特許 5975970 圧力センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5975970

(24)【登録日】2016年7月29日

(45)【発行日】2016年8月23日

(54)【発明の名称】圧力センサ

(51)【国際特許分類】

   G01L 9/00 20060101AFI20160809BHJP

【ＦＩ】

   G01L9/00 303C

   G01L9/00 303L

【請求項の数】10

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2013-239454(P2013-239454)

(22)【出願日】2013年11月20日

(65)【公開番号】特開2015-99106(P2015-99106A)

(43)【公開日】2015年5月28日

【審査請求日】2016年2月19日

(73)【特許権者】

【識別番号】509186579

【氏名又は名称】日立オートモティブシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100100310

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 学

(74)【代理人】

【識別番号】100098660

【弁理士】

【氏名又は名称】戸田 裕二

(74)【代理人】

【識別番号】100091720

【弁理士】

【氏名又は名称】岩崎 重美

(72)【発明者】

【氏名】風間 敦

(72)【発明者】

【氏名】小野塚 準二

(72)【発明者】

【氏名】小貫 洋

(72)【発明者】

【氏名】飛田 美帆

(72)【発明者】

【氏名】日尾 真之

【審査官】 森 雅之

(56)【参考文献】

【文献】 特許第５１８６７２５（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開２０１３−１１４７８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

本件特許出願を優先基礎出願とする国際特許出願であるＰＣＴ／ＪＰ２０１４

／０７９９１０の国際調査の結果が利用された。

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

長手と短手を有する形状のダイアフラムを有するセンサ筐体と、
前記長手と前記短手は前記ダイアフラムの受圧平面の長手と短手であり、
４つの歪ゲージを有するセンサチップと、を備え、
前記ダイアフラム領域内に前記４つの歪ゲージが位置するように前記センサ筐体上に前記センサチップが設けられる圧力センサにおいて、
前記４つの歪ゲージの内２つの歪ゲージは前記ダイアフラムの短手方向に沿うように前記センサチップ上に設けられ、
他の２つの歪ゲージは前記ダイアフラムの長手方向に沿うように前記センサチップ上に設けられ、
前記４つの歪ゲージは前記ダイアフラムの中央部に位置するように前記センサチップ上に設けられ、
前記ダイアフラムの中央を通り前記長手方向に沿った断面における前記ダイアフラムの最小の厚みが、前記ダイアフラムの中央を通り前記短手方向に沿った断面における前記ダイアフラムの最小の厚みよりも薄いことを特徴とする圧力センサ。

【請求項2】

前記ダイアフラムは、前記センサチップから見て前記長手方向に、前記センサチップ搭載領域の厚さよりも薄い部分を有することを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。

【請求項3】

前記センサ筐体は、前記センサチップに対して前記長手方向側に溝を有し、
前記溝により前記薄い部分が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。

【請求項4】

前記溝は前記センサ筐体のセンサチップ搭載面側に形成され、
前記溝の前記短手方向の長さが、前記センサチップの前記短手方向の長さよりも長いことを特徴とする請求項３に記載の圧力センサ。

【請求項5】

前記センサ筐体のセンサチップ搭載面側に形成された段差により、前記薄い部分が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。

【請求項6】

前記ダイアフラムの受圧側に設けられた溝により、前記長手方向に沿った断面におけるダイアフラムの最小厚みが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。

【請求項7】

前記ダイアフラムは、前記長手方向における前記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、前記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から６に記載の圧力センサ。

【請求項8】

前記ダイアフラムの中央における前記短手方向の寸法が、前記センサチップの寸法よりも小さいことを特徴とする請求項１から７に記載の圧力センサ。

【請求項9】

前記ダイアフラムの中央における前記長手方向の寸法が、前記センサチップの寸法よりも大きいことを特徴とする請求項８に記載の圧力センサ。

【請求項10】

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に記載の圧力センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。

【0004】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第２６１５８８７号公報

【特許文献2】特許第４１６１４１０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

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。特に、特許文献２のように金属製ダイアフラムにセンサチップを接合した構成の圧力センサにおいては、センサチップの接合位置ずれにより、センサチップ上の歪ゲージの位置がダイアフラムのエッジの位置に対してずれてしまうと、センサの特性が変化しやすい課題がある。

