JPH05133828A - 圧力変換装置とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 応答特性の均一な圧力変換機とその製造方法
を提供すること。 【構成】 ケーシングと、ダイアフラムと、ビーム手段
と、ビーム手段をダイアフラムを横断して離間配置する
よう、ダイアフラムとビーム手段とを支持する手段と、
ダイアフラムが変形した時ビーム手段も変形するよう、
前記ダイアフラムとビーム手段と間に延在する力伝達手
段と、前記ケーシングの一端に接続した圧力伝達ポート
部材と、前記ビーム手段の中点に配置された半導体材料
のストリップのストレンゲージユニットと、第１と第２
のストレンゲージセンサに接続され、前記ビーム手段の
変形を、指示する信号を伝送する信号伝送手段とを有す
る。その製造方法において、ダイアフラムと前記の手段
をスペーサを介して組立て、溶融することに気密にする
ことにより、一括して大量に製造できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧力トランデューサの
製造方法に関し、特に、ストレンゲージ圧力トランデュ
ーサの改良とその製造方法の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧力や機械的な動き測定するストレンゲ
ージ圧力トランデューサは、公知であり、これらについ
ては米国特許第３６１１３６７号、４６８３７５５号、
４７９３１９４号、４７３７４７３号、４５７６０５１
号，４４４２７１７号、４４１０８７１号を参照のこ
と。また、ストレンゲージ圧力トランデューサの種々の
ものがカルホルニア州サンタクララのナショナル・セミ
コンダクタ・コーポレーション発行の「圧力トランデュ
ーサと温度トランデューサ」に開示されている。

【０００３】所定厚のシート材料から構成される改良型
圧力トランデューサが米国特許第４３２７３５０号に開
示されている。さらに、この改良型が米国特許第４３６
８５７５号に開示されている。これら両方の特許は、ダ
イアフラムと変形ビームとを有し、この変形ビームは、
少なくとも２個のストレンゲージ、すなわち、センサー
を有し、ダイアフラムが圧力変化で変形したとき、それ
に応答して変形するよう構成されている。このストレン
ゲージ（センサー）は、ダイアフラムの変形量を指示す
るよう応答する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】米国特許第４３６８５
７５号及び特公昭４３ー２１３９４号公報に開示された
発明に係る製品は商業的成功をおさめてはいるが、ここ
に開示された製造方法には限界がある。その一つは、セ
ンサーはビームに接着されるシリコンまたはゲルマニュ
ウムの細長ストリップである点である。この細長ストリ
ップは、拡散により形成されたストレンゲージである。
それらは非常に小さいので（一般的に、０．００５ｍｍ
−０．１２７ｍｍの厚さで、２．５４ｍｍの長さ、０．
１２７ｍｍの幅である）、この細長ストリップは取扱い
が難しく、適切な電気回路に接続するのが困難である。

【０００５】上記のごとく、金製端子パッドを細長スト
リップに接続することは難しく、なかでも金製リードを
直接細長ストリップに接続することは困難である。実際
的方法としては、金製リードの接着は熱−圧縮溶着で行
われるのが最も良い。しかし、この方法は、時間もかか
り、高価である。その理由の一つとしてはそれら金製リ
ードと細長ストリップが小さいことである。

【０００６】第２の理由は、ストレンゲージセンサーを
形成するシリコンまたはゲルマニュウム製の複数の細長
ストリップの使用により発生するストレンゲージ特性の
非均一性に関係している。

【０００７】更に別の問題としては、その電気抵抗を調
整するために、シリコンまたはゲルマニュウムをエッチ
ングする必要がある点である。このようなエッチングプ
ロセスでは、０．０５ｍｍ−０．１２７ｍｍの厚さのシ
リコンまたはゲルマニュウムの細長ストリップを約０．
０１２７ｍｍの厚さにまでエッチングする。明らかに、
このようなエッチングプロセスは、制御が難しく、時間
もかかる。

【０００８】更にまた別の問題としては、細長ストリッ
プがビームに接続される前に、ワイヤリードを直接小さ
な細長ストリップに接着する必要がある点である。この
ワイヤリードは、ランダムな方向を採る傾向があり、こ
のリードを回路にロボットまたは他の機械的手段で接着
することは実際的ではない。それ故、本発明のなされる
以前は、端子リードを回路基板に手作業で接着してい
た。

【０００９】本発明の目的は、米国特許第４３２７３
５、第４３６８５７５号に開示された圧力トランデュー
サとその製造方法の改良にある。

【００１０】本発明の他の目的は、米国特許第４３２７
３５、第４３６８５７５号に開示された圧力検知モデュ
ールとその製造方法の改良にある。

【００１１】本発明の更に他の目的は、米国特許第４３
２７３５、第４３６８５７５号に開示された圧力検知モ
デュールと圧力トランデューサとその製造方法の利点を
有しながら、更に、経済的な製造方法を提供することで
ある。

【００１２】本発明の更に別の目的は、ストレンゲージ
応答特性の均一性を有するストレンゲージ圧力検知モデ
ュールと圧力トランデューサを提供することである。

【００１３】本発明の更に別の目的は、特公昭６３ー４
５０５０号公報に記載された圧力変換機を改良し、新規
な所定範囲の流体圧力に応答するに適したビーム型のス
トレンゲージ圧力検知トランデューサを提供することで
ある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記の利点および目的
は、本発明の装置と方法により達成される。すなわち、
シリコンまたはゲルマニュウムのストリップを利用し、
それらは、米国特許第４３６８５７５号に記載された方
法に使用される個々のストリップより大きく、また、そ
の大きさは、（ａ）各ストリップ上の２個のゲージの形
成と（ｂ）各ストリップ上のボンディングパッドの形成
に十分な程である。

【００１５】ボンディングパッドのゲージストリップへ
の接合は、このゲージストリップのビームへの接合の前
に行われ、この為、このボンディングパッドの接合は自
動的に行われ、シリコン処理技術、例えば、蒸着、スパ
ッタリング等の公知の技術を用いて行われるのが好まし
い。

