JP6034819B2 - 圧力センサチップ - Google Patents

Description

この発明は、一方の面および他方の面に受ける圧力差に応じた信号を出力するセンサダイアフラムを用いた圧力センサチップ、例えば圧力を受けて変位する薄板状のダイアフラム上に歪抵抗ゲージを形成し、ダイアフラムに形成された歪抵抗ゲージの抵抗値変化からダイアフラムに加わった圧力を検出する圧力センサチップに関するものである。

従来より、工業用の差圧センサとして、一方の面および他方の面に受ける圧力差に応じた信号を出力するセンサダイアフラムを用いた圧力センサチップを組み込んだ差圧センサが用いられている。

この差圧センサは、高圧側および低圧側の受圧ダイアフラムに加えられる各測定圧を、圧力伝達媒体としての封入液によってセンサダイアフラムの一方の面および他方の面に導き、そのセンサダイアフラムの歪みを例えば歪抵抗ゲージの抵抗値変化として検出し、この抵抗値変化を電気信号に変換して取り出すように構成されている。

このような差圧センサは、例えば石油精製プラントにおける高温反応塔等の被測定流体を貯蔵する密閉タンク内の上下２位置の差圧を検出することにより、液面高さを測定するときなどに用いられる。

図１２に従来の差圧センサの概略構成を示す。この差圧センサ１００は、センサダイアフラム（図示せず）を有する圧力センサチップ１をメータボディ２に組み込んで構成される。圧力センサチップ１におけるセンサダイアフラムは、シリコンやガラス等からなり、薄板状に形成されたダイアフラムの表面に歪抵抗ゲージが形成されている。メータボディ２は、金属製の本体部３とセンサ部４とからなり、本体部３の側面に一対の受圧部をなすバリアダイアフラム（受圧ダイアフラム）５ａ，５ｂが設けられ、センサ部４に圧力センサチップ１が組み込まれている。

メータボディ２において、センサ部４に組み込まれた圧力センサチップ１と本体部３に設けられたバリアダイアフラム５ａ，５ｂとの間は、大径のセンタダイアフラム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れ、圧力センサチップ１とバリアダイアフラム５ａ，５ｂとを結ぶ連通路８ａ，８ｂにシリコーンオイル等の圧力伝達媒体９ａ，９ｂが封入されている。

なお、シリコーンオイル等の圧力媒体が必要となるのは、センサダイアフラムに対する計測媒体中の異物付着を防ぐこと、センサダイアフラムを腐食させないため、耐食性を持つ受圧ダイアフラムと応力（圧力）感度を持つセンサダイアフラムとを分離する必要があるためである。

この差圧センサ１００では、図１３(ａ)に定常状態時の動作態様を模式的に示すように、プロセスからの第１の流体圧力（第１の測定圧）Ｐａがバリアダイアフラム５ａに印加され、プロセスからの第２の流体圧力（第２の測定圧）Ｐｂがバリアダイアフラム５ｂに印加される。これにより、バリアダイアフラム５ａ，５ｂが変位し、その加えられた圧力Ｐａ，Ｐｂがセンタダイアフラム６により隔離された圧力緩衝室７ａ，７ｂを介し、圧力伝達媒体９ａ，９ｂを通して、圧力センサチップ１のセンサダイアフラムの一方の面および他方の面にそれぞれ導かれる。この結果、圧力センサチップ１のセンサダイアフラムは、その導かれた圧力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、例えば、バリアダイアフラム５ａに過大圧Ｐoverが加わると、図１３(ｂ)に示すようにバリアダイアフラム５ａが大きく変位し、これに伴ってセンタダイアフラム６が過大圧Ｐoverを吸収するように変位する。そして、バリアダイアフラム５ａがメータボディ２の凹部１０ａの底面（過大圧保護面）に着底し、その変位が規制されると、バリアダイアフラム５ａを介するセンサダイアフラムへのそれ以上の差圧ΔＰの伝達が阻止される。バリアダイアフラム５ｂに過大圧Ｐoverが加わった場合も、バリアダイアフラム５ａに過大圧Ｐoverが加わった場合と同様にして、バリアダイアフラム５ｂがメータボディ２の凹部１０ｂの底面（過大圧保護面）に着底し、その変位が規制されると、バリアダイアフラム５ｂを介するセンサダイアフラムへのそれ以上の差圧ΔＰの伝達が阻止される。この結果、過大圧Ｐoverの印加による圧力センサチップ１の破損、すなわち圧力センサチップ１におけるセンサダイアフラムの破損が未然に防止される。

