JPH0746065B2 - 高圧用圧力検出器 - Google Patents
高圧用圧力検出器Info
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- JPH0746065B2 JPH0746065B2 JP60058499A JP5849985A JPH0746065B2 JP H0746065 B2 JPH0746065 B2 JP H0746065B2 JP 60058499 A JP60058499 A JP 60058499A JP 5849985 A JP5849985 A JP 5849985A JP H0746065 B2 JPH0746065 B2 JP H0746065B2
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- pressure
- metal
- glass layer
- thermal expansion
- coefficient
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
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Classifications
-
- 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
- G01L9/0055—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements bonded on a diaphragm
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- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は油圧あるいは内燃機関の燃焼圧等の比較的高圧
（50kg/cm2以上）を検出する圧力検出器に関する。
（50kg/cm2以上）を検出する圧力検出器に関する。
圧力センサとしては、圧電セラミックを用いたもの、金
属ストレインゲージを用いたもの、半導体ストレインゲ
ージを用いたものが一般に知られている。この中では、
圧電セラミックを用いたものは、圧力変化を加速度で測
定するため加圧状態を維持した場合の圧力測定が困難で
あり測定できたとしても、信号処理が複雑となる。金属
ストレインゲージは感度があまりよくない。半導体式セ
ンサーは感度が良好であり、圧力の絶対値がそのまま比
例して出力されるため、信号処理も簡単である。しかし
ながら市販されている半導体式圧力センサは低圧用であ
り内燃機関の油圧燃焼圧等の50kg/cm2以上の高圧用のも
のは市販されていないのが現状である。
属ストレインゲージを用いたもの、半導体ストレインゲ
ージを用いたものが一般に知られている。この中では、
圧電セラミックを用いたものは、圧力変化を加速度で測
定するため加圧状態を維持した場合の圧力測定が困難で
あり測定できたとしても、信号処理が複雑となる。金属
ストレインゲージは感度があまりよくない。半導体式セ
ンサーは感度が良好であり、圧力の絶対値がそのまま比
例して出力されるため、信号処理も簡単である。しかし
ながら市販されている半導体式圧力センサは低圧用であ
り内燃機関の油圧燃焼圧等の50kg/cm2以上の高圧用のも
のは市販されていないのが現状である。
なぜなら従来の半導体式圧力センサは半導体基板自体が
受圧部となっており基板の耐圧が低いため高圧では使用
できない問題を有するからである。
受圧部となっており基板の耐圧が低いため高圧では使用
できない問題を有するからである。
特公昭58−5372号公報には、金属ダイヤフラム上にスト
レインゲージを構成した圧力検出装置の例が開示されて
いる。ストレインゲージは、蒸着または貼着により直接
ダイヤフラムに密着されていることからこのストレイン
ゲージは金属ストレインゲージと判明される。なぜなら
半導体ひずみゲージは上記方法での金属への接着は不可
能だからである。
レインゲージを構成した圧力検出装置の例が開示されて
いる。ストレインゲージは、蒸着または貼着により直接
ダイヤフラムに密着されていることからこのストレイン
ゲージは金属ストレインゲージと判明される。なぜなら
半導体ひずみゲージは上記方法での金属への接着は不可
能だからである。
他の例として特開昭57−48629号公報に開示された圧力
センサがある。これは、センサとして圧電セラミックを
用いた例である。
センサがある。これは、センサとして圧電セラミックを
用いた例である。
これら２つの例の圧力検出装置には高圧下においてリニ
アな出力が高感度に得られない等の問題があり改善を要
望されていた。
アな出力が高感度に得られない等の問題があり改善を要
望されていた。
本発明は感度の高い半導体ストレインゲージを用い、高
圧が検出できる高圧力検出器を提供することを目的とす
る。
圧が検出できる高圧力検出器を提供することを目的とす
る。
上記の目的は、本発明によれば、50kg/cm2以上の圧力を
検出する高圧用圧力検出器であって、金属管の開放され
た一端から導入された検出対象圧力を、該金属管の他端
