JPH04166735A - 半導体圧力検出装置 - 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】 ［産業上の利用分野コ この発明は、例えば自動車用エンジンの燃焼室圧力のよ
うな高温度雰囲気の圧力を検出するために使用される半
導体圧力検出装置に関する。

［従来の技術］ 従来から、高精度の圧力検出装置を構成する圧力センサ
として、シリコンダイヤフラムによって構成した検出素
子か用いられている。この圧力センサは、圧力を受ける
フラッシュダイヤフラムで区画された圧力基準室内に設
定され、この圧力基準室内には、例えばシリコンオイル
からなる封入液体か充填されている。すなわち、フラッ
シュダイヤフラムが圧力によって変形したときに、二の
ダイヤフラムに作用した圧力を封入液体を介して圧力セ
ンサに伝達し、この圧力センサで電気的な信号に変換し
て、圧力検出信号として出力されるようにする。

この様に構成される圧力検出装置において、圧力を伝達
する封入液体を構成するシリコンオイルは、耐熱性およ
び体積膨脹率の関係から、被検出部の温度が１５０℃前
後か限界である。

この様な圧力検出装置は、自動制御等のだめの各種計測
手段として各方面で使用される。例えば自動車用のエン
ジンの燃焼効率等を計測するために、エンジンの燃焼室
の圧力を測定検出することか要求されるものであるか、
この様な燃焼室の場合、非常に高温の状態に耐える必要
があり、またこの燃焼室内の高圧を高精度に測定するこ
とが要求される。しかし、この様な高温および高圧力の
状態を、従来の圧力検出装置によって高精度に測定する
ことはできない。

［発明が解決しようとする課題］ この発明は上記のような点に鑑みなされたもので、例え
ば自動車用エンジンの燃焼室の圧力測定等に効果的に適
用することができ、４００℃および１００　Ｋｇｆ／ｃ
ｍ２以上の高温および高圧の測定対象においても、高精
度の圧力測定が行われるようにする半導体圧力検出装置
を提供しようとするものである。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る半導体圧力検出装置は、筒状のハウジン
グの一方の面に開口して圧力検出室を形成すると共に、
このハウジングの他方の面に圧力基準室を設定し、圧力
検出室は受圧用ダイヤフラムによって区画し、圧力基準
室に半導体ダイヤフラムによって構成した圧力センサを
設定する。そして、前記筒状のハウジングの中心軸線を
外れる位置に、前記圧力検出室および圧力基準室を連通
ずる通路を設け、この通路を含む圧力検出室および圧力
基準室部分に、ポリフェニルエーテルを含む封入液体を
充填させるようにする。

［作用］ この様に構成される半導体圧力検出装置においては、圧
力検出室のダイヤフラムによって検出された圧力は、ハ
ウジングに形成した通路を介して圧力基準室に伝達され
、この圧力基準室内に設定された半導体圧力センサによ
って電気的な信号に変換され、出力される。この場合、
耐熱性に優れたポリフェニールエーテルを含む封入液体
か使用されるものであるため、例えばエンジンの燃焼室
のような高温の環境の圧力を測定できるものであり、さ
らに圧力を伝達する通路がハウジングの中心軸部を外れ
た外周に近接する位置に形成されるものであるため、封
入液体の温度上昇を効果的に抑制することかでき、より
高温に耐え得るようになる。

Ｃ実施例ｊ 以下、図面を参照してこの発明の一実施例を説明する。

第１図はその断面構造を示すもので、ハウジング１■は
例えば５１５Ｃ，５ＵＳ３０４等によって円柱状に構成
され、その外周部には取付は用のねじ溝１２か形成され
ている。このハウジング１１の一方の面には、その端面
を皿状に形成した圧力検出室１３が形成され、この圧力
検出室１３の開口面は、例えば５ＵＳ８３０．５ｔｌＨ
６６０等によって構成されたフラッシュダイヤフラム１
４か、レーザ７８接によって全周気密にして接合されて
いる。そして、このフラッシュダイヤフラム１４て気体
圧、液体圧が受圧されるようにする。

ハウジングＩＩの他方の面には、圧力基準室■５が形成
されるもので、この圧力基準室１５の開口部は、アイレ
ット１６にリードピン１７１．１７２を貫通したハーメ
チックンール端子１８によって封じられるもので、この
ハーメチンクンール端子１８はレーザ溶接によって全周
気密に取り付けられている。

