JPH07335911A - 受圧管一体型圧力センサ - Google Patents

受圧管一体型圧力センサ

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JPH07335911A
JPH07335911A JP6123637A JP12363794A JPH07335911A JP H07335911 A JPH07335911 A JP H07335911A JP 6123637 A JP6123637 A JP 6123637A JP 12363794 A JP12363794 A JP 12363794A JP H07335911 A JPH07335911 A JP H07335911A
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pressure
thin film
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pressure sensor
resistance
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Yoshihiko Suzuki
義彦 鈴木
Toshinori Nosaka
俊紀 野坂
Soichi Ogawa
倉一 小川
Hiroshi Takenaka
宏 竹中
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Osaka Municipal Government
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Abstract

(57)【要約】 【目的】小型であり、且つ素子特性の再現性に優れた圧
力センサを提供することを主な目的とする。 【構成】1.受圧管と受圧管ダイアフラムを備えた受圧
管一体型圧力センサにおいて、ダイアフラム表面に酸化
ケイ素薄膜を介して酸化クロム薄膜からなるひずみセン
サ素子を形成したことを特徴とする受圧管一体型圧力セ
ンサ。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、受圧管一体型圧力セン
サに関する。
【0002】
【従来技術とその問題点】近年半導体Si単結晶の歪み
抵抗変化を利用した拡散型圧力センサが広く使用されて
いる。このセンサは、感度が高い、モノリシックに作製
したICにより温度依存性が補正できる、ICプロセス
により小型センサを大量に作製できるので比較的安価で
あるなどの利点を有している。しかしながら、この構造
のセンサは、500kg/cm2程度以上の高圧用セン
サとして使用する場合には、センサ部であるSiと流体
圧力をセンサに導入する支持台との接続部で剥離を生ず
るという問題が発生する。
【0003】現行の高圧用圧力センサは、測定圧力とバ
ランスする受圧装置の変位量を読み取る“変位式”と、
圧力によってセンサ材料に誘起された歪による物性変化
を電気信号として読み取る“ひずみ式”とに大別でき
る。
【0004】より具体的に、変位式は、ブルドン管、ベ
ローズ、ダイアフラムなどの変位を読み取るタイプの装
置であり、高圧力の測定に適しているが、装置自体が大
きくなり、センサを小型化しようという要求には合致し
ない。
【0005】一方、ひずみ式は、ダイアフラムの変形を
ひずみセンサを利用して測定する方式が主流である。こ
の方式の装置は、小型化が可能であり、ひずみ抵抗を測
定しているので、測定回路が簡単であるという利点を有
している。
【0006】しかしながら、上記のように、高感度の故
に、近年広く利用されている半導体Siを使用する圧力
センサには、センサと受圧管との接合部分が高圧に十分
に耐えられないという難点がある。これに対して、金属
ひずみゲージ(センサ)をダイアフラム(受圧部)に張
り合わせたタイプの装置は、その様な問題点がないの
で、高圧用センサに適しており、温度依存性が少ないと
いう利点も備えている。しかしながら、このタイプの装
置は、出力が小さく、センサとダイアフラムの接着状態
が素子特性に大きな影響を与えるので、特性の再現性に
優れた素子を作製することが困難である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は、小
型であり、且つ素子特性の再現性に優れた圧力センサを
提供することを主な目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の様な
技術の現状に鑑みて、鋭意研究を重ねた結果、受圧管の
ダイアフラム表面に酸化クロム薄膜からなる歪みセンサ
素子を形成させる場合には、小型で、素子特性の再現性
に優れた圧力センサが得られることを見出した。
【0009】すなわち、本発明は、下記の圧力センサを
提供するものである; 1.受圧管と受圧管ダイアフラムを備えた受圧管一体型
圧力センサにおいて、ダイアフラム表面に酸化ケイ素薄
膜を介して酸化クロム薄膜からなるひずみセンサ素子を
形成したことを特徴とする受圧管一体型圧力センサ。
【0010】圧力センサのセンサ素子部としては、金属
のように抵抗温度係数(TCR)が比較的小さく、Si
