JP7268333B2 - 歪検出素子および力学量センサ - Google Patents

Description

本発明は、歪検出素子および力学量センサに関する。

歪検出素子は、その歪検出素子に加えられた力に起因して生じる歪（圧縮または伸び）を、抵抗値の変化として出力するセンサ素子である。このような歪検出素子は、圧力センサ、加速度センサ、地震計等の力学量センサに用いられている。

歪と抵抗値の変化率とは比例関係を有しており、その比例係数をゲージ率と呼ぶ。ゲージ率は歪検出素子の感度を示しており、ゲージ率が大きいほど、その歪検出素子の感度がよいことを示す。ゲージ率は、歪検出素子の検知部を構成する材料特性により決まる。

このような歪検出素子を用いた圧力センサは、たとえば、高温環境において、高圧を測定するために使用される。

圧力センサの測定精度を向上させるには、ゲージ率の高い歪検出素子を用いる必要がある。ゲージ率の高い材料としては、半導体材料が知られているが、半導体材料のゲージ率は温度変化に対する変動が大きい、すなわち、ゲージ率の温度特性が悪く、測定温度範囲が広い環境には適用できないという問題があった。一方、ゲージ率の温度特性がよい材料として、Ｃｕ－Ｎｉ合金が例示されるが、Ｃｕ－Ｎｉ合金はゲージ率が２と小さく、圧力センサの測定精度を向上させることができない。

そのため、ゲージ率が高く、かつゲージ率の温度特性が良好な材料が求められている。特許文献１には、Ｃｒ－Ｎ薄膜において、ｂｃｃ構造、Ａ１５型構造、Ｃｒ_２Ｎ化合物相が組み合わされた混合組織とすることにより、ゲージ率が高く、ゲージ率の温度特性も良好である歪検出素子が開示されている。

特開２０１５－３１６３３号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたＣｒ－Ｎ薄膜は、所定の熱処理により混合組織を制御する必要があり、安定的に製造できないという問題があった。

本発明は、このような実状に鑑みてなされ、ゲージ率が高く、かつゲージ率の温度特性が良好な歪検出素子およびこれを備える力学量センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、
［１］複数の歪検出材料が、電気的に並列に接続されている歪検出素子であって、
歪検出素子のゲージ率は、複数の歪検出材料の各ゲージ率を合成して得られる合成ゲージ率であり、
室温における合成ゲージ率に対する合成ゲージ率の変化率が－５０～＋３５０℃の範囲において±３０００ｐｐｍ／℃以内であることを特徴とする歪検出素子である。

［２］歪検出素子の抵抗値は、複数の歪検出材料の抵抗値を合成して得られる合成抵抗値であり、
室温における合成抵抗値に対する合成抵抗値の変化率が－５０～＋３５０℃の範囲において±２０００ｐｐｍ／℃以内であることを特徴とする［１］に記載の歪検出素子である。

［３］歪検出素子において、歪検出材料は所定のパターンで形成されており、
合成ゲージ率は、所定のパターンにおいて、パターン長さ、パターン幅およびパターン厚みから選ばれる少なくとも１つ以上を変化させて調整されることを特徴とする［１］または［２］に記載の歪検出素子である。

［４］歪検出素子において、歪検出材料は所定のパターンで形成されており、
合成抵抗値は、所定のパターンにおいて、パターン長さ、パターン幅およびパターン厚みから選ばれる少なくとも１つ以上を変化させて調整されることを特徴とする［２］または［３］のいずれかの記載の歪検出素子である。

