JPH02262032A

JPH02262032A - 絶対圧型半導体圧力センサ

Info

Publication number: JPH02262032A
Application number: JP8440689A
Authority: JP
Inventors: Norihiro Imai; 今井　典浩
Original assignee: Toyoda Automatic Loom Works Ltd
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 1989-04-03
Filing date: 1989-04-03
Publication date: 1990-10-24

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】（概　　　要）、本発明は、シールダイヤフラム及び圧力媒体を介して
外部の圧力を検出する絶対圧型半導体圧力センサに関し
、上記圧力媒体の熱膨張による零点の変動を外部回路等
を用いることなく高精度に補償できるようにするため、
基準圧力室内に所定圧力のガスを封入し、このガスの熱
膨張により生じる圧力変化量が圧力媒体の熱膨張とシー
ルダイヤフラムのバネ性とから生じる圧力変化量に等し
くなるようにして、零点の温度補償を行うようにしたも
のである。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、例えば各種車両の油圧系統の圧力検出等に使
用される絶対圧型半導体圧力センサに係り、特にはシー
ルダイヤフラム及び圧力媒体を介し半導体感圧素子で外
部の圧力を検出する絶対圧型半導体圧力センサに関する
。

〔従来の技術〕

従来の絶対圧型半導体圧力センサの断面構成を第３図に
示す（特開昭６３−２４３８３０号公報参照）。

同図において、支持台１は、その中央部に凹部１ａを有
し、この凹部１ａ内には台座２が固定されている。そし
て、この台座２上には、シリコン基板表面にひずみゲー
ジを形成してなる半導体感圧素子３が接合され、この半
導体感圧素子３の裏面と台座２との間には真空に保たれ
た基準圧力室４が設けられている。また、上記の台座２
及び半導体感圧素子３は、バネ性を有する金属製のシー
ルダイヤフラム５で密封されたシリコンオイル等の絶縁
液６によって覆われている。半導体感圧素子３の各ひず
みゲージは、支持台１中を貫通して設けられたリード端
子７の一端に対し、絶縁液６中においてボンディングワ
イヤ８を介して接続されている。

上記構成において、外部からシールダイヤフラム５に加
わった圧力は、絶縁液６を圧力媒体として半導体感圧素
子３をひずませる。すると、そのひずみに応じた各ひず
みゲージの抵抗値の変化がリード端子７を介して外部の
回路で検出され、これにより圧力が検出される。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記のようにシールダイヤフラム５で封止された絶縁液
６を圧力媒体とし、この絶縁液６の中に半導体感圧素子
３を配置した構成からなる絶対圧型の半導体圧力センサ
では、温度が変化すると、それに伴って絶縁液６の体積
が変化（熱膨張）し、その体積変化に応じてシールダイ
ヤフラム５のバネ性により絶縁液６の内圧が変化するこ
とになる。

第３図に示したようにできるだけ絶縁液６の全体量を減
らすような構成にして、温度による絶縁液６の体積変化
を少なくした場合であっても、やはり絶縁液６の体積変
化が内圧に大きな影響を与えることを避けることはでき
ない。すると、外部から圧力が加わっていないにもかか
わらず、上記絶縁液６の内圧変化が、圧力センサの零点
の温度影響として検出されてしまう。

そのため、従来は、半導体感圧素子３のひずみゲージに
固定抵抗を付加して温度依存性をなくしたり、或いは外
部の回路で温度依存性をキャンセルするようにしていた
。ところが、これらの方法は、いずれも個々のセンサに
対して温度特性を測りつつ補償することになるので、非
常に面倒であるばかりか、期待通りの精度が得られない
という問題があった。

本発明は、上記従来の問題点に鑑み、シリコンオイルの
ような圧力媒体の熱膨張による零点の変動を外部回路等
を用いることなく高精度に補償することのできる絶対圧
型半導体圧力センサを提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の絶対圧型半導体圧力センサば、基準圧力室内に
所定圧力のガスを封入するようにしたものである。しか
も、そのガスの圧力は、このガスの熱膨張により生じる
圧力変化量が、シリコンオイル等の圧力媒体の熱膨張と
シールダイヤフラムのバネ性とから生じる圧力変化量に
等しくなるように設定しである。

