JP2000508425A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明では金属製のダイヤフラム１と剛性フレーム３を有する圧力センサが提案される。前記ダイヤフラム１の振れを確認するために圧電抵抗形の抵抗素子１１を有する珪素ブリッジ素子２が前記のダイヤフラム１上及び剛性フレーム３上に配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】 圧力センサ 背景技術： 本発明は、請求項１に発明の上位概念として規定した通り、金属製のダイヤフ ラムと、該ダイヤフラム上に配置された歪みゲージ素子を備えた形式の圧力セン サに関する。ダイヤフラム上に歪みゲージ素子を装着する形式の圧力センサはす でにドイツ連邦共和国特許第４０２８３７６号明細書に基づいて公知である。歪 みゲージ素子は、薄膜形成技術によってガラス板上で製作される。 発明の利点： 前記背景技術に対して、請求の範囲の請求項１の特徴部に記載した構成手段を 有する本発明の圧力センサは、珪素ブリッジ素子の使用によって格別低廉な圧力 センサが得られるという利点を有している。個々のブリッジ素子は、多数のブリ ッジ素子を１つの珪素ウェハから同時に製作することによって、極めて格安に製 造することができる。しかも珪素ブリッジ素子に埋め込まれた圧電抵抗形の抵抗 素子は高い感度を有している。 請求項２以降に記載した手段によって、請求項１に記載した圧力センサの有利 な構成及び改良が得られる 。１つの剛性フレーム内にダイヤフラムを一体的に張設することによって１つの 圧力センサが得られ、しかもダイヤフラム肉厚の簡単なバリエーションによって 、種々異なった圧力範囲を測圧するためのセンサが製造される。その場合高い感 度を得るために、歪みゲージ素子が剛性フレームからダイヤフラム上へ延びてい る。圧電式の抵抗素子が、高い測定信号を保証するために殊に、高い機械的変形 領域に配置されている。珪素ブリッジ素子は、金属製ダイヤフラム上及び剛性フ レーム上に直接配置されるか、或いは支持体を介して金属製ダイヤフラム上及び 剛性フレーム上に配置することができる。支持体によって製作時の珪素ブリッジ 素子の操作可能性が改善される。その場合、剛性フレーム上にもダイヤフラム上 にも結合域を設けることが可能である。センサ信号の温度従変性を改善するため に、ダイヤフラム上の結合域をダイヤフラムに固着接合せず、ダイヤフラム上に 単に載置しておくことも可能である。珪素ブリッジ素子の結合域とダイヤフラム 又は剛性フレームとの結合は、接着又は鑞接によって行われるのが有利である。 ダイヤフラムと剛性フレームの製作は、殊に金属からの切削加工によって行われ るのが有利である。使用部位への圧力センサの特に簡便な組付けを可能にするた めに、剛性フレームは付加的に、雄ねじ山を有する螺合構成部品として構成する ことができる。 図面： 次に図面に基づいて本発明の実施例を詳説する。 第１図は本発明による圧力センサの第１実施例の断面図である。 第２図は本発明による珪素ブリッジ素子の概略平面図である。 第３図は本発明による圧力センサの第２実施例の断面図である。 第４図は本発明による圧力センサの第３実施例の略示側面図である。 実施例の説明： 第１図には、剛性フレーム３内に張設された金属製のダイヤフラム１を備えた 本発明による圧力センサの第１実施例が図示されている。前記ダイヤフラム１上 には、珪素ブリッジ素子２として形成された歪みゲージ素子が配置されている。 珪素ブリッジ素子２は一方の結合域１０でもってダイヤフラム１上に、また他方 の結合域１０でもって剛性フレーム３上に固着されている。更に剛性フレーム３ 上にはハイブリッド回路装置４が設けられており、該ハイブリッド回路装置によ って、珪素ブリッジ素子２の信号が評価される。なお珪素ブリッジ素子２は、珪 素材料内の応力状態に基づいて抵抗値を変化する圧電抵抗形の抵抗素子１１を有 している。