特許 7049522 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】

(24)【登録日】2022-03-29

(45)【発行日】2022-04-06

(54)【発明の名称】圧力センサ

(51)【国際特許分類】

   G01L 9/00 20060101AFI20220330BHJP

   H01L 29/84 20060101ALI20220330BHJP

【ＦＩ】

G01L9/00 303E

H01L29/84 B

H01L29/84 A

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2021502225

(86)(22)【出願日】2020-02-21

(86)【国際出願番号】 JP2020007236

(87)【国際公開番号】W WO2020175408

(87)【国際公開日】2020-09-03

【審査請求日】2021-06-18

(31)【優先権主張番号】P 2019036554

(32)【優先日】2019-02-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000010098

【氏名又は名称】アルプスアルパイン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100135183

【弁理士】

【氏名又は名称】大窪 克之

(74)【代理人】

【識別番号】100085453

【弁理士】

【氏名又は名称】野▲崎▼ 照夫

(74)【代理人】

【識別番号】100108006

【弁理士】

【氏名又は名称】松下 昌弘

(72)【発明者】

【氏名】矢澤 久幸

(72)【発明者】

【氏名】大川 尚信

(72)【発明者】

【氏名】石曽根 昌彦

(72)【発明者】

【氏名】高橋 亨

(72)【発明者】

【氏名】大塚 彩子

【審査官】公文代 康祐

(56)【参考文献】

【文献】特開２００６－００３０９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－２７９６２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１３／０１４５８５３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００２－３７３９９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－３２８４３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００７／０１５２６７９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許第０６００６６０７（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｌ ７／００－２３／３２

Ｇ０１Ｌ ２７／００－２７／０２

Ｈ０１Ｌ ２９／８４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

シリコン基板に形成されたダイヤフラムと、前記ダイヤフラムの歪みに応じて抵抗値が変化する複数のピエゾ素子領域とを有する圧力センサであって、
前記複数のピエゾ素子領域は、第１ピエゾ素子領域、第２ピエゾ素子領域、第３ピエゾ素子領域および第４ピエゾ素子領域を有し、
前記第１ピエゾ素子領域と前記第２ピエゾ素子領域とが第１出力端子を介して直列接続され、前記第３ピエゾ素子領域と前記第４ピエゾ素子領域とが第２出力端子を介して直列接続され、前記第１ピエゾ素子領域と前記第３ピエゾ素子領域とが入力端子を介して接続され、前記第２ピエゾ素子領域と前記第４ピエゾ素子領域とが接地端子を介して接続され、前記第１ピエゾ素子領域から前記第４ピエゾ素子領域によってフルブリッジ回路が構成され、
前記ダイヤフラムが歪んだときに、前記第２ピエゾ素子領域および前記第３ピエゾ素子領域のそれぞれの抵抗値は大きくなり、前記第１ピエゾ素子領域および前記第４ピエゾ素子領域の抵抗値は小さくなるように形成されており、
前記ダイヤフラムは、所定の圧力を受けて撓んだ際の最大応力値の８０％以上となる最大撓み領域を有し、
前記第１ピエゾ素子領域、前記第２ピエゾ素子領域、前記第３ピエゾ素子領域および前記第４ピエゾ素子領域は、前記最大撓み領域内に配置された、ことを特徴とする圧力センサ。

【請求項2】

前記第１ピエゾ素子領域、前記第２ピエゾ素子領域、前記第３ピエゾ素子領域および前記第４ピエゾ素子領域のそれぞれにおける長手方向の長さは、短手方向の長さの２倍以上１０倍以下である、ことを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。

【請求項3】

前記第１ピエゾ素子領域、前記第２ピエゾ素子領域、前記第３ピエゾ素子領域および前記第４ピエゾ素子領域のそれぞれは、複数のピエゾ素子要素を有し、
前記ダイヤフラムの平面視において、前記第１ピエゾ素子領域と前記第４ピエゾ素子領域とが対向して配置され、前記第２ピエゾ素子領域と前記第３ピエゾ素子領域とが対向して配置され、
前記第１ピエゾ素子領域および前記第４ピエゾ素子領域は、前記ダイヤフラムが撓む方向と直交する方向に前記ピエゾ素子要素の長手方向が配置され、
第２ピエゾ素子領域および前記第３ピエゾ素子領域は、前記ダイヤフラムが撓む方向と同じ方向に前記ピエゾ素子要素の長手方向が配置された、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。

【請求項4】

前記ダイヤフラムの平面視は４辺を有する略四角形に構成され、
前記ダイヤフラムの平面視において、前記第１ピエゾ素子領域と前記第４ピエゾ素子領域とが前記ダイヤフラムの対向する２辺のそれぞれの略中央部に配置され、前記第２ピエゾ素子領域と前記第３ピエゾ素子領域とが前記ダイヤフラムの対向する他の２辺のそれぞれの略中央部に配置された、請求項３記載の圧力センサ。

