JP2016130632A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】本開示は、低コストで検出精度を向上させた圧力センサを提供することを目的とする。【解決手段】この目的を達成するために本開示は、第１の圧力導入孔４１と環状の側壁３２を有した固定部材３３と、側壁３２の内側に接続されたダイヤフラム３５と、ダイヤフラム３５上に設けられた歪検出素子３４と、固定部材３３と接続される環状の接続部４４と第２の圧力導入孔４２を備えた圧力導入部材３６とを有し、固定部材３３の内径よりも接続部４４の内径の方が大きい構成とした。【選択図】図１

Description

本開示は、気体などの流体の圧力を検知する圧力センサに関する。

従来、シリコンの優れた弾性体としての性質を利用して、マイクロマシニング技術によりダイヤフラムと呼ばれる薄膜部をシリコン基板に形成して圧力変化を電気信号に変換するようにした圧力センサが提供されている。

従来の圧力センサ１は、図７に示すように、半導体基板（シリコン基板）を加工して薄膜のダイヤフラム２及びダイヤフラム２の圧力による撓みを検出する検出素子である複数のピエゾ抵抗（図示せず）が形成されたセンサチップ３と、センサチップ３を収納するパッケージとを備えている。

パッケージは、合成樹脂材料の成型品であって、上面が開口する略箱形に形成されたボディ４と、ボディ４の開口を塞いで上向きに突出する略円筒状の導入管５とから成る。ボディ４には、下方向に所定の深さだけ窪んだ略直方体状に形成されてセンサチップ３及び信号処理部６が収納される収納部７と、収納部７の内壁から内側に向かって突設される段部８とが設けられている。導入管５には、上下方向に貫通して圧力検出対象の流体を外部からボディ４内部に導く導入口９が設けられ、導入管５の下端部周縁には、外側に向けて突出する略矩形状の鍔部１０が全周に亘って一体に形成されている。また、鍔部１０の外周縁から下方に突出する係止部１１が一体に形成されている。

収納部７の底面においてダイヤフラム２と対向する部位には、外部から第１の流体をボディ内部に流入させるための外気導入口１２が上下方向に貫設されている。収納部７の底面における外気導入口１２の周縁には、上方向に突出する上下方向から見て略正方形状の突台部１３が外気導入口１２の周方向に亘ってボディ４と一体に設けられている。センサチップ３は、収納部７の底面にダイボンド剤１４を塗布することによって接着固定されている。

また、ボディ４の段部８と導入管５の鍔部１０との間には、略矩形平板状の金属製の補助板１５が配設され、封止材１６によって段部８及び鍔部１０及び補助板１４が一体に接着固定される。また、補助板１４の略中央には略円形状の連通孔１７が貫設されている。

また、ボディ４には、上下の外壁に各々複数の長尺の端子１８が一端をボディ４の外側に露出させる形でインサート成形されており、これらの端子１８は外部の基板にセンサ１を実装する際に外部の基板に設けられた回路パターンと物理的且つ電気的に接続される。

また、収納部７には、センサチップ１及び信号処理部６を覆うように樹脂材料から成るＪＣＲ（ジャンクションコーティングレジン）１９が充填されている。（特許文献１）
また、別の従来の圧力センサ２１を図８に示す。

図８に従来の別の圧力センサ２１の断面図を示す。圧力センサ２１はダイヤフラム２２の周辺部をケース部材２３の端面間で挟込み固定して、圧力シールとダイヤフラム２２の周辺固定とを同時に行ない、ダイヤフラム２２とケース部材とが一体となった構造になっている。

また、ダイヤフラム２２の受圧部の表面２４は、ケース２３に設けた圧力導入口２５に連通する受圧室２６に面する受圧面としてあり、圧力検出素子２７を取付けた受圧部の背面２８側はこの受圧室２６に対して気密性を保つように、圧力シールを施している。（特許文献２）