この差圧センサ１００では、メータボディ２に圧力センサチップ１を内包させているので、プロセス流体など外部腐食環境から圧力センサチップ１を保護することができる。しかしながら、センタダイアフラム６やバリアダイアフラム５ａ，５ｂの変位を規制するための凹部１０ａ，１０ｂを備え、これらによって圧力センサチップ１を過大圧Ｐoverから保護する構造をとっているので、その形状が大型化することが避けられない。

そこで、圧力センサチップに第１のストッパ部材および第２のストッパ部材を設け、この第１のストッパ部材および第２のストッパ部材の凹部をセンサダイアフラムの一方の面および他方の面に対峙させることによって、過大圧が印加された時のセンサダイアフラムの過度な変位を阻止し、これによってセンサダイアフラムの破損・破壊を防止する構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図１４に特許文献１に示された構造を採用した圧力センサチップの概略を示す。同図において、１１−１はセンサダイアフラム、１１−２および１１−３はセンサダイアフラム１１−１を挟んで接合された第１および第２のストッパ部材、１１−４および１１−５はストッパ部材１１−２および１１−３に接合された第１および第２の台座である。ストッパ部材１１−２，１１−３や台座１１−４，１１−５はシリコンやガラスなどにより構成されている。

この圧力センサチップ１１において、ストッパ部材１１−２，１１−３には凹部１１−２ａ，１１−３ａが形成されており、ストッパ部材１１−２の凹部１１−２ａをセンサダイアフラム１１−１の一方の面に対峙させ、ストッパ部材１１−３の凹部１１−３ａをセンサダイアフラム１１−１の他方の面に対峙させている。凹部１１−２ａ，１１−３ａは、センサダイアフラム１１−１の変位に沿った曲面（非球面）とされており、その頂部に圧力導入孔（導圧孔）１１−２ｂ，１１−３ｂが形成されている。また、台座１１−４，１１−５にも、ストッパ部材１１−２，１１−３の導圧孔１１−２ｂ，１１−３ｂに対応する位置に、圧力導入孔（導圧孔）１１−４ａ，１１−５ａが形成されている。

このような圧力センサチップ１１を用いると、センサダイアフラム１１−１の一方の面に過大圧が印加されてセンサダイアフラム１１−１が変位したとき、その変位面の全体がストッパ部材１１−３の凹部１１−３ａの曲面によって受け止められる。また、センサダイアフラム１１−１の他方の面に過大圧が印加されてセンサダイアフラム１１−１が変位したとき、その変位面の全体がストッパ部材１１−２の凹部１１−２ａの曲面によって受け止められる。

これにより、センサダイアフラム１１−１に過大圧が印加された時の過度な変位が阻止され、センサダイアフラム１１−１の周縁部に応力集中が生じないようにして、過大圧の印加によるセンサダイアフラム１１−１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）を高めることが可能となる。また、図１２に示された構造において、センタダイアフラム６や圧力緩衝室７ａ，７ｂをなくし、バリアダイアフラム５ａ，５ｂからセンサダイアフラム１１−１に対して直接的に測定圧Ｐａ，Ｐｂを導くようにして、メータボディ２の小型化を図ることが可能となる。

特開２００５−６９７３６号公報

しかしながら、図１４に示された圧力センサチップ１１の構造において、ストッパ部材１１−２および１１−３は、センサダイアフラム１１−１の一方の面および他方の面に、その周縁部１１−２ｃおよび１１−３ｃの全面を接合させている。すなわち、ストッパ部材１１−２の凹部１１−２ａを囲む周縁部１１−２ｃをセンサダイアフラム１１−１の一方の面に対面させ、この対面する周縁部１１−２ｃの全領域をセンサダイアフラム１１−１の一方の面に直接接合している。また、ストッパ部材１１−３の凹部１１−３ａを囲む周縁部１１−３ｃをセンサダイアフラム１１−１の他方の面に対面させ、この対面する周縁部１１−３ｃの全領域をセンサダイアフラム１１−１の他方の面に直接接合している。

