JP2021131346A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】積層方向に複数の検知部を有し、しかも検出精度が向上している圧力センサを提供すること。【解決手段】圧力に応じた変形を生じるメンブレン２２と、メンブレン２２上に形成される第１ゲージ層４０と、第１ゲージ層４０の上に形成される中間絶縁層５０と、中間絶縁層５０の上に形成される第２ゲージ層６０とを有する圧力センサ１０である。第１ゲージ層４０および第２ゲージ層６０は、それぞれメンブレンの変形を検出する第１検知部４２および第２検知部６２を含む。メンブレン２２の表面からの第２検知部４２までの距離が３０μｍ以内である。【選択図】図１

Description

本発明は、メンブレンの変形に基づき圧力を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、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。

このような圧力センサの信頼性などを向上させるために、たとえば下記の特許文献１では、複数の圧力検知部を積層して配置することが提案されている。

しかしながら、複数の検知部を積層して配置する従来の圧力センサでは、検知部を剛体板の表面に形成してあり、その剛体板を積層して圧力センサを構成してあり、メンブレン表面からの検知部までの距離が考慮されておらず、検出精度に課題があった。

特開２０１８−４０７２６号公報

本発明は、このような実状に鑑みてなされ、その目的は、積層方向に複数の検知部を有し、しかも検出精度が向上している圧力センサを提供することである。

本発明者等は、積層方向に複数の検知部を有し、しかも検出精度が向上している圧力センサについて鋭意検討した結果、メンブレンの表面からの第２ゲージ層の検知部までの距離を短くすることで、検出精度が向上することを見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明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形成される第１ゲージ層と、
前記第１ゲージ層の上に形成される中間絶縁層と、
前記中間絶縁層の上に形成される第２ゲージ層とを有する圧力センサであって、
前記第１ゲージ層および前記第２ゲージ層は、それぞれ前記メンブレンの変形を検出する第１検知部および第２検知部を含み、
前記メンブレンの表面からの前記第２検知部までの距離が３０μｍ以内である。

本発明者等の実験によれば、メンブレンの表面からの第２検知部までの距離が３０μｍ以内であれば、メンブレンの表面からの第１検知部までの距離も３０μｍ以内であり、それらの検知部で検知される応力（ひずみ）は、略同等になることが判明している。その結果、双方の第１および第２検知部で検出される検出信号の出力が略同等になる。そのため、たとえば第１検知部で検出された第１検出信号と、前記第２検知部で検出された第２検出信号とを比較してモニタリングすることで、一方の検知部の故障を容易に検出することが可能になり、検出精度の向上を図ることができる。

また、本発明の圧力センサでは、スパッタリングや蒸着などの薄膜形成法により、第１ゲージ層と中間絶縁層と第２ゲージ層とを容易に薄く形成することができるため、圧力センサの小型化と低コスト化を図ることが可能になる。

好ましくは、前記第１ゲージ層と前記中間絶縁層と前記第２ゲージ層の各層の厚みが、それぞれ１０μｍ以下である。このような厚み関係に設定することで、メンブレンの表面からの第２検知部までの距離を３０μｍ以内に設定しやすくなる。

メンブレンが金属などの導電性で構成してある場合には、好ましくは、前記メンブレンと前記第１ゲージ層との間には、厚みが１０μｍ以下の下地絶縁層が形成してある。下地絶縁層を形成することで、第１ゲージ層とメンブレンとの絶縁性が確保され、第１ゲージ層の第１検出部での検出精度が向上する。

前記第１ゲージ層の一部と、前記第２ゲージ層の一部とを覆って接続する電極層が、前記メンブレンの上に形成してあってもよく、前記電極層の厚みが１０μｍ以下であることが好ましい。このように構成してある電極層を形成することで、各ゲージ層から個別に取り出すための配線の少なくとも一部を共用化することができ、取出配線を単純化することができる。

前記第１ゲージ層のパターン配置と、前記第２ゲージ層のパターン配置とが、前記メンブレンの法線方向から見て実質的に同一であってもよい。このように構成することで、第１ゲージ部の第１検出部の位置と、第２ゲージ部の第２検出部の位置とが略同じ位置となり、メンブレンに加わる圧力による応力を、ほぼ同じ位置で検出することになり、検出信号の精度がさらに向上する。

あるいは、前記第１ゲージ層のパターン配置と、前記第２ゲージ層のパターン配置とが、前記メンブレンの法線方向から見て回転方向に位置ずれにしていてもよい。このように配置することで、各ゲージ層の検知部からの検出信号の取出電極部の位置をオフセットさせやすくなる。

本発明の圧力センサは、前記第１検知部で検出された第１検出信号と、前記第２検知部で検出された第２検出信号とを比較してモニタリングする比較手段をさらに有していてもよい。比較手段を用いて、第１検出信号と、第２検出信号とを比較することで、一方の検知部の故障を容易に検出することが可能になり、検出精度の向上を図ることができる。

あるいは、本発明の圧力センサは、前記第１検知部で検出された第１検出信号と、前記第２検知部で検出された第２検出信号とを切り替えて出力させる切り替え手段をさらに有していてもよい。このように構成することで、たとえば一方のゲージ層の検知部が故障した場合には、他方のゲージ層の検知部に切り替えることで、圧力センサの耐久性および冗長性が向上する。

