JP2001324401A - 圧力センサ - Google Patents

圧力センサ

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JP2001324401A
JP2001324401A JP2000139863A JP2000139863A JP2001324401A JP 2001324401 A JP2001324401 A JP 2001324401A JP 2000139863 A JP2000139863 A JP 2000139863A JP 2000139863 A JP2000139863 A JP 2000139863A JP 2001324401 A JP2001324401 A JP 2001324401A
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pressure
sensor
chamber
semiconductor substrate
housing
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JP2000139863A
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Yukihiko Tanizawa
幸彦 谷澤
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Denso Corp
Original Assignee
Denso Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】ハウジング内のセンサ圧力室の漏れを検出して
対処することが可能となる圧力センサを提供する。 【解決手段】センシングボディ7は圧力導入孔8の先端
部が薄肉部10となっている。センサハウジング1に形
成した嵌入孔5にセンシングボディ7が嵌入されてい
る。センサハウジング1の内部に密閉されたセンサ圧力
室R1が形成され、同圧力室R1においてセンシングボ
ディ7の薄肉部10の上にセンシングチップ14が接合
され、圧力導入孔8からの圧力とセンサ圧力室R1の圧
力との差に伴うセンシングボディ7の薄肉部10の変位
がセンシングチップ14において電気信号に変換されて
取り出される。センサ圧力室R1に、センサ圧力室R1
の圧力の変化を電気信号にして出力するハウジング内圧
力監視素子19が配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は圧力センサに係
り、詳しくは、相対圧(ゲージ圧)を測定する圧力セン
サに関するものである。
【0002】
【従来の技術】特開平11−142266号公報、特開
平11−142267号公報、特開平11−14227
4号公報等には、主に高圧(10MPa程度以上)のゲ
ージ圧を測定する圧力センサが開示されている。このセ
ンサは、圧力導入孔の先端部が薄肉部となっているセン
シングボディがハウジングの嵌入孔に挿入され、ハウジ
ング内のセンサ圧力室においてセンシングボディの薄肉
部(金属ダイヤフラム)の上には絶縁膜を介してセンシ
ングチップが接合されている。そして、センシングチッ
プに形成した歪みゲージを用いて、圧力導入孔からの圧
力とハウジング内のセンサ圧力室の圧力との差に伴う薄
肉部の変位に応じた電気信号(センサ出力)を得てい
る。
【0003】一方、近年、車載用圧力センサにおいて、
故障診断をできるようにしたいという要望がある。故障
モードの一つとして金属ダイヤフラムの疲労等によるハ
ウジング内のセンサ圧力室の漏れが考えられる。この漏
れによりハウジング内のセンサ圧力室の圧力と圧力導入
孔からの圧力の差が小さくなるため感度が低下してしま
う。また、圧力媒体の漏れは圧力センサを使うシステム
にとっても重大な不具合となる場合があるが、有効な故
障診断方法が提案されていない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような事
情に鑑みなされたものであり、その目的は、ハウジング
内のセンサ圧力室の漏れを検出して対処することが可能
となる圧力センサを提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】請求項1に記載の発明