珪素ブリッジ素子２とハイブリッド回路装置４との間の電気的接続は ボンデイングワイヤ５によ って形成れる。更に別のボンディングワイヤ又はその他の導電素子を設けて、該 導電素子を介してハイブリッド回路装置４の信号を圧力センサの外部へ伝送する ことも可能である。また剛性フレーム３は、該剛性フレーム３を螺合によって固 定的に組付けることを可能にする雄ねじ山６を有している。 圧力供給路７によってダイヤフラム１の下面は、計測すべき圧力で負荷される 。ダイヤフラム１の上面は標準的な周辺圧又は基準圧で負荷されているので、絶 対圧又は差圧が計測される。圧力供給路７とダイヤフラム上面との間の圧力差に 基づいてダイヤフラムの変形が惹起され、ダイヤフラムの変形に相応して珪素ブ リッジ素子２は変形せしめられる。珪素ブリッジ素子２は凹設部８を有し、該凹 設部によって、弱化された、つまり、より薄肉に形成されたブリッジ域が形成さ れる。このブリッジ域では、特に高い機械的応力が発生する。この理由から該領 域に、つまり凹設部８の上位に圧電抵抗形の抵抗素子１１も配置されている。該 抵抗素子１１は、機械的応力に基づいてその抵抗値を変化する。この抵抗値の変 化はハイブリッド回路装置４によって確認され、かつ圧力供給路７に存在する圧 力の１尺度となる。 第２図は、第１図に示した珪素ブリッジ素子２の平面図の１例である。この場 合、圧電抵抗形の抵抗素子１１は、ダイヤフラム１の振れによって珪素ブリッジ 素子２が変形する場合に前記抵抗素子内に機械的応力を発生させるように配置さ れている。それ故に本例では抵抗素子１１が結合域１０の上位には配置されない ようにした。圧電抵抗形の抵抗素子１１を接点接続するために複数の導体路２０ が設けられており、該導体路は接続域２１に通じている。該接続域２１には、第 １図に示したようなボンディングワイヤ５を固着することが可能である。導体路 ２０は圧電抵抗形の抵抗素子１１と電気的に接続する。第２図では、セミブリッ ジ式に配線された２つの抵抗素子１１が図示されている。しかし該抵抗素子１１ の別の配置形式も考えられ、特に多数の抵抗素子を、例えばフルブリッジ式に設 けておくことも可能である。更にまた、低い機械的応力の発生する領域、本実施 例では例えば結合域１０の上位に位置している領域内に、抵抗値がダイヤフラム １の変形には無関係な、別種の抵抗素子を設けておくことも可能である。この種 の抵抗素子はこの場合、基準抵抗素子として使用することができる。抵抗素子１ １の製作は、珪素ブリッジ素子２の珪素内へ不純物を拡散することによって行わ れる。その場合適当なドーピングと特定結晶軸に基づく配向とによって、機械的 応力に関連した抵抗の高い従変性を得ることが可能である。導体路２０は表面金 属成膜によってか又は拡散法によって実現され、後者の拡散法の場合、ドーピン グを著しく高く選んで、圧電抵抗効果を僅少にするこ とが可能である。第１図に示した凹設部８は、珪素ブリッジ素子２の単結晶材料 の異方性エッチングプロセスによって格別簡便に得られる。珪素ブリッジ素子２ を製作する場合先ず第１に並行生産が考慮される。すなわち単結晶の珪素ウェハ から出発して多数のブリッジ素子が並行生産される。次いで該製造プロセスの終 期に珪素ウェハを細分することによって、多数の個々のブリッジ素子が得られる 。当該生産処理方式の利点は、個々の珪素ブリッジ素子の製造コストが特に低廉 になり、かつこのような製造プロセスが高い精密度をもって実施できることであ る。こうして高精度・低コストのブリッジ素子が得られる。 ダイヤフラム１及び剛性フレーム３の有利な製作は、１つの金属素材から切削 加工、例えば旋削によってダイヤフラム１及び剛性フレーム３を一体的に形成す ることである。勿論また金属製の剛性フレーム３と、該フレームに一体的に結合 されたダイヤフラム１とを同時に製作する別の方法も考えられる。