JPH065188B2 - 半導体圧力センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ダイヤフラムを介して印加される外部圧力を
測定することのできる半導体圧力センサに関するもので
ある。

［従来の技術］ 水圧、ガス圧、油圧等の測定には、その実用性の高さか
ら半導体圧力センサを使用した測定装置が広く利用され
ている。

まず、従来の半導体圧力センサについて第４図を参照し
て説明する。

第４図は従来の半導体圧力センサの一例を示した側面断
面図であり、１は鉄あるいはステンレス等で円筒状に形
成されている本体ケースであり、本体ケース１の前面開
口部１ａはダイヤフラム２によって密封されている。な
お、ダイヤフラム２には弾性付加を目的として、同心円
状のコルゲーション２ａ、２ｂが設けられている。

３はＮ型のシリコン基板上に拡散技術によって４辺のＰ
型歪ゲージ層を形成した半導体チップであり、本体ケー
ス１内に固定されている。また、ダイヤフラム２によっ
て密封された本体ケース１の開口部１ａ内には通常、シ
リコンオイルＳが充填されている。

このような半導体圧力センサによって油圧の圧力を計測
する場合は、例えば第５図に示すように、まず半導体圧
力センサを測定用アダプタ５に装着し、この測定用アダ
プタ５を例えば油圧回路６の壁面に取り付ける。する
と、測定用アダプタ５を介して油圧回路内の作動油Ｒが
図中矢印方向に流入し、作動油Ｒが半導体圧力センサの
ダイヤフラム２に対接する。この作動油Ｒの圧力によっ
てダイヤフラム２が押圧されると、内部に充填されてい
るシリコンオイルＳの液圧が上昇するため、シリコンオ
イルＳに表面が接触している半導体チップ３が圧力によ
って歪み、この歪によって４辺のＰ型拡散層がピエゾ抵
抗効果によって抵抗変化をおこすことになる。

従って、この抵抗変化を電圧、または電流の変化として
リード端子４を介して検出するようにすることにより、
作動油Ｒの圧力（ダイヤフラム２に印加された圧力）を
計測することができるものである。

［発明が解決しようとする問題点］ このような半導体圧力センサは実用上、、高性能で信頼
性も高いものであるが、上記のような方法で圧力測定を
行なう場合、測定時の過渡的な現象として、ダイヤフラ
ム表面上に付加される液圧の圧力分布が一様にならない
ことから以下のような問題点が発生する。

例えば、前述した第５図に示したように半導体圧力セン
サが測定用アダプタ５を介して油圧回路６に取り付けら
れていると、作動油Ｒの圧力（250Kg）が、測定用アダ
プタ５の流入孔（2mm位）をとおして、まずダイヤフラ
ム２の中心部分に到達し、その後周囲に拡散していくこ
とになる。

従って、作動油Ｒの圧力上昇が急激に変化するような時
はダイヤフラム２に作動油Ｒの粘性によって、瞬間的に
中心部分に局部的な圧力が加わることになり、その後、
ダイヤフラム２の表面全体に一定の圧力が加わることに
なる。

このときのダイヤフラム２の表面に印加されるの圧力分
布状態及びその局部的な圧力によって変化するダイヤフ
ラム２の状態を第６図（ａ）〜（ｂ）に示す。

この図にみられるように、作動油Ｒの圧力が瞬間的に上
昇したときは、まずダイヤフラム２の中央部分にのみ局
部的な圧力が印加され、その後僅かな時間ではあるが、
この中央部分に印加された圧力がダイヤフラム２の周辺
方向に分散することによって、その圧力分布は第６図
（ｂ）→（ｃ）と推移する。そして、圧力上昇が一過的
なものであれば、第６図（ｄ）に示すような定常状態に
なる。このような圧力変化をそのままダイヤフラム２が
受けると、ダイヤフラム２の表面は、この圧力変化に対
応して歪み、圧力変化が激しいときは図示するような形
状変化を起こすことになる。

このようにダイヤフラム２に印加される圧力が瞬間的に
変化するような場合であって、かつ、このような圧力変
化が繰り返して発生すると、第６図に示すようなダイヤ
フラム２の分割振動が頻繁に行なわれることになり、ダ
イヤフラム２のＡ部分（エッジ）に最も大きな応力が印
加されることとなりＡ部分に亀裂を生じるという致命的
なダメージを受ける。そして結局、半導体圧力センサの
耐久性を低下させているという問題がある。なお、この
ような局部的な圧力の発生及び、ダイヤフラムの分割振
動は、油圧回路６内に混入した空気粒の影響によって生
じることもある。

さらに、第６図（ａ）〜（ｂ）に示すような歪みがダイ
ヤフラム２に発生すると、作動油Ｒの圧力変動が半導体
圧力センサ内のシリコンオイルに率直に伝達されること
を阻害することになるため、半導体圧力センサの応答性
を損なってしまうという問題も発生する。

［問題点を解決するための手段］ 本発明はこのような問題点にかんがみてなされたもの
で、半導体圧力センサにおけるダイヤフラムの内側に、
中心部分のみを、例えばスポット溶接等によってダイヤ
フラムと結合されて、ほぼダイヤフラムの内側表面全体
と対接している円盤状の保護板を設けたものである。

