発明の名称 ： 圧カセンサ

技術分野

[0001 ] 本発明は、 圧カセンサに関し、 より詳しくは、 ダイヤフラムの歪みに応じ て抵抗値が変化する複数のピエゾ素子を有す る圧カセンサに関するものであ る。

背景技術

[0002] 従来、 M E M S (M i cro E lect ro Mechan i ca l System) 技術などを用いてダ イヤフラムを形成し、 歪みに応じて抵抗値が変化するピエゾ素子を ダイヤフ ラムに設けた圧カセンサが知られている。

[0003] 特許文献 1 には、 圧力の検出感度を向上させた半導体圧カセン サが開示さ れる。 この半導体圧カセンサでは、 ピエゾ抵抗素子の形状として、 ダイヤフ ラムの変形時に大きな応力の発生する領域に ピエゾ抵抗素子の多くの部分が 配置されるようにしている。

[0004] 特許文献 2には、 優れた検出精度を有する物理量センサーが開 示される。

この物理量センサーでは、 応力が多く加わるダイヤフラムの外縁部にピ エゾ 抵抗部を配置することによってピエゾ抵抗素 子の抵抗値変化をより大きくす ることができ、 その結果ブリツジ回路の出力変化を大きくで きるようになっ ている。

[0005] 特許文献 3には、 ダイヤフラムと感応抵抗素子との相対位置ず れによる影 響が小さい半導体圧カセンサが開示される。 この半導体圧カセンサでは、 ピ エゾ抵抗素子の熱変動に起因する通電変動を 抑制するために、 各ピエゾ抵抗 部のピエゾ抵抗素子群配置領域の面積をすべ て同じで、 かつ領域の外形形状 を同形状にしている。

先行技術文献

特許文献

[0006] 特許文献 1 :特開 2 0 0 0 _ 2 1 4 0 2 7号公報 \¥0 2020/175408 2 卩（：171? 2020 /007236

特許文献 2 :特開 2 0 1 5 - 1 7 9 0 0 0号公報

特許文献 3 :特開 2 0 1 2— 0 0 2 6 4 6号公報

発明の開示

発明が解決しようとする課題

[0007] ダイヤフラムおよびピエゾ素子を用いた圧カ センサでは、 4つのピエゾ素 子によってプリツジ回路を構成し、 ダイヤフラムの歪に応じて変化する抵抗 値に基づき出力 （圧力） を計測している。 このため、 ダイヤフラムの撓みに よる応力の分布と、 4つのピエゾ素子のレイアウトとの関係が、 ブリツジ回 路の出力値のばらつきや、 圧カセンサの出力に含まれる高次の非線形成 分の 発生に大きな影響を及ぼす。

[0008] 本発明は、 ダイヤフラムおよびピエゾ素子を用いた圧カ センサにおいて、 高精度で、 高出力を得ることを目的とする。

課題を解決するための手段

[0009] 上記課題を解決するため、 本発明の一態様は、 シリコン基板に形成された ダイヤフラムと、 ダイヤフラムの歪みに応じて抵抗値が変化す る複数のピエ ゾ素子領域とを有する圧カセンサである。 この圧カセンサにおいて、 複数の ピエゾ素子領域は、 第 1 ピエゾ素子領域、 第 2ピエゾ素子領域、 第 3ピエゾ 素子領域および第 4ピエゾ素子領域を有する。 第 1 ピエゾ素子領域と第 2ピ エゾ素子領域とは第 1出力端子を介して直列接続される。 第 3ピエゾ素子領 域と第 4ピエゾ素子領域とは第 2出力端子を介して直列接続される。 第 1 ピ エゾ素子領域と第 3ピエゾ素子領域とは入力端子を介して接続� �れる。 第 2 ピエゾ素子領域と第 4ピエゾ素子領域とは接地端子を介して接続� �れる。 そ して、 第 1 ピエゾ素子領域から第 4ピエゾ素子領域によってフルブリツジ回 路が構成される。 ダイヤフラムが歪んだときに、 第 2ピエゾ素子領域および 第 3ピエゾ素子領域のそれぞれの抵抗値は大き� �なり、 第 1 ピエゾ素子領域 および第 4ピエゾ素子領域の抵抗値は小さくなるよう� �形成される。 ダイヤ フラムは、 所定の圧力を受けて撓んだ際の最大応力値の 8 0 %以上となる最 大撓み領域を有する。 第 1 ピエゾ素子領域、 第 2ピエゾ素子領域、 第 3ピエ \¥0 2020/175408 3 卩（：171? 2020 /007236