［５］［１］から［４］のいずれかに記載の歪検出素子を備える力学量センサである。

本発明によれば、ゲージ率が高く、かつゲージ率の温度特性が良好な歪検出素子およびこれを備える力学量センサを提供することができる。

図１は、本実施形態に係る圧力センサの一例を示す断面模式図である。 図２Ａは、本実施形態に係る圧力センサにおける歪検出部の構成を示す模式的な平面図である。 図２Ｂは、図２Ａに示す歪検出部の回路図である。 図３は、本実施形態に係る歪検出素子の構成を示す歪検出部の回路図である。 図４（ａ）は、本実施形態に係る歪検出素子の模式的な平面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）において、IVB－IVB線に沿った断面図である。 図５（ａ）は、本実施形態に係る歪検出素子の模式的な平面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）において、VB－VB線に沿った断面図である。 図６（ａ）は、本実施形態に係る歪検出素子の模式的な平面図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）において、VIB－VIB線に沿った断面図である。 図７（ａ）は、本実施形態に係る歪検出素子の模式的な平面図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）において、VIIB－VII線Bに沿った断面図である。 図８（ａ）は、本発明の実施例において、歪検出材料Ａのゲージ率の温度特性および抵抗値の温度特性を示すグラフである。図８（ｂ）は、本発明の実施例において、歪検出材料Ａのゲージ率および抵抗値の温度係数を示すグラフである。図８（ｃ）は、本発明の実施例において、歪検出材料Ｂのゲージ率の温度特性および抵抗値の温度特性を示すグラフである。図８（ｄ）は、本発明の実施例において、歪検出材料Ｂのゲージ率および抵抗値の温度係数を示すグラフである。 図９（ａ）は、本発明の実施例において、歪検出素子における歪検出材料Ａと歪検出材料Ｂとのパターン構成を示す断面模式図である。図９（ｂ）は、本発明の実施例において、歪検出材料Ａのゲージ率の温度特性、歪検出材料Ｂのゲージ率の温度特性および歪検出素子の合成ゲージ率の温度特性を示すグラフである。図９（ｃ）は、本発明の実施例において、歪検出材料Ａのゲージ率の温度係数、歪検出材料Ｂのゲージ率の温度係数および歪検出素子の合成ゲージ率の温度係数を示すグラフである。図９（ｄ）は、本発明の実施例において、歪検出材料Ａの抵抗値の温度特性、歪検出材料Ｂの抵抗値の温度特性および歪検出素子の合成抵抗値の温度特性を示すグラフである。図９（ｅ）は、本発明の実施例において、歪検出材料Ａの抵抗値の温度係数、歪検出材料Ｂの抵抗値の温度係数および歪検出素子の合成抵抗値の温度係数を示すグラフである。 図１０（ａ）は、本発明の実施例において、計算により算出された歪検出素子の合成ゲージ率と、測定された歪検出素子の合成ゲージ率と、の関係を示すグラフである。図１０（ｂ）は、本発明の実施例において、計算により算出された歪検出素子の合成ゲージ率の温度係数と、測定された歪検出素子の合成ゲージ率の温度係数と、の関係を示すグラフである。図１０（ｃ）は、本発明の実施例において、計算により算出された歪検出素子の合成抵抗値と、測定された歪検出素子の合成抵抗値と、の関係を示すグラフである。図１０（ｄ）は、本発明の実施例において、計算により算出された歪検出素子の合成抵抗値の温度係数と、測定された歪検出素子の合成抵抗値の温度係数と、の関係を示すグラフである。 図１１（ａ）は、本発明の実施例において、歪検出材料Ａのゲージ率の温度特性、歪検出材料Ｂのゲージ率の温度特性および歪検出素子の合成ゲージ率の温度特性を示すグラフである。図１１（ｂ）は、本発明の実施例において、歪検出材料Ａのゲージ率の温度係数、歪検出材料Ｂのゲージ率の温度係数および歪検出素子の合成ゲージ率の温度係数を示すグラフである。図１１（ｃ）は、本発明の実施例において、歪検出材料Ａの抵抗値の温度特性、歪検出材料Ｂの抵抗値の温度特性および歪検出素子の合成抵抗値の温度特性を示すグラフである。図１１（ｄ）は、本発明の実施例において、歪検出材料Ａの抵抗値の温度係数、歪検出材料Ｂの抵抗値の温度係数および歪検出素子の合成抵抗値の温度係数を示すグラフである。 図１２（ａ）は、本発明の実施例において、計算により算出された歪検出素子の合成ゲージ率と、測定された歪検出素子の合成ゲージ率と、の関係を示すグラフである。図１２（ｂ）は、本発明の実施例において、計算により算出された歪検出素子の合成ゲージ率の温度係数と、測定された歪検出素子の合成ゲージ率の温度係数と、の関係を示すグラフである。図１２（ｃ）は、本発明の実施例において、計算により算出された歪検出素子の合成抵抗値と、測定された歪検出素子の合成抵抗値と、の関係を示すグラフである。図１２（ｄ）は、本発明の実施例において、計算により算出された歪検出素子の合成抵抗値の温度係数と、測定された歪検出素子の合成抵抗値の温度係数と、の関係を示すグラフである。 図１３（ａ）は、本発明の実施例において、歪検出素子における歪検出材料Ａと歪検出材料Ｂとのパターン構成を示す断面模式図である。図１３（ｂ）は、本発明の実施例において、歪検出材料Ａのゲージ率の温度特性、歪検出材料Ｂのゲージ率の温度特性および歪検出素子の合成ゲージ率の温度特性を示すグラフである。図１３（ｃ）は、本発明の実施例において、歪検出材料Ａのゲージ率の温度係数、歪検出材料Ｂのゲージ率の温度係数および歪検出素子の合成ゲージ率の温度係数を示すグラフである。図１３（ｄ）は、本発明の実施例において、歪検出材料Ａの抵抗値の温度特性、歪検出材料Ｂの抵抗値の温度特性および歪検出素子の合成抵抗値の温度特性を示すグラフである。図１３（ｅ）は、本発明の実施例において、歪検出材料Ａの抵抗値の温度係数、歪検出材料Ｂの抵抗値の温度係数および歪検出素子の合成抵抗値の温度係数を示すグラフである。 図１４（ａ）は、本発明の実施例において、歪検出素子における歪検出材料Ａと歪検出材料Ｂとのパターン構成を示す断面模式図である。図１４（ｂ）は、本発明の実施例において、歪検出材料Ａのゲージ率の温度特性、歪検出材料Ｂのゲージ率の温度特性および歪検出素子の合成ゲージ率の温度特性を示すグラフである。図１４（ｃ）は、本発明の実施例において、歪検出材料Ａのゲージ率の温度係数、歪検出材料Ｂのゲージ率の温度係数および歪検出素子の合成ゲージ率の温度係数を示すグラフである。図１４（ｄ）は、本発明の実施例において、歪検出材料Ａの抵抗値の温度特性、歪検出材料Ｂの抵抗値の温度特性および歪検出素子の合成抵抗値の温度特性を示すグラフである。図１４（ｅ）は、本発明の実施例において、歪検出材料Ａの抵抗値の温度係数、歪検出材料Ｂの抵抗値の温度係数および歪検出素子の合成抵抗値の温度係数を示すグラフである。