は、センサ圧力室に、当該センサ圧力室の圧力の変化を
電気信号にして出力する圧力変化検出素子を配置したこ
とを特徴としている。
【0006】よって、圧力変化検出素子によりセンサ圧
力室の圧力の変化が電気信号となって取り出され、ハウ
ジング内のセンサ圧力室の漏れを検出して対処すること
が可能となる。
【0007】また、請求項2に記載のように、圧力変化
検出素子を、センサ圧力室の圧力の変化によって機械的
に撓む部位を有する構造とするとよい。具体的には、請
求項4に記載のように、圧力変化検出素子を、ベースプ
レートと、ベースプレートの上に接合され、薄肉部を有
する半導体基板と、半導体基板の薄肉部に形成され、ベ
ースプレートと半導体基板との間に形成された圧力基準
室とセンサ圧力室との差圧に応じた電気信号を送出する
ための歪みゲージとを備える構成にする。あるいは、請
求項6に記載のように、圧力変化検出素子を、半導体基
板と、半導体基板上に形成され、当該半導体基板との間
において圧力基準室を区画形成する膜と、膜の上に形成
され、圧力基準室とセンサ圧力室との差圧に応じた電気
信号を送出するための歪みゲージとを備える構成にす
る。
【0008】また、請求項3に記載のように、圧力変化
検出素子を、センサ圧力室の圧力の変化によって破損す
る部位を有する構造とするとよい。具体的には、請求項
5に記載のように、圧力変化検出素子を、ベースプレー
トと、ベースプレートの上に接合され、薄肉部を有する
半導体基板と、半導体基板の薄肉部に形成され、ベース
プレートと半導体基板との間に形成された圧力基準室と
センサ圧力室との差圧が所定値を上回ると断線する配線
とを備える構成にする。あるいは、請求項7に記載のよ
うに、圧力変化検出素子を、半導体基板と、半導体基板
上に形成され、半導体基板との間において圧力基準室を
区画形成する膜と、膜の上に形成され、圧力基準室とセ
ンサ圧力室との差圧が所定値を上回ると断線する配線と
を備える構成にする。
【0009】請求項8に記載の発明によれば、圧力変化
検出素子を配置するにあたり、信号処理回路と同様に基
板に配置したので、素子の圧力室への組付けが容易であ
る。
【0010】
【発明の実施の形態】以下、この発明を具体化した実施
の形態を図面に従って説明する。図1には、本実施形態
における圧力センサの縦断面を示す。
【0011】本センサのハウジング(センサハウジン
グ)1は下側ハウジング2と上側ハウジング3により構
成されている。下側ハウジング2はステンレス鋼等の金
属よりなり、耐蝕性に優れるとともに溶接可能である。
下側ハウジング2の外周面にはネジ部4が形成され、こ
のネジ部4を被検出部材のネジ孔に螺入することにより
本センサを被検出部材に装着することができるようにな
っている。また、下側ハウジング2にはセンシングボデ
ィ嵌入孔5が形成され、この嵌入孔5は上下に貫通して
いる。
【0012】上側ハウジング3はコネクタケースとして
も機能するようになっており、コネクタピン6が上下に
貫通するように配設されている。そして、上側ハウジン
グ3は接続相手側と結合させた状態で、実質的に密閉状
態となる。つまり、上側ハウジング3は連結する相手側
がないと、コネクタピン6と上側ハウジング3の間に隙
間があり、密閉されない。
【0013】下側ハウジング2の嵌入孔5にはセンシン
グボディ7が嵌入されている。センシングボディ7は熱
膨張率が小さい金属よりなる。より具体的には、熱膨張
率がシリコンに近いコバールを用いている。センシング
ボディ7は、円筒状をなし、その中心の圧力導入孔8の
下端は開口している。また、センシングボディ7の下端
部外周には鍔部9が形成されており、下側ハウジング2
の下端面とセンシングボディ7の鍔部9が当接してい
る。この当接部の外周側が溶接にて密着固定されてい
る。つまり、センシングボディ7の外側円筒面と下側ハ
ウジング2の内側の面との間には僅かな隙間があり、セ
ンシングボディ7と下側ハウジング2は、下側ハウジン
グ2の下端部で全周溶接されている。一方、圧力導入孔
8の先端部、即ち、センシングボディ7の上端部には薄
肉部10が形成され、この薄肉部10が受圧用ダイヤフ
ラムとして機能する。
【0014】また、下側ハウジング2の上面にはスペー
