JP5454628B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、ピエゾ抵抗素子が形成されたセンサ部が支持部材に片持ち支持されてなる圧力センサに関するものである。

従来より、ダイヤフラムを有すると共にこのダイヤフラムにブリッジ回路を構成する第１〜第４ゲージ抵抗が形成され、圧力に応じたセンサ信号を出力するセンサ部と、このセンサ部を片持ち支持する支持部材とを有する圧力センサが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

図６に示されるように、上記圧力センサは、センサ部Ｊ１０は直方体形状とされていると共に長手方向の一端に固定端Ｊ２１を有しており、当該固定端Ｊ２１が支持部材Ｊ４０に接合されて片持ち支持されている。また、センサ部Ｊ１０は、（００１）面を主表面とするシリコン基板Ｊ２０を用いて構成され、このシリコン基板Ｊ２０にダイヤフラムＪ２４が形成されている。なお、センサ部Ｊ１０の長手方向は[１１０]方向と平行な方向とされている。

ダイヤフラムＪ２４は、外形輪郭線が第１〜第４辺Ｊ２４ａ〜Ｊ２４ｄを有する正方形状とされ、相対する第１、第３辺Ｊ２４ａ、Ｊ２４ｃが[−１１０]方向と平行とされていると共に相対する第２、第４辺Ｊ２４ｂ、Ｊ２４ｄが[１１０]方向と平行とされており、第１辺Ｊ２４ａが固定端Ｊ２１側に位置するように形成されている。このようなダイヤフラムＪ２４では、圧力が印加されると第１〜第４辺Ｊ２４ａ〜Ｊ２４ｄの中央部が歪みやすいため、歪みが印加されると抵抗値が変化する第１〜第４ゲージ抵抗Ｊ２５ａ〜Ｊ２５ｄは第１〜第４辺Ｊ２４ａ〜Ｊ２４ｄの中央部と隣接する部分にそれぞれ形成されている。

上記圧力センサでは、センサ部Ｊ１０が支持部材Ｊ４０に片持ち支持されているため、センサ部Ｊ１０の裏面全体が支持部材Ｊ４０に接合されている場合と比較して、外部温度が変化したときにダイヤフラムＪ２４に生じる熱応力を低減することができる。つまり、第１〜第４ゲージ抵抗Ｊ２５ａ〜Ｊ２５に印加される熱応力を低減することができる。

特開２００２−３５０２６０号公報

しかしながら、上記圧力センサでは、外部温度が変化したときに、第１〜第４ゲージ抵抗Ｊ２５ａ〜Ｊ２５ｄに印加される熱応力を低減することができるものの、完全に無くすことはできない。この場合、ダイヤフラムＪ２４のうち固定端Ｊ２１に近い部分には大きな熱応力が生じ、ダイヤフラムＪ２４のうち固定端Ｊ２１から遠い部分には固定端Ｊ２１側より小さな熱応力が生じる。

つまり、第１ゲージ抵抗Ｊ２５ａに大きな熱応力が印加され、第３ゲージ抵抗Ｊ２５ｃに小さな熱応力が印加される。このため、外部温度が変化したときに第１〜第４ゲージ抵抗Ｊ２５ａ〜Ｊ２５ｄには異なる熱応力が印加されることになり、センサ信号が温度に対して非線形となってしまう（図１０参照）。この場合、外部回路等にてセンサ信号の温特補正を行うことが可能であるが、センサ信号が温度に対して非線形な信号であると温特補正が複雑になってしまう。

なお、上記では、（００１）面を主表面とするシリコン基板Ｊ２０を有するセンサ部Ｊ１０を用いて構成された圧力センサを例に挙げて説明したが、例えば、（０１１）面を主表面とするシリコン基板Ｊ２０を有するセンサ部Ｊ１０を用いて圧力センサを構成した場合も同様である。

本発明は上記点に鑑みて、センサ部を片持ち支持してなる圧力センサにおいて、センサ信号が非線形となることを抑制することができる圧力センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、一方向を長手方向とし、長手方向の一端（２１）が固定端とされていると共に一端と反対側の他端（２２）が自由端とされており、薄肉のダイヤフラム（２４）が形成されていると共にダイヤフラムにブリッジ回路を構成する第１〜第４ゲージ抵抗（２５ａ〜２５ｄ）が形成されたセンサ部（１０）と、センサ部の一端を固定する支持部材（４０）と、を備える圧力センサにおいて以下の点を特徴としている。

すなわち、ダイヤフラムには、印加される力に応じて抵抗値の増減が反対となる一対のピエゾ抵抗素子（２６ａ〜２６ｈ）を組とすると、第１、第２組のピエゾ抵抗素子が支持部材までの距離が互いに等しくされた状態で形成されていると共に、第３、第４組のピエゾ抵抗素子が第１、第２組のピエゾ抵抗素子より支持部材までの距離が長くされ、かつ支持部材までの距離が互いに等しくされた状態で形成されており、第１ゲージ抵抗は、第１組における一方のピエゾ抵抗素子と第４組における第１組の一方のピエゾ抵抗素子と抵抗値の増減が同じとなるピエゾ抵抗素子とが直列接続された合成抵抗にて構成され、 第２ゲージ抵抗は、第２組における一方のピエゾ抵抗素子と第３組における第２組の一方のピエゾ抵抗素子と抵抗値の増減が同じとなるピエゾ抵抗素子とが直列接続された合成抵抗にて構成され、第３ゲージ抵抗は、第２組における他方のピエゾ抵抗素子と第３組における第２組の他方のピエゾ抵抗素子と抵抗値の増減が同じとなるピエゾ抵抗素子とが直列接続された合成抵抗にて構成され、第４ゲージ抵抗は、第１組における他方のピエゾ抵抗素子と第４組における第１組の他方のピエゾ抵抗素子と抵抗値の増減が同じとなるピエゾ抵抗素子とが直列接続された合成抵抗にて構成されていることを特徴としている。

