JPH0654274B2

JPH0654274B2 - 半導体圧力変換器

Info

Publication number: JPH0654274B2
Application number: JP63186331A
Authority: JP
Inventors: 義輝大村; 厚志塚田; 貞幸林
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1988-07-26
Filing date: 1988-07-26
Publication date: 1994-07-20
Anticipated expiration: 2009-07-20
Also published as: JPH0236327A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は半導体圧力変換器、特にダイムフラムに印加さ
れる圧力を電気信号に変換出力する半導体圧力変換器に
関する。

［従来の技術］半導体圧力変換器は、各種分野において圧力を検出する
ためのセンサとして幅広く用いられている。従って、こ
のような圧力変換器には、周囲の環境に影響されること
なく圧力を正確に測定できる能力が要求される。

特に、半導体圧力変換器は、極めて激しい使用環境で用
いられることも多く、とりわけ近年においては、内燃機
関のシリンダ内における燃焼ガスの圧力測定用としても
用いられている。従って、このような厳しい環境下で使
用される半導体圧力変換器には、周囲に存在する磁気
的、電気的なノイズの影響を受けることなく、しかも加
えられる圧縮力を応答性良くしかも確実に測定すること
が要求される。

従来、このような圧力変換器として、歪ゲージタイプの
ものと圧電タイプのものとが知られている。

歪ゲージタイプ第２図には、従来の歪ゲージタイプの圧力変換器の一例
が示されている。この圧力変換器は、支持板４０上に取
付け固定された円筒状の支持部１０ａを備えたダイヤフ
ラム１０と、このダイヤフラム１０の表面１２に印加さ
れる圧力Ｐを検出する圧力検知部２０とから構成されて
いる。

前記圧力検知部２０は、支持板４０上に立設され、その
上端側がダイヤフラム１０の裏面側中央に接するよう形
成された四角柱の起歪体３０と、この起歪体３０の各側
面に接着剤３２を用いて貼付けられた半導体歪ゲージ３
４とを含む。そして、ダイヤフラム１０に加えられる圧
力Ｐは、圧縮力Ｗ（Ｗ≒π・ｒ^２・Ｐ・ｋ１）として起
歪体３０に伝達され、この圧縮力Ｗに基づき生ずる起歪
体３０の歪を、各歪ゲージ３４を用いて検出し、歪ゲー
ジ３４から出力される電圧信号をリード線３６，３６を
介して出力している。ここにおいて、前記ｋ１は圧力Ｐ
を圧縮力Ｗとして変換するダイヤフラム１０の変換効率
である。

しかし、このような従来の歪ゲージタイプの圧力変換器
は、次のような問題点を有している。

まず、この圧力変換器は、温度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検出特性への悪影響を
低減するため、起歪体３０の各側面に半導体歪ゲージ３
４を貼り付け、これら複数個の半導体歪ゲージ３４をホ
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。このため、圧力変換器の製造工程が複雑化し、製造
された圧力変換器が高価なものとなってしまうという問
題があった。

さらに、従来の圧力変換器は、接着剤３２を用いて歪ゲ
ージ３４を起歪体３０の側面に貼付けている。このた
め、接着剤３２がもたらす、クリープ、ヒステリシス等
の悪影響が避けられないという問題があった。さらに、
これら接着剤３２を用いた歪ゲージ３４の貼付けは、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もあった。

圧電タイプまた、第３図には、従来の圧電タイプの圧力変換器の一
例が示されている。この圧力変換器は、ダイヤフラム１
０に加えられた圧力Ｐが、伝達体５０を介して支持板４
０上に取付けられた圧電素子６０に圧縮力Ｗとして作用
するよう、その圧力検知部２０が形成されている。そし
て、圧電素子６０は、その両面に設けられた電極６２，
６２′から、圧力Ｐに対応した電圧をリード線６４，６
４′を介して出力するよう形成されている。

しかし、このような従来の圧電タイプの圧力変換器は、
圧力Ｐに対応した出力電圧が大きくとれるという利点は
あるものの、圧電素子６０自体の抵抗率が高いため、出
力電圧に雑音が混入しやすく、しかも時間とともにその
出力電圧が変化してしまうという問題があった。

このような問題を解決するために、チャージアンプを用
い、圧電素子６０の近傍でインピーダンス変換して外部
へ電圧を取出すなどの対策が講じられている。しかし、
前記チャージアンプは極めて高価なものであり、圧力変
換器とセットにして用いるには高価になりすぎ、しかも
問題の本質的な解決にはなっていない。

