JP6611953B2

JP6611953B2 - 歪みセンサ

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Publication number: JP6611953B2
Application number: JP2018535671A
Authority: JP
Inventors: 裕一郎塙; 高森; 俊幸松岡; 卓也水野
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2016-08-23
Filing date: 2017-08-22
Publication date: 2019-11-27
Anticipated expiration: 2037-08-22
Also published as: EP3505895A1; EP3505895B1; EP3505895A4; WO2018038068A1; JPWO2018038068A1

Description

この発明は、歪みセンサに関する。

従来から、金属ダイヤフラムに接合部材を介して半導体素子を接合した歪みセンサが知られている。さらに、特許文献１には、金属ダイヤフラム（金属板）上に接合した接合部材（ガラス層）及び半導体素子（Ｓｉチップ）の破損を抑制するため、金属ダイヤフラム及び接合部材の材料として、熱膨張係数が同等程度（具体的には、２．０×１０^−６／℃〜６．０×１０^−６／℃（２０℃〜３００℃の範囲））の材料を使用する技術が開示されている。また、特許文献２においても、接合部材（接合ガラス）と金属ダイヤフラム（金属ステム）との熱膨張係数差が大きいことによって接合部材や半導体素子に亀裂等の損傷が生じることを抑制するために、半導体素子の外周側に、接合部材と金属ダイヤフラムとの熱膨張係数の差に起因する熱応力を吸収する応力吸収材を設けた歪みセンサが開示されている。この応力吸収材としては、金属ダイヤフラムと半導体素子との間の熱膨張係数（具体的には、熱膨張係数が４９×１０⁻⁷／℃〜６９×１０⁻⁷／℃（２０℃〜３００℃の範囲））を有する材料を用いている。

特開昭６１−２１７７３３号公報特開２０１３−２３４９５５号公報

ところで、近年、３５０℃程度の高温の環境下で歪みセンサを用いることが要求されている。しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載された歪センサでは、このような高温での環境下で歪みセンサを用いることを考慮されていない。特に特許文献２に記載された歪みセンサでは、ダイヤフラムの金属材料としてＳＵＳ４３０を使用しているが、ＳＵＳ４３０は高温での強度が低いので、３５０℃程度の高温の環境下では使用できないという問題がある。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、金属部材からなるダイヤフラムの上に、シリコンを含む歪ゲージとしての半導体素子を、ガラスを介して接合した歪みセンサが提供される。この歪みセンサは、前記金属部材が、５０℃以上３５０℃以下の温度範囲における平均線膨張係数が、１２．１ｐｐｍ／℃以上２１．２ｐｐｍ／℃以下であるＮｉ基耐熱合金であり；前記ガラスが、３５０℃より高いガラス転移点を有すると共に、前記温度範囲における平均線膨張係数が、前記温度範囲における前記金属部材の平均線膨張係数よりも低く、且つ前記温度範囲における前記半導体素子の平均線膨張係数以上であり；前記ガラスの平均線膨張係数と前記金属部材の平均線膨張係数との差が３．３ｐｐｍ／℃以上１０．２ｐｐｍ／℃以下である、ことを特徴とする。

この歪みセンサによれば、金属部材としてＮｉ基耐熱合金を用いると共に、ガラスとして３５０℃より高いガラス転移点を有する材料（以下、耐熱ガラス材料とも言う）を用いたので、３５０℃程度の高温での環境下で歪みセンサを用いることが可能となる。