以下、本発明を、具体的な実施形態に基づき、以下の順序で詳細に説明する。
１．力学量センサ
１．１ 圧力センサの全体構成
１．２ 歪検出部
１．３ 歪検出素子の組み合わせ
１．４ 圧力センサの動作原理
２．本実施形態における効果
３．変形例

（１．力学量センサ）
力学量センサは、圧力、加速度、変位、荷重、トルク等の力学量を測定するためのセンサである。本実施形態では、力学量センサとして、流体の圧力を測定する圧力センサについて説明する。

（１．１ 圧力センサの全体構成）
図１に示すように、本実施形態に係る圧力センサ１は、ステム２、絶縁膜３、歪検出部１０、電極４および保護部５を有している。

圧力センサ１は、測定対象媒体としての流体を圧力センサに導入するための導入部を下方側に有しており、導入部は流体が流れるパイプ等に取り付けられる。導入部は、ステム２から構成されており、後述する歪検出部が形成されている領域に対応して薄肉化されている。この薄肉化された部分はメンブレンと呼ばれ、メンブレンに圧力が掛かると、メンブレンが変形し、歪検出部を構成する歪検出素子に歪を生じさせる。

メンブレン上には、絶縁膜３が形成されており、ステム２と後述する歪検出部１０とを絶縁している。ステム２は通常、導電性を有する金属材料から構成されているため、ステム２上に絶縁膜３を形成する必要があるが、ステム２が絶縁性を有する材料、たとえばセラミックスから構成されている場合には、絶縁膜を形成しなくてもよい。

絶縁膜３上には、歪検出部１０と、外部回路と歪検出部とを電気的に接続できるように設けられた電極４と、歪検出部１０を保護するための保護部５と、が形成されている。

（１．２ 歪検出部）
本実施形態では、歪検出部１０は、図２Ａに示すように、４つの歪検出素子１１，１２，１３，１４が４つの電極４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄに接続されており、各歪検出素子において、歪検出材料が所定のパターンとして形成されている構成を有している。歪検出素子および電極はブリッジ回路を形成しており、図２Ａに示す構成は、図２Ｂに示す回路図に対応する。

従来、歪検出素子としては、歪検出素子を構成する単独の歪検出材料の特性を向上させるという手法、たとえば、歪検出材料のゲージ率を大きくし、ゲージ率および抵抗値の温度特性を改善するという手法が採用されていた。しかしながら、このような手法では、特性が良好な材料が得られたとしても、その組成が極めて限定的であったり、特殊な製法等を採用する必要があったりするため、特性の良好な材料を安定的に得ることは困難であった。

そこで、本実施形態では、単独の歪検出材料の特性を向上させるという手法は採用せず、複数の歪検出材料を並列に電気的に接続し、歪検出材料の特性（ゲージ率、抵抗値等）を合成した特性を利用する手法を用いて、それらが単独で用いられる場合よりも、良好な特性が得られるようにしている。すなわち、単独で用いた場合には、所定の温度範囲でゲージ率の変化率が大きい材料、すなわち、ゲージ率の温度特性が悪い材料であっても、たとえば、ゲージ率の温度特性が悪化する温度範囲が異なる材料を組み合わせることにより、歪検出素子全体としてのゲージ率、すなわち、複数の歪検出材料の各ゲージ率を合成して得られる合成ゲージ率の温度特性を、それらを単独で用いた場合のゲージ率の温度特性よりも良好にすることができる。

