WO2021049245A1 - 圧力センサ - Google Patents

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WO2021049245A1
WO2021049245A1 PCT/JP2020/030782 JP2020030782W WO2021049245A1 WO 2021049245 A1 WO2021049245 A1 WO 2021049245A1 JP 2020030782 W JP2020030782 W JP 2020030782W WO 2021049245 A1 WO2021049245 A1 WO 2021049245A1
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circuit
resistor
pressure sensor
membrane
strain
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PCT/JP2020/030782
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哲也 笹原
健 海野
小林　正典
孝平 縄岡
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Tdk株式会社
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    • G01L9/02—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
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    • G—PHYSICS
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    • G01L9/0051—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance

Definitions

  • the present invention relates to a pressure sensor that detects strain due to deformation of a membrane by a change in resistance.
  • a pressure sensor that uses the piezoresistive effect (also called the piezoresistive effect) to detect the strain of the membrane (also called the diaphragm) by the resistance change is known.
  • the strain due to the deformation of the membrane is detected by the resistance change of the resistor provided on the membrane.
  • the pressure sensor that intermittently supplies power has a problem that it cannot detect a momentary pressure abnormality that occurs when the power supply is turned off.
  • the present invention provides a pressure sensor capable of reducing power consumption and preventing omission of detection of pressure change.
  • the pressure sensor according to the present invention is A membrane that deforms in response to pressure,
  • the first resistor and the third resistor are arranged on the membrane at the first strain position that produces a predetermined strain characteristic, and the first resistor and the third resistor are arranged at a second strain position that produces a strain characteristic in a direction different from the first strain position.
  • a first circuit that includes a second resistor and a fourth resistor to form a bridge circuit and detect distortion.
  • a second resistor that includes a fifth resistor located in the membrane at the first strain position or a position that produces strain characteristics in the same direction as the second strain position, and can detect strain independently of the first circuit. It has a circuit.
  • the pressure sensor according to the present invention has a second circuit capable of detecting distortion independently of the bridge circuit that detects a change in pressure, the second circuit even if power is not supplied to the first circuit. Can detect the strain generated by the membrane. Further, the fifth resistor possessed by the second circuit has a strain characteristic in the first strain position or the second strain position in which the first to fourth resistors of the first circuit are arranged, or in the same direction as these, on the membrane. Since it is arranged at the position where it occurs, it is possible to accurately detect that a pressure change to be detected by the pressure sensor has occurred. Therefore, in the pressure sensor according to the present invention, it is possible to reduce the power supply to the first circuit and reduce the power consumption while preventing the detection omission of the pressure change by the second circuit.
  • the pressure sensor according to the present invention may have a switching unit for switching the power supply to the first circuit by using the detection signal from the second circuit.
  • Such a pressure sensor can reduce power consumption by, for example, stopping the power supply to the first circuit while the second circuit does not detect a signal. Further, for example, by restarting the power supply to the first circuit triggered by the detection of the signal by the second circuit, it is possible to prevent the detection omission of the pressure change.
  • At least a part of the fifth resistor may be arranged at the first strain position located on the outer peripheral side of the second strain position on the membrane.
  • the space where the fifth resistor can be placed is wider than the second strain position. Therefore, in such a pressure sensor, a fifth resistor having a relatively large size and a high resistance value can be used in the second circuit, and the power consumption in the second circuit can be effectively reduced.
  • the fifth resistor may have a plurality of thin film resistors made of thin films.
  • the second circuit may have a connecting portion for connecting the thin film resistors in series.
  • the second circuit has a fifth resistor made of a plurality of thin film resistors and a connecting portion for connecting the fifth resistor in series, the resistance value of the fifth resistor is increased and the power consumption in the second circuit is effective. Can be reduced to. Further, the pressure sensor using the thin film resistor can be manufactured by efficiently forming a plurality of thin film resistors having different resistance values on the membrane, and the productivity is good.
  • the fifth resistor includes a first thin film resistor made of a thin film arranged at the first strain position located on the outer peripheral side of the second strain position on the membrane, and the fifth resistor on the membrane. It may have a second thin film resistor made of a thin film arranged in a third strain region having a size different from that of the first strain position but causing strain in the same direction.
  • the second circuit may have a connecting portion for connecting the first thin film resistor and the second thin film resistor in series.
  • the fifth resistor not only the first strain position but also the third strain region having a size different from that of the first strain position but causing distortion in the same direction is used to arrange the fifth resistor. , The resistance value of the fifth resistor can be increased, and the power consumption in the second circuit can be reduced more effectively.
  • the resistance value of the fifth resistor may be higher than any of the resistance values of the first to fourth resistors in a state where the membrane is not deformed.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the pressure sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram showing the arrangement of a resistor and an electrode portion in the pressure sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram showing an example of a circuit formed by using the pressure sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram showing the relationship between the signal output output from the pressure sensor according to the first embodiment and strain or pressure.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram showing an example of a circuit formed by using the pressure sensor according to the second embodiment.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram showing the relationship between the signal output output from the pressure sensor according to the second embodiment and strain or pressure.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the pressure sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram showing the arrangement of a resistor and an electrode portion in the pressure sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram showing an example of
  • FIG. 7 is a conceptual diagram showing an arrangement of a resistor and an electrode portion in the pressure sensor according to the third embodiment and an example of a circuit formed by the pressure sensor.
  • FIG. 8 is a conceptual diagram showing an arrangement of a resistor and an electrode portion in the pressure sensor according to the fourth embodiment and an example of a circuit formed by the pressure sensor.
  • FIG. 9 is a conceptual diagram showing an arrangement of a resistor and an electrode portion in the pressure sensor according to the fifth embodiment and an example of a circuit formed by the pressure sensor.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of the pressure sensor according to the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a conceptual diagram showing a circuit formed by using the pressure sensor according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a pressure sensor 10 according to the present invention.
  • the pressure sensor 10 has a membrane 22 that deforms in response to pressure.
  • the upper bottom of the stem 20 is a membrane 22.
  • the pressure sensor 10 includes a connecting member 12 in which a flow path 12b for transmitting pressure to the stem 20 is formed, a holding member 14 for fixing the stem 20 to the connecting member 12, and a membrane 22 in addition to the stem 20 having the membrane 22. It has a substrate portion 70 or the like that is wired to the upper electrode portion or the like.
  • a screw groove 12a for fixing the pressure sensor 10 to the measurement target is formed on the outer periphery of the connecting member 12.
  • the stem 20 has a bottomed (upper bottom) tubular outer shape, and is provided at one end of the flow path 12b in the connecting member 12.
  • the stem 20 is provided with a flange portion 21 on the opening side, and is fixed to the connecting member 12 by sandwiching the flange portion 21 between the holding member 14 and the connecting member 12.
  • the opening of the stem 20 and the flow path 12b of the connecting member 12 are airtightly connected by using the holding member 14, and the pressure to be measured is transmitted to the membrane 22 of the stem 20.
  • the membrane 22 which is the upper bottom of the stem 20 is thinner than other parts of the stem 20 such as the side wall, and is deformed according to the pressure transmitted from the flow path 12b.
  • the membrane 22 has an inner surface 22a that comes into contact with the pressure fluid and an outer surface 22b that is opposite to the inner surface 22a, and the first circuit 32 and the second circuit 34 (described later) are on the outer surface 22b side of the membrane 22. (See FIG. 2) and an electrode portion are provided.
  • a substrate portion 70 having wiring, an electrode portion, and the like electrically connected to the first circuit 32 and the second circuit 34 formed on the outer surface 22b of the membrane 22 is fixed to the holding member 14.
  • the electrode portion of the substrate portion 70 and the electrode portion on the membrane 22 are electrically connected via a connection wiring 92 or the like formed by wire bonding or the like.
  • the substrate portion 70 has a ring-shaped outer shape, and the stem 20 inserts a through hole formed in the center of the substrate portion 70.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram showing the arrangement of the resistor and the electrode portion in the pressure sensor 10 according to the first embodiment.
  • the upper part of FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the stem 20, and the lower part of FIG. 2 is a schematic plan view of the stem 20 as viewed from above, which is the outer surface 22b side of the membrane 22.
  • the pressure sensor 10 has a first circuit 32 that forms a bridge circuit and detects distortion, and a second circuit 34 that can detect distortion independently of the first circuit 32.
  • the first circuit 32 and the second circuit 34 are formed on the outer surface 22b of the membrane 22.
  • the first circuit 32 includes the first resistor R1, the second resistor R2, the third resistor R3, and the fourth resistor R4.
