JPH0610641B2 - 高温流体用圧力センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は圧力センサ、特に高温流体の圧力を測定するた
めに用いられる圧力センサの改良に関する。

［従来の技術］ 圧力センサは、各種分野において気体または液体などの
流体圧力を測定するために幅広く用いられており、特に
近年においては、高温、高圧の極めて激しい使用環境下
で用いられることも多い。従って、このような高温流体
の圧力測定用として用いられるセンサには、周囲の環
境、特にその温度に影響されることなく圧力を正確に測
定できる能力が要求される。

例えば、このような圧力センサを内燃機関の燃焼圧セン
サとして用いた場合には、温度が１０００℃以上の燃焼
ガスによって影響されることなく、その圧力を長時間正
確に測定できる能力が要求される。

第２図には、従来の圧力センサの一例が示されており、
この圧力センサは、ダイヤフラム部１０の表面に作用す
る燃焼ガスの圧力Ｐを、圧縮力Ｗとして熱絶縁体１２を
介して力変換素子１４に伝達し、力変換素子１４から出
力される電気信号に基づき燃焼ガスの圧力Ｐを測定して
いた。

しかし、１０００℃を超える高温の燃焼ガスの圧力測定
を行おうとする場合には、ダイヤフラム部１０と力変換
素子１４との間に設けた熱絶縁体１２だけでは、力変換
素子１４へ伝達する熱を十分に遮蔽することができず、
力変換素子１４自体の性能が低下してしまう。

このため、従来はダイヤフラム部１０の表面側に、これ
と一体的にブロック部２２を設け、ダイヤフラム部１０
付近に来た燃焼ガスの熱を吸収することにより、ダイヤ
フラム部１０自体の温度上昇を抑制し、高温、高圧の燃
焼ガスの圧力測定を行う場合でも、力変換素子１４へ熱
が伝達されないよう形成されていた。

従来、このような圧力センサに使用される力変換素子１
４としては、圧縮型ロードセルに代表される歪みゲージ
タイプのものが一般的に知られている。

しかし、従来の力変換素子１４にあっては、この数年、
新規な圧縮力検知方式を取り入れて構成されたものは無
かった。

第３図には、従来の歪ゲージタイプの力変換素子１４の
一例が示されている。

この力変換素子は、圧縮力Ｗが印加される４角柱形状を
した起歪体１６を有し、この起歪体１６の４つの側面１
６ａに、半導体歪ゲージ１７が接着剤１７ａを用いて貼
付けられている。そして、これら各側面に貼付けられた
複数の歪ゲージ１７は、互いにホイートストンブリッジ
回路を形成するよう電気的に接続されている。

そして、加えられた圧縮力Ｗに対応して生ずる起歪体１
６の歪を、ホイールストンブリッジ回路から電圧信号と
して出力している。

［発明が解決しようとする問題点］ しかし、従来の圧力センサ、特にその力変換素子１４
は、以下に述べる問題点を有していた。

第１の問題点 まず、従来の圧力センサに用いられる力変換素子１４
は、温度変化に伴う半導体歪ゲージ１７の抵抗値の増減
がもたらす検出特性への悪影響を低減するために、複数
の半導体歪ゲージ１７を起歪体１６の各側面１６ａに貼
付けていた。そして、これら各歪ゲージ１７の電極１７
ｂ，１７ｂからターミナル１８，１８へリード線１８
ａ，１８ａを引き出し、しかも、これら各ターミナル１
８，１８に引き出し線１９，１９を接続し、各歪ゲージ
１７がホイートストンブリッジ回路を形成するよう結線
していた。

このため、力変換素子１４、ひいては圧力センサの製造
工程が複雑化し、その製造に高いノウハウを必要とする
ため、製造された圧力センサが高価なものとなってしま
い、しかも製品ごとの特性のバラツキも大きくなってし
まうという問題があった。

第２の問題点 また、従来のセンサに用いられる力変換素子１４は、複
数の歪ゲージ１７を、接着剤１７ａを用いて起歪体１６
の側面１６ａに貼付けている。このため、接着剤１７ａ
がもたらすクリープ、ヒステリシス等の測定特性への悪
影響が避けられず、信頼性に欠けるという問題があっ
た。さらに、接着剤１７ａを用いた歪ゲージ１７の貼付
けには、高いノウハウを必要とし、しかも接着による歪
ゲージ特性のバラツキも大きいという問題があった。

［発明の目的］ 本発明は、この様な従来の課題に鑑みなされたものであ
り、その目的は、前述した問題点を解決することがで
き、信頼性が高くしかも安価な高温流体用の圧力センサ
を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 前記目的を達成するため、本発明は、ダイヤフラム部の
表面に作用する高温流体の圧力を、圧縮力として力変換
素子に伝達し、力変換素子から出力される電気信号に基
づき高温流体の圧力を測定する圧力センサにおいて、 前記力変換素子は、 圧縮力が加えられる面として｛１１０｝面の結晶面を有
するように形成され、この結晶面が前記ダイヤフラム部
と平行になるよう取付けられたＳｉ単結晶体と、 前記Ｓｉ単結晶体上に、その｛１１０｝面上における結
晶の＜００１＞方向より４５度の方向に対向して設けた
第１の電極と、＜１１０＞方向より４５度の方向に対向
して設けた第２の電極と、を含み、これら第１および第
２の電極のいずれか一方を出力電極とし、他方を入力電
極として用いる複数の電極と、 一端側が前記Ｓｉ単結晶体の｛１１０｝面の結晶面と接
合され、他端が前記ダイヤフラム部に接するよう形成さ
れ、ダイヤフラム部に印加される圧力を圧縮力としてＳ
ｉ単結晶体の結晶面に垂直に伝達し、Ｓｉ単結晶体の
｛１１０｝面の結晶面と接合される複合台座と、 前記Ｓｉ単結晶体の、台座が接合された面と対向する
面と接合されるステムと、 を含み、前記ステムは、 前記Ｓｉ単結晶体の台座が接合された面と対向する面と
接合され、そのＳｉ単結晶体を支持するための支持基台
と、 前記出力電極から出力される電気信号を外部に取出すた
めの複数の出力電極端子と、 前記入力電極へ外部から電流を通電するための複数の入
力電極端子と、 これら入力電極端子、出力電極端子および支持基台を一
体的に保持する保持手段と、 を含み、 前記入力電極端子からＳｉ単結晶体に電流を流しながら
Ｓｉ単結晶体の結晶面に垂直に圧縮力を作用させ、出力
電極端子からダイヤフラム部の表面に作用する高温流体
の圧力に対応した電圧を出力することを特徴とする。

着目点 本発明者等は、従来の力変換素子とは全くその原理が異
なる新規な圧力検知手段を用いた高温流体用の圧力セン
サを開発した。

以下に、本発明の圧力センサに用いられる圧力検知手
段、特にその力変換素子を開発するに際しての着目点に
ついて説明する。

第１の着目点 従来の圧力センサに用いられる力変換素子は、温度の変
化に伴ない増減する半導体歪ゲージの抵抗値がもたらす
特性への悪影響を低減するために、複数の半導体歪ゲー
ジを用いて、ホイートストンブリッジ回路を形成してい
た。

本発明の第１の着目点は、この様な複数の半導体歪ゲー
ジを用いて形成されたホイートストンブリッジ回路に代
え、一つのＳｉ単結晶体で複数の歪ゲージを構成しよう
とすることにある。このため、本発明においては、一つ
のＳｉ単結晶体に一対の出力電極と入力電極とを交差し
て設け、望ましくは直交する方向に相対して設けるよう
構成している。

このようにすることにより、本発明によれば、後述する
理由（作用の欄の（ｇ）の項に詳述する）から、温度の
変動がもたらす特性への悪影響が低減し、前述した第１
の問題点を解決することができる。

第２の着目点 しかし、前述したように、一対の出力電極と入力電極と
を直交して設けたＳｉ単結晶体を用いたとしても、従来
のようにこのＳｉ単結晶体を起歪体の側面へ接着剤を用
いて貼付けていたのでは、前述した第２の問題点を解決
することができない。

