JP2023125776A - Temperature sensor, strain sensor, and pressure sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、温度センサ、当該温度センサを有する歪センサ、および当該歪センサを有する圧力センサに関する。 The present invention relates to a temperature sensor, a strain sensor having the temperature sensor, and a pressure sensor having the strain sensor.
近年、温度および歪(あるいは圧力)を同時に検出可能な圧力センサについて、各種の技術が提案されている。たとえば、特許文献1に記載の圧力センサ(感温感歪複合センサ)は、歪感度が2以上であり、かつ、温度感度が±2000ppm/K以内である材料(Cr-Ni合金)からなる感歪層と、温度感度が2000ppm/K以上であり、かつ、歪感度が5以下である材料(Fe-Pd合金)からなる感温層とを有する。
In recent years, various techniques have been proposed for pressure sensors that can simultaneously detect temperature and strain (or pressure). For example, the pressure sensor (temperature-sensitive strain composite sensor) described in
特許文献1に記載の圧力センサでは、温度変動に起因する感歪層の抵抗変化を抑制することが可能であり、感歪層において歪量測定誤差の発生を防止することができる。また、歪変動に起因する感温層の抵抗変化を抑制することが可能であり、感温層において温度測定誤差の発生を防止することができる。
In the pressure sensor described in
ところで、感温層において、測定対象の温度を高感度で検出するためには、基材の歪変動による影響が感温層に及ばないよう、歪変動が小さい基材の外周部に感温層を配置する必要がある。しかしながら、この場合、感温層を配置可能な領域に制約がかかるため、感温層の配置の自由度が低いという問題がある。また、たとえ基材の外周部に感温層を配置したとしても、基材の歪変動による影響を完全に排除することはできず、感温層において高感度で温度を検出することは困難である。 By the way, in order to detect the temperature of the measurement target with high sensitivity in the temperature-sensitive layer, the temperature-sensitive layer is placed around the outer periphery of the base material, where the strain fluctuations are small, so that the temperature-sensitive layer is not affected by strain fluctuations in the base material. need to be placed. However, in this case, there is a problem that there is a low degree of freedom in arranging the temperature-sensitive layer because there are restrictions on the area in which the temperature-sensitive layer can be arranged. Furthermore, even if a temperature-sensitive layer is placed around the outer periphery of the base material, it is not possible to completely eliminate the effects of strain fluctuations in the base material, making it difficult to detect temperature with high sensitivity in the temperature-sensitive layer. be.
本発明は、このような課題に鑑みてなされ、その目的は、感温層の配置の自由度が高く、かつ、高感度な温度検出を行うことが可能な温度センサ、当該温度センサを有する歪センサ、および当該歪センサを有する圧力センサを提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is to provide a temperature sensor that has a high degree of freedom in arranging a temperature-sensitive layer and that can perform highly sensitive temperature detection, and a strain relief device equipped with the temperature sensor. An object of the present invention is to provide a sensor and a pressure sensor having the strain sensor.
上記目的を達成するために、本発明に係る温度センサは、
基材を覆う絶縁層と、
前記絶縁層の上に形成され、温度を検出可能な感温層と、
前記基材と前記絶縁層との間に介在し、前記基材に比べて前記絶縁層が付着しにくい低付着層と、を有する。
In order to achieve the above object, the temperature sensor according to the present invention includes:
an insulating layer covering the base material;
a temperature-sensitive layer formed on the insulating layer and capable of detecting temperature;
The low adhesion layer is interposed between the base material and the insulating layer, and the insulating layer is less likely to adhere to the base material.
本発明に係る温度センサでは、基材と絶縁層との間に、基材に比べて絶縁層が付着しにくい低付着層が介在する。そのため、低付着層の上に形成された絶縁層は、低付着層に対して比較的弱く付着(密着)する。それゆえ、低付着層が形成された領域(低付着領域)では、基材に生じた歪(応力)が、基材(あるいは、その上に形成された低付着層)から絶縁層へ伝搬しにくく、絶縁層の上に形成された感温層に歪の影響が及びにくい。これにより、歪変動に起因する感温層の抵抗変化を抑制することが可能となり、測定対象の温度を高感度で検出することができる。 In the temperature sensor according to the present invention, a low adhesion layer is interposed between the base material and the insulating layer, to which the insulating layer is less likely to adhere compared to the base material. Therefore, the insulating layer formed on the low adhesion layer adheres (adheres) relatively weakly to the low adhesion layer. Therefore, in the region where the low adhesion layer is formed (low adhesion region), the strain (stress) generated in the base material propagates from the base material (or the low adhesion layer formed on it) to the insulating layer. The temperature-sensitive layer formed on the insulating layer is not easily affected by strain. This makes it possible to suppress resistance changes in the temperature-sensitive layer due to strain fluctuations, making it possible to detect the temperature of the measurement target with high sensitivity.
また、感温層が低付着層に対応する位置に存在する限り、歪の影響が感温層に顕著に及ぶことはないため、あえて歪の影響が及びにくい基材の所定位置(基材の外周部など)に感温層を配置する必要がない。すなわち、本発明に係る温度センサでは、基材の任意の位置に感温層を配置することが可能であり、感温層の配置の自由度を高めることができる。 In addition, as long as the temperature-sensitive layer exists at a position corresponding to the low adhesion layer, the effect of strain will not significantly affect the temperature-sensitive layer. There is no need to place a temperature-sensitive layer on the outer periphery, etc. That is, in the temperature sensor according to the present invention, it is possible to arrange the temperature-sensitive layer at any position on the base material, and the degree of freedom in arrangement of the temperature-sensitive layer can be increased.
好ましくは、前記絶縁層は、前記低付着層の表面に剥離可能に形成されている。このような構成とした場合、低付着層と絶縁層との間の付着強度(密着強度)が極めて低くなり、これらの界面において歪(応力)が減衰しやすくなる。その結果、低付着領域では、基材(あるいは、その上に形成された低付着層)から絶縁層へ伝搬される歪の伝搬量が顕著に低減され、感温層に歪の影響が及ぶことを有効に防止することができる。 Preferably, the insulating layer is removably formed on the surface of the low adhesion layer. In such a configuration, the adhesion strength (adhesion strength) between the low adhesion layer and the insulating layer becomes extremely low, and strain (stress) tends to be attenuated at the interface between them. As a result, in the low adhesion region, the amount of strain propagated from the base material (or the low adhesion layer formed thereon) to the insulating layer is significantly reduced, and the strain does not affect the temperature sensitive layer. can be effectively prevented.