また、この歪みセンサによれば、ガラスの平均線膨張係数と金属部材の平均線膨張係数との差を３．３ｐｐｍ／℃以上としている。金属部材としてＮｉ基耐熱合金を用い、ガラスとして耐熱ガラス材料を用いるにあたり、発明者が鋭意検討した結果、以下のようなことを見出した。詳細には、溶融したガラスを用いてダイヤフラム上に半導体素子を接合した後、ガラスが冷却されると、ガラスの平均線膨張係数と金属部材の平均線膨張係数との差に応じた残留圧縮応力（残留圧縮歪み）がガラスに生じる。そして、ガラスの平均線膨張係数と金属部材の平均線膨張係数との差を３．３ｐｐｍ／℃以上とすることで、高温の環境下で歪みセンサを使用したときに、ダイヤフラムが伸びてその伸びに応じてガラスに引張応力が加わったとしても、残留圧縮応力により引張応力が相殺されるため、ガラスに過度の引張応力が掛からない。そして、一般的に、ガラスは引張応力よりも圧縮応力に対して高い強度を有するため、この結果、歪みセンサの耐荷重性が向上することができる。なお、ガラスの平均線膨張係数と金属部材の平均線膨張係数との差を３．３ｐｐｍ／℃未満であれば、上記の効果が得られない。

さらに、この歪みセンサによれば、ガラスの平均線膨張係数と金属部材の平均線膨張係数との差を１０．２ｐｐｍ／℃以下としている。これにより、溶融したガラスを用いてダイヤフラム上に半導体素子を接合した後、ガラスが冷却された際（つまり、常温（２５℃）時）に、残留圧縮応力（残留圧縮歪み）がガラスに過度に生じることを抑制でき、常温時にガラスが破損することを抑制できる。

（２）上記歪みセンサにおいて、前記温度範囲において前記歪みセンサの使用条件下における最大荷重を前記ダイヤフラムに掛けた状態において、前記ダイヤフラムと前記半導体素子の間にある前記ガラスに発生する歪みが、圧縮歪みとなるものとしてもよい。
この構成によれば、高温の環境下でダイヤフラムに最大荷重を掛けた状態においても、ガラスに加わる引張応力が残留圧縮応力により完全に相殺され、ガラスには圧縮歪みのみが残るので、歪センサの耐荷重性が更に向上する。

（３）上記歪みセンサにおいて、前記温度範囲における前記ガラスの平均線膨張係数は、６．３ｐｐｍ／℃以上であるものとしてもよい。
この構成によれば、容易にガラスの平均線膨張係数を半導体素子の平均線膨張係数以上とすることができる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、歪みセンサや、歪みセンサの製造方法等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態としての歪みセンサの断面図。歪みセンサに関する接合試験の結果を示す図。歪みセンサのガラスに掛かる歪みの計算例を示す図。

図１（Ａ）は、本発明の一実施形態としての歪みセンサ１００の断面図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＢ部分の拡大図である。この歪みセンサ１００は、有底の金属筒状体２０を有し、金属筒状体２０の底部を構成するダイヤフラム２２の上に、ガラス３０を介して半導体素子４０を接合した構成を有する。半導体素子４０は、シリコンを含む歪ゲージとして構成されている。この歪みセンサ１００は、ダイヤフラム２２の変形量（歪み量）を半導体素子４０で検出する機能を有する。この歪みセンサ１００は、溶融したガラスを用いてダイヤフラム２２の上に半導体素子４０を接合した後に、冷却してガラス３０を固化させることによって作製される。冷却時にガラス３０が固化する温度（ガラスの固着点温度）は、例えば約４６０℃〜５１０℃の範囲であり、典型的には５０５℃である。

歪みセンサ１００の使用温度範囲は、少なくとも５０℃以上３５０℃以下の温度範囲を含むものに設定され、特に高温での使用（具体的には、３５０℃付近での使用）を考慮している。そのため、後述するような金属筒状体２０及びガラス３０の材料を選択している。また、後述するように、金属筒状体２０とガラス３０と半導体素子４０の材料としては、それらの線膨張係数が特定の関係を有する材料が選択されており、５０℃以上３５０℃以下の温度範囲で歪みセンサ１００を使用した場合に、歪センサ１００（特にガラス３０）に破損が生じ難い構成となっている。

