JP2020016619A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】出力値のヒステリシスが小さくなるとともに表面を保護膜で確実に覆って保護することが可能な高感度の圧力センサを提供する。
【解決手段】感圧部１１を有するダイアフラム３を備える。感圧部１１は、下面１１ａ（表面と裏面とのうち一方の面）に凹部１３が形成されることにより厚みが厚い領域Ｂと薄い領域とに分けられている。感圧部１１の厚みが厚い領域Ｂであって、凹部１３が形成されていない上面１１ｂにピエゾ抵抗素子を含むセンサゲージ２１が設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ピエゾ抵抗素子を有する圧力センサに関する。

ピエゾ抵抗式圧力センサは、圧力室の壁の一部を構成するダイアフラムと、このダイアフラムに設けられたピエゾ抵抗素子からなるセンサゲージとを備えている。この圧力センサにおいては、ダイアフラムの周辺部に発生する応力の変化をセンサゲージの抵抗値の変化として検知する。この圧力センサにおいて、感度を向上させるためには、ダイアフラムのアスペクト比（直径／厚み）を大きくして発生する応力の大きさを大きくすることが有効である。このように感度向上を図るにあたっては、ダイアフラムの全体のアスペクト比を大きくすることが好ましい。しかし、例えば特許文献１に記載されているように、ダイアフラムの一部を他の部分より薄く形成することにより部分的にアスペクト比を大きくしても実現可能である。

特許文献１に開示された圧力センサは、圧力室となる凹陥部を有するシリコン基板と、このシリコン基板に接合されて凹陥部の開口部分を閉塞するダイアフラムとを有している。このダイアフラムの感圧部には、感度向上を図るために凹部が設けられている。この凹部は、感圧部の表面と裏面とのうちシリコン基板とは反対側となる表面に段差が生じる形状に形成されている。このように凹部が形成されることによって、感圧部に部分的に厚みが薄い領域が形成されて感度向上が図られる。
この圧力センサのピエゾ抵抗素子は、上述した凹部とともに感圧部の上記表面に設けられている。
一般的に、ダイアフラムのピエゾ抵抗素子が設けられている表面は、酸化膜で覆われていることが多い。

特開平１０−１４２０８６号公報

特許文献１に開示された圧力センサでは、ピエゾ抵抗素子と同一の表面上に凹部が形成されていることが原因で問題が生じる。すなわち、ダイアフラムが外力で押されて撓むときと、自らのばね力で戻るときとにおいて、ダイアフラムの表面に生じる応力が異なるようになり、圧力センサの出力値のヒステリシスが大きくなるおそれがあった。

また、この圧力センサにおいては、ダイアフラムの凹部の開口部分を覆う酸化膜に角が形成されることがあり、ダイアフラムが変形することによってこの角に応力が集中して酸化膜にクラックが生じるおそれがある。酸化膜にクラックが生じると、外来の例えばナトリウムイオンやカリウムイオンなどから圧力センサを保護することができなくなる。
さらに、特許文献１に示す圧力センサでは、感度を高くするためにダイアフラムが撓み易くなるから、過大な圧力がダイアフラムに作用したときにダイアフラムが破損するおそれがあった。

本発明の第１の目的は、出力値のヒステリシスが小さくなるとともに表面を保護膜で確実に覆って保護することが可能な高感度の圧力センサを提供することである。第２の目的は、感度が高くなる構成を採りながら、ダイアフラムが破損することを防ぐことが可能な圧力センサを提供することである。

この目的を達成するために、本発明に係る圧力センサは、感圧部を有するダイアフラムを備え、前記感圧部は、表面と裏面とのうち一方の面に凹部が形成されることにより厚みが厚い領域と薄い領域とに分けられ、前記感圧部の厚みが厚い領域であって、表面と裏面とのうち前記凹部が形成されていない面にピエゾ抵抗素子を含むセンサゲージが設けられているものである。

