JPH07500915A - 増幅圧力変換器 - 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】 増幅圧力変換器 発明の背景 Ｚ用皇分望 本発明は一般に圧力変換器に関し、特に、温度変化又は変換器に加わる外力に起 因するストレスによって起こりいる測定誤差を回避しつつ、きわめて低い圧力の 測定を可能にするために、ストレス減少構成を取り入れた圧力変換器に関する。

従来の技術の説明 当業者には、数多くの異なる種類の圧力変換器が知られている。特定の１つの種 類の圧力変換器は面に加わる圧力に応答してたわむダイアプラム部分を育するシ リコン基板を利用している。この種の圧力変換器において、ダイアフラム上に複 数のピエゾ抵抗素子を設けることは非常に良く知られている。それらのピエゾ抵 抗素子は、素子の抵抗の変化をストレスにより誘起されるピエゾ抵抗素子の抵抗 率の変化から電気的に確定できるように、通常はブリッジ配列で接続される。

ダイアフラムに加わる圧力に応答して基板のダイアプラムが変形すると、ピエゾ 抵抗素子はその抵抗特性を変化させるストレスを受ける。ピエゾ抵抗素子の抵抗 を測定することによって、ダイアフラムの変形の大きさを確定でき、その結果と してダイアフラムに加わる圧力を計算できる。圧力変換器が差圧を測定する目的 で使用されるためのものである場合には、ダイアフラムの一方の面は第１の圧力 を受け、他方の面は第２の圧力を受ける。

１９８２年６月８日にＭａｌｌｏｎ他へ発行された米国特許第４．３３３，３４ ９号は、圧力センサにおいて一般に使用されている種類のピエゾ抵抗半導体ブリ ッジ構成と関連して使用するための特定の平衡用ネットワークを説明している。

平衡用ネットワークは、ブリッジ構成中の感知素子に接続する複数の直列抵抗器 を含む。それぞれの抵抗器は２の累乗に従う従来の抵抗器とは異なり、２進ラダ 一配列を形成している。変換器メーカーの個で１つ又は複数の抵抗器を選択的に 短絡させて、零平衡補正を実行できるように、個々の抵抗器は端子と関連してい る。抵抗器は半導体基板の非活動部分に配置されており、所望の温度動作範囲を もって装置の温度追跡を確実にできるように、半導体ピエゾ抵抗感知素子の製造 に採用されるのと同じ技法により製造される。この特定の特許は特定の２進平衡 装面を説明しているが、複数の感知素子、すなわち、ピエゾ抵抗素子を採用する という基本概念は当業者には非常に良く知られている。

１９８２年２月２日にトミナガ他へ発行された米国特許第４．３１４，２５５号 は、一方の面の表面領域に少なくとも１つの拡散抵抗器が形成されているシリコ ンダイアフラムなどの半導体ダイアフラムを有する圧力センサを開示している。

ダイアフラムを有するシリコンブロックは、拡散抵抗器が箱形パッケージの中に 規定される真空チャンバの中の露出し且つ流体圧力がパッケージの穴を通してダ イアフラムの背面に到達することができるように、パッケージの内側に接合され ている。熱の影響によるシリコンダイアフラムの望ましくないひずみを最小にす るために、パッケージはシリコンに近い線膨張係数を有するムライトなどの材料 から形成されている。意図しない外力の影響によるセンサの出力特性の偶発的変 化を防止するために、パッケージを柱状の鉛フレームによりベースプレートの上 方に支持し、そのベースプレートにキャップを固定することにより形成される空 間の中に封入する。ベースプレート又はキャップのいずれかに圧力導入パイプが 取り付けられている。

１９８１年１０月１３０にＬａｋｅ他へ発行された米国特許第４．２９５．１１ ７号は、ピエゾ抵抗ひずみ応答抵抗器を育するダイアフラムが形成されたシリコ ンチップを具備する圧力センサを説明している。圧力センサ素子は、シリコンチ ップとは大きく異なる膨張の温度係数を有する成形ポリエステル材料がら成るハ ウジングの中に取り付けられている。ハウジングから台へストレスが伝達される のをほとんど阻止するガラスの台を柔軟な接着剤によりハウジングに固着して成 る１１１ｍを取り付けることにより、シリコンチップを熱誘起ストレスやその他 のストレスから保護している。台は短いペデスタルであり、その上に、シリコン チップを支持するがラスダイが取り付けられている。短いペデスタルは、台のス トレスがいずれもペデスタルの領域の外側で吸収されるように、台に局所的剛性 を追加する。ストレスの伝達をさらに抑止するために、ガラスダイの一方の面は 相対的に柔らかいエポキシにより台に接合され、シリコンチップはダイのもう一 方の面に固定接合される。ノリコンチップ上の接点は、ハウジングに差込み成形 された導体にワイヤ接合している。

１９８１年９月１日にトミナガ他へ発行された米国特許第４，２８７，５０１号 は、一対の半導体ダイアフラムブロックを具備し、各ブロックは前面に感圧素子 として拡散抵抗器が形成されているダイアプラムを有するような圧力センサを説 明している。ダイアプラムは中空の密封パッケージの中に封入されており、ダイ アフラムの前面がパブケージ内部の真空空間の中に位置するように、周囲支持部 でパッケージの対向する内面に接合されている。このパッケージには、測定すべ き流体圧力をダイアプラムの背面に到達するように導入する穴が設けられている 。

１９８１年６月３０日にトミナガ他へ発行された米国特許第４，２７６．５３３ 号は、中心をはずれた位置にダイアフラムを有するシリコンダイアプラムブロッ クを含み、ダイアプラムの前面に感圧素子として拡散抵抗器が形成されているよ うな圧力センサアセンブリを説明している。ダイアフラムブロックには、ダイア フラムの背面を覆うようにシリコン支持板が接合されている。ダイアフラムアセ ンブリは中空パッケージの内部に収納され、ブロックと支持板の接合面の膨張の 方向に見てダイアフラムから遠いほうのアセンブリの端部でパブケージの内部に 接合されている。測定すべき流体圧力がパッケージ及びパブケージに接合された アセンブリの端部を通って延びる通路を介してダイアフラムの背面に到達するよ うに導入されている間、ダイアフラムの前面及びそこにある拡散抵抗器は真空に さらされる。

