JPH11211592A

JPH11211592A - 高圧センサー及びその製造方法

Info

Publication number: JPH11211592A
Application number: JP10286115A
Authority: JP
Inventors: Joseph Martin Ratell; ジョセフ・マーティン・ラテル; Jr John Marcus Hart; ジョン・マーカス・ハート，ジュニアー
Original assignee: Delco Electronics LLC
Current assignee: Delco Electronics LLC
Priority date: 1997-10-20
Filing date: 1998-10-08
Publication date: 1999-08-06
Also published as: EP0911623A2; US5867886A; EP0911623A3; KR19990037223A; KR100298813B1

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】幅広い種類の腐蝕性媒体に適合する耐蝕性の
ダイヤフラムを有する高圧センサーを提供する。【解決手段】高圧変換器セルは、概ね、ダイヤフラム
２６を有するメタル本体と、ダイヤフラム２６に設けら
れた少なくとも１つの誘電体層２８、３８と、誘電体層
２８、３８に設けられダイヤフラム２６の撓みを感知す
るための少なくとも１つの厚膜ピエゾ抵抗素子３４とを
備えている。メタル本体は、スチールから形成される。
ダイヤフラム２６は、メタル本体をエッチングまたは機
械加工により形成できる。誘電体層２８、３８は、厚膜
ピエゾ抵抗素子３４に施したような厚膜処理をし、メタ
ルダイヤフラム２６に接着する材料を採用することによ
って、形成されることが好ましい。これによって、誘電
体層２８、３８は、ダイヤフラム２６が撓んだとき引き
起こされる歪みに耐えることができ、そのような歪みを
厚膜ピエゾ抵抗素子３４に正確に伝達することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本願発明は、概ね、圧力感知
装置及びその圧力感知装置を製造するための方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】信頼性と感度と線形性が高く、また、よ
り低コストで且つより小さな寸法の圧力センサーを開発
する継続的な努力がなされている。これらの特性の促進
に基づいて幅広く受け入れられるセンサーには、微細機
械加工された感知ダイヤフラムを備えた半導体材料を用
いたものがある。顕著な例としては、半導体製造工程を
用いて製造され、微細機械加工された単結晶のシリコン
圧力変換器セルがある。そのようなセルの加工におい
て、薄いダイヤフラムが、適宜の化学エッチングを行う
ことによって、シリコンウェーハに形成される。次い
で、イオン注入（法）や拡散技術を用いて、ダイヤフラ
ム内に素子をドーピングし、これにより、圧電抵抗素子
（換言すれば、ピエゾ抵抗素子（ｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓ
ｔｉｖｅｅｌｅｍｅｎｔ））を形成する。圧電抵抗素
子の導電率は、ひずみで変化し、その結果、ダイヤフラ
ムの撓みによって、圧電抵抗素子の抵抗値が変化する。
圧電抵抗素子の抵抗値の変化と、ダイヤフラムに加えら
れる圧力の大きさにとは相互に関係づけられている。

【０００３】単結晶のシリコン圧力変換器セルのダイヤ
フラムは、典型的に小さく、まれに幅が数ミリメートル
を越えることがある。前記ダイヤフラムは、厚さが大変
薄く、その厚さは、１００マイクロメートルよりも小さ
いことが多い。標準の単結晶シリコンウェーハと標準の
半導体装置製造工程の使用によって、そのような多くの
セルは、単一のウェーハから製造可能になっており、こ
れによって、規模の経済が達成される。しかしながら、
シリコンは、特に、高圧媒体が感知される用途（例え
ば、ブレーキ流体、オイル、トランスミッション流体、
作動液、燃料及びステアリング流体圧力を感知する自動
車の用途）において、種々の媒体によって、化学的侵食
や腐食に影響されやすい。そのような用途のために、圧
力センサーは、また、物理的に頑丈でなければならず、
また、感知すべき媒体の劣悪な環境に抵抗力がなければ
ならない。これにより、化学的に劣悪な環境における効
果的な作動特性を実現するために、微細機械加工された
シリコン圧力変換器セルが、ある形態の防御を備えると
いうことが必要になっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】媒体に適合した高圧セ
ンサーを製造する現在の方法は、シリコーン油またはゲ
ルのような不活性液体にシリコン感知チップを封入する
ステップと、メタルダイヤフラムで感知すべき前記媒体
から前記シリコン感知チップを隔離し、前記メタルダイ
ヤフラムと流体とを介して圧力を前記シリコン感知チッ
プに伝達するステップとを備えている。これにより、シ
リコン圧力変換器セルの作動効果を奏することができる
が、これらのセンサーの製造工程とセンサー自身とが比
較的高価になり、複雑になる。その結果、これらのセン
サーは、自動車の用途のための大量生産されるセンサー
として適当ではない。さらに、作動温度範囲で、また、
ある時間にわたって、流体が前記シリコン圧力変換器セ
ルに接触する影響は、十分に大きいので、圧力の影響か
ら、前記シリコン圧力変換器セル上に加えられる影響を
切り離す複雑な電子装置が必要となる。

