(57)【要約】【課題】ゲージの位置ずれによるセンサ出力への影響を小さくすることができる圧力センサを提供する。【解決手段】薄肉部３３において圧力媒体の圧力が印加される側とは反対側の一面の一方向をＸ方向とし、一面においてＸ方向に垂直な方向をＹ方向とする。２個のセンタゲージＲＢ、ＲＣは、Ｙ方向に沿って並べられていると共に、一方のセンタゲージＲＢのＸ方向中心がＸ方向の一方側に位置し、他方のセンタゲージＲＣのＸ方向中心がＸ方向の一方とは反対側の他方側に位置することにより、Ｘ方向に相対的にずれて配置されている。２個のサイドゲージＲＡ、ＲＤは、薄肉部３３の外縁部３４のうち薄肉部３３の端に位置している。これにより、各ゲージＲＡ〜ＲＤの位置ずれによる影響が相殺される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力媒体の圧力によって歪む薄肉部（３３、６２）と、前記薄肉部の変形に応じて抵抗値が変化する複数のゲージ（ＲＡ〜ＲＤ）と、を備え、
前記複数のゲージは、前記薄肉部の外縁部（３４）に配置されていると共に前記外縁部に発生する圧縮応力に反応する２個のサイドゲージ（ＲＡ、ＲＤ）と、前記薄肉部の中央部（３５）に配置されていると共に前記中央部に発生する引張応力に反応する２個のセンタゲージ（ＲＢ、ＲＣ）と、によってブリッジ回路を構成しており、
前記薄肉部において前記圧力媒体の圧力が印加される側とは反対側の一面（３１、６３）の一方向をＸ方向とし、前記一面において前記Ｘ方向に垂直な方向をＹ方向としたとき、前記２個のセンタゲージは、前記Ｙ方向に沿って並べられていると共に、一方のセンタゲージ（ＲＢ）のＸ方向中心が前記Ｘ方向の一方側に位置し、他方のセンタゲージ（ＲＣ）のＸ方向中心が前記Ｘ方向の一方とは反対側の他方側に位置することにより、前記Ｘ方向に相対的にずれて配置されている圧力センサ。
【請求項２】
前記薄肉部の前記一面が、前記一面の中心を通る第１直線（５０）と、前記一面の中心を通ると共に前記第１直線に直交する第２直線（５１）と、によって四分割されるとすると、
前記２個のセンタゲージは、前記四分割された第１象限と第３象限の領域にそれぞれ位置している、あるいは前記四分割された第２象限と第４象限の領域にそれぞれ位置している請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記２個のサイドゲージは、前記薄肉部の前記外縁部のうち前記薄肉部の端に位置している請求項１または２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、圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、圧力媒体の圧力によって薄肉部が変形したときに発生する歪を、圧力として検出するように構成された圧力センサが、例えば特許文献１で提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２７５１２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般的に、圧力センサは、歪の変化に応じて抵抗値を変化させる４個のゲージを備えている。各ゲージによってホイートストンブリッジ回路が構成されている。各ゲージの抵抗値の変化がセンサ出力に反映される。
【０００５】
また、各ゲージは、薄肉部の中央部に配置された２個のセンタゲージと、薄肉部の端に配置された２個のサイドゲージと、に分けられる。センタゲージは、薄肉部の中央部に発生する引張応力に反応する。サイドゲージは、薄肉部の端に発生する圧縮応力に反応する。
【０００６】
しかしながら、ゲージ形成誤差や薄肉部の加工誤差により、各ゲージの位置ずれが発生する。この位置ずれにより、センタゲージの引張応力が弱まると共に、サイドゲージの圧縮応力が弱まる。センサ出力は引張応力と圧縮応力との差に比例するため、センサ感度の低下や温度特性の悪化が生じてしまう。
【０００７】
