JP5268191B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の筒内圧などの圧力を検出可能な圧力センサに関する。特に、検出対象である圧力を検出する板状のＳｉ素子と、このＳｉ素子の一方の主面に接合してなり、上記圧力に応じた押圧力により上記主面を押圧する押圧部材とを備える圧力センサに関する。

従来より、内燃機関の筒内圧などの圧力Ｐを検出可能な圧力センサとして、圧力Ｐにより自身に生じる応力を、ピエゾ抵抗効果を利用して検出するＳｉ素子を有する圧力センサが広く知られている。更に、このような圧力センサの中には、Ｓｉ素子が板状を有し、このＳｉ素子の一方の主面に、上記圧力Ｐに応じた押圧力で上記主面を押圧する押圧部材が接合されたものがある。例えば特許文献１に、このような圧力センサが開示されている。

特許文献１の力検知素子は、シリコン単結晶体（Ｓｉ素子）と、このシリコン単結晶体の（１００）面に接合された力伝達ブロック（押圧部材）と、シリコン単結晶体の他方の主面に接合された台座（支持部材）とを有する（特許文献１の図１及びその説明箇所等を参照。）。シリコン単結晶体の（１００）面には、ブリッジを構成する口字状のゲージ（抵抗体）と、このゲージに接続するリード部とが形成されている。そして、ゲージ及びリード部の一部と力伝達ブロックとが静電接合により接合されることにより、シリコン単結晶体と力伝達ブロックとが互いに接合されている。
なお、板状のＳｉ素子とその主面に接合された押圧部材とを備える圧力センサは、特許文献２〜６にもそれぞれ開示されている。

特許第３３１７０８４号公報 特公平７−８３１２９号公報 特許第３１６６０１５号公報 特公平７−１４０６９号公報 特公平６−５４２７４号公報 特許第３１１６３８４号公報

しかしながら、特許文献１の力検知素子では、シリコン単結晶体のうち、力伝達ブロックと直接接合している部分は、上記のように、ゲージ及びリード部の一部に過ぎないため、接合面積が小さい。このため、シリコン単結晶体と力伝達ブロックとの接合強度が低く、シリコン単結晶体と力伝達ブロックとの接合の信頼性が十分とは言えなかった。

本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、第１，第２主面を有する板状をなすＳｉ素子と、このＳｉ素子の第１主面に接合する押圧部材とを備える圧力センサにおいて、Ｓｉ素子と押圧部材との接合強度を大きくすることができ、Ｓｉ素子と押圧部材との接合の信頼性を向上させることができる圧力センサを提供することを目的とする。

その解決手段は、第１主面及びこれに平行な第２主面を有する板状のＳＯＩ基板からなり、検出対象である圧力Ｐにより自身に生じる応力を検出するＳｉ素子と、前記Ｓｉ素子の前記第１主面のうち接合領域に陽極接合によって接合され、前記圧力Ｐに応じた押圧力により前記接合領域を押圧して、前記Ｓｉ素子を厚み方向に圧縮する押圧部材と、を備える圧力センサであって、前記Ｓｉ素子は、前記第１主面に形成され、前記圧力Ｐに応じて自身の抵抗値が変化する感圧抵抗体であって、前記第１主面の前記接合領域内に位置して前記押圧部材と接合する第１接合部を含む感圧抵抗体と、前記第１主面に形成された接合補助パターンであって、前記感圧抵抗体の第１接合部と同材質からなり、前記第１主面の前記接合領域内に位置して前記押圧部材と接合する第２接合部を含む接合補助パターンと、を有し、前記第１主面の前記接合領域全体の面積をＳａ（ｍｍ ² ）とし、前記感圧抵抗体の前記第１接合部の面積をＳｂ（ｍｍ ² ）とし、前記接合補助パターンの前記第２接合部の面積をＳｃ（ｍｍ ² ）としたとき、Ｓｂ＋Ｓｃ≧０．９×Ｓａを満たす形態とされてなる圧力センサである。

本発明の圧力センサでは、Ｓｉ素子に接合補助パターンを形成しており、Ｓｉ素子は、感圧抵抗体の第１接合部だけでなく、接合補助パターンの第２接合部でも、押圧部材と陽極接合している。このため、この第２接合部と押圧部材との接合面積の分だけ、Ｓｉ素子と押圧部材との接合面積を従来よりも大きくすることができ、両者の接合強度を増大させることができ、両者の接合の信頼性を向上させることができる。
なお、接合補助パターンの第２接合部は、上記のように、感圧抵抗体の第１接合部と同材質からなるが、特に、この第１接合部と同一工程により同時に形成されたものとするのが好ましい。

更に、本発明の圧力センサは、Ｓｂ＋Ｓｃ≧０．９×Ｓａを満たしている。即ち、Ｓｉ素子の押圧部材との接合領域全体に対する、接合に直接関与している接合部分の面積割合を、９０％以上という大きな割合にしている。このため、Ｓｉ素子と押圧部材との接合強度を特に大きくすることができ、Ｓｉ素子と押圧部材との接合の信頼性を特に向上させることができる。

更に、上記の圧力センサであって、前記Ｓｉ素子は、前記第１主面の面積をＳｚ（ｍｍ² ）とし、前記第１主面の前記接合領域全体の面積をＳａ（ｍｍ² ）としたとき、Ｓａ≧０．７×Ｓｚを満たす形態とされてなる圧力センサとすると良い。

本発明の圧力センサは、Ｓａ≧０．７×Ｓｚを満たしている。即ち、接合領域の面積を、第１主面の面積の７０％以上という大きな割合にしている。これにより、Ｓｉ素子と押圧部材との接合強度を更に大きくすることができ、Ｓｉ素子と押圧部材との接合の信頼性を更に向上させることができる。

