JPS635232A - 圧力検出器 - 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】 ［産業上の利用分野 本発明は圧力検出器に関し、特に内燃機関の燃焼室の如
き高温雰囲気の高圧を精度良く測定するに適した圧力検
出器に関する。

［従来の技術］ 圧力検出器の一般的構造としてはハウジングに受圧用ダ
イヤフラムを保持せしめてこれに歪ゲージを付設したも
のが多用されている。歪ゲージとしては従来は金属歪ゲ
ージが使用されてきたが、近年ではリニヤで高感度な出
力が得られ、かつ極めて小型化が可能な半導体歪ゲージ
が注目されている。

かかる半導体歪ゲージとしては、シリコン（Ｓｉ）単結
晶基板の表面にボロン（Ｂ）あるいはリン（Ｐ）等の不
純物をドープして歪ゲージ素子を形成し圧力検出素子と
したものが良く知られている。

［発明が解決しようとする問題点］ ところで、上記半導体式圧力検出素子は従来の金属歪ゲ
ージに比して上述の如き長所を有するものであるが、Ｐ
Ｎ接合構造を有することから温度上昇と共に生じるリー
ク電流により使用温度としては比較的低温域（約１５０
℃以下）に限られていた。

これに対して、米国特許箱３，８５８．１５０号には単
結晶シリコン基板上に絶縁膜を介して多結晶シリコン層
を形成し、該シリコン層に不純物をドープして歪ゲージ
素子を形成した圧力検出器が開示されており、これによ
れば、ＰＮ接合を有しないため、より高温域での圧力測
定が可能である。

しかしながら、ここに開示された圧力検出器は単結晶シ
リコン基板の中心部をエツチングにより薄肉として受圧
用ダイヤフラムとする構造であり、比較的低圧（３０Ｋ
ｇ／ｃｄ）を測定する用途にしか使用できないという問
題点があった。

内燃機関の燃焼圧を測定するには高温雰囲気（約５００
℃）で高圧（例えばディーゼルエンジンの場合は最高圧
的１００に！ｊ／ｄ）を測定する必要があり、本発明は
かかる高温下での高圧測定を精度良く行なうことが可能
な圧力検出器を提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 本発明の構成を第１図、第２図で説明すると、筒状ハウ
ジング３には先端開口にセンシングボデー２が保持せし
めており、該センシングボデー２は一部を薄肉として受
圧ダイヤフラム２１としである。該ダイヤフラム２１の
受圧面の反対面には圧力検出素子１が接合しである。上
記センシングボデー２は強度が大きく、かつ熱膨張係数
の小さい材料で構成され、かつ上記圧力検出素子１はシ
リコン基板１１上に絶縁層１２を介して形成した多結晶
シリコン層１３に不純物をドープして半導体歪ゲージ素
子となしたもので構成されている。

そして、上記シリコン基板を上記受圧ダイヤフラムの受
圧面の反対面に共晶接合により接合しである。

［作用、効果］ 圧力が印加されると受圧ダイヤフラム２１はこれに応じ
て変形し、上記ダイヤフラム２１に一体に接合された圧
力検出素子１からは変形歪に応じた出力信号が発せられ
る。

本発明によれば、上記圧力検出素子１上の半導体歪ゲー
ジ素子がＰＮ接合構造を有しないから高温雰囲気での使
用が可能であり、しかも圧力検出素子１を強度が大きく
、かつ熱膨張係数の小さい材料よりなる受圧ダイヤフラ
ム２１に充分な接合強度で共晶接合しであるから、高圧
を良好に測定することができる。

［実施例］ 第４図には圧力検出器の全体構造を示す。圧力検出器は
筒状ハウジング４を有し、該ハウジング４の小径の下半
部外周には取付用ネジ部４ａが形成され、大径の上半部
外周は六角面としである。

上記ハウジング４の先端開口には金属製筒状のセンシン
グヘッド３が溶接固定してあり、該センシングヘッド３
の先端開口には厚肉板状のセンシングボデー２が嵌着固
定しである。その詳細を第１図に示す。

