JPH04248429A - 半導体圧力センサ - 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】

【０００１】［発明の目的］

【０００２】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体単結晶基板自
体を受圧ダイヤフラムとした半導体圧力センサに関する
。

【０００３】

【従来の技術】半導体単結晶基板自体を受圧ダイヤフラ
ムとした半導体圧力センサとして、従来、図４に示すよ
うな構造のものが知られている。

【０００４】この従来の半導体圧力センサについて説明
すると、本体ブロック１には、両側面を連通させる貫通
穴２が設けられており、この貫通穴２の開口した両側面
それぞれが受圧ダイヤフラム３，４により閉塞されてい
る。

【０００５】貫通穴２の中央部には、過圧防止ベローズ
５が貫通穴２と同心に設けられ、その一端が貫通穴２の
図において左側の段部６に気密的に固着され、貫通穴２
の内部が高圧室２ａと低圧室２ｂとに二分されている。

【０００６】本体ブロック１の貫通穴２の上方には空間
部７が設けられ、この空間部７を上部空間部７ａと、下
部空間部７ｂとに仕切るように半導体圧力センサ８が装
着されている。半導体圧力センサ８の出力信号線９は、
ハーメチックシール１０を介して外部に導出されている
。そして、下部空間部７ｂは、導圧穴１１により貫通穴
２の高圧室２ａに、上部空間部７ａは導圧口１２により
貫通穴２の低圧室２ｂにそれぞれ連通させられている。

【０００７】貫通穴２、上部空間部７ａ、下部空間部７
ｂ、導通圧１１，１２各々の内部には圧力伝達媒体とな
る封入液、例えば、シリコーン油が充填されている。

【０００８】過圧防止ベローズ５の自由端にプレート１
３によって同心的に固着された支軸１４の両端には、そ
れぞれ過大圧力封止用の弁１５，１６が同心的に固着さ
れ、この弁１５，１６各々の支軸１４側の端面には、そ
れぞれＯリング１７，１８が装着されている。

【０００９】また、弁１５，１６には、それぞれ板バネ
１９，２０が取り付けられている。この板バネ１９，２
０それぞれは本体ブロック１に固定され、弁１５，１６
と本体ブロック１とを弾性的に連結している。そして、
この弁１５，１６は、それぞれ過圧防止ベローズ５の変
位により支軸１４が図において右方、または左方に移動
して弁１５，１６のＯリング１７，１８を本体ブロック
１の弁座２１，２２に当接させて圧縮し、圧力伝達経路
を閉塞し、過圧防止を行うようにしていた。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
従来の半導体圧力センサでは、過圧防止機構が多数の部
品から構成されて複雑であり、しかも半導体圧力センサ
とは別個の構造となっているために、組立にも、また調
整にも時間がかかり、コストも高くなる問題点があった
。

【００１１】この発明は、このような従来の問題点に鑑
みなされたもので、半導体圧力センサに過圧防止機構を
一体化し、小形、ローコスト化することができる半導体
圧力センサを提供することを目的とする。

【００１２】［発明の構成］

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明の半導体圧力セ
ンサは、裏面中央部に薄肉部を残すように凹部が形成さ
れている半導体受圧ダイヤフラムの表面側にストレイン
ゲージ抵抗を形成し、前記受圧ダイヤフラムの表面側に
、圧力伝達媒体としての液体を裏凹部に充填した表側プ
レートを気密的に取り付け、前記受圧ダイヤフラムの裏
面側に前記凹部を閉塞するように裏側プレートを気密的
に取り付けると共に前記凹部に圧力伝達媒体としての液
体を充填し、前記表側プレートに表側中空パイプを貫通
させ、前記表側プレートの裏凹部側に突出する前記表側
中空パイプの内側端面部を前記受圧ダイヤフラムの表面
に近接するように位置させ、前記裏側プレートに裏側中
空パイプを貫通させて、この裏側中空パイプの内側端面
部を前記半導体受圧ダイヤフラムの前記凹部内において
半導体受圧ダイヤフラムの裏面と近接するように位置さ
せたものである。

