KR101532147B1 - 압력 센서 칩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 센서 다이어프램의 구속에 의한 응력 발생을 저감하고, 다이어프램 엣지로의 응력 집중을 방지하여, 기대되는 내압을 확보하는 것을 과제로 한다.
스토퍼 부재(11-2)의 내부의 센서 다이어프램(11-1)의 수압면과 평행한 면(PL)의 일부에, 도압 구멍(11-2b)의 둘레부에 연통하는 비접합 영역(SA)을 마련한다. 예컨대, 2분할된 한쪽의 스토퍼 부재(11-21)와 다른 쪽의 스토퍼 부재(11-22)를, 비접합 영역(SA)이 마련된 면(PL)의 비접합 영역(SA)을 제외한 영역(SB)끼리 접합함으로써 하나의 스토퍼 부재(11-2)로 한다. 이에 따라, 센서 다이어프램(11-1)의 수압면과 평행한 면(PL)을, 도압 구멍(11-2b)의 둘레부에 연통하는 비접합 영역(SA)과, 도압 구멍(11-2b)의 둘레부에는 연통하지 않는 접합 영역(SB)으로 나눈다.

Description

압력 센서 칩{PRESSURE SENSOR CHIP}
본 발명은, 한쪽 면 및 다른 쪽 면에 받는 압력차에 따른 신호를 출력하는 센서 다이어프램을 이용한 압력 센서 칩, 예컨대 압력을 받아 변위하는 박판형의 다이어프램 상에 왜곡 저항 게이지를 형성하고, 다이어프램에 형성된 왜곡 저항 게이지의 저항치 변화로부터 다이어프램에 가해진 압력을 검출하는 압력 센서 칩에 관한 것이다.
종래부터, 공업용 차압 센서로서, 한쪽 면 및 다른 쪽 면에 받는 압력차에 따른 신호를 출력하는 센서 다이어프램을 이용한 압력 센서 칩을 내장시킨 차압 센서가 이용되고 있다. 이 차압 센서는, 고압측 및 저압측의 수압 다이어프램에 가해지는 각 측정압을, 압력 전달 매체로서의 봉입액에 의해서 센서 다이어프램의 한쪽 면 및 다른 쪽 면으로 유도하여, 그 센서 다이어프램의 왜곡을, 예컨대 왜곡 저항 게이지의 저항치 변화로서 검출하고, 이 저항치 변화를 전기 신호로 변환하여 취출하도록 구성되어 있다.
이러한 차압 센서는, 예컨대 석유 정제 플랜트에서의 고온 반응탑 등의 피측정 유체를 저장하는 밀폐 탱크 내의 상하 2위치의 차압을 검출함으로써, 액면 높이를 측정할 때 등에 이용된다.
도 10에 종래의 차압 센서의 개략 구성을 나타낸다. 이 차압 센서(100)는, 센서 다이어프램(도시하지 않음)을 갖는 압력 센서 칩(1)을 미터바디(2)에 내장시켜 구성된다. 압력 센서 칩(1)에서의 센서 다이어프램은, 실리콘이나 유리 등으로 이루어지며, 박판형으로 형성된 다이어프램의 표면에 왜곡 저항 게이지가 형성되어 있다. 미터바디(2)는, 금속제의 본체부(3)와 센서부(4)를 포함하며, 본체부(3)의 측면에 한쌍의 수압부를 이루는 배리어 다이어프램(수압 다이어프램)(5a, 5b)이 설치되고, 센서부(4)에 압력 센서 칩(1)이 내장되어 있다.
미터바디(2)에 있어서, 센서부(4)에 내장된 압력 센서 칩(1)과 본체부(3)에 설치된 배리어 다이어프램(5a, 5b) 사이는, 대직경의 센터 다이어프램(6)에 의해 격리된 압력 완충실(7a, 7b)을 개재하여 각각 연통되고, 압력 센서 칩(1)과 배리어 다이어프램(5a, 5b)을 연결하는 연통로(8a, 8b)에, 실리콘 오일 등의 압력 전달 매체(9a, 9b)가 봉입되어 있다.
또한, 실리콘 오일 등의 압력 매체가 필요하게 되는 것은, 센서 다이어프램에 대한 계측 매체 중의 이물 부착을 방지하는 것, 센서 다이어프램을 부식시키지 않기 위해, 내식성을 갖는 수압 다이어프램과 응력(압력) 감도를 갖는 센서 다이어프램을 분리할 필요가 있기 때문이다.