また、従来の歪ゲージタイプおよび圧電タイプの圧力変
換器は、いずれも高温での耐熱性が低く、高温・高圧の
流体圧力測定用として不向きであるという問題があっ
た。

すなわち、歪みゲージタイプの圧力変換器は、高温時に
おける接着剤３２の耐熱性に問題があり、圧電タイプの
圧力変換器では、圧電素子６２の誘電率が温度とともに
大きく変動し信頼性が低いという問題がある。

［発明が解決しようとする問題点］本発明は、このような従来の課題に鑑みなされたもので
あり、その目的は、前述した従来の問題を解決し、信頼
性が高くしかも安価な圧力変換器を提供することにあ
る。

［問題点を解決するための手段］前記目的を達成するために、本発明は、ダイアフラム
と、このダイアフラムに印加される圧力を検出する圧力
検知部と、を含み、前記圧力検知部は、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、
ピエゾ抵抗係数π₆₃′の絶対値が最大となる方向であっ
て、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、ピエゾ抵抗係数π₆₃′の絶対値が
最大となる方向であって、＜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、他端が前記ダイアフラムに接するよう形成さ
れ、ダイアフラムに印加される圧力を圧縮力としてＳｉ
単結晶体の結晶面に垂直に伝達し、Ｓｉ単結晶体の｛１
１０｝面の結晶面と接合される第１の台座部とダイアフ
ラムに接合される第２の台座部とを含み、前記第１の台
座部は前記Ｓｉ単結晶体と少なくとも熱膨張係数が近似
した電気的絶縁材料から構成され、前記第２の台座部は
熱的絶縁性および機械的強度の少くとも一方が前記第１
の台座部より優れた材料から構成された複合台座と、前記Ｓｉ単結晶体の台座の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、を含み、前記ダイアフラムに加えられる圧力を、Ｓｉ単結晶体の
結晶面に垂直に圧縮力として作用させ、出力電極から圧
縮力に対応した電圧を出力することを特徴とする。

着目点次に、前記各問題点を解決し、本発明に至るまでの着目
点について説明する。

第１の着目点従来は、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。

本発明の第１の着目点は、このよう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叉
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。

以上の構成とすることにより、本発明によれば、後述す
る理由から、温度の変動がもたらす特性への悪影響が低
減し、前述した問題点の一つを解決することができる。

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、前述した他の問題点を解決す
ることができない。

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、新規な圧力検知方式を採用したことにある。

すなわち、従来の圧力変換器は、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、ヒステリシス等の悪影響を受
けやすく、信頼性が低いという問題があった。

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。

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、ヒステリシ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、このよ
う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。

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。

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′が大きな値となるようＳｉ単結
晶体の結晶面についての検討を行った。

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。

第４の着目点周知のように、Ｓｉ単結晶体は高温の使用環境下ではそ
の性能が著しく低下する。不純物源および不純物濃度に
よっても異なるが、たとえばボロンを添加した、ｐ型の
不純物濃度１０¹⁶／cm^３のＳｉ単結晶体は、室温付近よ
り２５０℃前後までその抵抗値は急変することなく緩か
に上昇するが、２５０℃を越える高温域に達すると、そ
の抵抗値は急激に減少する。従って、このようなＳｉ単
結晶体を用いて半導体圧力変換器を形成しても、そのま
までは高温の環境下では用いることができない。

本発明者等は、このような点に着目し、高温の環境下で
使用する場合でも、圧力Ｐが印加されるダイヤフラムか
らＳｉ単結晶体への熱の伝導を防止するための対策につ
いて検討した。

この検討の結果、ダイヤフラムからＳｉ単結晶体の圧縮
力を伝達する台座を、少なくとも２種類の材料を組合わ
せて複合台座として形成することにより、前記問題を解
決することができた。

すなわち、台座はその一端がＳｉ単結晶体に接合されて
いる。このため、台座はＳｉ単結晶体と熱膨張係数が近
接した材料を用いて形成することが好ましい。また、こ
の台座はその他端側がダイヤフラムと接する。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、本発明者
等は、台座のＳｉ単結晶体との接合部分を、Ｓｉ単結晶
体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、台座のダイヤフラムと接する部分を、前記Ｓｉ
単結晶体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している。

