JPS5921075A - 力および変位用集積センサ - 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】 本発明は、外力を受け、その応力に応じて電気抵抗が変
化するピエゾ抵抗性センサ素子として構成され、また電
気的装置に接続するためまたは電圧供給を受けるために
少なくとも２つの電気端子を有するシリコン板片を含ん
でいる力および変位用集積センサに関する。

この種のピエゾ抵抗性センサ素子はドイツ連邦共和国特
許出願公開第２９３２９５６号公報に記載されている。

このセンサ素子は一連の課題に成功裡に使用可能である
。信頼性の理由から特定の用途たとえば吸塵器の吸込圧
力調節用、縫製機または他の家庭用機器の速度調節用ま
たは穿孔機の回転速度調節用としては機器の電流供給に
関する作動条件の設定のために通常の仕方で使用される
ポテンショメータを、閉じられた包囲体内に位置しダイ
アフラムまたはレバーなどの運動をそれに比例する電気
的信号に変換する半導体素子により置換するべく努力さ
れている。ピエゾ抵抗性センサ素子として構成されたこ
のような半導体素子の応用により、制御すべき装置の作
動の際に生ずる塵埃および糸屑の影響を受けやすいとい
うポテンショメータの欠点は回避される。なぜならば、
半導体センサ素子は閉じられた包囲体内に位置している
からである。

他方、センサ素子により制御される電気機器たとえは吸
塵器などに対して完全に閉じられている包囲体内にセン
サ素子が位置しているにもかかわらず、センサ素子の半
導体ブロックへの良好な力伝達が保証されるように配慮
されていなければならない。さらに、包囲体はセンサ素
子の所定の動作範囲内の温度変化に基づいてセンサ素子
の動作機能に有害な影響を及はすことのないように構成
されていなければならない。最後に、センサ素子の使用
目的を考慮に入れて、センサ素子をその包囲体内に安定
に保持することが非常に重要である。

本発明の目的は、上記種類の力および変位センサとして
上記の必要条件をすべて満足するものを提供することで
ある。さらに、本発明の目的は、このようなセンサの経
済的な構成を可能にすることである。

この目的は本発明によれは、ピエゾ抵抗性センサ素子と
してのシリコン板片がセンサ素子への力伝達の役割をす
る可撓性金属ストリップの上に取付けられ、また固体絶
縁材料から成る包囲体のなかに埋込まれており、この包
囲体を通じて、シリコン板片の個々の電気端子から出る
接続片もセンサ素子を担持する金属ストリップも密封状
態で外部に導かれることにより達成される。

センサ素子のシリコン・ブロックを収容する包囲体が電
気絶縁性の有機合成樹脂から成っていることは有利であ
る。

以下、図面により本発明を一層詳細に説明する。

第１図は本発明による完成した状態のセンサの断面図、
第２図はその合成樹脂埋込体を設ける前の状態の平面図
である。

第１図から明らかなように、本発明の１つの好ましい実
施例では、センサ素子を収容する絶縁物包囲体５は２つ
の範囲５ａおよび５ｂから成っている。ピエゾ抵抗性セ
ンサ素子のシリコン板片１は薄い範囲５ａ内に位置して
おり、それからセンサ素子１を担持する金属ストリップ
３が舌状に突出している。シリコン板片１の個々の端子
２は各１つの細い線片により、密封状態で外部に導かれ
ている外部端子４に接続されている。

外部端子４はピエゾ抵抗性センサ素子１にその作動に必
要な供給電圧を供給するのに用いられる。

さらに、このような端子４を介して、ピエゾ抵抗性セン
サ素子１により制御すべき装置、たとえば電流計または
電圧計または電子的に制御または調節すべき機械への接
続が行なわれる。

コンパクトな合成樹脂埋込体５を、金属舌片３に対して
平行に延びる薄いほうの範囲５ａと範囲５ａに直接つな
がる厚いほうの範囲５ｂとに分割することにより、全装
置の保持がその保持機構と厚いほうの部分５ｂとの接触
により専ら行なわれるものと仮定して、全装置の保持に
よりシリコン板片１、従ってまたピエゾ抵抗性センサ素
子に余計な荷重が及ばないという大きな利点が得られる
。

さらに、金属舌片３およびシリコン板片を直接包囲する
範囲５ａが範囲５ｂに比較して、測定または評価すべき
外力による金属舌片３の機械的駆動の際に、両範囲５ａ
および５ｂの断面積が互いに等しい場合に金属舌片３を
介して伝達される機械的制御によりシリコン板片１に受
ける影響よりもはるかに強い影響を受けるという利点が
得られる。

同じ理由から、また装置の耐過負荷性の一層の改善のた
めに、さらに、金属舌片３を少なくとも合成樹脂埋込体
５の範囲５ａ内で均等な薄い金属ストリップとして形成
することは有利である。この場合、金属ストリップ３の
上にピエゾ抵抗性センサ素子のシリコン板片１が接着、
ろう付けまたは合金皮膜により取付けられる。

金属ストリップ３の材料、従ってまたその弾性および硬
度の選択により、また舌状金属ストリップ３上へのシリ
コン板片１の取付の仕方により、さらに絶縁物埋込体５
の材料の選択により、容易にわかるように、センサ装置
の応答感度、従ってまたその種々の用途への応用可能性
を変更することができる。製造技術上の理由と、一方で
はシリコン板片１への、また他方では絶縁物埋込体５へ
の熱膨張係数適合の理由とから、鉄−ニッケル合金Ｖａ
ｃｏｄｉｌまたはこれと類似の鉄−ニッケル合金または
銅−鉄合金が特に適している。金属舌片３を形成するス
トリップの厚みは０．１〜１ｍｍ、特に０．２〜０．３
ｍｍに設定されることが目的にかなっている。