【0007】

また、センサチップを接合した構成の圧力センサでは、シリコンなどの半導体製のセンサチップと、金属製のダイアフラムとで線膨張係数が異なるため、温度変化に対して熱歪が発生するので、この熱歪によるセンサ出力変化も課題である。

【0008】

本発明の目的は、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く、かつ温度変化に対するセンサ出力の変化が小さい圧力センサを実現することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するために本発明の圧力センサは、長手と短手を備えたダイアフラム上に、ブリッジ回路を構成する特性の等しい４つの歪ゲージが形成された半導体製のセンサチップを接合し、ダイアフラムに加えられた圧力に比例した電圧出力をブリッジ回路で検出する圧力センサであって、４つの歪ゲージは、２つを短手に沿って、他の２つを長手に沿って、ダイアフラムの中央付近に近接して配置され、歪ゲージ配置位置から見て長手の方向にダイアフラムの厚みが薄くなった部分を有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、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く、かつ温度変化に対するセンサ出力の変化が小さい圧力センサを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の第一実施例における（a）平面図,(b)断面図,(c)断面図。

【図2】ブリッジ回路の例を示した説明図。

【図3】本発明の第一実施例の変形例の（a）平面図,(b)断面図,(c)断面図。

【図4】本発明の第二実施例を示す概略図。

【図5】本発明の第三実施例における（a）平面図,(b)断面図,(c)断面図。

【図6】本発明の第三実施例の変形例の平面図。

【図7】本発明の第四実施例における（a）平面図,(b)断面図,(c)断面図。

【図8】本発明の第四実施例の変形例の（a）平面図,(b)断面図,(c)断面図。

【図9】本発明の第五実施例における断面図。

【図10】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。

【図11】解析による検証に用いた３つのモデルの寸法を示す斜視図。

【図12】各モデルについての温度変化の解析結果を示すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0012】

図１（ａ）から（ｃ）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。図１（ａ）において、Ｘ軸に沿った中心線をＸ中心線１０、Ｙ軸に沿った中心線をＹ中心線１１とし、図１（ｂ）はＸ中心線１０における断面図を、図１（ｃ）はＹ中心線１１における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２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内に第１〜第４歪ゲージ７ａ〜７ｄを有する。第１〜第４歪ゲージ７ａ〜７ｄ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異方性形状であり、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。センサ筐体３のセンサチップ４が接合される側の面に第１溝８ａと第２溝８ｂが形成されている。第１溝８ａと第２溝８ｂはセンサチップ４から長手方向側に形成されており、第１溝８ａと第２溝８ｂの間にセンサチップ４が位置するよう、センサチップの両側に形成されている。溝８a、８ｂにより、センサチップ４を搭載した部分よりも薄い部分が、ダイアフラム２のセンサチップ４からＹ軸側上にそれぞれ形成される。

【0013】

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が変形することで各歪ゲージ７ａ〜７ｄの応力が変化し、それに伴い各歪ゲージ７ａ〜７ｄの抵抗が変化する。抵抗値の変化をブリッジ回路の差動出力とし、圧力に比例した出力が得られる。

【0014】

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。

【0015】

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る。各歪ゲージ７ａ〜７ｄ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。

【0016】

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

【0017】

第一実施例の圧力センサにおいては、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、各歪ゲージ７ａ〜７ｄ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い。すなわち、位置ずれに対してセンサ感度の変化を小さくすることができる。

【0018】

また、第一実施例の圧力センサ１は、ダイアフラム２は長手と短手を有する異方性形状とし、第１〜第４の歪ゲージのうち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、センサ感度はゼロとなる。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。第一実施例では、ダイアフラム２をＹ軸方向に長い異方性形状としているので、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。

【0019】

第一実施例の圧力センサ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がある。

【0020】

上述のように、第１〜第４歪ゲージ７ａ〜７ｄ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。これにより初期抵抗、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となり、温度変化に対する変化も均質となる。このような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、第一実施例の圧力センサは温度変化に対して出力変化しにくくなる。

