JP4511844B2

JP4511844B2 - 圧力センサ及び圧力センサの製造方法

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Publication number: JP4511844B2
Application number: JP2004028853A
Authority: JP
Inventors: 暁之加藤; 敏之猿谷
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2004-02-05
Filing date: 2004-02-05
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2024-02-05
Also published as: DE102005004793A1; CN100462702C; US20050172723A1; US7131337B2; DE102005004793B4; JP2005221351A; CN1651886A

Description

本発明は、圧力センサに関し、特に、静圧特性が良好、安価、簡便の圧力センサに関する。

従来の圧力センサは、シリコン台座９と溝１０とを備えるものもある（例えば、特許文献１参照。）。その詳細について、図６を用いて説明する。図６は、従来の圧力センサの断面図である。

同図において、金属台座である金属５は圧力が印加される穴６を有する。また、台座であるガラス４も圧力が印加される穴６を有する。さらに、ガラス４と金属５とはＡｕ共晶接合等により接合する。そして、ガラス４は電気的且つ機械的な絶縁を施す。

また、シリコン台座９は圧力が印加される穴６を有する。さらに、シリコン台座９とガラス４とは接合する。また、シリコン台座９とガラス４との間は溝１０を有する。

さらに、センサであるシリコンセンサ１は穴６に接続するダイアフラム２を有する。また、シリコンセンサ１はダイアフラム２に発生する歪み（変位）を電気信号に変換する歪みゲージ３を有する。さらに、シリコンセンサ１の一方の面とシリコン台座９とは接合する。

また、シリコンセンサ１の他方の面は室Ｂに接する。さらにまた、穴６及びダイアフラム２は室Ａを形成する。

さらに、シリコンセンサ１、シリコン台座９、ガラス４その他の図６の従来例には静圧が印加される。

このような、図６の従来例は、穴６に印加する圧力を電気信号に変換する。そして、図６の従来例の歪みゲージ３は、室Ａと室Ｂとの圧力差並びに静圧に基づく電気信号を生成する。

また、静圧の印加において、シリコンセンサ１及びシリコン台座９とガラス４とは、それぞれ変形する。そして、シリコンセンサ１及びシリコン台座９はヤング率が大きいため小さく変形し、ガラス４はヤング率が小さいため大きく変形する。

また、図６の従来例のシリコン台座９及び溝１０は、ガラス４の変形による影響がシリコンセンサ１の歪みゲージ３に伝達することを抑制する。そして、溝１０はシリコン台座９とガラス４との接合面積を小さくする。

さらに、従来の圧力センサ（半導体圧力変換装置）は、圧力差検出の構成と静圧検出の構成とを別々に独立して備えると共に、静圧信号の出力を大きくしながら差圧信号への干渉を低減させる構成を備えるものもある（例えば、特許文献２参照。）。

実開平５−５０３３５号公報特許第２６５６５６６号公報

しかしながら、図６の従来例は、静圧の印加（静圧特性）において誤差を有するという課題がある。

詳しくは、静圧の印加のときに、シリコンのヤング率とガラスのヤング率とが異なるため、シリコンセンサ１及びシリコン台座９の変形とガラス４の変形とは異なり、歪みゲージ３には、ガラスの変形に基づく歪みが生じる。