【０００５】別のアプローチでは、セラミックダイヤフ
ラム上にコンデンサ極板（ｃａｐａｃｉｔｏｒｐｌａ
ｔｅ）を形成している。前記コンデンサ極板は、第２の
コンデンサ極板を備えたベースに結合されている。酸化
アルミニウム（ａｌｕｍｉｎｕｍｏｘｉｄｅ）や酸化
ジルコニウム（ｚｉｒｃｏｎｉｕｍｏｘｉｄｅ）のよ
うな耐薬品性を有し機械的に強靱なセラミック材料を使
用することにより、前記ダイヤフラムは、圧力が測定さ
れるようになっている前記媒体に、直接的に接触可能と
なる。それによって、保護用のパッケージングが不必要
になっている。前記セラミックダイヤフラムが圧力の影
響下で撓むと、前記コンデンサ極板の間のギャップ（間
隙）が変化し、これに対応して、静電容量が変化し、加
えられた圧力との間に相関関係を生じさせることができ
る。しかしながら、静電容量の変化を検出するのに必要
な回路が、いくらか複雑になり、ノイズの悪影響を被
る。さらに、高圧の用途に対して、前記セラミックダイ
ヤフラムとベースとの間を十分に密封することは、困難
である。

【０００６】さらに別のアプローチでは、耐薬品性を有
するセラミックダイヤフラムが、前記ダイヤフラムにス
クリーン印刷された厚膜ピエゾ抵抗体を用いており、そ
れによって、単結晶シリコン圧力変換器セルの場合と同
じ態様で圧力を感知するようになっている。セラミック
容量型圧力センサーのように、前記セラミック材料は、
圧力が感知される前記媒体と直接的に接触することがで
きるように選択され、これによって、保護用のパッケー
ジングが不必要になっている。使用される前記単一の検
出回路構造体は、前記容量型センサーの場合よりも複雑
ではなくなるが、前記セラミックダイヤフラムをベース
で確実に密封することは、高圧の用途における前記容量
型センサーの場合と同じように困難である。

【０００７】最後に、当該技術で公知な他の媒体に適合
するセンサーでは、感知素子としてメタルダイヤフラム
を採用している。メタルダイヤフラムは、一定の厚さが
与えられ所定の圧力が加えられると、（より低い伸びを
示し、その後、破壊し、そのため、加圧下でわずかに撓
むように設計されている）セラミックダイヤフラムより
もかなり撓むので、感知は、スチール製のダイヤフラム
に付着させた薄膜のポリシリコン（ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ
ｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎ）や薄膜のメタルによって行
われる。前記ダイヤフラムは、最初に、誘電体（絶縁
体）層（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｌａｙｅｒ）でコーテ
ィング（被覆）し、これによって、前記ダイヤフラム
を、前記薄膜抵抗体や導体から絶縁しなければならな
い。薄膜のポリシリコン層が、次いで付着させられ、こ
れにより、前記ピエゾ抵抗体が形成され、続いて、薄膜
の金属被覆が形成されて、電気的に相互接続させられ
る。通常のように、前記薄膜層は、典型的に、化学蒸着
法や物理蒸着法によって付着される。これらの工程に必
要な装置は高価であり、付着速度はきわめて緩慢であ
る。薄膜層の付着は、前記必要な薄膜のフォトレジスト
や金属被覆のために、多数のパターン形成（ｐａｔｔｅ
ｒｎｉｎｇ）ステップ、露光ステップ、現像ステップ及
びストリッピングステップを必要とする。また、薄膜層
の付着は、空中の粒子がコーティング（被覆）すべき前
記表面に付かないことを確保するために、制御された環
境で実行しなればならない。さらに、そのような工程に
より、１０，０００オングストロームよりも厚くない薄
膜が、通常、付着するので、前記メタルダイヤフラムの
表面を、きわめて滑らかにして、前記付着された薄膜を
貫いたりあるいは前記付着された薄膜に凹凸（不連続
性）を生成する粗面が形成されるのを避けるようにしな
ければならない。その結果として生じるポリシリコンの
薄膜ピエゾ抵抗体の抵抗は、温度で劇的に変化すること
ができる。

【０００８】シリコン圧力変換器セルのいくつかの作動
効果を達成したが、前記センサー及び／又はこれらの製
造工程は、重要な欠点を備えており、かかる欠点には、
前記センサーを大量生産の用途に不適合にする複雑な製
造工程を含んでいるということが明らかである。さら
に、セラミック感知素子をセラミックベースに密封する
のが困難なので、前記セラミック圧力変換器セルは、一
般的に、圧力が約１０００ｐｓｉ（約７ＭＰａ）（ｐｓ
ｉ（ｐｏｕｎｄｓｐｅｒｓｑｕａｒｅｉｎｃｈ：
ポンド／平方インチ））を越える用途に適切ではない。

