JP6034818B2 - 圧力センサチップ - Google Patents

Description

この発明は、一方の面および他方の面に受ける圧力差に応じた信号を出力するセンサダイアフラムを用いた圧力センサチップ、例えば圧力を受けて変位する薄板状のダイアフラム上に歪抵抗ゲージを形成し、ダイアフラムに形成された歪抵抗ゲージの抵抗値変化からダイアフラムに加わった圧力を検出する圧力センサチップに関するものである。

従来より、工業用の差圧センサとして、一方の面および他方の面に受ける圧力差に応じた信号を出力するセンサダイアフラムを用いた圧力センサチップを組み込んだ差圧センサが用いられている。

この差圧センサは、高圧側および低圧側の受圧ダイアフラムに加えられる各測定圧を、圧力伝達媒体としての封入液によってセンサダイアフラムの一方の面および他方の面に導き、そのセンサダイアフラムの歪みを例えば歪抵抗ゲージの抵抗値変化として検出し、この抵抗値変化を電気信号に変換して取り出すように構成されている。

このような差圧センサは、例えば石油精製プラントにおける高温反応塔等の被測定流体を貯蔵する密閉タンク内の上下２位置の差圧を検出することにより、液面高さを測定するときなどに用いられる。

図１０に従来の差圧センサの概略構成を示す。この差圧センサ１００は、センサダイアフラム（図示せず）を有する圧力センサチップ１をメータボディ２に組み込んで構成される。圧力センサチップ１におけるセンサダイアフラムは、シリコンやガラス等からなり、薄板状に形成されたダイアフラムの表面に歪抵抗ゲージが形成されている。メータボディ２は、金属製の本体部３とセンサ部４とからなり、本体部３の側面に一対の受圧部をなすバリアダイアフラム（受圧ダイアフラム）５ａ，５ｂが設けられ、センサ部４に圧力センサチップ１が組み込まれている。

メータボディ２において、センサ部４に組み込まれた圧力センサチップ１と本体部３に設けられたバリアダイアフラム５ａ，５ｂとの間は、大径のセンタダイアフラム６により隔離された圧力緩衝室７ａ，７ｂを介してそれぞれ連通され、圧力センサチップ１とバリアダイアフラム５ａ，５ｂとを結ぶ連通路８ａ，８ｂにシリコーンオイル等の圧力伝達媒体９ａ，９ｂが封入されている。

なお、シリコーンオイル等の圧力媒体が必要となるのは、センサダイアフラムに対する計測媒体中の異物付着を防ぐこと、センサダイアフラムを腐食させないため、耐食性を持つ受圧ダイアフラムと応力（圧力）感度を持つセンサダイアフラムとを分離する必要があるためである。

この差圧センサ１００では、図１１(ａ)に定常状態時の動作態様を模式的に示すように、プロセスからの第１の流体圧力（第１の測定圧）Ｐａがバリアダイアフラム５ａに印加され、プロセスからの第２の流体圧力（第２の測定圧）Ｐｂがバリアダイアフラム５ｂに印加される。これにより、バリアダイアフラム５ａ，５ｂが変位し、その加えられた圧力Ｐａ，Ｐｂがセンタダイアフラム６により隔離された圧力緩衝室７ａ，７ｂを介し、圧力伝達媒体９ａ，９ｂを通して、圧力センサチップ１のセンサダイアフラムの一方の面および他方の面にそれぞれ導かれる。この結果、圧力センサチップ１のセンサダイアフラムは、その導かれた圧力Ｐａ，Ｐｂの差圧ΔＰに相当する変位を呈することになる。

これに対して、例えば、バリアダイアフラム５ａに過大圧Ｐoverが加わると、図１１(ｂ)に示すようにバリアダイアフラム５ａが大きく変位し、これに伴ってセンタダイアフラム６が過大圧Ｐoverを吸収するように変位する。そして、バリアダイアフラム５ａがメータボディ２の凹部１０ａの底面（過大圧保護面）に着底し、その変位が規制されると、バリアダイアフラム５ａを介するセンサダイアフラムへのそれ以上の差圧ΔＰの伝達が阻止される。バリアダイアフラム５ｂに過大圧Ｐoverが加わった場合も、バリアダイアフラム５ａに過大圧Ｐoverが加わった場合と同様にして、バリアダイアフラム５ｂがメータボディ２の凹部１０ｂの底面（過大圧保護面）に着底し、その変位が規制されると、バリアダイアフラム５ｂを介するセンサダイアフラムへのそれ以上の差圧ΔＰの伝達が阻止される。この結果、過大圧Ｐoverの印加による圧力センサチップ１の破損、すなわち圧力センサチップ１におけるセンサダイアフラムの破損が未然に防止される。

