JPH0610641B2 - Pressure sensor for high temperature fluid - Google Patents

Pressure sensor for high temperature fluid

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JPH0610641B2
JPH0610641B2 JP18633388A JP18633388A JPH0610641B2 JP H0610641 B2 JPH0610641 B2 JP H0610641B2 JP 18633388 A JP18633388 A JP 18633388A JP 18633388 A JP18633388 A JP 18633388A JP H0610641 B2 JPH0610641 B2 JP H0610641B2
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single crystal
crystal body
pressure
conversion element
force
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厚志 塚田
正治 竹内
義輝 大村
貞幸 林
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Toyota Central R&D Labs Inc
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は圧力センサ、特に高温流体の圧力を測定するた
めに用いられる圧力センサの改良に関する。
Description: FIELD OF THE INVENTION This invention relates to pressure sensors, and in particular to improvements in pressure sensors used to measure the pressure of hot fluids.

[従来の技術] 圧力センサは、各種分野において気体または液体などの
流体圧力を測定するために幅広く用いられており、特に
近年においては、高温、高圧の極めて激しい使用環境下
で用いられることも多い。従って、このような高温流体
の圧力測定用として用いられるセンサには、周囲の環
境、特にその温度に影響されることなく圧力を正確に測
定できる能力が要求される。
[Prior Art] Pressure sensors are widely used in various fields to measure the pressure of fluid such as gas or liquid, and in recent years, in particular, they are often used under extremely severe operating environments of high temperature and high pressure. . Therefore, the sensor used for measuring the pressure of such a high temperature fluid is required to have an ability to accurately measure the pressure without being affected by the surrounding environment, particularly the temperature thereof.

例えば、このような圧力センサを内燃機関の燃焼圧セン
サとして用いた場合には、温度が1000℃以上の燃焼
ガスによって影響されることなく、その圧力を長時間正
確に測定できる能力が要求される。
For example, when such a pressure sensor is used as a combustion pressure sensor for an internal combustion engine, it is required to have the ability to accurately measure the pressure for a long time without being affected by the combustion gas having a temperature of 1000 ° C. or higher. .

第2図には、従来の圧力センサの一例が示されており、
この圧力センサは、ダイヤフラム部10の表面に作用す
る燃焼ガスの圧力Pを、圧縮力Wとして熱絶縁体12を
介して力変換素子14に伝達し、力変換素子14から出
力される電気信号に基づき燃焼ガスの圧力Pを測定して
いた。
FIG. 2 shows an example of a conventional pressure sensor,
This pressure sensor transmits the pressure P of the combustion gas acting on the surface of the diaphragm portion 10 as a compressive force W to the force conversion element 14 via the thermal insulator 12 and converts it into an electric signal output from the force conversion element 14. Based on this, the pressure P of the combustion gas was measured.

しかし、1000℃を超える高温の燃焼ガスの圧力測定
を行おうとする場合には、ダイヤフラム部10と力変換
素子14との間に設けた熱絶縁体12だけでは、力変換
素子14へ伝達する熱を十分に遮蔽することができず、
力変換素子14自体の性能が低下してしまう。
However, when trying to measure the pressure of the combustion gas having a temperature higher than 1000 ° C., the heat insulator 12 provided between the diaphragm portion 10 and the force conversion element 14 alone is used to heat the heat transmitted to the force conversion element 14. Can not be sufficiently shielded,
The performance of the force conversion element 14 itself deteriorates.

このため、従来はダイヤフラム部10の表面側に、これ
と一体的にブロック部22を設け、ダイヤフラム部10
付近に来た燃焼ガスの熱を吸収することにより、ダイヤ
フラム部10自体の温度上昇を抑制し、高温、高圧の燃
焼ガスの圧力測定を行う場合でも、力変換素子14へ熱
が伝達されないよう形成されていた。
For this reason, conventionally, the block portion 22 is provided integrally with the front surface side of the diaphragm portion 10.
By absorbing the heat of the combustion gas that has come in the vicinity, it is possible to suppress the temperature rise of the diaphragm portion 10 itself and prevent the heat from being transferred to the force conversion element 14 even when the pressure of the high-temperature and high-pressure combustion gas is measured. It had been.

従来、このような圧力センサに使用される力変換素子1
4としては、圧縮型ロードセルに代表される歪みゲージ
タイプのものが一般的に知られている。
Conventionally, the force conversion element 1 used for such a pressure sensor
The strain gauge type 4 represented by a compression type load cell is generally known.

しかし、従来の力変換素子14にあっては、この数年、
新規な圧縮力検知方式を取り入れて構成されたものは無
かった。
However, with the conventional force conversion element 14,
None were constructed with a new compression force detection method.

第3図には、従来の歪ゲージタイプの力変換素子14の
一例が示されている。
FIG. 3 shows an example of a conventional strain gauge type force conversion element 14.

この力変換素子は、圧縮力Wが印加される4角柱形状を
した起歪体16を有し、この起歪体16の4つの側面1
6aに、半導体歪ゲージ17が接着剤17aを用いて貼
付けられている。そして、これら各側面に貼付けられた
複数の歪ゲージ17は、互いにホイートストンブリッジ
回路を形成するよう電気的に接続されている。
This force conversion element has a quadrangular prismatic strain element 16 to which a compressive force W is applied.
A semiconductor strain gauge 17 is attached to 6a using an adhesive 17a. Then, the plurality of strain gauges 17 attached to the respective side surfaces are electrically connected to each other so as to form a Wheatstone bridge circuit.

そして、加えられた圧縮力Wに対応して生ずる起歪体1
6の歪を、ホイールストンブリッジ回路から電圧信号と
して出力している。
Then, the flexure element 1 generated corresponding to the applied compressive force W
The distortion of 6 is output as a voltage signal from the wheelstone bridge circuit.

[発明が解決しようとする問題点] しかし、従来の圧力センサ、特にその力変換素子14
は、以下に述べる問題点を有していた。
[Problems to be Solved by the Invention] However, the conventional pressure sensor, in particular, the force conversion element 14 thereof.
Had the following problems.

第1の問題点 まず、従来の圧力センサに用いられる力変換素子14
は、温度変化に伴う半導体歪ゲージ17の抵抗値の増減
がもたらす検出特性への悪影響を低減するために、複数
の半導体歪ゲージ17を起歪体16の各側面16aに貼
付けていた。そして、これら各歪ゲージ17の電極17
b,17bからターミナル18,18へリード線18
a,18aを引き出し、しかも、これら各ターミナル1
8,18に引き出し線19,19を接続し、各歪ゲージ
17がホイートストンブリッジ回路を形成するよう結線
していた。
First Problem First, the force conversion element 14 used in the conventional pressure sensor.
In order to reduce the adverse effect on the detection characteristics caused by the increase or decrease in the resistance value of the semiconductor strain gauge 17 due to the temperature change, a plurality of semiconductor strain gauges 17 were attached to each side surface 16a of the strain body 16. Then, the electrodes 17 of each of these strain gauges 17
Lead wire 18 from b, 17b to terminals 18, 18
a, 18a are pulled out and each of these terminals 1
Lead wires 19 and 19 were connected to 8 and 18, and each strain gauge 17 was connected so as to form a Wheatstone bridge circuit.

このため、力変換素子14、ひいては圧力センサの製造
工程が複雑化し、その製造に高いノウハウを必要とする
ため、製造された圧力センサが高価なものとなってしま
い、しかも製品ごとの特性のバラツキも大きくなってし
まうという問題があった。
For this reason, the manufacturing process of the force conversion element 14 and by extension, the pressure sensor is complicated, and high know-how is required for the manufacturing thereof, so that the manufactured pressure sensor becomes expensive and the characteristics of each product vary. There was a problem that it would grow.

第2の問題点 また、従来のセンサに用いられる力変換素子14は、複
数の歪ゲージ17を、接着剤17aを用いて起歪体16
の側面16aに貼付けている。このため、接着剤17a
がもたらすクリープ、ヒステリシス等の測定特性への悪
影響が避けられず、信頼性に欠けるという問題があっ
た。さらに、接着剤17aを用いた歪ゲージ17の貼付
けには、高いノウハウを必要とし、しかも接着による歪
ゲージ特性のバラツキも大きいという問題があった。
Second Problem Further, in the force conversion element 14 used in the conventional sensor, the strain gages 16 are formed by using a plurality of strain gauges 17 with an adhesive 17a.
It is attached to the side surface 16a of the. Therefore, the adhesive 17a
There is a problem in that the adverse effects on the measurement characteristics such as creep and hysteresis caused by are inevitable and the reliability is poor. Further, the attachment of the strain gauge 17 using the adhesive 17a requires a great deal of know-how, and there is a problem that the strain gauge characteristics vary greatly due to the adhesion.

[発明の目的] 本発明は、この様な従来の課題に鑑みなされたものであ
り、その目的は、前述した問題点を解決することがで
き、信頼性が高くしかも安価な高温流体用の圧力センサ
を提供することにある。
[Object of the Invention] The present invention has been made in view of such conventional problems, and an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, to provide a highly reliable and inexpensive pressure for a high temperature fluid. To provide a sensor.

[問題点を解決するための手段] 前記目的を達成するため、本発明は、ダイヤフラム部の
表面に作用する高温流体の圧力を、圧縮力として力変換
素子に伝達し、力変換素子から出力される電気信号に基
づき高温流体の圧力を測定する圧力センサにおいて、 前記力変換素子は、 圧縮力が加えられる面として{110}面の結晶面を有
するように形成され、この結晶面が前記ダイヤフラム部
と平行になるよう取付けられたSi単結晶体と、 前記Si単結晶体上に、その{110}面上における結
晶の<001>方向より45度の方向に対向して設けた
第1の電極と、<110>方向より45度の方向に対向
して設けた第2の電極と、を含み、これら第1および第
2の電極のいずれか一方を出力電極とし、他方を入力電
極として用いる複数の電極と、 一端側が前記Si単結晶体の{110}面の結晶面と接
合され、他端が前記ダイヤフラム部に接するよう形成さ
れ、ダイヤフラム部に印加される圧力を圧縮力としてS
i単結晶体の結晶面に垂直に伝達し、Si単結晶体の
{110}面の結晶面と接合される複合台座と、 前記Si単結晶体の、台座が接合された面と対向する
面と接合されるステムと、 を含み、前記ステムは、 前記Si単結晶体の台座が接合された面と対向する面と
接合され、そのSi単結晶体を支持するための支持基台
と、 前記出力電極から出力される電気信号を外部に取出すた
めの複数の出力電極端子と、 前記入力電極へ外部から電流を通電するための複数の入
力電極端子と、 これら入力電極端子、出力電極端子および支持基台を一
体的に保持する保持手段と、 を含み、 前記入力電極端子からSi単結晶体に電流を流しながら
Si単結晶体の結晶面に垂直に圧縮力を作用させ、出力
電極端子からダイヤフラム部の表面に作用する高温流体
の圧力に対応した電圧を出力することを特徴とする。
[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above-mentioned object, the present invention transmits the pressure of the high-temperature fluid acting on the surface of the diaphragm portion to the force conversion element as a compressive force, and outputs the pressure from the force conversion element. In the pressure sensor for measuring the pressure of the high temperature fluid based on the electric signal, the force conversion element is formed to have a {110} crystal face as a face to which a compressive force is applied, and the crystal face is the diaphragm part. And a first electrode provided on the Si single crystal body so as to face the direction of 45 degrees from the <001> direction of the crystal on the {110} plane of the Si single crystal body. And a second electrode provided opposite to each other in a direction of 45 degrees from the <110> direction, and one of the first and second electrodes is used as an output electrode and the other is used as an input electrode. Electrodes And one end of the Si single crystal is joined to the {110} crystal face of the Si single crystal, and the other end is formed to be in contact with the diaphragm part. The pressure applied to the diaphragm part is used as a compressive force S
A composite pedestal that is transmitted perpendicularly to the crystal plane of the i single crystal and is joined to the {110} plane of the Si single crystal, and a surface of the Si single crystal that faces the surface to which the pedestal is joined. A stem that is joined to the stem, the stem is joined to a surface facing a surface to which the pedestal of the Si single crystal body is joined, and a support base for supporting the Si single crystal body; A plurality of output electrode terminals for extracting an electric signal output from the output electrode to the outside, a plurality of input electrode terminals for supplying a current to the input electrode from the outside, and the input electrode terminal, the output electrode terminal and the support Holding means for integrally holding the base, and applying a compressive force perpendicularly to the crystal plane of the Si single crystal body while applying a current from the input electrode terminal to the Si single crystal body, and from the output electrode terminal to the diaphragm. Temperature acting on the surface of the part And outputs a voltage corresponding to the pressure of the body.

着目点 本発明者等は、従来の力変換素子とは全くその原理が異
なる新規な圧力検知手段を用いた高温流体用の圧力セン
サを開発した。
Attention Point The present inventors have developed a pressure sensor for high temperature fluid using a novel pressure detecting means whose principle is completely different from that of the conventional force conversion element.

以下に、本発明の圧力センサに用いられる圧力検知手
段、特にその力変換素子を開発するに際しての着目点に
ついて説明する。
The points of interest in developing the pressure detecting means used in the pressure sensor of the present invention, particularly the force converting element thereof, will be described below.

第1の着目点 従来の圧力センサに用いられる力変換素子は、温度の変
化に伴ない増減する半導体歪ゲージの抵抗値がもたらす
特性への悪影響を低減するために、複数の半導体歪ゲー
ジを用いて、ホイートストンブリッジ回路を形成してい
た。
First point of interest The force conversion element used in the conventional pressure sensor uses a plurality of semiconductor strain gauges in order to reduce the adverse effect on the characteristics caused by the resistance value of the semiconductor strain gauges that increases and decreases with changes in temperature. And formed a Wheatstone bridge circuit.

本発明の第1の着目点は、この様な複数の半導体歪ゲー
ジを用いて形成されたホイートストンブリッジ回路に代
え、一つのSi単結晶体で複数の歪ゲージを構成しよう
とすることにある。このため、本発明においては、一つ
のSi単結晶体に一対の出力電極と入力電極とを交差し
て設け、望ましくは直交する方向に相対して設けるよう
構成している。
A first point of interest of the present invention is to replace a Wheatstone bridge circuit formed by using such a plurality of semiconductor strain gauges and configure a plurality of strain gauges with one Si single crystal body. For this reason, in the present invention, a pair of output electrodes and input electrodes are provided to intersect each other on one Si single crystal body, and preferably, they are provided to face each other in a direction orthogonal to each other.

このようにすることにより、本発明によれば、後述する
理由(作用の欄の(g)の項に詳述する)から、温度の
変動がもたらす特性への悪影響が低減し、前述した第1
の問題点を解決することができる。
By doing so, according to the present invention, for the reason described later (detailed in the section (g) of the action column), the adverse effect on the characteristics caused by the temperature fluctuation is reduced, and
The problem of can be solved.

