特許 7508744 複数範囲構造を有するセンサ組立体

(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】2024-06-24

(45)【発行日】2024-07-02

(54)【発明の名称】複数範囲構造を有するセンサ組立体

(51)【国際特許分類】

   G01L 1/18 20060101AFI20240625BHJP

   G01L 9/00 20060101ALI20240625BHJP

【ＦＩ】

G01L1/18 A

G01L9/00 303C

【請求項の数】 10

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2020075076

(22)【出願日】2020-04-21

(65)【公開番号】P2020180972

(43)【公開日】2020-11-05

【審査請求日】2023-02-13

(31)【優先権主張番号】16/395,095

(32)【優先日】2019-04-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】510225465

【氏名又は名称】メジャメント スペシャリティーズ， インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100100077

【弁理士】

【氏名又は名称】大場 充

(74)【代理人】

【識別番号】100136010

【弁理士】

【氏名又は名称】堀川 美夕紀

(74)【代理人】

【識別番号】100130030

【弁理士】

【氏名又は名称】大竹 夕香子

(74)【代理人】

【識別番号】100203046

【弁理士】

【氏名又は名称】山下 聖子

(72)【発明者】

【氏名】チェン，ヤーメイ

(72)【発明者】

【氏名】ホフマン，ジェームズ

【審査官】公文代 康祐

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０３４９１２９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１８－１５９５９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００９－５０３４４５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｌ １／１８

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】

センサダイ（１２）を備えるセンサデバイス（１０）であって、前記センサダイ（１２）は、
- 前記センサダイの第１の外側表面（１８）と、前記センサダイ内の埋込みキャビティ（２７）との間に配設されている、前記第１の外側表面からある深さだけ延在する第１の膜体（２４）と、
- 前記埋込みキャビティ（２７）と、前記第１の外側表面の反対側の前記センサダイの第２の外側表面（３４）の凹部（３２）との間に配設されている、第２の膜体（４４）と、
- 前記センサダイ（１２）内に配設されている、検知用の前記第１の膜体（２４）および検知用の前記第２の膜体の移動を測定するための電気検知素子（４８、５４）と、備えるとともに、

前記センサダイ（１２）は、貼り合わされている第１の部材（１４）および第２の部材（１６）を備え、
前記埋込みキャビティ（２７）は、前記第１の部材（１４）と前記第２の部材（１６）との間に形成されており、
前記第１の膜体（２４）は前記第１の部材（１４）と一体であり、
前記電気検知素子（４８、５４）は前記第１の部材（１４）に設けられ、

前記第２の膜体（４４）は前記第２の部材（１６）と一体であり、
前記第２の部材（１６）が前記埋込みキャビティ（２７）を画定する凹部（２６）と、前記センサダイの前記第２の外側表面（３４）の前記凹部（３２）を有する、
センサデバイス（１０）。

【請求項2】

前記電気検知素子は、
- 前記第１の膜体（２４）と隣り合って配置されている第１組の電気検知素子（４８）と、
- 前記第２の膜体（４４）と隣り合って配置されている第２組の電気検知素子（５４）と、を備える、
請求項１に記載のセンサデバイス。

【請求項3】

前記センサデバイス（１０）は、前記電気検知素子と電気接続されている、前記センサダイ（１２）の前記第１の外側表面に沿って露出している電気コンタクト（５８）を更に備える、
請求項１に記載のセンサデバイス。

【請求項4】

前記電気検知素子（４８、５４）は、前記センサダイ（１２）の、前記第１の外側表面と前記埋込みキャビティ（２７）との間に挟まれている領域内に配設されている、
請求項１に記載のセンサデバイス。

【請求項5】

前記第１の膜体（２４）は、前記第２の膜体（４４）の長さとは異なる長さを有するサイズとなっている、
請求項１に記載のセンサデバイス。

【請求項6】

前記第１の膜体（２４）は、前記第２の膜体（４４）の厚さとは異なる厚さを有する、請求項１に記載のセンサデバイス。

【請求項7】

前記埋込みキャビティ（２７）は、前記センサダイ（１２）の外部の環境まで延在するポートを含む、
請求項１に記載のセンサデバイス。

【請求項8】

前記第１の部材（１４）および前記第２の部材（１６）はシリコンから形成されており、
前記第１の部材（１４）および前記第２の部材（１６）は直接接合されている、
請求項１から７のいずれか一項に記載のセンサデバイス（１０）。

