JP6552400B2 - 圧力センサチップ - Google Patents

Description

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。

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１９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２０Ａ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）Ｐ１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）Ｐ２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Ｐ１，Ｐ２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Ｐ１，Ｐ２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２０Ｂ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２１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（保持部材）、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１１−１ａ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１１−１ｂに対峙させ、ストッパ部材１１−２の周縁部１１−２ｃをセンサダイアフラム１１−１の一方の面１１−１ａに対面させて接合し、ストッパ部材１１−３の周縁部１１−３ｃをセンサダイアフラム１１−１の他方の面１１−１ｂに対面させて接合している。

ストッパ部材１１−２，１１−３の凹部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１１−１ａ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１１−１ｂ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１９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Ｐ１，Ｐ２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

このような圧力センサチップ１１の構造において、小型化、高感度化の両立を目指した場合、センサダイアフラム１１−１の厚さを薄く必要がある。しかしながら、ダイアフラム１１−１が薄くなればなるほど、ストッパ部材１１−２，１１−３におけるストッパ効果の低い導圧孔１１−２ｂ，１１−３ｂの開口部で、ダイアフラム１１−１が破壊されてしまう虞が高くなる。

ダイアフラム１１−１が破壊されてしまう虞をなくすために、すなわち耐圧を高めるために、例えばセンサダイアフラム１１−１の他方の面１１−１ｂを高圧の測定圧の受圧面とした場合、導圧孔１１−２ｂの孔径を小さくすることが考えられる。

すなわち、図２１における導圧孔１１−２ｂの孔径をφ１（例えば、φ１＝２００μｍ）とした場合、図２２および図２３に示すように、導圧孔１１−２ｂの孔径φ１よりも小径の孔径φ２（例えば、φ２＝２５μｍ）とすることが考えられる。

しかし、このようにすると、導圧孔１１−２ｂ’のアスペクト比（孔の深さ／孔の径）が高くなり、加工難易度の上昇、応答速度の劣化といった問題が生じる。なお、導圧孔１１−２ｂ’の孔の深さは、例えば２ｍｍとされている。

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、加工性、応答速度の劣化を緩和、抑制しつつ、飛躍的な耐圧向上を達成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、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、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そのセンサダイアフラムの変位に沿った曲面状の凹部を備え、第１の保持部材の導圧孔は、第１の保持部材を貫いて第１の保持部材の曲面状の凹部に開口し、第１の保持部材の導圧孔の第１の保持部材を貫く方向から見た孔形状は、第１の保持部材の導圧孔の中心に位置する中心部分とこの中心部分の外縁の一部から連続して中心から外方向に延びた１つ以上の延伸部分とから構成された形状とされ、第１の保持部材の導圧孔の孔形状の延伸部分の延伸方向に直交する方向の最大幅は、第１の保持部材の導圧孔の孔形状の中心部分の外縁の幅以下とされていることを特徴とする。

本発明において、センサダイアフラムの他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１の保持部材側に撓み、第１の保持部材の曲面状の凹部に着底する。この第１の保持部材の曲面状の凹部には第１の保持部材の導圧孔が開口している。この第１の保持部材の導圧孔の第１の保持部材を貫く方向から見た孔形状は、第１の保持部材の導圧孔の中心に位置する中心部分と、この中心部分の外縁の一部から連続して中心から外方向に延びた１つ以上の延伸部分とから構成された形状とされている。また、第１の保持部材の導圧孔の孔形状の延伸部分の延伸方向に直交する方向の最大幅は、第１の保持部材の導圧孔の孔形状の中心部分の外縁の幅以下とされている。

例えば、本発明において、第１の保持部材の導圧孔の孔形状を十字形とした場合、その十字形の中心に位置する孔の形状が中心部分、この中心部分の外縁から連続して四方に延びた孔の形状が延伸部分となる。この場合、延伸部分の延伸方向を導圧孔の孔形状の径方向、延伸部分の延伸方向に直交する方向を導圧孔の孔形状の幅方向とした場合、幅方向の長さは耐圧に寄与し、幅方向の長さを小さくすることにより耐圧が高められる。これに対し、径方向の長さは応答性と加工性に寄与し、径方向の長さを大きくすることにより応答性と加工性が高められる。

