JP2514749B2 - 小型圧力センサ - Google Patents

小型圧力センサ

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JP2514749B2 JP2502399A JP50239990A JP2514749B2 JP 2514749 B2 JP2514749 B2 JP 2514749B2 JP 2502399 A JP2502399 A JP 2502399A JP 50239990 A JP50239990 A JP 50239990A JP 2514749 B2 JP2514749 B2 JP 2514749B2
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ラディ・メディカル・システムズ・アクチェボラーグ
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    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0076—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means
    • G01L9/0077—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means for measuring reflected light
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は弾性材のシェルを備え、該シェルの表面に位
置した開口の上に弾性ダイヤフラムを配設し、光導体を
前記シェルの内側に配設し、光導体と対向するように反
射面を本体に配設している小型圧力センサに関する。
序文にて述べた種類の装置は本発明者のスェーデン特
許明細書第8602836−２号から公知である。この公知の
圧力変換器をさらに小型化する必要性はあるものの、小
さい寸法に直接係わる問題も発生する。
前記の公知の圧力変換器は所謂相対圧力変換器であっ
て、大気圧と基準圧との圧力差を測定することを意味す
る。基準圧はシェルの内側のエアダクトを介して大気圧
と接触する。このエアダクトはダイヤフラムの領域に位
置したシリコン本体により抑制部を形成している。
公知の圧力変換器に係わる問題は、ダイヤフラムが運
動することにより起因する容積変動に対するエアダクト
の抵抗が十分低くなく、急激な圧力変化に対しては、こ
のためダイヤフラムに最も近い空気容積の端においてあ
る程度の過圧を発生させる。この空気容積は一方の側で
は抑制部により制限されている。この過圧が測定結果を
誤まらせる。
本発明の目的は本序文で記載の種類の小型圧力センサ
であって、ダイヤフラムが急速に動いてもダイヤフラム
に最も近い空気容積の端で大気圧を保つことのできる圧
力センサを提供することである。
本発明の別の目的は本序文で記載の種類の圧力センサ
であってコンプライアンスを低減した圧力センサを達成
することである。ここでいうコンプライアンスとは圧力
変化当りの容積変化と定義される。換言すれば、ダイヤ
フラムの撓みあるいは運動が小さいと容積変化も小さく
なる。このことはダイヤフラムの撓み、あるいはサイズ
のいずれかを低減することにより達成しうる。
本発明によれば、前述の目的はダイヤフラムによって
作動するように配設されたシリコンの薄くて、片持ちで
短いビーム状構造体からなる本体と、ビーム状構造体の
片持ち部分の自由端に配置され、そこから直立する反射
面であって、そのためダイヤフラムに作用する圧力変化
によりビーム構造体を運動させ、それにより反射面を運
動させ、次いで該反射面が光導体即ち光ファイバの端部
の前を運動する反射面とによって達成される。
本発明によってビーム構造体を短くし、それによって
供給された圧力に対するダイヤフラムの撓みを減少させ
ることにより、許容しうる信号対ノイズ比が保たれ、一
方同時に圧力センサは急速な圧力変化に対して高い感度
を有している。
本発明によって、その上にダイヤフラムが配置されて
いる開口を小さくし、それによって圧力変化当りの容積
変化を小さくすることにより、ダイヤフラムがより剛性
となりセンサに対する良好な保護を与えるという利点が
得られる。しかしながら、ビーム構造体が動くとダイヤ
フラムがビーム構造体にくっつきやすくする接着作用が
ある。このため圧力測定結果に好ましくないヒステリシ
スを助長させる。
本発明の別の実施例によれば、開口を小さくしたこと
に係わる接着作用はダイヤフラムの下方に位置した裏側
部分にハンプを有する片持ちのビーム構造体により排除
される。前記ハンプはセンサのシェル面の開口へ突出し
