５．圧力センサ（変換器）

機械式圧力計は1700年代 ヨーロッパでの産業革命以降から使用され段階的な改良が進められ、それ以降、現在に至っても安定的な需要を維持している。
一方、圧力センサは半導体製造プロセスを利用した構成・構造を適用することによって1980年代以降、急速に発展を遂げてきた。
圧力センサ（変換器）は圧力によって変化する基本要素は機械式と類似であるが、これを電気的な信号に変換して信号処理する機能が付加できる。
また、半導体製造プロセスを利用して小型化が出来る特徴がある。
ここでは検出原理の異なる４種類の圧力センサについて解説する。

５．１歪ゲージ型（圧力センサ）

歪みとは、物体の長さLと伸縮量ΔLの比ΔL／Lによって定義される 物体のわずかな伸縮を示す物理量である。
物体の歪みを検出するには、その表面に歪ゲージを取付けるか作り込むかして、歪みを電気抵抗の変化などに変換する。半導体製造プロセスで使用されているシリコンを材料として用いる場合は、薄肉化したシリコンダイアフラムの上に不純物を拡散して歪ゲージを形成する方法が一般化している。
ダイアフラムに圧力を印加するとダイアフラム上の特定場所に引張り歪と圧縮歪が発生する。図5-1。
歪ゲージはこれを検出するために最適な形状に加工（パターン化）し最適な位置に配置される。
歪みゲージはホイートストンブリッジ回路として構成すると歪ゲージの温度特性などを補償できることや電圧（電位差）として出力することができる。図5-2。

金属の圧抵抗率
普通、金属性歪ゲージの電気抵抗の変化は主に機械的な力を加えたことによって生じる幾何学的な変化によるものである。しかし、圧抵抗効果が小さいとはいえ、無視できないことが多い。無視できない場合、長さと断面積から導出される次の簡単な抵抗の式を使うことによって計算することができる。

R＝ρ＊L/S　 (ρ：電気抵抗率、Ｌ：導体の長さ、Ｓ：導体の断面積)

一部の金属は、幾何的な要因による抵抗変化よりもずっと大きい圧抵抗率を示す。 例えばプラチナ合金では、圧抵抗率は2倍大きく、幾何効果を加えると歪ゲージの感度を幾何効果だけの場合と比べて3倍以上まで高めることができる。 純粋なニッケルの圧抵抗率は～13倍大きく、幾何誘導された抵抗変化を完全に矮化してしまう。

半導体の圧抵抗効果
半導体の圧抵抗効果は幾何効果よりも数桁大きくなることが特徴であり、 ゲルマニウムや多結晶シリコン、アモルファスシリコン、シリコンカーバイド、単結晶シリコンなどのような物質に見られる。この現象は印加された応力によって結晶格子に歪が生じて半導体中のキャリアの数や移動度が変化するためである。 この効果によって非常に高い感度の半導体歪ゲージが作れる。一般的に金属歪ゲージと比較して、半導体歪ゲージは環境条件（特に温度）に敏感なため、扱うのが難しい。
尚、シリコン材料のゲージファクター（感度）は大多数の金属と比較して2桁大きい。
図5-1-3はシリコン基板中に半導体シリコン製歪ゲージを作り込んだセンサ素子である。このタイプのセンサ素子は民生用として広く利用されている。

薄膜歪ゲーシの場合には、非金属もしくは金属のダイアフラムの上に電気絶縁層を作り、さらにその上にシリコンの薄膜を蒸着させて歪ゲージを形成する方法がよく用いられる。金属ダイアフラム＋シリコンの例を図5-1-4に示す。
図5-1-4はその外観、図5-1-5はセンサ構造（断面）である。また、このセンサを作成するためのプロセス(工程)を図5-1-6に示した。
金属ダイアフラム（通常ステンレススチール）上に二酸化シリコンの絶縁膜を形成し、その上にシリコンの薄膜を蒸着する。さらに、この薄膜をフォトエッチングにより歪ゲージを形成する。次に電子ビーム蒸着により金の配線を、プラズマCVD（化学的気相成長法）により保護用の窒化シリコン膜を形成する。この構造は、流体に接する部分がステンレスなので耐蝕性に優れていること、製作できる圧力範囲が広いことといった特徴がある。
これらはいずれもシリコン半導体製造技術を応用したものである。

