JP2021120634A - 圧力センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】圧力の小さい範囲で良好な感度で測定できるともに、より広い圧力範囲で精度よく測定ができるようにする。【解決手段】圧力センサは、ダイアフラム層１０１と、ダイアフラム層１０１に形成された受圧領域１０２とを備える。また、この圧力センサは、第１ピエゾ歪素子１０３ａ、第２ピエゾ歪素子１０３ｂ、第３ピエゾ歪素子１０３ｃ、第４ピエゾ歪素子１０３ｄを備える。また、この圧力センサは、第１磁気歪素子１０４ａ、第２磁気歪素子１０４ｂ、第３磁気歪素子１０４ｃ、第４磁気歪素子１０４ｄを備える。【選択図】 図１Ａ

Description

本発明は、圧力センサに関する。
例えば、石油、石油化学、化学プラントなどにおいて、プロセス流体の流量、圧力、液位、比重などを測定するために、ピエゾ抵抗式の圧力センサが用いられている（特許文献１参照）。ピエゾ抵抗式の圧力センサは、応答の線形性に優れているが、圧力の小さな領域における感度が低い。この種の圧力センサでは、感度の向上のためには、ダイアフラムをより薄くする対応がある。しかしながら、ダイアフラムを薄くすると、体圧が低下し、また、測定可能な圧力の上限値が低下するなどの問題が発生する。
一方、ピエゾ抵抗式に比べて５０倍以上のゲージファクターを有する歪検出素子が提案されている（特許文献２参照）。この素子は、歪みによって磁化が変化する検知磁性層および参照磁性層を備え、前記検知磁性層と前記参照磁性層とがバリア層を介してトンネル接合した磁気トンネル接合構造を持つものである（磁気トンネル接合素子）。
特許第５２２７７２９号公報 特開２０１６−０１４５８１号公報
しかしながら、磁気トンネル接合素子を用いた圧力センサは、圧力値が小さい範囲において、高い感度を有するが、自身の検知範囲外の圧力は、応答の線形性がくずれ、精度よく圧力測定ができないという問題がある。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、圧力の小さい範囲で良好な感度で測定できるともに、より広い圧力範囲で精度よく測定ができるようにすることを目的とする。
本発明に係る圧力センサは、ダイアフラム層と、ダイアフラム層に形成された受圧領域と、受圧領域の外周部のダイアフラム層に設けられ、ピエゾ抵抗効果により受圧領域の歪みを測定するピエゾ歪素子から構成されたピエゾ歪測定部と、ダイアフラム層の受圧領域に設けられ、歪みによって磁化が変化する材料から構成されて受圧領域の歪みを測定する磁気歪素子から構成された磁気歪測定部とを備える。
上記圧力センサの一構成例において、ピエゾ歪測定部および磁気歪測定部は、受圧領域の、発生する応力がピークとなる位置に配置されている。
上記圧力センサの一構成例において、ピエゾ歪測定部は、受圧領域のピエゾ効果が発生する箇所に配置されている。
上記圧力センサの一構成例において、ピエゾ歪測定部は、第１ブリッジ回路を構成する第１ピエゾ歪素子、第２ピエゾ歪素子、第３ピエゾ歪素子、および第４ピエゾ歪素子から構成され、磁気歪測定部は、第２ブリッジ回路を構成する第１磁気歪素子、第２磁気歪素子、第３磁気歪素子、第４磁気歪素子から構成され、磁気歪測定部は、ピエゾ歪測定部とは異なる箇所に配置されている。
上記圧力センサの一構成例において、第１ピエゾ歪素子、第２ピエゾ歪素子、第３ピエゾ歪素子、および第４ピエゾ歪素子の各々は、平面視の形状が長方形とされ、第１ピエゾ歪素子および第３ピエゾ歪素子は、各々の長手方向の軸が受圧領域の中心から径方向に向かう直線に平行な状態とされ、第２ピエゾ歪素子および第４ピエゾ歪素子は、各々の長手方向の軸が受圧領域の中心から径方向に向う直線に垂直な状態とされている。
上記圧力センサの一構成例において、第１ピエゾ歪素子と第２ピエゾ歪素子とは、隣り合って配置され、第３ピエゾ歪素子と第４ピエゾ歪素子とは、隣り合って配置されている。
上記圧力センサの一構成例において、ダイアフラム層の受圧領域の周囲に形成された第１副受圧領域、第２副受圧領域、第３副受圧領域、および第４副受圧領域と、第１副受圧領域に設けられた第１副ピエゾ歪素子、第２副ピエゾ歪素子と、第２副受圧領域に設けられた第１副磁気歪素子、第２副磁気歪素子と、第３副受圧領域に設けられた第３副ピエゾ歪素子、第４副ピエゾ歪素子と、第４副受圧領域に設けられた第３副磁気歪素子、第４副磁気歪素子とをさらに備え、第１副受圧領域、第２副受圧領域、第３副受圧領域、および第４副受圧領域の各々は、受圧領域の中心から等距離に配置されている。
上記圧力センサの一構成例において、受圧領域は、平面視で円形とされている。
上記圧力センサの一構成例において、受圧領域は、平面視で正方形とされている。
以上説明したように、本発明によれば、ダイアフラム層の受圧領域に、ピエゾ歪測定部と磁気歪測定部とを設けるようにしたので、より広い圧力範囲で精度よく測定ができる。