第2の着目点 しかし、前述したように、一対の出力電極と入力電極と
を直交して設けたSi単結晶体を用いたとしても、従来
のようにこのSi単結晶体を起歪体の側面へ接着剤を用
いて貼付けていたのでは、前述した第2の問題点を解決
することができない。
Second point of interest However, as described above, even if the Si single crystal body in which the pair of output electrodes and the input electrodes are provided orthogonally to each other is used, this Si single crystal body is used as a strain element as in the conventional case. If the adhesive is attached to the side surface, the above-mentioned second problem cannot be solved.

本発明の第2の着目点は、前記Si単結晶体の結晶面に
対し垂直に圧縮力を作用させ、この圧縮力に基づくSi
単結晶体のピエゾ抵抗効果を利用して圧縮力を検知する
という、新規な力検知方式を採用したことにある。
A second point of interest of the present invention is to apply a compressive force perpendicularly to the crystal plane of the Si single crystal body, and to apply Si based on this compressive force.
This is because a new force detection method has been adopted, in which the compression force is detected using the piezoresistive effect of a single crystal.

すなわち、従来の力変換素子は、起歪体の側面に複数の
歪ゲージを接着剤を用いて貼付け、圧縮力を起歪体の圧
縮歪として検知していた。従って、起歪体の圧縮歪が接
着剤を介して、各歪ゲージに伝達されることになり、接
着剤に起因するクリープ、ヒステリヒス等の悪影響を受
けやすく、信頼性が低いという問題があった。
That is, in the conventional force conversion element, a plurality of strain gauges are attached to the side surface of the flexure element using an adhesive, and the compression force is detected as the compression strain of the flexure element. Therefore, the compressive strain of the flexure element is transmitted to each strain gauge through the adhesive, and the adhesive is liable to be adversely affected by creep, hysterisis, etc., and the reliability is low. .

これに対し、本発明では、Si単結晶体の結晶面の一方
を台座と接合し、他の結晶面を支持基台に接合し、Si
単結晶体の結晶面に対し垂直に圧縮力を作用させるとい
う、従来には全くない新規な構成を採用している。
On the other hand, in the present invention, one of the crystal planes of the Si single crystal body is joined to the pedestal, and the other crystal plane is joined to the support base.
It employs a novel structure that does not exist in the past, in which a compressive force is applied perpendicularly to the crystal plane of a single crystal.

従って、仮にSi単結晶体と台座および支持基台との接
合に接着剤を用いたとしても、接着剤に起因するクリー
プ、ヒステリヒス等の悪影響が著しく小さくなり、測定
データの信頼性が極めて高いものとなる。なお、この様
な接着剤の影響を確実に除去するためには、Si単結晶
体と支持基台および台座との接合を、接着剤を用いるこ
となく、例えば特公昭53−28747号公報に開示さ
れた静電接合方法等を用いて行うことが好ましい。
Therefore, even if an adhesive is used to bond the Si single crystal body to the pedestal and the support base, the adverse effects of creep, hysteresis, etc. due to the adhesive are significantly reduced, and the reliability of the measured data is extremely high. Becomes In order to surely remove the influence of such an adhesive, the bonding of the Si single crystal body with the support base and the pedestal is disclosed in, for example, Japanese Patent Publication No. 53-28747, without using an adhesive. It is preferable to use the electrostatic bonding method described above.

第3の着目点 ところで、このようなSi単結晶体を用いて圧縮力の測
定を行うとする場合には、加えられる圧縮力に対応した
測定電圧を、Si単結晶体から出力することが必要とさ
れる。
Third point of interest By the way, when the compressive force is measured using such a Si single crystal body, it is necessary to output a measurement voltage corresponding to the applied compressive force from the Si single crystal body. It is said that

本発明者らは、このような観点にたって、Si単結晶体
のピエゾ抵抗係数π63が大きな値をなるようSi単結
晶体の結晶面についての検討を行った。
From such a viewpoint, the present inventors have studied the crystal plane of the Si single crystal body so that the piezoresistive coefficient π 63 of the Si single crystal body has a large value.

この検討の結果、圧力が加えられる面として(110)
面の結晶面を有するよう、Si単結晶体を形成する必要
があることを見い出した。
As a result of this examination, as a surface to which pressure is applied (110)
It has been found that it is necessary to form a Si single crystal so as to have a face crystal face.

そして、更に本発明者等は、このような(110)面の
結晶面を有するSi単結晶体を用い、しかも前記Si単
結晶体に、過大な電圧を印加したことに基づく発熱でそ
の特性に悪影響をもたらさない範囲の電圧を印加する場
合において、実用上十分な大きさの電圧△Vを出力する
ための検討を進めた。
Further, the inventors of the present invention used a Si single crystal having such a (110) crystal plane, and the heat generation due to the application of an excessive voltage to the Si single crystal causes the characteristics thereof to change. In the case of applying a voltage in a range that does not cause a bad influence, studies have been conducted to output a voltage ΔV of a practically sufficient magnitude.

この検討の結果、Si単結晶体から大きな電圧△Vを出
力するためには、Si単結晶体の厚さをできるだけ小さ
くすればよいことを見い出した。特に、実用上十分な大
きさの△Vを出力するためには、このSi単結晶体の厚
さを50μm以下、好ましくは20μm以下に形成すれ
ばよいことを見出した。
As a result of this study, it was found that in order to output a large voltage ΔV from the Si single crystal body, the thickness of the Si single crystal body should be made as small as possible. In particular, it has been found that the thickness of this Si single crystal body should be 50 μm or less, preferably 20 μm or less in order to output ΔV of a practically sufficient magnitude.

このため、本発明においては、圧縮力が加えられる面と
して(110)結晶面を有するとともに、不純物濃度が
1×1015/cm3〜1×1021/cm3の範囲に制御さ
れ、その厚さが50μm以下となるよう、前記Si単結
晶体を形成している。
Therefore, in the present invention, while having a (110) crystal face as a face to which a compressive force is applied, the impurity concentration is controlled in the range of 1 × 10 15 / cm 3 to 1 × 10 21 / cm 3 , and its thickness The Si single crystal body is formed to have a thickness of 50 μm or less.

第4の着目点 また、従来の力変換素子では、第3図に示すように、半
導体歪ゲージ17から出力電圧を取出すために、歪ゲー
ジ17の電極17bとターミナル18との間にリード線
18aを接続し、しかもターミナル18から引出線19
を引出し、4個の歪ゲージ17がホイートストンブリッ
ジ回路を構成するよう引出線19を引回して結線してい
た。従って、一定の品質の力変換素子を製造するために
は、作業者の高いノウハウが必要となり、しかも引出線
19の引回し方によっては、周囲のノイズが混入し易く
電気計測上問題があった。
Fourth Point of Interest In the conventional force conversion element, as shown in FIG. 3, in order to extract the output voltage from the semiconductor strain gauge 17, the lead wire 18a is provided between the electrode 17b of the strain gauge 17 and the terminal 18. And the lead wire 19 from the terminal 18
The lead wire 19 was drawn so that the four strain gauges 17 form a Wheatstone bridge circuit. Therefore, in order to manufacture a force conversion element of a certain quality, a high level of know-how of the operator is required, and depending on how the lead wire 19 is routed, ambient noise is likely to be mixed and there is a problem in electrical measurement. .

本発明の第4の着目点は、配線の長さを短くして、電気
的結線を簡単にできるようにしたことにある。
A fourth point of interest of the present invention is to shorten the length of the wiring so that the electrical connection can be easily performed.

このため、本発明は、Si単結晶体上に設けられた出力
電極、入力電極とがそれぞれ接続される出力電極端子、
入力電極端子と、Si単結晶体を接合支持する支持基台
と、を保持手段を用いて一体的に保持するよう形成して
いる。
Therefore, the present invention provides an output electrode provided on a Si single crystal body, an output electrode terminal to which an input electrode is connected,
The input electrode terminal and the supporting base for joining and supporting the Si single crystal body are formed so as to be integrally held by using a holding means.

この様にすることにより、支持基台上にSi単結晶体を
接合した後、入力電極、出力電極をそれぞれ支持基台と
一体的に保持された入力電極端子、出力電極端子に結線
するだけでよい。従って、従来のように引出線を引き回
して結線しなければならないという問題を解決すること
ができ、配線が簡単で、雑音に強く、しかも低コストの
力変換素子を得ることができる。
By doing so, after bonding the Si single crystal body on the support base, simply connecting the input electrode and the output electrode to the input electrode terminal and the output electrode terminal which are integrally held with the support base, respectively. Good. Therefore, it is possible to solve the problem that the lead wire has to be drawn and connected as in the conventional case, and it is possible to obtain a force conversion element that has simple wiring, is resistant to noise, and is low in cost.

[作用] 第1図には、本発明の高温流体用圧力センサが示されて
いる。
[Operation] FIG. 1 shows a pressure sensor for high temperature fluid of the present invention.

(a)この圧力センサは、ほぼ円筒形状に形成されたセ
ンサケース20の先端開口部に、ダイヤフラム部10を
取り付け固定している。
(A) In this pressure sensor, the diaphragm portion 10 is attached and fixed to the tip opening portion of the sensor case 20 formed in a substantially cylindrical shape.

そして、ダイヤフラム部10の表面に高温流体を作用さ
せると、その圧力Pは、熱絶縁体12、台座42を介し
て力変換素子14に圧縮力として作用し、力変換素子1
4から圧力Pに対応した測定電圧がリード線56を介し
て出力される。
When a high temperature fluid is applied to the surface of the diaphragm portion 10, the pressure P acts as a compressive force on the force conversion element 14 via the thermal insulator 12 and the pedestal 42, and the force conversion element 1
A measurement voltage corresponding to the pressure P is output from the lead wire 4 through the lead wire 56.

なお、このような圧力センサを用いて高温・高圧の流体
圧力Pを測定する場合には、ダイヤフラム部10の表面
12が、この高温・高圧の流体にさらされる。このた
め、この高温・高圧流体からダイヤフラム部10に伝わ
った熱が、センサケース20を介して力変換素子14に
回り込まないように、センサケース20を熱的に伝導性
のよい材料を用い、例えば熱をケース20の取付け固定
用ネジ溝28から図示しないシリンダヘッド部へ逃すよ
う形成することが好ましい。
When measuring the high temperature / high pressure fluid pressure P using such a pressure sensor, the surface 12 of the diaphragm portion 10 is exposed to the high temperature / high pressure fluid. For this reason, the sensor case 20 is made of a material having good thermal conductivity so that the heat transferred from the high-temperature / high-pressure fluid to the diaphragm portion 10 does not go around to the force conversion element 14 via the sensor case 20, for example, It is preferable that heat is released from the mounting and fixing screw groove 28 of the case 20 to the cylinder head portion (not shown).

(b)第4図には、本発明の圧力センサに用いられる力
変換素子14の一例が示されており、同図(A)はその
平面説明図、同図(B)はその側面説明図である。
(B) FIG. 4 shows an example of the force conversion element 14 used in the pressure sensor of the present invention. FIG. 4 (A) is its plan view and FIG. 4 (B) is its side view. Is.

この力変換素子14は、圧縮力Wが加えられる面として
(110)の結晶面を有するよう形成されたSi単結晶
体30と、このSi単結晶体30の(110)面の結晶
面32と接合され、圧縮力Wをその結晶面32に垂直に
伝達する台座40と、このSi単結晶体30の他の結晶
面34と接合されるステム60を含む。そして、前記S
i単結晶体30の表面には、結晶の<001>方向より
45度の方向に対向して設けられた第1の電極50,5
0′と、<10>方向より45度の方向に対向して設
けられた第2の電極52,52′とからなる複数の電極
が設けられており、これら第1および第2の電極のいず
れか一方50,50′を出力電極、他方52,52′を
入力電極として用いている。
The force conversion element 14 includes a Si single crystal body 30 formed to have a (110) crystal plane as a plane to which a compressive force W is applied, and a (110) plane crystal plane 32 of the Si single crystal body 30. It includes a pedestal 40 that is joined and that transmits the compressive force W perpendicularly to its crystal plane 32, and a stem 60 that is joined to another crystal plane 34 of this Si single crystal body 30. And the S
The first electrodes 50, 5 provided on the surface of the i single crystal body 30 so as to face each other in the direction of 45 degrees from the <001> direction of the crystal.
0'and second electrodes 52, 52 'provided opposite to each other in the direction of 45 degrees from the <10> direction are provided, and any of these first and second electrodes is provided. One of them 50, 50 'is used as an output electrode and the other 52, 52' is used as an input electrode.

(c)また、本発明において、前記ステム60は、Si
単結晶体30の他の結晶面32と接合され、Si単結晶
体30を支持するための支持基台62と、前記入力電極
52,52′へ外部から電流を通電するための複数の入
力電極端子66,66′と、出力電極52,52′から
出力される電気信号を外部に取出すための複数の出力電
極端子64,64′と、これら電極端子64,64′,
66,66′および支持基台62を一体的に保持する保
持手段と、を含む。
(C) In the present invention, the stem 60 is made of Si.
A support base 62 that is joined to the other crystal plane 32 of the single crystal body 30 and supports the Si single crystal body 30, and a plurality of input electrodes for passing a current from the outside to the input electrodes 52 and 52 '. Terminals 66 and 66 ', a plurality of output electrode terminals 64 and 64' for taking out electric signals output from the output electrodes 52 and 52 ', and these electrode terminals 64 and 64',
66, 66 'and holding means for integrally holding the support base 62.

第4図において、ステム60は、これら各電極端子6
4,64′,66,66′を支持基台60の周囲にほぼ
対象となるよう輪状配置している。そして、このステム
60は、保持手段として外環70、封着ガラス68を用
い、上端を開口した略円筒形状した外環70内に、支持
基台62、各電極端子64,64′,66,66′を封
着ガラス68を用いて一体的に取付け固定することによ
り形成されている。
In FIG. 4, the stem 60 is the electrode terminal 6 of each of these.
4, 64 ', 66, 66' are arranged around the support base 60 in a ring shape so as to be substantially symmetrical. The stem 60 uses an outer ring 70 and a sealing glass 68 as a holding means, and a support base 62 and electrode terminals 64, 64 ', 66, 66 are provided in a substantially cylindrical outer ring 70 having an open upper end. It is formed by integrally attaching and fixing 66 'with a sealing glass 68.

ここにおいて、前記電極端子64,64′,66,6
6′は、その一端側がSi端結晶体30の結晶面32と
ほぼ面一となるよう取付けられており、このSi単結晶
体30上に設けられた各電極50,50′,52,5
2′と金線54を介して接続されている。
Here, the electrode terminals 64, 64 ', 66, 6
6'is attached such that one end side thereof is substantially flush with the crystal plane 32 of the Si-end crystal body 30, and each electrode 50, 50 ', 52, 5 provided on the Si single crystal body 30.
2'and a gold wire 54 are connected.