好ましくは、前記低付着層と前記絶縁層との間の剥離強度は、前記基材と前記絶縁層との間の剥離強度よりも小さい。このような構成とすることにより、たとえば、基材と絶縁層との間に低付着層を介在させなかった場合、すなわち、基材の上に絶縁層を形成し、さらにその絶縁層の上に感温層を形成した場合に比べて、基材から絶縁層へ伝搬される歪の伝搬量を確実に低減することが可能となり、上述した効果を有効に得ることができる。 Preferably, the peel strength between the low adhesion layer and the insulating layer is lower than the peel strength between the substrate and the insulating layer. With such a configuration, for example, when a low adhesion layer is not interposed between the base material and the insulating layer, in other words, an insulating layer is formed on the base material, and then the insulating layer is further formed on the insulating layer. Compared to the case where a temperature-sensitive layer is formed, it is possible to reliably reduce the amount of strain propagated from the base material to the insulating layer, and the above-mentioned effects can be effectively obtained.
好ましくは、前記低付着層を構成する元素のイオン化傾向は、前記基材を構成する元素のイオン化傾向よりも小さい。このような元素で構成された低付着層は、その表面に、(基材との比較において)絶縁層を付着させにくい性質を有する。そのため、低付着層と絶縁層との間の付着強度をさらに低減し、基材(あるいは、その上に形成された低付着層)から絶縁層へ伝搬される歪の伝搬量を効果的に低減することができる。 Preferably, the ionization tendency of the elements constituting the low adhesion layer is smaller than the ionization tendency of the elements constituting the base material. A low adhesion layer made of such an element has a property that it is difficult to attach an insulating layer to its surface (compared to a base material). Therefore, the adhesion strength between the low adhesion layer and the insulating layer is further reduced, effectively reducing the amount of strain propagated from the base material (or the low adhesion layer formed on it) to the insulating layer. can do.
好ましくは、前記低付着層は、金、白金族元素またはこれらの合金を含む。このような元素で構成された低付着層は、その表面に、絶縁層を付着させにくい(化学結合させにくい)性質を有する。そのため、上記のような構成とすることにより、上述した効果を有効に得ることができる。 Preferably, the low adhesion layer comprises gold, a platinum group element, or an alloy thereof. A low adhesion layer made of such an element has a property that it is difficult to attach an insulating layer to its surface (hard to chemically bond it). Therefore, by having the above configuration, the above-described effects can be effectively obtained.
上記目的を達成するために、本発明に係る歪センサ(感温感歪複合センサ)は、
上述したいずれかに記載の温度センサと、
前記絶縁層の上に形成され、前記基材の変形を検出可能な感歪層と、を有し、
前記感歪層は、前記低付着層が形成された低付着領域とは異なる位置に位置する。
In order to achieve the above object, the strain sensor (temperature-sensitive strain composite sensor) according to the present invention has the following features:
A temperature sensor according to any of the above,
a strain-sensitive layer formed on the insulating layer and capable of detecting deformation of the base material,
The strain sensitive layer is located at a different position from the low adhesion region where the low adhesion layer is formed.
上述したように、低付着層の上に形成された絶縁層は、低付着層に対して比較的弱く付着(密着)するため、低付着領域では、歪が基材(あるいは、その上に形成された低付着層)から絶縁層へ伝搬しにくい。この点は、歪の影響を回避することができるという点において、感温層にとっては好都合である。他方で、感歪層は、基材に生じた歪を高感度で検出することを目的とするため、感歪層では、歪が基材から絶縁層へ、さらには絶縁層から感歪層へ損失なく伝搬される必要がある。この点、本発明に係る歪センサでは、感歪層は、低付着層が形成された低付着領域とは異なる位置に位置するため、基材と絶縁層との間に、歪の伝搬を阻害する要因(すなわち、低付着層)は存在しない。それゆえ、歪が基材から絶縁層へ、さらには絶縁層から感歪層へ損失なく伝搬され、感歪層において基材に生じた歪を高感度で検出することができる。 As mentioned above, the insulating layer formed on the low adhesion layer adheres (adheres) relatively weakly to the low adhesion layer. (low adhesion layer) to the insulating layer. This point is advantageous for the temperature-sensitive layer in that the influence of strain can be avoided. On the other hand, the purpose of the strain-sensitive layer is to detect strain occurring in the base material with high sensitivity. It needs to be propagated without loss. In this regard, in the strain sensor according to the present invention, the strain-sensitive layer is located at a position different from the low-adhesion region where the low-adhesion layer is formed, so that the strain propagation is inhibited between the base material and the insulating layer. There are no contributing factors (i.e., low adhesion layer). Therefore, strain is propagated from the base material to the insulating layer and further from the insulating layer to the strain-sensitive layer without loss, and the strain generated in the base material in the strain-sensitive layer can be detected with high sensitivity.
また、本発明に係る歪センサでは、感温層において高感度な温度検出が可能であるため、感温層で検出された正確な温度の検出値に基づいて、感歪層で検出された歪の検出値を精度良く補正することができる。これにより、温度変動に起因する感歪層の抵抗変化を高精度で排除することが可能となり、基材に生じた歪を高精度で特定することができる。 In addition, in the strain sensor according to the present invention, since highly sensitive temperature detection is possible in the temperature-sensitive layer, it is possible to detect the strain detected in the strain-sensitive layer based on the accurate temperature detection value detected in the temperature-sensitive layer. The detected value can be corrected with high accuracy. This makes it possible to eliminate resistance changes in the strain-sensitive layer due to temperature fluctuations with high precision, and to identify strain occurring in the base material with high precision.