図１Ａは、本発明の実施の形態１に係る圧力センサの構成を示す平面図である。 図１Ｂは、本発明の実施の形態１に係る圧力センサの構成を示す断面図である。 図２Ａは、本発明の実施の形態２に係る圧力センサの構成を示す平面図である。 図２Ｂは、本発明の実施の形態２に係る圧力センサの構成を示す断面図である。 図３は、本発明の実施の形態３に係る圧力センサの構成を示す平面図である。 図４は、本発明の実施の形態４に係る圧力センサの構成を示す平面図である。 図５は、本発明の実施の形態５に係る圧力センサの構成を示す平面図である。
以下、本発明の実施の形態に係る圧力センサについて説明する。
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１に係る圧力センサについて、図１Ａ、図１Ｂを参照して説明する。
この圧力センサは、ダイアフラム層１０１と、ダイアフラム層１０１に形成された受圧領域１０２とを備える。受圧領域１０２は、例えば、平面視で円形とされている。受圧領域１０２は、ダイアフラム層１０１の一部の領域であり、例えば、ダイアフラム層１０１の平面の法線方向に、撓む（変形する）ことが可能とされている。なお、受圧領域１０２は、平面視の形状を正方形などの多角形とすることもできる。ダイアフラム層１０１は、例えば、基台１１１の上に形成されている。基台１１１には、厚さ方向に基台１１１を貫通する貫通孔１１２が形成されている。基台１１１は、例えば、単結晶シリコンから構成することができる。この場合、受圧領域１０２は、貫通孔１１２の空間により規定される、ダイアフラム層１０１の一部の領域である。
また、この圧力センサは、受圧領域１０２の外周部のダイアフラム層１０１に、第１ピエゾ歪素子１０３ａ、第２ピエゾ歪素子１０３ｂ、第３ピエゾ歪素子１０３ｃ、第４ピエゾ歪素子１０３ｄを備える。第１ピエゾ歪素子１０３ａ、第２ピエゾ歪素子１０３ｂ、第３ピエゾ歪素子１０３ｃ、第４ピエゾ歪素子１０３ｄは、ピエゾ抵抗効果により受圧領域１０２の歪みを測定するピエゾ歪測定部となる。ピエゾ歪素子は、受圧領域１０２の、発生する応力がピークとなる位置に配置することができる。また、ピエゾ歪素子は、受圧領域１０２のピエゾ効果が発生する箇所に配置される。
例えば、ダイアフラム層１０１は、主表面を（１００）面とした単結晶シリコンから構成されている。また、単結晶シリコンから構成されているダイアフラム層１０１の所定の箇所に、ｐ型不純物であるホウ素（Ｂ）が導入されたｐ型の領域から構成されるピエゾ抵抗領域により、ピエゾ歪素子が構成できる。
この例では、４つの第１ピエゾ歪素子１０３ａ、第２ピエゾ歪素子１０３ｂ、第３ピエゾ歪素子１０３ｃ、第４ピエゾ歪素子１０３ｄは、受圧領域１０２の周方向に等間隔で配置されている。また、第１ピエゾ歪素子１０３ａと第３ピエゾ歪素子１０３ｃとを結ぶ第１直線１５１と、第２ピエゾ歪素子１０３ｂと第４ピエゾ歪素子１０３ｄとを結ぶ第２直線１５２とは、互いに直交する。第１直線１５１および第２直線１５２は、ダイアフラム層１０１を構成している主表面を（１００）面とした単結晶シリコンの１１０方向とされている。
第１ピエゾ歪素子１０３ａ、第３ピエゾ歪素子１０３ｃは、平面視の形状が、単結晶シリコンの１１０方向に長手方向が延在する長方形に形成され、受圧領域１０２の撓みによって発生する歪みを測定する。この例では、第１ピエゾ歪素子１０３ａ、第３ピエゾ歪素子１０３ｃの平面視の形状は、各々の長手方向の軸が、受圧領域１０２の中心から径方向に向かう直線に平行な長方形とされている。
一方、第２ピエゾ歪素子１０３ｂ、第４ピエゾ歪素子１０３ｄも、平面視の形状が、単結晶シリコンの１１０方向に長手方向が延在する長方形に形成され、受圧領域１０２の撓みによって発生する歪みを測定する。この例では、第２ピエゾ歪素子１０３ｂ、第４ピエゾ歪素子１０３ｄの平面視の形状は、各々の長手方向の軸が、受圧領域１０２の中心から径方向に向かう直線に垂直な長方形とされている。
上記構成とすることで、受圧領域１０２が撓んだときの、第１ピエゾ歪素子１０３ａおよび第３ピエゾ歪素子１０３ｃと、第２ピエゾ歪素子１０３ｂおよび第４ピエゾ歪素子１０３ｄとの、各々の抵抗値の符号が異なる状態となる。
また、この圧力センサは、ダイアフラム層１０１の受圧領域１０２に、第１磁気歪素子１０４ａ、第２磁気歪素子１０４ｂ、第３磁気歪素子１０４ｃ、第４磁気歪素子１０４ｄを備える。第１磁気歪素子１０４ａ、第２磁気歪素子１０４ｂ、第３磁気歪素子１０４ｃ、第４磁気歪素子１０４ｄは、歪みによって磁化が変化する材料から構成されて受圧領域１０２の歪みを測定する磁気歪測定部となる。磁気歪素子は、受圧領域１０２の、発生する応力がピークとなる位置に配置することができる。
第１磁気歪素子１０４ａ、第２磁気歪素子１０４ｂ、第３磁気歪素子１０４ｃ、第４磁気歪素子１０４ｄの各々は、磁気歪素子は、歪みによって磁化が変化する検知磁性層および検知磁性層の参照となる参照磁性層を備え、検知磁性層と参照磁性層とがバリア層を介してトンネル接合し、検知磁性層と参照磁性層との間の抵抗の変化により受圧領域１０２の歪みを測定する。参照磁性層は、例えば、磁化が固定されている層であり、歪みによって磁化が変化しない。