本発明は、前記圧力センサにおいて、前記厚みが厚い領域は、前記ダイアフラムの厚み方向から見て前記感圧部の中心と、前記中心から離間した複数の端部とを結ぶ形状に形成され、前記複数の端部は、前記ダイアフラムの厚み方向から見て前記センサゲージの形成範囲より大きく形成され、前記センサゲージは、前記複数の端部にそれぞれ設けられていてもよい。

本発明は、前記圧力センサにおいて、前記厚みが厚い領域における前記センサゲージが設けられていない部分は、前記ダイアフラムの厚み方向から見て、前記センサゲージが設けられている部分に較べて細く形成されていてもよい。

本発明は、前記圧力センサにおいて、さらに、前記ダイアフラムの前記凹部が形成されていない面に接合されたストッパ部材を備え、前記ストッパ部材は、前記感圧部と対向する部位に凹曲面によって形成された凹部を有し、前記凹部は、変形した前記感圧部に倣う形状に形成されていてもよい。

本発明は、前記圧力センサにおいて、前記ストッパ部材は、前記凹部の内外を連通する連通孔を有し、前記感圧部は、変形することにより前記厚みが厚い領域が前記連通孔と重なるように形成されていてもよい。

本発明によれば、ダイアフラムに厚みが薄い領域を形成するための凹部とセンサゲージとがダイアフラムの一方の面と他方の面とに振り分けて形成されており、センサゲージが設けられている面が平坦面になる。このため、ダイアフラムが外力で押されて撓むときと、自らのばね力で戻るときとにおいて、ダイアフラムのセンサゲージが設けられている面に生じる応力に違いが生じ難くなる。
センサゲージが設けられている面を保護膜で覆うにあたって、保護膜に角部が形成されることがなく、応力が集中することがない。このため、圧力センサの保護を十分に行うことが可能になる。
したがって、本発明によれば、出力値のヒステリシスが小さくなるとともに、表面を保護膜で確実に覆って保護することが可能な高感度の圧力センサを提供することができる。

本発明に係る圧力センサの第１の実施の形態による断面図である。 ダイアフラムの凹部側の平面図である。 第１の実施の形態による圧力センサの製造方法を説明するための断面図である。 第２の実施の形態による圧力センサの断面図である。 第２の実施の形態による圧力センサの製造方法を説明するための断面図である。 ダイアフラムの凹部側の平面図である。 厚みが厚い領域の一部を拡大して示す平面図である。 厚みが厚い領域の幅が狭い部分の位置と出力との関係を示すグラフである。 厚みが厚い領域の幅が狭い部分の位置と出力との関係を示すグラフである。 厚みが厚い領域の幅が狭い部分の幅と出力との関係を示すグラフである。 厚みが厚い領域の変形例を示すダイアフラムの平面図である。 厚みが厚い領域の変形例を示すダイアフラムの平面図である。 厚みが厚い領域の変形例を示すダイアフラムの平面図である。

（第１の実施の形態）
以下、本発明に係る圧力センサの一実施の形態を図１〜図３を参照して詳細に説明する。図１の破断位置は、図２中にＩ−Ｉ線によって示した位置である。
図１に示す圧力センサ１は、図１において下側に位置するベース部材２と、このベース部材２に接合されたダイアフラム３と、このダイアフラム３に接合されたストッパ部材４とを備えている。図１は、圧力センサ１の中心線Ｃから一側方に位置する半分のみを図示している。この圧力センサ１の構成部品を説明するにあたっては、便宜上、図１の上側に位置する面を上面といい、図１において下側に位置する面を下面という。

ベース部材２は、例えばシリコンによって板状に形成され、幅方向の中央部に凹陥部５が形成されている。ベース部材２の形状は、厚み方向から見て四角形である。
凹陥部５は、圧力センサ１内に圧力室６を形成するためにベース部材２に設けられており、ベース部材２の上面に開口している。凹陥部５の形状は、ベース部材２の厚み方向から見て円形である。このベース部材２の幅方向の中央部には、圧力室６内に被測定圧力を導入するための貫通孔７が穿設されている。

