JP2011519032A - 感知要素アセンブリと方法 - Google Patents

Abstract

本明細書では、容量式圧力センサのための感知要素アセンブリと、付加的サイズを伴うことなく、感度を向上させたアセンブリを生成するための方法とについて説明される。感知要素アセンブリおよび方法は、偏心型の楕円形に成形された中心電極と、中心電極の周囲の少なくとも１つの楕円形環状電極と、接地電極とを製作するステップと、層をともに融合し、感度を最適化するための方法とを含む。方法は、基板上にＣＰおよびＣＲ電極を印刷し、電極を乾燥および焼成し、基板の上面にフリットを印刷し、フリットを乾燥させることによって、基板をアセンブルするステップと、共通／接地電極を印刷し、電極を乾燥および焼成し、ダイヤフラム上にフリットを印刷し、フリットを乾燥させることによって、ダイヤフラムをアセンブルするステップとを含む。

Description

（本発明の分野）
本発明は、概して、容量式圧力センサに関し、より具体的には、感知要素アセンブリと、容量式圧力センサのためのアセンブリを生成する方法とに関する。

（本発明の背景）
セラミック製容量式圧力センサは、当技術分野において周知である。最小量の曲げ応力によって、最大偏向を維持するために、容量式センサは、概して、円形筐体内の中心に置かれる円形ダイヤフラムと、２つの電極とを使用する。圧力変化に応答する第１の電極は、本明細書を通して、「ＣＰ」電極と称される。基準電極である第２の電極は、「ＣＲ」電極と称される。また、筐体は、通常、ダイヤフラム電極を活性化するために必要な電気接続を含有する。

故に、最小曲げ応力によって、偏向を最大限にし、圧力の大勾配を検出し、製作が容易なセンサアセンブリを含有する、圧力センサを生成することが望ましい。

（好ましい実施形態の概要）
本発明では、基板アセンブリと、ダイヤフラムアセンブリとを有する、容量式圧力センサ要素アセンブリが提供される。基板アセンブリは、第１の電極および第２の電極が製作される、基板を備える。第１の電極は、楕円形に成形され、第１の導電性端子を有する。第２の電極は、実質的に環状であって、楕円形に成形され、第１の電極を囲繞する。第２の電極は、第２の導電性端子を有する。ダイヤフラムアセンブリは、接地電極が製作される、ダイヤフラムを備え、接地電極は、接地導電性端子を有する。ダイヤフラムアセンブリおよび基板アセンブリは、ともにシールされ、センサ要素アセンブリを形成する。

好ましい実施形態では、第１および第２の電極は、基板上に偏心されて位置するように製作される。

本発明の別の局面によると、圧力感知要素アセンブリを製作するための方法が提供される。方法は、基板上にＣＰおよびＣＲ電極を印刷し、電極を乾燥および焼成し、基板の上面にフリットを印刷し、フリットを乾燥させることによって、基板をアセンブルするステップと、共通／接地電極を印刷し、電極を乾燥および焼成し、ダイヤフラム上にフリットを印刷し、フリットを乾燥させることによって、ダイヤフラムをアセンブルするステップとを含む。本発明の方法では、基板アセンブリまたはダイヤフラムアセンブリのいずれかのうち、どのアセンブリが最初に製造されるかは、問題ではない。しかしながら、本発明の方法は、基板アセンブリをダイヤフラムアセンブリと整列し、ともに融合し、センサアセンブリを生成する前に、アセンブリのうちの１つのフリットを焼成することを要求する。

本発明は、添付の図面を参照することによって、より容易に理解されるであろう。
図１は、本発明の実施形態による、集積された圧力センサ要素アセンブリの分解斜視図である。 図２は、図１の集積された圧力センサ要素アセンブリの部分的切り取り側面斜視図である。 図３は、図１の圧力センサ要素アセンブリの基板アセンブリの断面平面図である。 図４は、図１の圧力センサ要素アセンブリのダイヤフラムアセンブリ部分のフリット層の斜視図である。

図面のいくつかの図を通して、同一数字は、同一部品を指す。

（好ましい実施形態の詳細な説明）
本発明の以下の説明では、「前面」、「後面」、「上面」、「底面」、「側面」等の用語は、本明細書では、説明の便宜上のために単に使用され、図面に示される構成要素の配向を指す。