ている。
本発明の二実施例を添付図面を参照して詳細に以下に
説明する。
第１図は前述のスェーデン特許に出てくる当該技術分
野の水準による小型圧力センサを示す図。
第２図は本発明による小型圧力センサの断面図。
第３図は基準圧を決める空気容積に対して自由な通路
を保証する組立体手段の斜視図。
第４図はダイヤフラム用開口の面積を低減させた小型
圧力センサの断面図。
第５図は本発明の第２の実施例による小型圧力センサ
の断面図である。
公知の圧力センサは弾性材のシェル１と該シェルの表
面に位置した開口３上に配設の弾性ダイヤフラム２とを
含む。光導体４とシリコン本体５とがシェル内に配設さ
れている。反斜面６が光導体４の端面に対向して配設さ
れている。光導体４における反射光線の量は大気圧ｐが
ダイヤフラム２を撓ませることにより光導体即ち光ファ
イバ４の端面を反射面６に対して撓ませる量に応答す
る。第１図から判るように、シリコン本体５はダイヤフ
ラムの遠位置における空気容積７とシェルの近位端部分
の内側のエアダクトとの間の抑制部を形成している。こ
の抑制部は小型化においては欠点である。さらに、それ
は製作技術に係わる理由からセンサ毎に異っている。第
２図は本発明による圧力センサを示す。シリコン本体５
にはダイヤフラム２により作動するように配設された薄
くて、片持の、短いビーム構造体10を備えている。この
構造体は、囲りの結晶プレーンよりエッチング速度の低
い100プレーンあるいは111プレーンの異方性エッチング
により単結晶シリコンから作られている。このようにビ
ーム構造体の端部において垂直方向のミラーをエッチン
グすることができる。選択的エッチングを行うことによ
りビームの厚さは約５から約30μｍの大きさの範囲内に
画成しうる。単結晶シリコンを用いることにより、ビー
ム構造体には極めて良好な曲げ特性が付与され、前述の
ような厚さとしうるので、その長さは第１図に示す実施
例における光ファイバの自由端の長さより短くできる。
このように、センサ完成品の長さを短くできる。
シリコン本体５は光導体即ち光ファイバ４に接着さ
れ、光ファイバの方はシェル１に接着されている。
選択的エッチングとはエッチング速度がドーピングに
よって変わることを意味する。シリコンはｐドープでよ
く、あるいはｐドープシリコンはｎドープでもよい。種
々エッチング液、特に、水酸化カリウムを使用しうる。
第３図に示すシリコン本体を用いて壁で画成のエアダ
クトを提供し、かつセンサにおいて光ファイバを組み立
てやすくする。本体５は断面が概ね二次形式であって、
部分的には、端部に反斜面６を備えたビーム構造体10に
より、かつ部分的には底壁11と２個の側壁12,13を備え
た上方が開放した細長いボックスにより形成されてい
る。２個の側壁にはそれぞれ上方に開放した切欠き部が
設けられ、切欠き部は一方14のみ示している。これらの
切欠き部14は側壁の長さの極短い距離だけ延びており、
この距離はビーム構造体10の片持ち部分の長さに対応す
る。
ビーム構造体は原子接着法（1986年５月22日付Tener
z,HｋのElectronics Letters,Vol 22,No.11 615−61
6頁を参照）あるいは接合部にガラス層を溶着すること
によりアノード接着によりボックスに接合されている。
センサが組み立てられると、ボックス10−13が第２図
に示すものに対応する位置までシェル１に挿入され、次
いでビーム構造体は例えば接着あるいはその他の何らか
の方法によりシェルに固定される。次いで、光導体即ち
光ファイバが第３図に示す要領でボックスの端部の開口
に挿入される。反斜面に対する光ファイバの位置はボッ
クスの底壁、側壁および上壁がガイドとして作用するの
で極めて正確に決めやすい。前述のエアダクトは光ファ
イバと４個の壁10−13の間に形成されることが理解され
る。これらの壁はシェルに接着されている本体５に関連
して第１図に示す実施例において起りうるような可成り
任意の抑制部と比較して滑らかであり、壁のサイズは十
分画成されている。詳しく説明してはいないが、側壁1
2,13と底壁とは、相互に接合される平坦なウェファから
作られるか、あるいは壁11,12および13は前述した種類
の選択的エッチング法を用いて一体に作られる。
第４図は第２図に示すものと類似の小型圧力センサを
示す。第４図に示す実施例においてはセンサのコンプラ
イアンスを増加させる目的で開口３の面積が第２図に示
すものより小さくされている。この実施例はさらに、ダ
イヤフラム２が第２図に示すものと比較してより剛性と
なっており、従ってセンサに良好な機械的保護性を提供
するという利点を付与する。しかしながら、接着作用が
発生する、即ちダイヤフラムが矢印15で示す領域におい
てビーム構造体５にくっつきやすいという欠点がある。
