JPH06160221A - 歪みセンサの配線パターン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 歪みゲージ形成位置に対する工程管理を緩和
することができる歪みセンサの配線パターンを得る。 【構成】 圧縮歪み検出用歪みゲージ１４，１６と引張
歪み検出用歪みゲージ１８，２０とが円形ダイアフラム
１０の圧縮歪みと引張歪みの絶対値が等しく且つ両者の
変化率が等しい半径位置（ａ，ｂ）にそれぞれ配置され
ているので、これらの歪みゲージ１４，１８又は１６，
２０の形成位置がズレた場合、このズレがある一定大き
さ以下であれば、このズレに起因する圧縮歪み及び引張
歪みの変動の大きさは略同一となり、これらのゲージに
より構成されるホイートストンブリッジ回路のバランス
に大きな影響は生じない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧力センサ，加速度セ
ンサ等に適用される歪みセンサの配線パターンに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】弾性体の隔膜（ダイアフラム）の全域に
流体応力が作用すると、この応力に比例して膜が変形す
る。この時、ダイアフラムに歪みゲージを貼りつけて歪
みを検出することにより、応力と歪みの関係から弾性体
に作用する応力を検出することができる。このため、従
来、圧力センサ等では、ダイアフラムに歪みゲージを貼
りつけたダイアフラム式歪みセンサが利用されていた。

【０００３】しかし、その後半導体精密加工技術が発達
したため、シリコン単結晶板のエッチングによりダイア
フラムをつくり、それに不純物を選択拡散してダイアフ
ラムの表面の一部を歪みゲージとするダイアフラム式歪
みセンサが、圧力センサ用として開発された。

【０００４】図４には、圧力センサを構成する円形ダイ
アフラム１００上の配線例が示されている。円形ダイア
フラム１００は、例えば、所定厚さのシリコン単結晶板
２００の中央部の裏面側をエッチングで除き、所定の厚
さに形成される。円形ダイアフラム１００上には、図４
の紙面後側からシリコン単結晶板２００の全面に等分布
荷重（例えば、油圧）が作用した場合に、最大引張歪み
が生じる半径位置の近傍の半径位置に引張歪み検出用の
第１，第２の歪みゲージ１０２，１０４が形成され、前
記第１，第２の歪みゲージ１０２，１０４が形成された
位置に生じる引張歪みと絶対値が略等しい圧縮歪みが生
じる半径位置に圧縮歪み検出用の第３，第４の歪みゲー
ジ１０６，１０８が形成されている。引張歪み検出用の
第１，第２の歪みゲージ１０２，１０４と、圧縮歪み検
出用の第３，第４の歪みゲージ１０６，１０８との間
は、金属蒸着膜からなる配線１１０，１１２，１１４，
１１６により図示の如く結線され、ホイートストンブリ
ッジ回路が形成されている。このため、圧縮歪みと引張
歪み、即ち圧縮歪み検出用の歪みゲージ１０６，１０８
と引張歪み検出用の歪みゲージ１０２，１０４との変化
後の抵抗値に応じて定まる電圧がプラス出力端子（＋）
とマイナス出力端子（−）間の電位差として検出され
る。

【０００５】加速度センサを構成する一対のカンチレバ
ーのそれぞれの上下面に圧縮歪み検出用歪みゲージと引
張歪み検出用歪みゲージとを各一つ配置し、これらの歪
みゲージによりホイートストンブリッジ回路を構成して
も、上記と同様に、圧縮歪み検出用の歪みゲージと引張
歪み検出用の歪みゲージとの変化後の抵抗値に応じて定
まる電圧が電位差として検出される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来のダイアフラ
ム上の配線パターンにあっては、引張歪み検出用の第
１，第２の歪みゲージ１０２，１０４と、圧縮歪み検出
用の第３，第４の歪みゲージ１０６，１０８とが、引張
歪みと圧縮歪みの絶対値が等しくなることのみを目安と
した位置に形成されていたので、円形ダイアフラム１０
０の中心点Ｏから見て異なる方向（図４では、略直交す
る方向）に形成されることが多く、これらのゲージの形
成される位置の引張歪みと圧縮歪みの変化率は考慮され
ていない。このため、引張歪み検出用の第１，第２の歪
みゲージ１０２，１０４と、圧縮歪み検出用の第３，第
４の歪みゲージ１０６，１０８との位置が、当初予定し
た位置と少しでもズレると、ホイートストンブリッジ回
路のバランスに狂いが生じて誤差が生じやすく、これが
ため、歪みゲージの形成位置に対する工程管理が複雑か
つ困難であった。

