JPH0233152Y2 - - Google Patents
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- Publication number
- JPH0233152Y2 JPH0233152Y2 JP1980123835U JP12383580U JPH0233152Y2 JP H0233152 Y2 JPH0233152 Y2 JP H0233152Y2 JP 1980123835 U JP1980123835 U JP 1980123835U JP 12383580 U JP12383580 U JP 12383580U JP H0233152 Y2 JPH0233152 Y2 JP H0233152Y2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light
- waveguide
- diaphragm
- receiving
- amount
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired
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- Optical Transform (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Description
【考案の詳細な説明】
この考案の圧力センサ、特にダイヤフラムのた
わみを利用した圧力センサに関するものである。
わみを利用した圧力センサに関するものである。
通常ダイヤフラムの一方の側に圧力媒体（例え
ばガス）を導入し、ダイヤフラムを圧力値に応じ
てたわませ、この時のたわみの量を検出してダイ
ヤフラムに作用する圧力値を測定することはよく
行なわれている。このたわみの検出方法として従
来は、ダイヤフラムの貼付けられた歪電素子から
直接電気（電圧）信号を取り出すか、あるいはダ
イヤフラム近傍に電極を設け、ダイヤフラムたわ
みに応じて電極のキヤパシタンス（容量）が変化
するのを電極に接続された回路の発振周波数の変
化として取出すなどの技術が使用されている。し
かしながらこれら従来の方式は、検出部に直接電
圧（あるいは電流）が加わることにより被測定ガ
スが発火したりあるいは検出部のところで電気信
号に変換しているため、電気ノイズが発生し易い
という問題を有していた。
ばガス）を導入し、ダイヤフラムを圧力値に応じ
てたわませ、この時のたわみの量を検出してダイ
ヤフラムに作用する圧力値を測定することはよく
行なわれている。このたわみの検出方法として従
来は、ダイヤフラムの貼付けられた歪電素子から
直接電気（電圧）信号を取り出すか、あるいはダ
イヤフラム近傍に電極を設け、ダイヤフラムたわ
みに応じて電極のキヤパシタンス（容量）が変化
するのを電極に接続された回路の発振周波数の変
化として取出すなどの技術が使用されている。し
かしながらこれら従来の方式は、検出部に直接電
圧（あるいは電流）が加わることにより被測定ガ
スが発火したりあるいは検出部のところで電気信
号に変換しているため、電気ノイズが発生し易い
という問題を有していた。
この考案は、本質的防爆特性であり、検出部に
おける電気的ノイズのない圧力センサを提供しよ
うとするものであり、その構成の要旨とするとこ
ろは、エピタキシヤルシリコン基板を凹状に形成
してなるダイヤフラムの平坦面側の円周上の二箇
所に、投光導波路および受光導波路を薄膜状に一
体的に形成するとともに、上記光導波路の一部を
上記エピタキシヤルシリコン基板の厚肉部よりも
内側に設けたところにある。
おける電気的ノイズのない圧力センサを提供しよ
うとするものであり、その構成の要旨とするとこ
ろは、エピタキシヤルシリコン基板を凹状に形成
してなるダイヤフラムの平坦面側の円周上の二箇
所に、投光導波路および受光導波路を薄膜状に一
体的に形成するとともに、上記光導波路の一部を
上記エピタキシヤルシリコン基板の厚肉部よりも
内側に設けたところにある。
以下図面に基ずいてこの考案を詳述する。第１
図はこの考案の基本的構成を示した図、第２図は
この考案の１実施例の構成の詳細説明図である。
そして第１図ａはこの考案の圧力センサの上面か
ら見た図、第１図ｂは第１図ａのＡ−A′断面図、
第２図ａ，ｂは投受光導波路を中心とした断面図
であり、第２図ａと第２図ｂは互いに直角な断面
を示している。
図はこの考案の基本的構成を示した図、第２図は
この考案の１実施例の構成の詳細説明図である。
そして第１図ａはこの考案の圧力センサの上面か
