JPH02168133A - 応力センサ及びその製造方法 - 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、例えば土木・建設機械の構成部材の応力歪の
測定、その他各種機材の応力の測定に用いられる応力セ
ンサ及びその製造方法に関する。

【従来の技術】

一般に、圧力センサ、ひずみセンサ、トルクセンサ、荷
重センサ等として適用される応力センサには、金属ゲー
ジ、半導体歪ゲージが用いられている。これらのうち、
特に後者の半導体歪ゲージは前者の金属ゲージに比較し
てゲージ率が大きく、僅かな機械的歪みに対して大きな
抵抗値変化を発生させることができることから、近時広
く利用されている。 そこで、これら応力センサのうち従来技術による油圧機
器用ダイヤフラム式圧力センサにつし１て、第５図ない
し第７図を参照しつつ述べる。 図において、ｌは例えば５Ｕ３６３０等からなる金属製
ダイヤフラムで、該ダイヤフラム１は中空筒体をなし、
外周にフランジが周設された基部ＩＡと、該基部ＩＡの
図中上側の軸端側を閉塞するように一体に形成された起
歪部ＩＢとからなっており、該起歪部ＩＢの一側面、図
中では下側面は矢示方向からの液圧を受承する受圧面Ｉ
Ｂ、になり、図中上側の他側面は後述する歪検出部２を
形成する歪検出部形成面ＩＢ２になっている。 ２は前記ダイヤフラム１の起歪部ＩＢに形成された歪検
出部、３は該歪検出部２を構成する絶縁膜で、該絶縁膜
３は例えばＳｉＯ□、ＳｉＣ。 Ｓ　ｉ　Ｎ　ｘ等を真空蒸着法、スパッタ法等の適宜の
成膜技術により、起歪部ｌＢの歪検出部形成面ＩＢ２に
厚さが数μｍの薄膜状に形成されている。４．５は前記
絶縁膜３の上側面に形成された蒸着型半導体歪ゲージで
、該半導体歪ゲージ４゜５は例えばＰ−ＣＶＤ法（ブラ
ズｖ−ＣＶＤ法）によって絶縁膜３上に薄膜状に形成し
たケイ素基板にリン又はホウ素の不純物をドーピングし
てゲージ用薄膜を形成した後、ホトリソグラフィ法によ
りパターン形成されており、外力を受けて歪んだときに
比抵抗が変化するピエゾ抵抗素子として構成されている
。そして、該半導体歪ゲージ４゜５には配線６．６の各
一端側が接続されると共に、該半導体歪ゲージ４，５及
び絶縁膜３からなる歪検出部２はＳｉＮ膜或いはＳｉｎ
、膜からなるパッシベーション膜７によって被膜されて
いる。 ８は合成樹脂によって有蓋筒体状に形成され、天面部８
Ａに配線導出穴９．９が形成されたターミナルベースで
、該ターミナルベース８はパッシベーション膜７で覆わ
れた歪検出部２を更に覆うようにダイヤフラムｌに固着
されている。そして、該ターミナルベース８の天面部８
Ａ外面に設けられた接続端子１０．１０には、前記配線
６゜６の他端側か接続されると共に、外付のホイートス
トンブリッジ回路等に先端側が接続されるリード線１１
．１１の基端側かそれぞれ接続されている。 更に、１２はターミナルベース８の外周側を囲むように
ダイヤフラムｌのフランジ部に嵌着された外カバーで、
該外カバー１２内はターミナルベース８を密封するよう
に絶縁性樹脂１３によってモールドされている。 従来技術の圧力センサは上述の如く構成されており、リ
ード＄１１１．１１に接続されたホイートストンブリッ
ジ回路に電圧計、電流計等の測定器を接続し、ダイヤフ
ラム１の起歪部ＩＢの歪を測定する。即ち、ダイヤフラ
ムｌの起歪部ＩＢに対して矢示Ａ方向から液圧が作用し
ない無負荷状態の場合には、歪ゲージ４．５が歪んでそ
の比抵抗が変化することがないから、リード線１１．１
１間に電位差は生じな（、測定器側に電流は流れない。 一方、ダイヤフラムｌに液圧が作用して起歪部ＩＢが変
形し、歪ゲージ４．５が歪むと各々の比抵抗が変化する
結果、リード線１１．１１間に電位差が生じて電流が流
れるため、測定器により歪を測定することができる。 かくして、従来技術による圧力センサは、ダイヤフラム
ｌと該ダイヤフラム１の起歪部ＩＢ上に設けた歪検出部
２とから大略構成されており、歪検出部２の絶縁膜３と
