WO2021177024A1 - 圧力センサ - Google Patents

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WO2021177024A1
WO2021177024A1 PCT/JP2021/005736 JP2021005736W WO2021177024A1 WO 2021177024 A1 WO2021177024 A1 WO 2021177024A1 JP 2021005736 W JP2021005736 W JP 2021005736W WO 2021177024 A1 WO2021177024 A1 WO 2021177024A1
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resistor
temperature
pressure sensor
detection circuit
membrane
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PCT/JP2021/005736
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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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    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0051—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
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    • G—PHYSICS
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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.
  • a membrane that elastically deforms under pressure is formed on a part of a metal pressure receiving member called a stem, and the strain due to the deformation of the membrane is subjected to a resistor provided on the membrane. Detected by the change in resistance of.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and provides a pressure sensor that has high detection sensitivity even in an environment where temperature changes occur and can prevent an increase in current consumption.
  • the pressure sensor is A membrane that deforms in response to pressure,
  • the first and third resistors arranged on the membrane in the first strain region that produces strain characteristics in a predetermined direction, and the second strain region that produces strain characteristics in the direction opposite to the first strain region.
  • the detection circuit includes the second resistor and the fourth resistor, and forms a bridge circuit by the first to fourth resistors.
  • At least one of the first resistor, the second resistor, the third resistor and the fourth resistor is in series with a first portion, which is a resistor having a positive temperature resistance coefficient, and the first portion. It has a second portion, which is a resistor that is connected and has a negative temperature resistance coefficient.
  • At least one of the first to fourth resistors constituting the bridge circuit has a first portion which is a resistor having a positive temperature resistance coefficient and a negative temperature resistance. It is a combined resistance in which the second part, which is a resistor having a coefficient, is connected in series.
  • Such a combined resistance can reduce or eliminate the change in the resistance value due to the temperature change, and even in an environment where the temperature change occurs, the pressure detection sensitivity is high due to the relationship between the resistance value and the strain.
  • unlike the technique of connecting a resistor in series to the outside of the bridge circuit it is possible to prevent an increase in current consumption.
  • the first resistor, the second resistor, the third resistor, and the fourth resistor are a first portion and the first portion, which are resistors having a positive temperature resistance coefficient, respectively. It may have a second portion, which is connected in series to and has a negative temperature resistance coefficient.
  • the detection circuit can suitably suppress the temperature change of the entire bridge circuit including the balance of the individual resistance values and the resistance values, and the pressure sensor having such a detection circuit can accurately suppress the pressure even in an environment where the temperature change occurs. Can be detected. Further, unlike the technique of connecting a resistor in series to the outside of the bridge circuit, it is possible to prevent an increase in current consumption.
  • the first portion of the first resistor and the first portion of the third resistor may be arranged on the first circumference included in the first strain region.
  • the second portion of the first resistor and the second portion of the third resistor are included in the first strain region and are arranged on a third circumference different from the first circumference.
  • the first portion of the second resistor and the first portion of the fourth resistor may be arranged on the second circumference included in the second strain region.
  • the second portion of the second resistor and the second portion of the fourth resistor are included in the second strain region and are arranged on a fourth circumference different from the second circumference. May be.
  • resistors having positive and negative temperature resistance coefficients can be easily arranged in a narrow space, and the size can be reduced. Contribute to. Further, by arranging the first portions and the second portions on the same circumference, it is easy to arrange the resistor in the portion having a large strain on the membrane.
  • the first portion of the first resistor, the first portion of the third resistor, the second portion of the first resistor, and the second portion of the third resistor are described as described above. It may be arranged on the first circumference included in the first strain region.
  • the first part of the second resistor, the first part of the fourth resistor, the second part of the second resistor, and the second part of the fourth resistor are the second strain region. It may be arranged on the second circumference included in.
  • the resistor By arranging the first part and the second part of the two resistors on the same circumference, the resistor can be arranged in the portion having a large strain on the membrane, so that the sensitivity of the detection circuit is maximized. be able to.
  • the pressure sensor according to the present invention is arranged on the membrane at a position where the deformation due to pressure is smaller than any of the arrangement positions of the first to fourth resistors, and is a resistor having a positive temperature resistance coefficient. It may have a temperature detection circuit having a temperature first portion, which is a temperature first portion, and a temperature second portion, which is a resistor connected in series with the temperature first portion and having a negative temperature resistance coefficient.
  • the temperature detection circuit reduce or eliminate the temperature change of the current consumption in the temperature detection circuit by using a resistor in which a resistor having a positive drag coefficient and a resistor having a negative drag coefficient are connected in series. Can be done. Further, since the resistance voltage dividing values of the temperature first portion and the temperature second portion, which are two resistors, can be detected as the detection output of the temperature detection circuit, a resistor for voltage dividing is separately externally provided in addition to the two resistors. There is no need to install it in.
  • the pressure sensor according to the present invention may have a temperature correction unit that corrects the output of the detection circuit by using the output of the temperature detection circuit.
  • Such a pressure sensor can appropriately temperature-correct the output of the detection circuit. Further, even when the resistance values of the first to fourth resistors included in the bridge circuit remain temperature-dependent, the pressure can be appropriately detected by the correction by the temperature correction unit.
  • the pressure sensor includes a membrane that deforms in response to pressure and a membrane.
  • the first and third resistors arranged on the membrane in the first strain region that produces strain characteristics in a predetermined direction, and the second strain region that produces strain characteristics in the direction opposite to the first strain region.
  • a temperature first portion which is a resistance having a positive temperature resistance coefficient and is arranged on the membrane at a position where deformation due to pressure is smaller than any of the arrangement positions of the first to fourth resistors, and the first portion. It has a temperature detection circuit having a second part of temperature, which is a resistor connected in series with and having a negative drag coefficient.
  • Such a pressure sensor uses a resistor in which a resistor having a positive temperature resistance coefficient and a resistor having a negative temperature resistance coefficient are connected in series for the temperature detection circuit, thereby changing the temperature of the current consumed in the temperature detection circuit. Can be reduced or eliminated. Further, since the resistance voltage dividing values of the temperature first portion and the temperature second portion, which are two resistors, can be detected, it is not necessary to prepare a resistor for voltage dividing other than the two resistors, and such temperature detection The circuit does not waste the resistance used and contributes to miniaturization.
  • 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 the resistor and the 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 the pressure sensor shown in FIG.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram showing the temperature characteristics of the detection circuit in the pressure sensor shown in FIGS. 2 and 3.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram showing the arrangement of a resistor and an electrode portion in the pressure sensor according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram showing an example of a circuit formed by the pressure sensor shown in FIG. FIG.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram showing a pressure change of a resistance value in a resistor included in the pressure sensor shown in FIGS. 5 and 6.
  • FIG. 8 is a conceptual diagram showing the arrangement of a resistor and an electrode portion in the pressure sensor according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a conceptual diagram showing an example of a circuit formed by the pressure sensor shown in FIG.
  • FIG. 10 is a conceptual diagram showing the temperature characteristics of the temperature detection circuits shown in FIGS. 8 and 9.
  • FIG. 11 is a conceptual diagram showing an example of a circuit formed by the pressure sensor according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the 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 the 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 41 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 20a (see FIG. 2), 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.
  • a detection circuit 32 and an electrode portion 41 are provided on the outer surface 22b side of the membrane 22, .
  • an electrode portion 41 which will be described later, are provided. Provided (see FIG. 2).
  • the substrate portion 70 is fixed to the holding member 14 shown in FIG.
  • the substrate portion 70 has wiring, an electrode portion, and the like that are electrically connected to the detection circuit 32 and the electrode portion 41 formed on the outer surface 22b of the membrane 22.
  • the electrode portion of the substrate portion 70 and the electrode portion 41 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 an arrangement state of the detection circuit 32 and the like on the outer surface 22b of the membrane 22.
  • 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 viewed from above, which is the outer surface 22b side of the membrane 22.
