JP2775430B2 - 真空表示装置付き圧力センサー - Google Patents

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、ダイアフラム部
の１主面上に真空表示用カップを備えた圧力センサーに
関し、さらに支持面上においてストレスまたはひずみに
よって影響されることなしに、偏向ダイアフラムタイプ
のセンサ―を、支持面と物理的に接触して取付けること
のできるストレス分離取付け部を有する圧力センサーに
関する。 【０００２】 【従来技術】先行技術においては、圧力を感知するため
の偏向ダイアフラムを有し、バッチ処理で形成すること
ができるセンサ―を使用する種々のソリッドステ―ト
（固体）圧力センサーが改善されてきた。半導体材料の
ような比較的剛性の材料でソリッドステ―トセンサ―が
製造され、しかもそれらが、支持面上に非弾性的に取付
けられる取付け面を有することを意味する“硬取付け”
(hard mounting)されていることが望ましい。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】ダイアフラム型圧力セ
ンサーの偏向ダイアフラムの一方の主面に基準圧室を形
成する場合、基準圧または真空の存在の確認には困難が
あった。またセンサ―に対して影響を与えるばかりでな
く、さらには測定ダイアフラムにも望ましくないストレ
スを引き起す、支持表面内の外部ひずみをできる限り少
くするに当っては、多くの困難性があった。 【０００４】 【課題を解決するための手段】この発明の感知ダイアフ
ラムの一方の主面上には、ダイアフラムとの間に形成さ
れる密封室の排気ができるようなカバ―カップが備えら
れる。そして、ダイアフラムの前記密封室には基準圧力
が与えられる。カップの外側ベ―ス壁は内側にくぼむこ
とができ、これによって真空が基準圧力室内に維持され
ていることを示す。 【０００５】またこの発明の圧力センサーは、変形を受
ける支持面に非弾性的に、すなわち“硬取付け”され
る。圧力センサーは、ストレス分離層を有し、ストレス
分離層はダイアフラムを支持し、かつストレス分離層が
取付けられている支持面上のストレスで誘起されたひず
みによって影響されない基準位置にダイアフラムを保持
する。ひずみ分離層は、硬取付けされたセンサ―におい
て、センサ―出力として通常あらわれる支持面のストレ
スまたはひずみによる誤差の量を減じ、このようにし
て、感知されている圧力に直接に関係する、より正確な
出力を与える。ストレス分離層は、支持面に直かにセン
サ―を硬取付けするために用いられる取付け面を有す
る。“板ばね”部分は、取付け面と、その上にダイアフ
ラムが支持される本体との間のストレス分離エレメント
を構成する。 【０００６】ストレス分離層は、ネックをリムからひず
み的に分離するためのひずみ分離スロットすなわち溝を
備えることができる。ダイアフラムを支持する本体はス
トレス分離層に直接に取付けてもよく、または偏向（振
れ）に抵抗する剛性ベ―ス層がストレス分離層上に取付
けられてから、ダイアフラムを支持する本体がその剛性
ベ―ス層に取付けられてもよい。 【０００７】 【発明の実施の形態】この発明に好適なストレス分離層
はバッチ製造技術を利用して作られる。シリコンウエ―
ハ―または層はストレス分離の特徴を形成するように、
従来の方法でエッチングされ、それから適当な材料の付
加的層と共にサンドイッチ構造にしてセンサ―を形成す
る。ウエ―ハ―または層形成後にそれらは個々のセンサ
―に切り分けられる。このようなバッチ製造技術が、一
般には望ましい。現在知られている処理技術は、ガラス
や金属および、シリコンや他の適当な半導体の様な半導
体を、陽極ボンディングによるか、またはガラスフリッ
トを有する材料を用いるかのいずれかで一体に接合する
能力を含んでいる。適当なエポキシ樹脂その他の接着剤
も用いることができる。無機接着剤は高性能センサ―を
作るのに好ましい。材料層の接着を論ずるに当り、特定