【請求項9】

検知用の第１の膜体（２４）と前記第１の膜体と垂直方向に隣り合っている第２の膜体（４４）とが中に配設されているセンサダイ（１２）を備えるセンサデバイス（１０）に、外力をかけるステップであって、
前記センサデバイス（１０）は請求項１から８のいずれか一項に記載のセンサデバイス（１０）であり、

前記センサダイ（１２）は、検知用の前記第１の膜体（２４）と隣り合っている埋込みキャビティ（２７）を備え、前記外力は検知用の前記第１の膜体（２４）に向けられる、外力をかけるステップと、
前記センサダイ（１２）内に配設されている電気検知素子（４８、５４）から、前記外力に応じて前記第１の膜体（２４）および前記第２の膜体（４４）の一方または両方がたわむ量を検出するステップと、
前記センサダイ（１２）の表面上に配設されている電気コンタクト（５８）を通して伝送されるセンサデバイス（１０）として、前記電気検知素子（４８、５４）の出力から、前記外力の前記量を判定するステップと、
を含む、力を検知するための方法。

【請求項10】

前記第１の膜体（２４）は、外力量の第１の範囲内で外力を検出するように構成されており、
前記第２の膜体（４４）は、前記外力量の第１の範囲とは異なる外力量の第２の範囲内で外力を検出するように構成されている、
請求項９に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

センサ素子、ダイヤフラム、または膜体に加わる力の量の判定を目的としたセンサ組立体の使用が、当技術分野で知られている。

【背景技術】

【0002】

物理的要素が加える力の量の判定を目的として、力センサが使用される。従来の力センサは、ダイヤフラムおよびこれと接続された電気検知素子を含む、力センサダイと、センサダイとは別個に製作され作動要素がダイヤフラムの一部と接触するようにセンサダイと組み合わされている、作動要素と、を備える。作動要素は外力を受けるように力センサから延在しており、この外力は次いで作動要素によってセンサダイのダイヤフラム上へと伝達されてダイヤフラムをたわませ、このたわみが電気検知素子によって測定され、その後これらの電気検知素子を使用して、外力を判定するために使用される出力が提供される。
そのような公知の力センサとしては、埋込みキャビティの設計（buried cavity design）を有するものが挙げられ、この場合、ダイヤフラムまたは膜体はセンサダイの表面から埋込みキャビティまで延在してもよく、ダイヤフラム表面に外力が加わると、このことによりダイヤフラムが埋込みキャビティ内へとたわむ。他の公知の力センサは、裏側キャビティの設計（backside cavity design）を有し、この場合、ダイヤフラムまたは膜体はセンサダイの表面から裏側キャビティまで延在してもよく、ダイヤフラム表面に外力が加わると、このことによりダイヤフラムが裏側キャビティ内へとたわむ。そのような公知の力センサ設計の特徴は、正確に判定できる外力の範囲が、ダイヤフラムのたわみの動作範囲およびそこに加わる力を検出する際のダイヤフラムの感度の両方によって、制限されることである。これらのタイプの公知のセンサの各々において、このことにより、正確に測定できる外力の範囲が制限される。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

特定の使用用途では、そのような公知の力センサの能力内に収まらない（例えば、ダイヤフラムまたは膜体が完全なたわみに達し、このためそれ以上は力測定情報を提供できない動作状態を超える）、広い範囲にわたって、外力を判定する必要がある。解決すべき問題は、例えば小さい力条件および大きい力条件に曝されるときに、複数の範囲にわたる外力の測定を可能にするように構築された、ならびに、この複数範囲での力検出能力を、特定の最終使用用途、例えば範囲のある領域で範囲の別の領域と比較して程度の異なる感度が望まれ得る場合に合わせて調整することを目的として、カスタマイズ可能にするように構築された、センサ組立体を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0004】

