JPH0236326A

JPH0236326A - 圧力測定装置

Info

Publication number: JPH0236326A
Application number: JP18598188A
Authority: JP
Inventors: Chukei Kaneko; 金子　忠敬
Original assignee: Matsushita Electronics Corp
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1988-07-26
Filing date: 1988-07-26
Publication date: 1990-02-06

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気体の圧力を容易に精度良（測定することがで
き、しかも、直線性、温度特性が非常に良好な圧力測定
のできる半導体装置に関するものである。

従来の技術圧力測定装置としては、金属ダイヤフラムに歪ゲージを
取付けたもの、半導体ダイヤプラム面上にピエゾ抵抗素
子を不純物拡散法により形成した半導体圧力センサー等
があり、特に近年半導体圧力センサーが簡便性と小形の
ため普及が著しい。

しかし、この半導体圧力センサーは拡散型抵抗のブリッ
ジを用いているため、拡散抵抗の温度変化に対する抵抗
値の変化が大きく、実用化するためには温度補償を精度
良（行う必要がある。また、圧力の変化に対するブリッ
ジの出力特性の非直線歪が問題となり、シリコン単結晶
の結晶軸、ゲージ抵抗の配置等非常に多くの因子を配置
しつつ、設計作成する必要がある。更にブリッジを形成
する４つのゲージ抵抗の相互の誤差が非常に小さい事が
要求され、これらの抵抗を形成するには高度のプロセス
技術が必要である。即ち超高精度パターン形成技術を用
い、ゲージ抵抗パターンを形成し、拡散のマスクとする
。パターン幅の形成ばらつきも少ないことが要求される
。また、そのマスクを通して、Ｐ型不純物（ボロンなど
）元素を拡散するが、拡散濃度のばらつきも極小でなく
てはならない。そのためにはイオン注入などの高度な技
術が必要となる。このようにして形成したゲージ抵抗で
も、半導体抵抗の温度特性は余り好ましくない。不純物
濃度５　Ｘ　１０１９ｃｍ−２でゲージ抵抗を作製すれ
ば、ピエゾ抵抗係数は０℃から８０℃の温度変化に対し
、約２０％変化する。この変化は気体または液体の圧力
変化を測定するには著しく大きく、このままでは精度の
よい圧力センサーとしては使用不可能で、温度変化を補
正することが必要である。圧力と電気的出力との関係は
ほぼｒＩｔ線で近似できるが、その用途によっては非常
に正確な直線応答が要求される。正確な直線性の応答を
得るために、原理的にはダイヤフラムを厚（しバルーン
効果を減じるような設計を行うが、ダイヤプラムの厚み
を厚くすると、出力感度が低下してしまう。ダイヤフラ
ムを厚くしないで大きな出力感度を得るためには、シリ
コンの単結晶軸を＜１１０＞あるいは＜１００＞の結晶
軸の材料を選択し、ゲージ抵抗の配置、方向等、非常に
多くの要素を勘案して設計しなければならず、非常に複
雑である。

発明が解決しようとする課題先に述べたように、従来の半導体圧力センサーは半導体
単結晶の表面に作成した拡散抵抗を利用しているため、
その特性が、温度に対し変化し易い。また、非直線歪が
発生し易い。この発明はこれらの問題点を解決するもの
である。

課題を解決するための手段本発明は圧力を受けて変形するシリコン単結晶ダイヤフ
ラムと、半導体発光素子からなり、光をシリコン単結晶
ダイヤフラムに当て、その反射光の焦点を検出する光学
系とから構成される装置を提案するものである。

作用本発明によれば、シリコン単結晶ダイヤフラムと、半導
体レーザー又は発光ダイオードを適当に配置し、半導体
レーザー又は発光ダイオードから発せられる光が、シリ
コン単結晶ダイヤフラムに当って反射され、焦点を結ぶ
近傍に２分割フォトセンサーを含む焦点検出光学系を配
置することによって、圧力の変化に応じて反射光の焦点
距離が変化し、焦点の移動距離から圧力を知ることが可
能となる。