これによれば、第１〜第４ゲージ抵抗は、それぞれ大きな熱応力が印加されるピエゾ抵抗素子と、小さな熱応力が印加されるピエゾ抵抗素子とが直列接続された合成抵抗にて構成されている。このため、ダイヤフラムに熱応力が生じた場合、第１〜第４ゲージ抵抗に印加される熱応力の大きさの差を低減することができる。したがって、第１〜第４ゲージ抵抗の熱応力に起因する抵抗値変化の大きさの差を低減することができ、センサ信号が非線形となることを抑制することができる（図１２）。

また、請求項２に記載の発明のように、ダイヤフラムは、外形輪郭線が長手方向と垂直に交差する一辺（２４ａ）を一端側に有する形状とされており、ピエゾ抵抗素子は、ダイヤフラムのうち一辺の中点周りの領域外に形成されているものとすることができる。

これによれば、第１〜第８ピエゾ抵抗素子に印加される熱応力自体を小さくすることができ、センサ信号が非線形となることをさらに抑制することができる。

そして、請求項６に記載の発明のように、ダイヤフラムは、（第２方向の長さ）／（第１方向の長さ）の比をアスペクト比とすると、アスペクト比が１以上とされているものとすることができる。

これによれば、ダイヤフラムに生じる熱応力自体を小さくすることができ、第１〜第８ピエゾ抵抗素子に印加される熱応力自体を小さくすることができる。このため、センサ信号が非線形となることをさらに抑制することができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１施形態における圧力センサの平面図である。 図１中のII−II線に沿った断面図である。 第１〜第４ゲージ抵抗が構成するブリッジ回路の回路図である。 図１に示すダイヤフラムの拡大図である。 （ａ）は第１ピエゾ抵抗素子を示す図、（ｂ）は第５ピエゾ抵抗素子を示す図である。 従来の圧力センサの平面図である。 図６に示す第１〜第４ゲージ抵抗が構成するブリッジ回路の回路図である。 図６中のVIII−VIII線に沿った応力分布を示す図である。 図６に示す第１〜第４ゲージ抵抗の抵抗値変化を示す図である。 従来の圧力センサのセンサ信号と温度との関係を示す図である。 図３に示す第１〜第４ゲージ抵抗の抵抗値変化を示す図である。 図１に示す圧力センサのセンサ信号と温度との関係を示す図である。 （ａ）は本発明の第２実施形態におけるダイヤフラムの平面図、（ｂ）は（ａ）中のＢ方向に沿って熱応力をシミュレーションした結果、（ｃ）は（ａ）中のＣ方向に沿って熱応力をシミュレーションした結果である。 （ａ）はアスペクト比が１であるダイヤフラムの平面図、（ｂ）は（ａ）中のＤ方向に沿って熱応力をシミュレーションした結果、（ｃ）は（ａ）中のＥ方向に沿って熱応力をシミュレーションした結果である。 （ａ）はアスペクト比が１より小さいダイヤフラムの平面図、（ｂ）は（ａ）中のＦ方向に沿って熱応力をシミュレーションした結果、（ｃ）は（ａ）中のＧ方向に沿って熱応力をシミュレーションした結果である。 本発明の第３実施形態におけるダイヤフラムの平面図である。 本発明の他の実施形態におけるセンサ部の断面図である。 本発明の他の実施形態におけるダイヤフラムの平面図である。 本発明の他の実施形態におけるダイヤフラムの平面図である。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１および図２に示されるように、圧力センサは、センサ部１０と、樹脂材料等を用いて構成され、センサ部１０を片持ち支持する支持部材４０とを有する構成とされている。

センサ部１０は、シリコン基板２０とガラス基板等の台座３０とを有して構成され、一方向を長手方向とする直方体形状とされており、長手方向の一端が固定端２１とされていると共に当該一端と反対側の他端が自由端２２とされている。そして、固定端２１が接着剤等の接合部材５０を介して支持部材４０に接合されている。すなわち、センサ部１０は支持部材４０に片持ち支持されている。なお、センサ部１０の長手方向とは、[１１０]方向に沿った方向のことである。

シリコン基板２０は、直方体形状とされており、本実施形態では主表面が（００１）面とされ、主表面では[１１０]軸および[−１１０]軸が直交した状態で存在している。そして、このシリコン基板２０には、固定端２１側より自由端２２側に表面から異方性エッチング等されることにより構成された断面が台形形状の凹部２３が形成されており、この凹部２３に伴って薄肉部となった部分によりダイヤフラム２４が構成されている。

