JP7328112B2 - センサ素子 - Google Patents

Description

本発明は、センサ素子に関するものである。

従来より、差圧あるいは圧力を検出する圧力センサとして、感圧部である半導体ダイアフラムにピエゾ抵抗を形成した半導体ピエゾ抵抗式圧力センサが知られている（特許文献１参照）。

特表２０１５－５１２０４６号公報

特許文献１に開示された圧力センサでは、差圧のみ、または絶対圧のみを測定対象としており、差圧と絶対圧など複数の圧力を同時に計測する構造は知られていなかった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、複数の圧力を同時に、高精度に計測することができる小型のセンサ素子を提供することを目的とする。

本発明のセンサ素子は、センサチップとこのセンサチップの一面に接合されるダイアフラムベースから構成されるセンサ素子であって、前記センサチップは、第１の圧力と第２の圧力の差圧計測用の第１のダイアフラムと、前記第２の圧力の絶対圧計測用またはゲージ圧計測用の第２のダイアフラムと、前記第１のダイアフラムに前記第１の圧力を伝達する第１の圧力導入路と、前記第１のダイアフラムと前記第２のダイアフラムに前記第２の圧力を伝達する第２の圧力導入路とを備え、前記ダイアフラムベースは、前記第１の圧力を有する計測対象の流体を直接受ける第３のダイアフラムと、前記第２の圧力を有する計測対象の流体を直接受ける第４のダイアフラムと、前記第１の圧力導入路と連通して前記第３のダイアフラムが受けた前記第１の圧力を前記第１の圧力導入路および前記第１のダイアフラムへと伝達する第３の圧力導入路と、前記第２の圧力導入路と連通して前記第４のダイアフラムが受けた前記第２の圧力を前記第２の圧力導入路および前記第２のダイアフラムへと伝達する第４の圧力導入路とを備え、前記第１の圧力導入路から前記第３の圧力導入路には、前記第１のダイアフラムに前記第１の圧力を伝達することが可能な第１の圧力伝達媒体が封入され、前記第２の圧力導入路から前記第４の圧力導入路には、前記第１のダイアフラムと前記第２のダイアフラムに前記第２の圧力を伝達することが可能な第２の圧力伝達媒体が封入されるとともに、前記第１および第２の圧力伝達媒体の移動量を電荷によってモデル化し、前記第１および第２の圧力伝達媒体の流速を電流によってモデル化し、前記第１の圧力と前記第２の圧力を電圧によってモデル化し、前記第１～第４のダイアフラムのコンプライアンスをキャパシタンスでモデル化し、前記第１～第４の圧力導入路の流路抵抗を電気抵抗によってモデル化して、前記第１および第２のダイアフラムへの前記第１、第２の圧力の伝達を等価回路によって表したときに、前記第１の圧力の伝達経路と前記第２の圧力の伝達経路が対称である。

また、本発明のセンサ素子の１構成例は、前記第２の圧力が伝達される前記絶対圧計測用またはゲージ圧計測用の第２のダイアフラムの第１の主面と反対側の第２の主面に配設された基準室と、前記基準室を間に挟んで前記絶対圧計測用またはゲージ圧計測用の第２のダイアフラムと対向するように配設された第５のダイアフラムとをさらに備え、前記第１の圧力導入路は、前記第５のダイアフラムの前記基準室と向かい合う第１の主面と反対側の第２の主面に前記第１の圧力を伝達し、前記第１、第２および第５のダイアフラムへの前記第１、第２の圧力の伝達を前記等価回路によって表したときに、前記第１の圧力の伝達経路と前記第２の圧力の伝達経路が対称である。
また、本発明のセンサ素子の１構成例は、前記第２の圧力が伝達される前記絶対圧計測用またはゲージ圧計測用の第２のダイアフラムの第１の主面と反対側の第２の主面に配設された第１の基準室と、前記差圧計測用の第１のダイアフラムに前記第１の圧力を伝達する前記第１の圧力導入路を間に挟んで前記差圧計測用の第１のダイアフラムと対向するように配設された第６のダイアフラムと、前記第６のダイアフラムの前記第１の圧力導入路と向かい合う第１の主面と反対側の第２の主面に配設された第２の基準室とをさらに備え、前記第１、第２および第６のダイアフラムへの前記第１、第２の圧力の伝達を前記等価回路によって表したときに、前記第１の圧力の伝達経路と前記第２の圧力の伝達経路が対称である。

また、本発明のセンサ素子の１構成例は、前記第１の圧力導入路に満たされる前記第１の圧力伝達媒体の量と、前記第２の圧力導入路に満たされる前記第２の圧力伝達媒体の量が同一である。
また、本発明のセンサ素子の１構成例は、前記第１の圧力伝達媒体の量と前記第２の圧力伝達媒体の量とが同じになるように、前記第１の圧力導入路の途中に設けられた液量調整室をさらに備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、複数の圧力を同時に、高精度に計測でき、しかもセンサ素子の小型化が可能となる。

図１は、本発明の原理を説明するセンサ素子の断面図である。 図２は、図１のセンサ素子のセンサチップの平面図である。 図３は、図１のセンサ素子のセンサチップの断面図である。 図４は、図１のセンサ素子のセンサチップの断面図である。 図５は、図１のセンサ素子の等価回路図である。 図６は、本発明の第１の実施例に係るセンサ素子のセンサチップの平面図である。 図７は、本発明の第１の実施例に係るセンサ素子のセンサチップの断面図である。 図８は、本発明の第１の実施例に係るセンサ素子のセンサチップの断面図である。 図９は、本発明の第１の実施例に係るセンサ素子の等価回路図である。 図１０は、本発明の第２の実施例に係るセンサ素子のセンサチップの平面図である。 図１１は、本発明の第２の実施例に係るセンサ素子のセンサチップの断面図である。 図１２は、本発明の第２の実施例に係るセンサ素子のセンサチップの断面図である。 図１３は、本発明の第３の実施例に係るセンサ素子のセンサチップの平面図である。 図１４は、本発明の第３の実施例に係るセンサ素子のセンサチップの断面図である。 図１５は、本発明の第３の実施例に係るセンサ素子のセンサチップの断面図である。 図１６は、本発明の第３の実施例に係るセンサ素子のセンサチップの別の構成を示す平面図である。 図１７は、本発明の第３の実施例に係るセンサ素子のセンサチップの別の構成を示す断面図である。 図１８は、本発明の第３の実施例に係るセンサ素子のセンサチップの別の構成を示す断面図である。 図１９は、本発明の第４の実施例に係るセンサ素子のセンサチップの平面図である。 図２０は、本発明の第４の実施例に係るセンサ素子のセンサチップの断面図である。 図２１は、本発明の第４の実施例に係るセンサ素子のセンサチップの断面図である。