ダイヤフラム２２を形成する金属部材は、高温での使用を考慮して、３５０℃の使用温度に耐えうるＮｉ基耐熱合金が選択される。また、このようなＮｉ基耐熱合金の５０℃以上３５０℃以下の温度範囲における平均線膨張係数ＣＴＥｍは、１２．１ｐｐｍ／℃以上２１．２ｐｐｍ／℃以下であるものが選択される。また、この金属部材の平均線膨張係数ＣＴＥｍは、１２．２ｐｐｍ／℃以上１７．２ｐｐｍ／℃以下であることが好ましい。なお、金属部材の平均線膨張係数ＣＴＥｍの下限値（１２．１ｐｐｍ／℃）及び上限値（２１．２ｐｐｍ／℃）は、Ｎｉ基耐熱合金について実現可能な下限値及び上限値として採用した値である。Ｎｉ基耐熱合金としては、例えば以下のものを利用可能である。

＜Ｎｉ基耐熱合金の例１＞
（１）組成（重量％）：
Ｎｉ：５８．０〜６３．０％，Ｃｒ：２１．０〜２５．０％，Ａｌ：１．０〜１．７％，Ｃ：≦０．１０％，Ｓｉ：≦０．５０％，Ｍｎ：≦１．０％，Ｓ：≦０．０１５％、Ｃｕ：≦１．０％，Ｆｅ：残
（２）５０℃以上３５０℃以下の温度範囲における平均線膨張係数ＣＴＥｍ：
約１３．０〜約１５．０ｐｐｍ／℃

＜Ｎｉ基耐熱合金の例２＞
（１）組成（重量％）：
Ｃｒ：１８．００〜２１．００％，Ｂ：０．００３〜０．０１％，Ｚｒ：０．０２〜０．１２％，Ａｌ：１．２０〜１．６０％，Ｔｉ：２．７５〜３．２５％，Ｍｏ：３．５０〜５．００％，Ｃｏ：１２．００〜１５．００％，Ｃｕ：≦０．５０％，Ｆｅ：≦２．００％，Ｓ：≦０．０３０％，Ｓｉ：≦０．７５％，Ｍｎ：≦１．００％，Ｃ：≦０．１０％，Ｐ：≦０．０３０％．Ｎｉ：残
（２）５０℃以上３５０℃以下の温度範囲における平均線膨張係数ＣＴＥｍ：
約１２．２〜約１３．５ｐｐｍ／℃

＜Ｎｉ基耐熱合金の例３＞
（１）組成（重量％）：
Ｎｉ：２４．０〜２７．０％，Ｃｒ：１３．５〜１６．０％，Ｔｉ：１．９０〜２．３５％，Ｍｏ：１．０〜１．５％，Ｖ：０．１０〜０．５０％，Ｃ：≦０．０８％，Ｍｎ：≦２．０％，Ｓｉ：≦１．０％，Ａｌ：≦０．３５％，Ｓ：≦０．０３０％，Ｂ：０．００１〜０．０１％，Ｆｅ：残
（２）５０℃以上３５０℃以下の温度範囲における平均線膨張係数ＣＴＥｍ：
約１６．０〜約１７．２ｐｐｍ／℃

＜Ｎｉ基耐熱合金の例４＞
（１）組成（重量％）：
Ｎｉ：≧５８．０％，Ｃｒ：２０．０〜２３．００％，Ｃ：≦０．１０％，Ｆｅ：≦５．０％，Ｓｉ：≦０．５０％，Ｍｎ：≦０．５０％，Ｓ：≦０．０１５％，Ａｌ：≦０．４０％，Ｔｉ：≦０．４０％，Ｐ：０．０１５％，Ｍｏ：８．０〜１０．０％
（２）５０℃以上３５０℃以下の温度範囲における平均線膨張係数ＣＴＥｍ：
約１２．８〜約１３．５ｐｐｍ／℃