本発明によれば、本明細書に開示するセンサデバイスは一般に、センサダイの第１の外側表面とセンサダイ内の埋込みキャビティとの間に配設されている、外側表面からある深さだけ延在する第１の膜体を含む、センサダイを備える。センサダイは、第２の膜体を更に含む。第２の膜体は、埋込みキャビティと、第１の外側表面とは反対側のセンサダイの第２の外側表面の凹部との間に配設されている。一例では、センサダイは貼り合わされている第１の部材および第２の部材を備え、この場合、埋込みキャビティは、第１の部材と第２の部材との間に形成されており、第１の膜体は第１の部材と一体である。一例では、第２の膜体は第２の部材と一体である。第１の膜体は、第２の膜体の長さとは異なる長さを有するサイズとなっていてもよい。
第１の膜体は、第２の膜体の厚さとは異なる厚さを有してもよい。センサダイはまた、その中に配設されている、第１および第２の検知膜体の移動を測定するための電気検知素子も含む。一例では、電気検知素子は、センサダイの、第１の外側表面と埋込みキャビティとの間に挟まれている領域内に配設されている。一例では、電気検知素子は、第１の膜体と隣り合って配置されている第１組の電気検知素子と、第２の膜体と隣り合って配置されている第２組の電気検知素子と、を備える。センサデバイスは、電気検知素子と電気接続されている、センサダイの第１の外側表面に沿って露出している電気コンタクトを更に備える。一例では、センサデバイスは力センサである。

【0005】

センサデバイスを使用してそこに加わる力を判定するための方法は、第２の検知膜体が第１の検知膜体の垂直方向下方に配設されている状態で、第１の検知膜体が占有するセンサデバイスの領域に外力をかけるステップを含む。センサデバイスに加わる力は第１の検知膜体をたわませ、場合によっては第２の検知膜体をもたわませ、この場合、各検知膜体のたわみの量は、対応する電気検知素子によって測定される。電気検知素子は、センサデバイスと電気接続されている外部のデバイスによって力の量を判定するために、電気コネクタによってセンサデバイスの外部へと伝送される、出力信号を提供する。一例では、第１の膜体は、外力量の第１の範囲内の外力を検出するように構成されており、第２の膜体は、外力量の第１の範囲とは異なる外力量の第２の範囲内の外力を検出するように構成されている。

【0006】

本明細書に開示するセンサ組立体について、以下で添付の図を参照して例示により記載する。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1A】本明細書に開示する例示的なセンサ組立体の側面断面図である。

【図1B】図１Ａに示した例示的なセンサ組立体の上面図である。

【図1C】図１Ａに示した例示的なセンサ組立体の底面図である。

【図2A】本明細書に開示する例示的なセンサ組立体の側面断面図である。

【図2B】図２Ａに示した例示的なセンサ組立体の上面図である。

【図3】図３Ａから図３Ｄは、図１の例示的なセンサ組立体の側面断面図である。図３Ａは、第１の状態にあるセンサ組立体を示す。図３Ｂは、第２の状態にあるセンサ組立体を示す。図３Ｃは、第３の状態にあるセンサ組立体を示す。図３Ｄは、第４の状態にあるセンサ組立体を示す。

【図4】本明細書に開示する例示的なセンサ組立体に関する、印加力の関数としての膜体のたわみ特性を示すグラフである。

【図5】本明細書に開示する例示的なセンサ組立体に関する、印加力の関数としての膜体の感度特性を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0008】

センサ組立体またはデバイスの実施形態について、同様の参照符号が同様の要素を指す添付の図面を参照して、以下で詳細に記載する。ただし、本明細書に開示するセンサ組立体は、多くの異なる形態でおよび様々な種類の使用に向けて具現化することができ、本明細書に明記する実施形態に限定されるものと解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が十分かつ完全なものとなるように、および、センサ組立体の概念を当業者に完全に伝えるように、提供されている。本明細書に開示するセンサ組立体は、そこに物体が加える力が測定されている用途で使用されてもよく、この場合、そのようなセンサ組立体を力センサと呼ぶ場合がある。しかしながら、本明細書に開示するセンサ組立体を、流体圧などがモニタされている圧力センサ用途などの、物体からセンサ組立体に測定されるべき力が加わっている用途以外の、他の種類の力の記録／モニタリング用途に利用してもよいことを理解されたい。