特開２０１２−１５０１２１号公報 実開昭６１−１９０８４２号公報

しかしながら、特許文献１のようなパッケージ内にセンサチップを配置する構成の圧力センサでは部品点数が多くコストが高くなり、特許文献２のようなパッケージとダイヤフラムが一体となった圧力センサでは被検出流体と第１の流体との圧力差が小さい場合ダイヤフラムの変形量が小さく圧力の検出精度が低いという課題があった。

本開示は上記課題を解決し、少ない部品点数で低コストに形成でき、且つ、歪検出素子が設けられた部分のダイヤフラムが変形し易く、検出精度を向上させた圧力センサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本開示は、第１の圧力導入孔と環状の側壁を有した固定部材と、前記側壁の内側に接続されたダイヤフラムと、前記ダイヤフラム上に設けられた歪検出素子と、前記固定部材と接続される環状の接続部と第２の圧力導入孔を備えた圧力導入部材とを有し、前記固定部材の内径よりも前記接続部の内径の方が大きい構造としている。

上記構成により本開示は、少ない部品点数で低コストに形成することができ、且つ、被検出流体による歪検出素子が設けられた部分のダイヤフラムの変形量が大きくなり、被検出流体の圧力の検出精度を向上させることができる。

（ａ）実施の形態１の圧力センサの上面図、（ｂ）同圧力センサのＡＡ線断面図、（ｃ）同圧力センサのＢＢ線断面図 同圧力センサのブリッジ回路を示す図 （ａ）実施の形態２の圧力センサの上面図、（ｂ）同圧力センサのＥＥ線断面図、（ｃ）同圧力センサのＦＦ線断面図 実施の形態３の圧力センサの断面図 同圧力センサの変形例を示す図 同圧力センサの変形例を示す図 従来の圧力センサを示す図 従来の別の圧力センサを示す図

以下に、実施の形態に係る圧力センサについて図面を用いて説明をする。なお、各図面において、同様の構成については、同一の符号を付し、説明を省略する。また、各実施の形態における各構成要素は矛盾のない範囲で任意に組み合わせても良い。

（実施の形態１）
以下に、実施の形態１の圧力センサについて図面を用いながら説明する。

図１（ａ）は実施の形態１の圧力センサの上面図、図１（ｂ）は同圧力センサのＡＡ線断面図、図１（ｃ）は同圧力センサのＢＢ線断面図を示している。

図１に示す様に、圧力センサ３１は環状の側壁３２を有した固定部材３３と、側壁３２の内側に接続され上面に歪検出素子３４が設けられたダイヤフラム３５と、固定部材３３と接続された圧力導入部材３６とを有している。

固定部材３３は側壁３２の開口された第１軸３７方向に第１の面３８と第２の面３９を有し、第２の面３９と同一の平面に側壁３２の第２の面３９側の開口部を塞ぐように底部４０が設けられており、底部４０には大気を導入する第１の圧力導入孔４１を備えている。側壁３２の内側の第１の面３８と第２の面３９との間にダイヤフラム３５が接続され、ダイヤフラム３５に対して第１の面３８側の側壁３２の内径ａ₁は第２の面３９側の側壁３２の内径ｂ₁よりも大きくなっている。

圧力導入部材３６は被検出流体を導入する第２の圧力導入孔４２を有した圧力導入管４３と、固定部材３３と接続される環状の接続部４４と、圧力導入管４３と接続部４４とを接続する板部４５とを有している。圧力導入部材３６はエポキシ樹脂等の封止材で固定部材３３と接着固定されている。また、第２の圧力導入孔４２の内径ｒ₂は第１の圧力導入孔４１の内径ｒ₁よりも大きくなっている。圧力導入管４３はチューブ（図示せず）等に接続され、チューブを介して第２の圧力導入孔４２から被検出流体を導入している。第２の圧力導入孔４２の内径はチューブに接続し被検出流体を導入し易い大きさに適宜設計され、第１の圧力導入孔４１の内径を第２の圧力導入孔４２の内径よりも小さくすることで塵埃等の異物が圧力センサ３１内に入り難くなっている。なお、図１（ａ）の上面視において、圧力導入管４３が円形に形成され、板部４５が正方形に形成されているがこの限りではなく、圧力センサ３１の使用条件等で適宜その形を変更できる。また、板部４５も板状に限らず、湾曲したり、凹凸のある形状に形成しても良い。

