JP5883771B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、圧力を受けたダイアフラムの変形を利用して検出する圧力センサに関する。

ダイアフラム上に歪ゲージを形成した構成の圧力センサがよく知られている。この圧力センサは、圧力によるダイアフラムの変形により歪ゲージの抵抗が変化することを利用して圧力を検出する。一般的に、４つの歪ゲージでブリッジ回路を構成し、このブリッジ回路から圧力に比例した差動電圧出力を得ることで圧力を検出している。ここで、ブリッジ回路は主に温度補償を目的に用いられる。これは、４つの歪ゲージの変化が同じであれば、歪ゲージが温度特性を有していてもブリッジ回路の出力が変化しないからである。

１MPa程度以下の低圧用には、シリコン基板を加工してダイアフラムを形成したシリコンダイアフラムを用いる構成の圧力センサがよく用いられる。特許文献１は、シリコン基板の裏面からエッチングして薄いダイアフラムを形成し、多結晶シリコン製の歪ゲージをダイアフラム上に形成することを開示している。特許文献１によると、４つの歪ゲージのうち２つをダイアフラム周辺部に配置し、他の２つをダイアフラム中央部に配置することで、圧力印加により歪ゲージに発生する応力が、それぞれ圧縮応力と引張応力となるようにしている。さらに、ダイアフラムを長方形状とすることで、ダイアフラム中央に配置した歪ゲージにおいて、センサ感度にマイナスに働く垂直方向の応力を低減できることが開示されている。

1 MPa程度以上の高圧用、あるいは耐食性が必要でシリコンを露出させられない用途などには、ステンレス製のダイアフラムを用い、ダイアフラム上に半導体歪ゲージを貼り付けるか、あるいは半導体歪ゲージを形成したセンサチップを貼り付けた構成の圧力センサがよく用いられる。特許文献２は、円形の金属製ダイアフラムの上に、歪ゲージを形成した単結晶半導体製のセンサチップを接合することを開示している。なお、センサチップはダイアフラムよりサイズが大きく、センサチップ上の歪ゲージが、ダイアフラム周辺部上に配置されるようにセンサチップが接合されている。特許文献２によると、４つの歪ゲージのうち２つを円周方向に向けて配置し、他の２つを半径方向に向けて配置することで、圧力印加により歪ゲージに発生する応力がそれぞれ圧縮応力と引張応力になり、センサ感度が得られるようにしている。さらに、センサチップの形状を、なるべく円形に近い多角形とすることで、センサチップとダイアフラムの線膨脹係数差に起因した熱応力の悪影響を極力排除できることが開示されている。

特許第２６１５８８７号公報 特許第４１６１４１０号公報

上記のような従来の圧力センサにおいては、４つの歪ゲージのうち少なくとも２つは、ダイアフラムの外周部に配置されている。ここで、圧力印加に対するダイアフラムの応力分布は、中央部と比べて外周部では変化が急峻である。そのため、歪ゲージの位置ズレによる検出誤差が、内周部と比べて大きくなってしまう。また、ダイアフラム外周部の応力分布は、ダイアフラムのエッジの位置や、エッジに形成されるＲ形状などのエッジ形状の影響を受けやすく、そのために、ダイアフラムのエッジの位置や形状が変化すると、ダイアフラム外周部の応力分布が変化してしまう虞がある。

そのため、上記のような従来の圧力センサは、ダイアフラム外周部に配置された歪ゲージに加わる応力が変化し、センサの特性が変化してしまうことに対して検討の余地が残されている。

本発明の目的は、センサ特性のばらつきが小さい圧力センサを実現することである。

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

本発明によれば、センサ特性のばらつきが小さい圧力センサを実現することができる。

本発明の第一実施例における（a）平面図,(b)断面図。 ブリッジ回路の例を示した説明図。 本発明の第二実施例を示す概略図。 本発明の第三実施例における（a）平面図,(b)断面図。 本発明の第四実施例における（a）平面図,(b)断面図。 本発明の第五実施例における断面図。 解析による検証に用いたモデル形状の概要を示す斜視図。 従来の圧力センサの構造を示す平面図。 解析による検証に用いた４つのモデルの寸法を示す平面図。 各モデルについての圧力印加の解析結果を示すグラフ。 圧力印加の解析結果の応力分布を、各モデルで比較したグラフ。 各モデルについての温度変化の解析結果を示すグラフ。 温度変化の解析結果の応力分布を、各モデルで比較したグラフ。