ダイアフラム３は、例えばシリコンによって板状に形成され、ベース部材２の上面２ａに接合されている。このダイアフラム３は、圧力室６の壁の一部となる感圧部１１と、ベース部材２に接合される接合部１２とによって構成されている。感圧部１１は、ダイアフラム３の厚み方向から見て、凹陥部５と同一軸線上に位置する円形に形成されている。
ダイアフラム３の感圧部１１は、表面と裏面とのうち一方の面（図１においては凹陥部５と対向する下面１１ａ）に複数の凹部１３が形成されている。この実施の形態による凹部１３は、図２に示すように、感圧部１１の中心Ｐの周囲の４箇所に設けられている。

このように凹部１３が感圧部１１に形成されていることにより、感圧部１１は、図２に示すように、凹部１３と一致する領域である厚みが薄い領域Ａと、凹部１３が形成されていない領域である厚みが厚い領域Ｂとに分けられている。以下においては、厚みが薄い領域を単に薄い領域Ａといい、厚みが厚い領域を単に厚い領域Ｂという。
凹部１３は、感圧部１１の下面に例えばドライエッチングを施すことによって、所定の形状、深さに形成することができる。

感圧部１１の厚い領域Ｂは、ダイアフラム３の厚み方向から見て感圧部１１の中心Ｐと、この中心Ｐから離間した複数の端部とを結ぶ形状に形成されている。この実施の形態による複数の端部は、図２において上下方向の両端部Ｅ１，Ｅ２と、左右方向の両端部Ｅ３，Ｅ４である。このため、感圧部１１の厚い領域Ｂは、ダイアフラム３の厚み方向から見て十字状に形成されている。この実施の形態による厚い領域Ｂは、中心に位置する円形部１４と、この円形部１４から上下方向と左右方向とに延びる４本の帯状部１５とによって構成されている。

帯状部１５の幅（長手方向とは直交する方向であって下面１１ａに沿う方向の幅）は、円形部１４から離れるにしたがって次第に広くなっている。
図１に示すように、感圧部１１の厚い領域Ｂであって、表面と裏面とのうち凹部１３が形成されていない面（図１においては上面１１ｂ）には、ピエゾ抵抗素子を含むセンサゲージ２１が設けられている。このセンサゲージ２１は、図２に示すように、上述した４箇所の端部Ｅ１〜Ｅ４にそれぞれ設けられている。４箇所の端部Ｅ１〜Ｅ４は、ダイアフラム３の厚み方向から見てセンサゲージ２１の形成範囲より大きく形成されている。
センサゲージ２１が形成されている部分を含めてダイアフラム３の上面３ａには、図示してはいないが、酸化膜などの保護膜が設けられている。

ストッパ部材４は、例えばシリコンによって板状に形成され、ダイアフラム３の上面３ａに接合されている。
このストッパ部材４は、ダイアフラム３の感圧部１１と対向する部位に凹曲面によって形成された凹部２２を有している。
凹部２２は、ストッパ部材４の厚み方向から見て円形に形成されている。また、凹部２２を構成する凹曲面は、いわゆる非球面で、ダイアフラム３の感圧部１１が圧力室６内の圧力によって押されて変形したときの感圧部１１に倣う形状に形成されている。このため、感圧部１１は、圧力室６内の圧力で押されて変形することによって、その上面１１ｂの全域が凹部２２の凹曲面に密着するようになる。このような凹部２２は、例えばドライエッチングによって形成することができる。

ストッパ部材４の幅方向の中央部には、凹部２２の内外を連通する連通孔２３が穿設されている。この圧力センサ１を使用するときに凹部２２内に気体や流体が入る場合には、この気体や液体が凹部２２の容積変化に伴って連通孔２３を通るようになる。
感圧部１１が凹部２２の凹曲面に密着する状態においては、感圧部１１の中央部、すなわち厚い領域Ｂの円形部１４が連通孔２３と重なる。円形部１４は、ダイアフラム３の厚み方向において、連通孔２３より大きいから、上述したように感圧部１１が凹曲面に密着するときには連通孔２３の開口部分を覆うようになる。