形態の接着に言及する必要は必ずしもなく、上記の公知
形態のものが含まれている。 【０００８】図１には、シリコンウエ―ハ―１０が断片
的に示されている。ストレス分離層１５の外部輪郭は周
囲線１１で定められる。周囲線１１は、センサ―を作る
ために、必要な層に仕上げられた後に、分離層がウエ―
ハ―から切り出される場所を示している。この正方形
は、バッチ処理法において、種々の圧力センサ―に使用
される外形である。第１および第２図に示す分離層は、
例えば符号１６の部分で、１つの面をエッチングされ、
中心から外側の周囲支持リム１８へひろがる薄い板ばね
部分１７を形成する。中心ポストすなわち突起１９が、
図２に示すように、層の下側に設けられており、大多数
の用途の場合に、分離層１５の反対側にある凹部１６に
それを通して圧力がかかるのを可能とする開口２０（図
１に、点線で示す）を有するものである。図２、図３に
は開口２０は示してないが、その他の図には示されてい
る。ポスト１９と凹部１６を形成し、さらに薄い板ばね
部１７を形成するエッチング技術はよく知られている。 【０００９】従来の簡単な圧力センサ―は、分離層１５
（開口２０なしで）と、支持面２６上に分離層１５を支
持するための取付けポスト１９とを利用することによ
り、第３図に符号２５で示すように形成される。ポスト
１９の端の取付け面１９Ａは支持面２６に接着される。
圧力センサ―２５を形成するのに、ダイアフラム組立体
すなわち本体２７が、符号２８で示すようにリム１８に
接着される。ダイアフラム組立体２７は、リム１８と一
線にならぶ外側リム部分３０上に縁が支持されている、
薄い中心偏向ダイアフラム部分２９を有する。薄いダイ
アフラム部分２９は、図示のように、その表面上に（拡
散、蒸着、エッチングその他のような半導体処理技術に
よって）形成されたピエゾ抵抗ストレンゲ―ジ抵抗３２
を有し、適当な接点およびリ―ド線３３および３４を抵
抗３２から取り出すことができる。 【００１０】これらリ―ド線は、ダイアフラム２９の基
準位置に対する振れを判定するための適当な回路に接続
される。この振れは、ダイアフラム部分に形成された抵
抗３２の抵抗値に変化を引き起す。さらにダイアフラム
組立体２７は、薄いダイアフラム部分２９および周囲リ
ム３０を形成するために、選定した場所でシリコン、水
晶、サファイアまたはその他の適当な材料をエッチング
して形成される。これらの層は線１１に沿ってセンサ―
を切取る前に一体に接着される。ポストすなわち突起１
９には、図３に示すように、そこを貫通する開口はな
い。したがって、凹部１６とダイアフラム部分２９に向
って開いている凹部によって形成される内室３５は、排
気されてダイアフラム２９の一側に基準圧力を与えるこ
とができる。ダイアフラム部２９は、図３に示すよう
に、その上表面にはたらく圧力または力（支持された負
荷のような）を感知できる。 【００１１】板ばね部１７はストレス分離をする単一板
ばね型スプリング（実際には、ベルヴィル：Bellevill
e：スプリングに似ている）を形成するので、ハウジン
グ壁等であることのできる支持面２６の中のストレスは
ダイアフラム組立体に伝達されず、かえってダイアフラ
ム組立体は面２６内のひずみによって誘導される負荷か
ら絶縁されることになるであろう。ここに用いられる
“ひずみ”とは、もしも層１５の全下面が面２６上に接
触してそこに支持されている場合に、層１５に取付けら
れたセンサ―のダイアフラムのストレスに変化を招来す
るような、支持面２６の外部負荷により誘導された運動
を意味する。 【００１２】突起またはネック１９はさらに、ストレス
からダイアフラムを絶縁するのに役立ち、板ばね部１７
はさらにこういう絶縁を助ける。ダイアフラム組立体２
７は、その縁で支持された一体構成のダイアフラムを有
する本体部を形成する。そして出力は、ストレンゲ―ジ
抵抗３２，３２で感知されるような、ダイアフラムの振
れの関数として変化する。 【００１３】図４は本発明の１実施例のセンサ―を示
す。ストレス分離層１５のリム部分１８は、感知される
