JPS6336155B2 - - Google Patents
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- JPS6336155B2 JPS6336155B2 JP3936981A JP3936981A JPS6336155B2 JP S6336155 B2 JPS6336155 B2 JP S6336155B2 JP 3936981 A JP3936981 A JP 3936981A JP 3936981 A JP3936981 A JP 3936981A JP S6336155 B2 JPS6336155 B2 JP S6336155B2
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- Japan
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- pressure
- diaphragm
- circular groove
- semiconductor
- diameter
- Prior art date
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring 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
- G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
- G01L9/0051—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
- G01L9/0052—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements
- G01L9/0054—Transmitting 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)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Pressure Sensors (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は半導体センサに係り、特に圧力、差圧
又は力などを歪量に変換し、これを電気抵抗の変
化として検出する半導体センサに関する。
又は力などを歪量に変換し、これを電気抵抗の変
化として検出する半導体センサに関する。
半導体基板自体をダイアフラムとして圧力、差
圧に応動させ、該基板の一方の主面に不純物を拡
散してピエゾ抵抗素子を形成した半導体ダイアフ
ラム形感圧素子はこれまで種々の提案がある。そ
のような提案の１つとして第１図に示すような外
周肉厚部１１と中央肉厚部１２と円形溝部１３と
を備えた半導体ダイアフラムがある。円形溝部１
３の厚さｈは肉薄であり、この肉薄部に対応する
平滑面側にピエゾ抵抗素子が拡散形成されてい
る。このような形状のダイアフラム形感圧素子
は、中央肉厚部が剛体の作用をなし、中心剛体付
き円板として印加圧力に応動する。
圧に応動させ、該基板の一方の主面に不純物を拡
散してピエゾ抵抗素子を形成した半導体ダイアフ
ラム形感圧素子はこれまで種々の提案がある。そ
のような提案の１つとして第１図に示すような外
周肉厚部１１と中央肉厚部１２と円形溝部１３と
を備えた半導体ダイアフラムがある。円形溝部１
３の厚さｈは肉薄であり、この肉薄部に対応する
平滑面側にピエゾ抵抗素子が拡散形成されてい
る。このような形状のダイアフラム形感圧素子
は、中央肉厚部が剛体の作用をなし、中心剛体付
き円板として印加圧力に応動する。
このような形状の感圧素子を圧力なばのセンサ
として組み込むためには、種々の技術的課題を解
決して実用化しなければならない。その課題の１
つは、過負荷印加時の信頼性を向上することであ
る。このような課題はダイアフラム形感圧素子の
みの問題でなく、センサ構成さらには伝送器全体
を考慮して検討すべき問題である。しかるに、セ
ンサ構成の段階でこの課題が解決されなければ、
安定な性能を有する差圧伝送器の具現化は困難で
ある。すなわち、前述したダイアフラム形感圧素
子を用いたセンサを差圧伝送器に応用する場合に
は感圧素子自体はもとより該素子の支持部材も含
めたセンサ構成全体の検討が重要なポイントとな
る。
として組み込むためには、種々の技術的課題を解
決して実用化しなければならない。その課題の１
つは、過負荷印加時の信頼性を向上することであ
る。このような課題はダイアフラム形感圧素子の
みの問題でなく、センサ構成さらには伝送器全体
を考慮して検討すべき問題である。しかるに、セ