このように、複数の歪検出材料を組み合わせて算出される合成ゲージ率、合成抵抗値およびこれらの温度特性を、歪検出材料単独の特性よりも良好とすることにより、既知の歪検出材料の適切な組み合わせで構成され、従来よりも良好な特性を有する歪検出素子を得ることができる。このような手法であれば、所望の特性が得られるように、既知の歪検出材料を組み合わせればよいので、安定的に得ることが困難な材料を採用する必要はない。

本実施形態では、複数の歪検出材料が電気的に並列に接続されている歪検出素子は、室温における合成ゲージ率に対する合成ゲージ率の変化率が－５０～３５０℃の範囲において±３０００ｐｐｍ／℃以内であり、±２０００ｐｐｍ／℃以内であることが好ましい。本実施形態では、室温は２５℃である。

また、当該歪検出素子は、室温における合成抵抗値に対する合成抵抗値の変化率が－５０～３５０℃の範囲において±２０００ｐｐｍ／℃以内であることが好ましく、±１８００ｐｐｍ／℃以内であることがより好ましい。

（１．３ 歪検出素子の組み合わせ）
以下では、２つの歪検出材料を用いて、本実施形態に係る歪検出素子を構成する場合について説明する。

本実施形態に係る歪検出素子を４つ用いて形成したブリッジ回路を図３に示す。図３は、図２Ｂに対応しており、図３では、各歪検出素子が、２つの歪検出材料から構成されている点が明確になっている。たとえば、歪検出素子１１において、歪検出材料Ａ１１ａおよび歪検出材料Ｂ１１ｂは電気的に並列に接続されている。なお、他の歪検出素子１２、１３、１４も、歪検出素子１１と同様に、歪検出材料Ａおよび歪検出材料Ｂから構成される。

歪検出素子に歪が印加されていない場合、すなわち、初期状態では、歪検出素子の抵抗値は、歪検出材料Ａの抵抗値Ｒａ０と、歪検出材料Ｂの抵抗値Ｒｂ０との合成抵抗値Ｒｔｏｔａｌ０に一致する。すなわち、Ｒｔｏｔａｌ０は、以下の式１で表すことができる。

歪検出素子に歪εが印加されると、歪検出材料Ａおよび歪検出材料Ｂは、それぞれのゲージ率に応じて、抵抗値が変化する。歪検出材料Ａのゲージ率をＧａ、歪検出材料Ｂのゲージ率をＧｂとすると、歪εが印加された歪検出材料Ａの抵抗値Ｒａ１、および、歪εが印加された歪検出材料Ｂの抵抗値Ｒｂ１は以下の式２および式３で表すことができる。

また、歪εが印加された歪検出素子の抵抗値は、歪εが印加された歪検出材料Ａの抵抗値Ｒａ１と、歪εが印加された歪検出材料Ｂの抵抗値Ｒｂ１との合成抵抗値Ｒｔｏｔａｌ１に一致する。すなわち、Ｒｔｏｔａｌ１は、以下の式４で表すことができる。

したがって、歪εが印加された歪検出素子の合成ゲージ率Ｇｔｏｔａｌは以下の式５で表すことができる。

上記の式１から式５より、合成ゲージ率および合成抵抗値を算出することができる。このような合成された特性では、２つの歪検出材料の特性が相反する傾向を示す場合には相殺され、同じような傾向を示す場合には強調される傾向にある。ここで、歪検出材料Ａおよび歪検出材料Ｂの抵抗値およびゲージ率は温度により変化し、その変化率の傾向は、歪検出材料ごとに異なる。

そこで、たとえば、高温になるにつれゲージ率が上昇する材料と、高温になるにつれゲージ率が低下する材料と、を組み合わせて、歪検出素子全体としてのゲージ率（合成ゲージ率）を算出することにより、高温におけるゲージ率の変化が相殺される。その結果、合成ゲージ率の温度特性は、高温においてもゲージ率の変化率が小さくなるので、ゲージ率の温度特性が良好な歪検出素子を実現することができる。

