WO2014080759A1 - 圧力センサ - Google Patents

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WO2014080759A1
WO2014080759A1 PCT/JP2013/079950 JP2013079950W WO2014080759A1 WO 2014080759 A1 WO2014080759 A1 WO 2014080759A1 JP 2013079950 W JP2013079950 W JP 2013079950W WO 2014080759 A1 WO2014080759 A1 WO 2014080759A1
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stress
sensor
sensor chip
pressure sensor
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風間　敦
太田　裕之
滋郎 橋爪
準二 小野塚
洋 小貫
美帆 飛田
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日立オートモティブシステムズ株式会社
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    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0051—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
    • G01L9/0052—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements
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    • G—PHYSICS
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    • G01L9/06—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning of piezo-resistive devices
    • G01L9/065—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning of piezo-resistive devices with temperature compensating means

Definitions

  • the present invention relates to a pressure sensor that detects the deformation of a diaphragm that receives pressure.
  • a pressure sensor having a structure in which a strain gauge is formed on a diaphragm is well known.
  • This pressure sensor detects the pressure by utilizing the fact that the resistance of the strain gauge changes due to the deformation of the diaphragm due to the pressure.
  • a bridge circuit is constituted by four strain gauges, and pressure is detected by obtaining a differential voltage output proportional to the pressure from the bridge circuit.
  • the bridge circuit is mainly used for temperature compensation. This is because if the four strain gauges have the same change, the output of the bridge circuit does not change even if the strain gauge has temperature characteristics.
  • Patent Document 1 discloses that a thin diaphragm is formed by etching from the back surface of a silicon substrate, and a strain gauge made of polycrystalline silicon is formed on the diaphragm. According to Patent Document 1, two of the four strain gauges are arranged at the periphery of the diaphragm, and the other two are arranged at the center of the diaphragm. And tensile stress. Furthermore, it is disclosed that by making the diaphragm rectangular, the stress in the vertical direction that negatively affects the sensor sensitivity can be reduced in the strain gauge disposed at the center of the diaphragm.
  • Patent Document 2 discloses that a sensor chip made of a single crystal semiconductor having a strain gauge formed thereon is joined on a circular metal diaphragm. The sensor chip is larger than the diaphragm, and the sensor chip is joined so that the strain gauge on the sensor chip is disposed on the periphery of the diaphragm.
  • the stress distribution of the diaphragm with respect to pressure application changes more rapidly in the outer peripheral portion than in the central portion. Therefore, the detection error due to the displacement of the strain gauge becomes larger than that of the inner peripheral portion.
  • the stress distribution on the outer periphery of the diaphragm is easily affected by the position of the edge of the diaphragm and the edge shape such as the R shape formed on the edge. Therefore, if the position and shape of the edge of the diaphragm change, There is a possibility that the stress distribution of the part will change.
  • An object of the present invention is to realize a pressure sensor with small variations in sensor characteristics.
  • a pressure sensor includes a diaphragm having a shape having a long side and a short side, and four strain gauges provided on the diaphragm, wherein the four strain gauges are The two strain gauges are arranged along the short direction, and the other two are arranged along the longitudinal direction. .
  • a pressure sensor with small variations in sensor characteristics can be realized.
  • the pressure sensor 1 has a configuration in which a rectangular sensor chip 4 is bonded via a bonding layer 5 on a metal sensor housing 3 on which a diaphragm 2 is formed.
  • the outer shape of the diaphragm 2 is indicated by a dotted line.
  • the sensor chip 4 has a gauge region 6 at the center of the surface not joined to the diaphragm, and has four strain gauges 7 (first to fourth strain gauges 7a to 7d) in the gauge region 6.
  • the four strain gauges 7 are connected by a wiring (not shown) and constitute a Wheatstone bridge circuit shown in FIG.
  • the diaphragm 2 has a shape having a short side and a long side, and the short side direction is an X axis and the long side direction is a Y axis.
  • the gauge region 6 is disposed on the central portion of the diaphragm 2.
  • the first strain gauge 7 a and the second strain gauge 7 b are arranged so that the short direction (X-axis direction) of the diaphragm 2 is the current direction
  • the third strain gauge 7 c and the fourth strain gauge 7 d are the longitudinal direction of the diaphragm 2. They are arranged so that (Y-axis direction) is the current direction.
  • the stress of the strain gauge 7 changes due to the deformation of the diaphragm 2 with respect to the pressure applied to the surface of the diaphragm 2 opposite to the joint surface of the sensor chip 4.
  • an output proportional to the pressure is obtained as a differential output of the bridge circuit.
  • the sensor housing 3 including the diaphragm 2 is made of a metal such as stainless steel.
  • the sensor housing 3 has a cylindrical shape, the center portion is processed from one side, and the thin remaining portion is the diaphragm 2.
  • As the processing method cutting, electric discharge machining, press working, or the like can be used.
  • An R shape is formed at the end of the processed surface of the diaphragm 2 and has a function of relaxing stress concentration generated at the end when pressure is applied.
  • the sensor chip 4 is manufactured from a single crystal silicon substrate, and the strain gauge 7 is a p-type silicon piezoresistive gauge manufactured by impurity diffusion.
  • a silicon substrate having a crystal plane (100) is used so that the X-axis and the Y-axis coincide with ⁇ 110> of the silicon crystal axis. Therefore, the first to fourth strain gauges 7a to 7d are all piezoresistive gauges in the p-type silicon ⁇ 110> direction.
  • the bonding layer 5 is made of Au / Sn solder.
  • a Ni / Au film is formed on the bonding surface of the sensor chip 4 by sputtering, and an Sn film is formed by plating on the bonding area of the sensor chip 4 of the diaphragm 2. Positioning is performed with / Sn sandwiched, and heating is performed to melt Au / Sn to join.
  • the four strain gauges 7 are all arranged close to each other in the gauge region 6 located on the center portion of the diaphragm 2.
  • the distribution of stress generated on the surface of the diaphragm 2 when a pressure is applied is gentler in the center portion of the diaphragm 2 than in the vicinity of the end portion of the diaphragm 2. Therefore, even if a relative position shift of the strain gauge 7 with respect to the diaphragm 2 occurs due to a shift in the bonding position of the sensor chip 4 or the like, the stress generated in the strain gauge 7 hardly changes, that is, the sensor sensitivity against the position shift. The change of can be reduced.
  • the diaphragm 2 has a shape having a long side and a short side, two of the four strain gauges 7 are along the long direction (Y axis), and the other two are in the short side direction. It is characterized by being arranged along the (X axis).
  • a stress difference is generated between the first gauge 7a and the second gauge 7b and the third gauge 7c and the fourth gauge 7d. A difference occurs in potential and an output is obtained. Therefore, if all the stresses generated in the first to fourth gauges 7a to 7d are the same, no output can be obtained and the sensor sensitivity is zero.
  • the stress at the center of the diaphragm 2 is equal in the X-axis direction and the Y-axis direction, so the sensor sensitivity is zero.
  • the stress generated in the central portion of the diaphragm 2 is larger in the X-axis direction than in the Y-axis direction.
  • the sensor sensitivity can be obtained.
  • the pressure sensor 1 of the present invention has an effect of reducing the change in the sensor output with respect to the temperature change.