이 차압 센서(100)에서는, 도 11의 (a)에 정상 상태시의 동작 양태를 모식적으로 나타낸 바와 같이, 프로세스로부터의 제1 유체 압력(제1 측정압)(Pa)이 배리어 다이어프램(5a)에 인가되고, 프로세스로부터의 제2 유체 압력(제2 측정압)(Pb)이 배리어 다이어프램(5b)에 인가된다. 이에 따라, 배리어 다이어프램(5a, 5b)이 변위하고, 그 가해진 압력(Pa, Pb)이 센터 다이어프램(6)에 의해 격리된 압력 완충실(7a, 7b)을 통하고, 압력 전달 매체(9a, 9b)를 통해서, 압력 센서 칩(1)의 센서 다이어프램의 한쪽 면 및 다른 쪽 면으로 각각 유도된다. 그 결과, 압력 센서 칩(1)의 센서 다이어프램은, 그 유도된 압력(Pa, Pb)의 차압(ΔP)에 해당하는 변위를 나타내게 된다.
이에 비해, 예컨대, 배리어 다이어프램(5a)에 과대압(Pover)이 가해지면, 도 11의 (b)에 나타낸 바와 같이 배리어 다이어프램(5a)이 크게 변위하고, 이것에 따라서 센터 다이어프램(6)이 과대압(Pover)을 흡수하도록 변위한다. 그리고, 배리어 다이어프램(5a)이 미터바디(2)의 오목부(10a)의 바닥면(과대압 보호면)에 착저하여, 그 변위가 규제되면, 배리어 다이어프램(5a)을 통과한 센서 다이어프램으로의 그 이상의 차압(ΔP)의 전달이 저지된다. 배리어 다이어프램(5b)에 과대압(Pover)이 가해진 경우도, 배리어 다이어프램(5a)에 과대압(Pover)이 가해진 경우와 마찬가지로, 배리어 다이어프램(5b)이 미터바디(2)의 오목부(10b)의 바닥면(과대압 보호면)에 착저하여, 그 변위가 규제되면, 배리어 다이어프램(5b)을 통과한 센서 다이어프램으로의 그 이상의 차압(ΔP)의 전달이 저지된다. 그 결과, 과대압(Pover)의 인가에 의한 압력 센서 칩(1)의 파손, 즉 압력 센서 칩(1)에서의 센서 다이어프램의 파손이 미연에 방지된다.
이 차압 센서(100)에서는, 미터바디(2)에 압력 센서 칩(1)을 내포시키고 있기 때문에, 프로세스 유체 등 외부 부식 환경으로부터 압력 센서 칩(1)을 보호할 수 있다. 그러나, 센터 다이어프램(6)이나 배리어 다이어프램(5a, 5b)의 변위를 규제하기 위한 오목부(10a, 10b)를 구비하고, 이들에 의해서 압력 센서 칩(1)을 과대압(Pover)으로부터 보호하는 구조를 취하고 있기 때문에, 그 형상이 대형화하는 것을 피할 수 없다.
따라서, 압력 센서 칩에 제1 스토퍼 부재 및 제2 스토퍼 부재를 설치하고, 이 제1 스토퍼 부재 및 제2 스토퍼 부재의 오목부를 센서 다이어프램의 한쪽 면 및 다른 쪽 면에 대치시킴으로써, 과대압이 인가되었을 때의 센서 다이어프램의 과도한 변위를 저지하고, 이것에 의해서 센서 다이어프램의 파손ㆍ파괴를 방지하는 구조가 제안되어 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조).
도 12에 특허문헌 1에 나타낸 구조를 채용한 압력 센서 칩의 개략을 나타낸다. 도 12에 있어서, 11-1은 센서 다이어프램, 11-2 및 11-3은 센서 다이어프램(11-1)을 사이에 두고 접합된 제1 및 제2 스토퍼 부재, 11-4 및 11-5는 스토퍼 부재(11-2 및 11-3)에 접합된 제1 및 제2 대좌이다. 스토퍼 부재(11-2, 11-3)나 대좌(11-4, 11-5)는 실리콘이나 유리 등에 의해 구성되어 있다.
이 압력 센서 칩(11)에 있어서, 스토퍼 부재(11-2, 11-3)에는 오목부(11-2a, 11-3a)가 형성되어 있고, 스토퍼 부재(11-2)의 오목부(11-2a)를 센서 다이어프램(11-1)의 한쪽 면에 대치시키고, 스토퍼 부재(11-3)의 오목부(11-3a)를 센서 다이어프램(11-1)의 다른 쪽 면에 대치시키고 있다. 오목부(11-2a, 11-3a)는, 센서 다이어프램(11-1)의 변위를 따르는 곡면(비구면)으로 되어 있고, 그 꼭대기부에 압력 도입 구멍(도압 구멍)(11-2b, 11-3b)이 형성되어 있다. 또, 대좌(11-4, 11-5)에도, 스토퍼 부재(11-2, 11-3)의 도압 구멍(11-2b, 11-3b)에 대응하는 위치에, 압력 도입 구멍(도압 구멍)(11-4a, 11-5a)이 형성되어 있다.