また、前記第２ゲージ層の上には、別の中間絶縁層を介して、その他のゲージ層が積層されてもよい。このように構成することで、圧力センサの耐久性および冗長性がさらに向上する。好ましくは、前記メンブレンの表面からの前記その他のゲージ層の検知部までの距離が５０μｍ以内である。検知部までの距離が所定距離の範囲内であれば、検知部で検知される応力（ひずみ）は、第１検知部および第２検知部で検知される応力（ひずみ）と大差なく、比較的に高精度で検出することができる。

図１は本発明の一実施形態に係る圧力センサの概略断面図である。 図２Ａは図１のIIで示す部分の拡大断面図である。 図２Ｂは本発明の他の実施形態に係る図２Ａに対応する部分の拡大断面図である。 図２Ｃは本発明のさらに他の実施形態に係る図２Ａに対応する部分の拡大断面図である。 図３は図２Ａに示すIII−III線に沿う第１ゲージ層のパターン配列を示す概略図である。 図４Ａは図２Ａに示すIV−IV線に沿う第２ゲージ層のパターン配列を示す概略図である。 図４Ｂは本発明の他の実施形態に係る第２ゲージ層のパターン配列を示す概略図である。 図５は本発明者等の実験によるメンブレン表面からの距離（位置）と応力との関係を示すグラフである。 図６は本発明の一実施形態に係る圧力センサの使用例を示す回路図である。 図７は本発明の他の実施形態に係る圧力センサの使用例を示す回路図である。

以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。

第１実施形態
図１に示すように、圧力センサ１０は、圧力に応じた変形を生じるメンブレン２２を有する。メンブレン２２は、本実施形態では、中空筒状のステム２０の一端に形成してある端壁で構成してある。ステム２０の他端は中空部の開放端となっており、接続部材１２の流路１２ｂに連通してあり、流路１２ｂに導入される流体が、ステム２０の中空部からメンブレン２２の内面２２ａに導かれて流体圧をメンブレン２２に作用するようになっている。ステム２０は、たとえばステンレスなどの金属で構成される。

ステム２０の開放端の周囲には、フランジ部２１がステム２０の軸芯から外方に突出するように形成してあり、フランジ部２１が接続部材１２と抑え部材１４との間に挟まれ、メンブレン２２の内面へと至る流路１２ｂが密封されるようになっている。接続部材１２は、圧力センサ１０を、測定対象となる流体が封入してある圧力室などに対して固定するためのねじ溝１２ａを有する。ねじ溝１２ａを介して圧力センサ１０を圧力室などに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、測定対象となる流体が内部に存在する圧力室の内部に対して気密に連通する。

抑え部材１４の上面でステム２０の周囲には、回路基板１６が取り付けてある。回路基板１６には、たとえば図６に示すコンパレータ（比較手段）８０，８２，８４、図７に示す切り替えスイッチ（切り替え手段）９０、あるいは検出信号を出力するための回路などが内蔵してある。

図１に示すように、メンブレン２２の外面２２ｂには、積層型センサ本体１８が形成してある。積層型センサ本体１８と回路基板１６とは、中間配線（たとえばワイヤボンディング）７２により接続してある。

次に、積層型センサ本体１８について説明する。図２Ａに示すように、積層型センサ本体１８は、メンブレン２２の外面２２ｂに密着して成膜してある下地絶縁層３０と、下地絶縁層３０の上に成膜してある所定パターンの第１ゲージ層４０とを有する。

下地絶縁層３０は、メンブレン２２の外面２２ｂのほぼ全体を覆うように形成してあり、たとえばシリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物などで構成される。下地絶縁層３０の厚みは、好ましくは１０μｍ以下、さらに好ましくは１〜５μｍである。下地絶縁層３０は、たとえばＣＶＤなどの蒸着法によりメンブレン２２の外面２２ｂに形成することができる。なお、メンブレン２２の外面２２ｂが絶縁性を有する場合には、下地絶縁層３０は、形成することなく、メンブレン２２の外面２２ｂに直接に第１ゲージ層４０を成膜してもよい。

本実施形態では、積層型センサ本体１８は、さらに、第１ゲージ層４０の上に成膜される所定パターンの中間絶縁層５０と、中間絶縁層５０の上に成膜される所定パターンの第２ゲージ層６０とを有する。

図３に示すように、第１ゲージ層４０は、第１検知部４２を有する。第１検知部４２は、第１〜第４抵抗体Ｒ１〜Ｒ４を有し、これらの第１〜第４抵抗体Ｒ１〜Ｒ４は、第１配線層４４によりホイートストーンブリッジ回路を構成するように接続されている。第１〜第４抵抗体Ｒ１〜Ｒ４により形成されるホイートストーンブリッジ回路から成る第１検知部４２の回路図を図６または図７に示す。

図３に示すように、第１抵抗体Ｒ１と第２抵抗体Ｒ２との間、第２抵抗体Ｒ２と第３抵抗体Ｒ３との間、第３抵抗体Ｒ３と第４抵抗体Ｒ４との間、第４抵抗体Ｒ４と第１抵抗体Ｒ１との間の第１配線層４４には、それぞれ第１電極層４６ａ〜４６ｄが形成してある。