更に、上記のいずれかに記載の圧力センサであって、前記感圧抵抗体と前記接合補助パターンとは、互いに電気的に接続されてなる圧力センサとすると良い。

本発明の圧力センサでは、感圧抵抗体と接合補助パターンとが互いに電気的に接続されている。このため、Ｓｉ素子と押圧部材とを陽極接合により接合する際には、感圧抵抗体及び接合補助パターンのいずれか一方に陽電極側電圧を印加すれば、他方にも陽電極側電圧が印加されるので、Ｓｉ素子と押圧部材とを陽極接合を容易かつ確実に行うことができる。従って、Ｓｉ素子と押圧部材との接合の信頼性が高い圧力センサとすることができる。

更に、上記のいずれかに記載の圧力センサであって、前記感圧抵抗体は、その全体が前記第１接合部とされてなる圧力センサとすると良い。

本発明の圧力センサでは、感圧抵抗体の全体が第１接合部とされて、感圧抵抗体の全体が接合領域内に配置されている。このような形態とすることにより、感圧抵抗体の全体が押圧部材により押圧されるので、感圧抵抗体の圧力Ｐに対する感度を特に向上させることができる。また、感圧抵抗体の全体が押圧部材と接合されているので、感圧抵抗体の一部が押圧部材と接合されていない場合に比して、Ｓｉ素子と押圧部材との接合面積を大きくすることができる。従って、Ｓｉ素子と押圧部材との接合強度をより増大させることができ、両者の接合の信頼性をより向上させることができる。

更に、上記の圧力センサであって、前記接合補助パターンの前記第２接合部は、前記感圧抵抗体の周囲に配置されてなる圧力センサとすると良い。

本発明の圧力センサでは、接合補助パターンの第２接合部で、感圧抵抗体の周囲を取り囲んでいる。このような形態とすることにより、感圧抵抗体の圧力Ｐに対する感度を向上させつつ、Ｓｉ素子と押圧部材との接合強度を大きくして、Ｓｉ素子と押圧部材との接合の信頼性を向上させることができる。

更に、上記のいずれかに記載の圧力センサであって、前記接合領域の中心から前記接合領域の外周縁までの最大距離をＬ（ｍｍ）とし、前記接合領域のうち、前記中心からの距離Ｌａ（ｍｍ）がＬａ≦０．６×Ｌを満たす領域を接合中央領域としたとき、前記感圧抵抗体は、その全体がこの接合中央領域内に配置されてなる圧力センサとすると良い。

接合領域のうち、その中心からの距離Ｌａ（ｍｍ）がＬａ≦０．６×Ｌを満たす接合中央領域に比べて、これよりも外側の接合周縁領域では、偏荷重が掛かった場合に発生する応力の大きさに偏りが生じやすい。このため、感圧抵抗体の一部または全体を接合周縁領域に配置すると、抵抗値変化にバラツキを生じやすく、圧力Ｐを精度よく検知し難くなることがある。また、押圧部材には、Ｓｉ素子の主面に直交する方向（以下、軸方向とも言う。）に作用する荷重の他に、軸方向と直交する方向（以下、横方向とも言う。）に振動する荷重が掛かることがある。このように横方向に振動する荷重が押圧部材に掛かる場合にも、接合中央領域に比べて接合周縁領域では、感圧抵抗体に生じる抵抗変化の大きさにこの荷重の影響が大きく生じて、圧力Ｐを精度よく検知し難くなることがある。これに対し、本発明の圧力センサでは、感圧抵抗体の全体を接合中央領域内に配置しているので、圧力Ｐの検知精度を向上させることができる。

更に、上記のいずれかに記載の圧力センサであって、前記感圧抵抗体は、自身の中心を中心とした点対称形とされてなり、かつ、この中心が前記接合領域の中心に位置する形態とされてなる圧力センサとすると良い。

本発明の圧力センサでは、感圧抵抗体が点対称形とされ、感圧抵抗体の中心が接合領域の中心と一致している。このような形態とすることで、圧力Ｐにより押圧部材に掛かる荷重に偏荷重成分が含まれていても、感圧抵抗体に生じる抵抗変化の大きさに偏荷重の影響が特に生じ難い。また、前述のように横方向に振動する荷重が押圧部材に掛かる場合にも、感圧抵抗体に生じる抵抗変化の大きさにこの荷重の影響が特に生じ難い。従って、圧力Ｐを特に精度よく検出できる。

更に、上記のいずれかに記載の圧力センサであって、前記Ｓｉ素子は、前記第１主面の面方位が｛１１０｝面とされてなり、前記感圧抵抗体は、蛇行状とされてなり、前記Ｓｉ素子の＜１１０＞方向に延び、互いに間隔をあけて並ぶ複数の感圧部位と、互いに隣り合う前記感圧部位の端同士を接続する方向転換部であって、円弧状を有する複数の方向転換部と、を有する圧力センサとすると良い。

本発明の圧力センサでは、Ｓｉ素子の第１主面の面方位を｛１１０｝面とした圧縮型のＳｉ素子とし、感圧抵抗体を、Ｓｉ素子の＜１１０＞方向に延びる複数の感圧部位と、これらの端を接続する複数の方向転換部とを有する蛇行状としている。しかも、上記方向転換部の形状を円弧状としている。このような形態とすることで、感圧抵抗体は、＜１１０＞方向に延びる感圧部位において、高い感度で圧力Ｐに応じた抵抗変化を生じさせ得る上、方向転換部にも＜１１０＞方向に延びる成分を持たせているため、この方向転換部においても、圧力Ｐに応じた抵抗変化を生じさせ得る。このため、感圧抵抗体全体として、圧力Ｐに応じた抵抗変化を大きく生じさせることができる。