このように、台座自体を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、ダイヤフラムに伝わった熱は台座で緩和遮
断され、Ｓｉ単結晶体には高温として作用しない。この
ため、Ｓｉ単結晶体は、周囲の環境温度に影響されるこ
となく、ダイヤフラムに加えられる圧力Ｐに対応した電
圧を出力することができる。

さらに、台座のダイヤフラムと接する部分には、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、ダイヤフラムと台座との接合部分が片
当りなどの状態となっても、台座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。

なお、以上の説明は、台座自体を複合材料を用いて形成
した場合を例に取り説明したが、これ以外にも、例えば
ダイヤフラムの台座と接触する部分に、熱の絶縁性、ま
たは機械的強度に優れた材料を用いて形成された圧力伝
達部等を設けても良く、このようにしても、高温・高圧
の流体圧力を安定して測定することができる。

［作用］次に、本発明の作用を説明する。

第１図には本発明に係る半導体圧力変換器が示されてい
る。

この圧力変換器は、半径ｒの円筒形状に形成され、支持
板４０上に取付け固定されたダイヤフラム１０と、支持
板４０上に取付け固定され前記ダイヤフラム１０の表面
１２から加わる圧力Ｐを検出し電気信号に変換出力する
圧力検知部２０とから構成されている。

なお、このような圧力変換器を用いて例えば高温・高圧
の流体圧力Ｐを測定する場合には、通常、ダイヤフラム
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１０
に伝わった熱が、支持板４０を介して圧力検知部２０に
回り込まないように、支持板４０を熱的および電気的な
絶縁材料を用いて形成することが好ましい。

第４図には、前記圧力検知部２０の具体的な構成例が示
されている。この圧力検知部２０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
たＳｉ単結晶体７０と、このＳｉ単結晶体７０の（１１
０）面の結晶面７２と接合され、前記ダイヤフラム１０
に加わる圧力Ｐを圧縮力Ｗとしてその結晶面７２に垂直
に伝達する台座８０と、前記Ｓｉ単結晶体７０の他の結
晶面７４と接合され、Ｓｉ単結晶体７０を支持する支持
基台９０とを含む。

そして、この圧力検知部２０は、第１図に示すように、
その支持基台９０が支持板４０上に取付け固定され、ま
た台座８０がダイヤフラム１０の裏面１４中央部と接す
るよう形成されている。

なお、前記台座８０および支持基台９０は、Ｓｉ単結晶
体７０と電気的に絶縁されるよう形成することが好まし
く、しかもＳｉ単結晶体７０とその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、これら
台座８０および支持基台９０と、Ｓｉ単結晶体７０との
接合は、接着剤を用いずに行うことが好ましく、たとえ
ば前述した静電接合方法または特公昭３９−１７８６９
号公報に開示された生成酸化シリコンを応用した直接接
合法等を用いて行えばよい。

また、前記Ｓｉ単結晶体７０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７
６，７６′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７８，７８′とが設けられて
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７６，７６′を出力電極とし、他方７８，７８′を
入力電極としている。

そして、この半導体圧力変換器を用いて、ダイヤフラム
１０の表面１２に加わる流体の圧力Ｐを測定すると、こ
の圧力Ｐは圧縮力Ｗ（Ｗ＝π・ｒ^２・Ｐ・ｋ１）とし
て台座８０に垂直に加わる。そして、この圧縮力Ｗは台
座８０により均等に分散され、Ｓｉ単結晶体７０の結晶
面７２に垂直に圧縮応力 σ_Ｚ＝Ｗ／Ａとして作用する。ここにおいて、Ａは台座８０のＳｉ単
結晶体７０に対する接合面の面積を表わす。

このとき入力電極７８，７８′からＳｉ単結晶体７０に
電極Ｉを流しておくと、圧縮応力σ_Ｚが作用したＳｉ単
結晶体７０は、その出力電極７６，７６′から次式で表
わす電圧ΔＶを出力する ΔＶ＝ｂ・ρ・Ｊ_２・π₆₃′・σ_Ｚ・ｋ_１…（１）ここにおいて、ρはＳｉ単結晶体７０の比抵抗、Ｊ_２は
電流密度、π₆₃′はピエゾ抵抗係数である。

本発明の特徴は、出力電極７６，７６′から圧縮力に対
応した電圧ΔＶ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７０を形成し
たことにある。

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７０について、電極を設ける方向を代
えて、Ｓｉ単結晶体７０から、電圧ΔＶ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
π₆₃′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。

