JP3847281B2 - 圧力センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、過大圧保護動作圧力を十分に高くすることができ、しかも小型化を図ることのできる簡易な構造の圧力センサ装置に関する。

ダイヤフラム型の圧力センサ装置、特にそのセンサチップは、概略的にはシリコンやガラス等からなる薄板状のダイヤフラム上に歪抵抗ゲージを形成したもので、圧力を受けて変位するダイヤフラムにおける上記歪抵抗ゲージの抵抗値変化から上記ダイヤフラムに加わった圧力を検出するように構成される。
ちなみにこの種の圧力センサ装置は、ダイヤフラムを有するセンサチップ１を、例えば図１１に示すようなメータボディ２に組み込んで構成される。このメータボディ２は、その本体部３に一対の受圧部をなすバリアダイヤフラム４ａ,４ｂを備え、センサ部５に組み込んだセンサチップ（圧力センサ）１と上記各バリアダイヤフラム４ａ,４ｂとの間を、大径のセンタダイヤフラム６により隔離された圧力緩衝室７ａ,７ｂを介してそれぞれ連通させ、センサチップ１と各バリアダイヤフラム４ａ,４ｂとを結ぶ連通路８ａ,８ｂにそれぞれシリコーンオイル等の圧力伝搬媒体をそれぞれ封入した構造を有する。

このような構造のメータボディ２によれば、図１２(ａ)にその動作態様を模式的に示すように、定常状態時においてはバリアダイヤフラム４ａ,４ｂに加わる圧力Ｐａ,Ｐｂは、センタダイヤフラム６により隔離された圧力緩衝室７ａ,７ｂを介してセンサチップ１のダイヤフラムの両面にそれぞれ導かれる。この結果、センサチップ（圧力センサ）１のダイヤフラムは、上記圧力Ｐａ,Ｐｂの差圧ΔＰに相当する変位を呈することになる。

これに対してバリアダイヤフラム４ａ,４ｂに過大圧Ｐoverが加わると、例えば図１２(ｂ)に示すようにバリアダイヤフラム４ａが大きく変位し、これに伴ってセンタダイヤフラム６は上記過大圧Ｐoverを吸収するように変位する。そしてバリアダイヤフラム４ａがその本体部に着底し、その変位が規制されるとバリアダイヤフラム４ａを介するこれ以上の差圧ΔＰの伝達が阻止される。この結果、過大圧Ｐoverの印加によるセンサチップ１の破損が未然に防止され、センサチップ１は一対のバリアダイヤフラム４ａ,４ｂに加わる圧力Ｐａ,Ｐｂの差圧ΔＰだけを検出するようになっている。

しかしながらこのようなメータボディ２にセンサチップ１を組み込んだ圧力センサ装置は、上述したバリアダイヤフラム４ａ,４ｂやセンタダイヤフラム６を備え、これによってセンサチップ１を過大圧Ｐoverから保護する構造となっているので、その形状が大型化することが否めない。これに対して圧力センサ装置に対する小型化の要求と共に、過大圧保護動作圧力（耐圧）を十分に高くすることが強く望まれている。

そこでセンサチップ１のダイヤフラムに所定の間隙を隔てて対峙させて、該ダイヤフラムの過度な変位を阻止し、これによってダイヤフラムの不本意な破損・破壊を防止するバックアップ（ストッパ）部を設けることが提唱されている（例えば特許文献１を参照）。特にこの特許文献１には、バックアップ部を階段状の凹面として形成することで、過大圧の印加によりダイヤフラムが変位したとき、該ダイヤフラムの周縁部に応力集中が生じないようにすることが示される。
特開平１０−７８３６６号公報

