JPH0425735A - 半導体圧力・差圧測定ダイヤフラム - Google Patents

半導体圧力・差圧測定ダイヤフラム

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JPH0425735A
JPH0425735A JP2131083A JP13108390A JPH0425735A JP H0425735 A JPH0425735 A JP H0425735A JP 2131083 A JP2131083 A JP 2131083A JP 13108390 A JP13108390 A JP 13108390A JP H0425735 A JPH0425735 A JP H0425735A
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measuring diaphragm
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朋之 飛田
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佐瀬 昭
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    • G01L9/0051Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
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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〕 本発明は半導体圧力・差圧測定ダイヤフラムに関し、特
に中央部に形態の変形に基づき高剛性部を設けるように
した半導体圧力・差圧測定ダイヤフラムに関するもので
ある。
〔従来の技術〕
本発明の先行技術である半導体圧力・差圧測定ダイヤフ
ラムとしては特開昭51−69678号公報に開示され
たものがある。この半導体圧力・差圧測定ダイヤフラム
では、シリコン等の半導体で形成され、外周部及び中央
部が厚肉に形成され、その間に薄肉の起歪部が形成され
、薄肉部に拡散法又はイオンプランテーション法により
ゲージ抵抗が形成されている。かかる半導体圧力・差圧
測定ダイヤフラムは、圧力等の印加方向が異なってもほ
とんど同一の出力特性を得ることができるという特徴を
有している。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら前記従来の半導体圧力・差圧測定ダイヤフ
ラムの測定ダイヤフラムでは、圧力/差圧に関し低い領
域の測定を行うことができるように形成すると、圧力又
は差圧に対する出力の関係、すなわち出力の直線性が悪
くなるという不具合が生じる。この理由は、起歪部にお
ける圧力による変形が引張り主体となるからである。つ
まり、低い圧力又は差圧を測定するためには、起歪部の
肉厚を、より薄くする必要があるが、薄くすればするほ
ど起歪部のたわみ量が大きくなり、その結果起歪部の変
形が曲げ主体ではなく、引張り主体となるためである。
半導体圧力・差圧測定ダイヤフラムの小形化を図る場合
には、必然的に起歪部も小さくなるので、所定レベル以
上の出力を確保するにはダイヤフラムにおける起歪部の
部分の肉厚を一層薄くする必要がある。しかしこの場合
には、上記の欠点が一層大きく現れることになるので、
従来では、実際上小形化が困難であった。
また測定ダイヤフラムの起歪部を薄肉化することは、半
導体圧力・差圧測定ダイヤフラムの正逆特性を大きく異
ならせるという不具合を生じる。
ここで正逆特性とは、半導体圧力・差圧測定ダイヤフラ
ムで測定することのできる第1の方向の圧力とその反対
方向である第2の方向の圧力に関し、それぞれの方向で