  • the first to fourth resistors R1 to R4 are on the first circumference 24, which is the first strain position that produces a predetermined strain characteristic according to the pressure applied to the inner surface 22a of the membrane 22, and the first strain position. It is separately arranged on the second circumference 26, which is the second strain position that causes strain characteristics in different directions.
  • the first circumference 24 is the circumference of a circle having a radius larger than the second circumference 26, and in the membrane 22, the first circumference 24 is on the outer peripheral side of the second circumference 26.
  • a negative strain ⁇ compression strain
  • a positive strain is generated on the second circumference 26.
  • + ⁇ tensile strain
  • the first resistor R1 and the third resistor R3 are arranged on the first circumference 24.
  • the second resistor R2 and the fourth resistor R4 are arranged on the second circumference 26.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram showing an example of a circuit formed by using the pressure sensor 10.
  • the first to fourth resistors R1 to R4 included in the first circuit 32 form a bridge circuit.
  • the output signal S1 of the first circuit 32 is input to the pressure signal input unit 82 of the microprocessor 80 via the amplifier 73.
  • first electrode portions 41 to 44 for supplying electric power to the first circuit 32 or transmitting the output signal S1 of the first circuit 32 are formed on the membrane 22. There is.
  • the first circuit 32 is electrically connected to the substrate portion 70 via the first electrode portions 41 to 44 and the connection wiring 92 (see FIG. 1).
  • the second circuit 34 includes a fifth resistor R5 arranged on the first circumference 24, which is the first strain position.
  • the fifth resistor R5 of the second circuit 34 may be arranged on the second circumference 26, but is arranged on the first circumference 24 located on the outer peripheral side of the second circumference 26. This is preferable from the viewpoint of increasing the resistance value of the fifth resistor R5. This is because the space on which the fifth resistor R5 can be arranged is wider on the first circumference 24.
  • the fifth resistor R5 is a thin film resistor made of a thin film (described later)
  • the resistance value of the fifth resistor R5 can be increased as the arrangement space is wider.
  • a part or all of the fifth resistor R5 produces distortion characteristics in the same direction as the first circumference 24, but even if it is arranged at a position where distortion having a magnitude different from that of the first circumference 24 is generated. Good.
  • the fifth resistor R5 is arranged on the first circumference 24 and has a plurality of first thin film resistors R51 made of a thin film. Further, the second circuit 34 has a connecting portion 35 for connecting the first thin film resistors R51 to each other, and the plurality of first thin film resistors R51 are connected in series by the connecting portion 35 to form a fifth. It constitutes a resistor R5.
  • the second circuit 34 is not connected to the first circuit 32 at least on the membrane 22, and distortion can be detected independently of the first circuit 32. As shown in FIG. 2, on the membrane 22, second electrode portions 46 and 47 for supplying electric power to the second circuit 34 and transmitting the detection signal S2 of the second circuit 34 are formed.
  • the detection signal S2 from the second circuit 34 having the fifth resistor R5 is input to the detection signal input unit 83 of the microprocessor 80.
  • the pressure sensor 10 has a switching unit 72 that switches the power supply to the first circuit 32.
  • the microprocessor 80, the switching unit 72, and the amplifier 73 shown in FIG. 3 can be arranged on the substrate unit 70, for example, but their arrangement locations are not particularly limited.
  • the switching unit 72 has a switch arranged on the board unit 70 (see FIG. 1), and when the switch is turned on, power is supplied to the first circuit 32, and when the switch is turned off, power is supplied to the first circuit 32. Is stopped. ON / OFF of the switching unit 72 is controlled by the switch control unit 81 of the microprocessor 80.
  • FIG. 4 is a graph showing an example of the output results of the detection signal S2 and the output signal S1 in the pressure sensor 10 having the circuit shown in FIG.
  • the horizontal axis of the graph shown in FIG. 4 represents the strain generated in the fifth resistor R5 or the pressure applied to the membrane 22.
  • the graph shown in FIG. 4 assumes a case where a positive strain is generated in the fifth resistor R5, but as shown in FIG. 2, it is a case where a negative strain is generated in the fifth resistor R5.
  • the distortion is an absolute value, it can be considered in the same way.
  • the second circuit 34 As shown in the region on the left side of FIG. 4, when the pressure of the pressure fluid to be measured by the pressure sensor 10 is low and the strain generated in the fifth resistor R5 is smaller than the predetermined value X1, it is detected by the second circuit 34.
  • the output value of the detection signal S2 is smaller than the predetermined value Y1.
  • the switch control unit 81 shown in FIG. 3 recognizes that the detection signal S2 is smaller than the predetermined value Y1 via the detection signal input unit 83, and maintains the switch of the switching unit 72 in the OFF state.
  • the predetermined value X1 for switching the power supply ON / OFF is set to a value smaller than the upper limit of the range in which pressure detection by the pressure sensor 10 is unnecessary or the upper limit in the range in which pressure detection is unnecessary.
  • the second circuit 34 As shown in the region on the right side of FIG. 4, when the pressure of the pressure fluid to be measured by the pressure sensor 10 is high and the strain generated in the fifth resistor R5 is a predetermined value X1 or more, it is detected by the second circuit 34.
  • the output value of the detection signal S2 is equal to or higher than the predetermined value Y1.
  • the switch control unit 81 shown in FIG. 3 recognizes that the detection signal S2 is equal to or higher than the predetermined value Y1 via the detection signal input unit 83, and maintains the switch of the switching unit 72 in the ON state.
  • the switch of the switching unit 72 shown in FIG. 3 When the switch of the switching unit 72 shown in FIG. 3 is ON, power is supplied to the first circuit 32. Therefore, as shown in FIG. 4, the first circuit 32 detects the distortion of the first to fourth resistors R1 to R4 caused by the pressure, and the value of the output signal S1 from the first circuit 32 depends on the distortion and the pressure. Change. As described above, in the pressure sensor 10, when the strain generated in the fifth resistor R5 is smaller than the predetermined value X1, power is not supplied to the first circuit 32 forming the bridge circuit. Therefore, the pressure sensor 10 can realize low power consumption. Further, since the pressure sensor 10 constantly detects the pressure to be measured by using the second circuit 34, the power supply by the switching unit 72 can be appropriately supplied even when a momentary pressure rise occurs. Switching and pressure change detection omission can be prevented.
  • the pressure detection accuracy of the second circuit 34 is sufficient as long as the power supply by the switching unit 72 can be appropriately switched, and may be lower than the pressure detection accuracy of the first circuit 32 forming the bridge circuit. Further, the resistance value of the fifth resistor R5 in the second circuit 34 is higher than any of the resistance values of the first to fourth resistors R1 to R4 included in the first circuit 32 in the state where distortion is not generated. However, it is preferable from the viewpoint of reducing the current value flowing through the second circuit 34 to reduce the power consumption in the second circuit 34.
  • the stem 20 having the membrane 22 as shown in FIG. 2 and the first circuit 32 and the second circuit 34 provided on the membrane 22 are produced, for example, as follows.
  • the stem 20 having the membrane 22 is manufactured by machining.
  • the material of the stem 20 is not particularly limited as long as it causes appropriate elastic deformation, and examples thereof include metals and alloys such as stainless steel.
  • a semiconductor thin film or a metal thin film is formed on the membrane 22 by sandwiching an insulating film, and these thin films are subjected to laser processing, microfabrication by a semiconductor processing technique such as screen printing, or the like.
  • the first circuit 32 including the first to fourth resistors R1 to R4 as shown in FIG. 2, the second circuit 34 including the fifth resistor R5, the first electrode portions 41 to 44, and the second electrode portions 46, 47.
  • an insulating surface layer is formed on parts other than the first and second electrode portions 41 to 44, 46, 47, such as the upper surface of the first circuit 32 and the second circuit 34. May be good.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram showing an example of a circuit formed by using the pressure sensor 110 according to the second embodiment.
  • the pressure sensor 110 according to the second embodiment is the same as the pressure sensor 10 according to the first embodiment, except that the switching unit 172 and the microprocessor 180 arranged on the substrate unit 70 are different.
  • the pressure sensor 110 according to the second embodiment only the differences from the pressure sensor 10 according to the first embodiment will be described, and the description of the common points will be omitted.
  • the pressure sensor 110 is the same as the pressure sensor 10 shown in FIG. 2 for the first circuit 32 and the second circuit 34 formed on the membrane 22.
  • the switching unit 72 of the pressure sensor 10 according to the first embodiment is controlled by the switch control unit 81 of the microprocessor 80, whereas the switching unit 172 of the pressure sensor 110 is different from this. That is, the switching unit 172 of the pressure sensor 110 is realized by a circuit using resistors R réelle1, R Cincinnati2, R Cincinnati3, R réelle4 shown in FIG. 5, a comparator 176, and a transistor 175.