〔作　　　用〕

上記のように基準圧力室内のガスの熱膨張により生じる
圧力変化量と、圧力媒体の熱膨張及びシールダイヤフラ
ムのバネ性から生じる圧力変化量とが互いに等しくなれ
ば、どの温度であっても、その温度影響によって半導体
感圧素子に加わる圧力差は同じになる。よって、この圧
力差だけを考慮にいれておけば、外部の回路や外付けの
固定抵抗等杏付加しなくとも、零点の温度補償を高精度
に行うことができる。

ここで、上記のように互いの圧力変化量を等しくするた
めの基準圧力室内のガスの圧力は、−１ａには以下のよ
うにして求めることができる。

まず、シールダイヤフラムが成る圧力ΔＰを受けた時、
このシールダイヤフラムのたわみによって変化した体積
変化量Δ■をΔＰの一次式に近似すると、次式が成り立
つ。

ΔＶ　”　ｋ　＋　ΔＰ（ｋ＋：比例定数）　　・・・
（１）また、シールダイヤフラムによって封止されてい
る圧力媒体（例えばシリコンオイル）の体積膨張率をα
、温度Ｔ０の時の体積をＶｏとする。すると、温度がＴ
ｏからΔＴだけ変化した時の圧力媒体の体積変化量Δ■
は、次のように表すことができる。ただし、圧力媒体の
圧縮による体積変化は極めて微小なので、ここでは無視
する。

Δ■＝αΔＴ　Ｖ　ｏ　　　　　　　　　　　・・・（
２）上記式（１）、（２）より、温度変化ΔＴによる圧
力媒体の圧力変化型ΔＰは、 ΔＰ＝ΔＶ／ｋｌ＝αΔＴＶｏ／ｋＩ　・・・（３）と
なる。

一方、基準圧力室にガスを封入し、温度がΔＴだけ変化
した時の基準圧力室の内圧変化量ΔＰ′は、 ΔＰ’＝に２ΔＴ（ｋｚ：比例定数）・・・（４）とな
る、ただし、基準圧力室内の体積変化は無視する。

そこで、ΔＰ＝八Ｐへとなるためのに２の値は、上記式
（３）、（４）より、 αΔＴＶｏ　／に＋　＝ｋｚΔＴ、’、ｋｚ　−αＶｏ　／に＋　　　　　　　　・・・
（５）と求まる。

よって、温度Ｔの時の基準圧力室内の圧力Ｐ′を、Ｐ’−に２Ｔ−（αＶｏ　／に＋　）Ｔ　　・・１６）
となるように設定してやれば、ΔＰ＝ΔＰ′の関係が得
られ、半導体感圧素子に加わる圧力差を温度に係わらず
一定にすることができる。

〔実　　施　　例〕

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説
明する。

第１図は、本発明の一実施例の主要部を示す断面構成図
である。

同図において、例えば円筒状のハウジング１１は、その
内部を上下に仕切るように支持壁１１ａを有し、この支
持壁１１ａ上の中央部には台座１２が固定されている。

そして、台座１２上には、例えば、シリコン基板等の表
面にひずみゲージを形成してなる半導体感圧素子１３が
接合され、この半導体感圧素子１３の裏面と台座１２と
の間には、所定圧力のガスが封入された基準圧力室１４
が設けられている。なお、上記の接合は、例えば陽極接
合（静電接合）、ガラス接合、共晶接合等の技術を用い
て行うことができる。

また、上記の台座１２及び半導体感圧素子１３は、バネ
性を有する金属製のシールダイヤフラム１５で密封され
たシリコンオイル等の絶縁液（圧力媒体）１６によって
覆われている。半導体感圧素子１３の各ひずみゲージは
、支持壁１１八中を上下に貫通して設けられたリード端
子１７の一端に、絶縁液１６中においてボンディングワ
イヤ１８を介して接続されている。リード端子１７と支
持壁１１ａとの間隙には封止材１９が充填され、密封封
止されている。

