JP2822613B2 - 半導体圧力センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の目的 ［産業上の利用分野］ 本発明は半導体圧力センサに関し、詳しくはダイアフ
ラムに作用する荷重を伝達ロッドを介して、センサエレ
メントに伝達する半導体圧力センサに関する。

［従来の技術］ 従来のこの種の半導体圧力センサに、ダイアフラムを
ステンレス鋼（SUS631）等の金属材料により形成し、ダ
イアフラムの受圧面の反対面に、セラミックスからなる
伝達ロッドを接着したものが知られている。接着剤には
低融点ガラスやエポキシ等が用いられる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記従来の構成では、個々のセンサに
よって圧力−出力特性にばらつきが生じたり、使用状況
によっては圧力−出力特性が変化するという問題があ
る。

例えば、従来の構成では、ダイアフラムと伝達ロッド
とが接着されるが、接着剤自体に物性値の大きなばらつ
きがあることと、接着剤層の厚みを均一に形成できない
ことから、ダイアフラムから伝達ロッドまでの力の伝達
系のばね定数が、センサの個々でばらついてしまう。こ
の結果、センサ個々によってセンサエレメントに伝達さ
れる力に差が生じ、圧力−出力特性がばらつくのであ
る。

また、上記接着剤の層が、長期の使用や、高温環境下
での使用により、クリープ等の経時変化を起して、セン
サの圧力−出力特性が変化することがある。

さらに、ダイアフラムが金属であるのに対して、伝達
ロッドはセラミックスからなり、両材料の線膨張率が相
違するから、ダイアフラムと伝達ロッドとの間に、体積
変化の違いに起因する歪が発生して、圧力−出力特性が
変化することがある。

本発明の半導体圧力センサは上記課題を解決し、圧力
−出力特性のばらつきや、変化を軽減するすることを目
的とする。

発明の構成 ［課題を解決するための手段］ 本発明の半導体圧力センサは、 ダイアフラムの受圧面の反対面に、該ダイアフラムに
作用する荷重を伝達する伝達ロッドを設け、該伝達ロッ
ドを介して前記作用する荷重を、作用力の大きさに応じ
出力信号を変化するセンサエレメントに伝達する半導体
圧力センサにおいて、 前記ダイアフラムと前記伝達ロッドとをジルコニアの
一体成形により構成したことを特徴とする。

［作用］ 上記構成を有する本発明の半導体圧力センサにおいて
は、ダイアフラムの受圧面に作用する荷重を、ダイアフ
ラムに一体成形した伝達ロッドを介して、センサエレメ
ントに伝達する。センサエレメントは伝達された力の大
きさに応じて出力信号を変化する。

上述のようにダイアフラムと伝達ロッドとはジルコニ
アの一体成形により構成され、寸法精度がよいから、ダ
イアフラムから伝達ロッドまでの力の伝達系のばね定数
がセンサの個々で均一化する。この結果、センサ個々の
圧力−出力特性のばらつきが小さくなる。

また、ジルコニアは機械的強度に優れかつ耐熱性が高
いから、長期の使用や高温環境下での使用によっても、
経時変化が微小である。したがって、センサの圧力−出
力特性の変化がほとんどない。

さらに、ダイアフラムと伝達ロッドとが同一材料（ジ
ルコニア）からなり、線膨張率が同じであるから、温度
変化によって体積変化が生じても、ダイアフラムと伝達
ロッドとの間に、体積変化による歪がほとんど発生せ
ず、圧力−出力特性の変化がほぼない。

［実施例］ 以下本発明の半導体圧力センサの実施例について説明
する。第１図は第１実施例の半導体圧力センサの縦断面
図である。

半導体圧力センサはバルク型のセンサであって、ダイ
アフラム１と、伝達ロッド３と、センサエレメント５
と、ハウジング７とを備える。

ダイアフラム１および伝達ロッド３は、部分安定化ジ
ルコニアの一体成形により構成される。部分安定化ジル
コニアは曲げこわさが大きく、かつ耐熱性と熱絶縁性と
に優れる材料である。熱伝導率は2.5W/mKであり、極め
て小さい。

ダイアフラム１の外周部には円筒部９が部分安定化ジ
ルコニアの一体成形により構成される。円筒部９の下端
部には、メタライジング層11が形成される。このメタラ
イジング層11を介して、ダイアフラム１等の一体成形品
が、ろう付け部13によりハウジング７に接合される。メ
タライジング層11は、タングステン等により形成され
る。ろう付け部13は銀ろうによりなされ、耐熱性が与え
られる。なお、ハウジング７は鉄、コバール、各種ステ
ンレス材等から形成される。

センサエレメント５はセンサチップ15と、センサチッ
プ15に接合された台座17とを備える。台座17の底面は接
着剤19によりハウジング７の内部の底に取り付けられ
る。接着剤19には、通常、エポキシ系またはフェノール
系樹脂の接着剤が用いられる。

このセンサエレメント５を、第２図（Ａ）の正面図、
第２図（Ｂ）の平面図に示す。

センサチップ15は所定の結晶軸、所定の導電型（Ｐ
型）、所定の抵抗率を有する単結晶シリコンから形成さ
れた電圧−電流直交型歪ゲージである。平面形状は正方
形または長方形である。厚みは数μｍから数百μｍであ
る。

