JPS61176831A - 圧力センサ - Google Patents

圧力センサ

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Publication number
JPS61176831A
JPS61176831A JP1689385A JP1689385A JPS61176831A JP S61176831 A JPS61176831 A JP S61176831A JP 1689385 A JP1689385 A JP 1689385A JP 1689385 A JP1689385 A JP 1689385A JP S61176831 A JPS61176831 A JP S61176831A
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JP
Japan
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diaphragm
resistor
resistors
type
amorphous semiconductor
Prior art date
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Pending
Application number
JP1689385A
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English (en)
Inventor
Takeshi Nakane
中根 武司
Akihiro Kobayashi
聡宏 小林
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Aisin Corp
Original Assignee
Aisin Seiki Co Ltd
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/14Housings
    • G01L19/142Multiple part housings
    • G01L19/143Two part housings
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/14Housings
    • G01L19/147Details about the mounting of the sensor to support or covering means
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0051Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
    • G01L9/0052Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements
    • G01L9/0054Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements integral with a semiconducting diaphragm

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  • Physics & Mathematics (AREA)
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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

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】 [発明の目的] [産業上の利用分野] 本発明は圧カセンサ番;関し、特に、アモーファス薄膜
半導体のピエゾ抵抗変化を利用した圧力センサに関する
【従来技術] 従来より、ダイアフラムの弾性変形を歪ゲージで検知し
て圧力を検出するタイプの圧力センサがよく使用されて
いる。この種の圧力センサにおいては、大きく分けると
、歪ゲージとして金属材料を用いるものと半導体材料を
用いるものが知られている。金属材料を用いた歪ゲージ
では、ゲージ率が2前後と小さいため、所定の信号レベ
ルを得るには低雑音で高利得の増幅優を用いる必要があ
る。またその場合、ダイアフラムに歪ゲージを貼り付け
るのに接着剤を使用すると、その影響が歪ゲージの歪量
に現われ、圧力センサとしての特性が悪化する。
半導体は、ピエゾ抵抗効果により、歪量に応じた抵抗変
化が得られる。従って半導体を歪ゲージとして用いる場
合、複数の歪ゲージを用いて抵抗ブリッジを構成すれば
、歪量すなわち印加圧力に応じた電気信号が得られる。
しかし、結晶性の半導体歪ゲージは、抵抗変化特性の温
度依存性が高く。
またそれをダイアフラムに接着する場合には、金属材料
の場合と同様に、接着剤の悪影響が現われる。単結晶半
導体でなるダイアフラムを用いて、その上に拡散抵抗を
形成する場合には、エツチングによりダイアフラムを形
成するので、ダイアフラムの形状制御が難しく、製造工
程も複雑になる。
そこで、アモーファス半導体薄膜を歪ゲージとして用い
た圧力センサ(特開昭59−97031号公報)が提案
されている。これにおいては、2つのP型アモーファス
半導体と2つのn型アモーファス半導体を、ダイアフラ
ムの中央部に配置する構成になっている、p型半導体と
n型半導体とでは、ピエゾ抵抗効果による抵抗値変化の
極性が互いに逆であるため、これらを用いてブリッジを
構成すれば、ダイアフラムの歪量に応じた電気信号が得
られる。一般的に、ピエゾ抵抗変化の温度依存性(TC
R)は、結晶性シリコン半導体で約3000、アモーフ
ァスシリコン半導体で約100であるので、アモーファ
スシリコン半導体を歪ゲージとして眉いることにより、
温度補償の必要性の小さいブリッジ回路を構成しうる。
[R明が解決しようとする問題点] 従来の、アモーファス半導体を用いる圧力センサにおい
ては、P型とn型の2種のアモーファス半導体薄膜を、
ダイアフラム上に形成する必要がある。この場合、アモ
ーファス半導体薄膜の形成は、P型とn型のそれぞれに
分けて、2回に分けて行なわざるを得ない、アモーファ
ス半導体薄膜の形成を2回に分けて行なうと、そのため
のマスクが2つ必要であり、しかもそれらの位置決めを
行なう必要がある。マスクの位置がずれると、品質のば
らつきが生じる。
本発明は、ブリッジの温度補償を不要にするとともに、
j!l造工程を簡単にして装置のコストを丁番プること
を目的とする。
[ia明の構成] [問題点を解決するための手段] 上記目的を達成するため1本発明においては、ダイアフ
ラムの中央部に2つのアモーファス半導体薄膜を配置し
、ダイアフラムの周辺部に2つのアモーブアス半導体薄
膜を配置する。これら4つのアモーファス半導体薄膜に
は、全て、P型とn型のいずれか一方のものを使用する
[作用] ダイアフラムの歪量に応じた電気信号を得るためには、
その歪量に応じてブリッジの状態が変化するようにしな
ければならない、従来のように。
4つのアモーフアス半導体抵抗素子をダイアフラムの中
央部に配置すると、それらは同一の応力を受けるので、
2つのアモーフアス半導体抵抗素子をn型とし、残りの
2つのアモーファス半導体抵抗素子をP型とすれば、互