に一体的に形成され、該他端を閉鎖している熱膨張係数
約2.0×10-6℃−１〜約6.0×10-6℃−１の金属ダイヤフ
ラムに負荷するようになっており、該金属ダイヤフラム
の該圧力負荷側とは反対側の表面の全面には熱膨張係数
約2.0×10-6℃−１〜約6.0×10-6℃−１のガラス層が接
着されており、該ガラス挿の該金属ダイヤフラム接着剤
側とは反対側の表面には半導体歪みゲージとして作用す
るシリコン半導体チップが接着されていることを特徴と
する高圧用圧力検出器によって達成される。
検出する高圧用圧力検出器であって、金属管の開放され
た一端から導入された検出対象圧力を、該金属管の他端
に一体的に形成され、該他端を閉鎖している熱膨張係数
約2.0×10-6℃−１〜約6.0×10-6℃−１の金属ダイヤフ
ラムに負荷するようになっており、該金属ダイヤフラム
の該圧力負荷側とは反対側の表面の全面には熱膨張係数
約2.0×10-6℃−１〜約6.0×10-6℃−１のガラス層が接
着されており、該ガラス挿の該金属ダイヤフラム接着剤
側とは反対側の表面には半導体歪みゲージとして作用す
るシリコン半導体チップが接着されていることを特徴と
する高圧用圧力検出器によって達成される。
上記の熱膨張係数は線膨張係数で表し、20℃〜300℃の
平均熱膨張係数で示す。
平均熱膨張係数で示す。
以下本発明を図面に基づいて説明する。
第1A図は本発明に係る実施例を示す断面図であり第1B図
は第1A図のＡ部分拡大断面図である。
は第1A図のＡ部分拡大断面図である。
第1B図に示すように圧力１を直接受ける部分を金属ダイ
ヤフラムで形成し、該ダイヤフラム２と、半導体ストレ
インゲージとなるシリコン（Si）チップ３とがガラス層
４を介して装着されている。尚、第1A図に示されるよう
に、ダイヤフラム２は圧力導入孔と一体的に形成されて
いる。該構成は第1A図に示されたようにハウジング５と
コネクタ６によって形成された画室７内に収納される。
８はリード線、９はセラミック基板である。
ヤフラムで形成し、該ダイヤフラム２と、半導体ストレ
インゲージとなるシリコン（Si）チップ３とがガラス層
４を介して装着されている。尚、第1A図に示されるよう
に、ダイヤフラム２は圧力導入孔と一体的に形成されて
いる。該構成は第1A図に示されたようにハウジング５と
コネクタ６によって形成された画室７内に収納される。
８はリード線、９はセラミック基板である。
上記構成をとるに至った理由を以下説明する。
直接圧力を受ける部分は耐久性の大きい金属ダイヤフラ
ムで構成する。次にこの金属ダイヤフラムとSiチップと
の接着であるが我々はまず最も簡易的な方式であるはん
だにより両者を接着し圧力センサを構成し、センサ感度
が温度によりどのような影響を受けるか温度特性を測定
してみた。その結果を第２図に示す。
ムで構成する。次にこの金属ダイヤフラムとSiチップと
の接着であるが我々はまず最も簡易的な方式であるはん
だにより両者を接着し圧力センサを構成し、センサ感度
が温度によりどのような影響を受けるか温度特性を測定
してみた。その結果を第２図に示す。
感度は、単位面積あたりの単位圧力での出力（mV）で示
した。尚圧力と出力は良好な直線関係を示していた。図
１からわかるように試作センサの温度特性はセンサごと
に傾向がバラバラで温度が上昇すれば感度が増加するも
のもあれば減少するものもある。このようにセンサごと
に温度特性の傾向が一定でないものを調整することは不
可能である。我々はこの原因がはんだとSiの熱膨脹の違
いからくるものであり、はんだ付け後冷却時に生じる熱
ひずみによるものでないかと考えた。Siに近い小さな熱
膨脹係数を有するはんだは無い。そこで熱膨張係数をか
なりの範囲で自由に選択できるガラスをダイヤフラムと
Siチップの間の媒体として使用することを考慮した。下
記第１表及び第３図に種々の金属とガラスとシリコンチ
ップの接合状態のテスト結果を示す。
した。尚圧力と出力は良好な直線関係を示していた。図
１からわかるように試作センサの温度特性はセンサごと
に傾向がバラバラで温度が上昇すれば感度が増加するも
のもあれば減少するものもある。このようにセンサごと
に温度特性の傾向が一定でないものを調整することは不
可能である。我々はこの原因がはんだとSiの熱膨脹の違
いからくるものであり、はんだ付け後冷却時に生じる熱
ひずみによるものでないかと考えた。Siに近い小さな熱
膨脹係数を有するはんだは無い。そこで熱膨張係数をか
なりの範囲で自由に選択できるガラスをダイヤフラムと
Siチップの間の媒体として使用することを考慮した。下
記第１表及び第３図に種々の金属とガラスとシリコンチ
ップの接合状態のテスト結果を示す。
Siチップの接合法としては次の２種類を検討した。即ち
低融点ガラス法と陽極接合法である。低融点ガラス法は
金属板上にペースト状ガラス粉を印刷し、本焼成よりも
若干低い温度で仮焼した後、Siチップをのせ本焼成する
ことにより接着する。陽極接合法は、第４図に示すよう
に金属板13にガラス12を印刷し焼成した後、Siチップ11
をのせ真空中でSiチップ側に＋金属板側に−を印加し30
0℃程度の温度をかけることによって接着させる。14は
ホルダー、15はヒータそして16はチャンバである。第１
表から明らかなように金属板、ガラス層、Siチップの３
