JPH0626960A - 流体隔離式自己補償形絶対圧センサ及びセンサカプセル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電気特性を変化させないでスパンシフト、零
シフト及び静圧を変更できる圧力センサを提供するこ
と。 【構成】 絶対圧センサカプセル及びそれを使用したセ
ンサ。センサカプセルは第１素材のセンサダイと、ダイ
に結合された第２素材の中間スペーサと、第３素材のベ
ースプレートとを含み、ベースプレートは、ダイのスパ
ンシフト、零シフト及び静圧を変化させると共にダイ電
気部材のキャリブレーションの変化を補償するためにそ
の厚さを変えるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧力センサ及び変換器に
関するものである。特に本発明は、センサの電気特性を
変化させないでスパンシフト、零シフト及び静圧を変更
することができる流体隔離自己補償形絶対圧センサに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】圧力センサは従来から様々な用途に用い
られている。しかし、センサを使用する多くの用途によ
っては一定の欠点が生じる。従来はセンサが完全には隔
離されていなかった。その結果、センサの内部機構を有
害で破壊性の環境、例えば塩水に曝されるのを防止する
手段がないのが一般的であった。さらに、隔離されてい
る場合には、これらのセンサは感知された力を変換器に
よって最初に感知された通りに正確に再現するように伝
達できないことが多かった。また、従来のセンサは、し
ばしばセンサの破壊原因となる過大作動力すなわち過大
圧力を防止できるように設備されていないのが一般的で
ある。

【０００３】この分野で開発されている従来形センサと
してデルモンテ(Delmonte)の米国特許第3,427,884号が
あり、これは可撓性の管形支持壁を設けたダイアフラム
部材、及び支持壁を横切る方向に延在した露出形の薄い
可撓性ダイアフラムを開示している。ギールト(Gealt)
の米国特許第4,006,640号は、内部流体室がダイアフラ
ム及びバックアッププレートによって処理流体から隔離
されている圧力ー電流伝送器を開示している。ディビス
(Davis)他の米国特許第4,184,189号は、低価格のガラス
容量性圧力センサを開示している。シコラ(Sikorra)の
米国特許第4,196,632号は、石英ガラス製の第１及び第
２支持部材と、その間に配置された同一素材からなるダ
イアフラムとを設けた装置を開示している。

【０００４】ナガス他の米国特許第4,321,578号は半導
体圧力センサをハウジング内に保持できる構造にした二
重側部形圧力変換器を開示している。ワムスタッド(Wam
stad)の米国特許第4,399,707号は、応力感知半導体ダイ
と、凹部を設けたセラミック底部を有するハウジングと
を開示している。マークス(Marks)他の米国特許第4,60
0,912号は、圧力応答ダイアフラムとして単結晶ウェハ
を用いたダイアフラム形圧力センサを開示している。グ
ランサム(Grantham)他の米国特許第4,467,394号は、シ
リコンーガラスーシリコンの三重板形の容量性圧力変換
器を開示している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記した特許に示され
たものは、この技術分野を前進させる圧力センサ及びセ
ンサ素子を開示しているが、前述の問題点が依然として
存在していた。本発明はこれらの問題を解決することを
課題とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】包括的に言えば、本発明
の絶対圧センサカプセルは、第１素材からなるセンサダ
イと、第２素材からなる中間スペーサと、センサダイの
スパンシフト、零シフト及び静圧を変化させると共にセ
ンサダイ電気部材のキャリブレーションの変化を補償た
めに厚さを変える第３素材からなるベースプレートとを
有している。本発明は、さらに上記した圧力センサカプ
セルと、カプセルを包囲するハウジングとを有するセン
サを提供している。ハウジングには、カプセルを収容す
るための開放端部形くぼみを設けたヘッダーが含まれて
いる。くぼみは、カプセルとほぼ符合する形状で、カプ
セルをほぼ動きばめできる大きさである。ハウジングに
は、さらに、カプセルを包囲しているくぼみに入った流
体と、厚さが可変であり、様々な温度に渡って圧力応答
の直線性を維持するための回旋状ひだを形成させたくぼ
みの開放端部を覆っているダイアフラムとが含まれてい
る。

【０００７】

【実施例】次に、添付の図面を参照しながら本発明を説
明するが、数図面を通して同一部分には同一番号が付け
られており、図１には絶対圧センサカプセル１０が示さ
れている。絶対圧センサカプセル１０は、第１素材から
なるセンサダイ１２と、第２素材からなる中間スペーサ
１４と、第３素材からなるベースプレート１６とを有し
ている。ベースプレート１６は、センサダイのスパンシ
フト、零シフト及び静圧を変化させると共にセンサダイ
電気部材のキャリブレーションの変化を補償するために
厚さを変える。

【０００８】圧力センサカプセル 図１及び２に示されているように、本発明の１実施例セ
ンサカプセルは、センサダイ１２と、中央孔１８を設け
た中間スペーサ１４と、ベースプレート１６とを有して
いる。まずセンサダイ１２について説明すると、カプセ
ル１０のこの部材は、抵抗器、ダイオード、コンデンサ
及び電気接続部またはそれらの組み合わせ体等の電気回
路を保持する圧電反応材である。本説明において、セン
サダイ１２は、素材のたわみによるピエゾ抵抗またはコ
ンダクタンスによってひずみを測定するために使用され
る圧電反応ひずみ感知材を有することができる。

