JP5656062B2 - 振動式圧力センサ - Google Patents
振動式圧力センサ Download PDFInfo
- Publication number
- JP5656062B2 JP5656062B2 JP2010228543A JP2010228543A JP5656062B2 JP 5656062 B2 JP5656062 B2 JP 5656062B2 JP 2010228543 A JP2010228543 A JP 2010228543A JP 2010228543 A JP2010228543 A JP 2010228543A JP 5656062 B2 JP5656062 B2 JP 5656062B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- diaphragm
- buckling
- pressure sensor
- vibration type
- prevention member
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Description
本発明は、振動式圧力センサに関するものである。
更に詳述すれば、測定圧に対する感度を落とすことなく、高静圧下においても座屈せずに機能できる振動式圧力センサに関するものである。
更に詳述すれば、測定圧に対する感度を落とすことなく、高静圧下においても座屈せずに機能できる振動式圧力センサに関するものである。
図９は従来より一般に使用されている従来例の要部構成説明図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
図において、１はシリコン基板である。２はこのシリコン基板１の一部を利用して構成されている受圧ダイアフラムで、例えば、シリコン基板１をエッチングして構成される。
３及び４は受圧ダイアフラム２上に形成された両端固定の微小な振動梁で、振動梁３は受圧ダイアフラム２のほぼ中央部に、振動梁４は受圧ダイアフラム２の周縁部にそれぞれ位置している。
図において、１はシリコン基板である。２はこのシリコン基板１の一部を利用して構成されている受圧ダイアフラムで、例えば、シリコン基板１をエッチングして構成される。
３及び４は受圧ダイアフラム２上に形成された両端固定の微小な振動梁で、振動梁３は受圧ダイアフラム２のほぼ中央部に、振動梁４は受圧ダイアフラム２の周縁部にそれぞれ位置している。
これらの振動梁３，４は、シリコン基板１において、振動梁に相当する個所の周辺部を犠牲層エッチングして形成されている。
５はシリコン基板１に取り付けられた硼珪酸ガラスまたはシリコンから成るベース、６はベース５に設けられた導圧孔である。
５はシリコン基板１に取り付けられた硼珪酸ガラスまたはシリコンから成るベース、６はベース５に設けられた導圧孔である。
この振動式圧力センサは、差圧に対する感度が非常に高く、ゲージファクターは数千に達するものである。
もちろん静圧に対しても感度が高い。例えば数ＭＰａ〜５０ＭＰａ程度の静圧が印加されると、振動梁に圧縮歪がかかり、数パーセントのオーダーで発振周波数が変化する。
これを捕らえて静圧信号とし、マルチバリアブルセンサとして機能する。
もちろん静圧に対しても感度が高い。例えば数ＭＰａ〜５０ＭＰａ程度の静圧が印加されると、振動梁に圧縮歪がかかり、数パーセントのオーダーで発振周波数が変化する。
これを捕らえて静圧信号とし、マルチバリアブルセンサとして機能する。
このような装置においては、以下の問題点がある。
しかし、８０ＭＰａを超えるような領域では、シリコン振動梁が圧縮に耐えられなくなり、振動梁が座屈してしまう問題がある。
しかし、８０ＭＰａを超えるような領域では、シリコン振動梁が圧縮に耐えられなくなり、振動梁が座屈してしまう問題がある。
本発明の目的は、上記の課題を解決するもので、測定圧に対する感度を落とすことなく、高静圧下においても座屈せずに機能できる振動式圧力センサを提供することにある。
このような課題を達成するために、本発明では、請求項１の振動式圧力センサにおいては、
シリコン基板に設けられた板状のダイアフラムと、このダイアフラムに設けられた振動梁とを具備する振動式圧力センサにおいて、前記ダイアフラムの一方の面に一方の面が接し前記ダイアフラムの周縁に沿って配置されリング状をなし前記シリコン基板よりヤング率が大で高静圧下での前記振動梁の座屈を防止する第１の座屈防止部材と、前記ダイアフラムの他方の面に一方の面が接し前記ダイアフラムの周縁に沿って配置されリング状をなし前記シリコン基板よりヤング率が大で高静圧下での前記振動梁の座屈を前記第１の座屈防止部材と協同して防止する第２の座屈防止部材と、を具備したことを特徴とする。
シリコン基板に設けられた板状のダイアフラムと、このダイアフラムに設けられた振動梁とを具備する振動式圧力センサにおいて、前記ダイアフラムの一方の面に一方の面が接し前記ダイアフラムの周縁に沿って配置されリング状をなし前記シリコン基板よりヤング率が大で高静圧下での前記振動梁の座屈を防止する第１の座屈防止部材と、前記ダイアフラムの他方の面に一方の面が接し前記ダイアフラムの周縁に沿って配置されリング状をなし前記シリコン基板よりヤング率が大で高静圧下での前記振動梁の座屈を前記第１の座屈防止部材と協同して防止する第２の座屈防止部材と、を具備したことを特徴とする。