当業者が知っている圧力センサの多くは、温度変化又はセンサに加わる外力のい ずれかによって誘起されるストレスに対する圧力センサの感度を低下させるため の技法を採用している。ところが、圧力センサを同じ／Ｘウジング構造の中で増 幅・補正回路と関連して使用する場合には、圧力センサをストレスから保護する 問題は著しく悪化する。多（の状況においては、圧力センサのダイアフラムの上 にあるピエゾ抵抗素子と、セラミック板上の回路及び圧力変換器の外部にある素 子の間に電気信号及び電力を通過させる端子とに電気的連絡状態で接続している セラミック板などの基板の上に増幅０補正回路が配設されている。多くの場合、 ハウジングパッケージはセラミック板とは著しく異なる熱膨張係数を有し、また 、セラミック板自体がダイアフラムとは著しく異なる熱膨張係数を有する。従っ て、温度の変化は圧力変換器の様々の構成要素について、大きさの上で不均等な 変化を起こさせると思われ、その結果、ダイアフラムに不正確さや矛盾を生じさ せる可能性のあるストレスが発生する。加えて、圧力変換器のパッケージは、通 常、より大形のシステムで使用するためのプリント回路基板などの別の素子に取 り付けられる。そのパッケージの他の素子に機械的に取り付けるときに、その取 り付は工程はパッケージにさらにスト１／スを誘起し、そのストレスはシリコン ダイアフラムとそのピエゾ抵抗素子とへ伝達されてしまう。これらの要因全てが 圧力変換器の不適正な動作につながる。

圧力変換器を非常に低い圧力を測定するときに使用しようとして＋１）る場合に は、先に説明した問題は著しく不都合なものである。従って、温度により誘起さ れるストレス及び外力によって発生するストレスの影響を減少させるように、増 幅・補正回路を有する圧力変換器が提供されるならば、有益であろう。

及慰色舞！ 本発明の好ましい一実施例は、底面とその底面に取り付けられた複数の壁とを有 するハウジングを具備する。支持ボスはハウジングの底面にハウジングの壁と接 触しない関係で取り付けられている。支持ボスには感圧装置が取り付けられてお り、支持ボスは感圧装置の第１の面の中心部分と接触する状態で配設されている 。感圧装置は、複数の壁と接触しない関係で支持されている。感圧装置をハウジ ングの外部の第１の領域と流体的に連通ずる状態で接続する第１の手段が設けら れており、ハウジングには複数の導電性端子が堅固に取り付けられて、感圧装置 に近い第１の位置からハウジングの外部の第２の位置まで延びている。感圧装置 をハウジングとの間に封入するために、ハウジングにはカバーが取り付けられる 。ハウジングとカバーとの結合を行うのは、カバーをハウジングに取り付ける複 数のスナップ作用ラッチである。ストレスを感知する構成要素の全てはハウジン グに取り付けられているので、カバーを別の対象物に取り付けることにより、ハ ウジングがその外部の対象物と接触しない関係で位置するように、取付装置がカ バーに取り付けられる。

本発明の好ましい一実施例では、感圧装置は、増幅・補正回路の構成要素が配設 されるセラミック部材を具備する。加えて、セラミック部材には圧力センサが配 設されており、圧力センサは１つ又は複数のピエゾ抵抗素子が配設されたシリコ ンダイアフラムを具備する。感圧装置は、セラミック部材の第２の面に配設され たキャップをさらに具備し、セラミック部材の第１の面はハウジングのボスに取 り付けられている。圧力センサは、キャップとセラミック部材の第２の面との間 に配設される。圧力センサとセラミック部材との間には、シリコンダイアフラム をハウジングからさらに隔離するという目的のために、緩衝板が配設されている 。

差込み成形端子からセラミック部材へストレスが伝達されることのないように、 セラミック部材上の導電性パッドは複数の可撓性導体により端子と電気的に接続 する状態で接続される。ハウジングのボスでセラミック部材を支持したとき、セ ラミック部材の縁部はハウジングの壁と接触しない関係で位置し、セラミック部 材の第１の面の最小限の中心部分のみがボスと物理的に接触している。セラミッ ク部材のその他の部分は中心部分から、圧力変換器の他の全ての部材とは接触し ない関係で延びている。第１の連結手段は、圧力変換器の外部の領域からハウジ ング及びボスを通って、以下にさらに詳細に説明する緩衝板に形成された空洞ま で延びるコンジットを具備し、コンジットはシリコンダイアフラムの第１の面と 流体連通するようになっている。

本発明の好ましい一実施例では、圧力変換器の外部の第２の領域をシリコンダイ アフラムの第２の面と流体的に連通ずる状態で接続するために、第２のコンジッ ト、すなわち、第２の連結手段が設けられている。第２のコンジットはハウジン グの一部分を通り、ボスを通って延びている。さらに、第２のコンジットはセラ ミック部材にある開口を通って、シリコンダイアフラムの第２の面と流体的に連 通しているキャップの下方の領域へ延びている。第２のコンジットを使用すると 、圧力変換器を差圧変換器として利用することができる。

本発明の好ましい実施例においては、セラミック部材は変形自在又は可撓性の接 着剤によってボスに取り付けられる。本発明の最も好ましい実施例では、この変 形自在の化合物はＧｅｎｅｒａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉ。

ｎより適量で市販されている室温加硫性材料（ＲＴＶ）であっても良い。緩衝板 は、セラミック部材の第２の面と、圧力センサとに、Ｄｏｗ　ＣｏｒｎｉｎｇＣ ｏｒｐｏｒａｔｉｏｎより適量で市販されている熱加硫性シリコーン接着剤など の別の変形自在の接着剤によって取り付けられる。

本発明の好ましい実施例では、差圧変換器を構成するために、２つの圧力源をシ リコンダイアフラムの両側に接続するように２本の流体コンジットを設けている 。本発明のカバーは、圧力変換器のハウジングと、圧力変換器が取り付けられる プリント回路基板などの外部素子との直接の物理的接触を回避するように圧力変 換器を支持すべく特に設計される。

