JPS63265128A - 静電容量式圧力センサにおけるギヤツプ形成方法 - Google Patents

静電容量式圧力センサにおけるギヤツプ形成方法

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JPS63265128A
JPS63265128A JP4869687A JP4869687A JPS63265128A JP S63265128 A JPS63265128 A JP S63265128A JP 4869687 A JP4869687 A JP 4869687A JP 4869687 A JP4869687 A JP 4869687A JP S63265128 A JPS63265128 A JP S63265128A
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gap
pressure sensor
forming
capacitive pressure
glass material
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Kazunari Aida
一成 相田
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Fuji Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 との発明は、静電容量式圧力センサにおけるギャップの
形成方法に関する。このようなセンサでは、その検出部
となるギャップをできるだけ一定に形成することが重要
である。
〔従来の技術〕
従来、この種のギャップを形成する方法として、材料を
機械的た削る方法と、蒸着やスパッタ装置を用いて微小
材料を重ねて行ったシ、またはエツチング処理によシ僅
かずっ溶解して材料を取シ去って行く方法とが知られて
いる。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかしながら、前者の方法では10ミクロンの誤差を制
御することは困難であシ、一般に100iクロン以上の
ギャップとなる。っまυ、ギャップが大きくなれば、面
積をよ〕大きくし静電容量変化率を大きくして検出感度
を上げなければならず、そのため、どうしても検出部が
大きくなってしまうと云う問題がある。
一方、後者社5ミクロン以下の微細なギャップを形成す
ることができ、小型化できる利点を有する反面、変形可
能なギャップ幅が小さいため、太きま圧力を検出するこ
とが困難になると云う問題がある。また、蒸着やスパッ
タ等で10ミクロン以上のギャップを形成することは技
術的には可能でおるが、時間が掛か夛過ぎるため連続し
て大量に処理することができず、実用化が難がしいと云
う問題がある。
したがって、この発明は低圧から高圧までの広い範囲で
感度良く検出することができ、かつギャップ寸法を10
〜20ミクキンの範囲にして空間体積を精度良く形成す
ることが可能で、しかも小型にするととが可能なギャッ
プ形成方法を提供するととを目的とする。
〔問題点を解決するための手段〕
一方の基板上の所定空間領域部を除く領域に、高温で溶
融すると工もに室温で固化し所定の溶剤にてペースト状
にされたガラス材料を略均一に塗布し、その上の所定位
置に、所定寸法をもつ直方体または円筒体のギャップ形
成材を固定し、さらにその上に他方の基板を重ね合わせ
たのち、荷重を掛けつ工高湯処理するか、または上記と
同様のガラス材と所定寸法をもつ球体2球体に近い多面
他方の基板を重ね合わせた後、荷重を掛けつ〜高温処理
する。いずれの場合もガラス材料としては結晶性ガラス
材料またはSiO2成分が増量された非晶性ガラス材料
が用いられ、またガラス材料の粒径は10〜20ミクロ
ンのギャップに対して5〜5ミクロンとされ、さらにガ
ラス材料の充填率は所定の体積に対して80〜95%と
なるようにされる。
〔作用〕
空間体積の変化を靜電容証変化に変換して圧力を測定す
るためKは、空間体積が大きい程大きな圧力変化に対応
でき、感度を上げることが容易である。これに対し、小