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、出力電極を、［００１］方向より４５゜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。

なお、出力電極７６，７６′を［１０］より４５゜の
方向に、入力電極７８，７８′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半導体圧力変換器
が実現できることには変りない。

また、前記［００１］，［１０］となる結晶方向は
（１１０）面のＳｉ単結晶体７０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。

第１表には、Ｓｉ単結晶体７０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。

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。

なお、第５図ではｐ型Ｓｉ単結晶体７０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。

このようにして、本発明の圧力変換器は、ダイヤフラム
１０に加えられた圧力Ｐを、台座８０を介してＳｉ単結
晶体７０の（１１０）の結晶面７２に垂直に印刷すると
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７０の出力電極７６，７６′から圧力Ｐに
対応した電圧ΔＶを正確に出力することができる。

また、本発明において、Ｓｉ単結晶体７０は、その結晶
面７２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７６，７６は、Ｓｉ単結晶体７
０上に距離ｂを隔てて取付けられており、また入力電極
７８，７８′は同様にＳｉ単結晶体７０上に所定間隔を
おいて取付けられている。

このように各電極７６，７６′、７８，７８′を設ける
ことにより、７６と７８、７８と７６′、７６′と７
８′、７８′と７６との間の各抵抗値を等しくでき、ま
た、Ｓｉ単結晶体７０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。

従って、入力電極７８，７８′からＳｉ単結晶体７０に
電流を流し、出力電極７６，７６′から電圧圧力を取出
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７０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。

また、本発明において、台座８０を介して圧縮力ＷをＳ
ｉ単結晶体７０に印加するようにしたのは、Ｓｉ単結晶
体７０に圧縮力Ｗが集中して加わることがないようにす
るためである。

すなわち、Ｓｉ単結晶体７０は周知のように機械的にも
優れた強度と弾性領域とを備えた材料であるが、Ｓｉ単
結晶体に一点に集中して圧縮力Ｗが作用した場合、いか
に機械的に優れた強度を備えているといえども簡単に破
壊してしまう。

したがって、支持基台９０に接合固定されたＳｉ単結晶
体７０を用いて圧縮力Ｗを測定する場合には、結晶面７
２との接触面積が小さく、結晶面７２の一部に集中して
垂直に圧力が加わるような構造は避けなければならな
い。

このため、本発明においては、Ｓｉ単結晶体７０の結晶
面７２の圧縮力Ｗが集中して加わることがないよう、圧
縮力の伝達材料として台座８０を設け、圧縮力Ｗを常に
分散してＳｉ単結晶体７０の結晶面７２へ伝達するよう
形成している。

なお、結晶面７２と台座８０の接合面との接合領域（接
合面の面積）の外接円の半径をｄ／２とした場合、台座
８０の高さＣは、前記半径ｄ／２以上となるよう形成す
ることが好ましい。このように、台座８０の高さＣを設
定することにより、シリコン単結晶体７０に伝達される
圧縮応力σ_Ｚは、Ｓｉ単結晶体７０の破壊応力に対して
十分小さなものとして均等に分散されることとなる。

ただし、台座８０の高さＣに対しての上限は、圧縮力Ｗ
に対し座屈を生じないこと、また圧縮力Ｗを分散してＳ
ｉ単結晶体７０に伝達し、測定電圧ΔＶを得る場合の効
率を低減させない範囲に制約されることはいうまでもな
い。

また、本発明において、支持基台９０は、ピエゾ抵抗係
数π₆₃′の有効な利用を妨げる応力等（圧縮応力σ_Ｚ以
外の応力）を感知しないよう、圧縮力σ_Ｚの生じるＺ軸
方向に十分な剛性を備えるよう配慮することが好まし
い。

このように形成することにより、Ｓｉ単結晶体７０の結
晶面７２に垂直に圧縮力Ｗが作用した場合に、Ｓｉ単結
晶体７０には単純な圧縮応力δ_Ｚが作用し、そのピエゾ
抵抗係数π₆₃′を有効に利用することができる。

また、本発明において、前記台座８０および支持基台９
０は、接着剤による特性への悪影響を回避するために、
Ｓｉ単結晶体７０の結晶面７２，７４に接着剤を用いず
に接合することが好ましく、しかも、これら台座８０お
よび支持基台９０は、Ｓｉ単結晶体と熱膨張係数が近接
し、Ｓｉ単結晶体７０と電気的に絶縁され、しかもその
機械的強度がＳｉ単結晶体７０と同等以上の材料、例え
ば結晶化ガラス等を用いて形成することが好ましい。