なお、｛１１０｝面は、（１１０）面またはこれと等価な面方位を指す。また、＜１１０＞方向は、［１１０］方向またはこれと等価な結晶方向を指す。また、後述する＜１００＞方向は、［１００］方向またはこれと等価な結晶方向を指す。

実施形態に係る筒内圧センサ付きグロープラグの外観図である。 実施形態に係る筒内圧センサ付きグロープラグの縦断面図である。 実施形態に係る筒内圧センサ付きグロープラグのうち、先端側部分を示す部分縦断面図である。 実施形態に係る筒内圧センサ付きグロープラグのうち、基端側部分を示す部分縦断面図である。 実施形態に係る筒内圧センサ付きグロープラグのうち、圧力検出機構の近傍を示す部分拡大縦断面図である。 実施形態に係る筒内圧センサ付きグロープラグに関し、Ｓｉ素子と押圧部材と支持部材からなる素子接合体を示す斜視図である。 実施形態に係る筒内圧センサ付きグロープラグに関し、Ｓｉ素子と押圧部材と支持部材からなる素子接合体を示す側面図である。 実施形態に係る筒内圧センサ付きグロープラグに関し、Ｓｉ素子の第１主面側から見た平面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。図１に、本実施形態に係る筒内圧センサ付きグロープラグ（圧力検出装置）１００の外観を示す。また、図２〜図５に、この筒内圧センサ付きグロープラグ１００の縦断面を示す。なお、図１〜図５において、下方が軸線ＡＸ方向先端側（以下、単に先端側とも言う。）であり、上方が軸線ＡＸ方向基端側（以下、単に基端側とも言う。）である。

本実施形態の筒内圧センサ付きグロープラグ１００は、グロープラグとしての機能を有する他に、圧力（筒内圧）Ｐを検出する機能も有する。更に、この筒内圧センサ付きグロープラグ１００は、これに内蔵されたＳｉ素子１３０の温度Ｔを検出する機能も有する。この筒内圧センサ付きグロープラグ１００は、軸線ＡＸ方向に延びる筒状のハウジング１１０、このハウジング１１０内に収容された圧力検出機構１２０及び配線基板１７０、ハウジング１１０から先端側に向けて突出するヒータ１５０、ハウジング１１０から基端側に向けて突出する外部端子部１８０等から構成されている（図２等参照）。

このうちハウジング１１０は、金属（具体的には炭素鋼）により形成されている。このハウジング１１０は、軸線ＡＸ方向に延びるハウジング本体部１１１と、このハウジング本体部１１１の先端側に固着された先端側ハウジング部１１３と、ハウジング本体部１１１の基端側に固着された基端側ハウジング部１１５とから構成されている。
ハウジング本体部１１１は、軸線ＡＸ方向の寸法が大きく、ハウジング１１０の大部分を構成している。このハウジング本体部１１１の内側には、後述する圧力検出機構１２０や配線基板１７０などが収容されている。また、ハウジング本体部１１１の外周のうち、軸線ＡＸ方向の中央付近の所定位置には、この筒内圧センサ付きグロープラグ１００を図示しない内燃機関（ディーゼルエンジン）に取り付けるためのネジ部１１１ｃが周設されている。なお、図１、図２及び図４の各図において、ネジ山の図示は省略してある。

また、先端側ハウジング部１１３の内側には、後述するヒータ１５０の基端側部分が挿通されている。また、基端側ハウジング部１１５の外周には、この筒内圧センサ付きグロープラグ１００を上記ネジ部１１１ｃにより内燃機関に螺合する際に、ラチェットレンチなどの工具で締め付けるための断面六角形状の工具係合部１１５ｃが形成されている。この基端側ハウジング部１１５の内側には、後述する外部端子部１８０の先端側部分が挿入されると共に、配線１７１，１７１，…等が挿通されている。

ハウジング本体部１１１に内蔵された圧力検出機構１２０は、先端部材１２１、中間部材１２３、押圧部材１２５、Ｓｉ素子１３０、及び、支持部材１２７から構成されており、この順に先端側から基端側に配置されている（図３及び図５参照）。
このうち先端部材１２１は、金属（具体的にはＳＵＳ４３０、ＳＵＪ）からなり、先端面１２１ａが平面（具体的には円状の平面）をなし、基端面１２１ｂがその中央が凸状の曲面をなすドーム状を有する。この先端部材１２１の先端面１２１ａは、後述するヒータ１５０の基端面１５０ｂに当接している。一方、この先端部材１２１の基端面１２１ｂは、その頂部が次述する中間部材１２３の先端面１２３ａに当接している。
中間部材１２３は、金属（具体的にはＳＵＳ４３０）からなり、先端面１２３ａと、これに平行な基端面１２３ｂを有する板状（具体的には円板状）をなす。この中間部材１２３の先端面１２３ａは、上述のように、先端部材１２１の基端面１２１ｂに当接している。一方、この中間部材１２３の基端面１２３ｂは、次述する押圧部材１２５の先端面１２５ａに当接している。

押圧部材１２５は、ガラスからなり、先端面１２５ａが、先端側に向けて突出してその中央が頂点となるドーム状の凸曲面を有する。一方、基端面１２５ｂは、平面をなす。この押圧部材１２５の先端面１２５ａは、上述のように、中間部材１２３の基端面１２３ｂに当接している。一方、この押圧部材１２５の基端面１２５ｂは、次述するＳｉ素子１３０の先端面である第１主面１３０ａに当接している。より詳細には、押圧部材１２５の基端面１２５ｂとＳｉ素子１３０の第１主面１３０ａとが当接した状態で、これらは陽極接合により互いに接合されている。なお、押圧部材１２５の具体的な形態については後述する。