いに抵抗変化の極性が逆なので、歪量に応じた電気信号
がブリッジの出力端子に得られる。
ところで、ダイアフラム上での応力分布は第3図に示す
ようになる。第3図において、aが半径、rが任意の点
におけるダイアフラム中心からの距離、σrがダイアフ
ラムの半径方向の応力、σtがσrと直交する方向すな
わち接線方向の応力である。アモーファス半導体抵抗素
子のピエゾ抵抗変化は、p型とn型に応じて、および圧
縮応力と引張応力に応じて、極性が変化する。
第3図を参照すると、ダイアフラムの中央部近傍では、
応力σrと応力σtとが共に引張応力であり。
ダイアフラムの周辺部近傍では応力σrと応力σtとが
共に圧縮応力である。従って、ダイアフラムの中央部に
2つのアモーファス半導体抵抗素子を配置し、ダイアフ
ラムの周辺部に2つの半導体抵抗素子を配置すれば、こ
れら4つが同一の型のアモーファス半導体で構成されて
いれば、ダイアフラムの歪に対して、2つの抵抗素子に
は正の抵抗値変化が呪われ、他の2つの抵抗素子には負
の抵抗値変化が現われるので、これらでブリッジを構成
することにより、ダイアフラムの歪量に応じた電気信号
が得られる。
ところで、第3図を参照すると、ダイアフラムの周辺部
では、σを方向の応力が小さいため、σr力方向応力を
検出するように、抵抗素子の最さ方向をダイアフラムの
径方向に向けるのが好ましい。
また、ダイアフラムの中央部では、σtとσrはいずれ
も大きな変化を示すので、どちらでも利用しうる。大き
な抵抗値変化を得るためには、アモーブアス半導体抵抗
素子を細長く形成する必要がある。アモーファス半導体
抵抗素子を細長くした場合に、それらのうち2つをなる
べくダイアフラムの中央部に近づけて、しかも2つの抵
抗素子が同一の出力特性を示すようにするには、それら
の幅方向にダイアフラムを挟む対称な位置に配置して。
径方向の応力σrと直交する方向の応力σtを検出する
のが好ましい。
[実施例] 以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。
第1a図および第1b図に1本発明を実施する一形式の
圧力センサを示す、第1a図は圧力センサの縦断面図、
第1b図は第1a図のIb−Ib線拡大断面図である。
各図を参照する。!がダイアフラムである。この例では
、ダイアフラムlに、化学強化ガラス(コーニング社製
:0313)を用いている。ダイアフラム1は、その周
囲が、ケーシングを構成する2つの部材2および3のフ
ランジ部分で挟持されている。
ダイアフラム1の一方の面には、長方形状に形成された
4つのP型(n型でもよい)アモーファスシリコン半導
体薄膜でなる抵抗体R1,R2,R3及びR4が配置さ
れている。これらの抵抗体R1−R4は、同一面に形成
された導体パターン9゜to、tt及び12によって、
ホイートストンブリッジを構成するように、電気的に接
続されている。
抵抗体R1およびR4,ならびに抵抗体R2およびR3
は、ダイアフラムの中心CENに対して対称に配置され
ている。また、4つの抵抗体R1〜R4は、長さ方向お
よび幅方向を同一の方向に揃えるように配置しである。
従って、抵抗体R2およびR3の抵抗値(長さ方向)に
影響を与える応力は、ダイアフラムの径方向の応力(σ
r)であり、抵抗体R1およびR4の抵抗値に影響を与
える応力は、ダイアフラムの接線方向すなわち径方向と
直交する方向の応力(σt)である、つまり。
第3図に示す引張応力σAが抵抗体R1およdR4に印
加、され、圧縮応力σBが抵抗体R2およびR3に印加
される。従って、抵抗体R1〜R4は全てp型半導体な
ので、ダイアフラムに圧力が印加されると、2つの抵抗
体は正の抵抗値変化を示し、残りの2つの抵抗体は負の
抵抗値変化を示し、ブリッジの出力端子には圧力に応じ
た電気信号が得られる。
導体パターン9,10.11及び12は、第1a図に示
すように、ダイアフラム1の周面の近傍で電気ケーブル
5と接続されている。電気ケーブル5は、フレキシブル
プリント基板のような柔かい部材で構成されている。電
気ケーブル5の他端は、ケーシング3に固定されたプリ
ント基板4に接続されている。プリント”基板には電子
回路が装着されており、その一部にシールドケーブル6
が接続され、該シールドケーブル6の他端がケーシング
3の外部に引き出されている。7が、圧力を印加するた
めのボートである。なお、8は0リングである。
ダイアフラム1上の導体パターン9,10,11及び1
2は、この例では、ダイアフラム表面に所定のマスクを
被せた状態で、アルミニウムを真空蒸着させて形成しで
ある。抵抗体R1,R2,R3およびR4は、この例で
は、導体パターン9゜10.11および12を形成した
後で、所定のマスクを被せた状態で、グロー放電分解法
により。
シリコン半導体を堆積させ、アモーファスシリコン薄膜
を形成することにより形成している。
第2図に、この圧力センサの電気回路構成を示す、第2
図を参照すると、抵抗体R1,R2,R3及びR4はホ
イートストンブリッジBGとして結線されている。この
ブリッジの対向する2つの端子に、定電流回路CCUの
出力端子が接続され、ブリッジの残りの2つの端子が、
差動増幅器DFAの2つの入力端子に接続されている。
差動増幅器DFAの出力端子には調整用のポテンシヨメ
ータFTが接続され、その出力端子にシールドケーブル
6の一本の線が接続されている。シールドケーブルのも
う1本の線は電源ラインVccであり、これを介して供
給される直流電力が、定電流回路CCU及び差動増幅器
DFAの電源端子に供給される。
第4図に1本発明のもう1つの実施例を示す。
第4図を参照すると、この例では差圧を測定できるよう
に、ダイアフラム20の両面に対向する2つのポート2
9及び30が形成されている。ケーシングは、ダイアフ
ラム20を挟持する2つの部材21及び22と、それを
一体に保持する部材23でなっている。電気ケーブル2
5は、ケーシングを構成する2つの部材21と22の間
から引き出され、プリント基板24に接続されている。
26はシールドケーブル、27及び28は0リングであ
る。なお、他の構成は前記実施例と同様である。
なお、上記実施例においては、各々の抵抗体を長方形状
に形成したが、例えば特開昭58−44323号公報に
示されるような、矩形波状に形成してもよい。
〔効果] 以上のとおり、本発明によれば、p型とn型のいずれか
一方のアモーファス半導体を形成するだけでブリッジを
構成することができるので、製造工程が簡単になる。ア
モーファス半導体でブリッジを構成するため、特性の温
度変化が小さく、温度補償が不要である。
【図面の簡単な説明】
第1a図は本発明を実施する一形式の圧力センサの縦断
面図、第1b図は第1a図のIb−1b線断面図である
。 第2図は、第1a図に示す圧力センサの電気回路を示す
ブロック図である。 第3図は、ダイアフラム上の各位置における応力の分布
を示すグラフである。 第4図は1本Jllllの他の実施例を示す縦断面図で
ある。 1.20:ダイアフラム 2.3,21,22,23 :ケーシングを構成する部
材(ハウジング) 4.24ニブリント基板 5t2s:電気ケーブル 6.26:シールドケーブル 7.29,30:ポート 8.27.28:Oリング 9.10,11,12 :導体パターン(導体)R1,
R2,R3,R4:抵抗体(第1.第2゜第3及び第4
の抵抗器) BGニブリッジ PT:ポテンシヨメータ