しかしながら特許文献１に示されるような階段状のバックアップ（ストッパ）部を設けたとしても、センサチップ１自身が有する耐圧に比較して、その過大圧保護動作圧力を高々数倍に高め得るに過ぎない。これ故、差圧ΔＰに対する検出感度を高めながら、その過大圧保護動作圧力を十分に高く設定しようとした場合には前述したセンタダイヤフラム６を備えた圧力緩衝室７ａ,７ｂを設けて前記センサチップ１への過大圧の入力を阻止した構造のメータボディ２の利用が不可欠であり、圧力センサ装置の小型化を図る上での大きな課題となっている。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、センサチップに対する過大圧保護動作圧力を十分に高くすることができ、しかも過大圧の入力を阻止する緩衝室を不要としてその小型化を図ることのできる簡易な構造の圧力センサ装置を提供することにある。

上述した目的を達成するべく本発明に係る圧力センサ装置は、外部から加えられた圧力を受ける受圧部、およびこの受圧部とセンサ部とを連通し、その内部に圧力伝搬媒体を封入して前記受圧部に加わった圧力を上記センサ部に伝達する連通路を形成したメータボディと、その表面に形成された歪抵抗ゲージを備え、上記センサ部に設けられて前記圧力が印加されるシリコン製の円形薄板状のダイヤフラムと、このダイヤフラムの半径をｒ、厚みをｔ、およびその曲げ剛性をＤとしたとき、該ダイヤフラムの中心からの距離ｘでの深さｙが、前記ダイヤフラムに要求される過大圧保護動作圧力ｐに対して
ｙ ＝ ｐｒ ^４ （１−ｘ ^２ ／ｒ ^２ ） ^２ ／６４Ｄ
Ｄ ＝ Ｅｔ ^３ ／１２（１−ν ^２ ） 但し、Ｅはヤング率、νはポアソン比
なる４次関数で示される非球面をなす凹部をその一面に形成してなり、この凹部を前記ダイヤフラムに対峙させて前記ダイヤフラムに接合一体化して設けられて該ダイヤフラムにおける局部的な応力集中を防止するシリコン製またはガラス製のストッパ部材と、前記歪み抵抗ゲージの抵抗値変化から前記ダイヤフラムの両面に加わった圧力の差を検出する差圧検出部とを備えたことを特徴としている。好ましくは前記ダイヤフラムは前記メータボディに設けられるセンサ部を２つの空間に区画して設けられるものであって、前記メータボディは前記ダイヤフラムにより区画された２つの空間にそれぞれ連通する２つの連通路を備え、上記ストッパ部材は上記ダイヤフラムの両面にそれぞれ設けられる。

このような曲面をなす凹部を備えたストッパ部材をダイヤフラムに対峙させて設けた構造の圧力センサ装置によれば、過大圧を受けて変位するダイヤフラムの全体が上記ストッパ部材の凹部に一様に接触するので、ダイヤフラムに加わる圧力の全てがストッパ部材の凹部曲面にて均一に受け止められる。この結果、ダイヤフラムに局部的な応力集中が生じることがなくなり、ダイヤフラムに加わった過大圧がその全体に均一に分散することになるので、従来のようにセンタダイヤフラムを備えた圧力緩衝室を設けなくてもダイヤフラムの破壊を効果的に防止することが可能となる。そして圧力センサ装置としての過大圧保護動作圧力ｐを十分に高くすることが可能となる。

尚、ダイヤフラムにシリコーンオイル等の圧力伝搬媒体を導入する場合には、この圧力伝搬媒体の導入孔を前記ストッパ部材の前述した曲面をなす凹部の頂部に設けることが好ましい。このようにストッパ部材における凹部の頂部に圧力導入孔を設ければ、該凹部の曲面に開口される圧力導入孔の存在を実質的に無視することが可能となるので、圧力の印加によるダイヤフラムの変位特性だけを考慮して前記凹部の曲面を容易に設計することが可能となる。