本発明の第２の着目点は、前記Ｓｉ単結晶体の結晶面に
対し垂直に圧縮力を作用させ、この圧縮力に基づくＳｉ
単結晶体のピエゾ抵抗効果を利用して圧縮力を検知する
という、新規な力検知方式を採用したことにある。

すなわち、従来の力変換素子は、起歪体の側面に複数の
歪ゲージを接着剤を用いて貼付け、圧縮力を起歪体の圧
縮歪として検知していた。従って、起歪体の圧縮歪が接
着剤を介して、各歪ゲージに伝達されることになり、接
着剤に起因するクリープ、ヒステリヒス等の悪影響を受
けやすく、信頼性が低いという問題があった。

これに対し、本発明では、Ｓｉ単結晶体の結晶面の一方
を台座と接合し、他の結晶面を支持基台に接合し、Ｓｉ
単結晶体の結晶面に対し垂直に圧縮力を作用させるとい
う、従来には全くない新規な構成を採用している。

従って、仮にＳｉ単結晶体と台座および支持基台との接
合に接着剤を用いたとしても、接着剤に起因するクリー
プ、ヒステリヒス等の悪影響が著しく小さくなり、測定
データの信頼性が極めて高いものとなる。なお、この様
な接着剤の影響を確実に除去するためには、Ｓｉ単結晶
体と支持基台および台座との接合を、接着剤を用いるこ
となく、例えば特公昭５３−２８７４７号公報に開示さ
れた静電接合方法等を用いて行うことが好ましい。

第３の着目点 ところで、このようなＳｉ単結晶体を用いて圧縮力の測
定を行うとする場合には、加えられる圧縮力に対応した
測定電圧を、Ｓｉ単結晶体から出力することが必要とさ
れる。

本発明者らは、このような観点にたって、Ｓｉ単結晶体
のピエゾ抵抗係数π_６３が大きな値をなるようＳｉ単結
晶体の結晶面についての検討を行った。

この検討の結果、圧力が加えられる面として（１１０）
面の結晶面を有するよう、Ｓｉ単結晶体を形成する必要
があることを見い出した。

そして、更に本発明者等は、このような（１１０）面の
結晶面を有するＳｉ単結晶体を用い、しかも前記Ｓｉ単
結晶体に、過大な電圧を印加したことに基づく発熱でそ
の特性に悪影響をもたらさない範囲の電圧を印加する場
合において、実用上十分な大きさの電圧△Ｖを出力する
ための検討を進めた。

この検討の結果、Ｓｉ単結晶体から大きな電圧△Ｖを出
力するためには、Ｓｉ単結晶体の厚さをできるだけ小さ
くすればよいことを見い出した。特に、実用上十分な大
きさの△Ｖを出力するためには、このＳｉ単結晶体の厚
さを５０μｍ以下、好ましくは２０μｍ以下に形成すれ
ばよいことを見出した。

このため、本発明においては、圧縮力が加えられる面と
して（１１０）結晶面を有するとともに、不純物濃度が
１×１０^１５／cm³〜１×１０^２１／cm³の範囲に制御さ
れ、その厚さが５０μｍ以下となるよう、前記Ｓｉ単結
晶体を形成している。

第４の着目点 また、従来の力変換素子では、第３図に示すように、半
導体歪ゲージ１７から出力電圧を取出すために、歪ゲー
ジ１７の電極１７ｂとターミナル１８との間にリード線
１８ａを接続し、しかもターミナル１８から引出線１９
を引出し、４個の歪ゲージ１７がホイートストンブリッ
ジ回路を構成するよう引出線１９を引回して結線してい
た。従って、一定の品質の力変換素子を製造するために
は、作業者の高いノウハウが必要となり、しかも引出線
１９の引回し方によっては、周囲のノイズが混入し易く
電気計測上問題があった。

本発明の第４の着目点は、配線の長さを短くして、電気
的結線を簡単にできるようにしたことにある。

このため、本発明は、Ｓｉ単結晶体上に設けられた出力
電極、入力電極とがそれぞれ接続される出力電極端子、
入力電極端子と、Ｓｉ単結晶体を接合支持する支持基台
と、を保持手段を用いて一体的に保持するよう形成して
いる。

この様にすることにより、支持基台上にＳｉ単結晶体を
接合した後、入力電極、出力電極をそれぞれ支持基台と
一体的に保持された入力電極端子、出力電極端子に結線
するだけでよい。従って、従来のように引出線を引き回
して結線しなければならないという問題を解決すること
ができ、配線が簡単で、雑音に強く、しかも低コストの
力変換素子を得ることができる。

［作用］ 第１図には、本発明の高温流体用圧力センサが示されて
いる。

（ａ）この圧力センサは、ほぼ円筒形状に形成されたセ
ンサケース２０の先端開口部に、ダイヤフラム部１０を
取り付け固定している。

そして、ダイヤフラム部１０の表面に高温流体を作用さ
せると、その圧力Ｐは、熱絶縁体１２、台座４２を介し
て力変換素子１４に圧縮力として作用し、力変換素子１
４から圧力Ｐに対応した測定電圧がリード線５６を介し
て出力される。

なお、このような圧力センサを用いて高温・高圧の流体
圧力Ｐを測定する場合には、ダイヤフラム部１０の表面
１２が、この高温・高圧の流体にさらされる。このた
め、この高温・高圧流体からダイヤフラム部１０に伝わ
った熱が、センサケース２０を介して力変換素子１４に
回り込まないように、センサケース２０を熱的に伝導性
のよい材料を用い、例えば熱をケース２０の取付け固定
用ネジ溝２８から図示しないシリンダヘッド部へ逃すよ
う形成することが好ましい。

（ｂ）第４図には、本発明の圧力センサに用いられる力
変換素子１４の一例が示されており、同図（Ａ）はその
平面説明図、同図（Ｂ）はその側面説明図である。

この力変換素子１４は、圧縮力Ｗが加えられる面として
（１１０）の結晶面を有するよう形成されたＳｉ単結晶
体３０と、このＳｉ単結晶体３０の（１１０）面の結晶
面３２と接合され、圧縮力Ｗをその結晶面３２に垂直に
伝達する台座４０と、このＳｉ単結晶体３０の他の結晶
面３４と接合されるステム６０を含む。そして、前記Ｓ
ｉ単結晶体３０の表面には、結晶の＜００１＞方向より
４５度の方向に対向して設けられた第１の電極５０，５
０′と、＜１０＞方向より４５度の方向に対向して設
けられた第２の電極５２，５２′とからなる複数の電極
が設けられており、これら第１および第２の電極のいず
れか一方５０，５０′を出力電極、他方５２，５２′を
入力電極として用いている。

（ｃ）また、本発明において、前記ステム６０は、Ｓｉ
単結晶体３０の他の結晶面３２と接合され、Ｓｉ単結晶
体３０を支持するための支持基台６２と、前記入力電極
５２，５２′へ外部から電流を通電するための複数の入
力電極端子６６，６６′と、出力電極５２，５２′から
出力される電気信号を外部に取出すための複数の出力電
極端子６４，６４′と、これら電極端子６４，６４′，
６６，６６′および支持基台６２を一体的に保持する保
持手段と、を含む。

第４図において、ステム６０は、これら各電極端子６
４，６４′，６６，６６′を支持基台６０の周囲にほぼ
対象となるよう輪状配置している。そして、このステム
６０は、保持手段として外環７０、封着ガラス６８を用
い、上端を開口した略円筒形状した外環７０内に、支持
基台６２、各電極端子６４，６４′，６６，６６′を封
着ガラス６８を用いて一体的に取付け固定することによ
り形成されている。

ここにおいて、前記電極端子６４，６４′，６６，６
６′は、その一端側がＳｉ端結晶体３０の結晶面３２と
ほぼ面一となるよう取付けられており、このＳｉ単結晶
体３０上に設けられた各電極５０，５０′，５２，５
２′と金線５４を介して接続されている。

また、これら各電極端子６４，６４′，６６，６６′の
他端側は、外環７０の底面に設けられた挿通孔７２を介
して外部に引出されている。そして、その端部には第１
図に示すリード線５６が接続されており、このリード線
５６を介して外部の計測機器と電気的に接続されてい
る。