５．２静電容量型

圧力の変化に応じて変形するダイアフラムの変位量を静電容量の変化として計測し，圧力に換算する方式のセンサ素子である。ダイアフラムの変位量から圧力を直接計測する構成である。
静電容量式圧力センサの原理を図5-2-1に示す。静電容量は対向する2枚の電極の間に発生する。その大きさは電極間媒質の誘電率と電極の面積が一定ならば、電極間の距離に依存する。印加された圧力に応じて電極間の距離が変化し、発生する静電容量も変化するのでこれを検出すると圧力の程度を知ることができる。

C = εS/(ｄ-ω)　　　　　ω = P/K

ここで、ω は電極間の媒質の誘電率、Sは固定電極の面積、ｄは無圧力時の電極間距離、ω は圧力Pにおけるダイアフラムの変位量、K はダイアフラムのバネ定数である。
上記の式から圧力に応じた静電容量変化が検出できる。この静電容量変化は圧力Pに対して比例関係にはならないが、後段の電子回路によって補正、調整することが可能である。
静電容量式圧力センサ素子の構造を図5-2-2に示す。マイクロマシニング技術を使用して、厚さ数μm～数十μmのダイアフラムをエッチング加工したシリコン板と、金属薄膜を形成したガラスを陽極接合等を用いて貼り合せた構造である。
シリコンには適切な不純物を導入することによって導体とすることができる。シリコン製ダイアフラムは圧力によって変位する可動電極として機能する。この時、ガラスに形成した金属薄膜は圧力によって変位しない固定電極となるのでシリコン製ダイアフラムからなる可動電極との間には静電容量の変化が生ずる。

図5-2-3はアルミナ製セラミックスを用いた静電容量式圧力センサである。
製法は主に厚膜印刷技術を利用して製作する。この構造では圧力印加部分と電極が絶縁体であるセラミックスで絶縁されているので、導電性の圧力媒体の計測も可能となる。

５．３振動型

梁などの固有振動数が軸力によって変化することを圧力計測に利用する場合、たとえば圧力をダイアフラムで受けて力に変換し、振動子に軸力を加えると圧力の程度によって振動子の固有振動数を変化させることができる。このような振動子を設計することによってセンサに応用できる。この原理を応用し、これまで金属や水晶を利用した振動子で圧力センサを製作した例がある。

梁(図1)による振動の古典計算を示す。
弾性梁の固有振動数ｆは、その材質と形状、張力によって決定される。

L1,L2：梁の代表寸法
ρ：密度
E：縦弾性係数
F：軸力
α：温度係数
ｔ：温度
K：定数

その例を図5-3-2に示した。
シリコン基板上に異方性エッチングで薄肉部（ダイアフラム）を形成し、そのダイアフラム上にドームを形成して真空室を作り、その中に四端固定の振動子を形成してある。
圧力を印加するとダイアフラム表面の振動子の固有振動数が変化する。それに伴い出力電圧と周波数が変化する。
このセンサ素子は3次元マイクロ加工技術を使用して、数mm角の単結晶シリコンを加工した後、ダイアフラムの表面に振動子を作り込んでいる。振動子はH字状となっている。このセンサ素子を使用した圧力伝送器の長所は、静圧および片側過大圧に強く、長期間ゼロ点変動が生じない。

５．４光ファイバー（FBG）型

光ファイバーを利用した圧力計測は数種類あるが、ここではFBGセンサ（ファイバーブラッググレーティングセンサ）について解説する。
FBGセンサは、ひずみを計測するために使用されるが、温度、加速度、変位など、多種類のセンサも簡単に接続できる利点がある。また、従来の電気式センサとは異なり、光ファイバー式ひずみゲージは電気を必要としない。1本のファイバーを介して伝播する光を利用する。したがって、センサは電磁波干渉の影響を受けない特徴がある。
図5-4-1は、FBGセンサの構造を示すものです。光ファイバーのコア部に周期的な屈折率の変化を形成すると、回折格子（グレーティング）として機能するので、ブラッグの反射条件を満たす波長（ブラッグ波長^式(1)）の光を反射する。