  • the strain gauge 7 is manufactured by impurity diffusion used in semiconductor manufacturing, and a strain gauge with uniform characteristics can be obtained by a highly controlled process. Therefore, characteristics such as initial resistance, piezoresistance coefficient, and temperature dependence of the piezoresistance coefficient are uniform, and changes with respect to temperature change are also uniform, so that the uniform change is canceled out by the Wheatstone bridge circuit, so that the output hardly changes. Further, if the strain gauges 7 are separated from each other, there is a possibility that a difference in resistance change of each strain gauge occurs when a temperature difference occurs in the sensor chip 4.
  • the dimension of the sensor chip 4 is larger than the dimension of the diaphragm 2 when viewed in the X-axis direction (in the YZ section) as in this embodiment. Is desirable.
  • the dimension of the sensor chip 4 be smaller than the dimension of the diaphragm 2 when viewed in the Y-axis direction (in the XZ section).
  • the manufacturing cost of the sensor chip 4 increases, and the thermal stress generated at the joint of the sensor chip 4 due to the difference in linear expansion coefficient between the sensor chip 4 and the diaphragm 2 increases.
  • the size of the diaphragm 2 By making the size of the diaphragm 2 smaller than the sensor chip 4 in the short direction and larger than the sensor chip 4 in the longitudinal direction, the size of the diaphragm 2 is prevented from being reduced, and the sensor chip 4 The stress generated at the edge of the joint can be reduced.
  • peripheral circuits such as an output amplifier, a current source, an A / D conversion, an output correction circuit, a memory for storing correction values, a temperature sensor, and the like can be built in, in addition to a bridge circuit.
  • amplification of the output signal, temperature correction, zero point correction, etc. can be performed, and the accuracy of the output signal can be increased.
  • the temperature correction since the strain gauge 7 and the temperature sensor can be formed on the same sensor chip 4, the temperature of the strain gauge 7 can be accurately measured, and the temperature correction can be performed with high accuracy.
  • the material since the diaphragm 2 and the sensor housing 3 that receive pressure are made of stainless steel, the material has a high yield strength, and it is easy to construct a sensor with a high pressure measurement range. It can also be used when the liquid or gas to be measured is highly corrosive.
  • the material of the stainless steel can be selected by selecting a precipitation hardening type stainless steel such as SUS630 when importance is attached to the proof stress, and selecting a stainless steel having high corrosion resistance such as SUS316 when the corrosion resistance is important. Further, the material is not limited to stainless steel, and various steel types can be selected in consideration of proof stress, corrosion resistance, difference in linear expansion coefficient from silicon, and the like.
  • the material of the bonding layer 5 and the bonding process are not limited to the materials and processes described above.
  • the bonding layer 5 for example, Au / Ge solder or Au / Si solder is used, so that the creep deformation of the bonding layer 5 can be further reduced.
  • various adhesive agents can be used.
  • the bonding process there is a method in which Au / Sn is directly formed on the rear surface of the diaphragm or sensor chip by plating or the like in addition to the method using the Au / Su pellet.
  • a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The description of the same configuration as in the first embodiment is omitted.
  • the first to fourth strain gauges 7a to 7d are configured such that a plurality of piezoresistors are connected in series.
  • 3A shows the arrangement of the strain gauges 7 in the gauge region 6, and
  • FIG. 3B shows the configuration of the bridge circuit.
  • This is a configuration in which four pairs of piezoresistors constituting the first to fourth strain gauges 7a to 7d are arranged in the gauge region.
  • the first strain gauges 7a divided into four are connected in series by wiring not shown.
  • the strain circuit divided into four is grouped to form a bridge circuit equivalent to the bridge circuit shown in FIG.
  • the strain gauges are divided and distributed in the gauge region 6 so that the stress difference between the strain gauges 7 can be made difficult to occur.
  • a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The description of the same configuration as in the first embodiment is omitted.
  • FIG. 4 (a) and 4 (b) show a plan view and a sectional view of a third embodiment of the pressure sensor 1 of the present invention.
  • the center line along the X axis is taken as the X center line 10
  • FIG. 4B is a cross-sectional view along the X center line 10.
  • the diaphragm 2 has a configuration in which a short dimension in the region from the center to the end in the longitudinal direction is larger than a dimension in the short direction in the vicinity of the center in the longitudinal direction.
  • the shape is That is, when the dimension of the diaphragm 2 on the X center line 10 is the diaphragm center dimension 11, the dimension in the X axis direction (diaphragm end portion) near the longitudinal end portion of the diaphragm 2 is shifted from the X center line in the Y axis direction.
  • the dimension 12) is larger than the diaphragm center dimension 11.
  • the stress difference between the short side and the long side in the central portion of the diaphragm 2 can be increased as compared with the case without the constriction. Since the sensor sensitivity is proportional to the stress difference, the stress utilization efficiency with respect to the sensor sensitivity (the ratio of the sensor sensitivity obtained with respect to the maximum stress generated in the strain gauge) is improved. In addition, the change in the stress distribution near the center of the diaphragm 2 is reduced, and the influence of the displacement can be further reduced.
  • the configuration of the strain gauge 7 may be the configuration described in the second embodiment.
  • a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The description of the same configuration as in the first embodiment is omitted.
  • FIG. 5 (a) and 5 (b) show a plan view and a cross-sectional view of the fourth embodiment of the pressure sensor of the present invention.
  • FIG. 5A the center line along the X axis is taken as the X center line 10
  • FIG. 5B is a cross-sectional view along the X center line 10.
  • a sensor diaphragm 14 having a reduced thickness is formed on the silicon substrate 13.
  • a gauge region 6 is provided at the center of the surface of the sensor diaphragm 14, and first to fourth strain gauges 7 a to 7 d are formed in the gauge region 6.
  • the present embodiment uses a silicon diaphragm formed by processing a silicon substrate, the number of parts is small compared to a configuration in which a sensor chip is separately provided, and the labor for joining the sensor chip can be saved, and the sensor chip joint portion There is a feature that there is no problem of creep deformation. When the pressure to be measured is not so high, or when there is no problem of corrosion due to the liquid and gas to be measured, it is desirable to use the configuration of this embodiment.
  • the silicon substrate 13 As a method of processing the sensor diaphragm 14 in the silicon substrate 13, wet etching or dry etching can be used.
  • an SOI (Silicon On Insulator) substrate in which a thin silicon layer and a thick silicon layer are stacked via a silicon oxide film layer may be used as the silicon substrate 13. Since the thickness of the silicon diaphragm 14 is determined by the thickness of the thin silicon layer by the process of removing the oxide film layer after processing the thick silicon layer, the thickness does not change by processing.
  • the shape of the sensor diaphragm 14 may be a shape having a long side and a short side, and needless to say, the shape is not limited to the gourd shape as shown in FIG.
  • the configuration of the strain gauge 7 may be the configuration described in the second embodiment.
  • a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The description of the same configuration as in the first embodiment is omitted.
  • FIG. 6 shows a sectional view of a fifth embodiment of the pressure sensor of the present invention.
  • the present embodiment shows a configuration example of a pressure sensor assembly 21 in which the pressure sensors described in the first to fourth embodiments are assembled in a product form.
  • the sensor housing 3 has a cylindrical portion 22 whose outer peripheral portion extends downward in a cylindrical shape, and a flange portion 23 and a screw portion 24 are installed on the outer surface. It is integrally formed in the shape.