また、ガラス４は、遅延弾性、粘弾性などの特性があるため、ダイアフラム２に歪みを生じさせ、歪みゲージ３に歪みを生じさせ、図６の従来例に誤差を生じさせる。

また、図６の従来例のシリコン台座９及び溝１０は、部品点数が増加し、加工工程が増加し、コストが高いという課題がある。

さらに、溝１０の形成は、接合の歩留まりを悪化させるという課題がある。また、溝１０の形成は、耐圧を低下させるという課題がある。

一方、特許文献２の従来例は、静圧特性の誤差を抑制するものではなく、良好な静圧特性が得られないという課題がある。

本発明の目的は、以上説明した課題を解決するものであり、静圧特性が良好、安価、簡便の圧力センサを提供することにある。

このような目的を達成する本発明は、次の通りである。
（１）圧力が印加される穴を有し、電気的且つ機械的な絶縁が施され厚さｔｇｌａｓｓを有しガラスで形成される板状の台座と、ダイアフラムと厚さｔＳｉを有する前記ダイアフラムの周辺部とを有する板状のセンサであって、前記ダイアフラムの下面が前記穴に接続され、前記ダイアフラムの上面に前記圧力及び静圧によって前記ダイアフラムに発生する歪みを電気信号に変換する歪みゲージを設け、前記ダイアフラムの周辺部の下面が前記台座に接合し、シリコンで形成されるセンサとを備え、前記歪みゲージが圧力差に基づく電気信号と静圧に基づく電気信号とを生成する圧力センサにおいて、前記台座の弾性率Ｅｇｌａｓｓと前記台座の厚さｔｇｌａｓｓとの積（Ｅｇｌａｓｓ・ｔｇｌａｓｓ）と、前記センサの弾性率ＥＳｉと前記ダイアフラムの周辺部の厚さｔＳｉとの積（ＥＳｉ・ｔＳｉ）とが等しくなる（Ｅｇｌａｓｓ・ｔｇｌａｓｓ＝ＥＳｉ・ｔＳｉ）ことを特徴とする圧力センサ。
（２）前記台座と前記センサとの間に形成する溝を備えることを特徴とする（１）記載の圧力センサ。
（３）前記穴を有し、前記台座に接合する金属台座と、前記台座と前記金属台座との間に形成する溝とを備えることを特徴とする（２）記載の圧力センサ。

（２）圧力が印加される穴を有し、電気的且つ機械的な絶縁が施され厚さを有しガラスで形成される台座と、前記圧力によって前記穴に接続するダイアフラムと前記ダイアフラムに発生する歪みを電気信号に変換する歪みゲージとを有し、前記台座と接合し厚さを有するシリコンで形成されるセンサとを備える圧力センサにおいて、前記台座の厚さは、前記圧力によって発生する前記歪みが、前記圧力によって発生する前記台座と接合しない場合の前記センサの有するダイアフラムに発生する歪みに等しくなるように形成することを特徴とする圧力センサ。

（３）前記台座と前記センサとの間に形成する溝を備えることを特徴とする（１）または（２）のいずれかに記載の圧力センサ。

（４）前記穴を有し、前記台座に接合する金属台座と、前記台座と前記金属台座との間に形成する溝とを備えることを特徴とする（３）記載の圧力センサ。

本発明によれば次のような効果がある。
本発明によれば、静圧特性が良好の圧力センサを提供できる。また、安価の圧力センサを提供できる。さらに、簡便な圧力センサを提供できる。

以下に、図１に基づいて本発明を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施例の断面図である。なお、図６の従来例と同一の要素には同一符号を付す。

図１の実施例の特徴は、台座であるガラス４の厚さｔ_{ｇｌａｓｓ}にある。

同図において、金属台座である金属５は圧力が印加される穴６を有する。また、台座であるガラス４も圧力が印加される穴６を有する。さらに、ガラス４と金属５とは、例えば、Ａｕ共晶接合等により接合する。そして、ガラス４は電気的且つ機械的な絶縁を施す。

また、センサであるシリコンセンサ１は穴６に接続するダイアフラム２を有する。さらに、シリコンセンサ１はダイアフラム２の変位を電気信号に変換する歪みゲージ３を有する。また、シリコンセンサ１とガラス４とは、例えば、陽極接合等により接合する。

さらに、ガラス４はガラス４の厚さｔ_{ｇｌａｓｓ}を備え、シリコンセンサ１はシリコンセンサの厚さｔ_Ｓｉを備える。そして、ガラス４の厚さｔ_{ｇｌａｓｓ}は、静圧印加のときの歪みゲージ３に発生する歪みが変化を生じない厚さに形成する。

詳しくは、ガラス４の厚さｔ_{ｇｌａｓｓ}は、ガラス４の弾性率Ｅ_{ｇｌａｓｓ}、シリコンセンサ１の弾性率Ｅ_Ｓｉとし、式（１）をほぼ満足する値に形成する。
Ｅ_{ｇｌａｓｓ}・ｔ_{ｇｌａｓｓ}≒Ｅ_Ｓｉ・ｔ_Ｓｉ（１）