ゾ素子領域および第 4ピエゾ素子領域は、 ダイヤフラムの最大撓み領域内に 配置される。

[0010] このような構成によれば、 複数のピエゾ素子領域のそれぞれがダイヤフ ラ ムの最大撓み領域内に配置されるため、 ダイヤフラムの歪による応力を各ピ エゾ素子領域で十分かつ均等に受けることが できる。 これにより、 圧カセン サの出力に含まれる高次の非線形成分が抑制 され、 全体構成 （ダイヤフラム サイズや厚さなど） を変えることなく、 ブリッジ回路の出力電圧を最大化さ せることができる。

[001 1 ] 上記圧カセンサにおいて、 第 1 ピエゾ素子領域、 第 2ピエゾ素子領域、 第

3ピエゾ素子領域および第 4ピエゾ素子領域のそれぞれにおける長手方� �の 長さは、 短手方向の長さの 2倍以上 1 0倍以下程度であることが好ましい。 これにより、 各ピエゾ素子領域の歪抵抗特性を維持しつつ 、 各ピエゾ素子領 域を最大撓み領域内にレイアウトできるよう になる。

[0012] 上記圧カセンサにおいて、 第 1 ピエゾ素子領域、 第 2ピエゾ素子領域、 第

3ピエゾ素子領域および第 4ピエゾ素子領域のそれぞれは、 複数のピエゾ素 子要素を有し、 ダイヤフラムの平面視において、 第 1 ピエゾ素子領域と第 4 ピエゾ素子領域とが対向して配置され、 第 2ピエゾ素子領域と第 3ピエゾ素 子領域とが対向して配置され、 第 1 ピエゾ素子領域および第 4ピエゾ素子領 域は、 ダイヤフラムが撓む方向と直交する方向にピ エゾ素子要素の長手方向 が配置され、 第 2ピエゾ素子領域および第 3ピエゾ素子領域は、 ダイヤフラ ムが撓む方向と同じ方向にピエゾ素子要素の 長手方向が配置されていてもよ い。 これにより、 各ピエゾ素子領域の歪抵抗特性を維持しつつ 、 複数のピエ ゾ素子要素を最大撓み領域内にレイアウトで きるようになる。

[0013] 上記圧カセンサにおいて、 ダイヤフラムの平面視は 4辺を有する略四角形 に構成され、 ダイヤフラムの平面視において、 第 1 ピエゾ素子領域と第 4ピ エゾ素子領域とがダイヤフラムの対向する 2辺のそれぞれの略中央部に配置 され、 第 2ピエゾ素子領域と第 3ピエゾ素子領域とがダイヤフラムの対向す る他の 2辺のそれぞれの略中央部に配置されていて� �よい。 これにより、 各 \¥0 2020/175408 4 卩（：171? 2020 /007236

ピエゾ素子領域の歪抵抗特性を維持しつつ 、 各ピエゾ素子領域を最大撓み領 域内にレイアウトできるようになる。

[0014] 上記圧カセンサにおいて、 第 1 ピエゾ素子領域、 第 2ピエゾ素子領域、 第

3ピエゾ素子領域および第 4ピエゾ素子領域のそれぞれは、 複数のピエゾ素 子要素を有し、 第 1 ピエゾ素子領域および第 4ピエゾ素子領域のそれぞれの ピエゾ素子要素の形状は、 第 2ピエゾ素子領域および第 3ピエゾ素子領域の それぞれのピエゾ素子要素の形状と相違して もよい。 これにより、 各ピエゾ 素子領域の歪抵抗特性を維持しつつ、 複数のピエゾ素子要素を最大撓み領域 内にレイアウトできるようになる。

[0015] 上記圧カセンサにおいて、 第 1 ピエゾ素子領域、 第 2ピエゾ素子領域、 第

3ピエゾ素子領域および第 4ピエゾ素子領域のそれぞれは、 複数のピエゾ素 子要素を有し、 第 1 ピエゾ素子領域および第 4ピエゾ素子領域のそれぞれの 複数のピエゾ素子要素の数は、 第 2ピエゾ素子領域および前記第 3ピエゾ素 子領域のそれぞれの複数のピエゾ素子要素の 数と異なっていてもよい。 これ により、 各ピエゾ素子領域に含まれる複数のピエゾ素 子要素を最大撓み領域 内にレイアウトできるようになる。

[0016] 上記圧カセンサにおいて、 第 1 ピエゾ素子領域、 第 2ピエゾ素子領域、 第

3ピエゾ素子領域および第 4ピエゾ素子領域のそれぞれの複数のピエゾ� �子 要素はミアンダ形状に接続されていてもよい 。 これにより、 各ピエゾ素子領 域の歪抵抗特性を維持しつつ、 複数のピエゾ素子要素を最大撓み領域内にレ イアウトできるようになる。