【００１６】一般的に好ましい実施例では、本発明の方
法は、以下のステップを有する。（ａ）ビームとダイア
フラムとを有する機械装置を構成するために、ブレージ
ング（例：ろう付け、または、ハンダ付け）と機械的な
変形にまたは、適当な接着剤により機械部品を結合する
ステップ、

【００１７】（ｂ）非気密シールされた圧力検知モジュ
ールを形成するために、複数のストレンゲージユニット
を、既に具備されているボンディングパッドで、適当な
接着剤（例：エポキシレジン）を用いて、ビームに接着
するステップ、

【００１８】（ｃ）インターフェース（相互接続、拡
張）ボードを、前記機械装置の一端に、（エポキシレジ
ンのような適当な接着剤を用いて）、複数の端子パッド
を有するボードとともに接続するステップ、（ｅ）ゲー
ジユニット上のボンディングパッドとインターフェース
ボード上の第１組の端子パッドとの間にワイヤリードを
接着するステップ、

【００１９】（ｆ）更に追加のワイヤリードをインター
フェースボード上の第２相補組の端子パッドに接着する
ステップ、（ｇ）このワイヤリードを適当なヘッダ部材
を介して圧縮するステップ、（ｈ）気密シールされた圧
力検知モジュールを形成するために、このヘッダを前記
機械装置に接着するステップ．

【００２０】その後、前記の気密シールされた圧力検知
モジュールは、温度と圧力のサイクルにさらすことによ
り、テストされる。この操作により、ダイアフラムとビ
ームの圧力変化に対する応答と、ゲージユニット２０の
２個のゲードの応答とをチェックする。その後、このモ
ジュールは、それ自身を外部回路に接続する端子手段を
有する完全な圧力変換装置を形成するのに使用される。

【００２１】完全な圧力トランデューサ装置の形成は、
少なくとも以下の（ｉ）から（ｎ）のステップから選択
された組立て方法により実施される。

【００２２】（ｉ）入力／出力ホイーストンブリッジ回
路を前記圧力検知モジュールに載置し、ヘッダから入力
端子に出るワイヤリードを入力／出力回路ボード上に接
続するステップ、（ｊ）出力リードワイヤを入力／出力
回路ボード上の出力端子に接続するステップ、

【００２３】（ｋ）入力／出力回路ボード上のホイース
トンブリッジの選択された抵抗を、ゲージユニット２０
の前のテストから得られた値に基づいて、修正するステ
ップ、（ｌ）圧力検知モジュールを外部ハウジングで包
囲するステップ、（ｍ）この外部ハウジングを圧力検知
モジュールに固定するステップ、（ｎ）この外部ハウジ
ングを接続部品で閉じるステップ。

【００２４】

【実施例】図１−１０には、約５００ｐｓｉ以上の圧力
を測定する本発明の実施例が図示されている。この実施
例には、図１−４に図示された要素と、ハウジンクと図
５−１０に図示された他の要素とを有する検知モジュー
ルを有する。

【００２５】図１−５によれば、検知モジュールは、ト
ップリングすなわちスペーサ２と、真ちゅう製リング
（スペーサ）４と、ビーム（ユニット）６と、真ちゅう
製リング（スペーサ）８と、内部環状ケース１０と、ダ
イアフラム（ユニット）１２と、リング１４と、ポート
部材１６と、ストレンゲージユニット２０（図３）とを
有する。

【００２６】図３によれば、このストレンゲージユニッ
ト２０は、細長ストリップ２１を有し、この細長ストリ
ップ２１は、単結晶のｐ型シリコンで、その長手方向に
そって、＜１１１＞または＜１１０＞方向性と、０．１
０−０．１６ｏｈｍ−ｃｍの抵抗を有し、１００個／ｃ
ｍ2 以下の転位しか有さず、端部間のゲージ抵抗が約７
００−１０００オームであるのが好ましい。また、半分
のケージ間の抵抗バランスは、３％以内であるのが好ま
しい。また、約０．０１２７−０．０３８ｍｍの厚さを
有し、ストリップの抵抗値はその厚さに対する支配係数
であるのが望ましい。

【００２７】ストリップ２１は、約５．２ｍｍの長さ
で、約２．５４ｍｍの幅を有するのがよい（図３）。こ
のストリップ２１は、超音波ワイヤボンディングに適し
た金属パッド２２Ａ、２２Ｂ２２Ｃを有する。この金属
パッド２２Ａ，２２Ｂ、２２Ｃは、ストリップ上に、側
面から離間し、ストリップの端部に隣接した島として、
ストリップの全幅に形成される。

【００２８】この金属パッド２２Ａ，２２Ｂ、２２Ｃ
は、シリコン上に金属を堆積させることにより形成し、
しかもその金属は金がよい。また、この金属パッドは、
広い温度範囲にわたり、シリコンとオーム性接触を維持
するのがよい。また、このストリップは、平滑な端部を
有し、切断する際または、化学エッチングの際生じるこ
とのあるマイクロクラックが存在しないのが好ましい。

【００２９】部品要素２，６，１０，１２，１６は、金
属製である。好ましくは、それらは、ステンレススチー
ル製であるが、他の金属でもよい。部品要素リング４，
８，１４は、１３００−１６００度Ｆで溶融する銀はん
だ金属製である。本発明の実施に際しては、はんだ付け
温度は、一般的に溶融点からこの溶融点以上５０度Ｃの
温度まで変化する。

【００３０】ポート部材１６は、貫通口２０を有し、そ
の一端に、外部ネジ突起部１５を有し、この外部ネジ突
起部１５は、その圧力が測定される流体を開口２０に導
く圧力分配部材（図示せず）にネジ結合する。溝２３
（図１）は、外部ネジ突起部１５に設けられ、Ｏリング
２７（図１９）を収納し、圧力分配部材との気密シール
を形成する。ポート部材１６は、他端に突起部２４を有
し、この突起部２４は、ダイアフラムユニット１２とフ
ランジ２６とで形成される空間内に挿入される。

【００３１】ポート部材１６は、多角形（好ましくは，
６角形）端部表面２１を有する第２フランジ１９を有
し、外部ネジ突起部１５により圧力分配部材に結合する
際に、トランデューサを回転するために、使用され。溝
２５（図１２）は、フランジ１９と２６とを分離する。

