(57)【要約】【課題】圧力センサの小型、高精度化を図る。【解決手段】Ｚｒ、ＴｉまたはＰｄを主成分とした過冷却液体領域を有し金属ガラスを生成する組成の合金を過冷却液体領域で鍛造してダイアフラムである起歪部（２）を形成し、この起歪部（２）の表面に絶縁膜（７）を形成し、この絶縁膜（７）上に金属又は半導体薄膜の歪みゲージ（８）を形成する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｚｒ、ＴｉまたはＰｄを主成分とした過冷却液体領域を有し金属ガラスを生成する組成の合金を過冷却液体領域で鍛造して起歪部を形成し、この起歪部の表面に絶縁膜を形成し、この絶縁膜上に金属又は半導体薄膜の歪みゲージを形成したことを特徴とする物理量検出器。
【請求項２】
Ｚｒ、ＴｉまたはＰｄを主成分とした過冷却液体領域を有し金属ガラスを生成する組成の合金を過冷却液体領域で鍛造して起歪部を形成し、この起歪部の表面に絶縁膜を形成し、この絶縁膜上に第一の導体薄膜を形成すると共に第二の導体薄膜を第一の導体薄膜に対向配置したことを特徴とする物理量検出器。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の物理量検出器において、絶縁膜を形成する起歪部の表面は、表面粗さが０．２μｍ以下の成形型の表面を鍛造により転写して形成したことを特徴とする物理量検出器。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の物理量検出器において、筒部の一端を上記起歪部で閉塞したセンサ部材を備え、このセンサ部材を上記合金により一体成形したことを特徴とする物理量検出器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体圧又は荷重を測定するための物理量検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
物理量検出器である圧力センサは、円筒部の一端を起歪部で閉じたセンサ部材を備え、起歪部をダイアフラムとして使用するようになっている。
【０００３】
この圧力センサは次のような工程で作られる。
【０００４】
まず、耐食性が良好で弾性限界が高いＳＵＳ６３０等の金属材料を切削等の機械加工をすることによりセンサ部材を形成する。
【０００５】
この機械加工したセンサ部材のダイアフラムの上面をポリッシングにより鏡面仕上げする。
【０００６】
ポリッシングしたダイアフラムの上面に絶縁膜をＣＶＤ法又はスパッタリング法により成膜し、絶縁膜の上に半導体歪みゲージをＣＶＤ法又はスパッタリング法により成膜する。
【０００７】
この半導体歪みゲージをフォトリソグラフィにより所定の形状にパターンエッチングする。
【０００８】
歪みゲージの上に、回路に接続するための電極を金、アルミニウム等で形成し、さらに歪みゲージを水蒸気等から保護するためのＳｉＮ等の保護膜を形成する。
【０００９】
以上のようにして作られた圧力センサは所定の圧力測定箇所に設置され、ダイアフラムの歪みゲージと反対側の面にガス等の流体が導入される。流体圧によりダイアフラムに歪みが生じると、その歪みは絶縁膜を介して歪みゲージに伝えられる。歪みゲージが歪むと、その抵抗値が変化する。これにより、圧力センサは圧力の変化を抵抗の変化に変換して出力する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来、圧力センサの量産性を良くするため、センサ部材の外径寸法を同じにしてダイアフラムの厚さを変えることにより各種圧力レンジに対応できるようにしている。このセンサ部材には析出硬化型のステンレス鋼ＳＵＳ６３０が多く使用されているが、この材料を使用するとダイアフラムの厚さが薄くなるに従って加工精度の確保が困難になり、またダイアフラムの径を大きくしても直線性等の特性が悪化するため、最小の圧力レンジは０．３ＭＰａが限界とされる。また、センサ部材を所定の形状に仕上げるためには、機械加工、ラッピング加工が必要であることから、加工コストが高くなる。また、センサ部材を鍛造加工で成形する場合、圧力センサを小さくするべく円筒部の中心穴径を小さくすると、この中心穴を加工するためのピン型の押し出し用パンチが細くなって変形しやすくなり、このパンチの変形により中心穴深さ、円筒部の内外径の同心度等の精度が低下するおそれがある。さらに、ＳＵＳ６３０は塩素を含む酸等に対し耐食性が低いので、測定対象の選択に制限がある。
