JPH0236328A - 高温流体用圧力センサ - 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］ 本発明は圧力センサ、特に高温流体の圧力をＭ１定する
ために用いられる圧力センサの改良に関づる。

［従来の技術］ 圧力センサは、各種分野において気体または液体などの
流体圧力を測定するために幅広く用いられており、特に
近年においては、高温、高圧の極めて激しい使用環境下
で用いられることも多い。

従って、このような高温流体の圧力測定用として用いら
れるセンサには、周囲の環境、特にその温度に影響され
ることなく圧力を正確に測定できる能力が要求される。

例えば、このような圧力センサを内燃機関の燃焼圧セン
サとして用いた場合には、温度が１，０００°Ｃ以上の
燃焼カスによって影響されることなく、その圧力を長時
間正確に測定できる能力が要求される。

第２図には、従来の圧力センサの一例が示されており、
この圧力センサは、ダイヤフラム部１゜の表面に作用す
る燃焼ガスの圧力Ｐを、圧縮力Ｗとして熱絶縁体１２を
介して力変換素子１４に伝達し、力変換素子１４から出
力される電気信号に基つき燃焼ガスの圧力Ｐを測定して
いた。

しかし、１０００℃を超える高温の燃焼ガスの圧力測定
を行おうとする場合には、ダイヤフラム部１０と力変換
素子１４との間に設けた熱絶縁体１またけでは、力変換
素子１４へ伝達する熱を十分に遮蔽することができず、
力変換素子１４自体の性能が低下してしまう。

このため、従来はダイヤフラム部１０の表面側に、これ
と一体的にブロック部２２を設け、ダイヤフラム部１０
付近に来た燃焼ガスの熱を吸収することにより、ダイヤ
フラム部１０目体の温度り昇を抑制し、高温、高圧の燃
焼ガスの圧力測定を行う場合でも、力変換素子１４へ熱
か伝達されないよう形成されていた。

従来、このような圧力センサに使用される力変換素子１
４としては、圧縮型ロードセルに代表される歪みゲージ
タイプのものが一般的に知られている。

しかし、従来の力変換素子１４にあっては、この数年、
新規な圧縮力検知方式を取り入れて構成されたものは無
かった。

第３図には、従来の歪ゲージタイプの力変換素子１４の
一例か示されている。

この力変換素子は、圧縮力Ｗが印加される４角柱形状を
した起歪体１６を有し、この起歪体１６の４つの側面１
６ａに、半導体歪ゲージ１７が接着剤１７ａを用いて貼
付けられている。そして、これら各側面に貼付けられた
複数の歪ゲージ１７は、互いにホイートストンブリッジ
回路を形成するよう電気的に接続されている。

そして、加えられた圧縮力Ｗに対応して生ずる起歪体１
６の歪を、ホイートストンブリッジ回路から電圧信号と
して出力している。

［発明が解決しようとする問題点］ しかし、従来の圧力センサ、特にその力変換素子１４は
、以下に述べる問題点を有していた。

第１の問題点 まず、従来の圧力センナに用いられる力変換素子１４は
、温度変化に伴う半導体歪ゲージ１７の抵抗値の増減が
もたらす検出特性への悪影響を低減するために、複数の
半導体歪ゲージ１７を起歪体１６の各側面１６ａに貼付
けていた。そして、これら各歪ゲージ１７の電極１７ｂ
、１７ｂからターミナル１８．１８ヘリード線１８ａ、
１８ａを引き出し、しかも、これら各ターミナル１８゜
１８に引き出し線１９．１９を接続し、各歪ゲージ１７
がホイートストンブリッジ回路を形成するよう結線して
いた。

このため、力変換素子１４、ひいては圧力センサの製造
工程か複雑化し、その製造に高いノウハウを必要とする
ため、製造された圧力センサか高価なものとなってしま
い、しかも製品ごとの特性のバラツキも大きくなってし
まうという問題があった。

第２の問題点 また、従来のセンサに用いられる力変換素子１４は、複
数の歪ゲージ１７を、接着剤１７ａを用いて起歪体１６
の側面１６ａに貼付けている。

このため、接着剤１７ａがもたらすクリープ、ヒステリ
シス等の測定特性への悪影響か避けられず、信頼性に欠
けるという問題があった。さらに、接着剤１７ａを用い
た歪ゲージ１７の貼付けには、高いノウハウを必要とし
、しかも接着による歪ゲージ特性のバラツキも大きいと
いう問題があった。

［発明の目的］ 本発明は、この様な従来の課題に鑑みなされたものであ
り、その目的は、前述した問題点を解決することかでき
、信頼性が高くしがも安価な高温流体用の圧力センサを
提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 前記目的を達成するため、本発明は、ダイヤフラム部の
表面に作用する高温流体の圧力を、圧縮力として力変換
素子に伝達し、力変換素子から出力される電気信号に基
づき高温流体の圧力を測定する圧力センサにおいて、 前記力変換素子は、 圧縮力が加えられる面として＋１１０ｔ面の結晶面を有
するように形成され、この結晶面が前記タイヤフラム部
と平行になるよう取付けられたＳｉ単結晶体と、 前記Ｓｉ単結晶体上に、その１ｌｉｏ＋面上における結
晶の＜００１＞方向より４５度の方向に対向して設けた
第１の電極と、＜１１０＞方向より４５度の方向に対向
して設けた第２の電極と、を含み、これら第１および第
２の電極のいずれか一方を出力電極とし、他方を入力電
極として用いる複数の電極と、 一端佃１か前記Ｓｉ単結晶体の＋　１１０　＋面の結晶
面と接合され、他端が前記ダイヤフラム部に接するよう
形成され、ダイヤフラム部に印加される圧力をＪ＋：検
力どしてＳｉ単結晶体の結晶面に垂直に伝達し、Ｓｉ単
結晶体の（１１０１面の結晶面と接合される複合台座と
、 前記Ｓｉ単結晶体の、台座が接合された面と対向する面
と接合されるステムと、 を含み、前記ステムは、 前記Ｓｉ単結晶体の台座が接合された面と対向する面と
接合され、そのＳｉ単結晶体を支持するための支持基台
と、 前記出力電極から出力される電気信号を外部に取出すた
めの複数の出力電極端子と、 前記入力電極へ外部から電流を通電するための複数の入
力電極端子と、 これら入力電極端子、出力電極端子および支持基台を一
体的に保持する保持平膜と、 を含み、 前記入力電極端子からＳｉ単結晶体に電流を流しながら
Ｓｉ単結晶体の結晶面に垂直に圧縮力を作用させ、出力
電極端子からダイヤフラム部の表面に作用する高温流体
の圧力に対応した電圧を出力することを特徴とする。

着目点 本発明者等は、従来の力変換素子とは全くその原理が異
なる新規な圧力検知手段を用いた高温流体用の圧力セン
サを開発した。

以下に、本発明の圧力センサに用いられる圧力検知手段
、特にその力変換素子を開発するに際しての着目点につ
いて説明する。

抗値がもたらず特性への悪影響を低減するために、複数
の半導体歪ゲージを用いて、ホイートストンブリッジ回
路を形成していた。

本発明の第１の着目点は、この様な複数の半導体歪ゲー
ジを用いて形成されたホイートストンブリッジ回路に代
え、一つのＳｉ単結晶体で複数の歪ゲージを構成しよう
とすることにある。このため、本発明においては、一つ
のＳｉ単結晶体に一対の出力電極と入力電極とを交差し
て設け、望ましくは直交する方向に相対して設けるよう
構成している。

このようにすることにより、本発明によれは、後述する
理由（作用の欄の（ｇ）の項に詳述する）から、温度の
変動がもたらす特性への悪影響か低減し、前述した第１
の問題点を解決することができる。

第１の着目点　　　　　　　　　第２の着目点従来の圧
力センサに用いられる力変換素子は、　　　　しかし、
前述したように、一対の出力電極と入温度の変イヒに伴
ない増減する半導体歪ゲージの抵　　力電極と３直交し
て設けたＳｉ、ｌｌ結晶体を用いｔ二としても、従来の
ようにこのＳｉ単結晶体を起歪体の側面へ接着剤を用い
て貼付けていたのでは、前述した第２の問題点を解決す
ることができない。