【００３２】図２，４とから分かるように、ダイアフラ
ムユニット１２は、ダイアフラム３０で閉塞されている
環状シリンダ２８を有し、このダイアフラム３０は、そ
の一側面に一体形成された突起部３４を有する。ダイア
フラム３０は、環状シリンダ２８の側壁に比較して薄い
側壁を有する。好ましくは、ダイアフラム３０は、ダイ
アフラムユニット１２を所定の厚さＨを有する端部壁で
形成し、その端部壁の外部面に環状溝３２を機械加工
し、比較的薄いダイアフラム３０と環状センター突起部
３４を形成する。

【００３３】あるいは、ダイアフラム３０と環状溝３２
と突起部３４とは、ダイアフラムユニット１２の端部壁
を機械的に変形させること（すなわち、機械プレスを用
いてダイ形成操作により）により、形成される。ダイア
フラムユニット１２のシリンダ２８の内径は、突起部２
４でポート部材１６が緊密に接触するような、大きさで
ある。

【００３４】リング１４は、ポート部材１６の突起部２
４になめらかに入るような大きさで、円筒状ケース１０
内で緊密に適合する。ダイヤフラム１２のシリンダ２８
（図４）の外径は、円筒状ケース１０の内面に緊密に適
合する大きさである。ビーム６は、環状ディスクの形状
をしており、その外径は、円筒状ケース１０の内面に緊
密に適合する大きさである。

【００３５】真ちゅう製リング４，８は、円筒状ケース
１０に密着接触するような外径を有している。ビーム６
は、２個の並行細長穴４０、４２を具備し、その両端に
固着される細長半径方向に伸びたビーム４４を形成す
る。しかし、ビーム４４の有効長さは、スペーサ２の内
径で決定される。それは、リング２は、ビーム６に係合
するからである。

【００３６】リング８は、半径方向に伸びた橋部分４８
を有する。ビーム６とリング８は、橋部分４８が直角方
向に伸び、ビーム４４と交差するように方向づけられて
いる。すなわち、橋部分４８がビーム４４と直交してい
る。

【００３７】上記の構成部品は、図１、２に示した順序
で組み立てられる。リング１４とダイアフラム１２は、
突起部２４にフィットし、円筒状ケース１０がダイアフ
ラム１２とリング１４を包囲し、フランジ２６と係合す
る。リング８は、円筒状ケース１０内に配置され、ダイ
アフラム１２の周囲肩部３５と係合する（図４）。

【００３８】一方、ビーム６は、リング４とリング８と
の間に挟持され、ビーム４４はリング８の橋部分４８に
直角方向に伸びる。リング４は、ビーム６の周囲リング
部分７に係合する。リング４とリング８の内径はほぼ同
一で、リング４がビーム６内の細長穴４０、４２の端部
にオーバラップしないようなサイズである。トップリン
グ２は、リング４と係合し、円筒状ケース１０に適合す
る。

【００３９】トップリング２の内径は、リング４、８の
内径より小さい。上記構成部品が図１、２に図示するよ
うに組み立てられると、それらは加熱され、リング４、
８、１４が溶融し、隣接する部品に接着する。これによ
り、一体化された非密閉センサー組立体を形成する。こ
こで、円筒状ケース１０はリング２、ビーム６、ダイア
フラム１２、ポート部材１６のフランジ２６に溶融した
リング４、８、１４で固着される。

【００４０】その後、シリコンのストレンゲージ２０
（図３）がビーム６のビーム４４に固定される。図５に
示すように、ストレンゲージ２０は、ビーム４４のセン
ターラインの一側面で、ポート部材１６と離間して配置
される。

【００４１】かくして得られたセンサ組立体は、他の部
品と組み合わされて、気密シールされた組立体が得られ
る。この組立体は、リング２に接続されるインターフェ
ースボード５０を有する（図１、５、７）。このインタ
ーフェースボード５０は、リング２に適当な手段（例え
ば、非導電性のエポキシレジン）で接着される。

【００４２】図５において、インターフェースボード５
０のリング２の反対の面は、３個の導電性入力パッド５
２と３個の導電性出力パッド５４とを有する。これらの
パッドの対応するものどうしは、ボードで相互接続され
ている。好ましくは、パッド５２はパッド５４と整合
し、これらのパッドは、ストレンゲージ２０のパッド２
２Ａ，２２Ｂ、２２Ｃの間と等しい距離だけ相互に離間
している。従って、インターフェースボード５０はリン
グ２に、３個のパッド５２がストレンゲージ２０のそれ
ぞれのパッド２２Ａ，２２Ｂ、２２Ｃと整合するよう、
配置される。

【００４３】図７において、インターフェースボード５
０のパッド５２は、ストレンゲージ２０の導電パッド２
２Ａ，２２Ｂ、２２Ｃに、３本の個別のワイヤ６０に接
続される。３本の別のワイヤ６２が、インターフェース
ボード５０上の導電性出力パッド５４に接続される。

【００４４】図７ー９において、スペーサ６４は溝６６
を有し、その一側面は円筒状ケース１０の隣接端部を収
納し、それと緊密に適合するような大きさである。スペ
ーサ６４は３個の開口６８Ａ、６８Ｂ，６８Ｃを有し、
それらはスペーサ６４と同心状のコード上に整合してい
る。３本のワイヤリード６２は開口６８Ａ、６８Ｂ，６
８Ｃを貫通し、その中で適当なポット化合物（例えばエ
ポキシレジンまたはガラス充填セメント）で密封され
る。

【００４５】スペーサ６４を円筒状ケース１０に永久的
な密封シールのできる適当な手段（例えばセメント、ハ
ンダ付け、溶着）で固着される。好ましくは、エポキシ
レジンが、スペーサ６４を円筒状ケース１０に固着する
のに、使用される。