二のハーメチックンール端子１８の中央部分には、圧力
基準室１５内に位置してパイレックスによって構成した
台座１９か取り付けられ、この台座１９上にはシリコン
ダイヤフラムによって構成した半導体圧力センサ２０を
取り付ける。この半導体圧力センサ２０は、圧力基準室
内蔵型圧力センシブエレメントを構成し、台座１９に対
してエポキシ、ポリミイド等の樹脂または低融点ガラス
等の接着剤によって取り付けられる。そして、この半導
体圧力センサ２０の端子部は、ボンディングワイヤ２１
１および２１２によってリードピン１７１および１７２
に電気的に接続される。

前記圧力検出室１３の底面部には、フラッシュダイヤフ
ラム１４に対面するようにして、ジルコニアセラミック
によって構成した円板状の熱インシュレータ２２が設け
られる。この熱インシュレータ２２は、ポリミドイド系
の耐熱性接着剤２３によって圧力検出室１３の底部に取
り付けられる。この熱インシュレータ２２は圧力媒体か
らの熱を遮断し、センシングエレメント部の温度上昇を
抑制する。この場合、フラッシュダイヤフラム１４と熱
インシュレータ２２との間隔は、最大圧力が作用した状
態で、この両者が接触しない範囲に設定されるもので、
可能な限り小さく設定することで、圧力検出特性の面で
有効にすることができる。

そして、この圧力検出室１３の底部と圧力基準室１５と
の間は、細い通路２４によって連通され、この通路２３
を含む圧力検出室１３および圧力基準室１５内には、封
入液体２５が充填される。この封入液体２５としでは、
耐熱性を有するポリフェニルエーテルか用いられる。こ
の液体封入容積は、圧力センサ２０本体部の温度変化に
よる体積膨張あるいは収縮による内圧変化を抑制するた
めに、圧力伝達速度を損なわない範囲で、極力小さくす
る方が望ましい。

この様に構成される圧力検出装置は、例えばエンジンの
燃焼室圧力のような高温圧力媒体の圧力測定に適用する
ことを主たる用途としている。この様な前提条件の下で
は、センサ取り付は容器であるハウジング１１は循環水
によって冷却されている。したがって、このハウジング
１１は通常１２０℃以下の状態となっている。

そして、圧力検出室１３と圧力基準室１５とを連通する
通路２４は、ハウジング１１の中心軸線より外周面に接
近した位置に形成し、ハウジング１１の外部との間の熱
抵抗を小さくし、封入液体２５の温度上昇を抑えるよう
にしている。

このように構成される圧力検出装置は、例えば自動車用
等のエンジンの本体部が冷却機構によって最高温度１２
０〜１５０℃であり、検出圧力媒体の最高温度か４００
℃前後なる条件の下で使用されるもので、ハウジングＬ
１はその外周部に形成したねし溝１２によって、直接エ
ンジンの冷却水容器部分にねじ込み固定される。

圧力媒体はフラッシュダイヤフラム１４に対して直接接
触されるようになり、このフラッシュダイヤフラム１４
に印加された圧力は封入液体２５を介して圧力基準室１
５内の半導体圧力センサ２０に伝達される。この圧力セ
ンサ２０は、その表面の所定位置に拡散あるいはＣＶＤ
、スパッタリング等によって形成した単結晶または多結
晶のピエゾゲージが、ホイートストーンブリッジに結線
された検出回路を備える。この検出回路には一定の電圧
または電流が供給されており、圧力センサ２０のダイヤ
フラム部に印加された圧力に比例して、このブリッジ回
路のオフセット電圧が変化し、この電圧変化によって印
加された圧力を電圧信号に変換する。

ここで、検出圧力を伝達する封入液体２５は、耐熱性を
有すると共に、体積膨張率が低く、さらに非腐食性、低
飽和蒸気圧等の、圧力センサの圧力伝達手段としての封
入液体として、圧力特性を損なわないための特性が要求
される。

従来において、この様な目的として使用される封入液体
に適合する材料としては、シリコンオイルか一般的に知
られている。しかし、シリコンオイルは耐熱性が不充分
であり、その最高使用温度は１８０℃程度が限界である
。