【0021】

また、第一実施例では第１〜第４の歪ゲージ７ａ〜７ｄが近接配置している。センサチップ４内に温度差が発生した場合に、各歪ゲージの位置が互いに離れていると、各歪ゲージの抵抗変化に差が発生する虞がある。第一実施例の圧力センサは、第１〜第４の歪ゲージ７ａ〜７ｂが近接配置しているため、各歪ゲージの間で温度差が発生しにくく、その結果センサ出力が変化しにくくなる。

【0022】

さらに、第１〜第４歪ゲージ７ａ〜７ｄが全てセンサチップ４の中央部に配置されている。温度変化によって、ダイアフラム２とセンサチップ４の熱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。そのため、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。一方、第一実施例の圧力センサは第１〜第４の歪ゲージ７ａ〜７ｂが全てセンサチップ４の中央部に配置されているので、各歪ゲージの応力がほぼ等しくなり、熱応力に差が出にくくなる。よって、センサ出力が変化しにくくなる。

【0023】

ここで、ダイアフラム２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軸方向とで差が発生する。そのため、ダイアフラム２の異方性形状に起因したセンサ出力の変化が発生してしまう。ここで、ダイアフラム２の中央部では熱応力の分布が端部と比べてなだらかである。そのため、ダイアフラム２の中央部付近では、ダイアフラム２の端部と比べてダイアフラム２の異方性形状に起因するセンサ出力の変化は小さくなるが、なお改善の余地がある。

【0024】

ダイアフラム２の異方性形状に起因したセンサ出力の変化をさらに低減するため、第一実施例ではセンサ筐体３に第１溝８ａと第２溝８ｂを形成している。溝８ａ、８ｂをセンサチップ４に対してダイアフラムの長手方向（Ｙ軸方向）に近接して配置することで、Ｙ軸方向の熱応力をＸ軸方向の熱応力に近づける効果がある。そのため、各歪ゲージの間の熱応力差を更に低減することが可能であり、ダイアフラム２の異方性形状に起因したセンサ出力の変化を更に低減することが可能である。

【0025】

溝８ａ、８ｂの効果は、温度変化に対する圧力センサの熱変形挙動を本発明者が詳細に調べた結果、導かれたものである。本発明者は、歪ゲージ７ａ〜７ｂがあるセンサチップ４の中央において、温度変化に対するＸ軸方向とＹ軸方向の応力に差が生じる原因を詳細に調べた。温度が上昇する場合を考えると、線膨張係数が大きいセンサ筐体３の方がセンサチップ４よりも膨張が大きいため、センサチップ４は全体に引張応力を生じる。同時に厚さが薄いダイアフラム２とセンサチップ４が接合された部分においては、面外方向の曲げ変形も生じる。この曲げ変形はダイアフラム側が凸となる変形で、歪ゲージ７があるセンサチップ４表面側には圧縮応力を生じるが、この圧縮応力はセンサチップ４全体にかかる引張応力に対しては小さい。しかし、ダイアフラム２の異方性形状のために、短手方向であるＸ軸方向は長手方向であるＹ軸方向に比べて曲げの曲率が小さくなり、Ｘ軸方向の圧縮応力はＹ軸方向の圧縮応力よりも大きくなる。引張応力から差し引かれる圧縮応力の大きさがＸ軸方向の方が大きいため、結果として引張応力はＹ軸方向の方が大きくなり、Ｘ軸方向とＹ軸方向の応力差が発生していた。

【0026】

そこで、ダイアフラム２のセンサチップ４の搭載部に対してＹ軸方向に溝８ａ、８ｂを形成することで、Ｙ軸方向のセンサ筐体３の剛性を低下させ、センサチップ４に加わるＹ軸方向の熱応力を低減している。その結果、Ｙ軸方向の熱応力をＸ軸方向の熱応力に近づけて、Ｘ軸方向とＹ軸方向の応力差を低減することができる。