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他方の面を高圧側の測定圧の受圧面とし、一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他方の面を高圧側の測定圧の受圧面とし、第２の保持部材の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２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そのセンサダイアフラムの変位に沿った曲面状の凹部を備えるものとし、第１の保持部材の導圧孔と同様の孔形状の導圧孔を第２の保持部材の曲面状の凹部に開口させるようにしてもよい。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、中心部分と延伸部分とから構成される孔形状の導圧孔が開口されている凹部にセンサダイアフラムを着底させるようにすることができる。

本発明によれば、第１の保持部材の曲面状の凹部に開口する第１の保持部材の導圧孔の孔形状を、第１の保持部材の導圧孔の中心に位置する中心部分とこの中心部分の外縁の一部から連続して中心から外方向に延びた１つ以上の延伸部分とから構成された形状とし、第１の保持部材の導圧孔の孔形状の延伸部分の延伸方向に直交する方向の最大幅を第１の保持部材の導圧孔の孔形状の中心部分の外縁の幅以下とするようにしたので、延伸部分の延伸方向を導圧孔の孔形状の径方向、延伸部分の延伸方向に直交する方向を導圧孔の孔形状の幅方向とした場合、幅方向の長さを小さくすることにより耐圧が高められ、径方向の長さを大きくすることにより応答性と加工性が高められるものとなり、加工性、応答速度の劣化を緩和、抑制しつつ、飛躍的な耐圧向上を達成することが可能となる。

図１は、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。 図２は、この圧力センサチップのストッパ部材に形成する導圧孔の孔形状（十字形の孔形状）を示す平面図である。 図３は、導圧孔の孔形状を十字形とした場合と小径の孔径φ２とした場合との比較を示す図である。 図４は、延伸部分の角部に接する直径Ｒの円を十字形の孔形状の導圧孔の中心部分と考えた例を示す図である。 図５は、一辺の長さがＷの正方形を十字形の孔形状の導圧孔の中心部分と考えた例を示す図である。 図６は、導圧孔の孔形状をＹ字形とした例を示す図である。 図７は、一辺の長さがＷの正三角形をＹ字形の孔形状の導圧孔の中心部分と考えた例を示す図である。 図８は、十字形の孔形状の導圧孔の延伸部分を延伸方向の始端から終端に向かって細くするようにした例を示す図である。 図９は、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。 図１０は、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。 図１１は、下側のストッパ部材の曲面状の凹部の底面上に離散的に形成された複数の凸部の形状（円柱状）を導圧孔の孔形状と合わせて示す平面図である。 図１２は、下側のストッパ部材の曲面状の凹部の底面上に離散的に形成された複数の凸部の形状（六角柱状）を導圧孔の孔形状と合わせて示す平面図である。 図１３は、凸部を円柱状とした曲面状の凹部に十字形の孔形状とした複数の導圧孔を形成した例を示す図である。 図１４は、凸部を円柱状とした曲面状の凹部にＹ字形の孔形状とした複数の導圧孔を形成した例を示す図である。 図１５は、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。 図１６は、上側のストッパ部材の曲面状の凹部の底面上に離散的に形成された複数の凸部の形状（円柱状）を導圧孔の孔形状と合わせて示す平面図である。 図１７は、上側のストッパ部材の曲面状の凹部の底面上に離散的に形成された複数の凸部の形状（六角柱状）を導圧孔の孔形状と合わせて示す平面図である。 図１８は、本発明に係る圧力センサチップの第５の実施の形態（実施の形態５）の概略を示す図である。 図１９は、従来の差圧センサの概略構成を示す図である。 図２０Ａは、この差圧センサの正常時の動作態様を模式的に示す図である。 図２０Ｂは、この差圧センサの過大圧印加時の動作態様を模式的に示す図である。 図２１は、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。 図２２は、ダイアフラムが着底する側のストッパ部材の導圧孔の径を小さくした例を示す図である。 図２３は、ストッパ部材の導圧孔の孔径を小さくする前と小さくした後の孔径を比較して示す図である。

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２１と同一符号は図２１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２１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（下側のストッパ部材）の曲面状の凹部１１−２ａの頂部には、ストッパ部材１１−２を貫いて導圧孔１１−２ｄが設けられている。この導圧孔１１−２ｄの孔形状は、すなわちストッパ部材１１−２を貫く方向から見た孔形状（平面形状）は、十字形とされている。