本発明の第２の着目点は、前記Ｓｉ単結晶体の結晶面に
対し垂直に圧縮力を作用させ、この圧縮力に基づ＜Ｓｉ
単結晶体のピエゾ抵抗効果を利用して圧縮力を検知する
という、新規な力検知方式と採用したことにある。

すなわち、従来の力変換素子は、起歪体の側面に複数の
歪ゲージを接着剤を用いて貼付け、圧縮力を起歪体の圧
縮歪として検知していた。従って、起歪体の圧Ｗｉ歪が
接着剤を介して、各歪ゲージに伝達されることになり、
接着剤に起因するクリープ、しステリヒス等の悪影響を
受けやすく、償却性が低いという問題があった。

これに対し、本発明では、Ｓｉ単結晶体の結晶面の一方
を台座と接合し、他の結晶面を支持基台に接合し、Ｓｉ
単結晶体の結晶面に対し垂直に圧縮力を作用させるとい
う、従来には全くない新規な構成を採用している。

従って、仮にＳｉ単結晶体と台座および支持基台との接
合に接着剤を用いたとしても、接着剤に起因するクリー
プ、ヒステリヒス等の悪影響が著しく小さくなり、測定
データの償却性が極めて高いものとなる。なお、この様
な接着剤の影響を確実に除去するためには、Ｓｉ単結晶
体と支持基台および台座との接合を、接着剤を用いるこ
となく、例えば特公昭５３−２８７４７号公報に開示さ
れた静電接合方法等を用いて行うことが好ましい。

第３の着目点 ところで、このようなＳｉ単結晶体を用いて圧縮力の測
定を行うとする場合には、加えられる圧縮力に対応した
測定電圧を、Ｓｉ単結晶体から出力することが必要とさ
れる。

本発明者らは、このような観点にたって、Ｓｉ単結晶体
のピエゾ抵抗係数π６３−が大きな値をなるようＳｉ単
結晶体の結晶面についての検討を行った。

この検討の結果、圧力が加えられる面として（１１０）
面の結晶面を有するよう、Ｓｉ単結晶体を形成する必要
があることを見い出した。

そして、更に本発明者等は、このような（１１０）面の
結晶面を有するＳｉ単結晶体を用い、しかも前記Ｓｉ単
結晶体に、過大な電圧を印加したことに基づく発熱でそ
の特性に悪影響をもたらさない範囲の電圧を印加する場
合において、実用上十分な大きさの電圧Δ■を出力する
ための検討を進めた。

この検討の結果、Ｓｉ単結晶体から大きな電圧Δ■を出
力するためには、Ｓｉ単結晶体の厚さをできるだけ小さ
くすればよいことを見い出した。

特に、実用上十分な大きさのΔ■を出力するためには、
このＳｉ単結晶体の厚さを５０μｍ以下、好ましくは２
０μｍ以下に形成すればよいことを見出した。

このため、本発明においては、圧縮力が加えられる面と
して（１１０）結晶面を有するとともに、不純物濃度が
Ｉ　Ｘ　１０１５／ｌ”〜１×１０２１／ｃ１３の範囲
に制御され、その厚さが５０μｍ以下となるよう、前記
Ｓｉ単結晶体を形成している。

第４の着目点 また、従来の力変＃Ａ、＃子では、第３図に示すように
、半導体歪ゲージ１７から出力電圧を取出ずために、歪
ゲージ１７の電極１７ｂとターミナル１８との間にリー
ド線１８ａを接続し、しかもターミナル１８から引出線
１９を引出し、４個の歪ゲージ１７がホイートストンブ
リッジ回路を構成するよう引出線１つを引回して結線し
ていた。従って、一定の品質の力変換素子を製造するた
めには、作業者の高いノウハウが必要となり、しかも引
出線１つの引回し方によっては、周囲のノイズが混入し
易く電気計測上問題かあった。

本発明の第４の着目点は、配線の長さを％ｌｉ＜ｌ。

て、電気的結線を簡単にできるようにしたことにある。

このため、本発明は、Ｓｉ単結晶体上に設けられた出力
電極、入力電極とがそれぞれ接続される出力電極端子、
人力電極端子と、Ｓｉ単結晶体を接な支持する支持基台
と、を保持手段を用いて一体的に保持するよう形成して
いる。

この様にすることにより、支持基台上にＳｉ単結晶体を
接合した後、入力電極、出力電極をそれぞれ支持基台と
一体的に保持された入力電極端子、出力電極端子に結線
するだけでよい、従って、従来のように引出線を引き回
して結線しなければならないという問題を解決すること
ができ、配線が筒中−で、雑音に強く、しかも低コスト
の力変換素子を得ることができる。

［作用］ 第１図には、本発明の高温流体用圧力センサが示されて
いる。

（ａ）　　この圧力センサは、はぼ円筒形状に形成され
たセンサケース２０の先端開口部に、ダイヤフラム部１
０を取り付け固定している。

そして、ダイヤフラム部１０の表面に高温流体を作用さ
せると、その圧力Ｐは、熱絶縁体１２）台座４２を介し
て力変換素子１４に圧縮力として作用し、力変換素子１
４から圧力Ｐに対応した測定電圧がリード線５６を介し
て出力される。

なお、このような圧力センサを用いて高温・高圧の流体
圧力Ｐ・を測定する場合には、ダイヤフラム部１０の表
面１２が、この高温・高圧の流体にさらされる。このた
め、この高温・高圧流体からダイヤフラム部１０に伝わ
った熱が、センサケース２０３介して力変換素子１４に
回り込まないように、センサケース２０を熱的に伝導性
のよい材料を用い、例えば熱をケース２０の取付は同定
用ネジ渭２８から図示しないシリンダヘッド部へ逃すよ
う形成することが好ましい。

（ｂ）　　第４図には、本発明の圧力センサに用いられ
る力変換素子１４の一例が示されており、同図（Ａ）は
その平面説明図、同図ＣＢ）はその側面説明図である。

この力変換素子１４は、圧縮力Ｗが加えられる面として
（１１０）の結晶面を有するよう形成されたＳｉ単結晶
体３０と、このＳｉ単結晶体３０の（１１０）面の結晶
面３２と接合され、圧縮力Ｗをその結晶面３２に垂直に
伝達する台座４０と、このＳｉ単結晶体３０の他の結晶
面３４と接合されるステム６０を含む、そして、前記Ｓ
ｉ単結晶体３０の表面には、結晶の＜００１＞方向より
７１５度の方向に対向して設けられた第１の電極５０．
５０−と、＜１１０＞方向より４５度の方向に対向して
設けられた第２の電極５２．５２とからなる複数の電極
が設けられており、これら第１および第２の電極のいず
れか一方５０゜５０−を出力電極、他方５２．５２−を
入力電極として用いている。

（ｃ）　　また、本発明において、前記ステム６０は、
Ｓｉ単結晶体３０の他の結晶面３２と接合され、Ｓｉ単
結晶体３０を支持するための支持基台６２と、前記入力
電極５２．５２−へ外部から電流を通電するための複数
の入力電極端子６６゜６６−と、出力電極５２．５２−
から出力される電気信号を外部に取出すための複数の出
力電極端子６４．６４−と、これら電極端子６４，６４
６６．６６−および支持基台６２を一体的に保持する保
持手段と、を含む。

第４図において、ステム６０は、これら各電極端子６４
．６４−１６６．６６−を支持基台６０の周囲にほぼ対
象となるよう輪状配置している。

そして、このステム６０は、保持手段として外環７０、
封着ガラス６８を用い、上端を開口した略円筒形状した
外環７０内に、支持基台６２）各電極端子６４．．６４
−＋　６６．６６−を封着カラス６８を用いて一体的に
取付は固定することにより形成されている。

ここにおいて、前記電極端子６４，６４６６．６６−は
、その一端側がＳｉ単結晶体３０の結晶面３２とほぼ而
−となるよう取付けられており、このＳｉ単結晶体３０
」二に設けられた各電極５０．５０−１５２．５２−と
金線５４を介して接続されている。

また、これら各電極端子６４．６４−１６６゜６６−の
他端側は、外環７０の底面に設けられた挿通孔７２を介
して外部に引出されている。そして、その端部には第１
図に示すリード線５６が接続されており、このリード線
５６を介して外部の計測機器と電気的に接続されている
。