また、これら各電極端子64,64′,66,66′の
他端側は、外環70の底面に設けられた挿通孔72を介
して外部に引出されている。そして、その端部には第1
図に示すリード線56が接続されており、このリード線
56を介して外部の計測機器と電気的に接続されてい
る。
The other end side of each of the electrode terminals 64, 64 ', 66, 66' is drawn out to the outside through an insertion hole 72 provided in the bottom surface of the outer ring 70. And at the end there is a first
A lead wire 56 shown in the figure is connected, and is electrically connected to an external measuring device via the lead wire 56.

このようにして、本発明に用いる力変換素子14は、そ
の出力電極端子64,64′および入力電極端子66,
66′を支持基台62と一体的にステム60として形成
しているため、支持基台62に接合されたSi単結晶体
30の各電極50,50′,52,52′と前記各電極
端子64,64′,66,66′を、たとえば10mm程
度の短いリード線54を介して接続するのみで電気的結
線が完了し、電気的な配線が極めて簡単なものとなる。
In this way, the force conversion element 14 used in the present invention has the output electrode terminals 64, 64 'and the input electrode terminals 66,
Since 66 ′ is integrally formed with the support base 62 as the stem 60, the electrodes 50, 50 ′, 52, 52 ′ of the Si single crystal body 30 bonded to the support base 62 and the electrode terminals are formed. The electrical connection is completed only by connecting the 64, 64 ', 66, 66' via the short lead wire 54 of, for example, about 10 mm, and the electrical wiring becomes extremely simple.

従って、従来のように、半導体歪ゲージの配線を引回し
電気的な結線を行うというようなことがなくなるため、
格別なノウハウなどを必要とすることなく、その電気的
結線を簡単かつ確実に行うことができる。さらに、本発
明では、電気的配線も極めて短くなるため、従来のよう
に引回されてた配線に外部からのノイズが混入すること
がなく、極めて信頼性の高い力変換素子を得ることがで
きる。
Therefore, unlike the conventional case, the wiring of the semiconductor strain gauge is not laid out and electrically connected.
The electrical connection can be performed easily and surely without requiring special know-how. Furthermore, according to the present invention, since the electrical wiring is also extremely short, noise from the outside is not mixed into the wiring that has been routed as in the conventional case, and an extremely reliable force conversion element can be obtained. .

なお、第4図においては、保持手段として外環および封
着ガラスを用いたが、保持手段は、電極端子64,6
4′,66,66′および支持基台62を一体的に保持
することができれば他の手段を採用することもでき、例
えばセラミックスパッケージを用いてもよい。
Although the outer ring and the sealing glass are used as the holding means in FIG. 4, the holding means are the electrode terminals 64 and 6.
Other means can be adopted as long as 4 ', 66, 66' and the support base 62 can be integrally held, and for example, a ceramic package may be used.

(d)次に、この力変換素子14を用いて、台座40に
加わる圧縮力W(ダイヤフラム部10に加わる圧力P)
を測定する場合を説明する。
(D) Next, using this force conversion element 14, a compression force W applied to the pedestal 40 (pressure P applied to the diaphragm portion 10)
The case of measuring is explained.

まず、台座40に圧縮力Wを垂直に与えると、この圧縮
力Wは、台座40により均等等に分散され、Si単結晶
体30の結晶面32に垂直に圧縮応力 δ=W/A として作用する。ここにおいて、Aは台座40のSi単
結晶体30に対する接合面の面積を表わす。このとき入
力電極52,52′からSi単結晶体30に電流Iを流
しておくと、圧縮応力δが作用したSi単結晶体30
は、その出力電極50,50′から次式で表わす電圧△
Vを出力する △V=b・ρ・J・π63′・δ・k……(1) ここにおいて、ρはSi単結晶体30の比抵抗、J
電流密度、π63′はピエゾ抵抗係数、kはSi単結晶
体の電極形状により定まる定数である。
First, when a compressive force W is applied vertically to the pedestal 40, the compressive force W is evenly distributed by the pedestal 40, and a compressive stress δ Z = W / A is given perpendicularly to the crystal plane 32 of the Si single crystal body 30. To work. Here, A represents the area of the bonding surface of the pedestal 40 to the Si single crystal body 30. At this time, when a current I is made to flow from the input electrodes 52, 52 'to the Si single crystal body 30, the Si single crystal body 30 on which the compressive stress δ Z acts is applied.
Is the voltage Δ from the output electrodes 50, 50 '
V is output. ΔV = b · ρ · J 2 · π 63 ′ · δ Z · k (1) where ρ is the specific resistance of the Si single crystal body 30, J 2 is the current density, and π 63 ′. Is a piezoresistance coefficient and k is a constant determined by the electrode shape of the Si single crystal body.

本発明の特徴の一つは、出力電極50,50′から圧縮
力に対応した電圧△Vを出力するため、ピエゾ抵抗係数
π63′が十分大きな値となるようにSi単結晶体30
を形成したことにある。
One of the features of the present invention is that the output electrodes 50 and 50 'output the voltage ΔV corresponding to the compressive force, so that the Si single crystal body 30 has a sufficiently large value for the piezoresistive coefficient π 63 ′.
Has been formed.

すなわち、本発明者等は、代表的な次の4つの結晶面
(100)、(110)、(111)、(211)を有
するSi単結晶体30について、電極を設ける方向を代
えて、Si単結晶体30から、電圧△Vを得るために不
可欠なピエゾ抵抗係数π63′についての計算を行っ
た。この結果、(100)、(111)、(211)の
場合、いずれの方向に電極を設けてもピエゾ抵抗係数π
63′は零となった。これに対し、(110)の場合に
は、電極を〈001〉方向より45°の方向、または
〈10〉より45°の方向に設けることで、絶対値が
相等しく最大のピエゾ抵抗係数π63′が存在すること
が判明した。
That is, the present inventors have changed the direction in which the electrodes are provided for the Si single crystal body 30 having the following four typical crystal planes (100), (110), (111), and (211), and The calculation of the piezoresistive coefficient π 63 ′, which is essential for obtaining the voltage ΔV, was performed from the single crystal body 30. As a result, in the case of (100), (111) and (211), the piezoresistance coefficient π
63 'became zero. On the other hand, in the case of (110), the electrodes are provided in the direction of 45 ° from the <001> direction or the direction of 45 ° from <10>, so that the absolute values are equal and the maximum piezoresistance coefficient π 63. It turned out that'is present.

第5図は、比抵抗7.8Ωcmのp型(110)面Si単
結晶体のピエゾ抵抗係数π63′の計算結果を示したも
のである。同図から、出力電極を〈001〉方向より4
5°の方向、入力電極を〈10〉方向より45°の方
向に設けることにより、最大のピエゾ抵抗係数π63
を得ることができることがわかる。
FIG. 5 shows the calculation result of the piezoresistive coefficient π 63 ′ of a p-type (110) plane Si single crystal having a specific resistance of 7.8 Ωcm. From the figure, the output electrode is 4 from the <001> direction.
By providing the input electrode in the direction of 5 ° and in the direction of 45 ° from the <10> direction, the maximum piezoresistive coefficient π 63 ′ is obtained.
You can see that you can get

なお、出力電極50,50′を〈10〉より45°の
方向に、入力電極52,52′を〈001〉方向より4
5°の方向に設けた場合でも、ピエゾ抵抗係数π63
を同様に利用でき、本発明の目的とする力変換素子が実
現できることには変りない。
It should be noted that the output electrodes 50 and 50 'are arranged in a direction of 45 ° from <10>, and the input electrodes 52 and 52' are arranged in a direction of 4 ° from <001>.
Even when it is installed in the direction of 5 °, the piezoresistance coefficient π 63
Can be similarly utilized and the force conversion element which is the object of the present invention can be realized.

また、前記[001],[10]となる結晶方向は
(110)面のSi単結晶体30における代表的な結晶
方向を示したもので、これらの結晶方向と等価な結晶方
向においては全く同様に考えることができる。
The crystal directions of [001] and [10] are typical crystal directions of the (110) plane Si single crystal 30, and the crystal directions equivalent to these crystal directions are exactly the same. Can be thought of.

第1表には、Si単結晶体30の(110)面の結晶面
と等価な結晶面と、[001],[10]からなる結
晶方向と等価な結晶方向が示されている。この表から明
らかなように、Si単結晶体には(110)面と等価な
結晶面が複数存在する。したがって、(110)面と等
価な結晶面をもつSi単結晶体を用いても、本発明の力
変換素子1000を形成することができる。
Table 1 shows a crystal plane equivalent to the crystal plane of the (110) plane of the Si single crystal body 30 and a crystal direction equivalent to the crystal orientation of [001] and [10]. As is clear from this table, the Si single crystal body has a plurality of crystal planes equivalent to the (110) plane. Therefore, the force conversion element 1000 of the present invention can be formed by using a Si single crystal body having a crystal plane equivalent to the (110) plane.

なお、(110)の結晶面と等価な結晶面は{110}
で表わされ、また[001],[10]と等価な結晶
方向は〈001〉,〈110〉で一般的に表わされる。
The crystal plane equivalent to the (110) crystal plane is {110}
Further, the crystal directions equivalent to [001] and [10] are generally represented by <001> and <110>.

なお、第5図ではp型Si単結晶体30のピエゾ抵抗係
数π63′を示したが、もちろんn型(110)面Si
単結晶体にあっても、そのピエゾ抵抗係数π63′は、
p型の場合と同等の大きさを有して同様に存在する。
Although the piezoresistance coefficient π 63 ′ of the p-type Si single crystal body 30 is shown in FIG.
Even in a single crystal, its piezoresistive coefficient π 63 ′ is
It has the same size as that of the p-type and exists in the same manner.

この様にして、本発明の圧力センサは、ダイヤフラム部
10に加えられた圧力pを、台座40を介してSi単結
晶体30の(110)の結晶面32に垂直に圧縮力とし
て印加するという、従来にはない新規な構成を採用する
ことにより、Si単結晶体30の出力電極50,50′
から圧力Pに対応した電圧△Vを正確に出力することが
できる。
In this way, the pressure sensor of the present invention applies the pressure p applied to the diaphragm portion 10 as a compressive force perpendicularly to the (110) crystal plane 32 of the Si single crystal body 30 via the pedestal 40. By adopting a novel structure which has not been available in the past, the output electrodes 50, 50 'of the Si single crystal body 30 can be obtained.
Therefore, the voltage ΔV corresponding to the pressure P can be accurately output.

(e)他の条件についての検討 Si単結晶体30内に流れる電流Iの電流密度Jは、
次式で表わされる。
(E) Examination of other conditions The current density J 2 of the current I flowing in the Si single crystal body 30 is
It is expressed by the following equation.

=I/(b・h)……(2) したがって、前記第1式に、第2式を代入することによ
り、Si単結晶体30からの測定電圧△Vは、次式で表
わすことができる。なお、同式において、bは出力電極
50,50′の距離、hはSi単結晶体30の厚みを表
わす。
J 2 = I / (b · h) (2) Therefore, by substituting the second equation into the first equation, the measured voltage ΔV from the Si single crystal body 30 is expressed by the following equation. You can In the equation, b represents the distance between the output electrodes 50 and 50 ', and h represents the thickness of the Si single crystal body 30.

△V=ρ(I/h)π63′・σ……(3) 前記第3式から明らかなように、本発明に用いられる力
変換素子14から出力される電圧△Vをより大きくする
ためには、前記ピエゾ抵抗係数π63′以外に、Si単
結晶体30の比抵抗ρ、Si単結晶体10のSi単結晶
体30の厚みhに対する電流値I/h、圧縮応力σ
いずれかを大きくしてやればよい。
ΔV = ρ (I / h) π 63 ′ · σ Z (3) As is apparent from the third expression, the voltage ΔV output from the force conversion element 14 used in the present invention is increased. In addition to the piezoresistance coefficient π 63 ′, the specific resistance ρ of the Si single crystal body 30, the current value I / h of the Si single crystal body 10 with respect to the thickness h of the Si single crystal body 30 and the compressive stress σ Z are determined in order to Either one should be increased.

しかし、実際には、Si単結晶体30の比抵抗ρ、電流
I、圧縮応力σは、以下に述べる理由から常識を越え
る範囲より大きくできない。
However, in reality, the specific resistance ρ, the current I, and the compressive stress σ Z of the Si single crystal body 30 cannot be made larger than a range beyond common sense for the reasons described below.

すなわち、pまたはn伝導型として市販されるSi単結
晶体30は、比抵抗ρが1×10Ωcmを越えるイント
リンシックな特性を備えるよう製造することは困難であ
る。
That is, it is difficult to manufacture the Si single crystal body 30 commercially available as a p-type or n-conduction type so as to have intrinsic characteristics in which the specific resistance ρ exceeds 1 × 10 4 Ωcm.

また、Si単結晶体30に複数の電極を設けるにあた
り、この比抵抗ρが10Ωcmを越えると、良好な電気的
接続を得ることが困難となる。
Further, when providing a plurality of electrodes on the Si single crystal body 30, if the specific resistance ρ exceeds 10 Ωcm, it becomes difficult to obtain good electrical connection.

さらにSi単結晶体30の室温における比抵抗ρが、1
0Ωcm(不純物濃度が約1×1015/cm3に相当す
る)〜1×10−4Ωcm(不純物濃度が約1×1021
/cm3に相当する)の範囲を満足しない場合、測定電圧
△Vの室温に対する変化が著しく大きくなってしまう。
Furthermore, the resistivity ρ of the Si single crystal body 30 at room temperature is 1
0 Ωcm (corresponding to an impurity concentration of about 1 × 10 15 / cm 3 ) to 1 × 10 −4 Ωcm (impurity concentration of about 1 × 10 21
(Corresponding to / cm 3 ) is not satisfied, the change of the measured voltage ΔV with respect to room temperature becomes extremely large.

このため、本発明の力変換素子を構成するSi単結晶体
30は、その比抵抗ρが10Ωcm〜1×10−4Ωcmの
範囲として制御されたものを用いることが好ましく、こ
のため本発明に用いられるSi単結晶体30は、その不
純物の濃度が1×1015/cm3〜1×1021/cm3
範囲内に制御されている。
Therefore, as the Si single crystal body 30 constituting the force conversion element of the present invention, it is preferable to use the one whose specific resistance ρ is controlled in the range of 10 Ωcm to 1 × 10 −4 Ωcm. The Si single crystal 30 used has an impurity concentration controlled within the range of 1 × 10 15 / cm 3 to 1 × 10 21 / cm 3 .

