CN110779638A - 压力传感器 - Google Patents

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Abstract

提供一种高灵敏度的压力传感器，其能够减小输出值的迟滞，并且能够用保护膜可靠地覆盖并保护表面。该压力传感器具备具有压敏部(11)的膜片(3)。压敏部(11)通过在下表面(11a)(表面和背面中的一个)形成凹部(13)而分成厚度厚的区域(B)和薄的区域。在压敏部(11)的厚度厚的区域(B)，即在未形成有凹部(13)的上表面(11b)，设有包括压阻元件的传感器应变片(21)。

Description

压力传感器
技术领域
本发明涉及具有压阻元件的压力传感器。
背景技术
压阻式压力传感器具备：膜片，其构成压力腔的壁的一部分；以及传感器应变片，其由设置于该膜片的压阻元件构成。在该压力传感器中，检测膜片周围部产生的应力变化作为传感器应变片的电阻值变化。在该压力传感器中，为了提高灵敏度，通过增大膜片的纵横比(直径/厚度)从而增大产生的应力是有效手段。通过上述手段提高灵敏度时，优选增大整个膜片的纵横比。但是，例如，如专利文献1所述，也可以通过使膜片的局部厚度小于其它部分而增大膜片局部的纵横比来实现。
专利文献1公开的压力传感器具有：硅基板，其具有作为压力腔的凹陷部；以及膜片，其与硅基板接合而封闭凹陷部的开口部分。为了提高灵敏度，在该膜片的压敏部设有凹部。该凹部形成为在压敏部的表面和背面中与硅基板相反的表面上产生高度差的形状。通过这样形成凹部，可以在压敏部局部形成厚度薄的区域，从而提高灵敏度。
该压力传感器的压阻元件与上述凹部一起设置于压敏部的上述表面。
一般来说，膜片设有压阻元件的表面往往被氧化膜覆盖。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平10-142086号公报
发明内容
发明要解决的问题
在专利文献1公开的压力传感器中，由于凹部形成于与压阻元件相同的表面上，因此出现问题。即在膜片受到外力按压而弯曲时以及在通过其自身的弹力而恢复时，膜片表面产生的应力不同，压力传感器的输出值的迟滞可能增大。
另外，在该压力传感器中，覆盖膜片凹部的开口部分的氧化膜可能形成有角部，膜片变形导致应力集中在该角部处，从而可能导致氧化膜产生裂缝。一旦氧化膜产生裂缝，则无法保护压力传感器免受例如钠离子或钾离子等外来物质的影响。
进一步地，在专利文献1所示的压力传感器中，为了提高灵敏度而使膜片容易弯曲，因此当过大的压力作用在膜片时，膜片可能会损坏。
本发明的第一目的在于，提供一种高灵敏度的压力传感器，其能够减小输出值的迟滞，并且能够用保护膜可靠地覆盖并保护表面。第二目的在于，提供一种压力传感器，其采用提高灵敏度的结构，同时能够防止膜片损坏。
解决问题的技术手段
为了实现该目的，本发明的压力传感器具备具有压敏部的膜片，所述压敏部通过在表面和背面中的一个上形成凹部而分成厚度厚的区域和厚度薄的区域，在所述压敏部的厚度厚的区域，即在表面和背面中未形成所述凹部的面上，设有包括压阻元件的传感器应变片。
在本发明的所述压力传感器中，从所述膜片的厚度方向观察，所述厚度厚的区域形成为连结所述压敏部的中心与远离所述中心的多个端部的形状，从所述膜片的厚度方向观察，所述多个端部形成为大于所述传感器应变片的形成范围，所述传感器应变片分别设置于所述多个端部。
在本发明的所述压力传感器中，从所述膜片的厚度方向观察，所述厚度厚的区域中未设置所述传感器应变片的部分形成为比设有所述传感器应变片的部分细。
在本发明的所述压力传感器中，还具备与所述膜片的未形成所述凹部的面接合的止动部件，所述止动部件在与所述压敏部相对的部位具有通过凹曲面形成的凹部，所述凹部形成为与变形后的所述压敏部匹配的形状。
在本发明的所述压力传感器中，所述止动部件具有将所述凹部的内外连通的连通孔，所述压敏部形成为通过变形使所述厚度厚的区域与所述连通孔重合。
发明的效果
根据本发明，用于在膜片形成薄区域的凹部和传感器应变片分别形成于膜片的一面和另一面，设有传感器应变片的一面为平坦面。因此，在膜片受到外力按压而弯曲时以及通过其自身的弹力而恢复时，在膜片的设有传感器应变片的面产生的应力不容易产生差异。
用保护膜覆盖设有传感器应变片的面时，保护膜不会形成角部，应力不会集中。因此，能够充分保护压力传感器。