図面の簡単な説明 好ましい実施例の説明を図面と関連させて読むことにより本発明をさらに十分に 理解されるであろう。図面中： 図１は、本発明に従って形成した圧力変換器の展開斜視図を示す。

図２は、本発明の展開図を示す。

図３は、本発明の概念に従って形成した圧力変換器の断面図を示す。

図４は、本発明のハウジング、回路基板、端子及びキャップの斜視図を示す。

図５は、本発明のセラミック板、緩衝板及びシリコン圧力センサの斜視図を示す 。

図６は、組立て後の状態の本発明の斜視図である。

図７は、図６に示す装置の別の図である。

図８は、本発明のセラミック板の第１の面を表す。

図９は、本発明のセラミック板の第２の面を表す。

好ましい実施例の説 好ましい実施例の説明を通して、同様の素子は同じ図中符号によって識別される 。

本発明の圧力変換器は全体を図中符号１０により識別され、図１には展開斜視図 で示されている。本発明の好ましい一実施例では、底面１４と、複数の壁１６． １８．２０及び２２とを有し、支持ボス２４から延びた隆起領域２５を底面に形 成したハウジング１２が設けられている。

図１では、図中符号２６により識別されている感圧装置はセラミック板２８と、 緩衝板３０と、シリコン圧力センサ３２とを含む。感圧装置ｉ２Ｂのそれらの構 成要素については、以下にさらに詳細に説明する。感圧装置！２６は、セラミッ ク板２８の上に配設されるキャップ３４をさらに含み、緩衝板３０とシリコン圧 力センサ３２はキャップとセラミック板との間に位置している。

カバー３６は、タブ４０を係止関係で受け入れるような形状に形成された複数の スナップ作用コネクタ３８、すなわちラッチによりハウジング１２に着脱自在で ある。カバー３６をハウジング１２の上に押込むと、スナップ作用コネクタ３８ はわずかに変形して、タブ４０をコネクタ３８の開口の中へすべり込ませる。

カバー３６をハウジング１２の上へさらに押込んでゆくと、タブ４０はコネクタ ３８の開口の中に完全に入り込み、コネクタは正規の位置に戻って、タブを捕捉 し、カバー３６をハウジング上に保持する。

図１を続けて参照すると、カバー３６はプリント回路基板などの外部素子にカバ ー３６を装着させることができる複数の固着装置を含んでいるのがわかる。圧力 変換器を外部素子に対して１つの位置に取り付けられるように、カバー３６の一 端には第１の対の脚部５０及び５２が配設されている。圧力変換器をプリント回 路基板などの外部素子に対して異なる位置に取り付けられるように、カバー３６ の別の側には第２の対の脚部５４及び５６が装着されている。双方の対の脚部は 、（１ずれか一方の対の脚部を使用することによってカバーを外部素子に取り付 けたときにハウジング１２が外部素子と接触しない関係となるように、特定の位 置にある。たとえば変換器を外部素子に取り付けるために脚部５０及び５２を使 用する場合、図６及び図７にさらに明瞭に示すように、カバー３６は変換器の表 面と、脚部５０及び５２の接触面との間に間隙６０を形成する形状を有している 。

カバー３６をハウジング１２に取り付けたとき、ハウジングは変換器が取り付け られている外部素子とは接触しないように、カバーにより支持される。変換器を 外部素子に取り付けるために他方の対の脚部５４及び５６を使用する場合にも、 同様の技法が利用される。

図１には、図中符号６４．６６及び６８により識別する複数の端子も示されてい る。それらの端子はハウジング１２に堅固に取り付けられ、ハウジングを貫通し て、外部素子と、セラミック板２８、さらに特定すれば、セラミック板上に、圧 力変換器■０の増幅の補正回路を構成するために使用される複数の素子とｍｇＬ 的に接続する状態で配設されている複数の導電パッド７０とを電気的に接続させ る。以下にさらに詳細に説明する通り、端子はセラミック板と物理的に接触して いるのではな（、可撓性の導体を端子とパッドの双方に取り付けて、それらを電 気的に接続させることができるように、導電パッド７０に近接して配設されてい る。この技法によれば、端子からセラミック板へストレスを伝達させずに、セラ ミック板２８と外部装置とを電気的に連絡させる。

図４を続けて参照すると、感圧装ｙ１２６を変圧器の外部の第１の領域と流体的 に連通状態で接続する第１の手段の一部が図中符号７６により識別されて〜する 。

図を見ればわかるように、この第１の接続手段７６、すなわち、コンジットはハ ウジング１２の外部の位置からハウジングの一部を通り、ボス２４の一部を通っ て延びている。他の図に示し、また、以下でもさらに詳細に説明するように、こ の第１のコンジットはボス２４にある開口８ｏと、セラミック板２８を貫通する 第１の開口８２とを通って延びている。コンジットはさらに緩衝板３ｏの空洞を 通って、圧力センサ３２のシリコンダイアフラムの第１の面、すなわち、空洞側 の面に至る。ボス２４の第２の開口８８と、セラミック板２８の第２の開口９゜ とを通って延びる第２の流体的接続手段８６、すなわち、コンジットが設けられ ている。この第２のコンジットは圧力センサ３２の上方、キャップ３４の下方に ある領域と流体的に連通ずると共に、ダイアフラムの第２の面、すなわち、活動 面と流体的に連通する状態に接続している。従って、２本のフンジット７６及び ８６は、変換器を差圧変換器として動作させるために、シリコンダイアフラムの 両方の面と流体的に連通ずる状態で接続している。ところが、圧力変換器のダイ アフラムを代替圧力源と流体的に連通ずる状態で接続することにより、本発明の 変換器を様々に異なる多くの代替方法で適用できることを明瞭に理解すべきであ る。

セラミック板２８をボス２４の隆起領域２５に装着するときには、その装着を行 うために可撓性接着剤を使用する。接着剤の可撓性、すなわち、変形能力は、セ ラミック板２８がボス２４の隆起領域２６に接合する領域での第１及び第２のコ ンジットからの漏れを抑止する一方で、ボス２４及び隆起領域２５からセラミッ ク板２８へのストレスの伝達を抑止するストレス分離部材を形成する。加えて、 以下にさらに詳細に説明するように、セラミック板２８は隆起領域２５で、セラ ミック板の縁部とハウジング１２の壁との接触を防止するように支持される。こ れによって、ハウジングの壁からセラミック板へのストレスの伝達も阻止される 。