Ｓｉ素子１３０は、先端面である第１主面１３０ａと、これに平行な基端面である第２主面１３０ｂとを有する板状（具体的には矩形板状）をなす。この第１主面１３０ａは、上述のように、押圧部材１２５の基端面１２５ｂに当接して、これと接合している。一方、このＳｉ素子１３０の第２主面１３０ｂは、次述する支持部材１２７の先端面１２７ａに当接している。より詳細には、Ｓｉ素子１３０の第２主面１３０ｂと支持部材１２７の先端面１２７ａとが当接した状態で、これらは陽極接合により互いに接合されている。上述のように、Ｓｉ素子１３０は、押圧部材１２５とも固着されているので、押圧部材１２５とＳｉ素子１３０と支持部材１２７とが一体化されて、素子接合体１４０を構成している。なお、Ｓｉ素子１３０の具体的な形態については後述する。

支持部材１２７は、ガラスからなり、先端面１２７ａと、これに平行な基端面１２７ｂを有する板状（具体的には矩形板状）をなす。この支持部材１２７の先端面１２７ａは、上述のように、Ｓｉ素子１３０の第２主面１３０ｂに当接してこれと接合し、Ｓｉ素子１３０を基端側から支持している。一方、この支持部材１２７の基端面１２７ｂは、後述する台座１６１の先端面１６１ａに当接している。

このように構成された圧力検出機構１２０では、ヒータ１５０の先端面１５０ａが基端側に向けて圧力（筒内圧）Ｐを受けると、ヒータ１５０の基端面１５０ｂが圧力検出機構１２０を基端側に押圧し、台座１６１との間で圧力検出機構１２０を圧縮する。これにより、筒内圧Ｐが検出される。具体的には、ヒータ１５０の基端面１５０ｂは、圧力検出機構１２０のうちの先端部材１２１を基端側に向けて押圧する。この先端部材１２１は、中間部材１２３を基端側に向けて押圧し、更に、中間部材１２３は、押圧部材１２５を基端側に向けて押圧する。更に、押圧部材１２５は、Ｓｉ素子１３０を基端側に向けて押圧する。一方、支持部材１２７は、その基端側に位置する台座１６１により軸線ＡＸ方向の位置が規制されているので、押圧部材１２５と支持部材１２７との間でＳｉ素子１３０が軸線ＡＸ方向に圧縮される。そうすると、Ｓｉ素子１３０に形成された後述する感圧抵抗体１３１の抵抗値が、筒内圧Ｐに応じてピエゾ抵抗効果により変化するので、ヒータ１５０が受けた筒内圧Ｐを検出できる。

次に、筒内圧センサ付きグロープラグ１００のうち、圧力検出機構１２０よりも先端側の構造について説明する（図３等を参照）。圧力検出機構１２０の先端側には、グロープラグの発熱体として機能するヒータ１５０が配置されている。このヒータ１５０は、棒状（具体的には円柱状）をなしており、その先端面１５０ａが半球面、基端面１５０ｂが平面とされている。

このヒータ１５０は、先端側ハウジング部１１３に挿通され、更に、ヒータ１５０の基端部１５０ｋは、ハウジング本体部１１１内に挿入されている。そして、このヒータ１５０の基端面１５０ｂが、圧力検出機構１２０（具体的には先端部材１２１の先端面１２１ａ）に当接している。一方、ヒータ１５０の先端側部分は、ハウジング１１０から先端側に向けて突出している。

ヒータ１５０の軸線ＡＸ方向中央部分の径方向外側には、円筒状の外筒１５５が配置されている。この外筒１５５の基端側部分は、先端側ハウジング部１１３内に挿通され、一方、外筒１５５の先端側部分は、ハウジング１１０から先端側に向けて突出している。この外筒１５５の基端部１５５ｋはフランジ状に形成されており、ハウジング本体部１１１と先端側ハウジング部１１３との間に狭持された状態で溶接されている。

次に、筒内圧センサ付きグロープラグ１００のうち、圧力検出機構１２０よりも基端側の構造について説明する（図３及び図４等を参照）。圧力検出機構１２０の基端側には、前述の台座１６１が配置されている。更に、台座１６１の基端側には、台座押さえ１６３が配置され、台座１６１の軸線ＡＸ方向基端側の位置を固定している。
前述の圧力検出機構１２０には、３本の配線１６５，１６５，１６５が接続されている。これらの配線１６５，１６５，１６５は、圧力検出機構１２０から基端側に向けて延びて後述する配線基板１７０にそれぞれ接続されている。また、ヒータ１５０にも、１本の配線（図示外）が接続され、基端側に向けて延びて配線基板１７０に接続されている。

配線基板１７０は、ハウジング１１０のうちハウジング本体部１１１の内側に配置されている。この配線基板１７０には、圧力検出機構１２０（具体的にはＳｉ素子１３０）からの出力信号を処理等するための電子回路１７３が搭載されている。この配線基板１７０には、上述のように、圧力検出機構１２０及びヒータ１５０から延びる配線１６５等が先端側で接続される一方、４本の配線１７１，１７１，１７１，…（４本のうち１本は不図示）が基端側で接続されている。これらの配線１７１，１７１，…は、基端側に向けて延びて次述する外部端子部１８０に接続されている。