【０００９】したがって、腐蝕性があり高圧の媒体に適
合し、比較的複雑でなく、低コストで製造でき、高い信
頼性と感度によって特徴づけられた圧力センサーが必要
になっている。

【００１０】本願発明の目的は、幅広い種類の腐蝕性媒
体に適合する耐蝕性のダイヤフラムを有する高圧センサ
ーを提供することである。

【００１１】本願発明の他の目的は、前記圧力センサー
が、温度変動に比較的に鈍感であって、大量生産技術に
適合できるように容易に生産可能な、化学的に且つ機械
的に強靱で大変に高い圧力を感知できるセンサーを生産
する厚膜技術を採用することである。

【００１２】本願発明の他の目的は、そのようなセンサ
ーを製造する方法を提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本願発明の好適な一実施
例によれば、これらのそして他の目的や効果は、媒体に
適合した高圧力変換器セル、前記セルを組み入れた頑丈
なセンサーアセンブリ及びその製造方法で達成される。
本願発明の前記高圧力変換器セルは、概ね、ダイヤフラ
ムを有するメタル本体を備えている。少なくとも１つの
誘電体層（換言すれば、絶縁体層（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉ
ｃｌａｙｅｒ））が、前記ダイヤフラムに設けられて
いる。また、少なくとも１つの厚膜のピエゾ抵抗素子
（厚膜の圧電抵抗素子）が、前記ダイヤフラムの撓みを
感知できるように、前記誘電体層に設けられている。幅
広い種類の媒体に適合できるようにするために、前記メ
タル本体は、スチール（鋼）から形成されていることが
好ましく、ＡＩＳＩＴｙｐｅ３００または４００シ
リーズのようなステンレススチール（ステンレス鋼）か
ら形成することが最も好ましい。前記ダイヤフラムは、
スタンピング、エッチング、または機械加工（マシニン
グ）によって形成できる。

【００１４】前記誘電体層は、前記ピエゾ抵抗素子（圧
電抵抗素子）で行われているように、厚膜加工によって
形成されることが好ましい。前記メタルダイヤフラムに
適合させるために、前記ダイヤフラムに加えられる前記
誘電体層は、前記メタルダイヤフラムに接着する材料か
ら形成されなければならない。さらに、本願発明による
厚膜誘電体層は、前記ダイヤフラムが撓んだときに引き
起こされるひずみに耐えることができ、前記ダイヤフラ
ムのひずみに比例したレベルで、そのようなひずみを前
記厚膜ピエゾ抵抗体に正確に伝達することができなけれ
ばならない。そのような問題は、従来の圧力センサーに
よって採用されている薄膜構造体を用いたとき、一般的
に持ち上がらない。本願発明にしたがって、多数の誘電
体層（そのうちの少なくとも１つの層が厚膜層になって
いる）を採用することが好ましい。薄膜材料と厚膜材料
とを組み合わせると共に、薄膜用の加工処理と厚膜用の
加工処理とを組み合わせることにより、本願発明によっ
て要求される金属被覆と、厚膜ピエゾ抵抗体と、多数の
誘電体層とを形成する場合に発生する不適合性の加工処
理することを避けるために、前記誘電体層の全てが、厚
膜であることがより好ましい。

【００１５】前記感知セルは、溶接によってベースに組
み付けられる。前記圧力センサーセルのメタル本体は、
前記ベースの開口部を閉鎖する。感知される前記媒体
は、前記開口部を介して、前記印刷された層から離れた
前記ダイヤフラムの側に供給される。その結果、前記ダ
イヤフラムは、前記印刷された層及び信号整形電子装置
用の、密封材（シール）及び機械的な絶縁体（ｉｓｏｌ
ａｔｏｒ）として作動する。さらに、前記圧力変換器セ
ルのパッケージングには、当該技術において公知な電気
的な接続及びカバーを含めることができる。さらに、本
願発明の圧力センサーアセンブリは、単一の信号処理回
路構造体を備えていることが好ましい。前記信号処理回
路構造体は、前記感知素子と電気的に相互に接続させら
れている。前記信号処理回路構造体は、前記感知セルの
ダイヤフラムに直接的に取り付けられたシリコンチップ
に形成することができる。

【００１６】本願発明によれば、前記構造及び方法によ
って、耐蝕性のメタルダイヤフラムと厚膜技術とを組み
合わせた圧力変換器セルが生産される。前記圧力変換器
セルは、大変に高い圧力、例えば、１０，０００ｐｓｉ
（約７０ＭＰａ）を越えた圧力を感知できる。一方、前
記圧力変換器セルは、化学的且つ機械的に強靱であり、
容易に製造でき、また、比較的に温度変動に鈍感になっ
ている。特に、前記圧力変換器セルは、従来技術のシリ
コンセンサーに対して要求された前記囲い及び半導体の
加工によって妨げられない。大変に高い圧力を感知でき
ることに加えて、前記メタルダイヤフラムは、前記セン
サーの動作特性に合うように容易に製造できる。