  • the threaded portion 24 is a male thread for a pipe, and a female threaded joint (not shown) is prepared and attached to the pipe to be measured.
  • a pressure introduction port 25 is formed inside the cylindrical portion 22, and a liquid or gas to be measured is introduced to the surface of the diaphragm 2 through the pressure introduction port 25.
  • a wiring board 26 is disposed on the upper surface of the sensor housing 3 so as to be adjacent to the sensor chip 4.
  • the wiring board 26 is bonded and held on the upper surface of the sensor housing 3 by an adhesive 27.
  • the sensor chip 4 and the electrode pads of the wiring board 26 are electrically connected by wires 28.
  • a cylindrical cover 29 is connected to the flange portion 23 of the sensor housing 3 to protect the surface of the sensor chip 4 and its peripheral portion.
  • a plurality of external electrode pins 30 are provided at the upper end of the cover 29 so as to penetrate the cover 29.
  • the external electrode pins 30 and the wiring board 26 are electrically connected via a flexible wiring board 31.
  • the sensor chip 4 transmits a signal to the outside via the wire 28, the wiring board 26, the flexible wiring board 31, and the external electrode pin 30.
  • FIG. 7 is a perspective view showing the model shape used for the analysis. The comparison was made by changing the shape of the diaphragm and the size of the sensor chip, with the sensor housing having a cylindrical shape with a diameter of 7 mm and the thickness of the sensor chip being 0.12 mm.
  • FIG. 8 is a plan view showing a configuration of a conventional pressure sensor 40 to be compared.
  • the diaphragm 2 is circular, and the sensor chip 4 is a square that is slightly larger than the diaphragm 2.
  • the first to fourth strain gauges 7a to 7d formed on the surface of the sensor chip 4 are arranged on the outer peripheral portion of the diaphragm 2, and are all arranged so that the current direction is the X-axis direction.
  • the first strain gauge 7a and the second strain gauge 7b are disposed on the center line along the X axis, and the third and fourth strain gauges are disposed on the center line along the Y axis.
  • the stress in the radial direction is compressed, and the stress in the circumferential direction becomes tensile. Therefore, a stress difference is generated between the strain gauges, and sensor sensitivity is obtained.
  • the same stress acts on the first strain gauge 7a and the second strain gauge 7b arranged along the X axis, and the resistance change occurs. Can be considered equal.
  • the third strain gauge 7c and the fourth strain gauge 7d have the same resistance change. Assuming that the initial resistance R 0 is the same for all strain gauges, the resistance of each strain gauge is expressed by the following equation.
  • the voltage change rate V out / V cc obtained by the bridge circuit of FIG. Resistance changes ⁇ R1 and ⁇ R3 are obtained as follows.
  • the resistance change ⁇ R 1 is the longitudinal piezoresistance coefficient of the strain gauge ⁇ l , Where the transverse piezoresistance coefficient is ⁇ t It is expressed.
  • the same stress is generated in the third and fourth strain gauges, but since the gauges are arranged along the Y direction, the stress in the current direction is ⁇ y , and the stress component in the direction perpendicular thereto is ⁇ x .
  • Resistance change ⁇ R 3 is It is expressed as The stress in the Z direction was ignored because it was almost zero. Since the conventional pressure sensor of FIG.
  • Equation 8 also has symmetry, the third and fourth strain gauges are equivalent to being arranged along the Y direction at the same place as the first and second strain gauges. Equation (5) holds.
  • equation (3) the resistance change is sufficiently small relative to the initial resistance (2R 0 ⁇ ⁇ R 1 + ⁇ R 3 ), and when equations (4) and (5) are substituted, the following is obtained.
  • ⁇ l and ⁇ t are opposite in sign and have almost the same value. It is. From the above, the output change rate of the pressure sensor, that is, the sensitivity is proportional to the stress difference ⁇ x - ⁇ y acting on the strain gauge between the X direction and the Y direction.
  • FIG. 9 shows a plan view of an analysis model compared by FEM analysis.
  • the sensor chip is arranged at the center of the sensor housing, and when the stress difference ⁇ x - ⁇ y on the sensor chip surface is obtained on the center line along the X axis, and the strain gauge is arranged at the position where the stress difference is maximized Assumed.
  • Model A shows a first embodiment of the present invention, and the diaphragm has a length in the short direction of 1.8 mm and a length in the long direction of 5 mm.
  • the end of the diaphragm in the longitudinal direction was semicircular with a radius of 0.9 mm.
  • the thickness of the diaphragm was 0.5 mm, and the size of the sensor chip was 2.4 mm square.
  • Model B shows a third embodiment of the present invention, and has a gourd shape in which the length in the short direction is enlarged at the end in the longitudinal direction with respect to the diaphragm of model A.
  • the length in the short direction at the central portion in the longitudinal direction was 1.8 mm, which was the same as that of Model A, and the maximum length in the short direction between the central portion and the end portion in the longitudinal direction was 3.0 mm.
  • the thickness of the diaphragm was 0.5 mm, and the size of the sensor chip was 2.4 mm square.
  • Model C is a conventional pressure sensor to be compared, the size of the sensor chip is the same 2.4 mm square as models A and B, and the diaphragm is a circle with a diameter of 1.8 mm that fits inside the sensor chip. Since the diaphragm is smaller than other models, the thickness of the diaphragm was reduced to 0.25 mm.
  • Model D has a size of the diaphragm and the sensor chip twice that of model C, the diaphragm is a circle having a diameter of 3.6 mm, and the size of the sensor chip is 4.8 mm square.
  • the thickness of the diaphragm was 0.5 mm.
  • the model assumes a case where the size of the diaphragm is enlarged within a range in which the size of the sensor chip can be accommodated in the sensor housing while allowing the size of the sensor chip to be increased.
  • FIG. 10 shows the results of analysis applying a pressure of 1 MPa with models A to D, and is a graph showing the stress generated on the surface of the sensor chip on the center line along the X axis. ⁇ x , ⁇ y and stress difference ⁇ x ⁇ y were displayed.
  • model B the stress in the Y direction at the center of the diaphragm was reduced due to the effect of widening the longitudinal end of the diaphragm, and the stress difference could be expanded.
  • the stress utilization efficiency was 0.84.
  • ⁇ x is the compressive stress
  • ⁇ y is the tensile stress on the outer periphery of the diaphragm
  • the distance from the center is 0.9 mm, which coincides with the edge position of the diaphragm.
  • the stress difference was maximized. If the ratio of the absolute values of ⁇ x and ⁇ x - ⁇ y at this point is defined as the stress utilization efficiency, it is 1.66. However, high stress is generated at the center of the diaphragm, which is 0.48 when defined by the ratio to ⁇ x at the center.
  • the stress distribution was the same as that in the model C, and the stress difference was maximum at a point of 1.75 mm from the center slightly inside the edge position of the diaphragm.
  • Stress utilization efficiency 1.42 in ratio of ⁇ x in stress difference maximum point, was 0.56 in the ratio of the sigma x of a diaphragm center.
  • the pressure sensor of the present invention has higher stress utilization efficiency than the conventional configuration.
  • the configuration of model B having a diaphragm as a gourd type further increases the stress utilization efficiency than the configuration of model A having a rectangular diaphragm.
  • FIG. 11 is a graph comparing the stress distribution near the maximum point with respect to the stress difference ⁇ x - ⁇ y of each model.