ダイヤフラム２４を自由端２２側に形成するのは、ダイヤフラム２４を固定端２１側に形成した場合と比較して、外部温度が変化したときにダイヤフラム２４に生じる熱応力が小さくなるためである。

ダイヤフラム２４は、本実施形態では、外形輪郭線（図１（ａ）中の破線で示した線）が〈１１０〉方向と平行となる第１〜第４辺２４ａ〜２４ｂを有して構成され、平面形状が正方形状とされている。具体的には、第１〜第４辺２４ａ〜２４ｄのうち相対する第１辺２４ａと第３辺２４ｃとが[−１１０]方向と平行とされており、相対する第２辺２４ｂと第４辺２４ｄとが[１１０]方向と平行とされている。そして、ダイヤフラム２４は、第１辺２４ａが固定端２１側に位置するように形成されている。

また、ダイヤフラム２４は、シリコン基板２０の中心を通り、［１１０］方向に延びる軸が当該ダイヤフラム２４の中心を通るように形成されている。言い換えると、ダイヤフラム２４は、シリコン基板２０の中心を通る［１１０］軸を基準として対称形状とされている。

なお、本実施形態では、[１１０]方向が本発明の第１方向に相当し、[−１１０]方向が本発明の第２方向に相当している。

そして、ダイヤフラム２４上には、応力によって抵抗値が変動する第１〜第４ゲージ抵抗２５ａ〜２５ｄが図３に示されるようにホイートストンブリッジ回路（以下では、単にブリッジ回路という）を構成するように形成されている。以下に、第１〜第４ゲージ抵抗２５ａ〜２５ｄについて具体的に説明する。

第１〜第４ゲージ抵抗２５ａ〜２５ｄは、第１〜第８ピエゾ抵抗素子２６ａ〜２６ｈを用いて構成されており、第１〜第８ピエゾ抵抗素子２６ａ〜２６ｄは、図４に示されるように、印加される力に応じて抵抗値の増減が反対となる２つのピエゾ抵抗素子を組として組毎にダイヤフラム２４に形成されている。

本実施形態では、第１、第５ピエゾ抵抗素子２６ａ、２６ｅが第１組、第２、第６ピエゾ抵抗素子２６ｂ、２６ｆが第２組、第３、第７ピエゾ抵抗素子２６ｃ、２６ｇが第３組、第４、第８ピエゾ抵抗素子２６ｄ、２６ｈが第４組とされている。そして、ダイヤフラム２４のうち第２辺２４ｂの中央部に隣接して第１組の第１、第５ピエゾ抵抗素子２６ａ、２６ｅが形成されていると共に、第４辺２４ｄの中央部に隣接して第２組の第２、第６ピエゾ抵抗素子２６ｂ、２６ｆが形成されており、これら２組のピエゾ抵抗素子２６ａ、２６ｅ、２６ｂ、２６ｆは支持部材４０までの距離が互いに等しくされている。また、ダイヤフラム２４のうち第３辺２４ｃの中央部に隣接して第３、第４組の第３、第４、第７、第８ピエゾ抵抗素子２６ｃ、２６ｇ、２６ｄ、２６ｈが支持部材４０までの距離が互いに等しくされた状態で形成されている。

言い換えると、本実施形態の第１〜第８ピエゾ抵抗素子２６ａ〜２６ｈは、ダイヤフラム２４のうち第１辺２４ａの中点周りの領域外に形成されているともいえる。つまり、第１〜第８ピエゾ抵抗素子２６ａ〜２６ｈは、第１辺２４ａの中点近傍を除く領域に形成されており、第１辺２４ａの中点に接しないように形成されている。すなわち、第１〜第８ピエゾ抵抗素子２６ａ〜２６ｈは、外部温度が変化したとき、ダイヤフラム２４に最も大きな熱応力が生じる部分を除く領域に形成されている。換言すると、第１〜第８ピエゾ抵抗素子２６ａ〜２６ｈは、全体としてダイヤフラム２４のうち自由端２２側に形成されている。

なお、第１〜第８ピエゾ抵抗素子２６ａ〜２６ｈを第２〜第４辺２４ｂ〜２４ｄの中央部に隣接して形成するのは、上記のように、シリコン基板２０の主表面を（００１）面とした場合には、ダイヤフラム２４に圧力が印加されたときに第２〜第４辺２４ｂ〜２４ｄの中央部が歪みやすいためである。

このような第１〜第８ピエゾ抵抗素子２６ａ〜２６ｈは、一方向に延設された直線部分がその端部で繰り返し折り返された折れ線形状とされ、同じ大きさとされている。具体的には、第１〜第４ピエゾ抵抗素子２６ａ〜２６ｄは、［−１１０］方向に延設された直線部分を有し、第５〜第８ピエゾ抵抗素子２６ｅ〜２６ｈは、［１１０］方向に延設された直線部分を有している。このため、第１、第２、第７、第８ピエゾ抵抗素子２６ａ、２６ｂ、２６ｇ、２６ｈは、ダイヤフラム２４に生じる力に応じて抵抗値が増加し、第３〜第６ピエゾ抵抗素子２６ｃ〜２６ｆは、ダイヤフラム２４に生じる力に応じて抵抗値が減少する。

