JPS6056314B2 - 圧力・振動―電気変換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は圧力・振動−電気変換装置に関するものであ
り、圧力とさらに振動や加速度等を同時に又は各々単独
に検知することができる装置である。

従来、振動や加速度等を検知するのに一般的に用いら
れている構造としては、先端部に受感質量を持つた片持
粱又は中央部に受惑質量を持つた両方固定粱等に歪ゲー
ジを形成したものがあるが、その構造、電極の取り出し
はめんどうでコストがかかり、さらに自動車等に装着す
る検出器は温度、圧力、位置等を検出する必要もあり狭
い限られた空間に配置しなければならず、大きさやコス
トの面で問題があつた。

本発明は上記の問題点を解決するためのものであり、
装置の小型化、低コスト化を可能とすると共に、受感質
量要素をダイアフラム上に簡単かつ自在に設定可能な圧
力・振動−電気変換装置を提供することを目的とする。

そのため、本発明では、被測定圧力に応動する薄肉状
のダイアフラム部及び肉厚状の支持体とが一体に形成さ
れたシリコン基板と、前記ダイアフラム部の一主面に形
成された感歪素子と、前記ダイアフラム部の一主面の実
質的に中央部分に形成された所定パターン状の第１の金
属膜と、前記ダイアフラム部の一主面と同一主面側の前
記支持体上に形成され、前記感歪素子からの信号を外部
に取出す外部取出用電極となる第２の金属膜と、前記第
１、第２の金属膜上に形成された半田層とを有し、前記
第１の金属膜及び前記第１の金属膜上に形成された半田
層によつて前記ダイアフラム部自身の振動に応動する受
惑質量要素が構成され、被測定圧力及び前記ダイアフラ
ム自身の振動を同一の前記惑歪素子にて検出する構成と
したことを特徴とする。 次に本発明をよりよく理解す
るために図に示す単結晶シリコンをダイアフラムに使用
した一実施例を用いて具体的に説明する。

ます第１図、第２図は平面図および側面断面図であり、
１は絶縁体基台で、単結晶シリコンとほぼ等しい熱膨脹
係数を有するたとえば結晶化ガラス等から成り、この絶
縁体基台１には所定の大きさの貫通孔２が形成してある
。３は導体層、４は第１接着部で、これらはスクリーン
印刷等の手法によりたとえば銀一白金系又は銀パラジウ
ム等の導体ペーストを用いて形成してあり、また５は絶
縁体部で、所定の部所及びハンダ層６を形成した部所以
外の区域にガラス等の絶縁物で形成されてなる。

またハンダ層６はこの絶縁体部５で覆われなかつた導体
層３及び第１接着部４のみに形成してある。次に第３図
、第４図は前記絶縁体基台１に取付けるダイアフラムチ
ップを示すものであり、このダイアフラムチップにはた
とえば０．６〜１．５ΩαのＮ型（１００）面単結晶シ
リコン基板７にＰ型であるボロンを拡散して歪ゲージ８
が形成してあり、各歪ゲージ８は同一の結晶軸方向に対
称に配置されている。

また９は絶縁体層、１０は薄肉状ダイアフラムで、各歪
ゲージ８に被測定圧力に応じて応力歪を与えるために薄
肉のダイアフラム状にしたものであり、熱酸化膜をマス
クとしてＫＯＨ液にてエッチング形成される。そして１
０ａがダイアフラム１０の支持体を構成する。また絶縁
体層９上にはダイアフラム部１０の直径よりも大きな直
径の第２接着部１１、歪ケージ８の信号を外部に取出す
ための取出し電極１２、及び印加される振動を検知増幅
するための受感質量部１３がＡ１一Ｃｒ−Ｃｕ，Ｃｒ−
Ｃｕ等の各金属の蒸着、メッキにより形成されており、
第２接着部１１、外部取出し電極１２、及び受感質量部
１３にハンダ層１４を形成したものである。また本実施
例では歪ゲージ８から外部取出し電極１２までの配線は
ボロンの高濃度拡散層１５でおこなつた。これはＡ１蒸
着による配線でもよい。次に第５図に示すものは、ハン
ダ層６を形成し．た前記絶縁基台１を熱板上に置いてこ
のハンダ層６を溶かし、その後ハンダ層１４を形成した
ダイアフラムチップをなす前記単結晶シリコン基板７を
絶縁体基台１上に載置する事により、第１接着部４と第
２接着部１１とを、その両ハンダ層６，・１４のハンダ
を接着剤として気密性をもたせて接着支持するとともに
、歪ゲージ８への電気的接続をおこなうために導体層３
上のハンダ層６と外部取出し電極１２も同様にハンダ層
６，１４でもつて同時に接続する事により所望の圧力・
振動一電気変換装置を構成したものである。