λ　=2 n Δ …式(1)

λ＝ブラッグ波長、ｎ＝コアの屈折率、Δ＝回折格子の格子間隔（グレーティング周期）
ブラック波長は、光ファイバーの温度とひずみによって変化するが、その値はおよそ10pm／℃と1.2pm／με（波長が1550nmのとき）となる。
図5-4-2は、FBGセンサの波長変化を模式的に表したものである。光ファイバーに伸びが加わると、式(1)におけるΔが増加し、ブラッグ波長が長くなる。逆に、光ファイバーが縮むと、Δも減少し、ブラッグ波長は短くなる。

図5-4-3は、光ファイバーに３つの異なるグレーティング周期を持つFBGセンサを形成し、広帯域なスペクトルを持つ光を入射したときの模式図である。3つのブラッグ波長の光が反射されるが、それ以外の波長の光は透過する。このように、1本の光ファイバーに異なる反射波長を持つFBGセンサを形成することで、多点計測が可能となる。
FBGセンサは通常、歪を検出したい箇所に接着などで固定して使用する。

【著者紹介】
長坂　宏（ながさか　ひろし）
長野計器（株）取締役

■略歴
1982年　株式会社長野計器製作所（現　長野計器株式会社）入社
　　　　 圧力センサ研究・開発業務に従事
2020年　同社　営業企画本部 取締役　　現職

２．４産業プロセス（食品・薬品・化粧品）、水素利用関連

食品・薬品・化粧品 産業は、いわゆる「三品業界」として圧力計測の特徴から分類できる。
三品業界で使用される圧力計・圧力センサは計測器からの溶出等による汚染がないこと、洗剤や薬品を用いて計測器を洗浄ができること、温度（100℃超える）殺菌処理に耐えられえることが使用する条件となる。また、測定体の液だまりを最小限とし、且つ洗浄し易くするためフラットな受圧部を適用する場合が多い。
この用途で使用される圧力計、圧力センサを示す。

図2-4-1の機械式圧力計はセンサ素子としてブルドン管を用い、シリコンオイルを封入した隔膜構造となっている。
図2-4-2、図2-4-3は圧力センサで三品用途用として以下を特徴付けしている。
いずれも使用するセンサ素子と、素子を固定する設計を工夫することで封入液を使用せずにフラットな金属（ステンレス）製の受圧部を実現。もれの可能性がある封入液を使用しないので、医薬品・食品・化粧品製造プロセスに適した理想的な安全構造である。
加えて、凹凸が革新的に少ない接液面として、良好な洗浄性を実現している。
また、静電容量式のセンサ素子を使用することによって、センサ取付け時の「歪」影響を受けにくく、プロセス現場での設置やメンテナンスが容易に行える利点がある。図2-4-4。
接液面は電解研磨処理の後、不動態化処理を施して、高耐食、且つ清浄な面として不純物汚染がない構造としている。図2-4-5参照。

外装においては、高温の測定体を計測する場合の構造として、従来、放熱フィン形状を使用するが、この構造を工夫することによって、凹凸のない構造を実現すると共に流体計測温度150℃を実現させた。
この結果、外装は平坦となり汚れが付着しにくく、洗浄が容易となる。その結果、高品質なCIP（Cleaning in Place）洗浄が実現できる。図2-4-6参照

近年、脱炭素社会に向けた取り組みとして水素をエネルギーとして利用する産業が拡大しつつある。
通常、水素はガス体として利用されるので、圧力計測による監視、制御、売買が必要となる。
水素を取り扱う場合、腐食性はないが、爆発の危険や材料を脆化させる特性がある。
将来に向けて、安全且つ適正な圧力計測をするための製品とその特徴について解説する。
現在、拡大しつつある燃料電池車に水素を供給する水素ステーション及び水素サプライチェーンには多く圧力計測が必要とされる。
図2-4-7はその水素サプライチェーンの主な施設・設備を示した。

