WO2015151730A1

WO2015151730A1 - 圧力センサチップ

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Publication number: WO2015151730A1
Application number: PCT/JP2015/056835
Authority: WO
Inventors: 智久徳田
Original assignee: アズビル株式会社
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2015-03-09
Publication date: 2015-10-08
Also published as: JP2015194344A; CN106164637B; US10352802B2; JP5970017B2; CN106164637A; US20170176276A1

Abstract

　本発明に係る圧力センサチップにおいて、差圧用ダイアフラム（１）を囲むようにして配置した環状のダイアフラムを分割することにより、２つ静圧用ダイアフラム（２、３）を形成する。一方の静圧用ダイアフラム（２）の一方の面を基準圧とし、静圧用ダイアフラム（２）の他方の面に差圧用ダイアフラム（１）の一方の面への測定圧力（Ｐａ）を分岐して導く。また、他方の静圧用ダイアフラム（３）の一方の面を基準圧とし、静圧用ダイアフラム（３）の他方の面に差圧用ダイアフラム（１）の他方の面への測定圧力（Ｐｂ）を分岐して導く。これによれば、差圧の測定レンジのマルチ化を実現することができる。

Description

圧力センサチップ

　この発明は、一方の面および他方の面に受ける圧力差に応じた信号を出力するセンサダイアフラムを用いた圧力センサチップ、例えば圧力を受けて変位する薄板状のダイアフラム上に歪抵抗ゲージを形成し、ダイアフラムに形成された歪抵抗ゲージの抵抗値変化からダイアフラムに加わった圧力を検出する圧力センサチップに関するものである。

　従来より、工業用の差圧センサとして、一方の面および他方の面に受ける圧力差に応じた信号を出力するセンサダイアフラムを用いた圧力センサチップを組み込んだ差圧センサが用いられている。

　この差圧センサは、高圧側および低圧側の受圧ダイアフラムに加えられる各測定圧を、圧力伝達媒体としての封入液によってセンサダイアフラムの一方の面および他方の面に導き、そのセンサダイアフラムの歪みを例えば歪抵抗ゲージの抵抗値変化として検出し、この抵抗値変化を電気信号に変換して取り出すように構成されている。

　この差圧センサの一種として、差圧だけではなく、静圧も測定することができるようにした差圧静圧複合センサがある。この差圧静圧複合センサでは、基板の中央部に形成した差圧用ダイアフラムの外周に、円輪上の静圧用ダイアフラムを形成している（例えば、特許文献１参照）。この差圧静圧複合センサでは、他方の面が基準圧とされた静圧用ダイアフラムの一方の面に差圧用ダイアフラムの一方または他方の面への測定圧を分岐して導くことにより、差圧だけではなく、静圧も検出することができる。

特開２０１０－９１３８４号公報

　この種のセンサでは、そのダイアフラムのアスペクト比が感度と耐圧を決めるため、アスペクト比を変えることで、その測定レンジが分けられる。従って、一般的にアスペクト比の異なる、つまりレンジの異なるダイアフラムを１チップに搭載すれば、上述したような差圧静圧複合センサ（差圧静圧のマルチバリアブルセンサ）を実現することが可能となる。しかしながら、この種のセンサにおいて、差圧の測定レンジのマルチ化は難しく、差圧のマルチレンジセンサは実現されていない。

　本発明の目的は、差圧の測定レンジのマルチ化を実現することが可能な圧力センサチップを提供することにある。

　本発明に係る圧力センサチップは、基板と、基板の中央部に形成され一方の面および他方の面に受ける圧力差に応じた信号を出力する第１種のセンサダイアフラムと、基板上に第１種のセンサダイアフラムから離間して形成され一方の面および他方の面に受ける圧力差に応じた信号を出力する第２種および第３種のセンサダイアフラムと、基板の一方の面および他方の面にその周縁部を第２種および第３種のセンサダイアフラムを挟んで対面させて接合された第１および第２の保持部材と、第１の保持部材に設けられ第１種のセンサダイアフラムの一方の面に第１の測定圧力を導く第１の導圧孔と、第２の保持部材に設けられ第１種のセンサダイアフラムの他方の面に第２の測定圧力を導く第２の導圧孔と、第１の保持部材に設けられ第１種のセンサダイアフラムに過大圧が印加された時の当該第１種のセンサダイアフラムの過度な変位を阻止する第１の凹部と、第２の保持部材に設けられ第１種のセンサダイアフラムに過大圧が印加された時の当該第１種のセンサダイアフラムの過度な変位を阻止する第２の凹部と、第１の保持部材の周縁部に第２種のセンサダイアフラムの一方の面に対向する空間として設けられた第１の室と、第２の保持部材の周縁部に第２種のセンサダイアフラムの他方の面に対向する空間として設けられた第２の室と、第１の保持部材の周縁部に第３種のセンサダイアフラムの一方の面に対向する空間として設けられた第３の室と、第２の保持部材の周縁部に第３種のセンサダイアフラムの他方の面に対向する空間として設けられた第４の室とを備え、第１の室および第２の室の一方が第１種のセンサダイアフラムの一方の面への第１の測定圧力が導かれる室とされ、第１の室および第２の室の他方が内部が基準圧とされた室とされ、第３の室および第４の室の一方が第１種のセンサダイアフラムの他方の面への第２の測定圧力が導かれる室とされ、第３の室および第４の室の他方が内部が基準圧とされた室とされていることを特徴とする。