このようにして、本発明に用いる力変換素子１４は、そ
の出力電極端子６４，６４′および入力電極端子６６，
６６′を支持基台６２と一体的にステム６０として形成
しているため、支持基台６２に接合されたＳｉ単結晶体
３０の各電極５０，５０′，５２，５２′と前記各電極
端子６４，６４′，６６，６６′を、たとえば１０mm程
度の短いリード線５４を介して接続するのみで電気的結
線が完了し、電気的な配線が極めて簡単なものとなる。

従って、従来のように、半導体歪ゲージの配線を引回し
電気的な結線を行うというようなことがなくなるため、
格別なノウハウなどを必要とすることなく、その電気的
結線を簡単かつ確実に行うことができる。さらに、本発
明では、電気的配線も極めて短くなるため、従来のよう
に引回されてた配線に外部からのノイズが混入すること
がなく、極めて信頼性の高い力変換素子を得ることがで
きる。

なお、第４図においては、保持手段として外環および封
着ガラスを用いたが、保持手段は、電極端子６４，６
４′，６６，６６′および支持基台６２を一体的に保持
することができれば他の手段を採用することもでき、例
えばセラミックスパッケージを用いてもよい。

（ｄ）次に、この力変換素子１４を用いて、台座４０に
加わる圧縮力Ｗ（ダイヤフラム部１０に加わる圧力Ｐ）
を測定する場合を説明する。

まず、台座４０に圧縮力Ｗを垂直に与えると、この圧縮
力Ｗは、台座４０により均等等に分散され、Ｓｉ単結晶
体３０の結晶面３２に垂直に圧縮応力 δ_Ｚ＝Ｗ／Ａ として作用する。ここにおいて、Ａは台座４０のＳｉ単
結晶体３０に対する接合面の面積を表わす。このとき入
力電極５２，５２′からＳｉ単結晶体３０に電流Ｉを流
しておくと、圧縮応力δ_Ｚが作用したＳｉ単結晶体３０
は、その出力電極５０，５０′から次式で表わす電圧△
Ｖを出力する △Ｖ＝ｂ・ρ・Ｊ_２・π_６３′・δ_Ｚ・ｋ……（１） ここにおいて、ρはＳｉ単結晶体３０の比抵抗、Ｊ_２は
電流密度、π_６３′はピエゾ抵抗係数、ｋはＳｉ単結晶
体の電極形状により定まる定数である。

本発明の特徴の一つは、出力電極５０，５０′から圧縮
力に対応した電圧△Ｖを出力するため、ピエゾ抵抗係数
π_６３′が十分大きな値となるようにＳｉ単結晶体３０
を形成したことにある。

すなわち、本発明者等は、代表的な次の４つの結晶面
（１００）、（１１０）、（１１１）、（２１１）を有
するＳｉ単結晶体３０について、電極を設ける方向を代
えて、Ｓｉ単結晶体３０から、電圧△Ｖを得るために不
可欠なピエゾ抵抗係数π_６３′についての計算を行っ
た。この結果、（１００）、（１１１）、（２１１）の
場合、いずれの方向に電極を設けてもピエゾ抵抗係数π
_６３′は零となった。これに対し、（１１０）の場合に
は、電極を〈００１〉方向より４５°の方向、または
〈１０〉より４５°の方向に設けることで、絶対値が
相等しく最大のピエゾ抵抗係数π_６３′が存在すること
が判明した。

第５図は、比抵抗７．８Ωcmのｐ型（１１０）面Ｓｉ単
結晶体のピエゾ抵抗係数π_６３′の計算結果を示したも
のである。同図から、出力電極を〈００１〉方向より４
５°の方向、入力電極を〈１０〉方向より４５°の方
向に設けることにより、最大のピエゾ抵抗係数π_６３′
を得ることができることがわかる。

なお、出力電極５０，５０′を〈１０〉より４５°の
方向に、入力電極５２，５２′を〈００１〉方向より４
５°の方向に設けた場合でも、ピエゾ抵抗係数π_６３′
を同様に利用でき、本発明の目的とする力変換素子が実
現できることには変りない。

また、前記［００１］，［１０］となる結晶方向は
（１１０）面のＳｉ単結晶体３０における代表的な結晶
方向を示したもので、これらの結晶方向と等価な結晶方
向においては全く同様に考えることができる。

第１表には、Ｓｉ単結晶体３０の（１１０）面の結晶面
と等価な結晶面と、［００１］，［１０］からなる結
晶方向と等価な結晶方向が示されている。この表から明
らかなように、Ｓｉ単結晶体には（１１０）面と等価な
結晶面が複数存在する。したがって、（１１０）面と等
価な結晶面をもつＳｉ単結晶体を用いても、本発明の力
変換素子１０００を形成することができる。

なお、（１１０）の結晶面と等価な結晶面は｛１１０｝
で表わされ、また［００１］，［１０］と等価な結晶
方向は〈００１〉，〈１１０〉で一般的に表わされる。

なお、第５図ではｐ型Ｓｉ単結晶体３０のピエゾ抵抗係
数π_６３′を示したが、もちろんｎ型（１１０）面Ｓｉ
単結晶体にあっても、そのピエゾ抵抗係数π_６３′は、
ｐ型の場合と同等の大きさを有して同様に存在する。

この様にして、本発明の圧力センサは、ダイヤフラム部
１０に加えられた圧力ｐを、台座４０を介してＳｉ単結
晶体３０の（１１０）の結晶面３２に垂直に圧縮力とし
て印加するという、従来にはない新規な構成を採用する
ことにより、Ｓｉ単結晶体３０の出力電極５０，５０′
から圧力Ｐに対応した電圧△Ｖを正確に出力することが
できる。

（ｅ）他の条件についての検討 Ｓｉ単結晶体３０内に流れる電流Ｉの電流密度Ｊ_２は、
次式で表わされる。

Ｊ_２＝Ｉ／（ｂ・ｈ）……（２） したがって、前記第１式に、第２式を代入することによ
り、Ｓｉ単結晶体３０からの測定電圧△Ｖは、次式で表
わすことができる。なお、同式において、ｂは出力電極
５０，５０′の距離、ｈはＳｉ単結晶体３０の厚みを表
わす。

△Ｖ＝ρ（Ｉ／ｈ）π_６３′・σ_Ｚ……（３） 前記第３式から明らかなように、本発明に用いられる力
変換素子１４から出力される電圧△Ｖをより大きくする
ためには、前記ピエゾ抵抗係数π_６３′以外に、Ｓｉ単
結晶体３０の比抵抗ρ、Ｓｉ単結晶体１０のＳｉ単結晶
体３０の厚みｈに対する電流値Ｉ／ｈ、圧縮応力σ_Ｚの
いずれかを大きくしてやればよい。

しかし、実際には、Ｓｉ単結晶体３０の比抵抗ρ、電流
Ｉ、圧縮応力σ_Ｚは、以下に述べる理由から常識を越え
る範囲より大きくできない。

すなわち、ｐまたはｎ伝導型として市販されるＳｉ単結
晶体３０は、比抵抗ρが１×１０^４Ωcmを越えるイント
リンシックな特性を備えるよう製造することは困難であ
る。

また、Ｓｉ単結晶体３０に複数の電極を設けるにあた
り、この比抵抗ρが１０Ωcmを越えると、良好な電気的
接続を得ることが困難となる。

さらにＳｉ単結晶体３０の室温における比抵抗ρが、１
０Ωcm（不純物濃度が約１×１０^１５／cm₃に相当す
る）〜１×１０^−４Ωcm（不純物濃度が約１×１０^２１
／cm₃に相当する）の範囲を満足しない場合、測定電圧
△Ｖの室温に対する変化が著しく大きくなってしまう。

このため、本発明の力変換素子を構成するＳｉ単結晶体
３０は、その比抵抗ρが１０Ωcm〜１×１０^−４Ωcmの
範囲として制御されたものを用いることが好ましく、こ
のため本発明に用いられるＳｉ単結晶体３０は、その不
純物の濃度が１×１０^１５／cm³〜１×１０^２１／cm³の
範囲内に制御されている。