のようにゲージファクターが大きく、また電気抵抗も大
きい薄膜材料が最も望ましい。
【0011】従来から、薄膜材料を使用する圧力センサ
用のセンサ素子としては、アモルファスSi(或いはマ
イクロクリスタリンSi)薄膜による圧力センサが開発
されている(例えば、本間俊男:センサ技術、Vol.5,N
o.3,p30-36(1985))。このセンサは、ゲージファクタ
ー(抵抗の歪みによる変化)が大きく、比抵抗も高いも
のの、アモルファスSiは、抵抗の温度係数が大きいと
いう欠点を有している。また、その製造には、高度に管
理されたシラン利用設備と高価なプラズマCVD或いは
光CVD装置が必要であり、有毒なシランガスを使用す
る作業上の厳重な注意も必要である。
【0012】これに対し、本発明において使用する酸化
クロム薄膜は、センサ素子部に求められる上記の条件を
全て具備しており、且つその製造も安全で、且つ比較的
容易である。
【0013】本発明による受圧管一体型圧力センサは、
図1に断面図として概要を示す構造を有している。図1
に示す圧力センサにおいて、受圧管1のダイアフラム3
の表面には、酸化ケイ素薄膜5を介して酸化クロム薄膜
7が形成されている。この圧力センサの構造は、センサ
素子が酸化クロムと結晶性クロムとが混在する酸化クロ
ム薄膜により形成されている以外の点では、アモルファ
スSi(或いはマイクロクリスタリンSi)薄膜を備え
た公知の圧力センサと異なるところはない。
【0014】センサ素子部としての酸化クロム薄膜の形
成は、特に限定されるものではないが、通常以下のよう
にして行われる。
【0015】すなわち、受圧管一体型圧力センサのダイ
アフラムの表面にCVD法により酸化シリコン薄膜を成
膜した後、金属Cr(好ましくは99.99%以上)を
ターゲットとするスパッタ法により酸化クロム薄膜を成
膜する。スパッタに先立って、Arガスによるプレスパ
ッタを行って、ターゲット表面を清浄化した後、さらに
酸化クロム薄膜成膜時と同じ分圧の酸素を導入して、プ
レスパッタすることが好ましい。成膜時にはダイアフラ
ムを例えば350℃程度まで加熱しても良い。成膜時の
酸素分圧は、通常3×10-3〜6×10-4torr程度であ
る。
【0016】本発明による圧力センサは、高圧用圧力セ
ンサとしてのみならず、低圧用圧力センサとしても、有
用である。
【0017】
【発明の効果】本発明によれば、抵抗温度係数が小さ
く、ゲージファクターが大きく、抵抗が半導体と同程度
という酸化クロム薄膜を備えた受圧管一体型圧力センサ
がえられる。
【0018】この圧力センサは、出力電圧が高く、リニ
アリティーに優れている。
【0019】
【実施例】以下に実験例および実施例を示し、本発明の
特徴とするところをより一層明確にする。
【0020】以下においては、比抵抗は、4端子法によ
り測定した。また、圧力による抵抗の変化は、油圧によ
りダイアフラムに圧力を加えるタイプの装置を用い、測
定圧力5kg/cm2にて測定した。
【0021】実験例1 SUS316製基板(10×10×1mm3)上にCV
D法によりSiO2薄膜(約500nm)を成膜し、そ
の上に99.99%金属Crをターゲットとする直流ス
パッタ法によりCr薄膜またはCrOx薄膜(約160
nm)を成膜した。酸化クロムの成膜に先立っては、A
rガスによりプレスパッタを15分行い、ターゲット表
面を清浄化した後、さらに酸素ガスをCrOx成膜時と
同じ分圧だけ導入し(但し、Cr成膜時は酸素を導入し
ない)、成膜時と同一条件で10分間プレスパッタし、
次いでCrOxを成膜した。
【0022】CrOx成膜時の条件を表1に示す。
【0023】
【表1】
【0024】酸素分圧0Torr(無酸素状態)で形成され
たCr薄膜では、抵抗の圧力変化率(ΔR/R)が小さ
く、比抵抗も小さいので、所望の性能を有する圧力セン
サが得られないことが判明した。
【0025】そこで、酸素ガスの導入下にCrOx薄膜
を成膜した。図2に基板を加熱することなく作製したC
rOx薄膜の抵抗の酸素ガス分圧依存性を示す。DC投
入電力が80wの場合には、酸素分圧を変えても5×1
-4Torrまでは抵抗はそれほど大きな変化を示さない
が、6×10-4Torrの酸素分圧で抵抗が無限大となり、
絶縁物が形成される。DC投入電力が160wの場合に
は、酸素分圧の増加とともに抵抗は僅かに上昇する傾向
が認められるが、8×10-4Torrで急激に比抵抗が増大
している。
【0026】また、図3に図2に関連して示したと同様
の成膜条件で作製したCrOx薄膜について、そのΔR
/Rの酸素分圧依存性を示す。左端の矢印で示した値
は、酸素を導入することなく作製したCr薄膜について
の値である。図3に示す結果から、酸素分圧が上昇する
とともにΔR/Rの値が上昇していることが明らかであ
る。ΔR/Rの値が最大である時のTCR(抵抗温度係
数)は、500ppmであった。
【0027】基板を加熱すると、酸化がより促進され、
低い酸素分圧から酸化の効果が現れはじめて、酸素分圧
による抵抗の変化、歪抵抗の変化が緩やかになるものと
考えられる。また、基板温度が高いほど、膜と基板との
密着性も良くなる。
【0028】図4に基板温度を350℃として上記と同