　本発明によれば、第１種のセンサダイアフラムから得られる圧力差を低圧レンジの差圧とし、第２種のセンサダイアフラムから得られる静圧と第３種のセンサダイアフラムから得られる静圧との圧力差を高圧レンジの差圧として出力させることにより、差圧の測定レンジのマルチ化を実現することが可能となる。

図１は、本発明に係る圧力センサチップの第１の実施の形態（実施の形態１）の概略を示す図である。図２は、実施の形態１に係る圧力センサチップの基板における差圧用ダイアフラムおよび静圧用ダイアフラムの配置例を示す図である。図３は、実施の形態１に係る圧力センサチップにおけるストッパ部材の内部の非接合領域に離散的に形成された複数の凸部の形状を示す平面図である。図４は、実施の形態１に係る圧力センサチップにおけるストッパ部材の内部の非接合領域に離散的に形成された複数の凸部の形状の他の例を示す平面図である。図５は、実施の形態１に係る圧力センサチップにおける第１の静圧用ダイアフラムから得られる静圧と第２の静圧用ダイアフラムから得られる静圧との圧力差を求める演算処理部を示す図である。図６は、実施の形態１に係る圧力センサチップにおいて差圧用ダイアフラムがストッパ部材の凹部に着底した後の状態を示す図である。図７は、本発明に係る圧力センサチップの第２の実施の形態（実施の形態２）の概略を示す図である。図８は、実施の形態２の圧力センサチップにおいてストッパ部材の内部の環状の溝をスリット状（矩形状断面）とした例を示す図である。図９は、実施の形態２の圧力センサチップにおいてストッパ部材の内部の環状の溝を半円以上の溝と半円以下の溝とをずらした形状とした例を示す図である。図１０は、実施の形態２の圧力センサチップにおいて差圧用ダイアフラムがストッパ部材の凹部に着底した後の状態を示す図である。図１１は、本発明に係る圧力センサチップの第３の実施の形態（実施の形態３）の概略を示す図である。図１２は、本発明に係る圧力センサチップの第４の実施の形態（実施の形態４）の概略を示す図である。図１３は、第１および第２の静圧用ダイアフラムの別の構成例を示す図である。図１４は、第１および第２の静圧用ダイアフラムの別の構成例を示す図である。図１５は、本発明に係る圧力センサチップの第５の実施の形態（実施の形態５）の概略を示す図である。

　先ず、本発明に係る圧力センサチップの概要について説明する。
　本発明に係る圧力センサチップは、基板と、基板の中央部に形成され一方の面および他方の面に受ける圧力差に応じた信号を出力する第１種のセンサダイアフラムと、基板上に第１種のセンサダイアフラムから離間して形成され一方の面および他方の面に受ける圧力差に応じた信号を出力する第２種および第３種のセンサダイアフラムと、基板の一方の面および他方の面にその周縁部を第２種および第３種のセンサダイアフラムを挟んで対面させて接合された第１および第２の保持部材と、第１の保持部材に設けられ第１種のセンサダイアフラムの一方の面に第１の測定圧力を導く第１の導圧孔と、第２の保持部材に設けられ第１種のセンサダイアフラムの他方の面に第２の測定圧力を導く第２の導圧孔と、第１の保持部材に設けられ第１種のセンサダイアフラムに過大圧が印加された時の当該第１種のセンサダイアフラムの過度な変位を阻止する第１の凹部と、第２の保持部材に設けられ第１種のセンサダイアフラムに過大圧が印加された時の当該第１種のセンサダイアフラムの過度な変位を阻止する第２の凹部と、第１の保持部材の周縁部に第２種のセンサダイアフラムの一方の面に対向する空間として設けられた第１の室と、第２の保持部材の周縁部に第２種のセンサダイアフラムの他方の面に対向する空間として設けられた第２の室と、第１の保持部材の周縁部に第３種のセンサダイアフラムの一方の面に対向する空間として設けられた第３の室と、第２の保持部材の周縁部に第３種のセンサダイアフラムの他方の面に対向する空間として設けられた第４の室とを備え、第１の室および第２の室の一方が第１種のセンサダイアフラムの一方の面への第１の測定圧力が導かれる室とされ、第１の室および第２の室の他方が内部が基準圧とされた室とされ、第３の室および第４の室の一方が第１種のセンサダイアフラムの他方の面への第２の測定圧力が導かれる室とされ、第３の室および第４の室の他方が内部が基準圧とされた室とされていることを特徴とする。

　本発明に係る上記圧力センサチップにおいて、第１種のセンサダイアフラムの一方の面には第１の測定圧力が導かれ、第１種のセンサダイアフラムの他方の面には第２の測定圧力が導かれる。これにより、第１種のセンサダイアフラムは、第１の測定圧力と第２の測定圧力との圧力差に応じた信号を出力する。一方、第２種のセンサダイアフラムの一方の面および他方の面には、何れか一方に、他方を基準圧として、第１種のセンサダイアフラムの一方の面への第１の測定圧力が導かれる。これにより、第２種のセンサダイアフラムは、第１の測定圧力と基準圧との圧力差に応じた信号を出力する。また、第３種のセンサダイアフラムの一方の面および他方の面には、何れか一方に、他方を基準圧として、第１種のセンサダイアフラムの他方の面への第２の測定圧力が導かれる。これにより、第３種のセンサダイアフラムは、第２の測定圧力と基準圧との圧力差に応じた信号を出力する。

