JP2016138844A - Strain sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、電子機器への入力を検出する検出部を備えた歪センサに関する。 The present disclosure relates to a strain sensor including a detection unit that detects an input to an electronic device.
従来、圧力を検出して動作する情報機器等の電子機器に圧力センサが用いられていた。従来の圧力センサを図5に示す。 Conventionally, pressure sensors have been used in electronic devices such as information devices that operate by detecting pressure. A conventional pressure sensor is shown in FIG.
図5に示すように従来の圧力センサは、中空部を有する支持枠11と、中空部の底面に形成され、圧力の印加により変形するダイヤフラム12と、ダイヤフラム12に設けられていて、ダイヤフラム12の変形により歪むことで圧力を電気的信号として検出する圧力検出部13と、電極14を備えている。ダイヤフラム12は、薄肉領域と、圧力検出部13の一部もしくは全部を含んでおり、薄肉領域の厚みよりも厚くなるように形成された厚肉領域とを有している。
As shown in FIG. 5, the conventional pressure sensor includes a
支持枠11は略四角状に形成されていて、シリコン基板11aの両面には、エッチングする際のマスクとなるSiO2 膜11b、11bが形成されている。
The
厚肉領域は、ダイヤフラム12の一面もしくは両面に略平面上もしくは突起形状に形成され、ほぼ均一の厚さに形成されたダイヤフラム12に厚肉部を設けることにより形成される。
The thick region is formed on one surface or both surfaces of the
圧力検出部13は複数のピエゾ抵抗部13a〜13dを有しており、複数のピエゾ抵抗部13a〜13bはそれぞれダイヤフラム12の外周側に配置されている。
The
次に、図1を参照して、圧力センサデバイスの動作例について説明する。ダイヤフラム12が外部から圧力を受けると、圧力の大きさに応じてダイヤフラム12が変形する。すると、ダイヤフラム12に設けられた圧力検出部13もダイヤフラム12と共に歪み、ダイヤフラム12の外周に配置された複数のピエゾ抵抗13a〜13dの抵抗値が変化する。この抵抗値の変化を計測することにより、圧力センサデバイス10に印加された圧力を計測する。(特許文献1)
Next, an operation example of the pressure sensor device will be described with reference to FIG. When the
特許文献1に示される従来の圧力センサでは、圧力を検出したい対象物の厚みや材質によっては、圧力検出部に伝わる歪み量が小さくなってしまい、十分な感度を得ることができないという課題がある。 In the conventional pressure sensor shown in Patent Document 1, depending on the thickness and material of an object whose pressure is to be detected, there is a problem that the amount of strain transmitted to the pressure detection unit becomes small and sufficient sensitivity cannot be obtained. .
そこで本開示は、比較的小さな圧力に対しても十分な感度を得ることができる歪センサを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present disclosure is to provide a strain sensor that can obtain sufficient sensitivity even with a relatively small pressure.
上記課題を解決するために本開示は、固定部と、前記固定部に接続されたダイヤフラム部と、前記ダイヤフラム部に設けられたピエゾ抵抗を有し、前記固定部に接続された第1の梁と、前記固定部に接続され前記第1の梁と直交する方向に延在した第2の梁と、前記第1の梁と前記第2の梁とを接続する接続部とを有した構成とした。 In order to solve the above-described problem, the present disclosure includes a fixed portion, a diaphragm portion connected to the fixed portion, and a piezoresistor provided in the diaphragm portion, and a first beam connected to the fixed portion. A second beam connected to the fixed portion and extending in a direction perpendicular to the first beam, and a connection portion connecting the first beam and the second beam; did.
歪センサのダイヤフラム部を第1の梁と第2の梁が直交した十字形状とし、ダイヤフラム部の端部に固定部を設ける構造にすることで、ダイヤフラム部の断面積を小さくすることが可能となる。ピエゾ抵抗に伝わる歪み量は、ダイヤフラム部の断面積と反比例関係にあることから、断面積を小さくすることによって、検出感度を向上させることが可能となる。 By making the diaphragm part of the strain sensor into a cross shape in which the first beam and the second beam are orthogonal to each other, and by providing a fixed part at the end of the diaphragm part, the cross-sectional area of the diaphragm part can be reduced. Become. Since the amount of distortion transmitted to the piezoresistor is inversely proportional to the cross-sectional area of the diaphragm portion, detection sensitivity can be improved by reducing the cross-sectional area.
