JPH0342541A - 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、特に高温流体の圧力測定例
えば内燃機関の燃焼圧測定に好適な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圧力室壁に固定する筒状
ハウジングを有し、圧力室内に臨む上記ハウジング先端
の開口部に金属製センシング部を設けるとともに該セン
シング部に歪ゲージ素子を付設した受圧部を保持せしめ
て、受圧部の変形に応じた出力信号を得るものが知られ
ている。

第８図に従来の圧力検出器の一例を示す。このものは、
筒状ハウジング３゛を有し、ハウジング３゛の小径部外
周のネジ部３ａ’　で圧力室壁に固定される。ハウジン
グ３”の先端部開口には側壁に開口２ｂ′が設けられた
センシングボデー２゛が気密に保持せしめてあり、この
間口２ｂ“にセラミック板よりなる受圧ダイヤフラムｌ
°が覆着されるとともに、該ダイヤフラム１“の内側面
に半導体歪ゲージ素子（囲路）が接合固定しである。

歪ゲージ素子はターミナル板４°の電極にワイヤ線１０
゛で接続され、歪ゲージ素子の出力信号は上記ター旦ナ
ル板４゛、リードピン４１゛、およびリードｖＡ６°を
経て外部へ取り出される。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、上記従来構造の圧力検出器において、歪ゲー
ジ素子からの出力信号を外部に取り出すワイヤ線１０’
、ターミナル板４″、リードピン４１°等のリード取出
部も高温の圧力室内へ挿入されることになり、特にダイ
ヤフラム１゛　とターミナル板４゛間のワイヤ線１０’
　によるボンディング部は高温にさらされることになり
、この部分での信頼性確保が達成できないという問題が
ある。

本発明はかかる問題点に鑑み、高温によるリード取出部
での信頼性悪化を避けることができる圧力検出器を提供
することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記目的を達成するために、 先端部を圧力室内に臨ましめるとともに内部に空間を保
有するハウジングと、 このハウジングの先端部に気密的に保持せしめられると
ともに、一端閉鎖の圧力導入路を有するエレメントホル
ダと、 前記圧力導入路の内壁の所定の位置に固定されて、前記
圧力導入路に導入される流体の圧力を検出するべく歪ゲ
ージ素子を接合固定した受圧ダイヤフラムが形成された
センシングエレメントとを有し、 前記エレメントホルダは、前記圧力導入路において流体
導入口部よりも奥部が狭くなるように形成され、かつ、
この狭くなった前記圧力導入路の奥部側壁には前記ハウ
ジングの内部空間に連通ずる開口部が配設され、 前記センシングエレメントは、その長手方向に所定の長
さを有する形状に構成されて、この長手方向における一
方端を受圧部として前記受圧ダイヤフラムが形成される
とともに、他方端に前記開口部を介して前記内部空間に
リードを取り出すリード取出領域が配設され、 前記所定の位置は、前記エレメントホルダの開口部が前
記センシングエレメントの前記リード取出領域にて気密
的に覆着されるべく規定され、前記センシングエレメン
トの前記受圧部は前記圧力導入部の流体導入口部に臨ま
しめられるという技術的手段を採用する。

〔作用・効果〕

上記構造によれば、受圧部は圧力導入路の流体導入口部
に配置されるため、高温流体の流体圧が受圧ダイヤフラ
ムの受圧面に作用してこれを変形セしめ、変形歪に応じ
た出力信号が歪ゲージ素子より発せられ、リード取出領
域を経て開口部より取り出される。この時、リード取出
領域は狭くなった圧力導入路の奥部に配置されているた
めに、クエンチング効果によって前記高温流体の熱が前
記リード取出領域に作用することが抑制される。

しかして、高温によるリード取出領域の信頼性の低下を
避けることができるという優れた効果がある。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例について説明する。

第１図には、本発明一実施例による圧力検出器の主要部
構造を示す。右端部を大径とした筒状ハウジング３には
本体外周に取付用ネジ部３ａが形成され、左端開口には
一端閉鎖の筒体よりなるエレメントホルダ２が挿通配設
され、溶接により密着固定しである。

エレメントホルダ２は熱膨張係数の小さいＦｅ−Ｎｉ−
Ｃｏ系合金で構成されており、エレメントホルダ２内は
圧力導入ボート２ａとなしである。

また、圧力導入ボーｔ−２ａ奥の側壁には後述するリー
ド引込み用の小径間口２ｂが設けられており、この小径
間口２ｂをふさぐようにしてシリコンからなるセンシン
グエレメント１が圧力導入ボート２ａの内壁側から前記
エレメントホルダ２にガラス接合により気密的に覆着さ
れている。第２図。