　すなわち、本発明に係る上記圧力センサチップにおいて、第１種のセンサダイアフラムは第１の測定圧力と第２の測定圧力との差圧を検出する差圧センサを構成し、第２種のセンサダイアフラムは第１の測定圧力を静圧として検出する静圧センサを構成し、第３のセンサダイアフラムは第２の測定圧力を静圧として検出する静圧センサを構成する。ここで、例えば第１の測定圧力が第２の測定圧力よりも高いものとした場合、第２種のセンサダイアフラムは高圧側の静圧センサを構成し、第３種のセンサダイアフラムは低圧側の静圧センサを構成する。また、例えば第２の測定圧力が第１の測定圧力よりも高いものとした場合、第２種のセンサダイアフラムは低圧側の静圧センサを構成し、第３種のセンサダイアフラムは高圧側の静圧センサを構成する。

　本発明に係る上記圧力センサチップにおいて、第２種および第３種のセンサダイアフラムの受圧感度が第１種のセンサダイアフラムの受圧感度よりも低いものとすると、第１種のセンサダイアフラムから得られる圧力差を低圧レンジの差圧として、第２種のセンサダイアフラムから得られる静圧と第３種のセンサダイアフラムから得られる静圧との圧力差を高圧レンジの差圧として出力させるようにすることができる。すなわち、低圧差圧印加時は、第１種のセンサダイアフラムでその差圧を高精度に測定し、高圧差圧印加時は、第２種および第３種のセンサダイアフラムでその差圧を高精度に測定することが可能となるので、差圧の測定レンジのマルチ化を実現することが可能となる。
　なお、高圧差圧印加時、第１種のセンサダイアフラムには過大圧が印加されるが、第１の保持部材および第２の保持部材には第１種のセンサダイアフラムの過度な変位を阻止する凹部が設けられているので、破壊されてしまうということはない。

　以下、本発明に係る圧力センサチップの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

〔実施の形態１〕
　図１はこの発明に係る圧力センサチップの第１の実施の形態（実施の形態１）の概略を示す図である。同図において、１１－１は基台としての基板、１１－２および１１－３は基板１１－１を挟んで接合された保持部材としての第１および第２のストッパ部材、１１－４および１１－５はストッパ部材１１－２および１１－３に接合された第１および第２の台座である。ストッパ部材１１－２，１１－３や台座１１－４，１１－５はシリコンやガラスなどにより構成されている。

　この圧力センサチップ１１Ａにおいて、基板１１－１には、第１種のセンサダイアフラムとして差圧用ダイアフラム１が、第２種のセンサダイアフラムとして第１の静圧用ダイアフラム２が、第３種のセンサダイアフラムとして第２の静圧用ダイアフラム３がドライエッチングにより形成されている。

　図２に基板１１－１における差圧用ダイアフラム１および静圧用ダイアフラム２，３の配置例を示す。この例では、基板１の中央部に円形の差圧用ダイアフラム１を設け、この円形の差圧用ダイアフラム１を挟むようにして、半円帯状（Ｃ型）の静圧用ダイアフラム２および３を対向して設けている。

　すなわち、差圧用ダイアフラム１を囲むようにして環状のダイアフラムを分割して設け、一方を静圧用ダイアフラム２とし、他方を静圧用ダイアフラム３としている。本実施の形態において、静圧用ダイアフラム２および３の受圧面の面積は、差圧用ダイアフラム１の受圧面の面積よりも小さくされている。すなわち、静圧用ダイアフラム２および３の受圧感度は、差圧用ダイアフラム１の受圧感度よりも低くされている。

　この差圧用ダイアフラム１および静圧用ダイアフラム２，３が設けられた基板１１－１はストッパ部材１１－２とストッパ部材１１－３との間に挟まれている。すなわち、基板１１－１の一方の面および他方の面の中央部に差圧用ダイアフラム１が形成され、基板１１－１の一方の面および他方の面に、差圧用ダイアフラム１の周縁部を挾んで対面させて静圧用ダイアフラム２，３が形成される。そして、基板１１－１の一方の面にストッパ部材１１－２が接合され、基板１１－１の他方の面にストッパ部材１１－３が接合される。

　ストッパ部材１１－２の周縁部には、静圧用ダイアフラム２の一方の面に対向する空間（半円帯状の空間）としての室４と、静圧用ダイアフラム３の一方の面に対向する空間（半円帯状の空間）としての室６とが設けられている。ストッパ部材１１－３の周縁部には、静圧用ダイアフラム２の他方の面に対向する空間（半円帯状の空間）としての室５と、静圧用ダイアフラム３の他方の面に対向する空間（半円帯状の空間）としての室７とが設けられている。以下、ストッパ部材１１－２に設けられている室４を第１の室、ストッパ部材１１－３に設けられている室５を第２の室と呼ぶ。また、ストッパ部材１１－２に設けられている室６を第３の室、ストッパ部材１１－３に設けられている室７を第４の室と呼ぶ。

　本実施の形態において、第２の室５および第３の室６の内部は基準圧、例えば、真空又は大気圧とされている。静圧用ダイアフラム２の第１の室４に対向する一方の面の幅、すなわち静圧用ダイアフラム２の一方の面に対向する第１の室４の幅Ｗ１は、静圧用ダイアフラム２の第２の室５に対向する他方の面の幅、すなわち静圧用ダイアフラム２の他方の面に対向する第２の室５の幅Ｗ２よりも広くされている。また、静圧用ダイアフラム３の第４の室７に対向する他方の面の幅、すなわち静圧用ダイアフラム３の他方の面に対向する第４の室７の幅Ｗ３は、静圧用ダイアフラム３の第３の室６に対向する一方の面の幅、すなわち静圧用ダイアフラム３の一方の面に対向する第３の室６の幅Ｗ４よりも広くされている。