  • the horizontal axis shows the maximum stress difference at 0, and the vertical axis shows the maximum stress difference as 1.
  • the model A has a gentle stress distribution.
  • the rate of decrease of the stress difference at the point where the X position is shifted by 0.2 mm from the stress difference at the maximum point is also shown in FIG.
  • model C it is 48%, but in model A, it is suppressed to 6%. Therefore, it was confirmed that the output hardly changes even when the strain gauge is displaced.
  • model B the stress distribution was smoother than in model A, and the rate of decrease in stress difference at the 0.2 mm point was further reduced to 3%.
  • model D Compared with model C, the distribution of the stress difference in model D was also gentle due to the effect of increasing the size of the diaphragm. However, the area of the sensor chip is four times that of other models, and the manufacturing cost of the sensor chip is four times. Even in this model D, the rate of decrease in stress difference at a point of 0.2 mm was 11%, and it was found that the effects of positional deviation were suppressed in the models A and B, which are the configurations of the present invention.
  • FIG. 12 is a graph showing the analysis results for models A to D when a temperature change of 100 ° C. is given. Similarly to FIG. 10, the stress generated on the surface of the sensor chip was displayed on the center line along the X axis.
  • FIG. 13 is a graph comparing the stress distribution in the vicinity of the gauge position with respect to the stress difference of each model, as in FIG.
  • the abscissa is displayed with the gauge position set to 0, assuming that the maximum point in the analysis of pressure application described above is the gauge position.
  • the amount of change in the stress difference in the range of ⁇ 0.2 mm centered on the gauge position is also shown in FIG.
  • the change in the stress difference was suppressed to be very small compared to the models C and D.

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Abstract

本発明の目的は、センサ特性のばらつきが小さい圧力センサを実現することである。 上記課題を解決するために、本発明の圧力センサは、長手と短手を有する形状のダイアフラムと、前記ダイアフラム上に設けられる４つの歪ゲージと、を有する圧力センサにおいて、前記４つの歪ゲージは、前記ダイアフラムの中央部に配置されていて、前記４つの歪ゲージの内２つを短手方向に沿って配置され、他の２つを長手方向に沿って配置されていることを特徴とする。

Description

圧力センサ
　本発明は、圧力を受けたダイアフラムの変形を利用して検出する圧力センサに関する。
　ダイアフラム上に歪ゲージを形成した構成の圧力センサがよく知られている。この圧力センサは、圧力によるダイアフラムの変形により歪ゲージの抵抗が変化することを利用して圧力を検出する。一般的に、４つの歪ゲージでブリッジ回路を構成し、このブリッジ回路から圧力に比例した差動電圧出力を得ることで圧力を検出している。ここで、ブリッジ回路は主に温度補償を目的に用いられる。これは、４つの歪ゲージの変化が同じであれば、歪ゲージが温度特性を有していてもブリッジ回路の出力が変化しないからである。
　１MPa程度以下の低圧用には、シリコン基板を加工してダイアフラムを形成したシリコンダイアフラムを用いる構成の圧力センサがよく用いられる。特許文献１は、シリコン基板の裏面からエッチングして薄いダイアフラムを形成し、多結晶シリコン製の歪ゲージをダイアフラム上に形成することを開示している。特許文献１によると、４つの歪ゲージのうち２つをダイアフラム周辺部に配置し、他の２つをダイアフラム中央部に配置することで、圧力印加により歪ゲージに発生する応力が、それぞれ圧縮応力と引張応力となるようにしている。さらに、ダイアフラムを長方形状とすることで、ダイアフラム中央に配置した歪ゲージにおいて、センサ感度にマイナスに働く垂直方向の応力を低減できることが開示されている。
　1 MPa程度以上の高圧用、あるいは耐食性が必要でシリコンを露出させられない用途などには、ステンレス製のダイアフラムを用い、ダイアフラム上に半導体歪ゲージを貼り付けるか、あるいは半導体歪ゲージを形成したセンサチップを貼り付けた構成の圧力センサがよく用いられる。特許文献２は、円形の金属製ダイアフラムの上に、歪ゲージを形成した単結晶半導体製のセンサチップを接合することを開示している。なお、センサチップはダイアフラムよりサイズが大きく、センサチップ上の歪ゲージが、ダイアフラム周辺部上に配置されるようにセンサチップが接合されている。特許文献２によると、４つの歪ゲージのうち２つを円周方向に向けて配置し、他の２つを半径方向に向けて配置することで、圧力印加により歪ゲージに発生する応力がそれぞれ圧縮応力と引張応力になり、センサ感度が得られるようにしている。さらに、センサチップの形状を、なるべく円形に近い多角形とすることで、センサチップとダイアフラムの線膨脹係数差に起因した熱応力の悪影響を極力排除できることが開示されている。