第３図に、センシングエレメントｌの詳細を示す。

センシングエレメントｌは、細長い板形状をなしており
、センシングチップ１１とカバーチップ１２とから構成
されている。なお、センシングエレメント１の長方方向
における一方端を受圧部とするべく、センシングチップ
１１の一方端には薄肉部が形成され、受圧ダイヤフラム
ｌｌａとなしている。また、他方端をリード取出領域と
するべく、カバーチップ１２にはリード取出穴１２ｂが
設けられている。

センシングチップ１１は、第４図（ａ）、　（ｂ）に示
すように、受圧ダイヤフラムｌｌａの受圧面と反対側の
端面には絶縁層１１０が形成されている。そして、この
Ｉ！縁層１１０上には、半導体歪ゲージ素子１１１ａ−
１１１ｄおよび半導体からなるリード電極１１２ａ−１
１２ｄが形成されている。

さらに、表面保護のためにバッシベーシッン膜１１４が
成膜され、所定位置にコンタクトホールが開口されてボ
ンディング用の金属薄膜よりなる電極バッド１１３ａ〜
１１３ｄが形°戒されている。

なお、前記歪ゲージ素子において、１ｌｌａ、１１１ｃ
は受圧ダイヤフラムｌｌａの中心部上に形成され、１ｌ
ｌｂ、１ｌｌｄは周辺の厚肉部上に形成されており、前
記リード電極１１２ａ−１１２ｄによって第６図に示す
如きフルブリッジを構成している。また、リード電極１
１２ａ〜１１２ｄは、受圧ダイヤフラムｌｌａが構成さ
れるセンシングチップ１１の一方端からリード取出領域
となる他方端まで平行に配線成形され、その終端には前
記電極パッド１１３ａ〜１１３ｄがそれぞれ接続形成さ
れている。なお、本実施例ではリード電極を半導体歪ゲ
ージと同じ半導体で形成したが、金属薄膜にて形成する
ようにしてもよい。なお、第４図（ａ）はセンシングチ
ップ１１の平面図であり、パッシベーシッンＭ１１４の
図示は略されている。

また、第４図（ｂ）は第４図（ａ）に示すもののＡ−Ａ
断面図である。

一方、カバーチップ１２において、前記エレメントホル
ダ２との接合面と反対側の端面ば、第５図（ａ）、　（
ｂ）に示すように内側をエツチングされて、前記センシ
ングチップ１１との接合面１２ａが周縁に形成されてい
る。また、図に示す如く右端に前記リード取出穴１２ｂ
が設けられている。なお、第５図（ａ）はカバーチップ
１２の正面図であり、同図（ｂ）に示すもののＢ−Ｂ断
面図である。また、第５図（ロ）はカバーチップ１２の
底面図である。

上記センシングチップ１１およびカバーチップ１２を前
記接合面１２ａにおいて接合することにより、前記セン
シングエレメント１が構成される（第２図、第３図参照
）。接合方法としては、例えば５ｉ−３ｉの直接接合に
よるもの、あるいはＳｉ表面を酸化してＳｉｎ、−３ｉ
ｎ、の接合によるものがある。本実施例においては、セ
ンシングチップ用に所定の加工と素子形成を施した第１
のシリコンウェハと、カバーチップ用に所定の加工を施
した第２のシリコンウェハを、親水処理した後に高温奪
囲気にて脱水して接合し、その後チップ状にダイシング
することによりセンシングエレメント１を構成している
。

上記の如く構成したセンシングエレメント１を、前述の
ようにエレメントホルダ２に気密的に覆着する。その時
、前記圧力導入ボート２ａの側壁に設けられたリード引
込み用の小径間口２ｂとセンシングエレメントｌに設け
られたり−ド取出穴１２ｂが位置合わせされる。

さらに、第１図において、エレメントホルダ２の圧力導
入ポート２ａの内壁には、段部２１が設けられており、
該圧力導入ポート２ａはその人口部に比して奥部におい
て狭くなるように構成されている。従って、前述のよう
に圧力導入ボート２ａ内壁にはセンシングエレメントｌ
が覆着されているために、小径間口２ｂ付近、すなわち
センシングエレメント１のリード取出領域での隙間は非
常に狭いものとなっている。また、センシングエレメン
ト１の受圧部としての受圧ダイヤフラム１１ａは、圧力
導入ポー）２ａの人口近くに臨む構造となっている。