なお、代表的なＮｉ基耐熱合金の５０℃以上３５０℃以下の温度範囲における平均線膨張係数ＣＴＥｍの値を考慮すれば、金属部材の平均線膨張係数ＣＴＥｍを１２．２ｐｐｍ／℃以上１７．２ｐｐｍ／℃以下の範囲としても良い。

ガラス３０の材質としては、５０℃以上３５０℃以下の温度範囲における平均線膨張係数ＣＴＥｇが、金属部材の平均線膨張係数ＣＴＥｍよりも低く、且つ後述する半導体素子４０の５０℃以上３５０℃以下の温度範囲における平均線膨張係数ＣＴＥｓ以上であり、さらに、高温での使用を考慮して、３５０℃より高いガラス転移点を有するものが選択される。さらに、ガラス３０の平均線膨張係数ＣＴＥｇは、６．３ｐｐｍ／℃であるものとしてもよい。これにより、容易に半導体素子の平均線膨張係数以上とすることができる。このようなガラス材料としては、種々のガラスを使用可能であり、例えば、無鉛ガラスや鉛ガラスなどの無機ガラスを使用可能である。なお、ガラス３０の平均線膨張係数ＣＴＥｇを調整するために、ガラス成分との間で化学反応を生じない粉末材料で形成されたフィラーを適宜混合するようにしてもよい。このようなフィラーとしては、コージェライトやシリカ等の各種の酸化物を利用可能である。

さらに、ガラス３０の平均線膨張係数ＣＴＥｇと金属部材の平均線膨張係数ＣＴＥｍとの差を３．３ｐｐｍ／℃以上としている。溶融したガラスを用いてダイヤフラム２２上に半導体素子４０を接合した後、ガラス３０が室温（約２５℃）まで冷却されると、ガラス３０の平均線膨張係数ＣＴＥｇと金属部材の平均線膨張係数ＣＴＥｍとの差（ＣＴＥｇ−ＣＴＥｍ）に応じた残留圧縮応力（残留圧縮歪み）がガラス３０に生じる。そして、ガラス３０の平均線膨張係数と金属部材の平均線膨張係数との差を３．３ｐｐｍ／℃以上とすることで、高温の環境下で歪みセンサ１００を使用したときに、歪みセンサ１００の温度が上昇してダイヤフラム２２が膨張し、この膨張に応じてガラス３０に引張応力が加わったとしても、残留圧縮応力により引張応力が相殺されるため、ガラス３０に大きな引張応力が生じることが無い。そして、一般的に、ガラス３０は圧縮応力には強いが引張応力には弱い傾向がある。従って、５０℃〜３５０℃の環境下での歪みセンサ１００の耐荷重性を向上させることができる。この意味では、ダイヤフラム２２を形成する金属部材とガラス３０の平均線膨張係数の差（ＣＴＥｍ−ＣＴＥｇ）は大きいことが好ましく、ガラス３０の平均線膨張係数と金属部材の平均線膨張係数との差を３．３ｐｐｍ／℃以上とすることが好ましい。この下限値（３．３ｐｐｍ／℃）は、後述する図３の試験結果を考慮して決められた値である。但し、ガラス３０の平均線膨張係数と金属部材の平均線膨張係数との差（ＣＴＥｍ−ＣＴＥｇ）を１０．２ｐｐｍ／℃以下としている。両者の平均線膨張係数の差が過度に大きいと、溶融したガラスを用いてダイヤフラム２２上に半導体素子４０を接合した後、ガラスが冷却された際（常温時）に、ガラス３０に過度の残留圧縮応力が生じてしまい、ガラス３０が破損する可能性がある。この点を考慮すると、金属部材の平均線膨張係数とガラス３０の平均線膨張係数との差（ＣＴＥｍ−ＣＴＥｇ）は、１０．２ｐｐｍ／℃以下とすることが好ましい。この上限値（１０．２ｐｐｍ／℃）は、後述する図２の試験結果を考慮して決められた値である。