このようにして、本発明に用いる力変換素子１４は、そ
の出力を極端子６４．６４−および入力電極端子６６．
６６−゛を支持基台６２と一体的にステム６０として形
成しているため、支持基台６２に接合されたＳｉ単結晶
体３０の各電極５０゜５０−　５２．５２−と前記各電
極端子６４゜６４−１６６．６６−を、たとえばＬｏｌ
ｌ程度の雉いリード線５４を介して接続するのみで電気
的結線が完了し、電気的な配線が極めて簡単なものとな
る。

従って、従来のように、半導体歪ゲージの配線を引回し
電気的な結線を行うというようなことがなくなるため、
格別なノウハウなどを必要とすることなく、その電気的
結線を簡単かつ確実に行うことができる。さらに、本発
明では、電気的配線も極めて短くなるため、従来のよう
に引回されてた配線に外部からのノイズか混入すること
がなく、極めて信頼性の高い力変換素子を得ることかで
きる。

なお、第４図においては、保持手段として外環および到
着カラスを用いたが、保持手段は、電極端子６４．６４
−１６６．６６−および支持基台６２を一体的に保持す
ることができれば他の手段を採用することもでき、例え
はセラミックスパ・ンケージを用いてもよい。

（ｄ）　　次に、この力変換素子１４を用いて、台座４
０に加わる圧縮力Ｗ（ダイヤフラム部］０に加わる圧力
Ｐ）を測定する場合を説明する。

まず、台座４０に圧縮力Ｗを垂直に与えると、この圧縮
力Ｗは、台座４０により均等に分散され、Ｓｉ単結晶体
３０の結晶面３２に垂直に圧縮応力σＺ＝Ｗ／Ａ として作用する。ここにおいて、Ａは台座４０のＳｉ単
結晶体３０に対する接合面の面積を表わす。

このとき入力電極５２．５２−からＳｉ単結晶体３０に
電流工を流しておくと、圧縮応力ｃｆ２力、作用したＳ
　ｉ　ｊＦ’−結晶体３０は、その出力電極５０゜５ｏ
−から次式で表わす電圧ΔＶを出力するΔｖ＝ｂ・ρ・
Ｊ２・π　−・σＺ−ｋ・・・（１）ここにおいて、ρ
はＳｉ単結晶体３０の比抵抗、Ｊ２は電流密度、π６３
　　はピエゾ抵抗係数、ｋはＳｉ単結晶体の電極形状に
より定まる定数である。

本発明の特徴の一つは、出力電極５０．５０−から圧縮
力に対応した電圧ΔＶを出力するため、ピエゾ抵抗係数
π６３゛が十分大きな値となるようにＳｉ単結晶体３０
を形成したことにある。

すなわち、本発明者等は、代表的な次の４つの結晶面（
１００）、（１１，０）、（１１１）、（２１１）を有
するＳｉ単結晶体３０について、電極を設ける方向を代
えて、Ｓｉ単結晶体３０から、電圧Δ■を得るために不
可欠なピエゾ抵抗係数π　−についての計算を行った。

この結果、（１００）、（１１１）、（２１１）の場合
、いずれの方向に電極を設けてもピエゾ抵抗係数π６３
−は零となった。これに対し、（１１０）の場合には、
電極を＜００１＞方向より４５°の方向、または＜ＩＴ
Ｏ＞より４５°の方向に設けることで、絶対値が相等し
く最大のピエゾ抵抗係数π６３−か存在することが判明
した。

第５図は、比抵抗７．８Ωｌのｐ型（１１０）面Ｓｉ単
結晶体のピエゾ抵抗係数π６３−の計算結果を示したも
のである。同図から、出力電極を（００１＞方向より４
５°の方向、入力電極を＜　１−ｉ’　Ｏ＞方向より４
５゛の方向に設けることにより、籠大のピエゾ抵抗係数
π６３−を得ることかできることがわかる。

なお、出力電極５０．５０−を＜１１０＞より４５°の
方向に、入力電極５２．５２−を（００１＞方向より４
５°の方向に設けた場合でも、ピエゾ抵抗係数π６３−
を同様に利用でき、本発明の目的とする力変換素子か実
現できることには変りない。

また、前記［００１］、［１工０］となる結晶方向け（
１１０）面のＳｉ単結晶体３０における代表的な結晶方
向を示したもので、これらの結晶方向と等価な結晶方向
においては全く同様に考えることができる。

第１表には、Ｓｉ単結晶体３０の（１１０）面の結晶面
と等価な結晶面と、［ＯＯ１，］　。

［１１０］からなる結晶方向と等価な結晶方向が示され
ている。この表から明らかなように、Ｓｉ単結晶体には
（１１０）面と等価な結晶面が複数存在する。したがっ
て、（１１０）面と等価な結晶面をもつＳｉ単結晶体を
用いても、本発明の力変換索子１０００を形成すること
ができる。

なお、（１１０）の結晶面と等価な結晶面は＋１１０１
で表わされ、また［００１］［１１０］と等価な結晶方
向け、＜００１＞。

く１１０〉で一般的に表わされる。

第１表 （以下余白） なお、第５し１ではｐ型Ｓｔ単結晶体３０のピエゾ抵抗
係数π　゛を・示したが、もちろんｎ型（１１０）面Ｓ
ｉ単結晶体にあっても、そのピエゾ抵抗係数π６３゛は
、ｐ型の場合と同等の大きさを有して同様に存在する。

この様にして、本発明の圧力センサは、ダイヤフラム部
１０に加えられた圧力Ｐを、台座４０を介してＳｉ単結
晶体３０の（１１０）の結晶面３２に垂直に圧縮力とし
て印加するという、従来にはない新規な構成を採用する
ことにより、Ｓｉ単結晶体３０の出力電極５０．５０−
から圧力Ｐに対応した電圧Δ■を正確に出力することか
できる。

（ｅ）　　他の条件についての検討 Ｓｉ単結晶体３０内に流れる電流工の電流密度Ｊ２は、
次式で表わされる。

Ｊ　２　＝　１　／　（）Ｊ−ｈ　）　　　　　　　　
・・・（２）したかって、前記第１式に、第２式を代入
することにより、Ｓｉ単結晶体３０からの測定電圧Δ■
は、次式で表わすことができる。なお、間代において、
ｂは出力電極５０．５０−の距離、ｈはＳｉ単結晶体３
０の厚みを表わす。

・σ　　　・・・（３） ΔＶ＝ρ（Ｉ／ｈ）π６３　　　２ 前記第３式から明らかなように、本発明に用いられる力
変換素子１４から出力される電圧Δ■をより大きくする
ためには、前記ピエゾ抵抗係数π６３−以外に、Ｓｉ単
結晶体３０の比抵抗ρ、Ｓｉ単結晶体１０のＳｉ単結晶
体３０の厚みｈに対する電流値１／ｈ、圧縮応力σＺの
いずれかを大きくしてやればよい。

しかし、実際には、Ｓ１単結晶体３０の比抵抗ρ、電流
ｌ、圧縮応力σＺは、以下に述べる理由から常識を越え
る範囲より大きくできない。

すなわち、ｐｔたはｎ伝導型として市販されるＳｉ単結
晶体３０は、比抵抗ρが１×１０４Ω備？越えるイント
リンシックな特性を備えるよう製造することは困難であ
る。

また、Ｓｉ単結晶体３０に複数の電極を設けるにあたり
、この比抵抗ρか１０Ωｃｎｔ越えると、良好な電気的
接続を得ることが困難となる。

さらにＳｉ単結晶体３０の室温における比抵抗ρが、１
０Ω、Ｊ＋（不純物濃度が約１×１０１５／が約Ｉ　Ｘ
　１０”／ｃｎ”に相当する）の範囲を満足しない場合
、測定電圧Δ■の室温に対する変化が著しく大きくなっ
てしまう。

このため、本発明の力変換素子を構成するＳｉ単結晶体
３０は、その比抵抗ρが１０Ωｌ〜１×１０−４Ωｌの
範囲として制御されたものを用いることが好ましく、こ
のため本発明に用いられるＳｉ単結晶体３０は、その不
純物の濃度が１×１、０１５／ｃｎ”〜１×１０２１／
ｃｍ３の範囲内に制御されている。

また、Ｓｉ単結晶体３０のピエゾ抵抗係数π６３゛の大
きさも、前記比抵抗ρの大きさにより左右されるため、
比抵抗ρと同様の理由によりその範囲も制約される。

また、Ｓｉ単結晶体３０の圧縮力による破壊強度は、最
大で約５０ｋｇ／ｌ１２であることが知られの破壊強度
５０ｋｇ／ＩＩＩＩ　　を越える圧縮応力σ２が加わる
ことがないよう形成する必要があり、望ましくはその圧
縮応力を２５ｈｇ／ｎ１２以下として作用させることが
好ましい。