この差圧センサ１００では、メータボディ２に圧力センサチップ１を内包させているので、プロセス流体など外部腐食環境から圧力センサチップ１を保護することができる。しかしながら、センタダイアフラム６やバリアダイアフラム５ａ，５ｂの変位を規制するための凹部１０ａ，１０ｂを備え、これらによって圧力センサチップ１を過大圧Ｐoverから保護する構造をとっているので、その形状が大型化することが避けられない。

そこで、圧力センサチップに第１のストッパ部材および第２のストッパ部材を設け、この第１のストッパ部材および第２のストッパ部材の凹部をセンサダイアフラムの一方の面および他方の面に対峙させることによって、過大圧が印加された時のセンサダイアフラムの過度な変位を阻止し、これによってセンサダイアフラムの破損・破壊を防止する構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図１２に特許文献１に示された構造を採用した圧力センサチップの概略を示す。同図において、１１−１はセンサダイアフラム、１１−２および１１−３はセンサダイアフラム１１−１を挟んで接合された第１および第２のストッパ部材、１１−４および１１−５はストッパ部材１１−２および１１−３に接合された第１および第２の台座である。ストッパ部材１１−２，１１−３や台座１１−４，１１−５はシリコンやガラスなどにより構成されている。

この圧力センサチップ１１において、ストッパ部材１１−２，１１−３には凹部１１−２ａ，１１−３ａが形成されており、ストッパ部材１１−２の凹部１１−２ａをセンサダイアフラム１１−１の一方の面に対峙させ、ストッパ部材１１−３の凹部１１−３ａをセンサダイアフラム１１−１の他方の面に対峙させている。凹部１１−２ａ，１１−３ａは、センサダイアフラム１１−１の変位に沿った曲面（非球面）とされており、その頂部に圧力導入孔（導圧孔）１１−２ｂ，１１−３ｂが形成されている。また、台座１１−４，１１−５にも、ストッパ部材１１−２，１１−３の導圧孔１１−２ｂ，１１−３ｂに対応する位置に、圧力導入孔（導圧孔）１１−４ａ，１１−５ａが形成されている。

このような圧力センサチップ１１を用いると、センサダイアフラム１１−１の一方の面に過大圧が印加されてセンサダイアフラム１１−１が変位したとき、その変位面の全体がストッパ部材１１−３の凹部１１−３ａの曲面によって受け止められる。また、センサダイアフラム１１−１の他方の面に過大圧が印加されてセンサダイアフラム１１−１が変位したとき、その変位面の全体がストッパ部材１１−２の凹部１１−２ａの曲面によって受け止められる。

これにより、センサダイアフラム１１−１に過大圧が印加された時の過度な変位が阻止され、センサダイアフラム１１−１の周縁部に応力集中が生じないようにして、過大圧の印加によるセンサダイアフラム１１−１の不本意な破壊を効果的に防ぎ、その過大圧保護動作圧力（耐圧）を高めることが可能となる。また、図１０に示された構造において、センタダイアフラム６や圧力緩衝室７ａ，７ｂをなくし、バリアダイアフラム５ａ，５ｂからセンサダイアフラム１１−１に対して直接的に測定圧Ｐａ，Ｐｂを導くようにして、メータボディ２の小型化を図ることが可能となる。

特開２００５−６９７３６号公報

しかしながら、図１２に示された圧力センサチップ１１の構造において、ストッパ部材１１−２および１１−３は、センサダイアフラム１１−１の一方の面および他方の面に、その周縁部１１−２ｃおよび１１−３ｃの全面を接合させている。すなわち、ストッパ部材１１−２の凹部１１−２ａを囲む周縁部１１−２ｃをセンサダイアフラム１１−１の一方の面に対面させ、この対面する周縁部１１−２ｃの全領域をセンサダイアフラム１１−１の一方の面に直接接合している。また、ストッパ部材１１−３の凹部１１−３ａを囲む周縁部１１−３ｃをセンサダイアフラム１１−１の他方の面に対面させ、この対面する周縁部１１−３ｃの全領域をセンサダイアフラム１１−１の他方の面に直接接合している。

このような構造の場合、ストッパ部材１１−２による過大圧保護動作圧力（耐圧）を越える過大な圧力が印加されると、センサダイアフラム１１−１が撓んでストッパ部材１１−２の凹部１１−２ａに着底した後、この状態でセンサダイアフラム１１−１はストッパ部材１１−２とともに更に撓む。すると、引っ張り応力が最も発生する圧力が印加された側のセンサダイアフラム１１−１のエッジ付近（図１２中の一点鎖線で囲んだ部位）が両面とも拘束状態にあるため、その箇所に応力集中が発生し、期待される耐圧が確保できないという問題があった。