  • a transistor 175 is arranged at the entrance from the power supply voltage VDD to the first circuit 32, and the power supply to the first circuit 32 is switched by the transistor 175.
  • the detection signal S2 binarized by the comparator 176 is input to the third terminal of the transistor 175.
  • the pressure sensor 110 shown in FIG. 5 also supplies electric power to the first circuit 32 only when the pressure is equal to or higher than a predetermined pressure, as shown in FIG. The supply can be switched. Further, the pressure sensor 110 supplies electric power to the first circuit 32 only when the pressure is lower than a predetermined pressure, as shown in FIG. 6, by exchanging the inputs to the comparator 176. Can be switched.
  • FIG. 6 is a graph showing an example of the output results of the detection signal S2 and the output signal S1 in the pressure sensor 110 having the circuit shown in FIG.
  • the horizontal axis of the graph shown in FIG. 6 represents the strain generated in the fifth resistor R5 or the pressure applied to the membrane 22, and the graph shown in FIG. 6 is the same as in FIG. 4 in the fifth resistor R5. It is assumed that positive distortion occurs.
  • the first circuit 32 detects the distortion of the first to fourth resistors R1 to R4 caused by the pressure, and the value of the output signal S1 from the first circuit 32. Varies according to the pressure of the fluid.
  • the pressure of the pressure fluid to be measured by the pressure sensor 10 is high and the strain generated in the fifth resistor R5 is a predetermined value X1 or more, it is detected by the second circuit 34.
  • the output value of the detection signal S2 is equal to or higher than the predetermined value Y1.
  • a detection signal S2 converted to Low is input to the third terminal of the transistor 175 shown in FIG. 5, and the transistor 175 cannot supply power to the first circuit 32 by the power supply voltage VDD. To.
  • the predetermined value X1 for switching the power supply ON / OFF is set to a value larger than the upper limit of the range in which pressure detection by the pressure sensor 10 is required or the upper limit in the range in which pressure detection is required.
  • the pressure sensor 110 separately generates a voltage to be applied to the fifth resistor R5 of the second circuit 134 in order to drive the second circuit 134 using the power supply voltage VDD common to the first circuit 32. No need. Further, since the pressure sensor 110 realizes the switching unit 172 by a simple circuit, the operation reliability of the switching unit 172 is high, and the calculation amount of the microprocessor 180 that processes the output signal S1 can be suppressed.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram showing the arrangement of the first circuit 32, the second circuit 134, and the electrode portion in the pressure sensor 210 according to the third embodiment, and the equivalent circuits of the first circuit 32 and the second circuit 134.
  • the pressure sensor 210 according to the third embodiment is the first except that the fifth resistor R15 of the second circuit 134 has the first portion R15-1 and the second portion R15-2. This is the same as the pressure sensor 10 according to the embodiment.
  • the pressure sensor 210 according to the third embodiment only the differences from the pressure sensor 10 according to the first embodiment will be described, and the description of the common points will be omitted.
  • the fifth resistor R15 of the second circuit 134 is divided into two parts on the first circumference 24, the first part R15-1 and the second part R15-. Has 2 and.
  • the first portion R15-1 and the second portion R15-2 are similar to the fifth resistor R5 shown in FIG. 2, and have a structure in which three first thin film resistors R51 are connected in series by a connecting portion 35 ( (See FIG. 2).
  • the first resistor R1 and the third resistor of the first circuit 32 are arranged.
  • the first portion R15-1 and the second portion R15-2 are electrically connected via the second electrode portions 148 and 146.
  • the bridge circuit formed by the first circuit 32 of the pressure sensor 210 is the same as the first circuit 32 of the pressure sensor 10.
  • the fifth resistor R15 included in the second circuit 134 of the pressure sensor 210 connects the first portion R15-1 and the second portion R15-2 in series by the connecting portion 35. It is composed of.
  • the connecting portion 35 may be connected via the substrate portion 70 shown in FIG. 1 or may be directly connected on the membrane 22.
  • One of the second electrode units 149 and 147 shown in FIG. 7 is connected to the detection signal input unit 83 (see FIG. 3), and the other is grounded.
  • the resistance value of the fifth resistor R15 is increased by arranging the fifth resistor R15 separately in two places on the first circumference 24, and the second circuit 134 Power consumption can be reduced. Further, since the fifth resistor R15 is arranged on the same first circumference 24 as the first resistor R1 and the third resistor R3 of the first circuit 32, the pressure sensor 210 is used for the pressure for switching the power supply and the pressure for switching the power supply. Distortion can be detected with high accuracy. In addition, the pressure sensor 210 according to the third embodiment has the same effect as the pressure sensor 10.
  • FIG. 8 is a conceptual diagram showing the arrangement of the first circuit 32, the second circuit 334, and the electrode portion in the pressure sensor 310 according to the fourth embodiment, and the equivalent circuits of the first circuit 32 and the second circuit 334.
  • the fifth resistor R25 of the second circuit 334 has a first portion R25-1, a second portion R25-2, and a third portion R25-3. Is the same as the pressure sensor 10 according to the first embodiment, except that the pressure sensor 10 is different.
  • the pressure sensor 310 according to the third embodiment only the differences from the pressure sensor 10 according to the first embodiment will be described, and the description of the common points will be omitted.
  • the fifth resistor R25 of the second circuit 334 has a size different from that on the first circumference 24, which is the first strain position, and on the membrane 22 on the first circumference 24. It is divided into three locations on the third circumference 327 and the fourth circumference 328 as the third strain region that causes distortion in the same direction (for example, compression) although it is (for example, 1/2).
  • the first portion R25-1 arranged on the first circumference 24 is the same as the fifth resistor R5 shown in FIG. 2, and the three first thin film resistors R51 are It has a structure connected in series by a connecting portion 35 (see FIG. 2).
  • the second thin film resistor R52 made of a thin film is connected in series by a connecting portion. It has a connected structure.
  • the third portion R25-3 arranged on the fourth circumference 328 has a structure in which the third thin film resistor R53 made of a thin film is connected in series by a connecting portion.
  • the third circumference 327 is located on the inner circumference side of the first circumference 24, and the fourth circumference 328 is located on the outer circumference side of the first circumference 24. Also causes distortion in the same direction as on the first circumference 24.
  • the second circuit 334 of the pressure sensor 310 in the second circuit 334 of the pressure sensor 310, the first portion R25-1 formed by the first thin film resistor R51 and the second portion R25-2 formed by the second thin film resistor R52 are connected in series. It has a connecting portion 337 to be connected. Further, the second circuit 334 of the pressure sensor 310 has a connecting portion 338 for connecting the first portion R25-1 by the first thin film resistor R51 and the third portion R25-3 by the third thin film resistor R53 in series.
  • One of the second electrode units 346 and 347 shown in FIG. 8A is connected to the detection signal input unit 83 (see FIG. 3), and the other is grounded.
  • the second circuit 334 of the pressure sensor 310 not only the first portion R25-1 arranged on the first circumference 24, but also the third circumference 327 and the fourth circle. It has a second portion R25-2 and a third portion R25-3 arranged on the circumference 328, and these are connected in series by connecting portions 337 and 338 to form a fifth resistor R25.
  • Such a second circuit 334 is advantageous from the viewpoint of low power consumption because the resistance value can be effectively increased in the limited area on the membrane 22.
  • the bridge circuit formed by the first circuit 32 of the pressure sensor 310 is the same as the first circuit 32 of the pressure sensor 10.
  • the pressure sensor 310 according to the fourth embodiment has the same effect as the pressure sensor 10.
  • FIG. 9 is a conceptual diagram showing the arrangement of the first circuit 32, the second circuit 434 and the electrode portion in the pressure sensor 410 according to the fifth embodiment, and the equivalent circuit of the first circuit 32 and the second circuit 434.
  • the fifth resistor R35 of the second circuit 434 has a fourth portion R35-4, a fifth portion R35-5, and a sixth portion R35-6.
  • the pressure sensor 310 according to the fourth embodiment except that Regarding the pressure sensor 410 according to the fifth embodiment, only the differences from the pressure sensor 310 according to the third embodiment will be described, and the description of the common points will be omitted.
  • the fifth resistor R35 of the second circuit 434 is the same as the fifth resistor R25 of the second circuit 334 shown in FIG. 8A, and the first to third parts R25- It has 1 to R25-3.
  • the fifth resistor R35 has fourth to sixth portions R35-4 to R35-6.
