JPH0443680A - Semiconductor pressure sensor - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
発明の目的
［産業上の利用分野］
本発明は半導体圧力センサに関し、詳しくはダイアフラ
ムに作用する荷重を伝達ロッドを介して、センサエレメ
ントに伝達する半導体圧力センサに関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Object of the Invention [Field of Industrial Application] The present invention relates to a semiconductor pressure sensor, and more particularly to a semiconductor pressure sensor that transmits a load acting on a diaphragm to a sensor element via a transmission rod.
［従来の技術］
従来のこの種の半導体圧力センサに、ダイアフラムをス
テンレス鋼（ＳＵＳ６３１）等の金属材料により形成し
、ダイアフラムの受圧面の反対面に、セラミックスから
なる伝達ロッドを接着したものが知られている。接着剤
には低融点ガラスやエポキシ等が用いられる。[Prior Art] A conventional semiconductor pressure sensor of this type has a diaphragm made of a metal material such as stainless steel (SUS631), and a transmission rod made of ceramics bonded to the opposite surface of the diaphragm from the pressure receiving surface. It is being Low melting point glass, epoxy, etc. are used as the adhesive.
［発明が解決しようとする課題］
しかしながら、上記従来の構成では、個々のセンサによ
って圧力−出力特性にばらつきが生じた吠使用状況によ
っては圧力−出力特性が変化するという問題がある。[Problems to be Solved by the Invention] However, with the above-mentioned conventional configuration, there is a problem that the pressure-output characteristics change depending on the usage situation in which the pressure-output characteristics vary depending on the individual sensors.
例えば、従来の構成では、ダイアフラムと伝達ロッドと
が接着されるが、接着剤自体に物性値の大きなばらつき
があることと、接着剤の層の厚みを均一に形成できない
ことから、ダイアフラムから伝達ロッドまでの力の伝達
系のばね定数が、センサの個々でばらついてしまう。こ
の結果、センサ個々によってセンサエレメントに伝達さ
れる力に差が生じ、圧力−出力特性がばらつくのである
。For example, in the conventional configuration, the diaphragm and the transmission rod are glued together, but because the adhesive itself has large variations in physical properties and the thickness of the adhesive layer cannot be formed uniformly, it is difficult to connect the diaphragm to the transmission rod. The spring constant of the force transmission system varies from sensor to sensor. As a result, differences occur in the force transmitted to the sensor element by each sensor, resulting in variations in pressure-output characteristics.
また、上記接着剤の層が、長期の使用や、高温環境下で
の使用により、クリープ等の経時変化を起して、センサ
の圧力−出力特性が変化することがある。Further, the adhesive layer may undergo changes over time such as creep due to long-term use or use in a high-temperature environment, and the pressure-output characteristics of the sensor may change.
さらに、ダイアフラムが金属であるのに対して、伝達ロ
ッドはセラミックスからなり、両材料の線膨張率が相違
するから、ダイアフラムと伝達ロッドどの間に、体積変
化の違いに起因する歪が発生して、圧力−出力特性が変
化することがある。Furthermore, while the diaphragm is made of metal, the transmission rod is made of ceramics, and since the coefficients of linear expansion of both materials are different, strain occurs between the diaphragm and the transmission rod due to the difference in volume change. , the pressure-output characteristics may change.
本発明の半導体圧力センサは上記課題を解決し、圧力−
出力特性のばらつきや、変化を軽減するすることを目的
とする。The semiconductor pressure sensor of the present invention solves the above problems and
The purpose is to reduce variations and changes in output characteristics.
発明の構成
［課題を解決するための手段］
本発明の半導体圧力センサは、
ダイアフラムの受圧面の反対面に、該ダイアフラムに作
用する荷重を伝達する伝達ロッドを設け、該伝達ロッド
を介して前記作用する荷重を、作用力の大きさに応じ出
力信号を変化するセンサエレメントに伝達する半導体圧
力センサにおいて、前記ダイアフラムと前記伝達ロッド
とをジルコニアの一体成形により構成したことを特徴と
する。Structure of the Invention [Means for Solving the Problem] The semiconductor pressure sensor of the present invention includes a transmission rod that transmits the load acting on the diaphragm on the opposite surface of the pressure receiving surface of the diaphragm, and transmits the load acting on the diaphragm through the transmission rod. A semiconductor pressure sensor that transmits an applied load to a sensor element whose output signal changes depending on the magnitude of the applied force, characterized in that the diaphragm and the transmission rod are integrally formed of zirconia.