第１〜第４抵抗体Ｒ１〜Ｒ４と、配線層４４と、第１電極層４６ａ〜４６ｄとは、全て同一材質の導電層をパターン加工することで形成することができ、これらが第１ゲージ層４０を構成する。第１ゲージ層４０は、たとえばＮｉ−Ｃｒ合金、酸化クロム、窒化クロムなどで構成することができる。第１ゲージ層４０の厚みは、好ましくは１０μｍ以下、さらに好ましくは０．１〜１μｍである。第１ゲージ層４０は、スパッタリングなどの薄膜法により形成することができる。

第１〜第４抵抗体Ｒ１〜Ｒ４は、たとえば導体層をミアンダ形状にパターニングすることで形成され、第１配線層４４は、導体層を直線または曲線状にパターニングすることで形成され、第１電極層４６ａ〜４６ｄは、第１配線層４４よりも幅広になるように導体層をパターニングすることで得られる。

第１〜第４抵抗体Ｒ１〜Ｒ４は、図２Ａに示すメンブレン２２が流体圧により変形して歪む位置に取り付けられ、その歪み量に応じて抵抗値が変化するように構成してある。なお、電極層４６ａ〜４６ｄは、必ずしもメンブレン２２が歪む位置に取り付けられる必要はない。

図２Ａに示すように、第１ゲージ層４０の上に形成してある中間絶縁層５０は、下地絶縁層３０と同様な材質で構成してあるが、必ずしも同じ材質で構成する必要はない。たとえば下地絶縁層３０をシリコン酸化物で構成し、中間絶縁層５０をシリコン窒化物で構成することで、シリコン酸化物は圧縮方向の応力、シリコン窒化物は引張応力をそれぞれ有する傾向にあることから、このような構成とすることで各層の応力をキャンセルし、膜のはく離などの不良を低減できるなどのメリットがある。中間絶縁層５０は、下地絶縁層３０と同様な方法で成膜することができる。

中間絶縁層５０は、パターン加工されることが好ましい。第１ゲージ層４０の表面の一部を露出させる必要があるからである。たとえば図３に示す第１ゲージ層４０の第１検知部４２を構成する抵抗体Ｒ１〜Ｒ４は、図２Ａに示す中間絶縁層５０で全て覆われることが好ましいが、図３に示す第１電極層４６ａ〜４６ｄの少なくとも一部は、中間絶縁層５０で覆われないことが好ましい。図３に示す第１電極層４６ａ〜４６ｄの少なくとも一部には、図２Ａに示す取出電極層７０を介して中間配線層７２が接続されるからである。

中間絶縁層５０の厚みは、好ましくは１０μｍ以下であり、さらに好ましくは１〜５μｍである。中間絶縁層５０の厚みは、下地絶縁層３０の厚みと同じでもよいが、異ならせてもよい。たとえば中間絶縁層５０の厚みを下地絶縁層３０厚みよりも薄くしてもよい。厚みを異ならせることで、少なくともいずれかの絶縁層の絶縁は確保され、冗長性が向上する。

中間絶縁層５０の上には、第２ゲージ層６０が形成される。本実施形態では、第２ゲージ層６０は、図４Ａに示すように、第２検知部６２を有する。第２検知部６２は、第１検知部４２と同様に、第１〜第４抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４を有し、これらの第１〜第４抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４は、第２配線層６４によりホイートストーンブリッジ回路を構成するように接続されている。第１〜第４抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４により形成されるホイートストーンブリッジ回路から成る第２検知部６２の回路図を図６または図７に示す。

図４Ａに示すように、第１抵抗体Ｒ１１と第２抵抗体Ｒ１２との間、第２抵抗体Ｒ１２と第３抵抗体Ｒ１３との間、第３抵抗体Ｒ１３と第４抵抗体Ｒ１４との間、第４抵抗体Ｒ１４と第１抵抗体Ｒ１１との間の第２配線層６４には、それぞれ第２電極層６６ａ〜６６ｄが形成してある。

第１〜第４抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４と、配線層６４と、第２電極層６６ａ〜６６ｄとは、全て同一材質の導電層をパターン加工することで形成することができ、これらが第２ゲージ層６０を構成する。第２ゲージ層６０は、たとえば第１ゲージ層４０と同様な材質で構成してあるが、必ずしも同一の材質である必要はない。第２ゲージ層６０と第１ゲージ層４０の材質を同じにすることで、略同じ特性の検知部を形成しやすくなると共に、製造が容易になるというメリットがあり、第２ゲージ層６０と第１ゲージ層４０の材質を異ならせることで、冗長性が向上するというメリットがある。

第２ゲージ層６０の厚みは、好ましくは１０μｍ以下、さらに好ましくは０．１〜１μｍである。第２ゲージ層６０の厚みは、第１ゲージ層４０の厚みと同様であることが好ましいが、異ならせてもよい。第２ゲージ層６０と第１ゲージ層４０の厚みを同じにすることで、略同じ特性の検知部を形成しやすくなるというメリットがあり、第２ゲージ層６０と第１ゲージ層４０の厚みを異ならせることで、冗長性が向上するというメリットがある。