【００４６】かくして構成された組立体は、「湿度シー
ル」圧力検知モジュールと同一である。

【００４７】溝６６の反対側のスペーサ６４の面は、開
口６８Ａ，６８Ｂ、６８Ｃを収納する細長凹部７０を有
する。スペーサ６４の同一面は、増幅機回路ボード７４
（図７）を収納支持する大きさのシェルフ７２を形成す
る対向開口を有する。この増幅機回路ボード７４は、複
数の電気部品と３個の導電性入力ターミナルパッド７８
と３個の導電性出力ターミナルパッド８０とを有する。
回路ボード７４はシェルフ７２に適当な手段（例、エポ
キシレジン）で固着される。

【００４８】ワイヤリード６２は回路ボード７４上の３
個の導電性入力ターミナルパッド７８に接続される。回
路ボード７４上の３個の導電性出力ターミナルパッド８
０は３本のワイヤリード８４に接続される。最終形態の
圧力変換機は外部シリンダハウジング９０を有する（図
６、７）。ハウジング９０はその端部で内部リブ９３を
構成する２個のコルゲート部９１で形成される。

【００４９】ハウジング９０は、円筒状ケース１０上に
かぶさり、種々の手段でポート部材１６に固定される。
好ましくは、図１の点線で示したように、ハウジング９
０はリブ９３の１つがフランジ２６に係合するよう配置
される。そして、クランプすることにより、すなわち、
その端部をフランジ１９、２６との間の溝２５の中に機
械的変形により曲げることにより、固定する。

【００５０】Ｏリング２９が、クランプの前に、溝２５
内に配置され、ハウジングの端部が溝２５内に曲げられ
る際に、ポート部材１６との間で圧縮され、気密シール
を形成するのが好ましい。

【００５１】ワイヤリード８４は、ハウジング９０内に
伸び、コネクタ部材９２の３個の導電性端子ピン９４と
接続される。コネクタ部材９２はメス型コネクタ部材
で、「パッカードメトリパック」として販売されている
従来のコネクタの半分である。このコネクタ部材９２は
３個のターミナルピン９４（図７、１０、これらのピン
は互いに絶縁されており）と、円筒状突起部９６とを有
し、この円筒状突起部９６はオス型コネクタ部材（図示
せず）を収納するよう構成され、突起部９６内の端子ピ
ン９４と電気的接触を形成する。

【００５２】図７に示すように、コネクタ部材９２は周
囲フランジ１００を有し、このフランジの溝９２にはＯ
リング１０２が配置される。フランジ１００は、ハウジ
ング９０内に緊密に結合する大きさで、他のリブ９３と
係合する。Ｏリング１０２は、ハウジグ９０とコネクタ
部材９２との間に気密シールを形成する。

【００５３】コネクタ部材９２は、ハウジング９０に接
着され、永久的気密シールを形成する。しかし、好まし
くは、ハウジング９０の隣接端は、フランジ１００に機
械的にめくられ、ハウジングとコネクタ部材とを機械的
に結合し、更に、Ｏリングでその間を気密シールする。

【００５４】図１１において、電気部品と増幅機回路基
板７４の接続状態が示されている。図１１の回路は、２
個のストレンゲージ２００Ａと２００Ｂとを有する。こ
のストレンゲージ２００Ａと２００Ｂとは、パッド２２
Ａと２２Ｂとの間のおよび、パッド２２Ｂと２２Ｃとの
間のシリコンストリップ２１に対応している。このスト
レンゲージ２００Ａと２００Ｂとは、抵抗２１０、２１
２、２１４、２１６を有する電圧分割回路に接続され
る。

【００５５】ストレンゲージ２００Ａの一端は、パッド
２２Ａで抵抗２１０と２１２との接続部に接続される。
抵抗２１０の他端は、正の端子２２０Ａに接続される。
ストレンゲージ２００Ｂの端部は、パッド２２Ｃで抵抗
２１４と２１６との接続部に接続される。抵抗２１６の
端部は、負の端子２２０Ｂに接続される。このストレン
ゲージ２００Ａと２００Ｂとの間の接続部は、パッド２
２Ｂより、第１オペアンプ２２４Ａの正の端子接続され
る。

【００５６】更に、サーミスタ２２６と抵抗２２８と
が、第２オペアンプ２２４Ｂの正の入力端子とパッド２
２Ｂとの間に接続される。キャパシタ２３０は、第２オ
ペアンプ２２４Ｂの正の入力端子とパッド２２Ｂとの間
に接続される。抵抗２３２と２３４との対は、抵抗２１
０，２１２、２１４、２１６により構成される電圧分割
ネットワークに接続される。

【００５７】ダイオード２４０は、第１オペアンプ２２
４Ａの制御ターミナルと端子２２０Ａとの間に接続され
る。第２キャパシタ２４２は、第１オペアンプ２２４Ａ
の第２制御ターミナルと第１制御ターミナルとの間に接
続される。また、第２キャパシタ２４２は、抵抗２１６
を出力端子２２０Ｂに接続するライン２４４にも接続さ
れる。

【００５８】更に、抵抗２５６は、第１オペアンプ２２
４Ａの負の入力端子と第２オペアンプ２２４Ｂの負の入
力端子との間に接続される。２個の抵抗２６０と２６２
とは、第１オペアンプ２２４Ａと第２オペアンプ２２４
Ｂとの出力端子の間に接続される。２個の抵抗２６４と
２６６とは、抵抗２３２と２３４との接続点と第２オペ
アンプ２２４Ｂの出力端子との間に接続される。第１オ
ペアンプ２２４Ａの出力端子は、回路出力端子２６８に
接続される。

【００５９】抵抗２６４と２６６との接続部は、オペア
ンプ２２４Ａと２２４Ｂとの負の入力端子に接続され
る。図示されてはいないが、端子２２０Ａ、２２０Ｂ、
２６８は、ワイヤ８４により、コネクタ部材９２のピン
９４に接続される。

【００６０】図１１の回路に図示されたアンプの利点
は、端子２２０Ａと２２０Ｂとにかかる電圧が増加する
と、端子２６８の出力電圧が、それに比例して増加する
点である。実際、トランデューサの出力電圧は、通常ア
ナログーディジタル変換機に接続され、そのため、トラ
ンデューサは、ディジタルマイクロプロセッサすなわち
コントローラ用の入力信号源として機能する。