  • the membrane 22 is formed with a first strain region 24 that produces strain characteristics in a predetermined direction and a second strain region 27 that produces strain characteristics in the direction opposite to that of the first strain region 24. Will be done.
  • the first strain region 24 of the membrane 22 receives pressure (positive pressure) from the inner surface 22a to generate strain ⁇ - (compression strain) in the negative direction, whereas the second strain region 27 of the membrane 22 has a second strain region 27.
  • a strain ⁇ + tensile strain
  • the first strain region 24 and the second strain region 27 are formed concentrically on the membrane 22.
  • the second strain region 27 is formed in the central portion of the membrane 22, and the first strain region 24 is formed on the outer periphery of the second strain region 27.
  • the outer edge portion 23 of the membrane 22 is connected to the side wall 20a of the stem 20.
  • the pressure sensor 10 is a detection circuit that forms a bridge circuit (see FIG. 3) by the first resistor R1, the second resistor R2, the third resistor R3, and the fourth resistor R4. It has 32.
  • the bridge circuit one of the first and third resistors R1 and R3 and one of the second and fourth resistors R2 and R4 are connected in series, and the first and third resistors are connected. The other of R1 and R3 and the other of the second and fourth resistors R2 and R4 are connected in series.
  • the first resistor R1, the second resistor R2, the third resistor R3, and the fourth resistor R4 forming the detection circuit 32 are the first portions, respectively. And the second part have two different properties of resistance.
  • the first resistor R1 has the first resistor first portion R1a and the first resistor second portion R1b
  • the second resistor R2 is the second resistor first. It has one portion R2a and a second resistor second portion R2b.
  • the third resistor R3 has a third resistor first portion R3a and a third resistor second portion R3b
  • the fourth resistor R4 has a fourth resistor first portion R4a and a fourth resistor R4. It has a second portion R4b of a resistor.
  • the third resistor R3 having the two partial R3b is arranged in the first strain region 24 of the membrane 22. Further, the first portion R1a of the first resistor and the first portion R3a of the third resistor are arranged on the first circumference 25 included in the first strain region 24, and the second portion of the first resistor R1b and the second portion R3b of the third resistor are included in the first strain region 24 and are arranged on a third circumference 26 different from the first circumference 25.
  • the second resistor R2 having the second resistor first portion R2a and the second resistor second portion R2b, the fourth resistor first portion R4a, and the fourth resistor second portion R4b
  • the fourth resistor R4 having the above is arranged in the second strain region 27 of the membrane 22. Further, the second resistor first portion R2a and the fourth resistor first portion R4a are arranged on the second circumference 28 included in the second strain region 27, and the second resistor second portion R2b and the second portion R4b of the fourth resistor are included in the second strain region 27 and are arranged on a fourth circumference 29 different from the second circumference 28.
  • the narrow second strain region 27 is formed.
  • Both the first portions R2a and R4a and the second portions R2b and R4b can be efficiently arranged. Therefore, such a pressure sensor 10 is advantageous from the viewpoint of miniaturization.
  • the fourth circumference 29 in which and is arranged have a relationship (directions (positive and negative) opposite to each other) in which the generated strains cancel each other out.
  • the relationship between the first circumference 25, the second circumference 28, the third circumference 26, and the fourth circumference 29 is not limited to this.
  • the outer edge portion 23 of the membrane 22 is provided with an electrode portion 41 connected to the detection circuit 32.
  • the current IDD is supplied to the detection circuit 32 on the membrane 22 via the electrode portion 41, and the detection output V Centerut of the detection circuit 32 is transmitted to the outside via the electrode portion 41 (see FIG. 3).
  • FIG. 3 shows a circuit diagram of the detection circuit 32 in the pressure sensor 10 shown in FIG.
  • a bridge circuit is formed in which the first and third resistors R1 and R3 and the second and fourth resistors R2 and R4 are arranged on opposite sides, respectively.
  • the detection circuit 32 is driven by the voltage VDD from the power supply.
  • the first resistor R1 which is one side of the bridge circuit forming the detection circuit 32 is configured by connecting the first resistor first portion R1a and the first resistor second portion R1b in series.
  • the second resistor R2, the third resistor R3, and the fourth resistor R4, which are the other sides of the bridge circuit also have the second to fourth resistors R1 like the first resistor R1.
  • the portions R2a, R3a, and R4a are connected in series with the second to fourth resistor second portions R2b, R3b, and R4b.
  • the first portions R1a, R2a, R3a, and R4a of the first to fourth resistors are resistors having a positive temperature resistance coefficient
  • the first to fourth resistors second portions R1b, R2b, R3b, and R4b Is a resistor with a negative resistance temperature coefficient. Therefore, the first to fourth resistors R1, R2, R3, and R4 are combined resistors in which a resistor having a positive temperature resistance coefficient and a resistor having a negative temperature resistance coefficient are connected in series.
  • the graph on the left side of FIG. 4 shows the temperature dependence of the first resistor R1a, the first resistor second portion R1b, and the first resistor R1 which is a combined resistor in which these are connected in series. Is.
  • the first resistor first portion R1a is a resistor having a positive temperature resistance coefficient
  • the resistance value increases as the temperature rises.
  • the first resistor second portion R1b is a resistor having a negative temperature resistance coefficient
  • the resistance value decreases as the temperature rises.
  • the first resistor R1 which is a combined resistance in which the first resistor first portion R1a and the first resistor second portion R1b are connected in series, is one of the temperature dependences of the first portion R1a and the second portion R1b. By canceling out parts or all, it has a smaller temperature dependence than each part, or has a substantially constant resistance value in a predetermined temperature range. As described above, the first resistor R1 can realize a resistor having a small temperature dependence. Further, for example, the first resistor R1 adopts a resistor having a large resistance change per unit strain and high pressure detection sensitivity as the first portion R1a or the second portion R1b, while the first portion R1a or the second portion combined with the resistance. By adopting a resistor having a temperature resistance coefficient in which the positive and negative relations are opposite to each other as the portion R1b, a resistor having high detection sensitivity and low temperature dependence can be realized.
  • the second to fourth resistors R2, R3, and R4 also have a temperature dependence smaller than that of each portion or in a predetermined temperature range. It has a substantially constant resistance value.
  • the value of the current IDD flowing through the detection circuit 32 shown in FIG. The temperature change can be made smaller or substantially constant in a predetermined temperature range as compared with a detection circuit using a resistor having a very small coefficient. Therefore, the detection circuit 32 can have high detection sensitivity in a wide temperature range and can prevent an increase in current consumption.
  • Examples of the resistance material having a positive temperature resistance coefficient that can be adopted as the first portion R1a, R2a, R3a, R4a of the first to fourth resistors include metals such as Pt, Ni, and C Cincinnati, and barium titanate-based ceramics. And so on. Further, examples of the resistor material having a negative temperature resistance coefficient that can be adopted as the second portion R1b, R2b, R3b, R4b of the first to fourth resistors include Ni, Mn, C réelle-based oxides and silicon-based semiconductors. And so on.
  • first to fourth resistors R1 to R4 are for connecting a resistor having a positive temperature resistance coefficient and a resistor having a negative temperature resistance coefficient in series, the first part and the second part are connected.
  • the constituent resistance material is not particularly limited.
  • the stem 20 having the membrane 22 as shown in FIG. 2, the first to fourth resistors R1 to R4 provided on the membrane 22, and the electrode portion 41 are manufactured, 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 to fourth resistors R1 to R4 and the electrode portion 41 as shown in FIG. 2 are formed. If necessary, an insulating surface layer may be formed on the membrane 22 other than the electrode portion 41 for connecting the wiring to the outside, such as the first to fourth resistors R1 to R4. ..
  • the pressure sensor 10 shown in FIGS. 1 to 4 can reduce or eliminate a change in resistance value due to a temperature change of the first to fourth resistors R1 to R4 included in the bridge circuit constituting the detection circuit 32. Even in an environment where temperature changes occur, the pressure can be detected accurately from the relationship between the resistance value and strain. Further, in the pressure sensor 10, both the first to fourth resistor first portions R1a, R2a, R3a and R4a and the first to fourth resistor second portions R1b, R2b, R3b and R4b are resistances due to the distortion of the membrane. Since it causes a change (see FIG. 7), unlike the conventional technique in which a resistor is connected in series to the outside of the bridge circuit, the detection sensitivity is high and an increase in current consumption can be prevented.