本発明は上記点に鑑み、ゲージの位置ずれによるセンサ出力への影響を小さくすることができる圧力センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、圧力媒体の圧力によって歪む薄肉部（３３、６２）と、薄肉部の変形に応じて抵抗値が変化する複数のゲージ（ＲＡ〜ＲＤ）と、を備えている。
【０００９】
複数のゲージは、薄肉部の外縁部（３４）に配置されていると共に外縁部に発生する圧縮応力に反応する２個のサイドゲージ（ＲＡ、ＲＤ）と、薄肉部の中央部（３５）に配置されていると共に中央部に発生する引張応力に反応する２個のセンタゲージ（ＲＢ、ＲＣ）と、によってブリッジ回路を構成している。
【００１０】
また、薄肉部において圧力媒体の圧力が印加される側とは反対側の一面（３１、６３）の一方向をＸ方向とし、一面においてＸ方向に垂直な方向をＹ方向としたとき、２個のセンタゲージは、Ｙ方向に沿って並べられていると共に、一方のセンタゲージ（ＲＢ）のＸ方向中心がＸ方向の一方側に位置し、他方のセンタゲージ（ＲＣ）のＸ方向中心がＸ方向の一方とは反対側の他方側に位置することにより、Ｘ方向に相対的にずれて配置されている。
【００１１】
これによると、２個のセンタゲージが形成時にＸ方向の同じ方向に位置ずれを起こしたとしても、一方のセンタゲージは引張応力が強くなるが、他方のセンタゲージは引張応力が弱くなる。このため、２個のセンタゲージの位置ずれによる影響が相殺される。したがって、ゲージの位置ずれによるセンサ出力への影響を小さくすることができる。
【００１２】
なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態に係る圧力センサの断面図である。
【図２】図２に示されたセンサチップの平面図である。
【図３】各ゲージによって構成されたホイートストンブリッジ回路を示した図である。
【図４】各ゲージが設計中央で形成された場合に各ゲージが受ける歪を示した図である。
【図５】各ゲージが位置ずれを起こして形成された場合に各ゲージが受ける歪を示した図である。
【図６】各ゲージの位置ずれの影響が相殺される内容を説明するための図である。
【図７】比較例の圧力センサを示した平面図である。
【図８】図７に示された比較例の各ゲージが設計中央で形成された場合に各ゲージが受ける歪を示した図である。
【図９】図７に示された比較例の各ゲージが位置ずれを起こして形成された場合に各ゲージが受ける歪を示した図である。
【図１０】比較例において各ゲージの位置ずれの影響が相殺されない内容を説明するための図である。
【図１１】第２実施形態に係る圧力センサの斜視図である。
【図１２】図１１に示された圧力センサのセンサチップ側から見た平面図である。
【図１３】第３実施形態に係る圧力センサの斜視図である。
【図１４】図１３に示された圧力センサを絶縁層側から見た平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
【００１５】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。本実施形態に係る圧力センサは、シリコン・エッチングタイプの中低圧センサとして構成されている。
【００１６】
具体的には、図１及び図２に示されるように、圧力センサは、基台１０、接着剤２０、センサチップ３０、複数のゲージＲＡ〜ＲＤ、及びゲル４０を備えている。基台１０は、土台となる板状の部品であり、当該基台１０を貫通する圧力導入孔１１を備えている。
【００１７】
センサチップ３０は、例えば単結晶シリコンによって構成された単結晶半導体チップである。センサチップ３０は、表面３１及び裏面３２を有する板状に構成されている。センサチップ３０は、表面３１が正方形になっており、裏面３２側の一部が除去された薄肉部３３を有している。
【００１８】
