JPH02212729A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は圧力を電気信号に変換する圧力センサに係り、
特に、微小面積の圧力測定に好適に用いられ得るととも
に電気信号のゲイン調整が構造的に可能で且つ製造が容
易な圧力センサに関するものである。

従来の技術 薄肉の半導体ダイヤフラムに不純物拡散やイオン注入等
を行うことにより、感圧ダイオードや感圧トランジスタ
、或いは半導体歪ゲージなどの圧電変換素子が形成され
、その半導体ダイヤフラムに加えられた圧力を電気信号
に変換する圧力センサが各種の分野で多用されている。

そして、このような圧力センサの一種に、半導体チップ
の表面に凹所を設けることにより前記半導体ダイヤフラ
ムが形成され、その凹所内に埋設されたゴムフィラーを
介してその半導体ダイヤフラムに圧力が伝達されるよう
になっているものがある。特開昭６３−２９４８３２号
公報に記載されている圧力センサはその一例である。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、かかる従来の圧力センサは、前記半導体
ダイヤフラムそのもの、或いは凹所を形成してゴムフィ
ラーを埋設した場合にはそのゴムフィラーの表面が受圧
面となっているため、その受圧面積を小さくするために
は半導体ダイヤフラムそのものを小さくする必要があり
、圧電変換素子や凹所を形成する作業が極めて面倒で口
、つ困難なものとなっていた。また、半導体ダイヤフラ
ムの面積が受圧面積と一致するため、測定圧力に対する
電気信号のゲインを構造的に調整することができず、例
えば微小な圧力変化などを高いゲインで測定するこよは
できなかった。

本発明は以にの事情を背景として為されたもので、その
目的とするところは、受圧面積を小さくすることが容易
に可能である一方、測定圧力に対する電気信号のゲイン
を構造的に調整できる圧力センサを提供することにある
。

課題を解決するだめの手段 かかる［」的を達成するために、本発明は、薄肉の半導
体ダイヤフラムに圧電変換素子が形成され、その半導体
ダイヤフラムに加えられた圧力を電気信号に変換する圧
力センサにおいて、（ａ）前記半導体ダイヤフラムによ
って壁面の一部が構成される圧力室を形成する圧力室形
成部材と、（ｂｌその圧力室形成部材に設けられた前記
圧力室の開口部を密閉する弾性変形可能な受圧部材と、
（Ｃ）その受圧部材によって密閉された前記圧力室に充
填され、その受圧部材に加えられた圧力を前記半導体ダ
イヤフラムに伝達する圧力伝達流体とを含むことを特徴
とする。

作用 このような圧カセンザにおいては、圧力室形成部材に設
けられた開口部が受圧部となり、その開口部ムこ設けら
れた受圧部材に圧力が加えられることにより、その圧力
は圧力室内に充填された圧力伝達流体を介して半導体ダ
イヤフラムに伝達され、その半導体ダイヤフラムに形成
された圧電変換素子によって電気信号に変換される。し
たがって、圧力室形成部材に設けられる開Ｌ］部を小さ
くすることにより、圧電変換素子が形成される半導体ダ
イヤプラムとは無関係に受圧面積を小さくすることが可
能となり、受圧面積の小さな圧力センサを容易に製造で
きるようになるのである。また、受圧部材に加えられた
圧力は圧力伝達流体を介して半導体ダイヤフラムに伝達
されるため、半導体ダイヤフラムと圧力室の開口部との
位置関係が制約されず、小さな開口部が高密度で位置す
る状態で複数の圧力センサを形成することも可能となる
。

一方、上記のように圧力室の開口部の面積と半導体ダイ
ヤフラムの面積とを別個に設定することが可能なところ
から、それ等の面積比を変更することにより、半導体ダ
イヤフラムに伝達される圧力（単位面積当りの圧力）を
変えて電気信号のゲインを調整することもできる。すな
わち、例えば測定圧力またはその圧力変化が極めて微小
な場合には、圧力室の開口部の面積を半導体ダイヤフラ
ムに比較して相対的に大きくすることにより、その半導
体ダイヤプラムに伝達される圧力を大きくして電気信号
のゲインを大きくすることができるのである。

