JPH0236328A - 高温流体用圧力センサ - Google Patents
高温流体用圧力センサInfo
- Publication number
- JPH0236328A JPH0236328A JP18633388A JP18633388A JPH0236328A JP H0236328 A JPH0236328 A JP H0236328A JP 18633388 A JP18633388 A JP 18633388A JP 18633388 A JP18633388 A JP 18633388A JP H0236328 A JPH0236328 A JP H0236328A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- single crystal
- crystal
- pressure
- force
- diaphragm
- 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.)
- Granted
Links
- 239000007788 liquid Substances 0.000 title abstract description 4
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 246
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 27
- NJPPVKZQTLUDBO-UHFFFAOYSA-N novaluron Chemical compound C1=C(Cl)C(OC(F)(F)C(OC(F)(F)F)F)=CC=C1NC(=O)NC(=O)C1=C(F)C=CC=C1F NJPPVKZQTLUDBO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 42
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 19
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 10
- 238000005304 joining Methods 0.000 claims description 7
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 2
- 230000002463 transducing effect Effects 0.000 abstract description 39
- 239000000567 combustion gas Substances 0.000 abstract description 12
- 239000012212 insulator Substances 0.000 abstract description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 22
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 14
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 14
- WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N lead(0) Chemical compound [Pb] WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 description 13
- 238000000034 method Methods 0.000 description 13
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 12
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 12
- 230000036316 preload Effects 0.000 description 11
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 9
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 8
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 6
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 6
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 description 5
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 5
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 4
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 4
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 4
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 3
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 238000009429 electrical wiring Methods 0.000 description 3
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 3
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 3
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 3
- 239000005394 sealing glass Substances 0.000 description 3
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000009530 blood pressure measurement Methods 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 2
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 229910001026 inconel Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910017709 Ni Co Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910003267 Ni-Co Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910003262 Ni‐Co Inorganic materials 0.000 description 1
- 101100057143 Schizosaccharomyces pombe (strain 972 / ATCC 24843) cta3 gene Proteins 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 239000000370 acceptor Substances 0.000 description 1
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 230000002566 clonic effect Effects 0.000 description 1
- 238000012790 confirmation Methods 0.000 description 1
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 1
- 239000012777 electrically insulating material Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 231100000989 no adverse effect Toxicity 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 210000004243 sweat Anatomy 0.000 description 1
- 238000011282 treatment Methods 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
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。
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]
本発明は圧力センサ、特に高温流体の圧力をM1定する
ために用いられる圧力センサの改良に関づる。
ために用いられる圧力センサの改良に関づる。
[従来の技術]
圧力センサは、各種分野において気体または液体などの
流体圧力を測定するために幅広く用いられており、特に
近年においては、高温、高圧の極めて激しい使用環境下
で用いられることも多い。
流体圧力を測定するために幅広く用いられており、特に
近年においては、高温、高圧の極めて激しい使用環境下
で用いられることも多い。
従って、このような高温流体の圧力測定用として用いら
れるセンサには、周囲の環境、特にその温度に影響され
ることなく圧力を正確に測定できる能力が要求される。
れるセンサには、周囲の環境、特にその温度に影響され
ることなく圧力を正確に測定できる能力が要求される。
例えば、このような圧力センサを内燃機関の燃焼圧セン
サとして用いた場合には、温度が1,000°C以上の
燃焼カスによって影響されることなく、その圧力を長時
間正確に測定できる能力が要求される。
サとして用いた場合には、温度が1,000°C以上の
燃焼カスによって影響されることなく、その圧力を長時
間正確に測定できる能力が要求される。
第2図には、従来の圧力センサの一例が示されており、
この圧力センサは、ダイヤフラム部1゜の表面に作用す
る燃焼ガスの圧力Pを、圧縮力Wとして熱絶縁体12を
介して力変換素子14に伝達し、力変換素子14から出
力される電気信号に基つき燃焼ガスの圧力Pを測定して
いた。
この圧力センサは、ダイヤフラム部1゜の表面に作用す
る燃焼ガスの圧力Pを、圧縮力Wとして熱絶縁体12を
介して力変換素子14に伝達し、力変換素子14から出
力される電気信号に基つき燃焼ガスの圧力Pを測定して
いた。
しかし、1000℃を超える高温の燃焼ガスの圧力測定
を行おうとする場合には、ダイヤフラム部10と力変換
素子14との間に設けた熱絶縁体1またけでは、力変換
素子14へ伝達する熱を十分に遮蔽することができず、
力変換素子14自体の性能が低下してしまう。
を行おうとする場合には、ダイヤフラム部10と力変換
素子14との間に設けた熱絶縁体1またけでは、力変換
素子14へ伝達する熱を十分に遮蔽することができず、
力変換素子14自体の性能が低下してしまう。
このため、従来はダイヤフラム部10の表面側に、これ
と一体的にブロック部22を設け、ダイヤフラム部10
付近に来た燃焼ガスの熱を吸収することにより、ダイヤ
フラム部10目体の温度り昇を抑制し、高温、高圧の燃
焼ガスの圧力測定を行う場合でも、力変換素子14へ熱
か伝達されないよう形成されていた。
と一体的にブロック部22を設け、ダイヤフラム部10
付近に来た燃焼ガスの熱を吸収することにより、ダイヤ
フラム部10目体の温度り昇を抑制し、高温、高圧の燃
焼ガスの圧力測定を行う場合でも、力変換素子14へ熱
か伝達されないよう形成されていた。
従来、このような圧力センサに使用される力変換素子1
4としては、圧縮型ロードセルに代表される歪みゲージ
タイプのものが一般的に知られている。
4としては、圧縮型ロードセルに代表される歪みゲージ
タイプのものが一般的に知られている。
しかし、従来の力変換素子14にあっては、この数年、
新規な圧縮力検知方式を取り入れて構成されたものは無
かった。
新規な圧縮力検知方式を取り入れて構成されたものは無
かった。
第3図には、従来の歪ゲージタイプの力変換素子14の
一例か示されている。
一例か示されている。
この力変換素子は、圧縮力Wが印加される4角柱形状を
した起歪体16を有し、この起歪体16の4つの側面1
6aに、半導体歪ゲージ17が接着剤17aを用いて貼
付けられている。そして、これら各側面に貼付けられた
複数の歪ゲージ17は、互いにホイートストンブリッジ
回路を形成するよう電気的に接続されている。
した起歪体16を有し、この起歪体16の4つの側面1
6aに、半導体歪ゲージ17が接着剤17aを用いて貼
付けられている。そして、これら各側面に貼付けられた
複数の歪ゲージ17は、互いにホイートストンブリッジ
回路を形成するよう電気的に接続されている。
そして、加えられた圧縮力Wに対応して生ずる起歪体1
6の歪を、ホイートストンブリッジ回路から電圧信号と
して出力している。
6の歪を、ホイートストンブリッジ回路から電圧信号と
して出力している。
[発明が解決しようとする問題点]
しかし、従来の圧力センサ、特にその力変換素子14は
、以下に述べる問題点を有していた。
、以下に述べる問題点を有していた。
第1の問題点
まず、従来の圧力センナに用いられる力変換素子14は
、温度変化に伴う半導体歪ゲージ17の抵抗値の増減が
もたらす検出特性への悪影響を低減するために、複数の
半導体歪ゲージ17を起歪体16の各側面16aに貼付
けていた。そして、これら各歪ゲージ17の電極17b
、17bからターミナル18.18ヘリード線18a、
18aを引き出し、しかも、これら各ターミナル18゜
18に引き出し線19.19を接続し、各歪ゲージ17
がホイートストンブリッジ回路を形成するよう結線して
いた。
、温度変化に伴う半導体歪ゲージ17の抵抗値の増減が
もたらす検出特性への悪影響を低減するために、複数の
半導体歪ゲージ17を起歪体16の各側面16aに貼付
けていた。そして、これら各歪ゲージ17の電極17b
、17bからターミナル18.18ヘリード線18a、
18aを引き出し、しかも、これら各ターミナル18゜
18に引き出し線19.19を接続し、各歪ゲージ17
がホイートストンブリッジ回路を形成するよう結線して
いた。
このため、力変換素子14、ひいては圧力センサの製造
工程か複雑化し、その製造に高いノウハウを必要とする
ため、製造された圧力センサか高価なものとなってしま
い、しかも製品ごとの特性のバラツキも大きくなってし
まうという問題があった。
工程か複雑化し、その製造に高いノウハウを必要とする
ため、製造された圧力センサか高価なものとなってしま
い、しかも製品ごとの特性のバラツキも大きくなってし
まうという問題があった。
第2の問題点
また、従来のセンサに用いられる力変換素子14は、複
数の歪ゲージ17を、接着剤17aを用いて起歪体16
の側面16aに貼付けている。
数の歪ゲージ17を、接着剤17aを用いて起歪体16
の側面16aに貼付けている。
このため、接着剤17aがもたらすクリープ、ヒステリ
シス等の測定特性への悪影響か避けられず、信頼性に欠
けるという問題があった。さらに、接着剤17aを用い
た歪ゲージ17の貼付けには、高いノウハウを必要とし
、しかも接着による歪ゲージ特性のバラツキも大きいと
いう問題があった。
シス等の測定特性への悪影響か避けられず、信頼性に欠
けるという問題があった。さらに、接着剤17aを用い
た歪ゲージ17の貼付けには、高いノウハウを必要とし
、しかも接着による歪ゲージ特性のバラツキも大きいと
いう問題があった。
[発明の目的]
本発明は、この様な従来の課題に鑑みなされたものであ
り、その目的は、前述した問題点を解決することかでき
、信頼性が高くしがも安価な高温流体用の圧力センサを
提供することにある。
り、その目的は、前述した問題点を解決することかでき