【００１７】本願発明は、添付した図面を参照して、具
体例を通して説明されている。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は、圧力センサーアセンブリ
１０を図示している。圧力センサーアセンブリ１０に
は、本願発明にしたがって、感知セル１２が組み込まれ
ている。図示されたように、圧力センサーアセンブリ１
０は、ベース１４を備えている。感知セル１２は、ベー
ス１４に取りつけられている。圧力センサーアセンブリ
１０は、また、前記ベース１４を備えた感知セル１２を
封入する連結部１６を備えている。感知セル１２は、感
知素子１８を備えることができるように形成されてい
る。感知素子１８は、媒体により加えられた圧力に応答
して撓むことができる。図１及び図２に示されているよ
うに、感知セル１２は、ベース１４に設けられた通路２
０の一端を閉鎖している。感知素子１８は、通路２０を
介して、感知すべき媒体に露出されている。しかしなが
ら、感知セル１２とベース１４は、前記と同様な所望の
結果を達成できるように示されたものとは別の形状に形
成できることは予知できる。図１及び図２に示されたよ
うに、１またはそれ以上のシリコンチップ２４を、感知
セル１２に直接的に取り付けることができる。単一の信
号処理回路構造体が、シリコンチップ２４に設けられて
いる。シリコンチップ２４は、ＣＭＯＳ、ＢＩＣＭＯＳ
あるいはバイポーラー集積回路テクノロジーのような前
記信号処理回路構造体を備えた、単結晶シリコンである
ことが好ましく、これによって、温度の影響や外部応力
の結果として生じる出力誤差を補償（または、補正）す
ることができる。

【００１９】図３を参照すると、感知セル１２の感知素
子１８が、メタルダイヤフラム２６に設けられた多数の
層２８、３４、３６及び３８によって構成されるように
示されている。本願発明によれば、感知セル１２とメタ
ルダイヤフラム２６は、モノリシックなメタル構造体の
形状であることが好ましい。そして、メタルダイヤフラ
ム２６は、メタル本体を、通常のスタンピング、機械加
工または微細機械加工することによって形成されてい
る。後者では、公知のエッチング技術を用いている。そ
して、前記メタル本体の残りは、メタルダイヤフラム２
６用の環状の支持部２２を形成している。あるいは、メ
タルダイヤフラム２６は、溶接などによって環状の支持
部２２に強固に固定されて感知セル１２を形成する、別
体の部材とすることもできることは予測可能である。

【００２０】好適な実施例において、感知セル１２は、
ベース１４に強固に取り付けられて、それらの間を耐久
性のある状態で液密することができる。種々の方法の取
付けが可能であるが、好適な実施例において、感知セル
１２及びベース１４は、合金鋼（ｓｔｅｅｌａｌｌｏ
ｙ）から形成され、溶接によって結合されている。前記
所定の媒体に対して耐食性（耐腐食性）のレベルを適切
にするために、感知セル１２やベース１４にとって、ス
テンレススチール（ステンレス鋼）が好ましい。種々の
グレードのスチール（鋼）を用いることができるが、好
適な合金は、ＡＩＳＩＴｙｐｅ３００及び４００シ
リーズの合金である。そして、Ｔｙｐｅ３０４Ｌ及び４
３０は、後述するように、メタルダイヤフラム２６に接
触したり接着される層２８に適切な材料に、特に、適合
しているということがわかった。しかしながら、炭素や
亜鉛めっき鋼（ｇａｌｖａｎｉｚｅｄｓｔｅｅｌ）な
どの他の金属ばかりでなく、他のステンレススチール
（ステンレス鋼）を使用することも、本願発明の範囲に
含まれる。再び、図３を参照すると、感知素子１８は、
２つの誘電体層（絶縁体層）２８及び３８と、ピエゾ抵
抗体（ｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔｏｒ）３４と、接触子３
６とから形成されるように示されている。ピエゾ抵抗体
３４は、メタルダイヤフラム２６の撓みを感知できるよ
うに採用されており、一方、誘電体層２８及び３８は、
ピエゾ抵抗体３４をメタルダイヤフラム２６から電気的
に絶縁するために必要になっている。接触子３６によっ
て、ワイヤーボンディングの使用により、シリコンチッ
プ２４の信号処理回路構造体をピエゾ抵抗体３４に電気
的に相互に接続させることが可能になっていると共に、
信号処理回路構造体を外側の連結部１６に電気的に相互
に接続させることが可能になっている。あるいは、シリ
コンチップ２４は、フリップチップとすることができ、
公知のフリップチップ取付け方法によって接触子３６に
接続することができる。単一のピエゾ抵抗体３４が示さ
れているが、ホイートストンブリッジを使用して感知セ
ル１２の出力を処理する目的などのために、任意の数の
ピエゾ抵抗体を用いることができるということが理解さ
れるであろう。