このような施設・設備で使用される圧力計、圧力センサの特徴を示す。
図2-4-8は主に水素ステーション内で使用される圧力計である。
前期したように、水素の爆発性、水素脆化特性に配慮した設計となっている。使用しているブルドン管及び圧力導入部は特殊金属「材料を吟味したステンレスSUS316LまたはHRX19®（XM-19）」を使用し、ブルドン管と圧力導入部の接合は水素用途として工程確立させた特別な溶接方法を用いている。
また、指針を確認する全面には破片が散乱しないセーフティガラスとソリッドフロント構造を設けている。尚、ソリッドフロント構造とは、圧力計背面を低強度（蓋が外れる機構）にすることによって、圧力計内で破裂が発生した場合その後方にエネルギーを開放する構造である。図2-4-9参照。

図2-4-10は水素計測用途で使用される圧力センサである。
この用途には水素ガス計測に特化した圧力検出素子が利用されている。受圧部は破壊靭性の高い金属を用い、且つ水素脆化しにくいステンレス鋼（SUH660）で構成している。圧力検出は感度の高い薄膜半導体歪ゲージをSUH660上に直接形成しているので高安定・高信頼である。また、圧力導入部は材料を吟味したステンレス鋼（SUS316L）を用いている。圧力導入部の接合は水素用途として工程確立させた特別な溶接方法を用いている。図2-4-11参照。

その他、高圧水素用途では防爆規格として「本質安全防爆規格（ExiaⅡCT4）」が求められる場合があり、この規格に適合したセンサが必要となる。
図2-4-10はExiaⅡCT4に適合した構造のセンサである。（図2-4-10右は表示付）
水素計測の安全性実証は歴史も新しく、現在も勢力的研究が進められている中で、水素ガスによる計測器への影響評価は重要となる。
図2-4-8、図2-4-10の計測器は表2-4-1に示した水素ガスに特化した影響評価試験をクリアしている。
尚、図2-4-10に示した圧力センサは表2-4-1を超える条件。

• 動圧試験1000万回をクリアする構造および、耐久性能
• 高圧水素長期引加後の耐圧破壊試験において破壊圧力：700MPa以上/70MPa級用圧力センサ

の実証を済ませている。

２．５半導体製造用設備

これまで、半導体産業は目覚ましい発展を辿ってきた。今般に至っても、パソコンやスマートフォンの需要は継続的に拡大しており、半導体を製造する装置産業も活況を呈している。半導体製造装置は一般産業機械と同様に圧力の計測と制御が必要となる。半導体製造装置の特徴として腐食性または有害及び爆発性ガスや液体を用いたり、高純度のガスや純水を扱うことが多い。従って使用される圧力計、圧力センサも特別な仕様が要求される。
圧力計測用途として、半導体材料ガスなどを扱うガス供給ラインや装置、材料であるシリコン基板を処理する純水や薬液の監視や制御が多い。（この解説ではCVDなどの真空装置に用いる真空計を除く。）

１）ガス供給ライン・装置
本導体製造用材料ガスはモノシラン、ジクロロシラン、ホスフィン、三フッ化ホウ素、フロン-14など腐食性、毒性、爆発性の特性があるものが多く、この計測に使用する圧力計・圧力センサは耐食性、圧力容器としての信頼性（漏れない）、防爆構造 が求められる。また高純度を維持するために計測器からのコンタミを極限まで低減させることが必要となる。

図2-5-1は材料ガスボンベキャビネット内・ガス配管ラインで使用される圧力計である。特徴はガスと接触する部分は全てステンレス材料、且つ溶接構造である。また、高純度用途では、圧力導入部を電解研磨した後に純水洗浄してコンタミを抑制している。