半導体歪ゲージ４，５、パッシベーション膜７等は真空
蒸着法、スパッタ法、気相成長法等の薄膜成形法及びホ
トリソグラフィ法等のパターン成形法からなる半導体製
造技術によって成形するようになっている。 〔発明が解決しようとする課題〕 叙上の如（、従来技術の圧力センサは例えば５ＵＳ６３
０を用いた金属製ダイヤフラムｌの起歪部ＩＢ上に、Ｓ
　ｉ　０２　、　Ｓ　ｉ　Ｃ，Ｓ　ｉ　Ｎｘ等からなる
絶縁膜３及びＰ−３ｉの結晶体からなる半導体歪ゲージ
４．５等の歪検出部２を成膜するが、これらは金属製ダ
イヤフラムｌより熱膨張係数の小さい薄膜を多層状に成
膜する構造になっている。 しかるに、Ｐ−３ｉゲージ膜を結晶質化し、ピエゾ抵抗
効果を有する半導体歪ゲージ４．５を形成するには約５
５０’Ｃに加熱するため、金属製ダイヤフラムｌ上にこ
れと熱膨張係数の異なる絶縁膜３及び半導体歪ゲージ４
．５を、クリープや剥離現象の生じないように確実に成
膜することは、応力センサの製造技術上極めて重要な問
題点である。また、センサとして使用中に受ける外力に
対して損傷を起こさないように成膜する必要がある。 ところで、建設機械用油圧機器の常圧である３　００　
ｋｇｆ／ａｍ”以上の圧力を圧力センサで検出し、しか
も起歪部ＩＢの歪量を１０００マイクロ以下にするため
には、第６図に示すように起歪部ＩＢの厚さｔを１＋ａ
ａ＋以上にする必要がある。 一方、歪検出部２を形成するために起歪部ＩＢ上にＳｉ
Ｏ２膜の絶縁膜３及び半導体歪ゲージ４．５用のＰ−８
ｉゲージ膜を成膜する際の引張り熱応力を第７図で見る
と、起歪部ＩＢの厚さｔが１ｍｍ以上ある場合には歪ゲ
ージ膜には約１００ｋｇｆ／ｃｍ”の引張り熱応力が作
用することになり、歪ゲージ膜が局部的に剥離したり、
クリープが生じたりする恐れがある。他・面、第７図か
ら知られるように、起歪部ＩＢの厚さｔが０．５ｍｍ以
下になると、絶縁膜３及び歪ゲージ膜の熱応力は急激に
低下している。 従って、ピエゾ抵抗効果を有する歪ゲージ膜を成膜する
過程で、クリープや剥離が生じないように引張り熱応力
を５０　ｋｇｆ／ｃｏ＋”にするためには、起歪部ｌＢ
の厚さｔを０．５ｍｍ以下に設定しなければならないこ
とになる。 しかし、かくしては、強度上高圧の油圧機器用圧力セン
サとしては使用できないという問題があるし、金属性ダ
イヤフラムｌの起歪部ＩＢを０．１〜０．５ｍｍの厚さ
に成形することは製造上極めて困難であるという問題点
がある。 本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みなされたもの
で、金属製ダイヤフラムの起歪部の厚さを変えずに、し
かも剥離現象やクリープが生じない歪検出部を有する応
力センサ及びその製造法を提供することにある。 〔課題を解決するための手段］ 上述した課題を解決するために構成された本発明の応力
センサは、起歪部を有する金属製ダイヤフラムと、下面
側が該金属製ダイヤフラムの起歪部に接合された金属薄
板と、該金属薄板の上面側に形成された歪検出部とから
なる。 また、本発明の応力センサの製造方法は金属薄板の上面
側に予め歪検出部を成膜した後、前記金属薄板を金属製
ダイヤフラムの起工部に接合するようにしたものである
。 さらに、接合手段として拡散接合、接着等が可能である
。 〔作用１ このように構成することにより、金属薄板の板厚を可及
的に薄くすることが可能となるから、半導体歪ゲージを
結晶質化する過程で熱処理を施しても、引張り熱応力を
極めて小さくすることができる。この結果、金属製ダイ
ヤフラムの起歪部に金属薄板に接合した状態では、金属
製ダイヤフラムの肉厚に関係せず引張り熱応力をほぼ一
定とじつるから、該ダイヤフラムの起歪部の肉圧を変え
ずに歪検出部に対する引張り熱応力を低減することがで
き、高圧な応力、圧力、ひずみ等の検出ができる。 【実施例］ 以下、本発明の実施例を第１図ないし第４図に基づき詳
述する。なお、前述した従来技術の構成要素と同一の構