【0009】

図１Ａは、センサダイ１２を備える、本明細書に開示する例示的なセンサデバイス１０またはセンサ組立体１０を示す。一例では、センサダイ１２は、貼り合わされている、または共に接合されている２つのセンサダイ部材（１４および１６）から形成されてもよい。一例では、第１のセンサダイ部材１４および第２のセンサダイ部材１６はシリコンから形成され、共に直接接合される。センサダイ１２の第１の部材１４は、外側表面１８から下側表面２０の間に延在する厚さを有し、これはセンサダイ１２の縁部２２に沿って見るとき最もよく示されている。センサダイ１２は、第１の部材１４と一体であり第１の部材１４の厚さによって画定される厚さを有する、第１のダイヤフラム２４または第１の膜体２４を備える。一例では、第１の膜体２４の厚さは約２ミクロン超であってもよく、約５から５０ミクロンであってもよい。膜体の厳密な厚さは、特定の最終使用用途および／または第１の膜体２４の所望の感度に応じて異なり得ることを理解されたい。

【0010】

センサダイ１２の第２の部材１６は、以下でよりよく説明するように、第１の部材１４に取り付ける前にエッチング工程などによって第２の部材１６に形成され得る、凹部２６を含む。凹部２６は第１の膜体２４に直接対向して配置されており、センサダイ１２内に、外力に応じて膜体が中でたわむことができるような、埋込みキャビティ２７を提供する。埋込みキャビティ２７は、外部環境へと通気されてもされなくてもよい。通気される場合、埋込みキャビティ２７からセンサダイ１２の所望の部分を通って延在するポートを通して、通気を行うことができる。

【0011】

例えば、埋込みキャビティ２７が通気されていない例では、センサ組立体１０を使用して圧力を測定してもよい。埋込みキャビティ２７が通気されている例では、センサ組立体１０を使用して物理的な力を測定してもよい。一例では、埋込みキャビティ２７は通気され、そのような通気は、例えば埋込みキャビティ２７から延在するポートを通して行われてもよい。第２の部材１６の下側表面２８から埋込みキャビティ２７の閉鎖部３０まで測定した場合の凹部２６の深さは、約０．５ミクロン超であってもよく、約１から１０ミクロンであってもよい。凹部２６の厳密な深さは、第１の膜体２４の厚さ、ならびに、特定の最終使用用途および／または第１の膜体２４のたわみの所望の度合、といった要因に応じて異なり得ることを理解されたい。以下に記載するように、凹部２６または埋込みキャビティ２７の長さは、例えば比較的小さい力において所望の程度の力感度が提供されるように、センサ組立体１０の特定の最終使用に応じて異なることになる。

【0012】

センサダイ１２の第２の部材１６は、第２の部材１６の外側表面３４に沿って配設され裏側キャビティ３６を形成している、凹部３２を備える。裏側キャビティ３６は埋込みキャビティ２７の反対側に配置されている。一例では、凹部３２は、特定のセンサデバイスの最終使用用途にとって望まれる第２の膜体の厚さを提供するようなサイズとなっており、この厚さは、第２の膜体の感度特性を定め得るかまたは感度特性に寄与し得る。

【0013】

この例では、埋込みキャビティ２７は、センサダイ１２内で裏側キャビティ３６の長さよりも小さい長さだけ延在し、埋込みキャビティ２７および裏側キャビティ３６はいずれも、センサダイ１２の厚さを通って延びる共通の垂直軸線に沿って、垂直方向において互いに位置合わせされている。センサダイ１２は、センサダイ１２と一体でありかつ裏側キャビティ３６の閉鎖部３８から第２の部材１６の下側表面２８まで延在する、第２のダイヤフラム４０または第２の膜体４０を含む。第２の膜体４０は、埋込みキャビティ２７の長さに沿って延在する中央部４４と、埋込みキャビティ２７のそれぞれの縁部から裏側キャビティ３６の対応する縁部まで各々延在する、端部部分４６と、を含み、第２の膜体４０の中央部４４の厚さは、第２の膜体４０の端部部分４６の厚さよりも小さい。一例では、第２の膜体４０は、約５ミクロンよりも大きい、および約１０から５００ミクロンである厚さを有し得る、中央部４４を有する。
一例では、第２の膜体４０は、約５ミクロン超であってもよく約５０から５５０ミクロンであってもよい、端部部分４６の厚さを有する。第２の膜体４０の中央部４４および端部部分４６の厳密な厚さは、第１の膜体２４の厚さ、第２の部材１６の全体厚さ、および特定の最終使用センサ組立体の用途、といった要因に応じて異なり得ることを理解されたい。