第２ゲージ層６０は、第１ゲージ層４０と同様な薄膜法で形成することができるが、必ずしも同一の製法ではなくてもよい。第２ゲージ層６０と第１ゲージ層４０の製法を同じにすることで、略同じ特性の検知部を形成しやすくなると共に、製造が容易になるというメリットがあり、第２ゲージ層６０と第１ゲージ層４０の製法を異ならせることで、冗長性が向上するというメリットがある。

第１〜第４抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４は、たとえば導体層をミアンダ形状にパターニングすることで形成され、第２配線層６４は、導体層を直線または曲線状にパターニングすることで形成され、第２電極層６６ａ〜６６ｄは、第２配線層６４よりも幅広になるように導体層をパターニングすることで得られる。

第１〜第４抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４は、図２Ａに示すメンブレン２２が流体圧により変形して歪む位置に取り付けられ、その歪み量に応じて抵抗値が変化するように構成してある。なお、電極層６６ａ〜６６ｄは、必ずしもメンブレン２２が歪む位置に取り付けられる必要はない。

本実施形態では、図３および図４Ａに示すように、第１検知部４０の第１抵抗体Ｒ１と、第２検知部６０の第１抵抗体Ｒ１１とが、図２Ａに示すメンブレン２２の法線方向（図３および図４Ａの紙面に垂直方向）から見て略同じ位置に配置してある。また、第１検知部４０の第２抵抗体Ｒ２と、第２検知部６０の第２抵抗体Ｒ１２とが、図２Ａに示すメンブレン２２の法線方向から見て略同じ位置に配置してある。

さらに、第１検知部４０の第３抵抗体Ｒ３と、第２検知部６０の第３抵抗体Ｒ１３とが、図２Ａに示すメンブレン２２の法線方向から見て略同じ位置に配置してある。さらにまた、第１検知部４０の第４抵抗体Ｒ４と、第２検知部６０の第４抵抗体Ｒ１４とが、図２Ａに示すメンブレン２２の法線方向から見て略同じ位置に配置してある。

なお、本実施形態において、略同じ位置とは、実質的に同一の位置という意味であり、必ずしも完全に同一の位置でなくてもよく、配線層４４または６４で接続される隣の位置にある抵抗体よりは近い位置に位置すればよい。たとえば抵抗体Ｒ４とＲ１４とは、隣の位置の抵抗体Ｒ１，Ｒ１１，Ｒ３，Ｒ１３よりは近い位置にあり、実質的に同一の位置と言うことができる。

本実施形態では、図２Ａに示すように、第１ゲージ層４０の一部と、第２ゲージ層６０の一部とを覆って接続する取出電極層７０が、メンブレン２２の上に形成してある。取出電極層７０には、中間配線７２が接続される。

取出電極層７０は、たとえばＡｕ，Ｐｔ，Ｗ，Ａｌ，Ｎｉの内の少なくとも一種を含む金属（合金含む）で構成してあり、スパッタリングなどの薄膜法により形成してもよいが、ゲージ層４０，６０に比較して薄く成膜する必要はないので、メッキ法などにより形成してもよい。取出電極層７０の厚みは、好ましくは０．１〜４μｍである

なお、第１電極層４６ａ〜４６ｄと取出電極層７０との間には、密着層を介在させてもよい。密着層としては、たとえばＴｉ、Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏの少なくとも１つを含む金属層などが例示される。密着層の厚みは、電極層７０の厚みよりも十分に薄くてよい。また、取出電極層７０を用いることなく、配線層７２は、図３に示す第１電極層４６ａ〜４６ｄに直接に接続してあってもよい。

図６に示すように、本実施形態では、第１検知部４２の抵抗体Ｒ１〜Ｒ４は、ホイートストーンブリッジ回路を構成するように接続してあり、第２検知部６２の抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４も、同様に、ホイートストーンブリッジ回路を構成するように接続してある。第１検知部４２の抵抗体Ｒ１と抵抗体Ｒ２との間は、電源線ＶＤＤに接続してあり、第２検知部６２の抵抗体Ｒ１１と抵抗体Ｒ１２との間も、電源線ＶＤＤに接続してある。

第１検知部４２の抵抗体Ｒ２と抵抗体Ｒ３との間は、グランドＧＮＤに接続してあり、第２検知部６２の抵抗体Ｒ１２と抵抗体Ｒ１３との間も、グランドＧＮＤに接続してある。また、第１検知部４２の抵抗体Ｒ１と抵抗体Ｒ２との間は、比較手段としての第１コンパレータ８０の一方の入力端に接続してあり、第１検知部４２の抵抗体Ｒ３と抵抗体Ｒ４との間は、第１コンパレータ８０の他方の入力端に接続してある。

同様に、第２検知部６２の抵抗体Ｒ１１と抵抗体Ｒ１２との間は、比較手段としての第２コンパレータ８２の一方の入力端に接続してあり、第２検知部６２の抵抗体Ｒ１３と抵抗体Ｒ１４との間は、第２コンパレータ８２の他方の入力端に接続してある。第１コンパレータ８０の出力端と第２コンパレータ８２の出力端とは、比較手段としての第３コンパレータ８４の二つの入力端にそれぞれ接続してある。第３コンパレータ８４の出力端は、図示省略してある圧力検出手段としての制御装置などに接続してある。