各磁気歪素子の検知磁性層、バリア層、および参照磁性層は、例えば、ダイアフラム層１０１の上に、ダイアフラム層１０１の厚さ方向に積層された状態で配置される。この場合、第１磁気歪素子１０４ａ、第２磁気歪素子１０４ｂは、受圧領域１０２の撓みによって引っ張り歪みが発生する箇所に配置する。例えば、第１磁気歪素子１０４ａ、第２磁気歪素子１０４ｂは、受圧領域１０２の外周部のダイアフラム層１０１に配置する。これらは、引っ張り歪みが、最も大きく発生する箇所（ピークとなる位置）に配置することで、高い感度が得られるようになる。
一方、第３磁気歪素子１０４ｃ、第４磁気歪素子１０４ｄは、受圧領域１０２の撓みによって圧縮歪みが発生する箇所に配置する。例えば、第３磁気歪素子１０４ｃ、第４磁気歪素子１０４ｄは、受圧領域１０２の中央部に配置する。第３磁気歪素子１０４ｃ、第４磁気歪素子１０４ｄは、歪みの発生しない箇所（受圧領域１０２以外）に配置することもできる。
また、第１磁気歪素子１０４ａ、第２磁気歪素子１０４ｂ、第３磁気歪素子１０４ｃ、第４磁気歪素子１０４ｄは、第１ピエゾ歪素子１０３ａ、第２ピエゾ歪素子１０３ｂ、第３ピエゾ歪素子１０３ｃ、第４ピエゾ歪素子１０３ｄとは異なる箇所に配置する。例えば、第１磁気歪素子１０４ａと第３磁気歪素子１０４ｃとを結ぶ第３直線１５３と、第１直線１５１とのなす角は、４５°とすることができる。なお、第１直線１５１，第２直線１５２，および第３直線１５３は、実際に存在するものではなく、位置を特定するための仮想の線である。
上述した圧力センサでは、まず、第１ピエゾ歪素子１０３ａ、第２ピエゾ歪素子１０３ｂ、第３ピエゾ歪素子１０３ｃ、第４ピエゾ歪素子１０３ｄは、これらを抵抗素子とした第１ブリッジ回路を構成している。第１ブリッジ回路は、一定の電流が流れている状態において受圧領域１０２に応力が発生したとき、発生した応力による各ピエゾ歪素子（ピエゾ抵抗領域）の抵抗値の変化を電圧の変化として出力する。第１ブリッジ回路の各ノードは、ダイアフラム層１０１の図示しない領域の面に形成された配線パターンを介し、図示しない電極に接続されている。
また、この圧力センサでは、第１磁気歪素子１０４ａ、第２磁気歪素子１０４ｂ、第３磁気歪素子１０４ｃ、第４磁気歪素子１０４ｄは、これらを抵抗素子とした第２ブリッジ回路を構成している。第１磁気歪素子１０４ａ、第２磁気歪素子１０４ｂ、第３磁気歪素子１０４ｃ、第４磁気歪素子１０４ｄに対して外部磁場を印加している状態で、受圧領域１０２に応力が発生したとき、発生した応力による各磁気トンネル接合素子の抵抗値の変化を、電圧の変化として出力する。
例えば、第１計測部で、第１ピエゾ歪素子１０３ａ、第２ピエゾ歪素子１０３ｂ、第３ピエゾ歪素子１０３ｃ、第４ピエゾ歪素子１０３ｄを用いた測定により、第１測定候補を求めておく。また、第２計測部で、第１磁気歪素子１０４ａ、第２磁気歪素子１０４ｂ、第３磁気歪素子１０４ｃ、第４磁気歪素子１０４ｄを用いた測定により、第２測定候補を求めておく。
以上のように各候補を求めた後、決定部が、第１測定候補が、設定されている微小圧力値の範囲である場合、第２測定候補を測定結果とする。一方、決定部は、第１測定候補が、設定されている微小圧力値の範囲を超えて、より高い圧力値の場合、第１測定候補を測定結果とする。微小圧力値の範囲は、磁気歪素子の応答が線形となる範囲に設定する。
なお、磁気歪素子は、歪みによって磁化が変化する検知磁性層、非磁性材料から構成された非磁性層、および検知磁性層の参照となる参照磁性層がこれらの順に積層され、非磁性層の平面に平行な方向の抵抗の変化により受圧領域の歪みを測定するものとすることもできる。この場合、ピエゾ歪素子の構成と同様に、４つの第１磁気歪素子、第２磁気歪素子、第３磁気歪素子、第４磁気歪素子を用いることができる。また、この場合、第１磁気歪素子、第３磁気歪素子の平面視の形状は、各々の長手方向の軸が、受圧領域の中心から径方向に向かう直線に平行な長方形とし、第２ピエゾ歪素子、第４ピエゾ歪素子の平面視の形状は、各々の長手方向の軸が、受圧領域の中心から径方向に向かう直線に垂直な長方形とすることができる。
上述した実施の形態１に係る圧力センサによれば、圧力値が小さい範囲では、磁気歪測定部により圧力が測定され、圧力値が大きい範囲では、ピエゾ歪測定部により圧力が測定されるので、圧力の小さい範囲で良好な感度で測定できるともに、より広い圧力範囲で精度よく測定ができるようになる。
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２に係る圧力センサについて、図２Ａ、図２Ｂを参照して説明する。
この圧力センサは、ダイアフラム層１０１と、ダイアフラム層１０１に形成された受圧領域１０２とを備える。また、この圧力センサは、第１ピエゾ歪素子１０３ａ、第２ピエゾ歪素子１０３ｂ、第３ピエゾ歪素子１０３ｃ、第４ピエゾ歪素子１０３ｄを備える。また、この圧力センサは、第１磁気歪素子１０４ａ、第２磁気歪素子１０４ｂ、第３磁気歪素子１０４ｃ、第４磁気歪素子１０４ｄを備える。これらの構成は、前述した実施の形態１と同様である。