者の接合は金属板ガラス層各々の熱膨脹係数に大きく影
響され、金属板、ガラス層各々の熱膨脹係数が2.0×10
-6〜6.0×10-6／℃の範囲にないとSiチップもしくはガ
ラス層が破損する。また陽極接合を行なった際は第３図
に示すように上記条件以外にガラス層の面粗度が0.05μ
mRaよりも良好なものでないと接着しないことが判明し
た。即ち低融点ガラス接合、陽極接合とも金属ダイヤフ
ラム及びガラス層の熱膨脹係数がシリコンにある程度近
いことが必要であり、その範囲は、2.0×10-6〜6.0×10
-6℃−１でありこの範囲を超えるとSiチップの破損、ガ
ラス層のクラックが生じ良好な接合ができにくい。また
陽極接合を施す場合は、それ以外にガラス層面粗度の管
理が必要であり、その範囲はRa値で0.05μｍよりも小さ
い値をとる必要がある。
低融点ガラス法と陽極接合法である。低融点ガラス法は
金属板上にペースト状ガラス粉を印刷し、本焼成よりも
若干低い温度で仮焼した後、Siチップをのせ本焼成する
ことにより接着する。陽極接合法は、第４図に示すよう
に金属板13にガラス12を印刷し焼成した後、Siチップ11
をのせ真空中でSiチップ側に＋金属板側に−を印加し30
0℃程度の温度をかけることによって接着させる。14は
ホルダー、15はヒータそして16はチャンバである。第１
表から明らかなように金属板、ガラス層、Siチップの３
者の接合は金属板ガラス層各々の熱膨脹係数に大きく影
響され、金属板、ガラス層各々の熱膨脹係数が2.0×10
-6〜6.0×10-6／℃の範囲にないとSiチップもしくはガ
ラス層が破損する。また陽極接合を行なった際は第３図
に示すように上記条件以外にガラス層の面粗度が0.05μ
mRaよりも良好なものでないと接着しないことが判明し
た。即ち低融点ガラス接合、陽極接合とも金属ダイヤフ
ラム及びガラス層の熱膨脹係数がシリコンにある程度近
いことが必要であり、その範囲は、2.0×10-6〜6.0×10
-6℃−１でありこの範囲を超えるとSiチップの破損、ガ
ラス層のクラックが生じ良好な接合ができにくい。また
陽極接合を施す場合は、それ以外にガラス層面粗度の管
理が必要であり、その範囲はRa値で0.05μｍよりも小さ
い値をとる必要がある。
以上のような要求を満たして製作した圧力センサの特性
を第５図に示す。No.4〜No.6までがそれぞれ３つとも温
度上昇と共に感度が低下しており、３つとも同じ傾向を
示している。従って温度特性の傾向が一定であり調整可
能となる。以上のようにガラス層を介在させ金属ダイヤ
フラムとSiチップを結合した構成のものは、はんだで見
られたような問題点が解消した。
を第５図に示す。No.4〜No.6までがそれぞれ３つとも温
度上昇と共に感度が低下しており、３つとも同じ傾向を
示している。従って温度特性の傾向が一定であり調整可
能となる。以上のようにガラス層を介在させ金属ダイヤ
フラムとSiチップを結合した構成のものは、はんだで見
られたような問題点が解消した。
以上説明したように本発明によれば直接圧力を受ける部
分が耐久性の大きな金属ダイヤフラムで構成されている
ので高圧に耐えしかも感度のバラツキを減少させること
ができた。
分が耐久性の大きな金属ダイヤフラムで構成されている
ので高圧に耐えしかも感度のバラツキを減少させること
ができた。
第1A図は本発明の実施例を示す断面図であり、第1B図は
第1A図中のＡ部の拡大断面図であり、第２図は本発明に
係る温度と感度との関係を示す図であり、第３図は陽極
接合におけるガラス層の面粗面とSiチップ接合強度との
関係を示す図であり、第４図は本発明に係る陽極接合法
を説明するための断面図であり、第５図は本発明に係る
圧力センサの特性を示す図である。 １……圧力、２……金属ダイヤフラム、3,11……Siチッ
プ、4,12……ガラス層、５……ハウジング、６……コネ
クタ、８……リード線、９……セラミック基板、13……
金属、14……ホルダー、15……ヒータ、16……チャン
バ。
第1A図中のＡ部の拡大断面図であり、第２図は本発明に
係る温度と感度との関係を示す図であり、第３図は陽極
接合におけるガラス層の面粗面とSiチップ接合強度との
関係を示す図であり、第４図は本発明に係る陽極接合法
を説明するための断面図であり、第５図は本発明に係る
圧力センサの特性を示す図である。 １……圧力、２……金属ダイヤフラム、3,11……Siチッ
プ、4,12……ガラス層、５……ハウジング、６……コネ
クタ、８……リード線、９……セラミック基板、13……
金属、14……ホルダー、15……ヒータ、16……チャン
バ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 水野 直仁 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 服部 正 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (56)参考文献 特開 昭49−102387（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−57591（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−6816（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−148437（ＪＰ，Ａ) 実開 昭57−144039（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭54−41306（ＪＰ，Ｂ２) 計測自動制御学会編「自動制御ハンドブ ック、機器・応用編」株式会社オーム社発 行 昭和58年10月30日、第13頁