【0027】

溝８ａ、８ｂの位置は、センサチップ４に近いほうが、センサチップ４に加わる応力を低減する効果が高く望ましい。そのため、センサチップ４の端部と溝８ａ、８ｂの端部を一致させてもよいが、センサチップ４の接合位置ずれを考慮して例えば０．１ｍｍ程度の一定距離離れた位置に溝８a、８ｂを形成するのが望ましい。溝８ａ、８ｂの形状は様々な形状にすることができる。図１のように、Ｘ軸方向の長さは、センサチップ４の長さよりも長くするのが、センサチップ４に加わる応力を低減しやすく望ましい。ただし、センサチップ４より短くても一定の効果は得られるものであり、限定されるものではない。また、図３に示すように、第１溝８ａおよび第２溝８ｂがセンサ筐体３の端部まで達するように広い領域に形成した段差のようにしてもよい。ダイアフラム２の薄い部分の領域を大きくすることができ、Ｙ軸方向の応力を低減する効果が高くなる。また、センサ筐体３の構造が単純となり、製造が容易になる。

【0028】

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、第一実施例のように、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。

【0029】

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、センサ特性の変化を軽減することができる。

【0030】

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。

【0031】

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の熱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。

【0032】

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。

【0033】

第一実施例では、圧力を受けるダイアフラム２およびセンサ筐体３が耐力性の優れるステンレス製であるため、高い圧力範囲を測定可能なセンサを構成しやすい。また、測定対象である液体や気体が腐食性の高い場合にも使用することができる。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、シリコンとの熱膨脹係数差などを考慮して、様々な材質を選択できる。

【0034】

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。

【0035】

本発明の第二実施例を、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。

【0036】

第１〜第４歪ゲージ７ａ〜７ｄを複数のピエゾ抵抗が直列に繋る構成とする。図４（ａ）はゲージ領域６内の歪ゲージ７の配置を、図４（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４（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。

【0037】

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。

【0038】

本発明の第三実施例を、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。

【0039】

図５（ａ）から（ｃ）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５（ａ）において、Ｘ軸に沿った中心線をＸ中心線１０、Ｙ軸に沿った中心線をＹ中心線１１とし、図５（ｂ）はＸ中心線１０における断面図を、図５（ｃ）はＹ中心線１１における断面図を示している。

【0040】

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１２とすると、Ｘ中心線１０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１３）が、上記ダイアフラム中央寸法１２よりも大きくなっている。

【0041】

ダイアフラム２の中央部にくびれを有する第三実施例においては、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。

【0042】

第三実施例においても、センサ筐体３に溝８ａ、８ｂを形成している。溝８ａ、８ｂをセンサチップ４に対してダイアフラム２の長手方向（Ｙ軸方向）に近接して配置することで、Ｙ軸方向応力をＸ軸方向応力に近づける効果があり、応力差が低減して出力変化が低減する。ダイアフラム２をひょうたん型とした第三実施例では、溝８を配置する位置においてダイアフラム２のＸ軸方向長さが広がっているので、溝の形成によりダイアフラム２の厚みを薄くできる領域が、第一実施例と比べて広い。そのため、Ｙ軸方向の応力を低減する効果を得やすく、出力変化を低減しやすい効果がある。

【0043】

溝８ａ、８ｂは、図５に示したように、Ｘ軸方向の長さがダイアフラム２の長さよりも長く形成し、ダイアフラム２をＸ軸方向に完全に横断するように形成することができる。また、図６の平面図に示すように、溝８a、８ｂがダイアフラム２の外形よりも内側に収まるように形成することもできる。そうすることで、ダイアフラム２の端部においては溝形成前の厚みを確保することができる。圧力を受けた際にダイアフラム２に発生する応力はダイアフラム２の端部において高くなるので、端部の厚みを確保することで、ダイアフラム２に発生する最大応力を低減し、塑性変形しにくくできる。溝８ａ、８ｂのＸ軸方法の長さは、センサチップ４の長さよりも長いことが望ましいが、センサチップ４より短くても一定の効果は得られるものであり、限定されるものではない。また、第１実施例における図３に示した変形例のように、溝８a、８ｂをセンサ筐体３の端部まで達するように広い領域に形成した段差のようにしてもよい。ダイアフラム２の薄い部分の領域が大きくなり、Ｙ軸方向の応力の低減効果が高くなる。また、センサ筐体３の構造が単純となり、製造が容易になる。