ら見た図、第１図ｂは第１図ａのＡ−A′断面図、
第２図ａ，ｂは投受光導波路を中心とした断面図
であり、第２図ａと第２図ｂは互いに直角な断面
を示している。
第１図において１は投光導波路、２は受光導波
路、３は光入力端、４は光出力端、５はダイヤフ
ラムであり、矢印の方から圧力がダイヤフラム５
に作用する。まず投光導波路１の光入力端３から
レーザ光が入射されると、図示のように圧力が作
用していない時はダイヤフラム５にたわみがな
く、このときは途中で損失がないから光はすべて
受光導波路２で受光され、光出力端４から出射さ
れる。そして受圧面の圧力が増すにつれて投受光
導波路１，２間の間が盛り上り徐々に投光導波路
１から出るレーザ光の光路が受光導波路２から偏
位すると受光導波路の受光率が変化減少し光出力
端４から出射される光量が変化する（たわみが大
きくなるのに比例して光量は減少する）。なおこ
のダイヤフラムのたわみの量、即ち圧力と光出力
端に出力される光量との関係は後述のとおりであ
る。
路、３は光入力端、４は光出力端、５はダイヤフ
ラムであり、矢印の方から圧力がダイヤフラム５
に作用する。まず投光導波路１の光入力端３から
レーザ光が入射されると、図示のように圧力が作
用していない時はダイヤフラム５にたわみがな
く、このときは途中で損失がないから光はすべて
受光導波路２で受光され、光出力端４から出射さ
れる。そして受圧面の圧力が増すにつれて投受光
導波路１，２間の間が盛り上り徐々に投光導波路
１から出るレーザ光の光路が受光導波路２から偏
位すると受光導波路の受光率が変化減少し光出力
端４から出射される光量が変化する（たわみが大
きくなるのに比例して光量は減少する）。なおこ
のダイヤフラムのたわみの量、即ち圧力と光出力
端に出力される光量との関係は後述のとおりであ
る。
続いて第２図に基づいてこの考案の１実施例の
詳細な構成を説明する。
詳細な構成を説明する。
第２図において５はダイヤフラム、６はアルミ
ニウム、７は二酸化珪素、９は金、９はマツチン
グ用プリズム、１０は入力レーザ光、１１は出力
レーザ光である。ダイヤフラム５はエピタキシヤ
ルシリコン基板を基体とし、電解エツチングによ
つて選択的に凹部がされて、薄肉部にたわみを生
ぜしめるように構成されている。続いてアルミニ
ウム６、二酸化珪素７および金８をこの順序でダ
イヤフラム５の平坦面側の円周上の二点にホトリ
ソグラフイー技術を用いたマスクを通して蒸着す
る。マスクにはホトレジストを使用しリフトオフ
により不要部分の蒸着層を除去する。投光導波路
と受光導波路の空間を作るには蒸着した金８の層
をマスクとし化学エツチングにより二酸化珪素を
除去る。最後にこのようにして形成した二酸化珪
素７を金８で被覆した導波管型の導波路（投光導
波路および受光導波路）の投光側入力端の金８層
をエツチングし、マツチング用プリズム９を取付
ける。従つて光入力端に投光されるレーザ光の入
射点が多少ずれてもレーザ光が投光路である二酸
化珪素７中に導入される。もちろん導波路の材料
は二酸化珪素に限らずひろく高屈折率物質の利用
が可能である。
ニウム、７は二酸化珪素、９は金、９はマツチン
グ用プリズム、１０は入力レーザ光、１１は出力
レーザ光である。ダイヤフラム５はエピタキシヤ
ルシリコン基板を基体とし、電解エツチングによ
つて選択的に凹部がされて、薄肉部にたわみを生
ぜしめるように構成されている。続いてアルミニ
ウム６、二酸化珪素７および金８をこの順序でダ
イヤフラム５の平坦面側の円周上の二点にホトリ
ソグラフイー技術を用いたマスクを通して蒸着す
る。マスクにはホトレジストを使用しリフトオフ
により不要部分の蒸着層を除去する。投光導波路
と受光導波路の空間を作るには蒸着した金８の層
をマスクとし化学エツチングにより二酸化珪素を
除去る。最後にこのようにして形成した二酸化珪
素７を金８で被覆した導波管型の導波路（投光導
波路および受光導波路）の投光側入力端の金８層
をエツチングし、マツチング用プリズム９を取付
ける。従つて光入力端に投光されるレーザ光の入
射点が多少ずれてもレーザ光が投光路である二酸
化珪素７中に導入される。もちろん導波路の材料
は二酸化珪素に限らずひろく高屈折率物質の利用
が可能である。
なお、この第２の実施例では、いわゆる蒸着技
術、エツチング技術等いわゆる集積回路作成の技
術によつてダイヤフラムと圧力に応じた光量を得
る機構がいわば一体的に形成されており、超小型
化あるいはセンサの大量生産化を可能にする。
術、エツチング技術等いわゆる集積回路作成の技
術によつてダイヤフラムと圧力に応じた光量を得
る機構がいわば一体的に形成されており、超小型
