JPH0824197B2 - 圧力測定器 - Google Patents

圧力測定器

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JPH0824197B2
JPH0824197B2 JP61187061A JP18706186A JPH0824197B2 JP H0824197 B2 JPH0824197 B2 JP H0824197B2 JP 61187061 A JP61187061 A JP 61187061A JP 18706186 A JP18706186 A JP 18706186A JP H0824197 B2 JPH0824197 B2 JP H0824197B2
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JP
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pressure
pressure measuring
closed container
bulk semiconductor
semiconductor
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JP61187061A
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正人 水越
昭喜 浅井
剛 深沢
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日本電装株式会社
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明はバルク半導体等感圧半導体を使用し、1,000k
g/cm2級の圧力を測定できる圧力測定器に関する。本発
明の圧力測定器は、例えばディーゼルエンジン燃料噴射
圧等の超高圧力の測定に使用することが出来る。
[従来の技術] 現在、1,000kg/cm2級の圧力を測定できる圧力測定器
としては、ブルドン管を用いたもの、水晶の圧電効果を
利用したもの、構造体に歪ゲージをはりつけたもの等が
ある。
[発明が解決すべき問題点] しかしながら、ブルドン管を用いた圧力測定器の場合
には、高圧油圧回路の電子制御用として使用する際、電
気出力信号が得られず、また精度、信頼性において、向
上を図ることが困難であった。
水晶の圧電効果を利用した圧力測定器の場合には、蓄
積された電荷をチャージャアンプを用いて積分操作して
出力電圧としており、ドリフトが大きく、絶対値として
の信頼性が低く、また水晶のコストが高いとう問題点が
あった。
上記従来測定器のうち、構造体に歪ゲージをはりつけ
たタイプの場合には、超高圧において、ハウジングを含
め、いたる所で歪が発生しており、この歪みが感圧部に
影響するため、製造上のバラツキが大きく、量産は期待
できないため、コストの低減を実現することが困難であ
るという問題点があった。
本発明の圧力測定器は、上記した問題点のない高精度
で、信頼性が高く、かつ安価に量産することが可能な圧
力測定器を提供することを目的とする。
[発明の構成] (問題点を解決するための手段) 本発明の圧力測定器は、壁体の少なくとも一部が変形
して外部圧力を内部に伝達する密閉容器と、該密閉容器
内に封入された圧力伝達流体と、該密閉容器の内壁面か
ら離れ、該圧力伝達流体中に遊設された少なくとも1対
の電極をもつバルク半導体と、各該電極に結線され該密
閉容器外に他端が取り出されたリード線とからなること
を特徴とするものである。
本発明の圧力測定器では、圧力によって歪みが発生す
る密閉容器の内壁面から感圧半導体を離し、直接圧力が
感圧半導体に作用するようにしている。そして感圧半導
体としてバルク半導体を使用し、このバルク半導体に等
方的な圧力が加わったとき、抵抗が変化する性質を利用
している。このようにすることにより、構造が簡単で、
かつ信号処理の容易な圧力測定器を実現するものであ
る。バルク半導体は、既存のICプロセスを流用して製造
することが出来る。またバルク半導体の密閉容器へのマ
ウントは水晶振動子を作製する際に用いるワイヤー・マ
ウント技術を利用することが出来る。
ここでバルク半導体とは、少なくとも1対の電極を有
し、一様な圧力が加わることにより抵抗が変化する半導
体を直方体状に切り出した半導体、或いは、その表面に
不純物を拡散して形成した半導体をいう。これらの他
に、蒸着法、CVD法等により、金属、半導体、セラミッ
ク基板上に膜形成したタイプであってもよい。バルク半
導体としてゲルマニウム、シリコンより選んで用いるこ
とが出来る。
圧力伝達流体としては、例えばシリコン・オイル等を
使用することが出来、上記のバルク半導体を直接被測定
媒体に接触させないために使用する圧力伝達媒体をい
う。
密閉容器とは、上記各構成要素を収納する硬質容器部
とこの容器の壁体の一部を構成するシール・ダイアフラ
ムとからなる容器である。容器の壁体には、上記した圧
力伝達流体を注入し封止する液封口が設けられている。
シール・ダイアフラムは、封入したシリコン・オイルを
シールし、被測定媒体の圧力をシリコン・オイルに伝え
る機能をもつもので、圧力印加に伴うシリコン・オイル
の体積変化に追従出来ることが条件である。
リード線は、上記したバルク半導体の各電極並びにバ
ルク半導体の抵抗変化を電圧出力に変換するためのハイ
ブリッド回路基板等を接続する信号ケーブルのことであ
る。これらの半導体や回路に対して給電、信号の授受を
行うため、上記密閉容器外に他端が取り出されている。
次に本発明の圧力測定器の構成及び作用原理を第1図
に基づいて説明する。
第1図に示すように比抵抗ρの単結晶半導体を長さ
l、幅w、厚さtの直方体状に切り出し、長さ方向の端
面に、オーミック性の電極e、e′を取りつけた抵抗体
を考える。この場合単結晶半導体の抵抗Rは で示される。この抵抗体の変化は、式 に示す様に比抵抗の変化によるもの、形状の変化による
ものからなる。ピエゾ抵抗効果による抵抗変化率は となり、ピエゾ抵抗係数π11、π12を用いて表わされ、
結晶の方位による依存性はない。形状の変化による効果
は式 の如く歪で表わされる。各歪の寄与の和は、弾性係数
(コンプライアンス係数)S11、S12を用いて式ε−ε
−ε=−(S11+2S12)(−P)で表わされる。こ
れも結晶の方位による依存性はない。S11+2S12は0.33
×10-6cm2/kg(シリコン)、0.44×10-6cm2/kg(ゲルマ
ニウム)等の様に通常正である。そこでなるべく高い圧
力感度を得るにはπ11+2π12には負の数で絶対値がな
るべく大きい方が良い。そのような半導体としてはn型
ゲルマニウムがある。
π11+2π12=−6.9×10-6cm2/kg(n−Ge;ρ=1.5
