JPS6343379A - 圧力測定器 - 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］ 本発明はバルク半導体等感圧半導体を使用し、１．０Ｏ
Ｏｋｑ／ｃｍ”級の圧力を測定できる圧力測定器に関す
る。本発明の圧力測定器は、例えばディーゼルエンジン
燃料噴射圧等の超高圧力の測定に使用することが出来る
。

Ｃ従来の技術） 現在、１．０００ｋｇ／ｃｍ２級の圧力を３１できる圧
力測定器としては、ブルドン管を用いたもの、水晶の圧
電効果を利用したもの、構造体に歪ゲージをはりつけた
もの等がある。

し発明が解決すべき問題点］ しかしながら、ブルドン管を用いた圧力測定器の場合に
は、高圧油圧回路の電子ｖＪｌｌｌ用として使用する際
、電気出力信号が得られず、また精度、信頼性において
、向上を図ることが困難であった。

水晶の圧電効果を利用した圧力測定器の場合には、蓄積
された電荷をチ１ｒ−ジセアンブを用いて積分操作して
出力電圧としており、ドリフトが大きく、絶対値として
の信頼性が低く、また水晶のコストが高いという問題点
があった。

上記従来測定器のうち、構造体に歪ゲージをはつつけた
タイプの場合には、超高圧において、ハウジングを含め
、いたる所で歪が発生しており、製造上のバラツキが大
きり、量産は期待できないため、コストの低減を実現す
ることが困難であるという問題点があった。

本発明の圧力測定器は、上記しｈ問題点のない高蹟度で
、信頼性が高く、かつ安価に量産することが可能な圧力
測定器を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明の圧力測定器は、壁体の少なくとも一部が変形し
て外部圧力を内部に伝達する密閉容器と、該密閉容器内
に封入された圧力伝達流体と、該圧力伝達流体中に設け
られた少なくとも１対の電極をもつバルク半導体と、各
該電極に結線され該密閉容器外に他端が取り出されたリ
ード線とからなることを特徴とするものである。

本発明の圧力測定器では、感圧半導体としてバルク半導
体を使用し、このバルク半導体に等方向な圧力が加わっ
たとき、抵抗が変化する性質を利用して圧力センサとす
ることにより、構造が簡単で、かつ信号処理の容易な圧
力測定器を実現するものである。バルク半導体は、既存
のＩＣプロセスを流用して製造することが出来る。また
バルク半導体の密閉容器へのマウントは水晶振動子を作
製する際に用いるワイヤー・マウント技術を利用１゛る
ことが出来る。

ここでバルク半導体とは、少なくとも１対の電極を有し
、一様な圧力が加わることにより抵抗が変化する半導体
を直方体状に切り出した半導体、或いは、その表面に不
純物を拡散して形成した半導体をいう。これらの他に、
蒸着法、ＣＶＤ法等により、金属、半導体、セラミック
基板上に膜形成したタイプであってもよい。バルク半導
体としてゲルマニウム、シリコンより選んで用いること
が出来る。

圧力伝達流体としては、例えばシリコン・オイル等を使
用することが出来、上記のバルク半導体を直接被測定媒
体に接触させないために使用する圧力伝達媒体をいう。

密閉容器とは、上記各構成要素を収納する硬質容器部と
この容器の壁体の一部を構成するシール・ダイアフラム
とからなる容器である。容器の壁体には、上記した圧力
伝達流体を注入し封止する液封口が設けられている。シ
ール・ダイアフラムは、封入したシリコン・オイルをシ
ールし、被測定媒体の圧力をシリコン・オイルに伝える
機能をもつもので、圧力印加に伴うシリコン・オイルの
体積変化に追従出来ることが条件である。

リード線は、上記したバルク半導体の各電極並びにバル
ク半導体の抵抗変化を電圧出力に変換するためのハイブ
リッド回路基板等を接続する信号ケーブルのことである
。これらの半導体や回路に対して給電、イコ号の授受を
行うため、上記密閉容器外に他端が取り出されている。