板の中心領域のみがハウジングのいずれかの部分と物理的に接触して〜する。さ らに、緩衝板３０をセラミック板２８に取り付けるために可撓性接着剤を使用し 、圧力センサ３２を緩衝板３０に装着するためにも可撓性接着側を使用する。従 って、ボス２４と圧力センサ３２との間で、３つの可撓性接着剤の層は圧力セン サ３２のストレス感知ダイアフラムと、ハウジング１２とをストレスに関して分 離する重大なＷ４造を形成する。非常に小さな値の圧力を測定するための圧力変 換器及び変換器の中で増幅・補正回路を利用する圧力変換器においては、ストレ スが圧力センサ３２に影響を及ぼすのを抑止することは特に重要である。変換器 により高レベルの圧力を測定すべき場合には、温度変化又は外力のいずれかによ って発生する相対的に小さな値のストレスを許容することが可能であり、適切な 補正を実行することができる。ところが、圧力変換器が非常に小さな値の圧力を 測定すべき場合には、外部で発生してストレスは圧力測定の正確さと一貫性に著 しく影響を及ぼすことがあり、そのような誤差は増幅されるであろう。加えて、 圧力変換器が端子６４．６６及び６８などの端子で増幅されない信号を供給する のであれば、変換器はセラミック板２８などの適切なフラットフオームに取り付 けなければならない回路の使用を必要としないので、誘起されたストレスをより 容易に補正し、抑止することができる。ところが、増幅［相］補正回路を支持す るためにセラミック板２８が必要である場合には、セラミック板の存在はいくつ かの方法でストレスの伝達をさらに増す可能性をもたらす。第１に、セラミック 板２８のＭＩＥ張係数は、はとんどの場合に圧力センサ３２の熱膨張係数とは著 しく異なると思われる。加えて、その熱膨張係数もハウジング１２とは著しく異 なると思われる。セラミック板２８又は圧力センサ３２のいずれかに導入される ストレスは、変換器の出力に不正確さを引起こす可能性がある。さらに、／１ウ ジングの端子をパッド７０に電気的に接続する必要があるので、以下に図３に関 連して説明するような予防手段を講じなければ、端子に加わった力はセラミック 板から圧力センサへ伝達される。

図２は、図１の展開アセンブリの展開断面図を示す。図示するように、ハウジン グ１２は壁１６及び２０を有し、ハウジング１２には端子６６が取り付けられ、 ハウジングの一部分を通って延びている。セラミック板２８はそれを貫通する第 １の開口８２と、第２の開口９０とを存するものとして示されている。第１のコ ンジット７６の開口８２と、圧力センサ３２のダイアフラムの第１の面１００、 すなわち、空洞の面とを流体的に連通させるため、緩衝板３０は貫通する空洞９ ６を有する。ダイアフラムは、以下に説明するように、第２のコンジット８６と 流体的に連通ずる状態で位置する第２の面、すなわち、活動面１０２をさらにを する。圧力センサ３２のダイアフラムはきわめて薄（、その２つの両側面の間の 相対圧力の変化に応答することを理解すべきである。シリコンセンサ３２のダイ アフラムは、通常拡散プロセスによって、ダイアフラムの上に配設される〜）（ つかのピエゾ抵抗素子を有することを理解すべきである。ダイアプラムはきわめ て小さな寸法であるため、図２ではピエゾ抵抗素子を示していない。しかしなが ら、それらの素子は当業者には非常に良（知られており、先に説明した従来の技 術の中に概略的に示されている。

セラミック板２８の第１の而１０１は、ボス２４の隆起領域２５の上に配設され る。キャップ３４はセラミック板２８の第２の面１０４の上に配設されて、圧力 センサ３２をキャップ３４の面１０６に囲まれた空間の中に封入する。図２に示 すように、キャップ３４は、セラミック板の穴を通ってボス２４の穴の中に受入 れられるような形状をもつ第１の脚部１０８及び第２の脚部１１０を有する。

図２に破線により示す通り、第１の脚部１０８は開口１１２を通って穴１１４の 中へ入れられ、第２の脚部１１０は開口１１６を通って穴１１８の中へ入れられ る。第１及び第２の脚部は、先に説明した開口及び穴と協動して、全ての穴と開 口が適正に位置決めされて前述の第１及び第２のコンジットを形成するように、 キャップ３４及びセラミック板２８をボス２４と整列させる。言いかえれば、こ の適正な整列があるために、流体はボス２４の穴８０から開口８２と空洞９６を 通って、ダイアフラムの第１の面、すなわち、空洞側の面１００と流体的に連通 ずることができる。同様に、流体は穴８８から開口９０を通って、内１ｉｉｉｉ 　ｏ６により規定されるキャップ３４の下方の領域へ、ダイアフラムの第２の面 、すなわち、活動面１０２と流体的に連通ずる状態で流れることができる。

図３は、本発明の圧力変換器ｌＯを組立てた後の構成で示す。図３の組立て構成 は、互いに協動する関係で配置された図２の構成要素を示していることを理解す べきである。図３の図は、全てがダイアフラムの第１の面、すなわち、空洞側の 面１００と流体的に連通している穴８０と、開口８２と、空洞９６とから構成さ れる第１のコンジットを示す。また、図３は、穴８８と、開口９０と、キャップ ３４０面ｌＯ６により規定される領域１２０とから構成される第２のコンジット をも示す。この第２のコンジットはダイアフラムの第２の面１０２、すなわち、 活動面と流体連通している。

図３を続けて参照すると、端子６６はセラミック板２８とは物理的に接触してお らず、その代わりに、セラミック板２８から離れていることに注意すべきである 。これは、端子６６からセラミック板及びその上に配設された圧力センサ３２へ のストレスの伝達を防止する。電気的接続は、これら２つの構成要素にワイヤ接 合する可撓性導体１２２により与えられる。導電性パッド７０は図３には示され ていないが、可撓性導体１２２はあらかじめ選択された導電性パッドと電気的に 接続する状態で位置していることを理解すべきである。また、図３には端子６６ は１つしか示されていないが、本発明の好ましい一実施例は、それぞれが導電性 パッド７０中の選択された１つの電気的に連通ずる状態で接続する複数の端子を 含むことも理解すべきである。図３は、ダイアフラム上のピエゾ抵抗素子と、セ ラミック板２８の第２の面に配置された回路素子との間に接続するワイヤボンデ ィング１２６及び１２８をさらに示している。