  • FIG . 5 is a conceptual diagram showing the configuration of the detection circuit 132 arranged on the membrane 22 of the pressure sensor 110 according to the second embodiment of the present invention.
  • the upper part of FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the stem 20, and the lower part of FIG. 5 is a schematic plan view of the stem 20 viewed from above, which is the outer surface 22b side of the membrane 22.
  • the pressure sensor 110 has different arrangements of the first resistor second portion R11b, the second resistor second portion R12b, the third resistor second portion R13b, and the fourth resistor second portion R14b included in the detection circuit 132. Except for this, it is the same as the pressure sensor 10 shown in FIG. In the description of the pressure sensor 110, the differences from the pressure sensor 10 will be mainly described, and the common points with the pressure sensor 10 will be omitted.
  • the pressure sensor 110 includes a first resistor R11 and a third resistor R13 arranged in the first strain region 24 of the membrane 22, and a second resistor arranged in the second strain region 27. It has R12 and a fourth resistor R14.
  • the first resistor R11 has a first resistor first portion R1a and a first resistor second portion R11b
  • the third resistor R13 has a third resistor first portion R3a.
  • a third resistor second portion R13b is a third resistor second portion R13b
  • the second resistor R12 has a second resistor first portion R2a and a second resistor second portion R12b
  • the fourth resistor R14 has a fourth resistor first portion R4a and a fourth resistor. It has a second body part R14b.
  • FIG. 6 shows a circuit diagram of the detection circuit 132 in the pressure sensor 110 shown in FIG.
  • the first to fourth resistors R11 to R14 of the detection circuit 132 are the first to fourth resistors 1st to the same as the first to fourth resistors R1 to R4 shown in FIG.
  • the portions R1a, R2a, R3a, and R4a are connected in series with the second portions R11b, R12b, R13b, and R14b of the first to fourth resistors.
  • the first resistor first portion R1a, the third resistor first portion R3a, the first resistor second portion R11b, and the third resistor second portion R13b is arranged on the first circumference 25 included in the first strain region 24.
  • the second resistor first portion R2a, the fourth resistor first portion R4a, the second resistor second portion R12b, and the fourth resistor second portion R14b are included in the second strain region 27. It is located on the second circumference 28.
  • the position on the first circumference 25 where the first and third resistors R11 and R13 are arranged can be the position where the distortion is the largest in the first strain region 24. Further, the position on the second circumference 28 where the second and fourth resistors R12 and R14 are arranged can be set to the position where the strain is the largest in the second strain region 27.
  • the first portions R1a, R2a, R3a, R4a and the second portions R11b, R12b, R13b, and R14b of the resistors R11 to R14 included in the detection circuit 132 are positioned on the membrane with large distortion. The sensitivity of the detection circuit 132 can be increased.
  • FIG. 7 shows the relationship between the resistance values of the first resistor R11, the first resistor first portion R1a, and the first resistor second portion R11b included in the detection circuit 132 of the pressure sensor 110 and the pressure received by the membrane 22. It is a representation graph. As shown in FIG. 7, in the detection circuit 132 of the pressure sensor 110, the first resistor first portion R1a and the first resistor second portion R11b, which perform temperature compensation based on mutual characteristics, respond to the pressure received by the membrane 22. In each case, the resistance value changes. Therefore, the resistance value of the first resistor R11 included in the detection circuit 132 changes greatly according to the pressure change. Such a pressure sensor 110 not only realizes temperature compensation of sensitivity, but also exhibits better detection sensitivity as compared with a conventional pressure sensor in which a resistor for temperature compensation is arranged outside the detection circuit 132.
  • the pressure sensor 110 has the same effect as the pressure sensor 10 in common with the pressure sensor 10.
  • FIG. 8 is a conceptual diagram showing a configuration of a detection circuit 132 and a temperature detection circuit 260 arranged on the membrane 22 of the pressure sensor 210 according to the third embodiment of the present invention.
  • the upper part of FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of the stem 20, and the lower part of FIG. 8 is a schematic plan view of the stem 20 viewed from above, which is the outer surface 22b side of the membrane 22.
  • the pressure sensor 210 is the same as the pressure sensor 110 shown in FIG. 5, except that it has a temperature detection circuit 260 and an electrode portion 242. In the description of the pressure sensor 210, the differences from the pressure sensor 110 will be mainly described, and the common points with the pressure sensor 110 will be omitted.
  • the outer surface 22b of the membrane 22 in the pressure sensor 210 is provided with a temperature detection circuit 260 for detecting the temperature in addition to the detection circuit 132 for detecting the pressure.
  • the detection circuit 132 of the pressure sensor 210 is the same as the detection circuit 132 of the pressure sensor 110 shown in FIG.
  • the temperature detection circuit 260 has a temperature first portion RTa, which is a resistance having a positive temperature resistance coefficient, and a temperature second portion RTb, which is a resistance having a negative temperature resistance coefficient.
  • the temperature first portion RTa and the temperature second portion RTb of the temperature detection circuit 260 are arranged on the membrane 22 at positions where the deformation due to pressure is smaller than any of the arrangement positions of the first to fourth resistors R11 to R14. There is.
  • the temperature first portion RTa and the temperature second portion RTb are arranged on the outer edge portion 23 connected to the side wall 20a of the stem 20 in the membrane 22. As shown in the upper part of FIG. 8, the outer edge portion 23 is hardly deformed by pressure.
  • the outer edge portion 23 of the membrane 22 is provided with an electrode portion 242 connected to the temperature detection circuit 260.
  • a current Itemp is supplied to the temperature detection circuit 260 on the membrane via the electrode portion 242, and the detection output Vtemp of the temperature detection circuit 260 is transmitted to the outside via the electrode portion 41 (FIG. 9B). reference).
  • FIG. 9A shows a circuit diagram of the detection circuit 132 in the pressure sensor 210 shown in FIG. 8, and FIG. 9B shows a circuit diagram of the temperature detection circuit 260 in the pressure sensor 210.
  • the circuit diagram of the detection circuit 132 shown in FIG. 9A is the same as the circuit diagram shown in FIG.
  • the temperature first portion RTa which is a resistance having a positive temperature resistance coefficient
  • the temperature second portion RTb which is a resistance having a negative temperature resistance coefficient
  • the temperature detection circuit 260 detects the resistance voltage divider values of the temperature first portion RTa and the temperature second portion RTb as the detection output Vtemp.
  • FIG. 10B shows the temperature dependence of the temperature first portion RTa, the temperature second portion RTb, and the combined resistor RTa + RTb in which these are connected in series in the temperature detection circuit 260.
  • the temperature first portion RTa is a resistor having a positive temperature resistance coefficient
  • the resistance value increases as the temperature rises.
  • the temperature second portion RTb is a resistor having a negative temperature resistance coefficient
  • the resistance value decreases as the temperature rises.
  • the combined resistance RTa + RTb in which these are connected in series has a temperature dependence smaller than that of each part by canceling a part or all of the temperature dependence of the two resistors, or is substantially constant in a predetermined temperature range.
  • the value of the current Imp flowing through the temperature detection circuit 260 has a smaller temperature change than the detection circuit using a resistor having a very small temperature resistance coefficient as one of the resistors. Or it can be substantially constant within a predetermined temperature range. Therefore, the temperature detection circuit 260 can reduce or eliminate the temperature change of the current consumption.
  • the temperature detection circuit 260 detects the temperature of the membrane 22 by detecting the resistance voltage dividing values of the temperature first portion RTa and the temperature second portion RTb as the detection output Vtemp. can.
  • a pressure sensor 210 it is not necessary to separately provide an external resistor for detecting the partial pressure other than the two resistors.