図３に示すように、第１検知部４２の抵抗体Ｒ２と抵抗体Ｒ３との間には、配線層４４を介して電極層４６ｂが接続してある。また、図４Ａに示すように、第２検知部６２の抵抗体Ｒ１２と抵抗体Ｒ１３との間には、配線層６４を介して電極層６６ｂが接続してある。図６に示すように、第１検知部４２の抵抗体Ｒ２と抵抗体Ｒ３との間は、グランドＧＮＤに接続してあり、第２検知部６２の抵抗体Ｒ１２と抵抗体Ｒ１３との間も、グランドＧＮＤに接続してある。そのため、第１ゲージ層４０の電極層４６ｂと第２ゲージ層６０の電極層６６ｂとは、たとえば図２Ａに示す取出電極層７０により直接に接続されて、単一の中間配線７２で図１に示す回路基板１６のグランドＧＮＤに接続してもよい。

また同様に、図３に示すように、第１検知部４２の抵抗体Ｒ１と抵抗体Ｒ４との間には、配線層４４を介して電極層４６ｄが接続してある。また、図４Ａに示すように、第２検知部６２の抵抗体Ｒ１１と抵抗体Ｒ１４との間には、配線層６４を介して電極層６６ｄが接続してある。図６に示すように、第１検知部４２の抵抗体Ｒ１と抵抗体Ｒ４との間は、電源線ＶＤＤに接続してあり、第２検知部６２の抵抗体Ｒ１１と抵抗体Ｒ１４との間も、電源線ＶＤＤに接続してある。そのため、第１ゲージ層４０の電極層４６ｄと第２ゲージ層６０の電極層６６ｄとは、たとえば図２Ａに示す取出電極層７０により直接に接続されて、単一の中間配線７２で図１に示す回路基板１６の電源線ＶＤＤに接続してもよい。

図３および図４Ａに示すその他の電極層４６ａ，４６ｃ，６６ａ，６６ｃは、図１に示す相互に別々の中間配線７２に接続されて、回路基板１６に具備された図６に示すコンパレータ８０，８２の入力端に接続される。

次に、図１に示す圧力センサ１０の製造方法について説明する。まず、ステム２０を準備する。ステム２０は、たとえばＳＵＳ３１６などのステンレスで構成してある。次に、図２Ａに示すように、ステム２０のメンブレン２２の外面２２ｂに、積層型センサ本体１８を形成する。

積層型センサ本体１８を形成するために、まず、メンブレン２２の外面２２ｂに、メンブレン２２を覆うように、下地絶縁層３０を所定厚みでＣＶＤまたはスパッタリングなどの薄膜法により形成する。下地絶縁層３０としては、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜などが例示される。

次に、下地絶縁層３０の表面に、第１ゲージ層４０を所定パターンで形成する。第１ゲージ層４０は、圧力検知部（第１検知部４２）となる図３に示す抵抗体Ｒ１〜Ｒ４と、第１配線層４４と、第１電極層４６ａ〜４６ｄとを含んでいる。本実施形態では、抵抗体Ｒ１〜Ｒ４と、第１配線層４４と、第１電極層４６ａ〜４６ｄとは、Ｎｉ−Ｃｒ合金膜などで構成され、単一膜でも多層膜でもよいが、そのトータル厚みは１０μｍ以下である。

第１ゲージ層４０は、たとえば蒸着またはスパッタリングなどの薄膜法により形成される。第１ゲージ層４０は、それぞれ、抵抗体Ｒ１〜Ｒ４と、第１配線層４４と、第１電極層４６ａ〜４６ｄと成るように、パターニングされる。パターニングのための方法としては、フォトリソグラフィが用いられる。具体的には、リフトオフ、ミリング、エッチングなどの手法が用いられる。

次に、パターニングされた第１ゲージ層４０の上に、中間絶縁層５０が形成される。中間絶縁層５０は、所定厚みでＣＶＤまたはスパッタリングなどの薄膜法により形成される。中間絶縁層５０としては、下地絶縁層３０を構成する材質と同様な材質が用いられてよいが、必ずしも同一である必要はない。

次に、中間絶縁層５０の上に、第２ゲージ層６０を所定パターンで形成する。第２ゲージ層６０は、圧力検知部（第２検知部６２）となる図４Ａに示す抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４と、第２配線層６４と、第２電極層６６ａ〜６６ｄとを含んでいる。第２ゲージ層６０の材質および形成方法は、第１ゲージ層４０の材質および形成方法と同様であるが、必ずしも同一の材質および形成方法を採用する必要はない。

中間絶縁層５０の上に、第２ゲージ層６０を所定パターンで形成する前、またはその後に、中間絶縁層５０は、第１ゲージ層４０に形成してある電極層４６ａ〜４６ｄの少なくとも一部を露出させるなどのために、パターニングされる。パターニングのための方法としては、下地絶縁層３０と同様であるが、必ずしも同一である必要はない。

