JP4175153B2 - 圧力センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板からなるダイヤフラムの変位に応じて印加圧力を検出する圧力センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体圧力センサでは、圧力媒体の圧力をシリコンダイヤフラムでそのまま受け、シリコンダイヤフラムに形成されたピエゾ抵抗素子のピエゾ効果により圧力を電気信号として取出している。この際、圧力媒体の測定圧力に応じ、シリコンダイヤフラムの受圧部の面積、厚みを適宜変えるようにしている（特許文献１参照）。
【特許文献１】
特開平６−４５６１８号公報
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、印加圧力が微小圧力となると、ダイヤフラムの厚みを薄くする必要があるが、図２に示すようにダイヤフラムの厚みが薄くなると、厚みのばらつきによるセンサ感度のばらつきが非常に大きくなり、誤差が大きくなるという問題がある。
【０００４】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ダイヤフラムの厚みを薄くすることなく、微小圧力を検出することができる圧力センサを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明によれば、増圧手段は、印加圧力を増大させた状態でダイヤフラムに作用させるので、微小圧力を検出するために半導体基板からなるダイヤフラムの厚みを薄くする必要がなくなり、従来のものを使用しながら、微小圧力を確実に検出することができる。
【０００６】
また、ピストンの組合わせにより印加圧力を増大することができるので、簡単な構成で実施することができる。
【０００７】
さらに、第１のピストンにも印加圧力が作用するので、第１のピストンも有効利用することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図１に基づいて説明する。
図１は、圧力センサの断面を示している。この図１において、圧力センサ１は、増圧手段２とセンサチップ素子３とを組合せて構成されている。
増圧手段２は、シリンダーブロック４にピストン体５を内蔵して構成されている。シリンダーブロック４において圧力媒体からの圧力を受ける部位には第１の受圧口６及び第２の受圧口７が形成されている。シリンダーブロック４内には第１の駆動室８及び第２の駆動室９が形成されており、第１の受圧口６が第１の駆動室８に連通し、第２の受圧口７が第２の駆動室９に連通している。
【０００９】
ピストン体５は、第１のピストン１０と第２のピストン１１とを連結部１２で連結してなり、第１のピストン１０の圧力作用面側に第１の駆動室８が位置し、第２のピストン１１の圧力作用面側に第２の駆動室９が位置している。この場合、第１のピストン１０と第２のピストン１１とは圧力媒体による圧力作用方向に連結してなり、圧力媒体の圧力が各ピストン１０，１１に対して同一方向に作用するようになっている。
【００１０】
第１のピストン１０の裏面側は増圧室１３に設定されており、その増圧室１３が第３の受圧口１４を介してセンサチップ素子３に連通している。増圧室１３及び第３の受圧口１４には圧力伝達媒体１５が封止されており、第１のピストン１０が圧力作用方向に変位することにより増圧室１３の容積が変化して圧力伝達媒体１５の圧力が変化する。
【００１１】
ここで、第１のピストン１０に作用する力は、第１のピストン１０の圧力作用面に作用する圧力媒体による圧力と第２のピストン１１の圧力作用面に作用する圧力媒体による圧力の和である。この場合、第１のピストン１０に作用する圧力媒体による圧力は、そのまま圧力伝達媒体１５に伝達される。これに対して、第２のピストン１１の径は第１のピストン１０の径の２倍に設定されており、第２のピストン１１に作用する圧力媒体による圧力は圧力伝達媒体１５に４倍に増大されて伝達される。
【００１２】
尚、第２のピストン１１の裏面側は貫通孔１６を通じて大気圧となっている。
【００１３】
センサチップ素子３は、ガラス台座１７にシリコンダイヤフラム１８を陽極接合してなり、ガラス台座１７に形成された導入孔１９を通じて圧力伝達媒体１５の圧力がシリコンダイヤフラム１８に作用するようになっている。シリコンダイヤフラム１８にはピエゾ抵抗素子（検出素子に相当）が形成されており、シリコンダイヤフラム１８の変位に応じてピエゾ抵抗素子の抵抗が変化することによりシリコンダイヤフラム１８に作用する圧力を検出することができる。
【００１４】
センサチップ素子３からの検出信号は回路基板２０により処理され、コネクタ２１を介して外部に出力される。