基準圧力室１４内に封入するガスの圧力は、前述した式
（６）に基づいて設定する。例えば絶縁液１６としてシ
リコンオイルを使用し、その体積膨張率αが９　、　６
　Ｘ　１０−’ｃｃ／ｃｃ／”Ｃ、シールダイヤフラム
１５のバネ定数に、が１　、　８　Ｘ　１０　＝ｃＪ／
（ｋｇ／ＣＩｆｉ）、温度Ｔｏ　＝２０”Ｃ（＝２９３
°Ｋ）でシリコンオイルの体積Ｖｏが１．　２Ｘ　１０
−３ｃ＋ｌｌである場合を考える。こめ時、基準圧力室
１４内に封入するガスの圧力Ｐ′は、Ｐ’　＝　（αＶｏ　／に＋　）Ｔ＝　（９，６Ｘ１０−’Ｘｉ、・２Ｘ１０−’／ｌ、８
ｘｌＯ−’）ｘ２９３ ’ｉ　１．　８８ｋｇ　／ｃｄとなるようにすればよい。具体的には、半導体感圧素子
１３を台座１２上に接合する際、その時の温度が２０°
Ｃ（＝２９３°Ｋ）であれば、圧力１゜８８ｋｇ／ｃＪ
の雰囲気中で上記の接合を行えばよい。

上記構成からなる圧力センサにおいて、外部からシール
ダイヤフラム１５に加わった圧力は、絶縁液１６を圧力
媒体として半導体感圧素子１３をひずませる。すると、
そのひずみに応じた各ひずみゲージの抵抗値の変化がリ
ード端子１７を介して外部の回路で検出され、これによ
り圧力が検出される。この際、温度が変動したとしても
、上記のように基準圧力室１４内に所定圧力のガスを封
入し、このガスの熱膨張により生じる圧力変化■ΔＰ′
が絶縁液１６の熱膨張とシールダイヤフラム１５のバネ
性とから生じる圧力変化量ΔＰに等しくなるように設定
しであるので、温度による影響がキャンセルされ、零点
の温度補償が行われる。

本実施例によれば、上記のようにセンサのみで零点の温
度補償ができるため、従来のような外付けの固定抵抗や
外部の電気回路等を用いることなく、高精度なセンサを
容易に実現することができる。

また、従来は絶縁液１６の全体量を減らして体積変化を
少なくするために絶縁液中にスペーサ等を配置したり、
或いは第３図に示したような構成としていたが、本実施
例では絶縁液１６の内圧上昇がある程度許容できるため
、上記のスペーサ等の部品が不要となり、よって部品点
数を減らすことができる。また、上述したように絶縁液
１６の内圧上昇がある程度許容できるため、シールダイ
ヤフラム１５の径を不必要に大きくしなくてもよくなり
、よってセンサの小型化が可能になる。

更に、基準圧力室１４の封止時における雰囲気の圧力を
調整するだけで零点の温度補償ができるので、製造コス
トを低く維持することができる。

次に第２図は、本発明の他の実施例の主要部を示す断面
構成図である。前記実施例は例えば１００ｋｇ／ｃｄ以
上の高圧測定用に向いているが、本実施例は低圧測定用
として構成されている。

同図において、ハウジング１１は、その内部を上下に仕
切る第１の支持壁１１ａと、この下方に中継部１１ｂを
介して設けられた第２の支持壁１１ｃどを有し、この第
２の支持壁１１ｃの下面の中央部には台座１２が固定さ
れている。そして、上記第１、第２の支持壁１１ａ、ｔ
ｉｃ、中継部１１ｂ及び台座１２には、その中を上下に
貫通する貫通孔２０が形成されている。台座１２の下面
には、前記と同様な半導体感圧素子１３が裏返して接合
されている。また、第２の支持壁１１Ｃの下面には、台
座１２及び半導体感圧素子１３を覆ってカップ上の蓋体
２１が密封固定されており、この内部が基準圧力室１４
となっている。この基準圧力室１４内にも、前記実施例
と同様に設定された所定圧力のガスが封入されている。