また、上記の式からも明らかなように、合成ゲージ率および合成抵抗値は、各歪検出材料の抵抗値に依存するパラメータである。したがって、合成ゲージ率および合成抵抗値を制御するには、各歪検出材料の抵抗値を制御すればよい。ここで、ある材料の抵抗値Ｒは、長さＬに比例し、断面積Ｓに反比例することが知られている。すなわち、抵抗値Ｒは、当該材料の比抵抗をρとすると、以下の式６で表すことができる。

比抵抗ρは材料に固有の値なので、抵抗値Ｒは、長さおよび断面積の変化に伴い変化する。換言すれば、抵抗値Ｒに依存するパラメータである合成ゲージ率および合成抵抗値は、歪検出材料のパターン長さ、パターン幅およびパターン厚みを変化させることにより制御できる。すなわち、複数の歪検出材料を組み合わせ、さらに、歪検出材料のパターン長さ、パターン幅およびパターン厚みを制御することにより、歪検出素子のゲージ率および抵抗値の温度特性をさらに良好にすることができる。

図４（ａ）および（ｂ）は、歪検出素子１１の一例を示している。歪検出素子において、歪検出材料Ａ１１ａおよび歪検出材料Ｂ１１ｂは図４（ａ）および（ｂ）に示すパターン形状を有している。図４（ａ）は、歪検出素子の平面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のIVB－IVB線に沿った歪検出素子の断面図である。図４（ａ）および図４（ｂ）より、歪検出素子において、歪検出材料はミアンダパターン状に形成されており、歪検出材料Ｂ１１ｂのパターン上に歪検出材料Ａ１１ａのパターンが積層された構成となっている。

図４（ａ）および（ｂ）では、歪検出材料Ａ１１ａのパターン長さ、パターン幅およびパターン厚みは、歪検出材料Ｂ１１ｂのパターン長さ、パターン幅およびパターン厚みと一致している。図４（ａ）および（ｂ）に示す歪検出素子１１の合成ゲージ率および合成抵抗値は、上記の式１から式５を用いて算出される。

図５（ａ）および（ｂ）も、歪検出素子１１の一例を示している。歪検出素子において、歪検出材料Ａ１１ａおよび歪検出材料Ｂ１１ｂは図５（ａ）および（ｂ）に示すパターン形状を有しており、歪検出材料Ｂ１１ｂのパターン上に歪検出材料Ａ１１ａのパターンが積層されている。

しかしながら、歪検出材料Ａのパターン長さおよびパターン厚みと、歪検出材料Ｂのパターン長さおよびパターン厚みとは同じであるものの、図５（ａ）および（ｂ）から明らかなように、歪検出材料Ａ１１ａのパターン幅は、歪検出材料Ｂ１１ｂのパターン幅よりも狭い。すなわち、図５に示す歪検出材料Ａの断面積は、図４に示す歪検出材料Ａの断面積よりも小さい。

したがって、図５に示す歪検出素子においては、図４に示す歪検出素子に比べて、歪検出材料Ａの抵抗値が大きくなっている。その結果、歪検出素子の合成ゲージ率および合成抵抗値に対して、歪検出材料Ａの抵抗値が寄与する割合が大きくなるため、歪検出素子の合成ゲージ率および合成抵抗値も、図４に示す歪検出素子の合成ゲージ率および合成抵抗値に対して変化する。換言すれば、歪検出素子において、歪検出材料のパターン形状（図５では、パターン幅）を変化させることにより、歪検出素子の合成ゲージ率および合成抵抗値を制御できる。その結果、歪検出素子の合成ゲージ率および合成抵抗値の温度特性も制御できる。

同様に、歪検出材料Ａのパターン幅を歪検出材料Ｂのパターン幅と同じとし、歪検出材料Ａのパターン厚みを歪検出材料Ｂのパターン厚みよりも小さくした場合についても、歪検出材料Ａの断面積は小さくなるので、歪検出素子の合成ゲージ率および合成抵抗値を制御できる。

図６（ａ）および（ｂ）も、歪検出素子１１の一例を示している。歪検出素子において、歪検出材料Ａ１１ａおよび歪検出材料Ｂ１１ｂは図６（ａ）および（ｂ）に示すパターン形状を有しているが、歪検出材料Ａおよび歪検出材料Ｂは積層されておらず、同一面上に形成されている点が図４（ａ）および（ｂ）と異なる。図６（ａ）および（ｂ）では、歪検出材料Ａのパターン長さ、パターン幅およびパターン厚みは、歪検出材料Ｂのパターン長さ、パターン幅およびパターン厚みと一致している。図６（ａ）および（ｂ）に示す歪検出素子の合成ゲージ率および合成抵抗値は、上記の式１から式５を用いて算出される。

