JP6134279B2 - 差圧／静圧複合センサ - Google Patents

Description

この発明は、差圧用ダイアフラムと静圧用ダイアフラムとを備えた差圧／静圧複合センサに関するものである。

従来より、差圧用ダイアフラムと静圧用ダイアフラムとを備えた差圧／静圧複合センサとして、差圧・静圧を高感度に検出する半導体ピエゾ抵抗素子を持つ１チップマルチバリアブル圧力センサチップが用いられている。

この１チップマルチバリアブル圧力センサチップ（以下、単に圧力センサと呼ぶ）は、ドライエッチングにより形成された差圧用ダイアフラムおよび静圧用ダイアフラムを１チップ内に有し、圧力印加時に差圧用ダイアフラムのエッジ部に発生する応力を差圧として、また静圧用ダイアフラムのエッジ部に発生する応力を静圧として、それぞれピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化により検出する。

図９に従来の圧力センサにおける差圧用ダイアフラムおよび静圧用ダイアフラムの配置例を示す（例えば、特許文献１参照）。この圧力センサ１００では、基板１の中央部に円形の差圧用ダイアフラム２を設け、この円形の差圧用ダイアフラム２を囲むようにして円環状の静圧用ダイアフラム３を設けている。

図１０にこの圧力センサ１００の断面図を示す。差圧用ダイアフラム２および静圧用ダイアフラム３が設けられた基板１は第１の保持部材４と第２の保持部材５との間に挟まれている。すなわち、基板１の一方の面および他方の面にその周縁部を静圧用ダイアフラム３を挾んで対面させて、第１の保持部材４と第２の保持部材５とを接合している。

第１の保持部材４の周縁部には、静圧用ダイアフラム３の一方の受圧面に対向する空間（円環状の空間）として室６が設けられており、第２の保持部材５の周縁部には、静圧用ダイアフラム３の他方の受圧面に対向する空間（円環状の空間）として室７が設けられている。室６に対しては導圧孔８が設けられている。

また、第１の保持部材４の中央部には、差圧用ダイアフラム２の一方の受圧面に対向する空間として室９が設けられており、第２の保持部材５の中央部には、差圧用ダイアフラム２の他方の受圧面に対向する空間として室１０が設けられている。

室９および１０は、差圧用ダイアフラム２の一方の受圧面および他方の受圧面に対峙する凹部とされ、この凹部は差圧用ダイアフラム２の変位に沿った曲面（非球面）とされている。室９および１０に対しては導圧孔１０および１１がその頂部に形成されている。保持部材４，５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１００では、第１の保持部材４に設けられている導圧孔１１を通して測定圧力Ｐ１が室９の内部に導かれ、第２の保持部材５に設けられている導圧孔１２を通して測定圧力Ｐ２が室１０の内部に導かれる。これにより、差圧用ダイアフラム２が室９の内部に導かれた測定圧力Ｐ１と室１０の内部に導かれた測定圧力Ｐ２との差に相当する変位を呈し、この変位により差圧用ダイアフラム２のエッジ部に発生する応力が差圧ΔＰとして、差圧用ダイアフラム２のエッジ部に設けられているピエゾ抵抗素子（図示せず）の抵抗値の変化により検出される。

また、この圧力センサ１００では、差圧用ダイアフラム２の一方の受圧面に過大圧が印加されて差圧用ダイアフラム２が変位したとき、その変位面の全体が第２の保持部材５の室１０の曲面によって受け止められる。また、差圧用ダイアフラム２の他方の受圧面に過大圧が印加されて差圧用ダイアフラム２が変位したとき、その変位面の全体が第１の保持部材４の室９の曲面によって受け止められる。これにより、差圧用ダイアフラム２に過大圧が印加された時の過度な変位が阻止され、差圧用ダイアフラム２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差圧用ダイアフラム２の不本意な破壊が効果的に防がれ、その過大圧保護動作圧力（耐圧）を高めることができる。

また、この圧力センサ１００では、導圧孔１１への測定圧力Ｐ１が分岐して導圧孔８へ送られ、静圧用ダイアフラム３の一方の受圧面に対向する室６に導かれる。静圧用ダイアフラム３の他方の受圧面に対向する室７の内部は基準圧（真空又は大気圧）とされている。これにより、静圧用ダイアフラム３が室６の内部に導かれた測定圧力Ｐ１と室７の内部の基準圧との差に相当する変位を呈し、この変位により静圧用ダイアフラム３のエッジ部に発生する応力が静圧Ｐ１として、静圧用ダイアフラム３のエッジ部に設けられているピエゾ抵抗素子（図示せず）の抵抗値の変化により検出される。

