted line in FIG. The thick part 11 is the fixed electrode 21 of the fixed plate 2.
The pressure in contact with a the P1, the maximum stress at that time is sigma 1.
【0008】また、F値として示される出力信号の相対
値と圧力Pとの関係を図3に点線で示した。圧力がP1に
達するまでは直線的に増加し、圧力がP1以上では出力は
一定値となる。なお、この例ではダイアフラム1の両側
に固定板2及び3が接合されている場合を説明したが、
片側だけに固定板が接合されている圧力センサにおいて
も、静電容量値の変化の傾向は同じである。ただし、こ
の場合にはF値が求められないので、静電容量値から圧
力を計算することになる。上述したように静電容量値は
(G−Δ)あるいは(G+Δ)に反比例する。The relationship between the relative value of the output signal indicated as the F value and the pressure P is shown by a dotted line in FIG. The pressure increases linearly until the pressure reaches P1, and the output becomes a constant value when the pressure is equal to or higher than P1. In this example, the case where the fixed plates 2 and 3 are joined to both sides of the diaphragm 1 has been described.
Even in a pressure sensor in which a fixed plate is joined to only one side, the tendency of the capacitance value change is the same. However, in this case, since the F value cannot be obtained, the pressure is calculated from the capacitance value. As described above, the capacitance value is inversely proportional to (G−Δ) or (G + Δ).
【0009】このような圧力センサにおいて、感度を高
めて測定精度を向上させるためにダイアフラム1の薄肉
部12を薄くすると、測定精度は向上するが、測定できる
圧力値の上限値であるP1が小さくなる。また、逆に、P1
を大きくするために薄肉部12を厚くすると、測定精度は
低下する。言い換えれば、従来の圧力センサにおいて
は、必要な感度を確保しようとすると測定できる圧力の
範囲が狭くなるという問題点をもっている。In such a pressure sensor, when the thin portion 12 of the diaphragm 1 is made thinner in order to increase the sensitivity and improve the measurement accuracy, the measurement accuracy is improved, but the upper limit P1 of the measurable pressure value is reduced. Become. Conversely, P1
If the thickness of the thin portion 12 is increased in order to increase the measurement accuracy, the measurement accuracy decreases. In other words, the conventional pressure sensor has a problem that the range of the pressure that can be measured is narrowed in order to secure the required sensitivity.
【0010】[0010]
【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、上
述の問題点を解決して、低い圧力領域では感度が高く、
かつ測定可能圧力範囲が広い圧力センサを提供すること
である。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide a high sensitivity in a low pressure range,
Another object of the present invention is to provide a pressure sensor having a wide measurable pressure range.
【0011】[0011]
【課題を解決するための手段】この発明においては、外
周部を形成する保持部、それに囲まれた薄肉部及び薄肉
部に囲まれ保持部より薄い厚肉部を有し、導電性材料か
らなり、かつ印加された圧力によって厚肉部及び薄肉部
を変位させるダイアフラムと、厚肉部に対向する位置に
固定電極を有し、ダイアフラムに印加する圧力を導入す
る導圧孔を有し、かつ保持部に接合されている固定板と
を備え、厚肉部と固定電極とが形成するコンデンサの静
電容量値によってダイアフラムに印加された圧力を測定
する圧力センサにおいて、ダイアフラムの保持部と厚肉
部との中間位置にあって薄肉部に挟まれて形成されてお
り、かつ圧力印加時には厚肉部が固定電極に接触する圧
力より低い圧力において固定板に接触する第2の厚肉部
を備えている(請求項1の発明)。According to the present invention, there is provided a holding portion forming an outer peripheral portion, a thin portion surrounded by the holding portion, and a thick portion surrounded by the thin portion and thinner than the holding portion. A diaphragm for displacing the thick portion and the thin portion by the applied pressure, and a fixed electrode at a position facing the thick portion, and a pressure guiding hole for introducing a pressure applied to the diaphragm, and holding the same. A pressure plate for measuring the pressure applied to the diaphragm by a capacitance value of a capacitor formed by the thick portion and the fixed electrode, wherein the holding portion of the diaphragm and the thick portion And a second thick portion which is formed between the thin portions and is in contact with the fixed plate at a pressure lower than the pressure at which the thick portion contacts the fixed electrode when pressure is applied. Yes Invention of claim 1).
