JP7021020B2 - 圧力センサチップ - Google Patents

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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流体圧を、シリコーンオイル等の圧力伝達媒体（非圧縮性の液体（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。
図７に、差圧センサに組み込まれた圧力センサチップの要部の構成を示す（例えば、特許文献１参照）。この圧力センサチップ１は、センサダイアフラム１－１と、第１の保持部材１－２と、第２の保持部材１－３とを備えている。
この圧力センサチップ１において、第１の保持部材１－２と第２の保持部材１－３はセンサダイアフラム１－１を挟んで接合されている。また、センサダイアフラム１－１は、シリコンによって構成され、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（図示せず）が形成されている。保持部材１－２，１－３もシリコンによって構成されている。
この圧力センサチップ１において、保持部材１－２には凹部１－２ａが形成され、この凹部１－２ａの周縁部１－２ｂをセンサダイアフラム１－１の一方の面１－１ａに対面させて、保持部材１－２がセンサダイアフラム１－１の一方の面１－１ａに接合されている。保持部材１－３には凹部１－３ａが形成され、この凹部１－３ａの周縁部１－３ｂをセンサダイアフラム１－１の他方の面１－１ｂに対面させて、保持部材１－３がセンサダイアフラム１－１の他方の面１－１ｂに接合されている。
保持部材１－２の凹部１－２ａは、センサダイアフラム１－１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）１－２ｃが形成されている。保持部材１－３の凹部１－３ａは、平らな面とされており、その頂部に圧力導入孔（導圧孔）１－３ｃが形成されている。
この圧力センサチップ１では、流体圧ＰＬがシリコーンオイル等の圧力伝達媒体を介して、保持部材１－２の導圧孔１－２ｃを通り、センサダイアフラム１－１の一方の面１－１ａに印加される。また、流体圧ＰＨがシリコーンオイル等の圧力伝達媒体を介して、保持部材１－３の導圧孔１－３ｃを通り、センサダイアフラム１－１の他方の面１－１ｂに印加される。
この圧力センサチップ１では、ＰＨが高圧側の流体圧、ＰＬが低圧側の流体圧として定められており、第１の保持部材１－２の曲面状の凹部１－２ａが流体圧ＰＨが過大となったときのストッパの役割を果たす。すなわち、センサダイアフラム１－１の他方の面１－１ｂに過大圧が印加されてセンサダイアフラム１－１が変位したとき、その変位面の全体が保持部材１－２の凹部１－２ａの曲面によって受け止められる。以下、保持部材１－２をストッパとも呼ぶ。
これにより、センサダイアフラム１－１の他方の面１－１ｂ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１－１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１－１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。
この圧力センサチップ１では、ストッパ１－２の凹部１－２ａの曲面（非球面）の形状が理想設計形状からずれてしまった場合、内部に封入される圧力伝達媒体が着底したセンサダイアフラム１－１とストッパ１－２の曲面状の凹部１－２ａとの間に取り残される可能性がある。この場合、圧力伝達媒体の逃げ場が無いため、センサダイアフラム１－１が異常変形し、それに伴い過大な応力が発生し、出力異常や、センサダイアフラム１－１の破壊に繋がってしまう虞がある。
また、センサダイアフラム１－１の着底後も差圧を上げ、その後差圧を下げていった場合、着底した差圧で剥がれるのが理想だが、着底した後では、着底側の受圧面積は導圧孔１－２ｃの開口面積のみとなる為、着底圧で剥がれず、更には使用圧まで下がっても剥がれないという可能性がある。
また、圧力伝達媒体を封入する際に、センサダイアフラム１－１のエッジに行けば行くほどギャップが小さくなる為、圧力伝達媒体の封入が困難になり、未封入箇所が出来てしまうと圧力損失に繋がるという虞がある。