、信頼性が高くしがも安価な高温流体用の圧力センサを
提供することにある。
[問題点を解決するための手段]
前記目的を達成するため、本発明は、ダイヤフラム部の
表面に作用する高温流体の圧力を、圧縮力として力変換
素子に伝達し、力変換素子から出力される電気信号に基
づき高温流体の圧力を測定する圧力センサにおいて、 前記力変換素子は、 圧縮力が加えられる面として+110t面の結晶面を有
するように形成され、この結晶面が前記タイヤフラム部
と平行になるよう取付けられたSi単結晶体と、 前記Si単結晶体上に、その1lio+面上における結
晶の<001>方向より45度の方向に対向して設けた
第1の電極と、<110>方向より45度の方向に対向
して設けた第2の電極と、を含み、これら第1および第
2の電極のいずれか一方を出力電極とし、他方を入力電
極として用いる複数の電極と、 一端佃1か前記Si単結晶体の+ 110 +面の結晶
面と接合され、他端が前記ダイヤフラム部に接するよう
形成され、ダイヤフラム部に印加される圧力をJ+:検
力どしてSi単結晶体の結晶面に垂直に伝達し、Si単
結晶体の(1101面の結晶面と接合される複合台座と
、 前記Si単結晶体の、台座が接合された面と対向する面
と接合されるステムと、 を含み、前記ステムは、 前記Si単結晶体の台座が接合された面と対向する面と
接合され、そのSi単結晶体を支持するための支持基台
と、 前記出力電極から出力される電気信号を外部に取出すた
めの複数の出力電極端子と、 前記入力電極へ外部から電流を通電するための複数の入
力電極端子と、 これら入力電極端子、出力電極端子および支持基台を一
体的に保持する保持平膜と、 を含み、 前記入力電極端子からSi単結晶体に電流を流しながら
Si単結晶体の結晶面に垂直に圧縮力を作用させ、出力
電極端子からダイヤフラム部の表面に作用する高温流体
の圧力に対応した電圧を出力することを特徴とする。
表面に作用する高温流体の圧力を、圧縮力として力変換
素子に伝達し、力変換素子から出力される電気信号に基
づき高温流体の圧力を測定する圧力センサにおいて、 前記力変換素子は、 圧縮力が加えられる面として+110t面の結晶面を有
するように形成され、この結晶面が前記タイヤフラム部
と平行になるよう取付けられたSi単結晶体と、 前記Si単結晶体上に、その1lio+面上における結
晶の<001>方向より45度の方向に対向して設けた
第1の電極と、<110>方向より45度の方向に対向
して設けた第2の電極と、を含み、これら第1および第
2の電極のいずれか一方を出力電極とし、他方を入力電
極として用いる複数の電極と、 一端佃1か前記Si単結晶体の+ 110 +面の結晶
面と接合され、他端が前記ダイヤフラム部に接するよう
形成され、ダイヤフラム部に印加される圧力をJ+:検
力どしてSi単結晶体の結晶面に垂直に伝達し、Si単
結晶体の(1101面の結晶面と接合される複合台座と
、 前記Si単結晶体の、台座が接合された面と対向する面
と接合されるステムと、 を含み、前記ステムは、 前記Si単結晶体の台座が接合された面と対向する面と
接合され、そのSi単結晶体を支持するための支持基台
と、 前記出力電極から出力される電気信号を外部に取出すた
めの複数の出力電極端子と、 前記入力電極へ外部から電流を通電するための複数の入
力電極端子と、 これら入力電極端子、出力電極端子および支持基台を一
体的に保持する保持平膜と、 を含み、 前記入力電極端子からSi単結晶体に電流を流しながら
Si単結晶体の結晶面に垂直に圧縮力を作用させ、出力
電極端子からダイヤフラム部の表面に作用する高温流体
の圧力に対応した電圧を出力することを特徴とする。
着目点
本発明者等は、従来の力変換素子とは全くその原理が異
なる新規な圧力検知手段を用いた高温流体用の圧力セン
サを開発した。
なる新規な圧力検知手段を用いた高温流体用の圧力セン
サを開発した。
以下に、本発明の圧力センサに用いられる圧力検知手段
、特にその力変換素子を開発するに際しての着目点につ
いて説明する。
、特にその力変換素子を開発するに際しての着目点につ
いて説明する。
抗値がもたらず特性への悪影響を低減するために、複数
の半導体歪ゲージを用いて、ホイートストンブリッジ回
路を形成していた。
の半導体歪ゲージを用いて、ホイートストンブリッジ回
路を形成していた。
本発明の第1の着目点は、この様な複数の半導体歪ゲー
ジを用いて形成されたホイートストンブリッジ回路に代
え、一つのSi単結晶体で複数の歪ゲージを構成しよう
とすることにある。このため、本発明においては、一つ
のSi単結晶体に一対の出力電極と入力電極とを交差し
て設け、望ましくは直交する方向に相対して設けるよう
構成している。
ジを用いて形成されたホイートストンブリッジ回路に代
え、一つのSi単結晶体で複数の歪ゲージを構成しよう
とすることにある。このため、本発明においては、一つ
のSi単結晶体に一対の出力電極と入力電極とを交差し
て設け、望ましくは直交する方向に相対して設けるよう
構成している。
このようにすることにより、本発明によれは、後述する
理由(作用の欄の(g)の項に詳述する)から、温度の
変動がもたらす特性への悪影響か低減し、前述した第1
の問題点を解決することができる。
理由(作用の欄の(g)の項に詳述する)から、温度の
変動がもたらす特性への悪影響か低減し、前述した第1
の問題点を解決することができる。
第1の着目点 第2の着目点従来の圧
力センサに用いられる力変換素子は、 しかし、
前述したように、一対の出力電極と入温度の変イヒに伴
ない増減する半導体歪ゲージの抵 力電極と3直交し
て設けたSi、ll結晶体を用いt二としても、従来の
ようにこのSi単結晶体を起歪体の側面へ接着剤を用い
て貼付けていたのでは、前述した第2の問題点を解決す
ることができない。
力センサに用いられる力変換素子は、 しかし、
前述したように、一対の出力電極と入温度の変イヒに伴
ない増減する半導体歪ゲージの抵 力電極と3直交し
て設けたSi、ll結晶体を用いt二としても、従来の
ようにこのSi単結晶体を起歪体の側面へ接着剤を用い
て貼付けていたのでは、前述した第2の問題点を解決す
ることができない。
本発明の第2の着目点は、前記Si単結晶体の結晶面に
対し垂直に圧縮力を作用させ、この圧縮力に基づ<Si
単結晶体のピエゾ抵抗効果を利用して圧縮力を検知する
という、新規な力検知方式と採用したことにある。
対し垂直に圧縮力を作用させ、この圧縮力に基づ<Si
単結晶体のピエゾ抵抗効果を利用して圧縮力を検知する
という、新規な力検知方式と採用したことにある。
すなわち、従来の力変換素子は、起歪体の側面に複数の
歪ゲージを接着剤を用いて貼付け、圧縮力を起歪体の圧
縮歪として検知していた。従って、起歪体の圧Wi歪が
接着剤を介して、各歪ゲージに伝達されることになり、
接着剤に起因するクリープ、しステリヒス等の悪影響を
受けやすく、償却性が低いという問題があった。
歪ゲージを接着剤を用いて貼付け、圧縮力を起歪体の圧
縮歪として検知していた。従って、起歪体の圧Wi歪が
接着剤を介して、各歪ゲージに伝達されることになり、
接着剤に起因するクリープ、しステリヒス等の悪影響を
受けやすく、償却性が低いという問題があった。
これに対し、本発明では、Si単結晶体の結晶面の一方
を台座と接合し、他の結晶面を支持基台に接合し、Si
単結晶体の結晶面に対し垂直に圧縮力を作用させるとい
う、従来には全くない新規な構成を採用している。
を台座と接合し、他の結晶面を支持基台に接合し、Si
単結晶体の結晶面に対し垂直に圧縮力を作用させるとい
う、従来には全くない新規な構成を採用している。
従って、仮にSi単結晶体と台座および支持基台との接
合に接着剤を用いたとしても、接着剤に起因するクリー
プ、ヒステリヒス等の悪影響が著しく小さくなり、測定
データの償却性が極めて高いものとなる。なお、この様
な接着剤の影響を確実に除去するためには、Si単結晶
体と支持基台および台座との接合を、接着剤を用いるこ
となく、例えば特公昭53−28747号公報に開示さ
れた静電接合方法等を用いて行うことが好ましい。
合に接着剤を用いたとしても、接着剤に起因するクリー
プ、ヒステリヒス等の悪影響が著しく小さくなり、測定
データの償却性が極めて高いものとなる。なお、この様
な接着剤の影響を確実に除去するためには、Si単結晶
体と支持基台および台座との接合を、接着剤を用いるこ
となく、例えば特公昭53−28747号公報に開示さ
れた静電接合方法等を用いて行うことが好ましい。
第3の着目点
ところで、このようなSi単結晶体を用いて圧縮力の測
定を行うとする場合には、加えられる圧縮力に対応した
測定電圧を、Si単結晶体から出力することが必要とさ
れる。
定を行うとする場合には、加えられる圧縮力に対応した
測定電圧を、Si単結晶体から出力することが必要とさ
れる。
本発明者らは、このような観点にたって、Si単結晶体
のピエゾ抵抗係数π63−が大きな値をなるようSi単
結晶体の結晶面についての検討を行った。
のピエゾ抵抗係数π63−が大きな値をなるようSi単
結晶体の結晶面についての検討を行った。
この検討の結果、圧力が加えられる面として(110)
面の結晶面を有するよう、Si単結晶体を形成する必要
があることを見い出した。
面の結晶面を有するよう、Si単結晶体を形成する必要
があることを見い出した。
そして、更に本発明者等は、このような(110)面の
結晶面を有するSi単結晶体を用い、しかも前記Si単
結晶体に、過大な電圧を印加したことに基づく発熱でそ
の特性に悪影響をもたらさない範囲の電圧を印加する場
合において、実用上十分な大きさの電圧Δ■を出力する
ための検討を進めた。
結晶面を有するSi単結晶体を用い、しかも前記Si単
結晶体に、過大な電圧を印加したことに基づく発熱でそ
の特性に悪影響をもたらさない範囲の電圧を印加する場
合において、実用上十分な大きさの電圧Δ■を出力する
ための検討を進めた。
この検討の結果、Si単結晶体から大きな電圧Δ■を出
力するためには、Si単結晶体の厚さをできるだけ小さ
くすればよいことを見い出した。
力するためには、Si単結晶体の厚さをできるだけ小さ
くすればよいことを見い出した。
特に、実用上十分な大きさのΔ■を出力するためには、
このSi単結晶体の厚さを50μm以下、好ましくは2
0μm以下に形成すればよいことを見出した。
このSi単結晶体の厚さを50μm以下、好ましくは2
0μm以下に形成すればよいことを見出した。
このため、本発明においては、圧縮力が加えられる面と
して(110)結晶面を有するとともに、不純物濃度が
I X 1015/l”〜1×1021/c13の範囲
に制御され、その厚さが50μm以下となるよう、前記
Si単結晶体を形成している。
して(110)結晶面を有するとともに、不純物濃度が
I X 1015/l”〜1×1021/c13の範囲
に制御され、その厚さが50μm以下となるよう、前記
Si単結晶体を形成している。
第4の着目点
また、従来の力変#A、#子では、第3図に示すように
、半導体歪ゲージ17から出力電圧を取出ずために、歪
ゲージ17の電極17bとターミナル18との間にリー
ド線18aを接続し、しかもターミナル18から引出線
19を引出し、4個の歪ゲージ17がホイートストンブ
リッジ回路を構成するよう引出線1つを引回して結線し
ていた。従って、一定の品質の力変換素子を製造するた
めには、作業者の高いノウハウが必要となり、しかも引
出線1つの引回し方によっては、周囲のノイズが混入し
易く電気計測上問題かあった。
、半導体歪ゲージ17から出力電圧を取出ずために、歪
ゲージ17の電極17bとターミナル18との間にリー
ド線18aを接続し、しかもターミナル18から引出線
19を引出し、4個の歪ゲージ17がホイートストンブ
リッジ回路を構成するよう引出線1つを引回して結線し
ていた。従って、一定の品質の力変換素子を製造するた
めには、作業者の高いノウハウが必要となり、しかも引
出線1つの引回し方によっては、周囲のノイズが混入し
易く電気計測上問題かあった。
本発明の第4の着目点は、配線の長さを%li<l。
て、電気的結線を簡単にできるようにしたことにある。
このため、本発明は、Si単結晶体上に設けられた出力
電極、入力電極とがそれぞれ接続される出力電極端子、
人力電極端子と、Si単結晶体を接な支持する支持基台
と、を保持手段を用いて一体的に保持するよう形成して
いる。
電極、入力電極とがそれぞれ接続される出力電極端子、
人力電極端子と、Si単結晶体を接な支持する支持基台
と、を保持手段を用いて一体的に保持するよう形成して
いる。
この様にすることにより、支持基台上にSi単結晶体を
接合した後、入力電極、出力電極をそれぞれ支持基台と
一体的に保持された入力電極端子、出力電極端子に結線
するだけでよい、従って、従来のように引出線を引き回
して結線しなければならないという問題を解決すること
ができ、配線が筒中−で、雑音に強く、しかも低コスト
の力変換素子を得ることができる。
接合した後、入力電極、出力電極をそれぞれ支持基台と
一体的に保持された入力電極端子、出力電極端子に結線
するだけでよい、従って、従来のように引出線を引き回
して結線しなければならないという問題を解決すること
ができ、配線が筒中−で、雑音に強く、しかも低コスト
の力変換素子を得ることができる。
[作用]
第1図には、本発明の高温流体用圧力センサが示されて
いる。
いる。
(a) この圧力センサは、はぼ円筒形状に形成され
たセンサケース20の先端開口部に、ダイヤフラム部1
0を取り付け固定している。
たセンサケース20の先端開口部に、ダイヤフラム部1
0を取り付け固定している。
そして、ダイヤフラム部10の表面に高温流体を作用さ
せると、その圧力Pは、熱絶縁体12)台座42を介し
て力変換素子14に圧縮力として作用し、力変換素子1
4から圧力Pに対応した測定電圧がリード線56を介し
て出力される。
せると、その圧力Pは、熱絶縁体12)台座42を介し
て力変換素子14に圧縮力として作用し、力変換素子1
4から圧力Pに対応した測定電圧がリード線56を介し
て出力される。
なお、このような圧力センサを用いて高温・高圧の流体
圧力P・を測定する場合には、ダイヤフラム部10の表
面12が、この高温・高圧の流体にさらされる。このた
め、この高温・高圧流体からダイヤフラム部10に伝わ
った熱が、センサケース203介して力変換素子14に
回り込まないように、センサケース20を熱的に伝導性
のよい材料を用い、例えば熱をケース20の取付は同定
用ネジ渭28から図示しないシリンダヘッド部へ逃すよ
う形成することが好ましい。
圧力P・を測定する場合には、ダイヤフラム部10の表
面12が、この高温・高圧の流体にさらされる。このた
め、この高温・高圧流体からダイヤフラム部10に伝わ
った熱が、センサケース203介して力変換素子14に
回り込まないように、センサケース20を熱的に伝導性
のよい材料を用い、例えば熱をケース20の取付は同定
用ネジ渭28から図示しないシリンダヘッド部へ逃すよ
う形成することが好ましい。
(b) 第4図には、本発明の圧力センサに用いられ
る力変換素子14の一例が示されており、同図(A)は
その平面説明図、同図CB)はその側面説明図である。
る力変換素子14の一例が示されており、同図(A)は
その平面説明図、同図CB)はその側面説明図である。
この力変換素子14は、圧縮力Wが加えられる面として
(110)の結晶面を有するよう形成されたSi単結晶
体30と、このSi単結晶体30の(110)面の結晶
面32と接合され、圧縮力Wをその結晶面32に垂直に
伝達する台座40と、このSi単結晶体30の他の結晶
面34と接合されるステム60を含む、そして、前記S
i単結晶体30の表面には、結晶の<001>方向より
715度の方向に対向して設けられた第1の電極50.
50−と、<110>方向より45度の方向に対向して
設けられた第2の電極52.52とからなる複数の電極
が設けられており、これら第1および第2の電極のいず
れか一方50゜50−を出力電極、他方52.52−を
入力電極として用いている。
(110)の結晶面を有するよう形成されたSi単結晶
体30と、このSi単結晶体30の(110)面の結晶
面32と接合され、圧縮力Wをその結晶面32に垂直に
伝達する台座40と、このSi単結晶体30の他の結晶
面34と接合されるステム60を含む、そして、前記S
i単結晶体30の表面には、結晶の<001>方向より
715度の方向に対向して設けられた第1の電極50.