半導体素子４０は、シリコンを含む素子であり、また、５０℃以上３５０℃以下の温度範囲における平均線膨張係数ＣＴＥｓが、ガラス３０の平均線膨張係数ＣＴＥｇ以下であるものが選択される。シリコンチップを用いて半導体素子４０を形成する場合には、その平均線膨張係数ＣＴＥｓはＳｉとほぼ同じであり、約３．０〜約３．５ｐｐｍである。半導体素子４０の平均線膨張係数ＣＴＥｓをガラス３０の平均線膨張係数ＣＴＥｇ以下とする理由は、逆に、ＣＴＥｇ＜ＣＴＥｓとした場合には、高温の使用時に半導体素子４０がガラス３０よりも膨張するので、ガラス３０の圧縮応力を小さくしてしまい、耐荷重性を低下させてしまうからである。

なお、ダイヤフラム２２とガラス３０と半導体素子４０の材料としては、更に、５０℃以上３５０℃以下の温度範囲においてダイヤフラム２２に最大荷重を掛けた状態（歪みセンサ１００にその使用圧力範囲の最高圧力を掛けた状態）において、ダイヤフラム２２と半導体素子４０の間にあるガラス３０に発生する歪みが、圧縮歪みとなるように選択されていることが好ましい。歪みセンサ１００の使用条件下におけるダイヤフラム２２の最大荷重は、歪みセンサ１００の用途に応じてその型番毎に設定される。なお、通常は、金属筒状体２０の外部に比べて内部に高い圧力が掛かる状態で歪みセンサ１００が使用される。このように各材料を選択すれば、ダイヤフラム２２に最大荷重を掛けた状態においても、ガラス３０に加わる引張応力が残留圧縮応力により完全に相殺され、ガラス３０には圧縮歪みのみが残るので、歪センサ１００の耐荷重性を更に向上させることができる。

図２は、各種の歪みセンサ１００の複数のサンプルに関する接合試験の結果を示している。７つのサンプル＃１１〜＃１７のうち６つのサンプル＃１１〜＃１６は、半導体素子４０とガラス３０が共通しており、ダイヤフラム２２の金属部材が互いに異なるサンプルである。すなわち、サンプル＃１１のダイヤフラム２２の金属部材としては上述したＮｉ基耐熱合金の例１（ＣＴＥｍ＝１３．０ｐｐｍ／℃）を使用した。また、ダイヤフラム２２の金属部材として、サンプル＃１２では銅（ＣＴＥｍ＝１６．５ｐｐｍ／℃）、サンプル＃１３では真鍮（ＣＴＥｍ＝１７．５ｐｐｍ／℃）、サンプル＃１４ではアルミニウム（ＣＴＥｍ＝２３．１ｐｐｍ／℃）を使用した。さらに、ダイヤフラム２２の金属部材として、サンプル＃１５では、上述したＮｉ基耐熱合金の例３（ＣＴＥｍ＝１６．０ｐｐｍ／℃）、サンプル＃１６では、上述したＮｉ基耐熱合金の例４（ＣＴＥｍ＝１２．８ｐｐｍ／℃）を使用した。また、半導体素子４０の平均線膨張係数ＣＴＥｓは３．５ｐｐｍ／℃であった。さらに、ガラス３０の平均線膨張係数ＣＴＥｇは６．３ｐｐｍ／℃であった。ガラス３０の固着点温度Ｔ１は約５０５℃であったため、固着点温度と、評価温度Ｔ２である室温（約２５℃）との温度差ΔＴを４８０℃とした。

