JPS6312178A - 圧力検出器 - 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］ 本発明は圧力検出器に関し、特に内燃機関の燃焼室の如
き高温雰囲気の高圧を精度良く測定するに適した圧力検
出器に関する。

［従来の技術］ 圧力検出器の一般的構造としてはハウジングに受圧用ダ
イヤフラムを保持せしめてこれに歪ゲージを付設したも
のが多用されている。歪ゲージとしては従来は金属歪ゲ
ージが使用されてきたが、近年では直線性に優れ、かつ
高感度な出力が得られ、また小型化が可能な半導体歪ゲ
ージが注目されている。

かかる半導体歪ゲージとしては、シリコン（Ｓｉ）単結
晶基板の表面にポロン（Ｂ）等の不純物をドープして半
導体歪ゲージ素子としたものが良く知られている。

［発明が解決しようとする問題点］ ところで、上記半導体歪ゲージ素子は従来の金属歪ゲー
ジに比して上）ホの如き長所を有するもので必るが、Ｐ
Ｎ接合構造を有するため高温雰囲気においてはリーク電
流の発生により、その使用が比較的低温（約１５０’Ｃ
）に限られていた。

これに対して、米国特許第３，８５８，１５０号には単
結晶シリコン基板上に絶縁膜を介して多結晶シリコン層
を形成し、該シリコン層に不純物をドープして半導体歪
ゲージ素子を形成した圧力検出器が開示されており、こ
れによれば、ＰＮ接合構造を有ざないため、より高温域
での圧力測定が可能である。

しかしながら、ここに開示された圧力検出器は単結晶シ
リコン基板の中心部をエツチングにより薄肉として受圧
用ダイヤフラムとする構造であり、比較的低圧（約３０
に３／ｃｔｉ）を測定する用途にしか使用できないとい
う問題点があった。

内燃渫関の燃焼圧を測定するには高温雰囲気（約５００
　’Ｃ以上）で高圧（ディーゼルエンジン等の場合は最
高圧的１００Ｋｇ／ｃｆｆｌ）を測定する必要があり、
本発明はかかる高温下での高圧測定を精度良く行なうこ
とが可能な圧力検出器を提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 本発明の構成を第１図ないし第３図で説明すると、筒状
センシングボデー２の先端開口２１には耐熱性かつ強度
の大きい材料よりなる受圧ダイヤフラム１が保持せしめ
てあり、受圧ダイヤフラム１の受圧面の反対面には多結
晶シリコン層１２を形成しこれに不純物をドープして歪
ゲージ素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄとしである
。

［作用、効果］ 燃焼圧が受圧ダイヤフラムに作用すると圧力に応じて変
形し、変形歪に応じた出力信号が歪ゲージ素子より得ら
れる。

この場合、上記受圧ダイヤフラムは耐熱性かつ強度の大
きい材料により構成されているから、高温高圧の燃焼圧
が作用しても劣下ないし破損することなく圧力に応じて
変形する。

受圧ダイヤフラムに付設する歪ゲージ素子は、多結晶シ
リコン層に不純物をドープして形成されるから、ＰＮ接
合部を有さず、したがって高温でも高精度かつ高感度の
出力信号を得ることができる。

［実施例］ 第４図には圧力検出器の全体構造を示す。圧力検出器は
筒状ハウジング３を有し、該ハウジング３の小径の下半
部外周には取付用ネジ部３ａが形成され、大径の上半部
外周は六角面としである。

上記ハウジング３の先端開口には先端閉鎖の筒状センシ
ングボデー２が溶接接続しである。センシングボデー２
の閉鎖端面には中心に圧力導入孔２１が設けてあり、セ
ンシングボデー２内には上記導入孔２１を閉鎖するよう
に受圧ダイヤフラム１が設けである。その詳細を第１図
に示す。