ところで、このような半導体圧力変換器を用いて、高温
・高圧流体の圧力Ｐを測定しようとする場合には、この
高温・高圧流体にさらされるダイヤフラム１０の温度も
上昇する。従って、このままではダイヤフラム１０に蓄
積された熱が、台座８０を介してＳｉ単結晶体７０へ伝
達され、半導体圧力変換器自体の性能が低下してしま
う。

また、ダイヤフラム１０の裏面と台座８０との接触部分
に伝達される圧縮力Ｗが、台座８０の機械的強度を上回
ると、結果として台座８０が破壊され、半導体圧力変換
器の信頼性を低下させることが懸念される。

従って、本発明において、台座８０は、ダイヤフラム１
０に加わる圧力Ｐを圧縮力ＷとしてＳｉ単結晶体７０へ
伝達する役割に加え、熱の抵抗体としての役割および高
い機械的強度を合せもつよう形成することが好ましく、
この様にすることにより、半導体圧力変換器自体の性
能、信頼性をさらに高めることができる。

このため、前記台座８０は、Ｓｉ単結晶体７０に接合さ
れる部分と、ダイヤフラム１０と接する部分とが異なる
材料からなる複合台座として形成することが好ましい。
ここにおいて、Ｓｉ単結晶体７０の接合部分は、Ｓｉ単
結晶体７０と熱的に絶縁され、熱膨張係数が近接した材
料、たとえば結晶化ガラス、硼珪酸ガラス、コージライ
ト磁器等の絶縁材料を用いればよい。また、ダイヤフラ
ム１０と接する部分は、前記絶縁性材料より機械的強度
または熱的な絶縁性に優れた、たとえば金属、酸化物セ
ラミック、窒化物セラミック、炭化物セラミックなどの
材料を用いればよい。なお、このような複合台座を形成
するに当たっては、材料同士を接合する方法として、前
述した静電接合法や直接接合法に加えて、拡散接合法あ
るいは高温用接着剤による接着などがあり、基本的に力
の伝達材料としての機能を損なわないかぎりどのような
接合方法を採用してもよい。

また、本発明の半導体圧力変換器では、前記複合台座に
代え、ダイヤフラム１０の台座８０との接触領域に、熱
の絶縁性、機械的強度の優れた材料を用いて形成された
部材を設けてもよい。このようにしても、前記複合台座
を用いた場合と同様な効果を得ることができる。

［発明の効果］以上説明したように、本発明は、ダイヤフラムに加わる
圧力を、伝達材料である台座を介してＳｉ単結晶体の
｛１１０｝の結晶面に加えるという新規な構成を採用し
ている。

従って、本発明によれば、従来の半導体圧力変換器のよ
うに、接着剤のもたらす特性へ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、ダイヤフラムに加えら
れる圧力に対するＳｉ単結晶体のピエゾ抵抗効果を有効
に利用し、圧力を正確に測定することができるという効
果がある。

また、本発明によれば、一つの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、従来の圧
力変換器に備えられていた複数の半導体歪ゲージを、一
つのＳｉ単結晶体に置換えることができ、構造が簡単で
しかも安価な半導体圧力変換器を得ることができるとい
う効果がある。

さらに、本発明によれば、台座のダイヤフラムと接触す
る部分またはダイヤフラムの台座と接触する部分の少な
くともいずれか一方を、Ｓｉ単結晶体と接合される部分
の材料より、熱的な絶縁性、または機械的強度に優れた
材料を用いて形成し、ダイヤフラムに蓄積された熱がＳ
ｉ単結晶体に伝わらないような構成とすることにより、
高温・高圧流体の圧力も正確に測定することができる信
頼性の高い半導体圧力変換器を得ることができる。

［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。

第６図には、本発明に係る半導体圧力変換器の好適な実
施例が示されており、同図（Ａ）はその平面説明図、同
図（Ｂ）はその側面説明図を表わしている。

実施例の半導体圧力変換器は、支持板４０に取付け固定
された円筒状の支持部を備えたダイヤフラム１０と、こ
のダイヤフラム１０の表面１２に印加される圧力Ｐを検
出する圧力検知部２０とから構成されている。