ンサ構成の段階でこの課題が解決されなければ、
安定な性能を有する差圧伝送器の具現化は困難で
ある。すなわち、前述したダイアフラム形感圧素
子を用いたセンサを差圧伝送器に応用する場合に
は感圧素子自体はもとより該素子の支持部材も含
めたセンサ構成全体の検討が重要なポイントとな
る。
本発明の目的は、過負荷印加時の信頼性を向上
し得る新規な構成の半導体センサを提供すること
にある。
し得る新規な構成の半導体センサを提供すること
にある。
本発明は、円板の一方の面はその表面が平滑に
形成され、他方の面には外周肉厚部と中央肉厚部
の間に円形溝部が形成され、かつその円形溝部と
平滑面との間の厚さが肉薄である円板状半導体ダ
イアフラムを有するセンサにおいて、中央に貫通
孔を有する高絶縁性部材を半導体ダイアフラムと
金属支持部材の間に接合し、中央肉厚部の直径Ｂ
と円形溝部の外径Ａとの比Ｂ／Ａを0.5以上とし、
高絶縁性部材の貫通孔の直径ＣをＢ＜Ｃ＜Ａとな
るように形成したことを特徴とする。
形成され、他方の面には外周肉厚部と中央肉厚部
の間に円形溝部が形成され、かつその円形溝部と
平滑面との間の厚さが肉薄である円板状半導体ダ
イアフラムを有するセンサにおいて、中央に貫通
孔を有する高絶縁性部材を半導体ダイアフラムと
金属支持部材の間に接合し、中央肉厚部の直径Ｂ
と円形溝部の外径Ａとの比Ｂ／Ａを0.5以上とし、
高絶縁性部材の貫通孔の直径ＣをＢ＜Ｃ＜Ａとな
るように形成したことを特徴とする。
第２図は本発明の一実施例の概略構成図であ
る。第２図においてセンサはダイアフラム形感圧
素子１、この素子１と熱膨張係数が近似している
高絶縁性部材２および金属支持部材３を備えてい
る。ダイアフラム形感圧素子１の平滑面上には、
第３図に示すように、ボロン等のＰ形不純物で形
成するピエゾ抵抗素子５を＜111＞軸に沿つて配
置する。ｎ形のシリコン単結晶基板からなる感圧
素子１の＜111＞軸に沿つてピエゾ抵抗を設けれ
ば最大ピエゾ抵抗感度が得られる。ピエゾ抵抗素
子５は円形溝に対応した薄肉層の内周側と外周側
に各々２個ずつ配置され、合計４個の素子５によ
つてフルブリツジを構成する。図では４つのフル
ブリツジが形成されている。
る。第２図においてセンサはダイアフラム形感圧
素子１、この素子１と熱膨張係数が近似している
高絶縁性部材２および金属支持部材３を備えてい
る。ダイアフラム形感圧素子１の平滑面上には、
第３図に示すように、ボロン等のＰ形不純物で形
成するピエゾ抵抗素子５を＜111＞軸に沿つて配
置する。ｎ形のシリコン単結晶基板からなる感圧
素子１の＜111＞軸に沿つてピエゾ抵抗を設けれ
ば最大ピエゾ抵抗感度が得られる。ピエゾ抵抗素
子５は円形溝に対応した薄肉層の内周側と外周側
に各々２個ずつ配置され、合計４個の素子５によ
つてフルブリツジを構成する。図では４つのフル
ブリツジが形成されている。
中央肉厚部の直径Ｂと円形溝部の外径Ａとの比
Ｂ／Ａを0.5以上とし、ピエゾ抵抗素子をフルブ
リツジに配置することにより、１Kgｆ／cm2以上の
低圧に対しても良好な変換感度を得ることができ
る。
Ｂ／Ａを0.5以上とし、ピエゾ抵抗素子をフルブ
リツジに配置することにより、１Kgｆ／cm2以上の
低圧に対しても良好な変換感度を得ることができ
る。
高絶縁性部材２としてはホウケイ酸ガラスを用
いており、金属支持部材３としてはFe−Ni系合
金を用いている。三者は低ひずみ接合法によつて
堅固に接合されている。差圧−電気信号の変換感
度及び精度についてはダイアフラム薄肉部の厚さ
ｈ、外径Ａ及び内径Ｂが重要なパラメータとな
り、Ｂ／Ａを0.5以上とし印加差圧の基準レンジ
に応じてｈを変えることにより、高感度で、か
つ、0.2％以下の高精度化が実現する。ｈとして
は具体的には数10〜数100μｍのオーダーである。
かかる寸法検討により同図に示す実施例において
は、差圧伝送器としての変換静特性を十分満足す
るものが得られる。
いており、金属支持部材３としてはFe−Ni系合
金を用いている。三者は低ひずみ接合法によつて
堅固に接合されている。差圧−電気信号の変換感
度及び精度についてはダイアフラム薄肉部の厚さ
ｈ、外径Ａ及び内径Ｂが重要なパラメータとな
り、Ｂ／Ａを0.5以上とし印加差圧の基準レンジ
に応じてｈを変えることにより、高感度で、か
つ、0.2％以下の高精度化が実現する。ｈとして
は具体的には数10〜数100μｍのオーダーである。
かかる寸法検討により同図に示す実施例において
は、差圧伝送器としての変換静特性を十分満足す
るものが得られる。
次に、温度影響について説明する。半導体は本
来温度に敏感な性質があり、かかる拡散形半導体
ひずみゲージ方式のセンサはゲージの抵抗値及び
感度の目安となるゲージフアクタ等が所定の温度