[0017] 上記圧カセンサにおいて、 第 1 ピエゾ素子領域、 第 2ピエゾ素子領域、 第

3ピエゾ素子領域および第 4ピエゾ素子領域のそれぞれにおける長手方� �の 長さは、 ダイヤフラムの 1つの辺の長さの 1 / 5以下程度であることが好ま しく、 1 / 6以上 1 / 5以下であることがより好ましい。 これにより、 各ピ エゾ素子領域の歪抵抗特性を維持しつつ、 各ピエゾ素子領域を最大撓み領域 内にレイアウトできるようになる。

発明の効果 \¥0 2020/175408 5 卩（：171? 2020 /007236

[0018] 本発明によれば、 ダイヤフラムおよびピエゾ素子を用いた圧カ センサにお いて、 高精度で、 高出力を得ることが可能になる。

図面の簡単な説明

[0019] [図 1 ]本実施形態に係る圧カセンサを例示する平� �図である。

[図 2] （ ₃ ） および （匕） は、 ピエゾ素子領域の構成を例示する平面図であ る

[図 3]本実施形態に係る圧カセンサの回路構成図� ��ある。

[図 4] （a） および （13） は、 ダイヤフラムの応力分布を示す図である。

[図 5] （a） および （13） は、 ダイヤフラムの応力分布を示す図である。

[図 6] （ ₃ ） および （匕） は、 略四角形のダイヤフラムを用い、 本実施形態を 適用していない圧カセンサの出力値の非線形 性を示す図である。

[図 7] （ ₃ ） および （匕） は、 略四角形のダイヤフラムを用い、 本実施形態を 適用した圧カセンサの出力値の非線形性を示 す図である。

[図 8] （a） および （13） は、 円形のダイヤフラムの応力分布を示す図であ る

[図 9] （ ₃ ） および （匕） は、 円形のダイヤフラムを用い、 本実施形態を適用 した圧カセンサの出力値の非線形性を示す図 である。

[図 10] （3） および （匕） は、 円形のダイヤフラムを用い、 本実施形態の他 の例を適用した圧カセンサの出力値の非線形 性を示す図である。

発明を実施するための最良の形態

[0020] 以下、 本発明の実施形態を図面に基づいて説明する 。 なお、 以下の説明で は、 同一の部材には同一の符号を付し、 一度説明した部材については適宜そ の説明を省略する。

[0021 ] （圧カセンサの構成）

図 1は、 本実施形態に係る圧カセンサを例示する平面 図である。 図 2 （a） および （匕） は、 ピエゾ素子領域の構成を例示する平面図であ る。

図 3は、 本実施形態に係る圧カセンサの回路構成図で ある。 [0022] 図 1 に示すように、 本実施形態に係る圧カセンサ 1は、 シリコン基板 2に 形成されたダイヤフラム 3と、 ダイヤフラム 3の歪みに応じて抵抗値が変化 する複数のピエゾ素子領域 A〜 Dとを有する。

[0023] シリコン基板 2としては、 例えば S O 丨 （S i I i con on Insu lator） 基板が 用いられる。 S O I基板は、 第 1シリコン基板と第 2シリコン基板とを、 酸 化層 （例えば S i 〇 ₂ ） を挟んで積層した構成を有する。 例えば第 1シリコン 基板を上側、 第 2シリコン基板を下側とした場合、 第 2シリコン基板にキヤ ビティ （凹部） が形成されており、 キヤビティ上の酸化層および第 1シリコ ン基板によりダイヤフラム 3が形成される。 図 1では、 ダイヤフ

ラム 3の領域を破線で示している。

[0024] ダイヤフラム 3の平面視は 4辺を有する略四角形に構成される。 略四角形 には、 四角形の隅部が僅かに丸みを帯びている形状 や、 四角形の隅部が斜め に面取りされている形状が含まれる。

[0025] 本実施形態では、 複数のピエゾ素子領域 A〜 Dとして、 第 1 ピエゾ素子領 域 A、 第 2ピエゾ素子領域 B、 第 3ピエゾ素子領域 Cおよび第 4ピエゾ素子 領域 Dの 4つが設けられる。 ここで、 ピエゾ素子領域 A〜 Dとは、 後述する 複数のピエゾ素子要素 P 1、 P 2によって構成される外接矩形領域のことを いう。

