JPH02216024A - Superfine pressure sensor - Google Patents
Superfine pressure sensorInfo
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- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、ダイヤフラムを介して印加される極めて小さ
い圧力を測定する際に好適な、超微圧センサに関するも
のである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to an ultra-low pressure sensor suitable for measuring extremely low pressure applied through a diaphragm.
圧力センサは非常に広い範囲で使用されるものであり、
その用途としては各種工業における計測、プロセス制御
、医療機器、油圧機器等の自動制御装置等に欠くことが
できないものである。Pressure sensors are used in a very wide range of
Its applications are indispensable for measurement in various industries, process control, medical equipment, automatic control devices for hydraulic equipment, etc.
現在実用化されている圧力センサの大部分は、高い検出
感度を有する拡散型の半導体圧力センサが主流となって
いる。Most of the pressure sensors currently in practical use are diffusion type semiconductor pressure sensors that have high detection sensitivity.
ところで、このような半導体圧力センサの測定範囲は、
現在のところ実用に供される測定範囲は０．４〜５００
Ｋｇ／ｃｍＺ位であり、例えば゛、０．０００１Ｋｇ／
ｃｍ２位の超微圧力の測定は、半導体チップの検出感度
からみて極めて困難である。By the way, the measurement range of such a semiconductor pressure sensor is
Currently, the measurement range for practical use is 0.4 to 500.
Kg/cmZ, for example, ゛, 0.0001Kg/
Measuring ultra-micro pressure on the order of cm2 is extremely difficult in view of the detection sensitivity of semiconductor chips.
すなわち、半導体チップで検出される出力電圧Ｅ ｏｕ
ｔは測定圧力をＰ（Ｋｇ／ｃｍ２）とすると一般に
Ｅｏｕｔ −（Ｐａ ｒ４ ｍＧｍ Ｉ）／（Ｅ−ｔ３
）とされており、１ｍＡの電流を流したときに５０〜１
００ｍＶの出力電圧が得られる圧力は、せいぜい０．４
Ｋｇ／ｃｍ２ とされている。That is, the output voltage E ou detected by the semiconductor chip
If the measurement pressure is P (Kg/cm2), t is generally Eout - (Par4 mGm I)/(E-t3
), and when a current of 1 mA is applied, it is 50 to 1
The pressure at which an output voltage of 00 mV can be obtained is at most 0.4
Kg/cm2.
（但し、Ｅ−弾性係数、Ｇ−ゲージファクタ、ｔ＝半導
体チップの厚さ、ｒ−半導体チップの直径）
そこで、超低圧力の測定を行うためには、半導体チップ
の厚さｔを更に薄くし、半導体チップの直径ｒを更に大
きくすることが考えられるが、直径を大きくして受圧面
の面積を広くすることは、大幅なコストの上昇になり、
また、このような半導体チップを製造したとしても、取
り付けの点から機械的な歪応力等の影響を受は易くなる
という問題点がある。(However, E - modulus of elasticity, G - gauge factor, t = thickness of semiconductor chip, r - diameter of semiconductor chip) Therefore, in order to measure ultra-low pressure, the thickness t of the semiconductor chip must be made even thinner. However, it is conceivable to further increase the diameter r of the semiconductor chip, but increasing the diameter and increasing the area of the pressure-receiving surface would result in a significant increase in cost.
Further, even if such a semiconductor chip is manufactured, there is a problem in that it is easily influenced by mechanical strain and stress due to mounting.
また、チップの厚さをさらに薄くすることは技術的に困
難（現在でもｔ−１０〜３０μｍ）である。例えば、感
度を１００倍に上げるためには、単純に計算しても厚さ
ｔを１７４．６にする必要があるが、現在の技術ではこ
れ以上薄くすることは技術的に困難である。Further, it is technically difficult to further reduce the thickness of the chip (t-10 to 30 μm even at present). For example, in order to increase the sensitivity by 100 times, the thickness t needs to be 174.6 by simple calculation, but it is technically difficult to make it thinner than this with the current technology.
