JPH0443680A - 半導体圧力センサ - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の目的 ［産業上の利用分野］ 本発明は半導体圧力センサに関し、詳しくはダイアフラ
ムに作用する荷重を伝達ロッドを介して、センサエレメ
ントに伝達する半導体圧力センサに関する。

［従来の技術］ 従来のこの種の半導体圧力センサに、ダイアフラムをス
テンレス鋼（ＳＵＳ６３１）等の金属材料により形成し
、ダイアフラムの受圧面の反対面に、セラミックスから
なる伝達ロッドを接着したものが知られている。接着剤
には低融点ガラスやエポキシ等が用いられる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記従来の構成では、個々のセンサによ
って圧力−出力特性にばらつきが生じた吠使用状況によ
っては圧力−出力特性が変化するという問題がある。

例えば、従来の構成では、ダイアフラムと伝達ロッドと
が接着されるが、接着剤自体に物性値の大きなばらつき
があることと、接着剤の層の厚みを均一に形成できない
ことから、ダイアフラムから伝達ロッドまでの力の伝達
系のばね定数が、センサの個々でばらついてしまう。こ
の結果、センサ個々によってセンサエレメントに伝達さ
れる力に差が生じ、圧力−出力特性がばらつくのである
。

また、上記接着剤の層が、長期の使用や、高温環境下で
の使用により、クリープ等の経時変化を起して、センサ
の圧力−出力特性が変化することがある。

さらに、ダイアフラムが金属であるのに対して、伝達ロ
ッドはセラミックスからなり、両材料の線膨張率が相違
するから、ダイアフラムと伝達ロッドどの間に、体積変
化の違いに起因する歪が発生して、圧力−出力特性が変
化することがある。

本発明の半導体圧力センサは上記課題を解決し、圧力−
出力特性のばらつきや、変化を軽減するすることを目的
とする。

発明の構成 ［課題を解決するための手段］ 本発明の半導体圧力センサは、 ダイアフラムの受圧面の反対面に、該ダイアフラムに作
用する荷重を伝達する伝達ロッドを設け、該伝達ロッド
を介して前記作用する荷重を、作用力の大きさに応じ出
力信号を変化するセンサエレメントに伝達する半導体圧
力センサにおいて、前記ダイアフラムと前記伝達ロッド
とをジルコニアの一体成形により構成したことを特徴と
する。

［作用］ 上記構成を有する本発明の半導体圧力センサにおいて（
友　ダイアフラムの受圧面に作用する荷重を、ダイアフ
ラムに一体成形した伝達ロッドを介して、センサエレメ
ントに伝達する。センサエレメントは伝達された力の大
きさに応じて出力信号を変化する。

上述のようにダイアフラムと伝達ロッドとはジルコニア
の一体成形により構成さね寸法精度がよいから、ダイア
フラムから伝達ロッドまでの力の伝達系のばね定数がセ
ンサの個々で均一化する。

この結果、センサ個々の圧力−出力特性のばらつきが小
さくなる。

また、ジルコニアは機械的強度に優れかつ耐熱性が高い
から、長期の使用や高温環境下での使用によっても、経
時変化が微小である。したがって、センサの圧力−出力
特性の変化がほとんどない。

さらに、ダイアフラムと伝達ロッドとが同一材料（ジル
コニア）からなり、線膨張率が同じであるから、温度変
化によって体積変化が生じても、ダイアフラムと伝達ロ
ッドとの間１こ、体積変化による歪がほとんど発生ぜず
、圧カー呂力特性の変化がほぼない。

「実施例］ 以下本発明の半導体圧力センサの実施例について説明す
る。第１図は第１実施例の半導体圧力センサの縮断面図
である。

半導体圧力センサはバルク型のセンサであって、ダイア
フラム］と、伝達ロッド３と、センサエレメント５と、
ハウジング７とを備える。

ダイアフラム］および伝達ロッド３は、部分安定化ジル
コニアの一体成形により構成される。部分安定化ジルコ
ニアは曲げこわさが大きく、かつ耐熱性と熱絶縁性とに
優れる材料である。熱伝導率は２．５Ｗ／ｍＫであり、
極めて小さい。

ダイアフラム１の外周部には円筒部９が部分安定化ジル
コニアの一体成形により構成される。円筒部９の下端部
には、メタライジング層］］が形成される。このメタラ
イジング層］］ヲ介して、ダイアフラム］等の一体成形
品が、ろう付は部１３によりハウジング７に接合される
。メタライジング層］］は、タングステン等により形成
される。

ろう付は部１３は銀ろうによりなさ札耐熱性が与えられ
る。なお、ハウジング７は鉄、〕バール、各種ステンレ
ス材等から形成される。

センサエレメント５はセンサチップ１５と、センサチッ
プ］５に接合された台座］７とを備える。

合作］７の底面は接着剤１９によりハウジング７の内部
の底に取り付けられる。接着剤１９には、通常、エポキ
シ系またはフェノール系樹脂の接着剤が用いられる。

このセンサエレメント５乞、第２図（Ａ）の正面図、第
２図（Ｂ）の平面図に示す。

センサチップ］５は所定の結晶軸、所定の導電型（Ｐ型
）、所定の抵抗率を有する単結晶シリコンから形成され
た電圧−電流直交型歪ゲージである。平面形状は正方形
または長方形である。厚みは数μｍから数百μｍである
。

センサチップ］５の上面には、４辺の各々にそって、４
個の電極２］がアルミニウム等の薄膜により形成される
。４個の電極２１のうち、図示するように、２個が入力
電極、２個が出力電極である。入力の＋、−電極は、所
定の結晶軸方向の２辺にそって配置される。出力の＋、
−電極は、入力電極の配置された辺に隣接し直交する２
辺のそれぞれにそって配置される。入力の＋、−電極間
に１表　あらかじめ定電圧または定電流が印加される。