50−と、<110>方向より45度の方向に対向して
設けられた第2の電極52.52とからなる複数の電極
が設けられており、これら第1および第2の電極のいず
れか一方50゜50−を出力電極、他方52.52−を
入力電極として用いている。
(c) また、本発明において、前記ステム60は、
Si単結晶体30の他の結晶面32と接合され、Si単
結晶体30を支持するための支持基台62と、前記入力
電極52.52−へ外部から電流を通電するための複数
の入力電極端子66゜66−と、出力電極52.52−
から出力される電気信号を外部に取出すための複数の出
力電極端子64.64−と、これら電極端子64,64
66.66−および支持基台62を一体的に保持する保
持手段と、を含む。
Si単結晶体30の他の結晶面32と接合され、Si単
結晶体30を支持するための支持基台62と、前記入力
電極52.52−へ外部から電流を通電するための複数
の入力電極端子66゜66−と、出力電極52.52−
から出力される電気信号を外部に取出すための複数の出
力電極端子64.64−と、これら電極端子64,64
66.66−および支持基台62を一体的に保持する保
持手段と、を含む。
第4図において、ステム60は、これら各電極端子64
.64−166.66−を支持基台60の周囲にほぼ対
象となるよう輪状配置している。
.64−166.66−を支持基台60の周囲にほぼ対
象となるよう輪状配置している。
そして、このステム60は、保持手段として外環70、
封着ガラス68を用い、上端を開口した略円筒形状した
外環70内に、支持基台62)各電極端子64..64
−+ 66.66−を封着カラス68を用いて一体的に
取付は固定することにより形成されている。
封着ガラス68を用い、上端を開口した略円筒形状した
外環70内に、支持基台62)各電極端子64..64
−+ 66.66−を封着カラス68を用いて一体的に
取付は固定することにより形成されている。
ここにおいて、前記電極端子64,6466.66−は
、その一端側がSi単結晶体30の結晶面32とほぼ而
−となるよう取付けられており、このSi単結晶体30
」二に設けられた各電極50.50−152.52−と
金線54を介して接続されている。
、その一端側がSi単結晶体30の結晶面32とほぼ而
−となるよう取付けられており、このSi単結晶体30
」二に設けられた各電極50.50−152.52−と
金線54を介して接続されている。
また、これら各電極端子64.64−166゜66−の
他端側は、外環70の底面に設けられた挿通孔72を介
して外部に引出されている。そして、その端部には第1
図に示すリード線56が接続されており、このリード線
56を介して外部の計測機器と電気的に接続されている
。
他端側は、外環70の底面に設けられた挿通孔72を介
して外部に引出されている。そして、その端部には第1
図に示すリード線56が接続されており、このリード線
56を介して外部の計測機器と電気的に接続されている
。
このようにして、本発明に用いる力変換素子14は、そ
の出力を極端子64.64−および入力電極端子66.
66−゛を支持基台62と一体的にステム60として形
成しているため、支持基台62に接合されたSi単結晶
体30の各電極50゜50− 52.52−と前記各電
極端子64゜64−166.66−を、たとえばLol
l程度の雉いリード線54を介して接続するのみで電気
的結線が完了し、電気的な配線が極めて簡単なものとな
る。
の出力を極端子64.64−および入力電極端子66.
66−゛を支持基台62と一体的にステム60として形
成しているため、支持基台62に接合されたSi単結晶
体30の各電極50゜50− 52.52−と前記各電
極端子64゜64−166.66−を、たとえばLol
l程度の雉いリード線54を介して接続するのみで電気
的結線が完了し、電気的な配線が極めて簡単なものとな
る。
従って、従来のように、半導体歪ゲージの配線を引回し
電気的な結線を行うというようなことがなくなるため、
格別なノウハウなどを必要とすることなく、その電気的
結線を簡単かつ確実に行うことができる。さらに、本発
明では、電気的配線も極めて短くなるため、従来のよう
に引回されてた配線に外部からのノイズか混入すること
がなく、極めて信頼性の高い力変換素子を得ることかで
きる。
電気的な結線を行うというようなことがなくなるため、
格別なノウハウなどを必要とすることなく、その電気的
結線を簡単かつ確実に行うことができる。さらに、本発
明では、電気的配線も極めて短くなるため、従来のよう
に引回されてた配線に外部からのノイズか混入すること
がなく、極めて信頼性の高い力変換素子を得ることかで
きる。
なお、第4図においては、保持手段として外環および到
着カラスを用いたが、保持手段は、電極端子64.64
−166.66−および支持基台62を一体的に保持す
ることができれば他の手段を採用することもでき、例え
はセラミックスパ・ンケージを用いてもよい。
着カラスを用いたが、保持手段は、電極端子64.64
−166.66−および支持基台62を一体的に保持す
ることができれば他の手段を採用することもでき、例え
はセラミックスパ・ンケージを用いてもよい。
(d) 次に、この力変換素子14を用いて、台座4
0に加わる圧縮力W(ダイヤフラム部]0に加わる圧力
P)を測定する場合を説明する。
0に加わる圧縮力W(ダイヤフラム部]0に加わる圧力
P)を測定する場合を説明する。
まず、台座40に圧縮力Wを垂直に与えると、この圧縮
力Wは、台座40により均等に分散され、Si単結晶体
30の結晶面32に垂直に圧縮応力σZ=W/A として作用する。ここにおいて、Aは台座40のSi単
結晶体30に対する接合面の面積を表わす。
力Wは、台座40により均等に分散され、Si単結晶体
30の結晶面32に垂直に圧縮応力σZ=W/A として作用する。ここにおいて、Aは台座40のSi単
結晶体30に対する接合面の面積を表わす。
このとき入力電極52.52−からSi単結晶体30に
電流工を流しておくと、圧縮応力cf2力、作用したS
i jF’−結晶体30は、その出力電極50゜5o
−から次式で表わす電圧ΔVを出力するΔv=b・ρ・
J2・π −・σZ−k・・・(1)ここにおいて、ρ
はSi単結晶体30の比抵抗、J2は電流密度、π63
はピエゾ抵抗係数、kはSi単結晶体の電極形状に
より定まる定数である。
電流工を流しておくと、圧縮応力cf2力、作用したS
i jF’−結晶体30は、その出力電極50゜5o
−から次式で表わす電圧ΔVを出力するΔv=b・ρ・
J2・π −・σZ−k・・・(1)ここにおいて、ρ
はSi単結晶体30の比抵抗、J2は電流密度、π63
はピエゾ抵抗係数、kはSi単結晶体の電極形状に
より定まる定数である。
本発明の特徴の一つは、出力電極50.50−から圧縮
力に対応した電圧ΔVを出力するため、ピエゾ抵抗係数
π63゛が十分大きな値となるようにSi単結晶体30
を形成したことにある。
力に対応した電圧ΔVを出力するため、ピエゾ抵抗係数
π63゛が十分大きな値となるようにSi単結晶体30
を形成したことにある。
すなわち、本発明者等は、代表的な次の4つの結晶面(
100)、(11,0)、(111)、(211)を有
するSi単結晶体30について、電極を設ける方向を代
えて、Si単結晶体30から、電圧Δ■を得るために不
可欠なピエゾ抵抗係数π −についての計算を行った。
100)、(11,0)、(111)、(211)を有
するSi単結晶体30について、電極を設ける方向を代
えて、Si単結晶体30から、電圧Δ■を得るために不
可欠なピエゾ抵抗係数π −についての計算を行った。
この結果、(100)、(111)、(211)の場合
、いずれの方向に電極を設けてもピエゾ抵抗係数π63
−は零となった。これに対し、(110)の場合には、
電極を<001>方向より45°の方向、または<IT
O>より45°の方向に設けることで、絶対値が相等し
く最大のピエゾ抵抗係数π63−か存在することが判明
した。
、いずれの方向に電極を設けてもピエゾ抵抗係数π63
−は零となった。これに対し、(110)の場合には、
電極を<001>方向より45°の方向、または<IT
O>より45°の方向に設けることで、絶対値が相等し
く最大のピエゾ抵抗係数π63−か存在することが判明
した。
第5図は、比抵抗7.8Ωlのp型(110)面Si単
結晶体のピエゾ抵抗係数π63−の計算結果を示したも
のである。同図から、出力電極を(001>方向より4
5°の方向、入力電極を< 1−i’ O>方向より4
5゛の方向に設けることにより、籠大のピエゾ抵抗係数
π63−を得ることかできることがわかる。
結晶体のピエゾ抵抗係数π63−の計算結果を示したも
のである。同図から、出力電極を(001>方向より4
5°の方向、入力電極を< 1−i’ O>方向より4
5゛の方向に設けることにより、籠大のピエゾ抵抗係数
π63−を得ることかできることがわかる。
なお、出力電極50.50−を<110>より45°の
方向に、入力電極52.52−を(001>方向より4
5°の方向に設けた場合でも、ピエゾ抵抗係数π63−
を同様に利用でき、本発明の目的とする力変換素子か実
現できることには変りない。
方向に、入力電極52.52−を(001>方向より4
5°の方向に設けた場合でも、ピエゾ抵抗係数π63−
を同様に利用でき、本発明の目的とする力変換素子か実
現できることには変りない。
また、前記[001]、[1工0]となる結晶方向け(
110)面のSi単結晶体30における代表的な結晶方
向を示したもので、これらの結晶方向と等価な結晶方向
においては全く同様に考えることができる。
110)面のSi単結晶体30における代表的な結晶方
向を示したもので、これらの結晶方向と等価な結晶方向
においては全く同様に考えることができる。
第1表には、Si単結晶体30の(110)面の結晶面
と等価な結晶面と、[OO1,] 。
と等価な結晶面と、[OO1,] 。
[110]からなる結晶方向と等価な結晶方向が示され
ている。この表から明らかなように、Si単結晶体には
(110)面と等価な結晶面が複数存在する。したがっ
て、(110)面と等価な結晶面をもつSi単結晶体を
用いても、本発明の力変換索子1000を形成すること
ができる。
ている。この表から明らかなように、Si単結晶体には
(110)面と等価な結晶面が複数存在する。したがっ
て、(110)面と等価な結晶面をもつSi単結晶体を
用いても、本発明の力変換索子1000を形成すること
ができる。
なお、(110)の結晶面と等価な結晶面は+1101
で表わされ、また[001][110]と等価な結晶方
向け、<001>。
で表わされ、また[001][110]と等価な結晶方
向け、<001>。
く110〉で一般的に表わされる。
第1表
(以下余白)
なお、第5し1ではp型St単結晶体30のピエゾ抵抗
係数π ゛を・示したが、もちろんn型(110)面S
i単結晶体にあっても、そのピエゾ抵抗係数π63゛は
、p型の場合と同等の大きさを有して同様に存在する。
係数π ゛を・示したが、もちろんn型(110)面S
i単結晶体にあっても、そのピエゾ抵抗係数π63゛は
、p型の場合と同等の大きさを有して同様に存在する。
この様にして、本発明の圧力センサは、ダイヤフラム部
10に加えられた圧力Pを、台座40を介してSi単結
晶体30の(110)の結晶面32に垂直に圧縮力とし
て印加するという、従来にはない新規な構成を採用する
ことにより、Si単結晶体30の出力電極50.50−
から圧力Pに対応した電圧Δ■を正確に出力することか
できる。
10に加えられた圧力Pを、台座40を介してSi単結
晶体30の(110)の結晶面32に垂直に圧縮力とし
て印加するという、従来にはない新規な構成を採用する
ことにより、Si単結晶体30の出力電極50.50−
から圧力Pに対応した電圧Δ■を正確に出力することか
できる。
(e) 他の条件についての検討
Si単結晶体30内に流れる電流工の電流密度J2は、
次式で表わされる。
次式で表わされる。
J 2 = 1 / ()J−h )
・・・(2)したかって、前記第1式に、第2式を代入
することにより、Si単結晶体30からの測定電圧Δ■
は、次式で表わすことができる。なお、間代において、
bは出力電極50.50−の距離、hはSi単結晶体3
0の厚みを表わす。
・・・(2)したかって、前記第1式に、第2式を代入
することにより、Si単結晶体30からの測定電圧Δ■
は、次式で表わすことができる。なお、間代において、
bは出力電極50.50−の距離、hはSi単結晶体3
0の厚みを表わす。
・σ ・・・(3)
ΔV=ρ(I/h)π63 2
前記第3式から明らかなように、本発明に用いられる力
変換素子14から出力される電圧Δ■をより大きくする
ためには、前記ピエゾ抵抗係数π63−以外に、Si単
結晶体30の比抵抗ρ、Si単結晶体10のSi単結晶
体30の厚みhに対する電流値1/h、圧縮応力σZの
いずれかを大きくしてやればよい。
変換素子14から出力される電圧Δ■をより大きくする
ためには、前記ピエゾ抵抗係数π63−以外に、Si単
結晶体30の比抵抗ρ、Si単結晶体10のSi単結晶
体30の厚みhに対する電流値1/h、圧縮応力σZの
いずれかを大きくしてやればよい。
しかし、実際には、S1単結晶体30の比抵抗ρ、電流
l、圧縮応力σZは、以下に述べる理由から常識を越え
る範囲より大きくできない。
l、圧縮応力σZは、以下に述べる理由から常識を越え
る範囲より大きくできない。
すなわち、ptたはn伝導型として市販されるSi単結
晶体30は、比抵抗ρが1×104Ω備?越えるイント
リンシックな特性を備えるよう製造することは困難であ
る。
晶体30は、比抵抗ρが1×104Ω備?越えるイント
リンシックな特性を備えるよう製造することは困難であ
る。
また、Si単結晶体30に複数の電極を設けるにあたり
、この比抵抗ρか10Ωcnt越えると、良好な電気的
接続を得ることが困難となる。
、この比抵抗ρか10Ωcnt越えると、良好な電気的
接続を得ることが困難となる。
さらにSi単結晶体30の室温における比抵抗ρが、1