絶縁物埋込体５の材料としては、合成樹脂、たとえば半
導体装置たとえばモノリシック集債回路の埋込みに用い
られる市販の成型用合成樹脂が特に適している。金属舌
片３の曲げ荷車に基づくピエゾ抵抗性センサ素子のシリ
コン板片１への力の伝達は合成樹脂埋込体５の範囲５ａ
を介して行なわれるので、いずれの場合にも、舌片を形
成する金属ストリップ３の厚みと合成樹脂埋込体５の範
囲５ａの厚みとはこの意味で互いに合わされる。

その際、シリコン板片１の厚みも考慮に入れられなけれ
ばならない。適当な数値例は最後に示されている。

合成樹脂包囲体５の厚いほうの部分５ｂは、前記のよう
に、全装置を台、たとえばピエゾ抵抗性センサを介して
制御すべき装置に取付けるのに用いられる。そのために
厚いほうの部分５ｂには取付ねじを通すための貫通孔６
を設けることができる。さらに、第１図および第２図か
らわかるように、外部端子４が合成樹脂埋込体５の厚い
ほうの部分５ｂに配置されている。

加えて、第２図に平面図で示されている金属板が設けら
れており、この金属板は集積半導体回路の組立および接
触に用いられているものと同様であるが、その幾何学的
関係は、第２図に示されているように、通常のものと相
違している。金属板の中央部分は金属舌片３を形成する
金属ストリップであり、その上にセンサ素子のシリコン
板片１が取付けられている。センサ素子を形成するシリ
コン板片１は特にドイツ連邦共和国特許出願公開第２９
３２９５６号公報に示すように構成されている。

金属ストリップ３は合成樹脂包囲体５の厚いほうの部分
５ｂのなかまで延長されており、第２図からわかるよう
に貫通孔Ｂを包囲している。ストリップ３から側方に両
側に外部端子４を形成するピンが配置されている。これ
らのピンは、装置の外部端子として用いられる端部を除
いて、合成樹脂包囲体５の厚いほうの部分５ｂにより包
囲されている。シリコン板片１の電気端子と個々のピン
４との間の接続線（第２図には示されていない）がピン
４の端部（合成樹脂埋込体５により、一層詳細にはその
厚いほうの部分により包囲されている端部）に通常の仕
方で取付けられている。ピン４および金属ストリップ３
を例外として、合成樹脂埋込体の取付後にその外側に位
置するすべての金属部分は通常の仕方で除去される。

合成樹脂埋込体５の取付は好ましくはモールドまたはプ
レスにより行なわれ、その詳細は集積半導体チップの組
立の際の通常の措置と同様である。

数値例 金属ストリップの厚み：０．２５ｍｍ シリコン板片の厚み：０．２ｍｍ 合成樹脂埋込体の薄いほうの範囲の厚み：１．５〜２ｍ
ｍ 金属舌片の幅：２〜５ｍｍ 中央に取付けられたシリコン板片の幅：１〜３ｍｍ 合成樹脂埋込体の厚いほうの厚み（それにより包囲され
る金属部分３および４の厚みを含む）：たとえば３〜４
ｍｍ。

本発明による力および変位センサが本発明の範囲内で他
の形態でも実施され得ることはもちろんである。しかし
、２つの図面により説明した実施例は特に実証済である
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の完成した状態の断面図、第２
図はその合成樹脂埋込体の取付前の製作状態を示す平面
図である。 １・・・シリコン板片、２・・・端子、３・・・金属ス
トリップ、４・・・外部端子、５・・・絶縁物包囲体、
５ａ・・・薄いほうの範囲、５ｂ・・・厚いほうの範囲
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）外力を受け、その応力に応じて電気抵抗が変化する
   ピエゾ抵抗性センサ素子として溝成され、また電気的装
   置に接続するためまたは電圧供給を受けるために少なく
   とも２つの電気端子を有するシリコン板片を含んでいる
   力および変位用集積センサにおいて、ピエゾ抵抗性セン
   サ素子としてのシリコン板片がセンサ素子への力伝達の
   役割をする可撓性金属ストリップの上に取付けられ、し
   かも固体絶縁材料から成る包囲体のなかに埋込まれてお
   り、この包囲体を通じて、シリコン板片の個々の電気端
   子から出る接続片もセンサ素子を担持する金属ストリッ
   プも密封状態で外部に導かれていることを特徴とする力
   および変位用集積センサ。 ２）金属ストリップとならんでシリコン板片の包囲体を
   形成しかつ合成樹脂から成る埋込体が、シリコン板片お
   よび金属ストリップを内包する薄い部分と、センサを保
   持しまたは取付ける役割をしかつセンサ素子の電気端子
   を外部に導く役割をする厚い部分とから成っていること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載のセンサ。 ３）絶縁性埋込体の薄い部分がセンサ素子のシリコン板
   片とそれを担持する金属ストリップとに対して対称に構
   成されていることを特徴とする特許請求の範囲第２項記
   載のセンサ。 ４）金属ストリップが鉄−ニッケル合金または鉄−銅合
   金から成っていることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項ないし第３項のいずれかに記載のセンサ。 ５）センサ素子の絶縁性埋込体が成型法で製作されてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第４項
   のいずれかに記載のセンサ。