また、薄肉部３３は、センサチップ３０の表面３１に投影された外周端部が八角形となるようにセンサチップ３０に形成されている。このような薄肉部３３の平面形状は、センサチップ３０の裏面３２に形成したマスクの開口形状を八角形にしてセンサチップ３０をエッチングすることにより形成できる。八角形は一例であり、他の多角形でも構わない。
【００１９】
センサチップ３０は、薄肉部３３が基台１０の圧力導入孔１１に対応するように、裏面３２側が接着剤２０によって基台１０に固定されている。薄肉部３３は、センサチップ３０の裏面３２側の受圧面で圧力媒体の圧力を受けて歪み、変位する。
【００２０】
複数のゲージＲＡ〜ＲＤは、薄肉部３３の変形に応じて抵抗値が変化する抵抗体である。センサチップ３０の基材としてＮ型の単結晶シリコン基板が採用された場合、各ゲージＲＡ〜ＲＤはＰ＋型領域としてセンサチップ３０の表面３１側に形成されている。なお、センサチップ３０には配線やパッド等の他の電気的要素も形成されている。
【００２１】
図３に示されるように、各ゲージＲＡ〜ＲＤは、ホイートストンブリッジ回路を構成するように電気的に接続されている。ゲージＲＡ、ＲＢの中点電位（Ｖｐ）とゲージＲＣ、ＲＤの中点電位（Ｖｍ）との電圧差が検出信号として出力される。
【００２２】
図２に示されるように、各ゲージＲＡ〜ＲＤは、薄肉部３３の外縁部３４に配置されている２個のサイドゲージＲＡ、ＲＤと、薄肉部３３の中央部３５に配置されている２個のセンタゲージＲＢ、ＲＣと、に分けられている。２個のサイドゲージＲＡ、ＲＤは、薄肉部３３の外縁部３４に発生する圧縮応力に反応する。２個のセンタゲージＲＢ、ＲＣは、薄肉部３３の中央部３５に発生する引張応力に反応する。
【００２３】
ここで、センサチップ３０の表面３１の一方向をＸ方向とし、表面３１においてＸ方向に垂直な方向をＹ方向と定義する。そして、２個のセンタゲージＲＢ、ＲＣは、Ｙ方向に沿って並べられていると共に、一方のセンタゲージＲＢのＸ方向中心がＸ方向の一方側に位置し、他方のセンタゲージＲＣのＸ方向中心がＸ方向の一方とは反対側の他方側に位置している。つまり、２個のセンタゲージＲＢ、ＲＣは、Ｘ方向に相対的にずれて配置されている。
【００２４】
具体的には、センサチップ３０の表面３１のうち薄肉部３３に対応する一面が、当該一面の中心を通る第１直線５０と、当該一面の中心を通ると共に第１直線５０に直交する第２直線５１と、によって四分割されると定義する。第１直線５０はＸ方向に平行であり、第２直線５１はＹ方向に平行である。薄肉部３３の一面の中心は金属ステム６０の中心軸に一致する。
【００２５】
本実施形態では、第１直線５０はセンサチップ３０の表面３１の一つの対角線に対応し、第２直線５１は他の対角線に対応する。なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、センサチップ３０の表面３１のうち薄肉部３３に対応する一面が特許請求の範囲の「薄肉部の一面」に対応する。
【００２６】
そして、２個のセンタゲージＲＢ、ＲＣのうちの一方のセンタゲージＲＢが四分割された第１象限に位置し、他方のセンタゲージＲＣが第３象限の領域にそれぞれ位置している。変形例として、２個のセンタゲージＲＢ、ＲＣのうちの一方のセンタゲージＲＢが四分割された第２象限に位置し、他方のセンタゲージＲＣが第４象限の領域にそれぞれ位置していても良い。
【００２７】
一方、２個のサイドゲージＲＡ、ＲＤは、２個のセンタゲージＲＢ、ＲＣよりも薄肉部３３の外縁部３４側に位置している。図２の配置例では、２個のサイドゲージＲＡ、ＲＤは、第１直線５０上に位置している。また、２個のサイドゲージＲＡ、ＲＤは、薄肉部３３の外縁部３４のうち薄肉部３３の端に位置している。
【００２８】
なお、図２に示された各ゲージＲＡ〜ＲＤのパターン形状は一例であり、第１直線５０あるいは第２直線５１に対して対称になっていても良いし、非対称になっていても良い。
【００２９】
ゲル４０は、基台１０の圧力導入孔１１とセンサチップ３０の裏面３２とで構成される空間部に充填されていると共に圧力媒体の圧力を薄肉部３３に伝達する保護部材である。ゲル４０として、フッ素ゲルやシリコーンゲル等が採用される。ゲル４０により、薄肉部３３の腐食防止、異物の混入防止等を図ることができる。
