JPH02234035A - 高圧用応力センサ - 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、その他各
種機材の応力の測定に用いられる応力センサに関し、特
に高い検出圧力の測定に用いて好適な高圧用応力センサ
に関する．

【従来の技術Ｊ 一般に、圧カセンサ．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
てゲージ率が太き《、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
器用の金属ダイヤフラム式圧カセンサについて、第４図
ないし第６図を参照しつつ述べる。 図において、１は例えばＳＵＳ６３０等からなる金属製
ダイヤフラムで、該ダイヤフラム１は中空筒体状をなし
、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
厚さｔ１が０．５〜１．Ｏａｖ程度の起歪部ＩＢとから
なっている。そして、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ＩＢ．に
なり、図中上側の他側面は後述する絶縁膜２を形成する
ための膜形成面ＩＢ歳になっている。 ？は前記起歪部ＩＢの膜形成面ＩＢ．に形成された絶縁
膜で、該絶縁膜２は例えばＳｉＯ■，Ｓ　ｉ　Ｃ，　Ｓ
　ｉ　Ｎｘ等を用いて真空蒸着法．スバッタ法等の適宜
の成膜技術により、膜形成面ＩＢ諺上に厚さｔ，が０．
０８〜０．１ｍ＠の薄膜状に形成されている．３．４は
前記絶縁膜２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３．４は例えばＰ−ＣＶＤ法（
プラズマーＣｖＤ法）によって絶縁膜２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
グして厚さｔｓが０　．００１ｍｍのゲージ用薄膜を形
成した後、ホトリソグラフィ法によってパターン形成さ
れており、外力を受けて歪んだときに比抵抗が変化する
ビ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３．４には配線５．６の各一
端側が接続されると共に、該半導体歪ゲージ３．４及び
絶縁膜２はＳｉＮ膜或はＳｉＯｌｌ膜からなるバッシベ
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はパツシベーション膜７の外面
を全面的に覆うようにダイヤフラム１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８Ａ外面に設
けられた接続端子１０．１１には、前記配！１１５．６
の他端側がそれぞれ接続されると共に、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１
２．１３の基端側がそれぞれ接続されている。 更に、１４はターミタルベース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、
該外力バー１４内はターミナルベース８を密封するよう
に絶縁性樹脂ｌ５によってモールドされている。 従来技術の圧カセンサは上述の如く構成されており、リ
ード線１２．１３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ｌの起歪部ＩＢの歪を測定する。即ち；ダイヤフラム
１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３，４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１２．１３
間に電位差は生じなく、測定器側に電流は流れない。一
方、ダイヤフラム１に液圧が作用して起歪部ＩＢが変形
し、歪ゲージ３，４が歪むと各々の比抵抗が変化する結
果、リード線１２．１３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、従来技術による圧カセンサは、厚さｔ１が０
　．５〜１　．０ｍｍの起歪部ＩＢを有する金属製ダイ
ヤフラム１と、該ダイヤフラム１の起歪部ＩＢ上に厚さ
ｔ２が０．１ｍｍの薄膜状に形成されたＳ　ｆ　Ｏｓ　