[0026] 第 1 ピエゾ素子領域 Aと第 2ピエゾ素子領域 Bとは、 第 1出力端子 1 1 を 介して直列接続される。 第 3ピエゾ素子領域 Cと第 4ピエゾ素子領域 Dとは 、 第 2出力端子 1 2を介して直列接続される。 また、 第 1 ピエゾ素子領域 A と第 3ピエゾ素子領域 Cとは、 入力端子 2 1 を介して接続される。 第 2ピエ ゾ素子領域 Bと第 4ピエゾ素子領域 Dとは、 接地端子 2 2を介して接続され る。

[0027] このような第 1 ピエゾ素子領域 A、 第 2ピエゾ素子領域 B、 第 3ピエゾ素子 領域 Cおよび第 4ピエゾ素子領域 Dによって図 3に示すフルプリッジ回路が 構成される。 すなわち、 第 1 ピエゾ素子領域 Aの特性と第 4ピエゾ素子領域 Dの特性とは等しく、 第 2ピエゾ素子領域 Bの特性と第 3ピエゾ素子領域 C \¥0 2020/175408 7 卩（：171? 2020 /007236

の特性とは等しく、 第 1 ピエゾ素子領域八の特性と第 2ピエゾ素子領域巳の 特性とは異なっている。

[0028] そして、 ダイヤフラム 3の平面視形状が略四角形の場合、 ダイヤフラム 3 の平面視において、 第 1 ピエゾ素子領域八と第 4ピエゾ素子領域 0とがダイ ヤフラム 3の対向する 2辺のそれぞれの略中央部に配置され、 第 2ピエゾ素 子領域巳と第 3ピエゾ素子領域〇とがダイヤフラム 3の対向する他の 2辺の それぞれの略中央部に配置される。

[0029] 第 1出力端子 1 1、 第 2出力端子 1 2、 入力端子 2 1および接地端子 2 2 は、 いずれもシリコン基板 2のダイヤフラム 3の外側の領域に形成される。 第 1出力端子 1 1、 第 2出力端子 1 2、 入力端子 2 1および接地端子 2 2の それぞれには接続配線 3 1が設けられ、 この接続配線 3 1 を介して各ピエゾ 素子領域 〜 0が導通接続される。

[0030] このダイヤフラム 3に圧力が印加され、 ダイヤフラム 3が歪む （変位する

） と、 その歪みに応じて第 1 ピエゾ素子領域八、 第 2ピエゾ素子領域巳、 第 3ピエゾ素子領域＜3および第 4ピエゾ素子領域 0のそれそれの抵抗値が変化 し、 4つのピエゾ素子領域八〜〇によって形成さ� �たプリツジ回路の中点電 位が変化する。

[0031 ] ダイヤフラム 3に圧力が付与されたときの変位は、 一対の第 1 ピエゾ素子 領域 および第 4ピエゾ素子領域口に対しては圧縮方向に作� �して抵抗値が 小さくなるように働き、 対向する一対の第 2ピエゾ素子領域巳および第 3ピ エゾ素子領域〇に対しては引っ張り方向に作 用して抵抗値が大きくなるよう に働く。

[0032] このように、 第 1 ピエゾ素子領域八、 第 2ピエゾ素子領域巳、 第 3ピエゾ 素子領域〇および第 4ピエゾ素子領域 0のそれそれに作用する圧縮方向およ び引っ張り方向の力によって変化する抵抗値 により変位する中点電位が、 圧 カセンサ 1のセンサ出力となる。

[0033] このような本実施形態に係る圧カセンサ 1 において、 第 1 ピエゾ素子領域 八、 第 2ピエゾ素子領域巳、 第 3ピエゾ素子領域〇および第 4ピエゾ素子領 \¥0 2020/175408 8 卩（：171? 2020 /007236

域口のそれぞれは、 ダイヤフラム 3の最大撓み領域 3内に配置されている。 ここで、 ダイヤフラム 3の最大撓み領域 3とは、 ダイヤフラム 3が所定の圧 力を受けて撓んだ際、 ダイヤフラム 3に加わる最大応力値の 8 0 %以上とな る領域のことをいう。

[0034] 第 1 ピエゾ素子領域八、 第 2ピエゾ素子領域巳、 第 3ピエゾ素子領域〇お よび第 4ピエゾ素子領域 0のそれそれがダイヤフラム 3の最大撓み領域 3内 に配置されることで、 ダイヤフラム 3の歪による応力を各ピエゾ素子領域八 ~口で十分かつ均等に受けることができる。