【００２１】本願発明の重要な特徴は、誘電体層２８及
び３８、ピエゾ抵抗体３４及び接触子３６が、各々、厚
膜加工処理によって形成されていることである。したが
って、誘電体層２８及び３８、ピエゾ抵抗体３４及び接
触子３６の各々の厚さは、約２５μｍ（約１ミル）ある
いはそれ以上である。そして、誘電体層２８及び３８、
ピエゾ抵抗体３４及び接触子３６の各々は、印刷技術や
同様な加工処理を用いて、適切なペーストやインキ（イ
ンク）を付着させることによって形成される。したがっ
て、誘電体層２８及び３８、ピエゾ抵抗体３４及び接触
子３６は、薄膜構造体から区別できる。ピエゾ抵抗体３
４は、さらに、単結晶圧力セルと一緒に用いられる、打
ち込み（または、注入）式のピエゾ抵抗体や拡散型のピ
エゾ抵抗体とも区別できる。本願発明によれば、ピエゾ
抵抗体３４及び接触子３６用の適切なインキは、当該技
術において公知である。例えば、ピエゾ抵抗体３４に対
して適切とわかった市場で入手可能なインキは、Ｅｌｅ
ｃｔｒｏｓｃｉｅｎｃｅＬａｂｓからＥＳＬＤ−３４
１４の名前で手に入れることが可能である。前記インキ
を付着させるための厚膜印刷処理やそのようなインキを
焼成するために必要な熱処理は、耐薬品性を有する（換
言すれば、化学的に抵抗力がある）セラミックダイヤフ
ラムを用いる従来の圧力変換器セルの製造において必要
な処理と、概ね等しくなっている。したがって、そのよ
うなインキ及び処理は、本願明細書においてより詳細に
は説明しない。

【００２２】公知の工学上の原理にしたがって、メタル
ダイヤフラム２６の直径及び厚さは、メタルダイヤフラ
ム２６が前記媒体の圧力変化に応答して十分且つ確実に
撓むことができるように相対的に寸法決めされている。
一方、ベース１４と環状の支持部２２は、メタルダイヤ
フラム２６を構造的に剛性支持している。メタルダイヤ
フラム２６の適切な寸法は、約０．０２ミリメートルな
いし約１．０ミリメートルの厚さであり、約４ミリメー
トルないし約２０ミリメートルの直径である。しかし、
種々の寸法を有するダイヤフラムが、本願発明の範囲内
にある。

【００２３】メタルダイヤフラム２６に可撓性をもたせ
るには、特に、厚膜誘電体層２８及び３８と、厚膜ピエ
ゾ抵抗体３４とを必要とする。特に、メタルダイヤフラ
ム２６に適合させるように、下の方の誘電体層２８を、
メタルダイヤフラム２６に付着でき且つメタルダイヤフ
ラム２６に接着する材料から形成しなければならない。
同様に、上の方の誘電体層３８を、下の方の誘電体層２
８とピエゾ抵抗体３４用の材料に適合する材料から形成
しなければならない。さらに、厚膜誘電体層２８及び３
８の各々は、メタルダイヤフラム２６が撓むときに引き
起こされる歪みに耐えなければならない。さらに、厚膜
誘電体層２８及び３８の各々は、メタルダイヤフラム２
６の歪みに比例したレベルで、そのような歪みを厚膜ピ
エゾ抵抗体３４に正確に伝達しなければならない。従来
技術の圧力センサーによって採用されている薄膜構造を
使用したとき、そのような問題は、一般的に、持ち上が
っていない。本願発明は、多数の誘電体層（１またはそ
れ以上の結合剤（接合剤）や金属酸化物（ｍｅｔａｌ
ｏｘｉｄｅｓ）の混合物を含むことが好ましい少なくと
も下方の誘電体層２８）を用いることによって、この問
題点と取り組むものである。適切な金属酸化物の混合物
は、誘電体層２８が焼成されたとき、メタルダイヤフラ
ム２６の熱膨張率にほぼ等しい熱膨張率を提供するもの
である。適切な結合剤（接合剤）は、メタルダイヤフラ
ム２６の材料に対し非腐蝕性のものである。前記金属酸
化物の代わりになる他の可能な材料は、磁器（ｐｏｒｃ
ｅｌａｉｎ）、石英（ｑｕａｒｔｚ）、ＳｉＯ₂ 、Ｓｉ
₃Ｎ₄ 、ＳｉＣ、ポリイミド（ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）な
どである。