【請求項5】

前記第１ピエゾ素子領域、前記第２ピエゾ素子領域、前記第３ピエゾ素子領域および前記第４ピエゾ素子領域のそれぞれは、複数のピエゾ素子要素を有し、
前記第１ピエゾ素子領域および前記第４ピエゾ素子領域のそれぞれの前記ピエゾ素子要素の形状は、前記第２ピエゾ素子領域および前記第３ピエゾ素子領域のそれぞれの前記ピエゾ素子要素の形状と相違する、請求項１から４のいずれか１項に記載の圧力センサ。

【請求項6】

前記第１ピエゾ素子領域、前記第２ピエゾ素子領域、前記第３ピエゾ素子領域および前記第４ピエゾ素子領域のそれぞれは、複数のピエゾ素子要素を有し、
前記第１ピエゾ素子領域および前記第４ピエゾ素子領域のそれぞれの前記複数のピエゾ素子要素の数は、第２ピエゾ素子領域および第３ピエゾ素子領域のそれぞれの前記複数のピエゾ素子要素の数と異なる、ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の圧力センサ。

【請求項7】

前記第１ピエゾ素子領域、前記第２ピエゾ素子領域、前記第３ピエゾ素子領域および前記第４ピエゾ素子領域のそれぞれの前記複数のピエゾ素子要素はミアンダ形状に接続された、請求項３から６のいずれか１項に記載の圧力センサ。

【請求項8】

前記第１ピエゾ素子領域、前記第２ピエゾ素子領域、前記第３ピエゾ素子領域および前記第４ピエゾ素子領域のそれぞれにおける長手方向の長さは、前記ダイヤフラムの１つの辺の長さの１／５以下である、請求項２に記載の圧力センサ。

【請求項9】

前記第１ピエゾ素子領域、前記第２ピエゾ素子領域、前記第３ピエゾ素子領域および前記第４ピエゾ素子領域のそれぞれにおける長手方向の長さは、前記ダイヤフラムの１つの辺の長さの１／６以上１／５以下である、請求項８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、圧力センサに関し、より詳しくは、ダイヤフラムの歪みに応じて抵抗値が変化する複数のピエゾ素子を有する圧力センサに関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術などを用いてダイヤフラムを形成し、歪みに応じて抵抗値が変化するピエゾ素子をダイヤフラムに設けた圧力センサが知られている。

【0003】

特許文献１には、圧力の検出感度を向上させた半導体圧力センサが開示される。この半導体圧力センサでは、ピエゾ抵抗素子の形状として、ダイヤフラムの変形時に大きな応力の発生する領域にピエゾ抵抗素子の多くの部分が配置されるようにしている。

【0004】

特許文献２には、優れた検出精度を有する物理量センサーが開示される。この物理量センサーでは、応力が多く加わるダイヤフラムの外縁部にピエゾ抵抗部を配置することによってピエゾ抵抗素子の抵抗値変化をより大きくすることができ、その結果ブリッジ回路の出力変化を大きくできるようになっている。

【0005】

特許文献３には、ダイヤフラムと感応抵抗素子との相対位置ずれによる影響が小さい半導体圧力センサが開示される。この半導体圧力センサでは、ピエゾ抵抗素子の熱変動に起因する通電変動を抑制するために、各ピエゾ抵抗部のピエゾ抵抗素子群配置領域の面積をすべて同じで、かつ領域の外形形状を同形状にしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０００－２１４０２７号公報

【文献】特開２０１５－１７９０００号公報

【文献】特開２０１２－００２６４６号公報

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ダイヤフラムおよびピエゾ素子を用いた圧力センサでは、４つのピエゾ素子によってブリッジ回路を構成し、ダイヤフラムの歪に応じて変化する抵抗値に基づき出力（圧力）を計測している。このため、ダイヤフラムの撓みによる応力の分布と、４つのピエゾ素子のレイアウトとの関係が、ブリッジ回路の出力値のばらつきや、圧力センサの出力に含まれる高次の非線形成分の発生に大きな影響を及ぼす。

【0008】

本発明は、ダイヤフラムおよびピエゾ素子を用いた圧力センサにおいて、高精度で、高出力を得ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するため、本発明の一態様は、シリコン基板に形成されたダイヤフラムと、ダイヤフラムの歪みに応じて抵抗値が変化する複数のピエゾ素子領域とを有する圧力センサである。この圧力センサにおいて、複数のピエゾ素子領域は、第１ピエゾ素子領域、第２ピエゾ素子領域、第３ピエゾ素子領域および第４ピエゾ素子領域を有する。第１ピエゾ素子領域と第２ピエゾ素子領域とは第１出力端子を介して直列接続される。第３ピエゾ素子領域と第４ピエゾ素子領域とは第２出力端子を介して直列接続される。第１ピエゾ素子領域と第３ピエゾ素子領域とは入力端子を介して接続される。第２ピエゾ素子領域と第４ピエゾ素子領域とは接地端子を介して接続される。そして、第１ピエゾ素子領域から第４ピエゾ素子領域によってフルブリッジ回路が構成される。ダイヤフラムが歪んだときに、第２ピエゾ素子領域および第３ピエゾ素子領域のそれぞれの抵抗値は大きくなり、第１ピエゾ素子領域および第４ピエゾ素子領域の抵抗値は小さくなるように形成される。ダイヤフラムは、所定の圧力を受けて撓んだ際の最大応力値の８０％以上となる最大撓み領域を有する。第１ピエゾ素子領域、第２ピエゾ素子領域、第３ピエゾ素子領域および第４ピエゾ素子領域は、ダイヤフラムの最大撓み領域内に配置される。