得られる圧力測定特性のことをいう。このように正逆特
性に大きな差異が生じる理由は、半導体圧力・差圧測定
ダイヤフラムの形状が、2つの方向の圧力のそれぞれに
対する変形特性について対称性が存在するように形成さ
れていないためである。すなわち、前記ダイヤフラムは
非対称性を有するように形成されている。この非対称性
の特性はダイヤフラムの中央剛体部の圧力受圧面部の形
状に依存して発生している。
本発明の目的は、前述した従来の半導体圧力・差圧測定
ダイヤフラムの問題に鑑み、低い圧力領域又は差圧領域
の測定を行っても、測定対象である圧力又は差圧と出力
との直線性が優れ、更に高い出力を得ることができ、正
逆特性の優れた半導体圧力・差圧測定ダイヤフラムを提
供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明に係る第1の半導体圧力・差圧測定ダイヤフラム
は、半導体単結晶基板で形成され且つ薄肉の起歪部と固
定用の周辺厚肉部とを有するダイヤフラムと、起歪部に
設けられた複数のゲージ抵抗と、複数のゲージ抵抗の間
を電気的に接続する配線部とを有する半導体圧力・差圧
測定ダイヤフラムにおいて、ダイヤフラムの中央部に変
形に基づく高剛性部を設け、この高剛性部の周囲に起歪
部を形成したことを特徴とする。
本発明に係る第2の半導体圧力・差圧測定ダイヤフラム
は、前記第1の構成において、高剛性部を、側壁板部と
底板部を有する四部形状によって形成したことを特徴と
する。
本発明に係る第3の半導体圧力・差圧測定ダイヤフラム
は、前記第2の構成において、凹部形状が、周辺厚肉部
が形成されている側に突き出るように形成されることを
特徴とする。
本発明に係る第4の半導体圧力・差圧測定ダイヤフラム
は、前記第2又は第3の構成において、側壁板部が傾斜
して形成されていることを特徴とする。
本発明に係る第5の半導体圧力・差圧測定ダイヤフラム
は、前記第2〜第4のいずれか1つの構成において、凹
部形状を形成する側壁板部と底板部の肉厚を起歪部の肉
厚と同一又はそれより大きくしたことを特徴とする。
本発明に係る第6の半導体圧力・差圧測定ダイヤフラム
は、前記第1の構成において、高剛性部を、中心位置に
形成された凸部形状の剛体部と、この剛体部の周囲に薄
肉板部で形成された環状凹部とで形成したことを特徴と
する。
本発明に係る第7の半導体圧力・差圧測定ダイヤフラム
は、前記第6の構成において、環状凹部の薄肉板部の肉
厚を起歪部の肉厚と同一又はそれより大きくしたことを
特徴とする。
本発明に係る第8の半導体圧力・差圧測定ダイヤフラム
は、前記第1〜第7のいずれか1つの構成において、配
線部をダイヤフラムの周辺厚肉部に設けたことを特徴と
する。
〔作用〕
本発明による半導体圧力・差圧測定ダイヤフラムでは、
その中央部に例えば凹部を所定の形態及び肉厚条件にて
形成し、この形状変化により中央部に高剛性部を設ける
ことができ、これによりその周囲に形成される起歪部を
中央剛体付きのビームとして動作させる。従って、ダイ
ヤフラムに圧力が加わったときにおいて、起歪部に生じ
る変形は曲げ作用が主体となる。またダイヤフラムの中
央に形成された凹部は有効受圧面積を増加させる。
またダイヤフラムの中央に形成された凹部形状は、形状
的に所定の対称特性を生じさせ、これにより正逆特性に
おいて等しい変形特性が生じる。
従って、正方向及び逆方向の圧力及び差圧の印加時にお
いて、凹部形状は、起歪部に対して曲げ歪みを生じさせ
る。
更にダイヤフラムの中央部において、中央位置に凸部形
状、その周囲に環状凹部を形成した場合にも、前記と同
様な作用を起歪部に生じさせることができる。
ゲージ抵抗の間を接続する電気配線を、凹部及び起歪部
の上ではなく、固定用周辺厚肉部の上に配置することに
より、電気配線が圧力印加時又は温度変化時に過大歪み
の影響を受けるのを、防止する。
〔実施例〕