［発明の原理］
図１は本発明の原理を説明するセンサ素子の断面図、図２は図１のセンサ素子のセンサチップの平面図、図３は図２のＡ－Ａ線断面図、図４は図２のＢ－Ｂ線断面図である。センサ素子１は、ダイアフラムベース７と、ダイアフラムベース７上に搭載されたセンサチップ１０とから構成される。

センサチップ１０は、ガラスからなる平板状の基台２と、基台２と接合されたシリコンからなる平板状の流路部材３と、流路部材３と接合されたシリコンからなる平板状の感圧部材４と、感圧部材４と接合されたシリコンからなる平板状の蓋部材５とから構成される。

基台２には、裏面から表面まで基台２を貫く圧力導入路となる２つの貫通孔２０，２１が形成されている。
流路部材３には、基台２と流路部材３とが接合されたときに貫通孔２０，２１と連通する位置に、裏面から表面まで流路部材３を貫く圧力導入路となる貫通孔３０，３１が形成されている。また、流路部材３の感圧部材４と向かい合う表面には、一端が貫通孔３０と連通し、流路部材３と感圧部材４とが接合されたときに他端が後述する凹陥部４０と連通する圧力導入路となる溝３２が形成されている。

感圧部材４の流路部材３と向かい合う裏面には、感圧部材４の表面側が残るように裏面側を除去して形成された正方形の２つの凹陥部４０，４１（圧力導入室）が形成されている。感圧部材４の凹陥部４０，４１が形成された領域の表面側に残った部分が、ダイアフラム４２，４３となる。

また、感圧部材４の蓋部材５と向かい合う表面のうち、凹陥部４０，４１の領域の表面側に形成されたダイアフラム４２，４３の周縁部には、例えば不純物拡散またはイオン打ち込みの技術によりピエゾ抵抗素子として機能する歪みゲージ４４－１～４４－４，４５－１～４５－４が形成されている。歪みゲージ４４－１～４４－４は、それぞれ平面視正方形のダイアフラム４２（第１のダイアフラム）の４辺の中点付近に形成されている。同様に、歪みゲージ４５－１～４５－４は、それぞれ平面視正方形のダイアフラム４３（第２のダイアフラム）の４辺の中点付近に形成されている。

さらに、感圧部材４には、流路部材３と感圧部材４とが接合されたときに貫通孔３０，３１と連通する位置に、裏面から表面まで感圧部材４を貫く圧力導入路となる貫通孔４６，４７が形成されている。

蓋部材５の感圧部材４と向かい合う裏面には、感圧部材４と蓋部材５とが接合されたときにダイアフラム４２，４３に覆いをする位置に、蓋部材５の表面側が残るように裏面側を除去して形成された正方形の２つの凹陥部５０，５１（圧力導入室）が形成されている。また、蓋部材５ａの裏面には、感圧部材４と蓋部材５ａとが接合されたときに一端が貫通孔４７と連通し、他端が凹陥部５０と連通する圧力導入路となる溝５３が形成されている。さらに、蓋部材５の裏面には、感圧部材４と蓋部材５とが接合されたときに一端が貫通孔４６と連通し、他端が凹陥部５１と連通する圧力導入路となる溝５４が形成されている。

貫通孔２０，２１，３０，３１，４６，４７と凹陥部４０，４１，５０，５１と溝３２，５３，５４とは、エッチング技術によって容易に形成できることは言うまでもない。以降の実施例の貫通孔と凹陥部と溝についても同様にエッチング技術によって容易に形成することができる。

基台２と流路部材３とは、基台２の貫通孔２０，２１と流路部材３の貫通孔３０，３１とが連通するように、直接接合によって接合される。流路部材３と感圧部材４とは、流路部材３の貫通孔３０，３１と感圧部材４の貫通孔４６，４７とが連通し、流路部材３の溝３２と感圧部材４の凹陥部４０とが連通するように、直接接合によって接合される。感圧部材４と蓋部材５とは、蓋部材５の凹陥部５０，５１が感圧部材４のダイアフラム４２，４３を覆い、感圧部材４の貫通孔４６と蓋部材５の溝５４とが連通し、感圧部材４の貫通孔４７と蓋部材５の溝５３とが連通するように、直接接合によって接合される。

ダイアフラムベース７は、計測対象の流体の圧力をセンサチップ１０に導くための金属材料からなる。金属材料としては、ステンレス鋼（ＳＵＳ）を例示することができる。図１に示すように、ダイアフラムベース７は、主面７ａとその反対側の主面７ｂとを有する。ダイアフラムベース７には、主面７ａと主面７ｂとを貫通する圧力導入路となる貫通孔７０，７１が形成されている。貫通孔７０，７１の主面７ａ側の開口部には、２つの凹陥部７２，７３が形成されている。凹陥部７２は、第２の圧力を有する計測対象の流体を直接受けるバリアダイアフラム７４（第４のダイアフラム）によって覆われている。同様に、凹陥部７３は、第１の圧力を有する計測対象の流体を直接受けるバリアダイアフラム７５（第３のダイアフラム）によって覆われている。バリアダイアフラム７４，７５は、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）から構成されている。

センサチップ１０とダイアフラムベース７とは、センサチップ１０の貫通孔２０，２１とダイアフラムベース７の貫通孔７０，７１とが連通するように、接着剤によって接合される。

センサチップ１０のダイアフラム４２の上面には、ダイアフラムベース７の凹陥部７３と貫通孔７１とセンサチップ１０の貫通孔２１，３１，４７，５２と溝５３と凹陥部５０とを介して第１のオイル（第１の圧力伝達媒体）が到達可能となっている。第１のオイルは、バリアダイアフラム７５に印加された第１の圧力をダイアフラム４２の上面に伝達する。ダイアフラム４２の下面には、ダイアフラムベース７の凹陥部７２と貫通孔７０とセンサチップ１０の貫通孔２０，３０と溝３２と凹陥部４０とを介して第２のオイル（第２の圧力伝達媒体）が到達可能となっている。第２のオイルは、バリアダイアフラム７４に印加された第２の圧力をダイアフラム４２の下面に伝達する。