次に、この実施の形態による圧力センサ１の製造方法を図３（Ａ）〜（Ｄ）を用いて詳細に説明する。
圧力センサ１を製造するためは、先ず、図３（Ａ）に示すように、ダイアフラム３の母材であるシリコンウェハ３１の上面３１ａにセンサゲージ２１を形成し、このシリコンウェハ３１の上面３１ａにストッパ部材４を接合する。なお、図示してはいないが、センサゲージ２１に接続する配線は、ストッパ部材４がシリコンウェハ３１に接合される以前にシリコンウェハ３１の上面３１ａに形成される。シリコンウェハ３１の上面３１ａには、センサゲージ２１や配線が設けられた後に酸化膜などの保護膜が設けられる。

次に、シリコンウェハ３１の下面３１ｂを研削し、図３（Ｂ）に示すように、シリコンウェハ３１から薄いダイアフラム３を形成する。この研削加工は、ストッパ部材４を介してシリコンウェハ３１を支持した状態で行うことができる。その後、図３（Ｃ）に示すように、ダイアフラム３の下面３ｂに複数の凹部１３を形成する。このように凹部１３が形成された後、図３（Ｄ）に示すように、ダイアフラム３の下面３ｂにベース部材２を接合することによって、圧力センサ１が完成する。

このように構成された圧力センサ１においては、ダイアフラム３に複数の薄い領域Ａが設けられているために感度が高くなる。また、ダイアフラム３に薄い領域Ａを形成するための凹部１３とセンサゲージ２１とがダイアフラム３の一方の面（感圧部１１の下面１１ａ）と他方の面（感圧部１１の上面１１ｂ）とに振り分けて形成されている。このため、ダイアフラム３が外力で押されて撓むときと、自らのばね力で戻るときとにおいて、センサゲージ２１が設けられている感圧部１１の上面１１ｂに生じる応力に違いが生じ難くなる。

センサゲージ２１が設けられている感圧部１１の上面１１ｂは、平坦面によって形成されているから、この上面１１ｂを保護膜で覆うにあたって、保護膜に角部が形成されることがなく、応力が集中することがない。このため、圧力センサ１の保護を十分に行うことが可能になる。
したがって、この実施の形態によれば、出力値のヒステリシスが小さくなるとともに、表面を保護膜で確実に覆って保護することが可能な高感度の圧力センサを提供することができる。

この実施の形態によるダイアフラム３の厚みが厚い領域Ｂは、ダイアフラム３の厚み方向から見て感圧部１１の中心Ｐと、この中心Ｐから離間した複数の端部Ｅ１〜Ｅ４とを結ぶ形状に形成されている。複数の端部Ｅ１〜Ｅ４は、ダイアフラム３の厚み方向から見てセンサゲージ２１の形成範囲より大きく形成されている。センサゲージ２１は、複数の端部Ｅ１〜Ｅ４にそれぞれ設けられている。
このため、複数のピエゾ抵抗素子を使用して圧力を高い精度で検出可能な圧力センサを提供することができる。

この実施の形態による圧力センサ１は、ダイアフラム３の上面３ａ（凹部１３が形成されていない面）に接合されたストッパ部材４を備えている。ストッパ部材４は、感圧部１１と対向する部位に凹曲面によって形成された凹部２２を有している。凹部２２は、変形した感圧部１１に倣う形状に形成されている。
このため、ダイアフラム３の感圧部１１に圧力室６側から過大な圧力が加えられた場合は、感圧部１１がストッパ部材４の凹部２２に密着し、それ以上の感圧部１１の変形が規制される。したがって、感度が高くなる構成を採りながら、ダイアフラム３が破損することを防ぐことが可能な圧力センサを提供することができる。