図において、センシングボデー２は中心部に向けて段階
的に薄肉としてあり、最小薄肉部を受圧用ダイアフラム
２１となしてこれの直上に圧力検出素子１が接合される
。センシングボデー２は熱膨張係数が３ｉのそれと同程
度に小さい（２〜５Ｘ１０−６ｉ℃程度）Ｆｅ−Ｎｉ−
Ｇｏ系合金（例えば三菱金属株式会社　商品名「コバー
ル」）よりなり、下面外周縁に設けた突壁２ａをセンシ
ングヘッド３の開口縁に溶接固定しである。

圧力検出素子］の構造を第２図、第３図に示す。

基板１１は１００〜３００μｍ厚さのシリコン単結晶板
であり、該基板１１には上面全面に熱酸化により０．３
〜１．０μｍの厚さで８１０２層１２が形成され、この
上に減圧ＣＶＤにより約１μｍの厚さで多結晶シリコン
層１３が形成しである。

該多結晶シリコン層１３にはボロン（Ｂ）ないしリン（
Ｐ）を熱拡散によりドープし、これをドライエッチによ
ってパターンニングして半導体歪ゲージ素子１３ａ、１
３．ｂ、１３ｃ、１３ｄを形成する。

上記多結晶シリコン層１３上にはＰｔよりなる電極パタ
ーン１４を形成し、各電極パターン１４のパッド部１４
１を除いて全体をＳｉ３Ｎ４等のパッシベーション膜１
５で覆っである。上記各歪ゲージ素子１３ａ〜１３ｄは
受圧用ダイヤフラム２１の周縁部直上に位置し、フルブ
リッジ回路を構成している。

かかる構造の圧力検出素子１は接合層５（第１図）を介
してセンシングボデー２に接合固定しである。上記接合
層５はセンシングボデー２の上面にＡｃｔをメッキし、
これをシリコン基板１１のＳｉと共晶せしめることによ
り形成する。３ｉとＡＱは、第５図の状態図に示す如（
，３ｉ含有率１４．５％、温度８３０℃に共晶点を有し
、この温度付近で一定時間保持した後冷却して共晶接合
することができる。

上記圧力検出素子１の周囲にはアルミナ製リング板６１
が配設してあり、該リング板６１上に形成した複数の電
極（閃格）と圧力検出素子１上の上記各パッド部１４１
をＡＵ線等のワイヤ線６２で接続しである。上記リング
板６１はろう付は等によりセンシングボデー２に固定す
る。リング板６１の上記各電極にはリードピン６３の下
端がろう付は固定してあり、各リードピン６３はハウジ
ング４（第４図）内を通ってその上端部内に配設したタ
ーミナル板６４に半田付は固定しである。

ターミナル板６４の上方には増＠および温度補償用の信
号処理回路を形成したセラミック基板６５が配設され、
該基板６５はリードピン６７により上記ターミナル板６
４上に支持されるとともにこれに導通している。ハウジ
ング４の上端開口にはカバー体４１が覆着してあり、そ
の中心を貫通せしめたリード線６６の先端が上記基板６
５上の信号処理回路に接続しである。

上記構造の圧力検出器をネジ部４ａにより燃焼室壁に固
定するとセンシングヘッド３のテーパ部３１（第１図）
が室壁に接する。この状態で燃焼圧が受圧用ダイヤフラ
ム２１に印加されるとこれが変形し、変形歪に応じて半
導体歪ゲージ素子１３ａ、１３ｄの抵抗値が変化して出
力の度合に応じた信号が得られる。

この際、ダイヤフラム２１には高圧の燃焼圧が印加され
るが、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金よりなる上記ダイヤフラ
ム２１は充分な強度と対熱性を有し、かつこのダイヤフ
ラム２１に共晶接合により圧力検出素子１が強固に接合
されていることにより、ダイヤフラム２１の変形に応じ
た高感度の出力信号が得られる。

