JPH0363537A - 圧力センサ - 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、圧力センサに関するものであり、特にダイヤ
フラムに発生した歪を、該ダイヤプラム上に形成したセ
ラミックス抵抗体よりなる歪ゲージによって電気抵抗変
化に変換する歪ゲージ式圧力センサに関するものである
。

〔従来の技術］ 一般にこの種の圧力センサは、金属板のダイヤフラム上
に金属または合金よりなる歪ゲージを固着したものとし
て構成され、ダイヤフラムに加わる圧力によって生じた
変形歪を、歪ゲージで電気抵抗変化に変換して検知して
いる。ここで、ダイヤフラム上に歪ゲージを形成する方
法としては、絶縁層を介して接着剤により固着する方法
と、真空蒸着あるいはスパッタリングなどにより薄膜を
直接形成する方法か知られている。

また、半導体の微細加工技術を応用してシリコンのダイ
ヤフラムを作り、不純物拡散により形成した歪ゲージの
ピエゾ抵抗効果を利用して圧力を検知するものも知られ
ている。。

これらの圧力センサは、小型で高感度であり、多方面で
使用されているが、オフセットや温度による特性の変化
か大きく、また、耐熱・耐水・耐蝕などの耐環境性に劣
るという大きな欠点を持っている。

このような欠点を改善するための対策の１つとして、セ
ラミックス板をダイヤフラムとし、歪ゲージを合金で形
成した圧力センサが提案されている（−例として、実開
昭５１−８７３３７号参照）。

しかしながら、この場合においても、例えばダイヤフラ
ムと歪ゲージの材質の差異による熱膨張係数の相違によ
って、温度特性や耐熱性の劣化は免れず、必ずしも十分
な改善策ではない。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明か解決しようとする課題は、耐熱・耐水・耐蝕性
に優れ、かつ温度特性や耐熱性の劣化のない圧力センサ
を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するため、本発明の圧力センサは、セラ
くツクス薄板よりなるダイヤフラムと、該ダイヤフラム
上に形成したセラミックス抵抗体よりなる歪ゲージとを
備えていることを特徴としている。

また、同様の課題を解決するため、ダイヤフラムを部分
安定化ジルコニアで形成するとよい。

さらに、ダイヤプラムと抵抗体の接着性を向ヒさせるた
め、ダイヤフラムの抵抗体形成位置に、化学侵食処理を
施すとよい。

［作　用］ セラ或ツクスダイヤフラム上にセラくツクス抵抗体から
なる歪ゲージを形成することにより、圧力ゲージ全体か
セラくツクスによって構成されるので、耐熱・耐水・耐
蝕性等の耐環境性か優れている。

特に、ダイヤフラムに靭性値の高い部分安宇化ジルコニ
アを選ぶことにより、薄いダイヤフラムか作成できるた
め、同一圧力下でできるたけ太きな歪を発生させてより
低い範囲の圧力まで高感度で測定できるので、セラくツ
クスダイヤフラムの強度不足の恐れ、及びセンサ感度の
低下を防止することかできる。

また、セラミックスダイヤフラムと熱膨張係数が近い酸
化ルテニウムの抵抗体で歪ゲージを形成すると、温度変
化による熱高低サイクルに対する耐久性が大きくなる。

さらに、ダイヤフラム表面の抵抗体形成位置に、予め化
学侵食処理を施して歪ゲージとの接着力を高めたため、
ダイヤフラムの歪変形かより効率よく歪ゲージに伝達さ
れるので、高感度でヒステリシスの少ない圧力センサか
得られる。

即ち、ダイヤフラムの特性向上のために表面を平滑にす
ると、歪ゲージの接着性か低下するという問題があるが
、抵抗体の形成位置に化学侵食処理をすることによって
、ダイヤフラムの内部歪を増加させることなしに抵抗体
との接着性を高めることができ、特に円者の熱膨張係数
か近似している場合には接着が一層強固である。

［実施例］ 第１図及び第２図は本発明の実施例を示し、圧カセンサ
Ｉを構成するダイヤフラム２は、部分安定化ジルコニア
焼結体により直径約２ｈｍ、厚さ約０．３０ｍｍの円板
に形成され、その表面粗さは、十点平均粗さ　（以下、
ＲＺという。）で１．８０ｇｍである。

上記部分安定化ジルコニアとしては、ＺｒＯ□に２〜４
モル％のＹ２Ｏ３を固溶した正方晶ジルコニア、ｌｒＯ
□に８〜ｌＯモル％のＭｇＯを固溶させ、正方晶を立方
晶内に析出させた部分安定化ジルコニア、あるいはｌｒ
ｏ＊に１０〜１５モル％のＣａＯ□を固溶させた部分安
定化ジルコニアか望ましい。