因此，根据本发明，能够提供一种能够减小输出值的迟滞，并且用保护膜可靠地覆盖并保护表面的高灵敏度的压力传感器。
附图说明
图1是本发明的压力传感器的第一实施方式的剖面图。
图2是膜片的凹部侧的俯视图。
图3是用于说明第一实施方式的压力传感器的制造方法的剖面图。
图4是第二实施方式的压力传感器的剖面图。
图5是用于说明第二实施方式的压力传感器的制造方法的剖面图。
图6是膜片的凹部侧的俯视图。
图7是放大表示厚度厚的区域的局部的俯视图。
图8是表示厚度厚的区域的狭窄部分的位置与输出的关系的图表。
图9是表示厚度厚的区域的狭窄部分的位置与输出的关系的图表。
图10是表示厚度厚的区域的狭窄部分的宽度与输出的关系的图表。
图11是表示厚度厚的区域的变形例的膜片的俯视图。
图12是表示厚度厚的区域的变形例的膜片的俯视图。
图13是表示厚度厚的区域的变形例的膜片的俯视图。
具体实施方式
(第一实施方式)
以下，参考图1～图3详细说明本发明的压力传感器的一个实施方式。图1的断裂位置是图2中I-I线表示的位置。
图1所示的压力传感器1具备：基底部件2，其在图1中位于下侧；膜片3，其与该基底部件2接合；以及止动部件4，其与该膜片3接合。图1仅示出了压力传感器1位于中心线C的一侧的一半。在说明该压力传感器1的构件时，为了简便，将图1中位于上侧的面称为上表面，将图1中位于下侧的面称为下表面。
基底部件2由例如硅形成，呈板状，在宽度方向的中央部形成有凹陷部5。基底部件2的形状从厚度方向观察为四边形。
凹陷部5设于基底部件2，以在压力传感器1内形成压力腔6，并且凹陷部5在基底部件2的上表面开口。凹陷部5的形状从基底部件2的厚度方向观察为圆形。在该基底部件2的宽度方向的中央部穿设有用于向压力腔6内导入被测量压力的通孔7。
膜片3由例如硅形成，呈板状，与基底部件2的上表面2a接合。该膜片3由构成压力腔6壁的一部分的压敏部11、以及与基底部件2接合的接合部12构成。从膜片3的厚度方向来看，压敏部11形成为与凹陷部5位于同一轴线上的圆形。
膜片3的压敏部11在表面和背面中的一个面上(在图1中为与凹陷部5相对的下表面11a)形成有多个凹部13。该实施方式的凹部13如图2所示，在压敏部11的中心P的周围设有4处。
通过这样凹部13形成于压敏部11，从而如图2所示，压敏部11分成与凹部13一致的区域即厚度薄的区域A和未形成有凹部13的区域即厚度厚的区域B。以下，将厚度薄的区域简称为薄区域A，将厚度厚的区域简称为厚区域B。
凹部13能够通过对压敏部11的下表面实施例如干法刻蚀而形成规定的形状、深度。
从膜片3的厚度方向观察，压敏部11的厚区域B形成为连结压敏部11的中心P与远离该中心P的多个端部的形状。该实施方式的多个端部为图2中上下方向的两端部E1、E2、左右方向的两端部E3、E4。因此，压敏部11的厚区域B从膜片3的厚度方向观察形成为十字形。该实施方式的厚区域B由位于中心的圆形部14、以及从该圆形部14沿上下方向和左右方向延伸的4条带状部15构成。
带状部15的宽度(与长度方向垂直的方向，即沿着下表面11a的方向的宽度)随着远离圆形部14逐渐增大。
如图1所示，压敏部11的厚区域B，即表面和背面中凹部13未形成的面(图1中为上表面11b)设有包括压阻元件的传感器应变片21。该传感器应变片21如图2所示，分别设置于上述4个端部E1～E4。从膜片3的厚度方向观察，4个端部E1～E4形成为大于传感器应变片21的形成范围。
图中虽未示出，但是包括形成有传感器应变片21的部分在内的膜片3的上表面3a设有氧化膜等保护膜。
止动部件4由例如硅形成，呈板状，与膜片3的上表面3a接合。
该止动部件4在与膜片3的压敏部11相对的部位具有通过凹曲面形成的凹部22。
凹部22从止动部件4的厚度方向观察形成为圆形。另外，构成凹部22的凹曲面为所谓的非球面，形成为与膜片3的压敏部11受到压力腔6内的压力按压而变形时的压敏部11匹配的形状。因此，压敏部11通过受到压力腔6内的压力按压而变形，从而使其整个上表面11b与凹部22的凹曲面紧贴。这样的凹部22能够通过例如干法刻蚀形成。
止动部件4的宽度方向的中央部穿设有将凹部22内外连通的连通孔23。在使用该压力传感器1时气体或流体进入凹部22内的情况下，该气体或液体伴随着凹部22的容积变化而通过连通孔23。