この実施例に示された圧力検出装置で使用される封入液
体２５は、耐熱性の問題を解決するために、フェニルエ
ーテル型の合成油を用いている。このフェニルエーテル
型の合成油は、耐熱度と流動点以外はシリコンオイルと
同レベル、もしくは優れた物性値を示し、耐熱度では３
００℃以上とシリコンオイルより数段優れた特性を有す
る。そして、短時間であれば、４００℃前後まで熱分解
等の不都合は生じない。

ここで、圧力検出装置の使用温度範囲に応じて、封入液
体２５の種類を以下のように選定している。

まず、使用温度が室温以上であれば各種ボリフエニルエ
ーテルのうち、最も耐熱性の優れたペンタフェニルエー
テルを用いる。また、使用温度範囲が低温側において、
例えば−３０℃前後まで必要な場合は、ペンタフェニル
エーテルでは流動点が２．５℃であるため使用不可能と
なる。したがって、耐熱度はやや劣るが流動点が一３０
℃以下であるモノアルキルトリフェニルエーテルまたは
アルキルジフェニルエーテルとペンタフェニルエーテル
との混合液を用いる。この混合比と材料の組み合わせは
、各々の用途に応じて使い分ける。−般的には流動性を
損なわない範囲で、なるべくペンタフェニルエーテルの
混合比を大きくすることが望ましい。

この圧力検出装置において、受圧部の熱をセンシングエ
レメント部に伝達され難くする必要がある。センシング
エレメントは半導体によって構成されているものである
ため、一般的に１５０℃以上では使用困難となる。

この様な問題に対処するため、まず第１にフラッシュダ
イヤフラム１４の直下に熱伝導率の極めて小さいＺｒ　
０２セラミツクスによって構成した熱インシュレータ２
２を収納し、熱抵抗を大きくしている。そして、ハウジ
ング１１の先端部以外の温度上昇を抑えるようにする。

第２に封入液体２５の通路２４を、ハウジング１１の外
周のねし溝１２に近付けて配置することにより、ハウジ
ング１１の取り付けられる冷却機能を有する容器との間
の熱抵抗を小さくしている。この構造によって通路２４
部の放熱性が向上され、封入液体２５の温度を低下させ
るようになり、半導体圧力センサ２０の周辺の温度が低
い状態に保たれるようにする。この様な構成とすること
によって、半導体圧力センサ２０部分の温度を、この圧
力検出装置を取り付ける容器温度とほぼ同レベルとする
二とができる。

第２図は他の実施例を示すもので、この実施例にあって
は、ハウジング１１の圧力検出室１３の開口面に、Ｚｒ
Ｏ□の円板によって構成された熱インシュレータ３０を
設定する。そして、この熱インシュレータ３０の内側に
フラッシュダイヤフラム１４を設け、液体２５の封入領
域を区間する。この場合、熱インシュレータ３０には、
圧力をフラッシュダイヤフラムＩ４に伝えるために、複
数の開口３Ｉか形成されている。この様に構成すれば圧
力媒体の熱が直接的にフラッシュダイヤフラム１４に伝
達されることがない。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明に係る半導体圧力検出装置によれ
ば、高温度の圧力媒体の圧力測定も確実に行えるもので
あり、例えばエンジンの燃焼室の圧力検出も確実に行え
、エンジンの電子的な制御を行うための検出素子として
も効果的に使用できるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る半導体圧力検出装置
を説明する断面構成図、第２図はこの発明の他の実施例
を説明する断面構成図である。 １１・・・ハウジング、１２・・・ねじ溝、１３・・・
圧力検出室、１４・・フラッシュダイヤフラム、１５・
・・圧力基準室、２０・・・圧力センサ、２２・・・熱
インシュレータ、２４・・・通路、２５・・・封入液体
。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　筒状のハウジングと、 このハウジングの一方の面に開口して形成され、受圧用
   のダイヤフラムでその開口部を封じた圧力検出室と、 前記ハウジングの他方の面に形成され、半導体圧力セン
   サが設定された圧力基準室と、 前記圧力検出室と前記圧力基準室とを連通し、前記ハウ
   ジングの軸線を外れた周面に近接する位置に形成された
   通路と、 この通路部分を含み、前記圧力検出室および圧力基準室
   に充填されたポリフェニルエーテルを含む封入液体と、 を具備したことを特徴とする半導体圧力検出装置。