ダイヤフラム３５は第１軸３７方向の厚みが固定部材３３よりも薄く、また、円形に形成され、ダイヤフラム３５と固定部材３３との接続部４４分に歪検出素子３４が設けられている。ダイヤフラム３５は円形に形成されているため、ダイヤフラム３５に均等に圧力がかかるようになり、圧力センサ３１の検出精度を向上させることができている。

ダイヤフラム３５と固定部材３３はアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等のセラミックや、シリコン等の材料で一体に形成されている。ダイヤフラム３５と固定部材３３は、半導体基板の一方側からエッチングを施すことにより、半導体基板の中央部に薄膜状のダイヤフラム３５を形成する。

なお、ダイヤフラム３５と固定部材３３をセラミックによって一体に形成すれば、シリコン等の材料を用いた場合よりも、温度特性を向上させることができる。また、圧力センサ３１は、ダイヤフラム３５と固定部材３３とが一体に形成し、固定部材３３に直接圧力導入部材３６を取り付ける構成としていることにより、センサチップをパッケージに実装する必要がなくなるため、工程を簡略化でき、圧力センサ３１のコストを低減させることができる。また、ダイヤフラム３５と固定部材３３とをセラミックで一体に形成すれば、シリコンで形成したときに比べ、温度特性を向上させることができる。

なお、従来技術と同様にダイヤフラム３５と固定部材３３とを別に形成して、接続しても良いが、一体に形成する場合に比べて圧力センサ３１を形成する工程が増えるため、実施の形態１の構成の圧力センサ３１に比べてコストが高くなる。

ダイヤフラム３５の上面には歪検出素子としてピエゾ抵抗素子が所定部位に配置される。ピエゾ抵抗素子は、第１のピエゾ抵抗素子４６、第２のピエゾ抵抗素子４７、第３のピエゾ抵抗素子４８、第４のピエゾ抵抗素子４９で構成されている。ダイヤフラム３５を支持する固定部材３３側の対向した位置に第１のピエゾ抵抗素子４６と、第２のピエゾ抵抗素子４７が配置され、ダイヤフラム３５の中央側に、所定の間隔をあけて第３のピエゾ抵抗素子４８と第４のピエゾ抵抗素子４９が第１のピエゾ抵抗素子４６と第２のピエゾ抵抗素子４７を結ぶ方向と直交する方向に配置されている。

次に、このように形成された圧力センサ３１における被検出流体から印加される流体圧の検出について説明する。

第１のピエゾ抵抗素子４６、第２のピエゾ抵抗素子４７、第３のピエゾ抵抗素子４８、第４のピエゾ抵抗素子４９を配置することにより、図２に示すブリッジ回路を構成する第１のピエゾ抵抗素子４６、第２のピエゾ抵抗素子４７、第３のピエゾ抵抗素子４８、第４のピエゾ抵抗素子４９の夫々の抵抗値Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の増減に応じてブリッジ回路のＣ−Ｄ間に発生する電位差を電気信号として取り出し、その電気信号から流体の基準値からの変化を測定することが可能となる。

圧力導入管４３から取り込まれた被検出流体によってダイヤフラム３５に圧力が印加されると、ダイヤフラム３５が撓み変形する。被検出流体によってダイヤフラム３５に圧力が印加されると、第１のピエゾ抵抗素子４６と第２のピエゾ抵抗素子４７に圧縮応力が印加され、中央部側に設けられている第３のピエゾ抵抗素子４８と第４のピエゾ抵抗素子４９に引張応力が印加される。これにより、圧縮応力が印加された第１のピエゾ抵抗素子４６の抵抗値Ｒ１と第２のピエゾ抵抗素子４７の抵抗値Ｒ２はΔＲだけ増加し、引張応力が印加された第３のピエゾ抵抗素子４８の抵抗値Ｒ３と第４のピエゾ抵抗素子４９の抵抗値Ｒ４がΔＲだけ減少する。このときの抵抗値Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の変化に基づいてダイヤフラム３５の撓み量が計測される。