図において、センシングボデー２は熱膨張率の小さい例
えばＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金ないしＮｉ−ｃｒ−ｗ系合
金よりなる。受圧ダイヤフラム１は２００〜５００／、
（ｍ厚のセラミック基板よりなり、これはＳｉ３Ｎ４お
よびＡ、ｌ）２０３を同一モル比で混合してシート状に
した後、ホットプレスで焼成したものである。上記ダイ
ヤフラム１は圧力導入孔２１に対応する部分以外をセン
シングボデー２の内周底面に接合してあり、接合層はダ
イヤフラム１側より２０〜４０μｍ厚のＭＯメタライズ
層４１．１〜３μｍ厚のＮｉメッキ層４２、およびＡｃ
ｔろう付層４３よりなる。

上記受圧ダイヤフラム１の基板上面には、第２図、第３
図に示す如く、全面にＡｇ２Ｏ３あるいはＳｉＯ２から
なる中間層１１が０．３〜１．０μｍ厚で蒸着必るいは
スパッタ等により形成してあり、この上に減圧ＣＶＤ等
により約１μｍ厚で多結晶シリコン層１２が形成しであ
る。該多結晶シリコン＠１２にはボロン（Ｂ）を熱拡散
によりドープし、これをドライエッチによってパターン
ニングして歪ゲージ素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２
ｄを形成する。

上記多結晶シリコン層１２上にはＰｔよりなる電（※パ
ターン１３を形成し、各電極パターン１３のパッド部１
３１を除いて全体を５１３Ｎ４等のパッシベーションｔ
ＩＡ１４で覆っである。上記歪ゲージ素子１２８〜１２
ｄはフルブリッジ回路を構成してあり、歪ゲージ素子１
２ａ、１２ｃは上記圧力導入孔２１の直上に位置してい
る。

上記各パッド部１３１にはリードピン５１（第１図）の
下端がろう付は接続され、各リードピン５１はハウジン
グ３（第４図）内を通ってその上端部内に配設したター
ミナル板５２に半田付は固定しである。ターミナル板５
２の上方には増幅および温度補償用の信号処理回路を形
成したセラミック基板５４が配設され、該基板５４はリ
ードピン５３により上記ターミナル板５２上に支持され
るとともにこれに導通している。ハウジング３の上端開
口にはカバ一体３１が覆着してあり、その中心を貫通せ
しめたリード線５５の先端は上記基板５４上の信号処理
回路に接続されている。

上記構造の圧力検出器はネジ部３ａにより燃焼室壁に固
定され、この状態で燃焼圧が圧力導入孔２１を経て受圧
ダイヤフラム１に印加されるとこれが変形する。この時
の変形歪に応じて歪ゲージ索子１２ａ、１２Ｇの抵抗値
が変化し、出力信号は信号処理回路を経てリード線５５
により取り出される。

この際、上記受圧ダイヤフラム１には高圧の燃焼圧が印
加されるが、ダイヤフラム１は充分な強度と耐熱性を有
するセラミックで構成されていることにより、高温によ
る劣化や高圧による破壊を生じることなく圧力に応じて
変形する。この変形歪は、上記ダイヤフラム１上に形成
した歪ゲージ索子１２ａ〜１２ｄで検出される。が、こ
れら歪ゲージ素子１２ａ〜１２ｄは多結晶シリコン層１
２に不純物をドープして形成されているから高温雰囲気
でも素子１２ａ〜１２ｄが破壊することなく高精度に測
定が可能である。

他の実施例として、センシングボデー２を先端開放とな
して、第５図、第６図に示す如く、開口内に受圧ダイヤ
フラム１を嵌着固定する構造としても良い。すなわち、
第５図において、センシングボデー２の先端部は段付き
に側壁を薄肉となして拡開した開口を形成し、該開口内
にダイヤフラム１のセラミック基板を嵌着して基板上面
周縁をセンシングボデー２の段付面に接合しである。接
合層は上記実施例と同一で、ダイヤフラム１側よりＭＯ
メタライズ層４Ｌ　Ｎ　ｒメッキ層４２、Ａｑろう付は
層４３としておる。

第６図では、センシングボデー２の先端部を二段の段付
きとなし、内方段付部に受圧ダイヤフラム１を嵌装する
とともに外方段付部にはＭＣｌ０等の充填材を充填して
上記ダイヤフラム１を固定している。