更に、ストッパ部材１１−２，１１−３の凹部１１−２ａ，１１−３ａの開口サイズに製作上のズレがあると、センサダイアフラム１１−１の拘束箇所に位置ずれが生じるため、その影響で応力集中がより顕著になる場合がある。この場合、センサダイアフラム１１−１の着底異常に伴う応力集中も重なり、更なる耐圧低下となってしまう虞がある。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、センサダイアフラムの拘束による応力発生を低減し、ダイアフラムエッジへの応力集中を防いで、期待される耐圧を確保することが可能な圧力センサチップを提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、一方の面および他方の面に受ける圧力差に応じた信号を出力するセンサダイアフラムと、このセンサダイアフラムの一方の面および他方の面にその周縁部を対面させて接合され、センサダイアフラムへ測定圧を導く導圧孔を有する第１および第２の保持部材とを備えた圧力センサチップにおいて、第１の保持部材は、導圧孔の周部に連通する非接合領域を内部に有し、第１の保持部材の内部の非接合領域は、センサダイアフラムの受圧面と平行な面の一部に設けられ、第１の保持部材の内部には、第１の保持部材の肉厚方向のセンサダイアフラムに対向しない側を一方側、センサダイアフラムに対向する側を他方側として、第１の保持部材の肉厚方向の一方側および他方側に張り出した非接合領域に連続する環状の溝が形成されており、第１の保持部材の内部の非接合領域に連続する環状の溝は、一方側および他方側に張り出した溝の非接合領域に直交する方向の断面形状がともに円弧部分を含んでおり、かつ、一方側および他方側に張り出した溝の互いに対向する円弧部分の端部が他方側に張り出した溝を導圧孔側としてずれており、第２の保持部材は、センサダイアフラムに過大圧が印加された時の当該センサダイアフラムの過度な変位を阻止する凹部を備えていることを特徴とする。

この発明によれば、センサダイアフラムの一方の面に高圧の測定圧がかかった場合、センサダイアフラムは第２の保持部材側に撓み、ダイアフラムエッジに開きが生じようとする。この場合、本発明では、第１の保持部材の内部に設けられている非接合領域に導圧孔を通して測定圧が導かれるので、この非接合領域が測定圧の受圧面となって、第１の保持部材を第２の保持部材およびダイアフラムと同じ方向に撓ませて追従変形させることにより、ダイアフラムエッジに開きを生じさせないようにする。これにより、センサダイアフラムの拘束による応力発生が低減され、ダイアフラムへの応力集中が防がれる。

また、本発明では、第１の保持部材の内部に、第１の保持部材の肉厚方向の一方側（センサダイアフラムに対向しない側）および他方側（センサダイアフラムに対向する側）に張り出した非接合領域に連続する環状の溝が形成されているので、この非接合領域に連続する環状の溝の内部に応力が分散されるものとなり、さらに高耐圧とすることができる。

また、本発明では、一方側および他方側に張り出した溝の互いに対向する円弧部分の端部を他方側に張り出した溝を導圧孔側としてずらずことにより、環状の溝の内部での応力の分散をバランスさせるようにして、最大発生応力を抑制し、さらなる高耐圧化を図ることが可能となる。

本発明において、例えば、一方側に張り出した溝の断面形状を半円以上とし、他方側に張り出した溝の断面形状を半円以下とすると、第１の保持部材の他方側の肉厚を薄くすることができ、第１の保持部材の追従効果がアップする。これにより、第１の保持部材の肉厚を薄くするとともに、第１の保持部材の内部の非接合領域の面積を小さくして、チップの小型化を図ることが可能となる。

本発明において、センサダイアフラム上で高圧側の測定圧を受ける面が必ず決まっている場合には、センサダイアフラムの一方の面を高圧側の測定圧の受圧面とし、他方の面を低圧側の測定圧の受圧面とする。すなわち、センサダイアフラム上で高圧側の測定圧を受ける面が必ず決まっている場合には、センサダイアフラムの一方の面を高圧側の測定圧の受圧面とし、第１の保持部材の内部の非接合領域に導圧孔を通して高圧側の測定圧が導かれるようにする。

本発明において、第１の保持部材にもセンサダイアフラムに過大圧が印加された時のセンサダイアフラムの過度な変位を阻止する凹部を備えたうえ、第２の保持部材についても、第１の保持部材と同様にして、非接合領域を内部に設けるようにし、この非接合領域に連続する環状の溝を形成し、この環状の溝の一方側および他方側に張り出した溝の互いに対向する円弧部分の端部を他方側に張り出した溝を導圧孔側としてずらすようにしてもよい。このようにすると、センサダイアフラムのどちらの面が高圧側の測定圧の受圧面となっても、ダイアフラムエッジに開きを生じさせないようにして、センサダイアフラムの拘束による応力発生を低減し、ダイアフラムエッジへの応力集中を防ぐことが可能となる。また、非接合領域に連続する環状の溝の内部に応力を分散させると共に、この環状の溝の内部での応力の分散をバランスさせることが可能となる。

本発明において、第１の保持部材の内部の非接合領域は、接合されていない領域であればよく、面同士が接触していても接触していなくてもよい。例えば、プラズマや薬液などにより表面を荒らすなどして、面同士が接してはいるが、接合はされていない領域として形成するようにする。また、微小な段差として形成するようにしてもよい。