【００２４】誘電体層２８及び３８に対して特に適切な
インキ配合物（組成物）は、ＥＳＬＤ−４９１４とＥＳ
Ｌ４９１３Ｂである。それらの各々は、Ｅｌｅｃｔｒ
ｏｓｃｉｅｎｃｅＬａｂｓから市場で入手可能であ
る。誘電体層３８用の前記ＥＳＬ４９１３Ｂインキ配
合物は、上述したＥＳＬ３４１４Ｂインキ配合物から
形成されたピエゾ抵抗体と適合するように決定されてい
た。ここでの重要性は、厚膜材料及び処理が、メタル感
知ダイヤフラムに適合するピエゾ抵抗体及び厚膜誘電体
層を形成するように決定されていたことである。そのよ
うな適合性は予期されるものではないということが、Ｅ
ｌｅｃｔｒｏｓｃｉｅｎｃｅＬａｂｓによって製造さ
れた上記誘電体材料（絶縁体材料）が、静的な用途に対
して主として発展され、可撓性基板を含む動的な用途に
対して発展されなかったという事実からさらに理解する
ことができる。

【００２５】圧力センサーアセンブリ１０を取り付ける
ために、ベース１４は、加圧媒体を含む容器の壁に形成
されたポートに挿入できる。図示されたように、ベース
１４は、ねじ付きポート開口部に螺合できるようになっ
ている。しかし、他の適切な締結方法を採用して、ベー
ス１４を固定することができ、また、ベース１４と前記
容器との間を液密にすることができる。圧力センサーア
センブリ１０を適切に取り付けると、前記媒体の圧力変
化によって、メタルダイヤフラム２６が撓み、そのと
き、このメタルダイヤフラム２６の撓みが、誘電体層２
８及び３８を介してピエゾ抵抗体３４によって感知され
る。

【００２６】本願発明に対する評価において、変換器セ
ルは、約１ミリメートルの厚さを有する、冷間圧延され
たステンレススチール（ステンレス鋼）合金ＡＩＳＩ
Ｔｙｐｅ３０４Ｌ、４３０及び１７−７ＰＨのプレー
トから形成され、化学的にエッチングされ、これによっ
て、直径９．５ミリメートルあるいは１０．５ミリメー
トルのディスクが製造された。このとき、８ミリメート
ルの直径のダイヤフラムは、前記ディスクの外径と同心
円状になっている。約０．２ミリメートルの厚さを有す
るダイヤフラムと、約０．５ミリメートルの厚さを有す
るダイヤフラムとが、評価された。種々の処理と処理の
組み合わせとが、前記ディスクに行われ、その後、厚膜
インキが、前記ダイヤフラムの表面に印刷された。前記
処理には、脱脂、媒体ブラスチング（ｍｅｄｉａｂｌ
ａｓｔｉｎｇ）及び酸化を含む。市場で入手可能な種々
の絶縁性のインキが、市場で入手可能な種々のピエゾ抵
抗体インキと組み合わせて印刷された。

【００２７】一般的には、ガラス製の絶縁性インキが、
２３０メッシュスクリーン（ｍｅｓｈｓｃｒｅｅｎ）
を介して塗布され、約１０分ないし１５分の間、約１５
０°Ｃで乾燥させられ、次いで、約１０分の間、約８５
０°Ｃで焼成され、これにより、前記メタルダイヤフラ
ムの各々に第１の厚膜誘電体層が形成された。続いて、
第２の絶縁性インキが塗布され、乾燥させられ、そし
て、同様な態様で焼成させられ、これによって、前記第
１の厚膜誘電体層上に重なる第２の厚膜誘電体層が形成
された。引き続いて、パラジウム／銀（ｐａｌｌａｄｉ
ｕｍ／ｓｉｌｖｅｒ）、金（ｇｏｌｄ）及びピエゾ抵抗
体用のインキが加えられ、乾燥させられ、焼成させら
れ、これによって、前記接触子と４つの厚膜ピエゾ抵抗
体が形成された。前記ピエゾ抵抗体及び接触子は、４つ
の抵抗体を有するホイートストンブリッジを形成できる
パターンで印刷された。このとき、ピエゾ抵抗体は、前
記ダイヤフラムの表面上に配置され、その結果、力が、
所定の方向に前記ダイヤフラムに加えられるとき、２つ
の抵抗体は、圧縮を被り、残りの２つの抵抗体は張力を
受けることとなる。