［作用］
上記構成を有する本発明の半導体圧力センサにおいて（
友 ダイアフラムの受圧面に作用する荷重を、ダイアフ
ラムに一体成形した伝達ロッドを介して、センサエレメ
ントに伝達する。センサエレメントは伝達された力の大
きさに応じて出力信号を変化する。[Function] In the semiconductor pressure sensor of the present invention having the above configuration (
The load acting on the pressure receiving surface of the diaphragm is transmitted to the sensor element via a transmission rod integrally formed with the diaphragm. The sensor element changes its output signal depending on the magnitude of the transmitted force.
上述のようにダイアフラムと伝達ロッドとはジルコニア
の一体成形により構成さね寸法精度がよいから、ダイア
フラムから伝達ロッドまでの力の伝達系のばね定数がセ
ンサの個々で均一化する。As mentioned above, since the diaphragm and the transmission rod are integrally molded from zirconia and have good dimensional accuracy, the spring constant of the force transmission system from the diaphragm to the transmission rod is made uniform for each sensor.
この結果、センサ個々の圧力−出力特性のばらつきが小
さくなる。As a result, variations in the pressure-output characteristics of individual sensors are reduced.
また、ジルコニアは機械的強度に優れかつ耐熱性が高い
から、長期の使用や高温環境下での使用によっても、経
時変化が微小である。したがって、センサの圧力−出力
特性の変化がほとんどない。Furthermore, since zirconia has excellent mechanical strength and high heat resistance, there is minimal change over time even after long-term use or use in a high-temperature environment. Therefore, there is almost no change in the pressure-output characteristics of the sensor.
さらに、ダイアフラムと伝達ロッドとが同一材料（ジル
コニア）からなり、線膨張率が同じであるから、温度変
化によって体積変化が生じても、ダイアフラムと伝達ロ
ッドとの間１こ、体積変化による歪がほとんど発生ぜず
、圧カー呂力特性の変化がほぼない。Furthermore, since the diaphragm and the transmission rod are made of the same material (zirconia) and have the same coefficient of linear expansion, even if a volume change occurs due to a temperature change, there will be no strain due to the volume change between the diaphragm and the transmission rod. This hardly occurs, and there is almost no change in the pressure characteristics.
「実施例］
以下本発明の半導体圧力センサの実施例について説明す
る。第１図は第１実施例の半導体圧力センサの縮断面図
である。Embodiments Examples of the semiconductor pressure sensor of the present invention will be described below. FIG. 1 is a reduced cross-sectional view of the semiconductor pressure sensor of the first embodiment.
半導体圧力センサはバルク型のセンサであって、ダイア
フラム］と、伝達ロッド３と、センサエレメント５と、
ハウジング７とを備える。The semiconductor pressure sensor is a bulk type sensor, and includes a diaphragm, a transmission rod 3, a sensor element 5,
A housing 7 is provided.
ダイアフラム］および伝達ロッド３は、部分安定化ジル
コニアの一体成形により構成される。部分安定化ジルコ
ニアは曲げこわさが大きく、かつ耐熱性と熱絶縁性とに
優れる材料である。熱伝導率は２．５Ｗ／ｍＫであり、
極めて小さい。diaphragm] and the transmission rod 3 are integrally formed of partially stabilized zirconia. Partially stabilized zirconia is a material with high bending stiffness and excellent heat resistance and thermal insulation. The thermal conductivity is 2.5W/mK,
Extremely small.
ダイアフラム１の外周部には円筒部９が部分安定化ジル
コニアの一体成形により構成される。円筒部９の下端部
には、メタライジング層］］が形成される。このメタラ
イジング層］］ヲ介して、ダイアフラム］等の一体成形
品が、ろう付は部１３によりハウジング７に接合される
。メタライジング層］］は、タングステン等により形成
される。A cylindrical portion 9 is formed integrally with partially stabilized zirconia on the outer periphery of the diaphragm 1. A metallizing layer] is formed at the lower end of the cylindrical portion 9. Through this metallizing layer, an integrally molded product such as a diaphragm is joined to the housing 7 by a brazing section 13. The metallizing layer] is formed of tungsten or the like.
ろう付は部１３は銀ろうによりなさ札耐熱性が与えられ
る。なお、ハウジング７は鉄、〕バール、各種ステンレ
ス材等から形成される。The brazing part 13 is made of silver solder to provide heat resistance. The housing 7 is made of iron, burr, various stainless steel materials, or the like.