このような構造の場合、ストッパ部材１１−２による過大圧保護動作圧力（耐圧）を越える過大な圧力が印加されると、センサダイアフラム１１−１が撓んでストッパ部材１１−２の凹部１１−２ａに着底した後、この状態でセンサダイアフラム１１−１はストッパ部材１１−２とともに更に撓む。すると、引っ張り応力が最も発生する圧力が印加された側のセンサダイアフラム１１−１のエッジ付近（図１４中の一点鎖線で囲んだ部位）が両面とも拘束状態にあるため、その箇所に応力集中が発生し、期待される耐圧が確保できないという問題があった。

更に、ストッパ部材１１−２，１１−３の凹部１１−２ａ，１１−３ａの開口サイズに製作上のズレがあると、センサダイアフラム１１−１の拘束箇所に位置ずれが生じるため、その影響で応力集中がより顕著になる場合がある。この場合、センサダイアフラム１１−１の着底異常に伴う応力集中も重なり、更なる耐圧低下となってしまう虞がある。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、センサダイアフラムの拘束による応力発生を低減し、ダイアフラムエッジへの応力集中を防いで、期待される耐圧を確保することが可能な圧力センサチップを提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、一方の面および他方の面に受ける圧力差に応じた信号を出力するセンサダイアフラムと、このセンサダイアフラムの一方の面および他方の面にその周縁部を対面させて接合され、センサダイアフラムへ測定圧を導く導圧孔を有する第１および第２の保持部材とを備えた圧力センサチップにおいて、第１の保持部材は、導圧孔の周部に連通する非接合領域を内部に有し、第１の保持部材の内部の非接合領域は、センサダイアフラムの受圧面と平行な面の一部を対向する第１の面と第２の面とに分けた領域として設けられ、第１の保持部材の内部の非接合領域の対向する第１の面および第２の面の少なくとも一方の面上には、複数の凸部が離散的に形成され、この複数の凸部と凸部との間の通路が導圧孔の周部と非接合領域の周端部との間の連通路とされ、第２の保持部材は、センサダイアフラムに過大圧が印加された時の当該センサダイアフラムの過度な変位を阻止する凹部を備えていることを特徴とする。

この発明によれば、センサダイアフラムの一方の面に高圧の測定圧がかかった場合、センサダイアフラムは第２の保持部材側に撓み、ダイアフラムエッジに開きが生じようとする。この場合、本発明では、第１の保持部材の内部に設けられている非接合領域に導圧孔を通して測定圧が導かれるので、この非接合領域が測定圧の受圧面となって、第１の保持部材を第２の保持部材およびダイアフラムと同じ方向に撓んで追従変形させることにより、ダイアフラムエッジに開きを生じさせないようにする。これにより、センサダイアフラムの拘束による応力発生が低減され、ダイアフラムへの応力集中が防がれる。

また、第１の保持部材の内部の非接合領域の対向する第１の面および第２の面の少なくとも一方の面上には、複数の凸部が離散的に形成され、この複数の凸部と凸部との間の通路が導圧孔の周部と非接合領域の周端部との間の連通路とされるているので、通常用いられるオイル等の圧力伝達媒体の封入が容易となり、かつ圧力伝達媒体の伝達抵抗を下げることにより、伝達速度差による動作不良の影響を無くし、かつ、逆側からの圧力印加に対しては凸部の面積を最適設計することにより、耐圧確保することが可能となる。

また、本発明において、第１の保持部材の内部に、非接合領域に連続する第１の保持部材の肉厚方向へ張り出した環状の溝を形成するようにすると、この非接合領域に連続する環状の溝の内部に応力が分散されるものとなり、さらに高耐圧とすることが可能となる。

本発明において、センサダイアフラム上で高圧側の測定圧を受ける面が必ず決まっている場合には、センサダイアフラムの一方の面を高圧側の測定圧の受圧面とし、他方の面を低圧側の測定圧の受圧面とする。すなわち、センサダイアフラム上で高圧側の測定圧を受ける面が必ず決まっている場合には、センサダイアフラムの一方の面を高圧側の測定圧の受圧面とし、第１の保持部材の内部の非接合領域に導圧孔を通して高圧側の測定圧が導かれるようにする。

本発明において、第１の保持部材にもセンサダイアフラムに過大圧が印加された時のセンサダイアフラムの過度な変位を阻止する凹部を備えたうえ、第２の保持部材についても、第１の保持部材と同様にして、非接合領域を内部に設けるようにしてもよい。この場合、第１の保持部材の内部の非接合領域と同様に、第２の保持部材の内部の非接合領域の対向する第１の面および第２の面の少なくとも一方の面上にも、複数の凸部を離散的に形成し、この複数の凸部と凸部との間の通路を導圧孔の周部と非接合領域の周端部との間の連通路とするようにする。