尚、前記ストッパ部材については、例えばシリコン基板またはガラス基板に塗布したレジストをグレースケールマスクを用いて露光し、この露光により凹面を形成した上記レジストを前記シリコン基板またはガラス基板と共にエッチングして前記ダイヤフラムの変位に沿った曲面からなる凹部を形成したものとして実現すれば良い。
また上述した構成に加えて、更にその表面に形成された歪抵抗ゲージを備え、前記ダイヤフラムの周縁を囲んで前記メータボディの連通路に設けられて該連通路に導入された圧力がその両面から加えられる円環状の副ダイヤフラムと、この副ダイヤフラムに形成された上記歪み抵抗ゲージの抵抗値変化から前記連通路に導入された圧力を検出する静圧検出部とを設けることも好ましい。

ちなみに前記ダイヤフラムと一対のストッパ部材とからなるセンサチップについては、ガラス等の圧力緩衝体を介して黄銅やステンレス鋼等からなる基台に組み付けることが望ましい。

本発明によれば、ダイヤフラムの変位面に沿った凹曲面を有するストッパ部材を備えるので、簡易な構造で過大圧によるダイヤフラムの破壊を効果的に防止し、その耐圧を十分に高めることができる。この結果、センタダイヤフラムを備えた圧力緩衝室を不要として全体構造の簡素化を図り、その大幅な小型化を図ることができる等の実用上多大なる効果が奏せられる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る圧力センサ装置について説明する。
図１は本発明に係る圧力センサ装置の基本的な構成を示す要部断面図であり、１１は所定径の肉薄のダイヤフラム１２を形成したベース体である。このベース体１１は、シリコン(Ｓi)やガラス等の脆性材料からなる。また１３は、前記ダイヤフラム１２に対峙する凹部１４を有し、前記ベース体１１に接合一体化されたストッパ部材である。上記凹部１４は、前記ダイヤフラム１２の変位に沿った曲面を有するもので、前記ダイヤフラム１２の半径をｒ、厚みをｔ、およびその曲げ剛性をＤとしたとき、前記ダイヤフラム１２の中心からの距離ｘでの深さｙが、その過大圧保護動作圧力ｐに対して
ｙ ＝ ｐｒ⁴（１−ｘ²／ｒ²）²／６４Ｄ
Ｄ ＝ Ｅｔ³／１２（１−ν²）
但し、Ｅはヤング率、νはポアソン比
なる４次関数で示される凹面として形成されている。即ち、凹部１４をなす曲面は、いわゆる非球面と称される４次曲面からなる。

例えばシリコン(Ｓi)製のダイヤフラム１２の半径ｒが［＝１.１５ｍｍ］、厚みｔが［＝０.０３ｍｍ］である場合、そのヤング率Ｅを［１.７２×１０¹¹Ｐａ］、ポアソン比νを［０.０６４］として、過大圧保護動作圧力ｐを［３００ｋＰａ］としたときの前記ダイヤフラム１２の変位量は、その中心からの距離ｘでの変位をｙとしたとき
ｙ＝０.０１２ｘ⁴−０.０３２ｘ²＋０.０２１
なる４次関数で示される。そして前記凹部１４の曲面は、この４次関数で示されるダイヤフラム１２の変位面に沿うように形成されている。

このような凹部１４を有するストッパ部材１３については、一般的には機械加工による直研磨・研削により製作可能である。しかしＩＣ製作工程で用いられるリソグラフィー技術を応用し、光の透過率を変化させたグレースケールマスクを用いてその素材であるシリコン基板やガラス基板に塗布したレジストを露光し、該レジストに自由曲面（凹面）を形成する。その後、自由曲面を形成したレジストと共にシリコン基板やガラス基板をそのままドライエッチングする等して、該シリコン基板やガラス基板に上述した自由曲面（凹面）を形成するようにすれば良い。

また或いはプレス成形技術を用いる場合には、予め超鋼やセラミックス、或いはグラシーカーボンに、所要とする凹曲面と対をなす凸曲面を精密機械加工で形成した金型を準備しておき、例えば高温・真空中で軟化させたガラスを上記金型を用いてプレスすることで、所要とする曲面の凹部１４を形成したストッパ部材１３を製作することも勿論可能である。