そこで、センサダイアフラム１－１の異常変形を回避することを目的として、またセンサダイアフラム１－１の剥離性や圧力伝達媒体の封入性を向上させることを目的として、ストッパ１－２の曲面状の凹部１－２ａに、複数の凸部（柱）２（図８参照）を離散的に形成し、この複数の凸部２と凸部２との間の通路として溝３を形成することが考えられている（例えば、特許文献２参照）。
特許第３８４７２８１号公報 特開２０１７－１０６８１２号公報
しかしながら、このような構造の圧力センサチップ１では、ストッパ１－２とセンサダイアフラム１－１との接合部（図８において点線で囲んだ部分）の角度が鋭い鋭角となる。このため、ストッパ１－２とセンサダイアフラム１－１との接合部の鋭角でつながる１点（角度零に近い点）に応力が集中し、破壊靱性が非常に低く、低圧（流体圧ＰＬ）によるセンサダイアフラム１－１のストッパ１－２とは逆側への僅かな変形であっても、破壊に至ってしまう虞がある。
なお、図９に示すように、ストッパ１－２の周縁部１－２ｂにリング状の壁１－５を設け、このリング状の壁１－５の内壁面１－５ａをセンサダイアフラム１－１とストッパ１－２の曲面状の凹部１－２ａとで囲まれる空間１－４に臨ませることが考えられる。図１０に、ストッパ１－２をリング状の壁１－５の下面側から見た図を示す。
このようにすると、ストッパ１－２とセンサダイアフラム１－１との接合部（図９において点線で囲んだ部分）に全周にわたって段差（極微小な段差）ｈが形成されるものとなり、この段差ｈによって応力が分散されるものとなる。すなわち、段差ｈ内に応力の分散点が複数生じるものとなる。これにより、ストッパ１－２とセンサダイアフラム１－１との接合部の破壊靱性が高まり、センサダイアフラム１－１のストッパ逆側変形時の強度が確保される。
しかしながら、このような段差ｈを形成すると、ストッパ１－２の曲面状の凹部１－２ａの形状のずれがあったような場合、過大圧印加時にセンサダイアフラム１－１がストッパ１－２に着底した後（図１１参照）、ストッパ１－２の曲面状の凹部１－２ａの周縁部の溝３や段差ｈ内に圧力伝達媒体４が逃げ込むため、センサダイアフラム１－１の周面が凹部１－２ａの非球面形状に沿って異常変形を起こし、耐圧が劣化してしまうという問題が生じる。
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、ストッパとセンサダイアフラムとの接合部の破壊靱性を高め、低圧によるセンサダイアフラムの僅かな変形で破壊に至ってしまう虞がなく、かつセンサダイアフラムがストッパに着底した後のセンサダイアフラムの異常変形を抑制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（１－１）と、センサダイアフラムの一方の面（１－１ａ）にその周縁部（１－２ｂ）を対面させて接合され、センサダイアフラムの一方の面へ第１の測定圧（ＰＬ）を導く第１の導圧孔（１－２ｃ）を有する第１の保持部材（１－２）と、センサダイアフラムの他方の面（１－１ｂ）にその周縁部（１－３ｂ）を対面させて接合され、センサダイアフラムの他方の面へ第２の測定圧（ＰＨ）を導く第２の導圧孔（１－３ｃ）を有する第２の保持部材（１－３）とを備えた圧力センサチップ（１）において、第１の保持部材（１－２）は、センサダイアフラム他方の面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（１－２ａ）を備え、第１の保持部材（１－２）の周縁部（１－２ｂ）には、センサダイアフラムと第１の保持部材の曲面状の凹部とで囲まれる空間（１－４）にその内壁面（１－５ａ）が臨むリング状の壁（１－５）が設けられ、第１の保持部材（１－２）の曲面状の凹部（１－２ａ）には、複数の凸部（２）と凸部（２）との間の通路として第１の導圧孔に連通する溝（３）が形成された溝パターン領域（＃１）と、この溝パターン領域を囲むリング状の溝パターン無領域（＃２）とが設けられ、溝パターン無領域（＃２）は、センサダイアフラムの第１の保持部材の曲面状の凹部への着底時に、センサダイアフラムが密着するリング状の第１の領域（＃２１）と、リング状の壁の内壁面とリング状の第１の領域との間に位置するリング状の第２の領域（＃２２）とに分かれ、リング状の第１の領域を封止領域として、リング状の第２の領域を封じ込め領域として、リング状の壁の内壁面側の空間（５）に残存する圧力伝達媒体（４）が封じ込め領域（＃２２）に封じ込められることを特徴とする。