0Ω、J+(不純物濃度が約1×1015/が約I X
10”/cn”に相当する)の範囲を満足しない場合
、測定電圧Δ■の室温に対する変化が著しく大きくなっ
てしまう。
0Ω、J+(不純物濃度が約1×1015/が約I X
10”/cn”に相当する)の範囲を満足しない場合
、測定電圧Δ■の室温に対する変化が著しく大きくなっ
てしまう。
このため、本発明の力変換素子を構成するSi単結晶体
30は、その比抵抗ρが10Ωl〜1×10−4Ωlの
範囲として制御されたものを用いることが好ましく、こ
のため本発明に用いられるSi単結晶体30は、その不
純物の濃度が1×1、015/cn”〜1×1021/
cm3の範囲内に制御されている。
30は、その比抵抗ρが10Ωl〜1×10−4Ωlの
範囲として制御されたものを用いることが好ましく、こ
のため本発明に用いられるSi単結晶体30は、その不
純物の濃度が1×1、015/cn”〜1×1021/
cm3の範囲内に制御されている。
また、Si単結晶体30のピエゾ抵抗係数π63゛の大
きさも、前記比抵抗ρの大きさにより左右されるため、
比抵抗ρと同様の理由によりその範囲も制約される。
きさも、前記比抵抗ρの大きさにより左右されるため、
比抵抗ρと同様の理由によりその範囲も制約される。
また、Si単結晶体30の圧縮力による破壊強度は、最
大で約50kg/l12であることが知られの破壊強度
50kg/IIII を越える圧縮応力σ2が加わる
ことがないよう形成する必要があり、望ましくはその圧
縮応力を25hg/n12以下として作用させることが
好ましい。
大で約50kg/l12であることが知られの破壊強度
50kg/IIII を越える圧縮応力σ2が加わる
ことがないよう形成する必要があり、望ましくはその圧
縮応力を25hg/n12以下として作用させることが
好ましい。
また、Si単結晶体30に流ず電流値Iは、その値が過
大になることがないよう注意する必要がある。これは、
Si単結晶体30に過大な電流■を流すと、St単結晶
体30自体か電気的な低抗体として著しく発熱し、その
測定電圧ΔVはもちろん、その他の特性まで悪影響を及
ぼすことになるからである。
大になることがないよう注意する必要がある。これは、
Si単結晶体30に過大な電流■を流すと、St単結晶
体30自体か電気的な低抗体として著しく発熱し、その
測定電圧ΔVはもちろん、その他の特性まで悪影響を及
ぼすことになるからである。
本発明者等の確認したところによれば、前記電流■は、
その消費電力か約30mWを越えない範囲で流すかぎり
、その特性に悪影響がなかった。
その消費電力か約30mWを越えない範囲で流すかぎり
、その特性に悪影響がなかった。
以上説明したように、Si単結晶体30からより大きな
測定電圧Δ■を得るうえで望ましい条件をまとめると、
次のようになる。
測定電圧Δ■を得るうえで望ましい条件をまとめると、
次のようになる。
第1に、S i #結晶体30の不純物濃度は、IXI
O/crm 〜1×1021/C13として制御する
。
O/crm 〜1×1021/C13として制御する
。
ている、したかって、Si単結晶体30には、こ第2に
、Si単結晶体30に作用する圧縮応力σlは、Si単
結晶体30の破壊限界を越えないようにする。実験によ
れば50 kK/ 111+i2を越えない範囲、望ま
しくは25 kK/ 12を越えない範囲とすればよい
ことが確認されている。
、Si単結晶体30に作用する圧縮応力σlは、Si単
結晶体30の破壊限界を越えないようにする。実験によ
れば50 kK/ 111+i2を越えない範囲、望ま
しくは25 kK/ 12を越えない範囲とすればよい
ことが確認されている。
第3に、Si単結晶体30に流す電流工は、このSi単
結晶体30か著しく発熱しない範囲に設定する。実験に
よれば、Si単結晶体30の消費電力か30mWを越え
ない範囲に設定すればよいことが確認されている。
結晶体30か著しく発熱しない範囲に設定する。実験に
よれば、Si単結晶体30の消費電力か30mWを越え
ない範囲に設定すればよいことが確認されている。
(f) 厚さhについての検討
本発明者等は、このような望ましい条件を満是し、しか
もSi単結晶体30から出力される電圧ΔVをさらに大
きくすることができるよう、前記第3式に示すに+ 、
すなわちSi単結晶体30の厚さhを薄くすることにつ
いての検討を行った。
もSi単結晶体30から出力される電圧ΔVをさらに大
きくすることができるよう、前記第3式に示すに+ 、
すなわちSi単結晶体30の厚さhを薄くすることにつ
いての検討を行った。
通常、Si単結晶体30は、口径が1.5インチ以−E
のSi単結晶ウェハを用いて製造される。
のSi単結晶ウェハを用いて製造される。
周知のように、Si単結晶ウェハは、種々のICプロセ
ス処理を前提とし、その取扱いを容易にするため、少な
くとも厚みが200μm以上あるように製造され、ウニ
ハロ径が5インチのものでは、そのウェハの厚みが約5
00μmに形成されたものが市販されている。
ス処理を前提とし、その取扱いを容易にするため、少な
くとも厚みが200μm以上あるように製造され、ウニ
ハロ径が5インチのものでは、そのウェハの厚みが約5
00μmに形成されたものが市販されている。
このため、本発明の力変換素子は、まず通常重版される
(1.10 )面のSL単結晶体ウェハを切り出して、
Si単結晶体30を形成する。そして、このSi単結晶
体30の(110)面の結晶面34を支持基台62に接
合して裏打ちし、その取扱いを容易なものとする。その
後、Si単結晶体30の他の結晶面32を、機械的方法
と化学的方法とを併用して研磨し、その厚みが通常のS
i jl結晶体ウェハとして製造し市販することが困
難と思われる50μm以下とする。
(1.10 )面のSL単結晶体ウェハを切り出して、
Si単結晶体30を形成する。そして、このSi単結晶
体30の(110)面の結晶面34を支持基台62に接
合して裏打ちし、その取扱いを容易なものとする。その
後、Si単結晶体30の他の結晶面32を、機械的方法
と化学的方法とを併用して研磨し、その厚みが通常のS
i jl結晶体ウェハとして製造し市販することが困
難と思われる50μm以下とする。
その後、このSi単結晶体30に、前記出力電極50.
50−5入力電極52.52−を収り付け、さらにその
結晶面32に台座40を接合する。
50−5入力電極52.52−を収り付け、さらにその
結晶面32に台座40を接合する。
このようにして、本発明の力変換素子14は、Si単結
晶体30の厚さhを50μm以下とすることにより、S
i単結晶体30に対する望ましい状況′5:満足すると
いう制約の中で、実用上十分に大きい測定電圧ΔVを得
ることかできる。
晶体30の厚さhを50μm以下とすることにより、S
i単結晶体30に対する望ましい状況′5:満足すると
いう制約の中で、実用上十分に大きい測定電圧ΔVを得
ることかできる。
本発明者らの実験によれば、不純物濃度が1×1015
/C1a3〜l×1021/cm3ノ範囲に制御され、
しかもその厚さがh−20μrnまで研磨されたSi単
結晶体30を用い、力変換素子14を形成した場りには
、厚さが200μrn以上のSi単結晶体30を用いて
形成された力変換素子14に比べ、温度による特性への
影響が少なく、しかも測定電圧Δ■か約10倍以上とな
ることが確認された。
/C1a3〜l×1021/cm3ノ範囲に制御され、
しかもその厚さがh−20μrnまで研磨されたSi単
結晶体30を用い、力変換素子14を形成した場りには
、厚さが200μrn以上のSi単結晶体30を用いて
形成された力変換素子14に比べ、温度による特性への
影響が少なく、しかも測定電圧Δ■か約10倍以上とな
ることが確認された。
したがって、本発明によれば、前記(e)の項では述べ
たように、Si単結晶体30の不純物濃度を1×101
5/C13〜1 x 1021/cn”の範囲に制御す
ることにより、周囲の温度変動による影響が少ない、信
頼度の高い力変換索子14を得ることかできる。
たように、Si単結晶体30の不純物濃度を1×101
5/C13〜1 x 1021/cn”の範囲に制御す
ることにより、周囲の温度変動による影響が少ない、信
頼度の高い力変換索子14を得ることかできる。
これに加えて、本発明によれば、この(f)の項で述べ
たように、Si単結晶体30の厚さが50μm以下とな
るよう形成することにより、圧縮力に比例し、しかも実
用上充分な大きさをもった電圧出力を得ることができる
。
たように、Si単結晶体30の厚さが50μm以下とな
るよう形成することにより、圧縮力に比例し、しかも実
用上充分な大きさをもった電圧出力を得ることができる
。
(g) また、本発明において、Si単結晶体30は
、その結晶面32が矩形(正方形を含む)となるよう切
出され、その厚み、不純物濃度が均一となるように形成
されている。また、前記出力電極50.50−は、Si
単結晶体30上に所定間隔を隔てて取付けられており、
また入力電極52.52−は同様にSi単結晶体30上
に所定間隔おいて取付けられている。
、その結晶面32が矩形(正方形を含む)となるよう切
出され、その厚み、不純物濃度が均一となるように形成
されている。また、前記出力電極50.50−は、Si
単結晶体30上に所定間隔を隔てて取付けられており、
また入力電極52.52−は同様にSi単結晶体30上
に所定間隔おいて取付けられている。
この様に各電極50.50−−52.52−を設けるこ
とにより、50と52.52と5050−と52−15
2−と50との間の各抵抗値を等しくでき、また、Si
単結晶体30の厚みおよび不純物濃度が均一であること
から、温度の変化に対する前記各抵抗値もほぼ等しくで
きる。
とにより、50と52.52と5050−と52−15
2−と50との間の各抵抗値を等しくでき、また、Si
単結晶体30の厚みおよび不純物濃度が均一であること
から、温度の変化に対する前記各抵抗値もほぼ等しくで
きる。
従って、入力電極52.52からSi単結晶体30に電
流を流し、出力電極50.50−から電圧出力を取出す
ようにした場合のオフセット電圧は、温度の変化に左右
されることなく、はぼ零として維持されることとなり、
単一のSi単結晶体30か、前述した従来の複数の半導
体歪ゲージを用いて形成されたホイートストンブリッジ
回路に置き代わり、前述した問題点の一つを解決するこ
とができる。
流を流し、出力電極50.50−から電圧出力を取出す
ようにした場合のオフセット電圧は、温度の変化に左右
されることなく、はぼ零として維持されることとなり、
単一のSi単結晶体30か、前述した従来の複数の半導
体歪ゲージを用いて形成されたホイートストンブリッジ
回路に置き代わり、前述した問題点の一つを解決するこ
とができる。
[発明の効果]
以」ユ説明したように、本発明は、ダイヤフラム部の表
面に作用する高温流体の圧力を、伝達材料である台座を
介してSi単結晶体の+11i面の結晶面に垂直に圧縮
力として作用させるという新規な圧力検知方式を採用し
ている。
面に作用する高温流体の圧力を、伝達材料である台座を
介してSi単結晶体の+11i面の結晶面に垂直に圧縮
力として作用させるという新規な圧力検知方式を採用し
ている。
従って、本発明によれば、従来の圧力センサのように、
接着剤のもたらす特性の悪影響および起歪体のもたらす
特性への悪影響がなく、加えられる高温流体の圧力を、
Si単結晶体のピエゾ抵抗効果を有効に利用し正確に測
定することができるという効果ある。
接着剤のもたらす特性の悪影響および起歪体のもたらす
特性への悪影響がなく、加えられる高温流体の圧力を、
Si単結晶体のピエゾ抵抗効果を有効に利用し正確に測
定することができるという効果ある。
特に、本発明によれば、Si単結晶体の不純物濃度をl
Xl0 7cm 〜lXIO2’/c13の範囲に制
御することにより、周囲の温度変動による影響か少ない
、より信頼度の高い圧力センサを得ることができ、更に
、Si単結晶体の厚さを50μm以下とすることにより
、高温流体の圧力に比例し、しかも実用上充分な大きさ
をもった電圧出力を得ることかできるという効果がある
。
Xl0 7cm 〜lXIO2’/c13の範囲に制
御することにより、周囲の温度変動による影響か少ない
、より信頼度の高い圧力センサを得ることができ、更に
、Si単結晶体の厚さを50μm以下とすることにより
、高温流体の圧力に比例し、しかも実用上充分な大きさ
をもった電圧出力を得ることかできるという効果がある
。
また、本発明によれば、Si7社結晶体がホイートスト
ンブリッジ回路の機能を備えているので、従来の力変換
素子に備えられていた複数の半導体歪ゲージを、一つの
Si単結晶体に置換えることかでき、構造が簡単でしか
も安価な圧力センサを得ることができるという効果があ
る。
ンブリッジ回路の機能を備えているので、従来の力変換
素子に備えられていた複数の半導体歪ゲージを、一つの
Si単結晶体に置換えることかでき、構造が簡単でしか
も安価な圧力センサを得ることができるという効果があ
る。
さらに、本発明によれば、Si単結晶体を支持同定する
支持基台と、Si単結晶体の入出力電極にそれぞれ接続
される入出力電極端子とを保持手段を用いて一体的に保
持固定したステムを形成することにより、Si単結晶体
の電気的な配線をリード線などを引回すことなく、雉い
導線を用いて簡単に行うことができる。この結果、製造
か簡単でかつ雑音による影響が少ない償却性の高い安価
な圧力センナを得ることかできるという効果がある。
支持基台と、Si単結晶体の入出力電極にそれぞれ接続
される入出力電極端子とを保持手段を用いて一体的に保
持固定したステムを形成することにより、Si単結晶体
の電気的な配線をリード線などを引回すことなく、雉い
導線を用いて簡単に行うことができる。この結果、製造
か簡単でかつ雑音による影響が少ない償却性の高い安価
な圧力センナを得ることかできるという効果がある。
[実施例]
次に本発明の好適な実施例を図面に基づき説明する。
亀−上一天一菫一週
第1図には、本発明に係る高IA流体用圧力センナを、