また、さらにゲージファクタＧを上げることは出力の安
定度を損なう（温度変化が大きくなる）等の問題がある
。Moreover, further increasing the gauge factor G causes problems such as impairing the stability of the output (temperature changes increase).
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は、かかる問題点にかんがみてなされたもので、
機械的なロスが極めて小さい極薄のフィルムをダイヤフ
ラムとして採用し、このフィルムに印加されている圧力
を比較的広い面積で受けてロッドの先端に集中的に伝達
する受圧板を設けこの受圧板のロッドの先端圧力を半導
体チップ等に伝達するゴム材等からなる弾性材により超
微圧を測定する圧力センサを構成したものである。[Means for Solving the Problems] The present invention has been made in view of these problems.
An extremely thin film with extremely low mechanical loss is used as the diaphragm, and a pressure receiving plate is installed that receives the pressure applied to this film over a relatively wide area and transmits it intensively to the tip of the rod. This pressure sensor is configured to measure ultra-low pressure using an elastic material such as a rubber material that transmits the pressure at the tip of the rod to a semiconductor chip or the like.
（作用）
極めて薄いフィルムによってセンサー内部と外気を遮断
するとともに、センサー内部では受圧板によって単位面
積当りの圧力が増大されように構成されているので、従
来の半導体チップセンサーを使用しているにもかかわら
ず、検出感度を２桁以上高くすることができる。(Function) An extremely thin film isolates the inside of the sensor from the outside air, and a pressure receiving plate inside the sensor increases the pressure per unit area, so even if a conventional semiconductor chip sensor is used, Regardless, the detection sensitivity can be increased by two orders of magnitude or more.
第１図は、本発明の超微圧センサの一実施例を斜視図と
したものである。FIG. 1 is a perspective view of an embodiment of the ultra-low pressure sensor of the present invention.
この超微圧センサは分解図でしめされているように圧力
変換部１０と、圧力検出部２０によって構成されており
、圧力変換部１０は圧力を加える開口１１Ａが設けられ
ている」ニブレート１１と、この上プレート１１の底面
と衝合する下プレート１２を備え、上プレート１１の底
面には機械的なロスが殆どない極めて薄いフィルム１３
が張付けられている。As shown in the exploded view, this ultra-low pressure sensor is composed of a pressure converting section 10 and a pressure detecting section 20, and the pressure converting section 10 is provided with an opening 11A for applying pressure. , a lower plate 12 that abuts the bottom surface of the upper plate 11 is provided, and an extremely thin film 13 with almost no mechanical loss is provided on the bottom surface of the upper plate 11.
is attached.
また、下プレート１２の上面に形成されている円形の四
面１２Ａには、図示されているように比較的広い受圧面
１４Ａと、その中心部から下方に延びているロッド部１
４Ｂからなる受圧板１４が設置され、この受圧板１４の
ロッド部１４Ｂが下プレート１２の通し穴１２Ｂを貫通
し、後で述べるように圧力検出部２０に圧力を伝達する
ように構成されている。Further, the four circular surfaces 12A formed on the upper surface of the lower plate 12 include a relatively wide pressure receiving surface 14A as shown in the figure, and a rod portion 1 extending downward from the center thereof.
A pressure receiving plate 14 made of 4B is installed, and a rod portion 14B of this pressure receiving plate 14 passes through a through hole 12B of the lower plate 12, and is configured to transmit pressure to the pressure detection unit 20 as described later. .
そして、上プレート１１と下プレート１２を合体し、開
口１１Ａから圧力が加わると、フィルム１３の下面に受
圧板１４の受圧面１４Ａが接触し、この受圧板１４の受
圧面１４Ａに圧力が印加される。Then, when the upper plate 11 and the lower plate 12 are combined and pressure is applied from the opening 11A, the pressure receiving surface 14A of the pressure receiving plate 14 comes into contact with the lower surface of the film 13, and pressure is applied to the pressure receiving surface 14A of the pressure receiving plate 14. Ru.
第２図は、本発明の超微圧センサの断面図を示したもの
で、上プレー）１１、下プレート１２がフィルム１３を
介して合体されている。FIG. 2 shows a sectional view of the ultra-low pressure sensor of the present invention, in which an upper plate 11 and a lower plate 12 are combined with a film 13 in between.