この発明によれば、第１の保持部材（ストッパ）の周縁部にリング状の壁を設けることによって、このリング状の壁の内壁面がセンサダイアフラムと第１の保持部材の曲面状の凹部とで囲まれる空間に臨み、ストッパとセンサダイアフラムとの接合部に全周にわたって段差（極微小な段差）が形成される。本発明では、この段差によってストッパとセンサダイアフラムとの接合部に加わる応力が分散されることから、すなわち応力の分散点が段差内に複数生じることから、ストッパとセンサダイアフラムとの接合部の破壊靱性が高まり、センサダイアフラムのストッパ逆側変形時の強度が確保される。
また、本発明において、第１の保持部材（ストッパ）の曲面状の凹部には、複数の凸部と凸部との間の通路として溝が形成された溝パターン領域と、この溝パターン領域を囲むリング状の溝パターン無領域とが設けられている。センサダイアフラムのストッパの曲面状の凹部への着底時、リング状の溝パターン無領域は、センサダイアフラムが密着するリング状の第１の領域と、リング状の壁の内壁面とリング状の第１の領域との間に位置するリング状の第２の領域とに分かれる。これにより、リング状の第１の領域を封止領域として、リング状の第２の領域を封じ込め領域として、リング状の壁の内壁面側の空間に残存する圧力伝達媒体が封じ込め領域に封じ込められる。この場合、封じ込められる圧力伝達媒体は少なく、封じ込められた圧力伝達媒体の圧縮分しかセンサダイアフラムは変形することができない。
なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の構成要素を、括弧を付した参照符号によって示している。
以上説明したように、本発明によれば、第１の保持部材（ストッパ）の周縁部にリング状の壁を設けるようにしたので、ストッパとセンサダイアフラムとの接合部に全周にわたって段差（極微小な段差）が形成され、この段差によってストッパとセンサダイアフラムとの接合部に加わる応力が分散されるものとなる。これにより、ストッパとセンサダイアフラムとの接合部の破壊靱性が高まり、センサダイアフラムのストッパ逆側変形時の強度が確保され、低圧によるセンサダイアフラムの僅かな変形で破壊に至ってしまう虞をなくすことが可能となる。
また、本発明によれば、第１の保持部材（ストッパ）の曲面状の凹部に、複数の凸部と凸部との間の通路として第１の導圧孔に連通する溝が形成された溝パターン領域と、この溝パターン領域を囲むリング状の溝パターン無領域とを設け、センサダイアフラムのストッパの曲面状の凹部への着底時、リング状の溝パターン無領域が、センサダイアフラムが密着するリング状の第１の領域と、リング状の壁の内壁面とリング状の第１の領域との間に位置するリング状の第２の領域とに分かれるものとし、リング状の第１の領域を封止領域として、リング状の第２の領域を封じ込め領域として、リング状の壁の内壁面側の空間に残存する圧力伝達媒体を封じ込め領域に封じ込めるようにしたので、封じ込められた圧力伝達媒体の圧縮分しか変形することできないようにして、センサダイアフラムがストッパに着底した後のセンサダイアフラムの異常変形を抑制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一実施の形態の概略を示す図である。 図２は、この圧力センサチップにおけるストッパをリング状の壁の下面側から見た図である。 図３は、この圧力センサチップにおけるセンサダイアフラムとストッパを抜き出して示した図である。 図４は、ストッパの曲面状の凹部にセンサダイアフラムが着底した状態を示す図である。 図５は、センサダイアフラムの着底時にリング状の溝パターン無領域が封止領域と封じ込め領域とに分かれた状態を示す図である。 図６は、ストッパの周縁部にリング状の壁を別体として設けるようにした例を示す図である。 図７は、従来の圧力センサチップの要部の構成を示す図である。 図８は、この圧力センサチップのストッパの曲面状の凹部に複数の凸部を設けることによってその凸部と凸部との間に溝を形成した例を示す図である。 図９は、図８に示した例においてストッパの周縁部にリング状の壁を設けるようにした例を示す図である。 図１０は、図９に示した例においてストッパをリング状の壁の下面側から見た図である。 図１１は、図９に示した例においてストッパの曲面状の凹部にセンサダイアフラムが着底した状態を示す図である。
