JP2020134451A

JP2020134451A - 圧力センサ

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Publication number: JP2020134451A
Application number: JP2019031875A
Authority: JP
Inventors: 哲也笹原; Tetsuya Sasahara
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2019-02-25
Filing date: 2019-02-25
Publication date: 2020-08-31
Anticipated expiration: 2039-02-25
Also published as: EP3933366A1; JP7139998B2; EP3933366A4; WO2020175155A1

Abstract

【課題】温度検出または温度補正を正確に行うことができ、かつ、小型化に有利な圧力センサ【解決手段】圧力に応じた変形を生じるメンブレンと、前記メンブレン上において所定の歪特性を生じる第１歪位置に配置される第１抵抗体及び第３抵抗体と、前記第１歪位置とは異なる歪特性を生じる第２歪位置に配置される第２抵抗体および第４抵抗体とを含み、ブリッジ回路を形成して歪を検出する第１抵抗体群と、前記第１歪位置に配置される第１温度検出用抵抗体と、前記第２歪位置に配置される第２温度検出用抵抗体と、を含み温度を検出する第２抵抗体群と、を有する圧力センサ。【選択図】図２

Description

本発明は、メンブレンの変形による歪を抵抗変化により検出する圧力センサに関する。

圧抵抗効果（ピエゾ抵抗効果ともいう）を利用して、メンブレン（ダイアフラムともいう）の歪を抵抗変化により検出する圧力センサが知られている。このような圧力センサでは、たとえば、ステムと呼ばれる金属製の受圧部材の一部に、圧力を受けて弾性変形するメンブレンを形成し、このメンブレンの変形による歪を、メンブレン上に設けられた抵抗体の抵抗変化により検出する。

また、メンブレンに形成される抵抗体の抵抗変化には、温度依存性があるため、このような圧力センサが、温度変化が生じる環境に設置される場合、検出された抵抗変化から圧力を算出するためには、温度の情報を別途検出するなどの方法により、温度補正を行う必要がある。また、圧力と同時に温度も測定可能とするために、測温素子付きの圧力センサも提案されている。

従来の温度検出機能付きの圧力センサでは、ステムやメンブレン（ダイアフラム）の周縁部近傍や基板など、メンブレンの変形による歪の影響を受けない位置に、測温素子などを設ける技術が提案されている。このような技術では、メンブレンの変形による歪の影響を受けないか、または、温度変化による出力変化が歪による出力変化に対して十分に大きい位置に、測温素子が配置されていることにより、測温素子によって温度を検出することが可能になっている。

特開平１１−９４６６７号公報

しかしながら、メンブレンの周縁部近傍に温度検出用の素子を配置する従来の技術では、メンブレンの周縁部近傍に、測温素子を配置可能な、歪の影響を受けない領域が必要である。そうすると、メンブレンおよびステムの設計が制約を受け、圧力センサの小型化に対して支障をきたす場合があった。また、歪の影響を受けない位置に温度検出用の素子を配置する必要があるため、温度検出用の素子が配置されている位置の温度条件が、圧力測定用の素子が配置されている場所の温度条件に対してずれを生じる問題が発生する場合がある。

本発明は、このような実情に鑑みてなされ、温度検出または温度補正を正確に行うことができ、かつ、小型化に有利な圧力センサを提供する。

上記目的を達成するために、本発明の第１の観点に係る圧力センサは、
圧力に応じた変形を生じるメンブレンと、
前記メンブレン上において所定の歪特性を生じる第１歪位置に配置される第１抵抗体及び第３抵抗体と、前記第１歪位置とは異なる歪特性を生じる第２歪位置に配置される第２抵抗体および第４抵抗体とを含み、ブリッジ回路を形成して歪を検出する第１抵抗体群と、
前記第１歪位置に配置される第１温度検出用抵抗体と、前記第２歪位置に配置される前記第２温度検出用抵抗体と、を含み温度を検出する第２抵抗体群と、を有する。

本発明の第１の観点に係る圧力センサでは、温度を検出する第２抵抗体群が、ブリッジ回路を形成して歪を検出する第１抵抗体群と同様に、第１歪位置に配置される抵抗体（第１温度検出用抵抗体）と、第２歪位置に配置される抵抗体（第２温度検出用抵抗体）とを含む。このような圧力センサは、温度検出用の抵抗体が配置されている位置の温度条件が、圧力検出用の抵抗体が配置されている場所の温度条件と同じか非常に近いため、圧力測定対象である流体の温度を正確に測定したり、第１抵抗体群の出力に対して正確な温度補正を行ったりすることができる。また、このような圧力センサは、メンブレンの周縁部近傍の位置に温度検出用の抵抗体を配置する領域を設ける必要がないため、小型化に対して有利である。

また、本発明の第２の観点に係る圧力センサは、
圧力に応じた変形を生じるメンブレンと、
前記メンブレン上に設けられておりブリッジ回路を形成する第１抵抗体群と、
前記メンブレンにおいて所定の歪特性を生じる第１歪位置に配置される第１温度検出用抵抗体と、前記第１歪位置の歪特性とは打ち消しあう関係にある歪特性を生じる第２歪位置に配置され前記第１温度検出用抵抗体に対して直列接続される第２温度検出用抵抗体と、を含む第２抵抗体群と、を有する。