このガスの封入は、上記所定圧力の雰囲気内で蓋体２１
を第２の支持壁１１ｃに接合することにより節単に行う
ことができる。

また、第１の支持壁１１ａ上及び貫通孔２０内はシリコ
ンオイル等の絶縁液１６で覆われ、この絶縁液１６がシ
ールダイヤフラム１５で封止されている。半導体感圧素
子１３の各ひずみゲージは、第２の支持壁１１ｃ中を上
下に貫通して設けられたリード端子１７の一端に、基準
圧力室１４内においてボンディングワイヤ１８を介して
接続されている。リード端子１７と第２の支持壁１１ｃ
との間は封止材１９が充填され、密封封止されている。

上記構成からなる圧力センサにおいて、外部からシール
ダイヤフラム１５に加わった圧力は、絶縁液１６を圧力
媒体として半導体感圧素子１３の裏側に伝達されてひず
みが生じ、前記実施例と同様にして圧力検出がなされる
。この場合も、前記実施例と同様に基準圧力室１４内の
ガスの圧力を式（６）に基づいて調整することにより、
零点の温度補償が可能となる。

本実施例においても、前記実施例と同様に、外部の電気
回路等を用いることなく零点の温度補償を高精度に行う
ことができる。また、同様に部品点数の削減及びセンサ
の小型化も可能であり、製造コストが高くなることもな
い。

なお、半導体感圧素子としては、必ずしもシリコン基板
にひずみゲージを設けたものである必要はなく、外部か
ら圧力媒体を介して伝達された圧力を検出できるもので
あればなんでもよい。

また、圧力媒体としては、電気電導度が低く、腐食性が
なく、かつ使用温度範囲内で化学変化しないものであれ
ば、上述したシリコンオイル以外のものも使用できるこ
とは勿論である。

更に、基準圧力室内に封入するガスは、不活性ガスが最
も望ましいが、半導体感圧素子や基準圧力室を構成する
材料に対して腐食性のないものであれば、様々なガスを
使用できる。

また、第１図や第２図に示した構成のセンサ以外にも、
温度上昇に伴って零点がプラス側に動いてしまうような
絶対圧型圧力センサには、その原因に係わらず本発明を
適用することができる。

〔発明の効果〕本発明によれば、外付けの固定抵抗や外部の回路等を用
いることなく、零点の温度補償を高精度に行うことがで
きる。

また、シリコンオイル等の圧力媒体の内圧上昇をある程
度許容できるため、圧力媒体の全体量を減らすためのス
ペーサ等が不要となり、しかもシールダイヤフラム径を
不必要に大きくしなくても済むので、部品点数の削減及
びセンサ自体の小型化が可能になる。

更には、基準圧力室の封止時の圧力を調整するだけで零
点の温度補償ができるので、コストを低く抑えることが
できるという利点もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の主要部を示す断面構成図、第２図は本発明の他の実施例の主要部を示す断面構成図
、第３図は従来の絶対圧型半導体圧力センサの断面構成図
である。１１・・・ハウジング、１１ａ、１１ｃ・・・支持壁、１１ｂ・・・中継部、１２・・・台座、

Claims

【特許請求の範囲】

バネ性を有するシールダイヤフラム（１５）で圧力媒体
（１６）を封止し、該圧力媒体と基準圧力室（１４）と
の間に介在された半導体感圧素子（１３）で、前記圧力
媒体を介して伝達された圧力を検出する絶対圧型半導体
圧力センサにおいて、前記基準圧力室（１４）内にガス
を封入し、該ガスの圧力を、その熱膨張により生じる圧
力変化量が前記圧力媒体の熱膨張と前記シールダイヤフ
ラムのバネ性とから生じる圧力変化量に等しくなるよう
に設定したことを特徴とする絶対圧型半導体圧力センサ
。