  • the fourth portion R35-4 of the fifth resistor R35 is arranged on the same first circumference 24 as the first portion R25-1
  • the fifth portion R35-5 of the fifth resistor is the second portion. It is arranged on the same third circumference 327 as R25-2
  • the sixth portion R35-6 of the fifth resistor R35 is arranged on the same fourth circumference 328 as the third portion R25-3. ..
  • the 4th to 6th parts R35-4 to R35-6 are the same as the 1st to 3rd parts R25-1 to R25-3 except that the positions on the 1st to 3rd circumferences 24, 327 and 328 are different. The same is true.
  • the first to third portions R25-1 to R25-3 and the fourth to sixth portions R35-4 to R35-6 of the fifth resistor R35 have connection portions 439 and the like. They are connected in series via.
  • Such a second circuit 434 is advantageous from the viewpoint of low power consumption because the resistance value can be effectively increased in the limited area on the membrane 22.
  • the pressure sensor 410 according to the fifth embodiment has the same effect as the pressure sensor 310.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of the pressure sensor 510 according to the sixth embodiment.
  • the pressure sensor 510 according to the sixth embodiment is the same as the pressure sensor 510 according to the sixth embodiment, except that the membrane 522 is a flat metal plate and is not the bottom surface of the stem 20.
  • the pressure sensor 510 according to the fifth embodiment only the differences from the pressure sensor 10 according to the first embodiment will be described, and the description of the common points will be omitted.
  • the membrane 522 is fixed to the end face 512a of the housing 512 so as to block the flow path 512b of the housing 512.
  • a pressure detection circuit 516 is formed on the upper surface of the membrane 522 via an insulating film 515.
  • the pressure detection circuit 516 includes the first circuit 32 and the second circuit 34 shown in FIG. Further, the pressure sensor 510 has a substrate portion 70 similar to the pressure sensor 10 shown in FIG.
  • the flat membrane 522 is fixed to the end face 512a of the housing 512 by welding or the like. Since the area of the insulating film 515 is smaller than that of the membrane 522 and a part of the membrane 522 is exposed from the insulating film 515, the membrane 522 is subjected to resistance welding by bringing an electrode into contact with the exposed membrane 522 to form a housing 512. Can be easily fixed to.
  • the pressure sensor 510 has a metal plate membrane 522, it is advantageous for miniaturization, and unlike the stem 20 (see FIG. 1), if it is a metal plate, it is processed in a general semiconductor factory. Easy and productive.
  • the pressure sensor 510 according to the fifth embodiment has the same effect as the pressure sensor 10.
  • the pressure sensor according to the present invention has been described with reference to the embodiments, but the present invention is not limited to these embodiments, and may include many other embodiments and modifications. Needless to say.
  • the shapes and fixed structures of the stem 20 and membranes 22 and 522 shown in FIGS. 1 and 10 are merely examples, and the pressure sensor of the present invention has any other shape in which the membrane deforms appropriately in response to pressure. And fixed structure can be adopted.
  • the membrane of the pressure sensor is not limited to the stem and the metal plate shown in the embodiment, and membranes of other shapes and materials can also be used.
  • the current consumed when the sensor is turned on and when the sensor is turned off in each part A1 to A5 of the circuit included in the pressure sensor 110 was calculated.
  • the resistance values used in the calculation are the resistance Rbr of the bridge circuit (the resistance of the bridge circuit by the first to fourth resistors R1 to R4): 2.5 k ⁇ , the fifth resistor R5: 1.5 k ⁇ , and the resistance R réelle1: 20 k ⁇ .
  • the resistance R réelle2: 1 M ⁇ , the resistance R réelle3: 1 M ⁇ , and the resistance R réelle4: 250 k ⁇ were set.
  • the power supply voltage VDD was set to 5V. The results are shown in Table 1.