  • the pressure sensor 210 has the same effect as the pressure sensor 110 in common with the pressure sensor 110.
  • FIG. 11 is a circuit diagram of the pressure sensor 310 according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the pressure sensor 310 is the same as the pressure sensor 210 shown in FIGS. 8 and 9, except that the pressure sensor 310 has a temperature compensation unit 380.
  • the differences from the pressure sensor 210 will be mainly described, and the common points with the pressure sensor 210 will be omitted.
  • the detection output V MUSTut from the detection circuit 132 and the detection output Vtemp from the temperature detection circuit 260 are input to the temperature compensation unit 380 of the pressure sensor 310.
  • the detection circuit 132 and the temperature detection circuit 260 of the pressure sensor 310 are the same as the detection circuit 132 and the temperature detection circuit 260 of the pressure sensor 210 shown in FIG.
  • the temperature correction unit 380 corrects the detection output V Moderatorut of the detection circuit 132 by using the detection output Vtemp of the temperature detection circuit 260, and outputs the correction output V
  • the temperature compensation unit 380 has a microprocessor, an ASIC, and the like, and is provided outside the membrane 22 such as the substrate 70 shown in FIG.
  • the resistance values of the first to fourth resistors R1 to R4 included in the detection circuit 132 have temperature dependence. If it is in an ideal state, there is no need to perform temperature correction. However, since the pressure sensor 310 has a temperature correction unit 380, the temperature is detected even if the resistance values of the first to fourth resistors R1 to R4 included in the detection circuit 132 are in the temperature range showing temperature dependence. By performing correction using the detection output Vtemp of the circuit 260, the pressure can be detected with high accuracy. Therefore, the pressure sensor 310 can be particularly preferably used when it is necessary to detect the pressure in a wide temperature range.
  • the pressure sensor 310 has the same effect as the pressure sensor 210 in common with the pressure sensor 210.
  • 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 shape and fixation structure of the stem 20 shown in FIG. 1 is only an example, and the pressure sensor of the present invention can adopt any other shape and fixation structure in which the membrane is appropriately deformed in response to pressure.
  • the first to fourth resistors R1 to R4 and R11 to R14 each have two resistors, but the first to fourth resistors R1 to R4 and R11 to R14
  • the number of resistors that a device has is not limited to two.
  • the first to fourth resistors, the first portions R1a, R2a, R3a, and R4a which are resistors having a positive temperature resistance coefficient, and the resistors having a negative temperature resistance coefficient.
  • the arrangement of the second portions R1b, R2b, R3b, and R4b of the first to fourth resistors may be interchanged.
  • the temperature first portion RTa which is a resistance having a positive temperature resistance coefficient
  • the temperature second portion RTb which is a resistance having a negative temperature resistance coefficient
  • the arrangement may be swapped.

Abstract

【課題】温度変化が生じる環境でも精度よく圧力を検出可能であって、消費電流の増加も防止できる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方向の歪特性を生じる第１歪領域に配置される第１抵抗体および第３抵抗体と、前記第１歪領域とは逆方向の歪特性を生じる第２歪領域に配置される第２抵抗体および第４抵抗体とを含み、前記第１～第４抵抗体によるブリッジ回路を形成する検出回路と、を有し、前記第１抵抗体、前記第２抵抗体、前記第３抵抗体および前記第４抵抗体の少なくとも１つは、正の温度抵抗係数を持つ抵抗である第１部分と、前記第１部分に直列接続されており負の温度抵抗係数を持つ抵抗である第２部分と、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、たとえば、ステムと呼ばれる金属製の受圧部材の一部に、圧力を受けて弾性変形するメンブレンを形成し、この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、メンブレンに形成される抵抗体の抵抗変化には温度依存性があるため、温度変化が生じる環境にこのような圧力センサを設置する場合には、検出値の精度を向上させる技術が必要となる。たとえば、圧力センサの温度補償に関する技術として、ブリッジ回路と、ブリッジ回路に電流を供給する電源との間に、温度依存性が少ない抵抗を接続する技術が提案されている（特許文献１参照）。