이러한 압력 센서 칩(11)을 이용하면, 센서 다이어프램(11-1)의 한쪽 면에 과대압이 인가되어 센서 다이어프램(11-1)이 변위했을 때, 그 변위면 전체가 스토퍼 부재(11-3)의 오목부(11-3a)의 곡면에 의해 받혀진다. 또, 센서 다이어프램(11-1)의 다른 쪽 면에 과대압이 인가되어 센서 다이어프램(11-1)이 변위했을 때, 그 변위면 전체가 스토퍼 부재(11-2)의 오목부(11-2a)의 곡면에 의해 받혀진다.
이에 따라, 센서 다이어프램(11-1)에 과대압이 인가되었을 때의 과도한 변위가 저지되고, 센서 다이어프램(11-1)의 둘레 가장자리부에 응력 집중이 생기지 않도록 하여, 과대압의 인가에 의한 센서 다이어프램(11-1)의 의도하지 않은 파괴를 효과적으로 방지하여, 그 과대압 보호 동작 압력(내압)을 높이는 것이 가능해진다. 또, 도 10에 나타낸 구조에 있어서, 센터 다이어프램(6)이나 압력 완충실(7a, 7b)을 없애고, 배리어 다이어프램(5a, 5b)으로부터 센서 다이어프램(11-1)에 대하여 직접적으로 측정압(Pa, Pb)을 유도하도록 하여, 미터바디(2)의 소형화를 도모하는 것이 가능해진다.
특허문헌 1 : 일본 특허 공개 제2005-69736호 공보
그러나, 도 12에 나타낸 압력 센서 칩(11)의 구조에 있어서, 스토퍼 부재(11-2 및 11-3)는, 센서 다이어프램(11-1)의 한쪽 면 및 다른 쪽 면에, 그 둘레 가장자리부(11-2c 및 11-3c)의 전면(全面)을 접합시키고 있다. 즉, 스토퍼 부재(11-2)의 오목부(11-2a)를 둘러싸는 둘레 가장자리부(11-2c)를 센서 다이어프램(11-1)의 한쪽 면에 대면시키고, 이 대면하는 둘레 가장자리부(11-2c)의 전체 영역을 센서 다이어프램(11-1)의 한쪽 면에 직접 접합하고 있다. 또, 스토퍼 부재(11-3)의 오목부(11-3a)를 둘러싸는 둘레 가장자리부(11-3c)를 센서 다이어프램(11-1)의 다른 쪽 면에 대면시키고, 이 대면하는 둘레 가장자리부(11-3c)의 전체 영역을 센서 다이어프램(11-1)의 다른 쪽 면에 직접 접합하고 있다.
이러한 구조의 경우, 스토퍼 부재(11-2)에 의한 과대압 보호 동작 압력(내압)을 넘는 과대한 압력이 인가되면, 센서 다이어프램(11-1)이 휘어져 스토퍼 부재(11-2)의 오목부(11-2a)에 착저한 후, 이 상태로 센서 다이어프램(11-1)은 스토퍼 부재(11-2)와 함께 더욱 휘어진다. 그렇게 되면, 인장 응력이 가장 많이 발생하는 압력이 인가된 측의 센서 다이어프램(11-1)의 엣지 부근(도 12 중의 일점쇄선으로 둘러싸인 부위)이 양면 모두 구속 상태이기 때문에, 그 개소에 응력 집중이 발생하여, 기대되는 내압을 확보할 수 없다고 하는 문제가 있었다.
또한, 스토퍼 부재(11-2, 11-3)의 오목부(11-2a, 11-3a)의 개구 사이즈에 제작상 어긋남이 있으면, 센서 다이어프램(11-1)의 구속 개소에 위치 어긋남이 생기기 때문에, 그 영향으로 응력 집중이 보다 현저해지는 경우가 있다. 이 경우, 센서 다이어프램(11-1)의 착저 이상에 따른 응력 집중도 겹쳐져, 내압이 한층 더 저하되어 버릴 우려가 있다.
본 발명은, 이러한 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 센서 다이어프램의 구속에 의한 응력 발생을 저감하고, 다이어프램 엣지로의 응력 집중을 방지하여, 기대되는 내압을 확보하는 것이 가능한 압력 센서 칩을 제공하는 것에 있다.