好ましくは、前記感温層と前記感歪層とは、同一の材料で構成されている。このような構成とすることにより、歪の検出と温度の検出とを1種類の材料により正確に行うことができる。それゆえ、これらを異なる材料で構成する場合に比べて、製造工程(たとえば、感温層および感歪層の抵抗変化の校正)を簡素化することが可能となり、生産性の向上および製造コストの低減を図ることができる。 Preferably, the temperature-sensitive layer and the strain-sensitive layer are made of the same material. With such a configuration, strain detection and temperature detection can be accurately performed using one type of material. Therefore, compared to the case where these are made of different materials, it is possible to simplify the manufacturing process (for example, calibrating the resistance change of the temperature-sensitive layer and the strain-sensitive layer), improve productivity and reduce manufacturing costs. It is possible to reduce the
好ましくは、前記感温層および前記感歪層の少なくとも一方は、一般式Cr100-x-yAlxNyで表され、組成比xおよびyが、5<x≦50、0.1≦y≦20である材料で構成されている。このような構成とすることにより、-50℃の低温領域から450℃の高温領域まで、歪の検出と温度の検出とを高精度で行うことができる。 Preferably, at least one of the temperature-sensitive layer and the strain-sensitive layer is represented by the general formula Cr 100-xy Al x N y , and the composition ratios x and y are 5<x≦50, 0.1≦y≦ It is made of 20 materials. With this configuration, strain detection and temperature detection can be performed with high precision from a low temperature range of -50°C to a high temperature range of 450°C.
前記感温層は、前記基材の外周よりも、前記感歪層に近接して配置されていてもよい。感歪層の近傍では相対的に大きな歪が発生するものの、感温層が低付着層に対応する位置に存在する限り、歪が感温層に顕著に伝搬されることはない。そのため、上記のような構成とした場合であっても、低付着領域では、歪の影響が感温層に顕著に及ぶことはなく、感温層において高感度な温度検出を行うことができる。また、基材の外周近傍に代えて、基材の中心側に感温層を配置することが可能であることから、感温層の配置の自由度を高めることができる。 The temperature-sensitive layer may be arranged closer to the strain-sensitive layer than the outer periphery of the base material. Although a relatively large strain occurs near the strain-sensitive layer, as long as the temperature-sensitive layer is located at a position corresponding to the low adhesion layer, the strain is not significantly propagated to the temperature-sensitive layer. Therefore, even in the case of the above-mentioned configuration, in the low adhesion region, the influence of strain does not significantly affect the temperature sensitive layer, and highly sensitive temperature detection can be performed in the temperature sensitive layer. Moreover, since it is possible to arrange the temperature-sensitive layer at the center of the base material instead of near the outer periphery of the base material, the degree of freedom in the arrangement of the temperature-sensitive layer can be increased.
上記目的を達成するために、本発明に係る圧力センサ(温度圧力センサ)は、上述したいずれかに記載の歪センサを有する。そのため、歪センサにより検出された歪の検出値(正確な温度の検出値に基づいて温度補正された歪の検出値)に基づいて、測定対象の圧力を高精度で検出することができる。 In order to achieve the above object, a pressure sensor (temperature-pressure sensor) according to the present invention includes any of the strain sensors described above. Therefore, the pressure of the measurement target can be detected with high precision based on the detected strain value detected by the strain sensor (the detected strain value that has been temperature-corrected based on the accurate detected temperature value).
以下、本発明を図面に示す実施形態に基づき説明する。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below based on embodiments shown in the drawings.
図1に示すように、本発明の一実施形態に係る温度センサ部42(図2)を有する圧力センサ10は、圧抵抗効果(ピエゾ抵抗効果)を利用した圧力センサであり、メンブレンの変形による歪を抵抗体の抵抗変化により検出する。圧力センサ10は、接続部材12と、抑え部材14と、基板部16と、ステム20とを有する。
As shown in FIG. 1, a
接続部材12は、圧力センサ10を測定対象に対して固定するためのものである。接続部材12の外周面には、ねじ溝12aが形成されている。ねじ溝12aは、測定対象に形成されたねじ溝に対して螺合可能に形成されている。接続部材12の内部には、圧力流体の流路として利用される流路12bが形成されている。ねじ溝12aを介して圧力センサ10を測定対象に固定することにより、測定対象である圧力室に対して流路12bを気密に連通することが可能となっている。