成要素に同一符合を付し、その説明を省略する。 第１図ないし第３図は第１の実施例を示す。図において
、２１は金属薄板で、該金属薄板２１は金属製ダイヤフ
ラムｌと同一または同程度の強度（ヤング率Ｅ）と熱膨
張係数（α）とを有する材料、例えば５ＵＳ６３０，５
ＵＳ４０３により、厚さｔ′が０．５ｍｍ以下で金属製
ダイヤフラムｌの上面を全面的に覆う薄板状に形成さて
いる。２２は前記金属薄板２１を金属製ダイヤフラムｌ
の歪検出部形成面ＩＢ、に接合させる前に、該金属薄板
２２の上面に予め形成された歪検出部で、該歪検出部２
２は金属薄板２１の上面を全面的に覆うようにＰ−ＣＶ
Ｄ法によって成膜された５ｉＯａ。 Ｓ　ｉ　Ｃ，Ｓ　ｉ　Ｎｘ等の絶縁膜２３と、該絶縁膜
２３上に同様にして成膜した歪ゲージ膜をパターンニン
グして成形した半導体歪ゲージ２４．２５とから構成さ
れており、該各半導体歪ゲージ２４．２５はパッシベー
ション膜２６によって覆われている。 そして、上述の如（歪検出部２２が形成された金属薄板
２１は例えば拡散接合の方法によって金属製ダイヤフラ
ム１の歪検出部形成面ＩＢｚに固着されている。 本実施例の圧力センサは上述の構成からなるが、次にそ
の製造方法について説明する。 まず、例えば５ＵＳ６３０を用いて厚さｔ′が０．５ｍ
ｍ以下、好ましくは０．０２〜０．１ｍｍ程度の金属薄
板２１を成形する。次に、該金属薄板２１の上面に歪検
出部２２を形成する。該歪検出部２２の形成には従来技
術による歪検出部２の成形方法と同様に、Ｐ−ＣＶＤ法
、真空蒸着法、スパッタ法等が用いられ、まず金属薄板
２１上に５ｉｎ２゜Ｓ　ｉ　Ｃ，Ｓ　ｉ　Ｎｘ等の絶縁
膜２３を成膜した後、該絶縁膜２３上に半導体歪ゲージ
２４．２５を成膜し、ホトリソグラフィ法によってパタ
ーン形成を行なう（第２図（Ａ）参照）。 上述した半導体歪ゲージ２４．２５は４５０°Ｃ以下で
は非結晶質状態のものであるから、これに熱処理を加え
て結晶質化する。この場合の加熱温度は４５０〜６５０
”Ｃ１特に好ましくは５００〜６００”Ｃの範囲が適当
である。 なお、金属薄板２１上に歪検出部２１を成膜するに際し
、該金属薄板２１の温度を４５０〜６５０″Ｃのプラズ
マ雰囲気下で成膜し、結晶質な歪ゲージ膜を形成しても
よい。 一方、第１行程として金属薄膜２１の温度を３００″Ｃ
以下のプラズマ雰囲気下で非結晶質な歪ゲージ膜を成膜
し、第２行程として４５０〜６５０°Ｃで熱処理を加え
、ピエゾ抵抗効果を持つように結晶質化してもよい。 上述の如（して金属薄板２１上に歪検出部２２を形成し
たら、Ｒ後に、該金属薄板２１を第２図ｆＢ）のように
形成された金属製ダイヤフラム１の歪検出部ｌＢ上に拡
散接合する。即ち、起歪部ＩＢの歪検出部形成面ＩＢ２
上に金属薄板２１を載置し、真空中で前述した結晶質化
のための加熱温度よりも遥かに低温の３００°Ｃ程度で
加熱する。これによって金属薄ｊ５２１と金属製ダイヤ
フラムｌは直接強固に固萱し、第１図に示すような本実
施例の圧力センサが製造される。 なお、上述した拡散接合法は金属同士を直接接合するも
のであるから、接着剤よりも強い接合力を得ることがで
きるし、接着剤の層が形成されない分だけ起歪部ＩＢと
歪検出部２２の全体の厚さが薄くなるという利点がある
が、該拡散接合に代えて接着剤を用いてもよいことは勿
論である。 以上詳述した方法により製造される本実施例の圧力セン
サによれば、金属薄板２１に歪検出部２２を成膜し、そ
の後膣金属薄板を金属製ダイヤフラムｌの起歪部ＩＢに
接合する構成としたから、金属薄板２１は歪検出部２２
の成膜行程または結晶質化のための加熱行程に耐える板
厚、具体的には厚さｔ′が０．５ｍｍ以下、好ましくは
０．０２〜０．１ｍｍのものでよい。 この結果、金属薄板２１に歪検出部２２を成膜し、この
際半導体歪ゲージ２４．２５を結晶質化すべ（５００〜
６００°Ｃの熱処理を加えても、該半導体歪ゲージ２４
．２５に剥離現象やクリープが生じることがない。 か（して、金属製ダイヤフラム１と金属薄板２１とを接
