JP2021043090A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】更なる高感度化と高精度化とが実現された圧力センサを提供する。【解決手段】ダイアフラム３と、ダイアフラム３の変形に伴って検出値が変化する半導体チップ７（検出体）とを備えた圧力センサ１である。ダイアフラム３は、略円板状に形成されているとともに、中心部１１と周囲部１２との間の領域の内部に空洞１３が形成されている。半導体チップ７は、ダイアフラム３の中心部１１が外周側に対して変位することにより検出値が変化するように構成されている。【選択図】 図１

Description

本発明は、ダイアフラムを有する圧力センサに関する。

従来の圧力センサとしては、ダイアフラムの変形や発生応力を感知することにより圧力を測定するものがある。この種の圧力センサにおいては、ダイアフラムの外側形状を最適化することにより、感知部に生じる変化を最大にするとともに、非感知部に生じる変化を最小にして感度および精度の向上が図られている。従来のこの種の圧力センサとしては、例えば特許文献１に記載されているものがある。

ところで、圧力センサが使用される製造装置においては、製造される製品の品質をより一層向上させることが要請されている。この要請に応えるためには、圧力センサの更なる高感度化・高精度化が必要である。

特開２０１７−２２３６４３

しかしながら、圧力センサのダイアフラムの外側形状を最適化するだけでは、更なる高感度化・高精度化を実現することは難しい。この理由は、感度と精度とがトレードオフの関係だからである。すなわち、感度を高くするためにダイアフラムの厚みを薄くすることと、ダイアフラム内部に生じる応力集中に伴うヒステリシスを軽減して精度を高くするためにダイアフラムの厚みを厚くすることとがトレードオフの関係になる。

本発明の目的は、更なる高感度化と高精度化とが実現された圧力センサを提供することである。

この目的を達成するために本発明に係る圧力センサは、ダイアフラムと、前記ダイアフラムの変形に伴って検出値が変化する検出体とを備えた圧力センサであって、前記ダイアフラムは、略円板状に形成されているとともに、中心部と周囲部との間の領域の内部に空洞が形成され、前記検出体は、前記ダイアフラムの前記中心部が外周側に対して変位することにより前記検出値が変化するように構成されているものである。

本発明は、前記圧力センサにおいて、前記空洞は、前記ダイアフラムの厚み方向に並ぶ複数の空間によって構成されていてもよい。

本発明は、前記圧力センサにおいて、さらに、前記ダイアフラムの前記中心部に立てられた第１の支持部材と、前記中心部より径方向の外側であって前記第１の支持部材の両側に立てられた複数の第２の支持部材とを備え、前記検出体は、複数の抵抗からなるブリッジ回路を有する半導体チップによって構成され、前記第１の支持部材と前記第２の支持部材とに支持されていてもよい。

本発明は、前記圧力センサにおいて、前記検出体は、複数の抵抗からなるブリッジ回路を有するひずみゲージによって構成されているとともに、前記ダイアフラムの外表面であって前記中心部と前記空洞との境界となる位置に設けられていてもよい。

本発明においては、ヒステリシスの発生を防いで精度が高くなるようにダイアフラムの厚みを厚く形成しながら、空洞によってダイアフラムの一部の剛性が低くなって感度が高くなる。
したがって、本発明によれば、更なる高感度化と高精度化とが実現された圧力センサを提供することができる。

第１の実施の形態による圧力センサの断面図である。 要部を拡大して示す断面図である。 ダイアフラムの平面図である。 図３におけるIV−IV線断面図である。 ダイアフラムの変形状態を示す断面図である。 ブリッジ回路の構成を示す図である。 ブリッジ回路の抵抗の配置例を示す模式図である。 ダイアフラム中心からの距離と変形量との関係を示すグラフである。 空洞の変形例による圧力センサの要部を拡大して示す断面図である。 ダイアフラムの平面図である。 図１０におけるXI−XI線断面図である。 ダイアフラムの変形状態を示す断面図である。 ダイアフラム中心からの距離と変形量との関係を示すグラフである。 第２の実施の形態による圧力センサの要部を拡大して示す断面図である。 ダイアフラムの平面図である。 図１５におけるXVI−XVI線断面図である。 流体からの圧力によってダイアフラムが変形したときのダイアフラムに発生する応力の分布のシミュレーション結果を示す図である。 図１７をハッチングによって表現した図である。 ダイアフラム中心から距離と応力値との関係を示すグラフである。