センサチップ１０のダイアフラム４３の上面には、ダイアフラムベース７の凹陥部７２と貫通孔７０とセンサチップ１０の貫通孔２０，３０，４６と溝５４と凹陥部５１とを介して第２のオイルが到達可能となっている。第２のオイルは、バリアダイアフラム７４に印加された第２の圧力をダイアフラム４３の上面に伝達する。ダイアフラム４３の下面の凹陥部４１（基準室）は、真空状態で密封されている。

図１～図４では図示していないが、例えば感圧部材４の平面形状を蓋部材５の平面形状よりも大きくして、感圧部材４の露出した表面に、各歪みゲージ４４－１～４４－４，４５－１～４５－４とそれぞれ電気的に接続された８つの電極パッドを形成することで、歪みゲージ４４－１～４４－４，４５－１～４５－４を外部の回路と結線できるようになっている。歪みゲージと外部の回路との結線方法は、以降の実施例についても同様である。

歪みゲージ４４－１～４４－４は、外部の回路と共に差圧計測用のホイートストンブリッジ回路を構成する。差圧計測用のホイートストンブリッジ回路により、ダイアフラム４２の上面に印加される第１の圧力とダイアフラム４２の下面に印加される第２の圧力の差圧を計測することができる。

歪みゲージ４５－１～４５－４は、外部の回路と共に絶対圧計測用のホイートストンブリッジ回路を構成する。絶対圧計測用のホイートストンブリッジ回路により、ダイアフラム４３の上面に印加される第２の圧力の絶対圧を計測することができる。
ホイートストンブリッジ回路の構成については周知の技術であるので、詳細な説明は省略する。

以上のようなセンサ素子１の等価回路を図５に示す。図５において、キャパシタＣ１はバリアダイアフラム７５のコンプライアンス、キャパシタＣ２はバリアダイアフラム７４のコンプライアンス、キャパシタＣ３はダイアフラム４２のコンプライアンス、キャパシタＣ４はダイアフラム４３のコンプライアンスをモデル化したものである。

抵抗器Ｒ１は第１のオイルが封入された凹陥部７３と貫通孔７１の流路抵抗、抵抗器Ｒ２は第２のオイルが封入された凹陥部７２と貫通孔７０の流路抵抗、抵抗器Ｒ３は第１のオイルが封入された貫通孔２１，３１，４７と溝５３と凹陥部５０の流路抵抗、抵抗器Ｒ４は第２のオイルが封入された貫通孔２０，３０と溝３２と凹陥部４０の流路抵抗、抵抗器Ｒ５は第２のオイルが封入された貫通孔２０，３０，４６と溝５４と凹陥部５１の流路抵抗である。

図５の等価回路では、オイルの移動量を電荷によってモデル化し、オイルの流速を電流によってモデル化し、圧力を電圧によってモデル化している。第１の圧力と第２の圧力の差圧は、キャパシタＣ３の両端電圧として得られ、第２の圧力の絶対圧は、キャパシタＣ４の両端電圧として得られる。なお、図５の等価回路では、オイルの圧縮性は無視している。

図５から分かるように、図１のセンサ素子１では、第１の圧力の伝達経路と第２の圧力の伝達経路が非対称となるため、以下の（Ａ）、（Ｂ）のような問題を生じる。機器の小型化のためにダイアフラム７４，７５のアスペクト比（径／膜厚の比）が小さく（コンプライアンスが小さく）なればなる程、またセンサの高感度化のためダイアフラム４２，４３のアスペクト比が大きく（コンプライアンスが大きく）なればなるほど（Ａ）、（Ｂ）の問題の影響は大きくなる。
（Ａ）静圧印加時の過渡差圧の発生。
（Ｂ）静圧印加時のゼロ点シフト。

（Ａ）、（Ｂ）の問題を、図５の等価回路を用いて説明する。センサ素子１に静圧が加わった場合、図５の等価回路では、キャパシタＣ１側（以下、１次側とする）とキャパシタＣ２側（以下、２次側とする）に同じ電圧が同時に加わったことになる。絶対圧センサ（キャパシタＣ４と抵抗器Ｒ５）が無い場合には、第１の圧力の伝達経路と第２の圧力の伝達経路とが対称となるので、１次側と２次側に同じ電圧が同時に加わったとしても、キャパシタＣ３に電荷が蓄積されることはないため、キャパシタＣ３の両端に電圧が発生することはない。すなわち、静圧印加時の過渡差圧が発生することはない。

しかし、図５の等価回路では、絶対圧センサがあることにより、キャパシタＣ４に電荷が蓄積されることになる。１次側については電圧が遅れなくキャパシタＣ３に印加されるが、２次側についてはキャパシタＣ３の電圧上昇に遅れが発生する。すなわち、過渡的に差圧が発生することになる。

２次側のキャパシタＣ４に電荷が流れ、同じ２次側のキャパシタＣ２にも電荷が蓄積されるため、キャパシタＣ２に電圧が発生する。１次側については印加された電圧（第１の圧力）がそのままキャパシタＣ３に加わるが、２次側については印加された電圧（第２の圧力）から、キャパシタＣ２で発生した電圧を引いた電圧がキャパシタＣ３に印加される。したがって、静圧によるゼロ点シフトが発生することになる。

次に、（Ａ）、（Ｂ）の問題を定性的に説明する。センサ素子１に静圧が加わった場合、絶対圧センサがなければ、１次側と２次側は対称なので、封入オイルの圧縮分のみ１次側、２次側共にバリアダイアフラム７４，７５は同じだけ変位する。この場合、１次側、２次側で差圧は発生しないため、差圧を計測するダイアフラム４２は変位しない。