実施の形態２では、まず、ダイアフラム層１０１の受圧領域１０２の周囲に、第１副受圧領域２０２ａ、第２副受圧領域２０２ｂ、第３副受圧領域２０２ｃ、および第４副受圧領域２０２ｄが形成されている。例えば、第２副受圧領域２０２ｂおよび第４副受圧領域２０２ｄは、図２Ｂに示すように、基台１１１に形成された空洞１１３ｂ、空洞１１３ｄにより規定される、ダイアフラム層１０１の一部の領域である。第１副受圧領域２０２ａおよび第３副受圧領域２０２ｃも同様である。なお、図２Ｂは、図２Ａの第１直線１５１における断面を示している。第１副受圧領域２０２ａ、第２副受圧領域２０２ｂ、第３副受圧領域２０２ｃ、および第４副受圧領域２０２ｄの各々は、平面視で、隣り合う辺の長さが異なる長方形とされている。
また、実施の形態２では、第１副受圧領域２０２ａに、第１副ピエゾ歪素子２０３ａ、第２副ピエゾ歪素子２０３ｂが設けられている。また、第２副受圧領域２０２ｂに、第１副磁気歪素子２０４ａ、第２副磁気歪素子２０４ｂが設けられている。また、第３副受圧領域２０２ｃに、第３副ピエゾ歪素子２０３ｃ、第４副ピエゾ歪素子２０３ｄが設けられている。また、第４副受圧領域２０２ｄに、第３副磁気歪素子２０４ｃ、第４副磁気歪素子２０４ｄが設けられている。
第１副ピエゾ歪素子２０３ａ、第２副ピエゾ歪素子２０３ｂ、第３副ピエゾ歪素子２０３ｃ、第４副ピエゾ歪素子２０３ｄは、第１ピエゾ歪素子１０３ａ、第２ピエゾ歪素子１０３ｂ、第３ピエゾ歪素子１０３ｃ、第４ピエゾ歪素子１０３ｄと同様であり、ピエゾ抵抗領域を備える素子である。
第１副磁気歪素子２０４ａ、第２副磁気歪素子２０４ｂ、第３副磁気歪素子２０４ｃ、第４副磁気歪素子２０４ｄは、第１磁気歪素子１０４ａ、第２磁気歪素子１０４ｂ、第３磁気歪素子１０４ｃ、第４磁気歪素子１０４ｄと同様である。
実施の形態２では、受圧領域１０２により差圧測定部を構成し、第１副受圧領域２０２ａ、第２副受圧領域２０２ｂ、第３副受圧領域２０２ｃ、および第４副受圧領域２０２ｄにより、静圧測定部を構成する（特許文献１参照）。
ここで、第１副ピエゾ歪素子２０３ａ、第１副磁気歪素子２０４ａ、第３副ピエゾ歪素子２０３ｃ、第３副磁気歪素子２０４ｃの各々は、第１副受圧領域２０２ａ、第２副受圧領域２０２ｂ、第３副受圧領域２０２ｃ、第４副受圧領域２０２ｄの各々の中央に配置されている。また、第１副ピエゾ歪素子２０３ａ、第３副ピエゾ歪素子２０３ｃは、平面視で長方形の副受圧領域の長手方向に沿って設けられている。
また、第２副ピエゾ歪素子２０３ｂ、第２副磁気歪素子２０４ｂ、第４副ピエゾ歪素子２０３ｄ、第４副磁気歪素子２０４ｄの各々は、第１副受圧領域２０２ａ、第２副受圧領域２０２ｂ、第３副受圧領域２０２ｃ、第４副受圧領域２０２ｄの各々のエッジに配置されている。また、第２副ピエゾ歪素子２０３ｂ、第４副ピエゾ歪素子２０３ｄは、平面視で長方形の副受圧領域の長手方向に沿って設けられている。
上述した実施の形態２によれば、静圧測定部における発生応力を、効率よく測定することができる。この結果、静圧の測定感度を高くすることができる。
上述した実施の形態２においても、圧力値が小さい範囲では、磁気歪測定部により圧力が測定され、圧力値が大きい範囲では、ピエゾ歪測定部により圧力が測定されるので、圧力の小さい範囲で良好な感度で測定できるともに、より広い圧力範囲で精度よく測定ができるようになる。
［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３に係る圧力センサについて、図３を参照して説明する。
この圧力センサは、ダイアフラム層１０１と、ダイアフラム層１０１に形成された受圧領域１０２とを備える。ダイアフラム層１０１は、例えば、基台１１１の上に形成されている。これらの構成は、前述した実施の形態１と同様である。
また、この圧力センサも、受圧領域１０２の外周部のダイアフラム層１０１に、構成する第１ピエゾ歪素子１２３ａ、第２ピエゾ歪素子１２３ｂ、第３ピエゾ歪素子１２３ｃ、第４ピエゾ歪素子１２３ｄを備える。第１ピエゾ歪素子１２３ａ、第２ピエゾ歪素子１２３ｂ、第３ピエゾ歪素子１２３ｃ、第４ピエゾ歪素子１２３ｄの各々は、ピエゾ抵抗効果により受圧領域１０２の歪みを測定するピエゾ歪測定部となる。
例えば、ダイアフラム層１０１は、主表面を（１００）面とした単結晶シリコンから構成されている。また、単結晶シリコンから構成されているダイアフラム層１０１の所定の箇所に、ｐ型不純物であるホウ素（Ｂ）が導入されたｐ型の領域から構成されるピエゾ抵抗領域により、ピエゾ歪素子が構成できる。
実施の形態３においても、第１ピエゾ歪素子１２３ａ、第３ピエゾ歪素子１２３ｃの平面視の形状は、各々の長手方向の軸が、受圧領域１０２の中心から径方向に向かう直線に平行な長方形とされている。また、第２ピエゾ歪素子１２３ｂ、第４ピエゾ歪素子１２３ｄの平面視の形状は、各々の長手方向の軸が、受圧領域１０２の中心から径方向に向かう直線に垂直な長方形とされている。
