JPH01184433A - 半導体圧力変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は複合機能形差圧センサを使用した半導体圧力変
換器に係り、特に静圧影響が少ない温度補正された差圧
信号を得るのに好適な半導体圧力変換器に関する。

〔従来の技術〕

従来、差圧と温度とを検出するようにした差圧センサは
種々提案されているが、第８図は特開昭５６−８７１９
６号公報に記載された差圧センサの原理構造の一例を示
したものである。差圧センサは受圧部１と差圧検出部２
とから構成されており、差圧検出部２のほぼ中央部に（
１１０）面ｎ形単結晶シリコンからなる測定ダイアフラ
ム３が設けられている。この測定ダイアフラム３は凹形
のダイアフラムで、中央部に中心剛体部５を、外周部に
肉厚の外周固定部６をそれぞれ設け、かつ中心剛体部５
と外周固定部６とを連結する肉薄の環状起歪部８を設け
である。この環状起歪部８には差圧に感応するゲージ抵
抗が形成されている。

また外周固定部６には温度のみに感応するゲージ抵抗が
形成されている。これらのゲージ抵抗は高い静圧には不
感応に作られており、それぞれ本体９に設けた耐圧気密
端子１０からリード線１１を介して外部回路に接続され
ている。また測定ダイアフラム３は、シリコンとはヤン
グ率の異なるガラス等の絶縁材からなる固定台１２°に
接着されており、この固定台１２は本体９に固定された
金属管からなる支持部材１３に接着されている。

第８図において、差圧センサの作用の概略を説明する。

高圧流体が高圧側フランジ１５の高圧流体導入口１６よ
り導入されると、高圧流体の圧力ＰＨは高圧側シールダ
イアフラム１８、導圧路１９、高圧側隔離室２０、導圧
路２１を介して測定ダイアフラム３の一方の面に作用す
る。また低圧流体も同様に低圧側フランジ２２の低圧流
体導入口２３より導入されると、低圧流体の圧力ｐＬは
低圧側シールダイアフラム２５．導圧路２６、低圧側隔
離室２８．導圧路２９を介して測定ダイアフラム３の他
方の面に作用する。この結果、測定ダイアフラム３の環
状起歪部８は圧力差に応じてたわみ、それによってゲー
ジ抵抗値が変化する。

そして環状起歪部８のゲージ抵抗から差圧に、外周固定
部６のゲージ抵抗から温度にそれぞれ比例する信号を得
て、この信号はリード線１１により外部回路に伝達され
、温度補償された差圧信号を得ることができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上記差圧センサの測定ダイアフラム３の両側に
加わる静圧は、通常１００気圧以上と高いため１両側の
室の封入液の収縮量の不整や本体９の変形により測定ダ
イアフラム３を変形させ、それにともないゲージ抵抗の
抵抗値が変化する。

したがって、差圧による信号に静圧による信号が重畳さ
れ、正確な差圧信号が出力できなくなる。

すなわち、静圧影響を受け、誤差を生ずる結果となる。

この静圧誤差を防止するためには、両側の室の封入液の
液量を厳密に一致させたり、本体９を静圧によって変形
しないように剛性の大きいものとしなければならず、設
計、製作上の大きな制約となり、差圧センサの小形化、
低コスト化の障害となっていた。

これを解決するために、特開昭５８−１２０１４２号公
報に記載されているような半導体圧力変換器が提案され
ている。この半導体圧力変換器は差圧では発生するひず
みが小さく、大きな静圧では固定台１２とのヤング率差
でひずみの発生する外周固定部６に、静圧感知用ゲージ
を形成し、静圧影響を補正するようになっている。しか
し、この半導体圧力変換器の場合、静圧センサの感度を
大きくしようとすると、測定ダイヤフラム３の厚さを薄
くして、静圧印加時の固定台１２と測定ダイアフラム３
との間のヤクグ率差にもとづく応力を大きくする必要が
あり、そのため差圧センサの静圧によるクロストークが
大きくなるという問題点があった。

本発明の目的は、静圧影響が少ない差圧信号を得ること
ができるようにした半導体圧力変換器を提供することで
ある。

〔課題を解決するための手段〕

かかる目的達成のため、本発明は中央部に中心剛体部を
、外周部に肉厚の外周固定部をそれぞれ設け、かつ前記
中心剛体部と外周固定部とを連結する肉薄の環状起歪部
を設けたシリコンからなる測定ダイアフラムと、この測
定ダイアプラムを固定しシリコンとはヤング率の異なる
固定台とを備えた半導体圧力変換器において、前記環状
起歪部に差圧検出素子を、前記中心剛体部に少なくとも
１個の静圧検出素子をそれぞれ設けたものである。

〔作用〕

上述の構成によれば、中心剛体部に静圧検出素子が形成
されており、この静圧検出素子の位置がなんらかの要因
でずれた場合でも中心剛体部の応力は、半径方向の位置
に関係なく一定であるので。