図２にストッパ部材１１−２の導圧孔１１−２ｄの孔形状を示す。導圧孔１１−２ｄは、この孔形状でストッパ部材１１−２を貫いて、曲面状の凹部１１−２ａの頂部に開口している。

この導圧孔１１−２ｄの孔形状は、十字形の中心に位置する孔を中心部分Ｈ０と、この中心部分Ｈ０の外縁から連続して四方（中心から外方向）に延びた４つの孔を延伸部分Ｈ１〜Ｈ４とから構成されている。導圧孔１１−２ｄの孔形状は、この他にも種々考えられるが、この十字形の孔形状の導圧孔１１−２ｄを導圧孔１１−２ｄ１として他と区別する。

この導圧孔１１−２ｄ１の孔形状において、延伸部分Ｈ１〜Ｈ４の延伸方向を導圧孔１１−２ｄ１の孔形状の径方向、延伸部分Ｈ１〜Ｈ４の延伸方向に直交する方向を導圧孔１１−２ｄ１の孔形状の幅方向とした場合、導圧孔１１−２ｄ１の孔形状の幅方向の長さ（以下、単に孔形状の幅という。）Ｗは２５μｍ、導圧孔１１−２ｄ１の孔形状の径方向の長さ（以下、単に孔形状の長さという。）Ｌは３００μｍとされている。なお、図２には、導圧孔１１−２ｄの孔形状に対して、この孔形状に外接する円を仮想的に１点鎖線で示している。

この導圧孔１１−２ｄ１の孔形状において、導圧孔１１−２ｄ１の中心部分Ｈ０を導圧孔１１−２ｄ１の孔形状の幅Ｗと等しい直径Ｒの円（中心円）と考えた場合（Ｒ＝Ｗ）、この中心部分Ｈ０の外縁から連続して四方に延びた延伸部分Ｈ１〜Ｈ４は、直径Ｒの円の外周の１８０゜の円弧を外縁の一部として延びた形とされていると言える。この場合、延伸部分Ｈ１〜Ｈ４の幅、すなわち導圧孔１１−２ｄ１の孔形状の幅Ｗは、中心部分Ｈ０の外縁の幅（中心円の直径Ｒ）と等しい（Ｗ＝Ｒ）。

図３に、この導圧孔１１−２ｄ１の孔形状と、図２１に示した小径の孔径φ２（φ２＝２５μｍ）とした導圧孔１１−２ｂ’の孔形状との比較を示す。この比較から分かるように、本実施の形態の圧力センサチップ１１Ａにおいて、ストッパ部材１１−２に形成されている導圧孔１１−２ｄ１は、導圧孔１１−２ｂ’の孔径φ２と等しい中心部分Ｈ０に加え、この孔径φ２と同幅で伸びた延伸部分Ｈ１〜Ｈ４を有している。

この圧力センサチップ１１Ａにおいて、測定圧Ｐ１を高圧側の測定圧とし、測定圧Ｐ２を低圧側の測定圧とした場合、センサダイアフラム１１−１の他方の面１１−１ｂに高圧側の測定圧Ｐ１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側に撓み、ストッパ部材１１−２の曲面状の凹部１１−２ａに着底する。

このストッパ部材１１−２の曲面状の凹部１１−２ａには導圧孔１１−２ｄ１が開口している。このストッパ部材１１−２の導圧孔１１−２ｄ１の孔形状は、図２に示されるように、幅Ｗ＝２５μｍ、長さＬ＝３００μｍの十字形とされ、導圧孔１１−２ｄ１の中心に位置する中心部分Ｈ０と、この中心部分Ｈ０の外縁から連続して四方に延びた延伸部分Ｈ１〜Ｈ４とから構成されている。

この導圧孔１１−２ｄ１の孔形状において、幅Ｗは耐圧に寄与し、幅Ｗを小さくすることによって耐圧が高められる。これに対し、長さＬは応答性と加工性に寄与し、長さＬを大きくすることによって応答性と加工性が高められる。