【０００９】一般的にセンサダイ１２は、ひずみを感知
するものであればどのような半導体材でもよい。好まし
い素材として、シリコン、ひ化ガリウム、シリコン配合
物、窒化けい素、シリコンサファイア等がある。センサ
ダイの形成に最も好ましい素材は、圧電反応性が一般的
に高く規則的であると共に相対的供与性があることか
ら、シリコンである。

【００１０】一般的に、センサダイ１２は様々な物理的
形状にすることができる。しかし、正方形の部材の方が
円形よりも切削が簡単であることから、正方形のセンサ
ダイが一般的に好ましい。図２に示されているセンサダ
イの物理的寸法の厚さｔ、幅Ｗ及びセンサダイ表面の全
体面積すなわち底面積は、多くの要因によって制御され
る。センサダイの厚さｔは、それぞれの用途で測定され
る圧力範囲によって決められる。

【００１１】一般的に、本発明のセンサダイは、どのよ
うな範囲の圧力の測定にも使用できる。一般的なガイド
ラインとして、本発明の様々な実施例で測定できる圧力
の範囲は、約１ｐｓｉから10,000ｐｓｉ以上までに渡っ
ている。また一般的なガイドラインとして、測定圧力が
高くなるほど、幅Ｗは最小にして、センサダイ１２と中
間スペーサ１４の中央の孔１８との間の応力を軽減させ
る必要がある。しかし、予想圧力が与えられた時に十分
にたわむことができるように、厚さｔは綿密に監視する
必要がある。

【００１２】従って、センサダイの厚さｔとセンサダイ
の幅Ｗとの間に許容差がある。いずれの用途でも、最適
の結果が得られるようにこれらの２つのパラメータを調
節しなければならない。一般的に、センサダイの厚さは
約0.001インチ〜約0.020インチの範囲であるが、用途に
よってはこの範囲外の厚さが適当な場合もある。同時に
センサダイの幅Ｗは、約0.060インチ〜約0.175インチに
することができる。一般的に、センサダイの厚さｔが大
きくなるほど、幅Ｗを大きくして十分なたわみを確保で
きるようにしなければならない。

【００１３】図２に示されているように、カプセルの次
の部材は中間スペーサ１４である。中間スペーサ１４
は、センサダイ１２に圧力が加えられた時にたわみ領域
となる孔１８を提供するためのものである。また、中間
スペーサ１４は孔１８に真空基準を形成することによっ
て、絶対圧センサを提供できるようにする。

【００１４】一般的に、中間スペーサは、膨張係数がセ
ンサダイとほぼ同じであればどのような素材でもよい。
この中間スペーサ素材はまた、真空基準を形成するのに
適していると共に、静電または熱電接着等の含む様々な
処理によってセンサダイに接着しやすいことが必要であ
る。一般的に、そのような素材は、これらの形式の接着
処理を受け入れるため高温で電流を流すことができなけ
ればならない。中間スペーサの形成に好適な素材は、容
易に密封できてカプセルの真空を形成できる部材を提供
できるように、相当に剛性があって圧縮強さが高い素材
であることも必要である。

【００１５】一般的に、中間スペーサ１４には様々な石
英配合ガラスを使用することができる。特に好適なもの
は、パイレックス(Pyrex)、ノネックス(Nonex)の商品名
で販売されているほうけい酸ガラスまたはウランガラス
である。これらの素材は、剛性及び圧縮強さが高く、ま
たそれらが全般的に静電接着処理を受けやすいことか
ら、好適であることがわかっている。一般的に、中間ス
ペーサはどのような物理的すなわち構造的寸法または形
状でもよい。中間スペーサの厚さは、カプセル１０が固
定接着すなわち永久接着によってハウジングに付着され
るか可撓性接着によるかによって変わる。可撓性接着は
一般的に、センサの製造中に、例えばリード線を取り付
ける時などにカプセルをセンサ内に固着するために必要
な安定性を与える。しかし、可撓性接着は、センサの寿
命全体に渡って保持される必要はなく、また必ずしも保
持されない。

【００１６】一般的に、カプセル１０をハウジングに固
定接着は、中間スペーサの厚さが大きいカプセルの固着
方法が用いられる。中間スペーサが厚くなるほど、セン
サが受ける外部力がカプセル全体に散逸されて、ハウジ
ングからカプセルのセンサダイに伝達されない。この説
明では、外部力とは、ダイアフラムのたわみ以外の手段
を介してハウジングに伝達される力である。

【００１７】好ましくは、図２及び４に示されている中
間スペーサの厚さｔ’は約0.015インチ〜約0.5インチで
ある。中間スペーサ１４は、円形または正方形を含めた
様々な形状にすることができる。中間スペーサが円形の
場合、それはセンサダイ１２に外接または内接させるこ
とができる。しかし、正方形の方が目的の素材から簡単
に切削できるので、中間スペーサは正方形にするのが好
ましい。

【００１８】本発明の圧力センサカプセルは、図２に示
されているように、中間スペーサ１４及びセンサダイ１
２に加えて自律形のベースプレート１６を有している。
ベースプレートはカプセルの絶対真空基準を完成させる
ためのものである。また、ベースプレートは回路補償を
行う機能も備えている。回路補償は、センサダイ厚さｔ
に対するベースプレート厚さｔ”を変化させることによ
って実施される。さらに、ベースプレートは、カプセル
１０をハウジング２０に固着するために使用される接着
材３９の支持部として機能する。