이러한 목적을 달성하기 위해서 본 발명은, 한쪽 면 및 다른 쪽 면에 받는 압력차에 따른 신호를 출력하는 센서 다이어프램과, 이 센서 다이어프램의 한쪽 면 및 다른 쪽 면에 그 둘레 가장자리부를 대면시켜 접합되고, 센서 다이어프램으로 측정압을 유도하는 도압 구멍을 갖는 제1 및 제2 유지 부재를 구비한 압력 센서 칩에서, 제1 유지 부재는, 도압 구멍의 둘레부에 연통하는 비접합 영역을 내부에 가지며, 제1 유지 부재의 내부의 비접합 영역은, 센서 다이어프램의 수압면(受壓面)과 평행한 면의 일부에 설치되고, 제2 유지 부재는, 센서 다이어프램에 과대압이 인가되었을 때의 센서 다이어프램의 과도한 변위를 저지하는 오목부를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 센서 다이어프램의 한쪽 면에 고압의 측정압이 가해진 경우, 센서 다이어프램은 제2 유지 부재측으로 휘어져, 다이어프램 엣지에 벌어짐이 발생하려고 한다. 이 경우, 본 발명에서는, 제1 유지 부재의 내부에 설치되어 있는 비접합 영역에 도압 구멍을 통해서 측정압이 유도되기 때문에, 이 비접합 영역이 측정압의 수압면이 되어, 제1 유지 부재를 제2 유지 부재 및 다이어프램과 동일한 방향으로 휘어서 추종 변형시킴으로써, 다이어프램 엣지에 벌어짐을 발생시키지 않도록 한다. 이에 따라, 센서 다이어프램의 구속에 의한 응력 발생이 저감되고, 다이어프램으로의 응력 집중이 방지된다.
또, 본 발명에 있어서, 제1 유지 부재의 내부에, 비접합 영역에 연속하는, 제1 유지 부재의 두께 방향으로 돌출된 고리형 홈을 형성하도록 하면, 이 비접합 영역에 연속하는 고리형 홈의 내부에 응력이 분산되는 것으로 되어, 더욱 고내압으로 하는 것이 가능해진다.
본 발명에 있어서, 센서 다이어프램 상에서 고압측의 측정압을 받는 면이 반드시 결정되어 있는 경우에는, 센서 다이어프램의 한쪽 면을 고압측의 측정압의 수압면으로 하고, 다른 쪽 면을 저압측의 측정압의 수압면으로 한다. 즉, 센서 다이어프램 상에서 고압측의 측정압을 받는 면이 반드시 결정되어 있는 경우에는, 센서 다이어프램의 한쪽 면을 고압측의 측정압의 수압면으로 하고, 제1 유지 부재의 내부의 비접합 영역에 도압 구멍을 통해서 고압측의 측정압이 유도되도록 한다.
본 발명에 있어서, 제1 유지 부재에도 센서 다이어프램에 과대압이 인가되었을 때의 센서 다이어프램의 과도한 변위를 저지하는 오목부를 구비할 뿐만 아니라, 제2 유지 부재에 관해서도, 제1 유지 부재와 마찬가지로, 비접합 영역을 내부에 설치하도록 해도 좋다. 이와 같이 하면, 센서 다이어프램의 어느 면이 고압측의 측정압의 수압면이 되더라도, 다이어프램 엣지에 벌어짐이 발생되지 않도록 하여, 센서 다이어프램의 구속에 의한 응력 발생을 저감하고, 다이어프램 엣지로의 응력 집중을 방지하는 것이 가능해진다.
본 발명에 있어서, 제1 유지 부재의 내부의 비접합 영역은, 접합되어 있지 않은 영역이면 되고, 면끼리 접촉하고 있어도 좋고 접촉하지 않아도 좋다. 예컨대, 플라즈마나 약액 등에 의해 표면을 거칠게 하거나 하여, 면끼리 접하고는 있지만, 접합은 되어 있지 않은 영역으로서 형성하도록 한다. 또, 미소한 단차로서 형성하도록 해도 좋다.
본 발명에 의하면, 제1 유지 부재의 내부에 도압 구멍의 둘레부에 연통하는 비접합 영역을 설치하고, 이 제1 유지 부재의 내부의 비접합 영역을, 센서 다이어프램의 수압면과 평행한 면의 일부에 설치하도록 했기 때문에, 제1 유지 부재의 내부의 비접합 영역이 수압면이 되어, 제1 유지 부재에 가해지는 역방향으로의 힘을 억제하고, 다이어프램 엣지에 벌어짐을 발생시키지 않도록 하여, 센서 다이어프램의 구속에 의한 응력의 발생을 저감하고, 다이어프램 엣지로의 응력 집중을 방지하여, 기대되는 내압을 확보하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명에 따른 압력 센서 칩의 제1 실시형태(실시형태 1)의 개략을 나타내는 도면이다.
도 2는 이 압력 센서 칩의 제1 실시형태(실시형태 1)에 있어서 센서 다이어프램이 스토퍼 부재의 오목부에 착저한 후의 상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 이 압력 센서 칩에 있어서 스토퍼 부재 내의 비접합 영역을 미소한 단차로서 형성한 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 압력 센서 칩의 제2 실시형태(실시형태 2)의 개략을 나타내는 도면이다.
도 5는 이 압력 센서 칩에 있어서 스토퍼 부재의 내부의 고리형 홈을 슬릿형(직사각형 단면)의 고리형 홈으로 한 예를 나타내는 도면이다.
도 6은 이 압력 센서 칩의 제2 실시형태(실시형태 2)에 있어서 센서 다이어프램이 스토퍼 부재의 오목부에 착저한 후의 상태를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 압력 센서 칩의 제3 실시형태(실시형태 3)의 개략을 나타내는 도면이다.