　また、ストッパ部材１１－２の中央部には、差圧用ダイアフラム１の一方の面に対向する空間としての室８が設けられており、ストッパ部材１１－３の中央部には、差圧用ダイアフラム１の他方の面に対向する空間としての室９が設けられている。室８および９は、差圧用ダイアフラム１の一方の面および他方の面に対峙する凹部１１－２ａおよび１１－３ａによって作られる空間である。この凹部１１－２ａおよび１１－３ａは差圧用ダイアフラム１の変位に沿った曲面（非球面）の形状を有している。室８および９において、圧力導入孔（導圧孔）１１－２ｂおよび１１－３ｂが凹部１１－２ａおよび１１－３ａの頂部に形成されている。また、台座１１－４，１１－５におけるストッパ部材１１－２，１１－３の導圧孔１１－２ｂ，１１－３ｂに対応する位置に、圧力導入孔（導圧孔）１１－４ａ，１１－５ａが形成されている。

　この圧力センサチップ１１Ａにおいて、ストッパ部材１１－２は、導圧孔１１－２ｂの周部に連通する非接合領域ＳＡ１を内部に有している。この非接合領域ＳＡ１は、基板１１－１の一方の面と平行な面ＰＬの一部を対向する第１の面ＰＬ１と第２の面ＰＬ２とに分けた領域として設けられている。

　また、図３に示されるように、この非接合領域ＳＡ１の対向する第１の面ＰＬ１およびＰＬ２の少なくとも一方の面（この例では、第１の面ＰＬ１）上には、複数の凸部（柱）１２が離散的に形成されている。この複数の凸部１２と凸部１２との間の通路（溝）１３は、導圧孔１１－２ｂの周部と非接合領域ＳＡ１の周端部１４との間の連通路とされている。この例において、凸部１２は円柱状とされているが、図４に示すように、六角柱状等であってもよい。

　この例において、ストッパ部材１１－２は、基板１１－１の一方の面と平行な面ＰＬで２分割されている。すなわち、この２分割された一方のストッパ部材１１－２１と他方のストッパ部材１１－２２とを、非接合領域ＳＡ１が設けられた面ＰＬの非接合領域ＳＡ１を除く領域ＳＢ１同士を接合することにより、１つのストッパ部材１１－２が形成されている。これにより、基板１１－１の一方の面と平行な面ＰＬは、導圧孔１１－２ｂの周部に連通する非接合領域ＳＡ１と、導圧孔１１－２ｂの周部には連通しない接合領域ＳＢ１とに分けられている。

　ストッパ部材１１－３も、ストッパ部材１１－２と同様、導圧孔１１－３ｂの周部に連通する非接合領域ＳＡ２を内部に有している。この非接合領域ＳＡ２は、基板１１－１の他方の面と平行な面ＰＬの一部を対向する第１の面ＰＬ１と第２の面ＰＬ２とに分けた領域として設けられている。

　また、非接合領域ＳＡ２の対向する第１の面ＰＬ１およびＰＬ２の少なくとも一方の面（この例では、第１の面ＰＬ１）上に、ストッパ部材１１－２における非接合領域ＳＡ１と同様、複数の凸部（柱）１２が離散的に形成されている。この複数の凸部１２と凸部１２との間の通路（溝）１３は、導圧孔１１－３ｂの周部と非接合領域ＳＡ２の周端部１４との間の連通路とされている。この例においても、凸部１２は円柱状とされているが、六角柱状等であってもよい。

　この例において、ストッパ部材１１－３は、基板１１－１の他方の面と平行な面ＰＬで２分割されている。すなわち、この２分割された一方のストッパ部材１１－３１と他方のストッパ部材１１－３２とを、非接合領域ＳＡ２が設けられた面ＰＬの非接合領域ＳＡ２を除く領域ＳＢ２同士を接合することにより、１つのストッパ部材１１－３が形成されている。これにより、基板１１－１の他方の面と平行な面ＰＬは、導圧孔１１－３ｂの周部に連通する非接合領域ＳＡ２と、導圧孔１１－３ｂの周部には連通しない接合領域ＳＢ２とに分けられている。

　ストッパ部材１１－２において、第１の室４および第３の室６は凹部１１－２ａとともにストッパ部材１１－２１に設けられている。第１の室４と非接合領域ＳＡ１との間には圧力導入孔（導圧孔）１１－２ｃが形成されている。また、ストッパ部材１１－３において、第２の室５および第４の室７は凹部１１－３ａとともにストッパ部材１１－３１に設けられている。第４の室７と非接合領域ＳＡ２との間には圧力導入孔（導圧孔）１１－３ｃが形成されている。

　この圧力センサチップ１１Ａでは、ストッパ部材１１－２の導圧孔１１－２ｂを通して測定圧力Ｐａが室８の内部に導かれ、ストッパ部材１１－３に設けられている導圧孔１１－３ｂを通して測定圧力Ｐｂが室９の内部に導かれる。これにより、差圧用ダイアフラム１が室８の内部に導かれた測定圧力Ｐａと室９の内部に導かれた測定圧力Ｐｂとの差に相当する変位を生ずる。この変位によって差圧用ダイアフラム１のエッジ部に発生する応力が、差圧ΔＰとして、差圧用ダイアフラム１のエッジ部に設けられているピエゾ抵抗素子（図示せず）の抵抗値の変化により検出される。