図７（ａ）および（ｂ）も、歪検出素子１１の一例を示している。歪検出素子において、歪検出材料Ａ１１ａおよび歪検出材料Ｂ１１ｂは図７（ａ）および（ｂ）に示すパターン形状を有しており、図６（ａ）および（ｂ）と同様に、歪検出材料Ａ１１ａおよび歪検出材料Ｂ１１ｂが同一面上に形成された構成を示している。しかしながら、図７（ａ）および（ｂ）から明らかなように、歪検出材料Ａ１１ａのパターン厚みと歪検出材料Ｂ１１ｂのパターン厚みとは同じであるものの、歪検出材料Ａ１１ａのパターン長さは、歪検出材料Ｂ１１ｂのパターン長さよりも短く、かつ歪検出材料Ａ１１ａのパターン幅は、歪検出材料Ｂ１１ｂのパターン幅よりも大きい。

したがって、図７に示す歪検出素子においては、図６に示す歪検出素子に比べて、歪検出材料Ａの抵抗値が小さくなっている。その結果、歪検出素子の合成ゲージ率および合成抵抗値に対して、歪検出材料Ａの抵抗値が寄与する割合が小さくなるため、歪検出素子の合成ゲージ率および合成抵抗値も、図６に示す歪検出素子の合成ゲージ率および合成抵抗値に対して変化する。換言すれば、歪検出素子において、歪検出材料のパターン形状（図７では、パターン長さおよびパターン幅）を変化させることにより、歪検出素子の合成ゲージ率および合成抵抗値を制御できる。その結果、歪検出素子の合成ゲージ率および合成抵抗値の温度特性も制御できる。

（１．４ 圧力センサの動作原理）
圧力センサ１を流体が流れるパイプ等に取付け、電極を図示しない外部回路に接続する。流体が圧力センサの導入部に導入され、流体の圧力により圧力センサ１のステムに形成されたメンブレンが、圧力に応じて変形する。当該領域は、歪検出部の直下に形成されているので、当該領域の変形により、歪検出部に配置されている歪検出素子に歪が生じる。歪が生じると、各歪検出素子の抵抗値が変化する。この変化に応じてブリッジ回路の平衡が崩れ、電流が流れる。この電流の大小により圧力値を検出できる。

（２．本実施形態における効果）
本実施形態では、歪検出素子を、複数の歪検出材料を電気的に並列に接続して構成している。このような歪検出素子では、当該歪検出素子のゲージ率および抵抗値は、複数の歪検出材料の各ゲージ率および各抵抗値を合成して得られる値となる。

歪検出材料は、材料ごとに、ゲージ率および抵抗値の温度特性が異なるので、所望の温度範囲において、ゲージ率の変化率および抵抗値の変化率が相殺されるように、歪検出材料を選択することにより、それらの歪検出材料が単独で歪検出素子を構成する場合に比べて、ゲージ率の温度特性および抵抗値の温度特性を良好にすることができる。

さらに、合成ゲージ率および合成抵抗値は、各歪検出材料の抵抗値に依存するので、所定のパターンとして形成されている歪検出材料のパターン長さ、パターン幅およびパターン厚みのいずれか１つ以上を変化させることにより、合成ゲージ率および合成抵抗値を制御することができる。したがって、所定の歪検出材料の組み合わせにおいて、パターン長さ、パターン幅およびパターン厚みを調整することにより、ゲージ率の温度特性および抵抗値の温度特性をさらに良好にすることができる。

したがって、このような歪検出素子を備える圧力センサは、広い温度範囲において精度よく圧力を検知することができる。

（３．変形例）
上述の実施形態では、歪検出素子において、２つの歪検出材料が電気的に並列に接続されている構成について説明したが、３つ以上の歪検出材料が電気的に並列に接続されている構成であってもよい。この場合であっても、上述した説明が適用できる。接続される歪検出材料の上限は特に制限されないが、製造上の観点から、３個程度であることが好ましい。

なお、ｎ個の歪検出材料が電気的に並列に接続されている場合、歪検出素子の合成抵抗値（Ｒｔｏｔａｌ０およびＲｔｏｔａｌ１）は、以下の式７および式８で表すことができる。なお、合成ゲージ率は、式５で表すことができる。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は上記の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の範囲内において種々の態様で改変しても良い。