図３を参照し続けると、セラミック板２８の縁部とハウジング１２の壁との間に は空間が形成されていることがわかる。図３では、この空間を図中符号１３０に より指示する。温度変化によってハウジングが膨張又は収縮した場合、空間１３ ０はセラミック板とハウジングとの接触を防止し、それにより、そのような条件 の下ではハウジングから伝達されてしまうであろうストレスからセラミック板を 隔離する。加えて、端子６６はセラミック板２８と物理的に接触していないので 、曲げ作業の間又はその後の外部素子への接続の間に、端子に外力が加わったと き、端子からセラミック板へストレスが伝達されることはありえない。

図４は、本発明に従って形成した組立て後の、ただし、カバー３６を取外した状 態の変換器を示す。見ればわかる通り、セラミック板２８をハウジング１２の壁 から離すために、セラミック板２８の周囲全体に沿って空間１３０が設けられて いる。セラミック板２８の第２の面には電子素子は示されていないが、セラミッ ク板の表面上のキャップ３４を包囲する空間は、増幅及び補正のために必要な回 路を構成する複数の電子素子を収納すべきものであることを理解しなければなら ない。それらの電子素子はセラミック板の両面に配設され、導電性パッド７０と 電気的に連絡する状態で接続すると共に、図中符号１２２により識別されるよう な可撓性導体を介して端子に接続している。セラミック板の両面は、板を貫通す る導電経路により互いに電機的に連絡する状態で接続している。

セラミック板２８と、キャップ３４とを含む感圧装置２６の全体を支持している のはボス２４であり、その支持はセラミック板の下方の中心領域に沿って与えら れていることを理解すべきである。図４の図には示されていないが、ボスはセラ ミック板の下方に、キャップ３４の第２のビン１１０のすぐ下方から端子に向か い、導電性パッド７０の下方で終わるアライメントに沿って配設される。セラミ ック板２８は、ボス２４のあらゆる側にハウジング１２の底面１４の上方で片持 ち状態で延びている。従って、セラミック板２８の大部分はハウジングのその他 の構成要素と接触しな〜）関係にある。そのため、セラミック板２８はその他の ハウジング構成要素からのストレスの伝達をほとんど受けない。

図５はセラミック板２８の一部を示し、板を貫通する第１の開口８２のみを示し ている。図３と図５を比較すると、緩衝板３０はその空洞９６が第１の開口８２ と整列するようにセラミック板２８の第２の面に配設されることがわかる。さら に、圧力センサ３２は、そのダイアフラムが空洞９６及び第１の開口８２と流体 的に連通ずる状態で位置するように、緩衝板３０の上に配設される。緩衝板３０ をセラミック板２８の第２の面に取り付けるために、緩衝板３０がセラミック板 ２８に付着するように第１の開口８２の周囲に可撓性接着剤１４０を塗布する。

さらに、圧力センサ３２が緩衝板３０の上面に付着できるように、緩衝板３０の 表面の、空洞９６の周囲に可撓性接着剤１４２を塗布するが、この接着剤は接着 剤１４０と同じ材料であっても良い。可撓性接着剤１４０及び１４２を使用する と、本発明にとって重要である２つの機能が得られる。第１に、接着剤は第１の コンジットの漏れを防止するように構成要素を一体に密封する。第２に、接着剤 は可撓性の性質を有しているため、取り付けられた構成要素は相対的に動（こと ができる。言いかえれば、セラミック板２８の膨張はストレスを緩衝板３０へ伝 達させることなく起こりうるのである。

図５では、ダイアフラムの第２の面１０２、すなわち、活動面はその上に複数の ピエゾ抵抗素子１５０が配設された面として示されている。ピエゾ抵抗素子１５ ０は図５にはごく概略的にしか示されていないが、圧力センサの動作に要求され る機能を実行するために、それに代わるピエゾ抵抗素子の構成や、それに代わる 構成要素を使用できることを理解すべきである。

図６は、本発明の圧力変換器１０をハウジング１２上にカバー３６を配置して、 組立てた形態で示す。図７も、カバー３６をハウジング１２に取り付けた状態の 本発明の圧力変換器１０の別の図を示す。図６と図７の双方を参照すれば、スナ ップ作用コネクタ３８を変換器の両開にあるタブ４０と関連づけることによりて 、カバー３６とハウジング１２との取り付けが成り立っていることがわかる。脚 部５０と脚部５２との間に位置するカバー３６とハウジング１２の双方の凹部６ ０は、変換器を脚部５０及び５２が取り付けられる外部対象物と接触しない関係 で支持させることがわかる。凹部６０により得られる変換器と、外部対象物との 分離は、さらに、圧力変換器１０を外部対象物で発生する可能性のあるストレス から隔離する。加えて、凹部６０があることで、完全には平坦、一様でない外部 対象物であっても、パッケージにストレスを導入せずに変換器を取り付けできる 。

図７に示す主要面の脚部５４と脚部５６との間に別の凹部１６０が設けられてい るということを注意すべきである。従って、脚部５４及び５６を使用して、圧力 変換器１０をプリント回路基板などの外部対象物に取り付ける場合、圧力変換器 を外部対象物と完全に接触しないように隔離し、ストレスが外部対象物から圧力 変換器へ容易に伝達されるのを阻止するために、凹部１６０は圧力変換器の外部 対象物と接触しない関係で維持する。図６と図７を比較することにより、端子６ ４．６６、及び６８は図７に示すようにハウジングから垂直に延ばすか、あるい は、図６に示すように、端子を直角に屈曲させて、ハウジング１２の支持面と平 行に延ばしても良いことに注意すべきである。さらに、図６に示す構成を形成す るために端子を屈曲させた場合には、セラミック板が端子と直接に物理的に接触 していれば、各端子で屈曲を生じさせるために要求される力はハウジングの壁を 通してセラミック板へ伝達されることがありうるという点を理解すべきである。