このため、ダイヤフラム３５を薄肉化することによって、被検出流体から第１のピエゾ抵抗素子４６、第２のピエゾ抵抗素子４７、第３のピエゾ抵抗素子４８、第４のピエゾ抵抗素子４９に伝達される圧力を大きくすると、被検出流体から印加される流体圧に対する撓み変形量が増大する。これにより、流体圧によるダイヤフラム３５の撓み変形量が増大し、第１のピエゾ抵抗素子４６、第２のピエゾ抵抗素子４７、第３のピエゾ抵抗素子４８、第４のピエゾ抵抗素子４９で検出される抵抗値Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の増減幅も大きくなってセンサ感度を高めることができる。

ピエゾ抵抗素子は配線５０によって、固定部材３３の下面に設けられた電極５１と接続され、この電極５１を介して圧力センサ３１を備えた電子機器（図示せず）に信号を出力し、これによって電子機器を制御することができる。

圧力センサ３１は、接続部４４の内径ａ₁が側壁３２のダイヤフラム３５に対して第１の面３８側の内径ｂ₁よりも大きくなっている。このため、接続部４４の内周面と固定部材３３の外周面が接し、板部４５の下面と固定部材３３の上面とが接するように接続することができている。このように、圧力導入部材３６と固定部材３３とを接続することによって、圧力導入部材３６と固定部材３３との接着面の延面距離が長くなり、圧力センサ３１内に導入された被検出流体が圧力センサ３１から漏れにくくなるため、ダイヤフラム３５に大きな流体圧がかかるようになり、圧力センサ３１の検出感度を向上させることができる。

さらに、圧力センサ３１は、接続部４４の内径が側壁３２の第１の面３８側の内径と第２の面３９側の内径よりも大きくなっていることにより、側壁３２の第１の面３８側の内径を第２の面３９側の内径よりも大きく形成することができている。これによって、歪検出素子３４をダイヤフラム３５と固定部材３３との接続部４４分に跨るように配置することができている。被検出流体の圧力が加わりダイヤフラム３５が変形をする場合、ダイヤフラム３５と固定部材３３との接続部４４分が最も大きく撓む。このため、ダイヤフラム３５と固定部材３３地との接続部４４分に歪検出素子３４を配置することによって圧力センサ３１の検出感度を向上させることができる。

また、圧力センサ３１は、固定部材３３と圧力導入部材３６とが別体であるため、第２の圧力導入孔４２の内径や圧力導入管４３の形状等の設計変更が容易であり、多様な圧力センサ３１で汎用的に用いることが可能である。

なお、圧力センサ３１は第１の圧力導入孔４１の中心がダイヤフラム３５の中心と一致するように接続されているがこの限りではなく、第１の圧力導入孔４１の中心とダイヤフラム３５の中心とが一致しないように接続されていても良い。

また、圧力センサ３１は第２の圧力導入孔４２の中心がダイヤフラム３５の中心と一致するように接続されているがこの限りではなく、第２の圧力導入孔４２の中心とダイヤフラム３５の中心とが一致しないように接続されていても良い。

なお、実施の形態１において第１の圧力導入孔４１から大気を導入しているがこの限りではなく、他の流体を導入しても良い。

なお、実施の形態１において、歪検出素子３４としてピエゾ抵抗素子を用いているがこの限りではなく、例えば、歪ゲージ等の起歪体の変位によって抵抗が変化し、この抵抗変化から圧力を検出することができるものであれば歪検出素子３４として用いることができる。

また、例えば、板状の部材を介して圧力導入部材３６と固定部材３３とを接続しても良い。このようにすることで、固定部材３３の内部に封止材が流入することを防止することができる。