係数を有する。本実施例では、常温〜300℃の平
均熱膨張係数が約3.1×10-6℃-1であるSi単結晶に
対し、約3.2×10-6℃-1のホウケイ酸ガラス及び
3.6×10-6℃-1のFe−Ni系合金によつてセンサを
構成しており、さらにこれらの部材を陽極接合法
という低ひずみの接合方法を用いることにより温
度特性の変調を低減する。
来温度に敏感な性質があり、かかる拡散形半導体
ひずみゲージ方式のセンサはゲージの抵抗値及び
感度の目安となるゲージフアクタ等が所定の温度
係数を有する。本実施例では、常温〜300℃の平
均熱膨張係数が約3.1×10-6℃-1であるSi単結晶に
対し、約3.2×10-6℃-1のホウケイ酸ガラス及び
3.6×10-6℃-1のFe−Ni系合金によつてセンサを
構成しており、さらにこれらの部材を陽極接合法
という低ひずみの接合方法を用いることにより温
度特性の変調を低減する。
次に、雑音影響の防止について説明する。差圧
伝送器においては、センサを設置する受圧部は普
通ステンレス鋼等の耐腐食性の金属材料によつて
製作される。かかる受圧部にセンサは堅固に設置
固定される必要があり、第２図の実施例に示す
Fe−Ni系合金からなる支持部材３の下部を受圧
部本体に溶接固定する事が望ましい。かかる状況
においてセンサを誘導雑音から保護するためには
差圧−電気信号変換部すなわちSiダイアフラム形
感圧素子１を受圧部本体と電気的に絶縁する必要
がある。本実施例においてはかかる要求を絶縁性
の高いホウケイ酸ガラスからなる部材２を前記感
圧素子１及びFe−Ni系合金３の間に設置するこ
とにより実現している。さらに、図示していない
が感圧素子１の基板に高電位を与えて、素子自体
も雑音を受けにくい構造としている。
伝送器においては、センサを設置する受圧部は普
通ステンレス鋼等の耐腐食性の金属材料によつて
製作される。かかる受圧部にセンサは堅固に設置
固定される必要があり、第２図の実施例に示す
Fe−Ni系合金からなる支持部材３の下部を受圧
部本体に溶接固定する事が望ましい。かかる状況
においてセンサを誘導雑音から保護するためには
差圧−電気信号変換部すなわちSiダイアフラム形
感圧素子１を受圧部本体と電気的に絶縁する必要
がある。本実施例においてはかかる要求を絶縁性
の高いホウケイ酸ガラスからなる部材２を前記感
圧素子１及びFe−Ni系合金３の間に設置するこ
とにより実現している。さらに、図示していない
が感圧素子１の基板に高電位を与えて、素子自体
も雑音を受けにくい構造としている。
次に過負荷影響について説明する。第２図のセ
ンサは半導体ダイアフラムの上下両面のいずれの
方向から差圧が印加された場合についてもほぼ同
等で、且つ高感度、高精度を示すが、通常の被測
定差圧に対し数倍〜数10倍の圧力が加わつた場合
においても、これに耐えうるように設計されてい
る。センサの過負荷に対する強度的な信頼性に対
してはダイアフラム自身の破壊強度と、該ダイア
フラムと前記ホウケイ酸ガラス部材との接合強度
が重要となる。このうち、前者についてはダイア
フラムの加工条件等の配慮により高い信頼性を示
すが、後者の場合には前記ガラス部材の寸法形状
が強度的に重要となる。この場合の強度はダイア
フラム下面から過負荷が加わつた場合の方が弱
い。この理由は圧力がダイアフラムとガラス部材
をはく離するように作用するからである。したが
つて、ダイアフラムとガラス部材の接合部に角部
が存在すると、この部分の応力集中が大きくな
り、はく離しやすくなつてしまう。
ンサは半導体ダイアフラムの上下両面のいずれの
方向から差圧が印加された場合についてもほぼ同
等で、且つ高感度、高精度を示すが、通常の被測
定差圧に対し数倍〜数10倍の圧力が加わつた場合
においても、これに耐えうるように設計されてい
る。センサの過負荷に対する強度的な信頼性に対
してはダイアフラム自身の破壊強度と、該ダイア
フラムと前記ホウケイ酸ガラス部材との接合強度
が重要となる。このうち、前者についてはダイア
フラムの加工条件等の配慮により高い信頼性を示
すが、後者の場合には前記ガラス部材の寸法形状
が強度的に重要となる。この場合の強度はダイア
フラム下面から過負荷が加わつた場合の方が弱
い。この理由は圧力がダイアフラムとガラス部材
をはく離するように作用するからである。したが
つて、ダイアフラムとガラス部材の接合部に角部
が存在すると、この部分の応力集中が大きくな
り、はく離しやすくなつてしまう。
応力集中を最も弱くするには、半導体ダイアフ
ラム薄肉部の外径Ａとガラス部材の貫通孔の径
Ag′を等しくするのが理想的である。しかし、ガ
ラス部材２に貫通孔を設ける際には角部に切欠き
が若干生じ、これを考慮しないでダイアフラム１
とガラス部材２を接合すると、この部分に大きな