  • the pressure sensor 110 can reduce the current consumption to about 1/10 of that when the sensor is turned on when the sensor is turned off. Further, assuming that the pressure sensor does not have the second circuit 34 and always energizes the bridge circuit, its power consumption is 2 mA (corresponding to A5 in Table 1). Comparing this with the results in Table 1 by the pressure sensor 110, if the sensor OFF time exceeds about 11% of the total drive time, the pressure sensor 110 does not have the second circuit 34 and is constantly energized. It is considered that the current consumption can be reduced as compared with the sensor.

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Abstract

【課題】低消費電力化が可能であって、圧力変化の検出漏れを防止可能な圧力センサを提供する。 【解決手段】　圧力に応じた変形を生じるメンブレンと、前記メンブレン上において所定の歪特性を生じる第１歪位置に配置される第１抵抗体及び第３抵抗体と、前記第１歪位置とは異なる方向の歪特性を生じる第２歪位置に配置される第２抵抗体および第４抵抗体とを含み、ブリッジ回路を形成して歪を検出する第１回路と、前記メンブレンにおける前記第１歪位置又は前記第２歪位置と同方向の歪特性を生じる位置に配置される第５抵抗体を含み、前記第１回路とは独立して歪を検出可能な第２回路と、を有する圧力センサ。

Description

圧力センサ
　本発明は、メンブレンの変形による歪を抵抗変化により検出する圧力センサに関する。
　圧抵抗効果（ピエゾ抵抗効果ともいう）を利用して、メンブレン（ダイアフラムともいう）の歪を抵抗変化により検出する圧力センサが知られている。このような圧力センサでは、メンブレンの変形による歪を、メンブレン上に設けられた抵抗体の抵抗変化により検出する。
　また、近年、圧力センサの低消費電力化が求められており、たとえば、圧力センサに含まれるブリッジ回路への電力供給を、パルス駆動によって間欠的に行う技術が提案されている（特許文献１参照）。
　しかしながら、間欠的に電力供給を行う圧力センサでは、電力供給がＯＦＦのタイミングで発生した瞬間的な圧力異常を検出できないという課題を有している。
特開平６－１９４２４３号公報
　本発明は、低消費電力化が可能であって、圧力変化の検出漏れを防止可能な圧力センサを提供する。
　上記目的を達成するために、本発明に係る圧力センサは、
　　圧力に応じた変形を生じるメンブレンと、
　前記メンブレン上において所定の歪特性を生じる第１歪位置に配置される第１抵抗体及び第３抵抗体と、前記第１歪位置とは異なる方向の歪特性を生じる第２歪位置に配置される第２抵抗体および第４抵抗体とを含み、ブリッジ回路を形成して歪を検出する第１回路と、
　前記メンブレンにおける前記第１歪位置又は前記第２歪位置と同方向の歪特性を生じる位置に配置される第５抵抗体を含み、前記第１回路とは独立して歪を検出可能な第２回路と、を有する。
　本発明に係る圧力センサでは、圧力の変化を検出するブリッジ回路とは独立して歪を検出可能な第２回路を有するため、たとえ第１回路に電力が供給されていなくても、第２回路がメンブレンの発生した歪を検出することができる。また、第２回路が有する第５抵抗体は、メンブレンにおいて、第１回路の第１～第４抵抗体が配置される第１歪位置若しくは第２歪位置、又はこれらと同方向の歪特性を生じる位置に配置されるため、圧力センサが検出すべき圧力変化が生じたことを精度良く検出できる。したがって、本発明に係る圧力センサは、第２回路により圧力変化の検出漏れを防止しつつ、第１回路への電力供給を低減して低消費電力化が可能である。
　また、たとえば、本発明に係る圧力センサは、前記第２回路からの検出信号を用いて、前記第１回路への電力供給を切り換える切換部を有してもよい。
　このような圧力センサは、たとえば、第２回路が信号を検出しない間は第１回路への電力供給を停止させることにより、低消費電力化が可能である。また、たとえば、第２回路が信号を検出したことをトリガーとして第１回路への電力供給を再開させることにより、圧力変化の検出漏れを防止できる。
　また、たとえば、前記第５抵抗体の少なくとも一部は、前記メンブレン上において前記第２歪位置より外周側に位置する前記第１歪位置に配置されていてもよい。
　第１歪位置は、第２歪位置より外周側に位置するため、第５抵抗体を配置可能なスペースが、第２歪位置より広い。したがって、このような圧力センサは、比較的サイズが大きく抵抗値の高い第５抵抗体を、第２回路に用いることが可能であり、第２回路での消費電力を効果的に低減できる。
　また、たとえば、前記第５抵抗体は、薄膜による薄膜抵抗体を複数有してもよく、
　前記第２回路は、前記薄膜抵抗体同士を直列接続する接続部を有してもよい。
　第２回路が、複数の薄膜抵抗体による第５抵抗体と、これを直列接続する接続部とを有することにより、第５抵抗体の抵抗値を高め、第２回路での消費電力を効果的に低減できる。また、薄膜抵抗体を用いた圧力センサは、抵抗値の異なる複数の薄膜抵抗体を効率的にメンブレン上に形成して製造することが可能であり、生産性が良好である。
　また、たとえば、前記第５抵抗体は、前記メンブレン上において前記第２歪位置より外周側に位置する前記第１歪位置に配置されている薄膜による第１薄膜抵抗体と、前記メンブレン上において前記第１歪位置とは異なる大きさであるが同方向の歪を生じる第３歪領域に配置されている薄膜による第２薄膜抵抗体と、を有してもよく、
　前記第２回路は、前記第１薄膜抵抗体と前記第２薄膜抵抗体とを直列接続する接続部を有してもよい。
　このような圧力センサは、第１歪位置だけでなく、第１歪位置とは異なる大きさであるが同方向の歪を生じる第３歪領域を用いて、第５抵抗体を配置することにより、第５抵抗体の抵抗値を高め、第２回路での消費電力を、より効果的に低減できる。
　前記第５抵抗体の抵抗値は、前記メンブレンに変形が生じていない状態において、前記第１～第４抵抗体のいずれの抵抗値より高くてもよい。
　このような第５抵抗体を有することにより、第２回路での消費電力を効果的に低減できる。
図１は、本発明の第１実施形態に係る圧力センサの模式断面図である。 図２は、第１実施形態に係る圧力センサにおける抵抗体および電極部の配置を示す概念図である。 図３は、第１実施形態に係る圧力センサを用いて形成される回路の一例を示す概念図である。 図４は、第１実施形態に係る圧力センサから出力される信号出力と歪または圧力との関係を表す概念図である。 図５は、第２実施形態に係る圧力センサを用いて形成される回路の一例を示す概念図である。 図６は、第２実施形態に係る圧力センサから出力される信号出力と歪または圧力との関係を表す概念図である。 図７は、第３実施形態に係る圧力センサにおける抵抗体および電極部の配置と、圧力センサで形成される回路の一例を示す概念図である。 図８は、第４実施形態に係る圧力センサにおける抵抗体および電極部の配置と、圧力センサで形成される回路の一例を示す概念図である。 図９は、第５実施形態に係る圧力センサにおける抵抗体および電極部の配置と、圧力センサで形成される回路の一例を示す概念図である。 図１０は、本発明の第６実施形態に係る圧力センサの模式断面図である。 図１１は、本発明の実施例に係る圧力センサを用いて形成した回路を示す概念図である。
　以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。
　第１実施形態
　図１は、本発明に係る圧力センサ１０の概略断面図である。圧力センサ１０は、圧力に応じた変形を生じるメンブレン２２を有する。図１に示す実施形態では、ステム２０の上底が、メンブレン２２になっている。圧力センサ１０は、メンブレン２２を有するステム２０の他に、ステム２０へ圧力を伝える流路１２ｂが形成されている接続部材１２、接続部材１２に対してステム２０を固定する抑え部材１４、メンブレン２２上の電極部などに対して配線される基板部７０などを有する。
　図１に示すように、接続部材１２の外周には、圧力センサ１０を測定対象に対して固定するためのねじ溝１２ａが形成されている。ねじ溝１２ａを介して圧力センサ１０を固定することにより、接続部材１２の内部に形成されている流路１２ｂは、測定対象である圧力室に対して気密に連通する。
　図１に示すように、ステム２０は、有底（上底）筒状の外形状を有しており、接続部材１２における流路１２ｂの一方の端部に設けられる。ステム２０は、開口部側にフランジ部２１が設けられており、抑え部材１４と接続部材１２との間にフランジ部２１が挟み込まれることにより、接続部材１２に対して固定される。ステム２０の開口部と接続部材１２の流路１２ｂとは、抑え部材１４を用いて気密に連結されており、測定対象の圧力が、ステム２０のメンブレン２２に伝えられる。