ハウジング１１０の基端側に配置された外部端子部１８０は、４つの端子１８１，１８１，…を有する。これらの端子１８１，１８１，…は、基端側に位置するものほど段階的に径方向の寸法が小さくされている。各端子１８１，１８１，…には、配線基板１７０から延びる配線１７１，１７１，…が、それぞれ接続されている。また、各端子１８１，１８１，…は、ＥＣＵなどの外部の制御機器（図示外）に接続される。

この筒内圧センサ付きグロープラグ１００は、先端側が燃焼室内に位置するように内燃機関に取り付けられ、ヒータ１５０に通電してこれを発熱させることによって内燃機関の始動を補助する。また、燃焼室内の筒内圧Ｐがヒータ１５０の先端面１５０ａに加わると、ヒータ１５０が基端側に向けて僅かに変位することによって、圧力検出機構１２０にその筒内圧Ｐが伝わり、これにより、筒内圧Ｐが検出される。

次に、Ｓｉ素子１３０に押圧部材１２５と支持部材１２７が接合した素子接合体１４０について説明する。図６及び図７に、この素子接合体１４０を示す。前述したように、Ｓｉ素子１３０の第１主面１３０ａには、押圧部材１２５の基端面１２５ｂが陽極接合され、Ｓｉ素子１３０の第２主面１３０ｂには、支持部材１２７の先端面１２７ａが陽極接合されている。これにより、３部材からなる素子接合体１４０が構成されている。

このうちＳｉ素子１３０は、前述したように、第１主面１３０ａと、これに平行な第２主面１３０ｂと、これらの間を結ぶ４つの側面１３０ｃ，１３０ｃ，…を有する矩形板状（具体的には正方形板状）をなし、検出対象である筒内圧Ｐにより自身に生じる応力を検出できる。このＳｉ素子１３０は、ＳＯＩ基板（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）である。

図８に、Ｓｉ素子１３０の第１主面１３０ａ側から見た平面図を示す。このＳｉ素子１３０の第１主面１３０ａの面方位は、｛１００｝面（具体的には（１００）面）とされている。そして、この第１主面１３０ａには、２つの抵抗体（具体的には感圧抵抗体１３１と感温抵抗体１３３が１つずつ）が形成されている。これら感圧抵抗体１３１及び感温抵抗体１３３は、同一の工程（同一の拡散プロセス）で同時に形成されたものである。これにより、両者の抵抗温度特性が、互いに実質的に等しくなっている。具体的には、両者の抵抗温度特性の差が５０ｐｐｍ／℃程度とされている。また、これら感圧抵抗体１３１及び感温抵抗体１３３は、それぞれｐ型の半導体であり、これらの不純物濃度Ｃｐ（１／ｃｍ³ ）が、０．８×１０¹⁸≦Ｃｐ≦１．２×１０¹⁸／ｃｍ³ 、または、０．８×１０²⁰≦Ｃｐ≦１．２×１０²⁰とされている。具体的には、不純物濃度Ｃｐが１．０×１０²⁰／ｃｍ³ とされている。これにより、これらの抵抗体１３１，１３３の感度温度特性は、５００ｐｐｍ／℃以下に小さくなっている。

感圧抵抗体１３１は、ピエゾ抵抗効果により筒内圧Ｐに応じて自身の抵抗値が変化するものであり、押圧部材１２５から受ける押圧力に応じて自身の抵抗値が変化すると共に、Ｓｉ素子１３０の温度Ｔに応じて自身の抵抗値が変化するように形成されている。具体的には、感圧抵抗体１３１は、第１主面１３０ａの中央に、Ｓｉ素子１３０の＜１１０＞方向に延びる感圧部位１３１ｃ，１３１ｃ，…を主とする形態に形成されている。詳細には、この感圧抵抗体１３１は、＜１１０＞方向に直線状に延び、互いに等間隔に平行に並ぶ複数の感圧部位１３１ｃ，１３１ｃ，…と、互いに隣り合う感圧部位１３１ｃ，１３１ｃの端同士を接続する円弧状をなす複数の方向転換部１３１ｄ，１３１ｄ，…とが接続されて、蛇行している。

この蛇行状を有する感圧抵抗体１３１は、その中心Ｇを中心とした点対称形をなしている。そして、この感圧抵抗体１３１の中心Ｇは、第１主面１３０ａの中心Ｈに位置している。
また、この感圧抵抗体１３１は、その全体が、第１主面１３０ａのうち、押圧部材１２５の基端面１２５ｂが接合された接合領域１３０ｅ（図８中に４つの角に破線で円弧状に境界を示す。）内に配置されている。具体的には、押圧部材１２５は、Ｓｉ素子１３０のうち、第１主面１３０ａの４つの角部１３０ａｈ１，１３０ａｈ２，１３０ａｈ３，１３０ａｈ４を避けて、第１主面１３０ａに接合されている。このため、接合領域１３０ｅは、第１主面１３０ａのうち、４つの角部１３０ａｈ１，１３０ａｈ２，１３０ａｈ３，１３０ａｈ４を除いた領域である。この接合領域１３０ｅの中心Ｊは、感圧抵抗体１３１の中心Ｇ、及び、第１主面１３０ａの中心Ｈとそれぞれ一致している。
この感圧抵抗体１３１は、その全体が接合領域１３０ｅ内に配置されているため、その全体が本発明の第１接合部１３１ｙに相当し、押圧部材１２５と接合している。