在压敏部11与凹部22的凹曲面紧贴的状态下，压敏部11的中央部，即厚区域B的圆形部14与连通孔23重合。圆形部14在膜片3的厚度方向上大于连通孔23，因此，在如上所述压敏部11与凹曲面紧贴时，覆盖连通孔23的开口部分。
接着，采用图3的(A)～(D)详细说明该实施方式的压力传感器1的制造方法。
为了制造压力传感器1，首先，如图3的(A)所示，在作为膜片3的基材的硅片31的上表面31a形成传感器应变片21，在该硅片31的上表面31a接合止动部件4。需要说明的是，虽然未图示，但是与传感器应变片21连接的配线在止动部件4与硅片31接合前形成于硅片31的上表面31a。在硅片31的上表面31a设置传感器应变片21和配线后，设置氧化膜等保护膜。
然后，研磨硅片31的下表面31b，如图3的(B)所示，由硅片31形成薄膜片3。该研磨加工能够在经由止动部件4支承硅片31的状态下进行。然后，如图3的(C)所示，在膜片3的下表面3b形成多个凹部13。在这样形成凹部13后，如图3的(D)所示，通过在膜片3的下表面3b接合基底部件2，从而制成压力传感器1。
在这样构成的压力传感器1中，膜片3设有多个薄区域A，因此提高了灵敏度。另外，用于在膜片3形成薄区域A的凹部13和传感器应变片21分别形成于膜片3的一面(压敏部11的下表面11a)和另一面(压敏部11的上表面11b)。因此，在膜片3受到外力按压而弯曲时以及通过其自身的弹力而恢复时，在设有传感器应变片21的压敏部11的上表面11b产生的应力不容易产生差异。
设有传感器应变片21的压敏部11的上表面11b由平坦面形成，因此在用保护膜覆盖该上表面11b时，保护膜不会形成角部，应力不会集中。因此，能够充分保护压力传感器1。
因此，根据该实施方式，能够提供一种能够减小输出值的迟滞，并且用保护膜可靠地覆盖并保护表面的高灵敏度的压力传感器。
该实施方式的膜片3的厚度厚的区域B从膜片3的厚度方向观察，形成为连结压敏部11的中心P与远离该中心P的多个端部E1～E4的形状。多个端部E1～E4从膜片3的厚度方向观察，形成为大于传感器应变片21的形成范围。传感器应变片21分别设置于多个端部E1～E4。
因此，能够提供一种能够使用多个压阻元件而高精度地检测压力的压力传感器。
该实施方式的压力传感器1具备与膜片3的上表面3a(未形成有凹部13的面)接合的止动部件4。止动部件4在与压敏部11相对的部位具有通过凹曲面形成的凹部22。凹部22形成为与变形后的压敏部11匹配的形状。
因此，在膜片3的压敏部11被从压力腔6侧施加过大压力的情况下，压敏部11与止动部件4的凹部22紧贴，限制压敏部11过度变形。因此，能够提供一种采用提高灵敏度的结构，同时能够防止膜片3损坏的压力传感器。
该实施方式的止动部件4具有将凹部13内外连通的连通孔23。膜片3的压敏部11形成为通过该压敏部11变形而使厚区域B(圆形部14)与连通孔23重合。在压敏部11变形而与凹部22的凹曲面紧贴的状态下，压敏部11中与连通孔23重合的部分不被止动部件4支承。但是，压敏部11中与连通孔23重合的部分为厚区域B，因此不会不必要地进入连通孔23内。因此，尽管具有连通孔23，依然能够阻止压敏部11的过度变形。
(第二实施方式)
本发明的压力传感器如图4及图5所示，能够不使用第一实施方式所示的止动部件即可实现。在图4及图5中，对于与图1～图3中说明的部件相同或同等的部件，附同一符号，适当省略详细说明。
图4所示的压力传感器41由基底部件2、以及与该基底部件2的上表面2a接合的膜片3构成。与采用第一实施方式的情况相比，膜片3是以在上下方向反转的状态与基底部件2接合。
该实施方式的凹部13形成于膜片3的上表面3a。包括压阻元件的传感器应变片21设置于膜片3的下表面3b。与凹部13位于同一位置的厚度薄的区域A的结构和未形成有凹部13的厚度厚的区域B的结构与第一实施方式相同。
为了制造该压力传感器41，首先，如图5的(A)所示，在硅片31的下表面31b形成传感器应变片21和未图示的配线及保护膜等，在该硅片31的下表面31b接合基底部件2。然后，研磨硅片31的上表面31a，如图5的(B)所示，形成膜片3。然后，如图5的(C)所示，在膜片3的上表面3a形成凹部13。通过这样形成凹部13，从而制成压力传感器41。