このため測定結果を誤らせる。
第５図は本発明の第２の好適実施例による小型圧力セ
ンサを示す。ここでもダイヤフラム２用の開口３の面積
は第２図の実施例と比較して小さくされている。ここで
もダイヤフラムは概ね平坦であって第２図に示すように
開口へふくまらない。本体５のビーム構造体10は開口３
の下に位置する本体の領域においてその裏側部分にハン
プ16を有しており、このハンプは開口３へ突出してダイ
ヤフラムと接触する。このような形態によって接着作用
はもはや発生せず、あるいは少なくとも著しく低減す
る。ハンプの上面は平坦であって第５図に関して上方か
ら視たその外形は開口の外形より若干小さくそのためビ
ーム構造体が動くときハンプが開口３の壁に詰まること
がない。ハンプ16は本体と一体であることが好ましく、
かつ前述のようにシリコンの選択的エッチングによりビ
ーム構造体10と同時に作られることが好ましい。
また本体５のこの実施例は第３図に示すように端壁が
開放したものと類似のボックス形態ともすることがで
き、ビーム構造体10にはその裏側にハンプ16を備えてい
る。
前述した本発明の全ての実施例において、ビーム構造
体10はダイヤフラム２と接触するのみでダイヤフラムに
接着されない。
本発明の前述の実施例は本発明の概念の範囲内で多様
な要領で修正が可能で、かつ変更が可能である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−167424（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−217217（ＪＰ，Ａ) 特表 昭62−501335（ＪＰ，Ａ) 米国特許3789667（ＵＳ，Ａ)

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】生理的環境下で測定を行うための小型圧力
    センサであって、開口（３）を有する弾性のシェル
    （１）と、 前記開口を覆うように前記シェルに設けられた弾性のダ
    イヤフラム（２）と、 前記シェルに連結され、端面が前記シェルの内部に位置
    する光導体（４）と、 前記シェル内に配設され且つ前記光導体に連結された、
    シリコン又はひ化ガリウム製の本体（５）とを備え、 前記本体は反射面（６）を備える薄肉で短尺の片持ち式
    ビーム構造体（10）を有し、該反射面は該片持ち式ビー
    ム構造体の自由端から垂下し且つ前記光導体の前記端面
    に対向し、前記片持ち式ビーム構造体は、前記ダイヤフ
    ラムに当接して、該ダイヤフラムの両面に圧力差が生じ
    ると、そのダイヤフラムの動きに応じて揺動して前記反
    射面が前記光導体の前で移動し、もって前記圧力差に応
    じた量の光が伝播されることを特徴とする圧力センサ。
  2. 【請求項２】前記本体は貫通口を有し、前記光導体は該
    貫通口を貫通して延在する請求項１に記載の圧力セン
    サ。
  3. 【請求項３】前記本体の両側近傍の前記シェル内部に第
    １と第２の空間が画成されると共に、前記光導体が前記
    本体内に遊びをもって設けられることによりエアダクト
    が形成され、前記第１と第２の空間は該エアダクトを介
    して連通する請求項１又は２に記載の圧力センサ。
  4. 【請求項４】前記片持ち式ビーム構造体は、その自由端
    に突起（16）を有し、該突起は前記開口内に延入する請
    求項１乃至３の何れかに記載の圧力センサ。
  5. 【請求項５】前記本体は前記シェルの内面に接合された
    請求項１乃至４の何れかに記載の圧力センサ。
  6. 【請求項６】前記本体はシリコン製で、前記片持ち式ビ
    ーム構造体は単結晶のシリコンを100又は111の面でもっ
    てエッチングしたものである請求項１乃至５の何れかに
    記載の圧力センサ。
  7. 【請求項７】前記片持ち式ビーム構造体は、厚さが約５
    乃至30ミクロンで、長さが約0.3乃至0.6ミリである請求
    項１乃至６の何れかに記載の圧力センサ。
  8. 【請求項８】前記シェルは、前記片持ち式ビーム構造体
    の前記自由端近傍の外径が約0.5ミリ以下である請求項
    １乃至７の何れかに記載の圧力センサ。
  9. 【請求項９】前記本体は、断面が略々正方形である請求
    項１乃至８の何れかに記載の圧力センサ。
JP2502399A 1989-01-13 1990-01-12 小型圧力センサ Expired - Lifetime JP2514749B2 (ja)

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