しかし、図１のセンサ素子１では、絶対圧センサがあることにより、ダイアフラム４３が変位する。この変異に要する時間分だけ、２次側はダイアフラム４２への圧力伝達が遅れる。したがって、過渡的に差圧が発生することになる。また、ダイアフラム４３が変位すると、２次側のバリアダイアフラム７４もその分だけ１次側のバリアダイアフラム７５よりも大きく変位する。バリアダイアフラム７４，７５は、その変位量に応じて反力が大きくなる。バリアダイアフラム７４，７５の変位の差により反力にも差が出るため、反力の差の分だけ内圧差が生じる。したがって、静圧によるゼロ点シフトが発生することになる。

上記の説明では、絶対圧センサによる差圧センサへの影響について説明しているが、反対に差圧センサによる絶対圧センサへの影響も発生する。
以上のように、図１のセンサ素子１では、第１の圧力の伝達経路と第２の圧力の伝達経路が非対称となるため、（Ａ）、（Ｂ）のような問題があった。本発明では、以下のように第１の圧力の伝達経路と第２の圧力の伝達経路を対称構造とすることにより、（Ａ）、（Ｂ）の問題を解決する。

［第１の実施例］
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図６は本発明の第１の実施例に係るセンサ素子の平面図、図７は図６のＡ－Ａ線断面図、図８は図６のＢ－Ｂ線断面図である。本実施例のセンサ素子１ａは、ダイアフラムベースと、ダイアフラムベース上に搭載されたセンサチップ１０ａとから構成される。ダイアフラムベースについては、図１で説明したとおりであるので、記載を省略し、図１の符号を用いて説明する。

センサチップ１０ａは、ガラスからなる平板状の基台２と、基台２と接合されたシリコンからなる平板状の流路部材３ａと、流路部材３ａと接合されたシリコンからなる平板状の感圧部材４と、感圧部材４と接合されたシリコンからなる平板状の蓋部材５とから構成される。基台２と感圧部材４と蓋部材５については図１～図４で説明したとおりである。

流路部材３ａには、基台２と流路部材３ａとが接合されたときに貫通孔２０，２１と連通する位置に、裏面から表面まで流路部材３ａを貫く圧力導入路となる貫通孔３０，３１が形成されている。また、流路部材３ａの基台２と向かい合う裏面には、流路部材３ａの表面側が残るように裏面側を除去して形成された正方形の凹陥部３３（圧力導入室）が形成されている。流路部材３ａの凹陥部３３が形成された領域の表面側に残った部分が、ダイアフラム４３と同一のコンプライアンスを有するダミーダイアフラム３４（第５のダイアフラム）となる。

また、流路部材３ａの裏面には、一端が貫通孔３１と連通し、他端が凹陥部３３と連通する圧力導入路となる溝３５が形成されている。さらに、流路部材３ａの感圧部材４と向かい合う表面には、一端が貫通孔３０と連通し、流路部材３ａと感圧部材４とが接合されたときに他端が感圧部材４の凹陥部４０と連通する圧力導入路となる溝３２が形成されている。

貫通孔２１，３１，４７、溝５３および凹陥部５０は、ダイアフラム４２の第１の主面（上面）に第１の圧力を伝達する第１の圧力導入路を構成している。貫通孔２０，３０，４６、溝３２，５４および凹陥部４０，５１は、ダイアフラム４２の第２の主面（下面）およびダイアフラム４３の第１の主面（上面）に第２の圧力を伝達する第２の圧力導入路を構成している。

基台２と流路部材３ａとは、基台２の貫通孔２０，２１と流路部材３ａの貫通孔３０，３１とが連通するように、直接接合によって接合される。流路部材３ａと感圧部材４とは、感圧部材４の凹陥部４１が流路部材３ａのダミーダイアフラム３４を覆い、流路部材３ａの貫通孔３０，３１と感圧部材４の貫通孔４６，４７とが連通し、流路部材３ａの溝３２と感圧部材４の凹陥部４０とが連通するように、直接接合によって接合される。感圧部材４と蓋部材５とは、蓋部材５の凹陥部５０，５１が感圧部材４のダイアフラム４２，４３を覆い、感圧部材４の貫通孔４６と蓋部材５の溝５４とが連通し、感圧部材４の貫通孔４７と蓋部材５の溝５３とが連通するように、直接接合によって接合される。

図１と同様に、センサチップ１０ａとダイアフラムベース７とは、センサチップ１０ａの貫通孔２０，２１とダイアフラムベース７の貫通孔７０，７１とが連通するように、接着剤によって接合される。
ダイアフラムベース７の凹陥部７３と貫通孔７１とは、前記第１の圧力導入路と連通してダイアフラム７５が受けた第１の圧力を前記第１の圧力導入路およびダイアフラム４２へと伝達する第３の圧力導入路を構成している。ダイアフラムベース７の凹陥部７２と貫通孔７０とは、前記第２の圧力導入路と連通してダイアフラム７４が受けた第２の圧力を前記第２の圧力導入路およびダイアフラム４３へと伝達する第４の圧力導入路を構成している。

本実施例のセンサ素子１ａの等価回路を図９に示す。図９において、キャパシタＣ１はバリアダイアフラム７５のコンプライアンス、キャパシタＣ２はバリアダイアフラム７４のコンプライアンス、キャパシタＣ３はダイアフラム４２のコンプライアンス、キャパシタＣ４はダイアフラム４３のコンプライアンス、キャパシタＣ５はダミーダイアフラム３４のコンプライアンスをモデル化したものである。

抵抗器Ｒ１は第１のオイルが封入された凹陥部７３と貫通孔７１の流路抵抗、抵抗器Ｒ２は第２のオイルが封入された凹陥部７２と貫通孔７０の流路抵抗、抵抗器Ｒ３は第１のオイルが封入された貫通孔２１，３１，４７と溝５３と凹陥部５０の流路抵抗、抵抗器Ｒ４は第２のオイルが封入された貫通孔２０，３０と溝３２と凹陥部４０の流路抵抗、抵抗器Ｒ５は第２のオイルが封入された貫通孔２０，３０，４６と溝５４と凹陥部５１の流路抵抗、抵抗器Ｒ６は第１のオイルが封入された貫通孔２１，３１と溝３５と凹陥部３３の流路抵抗である。