サ11を介して上側ハウジング3がOリング12を介し
て配置され、下側ハウジング2のかしめ部13でハウジ
ング2,3がかしめ固定されている。このように、セン
サハウジング1に形成した嵌入孔5にセンシングボディ
7を嵌入することによりセンサハウジング1の内部にお
いて、密閉されたセンサ圧力室R1が形成されている。
【0015】センサ圧力室R1において、センシングボ
ディ7の薄肉部10の上にはセンシングチップ14が低
融点ガラス(接合部材)により接合されている。つま
り、図2,3に示すように、センシングボディ7の薄肉
部10の上には四角板状のセンシングチップ(シリコン
チップ)14が低融点ガラス15にて接合されている。
センシングチップ14には4つの歪みゲージ16a,1
6b,16c,16dが形成され、この歪みゲージ16
a〜16dはホイートストンブリッジ接続されている。
図3に示すように、圧力導入孔(圧力ポート)8は圧力
媒体からの圧力を受ける。その結果、センシングボディ
7の薄肉部(金属ダイヤフラム)10が撓み、その上に
接合されているセンシングチップ(シリコン基板)14
をも撓ませる。この圧力導入孔8からの圧力とセンサ圧
力室R1の圧力との差に伴うセンシングボディ7の薄肉
部10の変位がセンシングチップ14において電気信号
に変換されて取り出される。
【0016】図1に示すように、センサ圧力室R1にお
いて下側ハウジング2の上面にはセラミック基板17が
配置され、その上には信号処理チップ18が配置されて
いる。信号処理チップ18には信号処理回路が形成さ
れ、同回路はバイポーラトランジスタやMOSトランジ
スタ、抵抗、キャパシタ等で構成されている。そして、
図4に示すように、信号処理チップ18はセンシングチ
ップ14とボンディングワイヤ等を介して電気的に接続
されるとともにコネクタピン6と電気的に接続されてい
る。そして、信号処理チップ18はコネクタピン6にて
電源電圧Vccの供給を受けるとともに、センシングチッ
プ14からの信号に対し増幅、温度補償、調整等を行い
コネクタピン6を通して圧力検出信号を外部に出力す
る。つまり、上側ハウジング(コネクタ)3に対し相手
側コネクタを結合するとセンサ圧力室R1がほぼ大気圧
になり(コネクタピン6の隙間でセンサ圧力室R1が外
部雰囲気と連通しているので)、センシングチップ14
によりゲージ圧(大気圧との差圧)を測定することがで
きる。
【0017】一方、本実施形態においては、図1に示す
ように、センサ圧力室R1においてセラミック基板17
の上には圧力変化検出素子としてのハウジング内圧力監
視素子(チップ)19が配置されている。このハウジン
グ内圧力監視素子19は、図5,6に示す構造となって
いる。
【0018】図5,6において、ベースプレートとして
の基板(パイレックス(登録商標)ガラスなどの基板)
20の上にはシリコン基板(半導体基板)21が陽極接
合などで接合されている。シリコン基板21の下面には
凹部22が形成され、凹部22の開口部がガラス基板2
0により塞がれている。この凹部22により形成された
圧力基準室R2は真空室となっている。シリコン基板2
1での凹部22による薄肉部23はセンサ圧力室R1の
圧力の変化、即ち、漏れの発生によって機械的に撓む部
位である。この薄肉部23には4つの歪みゲージRa,
Rb,Rc,Rdが形成されている。詳しくは、歪みゲ
ージRa〜RdはN型単結晶シリコン基板21の表層部
に形成したP型不純物拡散領域にて構成されている。4
つの歪みゲージRa〜Rdは、図7に示すように、ホイ
ートストンブリッジ接続されている。フルブリッジ回路
の一方の対角には定電圧Vccが印加されるとともに、他
方の対角での電圧Vout がハウジング1内のセンサ圧力
室R1の圧力に応じた信号として出力される。このよう
に歪みゲージRa〜Rdにより、ガラス基板20と基板
21との間に形成された圧力基準室R2とセンサ圧力室
R1との差圧に応じた電気信号を送出することができる
ようになっている。
【0019】また、図4に示すように、ハウジング内圧
力監視素子19は信号処理チップ18と電気的に接続さ
れ、ハウジング1内のセンサ圧力室R1の圧力に応じた
信号が信号処理チップ18およびコネクタピン6を通し
て外部に出力される。あるいは、圧力室R1の圧力が異