（実施の形態２）
以下に、実施の形態２における圧力センサについて図面を用いて説明する。

図３（ａ）は実施の形態２の圧力センサの上面図、（ｂ）は同圧力センサのＥＥ線断面図、（ｃ）は同圧力センサのＦＦ線断面図を示している。

図３に示すように、圧力センサ６１は環状の側壁６２を有した固定部材６３と、側壁６２の内側に接続され上面に歪検出素子３４が設けられたダイヤフラム３５と、固定部材６３と接続された圧力導入部材６６とを有している。

固定部材６３は第１軸３７方向に第１の面３８と第２の面３９とを有し、第２の面３９と同一の平面に側壁６２を塞ぐように底部４０が設けられており、底部４０には大気を導入する第１の圧力導入孔４１を備えている。

接続部６４の内径ａ₂側壁６２の内径ｂ₂よりも大きく、側壁６２の内側の第１の面３８と同一平面上に側壁３２の開口部を覆うようにダイヤフラム３５が形成されており、ダイヤフラム３５と固定部材６３の接続部分にダイヤフラム３５と上面とを跨るように歪検出素子３４を形成されている。これにより、流体圧が加わったときにダイヤフラム３５の最も大きく変形する部分に歪検出素子３４を設けることができるため、圧力センサ６１の流体圧の検出感度を向上させることができる。

また、圧力センサ６１は、ダイヤフラム３５が上面と同一平面に形成されていることにより、圧力導入部材６６が固定部材６３の外側にはみ出ることが無いため、実施の形態１に比べて小型化することができる。

（実施の形態３）
以下に、実施の形態３における圧力センサについて図面を用いて説明する。

図４は実施の形態３の圧力センサ７１の断面図を示している。

図４に示すように、圧力センサ７１は環状の側壁７２を有した固定部材７３と、側壁７２の内側に接続され上面に歪検出素子３４が設けられ下面に回路素子７７が設けられたダイヤフラム３５と、固定部材７３と接続された圧力導入部材７６とを有している。

固定部材７３は第１軸３７方向に第１の面３８と第２の面３９とを有し、第２の面３９がシール７５によって封止されている。第１の圧力導入孔４１は側壁７２に設けられ、第１の圧力導入孔４１から大気を圧力センサ７１内に導入することができる。このように構成することにより、圧力センサ７１を形成する工程をより簡略化することができる。また、側壁３２の第２の面３９側をシールによって封止する構成としたことによりダイヤフラム３５に回路素子７７を設けることができている。

接続部７４の内径ａ₃は側壁７２の内径ｂ₃よりも大きく、側壁７２の内側の第１の面３８と同一平面上に側壁７２の開口部を覆うようにダイヤフラム３５が形成されており、ダイヤフラム３５と固定部材７３の接続部分にダイヤフラム３５と上面とを跨るように歪検出素子３４を形成されている。これにより、流体圧が加わったときにダイヤフラム３５の最も大きく変形する部分に歪検出素子３４を設けることができるため、圧力センサ７１の流体圧の検出感度を向上させることができる。

また、圧力センサ７１はダイヤフラム３５の第２の面３９側に回路素子７７が設けられているため、被検出流体の影響を低減しながら歪検出素子３４で検出した流体圧を回路素子７７で処理することができている。

図５に実施の形態３の圧力センサの変形例を示す。図５に示すように、ダイヤフラム３５に薄肉部と第１軸３７方向の厚さが薄肉部８２よりも厚い厚肉部８３を設け、厚肉部８３に回路素子７７を設けても良い。このようにすることで、流体圧によってダイヤフラム３５が変形したときに回路素子７７がダイヤフラム３５から受ける影響を低減することができ、圧力センサ８１の検出精度を向上させることができる。