また、Ｓｉ単結晶体３０のピエゾ抵抗係数π_６３′の大
きさも、前記比抵抗ρの大きさにより左右されるため、
比抵抗ρと同様の理由によりその範囲も制約される。

また、Ｓｉ単結晶体３０の圧縮力により破壊強度は、最
大で約５０kg／mm²であることが知られている。したが
って、Ｓｉ単結晶体３０には、この破壊強度５０kg／mm
²を越える圧縮応力σ_Ｚが加わることがないよう形成す
る必要があり、望ましくはその圧縮応力を２５kg／mm²
以下として作用させることが好ましい。

また、Ｓｉ単結晶体３０に流す電流値Ｉは、その値が過
大になることがないよう注意する必要がある。これは、
Ｓｉ単結晶体３０に過大な電流Ｉを流すと、Ｓｉ単結晶
体３０自体が電気的な抵抗体として著しく発熱し、その
測定電圧△Ｖはもちろん、その他の特性まで悪影響を及
ぼすことになるからである。

本発明者等の確認したところによれば、前記電流Ｉは、
その消費電力が約３０ｍＷを越えない範囲で流すかぎ
り、その特性に悪影響がなかった。

以上説明したように、Ｓｉ単結晶体３０からより大きな
測定電圧△Ｖを得るうえで望ましい条件をまとめると、
次のようになる。

第１に、Ｓｉ単結晶体３０の不純物濃度は、１×１０
^１５／cm₃〜１×１０^２１／cm₃として制御する。

第２に、Ｓｉ単結晶体３０に作用する圧縮応力σ_Ｚは、
Ｓｉ単結晶体３０の破壊限界を越えないようにする。実
験によれば５０kg／mm²を越えない範囲、望ましくは２
５kg／mm²を越えない範囲とすればよいことが確認され
ている。

第３に、Ｓｉ単結晶体３０に流す電流Ｉは、このＳｉ単
結晶体３０が著しく発熱しない範囲に設定する。実験に
よれば、Ｓｉ単結晶体３０の消費電力が３０ｍＷを越え
ない範囲に設定すればよいことが確認されている。

（ｆ）厚さｈについての検討 本発明者等は、このような望ましい条件を満足し、しか
もＳｉ単結晶体３０から出力される電圧△Ｖをさらに大
きくすることができるよう、前記第３式に示すｈ、すな
わちＳｉ単結晶体３０の厚さｈを薄くすることについて
の検討を行った。

通常、Ｓｉ単結晶体３０は、口径が１．５インチ以上の
Ｓｉ単結晶ウエハを用いて製造される。周知のように、
Ｓｉ単結晶ウエハは、種々のＩＣプロセス処理を前提と
し、その取扱いを容易にするため、少なくとも厚みが２
００μｍ以上あるように製造され、ウエハ口径が５イン
チのものでは、そのウエハの厚みが約５００μｍに形成
されたものが市販されている。

このため、本発明の力変換素子は、まず通常市販される
（１１０）面のＳｉ単結晶体ウエハを切り出して、Ｓｉ
単結晶体３０を形成する。そして、このＳｉ単結晶体３
０の（１１０）面の結晶面３４を支持基台６２に接合し
て裏打ちし、その取扱いを容易なものとする。その後、
Ｓｉ単結晶体３０の他の結晶面３２を、機械的方法と化
学的方法とを併用して研磨し、その厚みが通常のＳｉ単
結晶体ウエハとして製造し市販することが困難と思われ
る５０μｍ以下とする。

その後、このＳｉ単結晶体３０に、前記出力電極５０，
５０′、入力電極５２，５２′を取り付け、さらにその
結晶面３２に台座４０を接合する。

このようにして、本発明の力変換素子１４は、Ｓｉ単結
晶体３０の厚さｈを５０μｍ以下とすることにより、Ｓ
ｉ単結晶体３０に対する望ましい状況を満足するという
制約の中で、実用上十分に大きい測定電圧△Ｖを得るこ
とができる。

本発明者らの実験によれば、不純物濃度が１×１０^１５
／cm³〜１×１０^２１／cm³の範囲に制御され、しかもそ
の厚さがｈ＝２０μｍまで研磨されたＳｉ単結晶体３０
を用い、力変換素子１４を形成した場合には、厚さが２
００μｍ以上のＳｉ単結晶体３０を用いて形成された力
変換素子１４に比べ、温度による特性への影響が少な
く、しかも測定電圧△Ｖが約１０倍以上となることが確
認された。

したがって、本発明によれば、前記（ｅ）の項では述べ
たように、Ｓｉ単結晶体３０の不純物濃度を１×１０
^１５／cm³〜１×１０^２１／cm³の範囲に制御することに
より、周囲の温度変動による影響が少ない、信頼度の高
い力変換素子１４を得ることができる。

これに加えて、本発明によれば、この（ｆ）の項で述べ
たように、Ｓｉ単結晶体３０の厚さが５０μｍ以下とな
るよう形成することにより、圧縮力に比例し、しかも実
用上充分な大きさをもった電圧出力を得ることができ
る。

（ｇ）また、本発明において、Ｓｉ単結晶体３０は、そ
の結晶面３２が矩形（正方形を含む）となるよう切出さ
れ、その厚み、不純物濃度が均一となるように形成され
ている。また、前記出力電極５０，５０′は、Ｓｉ単結
晶体３０上に所定間隔を隔てて取付けられており、また
入力電極５２，５２′は同様にＳｉ単結晶体３０上に所
定間隔おいて取付けられている。

この様に各電極５０，５０′，５２，５２′を設けるこ
とにより、５０と５２，５２と５０′，５０′と５
２′，５２′と５０との間の各抵抗値を等しくでき、ま
た、Ｓｉ単結晶体３０の厚みおよび不純物濃度が均一で
あることから、温度の変化に対する前記各抵抗値もほぼ
等しくできる。

従って、入力電極５２，５２からＳｉ単結晶体３０に電
流を流し、出力電極５０，５０′から電圧出力を取出す
ようにした場合のオフセット電圧は、温度の変化に左右
されることなく、ほぼ零として維持されることとなり、
単一のＳｉ単結晶体３０が、前述した従来の複数の半導
体歪ゲージを用いて形成されたホイートストンブリッジ
回路に置き代わり、前述した問題点の一つを解決するこ
とができる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明は、ダイヤフラム部の表面
に作用する高温流体の圧力を、伝達材料である台座を介
してＳｉ単結晶体の｛１１０｝面の結晶面に垂直に圧縮
力として作用させるという新規な圧力検知方式を採用し
ている。

従って、本発明によれば、従来の圧力センサのように、
接着剤のもたらす特性の悪影響および起歪体のもたらす
特性への悪影響がなく、加えられる高温流体の圧力を、
Ｓｉ単結晶体のピエゾ抵抗効果を有効に利用し正確に測
定することができるという効果ある。

特に、本発明によれば、Ｓｉ単結晶体の不純物濃度を１
×１０^１５／cm³〜１×１０^２１／cm³の範囲に制御する
ことにより、周囲の温度変動による影響が少ない、より
信頼度の高い圧力センサを得ることができ、更に、Ｓｉ
単結晶体の厚さを５０μｍ以下とすることにより、高温
流体の圧力に比例し、しかも実用上充分な大きさをもっ
た電圧出力を得ることができるという効果がある。

また、本発明によれば、Ｓｉ単結晶体がホイートストン
ブリッジ回路の機能を備えているので、従来の力変換素
子に備えられていた複数の半導体歪ゲージを、一つのＳ
ｉ単結晶体に置換えることができ、構造が簡単でしかも
安価な圧力センサを得ることができるという効果があ
る。

さらに、本発明によれば、Ｓｉ単結晶体を支持固定する
支持基台と、Ｓｉ単結晶体の入出力電極にそれぞれ接続
される入出力電極端子とを保持手段を用いて一体的に保
持固定したステムを形成することにより、Ｓｉ単結晶体
の電気的な配線をリード線などを引回すことなく、短い
導線を用いて簡単に行うことができる。この結果、製造
が簡単でかつ雑音による影響が少ない信頼性の高い安価
な圧力センサを得ることができるという効果がある。