The connecting
抑え部材14は、接続部材12に対してステム20を固定するためのものである。抑え部材14は、接続部材12の上面に配置されており、リング状の外形状を有している。抑え部材14の中央には貫通孔が形成されており、その内部にはステム20を挿通(配置)させることが可能となっている。抑え部材14と接続部材12との間には、ステム20の一部(後述するフランジ部21)を固定することが可能となっている。
The restraining
ステム20は、有底(上底)筒状の外形状を有しており、接続部材12における流路12bの一方の端部に設けられる。ステム20は、たとえばステンレス等の金属や合金を機械加工することにより作製される。ステム20の材質は、適切な弾性変形を生じるものであれば特に限定されない。
The
ステム20は、フランジ部21とメンブレン22と側壁部23とを有する。側壁部23は、筒状の外形状を有している。側壁部23の一方の端部はメンブレン22で閉塞されている一方で、側壁部23の他方の端部は開口している。フランジ部21は、ステム20の開口部側に設けられており、側壁部23の他方の端部に形成された開口縁部から径方向外側に向かって突出している。フランジ部21を抑え部材14と接続部材12とで挟み込むように固定することにより、ステム20の開口部を接続部材12の流路12bの一端に気密に連結した状態で、ステム20を接続部材12に固定することが可能となっている。
The
メンブレン22は、測定対象の圧力が伝達される部分であり、ステム20の上底部を構成している。メンブレン22は、ステム20における他の部分(側壁部23等)に比べて肉薄に形成されていることが好ましく、流路12bから伝えられる圧力(圧力流体から受ける圧力)に応じた変形(歪)を発生させる。メンブレン22は、圧力流体に接触する内面22aと、内面22aとは反対側の外面22bとを有している。メンブレン22の外面22bには、後述する歪センサ部32および温度センサ部42等が設けられている(図2参照)。
The
基板部16は、抑え部材14の上面に固定されており、リング状の外形状を有している。基板部16の中央には貫通孔が形成されており、その内部にはステム20を挿通(配置)させることが可能となっている。基板部16には電極部(図示略)が形成されており、基板部16の電極部とメンブレン22上の電極部(図2に示す電極部71~76)とは、ワイヤボンディング等により形成される接続配線80を介して電気的に接続される。基板部16に形成される電極部は、たとえば信号ライン、電力供給ラインあるいはグランド等に電気的に接続されている。
The
図3に示すように、圧力センサ10は、感歪層30と、感温層40と、絶縁層50と、低付着層60とを有する。絶縁層50は、メンブレン22の上に形成され、メンブレン22の外面22bの上方を全体的に覆っている。絶縁層50は、メンブレン22と感歪層30との間の絶縁性、およびメンブレン22と感温層40との間の絶縁性を確保するためのものである。
As shown in FIG. 3, the
絶縁層50は、たとえばシリコン酸化物(SiO2)、シリコン窒化物(SiN)、シリコン酸窒化物(SiOxNy)あるいは酸化アルミニウム(AlOx)等の無機絶縁材料で構成される。絶縁層50の厚みは、好ましくは10μm以下、さらに好ましくは1~5μmである。絶縁層50は、たとえば蒸着、CVDあるいはスパッタリング等の薄膜法(真空法)によりメンブレン22の外面22bに形成される。
The insulating
絶縁層50は、感歪層30が形成される位置では、メンブレン22の表面に形成される。また、絶縁層50は、感温層40が形成される位置では、後述する低付着層60の表面に形成され、メンブレン22の外面22bに直接形成されてはいない。
The insulating
感歪層30は、メンブレン22の変形を検出可能な材料からなり、絶縁層50の上に形成されている。感歪層30は、たとえばCrとAlとを含む歪抵抗膜により形成される。感歪層30がCrとAlとを含むことにより、高温環境下におけるTCR(Temperature coefficient of Resistance、抵抗温度係数)やTCS(Temperature coefficient of sensitivity、感度温度係数)が安定し、精度の高い圧力検出が可能となる。
The strain-
感歪層30(感温層40についても同様)は、一般式Cr100-x-yAlxNyで表され、組成比xおよびyが、5<x≦50、0.1≦y≦20である材料で構成されている。組成比xおよびyを上記の範囲に設定することにより、高いゲージ率と良好な温度安定性を、より高いレベルで両立できる。これにより、-50℃の低温領域から450℃の高温領域まで、歪の検出と温度の検出とを高精度で行うことができる。なお、感歪層30および感温層40のいずれか一方のみ、上記一般式で表される材料で形成してもよい。感歪層30の厚みは、好ましくは10μm以下、さらに好ましくは0.1~1μmである。
The strain-sensitive layer 30 (the same applies to the temperature-sensitive layer 40) is represented by the general formula Cr 100-xy Al x N y , and the composition ratios x and y are 5<x≦50, 0.1≦y≦20. It is made up of a certain material. By setting the composition ratios x and y within the above ranges, it is possible to achieve both a high gauge factor and good temperature stability at a higher level. As a result, strain detection and temperature detection can be performed with high accuracy from a low temperature range of -50°C to a high temperature range of 450°C. Note that only one of the strain-
感歪層30は、図2に示す歪センサ部32を有する。図2に示すように、歪センサ部32は、センサ抵抗体R1~R4を有する。センサ抵抗体R1~R4は、圧力検出素子であり、メンブレン22の変形に応じた歪を生じ、その歪み量に応じてピエゾ抵抗効果により抵抗値が変化するように構成されている。なお、図2の上部にはステム20の模式断面図を示しており、図2の下部にはステム20の概略平面図を示している。
The strain
歪センサ部32は、メンブレン22の歪発生領域に形成されている。メンブレン22の歪発生領域は、所定方向の歪特性を生じる第1歪領域24と、第1歪領域24とは逆方向の歪特性を生じる第2歪領域26とからなる。
The
メンブレン22の第1歪領域24は、メンブレン22の内面22aからの圧力(正圧)を受けて、負方向の歪-ε(圧縮歪)を生じるのに対して、メンブレン22の第2歪領域26は、内面22aからの圧力(正圧)を受けて、正方向の歪+ε(引張歪)を生じる。このように、第1歪領域24上における歪特性と、第2歪領域26上における歪特性は、互いに異なる方向(符号が異なり打ち消しあう関係)であることが好ましい。
The
第1歪領域24および第2歪領域26は、それぞれメンブレン22の中心Oの周囲に同心円上に形成されている。第2歪領域26は、メンブレン22の中心Oから径方向に所定距離だけ離れた位置に位置し、メンブレン22の中心部に形成されている。第1歪領域24は、第2歪領域26の外側(外周側)に形成され、第2歪領域26からメンブレン22の径方向に所定距離だけ離れた位置に位置する。メンブレン22の外縁部27は、ステム20の側壁部23に接続されている。
The