以下、実施例を用いて、本発明をさらに詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

本実施例では、歪検出材料ＡをＣｒ－Ｎ薄膜とし、歪検出材料ＢをＣｒ－Ｍｎ薄膜とした歪検出素子について評価を行った。歪検出材料ＡとしてのＣｒ－Ｎ薄膜は、図８（ａ）に示すゲージ率の温度特性および抵抗値の温度特性を有していた。また、図８（ｂ）に示すように、－５０～３５０℃の範囲内において、室温（２５℃）での抵抗値に対する抵抗値の温度係数（ＴＣＲ）は±１９００ｐｐｍ／℃の範囲内であり、室温（２５℃）でのゲージ率に対するゲージ率の温度係数（ＴＣＳ）は±３９００ｐｐｍ／℃の範囲内であった。また、歪検出材料ＢとしてのＣｒ－Ｍｎ薄膜は、図８（ｃ）に示すゲージ率の温度特性および抵抗値の温度特性を有していた。また、図８（ｄ）に示すように、－５０～３５０℃の範囲内において、室温での抵抗値に対する抵抗値の温度係数（ＴＣＲ）は±１６００ｐｐｍ／℃の範囲内であり、室温でのゲージ率に対するゲージ率の温度係数（ＴＣＳ）は±３１００ｐｐｍ／℃の範囲内であった。

（実施例１）
実施例１では、図４（ａ）および（ｂ）に示す構成を有する歪検出素子において、図９（ａ）に示すように、歪検出材料Ａの厚みと歪検出材料Ｂの厚みとを１：１として、歪検出素子の合成ゲージ率、合成抵抗値およびそれらの温度係数と温度との関係を－１００～５００℃の範囲で計算により算出した。歪検出素子の合成ゲージ率の算出結果を図９（ｂ）に、合成ゲージ率の温度係数を図９（ｃ）に示し、歪検出素子の合成抵抗値の算出結果を図９（ｄ）に、合成抵抗値の温度係数を図９（ｅ）に示す。なお、図９（ｂ）および（ｃ）には、歪検出材料Ａおよび歪検出材料Ｂのゲージ率およびそれらの温度係数と温度との関係もプロットし、図９（ｄ）および（ｅ）には、歪検出材料Ａおよび歪検出材料Ｂの抵抗値およびそれらの温度係数と温度との関係もプロットした。

図９（ｃ）より、歪検出素子の合成ゲージ率の温度特性は、歪検出材料Ａのゲージ率の温度特性および歪検出材料Ｂのゲージ率の温度特性が相殺され、単独の温度特性よりも良好であることが確認できた。なお、－５０～３５０℃の範囲内において、室温での合成ゲージ率に対する合成ゲージ率の温度係数は±２９００ｐｐｍ／℃の範囲内であり、歪検出材料Ａおよび歪検出材料Ｂのそれぞれのゲージ率の温度係数よりも良好であった。

また、図９（ｅ）より、歪検出素子の合成抵抗値の温度特性は、歪検出材料Ａの抵抗値の温度特性と、歪検出材料Ｂの抵抗値の温度特性との間であることが確認できた。なお、－５０～３５０℃の範囲内において、室温での合成抵抗値に対する合成抵抗値の温度係数は±１８００ｐｐｍ／℃の範囲内であり、歪検出材料Ａの抵抗値の温度係数と歪検出材料Ｂの抵抗値の温度係数との間の値であった。

続いて、図４（ａ）および（ｂ）に示す構成を有する歪検出素子を作製し、－５０～４５０℃の範囲で、合成ゲージ率、合成抵抗値およびそれらの温度係数を測定した。測定した合成ゲージ率および上記で算出された合成ゲージ率を図１０（ａ）に、これらの温度係数を図１０（ｂ）にプロットし、測定した合成抵抗値および上記で算出された合成抵抗値を図１０（ｃ）に、これらの温度係数を図１０（ｄ）にプロットした。

図１０（ａ）から（ｄ）より、計算により算出された合成ゲージ率、合成抵抗値およびそれらの温度係数と、測定された合成ゲージ率、合成抵抗値およびそれらの温度係数とがよく一致していることが確認できた。

（実施例２）
実施例２では、歪検出材料Ａの厚みと歪検出材料Ｂの厚みとを１／４：１とした以外は、実施例１と同様にして、合成ゲージ率、合成抵抗値およびそれらの温度係数の算出および測定を行った。歪検出素子の合成ゲージ率の算出結果を図１１（ａ）に、合成ゲージ率の温度係数の算出結果を図１１（ｂ）に示し、歪検出素子の合成抵抗値の算出結果を図１１（ｃ）に、合成抵抗値の温度係数の算出結果を図１１（ｄ）に示す。また、測定した合成ゲージ率および上記で算出された合成ゲージ率を図１２（ａ）に、これらの温度係数を図１２（ｂ）に示し、測定した合成抵抗値および上記で算出された合成抵抗値を図１２（ｃ）に、これらの温度係数を図１２（ｄ）に示す。