本発明の第２の観点に係る圧力センサでは、第１温度検出用抵抗体と第２温度検出用抵抗体とが、互いに打ち消しあう関係にある歪特性を生じる位置に配置されており、かつ、互いに直列接続されている。このような構成による第２抵抗体群の出力からは、メンブレンの歪による影響が除去されるため、第２抵抗体群は精度よく温度を検出できる。また、第１温度検出用抵抗体および第２温度検出用抵抗体は、メンブレン上の歪が生じる位置に配置されるため、このような圧力センサは小型化に有利である。また、ブリッジ回路を形成する第１抵抗体群は、メンブレンの歪および圧力を検出する。このような圧力センサでは、温度検出用の素子が、圧力測定用の素子と同じくメンブレン上の歪が生じる領域に配置されるため、温度検出用の素子が配置されている位置の温度条件が、圧力測定用の素子が配置されている場所の温度条件に近い。このため、本発明に係る圧力センサは、圧力測定対象である流体の温度を正確に測定したり、第１抵抗体群の出力に対して正確な温度補正を行ったりすることができる。

また、たとえば、第２の観点に係る圧力センサにおいて、前記第１抵抗体群は、前記第１歪位置に配置される第１抵抗体及び第３抵抗体と、前記第２歪位置に配置される第２抵抗体および第４抵抗体とを有してもよい。

このような圧力センサは、圧力を検出する第１抵抗体群が、温度を検出する第２抵抗体群と同様に、第１歪位置に配置される抵抗体（第１抵抗体および第３抵抗体）と、第２歪位置に配置される抵抗体（第２抵抗体および第４抵抗体）とを含む。したがって、このような圧力センサは、温度検出用の素子が配置されている位置の温度条件が、圧力測定用の素子が配置されている場所の温度条件と同じか非常に近いため、圧力測定対象である流体の温度を正確に測定したり、第１抵抗体群の出力に対して正確な温度補正を行ったりすることができる。

また、たとえば、本発明に係る圧力センサは、前記メンブレンとは独立した基板部を有してもよく、
前記第１抵抗体群に含まれる抵抗体は、前記基板部に含まれる基板配線を介して電気的に接続されてもよい。

ブリッジ回路を構成する第１抵抗体群に含まれる抵抗体は、メンブレン上に設けられる電極部および導体によって接続されていてもよいが、メンブレンとは独立した基板部の配線を介して電気的に接続されていてもよい。基板を用いて配線することにより、メンブレンを小型化することができる。また、メンブレン上の配線構造を単純化することができるため、このような圧力センサは、生産性が良好である。

また、たとえば、本発明に係る圧力センサは、前記メンブレン上に配置されており前記第１抵抗体群に接続する第１電極部と、
前記メンブレン上に配置されており前記第２抵抗体群に接続する第２電極部と、
前記第１電極部と前記第２電極部を接続する配線と、を有してもよい。

このような圧力センサは、第１抵抗体群と第２抵抗体群に対する配線の少なくとも一部が共通化されている。したがって、このような圧力センサは、第１抵抗体群および第２抵抗体群に対する配線を単純化することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る圧力センサの模式断面図である。図２は、第１実施形態に係る圧力センサにおける抵抗体および電極部の配置を示す概念図である。図３は、第１実施形態に係る圧力センサで形成される回路の一例（第１構成例）を示す概念図である。図４は、第１実施形態に係る圧力センサで形成される回路の一例（第２構成例）を示す概念図である。図５は、第１実施形態に係る圧力センサの等価回路図の一例である。図６は、第２実施形態に係る圧力センサにおける抵抗体および電極部の配置を示す概念図である。図７は、第２実施形態に係る圧力センサを用いて形成される回路の一例（第３構成例）を示す概念図である。図８は、第２実施形態に係る圧力センサを用いて形成される回路の一例（第４構成例）を示す概念図である。図９は、第３実施形態に係る圧力センサにおける抵抗体および電極部の配置と配線状態を示す概念図である。図１０は、第３実施形態に係る圧力センサを用いて形成される回路の一例（第５構成例）を示す概念図である。図１１は、第３実施形態に係る圧力センサを用いて形成される回路の一例（第６構成例）を示す概念図である。図１２は、第４実施形態に係る圧力センサにおける抵抗体および電極部の配置と配線状態を示す概念図である。図１３は、第４実施形態に係る圧力センサを用いて形成される回路の一例（第７構成例）を示す概念図である。図１４は、第４実施形態に係る圧力センサを用いて形成される回路の一例（第８構成例）を示す概念図である。

以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。
図１は、本発明に係る圧力センサ１０の概略断面図である。圧力センサ１０は、メンブレン２２を有するステム２０、ステム２０へ圧力を伝える流路１２ｂが形成されている接続部材１２、接続部材１２に対してステム２０を固定する抑え部材１４、メンブレン２２上の電極部などに対して配線される基板部７０などを有する。