さな空間体積で同程度の特性を維持するためには、ある
程度の空間が必要であシ、また空間体積を決定するギャ
ップ寸法や面積の誤差を可能な限シ小さくしなければな
らない。
ギャップ形成材は広い温度範囲(−40〜120℃)で
弾性率変化の少ない材料で絶縁性に優れ、さらに高圧に
耐えるだけの気密性、密着性が必要である。
以上の如き材料要求特性から考えて、エポキシ樹脂やポ
リイミドなどの有機系高分子材料では使用温度範囲でガ
ラス転移温度などの転位温度を持ち、また弾性率の温度
依存性が大きいため、ギャップ形成材として使用するの
は不適当でおる。つまり、ギャップ形成材としては硬質
かつ高温に耐える無機質材料で、均一な形状が得られや
すく、または加工によシ同−形状になる材料とすること
が望ましい。
一方、空間面積を制御し、接着剤となる材料として、と
へでは非晶性ガラス材または結晶性ガラス材を用いる。
九yし、非晶性ガラス材は一般に、温度上昇によシ粘度
が下がシ、空間部をガラス充填部との境界面でガラスを
挾む上下の面との接触角を90°±10°範囲内に制御
することがむずかしく、この接触角の低下に伴ない上方
からの圧力特性と、下方からの圧力特性に差が生じてし
まうので、ガラス材のSiO2成分を増すことによシー
溶融時の粘度を高く保つことが必要である。これに対し
、結晶性ガラスとして、特に融点から結晶化温度までの
温度差の少ない材料を用いるとともに、Z n Oなど
の結晶化促進材を加えて昇温速度を制御するようにすれ
ば、ガラスの流動を少なくおさえることができるため、
両面との接触角を90士5°に制御することができ、し
たがって非晶性ガラス材に比べて圧力方向の違いによる
検出感度をさらに良好にするととができる。
その他に、面積の寸法精度を上げるためには、ガラスの
空間充填率2粒径を管理することが重要である。例えば
空間充填率は、これが70%以下では気密性、密着性に
問題が生じ、95%以上にすると境界線の乱れ、はみ出
しが生じるため、ガラス充填率を80〜95%間になる
よう有機系材料を添加することによシ、所定の面積寸法
精度を出すようにする。また、粒径については、これが
10ミクロン以上になると加熱、加圧時のつぶれ率が7
0%前後になシ、高さ方向の誤差が大きくかつガラス充
填率も悪くなるので、粒径としては3ミクロンから5ミ
クロンのものが良好である。
以上のように、ガラス材の溶融粘度、ガラス充填率およ
び粒径を管理することによシ、ギャップ形成材を用いな
くても、高さ方向の寸法に対して±10%の範囲に制御
することができるが、この発明では、さらにつぶれ停止
点(ギャップ)をもうけるためのギャップ形成材(無機
質絶縁材料)を使用することによシ、寸法誤差を±5%
の範囲に制御することができるようにし、空間体積を一
定に保つことによシ靜電容量変化の誤差を少なくし、圧
力負荷時の容量変化率を精度良く測定できるよう&てす
る。
〔実施例〕
第1図はこの発明の詳細な説明するための説明図である
。これは、との発明によって作られる圧力センサを示す
もので、同図(イ)は作成途中の状態を示す上面図、同
図(ロ)は完成品を示、す断面図である。なお、同図に
おいて、IA、IBは基板、2はガラス材、3はギャッ
プ形成材、4は空間領域、5は電極材で、ギャップ形成
材としては直方体に形成されたマイカまたは円筒状の石
英ロンドが用いられる。また、基板IA、IBとしては
電極付絶縁板またはシリコンなどの導電性基板が用いら
れ、同図は電極付絶縁板を用いた例である。なお、導電
性基板の場合は電極材5は省略される。
以下、ギャップの形成方法について説明する。
〈方法I〉 (1)@径20ミクロンの石英製繊維を長さ5mmに切
断し、ギャップ形成材となる円筒状の石英ロッドを作成
する。
(2)5ミクロン以下に粉砕した結晶性ガラス(zno
 IB203e S t 02 ) 、アクリル樹脂お
よびテレピネオール(溶剤)をそれぞれ10:01:2
の割合で加えて攪拌、混合し、ペースト状の結晶性ガラ
スを作成する。
(6)厚さ3mm、20mm角の電極付アルミナ基板の
片面に、スクリーン印刷機を用いてペースト状ガラスを
直径10〜12mm範囲の円形帯状に印刷する。