[0035] すなわち、 ダイヤフラム 3の最大撓み領域 3にはダイヤフラム 3が歪んだ 際の最大応力値の 8 0 %以上の応力が加わる。 この最大撓み領域 3内に各ピ エゾ素子領域八 ~ 0が配置されていることで、 各ピエゾ素子領域八 ~ 0のそ れそれに印加される応力は、 全体的かつ集中的に印加されることになる。 こ れにより、 圧カセンサ 1の出力に含まれる高次の非線形成分が抑制� �れ、 全 体構成 （ダイヤフラム 3のサイズや厚さなど） を変えることなく、 ブリッジ 回路の出力電圧を最大化させることができる 。

[0036] （ピエゾ素子領域の構成）

次に、 ピエゾ素子領域の構成について説明する。

図 2 （ ₃ ） には、 第 4ピエゾ素子領域 0の構成が例示される。 なお、 第 1 ピエゾ素子領域八は、 第 4ピエゾ素子領域口と対称な形状であるため� � ここ では第 4ピエゾ素子領域口に基づき説明を行う。

[0037] 第 4ピエゾ素子領域 0は、 複数のピエゾ素子要素 1 を有する。 本実施形 態では、 3つのピエゾ素子要素 1がミアンダ形状に接続されている。 1つ のピエゾ素子要素 1は平面視で長方形になっており、 ダイヤフラム 3の撓 み方向 （ダイヤフラム 3の辺と直交する方向） 口 0が短手方向、 撓み方向口 口と直交する方向が長手方向となっている。 これにより、 第 4ピエゾ素子領 域 0のピエゾ素子要素 1では、 ダイヤフラム 3の歪みによって圧縮応力を 受け、 抵抗値が小さくなるように働く。 3つのピエゾ素子要素 1は、 全て 最大撓み領域 3内に配置される。 \¥0 2020/175408 9 卩（：171? 2020 /007236

[0038] 図 2 （b） には、 第 2ピエゾ素子領域巳の構成が例示される。 なお、 第 3 ピエゾ素子領域〇は、 第 2ピエゾ素子領域巳と対称な形状であるため� � ここ では第 2ピエゾ素子領域巳に基づき説明を行う。

[0039] 第 2ピエゾ素子領域巳は、 複数のピエゾ素子要素 2を有する。 本実施形 態では、 5つのピエゾ素子要素 2がミアンダ形状に接続されている。 1つ のピエゾ素子要素 2は平面視で長方形になっており、 ダイヤフラム 3の撓 み方向 0 0が長手方向、 撓み方向口 0と直交する方向が長手方向となってい る。 これにより、 第 2ピエゾ素子領域巳のピエゾ素子要素 2では、 ダイヤ フラム 3の歪みによって引っ張り応力を受け、 抵抗値が大きくなるように働 く。 5つのピエゾ素子要素 2は、 全て最大撓み領域 3内に配置される。

[0040] ここで、 一対の第 1 ピエゾ素子領域八および第 4ピエゾ素子領域 0の出力 と、 一対の第 2ピエゾ素子領域巳および第 3ピエゾ素子領域〇の出力との相 似性を高めるため、 これらの領域 （外接矩形領域） は相似的になっているこ とが好ましい。 すなわち、 第 4ピエゾ素子領域 0 （第 1 ピエゾ素子領域八） の長手方向の長さを 3、 短手方向の長さを 13、 第 2ピエゾ素子領域巳 （第 3 ピエゾ素子領域〇 の長手方向の長さを〇、 短手方向の長さを ¢1とした場合 、 8 =〇および 13 = を同時に満たす。 つまり、 ほ ぼ同じである。

[0041 ] また、 3 / 13および〇/ は、 2以上 1 0以下程度、 好ましくは 6程度に 設定するとよい。 さらに、 3および〇は、 ダイヤフラム 3の一辺の長さの、

〇超 1 / 5以下程度であることが好ましく、 1 / 6以上 1 / 5以下であるこ とより好ましい。 ピエゾ素子要素が配置されるピエゾ素子領域 （第 1 ピエゾ 素子領域八から第 4ピエゾ素子領域口） は、 ダイヤフラム 3が圧力に応じて 撓む変形を測定するために必須であるが、 ピエゾ素子領域が過度に大きくな ると、 ピエゾ素子領域がダイヤフラム 3の変形の程度に与える影響が大きく なり、 感度の低下など測定結果に影響を与えること が懸念される。 そこで、 上記のようにピエゾ素子領域 （第 1 ピエゾ素子領域八から第 4ピエゾ素子領 域口） がダイヤフラム 3の一辺の長さの 1 / 5以下程度とすることにより、 \¥0 2020/175408 10 卩（：171? 2020 /007236