ちなみに圧力センサ装置が、上記ダイヤフラム１２の両面にそれぞれ加えられる圧力Ｐ１,Ｐ２の差圧ΔＰを検出する差圧型のものとして構成される場合には、図２にその概略的な断面構造を示すように、ダイヤフラム１２の両面に上述した凹部１４を備えたストッパ部材１３をそれぞれ設け、これらを接合一体化するようにすれば良い。
但し、この場合にはダイヤフラム１２を形成するベース体１１自体が薄板化されてその一部がダイヤフラム１２として用いられるので、このダイヤフラム１２をその両面から挟み込んで接合一体化される一対のストッパ部材１３を含めて、その全体をシリコン(Ｓi)やガラス等からなる所定の厚みの台座１５上に固定支持する構造とすることが望ましい。また上記ダイヤフラム（ダイヤフラム面）１２に圧力を導入するための圧力導入孔１６については、図２に示すようにストッパ部材１３に設けられた凹部１４の頂部に、該凹部１４の曲面を損なうことのない程度の大きさの貫通孔としてそれぞれ設けるようにすれば良い。

かくしてこのような凹曲面からなる凹部１４（非球面ストッパと称す）を備えたストッパ部材１３をダイヤフラム１２に対峙させて設けた構造の圧力センサ装置によれば、過大圧を受けてダイヤフラム１２が変位したとき、その変位面の全体が凹部１４の凹曲面により受け止められるので、ダイヤフラム１２で局部的な応力の集中を防止することが可能となる。そして凹部１４の凹曲面全体でダイヤフラム１２の変位を受け止めるので、過大圧の印加による該ダイヤフラム１２の不本意な破壊を効果的に防ぎ、その過大圧保護動作圧力（耐圧）ｐを十分に高めることが可能となる。

図３は、ストッパなしのダイヤフラム、特許文献１に示される階段状のストッパを備えたダイヤフラム、そして本発明に係る非球面ストッパを備えたダイヤフラムの印加圧力に対する最大引張応力の関係をそれぞれ調べ、これらの特性Ａ,Ｂ,Ｃを対比して示したものである。この図３に示す特性Ａ,Ｂ,Ｃを比較すれば明らかなように、本発明に係る非球面ストッパを備えたダイヤフラムによれば、印加圧力が５０ＭＰａに至るまで、その最大引張応力を該ダイヤフラムの素材であるシリコン(Ｓi)の破壊応力限界以下に抑えることができる。

ちなみにストッパなしのダイヤフラムにおいては、印加圧力が７００ｋＰａを越えると、その最大引張応力がシリコン(Ｓi)の破壊応力限界を越える。また階段状のストッパを備えたダイヤフラムにおいては、印加圧力が３ＭＰａを越えると、その最大引張応力がシリコン(Ｓi)の破壊応力限界を越える。このように最大引張応力がシリコン(Ｓi)の破壊応力限界を越えると言うことは、取りも直さずダイヤフラムの素材であるシリコン(Ｓi)が破壊することを意味する。従って本発明に係る非球面ストッパを備えたダイヤフラムによれば、シリコン(Ｓi)の破壊応力限界を越える最大引張応力を生起するには、その印加圧力を５０Ｍｐａまで高めることが必要である。換言すればその過大圧保護動作圧力（耐圧）ｐまで高めることが可能となる。