発明の効果 このように、本発明の圧力センサは、受圧部となる圧力
室の開口部の位置や大きさを、圧電変換素子が形成され
る半導体ダイヤフラムとは無関係に自由に設定できるた
め、使用目的や使用条件などに応じて開口部の面積（受
圧面積）を小さくしたりその開口部と半導体ダイヤフラ
ムとの面積比を変更して測定圧力に対する電気信号のゲ
インを構造的に調整したりすることが容易に可能で、例
えば微小面積の圧力測定や圧力変動が小さい場合の圧力
測定等に好適に用いられ得るのである。

実施例 以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。

第１図は、本発明の一実施例である圧カセンザを備えた
脈波検出装置の構造を示す縦断面図である。かかる第１
図において、１０は下端に開口Ｉ２を有する中空のハウ
ジングであり、その間口１２が人体の体表面１４に対向
する状態でバンド１６により手首１８に着脱可能に取り
付けられるようになっている。ハウジング１０は、環状
の側壁部材２０と、その側壁部材２ｏの上端にダイヤフ
ラム２２の外周縁部を挟んで固定された蓋部材２４とか
ら成り、ダイヤフラム２２の内周縁部は押圧部材２６に
固定されている。ダイヤフラム２２はゴム等の弾性変形
可能な材料製であり、押圧部材２６はこのダイヤフラム
２２を介してハウジング１０内に相対移動可能に保持さ
れている。また、それ等ハウジング１０と押圧部材２６
との間には、そのダイヤフラム２２によって気密な圧力
室２８が形成されており、圧力エア供給源３０から調圧
弁３２を経て圧力エアが供給されるようになっている。

上記押圧部材２６は、環状の側壁部材３６と、その側壁
部材３６の上端に前記ダイヤフラム２２の内周縁部を挾
んで固定された蓋部材３日と、側壁部材３６の下端に配
設された押圧板４０とから構成されている。押圧板４０
は、第２図の平面図およびそのＩＩＩ−ＩＩＩ断面を示
す第３図に示されているように、単結晶シリコン等から
成る半導体チップ４２と、その半導体チップ４２の下面
４４に密着して固設された剛性の高いステンレス等から
成る板状の第１プレート４６と、その第１プレート４６
の下面４７に密着して固設された剛性の高いステンレス
等から成る板状の第２プレート４８と、その第２プレー
ト４８の下面５０にコーティングされたシリコンゴム等
の弾性変形可能な被覆膜５２とを含んで構成されており
、それ等によって多数の圧力センサ５４が一直線方向に
形成されている。

すなわち、上記半導体チップ４２の下面４４には、第４
図から明らかなように略正方形の凹所５６がエツチング
等によって形成され、その凹所５６の底部が約１５踊程
度の肉厚の半導体ダイヤフラム５８とされているととも
に、そのダイヤフラム５８には、不純物拡散やイオン注
入等により第５図に示されているように４つの半導体歪
ゲージ６０ａ、６０ｂ’、６０ｃ、６０ｄ　（以下、特
に区別しない場合には単に半導体歪ゲージ６０という）
が形成されている。それ等の半導体歪ゲージ６０は、ダ
イヤフラム５８に圧力が加えられて変形させられること
により抵抗変化を生じるもので、四角形状のダイヤフラ
ム５８の４辺にそれぞれ路間じ長さ、すなわちダイヤフ
ラム５８の非変形時には路間じ抵抗値となるように形成
されている。

また、一方の対辺に形成された半導体歪ゲージ６０ａお
よび６０ｃは、加圧時の変形が小さくなるように辺と平
行な直線状を成しており、他方の対辺に設けられた半導
体歪ゲージ６０ｂおよび６０ｄは、加圧時の変形が大き
くなるようにダイヤフラム５８の中心に向ってＵ字形状
に折曲げられた形状を成している。そして、これ等４つ
の半導体歪ゲージ６０によってブリッジ回路が形成され
、端子Ａ、Ｂ間に電圧が印加されることにより、ダイヤ
フラム５８に加えられた圧力に対応する電気信号が端子
Ｃ，０間から取り出されるようになっている。なお、上
記半導体歪ゲージ６０は圧電変換素子に相当する。