特開２００５−６９７３６号公報

しかしながら、上述した差圧センサ１００では、静圧用ダイアフラム３の室６に対向する一方の受圧面の幅Ｗ１と静圧用ダイアフラム３の室７に対向する他方の受圧面の幅Ｗ２とが等しくされている。このため、静圧用ダイアフラム３が圧力が印加されて撓んだ際に、引っ張り応力が最も発生する圧力印加側ダイアフラムエッジ付近が拘束状態にあるため、その箇所に応力が集中し、期待される耐圧が確保できないという問題があった。図１１（ａ）に静圧用ダイアフラム３が撓んだ際の応力集中箇所を黒丸で示し、図１１（ｂ）に静圧用ダイアフラム３が撓んだ際の発生応力の分布を示す。

なお、耐圧と出力感度とはトレードオフの関係にあり、静圧用ダイアフラム３の受圧面の幅Ｗ１，Ｗ２を小さくすると、静圧用ダイアフラム３が撓んだ際の発生応力を下げることは可能であるが、逆に出力が小さくなってしまい、十分な出力感度を得ることができなくなる。

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、耐圧と出力感度とのトレードオフの関係を改善することが可能な差圧／静圧複合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ために本発明は、基板と、基板の中央部に設けられた差圧用ダイアフラムと、差圧用ダイアフラムを囲むようにして設けられた静圧用ダイアフラムと、基板の一方の面および他方の面にその周縁部を静圧用ダイアフラムを挟んで対面させて接合された第１および第２の保持部材と、第１の保持部材に設けられ差圧用ダイアフラムの一方の受圧面に第１の測定圧力を導く第１の導圧孔と、第２の保持部材に設けられ差圧用ダイアフラムの他方の受圧面に第２の測定圧力を導く第２の導圧孔と、第１の保持部材の周縁部に、静圧用ダイアフラムの一方の受圧面に対向する空間として設けられ、内部に差圧用ダイアフラムの一方の受圧面への第１の測定圧力が分岐して導かれる第１の室と、第２の保持部材の周縁部に、静圧用ダイアフラムの他方の受圧面に対向する空間として設けられ、内部が基準圧とされる第２の室とを備えた差圧／静圧複合センサにおいて、静圧用ダイアフラムは、第１の室に対向する一方の受圧面の幅が第２の室に対向する他方の受圧面の幅よりも広くされていることを特徴とする。

本発明において、静圧用ダイアフラムは、第１の室に対向する一方の受圧面の幅が第２の室に対向する他方の受圧面の幅よりも広くされている。例えば、本発明において、静圧用ダイアフラムの第１の室に対向する一方の受圧面の幅（静圧用ダイアフラムの一方の受圧面に対向する第１の室の幅）を第２の室に対向する他方の受圧面の幅（静圧用ダイアフラムの他方の受圧面に対向する第２の室の幅）の１．５倍以上としたり、２倍以上としたりする。このようにすると、静圧用ダイアフラムの撓みによる応力発生箇所付近が拘束されなくなるために、応力が分散し、発生する応力のピークが抑えられる。また、発生応力が広く分散するため、多少のずれが発生したとしても十分な出力感度が得られるものとなる。また、出力感度の上昇も見込めるようになる。このようにして、本発明では、耐圧と出力感度とのトレードオフの関係を改善することが可能となる。

なお、本発明において、静圧用ダイアフラムは、差圧用ダイアフラムを囲むようにして設けられていればよく、円環状のダイアフラムであってもよく、四角環状のダイアフラムなどであってもよい。また、半円状（Ｃ型）のダイアフラムを差圧用ダイアフラムを挟んで対向して設けたり、「コ」字状のダイアフラムを差圧用ダイアフラムを挟んで対向して設けたりするなどしてもよい。すなわち、静圧用ダイアフラムは、差圧用ダイアフラムの周囲を囲むようにして連続して設けられた環状のダイアフラムであっても、差圧用ダイアフラムの周囲を囲むようにして分割して設けられた環状のダイアフラムであってもよく、その形状は問わない。

本発明によれば、静圧用ダイアフラムの第１の室に対向する一方の受圧面の幅を第２の室に対向する他方の受圧面の幅よりも広くするようにしたので、一方の受圧面の幅を他方の受圧面の幅の１．５倍以上としたり、２倍以上としたりするなどして、耐圧と出力感度とのトレードオフの関係を改善することが可能となる。