べき圧力の通路のための貫通口５１をも有する支持面５
０に接着された取付け面を構成する表面を有する。分離
層１５のリム１８は周辺支持を形成し、板ばね部分１７
は支持面５１から一定間隔をおいて配置されると共に、
リム１８を介して支持面５０に対して支持されている。
ポストすなわち突起１９は貫通口２０を有しており、図
４に示すように上方にのびると共に、剛性ベ―ス層５４
はポスト１９の外部端取付け面１９Ａに接着されてい
る。ベ―ス層５４はガラスでもよく、感知されるべき圧
力用の中心開口５５を有する。 【００１４】ダイアフラム組立体２７（図３）と本質的
に類似に構成されたダイアフラム組立体５６はベ―ス層
５４に接着された外部リム５７を有する。偏向ダイアフ
ラム部５８は、適当な技術を用いてリム５７と一体に形
成された薄い部分である。符号６０のような適切なリ―
ド線が偏向感知ストレンゲ―ジを適切な回路に接続す
る。偏向ダイアフラム部分５８は、その上側主面に取付
けられた表示カップ６１を備えている。表示カップ６１
は周囲壁６２および、比較的薄くて圧力印加時に偏向す
る中心すなわちベ―ス壁６３を有する。周囲壁６２の縁
が、例えば６２Ａでダイアフラム組立体５６の表面に接
着された時、カップ６１は密封室６３Ａを形成する。 【００１５】カップが例えば真空中で所定位置に接着さ
れると、カップ６１の上方のベ―ス壁６３は、図４に点
線で誇張して示してあるように、大気圧によって下方に
偏向する。これにより、ベ―ス６３の底面に形成され、
かつ壁６２で囲まれた密封室６３Ａに真空が存在するこ
とを表示する。この真空表示カップ６１は別個の部材で
あり、ダイアフラムのリム５７上の壁６２によって支持
されるので、センサ―組立体をさらに剛性化する傾向を
有する。これは更に、ダイアフラムのストレス分離を助
長する。基準圧力もまた室６３Ａに確立され、偏向ダイ
アフラム部５８の取り囲まれた表面に作用するので、リ
ム５７によって取囲まれ、ベ―ス層５４に関連して形成
された感知室６６内の任意の圧力が、基準圧力に関して
感知されることになる。ベ―ス６３が凹状であることが
判る時には、基準圧力の存在が判定できる。 【００１６】室６６内の圧力（開口５１を経て加えられ
る）によりダイアフラム部５８に何らかの振れを生ずる
と、これはストレンゲ―ジ抵抗５９とリ―ド線６０に接
続された適当な回路によって感知される。リム１８と支
持面５０の接触面は公知の技術で接着されるので、支持
面５０に対する硬取付けができる。リム１８で支持され
る板ばね部１７と、分離層１５のポスト１９とは、この
ようにして、支持面５０内のひずみによって引き起され
たストレスを分離し、感知ダイアフラム部５８に作用す
ることがないようにする。 【００１７】図５は本発明の他の実施例であり、圧力マ
ニフォ―ルド９０に取付けられた外部ハウジング内に収
納された代表的な圧力センサ―を示す。センサ―組立体
７０は図３に示すセンサ―本体２７と類似しており、セ
ンサ―ハウジング７４のベ―ス７３に硬取付けされた端
取付け面７２Ａを有するストレス分離ポスト、すなわち
突起７２を持っているストレス分離層７１を具備してい
る。前記分離層７１の中間部７１Ａがバネ性を有し、ス
トレス分離の作用をする。ポスト７２を貫通する開口７
５は圧力感知室７６に開いている。ダイアフラム組立体
すなわち本体７７は、適当な方法により、そのリム部分
７８で分離層７１上に取付けられている。ダイアフラム
組立体７７は、偏向ダイアフラム部の運動を感知するた
めの、ストレンゲ―ジ抵抗８０を有する偏向ダイアフラ
ム部７９を備えている。 【００１８】真空表示カップ８２がダイアフラム部７９
を覆うように、その上に取付けられている。カップ８２
は表示壁であるベ―ス壁８３と、その縁がリム７８に整
合するようにダイアフラム組立体７７に接着されている
周囲壁８４を有する。カップ８２の壁８４が真空中で、
ダイアフラム組立体７７に溶着または接着される場合に
は、カップ壁８３は、点線で示すように、大気圧の下で