また、前記プレー）４６．４８には、放電加工或いはエ
ツチング等により第６図、第７図から明らかなように矩
形の開口部６２．６４が形成されている。第１プレート
４６に形成された開口部６２は、前記凹所５６と路間し
大きさの正方形状部と、その正方形状部の一辺に連続し
て形成された長方形状部とから成り、正方形状部は凹所
５６と一致する位置に形成されており、長方形状部の幅
寸法は血管の直径の１１５以下、例えば０．５　ｍｍ程
度に設定されている。また、第２プレート４日に形成さ
れた開口部６４は、−辺が上記開口部６２の長方形状部
の幅寸法と略等しい正方形状を成して、その長方形状部
の先端部と一致する位置に設けられており、開口部６２
を介して前記凹所５６と連通させられている。これ等の
凹所５６．開口部６２．６４によって形成される一連の
空間６６は、壁面の一部が前記ダイヤフラム５８によっ
て構成された圧力室を成すもので、その空間６６を形成
する半導体チップ４２．プレー１−４６．４８は圧力室
形成部材に相当する。また、第２プレート４８に形成さ
れた開口部６４は圧力室の開口部に相当する。

そして、前記被覆膜５２は上記開口部６４を密閉するよ
うにその第２プレート４８の下面５０に形成されており
、この被覆膜５２によって密閉された前記空間６６内に
は、シリコンオイル等の非圧縮性若り、　＜は低圧縮性
の液体が圧力伝達流体として充填されている。したがっ
て、上記被覆膜５４のうぢ開ｌ」部６４を密閉している
部分、すなわち受圧部に圧力が加えられると、その圧力
は空間６６内に充填された圧力伝達流体を介して前記ダ
イヤフラム５８に伝達され、半導体歪ゲージ６０によっ
てその圧力が電気信号に変換される。上記被覆膜５２は
受圧部材に相当する。

以−ににより一つの圧力センサ５４が構成されており、
かかる圧カセンザ５４は、前記第２図から明らかなよう
にその受圧部である開口部６４が一直線上に位置する状
態で、交互に逆向きとなる姿勢で２列で設けられている
。この−直線方向は、前記ハウジングｌＯが手首１８４
こ取り付けられた状態において、脈波を検出すべき撓骨
動脈７０と略直角に交差する方向に定められており、そ
の間隔は、３個以上の開口部６４が撓骨動脈７０の直上
部、すなわち撓骨動脈７０の真上であってその動脈７０
の直径と略同じ長さの範囲内に位置するように定められ
ている。

そして、以上のように構成された抑圧板４０は、被覆膜
５２が体表面１４に対向する姿勢で押圧部材２６に取り
付けられており、前記圧力室２８内に圧力エアが供給さ
れるごとにより、その体表面１４に押圧される。これに
より、動脈７０の直１−部およびその近傍の体表面１４
は平１１に押１丁され、撓骨動脈７０から発生した脈波
の圧力振動がその撓骨動脈７０と交差する方向に位置す
る多数の圧力センサ５４における開ｒ］部６４上の被覆
膜５２に加えられることにより、それ等の圧カセンザ５
４の半導体歪ゲージ６０からは、その圧力振動に対応す
る電気信号ずなわち脈波信号Ｓ　Ｍが出力される。なお
、かかる押圧板４０は、前記側壁部月３６の内側に配設
された容器形状を成す絶縁材料製の保持部材７２の下端
開口部に固定され、１（導体子ツブ４２からの電気的な
漏洩が防止されるようになっている。また、保持部材７
２と押圧板４０とによって囲まれた空室７４はゴム管７
６を介して大気に開放されており、空室７４内の圧力が
体温等に起因して変動することにより、各圧力センサ５
４から出力される脈波信号ＳＭが変化することを防止し
ている。