図６に実施の形態３の圧力センサの別の変形例を示す。図６に示すように側壁３２の内側に段差部９２を設け、段差部９２のみに回路素７４子が接続される構成としても良い。このような構成にすることにより、流体圧によってダイヤフラム３５が変形したときに回路素子７７がダイヤフラム３５から受ける影響を低減することができ、圧力センサ９１の検出精度を向上させることができる。

また、段差部を設けることにより、段差部の内径ｂ₄が接続部の内径ａ₄よりも小さくなし、圧力センサ９１の検出感度を向上させる効果を得ることが容易にできる。

なお、第２の圧力導入孔４２を側壁７２に設けているが、第２の圧力導入孔４２は側壁７２の第２の面３９側のどの位置に設けてもよく、また、シール７５に第２の圧力導入孔４２を設けても良い。

また、歪検出素子３４はダイヤフラム３５の第１の面３８側に設けられているが、この限りではなく、ダイヤフラム３５の第２の面３９側に設けても良い。

本開示の圧力センサは、低コストで検出精度を向上させることができるため、様々な種類のガス等の流体を検出するセンサに有用である。

３１、６１、７１、８１、９１ 圧力センサ
３２、６２、７２ 側壁
３３、６３、７３ 固定部材
３４ 歪検出素子
３５ ダイヤフラム
３６、６６、７６ 圧力導入部材
３７ 第１軸
３８ 第１の面
３９ 第２の面
４０ 底部
４１ 第１の圧力導入孔
４２ 第２の圧力導入孔
４３ 圧力導入管
４４、６４、７４ 接続部
４５ 板部
４６ 第１のピエゾ抵抗素子
４７ 第２のピエゾ抵抗素子
４８ 第３のピエゾ抵抗素子
４９ 第４のピエゾ抵抗素子
５０ 配線
５１ 電極
７５ シール
７７ 回路素子
８２ 薄肉部
８３ 厚肉部
９２ 段差部

Claims (12)

1. 第１の圧力導入孔と環状の側壁を有した固定部材と、
   前記側壁の内側に接続されたダイヤフラムと、
   前記ダイヤフラム上に設けられた歪検出素子と、
   前記固定部材と接続される環状の接続部と第２の圧力導入孔を備えた圧力導入部材とを有し、
   前記固定部材の内径よりも前記接続部の内径の方が大きい圧力センサ。
2. 前記側壁は、前記側壁の開口された方向に第１の面と第２の面を有し、
   前記ダイヤフラムは前記第１の面と前記第２の面との間で前記側壁と接続され、
   前記接続部の内周面が前記固定部材の外周面と接続されている請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記圧力導入部材は前記第２の圧力導入孔と前記接続部とを接続する板部を有し、
   前記第１の面と前記板部が接続されている請求項２に記載の圧力センサ。
4. 前記側壁は、前記側壁の開口された方向に第１の面と第２の面を有し、
   前記ダイヤフラムは前記第１の面と同一の平面で前記側壁と接続されている請求項１に記載の圧力センサ。
5. 前記歪検出素子は、前記ダイヤフラムと前記固定部材との接続部分に設けられている請求項２または請求項４に記載の圧力センサ。
6. 前記ダイヤフラムの前記歪検出素子が設けられていない側の面に回路素子が設けられている請求項１に記載の圧力センサ。
7. 前記ダイヤフラムは薄肉部と前記薄肉部よりも厚さが厚い厚肉部とを有し、
   前記回路素子は前記厚肉部に設けられている請求項６に記載の圧力センサ。
8. 前記第１の圧力導入孔は前記側壁に設けられている請求項１に記載の圧力センサ。
9. 前記ダイヤフラムと前記固定部材が一体に形成されている請求項１に記載の圧力センサ。
10. 前記ダイヤフラムが円形である請求項１に記載の圧力センサ。
11. 前記第２の圧力導入孔の内径は前記第１の圧力導入孔の内径よりも大きい請求項１に記載の圧力センサ。
12. 前記側壁は内側に段差部を有し、
    前記段差部に回路素子が設けられている請求項１に記載の圧力センサ。

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