安定した静圧出力が得られる。従って静圧影響が少ない
差圧信号が得られる。

〔実施例〕

以下１本発明を図面に示す実施例に基づいて説明する。

第１図から第３図は本発明の第１実施例に係り。

第８図に示すものと同−又は同等の部分には同一符号を
付して説明する。

測定ダイアフラム３の環状起歪部８には差圧に感応する
差圧検出素子であるＰ形ゲージ抵抗３１が感度の最大と
なる＜１１　Ｄ軸方向の径方向に沿って複数１例えば４
個拡散法又はイオンインプランテーシミン法により形成
されている。このゲ−ジ抵抗３１は温度影響を少なくす
るために中心剛体部５近傍に２個、外周固定部６近傍に
２個それぞれ形成されており、これらの抵抗はホイート
ストンブリッジに組まれ差動的に出力を得るようになっ
ている。また外周固定部６にも（１１１）軸方向の接線
方向に沿って静圧検出素子であるＰ形ゲージ抵抗３２が
２個拡散法又はイオンインプランテーション法により形
成され、さらに中心剛体部５には＜１１０＞軸方向の径
方向に沿って静圧検出素子であるＰ形ゲージ抵抗３３が
少なくとも１個、例えば２個外周面近傍に対向して拡散
法又はイオンインプランテーション法により形成されて
いる。これらのゲージ抵抗３２，３３はホイートストン
ブリッジに組まれ差動的に出力を得るようになっている
。

つぎに１本発明の第１実施例の作用を説明する。

第３図は外周固定部６の外径１４＋ｍ、内径１０閣、環
状起歪部８の厚さ０．０９ｍｍ、中心剛体部５の外径７
■、厚さＱ、５＋ｍの測定ダイアフラム３と、外径１４
ｍ、厚さ３．８ｗｍの固定台（パイレックスガラス１１
）１２とを接着したものに、直径７０１１の金属管支持
部材１３を接着し、全体に・１５　Ｍ　Ｐ　ａ　（＋　
１５０　ｋｇｆ／　ａＪ）の静圧を印加したときの測定
ダイアフラム３表面の発生応力を示したものである。同
図において、σθは接線方向応力、σ２は深さ方向応力
を示している。

差圧印加に対しては中心剛体部５および外周固定部６に
はほとんど応力が発生しないので、ゲージ抵抗３３．３
２は差圧に感応せずシリコンと固定台１２とのヤング率
の相違に基づく静圧による歪に主として感応する。また
中心剛体部５の応力は半径方向の位置に関係なく一定で
あるため、ゲージ抵抗３３の位置がなんらかの要因でず
れた場合でも安定した静圧出力が得られる。また静圧に
より応力の最も大きくなる中心剛体部５と、逆の応力が
発生する外周固定部６の両方にゲージ抵抗３３．３２が
設置されており、これにより静圧センサの感度が大きく
なり、従来の外周固定部６上のゲージ抵抗のみで構成し
た静圧センサに比較して１．５〜２倍の出力を得ること
ができる。

第４図および第５図は本発明の第２実施例に係り、第１
実施例と異なるところは、静圧検出素子が中心剛体部５
のみに設置されている点である。

静圧検出素子である２個のゲージ抵抗３３は感度の最も
大きいく１１０軸方向〉に形成され、他の２個のゲージ
抵抗３３は感度の最も小さい＜１００〉軸方向に形成さ
れており、これらのゲージ抵抗３３はホイートストンブ
リッジに組まれている。

本実施例によれば、静圧センサの感度は第１実施例の場
合の半分程度となるが、中心剛体部５の静・圧による応
力は、第１実施例と同様位置に関係なく一定であるので
、なんらかの要因でゲージ抵抗３３の位置がずれた場合
でも一定の安定した出力が得られる。

第６図および第７図は本発明の第３実施例に係り、第２
実施例と異なるところは、＜１００’）軸方向のゲージ
抵抗３３がｎ形に形成されている点である１例えばＰウ
ェルを形成し、その中にｎ形ゲージ抵抗を形成している
。ｎ形ゲージ抵抗は（１００＞軸方向が最も感度が大き
いので、第２実施例に比較して補助歪センサは２倍以上
の出力を得ることができる。

〔発明の効果〕

上述のとおり、゛本発明によれば、感度が大きく出力が
安定した静圧検出素子を同一チップに形成することがで
きるので、静圧影響の少ない差圧信号が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第３図は本発明の第１実施例に係り。 第１図は測定ダイアフラムを中心部で破断して示す斜視
図、第２図は測定ダイアフラムの平面図、第３図は測定
ダイアフラムにおいて発生する応力の分布図、第４図お
よび第５図は本発明の第２実施例に係り、第４図は測定
ダイアフラムの縦断面図、第５図は測定ダイアフラムの
平面図、第６図および第７図は本発明の第３実施例に係
り、第６図は測定ダイアプラムの縦断面図、第７図は測
定ダイアフラムの平面図、第８図は差圧センサの原理構
造を示す縦断面図である。 ３・・・測定ダイアフラム。 ５・・・中心剛体部、 ６・・・外周固定部、 ８・・・環状起歪部。 １２・・・固定台、 ３１・・・差圧検出素子であるゲージ抵抗、３２．３３
・・・静圧検出素子であるゲージ抵抗。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）　中央部に中心剛体部を、外周部に肉厚の外周固
   定部をそれぞれ設け、かつ前記中心剛体部と外周固定部
   とを連結する肉薄の環状起歪部を設けたシリコンからな
   る測定ダイアフラムと、この測定ダイアフラムを固定し
   シリコンとはヤング率の異なる固定台とを備えた半導体
   圧力変換器において、前記環状起歪部に差圧検出素子を
   、前記中心剛体部に少なくとも１個の静圧検出素子をそ
   れぞれ設けたことを特徴とする半導体圧力変換器。