また、エレメントホルダ２の圧力導入ボート２ａ側と反
対側の端面にはリードプレート４が接着固定されており
、センシングエレメント１とリードプレート４とは小径
間口２ｂを挿通してワイヤ線１０にて電気的に接続され
ている。すなわち、ワイヤ線１０は、前述のセンシング
エレメントｌのリード取出穴！２ｂを介して、前記電極
パッド１１３ａ〜１１３ｄと接続されている。また、リ
ードプレート４には、センシングエレメント１からワイ
ヤ線ｌＯを介して入力される信号の増幅・温度補償処理
用の回路チップ５が接着固定されており、さらに回路チ
ップ５の出力信号を外部へ取り出すべくリード線６が接
続されている。

さらに、第１図において、ハウジング３には筒体のカバ
ー７が溶接固定され、カバー７とハウジング３に接着固
定されたホルダ部材８により、前記リードプレート４が
保持されている。

上記構成において、その作用を説明する。例えば、上記
圧力検出器を内燃機関の燃焼室壁にハウジング３に設け
られたネジ部３ａによって固定し、圧力導入ポー）２ａ
を燃焼室内に臨ましめたとすると、センシングエレメン
トｌに構成された受圧ダイヤフラムｌｌａの受圧面は、
圧力導入ポート２ａの入口近くの・広口部にあるため、
燃焼室内の高温・高圧の流体（最高温度４００〜５００
°Ｃ２最高圧力１００　ｋｇ　ｆ　／ｃｊ）にさらされ
ることになる。

受圧ダイヤフラムｌｌａに圧力が作用すると、ダイヤフ
ラムｌｌａはこれに応じて変形し、受圧面と反対側の端
面に設けられた半導体歪ゲージ素子１１１ａ〜１ｌｌｄ
が各々抵抗値変化する。すなわち、薄肉となったダイヤ
フラムｌｌａの中心部に配置された前記歪ゲージ素子１
１１ａ、１１１ｃの抵抗値は著しく変化する。一方、ｉ
　ｔ　ｉ　ｂ。

１１１ｄは厚肉部に配置されているためにその抵抗変化
はほとんど生じず、そのため、第６図に示すブリッジの
バランスは変化することになる。リード電極１１２ｂ、
１１２ｄには定電流あるいは定電圧が印加されており、
前記ブリッジのバランス変化によって、リード電極１１
２ａ、１１２ｃに現れる出力はダイヤフラムｌｌａに作
用した圧力に応じたものとなる。しかして、この出力が
ワイヤ線１０．リードプレート４を介して回路チップ５
に入力され、増幅・温度補償処理されて、リード線６に
より外部へ取り出される。

その時、小径間口２ｂ付近、すなわちセンシングエレメ
ント１のリード取出領域（電極バッド１１３ａ〜１１３
ｄ）では、段部２１によって圧力導入ポート２ａが非常
に狭くなっているために、クエンチング効果によって、
燃焼の火炎が入り込みにくく温度上昇を迎えることがで
き、高温によるボンディング部の信頼性の低下を防止す
ることができる。

また、前述のように受圧ダイヤフラムｌｌａは高温・高
圧の流体にさらされることになるが、上記実施例では、
絶８ｉ層１１０を介して半導体歪ゲージ素子を形成する
Ｓｏｌ構造で各々絶縁分離しているために、ＰＮ接合を
有さす、従って温度上昇と共に発生ずるＰＮ接合部のリ
ーク電流の発生という問題を生じることなく高温下での
高圧測定を高感度に行うことができる。

また、センシングエレメント１はエレメントホルダ２に
燃焼室内の高圧圧力によって押しつけられる圧縮力を受
けることになるため接合部の強度保証の点で有利となり
、しかも両者の接合強度が小さくても、高いシール性を
確保することができる。

さらに、センシングエレメント１は前述のように２枚の
シリコンチップを接合したものであり、半導体歪ゲージ
、リード電極等が内部に収納される構造となる。そのた
め、センシングエレメントｌをエレメントホルダ２へ接
合する際、取り扱いが容易となる。