また、Si単結晶体30のピエゾ抵抗係数π63′の大
きさも、前記比抵抗ρの大きさにより左右されるため、
比抵抗ρと同様の理由によりその範囲も制約される。
Further, the size of the piezoresistance coefficient π 63 ′ of the Si single crystal body 30 also depends on the size of the specific resistance ρ,
The range is restricted for the same reason as the specific resistance ρ.

また、Si単結晶体30の圧縮力により破壊強度は、最
大で約50kg/mm2であることが知られている。したが
って、Si単結晶体30には、この破壊強度50kg/mm
2を越える圧縮応力σが加わることがないよう形成す
る必要があり、望ましくはその圧縮応力を25kg/mm2
以下として作用させることが好ましい。
Further, it is known that the breaking strength due to the compressive force of the Si single crystal body 30 is about 50 kg / mm 2 at maximum. Therefore, the Si single crystal body 30 has a breaking strength of 50 kg / mm.
It is necessary to form so that compressive stress σ Z exceeding 2 is not applied, and the compressive stress is preferably 25 kg / mm 2
It is preferable to act as follows.

また、Si単結晶体30に流す電流値Iは、その値が過
大になることがないよう注意する必要がある。これは、
Si単結晶体30に過大な電流Iを流すと、Si単結晶
体30自体が電気的な抵抗体として著しく発熱し、その
測定電圧△Vはもちろん、その他の特性まで悪影響を及
ぼすことになるからである。
Further, it is necessary to take care so that the current value I flowing through the Si single crystal body 30 does not become excessive. this is,
If an excessive current I is passed through the Si single crystal body 30, the Si single crystal body 30 itself will remarkably generate heat as an electrical resistor, which adversely affects not only the measured voltage ΔV but also other characteristics. Is.

本発明者等の確認したところによれば、前記電流Iは、
その消費電力が約30mWを越えない範囲で流すかぎ
り、その特性に悪影響がなかった。
According to the confirmation by the present inventors, the current I is
As long as the power consumption was within the range of not exceeding about 30 mW, the characteristics were not adversely affected.

以上説明したように、Si単結晶体30からより大きな
測定電圧△Vを得るうえで望ましい条件をまとめると、
次のようになる。
As described above, the desirable conditions for obtaining a larger measurement voltage ΔV from the Si single crystal 30 are summarized as follows.
It looks like this:

第1に、Si単結晶体30の不純物濃度は、1×10
15/cm3〜1×1021/cm3として制御する。
First, the impurity concentration of the Si single crystal body 30 is 1 × 10.
It is controlled as 15 / cm 3 to 1 × 10 21 / cm 3 .

第2に、Si単結晶体30に作用する圧縮応力σは、
Si単結晶体30の破壊限界を越えないようにする。実
験によれば50kg/mm2を越えない範囲、望ましくは2
5kg/mm2を越えない範囲とすればよいことが確認され
ている。
Secondly, the compressive stress σ Z acting on the Si single crystal body 30 is
The breaking limit of the Si single crystal body 30 is not exceeded. According to experiments, the range does not exceed 50 kg / mm 2 , preferably 2
It has been confirmed that the range should not exceed 5 kg / mm 2 .

第3に、Si単結晶体30に流す電流Iは、このSi単
結晶体30が著しく発熱しない範囲に設定する。実験に
よれば、Si単結晶体30の消費電力が30mWを越え
ない範囲に設定すればよいことが確認されている。
Thirdly, the current I flowing through the Si single crystal body 30 is set in a range in which the Si single crystal body 30 does not remarkably generate heat. Experiments have confirmed that the power consumption of the Si single crystal body 30 may be set within a range not exceeding 30 mW.

(f)厚さhについての検討 本発明者等は、このような望ましい条件を満足し、しか
もSi単結晶体30から出力される電圧△Vをさらに大
きくすることができるよう、前記第3式に示すh、すな
わちSi単結晶体30の厚さhを薄くすることについて
の検討を行った。
(F) Study on Thickness h The inventors of the present invention have made it possible to satisfy the above-mentioned desirable conditions and further increase the voltage ΔV output from the Si single crystal body 30 by using the third formula. A study was conducted to reduce the thickness h shown in FIG. 1, that is, the thickness h of the Si single crystal body 30.

通常、Si単結晶体30は、口径が1.5インチ以上の
Si単結晶ウエハを用いて製造される。周知のように、
Si単結晶ウエハは、種々のICプロセス処理を前提と
し、その取扱いを容易にするため、少なくとも厚みが2
00μm以上あるように製造され、ウエハ口径が5イン
チのものでは、そのウエハの厚みが約500μmに形成
されたものが市販されている。
Generally, the Si single crystal body 30 is manufactured using a Si single crystal wafer having a diameter of 1.5 inches or more. As we all know,
The Si single crystal wafer is premised on various IC process treatments, and has a thickness of at least 2 in order to facilitate its handling.
If the wafer is manufactured to have a diameter of 5 μm or more and the wafer diameter is 5 inches, the wafer having a thickness of about 500 μm is commercially available.

このため、本発明の力変換素子は、まず通常市販される
(110)面のSi単結晶体ウエハを切り出して、Si
単結晶体30を形成する。そして、このSi単結晶体3
0の(110)面の結晶面34を支持基台62に接合し
て裏打ちし、その取扱いを容易なものとする。その後、
Si単結晶体30の他の結晶面32を、機械的方法と化
学的方法とを併用して研磨し、その厚みが通常のSi単
結晶体ウエハとして製造し市販することが困難と思われ
る50μm以下とする。
Therefore, in the force conversion element of the present invention, first, a commercially available (110) plane Si single crystal wafer is cut out to obtain Si.
A single crystal body 30 is formed. And this Si single crystal body 3
The (110) crystal plane 34 of 0 is bonded to the support base 62 and backed to facilitate the handling. afterwards,
The other crystal plane 32 of the Si single crystal body 30 is polished by using a mechanical method and a chemical method in combination, and the thickness thereof is 50 μm, which is considered to be difficult to manufacture and market as a normal Si single crystal body wafer. Below.

その後、このSi単結晶体30に、前記出力電極50,
50′、入力電極52,52′を取り付け、さらにその
結晶面32に台座40を接合する。
Then, the Si single crystal body 30 is formed on the output electrode 50,
50 'and the input electrodes 52, 52' are attached, and the pedestal 40 is joined to the crystal plane 32.

このようにして、本発明の力変換素子14は、Si単結
晶体30の厚さhを50μm以下とすることにより、S
i単結晶体30に対する望ましい状況を満足するという
制約の中で、実用上十分に大きい測定電圧△Vを得るこ
とができる。
In this way, the force conversion element 14 of the present invention is configured so that the thickness h of the Si single crystal body 30 is 50 μm or less,
It is possible to obtain a practically sufficiently large measurement voltage ΔV within the constraint that the desired situation for the i single crystal body 30 is satisfied.

本発明者らの実験によれば、不純物濃度が1×1015
/cm3〜1×1021/cm3の範囲に制御され、しかもそ
の厚さがh=20μmまで研磨されたSi単結晶体30
を用い、力変換素子14を形成した場合には、厚さが2
00μm以上のSi単結晶体30を用いて形成された力
変換素子14に比べ、温度による特性への影響が少な
く、しかも測定電圧△Vが約10倍以上となることが確
認された。
According to the experiments by the present inventors, the impurity concentration is 1 × 10 15
/ Cm 3 to 1 × 10 21 / cm 3 in a controlled range, and further, the thickness thereof is polished to h = 20 μm.
When the force conversion element 14 is formed by using
It was confirmed that the temperature had less influence on the characteristics and the measured voltage ΔV was about 10 times or more as compared with the force conversion element 14 formed by using the Si single crystal body 30 of 00 μm or more.

したがって、本発明によれば、前記(e)の項では述べ
たように、Si単結晶体30の不純物濃度を1×10
15/cm3〜1×1021/cm3の範囲に制御することに
より、周囲の温度変動による影響が少ない、信頼度の高
い力変換素子14を得ることができる。
Therefore, according to the present invention, as described in the item (e), the impurity concentration of the Si single crystal body 30 is set to 1 × 10 5.
By controlling in the range of 15 / cm 3 to 1 × 10 21 / cm 3 , it is possible to obtain a highly reliable force conversion element 14 that is less affected by ambient temperature fluctuations.

これに加えて、本発明によれば、この(f)の項で述べ
たように、Si単結晶体30の厚さが50μm以下とな
るよう形成することにより、圧縮力に比例し、しかも実
用上充分な大きさをもった電圧出力を得ることができ
る。
In addition to this, according to the present invention, as described in the section (f), by forming the Si single crystal body 30 so as to have a thickness of 50 μm or less, it is proportional to the compression force and practically used. It is possible to obtain a voltage output having a sufficiently large size.

(g)また、本発明において、Si単結晶体30は、そ
の結晶面32が矩形(正方形を含む)となるよう切出さ
れ、その厚み、不純物濃度が均一となるように形成され
ている。また、前記出力電極50,50′は、Si単結
晶体30上に所定間隔を隔てて取付けられており、また
入力電極52,52′は同様にSi単結晶体30上に所
定間隔おいて取付けられている。
(G) Further, in the present invention, the Si single crystal body 30 is cut out so that its crystal plane 32 is rectangular (including square), and is formed so that its thickness and impurity concentration are uniform. The output electrodes 50, 50 'are mounted on the Si single crystal body 30 at a predetermined interval, and the input electrodes 52, 52' are also mounted on the Si single crystal body 30 at a predetermined interval. Has been.

この様に各電極50,50′,52,52′を設けるこ
とにより、50と52,52と50′,50′と5
2′,52′と50との間の各抵抗値を等しくでき、ま
た、Si単結晶体30の厚みおよび不純物濃度が均一で
あることから、温度の変化に対する前記各抵抗値もほぼ
等しくできる。
By providing the respective electrodes 50, 50 ', 52, 52' in this manner, 50 and 52, 52 and 50 ', 50' and 5
The resistance values between 2 ', 52' and 50 can be made equal, and since the thickness and the impurity concentration of the Si single crystal body 30 are uniform, the resistance values can be made substantially equal to the change in temperature.

従って、入力電極52,52からSi単結晶体30に電
流を流し、出力電極50,50′から電圧出力を取出す
ようにした場合のオフセット電圧は、温度の変化に左右
されることなく、ほぼ零として維持されることとなり、
単一のSi単結晶体30が、前述した従来の複数の半導
体歪ゲージを用いて形成されたホイートストンブリッジ
回路に置き代わり、前述した問題点の一つを解決するこ
とができる。
Therefore, the offset voltage in the case where a current is made to flow from the input electrodes 52, 52 to the Si single crystal body 30 and a voltage output is taken out from the output electrodes 50, 50 'is substantially zero without being affected by temperature changes. Will be maintained as
One of the above-mentioned problems can be solved by replacing the single Si single crystal body 30 with the Wheatstone bridge circuit formed by using the above-described conventional plurality of semiconductor strain gauges.

[発明の効果] 以上説明したように、本発明は、ダイヤフラム部の表面
に作用する高温流体の圧力を、伝達材料である台座を介
してSi単結晶体の{110}面の結晶面に垂直に圧縮
力として作用させるという新規な圧力検知方式を採用し
ている。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, the pressure of the high temperature fluid acting on the surface of the diaphragm is perpendicular to the crystal plane of the {110} plane of the Si single crystal through the pedestal which is the transmission material. It uses a new pressure detection method that causes it to act as a compression force.

従って、本発明によれば、従来の圧力センサのように、
接着剤のもたらす特性の悪影響および起歪体のもたらす
特性への悪影響がなく、加えられる高温流体の圧力を、
Si単結晶体のピエゾ抵抗効果を有効に利用し正確に測
定することができるという効果ある。
Therefore, according to the present invention, like a conventional pressure sensor,
There is no adverse effect on the properties of the adhesive and the properties of the flexure element, and the pressure of the hot fluid applied is
This is an effect that the piezoresistance effect of the Si single crystal body can be effectively used and can be accurately measured.

特に、本発明によれば、Si単結晶体の不純物濃度を1
×1015/cm3〜1×1021/cm3の範囲に制御する
ことにより、周囲の温度変動による影響が少ない、より
信頼度の高い圧力センサを得ることができ、更に、Si
単結晶体の厚さを50μm以下とすることにより、高温
流体の圧力に比例し、しかも実用上充分な大きさをもっ
た電圧出力を得ることができるという効果がある。
Particularly, according to the present invention, the impurity concentration of the Si single crystal is set to 1
By controlling in the range of × 10 15 / cm 3 to 1 × 10 21 / cm 3 , it is possible to obtain a more reliable pressure sensor that is less affected by ambient temperature fluctuations.
By setting the thickness of the single crystal body to 50 μm or less, it is possible to obtain a voltage output that is proportional to the pressure of the high temperature fluid and has a practically sufficient magnitude.

また、本発明によれば、Si単結晶体がホイートストン
ブリッジ回路の機能を備えているので、従来の力変換素
子に備えられていた複数の半導体歪ゲージを、一つのS
i単結晶体に置換えることができ、構造が簡単でしかも
安価な圧力センサを得ることができるという効果があ
る。
Further, according to the present invention, since the Si single crystal body has the function of the Wheatstone bridge circuit, the plurality of semiconductor strain gauges provided in the conventional force conversion element are replaced by one S
There is an effect that it is possible to obtain a pressure sensor which can be replaced with an i single crystal and which has a simple structure and is inexpensive.

さらに、本発明によれば、Si単結晶体を支持固定する
支持基台と、Si単結晶体の入出力電極にそれぞれ接続
される入出力電極端子とを保持手段を用いて一体的に保
持固定したステムを形成することにより、Si単結晶体
の電気的な配線をリード線などを引回すことなく、短い
導線を用いて簡単に行うことができる。この結果、製造
が簡単でかつ雑音による影響が少ない信頼性の高い安価
な圧力センサを得ることができるという効果がある。
Further, according to the present invention, the support base for supporting and fixing the Si single crystal body and the input / output electrode terminals respectively connected to the input / output electrodes of the Si single crystal body are integrally held and fixed by using the holding means. By forming such a stem, electrical wiring of the Si single crystal body can be easily performed by using a short conductive wire without laying a lead wire or the like. As a result, there is an effect that it is possible to obtain a highly reliable and inexpensive pressure sensor that is easy to manufacture and is less affected by noise.

[実施例] 次に本発明の好適な実施例を図面に基づき説明する。[Embodiment] Next, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

第1実施例 第1図には、本発明に係る高温流体用圧力センサを、エ
ンジンの燃焼圧センサとして用いた場合の好適な第1実
施例が示されている。
First Embodiment FIG. 1 shows a first preferred embodiment in which the pressure sensor for high temperature fluid according to the present invention is used as a combustion pressure sensor for an engine.