本発明の請求項２の振動式圧力センサにおいては、請求項１記載の振動式圧力センサにおいて、
前記第１の座屈防止部材と前記第２の座屈防止部材との少なくとも一方が前記シリコン基板よりヤング率が大で耐食性が高く且つ前記ダイアフラムの腐食を防止する腐食防止部材からなることを特徴とする。
前記第１の座屈防止部材と前記第２の座屈防止部材との少なくとも一方が前記シリコン基板よりヤング率が大で耐食性が高く且つ前記ダイアフラムの腐食を防止する腐食防止部材からなることを特徴とする。
本発明の請求項３の振動式圧力センサにおいては、請求項１又は請求項２記載の振動式圧力センサにおいて、
前記座屈防止部材あるいは前記腐食防止部材は、サファイヤあるいはセラミックス材が使用されたことを特徴とする。
前記座屈防止部材あるいは前記腐食防止部材は、サファイヤあるいはセラミックス材が使用されたことを特徴とする。
本発明の請求項１によれば、次のような効果がある。
高静圧下において、振動梁に大きな圧縮応力が及ばないため、座屈を避けることができ、より高静圧下で機能できる振動式圧力センサが得られる。
高静圧下において、振動梁に大きな圧縮応力が及ばないため、座屈を避けることができ、より高静圧下で機能できる振動式圧力センサが得られる。
本発明の請求項２によれば、次のような効果がある。
ダイアフラムの少なくとも一方の面に一方の面が接し、シリコン基板よりヤング率が大で耐食性が高く、ダイアフラムの腐食を防止する腐食防止部材が設けられたので、高静圧下において、直接、酸やアルカリなど腐食性測定流体の圧力を測定できる振動式圧力センサが得られる。
ダイアフラムの少なくとも一方の面に一方の面が接し、シリコン基板よりヤング率が大で耐食性が高く、ダイアフラムの腐食を防止する腐食防止部材が設けられたので、高静圧下において、直接、酸やアルカリなど腐食性測定流体の圧力を測定できる振動式圧力センサが得られる。
本発明の請求項３によれば、次のような効果がある。
座屈防止部材あるいは腐食防止部材は、サファイヤあるいはセラミックス材が使用されたので、ファイヤあるいはセラミックス材は市場性があり、材料を容易に入手し易い振動式圧力センサが得られる。
座屈防止部材あるいは腐食防止部材は、サファイヤあるいはセラミックス材が使用されたので、ファイヤあるいはセラミックス材は市場性があり、材料を容易に入手し易い振動式圧力センサが得られる。
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例の要部構成説明図、図２（ａ）は図１のＡ−Ａ断面図、図２（ｂ）は図１のＢ−Ｂ断面図である。
図において、図９と同一記号の構成は同一機能を表す。
以下、図９との相違部分のみ説明する。
図１は本発明の一実施例の要部構成説明図、図２（ａ）は図１のＡ−Ａ断面図、図２（ｂ）は図１のＢ−Ｂ断面図である。
図において、図９と同一記号の構成は同一機能を表す。
以下、図９との相違部分のみ説明する。
図１において、シリコン等からなる半導体基板１０には、微細加工により振動梁１１と１３及び、これらに電位を与えるための配線部１５と電極端子１６が形成されている。
１２，１４は、振動梁１１，１３を形成するための窓である。
シリコン基板１０は通常３００〜１，０００μｍ程度の厚さであるが、裏面からバックグラインディング、ポリッシュすることで、３０〜２００μｍ程度の薄さに加工することが可能である。
１２，１４は、振動梁１１，１３を形成するための窓である。
シリコン基板１０は通常３００〜１，０００μｍ程度の厚さであるが、裏面からバックグラインディング、ポリッシュすることで、３０〜２００μｍ程度の薄さに加工することが可能である。
この半導体基板１０（シリコンのヤング率Ｅは１８０ＧＰａ）に、例えばサファイヤ（ヤング率Ｅは４７０ＧＰａ）やセラミックス（アルミナ系のヤング率Ｅは３７０ＧＰａ）など、半導体基板１０よりもヤング率の大きい部材３０を真空下で接合する。
更に、裏面からも高ヤング率の穴の開いた台座２０が接合された構造である。
この場合、台座２０は座屈防止部材に相当する。
更に、裏面からも高ヤング率の穴の開いた台座２０が接合された構造である。
この場合、台座２０は座屈防止部材に相当する。
接合方法の一つとしては、真空中で両者の接合面をアルゴンビームなどでクリーニング、活性化して張り合わせるといった方法がある。
部材３０には、振動梁１１，１３と対向する面に電極３２，３３が形成されている。
振動梁１１と電極３２、振動梁１３と電極３３の間に交流電界をかけると、２つの振動梁はそれぞれ振動を始め、共振周波数でその振幅が最大となり、電流値をモニターすることでその共振点が知れる。
部材３０には、振動梁１１，１３と対向する面に電極３２，３３が形成されている。
振動梁１１と電極３２、振動梁１３と電極３３の間に交流電界をかけると、２つの振動梁はそれぞれ振動を始め、共振周波数でその振幅が最大となり、電流値をモニターすることでその共振点が知れる。