化あるいはセンサの大量生産化を可能にする。
続いて、ダイヤフラムのたわみの量、即ち圧力
と受光路の光出力端に出力される光量との定量的
関係について第３図ないし第５図に基づいて詳述
する。第３図および第４図において、１は投光導
波路、２は受光導波路、５はダイヤフラムであ
る。
と受光路の光出力端に出力される光量との定量的
関係について第３図ないし第５図に基づいて詳述
する。第３図および第４図において、１は投光導
波路、２は受光導波路、５はダイヤフラムであ
る。
第３図のようにダイヤフラム５の中心を原点に
とり、半径方向の距離をｒとすれば、ダイヤフラ
ム上の各点のたわみ量は次式で示される。
とり、半径方向の距離をｒとすれば、ダイヤフラ
ム上の各点のたわみ量は次式で示される。
ｈ＝ｗ｛１−（ｒ／ａ）2｝2但しａ：ダイヤフラム
の半径
ｗ：ダイヤフラムの中心のたわみ量
ここでｗとＰとの関係は次式で示される。
ｗ＝３（１−ν2）a4／16Et3Ｐ
但し、ν：ボアソン比、Ｅ：ヤング率、ｔ：ダイ
ヤフラム厚さ、そしてこのダイヤフラム５上で傾
斜の最も急な点でのｒの値をもとめると dh／dr＝４wr／a2｛（ｒ／ａ2）−１｝ d2h／dr
2＝４ｗ／a2 ｛３（ｒ／ａ2）−１｝ よりｒ＝ａ／√３となり、さらにこの点におけるダ イヤフラム５の傾斜度合は dh／dr＝８／３√３ｗ／ａとなる。
ヤフラム厚さ、そしてこのダイヤフラム５上で傾
斜の最も急な点でのｒの値をもとめると dh／dr＝４wr／a2｛（ｒ／ａ2）−１｝ d2h／dr
2＝４ｗ／a2 ｛３（ｒ／ａ2）−１｝ よりｒ＝ａ／√３となり、さらにこの点におけるダ イヤフラム５の傾斜度合は dh／dr＝８／３√３ｗ／ａとなる。
次に投光導波路１の端面から放射される光が受
光導波路２の受光端において一様な強度分布であ
れば（例えば誘電体レンズを用いて収光すること
により実現できる）投受光導波路１，２間の空間
を通して伝達される光量の下限は第４図の線分
BCで示され、上限は線分で示される（投受光
導波路間の距離が短いときには近傍効果を考慮し
てこのように考える）。
光導波路２の受光端において一様な強度分布であ
れば（例えば誘電体レンズを用いて収光すること
により実現できる）投受光導波路１，２間の空間
を通して伝達される光量の下限は第４図の線分
BCで示され、上限は線分で示される（投受光
導波路間の距離が短いときには近傍効果を考慮し
てこのように考える）。
各点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの高さは
Ａ＝ｈ Ｂ＝ｈ＋16／９ｗ Ｃ＝ｈ＋ｄ Ｄ＝ｈ
＋10／９ｗとなる。
但し、正確にはＢ＝〓ａ tanθ／１＋tan2θ＋ｈ Ｃ
＝ｄ cosθ＋ｈ θ＝tan-1（△ｈ／△ｒ）であるが一般にはθは極め て小さい値でありａ＝10mm、ｗ＝0.1mmとすると
θ＝0.88゜であり上記のように近似的な値として
も誤差は0.1％程度の内に収まる。
＝ｄ cosθ＋ｈ θ＝tan-1（△ｈ／△ｒ）であるが一般にはθは極め て小さい値でありａ＝10mm、ｗ＝0.1mmとすると
θ＝0.88゜であり上記のように近似的な値として
も誤差は0.1％程度の内に収まる。
従つて伝達される光量Φ（受光導波路２の受光
端面への光量）は ｄ−10／９ｗ＞ｄ−kw＞ｄ−16／９ｗ で示されるｋ（10／９＜ｋ＜16／９）を取つて Φ＝Ｋ｛１−３（１−ν2）a4／16Et3ｋ／ｄｐ｝
Φ。
端面への光量）は ｄ−10／９ｗ＞ｄ−kw＞ｄ−16／９ｗ で示されるｋ（10／９＜ｋ＜16／９）を取つて Φ＝Ｋ｛１−３（１−ν2）a4／16Et3ｋ／ｄｐ｝
Φ。
と表わされる。但しＫは比例定数Φ。は投光導波
路１の放射端面での光量である。
路１の放射端面での光量である。
この式から明らかなように、光量Φはダイヤフ
ラム５に加わる圧力と比例関係にある。
ラム５に加わる圧力と比例関係にある。
但し投光導波路１の放射端面から放射される光
は放射端面の形状によつては、半値幅が約70゜程
度にもなり、ダイヤフラム５のたわみに起因する
損失以外の損失が大きくなりすぎる。この損失を
軽減させるために例えば投光導波路１の放射端面
を第５図のような形状にして、投光導波路２の受
光端面に有効に光束が集光するようにレンズ作用
をさせるような工夫が施こされる。集点距離ｆと
受光端面の曲率半径ｒとは次の関係にある。
は放射端面の形状によつては、半値幅が約70゜程
度にもなり、ダイヤフラム５のたわみに起因する
損失以外の損失が大きくなりすぎる。この損失を
軽減させるために例えば投光導波路１の放射端面
を第５図のような形状にして、投光導波路２の受