（第１の実施の形態）
以下、本発明に係る圧力センサの一実施の形態を図１〜図８を参照して詳細に説明する。
図１に示す圧力センサ１は、円筒状のハウジング２と、ハウジング２の一端部２ａの中に設けられたダイアフラム３と、ダイアフラム３に複数の支持部材４〜６を介して支持された半導体チップ７などを備えている。この圧力センサ１は、測定対象の流体の圧力によってダイアフラム３が撓んだときのダイアフラム３の変位を複数の支持部材４〜６を介して半導体チップ７に伝達することにより流体の圧力を検知する装置である。なお、図１中には、圧力センサ１におけるダイアフラム３の撓みを半導体チップ７に伝達する機構が図示されており、半導体チップ７から出力される信号を処理する回路等のその他の機能部については図示を省略している。

ハウジング２は、金属材料によって形成されており、ダイアフラム３が測定流体の圧力を受けるように、測定流体が流れる配管（図示せず）に接続される。
ダイアフラム３は、金属材料によって円板状に形成されており、外周部の全域がハウジング２の内周面２ｂに隙間なく接合されてハウジング２の開口部分を閉塞している。ダイアフラム３によって閉塞されたハウジング２の中空部内には大気圧が導入される。この実施の形態によるダイアフラム３は、図３に示すように、厚み方向から見て真円となるように形成されている。なお、ダイアフラム３の厚み方向から見た形状は、ハウジング２の中空部を閉塞できる形状であればどのような形状でもよい。ダイアフラム３の形状は、例えば楕円状や、円に近い多角形状などでもよい。すなわち、略円板状でよい。

ダイアフラム３の厚みは、受圧面３ａに測定流体の圧力が加えられてダイアフラム３が変形したときに塑性変形が起こることがないような厚みに設定されている。また、ダイアフラム３は、図４に示すように、中心部１１と周囲部１２との間の領域の内部に空洞１３が形成されている。この実施の形態による空洞１３は、図３に示すように、ダイアフラム３の厚み方向から見て円環状に形成され、円板状のダイアフラム３と同一軸線上に配置されている。すなわち、図３に示された各円は同心円の関係になる。ダイアフラム３の厚み方向における空洞１３の幅は、空洞１３の内周縁から外周縁まで略一定である。空洞１３内は、所定の圧力の気体で満たすことができるし、真空状態とすることができる。なお、空洞１３の形状も略円環状でよい。

このような空洞１３を有するダイアフラム３は、円板状の複数の薄膜を重ね、薄膜どうしを拡散接合により接合させることによって形成することができる。また、ダイアフラム３は、金属素材を使用した３Ｄプリンタ（図示せず）によって形成することもできる。
このように形成されたダイアフラム３は、空洞１３が形成されている部分の剛性が低くなるために、受圧面３ａに測定対象の流体の圧力が加えられることにより図５に示すようにダイアフラム３の中心部１１が平行移動するように大きく変位する。

ダイアフラム３の受圧面３ａとは反対側の裏面３ｂであって、ダイアフラム３の中心位置には、後述する第１の支持部材４が立てて設けられている。また、ダイアフラム３の中心位置より径方向の外側であって第１の支持部材４の両側には、二つの第２の支持部材５，６が立てて設けられている。これらの第１および第２の支持部材４〜６は、ダイアフラム３の中心を通ってダイアフラム３を径方向に横切る仮想線Ｌ（図３参照）に沿って配置されている。

二つの第２の支持部材５，６は、図２に示すように、ダイアフラム３の裏面３ｂであって空洞１３の外周縁より径方向の外側となる位置に配置されている。
第１および第２の支持部材４〜６は、電気的な絶縁性を有する材料によって四角柱状に形成されている。第１および第２の支持部材４〜６を形成する材料としては、例えばガラスを用いることができる。これらの第１および第２の支持部材４〜６の先端に半導体チップ７が接合されている。