エンジンの燃焼圧センサとして用いた場合の好適な第1
実施例が示されている。
エンジンの燃焼圧センサとして用いた場合の好適な第1
実施例が示されている。
この圧力センサは、ダイヤフラム部10の表面側から作
用する燃焼ガスの圧力Pを、熱絶縁体12を介してセン
サケース20の内部に固定された力変換索子14へ伝達
し、この力変換素子14から出力される電気信号に基づ
き燃焼ガスの圧力Pを測定するよう形成されている。
用する燃焼ガスの圧力Pを、熱絶縁体12を介してセン
サケース20の内部に固定された力変換索子14へ伝達
し、この力変換素子14から出力される電気信号に基づ
き燃焼ガスの圧力Pを測定するよう形成されている。
本実施例において、前記センサケース30は熱の絶縁性
が高い材料を用いて形成されている。
が高い材料を用いて形成されている。
また、この圧力センサは、はぼ円筒形状に形成されたセ
ンサケース20の先端開口部に、ダイヤフラム部IOの
フランジ部11aを嵌込み、センサケース20の内部に
燃焼ガスが侵入しないよう、その嵌込み部を全周に渡っ
てプロジェクション溶接接合している。
ンサケース20の先端開口部に、ダイヤフラム部IOの
フランジ部11aを嵌込み、センサケース20の内部に
燃焼ガスが侵入しないよう、その嵌込み部を全周に渡っ
てプロジェクション溶接接合している。
そして、このダイヤフラム部10の表面中央部には、ダ
イヤフラム部10付近にきた燃焼ガスの熱を吸収し、し
かもダイヤフラム部10自身が受けた熱を吸収する目的
でブロック部22が形成されている。
イヤフラム部10付近にきた燃焼ガスの熱を吸収し、し
かもダイヤフラム部10自身が受けた熱を吸収する目的
でブロック部22が形成されている。
このような吸熱を行うためには、ブロック部22がダイ
ヤフラム部10より低い温度でなければならない、従っ
て、前記のブロック部22は、比熱が大きく、熱伝導率
が大きいという特性が要求される。また、このブロック
部22は、ダイヤフラム部10の固有振動数の低下を招
かないようあまり大きく形成することは好ましくない。
ヤフラム部10より低い温度でなければならない、従っ
て、前記のブロック部22は、比熱が大きく、熱伝導率
が大きいという特性が要求される。また、このブロック
部22は、ダイヤフラム部10の固有振動数の低下を招
かないようあまり大きく形成することは好ましくない。
特に、本発明の圧縮力センサを、例えば燃焼圧センサと
して用いる堝りには、ブロック部22の重量が増加し、
ダイヤフラム部10の固有振動数が低下すると、測定で
きる振動数範囲か狭くなり、特にエンジン等の振動が大
きいところに取付けられた場合には、ノック信号等の検
出が困難になってしまう。
して用いる堝りには、ブロック部22の重量が増加し、
ダイヤフラム部10の固有振動数が低下すると、測定で
きる振動数範囲か狭くなり、特にエンジン等の振動が大
きいところに取付けられた場合には、ノック信号等の検
出が困難になってしまう。
従って、前記ブロック部22は、ダイヤフラム部10に
対しその比重量を小さくすることが要求され、その比重
量を小さくすればするほど、検出特性が向上する。
対しその比重量を小さくすることが要求され、その比重
量を小さくすればするほど、検出特性が向上する。
このような問題を解決するため、本発明においては、ダ
イヤフラム部10とブロック部22とを別体とし、ダイ
ヤフラム部10の薄板部11b表面部中央部付近に設け
た接合用凸部10aに、ブロック部22の中央部に設け
た接合用凹部22aを接合し、ダイA・フラム部10の
表面中央部にブロック部22を取付は固定している。
イヤフラム部10とブロック部22とを別体とし、ダイ
ヤフラム部10の薄板部11b表面部中央部付近に設け
た接合用凸部10aに、ブロック部22の中央部に設け
た接合用凹部22aを接合し、ダイA・フラム部10の
表面中央部にブロック部22を取付は固定している。
このようにすることにより、両者の別の材料を用いて形
成することかできる。すなわち、ダイヤフラム部10を
高温でのバネ特性が優れた材料(例えば、S U S
、430、インコネルX720等の材料)を用いて形成
することができ、ブロック部22を熱伝導率のよい材料
(例えばAj系の合金)を用いて形成することができる
。
成することかできる。すなわち、ダイヤフラム部10を
高温でのバネ特性が優れた材料(例えば、S U S
、430、インコネルX720等の材料)を用いて形成
することができ、ブロック部22を熱伝導率のよい材料
(例えばAj系の合金)を用いて形成することができる
。
例えば、ブロック部22をAl系の合金を用いて形成す
ると、Fe系、N1系の合金を用いた従来の場合に比べ
、その質量が約1/3となる。このことは、Al系の合
金を用いた場合には、Fe系、Ni系合金を用いた従来
の場合の3倍の体積にしても、応答性・加速度感度がほ
ぼ同じで、熱容量を約3倍にできることを意味する。
ると、Fe系、N1系の合金を用いた従来の場合に比べ
、その質量が約1/3となる。このことは、Al系の合
金を用いた場合には、Fe系、Ni系合金を用いた従来
の場合の3倍の体積にしても、応答性・加速度感度がほ
ぼ同じで、熱容量を約3倍にできることを意味する。
さらに、ブロック部22をAl系の合金を用いて形成す
ると、Fe、Ni系の合金と用いた従来の場合に比べ、
比熱が約2倍、熱電導率が約3倍となる。
ると、Fe、Ni系の合金と用いた従来の場合に比べ、
比熱が約2倍、熱電導率が約3倍となる。
このように、本発明によれば、ダイヤフラム部10を高
温バネ特性のよい、例えば5US430、インコネルX
720等の材質を用いて形成し、ブロック部22を、例
えばAl系な金を用いて形成することにより、従来のも
のに比べ、ブロック部22の比熱を約2倍、熱伝導率を
約3倍、比重量を約1/3にすることができ、同体積の
ブロック部22をダイヤフラム部10と一体で作った場
合に比べ、約18倍の効果を期待することができる。
温バネ特性のよい、例えば5US430、インコネルX
720等の材質を用いて形成し、ブロック部22を、例
えばAl系な金を用いて形成することにより、従来のも
のに比べ、ブロック部22の比熱を約2倍、熱伝導率を
約3倍、比重量を約1/3にすることができ、同体積の
ブロック部22をダイヤフラム部10と一体で作った場
合に比べ、約18倍の効果を期待することができる。
また、本実施例において、前記接合用凸部10aは先端
側が先広がりにならないように形成されており、また前
記接合用凹部22aは、内側が中広がりにならないよう
前記接合用凸部1.0 aの大きさに合わせて形成され
ている。このようにすることにより、これらブロック部
22およびダイヤフラム部10を、プレス型により容易
に成形することができるため、圧力センサの量産性を高
め、低コス1〜化を図ることが可能となる。
側が先広がりにならないように形成されており、また前
記接合用凹部22aは、内側が中広がりにならないよう
前記接合用凸部1.0 aの大きさに合わせて形成され
ている。このようにすることにより、これらブロック部
22およびダイヤフラム部10を、プレス型により容易
に成形することができるため、圧力センサの量産性を高
め、低コス1〜化を図ることが可能となる。
また、このようにダイヤフラム部10の表面に7177
2部22を接合固定すると、ダイヤフラム部10の表面
はブロック部22によりすき間24分介してそのほぼ全
面が傘のように覆われることになる。このとき、このす
き間24の大きさは、前記凸部10aおよび凹部22a
の寸法により任意に調整することができ、同図ではほぼ
零に近くなるように形成されている。このようにするこ
とにより、ブロック部22は、ダイヤフラム部10付近
に来る燃焼ガスの熱をいちはやく吸収することができる
。
2部22を接合固定すると、ダイヤフラム部10の表面
はブロック部22によりすき間24分介してそのほぼ全
面が傘のように覆われることになる。このとき、このす
き間24の大きさは、前記凸部10aおよび凹部22a
の寸法により任意に調整することができ、同図ではほぼ
零に近くなるように形成されている。このようにするこ
とにより、ブロック部22は、ダイヤフラム部10付近
に来る燃焼ガスの熱をいちはやく吸収することができる
。
従って、燃焼ガスから直接ダイヤフラム部10に伝達さ
れる熱量が大[[1に少なくなり、この結果、ダイヤフ
ラム部10の温度上昇を効果的に抑制し、しかもダイヤ
フラム部のクリープ等を少なくすることができる。
れる熱量が大[[1に少なくなり、この結果、ダイヤフ
ラム部10の温度上昇を効果的に抑制し、しかもダイヤ
フラム部のクリープ等を少なくすることができる。
また、本実施例の圧力センサにおいて、力変換素子14
は、圧縮力が加えられる面として(110)面の結晶面
を有するよう形成され、この結晶面が前記ダイヤフラム
10と平行になるよう取付けられたSi単結晶体30と
、Si単結晶体30の(110)面の結晶面と静電接合
され、熱絶縁体12を介して伝達される圧縮力をその結
晶面に垂直に均一に印加する台座40と、このSi単結
晶体30の他の結晶面と接合されたステム60とを含む
。
は、圧縮力が加えられる面として(110)面の結晶面
を有するよう形成され、この結晶面が前記ダイヤフラム
10と平行になるよう取付けられたSi単結晶体30と
、Si単結晶体30の(110)面の結晶面と静電接合
され、熱絶縁体12を介して伝達される圧縮力をその結
晶面に垂直に均一に印加する台座40と、このSi単結
晶体30の他の結晶面と接合されたステム60とを含む
。
そして、この力変換素子14は、外周がセンサケース2
0の内周面にステム60を介して取付は固定されている
。
0の内周面にステム60を介して取付は固定されている
。
また、前記Si単結晶体30の結晶面上には、結晶の<
001− >方向より45度の方向に対向して一対の
第1の電極(図示せず)か設けられ、<110>方向よ
り115度の方向に対向して一対力第2の電tfi(I
V]示ぜす)が設けられている。そして、これら第1お
よび第2の電極のいずれか−Hが出勾電極、他方か人力
TL極として用いられている。
001− >方向より45度の方向に対向して一対の
第1の電極(図示せず)か設けられ、<110>方向よ
り115度の方向に対向して一対力第2の電tfi(I
V]示ぜす)が設けられている。そして、これら第1お
よび第2の電極のいずれか−Hが出勾電極、他方か人力
TL極として用いられている。
まf:、前記ステム60には、前記出力電極と対応しす
る2本の電極端子64.64−と、入力電極と対応しす
る2本の電極端子66.66 とが設けられており(第
4図に詳しく図示されている)、これら−1本の電極端
子の一端側は、金線54を介してそれぞれ対応する入出
力電極と?M、気的に接続されている。また、これら各
電極端子48の他端側は、リード線56に接続され、そ
のリード線56はセンサケース20の他端側がら外部に
引出されている。
る2本の電極端子64.64−と、入力電極と対応しす
る2本の電極端子66.66 とが設けられており(第
4図に詳しく図示されている)、これら−1本の電極端
子の一端側は、金線54を介してそれぞれ対応する入出
力電極と?M、気的に接続されている。また、これら各
電極端子48の他端側は、リード線56に接続され、そ
のリード線56はセンサケース20の他端側がら外部に
引出されている。
実施例のセンサは、このリード線56の抜けを防止する
ために、その他端側にリード線用のかしめ部20aが設
けられており、リード線56に加わった引張り力が′:
t電極端子611.64−566.66−に加わること
か無いよう形成されている。
ために、その他端側にリード線用のかしめ部20aが設
けられており、リード線56に加わった引張り力が′:
t電極端子611.64−566.66−に加わること
か無いよう形成されている。
さらに、このセンサケース20のかしめ部20aは、ケ
ースカバー26を用いて覆われるよう形成されている。
ースカバー26を用いて覆われるよう形成されている。
また、実施例の燃焼圧センサには、センサケース20の
一端側外周部に取付は固定用のネジ溝28か設けられて
おり、このネジ溝28を図示しない所定の取り付は孔の
内周部に設けられたネジ溝と螺合することにより、所望
位置へ簡単に取付けることができるよう形成されている
。
一端側外周部に取付は固定用のネジ溝28か設けられて
おり、このネジ溝28を図示しない所定の取り付は孔の
内周部に設けられたネジ溝と螺合することにより、所望
位置へ簡単に取付けることができるよう形成されている
。
第4図には、本発明の圧力センサに用いられる力変換素
子14の詳細な実施例か示されており、同図(A)はそ
の平面説明図、同図(B)はその側断面説明図である。
子14の詳細な実施例か示されており、同図(A)はそ
の平面説明図、同図(B)はその側断面説明図である。
本実施例において、Si単結晶体30は、不純物濃度が
1.X10 /cra 〜1×1021/cm3の
範囲内に!)る1×1016/Cl13(比抵抗ρが約
1Ωcan)に制御され、しかも大きさ1.7+al”
で、厚さ17μmのp型Si単結晶体として形成されて
いる。
1.X10 /cra 〜1×1021/cm3の
範囲内に!)る1×1016/Cl13(比抵抗ρが約
1Ωcan)に制御され、しかも大きさ1.7+al”
で、厚さ17μmのp型Si単結晶体として形成されて
いる。
そして、この5itiL結晶体30の一方の結晶面32
」−には、第4図(A)に示すように結晶の< 001
>方向より45度の方向に、幅0.111の−χ・t
の出力電Q250.50−が相対向するようアルミニウ
ムを蒸着して形成されており、さらに結晶の< 11.
0 >方向より45度の方向に、幅0、(]n+鳳の一
対の入力電極52.52−が相対向するようアルミニウ
ムを蒸着して形成されている。
」−には、第4図(A)に示すように結晶の< 001
>方向より45度の方向に、幅0.111の−χ・t
の出力電Q250.50−が相対向するようアルミニウ
ムを蒸着して形成されており、さらに結晶の< 11.