ピエゾ素子領域がダイヤフラム 3の変形 （撓み） に与える影響が適切に抑制 される。 それゆえ、 各ピエゾ素子領域 〜〇の歪抵抗特性を維持しつつ、 各 ピエゾ素子領域八〜〇を最大撓み領域 3内にレイアウトでき、 圧カセンサ 1 の感度を向上させることができる。 、

[0042] また、 第 4ピエゾ素子領域 0 （第 1 ピエゾ素子領域八） と第 2ピエゾ素子 領域巳 （第 3ピエゾ素子領域〇） とは相似的な領域ではあるものの、 第 4ピ エゾ素子領域口 （第 1 ピエゾ素子領域八） の長手方向と、 第 2ピエゾ素子領 域巳 （第 3ピエゾ素子領域（3） の長手方向とは、 互いに 9 0度相違している 。 一方、 第 4ピエゾ素子領域口 （第 1 ピエゾ素子領域八） のピエゾ素子要素 1の長手方向と、 第 2ピエゾ素子領域巳 （第 3ピエゾ素子領域〇） のピエ ゾ素子要素 2の長手方向とは、 互いに一致している。

[0043] このように、 9 0度向きが異なるピエゾ素子領域八， 0および巳， 〇に、 長手方向が同じ向きとなる複数のピエゾ素子 要素 1、 2を、 総面積が等 しくなるように配置するため、 第 4ピエゾ素子領域 0 （第 1 ピエゾ素子領域 八） のピエゾ素子要素 1の数は、 第 2ピエゾ素子領域巳 （第 3ピエゾ素子 領域〇） のピエゾ素子要素 2の数とは異なっている。 これにより、 各ピエ ゾ素子領域 〜〇に含まれる複数のピエゾ素子要素 1、 2を最大撓み領 域 3内にレイアウトできるようになる。

[0044] また、 第 4ピエゾ素子領域 0 （第 1 ピエゾ素子領域八） のピエゾ素子要素

1の形状は、 第 2ピエゾ素子領域巳 （第 3ピエゾ素子領域〇） のピエゾ素 子要素 2の形状と相違している。 これにより、 各ピエゾ素子領域八〜〇の 歪抵抗特性を維持しつつ、 複数のピエゾ素子要素 1、 2を最大撓み領域 3内にレイアウトできるようになる。

[0045] （ダイヤフラムの応力分布）

図 4 （a） から図 5 （13） は、 ダイヤフラムの応力分布を示す図である。 図 4 （3） および図 5 （a） にはダイヤフラム 3の平面視の応力分布が示さ れ、 図 4 （1〇） には図 4 （a） の八 _八線における応力分布が示され、 図 5 （!〇） には図 5 （ 3） の巳 _巳線における応力分布が:^される。 \¥0 2020/175408 1 1 卩（：171? 2020 /007236

[0046] 図 4 （3） および （匕） に示すように、 略四角形のダイヤフラム 3におけ る中央部での応力分布は、 辺の近傍が最も高く、 中央部にも高い領域が存在 する。 図 5 （a） および （13） に示すように、 略四角形のダイヤフラム 3に おける辺に沿った位置での応力分布は、 中央部が最も高く、 隅部に向かうほ ど低くなっている。

[0047] ダイヤフラム 3が歪んだ際の応力を集中的に受けられるよ� �にするため、 各ピエゾ素子領域八 ~ 0は、 ダイヤフラム 3の最大応力値の 8 0 %以上とな る最大撓み領域 3内に配置される。 図 4および図 5に示す例では、 最大応力 4 5 1\/1 3であるため、 その 8 0 %以上である 3 6 1\/1 3以上の領域が最大 撓み領域 3となる。 本例では、 最大撓み領域 3の長手方向の長さは約 1 1 9 〇1、 短手方向の長さは約 1 〇 である。 このサイズの最大撓み領域 3内 に複数のピエゾ素子要素 1、 2が配置される。

[0048] （ダイヤフラムの非線形性）

上記のように、 ダイヤフラム 3の応力分布は各辺において辺中央が辺端部 に比べて高応力となる非線形な分布をもつ。 上下のピエゾ素子領域の抵抗変 化と左右のピエゾ素子領域の抵抗変化は、 ダイヤフラム 3の各辺に対する位 置関係および方向が対称でないと異なる特性 を示すことになる。 その結果、 圧力非線形性に複雑な高次の成分が発生する ことになる。

[0049] 本実施形態に係る圧カセンサ 1では、 第 1 ピエゾ素子領域八から第 4ピエ ゾ素子領域口がダイヤフラム 3の最大撓み領域 3内に配置されている。 この ように、 本実施形態では、 上下ピエゾ抵抗素子、 左右ピエゾ抵抗素子をそれ それの応力分布に対して最適化した構造とす ることで、 抵抗変化効果が相殺 されることで圧力特性のリニアリティ特性の 高次の成分を抑制することが可 能となる。