［実施例］ 次に本発明の好適な実施例を図面に基づき説明する。

第１実施例 第１図には、本発明に係る高温流体用圧力センサを、エ
ンジンの燃焼圧センサとして用いた場合の好適な第１実
施例が示されている。

この圧力センサは、ダイヤフラム部１０の表面側から作
用する燃焼ガスの圧力Ｐを、熱絶縁体１２を介してセン
サケース２０の内部に固定された力変換素子１４へ伝達
し、この力変換素子１４から出力される電気信号に基づ
き燃焼ガスの圧力Ｐを測定するよう形成されている。

本実施例において、前記センサケース３０は熱の絶縁性
が高い材料を用いて形成されている。

また、この圧力センサは、ほぼ円筒形状に形成されたセ
ンサケース２０の先端開口部に、ダイヤフラム部１０の
フランジ部１１ａを嵌込み、センサケース２０の内部に
燃焼ガスが侵入しないよう、その嵌込み部を全周に渡っ
てプロジェクション溶接接合している。

そして、このダイヤフラム部１０の表面中央部には、ダ
イヤフラム部１０付近にきた燃焼ガスの熱を吸収し、し
かもダイヤフラム部１０自身が受けた熱を吸収する目的
でブロック部２２が形成されている。

このような吸熱を行うためには、ブロック部２２がダイ
ヤフラム部１０より低い温度でなければならない。従っ
て、前記のブロック部２２は、比熱が大きく、熱伝導率
が大きいという特性が要求される。また、このブロック
部２２は、ダイヤフラム部１０の固有振動数の低下を招
かないようあまり大きく形成することは好ましくない。
特に、本発明の圧縮力センサを、例えば燃焼圧センサと
して用いる場合には、ブロック部２２の重量が増加し、
ダイヤフラム部１０の固有振動数が低下すると、測定で
きる振動数範囲が狭くなり、特にエンジン等の振動が大
きいところに取付けられた場合には、ノック信号等の検
出が困難になってしまう。

従って、前記ブロック部２２は、ダイヤフラム部１０に
対しその比重量を小さくすることが要求され、その比重
量を小さくすればするほど、検出特性が向上する。

このような問題を解決するため、本発明においては、ダ
イヤフラム部１０とブロック部２２とを別体とし、ダイ
ヤフラム部１０の薄板部１１ｂ表面部中央部付近に設け
た接合用凸部１０ａに、ブロック部２２の中央部に設け
た接合用凹部２２ａを接合し、ダイヤフラム部１０の表
面中央部にブロック部２２を取付け固定している。

このようにすることにより、両者の別の材料を用いて形
成することができる。すなわち、ダイヤフラム部１０を
高温でのバネ特性が優れた材料（例えば、ＳＵＳ４３
０、インコネルＸ７２０等の材料）を用いて形成するこ
とができ、ブロック部２２を熱伝導率のよい材料（例え
ばＡｌ系の合金）を用いて形成することができる。

例えば、ブロック部２２をＡｌ系の合金を用いて形成す
ると、Ｆｅ系、Ｎｉ系の合金を用いた従来の場合に比
べ、その質量が約1/3となる。このことは、Ａｌ系の合
金を用いた場合には、Ｆｅ系、Ｎｉ系合金を用いた従来
の場合の３倍の体積にしても、応答性・加速度感度がほ
ぼ同じで、熱容量を約３倍にできることを意味する。

さらに、ブロック部２２をＡｌ系の合金を用いて形成す
ると、Ｆｅ，Ｎｉ系の合金を用いた従来の場合に比べ、
比熱が約２倍、熱電導率が約３倍となる。

このように、本発明によれば、ダイヤフラム部１０を高
温バネ特性のよい、例えばＳＵＳ４３０、インコネルＸ
７２０等の材質を用いて形成し、ブロック部２２を、例
えばＡｌ系合金を用いて形成することにより、従来のも
のに比べ、ブロック部２２の比熱を約２倍、熱伝導率を
約３倍、比重量を約1/3にすることができ、同体積のブ
ロック部２２をダイヤフラム部１０と一体で作った場合
に比べ、約１８倍の効果を期待することができる。

また、本実施例において、前記接合用凸部１０ａは先端
側が先広がりにならないように形成されており、また前
記接合用凹部２２ａは、内側が中広がりにならないよう
前記接合用凸部１０ａの大きさに合わせて形成されてい
る。このようにすることにより、これらブロック部２２
およびダイヤフラム部１０を、プレス型により容易に成
形することができるため、圧力センサの量産性を高め、
低コスト化を図ることが可能となる。

また、このようにダイヤフラム部１０の表面にブロック
部２２を接合固定すると、ダイヤフラム部１０の表面は
ブロック部２２によりすき間２４を介してそのほぼ全面
が傘のように覆われることになる。このとき、このすき
間２４の大きさは、前記凸部１０ａおよび凹部２２ａの
寸法により任意に調整することができ、同図ではほぼ零
に近くなるように形成されている。このようにすること
により、ブロック部２２は、ダイヤフラム部１０付近に
来る燃焼ガスの熱をいちはやく吸収することができる。

従って、燃焼ガスから直接ダイヤフラム部１０に伝達さ
れる熱量が大巾に少なくなり、この結果、ダイヤフラム
部１０の温度上昇を効果的に抑制し、しかもダイヤフラ
ム部のクリープ等を少なくすることができる。

また、本実施例の圧力センサにおいて、力変換素子１４
は、圧縮力が加えられる面として（１１０）面の結晶面
を有するよう形成され、この結晶面が前記ダイヤフラム
１０と平行になるよう取付けられたＳｉ単結晶体３０
と、Ｓｉ単結晶体３０の（１１０）面の結晶面と静電接
合され、熱絶縁体１２を介して伝達される圧縮力をその
結晶面に垂直に均一に印加する台座４０と、このＳｉ単
結晶体３０の他の結晶面と接合されたステム６０とを含
む。

そして、この力変換素子１４は、外周がセンサケース２
０の内周面にステム６０を介して取付け固定されてい
る。

また、前記Ｓｉ単結晶体３０の結晶面上には、結晶の
〈００１〉方向より４５度の方向に対向して一対の第１
の電極（図示せず）が設けられ、〈１０〉方向より４
５度の方向に対向して一対の第２の電極（図示せず）が
設けられている。そして、これら第１および第２の電極
のいずれか一方が出力電極、他方が入力電極として用い
られている。

また、前記ステム６０には、前記出力電極と対応しうる
２本の電極端子６４，６４′と、入力電極と対応しする
２本の電極端子６６，６６′とが設けられており（第４
図に詳しく図示されている）、これら４本の電極端子の
一端側は、金線５４を介してそれぞれ対応する入出力電
極と電気的に接続されている。また、これら各電極端子
４８の他端側は、リード線５６に接続され、そのリード
線５６はセンサケース２０の他端側から外部に引出され
ている。

実施例のセンサは、このリード線５６の抜けを防止する
ために、その他端側にリード線用のかしめ部２０ａが設
けられており、リード線５６に加わった引張り力が電極
端子６４，６４′，６６，６６′に加わることが無いよ
う形成されている。さらに、このセンサケース２０のか
しめ部２０ａは、ケースカバー２６を用いて覆われるよ
う形成されている。

また、実施例の燃焼圧センサには、センサケース２０の
一端側外周部に取付け固定用のネジ溝２８が設けられて
おり、このネジ溝２８を図示しない所定の取り付け孔の
内周部に設けられたネジ溝と螺合することにより、所望
位置へ簡単に取付けることができるよう形成されてい
る。

第４図には、本発明の圧力センサに用いられる力変換素
子１４の詳細な実施例が示されており、同図（Ａ）はそ
の平面説明図、同図（Ｂ）はその側断面説明図である。

本実施例において、Ｓｉ単結晶体３０は、不純物濃度が
１×１０^１５／cm³〜１×１０^２１／cm³の範囲内にある
１×１０^１６／cm³（比抵抗ρが約１Ωcm）に制御さ
れ、しかも大きさ１．７mm²で、厚さ１７μｍのｐ型Ｓ
ｉ単結晶体として形成されている。