本発明に係る差圧／静圧複合センサの一実施の形態の要部を示す断面図である。 この差圧／静圧複合センサ（圧力センサ）における差圧用ダイアフラムおよび静圧用ダイアフラムの配置を示す平面図である。 この差圧／静圧複合センサ（圧力センサ）における静圧用ダイアフラムの一方および他方の受圧面の幅および圧力印加時に発生する応力の分布を示す図である。 圧力印加側の静圧用ダイアフラムのエッジを示す図である。 定圧力印加時の出力比とエッジ発生応力の傾向を溝幅比（Ｗ１／Ｗ２）を横軸として示す図である。 静圧用ダイアフラムを四角環状のダイアフラムとした例を示す平面図である。 半円状（Ｃ型）のダイアフラムを静圧用ダイアフラムとして差圧用ダイアフラムを挟んで対向して設けた例を示す平面図である。 「コ」字状のダイアフラムを静圧用ダイアフラムとして差圧用ダイアフラムを挟んで対向して設けた例を示す平面図である。 従来の圧力センサにおける差圧用ダイアフラムおよび静圧用ダイアフラムの配置例を示す平面図である。 従来の圧力センサの断面図である。 従来の圧力センサにおける静圧用ダイアフラムの一方および他方の受圧面の幅および圧力印加時に発生する応力の分布を示す図である。

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。図１は本発明に係る差圧／静圧複合センサの一実施の形態の要部を示す断面図である。同図において、図１０と同一符号は図１０を参照して説明した構成要素と同一或いは同等の構成要素を示し、その説明は省略する。

この差圧／静圧複合センサ（圧力センサ）２００では、静圧用ダイアフラム３の室６に対向する一方の受圧面の幅（静圧用ダイアフラム３の一方の受圧面に対向する室６の幅）Ｗ１を静圧用ダイアフラム３の室７に対向する他方の受圧面の幅（静圧用ダイアフラム３の他方の受圧面に対向する室７の幅）Ｗ２よりも広くしている。以下、第１の保持部材４に設けられている室６を第１の室と呼び、第２の保持部材５に設けられている室７を第２の室と呼ぶ。

図２にこの圧力センサ２００における差圧用ダイアフラム２および静圧用ダイアフラム３の配置を示す。この圧力センサ２００において、差圧用ダイアフラム２および静圧用ダイアフラム３の配置は、従来の圧力センサ１００における差圧用ダイアフラム２および静圧用ダイアフラム３の配置と同じであるが、図示実線と破線で区別して示すように、静圧用ダイアフラム３の一方の受圧面の幅Ｗ１が他方の受圧面の幅Ｗ２よりも広くされている。

図３に静圧用ダイアフラム３の第１の室６に対向する一方の受圧面の幅Ｗ１を静圧用ダイアフラム３の第２の室７に対向する他方の受圧面の幅Ｗ２よりも広くした場合の図１１に対応する図を示す。幅Ｗ１を幅Ｗ２よりも広くすると、静圧用ダイアフラム３の撓みによる応力発生箇所付近が拘束されなくなるために、応力が分散し、発生する応力のピークが抑えられる。これにより、飛躍的な耐圧向上が可能となる。

また、幅Ｗ１と幅Ｗ２とが等しい構造（図１１）では、ダイアフラムエッジで鋭いピーク応力が発生するため、ピエゾ抵抗素子（センサゲージ）の位置にずれがあった場合、出力が大幅に下がってしまう虞がある。これに対して、幅Ｗ１を幅Ｗ２よりも広くすると、発生応力が広く分散するため、多少のずれが発生したとしても十分な出力感度が得られる。また、最適位置にセンサゲージを配置した場合、幅Ｗ１と幅Ｗ２とが等しい構造に対して出力感度の上昇が見込める。

図５に、横軸を溝幅比（Ｗ１／Ｗ２）とし、縦軸を現行出力比およびＳｉ母材破壊強度比として、一定圧力印加時の出力比（特性Ｉ）とエッジ発生応力（特性II）の傾向を示す。この例において、基台１はＳｉ（シリコン）を母材としている。また、溝幅比が１の時の出力比を１とし、Ｓｉ母材破壊強度を１としている。また、図５において、エッジ発生応力は、圧力印加側の静圧用ダイアフラム３のエッジ（図４参照）の発生応力を示す。

この例において、出力比は、特性Ｉで示されるように、溝幅比が１．２付近でピークを示し、１．４付近で底を打ち、その後、少し上昇し、１．５付近から徐々に安定し始め、２付近からほゞ安定した状態に移行している。また、エッジ発生応力は、特性IIで示されるように、溝幅比が１．２付近でピークを示し、１．４付近でＳｉ母材破壊強度を下回り、１．５付近からやや滑らかな傾斜で下降し始め、２付近からほゞ安定した状態に移行している。