　一方、この圧力センサチップ１１Ａでは、ストッパ部材１１－２の内部に設けられている非接合領域ＳＡ１に導圧孔１１－２ｂを通して測定圧力Ｐａが導かれ、この非接合領域ＳＡ１に導かれた測定圧力Ｐａが導圧孔１１－２ｃを通して静圧用ダイアフラム２の一方の面に対向する第１の室４に導かれる。静圧用ダイアフラム２の他方の面に対向する第２の室５の内部は基準圧、例えば真空又は大気圧とされている。これにより、静圧用ダイアフラム２が第１の室４の内部に導かれた測定圧力Ｐａと第２の室５の内部の基準圧との差に相当する変位を生ずる。この変位によって静圧用ダイアフラム２のエッジ部に発生する応力が、静圧Ｐａとして、図２に示される静圧用ダイアフラム２のエッジ部に設けられているピエゾ抵抗素子ｒａ１～ｒａ４の抵抗値の変化により検出される。

　また、この圧力センサチップ１１Ａでは、ストッパ部材１１－３の内部に設けられている非接合領域ＳＡ２に導圧孔１１－３ｂを通して測定圧力Ｐｂが導かれ、この非接合領域ＳＡ２に導かれた測定圧力Ｐｂが導圧孔１１－３ｃを通して静圧用ダイアフラム３の他方の面に対向する第４の室７に導かれる。静圧用ダイアフラム３の一方の面に対向する第３の室６の内部は基準圧、例えば真空又は大気圧とされている。これにより、静圧用ダイアフラム３が第４の室７の内部に導かれた測定圧力Ｐｂと第３の室６の内部の基準圧との差に相当する変位が生じる。この変位によって静圧用ダイアフラム３のエッジ部に発生する応力が、静圧Ｐｂとして、図２に示される静圧用ダイアフラム３のエッジ部に設けられているピエゾ抵抗素子ｒｂ１～ｒｂ４の抵抗値の変化により検出される。

　本実施の形態において、静圧用ダイアフラム２および３の受圧感度は、差圧用ダイアフラム１の受圧感度よりも低くされている。このため、低圧差圧印加時は、差圧用ダイアフラム１が差圧ΔＰに相当する変位を生ずるが、静圧用ダイアフラム２および３は静圧ＰａおよびＰｂに相当する変位を生じない。高圧差圧印加時は、ストッパ部材１１－２および１１－３に設けられている凹部１１－２ａおよび１１－３ａによって差圧用ダイアフラム１の過度な変位が阻止されるので、差圧用ダイアフラム１は差圧ΔＰに相当する変位を生じないが、静圧用ダイアフラム２および３が静圧ＰａおよびＰｂに相当する変位を生ずる。

　そこで、本実施の形態では、図５に示すように、第１の静圧用ダイアフラム２から得られる静圧Ｐａと第２の静圧用ダイアフラム３から得られる静圧Ｐｂとの圧力差をΔＰａｂ＝｜Ｐａ－Ｐｂ｜として求める演算処理部１０を設ける。この演算処理部１０で求められる静圧Ｐａと静圧Ｐｂとの圧力差ΔＰａｂは、高圧レンジの差圧ΔＰ_Hとして出力され、差圧用ダイアフラム１から得られる圧力差ΔＰは、低圧レンジの差圧ΔＰ_Lとして出力される。

　これにより、低圧差圧印加時は、差圧用ダイアフラム（第１種のセンサダイアフラム）１によって、差圧用ダイアフラム１の差圧が高精度に測定される。また、高圧差圧印加時は、第１の静圧用ダイアフラム（第２種のセンサダイアフラム）２および第２の静圧用ダイアフラム（第３種のセンサダイアフラム）３によって、第１の静圧用ダイアフラム２と第２の静圧用ダイアフラム３との差圧が高精度に測定される。これにより、差圧の測定レンジのマルチ化が実現される。

　なお、高圧差圧印加時、差圧用ダイアフラム１には過大圧が印加されるが、ストッパ部材１１－２および１１－３に設けられている凹部１１－２ａおよび１１－３ａによって差圧用ダイアフラム１の過度な変位が阻止されるので、破壊されてしまうということはない。

　例えば、この圧力センサチップ１１Ａにおいて、測定圧力Ｐｂを高圧側の測定圧とし、測定圧力Ｐａを低圧側の測定圧とした場合、差圧用ダイアフラム１の他方の面に高圧側の測定圧力Ｐｂがかかると、差圧用ダイアフラム１はストッパ部材１１－２側に撓む。この際、ストッパ部材１１－３には差圧用ダイアフラム１が撓んだ方向とは反対側に力が加わり、ダイアフラムエッジ、例えば図１における点Ｇで示す箇所に開きが生じようとする。なお、以下の説明では、図１において、差圧用ダイアフラム１が撓んだ方向を上方向、撓んだ方向とは反対側を下方向と呼ぶ。

　この場合、本実施の形態では、ストッパ部材１１－３の内部に設けられている非接合領域ＳＡ２に導圧孔１１－３ｂを通して測定圧力Ｐｂが導かれるので、この非接合領域ＳＡ２が測定圧力Ｐｂの受圧面となって、ストッパ部材１１－３に加わる下方向への力を抑制し、ダイアフラムエッジに開きを生じさせないようにする。これにより、差圧用ダイアフラム１の拘束による応力発生が低減され、ダイアフラムエッジへの応力集中が防がれる。

　この圧力センサチップ１１Ａにおいて、非接合領域ＳＡ２は、差圧用ダイアフラム１がストッパ部材１１－２の凹部１１－２ａに着底した後、過大圧が大きくなったような場合、さらに大きな効果を発揮する。以下、図６を用いて詳細に説明する。

