JPS6243529A

JPS6243529A - 半導体圧力変換素子および流体圧力検出器

Info

Publication number: JPS6243529A
Application number: JP18181585A
Authority: JP
Inventors: Minoru Nishida; 実西田; Naohito Mizuno; 直仁水野; Tadashi Hattori; 正服部
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1985-08-21
Filing date: 1985-08-21
Publication date: 1987-02-25

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】〔産業上の利用分野〕本発明は油や気体の様な流体の圧力を電圧に変換するた
めの圧力変換素子ならびに咳素子を用いた圧力検出器に
係り、特に高圧流体の圧力を積出するのに通した素子お
よび積出２＝に関する。

〔従来技術〕

−Ｓに、高い圧力を検出する場合にはブルドン管を用い
た圧力計や金属箔ゲージを用いた圧力計が使用される。

前者は構成が簡単で安定した出力を得ることができるが
形状が大きいという難点があり、後者は金属箔ゲージの
感度が小さいために回路処理が難しく計測器として使用
するのは良いが圧力検出センサとして常時使用するには
１ドリフトが問題となる。

感度の高いゲージとして半導体ゲージを用いたものが知
られている（例えば、実開昭５５−４７６１５号公報、
実開昭５６−９６３４４号公報）、これらは一般に大気
圧前後の低圧の流体圧力を検出することを目的としたも
ので、このため、半導体ウェハーの片面をエツチングす
ることにより薄いダイアフラム部分が形成される（同公
報参照）、この様にエツチング技術を使用するので、加
工面が粗面となり蒸着等により電極を被着した場合には
電極が剥離し易く、また、エツチングにより形成された
凹みの側壁が台形に（頃斜するのでフォトリソグラフィ
ー技術を用いてｆ極を形成するのが困難である。

従って、必然的に、半導体ウェハーのおもて面に半導体
歪ゲージおよび電極を形成し、裏面にエツチングを施さ
ねばならないこととなる。また、この様に形成された半
導体チップばダイに接着されるのであるが、チップとグ
イとの接着部からリード線を引き出すのは困難であるの
で、リード線配線上の見地からも半導体歪ゲージはウェ
ハーのおもて面に形成することが要請される。

この様に、従来の半導体圧力変換素子においては半導体
ダイアフラムのおもて面にゲージや電極が配置されてい
るので、被検出流体や同伴物質がゲージや電極に直接に
接触してそれらを劣化させるという問題がある。そこで
、従来技術においては、圧力導入用通路にシール部材を
設けること（実開昭５６−９６３４４号公！１りや、充
填材や液体中にゲージ等を封止すること（特開昭５６−
６９８４９号公報）が提案されているが、構造が複雑で
コストが高くなる。構造上高圧の検出に通さない１等の
問題があった。・〔発明の目的〕本発明の目的は、高圧流体の圧力を検出するのに通した
強固な構造を有し、半導体歪ゲージや電極の劣化を防止
し得る様な横道を有する高感度で信頌性の高い圧力変換
素子を提供することにある。

本発明は、また、半導体圧力変換素子を用いた流体圧力
検出器において圧力変換素子のダイアフラムが外因によ
って破損した場合にも流体洩れが生ずることの無い構造
を提供することを目的としている。

〔問題点を解決するための手段および作用の概要〕本発
明の半導体圧力変換素子は、中央に凹みを有し前記凹み
の縁に沿って平らな支持面を有する剛性ホルダと、前記
中央凹みを密閉するべく前記支持面に沿って剛性ホルダ
に接合された実ｎ的に平らな半導体ダイアフラムと、前
記凹みに面する側において半導体ダイアフラムに形成さ
れた半導体歪ゲージと、前記半導体歪ゲージに電圧を印
加するための手段であって前記ホルダを気密裡に貫通し
たもの、とを備えて成る。

この圧力変換素子を高圧流体環境に置くと、外部圧力に
より半導体ダイアフラムは凹みに向って内側に撓み、半
導体歪ゲージに歪が生じる。ゲージに電圧を印加してお
くと、歪みにより抵抗が変化し、圧力に応じた電圧を出
力する。半導体歪ゲージはダイアフラムとホルダとで囲
繞された密閉空間に而してダイアフラムの裏面に形成さ
れているので、外部流体と全く接触することが無い、こ
のため、流体またはその同伴勧賞の作用による劣化を受
けることが無く、また異物による機械的損傷を受けるこ
ともない。