Ω・cm)。この時圧力感度は−7.3×10-6cm2/kgとな
る。
[発明の実施例] 以下本発明の圧力測定器の実施例を図面に基づいて説
明する。
(第1実施例) 本発明の圧力測定器の断面図を第2図に示す。第2図
において、密閉容器1は硬質容器部2とシール・ダイア
フラム3とから構成されている。
硬質容器部2の壁部には、液封口4が貫通して設けら
れ、この液封口4を通じて密閉容器1内の所定空間に圧
力伝達流体であるシリコン・オイル5が注入されシール
される。
密閉容器1を構成するシール・ダイアフラム3は、上
記の如く封入されたシリコン・オイル5をシールし、被
圧力測定媒体の圧力をシリコン・オイル5へ伝達する。
密閉容器1内には、更に、シリコン・オイル5を介し
て被圧力測定媒体の圧力を感知する感圧半導体としてバ
ルク半導体6が配線ワイヤー7、7′によりシリコン・
オイル5中に遊設状態で支持されている。半導体支持用
配線ワイヤー7、7′の両端には導電性リードピン8、
8′が設けられ、リードピン8、8′、接片9、9′を
経てハイブリッド回路基板10へ結線されている。なお半
導体6の支持は必ずしも配線ワイヤーに限らず、これ以
外のワイヤーでもよい。このハイブリッド回路基板10
は、バルク半導体6の抵抗変化を電圧出力に変換するた
めの回路で、ホイートストンブリッジ用基準抵抗、増幅
回路用オペアンプ等からなり一端がハイブリッド回路基
板10に取付けられ、他端が密閉容器1外へ取り出された
束状のリード線11が接続されている。このリード線11に
より外部の信号処理手段とバルク半導体およびハイブリ
ッド回路基板等が動作的に接続され、給電、信号の授受
が行われる。
本実施例においては、バルク半導体6の構成方法とし
て第3図に示すようなホイートストンブリッジ法を適用
した。この場合、上記した抵抗変化を温度変化から分離
するため各構成抵抗の温度係数を等しくなければならな
い。しかしバルク半導体6として同じn型ゲルマニウム
4本を使用したのではブリッジ出力が得られない。そこ
で2本は圧力感度が正でなるべく大きいものを用いる必
要がある。例えばn型とドーパント濃度がほぼ等しいP
型ゲルマニウム、P−Ge(ρ=1.1Ω・cm)を用いると
π11+2π12=5.1×10-6cm2/kgとなり圧力感度は4.7×
10-6cm2/kgとなる。このn型ゲルマニウム(n−Ge)と
P型ゲルマニウム(P−Ge)各2個を相対する辺とする
ブリッジにおいては、ブリッジ出力感度は6.0×10-3mv/
V・(kg/cm2)となり、ブリッジ電圧5V、印加圧力1.000
kg/cm2時、出力電圧(Vout)は30mVとなり、十分実用的
な出力電圧が得られる。なおVBは電源である。
第4図は上記したバルク半導体6の構成を示す平面図
である。すなわち、夫々電極e、e′を側平面図であ
る。すなわち、夫々電極e、e′を側面に有するn−Ge
2個とP−Ge2個でホイートストンブリッジを構成し、リ
ードピン8、8′と各半導体の電極e、e′とを配線ワ
イヤ7、7′で接合した。
なお本実施例の場合、上記バルク半導体の製造方法と
しては、ゲルマニウム表面に、CVD、スパッタ法によりS
iO2膜を形成しフォトリソグラフィーによりコンタクト
ホールをあけ、オーミック性電極金属を蒸着し、フォト
リソグラフィーにより電極部を形成する。これを抵抗体
の大きさに切断して作る方法によるのが適当と考えられ
る。
更にバルク半導体として、P型ゲルマニウムの代わり
にP型シリコン、n型シリコンを用いてもよい。
(第2実施例) 本実施例においてはバルク半導体12は第5図及び第5
図のA−A断面図である第6図に示すように、同一チッ
プ上に2重拡散法によって構成される。
即ち、n型ゲルマニウムウェハのPウェル領域PAに、
レジスト等をマスクとしてボロン等のP型ドーパントを
イオン注入する。続いてP型ゲルマニウム抵抗領域P−
Ge−Aに同じくP型ドーパントをイオン注入しPウェル
PA内のn型ゲルマニウム抵抗領域n−Ge−Aにn型ドー
パントをイオン注入し、熱処理により活性化する。その
後は上記した1本づつ抵抗を作る方法と同様にしてSiO2
膜、コンタクトホール、電極部を形成し、チップサイズ
に切断する方法によってもよい。
(第3実施例) 本実施例においては、第7図に示すように、バルク半
導体13をシリコン基板14上に二酸化ケイ素を被せたSiO2
絶縁性基板上にn型、P型多結晶半導体として形成した
場合を示す。
(第4実施例) バルク半導体をチップ12構成とし第8図に示すように
支持体の縁部に固定する例である。この場合チップを直
接、硬質容器部2の内壁面より離れた支持体の縁部より
突出して固定され、チップ12はほぼシリコン・オイルに
囲まれ、シリコン・オイル5中に遊設されている。なお
チップ12は配線ワイヤー7、7′により基板、リードピ
ン8と結線されている。
[発明の効果] 本発明の圧力測定器によれば、バルク状半導体を圧力
センサとして用い圧力伝達流体中に遊設されているた
め、従来の圧電型と異なり圧力に応じたアナログ出力が
容易に得られ、本発明の圧力測定器の製造に従来の半導
体プロセス技術、ワイヤーマウント技術を利用すること
が出来る。従って、安価に量産も可能となり、超高圧用
圧力測定器の製造における生産性特性向上に大きく寄与
することができる。
また、圧力センサが圧力の影響を受けて歪みが発生す
る密閉容器から離れて圧力伝達流体中に遊設されてい
る。このため正確な圧力が測定できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の圧力測定器の構成及び作用原理説明図
であり、第2図は本発明の圧力測定器の第1実施例を示
す断面図である。第3図は本発明におけるバルク半導体
の回路構成の一例を示す回路図であり、第4図は第3図
に示された回路構成を模式的に示す模式図である。 第5図は本発明の圧力測定器の第2実施例を示す断面図
であり、第6図は第5図のA−A′断面図である。第7
図は本発明の圧力測定器の第3実施例を示す要部断面図
であり、第8図は本発明の圧力測定器の第4実施例を示
す要部断面図である。 1……密閉容器 2……硬質容器部 3……シール・ダイアフラム 5……シリコン・オイル(圧力伝達流体) 6、12、13……バルク半導体 7、7′……配線ワイヤ 8、8′……導電性リードピン 10……ハイブリッド回路基板 11……信号ケーブル(リード線) P−Ge……P型ゲルマニウム n−Ge……n型ゲルマニウム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−83048(JP,A) 特開 昭57−83047(JP,A) 特開 昭56−69849(JP,A) 実開 昭60−49441(JP,U) 特公 昭46−26650(JP,B1)