図１（ａ）および（ｂ）は、本発明の圧力センサの第一実施例の平面図および断面図を示している。圧力センサ１は、ダイアフラム２が形成された金属製のセンサ筐体３上に、方形状のセンサチップ４を接合層５を介して接合した構成となっている。図１（ａ）には、ダイアフラム２の外形を点線で示している。センサチップ４には、ダイアフラムと接合しない側の表面の中央部にゲージ領域６を有し、ゲージ領域６内に４つの歪ゲージ７（第１〜第４歪ゲージ７ａ〜７ｄ）を有する。４つの歪ゲージ７は、図示されていない配線で接続され、図２に示すホイートストンブリッジ回路を構成している。ダイアフラム２は短手と長手を有する形状であり、短手方向をＸ軸、長手方向をＹ軸としている。ゲージ領域６はダイアフラム２の中央部上に配置されている。第１歪ゲージ７ａおよび第２歪ゲージ７ｂはダイアフラム２の短手方向（Ｘ軸方向）が電流方向となるように配置され、第３歪ゲージ７ｃおよび第４歪ゲージ７ｄはダイアフラム２の長手方向（Ｙ軸方向）が電流方向となるように配置されている。圧力センサ１は、ダイアフラム２のセンサチップ４接合面と反対側の面に印加された圧力に対して、ダイアフラム２が変形することで歪ゲージ７の応力が変化し、それに伴って歪ゲージ７の抵抗が変化することで、ブリッジ回路の差動出力として圧力に比例した出力が得られる仕組みとなっている。

ダイアフラム２を含むセンサ筐体３はステンレスなどの金属を材質とする。センサ筐体３は円筒形をしており、中央部を片面から加工し、薄く残った部分がダイアフラム２となっている。加工方法には、切削や放電加工、あるいはプレス加工などを用いることができる。ダイアフラム２の加工された側の面の端部には、Ｒ形状が形成されており、圧力印加時に端部に発生する応力集中を緩和する働きがある。

センサチップ４は単結晶シリコン基板を材料として製作され、歪ゲージ７は、不純物拡散により製作された、ｐ型シリコンのピエゾ抵抗ゲージである。シリコン基板は結晶面（１００）のものを用い、Ｘ軸およびＹ軸が、シリコン結晶軸の＜１１０＞と一致するようにしている。よって第１〜第４歪ゲージ７ａ〜７ｄは、全てｐ型シリコン＜１１０＞方向のピエゾ抵抗ゲージである。

接着層５にはＡｕ／Ｓｎはんだが用いられている。接合のプロセスは、例えば、センサチップ４の接合面にＮｉ／Ａｕ膜をスパッタで形成しておき、ダイアフラム２のセンサチップ４接合領域にはＳｎ膜をめっきで形成しておき、ペレット状のＡｕ／Ｓｎを挟んで位置合わせし、加熱してＡｕ／Ｓｎを溶融することで接合する。

本発明の圧力センサにおいては、４つの歪ゲージ７（第１〜第４歪ゲージ７ａ〜７ｄ）が全て、ダイアフラム２の中央部上に位置するゲージ領域６内に近接して配置されていることに特徴がある。圧力が印加された際にダイアフラム２表面に発生する応力の分布は、ダイアフラム２の端部付近に比べて、ダイアフラム２の中央部ではなだらかである。よってセンサチップ４の接合位置がずれるなどして、歪ゲージ７のダイアフラム２に対する相対位置ずれが発生しても、歪ゲージ７に発生する応力が変化しにくく、すなわち、位置ずれに対してセンサ感度の変化を小さくできる。