概して、本発明は、以下のように、簡単に説明され得る。最初に、図１および２を参照すると、本発明の集積された圧力感知要素アセンブリ１００の好ましい実施形態が示される。

感知要素アセンブリ１００は、２つのアセンブリ（基板アセンブリ１０２およびダイヤフラムアセンブリ１０４）を備える。基板アセンブリは、基板１０６と、ＣＰ電極１０８と、ＣＲ電極１１０と、シール層１１２とを備える。好ましい実施形態では、シール層１１２は、フリットである。しかしながら、密閉シールを提供し、熱膨張を提供する、任意の他の材料を使用可能である。

ＣＰ電極１０８は、好ましくは、図３により全体的に示されるように、楕円形形状であって、ＣＰ端子１１４に接続される。また、ＣＲ電極１１０も、好ましくは、楕円形形状であって、図１および３に示されるように、ＣＰ電極１０８を囲繞する、実質的に環状のリングである。好ましい実施形態では、ＣＲ電極１１０は、Ｃ形状である。しかしながら、ＣＲ電極１１０は、ＣＰ電極１０８を囲繞する完全環状体であってもよいが、ＣＲ電極１１０に接触せずに、ＣＰ電極１０８と直接電気接続可能であることを条件とする。

ＣＲ電極１１０は、一端１１６がＣＲ端子１１８に接続される。ＣＰ電極１０８は、ＣＰ電極１０８から、ＣＲ電極１１０の両端１１６および１２２間の空隙を通って延びる、導電体によって、ＣＰ端子１１４に接続される。好ましい実施形態では、ガード電極１２０が提供され、ＣＰ端子１１４の周囲のＣＲ端子１１８から、ＣＲ電極１０８の一端１２２に接続される。本ガード電極１２０の理由は、センサが動作可能な時、ＣＰ１０８およびＣＲ１１０電極の相対的静電容量に影響を及ぼす温度の影響がないように、ＣＰ電極を保護する、すなわち、絶縁することである。

フリットが使用される好ましい実施形態では、フリット層１１２は、焼成後、誘電体となるであろう。故に、誘電率の変化によって、外気温変化に応答するであろう。したがって、温度変化に伴って、フリットによって被覆される面積が異なる場合、ＣＰ１０８およびＣＲ１１０電極において測定される静電容量は、互いに逸脱し、センサを低精度にするであろう。ＣＲ１１０およびＣＰ１０８電極が、フリット層１１２によって被覆される面積が実質的に同一である場合、２つの電極間の静電容量偏差は、ほとんどないであろう。故に、好ましい実施形態では、ガード電極１２０は、ＣＰ電極１０８が曝露される静電容量のみ、ＣＲ電極１１０によって生成される静電容量となるように、ＣＰ電極１０８の端子１１４の周囲に配置され、遮蔽として作用する。

加えて、ガード電極１２０を伴わずに、センサが高周波信号に曝露される場合、端子１１８は、アンテナのように作用し、センサの感度を低下させるであろう。しかしながら、ガード電極１２０は、省略可能であることを理解されたい。

図３に示されるように、本発明の好ましい実施形態では、ＣＰ１０８およびＣＲ１１０電極は、基板１０６上で偏心されるように、基板１０６上にＣＰおよびＣＲ電極を印刷することによって製作される。楕円形形状であるため、基板１０６上に偏心されて配置することによって、電極１０８および１１０は、より大きな面積上に製作可能である一方、依然として、ともに融合される外側ＣＲ電極１１０の周辺と、基板の円周との間に十分な空間を保有する。故に、ダイヤフラム１０４および基板１０２アセンブリ層がともに融合されると、有効なシールが依然として可能であるように、シール層１１２の十分な空間が依然として存在する。

好ましい実施形態では、楕円形電極は、外側電極１１０が、内側電極１０８と本質的に同一外側曝露面積を提供するように成形される。さらに、好ましい実施形態では、非円形形状によって生じる応力増加は、ごく僅かのままであるが、圧力に対する感度は、外側電極の外径のサイズ増加にほぼ比例して向上するように、外側電極１１０の外径は、内径より約２０％大きくあるにすぎない。故に、本構成は、より感度の高いセンサアセンブリをより小さい直径筐体内にパッケージング可能にする。