【００１１】
本発明は、上記諸問題点を解決することができる物理量検出器を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、Ｚｒ、ＴｉまたはＰｄを主成分とした過冷却液体領域を有し金属ガラスを生成する組成の合金を過冷却液体領域で鍛造して起歪部（２）を形成し、この起歪部（２）の表面に絶縁膜（７）を形成し、この絶縁膜（７）上に金属又は半導体薄膜の歪みゲージ（８）を形成した物理量検出器を採用する。
【００１３】
この請求項１に係る発明によれば、流体圧により起歪部（２）に歪みが生じると、その歪みは絶縁膜（７）を介して歪みゲージ（８）に伝えられ、歪みゲージ（８）はその歪みにより抵抗値を変え、ブリッジ回路を歪みゲージで構成することにより圧力、荷重の変化を電圧変化として出力する。この起歪部（２）は、Ｚｒ、ＴｉまたはＰｄを主成分とした過冷却液体領域を有し金属ガラスを生成する組成の合金を過冷却液体領域で鍛造することにより形成するので、起歪部（２）を薄肉化又は小径化することができる。従って、起歪部（２）の径を同じにした場合に起歪部（２）の厚さを様々に変えて各種の圧力レンジに対応することができ、最小の圧力レンジも低下させることができる。また、起歪部（２）の径を大きくしても直線性等の特性を維持することができる。また、殊に塩素を含む酸、アルカリ等の流体に対し耐食性が高く、腐食性流体を測定対象とするセンサとして使用可能である。また、起歪部（２）はその上の歪みゲージ（８）と熱膨張係数が近いので熱安定性に優れ、従って種々の温度領域において圧力、荷重を精度良く測定することができる。さらに、起歪部（２）の鍛造加工に要する力が小さくて済むので、小荷重の鍛造装置で加工することができ、従って設備費及び加工費を低減することができる。
【００１４】
また、請求項２の発明は、Ｚｒ、ＴｉまたはＰｄを主成分とした過冷却液体領域を有し金属ガラスを生成する組成の合金を過冷却液体領域で鍛造して起歪部（２）を形成し、この起歪部（２）の表面に絶縁膜（７）を形成し、この絶縁膜（７）上に第一の導体薄膜（１１）を形成すると共に第二の導体薄膜（１２）を第一の導体薄膜（１１）に対向配置した物理量検出器を採用する。
【００１５】
この請求項２に係る発明によれば、流体圧により起歪部（２）に弾性変形が生じ、起歪部（２）上に形成されている絶縁膜（７）と第一の導体薄膜（１１）も共に変形する。第一の導体薄膜（１１）の変形により第一と第二の導体薄膜（１１，１２）間の距離（Ａ）が変化して静電容量が増減し、この静電容量の変化により圧力、荷重の変化が出力される。この起歪部（２）は、Ｚｒ、ＴｉまたはＰｄを主成分とした過冷却液体領域を有し金属ガラスを生成する組成の合金を過冷却液体領域で鍛造することにより形成するので、起歪部（２）を薄肉化又は小径化することができる。従って、起歪部（２）の径を同じにした場合に起歪部（２）の厚さを様々に変えて各種の圧力レンジに対応することができ、最小の圧力レンジも低下させることができる。また、起歪部（２）の径を大きくしても直線性等の特性を維持することができる。また、殊に塩素を含む酸、アルカリ等の流体に対し耐食性が高く、腐食性流体を測定対象とするセンサとしても使用可能である。また、起歪部（２）の鍛造加工に要する力が小さくて済むので、小荷重の鍛造装置で加工することができ、従って設備費及び加工費を低減することができる。
【００１６】