前記圧力検知部２０は、圧力が加えられる面として（１
１０）面の結晶面を有するよう形成されたＳｉ単結晶体
７０を含み、このＳｉ単結晶体７０は、その一方の結晶
面７４が、支持板４０上に取付け固定された支持基台９
０に静電接合されている。ここにおいて、実施例のＳｉ
単結晶体７０は、比抵抗が１０Ωcm、大きさが１．７mm
^２、厚さが０．２mmのＰ型Ｓｉ単結晶体として形成され
ており、前記支持基台９０は、１．７mm^２、高さ１mmの
結晶化ガラスを用いて形成されている。

また、前記Ｓｉ単結晶体７０の他の結晶面７２には、複
合台座８１の一端側が静電接合され、この複合台座８１
の他端側はダイヤフラム１０の裏面中央に接するよう形
成されている。

実施例においてこの複合台座８１は、Ｓｉ単結晶体７０
に接合される第１の台座部８１ａと、ダイヤフラム１０
と接する第２の台座部８１ｂと、を含み、両者８１ａ、
８１ｂが接合層８１ｃを介して一体的に接合され複合台
座として形成されている。

そして、前記第１の台座部８１ａは、Ｓｉ単結晶体７０
と電気的に絶縁されるとともに、そのＳｉ単結晶体７０
とその熱膨張係数が近接した材料を用いて形成すること
が好ましく、このため大きさ１mm^２、高さ１mmの結晶化
ガラスを用いて形成されている。また、前記第２の台座
部８１ｂは、前記第１の台座部８１ａより熱の絶縁性、
または機械的強度の優れた材料を用いて形成することが
好ましく、このため、実施例では大きさ１mm^２、高さ２
mmの安定化Ｚr Ｏ_２を用いて形成されている。そして、
これら第１および第２の台座部８１ａ、８１ｂから構成
された複合台座８１は、Ｓｉ単結晶体７０に一体的に静
電接合されている。

また、前記Ｓｉ単結晶体７０の一方の結晶面７２上に
は、第６図（Ａ）に示すように、結晶の［００１］方向
より４５度の方向に、距離ｂ＝１．２mm隔てて幅０．１
mmの一対の出力電極７６，７６′が設けられ、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７８，７８′が設けられている。これら各
電極７６，７６′、７８，７８′は、Ｓｉ単結晶体７０
の結晶面７２上にアルミニウムを蒸着して形成されてい
る。

そして、これら各電極７６，７６′、７８，７８′に
は、直径５０μｍのＡu リード線９２の一端側が接続さ
れ、これら各Ａu リード線９２の他端側は支持板４０上
に設けられた入出力端子９４を介して外部と電気的に接
続されている。

また、実施例において前記ダイヤフラム１０はその表面
１２がＳｉ単結晶体７０の結晶面と平行になるよう形成
されており、これによりダイヤフラム１０の表面１２に
加わる圧力Ｐが台座８０を介してＳｉ単結晶体７０の結
晶面７２に垂直に圧縮力Ｗとして伝達されることとな
る。

また、実施例において、前記支持板４０は、ダイヤフラ
ム１０に蓄積された熱を圧力検知部２０、特にＳｉ単結
晶体７０に伝達することがないよう熱的な絶縁材料を用
いて形成されている。。

第７図には、第６図に示す半導体圧力変換器を用いて、
４サイクル４気筒ガソリンエンジンの燃焼室内における
燃焼ガスの圧力測定を行う場合の好適な一例が示されて
いる。

実施例の半導体圧力変換器は、エンジンのシリンダヘッ
ド１００の側壁１０２に、燃焼室１０４に向け形成され
た取付穴１０６に固定されている。

この半導体圧力変換器のダイアフラム１０は、厚さ０．
２ｍｍのステンレス鋼を用い、半径ｒ＝２mmの円筒形状
に形成されている。そして、この半導体圧力変換器は、
ダイヤフラム１０の円筒側壁１８に設けられたＭ８の取
付ネジ４ｓを、取付穴１０６の内壁に設けられたネジ溝
と螺合することにより、ダイヤフラム１０の表面１２と
シリンダヘッド側壁１０２との距離が２mmとなるよう取
付け固定されている。

本実施例は以上の構成からなり、次にその作用を説明す
る。

４気筒ガソリンエンジンの燃焼室１０４内において、４
サイクル中の１サイクルで発生する、温度１０００℃以
上、圧力約４０kg／cm^２の燃焼ガスは、ダイヤフラム１
０の表面１２へ高温・高圧流体として作用する。