内方に偏向する。かくして、ベ―ス壁８３の下の室にお
ける基準圧力が真空である場合の指示（表示）が得られ
る。ハウジングベ―ス壁７３は、その上に固定された周
囲ハウジング壁８５を備え、カバ―８６はセンサ―組立
体７０を囲む囲み８７を形成する。符号８８で示す適当
な貫通電気接続リ―ドを、抵抗８０から適当な感知回路
への接続のために、ハウジング７４に取付けることがで
きる。 【００１９】図に示すように、ハウジングベ―ス壁７３
は感知されるべき圧力を保持する圧力マニフォ―ルド９
０上に取付けられ、ストレス分離層７１内の開口７５と
一列に並ぶ壁７３内の開口９２に通ずる圧力出口開口９
１を有する。適当なＯ型リング９４を使用して一列に並
ぶ開口９１および９２をシ―ルすることができる。 【００２０】それ故に、圧力がマニフォ―ルド９０中に
存在すると、それは感知室７６へ通過させられ、カップ
８２で形成される基準圧力に対してダイアフラム部７９
を振れさせる。センサ―ハウジング・ベ―ス７３に加わ
るどんなストレスも、分離層７１によって、特に、分離
層の中間部７１Ａを経てダイアフラムリム７８に結合さ
れるネック７２によってダイアフラムから分離される。 【００２１】図６〜９には、バッチ製造法で製造され、
本発明に用いるのに好適なストレス分離層の更に他の変
形例を示す。これらは、先に述べたのと本質的には同じ
ように作用する分離層を具備しているが、これらは、感
知ダイアフラムから取付けポストすなわち突起をストレ
ス分離するための、ばねまたはヒンジ部を形成するひず
み分離スリットで実現される。 【００２２】図６には、前述と同様に、シリコンウェ―
ハ―から形成されている分離層１００の底面図が示され
る。形成に当っては、適当な圧力開口１０２をもった突
起１０１が、中心部に作られる。１対の、一定間隔だけ
離れて平行な分離溝すなわちスロット１０３が層１００
の表面に形成されて、層の端から端まで延びている。ス
ロット１０３に垂直な方向に延びる、１対の交さするス
リットまたはスロット１０４が、さらに分離層の底面に
形成される。ポスト１０１を囲む分離層の中心部（符号
１０５で示す）を分離するため、スロットは周囲分離ス
ロットを形成する。ポストすなわち突起１０１は、分離
層１００のリム部１０７から実質的に厚さを減じてある
スプリング・ヒンジ部分１０６を通じてのみ、分離層の
残りの部分に接続される（図７参照）。 【００２３】図７では、ポストすなわち突起１０１は下
方にのびている。ダイアフラム組立体すなわち本体１１
０は、薄い偏向ダイアフラム部１１１および一体構成の
リム１１２を有する。リム１１２は分離層１００の周囲
リム１０７に接着される。所望ならば、適当な真空表示
カップを、前に示したように、このダイアフラム組立体
すなわち本体上に設けることができる。ダイアフラム組
立体は、公知の方法でダイアフラムの振れを感知するた
め、その上にストレンゲ―ジピエゾ抵抗１１３を備えて
いる。適当なリ―ド線１１４が抵抗１１３に接続され、
適当な感知回路に接続される。 【００２４】ポスト１０１は取付け面１０２Ａを有し、
この面はひずみを受けることのある適当な支持面１１５
上に硬（非弾性的に）取付けされる。しかし、ダイアフ
ラム１１１内のひずみで 誘導されたストレスは、ポス
トすなわち突起１０１がダイアフラムにストレスを伝達
しないように分離する分離スロット１０３および１０４
によって、ダイアフラム１１１から分離される。せまい
部分１０６は、ポスト１０１にとってはスプリング・ヒ
ンジの役目をし、ダイアフラムにストレスを伝達して抵
抗１１３の値に影響を与えることなしに、動くことがで
きる。 【００２５】図８は、シリコンウエ―ハ―製の分離層１
２０よりなり、中心ポストすなわち突起１２１を有す
る、ストレス分離層のさらに別の変形例を示す。突起１
２１には、センサ―組立体に圧力を導入するための開口
１２２が、前と同じように形成される。第１の方向にの
びる、１対の一定間隔で配置した分離スロットまたはス
リット１２３が、ポストの２側面を決定し、第２の垂直