도 8은 다이어프램 엣지에 발생하는 응력의 비율을 종래 구조로 한 경우를 100%로 하여, 각 구조와 비교하여 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 압력 센서 칩의 제4 실시형태(실시형태 3)의 개략을 나타내는 도면이다.
도 10은 종래의 차압 센서의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 11은 이 차압 센서의 동작 양태를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 12는 특허문헌 1에 나타낸 구조를 채용한 센서 칩의 개략을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 기초하여 상세히 설명한다.
〔실시형태 1〕
도 1은 본 발명에 따른 압력 센서 칩의 제1 실시형태(실시형태 1)의 개략을 나타내는 도면이다. 도 1에 있어서, 도 12와 동일한 부호는 도 12를 참조하여 설명한 구성 요소와 동일 또는 동등한 구성 요소를 나타내고, 그 설명은 생략한다. 또한, 이 실시형태에서는, 압력 센서 칩을 부호 11A로 나타내어, 도 12에 나타낸 압력 센서 칩(11)과 구별한다.
이 압력 센서 칩(11A)에 있어서, 스토퍼 부재(11-2)는, 도압 구멍(11-2b)의 둘레부에 연통하는 비접합 영역(SA)을 내부에 갖고 있다. 이 비접합 영역(SA)은, 센서 다이어프램(11-1)의 수압면과 평행한 면(PL)의 일부에 마련되어 있다. 비접합 영역(SA)은, 플라즈마나 약액 등에 의해 표면을 거칠게 하거나 하여, 면끼리 접하고는 있지만, 접합은 되어 있지 않은 영역으로서 형성되어 있다.
이 예에 있어서, 스토퍼 부재(11-2)는, 센서 다이어프램(11-1)의 수압면과 평행한 면(PL)으로 2분할되어 있고, 이 2분할된 한쪽의 스토퍼 부재(11-21)와 다른 쪽의 스토퍼 부재(11-22)를, 비접합 영역(SA)이 마련된 면(PL)의 비접합 영역(SA)을 제외한 영역(SB)끼리 접합함으로써 하나의 스토퍼 부재(11-2)로 하고 있다. 이에 따라, 센서 다이어프램(11-1)의 수압면과 평행한 면(PL)은, 도압 구멍(11-2b)의 둘레부에 연통하는 비접합 영역(SA)과, 도압 구멍(11-2b)의 둘레부에는 연통하지 않는 접합 영역(SB)으로 나누어져 있다.
이 압력 센서 칩(11A)에 있어서, 측정압(Pa)을 고압측의 측정압으로 하고, 측정압(Pb)을 저압측의 측정압으로 한 경우, 센서 다이어프램(11-1)의 한쪽 면에 고압측의 측정압(Pa)이 가해지면, 센서 다이어프램(11-1)은 스토퍼 부재(11-3)측으로 휘어진다. 이 때, 스토퍼 부재(11-2)에는 센서 다이어프램(11-1)이 휘어진 방향과는 반대측으로 힘이 가해져, 다이어프램 엣지(도면 중의 G로 나타내는 개소)에 벌어짐이 발생하려고 한다. 또한, 이하의 설명에서는, 도 1에 있어서, 센서 다이어프램(11-1)이 휘어진 방향을 상방향, 휘어진 방향과는 반대측을 하방향이라고 부른다.
이 경우, 본 실시형태에서는, 스토퍼 부재(11-2)의 내부에 마련되어 있는 비접합 영역(SA)에 도압 구멍(11-2b)을 통해서 측정압(Pa)이 유도되기 때문에, 이 비접합 영역(SA)이 측정압(Pa)의 수압면이 되고, 스토퍼 부재(11-2)에 가해지는 하방향으로의 힘을 억제하여, 다이어프램 엣지에 벌어짐을 발생시키지 않도록 한다. 이에 따라, 센서 다이어프램(11-1)의 구속에 의한 응력 발생이 저감되고, 다이어프램 엣지로의 응력 집중이 방지된다.
이 압력 센서 칩(11A)에 있어서, 비접합 영역(SA)은, 센서 다이어프램(11-1)이 스토퍼 부재(11-3)의 오목부(11-3a)에 착저한 후 과대압이 커진 경우, 더욱 큰 효과를 발휘한다.
도 2에 센서 다이어프램(11-1)이 스토퍼 부재(11-3)의 오목부(11-3a)에 착저한 후의 상태를 나타낸다. 센서 다이어프램(11-1)의 한쪽 면에 과대압이 가해지면, 센서 다이어프램(11-1)은 스토퍼 부재(11-3)측으로 휘어져, 스토퍼 부재(11-3)의 오목부(11-3a)에 착저한다. 이 센서 다이어프램(11-1)의 오목부(11-3a)로의 착저후 과대압이 커지면, 스토퍼 부재(11-2)에 가해지는 하방향으로의 힘에 의해, 스토퍼 부재(11-2)가 변형되어, 다이어프램 엣지에 벌어짐이 발생하려고 한다.