以下に、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する
第1図は本発明に係る半導体圧力・差圧検出器の縦断面
図、第2図は測定ダイヤフラムの平面図、第3図は配線
構成図である。第1図において、1は単結晶シリコンに
よって形成された圧力又は差圧を測定するためのダイヤ
フラムである。ダイヤフラム1は、細部に孔2aを有す
る第1の支持部材2と、同様な孔3aを有する第2の支
持部材3とを介してハウジング4に取付けられている。
第1支持部材2は、その上面にダイヤフラム1を固定し
ている。第1支持部材2の下面に第2支持部材3が取付
けられる。支持部材2と3の各軸孔2aと3aは同軸状
に配置される。ハウジング4は中央部分に上方が大きく
開放された比較的に大きな空間5が形成され、その底部
4aに孔4bが形成されている。この孔4bに第2支持
部材3の下部突起部3bの下端が嵌入されて溶接接合等
により固設される。ダイヤフラム1と第1及び第2の支
持部材2,3による組付は体は前記ハウジング4の空間
5に収容され配置される。またハウジング4の周辺の壁
部には複数箇所に引出し線6を配設するための貫通孔4
cが上下方向に形成されている。
上記の第1の支持部材2は、圧力又は差圧を測定するダ
イヤフラム1とハウジング4との間の電気絶縁及び前記
両者の間の線膨張係数の違いにょる熱歪みを考慮して、
ダイヤフラム1を形成するシリコンに対し近似した線膨
脹係数を有する硼珪酸塩ガラスで形成されるのが好まし
い。また第2の支持部材3は、線膨脹係数とハウジング
4への溶接接合等による取付けを考慮し、シリコンの線
膨脹係数と近似した線膨脹係数を有するFe−Ni合金
又はFe−Ni−Co合金を用いて形成されるのが好ま
しい。以上のような材料によって第1支持部材2と第2
支持部材3を形成すれば、ダイヤフラム1と第1支持部
材2と第2支持部材3は陽極接合方法によって接合する
ことができ、これにより第1図に示すような組立て体を
作ることができる。
圧力又は差圧を測定するためのダイヤフラム1を形成す
るための材料としては、(100)面のn形単結晶シリ
コンが使用され、ダイヤフラム1の周縁部には厚肉の固
定部1aが形成され、その中央部にはゲージ抵抗が形成
される面の側に凹部1bが形成され、固定部1aの上部
内側縁と凹部1bの開口部外周縁との間に環状且つ薄肉
に形成される起歪部ICが設けられる。ダイヤフラム1
は固定部1aによって第1支持部材2に固定される。凹
部1bは第1図中上方に開放された開口部を有し、第1
図中下側、すなわち固定部1aが配置される側に突き出
た形状となっている。環状に形成された起歪部1cには
、第1図においてその上面に、(100)面におけるピ
エゾ抵抗係数の最大感度を示す<110>軸方向に対し
、p形ゲージ抵抗11〜14がそれぞれ平行な状態で、
又はそれぞれ直角な方向で形成されている。図示例では
ゲージ抵抗は4個形成されている。ゲージ抵抗の形成方
法としては、拡散法又はイオンプランテーション法が使
用される。起歪部1cの上面におけるゲージ抵抗11〜
14の配置位置は外周部の固定部1aに近い箇所である
。このゲージ位置の配置箇所は、圧力又は差圧が印加さ
れた時、起歪部1cに発生する半径方向と周方向の歪み
が最大になる箇所である。
上記の4個のゲージ抵抗11〜14は第3図に示される
ようにホイートストンブリッジ回路を構成するように電
気的に接続され、差動的に生じる電気的出力を得るよう
に構成されている。第2図及び第3図中における15は
ゲージ抵抗であり、このゲージ抵抗15は、(100)
面におけるピエゾ抵抗係数の最小感度を示す<100>
軸方向に対し平行に配置された感温抵抗である。この感
温抵抗15によってダイヤフラム1が配置される周囲の
環境温度に関する情報を得ることができる。
ダイヤフラム1の上面には、ゲージ抵抗11〜15を保