光端面に有効に光束が集光するようにレンズ作用
をさせるような工夫が施こされる。集点距離ｆと
受光端面の曲率半径ｒとは次の関係にある。
ｎ／ｆ＝n′−ｎ／ｒ 但しｎ，n′：屈曲率
この関係から、効果的に受光端面に光束が集光
するように放射端面の形状あるいは投光導波路１
の屈折率等を選定する。
するように放射端面の形状あるいは投光導波路１
の屈折率等を選定する。
以上詳述したように、この考案はダイヤフラム
表面上に一対の投受光導波路を設け、ダイヤフラ
ムのたわみに応じて受光導波路への受光効率が変
化するように構成することにより、爆発の危険性
の全くない、電気的ノイズの少ない圧力センサを
実現できるものであり、その効果は実用に供した
場合極めて顕著である。しかも微少なたわみ変化
をも検出し微小圧力の検出を可能にする。
表面上に一対の投受光導波路を設け、ダイヤフラ
ムのたわみに応じて受光導波路への受光効率が変
化するように構成することにより、爆発の危険性
の全くない、電気的ノイズの少ない圧力センサを
実現できるものであり、その効果は実用に供した
場合極めて顕著である。しかも微少なたわみ変化
をも検出し微小圧力の検出を可能にする。
第１図は、この考案の基本的構成を示した図、
第２図はの考案の１実施例の構成の詳細説明図、
第３図はダイヤフラムの変位と圧力との関係を説
明するための図、第４図はダイヤフラムの変位と
光出力端に出力される光量を説明するための図、
第５図は投光導波路の出射端面の形状を示した図
である。 １……投光導波路、２……受光導波路、３……
光入力端、４……光出力端、５……ダイヤフラ
ム、６……アルミニウム、７……二酸化珪素、８
……金、９……マツチング用プリズム、１０……
入力レーザ光、１１……出力レーザ光。
第２図はの考案の１実施例の構成の詳細説明図、
第３図はダイヤフラムの変位と圧力との関係を説
明するための図、第４図はダイヤフラムの変位と
光出力端に出力される光量を説明するための図、
第５図は投光導波路の出射端面の形状を示した図
である。 １……投光導波路、２……受光導波路、３……
光入力端、４……光出力端、５……ダイヤフラ
ム、６……アルミニウム、７……二酸化珪素、８
……金、９……マツチング用プリズム、１０……
入力レーザ光、１１……出力レーザ光。
Claims (1)
- エピタキシヤルシリコン基板を凹状に形成して
なるダイヤフラムの平坦面側の円周上の二箇所
に、投光導波路および受光導波路を薄膜状に一体
的に形成するとともに、上記光導波路の一部を上
記エピタキシヤルシリコン基板の厚肉部よりも内
側に設けたことを特徴とする圧力センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1980123835U JPH0233152Y2 (ja) | 1980-08-29 | 1980-08-29 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1980123835U JPH0233152Y2 (ja) | 1980-08-29 | 1980-08-29 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5746843U JPS5746843U (ja) | 1982-03-16 |
| JPH0233152Y2 true JPH0233152Y2 (ja) | 1990-09-06 |
Family
ID=29484391
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1980123835U Expired JPH0233152Y2 (ja) | 1980-08-29 | 1980-08-29 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0233152Y2 (ja) |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS601398Y2 (ja) * | 1980-02-11 | 1985-01-16 | 株式会社東芝 | 圧力計 |
-
1980
- 1980-08-29 JP JP1980123835U patent/JPH0233152Y2/ja not_active Expired
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5746843U (ja) | 1982-03-16 |
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