【0044】

上述した第三実施例の歪ゲージの構成としては、第二実施例に記載の構成を採用することもできる。それにより、第二実施例に記載した効果と同様の効果を得ることができる。

【0045】

本発明の第四実施例を、図７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。

【0046】

図７（ａ）から（ｃ）は、本発明の圧力センサ１の第四実施例の平面図および断面図を示している。図７（ａ）において、Ｘ軸に沿った中心線をＸ中心線１０、Ｙ軸に沿った中心線をＹ中心線１１とし、図７（ｂ）はＸ中心線１０における断面図を、図７（ｃ）はＹ中心線１１における断面図を示している。

【0047】

第四実施例では、溝８（第１溝８ａおよび第２溝８ｂ）がダイアフラム２のセンサチップ４が接合される面と反対の面側に形成されている。本構成においても、センサチップ４から見て長手方向にダイアフラム２の厚さが薄い部分が形成されるため、センサチップ４中央のＹ軸方向応力を低減する効果があり、温度変化に対する出力変化を低減することができる。第四実施例の構成では、センサ筐体３へのダイアフラム２および溝８の形成の際に、一方向からの加工で済む利点がある。

【0048】

図８（ａ）から（ｃ）は、第四実施例の変形例を示す。図８（ａ）において、Ｘ軸に沿った中心線をＸ中心線１０、Ｙ軸に沿った中心線をＹ中心線１１とし、図８（ｂ）はＸ中心線１０における断面図を、図８（ｃ）はＹ中心線１１における断面図を示している。

【0049】

本変形例のように、ダイアフラム２に形成される溝８ａ、８ｂは、ダイアフラム２の端部まで達していてもよい。また、センサチップ４接合面と反対の面側であるので、センサチップ４の外形より内側まで溝８が達していてもよい。いずれも、ダイアフラム２の薄い部分の領域を大きくでき、Ｙ軸方向応力の低減効果が高い。

【0050】

また図示しないが、図５で示した第三実施例のようにひょうたん型のダイアフラムを用いた場合においても、第四実施例のようにセンサチップ４接合面の反対の面側に溝８ａ、８ｂを形成することができる。

【0051】

また、第四実施例の歪ゲージの構成としては、第二実施例に記載の構成を採用することもできる。それにより、第二実施例に記載した効果と同様の効果を得ることができる。

【0052】

本発明の第五実施例を、図９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。

【0053】

図９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。第五実施例は、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。

【0054】

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。第五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。

【0055】

第五実施例のような圧力センサアセンブリ２１では、測定対象の配管にねじ止めした際にセンサアセンブリ２１に力が加わると、センサ筐体３に変形が伝わり、センサチップ４中央の応力が変化してセンサ出力が変化することが課題となる場合がある。上記の力の加わり方は、Ｘ軸およびＹ軸に対して等方的になるはずだが、ダイアフラム２の形状に異方性があるために、温度変化に対する挙動と同様に、上記応力にも異方性が発生する。

【0056】

本発明の圧力センサでは、ダイアフラム２の長手方向に溝８ａ、８ｂを形成したことにより、上記のねじ止めの力の影響に対しても、センサチップ４中央に発生するＸ軸方向応力とＹ軸方向応力を近づける効果があり、センサ出力の変化を低減できる。

【0057】

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。

【0058】

本発明の、溝８ａ、８ｂの形成により温度変化に対する出力変化を低減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１０は解析に用いたモデル形状を示す斜視図である。円板状のセンサ筐体の中央に、方形状のセンサチップを設置した形状のモデルとし、接合層は省略した。温度変化に対する出力変化を調べるため、温度を１℃上昇させる解析を実施した。センサチップは材質をシリコンとして線膨張係数を２．５×１０^-6／℃とした。センサ筐体は材質をステンレスとして線膨張係数を１０．８×１０^-6／℃とした。温度を上昇させると、線膨張係数が大きいセンサ筐体の方がより膨張するため、センサチップには全体的に引張応力が生じることとなる。