また、Ｓｉ単結晶体３０に流ず電流値Ｉは、その値が過
大になることがないよう注意する必要がある。これは、
Ｓｉ単結晶体３０に過大な電流■を流すと、Ｓｔ単結晶
体３０自体か電気的な低抗体として著しく発熱し、その
測定電圧ΔＶはもちろん、その他の特性まで悪影響を及
ぼすことになるからである。

本発明者等の確認したところによれば、前記電流■は、
その消費電力か約３０ｍＷを越えない範囲で流すかぎり
、その特性に悪影響がなかった。

以上説明したように、Ｓｉ単結晶体３０からより大きな
測定電圧Δ■を得るうえで望ましい条件をまとめると、
次のようになる。

第１に、Ｓ　ｉ　＃結晶体３０の不純物濃度は、ＩＸＩ
Ｏ／ｃｒｍ　　〜１×１０２１／Ｃ１３として制御する
。

ている、したかって、Ｓｉ単結晶体３０には、こ第２に
、Ｓｉ単結晶体３０に作用する圧縮応力σｌは、Ｓｉ単
結晶体３０の破壊限界を越えないようにする。実験によ
れば５０　ｋＫ／　１１１＋ｉ２を越えない範囲、望ま
しくは２５　ｋＫ／　１２を越えない範囲とすればよい
ことが確認されている。

第３に、Ｓｉ単結晶体３０に流す電流工は、このＳｉ単
結晶体３０か著しく発熱しない範囲に設定する。実験に
よれば、Ｓｉ単結晶体３０の消費電力か３０ｍＷを越え
ない範囲に設定すればよいことが確認されている。

（ｆ）　　厚さｈについての検討 本発明者等は、このような望ましい条件を満是し、しか
もＳｉ単結晶体３０から出力される電圧ΔＶをさらに大
きくすることができるよう、前記第３式に示すに＋　、
すなわちＳｉ単結晶体３０の厚さｈを薄くすることにつ
いての検討を行った。

通常、Ｓｉ単結晶体３０は、口径が１．５インチ以−Ｅ
のＳｉ単結晶ウェハを用いて製造される。

周知のように、Ｓｉ単結晶ウェハは、種々のＩＣプロセ
ス処理を前提とし、その取扱いを容易にするため、少な
くとも厚みが２００μｍ以上あるように製造され、ウニ
ハロ径が５インチのものでは、そのウェハの厚みが約５
００μｍに形成されたものが市販されている。

このため、本発明の力変換素子は、まず通常重版される
（１．１０　）面のＳＬ単結晶体ウェハを切り出して、
Ｓｉ単結晶体３０を形成する。そして、このＳｉ単結晶
体３０の（１１０）面の結晶面３４を支持基台６２に接
合して裏打ちし、その取扱いを容易なものとする。その
後、Ｓｉ単結晶体３０の他の結晶面３２を、機械的方法
と化学的方法とを併用して研磨し、その厚みが通常のＳ
　ｉ　ｊｌ結晶体ウェハとして製造し市販することが困
難と思われる５０μｍ以下とする。

その後、このＳｉ単結晶体３０に、前記出力電極５０．
５０−５入力電極５２．５２−を収り付け、さらにその
結晶面３２に台座４０を接合する。

このようにして、本発明の力変換素子１４は、Ｓｉ単結
晶体３０の厚さｈを５０μｍ以下とすることにより、Ｓ
ｉ単結晶体３０に対する望ましい状況′５：満足すると
いう制約の中で、実用上十分に大きい測定電圧ΔＶを得
ることかできる。

本発明者らの実験によれば、不純物濃度が１×１０１５
／Ｃ１ａ３〜ｌ×１０２１／ｃｍ３ノ範囲に制御され、
しかもその厚さがｈ−２０μｒｎまで研磨されたＳｉ単
結晶体３０を用い、力変換素子１４を形成した場りには
、厚さが２００μｒｎ以上のＳｉ単結晶体３０を用いて
形成された力変換素子１４に比べ、温度による特性への
影響が少なく、しかも測定電圧Δ■か約１０倍以上とな
ることが確認された。

したがって、本発明によれば、前記（ｅ）の項では述べ
たように、Ｓｉ単結晶体３０の不純物濃度を１×１０１
５／Ｃ１３〜１　ｘ　１０２１／ｃｎ”の範囲に制御す
ることにより、周囲の温度変動による影響が少ない、信
頼度の高い力変換索子１４を得ることかできる。

これに加えて、本発明によれば、この（ｆ）の項で述べ
たように、Ｓｉ単結晶体３０の厚さが５０μｍ以下とな
るよう形成することにより、圧縮力に比例し、しかも実
用上充分な大きさをもった電圧出力を得ることができる
。

（ｇ）　　また、本発明において、Ｓｉ単結晶体３０は
、その結晶面３２が矩形（正方形を含む）となるよう切
出され、その厚み、不純物濃度が均一となるように形成
されている。また、前記出力電極５０．５０−は、Ｓｉ
単結晶体３０上に所定間隔を隔てて取付けられており、
また入力電極５２．５２−は同様にＳｉ単結晶体３０上
に所定間隔おいて取付けられている。

この様に各電極５０．５０−−５２．５２−を設けるこ
とにより、５０と５２．５２と５０５０−と５２−１５
２−と５０との間の各抵抗値を等しくでき、また、Ｓｉ
単結晶体３０の厚みおよび不純物濃度が均一であること
から、温度の変化に対する前記各抵抗値もほぼ等しくで
きる。

従って、入力電極５２．５２からＳｉ単結晶体３０に電
流を流し、出力電極５０．５０−から電圧出力を取出す
ようにした場合のオフセット電圧は、温度の変化に左右
されることなく、はぼ零として維持されることとなり、
単一のＳｉ単結晶体３０か、前述した従来の複数の半導
体歪ゲージを用いて形成されたホイートストンブリッジ
回路に置き代わり、前述した問題点の一つを解決するこ
とができる。

［発明の効果］ 以」ユ説明したように、本発明は、ダイヤフラム部の表
面に作用する高温流体の圧力を、伝達材料である台座を
介してＳｉ単結晶体の＋１１ｉ面の結晶面に垂直に圧縮
力として作用させるという新規な圧力検知方式を採用し
ている。

従って、本発明によれば、従来の圧力センサのように、
接着剤のもたらす特性の悪影響および起歪体のもたらす
特性への悪影響がなく、加えられる高温流体の圧力を、
Ｓｉ単結晶体のピエゾ抵抗効果を有効に利用し正確に測
定することができるという効果ある。

特に、本発明によれば、Ｓｉ単結晶体の不純物濃度をｌ
Ｘｌ０　７ｃｍ　　〜ｌＸＩＯ２’／ｃ１３の範囲に制
御することにより、周囲の温度変動による影響か少ない
、より信頼度の高い圧力センサを得ることができ、更に
、Ｓｉ単結晶体の厚さを５０μｍ以下とすることにより
、高温流体の圧力に比例し、しかも実用上充分な大きさ
をもった電圧出力を得ることかできるという効果がある
。

また、本発明によれば、Ｓｉ７社結晶体がホイートスト
ンブリッジ回路の機能を備えているので、従来の力変換
素子に備えられていた複数の半導体歪ゲージを、一つの
Ｓｉ単結晶体に置換えることかでき、構造が簡単でしか
も安価な圧力センサを得ることができるという効果があ
る。

さらに、本発明によれば、Ｓｉ単結晶体を支持同定する
支持基台と、Ｓｉ単結晶体の入出力電極にそれぞれ接続
される入出力電極端子とを保持手段を用いて一体的に保
持固定したステムを形成することにより、Ｓｉ単結晶体
の電気的な配線をリード線などを引回すことなく、雉い
導線を用いて簡単に行うことができる。この結果、製造
か簡単でかつ雑音による影響が少ない償却性の高い安価
な圧力センナを得ることかできるという効果がある。