すなわち、この導圧孔１１−２ｄ１の孔形状において、その幅Ｗは図２３に示した導圧孔１１−２ｂ’の孔径φ２と同じ２５μｍとされているので、孔径φ２の導圧孔１１−２ｂ’を設けた場合と同程度の耐圧が得られる。また、中心部分Ｈ０に延伸部分Ｈ１〜Ｈ４が加わることにより、低圧側の測定圧Ｐ２の受圧面積が増え、応答速度の劣化が緩和される。また、アスペクト比（孔の深さ／孔の径）が低くなり、導圧孔１１−２ｄ１を作り易くなる。

このようにして、本実施の形態の圧力センサチップ１１Ａでは、ストッパ部材１１−２の曲面状の凹部１１−２ａに開口する導圧孔１１−２ｄ１の孔形状の幅Ｗを小さくすることにより耐圧が高められ、長さＬを大きくすることにより応答性と加工性が高められるものとなり、加工性、応答速度の劣化を緩和、抑制しつつ、飛躍的な耐圧向上を達成することができるようになる。

なお、上述においては、導圧孔１１−２ｄ１の中心部分Ｈ０を導圧孔１１−２ｄ１の孔形状の幅Ｗと等しい直径Ｒの円と考えたが、延伸部分Ｈ１〜Ｈ４の角部に接する直径Ｒの円（中心円）を導圧孔１１−２ｄ１の中心部分Ｈ０と考えることもできる（図４参照）。この場合、中心部分Ｈ０の外縁から連続して四方に伸びる延伸部分Ｈ１〜Ｈ４は、直径Ｒの円の外周の９０゜の円弧を外縁の一部として伸びた形とされていると言える。この場合、延伸部分Ｈ１〜Ｈ４の幅、すなわち導圧孔１１−２ｄ１の孔形状の幅Ｗは、中心部分Ｈ０の外縁の幅（中心円の直径Ｒ）よりも小さい（Ｗ＜Ｒ）。

また、上述においては、導圧孔１１−２ｄ１の中心部分Ｈ０を直径Ｒの円と考えたが、導圧孔１１−２ｄ１の中心部分Ｈ０を一辺の長さがＷの正方形と考えることもできる（図５参照）。この場合、中心部分Ｈ０の外縁から連続して四方に伸びる延伸部分Ｈ１〜Ｈ４は、一辺の長さがＷの正方形の辺を外縁の一部として延びた形とされていると言える。この場合、延伸部分Ｈ１〜Ｈ４の幅、すなわち導圧孔１１−２ｄ１の孔形状の幅Ｗは、中心部分Ｈ０の外縁の幅（正方形の一辺の長さＷ）と等しい。

また、この圧力センサ１１Ａでは、導圧孔１１−２ｄの孔形状を十字形としたが、図６に示すようなＹ字形の孔形状としてもよい。このＹ字形の孔形状とした導圧孔１１−２ｄ（１１−２ｄ２）において、導圧孔１１−２ｄ２の中心部分Ｈ０を延伸部分Ｈ１〜Ｈ３の角部に接する直径Ｒの円（中心円）と考えた場合、この中心部分Ｈ０の外縁から連続して三方に延びた延伸部分Ｈ１〜Ｈ３は、直径Ｒの円の外周の１２０゜の円弧を外縁の一部として延びた形とされていると言える。この場合、延伸部分Ｈ１〜Ｈ３の幅、すなわち導圧孔１１−２ｄ２の孔形状の幅Ｗは、中心部分Ｈ０の外縁の幅（中心円の直径Ｒ）よりも小さい（Ｗ＜Ｒ）。

また、Ｙ字形の孔形状の導圧孔１１−２ｄ２とした場合、その中心部分Ｈ０を一辺の長さがＷの正三角形と考えることもできる（図７参照）。この場合、中心部分Ｈ０の外縁から連続して三方に伸びる延伸部分Ｈ１〜Ｈ３は、一辺の長さがＷの正三角形の辺を外縁の一部として延びた形とされていると言える。この場合、延伸部分Ｈ１〜Ｈ３の幅、すなわち導圧孔１１−２ｄ２の孔形状の幅Ｗは、中心部分Ｈ０の外縁の幅（正三角形の一辺の長さＷ）と等しい。