応力集中が起こり、はく離に対する強度が低下す
る。そこで、実施例では孔径Ag′の寸法をＢ＜
Ag′＜Ａにすることにより、貫通孔の切欠きの影
響をなくしている。
ラム薄肉部の外径Ａとガラス部材の貫通孔の径
Ag′を等しくするのが理想的である。しかし、ガ
ラス部材２に貫通孔を設ける際には角部に切欠き
が若干生じ、これを考慮しないでダイアフラム１
とガラス部材２を接合すると、この部分に大きな
応力集中が起こり、はく離に対する強度が低下す
る。そこで、実施例では孔径Ag′の寸法をＢ＜
Ag′＜Ａにすることにより、貫通孔の切欠きの影
響をなくしている。
静圧影響は差圧伝送器特有の問題である。すな
わち、差圧伝送器は化学プラント等の配管系に設
置されて使用されるが、配管系には常時極めて高
圧のライン圧（すなわち静圧）が印加されてい
る。伝送器が検出する圧力はかかるライン圧では
なく、例えば配管の途中に設けたオリフイスによ
つて生じる微小差圧を検出するもので、配管系を
流れる流体の流量検出等に応用することが多い。
したがつて、かかる静圧に対しては電気信号が生
じてはならないものであり、これを低減すること
によつて伝送器として実用できる。
わち、差圧伝送器は化学プラント等の配管系に設
置されて使用されるが、配管系には常時極めて高
圧のライン圧（すなわち静圧）が印加されてい
る。伝送器が検出する圧力はかかるライン圧では
なく、例えば配管の途中に設けたオリフイスによ
つて生じる微小差圧を検出するもので、配管系を
流れる流体の流量検出等に応用することが多い。
したがつて、かかる静圧に対しては電気信号が生
じてはならないものであり、これを低減すること
によつて伝送器として実用できる。
センサが静圧影響を受ける要因は各構成部材の
弾性係数の相違にある。すなわち、第２図の実施
例においては、上述したように熱膨張係数の類似
性及び絶縁性を考慮して温度特性の変調及び雑音
の影響の低減を図つているが、かかる部材につい
てはそれぞれの弾性係数が若干異なり、例えば＜
110＞面のSi単結晶では約1.7×104Kgｆ／mm2Fe−
Ni系合金では約1.6×104Kgｆ／mm2であり、これに
対してホウケイ酸ガラスでは約6.7×103Kgｆ／mm2
である。かかる構成は剛性の高いものの間に剛性
の低いものがはさまれていることになり、これが
静圧影響に対して重要な要因となつている。本実
施例においては、各部材の弾性係数の相違による
影響を各部材の形状寸法を最適にすることによ
り、低減するもので、前述した過負荷影響の低減
を図つた寸法を考慮した上で、各部材の寸法を決
めた。この結果、ガラス部材２の厚さtgとダイア
フラムの周辺肉厚部の厚さtsとの比tg／tsを１以
上とすることにより、静圧影響を許容限度内にお
さえることができた。
弾性係数の相違にある。すなわち、第２図の実施
例においては、上述したように熱膨張係数の類似
性及び絶縁性を考慮して温度特性の変調及び雑音
の影響の低減を図つているが、かかる部材につい
てはそれぞれの弾性係数が若干異なり、例えば＜
110＞面のSi単結晶では約1.7×104Kgｆ／mm2Fe−
Ni系合金では約1.6×104Kgｆ／mm2であり、これに
対してホウケイ酸ガラスでは約6.7×103Kgｆ／mm2
である。かかる構成は剛性の高いものの間に剛性
の低いものがはさまれていることになり、これが
静圧影響に対して重要な要因となつている。本実
施例においては、各部材の弾性係数の相違による
影響を各部材の形状寸法を最適にすることによ
り、低減するもので、前述した過負荷影響の低減
を図つた寸法を考慮した上で、各部材の寸法を決
めた。この結果、ガラス部材２の厚さtgとダイア
フラムの周辺肉厚部の厚さtsとの比tg／tsを１以
上とすることにより、静圧影響を許容限度内にお
さえることができた。
第４図は第２図の実施例と、本発明を適用しな
い例との静圧影響を比較した図である。実施例品
(イ)の寸法は、ts＝２mm、tg＝４mm、Ａ＝10mm、Ｂ
＝７mm、Ag′＝８mmである。また、ガラス部材２
を有するが本発明を適用していない例(ロ)は、ガラ
ス部材２の厚さtgが感圧素子１の厚さtsよりも小
さく、かつガラス部材２の貫通孔の直径が中央肉
厚部の直径Ｂよりも小さい。図のように本発明を
適用すれば静圧影響をも低減可能となる。
い例との静圧影響を比較した図である。実施例品
(イ)の寸法は、ts＝２mm、tg＝４mm、Ａ＝10mm、Ｂ
＝７mm、Ag′＝８mmである。また、ガラス部材２
を有するが本発明を適用していない例(ロ)は、ガラ
ス部材２の厚さtgが感圧素子１の厚さtsよりも小
さく、かつガラス部材２の貫通孔の直径が中央肉
厚部の直径Ｂよりも小さい。図のように本発明を
適用すれば静圧影響をも低減可能となる。