図４(ａ)(ｂ)(ｃ)は、上述したストッパなしのダイヤフラム、特許文献１に示される階段状のストッパを備えたダイヤフラム、そして本発明に係る非球面ストッパを備えたダイヤフラムについて、該ダイヤフラムの中心からの距離ｘにおける印加圧力に対するダイヤフラム変位の推移をそれぞれ解析したものである。これらの図４(ａ)(ｂ)(ｃ)にそれぞれ示すように、ダイヤフラムに５０ｋＰａから１５０ｋＰａ程度の圧力を印加した場合、ダイヤフラムはその印加圧力に感応して比較的滑らかに変位する。しかしながらストッパなしのダイヤフラムにおいては、印加圧力が２００ｋＰａを越えると圧力印加方向に対する変位限界に達し、図４(ａ)に示すようにその応力が次第にダイヤフラムの周縁部に集中してくる。この結果、印加圧力がその破壊応力限界である７００ｋＰａを越えると応力集中に起因してダイヤフラムが破壊する。

また階段状のストッパを備えたダイヤフラムにおいては、１ＭＰａの印加圧力によって変位したダイヤフラムが階段状のストッパに接触し、それ以上の変位が押さえ込まれる。しかしながら更にその印加圧力を高めていくと、図４(ｂ)に示すように階段状のストッパとの接触部を変位規制部として次第に横方向への応力（変位）が発生し、印加圧力が３Ｍｐａを越えると上述した横方向に発生した応力（変位）によってダイヤフラムが破壊する。

これに対して本発明に係る非球面ストッパを備えたダイヤフラムによれば、ダイヤフラムの変位がそのまま非球面ストッパによって受け止められるので、図４(ｃ)に示すように横方向への応力が発生することがない。この結果、その印加圧力を５０ＭＰａまで高めてもダイヤフラムの応力集中が生じないので、応力集中に起因する破壊が生じることがない。従って圧力センサ装置としての耐圧を十分に高めることが可能となる。

ここで上述した非球面ストッパを備えた圧力センサ装置の具体的な実施形態について説明する。図５はこの実施形態に係る圧力センサ装置の概略構成を示す分解斜視図で、２１はダイヤフラムをなす薄板からなるベース体、２２はベース体２１の上面に設けられる第１のストッパ部材、そして２３はベース体２１の下面に設けられる第２のストッパ部材である。また２４は第１のストッパ部材２２の上面に設けられる蓋体である。

上記ベース体２１は、例えば（１００）面を主面とするシリコン基板からなり、図６に示すようにその中央部を高感度に差圧を検出する円形状の主ダイヤフラム部２１ａとしたものである。またこのベース体２１の上記主ダイヤフラム部２１ａの周縁部は、後述する静圧を検出するための円環状の副ダイヤフラム部２１ｂとして用いられるようになっている。特に主ダイヤフラム部２１ａの周縁部近傍には、差圧検出用の〈１１０〉方向に延びる４つの歪み抵抗ゲージＲ１１,Ｒ１２,Ｒ１３,Ｒ１４が９０°間隔で形成されており、また副ダイヤフラム部２１ｂには静圧検出用の〈１１０〉方向に延びる４つの歪み抵抗ゲージＲ２１,Ｒ２２,Ｒ２３,Ｒ２４が９０°間隔で形成されている。更にベース体２１の前記ダイヤフラム部２１ａ,２１ｂから外れた位置には、〈１００〉方向に延びる温度検出用の抵抗Ｒｔが形成されている。尚、前記副ダイヤフラム部２１ｂには、ベース体２１の表裏面を貫通する貫通孔２１ｃが設けられている。この貫通孔２１ｃは、後述するように副ダイヤフラム部２１ｂの両面にシリコーンオイル等の圧力伝搬媒体を導くためのものである。