　図６に差圧用ダイアフラム１がストッパ部材１１－２の凹部１１－２ａに着底した後の状態を示す。差圧用ダイアフラム１の他方の面に過大圧がかかると、差圧用ダイアフラム１はストッパ部材１１－２側に撓み、ストッパ部材１１－２の凹部１１－２ａに着底する。この差圧用ダイアフラム１の凹部１１－２ａへの着底後、過大圧が大きくなると、ストッパ部材１１－３に加わる下方向への力により、ストッパ部材１１－３が変形し、ダイアフラムエッジに開きが生じようとする。

　この場合、本実施の形態では、ストッパ部材１１－３の内部に設けられている非接合領域ＳＡ２にも、導圧孔１１－３ｂを通して複数の凸部１２と凸部１２の間の通路１３内に満遍なく過大圧が導かれるので、この非接合領域ＳＡ２が過大圧の受圧面となって、ストッパ部材１１－３１に上方向への力を加える。この力により、ストッパ部材１１－３１の変形を抑制し、もしくはストッパ部材１１－３１を逆方向に変形させる。図６の例では、差圧用ダイアフラム１の上方向への変形に追従する形で、ストッパ部材１１－３１を上方向へ変形させている。

　これにより、差圧用ダイアフラム１のストッパ部材１１－２の凹部１１－２ａへの着底後、過大圧が大きくなっても、ダイアフラムエッジに開きが生じず、ダイアフラムエッジへの応力集中が避けられ、期待される耐圧が確保される。このため、静圧用ダイアフラム２および３による高圧レンジの差圧ΔＰ_Hの測定中に差圧用ダイアフラム１が破壊されてしまうということが防がれる。

　なお、本実施の形態において、ストッパ部材１１－３の内部に設ける非接合領域ＳＡ２の面積は、すなわちストッパ部材１１－３の内部の受圧面積は、ストッパ部材１１－３の下方向への変形を抑制し、もしくはストッパ部材１１－３を逆方向に変形させるために、ストッパ部材１１－３の凹部１１－３ａの受圧面積よりも十分大きな面積とすることが望ましい。

　また、本実施の形態では、ストッパ部材１１－３の内部の非接合領域ＳＡ２の第１の面ＰＬ１の面上に複数の凸部１２を離散的に形成するようにしているが、第２の面ＰＬ２の面上に複数の凸部１２を離散的に形成するようにしてもよい。また、第１の面ＰＬ１と第２の面ＰＬ２の両方の面上に複数の凸部１２を離散的に形成するようにしてもよい。

　また、上述では、測定圧力Ｐｂを高圧側の測定圧とし、測定圧力Ｐａを低圧側の測定圧とした場合を例にとって説明したが、測定圧力Ｐａを高圧側の測定圧とし、測定圧力Ｐｂを低圧側の測定圧とした場合には、ストッパ部材１１－２の内部の非接合領域ＳＡ１がストッパ部材１１－３の内部の非接合領域ＳＡ２と同じ役割を果たし、上述と同様の動作が得られる。

　また、本実施の形態では、ストッパ部材１１－２，１１－３の内部の非接合領域ＳＡ１，ＳＡ２の第１の面ＰＬ１の面上に、複数の凸部１２を離散的に形成し、この複数の凸部１２と凸部１２との間の通路１３を導圧孔１１－２ｂ，１１－３ｂの周部と非接合領域ＳＡ１，ＳＡ２の周端部１４との間の連通路としているので、通常用いられるオイル等の圧力伝達媒体の封入が容易となる。更に、封入する圧力伝達媒体の伝達抵抗を下げることにより、伝達速度差による動作不良の影響を無くすことができる。更に、逆側からの圧力印加に対しては凸部１２の面積を最適設計することにより、耐圧確保することが可能となるという効果も得られる。

〔実施の形態２〕
　図７にこの発明に係る圧力センサチップの第２の実施の形態（実施の形態２）の概略を示す。この実施の形態２の圧力センサチップ１１Ｂでは、ストッパ部材１１－２，１１－３の内部に、非接合領域ＳＡ１，ＳＡ２に連続するストッパ部材１１－２，１１－３の肉厚方向へ張り出した環状の溝１１－２ｄ，１１－３ｄを形成している。この環状の溝１１－２ｄ，１１－３ｄは、離散的に分断された溝ではなく、連続した溝であり、溝断面の径を大きくすることが望ましい。

　なお、図７に示した例では、環状の溝１１－２ｄ，１１－３ｄの非接合領域ＳＡ１，ＳＡ２に直交する断面形状を円形としているが、必ずしも円形としなくてもよい。例えば、図８に示すように、上記断面形状をスリット状（矩形）としてもよいし、図９に示すように、上記断面形状を、半円以上の円弧状の溝と半円以下の円弧状の溝とを組み合わせてずらした形状としてもよい。

　図１０に、図７に示した圧力センサチップ１１Ｂにおいて差圧用ダイアフラム１がストッパ部材１１－２の凹部１１－２ａに着底した後の状態を示す。このような環状の溝１１－２ｄ，１１－３ｄを形成することにより、この環状の溝１１－２ｄ，１１－３ｄの内部に応力が分散されるものとなり、さらに高耐圧とすることが可能となる。

〔実施の形態３〕
　図１１にこの発明に係る圧力センサチップの第３の実施の形態（実施の形態３）の概略を示す。この実施の形態３の圧力センサチップ１１Ｃでは、ストッパ部材１１－３中の非接合領域ＳＡ２に連通させた導圧孔１１－３ｃを第４の室７ではなく、静圧用ダイアフラム３の一方の面側に位置する第３の室６に連通させるとともに、静圧用ダイアフラム３の他方の面側に位置する第４の室７の内部を基準圧、例えば真空又は大気圧としている。