そして、この燃焼ガスの圧力Ｐは、ダイヤフラム１０に
より圧縮力Ｗに変換され、複合台座８１を介してＳｉ単
結晶体７０の結晶面７２に、垂直にかつ均等に圧縮応力
σ_Ｚとして作用し、前記第１式で示す電圧ΔＶ、すなわ
ち圧力Ｐに比例した測定電圧ΔＶをリード線９２、端子
９４を介して外部へ出力する。

このようにして、本実施例の半導体圧力変換器は、ダイ
ヤフラム１０の表面１２に加わる高温・高圧流体の圧力
Ｐを、Ｓｉ単結晶体７０から出力される測定電圧ΔＶと
して正確に測定することができる。

また、本実施例のように高温・高圧流体の圧力測定を行
う場合には、ダイヤフラム１０自体が高温・高圧流体に
さらされ、ダイヤフラム１０はかなりの高温域まで加熱
される。

しかし、本実施例においては、前記複合台座８１を第１
および第２の台座部８１ａ，８１ｂからなる複合台座と
して形成し、複合台座８１を介してＳｉ単結晶体７０へ
伝達される熱は緩和遮断されている。

すなわち、前記第２の台座部８１ｂを構成する安定化Ｚ
r Ｏ_２は、第１の台座部８１ａを構成する結晶化ガラス
に比べ、機械的強度、特に圧縮に対しては４倍以上の約
２５０kg／mm^２の強度を有する。しかも、熱の絶縁性を
表わす熱伝導率も約０．００５cal/cm・sec ・℃と、前
記第１の台座部８１ａと同等以上の熱の絶縁性を備えて
いる。従って、ダイヤフラム１０に、例えば１００kg／
cm^２を越す高温・高圧流体の圧力Ｐが加わっても、複合
台座８１は、破壊されることなく、しかもＳｉ単結晶体
７０への熱の伝達を遮断し、安定してＳｉ単結晶体７０
の結晶面７２に圧縮力Ｗを正確に伝達することができ
る。

さらに、本実施例においては、ダイヤフラム１０の熱が
支持台４０を介してＳｉ単結晶体７０に回り込まないよ
う、支持板４０も熱的な絶縁材料を用いて形成されてい
る。従って、本実施例によれば、ダイヤフラム１０に高
温・高圧の流体が作用しても、Ｓｉ単結晶体７０の温度
は特性が損なわれる領域まで上昇することがないため、
高温・高圧流体の圧力Ｐを安定にかつ確実に測定するこ
とができる。

次に、本発明者等は、本発明の半導体圧力変換器を、高
温・高圧流体の圧力測定用として用いた場合の性能を調
査するため、前記第７図に示す４サイクル４気筒ガソリ
ンエンジンを、回転数6,000 ｒｐｍの全負荷として作動
させ、オシログラフを用いて半導体圧力変換器から出力
される測定電圧ΔＶを記録した。

第８図には、この測定データが示されており、同図にお
いて横軸はクランク角を表し、縦軸は本発明の半導体圧
力変換器から出力される測定電圧ΔＶをクランク角に対
する燃焼ガスの圧力Ｐに換算して表わしている。

同図から明らかなように、本発明の半導体圧力変換器
は、従来の圧力変換器、特に半導体単結晶を用いた圧力
変換器では測定が困難とされた燃焼ガス圧力Ｐ、すなわ
ちクランク角とともに変化するエンジン回転数６０００
ｒｐｍ、全負荷の燃焼ガス圧力Ｐを正確に検知できるこ
とが確認された。

さらに、本実施例によれば、ダイヤフラム１０からＳｉ
単結晶体７０へ熱が伝わり難いよう、複合台座８１およ
び支持板４０を形成している。このため、高温・高圧燃
焼ガスを１００時間連続測定しても、Ｓｉ単結晶体７０
から測定電圧ΔＶが安定して出力され、この結果、本発
明の半導体圧力変換器は高温・高圧の流体圧力測定用と
しても高い信頼性を有することが確認された。

なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、
本発明の要旨の範囲内で各種の変形実施が可能である。