ところが、本発明は端子をセラミック板から隔離させ、それら２つの構成要素を 互いに電気的に連絡させる状態で接続するために、可撓性導体を利用する。従っ て、端子を屈曲させるために必要な力はストレスを端子を介してセラミック板に 伝達させない。

本発明の好ましい一実施例では、セラミック板２８、すなわち、セラミックボー ドは、表面に複数の表面実装素子が取り付けられている両面スクリーンプリント 回路から成る。それらの素子を図８及び図９に例示する。図８は、先に詳細に説 明した開口８２．９０．１１２、及び１１６を有するセラミック板２８の第１の 面１００を示す。ボス２４の隆起領域２５と接触するように位置する第１の面１ ０１の部分を示すために、図８では、第１の１ｉｌｌｌｏ１の中心領域１８０を 矩形によって識別している。矩形１８０の外側にあるセラミック板２８の全ての 部分は、ハウジング１２の全ての部分と接触しない関係で片持ち状態で支持され ている。図８には複数の導電性経路及び電子素子の位置が示されていることがわ かる。

増幅・補正回路の回路素子は、セラミック板２８の上に配設される。それに代わ る素子の場所や、導電性経路の構成の本発明の範囲内にあることを理解すべきで ある。

図９は、先に詳細に説明した開口８２．９０．１１２及び１１６を有するセラミ ック板２８の第２の面１０４を示す。図中符号１８２はキャップ３４の場所を表 し、図中符号１８４は緩衝板３０の場所を表し、図中符号１８５は圧力センサ３ ２の場所を表す。図９の図は、増幅・補正回路の複数の導電性経路及びトリミン グ可能抵抗器をさらに示す。トリミング可能抵抗器は、変換器１０を完全に組立 てた後ではあるが、ハウジング１２にカバー３６を取り付ける前の試験及び調整 のために操作できる。

図８及び図９の２つの図では、それらの図が増幅圧力変換器の増幅・補正回路を 形成するために使用できる導電性経路及び素子の場所の配置の１例を示すための ものであるために、素子及び導電性経路は特定の図中符号によって［５］１され てはいない。より重要な点であるが、図８及び図９は、ハウジングから圧力セン サのダイアフラムへのストレス及びひずみの伝達を最小にするために、本発明が 圧力変換器の内部構成要素を／Ｘウジングと接触しない関係で支持する手段をど のように構成しているかを表している。この構造は、全体として、圧力センサの ダイアフラムと、熱誘起ストレス源及び機械的に起こるストレスの源の双方との 間に多数のストレス分離手段を形成する。

複数の実装素子を含む電気回路は、圧力センサ３２の出力を増幅し且つ補正する ために使用される。増幅は、センサにより直接に供給される相対的に小さ〜）信 号より著しく高い値を狂する出力信号を供給するために必要である。補正回路ｌ よ、ダイアフラムに配設された素子のピエゾ抵抗特性に影響を及ぼすおそれのあ る温度変化を補正するために必要である。薄いシリコン緩衝板３０は中心ζこ空 洞９６を有し、セラミック板に柔らかい接着剤の層によって接合される。次に、 緩衝板に柔らかい、すなわち、可撓性の接着剤によって圧力センサ３２が接合さ れる。

本発明の最も好ましい実施例においては、セラミック基板と圧力センサとの電気 的接続を成立させるのは金のワイヤボンディングである。圧力センサとワイヤボ ンディングを保護すると共に、圧力センサ３２の上面の周囲に密封圧力チャン／ ＜１２０を形成するために、圧力センサ及び緩衝板の上にプラスチックキャップ ３４が配設されている。上面圧力シールを形成するためにキャップ３４を使用す ると、カバー３６をハウジング１２に配置するのに先立って差圧及び温度の試験 を実行するために必要であるセラミック板の第２の面の様々なテストポイントを 操作することができる。

キャップ３４には、セラミック板２８の穴１１２及び１１Ｂを通過して、ハウジ ングのボス２４の穴１１４及び１１８に入る２本のビン１０８及び１１０力監設 けられている。それらのビンを使用すると、ハウジング内でセラミック板を整ダ １し、且つセラミック板上の圧力応答素子と整列するのに有用である。次甑セラ ミック板２８と、緩衝板３０と、圧力センサ３２と、キャップ３４とから構成さ れる装置 て接合される。図に示す２つの突出するボートにより、第１のコンジット７６及 び第２のコンジット８６をハウジングの外部の圧力領域に接続できる。一方のボ ートは圧力センサのダイアプラムの第１の面、すなわち、空洞側の面に接続し、 他方のボートはダイアフラムの第２の面、すなわち、活動面に接続している。本 発明をカバー３６なしで、図４に示すように構成した場合、セラミック板２８の 上面にある素子を容易に操作できるので、必要な全ての感度、ゼロオフセット及 び温度補償ペリメータを調節し且つ試験することが可能である。この調整と試験 が完了した後、端子６４、６６及び６８と導電性パッドとを電気的に接続させる 。

それらの接続が可撓性導体１２２の使用によって完了した後、キャップ３６を／ Ｓクジング１２にはめ込む。

本発明は、相対的に小形であると共に、耐久性に富み、低い増幅器利得をもうて 圧力に対して高い感度を脊する圧力変換器を提供する。圧力変換器はストレスに 対する感度の点では低く抑えられて高い正確さを示し、様々な構成で外部対象物 への取り付けが可能である。本発明で使用するシリコン圧力センサの感度は高い ため、最も重要な特徴の１つはストレスに対する感度が低いことである。先に説 明した特徴は組合されて、圧力センサをほぼ全てのストレス伝達源から隔離する 。たとえば、端子と、セラミック板の導電性パッドとを可撓性をもって電気的に 接続しているので、端子から圧力センサヘストレスが伝達されることはありえな い。圧力センサダイは、圧力センサとセラミック板との間に位置する緩衝板によ りセラミック板からも隔離されており、それら３つの構成要素は柔らかい可撓性 接着剤によって一体に取り付けられている。圧力センサダイはセラミック上で、 セラミックがハウジングのボス、すなわち、支持リプの取り付けられている場所 のすぐ上方に配置される。支持リブ、すなわち、ボスはハウジングの６１壁に接 続しておらず、従って、圧力センサとハウジングとの間には付加的なストレス隔 離が成立される。セラミックをハウジングに機械的に接続すると共に、コンジッ トを構成する構成要素の周囲に圧力シールを維持するために、セラミック板は柔 らかい可撓性接着剤によってボスに取り付けらる。セラミックとハウジングとの 間の、セラミック板の縁部の周囲には間隙が設けられて〜１るので、ハウジング の壁はセラミック板の位置に影響を及ぼさずにかなり変形できる。脚部を具備す る装着構成は、ハウジングの代わりにカバーの部分として含まれる。従って、カ ノイーをハウジングにはめ込んだ後は、ハウジングはカバーが取り付けられる外 部装置から配設される。これはハウジングを外部装置からさらに隔離して、スト レスがハウジングに伝達されるのを阻止する。加えて、カバーをハウジングに取 り付けるためのスナップ作用接点を使用することにより、カバーとハウジングと の間のストレスに対してさらに隔離が成立する。