センサエレメント５はセンサチップ１５と、センサチッ
プ］５に接合された台座］７とを備える。The sensor element 5 includes a sensor chip 15 and a pedestal 7 joined to the sensor chip 5.
合作］７の底面は接着剤１９によりハウジング７の内部
の底に取り付けられる。接着剤１９には、通常、エポキ
シ系またはフェノール系樹脂の接着剤が用いられる。The bottom surface of the housing 7 is attached to the inner bottom of the housing 7 by adhesive 19. The adhesive 19 is usually an epoxy or phenol resin adhesive.
このセンサエレメント５乞、第２図（Ａ）の正面図、第
２図（Ｂ）の平面図に示す。This sensor element 5 is shown in a front view in FIG. 2(A) and a plan view in FIG. 2(B).
センサチップ］５は所定の結晶軸、所定の導電型（Ｐ型
）、所定の抵抗率を有する単結晶シリコンから形成され
た電圧−電流直交型歪ゲージである。平面形状は正方形
または長方形である。厚みは数μｍから数百μｍである
。The sensor chip 5 is a voltage-current orthogonal strain gauge made of single crystal silicon having a predetermined crystal axis, a predetermined conductivity type (P type), and a predetermined resistivity. The planar shape is square or rectangular. The thickness is from several μm to several hundred μm.
センサチップ］５の上面には、４辺の各々にそって、４
個の電極２］がアルミニウム等の薄膜により形成される
。４個の電極２１のうち、図示するように、２個が入力
電極、２個が出力電極である。入力の＋、−電極は、所
定の結晶軸方向の２辺にそって配置される。出力の＋、
−電極は、入力電極の配置された辺に隣接し直交する２
辺のそれぞれにそって配置される。入力の＋、−電極間
に１表 あらかじめ定電圧または定電流が印加される。sensor chip] 5 along each of the four sides.
The electrodes 2] are formed of a thin film of aluminum or the like. Of the four electrodes 21, two are input electrodes and two are output electrodes, as shown. The input + and - electrodes are arranged along two sides in a predetermined crystal axis direction. Output +,
- The electrode has two adjacent and orthogonal sides to the side on which the input electrode is arranged.
placed along each side. A constant voltage or current is applied in advance between the + and - input electrodes.
出力の＋、−電極間には、センサチップ］５の圧縮歪に
比例した電圧出力が発生する。A voltage output proportional to the compressive strain of the sensor chip 5 is generated between the + and - output electrodes.
上記各電極２１（上 第１図に示すように、ボンディン
グワイヤ２３により、信号取出用のリード端子２５に接
続される。リード端子２５は、第１図に示すように、ハ
ウジング７を貫通して外部に突出する。Each of the electrodes 21 (above) is connected to a lead terminal 25 for signal extraction by a bonding wire 23, as shown in FIG. protrude outward.
一方、台座１７は耐熱ガラス（商品名パイレックス＃７
７４０など）や、結晶化ガラス、シリコン等から形成さ
れる。なお、台座］３の材料としては、その材料の線膨
張率が、シリコン（センイノーチップ］５の材料）の線
膨張率に近い値のものが選択される。On the other hand, the pedestal 17 is made of heat-resistant glass (product name: Pyrex #7
740, etc.), crystallized glass, silicon, etc. As the material for the pedestal] 3, a material whose coefficient of linear expansion is close to that of silicon (the material of the Senino tip 5) is selected.
センサチップ］５の上面にはロッド２７が接合される。A rod 27 is joined to the upper surface of the sensor chip 5.
ロッド２７は伝達ロッド３の伝達する力を、センサチッ
プ１５の所定部分に伝達する。ロッド２７の材料として
は、台座１３と同様の材料が選択される。The rod 27 transmits the force transmitted by the transmission rod 3 to a predetermined portion of the sensor chip 15. As the material of the rod 27, the same material as that of the base 13 is selected.