また、センシングボデー２が受ける熱はこれよりセンシ
ングヘッド３のテーパ部３１を経て燃焼室壁に放散され
て、センシングボデー２の温度上昇が抑制され、かつ上
記圧力検出素子１は絶縁層としての８１０２層１２上に
不純物をドープした多結晶シリコン層１３を設けて半導
体歪ゲージ素子を形成したから５００℃程度の高温雰囲
気でも高精度な測定が可能である。

センシングボデー２にはＡｇ２Ｏ３、あるいはＡｇ２Ｏ
３を含むＳｉ３Ｎ４のセラミックを使用することができ
、これを第６図に示す。センシングボデー２は上面外周
縁をセンシングヘッド３の段付部に接合してあり、その
接合は第７図に示す如くセンシングボデー２側よりＭｏ
メタライズ層７１、Ｎ　ｒメッキ層７２、Ａ（Ｊペース
トのろう付層７３を積層して行なう。センシングボデー
２の下面外周縁は、リングシート７４（第６図）を介し
てセンシングヘッド３の下端部を巻き締めし保持しであ
る。

この場合の圧力検出素子１とセンシングボデー２の接合
は、第８図に示す如く、センシングボデー面にＭｏない
しＷのメタライズ層５１を形成し、この上にＡＱ層５２
をメッキしてこれとシリコン基板を共晶接合する。

かかる構造によっても上記実施例と同様の効果が得られ
る。

なお、上記各実施例のＡＣＩに代えてＰｔを使用するこ
ともできる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図は本発明の一実施例を示し、第１図
は圧力検出器先端部の拡大断面図、第２図は圧力検出素
子の横断面図で、第３図の■−■線断面図、第３図は圧
力検出素子の平面図、第４図は圧力検出器の全体断面図
、第５図はＡｇ−３ｉの状態図、第６図ないし第８図は
本発明の他の実施例を示し、第６図は圧力検出器先端部
の拡大断面図、第７図、第８図は要部断面図でそれぞれ
第６図のＡ部拡大断面図およびＢ部拡大断面図である。 １・・・・・・圧力検出素子 １１・・・・・・シリコン基板 １２・・・・・・絶縁層 １３・・・・・・多結晶シリコン層 １３ａ、１３ｂ、１３ｃ１１３ＣＪ・−・−・半導体歪
ゲージ素子 ２・・・・・・センシングポデー ２１・・・・・・受圧ダイヤフラム ３・・・・・・センシングヘッド ４・・・・・・ハウジング ５・・・・・・共晶接合層 ＠１　図 第３図 第２図 第４０ 第５図 Ａｇ　　　　　Ｓｉｔ肩４’　（ＱｉＯｍ　’１０）　
　　Ｓ！＠６図 第８図　　　　　　　第７図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧力室内へ突出する筒状ハウジングの先端開口に
   センシングボデーを保持せしめ、該センシングボデーの
   一部を薄肉として受圧ダイヤフラムとなすとともに該ダ
   イヤフラムの受圧面の反対面に圧力検出素子を接合して
   なり、上記センシングボデーを強度が大きく、かつ熱膨
   脹率の小さい材料で構成するとともに、上記圧力検出素
   子を、シリコン基板上に絶縁層を介して形成した多結晶
   シリコン層に不純物をドープして半導体歪ゲージ素子と
   なしたもので構成し、上記シリコン基板を上記受圧ダイ
   ヤフラムに共晶接合により接合したことを特徴とする圧
   力検出器。
2. （２）上記センシングボデーをＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金
   で構成し、上記ダイヤフラムの受圧面の反対面にＡｇな
   いしＰｔのメッキ層を形成して該メッキ層を上記シリコ
   ン基板と共晶接合してなる特許請求の範囲第１項記載の
   圧力検出器。
3. （３）上記センシングボデーをＡｌ＿２Ｏ＿３、ないし
   Ａｌ＿２Ｏ＿３を含むＳｉ＿３Ｎ＿４セラミックで構成
   し、上記ダイヤフラムの受圧面の反対面にＭｏないしＷ
   のメタライズ層を形成した後、該メタライズ層上にＡｇ
   ないしＰｔのメッキ層を形成して該メッキ層を上記シリ
   コン基板と共晶接合してなる特許請求の範囲第１項記載
   の圧力検出器。