特許第２６１５８８７号公報 特許第４１６１４１０号公報
　上記のような従来の圧力センサにおいては、４つの歪ゲージのうち少なくとも２つは、ダイアフラムの外周部に配置されている。ここで、圧力印加に対するダイアフラムの応力分布は、中央部と比べて外周部では変化が急峻である。そのため、歪ゲージの位置ズレによる検出誤差が、内周部と比べて大きくなってしまう。また、ダイアフラム外周部の応力分布は、ダイアフラムのエッジの位置や、エッジに形成されるＲ形状などのエッジ形状の影響を受けやすく、そのために、ダイアフラムのエッジの位置や形状が変化すると、ダイアフラム外周部の応力分布が変化してしまう虞がある。
　そのため、上記のような従来の圧力センサは、ダイアフラム外周部に配置された歪ゲージに加わる応力が変化し、センサの特性が変化してしまうことに対して検討の余地が残されている。
　本発明の目的は、センサ特性のばらつきが小さい圧力センサを実現することである。
上記課題を解決するために、本発明の圧力センサは、長手と短手を有する形状のダイアフラムと、前記ダイアフラム上に設けられる４つの歪ゲージと、を有する圧力センサにおいて、前記４つの歪ゲージは、前記ダイアフラムの中央部に配置されていて、前記４つの歪ゲージの内２つを短手方向に沿って配置され、他の２つを長手方向に沿って配置されていることを特徴とする。
　本発明によれば、センサ特性のばらつきが小さい圧力センサを実現することができる。
本発明の第一実施例における（a）平面図,(b)断面図。 ブリッジ回路の例を示した説明図。 本発明の第二実施例を示す概略図。 本発明の第三実施例における（a）平面図,(b)断面図。 本発明の第四実施例における（a）平面図,(b)断面図。 本発明の第五実施例における断面図。 解析による検証に用いたモデル形状の概要を示す斜視図。 従来の圧力センサの構造を示す平面図。 解析による検証に用いた４つのモデルの寸法を示す平面図。 各モデルについての圧力印加の解析結果を示すグラフ。 圧力印加の解析結果の応力分布を、各モデルで比較したグラフ。 各モデルについての温度変化の解析結果を示すグラフ。 温度変化の解析結果の応力分布を、各モデルで比較したグラフ。
　図１（ａ）および（ｂ）は、本発明の圧力センサの第一実施例の平面図および断面図を示している。圧力センサ１は、ダイアフラム２が形成された金属製のセンサ筐体３上に、方形状のセンサチップ４を接合層５を介して接合した構成となっている。図１（ａ）には、ダイアフラム２の外形を点線で示している。センサチップ４には、ダイアフラムと接合しない側の表面の中央部にゲージ領域６を有し、ゲージ領域６内に４つの歪ゲージ７（第１～第４歪ゲージ７ａ～７ｄ）を有する。４つの歪ゲージ７は、図示されていない配線で接続され、図２に示すホイートストンブリッジ回路を構成している。ダイアフラム２は短手と長手を有する形状であり、短手方向をＸ軸、長手方向をＹ軸としている。ゲージ領域６はダイアフラム２の中央部上に配置されている。第１歪ゲージ７ａおよび第２歪ゲージ７ｂはダイアフラム２の短手方向（Ｘ軸方向）が電流方向となるように配置され、第３歪ゲージ７ｃおよび第４歪ゲージ７ｄはダイアフラム２の長手方向（Ｙ軸方向）が電流方向となるように配置されている。圧力センサ１は、ダイアフラム２のセンサチップ４接合面と反対側の面に印加された圧力に対して、ダイアフラム２が変形することで歪ゲージ７の応力が変化し、それに伴って歪ゲージ７の抵抗が変化することで、ブリッジ回路の差動出力として圧力に比例した出力が得られる仕組みとなっている。
　　ダイアフラム２を含むセンサ筐体３はステンレスなどの金属を材質とする。センサ筐体３は円筒形をしており、中央部を片面から加工し、薄く残った部分がダイアフラム２となっている。加工方法には、切削や放電加工、あるいはプレス加工などを用いることができる。ダイアフラム２の加工された側の面の端部には、Ｒ形状が形成されており、圧力印加時に端部に発生する応力集中を緩和する働きがある。
　センサチップ４は単結晶シリコン基板を材料として製作され、歪ゲージ７は、不純物拡散により製作された、ｐ型シリコンのピエゾ抵抗ゲージである。シリコン基板は結晶面（１００）のものを用い、Ｘ軸およびＹ軸が、シリコン結晶軸の＜１１０＞と一致するようにしている。よって第１～第４歪ゲージ７ａ～７ｄは、全てｐ型シリコン＜１１０＞方向のピエゾ抵抗ゲージである。
　接合層５にはＡｕ／Ｓｎはんだが用いられている。接合のプロセスは、例えば、センサチップ４の接合面にＮｉ／Ａｕ膜をスパッタで形成しておき、ダイアフラム２のセンサチップ４接合領域にはＳｎ膜をめっきで形成しておき、ペレット状のＡｕ／Ｓｎを挟んで位置合わせし、加熱してＡｕ／Ｓｎを溶融することで接合する。
　本発明の圧力センサにおいては、４つの歪ゲージ７（第１～第４歪ゲージ７ａ～７ｄ）が全て、ダイアフラム２の中央部上に位置するゲージ領域６内に近接して配置されていることに特徴がある。圧力が印加された際にダイアフラム２表面に発生する応力の分布は、ダイアフラム２の端部付近に比べて、ダイアフラム２の中央部ではなだらかである。よってセンサチップ４の接合位置がずれるなどして、歪ゲージ７のダイアフラム２に対する相対位置ずれが発生しても、歪ゲージ７に発生する応力が変化しにくく、すなわち、位置ずれに対してセンサ感度の変化を小さくできる。
　　また、本発明の圧力センサ１は、ダイアフラム２は長手と短手を有する形状とし、４つの歪ゲージ７のうち２つを長手方向（Ｙ軸）に沿って、他の２つを短手方向（Ｘ軸）に沿って配置することに特徴がある。図２に示したホイートストンブリッジ回路では、第１ゲージ７ａと第２ゲージ７ｂの組と、第３ゲージ７ｃと第４ゲージ７ｄの組で、両者の間に応力差が発生することで、中点電位に差が発生して出力が得られる。よって、第１～第４ゲージ７ａ～７ｄに発生する応力が全て同じだと出力が得られず、センサ感度はゼロである。４つの歪ゲージ７をダイアフラム２の中央に配置した場合、例えばダイアフラム２が円形や正方形であると、ダイアフラム２の中央部の応力はＸ軸方向とＹ軸方向で等しくなるので、センサ感度はゼロになってしまう。本発明では、ダイアフラム２をＹ軸方向に長い形状とすることで、ダイアフラム２の中央部に発生する応力は、Ｙ軸方向よりも、Ｘ軸方向の方が大きくなる。よって、電流方向をＸ軸方向に合わせた第１歪ゲージ７ａおよび第２歪ゲージ７ｂと、電流方向をＹ軸方向に合わせた第３歪ゲージ７ｃおよび第４歪ゲージ７ｄとの間で、発生する応力が異なり、応力変化に応じた抵抗変化量が異なるため、センサ感度を得ることができる。
　　また、本発明の圧力センサ１は、温度変化に対するセンサ出力の変化を小さくする効果もある。上述のように、歪ゲージ７は、半導体製造に用いられる不純物拡散により製作され、高度に管理されたプロセスにより均質な特性の歪ゲージが得られる。よって、初期抵抗、ピエゾ抵抗係数、ピエゾ抵抗係数の温度依存性などの特性が均質であり、温度変化に対する変化も均質なので、均質な変化はホイートストンブリッジ回路により相殺されるため、出力変化しにくい。また、歪ゲージ７の位置が互いに離れていると、センサチップ４内に温度差が発生した場合に、各歪ゲージの抵抗変化に差が発生する恐れがあるが、本発明では４つの歪ゲージ７が近接配置しているため、温度差が発生しにくく、センサ出力が変化しにくい。また、温度変化によって、ダイアフラム２とセンサチップ４の線膨脹係数差に起因して熱応力が発生するが、この熱応力は、センサチップ４の端部付近を除いてはほぼ等方的になるため、４つの歪ゲージ７の応力がほぼ等しくなり、出力変化しにくい。４つの歪ゲージのうちのいくつかがセンサチップ４の端部に近く配置されていると、熱応力の差により出力変化が発生しやすくなるが、本発明では４つの歪ゲージ７が全てセンサチップ４の中央部に配置されているので、熱応力に差が出にくい。ただし、ダイアフラムの形状が異方性を有することに起因して、熱応力は、Ｘ軸方向とＹ軸方向で若干の差が発生し、出力変化が発生する。しかし、ダイアフラム２の中央部では、熱応力の分布もなだらかであるので、熱応力による出力変化についても、歪ゲージ４の位置ずれに対して変化しにくい効果がある。