上記台座１３とロッド２７とは、いずれもセンサチップ
１５に、陽極接合等の直接接合により接合される。直接
接合されていても、上述のように台座１３と伝達ロッド
２７とに、線膨張率に配慮した材料が用いられるから、
台座１３とセンサチップ］５との間や、伝達ロッド２７
とセンサチップ］５との間には、熱による歪が発生しな
い。なお、陽極接合は、接着剤を用いずに静電力で接合
する方法である。高温、高電圧印加にて、接合部材の界
面が融合することを利用する。陽極接合によれ（ｆ−接
合部の歪や熱応力が小さくなり、接合強度が高くなる。Both the pedestal 13 and the rod 27 are bonded to the sensor chip 15 by direct bonding such as anodic bonding. Even if they are directly joined, as mentioned above, the pedestal 13 and the transmission rod 27 are made of materials that take into consideration the coefficient of linear expansion.
between the pedestal 13 and the sensor chip] 5, or the transmission rod 27
and sensor chip] 5, no distortion due to heat occurs. Note that anodic bonding is a method of bonding using electrostatic force without using an adhesive. It takes advantage of the fact that the interfaces of the joining members fuse together when high temperature and high voltage are applied. Anodic bonding reduces strain and thermal stress at the f-junction, increasing bonding strength.
上記構成を有する半導体圧力センサにおいては、ダイア
フラム１の受圧面に作用する荷重が、ダイアフラム］に
一体成形した伝達ロッド３と、ロッド２７どを介して、
センサエレメント５に伝達する。センサエレメント５の
センサチップ１５は、伝達された力の大きさに応じて圧
縮歪を生する。In the semiconductor pressure sensor having the above configuration, the load acting on the pressure receiving surface of the diaphragm 1 is transmitted through the transmission rod 3 integrally formed with the diaphragm, the rod 27, etc.
The signal is transmitted to the sensor element 5. The sensor chip 15 of the sensor element 5 produces compressive strain depending on the magnitude of the transmitted force.
この結果、伝達された力に応じた電圧出力、即ち被測定
対象の圧力に応じた電圧出力がリード端子２５から検出
される。As a result, a voltage output corresponding to the transmitted force, that is, a voltage output corresponding to the pressure of the object to be measured, is detected from the lead terminal 25.
既述したように、ダイアフラム］と伝達ロッド３とは部
分安定化ジルコニアの一体成形により構成されるから、
寸法精度がよい。したがって、ダイアフラム］から伝達
ロッド３までの力の伝達系のばね定数は、センサの個々
でほぼ一定になる。As mentioned above, since the diaphragm and the transmission rod 3 are integrally formed of partially stabilized zirconia,
Good dimensional accuracy. Therefore, the spring constant of the force transmission system from the diaphragm to the transmission rod 3 is approximately constant for each sensor.
センサの個々の圧力−出力特性がばらつかず、そろう。The individual pressure-output characteristics of the sensors do not vary and are uniform.
ヒステリシス特性の向上も図られる。Hysteresis characteristics can also be improved.
また、部分安定化ジルコニアは曲げこわさが大きく、耐
熱性に優れるから、長期の使用や高温環境下での使用に
よっても、経時変化がほとんど発生せず、センサの圧力
−出力特性が変化しない。In addition, partially stabilized zirconia has high bending stiffness and excellent heat resistance, so even when used for a long time or in a high temperature environment, there is almost no change over time, and the pressure-output characteristics of the sensor do not change.
さらに、ダイアフラム］と伝達ロッド３とが部分安定化
ジルコニアからなり、線膨張率が同じであるから、温度
変化にともなってダイアフラムと伝達ロッドとが体積変
化しても、歪がほとんど発生せず、圧力−出力特性が変
化しない。Furthermore, since the diaphragm and the transmission rod 3 are made of partially stabilized zirconia and have the same coefficient of linear expansion, almost no distortion occurs even if the diaphragm and the transmission rod change in volume due to temperature changes. Pressure-output characteristics do not change.
以上説明したように、第１実施例に示す半導体圧力セン
サによれば、ダイアフラム１と伝達ロッド３とを部分安
定化ジルコニアの一体成形により構成したから、センサ
の個々で圧力−出力特性りくそろうとともに、セ〉・す
の圧力−出力特性がほとんど変化１〜ないという優れた
効果乞奏する。As explained above, according to the semiconductor pressure sensor shown in the first embodiment, since the diaphragm 1 and the transmission rod 3 are integrally molded of partially stabilized zirconia, the pressure-output characteristics of each sensor can be well matched. The excellent effect is that the pressure-output characteristics of , S and S show almost no change.