次に本発明の圧力測定器の構成及び作用原理を第１図に
基づいて説明する。

第１図に示すように比抵抗ρの単結晶半導体を長さ１、
幅ＷＳ厚さｔの直方体状に切り出し、長さ方向の端面に
、オーミック性の電極ｅ、、ｅ−を取りつけた抵抗体を
考える。この場合単結晶半導示す様に比抵抗の変化によ
るもの、形状の変化によるものからなる。ピエゾ抵抗効
果による抵抗変化率はｕ”　（πＩＩ＋２πＩり（−Ｐ
）となρ す、ピエゾ抵抗係数π１１、πＩ２を用いて表わされ、
結晶の方位による依存性はない。形状の変弾性係数（コ
ンプライアンス係数）・Ｓ＋＋、Ｓ＋２を用いて式ε１
−ε２−ε５＝−（Ｓ＋＋＋２８ａｔ）（−Ｐ）で表わ
される。これも結晶の方位による依存性はない。Ｓ＋＋
＋２８＋２は０゜３３ｘｌＯ−６ｃｍ’／ｋａ　（？／
ＩＪＤン）、０゜４４Ｘ１０−８ｃｍ”／ｋＱ　Ｃゲ）
Ｌｔマニウム＞等の様に通常圧である。そこでなるべく
高い圧力感度を得るにはπ＋＋＋２π＋１には負の数で
絶対値がなるべく大きい方が良い。そのような半導体と
しではｎ型ゲルマニウムがある。

π＋＋＋２π＋　ｚ−−６，９ｘ１０−６ｃｍ１／ｋｇ
　（ｎ　−Ｇ　ｅ：ρ−１、５Ω−ａｍ）。この時圧力
感度は−７，３ｘ１０−６ｃｍｚ／ｋｇとなる。

［発明の実施例］ 以下本発明の圧力測定器の実施例を図面に基づいて説明
する。

（第１実施例） 本発明の圧力測定器の断面図を第２図に示す。

第２図において、密閉容器１は硬質容器部２とシール・
ダイアフラム３とから構成されている。

硬質容器部２の壁部には、液封口４が貫通して設けられ
、この液封口４を通じて密口１容器１内の所定空間に圧
力伝達流体であるシリコン・オイル５が注入されシール
される。

凹閉容器１を構成するシール・ダイアフラム３は、上記
の如く封入されたシリコン・オイル５をシールし、被圧
力測定媒体の圧力をシリコン・オイル５へ伝達する。

密閉容器１内には、更に、シリコン・オイル５を介して
被圧力α１定媒体の圧力を感知する感圧半導体としてバ
ルク半導体６が配線ワイヤー７．７′によりシリコン・
オイル５中で支持されている。

半導体支持用配線ワイヤー７．７−の両端には導電性リ
ードビン８．８−が設けられ、リードビン８．８′、接
片９．９′を経てハイブリッド回路基板１０へ結線され
ている。なお半導体６の支持は必ずしも配線ワイヤーに
限らず、これ以外のワイヤーでもよい。このハイブリッ
ド回路基板１０は、バルク半導体６の抵抗変化を電圧出
力に変換するための回路で、ホイートストンブリッジ用
基準抵抗、増幅回路用オペアンプ等からなり一端がハイ
ブリッド回路基板１０に取付けられ、他端が密閉容器１
外へ取り出された束状のリード！！／Ａ１１が接続され
ている。このリード線１１により外部の信号処理手段と
バルク半導体およびハイブリッド回路基板等が動作的に
接続され、給電、信号の授受が行われる。

本実施例においては、バルク半導体６の構成方法として
第３図に示すようなホイートストンブリッジ法を適用し
た。この場合、上記した抵抗変化を温度変化から分離す
るため各構成抵抗の温度係数を等しくしなければならな
い。しかしバルク半導体６として同じｎ型ゲルマニウム
４本を使用しだのではブリッジ出力が得られない。そこ
で２本Σ は圧力感度が正でなるべく大きいものも用いる必要があ
る。例えばｎ型とドーパント濃度がほぼ等しいｎ型ゲル
マニウム、Ｐ−Ｇｅ　（ρ−１，１Ω・ａｍ）を用いる
とπ＋＋＋２π１２＝５．１ＸＩＯ−６ｃｍＺ　／ｋｇ
となり圧力感度は４．７Ｘ１０−６０ｍ２／ｋＱとなる
。このｎ型ゲルマニウム（ｎ−Ｇｅ）とＰ型ゲルＶニウ
ム（Ｐ−Ｇｅ）各２個を相対する辺とするブリッジにお
いては、ブリッジ出力感度は６．ＯＸｌｏ−３ｍＶ／Ｖ
・（ｋＱ／Ｃｍ２　）となり、ブリッジ電圧５、印加圧
カー、０ＯＯｋｃｈ／ａｍ’時、出力電圧（Ｖｏｕｔ）
は３０ｍＶとなり、十分実用的な出力電圧がｊｑられる
。なおＶｌ　　はＮ源である。

