JPS6141252Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、改良された半導体圧力変換器に関す
るものである。

感圧用のシリコンダイアフラムは、一般にシリ
コン単結晶からなる弾性基板の裏面中央部にエツ
チング等により凹部を設けて起歪部とし、この起
歪部上の表面に拡散等の手法によつて複数個のピ
エゾ抵抗素子を形成し、この抵抗素子間をAlの
蒸着膜などで配線してプリツジを構成し、また前
記シリコン単結晶からなる弾性基板の周辺部表面
にリード線接続用の電極部を形成して構成される
ものである。

このようなシリコンダイアフラムを用いて圧力
変換器を組立てる場合、被測定圧力流体は、この
シリコンダイアフラムの裏面の凹部側に導入し、
ピエゾ抵抗素子やAlの配線部及び電極部を形成
した表面側に真空室を設けたり（絶対圧型）、表
面を半導体用コーテイング剤等でコーテイングし
て大気圧を導入する（ゲージ型の場合）ように構
成し、ピエゾ抵抗素子、Al配線、電極部を湿
気、油、薬品等から保護するように組立てること
が多い。一方、圧力変換器の組立が非常に簡単に
なり、シリコンダイアフラムが破壊する最大圧力
が高くなり、出力特性の非直線性が良くなる等の
理由で、シリコンダイアフラムの表面側に被側定
流体を導入するように圧力変換器を組立てる場合
がある。このような圧力変換器では、シリコンダ
イアフラムの表面のピエゾ抵抗素子、Al配線、
電極部、及びこの電極部からのリード線をリード
ピン等に接続するリード線配線部を被側定流体か
ら保護する必要がある。このような圧力変換器
は、第１図に示したように構成されている。即
ち、第１図ｂにおいて、シリコンダイアフラム１
の裏面中央部に起歪部２が設けられ、この起歪部
２の表面に拡散型ピエゾ抵抗素子３が形成されて
いる。Al蒸着膜からなる電極４はシリコンダイ
アフラムの周辺に形成されており、この電極４、
ピエゾ抵抗素子３は低抵抗の拡散抵抗５で接続さ
れており、この拡散抵抗５及びピエゾ抵抗素子３
は薄いSiO₂膜６で覆われている。

このように構成されたシリコンダイアフラム１
は、基板７を介して基台８に固着されているが、
この基板７は基台８からシリコンダイアフラム１
に加わる熱を吸収するために設けられたもので、
シリコンとほぼ同じ線膨脹係数の結晶化ガラス基
板からなり、またシリコンダイアフラム１と基板
７は低融点ガラス９で接合されている。基台８は
シリコンに近い線膨脹係数のセラミツクであるコ
ージライトからなり、またシリコンダイアフラム
１の周辺部でこの基台８を貫通するようにリード
ピン１０が設けられ、基板７と基台８は軟かい接
着剤のシリコンゴム接着剤で接着されている。な
お、この従来の圧力変換器は、大気圧を基準にし
て被測定圧力を測定するゲージ圧型の圧力変換器
であるために、基板７、基台８の中央部には背圧
口１１が設けられており、シリコンダイアフラム
の起歪部裏面に大気圧が通じるようになつてい
る。

また基台８に強固に接着された電極保護部材１
２は、この基台８と同じコージライトから成り、
シリコンダイアフラム１の電極４と、リードピン
１０とこれらを接続するリード線１３からなるリ
ード線配線部を囲うようにされ、またシリコンダ
イアフラム１の上の電極４より内周側の厚肉固定
部上に軟かい接着材のシリコンゴム接着剤１４に
よつて接着され、シールされている。この軟かい
接着材を用いたのは、この接着材の影響がピエゾ
素子に及ばないようするためである。このように
構成された圧力変換器本体は、シリコンダイアフ
ラム１の表面に被測定圧力が作用するように、圧
力導入口１５を有するアダプタ１６内に挿入さ
れ、このアダプタ１６の内壁と電極保護部材１２
に接するゴム製Ｏリング１７を介して締付ネジ１
８で固持されている。