【0010】

このような構成によれば、複数のピエゾ素子領域のそれぞれがダイヤフラムの最大撓み領域内に配置されるため、ダイヤフラムの歪による応力を各ピエゾ素子領域で十分かつ均等に受けることができる。これにより、圧力センサの出力に含まれる高次の非線形成分が抑制され、全体構成（ダイヤフラムサイズや厚さなど）を変えることなく、ブリッジ回路の出力電圧を最大化させることができる。

【0011】

上記圧力センサにおいて、第１ピエゾ素子領域、第２ピエゾ素子領域、第３ピエゾ素子領域および第４ピエゾ素子領域のそれぞれにおける長手方向の長さは、短手方向の長さの２倍以上１０倍以下程度であることが好ましい。これにより、各ピエゾ素子領域の歪抵抗特性を維持しつつ、各ピエゾ素子領域を最大撓み領域内にレイアウトできるようになる。

【0012】

上記圧力センサにおいて、第１ピエゾ素子領域、第２ピエゾ素子領域、第３ピエゾ素子領域および第４ピエゾ素子領域のそれぞれは、複数のピエゾ素子要素を有し、ダイヤフラムの平面視において、第１ピエゾ素子領域と第４ピエゾ素子領域とが対向して配置され、第２ピエゾ素子領域と第３ピエゾ素子領域とが対向して配置され、第１ピエゾ素子領域および第４ピエゾ素子領域は、ダイヤフラムが撓む方向と直交する方向にピエゾ素子要素の長手方向が配置され、第２ピエゾ素子領域および第３ピエゾ素子領域は、ダイヤフラムが撓む方向と同じ方向にピエゾ素子要素の長手方向が配置されていてもよい。これにより、各ピエゾ素子領域の歪抵抗特性を維持しつつ、複数のピエゾ素子要素を最大撓み領域内にレイアウトできるようになる。

【0013】

上記圧力センサにおいて、ダイヤフラムの平面視は４辺を有する略四角形に構成され、ダイヤフラムの平面視において、第１ピエゾ素子領域と第４ピエゾ素子領域とがダイヤフラムの対向する２辺のそれぞれの略中央部に配置され、第２ピエゾ素子領域と第３ピエゾ素子領域とがダイヤフラムの対向する他の２辺のそれぞれの略中央部に配置されていてもよい。これにより、各ピエゾ素子領域の歪抵抗特性を維持しつつ、各ピエゾ素子領域を最大撓み領域内にレイアウトできるようになる。

【0014】

上記圧力センサにおいて、第１ピエゾ素子領域、第２ピエゾ素子領域、第３ピエゾ素子領域および第４ピエゾ素子領域のそれぞれは、複数のピエゾ素子要素を有し、第１ピエゾ素子領域および第４ピエゾ素子領域のそれぞれのピエゾ素子要素の形状は、第２ピエゾ素子領域および第３ピエゾ素子領域のそれぞれのピエゾ素子要素の形状と相違してもよい。これにより、各ピエゾ素子領域の歪抵抗特性を維持しつつ、複数のピエゾ素子要素を最大撓み領域内にレイアウトできるようになる。

【0015】

上記圧力センサにおいて、第１ピエゾ素子領域、第２ピエゾ素子領域、第３ピエゾ素子領域および第４ピエゾ素子領域のそれぞれは、複数のピエゾ素子要素を有し、第１ピエゾ素子領域および第４ピエゾ素子領域のそれぞれの複数のピエゾ素子要素の数は、第２ピエゾ素子領域および前記第３ピエゾ素子領域のそれぞれの複数のピエゾ素子要素の数と異なっていてもよい。これにより、各ピエゾ素子領域に含まれる複数のピエゾ素子要素を最大撓み領域内にレイアウトできるようになる。

【0016】

上記圧力センサにおいて、第１ピエゾ素子領域、第２ピエゾ素子領域、第３ピエゾ素子領域および第４ピエゾ素子領域のそれぞれの複数のピエゾ素子要素はミアンダ形状に接続されていてもよい。これにより、各ピエゾ素子領域の歪抵抗特性を維持しつつ、複数のピエゾ素子要素を最大撓み領域内にレイアウトできるようになる。