図2-5-2は上記と同用途で使用される圧力センサである。センサに内蔵されているセンサ素子の起歪部材質は複数種類から選択することができ、腐食性ガスに耐性がある高耐食合金（例えばCo-Ni系合金）を用いることもできる。センサ素子に接合している圧力導入部の材質も特殊加工を施したステンレス SUS316Lを用いる場合がある。
また、流体経路内の仕上げ処理（清浄度品質）はその用途によって、GP（General Purpose）、EP（Electro Polishing）、UC（Ultra Clean）を利用することができる。
その他、近年は国際的な防爆規格『IECEx』の取得、及び国内規格、欧州規格『ATEX』の取得を要求される場合が多い。
使用圧力範囲は～1MPa、～20MPaが多く利用され、日本国内ではゲーシ圧力仕様、海外では絶対圧力仕様が利用される場合が多い。
図2-5-3はセンサやバルブなどを省スペースに収納（集積化）するタイプのセンサで、1.125インチ表面実装等の集積化規格に対応している。
図2-5-4は圧力表示を付加させたものである。
図2-5-5は爆発性ガスの計測に対応した本質安全防爆規格に対応した圧力センサである。

図2-5-6は半導体純水装置、ウェハー洗浄機、ウエットエッチング装置など使用される圧力計である。腐食性液体（フッ化水素酸、硫酸、塩酸、過酸化水素酸など）や純水を計測するために耐食性、コンタミ対策の配慮がされている。
この圧力計においては流体との接触部全てが耐食性のフッ素樹脂で構成されている。また、外装はポリプロピレン樹脂として腐食性雰囲気を考慮している。
尚、圧力計の組立はコンタミに配慮してクリーンルーム内で行われる場合が多い。

図2-5-7は超純水用の計測に特化した圧力センサである。接液部はフラット構造として液溜り部を極力抑え、フッ素樹脂膜を多層積層したオールフッ素樹脂構造（図2-5-8）として金属イオン溶出量、コンタミの発生を最小限に抑えている。また、静電容量型のセンサ素子を搭載しており、温度特性に優れている。
図2-5-9は指示部一体型の圧力センサである。４桁デジタル表示、半導体接点出力２点、アナログ出力（電圧または電流）を装備している。
接液部分にＯリングを使用しない構造で、コンタミの発生、金属溶出を抑え、薬液を用いる半導体製造装置の圧力監視用途に対応している。外装保護構造はIEC防塵・防水規格 IP54準拠として、ウェットステーション用途の仕様となっている。

【著者紹介】
長坂　宏（ながさか　ひろし）
長野計器（株）取締役

■略歴
1982年　株式会社長野計器製作所（現　長野計器株式会社）入社
　　　　 圧力センサ研究・開発業務に従事
2020年　同社　営業企画本部 取締役　　現職

５．校正例

ここでは、ブルドン管圧力計（機械式圧力計）で、長野計器製φ300 精密圧力計(0～400kPa、ミラー付、最小目盛り1kPa)の校正を例に、校正時における不確かさ要因の評価手法を紹介する。
圧力計の校正に対する不確かさは、影響する要因（標準器、測定方法、環境、測定者など）を分析して、個々の標準不確かさを算出し、「不確かさ計算表（バジェットシート）」を作成して拡張不確かさを評価する。機械式圧力計の校正には、圧力標準器との比較校正法が用いられる。
図9は校正時の配管図である。標準器と校正品を配管で直接連結し、標準器と校正品の圧力を安定させた後、それぞれの圧力値を観測することによって校正を行う。バルブ（V1）は校正作業中に校正品の圧力値をオーバーシュートさせないために用いる。また、単独での漏れ確認および圧力微調整用にも使用する。標準器と校正品の圧力基準高さを同一レベル（同じ高さ）に調整することは難しいので、これらの位置の間ではレベル差（H）による圧力差が生じるため、これを補正することが必要になる²⁾。

また、不確かさの成分は表2に示す成分について評価する。

ここからは、200 kPa時の校正における各成分の評価結果を示す。

5.1 標準器の不確かさu(P_s)

標準器の不確かさは、通常標準器の校正証明書に記載された不確かさを用いる。
ここでは0.05 kPaとする。

5.2 校正作業の不確かさ

(1) 取り付け姿勢の不確かさu(P_a)
製造者が指定した姿勢に取り付ける場合は、不確かさの値を0とした。

(2) ヘッド差補正の不確かさu(P_c)
ヘッド差補正の不確かさは、校正圧力点ごとに次の式によって求める。

ここに、ｇ : 重力加速度
h_d: ヘッド差
ρ_f: 圧力媒体の密度
ρ_a: 周囲空気密度
u(ρ_f): 圧力媒体の密度の標準不確かさ
u(ρ_a): 周囲空気密度の標準不確かさ
u(H) : ヘッド差測定の標準不確かさ
u(g) : 重力加速度の標準不確かさ