図２Ａに示すように、第１ゲージ層４０の一部が露出した状態で、所定パターンの第２ゲージ層６０の上には、取出電極層７０が形成され、取出電極層７０は、第１ゲージ層４０の一部と第２ゲージ層６０の一部とを接続してもよく、あるいは、第１ゲージ層４０の一部にのみ形成されてもよい。

取出電極層７０は、たとえばスパッタリングなどの薄膜法により形成してもよいが、ゲージ層４０，６０に比較して薄く成膜する必要はないので、メッキ法などにより形成してもよい。

このようにして形成された積層型センサ本体１８の表面は、中間配線７２を除き、保護層で覆われていてもよい。保護層としては、たとえば薄膜法により形成される絶縁層であってもよいが、樹脂被膜などであってもよい。

本実施形態に係る圧力センサ１０では、図２Ａに示すように、下地絶縁層３０、第１ゲージ層４０および中間絶縁層５０のそれぞれの厚みが、１０μｍ以下である。そのため、メンブレン２２の外面２２ｂからの第２ゲージ層６０の第２検知部６２までの距離（メンブレン２２の法線方向）を、３０μｍ以下にすることができる。また、メンブレン２２の外面２２ｂからの第１ゲージ層４２の第１検知部４２までの距離も１０μｍ以内であり、３０μｍ以下である。

本発明者等の実験を示す図５によれば、メンブレン２２の表面（外面２２ｂ）から外側に向かって法線方向の距離が３０μｍ（０．０３ｍｍ）以下であれば、メンブレン２２の表面に形成される積層膜に作用する応力はほとんど変化しない。すなわち、図３に示す第１ゲージ層４０の第１検知部４２で検出される応力（歪み）と、図４Ａに示す第２ゲージ層６０の第２検知部６２で検出される応力（歪み）とは、ほとんど一致する。

その結果、第１検知部４２および第２検知部６２で検出される検出信号の出力が略同等になる。そのため、たとえば図６に示す比較手段としてのコンパレータ８４では、第１検知部４２で検出された第１検出信号と、第２検知部６２で検出された第２検出信号とを比較してモニタリングすることができる。たとえばコンパレータ８４にて検出された入力信号の差異が所定値以上に大きい場合には、一方の検知部４２または６２の故障を容易に検出することが可能になり、検出精度の向上を図ることができる。

さらに本実施形態の圧力センサ１０では、スパッタリングや蒸着などの薄膜形成法により、第１ゲージ層４０と中間絶縁層５０と第２ゲージ層６０とを容易に薄く形成することができるため、圧力センサ１０の小型化と低コスト化を図ることが容易になる。

しかも本実施形態では、金属などの導電性材料で構成してあるメンブレン２２と第１ゲージ層４０との間には、厚みが１０μｍ以下の下地絶縁層３０が形成してある。下地絶縁層３０を形成することで、第１ゲージ層４０とメンブレン２２との絶縁性が確保され、第１ゲージ層４０の第１検出部４２での検出精度が向上する。

さらに本実施形態では、図２Ａに示すように、好ましくは厚みが１０μｍ以下の取出電極層７０を形成することで、各ゲージ層４０，６０から個別に取り出すための配線の少なくとも一部を共用化することができ、取出配線７２を単純化することができる。

また本実施形態では、図３に示す第１ゲージ層４０の第１検知部４２のパターン配置と、図４Ａに示す第２ゲージ層６０の第２検知部６２のパターン配置とが、メンブレン２２の法線方向から見て実質的に同一である。このように構成することで、メンブレン２２に加わる圧力による応力を、各抵抗体Ｒ１〜Ｒ４またはＲ１１〜Ｒ１４が、ほぼ同じ位置で検出することになり、検出信号の精度がさらに向上する。

なお、上述した実施形態では、図３に示す第１ゲージ層４０の第１検知部４２のパターン配置（抵抗体Ｒ１〜Ｒ４の配置）と、図４Ａに示す第２ゲージ層６０の第２検知部６２のパターン配置（抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４の配置）とは、メンブレン２２の法線方向から見て多少ずれて配置してある。

しかしながら、本実施形態では、図３に示す第１ゲージ層４０の第１検知部４２のパターン配置と、第２ゲージ層６０の第２検知部６２の配置とをほぼ完全に一致させてもよい。すなわち、図３に示す第１ゲージ層４０の第１検知部４２のパターン配置と同じ配置で、第２ゲージ層の第２検知部を形成してもよい。ただし、その場合において、第１電極層４６ａ〜４６ｄの配置パターンと、第２電極層６６ａ〜６６ｄの配置パターンとは、位置ズレさせることが好ましい。各電極層４６ａ〜４６ｄおよび６６ａ〜６６ｄに、取出電極７０または中間配線７２を接続できるようにするためである。

第２実施形態
図２Ｂに示すように、本実施形態の圧力センサ１０ａでは、積層型センサ本体１８ａの構成および作用が、第１実施形態と異なるのみであり、その他の構成および作用は、第１実施形態と同様であり、共通する部分の説明は省略する。