【００１９】回路補償は、センサカプセル１０の製造時
に行われる。一般的に、カプセル１０、特にベースプレ
ート１６に使用される素材は、使用できる接着法の中で
最も供与性の高いものを使用できるように選択して変え
られる。ベースプレート１６、中間スペーサ１４及びセ
ンサダイ１２の各々に使用する素材を変えた場合、これ
らの素材間で膨張係数が完全には一致していないが非常
に類似していれば、センサに加えられる力すなわち圧力
を正確に定めることができる。しかし、カプセルの各部
材の形成に複数種類の素材を使用すると、応力及び圧力
が発生し、感知圧力を正確に記録するためにはこれらを
補償しなければならない。

【００２０】一般的に、目的用途が定められ、適当な素
材が選択されると、図２に示されているベースプレート
１６の厚さｔ”を変更することによってスパンシフト、
零シフト及び静圧を最小限に抑えたり、変更することも
できる。ｔ”を変更することによって、カプセル内に複
数種類の素材を用いることから発生する応力を補償する
ために外部回路等を使用する必要がなくなる。

【００２１】可変センサ特性を与える際に、ベースプレ
ート１６の厚さｔ”を増減することによって、あるセン
サ用途の要件に従ってカプセルの零シフト、スパンシフ
ト及び静圧を最小限にしたり変更することができる。一
方、ｔ”を変更しても、カプセルを形成するために用い
られている構造及び素材がｔ”の変化量を補償するの
で、センサダイに取り付けられている電気部材を外部回
路によってキャリブレーションし直す必要はない。

【００２２】一般的にベースプレート１６は、中間スペ
ーサに接着しやすく、膨張係数がセンサダイ及び中間ス
ペーサ部材と比較的類似していれば、どのような素材で
もよい。ベースプレート１６の形成に使用できる素材
は、本発明の圧力センサカプセルのセンサダイ１２の形
成に使用されるものと同様の素材である。すなわち、シ
リコン、ひ化ガリウム、シリコン配合物、窒化けい素、
シリコンサファイア等を本発明のベースプレート１６の
製造に用いることができる。一般的に、ベースプレート
１６は様々な形状にすることができる。しかし、正方形
の方がシリコンウェハから簡単かつ正確に切削できるの
で、正方形のベースプレートが他の形状のものよりも一
般的に好ましい。また、多数の圧力センサカプセルのセ
ンサダイ部材１２及びベースプレート１６として相互交
換可能に使用できる多数の正方形小片を形成することが
できる。

【００２３】センサダイの物理的パラメータは、一般的
に圧力センサカプセルの目的用途及びカプセルが受ける
圧力の量によって決められる。一般的に、図２に示され
ているベースプレートの厚さｔ”はセンサダイの厚さｔ
の０．５〜３倍である。しかし、圧力センサカプセルは
センサダイ１２及びベースプレート１６の両方で圧力を
受けるので、ベースプレートの厚さｔ”は変換器内の過
大圧力によって打ち抜きまたは穿孔が生じるほど薄くし
てはならないことに注意されたい。

【００２４】本発明の変更例が図３及び４に示されてい
る。この例では、図４に示されているように、ベースプ
レートと中間スペーサとが合体して１つの部材１３にな
っている。この場合、圧力センサカプセルは、センサダ
イ１２とベースプレート１３とを有している。本実施例
では、図３に示されているように、ベースプレート１３
に中央孔またはくぼみ１８’が設けられている。先行実
施例の場合と同様な配慮が、図４に示されているセンサ
ダイ１２の相対厚さｔ及びベースプレート１３の下側厚
さｔ”にも加えられる。この場合、厚さｔ”は厚さｔの
０．５〜３倍である。センサダイ１２とベースプレート
１３との接着を容易にするため、これらの部材は一般的
に異なった２つの素材で構成されている。圧力センサカ
プセルの先行実施例と同様に、センサダイ１２はひずみ
感知材で形成できる。シリコン、ひ化ガリウム、シリコ
ン配合物、窒化けい素、シリコンサファイア等の素材を
使用できるが、シリコンが好適である。

【００２５】孔１８’を設けたベースプレート１３は、
膨張係数がセンサダイ１２に使用されたひずみ感知材と
類似しているが同一ではなく、装置によって補償できる
一定の再現応力を考慮しながら供与性の高い接着方法を
用いることができるように幾分違いがある素材で形成す
るのが好ましい。

【００２６】図３及び４に示されているカプセルの本実
施例のベースプレートを形成するとき、孔１８’は当業
者には公知の様々な方法で形成することができる。セン
サダイ、中間スペーサ（使用時のみ）及びベースプレー
トの厚さの測定には、有限要素分析法等の方法を用いる
ことができる。一方、孔１８’はドリル加工、化学的腐
食、またはその他の孔１８’を正確に形成し、図４に示
されている孔の底面１７とベースプレート第２表面１５
との間のベースプレート下側厚さｔ”を適切に定めるこ
とができる公知の方法で形成できる。形成された孔１
８’はベースプレート１３の第１表面内へ部分的に延在
し、最終的にその表面はセンサダイ１２の裏面と当接す
る。一般的に、孔１８’がベースプレート１３内へ延在
する深さは、目的のセンサ用途、カプセルの素材及び図
４の所望のベースプレート下側厚さｔ”によって決ま
る。孔１８’の深さは、好ましくは0.015インチ〜0.050
インチの範囲内であるが、特殊な用途によっては、ベー
スプレート下側厚さｔ”はセンサダイ厚さｔの０．５〜
３倍の範囲で任意に選択することもできる。本発明の本
実施例のベースプレートを形成するために使用できる素
材として、パイレックス、ノネックス等のほうけい酸ガ
ラスやウランガラス等のシリコン配合物がある。