一方、感温抵抗体１３３は、主としてこのＳｉ素子１３０の温度Ｔに応じて自身の抵抗値が変化するように形成されている。具体的には、感温抵抗体１３３は、第１主面１３０ａの１つの角部１３０ａｈ１に、Ｓｉ素子１３０の＜１００＞方向に延びる感温部位１３３ｃ，１３３ｃ，…を主とする形態に形成されている。詳細には、この感温抵抗体１３３は、＜１００＞方向に直線状に延び、互いに等間隔に平行に並ぶ複数の感温部位１３３ｃ，１３３ｃ，…と、互いに隣り合う感温部位１３３ｃ，１３３ｃの端同士を接続する円弧状をなす複数の方向転換部１３３ｄ，１３３ｄ，…とが接続されて、蛇行している。前述のように、第１主面１３０ａの４つの角部１３０ａｈ１，１３０ａｈ２，１３０ａｈ３，１３０ａｈ４は、押圧部材１２５が接合されていない（接合領域１３０ｅ以外の）非接合領域１３０ｆ１，１３０ｆ２，１３０ｆ３，１３０ｆ４である。従って、感圧抵抗体１３３は、第１主面１３０ａのうち、１つの非接合領域１３０ｆ１内に配置されている。

この感温抵抗体１３３は、上記のように配置することにより、押圧部材１２５による押圧力（筒内圧Ｐ）による影響を受け難くなっている。具体的には、筒内圧Ｐの変化に応じて生じる抵抗値の変化量が、感圧抵抗体１３１の筒内圧Ｐの変化に応じて生じる抵抗値の変化量に比して、ごく小さく（本実施形態では２４０分の１に）なっている。

Ｓｉ素子１３０は、第１主面１３０ａのうち、３つの角部１３０ａｈ１，１３０ａｈ２，１３０ａｈ３に、それぞれ三角状の電極パッド１３５，１３６，１３７を有する。このうち、電極パッド１３５は、感圧抵抗体１３１の一端と後述する接合補助パターン１３９を介して電気的に接続すると共に、感温抵抗体１３３との一端とも後述する接合補助パターン１３９を介して電気的に接続する共通電極パッドとされている。また、電極パッド１３６は、感圧抵抗体１３１の他端と後述する接合補助パターン１３９を介して電気的に接続している。また、電極パッド１３７は、感温抵抗体１３３の他端と電気的に接続している。

また、Ｓｉ素子１３０は、第１主面１３０ａに接合補助パターン１３９を有する。この接合補助パターン１３９は、感圧抵抗体１３１及び感温抵抗体１３３と同一の工程（同一の拡散プロセス）で同時に形成されたものであり、感圧抵抗体１３１及び感温抵抗体１３３と同材質からなる。
この接合補助パターン１３９は、４つの角部１３０ａｈ１，１３０ａｈ２，１３０ａｈ３，１３０ａｈ４付近や、感圧抵抗体１３１が形成された部分を除いて、第１主面１３０ａに全体的にベタ状に形成されている。接合補助パターン１３９は、接合領域１３０ｅ内に位置して押圧部材１２５と接合し、Ｓｉ素子１３０と押圧部材１２５との接合面積を増加させる第２接合部１３９ｙと、非接合領域１３０ｆ１，１３０ｆ２，１３０ｆ３，１３０ｆ４内に位置して押圧部材１２５とは接合しない非接合部１３９ｚとからなる。
この接合補助パターン１３９は、感圧抵抗体１３１に接続されている。そして、接合補助パターン１３９の第２接合部１３９ｙは、感圧抵抗体１３１の周囲に感圧抵抗体１３１を取り囲むようにして配置されている。

接合領域１３０ｅ全体の面積をＳａ（ｍｍ² ）とし、感圧抵抗体１３１（第１接合部１３１ｙ）の面積をＳｂ（ｍｍ² ）とし、接合補助パターン１３９の第２接合部１３９ｙの面積をＳｃ（ｍｍ² ）としたとき、このＳｉ素子１３０は、Ｓｂ＋Ｓｃ≧０．９×Ｓａを満たしている。具体的には、本実施形態では、接合領域１３０ｅ全体の面積Ｓａ＝２．３９（ｍｍ² ）、感圧抵抗体１３１（第１接合部１３１ｙ）の面積Ｓｂ＝０．３０（ｍｍ² ）、接合補助パターン１３９の第２接合部１３９ｙの面積Ｓｃ＝２．０３（ｍｍ² ）とされている。

また、第１主面１３０ａの面積をＳｚ（ｍｍ² ）とし、４つの角部穴の合計の面積をＳｄ（ｍｍ² ）としたとき、Ｓｉ素子１３０は、Ｓｄ≦０．３×Ｓｚ、即ち、Ｓａ≧０．７×Ｓｚを満たしている。具体的には、本実施形態では、第１主面１３０ａの面積Ｓｚ＝３．２４（ｍｍ² ）、角部穴の合計面積Ｓｄ＝０．８５（ｍｍ² ）とされている。
また、接合領域１３０ｅの中心Ｊから接合領域１３０ｅの外周縁１３０ｅｊまでの最大距離をＬ（ｍｍ）とし、接合領域１３０ｅのうち、その中心Ｊからの距離Ｌａ（ｍｍ）がＬａ≦０．６×Ｌを満たす領域を接合中央領域１３０ｇとする。本実施形態では、感圧抵抗体１３１は、その全体がこの接合中央領域１３０ｇ内に配置されている。

以上で説明したように、本実施形態の筒内圧センサ付きグロープラグ１００では、Ｓｉ素子１３０に前述の合補助パターン１３９を形成しているので、Ｓｉ素子１３０は、感圧抵抗体１３１（第１接合部１３１ｙ）だけでなく、接合補助パターン１３９の第２接合部１３９ｙでも、押圧部材１２５に陽極接合している。このため、この第２接合部１３９ｙと押圧部材１２５との接合面積の分だけ、Ｓｉ素子１３０と押圧部材１２５との接合面積を従来よりも大きくすることができる。従って、Ｓｉ素子１３０と押圧部材１２５との接合強度を従来よりも大きくすることができ、Ｓｉ素子１３０と押圧部材１２５との接合の信頼性を向上させることができる。