本発明によれば、第１の保持部材の内部に導圧孔の周部に連通する非接合領域を設け、この第１の保持部材の内部の非接合領域をセンサダイアフラムの受圧面と平行な面の一部に設けるようにしたので、第１の保持部材の内部の非接合領域が受圧面となって、第１の保持部材に加わる逆方向への力を抑制し、ダイアフラムエッジに開きを生じさせないようにして、センサダイアフラムの拘束による応力の発生を低減し、ダイアフラムエッジへの応力集中を防ぎ、期待される耐圧を確保することが可能となる。

また、本発明によれば、第１の保持部材の内部に、第１の保持部材の肉厚方向のセンサダイアフラムに対向しない側を一方側、センサダイアフラムに対向する側を他方側として、第１の保持部材の肉厚方向の一方側および他方側に張り出した非接合領域に連続する環状の溝を形成し、一方側および他方側に張り出した溝の互いに対向する円弧部分の端部を他方側に張り出した溝を導圧孔側としてずらすようにしたので、環状の溝の内部に応力を分散させると共に、環状の溝の内部での応力の分散をバランスさせるようにして、最大発生応力を抑制し、さらなる高耐圧化を図ることが可能となる。

本発明に係る圧力センサチップの第１の実施の形態（実施の形態１）の概略を示す図である。 この圧力センサチップのストッパ部材の内部の環状の溝の断面形状を示す図である。 この圧力センサチップにおいてセンサダイアフラムがストッパ部材の凹部に着底した後の状態を示す図である。 一定圧力下での環状の溝の開口幅に対する位置ズレ幅の比率とＲ１内発生応力およびＲ２内発生応力との関係を例示する図である。 Ｒ１内発生応力およびＲ２内発生応力の分布を視覚的に示す図である。 環状の溝の断面形状を円とした場合の圧力センサの概略を示す図である。 ストッパ部材内の非接合領域を微小な段差とした例を示す図である。 本発明に係る圧力センサチップの第２の実施の形態（実施の形態２）の概略を示す図である。 本発明に係る圧力センサチップの第３の実施の形態（実施の形態３）の概略を示す図である。 従来の差圧センサの概略構成を示す図である。 この差圧センサの動作態様を模式的に示す図である。 特許文献１に示された構造を採用したセンサチップの概略を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

〔実施の形態１〕
図１はこの発明に係る圧力センサチップの第１の実施の形態（実施の形態１）の概略を示す図である。同図において、図１２と同一符号は図１２を参照して説明した構成要素と同一或いは同等構成要素を示し、その説明は省略する。なお、この実施の形態では、圧力センサチップを符号１１Ａで示し、図１２に示された圧力センサチップ１１と区別する。

この圧力センサチップ１１Ａにおいて、ストッパ部材１１−２は、導圧孔１１−２ｂの周部に連通する非接合領域ＳＡを内部に有している。この非接合領域ＳＡは、センサダイアフラム１１−１の受圧面と平行な面ＰＬの一部に設けられている。非接合領域ＳＡは、プラズマや薬液などにより表面を荒らすなどして、面同士が接してはいるが、接合はされてない領域として形成されている。

この例において、ストッパ部材１１−２は、センサダイアフラム１１−１の受圧面と平行な面ＰＬで２分割されており、この２分割された一方のストッパ部材１１−２１と他方のストッパ部材１１−２２とを、非接合領域ＳＡが設けられた面ＰＬの非接合領域ＳＡを除く領域ＳＢ同士を接合することにより１つのストッパ部材１１−２としている。これにより、センサダイアフラム１１−１の受圧面と平行な面ＰＬは、導圧孔１１−２ｂの周部に連通する非接合領域ＳＡと、導圧孔１１−２ｂの周部には連通しない接合領域ＳＢとに分けられている。

また、この圧力センサチップ１１Ａでは、ストッパ部材１１−２の肉厚方向のセンサダイアフラム１１−１に対向しない側を一方側、センサダイアフラム１１−１に対向する側を他方側として、ストッパ部材１１−２の肉厚方向の一方側および他方側に張り出した環状の溝１１−２ｄを非接合領域ＳＡの終端部に形成している。この環状の溝１１−２ｄは、離散的に分断された溝ではなく、連続した溝である。

この環状の溝１１−２ｄにおいて、一方側および他方側に張り出した溝１１−２ｄ１および１１−２ｄ２の非接合領域ＳＡに直交する方向の断面形状はともに円弧部分を含んでおり、かつ、一方側および他方側に張り出した溝１１−２ｄ１および１１−２ｄ２の互いに対向する円弧部分の端部は他方側に張り出した溝１１−２ｄ２を導圧孔１１−２ｂ側としてずらされている。