センサ抵抗体R1~R4は、たとえば、所定の材料からなる導電性薄膜(半導体薄膜あるいは金属薄膜等)をミアンダ形状等にパターニングすることにより作製される。導電性薄膜のパターニングは、レーザー加工やスクリーン印刷のような半導体加工技術による微細加工等により行われる。導電性薄膜は、蒸着、CVDあるいはスパッタリング等の薄膜法(真空法)により、絶縁層50の上に形成される。
The sensor resistors R1 to R4 are fabricated, for example, by patterning a conductive thin film (semiconductor thin film, metal thin film, etc.) made of a predetermined material into a meander shape or the like. Patterning of the conductive thin film is performed by microfabrication using semiconductor processing techniques such as laser processing and screen printing. The conductive thin film is formed on the insulating
センサ抵抗体R1とセンサ抵抗体R3とは、第1歪領域24に形成されており、メンブレン22の中心Oを挟んで対向して配置されている。センサ抵抗体R2とセンサ抵抗体R4とは、第2歪領域26に形成されており、メンブレン22の中心Oを挟んで対向して配置されている。センサ抵抗体R1とセンサ抵抗体R3とが向かい合う方向と、センサ抵抗体R2とセンサ抵抗体R4とが向かい合う方向とは略直交している。なお、センサ抵抗体R1~R4の配置は、図示の配置に限定されるものではなく、適宜変更してもよい。
The sensor resistor R1 and the sensor resistor R3 are formed in the
歪センサ部32は、メンブレン22の外面22bに、第1歪領域24と第2歪領域26とに跨るように形成されており、円環状(楕円環状)からなる外形状を有する。歪センサ部32は、ブリッジ回路であり、本実施形態ではホイートストンブリッジを構成している。ただし、歪センサ部32の構成は図示の構成に限定されるものではなく、歪センサ部32は他のブリッジ回路を構成してもよい。
The
歪センサ部32において、センサ抵抗体R1とセンサ抵抗体R2とは、絶縁層50(図3)の上に形成された電極部71に電気的および物理的に接続されている。センサ抵抗体R1とセンサ抵抗体R4とは、絶縁層50の上に形成された電極部72に電気的および物理的に接続されている。センサ抵抗体R3とセンサ抵抗体R4とは、絶縁層50の上に形成された電極部73に電気的および物理的に接続されている。センサ抵抗体R2とセンサ抵抗体R3とは、絶縁層50の上に形成された電極部74に電気的および物理的に接続されている。電極部71~74は、基板部16上に形成された電極部(図示略)にワイヤボンディング等により電気的に接続される。
In the
電極部71~74は、たとえば、センサ抵抗体R1~R4と同様の方法により、所定の材料からなる導電性薄膜(半導体薄膜あるいは金属薄膜等)を所定の形状にパターニングすることにより作製される。なお、電極部71~74は、センサ抵抗体R1~R4に連続的に接続されており、これらは同一の導電性薄膜によって構成されている。
The
図3に示すように、感温層40は、温度を検出可能な材料からなり、絶縁層50の上に形成されている。感温層40は、感歪層30を構成する材料と同一の材料で構成されていることが好ましい。すなわち、感温層40の温度感度(抵抗温度係数)は感歪層30の温度感度と等しく、感温層40の歪感度(ゲージ率)は感歪層30の歪感度と等しいことが好ましい。歪の検出と温度の検出とを1種類の材料で正確に行うことにより、これらを異なる材料で構成する場合に比べて、製造工程(たとえば、感温層40および感歪層30の抵抗変化の校正)を簡素化することが可能となり、生産性の向上および製造コストの低減を図ることができる。感温層40の厚みは、好ましくは10μm以下、さらに好ましくは0.1~1μmである。
As shown in FIG. 3, the temperature-
感温層40は、図2に示す温度センサ部42を有する。特に限定はされないが、図2に示す例では、温度センサ部42は、歪センサ部32とは独立して(電気的に接続されることなく)形成されている。温度センサ部42は、相対的にメンブレン22の歪の影響を受けにくいメンブレン22の外縁部27に形成されることが好ましい。すなわち、温度センサ部42(感温層40)は、歪センサ部32(感歪層30)よりも、メンブレン22の外周に近接して配置されていることが好ましい。
The temperature
ただし、温度センサ部42は、第1歪領域24と外縁部27との間の任意の位置に配置されていてもよい。温度センサ部42は、メンブレン22の外縁部27において、メンブレン22の外周方向に沿って延在しているが、温度センサ部42の延在方向はこれに限定されるものではない。たとえば、温度センサ部42は、メンブレン22の径方向に沿って放射状に延在していてもよい。
However, the
温度センサ部42は、補正用抵抗体RTを有する。図2に示す例では、温度センサ部42には、1個の補正用抵抗体RTが具備されているが、複数の補正用抵抗体RTが具備されていてもよい。補正用抵抗体RTは、温度検出素子であり、たとえば圧力流体の温度変化に応じて抵抗値を変化させる。圧力センサ10に補正用抵抗体RTを具備させることにより、補正用抵抗体RTが検出する温度の検出値に基づいて、センサ抵抗体R1~R4が検出する歪の検出値に含まれる誤差(温度変動に起因するセンサ抵抗体R1~R4の抵抗変化)を補正することが可能となる。
The
補正用抵抗体RTは、たとえば、所定の材料からなる導電性薄膜(半導体薄膜あるいは金属薄膜等)をミアンダ形状等にパターニングすることにより作製される。導電性薄膜のパターニングは、レーザー加工やスクリーン印刷のような半導体加工技術による微細加工等により行われる。導電性薄膜は、蒸着、CVDあるいはスパッタリング等の薄膜法(真空法)により、絶縁層50の上に形成される。
The correction resistor RT is manufactured, for example, by patterning a conductive thin film (semiconductor thin film, metal thin film, etc.) made of a predetermined material into a meander shape or the like. Patterning of the conductive thin film is performed by microfabrication using semiconductor processing techniques such as laser processing and screen printing. The conductive thin film is formed on the insulating
補正用抵抗体RTの一端は、絶縁層50(図3)の上に形成された電極部75に電気的および物理的に接続されており、補正用抵抗体RTの他端は、絶縁層50の上に形成された電極部76に電気的および物理的に接続されている。電極部75および76は、基板部16上に形成された電極部(図示略)にワイヤボンディング等により電気的に接続される。
One end of the correction resistor RT is electrically and physically connected to an
電極部75および76は、たとえば、補正用抵抗体RTと同様の方法により、所定の材料からなる導電性薄膜(半導体薄膜あるいは金属薄膜等)を所定の形状にパターニングすることにより作製される。なお、電極部75および76は、補正用抵抗体RTに連続的に接続されており、これらは同一の導電性薄膜によって構成されている。
The