［作用］ ダイヤフラムと中心部分のみで溶接固定された保護板が
ダイヤフラムの内側表面のほぼ全体において対接するよ
うに位置することによって、ダイヤフラム外部表面に局
部的な圧力を受けた場合でも、その局部的な圧力は保護
板の作用によってダイヤフラム表面全体に分散され、ダ
イヤフラムに印加された局部的な加圧力に起因する分割
振動の発生を阻止し、ダイヤフラムの保護と、半導体圧
力センサの応答性の改善を行なうことができる。

［実施例］ 第１図（ａ）（ｂ）は本発明の一実施例を示した斜視図
及び側面断面図であり、第４図と同一符号は同一部分を
示す。

図中１０は例えばステンレス等で形成された保護板を示
し、この保護板１０には周囲にフランジ部１０ａが形成
されている。

またこの保護板１０の上部平面は、ほぼダイヤフラム２
の内側表面全体と近接するものとなっており、ダイヤフ
ラム２及び保護板１０の中心部分となるＰ点の領域でダ
イヤフラム２とスポット溶接されて結合されている。

このように、ダイヤフラム２の内側表面に、中心部分で
ダイヤフラム２と結合された保護板１０を設けることに
よって、前述したような瞬間的に圧力が繰り返し印加さ
れ、局部的な圧力がダイヤフラム２の外部表面に加えら
れても、ダイヤフラム２が分割振動をおこしてしまうこ
とはない。

すなわち、前述した第６図と同様に局部的な圧力が発生
しても、その局部圧力は、第２図（ａ）〜（ｂ）に示す
ように、まず、保護板１０の質量によって受け止めら
れ、ダイヤフラム２の大きな変形を防止する。次に、局
部的な圧力がダイヤフラム２の周辺に分散する過程で
は、このダイヤフラム２の裏面と保護板１０の隙間Ｃに
あるシリコンオイルが粘性抵抗として作用し、ダイヤフ
ラム２の歪力を緩和することができる。従って、ダイヤ
フラム２のＡ部分（エッジ）に不自然な応力が発生する
ことを大幅に改善し、繰り返して瞬間的な圧力変動が生
じるような場合でも、金属疲労によってエッジの部分に
亀裂が入るようなダメージを受けることが殆どない。ま
た分割振動が発生しないため、半導体圧力センサの応答
性も向上する。

なお、保護板１０の厚みは、ダイヤフラム２の厚みの３
倍程度にすると効率的に局部的な圧力の分散が行うこと
ができる。また、第２図（ａ）〜（ｃ）の状態におい
て、開口部１ａ内に充填されたシリコンオイルＳが、ダ
イヤフラム２と保護板１０の隙間部分Ｃに多少入り込ん
でしまうことも前述したように、圧力の分散に効果的に
作用する。

また、保護板１０にはフランジ部１０ａが設けられてい
るため、保護板自体の剛性を高くすることができると同
時に、万一、ダイヤフラム２のエッジ部分にひび割れが
生じたときでも、第３図に示すような、フランジ部１０
ａと本体ケース１の段部１ｂが当接した状態で、外部圧
力によるダイヤフラム２の陥没が制限される。そのた
め、ダイヤフラム２の一部、特にエッジ部分などが破損
してしまったような場合でも、半導体チップ３を保護す
ることができ、ダイヤフラムの破損が僅かな状態であれ
ば、引き続き圧力センサとして動作を行なうことができ
るため、セーフティフォール（Safty Fall）の機能を
持たせることができる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の半導体圧力センサは、ダ
イヤフラムの内側表面に対接し、ダイヤフラムと中心領
域で結合された保護板を設けたため、ダイヤフラムに局
部的な圧力が瞬間的に印加されても、ダイヤフラムが分
割振動に起因する湾曲をおこしてしまうことはなく、ダ
イヤフラムの損傷を防止し、かつ、半導体圧力センサの
耐久性を向上することができるという効果がある。

また、ダイヤフラムの不自然な湾曲によって引き起こさ
れる伝達特性の劣化をなくすことにより、半導体圧力セ
ンサの応答性を向上させることができると同時に、半導
体圧力センサの検出部の保護を行なうことができるとい
う効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）（ｂ）は本発明の半導体圧力センサの一実
施例を示す斜視図及び側面断面図、第２図（ａ）〜
（ｄ）は本発明においてダイヤフラムの圧力分布と状態
変化の関係を示す説明図、第３図は本発明のフランジ部
の作用の説明のための側面断面図、第４図は従来の半導
体圧力センサを示す側面断面図、第５図は半導体圧力セ
ンサによる圧力測定状態の一例を示す側面断面図、第６
図（ａ）〜（ｄ）は従来の半導体圧力センサにおけるダ
イヤフラムの圧力分布と状態変化の関係を示す説明図で
ある。 １は本体ケース、１ａは開口部、１ｂは段部、２はダイ
ヤフラム、３は半導体チップ、１０は保護板、１０ａは
フランジ部、Ｓはシリコンオイルを示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内部に半導体歪ゲージを形成した半導体チ
   ップが収容されているケース開口部を、ダイヤフラムに
   よって密封した半導体圧力センサにおいて、前記ダイヤ
   フラムによって密封されたケース開口部内に前記ダイヤ
   フラムの中心領域と結合され、前記ダイヤフラムの裏面
   と対接しているフリーエッジの保護板が設けられている
   ことを特徴とする半導体圧力センサ。
2. 【請求項２】前記保護板の周囲にフランジ部が形成され
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項に記
   載の半導体圧力センサ。