JPH0442580A - 半導体圧力センサ - 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】 ■肌の量的 ［産業上の利用分野］ 本発明は半導体圧力センサに関し、詳しくはダイアフラ
ムが受ける力を作動流体を介してセンサエレメントに伝
達することにより、コンタミナイトや熱からセンサエレ
メントを保護する半導体圧力センサに関する。

［従来の技術］ 従来のこの種の半導体圧力センサに、作動流体としてシ
リコンオイルを充満したものが知られている。シリコン
オイルは耐熱性が低く、体積膨張率が大きいため、使用
温度範囲は一３０℃から＋１２０℃程度の範囲に制約さ
れる。

そこで、これより高温度の環境下で使用可能な半導体圧
力センサとして、耐熱性があって体積膨張率が小さいＨ
ｇ、Ｎａ、に等の液体金属を作動流体として封入したも
のが考えられている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記の高温環境下で使用可能な半導体圧
力センサｆ；＆Ｈｇに毒性があり、Ｎａ。

Ｋに水分との接触による爆発の危険性があることから、
それらの取り扱いに特別な配慮を要し、製造が難しいと
いう問題がある。

加えて、Ｈｇ、Ｎａ、に等の液体金属は導電性材料であ
るため、例えばセンサエレメントの入出力端子を液体金
属から絶縁して短絡を防止する特別な構成がいるなど、
実装上の制約があり、このことが製造を一層、難しくし
ている。

本発明の半導体圧力センサは上記課題を解決し、高温環
境下での使用が可能な半導体圧力センサの製造を容易に
することを目的とする。

聚肌の組成 ［課題を解決するための手段］ 本発明の半導体圧力センサ（よ 作用する力の大きさに応じて圧力信号を変化させるセン
サエレメントと、外部から力を受けるダイアフラムとの
間に構成される間隙に作動流体を充満し、前記ダイアフ
ラムが受ける力を、前記作動流体を介して前記センサエ
しメントに伝達する半導体圧力センサにおいて、 前記作動流体として、パーフルオロポリエーテルを充満
することを特徴とする。

［作用］ 上記構成を有する本発明の半導体圧力センサにおいて（
１，ダイアフラムの受ける力が、作動流体としてのパー
フルオロポリエーテルを介してセンサエレメントに伝達
される。センサエレメントは伝達された力の大きさに応
じて出力信号を変化させる。上記パーフルオロポリエー
テルの熱分解温度は高く、体積膨張率は極めて小さい。

したがって、高温環境下でもパーフルオロポリエーテル
は変質しない。また、温度変化にともなうパーフルオロ
ポリエーテルの体積変化は微小である。この結果、上記
構成の半導体圧力センサは高温環境下で使用しても良好
な検出精度を示す。

上記パーフルオロポリエーテル（よ　さらに化学的に安
定であり、中毒性や、爆発の危険性などがない。したが
って、製造時、パーフルオロポリエーテルの充満作業１
山通常の取り扱いで足りる。

また、パーフルオロポリエーテルは絶縁性が高いから、
センサエレメントの入出力端子を作動流体から絶縁する
構成が不要となり、実装上の制約が少なし〜 ［実施例］ 以下本発明の半導体圧力センサの実施例について説明す
る。第１図は第１実施例の半導体圧力センサの縦断面図
である。

第１実施例の半導体圧力センサ（よ　絶対圧型のセンサ
であって、センサエレメント１と、ダイアフラム３と、
ハウジング５と、中間壁７と、作動流体９とを備える。

センサエレメント］はセンサチップ］］と、台座１３と
を備え、接着剤１５によりハウジング５の内部の底に取
り付けられる。

センサチップ１１はシリコンからなる感圧素子であって
、その下部中央に凹部が形成されたダイアフラム構造を
有する。その凹部と、台座１３との間には圧力基準室１
７が構成される。センサチップ１１に１よ第２図の横断
面図に示すように、歪抵抗１９が４箇所に拡散プロセス
またはイオン打込みプロセスにより形成される。なお、
第２図で１表作動流体の図示を省略し、ハウジング５の
内部の構造を示した。

センサチップ１１の４隅］表　ボンディングワイヤ２１
により、信号取土用のリード２３に接続される。リード
２３（よ　第１図に示すように、ハウジング５を貫通し
て外部に突出する。

