JPS60171429A - 圧力電気変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体拡散抵抗のピエゾ抵抗効果を利用して
圧力を電気信号に変換する圧力電気変換器の構造に関す
るものである。

〔発明の背景〕

従来、圧力計としてはブルドン管やベローズ、ダイヤフ
ラムなどの機械式の圧力センザが主流を形成していた。

しかしながら、圧力の測定精度が要求される様になると
、圧力をそのまま指針に伝えることにより圧力を測る方
法では精度向上が望めず、機械的な力を電気信号に変え
る方式のものが登場するようになった。これは圧力をベ
ローズやダイヤフラムなどで受けて生じた機械的変位に
より、インダクタンスやキャパシタンス、抵抗すどを変
化させて電気信号に変換するというものであり、夫々の
特徴を生かした各種の圧力センサが開発されている。

これらの圧力センサの開発によって、精度そのものは高
くなったが、その構造が複雑になるためどうしても製品
価格が高くなってしまうという問題と小型化できないと
いう欠点があった。

この様な状況の中で近年、ＩＣ製造技術の発達とあいま
−て登場してきたのが本発明の対象とｆ、ｆる圧力電気
変換器である。

該圧力電気変換器は、ダイヤフラムを兼ねる単結晶シリ
コンチップの表面に不純物拡散によってひずみゲージブ
リッジを一体的に形成した半導体拡散抵抗のピエゾ抵抗
効果を利用したものである。

ピエゾ抵抗効果とは、導体又は半導体に加えられた外力
の応力によって電気抵抗が変化する現象であり、このよ
うな拡散抵抗によるひずみゲージでブリッジを形成した
半導体圧力センサはそれ自身で圧力−ひすみ一電気信号
変換を行なうことができ小型化を要求される圧力センサ
には適している。

又、従来の半導体技術の利用により簡単に大量生産が可
能になるため低価格化の可能性も旨く自動車用センサあ
るいは自動化センサ、航空機産業などの分野で活用され
つつある。

しかしながら上記した半導体圧力センサを利用した圧力
電気変換器のほとんどは測定圧力媒体である雰囲気が水
蒸気等の水分を含まない空気あるいは非腐食性ガス等の
気体測定用に限られていた。

一方海水又は淡水等の液体を測定圧力媒体とする液体用
圧力′１Ｌ気変換器は、気体用に比べ実用化が遅れてお
り早急な出現を望まれていた。

〔従来技術と問題点〕

半導体圧力センザを利用した液体用圧力電気変換器の実
用化が遅れている大きな厚内の１つには、海水、淡水等
σ）測定圧力媒体と半導体圧力センザ及び周辺電気導通
部品との隔絶手段に良い方法がなかったことが上げられ
る。種々検討されてきた結果、第１図及び第２図の要部
断面図に示す様な構造が考案されている。

第１図において、１は半導体拡散抵抗のピエゾ抵抗効果
を利用して圧力を電気信号に変換するダイヤフラム型半
導体圧力センザチノプ、２は前記圧力センサチノプを接
着するだめの基台であり、該圧力センサチノプ１を収納
載置するための凹部２ａを備えて（・る。３は該圧力セ
ンザチノプ１の電源端子及び出力端子となるステムで基
台２と電気的に絶縁された状態で封止ガラス４により気
密に固着され、圧力センザチノプ１とステム６間がワイ
ヤーボンドにより電気的に接続される。ｆＡｉは測定圧
力媒体である液体を示し、矢印は圧力のかかる方向を示
している。５は測定圧媒体である液体ｌＡ１と圧力セン
ザチノプ１、ステム３及びワイヤーボンド部とを隔絶す
るシリコンゴム等の軟弾性材料よりなる保護部材であり
、該保護部材５は、電気絶縁性が高く、流動性の小さい
材料が条件であり、しかも前記圧力センザチノブ１を含
むブリッジはひずみ率の非常に太きいひずみゲージを形
成し、応力を感じやすくするように設計されているため
前記保護部利５は圧力センザチソプ１と熱膨張係数の差
が少なく、熱歪を起しにくい材料であることも条件であ
る。

以上の様に構成した液体用圧力電気変換器は、小型化、
低価格化できるという長所があるものの隔絶手段である
保護部材５が弾性体であるために測定圧力媒体である液
体ｆＡ＋の圧力の上昇に伴い体積圧縮を起し該圧力セン
サチノプ１とステム３間を電気的に接続しているワイヤ
ーを移動させ該ワイヤーを断線させる恐れがあり信頼性
の面で不安があった。