．　Ｓ　ｉ　Ｃ，　Ｓ　ｉ　Ｎｘ等からなる絶縁膜２と
、該絶縁膜２上に形成した゛厚さｔ３が０．００１ｍｍ
のＰ−Ｓｉ，Ｂ−Ｓｉ等からなる歪ゲージ膜をパターン
形成してなる半導体歪ゲージ３．４と、これら絶縁膜２
、半導体歪ゲージ３．４を一体的に被膜する，Ｓ　ｉ　
Ｎ，　Ｓ　ｉ　Ｏｓ等からなるパッシベーション膜７と
から大略構成されている。 そして、絶縁膜２，半導体歪ゲージ３．４及びバッシベ
ーション膜７等は真空蒸着法，スバッタ法．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】 ところで、絶縁膜２上に歪ゲージ膜を形成する場合、成
膜処理して常温に冷却する際の温度変化によって該歪ゲ
ージ膜には引張り熱応力と圧縮熱応力が作用する。この
熱応力のうち特に引張り熱応力がｌ　Ｏ　Ｏ　ｋｇｆ／
ｍ＋ａ”近くになると，歪ゲージ膜が局部的に剥離した
り、クリープが発生する恐れがあり、これら剥離、クリ
ープが発生しないようにするための目標熱応力値は５　
０　ｋｇｆ／ｍｍ”が適当とされている． 一方、建設機械用油圧機器の常圧である３００ｋｇｆ／
ｃｍ”以上の圧力を圧カセンサで検出し、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
５図に示すように起歪部ＩＢの厚さ１＋を１ｍｍ以上に
する必要がある。しかし、第６図に示すように絶縁膜２
の厚さｔ２を１．０ｍｍ，歪ゲージ膜の厚さｔ，を０　
．００１０１１に設定した場合、起歪部ＩＢの厚さｔ１
が０．５ｍｍ以上になると歪ゲージ膜に対する引張り熱
応力が急激に大きくなっている．そして、起歪部ＩＢの
厚さｔｌがｌＩＩＩｍ以上になると、歪ゲージ膜の引張
り熱応力は１　０　０　ｋｇｆ／ａｍ”に近い値になり
、剥離やクリープ発生の恐れがある． このように、従来技術によれば、高圧に耐えつるように
ダイヤフラム１の起歪部ＩＢの厚さｔ１を１ｍｍ程度ま
で厚《設定した場合、成膜時の熱応力のために、歪ゲー
ジ膜に剥離やクリープが発生してしまい、高品質な高圧
用応力センサを得ることはできないという問題点があっ
た。 本発明は上述した従来技術の欠点に鑑み、発明者等が鋭
意研究した結果、絶縁膜の膜厚を厚《設定すると歪ゲー
ジ膜の受ける熱応力を小さくできることに着目してなさ
れたものであって、ダイヤフラムの起歪部の厚さを高圧
に耐えるように厚くでき、しかも歪ゲージ膜に剥離やク
リープが生じない高い信頼性を持った高圧用応力センサ
を提供するものである．

【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手段
は、一側が受圧面になり、他側が膜形成面になった起歪
部を有する金属製ダイヤフラムと、該金属製ダイヤフラ
ムの膜形成面に形成された絶縁膜と該絶縁膜上に形成さ
れた半導体歪ゲージとからなり、前記金属製ダイヤフラ
ムの起歪部の厚さをｌ．Ｏｍｍ以上に設定すると共に、
前記絶縁膜の厚さを０．３＋ａｍ以上に設定するように
したことにある． （作用〕 このように構成することにより、歪ゲージ膜の成膜過程
において絶縁膜に発生する引張り熱応力が小さくなるた
め、該絶縁膜上に一体的に形成される歪ゲージ膜に発生
する引張り熱応力も抑制される結果、目標熱応力値以下
になる． 〔実施例〕 以下、本発明の実施例を第１図ないし第３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構成
要素には同一符合を付し、その説明を省略する． 第１図において、２ｌは例えばＳＵＳ６３０等からなる
金属製のダイヤフラムを示す。該ダイヤフラム２１は外
周にフランジが周設された中空筒体状の基部２１Ａと、
該基部２１Ａの図中上側の軸端側を閉塞するように一体
に形成され、下側面が受圧面２１Ｂ．になり、上側面が
膜形成面２１Ｂ２になった起歪部２１Ｂとを有している
点では従来技術によるものと同様である。しかし、本実
施例による起歪部２１Ｂの厚さｔ’ｌは３００ｋｇｆ／
ｃｍ”の高圧に十分に耐えることができるように、従来
技術のものよりも厚《、１〜４ｆｆｌＩＩ１程度、具体
的には厚さｔは１．２ｍｍに設定してある．２２は前記
起歪部２１Ｂの膜形成面２１Ｂ，に形成された絶縁膜で
、該絶縁膜２２は例えばＳｉｌｌを用いて真空蒸着法等