以上の構成において、図３、図４を用いて本発明の動作を説明する。
まず、図９従来例の中央部の振動梁の発振周波数をＦｃ1、周縁部の振動梁の発振周波数をＦｒ１、本発明の中央部の振動梁の発振周波数をＦｃ２、周縁部の振動梁の発振周波数をＦｒ２とする。
まず、図９従来例の中央部の振動梁の発振周波数をＦｃ1、周縁部の振動梁の発振周波数をＦｒ１、本発明の中央部の振動梁の発振周波数をＦｃ２、周縁部の振動梁の発振周波数をＦｒ２とする。
図３に示す如く、本発明の３層構造に、例えば、上面から圧力が印加されると、半導体基板１０は凹型に変形し、中央の振動梁１１には圧縮応力が働き、図３に示すように共振周波数Ｆｃが低下する。また端部の振動梁１３には引張応力が働き、共振周波数Ｆｒが大きくなる。
両者の振動数２乗の差（Ｆｒ２／Ｆｒ２0）2−（Ｆｃ２／Ｆｃ２0）2を演算することで、差圧が検出できる。
この動作は、図９従来例のセンサも同様であり（Ｆｒ１／Ｆｒ１0）2−（Ｆｃ１／Ｆｃ１0）2を演算することで、差圧が検出できる。
この動作は、図９従来例のセンサも同様であり（Ｆｒ１／Ｆｒ１0）2−（Ｆｃ１／Ｆｃ１0）2を演算することで、差圧が検出できる。
一方、図４に示す如く、センサに静圧が印加された場合は、中央の振動梁１１にも、端部の振動梁１３にも圧縮応力が働き、共に周波数が低下するが（図４のＦｃ１、Ｆｒ１、Ｆｃ２、Ｆｒ２を参照。）、図９従来例のセンサでは、その半導体基板のヤング率が小さいために、７０ＭＰａ程度の静圧ＳＰ１で座屈していた。
本発明のセンサは、やわらかい半導体基板１０を硬い部材２０，３０で挟み込む構造としているため、例えば１００ＭＰａ以上のより高い静圧ＳＰ２まで座屈を押さえることが可能となる（図４のＦｃ２、Ｆｒ２を参照。）。
本発明によれば、高い静圧ＳＰ２の下においても、半導体基板１０に形成された振動梁１１，１３に大きな圧縮応力が及ばないため、座屈を避けることができ、より高静圧下で機能する差圧センサを実現できる。
本発明によれば、高い静圧ＳＰ２の下においても、半導体基板１０に形成された振動梁１１，１３に大きな圧縮応力が及ばないため、座屈を避けることができ、より高静圧下で機能する差圧センサを実現できる。
この結果、
高静圧下において、振動梁に大きな圧縮応力が及ばないため、座屈を避けることができ、より高静圧下で機能できる振動式圧力センサが得られる。
高静圧下において、振動梁に大きな圧縮応力が及ばないため、座屈を避けることができ、より高静圧下で機能できる振動式圧力センサが得られる。
図５は、本発明の他の実施例の要部構成説明図、図６（ａ）は図５のＡ−Ａ断面図、図６（ｂ）は図５のＢ−Ｂ断面図である。
本実施例においては、高ヤング率基板３０にダイアフラム３１を加工して、半導体基板１０に接合した構造である。
本実施例においては、高ヤング率基板３０にダイアフラム３１を加工して、半導体基板１０に接合した構造である。
この結果、
半導体基板１０の周辺部では高ヤング率基板３０が厚いため、半導体基板１０の収縮をしっかり抑えられ、しかも振動梁１１，１３上の基板板厚３１は薄くなっているので、半導体基板１０の圧力による変位を妨げない。
すなわち、測定圧に対する感度を低下せせることなく。静圧下での収縮を抑える効果が更に高くなる。
半導体基板１０の周辺部では高ヤング率基板３０が厚いため、半導体基板１０の収縮をしっかり抑えられ、しかも振動梁１１，１３上の基板板厚３１は薄くなっているので、半導体基板１０の圧力による変位を妨げない。
すなわち、測定圧に対する感度を低下せせることなく。静圧下での収縮を抑える効果が更に高くなる。
図７は、本発明の他の実施例の要部構成説明図である。
本実施例においては、半導体基板１０には振動梁１１，１３が形成され、内部を真空に保つためのシェル１７，１８が形成されている。
本実施例においては、半導体基板１０には振動梁１１，１３が形成され、内部を真空に保つためのシェル１７，１８が形成されている。
シェル１７，１８の具体的な製造プロセスは、選択エピタキシャル層の形成と犠牲層エッチング、封止エピタキシャル層の形成によって可能である。
半導体基板１０の裏面には、例えば、アルカリ液で異方性エッチングされダイアフラム状に加工されている。
本実施例の特徴は振動梁が形成された面にヤング率の大きな部材３０が接合された構成である。
半導体基板１０の裏面には、例えば、アルカリ液で異方性エッチングされダイアフラム状に加工されている。
本実施例の特徴は振動梁が形成された面にヤング率の大きな部材３０が接合された構成である。
この結果、静圧下での半導体基板１０の圧縮を低減し、座屈を抑える効果がある。
また、半導体基板１０の加工は従来の簡易な異方性エッチングで良く、全体をバックグラインディング、ポリッシュする必要が無いので、製造が容易であるという効果がある。
また、半導体基板１０の加工は従来の簡易な異方性エッチングで良く、全体をバックグラインディング、ポリッシュする必要が無いので、製造が容易であるという効果がある。
図８は、本発明の他の実施例の要部構成説明図である。
本実施例においては、振動梁１１，１３は、図７実施例と同様、選択エピタキシャル層、犠牲層エッチング、封止エピタキシャル層で形成されている。