また、実施の形態３では、第１ピエゾ歪素子１２３ａと第２ピエゾ歪素子１２３ｂとは、隣り合って配置され、第３ピエゾ歪素子１２３ｃと第４ピエゾ歪素子１２３ｄとは、隣り合って配置されている。例えば、第１ピエゾ歪素子１２３ａと第２ピエゾ歪素子１２３ｂとの組は、第１直線１５１の上に配置され、第３ピエゾ歪素子１２３ｃと第４ピエゾ歪素子１２３ｄとの組は、第２直線１５２の上に配置されている。なお、前述したように、第１直線１５１および第２直線１５２は、ダイアフラム層１０１を構成している主表面を（１００）面とした単結晶シリコンの１１０方向とされている。
上記構成とすることで、受圧領域１０２が撓んだときの、第１ピエゾ歪素子１２３ａおよび第２ピエゾ歪素子１２３ｂと、第３ピエゾ歪素子１２３ｃおよび第４ピエゾ歪素子１２３ｄとの、各々の抵抗値の符号が異なる状態となる。
また、この圧力センサは、ダイアフラム層１０１の受圧領域１０２に、第１磁気歪素子１２４ａ、第２磁気歪素子１２４ｂ、第３磁気歪素子１２４ｃ、第４磁気歪素子１２４ｄを備える。これらは、前述した実施の形態１の第１磁気歪素子１０４ａ、第２磁気歪素子１０４ｂ、第３磁気歪素子１０４ｃ、第４磁気歪素子１０４ｄと同様であり、歪みによって磁化が変化する検知磁性層および検知磁性層の参照となる参照磁性層を備え、検知磁性層と参照磁性層とがバリア層を介してトンネル接合し、検知磁性層と参照磁性層との間の抵抗の変化により受圧領域１０２の歪みを測定する。
実施の形態３においても、第１磁気歪素子１２４ａ、第２磁気歪素子１２４ｂは、受圧領域１０２の撓みによって引っ張り歪みが発生する箇所に配置する。これらは、引っ張り歪みが、最も大きく発生する箇所（ピークとなる位置）に配置することで、高い感度が得られるようになる。例えば、第１磁気歪素子１２４ａ、第２磁気歪素子１２４ｂは、受圧領域１０２の外周部のダイアフラム層１０１に配置する。図３では、第１磁気歪素子１２４ａを第１直線１５１の上に配置し、第２磁気歪素子１２４ｂを第２直線１５２の上に配置しているが、これは１例であり、これに限るものではない。
一方、第３磁気歪素子１２４ｃ、第４磁気歪素子１２４ｄは、受圧領域１０２の撓みによって圧縮歪みが発生する箇所に配置する。例えば、第３磁気歪素子１２４ｃ、第４磁気歪素子１２４ｄは、受圧領域１０２の中央部に配置する。第３磁気歪素子１２４ｃ、第４磁気歪素子１２４ｄは、歪みの発生しない箇所（受圧領域１０２以外）に配置することもできる。
実施の形態３においても、第１ピエゾ歪素子１２３ａ、第２ピエゾ歪素子１２３ｂ、第３ピエゾ歪素子１２３ｃ、第４ピエゾ歪素子１２３ｄは、これらを抵抗素子とした第１ブリッジ回路を構成している。第１ブリッジ回路は、一定の電流が流れている状態において受圧領域１０２に応力が発生したとき、発生した応力による各ピエゾ歪素子（ピエゾ抵抗領域）の抵抗値の変化を電圧の変化として出力する。第１ブリッジ回路の各ノードは、ダイアフラム層１０１の図示しない領域の面に形成された配線パターンを介し、図示しない電極に接続されている。
また、実施の形態３においても、第１磁気歪素子１２４ａ、第２磁気歪素子１２４ｂ、第３磁気歪素子１２４ｃ、第４磁気歪素子１２４ｄは、これらを抵抗素子とした第２ブリッジ回路を構成している。第１磁気歪素子１２４ａ、第２磁気歪素子１２４ｂ、第３磁気歪素子１２４ｃ、第４磁気歪素子１２４ｄに対して外部磁場を印加している状態で、受圧領域１０２に応力が発生したとき、発生した応力による各磁気トンネル接合素子の抵抗値の変化を、電圧の変化として出力する。
例えば、第１計測部で、第１ピエゾ歪素子１２３ａ、第２ピエゾ歪素子１２３ｂ、第３ピエゾ歪素子１２３ｃ、第４ピエゾ歪素子１２３ｄを用いた測定により、第１測定候補を求めておく。また、第２計測部で、第１磁気歪素子１２４ａ、第２磁気歪素子１２４ｂ、第３磁気歪素子１２４ｃ、第４磁気歪素子１２４ｄを用いた測定により、第２測定候補を求めておく。
以上のように各候補を求めた後、決定部が、第１測定候補が、設定されている微小圧力値の範囲である場合、第２測定候補を測定結果とする。一方、決定部は、第１測定候補が、設定されている微小圧力値の範囲を超えて、より高い圧力値の場合、第１測定候補を測定結果とする。微小圧力値の範囲は、磁気歪素子の応答が線形となる範囲に設定する。
上述した実施の形態３に係る圧力センサにおいても、圧力値が小さい範囲では、磁気歪測定部により圧力が測定され、圧力値が大きい範囲では、ピエゾ歪測定部により圧力が測定されるので、圧力の小さい範囲で良好な感度で測定できるともに、より広い圧力範囲で精度よく測定ができるようになる。
［実施の形態４］
次に、本発明の実施の形態４に係る圧力センサについて、図４を参照して説明する。
この圧力センサは、ダイアフラム層１０１と、ダイアフラム層１０１に形成された受圧領域１０２とを備える。また、この圧力センサは、第１ピエゾ歪素子１２３ａ、第２ピエゾ歪素子１２３ｂ、第３ピエゾ歪素子１２３ｃ、第４ピエゾ歪素子１２３ｄを備える。また、この圧力センサは、第１磁気歪素子１２４ａ、第２磁気歪素子１２４ｂ、第３磁気歪素子１２４ｃ、第４磁気歪素子１２４ｄを備える。これらの構成は、前述した実施の形態３と同様である。