この圧力センサは、ダイヤフラム部10の表面側から作
用する燃焼ガスの圧力Pを、熱絶縁体12を介してセン
サケース20の内部に固定された力変換素子14へ伝達
し、この力変換素子14から出力される電気信号に基づ
き燃焼ガスの圧力Pを測定するよう形成されている。
This pressure sensor transmits the pressure P of the combustion gas acting from the front surface side of the diaphragm portion 10 to the force conversion element 14 fixed inside the sensor case 20 via the thermal insulator 12, and this force conversion element 14 Is configured to measure the pressure P of the combustion gas based on the electrical signal output from

本実施例において、前記センサケース30は熱の絶縁性
が高い材料を用いて形成されている。
In this embodiment, the sensor case 30 is made of a material having a high heat insulating property.

また、この圧力センサは、ほぼ円筒形状に形成されたセ
ンサケース20の先端開口部に、ダイヤフラム部10の
フランジ部11aを嵌込み、センサケース20の内部に
燃焼ガスが侵入しないよう、その嵌込み部を全周に渡っ
てプロジェクション溶接接合している。
Further, in this pressure sensor, the flange portion 11a of the diaphragm portion 10 is fitted into the tip opening portion of the sensor case 20 which is formed in a substantially cylindrical shape, and the fitting portion is fitted so that combustion gas does not enter the inside of the sensor case 20. Projection welding is performed along the entire circumference.

そして、このダイヤフラム部10の表面中央部には、ダ
イヤフラム部10付近にきた燃焼ガスの熱を吸収し、し
かもダイヤフラム部10自身が受けた熱を吸収する目的
でブロック部22が形成されている。
A block portion 22 is formed at the center of the surface of the diaphragm portion 10 for the purpose of absorbing the heat of the combustion gas near the diaphragm portion 10 and absorbing the heat received by the diaphragm portion 10 itself.

このような吸熱を行うためには、ブロック部22がダイ
ヤフラム部10より低い温度でなければならない。従っ
て、前記のブロック部22は、比熱が大きく、熱伝導率
が大きいという特性が要求される。また、このブロック
部22は、ダイヤフラム部10の固有振動数の低下を招
かないようあまり大きく形成することは好ましくない。
特に、本発明の圧縮力センサを、例えば燃焼圧センサと
して用いる場合には、ブロック部22の重量が増加し、
ダイヤフラム部10の固有振動数が低下すると、測定で
きる振動数範囲が狭くなり、特にエンジン等の振動が大
きいところに取付けられた場合には、ノック信号等の検
出が困難になってしまう。
In order to perform such heat absorption, the block portion 22 must have a lower temperature than the diaphragm portion 10. Therefore, the block portion 22 is required to have characteristics that the specific heat is large and the thermal conductivity is large. In addition, it is not preferable that the block portion 22 is formed so large that it does not reduce the natural frequency of the diaphragm portion 10.
In particular, when the compression force sensor of the present invention is used as a combustion pressure sensor, the weight of the block portion 22 increases,
When the natural frequency of the diaphragm portion 10 is reduced, the measurable frequency range is narrowed, and it becomes difficult to detect a knock signal or the like particularly when the diaphragm portion 10 is mounted in a place where vibration of the engine is large.

従って、前記ブロック部22は、ダイヤフラム部10に
対しその比重量を小さくすることが要求され、その比重
量を小さくすればするほど、検出特性が向上する。
Therefore, the block portion 22 is required to have a smaller specific weight with respect to the diaphragm portion 10, and the smaller the specific weight, the better the detection characteristics.

このような問題を解決するため、本発明においては、ダ
イヤフラム部10とブロック部22とを別体とし、ダイ
ヤフラム部10の薄板部11b表面部中央部付近に設け
た接合用凸部10aに、ブロック部22の中央部に設け
た接合用凹部22aを接合し、ダイヤフラム部10の表
面中央部にブロック部22を取付け固定している。
In order to solve such a problem, in the present invention, the diaphragm portion 10 and the block portion 22 are formed separately, and the block is provided on the joining convex portion 10a provided near the central portion of the surface of the thin plate portion 11b of the diaphragm portion 10. The joining recess 22a provided in the central portion of the portion 22 is joined, and the block portion 22 is attached and fixed to the central portion of the surface of the diaphragm portion 10.

このようにすることにより、両者の別の材料を用いて形
成することができる。すなわち、ダイヤフラム部10を
高温でのバネ特性が優れた材料(例えば、SUS43
0、インコネルX720等の材料)を用いて形成するこ
とができ、ブロック部22を熱伝導率のよい材料(例え
ばAl系の合金)を用いて形成することができる。
By doing so, it is possible to form using a different material for both. That is, the diaphragm portion 10 is made of a material having excellent spring characteristics at high temperature (for example, SUS43).
0, a material such as Inconel X720), and the block portion 22 can be formed using a material having a high thermal conductivity (for example, an Al-based alloy).

例えば、ブロック部22をAl系の合金を用いて形成す
ると、Fe系、Ni系の合金を用いた従来の場合に比
べ、その質量が約1/3となる。このことは、Al系の合
金を用いた場合には、Fe系、Ni系合金を用いた従来
の場合の3倍の体積にしても、応答性・加速度感度がほ
ぼ同じで、熱容量を約3倍にできることを意味する。
For example, when the block portion 22 is formed of an Al-based alloy, its mass is about 1/3 of that of a conventional case using an Fe-based or Ni-based alloy. This means that when an Al-based alloy is used, the responsiveness and acceleration sensitivity are almost the same, and the heat capacity is about 3 even when the volume is three times that of the conventional case using the Fe-based and Ni-based alloys. It means that you can double.

さらに、ブロック部22をAl系の合金を用いて形成す
ると、Fe,Ni系の合金を用いた従来の場合に比べ、
比熱が約2倍、熱電導率が約3倍となる。
Furthermore, when the block portion 22 is formed using an Al-based alloy, compared to the conventional case using an Fe-Ni-based alloy,
The specific heat is about twice and the thermal conductivity is about three times.

このように、本発明によれば、ダイヤフラム部10を高
温バネ特性のよい、例えばSUS430、インコネルX
720等の材質を用いて形成し、ブロック部22を、例
えばAl系合金を用いて形成することにより、従来のも
のに比べ、ブロック部22の比熱を約2倍、熱伝導率を
約3倍、比重量を約1/3にすることができ、同体積のブ
ロック部22をダイヤフラム部10と一体で作った場合
に比べ、約18倍の効果を期待することができる。
As described above, according to the present invention, the diaphragm portion 10 has good high temperature spring characteristics, such as SUS430 and Inconel X.
By forming the block portion 22 using a material such as 720 and using, for example, an Al-based alloy, the specific heat of the block portion 22 is about twice and the thermal conductivity is about three times that of the conventional one. The specific weight can be reduced to about 1/3, and the effect can be expected to be about 18 times as large as that in the case where the block portion 22 having the same volume is integrally formed with the diaphragm portion 10.

また、本実施例において、前記接合用凸部10aは先端
側が先広がりにならないように形成されており、また前
記接合用凹部22aは、内側が中広がりにならないよう
前記接合用凸部10aの大きさに合わせて形成されてい
る。このようにすることにより、これらブロック部22
およびダイヤフラム部10を、プレス型により容易に成
形することができるため、圧力センサの量産性を高め、
低コスト化を図ることが可能となる。
Further, in the present embodiment, the joining convex portion 10a is formed so that the tip side does not spread forward, and the joining concave portion 22a has a size of the joining convex portion 10a so that the inside does not spread inward. It is formed according to the size. By doing so, these block parts 22
Since the diaphragm portion 10 can be easily formed by a press die, mass productivity of the pressure sensor is improved,
It is possible to reduce costs.

また、このようにダイヤフラム部10の表面にブロック
部22を接合固定すると、ダイヤフラム部10の表面は
ブロック部22によりすき間24を介してそのほぼ全面
が傘のように覆われることになる。このとき、このすき
間24の大きさは、前記凸部10aおよび凹部22aの
寸法により任意に調整することができ、同図ではほぼ零
に近くなるように形成されている。このようにすること
により、ブロック部22は、ダイヤフラム部10付近に
来る燃焼ガスの熱をいちはやく吸収することができる。
Further, when the block portion 22 is bonded and fixed to the surface of the diaphragm portion 10 in this manner, the surface of the diaphragm portion 10 is covered by the block portion 22 through the gap 24 almost entirely like an umbrella. At this time, the size of the gap 24 can be arbitrarily adjusted by the dimensions of the convex portion 10a and the concave portion 22a, and is formed to be almost zero in the figure. By doing so, the block portion 22 can quickly absorb the heat of the combustion gas coming near the diaphragm portion 10.

従って、燃焼ガスから直接ダイヤフラム部10に伝達さ
れる熱量が大巾に少なくなり、この結果、ダイヤフラム
部10の温度上昇を効果的に抑制し、しかもダイヤフラ
ム部のクリープ等を少なくすることができる。
Therefore, the amount of heat directly transferred from the combustion gas to the diaphragm portion 10 is greatly reduced, and as a result, the temperature rise of the diaphragm portion 10 can be effectively suppressed, and further, the creep and the like of the diaphragm portion can be reduced.

また、本実施例の圧力センサにおいて、力変換素子14
は、圧縮力が加えられる面として(110)面の結晶面
を有するよう形成され、この結晶面が前記ダイヤフラム
10と平行になるよう取付けられたSi単結晶体30
と、Si単結晶体30の(110)面の結晶面と静電接
合され、熱絶縁体12を介して伝達される圧縮力をその
結晶面に垂直に均一に印加する台座40と、このSi単
結晶体30の他の結晶面と接合されたステム60とを含
む。
Further, in the pressure sensor of this embodiment, the force conversion element 14
Is formed so as to have a (110) crystal face as a face to which a compressive force is applied, and the Si single crystal body 30 mounted so that the crystal face is parallel to the diaphragm 10.
And a pedestal 40 that is electrostatically bonded to the (110) crystal face of the Si single crystal body 30 and uniformly applies the compressive force transmitted through the thermal insulator 12 perpendicularly to the crystal face. It includes a stem 60 joined to another crystal plane of the single crystal body 30.

そして、この力変換素子14は、外周がセンサケース2
0の内周面にステム60を介して取付け固定されてい
る。
The force converting element 14 has an outer periphery on the sensor case 2
It is attached and fixed to the inner peripheral surface of 0 through the stem 60.

また、前記Si単結晶体30の結晶面上には、結晶の
〈001〉方向より45度の方向に対向して一対の第1
の電極(図示せず)が設けられ、〈10〉方向より4
5度の方向に対向して一対の第2の電極(図示せず)が
設けられている。そして、これら第1および第2の電極
のいずれか一方が出力電極、他方が入力電極として用い
られている。
Further, on the crystal plane of the Si single crystal body 30, a pair of first crystal layers facing each other in the direction of 45 degrees from the <001> direction of the crystal are arranged.
Electrode (not shown) of the
A pair of second electrodes (not shown) are provided facing each other in the direction of 5 degrees. Then, one of the first and second electrodes is used as an output electrode and the other is used as an input electrode.

また、前記ステム60には、前記出力電極と対応しうる
2本の電極端子64,64′と、入力電極と対応しする
2本の電極端子66,66′とが設けられており(第4
図に詳しく図示されている)、これら4本の電極端子の
一端側は、金線54を介してそれぞれ対応する入出力電
極と電気的に接続されている。また、これら各電極端子
48の他端側は、リード線56に接続され、そのリード
線56はセンサケース20の他端側から外部に引出され
ている。
Further, the stem 60 is provided with two electrode terminals 64 and 64 'which can correspond to the output electrode and two electrode terminals 66 and 66' which correspond to the input electrode (fourth electrode terminal).
One end of each of the four electrode terminals is electrically connected to the corresponding input / output electrode via a gold wire 54. The other end side of each of these electrode terminals 48 is connected to a lead wire 56, and the lead wire 56 is led out from the other end side of the sensor case 20.

実施例のセンサは、このリード線56の抜けを防止する
ために、その他端側にリード線用のかしめ部20aが設
けられており、リード線56に加わった引張り力が電極
端子64,64′,66,66′に加わることが無いよ
う形成されている。さらに、このセンサケース20のか
しめ部20aは、ケースカバー26を用いて覆われるよ
う形成されている。
In the sensor of the embodiment, in order to prevent the lead wire 56 from coming off, a caulking portion 20a for the lead wire is provided on the other end side, and the pulling force applied to the lead wire 56 causes the electrode terminals 64, 64 '. , 66, 66 '. Further, the caulking portion 20a of the sensor case 20 is formed so as to be covered with a case cover 26.

また、実施例の燃焼圧センサには、センサケース20の
一端側外周部に取付け固定用のネジ溝28が設けられて
おり、このネジ溝28を図示しない所定の取り付け孔の
内周部に設けられたネジ溝と螺合することにより、所望
位置へ簡単に取付けることができるよう形成されてい
る。
Further, in the combustion pressure sensor of the embodiment, a screw groove 28 for mounting and fixing is provided on the outer peripheral portion on one end side of the sensor case 20, and the screw groove 28 is provided on the inner peripheral portion of a predetermined mounting hole (not shown). It is formed so that it can be easily attached to a desired position by being screwed into the provided thread groove.

第4図には、本発明の圧力センサに用いられる力変換素
子14の詳細な実施例が示されており、同図(A)はそ
の平面説明図、同図(B)はその側断面説明図である。
FIG. 4 shows a detailed embodiment of the force conversion element 14 used in the pressure sensor of the present invention. FIG. 4 (A) is its plan view, and FIG. 4 (B) is its side sectional view. It is a figure.

本実施例において、Si単結晶体30は、不純物濃度が
1×1015/cm3〜1×1021/cm3の範囲内にある
1×1016/cm3(比抵抗ρが約1Ωcm)に制御さ
れ、しかも大きさ1.7mm2で、厚さ17μmのp型S
i単結晶体として形成されている。
In the present embodiment, the Si single crystal body 30 has an impurity concentration of 1 × 10 16 / cm 3 (specific resistance ρ is about 1 Ωcm) in the range of 1 × 10 15 / cm 3 to 1 × 10 21 / cm 3. P-type S with a size of 1.7 mm 2 and a thickness of 17 μm
i is formed as a single crystal.