【0014】

図１Ａに図示されている例では、埋込みキャビティ２７は、センサダイ１２に沿って裏側キャビティ３６の長さよりも短い長さだけ延在する。一例では、そのような構成は、より大きい力において比較的低い程度の力感度で力情報を依然として受け取りながら、より小さい力において力感度の程度の向上を必要とする使用用途において、有用であり得る。

【0015】

図１Ａおよび図１Ｂを参照すると、センサダイ１２は、センサダイ１２、例えばセンサダイ１２の第１の部材１４の外側表面１８に沿って、第１の膜体２４の周縁部と隣り合って配置されている、第１組の電気検知素子４８を備える。第１組の電気検知素子４８は、第１の膜体２４の表面に沿ってそこに加わっている外力に応じた変化を検出するためのホイートストンブリッジ（Wheatstone bridge）回路として構成されており、そのような力の量を判定するための電気信号出力を提供する、ピエゾ抵抗素子などの形態であってよい。第１組の電気コネクタ５０は、第１組の電気検知素子４８から第１組の電気コンタクト５２（図１Ｂに示す）まで延在し、電気コネクタ５０および電気コンタクト５２は、外側表面１８と隣り合って配置されている。
センサダイ１２は、センサダイ１２、例えばセンサダイ１２の第１の部材１４の外側表面１８に沿って、第２の膜体４０の周縁部と隣り合って配置されている、第２組の電気検知素子５４を備える。第２組の電気検知素子５４は、第２の膜体４０の表面に沿ってセンサダイ１２に加わっている外力に応じた変化を検出するためのホイートストンブリッジ回路として構成されており、そのような力の量を判定するための電気信号出力を提供する、ピエゾ抵抗素子などの形態であってよい。第２組の電気コネクタ５６は、第２組の電気検知素子５４から第２組の電気コンタクト５８まで延在し、電気コネクタ５６および電気コンタクト５８は、外側表面１８と隣り合って配置されている。

【0016】

図１Ｂに最もよく示されているように、この例示的なセンサ組立体１０の場合、第１組の電気検知素子４８は、センサダイ１２において、対応する第１の膜体２４および第２の膜体４０の周縁部に対応する第２組の電気検知素子５４の設置位置内に、同心に配置されている。電気コンタクト５２および５８は、第２組の電気検知素子５４から外側に配置されており、例えば電気検知素子が生成した電気信号を受信しそこから力の判定を行うための外部のデバイスの電気端子との電気接続を、容易にするように構成されている。センサは、シリコン基材に電圧バイアスを印加することを目的として、または他のセンサ動作上の目的で、１つまたは複数の他の電気コンタクト６０を含み得る。

【0017】

図１Ｃは、センサ組立体１０のセンサダイ１２の底面図を示しており、センサダイの第２の部材の外側表面３４、および凹部３２から形成されている裏側キャビティ３６が示されている。裏側キャビティ３６に対する埋込みキャビティ２７の相対位置も示されている。

【0018】

一例では、本明細書に開示し図１Ａから図１Ｃに示すセンサ組立体１０は、センサダイ１２の第２の部材１６に凹部３２を形成し、次いで第２の部材１６を第１の部材１４に接合し、このことによりこれらの間に埋込みキャビティ２７を形成することによって、製作されてもよい。第１の部材の外側表面１８は、ドーパント拡散またはイオン注入によって処理されて、電気検知素子４８、電気コネクタ５０、および第１組の電気コンタクト５２と、電気検知素子５４、電気コネクタ５６、および第２組の電気コンタクト５８が形成される。次いで凹部３２が第２の部材１６の外側表面３４に沿って形成されて、裏側キャビティ３６が提供される。これは本明細書に開示するセンサ組立体の一例に過ぎず、そのようなセンサ組立体は、本明細書に開示するような作成方法の範囲内で異なるステップまたは手順に従って形成されてもよいことを理解されたい。