この実施の形態において、溝１１−２ｄ１の断面形状は半円以上、溝１１−２ｄ２の断面形状は半円以下とされており（図２参照）、溝１１−２ｄ１および１１−２ｄ２に発生する応力をバランスできるように、溝１１−２ｄ１および１１−２ｄ２の断面形状の曲率は同等程度としている。そして、断面形状が半円以下とされた溝１１−２ｄ２を導圧孔１１−２ｂ側（内側）として、互いに対向する円弧の端部をずらしている。なお、この例では、溝１１−２ｄ１および１１−２ｄ２の断面形状の曲率を等しくしているが、必ずしも等しくしなくてもよい。

この圧力センサチップ１１Ａにおいて、測定圧Ｐａを高圧側の測定圧とし、測定圧Ｐｂを低圧側の測定圧とした場合、センサダイアフラム１１−１の一方の面に高圧側の測定圧Ｐａがかかると、センサダイアフラム１１−１はストッパ部材１１−３側に撓む。この際、ストッパ部材１１−２にはセンサダイアフラム１１−１が撓んだ方向とは反対側に力が加わり、ダイアフラムエッジ（図中点Ｇで示す箇所）に開きが生じようとする。なお、以下の説明では、図１において、センサダイアフラム１１−１が撓んだ方向を下方向、撓んだ方向とは反対側を上方向と呼ぶ。

この場合、本実施の形態では、ストッパ部材１１−２の内部に設けられている非接合領域ＳＡに導圧孔１１−２ｂを通して測定圧Ｐａが導かれるので、この非接合領域ＳＡが測定圧Ｐａの受圧面となって、ストッパ部材１１−２に加わる上方向への力を抑制し、ダイアフラムエッジに開きを生じさせないようにする。これにより、センサダイアフラム１１−１の拘束による応力発生が低減され、ダイアフラムエッジへの応力集中が防がれる。

この圧力センサチップ１１Ａにおいて、非接合領域ＳＡは、センサダイアフラム１１−１がストッパ部材１１−３の凹部１１−３ａに着底した後、過大圧が大きくなったような場合、さらに大きな効果を発揮する。

図３にセンサダイアフラム１１−１がストッパ部材１１−３の凹部１１−３ａに着底した後の状態を示す。センサダイアフラム１１−１の一方の面に過大圧がかかると、センサダイアフラム１１−１はストッパ部材１１−３側に撓み、ストッパ部材１１−３の凹部１１−３ａに着底する。このセンサダイアフラム１１−１の凹部１１−３ａへの着底後、過大圧が大きくなると、ストッパ部材１１−２に加わる上方向への力により、ストッパ部材１１−２が変形し、ダイアフラムエッジに開きが生じようとする。

この場合、本実施の形態では、ストッパ部材１１−２の内部に設けられている非接合領域ＳＡにも導圧孔１１−２ｂを通して過大圧が導かれるので、この非接合領域ＳＡが過大圧の受圧面となって、ストッパ部材１１−２２に下方向への力を加え、ストッパ部材１１−２２の変形を抑制、もしくは逆方向に変形させる。図３の例では、ダイアフラム１１−１の下方向への変形に追従する形で、ストッパ部材１１−２２を下方向へ変形させている。

これにより、センサダイアフラム１１−１のストッパ部材１１−３の凹部１１−３ａへの着底後、過大圧が大きくなっても、ダイアフラムエッジに開きが生じず、ダイアフラムエッジへの応力集中が避けられ、期待される耐圧が確保される。

また、本実施の形態では、非接合領域ＳＡの終端部にストッパ部材１１−２の肉厚方向の一方側および他方側に張り出した環状の溝１１−２ｄが形成されているので、この非接合領域ＳＡの終端部に位置する環状の溝１１−２ｄ、すなわち非接合領域ＳＡに連続する環状の溝１１−２ｄの内部に応力が分散されるものとなり、さらに高耐圧とすることができる。

また、本実施の形態では、一方側および他方側に張り出した溝１１−２ｄ１および１１−２ｄ２の互いに対向する円弧部分の端部を他方側に張り出した溝１１−２ｄ２を内側（一方側に張り出した溝１１−２ｄ１を外側）としてずらしているので、このずらし量を適切に定めることにより、環状の溝１１−２の内部での応力の分散をバランスさせるようにして、最大発生応力を抑制し、さらなる高耐圧化を図ることができる。

図４に、溝１１−２ｄ１の断面形状をＲ１、溝１１−２ｄ２の断面形状をＲ２、溝１１−２ｄ１の開口幅Ｗ（図２参照）に対する溝１１−２ｄ１と１１−２ｄ２との位置ズレ幅（Ｒ位置ズレ幅）ｚの比率をαとした場合の一定圧力下でのＲ位置ズレ幅の比率αとＲ１内発生応力およびＲ２内発生応力との関係を例示する。この例では、Ｒ位置ズレ幅の比率αが０．０４の時、Ｒ１内発生応力とＲ２内発生応力とがバランスしている。図５にＲ１内発生応力およびＲ２内発生応力の分布を視覚的に示す。Ｒ１，Ｒ２内において発生応力の高い部分は濃く示されている。