また、本発明の圧力センサ１は、ダイアフラム２は長手と短手を有する形状とし、４つの歪ゲージ７のうち２つを長手方向（Ｙ軸）に沿って、他の２つを短手方向（Ｘ軸）に沿って配置することに特徴がある。図２に示したホイートストンブリッジ回路では、第１ゲージ７ａと第２ゲージ７ｂの組と、第３ゲージ７ｃと第４ゲージ７ｄの組で、両者の間に応力差が発生することで、中点電位に差が発生して出力が得られる。よって、第１〜第４ゲージ７ａ〜７ｄに発生する応力が全て同じだと出力が得られず、センサ感度はゼロである。４つの歪ゲージ７をダイアフラム２の中央に配置した場合、例えばダイアフラム２が円形や正方形であると、ダイアフラム２の中央部の応力はＸ軸方向とＹ軸方向で等しくなるので、センサ感度はゼロになってしまう。本発明では、ダイアフラム２をＹ軸方向に長い形状とすることで、ダイアフラム２の中央部に発生する応力は、Ｙ軸方向よりも、Ｘ軸方向の方が大きくなる。よって、電流方向をＸ軸方向に合わせた第１歪ゲージ７ａおよび第２歪ゲージ７ｂと、電流方向をＹ軸方向に合わせた第３歪ゲージ７ｃおよび第４歪ゲージ７ｄとの間で、発生する応力が異なり、応力変化に応じた抵抗変化量が異なるため、センサ感度を得ることができる。

また、本発明の圧力センサ１は、温度変化に対するセンサ出力の変化を小さくする効果もある。上述のように、歪ゲージ７は、半導体製造に用いられる不純物拡散により製作され、高度に管理されたプロセスにより均質な特性の歪ゲージが得られる。よって、初期抵抗、ピエゾ抵抗係数、ピエゾ抵抗係数の温度依存性などの特性が均質であり、温度変化に対する変化も均質なので、均質な変化はホイートストンブリッジ回路により相殺されるため、出力変化しにくい。また、歪ゲージ７の位置が互いに離れていると、センサチップ４内に温度差が発生した場合に、各歪ゲージの抵抗変化に差が発生する恐れがあるが、本発明では４つの歪ゲージ７が近接配置しているため、温度差が発生しにくく、センサ出力が変化しにくい。また、温度変化によって、ダイアフラム２とセンサチップ４の線膨脹係数差に起因して熱応力が発生するが、この熱応力は、センサチップ４の端部付近を除いてはほぼ等方的になるため、４つの歪ゲージ７の応力がほぼ等しくなり、出力変化しにくい。４つの歪ゲージのうちのいくつかがセンサチップ４の端部に近く配置されていると、熱応力の差により出力変化が発生しやすくなるが、本発明では４つの歪ゲージ７が全てセンサチップ４の中央部に配置されているので、熱応力に差が出にくい。ただし、ダイアフラムの形状が異方性を有することに起因して、熱応力は、Ｘ軸方向とＹ軸方向で若干の差が発生し、出力変化が発生する。しかし、ダイアフラム２の中央部では、熱応力の分布もなだらかであるので、熱応力による出力変化についても、歪ゲージ４の位置ずれに対して変化しにくい効果がある。

ダイアフラム２とセンサチップ４の位置関係については、本実施例のように、Ｘ軸方向に見たときに（ＹＺ断面において）センサチップ４の寸法がダイアフラム２の寸法よりも大きくなるようにするのが望ましい。

上記の構成では、Ｘ軸方向において、センサチップ４の端部がダイアフラム２の外側に位置するため、センサチップ４の接合端部に高い応力が発生しにくくでき、センサ特性変化を軽減できる。

さらには、Ｙ軸方向に見たときに（ＸＺ断面において）センサチップ４の寸法がダイアフラム２の寸法よりも小さくなるようにするのが望ましい。

センサチップ４には、歪ゲージ７で構成されるブリッジ回路の他に、信号処理のための周辺回路を形成することができる。そうした場合にも、センサチップ４のサイズはせいぜい３ｍｍ角以下であり、必要以上にセンサチップ４を大きくすると、センサチップ４の製造コストが高くなり、またセンサチップ４とダイアフラム２の線膨脹係数差に起因してセンサチップ４の接合部に発生する熱応力が高くなるなどの懸念がある。限られたサイズのセンサチップ４に対して、ダイアフラム２が全てセンサチップ４の内部に配置されるようにすると、ダイアフラム２のサイズが小さくなる。すると、ダイアフラム２の応力分布の変化も急峻になり、歪ゲージ７を配置できる領域が限られる上に、歪ゲージ７の位置ずれの影響も大きくなる課題がある。ダイアフラム２のサイズを、短手方向にはセンサチップ４よりも小さくし、かつ、長手方向にはセンサチップ４よりも大きくすることで、ダイアフラム２のサイズが小さくならないようにするとともに、センサチップ４の接合部のエッジに発生する応力も小さくできる。