受圧板１４の受圧面１４Ａはフィルム１３に僅かに接触
しているが、下プレート１２の凹部１２Ａの底面には接
触しないように取り付けられている。The pressure receiving surface 14A of the pressure receiving plate 14 slightly contacts the film 13, but is attached so as not to contact the bottom surface of the recess 12A of the lower plate 12.
そして、受圧板１４のロッド１４Ｂの先端が通し穴１２
Ｂを介して圧力検出部２０内に突出している。The tip of the rod 14B of the pressure receiving plate 14 is connected to the through hole 12.
It protrudes into the pressure detection section 20 via B.
圧力検出部２０は円筒状のケース２１と、このケース２
１に固定されている基台２２と、この基台２２の上側に
配置されている半導体チップ２３を備えている。The pressure detection unit 20 includes a cylindrical case 21 and a cylindrical case 21.
1 and a semiconductor chip 23 disposed above the base 22.
半導体チップ２３は薄いシリコン基板上に拡散技術によ
り４個のＰ形歪ゲージ層を形成したものであって、圧力
が印加されると、シリコン基板が歪み、ピエゾ効果によ
り抵抗値が変化するようになされている。The semiconductor chip 23 has four P-type strain gauge layers formed on a thin silicon substrate by diffusion technology, and when pressure is applied, the silicon substrate is distorted and the resistance value changes due to the piezo effect. being done.
２４は抵抗値の変化を検出するためにリード端子２５と
゛ト導体チップ２３の電極を接続するポンディングワイ
ヤを示す。Reference numeral 24 indicates a bonding wire that connects the lead terminal 25 and the electrode of the conductive chip 23 in order to detect a change in resistance value.
２６は少なくと前記半導体チップ２３の上面を覆うよう
に充填されている弾性材を示し、シリコンゴム等からな
るこの弾性材２６の表面の中央部には前記した受圧板１
４のロッド１４Ｂの先端が固定されている。Reference numeral 26 indicates an elastic material filled so as to cover at least the upper surface of the semiconductor chip 23, and the pressure receiving plate 1 described above is located in the center of the surface of the elastic material 26 made of silicone rubber or the like.
The tip of the rod 14B of No. 4 is fixed.
なお、半導体チップ２３に代えて、他の感圧素子を使用
してもよいが、その下方は基台２２の開口部２２Ａを介
して外気に開放されるようにすることが好ましい。Note that other pressure sensitive elements may be used in place of the semiconductor chip 23, but it is preferable that the lower part thereof be opened to the outside air through the opening 22A of the base 22.
本発明の超微圧センサは」二記したような構造を有する
ことにより、以下に説明するように圧力の検出感度を高
くすることが可能になる。Since the ultra-low pressure sensor of the present invention has the structure described above, it is possible to increase the pressure detection sensitivity as described below.
上プレート１１の開口１１Ａに圧力が作用すると、フィ
ルム１３が下方に押され、さらに、このフィルム１３の
圧力を受圧板１４の受圧面１４Ａが受けてロフト１４
Ｂに集中的な荷重として伝達する。When pressure is applied to the opening 11A of the upper plate 11, the film 13 is pushed downward, and the pressure receiving surface 14A of the pressure receiving plate 14 receives the pressure of the film 13, and the loft 14
It is transmitted to B as a concentrated load.
ロッド１４Ａの先端はシリコンゴム等からなる弾性材２
６の表面中央部を押圧することになるから、この中心部
の下方に僅かに離れて半導体チップ２３が載置されてい
ると、ロッド１４Ｂに集中された荷重はこの半導体チッ
プ２３に歪を与えることになる。そして、この歪力がフ
ィルム１３に印加された圧力として高感度で検出される
ことになる。The tip of the rod 14A is an elastic material 2 made of silicone rubber or the like.
Since the center part of the surface of the rod 14B is pressed, if the semiconductor chip 23 is placed slightly below this center part, the load concentrated on the rod 14B will distort the semiconductor chip 23. It turns out. This strain force is then detected with high sensitivity as pressure applied to the film 13.