護するための酸化膜16と、各ゲージ抵抗11〜15を
第3図に示される如き結線構造で接続するためのアルミ
配線17及びポンディングパッドa −Hが設けられて
いる。
圧力又は差圧を測定するダイヤフラム1は、第2図に示
されるように平面形状が例えば正方形であり、その中央
部に例えば8角形の平面形状をした凹部1bが形成され
る。この凹部1bは底板部21と環状の側壁板部22と
から形成される。この実施例では、−例として、底板部
21はダイヤフラム1の上面に平行に形成され、側壁板
部22は傾斜させて形成される。ダイヤフラム1に凹部
1bを形成することによって第1図に示されるようにダ
イヤフラム1の中央部は下方向に突出する。
凹部1bを形成する側壁板部22の肉厚は、起歪部1c
の肉厚と同一か又はそれよりも大きくなるように形成さ
れる。また底板部21の肉厚についても側壁板部21と
同様にすることができる。以上のように、ダイヤフラム
1において、底板部21と側壁板部22とからなる第1
図中下方向に凹んだ凹部1bを形成するようにしたため
、ダイヤフラム1は、形状的に中心軸線に関して対称形
状に形成されると共に、第1図中上方及び下方から印加
される圧力に関してそれぞれの受圧特性が対称となるよ
うに形成される。ダイヤフラム1は、かかる凹部1bを
中央部分に設けるように形成されるため、この凹部1b
がその周辺の環状の起歪部1cに比較して高い剛性を有
し、その結果、凹部1bは起歪部1cに対して半径方向
の負荷力を与えるビームとして作用する。つまり、ダイ
ヤフラム1に圧力又は差圧が印加されると起歪部1cに
歪みが発生するが、凹部1bの側壁板部22に加わる力
の作用によって起歪部ICには曲げ歪みが生じる。この
曲げ歪みによって起歪部1cには大きな歪みが生じる。
上記のダイヤフラム1の作用において、圧力Pとダイヤ
フラム1の受圧面積Sの積で与えられる力と釣り合う反
力は、起歪部ICの反力が支配しているので、凹部1b
の底板部21と側壁板部22の肉厚が変化しても、起歪
部ICの肉厚が底板部21と側壁板部22の肉厚と同等
か又はそれよりも小さいのであれば、起歪部ICに発生
する歪みはほとんど変化しない。すなわち、底板部21
と側壁板部22の肉厚は、起歪部ICの肉厚と同等か又
はそれより大きいことが条件となる。また、側壁板部2
2と底板部21からなる凹部1bは、その境界部が起歪
部ICとの分岐点であるので、上記の作用は凹部1bの
形状に依存しない。
ダイヤフラム1の起歪部ICに発生する膜応力は、−船
釣に起歪部ICの肉厚が薄くなれば薄くなるほど大きく
なるが、本実施例の構成を有するダイヤフラムの起歪部
ICによれば、凹部1bの側壁板部22の作用により曲
げ歪みが増加した分だけ低減することができる。またダ
イヤフラム1において凹部1bと起歪部1cとは形状的
に分離されており、起歪部1cは中央部の高剛性部の片
持ちはりとして機能するので、起歪部1cに残留する膜
応力は非常に小さく、無視することができる。
前述した如く、本実施例によるダイヤフラム1では、そ
の中央部に高剛性を有する凹部1bを設けるようにした
ため、その結果ダイヤフラム1の形状は前述した意味で
全体的に対称に形成することができる。従って、ダイヤ
フラム1に正方向の圧力等が印加した場合及び逆方向の
圧力等が印加した場合において、それぞれ起歪部1cで
は軸線に関し全く対称な歪みが発生し、正逆特性が優れ
たダイヤフラムとなる。またこのことは見方を変えれば
、本実施例によるダイヤフラム1では、起歪部1cと側
壁板部22と底板部21による構造の連続体は、それぞ
れの境界部が支点となるコルゲート状の隔膜体とみなす
ことができる。ダイヤフラム1の変形及びダイヤフラム
1で発生する歪みは圧力の印加方向に左右されることな
く、ダイヤフラム1の圧力−出力関係においては直線性
を十分に確保することができる。
上記の形状を有するダイヤフラム1は通常ウェットエツ