また、上述においては、導圧孔１１−２ｄ１の孔形状における延伸部分Ｈ１〜Ｈ４の幅を延伸方向の始端から終端まで同じ幅としたが、図８に示す導圧孔１１−２（１１−２ｄ３）のように、延伸方向の始端から終端に向かって細くするようにしてもよい。この導圧孔１１−２ｄ３において、その中心部分Ｈ０を直径Ｒの円（中心円）と考えた場合、この中心部分Ｈ０の外縁から連続して四方に延びた延伸部分Ｈ１〜Ｈ４は、その最大幅が中心部分Ｈ０の外縁の幅（中心円の直径Ｒ）以下とされている。

また、図２に示した導圧孔１１−２ｄ１では中心部分Ｈ０に対して４つの延伸部分Ｈ１〜Ｈ４を、図６に示した導圧孔１１−２ｄ２では中心部分Ｈ０に対して３つの延伸部分Ｈ１〜Ｈ３を設けたが、中心部分Ｈ０に対する延伸部分は１つ以上あればよい。また、中心部分Ｈ０の形状は、上述したように考え方で異なるが、また、延伸部分の形状も種々考えられるが、延伸部分が中心部分Ｈ０の外縁の一部から連続して延びること、延伸部分の幅の最大幅が中心部分Ｈ０の外縁の幅以下であることを条件とし、この条件を満足すれば、どのような形状であっても構わない。

〔実施の形態２〕
上述した実施の形態１では、測定圧Ｐ１を高圧側の測定圧とし、測定圧Ｐ２を低圧側の測定圧とした。センサダイアフラム１１−１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、図１に示されるように、センサダイアフラム１１−１の他方の面１１−１ｂを高圧側の測定圧Ｐ１の受圧面とし、一方の面１１−１ａを低圧側の測定圧Ｐ２の受圧面とする。

これに対し、センサダイアフラム１１−１上で高圧側の測定圧を受ける面が決まっていないような場合には、図９に実施の形態２の圧力センサチップ１１Ｂとして示すように、ストッパ部材１１−３の曲面状の凹部１１−３ａの頂部に形成する導圧孔１１−３ｄについても、ストッパ部材１１−２側の導圧孔１１−２ｄと同様の孔形状とする。

この圧力センサチップ１１Ｂにおいて、測定圧Ｐ１を低圧側の測定圧とし、測定圧Ｐ２を高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１１−１ａに高圧側の測定圧Ｐ２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の曲面状の凹部１１−３ａに着底する。このストッパ部材１１−３の曲面状の凹部１１−３ａには、ストッパ部材１１−２側の導圧孔１１−２ｄと同様の孔形状の導圧孔１１−３ｄが開口している。

これにより、ストッパ部材１１−２側の導圧孔１１−２ｄと同様にして、ストッパ部材１１−３側の導圧孔１１−３ｄにおいても、ストッパ部材１１−３の曲面状の凹部１１−３ａに開口する導圧孔１１−３ｄの孔形状の幅Ｗを小さくすることによって耐圧が高められ、長さＬを大きくすることによって応答性と加工性が高められるものとなる。

〔実施の形態３〕
図１０に実施の形態３の圧力センサチップ１１Ｃを示す。この圧力センサチップ１１Ｃにおいて、ストッパ部材１１−２の曲面状の凹部１１−２ａの底面上には、 複数の凸部（柱）１２が離散的に形成されており（図１１参照）、この複数の凸部１２と凸部１２との間の通路（溝）１３が導圧孔１１−２ｄの周部とストッパ部材１１−２の曲面状の凹部１１−２ａ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１２に示すように、六角柱状とするなどしてもよい。

凸部１２を円柱状とする場合には、図１１に示すように、曲面状の凹部１１−２ａの頂部（凸部１２と凸部１２との間の通路１３上）に、十字形の孔形状の導圧孔１１−２ｄ１を開口させる。凸部１２を六角柱状とする場合には、図１２に示すように、曲面状の凹部１１−２ａの頂部（凸部１２と凸部１２との間の通路１３上）に、Ｙ字形の孔形状の導圧孔１１−２ｄ２を開口させる。

この圧力センサチップ１１Ｃにおいて、測定圧Ｐ１を高圧側の測定圧とし、測定圧Ｐ２を低圧側の測定圧とした場合、センサダイアフラム１１−１の他方の面１１−１ｂに高圧側の測定圧Ｐ１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側に撓み、ストッパ部材１１−２の曲面状の凹部１１−２ａに着底する。