(4)次に、ガラス印刷面よシ外側4端にシアノアクリ
レート系接着剤を滴下し、石英ロッドを固定する。なお
、このときの状態が第1図(イ)に示されている。
(5)その上に電極付アルミナ基板を乗せてガラス面を
挾み、荷重5に9/aaをかけた状態で800℃恒温槽
に1時間放置する。
(6)この方法では、所定の寸法に対するギャップ寸法
の誤差は±0.5ミクロンでオシ、直径の誤差は±5ミ
クロンであった。
〈方法■〉 (1)厚さ10ミクロンの薄葉状マイカt−3mm角に
切断し、ギャップ形成材となるマイカ板を作成する。
(2) 5 ミクロン以下に粉砕した非晶性の鉛ガラス
(pbo、 B2O5、S ioz )、セルロースお
よびテレピネオール(溶剤)をそれぞれ10:03:2
の割合で加えて攪拌、混合し、ペースト状のガラスを作
成する。
(3)厚さ3mm、20mm角のパイレックスガラス基
板の片面に、スクリーン印刷機を用いてペースト状ガラ
スを直径10〜12閣範囲の円形帯状に印刷する。
(4)次に、ガラス印刷面よシ外側の4端にマイカ板を
1枚ずつ乗せる。このときの状態が第1図(イ)に示さ
れている。
(5)その上に、 パイレックス基板を乗せてガラス面
を挾み、荷重2klF/cjをかけた状態で500℃恒
温槽に1時間放置する。
(6)冷却後、研磨し、実体顕微鏡を用いて寸法測定し
た結果、所定の寸法に対してギャップ寸法の誤差は±α
5ミクロン、空間部直径の誤差は±10ミクロンであっ
た。
第2図はとの発明の他の実施例を説明するための説明図
である。これは基本的には第1図と同様であるが、ギャ
ップ形成材が球体または球体に近い多面体でこれが略均
一に塗布される点が特徴である。
この場合のギャップ形成方法は、以下の通シである。
〈方法■〉 (1)例えば直径14ミクロンの球状アルミナ(ギャッ
プ形成材)を、分級によシ選別する。
(2) 5 ミクロン以下に粉砕した結晶性ガラス(Z
、O。
B203v S 1o2)、アクリル樹脂およびテレピ
ネオール(溶剤)をそれぞれ10:0.2:5の割合で
加えて攪拌、混合し、ペースト状にした結晶性ガラスを
作成し、球状アルミナをガラスペーストに対して3wt
%(重全パーセント)添加し、均一に分散させる。
(3)厚さ3mm520mm角の電極付アルミナ基板の
片面に、スクリーン印刷機を用いてペースト状ガラスを
直径10〜12mm範囲の円形帯状に印刷する。なお、
このときの状態が第2図(イ)に示されている。
(4)その上に、アルミナ板を乗せてガラス面を挾み、
荷重5に9/7をかけた状態で800℃恒温槽に1時間
放置する。
(5)冷却後、電極間の静電容量を測定した後、120
0℃で焼成してガラスを劣化させ、アルミナを剥離して
空間部の直径長さを測定すると、所定寸法に対しギャッ
プ寸法の誤差は±0.5ミクロン、直径の誤差は±5ミ
クロンであった。
第3図はこの発明のさらに他の実施例を説明するための
説明図である。これは基本的には第2図と同様であるが
、基板IA、IBとしてシリコンなどの導電材を用いた
例である。したがって、第1図または第2図で用いられ
る電極材は、こ〜では省略されている。
この場合のギャップの形成は、例えば次のように行なわ
れる。
〈方法■〉 (1)直径12ミクロンの球状アルミナ(ギャップ形成
材)を、分級により選別する。
(2) 5 ミクロン以下に粉砕した結晶性ガラス(Z
nO−B205 a S 102 )、アクリル樹脂お
よびテレピネオール(溶剤)をそれぞれ10:0.2:
3の割合で加えて攪拌、混合し、ペースト状にした結晶
性ガラスを作成し、球状アルミナをガラスペーストに対
し2wt%(重量パーセント)添加し、均一に分散させ
る。
(3)厚さ41m e 20 mm角のシリコン基板の
片面に、スクリーン印刷機を用いてペースト状ガラスを
直径10〜12叩範囲の円形帯状に印刷する。
なお、このときの状態が第6図(イ)に示されている。
(4)その上に、シリコン板を乗せてガラス面を挾み、
荷重5 kg /cIaをかけた状態で800℃恒温槽
に1時間放置する。
(5)冷却後、研磨し、実体顕微鏡を用いて寸法測定し
た結果、所定の寸法に対しギャップ寸法の誤差は±0.