図１に示すように、接続部材１２の外周には、圧力センサ１０を測定対象に対して固定するためのねじ溝１２ａが形成されている。ねじ溝１２ａを介して圧力センサ１０を固定することにより、接続部材１２の内部に形成されている流路１２ｂは、測定対象である圧力室に対して気密に連通する。

図１に示すように、ステム２０は、有底（上底）筒状の外形状を有しており、接続部材１２における流路１２ｂの一方の端部に設けられる。ステム２０は、開口部側にフランジ部２１が設けられており、抑え部材１４と接続部材１２との間にフランジ部２１が挟み込まれることにより、接続部材１２に対して固定される。ステム２０の開口部と接続部材１２の流路１２ｂとは、抑え部材１４を用いて気密に連結されており、測定対象の圧力が、ステム２０のメンブレン２２に伝えられる。

ステム２０の上底には、メンブレン２２が備えられる。メンブレン２２は、側壁など、ステム２０における他の部分に比べて肉薄になっており、流路１２ｂから伝えられる圧力に応じた変形を生じる。メンブレン２２は、圧力流体に接触する内面２２ａと、内面２２ａとは反対側の外面２２ｂとを有しており、メンブレン２２の外面２２ｂ側には、後述する第１抵抗体群３２、第２抵抗体群３４（図２参照）や電極部などが設けられる。

抑え部材１４には、メンブレン２２の外面２２ｂに形成された抵抗体群３２、３４に対して電気的に接続される配線や電極部などを有する基板部７０が固定されている。基板部７０の電極部とメンブレン２２上の電極部とは、ワイヤボンディングなどにより形成される接続配線８２などを介して、電気的に接続されている。基板部７０はリング状の外形状を有しており、ステム２０は、基板部７０の中央に形成される貫通穴を挿通している。

図２は、メンブレン２２の外面２２ｂにおける第１抵抗体群３２、第２抵抗体群３４などの配置状態を示す概念図である。図２の上部は、ステム２０の模式断面図であり、図２の下部は、メンブレン２２の外面２２ｂ側であるＺ軸正方向側からステム２０を見た概略平面図である。

図２に示すように、メンブレン２２の外面２２ｂには、歪を検出する抵抗体である第１抵抗体Ｒ１、第２抵抗体Ｒ２、第３抵抗体Ｒ３、第４抵抗体Ｒ４を含む第１抵抗体群３２と、温度を検出する抵抗体である第１温度検出用抵抗体ＲＴ１、第２温度検出用抵抗体ＲＴ２を含む第２抵抗体群３４と、が設けられている。抵抗体Ｒ１〜Ｒ４、ＲＴ１、ＲＴ２は、メンブレン２２の内面２２ａに加えられる圧力に応じて所定の歪特定を生じる第１歪位置である第１円周２４上と、第１歪位置とは異なる歪特性を生じる第２歪位置である第２円周２６上とに、分けて配置されている。

なお、第１抵抗体群３２に含まれる第１〜第４抵抗体Ｒ１〜Ｒ４と、第２抵抗体群３４に含まれる第１および第２温度検出用抵抗体ＲＴ１、ＲＴ２とは、同じ材質および構造の抵抗体であってもよく、異なる材質および構造の抵抗体であってもよい。たとえば、第１〜第４抵抗体Ｒ１〜Ｒ４としては、第１および第２温度検出用抵抗体ＲＴ１、ＲＴ２に比べて、抵抗値の歪依存性が高いものを採用してもよい。また、第１および第２温度検出用抵抗体ＲＴ１、ＲＴ２としては、第１〜第４抵抗体Ｒ１〜Ｒ４に比べて、抵抗値の温度依存性が高いものを採用してもよい。

図２に示すように、第１円周２４は、第２円周２６より小さい半径を有する円の円周である。たとえば、メンブレン２２が内面２２ａから所定の正圧を受けた場合に、第１円周２４上では正の歪＋ε（引張歪）を生じるのに対して、第２円周２６では負の歪−ε（圧縮歪）を生じる。このように、第１歪位置である第１円周２４上における歪特性と、第２歪位置である第２円周２６上における歪特性は、互いに逆方向（打ち消しあう関係）であることが好ましい。

メンブレン２２上に配置される抵抗体Ｒ１〜Ｒ４、ＲＴ１、ＲＴ２のうち、第１抵抗体群３２における第１抵抗体Ｒ１および第３抵抗体Ｒ３と、第２抵抗体群３４における第１温度検出用抵抗体ＲＴ１とは、第１円周２４上に配置されている。これに対して、第１抵抗体群３２における第２抵抗体Ｒ２および第４抵抗体Ｒ４と、第２抵抗体群３４における第２温度検出用抵抗体ＲＴ２とは、第２円周２６上に配置されている。

メンブレン２２の外面２２ｂには、第１および第２抵抗体群３２、３４に接続する電極部が複数設けられている。電極部は、第１抵抗体Ｒ１に接続する第１電極部４１、第２抵抗体Ｒ２に接続する第１電極部４２、第３抵抗体Ｒ３に接続する第１電極部４３のように第１抵抗体群３２に接続する第１電極部４１、４２、４３と、第１温度検出用抵抗体ＲＴ１に接続する第２電極部４５、第２温度検出用抵抗体ＲＴ２に接続する第２電極部４６のように第２抵抗体群３４に接続する第２電極部４５、４６とがある。