図１１（ｂ）より、歪検出素子の合成ゲージ率の温度係数は、歪検出材料Ａのゲージ率の温度係数と、歪検出材料Ｂのゲージ率の温度係数と、よりも良好であることが確認できた。また、図１１（ｄ）より、歪検出素子の合成抵抗値の温度係数は、歪検出材料Ａの抵抗値の温度係数および歪検出材料Ｂの抵抗値の温度係数により相殺されることが確認できた。なお、－５０～３５０℃の範囲内において、室温での合成抵抗値に対する合成抵抗値の温度係数は±１７００ｐｐｍ／℃の範囲内であり、室温での合成ゲージ率に対する合成ゲージ率の温度係数は±１５００ｐｐｍ／℃の範囲内であった。

さらに、図１２（ａ）から（ｄ）より、計算により算出された合成ゲージ率、合成抵抗値およびそれらの温度係数と、測定された合成ゲージ率、合成抵抗値およびそれらの温度係数とがよく一致していることが確認できた。

（実施例３および４）
実施例３では、図１３（ａ）に示すように、歪検出材料Ａの厚みと歪検出材料Ｂの厚みとを１／２．２：１とし、実施例４では、図１４（ａ）に示すように、歪検出材料Ａの厚みと歪検出材料Ｂの厚みとを１／５：１として、実施例１と同様の計算を行い、歪検出素子の合成ゲージ率および合成抵抗値と温度との関係を算出した。実施例３の合成ゲージ率の結果を図１３（ｂ）に、合成ゲージ率の温度係数の結果を図１３（ｃ）に示し、実施例３の合成抵抗値の結果を図１３（ｄ）に、合成抵抗値の温度係数の結果を図１３（ｅ）に示した。また、実施例４の合成ゲージ率の結果を図１４（ｂ）に、合成ゲージ率の温度係数の結果を図１４（ｃ）に示し、実施例４の合成抵抗値の結果を図１４（ｄ）に、合成抵抗値の温度係数の結果を図１４（ｅ）に示した。

図１３（ｃ）および図１４（ｃ）より、歪検出材料Ａの厚みを小さくして、歪検出材料Ａの抵抗値を高くすることにより、図９（ｃ）よりも合成ゲージ率の温度特性がさらに良好になることが確認できた。また、図１３（ｅ）および図１４（ｅ）より、歪検出材料Ａの厚みを小さくして、歪検出材料Ａの抵抗値を高くすることにより、図９（ｅ）よりも合成抵抗値の温度特性の傾向が歪検出材料Ｂの抵抗値の温度特性の傾向に近づくことが確認できた。

１… 圧力センサ
２… ステム
３… 絶縁膜
４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ… 電極
５… 保護部
１０… 歪検出部
１１，１２，１３，１４… 歪検出素子
１１ａ… 歪検出材料Ａ
１１ｂ… 歪検出材料Ｂ

Claims (5)

1. 複数の歪検出材料が、電気的に並列に接続されている歪検出素子であって、
   前記歪検出素子のゲージ率は、前記複数の歪検出材料の各ゲージ率を合成して得られる合成ゲージ率であり、
   室温における合成ゲージ率に対する合成ゲージ率の変化率が－５０～３５０℃の範囲において±３０００ｐｐｍ／℃以内であって、
   前記複数の歪検出材料は第１歪検出材料と第２歪検出材料とを含み、
   前記第１歪検出材料は－５０～３５０℃の温度範囲の少なくとも一部で温度上昇に伴ってゲージ率が上昇し、
   前記第２歪検出材料は前記温度範囲の少なくとも一部で温度上昇に伴ってゲージ率が減少する歪検出素子。
2. 前記歪検出素子の抵抗値は、前記複数の歪検出材料の抵抗値を合成して得られる合成抵抗値であり、
   室温における合成抵抗値に対する合成抵抗値の変化率が－５０～３５０℃の範囲において±２０００ｐｐｍ／℃以内であることを特徴とする請求項１に記載の歪検出素子。
3. 前記歪検出素子において、前記歪検出材料は所定のパターンで形成されており、
   前記合成ゲージ率は、前記所定のパターンにおいて、パターン長さ、パターン幅およびパターン厚みから選ばれる少なくとも１つ以上を変化させて調整されることを特徴とする請求項１または２に記載の歪検出素子。
4. 前記歪検出素子において、前記歪検出材料は所定のパターンで形成されており、
   前記合成抵抗値は、前記所定のパターンにおいて、パターン長さ、パターン幅およびパターン厚みから選ばれる少なくとも１つ以上を変化させて調整されることを特徴とする請求項２に記載の歪検出素子。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の歪検出素子を備える力学量センサ。
   

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