［実施例］ 次に本発明の好適な実施例を図面に基づき説明する。

亀−上一天一菫一週 第１図には、本発明に係る高ＩＡ流体用圧力センナを、
エンジンの燃焼圧センサとして用いた場合の好適な第１
実施例が示されている。

この圧力センサは、ダイヤフラム部１０の表面側から作
用する燃焼ガスの圧力Ｐを、熱絶縁体１２を介してセン
サケース２０の内部に固定された力変換索子１４へ伝達
し、この力変換素子１４から出力される電気信号に基づ
き燃焼ガスの圧力Ｐを測定するよう形成されている。

本実施例において、前記センサケース３０は熱の絶縁性
が高い材料を用いて形成されている。

また、この圧力センサは、はぼ円筒形状に形成されたセ
ンサケース２０の先端開口部に、ダイヤフラム部ＩＯの
フランジ部１１ａを嵌込み、センサケース２０の内部に
燃焼ガスが侵入しないよう、その嵌込み部を全周に渡っ
てプロジェクション溶接接合している。

そして、このダイヤフラム部１０の表面中央部には、ダ
イヤフラム部１０付近にきた燃焼ガスの熱を吸収し、し
かもダイヤフラム部１０自身が受けた熱を吸収する目的
でブロック部２２が形成されている。

このような吸熱を行うためには、ブロック部２２がダイ
ヤフラム部１０より低い温度でなければならない、従っ
て、前記のブロック部２２は、比熱が大きく、熱伝導率
が大きいという特性が要求される。また、このブロック
部２２は、ダイヤフラム部１０の固有振動数の低下を招
かないようあまり大きく形成することは好ましくない。

特に、本発明の圧縮力センサを、例えば燃焼圧センサと
して用いる堝りには、ブロック部２２の重量が増加し、
ダイヤフラム部１０の固有振動数が低下すると、測定で
きる振動数範囲か狭くなり、特にエンジン等の振動が大
きいところに取付けられた場合には、ノック信号等の検
出が困難になってしまう。

従って、前記ブロック部２２は、ダイヤフラム部１０に
対しその比重量を小さくすることが要求され、その比重
量を小さくすればするほど、検出特性が向上する。

このような問題を解決するため、本発明においては、ダ
イヤフラム部１０とブロック部２２とを別体とし、ダイ
ヤフラム部１０の薄板部１１ｂ表面部中央部付近に設け
た接合用凸部１０ａに、ブロック部２２の中央部に設け
た接合用凹部２２ａを接合し、ダイＡ・フラム部１０の
表面中央部にブロック部２２を取付は固定している。

このようにすることにより、両者の別の材料を用いて形
成することかできる。すなわち、ダイヤフラム部１０を
高温でのバネ特性が優れた材料（例えば、Ｓ　Ｕ　Ｓ　
、４３０、インコネルＸ７２０等の材料）を用いて形成
することができ、ブロック部２２を熱伝導率のよい材料
（例えばＡｊ系の合金）を用いて形成することができる
。

例えば、ブロック部２２をＡｌ系の合金を用いて形成す
ると、Ｆｅ系、Ｎ１系の合金を用いた従来の場合に比べ
、その質量が約１／３となる。このことは、Ａｌ系の合
金を用いた場合には、Ｆｅ系、Ｎｉ系合金を用いた従来
の場合の３倍の体積にしても、応答性・加速度感度がほ
ぼ同じで、熱容量を約３倍にできることを意味する。

さらに、ブロック部２２をＡｌ系の合金を用いて形成す
ると、Ｆｅ、Ｎｉ系の合金と用いた従来の場合に比べ、
比熱が約２倍、熱電導率が約３倍となる。

このように、本発明によれば、ダイヤフラム部１０を高
温バネ特性のよい、例えば５ＵＳ４３０、インコネルＸ
７２０等の材質を用いて形成し、ブロック部２２を、例
えばＡｌ系な金を用いて形成することにより、従来のも
のに比べ、ブロック部２２の比熱を約２倍、熱伝導率を
約３倍、比重量を約１／３にすることができ、同体積の
ブロック部２２をダイヤフラム部１０と一体で作った場
合に比べ、約１８倍の効果を期待することができる。

また、本実施例において、前記接合用凸部１０ａは先端
側が先広がりにならないように形成されており、また前
記接合用凹部２２ａは、内側が中広がりにならないよう
前記接合用凸部１．０　ａの大きさに合わせて形成され
ている。このようにすることにより、これらブロック部
２２およびダイヤフラム部１０を、プレス型により容易
に成形することができるため、圧力センサの量産性を高
め、低コス１〜化を図ることが可能となる。

また、このようにダイヤフラム部１０の表面に７１７７
２部２２を接合固定すると、ダイヤフラム部１０の表面
はブロック部２２によりすき間２４分介してそのほぼ全
面が傘のように覆われることになる。このとき、このす
き間２４の大きさは、前記凸部１０ａおよび凹部２２ａ
の寸法により任意に調整することができ、同図ではほぼ
零に近くなるように形成されている。このようにするこ
とにより、ブロック部２２は、ダイヤフラム部１０付近
に来る燃焼ガスの熱をいちはやく吸収することができる
。

従って、燃焼ガスから直接ダイヤフラム部１０に伝達さ
れる熱量が大［［１に少なくなり、この結果、ダイヤフ
ラム部１０の温度上昇を効果的に抑制し、しかもダイヤ
フラム部のクリープ等を少なくすることができる。

また、本実施例の圧力センサにおいて、力変換素子１４
は、圧縮力が加えられる面として（１１０）面の結晶面
を有するよう形成され、この結晶面が前記ダイヤフラム
１０と平行になるよう取付けられたＳｉ単結晶体３０と
、Ｓｉ単結晶体３０の（１１０）面の結晶面と静電接合
され、熱絶縁体１２を介して伝達される圧縮力をその結
晶面に垂直に均一に印加する台座４０と、このＳｉ単結
晶体３０の他の結晶面と接合されたステム６０とを含む
。

そして、この力変換素子１４は、外周がセンサケース２
０の内周面にステム６０を介して取付は固定されている
。

また、前記Ｓｉ単結晶体３０の結晶面上には、結晶の＜
　００１−　＞方向より４５度の方向に対向して一対の
第１の電極（図示せず）か設けられ、＜１１０＞方向よ
り１１５度の方向に対向して一対力第２の電ｔｆｉ（Ｉ
Ｖ］示ぜす）が設けられている。そして、これら第１お
よび第２の電極のいずれか−Ｈが出勾電極、他方か人力
ＴＬ極として用いられている。

まｆ：、前記ステム６０には、前記出力電極と対応しす
る２本の電極端子６４．６４−と、入力電極と対応しす
る２本の電極端子６６．６６　とが設けられており（第
４図に詳しく図示されている）、これら−１本の電極端
子の一端側は、金線５４を介してそれぞれ対応する入出
力電極と？Ｍ、気的に接続されている。また、これら各
電極端子４８の他端側は、リード線５６に接続され、そ
のリード線５６はセンサケース２０の他端側がら外部に
引出されている。

実施例のセンサは、このリード線５６の抜けを防止する
ために、その他端側にリード線用のかしめ部２０ａが設
けられており、リード線５６に加わった引張り力が′：
ｔ電極端子６１１．６４−５６６．６６−に加わること
か無いよう形成されている。

さらに、このセンサケース２０のかしめ部２０ａは、ケ
ースカバー２６を用いて覆われるよう形成されている。

また、実施例の燃焼圧センサには、センサケース２０の
一端側外周部に取付は固定用のネジ溝２８か設けられて
おり、このネジ溝２８を図示しない所定の取り付は孔の
内周部に設けられたネジ溝と螺合することにより、所望
位置へ簡単に取付けることができるよう形成されている
。

第４図には、本発明の圧力センサに用いられる力変換素
子１４の詳細な実施例か示されており、同図（Ａ）はそ
の平面説明図、同図（Ｂ）はその側断面説明図である。

本実施例において、Ｓｉ単結晶体３０は、不純物濃度が
１．Ｘ１０　　／ｃｒａ　　〜１×１０２１／ｃｍ３の
範囲内に！）る１×１０１６／Ｃｌ１３（比抵抗ρが約
１Ωｃａｎ）に制御され、しかも大きさ１．７＋ａｌ”
で、厚さ１７μｍのｐ型Ｓｉ単結晶体として形成されて
いる。