【０００７】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
ので、その目的は、歪みゲージ形成位置に対する工程管
理を緩和することができる歪みセンサの配線パターンを
提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の歪みセンサの配
線パターンは、外力により弾性変形する歪みゲージ配置
部材に生じる引張歪みと圧縮歪みとに応じて生ずる歪み
ゲージの抵抗値を検出する歪みセンサの配線パターンで
あって、前記歪みゲージ配置部材の圧縮歪み発生域に配
置された圧縮歪み検出用歪みゲージと、前記圧縮歪み検
出用歪みゲージの配置位置の圧縮歪みの変化率と引張歪
みの変化率が等しくなる前記歪みゲージ配置部材の引張
歪み発生域に配置された引張歪み検出用歪みゲージと、
を少なくとも一組有する。

【０００９】

【作用】上記構成によれば、前記圧縮歪み検出用歪みゲ
ージと引張歪み検出用歪みゲージとを含んでホイートス
トンブリッジ回路を構成した場合に、圧縮歪み検出用歪
みゲージと引張歪み検出用歪みゲージとが歪みゲージ配
置部材の圧縮歪みと引張歪みの変化率が等しい位置にそ
れぞれ配置されているので、これらの歪みゲージの配置
位置がズレた場合、このズレがある一定大きさ以下であ
れば、ズレに起因して生じる圧縮歪み及び引張歪みの変
化量は略同一となり、ホイートストンブリッジ回路のバ
ランスに大きな影響は生じない。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１ないし図３に
基づいて説明する。

【００１１】図１には、本発明の一実施例に係るダイア
フラム式歪みセンサの配線パターンが示されている。

【００１２】この図において、歪みゲージ配置部材とし
ての円形ダイアフラム１０は、所定厚さのシリコン単結
晶板１２の中央部の裏面側を略円柱状にエッチングで除
き、所定の厚さに形成されている。円形ダイアフラム１
０上には、中心点Ｏから半径ａの位置に第１の歪みゲー
ジ１４と第２の歪みゲージ１６とが、相互に対向してそ
れぞれ円弧状に形成されている。また、この円形ダイア
フラム１０上には、中心点Ｏから半径ｂの位置に、中心
点Ｏから見て第１の歪みゲージ１４と同一の方向に第３
の歪みゲージ１８が、中心点Ｏから見て第２の歪みゲー
ジ１６と同一の方向に第４の歪みゲージ２０が、それぞ
れ円弧状に形成されている。これら第１ないし第４の歪
みゲージ１４，１６，１８，２０は、例えば、ｐ型不純
物を少量拡散したｐ型の高抵抗層により形成され、円形
ダイアフラム１０に歪みが生じない場合には、同一抵抗
値となるように形成されている。

【００１３】さらに、この円形ダイアフラム１０上に
は、第１の歪みゲージ１４と第３の歪みゲージ１８との
間，第３の歪みゲージ１８と第２の歪みゲージ１６との
間，第２の歪みゲージ１６と第４の歪みゲージ２０との
間，第４の歪みゲージ２０と第１の歪みゲージ１４との
間を、それぞれ電気的に接続する第１の配線２２，第２
の配線２４，第３の配線２６，第４の配線２８が、金属
蒸着膜により形成されている。これら第１ないし第４の
配線２２，２４，２６，２８の円周方向部分２２Ａ，２
４Ａ，２６Ａ，２８Ａは、中心点Ｏから半径ｃの位置に
形成されている。

【００１４】図２には、シリコン単結晶板１２の全面に
図１の紙面後側から等分布荷重（例えば、油圧）が作用
した場合に、面内に生じる円周方向の歪みの任意の半径
上の分布が示されている。この図２において、横軸Ｘは
半径を示し、縦軸Ｙは歪み（圧縮歪みが正，引張歪みが
負）を示す。この図において、中心点Ｏで圧縮歪みが最
大となり、円形ダイアフラム１０の外径付近（少し中心
側よりの位置）の点で引張歪みが最大値をとる。この引
張歪みが最大値をとる点の近傍の半径ｂの点で引張歪み
が−Ａであるとし、これと絶対値の等しい圧縮歪みＡを
生じる点の半径をａとすると、これらの中間にある半径
ｃの点で引張歪みと圧縮歪みとが均衡し、歪みが零とな
る。

【００１５】本実施例では、図１に示されるように、半
径ａの部分に第１，第２の歪みゲージ１４，１６が配置
されて圧縮歪み検出用とされ、半径ｂの部分に第３，第
４の歪みゲージ１８，２０が配置されて引張歪み検出用
とされている。また、半径ｃの部分に、前述した第１な
いし第４の配線２２，２４，２６，２８の円周方向部分
２２Ａ，２４Ａ，２６Ａ，２８Ａが配置されている。ま
た、歪みゲージ間には、電源端子（Ｖ），グランド端子
（Ｇ），プラス出力端子（＋），マイナス出力端子
（−）が、図１に示すように、それぞれ設けられ、これ
により、図３に示されるホイートストーンブリッジ回路
３０が形成されている。