　ステム２０の上底であるメンブレン２２は、側壁など、ステム２０における他の部分に比べて肉薄になっており、流路１２ｂから伝えられる圧力に応じた変形を生じる。メンブレン２２は、圧力流体に接触する内面２２ａと、内面２２ａとは反対側の外面２２ｂとを有しており、メンブレン２２の外面２２ｂ側には、後述する第１回路３２、第２回路３４（図２参照）や電極部などが設けられる。
　抑え部材１４には、メンブレン２２の外面２２ｂに形成された第１回路３２および第２回路３４に対して電気的に接続される配線や電極部などを有する基板部７０が固定されている。基板部７０の電極部とメンブレン２２上の電極部とは、ワイヤボンディングなどにより形成される接続配線９２などを介して、電気的に接続されている。基板部７０はリング状の外形状を有しており、ステム２０は、基板部７０の中央に形成される貫通穴を挿通している。
　図２は、第１実施形態に係る圧力センサ１０における抵抗体および電極部の配置を示す概念図である。図２の上部は、ステム２０の模式断面図であり、図２の下部は、メンブレン２２の外面２２ｂ側である上方側からステム２０を見た概略平面図である。
　図２に示すように、圧力センサ１０は、ブリッジ回路を形成して歪を検出する第１回路３２と、第１回路３２とは独立して歪を検出可能な第２回路３４とを有する。第１回路３２と、第２回路３４とは、メンブレン２２の外面２２ｂに形成されている。
　図２下部の概略平面図に示されるように、第１回路３２は、第１抵抗体Ｒ１と、第２抵抗体Ｒ２と、第３抵抗体Ｒ３と、第４抵抗体Ｒ４とを含む。第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４は、メンブレン２２の内面２２ａに加えられる圧力に応じて所定の歪特性を生じる第１歪位置である第１円周２４上と、第１歪位置とは異なる方向の歪特性を生じる第２歪位置である第２円周２６上とに、分けて配置されている。
　図２に示すように、第１円周２４は、第２円周２６より大きい半径を有する円の円周であり、メンブレン２２において、第１円周２４は、第２円周２６より外周側に位置する。たとえば、メンブレン２２が内面２２ａから所定の正圧を受けた場合に、第１円周２４上では負の歪－ε（圧縮歪）を生じるのに対して、第２円周２６では正の歪＋ε（引張歪）を生じる。このように、第１歪位置である第１円周２４上における歪特性と、第２歪位置である第２円周２６上における歪特性は、互いに異なる方向（符号が異なり打ち消しあう関係）であることが好ましい。
　第１回路３２に含まれる第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４のうち、第１抵抗体Ｒ１および第３抵抗体Ｒ３は、第１円周２４上に配置されている。これに対して、第１回路３２に含まれる第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４のうち、第２抵抗体Ｒ２および第４抵抗体Ｒ４は、第２円周２６上に配置されている。
　図３は、圧力センサ１０を用いて形成される回路の一例を示す概念図である。図３に示すように、第１回路３２に含まれる第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４は、ブリッジ回路を形成している。第１回路３２の出力信号Ｓ１は、アンプ７３を介して、マイクロプロセッサ８０の圧力信号入力部８２に入力される。図２に示すように、メンブレン２２上には、第１回路３２に対して電力を供給し、または、第１回路３２の出力信号Ｓ１を伝えるための第１電極部４１～４４が形成されている。第１回路３２は、第１電極部４１～４４および接続配線９２（図１参照）を介して、基板部７０に電気的に接続されている。
　図２下部の概略平面図に示されるように、第２回路３４は、第１歪位置である第１円周２４上に配置されている第５抵抗体Ｒ５を含む。なお、第２回路３４の第５抵抗体Ｒ５は、第２円周２６上に配置されていてもよいが、第２円周２６より外周側に位置する第１円周２４上に配置されるほうが、第５抵抗体Ｒ５の抵抗値を大きくする観点から好ましい。第１円周２４上のほうが、第５抵抗体Ｒ５を配置可能なスペースが広いためである。特に、第５抵抗体Ｒ５が薄膜による薄膜抵抗体（後述）である場合は、配置スペースが広いほど第５抵抗体Ｒ５の抵抗値を大きくできる。また、第５抵抗体Ｒ５の一部又は全部は、第１円周２４と同方向の歪特性を生じるが、第１円周２４とは異なる大きさの歪を生じる位置に配置されていてもよい。
　図２に示すように、第５抵抗体Ｒ５は、第１円周２４上に配置されており薄膜による第１薄膜抵抗体Ｒ５１を複数有している。また、第２回路３４は、第１薄膜抵抗体Ｒ５１同士を接続する接続部３５を有しており、複数の第１薄膜抵抗体Ｒ５１は、接続部３５によって直列接続されることにより、第５抵抗体Ｒ５を構成している。
　第２回路３４は、少なくともメンブレン２２上では第１回路３２に対して接続しておらず、第１回路３２とは独立して歪を検出可能である。図２に示すように、メンブレン２２上には、第２回路３４に対して電力を供給し、第２回路３４の検出信号Ｓ２を伝えるための第２電極部４６、４７が形成されている。
　図３に示すように、第５抵抗体Ｒ５を有する第２回路３４からの検出信号Ｓ２は、マイクロプロセッサ８０の検知信号入力部８３に入力される。図３に示すように、圧力センサ１０は、第１回路３２への電力供給を切り換える切換部７２を有する。なお、図３に示すマイクロプロセッサ８０、切換部７２、およびアンプ７３は、たとえば、基板部７０に配置することができるが、これらの配置場所は特に限定されない。
　切換部７２は、基板部７０（図１参照）に配置されるスイッチを有し、スイッチがＯＮになると第１回路３２へ電力が供給され、スイッチがＯＦＦになると第１回路３２への電力供給が停止される。切換部７２のＯＮ／ＯＦＦは、マイクロプロセッサ８０のスイッチ制御部８１によって制御される。
　スイッチ制御部８１は、第２回路３４からの検出信号Ｓ２を用いて、切換部７２を制御する。図４は、図３に示す回路を有する圧力センサ１０における、検出信号Ｓ２と出力信号Ｓ１の出力結果の一例を表すグラフである。なお、図４に示すグラフの横軸は、第５抵抗体Ｒ５に生じる歪又はメンブレン２２が受ける圧力を表す。また、図４に示すグラフは、第５抵抗体Ｒ５に正の歪が生じる場合を想定しているが、図２に示すように、第５抵抗体Ｒ５に負の歪が生じる場合であっても、たとえば歪を絶対値とすれば同様に考えることができる。
　図４の左側の領域に示すように、圧力センサ１０の測定対象である圧力流体の圧力が低く、第５抵抗体Ｒ５に生じる歪が所定値Ｘ１より小さい場合、第２回路３４で検出される検出信号Ｓ２の出力値は、所定値Ｙ１より小さい。図３に示すスイッチ制御部８１は、検知信号入力部８３を介して、検出信号Ｓ２が所定値Ｙ１より小さいことを認識し、切換部７２のスイッチをＯＦＦの状態に維持する。
　図３に示す切換部７２のスイッチがＯＦＦの状態では、第１回路３２に電力が供給されない。そのため、図４に示すように、第１回路３２は歪を検出せず、第１回路３２からの出力信号Ｓ１の値は変化しない。なお、電力供給のＯＮ／ＯＦＦを切り換える所定値Ｘ１は、圧力センサ１０による圧力検出が不要な範囲の上限か、又は圧力検出が不要な範囲の上限より小さい値に設定される。
　図４の右側の領域に示すように、圧力センサ１０の測定対象である圧力流体の圧力が高く、第５抵抗体Ｒ５に生じる歪が所定値Ｘ１以上である場合、第２回路３４で検出される検出信号Ｓ２の出力値は、所定値Ｙ１以上となる。図３に示すスイッチ制御部８１は、検知信号入力部８３を介して、検出信号Ｓ２が所定値Ｙ１以上であることを認識し、切換部７２のスイッチをＯＮの状態に維持する。
　図３に示す切換部７２のスイッチがＯＮの状態では、第１回路３２に電力が供給される。そのため、図４に示すように、第１回路３２は圧力によって生じる第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４の歪を検出し、第１回路３２からの出力信号Ｓ１の値は、歪および圧力によって変化する。このように、圧力センサ１０では、第５抵抗体Ｒ５に生じる歪が所定値Ｘ１より小さい場合にはブリッジ回路を形成する第１回路３２には電力が供給されない。そのため、圧力センサ１０は、低消費電力化を実現できる。また、圧力センサ１０は、第２回路３４を用いて、常に測定対象の圧力を検出しているため、瞬間的な圧力上昇が生じた場合であっても、切換部７２による電力供給を適切に切り換え、圧力変化の検出漏れを防止できる。
　第２回路３４による圧力の検出精度は、切換部７２による電力供給を適切に切り換えられる程度であれば足り、ブリッジ回路を形成する第１回路３２による圧力の検出精度より低くてもよい。また、第２回路３４における第５抵抗体Ｒ５の抵抗値は、歪が生じていない状態において、第１回路３２に含まれる第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４のいずれの抵抗値より高いことが、第２回路３４を流れる電流値を小さくして、第２回路３４での消費電力を低減する観点から好ましい。
　図２に示すようなメンブレン２２を有するステム２０およびメンブレン２２上に設けられる第１回路３２および第２回路３４は、たとえば、以下のようにして作製される。まず、メンブレン２２を有するステム２０を機械加工により作製する。ステム２０の材質は、適切な弾性変形を生じるものであれば特に限定されず、例えばステンレスなどの金属や合金が挙げられる。