実施の形態４では、まず、ダイアフラム層１０１の受圧領域１０２の周囲に、第１副受圧領域２０２ａ、第２副受圧領域２０２ｂ、第３副受圧領域２０２ｃ、および第４副受圧領域２０２ｄが形成されている。例えば、第２副受圧領域２０２ｂおよび第４副受圧領域２０２ｄは、図２Ｂを用いて説明したように、基台１１１に形成された空洞１１３ｂ、空洞１１３ｄにより規定される、ダイアフラム層１０１の一部の領域である。第１副受圧領域２０２ａおよび第３副受圧領域２０２ｃも同様である。これらの副受圧領域は、前述した実施の形態２と同様である。
ここで、実施の形態４において、第１副受圧領域２０２ａは、第１直線１５１の上に配置されている。第１直線１５１の上には、第１ピエゾ歪素子１２３ａと第２ピエゾ歪素子１２３ｂとの組が配置されている。言い換えると、第１副受圧領域２０２ａは、受圧領域１０２の中心から見て、第１ピエゾ歪素子１２３ａと第２ピエゾ歪素子１２３ｂとの組が配置されている延長線上に配置されている。
また、第２副受圧領域２０２ｂは、第２直線１５２の上に配置されている。第２直線１５２の上には、第１磁気歪素子１２４ａが配置されている。言い換えると、第２副受圧領域２０２ｂは、受圧領域１０２の中心から見て、第１磁気歪素子１２４ａが配置されている延長線上に配置されている。
また、第３副受圧領域２０２ｃは、第２直線１５２の上に配置されている。第２直線１５２の上には、第３ピエゾ歪素子１２３ｃと第４ピエゾ歪素子１２３ｄとの組が配置されている。言い換えると、第３副受圧領域２０２ｃは、受圧領域１０２の中心から見て、第３ピエゾ歪素子１２３ｃと第４ピエゾ歪素子１２３ｄとの組が配置されている延長線上に配置されている。
また、第４副受圧領域２０２ｄは、第１直線１５１の上に配置されている。第１直線１５１の上には、第２磁気歪素子１２４ｂが配置されている。言い換えると、第４副受圧領域２０２ｄは、受圧領域１０２の中心から見て、第２磁気歪素子１２４ｂが配置されている延長線上に配置されている。
また、実施の形態４では、第１副受圧領域２０２ａに、第１副ピエゾ歪素子２０３ａ、第２副ピエゾ歪素子２０３ｂが設けられている。また、第２副受圧領域２０２ｂに、第１副磁気歪素子２０４ａ、第２副磁気歪素子２０４ｂが設けられている。また、第３副受圧領域２０２ｃに、第３副ピエゾ歪素子２０３ｃ、第４副ピエゾ歪素子２０３ｄが設けられている。また、第４副受圧領域２０２ｄに、第３副磁気歪素子２０４ｃ、第４副磁気歪素子２０４ｄが設けられている。
第１副ピエゾ歪素子２０３ａ、第２副ピエゾ歪素子２０３ｂ、第３副ピエゾ歪素子２０３ｃ、第４副ピエゾ歪素子２０３ｄは、第１ピエゾ歪素子１２３ａ、第２ピエゾ歪素子１２３ｂ、第３ピエゾ歪素子１２３ｃ、第４ピエゾ歪素子１２３ｄと同様であり、ピエゾ抵抗領域を備える素子である。
第１副磁気歪素子２０４ａ、第２副磁気歪素子２０４ｂ、第３副磁気歪素子２０４ｃ、第４副磁気歪素子２０４ｄは、第１磁気歪素子１２４ａ、第２磁気歪素子１２４ｂ、第３磁気歪素子１２４ｃ、第４磁気歪素子１２４ｄと同様である。
実施の形態４では、受圧領域１０２により差圧測定部を構成し、第１副受圧領域２０２ａ、第２副受圧領域２０２ｂ、第３副受圧領域２０２ｃ、および第４副受圧領域２０２ｄにより、静圧測定部を構成する（特許文献１参照）。
ここで、第１副ピエゾ歪素子２０３ａ、第１副磁気歪素子２０４ａ、第３副ピエゾ歪素子２０３ｃ、第３副磁気歪素子２０４ｃの各々は、第１副受圧領域２０２ａ、第２副受圧領域２０２ｂ、第３副受圧領域２０２ｃ、第４副受圧領域２０２ｄの各々の中央に配置されている。また、第１副ピエゾ歪素子２０３ａ、第３副ピエゾ歪素子２０３ｃは、平面視で長方形の副受圧領域の長手方向に沿って設けられている。
また、第２副ピエゾ歪素子２０３ｂ、第２副磁気歪素子２０４ｂ、第４副ピエゾ歪素子２０３ｄ、第４副磁気歪素子２０４ｄの各々は、第１副受圧領域２０２ａ、第２副受圧領域２０２ｂ、第３副受圧領域２０２ｃ、第４副受圧領域２０２ｄの各々のエッジに配置されている。また、第２副ピエゾ歪素子２０３ｂ、第４副ピエゾ歪素子２０３ｄ、平面視で長方形の副受圧領域の長手方向に沿って設けられている。
上述した実施の形態４によれば、静圧測定部における発生応力を、効率よく測定することができる。この結果、静圧の測定感度を高くすることができる。
上述した実施の形態４においても、圧力値が小さい範囲では、磁気歪測定部により圧力が測定され、圧力値が大きい範囲では、ピエゾ歪測定部により圧力が測定されるので、圧力の小さい範囲で良好な感度で測定できるともに、より広い圧力範囲で精度よく測定ができるようになる。
［実施の形態５］
次に、本発明の実施の形態５に係る圧力センサについて、図５を参照して説明する。
この圧力センサは、ダイアフラム層１０１と、ダイアフラム層１０１に形成された受圧領域１０２ａとを備える。受圧領域１０２ａは、平面視で正方形とされている。この正方形の各辺は、ダイアフラム層１０１を構成している主表面を（１００）面とした単結晶シリコンの１１０方向とされている。