【0012】第2の厚肉部が固定板に接触するまでは、
薄肉部全体の撓みによって厚肉部が変位するので、単位
圧力変化に対する厚肉部の変位が大きく、高い感度が得
られる。第2の厚肉部が固定板に接触してからは、第2
の厚肉部の内側の薄肉部の撓みだけが厚肉部を変位させ
るので、単位圧力変化に対する厚肉部の変位が小さくな
り、測定できる圧力範囲が高い圧力領域まで拡がり、薄
肉部の最大応力の増加傾向も緩やかとなる。Until the second thick portion contacts the fixing plate,
Since the thick portion is displaced by the bending of the entire thin portion, the displacement of the thick portion with respect to a unit pressure change is large, and high sensitivity is obtained. After the second thick portion contacts the fixing plate,
Since only the deflection of the thin portion inside the thick portion displaces the thick portion, the displacement of the thick portion with respect to a unit pressure change is reduced, the measurable pressure range is extended to a high pressure region, and the maximum stress of the thin portion is Is also on a moderate uptrend.
【0013】また、請求項1の発明において、ダイアフ
ラムの第2の厚肉部に対向する位置の固定板上に第2の
電極が形成されている(請求項2の発明)。第2の厚肉
部と第2の電極とは、厚肉部と第1の電極とが接触する
前に接触する。言い換えれば、第2の厚肉部と第2の電
極とが形成しているコンデンサの方が、厚肉部と第1の
電極とが形成しているコンデンサより感度が高い。した
がって、第2の電極を設けることによって、第2の厚肉
部が固定板に接触するまでの感度を更に高めることがで
きる。According to the first aspect of the present invention, the second electrode is formed on the fixed plate at a position facing the second thick portion of the diaphragm (the second aspect of the invention). The second thick portion and the second electrode make contact before the thick portion and the first electrode make contact. In other words, the capacitor formed by the second thick portion and the second electrode has higher sensitivity than the capacitor formed by the thick portion and the first electrode. Therefore, by providing the second electrode, the sensitivity until the second thick portion contacts the fixing plate can be further increased.
【0014】更に、請求項1の発明において、ダイアフ
ラムの両側にそれぞれ固定板を備えており、かつ圧力が
印加されていない状態における両側のコンデンサの静電
容量値をほぼ等しくする(請求項3の発明)。差動式の
圧力センサとすることによって前述のF値の演算が利用
できる。Further, in the first aspect of the present invention, the fixing plates are provided on both sides of the diaphragm, and the capacitance values of the capacitors on both sides in the state where no pressure is applied are made substantially equal (the third aspect of the present invention). invention). By using a differential pressure sensor, the above-described calculation of the F value can be used.
【0015】[0015]
【発明の実施の形態】以下に、この発明による圧力セン
サの実施の形態について実施例を用いて説明する。な
お、従来技術と同じ機能をもつ部分については同じ符号
を用いた。 〔第1の実施例〕図1は、この発明による圧力センサの
第1の実施例の構造を示す断面図である。この実施例
は、図6に示した従来技術による圧力センサの一例と同
様の差動式の圧力センサであり、全体的な構成は従来例
と同じであるが、ダイアフラム1aが従来例とは異なる。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the pressure sensor according to the present invention will be described below with reference to embodiments. Note that the same reference numerals are used for parts having the same functions as the conventional technology. [First Embodiment] FIG. 1 is a sectional view showing the structure of a first embodiment of the pressure sensor according to the present invention. This embodiment is a differential pressure sensor similar to the example of the conventional pressure sensor shown in FIG. 6, and has the same overall configuration as the conventional example, but the diaphragm 1a is different from the conventional example. .