常の場合のみ、信号処理チップ18が故障発生信号を出
力してもよい。
【0020】このようにして、もし、センシングボディ
7の薄肉部(金属ダイヤフラム)10やその溶接部が疲
労などで漏れを生じると、ハウジング1内のセンサ圧力
室(空間)R1は測定側圧力に近づき、ついには測定す
べき圧力と同一圧力になってしまう。即ち、圧力センサ
の感度は低下もしくは無反応になってしまう。そこで、
本実施形態ではセンサ圧力室R1には、圧力を監視する
素子19を配置して、この素子19により圧力の変化を
検出することができるようになっている。
【0021】なお、図1においてセラミック基板17上
の各チップ18,19やボンディングワイヤ等は、コー
ティング材(図示略)にてコーティングされている。こ
のように、本実施の形態は下記の特徴を有する。 (イ)圧力媒体の圧力とセンサ圧力室R1の圧力との差
に伴うセンシングボディ7の薄肉部10の変位をセンシ
ングチップ14において電気信号に変換して取り出すよ
うにした圧力センサにおいて、センサ圧力室R1に、セ
ンサ圧力室R1の圧力の変化を電気信号にして出力する
圧力変化検出素子としてのハウジング内圧力監視素子1
9を配置した。よって、ハウジング内圧力監視素子19
によりセンサ圧力室R1の圧力の変化が電気信号となっ
て取り出され、ハウジング1内のセンサ圧力室R1の漏
れ(圧力センサの故障)を検出して対処することが可能
となる。
【0022】また、センサ圧力室R1を大気圧としてゲ
ージ圧(大気圧との差圧)を測定するのではなく、セン
サ圧力室R1を真空とする場合には、ハウジング1内の
センサ圧力室R1への圧力媒体の漏れがあると、センサ
圧力室R1の圧力が上昇するので、圧力上昇検出用の素
子19によりハウジング1内のセンサ圧力室R1の漏れ
を検出して対処することが可能となる。 (ロ)センシングチップ14からの信号を処理する信号
処理回路18と、圧力変化検出素子19とを基板17上
に搭載した。このように、圧力変化検出素子19を配置
するにあたり、信号処理回路18と同様に基板17に配
置したので、素子19の圧力室R1への組付けが容易で
ある。
【0023】以下、応用例について説明する。圧力変化
検出素子は、図5,6に示す構成の他にも図8,9に示
す歪みゲージを用いない構成としてもよい。つまり、図
8,9に示すように、ベースプレートとしてのガラス基
板30の上にはシリコン基板(半導体基板)31が接合
されている。シリコン基板31の下面には凹部32が形
成され、凹部32の開口部がガラス基板30により塞が
れている。この凹部32により形成された圧力基準室R
3は真空室となっている。また、ハウジング1内のセン
サ圧力室R1は密閉状態となっており、シリコン基板3
1での凹部32による薄肉部33はセンサ圧力室R1の
圧力の変化、即ち、漏れの発生によって破損する部位で
ある。この薄肉部33には配線34が延設されている。
そして、漏れが発生して基板30と基板31との間に形
成された圧力基準室R3とセンサ圧力室R1との差圧が
所定値を上回ると、圧力で圧力基準室(空洞)R3が押
し潰されて配線34が断線する。この断線にて漏れが検
出される。配線34は良導体膜でも抵抗膜でもよい。
【0024】また、図4においてはハウジング1内の圧
力監視素子19を信号処理チップ18とは別のチップに
形成したが、図10に示すように、圧力監視素子19と
信号処理チップ40とを1チップ化し集積化してもよ
い。つまり、図11に示すように、歪みゲージRa〜R
dの配置領域の周囲に信号処理回路50を形成する。
【0025】さらに、圧力監視素子19の製造は、上述
では単結晶シリコン基板の一方の面をエッチングするこ
とにより凹部を形成するとともに他方の面からイオン注
入して歪みゲージを形成する、いわゆるバルクマイクロ
マシニングにて行ったが、その他にも、薄膜を加工して
ダイヤフラム形成するサーフェスマイクロマシニングに
よってもよい。具体的には、図12に示すように、シリ
コン基板60の上にシリコン窒化膜(あるいはシリコン
酸化膜)61を形成するとともに圧力基準室R4の形成
領域にアルミ膜を犠牲層として形成し、その後、シリコ
ン窒化膜62を被せ、シリコン窒化膜62に穴63をあ
けて当該穴63を通して犠牲層(アルミ膜)を完全にエ
ッチングして、真空中において封止膜64でその穴63