特定の好ましい実施例を示すため本発明を著しい特定性をもって説明し且つ図示 したが、代替実施例も本発明の範囲内にあることを理解すべきである。

専用所有権又は独占権が請求されている本発明の実施例を次のように定義する国 際調査報告　ＭＴ／ＩＩ（Ｑ７／ＩｎＡ４１１−一ムー１．．＋陶　ρＣＴ／Ｕ Ｓ　９２／１０４４１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．庭面と前記底面（１４）に取り付けられた複数の壁（１６、１８、２０、２ ２）とを有するハウジング（１２）と；前記底面（１４）に取り付けられた支持 ボス（２４）と；第１の面の中心部分が接触する状態で前記支持ボス（２４）取 り付けられ且つ前記複数の壁（１６、１８、２０、２２）と接触しない関係で前 記支持ボス（２４）により支持される感圧装置（２６）と；前記感圧装置（２６ ）を前記ハウジング（１２）の外部の第１の領域と流体的に連通する状態で連結 する第１の手段（７６）と；前記ハウジング（１２）に固定的に取り付けられ、 前記感圧装置（２６）の近くの第１の位置から前記ハウジング（１２）の外部の 第２の位置へ延びる複数の導電性端子（６４、６６、６８）と； 前記ハウジング（１２）との間で前記感圧装置（２６）を包囲するために前記ハ ウジング（１２）に取り付けられるカバー（３６）とを具備する圧力変換器。 ２．前記感圧装置（２６）は、セラミック部材（２８）と前記セラミック部材（ ２８）の上に配設された圧力センサ（３２）とを具備し、前記セラミック部材（ ２８）の第１の面が前記感圧装置（２６）の前記第１の面である請求項１記載の 変換器。 ３．前記感圧装置（２６）は、前記セラミック部材（２８）の第２の面の上に配 設されたキャップをさらに具備し、前記圧力センサ（３２）が前記キャップと前 記第２の面との間に配設されている請求項２記載の変換器。 ４．前記感圧装置（２６）は、前記第２の面と前記圧力センサ（３２）との間に 配設された緩衝板をさらに具備する請求項３記載の変換器。 ５．前記緩衝板は可撓性接着剤によってセラミック部材（２８）に取り付けられ 、前記圧力センサ（３２）は可撓性接着剤によって前記緩衝板に取り付けられ、 前記セラミック部材（２８）は可撓性接着剤によって前記支持ボス（２４）に取 り付けられる請求項４記載の装置。 ６．前記カバー（３６）は、前記交換器を対象物に取り付ける第１の取付手段を 具備し、前記第１の取付手段は前記ハウジング（１２）を前記ハウジング（１２ ）を前記対象物と接触しない関係で支持するように形成されている請求項１記載 の変換器。 ７．前記カバー（３６）は、前記変換器を前記対象物に取り付ける第２の取付手 段をさらに具備し、前記第２の取付手段は前記ハウジング（１２）を前記対象物 と接触しない関係で支持するように形成されている請求項６記載の変換器。 ８．前記カバー（３６）及び前記ハウジング（１２）は、複数のスナッブ作用コ ネクタによって互いに取付け取外し自在に取り付けられる請求項１記載の変換器 。 ９．前記圧力センサ（３２）は、前記接続手段と流体的に連通する状態で配設さ れたダイアフラムを具備する請求項４記載の変換器。 １０．前記端子（６４、６６、６８）と前記セラミック部材（２８）との間に電 気的接続状態で接続された可撓性導体をさらに具備する請求項９記載の変換器。 １１．前記第１の連結手段は、前記圧力センサ（３２）の前記ダイアフラムの第 １の面と流体的に連通状態で接続される請求項１０記載の変換器。 １２．前記圧力センサ（３２）の前記ダイアフラムの第２の面を前記ハウジング （１２）の外部の第２の領域と流体的に連通状態で連結する第２の連結手段をさ らに具備する請求項１１記載の変換器。 １３．前記第１の連結手段は、前記セラミック部材（２８）を通って前記緩衝板 の空洞及び前記圧力センサ（３２）の前記ダイアフラムの前記第１の面と流体的 に連通する状態で延びる第１の開口を具備し、前記第２の連結手段（８６）は、 前記セラミック部材（２８）を通って前記圧力センサ（３２）の前記ダイアフラ ムの前記第２の面と流体的に連通する状態で延びる第２の開口を具備する請求項 １２記載の変換器。 １４．前記可撓性導体は、金から形成されている請求項１２記載の変換器。 １５．前記ハウジング（１２）と； 前記ハウジング（１２）から突出するボス（２４）と；支持のために前記ボス（ ２４）に取り付けられた感圧装置（２６）と；前記感圧装置（２６）を前記ハウ ジング（１２）の外部の第１の領域に流体的に連通状態で接続する第１のコンジ ットと；支持のために前記ハウジング（１２）に取り付けられ、前記ハウジング （１２）を通って前記感圧装置（２６）の近くの第１の位置から前記ハウジング （１２）の外部の第２の位置へ延びる導電性端子と；前記ハウジング（１２）に 取り付けられたカバー（３６）とを具備し、前記感圧装置（２６）は前記ハウジ ング（１２）と前記カバー（３６）との間に配設され、前記感圧装置（２６）は 前記ボス（２４）により前記ハウジング（１２）及び前記カバー（３６）と接触 しない関係で支持される圧力変換器。 １６．前記変換器を対象物に取り付ける第１の取付手段をさらに具備し、前記第 １の取付手段は前記ハウジング（１２）を前記対象物と接触しない関係で支持す るように構成されている請求項１５記載の変換器。 １７．