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、この発明に係る圧力センサチップの一実施の形態の概略を示す図である。同図において、図７と同一符号は図７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、以下では、図７に示した従来の圧力センサチップ１と区別するために、本実施の形態の圧力センサチップ１を符号１Ａで示し、従来の圧力センサチップ１を符号１Ｂで示す。
本実施の形態の圧力センサチップ１Ａでは、ストッパ１－２の周縁部１－２ｂに、リング状の壁１－５を一体的に設けている。図２に、ストッパ１－２をリング状の壁１－５の下面側から見た図を示す。
このリング状の壁１－５は、その下面がセンサダイアフラム１－１の周縁部１－１ｃに接合されている。また、このリング状の壁１－５の内壁面１－５ａは、センサダイアフラム１－１とストッパ１－２の曲面状の凹部１－２ａとで囲まれる空間１－４に臨んでいる。また、このリング状の壁１－５の内壁面１－５ａの角度θは（図３参照）、すなわちリング状の壁１－５とセンサダイアフラム１－１の周縁部１－１ｃとの接合面Ｓに対する角度θは、９０゜とされている。
また、本実施の形態の圧力センサチップ１Ａでは、ストッパ１－２の曲面状の凹部１－２ａに、複数の凸部２と凸部２との間の通路として溝３が形成された溝パターン領域＃１と、この溝パターン領域＃１を囲むリング状の溝パターン無領域＃２とを設けている。すなわち、ストッパ１－２の曲面状の凹部１－２ａにおいて、溝パターン領域＃１には溝３が形成されているが、溝パターン領域＃１とリング状の壁１－５の内壁面１－５ａとの間のある一定の領域＃２には溝３は形成されていない。
本実施の形態の圧力センサチップ１Ａでは、ストッパ１－２の周縁部１－２ｂに設けたリング状の壁１－５の内壁面１－５ａがセンサダイアフラム１－１とストッパ１－２の曲面状の凹部１－２ａとで囲まれる空間１－４に臨み、ストッパ１－２とセンサダイアフラム１－１との接合部（図３において点線で囲んだ部分）に全周にわたって段差（極微小な段差）ｈが形成される。
本実施の形態の圧力センサチップ１Ａでは、この段差ｈによってストッパ１－２とセンサダイアフラム１－１との接合部に加わる応力が分散されることから、すなわち段差ｈ内に応力の分散点が複数生じることから、ストッパ１－２とセンサダイアフラム１－１との接合部の破壊靱性が高まり、センサダイアフラム１－１のストッパ逆側変形時の強度が確保される。これにより、低圧（流体圧ＰＬ）によるセンサダイアフラム１－１の僅かな変形で破壊に至ってしまう虞をなくすことができるようになる。
また、本実施の形態の圧力センサチップ１Ａでは、ストッパ１－２の曲面状の凹部１－２ａに、複数の凸部２と凸部２との間の通路として溝３が形成された溝パターン領域＃１と、この溝パターン領域＃１を囲むリング状の溝パターン無領域＃２とが設けられている。
センサダイアフラム１－１のストッパ１－２の曲面状の凹部１－２ａへの着底時（図４参照）、リング状の溝パターン無領域＃２は、図５に示すように、センサダイアフラム１－１が密着するリング状の第１の領域＃２１と、リング状の壁１－５の内壁面１－５ａとリング状の第１の領域＃２１との間に位置するリング状の第２の領域＃２２とに分かれる。
これにより、本実施の形態の圧力センサチップ１Ａでは、センサダイアフラム１－１のストッパ１－２の曲面状の凹部１－２ａへの着底時、リング状の第１の領域＃２１を封止領域として、リング状の第２の領域＃２２を封じ込め領域として、リング状の壁１－５の内壁面１－５ａ側の空間（内壁面側の空間）５に残存する圧力伝達媒体４が封じ込め領域＃２２に封じ込められる。
本実施の形態の圧力センサチップ１Ａにおいて、ストッパ１－２の曲面状の凹部１－２ａの形状（非球面の形状）は、封じ込め領域＃２２以外は、段差ｈがある状態でセンサダイアフラム１－１の変形に沿う形状となっている。また、ストッパ１－２は、着底後のセンサダイアフラム１－１の発生応力が、所望の耐圧値まで、破壊強度を超えることが無い形状とされている。
このようにして、リング状の壁１－５の内壁面１－５ａ側の空間５に残存する圧力伝達媒体４が封じ込め領域＃２２に封じ込められるが、この封じ込め領域＃２２に封じ込められる圧力伝達媒体４は少なく、封じ込まれた圧力伝達媒体４の圧縮分しかセンサダイアフラム１－１は変形することができない。例えば、残存する圧力伝達媒体４の１０％程度の変形しかしない。これにより、センサダイアフラム１－１がストッパ１－２に着底した後のセンサダイアフラム１－１の異常変形が抑制されるものとなる。