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)少なくとも1つの圧力印加ポートを備えるハウジ
    ング; 前記ハウジングに周縁が固定され、流体圧力を受けて弾
    性変形するダイアフラム; 前記ダイアフラムの中央部近傍に形成した、p型および
    n型のいずれか一方のアモーファス半導体薄膜でなる、
    第1及び第2の抵抗器; 前記ダイアフラムの周辺部近傍に形成した、p型および
    n型のうち第1および第2の抵抗器と同じ型のアモーフ
    アス半導体薄膜でなる、第3および第4の抵抗器;およ
    び 前記ダイアフラム上に形成され、前記第1の抵抗器,第
    2の抵抗器,第3の抵抗器および第4の抵抗器をブリッ
    ジ接続する導体; を備える圧力センサ。
  2. (2)第1の抵抗器,第2の抵抗器,第3の抵抗器およ
    び第4の抵抗器は、その少なくとも大部分の領域が所定
    の長さ方向に向けられた形状であり、これら全てが、そ
    の長さ方向を実質上同一の方向に向けて配置された、前
    記特許請求の範囲第(1)項記載の圧力センサ。
  3. (3)第1の抵抗器および第2の抵抗器は、それらの長
    さ方向と直交する幅方向にダイアフラムの中心部を挟ん
    で、該中心部に対して互いに対称な位置にそれぞれ配置
    され、第3の抵抗器および第4の抵抗器は、それらの長
    さ方向にダイアフラムの中心部を挟んで、該中心部に対
    して互いに対称な位置にそれぞれ配置された、前記特許
    請求の範囲第(2)項記載の圧力センサ。
  4. (4)ダイアフラムは、化学強化ガラス材料でなる、前
    記特許請求の範囲第(1)項,第(2)項又は第(3)
    項記載の圧力センサ。
JP1689385A 1985-01-31 1985-01-31 圧力センサ Pending JPS61176831A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1991015743A1 (en) * 1990-04-03 1991-10-17 Hitachi Construction Machinery Co., Ltd. Differential pressure sensor and method of manufacturing the same

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1991015743A1 (en) * 1990-04-03 1991-10-17 Hitachi Construction Machinery Co., Ltd. Differential pressure sensor and method of manufacturing the same

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