Claims (1)
- 【請求項１】50kg/cm2以上の圧力を検出する高圧用圧力
検出器であって、 金属管の開放された一端から導入された検出対象圧力
を、該金属管の他端に一体的に形成され、該他端を閉鎖
している熱膨張係数約2.0×10-6℃−１〜約6.0×10-6℃
−１の金属ダイヤフラムに負荷するようになっており、
該金属ダイヤフラムの該圧力負荷側とは反対側の表面の
全面には熱膨張係数約2.0×10-6℃−１〜約6.0×10-6℃
−１のガラス層が接着されており、該ガラス層の該金属
ダイヤフラム接着側とは反対側の表面には半導体歪みゲ
ージとして作用するシリコン半導体チップが接着されて
いることを特徴とする高圧用圧力検出器。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60058499A JPH0746065B2 (ja) | 1985-03-25 | 1985-03-25 | 高圧用圧力検出器 |
| US06/842,175 US4712082A (en) | 1985-03-25 | 1986-03-21 | Pressure sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60058499A JPH0746065B2 (ja) | 1985-03-25 | 1985-03-25 | 高圧用圧力検出器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61217733A JPS61217733A (ja) | 1986-09-27 |
| JPH0746065B2 true JPH0746065B2 (ja) | 1995-05-17 |
Family
ID=13086111
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60058499A Expired - Lifetime JPH0746065B2 (ja) | 1985-03-25 | 1985-03-25 | 高圧用圧力検出器 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4712082A (ja) |
| JP (1) | JPH0746065B2 (ja) |
Families Citing this family (22)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0711461B2 (ja) * | 1986-06-13 | 1995-02-08 | 株式会社日本自動車部品総合研究所 | 圧力検出器 |
| EP0380661A4 (en) * | 1987-10-07 | 1991-08-14 | Kabushiki Kaisha Komatsu Seisakusho | Semiconducteur thin-film pressure sensor and method of producing the same |
| IT1223710B (it) * | 1988-07-21 | 1990-09-29 | Marelli Autronica | Trasduttore di altissima pressione in particolare per il rilevamento della pressione di un fluido idraulico |
| US4939497A (en) * | 1989-04-18 | 1990-07-03 | Nippon Soken, Inc. | Pressure sensor |
| DE3914015C2 (de) * | 1989-04-25 | 1998-03-19 | Siemens Ag | Verfahren zum Verbinden von Silizium-Einkristall-Bauteilen |
| US4909083A (en) * | 1989-06-26 | 1990-03-20 | Itt Corporation | Pressure/differential pressure measuring device |
| DE4206592A1 (de) * | 1992-03-03 | 1993-09-09 | Nowak Klaus | Verfahren und vorrichtung zur leistungsmessung von motoren |
| JP3383081B2 (ja) | 1994-07-12 | 2003-03-04 | 三菱電機株式会社 | 陽極接合法を用いて製造した電子部品及び電子部品の製造方法 |