特開平３－７１０３１号公報
　しかしながら、ブリッジ回路の外に抵抗を配置する圧力センサでは、電源の電圧がブリッジ回路の外の抵抗によって降下し、ブリッジ回路に印加される電圧が下がるため、検出の感度が低下する問題がある。また、この場合、検出の感度を上げるために電源電圧を大きくすることも考えられるが、そうすると消費電流が増加する問題が生じる。
　本発明は、このような実情に鑑みてなされ、温度変化が生じる環境でも検出感度が高く、消費電流の増加も防止できる圧力センサを提供する。
　上記目的を達成するために、本発明の第１の観点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方向の歪特性を生じる第１歪領域に配置される第１抵抗体および第３抵抗体と、前記第１歪領域とは逆方向の歪特性を生じる第２歪領域に配置される第２抵抗体および第４抵抗体とを含み、前記第１～第４抵抗体によるブリッジ回路を形成する検出回路と、を有し、
　前記第１抵抗体、前記第２抵抗体、前記第３抵抗体および前記第４抵抗体の少なくとも１つは、正の温度抵抗係数を持つ抵抗である第１部分と、前記第１部分に直列接続されており負の温度抵抗係数を持つ抵抗である第２部分と、を有する。
　本発明の第１の観点に係る圧力センサでは、ブリッジ回路を構成する第１～第４抵抗体の少なくとも１つは、正の温度抵抗係数を持つ抵抗である第１部分と、負の温度抵抗係数を持つ抵抗である第２部分とを直列接続した合成抵抗である。このような合成抵抗は、温度変化による抵抗値の変化を低減または解消することが可能であり、温度変化が生じる環境でも、抵抗値と歪の関係から、圧力の検出感度が高い。また、ブリッジ回路の外部に抵抗を直列接続する技術とは異なり、消費電流の増加も防止できる。
　また、たとえば、前記第１抵抗体、前記第２抵抗体、前記第３抵抗体および前記第４抵抗体は、それぞれ、正の温度抵抗係数を持つ抵抗である第１部分と、前記第１部分に直列接続されており負の温度抵抗係数を持つ第２部分と、を有してもよい。
　このような第１～第４抵抗体を有する圧力センサでは、検出回路であるブリッジ回路を形成する個々の抵抗体について、温度による抵抗値の変化を低減または解消することができる。そのため、検出回路は、個々の抵抗値および抵抗値のバランスを含めたブリッジ回路全体の温度変化を好適に抑制でき、このような検出回路を有する圧力センサは、温度変化が生じる環境でも精度よく圧力を検出可能である。また、ブリッジ回路の外部に抵抗を直列接続する技術とは異なり、消費電流の増加も防止できる。
　また、たとえば、前記第１抵抗体の第１部分と前記第３抵抗体の第１部分とは、前記第１歪領域に含まれる第１の円周上に配置されていてもよく、
　前記第１抵抗体の第２部分と前記第３抵抗体の第２部分とは、前記第１歪領域に含まれており前記第１の円周とは異なる第３の円周上に配置されていてもよく、
　前記第２抵抗体の第１部分と前記第４抵抗体の第１部分とは、前記第２歪領域に含まれる第２の円周上に配置されていてもよく、
　前記第２抵抗体の第２部分と前記第４抵抗体の第２部分とは、前記第２歪領域に含まれており前記第２の円周とは異なる第４の円周上に配置されていてもよい。
　２つの抵抗体の第１部分と第２部分とを、異なる円周上に分けて配置することにより、狭いスペースに正と負の温度抵抗係数を有する抵抗を容易に配置可能であり、小型化に資する。また、第１部分同士および第２部分同士は同じ円周上に配置することにより、メンブレン上における歪の大きい部分に抵抗体を配置しやすい。
　また、たとえば、前記第１抵抗体の第１部分と、前記第３抵抗体の第１部分と、前記第１抵抗体の第２部分と、前記第３抵抗体の第２部分とは、前記第１歪領域に含まれる第１の円周上に配置されていてもよく、
　前記第２抵抗体の第１部分と、前記第４抵抗体の第１部分と、前記第２抵抗体の第２部分と、前記第４抵抗体の第２部分とは、前記第２歪領域に含まれる第２の円周上に配置されていてもよい。
　２つの抵抗体の第１部分と第２部分とを、同じ円周上に配置することにより、メンブレン上における歪の大きい部分に抵抗体を配置できるため、検出回路の感度を最大限に向上させることができる。
　また、たとえば、本発明に係る圧力センサは、前記メンブレン上において前記第１～第４抵抗体のいずれの配置位置より圧力による変形が小さい位置に配置されており、正の温度抵抗係数を持つ抵抗である温度第１部分と、前記温度第１部分に直列接続されており負の温度抵抗係数を持つ抵抗である温度第２部分と、を有する温度検出回路を有してもよい。
　温度検出回路についても、正の温度抵抗係数を持つ抵抗と、負の温度抵抗係数を持つ抵抗とを直列接続した抵抗を用いることにより、温度検出回路における消費電流の温度変化を低減または解消することができる。また、温度検出回路の検出出力として、２つの抵抗である温度第１部分と温度第２部分の抵抗分圧値を検出することができるため、２つの抵抗以外に、分圧用の抵抗を別途外部に設ける必要がない。
　また、たとえば、本発明に係る圧力センサは、前記温度検出回路の出力を用いて、前記検出回路の出力を補正する温度補正部を有してもよい。
　このような圧力センサは、検出回路の出力を適切に温度補正できる。また、ブリッジ回路に含まれる第１～第４抵抗体の抵抗値に温度依存性が残っているような場合にでも、温度補正部による補正により、適切に圧力を検出できる。
　本発明の第２の観点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方向の歪特性を生じる第１歪領域に配置される第１抵抗体および第３抵抗体と、前記第１歪領域とは逆方向の歪特性を生じる第２歪領域に配置される第２抵抗体および第４抵抗体とを含み、前記第１～第４抵抗体によるブリッジ回路を形成する検出回路と、
　前記メンブレン上において前記第１～第４抵抗体のいずれの配置位置より圧力による変形が小さい位置に配置されており、正の温度抵抗係数を持つ抵抗である温度第１部分と、前記第１部分に直列接続されており負の温度抵抗係数を持つ抵抗である温度第２部分と、を有する温度検出回路と、を有する。
　このような圧力センサは、温度検出回路について正の温度抵抗係数を持つ抵抗と、負の温度抵抗係数を持つ抵抗とを直列接続した抵抗を用いることにより、温度検出回路での消費電流の温度変化を低減または解消することができる。また、２つの抵抗である温度第１部分と温度第２部分の抵抗分圧値を検出することができるため、２つの抵抗以外に分圧用の抵抗を用意する必要がなく、このような温度検出回路は、使用する抵抗に無駄がなく、小型化に資する。
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、図２に示す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４は、図２および図３に示す圧力センサにおける検出回路の温度特性を表す概念図である。 図５は、本発明の第２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６は、図５に示す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７は、図５および図６に示す圧力センサに含まれる抵抗における抵抗値の圧力変化を表す概念図である。 図８は、本発明の第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を示す概念図である。 図９は、図８に示す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、図８および図９に示す温度検出回路の温度特性を表す概念図である。 図１１は、本発明の第４実施形態に係る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。
　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４１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２０ａ（図２参照）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、後述する検出回路３２や、電極部４１などが設けられる（図２参照）。