このように構成された従来の圧力変換器は、シ
リコンダイアフラム１の表面のピエゾ抵抗素子３
および拡散抵抗５はSiO₂膜６で覆われて被測定
圧力流体から保護されており、リード線配線部は
電極保護部材１２とシリコンゴム接着剤１４で隔
壁保護されているが、腐蝕液の被測定圧力流体に
対しては、耐蝕性が完全であるとは云えない。例
えば、ピエゾ抵抗素子及び配線部を覆うSiO₂膜
６は非常に薄く、またピンホールもあつて耐蝕性
に限度があるという欠点がある。

この欠点を解消するために、このSiO₂膜６の
上に更にガラス質膜を生成して耐蝕性を増す方法
も考えられるが、シリコンダイヤフラム１への影
響が複雑になり、またガラス質の膜が厚くなれ
ば、出力低下等の特性劣化を生じることになる。
また電極保護部材１２を接着しているシリコンゴ
ム接着剤１４は、短期間であれば、一般に良好な
耐薬品性を示すが、長期間薬品にさらされた場合
には徐々に分解、変質する惧れがあり、耐薬品性
に問題がある。またこのシリコンゴム接着剤１４
は、被測定圧力流体がガソリンやトルエン、ベン
ゼン等であれば、膨潤して接着力が低下し、その
結果、リード配線部にこの被測定圧力流体が侵入
してAl電極を腐蝕してしまう欠点がある。この
欠点を除去するために、この被測定圧力流体を遮
断する接着剤として、起歪部上のピエゾ抵抗素子
に熱応力等の影響を与えない程度に充分軟かく、
かつ圧力変換器に要求される使用温度条件のもと
で十分に耐蝕性を有するような他の接着剤を選ぶ
ことは非常に難かしいものである。

一方、シリコンダイアフラムを完全に保護し、
耐蝕性の被測定圧力流体に使用できる変換器とし
て、第２図に示したように周知のシールダイアフ
ラム式圧力変換器がある。この変換器はシリコン
ダイアフラム１の被測定圧力流体が接する側にシ
リコンオイル等の非圧縮性流体を封入した油室１
９が設けられ、この油室１９は被測定圧力流体に
対して、ステンレス等のように耐蝕性を有するシ
ールダイアフラム２０で隔壁されている。

このように構成された圧力変換器は、このシー
ルダイアフラム２０の材質を耐蝕性被測定圧力定
流体に応じて選択すれば、各種の耐蝕性被測定圧
力流体に対して使用可能な圧力変換器を製作する
ことができるが、この油室のシリコンオイル中に
気泡が発生すると特性が劣化するので、このシリ
コンオイルの封入時に十分な脱泡処理を行なう必
要があり、またこのシールダイアフラムの製作や
その溶接作業は簡単ではなく、更に構造が大型
で、複雑になり、高価になるという欠点があつ
た。

本考案は、上記従来例の欠点を解消するため
に、シリコンダイアフラムの周囲をシリコンゴム
で被覆し、被測定圧力流体が接する面に耐蝕性を
有する樹脂性の薄い膜で覆つたもので、非常にす
ぐれた耐蝕性を有し、小型で、安価な半導体圧力
変換器を提供するものである。本考案の構成は、
シリコン単結晶からなる弾性体基板の裏面中央部
に窪みを設けて起歪部とし、この起歪部の表面に
ピエゾ抵抗素子を形成してなるシリコンダイアフ
ラムを用いた半導体圧力変換器において、シリコ
ンに近い線膨脹係数を有する基台の中央部に、前
記シリコンダイアフラムまたはこのシリコンダイ
アフラムを接合した基板を、前記シリコンダイア
フラムが外側になるように接着し、前記シリコン
ダイアフラムの周囲または前記シリコンダイアフ
ラムの起歪部の周囲を囲むように凹部を形成する
リング部材を前記基台に接着し、前記凹部に室温
硬化型で、硬化後の弾性定数が５〜50Kg／cm²のシ
リコンゴムを前記リング部材と同一平面になるま
で充填し、前記リング部材及び前記シリコンゴム
の表面上に耐蝕性を有する樹脂性の薄い膜を密着
して、前記シリコンゴムの硬化と同時に接着し、
圧力導入口を有するアダプタ内のＯリングに前記
リング部材上の樹脂性膜を押圧するように前記基
台を前記アダプタ内に挿入固定したことを特徴と
するものである。以下、図面により実施例を詳細
に説明する。