また、第１〜第８ピエゾ抵抗素子２６ａ〜２６ｈは、抵抗値を決定する直線部分を囲む領域Ａが正方形状とされている。つまり、図５に示されるように、第１、第５ピエゾ抵抗素子２６ａ、２６ｅを例に挙げて説明すると、第１、第５ピエゾ抵抗素子２６ａ、２６ｅは９０°回転させることによって一致する形状とされており、同じ感度を有するものとされている。

そして、上記のように構成された第１〜第８ピエゾ抵抗素子２６ａ〜２６ｈにて第１〜第４ゲージ抵抗２５ａ〜２５ｂが構成されている。具体的には、図３に示されるように、第１ゲージ抵抗２５ａは第１ピエゾ抵抗素子２６ａと第８ピエゾ抵抗素子２６ｈとが直列接続されて構成され、第２ゲージ抵抗２５ｂは第２ピエゾ抵抗素子２６ｂと第７ピエゾ抵抗素子２６ｇとが直列接続されて構成されている。また、第３ゲージ抵抗２５ｃは第３ピエゾ抵抗素子２６ｃと第６ピエゾ抵抗素子２６ｆとが直列接続されて構成され、第４ゲージ抵抗２５ｄは第４ピエゾ抵抗素子２６ｄと第５ピエゾ抵抗素子２６ｅとが直列接続されて構成されている。

すなわち、第１〜第４ゲージ抵抗２５ａ〜２５ｄは、第１、第２組における１つのピエゾ抵抗素子と、第３、第４組のうち第１、第２組における１つのピエゾ抵抗素子と印加される力に応じた抵抗値の増減の符号が同じとなる１つのピエゾ抵抗素子と、が直列接続された合成抵抗にて構成されている。

そして、本実施形態では、第２、第３ゲージ抵抗２５ｂ、２５ｃの共通接続点から定電流が供給され、第１、第３ゲージ抵抗２５ａ、２５ｃの共通接続点および第２、第４ゲージ抵抗２５ｂ、２５ｄの共通接続点の電位差から圧力の検出が行われるようになっている。

なお、第１〜第８ピエゾ抵抗素子２６ａ〜２６ｈは、それぞれシリコン基板２０に形成された拡散配線やシリコン基板２０上に形成された金属配線等の図示しない配線を介して電気的に接続される。この場合、配線はダイヤフラム２４の内部に形成されていてもよいし、ダイヤフラム２４の外部に形成されていてもよい。

また、図３中では、第１、第２ゲージ抵抗２５ａ、２５ｂと重ねて記載した紙面上側に向かう矢印は、ダイヤフラム２４に力が印加されたときに抵抗値が増加することを示しており、第３、第４ゲージ抵抗２５ｃ、２５ｄと重ねて記載した紙面下側に向かう矢印は、ダイヤフラム２４に力が印加されたときに抵抗値が減少することを示している。

そして、図２に示されるように、このようなシリコン基板２０の裏面には、ガラス基板やシリコン基板等で構成される直方体形状の台座３０が接合されており、台座３０のうち凹部２３の底面と対向する領域には凹部３１が形成されている。そして、この凹部３１とシリコン基板２０により圧力基準室２７が形成されている。本実施形態では、この圧力基準室２７が真空圧とされているが、例えば、大気圧とされていてもよい。

以上が本実施形態における圧力センサの構成である。次に、上記センサ部１０に熱応力が印加されたときのセンサ信号について、従来の圧力センサと比較しつつ説明する。

まず、従来の圧力センサについて説明する。従来の圧力センサでは、図６および図７に示されるように、ダイヤフラムＪ２４は、本実施形態のダイヤフラム２４と同じ形状とされ、第１〜第４ゲージ抵抗Ｊ２５ａ〜Ｊ２５ｄはブリッジ回路を構成するように第１〜第４辺Ｊ２４ａ〜Ｊ２４ｄの中央部に隣接して形成されている。
そして、ダイヤフラムＪ２４に熱応力が生じた場合、図８に示されるように、熱応力は第１辺Ｊ２４ａ側（固定端２１側）が最も大きくなり、第３辺Ｊ２４ｃ側（自由端２２側）に向かって次第に小さくなる。このため、第１〜第４ゲージ抵抗Ｊ２５ａ〜Ｊ２５ｄの抵抗値変化は、図９に示されるように、第１ゲージ抵抗Ｊ２５ａの抵抗値の変化の大きさ（ΔＲａ）が第２、第４ゲージ抵抗Ｊ２５ｂ、Ｊ２５ｄの抵抗値の変化の大きさ（ΔＲｂ）より大きくなり、第２、第４ゲージ抵抗Ｊ２５ｂ、Ｊ２５ｄの抵抗値の変化の大きさ（ΔＲｂ）が第３ゲージ抵抗Ｊ２５ｃの抵抗値の変化の大きさ（ΔＲｃ）より大きくなる。そして、第１ゲージ抵抗Ｊ２５ａの抵抗値Ｒａは次式で示される。

（数１）Ｒａ＝Ｒ−ΔＲａ
なお、Ｒは基準抵抗値であり、抵抗値変化の大きさとは絶対値のことである。また、第２、第４ゲージ抵抗Ｊ２５ｂ、Ｊ２５ｄの抵抗値Ｒｂ、Ｒｄは次式で示される。