様にして作製したCrOx薄膜について、その抵抗の酸
素分圧依存性を示す。例えば、DC投入電力が240w
の場合には、酸素分圧6×10-4Torrで比抵抗が少し上
昇し始め、7×10-4Torrで絶縁物が形成されており、
全体としての抵抗の酸素分圧依存性の傾向は、基板を加
熱することなく成膜した場合(図2参照)とほとんど変
わっていない。
【0029】図5に図4に関連して示したと同様の成膜
条件で作製したCrOx薄膜について、そのΔR/Rの
酸素分圧依存性を示す。基板を加熱することなく成膜し
た場合と同様に、酸素を導入することにより、ΔR/R
は上昇し、酸素分圧6×10-4Torrで1.2×10-3
なった。この値は、Si単結晶を利用する圧力センサの
値とほぼ同程度である。図6にこの様にして作製したC
rOx薄膜についてのTCRの酸素分圧依存性を示す。
酸素分圧を増加させると、TCRが低下している様子が
認められる。酸素分圧6×10-4Torrでは、TCR50
ppmという極めて低い値が得られた。図5および図6
に示す結果から、圧力による抵抗変化率が大きく、且つ
TCRが小さいというCrOx薄膜が得られていること
が明らかである。
【0030】実験例2 実験例1に示す結果から、酸素を導入してCrOx薄膜
を作製することにより、高感度の圧力センサ素子が得ら
れることが明らかとなったので、その様な薄膜の構造を
調べるために、ESCAによる解析を行った。基板温度
に関係なくほぼ同様の結果が得られたので、基板温度3
50℃の場合の結果のみを図7に示す。
【0031】酸素分圧0の場合には、Crのみのピーク
が現れている。また、酸素分圧1×10-3Torrの場合に
は、アモルファス状態のCrOx絶縁物のみが形成され
た。
【0032】これに対し、酸素分圧3×10-4〜8×1
-4Torrの範囲では、結晶性Cr(結晶粒径50〜10
0オングストローム程度)とアモルファス状態のCrO
x(1≦x≦2程度)とが混在する酸化クロム薄膜が得
られた。
【0033】実施例1 SUS630製の受圧管の受圧管ダイアフラム上にCV
D法により酸化シリコン薄膜(約500nm)を成膜
し、次いで酸化クロム薄膜(約500nm)を成膜した
後、フォトリソグラフィ法により約45μm幅の細線パ
ターンにエッチングし、通常より利用されているブリッ
ジ回路を備えたセンサ素子を形成させた。その概要は、
図1に示す通りである。酸化クロム薄膜の成膜条件は、
基板温度350℃、酸素分圧4.5×10-4Torr〜7.
5×10-4Torrであった。
【0034】通常のSi圧力センサと同様に、圧力0で
4mA、フル圧力で20mAが出力できるように回路調
整を行った。
【0035】圧力に対するセンサ出力の変化は、図8に
示す通りであった。使用圧力範囲は、受圧管の直径とダ
イアフラムの厚さにより、変わる。例えば、受圧管の直
径を6mmとした場合、5kg/cm2用では厚さ0.
25mm、20kg/cm2用では厚さ0.5mm、1
00kg/cm2用では厚さ0.75mmであった。
【0036】図8に示す様に、本発明による圧力センサ
は、圧力に対して、リニアーな出力を示す。リニアリテ
ィーからの最大のずれは、0.1%以下であった。
【0037】なお、より高圧の圧力測定を行うために
は、ダイアフラムの厚さを増大すればよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による受圧管一体型圧力センサの概要を
示す断面図である。
【図2】基板を加熱することなく作製したCrOx薄膜
について、その抵抗の酸素ガス分圧依存性を示すグラフ
である。
【図3】基板を加熱することなく作製したCrOx薄膜
について、そのΔR/Rの酸素分圧依存性を示すグラフ
である。
【図4】基板温度を350℃として作製したCrOx
膜について、そのΔR/Rの酸素分圧依存性を示すグラ
フである。
【図5】基板温度を350℃として作製したCrOx
膜について、その抵抗の酸素分圧依存性を示すグラフで
ある。
【図6】基板温度を350℃として作製したCrOx
膜について、そのTCRの酸素分圧依存性を示すグラフ
である。
【図7】ESCAによるCrOx薄膜の構造解析を示す
グラフである。
【図8】実施例1で得られた本発明による圧力センサの
圧力と出力との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1…受圧管 3…ダイアフラム 5…SiO2薄膜 7…CrOx薄膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小川 倉一 兵庫県神戸市垂水区狩口台7丁目18−7 (72)発明者 竹中 宏 大阪府大阪市北区茶屋町2−4 日本リニ アックス株式会社内

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】受圧管と受圧管ダイアフラムを備えた受圧
    管一体型圧力センサにおいて、ダイアフラム表面に酸化
    ケイ素薄膜を介して酸化クロム薄膜からなるひずみセン
    サ素子を形成したことを特徴とする受圧管一体型圧力セ
    ンサ。
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