(57)【要約】【課題】過度の圧力が加わった場合であっても破損しにくい、高感度、且つ、小型の圧力センサを提供する。【解決手段】ダイヤフラム部２は、ダイヤフラム部２を複数の矩形領域に区画する網目状の梁部２ａと、梁部２ａにより区画された領域に形成された薄膜部２ｂとを有し、薄膜部２ｂの厚さは梁部２ａの厚さよりも薄く形成されている。このような構成によれば、ダイヤフラム部２の厚さを一様に梁部２ａの厚さにした場合と比較して単位圧力あたりのダイヤフラム部２の変位量が大きくなる。一方、薄膜部２ｂの全面積がダイヤフラム部２全体の面積より小さいことから、ダイヤフラム部２の厚さを一様に薄膜部２ｂの厚さにした場合と比較して、耐圧性が高まる。従って、本発明の実施形態となる圧力センサ１によれば、過度の圧力が加わった場合であっても破損しにくい、高感度、且つ、小型の圧力センサを提供することができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤフラム部を有する第１の基板と、前記第１の基板の一方の表面側に接合され、前記ダイヤフラム部の一方の表面側を略密封構造にする第２の基板とを備え、前記ダイヤフラム部の一方の表面側の圧力と他方の表面側の被測定圧力の圧力差を検出する圧力センサであって、前記ダイヤフラム部は、ダイヤフラム部を複数領域に区画する網目状の梁部と、梁部により区画された複数領域に形成された薄膜部とを有し、前記薄膜部の厚さが前記梁部の厚さよりも薄く形成されていることを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の圧力センサにおいて、前記第２の基板は前記ダイヤフラム部の略中央部に対向する第２の電極を有し、第１の基板側に設けられた第１の電極と第２の電極間の静電容量の変化を検出することにより前記圧力差を検出することを特徴とする圧力センサ。
【請求項３】
請求項１に記載の圧力センサにおいて、前記ダイヤフラム部表面にはピエゾ抵抗素子が設けられ、当該ピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化を検出することにより前記圧力差を検出することを特徴とする圧力センサ。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のうち、いずれか１項に記載の圧力センサにおいて、前記ダイヤフラム部の中央部から外周部を繋ぐ直線上に少なくとも１つ以上の薄膜部を有することを特徴とする圧力センサ。
【請求項５】
請求項１乃至請求項３のうち、いずれか１項に記載の圧力センサにおいて、前記梁部と前記薄膜部の構成がダイヤフラム部の中心位置に対し所定角度毎に点対称になっていることを特徴とする圧力センサ。
【請求項６】
請求項５に記載の圧力センサにおいて、前記ダイヤフラム部の中央部から外周部を繋ぐ直線上に少なくとも１つ以上の薄膜部を有することを特徴とする圧力センサ。
【請求項７】
請求項２又は請求項３に記載の圧力センサにおいて、前記ダイヤフラム部の中央領域に前記薄膜部の厚さより厚い厚膜部が形成されていることを特徴とする圧力センサ。
【請求項８】
請求項５，６に記載の圧力センサにおいて、前記第２の基板は、略円形形状に配置された複数の薄膜部よりも外周側に位置する厚膜部に対向する位置に電極又はピエゾ抵抗素子を備えることを特徴とする圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイヤフラム部を備える圧力センサに関し、より詳しくは、圧力センサの感度を高めるための技術に係わる。
【背景技術】
【０００２】
従来より、圧力を受けた際にダイヤフラム部に生じる変位量を検出することにより圧力を検出する圧力センサが知られている（特許文献１，２参照）。このような圧力センサの感度を構成材料を変更することなく高めるためには、ダイヤフラム部の受圧面積や単位圧力あたりの変位量を大きくする必要がある。ところが近年、デバイスの小型化が強く要求されていることから、ダイヤフラム部の受圧面積を大きくすることにより圧力センサの感度を高めることは難しい。このような背景から、単位圧力あたりのダイヤフラム部の変位量を大きくすることにより圧力センサの感度を高めることが望まれている。
【特許文献１】特開2006-126127号公報
【特許文献２】特開2007-205858号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
円盤形状のダイヤフラム部の中央部における変位量ｙは、以下の数式（１）に示すように、ダイヤフラム部を構成する材料の特性、ダイヤフラム部の大きさ（面積）及び厚みによって定まる。なお数式（１）中、パラメータν，Ｅ，ｔ，ａ，Ｐはそれぞれダイヤフラム部を構成する材料のポアソン比及びヤング率，ダイヤフラム部の厚さ及び半径，ダイヤフラム部に加わる圧力を示す。すなわち、ダイヤフラム部の厚さｔを薄くすることにより単位圧力あたりのダイヤフラム部の変位量ｙが大きくなり、圧力センサの感度を高めることができる。しかしながら、ダイヤフラム部の厚さｔを薄くした場合、ダイヤフラム部に過度の圧力が加わった際、圧力に抗しきれずにダイヤフラム部が破損する可能性がある。このような背景から、過度の圧力が加わった場合であっても破損しにくい（耐圧性が高い）、高感度、且つ、小型の圧力センサの提供が望まれている。