【0017】

上記圧力センサにおいて、第１ピエゾ素子領域、第２ピエゾ素子領域、第３ピエゾ素子領域および第４ピエゾ素子領域のそれぞれにおける長手方向の長さは、ダイヤフラムの１つの辺の長さの１／５以下程度であることが好ましく、１／６以上１／５以下であることがより好ましい。これにより、各ピエゾ素子領域の歪抵抗特性を維持しつつ、各ピエゾ素子領域を最大撓み領域内にレイアウトできるようになる。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、ダイヤフラムおよびピエゾ素子を用いた圧力センサにおいて、高精度で、高出力を得ることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本実施形態に係る圧力センサを例示する平面図である。

【図2】（ａ）および（ｂ）は、ピエゾ素子領域の構成を例示する平面図である。

【図3】本実施形態に係る圧力センサの回路構成図である。

【図4】（ａ）および（ｂ）は、ダイヤフラムの応力分布を示す図である。

【図5】（ａ）および（ｂ）は、ダイヤフラムの応力分布を示す図である。

【図6】（ａ）および（ｂ）は、略四角形のダイヤフラムを用い、本実施形態を適用していない圧力センサの出力値の非線形性を示す図である。

【図7】（ａ）および（ｂ）は、略四角形のダイヤフラムを用い、本実施形態を適用した圧力センサの出力値の非線形性を示す図である。

【図8】（ａ）および（ｂ）は、円形のダイヤフラムの応力分布を示す図である。

【図9】（ａ）および（ｂ）は、円形のダイヤフラムを用い、本実施形態を適用した圧力センサの出力値の非線形性を示す図である。

【図10】（ａ）および（ｂ）は、円形のダイヤフラムを用い、本実施形態の他の例を適用した圧力センサの出力値の非線形性を示す図である。

【発明を実施するための最良の形態】

【0020】

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。

【0021】

（圧力センサの構成）
図１は、本実施形態に係る圧力センサを例示する平面図である。
図２（ａ）および（ｂ）は、ピエゾ素子領域の構成を例示する平面図である。
図３は、本実施形態に係る圧力センサの回路構成図である。

【0022】

図１に示すように、本実施形態に係る圧力センサ１は、シリコン基板２に形成されたダイヤフラム３と、ダイヤフラム３の歪みに応じて抵抗値が変化する複数のピエゾ素子領域Ａ～Ｄとを有する。

【0023】

シリコン基板２としては、例えばＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板が用いられる。ＳＯＩ基板は、第１シリコン基板と第２シリコン基板とを、酸化層（例えばＳｉＯ₂）を挟んで積層した構成を有する。例えば第１シリコン基板を上側、第２シリコン基板を下側とした場合、第２シリコン基板にキャビティ（凹部）が形成されており、キャビティ上の酸化層および第１シリコン基板によりダイヤフラム３が形成される。図１では、ダイヤフ

ラム３の領域を破線で示している。

【0024】

ダイヤフラム３の平面視は４辺を有する略四角形に構成される。略四角形には、四角形の隅部が僅かに丸みを帯びている形状や、四角形の隅部が斜めに面取りされている形状が含まれる。

【0025】

本実施形態では、複数のピエゾ素子領域Ａ～Ｄとして、第１ピエゾ素子領域Ａ、第２ピエゾ素子領域Ｂ、第３ピエゾ素子領域Ｃおよび第４ピエゾ素子領域Ｄの４つが設けられる。ここで、ピエゾ素子領域Ａ～Ｄとは、後述する複数のピエゾ素子要素Ｐ１、Ｐ２によって構成される外接矩形領域のことをいう。

【0026】

第１ピエゾ素子領域Ａと第２ピエゾ素子領域Ｂとは、第１出力端子１１を介して直列接続される。第３ピエゾ素子領域Ｃと第４ピエゾ素子領域Ｄとは、第２出力端子１２を介して直列接続される。また、第１ピエゾ素子領域Ａと第３ピエゾ素子領域Ｃとは、入力端子２１を介して接続される。第２ピエゾ素子領域Ｂと第４ピエゾ素子領域Ｄとは、接地端子２２を介して接続される。

【0027】

このような第１ピエゾ素子領域Ａ、第２ピエゾ素子領域Ｂ、第３ピエゾ素子領域Ｃおよび第４ピエゾ素子領域Ｄによって図３に示すフルブリッジ回路が構成される。すなわち、第１ピエゾ素子領域Ａの特性と第４ピエゾ素子領域Ｄの特性とは等しく、第２ピエゾ素子領域Ｂの特性と第３ピエゾ素子領域Ｃの特性とは等しく、第１ピエゾ素子領域Ａの特性と第２ピエゾ素子領域Ｂの特性とは異なっている。

【0028】

そして、ダイヤフラム３の平面視形状が略四角形の場合、ダイヤフラム３の平面視において、第１ピエゾ素子領域Ａと第４ピエゾ素子領域Ｄとがダイヤフラム３の対向する２辺のそれぞれの略中央部に配置され、第２ピエゾ素子領域Ｂと第３ピエゾ素子領域Ｃとがダイヤフラム３の対向する他の２辺のそれぞれの略中央部に配置される。