基板アセンブリは、好ましくは、基板１０６上にＣＰ１０８、ＣＲ１１０、ガード１２０電極、およびＣＲ１１８、ＣＰ１１４端子を印刷し、それらを乾燥および焼成し、シール層１１２を印刷し、シールを乾燥させ、任意の揮発性有機結合剤を放出させ、ほぼチョークの密度および硬度の材料を残すことによって、製作される。

図１−３を再び参照すると、ダイヤフラム１２０と、そこに接続される端子１２６を有する接地電極１２２と、シール層１２４とを備える、ダイヤフラムアセンブリ１０４が示される。ダイヤフラムアセンブリの底面の遮蔽電極は、示されない。

好ましい実施形態では、接地１２２、遮蔽（図示せず）電極と、それらの端子は、電極が、ダイヤフラム１２０上の中心に置かれ、ＣＲ電極１１０の外側周辺に応答するように、ダイヤフラム１２０上に印刷することによって製作される。その後、電極は、乾燥および焼成される。電極が冷却されると、シール層１２４が印刷され、任意の揮発性有機結合剤を放出させるように乾燥され、ほぼチョークの密度および硬度の材料を残す。

感知要素１００は、整列切り欠き１３０および１３６に沿って整列され、シール層１１２および１２４が溶解し、アセンブリ１０２および１０４をともに融合するように焼成することによって、基板１０２およびダイヤフラム１０４アセンブリがともに融合されると完成する。本発明の好ましい方法では、基板アセンブリ１０２上のシール層１１２またはダイヤフラムアセンブリ１０４上のシール層１２４のうちのいずれかが、アセンブリをともに接合する前に焼成される。焼成は、シール層が依然として粗い紋様を有するように、部分的に完成される。シール層を冷却後、２つのアセンブリ１０２および１０４は、次いで、焼成によって、ともに接合される。これは、接合プロセスの間のガス放出量を減少させ、より強固かつ少孔性結合をもたらし、最終生成物内の漏出の機会を低減させる。

好ましい実施形態では、シール層１１２は、電極１０８および１１０の楕円形形状のため、非対称である。シール層１１２および１２４は、焼成プロセスの間、ダイヤフラム１２０および基板１０６の両方に対して支持を提供し、電極間の最終空隙を制御するため、シール層１１２および１２４は、可能な限り、一定かつ均一に保持されなければならない。対称性の欠如を克服するために、シール層１１２および１２４は、空隙１４０および１４２を有し、各シール面積を平衡化し、センサアセンブリ１００の層がともに融合される際の下降を改善するように製作される。このように、シール層１１２および１２４のそれぞれの重心は、ダイヤフラム１２０の幾何学的中心に対して、可能な限り、近接して維持される。

提供される別の特徴は、接地電極上への付加的端子１４４の配置である。このように、遮蔽電極（図示せず）が反対側に配置され、ビアホール１４６ａまたは１４６ｂを通して接続される限り、製作の際、ダイヤフラム１２０のどちら側に、接地電極１２２が配置されるかは問題ではない。

基板１０６は、それぞれ、ＣＰ、ＣＲ、接地電極１０８、１１０、１２２の端子１１４、１１８、１２６に対応する、３つのホール１５０ａ、ｂ、およびｃを有するように製造される。加えて、シール層１１２および１２４もそれぞれ、ＣＰ、ＣＲ、接地電極の端子１１４、１１８、１２４に対応する、ホールをその中に有する。アセンブリが整列され、ともに融合されると、基板１０６およびシール層１１２、１２４内のホールも、整列され、導電性エポキシ樹脂によって充填され、電気接続のために必要な導管を提供する。

本発明では、感知要素１００の感度は、筐体の全体サイズを増加させる必要なく、向上することを理解されたい。

当業者は、本種のセンサが、他の用途の中でもとりわけ、自動車、航空機、冷暖房空調設備（ＨＶＡＣ）産業において使用可能であることを理解するであろう。

上述の実施形態は、本発明の例示的実施形態である。当業者は、本明細書に開示される概念から逸脱することなく、上述の実施形態から、多くの用途および変形例を見出してもよい。故に、本明細書に開示される実施形態の構造は、本発明を限定するものではない。故に、本発明は、以下の請求項の範囲によってのみ、規定されるべきである。