つまり、第３図で示すように受圧板１４の受圧面１４Ａ
の面積を３０ 、ロッド部１４Ｂの面積をＳｌ とする
と、フィルム１３を介して印加された圧力ＰＯは、ロッ
ド部の先端では
ＰＨ＝ＰＯφＳｏ ／Ｓ＋
となる圧力に変換される。That is, as shown in FIG. 3, the pressure receiving surface 14A of the pressure receiving plate 14
When the area of the rod portion 14B is 30 and the area of the rod portion 14B is Sl, the pressure PO applied through the film 13 is converted to a pressure of PH=POφSo/S+ at the tip of the rod portion.
したがって、今、受圧面の直径を３０ ｍ ｍ 、ロッ
ド部の直径を１．５ｍｍとすると、Ｓｏ／Ｓｔは、はぼ
４００となり、例えば、フィルム１３に０．１ｇ／ｃｍ
２の圧力が印加されたときは４０ｇ／ｃｍ２ の圧力を
得ることができる。Therefore, if the diameter of the pressure receiving surface is 30 mm and the diameter of the rod part is 1.5 mm, So/St will be approximately 400, and for example, if the film 13 is 0.1 g/cm
When a pressure of 2 is applied, a pressure of 40 g/cm2 can be obtained.
この圧力は弾性材２６を介して半導体チップの表面に印
加されるため、弾性材によって圧力が若干分散されたと
しても、半導体チップに印加される歪力は、少なくとも
数百倍の圧力増大効果を得ることができる。特に、半導
体チップの面積が小さくなればなるほど、Ｓｏ／Ｓ１の
比を大きくすることができ、歪力が増大して増倍効果が
大きくなる。This pressure is applied to the surface of the semiconductor chip via the elastic material 26, so even if the pressure is slightly dispersed by the elastic material, the strain force applied to the semiconductor chip will increase the pressure by at least several hundred times. Obtainable. In particular, as the area of the semiconductor chip becomes smaller, the ratio of So/S1 can be increased, the strain force increases, and the multiplication effect becomes larger.
図中、１３はフィルム、１４は受圧板 ２１はケース、
２２は基台、２３は半導体チップ、２６は弾性材である
。In the figure, 13 is a film, 14 is a pressure receiving plate, 21 is a case,
22 is a base, 23 is a semiconductor chip, and 26 is an elastic material.
Claims (1)
いフィルムと、このフィルムの他方の面に対峙している
受圧面とロッド部をそなえている受圧板と、該受圧板の
ロッド部が接触している弾性材と、該弾性材を介して前
記ロッド部の圧力を受けるように配置されている感圧素
子より構成されていることを特徴とする超微圧センサ。A thin film supported so that one surface receives the pressure to be measured, a pressure receiving plate having a pressure receiving surface and a rod portion facing the other surface of the film, and a rod portion of the pressure receiving plate. An ultra-micro pressure sensor comprising an elastic material in contact with the pressure sensitive element and a pressure sensitive element arranged to receive pressure from the rod via the elastic material.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3610689A JPH02216024A (en) | 1989-02-17 | 1989-02-17 | Superfine pressure sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3610689A JPH02216024A (en) | 1989-02-17 | 1989-02-17 | Superfine pressure sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02216024A true JPH02216024A (en) | 1990-08-28 |
Family
ID=12460523
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3610689A Pending JPH02216024A (en) | 1989-02-17 | 1989-02-17 | Superfine pressure sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH02216024A (en) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS50104073A (en) * | 1974-01-16 | 1975-08-16 | ||
| JPS6428528A (en) * | 1987-07-24 | 1989-01-31 | Nec Corp | Highly sensitive semiconductor pressure sensor |
-
1989
- 1989-02-17 JP JP3610689A patent/JPH02216024A/en active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS50104073A (en) * | 1974-01-16 | 1975-08-16 | ||
| JPS6428528A (en) * | 1987-07-24 | 1989-01-31 | Nec Corp | Highly sensitive semiconductor pressure sensor |
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