【００２７】カプセルの製造 本発明の圧力センサカプセルは、当業者には公知の手段
で製造できる。図１の本圧力センサカプセルを製造する
１つの方法では、センサダイ１２及びベースプレート１
６を同一素材の単一ウェハから切削加工で形成する。次
に、中間スペーサ１４が同様な切削手段によって形成さ
れる。次に、全部の部材を重ね、研摩して洗浄する。次
に、カプセルの３つの全部材は、熱電または静電（すな
わちＴＥ）接着、接着剤接合、はんだ付け等を含む当業
者には公知の様々な手段で接合される。金−シリコンユ
ーテクティック(utectic)接着やガラスフリットもカプ
セルの部材の結合に利用できる手段である。実際に、孔
１８内を密封して真空基準を形成することによって絶対
圧センサを形成できるようにするものであれば、どのよ
うな接着方法でもよい。

【００２８】好ましくは、ＴＥ接着機構を温度及び電圧
と組み合わせてカプセルの製造に使用する。この場合、
装置は一般的に約５００゜Ｃに加熱される。次に、十分
な電流を装置に流して、約1,000ボルトをカプセルに加
える。全接着工程を真空室内で実施することによって、
最終的に好ましくは水銀柱約１×１０-6ミリメートルか
それ以下の圧力の真空基準が孔１８’内に得られる。

【００２９】装置が真に密封閉鎖されて繰り返し安定応
力レベルによって繰り返し安定測定を実施できるように
するため、カプセルが一定時間に渡って一定の圧力読み
取り値を示すかを試験してもよい。あるいは、カプセル
にヘリウムを噴射してこのガスが孔１８’に進入するか
を調べることによって、カプセルの密封閉鎖性を検査し
てもよい。

【００３０】絶対圧センサ 本発明のさらなる特徴によれば、図５〜７に示されてい
るような圧力センサが提供される。このセンサは一般的
に、図１〜４に示されている隔離形絶対圧センサカプセ
ル１０または１０’と、ハウジング２０とを有してい
る。ハウジング２０は、図１〜４に示されているような
カプセル１０または１０’を収容するくぼみを設けたヘ
ッダーを有している。説明上、図５〜７ではセンサカプ
セル１０を使用したが、様々なカプセルをセンサに使用
できることは理解されたい。必要に応じて、ヘッダーの
くぼみには２つの部分を設けることができ、その中の一
方の部分２６はカプセル１０にほぼ符合してそれを動き
ばめできる形状の内部空間を有している。くぼみの第２
部分２４は、カプセル１０と電気端子ピン３４との間の
接続リード線３０を設置するための空間であると共に、
ダイアフラム２８のたわみ空間でもある。

【００３１】センサには、流体がカプセル１０のほぼ包
囲した状態でカプセル１０をヘッダー２２に取り付ける
ための可撓性接着手段３９も設けられている。カプセル
１０を隔離するためのダイアフラム２８が、くぼみ部分
２４の開放端部を閉鎖している。必要に応じて、図７に
示されているようにダイアフラム２８とカプセル１０と
の間に中間スペーサ２５を配置してもよい。リード線３
０はカプセルセンサダイ１２と電気端子ペン３４との間
を接続している。

【００３２】図５に示されているように、本発明の圧力
センサはハウジング２０を有しており、その内部に圧力
センサカプセル１０が配置されている。ハウジング２０
の主要部材はヘッダー２２である。ヘッダー２２は、目
的圧力及び外部圧力に対して全表面を密封した密封耐圧
装置にする等の、装置内において様々な機能を備えてい
る。また、ヘッダー２２は、開放端部形くぼみ２４、２
６に圧力センサカプセル１０及びダイアフラムで感知さ
れた力をカプセルに伝達する流体を収容して一体化した
センサ体にする。

【００３３】ヘッダー２２は様々な形状にすることがで
きる。一般的に、図５〜７に示されているように、ヘッ
ダー２２は円筒形構造体で、ヘッダー２２のくぼみの露
出内表面をダイアフラム２８が覆っている。電気端子ピ
ン３４をヘッダー２２の裏側から突出させてもよい。ヘ
ッダー２２の外形は、センサ用途の性質及びセンサの取
り付け方によって変わる。好適な形式では、図５〜７に
示されているように、ヘッダー２２は円筒形で、電気パ
ルスを伝達し、センサカプセル１０を外部力から隔離し
ながら支持するために必要な部材を収容できる構造にな
っている。

【００３４】ハウジング２０にはさらに、ヘッダー２２
の開放くぼみ２４及び２６を満たすために使用される流
体が含まれている。流体は、ダイアフラム２８で感知さ
れた圧力を圧力センサカプセル１０へ伝達する機能を持
っている。従って、本発明の圧力センサは、センサカプ
セル１０を0.001インチまたはそれ以上のすきまを保持
しながらくぼみ２６内に動きばめできる構造になってい
る。動きばめできることは、カプセル１０を図５のよう
に設置した時にカプセル側壁とヘッダーくぼみ２６の対
向壁との間を流体が通過できるようにヘッダー２２及び
圧力センサカプセル１０を設計しなければならないこと
を意味している。