又前述した様に保護部材５は、圧力センサチノプ１と熱
膨張係数の差の少ない材料が望まれるものの、単結晶シ
リコンに近いものは今だなく、最も熱膨張係数の小さな
材料（例えば低粘度シリコンゴム）での簡易実験でも、
温度変化時に熱膨張係数の差により抵抗値変化が起り出
力電圧値が変動するという結果を得ている。

即ち高性能化を必要とする圧力電気変換器への本構造採
用には保護部材５の材料開発が必要となり、実用化には
更に時間がかかることが解った。

次に第２図について説明する。１１はダイヤフラム型半
導体圧力センザチノプ、１２は前記圧力センサチンプ１
１を接着するための基台であり、１３は前記圧力センサ
チノブ１１の電源端子及び出力端子となるステムである
。該ステム１３は基台１２ど電気的に絶縁された状態で
封止ガラス１４により気密に固着され一圧力センサチッ
プ１１とステム１３間がワイヤーボンドにより電気的に
接続されている。（Ａｉは測定圧力媒体である液体を示
し、矢印が圧力のかかる方向を示している。

１５はシリコンオイル等の液状保護部材であり、ゴム等
の弾性材料より形成されたキャップ１６内に空気が残ら
ない状態で密封されている。１７はギャップ１６と基台
１２を気密圧着するための固定手段である。

以上の様に構成された圧力電気変換器の長所は測定圧力
媒体である液体ｆＡ＋と圧力センサデフ１１１間の隔絶
手段としてシリコンオイルなどの液体を採用したことに
より、測定圧力媒体である油体ＩＡＩの圧力上昇に対し
液状保護部材１５はほとんど体積圧縮を起さないという
ところにある。即ち前述した第１図構造で問題となって
いた圧力センザチノプ１１とステム１３間を電気的に接
続するワイヤーボンド部に何も悪影響を与えることなく
隔絶することができる。更に隔絶手段として液体を使っ
ていることにより、張力も小さく、熱膨張係数の差によ
る圧力センサチノプ１１の受圧部１１ａへθ）影響も心
配することなく材料選択ができるとい′）利点がある。

従−）て、液体用圧力電気変換器の隔絶手段としては最
も性能面では安定した構造と思われるが、図を見て明ら
かな様に本構造は、液状保護部材１５の充填手法に大き
な問題がある。

即ち前記した様にキャップ１６内に仮に空気が残ってい
た場合には、ボイルの法則（Ｐ■＝ｃｏｎｓｔ）より空
気体積は圧力と反比例し体積圧縮を起し、第１図構造と
同じ様に圧力センサチノプ１１とステム１３間を電気的
に接続するワイヤーボンド部のワイヤーを断線する危険
があり、又キャップ１６内の空気残りを避けるためにキ
ャップ１６の内容積と同等の液状保護部材１５を充填さ
せようとした場合には、固定手段１７を取り付ける際に
該キャップ１６が膨み、ゴムの弾性（張力）が圧力セン
サチノプ１１の受圧部１１ａにかかり抵抗値を変え、出
力電圧値を変化させる事になる。

即ち、液状保護部材１５の充填量のバラツキにより夫々
の圧力電気変換器の出力特性が異なるものになってしま
うという欠点があった。更に生産性を考えた場合、シリ
コンオイル等の液状保護部材１５を取扱うことは、ゴミ
の吸着、周辺部品の汚れ等多くの問題があり、量産性に
は不向きであり、コスト的にも高くなることは明らかで
あった。

又、本構造では、キャップ１６と基台１２を気密圧着す
るための固定手段１７を基台１２の最外周に配置する必
要があり、小型化には不適当である等の多くの問題が残
されていた。

〔発明の目的〕 本発明の目的は、上述した夫々の構造の問題を解消し、
小型化、低コスト化、高信頼性、高性能化を実現できる
液体用圧力電気変換器を得ることにある。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づき詳しく説明する。