上記ダイヤフラム２上に、通常市販されている酸化ルニ
テウムーガラス系抵抗体ペーストを、常法によりスクリ
ーン印刷して乾燥後、電気炉において焼付けて抵抗体５
．　・を形成した。次いで、これらの抵抗体５．　・を
、金ペーストにより抵抗体５と同様な方法で形成した導
体６とバット７により電気的に接続して、・歪ゲージ３
を構成した。

このダイヤフラム２に、該ダイヤフラムと同材質の部分
安定化ジルコニアよりなるフレーム９をガラス系接着剤
で接若し、端子１０とバット７とを金線１１でＪｔｉ続
し、ダイヤフラム２と同材質の保護板１２と大気への開
口部を有するフレーム９とを同様にガラス系接着剤で接
着して、圧力センサ１を形成した。

この圧力センサは、１〜１０Ｋｇｆ／ｃｍ”の測定圧力
範囲において、最大出力２ＳＯｍＶの直線的な出力特性
か得られた。

この場合、ダイヤフラム２と抵抗体５．　・をセラくツ
クスで形成すると、ダイヤフラム２の強度不足、及びセ
ンサの感度低下を生ずる恐れかあるか、Ｅ記実施例は、
セラミックスを靭性値の高い部分安定化ジルコニアとす
ることによって薄いダイヤフラムを作成することかＣき
るので、同一圧力下で大きな歪を発生させることかでき
る。

次に、上記と同様に作成した同じダイヤフラム２におけ
る抵抗体５．・・の形成位置を、予め熱濃硫酸液で１５
分、あるいは１０％弗化水Ｊ［溶液で５分、化学侵食処
理を施した。化学侵食処理をした箇所の表面層さはＲｚ
で１．９〜２．１ｇｍとなり、処理前に比較して粗さか
やや大きくなった。この場合、化学侵食処理を抵抗形成
位置に限定したのは、セラミックスに化学侵食処理を施
すと、粒界を蝕刻してダイヤフラムに欠陥を作ることに
なるので、ダイヤフラム全体を化学侵食処理すると靭性
値等の材質特性か低下する恐れかあるためである。

上記化学侵食処理を施した場所に、同様にして酸化ルテ
ニウム−カラス系抵抗体ペーストを印刷し、乾燥、焼付
けをして圧力センサを製作したところ、いずれのセンサ
も１〜１０Ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力範囲で良好な直線的出
力特性を示し、また、ｌ　Ｋｇｆ／ｃｍ”と］ＯＫｇｆ
／ｃｍ２の圧力を交互に５０万回繰返した後の出力変化
は、初期の１０Ｋｇｆ／ｃ１出力の５％以内であり、さ
らに０　、２５．７５℃の温度サイクルを１００回繰返
した後の出力変化は３％以内で、いずれも十分満足でき
るものである。

なお、部分安定化ジルコニア円板に酸による化学侵食処
理をしなかったダイヤフラムは、Ｉ　Ｋｇｆ／Ｃｌ１１
２とＩＯＫｇｆ／ｃｍ２の圧力を交互に５０万回繰返し
た後の出力変化は１０％以内、Ｌ記温度すイクル１００
回後の出力変化は３％以内であった。

［発明の効果」 本発明の圧力センサは、ダイヤフラムにセラミックスを
採用し、ダイヤフラムが圧力を受けて発生する歪を同質
のセラミックスよりなる歪ゲージで検出するので、従来
の圧力センサにみられるダイヤフラムと歪ゲージか異質
な材料のためにおこる熱歪の影響をほとんど受けず、そ
のため圧力センサの温度による出力変動を大幅に低減す
ることかでき、かつ耐熱性が著しく向上する。

また、ダイヤフラムを部分安定化ジルコニアて形成した
ため、薄いダイヤフラムを形成てきるので、同一圧力下
において大きな歪を発生させることができ、これによっ
て感度の低下を防止することかできるつ さらに、ダイヤフラムと歪ゲージの接着力を、ダイヤフ
ラムの表面層を化学侵食処理することによって改善して
いるので、圧力の変化に伴って歪か繰返し発生しても、
接着力か強固でダイヤフラムと歪ゲージ界面にずれを生
じないため、圧力センサ出力のいわゆるヒステリシス現
象はほとんど見られなくなり、繰返し使用時の耐久性を
大きく高めることができ、信頼性の高い圧力センサを得
ることかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は歪ゲージを形成したダイヤフラムの平面図、第
２図は圧力センサの縦断面図である。 １　　・圧力センサ、　２　　・ダイヤフラム、３　・
歪ゲージ。 特 許 出 願 人 ニスエムシー株式会社 （外１名） 第

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、セラミックス薄板よりなるダイヤフラムと、該ダイ
   ヤフラム上に形成したセラミックス抵抗体よりなる歪ゲ
   ージとを備えている、 ことを特徴とする圧力センサ。 ２、ダイヤフラムが、部分安定化ジルコニアであること
   を特徴とする請求項１に記載した圧力センサ。 ３、ダイヤフラム上の抵抗体形成位置に、化学侵食処理
   が施されていることを特徴とする請求項１または２に記
   載した圧力センサ。