また、歪みゲージ３は、図１のように、ダイヤフラム２の中心よりもｘ方向にずれた場所に形成する。

このような、図１の実施例は、図６の従来例と同様に、穴６に印加する圧力を電気信号に変換する。また、図１の実施例の歪みゲージ３は、図６の従来例の歪みゲージ３と同様に、圧力差並びに静圧に基づく電気信号を生成する。

まず、図２を用いて図１の実施例における静圧印加のときの特性を詳細に説明する。図２は、図１の実施例における静圧印加のときの断面図である。また、図２の断面図の形状は誇張されている。さらに、金属５の記載は省略する。

一方、図１及び図２の実施例からガラス４を削除した（シリコンセンサ及び歪みゲージのみの）構成において、シリコンセンサ１は、静圧印加によって体積が減少する方向に変形する。このとき、歪みゲージ３には、ｘ方向の歪み−ε_Siが発生する。なお、歪み−ε_Siは、ガラス４と接合しないシリコンセンサの有するダイアフラムに発生する歪みに相当する。

他方、図１及び図２の実施例からシリコンセンサ１を削除したものに相当する（ガラス及び歪みゲージのみの）構成において、ガラス４は、静圧印加によって体積が減少する方向に変形する。また、ガラスはシリコンよりもヤング率が小さいため大きく変形する。そして、このとき、歪みゲージ３には、ｘ方向の歪み−Δε_glass１が発生する。

また、図１及び図２の実施例において、シリコンセンサ１及びガラス４は、図２のように反り（たわみ）が発生し、凸形状に変形する。そして、歪みゲージ３には、この凸形状への変形に基づくｘ方向の引っ張り歪みΔε_glass2が発生する。

したがって、図１及び図２の実施例の歪みゲージ３には、歪み−ε_Siと、歪み−Δε_glass１と、引っ張り歪みΔε_glass2とが発生する。即ち、図１及び図２の実施例の歪みゲージ３には、歪み（−ε_Si−Δε_glass１＋Δε_glass2）が発生する。

そして、ガラス４の厚さｔ_{ｇｌａｓｓ}が大きいとき、ガラス４に加わる力が大きくなるため、歪み−Δε_glass１の絶対値は大きくなると共に、凸形状の変形は小さくなるため、引っ張り歪みΔε_glass2の絶対値は小さくなる。

また、厚さｔ_{ｇｌａｓｓ}が小さいときは、ガラス４に加わる力が小さくなるため歪み−Δε_glass１の絶対値は小さくなると共に、凸形状の変形は大きくなるため、引っ張り歪Δε_glass2の絶対値は大きくなる。

よって、ガラス４の厚さｔ_{ｇｌａｓｓ}が所定の値のとき、歪みゲージ３に発生する、ガラス４の変形に基づく歪み−Δε_glass１と、凸形状に変形に基づく引っ張り歪みΔε_glass2とはつり合い、キャンセルする。

したがって、このとき、図１及び図２の実施例の歪みゲージ３には、歪み−ε_Siのみが発生する。即ち、図１及び図２の実施例における静圧によって発生する歪み（−ε_Si−Δε_glass１＋Δε_glass2）は、図１及び図２の実施例からガラス４を削除した構成における静圧によって発生する歪み−ε_Siに等しくなる。

以上のことにより、図１の実施例は、静圧の印加のとき、誤差が生じない。

そして、このような図１の実施例の設計方法を説明する。
第１に、図１の実施例とは別に、図１の実施例からガラス４を削除した構成を形成するステップを実行する。

第２に、図１の実施例の歪みゲージ３に発生する歪み（−ε_Si−Δε_glass１＋Δε_glass2）と、図１の実施例からガラス４を削除した構成の歪みゲージ３に発生する歪み−ε_Siとを比較するステップを実行する。