第３図は、本考案の第１実施例を示したもの
で、第１図と同一符号のものは同一のものを示し
ているが、本実施例では電極保護部材１２の代り
に、シリコンダイアフラム１及びリードピン１０
を囲んで凹部を形成するようにした円筒状リング
部材２１が基台８の周辺部に設けられている。こ
のリング部材２１の基台８との接着面の反対側の
上面２２はシリコンダイアフラム１の上面より
0.1〜２mm程度高くなつており、このリング部材
２１の内側にシリコンダイアフラム１、基板８、
リードピン１０を埋め込むようにシリコンゴム２
３が充填され、このシリコンゴム２３の上面２４
はリング部材の上面２２と１つの平面になつてい
る。従つて、シリコンダイアフラム上のシリコン
ゴム２３の厚みは0.1〜２mm程度になる。このシ
リコンゴム２３は室温硬化型のもので、比較的接
着性に富み、硬化後の弾性定数が５〜50Kg／cm²程
のものが適している。またこのシリコンゴム２３
とリング部材２１の上面には、耐蝕性の高分子膜
として厚みが10〜100μｍのフツ素樹脂膜２４を
接着する。このフツソ樹脂の接着は次の手順で行
なう。

(1) リング部材２１の内側にシリコンゴム２３を
充填する。その時にリング部材２１の上面にも
薄く塗る。

(2) 真空容器に入れ、シリコンゴム２３から気泡
の発生がなくなるまで真空引きする。

(3) フツ素樹脂膜２４の片面に公知の活性化表面
処理を施こして、接着性が得られるようにす
る。

(4) 表面処理を施こしたフツソ樹脂２４の処理面
側をシリコンゴム２３、リング部材２１の上面
に密着する。この時、膜２４の内側に気泡が入
らないようにする。

(5) この状態で、約10日以上室温の雰囲気中に放
置してシリコンゴムを硬化（加流）する。

このようにフツ素樹脂膜２４を接着した圧力変
換器本体は、ステンレス製のアダプタ１６内に挿
入され、フツ素ゴム製のシール用Ｏリング１７が
リング部材２１の上面のフツ素樹脂膜２４とアダ
プタ１６の内壁に挿入され、締付ねじ１８で固持
される。

次に、本実施例の動作を説明する。まず、圧力
導入口１５から被測圧力が加わると、フツ素樹脂
膜２４、シリコンゴム２３を介してシリコンダイ
ヤフラム１に作用し、背圧口１１からの大気圧と
の差圧に応じて起歪部２を変形し、ピエゾ抵抗素
子３に抵抗変化を生ぜしめ、その結果、大気圧を
基準にして被測定圧力に対応した出力信号がリー
ドピン１０を介して出力される。フツ素樹脂膜２
４は10〜100μｍと薄くて軟かいものであり、ま
たシリコンゴム２３のヤング率は５〜50Kg／cm²程
度の値で、シリコンダイアフラム１のヤング率
（約２×10⁶Kg／cm²）に比べて非常に小さくなつて
いるので、シリコンゴム２３のシリコンダイアフ
ラム上の厚みが0.1〜２mmであれば、被側定圧力
によるシリコンダイアフラム１の起歪部２の変形
量は、フツソ樹脂膜２４、シリコンゴム２３が無
い場合と殆んど同じになる。従つて、本実施例の
圧力変換器の被測定圧力に応じた出力信号は、フ
ツ素樹脂膜２４やシリコンゴム２３の受圧部保護
の影響を殆んど受けることなく、シリコンダイア
フラム１を基板７にガラス接合してなる圧力変換
素子の良好な特性をそのまま再現するものであ
る。またシリコンゴム２３は脱泡処理（接着手順
(2)参照）によつて、硬化後はゴム内部に気泡が残
ることなく、緻密な弾性体になつているので、本
実施例の圧力変換器を広範囲にわたつて温度変化
しても、また被測定圧力を大気圧よりも低い負圧
にしても、フツ素樹脂膜の内側に気泡が発生する
ことなく、安定に動作する。