【００２８】次いで、前記変換器セルが、ＴＩＧ溶接
（ｔｕｎｇｓｔｅｎｉｎｅｒｔｇａｓａｒｃｗ
ｅｌｄｉｎｇ：タングステン不活性ガス溶接）あるいは
レーザー溶接によって、ＡＩＳＩＴｙｐｅ３０４ス
テンレススチール（ステンレス鋼）から機械加工された
ベースに溶接された。前記ベースには、ねじ付き部と平
坦部とが設けられており、これによって、圧力センサー
アセンブリは、気密状態でマニホールドに螺合できるよ
うになっている。次いで、前記マニホールドは、圧力検
査装置に接続された。前記圧力検査装置は、加えられた
圧力と温度との関数として、前記厚膜ピエゾ抵抗体の抵
抗値の変化を記録するためのものである。各変換器セル
の出力は、５ＶＤＣ（直流電圧）が前記ホイートストン
ブリッジに加えられた状態で、加えられた圧力のｐｓｉ
（ｐｏｕｎｄｓｐｅｒｓｑｕａｒｅｉｎｃｈ：ポ
ンド／平方インチ）につき、概ね、約０．１ミリボルト
乃至約０．２ミリボルトの範囲にあった。

【００２９】上述したことから、当業者は、本願発明の
感知セル１２は、微細機械加工された単結晶シリコンか
らなる圧力センサーの作動上の効果を提供し、さらに、
腐蝕性の高圧媒体を感知するのに適切となるように、物
理的に且つ化学的に十分に頑丈とする効果を奏すること
ができるということを理解できるであろう。特に、圧力
センサーアセンブリ１０の感度は、適切な微細機械加工
技術によりメタルダイヤフラム２６を形成することによ
って、容易に成し遂げることができる。メタルダイヤフ
ラム２６の材料は、感知される腐蝕性の媒体に抗するこ
とができるように、具体的に選択することができる。そ
の結果、圧力センサーは、大変高い圧力（例えば、１
０，０００ｐｓｉ（約７０ＭＰａ）を越えた圧力）を感
知できる低コストの圧力センサーを生産する製造方法を
用いることができ、一方、比較的に小さなセンサー用の
パッケージ内で、高い信頼性と高い性能とを同時に達成
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本願発明の一実施例にしたがった圧力
センサーアセンブリの斜視図である。

【図２】図２は、図１に示されたセンサーセル及びベー
スユニットの断面図である。

【図３】図３は、本願発明の好適な実施例にしたがった
前記センサーセルの断面図である。

【符号の説明】

１０圧力センサーアセンブリ１２感知セル１４ベース１６連結部１８感知素子２０通路２２環状の支持部２４シリコン
チップ２６メタルダイヤフラム２８誘電体層３４ピエゾ抵抗体３６接触子３８誘電体層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ジョン・マーカス・ハート，ジュニアーアメリカ合衆国インディアナ州46901，ココモ，メイフィールド・ドライブ 4705