【００６１】図１ー１１の装置は、以下に記述する方法
で制作される。

【００６２】図１の装置は、図２に示す方法で組立ら
れ、その後、この組立られた部品は、加熱され、リング
４，８，１４が溶融し、結合する。その後、ストレンゲ
ージ２０（図４）が、ビーム４４に適当な接着手段（好
ましくは、非導電性エポキシレジン）により接合され
る。ストレンゲージ２０は、ポート１６に面するビーム
の側に配置され、また、ビーム４４の中点の一側面に配
置される（図５）。

【００６３】その後、インターフェースボード５０は、
リング２に適当な接着手段（例：エポキシレジン）で、
接着され、ストレンゲージ２０と整合してビーム４４の
中央線の一側に配置される。好ましくは、インターフェ
ースボード５０は、センタパッド５２Ｂがストレンゲー
ジ２０の中央パッド２２Ｂと整合するよう配置される。

【００６４】上記の組立体は、その後、適当な温度
（例；約３００度Ｆ）で、適当な時間（約２時間）加熱
され、エポキシレジンを硬化させ、ストレンゲージ２０
とビーム４４とインターフェースボード５０とリング２
間を永久接合する。インターフェースボード５０は、ポ
ート１６の反対面に面するリング２の側に配置されるの
がよい。

【００６５】その後、３本のワイヤリード６０は、スト
レンゲージ２０のパッド２２Ａ，２２Ｂ、２２Ｃに接続
され、また、インターフェースボード５０の３本の入力
パッド５２にも接続される。次に、３本のワイヤリード
６２は、インターフェースボード５０の３本の入力パッ
ド５４に接続される。これらの相互接続は、ストレンゲ
ージパッド２２Ａ−Ｃと３個の入力パッド５２への相互
接続と同様、金リードを用いた圧着で接合されるのが好
ましい。３本のワイヤリード６２は、ヘッダ部材（スペ
ーサ）６４の開口６８Ａ、Ｂ，Ｃを貫通する。このヘッ
ダ部材（スペーサ）６４は、その後、円筒状ケース１０
に接合され、このケース１０が溝６６内にフィットす
る。

【００６６】ヘッダ部材６４は、溶接、ハンダ付けなど
により、円筒状ケース１０に接合されるが、好ましく
は、適当な接着手段（例：エポキシレジン）で接合され
るのがよい。エポキシレジン等が開口６８Ａ、Ｂ，Ｃに
注入されると、ヘッダ部材（スペーサ）６４と３本のワ
イヤリード６２との間は、気密シールが形成される。こ
の時点で、ポート部材１６とケース１０とヘッダ部材
（スペーサ）６４は、気密シールされたセンサ組立体を
形成する。

【００６７】図１ー７において、３本のワイヤリード６
２は、その後、入力／出力回路基板７４の３本の入力導
電性端子パッド７８に接続され、その後、この回路基板
７４は、肩部６８と係合してヘッダ部材（スペーサ）６
４内に配置される。入力／出力回路基板７４は、エポキ
シレジン等でヘッダ部材（スペーサ）６４に接合され、
また、アンプボードもシェルフ７２に接合される。

【００６８】その後、３本のワイヤリード８４は、回路
基板７４の導電性出力パッド８０に接続される。この３
本のワイヤリード８４は、ハウジング９０を貫通する。
その後、このハウジング９０は、ヘッダ部材６４とポー
ト部材１６のフランジ２６にかぶさり、そして、その端
部をフランジ１９と２６との間の空間に曲げ込むことに
より、固定する。

【００６９】Ｏリング２９が溝２５内に配置され、ハウ
ジング９０の端部がオリング２９の上にかしめられ、高
度な気密シールを提供する。その時、３本のワイヤリー
ド８４は、コネクタ部材９２の３本の端子ピン９４に接
着される。その後、コネクタ部材９２は、ハウジング９
０の対向端部に挿入され、そして、それにハウジング９
０の隣接端をコネクタ部材９２のフランジ１００上に機
械的に曲げることにより、固定する。前記の組立工程の
間に２つのテスト工程を挿入するのが好ましい。

【００７０】その第１のテスト工程は、非気密にシール
されたモジュールを３本のリード線６０（または６２）
を適当なテスト装置に接続することにより、テストす
る。その第２の工程は、３本のリード線８４を適当なテ
スト装置に接続する。このトランデューサは、（ハウジ
ングの組立前に）抵抗２１０、２１２、２１４、２１
６、２６０、２６４の値をレーザで調整することによ
り、更正する。

【００７１】第２の実施例 図１２ー１９は、１００ー５００ｐｓｉの範囲の圧力で
動作する第２の実施例の装置を図示している。別段規定
しない限り、図１２ー１９の要素部品は、図１ー１１に
示した要素部品と同一の部品を表す。

【００７２】この第２の実施例の場合、検知モジュール
は、リング２、ビーム６Ａ、スペーサ１１、ダイアフラ
ム支持部材１２、ダイアフラム１３、円筒状ケース１
０、ポート部材１６、リング４、８、９、１４、１５を
有する。この第２の実施例が図１ー１１に図示した第１
の実施例と異なる点は、ダイアフラム支持部材１２とビ
ーム６の面にビーム６Ａ、スペーサ１１、ダイフラム支
持部材１２Ａ、ダイアフラム部材１３、溶着リング９、
１５を有する点である。好ましくは、部品６Ａ、１１，
１２Ａ、１３は、ポート部材１６と同一材料で形成され
るのが好ましい。

【００７３】ビーム６Ａの断面図が、図１４、１５に示
されている。このビーム６Ａは、円盤状のディスクで、
２個の細長いアーク状の穴９２を有し、これらの穴９２
は、ビーム９６の反対側にそれぞれ存在する。ビーム９
６は、その一側面に突起部９８を有する。この構成で
は、ビーム６Ａは、金属を押圧して形成し、突起部９８
の形成は、ビーム９６の反対面に凹み穴１００を形成し
て行う。