半導体チップ７は、平面視矩形状に形成され、Ｓｉ等の半導体基板から構成されている。半導体チップ７には、この半導体チップ７のひずみを抵抗値の変化として検知するひずみゲージ１４（図６参照）が設けられている。この実施の形態においては、ひずみゲージ１４を有する半導体チップ７が本発明でいう「検出体」に相当する。
ひずみゲージ１４は、図６に示すように、４つの抵抗Ｒ１〜Ｒ４からなるブリッジ回路１５によって構成されている。このブリッジ回路１５において、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とは、電流が供給される端子Ｃと端子Ｄとの間に直列に接続されている。抵抗Ｒ４と抵抗Ｒ３とは、電流が供給される端子Ｃと端子Ｄとの間に直列に接続されている。

抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とが接続されるノードは、出力端子Ａであり、抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４とが接続されるノードは、出力端子Ｂである。圧力センサ１では、ブリッジ回路１５の端子Ｃと端子Ｄとの間に一定の電流Ｉを流した状態において、半導体チップ７内部に応力が発生した場合、その応力による抵抗Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値の変化を出力端子Ａの電圧Ｖａと出力端子Ｂの電圧Ｖｂの差電圧（スパン電圧）として出力することにより、測定対象の流体の圧力を測定することができる。

抵抗Ｒ１〜抵抗Ｒ４は、例えば図７に示すように、半導体チップ７の側面７ａに設けたり、図示してはいないが第１および第２の支持部材４〜６とは反対側に位置する主面７ｂに設けることができる。このように抵抗Ｒ１〜Ｒ４が半導体チップ７に設けられることにより、ダイアフラム３の中心部１１が外周側に対して変位することによりひずみゲージ１４の検出値が変化する。

このように構成された圧力センサ１においては、ダイアフラム３の受圧面３ａに測定対象の流体の圧力が加えられてダイアフラム３が図５に示したように変形することによって、第１の支持部材４に対して二つの第２の支持部材５，６が傾斜するようになり、半導体チップ７の主面７ｂに引っ張り応力が生じ、半導体チップ７の裏面７ｃ（図２参照）に圧縮応力が生じる。圧力センサ１は、このときの半導体チップ７のひずみに基づいて測定対象の流体の圧力を測定する。

この実施の形態によるダイアフラム３は、空洞１３が形成されている部分の剛性が低くなる。このため、ダイアフラムが図５に示すように変形するときには、空洞１３が形成されていない場合と較べて中心部１１が大きく変位するようになる。このことは、第２の支持部材５，６に対して第１の支持部材４が大きく変位し、ダイアフラム３の感度が高くなることを意味する。この実施の形態によるダイアフラム３の変形量と、空洞１３が設けられていないダイアフラム３の変形量とを比較すると図８に示すようになる。図８において、実線は、この実施の形態（第１の実施の形態）によるダイアフラム３の変形量を示し、破線は、空洞を有していないダイアフラムの変形量を示す。

図８から分かるように、この実施の形態によるダイアフラム３の中心部１１の変形量と、空洞１３が設けられていないダイアフラムの中心部の変形量とが同一である場合、第２の支持部材５，６が設けられている部位の変形量は、この実施の形態によるダイアフラム３の方が変形量ａだけ少なくなる。すなわち、この実施の形態によるダイアフラム３を使用することにより、半導体チップ７が大きくひずむようになり、感度が高くなる。

この実施の形態によるダイアフラム３においては、空洞１３が形成されているために変形し易いから、変形時にダイアフラム３の外周縁に生じる応力を小さくすることができる。空洞１３が形成されていない従来のダイアフラムで感度向上を図るために厚みを薄く形成すると、変形時に外周縁に応力が集中して塑性変形が発生することがあった。しかし、この実施の形態によるダイアフラム３は、空洞１３が形成されているために、ダイアフラム３の厚みを外周縁に塑性変形が起こることがないような厚みとしても、感度の向上を図ることができる。このことは、ヒステリシスが生じることがなくなり、圧力の検出精度が高くなることを意味する。

したがって、この実施の形態によれば、更なる高感度化と高精度化とが実現された圧力センサを提供することができる。なお、上記のように中心部と外周縁の周囲部との間の領域において、中心部と周囲部よりも剛性が低くなるようにすることが、空洞を形成することの目的であるので、中心部と周囲部の間の領域に主たる空洞が形成されていることが特徴である。例えば、別の目的で剛性の大小関係に影響しない程度の空洞が、中心部あるいは周囲部に形成されてもよい。