電極部４１、４２、４３、４５、４６は、メンブレン２２上の電極部同士またはメンブレン２２の電極部と基板部７０の電極部を接続する配線を形成できるように設けられていればよく、その数は特に限定されない。たとえば、電極部４１、４２、４３、４５、４６は、それぞれの抵抗体Ｒ１〜Ｒ４、ＲＴ１、ＲＴ２につき２つずつ設けられていてもよく、図２に示すように、１つの電極部４１、４２、４３、４５、４６のみが接続されている抵抗体や、電極部４１、４２、４３、４５、４６が直接的には接続されていない抵抗体が、メンブレン２２上に配置されていてもよい。なお、図２に示すように、メンブレン２２上に配置される抵抗体Ｒ１〜Ｒ４、ＲＴ１、ＲＴ２は、電極部４１、４２、４３、４５、４６を介して配線されていてもよく、電極部４１、４２、４３、４５、４６を介さず配線されていてもよい。

電極部４１、４２、４３、４５、４６は、それぞれ対応する抵抗体Ｒ１〜Ｒ４、ＲＴ１、ＲＴ２に導通しており、対応する抵抗体Ｒ１〜Ｒ４、ＲＴ１、ＲＴ２に配線するための導線を固定できるようになっている。なお、電極部４１、４２、４３、４５、４６は、第２円周２６より半径の大きい円周上に沿って形成されており、電極部４１、４２、４３、４５、４６から基板部７０への配線が容易になっている。ただし、電極部４１、４２、４３、４５、４６の配置は特に限定されず、メンブレン２２の上に様々は形状で配置され得る。

図２に示すようなメンブレン２２を有するステム２０およびメンブレン２２上に設けられる第１および第２抵抗体群３２、３４および電極部４１、４２、４３、４５、４６は、たとえば、以下のようにして作製される。まず、メンブレン２２を有するステム２０を機械加工により作製する。ステム２０の材質は、適切な弾性変形を生じるものであれば特に限定されず、例えばステンレスなどの金属や合金が挙げられる。

次に、メンブレン２２の上に、絶縁膜を挟んで半導体薄膜または金属薄膜を形成し、これらの薄膜に対してレーザー加工や、スクリーン印刷のような半導体加工技術による微細加工などを行うことにより、図２に示すような抵抗体群３２、３４および電極部４１、４２、４３、４５、４６を形成する。なお、必要に応じて、抵抗体群３２、３４や、抵抗体群３２、３４と電極部４１、４２、４３、４５、４６との配線部分など、電極部４１、４２、４３、４５、４６以外の部分には、絶縁性の表面層が形成されてもよい。

圧力センサ１０の製造では、第１抵抗体群３２に含まれる抵抗体Ｒ１〜Ｒ４を電気的に接続してブリッジ回路を形成することにより、歪を検出する回路が形成される。各抵抗体Ｒ１〜Ｒ４は、電極部４１、４２、４３および電極部４１、４２、４３を接続する配線を介して接続されていてもよく、メンブレン２２上に半導体製造工程などにより形成された導体パターンにより接続されていてもよい。なお、接続の具体例については、図３および図４を用いて後述する。

図５は、図２に示す圧力センサ１０を用いて形成される圧力および温度検出の等価回路の一例である。図５に示すように、圧力センサ１０は、第１〜第４抵抗体Ｒ１〜Ｒ４を接続してホイートストンブリッジを構成することにより、メンブレン２２の変形（歪）を検出する。なお、ブリッジ回路に含まれる抵抗体の数は４つに限られず、抵抗値の製造ばらつきを補正する補正用の抵抗体などを含む５つ以上の抵抗体により、ブリッジ回路が形成されていてもよい。

また、圧力センサ１０の製造では、第２抵抗体群３４に含まれる第１温度検出用抵抗体ＲＴ１と第２温度検出用抵抗体ＲＴ２を直列接続し、温度を検出する回路が形成される。図５に示す例では、メンブレン２２上に配置される第１および第２温度検出用抵抗体ＲＴ１、ＲＴ２の抵抗値の変化を、電圧変化により検出する。外部抵抗体ＲＴ３としては、たとえばステム２０以外の基板部７０などに配置されており、圧力センサ１０の測定対象である流体の温度や圧力の影響を受け難く、環境変化による抵抗値の変化が少ない抵抗体を用いることが好ましい。なお、外部抵抗体ＲＴ３は、他の抵抗体と同様にメンブレン２２上に配置されていてもよいが、その場合は、他の抵抗体と異なる材質の抵抗体を採用することが好ましい。