なお、第５図では圧力導入用バイブ１０１を接着したも
のであるが、絶縁体基台１をつくる時に一体に形成して
もよい。

また１０２は複数本の外部用導線を示している。このよ
うにして作製した本発明の変換装置をたとえば自動車に
おける検出器として使用した場合、バイブ１０１にたと
えばインテークマニホールド圧力を導入する事によりＪ
圧力を測定するとともに、この変換装置を車体に取り付
ければ車体の振動を、あるいはエンジン本体に取り付け
ればエンジン本体の振動を同時に出力として取り出す事
が出来る。第６図は第５図に示す変換装置による出力波
形である。

図中出力ΔＶ１は圧力変化による出力分、及びΔＶ２は
振動の大きさであり、振動周期ｔを測定する事により振
動の周波数を検出する事が出来る。又本変換装置は圧力
のみ又は振動のみの単独の検出器として使用出来るだけ
でなく、受感質量部１３の質量を変える事により同時に
精度の高い広い範囲にわたる加速度計として使用する事
が出来るのはいうまでもない。第７図Ａ，Ｂ，Ｃは圧力
変化による成分ΔＶ１と振動成分Ｖ２を分離した様子を
示すものである。

第７図Ａは検出回路ブロック、第７図Ｂは圧力波形、第
７図Ｃは振動波形を夫々示す図である。このように本発
明装置を自動車のエンジンコントロールに応用した場合
、エンジンへの供給空気量を表わすインテークマニホー
ルド圧力の変化は非常に周波数の低いものであり、一方
エンジンでの爆発によるエンジン本体の振動は非常に高
い周波数成分で構成されている。

本発明の圧力・振動−電気変換装置における出力波形（
第６図）は大きなうねりの圧力成分、大きなうねりに重
なつた高周波からなる振動成分よりなつている。ここで
エンジンの爆発状態の異常、たとえばノッキング等が発
生した場合高周波の振動成分での変化があられれてくる
。この力と振動の合成された出力波形等をコンピュータ
ーで処理する事により、点火時期、燃料供給量等の調整
の信号を形成する事ができる。なお、本発明は拡散によ
る歪ゲージに限らず蒸着薄膜、金属ストレンゲージやそ
の他の感歪素子をダイアフラム上に形成したものすべて
に適用できる事はいうまでもない。

又使用するシリコン結晶面は（１００）面にかぎらない
。また受感質量部１３はダイアフラム１０の中央部やそ
の近傍に形成するのが適当であるが別段これは限定され
ない。また受惑質量の増加は第３図、４図における受感
質量部１３のハンダ層１４におもりを接着する事によつ
ても出来る。また受感質量部はダイアフラムの両面に形
成してもよいし、複数個に分割してもよい。さらに絶縁
体基台１上には信号処理、増幅回路等を装着してもよい
。以上述べたように本発明では、被測定圧力に応じてダ
イアフラム部が変形し、かつ支持体より伝わるダイアフ
ラム部自身の振動を受感質量部要素にて増幅してダイア
フラム部を変形させることができ、それにより同一の感
歪素子でもつて被測定圧力と同時に振動変化分を加味し
た合成出力を得ることができるようになり、しかも、受
感質量要素を、所定パターン状の第１の金属膜とこの膜
上の半田層との組合せによつてダイアフラム部上に簡単
かつ自在に設定可能となり、そのため装置を小型かつ低
コストに提供可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明変換装置に用いる絶縁体基台の
一実施例を示す平面図、及び側面断面図、第３図、第４
図は本発明装置に用いるタイアフラムチップの一実施例
を示す平面図、及び側面断面図、第５図は本発明装置の
一実施例の全体構造を示す側面断面図、第６図は本発明
装置における一実施例装置の出力波形図、第７図Ａ，Ｂ
，Ｃは本発明装置の検出出力を処理する一方法を示す説
明図である。 ８・・・・・・惑歪素子をなす歪ゲージ、１０・・・・
・・薄肉状ダイアフラム、１０ａ・・・・・・支持体、
１３，２０１・・・・・・受感質量要素をなす受感質量
部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 被測定圧力に応動する薄肉状のダイアフラム部及び
   肉厚状の支持体とが一体に形成されたシリコン基板と、
   前記ダイアフラム部の一部主面に形成された感歪素子と
   、前記ダイアフラム部の一主面の実質的に中央部分に形
   成された所定パターン状の第１の金属膜と、前記ダイア
   フラム部の一主面と同一主面側の前記支持体上に形成さ
   れ、前記感歪素子からの信号を外部に取出す外部取出用
   電極となる第２の金属膜と、前記第１、第２の金属膜上
   に形成された半田層とを有し、前記第１の金属膜及び前
   記第１の金属膜上に形成された半田層によつて前記ダイ
   アフラム部自身の振動に応動する受感質量要素が構成さ
   れ、被測定圧力及び前記ダイアフラム自身の振動を同一
   の前記感歪素子にて検出する構成としたことを特徴とす
   る圧力・振動−電気変換装置。