【0016】このダイアフラム1aは、導電性の弾性板、
例えば 0.1Ωcm程度の抵抗率をもつ単結晶シリコン板、
からなり、圧力により変位する可動電極としての円形の
第1の厚肉部11と、第1の厚肉部11と同心の円環状であ
り、かつ圧力によって変形して第1の厚肉部11を変位さ
せる第1の薄肉部12a と、その外側を囲み、第1の厚肉
部11と同心の円環状であり、かつ第1の厚肉部11より厚
い第2の厚肉部14と、その外側を囲み、第1の厚肉部11
と同心の円環状であり、かつ圧力によって変形して第1
の厚肉部11及び第2の厚肉部14を変位させる第2の薄肉
部12b と、外周部13とで構成されている。The diaphragm 1a is made of a conductive elastic plate,
For example, a single crystal silicon plate with a resistivity of about 0.1Ωcm,
A first thick-walled portion 11 serving as a movable electrode that is displaced by pressure; and an annular ring concentric with the first thick-walled portion 11 and deformed by pressure to form the first thick-walled portion 11. A first thick portion 12a for displacing the first thick portion 11, a second thick portion 14 surrounding the outside thereof, being annular and concentric with the first thick portion 11, and being thicker than the first thick portion 11. Surrounding the outside, the first thick portion 11
And concentric with the first ring and deformed by pressure.
And a second thin portion 12b for displacing the thick portion 11 and the second thick portion 14, and an outer peripheral portion 13.
【0017】このダイアフラム1aの両側には、従来例と
同様に、ダイアフラム1aに近い熱膨張係数をもつ絶縁性
板、例えばパイレックスガラス板あるいはセラミックス
板、からなる2つの固定板2及び3が、ダイアフラム1a
の外周部13に接合されている。この固定板2及び3には
それぞれに、圧力を導入する導圧孔22及び32が形成され
ており、ダイアフラム1aの第1の厚肉部11に対向する位
置には固定電極21及び31が形成され、可変静電容量のコ
ンデンサが形成されている。[0017] On both sides of this diaphragm 1a, similarly to the conventional example, the insulating plate having a thermal expansion coefficient close to the diaphragm 1a, for example, Pyrex glass plate or ceramic plate, two fixing plates 2 and 3 made of, the diaphragm 1a
Is joined to the outer peripheral portion 13. Pressure-imparting holes 22 and 32 for introducing pressure are formed in the fixed plates 2 and 3, respectively, and fixed electrodes 21 and 31 are formed at positions opposed to the first thick portion 11 of the diaphragm 1a . Thus, a variable capacitance capacitor is formed.
【0018】ダイアフラム1aの第1の厚肉部11、第2の
厚肉部14、第1の薄肉部12a 及び第2の薄肉部12b は、
両面からそれぞれの厚さに応じてほぼ対称にエッチング
されて形成される。第2の厚肉部14の厚さは、外周部13
よりは薄く、第1の厚肉部11よりは厚く、かつ圧力印加
時には、第1の厚肉部11が固定電極21あるいは31に接触
する圧力より低い圧力において固定板2あるいは3に接
触する厚さに設定されている。The first thick portion 11, the second thick portion 14, the first thin portion 12a and the second thin portion 12b of the diaphragm 1a are
It is formed by etching substantially symmetrically from both sides according to the thickness of each. The thickness of the second thick portion 14 is
Thinner, thicker than the first thick portion 11, and a thickness at which when the pressure is applied, the first thick portion 11 contacts the fixed plate 2 or 3 at a pressure lower than the pressure at which the first thick portion 11 contacts the fixed electrode 21 or 31. Is set to
【0019】次に、この実施例の特性について、図3及
び図4を用いて説明する。図3は圧力−出力信号特性で
あり、図中の太線がこの実施例の圧力に対する出力信号
を示す(点線は既述の従来例の特性)。従来例において
厚肉部11が固定電極21あるいは31に接触する圧力である
圧力P1より低い圧力P2で、第2の厚肉部14が固定板2あ
るいは3に接触する。圧力P2まで(低圧側)は、従来例
の点線よりやや緩やかな勾配で増加し、圧力P2以上(高
圧側)では、第2の厚肉部14が固定板2あるいは3に保
持されるので、コンデンサを形成している第1の厚肉部
11の変位は第1の薄肉部12a の撓みのみに依存し、更に
緩やかな勾配で増加し、圧力P3で第1の厚肉部11が固定
電極21あるいは31に接触して、第1の厚肉部11の変位は
止まり、出力は増加しなくなる。Next, the characteristics of this embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 3 shows a pressure-output signal characteristic, and a bold line in the figure shows an output signal with respect to pressure in this embodiment (a dotted line is a characteristic of the above-described conventional example). In the conventional example, the second thick portion 14 contacts the fixing plate 2 or 3 at a pressure P2 lower than the pressure P1 which is the pressure at which the thick portion 11 contacts the fixed electrode 21 or 31. Up to the pressure P2 (low pressure side), it increases with a slightly gentler gradient than the dotted line in the conventional example, and above the pressure P2 (high pressure side), the second thick portion 14 is held by the fixed plate 2 or 3, First thick portion forming a capacitor
The displacement of 11 depends only on the deflection of the first thin portion 12a, and increases with a gentler gradient. When the first thick portion 11 contacts the fixed electrode 21 or 31 at the pressure P3, the first thick portion 11a The displacement of the meat portion 11 stops, and the output does not increase.