　また、図１１に示すにように、静圧用ダイアフラム３の第３の室６に対向する一方の面の幅、すなわち静圧用ダイアフラム３の一方の面に対向する第３の室６の幅Ｗ４を、静圧用ダイアフラム３の第４の室７に対向する他方の面の幅、すなわち静圧用ダイアフラム３の他方の面に対向する第４の室７の幅Ｗ３よりも広くしている。

　この圧力センサチップ１１Ｃでは、ストッパ部材１１－３の内部に設けられている非接合領域ＳＡ２に導圧孔１１－３ｂを通して測定圧力Ｐｂが導かれる。そして、この非接合領域ＳＡ２に導かれた測定圧力Ｐｂが、導圧孔１１－３ｃを通してストッパ部材１１－２１側に入り、静圧用ダイアフラム３の一方の面に対向する第３の室６に導かれる。静圧用ダイアフラム３の他方の面に対向する第４の室７の内部は基準圧、例えば真空又は大気圧とされている。

　これにより、静圧用ダイアフラム３が第３の室６の内部に導かれた測定圧力Ｐｂと第４の室７の内部の基準圧との差に相当する変位を生じる。この変位により静圧用ダイアフラム３のエッジ部に発生する応力が、静圧Ｐｂとして、静圧用ダイアフラム３のエッジ部に設けられているピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化により検出される。

　この圧力センサチップ１１Ｃでは、静圧用ダイアフラム２に加えられる測定圧力Ｐａと同じ方向から静圧用ダイアフラム３に測定圧力Ｐｂが加わり、基板１１－１上で静圧用ダイアフラム２と３とが同方向に撓むものとなる。これにより、静圧用ダイアフラム２と３に加わる圧力の条件が同じとなり、高圧レンジの差圧ΔＰ_Hの測定精度が高まる。

〔実施の形態４〕
　図１２にこの発明に係る圧力センサチップの第４の実施の形態（実施の形態４）の概略を示す。この実施の形態４の圧力センサチップ１１Ｄは、実施の形態３の圧力センサチップ１１Ｃの変形例であり、測定圧力Ｐａ，Ｐｂを同方向から取り入れるようにしている。

　この例では、測定圧力Ｐａを測定圧力Ｐｂと同方向側から取り入れるようにしている。すなわち、実施の形態４に係る圧力センサチップ１１Ｄは、台座１１－５，ストッパ部材１１－３，基板１１－１，ストッパ部材１１－２を貫通させて形成した導圧孔１５を台座１１－４を通してストッパ部材１１－２の導圧孔１１－２ｂに連通させる構造を有している。これにより、測定圧力Ｐｂと同方向側から取り入れた測定圧力Ｐａを差圧用ダイアフラム１の一方の面および静圧用ダイアフラム２の一方の面へ導くようにしている。

　なお、上述した実施の形態では、静圧用ダイアフラム２および３を半円帯状（例えばアルファベットの“Ｃ”型）のダイアフラムとしたが、静圧用ダイアフラム２および３は、この形状に限定されない。例えば、図１３や図１４に示すように、差圧用ダイアフラム１を挾んで対向して設けた円弧状や矩形状のダイアフラム２－１，２－２によって第１の静圧用ダイアフラム２を構成し、且つ第１の静圧用ダイアフラム２に対して角度を９０゜ずらして差圧用ダイアフラム１を挾んで対向して設けた円弧状や矩形状のダイアフラム３－１，３－２によって第２の静圧用ダイアフラム３を構成してもよい。

〔実施の形態５〕
　図１５にこの発明に係る圧力センサチップの第５の実施の形態（実施の形態５）の概略を示す。

　上述した実施の形態１～４では、ストッパ部材１１－２に非接合領域ＳＡ１を設け、ストッパ部材１１－３に非接合領域ＳＡ２を設け、この非接合領域ＳＡ１，ＳＡ２を通して静圧用ダイアフラム２，３に測定圧力Ｐａ，Ｐｂを分岐して導くようにしたが、図１５に実施の形態５の圧力センサチップ１１Ｅとして示すように、圧力センサチップ１１Ｅの外側で測定圧力Ｐａ，Ｐｂを分岐させて、静圧用ダイアフラム２および３に測定圧力ＰａおよびＰｂを導くようにしてもよい。

　また、上述した実施の形態では、ストッパ部材１１－２，１１－３の内部の非接合領域ＳＡ１，ＳＡ２に複数の凸部（柱）１２を離散的に形成し、この複数の凸部１２と凸部１２との間の通路（溝）１３を導圧孔１１－２ｂ，１１－３ｂの周部と非接合領域ＳＡ１，ＳＡ２の周端部１４との間の連通路としたが、必ずしもこのような離散的に形成した凸部１２によって作られる連通路としなくてもよく、単なるスリット状の隙間を連通路としても構わない。

〔実施の形態の拡張〕
　以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、各実施の形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。

　本発明に係る圧力センサチップは、例えば工業用の差圧センサ等の様々な用途に適用できる。

　１…差圧用ダイアフラム、２…第１の静圧用ダイアフラム、３…第２の静圧用ダイアフラム、４…第１の室、５…第２の室、６…第３の室、７…第４の室、１０…演算処理部、１１－１…基板、１１－２（１１－２１，１１－２２），１１－３（１１－３１，１１－３２）…ストッパ部材、１１－２ａ，１１－３ａ…凹部、１１－２ｂ，１１－２ｃ，１１－３ｂ，１１－３ｃ…導圧孔、１１－４，１１－５…台座、１２…凸部（柱）、１３…通路（溝）、１４…周端部、ＳＡ…非接合領域、ＳＢ…接合領域、ｒａ１～ｒａ４，ｒｂ１～ｒｂ４…ピエゾ抵抗素子。