(実施の形態1)
以下に、本開示の歪センサの一実施の形態を、添付図面を用いながら詳細に説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, an embodiment of a strain sensor of the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は、本開示の一実施の形態における歪センサの構成を示している。歪センサ100は、固定部110と、固定部110に接続されたダイヤフラム部120とを有している。固定部110とダイヤフラム部120はシリコンにより形成されている。ダイヤフラム部120はX軸方向に延在した第1の梁121と、X軸方向と直交しY軸方向に延在した第2の梁122と、第1の梁121と第2の梁122とを接続する接続部123とを有し、第1の梁121と、第2の梁122の上部にはピエゾ抵抗130と、電極140とが設けられている。第1の梁121と第2の梁122は夫々接続部123を挟んで対になって設けられている。固定部110は枠状に形成されており、固定部110のX軸方向の中央部に第1の梁121が接続され、固定部110のY軸方向の中央部に第2の梁122が接続されている。歪センサ100は固定部110で歪みを測定する対象の起歪体(図示せず)に接続されており、起歪体に生じた歪みを測定することができる。なお、一実施の形態において固定部110は枠状に形成されているがこの限りではなく、例えば、第1の梁121と第2の梁122を夫々支持する直方体形状の固定部110を4つ設けても良い。ただし、一実施の形態のように、固定部110を枠形状に形成した方が、歪センサ100の耐久性を向上させることができる。
FIG. 1 illustrates a configuration of a strain sensor according to an embodiment of the present disclosure. The
次に、歪センサ100の製造方法の一例について説明する。シリコン基板をエッチング加工することによって固定部110及びダイヤフラム部120を形成する。その後、イオン注入により、ダイヤフラム部120にピエゾ抵抗130を形成する。
Next, an example of a method for manufacturing the
図2は、図1における歪センサ100のA−A線断面図である。固定部110の厚みは、ダイヤフラム部120の厚みよりも大きくなるように形成されており、固定部110の厚み及びダイヤフラム部120の厚みは、それぞれがほぼ均一になるように形成されている。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the
ダイヤフラム部120には、第1のピエゾ抵抗素子131、第2のピエゾ抵抗素子132、第3のピエゾ抵抗素子133、第4のピエゾ抵抗素子134からなるピエゾ抵抗130が設けられている。ダイヤフラム部120が変形するとピエゾ抵抗130の歪抵抗値が変化する。第1のピエゾ抵抗素子131、第2のピエゾ抵抗素子132、第3のピエゾ抵抗素子133、第4のピエゾ抵抗素子134によってブリッジ回路が形成されている。このピエゾ抵抗130に対し基準電圧を印加したときに、起歪体から荷重が印加されると、X軸方向に引っ張り応力F1が印加され、それに追従する形でY軸方向に圧縮応力F2が印加される。これにより、第1の梁121がX軸方向に伸びるように変形し、第2の梁122がY軸方向に縮むように変形する。ダイヤフラム部120の変形によってピエゾ抵抗130の抵抗値が変化し、この抵抗値の変化をブリッジ回路から出力される電圧変化として電極140を介して測定することで、起歪体に加えられた歪みを測定することができる。
The