　　ダイアフラム２とセンサチップ４の位置関係については、本実施例のように、Ｘ軸方向に見たときに（ＹＺ断面において）センサチップ４の寸法がダイアフラム２の寸法よりも大きくなるようにするのが望ましい。
　上記の構成では、Ｘ軸方向において、センサチップ４の端部がダイアフラム２の外側に位置するため、センサチップ４の接合端部に高い応力が発生しにくくでき、センサ特性変化を軽減できる。
　さらには、Ｙ軸方向に見たときに（ＸＺ断面において）センサチップ４の寸法がダイアフラム２の寸法よりも小さくなるようにするのが望ましい。
　必要以上にセンサチップ４を大きくすると、センサチップ４の製造コストが高くなり、またセンサチップ４とダイアフラム２の線膨脹係数差に起因してセンサチップ４の接合部に発生する熱応力が高くなるなどの懸念がある。限られたサイズのセンサチップ４に対して、ダイアフラム２が全てセンサチップ４の内部に配置されるようにすると、ダイアフラム２のサイズが小さくなる。すると、ダイアフラム２の応力分布の変化も急峻になり、歪ゲージ７を配置できる領域が限られる上に、歪ゲージ７の位置ずれの影響も大きくなる課題がある。ダイアフラム２のサイズを、短手方向にはセンサチップ４よりも小さくし、かつ、長手方向にはセンサチップ４よりも大きくすることで、ダイアフラム２のサイズが小さくならないようにするとともに、センサチップ４の接合部のエッジに発生する応力も小さくできる。
　センサチップ４には、ブリッジ回路だけでなく、出力アンプ、電流源、Ａ／Ｄ変換、出力補正回路、補正値を格納するメモリ、温度センサなど、周辺回路を作り込むことができる。上記のような信号処理回路をセンサチップ４内に有することにより、出力信号の増幅や温度補正、ゼロ点補正などが行え、出力信号の精度を高くすることができる。温度補正においては、歪ゲージ７と温度センサを同じセンサチップ４上に形成できるので、歪ゲージ７の温度を正確に測定でき、温度補正を高い精度で行うことができる。
　本実施例では、圧力を受けるダイアフラム２およびセンサ筐体３がステンレス製であるため、材料の耐力が高く、高い圧力測定範囲のセンサを構成しやすい。また、測定対象の液体や気体の腐食性が高い場合にも使用できる。ステンレスの種類は、耐力を重視する場合はＳＵＳ６３０など析出硬化型のステンレスを選び、耐腐食性を重視する場合はＳＵＳ３１６など、耐腐食性の高いステンレスを選ぶなど、材質を選択できる。また、材質はステンレスに限ったものではなく、耐力や耐腐食性、シリコンとの線膨脹係数差などを考慮して、様々な鋼種を選択できる。
　また、接合層５の材質および接合プロセスについても、上述した材質、プロセスに限るものではない。接合層５としては、例えばＡｕ／Ｇｅはんだや、Ａｕ／Ｓｉはんだを用いることで、接合層５のクリープ変形をより小さくすることができる。また、クリープ変形はしやすいが、それを許容する用途であれば、各種の接着剤を用いることができる。接合プロセスについては、上述のＡｕ／Ｓｕペレットを用いる方法以外にも、Ａｕ／Ｓｎを直接ダイアフラムまたはセンサチップ裏面にめっきなどで形成する方法などがある。
　　本発明の第二実施例を、図３を用いて説明する。なお、第一実施例と同様の構成は説明を省略する。
　　第１～第４歪ゲージ７ａ～７ｄを複数のピエゾ抵抗が直列に繋がる構成とする。図３（ａ）はゲージ領域６内の歪ゲージ７の配置を、図３（ｂ）はブリッジ回路の構成を示す。第１～第４歪ゲージ７ａ～７ｄを構成する１つずつのピエゾ抵抗の組が、ゲージ領域内に４組配列した構成である。４つに分割された第１歪ゲージ７ａは、図示されていない配線で直列につながれている。第２～第４歪ゲージ７ｂ～７ｄについても同様である。そうして、図３(b)に示すように、４つに分かれた歪ゲージをひとまとまりとして、図２に示したブリッジ回路と等価なブリッジ回路を構成している。
　このように、歪ゲージを分割して、ゲージ領域６内に分散して配置することにより、応力の平均値を均質化する効果がある。例えば、ゲージ領域６内で応力分布が均一にならず、Ｙ方向に勾配ができた場合、第１歪ゲージ７ａがゲージ領域６内のＹ軸のプラスの領域に、第２歪ゲージ７ｂがＹ軸のマイナスの領域に分かれて配置されていると、両者の間に応力差が発生して出力が出てしまう。第二実施例の構成により、歪ゲージを分割して、ゲージ領域６内に分散配置することで、歪ゲージ７間の応力差が出にくくすることができる。
　本発明の第三実施例を、図４を用いて説明する。なお、第一実施例と同様の構成は説明を省略する。
　図４（ａ）および（ｂ）は、本発明の圧力センサ１の第三実施例の平面図および断面図を示している。図４（ａ）において、Ｘ軸に沿った中心線をＸ中心線１０とし、図４（ｂ）はＸ中心線１０における断面図である。
　ダイアフラム２は、長手方向の中央から端部までの領域における短手方向の寸法が、長手方向中央付近における短手方向の寸法よりも大きくなる部分を設ける構成とし、中央部がくびれたひょうたんのような形状とする。すなわち、Ｘ中心線１０上におけるダイアフラム２の寸法をダイアフラム中央寸法１１とすると、Ｘ中心線よりもＹ軸方向にはずれた、ダイアフラム２の長手方向端部付近におけるＸ軸方向の寸法（ダイアフラム端部寸法１２）が、上記ダイアフラム中央寸法１１よりも大きくなっている。
　ダイアフラム２の中央部にくびれを有する本実施例においては、くびれのない場合と比べて、ダイアフラム２の中央部における短手方向と長手方向の応力差を拡大できる。センサ感度は、上記応力差に比例するため、センサ感度に対する応力利用効率（歪ゲージに発生する最大応力に対して得られるセンサ感度の比率）が向上する。また、ダイアフラム２の中央部付近の応力分布の変化が小さくなり、位置ずれの影響をより小さくできる。
　また、歪ゲージ７の構成としては、第二実施例に記載の構成でもよい。
　本発明の第四実施例を、図５を用いて説明する。なお、第一実施例と同様の構成は説明を省略する。
　　図５（ａ）および（ｂ）は、本発明の圧力センサの第四実施例の平面図および断面図を示している。図５（ａ）において、Ｘ軸に沿った中心線をＸ中心線１０とし、図５（ｂ）はＸ中心線１０における断面図である。
　シリコン基板１３には、厚みを薄くしたセンサダイアフラム１４が形成されている。センサダイアフラム１４表面の中央部にゲージ領域６があり、ゲージ領域６内に、第１～第４歪ゲージ７ａ～７ｄが形成されている。
　本実施例は、シリコン基板を加工して形成したシリコンダイアフラムを用いているので、センサチップを別に設ける構成と比較して部品点数が少なく、センサチップを接合する手間が省けるとともに、センサチップ接合部のクリープ変形の課題がないという特徴がある。測定する圧力があまり高くない場合や、測定対象の液体および気体による腐食の問題がない場合には、本実施例の構成を用いることが望ましい。