図２Ｂに示すように、本実施形態では、第２ゲージ層６０のパターンが第１実施形態とは異なり、第２ゲージ層６０の一部が、直接に第１ゲージ層４０の一部に接続してある。第２ゲージ層６０の一部が直接に第１ゲージ層４０の一部に接続してある部分の例としては、たとえば図６に示す第１ゲージ層４０の電極層４６ｂと、第２ゲージ層６０の電極層６６ｂとがグランドＧＮＤに接続する部分である。また、第２ゲージ層６０の一部が直接に第１ゲージ層４０の一部に接続してある部分の例としては、たとえば図６に示す第１ゲージ層４０の電極層４６ｄと、第２ゲージ層６０の電極層６６ｄとが電源線ＶＤＤに接続する部分である。

本実施形態では、第１ゲージ層４０の電極層４６ｂと電極層４６ｄとには、直接に取出電極層７０または中間配線７２を接続する必要がなくなり、第２ゲージ層６０の電極層６６ｂと電極層６６ｄとに取出電極層７０または中間配線７２を接続すればよい。

図３および図４Ａに示すその他の電極層４６ａ，４６ｃ，６６ａ，６６ｃは、図１に示す相互に別々の中間配線７２に接続されて、回路基板１６に具備された図６に示すコンパレータ８０，８２の入力端に接続される。

第３実施形態
図２Ｃに示すように、本実施形態の圧力センサ１０ｂでは、積層型センサ本体１８ｂの構成および作用が、第１実施形態と異なるのみであり、その他の構成および作用は、第１実施形態と同様であり、共通する部分の説明は省略する。

図２Ｃに示すように、本実施形態では、第１ゲージ層４０と第２ゲージ層６０とが絶縁されるように、中間絶縁層５０のパターンまたは取出電極層７０のパターンが異なる。すなわち、本実施形態では、積層型センサ本体１８ｂの内部では、第１ゲージ層４０と第２ゲージ層６０とは、直接には接続されないと共に、取出電極層７０を介しても間接的にも接続されない。そのため、図３および図４Ａに示す電極層４６ａ〜４６ｄおよび６６ａ〜６６ｄのそれぞれに対して、図２Ｃに示す取出電極層７０を介して、またはそれを介することなく中間配線７２が接続される。

第４実施形態
図４Ｂに示すように、本実施形態の圧力センサ１０ｃでは、第２ゲージ層６０ａのパターン配置が、第１実施形態と異なるのみであり、その他の構成および作用は、第１〜第３実施形態と同様であり、共通する部分の説明は省略する。

図４Ｂに示すように、本実施形態では、第１ゲージ層４０の第１検知部４２のパターン配置と、第２ゲージ層６０ａの第２検知部６２のパターン配置とが、メンブレン２２（図１参照）の法線方向から見て回転方向に位置ずれしてある。本実施形態では、第２ゲージ層６０ａのパターン配置は、回転角度が所定角度（約９０度）で位置ズレしている以外は、第１ゲージ層４０のそれと同じパターン配置である。

すなわち、図４Ｂにおいて、第２ゲージ層６０ａを反時計回りに所定角度（約９０度）で回転させれば、第１ゲージ層４０の電極層４６ａ〜４６ｄは、第２ゲージ層６０の電極層６６ａ〜６６ｄに重なり、第１ゲージ層４０の抵抗体Ｒ１〜Ｒ４は、第２ゲージ層６０の抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４に重なる。また、配線層４４と配線層６４も重なる。なお、図４Ｂに示す例では、第１ゲージ層４０の第１検知部４２のパターン配置に対して、第２ゲージ層６０ａのパターン配置は、回転角度が約９０度で位置ズレしているが、約９０度に限定されない。位置ずれの回転角度は、たとえば０度から１８０度の範囲で自由に変化させることもできるが、大きく位置ズレさせる場合には、６０度〜１２０度程度が好ましい。

本実施形態では、第１ゲージ層４０の検知部４２からの検出信号を取り出すための電極層４６ａ〜４６ｄの位置と、第２ゲージ層６０ａの検知部６２からの検出信号を取り出すための電極層６６ａ〜６６ｄとの位置を回転方向にオフセットさせることができる。そのため、各電極層４６ａ〜４６ｄおよび６６ａ〜６６ｄからの配線が容易になる。

第５実施形態
図７に示すように、本実施形態の圧力センサは、図６に示すコンパレータ８２および８４を有さずに、切り替えスイッチ（切り替え手段）９０を有する以外は、第１〜第４実施形態と同様であり、共通する部分の説明は省略する。

図７に示すように、本実施形態では、第１検知部４２の抵抗体Ｒ１と抵抗体Ｒ２との間は、切り替えスイッチ９０の第１入力端９１に接続してあり、第１検知部４２の抵抗体Ｒ３と抵抗体Ｒ４との間は、切り替えスイッチ９０の第３入力端９３に接続してある。同様に、第２検知部６２の抵抗体Ｒ１１と抵抗体Ｒ１２との間は、切り替えスイッチ９０の第２入力端９２に接続してあり、第２検知部６２の抵抗体Ｒ１３と抵抗体Ｒ１４との間は、切り替えスイッチ９０の第４入力端９４に接続してある。