【００１６】このため、シリコン単結晶板１２の全面に
例えば油圧が作用した場合、第１の歪みゲージ１４とこ
れと組を構成する第３の歪みゲージ１８との変化後の抵
抗値、及び第２の歪みゲージ１６とこれを組を構成する
第４の歪みゲージ２０との変化後の抵抗値とに応じて定
まる電圧がプラス出力端子（＋）とマイナス出力端子
（−）間の電位差として検出される。この検出された電
位差に基づき応力と歪みの関係から圧力を求めることが
できる。

【００１７】ここで、相互に組を成す歪みゲージ，例え
ば，第１，第３の歪みゲージ１４，１８が中心点Ｏとこ
れらの歪みゲージ１４，１８とを結ぶ直線上で、所定量
βだけ円形ダイアフラム１０の外周側にずれた位置に形
成された場合を考える。本実施例の場合、第１，第３の
歪みゲージ１４，１８は中心点Ｏから見て同一方向に形
成されているので、図２にも示されるように、半径（ａ
＋β）の箇所の歪み量（Ａ−α）と、半径（ｂ＋β）の
箇所の歪み量−（Ａ−α）の絶対値が等しくなるような
許容ズレ量βが必ず存在し、０〜βの範囲内の歪みゲー
ジ形成位置ズレであれば、ホイートストーンブリッジ回
路３０のバランスは崩れるはなく、これによって出力特
性が悪化することはない。このことは、相互に組を構成
する第２，第４の歪みゲージの形成位置にズレが生じた
場合も同様である。

【００１８】従って、歪みゲージの配置位置のズレが０
〜βの範囲内であれば許容できるので、歪みゲージ形成
位置の工程管理を緩和することができる。

【００１９】また、第１ないし第４の配線２２，２４，
２６，２８の円周方向部分２２Ａ，２４Ａ，２６Ａ，２
８Ａが、理論上歪み零の半径部分に配置されていること
から、この部分に抵抗値の変化はなく、また、配線２
２，２４，２６，２８の半径方向部分に生じる圧縮歪み
と引張歪みは大部分相殺されるので、結果的に配線２
２，２４，２６，２８に生じる抵抗値の変化による影響
は非常に小さくなる。

【００２０】なお、上記実施例においては、歪みゲージ
配置部材として円形ダイアフラムを使用する圧力センサ
用の歪みセンサの配線パターンについて例示したが、本
発明はこれに限定されるものではなく、加速度センサを
構成するカンチレバーに歪みゲージを形成する際にも適
用できる。

【００２１】また、上記実施例では、検出用の歪みゲー
ジとして半導体ゲージを使用する場合を例示したが、本
発明はこれに限定されるものではなく、金属薄膜ゲージ
等を使用する場合も含むものとする。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
圧縮歪み検出用の歪みゲージと引張歪み検出用の歪みゲ
ージとが、歪みゲージ配置部材の圧縮歪みと引張歪みの
変化率が同一となる位置に配置されているので、所定範
囲内であればこれらの歪みゲージの形成位置がズレて
も、歪みの変化量が略同一となり、これらを含んで構成
されるホイートストンブリッジ回路のバランスに大きな
影響を与えることがない。従って、歪みゲージの配置位
置ズレに対する許容度がある程度あるので、歪みゲージ
形成位置に対する工程管理を緩和できるという従来にな
い優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る配線パターンを示す概
略正面図である。

【図２】図１のシリコン単結晶板に油圧等の等分布荷重
が作用した場合の歪みの分布を示す線図である。

【図３】図１の配線パターンにより構成されるホイート
ストンブリッジ回路を示す図である。

【図４】従来の配線パターンを示す概略正面図である。

【符号の説明】

１０ 円形ダイアフラム（歪みゲージ配置部材） １４ 第１の歪みゲージ（圧縮歪み検出用の歪みゲー
ジ） １６ 第２の歪みゲージ（圧縮歪み検出用の歪みゲー
ジ） １８ 第３の歪みゲージ（引張歪み検出用の歪みゲー
ジ） ２０ 第４の歪みゲージ（引張歪み検出用の歪みゲー
ジ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外力により弾性変形する歪みゲージ配置
   部材に生じる引張歪みと圧縮歪みとに応じて生ずる歪み
   ゲージの抵抗値を検出する歪みセンサの配線パターンで
   あって、 前記歪みゲージ配置部材の圧縮歪み発生域に配置された
   圧縮歪み検出用歪みゲージと、前記圧縮歪み検出用歪み
   ゲージの配置位置の圧縮歪みの変化率と引張歪みの変化
   率が等しくなる前記歪みゲージ配置部材の引張歪み発生
   域に配置された引張歪み検出用歪みゲージと、を少なく
   とも一組有する歪みセンサの配線パターン。