　シリコン基板１３内にセンサダイアフラム１４を加工する方法は、ウェットエッチングやドライエッチングを用いることができる。センサダイアフラム１４の厚みを高精度に管理するためには、薄いシリコン層と厚いシリコン層をシリコン酸化膜層を介して積層したＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板をシリコン基板１３に用いるとよい。厚いシリコン層を加工した後に、酸化膜層を除去するプロセスにより、シリコンダイアフラム１４の厚みは薄いシリコン層の厚みで決まるので、加工により厚みが変化しない。
　なお、センサダイアフラム１４の形状は長手と短手を有する形状であればよく、図５に示されるようなひょうたん型の形状に限定されるものでないのは言うまでもない。
　また、歪ゲージ７の構成としては、第二実施例に記載の構成でもよい。
　本発明の第五実施例を、図６を用いて説明する。なお、第一実施例と同様の構成は説明を省略する。
　図６は、本発明の圧力センサの第五実施例の断面図を示している。本実施例は、第一から第四実施例に記載の圧力センサを、製品形態に組み上げた圧力センサアセンブリ２１の構成例を示している。
　センサ筐体３は、第一から第四実施例に記載した構成に加えて、外周部を円筒状に下方に伸ばした円筒部２２を有し、外側面にフランジ部２３とねじ部２４を設置した形状に一体形成されている。ねじ部２４は管用のおねじになっており、測定対象の配管側にめねじの継手（図示せず）を用意して取り付けるようになっている。上記円筒部２２の内部は圧力導入口２５を形成していて、この圧力導入口２５を介して測定対象である液体や気体をダイアフラム２の表面まで導入する。センサ筐体３の上面には、センサチップ４と隣接するよう配線基板２６が配置されている。配線基板２６は、接着剤２７によりセンサ筐体３の上面に接着保持されている。センサチップ４と配線基板２６の電極パッド間は、ワイヤ２８により電気的に接続されている。センサチップ４の表面やその周辺部を保護するため、円筒形のカバー２９が、センサ筐体３のフランジ部２３に接続して設置されている。カバー２９の上端には、複数の外部電極ピン３０が、カバー２９を貫通するように設けられている。外部電極ピン３０と配線基板２６は、フレキシブル配線基板３１を介して電気的に接続されている。センサチップ４は、ワイヤ２８、配線基板２６、フレキシブル配線基板３１、外部電極ピン３０を介して外部に信号を送信する。本実施例の構成により、測定対象の装置の配管に容易に取り付け可能で、センサへの給電および信号取り出しのための配線も容易な、圧力センサアセンブリ２１を得ることができる。
　本発明の第一から第五実施例によれば、加工誤差や組立誤差などに起因したセンサ特性のばらつきが小さい圧力センサを実現することができる。
　以下に、本発明により得られる効果の検証を行った結果について示す。
　本発明の、歪ゲージの位置ずれの影響を小さくする効果について確かめるため、有限要素法（ＦＥＭ）を用いた数値解析を行った。図７は解析に用いたモデル形状を示す斜視図である。センサ筐体を直径７ｍｍの円筒形状とし、センサチップの厚さを０．１２ｍｍとして、ダイアフラムの形状およびセンサチップのサイズを変えて比較を行った。
　図８は比較対象の従来の圧力センサ４０の構成を示す平面図である。ダイアフラム２は円形であり、センサチップ４はダイアフラム２よりも一回り大きい正方形である。センサチップ４の表面に形成された第１～第４歪ゲージ７ａ～７ｄは、ダイアフラム２の外周部上に配置されており、全て電流方向がＸ軸方向となるように配置されている。第１歪ゲージ７ａおよび第２歪ゲージ７ｂはＸ軸に沿う中心線上に、第３および第４歪ゲージはＹ軸に沿う中心線上に配置されている。ダイアフラム外周部においては、半径方向の応力が圧縮で、円周方向の応力が引張となるため、歪ゲージ間に応力差が発生し、センサ感度が得られる。
　歪ゲージに発生する応力から圧力センサの出力を計算する方法について以下に示す。
　本発明の圧力センサにおいても、図８に示した従来の圧力センサにおいても、Ｘ軸に沿って配置された第１歪ゲージ７ａと第２歪ゲージ７ｂには同様の応力が働き、抵抗変化が等しいとみなせる。同様に第３歪ゲージ７ｃと第４歪ゲージ７ｄも等しい抵抗変化となる。初期抵抗Ｒ0は全ての歪ゲージで等しいとして、各歪ゲージの抵抗を以下の式で表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
図２のブリッジ回路で得られる電圧変化率 Vout／Vccは以下になる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
抵抗変化△R1および△R3は以下のように求められる。第１および第２歪ゲージに発生する応力で、Ｘ方向の応力成分をσx、Ｙ方向の応力成分をσyとすると、抵抗変化△R1は、歪ゲージの縦ピエゾ抵抗係数をπl、横ピエゾ抵抗係数をπtとして、
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
と表される。一方、第３および第４歪ゲージにも同じ応力が発生するが、ゲージがＹ方向に沿って配置されているため、電流方向の応力がσy、それに垂直な方向の応力成分がσxとなり、抵抗変化△R3は
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
と表わされる。なお、Ｚ方向の応力はほぼゼロになるため無視した。図８の従来の圧力センサにおいても、対称性があるため、第３および第４歪ゲージは、第１および第２歪ゲージと同じ場所でＹ方向に沿って配置されているのと等価であり（５）式が成り立つ。
（３）式で、抵抗変化は初期抵抗に対して十分小さい（2R0＜＜△R1＋△R3）として、式（４）（５）を代入すると、以下になる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006
なお、ｐ型シリコン＜１１０＞方向ではπlとπtは符号が反対でほぼ同程度の値となるので、
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000007
である。以上より、圧力センサの出力変化率、すなわち感度は、歪ゲージに働くＸ方向とＹ方向の応力差σx-σyに比例する。
　図９はＦＥＭ解析により比較した解析モデルの平面図を示す。いずれもセンサチップはセンサ筐体の中央に配置されており、Ｘ軸に沿う中心線上でセンサチップ表面の応力差σx-σyを求め、応力差が最大となる位置に歪ゲージを配置すると仮定した。
　モデルＡは本発明の第一実施例を示し、ダイアフラムは短手方向の長さ１．８ｍｍ、長手方向の長さ５ｍｍである。ダイアフラムの長手方向の端部は半径０．９ｍｍの半円形状とした。ダイアフラムの厚さは０．５ｍｍとし、センサチップのサイズは２．４ｍｍ角とした。
　モデルＢは本発明の第三実施例を示し、モデルＡのダイアフラムに対して、長手方向の端部において短手方向の長さを拡大した、ひょうたん形状とした。長手方向中央部における短手方向の長さはモデルＡと同じ１．８ｍｍで、長手方向の中央部と端部の間における短手方向の最大長さを３．０ｍｍとした。ダイアフラムの厚さは０．５ｍｍとし、センサチップのサイズは２．４ｍｍ角とした。
　モデルＣは比較対象の従来の圧力センサであり、センサチップのサイズを、モデルＡおよびＢと同じ２．４ｍｍ角とし、ダイアフラムは、センサチップの内部に収まる直径１．８ｍｍの円形とした。他のモデルよりダイアフラムが小さいので、ダイアフラムの厚さは０．２５ｍｍと薄くした。
　モデルＤは、モデルＣに対してダイアフラムおよびセンサチップの寸法を２倍とし、ダイアフラムは直径３．６ｍｍの円形、センサチップのサイズを４．８ｍｍ角とした。ダイアフラムの厚さは０．５ｍｍとした。センサチップのサイズ拡大を許容して、センサチップのサイズがセンサ筐体に収まる範囲でダイアフラムのサイズを拡大した場合を想定したモデルである。