そして、センサチップ素子３及び回路基板２０は保護カバー２２で保護されている。
【００１５】
次に上記構成の作用について説明する。
圧力媒体により圧力が圧力センサ１に印加すると、第１のピストン１０及び第２のピストン１１の圧力作用面に対して圧力媒体の圧力が同時に作用する。これにより、増圧室１３には、第１のピストン１０に作用する圧力媒体からの圧力と第２のピストン１１に作用する圧力媒体からの圧力の和が印加される。この場合、第１のピストン１０を押す力は、ピストン径をｄ１とすると、Ｗ１＝Ｐ・π・ｄ１２／４である。また、第２のピストン１１を押す力は、ピストン径をｄ２とすると、Ｗ２＝Ｐ・π・ｄ２２／４である。従って、増圧室１３の圧力は、Ｐｚ＝（Ｗ１＋Ｗ２）／π・ｄ１２／４となる。
【００１６】
ここで、ｄ２＝２ｄ１であるから、Ｐｚ＝５Ｐとなり、圧力媒体の圧力を５倍に増幅した状態で圧力伝達媒体１５を介してシリコンダイヤフラム１８に作用させることができる。このことは、例えば測定レンジ１００ｍｍＨ２０を５００ｍｍＨ２０に増幅できることを意味しており、センサチップ素子３として従来のスペックのものを用いることができる。
【００１７】
このような実施の形態によれば、圧力媒体の圧力を増圧手段２により増大させた状態でセンサチップ素子３に与えるようにしたので、センサチップ素子３のシリコンダイヤフラム１８の厚みを薄くすることなく圧力媒体の圧力を検出することができる。従って、シリコンダイヤフラムの厚みを薄くすることにより、厚みのばらつきの影響を受け易くなってしまう従来例のものと違って、シリコンダイヤフラム１８の厚みのばらつきの影響を受けてしまうことを防止できるので、圧力媒体の微小圧力を確実に検出することができる。
【００１８】
しかも、増圧手段２としてピストンを利用するようにしたので、簡単に実施することができる。
また、第１のピストン１０にも圧力媒体の圧力が作用するようにしたので、第２のピストン１１のみに圧力媒体の圧力を作用する構成に比較して、圧力を一層増大することができる。
【００１９】
本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、次のように変形または拡張できる。
第２のピストン１１の径を第１のピストン１０の径の５倍以上に設定するようにしてもよい。
第２のピストン１１を複数設け、第２のピストン１１による圧力増大機能をさらに高めるようにしてもよい。
増圧手段２を複数連結し、センサチップ素子３に与える圧力を多段階的に増大するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施の形態における圧力センサの断面を示す概略図
【図２】 従来例におけるダイヤフラム厚みと誤差との関係を示す図
【符号の説明】
１は圧力センサ、２は増圧手段、３はセンサチップ素子、１０は第１のピストン、１１は第２のピストン、１５は圧力伝達媒体、１８はシリコンダイヤフラムである。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板からなるダイヤフラムの変位に応じて印加圧力を検出する圧力センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体圧力センサでは、圧力媒体の圧力をシリコンダイヤフラムでそのまま受け、シリコンダイヤフラムに形成されたピエゾ抵抗素子のピエゾ効果により圧力を電気信号として取出している。この際、圧力媒体の測定圧力に応じ、シリコンダイヤフラムの受圧部の面積、厚みを適宜変えるようにしている（特許文献１参照）。
【特許文献１】
特開平６−４５６１８号公報
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、印加圧力が微小圧力となると、ダイヤフラムの厚みを薄くする必要があるが、図２に示すようにダイヤフラムの厚みが薄くなると、厚みのばらつきによるセンサ感度のばらつきが非常に大きくなり、誤差が大きくなるという問題がある。
【０００４】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ダイヤフラムの厚みを薄くすることなく、微小圧力を検出することができる圧力センサを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明によれば、増圧手段は、印加圧力を増大させた状態でダイヤフラムに作用させるので、微小圧力を検出するために半導体基板からなるダイヤフラムの厚みを薄くする必要がなくなり、従来のものを使用しながら、微小圧力を確実に検出することができる。
【０００６】