また、本実施の形態では、一方側に張り出した溝１１−２ｄ１の断面形状を半円以上とし、他方側に張り出した溝１１−２ｄ２の断面形状を半円以下とすることによって、ストッパ部材１１−２２の肉厚を薄くし、ストッパ部材１１−２２の追従効果をアップさせている。これにより、ストッパ部材１１−２の肉厚を薄くするとともに、ストッパ部材１１−２の内部の非接合領域ＳＡの面積を小さくして、すなわち縦横の寸法を小さくして、チップの小型化を図ることができている。

例えば、図６に示すように、環状の溝１１−２ｄの断面形状を円とすることが考えられる。しかし、断面形状を円とすると、十分な分散効果をもたせるには、円の径を大きくするか、もしくは図５のＲ１のような半円より大きいものをスットパ部材１１−２１、１１−２２の両方に形成する必要がある。そうすると、溝が肉厚方向に深くなってしまうため、ストッパ部材１１−２１，１１−２２ともに肉厚を厚くしなければならなくなる。また、ストッパ部材１１−２２の追従効果を得るために、肉厚が厚くなった分、ストッパ部材１１−２の内部の非接合領域ＳＡの面積を大きくしなければならない。このように受圧面積が大きくなると、環状の溝１１−２ｄ内での発生応力が大きくなり耐圧の低下が生じる。耐圧を確保するためには、更に大きな円にする必要があり、チップの大型化へと悪循環に陥ってしまう。

これに対し、本実施の形態では、一方側に張り出した溝１１−２ｄ１の断面形状を半円以上とし、他方側に張り出した溝１１−２ｄ２の断面形状を半円以下とし、溝１１−２ｄ１および１１−２ｄ２の互いに対向する円弧部分の端部を溝１１−２ｄ２を内側としてずらすことによって、ストッパ部材１１−２２の肉厚方向に円の径を大きくすることなく曲率を上げることができるため、環状の溝１１−２ｄ内での応力の分散効果を高めることができる。また、ストッパ部材１１−２２の肉厚方向に張り出した溝１１−２ｄ２の断面形状が半円以下のため、ストッパ部材１１−２２の肉厚を薄くすることが可能となる。これにより非接合領域ＳＡの面積を大きくすることなく、ストッパ部材１１−２２の追従効果をアップすることができ、チップの小型化、かつ高耐圧が可能となる。

なお、この実施の形態では、ストッパ部材１１−２の内部の非接合領域ＳＡをプラズマや薬液などにより表面を荒らすなどして形成しているが、図７に示すように、微小な段差ｈ１として形成するようにしてもよい。

〔実施の形態２〕
図８にこの発明に係る圧力センサチップの第２の実施の形態（実施の形態２）の概略を示す。この実施の形態２の圧力センサチップ１１Ｂは、実施の形態１の圧力センサチップ１１Ａと同様に、ストッパ部材１１−２の内部に非接合領域ＳＡと、この非接合領域ＳＡに連続する環状の溝１１−２ｄとを備えているが、以下の点で実施の形態１の圧力センサチップ１１Ａとは異なっている。

この圧力センサチップ１１Ａにおいて、ストッパ部材１１−２の周縁部１１−２ｃは、センサダイアフラム１１−１の一方の面と対面する領域Ｓ１のうち、外周側の領域Ｓ１ａがセンサダイアフラム１１−１の一方の面との接合領域とされ、内周側の領域Ｓ１ｂがセンサダイアフラム１１−１の一方の面との非接合領域とされている。

また、ストッパ部材１１−３の周縁部１１−３ｃは、センサダイアフラム１１−１の他方の面と対面する領域Ｓ２のうち、外周側の領域Ｓ２ａがセンサダイアフラム１１−１の他方の面との接合領域とされ、内周側の領域Ｓ２ｂがセンサダイアフラム１１−１の他方の面との非接合領域とされている。

ストッパ部材１１−２の周縁部１１−２ｃの外周側の領域Ｓ１ａは、センサダイアフラム１１−１の一方の面に直接接合されることによって接合領域とされ、ストッパ部材１１−３の周縁部１１−３ｃの外周側の領域Ｓ２ａは、センサダイアフラム１１−１の他方の面に直接接合されることによって接合領域とされている。

ストッパ部材１１−２の周縁部１１−２ｃの内周側の領域Ｓ１ｂは、プラズマや薬液などにより表面を荒らすなどして、センサダイアフラム１１−１の一方の面に接してはいるが、接合はされてない非接合領域とされている。ストッパ部材１１−３の周縁部１１−３ｃの内周側の領域Ｓ２ｂも、プラズマや薬液などにより表面を荒らすなどして、センサダイアフラム１１−１の他方の面に接してはいるが、接合はされてない非接合領域とされている。なお、ストッパ部材１１−２の周縁部１１−２ｃの内周側の領域Ｓ１ｂやストッパ部材１１−３の周縁部１１−３ｃの内周側の領域Ｓ２ｂは、センサダイアフラム１１−１の面に接していない微小な隙間としてもよい。