在该实施方式中，膜片3的压敏部11的一面(上表面11b)形成有凹部13，另一面(下表面11a)设有传感器应变片21，因此与第一实施方式相同，能够提供一种能够减小输出值的迟滞，并且用保护膜可靠地覆盖并保护表面的高灵敏度的压力传感器。
(第三实施方式)
能够如图6及图7所示地形成膜片的压敏部的厚区域。在图6及图7中，对于与图1～图3中说明的部件相同或同等的部件，附同一符号，适当省略详细说明。
图6所示的膜片3的压敏部11形成有从膜片3的厚度方向观察呈十字形的厚区域B。该厚区域B的4条带状部15在设有传感器应变片21的外侧部分15a和未设置传感器应变片21的内侧部分15b的宽度不同。即从膜片3的厚度方向观察，未设置传感器应变片21的内侧部分15b形成为比设有传感器应变片21的外侧部分15a细。外侧部分15a与内侧部分15b的边界部分通过倾斜面形成。
进行这样使带状部15的内侧部分15b比外侧部分15a细、并测量压力传感器1的输出的实验，发现输出随着内侧部分15b的形状和大小变化。
如图7所示，该实验定义长度L1、L2、宽度H1、H2。长度L1是从压敏部11的中心P到内侧部分15b的长度。长度L2是从压敏部11的中心P到外侧部分15a的最内侧位置的长度。内侧部分15b的宽度H1是内侧部分15b的宽度的1/2。宽度H2是外侧部分15a的宽度的1/2。该实验设置宽度H2为恒定值。
如图8所示，输出最大时的长度L1接近0。在长度L1为0的情况(未形成内侧部分15b的情况)下，输出不会增大。
如图9所示，输出最大时的长度L2接近0，稍大于输出最大时的长度L1。
如图10所示，输出最大时的宽度H1处于最大宽度与最小宽度之间。
因此，通过使带状部15未设置传感器应变片21的内侧部分15b形成为比设有传感器应变片21的外侧部分15a细，从而能够使膜片3产生的应力最大化，能够使压力传感器1的输出最大。
(膜片的变形例)
膜片3的压敏部11的厚区域B的形状能够适当改变。带状部15例如能够如图11～图13所示地形成。
图11所示的厚区域B从膜片3的厚度方向观察形成为十字形。构成该厚区域B的4条带状部15形成在整个形成范围内，且宽度固定。
图12所示的厚区域B从膜片3的厚度方向观察形成为I字形。
图13所示的厚区域B从膜片3的厚度方向观察形成为L字形。
即使如图11～图13所示地形成厚区域B，也与上述各实施方式相同，同样能够得到一种能够减小输出值的迟滞，并且用保护膜可靠地覆盖并保护表面的高灵敏度的压力传感器。
符号说明
1…压力传感器、3…膜片、4…止动部件、11…压敏部、11a…下表面(一面)、11b…上表面(未形成有凹部的面)、13…凹部、15a…外侧部分(设有传感器应变片的部分)、15b…内侧部分(未设置传感器应变片的部分)、21…传感器应变片、23…连通孔、A…厚度薄的区域、B…厚度厚的区域、E1～E4…端部。

Claims (5)

1.一种压力传感器，其特征在于，
具备具有压敏部的膜片，
所述压敏部通过在表面和背面中的一个上形成第一凹部而分成厚度厚的区域和厚度薄的区域，
在所述压敏部的厚度厚的区域，即在表面和背面中未形成所述第一凹部的面上，设有包括压阻元件的传感器应变片。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，
从所述膜片的厚度方向观察，所述厚度厚的区域形成为连结所述压敏部的中心与远离所述中心的多个端部的形状，
从所述膜片的厚度方向观察，所述多个端部形成为大于所述传感器应变片的形成范围，
所述传感器应变片分别设置于所述多个端部。
3.根据权利要求2所述的压力传感器，其特征在于，
从所述膜片的厚度方向观察，所述厚度厚的区域中未设置所述传感器应变片的部分形成为比设有所述传感器应变片的部分细。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的压力传感器，其特征在于，
还具备与所述膜片的未形成所述第一凹部的面接合的止动部件，
所述止动部件在与所述压敏部相对的部位具有通过凹曲面形成的第二凹部，
所述第二凹部形成为与变形后的所述压敏部匹配的形状。
5.根据权利要求4所述的压力传感器，其特征在于，
所述止动部件具有将所述第二凹部的内外连通的连通孔，
所述压敏部形成为通过变形使所述厚度厚的区域与所述连通孔重合。
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