　図１０は、モデルＡ～Ｄで圧力１ＭＰａを印加する解析を行った結果を示しており、センサチップ表面に発生する応力を、Ｘ軸に沿う中心線上で表示したグラフである。σx、σyおよび応力差σx－σyを表示した。
　図１０によると、モデルＡでは、長手方向に長いダイアフラムとした効果により、中央部においてσxがσyよりも大きくなり、応力差は中央部で最大となった。σxの最大値に対するσx-σyの最大値の比を応力利用効率と定義すると、０．６７となった。
　モデルＢでは、ダイアフラムの長手方向端部を広げた効果で、ダイアフラム中央におけるＹ方向の応力が低下し、応力差を拡大することができた。応力利用効率は０．８４となった。
　モデルＣでは、ダイアフラム中央はσx=σyなのに対し、ダイアフラム外周部でσxが圧縮応力、σyが引張応力となり、ダイアフラムのエッジ位置に一致した、中央からの距離０．９ｍｍの地点で応力差が最大となった。この地点におけるσxとσx-σyの絶対値の比を応力利用効率とすると１．６６である。ただし、ダイアフラム中央部には高い応力が発生しており、中央におけるσxとの比で定義すると０．４８となる。
　モデルＤでは、モデルＣと同様の応力分布となり、ダイアフラムのエッジ位置より少し内側の、中央からの距離１．７５ｍｍ地点で応力差が最大となった。応力利用効率は、応力差最大点でのσxとの比で１．４２、ダイアフラム中央でのσxとの比で０．５６であった。
　以上より、センサチップに発生する最大応力に対して定義した応力利用効率において、本発明の圧力センサでは、従来の構成よりも応力利用効率が高いことが示された。また、ダイアフラムをひょうたん型としたモデルＢの構成により、ダイアフラムを長方形としたモデルＡの構成より、さらに応力利用効率が高くなることが分かった。
　図１１は、各モデルの応力差σx-σyについて、最大点付近の応力分布を比較したグラフである。横軸は応力差の最大点を０に合わせており、縦軸は最大点の応力差を１として基準化して示している。従来圧力センサのモデルＣと比べて、モデルＡは応力分布がなだらかになった。Ｘ位置が０．２ｍｍずれた地点での応力差の、最大点での応力差からの低下率も図１１に示した。モデルＣでは４８％なのに対して、モデルＡでは６％に抑えられている。よって歪ゲージの位置ずれが発生しても、出力が変化しにくい効果が確認できた。
　モデルＢではモデルＡよりもさらに応力分布がなだらかとなり、０．２ｍｍ地点での応力差低下率は３％とさらに低減できた。
　モデルＤでは、モデルＣと比べると、ダイアフラムのサイズが拡大した効果で応力差の分布もなだらかとなった。ただし、センサチップの面積は他のモデルに比べて４倍になっており、センサチップの製造コストが４倍となる。このモデルＤでも、０．２ｍｍ地点での応力差低下率は１１％となり、本発明の構成であるモデルＡおよびモデルＢの方が、位置ずれの影響を抑えられることが分かった。
　次に温度変化が発生した場合のセンサ出力変化について検討した結果を示す。図１２は、モデルＡ～Ｄについて、温度変化１００℃を与えたときの解析結果を示すグラフである。図１０と同様に、センサチップ表面に発生する応力を、Ｘ軸に沿う中心線上で表示した。
　センサチップの材質であるシリコンと、ダイアフラムの材質であるステンレスとの線膨脹係数差に起因して、センサチップ表面には応力が発生する。こうした熱応力は、基本的には等方的に働くので、σxとσyは等しくなり、出力変化は発生しにくい。ただし、モデルＣおよびモデルＤの結果を見ると、センサチップの中央部では応力差がゼロに近いが、センサチップの端部付近では急激に応力差が大きくなっている。また、ダイアフラムのエッジ周辺で応力差が変化している。ダイアフラムは薄く、周辺のセンサ筐体は厚いことから、境目であるエッジ付近で、変形の仕方が変わるためと考えられる。モデルＣおよびモデルＤでは、歪ゲージはダイアフラムのエッジ付近に配置されるため、歪ゲージの位置ずれに対して応力が変化しやすいと考えられる。モデルＡおよびモデルＢの結果を見ると、センサチップの中央部でも多少の応力差が発生している。これはダイアフラムの形状が等方的でない影響と考えられる。しかしながら、応力差の分布はセンサチップの中央部でほぼ平坦となった。モデルＡおよびモデルＢでは、歪ゲージはセンサチップの中央部に配置されるので、歪ゲージの位置ずれの影響が小さいと考えられる。
　図１３は、図１１と同様に、各モデルの応力差について、ゲージ位置付近の応力分布を比較したグラフである。横軸は、上述の圧力印加の解析における最大点をゲージ位置と仮定して、ゲージ位置を０に合わせて表示した。ゲージ位置を中心とした±０．２ｍｍの範囲における応力差の変化量も図１３に示した。本発明の構成を示すモデルＡおよびモデルＢでは、モデルＣおよびモデルＤに比べて、応力差の変化が非常に小さく抑えられた。このように、本発明の構成によれば、温度変化に対する出力変化が、歪ゲージの位置ずれに対して変化しにくい効果がある。温度特性のばらつきが少ないということなので、温度補正が容易になるなどの効果がある。
　１　　圧力センサ
　２　　ダイアフラム
　３　　センサ筐体
　４　　センサチップ
　５　　接合層
６　　ゲージ領域
７　　歪ゲージ
１０　Ｘ中心線
１１　ダイアフラム中央寸法
１２　ダイアフラム端部寸法
１３　シリコン基板
１４　センサダイアフラム
２１　圧力センサアセンブリ
２２　円筒部
２３　フランジ部
２４　ねじ部
２５　圧力導入口
２６　配線基板
２７　接着剤
２８　ワイヤ
２９　カバー
３０　外部電極ピン
３１　フレキシブル配線板
４０　従来の圧力センサ

Claims (7)

  1. 　長手と短手を有する形状のダイアフラムと、前記ダイアフラム上に設けられる４つの歪ゲージと、を有する圧力センサにおいて、
    　前記４つの歪ゲージは、前記ダイアフラムの中央部に配置されていて、
    　前記４つの歪ゲージの内２つを短手方向に沿って配置され、他の２つを長手方向に沿って配置されていることを特徴とする圧力センサ。
  2. 　前記ダイアフラムは、長手方向におけるダイアフラムの中央と端部の間における短手方向の最大寸法が、長手方向中央付近における短手方向の寸法よりも大きい形状であることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
  3. 　長手と短手を有する形状のダイアフラムと、前記ダイアフラム上に設けられるセンサチップと、センサチップ上に設けられる４つの歪ゲージと、を有する圧力センサにおいて、　前記４つの歪ゲージが前記ダイアフラムの中央部に位置するように前記センサチップは前記ダイアフラム上に配置されていて、
    　前記４つの歪ゲージの内２つを短手方向に沿って配置され、他の２つを長手方向に沿って配置されていることを特徴とする圧力センサ。
  4. 　前記ダイアフラムは、長手方向におけるダイアフラムの中央と端部の間における短手方向の最大寸法が、長手方向中央付近における短手方向の寸法よりも大きい形状であることを特徴とする請求項３に記載の圧力センサ。
  5. 　前記ダイアフラムの中央付近における短手方向の寸法が、センサチップの寸法よりも小さいことを特徴とする請求項３または４に記載の圧力センサ。
  6. 　前記ダイアフラムの長手方向の寸法が、センサチップの寸法よりも大きいことを特徴とする請求項５に記載の圧力センサ。
  7. 　前記４つの歪ゲージは、それぞれが＜１１０＞結晶方位に沿って形成されるｐ型単結晶シリコンであることを特徴とする請求項１から６に記載の圧力センサ。
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