ダイヤフラム １の肉厚及び直径の簡単なバリエーションによって、製作時に圧力センサの感度 を、広い感度範囲にわたって設定することが可能である。また珪素ブリッジ素子 ２のバリエーション無しに、異なった圧力範囲のための圧力センサを製造するこ とも可能である。更にまた製作時に剛性フレーム３に同時に雄ねじ山６を成形す ることが可能である。このような雄ねじ山６によって 剛性フレーム３はケーシング、計測体などと圧力密に螺合締結される。従って圧 力センサは簡便に螺入エレメントとして構成することができる。このように製作 されたセンサは、数千バール範囲の高圧センサとして使用できるので格別有利で ある。 第３図には本発明の第２実施例が図示されている。珪素ブリッジエレメント２ は、すでに第１図に基づいて説明したような珪素ブリッジ素子２に対応している 。しかしながら本実施例の珪素ブリッジ素子２は、ダイヤフラム１及び剛性フレ ーム３の上面に直接装着されてはいず、支持体１６を介して前記ダイヤフラム１ 及び剛性フレーム３と結合されている。支持体１６は一方の結合域１０では固着 層１２によって剛性フレーム３と固定的に接合されている。ダイヤフラム１の上 位では支持体１６はただ１つの結合域１０を有しているにすぎず、該結合域１０ で支持体１６はダイヤフラム１上に載置されている。珪素ブリッジ素子２は支持 体１６と固着接合されている。圧力センサの製造時に、例えば鑞継手から成る固 着層１２が剛性フレーム上でだけ固定的な接合部を形成することを保証するため に、固着層１２がダイヤフラム１の方向に拡がるのを制限する鑞ストップ１５が 設けられている。該鑞ストップ１５は本実施例では切欠部として形成されている 。しかし又、固着層１２がダイヤフラム１の方向に拡がるのを防止するその他幾 多の手段が考えられる。 支持体１６の使用によって珪素ブリッジ素子２の製作が単純になる。その場合 留意すべき点は、凹設部８によって珪素ブリッジ素子２が機械的に著しく損傷し 易く、ダイヤフラム１又は剛性フレーム３上に装着する際に破壊されることがあ ることである。支持体１６は例えば並行生産の場合も先ず大面積の円板として完 全に珪素ウェハと接合され、次いで珪素ウェハと一緒に個々の小さな領域に細分 することができる。損傷を受け易い珪素ブリッジ素子２を夫々１つの支持体１６ 上に配置するようにして形成された歪みゲージ素子は、製造法に関して、珪素ブ リッジ素子２を単独に操作するよりも著しく簡便に操作することができる。また 支持体１６のためには、珪素と金属の異なった熱膨張係数を或る範囲内で補償す る素材を使用することが可能である。このために例えばガラスが支持体１６用の 素材として適している。支持体１６を使用する利点は、支持体１６を剛性フレー ム３ともダイヤフラム１とも接合する場合にも得られる。 第３図に示した支持体１６は、剛性フレーム３とだけ固着接合されているのに 対して、ダイヤフラム１上では単に載置されているにすぎない。従って剛性フレ ーム３上では固定支承が、またダイヤフラム１上では可動支承が形成される。従 って支持体１６もしくは該支持体と接合された珪素ブリッジ素子２は、ダイヤフ ラム１及び剛性フレーム３の金属素材に対して収縮又 は膨張することができ、しかもこの収縮又は膨張時に顕著な機械的応力が発生す ることはない。とは云え、圧力センサの圧力負荷によって惹起されるダイヤフラ ム１の振れは、珪素ブリッジ素子２内に依然として機械的応力を生ぜしめ、該機 械的応力は圧電抵抗形の抵抗素子１１によって確認される。可動支承と固定支承 の使用によって圧力センサの感熱性は低下され、これに伴って圧力センサの感度 が著しく低下することはない。 第４図には、本発明の圧力センサの第３実施例が図示されている。珪素ブリッ ジ素子２、金属製のダイヤフラム１及び剛性フレーム３は、第１図又は第３図に 示した構成要素に対応している。