| DE19525388B4 (de) * | 1994-07-12 | 2005-06-02 | Mitsubishi Denki K.K. | Elektronikbauteil mit anodisch gebondetem Leiterrahmen |
| US5581226A (en) * | 1994-11-02 | 1996-12-03 | Motorola, Inc. | High pressure sensor structure and method |
| JP3160796B2 (ja) * | 1995-05-30 | 2001-04-25 | 株式会社日立製作所 | 半導体圧力検出器 |
| JP4161410B2 (ja) | 1997-07-25 | 2008-10-08 | 株式会社デンソー | 圧力検出装置 |
| JP2000009569A (ja) * | 1998-06-26 | 2000-01-14 | Denso Corp | 圧力センサの製造方法 |
| JP2003302299A (ja) * | 2002-04-10 | 2003-10-24 | Denso Corp | 力学量検出装置の製造方法 |
| JP4115859B2 (ja) * | 2003-02-28 | 2008-07-09 | 株式会社日立製作所 | 陽極接合方法および電子装置 |
| EP1486653B1 (en) * | 2003-06-12 | 2016-04-13 | Denso Corporation | Combustion pressure sensor |
| GB2410551B (en) * | 2004-01-30 | 2006-06-14 | Westerngeco Ltd | Marine seismic acquisition system |
| DE102006023724B4 (de) * | 2006-05-19 | 2008-08-07 | Trafag Ag | Messzellenanordnung für einen Drucksensor mit Kraftmesselement aus Glas |
| IT1400619B1 (it) | 2010-05-12 | 2013-06-14 | Metallux Sa | Sensore di pressione |
| CN102636301A (zh) * | 2012-04-28 | 2012-08-15 | 无锡永阳电子科技有限公司 | 一种粘贴传感器芯片的方法 |
| JP6371012B2 (ja) * | 2015-09-30 | 2018-08-08 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | 力学量測定装置およびそれを用いた圧力センサ |
| JP6611953B2 (ja) | 2016-08-23 | 2019-11-27 | 日本特殊陶業株式会社 | 歪みセンサ |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US3341796A (en) * | 1966-03-23 | 1967-09-12 | Statham Instrument Inc | Force transducer |
| JPS5441304B2 (ja) * | 1974-01-25 | 1979-12-07 | ||
| JPS5441306B2 (ja) * | 1974-04-01 | 1979-12-07 | ||
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| US4481497A (en) * | 1982-10-27 | 1984-11-06 | Kulite Semiconductor Products, Inc. | Transducer structures employing ceramic substrates and diaphragms |
| JPS59141273A (ja) * | 1983-02-01 | 1984-08-13 | Anelva Corp | 薄膜装置 |
-
1985
- 1985-03-25 JP JP60058499A patent/JPH0746065B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1986
- 1986-03-21 US US06/842,175 patent/US4712082A/en not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 計測自動制御学会編「自動制御ハンドブック、機器・応用編」株式会社オーム社発行昭和５８年１０月３０日、第１３頁 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US4712082A (en) | 1987-12-08 |
| JPS61217733A (ja) | 1986-09-27 |
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