そして、この５ｉｔｉＬ結晶体３０の一方の結晶面３２
」−には、第４図（Ａ）に示すように結晶の＜　００１
　＞方向より４５度の方向に、幅０．１１１の−χ・ｔ
の出力電Ｑ２５０．５０−が相対向するようアルミニウ
ムを蒸着して形成されており、さらに結晶の＜　１１．
０　＞方向より４５度の方向に、幅０、（］ｎ＋鳳の一
対の入力電極５２．５２−が相対向するようアルミニウ
ムを蒸着して形成されている。

また、実施例において台座４０は、大きさか１１１６２
で高さ１．１ｎｕａの結晶イヒカラスを用いて形成され
ている。

また、本実施例において、前記ステム６０は、Ｓｉ単結
晶体３０の結晶面３４と静電接合され、このＳｉ単結晶
体３０を支持する支持基台６２）この支持基台６２の周
囲にほぼ輪状に配置された一対の出力電極端子６４．６
４−１入力電極端子６６．６６−を有し、これら各電Ｆ
ｉ端子６４゜６４”　　６６．６６−と支持基台６２と
か上端を開口したほぼ円筒形状をした外環７０内に、封
着ガラス６８を用いて一体的に取付は固定されることに
より形成されている。

ここにおいて、前記支持基台６２は、Ｓｉ単結晶体３０
と熱膨張係数の近接した結晶化カラスからなり、大きさ
が１．７ｃｎ２）高さか３１１１に形成されている。

また、前記外環７０は、Ｆｅ　−Ｎｉ−Ｃｏ合金を用い
、一端側か開口されたほぼ円筒形状に形成されており、
その底面に複数の電極端子挿通孔７２が開口形成されて
いる。

また、前記電極端子６４，６４　．６６゜６６゛は、直
径０．５１１の細長い棒形状に形成され、その一端側ａ
がＳｉ単結晶体３０の結晶面３２とほぼ面一となるよう
取付は固定されている６そして、出力電極端子６６．６
６−は、その一端側ａに金属メツキ層が設けられ、この
金属メツキ層には、直径０．０５１１の金の金線５４を
用いて入力電極５２．５２−にそれぞれ接続されている
。

さらに、前記各出力電極端子６４．６４−は、同様にそ
の一端側ｄ側に金メツキ層が設けられ、直径０．０５ｎ
＋ｏの金の金線５４を用いて出力電極５０．５０−とそ
れぞれ接続されている。

また、これら各電極端子６４．６４−１６６゜６６″は
、一端側が外環７０の挿通孔７２を介してステム６０の
外部に引出され、第１図に示すようリード線５４を介し
て図示しない計測装置へ接続されている。

次に、このようにして形成された力変換素子１４が、十
分実用に耐える大きさの電圧Δ■をその出力電極う０．
５０−から出力することができ、しかもその測定電圧Δ
Ｖは温度による影響が少ないことを検証するために、次
のような実験を行った。

すなわち、本発明者らは、室温における消費電力か３０
ｍＷを越えないよう、電源からＳｉ単結晶体３０に電流
■を流し、しかもこのＳｉ単結晶体３０と破壊に至らし
めないよう、台座４０を介してσＺが１５ｋｇ／＋ｉｎ
２となるよう５ｋｇの圧縮力を加えた。

実施例において、Ｓｉ単結晶体３０に設けた一対の入力
電極５２．５２−の間の抵抗値、いわゆる入力抵抗値は
、室温で８００Ωであった。このため、消費電力が３０
ｍＷを越えないよう、これら入力電極５２．５２″から
Ｉ＝６ｍＡの電流をＳｉ単結晶体３０へ通電した。

この結果、このＳｉ単結晶体３０の出力電極５０．５０
−からは室温でΔ■＝約１１０ｍＶの電圧を得ることが
できた。また、この測定電圧ΔＶは一４０℃〜１５０℃
の範囲における変化率は０．１５％／℃であった。この
結果、本実施例の力変換素子１４は、実用に際して充分
な大きさの電圧ΔＶを出力することができ、しかも温度
に対する特性の影響が極めて小さいことが確認された。

ちなみに、第４図に示す力変換素子１４において、Ｓｉ
単結晶体３０として、厚さ２００μｍのものを用いた場
合についての検討も行った。このとき、消費電力が３０
ｒｎＷを越えないようにするためには入力＄、ｆ１５２
）う２　から２１　ｍ　Ａの電７ｆｌＩを流す必要があ
り、そして、この厚さｈが２００μｍのＳｉ単結晶体３
０を用いると、入力電極５２．５２−から仮に２１　ｍ
Ａの電流を通電したとしても、この力変換素子１４から
は約３０ｍ　Ｖ程度の電圧しか出力することができず、
このことからも、本実施例の力変換素子１４は、実用り
充分な大きさを持った測定電圧Δ■を得ることができる
ものであることが理解されよう。

なお、本実施例では、Ｓｉ単結晶体３０の不純物１１度
か１×１０１６／Ｃ１３のｐ伝導型として形成した場合
を例に収り説明したが、本発明はこれに限らず、ｎ伝導
型のＳｉ単結晶体３０を用いても同様な効果を得ること
ができる。

このように、本発明の力変換素子１４は、Ｓｉ単結晶体
３０の厚さｈを小さくすることにより、測定電圧Δ■を
大きく収り出させる効果があり、この効果は、不純物濃
度を１×１０２１／Ｃ１３に向って大きくするにしたか
って顕著に現れる。

また、第４図に示ず力変換素子では、圧縮力Ｗが加えら
れる台座４０の着力点側を平面形状に形成したが、台座
４０の着力点側の面の全面または一部に、凸の曲面また
は凹の曲面を設けて、加圧板の加圧面より加わる圧縮力
Ｗが台座４０のほぼ中央に作用するように形成してもよ
い。

例えば、第６図に示すように、台座４０の着力点側の面
４２を凸の曲面形状に形成し、圧縮力Ｗを台座４０に印
加してもよい。

また、本実施例においては、圧力Ｐが印加されるダイヤ
フラム部１０からＳｉ単結晶体３０への熱の伝導を阻止
するため、熱絶縁体１２を用いた場合を例とり説明した
が、本発明はこれに限らず、台座４０を熱の絶縁性に優
れた複合台座とすることにより、熱絶縁体１２を用いる
ことなく圧力測定を行うこともできる。

すなわち、台座４０はその一端がＳｉ単結晶体３０に接
合されている。このため、台座４０はＳｉ単結晶体３０
と熱膨張係数が近接した材料を用いて形成することが好
ましい、また、この台座４０はその他端側か高温のダイ
ヤプラム部１０側と接する。従って、この部分の材料は
機械的強度、熱の絶縁性にμｓれな材料を用いて形成す
ることが好ましい。このため、台座４０のＳｉ単結晶体
３０との接合部分を、Ｓｉ単結晶体３０と熱膨張係数が
近接した電気的な絶縁性材料を用いて形成し、台座４０
のダイヤフラム部１０側と接する部分を、前記Ｓｉ単結
晶体３０との接合部分よＦ′）機械的強度、または熱の
絶縁性に優れた材料を用いて形成すればよい。

このように、台座４０自体を２種類の材料を用いて複き
台座として形成することにより、例えば内燃機関のシリ
ンダ内の燃焼ガス等の高温・高圧の流体圧力を測定しよ
うとする場合に、ダイヤフラム部】Ｏに伝わった熱は台
座４０で緩和遮断され、３　ｉ　４１結晶体３０には高
温として作用しない。

このため、Ｓｉ単結晶体３０は、周囲の環境温度に影響
されることなく、ダイヤフラム部１０に加えられる圧力
Ｐに対応した電圧を出力することができる。

さらに、台座４０のダイヤフラム部１０側と接する部分
には、その接合面の状態によって、片当りなど、圧縮力
が局所的に作用することかある。

このような場合には、台座４０が塑性変形または破壊し
てしまうことがある。しかし、前述したように、台座の
この部分を機械的強度に優れた材料を用いることにより
、ダイヤフラム部１０側と台座４０との接合部分が片当
りなどの状態となっても、台座４０は破壊されることな
いため、圧力Ｐを良好に測定することができる。

なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、
本発明の範囲内で各種の変形実施が可能である。

ニー３−」し＝１−剖 第７図には、本発明に用いられる力変換素子１４の他の
実施例が示されている。

実施例の力変換素子１４は、（１１０）面の結晶面を備
えた１、７１１２）厚さ２００μｍのＳｉよりなる半導
体！３６と、この半導体Ｒ３６の側面側を高温にて熱処
理し形成された厚さ１μｍｎの５ｉ０２よりなる電気的
な絶縁膜３７と、この絶縁膜３７の主表面３７　ａ　、
Ｊ：にエピタキシャル成長法により１￥さが１１−１μ
ｍとなるよう成長して形成さｔ′Ｌな（１，１０＞面の
３１単結晶体３ｏとを含む。そして、このＳｉ単結晶体
３０の結晶面３２に、台座４０を静電接合し、半導体層
３６の絶縁膜３７を設けた面と対向する面に支持基台６
２を静電接合し７て形成されている。

ここにおいて、前記Ｓｉ単結晶体３０には、その不純物
濃度かｌＸｌ０　　／ｃ＋日　〜ＩＸ１．Ｏ”／Ｃ１の
範囲にある、１×１０１９／ｃ１１３（比抵抗ρか約０
．０１Ωｃｎ）となるよう、ｐ伝導型としてボ１７ンが
熱拡散されている。

なお、前記半導体層３６に、絶縁膜３７を形成し、しか
もＳｉ単結晶体３０の不純物濃度を１×１、０　’９．
’ｃｔａ３で制御するといったＩＣ製遺プＩＪセス技術
による一連の工程は、実際にはウェハの製造段階になさ
れる。その後、ダイサーにて、このウェハを第７図に示
ずよう１．７１１２として切出する。

次に、このように形成された力変換素子に対し、本発明
者等は前記第１実施例と同様にして、室温における消費
電力が３０ｒｎＷを越えない範囲で３１単結晶体３０に
電流■を流し、しがＩＪ１５ｋｇＷの圧縮力を加えて、
Ｓｔ単結晶体１ｏを薄くした効果の確認と、温度変動が
特性にもたらす影響が少ないという結果についての確認
を行った。

この結果、このＳＬ単結晶体１ｏの測定電圧ΔＶは室温
で約２５ｍＶとなり、しかもこの測定電圧ΔＶの一４０
′″〜１５０　’の範囲内における変化率が一〇。２３
％／’Ｃであった。

このことから、実施例の力変換素子１４は、実用に際し
十分大きな電圧ΔＶを出力することができ、しかも測定
電圧Ｖの温度による影響が極めて小さいものであること
が確認された。

さらに、本実施例の力変換素子１４は、Ｓｉ単結晶体３
０が電気的な絶縁膜３７の主表面３７ａ上に形成されて
いることから、高温でも電流リークがなく償却性の高い
ものとなる。

なお、本実施例においては、Ｓｉ単結晶体３０を、ｎ伝
導型として形成した場合を例にとり説明したが、本発明
はこれに限らず前記シリコン単結晶体３０をｎ伝導型と
して形成しても全く問題はない。

また、本実施例においては、（１１０）面のＳｉ単結晶
体３０をエピタキシャル成長法により形成した場合を例
にとり説明したが、本発明はこれに限らず、たとえばＣ
ＶＤ法やＭＢＥ成長法とレーザ再結晶技術等を併用して
形成してもよい。

第３実施１ 第８図には本発明に用いる力変換素子１４の他の実施例
が示されている。

本実施例において、Ｓｉ単結晶体３０は、結晶面が（１
１０）面のｎ伝導型からなり、その厚さがに＋　＝　２
００μｆｎのものとして形成されている。

そして、このＳｉ単結晶体３０は、不純物濃度か５　ｘ
　１０１８／ｃｌ”　　（比抵抗が約２Ｘ１０−２Ωｃ
Ｉ）となるようボロンを熱拡散して形成された厚さｈ＝
２μｍのｐ伝導型圧縮力感知用伝導層３８と、この伝導
層３８か少なくとも１％精度で機能するよう伝導層３８
を電気的に絶縁分離する絶縁分離層３つと、を含むよう
形成されている。

また、Ｓｉ単結晶体３０は、入力電極５２から相対向す
る入力型ｆ！５２−に向って伝導層３８内を流れる電流
経路の抵抗値が、電気的な絶縁分離層３９を同様にして
流れる電流経路の抵抗値の少なくとも１／１００以下と
なるようその不純！ｌｔｌ］濃度か制御されている。

そして、このＳｉ単結晶体３０は、その一方の結晶面３
２側に台座４０が静電接合され、他方の結晶面３４に支
持基台６２が静電接合されている。

また、実施例において、前記入力電極５２゜５８−１出
力電極５０．５０−は、ともに伝導層３８のピエゾ抵抗
効果に基づく測定電圧ΔＶを取出すため、少なくとも伝
導層３８と電気的な接続をなすよう蒸着形成されている
。

このようにして形成された力変換素子１４に対し、本発
明者等は前記各実施例と同様にして、室温における消費
電力が３０ｍＷを越えない範囲でＳ　ｉ　Ｉｉ結晶体３
０に電流■を流し、５ｉ１１−結晶体を薄くした効果と
、温度変動が特性にもたらず影響が小さいという効果に
ついての確認を行った。

この結果、伝導層３８のｌγさをｈ＝２μｍと小さくし
たことにより、伝導層３８の厚さが２００μｍの場合に
比較して、約１０倍の測定電圧ΔＶを得ることができる
。さらに自己感度保障機能（特公昭５７−５８７９１号
公報に開示されており、測定電圧ΔＶか温度に伴ない変
動することを抑制する機能）を備えるよう前記伝導層２
２の不純物濃度（例えばＰ伝導型Ｓｔ単結晶体には、約
５×１０１８／Ｃ１３と約２×１０２０／Ｃｌ１１３の
２つの不純物濃度領域か、自己感度補償法が適用可能な
領域として存在する）を制御したことにより、４０°Ｃ
〜１５０℃の温度範囲における測定電圧ΔＶの変化がほ
ぼ零となることか確認された。

なお、本実施例においては、伝導Ｎ３８と電気的な絶縁
骨１ＷＪｉ１３９を兼ねたＳｉ単結晶体３０を、Ｙ）伝
導型とした抵抗分電法によるように記載したが、本発明
はこれに限らず、ｎ伝導型による抵抗分電法を用いても
、はぼ同様の効果を有する力変換素子を形成することが
できる。

また、本実施例において、電気的な絶縁分離層２８を兼
ねるＳｉ単結晶体３０を、ドナーとアクセプターとが中
和するよう制御された、キャリアの少ないイントリンシ
ックな特性を備えたものとすることで、伝導層３８はｎ
伝導型またはｒｌ伝導型のいずれに形成してもよい。

そして、伝導層３８と電気的な絶縁分離層３つとは、ｐ
−ｎ接合分離法を用いて形成しても全く問題はない、た
だし、ｐ−ｎ接合分離法を用いた場合には、出力電力５
０．５０−と入力電極５８゜５２−とは、伝導層３８と
のみ電気的な接続をなすように形成しなければならず、
ｐ　−ｒｌ接合分離法を用いた電気的な分離は、本質的
に１５０°Ｃ前後までの温度範囲でしか電気的な分離Ｒ
能を備えてないことは周知のところである。

匿−Ａ−】し二１−刑 第９図には、本発明も圧力センサの他の実施例か示され
ている。

本実施例の′ｌＳ徴は、このダイヤフラム部１０の薄板
部ｔｔｂの表面に圧力印加方向に向けたネジ孔８０を設
け、このネジ孔８０に螺合された調整ネジ８２を用い、
薄板部１１ｂを圧力印加方向に変形させ、力変換素子１
４に所望のプリロードを与えることにある。

本実施例において、前記ネジ孔８０は１１７７２部２２
から薄板部１１ｂの表面中央部に向け設けられている。

また、前記、Ｊ！１整ネジ８２は、ドライバの先端との
係り講８４　ａか設けられた頭部８４と、ネジ孔８０を
螺合するネジ部８６とから構成され、前記ネジ部８６は
その先端が山型に形成され、その先箱１中央部において
薄板部１１ｂの表面中央部】００を効果的に押圧し、変
形させるよう形成されている。

また、前記ダイヤフラム部１０は、その薄板部１１ｂが
、Ｊ１Ｍネジ８２の押付は力により図中右方向へ変形す
るよう形成する必要があり、さらに前記ネジ孔８０は、
薄板部１１ｂの裏面側まで貫通することがないよう注意
する必要がある。