を完全に埋める。封止膜の形成は減圧CVDによるポリ
シリコン膜などが考えられる。圧力基準室R4の上には
歪みゲージ65が形成されており、圧力基準室R4とセ
ンサ圧力室R1との差圧に応じた電気信号を送出するこ
とができる。この歪みゲージ65は、例えばポリシリコ
ン膜にイオンを注入することにより構成する。あるい
は、歪みゲージ65の代わりに、過大な圧力が加わると
シリコン窒化膜62が破壊して断線する配線(良導体膜
または抵抗膜)66を用いる。
【0026】前者の場合、図15に示すように、歪みゲ
ージはホイートストーンブリッジ接続する方法が考えら
れ、図12の構造を65,65’として形成し、圧力室
R4をもたない歪みゲージ(即ち、圧力を感知しないダ
ミー)も形成して85,85’とする。この方法では大
きなダイヤフラムを形成しなくてもよいというメリット
がある。
【0027】このように、圧力変化検出素子は、センサ
圧力室R1の圧力の変化によって機械的に撓む部位67
を有する構造、あるいは、センサ圧力室R1の圧力の変
化によって破損する部位68を有する構造とする。さら
に、圧力変化検出素子を、半導体基板60と、半導体基
板60上に形成され、半導体基板60との間において圧
力基準室R4を区画形成する膜62と、膜62の上に形
成され、圧力基準室R4とセンサ圧力室R1との差圧に
応じた電気信号を送出するための歪みゲージ65とを備
える構成とする。あるいは、半導体基板60と、半導体
基板60上に形成され、半導体基板60との間において
圧力基準室R4を区画形成する膜62と、膜62の上に
形成され、圧力基準室R4とセンサ圧力室R1との差圧
が所定値を上回ると断線する配線66とを備える構成と
してもよい。
【0028】図13には、基板の接合により空洞を形成
する代わりにサーフェスマイクロマシニングにより空洞
を形成する例を示す。(100)面のシリコン基板70
の上にシリコン窒化膜71に形成するとともにシリコン
窒化膜71に穴72をあけて当該穴72を通して(10
0)面のシリコン基板70に対しKOH水溶液等による
異方性エッチングを行い凹部(四角錐)73を形成す
る。そして、真空中において封止膜74でその穴72を
完全に埋める。その結果、圧力基準室(空洞)R4が形
成される。なお、図13の符号75は、シリコン窒化膜
71の上に形成した歪みゲージであって、圧力基準室R
4とセンサ圧力室R1との差圧に応じた電気信号を送出
する(歪みゲージ75には例えば、イオン注入を行った
ポリシリコン膜を用いる)。あるいは、歪みゲージ75
の代わりに、過大な圧力がかかるとシリコン窒化膜71
が破壊して断線する配線(良導体膜または抵抗膜)76
を用いる。前者の場合の電気的接続は図15による方法
が考えられる。
【0029】また、図13においてはシリコン基板70
を十分にエッチングした場合を示したが、これに代わ
り、図14に示すように、シリコン基板70のエッチン
グを、ある程度進んだところで止めてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施の形態における圧力センサの縦断面図。
【図2】 センシングチップの配置部分の斜視図。
【図3】 センシングチップの配置部分の断面図。
【図4】 圧力センサの電気的構成を示す図。
【図5】 ハウジング内圧力監視素子の斜視図。
【図6】 ハウジング内圧力監視素子の断面図。
【図7】 ハウジング内圧力監視素子の電気的構成を示
す図。
【図8】 別例のハウジング内圧力監視素子の斜視図。
【図9】 ハウジング内圧力監視素子の断面図。
【図10】 別例の圧力センサの電気的構成を示す図。
【図11】 別例のチップを示す図。
【図12】 別例のハウジング内圧力監視素子を示す
図。
【図13】 別例のハウジング内圧力監視素子を示す
図。
【図14】 別例のハウジング内圧力監視素子を示す
図。
【図15】 別例のハウジング内圧力監視素子の電気的
構成を示す図。
【符号の説明】
1…センサハウジング、5…嵌入孔、7…センシングボ
ディ、8…圧力導入孔、10…薄肉部、14…センシン
グチップ、19…ハウジング内圧力監視素子、20…シ
リコン基板、21…シリコン基板、23…薄肉部、30
…シリコン基板、31…シリコン基板、33…薄肉部、