チング又はドライエツチングによって加工され、形成さ
れる。この形成方法では、まず平板状のダイヤフラム素
材において、ダイヤフラムの下面部を所定のマスクを用
いて、固定部1aと中央部とを残すようにエツチングし
、環状の起歪部ICの部分を形成する。次いで、ダイヤ
フラムの前記中央部の上面部に、所定のマスクを使用し
て前記の側壁板部22と底面部21を残すようにエツチ
ングを行い、凹部1bを形成する。これらのエツチング
に使用されるマスクとしては、例えばフォトレジスト膜
又は酸化膜等が使用される。
また上記の説明ではダイヤフラム1の第1図中の上面部
と下面部の各エツチング工程を別々に行った例について
述べたが、同時に行えるように構成することもできる。
以上のようにダイヤフラム1の中央部分に凹部1bを形
成することにより高剛性部を形成する方法は、従来のダ
イヤフラム製造方法と実質的に同じであり、従来の製造
方法を利用することができ、製作上のコストの問題は生
じない。
またダイヤフラム1では、第2図に示すように、起歪部
IC及び中央に位置する高剛性部である凹部1bにアル
ミ配線17を全く配設せず、周縁の固定部1aに配設し
ている。これは、第1に凹部1bを形成する際に工程数
を少なくするためであり、第2に起歪部1cと凹部1b
の部分には圧力印加時に大きな歪みが発生し、且つ環境
温度の変化に応じて大きく変化する部分であるので、ア
ルミ配線に対し悪い影響を与えないようにするためであ
る。このようにアルミ配線17の配置箇所をダイヤフラ
ム1の固定部1a上にすることにより、アルミ配線は、
圧力印加時に発生する高歪み、温度変化時に発生する熱
歪み(シリコンとアルミの線膨張係数の差)の影響を回
避することができる。
ハウジング4の貫通孔4cにはハーメチックシ−ル31
を設けて引出し線6を配設している。引出し線6の上端
と下端は貫通孔4Cの外側に引き出されている。ハウジ
ング4の上面の所定の箇所には配線板32が設けられ、
配線板32と引出し線6が接続されている。また配線板
32は、対応する前記のアルミ配線17に接続され、こ
れによってゲージ抵抗11〜14で検出された圧力に関
する電気信号を引出し線6に取り出すことができる。
上記構成を有するダイヤフラム1の第1図中の上面及び
下面の少なくともいずれか一方に測定流体の圧力が印加
されることによって、当該圧力又は差圧に対応した電気
信号を得ることができる。
なお、測定ダイヤフラム1の上面及び下面に測定流体が
直接に接触しないようにシールダイヤフラム等の隔膜を
設け、その内部に封入液を充填するように構成すること
ができる。
第4図には本発明の第2実施例を示す。この実施例によ
るダイヤフラム1では、中央部に形成される凹部1bの
底板部21に断面形状が例えば台形をした凸部41を形
成しており、且つ底板N21の肉厚を厚くしている。従
って凹部1bの中の凸部41の周囲には環状の溝42が
形成される。
その他の構成については第1図に示したダイヤフラムと
同じである。なお第4図中、ダイヤフラム1以外の構造
部分の図示は省略されている。
第5図は本発明の第3実施例を示す。この実施例のダイ
ヤフラム1は前記第2実施例と同じ構造を有する。相違
する点は凹部1bを形成する側壁板部22及び底板部2
1と起歪部ICの肉厚を薄く形成している点である。
上記の構成を有する第2及び第3の実施例のダイヤフラ
ムであっても、前述した第1実施例のダイヤフラムと同
様な効果を発揮する。またこれらの変形実施例によれば
、加工代が少なくて済み、形状的対称性を更に増すこと
ができる。
〔発明の効果〕
以上の説明で明らかなように本発明によれば、ダイヤフ
ラムの中央部に所定の形状変化を与えることにより高剛
性部を形成し、その周囲に起歪部を設けるようにしたた
め、起歪部の肉厚を薄肉化しても、十分高い検出出力を
得ることができ、起歪部に生じる歪みに関し曲げを主体