【0020】このように、この実施例の圧力センサは、
低圧側では高い感度を有し、高圧側では感度を下げ、測
定できる圧力範囲を広げている。なお、圧力P2における
感度の変化は信号処理回路で補正することができる。図
4は圧力−最大応力特性であり、細線がこの実施例の第
1の薄肉部12a の最大応力を示し、太線が第2の薄肉部
12b の最大応力を示す(点線は既述の従来例の特性)。
低圧側では、第2の薄肉部12b の最大応力が従来例の点
線よりやや緩やかな勾配で増加し、第1の薄肉部12a の
最大応力は遙に緩やかに増加する。高圧側では、第2の
厚肉部14が固定板2あるいは3に保持されるので、第2
の薄肉部12b の最大応力の増加がずっと緩やかになり、
第1の薄肉部12a の最大応力の増加が急になる。しか
し、全体としての最大応力は従来例に比べて小さく、信
頼性が向上する。Thus, the pressure sensor of this embodiment is
It has high sensitivity on the low pressure side, lowers sensitivity on the high pressure side, and expands the pressure range that can be measured. Note that a change in sensitivity at the pressure P2 can be corrected by a signal processing circuit. FIG. 4 shows the pressure-maximum stress characteristics. A thin line indicates the maximum stress of the first thin portion 12a of this embodiment, and a thick line indicates the second thin portion.
The maximum stress of 12b is shown (the dotted line is the characteristic of the conventional example described above).
On the low pressure side, the maximum stress of the second thin portion 12b increases with a gentler gradient than the dotted line in the conventional example, and the maximum stress of the first thin portion 12a increases much more gently. On the high pressure side, the second thick portion 14 is held by the fixed plate 2 or 3,
The increase in the maximum stress of the thin portion 12b of the
The maximum stress of the first thin portion 12a increases sharply. However, the maximum stress as a whole is smaller than in the conventional example, and the reliability is improved.
【0021】以上のように、第2の厚肉部14を設けるこ
とによって、低圧側での感度をそれほど下げることな
く、測定圧力範囲を拡大することができ、しかも、最大
応力を従来例以下に抑えることができるので、信頼性が
向上する。なお、この実施例において、第2の厚肉部14
の位置及び厚さ(厳密には固定板2あるいは3とのギャ
ップ)を変えることによって、圧力P1の大きさ及び低圧
側及び高圧側の感度を調整することができる。As described above, by providing the second thick portion 14, the measurement pressure range can be expanded without significantly lowering the sensitivity on the low pressure side, and the maximum stress can be reduced to below that of the conventional example. Since it can be suppressed, reliability is improved. In this embodiment, the second thick portion 14
By changing the position and thickness (strictly speaking, the gap with the fixed plate 2 or 3), the magnitude of the pressure P1 and the sensitivity on the low pressure side and the high pressure side can be adjusted.