実施例本発明の半導体ダイヤプラム式圧力検出装置について第
１図を参照して説明する。

第１図は本発明の半導体ダイヤフラム式圧力検出装置の
構成概要図である。

１は光源となる半導体レーザー又は半導体発光ダイオー
ドであり、この光を紋りの穴２で十分平行光としである
。この平行光が透明ガラス板３を通過し、シリコン単結
晶ダイヤフラム５の表面に達する。ダイヤフラム５の表
面は鏡面研磨されていて反射される。このシリコン単結
晶ダイヤフラム５は裏面側に真空室６をもって居り、表
面側が真空でない限り、表面は凹になっている。ダイヤ
プラム形状は真円形であるので、入射した光に対して凹
面鏡としてはだら（。なお、７は真空室を形成するため
の台座であり、シリコン単結晶又はガラスによって作成
され、ダイヤフラム５とは気密が保たれるように接着さ
れている。シリコン単結晶ダイヤフラム５で反射された
光は透明ガラス板８を通過し、２分割フォトセンサー９
上に結像する。気密容器１２は透明ガラス３及び同８と
、シリコン単結晶ダイヤフラム５の部分は気密に相互に
接着接合されており、圧力導入口４を有する。従って、
圧力導入口４から外部圧力が印加されると、気密容器１
２の内部は外部圧力と等しい圧力が内部表面に加圧され
る。従ってシリコン単結晶ダイヤフラム５も同様に加圧
される。その結果シリコン単結晶ダイヤフラムが変形し
、その凹面の度合は大きくなる。すなわち、凹面鏡の曲
率半径が小さくなる。そのため、入射した光の像は光軸
上の異なる点に結ぶことになる。１０は焦点検出装置で
あり、リニアモータ基板１１の上に配置されてあり、２
分割フォトセンサー９の出力を検出し、リニアモータ基
板１１上を半導体レーザー又は半導体発光ダイオード１
の光が最も明確な像を結ぶ位置迄移動する。この２分割
フォトセンサー９の移動距離と圧力の関係を、予め、較
正しておけば、圧力を非常に正確に知ることが可能とな
る。

発明の効果実施例で述べたような本発明の圧力検出装置によれば、
シリコン単結晶の熱膨脹係数は２．３×１０−６２′℃
であり、金属のそれと比較すると１桁以上小さい。従っ
て、例えば、直径１０ｍｍのシリコン単結晶ダイヤフラ
ムの場合、１００℃の変化に対してわずか２．３ミクロ
ンであり、温度が１００℃変化してら凹の度合には殆ん
ど影響がないことが分る。即ち、入射光の結像の位置に
は殆んど変化がない。

直線性に対しては、シリコン単結晶ダイヤフラムの厚み
を厚（すれば、出力とは無関係にバルーン効果のような
非直線歪が減少する。厚ければ凹の度合が小さくなるの
で曲率半径は大きくなり、結像の距離変化は大きくなる
。従って圧力の測定精度を向上することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体ダイヤフラム式圧力検出装置の
構成概要図である。１・・・・・・半導体レーザー又は半導体発光ダイオー
ド、２・・・・・・コリメート光を得るための絞り、３
゜８・・・・・・透明ガラス板、４・・・・・・気密容
器の圧力導入用パイプ、１２・・・・・・気密容器、５
・・・・・・シリコン単結晶ダイヤフラム、６・・・・
・・真空室、７・・・・・・シリコン単結晶又はそれに
等しい熱膨脹係数をもつガラスでできた台座、９・・・
・・・２分割フォトセン１トー１０・・・・・・焦点検
出装置、１１・・・・・・リニアモータ基板。

Claims

【特許請求の範囲】　半導体単結晶を加工したダイヤフラムを有し、その片方の面側を真空に保ち、他方の半導体単結
晶ダイヤフラム表面にコリメート光を当て、その反射集
光点を検出する圧力測定装置。