また、請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の物理量検出器において、絶縁膜（７）を形成する起歪部（２）の表面（２ａ）は、表面粗さが０．２μｍ以下の成形型（６）の表面（６ａ）を鍛造により転写して形成した物理量検出器を採用する。
【００１７】
この請求項３に係る発明によれば、過冷却液体領域で鍛造により起歪部（２）の表面（２ａ）に成形型（６）の表面（６ａ）が転写されることにより、起歪部（２）の表面（２ａ）が成形型の表面（６ａ）の表面粗さとなり、従って起歪部（２）に対する切削加工、ラッピング加工等の後加工が不要となり加工コストを削減することができる。
【００１８】
また、請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の物理量検出器において、筒部（３）の一端を上記起歪部（２）で閉塞するセンサ部材（１）を備え、このセンサ部材（１）を上記合金により一体成形した物理量検出器を採用する。
【００１９】
この請求項４に係る発明によれば、筒部（３）を形成するためのパンチ（５）を細くしても成形に要する荷重が小さくて済むためパンチ（５）が変形し難く、筒部（３）の中心穴（３ａ）の深さ、内外径の同心度等の精度が向上し、従って物理量検出器の小型化が可能になる。また、一工程でセンサ部材を形成することができるので、加工コストを低減することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２１】
＜実施の形態１＞
図１に示すように、この物理量検出器である圧力センサは、後述する材料及び製造方法により作られるセンサ部材１をセンサ本体として備える。
【００２２】
センサ部材１は、ダイアフラム２である起歪部のみを備えたものであってもよいが、望ましくは図１に示すようにダイアフラム２である起歪部で一端が閉塞される筒部３を備えたキャップとして形成される。起歪部は図示例では板状の平面部として形成されるが、片方の面を円錐状に形成したものであってもよい。また、筒部３は円筒が多く用いられるが、角筒であってもよい。
【００２３】
このセンサ部材１は、Ｚｒ、ＴｉまたはＰｄを主成分とした過冷却液体領域を有し金属ガラスを生成する組成の合金で形成される。この合金としては、Ｚｒが５５％、Ａｌが２０％、Ｎｉが２５％の組成のＺｒ基金属ガラス、Ｚｒが６０％、Ａｌが１０％、Ｎｉが１０％、Ｃｕが１５％、Ｐｂが５％の組成のＺｒ基金属ガラス、Ｐｄが４０％、Ｃｕが３０％、Ｎｉが１０％、Ｐが２０％のＰｄ基金属ガラス、Ｔｉ基金属ガラス等を用いることができる。
【００２４】
センサ部材１は、上記合金を過冷却液体領域で鍛造することにより形成される。
【００２５】
この鍛造は、図２に示す成形型を用いて行われる。
成形型は、図２（Ａ）に示すように、凹部４ａを有する金型４と、凹部４ａに対し出入りするピン型のパンチ５とを備える。凹部４ａ内にはパンチ５と対向するようにメコマ６が収納される。メコマ６のパンチ５に対峙する表面６ａはセンサ部材１の起歪部であるダイアフラム２に対応し、例えば表面粗さが０．２μｍ以下の平滑な表面に形成される。凹部４ａの内面はセンサ部材１の筒部３の外周面に対応し、メコマ６の表面よりも粗い表面として形成される。
【００２６】
図２（Ａ）に示すように、この金型４の凹部４ａ内に上記合金のバルク１ａを挿入し、過冷却液体領域まで加熱し、次いで同図（Ｂ）に示すようにパンチ５を凹部４ａ内に押し込んでバルク１ａを鍛造加工する。
【００２７】
バルク１ａとして上述のＺｒ５５％、Ａｌ２０％、Ｎｉ２５％の合金を用いるものとすると、この合金はガラス遷移温度Ｔｇが約４７０℃、結晶化温度Ｔｘが約５４０℃で、ＴｇとＴｘの間すなわち４７０℃から５４０℃の間に過冷却液体領域があり、この領域では１０ＭＰａ程度の応力で変形する。この変形応力は、従来の金属材料の冷間鍛造における変形応力の１／１０〜１／１００であり、従って小さい鍛造力でセンサ部材１を成形することができる。このように成形に必要な力が低減することにより、センサ部材１を鍛造する際のパンチ５の変形が小さくなることから、センサ部材１の筒部３における中心穴３ａの深さ、内外径の同心度等の精度が向上する。殊に起歪部であるダイアフラム２の厚さを薄くしても出力のばらつきが小さくなるので、感度が高く精度の良い圧力センサを製作することができる。また、加工力が小さくて済むことから、成形型の剛性を低減することができ、鍛造機の強度も低目に設定することができる。