図５と同様に、図９の等価回路では、オイルの移動量を電荷によってモデル化し、オイルの流速を電流によってモデル化し、圧力を電圧によってモデル化している。図９の等価回路では、オイルの圧縮性は無視している。
図９から分かるように、本実施例のセンサ素子１ａでは、溝３５と凹陥部３３とダミーダイアフラム３４とを設けたことにより、第１の圧力の伝達経路と第２の圧力の伝達経路が対称構造となる。したがって、本実施例では、上記の（Ａ）、（Ｂ）の問題を抑制しつつ、差圧と絶対圧とを同時に高感度に計測することができ、センサ素子の小型化が可能となる。

なお、第１の圧力の伝達経路と第２の圧力の伝達経路とを完全な対称構造とするため、キャパシタＣ１の値（バリアダイアフラム７５のコンプライアンス）とキャパシタＣ２の値（バリアダイアフラム７４のコンプライアンス）とを等しくし、キャパシタＣ４の値（ダイアフラム４３のコンプライアンス）とキャパシタＣ５の値（ダミーダイアフラム３４のコンプライアンス）とを等しくすることが望ましい。また、抵抗器Ｒ１の値（凹陥部７３と貫通孔７１の流路抵抗）と抵抗器Ｒ２の値（凹陥部７２と貫通孔７０の流路抵抗）とを等しくし、抵抗器Ｒ３の値（貫通孔２１，３１，４７と溝５３と凹陥部５０の流路抵抗）と抵抗器Ｒ４の値（貫通孔２０，３０と溝３２と凹陥部４０の流路抵抗）とを等しくし、抵抗器Ｒ５の値（貫通孔２０，３０，４６と溝５４と凹陥部５１の流路抵抗）と抵抗器Ｒ６の値（貫通孔２１，３１と溝３５と凹陥部３３の流路抵抗）とを等しくすることが望ましい。

また、本実施例では、第１の圧力の伝達経路と第２の圧力の伝達経路が対称構造であるという前提条件の下で、ダイアフラムベース７の凹陥部７３と貫通孔７１とセンサチップ１０ａの貫通孔２１，３１，４７と溝３５，５３と凹陥部３３，５０とに封入される第１のオイルの量と、ダイアフラムベース７の凹陥部７２と貫通孔７０とセンサチップ１０ａの貫通孔２０，３０，４６と溝３２，５４と凹陥部４０，５１とに封入される第２のオイルの量とを同じにすることがより望ましい。

図１～図４に示した構造では、ダイアフラム４３の下面の凹陥部４１に第１のオイルを導入しないため、第２のオイルよりも第１のオイルの量が少なくなってしまう。このようにオイル量の差があると、オイル量の差に起因して温度による圧力のゼロ点のシフトが大きくなるという問題がある。

本実施例では、溝３５と凹陥部３３とに第１のオイルを導入するため、第１のオイルの量と第２のオイルの量を同一、もしくは第１のオイルの量と第２のオイルの量の差を小さくすることができ、温度変化によるオイル膨張・収縮による特性変化（差圧のゼロ点のシフト）を低減することができる。

［第２の実施例］
次に、本発明の第２の実施例について説明する。図１０は本発明の第２の実施例に係るセンサ素子の平面図、図１１は図１０のＡ－Ａ線断面図、図１２は図１０のＢ－Ｂ線断面図である。本実施例のセンサ素子１ｂは、ダイアフラムベースと、ダイアフラムベース上に搭載されたセンサチップ１０ｂとから構成される。ダイアフラムベースについては、図１で説明したとおりであるので、記載を省略し、図１の符号を用いて説明する。

センサチップ１０ｂは、ガラスからなる平板状の基台２と、基台２と接合されたシリコンからなる平板状の流路部材３と、流路部材３と接合されたシリコンからなる平板状の感圧部材４と、感圧部材４と接合されたシリコンからなる平板状の蓋部材５ｂと、蓋部材５ｂと接合されたシリコンからなる平板状の対称性調整部材６とから構成される。基台２と流路部材３と感圧部材４については図１～図４で説明したとおりである。

蓋部材５ｂの感圧部材４と向かい合う裏面には、感圧部材４と蓋部材５ｂとが接合されたときにダイアフラム４２，４３に覆いをする位置に、蓋部材５ｂの表面側が残るように裏面側を除去して形成された正方形の２つの凹陥部５０ｂ，５１（圧力導入室）が形成されている。また、蓋部材５ｂには、感圧部材４と蓋部材５ｂとが接合されたときに貫通孔４７と連通する位置に、裏面から表面まで蓋部材５ｂを貫く圧力導入路となる貫通孔５５が形成されている。

また、蓋部材５ｂの裏面には、一端が貫通孔５５と連通し、他端が凹陥部５０ｂと連通する圧力導入路となる溝５３ｂが形成されている。さらに、蓋部材５ｂの裏面には、感圧部材４と蓋部材５ｂとが接合されたときに一端が貫通孔４６と連通し、他端が凹陥部５１と連通する圧力導入路となる溝５４が形成されている。蓋部材５ｂの凹陥部５０ｂが形成された領域の表面側に残った部分が、ダイアフラム４３と同一のコンプライアンスを有するダミーダイアフラム５６（第６のダイアフラム）となる。

対称性調整部材６の蓋部材５ｂと向かい合う裏面には、蓋部材５ｂと対称性調整部材６とが接合されたときにダミーダイアフラム５６に覆いをする位置に、対称性調整部材６の表面側が残るように裏面側を除去して形成された正方形の凹陥部６０（第２の基準室）が形成されている。また、対称性調整部材６の裏面には、対称性調整部材６の表面側が残るように裏面側を除去して形成された正方形の凹陥部６１（液量調整室）が形成されている。さらに、対称性調整部材６の裏面には、蓋部材５ｂと対称性調整部材６とが接合されたときに一端が貫通孔５５と連通し、他端が凹陥部６１と連通する圧力導入路となる溝６２が形成されている。

貫通孔２１，３１，４７，５５、溝５３ｂおよび凹陥部５０ｂは、ダイアフラム４２の第１の主面（上面）およびダミーダイアフラム５６の第１の主面（下面）に第１の圧力を伝達する第１の圧力導入路を構成している。貫通孔２０，３０，４６、溝３２，５４および凹陥部４０，５１は、ダイアフラム４２の第２の主面（下面）およびダイアフラム４３の第１の主面（上面）に第２の圧力を伝達する第２の圧力導入路を構成している。