　次に、メンブレン２２の上に、絶縁膜を挟んで半導体薄膜または金属薄膜を形成し、これらの薄膜に対してレーザー加工や、スクリーン印刷のような半導体加工技術による微細加工などを行うことにより、図２に示すような第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４を含む第１回路３２、第５抵抗体Ｒ５を含む第２回路３４、第１電極部４１～４４および第２電極部４６、４７を形成する。なお、必要に応じて、第１回路３２や第２回路３４の上表面など、第１および第２電極部４１～４４、４６、４７以外の部分には、絶縁性の表面層が形成されてもよい。
　第２実施形態
　図５は、第２実施形態に係る圧力センサ１１０を用いて形成される回路の一例を示す概念図である。第２実施形態に係る圧力センサ１１０は、基板部７０に配置される切換部１７２およびマイクロプロセッサ１８０が異なることを除き、第１実施形態に係る圧力センサ１０と同様である。第２実施形態に係る圧力センサ１１０については、第１実施形態に係る圧力センサ１０との相違点のみ説明をおこない、共通点の説明は省略する。
　圧力センサ１１０は、メンブレン２２上に形成される第１回路３２および第２回路３４については、図２に示す圧力センサ１０と同様である。しかしながら、第１実施形態に係る圧力センサ１０の切換部７２が、マイクロプロセッサ８０のスイッチ制御部８１によって制御されるのに対して、圧力センサ１１０の切換部１７２は、これとは異なる。すなわち、圧力センサ１１０の切換部１７２は、図５に示す抵抗Ｒо１、Ｒо２、Ｒо３、Ｒо４と、コンパレータ１７６と、トランジスタ１７５による回路により実現されている。
　図５に示す切換部１７２では、電源電圧ＶＤＤから第１回路３２への入り口にトランジスタ１７５が配置されており、トランジスタ１７５によって、第１回路３２への電力の供給が切り換えられる。トランジスタ１７５の３番目の端子には、コンパレータ１７６によって２値化された検出信号Ｓ２が入力される。これにより、第１回路３２への電力供給のＯＮ／ＯＦＦが、第２回路３４からの検出信号Ｓ２を用いて切り換えられる。
　図５に示す圧力センサ１１０も、図３に示す圧力センサ１０と同様に、図４に示すように、所定の圧力以上の場合のみに第１回路３２に対して電力供給を行うように、電力供給の切り換えを行うことができる。また、圧力センサ１１０は、コンパレータ１７６への入力を入れ替えることにより、図６に示すように、所定の圧力より低い圧力の場合のみに第１回路３２に対して電力供給を行うように、電力供給の切り換えを行うことができる。
　図６は、図５に示す回路を有する圧力センサ１１０における、検出信号Ｓ２と出力信号Ｓ１の出力結果の一例を表すグラフである。なお、図６に示すグラフの横軸は、第５抵抗体Ｒ５に生じる歪又はメンブレン２２が受ける圧力を表しており、図６に示すグラフは、図４と同様に、第５抵抗体Ｒ５に正の歪が生じる場合を想定している。
　図６の左側の領域に示すように、圧力センサ１０の測定対象である圧力流体の圧力が低く、第５抵抗体Ｒ５に生じる歪が所定値Ｘ１より小さい場合、第２回路３４で検出される検出信号Ｓ２の出力値は、所定値Ｙ１より小さい。図５に示すトランジスタ１７５の３番目の端子には、コンパレータ１７６を介してＨｉに変換された検出信号Ｓ２が入力し、トランジスタ１７５は、電源電圧ＶＤＤによる第１回路３２への電力供給を可能にする。
　この状態では、図６の左側の領域に示すように、第１回路３２は圧力によって生じる第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４の歪を検出し、第１回路３２からの出力信号Ｓ１の値は、流体の圧力に応じて変化する。
　図６の右側の領域に示すように、圧力センサ１０の測定対象である圧力流体の圧力が高く、第５抵抗体Ｒ５に生じる歪が所定値Ｘ１以上である場合、第２回路３４で検出される検出信号Ｓ２の出力値は、所定値Ｙ１以上となる。図５に示すトランジスタ１７５の３番目の端子には、コンパレータ１７６を介してＬｏｗに変換された検出信号Ｓ２が入力し、トランジスタ１７５は、電源電圧ＶＤＤによる第１回路３２への電力供給を不可能にする。
　この状態では、第１回路３２に電力が供給されない。そのため、図６の右側の領域に示すように、第１回路３２は歪を検出せず、第１回路３２からの出力信号Ｓ１の値は変化しない。なお、電力供給のＯＮ／ＯＦＦを切り換える所定値Ｘ１は、圧力センサ１０による圧力検出が必要な範囲の上限か、又は圧力検出が必要な範囲の上限より大きい値に設定される。
　第２実施形態に係る圧力センサ１１０は、第１回路３２と共通の電源電圧ＶＤＤを用いて第２回路１３４を駆動させるため、第２回路１３４の第５抵抗体Ｒ５に加える電圧を別途生成する必要がない。また、圧力センサ１１０は、切換部１７２をシンプルな回路によって実現しているため、切換部１７２の動作信頼性が高く、また、出力信号Ｓ１を処理するマイクロプロセッサ１８０の演算量を抑制できる。
　第３実施形態
　図７は、第３実施形態に係る圧力センサ２１０における第１回路３２、第２回路１３４および電極部の配置と、第１回路３２および第２回路１３４の等価回路を示す概念図である。第３実施形態に係る圧力センサ２１０は、第２回路１３４の第５抵抗体Ｒ１５が、第１部分Ｒ１５－１と第２部分Ｒ１５－２を有している点が異なることを除き、第１実施形態に係る圧力センサ１０と同様である。第３実施形態に係る圧力センサ２１０については、第１実施形態に係る圧力センサ１０との相違点のみ説明をおこない、共通点の説明は省略する。
　図７（ａ）に示すように、第２回路１３４の第５抵抗体Ｒ１５は、第１円周２４上の２か所に分けて配置される第１部分Ｒ１５－１と第２部分Ｒ１５－２とを有する。第１部分Ｒ１５－１と第２部分Ｒ１５－２は、図２に示す第５抵抗体Ｒ５と同様であり、３つの第１薄膜抵抗体Ｒ５１が接続部３５によって直列接続された構造を有する（図２参照）。
　図７（ａ）に示すように、第１円周２４において、第１部分Ｒ１５－１と第２部分Ｒ１５－２との間には、第１回路３２の第１抵抗体Ｒ１と第３抵抗体Ｒ３とが配置される。第１部分Ｒ１５－１と第２部分Ｒ１５－２とは、第２電極部１４８、１４６を介して電気的に接続される。
　図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、圧力センサ２１０の第１回路３２によって形成されるブリッジ回路は、圧力センサ１０の第１回路３２と同様である。図７（ｃ）に示すように、圧力センサ２１０の第２回路１３４に含まれる第５抵抗体Ｒ１５は、第１部分Ｒ１５－１と第２部分Ｒ１５－２とを接続部３５によって直列接続して構成される。なお、接続部３５は、図１に示す基板部７０を経由するものであってもよく、メンブレン２２上でダイレクトに接続するものであってもかまわない。図７に示す第２電極部１４９、１４７の一方が検知信号入力部８３（図３参照）に接続され、他方が接地される。
　第３実施形態に係る圧力センサ２１０は、第５抵抗体Ｒ１５を第１円周２４上の２か所に分けて配置することにより、第５抵抗体Ｒ１５の抵抗値を高め、第２回路１３４の消費電力を低減することができる。また、第５抵抗体Ｒ１５が、第１回路３２の第１抵抗体Ｒ１および第３抵抗体Ｒ３と同じ第１円周２４上に配置されるため、圧力センサ２１０は、電力供給を切り換える圧力および歪を、精度良く検出することができる。その他、第３実施形態に係る圧力センサ２１０は、圧力センサ１０と同様の効果を奏する。
　第４実施形態
　図８は、第４実施形態に係る圧力センサ３１０における第１回路３２、第２回路３３４および電極部の配置と、第１回路３２および第２回路３３４の等価回路を示す概念図である。第４実施形態に係る圧力センサ３１０は、第２回路３３４の第５抵抗体Ｒ２５が、第１部分Ｒ２５－１と第２部分Ｒ２５－２と第３部分Ｒ２５－３とを有している点が異なることを除き、第１実施形態に係る圧力センサ１０と同様である。第３実施形態に係る圧力センサ３１０については、第１実施形態に係る圧力センサ１０との相違点のみ説明をおこない、共通点の説明は省略する。
　図８（ａ）に示すように、第２回路３３４の第５抵抗体Ｒ２５は、第１歪位置である第１円周２４上と、メンブレン２２上において第１円周２４上とは異なる大きさ（例えば１／２）であるが同じ方向（たとえば圧縮）の歪を生じる第３歪領域としての第３円周３２７上および第４円周３２８上の３か所に分けて配置される。第５抵抗体Ｒ２５のうち、第１円周２４上に配置されている第１部分Ｒ２５－１は、図２に示す第５抵抗体Ｒ５と同様であり、３つの第１薄膜抵抗体Ｒ５１が接続部３５によって直列接続された構造を有する（図２参照）。
　図８（ａ）に示すように、第５抵抗体Ｒ２５のうち、第３円周３２７上に配置されている第２部分Ｒ２５－２は、薄膜による第２薄膜抵抗体Ｒ５２が接続部によって直列接続された構造を有する。同様に、第５抵抗体Ｒ２５のうち、第４円周３２８上に配置されている第３部分Ｒ２５－３は、薄膜による第３薄膜抵抗体Ｒ５３が接続部によって直列接続された構造を有する。
　図８（ａ）に示すように、第３円周３２７は、第１円周２４より内周側に位置し、第４円周３２８は第１円周２４より外周側に位置するが、いずれも第１円周２４上と同じ方向の歪を生じる。図８（ｃ）に示すように、圧力センサ３１０の第２回路３３４は、第１薄膜抵抗体Ｒ５１による第１部分Ｒ２５－１と第２薄膜抵抗体Ｒ５２による第２部分Ｒ２５－２とを直列接続する接続部３３７を有する。また、圧力センサ３１０の第２回路３３４は、第１薄膜抵抗体Ｒ５１による第１部分Ｒ２５－１と第３薄膜抵抗体Ｒ５３による第３部分Ｒ２５－３とを直列接続する接続部３３８を有する。なお、図８（ａ）に示す第２電極部３４６、３４７の一方が検知信号入力部８３（図３参照）に接続され、他方が接地される。