【００３０】
次に、各ゲージＲＡ〜ＲＤが上記のように配置された効果について説明する。まず、図４及び図５に示されるように、薄肉部３３及び周囲に発生する歪分布ε（＝ｆ（Ｘ））は、薄肉部３３の中央部３５では引張応力のピークを持ち、薄肉部３３の外縁部３４側では圧縮応力のピークを持つ分布となる。
【００３１】
そして、各ゲージＲＡ〜ＲＤの位置が設計中央となるように形成されたとする。この場合、図４に示されるように、２個のセンタゲージＲＢ、ＲＣはＸ＝０の位置からずらされて配置されているが、ほぼ同じ大きさの引張応力の歪を受ける。同様に、２個のサイドゲージＲＡ、ＲＤもほぼ同じ大きさの圧縮応力の歪を受ける。
【００３２】
一方、各ゲージＲＡ〜ＲＤが設計中央に対してＸ方向に位置ずれを起こして形成されたとする。これは例えば各ゲージＲＡ〜ＲＤの形成用マスクの位置ずれ等によって起こる。この場合、図５に示されるように、全てのゲージＲＡ〜ＲＤがＸ方向の同じ方向に位置ずれを起こす。なお、図５の破線は各ゲージＲＡ〜ＲＤの元の位置を示している。
【００３３】
しかしながら、２個のセンタゲージＲＢ、ＲＣのうち、一方のセンタゲージＲＢは引張応力が強くなるが、他方のセンタゲージＲＣは引張応力が弱くなる。また、２個のサイドゲージＲＡ、ＲＤのうち、一方のサイドゲージＲＡは圧縮応力が強くなるが、他方のサイドゲージＲＤは圧縮応力が弱くなる。
【００３４】
このため、図６に示されるように、ホイートストンブリッジ回路に流れる入力電流をＩｉｎとし、各中点電位の電位差をＶｏｕｔとして表されるセンサ出力は、上記の位置ずれによる影響が相殺される。すなわち、２個のセンタゲージＲＢ、ＲＣの位置ずれによる引張応力は一方が減少して他方が増加することで位置ずれによる影響が相殺され、２個のサイドゲージＲＡ、ＲＤの位置ずれによる圧縮応力は一方が増加して他方が減少することで位置ずれによる影響が相殺される。したがって、各ゲージＲＡ〜ＲＤの位置ずれによるセンサ出力への影響を小さくすることができる。
【００３５】
これに対し、図７の比較例では、各ゲージＲＡ〜ＲＤの位置ずれによる影響が相殺されない。比較例では、２個のセンタゲージＲＢ、ＲＣのＸ方向中心が第２直線５１上に位置するようにＹ方向に並べられ、２個のサイドゲージＲＡ、ＲＤは一部が薄肉部３３の外縁部３４に配置され、他の部分が薄肉部３３の外側に配置されている。
【００３６】
この配置では、各ゲージＲＡ〜ＲＤの位置が設計中央となるように形成された場合、図８に示されるように、２個のセンタゲージＲＢ、ＲＣはＸ＝０の位置においてほぼ同じ大きさの引張応力の歪を受ける。また、２個のサイドゲージＲＡ、ＲＤは圧縮応力のピーク付近におけるほぼ同じ大きさの歪を受ける。
【００３７】
しかし、各ゲージＲＡ〜ＲＤが設計中央に対してＸ方向に位置ずれを起こして形成された場合、図９に示されるように、２個のセンタゲージＲＢ、ＲＣはＸ＝０の位置に対して同じ距離の位置ずれを起こすため、２個のセンタゲージＲＢ、ＲＣは両方とも引張応力が弱くなる。また、２個のサイドゲージＲＡ、ＲＤについても両方とも圧縮応力が強くなる。なお、図９の破線は比較例における各ゲージＲＡ〜ＲＤの元の位置を示している。
【００３８】
このため、図１０に示されるように、２個のセンタゲージＲＢ、ＲＣの位置ずれによる引張応力の影響が大きくなり、２個のサイドゲージＲＡ、ＲＤの位置ずれによる圧縮応力の影響も大きくなる。したがって、各ゲージＲＡ〜ＲＤの位置ずれによる影響が相殺されず、センサ出力にも影響を及ぼしてしまう。
【００３９】
以上のように、比較例に対して図２のように各ゲージＲＡ〜ＲＤが配置されることで、各ゲージＲＡ〜ＲＤに位置ずれが発生したときに各ゲージＲＡ〜ＲＤが受ける歪の変化を相殺することができる。圧力検出部を小型化するほど各ゲージＲＡ〜ＲＤの位置ずれによる影響が顕著になるので、圧力検出部を小型化する上での効果が高いと言える。
【００４０】