【0022】また、この実施例のように、第1の薄肉部
12a の厚さと第2の薄肉部12b の厚さとを同じにする場
合は、従来例と同じ加工工程で製作することができる。 〔第2の実施例〕この実施例は、第2の薄肉部12b の厚
さを第1の薄肉部12a の厚さより薄くする。第2の薄肉
部12b の厚さを薄くすることによって、圧力の低い領域
の感度を従来例より高くするのである。Also, as in this embodiment, the first thin portion
When the thickness of the second thin portion 12b is made the same as the thickness of the second thin portion 12b, it can be manufactured by the same processing steps as in the conventional example. [Second Embodiment] In this embodiment, the thickness of the second thin portion 12b is made smaller than the thickness of the first thin portion 12a. By reducing the thickness of the second thin portion 12b, the sensitivity in the region where the pressure is low is made higher than in the conventional example.
【0023】図3の細線がこの実施例の圧力−出力信号
特性である。図5はこの実施例の圧力−最大応力特性を
示し、細線と太線がそれぞれ第1の薄肉部12a 及び第2
の薄肉部12b に対応し、点線は従来例に対応する。第2
の薄肉部12b の厚さを薄くしているため、第2の薄肉部
12b の撓みが大きく、第2の厚肉部14が圧力P2より低い
圧力P4で固定板2あるいは3に接触する。したがって、
この領域においては出力信号は従来例よりも急勾配で増
加する。すなわち、感度が高くなっている。圧力がP4を
越えると第2の厚肉部14が固定板2あるいは3に保持さ
れるので、第2の薄肉部12b の最大応力の増加が緩やか
になり、第1の薄肉部12a の最大応力の増加が急にな
る。しかし、全体としての最大応力は従来例より小さく
なり、圧力測定範囲は従来例より広がる。The thin line in FIG. 3 shows the pressure-output signal characteristic of this embodiment. FIG. 5 shows the pressure-maximum stress characteristics of this embodiment. The thin line and the thick line indicate the first thin portion 12a and the second thin portion, respectively.
, And the dotted line corresponds to the conventional example. Second
Since the thickness of the thin portion 12b of the second thin portion is reduced,
The second thick portion 14 contacts the fixing plate 2 or 3 at a pressure P4 lower than the pressure P2. Therefore,
In this region, the output signal increases more steeply than in the conventional example. That is, the sensitivity is high. When the pressure exceeds P4, the second thick portion 14 is held by the fixing plate 2 or 3, so that the increase in the maximum stress of the second thin portion 12b becomes gentle, and the maximum stress of the first thin portion 12a increases. Increase rapidly. However, the maximum stress as a whole is smaller than in the conventional example, and the pressure measurement range is wider than in the conventional example.
【0024】以上のように、第2の厚肉部14を設け、第
2の薄肉部12b の厚さを薄くすることによって、低圧側
での感度を従来例以上に高くし、測定圧力範囲を拡大す
ることができ、しかも、最大応力を従来例以下に抑える
ことができる。なお、この実施例において、第2の厚肉
部14の位置及び厚さ(厳密には固定板2あるいは3との
ギャップ)、第1の薄肉部12a の厚さと幅、及び第2の
薄肉部12b の厚さと幅を適当な値に選択することによっ
て、P4の値、低圧側の感度、最大応力、高圧側の感度及
び圧力測定範囲を調整することができ、幅広い設計が可
能となり、信頼性を向上させることも可能となる。As described above, by providing the second thick portion 14 and reducing the thickness of the second thin portion 12b, the sensitivity on the low pressure side is made higher than in the conventional example, and the measurement pressure range is increased. It can be enlarged and the maximum stress can be suppressed to less than the conventional example. In this embodiment, the position and thickness of the second thick portion 14 (strictly speaking, the gap with the fixing plate 2 or 3), the thickness and width of the first thin portion 12a, and the second thin portion By selecting the appropriate thickness and width of 12b, it is possible to adjust the value of P4, the sensitivity on the low pressure side, the maximum stress, the sensitivity on the high pressure side, and the pressure measurement range. Can also be improved.