そして、このＳｉ単結晶体３０の一方の結晶面３２上に
は、第４図（Ａ）に示すように結晶の〈００１〉方向よ
り４５度の方向に、幅０．１mmの一対の出力電極５０，
５０′が相対向するようアルミニウムを蒸着して形成さ
れており、さらに結晶の〈１０〉方向より４５度の方
向に、幅０．９mmの一対の入力電極５２，５２′が相対
向するようアルミニウムを蒸着して形成されている。

また、実施例において台座４０は、大きさが１mm²で高
さ１．１mmの結晶化ガラスを用いて形成されている。

また、本実施例において、前記ステム６０は、Ｓｉ単結
晶体３０の結晶面３４と静電接合され、このＳｉ単結晶
体３０を支持する支持基台６２、この支持基台６２の周
囲にほぼ輪状に配置された一対の出力電極端子６４，６
４′、入力電極端子６６，６６′を有し、これら各電極
端子６４，６４′，６６，６６′と支持基台６２とが上
端を開口したほぼ円筒形状をした外環７０内に、封着ガ
ラス６８を用いて一体的に取付けて固定されることによ
り形成されている。

ここにおいて、前記支持基台６２は、Ｓｉ単結晶体３０
と熱膨張係数の近接した結晶化ガラスからなり、大きさ
が１．７mm²、高さが３mmに形成されている。

また、前記外環７０は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金を用い、
一端側が開口されたほぼ円筒形状に形成されており、そ
の底面に複数の電極端子挿通孔７２が開口形成されてい
る。

また、前記電極端子６４，６４′，６６，６６′は、直
径０．５mmの細長い棒形状に形成され、その一端側ａが
Ｓｉ単結晶体３０の結晶面３２とほぼ面一となるよう取
付け固定されている。そして、出力電極端子６６，６
６′は、その一端側ａに金属メッキ層が設けられ、この
金属メッキ層には、直径０．０５mmの金の金線５４を用
いて入力電極５２，５２′にそれぞれ接続されている。
さらに、前記各出力電極端子６４，６４′は、同様にそ
の一端側ａ側に金メッキ層が設けられ、直径０．０５mm
の金の金線５４を用いて出力電極５０，５０′とそれぞ
れ接続されている。

また、これら各電極端子６４，６４′，６６，６６′
は、一端側が外環７０の挿通孔７２を介してステム６０
の外部に引出され、第１図に示すようリード線５４を介
して図示しない計測装置へ接続されている。

次に、このようにして形成された力変換素子１４が、充
分実用に耐える大きさの電圧△Ｖをその出力電極５０，
５０′から出力することができ、しかもその測定電圧△
Ｖは温度による影響が少ないことを検証するために、次
のような実験を行った。

すなわち、本発明者らは、室温における消費電力が３０
ｍＷを越えないよう、電源からＳｉ単結晶体３０に電流
Ｉを流し、しかもこのＳｉ単結晶体３０を破壊に至らし
めないよう、台座４０を介してσＺが１５kg／mm²とな
るよう５kgの圧縮力を加えた。

実施例において、Ｓｉ単結晶体３０に設けた一対の入力
電極５２，５２′の間の抵抗値、いわゆる入力抵抗値
は、室温で８００Ωであった。このため、消費電力が３
０ｍＷを越えないよう、これら入力電極５２，５２′か
らＩ＝６ｍＡの電流をＳｉ単結晶体３０へ通電した。

この結果、このＳｉ単結晶体３０の出力電極５０，５
０′からは室温で△Ｖ＝約１１０ｍＶの電圧を得ること
ができた。また、この測定電圧△Ｖは−４０℃〜１５０
℃の範囲における変化率は０．１５％／℃であった。こ
の結果、本実施例の力変換素子１４は、実用に際して充
分な大きさの電圧△Ｖを出力することができ、しかも温
度に対する特性の影響が極めて小さいことが確認され
た。

ちなみに、第４図に示す力変換素子１４において、Ｓｉ
単結晶体３０として、厚さ２００μｍのものを用いた場
合についての検討も行った。このとき、消費電力が３０
ｍＷを越えないようにするためには入力電極５２，５
２′から２１ｍＡの電流Ｉを流す必要があり、そして、
この厚さｈが２００μｍのＳｉ単結晶体３０を用いる
と、入力電極５２，５２′から仮に２１ｍＡの電流を通
電したとしても、この力変換素子１４からは約３０ｍＶ
程度の電圧しか出力することができず、このことから
も、本実施例の力変換素子１４は、実用上充分な大きさ
を持った測定電圧△Ｖを得ることができるものであるこ
とが理解されよう。

なお、本実施例では、Ｓｉ単結晶体３０の不純物濃度が
１×１０^１６／cm³のｐ伝導型として形成した場合を例
に取り説明したが、本発明はこれに限らず、ｎ伝導型の
Ｓｉ単結晶体３０を用いても同様な効果を得ることがで
きる。

このように、本発明の力変換素子１４は、Ｓｉ単結晶体
３０の厚さｈを小さくすることにより、測定電圧△Ｖを
大きく取り出させる効果があり、この効果は、不純物濃
度を１×１０^２１／cm³に向って大きくするにしたがっ
て顕著に現れる。

また、第４図に示す力変換素子では、圧縮力Ｗが加えら
れる台座４０の着力点側を平面形状に形成したが、台座
４０の着力点側の面の全面または一部に、凸の曲面また
は凹の曲面を設けて、加圧板の加圧面より加わる圧縮力
Ｗが台座４０のほぼ中央に作用するように形成してもよ
い。

例えば、第６図に示すように、台座４０の着力点側の面
４２を凸の曲面形状に形成し、圧縮力Ｗを台座４０に印
加してもよい。

また、本実施例においては、圧力Ｐが印加されるダイヤ
フラム部１０からＳｉ単結晶体３０への熱の伝導を阻止
するため、熱絶縁体１２を用いた場合を例とり説明した
が、本発明はこれに限らず、台座４０を熱の絶縁性に優
れた複合台座とすることにより、熱絶縁体１２を用いる
ことなく圧力測定を行うこともできる。

すなわち、台座４０はその一端がＳｉ単結晶体３０に接
合されている。このため、台座４０はＳｉ単結晶体３０
と熱膨張係数が近接した材料を用いて形成することが好
ましい。また、この台座４０はその他端側が高温のダイ
ヤフラム部１０側と接する。従って、この部分の材料は
機械的強度、熱の絶縁性に優れた材料を用いて形成する
ことが好ましい。このため、台座４０のＳｉ単結晶体３
０との接合部分を、Ｓｉ単結晶体３０と熱膨張係数が近
接した電気的な絶縁性材料を用いて形成し、台座４０の
ダイヤフラム部１０側と接する部分を、前記Ｓｉ単結晶
体３０との接合部分より機械的強度、または熱の絶縁性
に優れた材料を用いて形成すればよい。

このように、台座４０自体を２種類の材料を用いて複合
台座として形成することにより、例えば内燃機関のシリ
ンダ内の燃焼ガス等の高温・高圧の流体圧力を測定しよ
うとする場合に、ダイヤフラム部１０に伝わった熱は台
座４０で緩和遮断され、Ｓｉ単結晶体３０には高温とし
て作用しない。このため、Ｓｉ単結晶体３０は、周囲の
環境温度に影響されることなく、ダイヤフラム部１０に
加えられる圧力Ｐに対応した電圧を出力することができ
る。

さらに、台座４０のダイヤフラム部１０側と接する部分
には、その接合面の状態によって、片当りなど、圧縮力
が局所的に作用することがある。このような場合には、
台座４０が塑性変形または破壊してしまうことがある。
しかし、前述したように、台座のこの部分を機械的強度
に優れた材料を用いることにより、ダイヤフラム部１０
側と台座４０との接合部分が片当りなどの状態となって
も、台座４０は破壊されることないため、圧力Ｐを良好
に測定することができる。

なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、
本発明の範囲内で各種の変形実施が可能である。

第２実施例 第７図には、本発明に用いられる力変換素子１４の他の
実施例が示されている。

実施例の力変換素子１４は、（１１０）面の結晶面を備
えた１．７mm²、厚さ２００μｍのＳｉよりなる半導体
層３６と、この半導体層３６の側面側を高温にて熱処理
し形成された厚さ１μｍのＳｉＯ２よりなる電気的な絶
縁膜３７と、この絶縁膜３７の主表面３７ａ上にエピタ
キシャル成長法により厚さがｈ＝１μｍとなるよう成長
して形成された（１１０）面のＳｉ単結晶体３０とを含
む。そして、このＳｉ単結晶体３０の結晶面３２に、台
座４０を静電接合し、半導体層３６の絶縁膜３７を設け
た面と対向する面に支持基台６２を静電接合して形成さ
れている。

ここにおいて、前記Ｓｉ単結晶体３０には、その不純物
濃度が１×１０^１５／cm³〜１×１０^２１／cm³の範囲に
ある、１×１０^１９／cm³（比抵抗ρが約０．０１Ωc
m）となるよう、ｐ伝導型としてボロンが熱拡散されて
いる。

なお、前記半導体層３６に、絶縁膜３７を形成し、しか
もＳｉ単結晶体３０の不純物濃度を１×１０^１９／cm³
で制御するといったＩＣ製造プロセス技術による一連の
工程は、実際にはウエハの製造段階になされる。その
後、ダイサーにて、このウエハを第７図に示すよう１．
７mm²として切出する。

次に、このように形成された力変換素子に対し、本発明
者等は前記第１実施例と同様にして、室温における消費
電力が３０ｍＷを越えない範囲でＳｉ単結晶体３０に電
流Ｉを流し、しかも１５kgｗの圧縮力を加えて、Ｓｉ単
結晶体１０を薄くした効果の確認と、温度変動が特性に
もたらす影響が少ないという結果についての確認を行っ
た。

この結果、このＳｉ単結晶体１０の測定電圧△Ｖは室温
で約２５ｍＶとなり、しかもこの測定電圧△Ｖの−４０
°〜１５０°の範囲内における変化率が−０．２３％／
℃であった。

このことから、実施例の力変換素子１４は、実用に際し
十分大きな電圧△Ｖを出力することができ、しかも測定
電圧Ｖの温度による影響が極めて小さいものであること
が確認された。

さらに、本実施例の力変換素子１４は、Ｓｉ単結晶体３
０が電気的な絶縁膜３７の主表面３７ａ上に形成されて
いることから、高温でも電流リークがなく信頼性の高い
ものとなる。

なお、本実施例においては、Ｓｉ単結晶体３０を、ｐ伝
導型として形成した場合を例にとり説明したが、本発明
はこれに限らず前記シリコン単結晶体３０をｎ伝導型と
して形成しても全く問題はない。

また、本実施例においては、（１１０）面のＳｉ単結晶
体３０をエピタキシャル成長法により形成した場合を例
にとり説明したが、本発明はこれに限らず、たとえばＣ
ＶＤ法やＭＢＥ成長法とレーザ再結晶技術等を併用して
形成してもよい。

第３実施例 第８図には本発明に用いる力変換素子１４の他の実施例
が示されている。

本実施例において、Ｓｉ単結晶体３０は、結晶面が（１
１０）面のｐ伝導型からなり、その厚さがｈ＝２００μ
ｍのものとして形成されている。そして、このＳｉ単結
晶体３０は、不純物濃度が５×１０^１８／cm³（比抵抗
が約２×１０^−２Ωcm）となるようボロンを熱拡散して
形成された厚さｈ＝２μｍのｐ伝導型圧縮力感知用伝導
層３８と、この伝導層３８が少なくとも１％精度で機能
するよう伝導層３８を電気的に絶縁分離する絶縁分離層
３９と、を含むよう形成されている。

また、Ｓｉ単結晶体３０は、入力電極５２から相対向す
る入力電極５２′に向って伝導層３８内を流れる電流経
路の抵抗値が、電気的な絶縁分離層３９を同様にして流
れる電流経路の抵抗値の少なくとも1/100以下となるよ
うその不純物濃度が制御されている。

そして、このＳｉ単結晶体３０は、その一方の結晶面３
２側に台座４０が静電接合され、他方の結晶面３４に支
持基台６２が静電接合されている。

また、実施例において、前記入力電極５２，５８′、出
力電極５０，５０′は、ともに伝導層３８のピエゾ抵抗
効果に基づく測定電圧△Ｖを取出すため、少なくとも伝
導層３８と電気的な接続をなすよう蒸着形成されてい
る。

このようにして形成された力変換素子１４に対し、本発
明者等は前記各実施例と同様にして、室温における消費
電力が３０ｍＷを越えない範囲でＳｉ単結晶体３０に電
流Ｉを流し、Ｓｉ単結晶体を薄くした効果と、温度変動
が特性にもたらす影響が小さいという効果についての確
認を行った。

この結果、伝導層３８の厚さをｈ＝２μｍと小さくした
ことにより、伝導層３８の厚さが２００μｍの場合に比
較して、約１０倍の測定電圧△Ｖを得ることができる。
さらに自己感度保障機能（特公昭５７−５８７９１号公
報に開示されており、測定電圧△Ｖが温度に伴ない変動
することを抑制する機能）を備えるよう前記伝導層２２
の不純物濃度（例えばＰ伝導型Ｓｉ単結晶体には、約５
×１０^１８／cm³と約２×１０^２０／cm³の２つの不純物
濃度領域が、自己感度補償法が適用可能な領域として存
在する）を制御したことにより、−４０℃〜１５０℃の
温度範囲における測定電圧△Ｖの変化がほぼ零となるこ
とが確認された。

なお、本実施例においては、伝導層３８と電気的な絶縁
分離層３９を兼ねたＳｉ単結晶体３０を、ｐ伝導型とし
た抵抗分離法によるように記載したが、本発明はこれに
限らず、ｎ伝導型による抵抗分離法を用いても、ほぼ同
様の効果を有する力変換素子を形成することができる。

また、本実施例において、電気的な絶縁分離層２８を兼
ねるＳｉ単結晶体３０を、ドナーとアクセプターとが中
和するよう制御された、キャリアの少ないイントリンシ
ックな特性を備えたものとすることで、伝導層３８はｐ
伝導型またはｎ伝導型のいずれに形成してもよい。

そして、伝導層３８と電気的な絶縁分離層３９とは、ｐ
−ｎ接合分離法を用いて形成しても全く問題はない。た
だし、ｐ−ｎ接合分離法を用いた場合には、出力電力５
０，５０′と入力電極５８，５２′とは、伝導層３８と
のみ電気的な接続をなすように形成しなければならず、
ｐ−ｎ接合分離法を用いた電気的な分離は、本質的に１
５０℃前後までの温度範囲でしか電気的な分離機能を備
えてないことは周知のところである。

第４実施例 第９図には、本発明も圧力センサの他の実施例が示され
ている。

本実施例の特徴は、このダイヤフラム部１０の薄板部１
１ｂの表面に圧力印加方向に向けたネジ孔８０を設け、
このネジ孔８０に螺合された調整ネジ８２を用い、薄板
部１１ｂを圧力印加方向に変形させ、力変換素子１４に
所望のプリロードを与えることにある。

本実施例において、前記ネジ孔８０はブロック部２２か
ら薄板部１１ｂの表面中央部に向け設けられている。

また、前記調整ネジ８２は、ドライバの先端との係合溝
８４ａが設けられた頭部８４と、ネジ孔８０を螺合する
ネジ部８６とから構成され、前記ネジ部８６はその先端
が山型に形成され、その先端中央部において薄板部１１
ｂの表面中央部１００を効果的に押圧し、変形させるよ
う形成されている。

また、前記ダイヤフラム部１０は、その薄板部１１ｂが
調整ネジ８２の押付け力により図中右方向へ変形するよ
う形成する必要があり、さらに前記ネジ孔８０は、薄板
部１１ｂの裏面側まで貫通することがないよう注意する
必要がある。