なお、受圧ダイヤフラムを構成するセラミックを上記各
実施例の如＜３！３Ｎ４とＡｇ２Ｏ３の複合セラミック
とする場合には、ＡｆＪ２０３の混入モル比は２０〜６
０％とするのが良い。セラミックとしてはかかる複合セ
ラミック以外に、Ｓｉ３　Ｎ４　、Ｓ　！　Ｃ，ＡＮ　
２０３等の単体セラミック、あるいは石英ガラスが使用
できる。さらに、上記受圧ダイヤフラムをＦｅ−Ｎｉ−
Ｃｏ系合金で構成しても良い。

ダイヤフラム１と多結晶シリコン層１２との間に介在せ
しめた中間層１１はＡ、ｌｌ　２０３　、Ｓ　ｉ　０２
．３ｉ３ｉＱ４等の薄膜からなり、ダイヤフラム１と多
結晶シリコン層１２の密着性、およびなじみ性の向上を
図ることができる。ざらに、ダイヤフラム１を５ｉＣ１
あるいはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金等の導電性材料を用い
た場合は、前記中間層が電気絶縁層として作用する。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図は本発明の第１の実施例を示し、第
１図は圧力検出器先端部の拡大断面図、第２図は受圧ダ
イヤフラムの拡大横断面図で、第３図の■−■線断面図
、第３図は受圧ダイヤフラムの平面図、第４図は圧力検
出器の全体断面図、第５図、第６図はそれぞれ本発明の
第２および第３の実施例を示す圧力検出器先端部の拡大
断面図である。 １・・・・・・受圧ダイヤフラム １２・・・・・・多結晶シリコン層 １２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２　ｄ　・−・・−歪ゲー
ジ素子 ２・・・・・・センシングボデー ２１・・・・・・圧力導入孔（開口） ３・・・・・・ハウジング 第１図 第３図 第４図

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）　圧力室壁に固定されて先端を圧力室内に臨まし
   めた筒状ハウジングには先端開口に耐熱性かつ強度の大
   きい材料よりなる受圧ダイヤフラムを保持せしめ、受圧
   ダイヤフラムの受圧面の反対面には多結晶シリコン層を
   形成しこれに不純物をドープして半導体歪ゲージ素子と
   なしたことを特徴とする圧力検出器。
2. （２）　上記受圧ダイヤフラムを、Ｓｉ＿３Ｎ＿４に対
   してＡｌ＿２Ｏ＿３をモル比で２０〜６０％混入した複
   合セラミックで構成した特許請求の範囲第１項記載の圧
   力検出器。
3. （３）　上記受圧ダイヤフラムを、Ｓｉ＿３Ｎ＿４、Ｓ
   ｉＣ、Ａｌ＿２Ｏ＿３の単体セラミック、ないし石英ガ
   ラスで構成した特許請求の範囲第１項記載の圧力検出器
   。
4. （４）　上記受圧ダイヤフラムをＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合
   金で構成した特許請求の範囲第１項記載の圧力検出器。
5. （５）　上記ハウジングの先端開口に先端閉鎖で閉鎖端
   面に圧力導入孔を形成した筒状センシングボデーを接続
   し、該センシングボデー内に上記圧力導入孔を閉鎖する
   ように上記受圧ダイヤフラムを接合してなる特許請求の
   範囲第１項記載の圧力検出器。
6. （６）　上記ハウジングの先端開口に両端開放の筒状セ
   ンシングボデーを接続し、該センシングボデーの先端開
   口に上記受圧ダイヤフラムを覆着してなる特許請求の範
   囲第１項記載の圧力検出器。
7. （７）　上記センシングボデーをＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合
   金ないしＮｉ−Ｃｒ−Ｗ系合金で構成した特許請求の範
   囲第５項ないし第６項記載の圧力検出器。
8. （８）　上記受圧ダイヤフラムと多結晶シリコン層の間
   にＡｌ＿２Ｏ＿３、ＳｉＯ＿２、Ｓｉ＿３Ｎ＿４等から
   なる中間層を介在せしめた特許請求の範囲第１項記載の
   圧力検出器。