このようにすると、センサダイアフラムのどちらの面が高圧側の測定圧の受圧面となっても、ダイアフラムエッジに開きを生じさせないようにして、センサダイアフラムの拘束による応力発生を低減し、ダイアフラムエッジへの応力集中を防ぐことが可能となる。また、センサダイアフラムのどちらの面でも、通常用いられるオイル等の圧力伝達媒体の封入が容易となり、かつ圧力伝達媒体の伝達抵抗を下げることにより、伝達速度差による動作不良の影響を無くし、かつ、逆側からの圧力印加に対しては凸部の面積を最適設計することにより、耐圧確保することが可能となる。

本発明によれば、第１の保持部材の内部に導圧孔の周部に連通する非接合領域を設け、この第１の保持部材の内部の非接合領域をセンサダイアフラムの受圧面と平行な面の一部を対向する第１の面と第２の面とに分けた領域として設けるようにしたので、第１の保持部材の内部の非接合領域が受圧面となって、第１の保持部材に加わる逆方向への力を抑制し、ダイアフラムエッジに開きを生じさせないようにして、センサダイアフラムの拘束による応力の発生を低減し、ダイアフラムエッジへの応力集中を防ぎ、期待される耐圧を確保することが可能となる。

また、本発明によれば、第１の保持部材の内部の非接合領域の対向する第１の面および第２の面の少なくとも一方の面上に、複数の凸部を離散的に形成し、この複数の凸部と凸部との間の通路を導圧孔の周部と非接合領域の周端部との間の連通路とするようにしたので、通常用いられるオイル等の圧力伝達媒体の封入が容易となり、かつ圧力伝達媒体の伝達抵抗を下げることにより、伝達速度差による動作不良の影響を無くし、かつ、逆側からの圧力印加に対しては凸部の面積を最適設計することにより、耐圧確保することが可能となる。

本発明に係る圧力センサチップの第１の実施の形態（実施の形態１）の概略を示す図である。 この圧力センサチップにおけるストッパ部材の内部の非接合領域の第１の面上に離散的に形成された複数の凸部の形状を示す平面図である。 この圧力センサチップにおけるストッパ部材の内部の非接合領域の第１の面上に離散的に形成された複数の凸部の形状の他の例を示す平面図である。 この圧力センサチップにおいてセンサダイアフラムがストッパ部材の凹部に着底した後の状態を示す図である。 この圧力センサチップにおける第１の保持部材の内部の非接合領域の第２の面上に複数の凸部を離散的に形成するようにした例を示す図である。 この圧力センサチップにおける第１の保持部材の内部の非接合領域の対向する第１の面と第２の面の両方の面上に複数の凸部を離散的に形成するようにした例を示す図である。 本発明に係る圧力センサチップの第２の実施の形態（実施の形態２）の概略を示す図である。 実施の形態２の圧力センサチップにおいてストッパ部材の内部の環状の溝をスリット状（矩形状断面）の環状溝とした例を示す図である。 実施の形態２の圧力センサチップにおいてセンサダイアフラムがストッパ部材の凹部に着底した後の状態を示す図である。 本発明に係る圧力センサチップの第３の実施の形態（実施の形態３）の概略を示す図である。 本発明に係る圧力センサチップの第４の実施の形態（実施の形態４）の概略を示す図である。 従来の差圧センサの概略構成を示す図である。 この差圧センサの動作態様を模式的に示す図である。 特許文献１に示された構造を採用したセンサチップの概略を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

〔実施の形態１〕
図１はこの発明に係る圧力センサチップの第１の実施の形態（実施の形態１）の概略を示す図である。同図において、図１４と同一符号は図１４を参照して説明した構成要素と同一或いは同等構成要素を示し、その説明は省略する。なお、この実施の形態では、圧力センサチップを符号１１Ａで示し、図１４に示された圧力センサチップ１１と区別する。

この圧力センサチップ１１Ａにおいて、ストッパ部材１１−２は、導圧孔１１−２ｂの周部に連通する非接合領域ＳＡを内部に有している。この非接合領域ＳＡは、センサダイアフラム１１−１の受圧面と平行な面ＰＬの一部を対向する第１の面ＰＬ１と第２の面ＰＬ２とに分けた領域として設けられている。