【０００４】
ｙ＝（３／１６）×｛（１−ν２）／Ｅｔ３｝×ａ４Ｐ  …（１）
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は過度の圧力が加わった場合であっても破損しにくい、高感度、且つ、小型の圧力センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る圧力センサは、ダイヤフラム部を有する第１の基板と、第１の基板の一方の表面側に接合され、ダイヤフラム部の一方の表面側を略密封構造にする第２の基板とを備え、ダイヤフラム部の一方の表面側の圧力と他方の表面側の被測定圧力の圧力差を検出する圧力センサであって、ダイヤフラム部は、ダイヤフラム部を複数領域に区画する網目状の梁部と、梁部により区画された複数領域に形成された薄膜部とを有し、薄膜部の厚さが梁部の厚さよりも薄く形成されている。
【発明の効果】
【０００６】
本発明に係る圧力センサによれば、梁部によってダイヤフラム部全体の強度を保った上で受圧領域の厚さを薄くしているので、過度の圧力が加わった場合であっても破損しにくい、高感度、且つ、小型の圧力センサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態となる圧力センサの構成について説明する。
【０００８】
〔圧力センサの構成〕
図１は本発明の実施形態となる圧力センサ１の分解斜視図、図２は図１に示す圧力センサ１の断面図、図３は図１に示す圧力センサ１のダイヤフラム部の部分拡大図を示す。
【０００９】
本発明の実施形態となる圧力センサ１は、図１に示すように、矩形形状のダイヤフラム部２を有する基板３（第１の基板）と、電極４ａ及び参照用電極４ｂを有する基板５（第２の基板）とを主な構成要素として備え、ダイヤフラム部２の一方の表面側は基板３と基板５の外周部同士を接合することにより密封構造となっている。なお図示しないが、基板５のダイヤフラム部２に対応する基板３との対向面側及びダイヤフラム部２の少なくとも一方には凹部が形成され、この凹部は基板３と基板５の外周部同士を接合した際に所定圧力に封止された密封空間となる。この密封空間は、凹部を形成するのではなく、基板３と基板５との間にスペーサを設けることによっても形成することができる。
【００１０】
ダイヤフラム部２は、図２に示すように、基板３の他方の表面側を除去加工することにより形成されている。本実施形態では、ダイヤフラム部２は、図３に示すように、矩形形状のダイヤフラム部２をダイヤフラム部２全体の面積より小さい複数の矩形領域に区画する網目状の梁部２ａと、梁部２ｂにより区画された領域に形成された薄膜部２ｂとを有し、薄膜部２ｂの厚さは梁部２ａの厚さよりも薄く形成されている。本実施形態では、梁部２ａは、薄膜部２ｂの内側方向に向かって傾斜している、いわゆるテーパ形状になっているが、梁部２ａをテーパ形状にせずに薄膜部２ｂの面積を大きくするようにしてもよい。また基板５との対向面側の表面を平坦な形状にし、反対側の表面に梁部２ａを形成するようにしてもよい。
【００１１】
図示しないが、ダイヤフラム部２表面の電極４ａ及び電極４ｂと対向する位置には電極が形成されている。本実施形態では、ダイヤフラム部２表面に電極を形成したが、電極を形成することなく基板３自体を電極として用いてもよい。また本実施形態では、梁部２ａは、複数の矩形領域にダイヤフラム部２を区画したが、図４(a)-(d)に示すように、円形形状，三角形形状，及び六角形形状等の、矩形形状以外の形状にダイヤフラム部２を区画するようにしてもよい。
【００１２】
〔圧力センサの動作〕
このような構成を有する圧力センサ１では、ダイヤフラム部２の他方の表面側に圧力（被測定圧力）が加わった場合、密封空間内の圧力と被測定圧力の圧力差に応じて、基板３側に設けられた電極がダイヤフラム部２の略中央に対向する位置に設けられた電極４ａと参照用電極４ｂに対して変位し、基板３側に設けられた電極と電極４ａ及び参照用電極４ｂ間の静電容量が変化する。従って、このような構成を有する圧力センサ１によれば、密封空間内の圧力と被測定圧力の圧力差を静電容量の変化量として検出することにより被測定圧力を検出することができる。なお参照用電極４ｂは、図１に示すように、薄膜部２ｂよりも外周側に位置する厚膜部に対向する位置に設けられている。従って、圧力に対する変位量が小さい厚膜部における容量を基準として、圧力に対する変位量が大きい薄膜部２ｂにおける容量との差を検出することにより、製造ばらつきや温度特性等の影響を小さくして、圧力を信頼性高く検出することができる。本実施形態では、密封空間内の圧力と被測定圧力の圧力差を静電容量の変化量として検出したが、ダイヤフラム部２の表面にピエゾ抵抗素子を配置することにより検出してもよい。すなわち、ダイヤフラム部２には密封空間内の圧力と被測定圧力の圧力差に応じて歪みが発生する。従って、この歪み量をピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化量として検出することにより、密封空間内の圧力と被測定圧力の圧力差を検出することができる。