そして、本実施例において、このように形成された調整
ネジ８２を用いて力変換素子１４にプリロードを加える
場合には、まず、力変換素子１４の出力を測定しながら
、調整ネジ８２を締付ける。

これにより、調整ネジ８２の先端がダイヤフラム部１０
の薄板部１１ｂの中央部１００を押圧する。

そして、薄板部１１ｂの中央部１００が図中右方向へ変
形し、熱絶縁体１２を介して力変ＩＱ素子１４にプリロ
ードを与える。

このとき、力変ＰＡ素子１４からプリロードに対応した
電気信号が出力されるため、調整者はこの電気信号を見
ながらプリロード値を次のように設定する。

すなわち、圧力センサの各部品には、通常一定の寸法誤
差があり、また各部品の組付は時には組付は誤差が発生
する。たとえば、ダイヤフラム部１０をセンサケース２
０にプロジェクション溶接し密封固定する場合には、そ
の溶接部の突出高さ（０，２１１Ｅ程度ンに相当する分
たけダイヤフラム部１０が圧力印加方向に変位する。従
って、圧力センサを組立てる溶接途中で、センサケース
２０内に固定されている力変換索子１４にダイヤフラム
部１０か接触したような場合には、力変換素子１・１に
衝撃力か作用し、素子１４が破壊されてしまう危険があ
る。このため、力変換素子１４には、その組Ｎｒ終了後
、特にダイヤフラム部１０をセンサケース２０にブロジ
ェクションン容接した後、ゆっくりとプリロードをかけ
てやることが好ましい。

このとき、タイヤフラム部１０とセンサケース２０の熱
による膨張、収縮等で、ダイヤフラム部１０から力変換
索子１４に圧力が加わらなくなったりしないように、し
かもダイヤフラム部１０表面に作用する負圧等も正確に
検知できるよう、プＪロードの値は所定の下限値具トに
設定する必要かある。

まｆ：二汗カセンサを用いてくりかえし圧力測定３行う
ときに力変換素子１４か疲労破壊を起こさないよう、こ
のプリロード値は、所定の」−限値以下に設定する必要
がある。

このため、本実施例の圧力センサにおいては、プリロー
ドの値が前記下限値と上限値の間に存在するよう゛、調
整ネジ８２を用いて調整される。

そして、プリロードの調整が終了した時点で、調整ネジ
８２を図中−点鎖線Ａ−Ａ−で示す位置から切断するこ
とにより、ダイヤフラム部１０の付加質量を小さくし、
その耐震性能を向トさせる。

すなわち、前記調整ネジ８２は、ダイヤフラム部１０に
設けられたネジ孔８０に取付けられる。

このため、調整ネジ８２の質量を大きくすると、ダイヤ
フラム部１０の固有振動数が低下し、その耐震性が低下
してしまう、従って、このような燃焼圧センサをエンジ
ンなどの振動が大きい部分に取付けると、圧力の検出精
度が大巾に低下してしまう、このため、本実施例では、
調整ネジ８２によるプリロードのｙＩ整か終了した後、
その調整ネジ８２の頭部８４を切断することにより、燃
焼圧センサの耐震性が低下することがないように形成さ
れている。

以］ユ説明したように、本実施例によれば、ダイヤフラ
ム部】Ｏを介して力変換素子１４に所望のプリロードを
簡単に印加し、周囲の温度変化に影響されることなく、
負の圧力から正の圧力まで正確に１ｉｌｌｌ定すること
ができ、特に高温の流体圧力の測定をｉＦＮに行うこと
が可能な圧力センサを得ることかて′きる。

また、前記各実施例においては、結晶面が（１１０）面
のＳｉ単結晶体を用い力変換素子を形成した場合を例に
とり説明したが、本発明はこれに限らずこれ以外に前記
第１表に示すように（１１０）面と等価なｆｌ１０１結
晶面をもつＳｉ単結晶体を用いて力変換素子を形成して
もよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る圧力センサを燃焼汗センサとして
形成した場合の好適な一例を示す説明図、第２図は従来
の圧力センサの説明［図、第３図は従来の圧力センサに
用いられる力変換素子の斜視図、 第４図は本発明の圧力センサに用いられる力変換素子の
好適な一例を示す説明図で／）す、同図（Ａ）はその平
面説明図、同図（Ｂ）はその側面説明図、 第５図は比抵抗７．８ΩＣ１のｐ型（１１０）面Ｓｉ単
結晶体のピエゾ抵抗係数１６３−の特性図、第６図は第
４図に示す力変換素子の変形例を示す説明図、 第７図、第８図は力変換素子の他の実施例を示す説明図
、 第９図は本発明に係る圧力センサの他の実施例を示す説
明図である。 ３２゜ ダイヤフラム部 力変換素子 ブロック部 Ｓｉ単結晶体 ・・・　結晶面 ・１０ ５０゜ ５２゜ ６４゜ ６６゜ 台座 ５０−　・・・　出力電極 ５２−　・・・　入力電極 ・・・　ステム ・・・　支持基台 ６４゛　・・・　出力電極端子 ６６−人力電極 ・・・　封着ガラス ・・・　外環 ・・・ネジ渭 ・・・調整ネジ 第　２　図 第３図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）ダイヤフラム部の表面に作用する高温流体の圧力
   を、圧縮力として力変換素子に伝達し、力変換素子から
   出力される電気信号に基づき高温流体の圧力を測定する
   圧力センサにおいて、 前記力変換素子は、 圧縮力が加えられる面として｛１１０｝面の結晶面を有
   するように形成され、この結晶面が前記ダイヤフラム部
   と平行になるよう取付けられたＳｉ単結晶体と、 前記Ｓｉ単結晶体上に、その｛１１０｝面上における結
   晶の＜００１＞方向より４５度の方向に対向して設けた
   第１の電極と、＜１１０＞方向より４５度の方向に対向
   して設けた第２の電極と、を含み、これら第１および第
   ２の電極のいずれか一方を出力電極とし、他方を入力電
   極として用いる複数の電極と、 一端側が前記Ｓｉ単結晶体の｛１１０｝面の結晶面と接
   合され、他端が前記ダイヤフラム部に接するよう形成さ
   れ、ダイヤフラム部に印加される圧力を圧縮力としてＳ
   ｉ単結晶体の結晶面に垂直に伝達し、Ｓｉ単結晶体の｛
   １１０｝面の結晶面と接合される複合台座と、 前記Ｓｉ単結晶体の、台座が接合された面と対向する面
   と接合されるステムと、 を含み、前記ステムは、 前記Ｓｉ単結晶体の台座が接合された面と対向する面と
   接合され、そのＳｉ単結晶体を支持するための支持基台
   と、 前記出力電極から出力される電気信号を外部に取出すた
   めの複数の出力電極端子と、 前記入力電極へ外部から電流を通電するための複数の入
   力電極端子と、 これら入力電極端子、出力電極端子および支持基台を一
   体的に保持する保持手段と、 を含み、 前記入力電極端子からＳｉ単結晶体に電流を流しながら
   Ｓｉ単結晶体の結晶面に垂直に圧縮力を作用させ、出力
   電極端子からダイヤフラム部の表面に作用する高温流体
   の圧力に対応した電圧を出力することを特徴とする高温
   流体用圧力センサ。
2. （２）特許請求の範囲（１）記載のセンサにおいて、 熱容量の大きいブロック部に設けられた接合用凹部を、
   前記ダイヤフラム部の表面中央部付近に設けられた接合
   用凸部に接合し、ブロック部をダイヤフラム部の表面に
   取り付け固定したことを特徴とする高温流体用の圧力セ
   ンサ。
3. （３）特許請求の範囲（１）（２）のいずれかに記載の
   センサにおいて、 前記ダイヤフラム部表面に圧力印加方向に向け設けられ
   たネジ孔に調整ネジを螺合し、この調整ネジを用い、ダ
   イヤフラム部を圧力印加方向に変形させ、力変換素子に
   予め与える圧縮力を調整するよう構成したことを特徴を
   する高温流体用の圧力センサ。
4. （４）特許請求の範囲（１）〜（３）のいずれかに記載
   のセンサにおいて、 前記Ｓｉ単結晶体は、 不純物濃度が１×１０＾１＾５／ｃｍ＾３〜１×１０＾
   ２＾１／ｃｍ＾３の範囲に制御され、その厚さが５０μ
   ｍ以下となるように形成されたことを特徴をする高温流
   体用の圧力センサ。