【0029】

第１出力端子１１、第２出力端子１２、入力端子２１および接地端子２２は、いずれもシリコン基板２のダイヤフラム３の外側の領域に形成される。第１出力端子１１、第２出力端子１２、入力端子２１および接地端子２２のそれぞれには接続配線３１が設けられ、この接続配線３１を介して各ピエゾ素子領域Ａ～Ｄが導通接続される。

【0030】

このダイヤフラム３に圧力が印加され、ダイヤフラム３が歪む（変位する）と、その歪みに応じて第１ピエゾ素子領域Ａ、第２ピエゾ素子領域Ｂ、第３ピエゾ素子領域Ｃおよび第４ピエゾ素子領域Ｄのそれぞれの抵抗値が変化し、４つのピエゾ素子領域Ａ～Ｄによって形成されたブリッジ回路の中点電位が変化する。

【0031】

ダイヤフラム３に圧力が付与されたときの変位は、一対の第１ピエゾ素子領域Ａおよび第４ピエゾ素子領域Ｄに対しては圧縮方向に作用して抵抗値が小さくなるように働き、対向する一対の第２ピエゾ素子領域Ｂおよび第３ピエゾ素子領域Ｃに対しては引っ張り方向に作用して抵抗値が大きくなるように働く。

【0032】

このように、第１ピエゾ素子領域Ａ、第２ピエゾ素子領域Ｂ、第３ピエゾ素子領域Ｃおよび第４ピエゾ素子領域Ｄのそれぞれに作用する圧縮方向および引っ張り方向の力によって変化する抵抗値により変位する中点電位が、圧力センサ１のセンサ出力となる。

【0033】

このような本実施形態に係る圧力センサ１において、第１ピエゾ素子領域Ａ、第２ピエゾ素子領域Ｂ、第３ピエゾ素子領域Ｃおよび第４ピエゾ素子領域Ｄのそれぞれは、ダイヤフラム３の最大撓み領域Ｓ内に配置されている。ここで、ダイヤフラム３の最大撓み領域Ｓとは、ダイヤフラム３が所定の圧力を受けて撓んだ際、ダイヤフラム３に加わる最大応力値の８０％以上となる領域のことをいう。

【0034】

第１ピエゾ素子領域Ａ、第２ピエゾ素子領域Ｂ、第３ピエゾ素子領域Ｃおよび第４ピエゾ素子領域Ｄのそれぞれがダイヤフラム３の最大撓み領域Ｓ内に配置されることで、ダイヤフラム３の歪による応力を各ピエゾ素子領域Ａ～Ｄで十分かつ均等に受けることができる。

【0035】

すなわち、ダイヤフラム３の最大撓み領域Ｓにはダイヤフラム３が歪んだ際の最大応力値の８０％以上の応力が加わる。この最大撓み領域Ｓ内に各ピエゾ素子領域Ａ～Ｄが配置されていることで、各ピエゾ素子領域Ａ～Ｄのそれぞれに印加される応力は、全体的かつ集中的に印加されることになる。これにより、圧力センサ１の出力に含まれる高次の非線形成分が抑制され、全体構成（ダイヤフラム３のサイズや厚さなど）を変えることなく、ブリッジ回路の出力電圧を最大化させることができる。

【0036】

（ピエゾ素子領域の構成）
次に、ピエゾ素子領域の構成について説明する。
図２（ａ）には、第４ピエゾ素子領域Ｄの構成が例示される。なお、第１ピエゾ素子領域Ａは、第４ピエゾ素子領域Ｄと対称な形状であるため、ここでは第４ピエゾ素子領域Ｄに基づき説明を行う。

【0037】

第４ピエゾ素子領域Ｄは、複数のピエゾ素子要素Ｐ１を有する。本実施形態では、３つのピエゾ素子要素Ｐ１がミアンダ形状に接続されている。１つのピエゾ素子要素Ｐ１は平面視で長方形になっており、ダイヤフラム３の撓み方向（ダイヤフラム３の辺と直交する方向）ＤＤが短手方向、撓み方向ＤＤと直交する方向が長手方向となっている。これにより、第４ピエゾ素子領域Ｄのピエゾ素子要素Ｐ１では、ダイヤフラム３の歪みによって圧縮応力を受け、抵抗値が小さくなるように働く。３つのピエゾ素子要素Ｐ１は、全て最大撓み領域Ｓ内に配置される。

【0038】

図２（ｂ）には、第２ピエゾ素子領域Ｂの構成が例示される。なお、第３ピエゾ素子領域Ｃは、第２ピエゾ素子領域Ｂと対称な形状であるため、ここでは第２ピエゾ素子領域Ｂに基づき説明を行う。

【0039】

第２ピエゾ素子領域Ｂは、複数のピエゾ素子要素Ｐ２を有する。本実施形態では、５つのピエゾ素子要素Ｐ２がミアンダ形状に接続されている。１つのピエゾ素子要素Ｐ２は平面視で長方形になっており、ダイヤフラム３の撓み方向ＤＤが長手方向、撓み方向ＤＤと直交する方向が長手方向となっている。これにより、第２ピエゾ素子領域Ｂのピエゾ素子要素Ｐ２では、ダイヤフラム３の歪みによって引っ張り応力を受け、抵抗値が大きくなるように働く。５つのピエゾ素子要素Ｐ２は、全て最大撓み領域Ｓ内に配置される。