（数２）Ｒｂ＝Ｒｄ＝Ｒ＋ΔＲｂ
そして、第３ゲージ抵抗Ｊ２５ｃの抵抗値Ｒｃは次式で示される。

（数３）Ｒｃ＝Ｒ−ΔＲｃ
このため、従来の圧力センサから出力されるセンサ信号は次式となる。

したがって、従来の圧力センサでは、センサ信号が図１０に示されるように温度に対して非線形となる。

これに対し、本実施形態では、第１組の第１、第５ピエゾ抵抗素子２６ａ、２６ｅを第２辺２４ｂの中央部に隣接して形成し、第２組の第２、第６ピエゾ抵抗素子２６ｂ、２６ｆを第４辺２４ｄの中央部に隣接して形成しているため、第１、第２組の第１、第５、第２、第６ピエゾ抵抗素子２６ａ、２６ｅ、２６ｂ、２６ｆに印加される熱応力がほぼ同じになる。また、第３、第４組の第３、第７、第４、第８ピエゾ抵抗素子２６ｃ、２６ｇ、２６ｄ、２６ｆを第３辺２４ｃの中央部に隣接して形成しているため、第３、第７、第４、第８ピエゾ抵抗素子２６ｃ、ｇ２６、２６ｄ、２６ｆに印加される熱応力がほぼ同じとなる。

そして、第１〜第４ゲージ抵抗２５ａ〜２５ｄは、上記のように、第１〜第８ピエゾ抵抗素子２６ａ〜２６ｈが適宜直列接続された合成抵抗にて構成されている。つまり、第１〜第４ゲージ抵抗２５ａ〜２５ｄは、抵抗値変化の大きさが大きい第１、第２、第５、第６ピエゾ抵抗素子２６ａ、２６ｂ、２６ｅ、２６ｆと、抵抗値変化の大きさが小さい第３、第４、第７、第８ピエゾ抵抗素子２６ｃ、２６ｄ、２６ｇ、２６ｈとが直列接続されて構成されている。このため、ダイヤフラム２４に熱応力が生じると、第１〜第４ゲージ抵抗２５ａ〜２５ｂは、図１１に示されるように、抵抗値変化の大きさがほぼ同じΔＲとなる。したがって、センサ信号は次式となる。

（数５）ΔＶ＝ΔＲ・Ｉ
このため、本実施形態の圧力センサでは、センサ信号が図１２に示されるように温度に対して非線形となることを抑制することできる。なお、ここでは、ブリッジ回路に定電流を供給するものを例に挙げて説明したが、ブリッジ回路に定電圧を供給するものも同様の結果となる。

以上説明したように、本実施形態の圧力センサでは、第１〜第４ゲージ抵抗２５ａ〜２５ｄは、第１〜第８ピエゾ抵抗素子２６ａ〜２６ｈを適宜直列に接続した合成抵抗にて構成されている。このため、ダイヤフラム２４に熱応力が生じた場合、第１〜第４ゲージ抵抗２５ａ〜２５ｄに印加される熱応力の大きさの差を低減することができる。したがって、第１〜第４ゲージ抵抗２５ａ〜２５ｄの熱応力に起因する抵抗値変化の差を低減することができ、センサ信号が非線形となることを抑制することができる。また、センサ信号が非線形となることを抑制することができるため、外部回路にて温特補正を行う際に、温度補償抵抗等を備えるのみで温特補正を行うことができ、温特補正を行う際の演算が複雑になることを抑制することができる。

さらに、ダイヤフラム２４は、シリコン基板２０の中心を通る［１１０］軸を基準として対称形状とされている。このため、ダイヤフラム２４に熱応力が生じた場合、第１、第５ピエゾ抵抗素子２６ａ、２６ｅに印加される熱応力と、第２、第６ピエゾ抵抗素子２６ｂ、２６ｆに印加される熱応力との差を小さくすることができる。

また、本実施形態では、第１〜第８ピエゾ抵抗素子２６ａ〜２６ｈは、ダイヤフラム２４のうち第１辺２４ａの中点周りの領域外に形成されている。このため、センサ信号が非線形となることをさらに抑制することができる。

すなわち、上記のように第１〜第４ゲージ抵抗２５ａ〜２５ｄを構成することによってセンサ信号が非線形となることを抑制することができるが、例えば、第１、第５ピエゾ抵抗素子２６ａ、２６ｅが[１１０]方向に並んで配置されているため、第１ピエゾ抵抗素子２６ａと第５ピエゾ抵抗素子２６ｅとに印加される熱応力が僅かに異なる。このため、第１〜第８ピエゾ抵抗素子２６ａ〜２６ｈをダイヤフラム２４に最も熱応力が印加される第１辺２４ａの中点周りの領域外に形成することにより、第１〜第８ピエゾ抵抗素子２６ａ〜２６ｈに印加される熱応力の大きさ自体を小さくすることができる。つまり、第１〜第８ピエゾ抵抗素子２６ａ〜２６ｈに印加される熱応力の大きさの差を小さくすることができ、第１〜第４ゲージ抵抗２５ａ〜２５ｄに印加される熱応力の大きさの差を小さくすることができる。このため、さらにセンサ信号が非線形となることを抑制することができる。