そして、歪み（−ε_Si−Δε_glass１＋Δε_glass2）と歪み−ε_Siとが異なるときは、ガラス４の厚さｔ_{ｇｌａｓｓ}を変更する。

なお、歪み（−ε_Si−Δε_glass１＋Δε_glass2）が歪み−ε_Siよりも大きいときはガラス４の厚さｔ_{ｇｌａｓｓ}を大きくし、歪み（−ε_Si−Δε_glass１＋Δε_glass2）が歪み−ε_Siよりも小さいときはガラス４の厚さｔ_{ｇｌａｓｓ}を小さくする。

次に、図３を用いて、図１の実施例における静圧印加のときの特性を再度詳しく説明する。図３は、図１の実施例における、（Ｅ_{ｇｌａｓｓ}・ｔ_{ｇｌａｓｓ}）／（Ｅ_Ｓｉ・ｔ_Ｓｉ）に対する歪みゲージ３に発生する歪み（−ε_Si−Δε_glass１＋Δε_glass2）の特性図である。また、パラメータは、ガラス４の厚さｔ_{ｇｌａｓｓ}とする。なお、図３はＦＥＭにおける計算結果である。

同図において、（Ｅ_{ｇｌａｓｓ}・ｔ_{ｇｌａｓｓ}）／（Ｅ_Ｓｉ・ｔ_Ｓｉ）が増加するとき歪みは減少する。そして、（Ｅ_{ｇｌａｓｓ}・ｔ_{ｇｌａｓｓ}）／（Ｅ_Ｓｉ・ｔ_Ｓｉ）がほぼ１となるとき、即ち、図３中のポイントＺのとき、歪み（−ε_Si−Δε_glass１＋Δε_glass2）の値は−ε_Siとなる。

即ち、ガラス４の厚さｔ_{ｇｌａｓｓ}を薄く形成すると、歪み（−ε_Si−Δε_glass１＋Δε_glass2）は減少するのみならず、歪み（−ε_Si−Δε_glass１＋Δε_glass2）の値が−ε_Siとなる場合があることが新しく分かった。したがって、歪み（−ε_Si−Δε_glass１＋Δε_glass2）の値が−ε_Siとなるガラス４の厚さｔ_{ｇｌａｓｓ}を備える図１の実施例は、好適な特性を有する。なお、ガラス４の厚さｔ_{ｇｌａｓｓ}を更に薄く形成すると歪み（−ε_Si−Δε_glass１＋Δε_glass2）は増加する。

また、このような図１の実施例は、シリコンセンサ１とガラス４との接合面が広いため、高い耐圧が得られると共に、安定な特性が得られる。

さらに、図１の実施例は部品点数が少ない。また、図１の実施例は形状が単純で加工工程が簡便となる。このようなことから、図１の実施例は低コストとなる。

また、このような図１の実施例は、好適な静圧特性のみならず、好適な温度特性を有する。

また、図４は本発明の他の実施例における断面図である。図１の実施例と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。

図４の実施例の特徴は、溝７にある。

同図において、溝７はガラス４とシリコンセンサ１との間に形成する。溝７は、ガラス４とシリコンセンサ１との接合面を小さくする。

また、図４の実施例におけるガラス４の厚さｔ_{ｇｌａｓｓ}は、図１の実施例の場合と同様に、静圧印加のときの歪みゲージ３に発生する歪みが変化を生じない厚さに形成する。

このような、図４の実施例は、図１の実施例と同様に、静圧の印加のとき、ガラス４の厚さｔ_{ｇｌａｓｓ}が所定の値のとき、歪みゲージ３に発生する応力はキャンセルするため、誤差が生じない。

さらに、溝７は、ガラス４の変形がシリコンセンサ１に伝達することを抑制する。そして、このような溝７の作用と、ガラス４の厚さｔ_{ｇｌａｓｓ}による変形がつり合う作用とは、相性が良いため、図７の実施例は更に好適な特性が得られる。

また、図４の実施例の溝７は図６の従来例の溝１０よりも小さくできるため、図４の実施例は図６の従来例よりも接合の歩留まりが向上し耐圧が向上する。

さらに、図５は本発明の他の実施例における断面図である。図１の実施例と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。