【００２８】
ちなみに、このバルク１ａの合金の室温でのヤング率は約８０ＧＰａ、引っ張り強度は約１８００ＭＰａであり、一方センサ部材として多く使用されるＳＵＳ６３０のヤング率は約２００ＧＰａ、引っ張り強度は約１３１０ＭＰａである。各材料で同一形状のダイアフラム２を作り、このダイアフラム２に最大３０００μεの歪みを得る圧力を比較すると、この合金のダイアフラム２に比べＳＵＳ６３０のダイアフラムの場合は約２．５倍の圧力が必要となる。従って、この合金のダイアフラム２によれば１／２．５の圧力レンジの圧力センサを作ることが出来る。この時の応力は歪みにヤング率をかけることにより求められ、従って同じ歪みの場合ダイアフラムにかかる応力は１／２．５となってヒステリシス、最大許容圧力等の特性が優れたセンサとなる。
【００２９】
この鍛造により、バルク１ａは同図（Ｃ）に示すダイアフラム２と筒部３を備えたセンサ部材１として成形され、そのダイアフラム２の表面２ａには成形型のメコマ６の表面６ａが転写される。金型４から取り出されたセンサ部材１のダイアフラム２の表面２ａはメコマ６の表面６ａの表面粗さと同程度になっており、ダイアフラム２に切削加工、ラップ加工等の後加工を行うことなく成膜処理をすることができる。すなわち、上記合金は過冷却液体領域で鍛造加工すると転写性が良いため、成形型のメコマ６の表面粗さが例えば０．２μｍ以下に仕上げてあるとダイアフラム２はその表面粗さで仕上げられ、従ってダイアフラム２に半導体歪みゲージをＣＶＤ法で形成するに先立ってダイアフラム２の表面２ａに切削加工、砥粒加工等を施す必要がない。
【００３０】
上記のように成形されたセンサ部材１の起歪部であるダイアフラム２の表面２ａには、図１に示すように、絶縁膜７、金属又は半導体薄膜の歪みゲージ８、電極９、保護膜１０等が積層形成される。
【００３１】
これらの各層は次に述べるような工程で形成される。
【００３２】
まず、上述の鍛造したセンサ部材１のダイアフラム２の表面２ａをポリッシングにより鏡面に仕上げる。
【００３３】
ポリッシングしたダイアフラム２の表面２ａにＳｉＯ２の絶縁膜７をＣＶＤ法により成膜し、絶縁膜７の上にＰ−Ｓｉ半導体歪みゲージ８をＣＶＤ法により成膜する。
【００３４】
この半導体歪みゲージ８の膜をフォトリソグラフィにより所定の形状にパターンエッチングする。
【００３５】
歪みゲージ８の上に、回路に接続するための電極９を金、アルミニウム等で形成する。
【００３６】
最後に、歪みゲージ８を水蒸気等から保護するためのＳｉＮ等の保護膜１０を形成して圧力センサ、荷重センサ等の物理量検出器として仕上げる。
【００３７】
次に、上記構成の物理量検出器としての圧力センサの作用について説明する。
【００３８】
この圧力センサはそのセンサ部材１の筒部３が配管等に固定されることにより所望の圧力検出箇所に設置される。
【００３９】
ガス、液体等の流体は筒部３の中心穴３ａを導入孔としてセンサ部材１内に導入され、ダイアフラム２の裏面に至る。ダイアフラム２が流体の圧力により弾性変形すると、その歪みは絶縁膜７を介して歪みゲージ８に伝えられ、歪みゲージ８はその歪みにより抵抗値を変える。これにより、歪みゲージ８は圧力の変化を抵抗の変化に変換して電気信号として出力する。
【００４０】
歪みゲージ８の出力は図示しないボンドワイヤ、中継基板、入出力端子等を経て圧力センサ外に取り出され、流体の圧力情報として所定の制御装置へと送られる。
【００４１】