図3に示すように、低付着層60は、メンブレン22の外面22bの一部分に局所的に形成されており、外面22bの一部分を局所的に覆っている。低付着層60は、メンブレン22のうち、感温層40に対応する位置に形成されており、感歪層30に対応する位置には形成されていない。すなわち、本実施形態では、感温層40は、低付着層60が形成された低付着領域62(図2参照)に位置する一方で、感歪層30は、低付着領域62とは異なる位置に位置する。
As shown in FIG. 3, the
感温層40が形成された位置では、メンブレン22の上には、低付着層60、絶縁層50および感温層40が、この順番で積層されている。また、感歪層30が形成された位置では、メンブレン22の上には、絶縁層50および感歪層30が、この順番で積層されている。
At the position where the temperature
低付着層60は、メンブレン22の外面22bと絶縁層50との間に介在している(挟み込まれている)。低付着層60は、メンブレン22の外面22bに比べて、絶縁層50が付着(密着)しにくいという性質を有する。そのため、絶縁層50は、低付着層60の表面に比較的弱く付着(密着あるいは接着)しており、低付着層60の表面に剥離可能に形成されている。また、絶縁層50は、低付着層60と一体となるように、低付着層60の表面に配置されているものの、低付着層60に対して実質的に化学結合してはいない。たとえば、絶縁層50は、低付着層60に対して部分的に密着していてもよく、あるいは低付着層60に対して部分的に浮き上がっていてもよい。
The
低付着領域62では、メンブレン22に生じた歪(応力)が、メンブレン22(あるいは、その上に形成された低付着層60)から絶縁層50へ伝搬しにくくなっている。すなわち、上述したように、低付着層60と絶縁層50とは密着性が低いため、低付着層60と絶縁層50との界面(低密着部)が、メンブレン22(あるいは、その上に形成された低付着層60)から絶縁層50への歪の伝搬を阻止する阻害要因として作用する。
In the
このように、本実施形態は、低付着層60に対する絶縁層50の付着強度(密着強度)の低さを利用し、絶縁層50の上に形成された感温層40に、メンブレン22に生じた歪の影響が及ぶことを防止している。
In this way, the present embodiment makes use of the low adhesion strength (adhesion strength) of the insulating
ここで、感温層40の抵抗値Rtは、下記の数式で表される。ただし、下記の数式において、TCRtは抵抗温度係数を表し、TCStは感度温度係数を表し、ktはゲージ率を表し、εは歪量を表し、Tは温度を表している。
Here, the resistance value R t of the temperature
本実施形態では、低付着層60と絶縁層50との界面において、メンブレン22の歪が顕著に減少し、感温層40に伝搬される歪の伝搬量が極めて小さくなる。そのため、上記の数式において、εを0に近づけることができる。これにより、感温層40の抵抗値Rtが、メンブレン22の歪変動(εの変動)に起因して変化することを回避することができる。
In this embodiment, the strain in the
他方で、測定対象の温度は、低付着層60と絶縁層50との間の密着性の低さにかかわらず、メンブレン22(あるいは、その上に形成された低付着層60)から絶縁層50へ十分に伝搬される。そのため、感温層40では、実質的に、測定対象の温度変動に起因する抵抗変化のみが生じ、メンブレン22の歪変動に起因する抵抗変化が生じることがない。したがって、感温層40において、温度測定誤差の発生を防止し、測定対象の温度を高感度(高分解能)で検出することができる。
On the other hand, the temperature to be measured is determined from the membrane 22 (or the
低付着層60と絶縁層50との間の剥離強度は、メンブレン22と絶縁層50との間の剥離強度よりも小さいことが好ましい。この場合、絶縁層50は、低付着領域62以外の領域では、メンブレン22の表面から容易に剥離することはない。他方で、絶縁層50は、低付着領域62では、メンブレン22との比較において、低付着層60の表面から剥離しやすくなる
The peel strength between the
そのため、低付着層60と絶縁層50との間の付着強度(密着強度)が極めて低くなり、これらの界面において歪(応力)が顕著に減衰しやすくなる。その結果、低付着領域62では、メンブレン22(あるいは、その上に形成された低付着層60)から絶縁層50へ伝搬される歪の伝搬量が顕著に減少し、感温層40に歪の影響が及ぶことを有効に防止することができる。
Therefore, the adhesion strength (adhesion strength) between the
低付着層60を構成する元素のイオン化傾向は、メンブレン22を構成する元素のイオン化傾向よりも小さいことが好ましい。また、低付着層60は、メンブレン22を構成する元素よりも、酸化しにくい元素(貴金属)、あるいは腐食しにくい(錆びにくい)元素で構成されていることが好ましい。このような元素としては、金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)、オスミウム(Os)およびレニウム(Re)が挙げられる。また、低付着層60は、金、白金族元素(Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt)またはこれらの合金を含んでいることが好ましい。また、低付着層60は、上記の元素以外の元素で構成されてもよい。
The ionization tendency of the elements constituting the
また、低付着層60は、有機物で構成されていてもよい。低付着層60を構成可能な有機物の材料としては、表面処理がなされていないペンタセンやチアゾロチアゾール誘導体、ポリチオフェン誘導体等が例示される。
Further, the
このような元素で構成された低付着層60は、その表面に、絶縁層50を付着させにくい(化学結合させにくい)性質を有する。そのため、低付着層60と絶縁層50との間の付着強度を効果的に低減し、メンブレン22(あるいは、その上に形成された低付着層60)から絶縁層50へ伝搬される歪の伝搬量を効果的に低減することができる。
The
低付着層60は、たとえば、上述した材料からなる導電性薄膜を必要に応じて所定形状にパターニングすることにより作製される。導電性薄膜のパターニングは、レーザー加工やスクリーン印刷のような半導体加工技術による微細加工等により行われる。導電性薄膜は、蒸着、CVDあるいはスパッタリング等の薄膜法(真空法)により、メンブレン22の外面22bの上に形成される。
The
図2に示すように、低付着領域62は、温度センサ部42(感温層40)の位置に対応して、メンブレン22の外縁部27に形成されている。低付着領域62は、第1歪領域24と外縁部27との間の任意の位置に形成されていてもよい。ただし、低付着領域62は、歪センサ部32(センサ抵抗体R1~R4および電極部71~74)と重複しない位置に形成されていることが好ましい。歪センサ部32の位置において、絶縁層50が剥離することを防止し、メンブレン22で生じた歪が感歪層30に十分に伝搬されるようにするためである。
As shown in FIG. 2, the
図3に示すように、感温層40(補正用抵抗体RT)は、低付着層60の内側(低付着領域62の範囲内)に配置されていることが好ましい。この場合、少なくとも感温層40の直下に低付着層60が配置され、感温層40が低付着層60の外側(低付着領域62の範囲外)にはみ出すことがない。そのため、低付着領域62の外側に、メンブレン22から感温層40に(低付着層60を介することなく)伝搬される歪の伝搬経路が形成されることを防止することが可能となる。これにより、メンブレン22に生じた歪(応力)が、メンブレン22から感温層40へ(低付着層60を介することなく)伝搬することを防止することができる。