【0025】〔第3の実施例〕図2は、第3の実施例の
構造を示す断面図である。この実施例は、第1の実施例
あるいは第2の実施例において、第2の厚肉部14に対向
している固定板2及び3の表面にそれぞれ第2の固定電
極23及び33を設けたものである。第2の厚肉部14は、低
い圧力範囲において第2の固定電極23あるいは33に接触
するので、第2の厚肉部14と第2の固定電極23及び33と
が形成する2つのコンデンサのF値は、第1の厚肉部11
と固定電極21及び31とが形成する2つのコンデンサのF
値に比べて大きく、感度の高い測定が可能である。[Third Embodiment] FIG. 2 is a sectional view showing the structure of a third embodiment. This embodiment is different from the first or second embodiment in that the second fixed electrodes 23 and 33 are provided on the surfaces of the fixed plates 2 and 3 facing the second thick portion 14, respectively. Things. Since the second thick portion 14 contacts the second fixed electrode 23 or 33 in a low pressure range, the second thick portion 14 and the second fixed electrodes 23 and 33 form two capacitors. The F value is the first thick portion 11
And the fixed electrodes 21 and 31 form two capacitors F
The measurement is large compared to the value and can be performed with high sensitivity.
【0026】したがって、第2の固定電極23及び33を設
けることによって、低圧側においてより一層感度の高い
測定が可能となる。以上に説明した3つの実施例は2つ
のコンデンサをもつ差動式の圧力センサであるが、固定
電極が一つの圧力センサにおいても全く同様に有効であ
ることは言うまでもないであろう。Therefore, the provision of the second fixed electrodes 23 and 33 enables more sensitive measurement on the low pressure side. Although the three embodiments described above are differential pressure sensors having two capacitors, it goes without saying that the fixed electrode is equally effective in a single pressure sensor.
【0027】また、第1の厚肉部11が円形であり、第1
及び第2の薄肉部12a 及び12b と第2の厚肉部14の形状
が同心円環状の例を説明してきたが、他の形状でも同様
に有効であることも言うまでもない。The first thick portion 11 is circular, and the first thick portion 11 is circular.
Although the example in which the shapes of the second thin portions 12a and 12b and the second thick portion 14 are concentric rings has been described, it goes without saying that other shapes are similarly effective.
【0028】[0028]
【発明の効果】この発明によれば、外周部を形成する保
持部、それに囲まれた薄肉部及び薄肉部に囲まれ保持部
より薄い厚肉部を有し、導電性材料からなり、かつ印加
された圧力によって厚肉部及び薄肉部を変位させるダイ
アフラムと、厚肉部に対向する位置に固定電極を有し、
ダイアフラムに印加する圧力を導入する導圧孔を有し、
かつ保持部に接合されている固定板とを備え、厚肉部と
固定電極とが形成するコンデンサの静電容量値によって
ダイアフラムに印加された圧力を測定する圧力センサに
おいて、ダイアフラムの保持部と厚肉部との中間位置に
あって薄肉部に挟まれて形成されており、かつ圧力印加
時には厚肉部が固定電極に接触する圧力より低い圧力に
おいて固定板に接触する第2の厚肉部を備えているの
で、第2の厚肉部が固定板に接触するまでは、薄肉部全
体の撓みによって厚肉部が変位するので、単位圧力変化
に対する厚肉部の変位が大きく、高い感度が得られ、第
2の厚肉部が固定板に接触してからは、第2の厚肉部の
内側の薄肉部の撓みだけが厚肉部を変位させるので、単
位圧力変化に対する厚肉部の変位が小さくなり、測定で
きる圧力範囲が高い圧力領域まで拡がり、薄肉部の最大
応力の増加傾向も緩やかとなる。したがって、低い圧力
領域では感度が高く、測定可能圧力範囲が広く、かつ信
頼性の高い圧力センサを提供することができる(請求項
1の発明)。According to the present invention, there is provided a holding portion forming an outer peripheral portion, a thin portion surrounded by the holding portion, and a thick portion surrounded by the thin portion and thinner than the holding portion. A diaphragm that displaces the thick part and the thin part by the applied pressure, and a fixed electrode at a position facing the thick part,
It has a pressure guiding hole for introducing pressure to be applied to the diaphragm,
And a fixed plate joined to the holding portion, wherein the pressure sensor measures a pressure applied to the diaphragm by a capacitance value of a capacitor formed by the thick portion and the fixed electrode. A second thick portion which is formed at a position intermediate with the thick portion and is sandwiched between the thin portions and which contacts the fixed plate at a pressure lower than the pressure at which the thick portion contacts the fixed electrode when pressure is applied. Since the thick portion is displaced by the bending of the entire thin portion until the second thick portion contacts the fixing plate, the displacement of the thick portion with respect to a unit pressure change is large, and high sensitivity is obtained. After the second thick portion comes into contact with the fixing plate, only the bending of the thin portion inside the second thick portion displaces the thick portion. Is small and the measurable pressure range is high Spread until a force area, the increase of the maximum stress of the thin portion also becomes gentle. Therefore, it is possible to provide a highly reliable pressure sensor having high sensitivity in a low pressure region, a wide measurable pressure range, and high reliability.