【0019】

図２Ａおよび図２Ｂは、図１Ａから図１Ｂのセンサ組立体１０に関して上記した要素と同じ要素を備える、本明細書に開示する例示的なセンサ組立体８０を示し、そのような要素は例えば、第１の部材１４および第２の部材１６を備えるセンサダイ１２、第１の膜体２４、埋込みキャビティ２７、裏側キャビティ３６、第２の膜体４０、第１組の電気検知素子４８および第２組の電気検知素子５４、第１組の電気コネクタ５０および第２組の電気コネクタ５６、ならびに第１組の電気コンタクト５２および第２組の電気コンタクト５８である（図２Ｂに示す）。ただし、図１Ａから図１Ｃの例とは異なり、埋込みキャビティ２７は、センサダイ１２内に裏側キャビティ３６の長さよりも大きい長さを有して構成されており、この結果、第１の膜体２４は、第２の膜体４０よりも大きい長さを有して構成されている。
そのような例示的なセンサ組立体８０をこの様式で構成する目的は、第１の膜体２４を大きくした構成によって、加わる力の量が比較的小さい場合に比較的程度の大きい力感度および正確な力測定を、ならびに、第２の膜体４０を小さくした構成によって、加わる力の量が比較的大きい場合に比較的程度の小さい力感度および正確な力測定を、実現するためであり得る。

【0020】

図２Ｂに最もよく示されているように、この例示的なセンサ組立体８０の場合、第１組の電気検知素子４８および第１組の電気コネクタ５０ならびに第２組の電気検知素子５４および第２組の電気コネクタ５６の設置位置もまた、センサダイ１２内での第１の膜体２４および第２の膜体４０の周縁部の配置の変更を反映して、図１Ａから図１Ｃの例示的なセンサ組立体１０に関して図示した設置位置とは異なる。この例では、第２組の電気検知素子５４および対応する第２組の電気コネクタ５６は、ここではサイズの大きくなった第１の膜体２４に対する、ここではサイズの小さくなった第２の膜体４０の設置位置を反映して、第１組の電気検知素子４８および対応する第１組のコネクタ５０の内側に、同心に配置されている。第１組の電気コンタクト５２および第２組の電気コンタクト５８は、所望の外部のデバイスと電気的に接触するために、第１組の電気検知素子４８から外側に配置されている。

【0021】

図３Ａから図３Ｄは、印加された外力に対して異なる状態にある、図１Ａから図１Ｃに示した例示的なセンサ組立体を示す。図３Ａは、第１の膜体２４および第２の膜体４０を有するセンサダイ１２を備えるセンサ組立体１００を示す。図３Ａにおいて、作動要素１０２が外側表面１８上に配設され第１の膜体２４の中央部を覆って配置されており、作動要素１０２には外力が加わっていない。図３Ｂは、作動要素１０２には小さい力負荷が加わっており、この力負荷が、第１の膜体２４を、埋込みキャビティ２７内へと途中の深さまでたわませている状態のセンサ組立体１００を示す。この状態において、第１組の電気検知素子４８は、力負荷への感度を示すとともにこの力負荷の量を判定できる情報を提供する、出力信号を提供する。

【0022】

図３Ｃは、作動要素１０２に加わる力負荷が図３Ｂのレベルから増大して、第１の膜体２４を埋込みキャビティ２７内へと更にたわませて埋込みキャビティ２７の閉鎖部３０と接触させている状態の、センサ組立体１００を示す。この状態では、第１の膜体のそれ以上の自由なたわみが妨げられ、この結果、第１組の電気検知素子４８は、更なる力負荷の増大に対してそれほど高い感度を示さなくなる、または、そのような加わる力負荷量を正確に判定するための情報を提供しなくなる場合がある。この時点では、第１の膜体２４および関連する第１組の電気検知素子４８の使用によって比較的小さい力を検知するセンサ組立体１００の能力は、上位の範囲にあり、それ以上の任意の力負荷のモニタリングは、第２の膜体４０および関連する第２組の電気検知素子５４の使用によって、最も良好に行われる。

【0023】

図３Ｄは、作動要素１０２に加わる力負荷が更に大きくなり、今や小さい範囲を出て大きい範囲内にある状態の、センサ組立体１００を示す。この時点では、大きくなった負荷により第１の膜体２４が第２の膜体４０内へと更にたわみ、第２の膜体４０は裏側キャビティ３６内へと移動する。第２組の電気検知素子５４は、その相対的に大きい力負荷への感度を示すとともにこの大きい力負荷の量を判定できる情報を提供する、出力信号を提供する。これらの図は、本明細書に開示するセンサ組立体が、第１および第２の膜体ならびに関連する第１組の電気検知素子および第２組の電気検知素子の使用および構成によって、力感度の程度の改善と印加力の小さい範囲および大きい範囲にわたる力の判定とを実現するよう動作する様子を示すように、機能する。