このセンサダイアフラム１１−１が着底するストッパ部材１１−２の曲面状の凹部１１−２ａには、複数の凸部１２が離散的に形成されており、この複数の凸部１２と凸部１２との間の通路１３が導圧孔１１−２ｄの周部とストッパ部材１１−２の曲面状の凹部１１−２ａの周端部１４との間の連通路とされている。

このストッパ部材１１−２の曲面状の凹部１１−２に形成された複数の凸部１２は、センサダイアフラム１１−１が変位して当該センサダイアフラム１１−１がその凸部１２の上面に接触した状態でも、導圧孔１１−２ｄの周部とストッパ部材１１−２の曲面状の凹部１１−２ａの周端部１４との間の連通状態を保つ。

この圧力センサチップ１１Ｃでは、連通状態が保たれる複数の凸部１２と凸部１２との間の通路１３が圧力伝達媒体として封入されているオイルの逃げ道となるため、センサダイアフラム１１−１とストッパ部材１１−２の曲面状の凹部１１−２ａとの間にオイルが取り残されることによるセンサダイアフラム１１−１の異常変形を回避することが可能となる。

また、センサダイアフラム１１−１へ測定圧Ｐ２を導く導圧孔１１−２ｄだけではなく、曲面状の凹部１１−２ａの底面全体に形成される複数の凸部１２と凸部１２との間の通路１３にオイルが残るため、センサダイアフラム１１−１の剥離性が向上する。また、曲面状の凹部１１−２ａの底面全体に形成される複数の凸部１２と凸部１２との間の通路１３を通してセンサダイアフラム１１−１のエッジ付近（微少ギャップ付近）までオイルを侵入させることが可能となるため、オイルの封入性が向上する。

なお、この圧力センサチップ１１Ｃでは、曲面状の凹部１１−２ａの頂部にのみ導圧孔１１−２ｄを形成するようにしたが、曲面状の凹部１１−２ａの頂部以外の位置にも同様の導圧孔１１−２ｄを形成するようにしてもよい。この場合、他の導圧孔１１−２ｄも曲面状の凹部１１−２ａの頂部に形成する導圧孔１１−２ｄと同様、凸部１２と凸部１２との間の通路１３上に開口させるようにする。図１３に凸部１２を円柱状とした曲面状の凹部１１−２ａに十字形の孔形状とした複数の導圧孔１１−２ｄ１を形成した例を示す。図１４に凸部１２を六角柱状とした曲面状の凹部１１−２ａにＹ字形の孔形状とした複数の導圧孔１１−２ｄ２を形成した例を示す。

〔実施の形態４〕
上述した実施の形態３では、測定圧Ｐ１を高圧側の測定圧とし、測定圧Ｐ２を低圧側の測定圧とした。センサダイアフラム１１−１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、図１０に示されるように、センサダイアフラム１１−１の他方の面１１−１ｂを高圧側の測定圧Ｐ１の受圧面とし、一方の面１１−１ａを低圧側の測定圧Ｐ２の受圧面とする。

これに対し、センサダイアフラム１１−１上で高圧側の測定圧を受ける面が決まっていないような場合には、図１５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の曲面状の凹部１１−３ａの底面上にも、 ストッパ部材１１−２の曲面状の凹部１１−３ａと同様にして、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１１−３ｄの周部とストッパ部材１１−３の曲面状の凹部１１−３ａの周端部１４との間の連通路とする。

また、凸部１２を円柱状とする場合には、図１６に示すように、曲面状の凹部１１−３ａの頂部（凸部１２と凸部１２との間の通路１３上）に、十字形の孔形状の導圧孔１１−３ｄ１を開口させる。凸部１２六角柱状とする場合には、図１７に示すように、曲面状の凹部１１−３ａの頂部（凸部１２と凸部１２との間の通路１３上）に、Ｙ字形の孔形状の導圧孔１１−３ｄ２を開口させる。

この圧力センサチップ１１Ｄにおいて、測定圧Ｐ１を低圧側の測定圧とし、測定圧Ｐ２を高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１１−１ａに高圧側の測定圧Ｐ２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の曲面状の凹部１１−３ａに着底する。