そして、このSi単結晶体30の一方の結晶面32上に
は、第4図(A)に示すように結晶の〈001〉方向よ
り45度の方向に、幅0.1mmの一対の出力電極50,
50′が相対向するようアルミニウムを蒸着して形成さ
れており、さらに結晶の〈10〉方向より45度の方
向に、幅0.9mmの一対の入力電極52,52′が相対
向するようアルミニウムを蒸着して形成されている。
Then, as shown in FIG. 4 (A), a pair of output electrodes having a width of 0.1 mm is formed on one crystal plane 32 of the Si single crystal body 30 in a direction 45 degrees from the <001> direction of the crystal. Fifty,
Aluminum is vapor-deposited so that 50 'face each other, and further, a pair of input electrodes 52, 52' having a width of 0.9 mm face each other in the direction of 45 degrees from the <10> direction of the crystal. Is formed by vapor deposition.

また、実施例において台座40は、大きさが1mm2で高
さ1.1mmの結晶化ガラスを用いて形成されている。
In the embodiment, the pedestal 40 is made of crystallized glass having a size of 1 mm 2 and a height of 1.1 mm.

また、本実施例において、前記ステム60は、Si単結
晶体30の結晶面34と静電接合され、このSi単結晶
体30を支持する支持基台62、この支持基台62の周
囲にほぼ輪状に配置された一対の出力電極端子64,6
4′、入力電極端子66,66′を有し、これら各電極
端子64,64′,66,66′と支持基台62とが上
端を開口したほぼ円筒形状をした外環70内に、封着ガ
ラス68を用いて一体的に取付けて固定されることによ
り形成されている。
In addition, in the present embodiment, the stem 60 is electrostatically bonded to the crystal plane 34 of the Si single crystal body 30 and supports the Si single crystal body 30. A pair of output electrode terminals 64, 6 arranged in a ring shape
4 ′, input electrode terminals 66, 66 ′, and these electrode terminals 64, 64 ′, 66, 66 ′ and the support base 62 are sealed in an outer ring 70 having a substantially cylindrical shape with an open upper end. It is formed by integrally mounting and fixing using a glass glass 68.

ここにおいて、前記支持基台62は、Si単結晶体30
と熱膨張係数の近接した結晶化ガラスからなり、大きさ
が1.7mm2、高さが3mmに形成されている。
Here, the support base 62 is made of the Si single crystal 30.
And made of crystallized glass having a thermal expansion coefficient close to each other, and the size is 1.7 mm 2 and the height is 3 mm.

また、前記外環70は、Fe−Ni−Co合金を用い、
一端側が開口されたほぼ円筒形状に形成されており、そ
の底面に複数の電極端子挿通孔72が開口形成されてい
る。
The outer ring 70 is made of a Fe-Ni-Co alloy,
It is formed in a substantially cylindrical shape with one end opened, and a plurality of electrode terminal insertion holes 72 are formed in the bottom surface thereof.

また、前記電極端子64,64′,66,66′は、直
径0.5mmの細長い棒形状に形成され、その一端側aが
Si単結晶体30の結晶面32とほぼ面一となるよう取
付け固定されている。そして、出力電極端子66,6
6′は、その一端側aに金属メッキ層が設けられ、この
金属メッキ層には、直径0.05mmの金の金線54を用
いて入力電極52,52′にそれぞれ接続されている。
さらに、前記各出力電極端子64,64′は、同様にそ
の一端側a側に金メッキ層が設けられ、直径0.05mm
の金の金線54を用いて出力電極50,50′とそれぞ
れ接続されている。
The electrode terminals 64, 64 ', 66, 66' are formed in the shape of elongated rods having a diameter of 0.5 mm, and are attached so that one end side "a" thereof is substantially flush with the crystal plane 32 of the Si single crystal body 30. It is fixed. Then, the output electrode terminals 66, 6
6'is provided with a metal plating layer on its one end side a, and the metal plating layer is connected to the input electrodes 52, 52 'using a gold wire 54 having a diameter of 0.05 mm.
Further, each of the output electrode terminals 64, 64 'is similarly provided with a gold plating layer on one end side a side thereof and has a diameter of 0.05 mm.
Are connected to the output electrodes 50 and 50 ', respectively.

また、これら各電極端子64,64′,66,66′
は、一端側が外環70の挿通孔72を介してステム60
の外部に引出され、第1図に示すようリード線54を介
して図示しない計測装置へ接続されている。
Also, these electrode terminals 64, 64 ', 66, 66'
Has one end side of the stem 60 through the insertion hole 72 of the outer ring 70.
, And is connected to a measuring device (not shown) via a lead wire 54 as shown in FIG.

次に、このようにして形成された力変換素子14が、充
分実用に耐える大きさの電圧△Vをその出力電極50,
50′から出力することができ、しかもその測定電圧△
Vは温度による影響が少ないことを検証するために、次
のような実験を行った。
Next, the force conversion element 14 formed in this manner applies a voltage ΔV of a magnitude sufficient for practical use to its output electrode 50,
It can be output from 50 ', and its measured voltage Δ
In order to verify that V is less affected by temperature, the following experiment was conducted.

すなわち、本発明者らは、室温における消費電力が30
mWを越えないよう、電源からSi単結晶体30に電流
Iを流し、しかもこのSi単結晶体30を破壊に至らし
めないよう、台座40を介してσZが15kg/mm2とな
るよう5kgの圧縮力を加えた。
That is, the inventors of the present invention have a power consumption of 30 at room temperature.
A current I is made to flow from the power source to the Si single crystal body 30 so as not to exceed mW, and σZ is set to 15 kg / mm 2 through the pedestal 40 so that the Si single crystal body 30 is not destroyed. A compressive force was applied.

実施例において、Si単結晶体30に設けた一対の入力
電極52,52′の間の抵抗値、いわゆる入力抵抗値
は、室温で800Ωであった。このため、消費電力が3
0mWを越えないよう、これら入力電極52,52′か
らI=6mAの電流をSi単結晶体30へ通電した。
In the example, the resistance value between the pair of input electrodes 52, 52 ′ provided on the Si single crystal body 30, that is, the so-called input resistance value was 800Ω at room temperature. Therefore, the power consumption is 3
A current of I = 6 mA was applied to the Si single crystal body 30 from these input electrodes 52 and 52 'so as not to exceed 0 mW.

この結果、このSi単結晶体30の出力電極50,5
0′からは室温で△V=約110mVの電圧を得ること
ができた。また、この測定電圧△Vは−40℃〜150
℃の範囲における変化率は0.15%/℃であった。こ
の結果、本実施例の力変換素子14は、実用に際して充
分な大きさの電圧△Vを出力することができ、しかも温
度に対する特性の影響が極めて小さいことが確認され
た。
As a result, the output electrodes 50, 5 of the Si single crystal body 30 are
From 0 ', a voltage of ΔV = about 110 mV could be obtained at room temperature. The measured voltage ΔV is -40 ° C to 150 ° C.
The rate of change in the temperature range was 0.15% / ° C. As a result, it has been confirmed that the force conversion element 14 of the present embodiment can output a voltage ΔV of a sufficient magnitude in practical use, and the influence of the characteristics on temperature is extremely small.

ちなみに、第4図に示す力変換素子14において、Si
単結晶体30として、厚さ200μmのものを用いた場
合についての検討も行った。このとき、消費電力が30
mWを越えないようにするためには入力電極52,5
2′から21mAの電流Iを流す必要があり、そして、
この厚さhが200μmのSi単結晶体30を用いる
と、入力電極52,52′から仮に21mAの電流を通
電したとしても、この力変換素子14からは約30mV
程度の電圧しか出力することができず、このことから
も、本実施例の力変換素子14は、実用上充分な大きさ
を持った測定電圧△Vを得ることができるものであるこ
とが理解されよう。
By the way, in the force conversion element 14 shown in FIG.
A study was also conducted on the case where a single crystal body 30 having a thickness of 200 μm was used. At this time, the power consumption is 30
In order not to exceed mW, the input electrodes 52, 5
It is necessary to pass a current I of 2 mA from 2 ', and
If the Si single crystal body 30 having a thickness h of 200 μm is used, even if a current of 21 mA is applied from the input electrodes 52, 52 ′, the force conversion element 14 outputs about 30 mV.
It is possible to output only a voltage of a certain degree, and it is understood from this also that the force conversion element 14 of this embodiment can obtain the measured voltage ΔV having a practically sufficient magnitude. Will be done.

なお、本実施例では、Si単結晶体30の不純物濃度が
1×1016/cm3のp伝導型として形成した場合を例
に取り説明したが、本発明はこれに限らず、n伝導型の
Si単結晶体30を用いても同様な効果を得ることがで
きる。
In addition, in the present embodiment, the case where the Si single crystal body 30 is formed as the p-conductivity type with the impurity concentration of 1 × 10 16 / cm 3 has been described as an example, but the present invention is not limited to this, and the n-conductivity type. The same effect can be obtained by using the Si single crystal body 30.

このように、本発明の力変換素子14は、Si単結晶体
30の厚さhを小さくすることにより、測定電圧△Vを
大きく取り出させる効果があり、この効果は、不純物濃
度を1×1021/cm3に向って大きくするにしたがっ
て顕著に現れる。
As described above, the force conversion element 14 of the present invention has an effect of taking out the measurement voltage ΔV largely by reducing the thickness h of the Si single crystal body 30, and this effect has an impurity concentration of 1 × 10 5. It becomes more prominent as it increases toward 21 / cm 3 .

また、第4図に示す力変換素子では、圧縮力Wが加えら
れる台座40の着力点側を平面形状に形成したが、台座
40の着力点側の面の全面または一部に、凸の曲面また
は凹の曲面を設けて、加圧板の加圧面より加わる圧縮力
Wが台座40のほぼ中央に作用するように形成してもよ
い。
Further, in the force conversion element shown in FIG. 4, the force application point side of the pedestal 40 to which the compressive force W is applied is formed in a flat shape, but a convex curved surface is formed on the whole surface or a part of the force application point side surface of the pedestal 40. Alternatively, a concave curved surface may be provided so that the compressive force W exerted by the pressing surface of the pressing plate acts on substantially the center of the pedestal 40.

例えば、第6図に示すように、台座40の着力点側の面
42を凸の曲面形状に形成し、圧縮力Wを台座40に印
加してもよい。
For example, as shown in FIG. 6, the surface 42 of the pedestal 40 on the force application point side may be formed into a convex curved surface shape, and the compressive force W may be applied to the pedestal 40.

また、本実施例においては、圧力Pが印加されるダイヤ
フラム部10からSi単結晶体30への熱の伝導を阻止
するため、熱絶縁体12を用いた場合を例とり説明した
が、本発明はこれに限らず、台座40を熱の絶縁性に優
れた複合台座とすることにより、熱絶縁体12を用いる
ことなく圧力測定を行うこともできる。
Further, in the present embodiment, the case where the thermal insulator 12 is used to prevent the conduction of heat from the diaphragm portion 10 to which the pressure P is applied to the Si single crystal body 30 has been described as an example. However, the pressure measurement can be performed without using the heat insulator 12 by using the pedestal 40 as a composite pedestal having excellent heat insulating properties.

すなわち、台座40はその一端がSi単結晶体30に接
合されている。このため、台座40はSi単結晶体30
と熱膨張係数が近接した材料を用いて形成することが好
ましい。また、この台座40はその他端側が高温のダイ
ヤフラム部10側と接する。従って、この部分の材料は
機械的強度、熱の絶縁性に優れた材料を用いて形成する
ことが好ましい。このため、台座40のSi単結晶体3
0との接合部分を、Si単結晶体30と熱膨張係数が近
接した電気的な絶縁性材料を用いて形成し、台座40の
ダイヤフラム部10側と接する部分を、前記Si単結晶
体30との接合部分より機械的強度、または熱の絶縁性
に優れた材料を用いて形成すればよい。
That is, one end of the pedestal 40 is bonded to the Si single crystal body 30. Therefore, the pedestal 40 is made of the Si single crystal 30.
It is preferable to use a material having a thermal expansion coefficient close to that of The other end of the pedestal 40 is in contact with the high temperature diaphragm portion 10 side. Therefore, it is preferable that the material of this portion is formed using a material having excellent mechanical strength and thermal insulation. Therefore, the Si single crystal body 3 of the pedestal 40 is
0 is formed by using an electrically insulating material having a thermal expansion coefficient close to that of the Si single crystal body 30, and a portion of the pedestal 40 which is in contact with the diaphragm portion 10 side is connected to the Si single crystal body 30. It may be formed by using a material having a mechanical strength or a heat insulating property superior to that of the joint portion.

このように、台座40自体を2種類の材料を用いて複合
台座として形成することにより、例えば内燃機関のシリ
ンダ内の燃焼ガス等の高温・高圧の流体圧力を測定しよ
うとする場合に、ダイヤフラム部10に伝わった熱は台
座40で緩和遮断され、Si単結晶体30には高温とし
て作用しない。このため、Si単結晶体30は、周囲の
環境温度に影響されることなく、ダイヤフラム部10に
加えられる圧力Pに対応した電圧を出力することができ
る。
Thus, by forming the pedestal 40 itself as a composite pedestal using two kinds of materials, for example, when it is attempted to measure a high temperature / high pressure fluid pressure such as combustion gas in a cylinder of an internal combustion engine, the diaphragm portion is The heat transferred to 10 is relaxed and blocked by the pedestal 40, and does not act on the Si single crystal body 30 as a high temperature. Therefore, the Si single crystal body 30 can output a voltage corresponding to the pressure P applied to the diaphragm portion 10 without being affected by the ambient environmental temperature.

さらに、台座40のダイヤフラム部10側と接する部分
には、その接合面の状態によって、片当りなど、圧縮力
が局所的に作用することがある。このような場合には、
台座40が塑性変形または破壊してしまうことがある。
しかし、前述したように、台座のこの部分を機械的強度
に優れた材料を用いることにより、ダイヤフラム部10
側と台座40との接合部分が片当りなどの状態となって
も、台座40は破壊されることないため、圧力Pを良好
に測定することができる。
Further, a compressive force may locally act on a portion of the pedestal 40 that is in contact with the diaphragm portion 10 side, such as a single contact, depending on the state of the joint surface. In such cases,
The pedestal 40 may be plastically deformed or destroyed.
However, as described above, by using a material having excellent mechanical strength for this portion of the pedestal, the diaphragm portion 10
Even if the joint portion between the side and the pedestal 40 is in one-sided contact or the like, the pedestal 40 is not destroyed, so that the pressure P can be measured well.

なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、
本発明の範囲内で各種の変形実施が可能である。
The present invention is not limited to the above embodiment,
Various modifications are possible within the scope of the invention.

第2実施例 第7図には、本発明に用いられる力変換素子14の他の
実施例が示されている。
Second Embodiment FIG. 7 shows another embodiment of the force conversion element 14 used in the present invention.