【0024】

図４は、第１のダイヤフラムまたは膜体２４および第２のダイヤフラムまたは膜体４０のたわみ量を印加力の関数として示す、グラフ２００である。第１の膜体２４のたわみ特性がプロット２０２によって示されており、第２の膜体４０のたわみ特性がプロット２０４によって示されている。示されているように、印加力がゼロから始まって増大するにつれ、プロット２０２から、第１の膜体２４が第２の膜体４０よりも大きい程度までたわむことが見て取れる。グラフ上には、約０．７Ｎのところに垂直な線２０６によって指摘される点が存在し、この点は、第１の膜体２４が、第１の膜体２４のそれ以上の自由なたわみを制限するように動作する埋込みキャビティ２７に、どこで接触するかを表している（この状態は上で開示されており、図３Ｃに図示されている）。この時点以降は、プロット２０４は、第２の膜体４０が示すたわみの度合が大きくなる様子を示しているが、かかる時点より前には、第２の膜体４０のたわみは僅かであった。
プロット２０４は、力をかけ続けると第２の膜体４０が引き続きたわむことを示している。したがって、このグラフは、センサ組立体の第１の膜体２４および第２の膜体４０の、印加力の範囲（この例では第１の膜体２４のたわみについてはゼロから約０．７Ｎ、および第２の膜体４０のたわみについては約０．７から１０Ｎ）に沿ったたわみ特性を示すように機能し、このことにより、これらの膜体にかかる力を力の圧力の範囲の間で判定するための情報を、正確に提供するように機能する。

【0025】

図５は、第１のダイヤフラムまたは膜体２４および第２のダイヤフラムまたは膜体４０の感度量を印加力の関数として示す、グラフ３００である。第１の膜体２４の感度特性がプロット３０２によって示されており、第２の膜体４０の感度特性がプロット３０４によって示されている。示されているように、印加力がゼロから始まって増大するにつれ、プロット３０２から、第１の膜体２４が第２の膜体４０よりも比較的大きいレベルの感度を有することが見て取れる。グラフ上には、約０．７Ｎのところに垂直な線３０６によって指摘される点が存在し、この点は、第１の膜体２４が、第１の膜体２４のそれ以上の自由なたわみを制限するように動作する埋込みキャビティ２７に、どこで接触するかを表している（この状態は上で開示されており、図３Ｃに図示されている）。
この時点以降は、プロット３０２は、第１の膜体２４の感度の急激な低下を示しているが、これとは対照的にプロット３０４は、増大する印加力の関数としてほぼ直線的なまたは線形の感度レベルを示している。測定の正確さを目的として、第２の膜体４０がそのような線形の感度特性を示すことが望まれる。したがって、このグラフは、センサ組立体の第１の膜体２４および第２の膜体４０の、印加力の範囲（この例では第１の膜体２４の感度についてはゼロから約０．７Ｎ、および第２の膜体４０の感度については約０．７から１０Ｎ）に沿った感度特性を示すように機能し、このことにより、これらの膜体にかかる力を力の圧力の範囲の間で判定するための情報を、正確に提供するように機能する。

【0026】

本明細書に開示するセンサ組立体の特徴は、第１の膜体２４と埋込みキャビティ２７と第２の膜体４０と裏側キャビティ３６との使用によって、従来のセンサ組立体では通常は不可能な、ある範囲の力にわたる力の判定を容易にする構造を含む。そのようなセンサ組立体は、力の範囲の様々な領域において所望する測定正確度が得られるように、例えば第１の膜体２４および第２の膜体４０のサイズ決定、埋込みキャビティ２７の深さ、および／または裏側キャビティ３６の深さによって特別に調整したものであってもよい。更に、そのようなセンサ組立体は、埋込みキャビティ２７の存在によって、すなわちこれと接触することによって）、第１の膜体２４のたわみの程度を物理的に制限し、以って使用中の第１の膜体２４の断裂または他の不具合の可能性を最小限にするように動作するが、このことにより、センサ組立体の有効耐用年数を延ばすことができる。更に、本明細書に開示するセンサ組立体は、力センサとして機能する文脈で記載されているが、圧力センサなどの他の用途で使用されてもよい。

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5】