図５において点線で囲まれた第１温度検出用抵抗体ＲＴ１と第２温度検出用抵抗体ＲＴ２による回路は、歪による抵抗値の変化を排除した温度検出用の回路として好適に作用する。図２に示すように、第１温度検出用抵抗体ＲＴ１と第２温度検出用抵抗体ＲＴ２とは、メンブレン２２において圧力により変形が生じる領域に配置されている。そのため、第１温度検出用抵抗体ＲＴ１と第２温度検出用抵抗体ＲＴ２の個別の抵抗値については、メンブレン２２の歪（すなわち測定対象の流体圧力）の影響を受ける。しかしながら、第１温度検出用抵抗体ＲＴ１と第２温度検出用抵抗体ＲＴ２とは、互いに打ち消しあう関係（相殺関係）にある歪特性を生じる位置に配置されているため、第１温度検出用抵抗体ＲＴ１と第２温度検出用抵抗体ＲＴ２との抵抗値を合成することにより、圧力センサ１０の回路は、メンブレン２２の歪および圧力の影響を除去し、温度による抵抗変化が検出可能となっている。

図３は、圧力センサ１０で形成される回路の構成例（第１構成例）を示す概念図である。図３（ａ）は、第１および第２抵抗体群３２、３４に含まれる抵抗体Ｒ１〜Ｒ４、ＲＴ１、ＲＴ２の接続状態を示しており、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す接続状態により第１および第２抵抗体群３２、３４によって形成される回路を示している。図３（ａ）に示すように、第１構成例では、第１電極部４２と第１電極部４３とが接続される。また、第１抵抗体Ｒ１と第２抵抗体Ｒ２、第３抵抗体Ｒ３と第４抵抗体Ｒ４、第４抵抗体Ｒ４と第１抵抗体Ｒ１は、それぞれメンブレン２２上の導体パターンにより接続されている。これにより、第１〜第４抵抗体Ｒ１〜Ｒ４は、図３（ｂ）に示すような歪を検出するブリッジ回路を構成する。

図３（ａ）に示すように、第１温度検出用抵抗体ＲＴ１と第２温度検出用抵抗体ＲＴ２は、メンブレン２２上の導体パターンにより接続されている。これにより、第１温度検出用抵抗体ＲＴ１と第２温度検出用抵抗体ＲＴ２は直列接続され、図３（ｂ）に示すような温度を検出する回路を構成する。

図３（ｂ）に示す第１〜第４抵抗体Ｒ１〜Ｒ４によるブリッジ回路と、第１および第２温度検出用抵抗体ＲＴ１、ＲＴ２による回路とは、第１電極部４１、４２、４３および第２電極部４５、４６を介して、図１に示す基板部７０に配線される。図３（ｂ）に示される回路は、図５に示すような共通のＶｄｄから分岐する回路を形成してもよく、図５に示す例とは異なる回路を形成してもよい。

図３（ａ）に示す第１電極部４２、４３の接続や、図１に示す接続配線８２の形成は、たとえばワイヤボンディングなどの手法を用いて行われる。なお、図３（ａ）では、第１および第２電極部４１、４２、４３、４５、４６の接続をわかりやすく説明するために、電極部４２、４３の接続を平面的に表示しているが、電極部４２、４３の接続は、メンブレン２２上で立体的に行われることが好ましい。

図４は、圧力センサ１０で形成される回路の構成例（第２構成例）を示す概念図である。図４（ａ）は、第１および第２抵抗体群３２、３４に含まれる抵抗体Ｒ１〜Ｒ４、ＲＴ１、ＲＴ２の接続状態を示しており、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す接続状態により第１および第２抵抗体群３２、３４によって形成される回路を示している。図４（ａ）に示すように、第２構成例では、第１電極部４１と第２電極部４６とが、外部抵抗体ＲＴ３を挟んで接続されている点と、第１電極部４２と第１電極部４３、および、第１電極部４３と第２電極部４５とが接続されている点が異なるが、その他の点は図３に示す第１構成例と同様である。

図４に示す第２構成例において、第１〜第４抵抗体Ｒ１〜Ｒ４は、図４（ｂ）に示すような歪を検出するブリッジ回路を構成し、第１温度検出用抵抗体ＲＴ１と第２温度検出用抵抗体ＲＴ２は直列接続され、図４（ｂ）に示すような温度を検出する回路を構成する。図４に示す第２構成例では、第１抵抗体群３２に接続する第１電極部４２、４３と、第２抵抗体群３４に接続する第２電極部４５とを接続する第１第２配線６０が形成されている。第１第２配線６０は、メンブレン２２上に、ワイヤボンディングなどにより形成される。

図４（ｂ）に示す回路は、たとえば図５に示されるように電源や電圧計などに接続される。これにより、圧力センサ１０は、第２構成例に示す接続状態により、圧力の検出と温度の検出とを行うことができる。また、第２構成例では、第１構成例とは異なり、第１抵抗体群３２と第２抵抗体群３４に接続する第１第２配線６０が形成されているため、単純な配線により、図４（ｂ）および図５に示すような回路を容易に形成することができる。