台座１３は、耐熱ガラス（商品名パイレックス＃７７４
０など）や、結晶化ガラス、シリコン等から形成される
。

ダイアフラム３は、析出硬化型ステンレス鋼や、インコ
ネル（商標）等の耐熱性や耐食性に優れた材料からなる
。その外周部はハウジング５にシーム溶接さねハウジン
グ５の内部の気密性を保つ。

ハウジング５は鉄、コバール、各種ステンしス材等から
形成される。このハウジング５はその外周部にねじ山が
形成されて、気体や液体等の測定対象の一部を導入する
配管や、機械の圧力測定部位に接続される。

中間壁７は、センサエレメント１を覆うよう１こ形成さ
れた部分安定化ジルコニアの成型加工品である。部分安
定化ジルコニアは耐熱性と熱絶縁性に優れる材料である
。熱伝導率は２．５Ｗ／ｍＫであり、極めて小さい。こ
の中間壁７の側壁には連通孔２５が複数段けら札　セン
サエレメント１のある室Ａと、ダイアフラムのある室Ｂ
との２室が連通される。なお、実施例では、次述する作
動流体の充填量が０．０５ＣＣ以下になるよう；ミ中間
壁７は設計される。

作動流体としてのパーフルオロポリエーテル９は、中間
壁７が連通する２室Ａ、　　Ｂに充満される。

パーフルオロポリエーテル９（よ炭素、ふっ素。

酸素の３原子よりなる完全ふっ素化油である。例えばフ
オンプリン（商品名：モンテフルオス社製。

イタリア）がある。

パーフルオロポリエーテルはその熱分解温度が、空気（
０２，Ｎ２）から遮断した使用状態で３５０℃以上あり
、高温の環境下でも化学的に安定である。また、パーフ
ルオロポリエーテルの体積膨張率はｌＸｌ０−３であっ
て、極めて小さしＸ、飽和蒸気圧は０．ＩＴｏｒｒであ
り、低い。さらに、電気絶縁性が高い。その抵抗率はＩ
Ｑ＋４［Ωｍ］以上である。

このパーフルオロポリエーテルは化学的に安定であり、
中蕃性や爆発性などがないため、取り扱いに特別な配慮
はいらない。

上記構成を有する半導体圧力センサにおいて（、ｔ。

ダイアフラム３を押す外部からの力の大きさに応じて、
作動流体としてのパーフルオロポリエーテル９が、セン
サエレメント１のある室Ａとダイアフラムのある室Ｂと
の間を、中間壁７の連通孔２５を通って移動し、外部か
らの力に応じた力でセンサチップ１１を変形させる。こ
うしてセンサチップ１１が変形される結果、歪抵抗１９
の抵抗値が増減し、外部からの力、ひいては外部の圧力
に応じた電圧信号がリード２３から検出される。

既述したようにパーフルオロポリエーテル９の熱分解温
度は高いから、高温環境下でも、パーフルオロポリエー
テル９が変質することはなＬ〜　また、パーフルオロポ
リエーテル（友体積膨張率が極めて小さいので、温度変
化にともなう体積変化が微量である。したがって、この
半導体圧力センサ（上高温環境下で使用しても、良好な
検出精度が得られる。

以上説明したよう１：、第１実施例に示す高温環境下で
使用可能な半導体圧力センサによれ（Ｌ　作動流体とし
てパーフルオロポリエーテル９を用いだから、充満作業
が通常の取り扱いにより可能になるとともに、ワイヤボ
ンディング２］やリード２３を絶縁する構成が不要で、
実装上の制約を削減でき、製造の手間を大幅に軽減でき
るという効果を奏する。

また、中間壁７を設けて、パーフルオロポリエーテル９
の充填量を微量（０，０５ＣＣ以下）にしたから、温度
変化によるパーフルオロポリエーテル９の体積変化が極
めて小さくなる。したがって、その体積変化による内部
圧力の変化が軽減し、内部圧力の変化にともなうダイア
フラムやセンサチップへの負担が軽くなる結果、優れた
測定精度と耐久性が得られる。

さらに、中間壁７が外部からの熱を遮断し、センサチッ
プ１］の温度上昇を防止するから、センサチップ１１自
体の温度上昇による測定誤差が軽減し、−層側定精度の
向上が図られる利点がある。

こうしたことから第１実施例の半導体圧力センサ（志高
温環境下での高圧力の測定に好適である。

例えばガソリンエンジンの燃焼圧力の検出などの過酷な
測定条件においても良好に働く。なお、この測定条件に
おけるコンタミナイトとして（上　例えばＣ粒子、ＣＯ
２，８２０等があるが、これらはもちろん、ダイアフラ
ム３とハウジング５との間の密閉構造によって、センサ
エレメント１に作用しない。