【0059】

図１１は比較検討した解析モデル形状を示す。Ｘ軸およびＹ軸に対して対称なので、解析はＸＹ対称の１／４モデルで実施し、図１１も１／４の形状を示している。図１１（ａ）に示したモデル１は、センサ筐体がダイアフラムを形成しない円板とした場合であり、センサチップにはＸ軸方向にもＹ軸方向にも同様の応力が働く。図１１（ｂ）に示したモデル２は、Ｘ軸方向を短手、Ｙ軸方向を長手とする長方形のダイアフラムを形成した場合である。図１１（ｃ）に示したモデル３は、モデル２の形状に溝を追加した場合である。溝はセンサチップから見て長手の方向にセンサチップに近接して配置し、溝の短手方向の長さはセンサチップよりも長くした。溝の深さはダイアフラムの厚さの半分とした。

【0060】

図１２は解析結果の応力分布のグラフである。歪ゲージが形成されるセンサチップ表面の応力分布を示す。図１２中に示したように、センサチップの中心からＸ軸に沿って引いたライン上のＸ軸方向応力をＸライン応力、また中心からＹ軸に沿って引いたライン上のＹ軸方向応力をＹライン応力とする。図１２のグラフには、モデル１〜３の解析結果について、Ｘライン応力およびＹライン応力を示した。グラフの横軸はセンサチップ中心からの距離を、センサチップ端部を１として基準化して示しており、グラフの縦軸の応力は、モデル１におけるセンサチップ中央の応力を１として基準化して示した。

【0061】

ダイアフラムのないモデル１では、Ｘライン応力とＹライン応力の分布は一致し、センサチップ中央では引張の応力になる。長方形ダイアフラムを形成したモデル２では、モデル１と比べてセンサチップ中央の応力が低下し、Ｘライン応力はＹライン応力よりも小さくなった。モデル１と比べて、ダイアフラムの部分が薄くなったためにセンサ筐体の剛性が低下し、センサチップを引っ張る力が弱まったために応力が低下した。また、薄いダイアフラムとセンサチップの積層構造では両者の熱膨張差により反り変形（面外曲げ変形）も発生し、反りによる応力はセンサチップ表面では圧縮方向になり、引張応力を少し緩和するように働く。このとき、Ｘ軸方向はダイアフラムが短いために、反り変形の曲率が小さく、センサチップ中央の引張応力の緩和量がＹ軸方向よりも大きい。そのため、歪ゲージのあるセンサチップ中央では、Ｘ軸方向応力がＹ軸方向応力より小さくなり、ＸＹ応力差が発生して出力が変化すると考えられる。溝を形成したモデル３の結果を見ると、Ｘライン応力の分布はモデル２とほぼ変わらないが、Ｙライン応力の分布がモデル２と比べて低下した。センサチップから見てＹ軸方向に溝を形成したことにより、センサ筐体の剛性が低下し、Ｙ軸方向のみセンサチップを引っ張る力が低下し、Ｙ軸方向応力のみを下げることができた。その結果、Ｙ軸方向応力がＸ軸方向応力と近くなり、ＸＹ応力差が低減し、出力変化を低減できる。本解析の結果では、センサチップ中央でのＸＹ応力差は、モデル２で０．０９２、モデル３で０．０３４となった。センサ出力がセンサチップ中央のＸＹ応力差に比例すると仮定すると、温度変化に対するセンサ出力変化（すなわち温度特性）を、溝の追加により約６３％低減できたことになる。

【符号の説明】

【0062】

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
７ａ 第１歪ゲージ
７ｂ 第２歪ゲージ
７ｃ 第３歪ゲージ
７ｄ 第４歪ゲージ
８ａ 第１溝
８ｂ 第２溝
１０ Ｘ中心線
１１ Ｙ中心線
１２ ダイアフラム中央寸法
１３ ダイアフラム端部寸法
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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】