このセンサダイアフラム１１−１が着底するストッパ部材１１−３の曲面状の凹部１１−３ａには、複数の凸部１２が離散的に形成されており、この複数の凸部１２と凸部１２との間の通路１３が導圧孔１１−３ｄの周部とストッパ部材１１−３の曲面状の凹部１１−３ａの周端部１４との間の連通路とされている。このストッパ部材１１−３の曲面状の凹部１１−３に形成された複数の凸部１２は、センサダイアフラム１１−１が変位して当該センサダイアフラム１１−１がその凸部１２の上面に接触した状態でも、導圧孔１１−３ｄの周部とストッパ部材１１−３の曲面状の凹部１１−３ａの周端部１４との間の連通状態を保つ。

この圧力センサチップ１１Ｄでも、圧力センサチップ１１Ｃと同様、連通状態が保たれる複数の凸部１２と凸部１２との間の通路１３が圧力伝達媒体として封入されているオイルの逃げ道となるため、センサダイアフラム１１−１とストッパ部材１１−３の曲面状の凹部１１−３ａとの間にオイルが取り残されることによるセンサダイアフラム１１−１の異常変形を回避することが可能となる。

また、センサダイアフラム１１−１へ測定圧Ｐ１を導く導圧孔１１−３ｄだけではなく、曲面状の凹部１１−３ａの底面全体に形成される複数の凸部１２と凸部１２との間の通路１３にオイルが残るため、センサダイアフラム１１−１の剥離性が向上する。また、曲面状の凹部１１−３ａの底面全体に形成される複数の凸部１２と凸部１２との間の通路１３を通してセンサダイアフラム１１−１のエッジ付近（微少ギャップ付近）までオイルを侵入させることが可能となるため、オイルの封入性が向上する。

このように、この圧力センサチップ１１Ｄでは、センサダイアフラム１１−１のどちらの面が高圧側の測定圧の受圧面となっても、その底面上に複数の凸部１２が離散的に形成されているストッパ部材１１−２，１１−３の凹部１１−２ａ，１１−３ａにセンサダイアフラム１１−１を着底させるようにすることができ、複数の凸部１２と凸部１２との間の通路１３をオイルの逃げ道として、センサダイアフラム１１−１の異常変形を回避することが可能となる。また、センサダイアフラム１１−１のとちらの面でも、センサダイアフラム１１−１の剥離性や圧力伝達媒体の封入性を向上させることが可能となる。

なお、この圧力センサチップ１１Ｄにおいても、曲面状の凹部１１−３ａの頂部以外の位置にも同様の導圧孔１１−３ｄを形成するようにしてもよい。この場合、他の導圧孔１１−３ｄも曲面状の凹部１１−３ａの頂部に形成する導圧孔１１−３ｄと同様、凸部１２と凸部１２との間の通路１３上に開口させるようにすることは言うまでもない。

〔実施の形態５〕
図１８に実施の形態５の圧力センサチップ１１Ｅを示す。この圧力センサチップ１１Ｅ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１１−１ａ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１１−１ａ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１１−１ａ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１１−１ｂ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１１−１ｂ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１１−１ｂ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１１−１ａ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１１−１ｂに直接接合されることによって接合領域とされている。以下、ストッパ部材１１−２の周縁部１１−２ｃの外周側の領域Ｓ１ａを接合領域Ｓ１ａと呼び、ストッパ部材１１−３の周縁部１１−３ｃの外周側の領域Ｓ２ａを接合領域Ｓ２ａと呼ぶ。

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１１−１ａ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１１−１ｂ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。以下、ストッパ部材１１−２の周縁部１１−２ｃの内周側の領域Ｓ１ｂを非接合領域Ｓ１ｂと呼び、ストッパ部材１１−３の周縁部１１−３ｃの内周側の領域Ｓ２ｂを非接合領域Ｓ２ｂと呼ぶ。

そして、センサダイアフラム１１−１の下面の非接合領域Ｓ１ｂより更に内側がセンサダイアフラム１１−１の感圧領域Ｄ１であり、同様に、センサダイアフラム１１−１の上面の非接合領域Ｓ２ｂより更に内側がセンサダイアフラム１１−１の感圧領域Ｄ２である。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Ｐ２がかかるとともに、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Ｐ１がかかる。なお、感圧領域Ｄ１及びＤ２の直径がセンサダイアフラム１１−１の有効径である。