合した状態では、該ダイヤフラム１の厚さｔと金属薄板
２１の厚さｔ′の各厚さの合計をｔ〜とした場合、これ
ら合計の厚さｔ“と引張り熱応力との関係は第３図のよ
うになる。即ち、金Ｖ薄膜２１の厚さｔ″は０．５ｍｍ
以下であるから、実質的には金属製ダイヤフラム１の厚
さが１〜４ｍｍになっても、半導体歪ゲージ２４．２５
の歪ゲージ膜の引張り熱応力はほぼ一定で、かつ従来技
術に比較して２分の１以下に低減することができる。従
ってクリープや剥離現象が生じない信頼性に冨んだ応力
センサとすることができる。 次に、第４図は本実施例の変形例に係る応力センサを示
し、該圧力センサの特徴はフランジのない基部３１Ａと
起歪部３１Ｂとからなる金属製ダイヤフラム３１に予め
歪検出部２２を形成した金属薄板２１を接合したことに
ある。このためターミナルベース３２の周壁３２Ａ内周
面３２Ａ、と外周面３２Ａ２に段部３３，３４を形成し
、周壁３２Ａの内周面３２Ａ、が絶縁膜２３及び金属薄
板２１の外周側に嵌合し、外周面３２Ａ、には外カバー
３５が嵌合するようになっている。 変形例の圧力センサは上述の如く構成されるが、圧力セ
ンサとしての作用自体は実施例のものと異なるところは
ないから、その説明は省略する。 なお、前記実施例では、歪検出部２２を構成する半導体
歪ゲージをＰ−ＣＶＤ法とホトリソグラフィ法とを用い
て成形するものとして述べたが、該Ｐ−ＣＶＤ法に代え
てＰＶＤ法を用いてもよい。また、実施例の圧力センサ
は液圧の他、ガス圧等も対象にできる。 【発明の効果Ｊ 本発明は以上詳述した如くであって、歪検出部を形成し
た金属薄板を金属製ダイヤフラムの起歪部に接合するこ
とにより、起歪部の肉厚を減少させることな（クリープ
や剥離現象のない歪検出部を成形できるから、高圧の油
圧機器用圧力センサに用いることができるし、高精度で
耐久性に優れた信頼性の高い応力センサにすることがで
きる。 また、金属製ダイヤフラムの起歪部を薄肉に形成する必
要がないから、該ダイヤフラムの製造が容易であり、製
造コストの低減を実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図は本発明の実施例に係り、第１図は
圧力センサの縦断面図、第２図は接合前の状態を示し、
第２図（Ａ）は金属薄板側の縦断面図、第２図（Ｂ）は
金属ダイヤフラム側の縦断面図、第３図はダイヤフラム
の起歪部及び金属薄膜を合計した厚さと歪検出部に対す
る引張り熱応力との関係を示す線図、第４図は実施例の
変形例に係る圧力センサの縦断面図、第５図ないし第７
図は従来技術に係り、第５図は従来技術による圧力セン
サの縦断面図、第６図はダイヤフラムの起歪部の厚さを
変えた場合の圧力と歪量の変化を示す線図、第７図はダ
イヤフラムの起歪部厚さと歪検出部に対する引張り熱応
力との関係を示す線図である。 １．３１・・・金属製ダイヤフラム、ＩＢ。 ３１Ｂ・・・起歪部、２１・・・金属薄板、２２・・・
歪検出部、２３・・・絶縁膜、２４．２５・・・半導体
歪ゲーン。 第１図 特許出願人　　日立建機株式会社 代理人　弁理士　　　広　瀬和彦 第 図 告

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）起歪部を有する金属製ダイヤフラムと、下面側が
   該金属製ダイヤフラムの起歪部に接合された金属薄板と
   、該金属薄板の上面側に形成された半導体歪ゲージを含
   む歪検出部とから構成してなる応力センサ。
2. （２）金属薄板の上面側に予め歪検出部を成膜した後、
   前記金属薄板を金属製ダイヤフラムの起歪部に接合する
   ようにしてなる応力センサの製造方法。
3. （３）前記金属薄板は前記金属製ダイヤフラムの起歪部
   に拡散接合するようにした特許請求の範囲（２）項記載
   の応力センサの製造方法。
4. （４）前記金属薄板は前記金属製ダイヤフラムの起歪部
   に接着剤によって接合するようにした特許請求の範囲（
   ２）項記載の応力センサ。