本実施例では、第３図の場合と同様に、珪素ブ リッジ素子２は、金属製のダイヤフラム１又は剛性フレーム３と直接には接合さ れていない。珪素ブリッジ素子２と剛性フレーム３との結合は、台座１０２を介 して行われる。珪素ブリッジ素子２とダイヤフラム１との結合は支柱１０１を介 して行われる。支柱１０１及び台座１０２と珪素ブリッジ素子２との間には夫々 １つの接合層１０４及び１０３が設けられている。 前記支柱１０１及び台座１０２のためには、珪素に適合した熱膨張係数を有す る素材が使用される。その場合、鉄−ニッケル金属の、温度に起因した膨張は珪 素の熱膨張係数にできるだけ近づくことになる。この ために特に、ニッケル−鉄金属から成る支柱１０１及び台座１０２が使用される 。接合層１０３，１０４のためには、やはり珪素に適合した膨張係数を有するガ ラス鑞を使用するのが有利である。 支柱１０１を介して、金属製のダイヤフラム１の振れは珪素でリッジ素子２に 伝達される。台座１０２は、珪素ブリッジ素子２を剛性フレーム３上に固着する ために役立つ。適合した温度係数によって珪素ブリッジ素子２内の熱応力は低減 される。その場合特にＸ軸方向の熱膨張が重要である。それというのは金属製の ダイヤフラム１と剛性フレーム３は殊に鋼から製作され、かつ該素材は珪素ブリ ッジ素子２の珪素素材に比較して著しく異なった膨張係数を有しているからであ る。支柱１０１をＹ軸方向で著しく剛性に設計することによって、Ｙ軸方向の金 属製ダイヤフラム１の小さなな振れも珪素ブリッジ素子２へ良好に伝達される。 しかしながら支柱１０１はＸ軸方向では著しくスリムに形成されているので、剛 性フレーム３と金属製ダイヤフラム１に異なった膨張が発生した場合にはＸ軸方 向の膨張は支柱１０１の撓みによって補償される。斯くして、温度影響によって 生じる力は実質的に、支柱１０１の幾何学的形状及び支柱素材の弾性係数にだけ 関連することになる。更にまた接合層１０３，１０４のために適当なガラス鑞を 選択することによって、珪素ブリッジ素子２に対する熱的影響を更に低減するこ とが可能である。 ダイヤフラム１上に支柱１０１を接合するため、かつ剛性フレーム３上に台座 １０２を接合するためには、例えば溶接、鑞接又は接着のような慣用の金属継手 が適している。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９８年３月１４日（１９９８．３．１４） 【補正内容】 請求の範囲 １．金属製のダイヤフラム（１）と歪みゲージ素子を備えた圧力センサにおい て、歪みゲージ素子が、圧電抵抗形の抵抗素子（１１）を埋め込んだ珪素ブリッ ジ素子（２）を有し、該珪素ブリッジ素子（２）が支柱（１０１）を介してダイ ヤフラム（１）と結合されており、前記支柱（１０１）が、前記ダイヤフラムの 面に垂直な方向では剛性的に構成され、また前記ダイヤフラムに平行な方向では 撓み可能に構成されており、前記ダイヤフラムには１つの剛性フレーム（３）が 設けられており、該剛性フレームに前記珪素ブリッジ素子（２）が台座（１０２ ）を介して結合されており、かつ支柱（１０１）及び台座（１０２）が、珪素の 熱膨張係数に実質的に等しい熱膨張係数を有する、ニッケル−鉄金属のような材 料から形成されていることを特徴とする、圧力センサ。 ２．ダイヤフラム（１）と剛性フレーム（３）が一体に構成されている、請求 項１記載の圧力センサ。 ３．ダイヤフラム（１）及び剛性フレーム（３）が切削加工によって製作され ている、請求項１又は２記載の圧力センサ。 ４．剛性フレーム（３）が雄ねじ山（６）を有している、請求項１から３まで のいずれか１項記載の圧力センサ。 ５．支柱（１０１）及び台座（１０２）と珪素ブリッジ素子（２）との結合が 、ガラス鑞から成る接合層（１０３，１０４）によって行われる、請求項１から ４までのいずれか１項記載の圧力センサ。 ６．