一方、シリコンゴム２３及びフツ素樹脂膜２４
はシリコンダイアフラム１、電極４、リードピン
１０、リード線１３から成るリード線配線部を被
測定圧力流体から完全に遮断し、保護する。また
シール用Ｏリング１７はフツ素樹脂膜２３とアダ
プタ１６の内壁に接しているので、被測定圧力流
体がフツ素樹脂膜の接着端から内部へ侵入するの
を防ぎ、腐蝕性の被測定圧力流体によつて内部の
測定部がが腐蝕したり、フツ素樹脂膜２４の接着
部がおかされて、接着力が低下したりすることは
ない。この結果、本実施例では、被測定流体に接
する部分はアダプタ１６、シール用Ｏリング１
７、フツ素樹脂膜２４になるが、このフツ素樹脂
膜２４は周知の如く化学的に最も安定な高分子材
であつて耐薬品性に優れており、また特に予め膜
状に形成されたフツ素樹脂膜を接着使用している
ので、ピンホールが無く、また部分的にはがれた
りすることもなく、殆んどの腐蝕性流体に対して
すぐれた耐蝕性を示すものである。またフツ素ゴ
ム製のシール用Ｏリング１７やステンレス製のア
ダプタ１６も一般にすぐれた耐蝕性を持つている
ので、本実施例の圧力変換器はすぐれた耐蝕性を
持ち、各種の腐蝕性圧力流体に対して使用するこ
とができる。またシリコンゴム２３、フツ素樹脂
膜２４は絶縁体であるので、本実施例の圧力変換
器は被測定流体に対して完全な電気的絶縁性を有
し、更にシリコンゴム２３やフツ素樹脂膜２４は
いずれも広い温度範囲にわたつてその性質が安定
しているので、本実施例の圧力変換器もまた広い
温度範囲にわたつて使用できるものである。な
お、本実施例では基台８にリング部材２１を接着
して構成したが、他の方法としてはリング部材２
１を基台８と同じ材質で一体的に形成してもよい
ことは云うまでもない。

次に、第４図は、本考案の他の実施例を示した
もので、第１図に示した従来例の本体をそのまま
使用し、これにシリコンゴム２３、フツ素樹脂膜
２４を施こしたものであり、前記実施例のリング
部材２１を変形した例に相当する。即ち第１図の
電極保護部材１２はそのままで本実施例のシリコ
ンダイアフラム１の起歪部２の周囲を囲んで凹部
を形成するリング部材２１になつており、またそ
の上面２２はシリコンダイアフラム１の上面より
１〜２mm程度高くなつている。この凹部にリング
部材２１の上面２２に連なつて１つ平面になるよ
うにシリコンゴム２３が充填され、更にリング部
材２１の上面２２にも浅く塗布され、この平面上
でリング部材２１の最外周部まで、前記実施例と
同様の方法でフツ素樹脂膜２４が接着される。従
つてシリコンダイアフラム１上のシリコンゴム２
３の厚みは約１〜２mmになる。

以上のように構成された本実施例の圧力変換器
本体は、ステンレス製のアダプタ１６内に挿入さ
れ、リング部材２１の上面２２のフツ素樹脂膜２
４の周辺部とアダプタ１６の内壁の間にフツ素ゴ
ム製のシール用Ｏリング１７が挿入され、締付ね
じ１８によつて固持される。