また、ピストンの組合わせにより印加圧力を増大することができるので、簡単な構成で実施することができる。
【０００７】
さらに、第１のピストンにも印加圧力が作用するので、第１のピストンも有効利用することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図１に基づいて説明する。
図１は、圧力センサの断面を示している。この図１において、圧力センサ１は、増圧手段２とセンサチップ素子３とを組合せて構成されている。
増圧手段２は、シリンダーブロック４にピストン体５を内蔵して構成されている。シリンダーブロック４において圧力媒体からの圧力を受ける部位には第１の受圧口６及び第２の受圧口７が形成されている。シリンダーブロック４内には第１の駆動室８及び第２の駆動室９が形成されており、第１の受圧口６が第１の駆動室８に連通し、第２の受圧口７が第２の駆動室９に連通している。
【０００９】
ピストン体５は、第１のピストン１０と第２のピストン１１とを連結部１２で連結してなり、第１のピストン１０の圧力作用面側に第１の駆動室８が位置し、第２のピストン１１の圧力作用面側に第２の駆動室９が位置している。この場合、第１のピストン１０と第２のピストン１１とは圧力媒体による圧力作用方向に連結してなり、圧力媒体の圧力が各ピストン１０，１１に対して同一方向に作用するようになっている。
【００１０】
第１のピストン１０の裏面側は増圧室１３に設定されており、その増圧室１３が第３の受圧口１４を介してセンサチップ素子３に連通している。増圧室１３及び第３の受圧口１４には圧力伝達媒体１５が封止されており、第１のピストン１０が圧力作用方向に変位することにより増圧室１３の容積が変化して圧力伝達媒体１５の圧力が変化する。
【００１１】
ここで、第１のピストン１０に作用する力は、第１のピストン１０の圧力作用面に作用する圧力媒体による圧力と第２のピストン１１の圧力作用面に作用する圧力媒体による圧力の和である。この場合、第１のピストン１０に作用する圧力媒体による圧力は、そのまま圧力伝達媒体１５に伝達される。これに対して、第２のピストン１１の径は第１のピストン１０の径の２倍に設定されており、第２のピストン１１に作用する圧力媒体による圧力は圧力伝達媒体１５に４倍に増大されて伝達される。
【００１２】
尚、第２のピストン１１の裏面側は貫通孔１６を通じて大気圧となっている。
【００１３】
センサチップ素子３は、ガラス台座１７にシリコンダイヤフラム１８を陽極接合してなり、ガラス台座１７に形成された導入孔１９を通じて圧力伝達媒体１５の圧力がシリコンダイヤフラム１８に作用するようになっている。シリコンダイヤフラム１８にはピエゾ抵抗素子（検出素子に相当）が形成されており、シリコンダイヤフラム１８の変位に応じてピエゾ抵抗素子の抵抗が変化することによりシリコンダイヤフラム１８に作用する圧力を検出することができる。
【００１４】
センサチップ素子３からの検出信号は回路基板２０により処理され、コネクタ２１を介して外部に出力される。
そして、センサチップ素子３及び回路基板２０は保護カバー２２で保護されている。
【００１５】
次に上記構成の作用について説明する。
圧力媒体により圧力が圧力センサ１に印加すると、第１のピストン１０及び第２のピストン１１の圧力作用面に対して圧力媒体の圧力が同時に作用する。これにより、増圧室１３には、第１のピストン１０に作用する圧力媒体からの圧力と第２のピストン１１に作用する圧力媒体からの圧力の和が印加される。この場合、第１のピストン１０を押す力は、ピストン径をｄ１とすると、Ｗ１＝Ｐ・π・ｄ１２／４である。また、第２のピストン１１を押す力は、ピストン径をｄ２とすると、Ｗ２＝Ｐ・π・ｄ２２／４である。従って、増圧室１３の圧力は、Ｐｚ＝（Ｗ１＋Ｗ２）／π・ｄ１２／４となる。
【００１６】
ここで、ｄ２＝２ｄ１であるから、Ｐｚ＝５Ｐとなり、圧力媒体の圧力を５倍に増幅した状態で圧力伝達媒体１５を介してシリコンダイヤフラム１８に作用させることができる。このことは、例えば測定レンジ１００ｍｍＨ２０を５００ｍｍＨ２０に増幅できることを意味しており、センサチップ素子３として従来のスペックのものを用いることができる。
【００１７】
このような実施の形態によれば、圧力媒体の圧力を増圧手段２により増大させた状態でセンサチップ素子３に与えるようにしたので、センサチップ素子３のシリコンダイヤフラム１８の厚みを薄くすることなく圧力媒体の圧力を検出することができる。従って、シリコンダイヤフラムの厚みを薄くすることにより、厚みのばらつきの影響を受け易くなってしまう従来例のものと違って、シリコンダイヤフラム１８の厚みのばらつきの影響を受けてしまうことを防止できるので、圧力媒体の微小圧力を確実に検出することができる。
【００１８】