【００３５】流体は、センサを用いる温度に基づいて選
択され、所望の膨張係数を備えていればどのような流体
でもよい。圧力センサを使用する温度範囲が与えられれ
ば、流体選択を変えることができる。特に、センサを用
いる温度範囲において膨張係数が低い流体を使用するこ
とが好ましい。また、流体は膨張係数が高いことから、
ハウジングは最小量の流体を収容するように設計されて
いる。一般的に、ハウジング内の空隙は、0.15ｃｃ以下
の流体、好ましくは0.10ｃｃ以下の流体を収容するよう
に設計されている。また好ましくは、様々な露出電気リ
ード線３０及び３４とショートしないように、流体は非
導電性にする。流体は、様々な従来方法のいずれかでガ
ス抜きしてもよい。本発明のセンサの製造に好適である
ことがわかっている流体には、高圧器具に使用できるこ
とが知られているシリコン流体、フッ化シリコーン流
体、炭化水素及びフッ化炭化水素油がある。これらの流
体はすべて、必要な低膨張係数を備えており、高圧環境
でも使用できることがわかっている。

【００３６】図５〜７に示されているように、ハウジン
グ２０にはダイアフラム２８も設けられている。ダイア
フラム２８は、ハウジング２０の外部からダイアフラム
２８に加えられる外部圧力をカプセル１０に伝達する機
能を持っている。このカプセルはヘッダー内に収納され
て、ハウジング外に電気信号を伝達する電気的回路に接
続されている。

【００３７】ダイアフラム２８はまた、カプセル１０を
外部の危険な環境、例えば塩水等やカプセル１０の長期
寿命に悪影響を与えやすい圧力媒体から保護している。
ダイアフラムは所定の硬さを有する薄くて強い素材であ
る。それが接触する圧力媒体に基づいて選択される。有
用な素材は、さびおよび酸化に対する耐性の点からステ
ンレス鋼、ニッケル合金、チタン合金などの金属合金で
ある。ダイアグラムの形成に合成ポリマーを使用するこ
ともできる。ダイアフラムは、薄く可撓性の高いものか
ら、厚くより硬いものまである。一般的に、ダイアフラ
ムの厚さは約0.003〜0.007、最も好ましいものは0.004
〜0.006であるが、用途に合わせてその他の厚さを適当
に選択することができる。センサを製造する際に、ダイ
アフラムは当業者には公知の様々な手段で、例えば溶
接、ガラスフリット等でくぼみ２４を覆うようにしてヘ
ッダー２２に取り付けられる。好ましくは、ダイアフラ
ム２８は、最高の強度及び密封性を与えることができる
溶接でヘッダー２２に取り付けられる。

【００３８】図５〜７に示されているように、ダイアフ
ラムには、ダイアフラムの平面よりも上方に延出する隆
起部または回旋状ひだ２９も設けられている。これらの
隆起部は、変動温度の環境における流体の膨張及び収縮
を補償する。回旋状ひだ２９はまた、カプセル内に異常
な応力を発生させることなく過大なたわみを補償するこ
ともできる。すなわち、これらの回旋状ひだ２９は、カ
プセル１０をくぼみ２６から引き出すことなく、ダイア
フラムをハウジング２０の内外へたわませることができ
る。一般的に、回旋状ひだ２９の数は目的用途によって
異なる。実際には、１５の環状ひだが本発明の圧力セン
サを形成する際に有効であることがわかっている。

【００３９】本発明の圧力センサは、電気リード線３
０、３４も有している。これらの電気リード線は、カプ
セルによって感知された圧力を電気信号に変えてカプセ
ルからヘッダー２２及びハウジング２０の外へ伝達する
機能を持っている。これらの機能と同じであれば、いず
れの数の接点、リード線または他の接続回路を本発明の
圧力センサに用いてもよい。

【００４０】好ましくは、図５〜７に示されているよう
に、電気接続装置は一般的に、センサダイ１２の表面上
の回路を電気端子ピン３４に接続する接点ワイヤ３０を
有している。電気端子ピン３４の方は、センサダイ１２
の表面上で発生した電気信号を圧力センサハウジングか
ら取り出して外部インターフェースへ送る。一般的に、
ピン３４及びその他の電気接続部の数に応じてヘッダー
の寸法も大きくなる。

【００４１】まず接点ワイヤ３０について説明すると、
これらのワイヤは当業者には公知のどのような導電材で
もよい。本発明におけるそれらの構造によって、ヘッダ
ーくぼみ２４内に小さい外形寸法を保持して、ダイアフ
ラム２８が内向きにカプセル１０の方へたわんだ時にも
ダイアフラムに接触しないようにしながら、センサダイ
表面との確実な電気抵抗接触を確保することができる。

【００４２】接点ワイヤ３０は、図６に示されているよ
うにカプセル１０に外接するようにしてヘッダー２２内
に配置された電気端子ピン３４に接続している。電気端
子ピン３４は、それらの導電機能に合わせた様々な方法
でヘッダー２２内に配置されている。