上述した第１実施形態に係る圧力センサ１０では、図２に示すように、温度を検出する第２抵抗体群３４が、第１歪位置である第１円周２４上に配置される第１温度検出用抵抗体ＲＴ１と、第２歪位置である第２円周２６上に配置される第２温度検出用抵抗体ＲＴ２とを含む。このような圧力センサ１０では、第１温度検出用抵抗体ＲＴ１と第２温度検出用抵抗体ＲＴ２とが、互いに打ち消しあう関係にある歪特性を生じる位置に配置されているため、第１温度検出用抵抗体ＲＴ１と第２温度検出用抵抗体ＲＴとは、個別の抵抗値の変化についてはメンブレン２２の変形の影響を受けるものの、第１温度検出用抵抗体ＲＴ１と第２温度検出用抵抗体ＲＴとを接続することにより、歪の影響が除かれた抵抗値の変化を検出できる。したがって、圧力センサ１０は、第２抵抗体群３４の抵抗値の変化から温度を検出し、必要に応じて、第１抵抗体群３２からの出力値に対して温度補正を行うことができる。

また、圧力センサ１０は、第１および第２温度検出抵抗体ＲＴ１、ＲＴ２が配置されている位置の温度条件が、圧力を検出する第１〜第４抵抗体Ｒ１〜Ｒ４が配置されている位置の温度条件と同じか非常に近い。そのため、圧力センサ１０は、圧力測定対象である流体の温度を、正確に、かつ良好な応答性を確保しつつ測定することができる。また、圧力センサ１０は、検出した温度を用いて、圧力に関する第１抵抗体群３２の出力に対して、正確な温度補正を行うことができる。また、このような圧力センサ１０は、メンブレン２２の周縁部近傍の位置に温度検出用の抵抗体を配置する領域を設ける必要がないため、小型化に対して有利である。

なお、温度を検出する第１温度検出用抵抗体ＲＴ１と第２温度検出用抵抗体ＲＴ２は、ブリッジ回路を形成する第１〜第４抵抗体Ｒ１〜Ｒ４と同様に第１円周２４上および第２円周２６上に配置されることが好ましいが、第２抵抗体群３４の配置はこれのみには限定されない。すなわち、第１温度検出用抵抗体ＲＴ１と第２温度検出用抵抗体ＲＴ２は、互いに接続されることにより、抵抗値の変化から歪の影響を除くことができる位置関係にあればよく、メンブレン２２上における第１円周２４上または第２円周２６上以外の位置に配置されてもよい。

図６は、本発明の第２実施形態に係る圧力センサ１１０における第１および第２抵抗体群３２、３４、第１および第２電極部４１〜４３、４５、４６、ならびに基板部１７０の配置を示す概念図である。第２実施形態に係る圧力センサ１１０は、メンブレン２２上のすべての電極部４１〜４３、４５、４６が、基板部１７０の対応する基板電極部１７１〜１７３、１７５、１７６に接続されている点が、第１実施形態に係る圧力センサ１０とは異なるが、その他の点は、第１実施形態に係る圧力センサ１０と同様である。第２実施形態に係る圧力センサ１１０の説明では、第１実施形態に係る圧力センサ１０との相違点のみ説明を行い、共通点については説明を省略する。

図７は、圧力センサ１１０で形成される回路の構成例（第３構成例）を示す概念図である。図７（ａ）は、第１および第２抵抗体群３２、３４に含まれる抵抗体Ｒ１〜Ｒ４、ＲＴ１、ＲＴ２の接続状態を示しており、図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す接続状態により第１および第２抵抗体群３２、３４によって形成される回路を示している。図７（ａ）に示すように、第３構成例では、メンブレン２２とは独立した基板部１７０に形成される基板配線１９１により、第１電極部４２と第１電極部４３とが電気的に接続される。その他の配線は、図３（ａ）に示す第１構成例と同様である。

図７に示す圧力センサ１１０の第１〜第４抵抗体Ｒ１〜Ｒ４は、図７（ｂ）に示すような歪を検出するブリッジ回路を構成する。また、第１温度検出用抵抗体ＲＴ１と第２温度検出用抵抗体ＲＴ２とは直列接続され、図７（ｂ）に示すような温度を検出する回路を構成する。

図８は、圧力センサ１１０で形成される回路の構成例（第４構成例）を示す概念図である。図８（ａ）は、第１および第２抵抗体群３２、３４に含まれる抵抗体Ｒ１〜Ｒ４、ＲＴ１、ＲＴ２の接続状態を示しており、図８（ｂ）は、図８（ａ）に示す接続状態により第１および第２抵抗体群３２、３４によって形成される回路を示している。図８（ａ）に示すように、第４構成例では、基板部１７０に配置される外部抵抗体ＲＴ３と基板配線１９３を介して、第１電極部４１と第２電極部４６とが接続されている点と、第１抵抗体群３２と第２抵抗体群３４との接続が、基板部１７０の基板配線１９１、１９２を経由している点とが異なるが、その他の点は図４に示す第２構成例と同様である。

図８に示す第４構成例において、第１〜第４抵抗体Ｒ１〜Ｒ４は、図８（ｂ）に示すような歪を検出するブリッジ回路を構成する。また、第１温度検出用抵抗体ＲＴ１と第２温度検出用抵抗体ＲＴ２は直列接続され、図８（ｂ）に示すような温度を検出する回路を構成する。