本発明は、また、前記半導体圧力変換素子を用いた流体
圧力検出器を提供するもので、この検出器は、（イ）前
記半導体圧力変換素子と、（ロ）前記半導体ダイアフラ
ムが外側に面する様に前記半導体圧力変換素子を支持し
た端壁を存する中空のハウジングと、（ハ）前記ハウジ
ングの内部に配置され前記半導体歪ゲージからの電圧を
処理して５８号を出力する電子回路部と、（ニ）前記電
子回路部からの出力信号をハウジング外部に取り出すた
めの手段、とを備えて成る。

本発明の他の特徴は以下の記載に従い明らかにする。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基いて説明するに、第１
図は本発明の圧力変換器の一実施例を示すもので、この
圧力変換器に用いる本発明の圧力変換素子の一実施例は
第２図および第３図の拡大図に示されている。

第１図において、圧力変換器１０は密閉された中空のハ
ウジング１２を有する。このハウジング１２は検出器本
体１４とコネクタ１Ｇとで構成され、コネクタ１６はハ
ウジング１２の一部（上端壁）を構成している。コネク
タ１６はスペーサ１８および０リング２０を介して本体
１４に固定される。

本体工４にばねじ山２２が設けてあり、被検出流体の流
れる導管または被検出流体を収容した容器その他の部材
に検出器１０を螺着し得る様になっている。

本体１４の下端壁２４の外面には第２図および第３図を
参照して後述する本発明の圧力検出素子２６が固定され
る。素子２６は流体圧力を検出し、電極２８を介して電
気信号を出力する。３０はセラミック基板であり、本体
１４に固定され電極２８に接続されている。３２は素子
２６の信号を増幅処理して外部に出力するための電子回
路部、例えばハイブリッドＩＣであり、ボスト３４によ
ってセラミック基板３０に支持されていると共に電気接
続されている。電子回路部３２とコネクタ１６はリード
線３６により接続されている。

第２図において、素子２６のホルダ３８は胴部４０とシ
ールドプレート４２とで構成することができる。ホルダ
３８は中央に例えば段付円柱形の凹み４４を有し、胴部
４０にはこの凹み４４の縁４６に沿って平らな支持面４
８が形成しである。

半導体ダイアフラム５０は接着剤５２によりこの支持面
４８に沿って胴部４０に接合される。これにより凹み４
４は密閉される。接着剤５２としては、結晶性ガラスハ
ンダ、低融点ガラス、′Ｐ４脂。

等を用いることができる。半導体ダイアフラム５０には
例えばＮ型シリコンウェハーを用いることができる。サ
ファイアの上にシリコン単結晶薄膜を形成したものを用
いるとダイアフラムの厚さを薄くすることができる。シ
リコンダイアフラム５０の厚さは適宜決定することがで
きるが、例えば２００　ｋｇ　／　ｃｄの耐圧強度を保
証したい場合には０．２〜０゜５龍とすると、凹み４４
に臨む部分の直径は０．６〜７．５　宜＊にすることが
できる。

５４はボンディング用セラミック基板であり、表面に与
電性ペーストを印刷したものを焼成して形成されている
。半導体ダイアフラム５０の表面に形成された後述する
歪ゲージの端子電極はボンディングワイヤー５６により
ボンディング用セラミンク基板５４のベースト部に接続
されている。

歪ゲージの出力を取り出す電極２８はボンディング用セ
ラミツク基板５４０ベースト部に固定され、シールドプ
レート４２を貫いて外部に延長している。シールドプレ
ート４２と電極２８との間は封着ガラス６０により封止
されかつ絶縁されている。

第３図は半導体ダイアフラム５０の表面を示し、４つの
半導体歪ゲージ６２　、６４　、６６　、６８が形成し
である。これらの半導体歪ゲージはＮ型シリコンウェハ
ーにボロンを拡散させることにより形成することが、で
きる、或いは、シリコン基板を熱酸化して５ｉ０２とし
てその上にポリシリコンもしくはアモルファスシリコン
もしくはシリコン単結晶の薄膜を形成したもの、または
サファイア基板の上にシリコン単結晶の薄膜を形成した
ものを用いても良く、半導体歪ゲージは熱拡散もしくは
イオン注入もしくはオートドーピング法により不純物を
注入することにより形成しても良い、また、シリコン以
外の半導体材料を使用してダイアフラムを構成しても良
い、半導体歪ゲージ６２と６４はダイアフラム５０の中
央部に配置され、６６と６８は凹み４４の開口部の縁４
６寄りに配置されている。