そして、本実施例において、このように形成された調整
ネジ８２を用いて力変換素子１４にプリロードを加える
場合には、まず、力変換素子１４の出力を測定しなが
ら、調整ネジ８２を締付ける。これにより、調整ネジ８
２の先端がダイヤフラム部１０の薄板部１１ｂの中央部
１００を押圧する。そして、薄板部１１ｂの中央部１０
０が図中右方向へ変形し、熱絶縁体１２を介して力変換
素子１４にプリロードを与える。

このとき、力変換素子１４からプリロードに対応した電
気信号が出力されるため、調整者はこの電気信号を見な
がらプリロード値を次のように設定する。

すなわち、圧力センサの各部品には、通常一定の寸法誤
差があり、また各部品の組付け時には組付け誤差が発生
する。たとえば、ダイヤフラム部１０をセンサケース２
０にプロジェクション溶接し密封固定する場合には、そ
の溶接部の突出高さ（０．２mm程度）に相当する分だけ
ダイヤフラム部１０が圧力印加方向に変位する。従っ
て、圧力センサを組立てる溶接途中で、センサケース２
０内に固定されている力変換素子１４にダイヤフラム部
１０が接触したような場合には、力変換素子１４に衝撃
力が作用し、素子１４が破壊されてしまう危険がある。
このため、力変換素子１４には、その組立終了後、特に
ダイヤフラム部１０をセンサケース２０にプロジェクシ
ョン溶接した後、ゆっくりとプリロードをかけてやるこ
とが好ましい。

このとき、ダイヤフラム部１０とセンサケース２０の熱
による膨張、収縮等で、ダイヤフラム部１０から力変換
素子１４に圧力が加わらなくなったりしないように、し
かもダイヤフラム部１０表面に作用する負圧等の正確に
検知できるよう、プリロードの値は所定の下限値以上に
設定する必要がある。

また、圧力センサを用いてくりかえし圧力測定を行うと
きに力変換素子１４が疲労破壊を起こさないよう、この
プリロード値は、所定の上限値以下に設定する必要があ
る。

このため、本実施例の圧力センサにおいては、プリロー
ドの値が前記下限値と上限値の間に存在するよう、調整
ネジ８２を用いて調整される。

そして、プリロードの調整が終了した時点で、調整ネジ
８２を図中一点鎖線Ａ−Ａ′で示す位置から切断するこ
とにより、ダイヤフラム部１０の付加質量を小さくし、
その耐震性能を向上させる。

すなわち、前記調整ネジ８２は、ダイヤフラム部１０に
設けられたネジ孔８０に取付けられる。このため、調整
ネジ８２の質量を大きくすると、ダイヤフラム部１０の
固有振動数が低下し、その耐震性が低下してしまう。従
って、このような燃焼圧センサをエンジンなどの振動が
大きい部分に取付けると、圧力の検出精度が大巾に低下
してしまう。このため、本実施例では、調整ネジ８２に
よるプリロードの調整が終了した後、その調整ネジ８２
の頭部８４を切断することにより、燃焼圧センサの耐震
性が低下することがないように形成されている。

以上説明したように、本実施例によれば、ダイヤフラム
部１０を介して力変換素子１４に所望のプリロードを簡
単に印加し、周囲の温度変化に影響されることなく、負
の圧力から正の圧力まで正確に測定することができ、特
に高温の流体圧力の測定を正確に行うことが可能な圧力
センサを得ることができる。

また、前記各実施例においては、結晶面が（１１０）面
のＳｉ単結晶体を用い力変換素子を形成した場合を例に
とり説明したが、本発明はこれに限らずこれ以外に前記
第１表に示すように（１１０）面と等価な｛１１０｝結
晶面をもつＳｉ単結晶体を用いて力変換素子を形成して
もよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る圧力センサを燃焼圧センサとして
形成した場合の好適な一例を示す説明図、 第２図は従来の圧力センサの説明図、 第３図は従来の圧力センサに用いられる力変換素子の斜
視図、 第４図は本発明の圧力センサに用いられる力変換素子の
好適な一例を示す説明図であり、同図（Ａ）はその平面
説明図、同図（Ｂ）はその側面説明図、 第５図は比抵抗７．８Ωcmのｐ型（１１０）面Ｓｉ単結
晶体のピエゾ抵抗係数π_６３′の特性図、 第６図は第４図に示す力変換素子の変形例を示す説明
図、 第７図、第８図は力変換素子の他の実施例を示す説明
図、 第９図は本発明に係る圧力センサの他の実施例を示す説
明図である。 １０……ダイヤフラム部 １４……力変換素子 ２２……ブロック部 ３０……Ｓｉ単結晶体 ３２，３４……結晶面 ４０……台座 ５０，５０′……出力電極 ５２，５２′……入力電極 ６０……ステム ６２……支持基台 ６４，６４′……出力電極端子 ６６，６６′……入力電極 ６８……封着ガラス ７０……外環 ８０……ネジ溝 ８２……調整ネジ

フロントページの続き (72)発明者 林 貞幸 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭63−88418（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−63083（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−42579（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ダイヤフラム部の表面に作用する高温流体
   の圧力を、圧縮力として力変換素子に伝達し、力変換素
   子から出力される電気信号に基づき高温流体の圧力を測
   定する圧力センサにおいて、 前記力変換素子は、 圧縮力が加えられる面として｛１１０｝面の結晶面を有
   するように形成され、この結晶面が前記ダイヤフラム部
   と平行になるよう取付けられたＳｉ単結晶体と、 前記Ｓｉ単結晶体上に、その｛１１０｝面上における結
   晶の＜００１＞方向より４５度の方向に対向して設けた
   第１の電極と、＜１１０＞方向より４５度の方向に対向
   して設けた第２の電極と、を含み、これら第１および第
   ２の電極のいずれか一方を出力電極とし、他方を入力電
   極として用いる複数の電極と、 一端側が前記Ｓｉ単結晶体の｛１１０｝面の結晶面と接
   合され、他端が前記ダイヤフラム部に接するよう形成さ
   れ、ダイヤフラム部に印加される圧力を圧縮力としてＳ
   ｉ単結晶体の結晶面に垂直に伝達し、Ｓｉ単結晶体の
   ｛１１０｝面の結晶面と接合される複合台座と、 前記Ｓｉ単結晶体の、台座が接合された面と対向する面
   と接合されるステムと、 を含み、前記ステムは、 前記Ｓｉ単結晶体の台座が接合された面と対向する面と
   接合され、そのＳｉ単結晶体を支持するための支持基台
   と、 前記出力電極から出力される電気信号を外部に取出すた
   めの複数の出力電極端子と、 前記入力電極へ外部から電流を通電するための複数の入
   力電極端子と、 これら入力電極端子、出力電極端子および支持基台を一
   体的に保持する保持手段と、 を含み、 前記入力電極端子からＳｉ単結晶体に電流を流しながら
   Ｓｉ単結晶体の結晶面に垂直に圧縮力を作用させ、出力
   電極端子からダイヤフラム部の表面に作用する高温流体
   の圧力に対応した電圧を出力することを特徴とする高温
   流体用圧力センサ。
2. 【請求項２】特許請求の範囲（１）記載のセンサにおい
   て、 熱容量の大きいブロック部に設けられた接合用凹部を、
   前記ダイヤフラム部の表面中央部付近に設けられた接合
   用凸部に接合し、ブロック部をダイヤフラム部の表面に
   取り付け固定したことを特徴とする高温流体用の圧力セ
   ンサ。
3. 【請求項３】特許請求の範囲（１）（２）のいずれかに
   記載のセンサにおいて、 前記ダイヤフラム部表面に圧力印加方向に向け設けられ
   たネジ孔に調整ネジを螺合し、この調整ネジを用い、ダ
   イヤフラム部を圧力印加方向に変形させ、力変換素子に
   予め与える圧縮力を調整するよう構成したことを特徴と
   する高温流体用の圧力センサ。
4. 【請求項４】特許請求の範囲（１）〜（３）のいずれか
   に記載のセンサにおいて、 前記Ｓｉ単結晶体は、 不純物濃度が１×１０^１５／cm³〜１×１０^２１／cm³の
   範囲に制御され、その厚さが５０μｍ以下となるように
   形成されたことを特徴とする高温流体用の圧力センサ。