また、この非接合領域ＳＡの対向する第１の面ＰＬ１およびＰＬ２の少なくとも一方の面（この例では、第１の面ＰＬ１）上には、複数の凸部（柱）１２が離散的に形成されており（図２参照）、この複数の凸部１２と凸部１２との間の通路（溝）１３が導圧孔１１−２ｂの周部と非接合領域ＳＡの周端部１４との間の連通路とされている。この例において、凸部１２は円柱状とされているが、図３に示すように、六角柱状とするなどしてもよい。

この例において、ストッパ部材１１−２は、センサダイアフラム１１−１の受圧面と平行な面ＰＬで２分割されており、この２分割された一方のストッパ部材１１−２１と他方のストッパ部材１１−２２とを、非接合領域ＳＡが設けられた面ＰＬの非接合領域ＳＡを除く領域ＳＢ同士を接合することにより１つのストッパ部材１１−２としている。これにより、センサダイアフラム１１−１の受圧面と平行な面ＰＬは、導圧孔１１−２ｂの周部に連通する非接合領域ＳＡと、導圧孔１１−２ｂの周部には連通しない接合領域ＳＢとに分けられている。

この圧力センサチップ１１Ａにおいて、測定圧Ｐａを高圧側の測定圧とし、測定圧Ｐｂを低圧側の測定圧とした場合、センサダイアフラム１１−１の一方の面に高圧側の測定圧Ｐａがかかると、センサダイアフラム１１−１はストッパ部材１１−３側に撓む。この際、ストッパ部材１１−２にはセンサダイアフラム１１−１が撓んだ方向とは反対側に力が加わり、ダイアフラムエッジ（図中点Ｇで示す箇所）に開きが生じようとする。なお、以下の説明では、図１において、センサダイアフラム１１−１が撓んだ方向を上方向、撓んだ方向とは反対側を下方向と呼ぶ。

この場合、本実施の形態では、ストッパ部材１１−２の内部に設けられている非接合領域ＳＡに導圧孔１１−２ｂを通して測定圧Ｐａが導かれるので、この非接合領域ＳＡが測定圧Ｐａの受圧面となって、ストッパ部材１１−２に加わる下方向への力を抑制し、ダイアフラムエッジに開きを生じさせないようにする。これにより、センサダイアフラム１１−１の拘束による応力発生が低減され、ダイアフラムエッジへの応力集中が防がれる。

また、ストッパ部材１１−２の内部の非接合領域ＳＡの第１の面ＰＬ１の面上には、複数の凸部１２が離散的に形成され、この複数の凸部１２と凸部１２との間の通路１３が導圧孔１１−２ｂの周部と非接合領域ＳＡの周端部１４との間の連通路とされているので、通常用いられるオイル等の圧力伝達媒体の封入が容易となり、かつ圧力伝達媒体の伝達抵抗を下げることにより、伝達速度差による動作不良の影響を無くし、かつ、逆側からの圧力印加に対しては凸部１２の面積を最適設計することにより、耐圧確保することが可能となる。

この圧力センサチップ１１Ａにおいて、非接合領域ＳＡは、センサダイアフラム１１−１がストッパ部材１１−３の凹部１１−３ａに着底した後、過大圧が大きくなったような場合、さらに大きな効果を発揮する。

図４にセンサダイアフラム１１−１がストッパ部材１１−３の凹部１１−３ａに着底した後の状態を示す。センサダイアフラム１１−１の一方の面に過大圧がかかると、センサダイアフラム１１−１はストッパ部材１１−３側に撓み、ストッパ部材１１−３の凹部１１−３ａに着底する。このセンサダイアフラム１１−１の凹部１１−３ａへの着底後、過大圧が大きくなると、ストッパ部材１１−２に加わる下方向への力により、ストッパ部材１１−２が変形し、ダイアフラムエッジに開きが生じようとする。

この場合、本実施の形態では、ストッパ部材１１−２の内部に設けられている非接合領域ＳＡにも、導圧孔１１−２ｂを通して複数の凸部１２と凸部１２の間の通路１３内に満遍なく過大圧が導かれるので、この非接合領域ＳＡが過大圧の受圧面となって、ストッパ部材１１−２１に上方向への力を加え、ストッパ部材１１−２１の変形を抑制、もしくは逆方向に変形させる。図４の例では、ダイアフラム１１−１の上方向への変形に追従する形で、ストッパ部材１１−２１を上方向へ変形させている。