７０　、７２　、７４　、７６はフルミニラム等を蒸着
またはスパッタリングにより被着して形成した端子を極
であり、４つの半導体歪ゲージ６２　、６４　、６６　
、６８が周知の様にブリフジ回路を構成する様にそれら
の各端部を接続している。

次に、上記実施例の作動について説明する。圧力を検出
すべき高圧流体を収容する容器、導管。

その他の部材の開口に圧力検出器１０を取り付け、圧力
変換素子２６に流体圧力が印加されると、半導体ダイア
フラム５０およびそのホルダ３８ば等しく圧力を受ける
。ダイアフラム５０の周縁部はホルダ胴部４０の外向き
の支持面４８によって強固に支持されているので変形し
ないが、凹み４４に面した中央部は圧力により内側に歪
み、内部応力によって歪ゲージ６２および６４は引張り
応力を受け、歪ゲージ６６および６８ば圧縮応力を受け
、抵抗が変化する。従って、端子電極７０と７４とに一
定電圧Ｅを印加しておくと、ブリッジ回路の平衡が（ず
れ、端子を極７２と７６との間の電位差は流体圧力に応
じて変化する。この電位差を取り出して電子回路部３２
で増幅処理し、コネクタ１６を介して計測装置に信号を
出力することにより流体圧力を監視することができる。

第４図は半導体ダイアフラムの変化形を示すもので、ダ
イアフラム５０°の中央部をエツチング等により薄肉化
したものである。この様にすれば、前記実施例に較ベダ
イアフラムの感度を向上させることができる。

第５図は圧力検出器の他の実施例の一部を示したもので
、第１図および第２図に示した構成部材と均等の構成部
材は同じ参照番号で示し説明は省略する。この実施例は
、第２図の変換素子２６のホルダ３８のシールドプレー
ト４２を省略し、ハウジング本体１４の端壁２４を併用
してホルダ３８゛の頂壁を構成したものである。ホルダ
胴部４０ば接着剤５２と同様の接着剤７８により、端壁
２４に接着されている。

第６図は圧力検出器の更に他の実施例を示し、第１図の
ものと共通の構成部材は同じ参照番号で示し説明は省略
する。第６図の実施例は半導体圧力変換素子２６をハウ
ジング１２の内部に固定したものである。圧力変換素子
２６は接着剤８０によりハウジング本体１４′　の肩部
に接着され、リング８２を打ち込んで固定されている０
本体１４′には圧力導入通路８４が設けてあり、流体圧
力が素子２６に作用する様になっている。導入通路８４
とハウジング１２の内部とは接着剤８０により完全に遮
断されている。電子回路部はセラミック基Ｉｙｉ３０’
　　自体に印刷されている。この実施例ではハウジング
本体１４′のねじ部２２の横断面積は圧力導入通路８４
だけを確保する様に定めれば良いので、第１図の実施例
に較べねじ部の外径を小さくすることができる。

〔発明の効果〕

以上に述べた様に、本発明の半導体圧力変換素子におい
ては、半導体歪ゲージは半導体ダイアフラムの裏面（凹
み４４側の面）に設けてあり、ホルダとダイアフラムと
で密閉された内部空間に而しているので、外部環境から
完全に遮断されている。従って、半導体歪ゲージやその
端子を極が被検出流体やその同伴物質と接触することが
無く、腐食や衝撃等により劣化することが皆無となり、
長期間にわたり素子の作動の信頼性を保障することがで
きる。

また、半導体ダイアフラムばホルダの支持面に接合され
ており、高圧流体がダイアフラムに作用した時にはダイ
アフラムは益々ホルダに押し付けられる構造となってい
るので、接着剤５２による接合強度が小さくてもダイア
フラムがホルダから剥離することが無い。従って、本発
明の圧力変換素子は高圧流体の圧力検出に使用すること
ができる。