方向にのびる第２の対のスロットまたはスリット１２４
が、ポスト１２１の２つの反対側面を定めて、取り囲み
溝１２５を形成する。ポストの範囲を限定するスロット
１２３および１２４は、エッチングではじめに形成され
た突起の部分であるが、スロットが作られる時に分離形
成された４つの壁１２６を分離形成する。スロットは、
分離層がエッチングされた後に、通常は鋸で切って作ら
れる。ストレス分離層１２０が支持面１２７上に取付け
られる場合（図９参照）、それは２つの領域で（すなわ
ち、１つはポスト１２１の端面１２１Ａに直接に、また
もう１つは周囲壁１２６の端上で）支持される。 【００２６】分離スロット１２８がスロット１２３に平
行に形成され、周囲の方へ一定間隔をおいて配置されて
分離層の外縁部を更に分離することになる。スロット１
２９はスロット１２４に平行であり、スロット１２４か
ら外方に間隔をおいて配置される。スロット１２８およ
び１２９は、突起１２１とリム部分１３５との間に、こ
れらのスロット１２８および１２９で形成された可撓性
のある、または間隔をおいた分離部を形成する。偏向ダ
イアフラム１３１が圧力下で分離層に対して振れるよう
に、ダイアフラム組立体１３０が、図９のように、分離
層１２０上に取付けられるとき、支持面１２７内のどん
なひずみもダイアフラムから分離され、感知ダイアフラ
ム部の感知出力に実質的に影響を与えないようになる。 【００２７】感知ダイアフラム組立体１３０にはリム１
３２があり、これは分離層のリム１３５の上表面に接着
されている。分離層の外縁にある分離溝１２８および１
２９は、図９に示すように、リム１３２のすぐ内側に位
置されている。スロットは、ストレス分離に必要な弾性
すなわちスプリング効果を与えるような、厚みの減ぜら
れた部分を形成する。 【００２８】図６ないし図９に示す切込み（cuts）は鋸
で行うことができるが、機械的な鋸作業の後に化学的エ
ッチングを行なうことは、図示の切込みの底端での微小
クラックを除去するのに推奨できるかもしれない。図６
ないし図９に開示した構造は、取付け用突起とダイアフ
ラムのリムの間にスプリング部を有しており、ひずみで
誘起されたストレスが伝わるのを減少させる。ダイアフ
ラムの振れ検知のために、容量性または抵抗性の感知技
術を使用できる。硬取付けされたセンサ―のためのスト
レス分離は簡単な方法で達成される。センサ―は比較的
小さく、バッチ製造技術を用いて、２００もの装置を３
インチのウエ―ハ―から作り出すことができる。このウ
エ―ハ―は感知ダイアフラム、およびもしも所望なら
ば、ガラス中間層を提供するのに必要とされる付加的層
と積み重ねられ、またはサンドイッチにされる。 【００２９】 【発明の効果】本発明によれば、ダイアフラム部分の一
方主面上にカップ部材を気密に固着して両者間に密封室
を形成し、前記密封室内が基準圧（真空）のときにはカ
ップ部材が内方へ偏向するので、基準圧の存在を容易に
識別できる。また、ダイアフラム組立体がストレス分離
層を介して取り付け面に固定されるので、取り付け面か
らの歪みの伝達を低減することができ、測定誤差を減少
することができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】代表的シリコンウエ―ハ―の部分図であり、そ
の上にバッチ製造されたストレス分離層の輪郭を示す平
面図である。 【図２】図１の線２−２に沿った断面図である。 【図３】分離層上に取付けられた、分離層の外部形態に
調和する感知ダイアフラム本体を有するセンサ―の部分
断面図である。 【図４】本発明の１実施例のセンサ―の断面図である。 【図５】本発明の他の実施例のセンサ―の断面図であ
る。 【図６】分離溝を含む代表的なストレス分離層の底面図
である。 【図７】図６に示すストレス分離層を利用したセンサ―
の断面図である。 【図８】本発明に好適な付加的分離溝を有するストレス
分離層の底面図である。 【図９】図８に示されたストレス分離層の中心を通して