一方、サンプル＃１７は、半導体素子４０とダイヤフラム２２の金属部材がサンプル＃１５と共通しており、ガラス３０が異なるサンプルである。すなわち、サンプル＃１７のダイヤフラム２２の金属部材としては上述したＮｉ基耐熱合金の例３（ＣＴＥｍ＝１６．０ｐｐｍ／℃）を使用した。また、半導体素子４０の平均線膨張係数ＣＴＥｓは３．５ｐｐｍ／℃であった。さらに、ガラス３０の平均線膨張係数ＣＴＥｇは１０．０ｐｐｍ／℃であった。ガラス３０の固着点温度Ｔ１は約４６４℃であったため、固着点温度と、評価温度Ｔ２である室温（約２５℃）との温度差ΔＴを４３９℃とした。

ガラス３０の熱収縮量εｇと金属部材の熱収縮量εｍは、各サンプルをガラス３０の固着点温度Ｔ１から評価温度Ｔ２である室温まで冷却した場合の値を示しており、それぞれの平均線膨張係数ＣＴＥｇ，ＣＴＥｍに温度差ΔＴ（＝４３９℃、４８０℃）を乗じて算出した値である。なお、平均線膨張係数ＣＴＥｇ，ＣＴＥｍは、５０℃以上３５０℃以下の温度範囲における平均線膨張係数の値であり、図２で使用している温度範囲（２５℃〜５０５℃）で平均線膨張係数は多少異なっているが、両者の差に大きなずれは生じ無いので、結論に対する影響は無視できる程度である。

ガラス残留歪みΔεは、ガラス３０の熱収縮量εｇと金属部材の熱収縮量εｍの差である。なお、ガラス残留歪みΔεは、負の場合にはガラス３０に圧縮歪みが存在することを意味し、正の場合にはガラス３０に引張歪みが存在することを意味する。図２の例では、サンプル＃１１，＃１２，＃１３，＃１４の順に、ガラス残留歪みΔεの絶対値が大きくなっており、より大きな圧縮歪みが発生することを示している。

これらのサンプル＃１１〜＃１７の接合試験では、溶融したガラスを用いてダイヤフラム２２の上に半導体素子４０を接合し、室温まで冷却した後に、ガラス３０に破損が生じているか否かを目視で確認した。サンプル＃１１，＃１２，＃１５，＃１６，＃１７ではガラス３０に破損（ひび割れ等）が発生していなかったが、サンプル＃１３，＃１４ではガラス３０に破損が発生していた（図２の右端の欄）。このテスト結果から考えると、金属部材とガラス３０の平均線膨張係数の差（ＣＴＥｍ−ＣＴＥｇ）が１０．２ｐｐｍ／℃よりも大きい場合には、歪みセンサ１００の常温時時にガラス３０に過度に大きな圧縮歪みが発生して、ガラス３０が破損してしまう可能性がある。従って、金属部材とガラス３０の平均線膨張係数の差（ＣＴＥｍ−ＣＴＥｇ）は１０．２ｐｐｍ／℃以下とする。なお、サンプル＃１２では、平均線膨張率ＣＴＥｓ，ＣＴＥｇ，ＣＴＥｍの関係は、好ましい関係の範囲内にあるが、金属部材として銅を用いているので、このサンプル＃１２を３５０℃程度の高温の環境下では繰り返して使用できない。従って、ダイヤフラム２２の金属部材としては、サンプル＃１１，＃１５，＃１６，＃１７のようなＮｉ基耐熱合金を使用する。