Claims

　基板と、
　前記基板の中央部に形成され一方の面および他方の面に受ける圧力差に応じた信号を出力する第１種のセンサダイアフラムと、
　前記基板上に前記第１種のセンサダイアフラムから離間して形成され一方の面および他方の面に受ける圧力差に応じた信号を出力する第２種および第３種のセンサダイアフラムと、
　前記基板の一方の面および他方の面に、前記第２種および第３種のセンサダイアフラムを挟んで対面させて接合された第１および第２の保持部材と、
　前記第１の保持部材に設けられ前記第１種のセンサダイアフラムの一方の面に第１の測定圧力を導く第１の導圧孔と、
　前記第２の保持部材に設けられ前記第１種のセンサダイアフラムの他方の面に第２の測定圧力を導く第２の導圧孔と、
　前記第１の保持部材に設けられ前記第１種のセンサダイアフラムに過大圧が印加された時の当該第１種のセンサダイアフラムの過度な変位を阻止する第１の凹部と、
　前記第２の保持部材に設けられ前記第１種のセンサダイアフラムに過大圧が印加された時の当該第１種のセンサダイアフラムの過度な変位を阻止する第２の凹部と、
　前記第１の保持部材の周縁部に前記第２種のセンサダイアフラムの一方の面に対向する空間として設けられた第１の室と、
　前記第２の保持部材の周縁部に前記第２種のセンサダイアフラムの他方の面に対向する空間として設けられた第２の室と、
　前記第１の保持部材の周縁部に前記第３種のセンサダイアフラムの一方の面に対向する空間として設けられた第３の室と、
　前記第２の保持部材の周縁部に前記第３種のセンサダイアフラムの他方の面に対向する空間として設けられた第４の室とを備え、
　前記第１の室および第２の室の一方は、前記第１種のセンサダイアフラムの一方の面への第１の測定圧力が導かれる室とされ、
　前記第１の室および第２の室の他方が、内部が基準圧とされた室とされ、
　前記第３の室および第４の室の一方は、前記第１種のセンサダイアフラムの他方の面への第２の測定圧力が導かれる室とされ、
　前記第３の室および第４の室の他方が、内部が基準圧とされた室とされている
　ことを特徴とする圧力センサチップ。
　請求項１に記載された圧力センサチップにおいて、
　前記第１の測定圧力が前記第２の測定圧力よりも高い場合、
　前記第２種のセンサダイアフラムは、高圧側の静圧センサを構成し、
　前記第３種のセンサダイアフラムは、低圧側の静圧センサを構成し、
　前記第２の測定圧力が前記第１の測定圧力よりも高い場合、
　前記第２種のセンサダイアフラムは、低圧側の静圧センサを構成し、
　前記第３種のセンサダイアフラムは、高圧側の静圧センサを構成する
　ことを特徴とする圧力センサチップ。
　請求項２に記載された圧力センサチップにおいて、
　前記第１種のセンサダイアフラムから得られた圧力差を低圧レンジの差圧として出力し、
　前記第２種のセンサダイアフラムから得られた静圧と前記第３種のセンサダイアフラムから得られた静圧との圧力差を高圧レンジの差圧として出力する
　ことを特徴とする圧力センサチップ。
　請求項１に記載された圧力センサチップにおいて、
　前記第２種および第３種のセンサダイアフラムは、複数のダイアフラムから構成されている
　ことを特徴とする圧力センサチップ。
　請求項１に記載された圧力センサチップにおいて、
　前記第２種および第３種のセンサダイアフラムの受圧感度は、前記第１種のセンサダイアフラムの受圧感度より低い
　ことを特徴とする圧力センサチップ。
　請求項１に記載された圧力センサチップにおいて、
　前記第２種および第３種のセンサダイアフラムは、
　前記第１種のセンサダイアフラムの周囲を囲むようにして分割して設けられた環状のダイアフラムの一方および他方とされている
　ことを特徴とする圧力センサチップ。
　請求項１に記載された圧力センサチップにおいて、
　前記第１の保持部材は、
　前記第１の導圧孔の周部に連通する非接合領域を内部に有し、
　前記第１の保持部材の内部の非接合領域は、
　前記基板の一方の面と平行な面の一部を対向する第１の面と第２の面とに分けた領域として設けられ、
　前記第１の保持部材の内部の非接合領域の対向する第１の面および第２の面の少なくとも一方の面上には、複数の凸部が離散的に形成され、
　前記第１の保持部材に形成された複数の凸部と凸部との間の通路は、前記第１の導圧孔の周部と前記非接合領域の周端部との間の連通路とされ、
　前記第２の保持部材は、
　前記第２の導圧孔の周部に連通する非接合領域を内部に有し、
　前記第２の保持部材の内部の非接合領域は、
　前記基板の他方の面と平行な面の一部を対向する第１の面と第２の面とに分けた領域として設けられ、
　前記第２の保持部材の内部の非接合領域の対向する第１の面および第２の面の少なくとも一方の面上には、複数の凸部が離散的に形成され、
　前記第２の保持部材に形成された複数の凸部と凸部との間の通路は、前記第２の導圧孔の周部と前記非接合領域の周端部との間の連通路とされている
　ことを特徴とする圧力センサチップ。