（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態に係る圧力センサは、ガラス接合タイプの高圧センサとして構成されている。
【００４１】
具体的には、図１１及び図１２に示されるように、圧力センサは、金属ステム６０、接合ガラス７０、及びセンサチップ３０を備えている。
【００４２】
金属ステム６０は、圧力媒体が導入される圧力導入孔が設けられた中空筒形状の金属製の部品である。本実施形態では、金属ステム６０は円筒状に構成されていると共に、圧力導入孔は円柱状に構成されている。金属ステム６０は、例えばＳＵＳを材料として形成されている。
【００４３】
金属ステム６０は、圧力導入孔の一方を閉じるように中空筒形状の一端部６１に設けられていると共に圧力導入孔に導入された圧力媒体の圧力によって歪む薄肉部６２を有している。薄肉部６２は、圧力媒体の圧力によって変形可能な薄肉状の受圧手段である。
【００４４】
接合ガラス７０は、金属ステム６０の一端部６１のうち薄肉部６２において圧力媒体の圧力が印加される側とは反対側の端面である一面６３に設けられている。接合ガラス７０は、センサチップ３０を金属ステム６０の一面６３のうち薄肉部６２に対応する部分に固定するための接合手段である。
【００４５】
センサチップ３０は、表面３１が長方形の板状に構成されている。センサチップ３０は裏面３２側が接合ガラス７０によって金属ステム６０に固定されている。これにより、金属ステム６０の薄肉部６２の変形が接合ガラス及びセンサチップ３０を構成する基材を介して各ゲージＲＡ〜ＲＤに伝わる。
【００４６】
変形例として、センサチップ３０は、エポキシ系接着剤や焼結銀ペースト等によって金属ステム６０に固定されても良い。圧力センサは以上のように構成されていても良い。
【００４７】
なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、金属ステム６０の一面３１のうち薄肉部６２に対応する一面が特許請求の範囲の「薄肉部の一面」に対応する。
【００４８】
（第３実施形態）
本実施形態では、第１、第２実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態に係る圧力センサは、蒸着タイプの高圧センサである。
【００４９】
図１３及び図１４に示されるように、圧力センサは、金属ステム６０、絶縁層８０、及び複数のゲージＲＡ〜ＲＤを備えている。
【００５０】
絶縁層８０は、金属ステム６０の中心軸を中心に一面６３のほぼ全体に配置されている。絶縁層８０は、金属ステム６０の薄肉部６２と共に変形する。絶縁層８０は、例えばＳｉＯ２等である。絶縁層８０は、ＣＶＤ法等によって形成される。なお、絶縁層８０は単層で構成されていても良いし、複数の層で構成されていても良い。
【００５１】
各ゲージＲＡ〜ＲＤは、マスクを用いた蒸着法等によって絶縁層８０の上に薄膜として形成される。絶縁層８０には配線やパッド等の他の電気的要素も形成されている。圧力センサは以上のように構成されていても良い。
【００５２】
（他の実施形態）
上記各実施形態で示された圧力センサの構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、圧力センサは、弾性体で圧力を受け、歪変化をホイーストンブリッジ回路で検出する原理であれば、いかなる構成でも良い。弾性体は、金属であっても単結晶Ｓｉであっても良い。金属の場合、材料としてはＳＵＳ６３０や低線膨張金属（コバール、ＨＲＡ９２９、Ｄ−Ａｌｌｏｙ）等がある。
【符号の説明】
【００５３】
３１、６３  一面
３３、６２  薄肉部
３４        外縁部
３５        中央部
ＲＡ、ＲＤ  サイドゲージ
ＲＢ、ＲＣ  センタゲージ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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