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧力センサーアセンブリであって、ダイヤフラム（２６）を有するメタル本体（２２）と、前記ダイヤフラム（２６）に形成された第１の誘電体層
（２８）と、前記第１の誘電体層（２８）に形成された第２の誘電体
層（３８）と、前記第２の誘電体層（３８）に形成され、前記ダイヤフ
ラム（２６）の撓みを感知するための少なくとも１つの
厚膜ピエゾ抵抗素子（３４）とを備えたことを特徴とす
る圧力センサーアセンブリ。
【請求項２】請求項１に記載の圧力センサーアセンブ
リにおいて、前記メタル本体（２２）は、スチールから形成されてい
ることを特徴とする圧力センサーアセンブリ。
【請求項３】請求項１または２に記載の圧力センサー
アセンブリにおいて、さらに、前記厚膜ピエゾ抵抗素子（３４）と電気的に相
互に接続させられた信号処理回路構造体（２４）を備え
ていることを特徴とする圧力センサーアセンブリ。
【請求項４】請求項１ないし３のいずれか１項に記載
の圧力センサーアセンブリにおいて、前記信号処理回路構造体は、メタル本体（２２）に取り
付けられた半導体チップ（２４）に設けられていること
を特徴とする圧力センサーアセンブリ。
【請求項５】請求項１ないし４のいずれか１項に記載
の圧力センサーアセンブリにおいて、前記ダイヤフラム（２６）は、前記メタル本体（２２）
のうちエッチングされた構造体であることを特徴とする
圧力センサーアセンブリ。
【請求項６】請求項１ないし４のいずれか１項に記載
の圧力センサーアセンブリにおいて、前記ダイヤフラム（２６）は、前記メタル本体（２２）
のうち機械加工されたあるいはスタンピング加工された
構造体であることを特徴とする圧力センサーアセンブ
リ。
【請求項７】請求項１ないし６のいずれか１項に記載
の圧力センサーアセンブリにおいて、さらに、前記厚膜ピエゾ抵抗素子（３４）に接触する厚
膜メタル接触子（３６）を備えていることを特徴とする
圧力センサーアセンブリ。
【請求項８】請求項１ないし７のいずれか１項に記載
の圧力センサーアセンブリにおいて、さらに、前記メタル本体（２２）が溶接されるベース
（１４）を備えていることを特徴とする圧力センサーア
センブリ。
【請求項９】請求項８に記載の圧力センサーアセンブ
リにおいて、さらに、前記ベース（１４）を通る開口部（２０）を備
えており、前記ダイヤフラム（２６）は、前記開口部
（２０）の第１の端を閉鎖することを特徴とする圧力セ
ンサーアセンブリ。
【請求項１０】請求項１ないし９のいずれか１項に記
載の圧力センサーアセンブリにおいて、第１の誘電体層（２８）及び第２の誘電体層（３８）の
各々は、厚膜誘電体層となっていることを特徴とする圧
力センサーアセンブリ。
【請求項１１】圧力センサーアセンブリであって、平坦なダイヤフラム（２６）を有するステンレススチー
ル製の本体（２２）と、前記平坦なダイヤフラム（２６）に形成された多数の厚
膜誘電体層（２８、３８）と、前記厚膜誘電体層（２８、３８）の一方に形成され、前
記ダイヤフラム（２６）の撓みを感知する少なくとも１
つの厚膜ピエゾ抵抗素子（３４）と、前記厚膜ピエゾ抵抗素子（３４）に接触する厚膜メタル
接触子（３６）と、ベース（１４）とを備えており、前記本体（２２）は、前記ベース（１４）に溶接され、
これによって、前記本体（２２）と前記ベース（１４）
との間が気密状態に密閉されており、前記ベース（１４）は、当該ベース（１４）を通る開口
部（２０）を備えており、前記開口部（２０）は、前記
本体（２２）によって閉鎖されていることを特徴とする
圧力センサーアセンブリ。
【請求項１２】請求項１１に記載の圧力センサーアセ
ンブリにおいて、さらに、信号処理回路構造体を備えており、前記信号処
理回路構造体は、前記厚膜ピエゾ抵抗素子（３４）に電
気的に相互に接続させられており、前記信号処理回路構
造体は、前記メタル本体（２２）に取り付けられた半導
体チップ（２４）に設けられていることを特徴とする圧
力センサーアセンブリ。
【請求項１３】請求項１１または１２に記載の圧力セ
ンサーアセンブリにおいて、前記ダイヤフラム（２６）は、前記メタル本体（２２）
のうちエッチングされた構造体であることを特徴とする
圧力センサーアセンブリ。
【請求項１４】請求項１１または１２に記載の圧力セ
ンサーアセンブリにおいて、前記ダイヤフラム（２６）は、前記メタル本体（２２）
のうち機械加工されたあるいはスタンピング加工された
構造体であることを特徴とする圧力センサーアセンブ
リ。
【請求項１５】圧力センサーアセンブリを製造するた
めの方法であって、前記方法は、ダイヤフラム（２６）を有するようにメタル本体（２
２）を形成するステップと、前記ダイヤフラム（２６）に第１の誘電体層（２８）を
形成するステップと、前記第１の誘電体層（２８）に第２の誘電体層（３８）
を形成するステップと、前記ダイヤフラム（２６）の撓みを感知する少なくとも
１つの厚膜ピエゾ抵抗素子（３４）を前記第２の誘電体
層（３８）に形成するステップとを備えたことを特徴と
する圧力センサーアセンブリを製造するための方法。
【請求項１６】請求項１５に記載の圧力センサーアセ
ンブリを製造するための方法において、前記メタル本体（２２）は、スチールから形成されてい
ることを特徴とする圧力センサーアセンブリを製造する
ための方法。
【請求項１７】請求項１５または１６に記載の圧力セ
ンサーアセンブリを製造するための方法において、前記第１の誘電体層（２８）及び前記第２の誘電体層
（３８）の少なくとも一方が、厚膜誘電体層であること
を特徴とする圧力センサーアセンブリを製造するための
方法。
【請求項１８】請求項１５または１６に記載の圧力セ
ンサーアセンブリを製造するための方法において、前記第１の誘電体層（２８）及び前記第２の誘電体層
（３８）の各々が、厚膜誘電体層であることを特徴とす
る圧力センサーアセンブリを製造するための方法。
【請求項１９】請求項１５ないし１８のいずれか１項
に記載の圧力センサーアセンブリを製造するための方法
において、さらに、前記厚膜ピエゾ抵抗素子（３４）に接触する前
記ダイヤフラム（２６）に厚膜メタル接触子（３６）を
形成するステップを備えたことを特徴とする圧力センサ
ーアセンブリを製造するための方法。
【請求項２０】請求項１５ないし１９のいずれか１項
に記載の圧力センサーアセンブリを製造するための方法
において、さらに、ベース（１４）にメタル本体（２２）を溶接
し、それによって、前記メタル本体（２２）が、前記ベ
ース（１４）の開口部（２０）を閉鎖するステップを備
えたことを特徴とする圧力センサーアセンブリを製造す
るための方法。