（空洞の変形例）
空洞は図９〜図１３に示すように形成することができる。図９〜図１３において、図１〜図８によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略する。
図９〜図１１に示すダイアフラム３の空洞１３は、ダイアフラム３の厚み方向に並ぶ複数の環状空間２１，２２によって構成されている。以下において、環状空間２１，２２を有するダイアフラム３を単に「空洞の変形例によるダイアフラム」といい、図１〜図５に示したダイアフラム３を単に「第１の実施の形態によるダイアフラム」という。

環状空間２１，２２のうち、ダイアフラム３の受圧面３ａに近い第１の環状空間２１は、ダイアフラム３の厚み方向の幅が一定になる円環状に形成されている。また、複数の環状空間２１，２２のうち、ダイアフラム３の裏面３ｂに近い第２の環状空間２２は、第１の環状空間２１とは内径が略同一で、外径が第１の環状空間２１より小さい円環状に形成されている。

第１の環状空間２１と第２の環状空間２２は、ダイアフラム３と同一軸線上に位置付けられている。また、ダイアフラム３の厚み方向における第２の環状空間２２の幅は、内周部から外周部に向かうにしたがって段階的に広くなっている。詳述すると、第１の環状空間２１と隣り合う第２の環状空間２２の底面２２ａは、内周縁から外周縁まで段差が形成されることなく平坦に形成されている。底面２２ａと対向する第２の環状空間２２の天井面２２ｂは、内周縁と外周縁との間に２箇所の段部２３，２４を有する階段状に形成されている。このような空洞１３を有するダイアフラム３においては、図１〜図５に示すダイアフラム３と較べると、中心部１１を支持する部分の剛性が低くなる。

第１および第２の環状空間２１，２２をダイアフラム３に設ける場合、図９に示すように、第１の支持部材４がダイアフラム３の裏面３ｂの中心に配置され、二つの第２の支持部材５，６がダイアフラム３の径方向において第２の環状空間２２の外周縁より径方向の外側に配置される。このように形成された空洞の変形例によるダイアフラム３の受圧面３ａに流体の圧力が加えられると、図１２に示すように、ダイアフラム３の厚みを第１の実施の形態によるダイアフラム３より厚く形成したとしても、中心部１１が容易に変位するようになる。

すなわち、図１３に示すように、第２の支持部材５，６が取り付けられている部分の変形量が少ないにもかかわらず、中心部１１が大きく変形するようになる。図１３において、実線は、空洞の変形例によるダイアフラム３の変形量を示し、二点鎖線は、第１の実施の形態によるダイアフラム３の変形量を示し、破線は、空洞を有していないダイアフラムの変形量を示す。図１３から分かるように、上述した３種類のダイアフラムをそれぞれ中心部１１の変形量が同一になるように変形させた場合、空洞の変形例によるダイアフラム３は、第１の実施の形態によるダイアフラム３と較べて、第２の支持部材５，６を有する部分の変形量が変形量ｂだけ少なくなる。このため、空洞の変形例によるダイアフラム３を使用することにより、更なる高感度化と高精度化とが実現された圧力センサを提供することができる。
空洞１３を複数の環状空間によって構成する場合、環状空間の数は上述したように２つに限定されることはなく、３つ以上とすることができる。

第１の実施の形態および空洞の変形例においては、第２の支持部材を２本使用する例を示した。しかし、第２の支持部材の本数は、２本に限定されることはなく、適宜変更することができる。

（第２の実施の形態）
ダイアフラムの変形に伴って検出値が変化する検出体は、図１４〜図１６に示すように構成することができる。図１４〜図１６において、図１〜図１３によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略する。
図１４に示すダイアフラム３は、円環状の空洞１３を一つだけ有している。この空洞１３は、円板状のダイアフラム３と同一軸線上に配置されている。このダイアフラム３の裏面３ｂ（外表面）であって、中心部１１と空洞１３との境界となる位置（境界部分３１）にひずみゲージ１４が設けられている。この実施の形態においては、ひずみゲージ１４が本発明でいう「ダイアフラム３の変形に伴って検出値が変化する検出体」に相当する。