図６〜図８に示す第２実施形態に係る圧力センサ１１０は、メンブレン２２上の第１および第２電極部４１〜４３、４５、４６同士を直接接続せず、少なくとも一部の抵抗体Ｒ１〜Ｒ４が、基板部１７０に含まれる基板配線１９１〜１９３を介して電気的に接続され、ブリッジ回路を形成する。このような圧力センサ１１０は、メンブレン２２上でワイヤボンディング等により形成される配線構造を単純化することができるため、生産性の点で有利である。また、基板部１７０に外部抵抗体ＲＴ３を配置することにより、外部抵抗体ＲＴ３を圧力流体から遠ざけることができる。その他、第２実施形態に係る圧力センサ１１０は、圧力センサ１０との共通点については、第１実施形態に係る圧力センサ１０と同様の効果を奏する。

図９は、本発明の第３実施形態に係る圧力センサ２１０における第１および第２抵抗体群３２、３４、第１および第２電極部４１〜４３、４６の配置を示す概念図である。図９（ａ）は、第１および第２抵抗体群３２、３４に含まれる抵抗体Ｒ１〜Ｒ４、ＲＴ１、ＲＴ２の接続状態を示しており、図９（ｂ）は、図９（ａ）に示す接続状態により第１および第２抵抗体群３２、３４によって形成される回路を示している。第３実施形態に係る圧力センサ２１０は、第１温度検出用抵抗体ＲＴ１に接続する電極部（第２電極部４５）が形成されていない点で第１実施形態に係る圧力センサ１０と異なるが、その他の点では、図２に示す圧力センサ１０と同様である。

図９（ａ）に示すように、圧力センサ２１０の第１温度検出用抵抗体ＲＴ１は、第３抵抗体Ｒ３および第４抵抗体Ｒ４に対して、メンブレン２２上に形成される導体パターンにより接続されている。なお、第３実施形態に係る圧力センサ２１０の説明では、第１実施形態に係る圧力センサ１０との相違点のみ説明を行い、共通点については説明を省略する。

図１０は、圧力センサ２１０で形成される回路の構成例（第５構成例）を示す概念図である。図１０（ａ）は、第１および第２抵抗体群３２、３４に含まれる抵抗体Ｒ１〜Ｒ４、ＲＴ１、ＲＴ２の接続状態を示しており、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示す接続状態により第１および第２抵抗体群３２、３４によって形成される回路を示している。図１０（ａ）に示すように、第５構成例では、図３（ａ）に示す第１構成例と同様に、第１電極部４２と第１電極部４３とが接続される。これにより、第１〜第４抵抗体Ｒ１〜Ｒ４は、図１０（ｂ）に示すような歪を検出するブリッジ回路を構成する。

また、第１温度検出用抵抗体ＲＴ１と第２温度検出用抵抗体ＲＴ２は、図１０（ｂ）に示すように直列接続され、温度を検出する回路を構成している。図１０（ｂ）に示される回路は、図５に示す例や図３（ｂ）に示す第１構成例と同様に電源などに接続され、圧力および温度を検出する回路となる。

図１１は、圧力センサ２１０で形成される回路の構成例（第６構成例）を示す概念図である。図１１（ａ）は、第１および第２抵抗体群３２、３４に含まれる抵抗体Ｒ１〜Ｒ４、ＲＴ１、ＲＴ２の接続状態を示しており、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）に示す接続状態により第１および第２抵抗体群３２、３４によって形成される回路を示している。図１１（ａ）に示すように、第６構成例では、第１電極部４１と第２電極部４６とが、外部抵抗体ＲＴ３を挟んで接続されている点が異なるが、その他の点は図１０に示す第５構成例と同様である。

第３実施形態に係る圧力センサ２１０では、メンブレン２２上に配置される第１〜第４抵抗体Ｒ１〜Ｒ４や第１および第２温度検出用抵抗体ＲＴ１、ＲＴ２の配線方法が、第１実施形態に係る圧力センサ１０とは異なる。図３と図１０または図４と図１１の比較から理解できるように、抵抗体Ｒ１〜Ｒ４、ＲＴ１、ＲＴ２の接続は、電極部を介してワイヤボンディングなどによって行われてもよく、メンブレン２２上の導体パターンによって行われてもよい。第３実施形態に係る圧力センサ２１０も、第１実施形態に係る圧力センサ１０と同様の効果を奏する。

図１２は、本発明の第４実施形態に係る圧力センサ３１０における第１および第２抵抗体群３２、３４、第１および第２電極部４１〜４３、４６の配置を示す概念図である。図１２（ａ）は、第１および第２抵抗体群３２、３４に含まれる抵抗体Ｒ１〜Ｒ４、ＲＴ１、ＲＴ２の接続状態を示しており、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）に示す接続状態により第１および第２抵抗体群３２、３４によって形成される回路を示している。第４実施形態に係る圧力センサ３１０は、第１温度検出用抵抗体ＲＴ１に接続する電極部（第２電極部４５）が形成されていない点で第２実施形態に係る圧力センサ１１０と異なるが、その他の点では、図６に示す圧力センサ１１０と同様である。