この圧力センサチップ１１Ｂでは、センサダイアフラム１１−１の下面の非接合領域Ｓ１ｂより更に内側がダイアフラムの感圧領域Ｄ１とされ、同様に、センサダイアフラム１１−１の上面の非接合領域Ｓ２ｂより更に内側がダイアフラムの感圧領域Ｄ２とされている。このダイアフラムの感圧領域Ｄ１ではストッパ部材１１−２に対向する面に一方の測定圧Ｐａがかかるとともに、ダイアフラムの感圧領域Ｄ２ではストッパ部材１１−３に対向する面にもう一方の測定圧Ｐｂがかかる。なお、感圧領域Ｄ１及びＤ２の直径がダイアフラムの有効径である。

この圧力センサチップ１１Ｂにおいて、測定圧Ｐａを高圧側の測定圧とし、測定圧Ｐｂを低圧側の測定圧とした場合、センサダイアフラム１１−１の下面の感圧領域Ｄ１に高圧側の測定圧Ｐａがかかると、センサダイアフラム１１−１はストッパ部材１１−２の周縁部１１−２ｃとの非接合領域Ｓ１ｂでストッパ部材１１−２から拘束による過渡な引っ張り応力が生じることなく撓むことができるので、この部分に生じる応力が低減されるものとなる。

また、この圧力センサチップ１１Ｂにおいて、測定圧Ｐｂを高圧側の測定圧とし、測定圧Ｐａを低圧側の測定圧とした場合、センサダイアフラム１１−１の上面の感圧領域Ｄ２に高圧側の測定圧Ｐｂがかかると、センサダイアフラム１１−１はストッパ部材１１−３の周縁部１１−３ｃとの非接合領域Ｓ２ｂでストッパ部材１１−３から拘束による過渡な引っ張り応力が生じることなく撓むことができるので、この部分に生じる応力が低減されるものとなる。

なお、図１，図７，図８に示した例では、ストッパ部材１１−２の内部にしか非接合領域ＳＡを設けていないが、例えば、図９に実施の形態３の圧力センサチップ１１Ｃとして示すように、ストッパ部材１１−３の内部にも非接合領域ＳＡを設け、この非接合領域ＳＡに連続する環状の溝１１−３ｄを設けるようにしてもよい。

この実施の形態３の圧力センサチップ１１Ｃでは、ストッパ部材１１−２の内部に設けた環状の溝１１−２ｄとストッパ部材１１−３の内部に設けた環状の溝１１−３ｄとを同じ断面形状とし、また同じ位置に対向して設けるようにしているが、環状の溝１１−２ｄと１１−３ｄの断面形状を変えるようにしてもよく、環状の溝１１−２ｄと１１−３ｄの横方向の位置を異ならせるようにしてもよい。また、環状の溝１１−２ｄや１１−３ｄの断面形状は、楕円形をずらした形状とするなど、各種の形状が考えられる。

また、実施の形態３の圧力センサチップ１１Ｃにおいても、ストッパ部材１１−２や１１−３の内部の非接合領域ＳＡは微少な段差として形成するようにしてもよい。但し、この場合、段差の寸法はあまり大きくしない方がよい。すなわち、例えば、ストッパ部材１１−２の内部の非接合領域ＳＡを微少な段差とした場合、測定圧Ｐａを高圧側とした場合は、その段差が大きくても特に問題はないが、測定圧Ｐｂが高圧側とされた場合に段差が大きいと、センサダイアフラム１１−１が凹部１１−２ａの底面に着底し、さらに圧力がかかると隙間があるためにストッパ部材１１−２２が変形しまうことで、ダイアフラムエッジの応力が大きくなってしまう。この場合、段差の寸法は、ストッパ部材１１−２の上方向へ向かう力に依存する。ストッパ部材１１−３の内部の非接合領域ＳＡを微少な段差とする場合も同じである。

また、図１，図７，図８に示した例では、ストッパ部材１１−２に非球面とした凹部１１−２ａを設けるようしているが、必ずしも非球面とした凹部１１−２ａを備えていなくてもよく、センサダイアフラム１１−１を保持するだけの単なる保持部材であってもよい。このような場合でも、その保持部材内に設けられる非接合領域は、センサダイアフラム１１−１が撓んだ方向と反対側の力を加える受圧面として作用する。

また、上述した実施の形態では、センサダイアフラム１１−１を圧力変化に応じて抵抗値が変化する歪抵抗ゲージを形成したタイプとしているが、静電容量式のセンサチップとしてもよい。静電容量式のセンサチップは、所定の空間（容量室）を備えた基板と、その基板の空間上に配置されたダイアフラムと、基板に形成された固定電極と、ダイアフラムに形成された可動電極とを備えている。ダイアフラムが圧力を受けて変形することで、可動電極と固定電極との間隔が変化してその間の静電容量が変化する。

〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、各実施の形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。

１１Ａ〜１１Ｃ…圧力センサチップ、１１−１…センサダイアフラム、１１−２（１１−２１，１１−２２），１１−３…ストッパ部材、１１−２ａ，１１−３ａ…凹部、１１−２ｂ，１１−３ｂ…圧力導入孔（導圧孔）、１１−２ｃ，１１−３ｃ…周縁部、１１−２ｄ，１１−３ｄ…環状の溝、１１−２ｄ１，１１−３ｄ１…一方側の溝、１１−２ｄ２，１１−３ｄ２…他方側の溝、１１−４，１１−５…台座、１１−４ａ，１１−５ａ…圧力導入孔（導圧孔）、ＳＡ…非接合領域、ＳＢ…接合領域、Ｓ１ａ，Ｓ２ａ…外周側の領域（接合領域）、Ｓ１ｂ，Ｓ２ｂ…内周側の領域（非接合領域）、Ｄ１，Ｄ２…感圧領域、ＰＬ…面。

Claims (5)

1. 一方の面および他方の面に受ける圧力差に応じた信号を出力するセンサダイアフラムと、このセンサダイアフラムの一方の面および他方の面にその周縁部を対面させて接合され、前記センサダイアフラムへ測定圧を導く導圧孔を有する第１および第２の保持部材とを備えた圧力センサチップにおいて、
   前記第１の保持部材は、
   前記導圧孔の周部に連通する非接合領域を内部に有し、
   前記第１の保持部材の内部の非接合領域は、
   前記センサダイアフラムの受圧面と平行な面の一部に設けられ、
   前記第１の保持部材の内部には、
   前記第１の保持部材の肉厚方向の前記センサダイアフラムに対向しない側を一方側、前記センサダイアフラムに対向する側を他方側として、前記第１の保持部材の肉厚方向の一方側および他方側に張り出した前記非接合領域に連続する環状の溝が形成されており、
   前記第１の保持部材の内部の非接合領域に連続する環状の溝は、
   前記一方側および前記他方側に張り出した溝の前記非接合領域に直交する方向の断面形状がともに円弧部分を含んでおり、かつ、前記一方側および前記他方側に張り出した溝の互いに対向する円弧部分の端部が前記他方側に張り出した溝を前記導圧孔側としてずれており、
   前記第２の保持部材は、
   前記センサダイアフラムに過大圧が印加された時の当該センサダイアフラムの過度な変位を阻止する凹部を備えている
   ことを特徴とする圧力センサチップ。
2. 請求項１に記載された圧力センサチップにおいて、
   前記第１の保持部材の内部の非接合領域に連続する環状の溝は、
   前記一方側に張り出した溝の断面形状が半円以上とされ、前記他方側に張り出した溝の断面形状が半円以下とされている
   ことを特徴とする圧力センサチップ。
3. 請求項１に記載された圧力センサチップにおいて、
   前記第１の保持部材は、
   前記非接合領域が設けられた前記センサダイアフラムの受圧面と平行な面で２分割され、
   前記２分割された一方の保持部材と他方の保持部材とは、
   前記非接合領域が設けられた面の非接合領域を除く領域同士が接合されている
   ことを特徴とする圧力センサチップ。
4. 請求項１に記載された圧力センサチップにおいて、
   前記センサダイアフラムは、
   前記一方の面が高圧側の測定圧の受圧面とされ、
   前記他方の面が低圧側の測定圧の受圧面とされている
   ことを特徴とする圧力センサチップ。
5. 請求項１に記載された圧力センサチップにおいて、
   前記第１の保持部材は、
   前記センサダイアフラムに過大圧が印加された時の当該センサダイアフラムの過度な変位を阻止する凹部を備え、
   前記第２の保持部材は、
   前記導圧孔の周部に連通する非接合領域を内部に有し、
   前記第２の保持部材の内部の非接合領域は、
   前記センサダイアフラムの受圧面と平行な面の一部に設けられ、
   前記第２の保持部材の内部には、
   前記第２の保持部材の肉厚方向の前記センサダイアフラムに対向しない側を一方側、前記センサダイアフラムに対向する側を他方側として、前記第２の保持部材の肉厚方向の一方側および他方側に張り出した前記非接合領域に連続する環状の溝が形成されており、
   前記第２の保持部材の内部の非接合領域に連続する環状の溝は、
   前記一方側および前記他方側に張り出した溝の前記非接合領域に直交する方向の断面形状がともに円弧部分を含んでおり、かつ、前記一方側および前記他方側に張り出した溝の互いに対向する円弧部分の端部が前記他方側に張り出した溝を前記導圧孔側としてずれている
   ことを特徴とする圧力センサチップ。