この実施の形態によるストッパ部材４は、凹部１３の内外を連通する連通孔２３を有している。ダイアフラム３の感圧部１１は、この感圧部１１が変形することにより厚い領域Ｂ（円形部１４）が連通孔２３と重なるように形成されている。感圧部１１が変形して凹部２２の凹曲面に密着する状態においては、感圧部１１における連通孔２３と重なる部分がストッパ部材４によって支えられない状態となる。しかし、感圧部１１において連通孔２３と重なる部分は、厚い領域Ｂであるから、連通孔２３内に不必要に入り込むようなことはない。したがって、連通孔２３を有しているにもかかわらず、感圧部１１の過度の変形を阻止することができる。

（第２の実施の形態）
本発明に係る圧力センサは、図４および図５に示すように、第１の実施の形態で示したストッパ部材を使用することなく実現することができる。図４および図５において、図１〜図３によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略する。

図４に示す圧力センサ４１は、ベース部材２と、このベース部材２の上面２ａに接合されたダイアフラム３とによって構成されている。ダイアフラム３は、第１の実施の形態を採るときと較べて上下方向を逆にした状態でベース部材２に接合されている。
この実施の形態による凹部１３は、ダイアフラム３の上面３ａに形成されている。ピエゾ抵抗素子を含むセンサゲージ２１は、ダイアフラム３の下面３ｂに設けられている。凹部１３と同一位置にある厚みが薄い領域Ａの構成と、凹部１３が形成されていない厚みが厚い領域Ｂの構成は、第１の実施の形態を採るときと同一である。

この圧力センサ４１を製造するためには、先ず、図５（Ａ）に示すように、シリコンウェハ３１の下面３１ｂにセンサゲージ２１と図示していない配線および保護膜などを形成し、このシリコンウェハ３１の下面３１ｂにベース部材２を接合する。そして、シリコンウェハ３１の上面３１ａを研削し、図５（Ｂ）に示すようにダイアフラム３を形成する。しかる後、図５（Ｃ）に示すように、ダイアフラム３の上面３ａに凹部１３を形成する。このように凹部１３が形成されることによって圧力センサ４１が完成する。

この実施の形態においても、ダイアフラム３の感圧部１１の一方の面（上面１１ｂ）に凹部１３が形成されて他方の面（下面１１ａ）にセンサゲージ２１が設けられているから、第１の実施の形態を採る場合と同様に、出力値のヒステリシスが小さくなるとともに、表面を保護膜で確実に覆って保護することが可能な高感度の圧力センサを提供することができる。

（第３の実施の形態）
ダイアフラムの感圧部の厚い領域は、図６および図７に示すように形成することができる。図６および図７において、図１〜図３によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略する。
図６に示すダイアフラム３の感圧部１１には、ダイアフラム３の厚み方向から見て十字状に厚い領域Ｂが形成されている。この厚い領域Ｂの４本の帯状部１５は、センサゲージ２１が設けられている外側部分１５ａと、センサゲージ２１が設けられていない内側部分１５ｂとで幅が異なっている。すなわち、センサゲージ２１が設けられていない内側部分１５ｂは、ダイアフラム３の厚み方向から見て、センサゲージ２１が設けられている外側部分１５ａに較べて細く形成されている。外側部分１５ａと内側部分１５ｂとの境界部分は、傾斜面によって形成されている。

このように帯状部１５の内側部分１５ｂを外側部分１５ａより細く形成して圧力センサ１の出力を測定する実験を行ったところ、内側部分１５ｂの形状や大きさに応じて出力が変わることが判った。
この実験は、図７に示すように、長さＬ１，Ｌ２、幅Ｈ１，Ｈ２を定めて行った。長さＬ１は、感圧部１１の中心Ｐからの内側部分１５ｂの長さである。長さＬ２は、感圧部１１の中心Ｐから外側部分１５ａの最も内側となる位置までの長さである。内側部分１５ｂの幅Ｈ１は、内側部分１５ｂの幅の１／２である。幅Ｈ２は、外側部分１５ａの幅の１／２である。この実験は、幅Ｈ２を一定として行った。