【0040】

ここで、一対の第１ピエゾ素子領域Ａおよび第４ピエゾ素子領域Ｄの出力と、一対の第２ピエゾ素子領域Ｂおよび第３ピエゾ素子領域Ｃの出力との相似性を高めるため、これらの領域（外接矩形領域）は相似的になっていることが好ましい。すなわち、第４ピエゾ素子領域Ｄ（第１ピエゾ素子領域Ａ）の長手方向の長さをａ、短手方向の長さをｂ、第２ピエゾ素子領域Ｂ（第３ピエゾ素子領域Ｃ）の長手方向の長さをｃ、短手方向の長さをｄとした場合、ａ≒ｃおよびｂ≒ｄを同時に満たす。つまり、ａ／ｂおよびｃ／ｄは、ほぼ同じである。

【0041】

また、ａ／ｂおよびｃ／ｄは、２以上１０以下程度、好ましくは６程度に設定するとよい。さらに、ａおよびｃは、ダイヤフラム３の一辺の長さの、０超１／５以下程度であることが好ましく、１／６以上１／５以下であることより好ましい。ピエゾ素子要素が配置されるピエゾ素子領域（第１ピエゾ素子領域Ａから第４ピエゾ素子領域Ｄ）は、ダイヤフラム３が圧力に応じて撓む変形を測定するために必須であるが、ピエゾ素子領域が過度に大きくなると、ピエゾ素子領域がダイヤフラム３の変形の程度に与える影響が大きくなり、感度の低下など測定結果に影響を与えることが懸念される。そこで、上記のようにピエゾ素子領域（第１ピエゾ素子領域Ａから第４ピエゾ素子領域Ｄ）がダイヤフラム３の一辺の長さの１／５以下程度とすることにより、ピエゾ素子領域がダイヤフラム３の変形（撓み）に与える影響が適切に抑制される。それゆえ、各ピエゾ素子領域Ａ～Ｄの歪抵抗特性を維持しつつ、各ピエゾ素子領域Ａ～Ｄを最大撓み領域Ｓ内にレイアウトでき、圧力センサ１の感度を向上させることができる。、

【0042】

また、第４ピエゾ素子領域Ｄ（第１ピエゾ素子領域Ａ）と第２ピエゾ素子領域Ｂ（第３ピエゾ素子領域Ｃ）とは相似的な領域ではあるものの、第４ピエゾ素子領域Ｄ（第１ピエゾ素子領域Ａ）の長手方向と、第２ピエゾ素子領域Ｂ（第３ピエゾ素子領域Ｃ）の長手方向とは、互いに９０度相違している。一方、第４ピエゾ素子領域Ｄ（第１ピエゾ素子領域Ａ）のピエゾ素子要素Ｐ１の長手方向と、第２ピエゾ素子領域Ｂ（第３ピエゾ素子領域Ｃ）のピエゾ素子要素Ｐ２の長手方向とは、互いに一致している。

【0043】

このように、９０度向きが異なるピエゾ素子領域Ａ，ＤおよびＢ，Ｃに、長手方向が同じ向きとなる複数のピエゾ素子要素Ｐ１、Ｐ２を、総面積が等しくなるように配置するため、第４ピエゾ素子領域Ｄ（第１ピエゾ素子領域Ａ）のピエゾ素子要素Ｐ１の数は、第２ピエゾ素子領域Ｂ（第３ピエゾ素子領域Ｃ）のピエゾ素子要素Ｐ２の数とは異なっている。これにより、各ピエゾ素子領域Ａ～Ｄに含まれる複数のピエゾ素子要素Ｐ１、Ｐ２を最大撓み領域Ｓ内にレイアウトできるようになる。

【0044】

また、第４ピエゾ素子領域Ｄ（第１ピエゾ素子領域Ａ）のピエゾ素子要素Ｐ１の形状は、第２ピエゾ素子領域Ｂ（第３ピエゾ素子領域Ｃ）のピエゾ素子要素Ｐ２の形状と相違している。これにより、各ピエゾ素子領域Ａ～Ｄの歪抵抗特性を維持しつつ、複数のピエゾ素子要素Ｐ１、Ｐ２を最大撓み領域Ｓ内にレイアウトできるようになる。

【0045】

（ダイヤフラムの応力分布）
図４（ａ）から図５（ｂ）は、ダイヤフラムの応力分布を示す図である。図４（ａ）および図５（ａ）にはダイヤフラム３の平面視の応力分布が示され、図４（ｂ）には図４（ａ）のＡ－Ａ線における応力分布が示され、図５（ｂ）には図５（ａ）のＢ－Ｂ線における応力分布が示される。