センサチップ４には、ブリッジ回路だけでなく、出力アンプ、電流源、Ａ／Ｄ変換、出力補正回路、補正値を格納するメモリ、温度センサなど、周辺回路を作り込むことができる。上記のような信号処理回路をセンサチップ４内に有することにより、出力信号の増幅や温度補正、ゼロ点補正などが行え、出力信号の精度を高くすることができる。温度補正においては、歪ゲージ７と温度センサを同じセンサチップ４上に形成できるので、歪ゲージ７の温度を正確に測定でき、温度補正を高い精度で行うことができる。

本実施例では、圧力を受けるダイアフラム２およびセンサ筐体３がステンレス製であるため、材料の耐力が高く、高い圧力測定範囲のセンサを構成しやすい。また、測定対象の液体や気体の腐食性が高い場合にも使用できる。ステンレスの種類は、耐力を重視する場合はＳＵＳ６３０など析出硬化型のステンレスを選び、耐腐食性を重視する場合はＳＵＳ３１６など、耐腐食性の高いステンレスを選ぶなど、材質を選択できる。また、材質はステンレスに限ったものではなく、耐力や耐腐食性、シリコンとの線膨脹係数差などを考慮して、様々な鋼種を選択できる。

また、接合層５の材質および接合プロセスについても、上述した材質、プロセスに限るものではない。接合層５としては、例えばＡｕ／Ｇｅはんだや、Ａｕ／Ｓｉはんだを用いることで、接合層５のクリープ変形をより小さくすることができる。また、クリープ変形はしやすいが、それを許容する用途であれば、各種の接着剤を用いることができる。接合プロセスについては、上述のＡｕ／Ｓｕペレットを用いる方法以外にも、Ａｕ／Ｓｎを直接ダイアフラムまたはセンサチップ裏面にめっきなどで形成する方法などがある。

本発明の第二実施例を、図３を用いて説明する。なお、第一実施例と同様の構成は説明を省略する。

第１〜第４歪ゲージ７ａ〜７ｄを複数のピエゾ抵抗が直列に繋がる構成とする。図３（ａ）はゲージ領域６内の歪ゲージ７の配置を、図３（ｂ）はブリッジ回路の構成を示す。第１〜第４歪ゲージ７ａ〜７ｄを構成する１つずつのピエゾ抵抗の組が、ゲージ領域内に４組配列した構成である。４つに分割された第１歪ゲージ７ａは、図示されていない配線で直列につながれている。第２〜第４歪ゲージ７ｂ〜７ｄについても同様である。そうして、図３(b)に示すように、４つに分かれた歪ゲージをひとまとまりとして、図２に示したブリッジ回路と等価なブリッジ回路を構成している。

このように、歪ゲージを分割して、ゲージ領域６内に分散して配置することにより、応力の平均値を均質化する効果がある。例えば、ゲージ領域６内で応力分布が均一にならず、Ｙ方向に勾配ができた場合、第１歪ゲージ７ａがゲージ領域６内のＹ軸のプラスの領域に、第２歪ゲージ７ｂがＹ軸のマイナスの領域に分かれて配置されていると、両者の間に応力差が発生して出力が出てしまう。第二実施例の構成により、歪ゲージを分割して、ゲージ領域６内に分散配置することで、歪ゲージ７間の応力差が出にくくすることができる。

本発明の第三実施例を、図４を用いて説明する。なお、第一実施例と同様の構成は説明を省略する。

図４（ａ）および（ｂ）は、本発明の圧力センサ１の第三実施例の平面図および断面図を示している。図４（ａ）において、Ｘ軸に沿った中心線をＸ中心線１０とし、図４（ｂ）はＸ中心線１０における断面図である。

ダイアフラム２は、長手方向の中央から端部までの領域における短手方向の寸法が、長手方向中央付近における短手方向の寸法よりも大きくなる部分を設ける構成とし、中央部がくびれたひょうたんのような形状とする。すなわち、Ｘ中心線１０上におけるダイアフラム２の寸法をダイアフラム中央寸法１１とすると、Ｘ中心線よりもＹ軸方向にはずれた、ダイアフラム２の長手方向端部付近におけるＸ軸方向の寸法（ダイアフラム端部寸法１２）が、上記ダイアフラム中央寸法１１よりも大きくなっている。