上記各圧力センサ５４から出力された脈波信号ＳＭは１
．制御装置７８に供給される。この制御装置７８はマイ
クロコンピュータ等にて構成されており、供給された脈
波信号ＳＭに基づいて動脈７０の脈波を検出し、表示・
記録装置８０に表示信号ＳＳを出力してその脈波を表示
・記録させるとともに、前記調圧弁３２に駆動信号ＳＤ
を出力して圧力室２８内に供給される圧力エアの圧力値
を制御するようにな、っている。

以下、本実施例の作動を説明する。

先ず、押圧部材２６の押圧板４０が撓骨動脈７０の直り
部を覆うようにハウジング１０がハンド１６によって手
首１８に取り付けられた状態において、図示し、ない起
動スイ・７チが操作されると、駆動信号ＳＤが出力され
ることにより圧力室２８内に予め定められた一定圧の圧
力エアが供給される。これにより、押圧部材２６はハウ
ジング１０に対して相対的に体表面１４に向かう方向へ
移動させられ、押圧板４０がその体表面１４に押圧され
る。そして、このように押圧板４０が体表面１４に押圧
されると、動脈７０から発生ずる脈波の圧力振動が圧力
センサ５４に伝達され、その圧力振動に対応する脈波信
号ＳＭが出力されるようになる。上記一定圧は、脈波の
圧力振動が圧力センサ５４によって検出され得る大きさ
に設定されている。

続いて、上記圧力センサ５４から出力された脈波信号Ｓ
Ｍに基づいて調圧弁３２が制御されることにより、圧力
室２８内Ｖこ供給される圧力エアの圧力が、脈波を検出
するのに最適な押圧力にて抑圧部材２６が体表面１４に
押圧されるように、例えば供給される脈波信号ＳＭの振
幅や信号強度等に基づいて調整される。そして、その状
態において、各圧力センサ５４から供給される多数の脈
波信号ＳＭの中から、その振幅や信号強度等に基づいて
、脈波を検出するに最適位置に押圧された圧カセンザ５
４から出力された脈波信号ＳＭが選択される。この実施
例では、動脈７０の真上に３個以上の圧力センサ５４の
受圧部、すなわち開口部６４が位置させられるため、動
脈７０と交差する方向における脈波が極め細かく検出さ
れ、例えば、開口部６４が動脈７０の真上に位置する圧
力センサ５４のうち、動脈７０の管壁の張力の影響がな
い中央部に開口部６４が位置する圧力センサ５４から出
力された脈波信号ＳＭが、動脈７０と交差する方向にお
ける脈波の変化傾向などから選択される。

その後、上記選択された脈波信号ＳＭが連続的に読み込
まれ、表示信号ＳＳが出力されることにより、その脈波
信号ＳＭが表す脈波が表示・記録装置８０に表示・記録
される。

ここで、かかる本実施例の脈波検出装置においては、開
口部６４に加えられた圧力が空間６６内に充填された圧
力伝達流体を介してダイヤフラム５８に伝達されること
により、そのダイヤフラム５８に形成された半導体歪ゲ
ージ６０によって電気信号に変換する圧力センサ５４が
用いられているため、動脈７０と交差する方向における
脈波を極めて小さな間隔で検出でき、それ等の中から最
適な脈波信号ＳＭを選択して高い精度で脈波測定を行う
ことができる。

すなわち、上記圧力センサ５４における開口部６４の大
きさや位置は、半導体歪ゲージ６０が形成されるダイヤ
フラム５８とは無関係に自由に設定できるため、製造上
大きな困難を伴うことなくその開口部６４を小さくする
ことができるとともに、その開口部６４が互いに近接し
て位置する状態で多数の圧力センサ５４を押圧板４０に
形成することが可能なのである。更に具体的には、ステ
ンレス等のプレート４６．４８に放電加工等により小さ
な開口部６２．６４を形成する作業は、半導体チップ４
２に小さな凹所５６を形成したり、小さな範囲に４個の
半導体歪ゲージ６０を形成したりする場合に比較して簡
単且つ容易に行うことができるのである。