このように、本実施例ではシリコンダイアフラ
ム１の電極４、リードピン１０、リード線１３か
らなるリード線配線がリング部材２１で一旦保護
された後、更にシリコンダイアフラム１とリング
部材２１の表面部がシリコンゴム２３とフツ素樹
脂２４で保護されており、これによつて、シリコ
ンダイアフラム型半導体圧力変換器の腐蝕に対し
て最も弱い部分であるリード接続部の保護がより
完全になり、前記実施例と全く同様の作用効果を
奏するものである。

以上２つの実施例をもとに本考案を詳細に説明
したが、本考案はこれらの実施例に限定されるも
のではなく、例えば前記の説明では、いずれも背
圧口に大気圧を導入し、大気圧を基準にして被測
定圧力を測定するいわゆるゲージ圧力型の圧力変
換器であるが、これを変形して、背圧口に適当な
圧力導入パイプを接続し、このパイプを介して第
２の被測定圧力流体を導入し、第１と第２の被測
定圧力の差を検出するいわゆる差圧型の圧力変換
器を構成することも可能であり、この場合には、
第１の被測定圧力流体に対してピエゾ抵抗素子、
電極とリード接続部は完全に保護されており、第
２の被測定圧力流体に対してはピエゾ抵抗素子、
電極等が露出することがないので、従来の圧力変
換器よりも幅広い種々の被測定圧力流体に対して
使用できる特徴を持つものである。またシリコン
ダイアフラムを中央が穴の無い基板に真空中でガ
ラス接合し、シリコンダイアフラムの起歪部の凹
部の真空の基準圧とし、この真空を基準に被測定
圧力を測定するいわゆる絶対圧型の圧力変換器に
することもできる。この場合には、本考案による
シリコンダイアフラムの表面、電極等を保護する
構成は極めて有効である。

以上説明したように、本考案は、シリコンダイ
アフラムの周辺にリング部材を設けてダイアフラ
ムの周囲を囲む凹部を形成し、この凹部にシリコ
ンゴムを充填し、このシリコンゴムとリング部材
の上面に、ゴム硬化と同時に耐蝕性の高分子を接
着し、この高分子の周辺で被測定流体をシールす
るように本体をアダプタ内に固定し、高分子膜と
シリコンゴムを介して被測定圧力がシリコンダイ
アフラムのピエゾ抵抗素子や電極等を形成した主
面側から作用するように構成したものであり、本
考案によれば、非常に簡単な構成でありながら、
腐蝕性の圧力流体に対してすぐれた耐蝕性と電気
絶縁性を持ち、広い温度範囲にわたつて動作し、
小型で安価な半導体圧力変換器を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は、従来の圧力変換器の断面図
であり、第３図、第４図は、本考案の実施例の断
面図である。 １……シリコンダイアフラム、２……起歪部、
７……基板、８……基台、１６……アダプタ、１
７……Ｏリング、２１……リング部材、２３……
シリコンゴム、２４……耐蝕性樹脂膜。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. シリコン単結晶からなる弾性体基板の裏面中央
   部に窪みを設けて起歪部とし、この起歪部の表面
   にピエゾ抵抗素子を形成してなるシリコンダイア
   フラムを用いた半導体圧力変換器において、シリ
   コンに近い線膨脹係数を有する基台の中央部に、
   前記シリコンダイアフラムまたはこのシリコンダ
   イアフラムを接合した基板を、前記シリコンダイ
   アフラムが外側になるように接着し、前記シリコ
   ンダイアフラムの周囲または前記シリコンダイア
   フラムの起歪部の周囲を囲むように凹部を形成す
   るリング部材を前記基台に接着し、前記凹部に室
   温硬化型で、硬化後の弾性定数が５〜50Kg／cm²の
   シリコンゴムを前記リング部材と同一平面になる
   まで充填し、前記リング部材及び前記シリコンゴ
   ムの表面上に耐蝕性を有する樹脂性の薄い膜を密
   着して、前記シリコンゴムの硬化と同時に接着
   し、圧力導入口を有するアダプタ内のＯリングに
   前記リング部材上の樹脂性膜を押圧するように前
   記基台を前記アダプタ内に挿入固持したことを特
   徴とする半導体圧力変換器。