ダイアフラム２の中央部にくびれを有する本実施例においては、くびれのない場合と比べて、ダイアフラム２の中央部における短手方向と長手方向の応力差を拡大できる。センサ感度は、上記応力差に比例するため、センサ感度に対する応力利用効率（歪ゲージに発生する最大応力に対して得られるセンサ感度の比率）が向上する。また、ダイアフラム２の中央部付近の応力分布の変化が小さくなり、位置ずれの影響をより小さくできる。

また、歪ゲージ７の構成としては、第二実施例に記載の構成でもよい。

本発明の第四実施例を、図５を用いて説明する。なお、第一実施例と同様の構成は説明を省略する。

図５（ａ）および（ｂ）は、本発明の圧力センサの第四実施例の平面図および断面図を示している。図５（ａ）において、Ｘ軸に沿った中心線をＸ中心線１０とし、図５（ｂ）はＸ中心線１０における断面図である。

シリコン基板１３には、厚みを薄くしたセンサダイアフラム１４が形成されている。センサダイアフラム１４表面の中央部にゲージ領域６があり、ゲージ領域６内に、第１〜第４歪ゲージ７ａ〜７ｄが形成されている。

本実施例は、シリコン基板を加工して形成したシリコンダイアフラムを用いているので、センサチップを別に設ける構成と比較して部品点数が少なく、センサチップを接合する手間が省けるとともに、センサチップ接合部のクリープ変形の課題がないという特徴がある。測定する圧力があまり高くない場合や、測定対象の液体および気体による腐食の問題がない場合には、本実施例の構成を用いることが望ましい。

シリコン基板１３内にセンサダイアフラム１４を加工する方法は、ウェットエッチングやドライエッチングを用いることができる。センサダイアフラム１４の厚みを高精度に管理するためには、薄いシリコン層と厚いシリコン層をシリコン酸化膜層を介して積層したＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板をシリコン基板１３に用いるとよい。厚いシリコン層を加工した後に、酸化膜層を除去するプロセスにより、シリコンダイアフラム１４の厚みは薄いシリコン層の厚みで決まるので、加工により厚みが変化しない。

なお、センサダイアフラム１４の形状は長手と短手を有する形状であればよく、図５に示されるようなひょうたん型の形状に限定されるものでないのは言うまでもない。

また、歪ゲージ７の構成としては、第二実施例に記載の構成でもよい。

本発明の第五実施例を、図６を用いて説明する。なお、第一実施例と同様の構成は説明を省略する。

図６は、本発明の圧力センサの第五実施例の断面図を示している。本実施例は、第一から第四実施例に記載の圧力センサを、製品形態に組み上げた圧力センサアセンブリ２１の構成例を示している。

センサ筐体３は、第一から第四実施例に記載した構成に加えて、外周部を円筒状に下方に伸ばした円筒部２２を有し、外側面にフランジ部２３とねじ部２４を設置した形状に一体形成されている。ねじ部２４は管用のおねじになっており、測定対象の配管側にめねじの継手（図示せず）を用意して取り付けるようになっている。上記円筒部２２の内部は圧力導入口２５を形成していて、この圧力導入口２５を介して測定対象である液体や気体をダイアフラム２の表面まで導入する。センサ筐体３の上面には、センサチップ４と隣接するよう配線基板２６が配置されている。配線基板２６は、接着剤２７によりセンサ筐体３の上面に接着保持されている。センサチップ４と配線基板２６の電極パッド間は、ワイヤ２８により電気的に接続されている。センサチップ４の表面やその周辺部を保護するため、円筒形のカバー２９が、センサ筐体３のフランジ部２３に接続して設置されている。カバー２９の上端には、複数の外部電極ピン３０が、カバー２９を貫通するように設けられている。外部電極ピン３０と配線基板２６は、フレキシブル配線基板３１を介して電気的に接続されている。センサチップ４は、ワイヤ２８、配線基板２６、フレキシブル配線基板３１、外部電極ピン３０を介して外部に信号を送信する。本実施例の構成により、測定対象の装置の配管に容易に取り付け可能で、センサへの給電および信号取り出しのための配線も容易な、圧力センサアセンブリ２１を得ることができる。