この出力比およびエッジ発生応力の傾向からすると、溝幅比は１．５以上であることが望ましく、２以上であることが好ましい。溝幅比を２とすると、出力は１．２倍まで上昇し、エッジ発生応力はＳｉ母材破壊強度比≒０となる。これにより、性能の向上と、大幅な応力緩和効果が得られ、飛躍的な耐圧向上が可能となる。本実施の形態では、この特性Ｉ，IIの傾向に基づき、溝幅比を１．５以上としている。

なお、上述した実施の形態では、静圧用ダイアフラム３を円環状としたが、例えば図６に示すように、静圧用ダイアフラム３を四角環状のダイアフラムとするなどしてもよい。また、図７に示すように、半円状（Ｃ型）のダイアフラム３−１，３−２を静圧用ダイアフラム３として差圧用ダイアフラム２を挟んで対向して設けたり、図８に示すように、「コ」字状のダイアフラム３−１，３−２を静圧用ダイアフラム３として差圧用ダイアフラム２を挟んで対向して設けたりするなどしてもよい。また、差圧用ダイアフラム２も円形に限られるものではなく、四角形としたりするなどしてもよい。

なお、図７や図８に示すように静圧用ダイアフラム３を分割して設ける場合、分割して設けたダイアフラム３−１，３−２の一方の面および他方の面に対して、第１の室１１および第２の室８を分割して設けるようにすることは言うまでもない。

また、上述した実施の形態では、第１の保持部材４における室９および第２の保持部材５における室１０を差圧用ダイアフラム２の変位に沿った曲面（非球面）としたが、室９および１０は必ずしもこのような曲面としなくてもよい。

〔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、本発明は上記の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。

１…基板、２…差圧用ダイアフラム、３…静圧用ダイアフラム、４…第１の保持部材、５…第２の保持部材、６…室（第１の室）、７…室（第２の室）、８…導圧孔、９，１０…室、１１，１２…導圧孔、２００…圧力センサ。

Claims (5)

1. 基板と、
   前記基板の中央部に設けられた差圧用ダイアフラムと、
   前記差圧用ダイアフラムを囲むようにして設けられた静圧用ダイアフラムと、
   前記基板の一方の面および他方の面にその周縁部を前記静圧用ダイアフラムを挟んで対面させて接合された第１および第２の保持部材と、
   前記第１の保持部材に設けられ前記差圧用ダイアフラムの一方の受圧面に第１の測定圧力を導く第１の導圧孔と、
   前記第２の保持部材に設けられ前記差圧用ダイアフラムの他方の受圧面に第２の測定圧力を導く第２の導圧孔と、
   前記第１の保持部材の周縁部に、前記静圧用ダイアフラムの一方の受圧面に対向する空間として設けられ、内部に前記差圧用ダイアフラムの一方の受圧面への第１の測定圧力が分岐して導かれる第１の室と、
   前記第２の保持部材の周縁部に、前記静圧用ダイアフラムの他方の受圧面に対向する空間として設けられ、内部が基準圧とされる第２の室とを備えた差圧／静圧複合センサにおいて、
   前記静圧用ダイアフラムは、
   前記第１の室に対向する一方の受圧面の幅が前記第２の室に対向する他方の受圧面の幅よりも広くされている
   ことを特徴とする差圧／静圧複合センサ。
2. 請求項１に記載された差圧／静圧複合センサにおいて、
   前記静圧用ダイアフラムは、
   前記差圧用ダイアフラムの周囲を囲むようにして連続して設けられた環状のダイアフラムとされている
   ことを特徴とする差圧／静圧複合センサ。
3. 請求項１に記載された差圧／静圧複合センサにおいて、
   前記静圧用ダイアフラムは、
   前記差圧用ダイアフラムの周囲を囲むようにして分割して設けられた環状のダイアフラムとされている
   ことを特徴とする差圧／静圧複合センサ。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載された差圧／静圧複合センサにおいて、
   前記静圧用ダイアフラムは、
   前記第１の室に対向する一方の受圧面の幅が前記第２の室に対向する他方の受圧面の幅の１．５倍以上とされている
   ことを特徴とする差圧／静圧複合センサ。
5. 請求項１〜３の何れか１項に記載された差圧／静圧複合センサにおいて、
   前記静圧用ダイアフラムは、
   前記第１の室に対向する一方の受圧面の幅が前記第２の室に対向する他方の受圧面の幅の２倍以上とされている
   ことを特徴とする差圧／静圧複合センサ。