これにより、センサダイアフラム１１−１のストッパ部材１１−３の凹部１１−３ａへの着底後、過大圧が大きくなっても、ダイアフラムエッジに開きが生じず、ダイアフラムエッジへの応力集中が避けられ、期待される耐圧が確保される。

なお、本実施の形態において、ストッパ部材１１−２の内部に設ける非接合領域ＳＡの面積は、すなわちストッパ部材１１−２の内部の受圧面積は、ストッパ部材１１−２の下方向への変形を抑制、もしくは逆方向に変形させるために、ストッパ部材１１−２の凹部１１−２ａの受圧面積よりも十分大きな面積とすることが望ましい。

また、本実施の形態では、ストッパ部材１１−２の内部の非接合領域ＳＡの第１の面ＰＬ１の面上に複数の凸部１２を離散的に形成するようにしたが、第２の面ＰＬ２の面上に複数の凸部１２を離散的に形成するようにしてもよく（図５参照）、第１の面ＰＬ１と第２の面ＰＬ２の両方の面上に複数の凸部１２を離散的に形成するようにしてもよい（図６参照）。

〔実施の形態２〕
図７にこの発明に係る圧力センサチップの第２の実施の形態（実施の形態２）の概略を示す。この実施の形態２の圧力センサチップ１１Ｂでは、ストッパ部材１１−２の内部に、非接合領域ＳＡに連続するストッパ部材１１−３の肉厚方向へ張り出した環状の溝１１−２ｄを形成している。この環状の溝１１−２ｄは、離散的に分断された溝ではなく、連続した溝であり、溝断面の径を大きくすることが望ましい。

なお、図７に示した例では、環状の溝１１−２ｄの非接合領域ＳＡに直交する断面形状を円形としているが、必ずしも円形としなくてもよく、図８に示すようにスリット状（矩形）とするなどしてもよい。図９にこの圧力センサチップ１１Ｂにおいてセンサダイアフラム１１−１がストッパ部材１１−３の凹部１１−３ａに着底した後の状態を示す。このような環状の溝１１−２ｄを形成することにより、この環状の溝１１−２ｄの内部に応力が分散されるものとなり、さらに高耐圧とすることが可能となる。

〔実施の形態３〕
図１０にこの発明に係る圧力センサチップの第３の実施の形態（実施の形態３）の概略を示す。この実施の形態３の圧力センサチップ１１Ｃは、実施の形態２の圧力センサチップ１１Ｂと同様に、ストッパ部材１１−２の内部に非接合領域ＳＡと、この非接合領域ＳＡに連続する環状の溝１１−２ｄとを備えているが、以下の点で実施の形態２の圧力センサチップ１１Ｂとは異なっている。

この圧力センサチップ１１Ｃにおいて、ストッパ部材１１−２の周縁部１１−２ｃは、センサダイアフラム１１−１の一方の面と対面する領域Ｓ１のうち、外周側の領域Ｓ１ａがセンサダイアフラム１１−１の一方の面との接合領域とされ、内周側の領域Ｓ１ｂがセンサダイアフラム１１−１の一方の面との非接合領域とされている。

また、ストッパ部材１１−３の周縁部１１−３ｃは、センサダイアフラム１１−１の他方の面と対面する領域Ｓ２のうち、外周側の領域Ｓ２ａがセンサダイアフラム１１−１の他方の面との接合領域とされ、内周側の領域Ｓ２ｂがセンサダイアフラム１１−１の他方の面との非接合領域とされている。

ストッパ部材１１−２の周縁部１１−２ｃの外周側の領域Ｓ１ａは、センサダイアフラム１１−１の一方の面に直接接合されることによって接合領域とされ、ストッパ部材１１−３の周縁部１１−３ｃの外周側の領域Ｓ２ａは、センサダイアフラム１１−１の他方の面に直接接合されることによって接合領域とされている。

ストッパ部材１１−２の周縁部１１−２ｃの内周側の領域Ｓ１ｂは、プラズマや薬液などにより表面を荒らすなどして、センサダイアフラム１１−１の一方の面に接してはいるが、接合はされてない非接合領域とされている。ストッパ部材１１−３の周縁部１１−３ｃの内周側の領域Ｓ２ｂも、プラズマや薬液などにより表面を荒らすなどして、センサダイアフラム１１−１の他方の面に接してはいるが、接合はされてない非接合領域とされている。

