JPS6328260B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、高圧流体と低圧流体の差の圧力を歪
量に変換し、これを電気抵抗の変化として検出す
る半導体測定ダイアフラムに関する。

差圧検出に用いられているSi等の半導体の測定
ダイアフラムとして、特開昭51−69678号公報に
示すような、外周および中央が肉厚、その間が薄
肉に形成され、この薄肉の起歪部に拡散法あるい
はイオンプランテーシヨン法によつてゲージ抵抗
が設けられたダイアフラムが知られている。この
測定ダイアフラムは、圧力印加方向（ゲージ面側
であるかその反対側であるか）が異なつてもほぼ
同じ特性が得られる利点がある。

しかしながら、かかる構成の測定ダイヤフラム
にあつては、高圧側流体と低圧側流体の圧力差が
極めて低い領域の測定を行うと、圧力と出力との
直線性が悪くなるという欠点を有している。この
原因は、低差圧領域の測定のためには、測定ダイ
ヤフラムの起歪部の肉厚をより薄くする必要があ
るが、薄肉化すればするほど起歪部のたわみが大
きくなり、測定ダイアフラムの中央部が伸びてし
まう。いわゆるバルーン効果が生じるためであ
る。

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をな
くし、低差圧領域の測定を行つても圧力と出力と
の直線性の優れた半導体測定ダイアフラムを提供
するにある。

上記目的を達成するため、本発明においては、
薄肉の起歪部の一部に、中央と外周の厚肉部にま
たがる起歪はりを形成し、この起歪はりにゲージ
抵抗を形成するようにしたものである。起歪はり
の肉厚は、起歪部の肉厚よりも厚く中央および外
周の厚肉部の肉厚より薄く形成される。

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明
する。

第１図は差圧検出器を示す断面図で、単結晶Si
からなる測定ダイアフラム１０は中空の第１の支
持部材１２、中空の第２の支持部材１４を介して
ハウジング１６に取付けられている。第１の支持
部材１２は、測定ダイアフラム１０のハウジング
１６からの電気的絶縁およびハウジング１６から
の熱膨張係数の違いによる熱歪を考慮し、Siと熱
膨張係数の近似した硼珪酸塩ガラスが好ましい。
また、第２の支持部材１４は、熱膨張係数および
ハウジング１６への溶接による取付けを考慮し、
Siと熱膨張係数の近似したFe−Ni合金あるいは
Fe−Ni−Co合金が好ましい。第１支持部材１２
を硼珪酸塩ガラス、第２支持部材１４をFe−Ni
（−Co）合金とすると、測定ダイアフラム１０と
第１支持部材１２、および第１支持部材１２と第
２支持部材１４は陽極接合法によつて接合でき
る。

測定ダイアフラム１０からの電気的出力は、リ
ード線１８およびハウジング１６にハーメチツク
シールされた端子２０を介して外部に取出され
る。また、測定ダイアフラム１０に測定流体が直
接作用しないよう、シールダイアフラム２２によ
つて封入された封入液２４が設けられている。ハ
ウジング１６には一方の測定流体を導く導圧口２
６を有するフランジ２８が取付けられている。第
１図に示す例では測定ダイアフラム１０の裏面は
中空の支持部材を介して大気に連通している。

第２図は測定ダイアフラム１０を裏面から見た
図、第３図は第２図の−断面図、第４図はゲ
ージ抵抗を示す一部拡大図である。

測定ダイアフラム１０は、（110）面のｎ形単結
晶Siで、中央に厚肉の剛体部３０、外周に厚肉の
固定部３２を有し、その間に環状の薄肉の起歪部
３４が形成されている。この環状の起歪部３４
に、剛体部３０と固定部３２にまたがる起歪はり
３６が設けられている。この起歪はり３６は、
（110）面における最大感度を示す＜111＞軸に平
行に設けられている。そしてこの起歪はり３６
に、Ｐ形ゲージ抵抗３８が＜111＞軸に平行に複
数個拡散法、あるいはイオンプランテーシヨン法
により形成されている。ゲージ抵抗３８の位置
は、外周の固定部近傍に２個、中心の剛体部３０
近傍に２個形成されており、これらの抵抗はホイ
ートストンブリツジに組まれ差動的に出力を得る
ようになつている。測定ダイアフラム１０の表面
にはゲージ抵抗３８を保護する酸化膜４０および
ゲージ抵抗３８の出力を取出すアルミ配線４２が
設けられている。