이 경우, 본 실시형태에서는, 스토퍼 부재(11-2)의 내부에 마련되어 있는 비접합 영역(SA)에도 도압 구멍(11-2b)을 통해서 과대압이 유도되기 때문에, 이 비접합 영역(SA)이 과대압의 수압면이 되어, 스토퍼 부재(11-21)에 상방향으로의 힘을 가하여, 스토퍼 부재(11-21)의 변형을 억제, 혹은 역방향으로 변형시킨다. 도 2의 예에서는, 다이어프램(11-1)의 상방향으로의 변형에 추종하는 형태로, 스토퍼 부재(11-21)를 상방향으로 변형시키고 있다.
이에 따라, 센서 다이어프램(11-1)의 스토퍼 부재(11-3)의 오목부(11-3a)로의 착저후, 과대압이 커지더라도, 다이어프램 엣지에 벌어짐이 발생하지 않고, 다이어프램 엣지로의 응력 집중을 피할 수 있어, 기대되는 내압이 확보된다.
또한, 본 실시형태에 있어서, 스토퍼 부재(11-2)의 내부에 마련하는 비접합 영역(SA)의 면적은, 즉 스토퍼 부재(11-2)의 내부의 수압 면적은, 스토퍼 부재(11-2)의 하방향으로의 변형을 억제, 혹은 역방향으로 변형시키기 위해서, 스토퍼 부재(11-2)의 오목부(11-2a)의 수압 면적보다도 충분히 큰 면적으로 하는 것이 바람직하다.
또, 이 실시형태에서는, 스토퍼 부재(11-2)의 내부의 비접합 영역(SA)을, 플라즈마나 약액 등에 의해 표면을 거칠게 하거나 하여 형성하고 있지만, 도 3에 나타낸 바와 같이, 미소한 단차(h1)로서 형성하도록 해도 좋다. 미소한 단차(h1)로서 형성하는 경우, 단차(h1)의 치수를 지나치게 크게 하면, 상방향으로의 힘이 약해지기 때문에, 단차(h1)는 작게 하는 편이 좋다. 단차(h1)의 치수는, 스토퍼 부재(11-2)의 하방향으로 향하는 힘에 의존한다.
〔실시형태 2〕
도 4에 본 발명에 따른 압력 센서 칩의 제2 실시형태(실시형태 2)의 개략을 나타낸다. 이 실시형태 2의 압력 센서 칩(11B)에서는, 스토퍼 부재(11-2)의 내부에, 비접합 영역(SA)에 연속하는, 스토퍼 부재(11-3)의 두께 방향으로 돌출된 고리형 홈(11-2d)을 형성하고 있다. 이 고리형 홈(11-2d)은, 이산적으로 분단된 홈이 아니라 연속된 홈이며, 홈 단면의 직경을 크게 하는 것이 바람직하다.
또한, 도 4에 나타낸 예에서는, 고리형 홈(11-2d)의 비접합 영역(SA)에 직교하는 단면 형상을 원형으로 하고 있지만, 반드시 원형으로 하지 않아도 좋고, 도 5에 나타낸 바와 같이 슬릿형(직사각형)으로 하거나 해도 좋다. 도 6에 이 압력 센서 칩(11B)에 있어서 센서 다이어프램(11-1)이 스토퍼 부재(11-3)의 오목부(11-3a)에 착저한 후의 상태를 나타낸다.
〔실시형태 3〕
도 7에 본 발명에 따른 압력 센서 칩의 제3 실시형태(실시형태 3)의 개략을 나타낸다. 이 실시형태 3의 압력 센서 칩(11C)은, 실시형태 2의 압력 센서 칩(11B)과 마찬가지로, 스토퍼 부재(11-2)의 내부에 비접합 영역(SA)과, 이 비접합 영역(SA)에 연속하는 고리형 홈(11-2d)을 구비하고 있지만, 이하의 점에서 실시형태 2의 압력 센서 칩(11B)과는 상이하다.
이 압력 센서 칩(11C)에 있어서, 스토퍼 부재(11-2)의 둘레 가장자리부(11-2c)는, 센서 다이어프램(11-1)의 한쪽 면과 대면하는 영역(S1) 중, 외주측 영역(S1a)이 센서 다이어프램(11-1)의 한쪽 면과의 접합 영역이 되고, 내주측 영역(S1b)이 센서 다이어프램(11-1)의 한쪽 면과의 비접합 영역이 되어 있다.
또, 스토퍼 부재(11-3)의 둘레 가장자리부(11-3c)는, 센서 다이어프램(11-1)의 다른 쪽 면과 대면하는 영역(S2) 중, 외주측 영역(S2a)이 센서 다이어프램(11-1)의 다른 쪽 면과의 접합 영역이 되고, 내주측 영역(S2b)이 센서 다이어프램(11-1)의 다른 쪽 면과의 비접합 영역이 되어 있다.