実施例の力変換素子14は、(110)面の結晶面を備
えた1.7mm2、厚さ200μmのSiよりなる半導体
層36と、この半導体層36の側面側を高温にて熱処理
し形成された厚さ1μmのSiO2よりなる電気的な絶
縁膜37と、この絶縁膜37の主表面37a上にエピタ
キシャル成長法により厚さがh=1μmとなるよう成長
して形成された(110)面のSi単結晶体30とを含
む。そして、このSi単結晶体30の結晶面32に、台
座40を静電接合し、半導体層36の絶縁膜37を設け
た面と対向する面に支持基台62を静電接合して形成さ
れている。
The force conversion element 14 of the embodiment is formed by heat-treating the semiconductor layer 36 made of Si having a (110) crystal face of 1.7 mm 2 and a thickness of 200 μm and the side surface of the semiconductor layer 36 at a high temperature. The electrically insulating film 37 made of SiO 2 having a thickness of 1 μm and the (110) plane formed on the main surface 37 a of the insulating film 37 by epitaxial growth to have a thickness h = 1 μm. And a Si single crystal body 30. The pedestal 40 is electrostatically bonded to the crystal plane 32 of the Si single crystal 30, and the support base 62 is electrostatically bonded to the surface of the semiconductor layer 36 opposite to the surface on which the insulating film 37 is provided. ing.

ここにおいて、前記Si単結晶体30には、その不純物
濃度が1×1015/cm3〜1×1021/cm3の範囲に
ある、1×1019/cm3(比抵抗ρが約0.01Ωc
m)となるよう、p伝導型としてボロンが熱拡散されて
いる。
Here, the Si single crystal body 30 has an impurity concentration of 1 × 10 19 / cm 3 to 1 × 10 21 / cm 3 in a range of 1 × 10 19 / cm 3 (specific resistance ρ of about 0. 0.01 Ωc
m), boron is thermally diffused as p-conductivity type.

なお、前記半導体層36に、絶縁膜37を形成し、しか
もSi単結晶体30の不純物濃度を1×1019/cm3
で制御するといったIC製造プロセス技術による一連の
工程は、実際にはウエハの製造段階になされる。その
後、ダイサーにて、このウエハを第7図に示すよう1.
7mm2として切出する。
An insulating film 37 is formed on the semiconductor layer 36, and the impurity concentration of the Si single crystal body 30 is 1 × 10 19 / cm 3.
A series of steps by the IC manufacturing process technology, such as controlling by, is actually performed at the wafer manufacturing stage. Then, the wafer was diced with a dicer as shown in FIG.
Cut out as 7 mm 2 .

次に、このように形成された力変換素子に対し、本発明
者等は前記第1実施例と同様にして、室温における消費
電力が30mWを越えない範囲でSi単結晶体30に電
流Iを流し、しかも15kgwの圧縮力を加えて、Si単
結晶体10を薄くした効果の確認と、温度変動が特性に
もたらす影響が少ないという結果についての確認を行っ
た。
Next, with respect to the force conversion element thus formed, the present inventors apply a current I to the Si single crystal body 30 within the range in which the power consumption at room temperature does not exceed 30 mW in the same manner as in the first embodiment. It was confirmed that the Si single crystal body 10 was thinned by applying a compressing force of 15 kgw while flowing, and that the effect of temperature fluctuation on the characteristics was small.

この結果、このSi単結晶体10の測定電圧△Vは室温
で約25mVとなり、しかもこの測定電圧△Vの−40
°〜150°の範囲内における変化率が−0.23%/
℃であった。
As a result, the measured voltage ΔV of the Si single crystal body 10 is about 25 mV at room temperature, and the measured voltage ΔV is −40.
The change rate in the range of ° to 150 ° is -0.23% /
It was ℃.

このことから、実施例の力変換素子14は、実用に際し
十分大きな電圧△Vを出力することができ、しかも測定
電圧Vの温度による影響が極めて小さいものであること
が確認された。
From this, it was confirmed that the force conversion element 14 of the example can output a sufficiently large voltage ΔV in practical use, and that the influence of the temperature of the measured voltage V is extremely small.

さらに、本実施例の力変換素子14は、Si単結晶体3
0が電気的な絶縁膜37の主表面37a上に形成されて
いることから、高温でも電流リークがなく信頼性の高い
ものとなる。
Furthermore, the force conversion element 14 of the present embodiment is the Si single crystal body 3
Since 0 is formed on the main surface 37a of the electrically insulating film 37, there is no current leakage even at high temperatures, and the reliability is high.

なお、本実施例においては、Si単結晶体30を、p伝
導型として形成した場合を例にとり説明したが、本発明
はこれに限らず前記シリコン単結晶体30をn伝導型と
して形成しても全く問題はない。
In the present embodiment, the case where the Si single crystal body 30 is formed as the p-conduction type has been described as an example, but the present invention is not limited to this, and the silicon single crystal body 30 is formed as the n-conduction type. There is no problem at all.

また、本実施例においては、(110)面のSi単結晶
体30をエピタキシャル成長法により形成した場合を例
にとり説明したが、本発明はこれに限らず、たとえばC
VD法やMBE成長法とレーザ再結晶技術等を併用して
形成してもよい。
Further, in the present embodiment, the case where the Si single crystal body 30 having the (110) plane is formed by the epitaxial growth method has been described as an example, but the present invention is not limited to this and, for example, C
The VD method or the MBE growth method may be used in combination with the laser recrystallization technique or the like.

第3実施例 第8図には本発明に用いる力変換素子14の他の実施例
が示されている。
Third Embodiment FIG. 8 shows another embodiment of the force conversion element 14 used in the present invention.

本実施例において、Si単結晶体30は、結晶面が(1
10)面のp伝導型からなり、その厚さがh=200μ
mのものとして形成されている。そして、このSi単結
晶体30は、不純物濃度が5×1018/cm3(比抵抗
が約2×10−2Ωcm)となるようボロンを熱拡散して
形成された厚さh=2μmのp伝導型圧縮力感知用伝導
層38と、この伝導層38が少なくとも1%精度で機能
するよう伝導層38を電気的に絶縁分離する絶縁分離層
39と、を含むよう形成されている。
In this embodiment, the Si single crystal body 30 has a crystal plane (1
10) The surface is of p-conductivity type and its thickness is h = 200μ.
It is formed as that of m. The Si single crystal 30 has a thickness h = 2 μm formed by thermally diffusing boron so that the impurity concentration becomes 5 × 10 18 / cm 3 (specific resistance is about 2 × 10 −2 Ωcm). It is formed so as to include a p-conductivity-type compressive force sensing conductive layer 38 and an insulating separation layer 39 that electrically insulates and separates the conductive layer 38 so that the conductive layer 38 functions with at least 1% accuracy.

また、Si単結晶体30は、入力電極52から相対向す
る入力電極52′に向って伝導層38内を流れる電流経
路の抵抗値が、電気的な絶縁分離層39を同様にして流
れる電流経路の抵抗値の少なくとも1/100以下となるよ
うその不純物濃度が制御されている。
Further, in the Si single crystal body 30, the resistance value of the current path flowing in the conductive layer 38 from the input electrode 52 toward the opposite input electrode 52 ′ is the same as the current path flowing in the electrically insulating separation layer 39. The impurity concentration is controlled so as to be at least 1/100 or less of the resistance value of.

そして、このSi単結晶体30は、その一方の結晶面3
2側に台座40が静電接合され、他方の結晶面34に支
持基台62が静電接合されている。
The Si single crystal body 30 has one crystal plane 3
The pedestal 40 is electrostatically bonded to the second side, and the support base 62 is electrostatically bonded to the other crystal surface 34.

また、実施例において、前記入力電極52,58′、出
力電極50,50′は、ともに伝導層38のピエゾ抵抗
効果に基づく測定電圧△Vを取出すため、少なくとも伝
導層38と電気的な接続をなすよう蒸着形成されてい
る。
In the embodiment, the input electrodes 52 and 58 'and the output electrodes 50 and 50' are both electrically connected to at least the conductive layer 38 in order to take out the measured voltage ΔV based on the piezoresistive effect of the conductive layer 38. It is formed by vapor deposition.

このようにして形成された力変換素子14に対し、本発
明者等は前記各実施例と同様にして、室温における消費
電力が30mWを越えない範囲でSi単結晶体30に電
流Iを流し、Si単結晶体を薄くした効果と、温度変動
が特性にもたらす影響が小さいという効果についての確
認を行った。
With respect to the force conversion element 14 formed in this way, the present inventors, like the above-mentioned respective examples, flow a current I through the Si single crystal body 30 within a range in which the power consumption at room temperature does not exceed 30 mW, The effect of thinning the Si single crystal body and the effect that the temperature fluctuation has little influence on the characteristics were confirmed.

この結果、伝導層38の厚さをh=2μmと小さくした
ことにより、伝導層38の厚さが200μmの場合に比
較して、約10倍の測定電圧△Vを得ることができる。
さらに自己感度保障機能(特公昭57−58791号公
報に開示されており、測定電圧△Vが温度に伴ない変動
することを抑制する機能)を備えるよう前記伝導層22
の不純物濃度(例えばP伝導型Si単結晶体には、約5
×1018/cm3と約2×1020/cm3の2つの不純物
濃度領域が、自己感度補償法が適用可能な領域として存
在する)を制御したことにより、−40℃〜150℃の
温度範囲における測定電圧△Vの変化がほぼ零となるこ
とが確認された。
As a result, by reducing the thickness of the conductive layer 38 to h = 2 μm, it is possible to obtain a measurement voltage ΔV that is about 10 times that of the case where the thickness of the conductive layer 38 is 200 μm.
Further, the conductive layer 22 is provided so as to have a self-sensitivity guaranteeing function (a function disclosed in Japanese Patent Publication No. 57-58791, which suppresses fluctuation of the measurement voltage ΔV with temperature).
Impurity concentration (for example, about 5 for P-conductivity-type Si single crystal)
Two impurity concentration regions of × 10 18 / cm 3 and about 2 × 10 20 / cm 3 exist as regions to which the self-sensitivity compensation method can be applied), so that the temperature of −40 ° C. to 150 ° C. It was confirmed that the change of the measured voltage ΔV in the range was almost zero.

なお、本実施例においては、伝導層38と電気的な絶縁
分離層39を兼ねたSi単結晶体30を、p伝導型とし
た抵抗分離法によるように記載したが、本発明はこれに
限らず、n伝導型による抵抗分離法を用いても、ほぼ同
様の効果を有する力変換素子を形成することができる。
In the present embodiment, the Si single crystal body 30 that also serves as the conductive layer 38 and the electrically insulating separation layer 39 is described as being of the p-conduction type resistance separation method, but the present invention is not limited to this. Alternatively, a force conversion element having substantially the same effect can be formed by using the resistance separation method of n-conduction type.

また、本実施例において、電気的な絶縁分離層28を兼
ねるSi単結晶体30を、ドナーとアクセプターとが中
和するよう制御された、キャリアの少ないイントリンシ
ックな特性を備えたものとすることで、伝導層38はp
伝導型またはn伝導型のいずれに形成してもよい。
In addition, in the present embodiment, the Si single crystal body 30 which also serves as the electrical insulation separation layer 28 is provided with intrinsic characteristics with few carriers controlled so that the donor and the acceptor are neutralized. And the conductive layer 38 is p
It may be formed of either a conductivity type or an n conductivity type.

そして、伝導層38と電気的な絶縁分離層39とは、p
−n接合分離法を用いて形成しても全く問題はない。た
だし、p−n接合分離法を用いた場合には、出力電力5
0,50′と入力電極58,52′とは、伝導層38と
のみ電気的な接続をなすように形成しなければならず、
p−n接合分離法を用いた電気的な分離は、本質的に1
50℃前後までの温度範囲でしか電気的な分離機能を備
えてないことは周知のところである。
The conductive layer 38 and the electrically insulating separation layer 39 are
There is no problem even if it is formed by using the -n junction isolation method. However, when the pn junction separation method is used, the output power is 5
0, 50 'and the input electrodes 58, 52' must be formed so as to make an electrical connection only with the conductive layer 38,
Electrical isolation using the pn junction isolation method is essentially 1
It is well known that the electrical separation function is provided only in the temperature range up to about 50 ° C.

第4実施例 第9図には、本発明も圧力センサの他の実施例が示され
ている。
Fourth Embodiment FIG. 9 shows another embodiment of the pressure sensor according to the present invention.

本実施例の特徴は、このダイヤフラム部10の薄板部1
1bの表面に圧力印加方向に向けたネジ孔80を設け、
このネジ孔80に螺合された調整ネジ82を用い、薄板
部11bを圧力印加方向に変形させ、力変換素子14に
所望のプリロードを与えることにある。
The feature of this embodiment is that the thin plate portion 1 of the diaphragm portion 10 is
Provide a screw hole 80 on the surface of 1b in the direction of pressure application,
The purpose is to deform the thin plate portion 11b in the pressure applying direction by using the adjusting screw 82 screwed into the screw hole 80 to give a desired preload to the force conversion element 14.

本実施例において、前記ネジ孔80はブロック部22か
ら薄板部11bの表面中央部に向け設けられている。
In this embodiment, the screw hole 80 is provided from the block portion 22 toward the central portion of the surface of the thin plate portion 11b.

また、前記調整ネジ82は、ドライバの先端との係合溝
84aが設けられた頭部84と、ネジ孔80を螺合する
ネジ部86とから構成され、前記ネジ部86はその先端
が山型に形成され、その先端中央部において薄板部11
bの表面中央部100を効果的に押圧し、変形させるよ
う形成されている。
The adjusting screw 82 is composed of a head portion 84 provided with an engaging groove 84a for engaging with the tip of the driver and a screw portion 86 into which the screw hole 80 is screwed, and the screw portion 86 has a threaded tip. It is formed in a mold, and the thin plate portion 11 is formed at the center of its tip.
It is formed so as to effectively press and deform the surface central portion 100 of b.

また、前記ダイヤフラム部10は、その薄板部11bが
調整ネジ82の押付け力により図中右方向へ変形するよ
う形成する必要があり、さらに前記ネジ孔80は、薄板
部11bの裏面側まで貫通することがないよう注意する
必要がある。
Further, the diaphragm portion 10 needs to be formed such that the thin plate portion 11b is deformed to the right in the drawing by the pressing force of the adjusting screw 82, and the screw hole 80 penetrates to the back surface side of the thin plate portion 11b. Be careful not to.

そして、本実施例において、このように形成された調整
ネジ82を用いて力変換素子14にプリロードを加える
場合には、まず、力変換素子14の出力を測定しなが
ら、調整ネジ82を締付ける。これにより、調整ネジ8
2の先端がダイヤフラム部10の薄板部11bの中央部
100を押圧する。そして、薄板部11bの中央部10
0が図中右方向へ変形し、熱絶縁体12を介して力変換
素子14にプリロードを与える。
Then, in the present embodiment, in the case of applying a preload to the force conversion element 14 using the adjustment screw 82 formed in this way, first, while adjusting the output of the force conversion element 14, the adjustment screw 82 is tightened. This allows the adjustment screw 8
The tip of 2 presses the central portion 100 of the thin plate portion 11b of the diaphragm portion 10. Then, the central portion 10 of the thin plate portion 11b
0 deforms to the right in the figure, and preloads the force conversion element 14 via the thermal insulator 12.