【0046】

図４（ａ）および（ｂ）に示すように、略四角形のダイヤフラム３における中央部での応力分布は、辺の近傍が最も高く、中央部にも高い領域が存在する。図５（ａ）および（ｂ）に示すように、略四角形のダイヤフラム３における辺に沿った位置での応力分布は、中央部が最も高く、隅部に向かうほど低くなっている。

【0047】

ダイヤフラム３が歪んだ際の応力を集中的に受けられるようにするため、各ピエゾ素子領域Ａ～Ｄは、ダイヤフラム３の最大応力値の８０％以上となる最大撓み領域Ｓ内に配置される。図４および図５に示す例では、最大応力４５Ｍｐａであるため、その８０％以上である３６Ｍｐａ以上の領域が最大撓み領域Ｓとなる。本例では、最大撓み領域Ｓの長手方向の長さは約１１９μｍ、短手方向の長さは約１０μｍである。このサイズの最大撓み領域Ｓ内に複数のピエゾ素子要素Ｐ１、Ｐ２が配置される。

【0048】

（ダイヤフラムの非線形性）
上記のように、ダイヤフラム３の応力分布は各辺において辺中央が辺端部に比べて高応力となる非線形な分布をもつ。上下のピエゾ素子領域の抵抗変化と左右のピエゾ素子領域の抵抗変化は、ダイヤフラム３の各辺に対する位置関係および方向が対称でないと異なる特性を示すことになる。その結果、圧力非線形性に複雑な高次の成分が発生することになる。

【0049】

本実施形態に係る圧力センサ１では、第１ピエゾ素子領域Ａから第４ピエゾ素子領域Ｄがダイヤフラム３の最大撓み領域Ｓ内に配置されている。このように、本実施形態では、上下ピエゾ抵抗素子、左右ピエゾ抵抗素子をそれぞれの応力分布に対して最適化した構造とすることで、抵抗変化効果が相殺されることで圧力特性のリニアリティ特性の高次の成分を抑制することが可能となる。
また、応力分布変化が集中する最大撓み領域Ｓ内に、各ピエゾ素子領域Ａ～Ｄを共に最適配置するため、センサブリッジ回路の出力電圧を最大化するうえでも有効となる。

【0050】

図６（ａ）および（ｂ）は、略四角形のダイヤフラムを用い、本実施形態を適用していない圧力センサの出力値の非線形性を示す図である。図６（ａ）には、略四角形のダイヤフラム３に対する各ピエゾ素子領域Ａ～Ｄの配置状態が示され、図６（ｂ）には圧力誤差の非線形性（一次近似からのずれ、二次近似からのずれ）が示される。図６（ａ）に示す圧力センサでは、各ピエゾ素子領域Ａ～Ｄの一部が最大撓み領域Ｓから外れた位置に配置される。

【0051】

このように、各ピエゾ素子領域Ａ～Ｄの一部が最大撓み領域Ｓから外れた位置に配置された圧力センサでは、図６（ｂ）に示すように、圧力に対する圧力誤差の一次近似からのずれが崩れた三次関数のようになっており、二次近似からのずれも７０Ｐａ程度の誤差が生じている。圧力誤差に高次成分が含まれているほど、補正回路による補正が難しくなり、測定精度の低下を招きやすい。

【0052】

図７（ａ）および（ｂ）は、略四角形のダイヤフラムを用い、本実施形態を適用した圧力センサの出力値の非線形性を示す図である。図７（ａ）には、略四角形のダイヤフラム３に対する各ピエゾ素子領域Ａ～Ｄの配置状態が示され、図７（ｂ）には圧力誤差の非線形性（一次近似からのずれ、二次近似からのずれ）が示される。図７（ａ）に示す圧力センサでは、各ピエゾ素子領域Ａ～Ｄが最大撓み領域Ｓ内に配置される。

【0053】

このように、各ピエゾ素子領域Ａ～Ｄが最大撓み領域Ｓ内に配置された圧力センサでは、図７（ｂ）に示すように、二次近似からのずれが非常に小さくなっている（約１６Ｐａ程度）。また、一次近似からのずれは二次曲線的になっている。これは、高次の誤差成分を減少できているためである。このように、高次の誤差成分が減少することで、補正回路による補正精度が向上し、測定精度を高めることが可能となる。なお、補正回路による補正精度の観点から、圧力誤差は、一次近似を基準としたときに小さくなることが最良であり、次に好ましいのは二次近似を基準としたときに小さくなること、さらに次に好ましいのは三次近似を基準としたときに小さくなることである。これらのうち、最も測定誤差を少なくできる近似に合わせて補正回路を構成すればよい。

【0054】

（ダイヤフラムの他の形状の例）
図８（ａ）および（ｂ）は、円形のダイヤフラムの応力分布を示す図である。図８（ａ）にはダイヤフラム３の平面視の応力分布が示され、図８（ｂ）に（ａ）のＣ－Ｃ線における応力分布が示される。