この圧力センサのダイアフラム２はその上の歪みゲージ８と熱膨張係数が近いので熱安定性に優れ、従って種々の温度領域において圧力、荷重を精度良く測定することができる。この圧力センサのセンサ部材１を構成する上記合金の熱膨張係数は８×１０−６（１／℃）であり、従来使用されているＳＵＳ６３０の熱膨張係数が１１×１０−６（１／℃）であるのに比べて、Ｓｉ単結晶の熱膨張係数である３×１０−６（１／℃）により近い値となっている。このため、この圧力センサにおいては歪みゲージ８にかかる熱歪みが低減し、温度安定性が高い。
【００４２】
また、この圧力センサは、そのセンサ部材１を構成する合金が酸、アルカリ等の腐食性流体に対し耐食性が高いので、こうした腐食性流体の圧力測定に適する。
【００４３】
この圧力センサを構成する上記合金と従来使用されているＳＵＳ６３０の酸、アルカリに対する耐食性を比較した試験結果を表１に示す。
【００４４】
【表１】
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【００４５】
表１から明らかなように、この本発明に係る圧力センサは種々の酸、アルカリに対し優れた耐食性を示し、殊に塩素を含む酸、アルカリ等の流体に対し高い耐食性を示す。
【００４６】
＜実施の形態２＞
図３に示すように、この実施の形態２における物理量検出器である圧力センサは、実施の形態１の圧力センサにおけるセンサ部材１と同様なセンサ部材１を使用するが、その起歪部であるダイアフラム２上に形成する層構成が異なっている。
【００４７】
すなわち、このセンサ部材１の起歪部であるダイアフラム２の表面には、絶縁膜７が形成され、この絶縁膜７上に第一の導体薄膜１１が形成されると共に第二の導体薄膜１２が第一の導体薄膜１１に対向配置される。第二の導体薄膜１２は絶縁膜７上に固着されるキャップ１３の内面に形成される。キャップ１３の外面には第二の導体薄膜１２に電気的に導通する電極１４が形成される。
【００４８】
この圧力センサによれば、センサ部材１の中心穴３ａに流入した流体の圧力によりダイアフラム２に弾性変形が生じ、ダイアフラム２上に形成された絶縁膜７と第一の導体薄膜１１も供に変形する。第一の導体薄膜１１の変形により第一と第二の導体薄膜１１，１２の間隔が変化して静電容量が増減し、この静電容量の変化により圧力、荷重の変化が出力される。第一と第二の導体薄膜１１，１２はコンデンサを形成し、このコンデンサの静電容量Ｃ（Ｆ）は次式で表される。
【００４９】
Ｃ＝ε・πＤ２／４Ａ
ただし、εは第一と第二の導体薄膜間に介在する物質の誘電率（Ｆ／ｍ）、Ｄは第一と第二の導体薄膜の直径（ｍ）、Ａは第一と第二の導体薄膜の間隔（ｍ）である。
【００５０】
センサ部材１の筒部３に流入した流体の圧力がダイアフラム２に作用すると、ダイアフラム２が図３中上方に変形し、第一と第二の導体薄膜１１，１２の間隔Ａが変化する。このため、静電容量Ｃが変化し、この静電容量Ｃの変化を測定することにより流体圧を測定することができる。
【００５１】
なお、上記各実施の形態では圧力センサを例にとって説明したが、本発明は圧力センサのみならず荷重センサ等他のセンサにも応用することができ、小型、高感度の物理量検出器を得ることができる。
【００５２】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、Ｚｒ、ＴｉまたはＰｄを主成分とした過冷却液体領域を有し金属ガラスを生成する組成の合金を過冷却液体領域で鍛造して起歪部を形成し、この起歪部の表面に絶縁膜を形成し、この絶縁膜上に金属又は半導体薄膜の歪みゲージを形成した物理量検出器であるから、流体圧により起歪部に歪みが生じると、その歪みは絶縁膜を介して歪みゲージに伝えられ、歪みゲージはその歪みにより抵抗値を変え、ブリッジ回路を歪みゲージで構成することにより、圧力、荷重の変化を電圧の変化として出力する。この起歪部は、Ｚｒ、ＴｉまたはＰｄを主成分とした過冷却液体領域を有し金属ガラスを生成する組成の合金を過冷却液体領域で鍛造することにより形成するので、起歪部を薄肉化又は小径化することができる。