【００１４】また、前記表側、裏側両中空パイプそれぞ
れの内側端面部には、シール材としてガスケットを取り
付けることができる。

【００１５】

【作用】この発明の半導体圧力センサでは、表側中空パ
イプを通して圧力をかけることにより、圧力伝達媒体と
しての液体を介して半導体受圧ダイヤフラムの表面側に
圧力が印加され、これによりストレインゲージ抵抗が歪
を検出し、電気信号を出力する。また、裏側中空パイプ
を通して圧力をかけるこにとより、半導体受圧ダイヤフ
ラムの裏面側の凹部に充填されている圧力伝達媒体とし
ての液体を介して半導体受圧ダイヤフラムの裏面側から
圧力が印加され、これによりストレインゲージ抵抗が歪
を検出し、電気信号を出力する。

【００１６】そして、表側からあるいは裏側から大きな
圧力が印加される場合には、それが表側からの圧力であ
れば半導体受圧ダイヤフラムが裏側に、また裏側からの
圧力であれば半導体受圧ダイヤフラムが表側に変位する
が、この変位により表裏面それぞれに近接して位置する
裏側中空パイプまたは表側中空パイプそれぞれの内側端
面部が半導体受圧ダイヤフラムの裏面または表面に密着
して中空部からの液体の流通を閉塞することになり、半
導体受圧ダイヤフラムの裏側の凹部または表側プレート
の裏凹部に充填されている圧力伝達媒体としての液体が
この中空パイプの閉塞により移動できなくなり、半導体
受圧ダイヤフラムのそれ以上の変位を阻止するようにな
り、過圧力に対して過大な変形をして半導体受圧ダイヤ
フラムが損傷するのを防止できるようになる。

【００１７】また、この表側中空パイプ、裏側中空パイ
プそれぞれの内側端面部にガスケットを取り付けること
により、過大圧力がかかり内側端面部が半導体受圧ダイ
ヤフラムの裏面または表面に密着して中空部からの液体
の流通を閉塞する時に、その液体の流通の閉塞をいっそ
う確実に行えるようになり、過大圧力による損傷の防止
がいっそう確実にできるようになる。

【００１８】

【実施例】以下、この発明の実施例を図に基づいて詳説
する。

【００１９】図１はこの発明の一実施例の構造を示して
おり、この半導体圧力センサは、ｎ形（１００）面から
成るシリコン単結晶基板１０１の裏面側に凹部１０２を
形成することにより薄肉部を残し、ここを半導体受圧ダ
イヤフラム１０３としたものである。

【００２０】そして、この半導体受圧ダイヤフラム１０
３の表面側にｐ形不純物を拡散してストレインゲージ抵
抗１０４が形成されている。

【００２１】さらに、ストレインゲージ抵抗１０４の両
端に接続されるように低抵抗のＮ＋　拡散層１０５が設
けられ、この低抵抗拡散層１０５が単結晶基板１０１の
端部近くまで形成されている。

【００２２】単結晶基板１０１の表面には、酸化膜１０
６が被覆され、さらに、この酸化膜１０６を貫通するよ
うに穴１０７が形成され、この穴１０７を通して、前記
低抵抗拡散層１０５の両端側にそれぞれ接続されるよう
に電極層１０８が形成されている。そして、この電極層
１０８に、金線などのリード線１０９が結線され、外部
端子に接続できるようにされている。

【００２３】単結晶基板１０１の裏側の凹部１０２を覆
うように、シリコン単結晶による裏側プレート１１０が
接合され、この裏側プレート１１０の中央部に、例えば
、パイレックスガラスによる裏側中空パイプ１１１が貫
通させられている。この裏側中空パイプ１１１の凹部１
０２に突出する内側端面部は、凹部１０２内において、
半導体受圧ダイヤフラム１０３の裏面に近接するように
位置し、この内側端面部に、例えばテフロンのようなシ
ール材によるガスケット１１２が取り付けられている。

【００２４】半導体受圧ダイヤフラム１０３の表面側に
は、同様に、裏側に凹部１１３の形成されたシリコン単
結晶による表側プレート１１４が、受圧ダイヤフラム１
０３を覆うように接合されている。