支柱（１０１）とダイヤフラム（１）及び台座（１０２）と剛性フレーム （３）が溶接、鑞接又は接着によって接合されている、請求項１から５までのい ずれか１項記載の圧力センサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フーベルト ベンツェル ドイツ連邦共和国 Ｄ―72124 プリーツ ハウゼン シュテレンエッカーシュトラー セ ３ (72)発明者 ボート ツィーゲンバイン オーストラリア国 Ａ―1110 ウィーン ガイアーエックシュトラーセ ６ (72)発明者 ハンス―ペーター トラー ドイツ連邦共和国 Ｄ―72760 ロイトリ ンゲン ブルクハルト―ウー―ヴェーバー ―シュトラーセ ３ (72)発明者 アンドレアス デュル ドイツ連邦共和国 Ｄ―70567 シュツツ トガルト エルフェンシュトラーセ 62 (72)発明者 カール ベンダー ドイツ連邦共和国 Ｄ―72070 テュービ ンゲン ヒルシュアウアー シュトラーセ ９ (72)発明者 ヨッヘン フランツ ドイツ連邦共和国 Ｄ―72762 ロイトリ ンゲン リュフテシュトラーセ 59

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．金属製のダイヤフラムと、該ダイヤフラム上に配置された歪みゲージ素子 を備えた形式の圧力センサにおいて、歪みゲージ素子が、圧電抵抗形の抵抗素子 （１１）を埋め込んだ珪素ブリッジ素子（２）を有していることを特徴とする、 圧力センサ。 ２．ダイヤフラム（１）が剛性フレーム（３）によって包囲されており、かつ 前記のダイヤフラム（１）と剛性フレーム（３）が一体に構成されている、請求 項１記載の圧力センサ。 ３．珪素ブリッジ素子（２）が一方の結合域（１０）でもって剛性フレーム（ ３）上に直接固着されており、また他方の結合域（１０）でもってダイヤフラム （１）上に直接固着されている、請求項１又は２記載の圧力センサ。 ４．珪素ブリッジ素子（２）が支持体（１６）上に配置されている、請求項１ 又は２記載の圧力センサ。 ５．支持体（１６）が一方の結合域（１０）でもって剛性フレーム（３）上に 、また他方の結合域（１０）でもってダイヤフラム（１）上に固着されている、 請求項４記載の圧力センサ。 ６．支持体（１６）が一方の結合域（１０）でもって剛性フレーム（３）上に 直接固着され、また他方の結合域（１０）でもってダイヤフラム（１）上に載置 されている、請求項４記載の圧力センサ。 ７．固着が接着又は鑞接によって行われている、請求項３から６までのいずれ か１項記載の圧力センサ。 ８．ダイヤフラム（１）及び剛性フレーム（３）が切削加工によって製作され ている、請求項２から７までのいずれか１項記載の圧力センサ。 ９．剛性フレーム（３）が雄ねじ山（６）を有している、請求項２から８まで のいずれか１項記載の圧力センサ。 １０．珪素ブリッジ素子（２）が支柱（１０１）を介してダイヤフラム（１） と結合されており、前記支柱（１０１）が、前記ダイヤフラムの面に垂直な方向 では剛性に構成され、またダイヤフラムに平行な方向では撓み可能に構成されて いる、請求項１記載の圧力センサ。 １１．１つの剛性フレーム（３）が設けられており、かつ珪素ブリッジ素子（ ２）が台座（１０２）によって前記剛性フレーム（３）と結合されている、請求 項１０記載の圧力センサ。 １２．支柱（１０１）及び台座（１０２）が、珪素の熱膨張係数に実質的に等 しい熱膨張係数を有する材料、例えばニッケル−鉄金属から形成されている、請 求項１０又は１１記載の圧力センサ。 １３．支柱（１０１）及び台座（１０２）と珪素ブリッジ素子（２）との結合 が、ガラス鑞から成る接合 層（１０３，１０４）によって行われる、請求項１０から１２までのいずれか１ 項記載の圧力センサ。 １４．支柱（１０１）とダイヤフラム（１）及び台座（１０２）と剛性フレー ム（３）が溶接、鑞接又は接着によって接合されている、請求項１０から１３ま でのいずれか１項記載の圧力センサ。