出力の＋、−電極間には、センサチップ］５の圧縮歪に
比例した電圧出力が発生する。

上記各電極２１（上　第１図に示すように、ボンディン
グワイヤ２３により、信号取出用のリード端子２５に接
続される。リード端子２５は、第１図に示すように、ハ
ウジング７を貫通して外部に突出する。

一方、台座１７は耐熱ガラス（商品名パイレックス＃７
７４０など）や、結晶化ガラス、シリコン等から形成さ
れる。なお、台座］３の材料としては、その材料の線膨
張率が、シリコン（センイノーチップ］５の材料）の線
膨張率に近い値のものが選択される。

センサチップ］５の上面にはロッド２７が接合される。

ロッド２７は伝達ロッド３の伝達する力を、センサチッ
プ１５の所定部分に伝達する。ロッド２７の材料として
は、台座１３と同様の材料が選択される。

上記台座１３とロッド２７とは、いずれもセンサチップ
１５に、陽極接合等の直接接合により接合される。直接
接合されていても、上述のように台座１３と伝達ロッド
２７とに、線膨張率に配慮した材料が用いられるから、
台座１３とセンサチップ］５との間や、伝達ロッド２７
とセンサチップ］５との間には、熱による歪が発生しな
い。なお、陽極接合は、接着剤を用いずに静電力で接合
する方法である。高温、高電圧印加にて、接合部材の界
面が融合することを利用する。陽極接合によれ（ｆ−接
合部の歪や熱応力が小さくなり、接合強度が高くなる。

上記構成を有する半導体圧力センサにおいては、ダイア
フラム１の受圧面に作用する荷重が、ダイアフラム］に
一体成形した伝達ロッド３と、ロッド２７どを介して、
センサエレメント５に伝達する。センサエレメント５の
センサチップ１５は、伝達された力の大きさに応じて圧
縮歪を生する。

この結果、伝達された力に応じた電圧出力、即ち被測定
対象の圧力に応じた電圧出力がリード端子２５から検出
される。

既述したように、ダイアフラム］と伝達ロッド３とは部
分安定化ジルコニアの一体成形により構成されるから、
寸法精度がよい。したがって、ダイアフラム］から伝達
ロッド３までの力の伝達系のばね定数は、センサの個々
でほぼ一定になる。

センサの個々の圧力−出力特性がばらつかず、そろう。

ヒステリシス特性の向上も図られる。

また、部分安定化ジルコニアは曲げこわさが大きく、耐
熱性に優れるから、長期の使用や高温環境下での使用に
よっても、経時変化がほとんど発生せず、センサの圧力
−出力特性が変化しない。

さらに、ダイアフラム］と伝達ロッド３とが部分安定化
ジルコニアからなり、線膨張率が同じであるから、温度
変化にともなってダイアフラムと伝達ロッドとが体積変
化しても、歪がほとんど発生せず、圧力−出力特性が変
化しない。

以上説明したように、第１実施例に示す半導体圧力セン
サによれば、ダイアフラム１と伝達ロッド３とを部分安
定化ジルコニアの一体成形により構成したから、センサ
の個々で圧力−出力特性りくそろうとともに、セ〉・す
の圧力−出力特性がほとんど変化１〜ないという優れた
効果乞奏する。

また、部分安定化ジルコニアは熱絶縁性があるから、被
測定物の温度が５００°Ｃり越える場合でも、センザエ
レメン）・５の温度上昇が抑えら札良好な測定精度が得
られる利点がある。もちろん、５００″Ｃを越える場合
でも、部分安定化シルコアからなるダイアフラム］の機
能は損なわれない。

従来のセンサでは、ダイアフラムが金属製であったため
、このような高温下では、その機能が熱応力やクリープ
によって損なわれてしまい、測定できず、使用温度範囲
が制約された。

加えて、部分安定化ジルコニアは曲げこわさが大きいの
で、高圧力の測定が可能である。

こうしたことからこの半導体圧力センサは、高温環境下
での高圧力の測定に適用できる。例えば自動車エンジン
の燃焼圧力の検出など、過酷な測定条件においても良好
に働く。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこう
した実施例に何等限定されるものではなく、例えば伝達
ロッドの断面形状は円形でも多角形でもよく、伝達ロッ
ドやダイアフラムの形状は問わないなど、本発明の要旨
を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得る
ことは勿論である。

発明の効果 以上詳述したように、本発明の半導体圧力センサによれ
ば、ダイアフラムと伝達ロッドとをジルコニアの一体成
形により構成したから、センサ個々の圧力−出力特性の
ばらつきや、センサの圧力出力特性の変化を軽減できる
という優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体圧力センサの第１実施例を示す
縮断面図、第２図（Ａ）はそのセンサエレメントの正面
図、第２図（Ｂ）はセンサエレメントの平面図である。 １・−・ダイアフラム ３・・・伝達ロッド ５・・・センサエレメント ７・・・ハウジング ］５・・・センサチップ ２１・・・電極

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １　ダイアフラムの受圧面の反対面に、該ダイアフラム
   に作用する荷重を伝達する伝達ロッドを設け、該伝達ロ
   ッドを介して前記作用する荷重を、作用力の大きさに応
   じ出力信号を変化するセンサエレメントに伝達する半導
   体圧力センサにおいて、前記ダイアフラムと前記伝達ロ
   ッドとをジルコニアの一体成形により構成したことを特
   徴とする半導体圧力センサ。