また、 応力分布変化が集中する最大撓み領域 3内に、 各ピエゾ素子領域八 〜口を共に最適配置するため、 センサブリツジ回路の出力電圧を最大化する うえでも有効となる。

[0050] 図 6 （a） および （匕） は、 略四角形のダイヤフラムを用い、 本実施形態 \¥0 2020/175408 12 卩（：171? 2020 /007236

を適用していない圧カセンサの出力値の非 線形性を示す図である。 図 6 ( 3 ) には、 略四角形のダイヤフラム 3に対する各ピエゾ素子領域八〜〇の配置 状態が示され、 図 6 ( b ) には圧力誤差の非線形性 (一次近似からのずれ、 二次近似からのずれ) が示される。 図 6 ( a ) に示す圧カセンサでは、 各ピ エゾ素子領域 〜〇の一部が最大撓み領域 3から外れた位置に配置される。

[0051 ] このように、 各ピエゾ素子領域 〜〇の一部が最大撓み領域 3から外れた 位置に配置された圧カセンサでは、 図 6 (匕) に示すように、 圧力に対する 圧力誤差の一次近似からのずれが崩れた三次 関数のようになっており、 二次 近似からのずれも 7 0 9 3程度の誤差が生じている。 圧力誤差に高次成分が 含まれているほど、 補正回路による補正が難しくなり、 測定精度の低下を招 きやすい。

[0052] 図 7 ( a ) および (匕) は、 略四角形のダイヤフラムを用い、 本実施形態 を適用した圧カセンサの出力値の非線形性を 示す図である。 図 7 ( a ) には 、 略四角形のダイヤフラム 3に対する各ピエゾ素子領域八〜 0の配置状態が 示され、 図 7 ( b ) には圧力誤差の非線形性 (一次近似からのずれ、 二次近 似からのずれ) が示される。 図 7 ( a ) に示す圧カセンサでは、 各ピエゾ素 子領域 〜 0が最大撓み領域 3内に配置される。

[0053] このように、 各ピエゾ素子領域 〜〇が最大撓み領域 3内に配置された圧 カセンサでは、 図 7 ( b ) に示すように、 二次近似からのずれが非常に小さ くなっている (約 1 6 3程度) 。 また、 一次近似からのずれは二次曲線的 になっている。 これは、 高次の誤差成分を減少できているためである 。 この ように、 高次の誤差成分が減少することで、 補正回路による補正精度が向上 し、 測定精度を高めることが可能となる。 なお、 補正回路による補正精度の 観点から、 圧力誤差は、 一次近似を基準としたときに小さくなること が最良 であり、 次に好ましいのは二次近似を基準としたとき に小さくなること、 さ らに次に好ましいのは三次近似を基準とした ときに小さくなることである。 これらのうち、 最も測定誤差を少なくできる近似に合わせて 補正回路を構成 すればよい。 \¥0 2020/175408 13 卩（：171? 2020 /007236

[0054] （ダイヤフラムの他の形状の例）

図 8 （a） および （13） は、 円形のダイヤフラムの応力分布を示す図であ る。 図 8 （a） にはダイヤフラム 3の平面視の応力分布が示され、 図 8 （匕 ） に （3） の＜3— 0線における応力分布が示される。

[0055] 図 8 （a） および （匕） に示すように、 円形のダイヤフラム 3では、 中心 を通る線に沿った位置での応力分布は、 ダイヤフラム 3の境界 （端部） が最 も高く、 中心部にも高い領域が存在する。 円形のダイヤフラム 3では、 中心 を通るどの線上であっても同様な応力分布に なる。 円形のダイヤフラム 3に おいて、 最大応力値の 8 0 %以上となる領域は、 ダイヤフラム 3の境界に沿 った領域と、 ダイヤフラム 3の中央部分の一部領域とが存在する。 しかし、 この場合の最大撓み領域 3は、 最大応力値の 8 0 %以上の領域で、 最大応力 値を含む領域とする。 このため、 円形のダイヤフラム 3における最大撓み領 域 3は、 ダイヤフラム 3の境界に沿ったドーナツ状の領域となる。

[0056] 図 8に示す例では、 最大応力 3 6 1\/1 3であるため、 その 8 0 %以上であ る 2 8 . 8 1\/1 3以上の領域のうちダイヤフラム 3の境界に沿ったドーナツ 状の領域が最大撓み領域 3となる。 本例では、 最大撓み領域 3の幅 （径方向 の長さ） は約 1 7 . 2 である。 このサイズの最大撓み領域 3内に複数の ピエゾ素子要素 1、 2が配置される。