注）気体の場合は補正値が小さく、液体の低圧計測の場合は影響が大きくなるので補正が必要となる。
ヘッド差補正（気体）の不確かさは、ヘッド差を10 cmとして算出すると、200 kPaでほぼゼロとなり、400 kPaでは約 0.005 kPaとなる。

5.3 繰り返し測定の不確かさu(P_a)

繰り返し性による標準不確かさu(P_a)は、校正方法に応じて求められた実験標準偏差S_aから、次の式によって求める。

ここに、S_a：昇圧・降圧のそれぞれの校正圧力での実験標準偏差のうち、昇圧・降圧のいずれか大きい方の値
　　　　ｎ：測定の繰り返し

200kPaの加圧および減圧時の平均値はP_ui=200.07 kPa , P_di=200.20 kPaとなり、繰り返し測定の不確かさu(P_u)=0.28 kPa、u(P_d)=0.31 kPaとなり大きい方の0.31 kPaをu(P_a)とした。

5.4 摩擦による不確かさu(P_f)

校正品をタッピングし指示値を読みとるが、取りきれない摩擦は繰り返し測定の不確かさに含まれる。不確かさをダブルカウントしないため、摩擦による不確かさの値は0とした。

5.5 ヒステリシスによる不確かさu(P_h)

ヒステリシス差による標準不確かさu(P_h)は、評価したヒステリシス差の最大値を基に次の式によって求める。

ここに、D_h:ヒステリシス差の最大値

なお、昇圧・降圧ごとに算出する場合は、不確かさ要因として含めなくてもよい。ヒステリシスの値は、加圧時と減圧時の校正値の差であり、その不確かさは考慮しない。

5.6 視差による不確かさu(P_p)

視差による不確かさは、ミラーがあるので無視できるほど小さいため0とした。

5.7 読み取り分解能による不確かさu(P_r)

読み取り分解能による不確かさは、最小目盛りの1/5を矩形分布として算出する。したがって、最小目盛り1 kPaの場合、0.2 kPaとして読み取り限界による不確かさは

となる。

5.8 校正環境条件の影響

(1) 重力加速度による不確かさ　u(P_g)
重力加速度による不確かさは0とした。

(2) 温度による不確かさ
温度による不確かさu(Pt)は

α：温度係数（１ ℃当たりの温度特性の仕様値）
ｔ：校正中の温度変動幅

ここでは、温度変動幅は1 ℃、温度係数は 0.035 %F.S./℃ として算出した。

5.9 合成標準不確かさ

0～400 kPaレンジにおける、200 kPa時の加圧、減圧時の合成標準不確かさを算出した結果を表3に示す。

200 kPa以外の測定点でも同様に評価することで、校正品の不確かさを評価することができる。

６．おわりに

物の量を測るということは、文明生活において最も基本的な事柄のひとつであると言える。圧力についても同様であり、これらの量はいくつかの方法によって民間へ供給されている。従来は依頼試験制度と基準器検査制度によって一般に供給されていたが、現在では、基準器検査の役割が大きく制限され、原則、民間への圧力標準の供給は、登録事業者制度のみとなった。
一方で、その登録事業者である当社は、5Pa～500MPaと広範囲にわたる校正範囲と、小さな不確かさによって信頼の高い圧力標準を確立している。圧力の専門メーカである当社は、多様な要望に応えつつ、今後もひき続き、校正能力の向上に努めたい。

【著者紹介】
佐藤　浩二（さとう　こうじ）
長野計器株式会社　営業企画本部　営業企画部　部長

■略歴
1994年　株式会社長野計器製作所（現 長野計器株式会社）入社
　　　　 圧力計の設計業務に従事
2020年　同社　営業企画本部　営業企画部　部長　現職