　図１に示す抑え部材１４には、基板部７０が固定されている。基板部７０は、メンブレン２２の外面２２ｂに形成された検出回路３２および電極部４１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の電極部とメンブレン２２上の電極部４１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、メンブレン２２の外面２２ｂにおける検出回路３２などの配置状態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の上部に示すように、メンブレン２２には、所定方向の歪特性を生じる第１歪領域２４と、第１歪領域２４とは逆方向の歪特性を生じる第２歪領域２７とが形成される。メンブレン２２の第１歪領域２４は、内面２２ａからの圧力（正圧）を受けて、負方向の歪ε－（圧縮歪）を生じるのに対して、メンブレン２２の第２歪領域２７は、内面２２ａからの圧力（正圧）を受けて、正方向の歪ε＋（引張歪）を生じる。
　図２の上部に示すように、第１歪領域２４と第２歪領域２７は、メンブレン２２に同心円上に形成される。第２歪領域２７が、メンブレン２２の中心部に形成され、第１歪領域２４が第２歪領域２７の外周に形成される。メンブレン２２の外縁部２３は、ステム２０の側壁２０ａに接続している。
　図２の下部に示すように、圧力センサ１０は、第１抵抗体Ｒ１、第２抵抗体Ｒ２、第３抵抗体Ｒ３および第４抵抗体Ｒ４によるブリッジ回路（図３参照）を形成する検出回路３２を有する。図３に示すように、ブリッジ回路では、第１および前記第３抵抗体Ｒ１、Ｒ３の一方と第２および第４抵抗体Ｒ２、Ｒ４の一方とを直列接続し、第１および第３抵抗体Ｒ１、Ｒ３の他方と第２および第４抵抗体Ｒ２、Ｒ４の他方とを直列接続する。また、図２の下部および図３に示すように、検出回路３２を形成する第１抵抗体Ｒ１、第２抵抗体Ｒ２、第３抵抗体Ｒ３および第４抵抗体Ｒ４は、それぞれ、第１部分と第２部分の２つの異なる性質の抵抗を有する。
　すなわち、図３に示すように、第１抵抗体Ｒ１は、第１抵抗体第１部分Ｒ１ａと第１抵抗体第２部分Ｒ１ｂとを有し、第２抵抗体Ｒ２は、第２抵抗体第１部分Ｒ２ａと第２抵抗体第２部分Ｒ２ｂとを有する。また、第３抵抗体Ｒ３は、第３抵抗体第１部分Ｒ３ａと第３抵抗体第２部分Ｒ３ｂとを有し、第４抵抗体Ｒ４は、第４抵抗体第１部分Ｒ４ａと、第４抵抗体第２部分Ｒ４ｂとを有する。
　図２の下部に示すように、第１抵抗体第１部分Ｒ１ａと第１抵抗体第２部分Ｒ１ｂとを有する第１抵抗体Ｒ１と、第３抵抗体第１部分Ｒ３ａと第３抵抗体第２部分Ｒ３ｂとを有する第３抵抗体Ｒ３とは、メンブレン２２の第１歪領域２４に配置されている。また、第１抵抗体第１部分Ｒ１ａと第３抵抗体第１部分Ｒ３ａとは、第１歪領域２４に含まれる第１の円周２５上に配置されており、第１抵抗体第２部分Ｒ１ｂと、第３抵抗体第２部分Ｒ３ｂとは、第１歪領域２４に含まれており第１の円周２５とは異なる第３の円周２６上に配置されている。
　これに対して、第２抵抗体第１部分Ｒ２ａと第２抵抗体第２部分Ｒ２ｂとを有する第２抵抗体Ｒ２と、第４抵抗体第１部分Ｒ４ａと第４抵抗体第２部分Ｒ４ｂとを有する第４抵抗体Ｒ４とは、メンブレン２２の第２歪領域２７に配置されている。また、第２抵抗体第１部分Ｒ２ａと第４抵抗体第１部分Ｒ４ａとは、第２歪領域２７に含まれる第２の円周２８上に配置されており、第２抵抗体第２部分Ｒ２ｂと、第４抵抗体第２部分Ｒ４ｂとは、第２歪領域２７に含まれており第２の円周２８とは異なる第４の円周２９上に配置されている。
　第２および第４抵抗体第１部分Ｒ２ａ、Ｒ４ａと第２および第４抵抗体第２部分Ｒ２ｂ、Ｒ４ｂを、互いに異なる円周２８、２９上に配置することにより、狭い第２歪領域２７に、第１部分Ｒ２ａ、Ｒ４ａと第２部分Ｒ２ｂ、Ｒ４ｂの双方を、効率的に配置できる。このため、このような圧力センサ１０は、小型化の観点で有利である。
　第１抵抗体第１部分Ｒ１ａと第３抵抗体第１部分Ｒ３ａとが配置されている第１の円周２５と、第２抵抗体第１部分Ｒ２ａと第４抵抗体第１部分Ｒ４ａとが配置されている第２の円周２８とは、発生する歪が互いに打ち消し合う関係（方向（正負）が逆）であることが好ましい。また、第１抵抗体第２部分Ｒ１ｂと第３抵抗体第２部分Ｒ３ｂとが配置されている第３の円周２６と、第２抵抗体第２部分Ｒ２ｂと第４抵抗体第２部分Ｒ４ｂとが配置されている第４の円周２９とは、発生する歪が互いに打ち消し合う関係（方向（正負）が逆）であることが好ましい。ただし、第１の円周２５、第２の円周２８、第３の円周２６および第４の円周２９の関係は、これのみには限定されない。
　図２の下部に示すように、メンブレン２２の外縁部２３には、検出回路３２に接続する電極部４１が設けられている。メンブレン２２上の検出回路３２には、電極部４１を介して電流ＩＤＤが供給され、また、検出回路３２の検出出力Ｖоｕｔは、電極部４１を介して外部へ伝えられる（図３参照）。
　図３は、図２に示す圧力センサ１０における検出回路３２の回路図を表している。検出回路３２では、第１および第３抵抗体Ｒ１、Ｒ３と第２および第４抵抗体Ｒ２、Ｒ４とをそれぞれ対向する辺に配置するブリッジ回路を形成する。また、図３に示すように、検出回路３２は、電源からの電圧ＶＤＤにより駆動される。検出回路３２を形成するブリッジ回路の一辺である第１抵抗体Ｒ１は、第１抵抗体第１部分Ｒ１ａと、第１抵抗体第２部分Ｒ１ｂとを直列接続して構成されている。これと同様に、ブリッジ回路の他の辺である第２抵抗体Ｒ２、第３抵抗体Ｒ３および第４抵抗体Ｒ４も、第１抵抗体Ｒ１と同様に、第２～第４抵抗体第１部分Ｒ２ａ、Ｒ３ａ、Ｒ４ａと、第２～第４抵抗体第２部分Ｒ２ｂ、Ｒ３ｂ、Ｒ４ｂとを直列接続して構成されている。
　ここで、第１～第４抵抗体第１部分Ｒ１ａ、Ｒ２ａ、Ｒ３ａ、Ｒ４ａは、正の温度抵抗係数を持つ抵抗であり、第１～第４抵抗体第２部分Ｒ１ｂ、Ｒ２ｂ、Ｒ３ｂ、Ｒ４ｂは、負の温度抵抗係数を持つ抵抗である。したがって、第１～第４抵抗体Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、正の温度抵抗係数を持つ抵抗と、負の温度抵抗係数を持つ抵抗とを直列接続した合成抵抗となっている。
　図４の左側のグラフは、第１抵抗体第１部分Ｒ１ａと、第１抵抗体第２部分Ｒ１ｂと、これらを直列接続した合成抵抗である第１抵抗体Ｒ１の温度依存性を示したものである。図４の左側のグラフに示すように、第１抵抗体第１部分Ｒ１ａは、正の温度抵抗係数を持つ抵抗であるため、温度上昇に伴い抵抗値が上昇する。また、第１抵抗体第２部分Ｒ１ｂは、負の温度抵抗係数を持つ抵抗であるため、温度上昇に伴い抵抗値が下降する。
　したがって、第１抵抗体第１部分Ｒ１ａと第１抵抗体第２部分Ｒ１ｂとを直列接続した合成抵抗である第１抵抗体Ｒ１は、第１部分Ｒ１ａと第２部分Ｒ１ｂの温度依存性の一部または全部が打ち消されることにより、各部分より小さい温度依存性を有するか、または、所定の温度範囲で略一定の抵抗値を有する。このように、第１抵抗体Ｒ１は、温度依存性の小さい抵抗体を実現できる。また、たとえば、第１抵抗体Ｒ１は、第１部分Ｒ１ａまたは第２部分Ｒ１ｂとして単位歪当たりの抵抗変化が大きく圧力検出感度の高い抵抗を採用する一方、これと組み合わせる第１部分Ｒ１ａまたは第２部分Ｒ１ｂとして、正負が逆の関係になる温度抵抗係数を有する抵抗を採用することにより、検出感度が高く温度依存性の小さい抵抗を実現できる。
　第２～第４抵抗体Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４についても、図４の左側のグラフに示す第１抵抗体Ｒ１と同様に、各部分より小さい温度依存性を有するか、または、所定の温度範囲で略一定の抵抗値を有する。これにより、図４の右側のグラフに示すように、図３に示す検出回路３２に流れる電流ＩＤＤの値は、相互に同じ傾向の温度抵抗係数を有する抵抗を用いるか、一方の抵抗として温度抵抗係数の非常に小さい抵抗を用いた検出回路に比べて、温度変化を小さくすることができるか、または、所定の温度範囲で略一定とすることができる。したがって、検出回路３２は、広い温度範囲において高い検出感度を有することができ、消費電流の増加も防止できる。
　第１～第４抵抗体第１部分Ｒ１ａ、Ｒ２ａ、Ｒ３ａ、Ｒ４ａとして採用し得る正の温度抵抗係数を有する抵抗材料としては、たとえば、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃоなどの金属や、チタン酸バリウム系セラミックスなどが挙げられる。また、第１～第４抵抗体第２部分Ｒ１ｂ、Ｒ２ｂ、Ｒ３ｂ、Ｒ４ｂとして採用し得る負の温度抵抗係数を有する抵抗材料としては、たとえば、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃо系酸化物や、シリコン系半導体などが挙げられる。ただし、第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４は、正の温度抵抗係数を有する抵抗と、負の温度抵抗係数を有する抵抗とを直列接続するものであれば、第１部分と第２部分を構成する抵抗材料は、特に限定されない。