0 >方向より45度の方向に、幅0、(]n+鳳の一
対の入力電極52.52−が相対向するようアルミニウ
ムを蒸着して形成されている。
また、実施例において台座40は、大きさか11162
で高さ1.1nuaの結晶イヒカラスを用いて形成され
ている。
で高さ1.1nuaの結晶イヒカラスを用いて形成され
ている。
また、本実施例において、前記ステム60は、Si単結
晶体30の結晶面34と静電接合され、このSi単結晶
体30を支持する支持基台62)この支持基台62の周
囲にほぼ輪状に配置された一対の出力電極端子64.6
4−1入力電極端子66.66−を有し、これら各電F
i端子64゜64” 66.66−と支持基台62と
か上端を開口したほぼ円筒形状をした外環70内に、封
着ガラス68を用いて一体的に取付は固定されることに
より形成されている。
晶体30の結晶面34と静電接合され、このSi単結晶
体30を支持する支持基台62)この支持基台62の周
囲にほぼ輪状に配置された一対の出力電極端子64.6
4−1入力電極端子66.66−を有し、これら各電F
i端子64゜64” 66.66−と支持基台62と
か上端を開口したほぼ円筒形状をした外環70内に、封
着ガラス68を用いて一体的に取付は固定されることに
より形成されている。
ここにおいて、前記支持基台62は、Si単結晶体30
と熱膨張係数の近接した結晶化カラスからなり、大きさ
が1.7cn2)高さか3111に形成されている。
と熱膨張係数の近接した結晶化カラスからなり、大きさ
が1.7cn2)高さか3111に形成されている。
また、前記外環70は、Fe −Ni−Co合金を用い
、一端側か開口されたほぼ円筒形状に形成されており、
その底面に複数の電極端子挿通孔72が開口形成されて
いる。
、一端側か開口されたほぼ円筒形状に形成されており、
その底面に複数の電極端子挿通孔72が開口形成されて
いる。
また、前記電極端子64,64 .66゜66゛は、直
径0.511の細長い棒形状に形成され、その一端側a
がSi単結晶体30の結晶面32とほぼ面一となるよう
取付は固定されている6そして、出力電極端子66.6
6−は、その一端側aに金属メツキ層が設けられ、この
金属メツキ層には、直径0.0511の金の金線54を
用いて入力電極52.52−にそれぞれ接続されている
。
径0.511の細長い棒形状に形成され、その一端側a
がSi単結晶体30の結晶面32とほぼ面一となるよう
取付は固定されている6そして、出力電極端子66.6
6−は、その一端側aに金属メツキ層が設けられ、この
金属メツキ層には、直径0.0511の金の金線54を
用いて入力電極52.52−にそれぞれ接続されている
。
さらに、前記各出力電極端子64.64−は、同様にそ
の一端側d側に金メツキ層が設けられ、直径0.05n
+oの金の金線54を用いて出力電極50.50−とそ
れぞれ接続されている。
の一端側d側に金メツキ層が設けられ、直径0.05n
+oの金の金線54を用いて出力電極50.50−とそ
れぞれ接続されている。
また、これら各電極端子64.64−166゜66″は
、一端側が外環70の挿通孔72を介してステム60の
外部に引出され、第1図に示すようリード線54を介し
て図示しない計測装置へ接続されている。
、一端側が外環70の挿通孔72を介してステム60の
外部に引出され、第1図に示すようリード線54を介し
て図示しない計測装置へ接続されている。
次に、このようにして形成された力変換素子14が、十
分実用に耐える大きさの電圧Δ■をその出力電極う0.
50−から出力することができ、しかもその測定電圧Δ
Vは温度による影響が少ないことを検証するために、次
のような実験を行った。
分実用に耐える大きさの電圧Δ■をその出力電極う0.
50−から出力することができ、しかもその測定電圧Δ
Vは温度による影響が少ないことを検証するために、次
のような実験を行った。
すなわち、本発明者らは、室温における消費電力か30
mWを越えないよう、電源からSi単結晶体30に電流
■を流し、しかもこのSi単結晶体30と破壊に至らし
めないよう、台座40を介してσZが15kg/+in
2となるよう5kgの圧縮力を加えた。
mWを越えないよう、電源からSi単結晶体30に電流
■を流し、しかもこのSi単結晶体30と破壊に至らし
めないよう、台座40を介してσZが15kg/+in
2となるよう5kgの圧縮力を加えた。
実施例において、Si単結晶体30に設けた一対の入力
電極52.52−の間の抵抗値、いわゆる入力抵抗値は
、室温で800Ωであった。このため、消費電力が30
mWを越えないよう、これら入力電極52.52″から
I=6mAの電流をSi単結晶体30へ通電した。
電極52.52−の間の抵抗値、いわゆる入力抵抗値は
、室温で800Ωであった。このため、消費電力が30
mWを越えないよう、これら入力電極52.52″から
I=6mAの電流をSi単結晶体30へ通電した。
この結果、このSi単結晶体30の出力電極50.50
−からは室温でΔ■=約110mVの電圧を得ることが
できた。また、この測定電圧ΔVは一40℃〜150℃
の範囲における変化率は0.15%/℃であった。この
結果、本実施例の力変換素子14は、実用に際して充分
な大きさの電圧ΔVを出力することができ、しかも温度
に対する特性の影響が極めて小さいことが確認された。
−からは室温でΔ■=約110mVの電圧を得ることが
できた。また、この測定電圧ΔVは一40℃〜150℃
の範囲における変化率は0.15%/℃であった。この
結果、本実施例の力変換素子14は、実用に際して充分
な大きさの電圧ΔVを出力することができ、しかも温度
に対する特性の影響が極めて小さいことが確認された。
ちなみに、第4図に示す力変換素子14において、Si
単結晶体30として、厚さ200μmのものを用いた場
合についての検討も行った。このとき、消費電力が30
rnWを越えないようにするためには入力$、f152
)う2 から21 m Aの電7flIを流す必要があ
り、そして、この厚さhが200μmのSi単結晶体3
0を用いると、入力電極52.52−から仮に21 m
Aの電流を通電したとしても、この力変換素子14から
は約30m V程度の電圧しか出力することができず、
このことからも、本実施例の力変換素子14は、実用り
充分な大きさを持った測定電圧Δ■を得ることができる
ものであることが理解されよう。
単結晶体30として、厚さ200μmのものを用いた場
合についての検討も行った。このとき、消費電力が30
rnWを越えないようにするためには入力$、f152
)う2 から21 m Aの電7flIを流す必要があ
り、そして、この厚さhが200μmのSi単結晶体3
0を用いると、入力電極52.52−から仮に21 m
Aの電流を通電したとしても、この力変換素子14から
は約30m V程度の電圧しか出力することができず、
このことからも、本実施例の力変換素子14は、実用り
充分な大きさを持った測定電圧Δ■を得ることができる
ものであることが理解されよう。
なお、本実施例では、Si単結晶体30の不純物11度
か1×1016/C13のp伝導型として形成した場合
を例に収り説明したが、本発明はこれに限らず、n伝導
型のSi単結晶体30を用いても同様な効果を得ること
ができる。
か1×1016/C13のp伝導型として形成した場合
を例に収り説明したが、本発明はこれに限らず、n伝導
型のSi単結晶体30を用いても同様な効果を得ること
ができる。
このように、本発明の力変換素子14は、Si単結晶体
30の厚さhを小さくすることにより、測定電圧Δ■を
大きく収り出させる効果があり、この効果は、不純物濃
度を1×1021/C13に向って大きくするにしたか
って顕著に現れる。
30の厚さhを小さくすることにより、測定電圧Δ■を
大きく収り出させる効果があり、この効果は、不純物濃
度を1×1021/C13に向って大きくするにしたか
って顕著に現れる。
また、第4図に示ず力変換素子では、圧縮力Wが加えら
れる台座40の着力点側を平面形状に形成したが、台座
40の着力点側の面の全面または一部に、凸の曲面また
は凹の曲面を設けて、加圧板の加圧面より加わる圧縮力
Wが台座40のほぼ中央に作用するように形成してもよ
い。
れる台座40の着力点側を平面形状に形成したが、台座
40の着力点側の面の全面または一部に、凸の曲面また
は凹の曲面を設けて、加圧板の加圧面より加わる圧縮力
Wが台座40のほぼ中央に作用するように形成してもよ
い。
例えば、第6図に示すように、台座40の着力点側の面
42を凸の曲面形状に形成し、圧縮力Wを台座40に印
加してもよい。
42を凸の曲面形状に形成し、圧縮力Wを台座40に印
加してもよい。
また、本実施例においては、圧力Pが印加されるダイヤ
フラム部10からSi単結晶体30への熱の伝導を阻止
するため、熱絶縁体12を用いた場合を例とり説明した
が、本発明はこれに限らず、台座40を熱の絶縁性に優
れた複合台座とすることにより、熱絶縁体12を用いる
ことなく圧力測定を行うこともできる。
フラム部10からSi単結晶体30への熱の伝導を阻止
するため、熱絶縁体12を用いた場合を例とり説明した
が、本発明はこれに限らず、台座40を熱の絶縁性に優
れた複合台座とすることにより、熱絶縁体12を用いる
ことなく圧力測定を行うこともできる。
すなわち、台座40はその一端がSi単結晶体30に接
合されている。このため、台座40はSi単結晶体30
と熱膨張係数が近接した材料を用いて形成することが好
ましい、また、この台座40はその他端側か高温のダイ
ヤプラム部10側と接する。従って、この部分の材料は
機械的強度、熱の絶縁性にμsれな材料を用いて形成す
ることが好ましい。このため、台座40のSi単結晶体
30との接合部分を、Si単結晶体30と熱膨張係数が
近接した電気的な絶縁性材料を用いて形成し、台座40
のダイヤフラム部10側と接する部分を、前記Si単結
晶体30との接合部分よF′)機械的強度、または熱の
絶縁性に優れた材料を用いて形成すればよい。
合されている。このため、台座40はSi単結晶体30
と熱膨張係数が近接した材料を用いて形成することが好
ましい、また、この台座40はその他端側か高温のダイ
ヤプラム部10側と接する。従って、この部分の材料は
機械的強度、熱の絶縁性にμsれな材料を用いて形成す
ることが好ましい。このため、台座40のSi単結晶体
30との接合部分を、Si単結晶体30と熱膨張係数が
近接した電気的な絶縁性材料を用いて形成し、台座40
のダイヤフラム部10側と接する部分を、前記Si単結
晶体30との接合部分よF′)機械的強度、または熱の
絶縁性に優れた材料を用いて形成すればよい。
このように、台座40自体を2種類の材料を用いて複き
台座として形成することにより、例えば内燃機関のシリ
ンダ内の燃焼ガス等の高温・高圧の流体圧力を測定しよ
うとする場合に、ダイヤフラム部】Oに伝わった熱は台
座40で緩和遮断され、3 i 41結晶体30には高
温として作用しない。
台座として形成することにより、例えば内燃機関のシリ
ンダ内の燃焼ガス等の高温・高圧の流体圧力を測定しよ
うとする場合に、ダイヤフラム部】Oに伝わった熱は台
座40で緩和遮断され、3 i 41結晶体30には高
温として作用しない。
このため、Si単結晶体30は、周囲の環境温度に影響
されることなく、ダイヤフラム部10に加えられる圧力
Pに対応した電圧を出力することができる。
されることなく、ダイヤフラム部10に加えられる圧力
Pに対応した電圧を出力することができる。
さらに、台座40のダイヤフラム部10側と接する部分
には、その接合面の状態によって、片当りなど、圧縮力
が局所的に作用することかある。
には、その接合面の状態によって、片当りなど、圧縮力
が局所的に作用することかある。
このような場合には、台座40が塑性変形または破壊し
てしまうことがある。しかし、前述したように、台座の
この部分を機械的強度に優れた材料を用いることにより
、ダイヤフラム部10側と台座40との接合部分が片当
りなどの状態となっても、台座40は破壊されることな
いため、圧力Pを良好に測定することができる。
てしまうことがある。しかし、前述したように、台座の
この部分を機械的強度に優れた材料を用いることにより
、ダイヤフラム部10側と台座40との接合部分が片当
りなどの状態となっても、台座40は破壊されることな
いため、圧力Pを良好に測定することができる。
なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、
本発明の範囲内で各種の変形実施が可能である。
本発明の範囲内で各種の変形実施が可能である。
ニー3−」し=1−剖
第7図には、本発明に用いられる力変換素子14の他の
実施例が示されている。
実施例が示されている。
実施例の力変換素子14は、(110)面の結晶面を備
えた1、7112)厚さ200μmのSiよりなる半導
体!36と、この半導体R36の側面側を高温にて熱処
理し形成された厚さ1μmnの5i02よりなる電気的
な絶縁膜37と、この絶縁膜37の主表面37 a 、
J:にエピタキシャル成長法により1¥さが11−1μ
mとなるよう成長して形成さt′Lな(1,10>面の
31単結晶体3oとを含む。そして、このSi単結晶体
30の結晶面32に、台座40を静電接合し、半導体層
36の絶縁膜37を設けた面と対向する面に支持基台6
2を静電接合し7て形成されている。
えた1、7112)厚さ200μmのSiよりなる半導
体!36と、この半導体R36の側面側を高温にて熱処
理し形成された厚さ1μmnの5i02よりなる電気的
な絶縁膜37と、この絶縁膜37の主表面37 a 、
J:にエピタキシャル成長法により1¥さが11−1μ
mとなるよう成長して形成さt′Lな(1,10>面の
31単結晶体3oとを含む。そして、このSi単結晶体
30の結晶面32に、台座40を静電接合し、半導体層
36の絶縁膜37を設けた面と対向する面に支持基台6
2を静電接合し7て形成されている。
ここにおいて、前記Si単結晶体30には、その不純物
濃度かlXl0 /c+日 〜IX1.O”/C1の
範囲にある、1×1019/c113(比抵抗ρか約0
.01Ωcn)となるよう、p伝導型としてボ17ンが
熱拡散されている。
濃度かlXl0 /c+日 〜IX1.O”/C1の
範囲にある、1×1019/c113(比抵抗ρか約0
.01Ωcn)となるよう、p伝導型としてボ17ンが
熱拡散されている。
なお、前記半導体層36に、絶縁膜37を形成し、しか
もSi単結晶体30の不純物濃度を1×1、0 ’9.