前記変換器を前記対象物に取り付ける第２の取付手段をさらに具備し、前 記第２の取付手段は前記ハウジング（１２）を前記対象物と接触しない関係で支 持するように構成されている請求項１６記載の変換器。 １８．前記感圧装置（２６）は、前記ボス（２４）に取り付けられる第１の面と 圧力センサ（３２）が配設されている第２の面とを有するセラミック板を具備し 、前記コンジットは前記圧力センサ（３２）と流体的に連通する状態で接続され ている請求項１５記載の圧力変換器。 １９．前記圧力センサ（３２）と前記セラミック板の前記第２の面との間に緩衝 板が配設されており、前記緩衝板は空洞を有し、前記コンジットは前記空洞と流 体的に連通する状態で接続されている請求項１８記載の変換器。 ２０．前記圧力センサ（３２）は、圧力に応答するダイアフラムを具備し、前記 ダイアフラムは、第１の面と第２の面とを有する請求項１９記載の変換器。 ２１．前記端子と前記セラミック板との間に電気的連絡状態で接続する可撓性導 体をさらに具備する請求項１９記載の変換器。 ２２．前記コンジットは、前記ボス（２４）を通って前記ダイアフラムの前記第 １の面と流体連通する状態で延びる請求項２１記載の変換器。 ２３．前記セラミック板の前記第２の面に配設されたキャップをさらに具備し、 前記圧力センサ（３２）は前記キャップと前記セラミック板の前記第２の面との 間に配設される請求項２２記載の変換器。 ２４．前記ダイアフラムの第２の面と流体連通する状態で接続される第２のコン ジットをさらに具備し、前記第２のコンジットは前記ボス（２４）を通って延び ている請求項２３記載の変換器。 ２５．前記第１のコンジットは前記セラミック板にある第１の開口を通って延び 、前記第２のコンジットは前記セラミック板にある第２の開口を通って廷びる請 求項２４記載の変換器。 ２６．前記緩衝板は可撓性接着剤によって前記セラミック板に取り付けられ、前 記圧力センサ（３２）は可撓性接着剤によって前記緩衝板に取り付けられ、前記 セラミック板は可撓性接着剤にようて前記ボス（２４）に取り付けられる請求項 １９記載の変換器。 ２７．ハウジング（１２）と； 前記ハウジング（１２）に取り付けられたボス（２４）と；前記ボス（２４）に 取り付けられた感圧装置（２６）と；前記ハウジング（１２）の一部分と前部ボ ス（２４）の一部分とを通って延び、前記感圧装置（２６）及び圧力変換器の外 部の第１の領域と流体的に連通する状態で接続される第１のコンジットと； 前記ハウジング（１２）に取り付けられ、前記ハウジング（１２）の一部分を通 って延び、且つ一端が前記感圧装置（２６）に近接している導電性端子と；前記 ハウジング（１２）に取り付けられたカバー（３６）とを具備し、前記感圧装置 （２６）は前記ハウジング（１２）と前記カバー（３６）との間に配設され、前 記感圧装置（２６）は前記ボス（２４）により前記ハウジング（１２）及び前記 カバー（３６）と接触しない関係で支持されている圧力変換器。 ２８．前記カバー（３６）に取り付けられ、前記ハウジング（１２）を対象物と 接触しない関係で取り付ける第１の取付手段をさらに具備する請求項２７記載の 変換器。 ２９．前記第１の取付手段は、前記カバー（３６）から延びる第１の複数の脚部 を具備する請求項２８記載の変換器。 ３０．前記カバー（３６）に取り付けられ、前記ハウジング（１２）を前記対象 物と接触しない関係で取り付ける第２の取付手段をさらに具備する請求項２９記 載の変換器。 ３１．前記第２の取付手段は、前記カバー（３６）から廷びる第２の複数の脚部 を具備する請求項３０記載の変換器。 ３２．前記端子及び前記感圧装置（２６）と電気的接続状態で接続された可撓性 導体とをさらに具備する請求項２７記載の変換器。 ３３．前記感圧装置（２６）は、第１の面と第２の面とを有するセラミック板を 具備し、前記第１の面は前記ボス（２４）に取り付けられており、前記感圧装置 （２６）は、前記セラミック板上に配設された圧力センサ（３２）をさらに具備 し、前記圧力センサ（３２）は前記第１のコンジットと流体的に連通する状態で 配設される請求項２７記載の変換器。 ３４．前記感圧装置（２６）は、緩衝振をさらに具備し、前記緩衝板はそれを貫 通する開口を有し、前記開口は前記コンジット及び前記圧力センサ（３２）と流 体的に連通している請求項３３記載の変換器。 ３５．前記圧力センサ（３２）は、第１の面と第２の面とを有するダイアフラム を具備し、前記第１の面は前記第１のコンジットと流体的に連通する状態で位置 している請求項３８記載の変換器。 ３６．前記ハウジング（１２）及び前記ボス（２４）を通って延びる第２のコン ジットをさらに具備し、前記第２のコンジットは前記ダイアフラムの前記第２の 面及び前記圧力変換器の外部の第２の領域と流体的に連通しており、前記第２の コンジットは前記セラミック板を貫通する開口を具備する請求項８５記載の変換 器。 ３７．前記セラミック板の前記第２の面に配設されたキャップをさらに具備し、 前記キャップは前記第２のコンジットの一部分を含む請求項３３記載の変換器。 ３８．前記カバー（３６）と前記ハウジング（１２）は互いに分離自在に取り付 けられている請求項２７記載の変換器。 ３９．前記カバー（３６）と前記ハウジング（１２）は、圧力駆動クリップによ って互いに取り付けられる請求項３８記載の変換器。 ４０．前記圧力変換器を回路基板に取り付ける手段をさらに具備する請求項２７ 記載の変換器。