3ミクキン、空間部の直径の誤差は±10ミクロンであ
った。
〔発明の効果〕
この発明によれば、所定の寸法を持つギャップ形成材と
高粘度溶融ガラスを同時に用いるよ°うにしたので、高
さ方向2面方向の寸法精度を所定の寸法に再現性良く形
成することができ、その結果、圧力変化に対する静電容
量変化の検出精度を上げることができるだけでなく、検
出部の小型化を計ることができる利点がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
O説明図、第3図はこの発明のさらに他の実施例を説明
するための説明図である。 符号説明 IA、IB−・・・・・基板、2・・・・・・ガラス材
、3・・・・・・ギャップ形成材、4・・・・・・空間
領域、5・・・・・・電極材。 第1図 (イ〕 IB (町 IA 11:5   4  つ WE2図 (イ) (ロ) A

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1) 静電容量式圧力センサを構成する2枚の基板にて
    挾まれる所定空間領域の高さおよび基板面方向の寸法を
    所定範囲内に保持するためのギヤツプ形成方法であつて
    、 一方の基板上の前記空間領域部を除く領域に、高温で溶
    融するとゝもに室温で固化し所定の溶剤にてペースト状
    にされたガラス材料を略均一に塗布し、 その上の所定位置に、所定寸法をもつ直方体または円筒
    体の無機質絶縁材料から成るギヤツプ形成材を固定し、 さらにその上に他方の基板を重ね合わせたのち、荷重を
    かけつゝ高温処理することを特徴とする静電容量式圧力
    センサにおけるギャップ形成方法。 2) 特許請求の範囲第1項に記載の静電容量式圧力セ
    ンサにおけるギヤツプ形成方法において、前記ガラス材
    料を結晶性ガラス材料またはSiO_2成分が増量され
    た非晶性ガラス材料とすることを特徴とする静電容量式
    圧力センサにおけるギヤツプ形成方法。 3) 特許請求の範囲第1項または第2項に記載の静電
    容量式圧力センサにおけるギヤツプ形成方法において、
    前記ガラス材料の粒径を10ミクロンから20ミクロン
    のギヤツプに対して3〜5ミクロンとすることを特徴と
    する静電容量式圧力センサにおけるギヤツプ形成方法。 4) 特許請求の範囲第1項ないし第3項のいずれかに
    記載の静電容量式圧力センサにおけるギヤツプ形成方法
    において、前記ガラス材料の充填率を所定の体積に対し
    て80〜95%となるようにすることを特徴とする静電
    容量式圧力センサにおけるギヤツプ形成方法。 5) 静電容量式圧力センサを構成する2枚の基板にて
    挾まれる所定空間領域の高さおよび基板面方向の寸法を
    所定範囲内に保持するためのギヤツプ形成方法であつて
    、 一方の基板上の前記空間領域部を除く領域に、高温で溶
    融するとゝもに室温で固化し所定の溶剤にてペースト状
    にされたガラス材料と、所定寸法をもつ球体、球体に近
    い多面体または円筒体のギヤツプ形成材とを混合して略
    均一に塗布し、その上に他方の基板を重ね合わせたのち
    、 荷重をかけつゝ高温処理することを特徴とする静電容量
    式圧力センサにおけるギャツプ形成方法。 6) 特許請求の範囲第5項に記載の静電容量式圧力セ
    ンサにおけるギヤツプ形成方法において、前記ガラス材
    料を結晶性ガラス材料またはSiO_2成分が増量され
    た非晶性ガラス材料とすることを特徴とする静電容量式
    圧力センサにおけるギヤツプ形成方法。 7) 特許請求の範囲第5項または第6項に記載の静電
    容量式圧力センサにおけるギヤツプ形成方法において、
    前記ガラス材料の粒径を10ミクロンから20ミクロン
    のギヤツプに対して3〜5ミクロンとすることを特徴と
    する静電容量式圧力センサにおけるギヤツプ形成方法。 8) 特許請求の範囲第5項ないし第7頂のいずれかに
    記載の静電容量式圧力センサにおけるギヤツプ形成方法
    において、前記ガラス材料の充填率を所定の体積に対し
    て80〜95%となるようにすることを特徴とする静電
    容量式圧力センサにおけるギヤツプ形成方法。
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