第４図は上記したバルク半導体６の構成を示す平面図で
ある。すなわち、夫々電極ｅ、ｅ′を側平面図である。

すなわち、夫々電極ｅ、ｅ”を側面に有するｎ−Ｇｅ２
個とＰ−Ｇｅ２個でホイートスｊ・ンブリッジを構成し
、リードビン８．８′と各半導体の電極ｅ、ｅ−とを配
線ワイヤ７．７′で接合した。

なお本実施例の場合、」−記バルク半導体の製造方法ど
しては、ゲルマニウム表面に、ＣＶ　ｌ）、スパッタ法
により５ｉＯｚｌｌｆｉを形成しフォトリソグラフィー
によりコンタクトホールをあけ、オーミック性電極金属
を蒸着し、フォトリソグラフィーにより電極部を形成す
る。これを抵抗体の大きさに切断して作る方法によるの
が適当と考えられる。

更にバルク半導体として、ｎ型ゲルマニウムの代わりに
Ｐ型シリコン、ｎ型シリコンを用いてもよい。

（第２実施例） 本実施例においてはバルク半導体１２は第５図及び第５
図のＡ−△断面図である第６図に示すように、同一チッ
プ上に２重拡散法によって構成される。

即ち、ｎ型ゲルマニウムウェハのＰウェル領域Ｐ△に、
レジスト等をマスクとしてボロン等のｎ型ドーパントを
イオン注入する。続いてＰ型ゲルマニウム抵抗領域１”
−Ｇｅ−△に同じくｎ型ドーパントをイオン注入しＰウ
ェルＰＡ内のｎ型ゲルマニウム低抗ｇ１域ｎ−Ｇｅ−△
にｎ型ドーパントをイオン注入し、熱処理により活性化
する。その後は上記した１本づつ抵抗を作る方法と同様
にしてＳｉＯ２膜、コンタクトホール、電極部を形成し
、チップサイズに切断する方法によってもよい。

（第３実施例） 業 ヰ≠を被せた５ｉＯｚ絶縁性基板上にｎ型、Ｐ型子結晶
半導体として形成した１９合を示す。

（第４実施例） バルク半導体をジッ７］２溝成とし第８図に示すように
支持体の縁部に固定する例である。この場合チップを直
接、硬質容器部２の内壁に固定してもよい。−なおチッ
プ１２は配線ワイヤー７．７′により基板、リードビン
８と結線されている。

［発明の効果］ 本発明の圧力測定器によれば、バルク状半導体を圧力セ
ンサとして用いているため、従来の圧電型と異なり圧力
に応じたアナログ出力が容易に１！７られ、本発明の圧
力測定器の製造に従来の半導体プロセス技術、ワイＶ−
マウント技術を利用することが出来る。従って、安価に
ｊ産も可能となり、超高圧用圧力測定器の製造における
生産性特性向上に大きく寄与することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の圧力測定器の構成及び作用原理説明図
であり、第２図は本発明の圧力測定器の第１実施例を示
す断面図である。第３図は本発明におけるバルク半導体
の回路構成の一例を示す回路図であり、第４図は第３図
に示された回路構成を模式的に示ず模式図である。 第５図は本発明の圧力測定器の第２実施例を示す断面図
であり、第６図は第５図のＡ−Ａ　′断面図である。第
７図は本発明の圧力測定器の第３実施例を示す要部断面
図であり、第８図は本発明の圧力測定器の第４実施例を
示す要部断面図である。 １・・・密閉容器 ２・・・＠！質容器部 ３・・・シール・ダイアフラム ５・・・シリコン・オイル（圧力伝達流体）６．１２．
１３・・・バルク半導体 ７．７′・・・配線ワイヤ ８．８′・・・導電性リードビン １０・・・ハイブリッド回路基板 １１・・・信号ケーブル（リード線） Ｐ−Ｇｅ・・・Ｐ型ゲルマニウム ｎ−Ｇｅ・・・ｎ型ゲルマニウム 特許出願人　　　　日本電装株式会社 代理人　　　　　弁ｙ！！士　大川　宏同　　　　　　
弁理士　丸山明夫 第１図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）壁体の少なくとも一部が変形して外部圧力を内部
   に伝達する密閉容器と、該密閉容器内に封入された圧力
   伝達流体と、該圧力伝達流体中に設けられた少なくとも
   １対の電極をもつバルク半導体と、各該電極に結線され
   該密閉容器外に他端が取り出されたリード線とからなる
   ことを特徴とする圧力測定器。
2. （２）密閉容器は硬質容器部とシール・ダイアフラムで
   構成されている特許請求の範囲第１項記載の圧力測定器
   。
3. （３）バルク半導体はゲルマニウム、シリコンのいずれ
   か１つである特許請求の範囲第１項記載の圧力測定器。