　図８（ｃ）に示すように、圧力センサ３１０の第２回路３３４では、第１円周２４上に配置される第１部分Ｒ２５－１だけでなく、第３円周３２７上および第４円周３２８上に配置される第２部分Ｒ２５－２および第３部分Ｒ２５－３を有し、これらを接続部３３７、３３８によって直列接続して第５抵抗体Ｒ２５を構成している。このような第２回路３３４は、限られたメンブレン２２上の面積の中で、抵抗値を効果的に高めることができるので、低消費電力の観点で有利である。
　図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、圧力センサ３１０の第１回路３２によって形成されるブリッジ回路は、圧力センサ１０の第１回路３２と同様である。その他、第４実施形態に係る圧力センサ３１０は、圧力センサ１０と同様の効果を奏する。
　第５実施形態
　図９は、第５実施形態に係る圧力センサ４１０における第１回路３２、第２回路４３４および電極部の配置と、第１回路３２および第２回路４３４の等価回路を示す概念図である。第５実施形態に係る圧力センサ４１０は、第２回路４３４の第５抵抗体Ｒ３５が、第４部分Ｒ３５－４と第５部分Ｒ３５－５と第６部分Ｒ３５－６とを有している点が異なることを除き、第４実施形態に係る圧力センサ３１０と同様である。第５実施形態に係る圧力センサ４１０については、第３実施形態に係る圧力センサ３１０との相違点のみ説明をおこない、共通点の説明は省略する。
　図９（ａ）に示すように、第２回路４３４の第５抵抗体Ｒ３５は、図８（ａ）に示す第２回路３３４の第５抵抗体Ｒ２５と同様の第１～第３部分Ｒ２５－１～Ｒ２５－３を有する。これに加えて、第５抵抗体Ｒ３５は、第４～第６部分Ｒ３５－４～Ｒ３５－６を有する。第５抵抗体Ｒ３５の第４部分Ｒ３５－４は、第１部分Ｒ２５－１と同じ第１円周２４上に配置されており、第５抵抗体の第５部分Ｒ３５－５は、第２部分Ｒ２５－２と同じ第３円周３２７上に配置されており、第５抵抗体Ｒ３５の第６部分Ｒ３５－６は、第３部分Ｒ２５－３と同じ第４円周３２８上に配置されている。第４～第６部分Ｒ３５－４～Ｒ３５－６は、第１～第３円周２４、３２７、３２８上の位置が異なることを除き、第１～第３部分Ｒ２５－１～Ｒ２５－３と同様である。
　図９（ｃ）に示すように、第５抵抗体Ｒ３５の第１～第３部分Ｒ２５－１～Ｒ２５－３および第４～第６部分Ｒ３５－４～Ｒ３５－６は、接続部４３９などを介して直列的に接続される。このような第２回路４３４は、限られたメンブレン２２上の面積の中で、抵抗値を効果的に高めることができるので、低消費電力の観点で有利である。その他、第５実施形態に係る圧力センサ４１０は、圧力センサ３１０と同様の効果を奏する。
　第６実施形態
　図１０は、第６実施形態に係る圧力センサ５１０の概略断面図である。第６実施形態に係る圧力センサ５１０は、メンブレン５２２が平板状の金属板であり、ステム２０の底面ではない点が異なることを除き、第６実施形態に係る圧力センサ５１０と同様である。第５実施形態に係る圧力センサ５１０については、第１実施形態に係る圧力センサ１０との相違点のみ説明をおこない、共通点の説明は省略する。
　メンブレン５２２は、ハウジング５１２の流路５１２ｂを塞ぐように、ハウジング５１２の端面５１２ａに固定される。メンブレン５２２の上面には、絶縁膜５１５を介して、圧力検出回路５１６が形成される。圧力検出回路５１６には、図２に示す第１回路３２および第２回路３４が含まれる。また、圧力センサ５１０は、図１に示す圧力センサ１０と同様の基板部７０を有する。
　平板状のメンブレン５２２は、ハウジング５１２の端面５１２ａに対して、溶接等によって固定される。絶縁膜５１５の面積がメンブレン５２２より狭く、メンブレン５２２の一部が絶縁膜５１５から露出していることにより、メンブレン５２２は、露出したメンブレン５２２に電極を接触させて抵抗溶接することにより、ハウジング５１２に容易に固定することができる。
　また、圧力センサ５１０は、金属板のメンブレン５２２を有するため小型化に対して有利であり、また、ステム２０（図１参照）とは異なり、金属板であれば一般的な半導体工場で処理しやすく、生産性が良好である。第５実施形態に係る圧力センサ５１０は、圧力センサ１０と同様の効果を奏する。
　以上のように、実施形態を挙げて本発明にかかる圧力センサを説明したが、本発明はこれらの実施形態のみに限定されるものではなく、他の多くの実施形態や変形例を含むことは言うまでもない。たとえば、図１、図１０に示すステム２０およびメンブレン２２、５２２の形状および固定構造は一例にすぎず、本発明の圧力センサは、メンブレンが圧力に応じて適切に変形する、他の任意の形状および固定構造を採用できる。また、圧力センサのメンブレンは、実施形態で示したステムや金属板のみには限定されず、その他形状および材質のメンブレンを用いることも可能である。
　実施例
　以下、実施例を挙げて、本発明をさらに詳細に説明するが、これらの実施例の記載は、本発明を何ら限定するものではない。
　実施例では、図１１に示すような第２実施形態に係る圧力センサ１１０を用いて、圧力センサ１１０に含まれる回路の各部分Ａ１～Ａ５において、センサＯＮ時とセンサＯＦＦ時に消費される電流の値を算出した。計算に用いた抵抗値は、ブリッジ回路の抵抗Ｒｂｒ（第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４によるブリッジ回路の抵抗）：２．５ｋΩ、第５抵抗体Ｒ５：１．５ｋΩ、抵抗Ｒо１：２０ｋΩ、抵抗Ｒо２：１ＭΩ、抵抗Ｒо３：１ＭΩ、抵抗Ｒо４：２５０ｋΩとした。また、電源電圧ＶＤＤは５Ｖとした。結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１からは、圧力センサ１１０では、センサＯＦＦ時において、センサＯＮ時に対して消費電流を１０分の１程度に低減できることが確認できる。また、第２回路３４を有さず、常時ブリッジ回路に通電させる圧力センサを想定すると、その消費電力は２ｍＡ(表１のＡ５に相当）となる。これと圧力センサ１１０による表１の結果とを比較すると、センサＯＦＦ時間が駆動時間全体の約１１％を超える条件であれば、圧力センサ１１０は、第２回路３４を有さず常時通電する圧力センサに比べて、消費電流を低減できると考えられる。
　１０、１１０、２１０、３１０、４１０、５１０…圧力センサ
　１２…接続部材
　１２ａ…ねじ溝
　１２ｂ、５１２ｂ…流路
　１４…抑え部材
　２０…ステム
　２１…フランジ部
　２２ａ…内面
　２２ｂ…外面
　２２、５２２…メンブレン
　２４…第１円周
　２６…第２円周
　３２７…第３円周
　３２８…第４円周
　３２…第１回路
　３４、３２４、４３４…第２回路
　３５、３３７、３３８…接続部
　Ｒ１…第１抵抗体
　Ｒ２…第２抵抗体
　Ｒ３…第３抵抗体
　Ｒ４…第４抵抗体
　Ｒ５、Ｒ２５、Ｒ３５…第５抵抗体
　Ｒ２５－１…第１部分
　Ｒ２５－２…第２部分
　Ｒ２５－３…第３部分
　Ｒ３５－４…第４部分
　Ｒ３５－５…第５部分
　Ｒ３５－６…第６部分
　Ｒ５１…第１薄膜抵抗体
　Ｒ５２…第２薄膜抵抗体
　Ｒ５３…第３薄膜抵抗体
　４１、４２、４３、４４…第１電極部
　４６、４７、３４６、３４７…第２電極部
　７０…基板部
　７２、１７２…切換部
　７３…アンプ
　１７５…ドランジスタ
　１７６…コンパレータ
　８０、１８０…マイクロプロセッサ
　８１…スイッチ制御部
　８２…圧力信号入力部
　８３…検知信号入力部
　９２…接続配線
　ＶＤＤ…電源電圧
　Ｒо１、Ｒо２、Ｒо３、Ｒо４…抵抗
　５１２…ハウジング
　５１２ａ…端面
　５１５…絶縁膜
　５１６…圧力検出回路

Claims (6)

  1. 　圧力に応じた変形を生じるメンブレンと、
    　前記メンブレン上において所定の歪特性を生じる第１歪位置に配置される第１抵抗体及び第３抵抗体と、前記第１歪位置とは異なる方向の歪特性を生じる第２歪位置に配置される第２抵抗体および第４抵抗体とを含み、ブリッジ回路を形成して歪を検出する第１回路と、
    　前記メンブレンにおける前記第１歪位置又は前記第２歪位置と同方向の歪特性を生じる位置に配置される第５抵抗体を含み、前記第１回路とは独立して歪を検出可能な第２回路と、を有する圧力センサ。
  2. 　前記第２回路からの検出信号を用いて、前記第１回路への電力供給を切り換える切換部を有する請求項１に記載の圧力センサ。
  3. 　前記第５抵抗体の少なくとも一部は、前記メンブレン上において前記第２歪位置より外周側に位置する前記第１歪位置に配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧力センサ。
  4. 　前記第５抵抗体は、薄膜による薄膜抵抗体を複数有し、
    　前記第２回路は、前記薄膜抵抗体同士を直列接続する接続部を有する請求項１から請求項３までのいずれかに記載の圧力センサ。
  5. 　前記第５抵抗体は、前記メンブレン上において前記第２歪位置より外周側に位置する前記第１歪位置に配置されている薄膜による第１薄膜抵抗体と、前記メンブレン上において前記第１歪位置とは異なる大きさであるが同方向の歪を生じる第３歪領域に配置されている薄膜による第２薄膜抵抗体と、を有し、
    　前記第２回路は、前記第１薄膜抵抗体と前記第２薄膜抵抗体とを直列接続する接続部を有する請求項１から請求項３までのいずれかに記載の圧力センサ。
  6. 　前記第５抵抗体の抵抗値は、前記メンブレンに変形が生じていない状態において、前記第１～第４抵抗体のいずれの抵抗値より高いことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれかに記載の圧力センサ。
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