従って、起歪部の径を同じにした場合に起歪部の厚さを様々に変えて各種の圧力レンジに対応することができ、最小の圧力レンジも低下させることができる。また、起歪部の径を大きくしても直線性等の特性を維持することができる。また、殊に塩素を含む酸、アルカリ等の流体に対し耐食性が高く、腐食性流体を測定対象とするセンサとして使用可能である。また、起歪部はその上の歪みゲージと熱膨張係数が近いので熱安定性に優れ、従って種々の温度領域において圧力、荷重を精度良く測定することができる。さらに、起歪部の鍛造加工に要する力が小さくて済むので、小荷重の鍛造装置で加工することができ、従って設備費及び加工費を低減することができる。
【００５３】
請求項２に係る発明によれば、Ｚｒ、ＴｉまたはＰｄを主成分とした過冷却液体領域を有し金属ガラスを生成する組成の合金を過冷却液体領域で鍛造して起歪部を形成し、この起歪部の表面に絶縁膜を形成し、この絶縁膜上に第一の導体薄膜を形成すると共に第二の導体薄膜を第一の導体薄膜に対向配置した物理量検出器であるから、流体圧により起歪部に変形が生じると、その起歪部上に形成された絶縁膜と第一の導体薄膜も供に変形し、第一の導体薄膜の変形により第一と第二の導体薄膜間の距離が変化して静電容量が増減し、この静電容量の変化により圧力、荷重の変化が出力される。この起歪部は、Ｚｒ、ＴｉまたはＰｄを主成分とした過冷却液体領域を有し金属ガラスを生成する組成の合金を過冷却液体領域で鍛造することにより形成するので、起歪部を薄肉化又は小径化することができる。従って、起歪部の径を同じにした場合に起歪部の厚さを様々に変えて各種の圧力レンジに対応することができ、最小の圧力レンジも低下させることができる。また、起歪部の径を大きくしても直線性等の特性を維持することができる。また、殊に塩素を含む酸、アルカリ等の流体に対し耐食性が高く、腐食性流体を測定対象とするセンサとしても使用可能である。また、起歪部の鍛造加工に要する力が小さくて済むので、小荷重の鍛造装置で加工することができ、従って設備費及び加工費を低減することができる。
【００５４】
請求項３に係る発明によれば、請求項１又は請求項２に記載の物理量検出器において、絶縁膜を形成する起歪部の表面は、表面粗さが０．２μｍ以下の成形型の表面を鍛造により転写して形成した物理量検出器であるから、過冷却液体領域での鍛造により起歪部の表面に成形型の表面が転写されることにより、起歪部の表面が成形型の表面粗さとなり、従って起歪部に対する切削加工、ラッピング加工等の後加工が不要となり加工コストを削減することができる。
【００５５】
請求項４に係る発明によれば、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の物理量検出器において、筒部の一端を上記起歪部で閉塞するセンサ部材を備え、このセンサ部材を上記合金により一体成形した物理量検出器であるから、筒部を形成するためのパンチを細くしてもパンチが変形し難くなり、筒部の中心穴深さ、内外径の同心度等の精度が向上し、従って物理量検出器の小型化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る物理量検出器の垂直断面図である。
【図２】物理量検出器のセンサ部材の製造工程を示す説明図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る物理量検出器の垂直断面図である。
【符号の説明】
１：センサ部材
２：ダイアフラム
２ａ：ダイアフラムの表面
３：筒部
６：成形型
６ａ：成形型の表面
７：絶縁膜
８：歪みゲージ
１１：第一の導体薄膜
１２：第二の導体薄膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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