本発明の第一から第五実施例によれば、加工誤差や組立誤差などに起因したセンサ特性のばらつきが小さい圧力センサを実現することができる。

以下に、本発明により得られる効果の検証を行った結果について示す。

本発明の、歪ゲージの位置ずれの影響を小さくする効果について確かめるため、有限要素法（ＦＥＭ）を用いた数値解析を行った。図７は解析に用いたモデル形状を示す斜視図である。センサ筐体を直径７ｍｍの円筒形状とし、センサチップの厚さを０．１２ｍｍとして、ダイアフラムの形状およびセンサチップのサイズを変えて比較を行った。

図８は比較対象の従来の圧力センサ４０の構成を示す平面図である。ダイアフラム２は円形であり、センサチップ４はダイアフラム２よりも一回り大きい正方形である。センサチップ４の表面に形成された第１〜第４歪ゲージ７ａ〜７ｄは、ダイアフラム２の外周部上に配置されており、全て電流方向がＸ軸方向となるように配置されている。第１歪ゲージ７ａおよび第２歪ゲージ７ｂはＸ軸に沿う中心線上に、第３および第４歪ゲージはＹ軸に沿う中心線上に配置されている。ダイアフラム外周部においては、半径方向の応力が圧縮で、円周方向の応力が引張となるため、歪ゲージ間に応力差が発生し、センサ感度が得られる。

歪ゲージに発生する応力から圧力センサの出力を計算する方法について以下に示す。

本発明の圧力センサにおいても、図８に示した従来の圧力センサにおいても、Ｘ軸に沿って配置された第１歪ゲージ７ａと第２歪ゲージ７ｂには同様の応力が働き、抵抗変化が等しいとみなせる。同様に第３歪ゲージ７ｃと第４歪ゲージ７ｄも等しい抵抗変化となる。初期抵抗Ｒ₀は全ての歪ゲージで等しいとして、各歪ゲージの抵抗を以下の式で表す。

図２のブリッジ回路で得られる電圧変化率 V_out／V_ccは以下になる。
抵抗変化△R1および△R3は以下のように求められる。第１および第２歪ゲージに発生する応力で、Ｘ方向の応力成分をσ_x、Ｙ方向の応力成分をσ_yとすると、抵抗変化△R₁は、歪ゲージの縦ピエゾ抵抗係数をπ_l、横ピエゾ抵抗係数をπ_tとして、
と表される。一方、第３および第４歪ゲージにも同じ応力が発生するが、ゲージがＹ方向に沿って配置されているため、電流方向の応力がσ_y、それに垂直な方向の応力成分がσ_xとなり、抵抗変化△R₃は
と表わされる。なお、Ｚ方向の応力はほぼゼロになるため無視した。図８の従来の圧力センサにおいても、対称性があるため、第３および第４歪ゲージは、第１および第２歪ゲージと同じ場所でＹ方向に沿って配置されているのと等価であり（５）式が成り立つ。
（３）式で、抵抗変化は初期抵抗に対して十分小さい（2R₀＜＜△R₁＋△R₃）として、式（４）（５）を代入すると、以下になる。
なお、ｐ型シリコン＜１１０＞方向ではπ_lとπ_tは符号が反対でほぼ同程度の値となるので、
である。以上より、圧力センサの出力変化率、すなわち感度は、歪ゲージに働くＸ方向とＹ方向の応力差σ_x-σ_yに比例する。

図９はＦＥＭ解析により比較した解析モデルの平面図を示す。いずれもセンサチップはセンサ筐体の中央に配置されており、Ｘ軸に沿う中心線上でセンサチップ表面の応力差σ_x-σ_yを求め、応力差が最大となる位置に歪ゲージを配置すると仮定した。

モデルＡは本発明の第一実施例を示し、ダイアフラムは短手方向の長さ１．８ｍｍ、長手方向の長さ５ｍｍである。ダイアフラムの長手方向の端部は半径０．９ｍｍの半円形状とした。ダイアフラムの厚さは０．５ｍｍとし、センサチップのサイズは２．４ｍｍ角とした。