しかも、増圧手段２としてピストンを利用するようにしたので、簡単に実施することができる。
また、第１のピストン１０にも圧力媒体の圧力が作用するようにしたので、第２のピストン１１のみに圧力媒体の圧力を作用する構成に比較して、圧力を一層増大することができる。
【００１９】
本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、次のように変形または拡張できる。
第２のピストン１１の径を第１のピストン１０の径の５倍以上に設定するようにしてもよい。
第２のピストン１１を複数設け、第２のピストン１１による圧力増大機能をさらに高めるようにしてもよい。
増圧手段２を複数連結し、センサチップ素子３に与える圧力を多段階的に増大するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施の形態における圧力センサの断面を示す概略図
【図２】 従来例におけるダイヤフラム厚みと誤差との関係を示す図
【符号の説明】
１は圧力センサ、２は増圧手段、３はセンサチップ素子、１０は第１のピストン、１１は第２のピストン、１５は圧力伝達媒体、１８はシリコンダイヤフラムである。
Claims (1)
- シリンダーブロックと、
このシリンダーブロックにおいて裏面側に増圧室を形成するように設けられ、印加圧力が表面側の圧力作用面に作用する第１のピストンと、
前記第１のピストンと連結され、印加圧力に応じて前記第１のピストンを圧力作用方向に変位するように前記第１のピストンの圧力作用面よりも大なる圧力作用面を有する第２のピストンと、
前記シリンダーブロックに固定され、前記増圧室と連通する導入孔を有した台座と、
この台座に前記導入孔を閉鎖するように接合され、印加応力に応じて変位する半導体基板からなるダイヤフラムと、
このダイヤフラムの変位を検出する検出素子と、
前記増圧室に封止され、前記第１のピストンの圧力作用方向への変位に応じて前記台座の前記導入孔を通じて前記ダイヤフラムに圧力を作用させる圧力伝達媒体とを備えたことを特徴とする圧力センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003075577A JP4175153B2 (ja) | 2003-03-19 | 2003-03-19 | 圧力センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003075577A JP4175153B2 (ja) | 2003-03-19 | 2003-03-19 | 圧力センサ |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004286462A JP2004286462A (ja) | 2004-10-14 |
| JP2004286462A5 JP2004286462A5 (ja) | 2007-12-20 |
| JP4175153B2 true JP4175153B2 (ja) | 2008-11-05 |
Family
ID=33290860
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003075577A Expired - Fee Related JP4175153B2 (ja) | 2003-03-19 | 2003-03-19 | 圧力センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4175153B2 (ja) |
-
2003
- 2003-03-19 JP JP2003075577A patent/JP4175153B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2004286462A (ja) | 2004-10-14 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20050419 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20071011 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20071105 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20071204 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20080110 |
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