見た断面図である。 【符号の説明】 ７１…ストレス分離層 ７２Ａ…取付け表面 ７３…支
持面 ７７…ダイアフラム組立体 ７９…ダイアフラム
部分 ８２…真空表示カップ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シュールト，ジョン ピー. アメリカ合衆国、55344 ミネソタ州、 エデン プレイリー、ノッティンガム トレイル 10158 (56)参考文献 特開 昭59−217126（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−100833（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−119230（ＪＰ，Ａ) 実開 昭53−109483（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭54−143275（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01L 9/04 101

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．その周縁のリム部分を支持されたダイアフラム部分
   と、 静止位置からのダイアフラム部分の振れの関数として変
   化する出力を発生する手段と、 周囲縁および、支持面に前記ダイアフラム部分を接続す
   るための取付け面を形成する手段を備える支持手段と、 前記ダイアフラム部分の、前記支持手段とは反対の側の
   主面上に横たわるカップ部材とを具備し、 前記カップ部材は、前記ダイアフラム部分を支持する前
   記周囲縁と実質的に整列し、かつ前記リム部分にシール
   結合された周囲壁、および前記ダイアフラム部分から隔
   離されたベース壁を有し、 前記カップ部材のベース壁は、該ベース壁とダイアフラ
   ム部分との間の空間が真空である場合に、前記ダイアフ
   ラム部分の方へ偏向することを特徴とする真空表示装置
   付き圧力センサー。 ２．前記支持手段は、その周囲縁および取付け面を形成
   する手段の間に偏向可能なスプリング部を有し、前記取
   付け面からダイアフラム部分へのストレスの伝達を低減
   するストレス分離層であることを特徴とする特許請求の
   範囲１に記載の真空表示装置付き圧力センサー。 ３．前記ストレス分離手段は、その周囲に実質的に広が
   っているリム部分、および該リム部分から該ストレス分
   離手段の中心方向に向かって該リム部分の板面に平行に
   伸び、かつ前記リム部分よりも肉厚を減少させて弾性的
   コンプライアンスを呈するようにしたスプリング部分を
   含むストレス分離層と、 該ストレス分離手段の実質上中心に位置させ、前記スト
   レス分離層の一方の面から突出するように前記スプリン
   グ部分に接続された突起部分とからなり、 前記突起部分が前記取付け面を構成したことを特徴とす
   る特許請求の範囲２に記載の真空表示装置付き圧力セン
   サー。 ４．前記スプリング部分は、前記突起を囲む前記部材層
   内の、厚さを減じた部分よりなり、前記厚さを減じた部
   分は前記突起の周囲を囲むスロットによって形成されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲２に記載の真空表
   示装置付き圧力センサー。 ５．前記支持手段は、前記ダイアフラム部分のリム部分
   に接続され、前記ダイアフラム部分との間に感知室を形
   成する剛性部材と、 リム部分および該リム部分から中心部の突起部分に向か
   って前記剛性部材の面とほぼ平行に延び、弾性的コンプ
   ライアンスを呈するスプリング部分よりなるストレス分
   離層とを含み、 前記リム部分および突起部分の一方が前記剛体部材に接
   続されてこれを支持するように構成されたことを特徴と
   する特許請求の範囲１に記載の真空表示装置付き圧力セ
   ンサー。