【0029】また、請求項1の発明において、ダイアフ
ラムの第2の厚肉部に対向する位置の固定板上に第2の
電極が形成されているので、第2の電極と第2の厚肉部
とのコンデンサによって、第2の厚肉部が固定板に接触
するまでの感度が更に高められる。したがって、低い圧
力領域での感度がより一層高い圧力センサを提供するこ
とができる(請求項2の発明)。In the first aspect of the present invention, since the second electrode is formed on the fixed plate at a position facing the second thick portion of the diaphragm, the second electrode and the second thick portion are formed. The sensitivity with which the second thick portion contacts the fixing plate is further enhanced by the capacitor with the portion. Therefore, it is possible to provide a pressure sensor having higher sensitivity in a low pressure region (the invention of claim 2).
【0030】更に、請求項1の発明において、ダイアフ
ラムの両側にそれぞれ固定板を備えており、かつ圧力が
印加されていない状態における両側のコンデンサの静電
容量値をほぼ等しくしているので、前述のF値の演算が
利用できる。したがって、厚肉部の変位に比例した出力
信号を簡単な演算で出力することができ、低い圧力領域
では感度が高く、測定可能圧力範囲が広く、かつ信頼性
の高い圧力センサを提供することができる(請求項3の
発明)。Further, according to the first aspect of the present invention, since the fixing plates are provided on both sides of the diaphragm, and the capacitance values of the capacitors on both sides in a state where no pressure is applied are substantially equal. The calculation of the F value can be used. Therefore, it is possible to output an output signal proportional to the displacement of the thick portion by a simple calculation, and to provide a pressure sensor having high sensitivity in a low pressure region, a wide measurable pressure range, and high reliability. (Invention of claim 3).
【図1】この発明による圧力センサの第1の実施例の構
造を示す断面図FIG. 1 is a sectional view showing the structure of a first embodiment of a pressure sensor according to the present invention.
【図2】第3の実施例の構造を示す断面図FIG. 2 is a sectional view showing the structure of a third embodiment.
【図3】従来例と実施例(第1及び第2)との特性の差
を示す圧力−出力信号線図FIG. 3 is a pressure-output signal diagram showing a characteristic difference between the conventional example and the embodiment (first and second).
【図4】従来例と第1の実施例との差を示す圧力−最大
応力線図FIG. 4 is a pressure-maximum stress diagram showing the difference between the conventional example and the first embodiment.
【図5】従来例と第2の実施例との差を示す圧力−最大
応力線図FIG. 5 is a pressure-maximum stress diagram showing a difference between the conventional example and the second embodiment.
【図6】従来技術による圧力センサの一例の構造を示す
断面図FIG. 6 is a sectional view showing the structure of an example of a conventional pressure sensor.