測定ダイアフラム１０に圧力Ｐを印加すると、
起歪はり３６がたわむ。この時、薄肉の起歪部３
４は単なる気密膜として働き、受圧面積Ｓ（ほぼ
中央の剛体部３０の面積）×圧力Ｐの力が起歪は
り３６に作用する。したがつて、起歪はり３６に
は非常に効率よく歪を発生することができる。

圧力Ｐと受圧面積Ｓの積で与えられる力と釣り
合う反力は、起歪はり３６の反力が支配している
ので、薄肉の起歪部３４の肉厚が変化しても、起
歪部３４の肉厚が起歪はり３６の肉厚より薄けれ
ばほとんど発生歪は変化しない。

起歪部３４の厚さが従来と同じであると仮定す
れば、同一面積の測定ダイアフラムを使用して、
起歪部３４の周長）÷（起歪はり３６の周長ω）倍
の感度向上をはかることができる。たとえば、全
周４×６mm＝24mm、2ω＝２mmとすると12倍の感
度向上となる。

本発明においては、起歪はり３６が連結された
片持はりとして働くので、残留する膜応力の発生
は無視できる。従つて、膜応力の発生に伴う非直
線誤差を増加させることなく、起歪はり３６の幅
をより広くすることができる。換言すれば、両持
はり長さの拡大によつても数倍の感度向上を行え
る。

以上の効果により、同一加工技術を使用しても
数十倍の感度向上、数十分の１の低圧力検出が可
能となる。また、同一の感度を得るためには受圧
面積の小さい測定ダイアフラムで十分である。

第５図は、第２図に示した測定ダイアフラムを
エツチングによつて形成する場合のマスクパター
ンを示すものである。測定ダイアフラムをアルカ
リエツチング液を用いて加工する場合、測定ダイ
アフラムは（100）面のSi単結晶が好ましい。

まず、マスクＡにより斜線部を、起歪部３４と
起歪はり３６の肉厚の差だけエツチングする。

エツチングのマスクはフオトレジスト又はフオ
トレジストを利用して得た酸化膜であつても良
い。

次にマスクＢを使用し、起歪部３４および起歪
はり３６をエツチングする。マスクＣは、中央の
剛体部３０を、固定部３２の厚さより薄くする場
合に使用する。このようなマスクを使用すると、
非エツチング部は、常に最初の基板厚さの部分で
あるから、段差によるパターンのぼけを生じる恐
れがない。

第６図は測定ダイアフラムの他の例を示すもの
で、Ａは底面図、Ｂは正面図である。

第６図から明らかなように、測定ダイアフラム
１０の表裏両側からエツチング加工を行つて薄肉
の起歪部３４が形成されている。上述のようにゲ
ージ抵抗３８は測定ダイアフラムの表側に形成さ
れるものであり、第６図のように表側から起歪部
３４をエツチングで形成することにより、表側か
ら起歪はり３６の位置が正確に把握でき、ゲージ
抵抗３８の形成が容易になる。

以上本発明は、中央の剛体部と外周の固定部と
の間に薄肉の起歪部よりも肉厚の起歪はりを形成
し、この起歪はりにゲージ抵抗を形成したことに
より、ゲージ抵抗に作用させる力を増大でき、し
たがつてより低い圧力範囲の測定も正確に行うこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明が適用される差圧検出器を示す
断面図、第２図は本発明の一実施例になる測定ダ
イアフラムの底面図、第３図は第２図の−断
面図、第４図はゲージ抵抗の詳細を示す一部拡大
図、第５図は測定ダイアフラムのエツチングのた
めのマスクパターンを示す図、第６図Ａは他の実
施例になる測定ダイアフラムの底面図、第６図Ｂ
はその正面図である。 １０……測定ダイアフラム、１２……第１の支
持部材、１４……第２の支持部材、１６……ハウ
ジング、３０……剛体部、３２……固定部、３４
……起歪部、３６……起歪はり、３８……ゲージ
抵抗。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 中央に形成された厚肉の剛体部、この剛体部
   の外周に形成された薄肉の起歪部、この起歪部の
   外周に形成された厚肉の固定部、前記剛体部と固
   定部との間に形成され前記剛体部の肉厚より薄く
   前記起歪部の肉厚より厚い肉厚の起歪はり、この
   起歪はりに形成されたゲージ抵抗とより構成した
   ことを特徴とする半導体測定ダイアフラム。