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Info
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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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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
- G01L19/0061—Electrical connection means
- G01L19/0084—Electrical connection means to the outside of the housing
-
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- G01L19/14—Housings
- G01L19/145—Housings with stress relieving means
- G01L19/146—Housings with stress relieving means using flexible element between the transducer and the support
-
- G—PHYSICS
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- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
- G01L9/0051—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
- G01L9/0052—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements
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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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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・・・・
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)
- （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）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）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）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）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）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）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）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。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2131083A JP2503290B2 (ja) | 1990-05-21 | 1990-05-21 | 半導体圧力・差圧測定ダイヤフラム |
| CN91103444A CN1024592C (zh) | 1990-05-21 | 1991-05-20 | 测压传感器 |
| US07/703,847 US5257546A (en) | 1990-05-21 | 1991-05-21 | Pressure measuring sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2131083A JP2503290B2 (ja) | 1990-05-21 | 1990-05-21 | 半導体圧力・差圧測定ダイヤフラム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0425735A true JPH0425735A (ja) | 1992-01-29 |
| JP2503290B2 JP2503290B2 (ja) | 1996-06-05 |
Family
ID=15049593
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2131083A Expired - Lifetime JP2503290B2 (ja) | 1990-05-21 | 1990-05-21 | 半導体圧力・差圧測定ダイヤフラム |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5257546A (ja) |
| JP (1) | JP2503290B2 (ja) |
| CN (1) | CN1024592C (ja) |
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Also Published As
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