　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～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４および電極部４１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および電極部４１を形成する。なお、必要に応じて、第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４など、メンブレン２２上において外部への配線を接続する電極部４１以外の部分には、絶縁性の表面層が形成されてもよい。
　図１から図４に示す圧力センサ１０は、検出回路３２を構成するブリッジ回路に含まれる第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４の温度変化による抵抗値の変化を低減または解消することが可能であり、温度変化が生じる環境でも、抵抗値と歪の関係から、圧力を精度よく検出できる。また、圧力センサ１０は、第１～第４抵抗体第１部分Ｒ１ａ、Ｒ２ａ、Ｒ３ａ、Ｒ４ａと第１～第４抵抗体第２部分Ｒ１ｂ、Ｒ２ｂ、Ｒ３ｂ、Ｒ４ｂの両方がメンブレンの歪による抵抗変化を生じるため（図７参照）、ブリッジ回路の外部に抵抗を直列接続する従来技術とは異なり、検出感度が高く、消費電流の増加も防止できる。
　第２実施形態
　図５は、本発明の第２実施形態に係る圧力センサ１１０のメンブレン２２に配置される検出回路１３２の構成を示す概念図である。図５の上部は、ステム２０の模式断面図であり、図５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。圧力センサ１１０は、検出回路１３２に含まれる第１抵抗体第２部分Ｒ１１ｂ、第２抵抗体第２部分Ｒ１２ｂ、第３抵抗体第２部分Ｒ１３ｂおよび第４抵抗体第２部分Ｒ１４ｂの配置が異なることを除き、図２に示す圧力センサ１０と同様である。圧力センサ１１０の説明では、圧力センサ１０との相違点を中心に説明を行い、圧力センサ１０との共通点については説明を省略する。
　図５に示すように、圧力センサ１１０は、メンブレン２２の第１歪領域２４に配置される第１抵抗体Ｒ１１および第３抵抗体Ｒ１３と、第２歪領域２７に配置される第２抵抗体Ｒ１２および第４抵抗体Ｒ１４とを有する。図５に示すように、第１抵抗体Ｒ１１は、第１抵抗体第１部分Ｒ１ａと第１抵抗体第２部分Ｒ１１ｂを有し、第３抵抗体Ｒ１３は、第３抵抗体第１部分Ｒ３ａと、第３抵抗体第２部分Ｒ１３ｂとを有する。また、第２抵抗体Ｒ１２は、第２抵抗体第１部分Ｒ２ａと第２抵抗体第２部分Ｒ１２ｂを有し、第４抵抗体Ｒ１４は、第４抵抗体第１部分Ｒ４ａと、第４抵抗体第２部分Ｒ１４ｂとを有する。
　図６は、図５に示す圧力センサ１１０における検出回路１３２の回路図を表している。図６に示すように、検出回路１３２の第１～第４抵抗体Ｒ１１～Ｒ１４は、図３に示す第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４と同様に、第１～第４抵抗体第１部分Ｒ１ａ、Ｒ２ａ、Ｒ３ａ、Ｒ４ａと、第１～第４抵抗体第２部分Ｒ１１ｂ、Ｒ１２ｂ、Ｒ１３ｂ、Ｒ１４ｂを直列接続して構成されている。
　図５の下部に示すように、圧力センサ１１０では、第１抵抗体第１部分Ｒ１ａと第３抵抗体第１部分Ｒ３ａと、第１抵抗体第２部分Ｒ１１ｂと、第３抵抗体第２部分Ｒ１３ｂとは、第１歪領域２４に含まれる第１の円周２５上に配置されている。また、第２抵抗体第１部分Ｒ２ａと第４抵抗体第１部分Ｒ４ａと、第２抵抗体第２部分Ｒ１２ｂと、第４抵抗体第２部分Ｒ１４ｂとは、第２歪領域２７に含まれる第２の円周２８上に配置されている。
　第１および第３抵抗体Ｒ１１、Ｒ１３が配置されている第１の円周２５上は、第１歪領域２４において最も歪の大きい位置とすることができる。また、第２および第４抵抗体Ｒ１２、Ｒ１４が配置されている第２の円周２８上は、第２歪領域２７において最も歪の大きい位置とすることができる。このような圧力センサ１１０は、検出回路１３２に含まれる各抵抗体Ｒ１１～Ｒ１４の第１部分Ｒ１ａ、Ｒ２ａ、Ｒ３ａ、Ｒ４ａおよび第２部分Ｒ１１ｂ、Ｒ１２ｂ、Ｒ１３ｂ、Ｒ１４ｂをメンブレン上の歪の大きい位置に配置し、検出回路１３２の感度を高めることができる。
　図７は、圧力センサ１１０の検出回路１３２に含まれる第１抵抗体Ｒ１１、第１抵抗体第１部分Ｒ１ａ、第１抵抗体第２部分Ｒ１１ｂの抵抗値と、メンブレン２２が受ける圧力の関係を表すグラフである。図７に示すように、圧力センサ１１０の検出回路１３２では、相互の特性により温度補償を行う第１抵抗体第１部分Ｒ１ａと第１抵抗体第２部分Ｒ１１ｂが、メンブレン２２が受ける圧力に応じて、いずれも抵抗値の変化を生じる。したがって、検出回路１３２に含まれる第１抵抗体Ｒ１１の抵抗値は、圧力変化に応じて大きく変化する。このような圧力センサ１１０は、単に感度の温度補償を実現するだけでなく、温度補償のための抵抗を検出回路１３２の外部に配置する従来の圧力センサに比べて、良好な検出感度を奏する。
　また、圧力センサ１１０は、圧力センサ１０との共通点については、圧力センサ１０と同様の効果を奏する。
　第３実施形態
　図８は、本発明の第３実施形態に係る圧力センサ２１０のメンブレン２２に配置される検出回路１３２と温度検出回路２６０の構成を示す概念図である。図８の上部は、ステム２０の模式断面図であり、図８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。圧力センサ２１０は、温度検出回路２６０および電極部２４２を有する点を除き、図５に示す圧力センサ１１０と同様である。圧力センサ２１０の説明では、圧力センサ１１０との相違点を中心に説明を行い、圧力センサ１１０との共通点については説明を省略する。
　図８の下部に示すように、圧力センサ２１０におけるメンブレン２２の外面２２ｂには、圧力を検出する検出回路１３２に加えて、温度を検出する温度検出回路２６０が設けられている。なお、圧力センサ２１０の検出回路１３２は、図５に示す圧力センサ１１０の検出回路１３２と同様である。
　図８に示すように、温度検出回路２６０は、正の温度抵抗係数を持つ抵抗である温度第１部分ＲＴａと、負の温度抵抗係数を持つ温度第２部分ＲＴｂとを有する。温度検出回路２６０が有する温度第１部分ＲＴａと温度第２部分ＲＴｂとは、メンブレン２２上において第１～第４抵抗体Ｒ１１～Ｒ１４のいずれの配置位置より圧力による変形が小さい位置に配置されている。
　図８に示すように、温度第１部分ＲＴａと温度第２部分ＲＴｂとは、メンブレン２２においてステム２０の側壁２０ａに接続する外縁部２３に配置されている。図８の上部に示すように、外縁部２３は、圧力による変形はほとんど生じない。
　図８の下部に示すように、メンブレン２２の外縁部２３には、温度検出回路２６０に接続する電極部２４２が設けられている。メンブレン上の温度検出回路２６０には、電極部２４２を介して電流Ｉｔｅｍｐが供給され、また、温度検出回路２６０の検出出力Ｖｔｅｍｐは、電極部４１を介して外部へ伝えられる（図９（ｂ）参照）。
　図９（ａ）は、図８に示す圧力センサ２１０における検出回路１３２の回路図を表しており、図９（ｂ）は、圧力センサ２１０における温度検出回路２６０の回路図を表している。図９（ａ）に示す検出回路１３２の回路図は、図６に示す回路図と同様である。
　図９（ｂ）に示すように、温度検出回路２６０では、正の温度抵抗係数を持つ抵抗である温度第１部分ＲＴａと、負の温度抵抗係数を持つ温度第２部分ＲＴｂとが直列接続されている。温度検出回路２６０は、検出出力Ｖｔｅｍｐとして、温度第１部分ＲＴａと温度第２部分ＲＴｂの抵抗分圧値を検出する。
　図１０（ｂ）は、温度検出回路２６０において、温度第１部分ＲＴａと、温度第２部分ＲＴｂと、これらを直列接続した合成抵抗ＲＴａ＋ＲＴｂの温度依存性を表したものである。図１０（ｂ）に示すように、温度第１部分ＲＴａは、正の温度抵抗係数を持つ抵抗であるため、温度上昇に伴い抵抗値が上昇する。また、温度第２部分ＲＴｂは、負の温度抵抗係数を持つ抵抗であるため、温度上昇に伴い抵抗値が下降する。