尚、これらの歪み抵抗ゲージＲ１１,〜Ｒ１４,Ｒ２１,〜Ｒ２４,Ｒｔは、例えば図７に例示するようにベース体２１をなすｎ型のシリコン基板の表面にｐ型の抵抗層２１ｘを埋め込むことによってそれぞれ形成される。そしてこれらの各抵抗層２１ｘからの電極引き出しについては、抵抗層２１ｘの両端部からオーミック電極２１ｙを介して行うようにすれば良い。またシリコン基板の電位を検出する場合には該シリコン基板の表面に、例えばイオン注入や拡散によってｎ型の高不純物層２１ｚを形成し、この高不純物層２１ｚの上にオーミック電極２１ｙを設けるようにすれば良い。そしてこれらの歪み抵抗ゲージＲ１１,〜Ｒ１４,Ｒ２１,〜Ｒ２４は、例えば図８に例示するようにブリッジ接続されて差圧検出および静圧検出に供され、また抵抗Ｒｔは温度検出に用いられる。

一方、前記第１および第２のストッパ部材２２,２３の上記ベース体２１に対向する面には、主ダイヤフラム部２１ａに対峙する前述した曲面を有する凹部２２ａ,２３ａがそれぞれ設けられており、更に前記副ダイヤフラム部２１ｂに対峙する円環状の溝２２ｂ,２３ｂがそれぞれ設けられている。また第１および第２のストッパ部材２２,２３における各凹部２２ａ,２３ａの頂部には、主ダイヤフラム部２１ａに対して圧力伝搬媒体を導くための導入孔２２ｃ,２３ｃがそれぞれ設けられている。

更に第１および第２のストッパ部材２２,２３における各溝２２ｂ,２３ｂが形成された部位には、該第１および第２のストッパ部材２２,２３の表裏面を貫通する貫通孔２２ｄ,２３ｄがそれぞれ設けられている。特に特に第１のストッパ部材２２に設けられた貫通孔２２ｄは、該ストッパ部材２２の上面に設けられた溝２２ｅを介して前述した導入孔２２ｃに連通されている。この溝２２ｅは、第１のストッパ部材２２の上面が前述した蓋体２４により覆われたとき、該蓋体２４との間に導入孔２２ｃと貫通孔２２ｄとを連結する前記圧力伝搬媒体の通路を形成するものである。尚、第１のストッパ部材２２の縁部に設けられた切欠き溝２２ｆは、前述した歪み抵抗ゲージＲ１１,Ｒ１２,Ｒ１３,Ｒ１４等の電極取り出し部をなすものである。

このようなダイヤフラムをなすベース体２１と、第１および第２のストッパ部材２２,２３とを備える圧力センサ装置は、図６に例示するように、先ずベース体２１と第１のストッパ部材２２とを接合一体化した後、ベース体２１をダイヤフラムとして機能させるべき所定の厚みまで研磨して薄板化する。しかる後、薄板化したベース体２１の裏面側に第２のストッパ部材２３を接合一体化し、ダイヤフラムをなすベース体２１を第１および第２のストッパ部材２２,２３にて挟み込むことで製作される。

ちなみに耐圧が１００ｋＰａの圧力センサ装置を実現する場合には、例えば主ダイヤフラム部２１ａの直径を２ｍｍとし、その厚みを３０μｍとすれば良い。この際、第１および第２のストッパ部材２２,２３の厚みとしては、５００μｍ程度であれば十分である。また凹部２２ａ,２３ａの頂部にそれぞれ設ける圧力導入孔２２ｃ,２３ｃの径については０.１５ｍｍ程度として設定すれば、前述した凹部２２ａ,２３ａのストッパ機能を損なうこと無しに圧力伝搬媒体（シリコーンオイル）を円滑に導入することが可能である。

かくしてこのような構造を有する圧力センサ装置によれば、第２のストッパ部材２３に設けられた導入孔２３ｃを介してベース体２１がなすダイヤフラムの下面側に圧力ＬＰが導入される。また第２のストッパ部材２３に設けられた貫通孔２３ｄに導入される圧力ＨＰｃは、円環状の溝２３ｂから貫通孔２１ｃを介して第１のストッパ部材２２に設けられた円環状の溝２２ｂに導かれ、更に貫通孔２２ｄから溝２２ｅと導入孔２２ｃとを介して前記ベース体２１がなすダイヤフラムの上面側に導入される。この結果、ベース体２１がなすダイヤフラム（主ダイヤフラム部２１ａ）は、その両面（上下面）にそれぞれ導入された圧力ＬＰ,ＨＰの差圧ΔＰに感応して変位を生じ、この変位の大きさが前述した歪み抵抗ゲージＲ１１,Ｒ１２,Ｒ１３,Ｒ１４を介して検出されることになる。