【００２５】この表側プレート１１４には、その中央部
を表側中空パイプ１１５が貫通しており、この表側プレ
ート１１４の裏凹部１１３に位置する表側中空パイプ１
１５の内側端面部は、受圧ダイヤフラム１０３の表面に
近接させられており、ここにもテフロンのようシール材
によるガスケット１１６が取り付けられている。

【００２６】このようにして構成される半導体圧力セン
サ１００は、図２に示すようにして外囲器２００に取り
付けられ、使用される。

【００２７】この外囲器２００への取り付け態様につい
て説明すると、半導体圧力センサ１００の裏側中空パイ
プ１１１の外側端部を外囲器２００の取付穴部２０１に
ガラス材２０２によりハーメチックシールされている。 この外囲器２００の周辺部には、ハーメチックシールに
よるピン２０３が構成されており、これらのピン２０３
と半導体圧力センサ１００のリード線１０９が結線され
ている。

【００２８】また、この結線部を保護するためにカバー
２０４が設けられており、その中央部には圧力が導入で
きる穴２０５が形成されている。

【００２９】このようにして外囲器２００に収容された
半導体圧力センサ１００は、図３に示すように簡単な構
造の本体ブロック３００に取り付けて使用される。

【００３０】つまり、両側に受圧ダイヤフラム３０１，
３０２が取り付けられ、それぞれのダイヤフラム３０１
，３０２が閉塞する空間部３０３，３０４と本体ブロッ
ク３００の上部に形成されているセンサ収容空間部３０
５との間を連通させるように導圧孔３０６，３０７が形
成されている。そして、一方の導圧孔３０６のセンサ収
容空間部３０５に開口する端部には、外囲器２００の負
圧を導入する裏側中空パイプ１１１が接続され、他方の
導圧孔３０７の端部は、センサ収容空間部３０５の上半
部に開口することにより、正圧を外囲器２００の表側中
空パイプ１１５に導くようになっている。そして、内部
全体に圧力伝達媒体としての液体が封入される。

【００３１】こうして組み立てられた半導体圧力センサ
では、図２に示す正圧側の圧力が上昇すると、封入液が
表側中空パイプ１１５を通って裏凹部１１３に移動し、
この部分の圧力が上昇して受圧ダイヤフラム１０３を図
において下側（裏方向）へ変形させ、これによりストレ
インゲージ抵抗１０４が応力歪を受けて、受圧信号に比
例した電気信号を出力し、圧力測定を行うことができる
。

【００３２】同様に、図２に示す負圧側の圧力が上昇す
ると、封入液が裏側中空パイプ１１１を通って基板１０
１の凹部１０２内に移動し、この部分の圧力が上昇して
受圧ダイヤフラム１０３を上側（表方向）へ変形させ、
これによりストレインゲージ抵抗１０４が応力歪を受け
て、受圧信号に比例した電気信号を出力し、圧力測定を
行うことができる。

【００３３】ここで、図２に示した正圧側の圧力が上昇
し、半導体圧力センサ１００の測定許容範囲以上になる
と、受圧ダイヤフラム１０３の中央部分が下側に大きく
撓んで裏側中空パイプ１１１の内部端面部に取り付けら
れたガスケット１１２に圧接し、封入されている液体の
移動をシールするようになり、この結果、凹部１０２は
液体が完全に充填された密閉室になり、さらに圧力が上
昇するようなことがあっても、この封入液体が非圧縮性
であるために半導体受圧ダイヤフラム１０３をそれ以上
変位させることがなく、過大圧力の印加による破損を未
然に防止することができるようになる。

【００３４】逆に、図２において負圧側から圧力がかけ
られた場合にも、その圧力が測定許容範囲以上になると
、受圧ダイヤフラム１０３の中央部分が上側に大きく撓
んで表側中空パイプ１１５の内部端面部に取り付けられ
たガスケット１１６に圧接し、封入されている液体の移
動をシールするようになり、この結果、表側プレート１
１４の裏凹部１１３が液体の完全に充填された密閉室に
なり、さらに圧力が上昇するようなことがあっても、こ
の封入液体が非圧縮性であるために受圧ダイヤフラム１
０３をそれ以上変位させることがなくなり、過大圧力の
印加による破損を未然に防止することができるようにな
る。