この圧力センサチップ１１Ｅにおいて、測定圧Ｐ１を高圧側の測定圧とし、測定圧Ｐ２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Ｐ１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１１Ｅにおいて、測定圧Ｐ２を高圧側の測定圧とし、測定圧Ｐ１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Ｐ２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。

このようにして、実施の形態５の圧力センサチップ１１Ｅでは、実施の形態４の圧力センサチップ１１Ｄの効果に加えて、センサダイアフラム１１の拘束による応力発生を低減させ、期待される耐圧を確保することができるようになるという効果を奏する。更に、この圧力センサチップ１１Ｅでは、ストッパ部材１１−２，１１−３の凹部１１−２ａ，１１−３ａの開口サイズのズレによるセンサダイアフラム１１−１の拘束箇所の位置ずれが解消されるため、これによる応力増加および着底異常による応力発生についても大幅に改善されるものとなる。

なお、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。

本発明は、工業用の差圧センサに用いる圧力センサチップとして利用することができる。

１１Ａ〜１１Ｄ…圧力センサチップ、１１−１…センサダイアフラム、１１−１ａ…一方の面、１１−２ｂ…他方の面、１１−２，１１−３…ストッパ部材、１１−２ａ，１１−３ａ…凹部、１１−２ｃ，１１−３ｃ…周縁面、１１−２ｄ（１１−２ｄ１，１１−２ｄ２），１１−３ｄ（１１−３ｄ１，１１−３ｄ２）…圧力導入孔（導圧孔）、１１−４，１１−５…台座、１１−４ａ，１１−５ａ…圧力導入孔（導圧孔）、１２…凸部（柱）、１３…通路（溝）、１４…周端部、Ｈ０…中心部分、Ｈ１〜Ｈ４…延伸部分。

Claims (5)

1. 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そのセンサダイアフラムの変位に沿った曲面状の凹部を備え、
   前記第１の保持部材の導圧孔は、
   前記第１の保持部材を貫いて前記第１の保持部材の曲面状の凹部に開口し、
   前記第１の保持部材の導圧孔の前記第１の保持部材を貫く方向から見た孔形状は、
   前記第１の保持部材の導圧孔の中心に位置する中心部分とこの中心部分の外縁の一部から連続して中心から外方向に延びた１つ以上の延伸部分とを備えた形状とされ、
   前記第１の保持部材の導圧孔の孔形状の延伸部分の延伸方向に直交する方向の最大幅は、
   前記第１の保持部材の導圧孔の孔形状の中心部分の外縁の幅以下とされている
   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そのセンサダイアフラムの変位に沿った曲面状の凹部を備え、
   前記第２の保持部材の導圧孔は、
   前記第２の保持部材を貫いて前記第２の保持部材の曲面状の凹部に開口し、
   前記第２の保持部材の導圧孔の前記第２の保持部材を貫く方向から見た孔形状は、
   前記第２の保持部材の導圧孔の中心に位置する中心部分とこの中心部分の外縁の一部から連続して中心から外方向に延びた１つ以上の延伸部分とから構成された形状とされ、
   前記第２の保持部材の導圧孔の孔形状の延伸部分の延伸方向に直交する方向の最大幅は、
   前記第２の保持部材の導圧孔の孔形状の中心部分の外縁の幅以下とされている
   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の保持部材の曲面状の凹部の底面上には、
   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第１の保持部材の導圧孔の周部と前記第１の保持部材の曲面状の凹部の周端部との間の連通路とされ、
   前記第１の保持部材の導圧孔は、
   前記複数の凸部と凸部との間の通路上に開口している
   ことを特徴とする圧力センサチップ。
4. 請求項２に記載された圧力センサチップにおいて、
   前記第２の保持部材の曲面状の凹部の底面上には、
   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第２の保持部材の導圧孔の周部と前記第２の保持部材の曲面状の凹部の周端部との間の連通路とされ、
   前記第２の保持部材の導圧孔は、
   前記複数の凸部と凸部との間の通路上に開口している
   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、
   前記中心部分は、直径Ｒの円とされ、
   前記延伸部分は、前記直径Ｒ以下の幅Ｗで前記中心部分の外縁の一部から連続して延ばされている
   ことを特徴とする圧力センサチップ。

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