また溝２２ｂ,２３ｂにそれぞれ導入された圧力ＨＰは、副ダイヤフラム部２１ｂをその両面から圧縮する。この圧縮圧に伴う歪み抵抗ゲージＲ２１,Ｒ２２,Ｒ２３,Ｒ２４の抵抗値変化から、その静圧が検出されるようになっている。このようにして差圧と共に静圧を検出し得るように構成することで、ダイヤフラムの差圧ΔＰに対する感度と静圧（圧力ＨＰ）に対する感度とを分離して検出することが可能となり、差圧と静圧との間のクロストークを小さくすることが可能となる。

またこのような構造の圧力センサ（センサチップ）をメータボディに組み込む場合には、前述したように第１および第２のストッパ部材２２,２３によってダイヤフラムの耐圧が十分に高められているので、例えば図９および図１０にそれぞれ示すようにメータボディに設けられた受圧部４ａ,４ｂからダイヤフラムに対して直接的に圧力を導くことが可能となる。換言すれば、先に図１１を用いて説明したセンターダイヤフラム６により隔離された圧力緩衝室７ａ,７ｂを設け、センターダイヤフラム６により過大圧を吸収する構造を採用する必要がない。従って大径のセンターダイヤフラム６を必要としない分、メータボディの大幅な小型化を図ることができ、耐圧の高い圧力センサ装置をコンパクトに実現することが可能となる。

ちなみに図９に示す圧力センサ装置は、一対の受圧部４ａ,４ｂをメータボディの底面に並べて設けたものであり、また図１０に示す圧力センサ装置は、一対の受圧部４ａ,４ｂをメータボディの相対する側面にそれぞれ設けたものである。いずれの構造を採用するにしろ、メータボディの内部にセンタダイヤフラム６を設ける必要がないので、その小型と構造の簡素化を図ることができると言う実用上多大なる効果が奏せられる。

尚、図９および図１０において、３１はセンサチップ１を支持するガラス製の台座であり、黄銅やステンレス鋼等からなるメータボディに対するセンサチップ１の圧力緩衝体としての役割を担う。また３２は台座３１にセンサチップ１を固定するバネ部材である。またこのようにしてセンサチップ１をメータボディに組み込む場合には、図５に示した方形状のベース体２１、第１および第２のストッパ部材２２,２３の角部を切り落とし、センサチップ１自体を円形（円盤状）に形成しておくことが望ましい。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えばダイヤフラムの径や厚みについては、圧力検出の仕様に応じて設定すれば良いものであり、また前述した静圧検出用の歪み抵抗ゲージについては、必ずしも設ける必要はない。またここでは差圧検出用のセンサを主体として説明したが、ダイヤフラムの片面にのみストッパ部材を設けた構造の圧力センサを実現可能なことも言うまでもない。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明に係る圧力センサ装置の基本構造を示す図。 本発明に係る差圧型圧力センサ装置の基本構造を示す図。 ストッパ部材の有無とその形状の違いによるダイヤフラムの印加圧力に対する最大引張応力の関係を対比して示す図。 ストッパ部材の有無とその形状の違いによるダイヤフラムの印加圧力に対する変位の推移を示す図。 本発明の一実施形態に係る圧力センサ装置の概略構成を示す分解斜視図。 図５に示す圧力センサ装置の構造とその製作手順を示す図。 ダイヤフラムに形成される歪み抵抗ゲージの構造を示す図。 歪み抵抗ゲージを用いた差圧・静圧検出回路の構成例を示す図。 センサチップをメータボディに組み込んだ圧力センサ装置の構造例を示す図。 センサチップをメータボディに組み込んだ圧力センサ装置の別の構造例を示す図。 従来の圧力センサ装置の概略構成を示す図。 センターダイヤフラムによる過大圧の吸収用を模式的に示す図。