センサチップ15の上面には、４辺の各々にそって、４
個の電極21がアルミニウム等の薄膜により形成される。
４個の電極21のうち、図示するように、２個が入力電
極、２個が出力電極である。入力の＋，−電極は、所定
の結晶軸方向の２辺にそって配置される。出力の＋，−
電極は、入力電極の配置された辺に隣接し直交する２辺
のそれぞれにそって配置される。入力の＋，−電極間に
は、あらかじめ定電圧または定電流が印加される。出力
の＋，−電極間には、センサチップ15の圧縮歪に比例し
た電圧出力が発生する。

上記各電極21は、第１図に示すように、ボンディング
ワイヤ23により、信号取出用のリード端子25に接続され
る。リード端子25は、第１図に示すように、ハウジング
７を貫通して外部に突出する。

一方、台座17は耐熱ガラス（商品名パイレックス＃77
40など）や、結晶化ガラス、シリコン等から形成され
る。なお、台座13の材料としては、その材料の線膨張率
が、シリコン（センサチップ15の材料）の線膨張率に近
い値のものが選択される。

センサチップ15の上面にはロッド27が接合される。ロ
ッド27は伝達ロッド３の伝達する力を、センサチップ15
の所定部分に伝達する。ロッド27の材料としては、台座
13と同様の材料が選択される。

上記台座13とロッド27とは、いずれもセンサチップ15
に、陽極接合等の直接接合により接合される。直接接合
されていても、上述のように台座13と伝達ロッド27と
に、線膨張率に配慮した材料が用いられるから、台座13
とセンサチップ15との間や、伝達ロッド27とセンサチッ
プ15との間には、熱による歪が発生しない。なお、陽極
接合は、接着剤を用いずに静電力で接合する方法であ
る。高温、高電圧印加にて、接合部材の界面が融合する
ことを利用する。陽極接合によれば、接合部の歪や熱応
力が小さくなり、接合強度が高くなる。

上記構成を有する半導体圧力センサにおいては、ダイ
アフラム１の受圧面に作用する荷重が、ダイアフラム１
に一体成形した伝達ロッド３と、ロッド27とを介して、
センサエレメント５に伝達する。センサエレメント５の
センサチップ15は、伝達された力の大きさに応じて圧縮
歪を生する。この結果、伝達された力に応じた電圧出
力、即ち被測定対象の圧力に応じた電圧出力がリード端
子25から検出される。

既述したように、ダイアフラム１と伝達ロッド３とは
部分安定化ジルコニアの一体成形により構成されるか
ら、寸法精度がよい。したがって、ダイアフラム１から
伝達ロッド３までの力の伝達系のばね定数は、センサの
個々でほぼ一定になる。センサの個々の圧力−出力特性
がばらつかず、そろう。ヒステリシス特性の向上も図ら
れる。

また、部分安定化ジルコニアは曲げこわさが大きく、
耐熱性に優れるから、長期の使用や高温環境下での使用
によっても、経時変化がほとんど発生せず、センサの圧
力−出力特性が変化しない。

さらに、タイアフラム１と伝達ロッド３とが部分安定
化ジルコニアからなり、線膨張率が同じであるから、温
度変化にともなってダイアフラムと伝達ロッドとが体積
変化しても、歪がほとんど発生せず、圧力−出力特性が
変化しない。

以上説明したように、第１実施例に示す半導体圧力セ
ンサによれば、ダイアフラム１と伝達ロッド３とを部分
安定化ジルコニアの一体成形により構成したから、セン
サの個々で圧力−出力特性がそろうとともに、センサの
圧力−出力特性がほとんど変化しないという優れた効果
を奏する。

また、部分安定化ジルコニアは熱絶縁性があるから、
被測定物の温度が500℃を越える場合でも、センサエレ
メント５の温度上昇が抑えられ、良好な測定精度が得れ
る利点がある。もちろん、500℃を越える場合でも、部
分安定化ジルコニアからなるダイアフラム１の機能は損
なわれない。従来のセンサでは、ダイアフラムが金属製
であったため、このような高温下では、その機能が熱応
力やクリープによって損なわれてしまい、測定できず、
使用温度範囲が制約された。

加えて、部分安定化ジルコニアは曲げこわさが大きい
ので、高圧力の測定が可能である。

こうしたことからこの半導体圧力センサは、高温環境
下での高圧力の測定に適用できる。例えば自動車エンジ
ンの燃焼圧力の検出など、苛酷な測定条件においても良
好に働く。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこ
うした実施例に何等限定されるものではなく、例えば伝
達ロッドの断面形状は円形でも多角形でもよく、伝達ロ
ッドやダイアフラムの形状は問わないなど、本発明の要
旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得
ることは勿論である。

発明の効果 以上詳述したように、本発明の半導体圧力センサによ
れば、ダイアフラムと伝達ロッドとをジルコニアの一体
成形により構成したから、センサ個々の圧力−出力特性
のばらつきや、センサの圧力−出力特性の変化を軽減で
きるという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体圧力センサの第１実施例を示す
縦断面図、第２図（Ａ）はそのセンサエレメントの正面
図、第２図（Ｂ）はセンサエレメントの平面図である。 １……ダイアフラム ３……伝達ロッド ５……センサエレメント ７……ハウジング 15……センサチップ 21……電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 29/84

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ダイアフラムの受圧面の反対面に、該ダイ
   アフラムに作用する荷重を伝達する伝達ロッドを設け、
   該伝達ロッドを介して前記作用する荷重を、作用力の大
   きさに応じ出力信号を変化するセンサエレメントに伝達
   する半導体圧力センサにおいて、 前記ダイアフラムと前記伝達ロッドとをジルコニアの一
   体成形により構成したことを特徴とする半導体圧力セン
   サ。