스토퍼 부재(11-2)의 둘레 가장자리부(11-2c)의 외주측 영역(S1a)은, 센서 다이어프램(11-1)의 한쪽 면에 직접 접합됨으로써 접합 영역이 되고, 스토퍼 부재(11-3)의 둘레 가장자리부(11-3c)의 외주측 영역(S2a)은, 센서 다이어프램(11-1)의 다른 쪽 면에 직접 접합됨으로써 접합 영역이 되어 있다.
스토퍼 부재(11-2)의 둘레 가장자리부(11-2c)의 내주측 영역(S1b)은, 플라즈마나 약액 등에 의해 표면을 거칠게 하거나 하여, 센서 다이어프램(11-1)의 한쪽 면에 접하고는 있지만, 접합은 되어 있지 않은 비접합 영역이 되어 있다. 스토퍼 부재(11-3)의 둘레 가장자리부(11-3c)의 내주측 영역(S2b)도, 플라즈마나 약액 등에 의해 표면을 거칠게 하거나 하여, 센서 다이어프램(11-1)의 다른 쪽 면에 접하고는 있지만, 접합은 되어 있지 않은 비접합 영역이 되어 있다.
이 압력 센서 칩(11C)에서는, 센서 다이어프램(11-1)의 하면의 비접합 영역(S1b)보다 더 내측이 다이어프램의 감압 영역(D1)이 되고, 마찬가지로, 센서 다이어프램(11-1)의 상면의 비접합 영역(S2b)보다 더 내측이 다이어프램의 감압 영역(D2)이 되어 있다. 이 다이어프램의 감압 영역(D1)에서는 스토퍼 부재(11-2)에 대향하는 면에 한쪽의 측정압(Pa)이 가해지고, 다이어프램의 감압 영역(D2)에서는 스토퍼 부재(11-3)에 대향하는 면에 다른 한쪽의 측정압(Pb)이 가해진다. 또한, 감압 영역(D1 및 D2)의 직경이 다이어프램의 유효 직경이다.
이 압력 센서 칩(11C)에 있어서, 측정압(Pa)을 고압측의 측정압으로 하고, 측정압(Pb)을 저압측의 측정압으로 한 경우, 센서 다이어프램(11-1)의 하면의 감압 영역(D1)에 고압측의 측정압(Pa)이 가해지면, 센서 다이어프램(11-1)은 스토퍼 부재(11-2)의 둘레 가장자리부(11-2c)와의 비접합 영역(S1b)에서 스토퍼 부재(11-2)로부터 구속에 의한 과도한 인장 응력의 발생없이 휘어질 수 있기 때문에, 이 부분에 생기는 응력이 저감되게 된다.
또, 이 압력 센서 칩(11C)에 있어서, 측정압(Pb)을 고압측의 측정압으로 하고, 측정압(Pa)을 저압측의 측정압으로 한 경우, 센서 다이어프램(11-1)의 상면의 감압 영역(D2)에 고압측의 측정압(Pb)이 가해지면, 센서 다이어프램(11-1)은 스토퍼 부재(11-3)의 둘레 가장자리부(11-3c)와의 비접합 영역(S2b)에서 스토퍼 부재(11-3)로부터 구속에 의한 과도한 인장 응력의 발생없이 휘어질 수 있기 때문에, 이 부분에 생기는 응력이 저감되게 된다.
도 8에 다이어프램 엣지에 발생하는 응력의 비율을, 종래 구조(도 12에 나타낸 구조)로 한 경우를 100%로 하고, 비접합부 있음(도 1에 나타낸 구조), 신 R 구조(도 7에 나타낸 구조)로 한 경우에 관해 비교하여 나타낸다. 이 비교 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 비접합부 있음으로 하거나, 신 R 구조로 하거나 함으로써, 다이어프램 엣지에 발생하는 응력은 완화되게 된다. 신 R 구조는, 종래 구조에 비해 발생 응력의 비율이 대략 20%로 작아, 그 효과는 현격하게 높다.
또한, 도 7에 나타낸 예에서는, 스토퍼 부재(11-2)의 내부에만 비접합 영역(SA)을 마련했지만, 도 9에 실시형태 4의 압력 센서 칩(11D)으로서 나타낸 바와 같이, 스토퍼 부재(11-3)의 내부에도 비접합 영역(SA)을 마련하고, 이 비접합 영역(SA)에 연속하는 고리형 홈(11-3d)을 형성하도록 해도 좋다.