感圧部材４と蓋部材５ｂとは、蓋部材５ｂの凹陥部５０ｂ，５１が感圧部材４のダイアフラム４２，４３を覆い、感圧部材４の貫通孔４６と蓋部材５ｂの溝５４とが連通し、感圧部材４の貫通孔４７と蓋部材５ｂの貫通孔５５とが連通するように、直接接合によって接合される。蓋部材５ｂと対称性調整部材６とは、対称性調整部材６の凹陥部６０が蓋部材５ｂのダミーダイアフラム５６を覆い、蓋部材５ｂの貫通孔５５と対称性調整部材６の溝６２とが連通するように、直接接合によって接合される。凹陥部４１（第１の基準室）と同様に、凹陥部６０（第２の基準室）は、真空状態で密封されている。

図１と同様に、センサチップ１０ｂとダイアフラムベース７とは、センサチップ１０ｂの貫通孔２０，２１とダイアフラムベース７の貫通孔７０，７１とが連通するように、接着剤によって接合される。

本実施例においても、センサ素子１ｂの等価回路は図９のようになる。キャパシタＣ１～Ｃ４は第１の実施例と同じである。キャパシタＣ５は、ダミーダイアフラム５６のコンプライアンスをモデル化したものとなる。抵抗器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ４，Ｒ５は第１の実施例と同じである。Ｒ３，Ｒ６は第１のオイルが封入された貫通孔２１，３１，４７，５５と溝５３ｂと凹陥部５０ｂの流路抵抗となる。

本実施例のセンサ素子１ｂでは、溝５３ｂと凹陥部５０ｂ，６０とダミーダイアフラム５６とを設けたことにより、第１の圧力の伝達経路と第２の圧力の伝達経路が対称構造となる。したがって、本実施例では、上記の（Ａ）、（Ｂ）の問題を抑制しつつ、差圧と絶対圧とを同時に高感度に計測することができ、センサ素子の小型化が可能となる。

第１の実施例と同様に、第１の圧力の伝達経路と第２の圧力の伝達経路とを完全な対称構造とするため、キャパシタＣ１の値（バリアダイアフラム７５のコンプライアンス）とキャパシタＣ２の値（バリアダイアフラム７４のコンプライアンス）とを等しくし、キャパシタＣ４の値（ダイアフラム４３のコンプライアンス）とキャパシタＣ５の値（ダミーダイアフラム５６のコンプライアンス）とを等しくすることが望ましい。また、抵抗器Ｒ１の値（凹陥部７３と貫通孔７１の流路抵抗）と抵抗器Ｒ２の値（凹陥部７２と貫通孔７０の流路抵抗）とを等しくし、抵抗器Ｒ３の値（貫通孔２１，３１，４７，５５と溝５３ｂと凹陥部５０ｂの流路抵抗）と抵抗器Ｒ４の値（貫通孔２０，３０と溝３２と凹陥部４０の流路抵抗）とを等しくし、抵抗器Ｒ５の値（貫通孔２０，３０，４６と溝５４と凹陥部５１の流路抵抗）と抵抗器Ｒ６の値（貫通孔２１，３１，４７，５５と溝５３ｂと凹陥部５０ｂの流路抵抗）とを等しくすることが望ましい。

また、本実施例では、第１の圧力の伝達経路と第２の圧力の伝達経路が対称構造であるという前提条件の下で、ダイアフラムベース７の凹陥部７３と貫通孔７１とセンサチップ１０ｂの貫通孔２１，３１，４７，５５と溝５３ｂ，６２と凹陥部５０ｂ，６１とに封入される第１のオイルの量と、ダイアフラムベース７の凹陥部７２と貫通孔７０とセンサチップ１０ｂの貫通孔２０，３０，４６と溝３２，５４と凹陥部４０，５１とに封入される第２のオイルの量とを同じにすることがより望ましい。

本実施例では、溝６２と凹陥部６１とに第１のオイルを導入するため、第１のオイルの量と第２のオイルの量を同一、もしくは第１のオイルの量と第２のオイルの量の差を小さくすることができ、温度変化によるオイル膨張・収縮による特性変化（差圧のゼロ点のシフト）を低減することができる。

［第３の実施例］
次に、本発明の第３の実施例について説明する。図１３は本発明の第３の実施例に係るセンサ素子の平面図、図１４は図１３のＡ－Ａ線断面図、図１５は図１３のＢ－Ｂ線断面図である。本実施例のセンサ素子１ｃは、ダイアフラムベースと、ダイアフラムベース上に搭載されたセンサチップ１０ｃとから構成される。ダイアフラムベースについては、図１で説明したとおりであるので、記載を省略し、図１の符号を用いて説明する。

センサチップ１０ｃは、ガラスからなる平板状の基台２と、基台２と接合されたシリコンからなる平板状の流路部材３と、流路部材３と接合されたシリコンからなる平板状の感圧部材４と、感圧部材４と接合されたシリコンからなる平板状の蓋部材５ｃと、蓋部材５ｃと接合されたシリコンからなる平板状の対称性調整部材６ｃとから構成される。基台２と流路部材３と感圧部材４については図１～図４で説明したとおりである。

蓋部材５ｃの感圧部材４と向かい合う裏面には、感圧部材４と蓋部材５ｃとが接合されたときにダイアフラム４２，４３に覆いをする位置に、蓋部材５ｃの表面側が残るように裏面側を除去して形成された正方形の２つの凹陥部５０ｃ，５１（圧力導入室）が形成されている。また、蓋部材５ｃの裏面には、感圧部材４と蓋部材５ｃとが接合されたときに一端が貫通孔４７と連通し、他端が凹陥部５０ｃと連通する圧力導入路となる溝５３ｃが形成されている。さらに、蓋部材５ｃの裏面には、感圧部材４と蓋部材５ｃとが接合されたときに一端が貫通孔４６と連通し、他端が凹陥部５１と連通する圧力導入路となる溝５４が形成されている。蓋部材５ｃの凹陥部５０ｃが形成された領域の表面側に残った部分が、ダイアフラム４３と同一のコンプライアンスを有するダミーダイアフラム５６となる。