[0057] （ダイヤフラムの非線形性）

図 9 （ ₃ ） および （匕） は、 円形のダイヤフラムを用い、 本実施形態を適 用した圧カセンサの出力値の非線形性を示す 図である。 図 9 （a） には、 円 形のダイヤフラム 3に対する各ピエゾ素子領域八 ~ 0の配置状態が示され、 図 9 （匕） には圧力誤差の非線形性 （一次近似からのずれ、 二次近似からの ずれ） が示される。 図 9に示す圧カセンサでは、 各ピエゾ素子領域八〜〇が 最大撓み領域 3内に配置される。 図 9 （a） に示す圧カセンサでは、 各ピエ ゾ素子領域 〜 0が最大撓み領域 3内に配置される。 各ピエゾ素子領域八〜 口の形状は、 図 7 （a） に示す略四角形のダイヤフラム 3に配置した各ピエ ゾ素子領域八〜 0の形状と同様である。 \¥0 2020/175408 14 卩（：171? 2020 /007236

[0058] このように、 各ピエゾ素子領域八〜〇が円形のダイヤフラ ム 3の最大撓み 領域 3内に配置された圧カセンサでは、 図 9 （b） に示すように、 二次近似 からのずれが非常に小さくなっている （約 5 3程度） 。 また、 一次近似か らのずれは二次曲線的になっているため、 補正回路によって補正しやすく、 測定精度を高めることが可能となる。

[0059] 図 1 0 （3） および （匕） は、 円形のダイヤフラムを用い、 本実施形態の 他の例を適用した圧カセンサの出力値の非線 形性を示す図である。 図 1 0 （ a） には、 円形のダイヤフラム 3に対する各ピエゾ素子領域八〜〇の配置状 態が示され、 図 1 0 （匕） には圧力誤差の非線形性 （一次近似からのずれ、 二次近似からのずれ） が示される。 図 1 0 （3） に示す圧カセンサでは、 各 ピエゾ素子領域八〜 0が最大撓み領域 3内に配置されるとともに、 各ピエゾ 素子領域八 ~ 0が円形のダイヤフラム 3の周に沿うような扇型の領域となっ ている。

[0060] このように、 各ピエゾ素子領域八〜〇が円形のダイヤフラ ム 3の最大撓み 領域 3内に配置され、 さらにダイヤフラム 3の周に沿うような扇型の領域に なっている圧カセンサでは、 図 1 0 （匕） に示すように、 二次近似からのず れが非常に小さくなっている （約 5 3程度） 。 また、 一次近似からのずれ は二次曲線的になっているため、 補正回路によって補正しやすく、 測定精度 を高めることが可能となる。 さらに、 一次近似からのずれは、 図 9に示す圧 カセンサよりも小さくなっている。 図 1 0に示す圧カセンサは、 図 9に示す 圧カセンサよりも最適化されていることが分 かる。

[0061 ] 以上説明したように、 本実施形態によれば、 ダイヤフラム 3およびピエゾ 素子を用いた圧カセンサ 1 において、 高精度で、 高出力を得ることが可能に なる。

[0062] なお、 上記に本実施形態を説明したが、 本発明はこれらの例に限定される ものではない。 例えば、 上記の例では略四角形のダイヤフラム 3について説 明したが、 略四角形以外の多角形であってもよい。 また、 複数のピエゾ素子 領域はダイヤフラム 3の中心を直交する軸上に対称に配置される� �合のほか \¥0 2020/175408 15 卩（：171? 2020 /007236

、 ダイヤフラム 3の中心を交差 （非直交） する軸上に配置されるものであっ てもよい。 また、 前述の各実施形態に対して、 当業者が適宜、 構成要素の追 カロ、 削除、 設計変更を行ったものや、 各実施形態の構成例の特徴を適宜組み 合わせたものも、 本発明の要旨を備えている限り、 本発明の範囲に含有され る。

符号の説明

[0063] 1 圧カセンサ

2 シリコン基板

3 ダイヤフラム

1 1 第 1出力端子

1 2 第 2出力端子

2 1 入力端子

2 2 接地端子

3 1 接続配線

八 第 1 ピエゾ素子領域

巳 第 2ピエゾ素子領域

〇 第 3ピエゾ素子領域

ピエゾ素子領域

口口 撓み方向

1 ピエゾ素子要素

2 ピエゾ素子要素

3 最大撓み領域