振動梁１１，１３が形成された半導体基板１０の表面側に、ヤング率の大きな部材３０が接合され、更に、半導体基板１０の裏面側にもヤング率の大きな部材２０にダイアフラム２１が加工されて、半導体基板１０に接合されている。
本実施例においては、振動梁１１，１３は、図７実施例と同様、選択エピタキシャル層、犠牲層エッチング、封止エピタキシャル層で形成されている。
振動梁１１，１３が形成された半導体基板１０の表面側に、ヤング率の大きな部材３０が接合され、更に、半導体基板１０の裏面側にもヤング率の大きな部材２０にダイアフラム２１が加工されて、半導体基板１０に接合されている。
この結果、部材２０に耐食性の高いサファイヤやセラミックスなどを選択すれば、直接、酸やアルカリなど腐食性流体の圧力を測定できるといった効果がある。
この場合、ダイアフラム２１が、腐食防止部材に相当する。
この場合、ダイアフラム２１が、腐食防止部材に相当する。
なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。
したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。
したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。
１ シリコン基板
２ 受圧ダイアフラム
３ 振動梁
４ 振動梁
５ ベース
６ 導圧孔
１０ 半導体基板
１１ 振動梁
１２ 窓
１３ 振動梁
１４ 窓
１５ 配線部
１６ 電極端子
１７ シェル
１８ シェル
２０ 台座
２１ ダイアフラム
３０ 部材
３１ ダイアフラム
３２ 電極
３３ 電極
２ 受圧ダイアフラム
３ 振動梁
４ 振動梁
５ ベース
６ 導圧孔
１０ 半導体基板
１１ 振動梁
１２ 窓
１３ 振動梁
１４ 窓
１５ 配線部
１６ 電極端子
１７ シェル
１８ シェル
２０ 台座
２１ ダイアフラム
３０ 部材
３１ ダイアフラム
３２ 電極
３３ 電極
Claims (3)
- シリコン基板に設けられた板状のダイアフラムと、このダイアフラムに設けられた振動梁とを具備する振動式圧力センサにおいて、
前記ダイアフラムの一方の面に一方の面が接し前記ダイアフラムの周縁に沿って配置されリング状をなし前記シリコン基板よりヤング率が大で高静圧下での前記振動梁の座屈を防止する第１の座屈防止部材と、
前記ダイアフラムの他方の面に一方の面が接し前記ダイアフラムの周縁に沿って配置されリング状をなし前記シリコン基板よりヤング率が大で高静圧下での前記振動梁の座屈を前記第１の座屈防止部材と協同して防止する第２の座屈防止部材と、
を具備したことを特徴とする振動式圧力センサ。 - 前記第１の座屈防止部材と前記第２の座屈防止部材との少なくとも一方が前記シリコン基板よりヤング率が大で耐食性が高く且つ前記ダイアフラムの腐食を防止する腐食防止部材からなる
ことを特徴とする請求項１記載の振動式圧力センサ。 - 前記座屈防止部材あるいは前記腐食防止部材は、サファイヤあるいはセラミックス材が使用されたこと
を特徴とする請求項１又は請求項２記載の振動式圧力センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010228543A JP5656062B2 (ja) | 2010-10-08 | 2010-10-08 | 振動式圧力センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010228543A JP5656062B2 (ja) | 2010-10-08 | 2010-10-08 | 振動式圧力センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2012083162A JP2012083162A (ja) | 2012-04-26 |
| JP5656062B2 true JP5656062B2 (ja) | 2015-01-21 |
Family
ID=46242190
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2010228543A Active JP5656062B2 (ja) | 2010-10-08 | 2010-10-08 | 振動式圧力センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP5656062B2 (ja) |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60186725A (ja) * | 1984-03-06 | 1985-09-24 | Yokogawa Hokushin Electric Corp | 圧力センサ |
| JPS6259828A (ja) * | 1985-09-11 | 1987-03-16 | Fuji Electric Co Ltd | 静電容量式圧力センサ |
| JP3494523B2 (ja) * | 1996-03-28 | 2004-02-09 | 長野計器株式会社 | 静電容量式圧力センサ |