さらに、本実施形態では、ダイヤフラム２４は、シリコン基板２０のうち自由端２２側に形成されている。このため、シリコン基板２０のうちダイヤフラム２４と支持部材４０との間で支持部材４０から印加される熱応力を緩和することができ、ダイヤフラム２４に生じる熱応力自体を小さくすることができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態の圧力センサは、第１実施形態に対してダイヤフラム２４の形状を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。

図１３に示されるように、ダイヤフラム２４は、（[−１１０]方向の長さ）／（[１１０]方向の長さ）の比をアスペクト比とすると、アスペクト比が１より大きくなる矩形状とされている。このような圧力センサでは、外部温度が変化したとき、ダイヤフラム２４に生じる熱応力そのものを小さくすることができる。つまり、第１〜第４ゲージ抵抗２５ａ〜２５ｄに印加される熱応力自体を小さくすることができる。

すなわち、図１４に示されるように、アスペクト比が１であるダイヤフラム２４を基準とすると、図１３に示されるように、アスペクト比が１より大きいダイヤフラム２４では、ピエゾ抵抗効果に寄与する熱応力が減少しているが、図１５に示されるように、アスペクト比が１より小さいダイヤフラム２４ではピエゾ抵抗効果に寄与する熱応力が増加している。

なお、図１３（ｂ）、（ｃ）〜図１５（ｂ）、（ｃ）では、丸が[１１０]方向の熱応力、四角が[−１１０]方向の熱応力、三角がピエゾ抵抗効果に寄与する熱応力（図中では単に寄与応力と示す）を示している。また、図１３（ｂ）、（ｃ）〜図１５（ｂ）、（ｃ）は、外部温度が１５０℃であるときのシミュレーション結果である。

これは、以下の理由であると考えられる。すなわち、センサ部１０は、[１１０]方向を長手方向とする直方体形状とされており、固定端２１が支持部材４０に固定されているため、外部温度が変化したときに、[−１１０]方向を軸として湾曲しやすくなる。すなわち、自由端２２が鉛直方向に変位しやすくなる。また、ダイヤフラム２４はアスペクト比に応じて湾曲しやすくなる方向が変わり、アスペクト比が１より大きい場合には[１１０]方向を軸として湾曲しやすくなり、アスペクト比が１より小さい場合には[−１１０]方向を軸として湾曲しやすくなる。

つまり、アスペクト比が１以下とされているダイヤフラム２４では、外部温度が変化したとき、センサ部１０が湾曲しやすい方向とダイヤフラム２４の湾曲しやすい方向とが同じ方向になり、ダイヤフラム２４に生じる熱応力が大きくなる。これに対しアスペクト比が１より大きくされているダイヤフラム２４では、センサ部１０の湾曲しやすい方向とダイヤフラム２４の湾曲しやすい方向とが交差するため、アスペクト比が１以下とされている圧力センサと比較して、ダイヤフラム２４に生じる熱応力そのものが小さくなる。

したがって、本実施形態では、ダイヤフラム２４に生じる熱応力そのものを小さくすることができ、さらにセンサ信号が非線形となることを抑制することができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態の圧力センサは、第１実施形態に対してシリコン基板２０の主表面の面方位を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。

図１６に示されるように、本実施形態のシリコン基板２０は、主表面が（０１１）面とされており、主表面には[０１−１]軸および[１００]軸が直交した状態で存在している。このように、主表面が（０１１）面であるシリコン基板２０を用いた場合には、ダイヤフラム２４に測定媒体から圧力が印加されたとき、中心から[０１−１]軸方向に沿って中央領域と周辺領域とで大きな差がでることになる。

したがって、本実施形態では、ダイヤフラム２４のうち中央部に第１組の第１、第５ピエゾ抵抗素子２６ａ、２６ｅおよび第２組の第２、第６ピエゾ抵抗素子２６ｂ、２６ｆが形成されている。

このように、シリコン基板２０として主表面が（０１１）面である基板を用いても、上記第１実施形態と同様に、第１〜第４ゲージ抵抗２５ａ〜２５ｄが第１〜第８ピエゾ抵抗素子２６ａ〜２６ｈを適宜直列に接続した合成抵抗にて構成されていれば同様の効果を得ることができる。

（他の実施形態）
上記各実施形態では、センサ部１０の固定端２１を支持部材４０に接合部材５０を介して固定する例について説明したが、例えば、センサ部１０の固定端２１を樹脂封止して支持部材４０に固定してもよい。

また、上記各実施形態において、第１、第２組の第１、第２、第５、第６ピエゾ抵抗素子２６ａ、２６ｂ、２６ｅ、２６ｆをダイヤフラム２４のうち第１辺２４ａの中央部に隣接して形成し、第３、第４組の第３、第４、第７、第８ピエゾ抵抗素子２６ｃ、２６ｄ、２６ｇ、２６ｈをダイヤフラム２４のうち第３辺２４ｃの中央部に隣接して形成してもよい。同様に、第１組の第１、第５ピエゾ抵抗素子２６ａ、２６ｅをダイヤフラム２４のうち第２辺２４ｂの中央部に隣接して形成すると共に第２組の第２、第６ピエゾ抵抗素子２６ｂ、２６ｆをダイヤフラム２４のうち第４辺２４ｄの中央部に隣接して形成し、第３、第４組の第３、第４、第７、第８ピエゾ抵抗素子２６ｃ、２６ｄ、２６ｇ、２６ｈをダイヤフラム２４のうち第１辺２４ａの中央部に隣接して形成してもよい。