この圧力センサチップ１１Ｃでは、センサダイアフラム１１−１の下面の非接合領域Ｓ１ｂより更に内側がダイアフラムの感圧領域Ｄ１とされ、同様に、センサダイアフラム１１−１の上面の非接合領域Ｓ２ｂより更に内側がダイアフラムの感圧領域Ｄ２とされている。このダイアフラムの感圧領域Ｄ１ではストッパ部材１１−２に対向する面に一方の測定圧Ｐａがかかるとともに、ダイアフラムの感圧領域Ｄ２ではストッパ部材１１−３に対向する面にもう一方の測定圧Ｐｂがかかる。なお、感圧領域Ｄ１及びＤ２の直径がダイアフラムの有効径である。

この圧力センサチップ１１Ｃにおいて、測定圧Ｐａを高圧側の測定圧とし、測定圧Ｐｂを低圧側の測定圧とした場合、センサダイアフラム１１−１の下面の感圧領域Ｄ１に高圧側の測定圧Ｐａがかかると、センサダイアフラム１１−１はストッパ部材１１−２の周縁部１１−２ｃとの非接合領域Ｓ１ｂでストッパ部材１１−２から拘束による過渡な引っ張り応力が生じることなく撓むことができるので、この部分に生じる応力が低減されるものとなる。

また、この圧力センサチップ１１Ｃにおいて、測定圧Ｐｂを高圧側の測定圧とし、測定圧Ｐａを低圧側の測定圧とした場合、センサダイアフラム１１−１の上面の感圧領域Ｄ２に高圧側の測定圧Ｐｂがかかると、センサダイアフラム１１−１はストッパ部材１１−３の周縁部１１−３ｃとの非接合領域Ｓ２ｂでストッパ部材１１−３から拘束による過渡な引っ張り応力が生じることなく撓むことができるので、この部分に生じる応力が低減されるものとなる。

なお、図１０に示した例では、ストッパ部材１１−２の内部にしか非接合領域ＳＡを設けなかったが、図１１に実施の形態４の圧力センサチップ１１Ｄとして示すように、ストッパ部材１１−３の内部にも非接合領域ＳＡを設け、この非接合領域ＳＡに連続する環状溝１１−３ｄを設けるようにしてもよい。

この場合、ストッパ部材１１−３の内部の非接合領域ＳＡもその対向する第１の面ＰＬ１およびＰＬ２の少なくとも一方の面（この例では、第１の面ＰＬ１）上に、複数の凸部（柱）１２を離散的に形成し、この複数の凸部１２と凸部１２との間の通路（溝）１３を導圧孔１１−２ｂの周部と非接合領域ＳＡの周端部１４との間の連通路とする。

この実施の形態４の圧力センサチップ１１Ｄでは、ストッパ部材１１−２の内部に設けた環状溝１１−２ｄとストッパ部材１１−３の内部に設けた環状溝１１−３ｄとを同じ断面形状とし、また同じ位置に対向して設けるようにしているが、環状の溝１１−２ｄと１１−３ｄの断面形状を変えるようにしてもよく、環状の溝１１−２ｄと１１−３ｄの横方向の位置を異ならせるようにしてもよい。また、環状の溝１１−２ｄや１１−３ｄの断面形状は、前述した円形やスリット状に限られるものではなく、楕円形としたりするなど、各種の形状が考えられる。

また、上述した実施の形態１〜４では、ストッパ部材１１−２，１１−３に凹部１１−２ａ，１１−３ａを設けるようしているが、必ずしも凹部１１−２ａ，１１−３ａを備えていなくてもよく、センサダイアフラム１１−１を保持するだけの単なる保持部材であってもよい。このような場合でも、その保持部材内に設けられる非接合領域は、センサダイアフラム１１−１が撓んだ方向と反対側の力を加える受圧面として作用する。

また、上述した実施の形態では、センサダイアフラム１１−１を圧力変化に応じて抵抗値が変化する歪抵抗ゲージを形成したタイプとしているが、静電容量式のセンサチップとしてもよい。静電容量式のセンサチップは、所定の空間（容量室）を備えた基板と、その基板の空間上に配置されたダイアフラムと、基板に形成された固定電極と、ダイアフラムに形成された可動電極とを備えている。ダイアフラムが圧力を受けて変形することで、可動電極と固定電極との間隔が変化してその間の静電容量が変化する。

〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、各実施の形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。

１１Ｃ〜１１Ｄ…圧力センサチップ、１１−１…センサダイアフラム、１１−２（１１−２１，１１−２２），１１−３（１１−３１，１１−３２）、１１−２ａ，１１−３ａ…凹部、１１−２ｂ，１１−３ｂ…圧力導入孔（導圧孔）、１１−２ｃ，１１−３ｃ…周縁部、１１−２ｄ，１１−３ｄ…環状の溝、１１−４，１１−５…台座、１１−４ａ，１１−５ａ…圧力導入孔（導圧孔）、ＳＡ…非接合領域、ＳＢ…接合領域、Ｓ１ａ，Ｓ２ａ…外周側の領域（接合領域）、Ｓ１ｂ，Ｓ２ｂ…内周側の領域（非接合領域）、Ｄ１，Ｄ２…感圧領域、ＰＬ１…第１の面、ＰＬ２…第２の面、１２…凸部（柱）、１３…通路（溝）、１４…周端部。

Claims (6)

1. 一方の面および他方の面に受ける圧力差に応じた信号を出力するセンサダイアフラムと、このセンサダイアフラムの一方の面および他方の面にその周縁部を対面させて接合され、前記センサダイアフラムへ測定圧を導く導圧孔を有する第１および第２の保持部材とを備えた圧力センサチップにおいて、
   前記第１の保持部材は、
   前記導圧孔の周部に連通する非接合領域を内部に有し、
   前記第１の保持部材の内部の非接合領域は、
   前記センサダイアフラムの受圧面と平行な面の一部を対向する第１の面と第２の面とに分けた領域として設けられ、
   前記第１の保持部材の内部の非接合領域の対向する第１の面および第２の面の少なくとも一方の面上には、
   複数の凸部が離散的に形成され、
   この複数の凸部と凸部との間の通路が前記導圧孔の周部と前記非接合領域の周端部との間の連通路とされ、
   前記第２の保持部材は、
   前記センサダイアフラムに過大圧が印加された時の当該センサダイアフラムの過度な変位を阻止する凹部を備えている
   ことを特徴とする圧力センサチップ。
2. 請求項１に記載された圧力センサチップにおいて、
   前記第１の保持部材の内部には、
   前記非接合領域に連続する前記第１の保持部材の肉厚方向へ張り出した環状の溝が形成されている
   ことを特徴とする圧力センサチップ。
3. 請求項１に記載された圧力センサチップにおいて、
   前記第１の保持部材は、
   前記非接合領域が設けられた前記センサダイアフラムの受圧面と平行な面で２分割され、
   前記２分割された一方の保持部材と他方の保持部材とは、
   前記非接合領域が設けられた面の非接合領域を除く領域同士が接合されている
   ことを特徴とする圧力センサチップ。
4. 請求項１に記載された圧力センサチップにおいて、
   前記第１の保持部材の内部の非接合領域に連続する環状の溝は、
   前記第１の保持部材の内部の非接合領域に直交する断面形状が円弧部分を含んでいる
   ことを特徴とする圧力センサチップ。
5. 請求項１に記載された圧力センサチップにおいて、
   前記センサダイアフラムは、
   前記一方の面が高圧側の測定圧の受圧面とされ、
   前記他方の面が低圧側の測定圧の受圧面とされている
   ことを特徴とする圧力センサチップ。
6. 請求項１に記載された圧力センサチップにおいて、
   前記第１の保持部材は、
   前記センサダイアフラムに過大圧が印加された時の当該センサダイアフラムの過度な変位を阻止する凹部を備え、
   前記第２の保持部材は、
   前記導圧孔の周部に連通する非接合領域を内部に有し、
   前記第２の保持部材の内部の非接合領域は、
   前記センサダイアフラムの受圧面と平行な面の一部を対向する第１の面と第２の面とに分けた領域として設けられ、
   前記第２の保持部材の内部の非接合領域の対向する第１の面および第２の面の少なくとも一方の面上には、
   複数の凸部が離散的に形成され、
   この複数の凸部と凸部との間の通路が前記導圧孔の周部と前記非接合領域の周端部との間の連通路とされている
   ことを特徴とする圧力センサチップ。

Images