’cta3で制御するといったIC製遺プIJセス技術
による一連の工程は、実際にはウェハの製造段階になさ
れる。その後、ダイサーにて、このウェハを第7図に示
ずよう1.7112として切出する。
もSi単結晶体30の不純物濃度を1×1、0 ’9.
’cta3で制御するといったIC製遺プIJセス技術
による一連の工程は、実際にはウェハの製造段階になさ
れる。その後、ダイサーにて、このウェハを第7図に示
ずよう1.7112として切出する。
次に、このように形成された力変換素子に対し、本発明
者等は前記第1実施例と同様にして、室温における消費
電力が30rnWを越えない範囲で31単結晶体30に
電流■を流し、しがIJ15kgWの圧縮力を加えて、
St単結晶体1oを薄くした効果の確認と、温度変動が
特性にもたらす影響が少ないという結果についての確認
を行った。
者等は前記第1実施例と同様にして、室温における消費
電力が30rnWを越えない範囲で31単結晶体30に
電流■を流し、しがIJ15kgWの圧縮力を加えて、
St単結晶体1oを薄くした効果の確認と、温度変動が
特性にもたらす影響が少ないという結果についての確認
を行った。
この結果、このSL単結晶体1oの測定電圧ΔVは室温
で約25mVとなり、しかもこの測定電圧ΔVの一40
′″〜150 ’の範囲内における変化率が一〇。23
%/’Cであった。
で約25mVとなり、しかもこの測定電圧ΔVの一40
′″〜150 ’の範囲内における変化率が一〇。23
%/’Cであった。
このことから、実施例の力変換素子14は、実用に際し
十分大きな電圧ΔVを出力することができ、しかも測定
電圧Vの温度による影響が極めて小さいものであること
が確認された。
十分大きな電圧ΔVを出力することができ、しかも測定
電圧Vの温度による影響が極めて小さいものであること
が確認された。
さらに、本実施例の力変換素子14は、Si単結晶体3
0が電気的な絶縁膜37の主表面37a上に形成されて
いることから、高温でも電流リークがなく償却性の高い
ものとなる。
0が電気的な絶縁膜37の主表面37a上に形成されて
いることから、高温でも電流リークがなく償却性の高い
ものとなる。
なお、本実施例においては、Si単結晶体30を、n伝
導型として形成した場合を例にとり説明したが、本発明
はこれに限らず前記シリコン単結晶体30をn伝導型と
して形成しても全く問題はない。
導型として形成した場合を例にとり説明したが、本発明
はこれに限らず前記シリコン単結晶体30をn伝導型と
して形成しても全く問題はない。
また、本実施例においては、(110)面のSi単結晶
体30をエピタキシャル成長法により形成した場合を例
にとり説明したが、本発明はこれに限らず、たとえばC
VD法やMBE成長法とレーザ再結晶技術等を併用して
形成してもよい。
体30をエピタキシャル成長法により形成した場合を例
にとり説明したが、本発明はこれに限らず、たとえばC
VD法やMBE成長法とレーザ再結晶技術等を併用して
形成してもよい。
第3実施1
第8図には本発明に用いる力変換素子14の他の実施例
が示されている。
が示されている。
本実施例において、Si単結晶体30は、結晶面が(1
10)面のn伝導型からなり、その厚さがに+ = 2
00μfnのものとして形成されている。
10)面のn伝導型からなり、その厚さがに+ = 2
00μfnのものとして形成されている。
そして、このSi単結晶体30は、不純物濃度か5 x
1018/cl” (比抵抗が約2X10−2Ωc
I)となるようボロンを熱拡散して形成された厚さh=
2μmのp伝導型圧縮力感知用伝導層38と、この伝導
層38か少なくとも1%精度で機能するよう伝導層38
を電気的に絶縁分離する絶縁分離層3つと、を含むよう
形成されている。
1018/cl” (比抵抗が約2X10−2Ωc
I)となるようボロンを熱拡散して形成された厚さh=
2μmのp伝導型圧縮力感知用伝導層38と、この伝導
層38か少なくとも1%精度で機能するよう伝導層38
を電気的に絶縁分離する絶縁分離層3つと、を含むよう
形成されている。
また、Si単結晶体30は、入力電極52から相対向す
る入力型f!52−に向って伝導層38内を流れる電流
経路の抵抗値が、電気的な絶縁分離層39を同様にして
流れる電流経路の抵抗値の少なくとも1/100以下と
なるようその不純!ltl]濃度か制御されている。
る入力型f!52−に向って伝導層38内を流れる電流
経路の抵抗値が、電気的な絶縁分離層39を同様にして
流れる電流経路の抵抗値の少なくとも1/100以下と
なるようその不純!ltl]濃度か制御されている。
そして、このSi単結晶体30は、その一方の結晶面3
2側に台座40が静電接合され、他方の結晶面34に支
持基台62が静電接合されている。
2側に台座40が静電接合され、他方の結晶面34に支
持基台62が静電接合されている。
また、実施例において、前記入力電極52゜58−1出
力電極50.50−は、ともに伝導層38のピエゾ抵抗
効果に基づく測定電圧ΔVを取出すため、少なくとも伝
導層38と電気的な接続をなすよう蒸着形成されている
。
力電極50.50−は、ともに伝導層38のピエゾ抵抗
効果に基づく測定電圧ΔVを取出すため、少なくとも伝
導層38と電気的な接続をなすよう蒸着形成されている
。
このようにして形成された力変換素子14に対し、本発
明者等は前記各実施例と同様にして、室温における消費
電力が30mWを越えない範囲でS i Ii結晶体3
0に電流■を流し、5i11−結晶体を薄くした効果と
、温度変動が特性にもたらず影響が小さいという効果に
ついての確認を行った。
明者等は前記各実施例と同様にして、室温における消費
電力が30mWを越えない範囲でS i Ii結晶体3
0に電流■を流し、5i11−結晶体を薄くした効果と
、温度変動が特性にもたらず影響が小さいという効果に
ついての確認を行った。
この結果、伝導層38のlγさをh=2μmと小さくし
たことにより、伝導層38の厚さが200μmの場合に
比較して、約10倍の測定電圧ΔVを得ることができる
。さらに自己感度保障機能(特公昭57−58791号
公報に開示されており、測定電圧ΔVか温度に伴ない変
動することを抑制する機能)を備えるよう前記伝導層2
2の不純物濃度(例えばP伝導型St単結晶体には、約
5×1018/C13と約2×1020/Cl113の
2つの不純物濃度領域か、自己感度補償法が適用可能な
領域として存在する)を制御したことにより、40°C
〜150℃の温度範囲における測定電圧ΔVの変化がほ
ぼ零となることか確認された。
たことにより、伝導層38の厚さが200μmの場合に
比較して、約10倍の測定電圧ΔVを得ることができる
。さらに自己感度保障機能(特公昭57−58791号
公報に開示されており、測定電圧ΔVか温度に伴ない変
動することを抑制する機能)を備えるよう前記伝導層2
2の不純物濃度(例えばP伝導型St単結晶体には、約
5×1018/C13と約2×1020/Cl113の
2つの不純物濃度領域か、自己感度補償法が適用可能な
領域として存在する)を制御したことにより、40°C
〜150℃の温度範囲における測定電圧ΔVの変化がほ
ぼ零となることか確認された。
なお、本実施例においては、伝導N38と電気的な絶縁
骨1WJi139を兼ねたSi単結晶体30を、Y)伝
導型とした抵抗分電法によるように記載したが、本発明
はこれに限らず、n伝導型による抵抗分電法を用いても
、はぼ同様の効果を有する力変換素子を形成することが
できる。
骨1WJi139を兼ねたSi単結晶体30を、Y)伝
導型とした抵抗分電法によるように記載したが、本発明
はこれに限らず、n伝導型による抵抗分電法を用いても
、はぼ同様の効果を有する力変換素子を形成することが
できる。
また、本実施例において、電気的な絶縁分離層28を兼
ねるSi単結晶体30を、ドナーとアクセプターとが中
和するよう制御された、キャリアの少ないイントリンシ
ックな特性を備えたものとすることで、伝導層38はn
伝導型またはrl伝導型のいずれに形成してもよい。
ねるSi単結晶体30を、ドナーとアクセプターとが中
和するよう制御された、キャリアの少ないイントリンシ
ックな特性を備えたものとすることで、伝導層38はn
伝導型またはrl伝導型のいずれに形成してもよい。
そして、伝導層38と電気的な絶縁分離層3つとは、p
−n接合分離法を用いて形成しても全く問題はない、た
だし、p−n接合分離法を用いた場合には、出力電力5
0.50−と入力電極58゜52−とは、伝導層38と
のみ電気的な接続をなすように形成しなければならず、
p −rl接合分離法を用いた電気的な分離は、本質的
に150°C前後までの温度範囲でしか電気的な分離R
能を備えてないことは周知のところである。
−n接合分離法を用いて形成しても全く問題はない、た
だし、p−n接合分離法を用いた場合には、出力電力5
0.50−と入力電極58゜52−とは、伝導層38と
のみ電気的な接続をなすように形成しなければならず、
p −rl接合分離法を用いた電気的な分離は、本質的
に150°C前後までの温度範囲でしか電気的な分離R
能を備えてないことは周知のところである。
匿−A−】し二1−刑
第9図には、本発明も圧力センサの他の実施例か示され
ている。
ている。
本実施例の′lS徴は、このダイヤフラム部10の薄板
部ttbの表面に圧力印加方向に向けたネジ孔80を設
け、このネジ孔80に螺合された調整ネジ82を用い、
薄板部11bを圧力印加方向に変形させ、力変換素子1
4に所望のプリロードを与えることにある。
部ttbの表面に圧力印加方向に向けたネジ孔80を設
け、このネジ孔80に螺合された調整ネジ82を用い、
薄板部11bを圧力印加方向に変形させ、力変換素子1
4に所望のプリロードを与えることにある。
本実施例において、前記ネジ孔80は11772部22
から薄板部11bの表面中央部に向け設けられている。
から薄板部11bの表面中央部に向け設けられている。
また、前記、J!1整ネジ82は、ドライバの先端との
係り講84 aか設けられた頭部84と、ネジ孔80を
螺合するネジ部86とから構成され、前記ネジ部86は
その先端が山型に形成され、その先箱1中央部において
薄板部11bの表面中央部】00を効果的に押圧し、変
形させるよう形成されている。
係り講84 aか設けられた頭部84と、ネジ孔80を
螺合するネジ部86とから構成され、前記ネジ部86は
その先端が山型に形成され、その先箱1中央部において
薄板部11bの表面中央部】00を効果的に押圧し、変
形させるよう形成されている。
また、前記ダイヤフラム部10は、その薄板部11bが
、J1Mネジ82の押付は力により図中右方向へ変形す
るよう形成する必要があり、さらに前記ネジ孔80は、
薄板部11bの裏面側まで貫通することがないよう注意
する必要がある。
、J1Mネジ82の押付は力により図中右方向へ変形す
るよう形成する必要があり、さらに前記ネジ孔80は、
薄板部11bの裏面側まで貫通することがないよう注意
する必要がある。
そして、本実施例において、このように形成された調整
ネジ82を用いて力変換素子14にプリロードを加える
場合には、まず、力変換素子14の出力を測定しながら
、調整ネジ82を締付ける。
ネジ82を用いて力変換素子14にプリロードを加える
場合には、まず、力変換素子14の出力を測定しながら
、調整ネジ82を締付ける。
これにより、調整ネジ82の先端がダイヤフラム部10
の薄板部11bの中央部100を押圧する。
の薄板部11bの中央部100を押圧する。
そして、薄板部11bの中央部100が図中右方向へ変
形し、熱絶縁体12を介して力変IQ素子14にプリロ
ードを与える。
形し、熱絶縁体12を介して力変IQ素子14にプリロ
ードを与える。
このとき、力変PA素子14からプリロードに対応した
電気信号が出力されるため、調整者はこの電気信号を見
ながらプリロード値を次のように設定する。
電気信号が出力されるため、調整者はこの電気信号を見
ながらプリロード値を次のように設定する。
すなわち、圧力センサの各部品には、通常一定の寸法誤
差があり、また各部品の組付は時には組付は誤差が発生
する。たとえば、ダイヤフラム部10をセンサケース2
0にプロジェクション溶接し密封固定する場合には、そ
の溶接部の突出高さ(0,211E程度ンに相当する分
たけダイヤフラム部10が圧力印加方向に変位する。従
って、圧力センサを組立てる溶接途中で、センサケース
20内に固定されている力変換索子14にダイヤフラム
部10か接触したような場合には、力変換素子1・1に
衝撃力か作用し、素子14が破壊されてしまう危険があ
る。このため、力変換素子14には、その組Nr終了後
、特にダイヤフラム部10をセンサケース20にブロジ
ェクションン容接した後、ゆっくりとプリロードをかけ
てやることが好ましい。
差があり、また各部品の組付は時には組付は誤差が発生
する。たとえば、ダイヤフラム部10をセンサケース2
0にプロジェクション溶接し密封固定する場合には、そ
の溶接部の突出高さ(0,211E程度ンに相当する分
たけダイヤフラム部10が圧力印加方向に変位する。従
って、圧力センサを組立てる溶接途中で、センサケース
20内に固定されている力変換索子14にダイヤフラム
部10か接触したような場合には、力変換素子1・1に
衝撃力か作用し、素子14が破壊されてしまう危険があ
る。このため、力変換素子14には、その組Nr終了後
、特にダイヤフラム部10をセンサケース20にブロジ
ェクションン容接した後、ゆっくりとプリロードをかけ
てやることが好ましい。
このとき、タイヤフラム部10とセンサケース20の熱
による膨張、収縮等で、ダイヤフラム部10から力変換
索子14に圧力が加わらなくなったりしないように、し
かもダイヤフラム部10表面に作用する負圧等も正確に
検知できるよう、プJロードの値は所定の下限値具トに
設定する必要かある。
による膨張、収縮等で、ダイヤフラム部10から力変換
索子14に圧力が加わらなくなったりしないように、し
かもダイヤフラム部10表面に作用する負圧等も正確に
検知できるよう、プJロードの値は所定の下限値具トに
設定する必要かある。
まf:二汗カセンサを用いてくりかえし圧力測定3行う
ときに力変換素子14か疲労破壊を起こさないよう、こ
のプリロード値は、所定の」−限値以下に設定する必要
がある。
ときに力変換素子14か疲労破壊を起こさないよう、こ
のプリロード値は、所定の」−限値以下に設定する必要
がある。
このため、本実施例の圧力センサにおいては、プリロー
ドの値が前記下限値と上限値の間に存在するよう゛、調
整ネジ82を用いて調整される。
ドの値が前記下限値と上限値の間に存在するよう゛、調
整ネジ82を用いて調整される。
そして、プリロードの調整が終了した時点で、調整ネジ
82を図中−点鎖線A−A−で示す位置から切断するこ
とにより、ダイヤフラム部10の付加質量を小さくし、
その耐震性能を向トさせる。