さらに、上記各実施形態では、センサ部１０は、表面に凹部２３が形成されたシリコン基板２０と、当該シリコン基板２０の裏面に接合される台座３０とを有するものを例に挙げて説明したが、例えば、センサ部１０は次のような構成とされていてもよい。

図１７（ａ）に示されるように、シリコン基板２０の裏面から断面が台形となる凹部２３を形成してダイヤフラム２４を構成してもよい。また、図１７（ｂ）に示されるように、図１７（ａ）の変形例として、凹部２３は断面が矩形であってもよい。そして、図１７（ｃ）に示されるように、シリコン基板２０を薄膜化すると共に台座３０に凹部３１を形成し、シリコン基板２０のうち凹部３１と対向する領域にダイヤフラム２４を構成してもよい。さらに、図１７（ｄ）に示されるように、第１実施形態の変形例としてシリコン基板２０の表面から形成した凹部２３の断面が矩形状となるようにしてもよい。また、図１７（ｅ）に示されるように、センサ部１０をシリコン基板２０のみで構成し、シリコン基板２０の内部に圧力基準室２７を構成する空洞部２８を形成するようにしてもよい。このシリコン基板２０は、例えば、シリコンで構成された基板の表面に凹部を形成した後、ＬＰＣＶＤ法等により凹部を閉塞するように基板上にエピタキシャル層を形成することにより、凹部により空洞部２８が構成されて製造される。

さらに、上記第１、第３実施形態では、ダイヤフラム２４として正方形状のものを例に挙げて説明したが、ダイヤフラム２４の形状はこれに限定されるものではない。

例えば、図１８（ａ）に示されるように、ダイヤフラム２４は、第１〜第４辺２４ａ〜２４ｄを有し、さらに、第１辺２４ａと第２辺２４ｂとを結ぶ第５辺２４ｅ、第２辺２４ｂと第３辺２４ｃとを結ぶ第６辺２４ｆ、第３辺２４ｃと第４辺２４ｄとを結ぶ第７辺２４ｇ、第４辺２４ｄと第１辺２４ａとを結ぶ第８辺２４ｈを有する八角形状とされていてもよい。また、図１８（ｂ）に示されるように、ダイヤフラム２４は、第１〜第４辺２４ａ〜２４ｄを有し、第１辺２４ａが第３辺２４ｃより短くされた台形形状とされていてもよい。なお、特に図示しないが、第３辺２４ｃが第１辺２４ａより短くされた台形形状とされていてもよい。

そして、図１８（ｃ）に示されるように、ダイヤフラム２４は円形状とされていてもよい。この場合、 [１１０]方向と平行であってダイヤフラム２４の中心を通る直線がダイヤフラム２４の外形を構成する外形輪郭線と交差する交点のうち、固定端２１側に位置する交点周りの領域外に第１〜第８ピエゾ抵抗素子２６ａ〜２６ｈを形成することができる。すなわち、外部温度が変化したときには、ダイヤフラム２４のうち最も固定端２１に近い部分に最も大きな熱応力が生じるため、この部分を除く領域に第１〜第８ピエゾ抵抗素子２６ａ〜２６ｈを形成することができる。

さらに、図１８（ｄ）に示されるように、ダイヤフラム２４は、第１〜第３辺２４ａ〜２４ｃを有すると共に固定端２１側に頂角２４ｉを有し、第２辺２４ｂが[−１１０]方向と平行となる三角形状とされていてもよい。この場合、ダイヤフラム２４のうち頂角２４ｉ周りの領域に最も大きな熱応力が生じるため、この部分を除く領域に第１〜第８ピエゾ抵抗素子２６ａ〜２６ｈを形成することができる。

また、上記第２実施形態では、ダイヤフラム２４としてアスペクト比が１より大きい矩形状のものを例に挙げて説明したが、ダイヤフラム２４の形状はこれに限定されるものではない。

図１９（ａ）に示されるように、図１８（ａ）に示した八角形状のダイヤフラム２４において、アスペクト比が１以上となるようにすることができる。また、図１９（ｂ）に示されるように、図１８（ａ）に示したダイヤフラム２４において、第１〜第４辺２４ａ〜２４ｄを繋ぐ各角部に丸みを持たせた略矩形状とすることもできる。さらに、図１９（ｃ）に示されるように、図１８（ｃ）に示したダイヤフラム２４において、アスペクト比が１以上となる楕円形状とすることができる。

これら図１８および図１９に示されるようなダイヤフラム２４としても、上記のように、第１〜第４ゲージ抵抗２５ａ〜２５ｄを第１〜第８ピエゾ抵抗素子２６ａ〜２６ｈを適宜直列に接続した合成抵抗にて構成し、第１〜第４ゲージ抵抗２５ａ〜２５ｄに印加される熱応力の大きさの差を小さくすることにより、上記各実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、図１８および図１９では、シリコン基板２０の主表面が（００１）面である場合について説明したが、図１８および図１９に示したダイヤフラム２４の形状は主表面が（０１１）面であるシリコン基板２０についても適用可能である。この場合は、例えば、上記第３実施形態と同様に、ダイヤフラム２４のうち中央部に第１組の第１、第５ピエゾ抵抗素子２６ａ、２６ｅおよび第２組の第２、第６ピエゾ抵抗素子２６ｂ、２６ｆを形成すればよい。