【００３５】このようにして、この実施例の半導体圧力
センサでは、正圧または負圧として大きな圧力が印加さ
れる場合には、それぞれの圧力により正圧であれば半導
体受圧ダイヤフラム１０３が裏側に、また負圧であれば
表側に変位するが、この変位により表裏面それぞれに近
接して位置する裏側または表側中空パイプ１１１，１１
５の内側端面部が半導体受圧ダイヤフラム１０３の裏面
または表面に密着して中空部からの圧力の導入を閉塞す
ることになり、半導体受圧ダイヤフラム１０３の裏側の
凹部１０２、または表側プレートの裏凹部１１３に充填
されている圧力伝達媒体としての液体がこの中空パイプ
１１１，１１５の閉塞により移動できなくなり、半導体
受圧ダイヤフラム１０３のそれ以上の変位を阻止するよ
うになり、過圧力に対して過大な変形をして半導体受圧
ダイヤフラム１０３が損傷するのを防止できるのである
。

【００３６】なお、上記の実施例では各中空パイプ１１
１，１１５の内側端面部にガスケット１１２，１１６を
取り付け、封入液体のシールが確実にできるようにして
いるが、特にこの実施例に限定されることはなく、半導
体受圧ダイヤフラム１０３が十分に弾力性のあるもので
あり、中空パイプ１１１，１１５の内側端面部との接触
により液体の封入が可能であれば、ガスケット１１２，
１１６を使用する必要はない。

【００３７】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、半導体
受圧ダイヤフラムとこれに対向する中空パイプとの接触
により圧力伝達媒体としての封入液体がシールできるよ
うにしているために、従来のように半導体受圧ダイヤフ
ラムとは別個に、本体ブロック側に複雑な構造の過圧防
止機構を設けなくとも済み、簡単な構造にして小形でロ
ーコスト化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例の断面図。

【図２】上記実施例の半導体圧力センサを外囲器に組み
込んだ状態を示す断面図。

【図３】上記実施例の半導体圧力センサを組み込んだ外
囲器を本体ブロックに取り付けた状態を示す断面図。

【図４】従来例の断面図。 １００…半導体圧力センサ　　　　　　　　　　１０１
…半導体基板 １０２…凹部　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　１０３…受圧ダイヤフラム １０４…ストレインゲージ　　　　　　　　　　１１０
…裏側プレート １１１…裏側中空パイプ　　　　　　　　　　　　１１
２…ガスケット １１３…裏凹部　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　１１４…表側プレート １１５…表側中空パイプ　　　　　　　　　　　　１１
６…ガスケット ２００…外囲器　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　２０１…取付穴部２０４…カバー

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　裏面中央部に薄肉部を残すように凹部
   が形成されている半導体受圧ダイヤフラムの表面側にス
   トレインゲージ抵抗を形成し、前記受圧ダイヤフラムの
   表面側に、圧力伝達媒体としての液体を裏凹部に充填し
   た表側プレートを気密的に取り付け、前記受圧ダイヤフ
   ラムの裏面側に前記凹部を閉塞するように裏側プレート
   を気密的に取り付けると共に前記凹部に圧力伝達媒体と
   しての液体を充填し、前記表側プレートに表側中空パイ
   プを貫通させ、前記表側プレートの裏凹部側に突出する
   前記表側中空パイプの内側端面部を前記受圧ダイヤフラ
   ムの表面に近接するように対向位置させ、前記裏側プレ
   ートに裏側中空パイプを貫通させて、この裏側中空パイ
   プの内側端面部を前記半導体受圧ダイヤフラムの前記凹
   部内において半導体受圧ダイヤフラムの裏面と近接する
   ように対向位置させて成る半導体圧力センサ。
2. 【請求項２】　　前記表側、裏側両中空パイプ各々の内
   側端面部に気密性を上げるためのガスケットを取り付け
   て成る請求項１に記載の半導体圧力センサ。