にすることができるため、検出特性の直線性が向上し、
且つ正逆特性が優れたものとなる。これにより低い領域
の圧力等でも精度良く検出することができる。ダイヤフ
ラムに凹部を形成することによって、実質的に受圧面積
が大きくなるため、反対に、同一感度を得るためには従
来に比して測定ダイヤフラムを小形化することができる
という利点を有する。
また、電気配線部を固定用の周縁の厚肉部上に配置する
ようにしたため、配線部に対し圧力印加及び温度変化に
起因する悪い影響を与えるのを回避することができる。
以上の如く本発明による測定ダイヤフラムによれば、特
に低い領域の圧力及び差圧を高精度、高出力、高い再現
性で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る測定ダイヤフラムを備えた圧力・
差圧検出器の縦断面図、第2図は測定ダイヤフラムの平
面図、第3図は電気配線図、第4図及び第5図は測定ダ
イヤフラムの変更実施例を示す縦断面図である。 〔符号の説明〕 1φ・・・・ 1aφ・・・ 1b・φ・・ 1c・・・・ 2・・・・・ 3・・・参・ 4・・・・・ 11〜14・ 16・φ−− 17・・・・ 211日 22φφ・・ 41・・・・

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)半導体単結晶基板で形成され且つ薄肉の起歪部と
    固定用の周辺厚肉部とを有するダイヤフラムと、前記起
    歪部に設けられた複数のゲージ抵抗と、前記複数のゲー
    ジ抵抗の間を電気的に接続する配線部とを有する半導体
    圧力・差圧測定ダイヤフラムにおいて、前記ダイヤフラ
    ムの中央部に変形に基づく高剛性部を設け、この高剛性
    部の周囲に前記起歪部を形成したことを特徴とする半導
    体圧力・差圧測定ダイヤフラム。
  2. (2)請求項1記載の半導体圧力・差圧測定ダイヤフラ
    ムにおいて、前記高剛性部を、側壁板部と底板部を有す
    る凹部形状によって形成したことを特徴とする半導体圧
    力・差圧測定ダイヤフラム。
  3. (3)請求項2記載の半導体圧力・差圧測定ダイヤフラ
    ムにおいて、前記凹部形状は、前記周辺厚肉部が形成さ
    れている側に突き出るように形成されることを特徴とす
    る半導体圧力・差圧測定ダイヤフラム。
  4. (4)請求項2又は3記載の半導体圧力・差圧測定ダイ
    ヤフラムにおいて、前記側壁板部が傾斜して形成されて
    いることを特徴とする半導体圧力・差圧測定ダイヤフラ
    ム。
  5. (5)請求項2〜4のいずれか1項に記載の半導体圧力
    ・差圧測定ダイヤフラムにおいて、前記凹部形状を形成
    する側壁板部と底板部の肉厚を前記起歪部の肉厚と同一
    又はそれより大きくしたことを特徴とする半導体圧力・
    差圧測定ダイヤフラム。
  6. (6)請求項1記載の半導体圧力・差圧測定ダイヤフラ
    ムにおいて、前記高剛性部を、中心位置に形成された凸
    部形状の剛体部と、この剛体部の周囲に薄肉板部で形成
    された環状凹部とで形成したことを特徴とする半導体圧
    力・差圧測定ダイヤフラム。
  7. (7)請求項6記載の半導体圧力・差圧測定ダイヤフラ
    ムにおいて、前記環状凹部の薄肉板部の肉厚を前記起歪
    部の肉厚と同一又はそれより大きくしたことを特徴とす
    る半導体圧力・差圧測定ダイヤフラム。
  8. (8)請求項1〜7のいずれか1項に記載の半導体圧力
    ・差圧測定ダイヤフラムにおいて、、前記配線部を前記
    ダイヤフラムの前記周辺厚肉部に設けたことを特徴とす
    る半導体圧力・差圧測定ダイヤフラム。
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