As shown in FIG. 3, the temperature sensitive layer 40 (correction resistor RT) is preferably disposed inside the low adhesion layer 60 (within the low adhesion region 62). In this case, the
低付着層60の大きさ(表面積S1)は、感温層40の大きさ(表面積S2)と同等、あるいはそれよりも大きいことが好ましい。低付着層60の表面積S1と、感温層40の表面積S2との比S1/S2は、好ましくは1以上であり、さらに好ましくは2以上である。また、低付着層60の表面積S1と、メンブレン22の外面22bの表面積S3との比S1/S3は、好ましくは1/16~3/4である。比S1/S2あるいはS1/S3を上記の範囲に設定することにより、低付着層60に適度な大きさの表面積が具備され、メンブレン22に生じた歪(応力)が、メンブレン22から感温層40へ(低付着層60を介することなく)伝搬することを有効に防止することができる。
The size of the low adhesion layer 60 (surface area S1) is preferably equal to or larger than the size of the temperature-sensitive layer 40 (surface area S2). The ratio S1/S2 of the surface area S1 of the
メンブレン22を上方から見たとき、低付着層60の形状は、感温層40の形状に対応していることが好ましい。たとえば、低付着層60の形状は、メンブレン22の上方から見て、矩形、円形、楕円形あるいはその他の形状であってもよい。また、補正用抵抗体RTがミアンダ形状に形成されている場合には、これに対応して、低付着層60もミアンダ形状に形成されていてもよい。
When the
図2に示すように、低付着層60(低付着領域62)の延在方向は、感温層40(温度センサ部42)の延在方向に対応していてもよい。また、低付着層60は、メンブレン22の外縁部27において、メンブレン22の外周方向に延在していてもよい。この場合、低付着層60には、弧形状が具備される。あるいは、低付着層60は、メンブレン22の外周方向に沿って、メンブレン22を一周するように形成されていてもよい。この場合、低付着層60には、略リング形状が具備される。あるいは、低付着層60は、第1歪領域24と外縁部27との間において、メンブレン22の径方向に延在していてもよい。
As shown in FIG. 2, the extending direction of the low adhesion layer 60 (low adhesion region 62) may correspond to the extending direction of the temperature sensitive layer 40 (temperature sensor section 42). Further, the
図3に示すように、低付着層60の厚みT1は、好ましくは0.001~1μmであり、さらに好ましくは0.001~0.1μmである。低付着層60の厚みT1は、絶縁層50の厚みT2と同等、あるいはそれよりも小さいことが好ましい。低付着層60の厚みT1と、絶縁層50の厚みT2との比T1/T2は、好ましくは1/1000~1/10であり、さらに好ましくは1/1000~1/100である。低付着層60の厚みT1を上記の範囲に設定することにより、低付着層60の表面に絶縁層50が付着(密着)することを有効に防止することができる。
As shown in FIG. 3, the thickness T1 of the
低付着領域62において、絶縁層50は、低付着層60の厚みに応じた分だけ、段差状に盛り上がるように形成されている。ただし、低付着領域62と、低付着領域62以外の領域(低付着領域62に隣接する領域)とにおいて、絶縁層50の表面が面一となっていてもよい。また、低付着領域62における絶縁層50の厚みと、低付着領域62以外の領域における絶縁層50の厚みとが異なっていてもよい。たとえば、前者の厚みが後者の厚みよりも小さくてもよい。
In the
次に、図1に示す圧力センサ10の製造方法について説明する。まず、ステム20を準備する。ステム20は、たとえばSUS316などのステンレスで構成されている。次に、図3に示すように、メンブレン22の外面22bに、低付着層60を形成する。
Next, a method for manufacturing the
この場合、メンブレン22の外面22bの所定位置(低付着領域62に対応する位置)に、外面22bを局所的に覆うように、低付着層60を所定厚みで蒸着、CVDあるいはスパッタリングなどの薄膜法(真空法)により形成する。必要に応じて、低付着層60をパターニングしてもよい。パターニングのための方法としては、フォトリソグラフィが挙げられる。具体的には、リフトオフ、ミリング、エッチングなどの手法が用いられる。
In this case, a
次に、低付着層60が形成されたメンブレン22の外面22bに、絶縁層50を形成する。この場合、外面22bを全面的に覆うように、絶縁層50を所定厚みで蒸着、CVDあるいはスパッタリングなどの薄膜法(真空法)により形成する。
Next, the insulating
次に、絶縁層50の表面の所定位置に、感歪層30を形成する。この場合、絶縁層50を局所的に覆うように、感歪層30を所定厚みで蒸着、CVDあるいはスパッタリングなどの薄膜法(真空法)により形成する。次に、感歪層30を所定パターンでパターニングし、歪センサ部32となるセンサ抵抗体R1~R4(図2)と、電極部71~74(図2)とを、感歪層30に形成する。
Next, the strain-
また、絶縁層50の表面の所定位置に、感温層40を形成する。この場合、低付着層60に対応する位置において、絶縁層50を局所的に覆うように、感温層40を感歪層30と同様の手法で形成する。次に、感温層40を所定パターンでパターニングし、温度センサ部42となる補正用抵抗体RT(図2)と、電極部75および76(図2)とを、感温層40に形成する。なお、感温層40のうち、電極部75および76については、低付着領域62の外側に配置されていてもよいが、補正用抵抗体RTについては低付着領域62の内側に配置されていることが好ましい。以上の工程を経ることにより、図1に示す圧力センサ10を得ることができる。
Further, a temperature
以上で説明したように、本実施形態では、図3に示すように、低付着層60の上に形成された絶縁層50が、低付着層60に対して比較的弱く付着(密着)する。そのため、低付着領域62では、メンブレン22で生じた歪が、メンブレン22(あるいは、その上に形成された低付着層60)から絶縁層50へ伝搬しにくい。それゆえ、感温層40において、メンブレン22の歪の影響を回避することが可能であり、歪変動に起因する感温層40の抵抗変化を抑制し、測定対象の温度を高感度で検出することができる。
As explained above, in this embodiment, as shown in FIG. 3, the insulating
他方で、感歪層30は、低付着領域62とは異なる位置に位置するため、当該位置において、メンブレン22と絶縁層50との間に、歪の伝搬を阻害する要因(すなわち、低付着層60)は存在しない。それゆえ、歪がメンブレン22から絶縁層50へ、さらには絶縁層50から感歪層30へ損失なく伝搬され、感歪層30においてメンブレン22に生じた歪を高感度で検出することができる。
On the other hand, since the strain-
また、感温層40では、高感度な温度検出が可能であるため、感温層40で検出された正確な温度の検出値に基づいて、感歪層30で検出された歪の検出値を精度良く補正することができる。これにより、温度変動に起因する感歪層30の抵抗変化を排除することが可能となり、メンブレン22に生じた歪を高精度(高分解能)で特定することができる。