Claims (13)

1. 容量式センサのためのセンサ要素であって、
   中心を有する基板と、
   第１の導電性端子を有する、該基板上の第１の楕円形に成形された電極と、
   該第１の電極を囲繞するが、該第１の電極に接触しない、第２の実質的に環状の楕円形に成形された電極であって、第２の導電性端子を有する、第２の電極と
   を備える、基板アセンブリと、
   ダイヤフラムと、
   接地導電性端子を有する、該ダイヤフラム上の接地電極と
   を備える、ダイヤフラムアセンブリと
   を備え、該基板アセンブリは、該ダイヤフラムアセンブリに対してシールされる、センサ要素。
2. 前記第１および前記第２の電極は、前記基板の中心からオフセットされる、請求項１に記載のセンサ要素アセンブリ。
3. 前記第１および第２の電極の外径は、可能な限り大きくある一方、依然として、該第２の電極の周辺と、前記基板の周辺との間に、十分な空間を保有し、該第２の電極および該基板の周縁の周囲に前記基板アセンブリと前記ダイヤフラムアセンブリとの間の良好なシールが生成される、請求項２に記載のセンサ要素アセンブリ。
4. 前記第１の端子の周囲に前記第２の端子から延びる遮蔽をさらに備える、請求項１に記載のセンサ要素アセンブリ。
5. 前記第１および第２の楕円形電極は、該第２の電極の外径が、該第２の電極の内径と本質的に同一の外側シール幅を提供するように成形される、請求項１に記載のセンサ要素アセンブリ。
6. 前記基板およびダイヤフラムアセンブリが、ともにシールされると、実質的に対称であるシールを生じさせる、少なくとも１つ以上のフリットをさらに備える、請求項１に記載のセンサ要素アセンブリ。
7. 容量式圧力センサのための圧力感知要素アセンブリを製作するための方法であって、
   第１の実質的に楕円形である電極と、第２の実質的に楕円形である環状電極とを基板上に印刷するステップと、
   該電極を焼成するステップと、
   該電極および基板上に第１のフリットを印刷するステップと、
   該第１のフリットを乾燥させるステップと、
   共通／接地電極を印刷することによって、ダイヤフラムをアセンブルするステップと、
   該共通／接地電極を焼成するステップと、
   該共通／接地電極および該ダイヤフラム上に第２のフリットを印刷するステップと、
   該第２のフリットを乾燥させるステップと、
   該第１または第２のフリットを焼成するステップと、
   該センサアセンブリを生成するために、該接地電極が製作された該ダイヤフラムを、該第１および第２の楕円形電極が製作された該基板に融合するステップと
   を含む、方法。
8. 前記基板上に前記電極を印刷するステップは、該基板上に前記第１および第２の電極をオフセットするステップを含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記フリット面積内に空隙を生成するステップをさらに備え、該フリット面積は、実質的に対称であるシールを生成する、請求項７に記載の方法。
10. 容量式センサのためのセンサ要素であって、
    中心を有する基板と、
    第１の導電性端子面積を有する、該基板上の偏心された第１の電極と、
    該第１の電極を囲繞するが、該第１の電極に接触しない、第２の実質的に環状の電極であって、第２の導電性端子面積を有する、第２の電極と、
    ダイヤフラムと、
    接地導電性端子を有する、該ダイヤフラム上の接地電極と、
    該基板を該ダイヤフラムに対してシールするための１つ以上のシールと
    を備える、センサ要素。
11. 前記第１および第２の電極の外径は、可能な限り大きくある一方、依然として、前記第２の電極の周辺と、前記基板の周辺との間に、十分な空間を保有し、該基板および前記ダイヤフラムがともにシールされると、良好なシールを生成する、請求項１０に記載のセンサ要素アセンブリ。
12. 前記第１および第２の電極は、楕円形に成形される、請求項１０に記載のセンサ要素アセンブリ。
13. 前記第１および第２の電極は、該第２の電極の外径が、該第２の電極の内径と本質的に同一の外側シール幅を提供するように成形される、請求項１０に記載のセンサ要素アセンブリ。

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