次に、第２実施例を説明する。第３図にその半導体圧力
センサの細断面図を示す。

第２実施例の半導体圧力センサ（よ第１実施例と同様に
絶対圧型のセンサであって、センサエレメント３］と、
ダイアフラム３３と、ハウジング３５と、中間層３７と
、作動流体３９とを備える。

センサエレメント３１は、第１実施例のセンサエレメン
ト１と同様に、センサチップ４１と、台座４３とを備え
、接着剤４５によりハウジング３５の内部の底に取り付
けられる。センサチップ４１の下部中央には凹部が形成
されており、台座との間に圧力基準室４７が構成される
。センサチップ４１（よボンディングワイヤ４９により
、信号取出用のリード５１に接続される。リード５］（
上ハウジング３５を貫通して外部に突出する。

ダイアフラム３３は、第２実施例で（上部分安定化ジル
コニアの成型品からなる。その外周部はメタライジング
層５３により金属リング５５を介してハウジング３５に
固定さね　ハウジング３５の内部の気密性の保持が図ら
れる。メタライジング層５３（ｔ、　　タングステン等
により形成される。

金属リング５５の材料（飄　ダイアフラム３３および中
間壁３７１こ使用される部分安定化ジルコニアの線膨張
率と、ハウジング３５の材料の線膨張率との中間の値の
線膨張率を有する材料が用いられる。この金属リング５
５により、ダイアフラム３３、中間壁３７．ハウジング
３５の温度変化にともなう歪が吸収さね　あるいは緩和
される。

ハウジング３５（よ第１実施例と同様に、鉄、コバール
、各種ステンレス材等から形成される。

中間壁３７（上第１実施例と同様に、センサエレメント
１を覆うように形成された部分安定化ジルコニアの成型
加工品である。第２実施例では、上面部分に連通孔５７
が複数段けら札　センサエレメント３１のある室Ｃと、
ダイアフラム３３のある室りとの２室が連通される。こ
の中間壁３７法　パーフルオロポリエーテルの充填量が
０，０５ＣＣ以下になるように設計される。

作動流体としてのパーフルオロポリエーテル３９１ヨ　
第１実施例と同様に、中間壁３７が連通する２室Ｃ，Ｄ
に充満される。

上記構成の半導体圧力センサにおいては、ダイアフラム
３３を押す外部からの力の大きさに応じて、作動流体と
してのパーフルオロポリエーテル３９が中間壁３７の連
通孔５７を通って移動し、外部からの力に応じた力でセ
ンサチップ４１包押す結果、外部の圧力に応じた電圧信
号がリード５］から検出される。

以上説明した第２実施例の半導体圧力センサによれ（、
ｆ、第１実施例の効果に加えて、ダイアフラム３３を、
耐熱性及び熱絶縁性のある部分安定化ジルコニアにより
構成したから、高温環境下での測定精度と耐久性との一
層の向上を図ることができるという効果を奏する。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこう
した実施例に何等限定されるものではなく、例えば中間
壁７，３７を用いない構成や、差圧型センサに適用した
構成など、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種
々なる態様で実施し得ることは勿論である。

及胆Ｑ夙釆 以上詳述したように、本発明の半導体圧力センサによれ
ｔ′Ｌ　　作動流体としてパーフルオロポリエーテルを
用いたから、その充満作業が通常の取り扱いで可能にな
るととも１：、センサエレメントの大畠力端子を絶縁す
る構成が不要で実装上の制約を削減でき、高温環境下で
使用可能な半導体圧力センサの製造の手間を大幅に軽減
できるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体圧力センサの第１実施例を示す
縦断面図、第２図はその横断面図、第３図は第２実施例
を示す縦断面図である。 １・・・センサエしメント ３・・・ダイアフラム ５・・・ハウジング ７・・・中間壁 ９・・・パーフルオロポリエーテル

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　作用する力の大きさに応じて出力信号を変化させる
   センサエレメントと、外部から力を受けるダイアフラム
   との間に構成される間隙に作動流体を充満し、前記ダイ
   アフラムが受ける力を、前記作動流体を介して前記セン
   サエレメントに伝達する半導体圧力センサにおいて、 前記作動流体として、パーフルオロポリエーテルを充満
   することを特徴とする半導体圧力センサ。