第３図は本発明実施例の圧力電気変換器を示す、断面図
である。

２１は、半導体拡散抵抗のピエゾ抵抗効果を利用して圧
力を電気信号に変換するダイヤフラム型半導体圧力セン
サチノプであり、２２は、台座（例工ば”　７７４０ホ
ウ硅酸塩ガラス）で、該圧力センサチノプ２１と台座２
２は真空中で低融点ガラス等で気密的に固着され、圧力
センサチノプ２１０片方の而２１ａと台座２２間は真空
Ｗ保たれている。２３は基台で本実施例ではセラミック
スで形成されている。圧力センザチノプ２１と一体的に
固着された台座２２は基台２３に設けられた四部２３ａ
の底部２１ｂに収納載置され接着されており、接着手段
としては、接着時の歪や熱膨張係数の差による熱歪を発
生さぜない様にシリコンゴム、低融点ガラス等の接着剤
が選択され、基台２３に気密に固着されている。２４は
前記圧力センサチノプ２１の電源端子及び出力端子とな
るステムであり、該ステム２４は封止ガラスあるいは有
機接着剤等の固定手段２５により、前記基台２６に対し
電気的に絶縁された状態で気密に固着され、圧力センサ
チソプ２１とステム２４間がワイヤーボンドにより電気
的に接続される。２６は圧力センサチノブ２１と測定圧
力媒体である液体（Ａ）との隔絶手段となる充填部材で
あり、該充填部材は反応硬化する液状樹脂を基台２６の
凹部２１ａに充填したのち、圧力センサチノプ２１の受
圧面２１ｂの近傍と測定圧力媒体である液体ｆＡ＋の外
圧力のかかる表面部ｔＡ）とで硬化条件を異らせたもの
であり、本実施例においては紫外線硬化型シリコンゴム
を充填し紫外線照射時間の調整により該凹部２３ａの表
面部ｆＡ）だけを硬化させ圧力センサチノプ２１の受圧
面２１ｂ近傍の内部を液状（粘度８０Ｐ）のままに形成
した。又、紫外線硬化型シリコンゴム接着剤を染料によ
り着色してもよい。

本発明の圧力電気変換器は以上の様な構成でなっている
。以下本発明の圧力電気変換器の具体的な取付構造を説
明する。基台２３の外周にはリング状のツバ２３Ｃが形
成されており、該ツバ２３Ｃの一方の面は、ケース本体
２７内へ測定圧力媒体である液体ｆＡ＋の進入を防止す
るために装着された防水パツキン２８の受面であり、他
方の面は、ケース本体２７へ圧力電気変換器を取り付け
るための取り付は部材２９の支持面となっている。

取り付は部材２９の外周にはネジ２９ａが設けられてお
り、ケース本体２７に設けたネジ部２７ａと係合固着さ
れるように構成されている。

又取り付は部材２９には回転用溝２９Ｃが設けられてお
り、回転治具を用いて、取り付は部材２９を回転させる
ことにより、前記基台２６のツバ２３Ｃを介して防水パ
ツキン２８がケース本体２７に圧着され防水性が維持さ
れるとともに圧力電気変換部がケース本体２７に固着さ
れる。なお、２７ｂは測定圧力媒体である液体（Ａ＋の
導入口であり、基台２６の凹部２３ａの平面領域内に設
けられている。

〔発明の効果〕

以上の様に本発明の圧力電気変換器では、基台２６の凹
部２３ａの表面部と圧力センサチノブ２１を固着した近
傍とで硬化条件を異ならせた充填部材２６で液体＋Ａ＋
と圧力センサチノプ２１を隔絶した構造であり、圧力セ
ンザチノブ２１の周辺が低粘度の液体のため、圧力セン
サチノプ２１とステム２４を接続するワイヤーの断線に
心配はなく、又圧力センサチップ２１の受圧面２１ｂへ
熱歪を与えることもなく、更には表面部がゴム状に硬化
されるため充填部材の流れ出しの心配もなくなった。

更に、充填部材２６が紫外線硬化型であるため１０秒以
下の紫外線照射により硬化処理が済まされるため生産性
も優れている。又、構成部品点数が少なくコスト的にも
低価格なものになっており。

さらに平面サイズ的にも小型化できる構造になっている
。

上記する構成的特徴によって測定圧力媒体が海水等の液
体の場合でも圧力センサチノブを用いて低コスト、小型
、高信頼性、高性能な液体測定用圧力センザを提供する
ことができた。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は、従来例を示す圧力電気変換器の要
部断面図であり、第３図は本発明の実施例を示す圧力電
気変換器の断面図である。 ２１・・・・・・圧力センサチノブ、２３・・・・・・
基台、２６・・・・・・充填部材。 第１図 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧力を電気信号に変換するダイヤフラム型半導体
   圧力センサチップと、少なくとも該圧力センサチップを
   収納載置するための凹部を備えた基台を有し、前記圧力
   センサチ・プを基台凹部の底部に固着してなる圧力電気
   変換器に於いて、前記凹部内に反応硬化特性を有する樹
   脂を充填し、該充填樹脂の前記圧力センサチップの受圧
   面近傍と、測定圧力媒体に接する外圧面とで硬化条件を
   異らせたことを特徴とする圧力電気変換器。 （２、特許請求の範囲第１項記載の充填樹脂が紫外線硬
   化型樹脂であることを特徴とする圧力電気変換器。