【００７４】ダイアフラム１３は、ほぼ環状の金属製デ
イスクで、その厚さは、所定の圧力範囲、例えば、０ー
１００ｐｓｉまたは０ー５００ｐｓｉの圧力にさらされ
たとき、曲がることができる程度のものである。

【００７５】ダイアフラム支持部材１２Ａは、円筒状チ
ューブで、その外径は、円筒状ケース１０と緩くはまり
こむ大きさであり、その内径は、ポート部材１６の突起
部２４と緊密にはまりこむ大きさである。好ましくは、
ダイアフラム支持部材１２Ａの中心穴は、ダイアフラム
１３に面する面３９で面取りされ、この穴は、流体圧力
をポート部材１６を介して、ダイアフラム１３に伝達す
る。

【００７６】スペーサ１１とダイアフラム支持部材１２
Ａとは、リング８、１５で一体に溶着されていると、ダ
イアフラムディスク１３の環状周辺部に剛性支持を提供
する。ダイアフラムディスク１３の有効な流体圧力応答
領域は、リング１１の内径で決定される。

【００７７】この第２の実施例の組立方法は、図１ー１
１に示した第１の実施例とほぼ同一の方法で組立られ
る。図１２の部品は適当な時間、適当な温度で加熱さ
れ、溶融され、組み立てられる。リング１１の内側に配
置されたダイアフラム１３の部分は、中心穴を介して加
えられる流体圧力の変化に応答して、ダイアフラム支持
部材１２Ａから離れたり、向かったりして自由に曲が
る。

【００７８】その後、図１９に図示するように、前記の
組立体がストレンゲージ２０とインターフェースボード
５０とに固定される。このストレンゲージ２０とインタ
ーフェースボード５０は、リード線６０で接続される。

【００７９】この第２の実施例では、３本の電気的に絶
縁されたなピンを有するヘッダ部材（スペーサ）６４Ａ
が、用いられている。これらのピンは、３本のワイヤ６
２で、入力／出力ボード７４上の３本の入力パッド７８
に接続される。３本のワイヤ８４は、回路基板７４の３
個の出力端子パッド８０をコネクタ部材９２に接続す
る。

【００８０】ヘッダ部材６４Ａは、円筒状ケース１０に
適合する大きさである。このヘッダ部材６４Ａは、その
一側面に溝６６を有し、円筒状ケース１０の隣接内部端
部を収納し、それと緊密に適合する大きさである。ま
た、このヘッダ部材６４Ａは、棚７２を形成する対向穴
を有し、回路基板７４を収納支持する大きさであり、ま
た、ケース１０に溶着または適当な接着手段で固着され
る。

【００８１】図１２ー１９に図示された部品が一体化さ
れ、一体型の組立体が得られると、図１９の付加的な部
品が接続され、本発明の全ての利点を有する気密シール
されたトランデューサが得られる。また、テストが図１
ー１１と関連づけて実施される。

【００８２】

【発明の効果】以上述べたごとく、本発明によれば、半
導体ストリップを用いて、ストレンゲージは、共通のス
トリップで構成されるので、この２つの物理的な特性は
マッチし、応答をバランスさせる為に、いずれかのスト
レンゲージを修正する必要はない。アンプボード７４上
の選択した個別の抵抗を修正する代わりに、トランデュ
ーサを適切に更正すれば良い。このトランデューサの更
正のほうが、ストレンゲージの更正より費用も安く、か
つ簡単にできて、便利である。

【００８３】本発明の製造方法の利点としては、リング
（スペーサ）４、８、１４を本発明の装置に必要な部品
ダイアフラム１２、ビーム６、トップリング２の間に挿
入して組み立てた後、、それらまとめて炉内に入れ、ブ
レージング（溶融）することにより、比較的簡単に気密
が形成でき、圧力変換装置が大量に（一つずつ溶接やハ
ンダで形成する必要はなく）かつ比較的容易に製造でき
る。更に、本発明の一実施例では、ダイアフラムユニッ
ト１２がケースと一体に形成されているため、高い圧力
がダイアフラムにかかっても、応力分布が均一になり、
圧力応答特性が優れている。

【００８４】本発明の他の利点として、リング２は、ビ
ーム４４の正確な長さを決定するのに役立つ。リング２
の内径は、変形に応答するビームの動作部分を決定す
る。ビーム４４の有効長は、リング２の変化させること
により、変えられる。

【００８５】また、本発明の他の利点としては、この装
置の圧力範囲は、ビーム４４とダイアフラム１３と３０
との厚さを変化させることにより、変えることができ、
高い圧力範囲用には、より厚く堅いビームとダイアフラ
ムを用いればよい。

【００８６】変形例 以上述べた組立方法以外にも、部品の材料と配置を変更
することにより、種々の組立方法が存在する。例えば、
外部ボード５０は、ストレンゲージ２０をビーム４４に
固定するのに用いたエポキシセメントを硬化した後、あ
るいは、ストレンゲージ２０をビーム４４に保持するの
に用いたエポキシセメントの硬化と外部ボードをその位
置に保持するエポキシセメントを同時に硬化させた後、
リング２の上にエポキシレジンで固定することができ
る。

【００８７】外部ケース９０は、ポート部材１６とコネ
クタ部材９２に機械的な曲げで固定される必要はなく、
その代わり、溶着または、適当なセメントまたは接着剤
が、ハウジングとポート部材とコネクタ部材との間の気
密シール形成に用いられる。コネクタ部材９２の代わり
に、別の形状のコネクタ部材も使用されうる。

【００８８】図示したストレンゲージをビームの反対面
に配置した、または、ビームの同一面で中点の反対側に
配置した第２のストレンゲージを付加することができ
る。

【００８９】以上の説明は、本発明の一実施例に関する
もので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々
の変形例が考え得るが、それらはいずれも本発明の技術
的範囲に包含される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の非気密にシールされたモジ
ュールを有する組立体の軸方向断面図である。