切り替えスイッチ９０では、第１出力端９５がコンパレータ８０の一方の入力端に接続してあり、第２出力端９６がコンパレータ８０の他方の入力端に接続してある。切り替えスイッチ９０は、第１入力端９１と第１出力端９５との接続と、第３入力端９３と第２出力端９６との接続とを同時に実現することができる。また、切り替えスイッチ９０は、たとえば図１に示す回路基板１６に内蔵してある制御回路により制御され、図７に示す状態から、第２入力端９２と第１出力端９５との接続と、第４入力端９４と第２出力端９６との接続とを同時に実現する状態へと切り替え可能になっている。さらに、切り替えスイッチ９０は、図１に示す回路基板１６に内蔵してある制御回路により制御され、その逆のスイッチの切り替えも行われることが可能になっている。

本実施形態では、第１検知部４２で検出された第１検出信号と、第２検知部６２で検出された第２検出信号とを、切り替えスイッチ９０により切り替えて、コンパレータ８０に入力させることができる。このように構成することで、たとえば一方のゲージ層４０または６０の検知部４２または６２が故障した場合には、他方のゲージ層の検知部に切り替えることで、圧力センサの耐久性および冗長性が向上する。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変することができる。

たとえば、第２ゲージ層６０または６０ａの上には、別の中間絶縁層５０を介して、その他のゲージ層が積層されてもよい。このように構成することで、圧力センサの耐久性および冗長性がさらに向上する。その場合において、好ましくは、メンブレン２２の外面２２ｂからのその他のゲージ層の検知部までの距離は、５０μｍ以内であることが好ましい。

図５に示すように、メンブレン表面からの距離（位置）が、５０μｍ（０．０５）以下であれば、検知部で検知される応力（ひずみ）は、第１検知部４２および第２検知部６２で検知される応力（ひずみ）と大差なく（１％以内の範囲内）、比較的に高精度で検出することができる。

１０，１０ａ，１０ｂ…圧力センサ
１２…接続部材
１２ａ…ねじ溝
１２ｂ…流路
１４…抑え部材
１６…回路基板
１８，１８ａ，１８ｂ…積層型センサ本体
２０…ステム
２１…フランジ部
２２…メンブレン
２２ａ…内面
２２ｂ…外面
３０…下地絶縁層
４０…第１ゲージ層
４２…第１検知部
４４…第１配線層
４６ａ〜４６ｄ…第１電極層
５０…中間絶縁層
６０，６０ａ…第２ゲージ層
６２…第２検知部
６４…第２配線層
６６ａ〜６６ｄ…第２電極層
７０…取出電極層
７２…中間配線
８０，８２，８４…コンパレータ（比較手段）
９０…切り替えスイッチ（切り替え手段）
Ｒ１，Ｒ１１…第１抵抗体
Ｒ２，Ｒ１２…第２抵抗体
Ｒ３，Ｒ１３…第３抵抗体
Ｒ４，Ｒ１４…第４抵抗体

Claims (9)

1. 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形成される第１ゲージ層と、
   前記第１ゲージ層の上に形成される中間絶縁層と、
   前記中間絶縁層の上に形成される第２ゲージ層とを有する圧力センサであって、
   前記第１ゲージ層および前記第２ゲージ層は、それぞれ前記メンブレンの変形を検出する第１検知部および第２検知部を含み、
   前記メンブレンの表面からの前記第２検知部までの距離が３０μｍ以内である圧力センサ。
2. 前記第１ゲージ層と前記中間絶縁層と前記第２ゲージ層の各層の厚みが、それぞれ１０μｍ以下である請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記メンブレンが導電性であり、前記メンブレンと前記第１ゲージ層との間には、厚みが１０μｍ以下の下地絶縁層が形成してある請求項１または２に記載の圧力センサ。
4. 前記第１ゲージ層の一部と、前記第２ゲージ層の一部とを覆って接続する電極層が、前記メンブレンの上に形成してあり、前記電極層の厚みが１０μｍ以下である請求項１〜３のいずれかに記載の圧力センサ。
5. 前記第１ゲージ層のパターン配置と、前記第２ゲージ層のパターン配置とが、前記メンブレンの法線方向から見て実質的に同一である請求項１〜４のいずれかに記載の圧力センサ。
6. 前記第１ゲージ層のパターン配置と、前記第２ゲージ層のパターン配置とが、前記メンブレンの法線方向から見て回転方向に位置ずれにしている請求項１〜４のいずれかに記載の圧力センサ。
7. 前記第１検知部で検出された第１検出信号と、前記第２検知部で検出された第２検出信号とを比較してモニタリングする比較手段をさらに有する請求項１〜６のいずれかに記載の圧力センサ。
8. 前記第１検知部で検出された第１検出信号と、前記第２検知部で検出された第２検出信号とを切り替えて出力させる切り替え手段をさらに有する請求項１〜７のいずれかに記載の圧力センサ。
9. 前記第２ゲージ層の上には、別の中間絶縁層を介して、その他のゲージ層が積層され、前記メンブレンの表面からの前記その他のゲージ層の検知部までの距離が５０μｍ以内である請求項１〜８のいずれかに記載の圧力センサ。

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