82を図中−点鎖線A−A−で示す位置から切断するこ
とにより、ダイヤフラム部10の付加質量を小さくし、
その耐震性能を向トさせる。
すなわち、前記調整ネジ82は、ダイヤフラム部10に
設けられたネジ孔80に取付けられる。
設けられたネジ孔80に取付けられる。
このため、調整ネジ82の質量を大きくすると、ダイヤ
フラム部10の固有振動数が低下し、その耐震性が低下
してしまう、従って、このような燃焼圧センサをエンジ
ンなどの振動が大きい部分に取付けると、圧力の検出精
度が大巾に低下してしまう、このため、本実施例では、
調整ネジ82によるプリロードのyI整か終了した後、
その調整ネジ82の頭部84を切断することにより、燃
焼圧センサの耐震性が低下することがないように形成さ
れている。
フラム部10の固有振動数が低下し、その耐震性が低下
してしまう、従って、このような燃焼圧センサをエンジ
ンなどの振動が大きい部分に取付けると、圧力の検出精
度が大巾に低下してしまう、このため、本実施例では、
調整ネジ82によるプリロードのyI整か終了した後、
その調整ネジ82の頭部84を切断することにより、燃
焼圧センサの耐震性が低下することがないように形成さ
れている。
以]ユ説明したように、本実施例によれば、ダイヤフラ
ム部】Oを介して力変換素子14に所望のプリロードを
簡単に印加し、周囲の温度変化に影響されることなく、
負の圧力から正の圧力まで正確に1illl定すること
ができ、特に高温の流体圧力の測定をiFNに行うこと
が可能な圧力センサを得ることかて′きる。
ム部】Oを介して力変換素子14に所望のプリロードを
簡単に印加し、周囲の温度変化に影響されることなく、
負の圧力から正の圧力まで正確に1illl定すること
ができ、特に高温の流体圧力の測定をiFNに行うこと
が可能な圧力センサを得ることかて′きる。
また、前記各実施例においては、結晶面が(110)面
のSi単結晶体を用い力変換素子を形成した場合を例に
とり説明したが、本発明はこれに限らずこれ以外に前記
第1表に示すように(110)面と等価なfl101結
晶面をもつSi単結晶体を用いて力変換素子を形成して
もよい。
のSi単結晶体を用い力変換素子を形成した場合を例に
とり説明したが、本発明はこれに限らずこれ以外に前記
第1表に示すように(110)面と等価なfl101結
晶面をもつSi単結晶体を用いて力変換素子を形成して
もよい。
第1図は本発明に係る圧力センサを燃焼汗センサとして
形成した場合の好適な一例を示す説明図、第2図は従来
の圧力センサの説明[図、第3図は従来の圧力センサに
用いられる力変換素子の斜視図、 第4図は本発明の圧力センサに用いられる力変換素子の
好適な一例を示す説明図で/)す、同図(A)はその平
面説明図、同図(B)はその側面説明図、 第5図は比抵抗7.8ΩC1のp型(110)面Si単
結晶体のピエゾ抵抗係数163−の特性図、第6図は第
4図に示す力変換素子の変形例を示す説明図、 第7図、第8図は力変換素子の他の実施例を示す説明図
、 第9図は本発明に係る圧力センサの他の実施例を示す説
明図である。 32゜ ダイヤフラム部 力変換素子 ブロック部 Si単結晶体 ・・・ 結晶面 ・10 50゜ 52゜ 64゜ 66゜ 台座 50− ・・・ 出力電極 52− ・・・ 入力電極 ・・・ ステム ・・・ 支持基台 64゛ ・・・ 出力電極端子 66−人力電極 ・・・ 封着ガラス ・・・ 外環 ・・・ネジ渭 ・・・調整ネジ 第 2 図 第3図
形成した場合の好適な一例を示す説明図、第2図は従来
の圧力センサの説明[図、第3図は従来の圧力センサに
用いられる力変換素子の斜視図、 第4図は本発明の圧力センサに用いられる力変換素子の
好適な一例を示す説明図で/)す、同図(A)はその平
面説明図、同図(B)はその側面説明図、 第5図は比抵抗7.8ΩC1のp型(110)面Si単
結晶体のピエゾ抵抗係数163−の特性図、第6図は第
4図に示す力変換素子の変形例を示す説明図、 第7図、第8図は力変換素子の他の実施例を示す説明図
、 第9図は本発明に係る圧力センサの他の実施例を示す説
明図である。 32゜ ダイヤフラム部 力変換素子 ブロック部 Si単結晶体 ・・・ 結晶面 ・10 50゜ 52゜ 64゜ 66゜ 台座 50− ・・・ 出力電極 52− ・・・ 入力電極 ・・・ ステム ・・・ 支持基台 64゛ ・・・ 出力電極端子 66−人力電極 ・・・ 封着ガラス ・・・ 外環 ・・・ネジ渭 ・・・調整ネジ 第 2 図 第3図
Claims (4)
- (1)ダイヤフラム部の表面に作用する高温流体の圧力
を、圧縮力として力変換素子に伝達し、力変換素子から
出力される電気信号に基づき高温流体の圧力を測定する
圧力センサにおいて、 前記力変換素子は、 圧縮力が加えられる面として{110}面の結晶面を有
するように形成され、この結晶面が前記ダイヤフラム部
と平行になるよう取付けられたSi単結晶体と、 前記Si単結晶体上に、その{110}面上における結
晶の<001>方向より45度の方向に対向して設けた
第1の電極と、<110>方向より45度の方向に対向
して設けた第2の電極と、を含み、これら第1および第
2の電極のいずれか一方を出力電極とし、他方を入力電
極として用いる複数の電極と、 一端側が前記Si単結晶体の{110}面の結晶面と接
合され、他端が前記ダイヤフラム部に接するよう形成さ
れ、ダイヤフラム部に印加される圧力を圧縮力としてS
i単結晶体の結晶面に垂直に伝達し、Si単結晶体の{
110}面の結晶面と接合される複合台座と、 前記Si単結晶体の、台座が接合された面と対向する面
と接合されるステムと、 を含み、前記ステムは、 前記Si単結晶体の台座が接合された面と対向する面と
接合され、そのSi単結晶体を支持するための支持基台
と、 前記出力電極から出力される電気信号を外部に取出すた
めの複数の出力電極端子と、 前記入力電極へ外部から電流を通電するための複数の入
力電極端子と、 これら入力電極端子、出力電極端子および支持基台を一
体的に保持する保持手段と、 を含み、 前記入力電極端子からSi単結晶体に電流を流しながら
Si単結晶体の結晶面に垂直に圧縮力を作用させ、出力
電極端子からダイヤフラム部の表面に作用する高温流体
の圧力に対応した電圧を出力することを特徴とする高温
流体用圧力センサ。 - (2)特許請求の範囲(1)記載のセンサにおいて、 熱容量の大きいブロック部に設けられた接合用凹部を、
前記ダイヤフラム部の表面中央部付近に設けられた接合
用凸部に接合し、ブロック部をダイヤフラム部の表面に
取り付け固定したことを特徴とする高温流体用の圧力セ
ンサ。 - (3)特許請求の範囲(1)(2)のいずれかに記載の
センサにおいて、 前記ダイヤフラム部表面に圧力印加方向に向け設けられ
たネジ孔に調整ネジを螺合し、この調整ネジを用い、ダ
イヤフラム部を圧力印加方向に変形させ、力変換素子に
予め与える圧縮力を調整するよう構成したことを特徴を
する高温流体用の圧力センサ。 - (4)特許請求の範囲(1)〜(3)のいずれかに記載
のセンサにおいて、 前記Si単結晶体は、 不純物濃度が1×10^1^5/cm^3〜1×10^
2^1/cm^3の範囲に制御され、その厚さが50μ
m以下となるように形成されたことを特徴をする高温流
体用の圧力センサ。
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP18633388A JPH0610641B2 (ja) | 1988-07-26 | 1988-07-26 | 高温流体用圧力センサ |
US07/384,817 US4993266A (en) | 1988-07-26 | 1989-07-25 | Semiconductor pressure transducer |
DE89113807T DE68905967T2 (de) | 1988-07-26 | 1989-07-26 | Piezoresistiver Si Einkristall Druckwandler. |
EP89113807A EP0352773B1 (en) | 1988-07-26 | 1989-07-26 | Piezoresistive si single crystal pressure transducer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP18633388A JPH0610641B2 (ja) | 1988-07-26 | 1988-07-26 | 高温流体用圧力センサ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0236328A true JPH0236328A (ja) | 1990-02-06 |
JPH0610641B2 JPH0610641B2 (ja) | 1994-02-09 |
Family
ID=16186513
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP18633388A Expired - Lifetime JPH0610641B2 (ja) | 1988-07-26 | 1988-07-26 | 高温流体用圧力センサ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0610641B2 (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5488868A (en) * | 1993-06-01 | 1996-02-06 | Nippondenso Co., Ltd. | High-temperature pressure sensor |
JP2009229242A (ja) * | 2008-03-22 | 2009-10-08 | Denso Corp | 荷重センサ及びその製造方法 |
JP2009229416A (ja) * | 2008-03-25 | 2009-10-08 | Denso Corp | 荷重センサ |
JP2015052597A (ja) * | 2013-09-05 | 2015-03-19 | ピエツォクリスト・アドヴァンスト・ゼンゾリクス・ゲー・エム・ベー・ハー | 圧力センサ |
-
1988
- 1988-07-26 JP JP18633388A patent/JPH0610641B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5488868A (en) * | 1993-06-01 | 1996-02-06 | Nippondenso Co., Ltd. | High-temperature pressure sensor |
JP2009229242A (ja) * | 2008-03-22 | 2009-10-08 | Denso Corp | 荷重センサ及びその製造方法 |
JP4577585B2 (ja) * | 2008-03-22 | 2010-11-10 | 株式会社デンソー | 荷重センサの製造方法 |
JP2009229416A (ja) * | 2008-03-25 | 2009-10-08 | Denso Corp | 荷重センサ |
JP4687737B2 (ja) * | 2008-03-25 | 2011-05-25 | 株式会社デンソー | 荷重センサ |
JP2015052597A (ja) * | 2013-09-05 | 2015-03-19 | ピエツォクリスト・アドヴァンスト・ゼンゾリクス・ゲー・エム・ベー・ハー | 圧力センサ |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH0610641B2 (ja) | 1994-02-09 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP0352773B1 (en) | Piezoresistive si single crystal pressure transducer | |
EP0735352B1 (en) | Force transducer and method of fabrication thereof | |
US3697918A (en) | Silicon diaphragm pressure sensor having improved configuration of integral strain gage elements | |
US3270554A (en) | Diffused layer transducers | |
US6973836B2 (en) | Semiconductor pressure sensor having diaphragm | |
US4683755A (en) | Biaxial strain gage systems | |
US10910500B2 (en) | Load sensing devices, packages, and systems | |
Gieles et al. | Miniature pressure transducers with a silicon diaphragm | |
EP0303875A2 (en) | Si crystal force transducer | |
US3213681A (en) | Shear gauge pressure-measuring device | |
JPH0236328A (ja) | 高温流体用圧力センサ | |
JPS59158566A (ja) | 半導体加速度センサ | |
US3161844A (en) | Semiconductor beam strain gauge | |
US20040177699A1 (en) | Semiconductor pressure sensor | |
US11428594B2 (en) | Resonant pressure sensor with improved linearity | |
JP2864700B2 (ja) | 半導体圧力センサ及びその製造方法 | |
EP3056865B1 (en) | Sensor arrangement | |
JPH0236575A (ja) | 力変換装置 | |
JPS5983023A (ja) | 半導体圧力差圧検出器 | |
JPH06201492A (ja) | 力変換素子 | |
JPH0714070B2 (ja) | 力変換素子 | |
JPS59217374A (ja) | 半導体ひずみ変換器 | |
Duffield et al. | TRANSDUCERS WITH SEMICONDUCTOR STRAIN GAUGES | |
JP2611330B2 (ja) | 半導体圧力センサ | |
JPS61214583A (ja) | 半導体圧力変換装置 |