図3は、図1における歪センサ100のB−B線断面図である。図3に示すように、ダイヤフラム部120を第1の梁121と、第2の梁122と、接続部123とを接続することによって形成することで、第1の梁121または第2の梁122が延在した方向と直交する方向のダイヤフラム部120のピエゾ抵抗130が設けられた部分の断面積が小さくなる。起歪体から圧力が加えられたときのダイヤフラム部120の歪量は断面積の大きさに反比例するため、従来の圧力センサのようにダイヤフラム部が固定部の内側全面に設けられた構造に比べ、一実施の形態の歪センサ100は圧力が加えられたときのダイヤフラム部120の歪量を大きくすることができる。これにより、ピエゾ抵抗130に加わる歪量が大きくなり、歪センサ100の検出感度を向上させることができる。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the
第1の梁121には第1のピエゾ抵抗素子131と第3のピエゾ抵抗素子133がX軸方向に延在するように配置され、第2の梁122には第2のピエゾ抵抗素子132と第4のピエゾ抵抗素子134がY軸方向に延在するように配置されている。すなわち、第1のピエゾ抵抗素子131、第2のピエゾ抵抗素子132、第3のピエゾ抵抗素子133、第4のピエゾ抵抗素子134の長手方向が接続部を向くように配置されている。
A first
この様にピエゾ抵抗130を配置することにより、起歪体に生じた歪によって、ダイヤフラム部120に生じた歪の検出感度を向上させることができている。例えば、起歪体から歪センサ100に対してX軸方向に引張応力F1が印加されると、起歪体のY軸方向に対しては圧縮応力F2が印加される。このとき、長手方向がX軸方向になるように配置された第1のピエゾ抵抗素子131と第3のピエゾ抵抗素子133には引張応力が加わり、抵抗値が上昇する。一方、長手方向がY軸方向になるように配置された第2のピエゾ抵抗素子132と第4のピエゾ抵抗素子134には圧縮応力が印加され、抵抗値が低下する。ここで、第1のピエゾ抵抗素子131と第2のピエゾ抵抗素子132、第3のピエゾ抵抗素子133と第4のピエゾ抵抗素子134を夫々ペアとしてブリッジ回路を形成することで圧力センサの検出感度を向上させることができる。また、第1のピエゾ抵抗素子131と第4のピエゾ抵抗素子134、第2のピエゾ抵抗素子132と第3のピエゾ抵抗素子133を夫々ペアにしてブリッジ回路を形成しても同様に歪センサ100の検出感度を向上させることができる。
By arranging the
この様に、第1のピエゾ抵抗素子131と第3のピエゾ抵抗素子133を長手方向がX軸方向となるように配置し、第2のピエゾ抵抗素子132と第4のピエゾ抵抗素子134を長手方向がY軸方向となるように配置することで起歪体に生じた歪の検出感度を向上させることができる。
In this way, the first
図1に示すように、ダイヤフラム部120は、第1の梁121と第2の梁122の長さが等しく、第1の梁121と第2の梁122のそれぞれの中点で交わるように形成されている。また、第1のピエゾ抵抗素子131と第3のピエゾ抵抗素子133とは第1の梁121の固定部110と接続部123との間の中心部分に配置され、第2のピエゾ抵抗素子132と第4のピエゾ抵抗素子134とは第2の梁122の固定部110と接続部123との間の中心部分に配置されている。このような構造にすることで、歪センサ100は、X軸方向とY軸方向に夫々が線対称な構造となる。このような構造にすることで、歪センサ100の温度変化による膨張や収縮によって生じる出力変動をキャンセルすることができ、検出精度を向上させることができる。
As shown in FIG. 1, the
また、電極140は、歪量の測定に必要な電極、例えば基準電圧の印加電極や出力電圧の検出電極、GND電極が設けられており、更にダミー電極を形成することで、固定部110のそれぞれの辺に形成される電極の数を同じにすることができる。このダミー電極の配置は、歪センサ100の中心を第1の梁121と第2の梁122に対して夫々が線対称になるように形成されている。
In addition, the
次に、実施の形態の歪センサの効果について説明する。 Next, the effect of the strain sensor of the embodiment will be described.