なお、上述した実施の形態では、リング状の壁１－５の内壁面１－５ａの角度θを９０゜としたが、９０゜に限られるものではなく、１２０゜としたりするなどしてもよい。リング状の壁１－５の内壁面１－５ａの角度θは、９０゜以上とすることが望ましいが、４５゜としたり、６０゜としたりするなどしてもよい。
また、上述した実施の形態では、ストッパ１－２の周縁部１－２ｂにリング状の壁１－５を一体的に設けるようにしたが、ストッパ１－２の周縁部１－２ｂにリング状の壁１－５を別体として設けるようにしてもよい（図６参照）。
また、上述した実施の形態では、センサダイアフラム１－１と第２の保持部材１－３とを別体としているが、センサダイアフラム１－１と第２の保持部材１－３とを一体とした構造としてもよい。本発明の権利範囲には、このようなセンサダイアフラム１－１と第２の保持部材１－３との一体構造も含まれるものである。
〔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…圧力センサチップ、１－１…センサダイアフラム、１－１ａ…一方の面、１－１ｂ…他方の面、１－１ｃ…周縁部、１－２…第１の保持部材（ストッパ）、１－２ａ…凹部、１－２ｂ…周縁部、１－２ｃ…圧力導入孔（導圧孔）、１－３…第２の保持部材、１－３ａ…凹部、１－３ｂ…周縁部、１－３ｃ…圧力導入孔（導圧孔）、１－４…空間、１－５…リング状の壁、１－５ａ…内壁面、Ｓ…接合面、２…凸部、３…溝、４…圧力伝達媒体、５…空間（内壁面側の空間）、＃１…溝パターン領域、＃２…溝パターン無領域、＃２１…リング状の第１の領域（封止領域）、＃２２…リング状の第２の領域（封じ込め領域）。

Claims (4)

  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、前記センサダイアフラムの一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の一方の面へ第１の測定圧を導く第１の導圧孔を有する第１の保持部材と、前記センサダイアフラムの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の他方の面へ第２の測定圧を導く第２の導圧孔を有する第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の他方の面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の保持部材の周縁部には、
    前記センサダイアフラムと前記第１の保持部材の曲面状の凹部とで囲まれる空間にその内壁面が臨むリング状の壁が設けられ、
    前記第１の保持部材の曲面状の凹部には、
    複数の凸部と凸部との間の通路として前記第１の導圧孔に連通する溝が形成された溝パターン領域と、この溝パターン領域を囲むリング状の溝パターン無領域とが設けられ、
    前記溝パターン無領域は、
    前記センサダイアフラムの前記第１の保持部材の曲面状の凹部への着底時に、
    前記センサダイアフラムが密着するリング状の第１の領域と、
    前記リング状の壁の内壁面と前記リング状の第１の領域との間に位置するリング状の第２の領域とに分かれ、
    前記リング状の第１の領域を封止領域として、前記リング状の第２の領域を封じ込め領域として、前記リング状の壁の内壁面側の空間に残存する圧力伝達媒体が前記封じ込め領域に封じ込められる
    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、
    前記リング状の壁は、
    前記第１の保持部材に一体的に設けられている
    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、
    前記リング状の壁は、
    前記第１の保持部材とは別体として設けられている
    ことを特徴とする圧力センサチップ。
  4. 請求項１～３の何れか１項に記載された圧力センサチップにおいて、
    前記リング状の壁の内壁面の角度は、
    前記リング状の壁と前記センサダイアフラムの周縁部との接合面に対して４５゜以上とされている
    ことを特徴とする圧力センサチップ。
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