ダイアフラム３の裏面３ｂであって中心部１１と空洞１３との境界部分３１は、ダイアフラム３に流体の圧力が加えられてダイアフラム３が変形するときに応力が集中する。この応力は、図１７および図１８に示すように、ダイアフラム３の中心部１１と空洞１３の内周縁部との境界部分３１と、ダイアフラム３の周囲部１２と空洞１３の外周縁部との境界部分３１とに大きく発生し、これらの境界部分３１，３２から離れるにしたがって次第に小さくなる。図１７と図１８は、ダイアフラム３の一部を破断して斜め上方から見た状態を表している。図１７においては、応力の大きさを段階的に変化する色によって示している。応力が最大になる部分の色は黒で、応力が最小になる部分の色は白である。図１８においては、応力の大きさをハッチングの平行線の間隔によって表現している。図１８は、応力が大きくなるにしたがって平行線の間隔が狭くなるように描いてある。

この実施の形態によるダイアフラム３の変形時の応力分布は、図１９に示すようになる。図１９において、実線は、この実施の形態（第２の実施の形態）によるダイアフラム３の応力値を示し、破線は、空洞を有していないダイアフラムの応力値を示す。図１９から分かるように、この実施の形態によるダイアフラム３が変形したときに中心部１１と空洞１３との境界部分３１に生じる応力は、周囲部１２と空洞１３との境界部分３２に生じる応力より大きい。応力が最大になる位置、すなわち中心部１１と空洞１３との境界部分３１に、ひずみゲージ１４の抵抗Ｒ１〜Ｒ４を設けることにより、ひずみゲージ１４の感度を最大にすることができる。この場合、図１５に示すように、抵抗Ｒ１〜Ｒ４は、中心部１１と空洞１３との境界部分３１を周方向に４等分する位置に設けることが望ましい。なお、抵抗Ｒ１〜Ｒ４を設ける位置は、図１５に示す位置に限定されることはなく、適宜変更可能である。

このため、この実施の形態を採ることにより、ダイアフラム３に空洞１３が設けられることにより生じる作用（ヒステリシスが生じることなく容易に変形すること）と、応力集中部にひずみゲージ１４の抵抗Ｒ１〜Ｒ４が設けられることにより生じる作用（抵抗Ｒ１〜Ｒ４）が大きくひずむこと）とが相俟って、感度がより一層高くかつ精度がより一層高い圧力センサを実現することができる。

上述した各実施の形態においては、空洞１３をダイアフラム３の周方向に途切れることなく延びる円環状に形成する例を示した。しかし、空洞１３は、図示してはいないが、ダイアフラム３の周方向に所定の間隔をおいて並ぶ複数の空間によって構成することができる。

１…圧力センサ、３…ダイアフラム、４…第１の支持部材、５，６…第２の支持部材、７…半導体チップ（検出体）、１１…中心部、１２…周囲部、１３…空洞、１４…ひずみゲージ、１５…ブリッジ回路、２１…第１の環状空間、２２…第２の環状空間、３１…境界部分、Ｒ１〜Ｒ４…抵抗。

Claims (4)

1. ダイアフラムと、
   前記ダイアフラムの変形に伴って検出値が変化する検出体とを備えた圧力センサであって、
   前記ダイアフラムは、略円板状に形成されているとともに、中心部と周囲部との間の領域の内部に空洞が形成され、
   前記検出体は、前記ダイアフラムの前記中心部が外周側に対して変位することにより前記検出値が変化するように構成されていることを特徴とする圧力センサ。
2. 請求項１記載の圧力センサにおいて、
   前記空洞は、前記ダイアフラムの厚み方向に並ぶ複数の空間によって構成されていることを特徴とする圧力センサ。
3. 請求項１または請求項２記載の圧力センサにおいて、
   さらに、前記ダイアフラムの前記中心部に立てられた第１の支持部材と、
   前記中心部より径方向の外側であって前記第１の支持部材の両側に立てられた複数の第２の支持部材とを備え、
   前記検出体は、複数の抵抗からなるブリッジ回路を有する半導体チップによって構成され、前記第１の支持部材と前記第２の支持部材とに支持されていることを特徴とする圧力センサ。
4. 請求項１または請求項２記載の圧力センサにおいて、
   前記検出体は、複数の抵抗からなるブリッジ回路を有するひずみゲージによって構成されているとともに、前記ダイアフラムの外表面であって前記中心部と前記空洞との境界となる位置に設けられていることを特徴とする圧力センサ。

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