特に本実施形態では、Ｓｉ素子１３０が、前述のように、Ｓｂ＋Ｓｃ≧０．９×Ｓａを満たしている。即ち、Ｓｉ素子１３０の押圧部材１２５との接合領域１３０ｅ全体に対する、接合に直接関与している接合部分の面積割合を、９０％以上という大きな割合にしている。このため、Ｓｉ素子１３０と押圧部材１２５との接合強度を特に大きくすることができ、Ｓｉ素子１３０と押圧部材１２５との接合の信頼性を特に向上させることができる。

更に、本実施形態では、Ｓｉ素子１３０が、前述のように、Ｓｄ≦０．３×Ｓｚを満たしている。即ち、４つの角部穴の合計面積Ｓｄを、第１主面１３０ａの面積Ｓｚの３０％以下と小さな割合としている。このため、第１主面１３０ａのうち、接合領域１３０ｅ以外の非接合領域１３０ｆ１，１３０ｆ２，１３０ｆ３，１３０ｆ４を小さくすることができる。
言い換えれば、Ｓｉ素子１３０は、Ｓａ≧０．７×Ｓｚを満たしている。即ち、接合領域１３０ｅの面積Ｓａを、第１主面１３０ａの面積Ｓｚの７０％以上と大きな割合にしている。これにより、Ｓｉ素子１３０と押圧部材１２５との接合強度を大きくすることができ、Ｓｉ素子１３０と押圧部材１２５との接合の信頼性を向上させることができる。

また、本実施形態では、感圧抵抗体１３１と接合補助パターン１３９とが互いに電気的に接続されている。このため、Ｓｉ素子１３０と押圧部材１２５とを陽極接合により接合する際には、感圧抵抗体１３１及び接合補助パターン１３９のいずれか一方に陽電極側電圧を印加すれば、他方にも陽電極側電圧が印加されるので、Ｓｉ素子１３０と押圧部材１２５とを陽極接合を容易かつ確実に行うことができる。従って、Ｓｉ素子１３０と押圧部材１２５との接合の信頼性が高い筒内圧センサ付きグロープラグ１００とすることができる。

また、本実施形態では、感圧抵抗体１３１の全体が第１接合部１３１ｙとされて、感圧抵抗体１３１の全体が接合領域１３０ｅ内に配置されている。このような形態とすることにより、感圧抵抗体１３１の全体が押圧部材１２５により押圧されるので、感圧抵抗体１３１の筒内圧Ｐに対する感度を特に向上させることができる。また、感圧抵抗体１３１の全体が押圧部材１２５と接合されているので、感圧抵抗体１３１の一部が押圧部材１２５と接合されていない場合に比して、Ｓｉ素子１３０と押圧部材１２５との接合面積を大きくすることができる。従って、Ｓｉ素子１３０と押圧部材１２５との接合強度をより増大させることができ、Ｓｉ素子１３０と押圧部材１２５との接合の信頼性をより向上させることができる。
その上、本実施形態では、接合補助パターン１３９の第２接合部１３９ｙにより、感圧抵抗体１３１の周囲を取り囲んでいる。このような形態とすることにより、感圧抵抗体１３１の筒内圧Ｐに対する感度を向上させつつ、Ｓｉ素子１３０と押圧部材１２５との接合強度を大きくして、Ｓｉ素子１３０と押圧部材１２５との接合の信頼性を向上させることができる。

また、本実施形態では、感圧抵抗体１３１の全体を、接合領域１３０ｅのうち、その中心Ｊからの距離Ｌａ（ｍｍ）がＬａ≦０．６×Ｌを満たす接合中央領域１３０ｇ内に配置している。これにより、接合中央領域１３０ｇは、これよりも外側の領域に比して、偏荷重が掛かった場合に発生する応力の大きさに偏りが生じ難い。このため、感圧抵抗体１３１の全体を接合中央領域１３０ｇ内に配置することにより、抵抗値変化にバラツキが生じにくくなる。また、横方向に振動する荷重が押圧部材１２５に掛かる場合にも、感圧抵抗体１３１の全体を接合中央領域１３０ｇ内に配置することにより、感圧抵抗体１３１に生じる抵抗変化の大きさにこの荷重の影響が生じにくくなる。従って、筒内圧Ｐをより精度よく検知できる。

また、本実施形態では、感圧抵抗体１３１が点対称形とされ、その中心Ｇが接合領域１３０ｅの中心Ｊと一致している。このような形態とすることで、筒内圧Ｐにより押圧部材１２５に掛かる荷重に偏荷重成分が含まれていても、感圧抵抗体１３１に生じる抵抗変化の大きさに偏荷重の影響が特に生じ難い。また、横方向に振動する荷重が押圧部材１２５に掛かる場合にも、感圧抵抗体１３１に生じる抵抗変化の大きさにこの荷重の影響が特に生じ難い。従って、筒内圧Ｐを特に精度よく検出できる。

また、本実施形態では、Ｓｉ素子１３０の第１主面１３０ａの面方位を｛１１０｝面とした圧縮型のＳｉ素子とし、感圧抵抗体１３１を、Ｓｉ素子１３０の＜１１０＞方向に延びる複数の感圧部位１３１ｃｌ３１ｃ，…と、これらの端同士を接続する複数の方向転換部１３１ｄ，１３１ｄ，…とを有する蛇行状としている。しかも、上記方向転換部の形状を円弧状としている。このような形態とすることで、感圧抵抗体１３１は、＜１１０＞方向に延びる感圧部位１３１ｃｌ３１ｃ，…において、高い感度で筒内圧Ｐに応じた抵抗変化を生じさせ得る上、方向転換部１３１ｄ，１３１ｄ，…にも＜１１０＞方向に延びる成分を持たせているため、この方向転換部１３１ｄ，１３１ｄ，…においても、筒内圧Ｐに応じた抵抗変化を生じさせ得る。このため、感圧抵抗体１３１全体として、筒内圧Ｐに応じた抵抗変化を大きく生じさせることができる。