図５の実施例の特徴は、金属５と溝８とにある。

同図において、溝８はガラス４と金属５との間に形成する。溝８は、ガラス４と金属５との接合面を小さくする。

また、図５の実施例におけるガラス４の厚さｔ_{ｇｌａｓｓ}は、図１の実施例の場合と同様に、静圧印加のときの歪みゲージ３に発生する歪みが変化を生じない厚さに形成する。

このような、図５の実施例は、図１の実施例と同様に、静圧の印加のとき、ガラス４の厚さｔ_{ｇｌａｓｓ}が所定の値のとき、歪みゲージ３に発生する応力はキャンセルするため、誤差が生じない。

さらに、溝８は、金属５の変形がシリコンセンサ１に伝達することを抑制する。そして、このような溝８の作用と、ガラス４の厚さｔ_{ｇｌａｓｓ}による変形がつり合う作用とは、相性が良いため、図５の実施例は更に好適な特性が得られる。

また、図５の実施例において、金属５の変形を考慮して、ガラス４の厚さｔ_{ｇｌａｓｓ}を調整すれば、シリコンセンサ１の変形とガラス４の変形と金属の変形とがつり合うようにできる。このような、図５の実施例は、シリコンセンサ１の変形の影響とガラス４の変形の影響のみならず、金属５の変形の影響をキャンセルできるため、更に好適な特性が得られる。

また、前述の例では、センサはシリコンで形成され、台座はガラスで形成されるものであったが、これとは別に、センサをシリコン以外で形成し、台座をガラス以外で形成しても、同様の作用及び効果を得ることができる。

以上のことにより、本発明は、前述の実施例に限定されることなく、その本質を逸脱しない範囲で更に多くの変更及び変形を含むものである。

本発明の一実施例の断面図である。図１の実施例における静圧印加のときの断面図である。図１の実施例における、（Ｅ_{ｇｌａｓｓ}・ｔ_{ｇｌａｓｓ}）／（Ｅ_Ｓｉ・ｔ_Ｓｉ）に対する歪み（−ε_Si−Δε_glass１＋Δε_glass2）の特性図である。本発明の他の実施例における断面図である。本発明の他の実施例における断面図である。従来の圧力センサの断面図である。

符号の説明

１シリコンセンサ（センサ）
２ダイアフラム
３歪みゲージ
４ガラス（台座）
５金属
６穴
７，８溝
ｔ_Ｓｉシリコンセンサの厚さ（センサの厚さ）
ｔ_{ｇｌａｓｓ} ガラスの厚さ（台座の厚さ）
Ｅ_Ｓｉシリコンセンサの弾性率（センサの弾性率）
Ｅ_{ｇｌａｓｓ} ガラスの弾性率（台座の弾性率）

Claims

圧力が印加される穴を有し、電気的且つ機械的な絶縁が施され厚さｔｇｌａｓｓを有しガラスで形成される板状の台座と、
ダイアフラムと厚さｔＳｉを有する前記ダイアフラムの周辺部とを有する板状のセンサであって、前記ダイアフラムの下面が前記穴に接続され、前記ダイアフラムの上面に前記圧力及び静圧によって前記ダイアフラムに発生する歪みを電気信号に変換する歪みゲージを設け、前記ダイアフラムの周辺部の下面が前記台座に接合し、シリコンで形成されるセンサとを備え、
前記歪みゲージが圧力差に基づく電気信号と静圧に基づく電気信号とを生成する圧力センサにおいて、
前記台座の弾性率Ｅｇｌａｓｓと前記台座の厚さｔｇｌａｓｓとの積（Ｅｇｌａｓｓ・ｔｇｌａｓｓ）と、前記センサの弾性率ＥＳｉと前記ダイアフラムの周辺部の厚さｔＳｉとの積（ＥＳｉ・ｔＳｉ）とが等しくなる（Ｅｇｌａｓｓ・ｔｇｌａｓｓ＝ＥＳｉ・ｔＳｉ）
ことを特徴とする圧力センサ。
前記台座と前記センサとの間に形成する溝を備える
ことを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
前記穴を有し、前記台座に接合する金属台座と、
前記台座と前記金属台座との間に形成する溝とを備える
ことを特徴とする請求項２記載の圧力センサ。