　したがって、これらを直列接続した合成抵抗ＲＴａ＋ＲＴｂでは、２つの抵抗の温度依存性の一部または全部が打ち消されることにより、各部分より小さい温度依存性を有するか、または、所定の温度範囲で略一定の抵抗値を有する。これにより、図１０（ｃ）に示すように、温度検出回路２６０に流れる電流Ｉｔｅｍｐの値は、一方の抵抗として温度抵抗係数の非常に小さい抵抗を用いた検出回路に比べて、温度変化を小さくすることができるか、または、所定の温度範囲で略一定とすることができる。したがって、温度検出回路２６０は、消費電流の温度変化を低減または解消することができる。
　また、図１０（ａ）に示すように、温度検出回路２６０は、検出出力Ｖｔｅｍｐとして温度第１部分ＲＴａと温度第２部分ＲＴｂの抵抗分圧値を検出することにより、メンブレン２２の温度を検出できる。このような圧力センサ２１０は、２つの抵抗以外に、分圧を検出するための抵抗を別途外部に設ける必要がない。
　また、圧力センサ２１０は、圧力センサ１１０との共通点については、圧力センサ１１０と同様の効果を奏する。
　第４実施形態
　図１１は、本発明の第４実施形態に係る圧力センサ３１０の回路図である。圧力センサ３１０は、温度補正部３８０を有する点を除き、図８および図９に示す圧力センサ２１０と同様である。圧力センサ３１０の説明では、圧力センサ２１０との相違点を中心に説明を行い、圧力センサ２１０との共通点については説明を省略する。
　図１１に示すように、圧力センサ３１０の温度補正部３８０には、検出回路１３２からの検出出力Ｖоｕｔと、温度検出回路２６０からの検出出力Ｖｔｅｍｐが入力される。なお、圧力センサ３１０の検出回路１３２および温度検出回路２６０は、図９に示す圧力センサ２１０の検出回路１３２および温度検出回路２６０と同様である。
　温度補正部３８０は、温度検出回路２６０の検出出力Ｖｔｅｍｐを用いて、検出回路１３２の検出出力Ｖоｕｔを補正し、補正出力Ｖоｕｔ２を出力する。温度補正部３８０は、マイクロプロセッサやＡＳＩＣなどを有し、図１に示す基板７０など、メンブレン２２の外部に設けられる。
　図１１に示す検出回路１３２からの検出出力Ｖоｕｔは、図４の左側のグラフに示すように、検出回路１３２に含まれる第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４の抵抗値が温度依存性を有さない理想的な状態であれば、温度補正を行う必要がない。しかしながら、圧力センサ３１０は、温度補正部３８０を有するため、たとえ検出回路１３２に含まれる第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４の抵抗値が温度依存性を示す温度範囲であっても、温度検出回路２６０の検出出力Ｖｔｅｍｐを用いて補正を行うことにより、高い精度で圧力を検出できる。したがって、圧力センサ３１０は、広い温度範囲において圧力を検出する必要がある場合などに、特に好適に使用できる。
　また、圧力センサ３１０は、圧力センサ２１０との共通点については、圧力センサ２１０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係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に示すステム２０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、検出回路３２、１３２において、第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４、Ｒ１１～Ｒ１４は、それぞれ２つの抵抗を有しているが、第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４、Ｒ１１～Ｒ１４が有する抵抗の数は２つのみには限定されない。また、図２に示す検出回路３２において、正の温度抵抗係数を持つ抵抗である第１～第４抵抗体第１部分Ｒ１ａ、Ｒ２ａ、Ｒ３ａ、Ｒ４ａと、負の温度抵抗係数を持つ抵抗である第１～第４抵抗体第２部分Ｒ１ｂ、Ｒ２ｂ、Ｒ３ｂ、Ｒ４ｂとの配置は、入れ替わってもよい。また、図９および図１１に示す温度検出回路２６０に関しても、正の温度抵抗係数を持つ抵抗である温度第１部分ＲＴａと、負の温度抵抗係数を持つ抵抗である温度第２部分ＲＴｂとの配置は、入れ替わってもよい。
　１０、１１０、２１０、３１０…圧力センサ
　１２…接続部材
　１２ａ…ねじ溝
　１２ｂ…流路
　１４…抑え部材
　２０…ステム
　２０ａ…側壁
　２１…フランジ部
　２２ａ…内面
　２２…メンブレン
　２２ａ…内面
　２２ｂ…外面
　２３…外縁部
　２４…第１歪領域
　２５…第１の円周
　２６…第３の円周
　２７…第２歪領域
　２８…第２の円周
　２９…第４の円周
　３２、１３２…検出回路
　Ｒ１、Ｒ１１…第１抵抗体
　Ｒ１ａ…第１抵抗体第１部分
　Ｒ１ｂ、Ｒ１１ｂ…第１抵抗体第２部分
　Ｒ２、Ｒ１２…第２抵抗体
　Ｒ２ａ…第２抵抗体第１部分
　Ｒ２ｂ、Ｒ１２ｂ…第２抵抗体第２部分
　Ｒ３、Ｒ１３…第３抵抗体
　Ｒ３ａ…第３抵抗体第１部分
　Ｒ３ｂ、Ｒ１３ｂ…第３抵抗体第２部分
　Ｒ４、Ｒ１４…第４抵抗体
　Ｒ４ａ…第４抵抗体第１部分
　Ｒ４ｂ、Ｒ１４ｂ…第４抵抗体第２部分
　４１、２４２…電極部
　ＶＤＤ…電圧
　ＩＤＤ、Ｉｔｅｍｐ…電流
　Ｖоｕｔ、Ｖｔｅｍｐ…検出出力
　９２…接続配線
　７０…基板部
　２６０…温度検出回路
　ＲＴａ…温度第１部分
　ＲＴｂ…温度第２部分
　３８０…温度補正部

Claims (7)

  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方向の歪特性を生じる第１歪領域に配置される第１抵抗体および第３抵抗体と、前記第１歪領域とは逆方向の歪特性を生じる第２歪領域に配置される第２抵抗体および第４抵抗体とを含み、前記第１～第４抵抗体によるブリッジ回路を形成する検出回路と、を有し、
    　前記第１抵抗体、前記第２抵抗体、前記第３抵抗体および前記第４抵抗体の少なくとも１つは、正の温度抵抗係数を持つ抵抗である第１部分と、前記第１部分に直列接続されており負の温度抵抗係数を持つ抵抗である第２部分と、を有する圧力センサ。
  2. 　前記第１抵抗体、前記第２抵抗体、前記第３抵抗体および前記第４抵抗体は、それぞれ、正の温度抵抗係数を持つ抵抗である第１部分と、前記第１部分に直列接続されており負の温度抵抗係数を持つ第２部分と、を有する請求項１に記載の圧力センサ。
  3. 　前記第１抵抗体の第１部分と前記第３抵抗体の第１部分とは、前記第１歪領域に含まれる第１の円周上に配置されており、
    　前記第１抵抗体の第２部分と前記第３抵抗体の第２部分とは、前記第１歪領域に含まれており前記第１の円周とは異なる第３の円周上に配置されており、
    　前記第２抵抗体の第１部分と前記第４抵抗体の第１部分とは、前記第２歪領域に含まれる第２の円周上に配置されており、
    　前記第２抵抗体の第２部分と前記第４抵抗体の第２部分とは、前記第２歪領域に含まれており前記第２の円周とは異なる第４の円周上に配置されている請求項２に記載の圧力センサ。
  4. 　前記第１抵抗体の第１部分と、前記第３抵抗体の第１部分と、前記第１抵抗体の第２部分と、前記第３抵抗体の第２部分とは、前記第１歪領域に含まれる第１の円周上に配置されており、
    　前記第２抵抗体の第１部分と、前記第４抵抗体の第１部分と、前記第２抵抗体の第２部分と、前記第４抵抗体の第２部分とは、前記第２歪領域に含まれる第２の円周上に配置されている請求項２に記載の圧力センサ。
  5. 　前記メンブレン上において前記第１～第４抵抗体のいずれの配置位置より圧力による変形が小さい位置に配置されており、正の温度抵抗係数を持つ抵抗である温度第１部分と、前記温度第１部分に直列接続されており負の温度抵抗係数を持つ抵抗である温度第２部分と、を有する温度検出回路を有する請求項１から請求項４までのいずれかに記載の圧力センサ。
  6. 　前記温度検出回路の出力を用いて、前記検出回路の出力を補正する温度補正部を有する請求項５に記載の圧力センサ。
  7. 　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方向の歪特性を生じる第１歪領域に配置される第１抵抗体および第３抵抗体と、前記第１歪領域とは逆方向の歪特性を生じる第２歪領域に配置される第２抵抗体および第４抵抗体とを含み、前記第１～第４抵抗体によるブリッジ回路を形成する検出回路と、
    　前記メンブレン上において前記第１～第４抵抗体のいずれの配置位置より圧力による変形が小さい位置に配置されており、正の温度抵抗係数を持つ抵抗である温度第１部分と、前記第１部分に直列接続されており負の温度抵抗係数を持つ抵抗である温度第２部分と、を有する温度検出回路と、を有する圧力センサ。
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