また、この圧力センサは、第１ピエゾ歪素子１２３ａ、第２ピエゾ歪素子１２３ｂ、第３ピエゾ歪素子１２３ｃ、第４ピエゾ歪素子１２３ｄを備える。第１ピエゾ歪素子１２３ａと第２ピエゾ歪素子１２３ｂとの組は、平面視正方形とされた受圧領域１０２ａの第１辺１６１の中央部に配置されている。また、第３ピエゾ歪素子１２３ｃと第４ピエゾ歪素子１２３ｄとの組は、平面視正方形とされた受圧領域１０２ａの第２辺１６２の中央部に配置されている。第２辺１６２は、第１辺１６１に隣り合う辺である。
また、この圧力センサは、第１磁気歪素子１２４ａ、第２磁気歪素子１２４ｂ、第３磁気歪素子１２４ｃ、第４磁気歪素子１２４ｄを備える。第１磁気歪素子１２４ａは、平面視正方形とされた受圧領域１０２ａの第４辺１６４の中央部に配置されている。また、第２磁気歪素子１２４ｂは、平面視正方形とされた受圧領域１０２ａの第３辺１６３の中央部に配置されている。第３辺１６３は、第３辺１６３に隣り合い、第１辺１６１に対向する辺である。第４辺１６４は、第１辺１６１および第３辺１６３に隣り合い、第２辺１６２に体躯する辺である。
上述した各素子の構成は、前述した実施の形態４と同様である。
実施の形態５でも、前述した実施の形態４と同様に、ダイアフラム層１０１の受圧領域１０２ａの周囲に、第１副受圧領域２０２ａ、第２副受圧領域２０２ｂ、第３副受圧領域２０２ｃ、および第４副受圧領域２０２ｄが形成されている。また、実施の形態５においても、第１副受圧領域２０２ａは、第１直線１５１の上に配置されている。第１直線１５１の上には、第１ピエゾ歪素子１２３ａと第２ピエゾ歪素子１２３ｂとの組が配置されている。言い換えると、第１副受圧領域２０２ａは、受圧領域１０２ａの中心から見て、第１ピエゾ歪素子１２３ａと第２ピエゾ歪素子１２３ｂとの組が配置されている延長線上に配置されている。
また、第２副受圧領域２０２ｂは、第２直線１５２の上に配置されている。第２直線１５２の上には、第１磁気歪素子１２４ａが配置されている。言い換えると、第２副受圧領域２０２ｂは、受圧領域１０２ａの中心から見て、第１磁気歪素子１２４ａが配置されている延長線上に配置されている。
また、第３副受圧領域２０２ｃは、第２直線１５２の上に配置されている。第２直線１５２の上には、第３ピエゾ歪素子１２３ｃと第４ピエゾ歪素子１２３ｄとの組が配置されている。言い換えると、第３副受圧領域２０２ｃは、受圧領域１０２ａの中心から見て、第３ピエゾ歪素子１２３ｃと第４ピエゾ歪素子１２３ｄとの組が配置されている延長線上に配置されている。
また、第４副受圧領域２０２ｄは、第１直線１５１の上に配置されている。第１直線１５１の上には、第２磁気歪素子１２４ｂが配置されている。言い換えると、第４副受圧領域２０２ｄは、受圧領域１０２ａの中心から見て、第２磁気歪素子１２４ｂが配置されている延長線上に配置されている。
また、実施の形態５でも、第１副受圧領域２０２ａに、第１副ピエゾ歪素子２０３ａ、第２副ピエゾ歪素子２０３ｂが設けられている。また、第２副受圧領域２０２ｂに、第１副磁気歪素子２０４ａ、第２副磁気歪素子２０４ｂが設けられている。また、第３副受圧領域２０２ｃに、第３副ピエゾ歪素子２０３ｃ、第４副ピエゾ歪素子２０３ｄが設けられている。また、第４副受圧領域２０２ｄに、第３副磁気歪素子２０４ｃ、第４副磁気歪素子２０４ｄが設けられている。
第１副ピエゾ歪素子２０３ａ、第２副ピエゾ歪素子２０３ｂ、第３副ピエゾ歪素子２０３ｃ、第４副ピエゾ歪素子２０３ｄは、第１ピエゾ歪素子１２３ａ、第２ピエゾ歪素子１２３ｂ、第３ピエゾ歪素子１２３ｃ、第４ピエゾ歪素子１２３ｄと同様であり、ピエゾ抵抗領域を備える素子である。
第１副磁気歪素子２０４ａ、第２副磁気歪素子２０４ｂ、第３副磁気歪素子２０４ｃ、第４副磁気歪素子２０４ｄは、第１磁気歪素子１２４ａ、第２磁気歪素子１２４ｂ、第３磁気歪素子１２４ｃ、第４磁気歪素子１２４ｄと同様である。
実施の形態５では、受圧領域１０２ａにより差圧測定部を構成し、第１副受圧領域２０２ａ、第２副受圧領域２０２ｂ、第３副受圧領域２０２ｃ、および第４副受圧領域２０２ｄにより、静圧測定部を構成する（特許文献１参照）。
ここで、第１副ピエゾ歪素子２０３ａ、第１副磁気歪素子２０４ａ、第３副ピエゾ歪素子２０３ｃ、第３副磁気歪素子２０４ｃの各々は、第１副受圧領域２０２ａ、第２副受圧領域２０２ｂ、第３副受圧領域２０２ｃ、第４副受圧領域２０２ｄの各々の中央に配置されている。また、第１副ピエゾ歪素子２０３ａ、第３副ピエゾ歪素子２０３ｃは、平面視で長方形の副受圧領域の長手方向に沿って設けられている。
また、第２副ピエゾ歪素子２０３ｂ、第２副磁気歪素子２０４ｂ、第４副ピエゾ歪素子２０３ｄ、第４副磁気歪素子２０４ｄの各々は、第１副受圧領域２０２ａ、第２副受圧領域２０２ｂ、第３副受圧領域２０２ｃ、第４副受圧領域２０２ｄの各々のエッジに配置されている。また、第２副ピエゾ歪素子２０３ｂ、第４副ピエゾ歪素子２０３ｄ、平面視で長方形の副受圧領域の長手方向に沿って設けられている。