また、上記実施例では、リードプレート４上に回路チッ
プ５を構成しているので、歪ゲージの構成するブリッジ
の出力をそのまま外部に取り出す場合と比べて、電気雑
音に対するＳ／Ｎ比が向上している。

なお、上記一実施例においては、センシングエレメント
１のカバーチップ１２の上面が全面にわたってエレメン
トホルダ２と接触するように構成されているが、第７図
に示すもののように、センシングエレメント１の長手方
向の一方端にある受圧端がエレメントホルダ２と接触し
ないように、エレメントホルダ２に逃し部２ｃを設ける
ようにしてもよい、これにより接合時に生じる応力が、
検出部である受圧ダイヤフラムの構成される薄肉部およ
び半導体歪ゲージ素子に直接作用するのを防ぐことがで
き、より安定した出力を得ることができる圧力検出器を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明一実施例の圧力検出器の主要部構造を示
す断面図、第２図および第３図はセンシングニレメンｌ
−１の構造を示す詳細図、第４図はセンシングチップｌ
ｌの構造を示す詳細図で、同図（ａ）は平面図、同図（
ｂ）は同図（ａ）に示すもののＡＡ断面図、第５図はカ
バーチップ１２の構造を示す詳細図で、同図（ａ）は同
図（ｂ）に示すもののＢ−Ｂ断面図、同図中）は底面図
、第６図はブリッジ回路図、第７図はエレメントホルダ
２の他の形状を示す図、第８図は従来例を示す圧力検出
器の全体断面図である。 ■・・・センシングエレメント、２・・・エレメントホ
ルダ、２ａ・・・圧力導入ポー）、２ｂ・・・小径開口
。 ２ｃ・・・逃し部、３・・・ハウジング、３ａ・・・ネ
ジ部。 ４・・・リードプレート、１０・・・ワイヤ線、１１・
・・センシングチップ、１１ａ・・・受圧ダイヤフラム
、１２・・・カバーチップ、１２ａ・・・接合面、１２
ｂ・・・リード取出穴、２１・・・段部、１１０・・・
絶縁層、１１１ａ〜１１１ｄ・・・半導体歪ゲージ素子
、１１２ａ〜１１２　ｄ−・・リード電極、　　１１３
ａ−１１３ｄ−・・電極パッド。 ２ ＋２ｂ 第　２ 図 第 図 第 ４ 第 図 第 図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）先端部を圧力室内に臨ましめるとともに内部に空
   間を保有するハウジングと、 このハウジングの先端部に気密的に保持せしめられると
   ともに、一端閉鎖の圧力導入路を有するエレメントホル
   ダと、 前記圧力導入路の内壁の所定の位置に固定されて、前記
   圧力導入路に導入される流体の圧力を検出するべく歪ゲ
   ージ素子を接合固定した受圧ダイヤフラムが形成された
   センシングエレメントとを有し、 前記エレメントホルダは、前記圧力導入路において流体
   導入口部よりも奥部が狭くなるように形成され、かつ、
   この狭くなった前記圧力導入路の奥部側壁には前記ハウ
   ジングの内部空間に連通する開口部が配設され、 前記センシングエレメントは、その長手方向に所定の長
   さを有する形状に構成されて、この長手方向における一
   方端を受圧部として前記受圧ダイヤフラムが形成される
   とともに、他方端に前記開口部を介して前記内部空間に
   リードを取り出すリード取出領域が配設され、 前記所定の位置は、前記エレメントホルダの開口部が前
   記センシングエレメントの前記リード取出領域にて気密
   的に覆着されるべく規定され、前記センシングエレメン
   トの前記受圧部は前記圧力導入部の流体導入口部に臨ま
   しめられたことを特徴とする圧力検出器。
2. （２）前記センシングエレメントは、箱状とし、側壁の
   一部を薄肉となしてこれを受圧ダイヤフラムとなし、こ
   の受圧ダイヤフラムの受圧面と反対側の前記センシング
   エレメントの内側面に半導体歪ゲージ素子を形成し、前
   記センシングエレメントの他方端のリード取出領域まで
   リード電極を前記半導体歪ゲージ素子と同じ半導体で配
   線形成したことを特徴とする請求項１記載の圧力検出器
   。
3. （３）前記センシングエレメントをシリコンで構成し、
   絶縁層を介して前記半導体歪ゲージ素子および前記リー
   ド電極を形成したことを特徴とする請求項２記載の圧力
   検出器。