【図２】図１の組立体の分解図である。

【図３】本発明のストレンゲージの平面図である。

【図４】図１ー３に図示された組立体のダイアフラムの
横断面図である。

【図５】図１ー２の組立体に配置されたコネクタボード
が配置された組立体を図１で右から左に見た部品の拡大
図である。

【図６】図１ー５に図示された組立体のトランデューサ
の側面図である。

【図７】図１ー６に図示されたストレンゲージを組み込
んだトランデューサの正面図である。

【図８】ヘッダ部材（スペーサ）６４の横断面図であ
る。

【図９】図８のヘッダ部材の右から左に見た正面図であ
る。

【図１０】図６のトランデューサを右から左に見た正面
図である。

【図１１】入力／出力ボードのアンプ回路とホイースト
ンブリッジの回路図である。

【図１２】本発明の第２の実施例を示す図１に相当する
図である。

【図１３】本発明の第２の実施例を示す図２に相当する
図である。

【図１４】本発明の第２の実施例のビーム部材の断面図
である。

【図１５】本発明の第２の実施例のビーム部材の背面図
である。

【図１６】本発明の第２の実施例のスペーサ部材の横断
面図である。

【図１７】本発明の別の実指例に使用されるヘッダ部材
の横断面図である。

【図１８】図１７のヘッダ部材の背面図である。

【図１９】本発明の他の実施例の図７に相当する展開図
である。

【符号の説明】

２ リング ４ リング ６ ビーム ８ リング １０ ケース １２ ダイアフラム ２０ ストレンゲージ ２１ 細長ストリップ ２２ 金属パッド ３２ 環状溝 ３４ 突起部 ３５ 肩部 ５０ ボード ５２ 入力パッド ５４ 出力パッド ９０ ハウジング ９４ ピン ９６ 円筒状突起部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ルイス ジエイ．パナゴトパロス アメリカ合衆国 02081 マサチユーセツ ツ ウオールポール エルムクレスト サ ークル ５