このとき、力変換素子14からプリロードに対応した電
気信号が出力されるため、調整者はこの電気信号を見な
がらプリロード値を次のように設定する。
At this time, since the electric signal corresponding to the preload is output from the force conversion element 14, the adjuster sets the preload value as follows while watching the electric signal.

すなわち、圧力センサの各部品には、通常一定の寸法誤
差があり、また各部品の組付け時には組付け誤差が発生
する。たとえば、ダイヤフラム部10をセンサケース2
0にプロジェクション溶接し密封固定する場合には、そ
の溶接部の突出高さ(0.2mm程度)に相当する分だけ
ダイヤフラム部10が圧力印加方向に変位する。従っ
て、圧力センサを組立てる溶接途中で、センサケース2
0内に固定されている力変換素子14にダイヤフラム部
10が接触したような場合には、力変換素子14に衝撃
力が作用し、素子14が破壊されてしまう危険がある。
このため、力変換素子14には、その組立終了後、特に
ダイヤフラム部10をセンサケース20にプロジェクシ
ョン溶接した後、ゆっくりとプリロードをかけてやるこ
とが好ましい。
That is, each component of the pressure sensor usually has a certain dimensional error, and an assembling error occurs when assembling each component. For example, the diaphragm portion 10 may be attached to the sensor case 2
In the case of projection welding to 0 and sealing and fixing, the diaphragm portion 10 is displaced in the pressure applying direction by an amount corresponding to the protruding height (about 0.2 mm) of the weld portion. Therefore, during welding for assembling the pressure sensor, the sensor case 2
When the diaphragm portion 10 comes into contact with the force conversion element 14 fixed in 0, an impact force acts on the force conversion element 14 and there is a risk that the element 14 is destroyed.
For this reason, it is preferable that the force conversion element 14 is slowly preloaded after the assembly is completed, especially after the diaphragm portion 10 is projection-welded to the sensor case 20.

このとき、ダイヤフラム部10とセンサケース20の熱
による膨張、収縮等で、ダイヤフラム部10から力変換
素子14に圧力が加わらなくなったりしないように、し
かもダイヤフラム部10表面に作用する負圧等の正確に
検知できるよう、プリロードの値は所定の下限値以上に
設定する必要がある。
At this time, the diaphragm portion 10 and the sensor case 20 are prevented from expanding and contracting due to heat so that the pressure is not applied to the force conversion element 14 from the diaphragm portion 10, and moreover, the negative pressure acting on the surface of the diaphragm portion 10 is accurately measured. The preload value must be set to a value equal to or higher than a predetermined lower limit value so that it can be detected.

また、圧力センサを用いてくりかえし圧力測定を行うと
きに力変換素子14が疲労破壊を起こさないよう、この
プリロード値は、所定の上限値以下に設定する必要があ
る。
Further, this preload value must be set to a value equal to or less than a predetermined upper limit value so that the force conversion element 14 will not cause fatigue failure when repeatedly measuring pressure using a pressure sensor.

このため、本実施例の圧力センサにおいては、プリロー
ドの値が前記下限値と上限値の間に存在するよう、調整
ネジ82を用いて調整される。
Therefore, in the pressure sensor of the present embodiment, the preload value is adjusted by using the adjusting screw 82 so that it exists between the lower limit value and the upper limit value.

そして、プリロードの調整が終了した時点で、調整ネジ
82を図中一点鎖線A−A′で示す位置から切断するこ
とにより、ダイヤフラム部10の付加質量を小さくし、
その耐震性能を向上させる。
Then, when the adjustment of the preload is completed, the adjusting screw 82 is cut from the position shown by the one-dot chain line AA ′ in the drawing to reduce the additional mass of the diaphragm portion 10,
Improve its seismic performance.

すなわち、前記調整ネジ82は、ダイヤフラム部10に
設けられたネジ孔80に取付けられる。このため、調整
ネジ82の質量を大きくすると、ダイヤフラム部10の
固有振動数が低下し、その耐震性が低下してしまう。従
って、このような燃焼圧センサをエンジンなどの振動が
大きい部分に取付けると、圧力の検出精度が大巾に低下
してしまう。このため、本実施例では、調整ネジ82に
よるプリロードの調整が終了した後、その調整ネジ82
の頭部84を切断することにより、燃焼圧センサの耐震
性が低下することがないように形成されている。
That is, the adjusting screw 82 is attached to the screw hole 80 provided in the diaphragm portion 10. For this reason, if the mass of the adjusting screw 82 is increased, the natural frequency of the diaphragm portion 10 is lowered, and its vibration resistance is lowered. Therefore, if such a combustion pressure sensor is attached to a portion of the engine or the like where vibration is great, the pressure detection accuracy is greatly reduced. Therefore, in this embodiment, after the adjustment of the preload by the adjustment screw 82 is completed, the adjustment screw 82 is
By cutting off the head portion 84, the seismic resistance of the combustion pressure sensor is not deteriorated.

以上説明したように、本実施例によれば、ダイヤフラム
部10を介して力変換素子14に所望のプリロードを簡
単に印加し、周囲の温度変化に影響されることなく、負
の圧力から正の圧力まで正確に測定することができ、特
に高温の流体圧力の測定を正確に行うことが可能な圧力
センサを得ることができる。
As described above, according to the present embodiment, a desired preload is simply applied to the force conversion element 14 via the diaphragm portion 10, and the negative pressure changes from the negative pressure to the positive pressure without being affected by the ambient temperature change. It is possible to obtain a pressure sensor that can accurately measure even a pressure, and particularly can accurately measure a high temperature fluid pressure.

また、前記各実施例においては、結晶面が(110)面
のSi単結晶体を用い力変換素子を形成した場合を例に
とり説明したが、本発明はこれに限らずこれ以外に前記
第1表に示すように(110)面と等価な{110}結
晶面をもつSi単結晶体を用いて力変換素子を形成して
もよい。
Further, in each of the above-described embodiments, the case where the force conversion element is formed by using the Si single crystal having the (110) crystal face has been described as an example, but the present invention is not limited to this, and the first As shown in the table, the force conversion element may be formed using a Si single crystal body having a {110} crystal plane equivalent to the (110) plane.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明に係る圧力センサを燃焼圧センサとして
形成した場合の好適な一例を示す説明図、 第2図は従来の圧力センサの説明図、 第3図は従来の圧力センサに用いられる力変換素子の斜
視図、 第4図は本発明の圧力センサに用いられる力変換素子の
好適な一例を示す説明図であり、同図(A)はその平面
説明図、同図(B)はその側面説明図、 第5図は比抵抗7.8Ωcmのp型(110)面Si単結
晶体のピエゾ抵抗係数π63′の特性図、 第6図は第4図に示す力変換素子の変形例を示す説明
図、 第7図、第8図は力変換素子の他の実施例を示す説明
図、 第9図は本発明に係る圧力センサの他の実施例を示す説
明図である。 10……ダイヤフラム部 14……力変換素子 22……ブロック部 30……Si単結晶体 32,34……結晶面 40……台座 50,50′……出力電極 52,52′……入力電極 60……ステム 62……支持基台 64,64′……出力電極端子 66,66′……入力電極 68……封着ガラス 70……外環 80……ネジ溝 82……調整ネジ
FIG. 1 is an explanatory view showing a preferred example when the pressure sensor according to the present invention is formed as a combustion pressure sensor, FIG. 2 is an explanatory view of a conventional pressure sensor, and FIG. 3 is used for a conventional pressure sensor. FIG. 4 is a perspective view of the force conversion element, FIG. 4 is an explanatory view showing a preferred example of the force conversion element used in the pressure sensor of the present invention, FIG. A side view thereof, FIG. 5 is a characteristic diagram of a piezoresistance coefficient π 63 ′ of a p-type (110) plane Si single crystal having a specific resistance of 7.8 Ωcm, and FIG. 6 is a modification of the force conversion element shown in FIG. FIGS. 7 and 8 are explanatory views showing another embodiment of the force conversion element, and FIG. 9 is an explanatory view showing another embodiment of the pressure sensor according to the present invention. 10 ... Diaphragm section 14 ... Force conversion element 22 ... Block section 30 ... Si single crystal 32, 34 ... Crystal plane 40 ... Pedestal 50, 50 '... Output electrode 52, 52' ... Input electrode 60 ... Stem 62 ... Support base 64, 64 '... Output electrode terminal 66, 66' ... Input electrode 68 ... Sealing glass 70 ... Outer ring 80 ... Screw groove 82 ... Adjusting screw

フロントページの続き (72)発明者 林 貞幸 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭63−88418(JP,A) 特開 昭52−63083(JP,A) 特開 昭53−42579(JP,A)Front Page Continuation (72) Inventor Sadayuki Hayashi, Nagakute-cho, Aichi-gun, Aichi 1-41 Yokomichi, Nakamichi Toyota Central Research Institute Co., Ltd. (56) Reference JP 63-88418 (JP, A) 52-63083 (JP, A) JP-A-53-42579 (JP, A)

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】ダイヤフラム部の表面に作用する高温流体
の圧力を、圧縮力として力変換素子に伝達し、力変換素
子から出力される電気信号に基づき高温流体の圧力を測
定する圧力センサにおいて、 前記力変換素子は、 圧縮力が加えられる面として{110}面の結晶面を有
するように形成され、この結晶面が前記ダイヤフラム部
と平行になるよう取付けられたSi単結晶体と、 前記Si単結晶体上に、その{110}面上における結
晶の<001>方向より45度の方向に対向して設けた
第1の電極と、<110>方向より45度の方向に対向
して設けた第2の電極と、を含み、これら第1および第
2の電極のいずれか一方を出力電極とし、他方を入力電
極として用いる複数の電極と、 一端側が前記Si単結晶体の{110}面の結晶面と接
合され、他端が前記ダイヤフラム部に接するよう形成さ
れ、ダイヤフラム部に印加される圧力を圧縮力としてS
i単結晶体の結晶面に垂直に伝達し、Si単結晶体の
{110}面の結晶面と接合される複合台座と、 前記Si単結晶体の、台座が接合された面と対向する面
と接合されるステムと、 を含み、前記ステムは、 前記Si単結晶体の台座が接合された面と対向する面と
接合され、そのSi単結晶体を支持するための支持基台
と、 前記出力電極から出力される電気信号を外部に取出すた
めの複数の出力電極端子と、 前記入力電極へ外部から電流を通電するための複数の入
力電極端子と、 これら入力電極端子、出力電極端子および支持基台を一
体的に保持する保持手段と、 を含み、 前記入力電極端子からSi単結晶体に電流を流しながら
Si単結晶体の結晶面に垂直に圧縮力を作用させ、出力
電極端子からダイヤフラム部の表面に作用する高温流体
の圧力に対応した電圧を出力することを特徴とする高温
流体用圧力センサ。
1. A pressure sensor for transmitting a pressure of a high temperature fluid acting on a surface of a diaphragm portion to a force conversion element as a compression force and measuring the pressure of the high temperature fluid based on an electric signal output from the force conversion element, The force conversion element is formed to have a {110} crystal face as a face to which a compressive force is applied, and a Si single crystal body attached so that the crystal face is parallel to the diaphragm portion. A first electrode provided on a single crystal body facing the <001> direction of the crystal on the {110} plane in the direction of 45 degrees and a first electrode facing the <110> direction in the direction of 45 degrees. A plurality of electrodes each including one of the first and second electrodes as an output electrode and the other as an input electrode, and one end of the {110} plane of the Si single crystal body. And the crystal plane of It is bonded so that the other end is in contact with the diaphragm part, and the pressure applied to the diaphragm part is used as a compression force S
A composite pedestal that is transmitted perpendicularly to the crystal plane of the i single crystal and is joined to the {110} plane of the Si single crystal, and a surface of the Si single crystal that faces the surface to which the pedestal is joined. A stem that is joined to the stem, the stem is joined to a surface facing a surface to which the pedestal of the Si single crystal body is joined, and a support base for supporting the Si single crystal body; A plurality of output electrode terminals for extracting an electric signal output from the output electrode to the outside, a plurality of input electrode terminals for supplying a current to the input electrode from the outside, and the input electrode terminal, the output electrode terminal and the support Holding means for integrally holding the base, and applying a compressive force perpendicularly to the crystal plane of the Si single crystal body while applying a current from the input electrode terminal to the Si single crystal body, and from the output electrode terminal to the diaphragm. Temperature acting on the surface of the part Pressure sensors for high temperature fluid and outputs a voltage corresponding to the pressure of the body.
【請求項2】特許請求の範囲(1)記載のセンサにおい
て、 熱容量の大きいブロック部に設けられた接合用凹部を、
前記ダイヤフラム部の表面中央部付近に設けられた接合
用凸部に接合し、ブロック部をダイヤフラム部の表面に
取り付け固定したことを特徴とする高温流体用の圧力セ
ンサ。
2. The sensor according to claim 1, wherein the joining recess provided in the block having a large heat capacity is provided.
A pressure sensor for high-temperature fluid, characterized in that it is joined to a joining projection provided near the center of the surface of the diaphragm portion, and the block portion is attached and fixed to the surface of the diaphragm portion.
【請求項3】特許請求の範囲(1)(2)のいずれかに
記載のセンサにおいて、 前記ダイヤフラム部表面に圧力印加方向に向け設けられ
たネジ孔に調整ネジを螺合し、この調整ネジを用い、ダ
イヤフラム部を圧力印加方向に変形させ、力変換素子に
予め与える圧縮力を調整するよう構成したことを特徴と
する高温流体用の圧力センサ。
3. The sensor according to any one of claims (1) and (2), wherein an adjusting screw is screwed into a screw hole provided on the surface of the diaphragm in the pressure application direction, and the adjusting screw is screwed into the screw hole. A pressure sensor for high-temperature fluid, characterized in that the diaphragm portion is deformed in the direction of pressure application by using, and the compression force applied in advance to the force conversion element is adjusted.
【請求項4】特許請求の範囲(1)〜(3)のいずれか
に記載のセンサにおいて、 前記Si単結晶体は、 不純物濃度が1×1015/cm3〜1×1021/cm3
範囲に制御され、その厚さが50μm以下となるように
形成されたことを特徴とする高温流体用の圧力センサ。
4. The sensor according to any one of claims (1) to (3), wherein the Si single crystal body has an impurity concentration of 1 × 10 15 / cm 3 to 1 × 10 21 / cm 3. A pressure sensor for a high temperature fluid, which is controlled to have a thickness of 50 μm or less.
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