【符号の説明】1 , 1a ダイアフラム 11 厚肉部、第1の厚肉部 12 薄肉部 12a 第1の薄肉部 12b 第2の薄肉部 13 外周部 2, 3, 2a, 3a 固定板 21, 31 固定電極 22, 32 導圧孔 23, 33 第2の固定電極[Description of Signs] 1 , 1a diaphragm 11 thick portion, first thick portion 12 thin portion 12a first thin portion 12b second thin portion 13 outer peripheral portion 2, 3, 2a, 3a fixing plate 21, 31 Fixed electrode 22, 32 Pressure guiding hole 23, 33 Second fixed electrode
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 公弘 神奈川県川崎市川崎区田辺新田1番1号 富士電機株式会社内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Kimihiro Nakamura 1-1-1, Tanabe Nitta, Kawasaki-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Prefecture Fuji Electric Co., Ltd.
Claims (3)
薄肉部及び薄肉部に囲まれ保持部より薄い厚肉部を有
し、導電性材料からなり、かつ印加された圧力によって
厚肉部及び薄肉部を変位させるダイアフラムと、厚肉部
に対向する位置に固定電極を有し、ダイアフラムに印加
する圧力を導入する導圧孔を有し、かつ保持部に接合さ
れている固定板とを備え、厚肉部と固定電極とが形成す
るコンデンサの静電容量値によってダイアフラムに印加
された圧力を測定する圧力センサにおいて、 ダイアフラムの保持部と厚肉部との中間位置にあって薄
肉部に挟まれて形成されており、かつ圧力印加時には厚
肉部が固定電極に接触する圧力より低い圧力において固
定板に接触する第2の厚肉部を備えていることを特徴と
する圧力センサ。1. A holding portion forming an outer peripheral portion, a thin portion surrounded by the holding portion, and a thick portion surrounded by the thin portion and thinner than the holding portion, made of a conductive material, and being thick by an applied pressure. A diaphragm for displacing the portion and the thin portion, and a fixed plate having a fixed electrode at a position facing the thick portion, having a pressure guiding hole for introducing pressure applied to the diaphragm, and being joined to the holding portion. A pressure sensor for measuring a pressure applied to the diaphragm by a capacitance value of a capacitor formed by the thick portion and the fixed electrode, wherein the thin portion is located at an intermediate position between the holding portion of the diaphragm and the thick portion. And a second thick portion that contacts the fixed plate at a pressure lower than the pressure at which the thick portion contacts the fixed electrode when pressure is applied.
置の固定板上に第2の電極が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。2. The pressure sensor according to claim 1, wherein a second electrode is formed on the fixed plate at a position facing the second thick portion of the diaphragm.
えており、かつ圧力が印加されていない状態における両
側のコンデンサの静電容量値がほぼ等しいことを特徴と
する請求項1に記載の圧力センサ。3. The pressure sensor according to claim 1, further comprising: fixing plates provided on both sides of the diaphragm, wherein the capacitors on both sides in a state where no pressure is applied are substantially equal. .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4962098A JPH11248574A (en) | 1998-03-02 | 1998-03-02 | Pressure sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4962098A JPH11248574A (en) | 1998-03-02 | 1998-03-02 | Pressure sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11248574A true JPH11248574A (en) | 1999-09-17 |
Family
ID=12836288
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4962098A Pending JPH11248574A (en) | 1998-03-02 | 1998-03-02 | Pressure sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11248574A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009250874A (en) * | 2008-04-09 | 2009-10-29 | Nagano Keiki Co Ltd | Physical quantity sensor and method for manufacturing the same |
| CN115493744A (en) * | 2022-11-21 | 2022-12-20 | 季华实验室 | Wide-range capacitive thin film vacuum gauge and vacuum degree detection method |
-
1998
- 1998-03-02 JP JP4962098A patent/JPH11248574A/en active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009250874A (en) * | 2008-04-09 | 2009-10-29 | Nagano Keiki Co Ltd | Physical quantity sensor and method for manufacturing the same |
| US8096189B2 (en) | 2008-04-09 | 2012-01-17 | Nagano Keiki Co., Ltd. | Physical quantity sensor and method for manufacturing the same |
| CN115493744A (en) * | 2022-11-21 | 2022-12-20 | 季华实验室 | Wide-range capacitive thin film vacuum gauge and vacuum degree detection method |
| CN115493744B (en) * | 2022-11-21 | 2023-03-07 | 季华实验室 | Wide-range capacitive thin film vacuum gauge and vacuum degree detection method |
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