また、部分安定化ジルコニアは熱絶縁性があるから、被
測定物の温度が５００°Ｃり越える場合でも、センザエ
レメン）・５の温度上昇が抑えら札良好な測定精度が得
られる利点がある。もちろん、５００″Ｃを越える場合
でも、部分安定化シルコアからなるダイアフラム］の機
能は損なわれない。Further, since partially stabilized zirconia has thermal insulation properties, it has the advantage that even when the temperature of the object to be measured exceeds 500°C, the temperature rise of the sensor element 5 can be suppressed and good measurement accuracy can be obtained. Of course, even if the temperature exceeds 500''C, the function of the diaphragm made of partially stabilized silcore is not impaired.
従来のセンサでは、ダイアフラムが金属製であったため
、このような高温下では、その機能が熱応力やクリープ
によって損なわれてしまい、測定できず、使用温度範囲
が制約された。In conventional sensors, the diaphragm is made of metal, so its function is impaired by thermal stress and creep at such high temperatures, making it impossible to measure and limiting the operating temperature range.
加えて、部分安定化ジルコニアは曲げこわさが大きいの
で、高圧力の測定が可能である。In addition, partially stabilized zirconia has high bending stiffness, allowing high pressure measurements.
こうしたことからこの半導体圧力センサは、高温環境下
での高圧力の測定に適用できる。例えば自動車エンジン
の燃焼圧力の検出など、過酷な測定条件においても良好
に働く。For these reasons, this semiconductor pressure sensor can be applied to high pressure measurements in high temperature environments. It works well even under harsh measurement conditions, such as detecting combustion pressure in automobile engines.
以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこう
した実施例に何等限定されるものではなく、例えば伝達
ロッドの断面形状は円形でも多角形でもよく、伝達ロッ
ドやダイアフラムの形状は問わないなど、本発明の要旨
を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得る
ことは勿論である。Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments in any way. For example, the cross-sectional shape of the transmission rod may be circular or polygonal, and the shape of the transmission rod or diaphragm does not matter. It goes without saying that the invention can be implemented in various ways without departing from the spirit of the invention.
発明の効果
以上詳述したように、本発明の半導体圧力センサによれ
ば、ダイアフラムと伝達ロッドとをジルコニアの一体成
形により構成したから、センサ個々の圧力−出力特性の
ばらつきや、センサの圧力出力特性の変化を軽減できる
という優れた効果を奏する。Effects of the Invention As detailed above, according to the semiconductor pressure sensor of the present invention, since the diaphragm and the transmission rod are integrally molded of zirconia, variations in the pressure-output characteristics of each sensor and pressure output of the sensor can be avoided. It has the excellent effect of reducing changes in characteristics.
第１図は本発明の半導体圧力センサの第１実施例を示す
縮断面図、第２図（Ａ）はそのセンサエレメントの正面
図、第２図（Ｂ）はセンサエレメントの平面図である。
１・−・ダイアフラム
３・・・伝達ロッド
５・・・センサエレメント
７・・・ハウジング
］５・・・センサチップ
２１・・・電極FIG. 1 is a reduced sectional view showing a first embodiment of the semiconductor pressure sensor of the present invention, FIG. 2(A) is a front view of the sensor element, and FIG. 2(B) is a plan view of the sensor element. 1...Diaphragm 3...Transmission rod 5...Sensor element 7...Housing] 5...Sensor chip 21...Electrode
Claims (1)
に作用する荷重を伝達する伝達ロッドを設け、該伝達ロ
ッドを介して前記作用する荷重を、作用力の大きさに応
じ出力信号を変化するセンサエレメントに伝達する半導
体圧力センサにおいて、前記ダイアフラムと前記伝達ロ
ッドとをジルコニアの一体成形により構成したことを特
徴とする半導体圧力センサ。1 A sensor element that is provided with a transmission rod that transmits the load acting on the diaphragm on the opposite surface of the pressure-receiving surface of the diaphragm, and that changes the output signal of the applied load in accordance with the magnitude of the applied force via the transmission rod. What is claimed is: 1. A semiconductor pressure sensor for transmitting power to a semiconductor device, wherein the diaphragm and the transmission rod are integrally molded from zirconia.
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15215990A Expired - Lifetime JP2822613B2 (en) | 1990-06-11 | 1990-06-11 | Semiconductor pressure sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2822613B2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010266441A (en) * | 2009-05-13 | 2010-11-25 | Lsi Corp | Electronic pressure sensing device |
-
1990
- 1990-06-11 JP JP15215990A patent/JP2822613B2/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010266441A (en) * | 2009-05-13 | 2010-11-25 | Lsi Corp | Electronic pressure sensing device |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2822613B2 (en) | 1998-11-11 |
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Legal Events
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