【００１３】
以上の説明から明らかなように、本発明の実施形態となる圧力センサ１によれば、ダイヤフラム部２は、ダイヤフラム部２を複数の矩形領域に区画する網目状の梁部２ａと、梁部２ａにより区画された領域に形成された薄膜部２ｂとを有し、薄膜部２ｂの厚さは梁部２ａの厚さよりも薄く形成されている。このような構成によれば、ダイヤフラム部２の厚さを一様に梁部２ａの厚さにした場合と比較して単位圧力あたりのダイヤフラム部２の変位量が大きくなる。一方、薄膜部２ｂの全面積がダイヤフラム部２全体の面積より小さいことから、ダイヤフラム部２の厚さを一様に薄膜部２ｂの厚さにした場合と比較して、耐圧性が高まる。従って、本発明の実施形態となる圧力センサ１によれば、過度の圧力が加わった場合であっても破損しにくい、高感度、且つ、小型の圧力センサを提供することができる。
【００１４】
なお本実施形態では、図３に示すように、梁部２ａはダイヤフラム部２の外周部から中央部まで直線で繋がっているが、図５に示すように、ダイヤフラム部２の外周部から中央部まで直線で繋がずに、ダイヤフラム部２の外周部と中央部を結ぶ直線上に少なくとも一つ以上の薄膜部２ｂを形成するようにしてもよい。このような構成によれば、単位圧力あたりのダイヤフラム部２の変位量をさらに大きくすることができるので、圧力センサ１の感度をさらに高めることができる。
【００１５】
また梁部２ａと薄膜部２ｂの変形例の構成として、図６に示すように、梁部２ａと薄膜部２ｂの構成がダイヤフラム部２の中心位置に対し所定角度毎に点対称になるようにしてもよい。このような構成によれば、ダイヤフラム部２の変位が中心位置に対して対称になることから、より安定した変位が得られ、特に密封空間内の圧力と被測定圧力の圧力差をピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化量として検出する、いわゆるピエゾ抵抗型圧力センサに適用した場合には、圧力センサの出力の線形性を向上させることができる。またこの場合も、図５に示す例と同様、図７に示すように、ダイヤフラム部２の外周部と中央部を結ぶ直線上に少なくとも一つ以上の薄膜部２ｂを形成することにより、圧力センサ１の感度をさらに高めることができる。
【００１６】
また梁部２ａと薄膜部２ｂの変形例の構成として、図６〜図８に示すように、ダイヤフラム部の中央領域に薄膜部の厚さより厚い厚膜部７（図示の例では厚膜部７の厚さは梁部２ａと同じ厚さ）を形成してもよい。このような構成によれば、基板３側に設けられた電極と電極４ａがほぼ平行に対向することになるので、特に密封空間内の圧力と被測定圧力の圧力差を静電容量の変化量として検出する、いわゆる静電容量型圧力センサに適用した場合には、圧力センサの出力の線形性を向上することができる。なおこの場合、基板５側の参照用電極４ｂ（又は参照用ピエゾ抵抗素子）は、図９に示すように、薄膜部２ｂよりも外周側に位置する厚膜部に対向する位置に設けることが望ましい。このような構成によれば、圧力に対する変位量が小さい厚膜部における容量（又は抵抗値）を基準として、圧力に対する変位量が大きい薄膜部における容量（又は抵抗値）との差を検出することにより、製造ばらつきや温度特性等の影響を小さくして、圧力を信頼性高く検出することができる。
【００１７】
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態となる圧力センサの分解斜視図である。
【図２】図１に示す圧力センサの断面図である。
【図３】図１に示す圧力センサにおけるダイヤフラム部の部分拡大図である。
【図４】図３に示す薄膜部の形状の変形例を示す模式図である。
【図５】図１に示す圧力センサにおけるダイヤフラム部の変形例を示す斜視図である。
【図６】図１に示す圧力センサにおけるダイヤフラム部の変形例を示す斜視図である。
【図７】図１に示す圧力センサにおけるダイヤフラム部の変形例を示す斜視図である。
【図８】図１に示す圧力センサにおけるダイヤフラム部の変形例を示す斜視図である。
【図９】図６，７に示すダイヤフラム部に対向する参照用電極を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００１９】
１：圧力センサ
２：ダイヤフラム部
２ａ：梁部
２ｂ：薄膜部
３，５：基板
７：厚膜部
【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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