図３は、歪みセンサ１００のガラス３０に掛かる歪みの計算例を示している。６つのサンプル＃２１〜＃２６は、ガラス３０と金属部材の平均線膨張係数が異なるサンプルである。サンプル＃２１は、図２のサンプル＃１１と同じものであり、ガラス３０の平均線膨張係数ＣＴＥｇが６．３ｐｐｍ／℃、金属部材の平均線膨張係数ＣＴＥｍが１３．０ｐｐｍ／℃である。サンプル＃２２は、ガラス３０の平均線膨張係数ＣＴＥｇを８．８ｐｐｍ／℃とし、金属部材の平均線膨張係数ＣＴＥｍを１２．１ｐｐｍ／℃としたサンプルである。なお、サンプル＃２２における金属部材の平均線膨張係数ＣＴＥｍの値（１２．１ｐｐｍ／℃）は、Ｎｉ基耐熱合金について実現可能な下限値として採用した値である。サンプル＃２３は、サンプル＃２２のガラス３０の平均線膨張係数ＣＴＥｇを８．９ｐｐｍ／℃に変えたサンプルである。サンプル＃２４は、図２のサンプル＃１５と同じものであり、ガラス３０の平均線膨張係数ＣＴＥｇが６．３ｐｐｍ／℃、金属部材の平均線膨張係数ＣＴＥｍが１６．０ｐｐｍ／℃である。サンプル＃２５は、図２のサンプル＃１６と同じものであり、ガラス３０の平均線膨張係数ＣＴＥｇが６．３ｐｐｍ／℃、金属部材の平均線膨張係数ＣＴＥｍが１２．８ｐｐｍ／℃である。サンプル＃２６は、図２のサンプル＃１７と同じものであり、ガラス３０の平均線膨張係数ＣＴＥｇが１０．０ｐｐｍ／℃、金属部材の平均線膨張係数ＣＴＥｍが１６．０ｐｐｍ／℃である。

図３において、サンプル＃２１〜サンプル＃２５は、ガラス３０の固着点温度Ｔ１は約５０５℃であり、サンプル＃２６は、ガラス３０の固着点温度Ｔ１は約４６４℃であった。この固着点温度Ｔ１と複数の評価温度Ｔ２との温度差ΔＴを用いて、各評価温度Ｔ２におけるガラス３０の歪みを以下のように算出した。

ガラス３０の熱収縮量εｇと金属部材の熱収縮量εｍは、それぞれの平均線膨張係数ＣＴＥｇ，ＣＴＥｍに温度差ΔＴを乗じて算出した値である。なお、図２でも説明したように、平均線膨張係数ＣＴＥｇ，ＣＴＥｍは、５０℃以上３５０℃以下の温度範囲における平均線膨張係数の値であり、図３で使用している温度範囲（２５℃〜５０５℃）で平均線膨張係数は多少異なっているが、両者の差に大きなずれは生じ無いので、結論に対する影響は無視できる程度である。

ガラス残留歪みΔεは、ガラス３０の熱収縮量εｇと金属部材の熱収縮量εｍの差であり、負の場合にはガラス３０に圧縮歪みが存在することを意味している。図３の例では、いずれのサンプル＃２１〜＃２６においても２５℃〜３５０℃の評価温度Ｔ２においてガラス残留歪みΔεはすべて負であり、ガラス３０に圧縮歪みが生じている。また、評価温度Ｔ２が低いほど、ガラス３０の圧縮歪み量｜Δε｜が大きい。

最大荷重時の素子位置の引張歪みεｄは、ダイヤフラム２２に歪みセンサ１００の使用条件下における最大荷重を掛けた状態において、ダイヤフラム２２に発生する引張歪みでる。ここでは、例えば、εｄ＝５００ｐｐｍと仮定した。

最大荷重時の素子位置の引張歪みεｄとガラス残留歪みΔεの合計値（Δε＋εｄ）は、最大荷重時に、ダイヤフラム２２と半導体素子４０の間にあるガラス３０に発生する歪みを示している。この歪み（Δε＋εｄ）が負であれば、最大荷重時においてもガラス３０に圧縮歪みが残存しており引張歪みが生じないので、ガラス３０が破損しにくく、歪みセンサ１００の耐荷重性が向上する。図３の例では、サンプル＃２１，＃２２，＃２４，＃２５，＃２６では、２５℃〜３５０℃の範囲においてガラス３０の歪み（Δε＋εｄ）は負であり、常に圧縮歪みがある。一方、サンプル＃２３では、３５０℃におけるガラス３０の歪み（Δε＋εｄ）は正であり、引張歪みが発生する。