モデルＢは本発明の第三実施例を示し、モデルＡのダイアフラムに対して、長手方向の端部において短手方向の長さを拡大した、ひょうたん形状とした。長手方向中央部における短手方向の長さはモデルＡと同じ１．８ｍｍで、長手方向の中央部と端部の間における短手方向の最大長さを３．０ｍｍとした。ダイアフラムの厚さは０．５ｍｍとし、センサチップのサイズは２．４ｍｍ角とした。

モデルＣは比較対象の従来の圧力センサであり、センサチップのサイズを、モデルＡおよびＢと同じ２．４ｍｍ角とし、ダイアフラムは、センサチップの内部に収まる直径１．８ｍｍの円形とした。他のモデルよりダイアフラムが小さいので、ダイアフラムの厚さは０．２５ｍｍと薄くした。

モデルＤは、モデルＣに対してダイアフラムおよびセンサチップの寸法を２倍とし、ダイアフラムは直径３．６ｍｍの円形、センサチップのサイズを４．８ｍｍ角とした。ダイアフラムの厚さは０．５ｍｍとした。センサチップのサイズ拡大を許容して、センサチップのサイズがセンサ筐体に収まる範囲でダイアフラムのサイズを拡大した場合を想定したモデルである。

図１０は、モデルＡ〜Ｄで圧力１ＭＰａを印加する解析を行った結果を示しており、センサチップ表面に発生する応力を、Ｘ軸に沿う中心線上で表示したグラフである。σ_x、σ_yおよび応力差σ_x−σ_yを表示した。

図１０によると、モデルＡでは、長手方向に長いダイアフラムとした効果により、中央部においてσ_xがσ_yよりも大きくなり、応力差は中央部で最大となった。σ_xの最大値に対するσ_x-σ_yの最大値の比を応力利用効率と定義すると、０．６７となった。

モデルＢでは、ダイアフラムの長手方向端部を広げた効果で、ダイアフラム中央におけるＹ方向の応力が低下し、応力差を拡大することができた。応力利用効率は０．８４となった。

モデルＣでは、ダイアフラム中央はσ_x=σ_yなのに対し、ダイアフラム外周部でσ_xが圧縮応力、σ_yが引張応力となり、ダイアフラムのエッジ位置に一致した、中央からの距離０．９ｍｍの地点で応力差が最大となった。この地点におけるσ_xとσ_x-σ_yの絶対値の比を応力利用効率とすると１．６６である。ただし、ダイアフラム中央部には高い応力が発生しており、中央におけるσ_xとの比で定義すると０．４８となる。

モデルＤでは、モデルＣと同様の応力分布となり、ダイアフラムのエッジ位置より少し内側の、中央からの距離１．７５ｍｍ地点で応力差が最大となった。応力利用効率は、応力差最大点でのσxとの比で１．４２、ダイアフラム中央でのσ_xとの比で０．５６であった。

以上より、センサチップに発生する最大応力に対して定義した応力利用効率において、本発明の圧力センサでは、従来の構成よりも応力利用効率が高いことが示された。また、ダイアフラムをひょうたん型としたモデルＢの構成により、ダイアフラムを長方形としたモデルＡの構成より、さらに応力利用効率が高くなることが分かった。

図１１は、各モデルの応力差σ_x-σ_yについて、最大点付近の応力分布を比較したグラフである。横軸は応力差の最大点を０に合わせており、縦軸は最大点の応力差を１として基準化して示している。従来圧力センサのモデルＣと比べて、モデルＡは応力分布がなだらかになった。Ｘ位置が０．２ｍｍずれた地点での応力差の、最大点での応力差からの低下率も図１１に示した。モデルＣでは４８％なのに対して、モデルＡでは６％に抑えられている。よって歪ゲージの位置ずれが発生しても、出力が変化しにくい効果が確認できた。

モデルＢではモデルＡよりもさらに応力分布がなだらかとなり、０．２ｍｍ地点での応力差低下率は３％とさらに低減できた。

モデルＤでは、モデルＣと比べると、ダイアフラムのサイズが拡大した効果で応力差の分布もなだらかとなった。ただし、センサチップの面積は他のモデルに比べて４倍になっており、センサチップの製造コストが４倍となる。このモデルＤでも、０．２ｍｍ地点での応力差低下率は１１％となり、本発明の構成であるモデルＡおよびモデルＢの方が、位置ずれの影響を抑えられることが分かった。