【0055】

図８（ａ）および（ｂ）に示すように、円形のダイヤフラム３では、中心を通る線に沿った位置での応力分布は、ダイヤフラム３の境界（端部）が最も高く、中心部にも高い領域が存在する。円形のダイヤフラム３では、中心を通るどの線上であっても同様な応力分布になる。円形のダイヤフラム３において、最大応力値の８０％以上となる領域は、ダイヤフラム３の境界に沿った領域と、ダイヤフラム３の中央部分の一部領域とが存在する。しかし、この場合の最大撓み領域Ｓは、最大応力値の８０％以上の領域で、最大応力値を含む領域とする。このため、円形のダイヤフラム３における最大撓み領域Ｓは、ダイヤフラム３の境界に沿ったドーナツ状の領域となる。

【0056】

図８に示す例では、最大応力３６Ｍｐａであるため、その８０％以上である２８．８Ｍｐａ以上の領域のうちダイヤフラム３の境界に沿ったドーナツ状の領域が最大撓み領域Ｓとなる。本例では、最大撓み領域Ｓの幅（径方向の長さ）は約１７．２μｍである。このサイズの最大撓み領域Ｓ内に複数のピエゾ素子要素Ｐ１、Ｐ２が配置される。

【0057】

（ダイヤフラムの非線形性）
図９（ａ）および（ｂ）は、円形のダイヤフラムを用い、本実施形態を適用した圧力センサの出力値の非線形性を示す図である。図９（ａ）には、円形のダイヤフラム３に対する各ピエゾ素子領域Ａ～Ｄの配置状態が示され、図９（ｂ）には圧力誤差の非線形性（一次近似からのずれ、二次近似からのずれ）が示される。図９に示す圧力センサでは、各ピエゾ素子領域Ａ～Ｄが最大撓み領域Ｓ内に配置される。図９（ａ）に示す圧力センサでは、各ピエゾ素子領域Ａ～Ｄが最大撓み領域Ｓ内に配置される。各ピエゾ素子領域Ａ～Ｄの形状は、図７（ａ）に示す略四角形のダイヤフラム３に配置した各ピエゾ素子領域Ａ～Ｄの形状と同様である。

【0058】

このように、各ピエゾ素子領域Ａ～Ｄが円形のダイヤフラム３の最大撓み領域Ｓ内に配置された圧力センサでは、図９（ｂ）に示すように、二次近似からのずれが非常に小さくなっている（約５Ｐａ程度）。また、一次近似からのずれは二次曲線的になっているため、補正回路によって補正しやすく、測定精度を高めることが可能となる。

【0059】

図１０（ａ）および（ｂ）は、円形のダイヤフラムを用い、本実施形態の他の例を適用した圧力センサの出力値の非線形性を示す図である。図１０（ａ）には、円形のダイヤフラム３に対する各ピエゾ素子領域Ａ～Ｄの配置状態が示され、図１０（ｂ）には圧力誤差の非線形性（一次近似からのずれ、二次近似からのずれ）が示される。図１０（ａ）に示す圧力センサでは、各ピエゾ素子領域Ａ～Ｄが最大撓み領域Ｓ内に配置されるとともに、各ピエゾ素子領域Ａ～Ｄが円形のダイヤフラム３の周に沿うような扇型の領域となっている。

【0060】

このように、各ピエゾ素子領域Ａ～Ｄが円形のダイヤフラム３の最大撓み領域Ｓ内に配置され、さらにダイヤフラム３の周に沿うような扇型の領域になっている圧力センサでは、図１０（ｂ）に示すように、二次近似からのずれが非常に小さくなっている（約５Ｐａ程度）。また、一次近似からのずれは二次曲線的になっているため、補正回路によって補正しやすく、測定精度を高めることが可能となる。さらに、一次近似からのずれは、図９に示す圧力センサよりも小さくなっている。図１０に示す圧力センサは、図９に示す圧力センサよりも最適化されていることが分かる。

【0061】

以上説明したように、本実施形態によれば、ダイヤフラム３およびピエゾ素子を用いた圧力センサ１において、高精度で、高出力を得ることが可能になる。

【0062】

なお、上記に本実施形態を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。例えば、上記の例では略四角形のダイヤフラム３について説明したが、略四角形以外の多角形であってもよい。また、複数のピエゾ素子領域はダイヤフラム３の中心を直交する軸上に対称に配置される場合のほか、ダイヤフラム３の中心を交差（非直交）する軸上に配置されるものであってもよい。また、前述の各実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、各実施形態の構成例の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含有される。

【符号の説明】

【0063】

１…圧力センサ
２…シリコン基板
３…ダイヤフラム
１１…第１出力端子
１２…第２出力端子
２１…入力端子
２２…接地端子
３１…接続配線
Ａ…第１ピエゾ素子領域
Ｂ…第２ピエゾ素子領域
Ｃ…第３ピエゾ素子領域
Ｄ…第４ピエゾ素子領域
ＤＤ…撓み方向
Ｐ１…ピエゾ素子要素
Ｐ２…ピエゾ素子要素
Ｓ…最大撓み領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】