図１２（ａ）に示すように、圧力センサ３１０の第１温度検出用抵抗体ＲＴ１は、第３実施形態（図９参照）と同様に、第３抵抗体Ｒ３および第４抵抗体Ｒ４に対して、メンブレン２２上に形成される導体パターンにより接続されている。なお、第４実施形態に係る圧力センサ３１０の説明では、第２実施形態に係る圧力センサ１１０との相違点のみ説明を行い、共通点については説明を省略する。

図１３は、圧力センサ３１０で形成される回路の構成例（第７構成例）を示す概念図である。図１３（ａ）は、第１および第２抵抗体群３２、３４に含まれる抵抗体Ｒ１〜Ｒ４、ＲＴ１、ＲＴ２の接続状態を示しており、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）に示す接続状態により第１および第２抵抗体群３２、３４によって形成される回路を示している。図１３（ａ）に示すように、第７構成例では、図７（ａ）に示す第３構成例と同様に、メンブレン２２とは独立した基板部１７０に形成される基板配線１９１により、第１電極部４２と第１電極部４３とが電気的に接続される。

図１４は、圧力センサ３１０で形成される回路の構成例（第８構成例）を示す概念図である。図１４（ａ）は、第１および第２抵抗体群３２、３４に含まれる抵抗体Ｒ１〜Ｒ４、ＲＴ１、ＲＴ２の接続状態を示しており、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）に示す接続状態により第１および第２抵抗体群３２、３４によって形成される回路を示している。図１４（ａ）に示すように、第８構成例では、基板部１７０に配置される外部抵抗体ＲＴ３と基板配線１９３を介して、第１電極部４１と第２電極部４６とが接続される点が異なるが、その他の点は図１３に示す第７構成例と同様である。

第４実施形態に係る圧力センサ３１０では、メンブレン２２上に配置される第１〜第４抵抗体Ｒ１〜Ｒ４や第１および第２温度検出用抵抗体ＲＴ１、ＲＴ２の配線方法が、第２実施形態に係る圧力センサ１１０とは異なるが、第４実施形態に係る圧力センサ３１０も、第２実施形態に係る圧力センサ１１０と同様の効果を奏する。

以上のように、実施形態を挙げて本発明にかかる圧力センサを説明したが、本発明はこれらの実施形態のみに限定されるものではなく、他の多くの実施形態や変形例を含むことは言うまでもない。たとえば、図１に示すステム２０の形状および固定構造は一例にすぎず、本発明の圧力センサは、メンブレンが圧力に応じて適切に変形する、他の任意の形状および固定構造を採用できる。

１０、１１０、２１０、３１０…圧力センサ
１２…接続部材
１２ａ…ねじ溝
１２ｂ…流路
１４…抑え部材
２０…ステム
２２ａ…内面
２２ｂ…外面
２２…メンブレン
２４…第１円周
２６…第２円周
３２…第１抵抗体群
３４…第２抵抗体群
Ｒ１…第１抵抗体
Ｒ２…第２抵抗体
Ｒ３…第３抵抗体
Ｒ４…第４抵抗体
ＲＴ１、ＲＴ２…温度検出用抵抗体
ＲＴ３…外部抵抗体
４１〜４３…第１電極部
４５、４６…第２電極部
１７１〜１７３、１７５、１７６…基板電極部
１９１、１９２、１９３…基板配線
７０、１７０…基板部
６０…第１第２配線

Claims

圧力に応じた変形を生じるメンブレンと、
前記メンブレン上において所定の歪特性を生じる第１歪位置に配置される第１抵抗体及び第３抵抗体と、前記第１歪位置とは異なる歪特性を生じる第２歪位置に配置される第２抵抗体および第４抵抗体とを含み、ブリッジ回路を形成して歪を検出する第１抵抗体群と、
前記第１歪位置に配置される第１温度検出用抵抗体と、前記第２歪位置に配置される第２温度検出用抵抗体と、を含み温度を検出する第２抵抗体群と、を有する圧力センサ。
圧力に応じた変形を生じるメンブレンと、
前記メンブレン上に設けられておりブリッジ回路を形成する第１抵抗体群と、
前記メンブレンにおいて所定の歪特性を生じる第１歪位置に配置される第１温度検出用抵抗体と、前記第１歪位置の歪特性とは打ち消しあう関係にある歪特性を生じる第２歪位置に配置され前記第１温度検出用抵抗体に対して直列接続される第２温度検出用抵抗体と、を含む第２抵抗体群と、を有する圧力センサ。
前記第１抵抗体群は、前記第１歪位置に配置される第１抵抗体及び第３抵抗体と、前記第２歪位置に配置される第２抵抗体および第４抵抗体と、を含む請求項２に記載の圧力センサ。
前記メンブレンとは独立した基板部を有し、
前記第１抵抗体群に含まれる抵抗体は、前記基板部に含まれる基板配線を介して電気的に接続される請求項１から請求項３までのいずれかに記載の圧力センサ。
前記メンブレン上に配置されており前記第１抵抗体群に接続する第１電極部と、
前記メンブレン上に配置されており前記第２抵抗体群に接続する第２電極部と、
前記第１電極部と前記第２電極部を接続する配線と、を有する請求項１から請求項４までのいずれかに記載の圧力センサ。