従来の歪センサでは、温度変化等の環境変化の影響があった場合、ダイヤフラム部が変形し、温度変化によるダイヤフラム部の変形を歪センサに応力が加わったものとして検出してしまうことがある。しかしながら、本開示の歪センサ100では、温度変化の影響を低減することができている。
In a conventional strain sensor, when there is an influence of environmental changes such as a temperature change, the diaphragm part may be deformed and the deformation of the diaphragm part due to the temperature change may be detected as a stress applied to the strain sensor. However, the
起歪体から歪センサ100に荷重が印加された場合、ダイヤフラム部120にX軸方向に引張応力F1が加わり、Y軸方向に圧縮応力F2が加わる。一方、温度変化によってダイヤフラム部120に応力が加わった場合、歪センサ100の温度が上昇した場合、ダイヤフラム部120が膨張するためダイヤフラム部120のX軸方向、Y軸方向に加わる応力は共に引張応力(膨張)となる。また、温度が下降した場合は、ダイヤフラム部120のX軸方向、Y軸方向に加わる応力は共に圧縮応力(収縮)となる。ここで、ピエゾ抵抗130は、X軸方向とY軸方向に直交するように配置してある為、ピエゾ抵抗130には同じ応力が加わる。これにより、温度変化による歪センサ100の変形による出力変化をキャンセルすることができる。
When a load is applied from the strain generating body to the
さらに、歪センサ100は、歪センサ100の中心に対してX軸方向とY軸方向に夫々が線対称である。このため、第1のピエゾ抵抗素子131、第2のピエゾ抵抗素子132、第3のピエゾ抵抗素子133、第4のピエゾ抵抗素子134に加わる応力の大きさは同じになる。このことから、温度変化による歪センサ100の変形による出力変化をより効果的にキャンセルすることができる。
Further, the
本開示による歪センサは、検出感度に優れている為、入力により多様な制御を簡単な操作で行うことのできる情報機器や、生じた歪により動作を制御する冷蔵庫、洗濯機等の電子機器に有用である。 Since the strain sensor according to the present disclosure has excellent detection sensitivity, it can be used in information devices that can perform various controls by simple operations by input, and electronic devices such as refrigerators and washing machines that control operations based on the generated strain. Useful.
100 歪センサ
110 固定部
120 ダイヤフラム部
121 第1の梁
122 第2の梁
123 接続部
130 ピエゾ抵抗
131 第1のピエゾ抵抗素子
132 第2のピエゾ抵抗素子
133 第3のピエゾ抵抗素子
134 第4のピエゾ抵抗素子
140 電極
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記固定部に接続されたダイヤフラム部と、
前記ダイヤフラム部に設けられたピエゾ抵抗を有し、
前記固定部に接続された第1の梁と、
前記固定部に接続され前記第1の梁と直交する方向に延在した第2の梁と、
前記第1の梁と前記第2の梁とを接続する接続部とを有した歪センサ。 A fixed part;
A diaphragm portion connected to the fixed portion;
Having a piezoresistor provided in the diaphragm portion;
A first beam connected to the fixed part;
A second beam connected to the fixed portion and extending in a direction perpendicular to the first beam;
A strain sensor having a connection portion connecting the first beam and the second beam.
前記第1の梁に前記第1の梁が延在した方向に配置され、
前記第2の梁に前記第2の梁が延在した方向に配置されている請求項1に記載の歪センサ。 The piezoresistor is
The first beam is disposed in a direction in which the first beam extends;
The strain sensor according to claim 1, wherein the second beam is disposed in a direction in which the second beam extends.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2015014879A JP2016138844A (en) | 2015-01-29 | 2015-01-29 | Strain sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2015014879A JP2016138844A (en) | 2015-01-29 | 2015-01-29 | Strain sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2016138844A true JP2016138844A (en) | 2016-08-04 |
Family
ID=56560109
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2015014879A Pending JP2016138844A (en) | 2015-01-29 | 2015-01-29 | Strain sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2016138844A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2019159959A1 (en) * | 2018-02-19 | 2019-08-22 | 株式会社フジキン | Piezoelectric element-driven valve and flow volume control device |
-
2015
- 2015-01-29 JP JP2015014879A patent/JP2016138844A/en active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| WO2019159959A1 (en) * | 2018-02-19 | 2019-08-22 | 株式会社フジキン | Piezoelectric element-driven valve and flow volume control device |
| JPWO2019159959A1 (en) * | 2018-02-19 | 2021-02-04 | 株式会社フジキン | Piezoelectric drive valve and flow control device |
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