出力が最大になるときの長さＬ１は、図８に示すように、０に近いことが判った。長さＬ１が０である場合（内側部分１５ｂが形成されていない場合）は、出力が増大することはない。
出力が最大になるときの長さＬ２は、図９に示すように、０に近く、出力が最大になる長さＬ１より僅かに長いことが判った。
出力が最大になるときの幅Ｈ１は、図１０に示すように、最大幅と最小幅との間に存在することが判った。

したがって、帯状部１５のセンサゲージ２１が設けられていない内側部分１５ｂをセンサゲージ２１が設けられている外側部分１５ａに較べて細く形成することにより、ダイアフラム３で発生する応力を最大化することができ、圧力センサ１の出力を最大にすることができる。

（ダイアフラムの変形例）
ダイアフラム３の感圧部１１の厚い領域Ｂの形状は、適宜変更することが可能である。帯状部１５は、例えば図１１〜図１３に示すように形成することができる。
図１１に示す厚い領域Ｂは、ダイアフラム３の厚み方向から見て十字状に形成されている。この厚い領域Ｂを構成する４本の帯状部１５は、形成範囲の全域にわたって幅が一定になるように形成されている。

図１２に示す厚い領域Ｂは、ダイアフラム３の厚み方向から見てＩ字状に形成されている。
図１３に示す厚い領域Ｂは、ダイアフラム３の厚み方向から見てＬ字状に形成されている。
厚い領域Ｂを図１１〜図１３に示すように形成したとしても、上述した各実施の形態を採る場合と同様に、出力値のヒステリシスが小さくなるとともに、表面を保護膜で確実に覆って保護することが可能な高感度の圧力センサが得られる。

１…圧力センサ、３…ダイアフラム、４…ストッパ部材、１１…感圧部、１１ａ…下面（一方の面）、１１ｂ…上面（凹部が形成されていない面）、１３…凹部、１５ａ…外側部分（センサゲージが設けられている部分）、１５ｂ…内側部分（センサゲージが設けられていない部分）、２１…センサゲージ、２３…連通孔、Ａ…厚みが薄い領域、Ｂ…厚みが厚い領域、Ｅ１〜Ｅ４…端部。

Claims (5)

1. 感圧部を有するダイアフラムを備え、
   前記感圧部は、表面と裏面とのうち一方の面に凹部が形成されることにより厚みが厚い領域と薄い領域とに分けられ、
   前記感圧部の厚みが厚い領域であって、表面と裏面とのうち前記凹部が形成されていない面にピエゾ抵抗素子を含むセンサゲージが設けられていることを特徴とする圧力センサ。
2. 請求項１記載の圧力センサにおいて、
   前記厚みが厚い領域は、前記ダイアフラムの厚み方向から見て前記感圧部の中心と、前記中心から離間した複数の端部とを結ぶ形状に形成され、
   前記複数の端部は、前記ダイアフラムの厚み方向から見て前記センサゲージの形成範囲より大きく形成され、
   前記センサゲージは、前記複数の端部にそれぞれ設けられていることを特徴とする圧力センサ。
3. 請求項２記載の圧力センサにおいて、
   前記厚みが厚い領域における前記センサゲージが設けられていない部分は、前記ダイアフラムの厚み方向から見て、前記センサゲージが設けられている部分に較べて細く形成されていることを特徴とする圧力センサ。
4. 請求項１ないし請求項３のうちいずれか一つに記載の圧力センサにおいて、
   さらに、前記ダイアフラムの前記凹部が形成されていない面に接合されたストッパ部材を備え、
   前記ストッパ部材は、前記感圧部と対向する部位に凹曲面によって形成された凹部を有し、
   前記凹部は、変形した前記感圧部に倣う形状に形成されていることを特徴とする圧力センサ。
5. 請求項４記載の圧力センサにおいて、
   前記ストッパ部材は、前記凹部の内外を連通する連通孔を有し、
   前記感圧部は、変形することにより前記厚みが厚い領域が前記連通孔と重なるように形成されていることを特徴とする圧力センサ。

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