１０ センサ部
２０ シリコン基板
２１ 固定端
２２ 自由端
２４ ダイヤフラム
２５ａ〜２５ｄ 第１〜第４ゲージ抵抗
２６ａ〜２６ｈ 第１〜第８ピエゾ抵抗素子
４０ 支持部材

Claims (8)

1. 一方向を長手方向とし、前記長手方向の一端（２１）が固定端とされていると共に前記一端と反対側の他端（２２）が自由端とされており、薄肉のダイヤフラム（２４）が形成されていると共に前記ダイヤフラムにブリッジ回路を構成する第１〜第４ゲージ抵抗（２５ａ〜２５ｄ）が形成されたセンサ部（１０）と、
   前記センサ部の前記一端を固定する支持部材（４０）と、を備え、
   前記ダイヤフラムには、印加される力に応じて抵抗値の増減が反対となる一対のピエゾ抵抗素子（２６ａ〜２６ｈ）を組とすると、第１、第２組のピエゾ抵抗素子が前記支持部材までの距離が互いに等しくされた状態で形成されていると共に、第３、第４組のピエゾ抵抗素子が前記第１、第２組のピエゾ抵抗素子より前記支持部材までの距離が長くされ、かつ前記支持部材までの距離が互いに等しくされた状態で形成されており、
   前記第１ゲージ抵抗は、前記第１組における一方のピエゾ抵抗素子と前記第４組における前記第１組の一方のピエゾ抵抗素子と抵抗値の増減が同じとなるピエゾ抵抗素子とが直列接続された合成抵抗にて構成され、
   前記第２ゲージ抵抗は、前記第２組における一方のピエゾ抵抗素子と前記第３組における前記第２組の一方のピエゾ抵抗素子と抵抗値の増減が同じとなるピエゾ抵抗素子とが直列接続された合成抵抗にて構成され、
   前記第３ゲージ抵抗は、前記第２組における他方のピエゾ抵抗素子と前記第３組における前記第２組の他方のピエゾ抵抗素子と抵抗値の増減が同じとなるピエゾ抵抗素子とが直列接続された合成抵抗にて構成され、
   前記第４ゲージ抵抗は、前記第１組における他方のピエゾ抵抗素子と前記第４組における前記第１組の他方のピエゾ抵抗素子と抵抗値の増減が同じとなるピエゾ抵抗素子とが直列接続された合成抵抗にて構成されていることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記ダイヤフラムは、外形輪郭線が前記長手方向と垂直に交差する一辺（２４ａ）を前記一端側に有する形状とされており、
   前記ピエゾ抵抗素子は、前記ダイヤフラムのうち前記一辺の中点周りの領域外に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記センサ部は、シリコン基板を有する直方体形状とされ、前記シリコン基板に前記ダイヤフラムが形成されており、
   前記ダイヤフラムは、前記外形輪郭線が前記一辺である第１辺と、第２〜第４辺（２４ｂ〜２４ｄ）を有する多角形状とされており、前記長手方向を第１方向、当該長手方向と垂直な方向を第２方向とすると、前記第１〜第４辺のうち相対する第１辺と第３辺とが前記第２方向と平行とされていると共に相対する第２辺と第４辺とが前記第１方向と平行とされており、前記第１辺が前記固定端側に位置していることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
4. 前記シリコン基板は主表面が（００１）面とされ、
   前記第１組のピエゾ抵抗素子が前記ダイヤフラムのうち前記第２辺の中央部に隣接して形成され、前記第２組のピエゾ抵抗素子が前記ダイヤフラムのうち前記第４辺の中央部に隣接して形成され、前記第３、第４組のピエゾ抵抗素子が前記ダイヤフラムのうち前記第３辺の中央部に隣接して形成されていることを特徴とする請求項３に記載の圧力センサ。
5. 前記シリコン基板は主表面が（０１１）面とされ、
   前記第１、第２組のピエゾ抵抗素子が前記ダイヤフラムのうち中央部に形成され、前記第３、前記第４組のピエゾ抵抗素子が前記ダイヤフラムのうち前記第３辺の中央部に隣接して形成されていることを特徴とする請求項３に記載の圧力センサ。
6. 前記ダイヤフラムは、（前記第２方向の長さ）／（前記第１方向の長さ）の比をアスペクト比とすると、前記アスペクト比が１以上とされていることを特徴とする請求項３ないし５のいずれか１つに記載の圧力センサ。
7. 前記ダイヤフラムは、前記センサ部の中心を通り、前記支持部材側と反対側に延びる軸を基準として対称に形成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の圧力センサ。
8. 前記ピエゾ抵抗素子は、直線部分を有し、当該直線部分の端部が繰り返し折り返された折れ線形状とされ、前記直線部分を囲む領域（Ａ）が正方形状とされていると共に互いに同じ大きさとされていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の圧力センサ。

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