【００４３】好ましくは、端子ピン３４は実際のヘッダ
ーから隔離されるようにしてヘッダー２２内に配置され
ている。ヘッダーがステンレス鋼等の導電材を有してい
る場合、適当な非導電材３８によって電気端子ピン３４
をヘッダー２２から隔離してもよい。適切な絶縁材３８
は、電気端子ピン３４とヘッダー２２との間を十分に接
着させることができ、ほぼ同様な膨張係数を備えたもの
であれば、どのような素材でもよい。有効な絶縁材に
は、ガラス／金属接着できる配合ガラス材がある。例え
ば、コーニングガラス(Corning Glass)７０５２、ほう
けい酸ガラス等がこのような構造に使用できることがわ
かっている。

【００４４】本発明の圧力センサにはさらに、図６及び
７に示されているように、スペーサ２５と、圧力センサ
カプセル１０をセンサ２０内に固着させる接着手段３９
と、センサ内へ流体を導入するための流体入口ポート４
０とが設けられている。

【００４５】スペーサ２５は、図７に示されているよう
に、一般的にダイアフラムの内表面とカプセル１０のセ
ンサダイ１２の上表面との間に配置される。スペーサ２
５は過大圧力すなわち圧力変換器の過大作動を防止する
と共に、ダイアフラム２８で感知された圧力をカプセル
に伝達するために必要な流体の量を最小にする。また、
スペーサ２５には、電気接点３０がダイアフラム２８と
接触しないように隔離する機能もある。

【００４６】スペーサ２５は、金属、金属合金、合成
材、セラミックスまたはガラス等の様々な素材にするこ
とができる。好ましくは、スペーサに選択される素材
は、過大圧力を支持するために必要な強度を備えなが
ら、流体を吸収しない十分な密度を有している。さら
に、スペーサに選択される素材は、好ましくはガス抜き
をしないで、くぼみ２４、２６内にエアポケットが形成
されるようにする。また、好ましくはスペーサ材は非導
電性である。このため、好適であることがわかっている
１つの素材は、鋼にセラミックまたは磁器外装を施した
ものである。

【００４７】スペーサ２５の１つの好適な実施例が図７
に示されている。スペーサ２５に設けられた中央孔３１
からカプセル１０の上表面へ直接的に流体伝達されるよ
うになっている。スペーサ２５の外表面は、回旋状ひだ
２９を含むダイアフラム２８の全体形状にほぼ沿ってい
る。過大圧力を受けると、スペーサ２５は、図７に示さ
れているヘッダー２２の内向きに突出した棚部３３に最
終的に当接する。従って、センサが設計範囲を超える圧
力を受けた時、スペーサ２５がこの力を吸収する。

【００４８】本発明のセンサはまた、図５、７に示され
ている接着手段３９を有している。接着材３９は、圧力
センサカプセルをヘッダーくぼみ２６内に固着して、接
点３０を取り付けることができるようにする。また、接
着材は、センサが使用に供されてからはカプセルをこの
くぼみ内に保持する可撓性手段となる。好ましくは流体
が圧力センサカプセルの周囲及び下側を流れてカプセル
の側部やカプセルのベースプレートとくぼみ２６の下表
面との間の空間に流入できるように、接着材を配置す
る。

【００４９】この接着手段は、固定または可撓性支持を
与える様々な組成物にすることができる。すなわち、接
着材は当業者には公知の可撓性または弾性熱可塑性また
は熱硬化性接着組成物にすることができる。ある接着材
をガラスまたはセラミックのビードと一緒に用いること
によって、設置した時にカプセルの底部とヘッダー２２
との間にさらなる隙間が生じるようにしてもよい。ま
た、フリットやはんだ等を用いて、圧力センサカプセル
をヘッダー２２のくぼみ２６内に固定式に取り付けるこ
ともできる。

【００５０】一般的に本発明の圧力センサの製造に好適
な接着材には、圧力センサカプセルをヘッダーくぼみ２
６に可撓性接着させるものとしてシリコン接着材、フッ
化シリコン接着材等がある。これは、リード線３０をカ
プセル及び端子ピン３４に固定できるように最初にカプ
セル１０を取り付ける際に有益であることがわかってい
る。圧力センサが使用に供されてからも、接着材は圧力
センサカプセルを自在浮動させることができるだけの可
撓性を備えていると考えられ、リード線３０によってカ
プセルがヘッダーくぼみ２６の側部に接触することが防
止されている。図７に示されているようにセンサには流
体入口ポート４０も設けられている。流体は、ダイアフ
ラムでヘッダー２２を密封する前に、センサカプセル１
０、特にヘッダーのくぼみ２４及び２６内へ導入され
る。流体入口ポート４０はまた、ダイアフラム２８及び
スペーサ２５を完全に取り外さなくても流体をセンサに
対して出し入れできるように形成することができる。従
って、様々な流体入口ポート手段及び密封手段を使用で
きる。

【００５１】本発明の流体入口ポート４０を形成する好
適な手段の一例が図７に示されている。この場合、ポー
ト４０は、ヘッダー２２の外部とくぼみ２６との間を連
通させており、くぼみ２６を通って流体がヘッダー２２
内へ導入される。このポートは、流体入口ポート４０の
小径部によって形成された弁座４４に当接するボール４
２等を含む様々な手段によって閉鎖または密封すること
ができる。以上の説明及び実施例は、本発明の理解を助
けるためのものである。本発明はその精神から逸脱しな
い範囲内の様々な実施例で実施することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による圧力センサカプセルの１つの実施
例の斜視図である。