上述した実施の形態５によれば、静圧測定部における発生応力を、効率よく測定することができる。この結果、静圧の測定感度を高くすることができる。
上述した実施の形態５においても、圧力値が小さい範囲では、磁気歪測定部により圧力が測定され、圧力値が大きい範囲では、ピエゾ歪測定部により圧力が測定されるので、圧力の小さい範囲で良好な感度で測定できるともに、より広い圧力範囲で精度よく測定ができるようになる。
以上に説明したように、本発明によれば、ダイアフラム層の受圧領域に、ピエゾ歪測定部と磁気歪測定部とを設けるようにしたので、より広い圧力範囲で精度よく測定ができるようになる。
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
１０１…ダイアフラム層、１０２…受圧領域、１０３ａ…第１ピエゾ歪素子、１０３ｂ…第２ピエゾ歪素子、１０３ｃ…第３ピエゾ歪素子、１０３ｄ…第４ピエゾ歪素子、１０４ａ…第１磁気歪素子、１０４ｂ…第２磁気歪素子、１０４ｃ…第３磁気歪素子、１０４ｄ…第４磁気歪素子、１１１…基台、１１２…貫通孔、１５１…第１直線、１５２…第２直線、１５３…第３直線。

Claims (9)

  1. ダイアフラム層と、
    前記ダイアフラム層に形成された受圧領域と、
    前記受圧領域の外周部の前記ダイアフラム層に設けられ、ピエゾ抵抗効果により前記受圧領域の歪みを測定するピエゾ歪素子から構成されたピエゾ歪測定部と、
    前記ダイアフラム層の前記受圧領域に設けられ、歪みによって磁化が変化する材料から構成されて前記受圧領域の歪みを測定する磁気歪素子から構成された磁気歪測定部と
    を備える圧力センサ。
  2. 請求項１記載の圧力センサにおいて、
    前記ピエゾ歪測定部および前記磁気歪測定部は、前記受圧領域の、発生する応力がピークとなる位置に配置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２記載の圧力センサにおいて、
    前記ピエゾ歪測定部は、前記受圧領域のピエゾ効果が発生する箇所に配置されていることを特徴とする圧力センサ。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧力センサにおいて、
    前記ピエゾ歪測定部は、第１ブリッジ回路を構成する第１ピエゾ歪素子、第２ピエゾ歪素子、第３ピエゾ歪素子、および第４ピエゾ歪素子から構成され、
    前記磁気歪測定部は、第２ブリッジ回路を構成する第１磁気歪素子、第２磁気歪素子、第３磁気歪素子、第４磁気歪素子から構成され、
    前記磁気歪測定部は、前記ピエゾ歪測定部とは異なる箇所に配置されている
    ことを特徴とする圧力センサ。
  5. 請求項４記載の圧力センサにおいて、
    前記第１ピエゾ歪素子、前記第２ピエゾ歪素子、前記第３ピエゾ歪素子、および前記第４ピエゾ歪素子の各々は、平面視の形状が長方形とされ、
    前記第１ピエゾ歪素子および前記第３ピエゾ歪素子は、各々の長手方向の軸が前記受圧領域の中心から径方向に向かう直線に平行な状態とされ、
    前記第２ピエゾ歪素子および前記第４ピエゾ歪素子は、各々の長手方向の軸が前記受圧領域の中心から径方向に向う直線に垂直な状態とされている
    ことを特徴とする圧力センサ。
  6. 請求項５記載の圧力センサにおいて、
    前記第１ピエゾ歪素子と前記第２ピエゾ歪素子とは、隣り合って配置され、
    前記第３ピエゾ歪素子と前記第４ピエゾ歪素子とは、隣り合って配置されている
    ことを特徴とする圧力センサ。
  7. 請求項５または６記載の圧力センサにおいて、
    前記ダイアフラム層の前記受圧領域の周囲に形成された第１副受圧領域、第２副受圧領域、第３副受圧領域、および第４副受圧領域と、
    前記第１副受圧領域に設けられた第１副ピエゾ歪素子、第２副ピエゾ歪素子と、
    前記第２副受圧領域に設けられた第１副磁気歪素子、第２副磁気歪素子と、
    前記第３副受圧領域に設けられた第３副ピエゾ歪素子、第４副ピエゾ歪素子と、
    前記第４副受圧領域に設けられた第３副磁気歪素子、第４副磁気歪素子と
    をさらに備え、
    前記第１副受圧領域、前記第２副受圧領域、前記第３副受圧領域、および前記第４副受圧領域の各々は、前記受圧領域の中心から等距離に配置されている
    ことを特徴とする圧力センサ。
  8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の圧力センサにおいて、
    前記受圧領域は、平面視で円形とされていることを特徴とする圧力センサ。
  9. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の圧力センサにおいて、
    前記受圧領域は、平面視で正方形とされていることを特徴とする圧力センサ。
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