符号の説明

１ センサチップ
４ａ,４b 受圧部
６ センターダイヤフラム
１１ ベース体
１２ ダイヤフラム
１３ ストッパ部材
１４ 凹部
１６ 圧力導入孔
２１ ベース体（ダイヤフラム）
２１ａ 主ダイヤフラム部
２１ｂ 副ダイヤフラム部
２２ 第１のストッパ部材
２２ａ 凹部（凹曲面）
２２ｂ 溝
２２ｃ 導入孔
２３ 第２のストッパ部材
２３ａ 凹部（凹曲面）
２３ｂ 溝
２３ｃ 導入孔
Ｒ１１,〜Ｒ２４ 歪み抵抗ゲージ

Claims (5)

1. 外部から加えられた圧力を受ける受圧部、およびこの受圧部とセンサ部とを連通し、その内部に圧力伝搬媒体を封入して前記受圧部に加わった圧力を上記センサ部に伝達する連通路を形成したメータボディと、
   その表面に形成された歪抵抗ゲージを備え、上記センサ部に設けられて前記圧力が印加されるシリコン製の円形のダイヤフラムと、
   このダイヤフラムの半径をｒ、厚みをｔ、およびその曲げ剛性をＤとしたとき、該ダイヤフラムの中心からの距離ｘでの深さｙが、前記ダイヤフラムに要求される過大圧保護動作圧力ｐに対して
   ｙ ＝ ｐｒ ^４ （１−ｘ ^２ ／ｒ ^２ ） ^２ ／６４Ｄ
   Ｄ ＝ Ｅｔ ^３ ／１２（１−ν ^２ ） 但し、Ｅはヤング率、νはポアソン比
   なる４次関数で示される非球面をなす凹部をその一面に形成してなり、この凹部を前記ダイヤフラムに対峙させて前記ダイヤフラムに接合一体化して設けられるシリコン製またはガラス製のストッパ部材と、
   前記歪み抵抗ゲージの抵抗値変化から前記ダイヤフラムの両面に加わった圧力の差を検出する差圧検出部と
   を具備したことを特徴とする圧力センサ装置。
2. 前記ダイヤフラムは前記メータボディに設けられるセンサ部を２つの空間に区画して設けられるものであって、前記メータボディは前記ダイヤフラムにより区画された２つの空間にそれぞれ連通する２つの連通路を備え、
   前記ストッパ部材は、前記ダイヤフラムの両面にそれぞれ対峙させて設けられるものである請求項１に記載の圧力センサ装置。
3. 前記ストッパ部材は、前記ダイヤフラムの変位に沿った曲面をなす凹部の頂部に、前記ダイヤフラムへの圧力伝搬媒体の導入孔を備えたものである請求項１または２に記載の圧力センサ装置。
4. 前記ストッパ部材は、シリコン基板またはガラス基板に塗布したレジストをグレースケールマスクを用いて露光し、この露光により凹面を形成した上記レジストを前記シリコン基板またはガラス基板と共にエッチングして前記ダイヤフラムの変位に沿った曲面からなる凹部を形成したものである請求項１に記載の圧力センサ装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の圧力センサ装置であって、更に
   その表面に形成された歪抵抗ゲージを備え、前記ダイヤフラムの周縁を囲んで前記メータボディの連通路に設けられて該連通路に導入された圧力がその両面から加えられる円環状の副ダイヤフラムと、
   この副ダイヤフラムに形成された上記歪み抵抗ゲージの抵抗値変化から前記連通路に導入された圧力を検出する静圧検出部と
   を備えたことを特徴とする圧力センサ装置。

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