【図２】図１の圧力センサカプセルの２−２線に沿った
破断側面図である。

【図３】本発明の圧力センサカプセルの別の実施例の斜
視図である。

【図４】図３の圧力センサカプセルの４−４線に沿った
破断側面図である。

【図５】図１及び２の圧力センサカプセルを内蔵した本
発明による絶対圧センサの１つの実施例の破断側面図で
ある。

【図６】やはり図１及び２の圧力センサカプセルを内蔵
した本発明による絶対圧センサの好適なの実施例の破断
斜視図である。

【図７】図６の絶対圧センサの７−７線に沿った破断側
面図である。

【符号の説明】

１０ 圧力センサカプセル １２ センサダイ １４ 中間スペーサ １６ ベースプレート １８ 孔 ２０ ハウジング ２２ ヘッダー ２４、２６ くぼみ ２８ ダイアフラム ２９ 回旋状ひだ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （ａ）第１素材からなり、電気部材を設
   けた第１表面及び裏面を備えたセンサダイと、 （ｂ）第２素材からなり、絶対真空基準を形成するため
   の孔が形成され、ほぼ平行の第１及び第２表面を備えて
   おり、第１表面がセンサダイの裏面に結合されている中
   間スペーサ手段と、 （ｃ）センサダイのスパンシフト、零シフト及び静圧を
   変化させると共にセンサダイ電気部材のキャリブレーシ
   ョンの変化を補償するために厚さを変える第３素材から
   なるベースプレートを有するベースプレート手段とを有
   しており、このベースプレート手段は平行の第１及び第
   ２表面を有しており、この第１表面が中間スペーサ手段
   の第２表面に結合されて孔を閉鎖することによって、セ
   ンサダイに対して絶対真空基準を形成できるようにした
   ことを特徴とする絶対圧センサカプセル。
2. 【請求項２】 （ａ）第１素材からなり、電気部材を設
   けた第１表面及び裏面を備えたセンサダイと、 （ｂ）絶対真空基準を形成するベースプレート手段とを
   有しており、ベースプレート手段は第２素材からなり、
   ほぼ平行の第１及び第２表面を備えており、第１表面に
   はベースプレート手段の所定深さまで掘ったくぼみが設
   けられ、ベースプレート手段のくぼみの底部と第２ベー
   スプレート手段表面との間に、センサダイのスパンシフ
   ト、零シフト及び静圧を変化させると共にセンサダイ電
   気部材のキャリブレーションの変化を補償するために厚
   さを変えられる下側厚さを形成させ、ベースプレート手
   段の第１表面がセンサダイの背面に結合されてベースプ
   レート手段のくぼみを閉鎖することによって、センサダ
   イに対して絶対真空基準を形成できるようにしたことを
   特徴とする絶対圧センサカプセル。
3. 【請求項３】 （ａ）(i)第１素材からなり、電気部材
   を設けた第１表面及び裏面を備えたセンサダイと、 (ii)第２素材からなり、絶対真空基準を形成するための
   孔が形成され、ほぼ平行の第１及び第２表面を備えてお
   り、第１表面がセンサダイの裏面に結合されている中間
   スペーサ手段と、 (iii)センサダイのスパンシフト、零シフト及び静圧を
   変化させると共にセンサダイ電気部材のキャリブレーシ
   ョンの変化を補償するために厚さを変える第３素材から
   なるベースプレートを有するベースプレート手段とを有
   しており、このベースプレート手段は平行の第１及び第
   ２表面を有しており、この第１表面が中間スペーサ手段
   の第２表面に結合されて孔を閉鎖することによって、セ
   ンサダイに対して絶対真空基準を形成できるようにした
   隔離形絶対圧センサカプセルと、 （ｂ）(i)カプセル
   とほぼ符合する形状で、カプセルをほぼ動きばめできる
   大きさの、カプセルを収容するための開放端部形くぼみ
   を有するヘッダーと、 (ii)カプセルを包囲しているヘッダーくぼみに入った流
   体と、 (iii)厚さが可変であり、様々な温度に渡って圧力応答
   の直線性を維持するための回旋状ひだを設けてヘッダー
   くぼみの開放端部を覆うダイアフラムを有しており、ダ
   イアフラムはヘッダーくぼみ内に流体を保持するための
   第１側部と、圧力を感知してその感知圧力を流体を介し
   てカプセルに伝達する第２側部とを備えているダイアフ
   ラム手段とを有するカプセルを包囲しているハウジング
   と、を有していることを特徴とするセンサ。
4. 【請求項４】 （ａ）(i)第１素材からなり、電気部材
   を設けた第１表面及び裏面を備えたセンサダイと、 (ii)絶対真空基準を形成するベースプレート手段とを有
   しており、ベースプレート手段は第２素材からなり、ほ
   ぼ平行の第１及び第２表面を備えており、第１表面には
   ベースプレート手段の所定深さまで掘ったくぼみが設け
   られ、ベースプレート手段のくぼみの底部と第２ベース
   プレート手段表面との間に、センサダイのスパンシフ
   ト、零シフト及び静圧を変化させると共にセンサダイ電
   気部材のキャリブレーションの変化を補償するために厚
   さを変えられる下側厚さを形成させ、ベースプレート手
   段の第１表面がセンサダイの背面に結合されてベースプ