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】壁体の少なくとも一部が変形して外部圧力
    を内部に伝達する密閉容器と、該密閉容器内に封入され
    た圧力伝達流体と、該密閉容器の内壁面から離れ該圧力
    伝達流体中に遊設された少なくとも1対の電極をもつバ
    ルク半導体と、各該電極に結線され該密閉容器外に他端
    が取り出されたリード線とからなることを特徴とする圧
    力測定器。
  2. 【請求項2】密閉容器は硬質容器部とシール・ダイヤフ
    ラムで構成されている特許請求の範囲第1項記載の圧力
    測定器。
  3. 【請求項3】バルク半導体はゲルマニウム、シリコンの
    いずれか1つである特許請求の範囲第1項記載の圧力測
    定器。
JP61187061A 1986-08-08 1986-08-08 圧力測定器 Expired - Lifetime JPH0824197B2 (ja)

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JPS6343379A JPS6343379A (ja) 1988-02-24
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5783047A (en) * 1980-11-10 1982-05-24 Matsushita Electric Ind Co Ltd Polycrystalline semiconductor resistor
JPS5783048A (en) * 1980-11-10 1982-05-24 Matsushita Electric Ind Co Ltd Monograin layer polycrystalline semiconductor resistor
JPS6049441U (ja) * 1983-09-14 1985-04-06 株式会社日立製作所 圧力変換器

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