以上説明したように本発明によれば、過負荷影
響に対して有効に働き得る半導体センサを具現化
できる。
響に対して有効に働き得る半導体センサを具現化
できる。
第１図は従来から知られている半導体ダイアフ
ラムの説明図、第２図は本発明の一実施例の構成
を説明するための図、第３図は第２図の実施例に
おけるピエゾ抵抗素子の配置図、第４図は静圧特
性の比較図である。 １……感圧素子、２……ガラス部材、３……金
属部材、１１……外周肉厚部、１２……中央肉厚
部、１３……円形溝部。
ラムの説明図、第２図は本発明の一実施例の構成
を説明するための図、第３図は第２図の実施例に
おけるピエゾ抵抗素子の配置図、第４図は静圧特
性の比較図である。 １……感圧素子、２……ガラス部材、３……金
属部材、１１……外周肉厚部、１２……中央肉厚
部、１３……円形溝部。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 円板の一方の面はその表面が平滑に形成さ
れ、他方の面には外周肉厚部と中央肉厚部の間に
円形溝部が形成され、かつその円形溝部と上記平
滑面との間の厚さが肉薄である円板状半導体ダイ
アフラムと、上記平滑面上の上記円形溝部に対応
する位置に拡散形成されたピエゾ抵抗素子と、上
記半導体ダイアフラムを支持するための金属支持
部材とを備えた半導体センサにおいて、中央に貫
通孔を有する高絶縁性部材を上記半導体ダイアフ
ラムと上記金属支持部材の間に接合し、上記中央
肉厚部の直径Ｂと上記円形溝部の外径Ａとの比
Ｂ／Ａを0.5以上とし、上記高絶縁性部材の貫通
孔の直径ＣをＢ＜Ｃ＜Ａとなるように形成したこ
とを特徴とする半導体センサ。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の半導体センサに
おいて、上記高絶縁性部材の厚さは上記半導体ダ
イアフラムの厚さより大であることを特徴とする
半導体センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3936981A JPS57154878A (en) | 1981-03-20 | 1981-03-20 | Semiconductor sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3936981A JPS57154878A (en) | 1981-03-20 | 1981-03-20 | Semiconductor sensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS57154878A JPS57154878A (en) | 1982-09-24 |
| JPS6336155B2 true JPS6336155B2 (ja) | 1988-07-19 |
Family
ID=12551133
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3936981A Granted JPS57154878A (en) | 1981-03-20 | 1981-03-20 | Semiconductor sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS57154878A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0389830A (ja) * | 1989-09-01 | 1991-04-15 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | ブラシの保持構造 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH056672Y2 (ja) * | 1986-07-23 | 1993-02-19 |
-
1981
- 1981-03-20 JP JP3936981A patent/JPS57154878A/ja active Granted
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0389830A (ja) * | 1989-09-01 | 1991-04-15 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | ブラシの保持構造 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS57154878A (en) | 1982-09-24 |
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