   レート手段のくぼみを閉鎖することによって、センサダ
   イに対して絶対真空基準を形成できるようにした隔離形
   絶対圧センサカプセルと、 （ｂ）(i)カプセルとほぼ符合する形状で、カプセルを
   ほぼ動きばめできる大きさの、カプセルを収容するため
   の開放端部形くぼみを有するヘッダーと、 (ii)カプセルを包囲しているくぼみに入った流体と、 (iii)厚さが可変であり、様々な温度に渡って圧力応答
   の直線性を維持するための回旋状ひだを設けてヘッダー
   くぼみの開放端部を覆うダイアフラムを有しており、ダ
   イアフラムはヘッダーくぼみ内に流体を保持するための
   第１側部と、圧力を感知してその感知圧力を流体を介し
   てカプセルに伝達する第２側部とを備えているダイアフ
   ラム手段とを有するカプセルを包囲しているハウジング
   と、 を有していることを特徴とするセンサ。
5. 【請求項５】 （ａ）(i)第１素材からなり、電気部材
   を設けた第１表面及び裏面を備えたセンサダイと、 (ii)第２素材からなり、絶対真空基準を形成するための
   孔が形成され、ほぼ平行の第１及び第２表面を備えてお
   り、第１表面がセンサダイの裏面に結合されている中間
   スペーサ手段と、 (iii)センサダイのスパンシフト、零シフト及び静圧を
   変化させると共にセンサダイ電気部材のキャリブレーシ
   ョンの変化を補償するために厚さを変える第３素材から
   なるベースプレートを有するベースプレート手段とを有
   しており、このベースプレート手段は平行の第１及び第
   ２表面を有しており、この第１表面が中間スペーサ手段
   の第２表面に結合されて孔を閉鎖することによって、セ
   ンサダイに対して絶対真空基準を形成できるようにした
   隔離形絶対圧センサカプセルと、 （ｂ）(i)カプセル
   とほぼ符合する形状で、カプセルをほぼ動きばめできる
   大きさの、カプセルを収容するための開放端部形くぼみ
   を有するヘッダーと、 (ii)カプセルを包囲しているくぼみに入った流体と、 (iii)流体がカプセルをほぼ包囲できるようにしてカプ
   セルをヘッダーに取り付けると共に、応力がヘッダーか
   らカプセル内へほとんど伝達されないようする可撓性接
   着手段と、 (iv)厚さが可変であり、様々な温度に渡って圧力応答の
   直線性を維持するための回旋状ひだを設けてくぼみの開
   放端部を覆うダイアフラムを有しており、ダイアフラム
   はくぼみ内に流体を保持するための第１側部と、圧力を
   感知してその感知圧力を流体を介してカプセルに伝達す
   る第２側部とを備えているダイアフラム手段と、 (v)ダイアフラムとカプセルとの間に配置されて、ダイ
   アフラム及び流体を介してカプセルに圧力を伝達できる
   が、カプセル内へのダイアフラムの過大進入を防止する
   中間スペーサ手段と、 (vi)センサダイに接続されて、センサダイへまたはセン
   サダイから電気信号を伝送するリード線とを有するハウ
   ジングと、 を有していることを特徴とするセンサ。
6. 【請求項６】 （ａ）(i)第１素材からなり、電気部材を
   設けた第１表面及び裏面を備えたセンサダイと、 (ii)絶対真空基準を形成するベースプレート手段とを設
   けており、ベースプレート手段は第２素材からなり、ほ
   ぼ平行の第１及び第２表面を備えており、第１表面には
   ベースプレート手段の所定深さまで延在したくぼみが設
   けられ、ベースプレート手段のくぼみの底部と第２ベー
   スプレート手段表面との間に下側厚さが設けられ、セン
   サダイのスパンシフト、零シフト及び静圧を変化させる
   と共にセンサダイ電気部材のキャリブレーションの変化
   を補償できるようにベースプレート手段の下側厚さが可
   変であり、第１ベースプレート手段表面がセンサダイの
   背面に結合されてベースプレート手段のくぼみを閉鎖す
   ることによって、センサダイに対して絶対真空基準を形
   成できるようにした隔離形絶対圧センサカプセルと、 （ｂ）(i)カプセルとほぼ符合する形状で、カプセルを
   ほぼ動きばめできる大きさの、カプセルを収容するため
   の開放端部形くぼみを有するヘッダーと、 (ii)カプセルを包囲しているくぼみに入った流体と、 (iii)流体がカプセルをほぼ包囲できるようにしてカプ
   セルをヘッダーに取り付ける可撓性接着手段と、 (iv)厚さが可変であり、様々な温度に渡って圧力応答の
   直線性を維持するための回旋状ひだを設けてくぼみの開
   放端部を覆うダイアフラムを有しており、ダイアフラム
   はくぼみ内に流体を保持するための第１側部と、圧力を
   感知してその感知圧力を流体を介してカプセルに伝達す
   る第２側部とを備えているダイアフラム手段と、 (v)ダイアフラムとカプセルとの間に配置されて、ダイ
   アフラム及び流体を介してカプセルに圧力を伝達できる
   が、カプセル内へのダイアフラムの過大進入を防止す
   る、穴を設けた中間スペーサ手段と、 (vi)センサダイに接続されて、センサダイへまたはセン
   サダイから電気信号を伝送するリード線とを有するハウ
   ジングと、 を有していることを特徴とするセンサ。