対称性調整部材６ｃの蓋部材５ｃと向かい合う裏面には、第２の実施例と同様に凹陥部６０が形成されている。
貫通孔２１，３１，４７、溝５３ｃおよび凹陥部５０ｃは、ダイアフラム４２の第１の主面（上面）およびダミーダイアフラム５６の第１の主面（下面）に第１の圧力を伝達する第１の圧力導入路を構成している。貫通孔２０，３０，４６、溝３２，５４および凹陥部４０，５１は、ダイアフラム４２の第２の主面（下面）およびダイアフラム４３の第１の主面（上面）に第２の圧力を伝達する第２の圧力導入路を構成している。

感圧部材４と蓋部材５ｃとは、蓋部材５ｃの凹陥部５０ｃ，５１が感圧部材４のダイアフラム４２，４３を覆い、感圧部材４の貫通孔４６と蓋部材５ｃの溝５４とが連通し、感圧部材４の貫通孔４７と蓋部材５ｃの溝５３ｃとが連通するように、直接接合によって接合される。蓋部材５ｃと対称性調整部材６ｃとは、対称性調整部材６ｃの凹陥部６０が蓋部材５ｃのダミーダイアフラム５６を覆うように、直接接合によって接合される。

図１と同様に、センサチップ１０ｃとダイアフラムベース７とは、センサチップ１０ｃの貫通孔２０，２１とダイアフラムベース７の貫通孔７０，７１とが連通するように、接着剤によって接合される。

本実施例においても、センサ素子１ｃの等価回路は図９のようになる。キャパシタＣ１～Ｃ４は第１の実施例と同じである。キャパシタＣ５は、ダミーダイアフラム５６のコンプライアンスをモデル化したものとなる。抵抗器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ４，Ｒ５は第１の実施例と同じである。Ｒ３，Ｒ６は第１のオイルが封入された貫通孔２１，３１，４７と溝５３ｃと凹陥部５０ｃの流路抵抗となる。

本実施例のセンサ素子１ｃでは、溝５３ｃと凹陥部５０ｃ，６０とダミーダイアフラム５６とを設けたことにより、第１の圧力の伝達経路と第２の圧力の伝達経路が対称構造となる。したがって、本実施例では、上記の（Ａ）、（Ｂ）の問題を抑制しつつ、差圧と絶対圧とを同時に高感度に計測することができ、センサ素子の小型化が可能となる。

第１の実施例と同様に、第１の圧力の伝達経路と第２の圧力の伝達経路とを完全な対称構造とするため、キャパシタＣ１の値（バリアダイアフラム７５のコンプライアンス）とキャパシタＣ２の値（バリアダイアフラム７４のコンプライアンス）とを等しくし、キャパシタＣ４の値（ダイアフラム４３のコンプライアンス）とキャパシタＣ５の値（ダミーダイアフラム５６のコンプライアンス）とを等しくすることが望ましい。また、抵抗器Ｒ１の値（凹陥部７３と貫通孔７１の流路抵抗）と抵抗器Ｒ２の値（凹陥部７２と貫通孔７０の流路抵抗）とを等しくし、抵抗器Ｒ３の値（貫通孔２１，３１，４７と溝５３ｃと凹陥部５０ｃの流路抵抗）と抵抗器Ｒ４の値（貫通孔２０，３０と溝３２と凹陥部４０の流路抵抗）とを等しくし、抵抗器Ｒ５の値（貫通孔２０，３０，４６と溝５４と凹陥部５１の流路抵抗）と抵抗器Ｒ６の値（貫通孔２１，３１，４７と溝５３ｃと凹陥部５０ｃの流路抵抗）とを等しくすることが望ましい。

また、本実施例では、第１の圧力の伝達経路と第２の圧力の伝達経路が対称構造であるという前提条件の下で、ダイアフラムベース７の凹陥部７３と貫通孔７１とセンサチップ１０ｃの貫通孔２１，３１，４７と溝５３ｃと凹陥部５０ｃとに封入される第１のオイルの量と、ダイアフラムベース７の凹陥部７２と貫通孔７０とセンサチップ１０ｃの貫通孔２０，３０，４６と溝３２，５４と凹陥部４０，５１とに封入される第２のオイルの量とを同じにすることがより望ましい。

ただし、本実施例では、第２の実施例と異なり、対称性調整部材６ｃに溝６２と凹陥部６１とが無いため、第１のオイルの量と第２のオイルの量を同一にすることは難しい。
そこで、第１の圧力の伝達経路と第２の圧力の伝達経路が対称構造であるという前提条件が成立するのであれば、図１６、図１７に示すように、基台２の貫通孔２１の径を貫通孔２０の径よりも大きくして、第１のオイルの量と第２のオイルの量が同一になるか、もしくは第１のオイルの量と第２のオイルの量の差が小さくなるようにしてもよい。図１７は図１６のＢ－Ｂ線断面図である。

また、第１の圧力の伝達経路と第２の圧力の伝達経路が対称構造であるという前提条件が成立するのであれば、図１８に示すように、蓋部材５ｃの凹陥部５０ｃの容積を大きくして、第１のオイルの量と第２のオイルの量が同一になるか、もしくは第１のオイルの量と第２のオイルの量の差が小さくなるようにしてもよい。

図１６～図１８の構造は、第１、第２の実施例に適用することも可能である。図１８の構造を第１、第２の実施例に適用する場合には、第１のオイルの量と第２のオイルの量が同一になるか、もしくは第１のオイルの量と第２のオイルの量の差が小さくなるように、凹陥部５０，５０ｂの容積を大きくすればよい。

［第４の実施例］
第２、第３の実施例では、第２の圧力のゲージ圧を計測することも可能である。図１９は本発明の第４の実施例に係るセンサ素子の平面図、図２０は図１９のＡ－Ａ線断面図、図２１は図１９のＢ－Ｂ線断面図である。本実施例のセンサ素子１ｄは、ダイアフラムベースと、ダイアフラムベース上に搭載されたセンサチップ１０ｄとから構成される。ダイアフラムベースについては、図１で説明したとおりであるので、記載を省略し、図１の符号を用いて説明する。

センサチップ１０ｄは、ガラスからなる平板状の基台２と、基台２と接合されたシリコンからなる平板状の流路部材３と、流路部材３と接合されたシリコンからなる平板状の感圧部材４ｄと、感圧部材４ｄと接合されたシリコンからなる平板状の蓋部材５ｂと、蓋部材５ｂと接合されたシリコンからなる平板状の対称性調整部材６とから構成される。基台２と流路部材３と蓋部材５ｂと対称性調整部材６については第２の実施例で説明したとおりである。