第９図には、本発明に係る半導体圧力変換器の他の一例
が示されている。本実施例の特徴は複合台座８２を、大
きさ１mm^２、高さ０．７５mmの結晶化ガラスからなる第
１の台座部８２ａと、直径１．５mmの割鋼球を用いて形
成された第２の台座部８２ｂと、を含み、これら第１お
よび第２の台座部８２ａ，８２ｂを高温用接着剤８２ｄ
を介して一体的に形成したことにある。

そして、このように形成された複合台座８２は、その第
１の台座部８２ａがＳｉ単結晶体７０の結晶面７２と静
電接合されている。

また、実施例の第２の特徴は、ダイヤフラム１０の裏面
側中央に、ダイヤフラム１０に加えられた圧力Ｐを複合
台座８２に伝達するための圧力伝達部１６を設け、この
圧力伝達部１６を、第１の台座部８２ａを構成する結晶
化ガラスと比較して機械的強度が優れ、熱伝導率が同等
以上の１．７mm^２、高さ２mmの安定化ジルコニアを用い
て形成したことにある。

以上の構成とすることにより、本実施例の半導体圧力変
換器を用いた場合でも、前記実施例と同様高温・高圧流
体の圧力Ｐを正確に測定することができる。

さらに、本実施例によれば、第２の台座部８２ｂを、結
晶化ガラスとして比較して機械的強度に優れた材料を用
いて形成された割鋼球とすることにより、ダイヤフラム
１０により変換され伝達される圧縮力Ｗが常に複合台座
８２の中央に加わり、ダイヤフラム１０の表面に作用す
る圧力Ｐをより正確に測定することができる。

また、前記各実施例においては、半導体圧力変換器の複
合台座を２種類の材料からなる複合台座として形成した
場合を例にとり説明したが、本発明はこれらに限らず必
要に応じて３種類以上の材料を用いた複合台座として形
成してもよい。

また、前記実施例においては、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。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る半導体圧力変換器の説明図であ
り、同図（Ａ）はその平面説明図、同図（Ｂ）はその側
面説明図、第２図は従来の歪みゲージタイプの半導体圧力変換器の
説明図、第３図は従来の圧電タイプの半導体圧力変換器の説明
図、第４図は本発明に用いられる圧力検知部の説明図であ
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（１１０）面Ｓｉ単結晶体のピエゾ抵抗係数π
₆₃′の特性図、第６図は本発明に係る半導体圧力変換器の好適な第１実
施例の説明図であり、同図（Ａ）はその平面説明図、同
図（Ｂ）はその側面説明図、第７図は第６図に示す半導体圧力変換器を用いて４サイ
クル４気筒ガソリンエンジンの燃焼ガス圧力を測定する
場合の説明図、第８図は前記第６図に示す半導体圧力変換器の特性図、第９図は本発明に係る半導体圧力変換器の他の実施例の
説明図である。１０……ダイヤフラム２０……圧力検知部７０……Ｓｉ単結晶体７２，７４……結晶面７６，７６′……第１の電極７８，７８′……第２の電極８１，８２……複合台座８１ａ，８２ａ……第１の台座部８１ｂ，８２ｂ……第２の台座部９０……支持基台

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭63−88418（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−111374（ＪＰ，Ａ) 実開昭61−89136（ＪＰ，Ｕ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ダイアフラムと、このダイアフラムに印加
される圧力を検出する圧力検知部と、を含み、前記圧力検知部は、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アフラムと
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、
ピエゾ抵抗係数π₆₃′の絶対値が最大となる方向であっ
て、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、ピエゾ抵抗係数π₆₃′の絶対値が
最大となる方向であって、＜００１＞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、他端が前記ダイアフラムに接するよう形成さ
れ、ダイアフラムに印加される圧力を圧縮力としてＳｉ
単結晶体の結晶面に垂直に伝達し、Ｓｉ単結晶体の｛１
１０｝面の結晶面と接合される第１の台座部とダイアフ
ラムに接合される第２の台座部とを含み、前記第１の台
座部は前記Ｓｉ単結晶体と少なくとも熱膨張係数が近似
した電気的絶縁材料から構成され、前記第２の台座部は
熱的絶縁性および機械的強度の少くとも一方が前記第１
の台座部より優れた材料から構成された複合台座と、前記Ｓｉ単結晶体の複合台座の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、を含み、前記ダイアフラムに加えられる圧力を、Ｓｉ単結晶体の
結晶面に垂直に圧縮力として作用させ、出力電極から圧
縮力に対応した電圧を出力することを特徴とする半導体
圧力変換器。