更に、この圧力変換素子を用いた本発明の流体圧力検出
器の一実施態様（第１図）においては、中空ハウジング
１２の外側に圧力変換素子が支持されておりハウジング
は完全にシールされているので、万−衝撃等によりダイ
アフラムが割れても被検出流体がハウジング内部を通っ
て洩出することが無い、この事は第６図の実施態様にお
いても同様であり、ハウジング内部に流入した流体はハ
ウジングの上端壁を構成するコネクタにより外部洩出が
阻止される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の流体圧力検出器の実施例の断面図、第
２図は本発明の半導体圧力変換素子の実施例の拡大断面
図、第３図は半導体ダイアフラムの平面図で半導体歪ゲ
ージおよび端子電極の配置例を示し、第４図は圧力変換
素子の変形例を示す断面図、第５図は圧力検出器の他の
実施例の一部の断面図、第６図は更に他の実施例の断面
図を示す。１０・・・流体圧力検出器、　　１２・・・ハウジング
、１４・・・ハウジング本体、　　１６・・・コネクタ
、２２・・・ねじ山、２４・・・ハウジング端壁、２６・・・半導体圧力変換素子、２日・・・電極、　　　　　　３２・・・電子回路部、
３６・・・リード線、　　　　　３８・・・ホルダ、４
０・・・ホルダ胴部、４２・・・シールドプレート、４４・・・ホルダの凹み、　　　４６・・・凹みの縁、
４８・・・ホルダの支持面、５０・・・半導体ダイアフラム、５２・・・接着剤、６２　、６４　、６６　、６８・・・半導体歪ゲージ、
７０　、７２　、７４　、７６・・・端子電極、８４・
・・圧力導入通路。圧力１２・・・ハウジング１４・・・ハウジング本体１６・−・コネクタ２４・・・端壁２６・・・圧力変換素子２８・・・電万第３図第５図

Claims

【特許請求の範囲】１、（イ）中央に凹みを有し前記凹みの縁に沿って平ら
な支持面を有する剛性ホルダと、（ロ）前記中央凹みを密閉するべく前記支持面に沿って
剛性ホルダに接合された実質的に平らな半導体ダイアフ
ラムと、（ハ）前記凹みに面する側において前記半導体ダイアフ
ラムに形成された半導体歪ゲージと、（ハ）前記半導体
歪ゲージに電圧を印加するための手段であって前記ホル
ダを気密裡に貫通したもの、とを備えて成る半導体圧力変換素子。２、前記半導体ダイアフラムの中央部の肉厚は周縁部の
肉厚より小さくしてなる特許請求１に基く半導体圧力変
換素子。３、（イ）中央に凹みを有し前記凹みの縁に沿って平ら
な支持面を有する剛性ホルダと、前記中央凹みを密閉す
るべく前記支持面に沿って剛性ホルダに接合された実質
的に平らな半導体ダイアフラムと、前記凹みに面する側
において半導体ダイアフラムに形成された半導体歪ゲー
ジと、前記半導体歪ゲージに電圧を印加するための手段
であって前記ホルダを気密裡に貫通したもの、とを備え
て成る半導体圧力変換素子と、（ロ）前記半導体ダイアフラムが外側に面する様に前記
半導体圧力変換素子を支持した端壁を有する中空のハウ
ジングと、（ハ）前記ハウジングの内部に配置され前記半導体歪ゲ
ージからの電圧を処理して信号を出力する電子回路部と
、（ニ）前記電子回路部からの出力信号をハウジング外部
に取り出すための手段、とを備えて成る流体圧力検出器。４、前記圧力変換素子のホルダの一部は前記ハウジング
の前記端壁により構成されている特許請求３に基く流体
圧力検出器。５、（イ）中央に凹みを有し前記凹みの縁に沿って平ら
な支持面を有する剛性ホルダと、前記中央凹みを密閉す
るべく前記支持面に沿って剛性ホルダに接合された実質
的に平らな半導体ダイアフラムと、前記凹みに面する側
において半導体ダイアフラムに形成された半導体歪ゲー
ジと、前記半導体歪ゲージに電圧を印加するための手段
であって前記ホルダを気密裡に貫通したもの、とを備え
て成る半導体圧力変換素子と、（ロ）前記半導体圧力変換素子を収蔵し前記半導体圧力
変換素子の半導体ダイアフラムに被検出圧力流体を導く
通路を有するハウジングと、（ハ）前記ハウジングの内
部に配置され前記半導体歪ゲージからの電圧を処理して
信号を出力する電子回路部と、（ニ）前記電子回路部からの出力信号をハウジング外部
へ取り出すための手段、とを備えて成る流体圧力検出器。