以上、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明し
たが、本発明は他の態様で実施することもできる。

例えば、前記実施例では圧電変換素子として半導体歪ゲ
ージ６０が形成されているが、感圧ダイオードや感圧ト
ランジスタなどを形成するようにしても差支えない。

また、前記実施例では４個の半導体歪ゲージ６０により
ブリッジ回路が形成され、温度変化等による影響を受け
ないようになっているが、１個の半導体歪ゲージだけで
脈波信号ＳＭを取り出すことも可能である。その場合に
は、温度補償回路等を設けて温度変化による測定誤差を
防止することが望ましい。

また、ブリッジ回路を形成する４個の半導体歪ゲージ６
０の形状は適宜変更でき、例えば１個の半導体歪ゲージ
のみが圧力によって大きく変形させられ、３個の半導体
歪ゲージは殆ど変形しないようにしても差し支えない。

また、前記実施例では開口部６４がダイヤフラム５８か
ら離間した位置に設けられているが、測定条件によって
はダイヤフラム５８の真下に設けることも可能である。

また、前記実施例では半導体チップ４２に凹所５６が形
成されることによってダイヤフラム５８が設けられてい
るが、薄肉の半導体チップを用いて、これを凹所５６と
同じような開口部が設けられプレート等に固着すること
により、その開口部に位置する部分を半導体ダイヤプラ
ムとして利用することもできる。

また、前記実施例では半導体チップ４２．プレート４６
．４８によって圧力室形成部材が構成されているが、こ
の圧力室形成部材の材質や構成は適宜変更することがで
き、圧力室の開口部を半導体ダイヤフラムと直角な面に
設けたりすることも可能である。

また、前記実施例では下面５０にコーティングされた被
覆膜５２によって受圧部材が構成されているが、弾性変
形可能なシートを受圧部材として開口部６４に接着剤等
により固着するようにしても差支えない。

また、前記実施例では圧力伝達流体としてシリア コンオイル等の液体が用いられているが、気体を用いる
ことも可能である。

また、前記実施例では本発明が脈波検出装置の圧力セン
サ５４に適用された場合について説明したが、ロホソト
ハンドなどに用いられる他の圧力センサムこ適用するこ
ともｉｉＪ能である。その場合には、それぞれの使用目
的や使用条件等に応じて圧力センサの数や配設形態等が
定められ、受圧部である圧力室の開口部と半導体ダイヤ
フラムとの面積比を変更して測定圧力に対する電気信号
のゲインを調整することもできる。

その他−々例示はしないが、本発明はその精神を逸脱す
ることなく当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を
加えた態様で実施することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である圧力センサを備えた脈
波検出装置の構成を説明する図である。 第２図は第１図の装置において多数の圧力センサが形成
された押圧板４０の一部を示す平面図である。第３図は
第２図におけるＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である１、第４図
は第３図に示されている半導体チップの１ζ面を示す平
面図である。第５図は第４図の半導体チップの上面に形
成されたブリンジ回路を説明する図である。第６図は第
３図に示されでいる第１プレートの一部を示す平面図で
ある。第７図は第３図に示されている第２プレートの一
部を示す平面図である。 ５２：被覆膜（受圧部材） ５４：圧力センサ ５８：半導体ダイヤフラム ６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄ＋ 半導体歪ゲージ（圧電変換素子） ６４；開口部　　　　　６６；空間（圧力室）ＳＭ：脈
波信号（電気信号）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 薄肉の半導体ダイヤフラムに圧電変換素子が形成され、
   該半導体ダイヤフラムに加えられた圧力を電気信号に変
   換する圧力センサにおいて、前記半導体ダイヤフラムに
   よって壁面の一部が構成される圧力室を形成する圧力室
   形成部材と、該圧力室形成部材に設けられた前記圧力室
   の開口部を密閉する弾性変形可能な受圧部材と、該受圧
   部材によって密閉された前記圧力室に充填され、該受圧
   部材に加えられた圧力を前記半導体ダイヤフラムに伝達
   する圧力伝達流体と を含むことを特徴とする圧力センサ。