34…配線、60…シリコン基板、62…シリコン窒化
膜、65…歪みゲージ、66…配線、70…シリコン基
板、71…シリコン窒化膜、75…歪みゲージ、76…
配線、R1…センサ圧力室、R2…圧力基準室、R3…
圧力基準室、R4…圧力基準室、Ra〜Rd…歪みゲー
ジ。

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 圧力媒体の圧力とセンサ圧力室(R1)
    の圧力との差に伴うセンシングボディ(7)の薄肉部
    (10)の変位をセンシングチップ(14)において電
    気信号に変換して取り出すようにした圧力センサにおい
    て、 前記センサ圧力室(R1)に、当該センサ圧力室(R
    1)の圧力の変化を電気信号にして出力する圧力変化検
    出素子(19)を配置したことを特徴とする圧力セン
    サ。
  2. 【請求項2】 前記圧力変化検出素子(19)は、前記
    センサ圧力室(R1)の圧力の変化によって機械的に撓
    む部位(23,67)を有する構造であることを特徴と
    する請求項1に記載の圧力センサ。
  3. 【請求項3】 前記圧力変化検出素子(19)は、前記
    センサ圧力室(R1)の圧力の変化によって破損する部
    位(33,68)を有する構造であることを特徴とする
    請求項1に記載の圧力センサ。
  4. 【請求項4】 前記圧力変化検出素子(19)は、 ベースプレート(20)と、 ベースプレート(20)の上に接合され、薄肉部(2
    3)を有する半導体基板(21)と、 前記半導体基板(21)の薄肉部(23)に形成され、
    ベースプレート(20)と半導体基板(21)との間に
    形成された圧力基準室(R2)と前記センサ圧力室(R
    1)との差圧に応じた電気信号を送出するための歪みゲ
    ージ(Ra〜Rd)と、を備えることを特徴とする請求
    項2に記載の圧力センサ。
  5. 【請求項5】 前記圧力変化検出素子(19)は、 ベースプレート(30)と、 ベースプレート(30)の上に接合され、薄肉部(3
    3)を有する半導体基板(31)と、 前記半導体基板(31)の薄肉部(33)に形成され、
    ベースプレート(30)と半導体基板(31)との間に
    形成された圧力基準室(R3)と前記センサ圧力室(R
    1)との差圧が所定値を上回ると断線する配線(34)
    と、を備えることを特徴とする請求項3に記載の圧力セ
    ンサ。
  6. 【請求項6】 前記圧力変化検出素子(19)は、 半導体基板(60,70)と、 前記半導体基板(60,70)上に形成され、当該半導
    体基板(60,70)との間において圧力基準室(R
    4)を区画形成する膜(62,71)と、 前記膜(62,71)の上に形成され、前記圧力基準室
    (R4)と前記センサ圧力室(R1)との差圧に応じた
    電気信号を送出するための歪みゲージ(65,75)
    と、を備えることを特徴とする請求項2に記載の圧力セ
    ンサ。
  7. 【請求項7】 前記圧力変化検出素子(19)は、 半導体基板(60,70)と、 前記半導体基板(60,70)上に形成され、当該半導
    体基板(60,70)との間において圧力基準室(R
    4)を区画形成する膜(62,71)と、 前記膜(62,71)の上に形成され、前記圧力基準室
    (R4)と前記センサ圧力室(R1)との差圧が所定値
    を上回ると断線する配線(66,76)と、を備えるこ
    とを特徴とする請求項3に記載の圧力センサ。
  8. 【請求項8】 センシングチップ(14)からの信号を
    処理する信号処理回路(18)と、前記圧力変化検出素
    子(19)とが基板(17)上に搭載されていることを
    特徴とする請求項1,2,3,7のいずれか1項に記載
    の圧力センサ。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2007248232A (ja) * 2006-03-15 2007-09-27 Denso Corp 圧力センサ
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