なお、歪みセンサ１００は、その使用条件の範囲（使用温度範囲及び使用圧力範囲）において十分な耐荷重性を有することが好ましい。具体的には、５０℃以上３５０℃以下の温度範囲においてダイヤフラム２２に最大荷重を掛けた状態において、ダイヤフラム２２と半導体素子４０の間にあるガラス３０に発生する歪み（Δε＋εｄ）が、圧縮歪みとなることが好ましい。このために、図３の結果から、金属部材とガラス３０の平均線膨張係数の差ΔＣＴＥ＝（ＣＴＥｍ−ＣＴＥｇ）を３．３ｐｐｍ／℃以上としている。なお、例えば、サンプル＃２２，＃２３のように金属部材の平均線膨張係数ＣＴＥｍとしてＮｉ基耐熱合金として実現可能な下限値（１２．１ｐｐｍ／℃）を採用した場合には、ガラス３０の平均線膨張係数ＣＴＥｇを８．８ｐｐｍ／℃以下とすることが好ましい。また、金属部材の平均線膨張係数ＣＴＥｍの下限値として１２．１ｐｐｍ／℃以外の値を採用した場合にも、金属部材とガラス３０の平均線膨張係数の差ΔＣＴＥ＝（ＣＴＥｍ−ＣＴＥｇ）を３．３ｐｐｍ／℃以上としている。

但し、最大荷重時の歪み（Δε＋εｄ）が引張歪みになる場合にも、その引張歪み量｜Δε＋εｄ｜が十分小さい場合にはガラス３０が破損する可能性は低いので、現実には問題とならない可能性がある。この場合に、最大荷重時の許容し得る引張歪み量｜Δε＋εｄ｜は、例えば、５００ｐｐｍ以下とすることができる。

・変形例
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。

・変形例１：
上述した実施形態の歪みセンサの構成は例示であり、本発明はこれ以外の種々の構成を有する歪みセンサにも適用可能である。例えば、上記実施形態における金属筒状体２０のような金属製の筒状部材を有さない歪みセンサにも本発明を適用可能である。この場合にも、その歪みセンサは、金属部材からなるダイヤフラムの上に、シリコンを含む歪ゲージとしての半導体素子を、ガラスを介して接合した構成を有することが好ましい。

２０…金属筒状体
２２…ダイヤフラム
３０…ガラス
４０…半導体素子
１００…歪みセンサ

Claims

金属部材からなるダイヤフラムの上に、シリコンを含む歪ゲージとしての半導体素子を、ガラスを介して接合した歪みセンサにおいて、
前記金属部材は、５０℃以上３５０℃以下の温度範囲における平均線膨張係数が、１２．１ｐｐｍ／℃以上２１．２ｐｐｍ／℃以下であるＮｉ基耐熱合金であり、
前記ガラスは、３５０℃より高いガラス転移点を有すると共に、前記温度範囲における平均線膨張係数が、前記温度範囲における前記金属部材の平均線膨張係数よりも低く、且つ前記温度範囲における前記半導体素子の平均線膨張係数以上であり、
前記ガラスの平均線膨張係数と前記金属部材の平均線膨張係数との差が３．３ｐｐｍ／℃以上１０．２ｐｐｍ／℃以下であることを特徴とする歪みセンサ。
請求項１記載の歪みセンサであって、
前記温度範囲において前記歪みセンサの使用条件下における最大荷重を前記ダイヤフラムに掛けた状態において、前記ダイヤフラムと前記半導体素子の間にある前記ガラスに発生する歪みが、圧縮歪みとなることを特徴とする歪みセンサ。
請求項１又は請求項２記載の歪みセンサであって、
前記温度範囲における前記ガラスの平均線膨張係数は、６．３ｐｐｍ／℃以上であることを特徴とする歪みセンサ。