の成膜技術によって形成されている点は従来技術による
ものと異なるところはない．しかし、本実施例の絶縁膜
２２の厚さｔ’ｓは従来技術の絶縁膜２に比較して３倍
以上、具体的には厚さｔ′２は５倍の０．５ｍｍに形成
してある． 一方、２３．２４は前記絶縁膜２２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２３．２
４は従来技術によるものと同様に、Ｐ−ＣＶＤ法によっ
て形成したケイ素基板にリンをドーピングして歪ゲージ
膜にした後、ホトリソグラフィ法によってパターン形成
されており、その膜厚ｔ’ｓは従来技術によるものと同
じ０．００１ｍｍになっている． 実施例の圧カセンサは上述の如く構成されており、ダイ
ヤフラム２ｌの起歪部２１Ｂが圧力を受けて変形し、歪
ゲージ２３．２４が歪んで各々の比抵抗が変化すること
に基づいて測定器により歪を測定する基本的作動につい
ては、従来技術によるものと実質的に異なるところはな
い。 然るに、実施例の圧カセンサによれば、起歪部２１Ｂの
厚さｔ’ｔをｌ．Ｏｍｍ以上、例えば１．２ａｍにして
３　０　０　ｋｇｆ／ｃｓ＋”の圧力に対して、耐圧性
を持たせると共に、絶縁膜２２の厚さｔ’ｓをＱ　．．
　５ｍｍにすることによって、該絶縁膜２２の表面に作
用する熱応力を第２図に示すように、２　０　ｋｇｆ／
ｍＩＩ１″以下にすることができる．従って、第３図に
示すように起歪部２１Ｂの厚さｊ’＋を１ｍｍ以上に設
定した場合でも、絶縁膜２２の上側面に一体的に形成し
た歪ゲージ膜に作用する引張り熱応力を目標熱応力値の
５　０　ｋｇｆ／ｍｍ”に近い値にすることができ、該
歪ゲージ膜に剥離やクリープが発生するのを確実に防止
できる． また、第２図に示すように、起歪部２１Ｂの厚さｔ’＋
を例えば０．５ａ＋ｍとＯ．ｌａ＋ｍに設定した場合に
は、絶縁膜２２の厚さｔ’ｓを０．３ｍｍ以下に設定し
てもその表面の引張り熱応力を歪ゲージ膜の目標熱応力
値以下にすることができる。 しかし、建設機械用油圧機器の常圧である３　０　０　
ｋｇｆ／ｃｍ”以上の圧力を検出できるように、起歪部
２１Ｂの厚さｔ’＋を１．Ｏｍｍ以上に設定する場合に
は、絶縁膜２２の厚さｔ’ｓを０．３ｍ＋ａ以上に設定
することによって初めて達成可能となる。 なお、実施例では、半導体歪ゲージ２３．２４をＰ−Ｃ
ＶＤ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、実施例の圧カセンサは液圧の他、ガス
圧等も対象にできる． Ｅ発明の効果】 本発明は以上詳述した如《であって、ダイヤフラムの起
歪部の厚さを高圧検出用に１ｍｍ以上に設定すると共に
、絶縁膜．の厚さを０．３ｍｍ以上にする構成にしたか
ら、半導体歪ゲージに剥離やクリープが発生するのを防
止できる高精度で信頼性の高い高圧用応力センサにする
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は本発明の実施例．に係り、第１図
は本実施例による高圧用圧カセンサの縦断面図、第２図
はダイヤフラムの起歪部厚さを変えた場合における絶縁
膜の厚さと絶縁膜表面の熱応力との関係を示す線図、第
３図はダイヤフラムの起歪部厚さに対する絶縁膜及び歪
ゲージ膜の熱応力の関係を示す線図、第４図ないし第６
図は従来技術に係り、第４図は従来技術による圧カセン
サの縦断面図、第５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との関係を示す線図、第６図は
ダイヤフラムの起歪部厚さに対する絶縁膜及び歪ゲージ
膜の熱応力の関係を示す線図である． ２１・・・金属製ダイヤフラム、２１Ｂ・・・起歪部、
２２・・・絶縁膜、２３．２４・・・半導体歪ゲージ．
第１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　一側が受圧面になり、他側が膜形成面になった起歪部
   を有する金属製ダイヤフラムと、該金属製ダイヤフラム
   の膜形成面に形成された絶縁膜と、該絶縁膜上に形成さ
   れた半導体歪ゲージとからなり、前記金属製ダイヤフラ
   ムの起歪部の厚さを１．０ｍｍ以上に設定すると共に、
   前記絶縁膜の厚さを０．３ｍｍ以上に設定してなる高圧
   用応力センサ。