In addition, since the temperature
また、感温層40が低付着層60に対応する位置に存在する限り、歪の影響が感温層40に顕著に及ぶことはないため、あえて歪の影響が及びにくいメンブレン22の外縁部27に感温層40を配置する必要がない。すなわち、本実施形態では、メンブレン22の任意の位置に感温層40を配置することが可能であり、感温層40の配置の自由度を高めることができる。
In addition, as long as the temperature-
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変することができる。 Note that the present invention is not limited to the embodiments described above, and can be variously modified within the scope of the present invention.
上記実施形態では、本発明の圧力センサへの適用例について説明したが、本発明を圧力センサ以外の機器あるいは素子に適用してもよい。たとえば、本発明を、温度センサ(部)を備えた歪センサ(感温感歪複合センサ)に適用してもよい。当該歪センサには、歪センサ(部)の検出信号の検出値を測定対象(流体)の圧力に換算する機能(圧力算出部)が備わっていなくてもよい。また、本発明を、歪センサ(部)を具備しない温度センサに適用してもよい。 In the above embodiment, an example of application of the present invention to a pressure sensor has been described, but the present invention may be applied to equipment or elements other than pressure sensors. For example, the present invention may be applied to a strain sensor (temperature-sensitive strain composite sensor) that includes a temperature sensor (section). The strain sensor does not need to have a function (pressure calculation section) that converts the detected value of the detection signal of the strain sensor (section) into the pressure of the measurement target (fluid). Further, the present invention may be applied to a temperature sensor that does not include a strain sensor (section).
上記実施形態において、図2に示す歪センサ部32および温度センサ部42を、メンブレン22(ステム20)を具備しない他の部材(好ましくは板状の部材)に設置してもよい。このような部材を構成する材料としては、ステンレス(SUS)、シリコン、セラミック、銅合金、アルミ合金、鋼鉄等(すなわち、ステム20と同様の材料)が例示される。
In the above embodiment, the
上記実施形態において、図4に示すように、温度センサ部42(感温層40)は、メンブレン22の中心側に配置されていてもよい。図4に示す例では、温度センサ部42は、メンブレン22の外周よりも、歪センサ部32(感歪層30)に近接して配置されている。この場合、温度センサ部42は、第1歪領域24、あるいは第1歪領域24と第2歪領域26との間の任意の位置に形成されていてもよい。また、低付着領域62は、第1歪領域24、あるいは第1歪領域24と第2歪領域26との間の任意の位置に形成されていてもよい。
In the embodiment described above, the temperature sensor section 42 (temperature-sensitive layer 40) may be arranged on the center side of the
感歪層30の近傍では相対的に大きな歪が発生するものの、感温層40が低付着層60(低付着領域62)に対応する位置に存在する限り、歪が感温層40に顕著に伝搬されることはない。そのため、上記のような構成とした場合であっても、低付着領域62では、歪の影響が感温層40に顕著に及ぶことはなく、感温層40において高感度な温度検出を行うことができる。また、メンブレン22の外縁部27の近傍に代えて、メンブレン22の中心側に感温層40を配置することが可能であることから、感温層40の配置の自由度を高めることができる。
Although a relatively large strain occurs in the vicinity of the strain-
上記実施形態において、感歪層30と感温層40とは異なる材料で形成されていてもよい。
In the above embodiment, the strain-
10…圧力センサ
12…接続部材
12a…ねじ溝
12b…流路
14…抑え部材
16…基板部
20…ステム
21…フランジ部
22…メンブレン
22a…内面
22b…外面
23…側壁部
24…第1歪領域
26…第2歪領域
27…外縁部
30…感歪層
32…歪センサ部
40…感温層
42…温度センサ部
50…絶縁層
60…低付着層
62…低付着領域
71~76…電極部
80…接続配線
R1~R4…センサ抵抗体
RT…補正用抵抗体
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記絶縁層の上に形成され、温度を検出可能な感温層と、
前記基材と前記絶縁層との間に介在し、前記基材に比べて前記絶縁層が付着しにくい低付着層と、を有する温度センサ。 an insulating layer covering the base material;
a temperature-sensitive layer formed on the insulating layer and capable of detecting temperature;
A temperature sensor comprising: a low adhesion layer interposed between the base material and the insulating layer, to which the insulating layer is less likely to adhere than to the base material.
前記絶縁層の上に形成され、前記基材の変形を検出可能な感歪層と、を有し、
前記感歪層は、前記低付着層が形成された低付着領域とは異なる位置に位置する歪センサ。 The temperature sensor according to any one of claims 1 to 5,
a strain-sensitive layer formed on the insulating layer and capable of detecting deformation of the base material,
In the strain sensor, the strain-sensitive layer is located at a position different from the low-adhesion region in which the low-adhesion layer is formed.
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