感圧部材４ｄは、第２の実施例の感圧部材４において、一端が凹陥部４１と連通し、他端が感圧部材４ｄの側面に開口する圧力導入路となる溝４８を裏面に形成したものである。本実施例では、ダイアフラム４３に形成された歪みゲージ４５－１～４５－４は、外部の回路と共にゲージ圧計測用のホイートストンブリッジ回路を構成する。ゲージ圧計測用のホイートストンブリッジ回路により、ダイアフラム４３の上面に印加される第２の圧力のゲージ圧を計測することができる。その他の構成は第２の実施例で説明したとおりである。

こうして、本実施例では、差圧とゲージ圧を同時に高精度に計測することができる。本実施例では、ゲージ圧計測用の構造を第２の実施例に適用したが、第３の実施例に適用してもよいことは言うまでもない。

以上、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明した。しかしながら、本発明の技術的範囲はかかる例に限定されない。本発明の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、様々な変形例に想到しうることは明らかであり、これらの変形例についても、当然に本発明の技術的範囲に属する。

１ａ～１ｄ…センサ素子、２…基台、３，３ａ…流路部材、４…感圧部材、５，５ｂ，５ｃ…蓋部材、６，６ｃ…対称性調整部材、７…ダイアフラムベース、１０ａ～１０ｄ…センサチップ、２０，２１，３０，３１，４６，４７，５５，７０，７１…貫通孔、３２，３５，４８，５３，５３ｂ，５３ｃ，５４，６２…溝、３３，４０，４１，５０，５０ｂ，５０ｃ，５１，６０，６１，７２，７３…凹陥部、３４，５６…ダミーダイアフラム、４２，４３…ダイアフラム、４４－１～４４－４，４５－１～４５－４…歪みゲージ、７４，７５…バリアダイアフラム。

Claims (5)

1. センサチップとこのセンサチップの一面に接合されるダイアフラムベースから構成されるセンサ素子であって、
   前記センサチップは、
   第１の圧力と第２の圧力の差圧計測用の第１のダイアフラムと、
   前記第２の圧力の絶対圧計測用またはゲージ圧計測用の第２のダイアフラムと、
   前記第１のダイアフラムに前記第１の圧力を伝達する第１の圧力導入路と、
   前記第１のダイアフラムと前記第２のダイアフラムに前記第２の圧力を伝達する第２の圧力導入路とを備え、
   前記ダイアフラムベースは、
   前記第１の圧力を有する計測対象の流体を直接受ける第３のダイアフラムと、
   前記第２の圧力を有する計測対象の流体を直接受ける第４のダイアフラムと、
   前記第１の圧力導入路と連通して前記第３のダイアフラムが受けた前記第１の圧力を前記第１の圧力導入路および前記第１のダイアフラムへと伝達する第３の圧力導入路と、
   前記第２の圧力導入路と連通して前記第４のダイアフラムが受けた前記第２の圧力を前記第２の圧力導入路および前記第２のダイアフラムへと伝達する第４の圧力導入路とを備え、
   前記第１の圧力導入路から前記第３の圧力導入路には、前記第１のダイアフラムに前記第１の圧力を伝達することが可能な第１の圧力伝達媒体が封入され、前記第２の圧力導入路から前記第４の圧力導入路には、前記第１のダイアフラムと前記第２のダイアフラムに前記第２の圧力を伝達することが可能な第２の圧力伝達媒体が封入されるとともに、
   前記第１および第２の圧力伝達媒体の移動量を電荷によってモデル化し、前記第１および第２の圧力伝達媒体の流速を電流によってモデル化し、前記第１の圧力と前記第２の圧力を電圧によってモデル化し、前記第１～第４のダイアフラムのコンプライアンスをキャパシタンスでモデル化し、前記第１～第４の圧力導入路の流路抵抗を電気抵抗によってモデル化して、前記第１および第２のダイアフラムへの前記第１、第２の圧力の伝達を等価回路によって表したときに、前記第１の圧力の伝達経路と前記第２の圧力の伝達経路が対称である、センサ素子。
2. 前記第２の圧力が伝達される前記絶対圧計測用またはゲージ圧計測用の第２のダイアフラムの第１の主面と反対側の第２の主面に配設された基準室と、
   前記基準室を間に挟んで前記絶対圧計測用またはゲージ圧計測用の第２のダイアフラムと対向するように配設された第５のダイアフラムとをさらに備え、
   前記第１の圧力導入路は、前記第５のダイアフラムの前記基準室と向かい合う第１の主面と反対側の第２の主面に前記第１の圧力を伝達し、
   前記第１、第２および第５のダイアフラムへの前記第１、第２の圧力の伝達を前記等価回路によって表したときに、前記第１の圧力の伝達経路と前記第２の圧力の伝達経路が対称である、請求項１記載のセンサ素子。
3. 前記第２の圧力が伝達される前記絶対圧計測用またはゲージ圧計測用の第２のダイアフラムの第１の主面と反対側の第２の主面に配設された第１の基準室と、
   前記差圧計測用の第１のダイアフラムに前記第１の圧力を伝達する前記第１の圧力導入路を間に挟んで前記差圧計測用の第１のダイアフラムと対向するように配設された第６のダイアフラムと、
   前記第６のダイアフラムの前記第１の圧力導入路と向かい合う第１の主面と反対側の第２の主面に配設された第２の基準室とをさらに備え、
   前記第１、第２および第６のダイアフラムへの前記第１、第２の圧力の伝達を前記等価回路によって表したときに、前記第１の圧力の伝達経路と前記第２の圧力の伝達経路が対称である、請求項１記載のセンサ素子。
4. 前記第１の圧力導入路に満たされる前記第１の圧力伝達媒体の量と、前記第２の圧力導入路に満たされる前記第２の圧力伝達媒体の量が同一である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセンサ素子。
5. 前記第１の圧力伝達媒体の量と前記第２の圧力伝達媒体の量とが同じになるように、前記第１の圧力導入路の途中に設けられた液量調整室をさらに備える、請求項４記載のセンサ素子。

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