次に温度変化が発生した場合のセンサ出力変化について検討した結果を示す。図１２は、モデルＡ〜Ｄについて、温度変化１００℃を与えたときの解析結果を示すグラフである。図１０と同様に、センサチップ表面に発生する応力を、Ｘ軸に沿う中心線上で表示した。

センサチップの材質であるシリコンと、ダイアフラムの材質であるステンレスとの線膨脹係数差に起因して、センサチップ表面には応力が発生する。こうした熱応力は、基本的には等方的に働くので、σ_xとσ_yは等しくなり、出力変化は発生しにくい。ただし、モデルＣおよびモデルＤの結果を見ると、センサチップの中央部では応力差がゼロに近いが、センサチップの端部付近では急激に応力差が大きくなっている。また、ダイアフラムのエッジ周辺で応力差が変化している。ダイアフラムは薄く、周辺のセンサ筐体は厚いことから、境目であるエッジ付近で、変形の仕方が変わるためと考えられる。モデルＣおよびモデルＤでは、歪ゲージはダイアフラムのエッジ付近に配置されるため、歪ゲージの位置ずれに対して応力が変化しやすいと考えられる。モデルＡおよびモデルＢの結果を見ると、センサチップの中央部でも多少の応力差が発生している。これはダイアフラムの形状が等方的でない影響と考えられる。しかしながら、応力差の分布はセンサチップの中央部でほぼ平坦となった。モデルＡおよびモデルＢでは、歪ゲージはセンサチップの中央部に配置されるので、歪ゲージの位置ずれの影響が小さいと考えられる。

図１３は、図１１と同様に、各モデルの応力差について、ゲージ位置付近の応力分布を比較したグラフである。横軸は、上述の圧力印加の解析における最大点をゲージ位置と仮定して、ゲージ位置を０に合わせて表示した。ゲージ位置を中心とした±０．２ｍｍの範囲における応力差の変化量も図１３に示した。本発明の構成を示すモデルＡおよびモデルＢでは、モデルＣおよびモデルＤに比べて、応力差の変化が非常に小さく抑えられた。このように、本発明の構成によれば、温度変化に対する出力変化が、歪ゲージの位置ずれに対して変化しにくい効果がある。温度特性のばらつきが少ないということなので、温度補正が容易になるなどの効果がある。

１ 圧力センサ
２ ダイアフラム
３ センサ筐体
４ センサチップ
５ 接合層
６ ゲージ領域
７ 歪ゲージ
１０ Ｘ中心線
１１ ダイアフラム中央寸法
１２ ダイアフラム端部寸法
１３ シリコン基板
１４ センサダイアフラム
２１ 圧力センサアセンブリ
２２ 円筒部
２３ フランジ部
２４ ねじ部
２５ 圧力導入口
２６ 配線基板
２７ 接着剤
２８ ワイヤ
２９ カバー
３０ 外部電極ピン
３１ フレキシブル配線板
４０ 従来の圧力センサ

Claims (3)

1. 長手と短手を有する形状のダイアフラムを有する金属製の筐体と、
   前記金属製の筐体上に設けられ、４つの歪ゲージを有するセンサチップと、を有し、
   前記４つの歪ゲージは前記センサチップの中央部に設けられており、前記４つの歪ゲージのうち２つが第一の方向に沿って配置されており、残りの２つが第一の方向とは垂直な第二の方向に沿って配置されており、
   前記第一の方向と前記ダイアフラムの長手方向が沿い、かつ、前記４つの歪ゲージがダイアフラムの中央部に位置するように前記センサチップは前記筐体上に設けられており、
   前記センサチップの第一の方向に沿う辺は、前記ダイアフラムの長手方向の長さよりも短く、前記センサチップの第二の方向に沿う辺は、前記ダイアフラムの中央付近における短手方向の長さよりも長いことを特徴とする圧力センサ。
2. 前記ダイアフラムは、長手方向におけるダイアフラムの中央と端部の間における短手方向の最大寸法が、長手方向中央付近における短手方向の寸法よりも大きい形状であることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記４つの歪ゲージは、それぞれが＜１１０＞結晶方位に沿って形成されるｐ型単結晶シリコンであることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力センサ。