이 실시형태 4의 압력 센서 칩(11D)에서는, 스토퍼 부재(11-2)의 내부에 형성한 고리형 홈(11-2d)과 스토퍼 부재(11-3)의 내부에 형성한 고리형 홈(11-3d)을 동일한 단면 형상으로 하고, 또 동일한 위치에 대향하여 형성하도록 하고 있지만, 고리형 홈(11-2d와 11-3d)의 단면 형상을 바꾸도록 해도 좋고, 고리형 홈(11-2d와 11-3d)의 가로 방향의 위치를 상이하게 하도록 해도 좋다. 또, 고리형 홈(11-2d나 11-3d)의 단면 형상은, 전술한 원형이나 슬릿형에 한정되지 않고, 타원형으로 하거나 하는 등, 각종 형상을 생각할 수 있다.
또, 전술한 실시형태 1∼4에서는, 스토퍼 부재(11-2, 11-3)에 오목부(11-2a, 11-3a)를 설치하도록 하고 있지만, 반드시 오목부(11-2a, 11-3a)를 구비하고 있지 않아도 좋고, 센서 다이어프램(11-1)을 유지하기만 하는 단순한 유지 부재이어도 좋다. 이러한 경우라도, 그 유지 부재 내에 마련되는 비접합 영역은, 센서 다이어프램(11-1)이 휘어진 방향과 반대측의 힘을 가하는 수압면으로서 작용한다.
또, 전술한 실시형태에서는, 센서 다이어프램(11-1)을 압력 변화에 따라서 저항치가 변화하는 왜곡 저항 게이지를 형성한 타입으로 하고 있지만, 정전 용량식의 센서 칩으로 해도 좋다. 정전 용량식의 센서 칩은, 정해진 공간(용량실)을 구비한 기판과, 그 기판의 공간 상에 배치된 다이어프램과, 기판에 형성된 고정 전극과, 다이어프램에 형성된 가동 전극을 구비하고 있다. 다이어프램이 압력을 받아 변형함으로써, 가동 전극과 고정 전극의 간격이 변화하여 그 사이의 정전 용량이 변화한다.
〔실시형태의 확장〕
이상, 실시형태를 참조하여 본 발명을 설명했지만, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 구성이나 상세에는, 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 당업자가 이해할 수 있는 여러가지 변경을 할 수 있다. 또, 각 실시형태에 관해서는, 모순되지 않는 범위에서 임의로 조합하여 실시할 수 있다.
11C∼11D : 압력 센서 칩, 11-1 : 센서 다이어프램, 11-2(11-21, 11-22), 11-3 : 스토퍼 부재, 11-2a, 11-3a : 오목부, 11-2b, 11-3b : 압력 도입 구멍(도압 구멍), 11-2c, 11-3c : 둘레 가장자리부, 11-2d, 11-3d : 고리형 홈, 11-4, 11-5 : 대좌, 11-4a, 11-5a : 압력 도입 구멍(도압 구멍), SA : 비접합 영역, SB : 접합 영역, S1a, S2a : 외주측 영역(접합 영역), S1b, S2b : 내주측 영역(비접합 영역), D1, D2 : 감압 영역, PL : 면.

Claims (6)

  1. 한쪽 면 및 다른 쪽 면에 받는 압력차에 따른 신호를 출력하는 센서 다이어프램과, 이 센서 다이어프램의 한쪽 면 및 다른 쪽 면에 그 둘레 가장자리부를 대면시켜 접합되고, 상기 센서 다이어프램으로 측정압을 유도하는 도압 구멍을 갖는 제1 및 제2 유지 부재를 구비한 압력 센서 칩에 있어서,
    상기 제1 유지 부재는, 상기 도압 구멍의 둘레부에 연통하는 비접합 영역을 내부에 가지고,
    상기 제1 유지 부재의 내부의 비접합 영역은, 상기 센서 다이어프램의 수압면(受壓面)과 평행한 면의 일부에 마련되고,
    상기 제2 유지 부재는, 상기 센서 다이어프램에 과대압이 인가되었을 때의 그 센서 다이어프램의 과도한 변위를 저지하는 오목부를 구비하고,
    상기 제1 유지 부재는, 상기 비접합 영역이 마련된 상기 센서 다이어프램의 수압면과 평행한 면으로 2분할되고,
    상기 2분할된 한쪽의 유지 부재와 다른 쪽의 유지 부재는, 상기 비접합 영역이 마련된 면의 비접합 영역을 제외한 영역끼리 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 압력 센서 칩.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 유지 부재의 내부에는, 상기 비접합 영역에 연속하는, 상기 제1 유지 부재의 두께 방향으로 돌출된 고리형 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 압력 센서 칩.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 유지 부재의 내부의 비접합 영역에 연속되는 고리형 홈은, 상기 제1 유지 부재의 내부의 비접합 영역에 직교하는 단면 형상이 원호 부분을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 압력 센서 칩.
  5. 제1항에 있어서, 상기 센서 다이어프램은, 상기 한쪽 면이 고압측의 측정압의 수압면이 되고,
    상기 다른 쪽 면이 저압측의 측정압의 수압면이 되어 있는 것을 특징으로 하는 압력 센서 칩.
  6. 삭제
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