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、上記実施形態では、グロープラグに圧力検出機構１２０を内蔵した形態の圧力検出装置１００を例示したが、これに限らず、グロープラグとしての機能を有さずに、筒内圧Ｐの検出を行う圧力検出装置を構成することもできる。

１００ 筒内圧センサ付きグロープラグ（圧力センサ）
１２０ 圧力検出機構
１２５ 押圧部材
１２５ａ 先端面
１２５ｂ 基端面
１２７ 支持部材
１２７ａ 先端面
１２７ｂ 基端面
１３０ Ｓｉ素子
１３０ａ 第１主面
１３０ｂ 第２主面
１３０ａｈ１，１３０ａｈ２，１３０ａｈ３，１３０ａｈ４ 角部
１３０ｅ 接合領域
１３０ｅｊ 外周縁
１３０ｆ１，１３０ｆ２，１３０ｆ３，１３０ｆ４ 非接合領域
１３０ｇ 接合中央領域
１３１ 感圧抵抗体
１３１ｃ 感圧部位
１３１ｄ 方向転換部
１３１ｙ 第１接合部
１３３ 感温抵抗体
１３３ｃ 感温部位
１３３ｄ 方向転換部
１３５，１３６，１３７ 電極パッド
１３９ 接合補助パターン
１３９ｙ 第２接合部
１３９ｚ 非接合部
１４０ 素子接合体
Ｇ （感圧抵抗体の）中心
Ｈ （第１主面の）中心
Ｊ （接合領域の）中心
Ｓａ （接合領域全体の）面積
Ｓｂ （第１接合部の）面積
Ｓｃ （第２接合部の）面積
Ｓｄ （４つの角部穴の合計の）面積
Ｓｚ （第１主面の）面積
Ｌ 最大距離
Ｌａ 距離

Claims (8)

1. 第１主面及びこれに平行な第２主面を有する板状のＳＯＩ基板からなり、検出対象である圧力Ｐにより自身に生じる応力を検出するＳｉ素子と、
   前記Ｓｉ素子の前記第１主面のうち接合領域に陽極接合によって接合され、前記圧力Ｐに応じた押圧力により前記接合領域を押圧して、前記Ｓｉ素子を厚み方向に圧縮する押圧部材と、
   を備える圧力センサであって、
   前記Ｓｉ素子は、
   前記第１主面に形成され、前記圧力Ｐに応じて自身の抵抗値が変化する感圧抵抗体であって、前記第１主面の前記接合領域内に位置して前記押圧部材と接合する第１接合部を含む感圧抵抗体と、
   前記第１主面に形成された接合補助パターンであって、前記感圧抵抗体の第１接合部と同材質からなり、前記第１主面の前記接合領域内に位置して前記押圧部材と接合する第２接合部を含む接合補助パターンと、を有し、
   前記第１主面の前記接合領域全体の面積をＳａ（ｍｍ ² ）とし、
   前記感圧抵抗体の前記第１接合部の面積をＳｂ（ｍｍ ² ）とし、
   前記接合補助パターンの前記第２接合部の面積をＳｃ（ｍｍ ² ）としたとき、
   Ｓｂ＋Ｓｃ≧０．９×Ｓａを満たす形態とされてなる
   圧力センサ。
2. 請求項１に記載の圧力センサであって、
   前記Ｓｉ素子は、
   前記第１主面の面積をＳｚ（ｍｍ² ）とし、
   前記第１主面の前記接合領域全体の面積をＳａ（ｍｍ² ）としたとき、
   Ｓａ≧０．７×Ｓｚを満たす形態とされてなる
   圧力センサ。
3. 請求項１または請求項２に記載の圧力センサであって、
   前記感圧抵抗体と前記接合補助パターンとは、互いに電気的に接続されてなる
   圧力センサ。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の圧力センサであって、
   前記感圧抵抗体は、その全体が前記第１接合部とされてなる
   圧力センサ。
5. 請求項４に記載の圧力センサであって、
   前記接合補助パターンの前記第２接合部は、前記感圧抵抗体の周囲に配置されてなる
   圧力センサ。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の圧力センサであって、
   前記接合領域の中心から前記接合領域の外周縁までの最大距離をＬ（ｍｍ）とし、
   前記接合領域のうち、前記中心からの距離Ｌａ（ｍｍ）がＬａ≦０．６×Ｌを満たす領域を接合中央領域としたとき、
   前記感圧抵抗体は、その全体がこの接合中央領域内に配置されてなる
   圧力センサ。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の圧力センサであって、
   前記感圧抵抗体は、
   自身の中心を中心とした点対称形とされてなり、かつ、
   この中心が前記接合領域の中心に位置する形態とされてなる
   圧力センサ。
8. 請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の圧力センサであって、
   前記Ｓｉ素子は、
   前記第１主面の面方位が｛１１０｝面とされてなり、
   前記感圧抵抗体は、
   蛇行状とされてなり、
   前記Ｓｉ素子の＜１１０＞方向に延び、互いに間隔をあけて並ぶ複数の感圧部位と、
   互いに隣り合う前記感圧部位の端同士を接続する方向転換部であって、円弧状を有する複数の方向転換部と、を有する
   圧力センサ。

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