Claims (37)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ケーシングと、前記ケーシング内に配置
   されたダイアフラムと、前記ケーシング内に配置され、
   ダイアフラムの面に平行に延びる第１端部と第２端部と
   を有するビーム手段と、前記ケーシング内に配置され、
   ビーム手段をダイアフラムを横断して離間配置するよ
   う、ダイアフラムとビーム手段とを支持する手段と、ダ
   イアフラムが変形した時ビーム手段も変形するよう、前
   記ダイアフラムとビーム手段と間に延在する力伝達手段
   と、前記ケーシングの一端に接続した圧力伝達ポート部
   材と、前記ビーム手段に配置された半導体材料のストリ
   ップの少なくとも第１と第２のストレンゲージセンサを
   形成するストレンゲージユニットと、第１と第２のスト
   レンゲージセンサに接続され、（１）第１方向に変形し
   た時に、前記ビーム手段の変形を、（２）第１方向とは
   逆の第２方向に変形した時に、前記ビーム手段の変形
   を、指示する信号を伝送する信号伝送手段とを有するこ
   とを特徴とする圧力変換装置。
2. 【請求項２】 前記ストレンゲージユニットは、前記ス
   トリップ上に互いに離間して第１、第２、第３の端子パ
   ッドを有し、この第１、第２の端子パッドは第１ストレ
   ンゲージセンサの端子を形成し、この第２、第３の端子
   パッドは第２ストレンゲージセンサの端子を形成するこ
   とを特徴とする請求項１の装置。
3. 【請求項３】 前記ビーム手段は、ダイアフラムの直径
   方向に沿って延在することを特徴とする請求項１の装
   置。
4. 【請求項４】 力伝達手段は、前記ダイアフラムと一体
   形成されたことを特徴とする請求項１の装置。
5. 【請求項５】 力伝達手段は、前記ダイアフラム上に一
   体形成された突起部を有することを特徴とする請求項４
   の装置。
6. 【請求項６】 前記ダイアフラムは、平面部材であるこ
   とを特徴とする請求項４の装置。
7. 【請求項７】 前記ビーム手段は、直径方向に延びるビ
   ームを形成するよう開口を有する円盤状ディスクである
   ことを特徴とする請求項１の装置。
8. 【請求項８】 力伝達手段は、前記ダイアフラム上に一
   体形成された突起部を、そのほぼ中心領域にダイアフラ
   ムを係合する位置に有することを特徴とする請求項１の
   装置。
9. 【請求項９】 少なくとも前記手段のいくつかは、前記
   手段の間に配置されたリングにより、固定されることを
   特徴とする請求項１の装置。
10. 【請求項１０】 直径方向に延びるリブを有するリング
    を有し、このリングはダイアフラムとビーム手段との間
    に配置されることを特徴とする請求項９の装置。
11. 【請求項１１】 前記リブは、前記ビーム手段に直角に
    延びる方向にあることを特徴とする請求項１０の装置。
12. 【請求項１２】 前記圧力伝達ポート部材は、前記手段
    の少なくとも１つに接合されていることを特徴とする請
    求項１の装置。
13. 【請求項１３】 前記ダイアフラムは、ケーシング内に
    配置され、前記ダイアフラムを支持する部材の一部を有
    することを特徴とする請求項１の装置。
14. 【請求項１４】 前記ストレンゲージユニットは、シリ
    コンとゲルマニュウムからなる群から選択された半導体
    材料の一つのストリップを有することを特徴とする請求
    項１の装置。
15. 【請求項１５】 前記半導体材料は、シリコンであるこ
    とを特徴とする請求項１４の装置。
16. 【請求項１６】 前記半導体材料は、ゲルマニュウムで
    あることを特徴とする請求項１４の装置。
17. 【請求項１７】 前記ビーム部材は、シリコン成分の一
    部であることを特徴とする請求項１の装置。
18. 【請求項１８】 前記ケーシングを包囲するハウジング
    を更に有することを特徴とする請求項１の装置。
19. 【請求項１９】 前記ダイアフラムは、環状ダイアフラ
    ム支持部材を有するダイアフラムユニットの一部である
    ことを特徴とする請求項１の装置。
20. 【請求項２０】 前記ストレンゲージユニットは、ビー
    ム部材の前記圧力伝達ポート部材に対し反対面上に載置
    されることを特徴とする請求項１の装置。
21. 【請求項２１】 前記第１と第３の端子パッドは、前記
    ストリップの対向端に配置され、第２端子パッドは、前
    記対向端の間のほぼ中央に配置されることを特徴とする
    請求項１の装置。
22. 【請求項２２】 前記第１、第２、第３の端子パッドに
    接続し、前記ストレンゲージユニットからの電気信号を
    外部回路に接続する手段を有することを特徴とする請求
    項１の装置。
23. 【請求項２３】 前記ケーシングは、ダイアフラムと、
    ビーム手段と、力伝達手段と、少なくとも圧力伝達ポー
    ト部材の一部を包囲することを特徴とする請求項１の装
    置。
24. 【請求項２４】 前記ストレンゲージユニットは、０．
    ０１２７ｍｍから０．００３８１ｍｍの範囲の厚さのシ
    リコンのストリップであることを特徴とする請求項１の
    装置。
25. 【請求項２５】 前記ストレンゲージユニットは、約
    ０．２５４ｍｍの幅と約５．２ｍｍの長さのシリコンの
    ストリップであることを特徴とする請求項１の装置。
26. 【請求項２６】 内部ケーシングに固定される外部ハウ
    ジングと、前記ハウジング内の載置される入力／出力回
    路基板と、前記ストレンゲージユニットを前記入力／出
    力回路基板に接続する手段とを有することを特徴とする
    請求項１の装置。
27. 【請求項２７】 前記入力／出力回路基板は、ホイース
    トーンブリッジ回路を有することを特徴とする請求項２
    ６の装置。
28. 【請求項２８】 （ａ）ケーシングと、圧力伝達ポート
    部材と、ダイアフラムと、第１端部と第２端部とを有す
    る前記ビーム手段とこのビーム手段を包囲するマージン
    部分とを有するビームユニットと、ビームユニットをダ
    イアフラムを横断して離間配置するよう、ダイアフラム
    とビームユニットとを支持する手段と、前記圧力伝達ポ
    ート部材を介して印加された流体圧力によりダイアフラ
    ムが変形した時ビームユニットも変形するよう前記ダイ
    アフラムとビームユニットと間に延在する力伝達手段
    と、前記複数の手段を固定する予形成熱応答接合手段と
    を準備するステップ、（ｂ）ダイアフラムと、ビームユ
    ニットと、支持手段と、力伝達手段と、熱応答接合手段
    とを隣接して接触関係にあるようにケーシング内に配置
    し、前記ダイアフラムは前記圧力伝達ポート部材の縦軸
    に直角に延びる面にあるよう、ケーシングと、圧力伝達
    ポート部材と、ビームユニットと、支持手段と、力伝達
    手段と、予形成熱応答接合手段とを組立てるステップ、
    （ｃ）前記ステップで得られた組立体を、ケーシング
    と、圧力伝達ポート部材と、ダイアフラムと、支持手段
    と、力伝達手段とが一体になるよう、加熱するステッ
    プ、からなることを特徴とする圧力変換装置の製造方
    法。
29. 【請求項２９】 ストレンゲージユニットを、ステップ
    （ｃ）後、前記組立体に接合することを特徴とする請求
    項２８の方法。
30. 【請求項３０】 ストレンゲージユニットは、熱硬化性
    セメントで前記組立体に接合することを特徴とする請求
    項２８の方法。
31. 【請求項３１】 前記ストレンゲージユニットは、シリ
    コンまたはゲルマニュウムの１つのストリップで、この
    ストリップは、ビーム部材の１側面に載置されることを
    特徴とする請求項２９の方法。
32. 【請求項３２】 ストリップは、ストリップの対向端と
    中点に少なくとも３個のボンディングパッドを有し、電
    気リード線が、このパッドに接続されていることを特徴
    とする請求項２９の方法。
33. 【請求項３３】 前記ストレンゲージユニットは、０．
    ０１２７ｍｍから０．００３８１ｍｍの範囲の厚さのシ
    リコンのストリップであることを特徴とする請求項２９
    の方法。
34. 【請求項３４】 前記ストレンゲージユニットは、約
    ０．２５４ｍｍ台の幅と約５．２ｍｍ台の長さのシリコ
    ンのストリップであることを特徴とする請求項２９の方
    法。
35. 【請求項３５】 内部ケーシングに固定される外部ハウ
    ジングと、前記ハウジング内の載置される入力／出力回
    路基板と、前記ストレンゲージユニットを前記入力／出
    力回路基板に接続する手段とを有することを特徴とする
    請求項２９の方法。
36. 【請求項３６】 （ａ）ケーシングと、フレキシブルな
    ダイアフラムと、第１端部と第２端部とを有する前記ビ
    ーム手段とこのビーム手段を包囲するマージン部分とを
    有するビームユニットと、ビームユニットとダイアフラ
    ムとを以下の（１）と（２）の関係を有するよう支持す
    る手段を提供するステップと、（１）ビームユニットは
    ダイアフラムを横断して離間配置される関係、（２）力
    伝達手段は、前記ダイアフラムが変形した時ビームユニ
    ットも変形するよう、前記ダイアフラムとビームユニッ
    トと間に延在する関係、（ｂ）前記ダイアフラムは前記
    圧力伝達ポート部材の縦軸に直角に延びる面にあるよ
    う、ケーシングと、ダイアフラムと、ビーム手段と、支
    持手段とを隣接する関係にあるよう組立てるステップ、
    （ｃ）前記ステップで得られた組立体を、ケーシング
    と、圧力伝達ポート部材と、ダイアフラムと、支持手段
    と、力伝達手段とが一体になるよう、加熱するステッ
    プ、（ｄ）ストレンゲージユニットを前記ビームの前記
    圧力伝達ポート部材に対し反対面に配置するステップか
    らなることを特徴とする圧力変換装置の製造方法。
37. 【請求項３７】 ストレンゲージユニットを前記ビーム
    に配置するステップを有し、前記ストレンゲージユニッ
    トは、ドープしたシリコンのストリップを有し、このス
    トリップの中点と端部に３個の端子パッドを有すること
    を特徴とする請求項３６の方法。