| JPH1038726A (ja) * | 1996-07-19 | 1998-02-13 | Nippon Seiki Co Ltd | 半導体圧力差圧検出器 |
| JP2005043198A (ja) * | 2003-07-22 | 2005-02-17 | Yokogawa Electric Corp | 半導体差圧測定装置 |
| JP2007192315A (ja) * | 2006-01-19 | 2007-08-02 | Nsk Ltd | 分割型ころ軸受 |
| JP5357469B2 (ja) * | 2008-05-23 | 2013-12-04 | アルプス電気株式会社 | 半導体圧力センサ |
-
2010
- 2010-10-08 JP JP2010228543A patent/JP5656062B2/ja active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2012083162A (ja) | 2012-04-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4998860B2 (ja) | 圧力センサー素子、圧力センサー | |
| US9038263B2 (en) | Thickness shear mode resonator sensors and methods of forming a plurality of resonator sensors | |
| JP5558198B2 (ja) | 半導体圧力センサ | |
| JP2005221453A (ja) | 圧力センサ | |
| US20130313663A1 (en) | Capacitive electromechanical transducer | |
| JP2007093213A (ja) | 圧力センサ | |
| JP5023734B2 (ja) | 圧電振動片の製造方法及び圧電振動素子 | |
| JP2006047279A (ja) | ガラス基板及びそれを用いた静電容量型圧力センサ | |
| JP4355273B2 (ja) | 静電容量型センサ及びその製造方法 | |
| US20130302934A1 (en) | Method of manufacturing capacitive electromechanical transducer | |
| JP4265083B2 (ja) | 半導体圧力センサの製造方法 | |
| JP5656062B2 (ja) | 振動式圧力センサ | |
| JP4548771B2 (ja) | 容量式圧力センサの製造方法 | |
| JP5822978B2 (ja) | 半導体圧力センサ | |
| JP2009288170A (ja) | 半導体圧力センサ | |
| JP2012150029A (ja) | 振動式トランスデューサおよび振動式トランスデューサの製造方法 | |
| JP2007127440A (ja) | 静電容量型圧力センサ | |
| JP6558130B2 (ja) | 振動デバイスの製造方法、振動デバイス、圧力センサー、スピーカー、および超音波デバイス | |
| JP2005020411A (ja) | シリコンマイクの作製方法 | |
| JP2011108680A (ja) | 積層基板の製造方法、ダイアフラムの製造方法、圧力センサーの製造方法 | |
| JP2010281570A (ja) | 半導体圧力センサ | |
| JP6237440B2 (ja) | 物理量センサおよびその製造方法 | |
| JP5807226B2 (ja) | 振動素子及び振動素子の製造方法 | |
| JP5743199B2 (ja) | 振動式圧力トランスデューサ | |
| JP2011094967A (ja) | 半導体圧力センサの製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20130920 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20140214 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20140318 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20140409 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20141030 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20141112 |
|
| R150 | Certificate of patent (=grant) or registration of utility model |
Ref document number: 5656062 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |