JP3009971B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、流体の圧力を検出す
る圧力センサであって、特に半導体素子により流体圧力
を受けて電気的に圧力を検出する圧力センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、気体の圧力を精度良く測ることの
できる小型圧力センサとして、半導体式圧力センサが提
供されており、これをガスメータに使うことが考えられ
ている。従来の半導体式圧力センサは、図３の縦断面図
に示すように、圧力センサの外枠１と、外枠１と一体に
形成され先端部３が細く形成されたガス導入部２とを有
し、外枠１内に、シリコン基板４を内蔵したセンサケー
ス６が収納されている。シリコン基板４には、エッチン
グにより部分的に厚さ数ミクロンにされたシリコン膜５
が形成され、このシリコン膜５上に、機械的歪により抵
抗値の変化する半導体抵抗が形成されている。センサケ
ース６には、大気の導入部７が形成され、増幅回路等の
電気回路が形成されたプリント基板８が取り付けられて
いる。プリント基板８には、入出力端子９が設けられ、
外枠１内に収容されて、プラスチック樹脂１０によりモ
ールドされている。センサケース６は、外枠１内に、接
着剤１１により接合され、またシリコン膜５上には、ガ
スに含まれるゴミや水分を直接接触しないようにゲル１
２がコーティングされている。また、プリント基板８上
に形成された電気回路は、前記抵抗値の変化を増幅する
機能を有している。入出力端子９は、プリント基板８上
の電気回路及びシリコン膜５上の抵抗に電源を供給する
ための電源端子、抵抗値の変化を増幅して出力するため
の出力端子、及びグランド端子である。

【０００３】この半導体式圧力センサの測定方法は、ま
ず、ガス導入部２からガス圧がかかると、大気の導入部
７から加わる大気圧とガス圧との差により、シリコン膜
５に機械的な歪を生じる。この歪は、ガス圧と大気圧と
の差圧に比例する。そして、シリコン膜５が歪を起こす
と、シリコン膜５上に形成された抵抗の値が、歪の大き
さに比例して変化する。この抵抗値の変化を検出し、増
幅して出力することによりガス圧と大気圧の差圧を測定
することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の場合、ゲル１２側にガス圧がかかる構成であり、セン
サケース６、接着剤１１、及びゲル１２に、ガスが直接
接触する。このうちゲル１２、接着剤１０は、主に高分
子材料で構成されており、ガスに直接触れる部分では、
長期間ガスに接している場合には、ガスに侵されてしま
い、膨潤現象等によりガスを透過してしまう可能性があ
った。特に、温度変動によって、ガスが液化と気化を繰
り返すような環境下では、このような傾向が顕著になる
という問題があった。

【０００５】この発明は上記従来の技術の問題点に鑑み
て成されたもので、被測定圧力媒体であるガス等に直接
触れる部分の耐ガス性能を確保し、変形、変質等に起因
したリーク現象によるセンサ外部へのガス漏れが発生す
ることを防止し、長期間、耐ガス性能が保証され信頼性
が高く、かつ高精度で簡単な構成の圧力センサを提供す
ることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は、半導体の圧
力センサ素子と、このセンサ素子を収容したケースと、
熱膨張率が上記センサ素子と近い金属により形成され上
記センサ素子に連通した圧力導入孔が形成されていると
ともにこの圧力導入孔の周囲が気密状態で上記センサ素
子に接合された取付部材と、上記センサ素子が取り付け
られた側とは反対側の上記圧力導入孔の周囲の上記取付
部材に気密状態で接合されているとともに上記センサ素
子の熱膨張率と近い熱膨張率の金属製の管であって上記
センサ素子の裏面側の上記センサ素子で囲まれた密閉空
間に被測定圧力媒体を導入する圧力導入管と、上記圧力
導入管の外周面と上記ケースの圧力導入部の内壁面との
間に気密状態に介在されたＯリングとを備え、上記各セ
ンサ素子と取付部材及び圧力導入管を各々金属により接
合した圧力センサである。さらに、上記半導体の圧力セ
ンサ素子はシリコンにより形成され、上記取付部材及び
圧力導入管は鉄−ニッケル系合金により形成されてい
る。また、上記センサ素子と上記取付部材は、上記セン
サ素子のシリコンと鉄−ニッケルが共晶結合して接合し
ているものである。そして、上記取付部材と上記圧力導
入管は、銀または金により接合されている圧力センサで
ある。

【０００７】

【作用】この発明の圧力センサは、被測定圧力媒体であ
るガスがケースの圧力導入部を経てＯリング及び金属製
の圧力導入管その他の金属材料の表面に接触して、半導
体の圧力センサ素子の裏面側に直接侵入し、圧力センサ
の他の構成要素には被測定圧力媒体が接触しないように
したものである。

【０００８】

【実施例】以下この発明の実施例について図面に基づい
て説明する。 図１はこの発明の第一実施例を示すもの
で、この実施例の圧力センサは、Ｓｉ半導体のセンサ素
子２０がセンサケース２１内に設けられ、センサ素子２
０とリード端子２２とが金線２３によりワイヤボンディ
ングされている。センサケース２１は、ＰＰＳ樹脂等の
耐熱性のある樹脂であり、リード端子２２と、センサ素
子２０の取付部材２４及び、取付部材２４に接続された
圧力導入管２５がインサート成形により一体に設けられ
ている。圧力導入管２５はセンサケース２１の中央部か
ら下方に突出して形成されている。

【０００９】取付部材２４は、シリコンの熱膨張率
（３．２×１０^−６）に近い熱膨張率の鉄−ニッケル系
合金に金メッキを施したものであり、さらにクロムやア
ルミ又は銅を含有するものでも良い。また、圧力導入管
２５も取付部材２４と同じ金属材料又は同様にシリコン
の熱膨張率に近い他の金属材料から成るパイプであり、
外表面が滑らかで、金メッキされているものである。セ
ンサ素子２０と取付部材２４とは、上記金メッキまた金
泊を用い、センサ素子２０の底面部全周にわたって取付
部材２４に密接させ、その接続部２６を加熱して上記金
を溶融させ冷却し、金とシリコン及び鉄−ニッケル等を
共晶結合させて接合している。これによって、センサ素
子２０は、その底面全周にわたって取付部材２４と気密
状態に接合し、取付部材２４の中央部の圧力導入孔２７
が、センサ２０に囲まれた状態に形成される。また、取
付部材２４とセンサ素子２０の反対側の圧力導入管２５
とは、圧力導入孔２７の周囲を圧力導入管２５の一端部
で囲むようにして取り付けられ、その接続部２８は、銀
ローにより接続されている。また、この接続部２８も、
上記と同様に金により接合させても良い。

【００１０】リード端子２２は、基板３０にハンダ付け
られ、基板３０に取り付けられた図示しない外部接続端
子に電気的に接続している。基板３０が固定されたセン
サケース２１は、圧力導入管２５が突出している嵌合部
３６によって、外装ケース３２の取付部３４に嵌め込ま
れている。取付部３４は、外部の圧力が導かれる圧力導
入筒３７に同軸的に連通して、外装ケース３２の圧力導
入部を形成している。外装ケース３２はＰＰＳ樹脂等の
耐薬品性及び耐蝕性に優れた樹脂により形成されてい
る。そして、嵌合部３６から突出した圧力導入管２５の
外側面と、取付部３４の内壁面との間には、Ｏリング３
８が緊密に嵌め込まれている。Ｏリング３８は、両側が
圧力導入管２５と取付部３４とによって弾性的に圧接さ
れているとともに、上下の部分は何にも接触せず、開放
されている。また、Ｏリング３８は、取り付け状態で、
嵌合部３６の先端面３９と、圧力導入筒３７の底面４０
との間で脱落しない程度の間隔を開けて取り付けられて
いる。

【００１１】センサケース２１内は、センサ素子２０の
表面側に、柔軟なポリウレタンゲルやシリコンゲル等の
充填材４１が充填され、センサ素子２０等が完全に密閉
されている。また、外装ケース３２内も、センサケース
２１がほぼ埋設される程度に上記と同様の充填材４２が
充填され、収納物を密閉している。外装ケース３２の圧
力導入筒３７とは反対側は、開口部４３になっており、
この開口部４３を覆う蓋部材４４が取り付けられてい
る。蓋部材４４には、大気圧側に接続される大気圧導入
筒４５が形成され、柔軟な充填材４１を介して大気圧が
センサ素子２０に確実にかかるように形成されている。

【００１２】この実施例の圧力センサの組み立て方法
は、先ず、取付部材２４と圧力導入管２５とを金泊等に
より溶接し、これとリード端子２２とを型に取り付けて
インサート成形によりセンサケース２１を形成する。こ
の後、センサ素子２０を取付部材２７に金箔等により溶
接する。溶接温度は、センサケース２１の樹脂が耐え得
る温度に設定する。そして、センサ素子２０とリード端
子２２とをワイヤボンディングし、センサ素子２０の表
側のセンサケース２１内に充填材４１を注入する。そし
て、基板３０にリード端子２２をハンダ付けする。ま
た、Ｏリング３８は、取付部３４内に予め嵌め込んでお
き、このＯリング３８に圧力導入管２５を挿入するとと
もに、センサケース２１の嵌合部３６が取付部３４に嵌
合して取り付けがなされる。この後、外装ケース３２内
に充填材４２を注入し、固めて、蓋部材４４を開口部４
３に被せて固定し、組立が完了する。

【００１３】この実施例の圧力センサの使用法方は、圧
力導入筒３７を被測定圧力側に接続し、圧力導入筒４５
を大気圧側に接続する。測定対象は、被測定圧力媒体と
しての、例えばＬＰガス等の可燃性ガス、その他の有毒
ガス等であり、これらの測定に使用することができる。

【００１４】この実施例の圧力センサによれば、圧力測
定するガスは、圧力導入筒３７を通り、圧力導入管２５
を経てセンサ素子２０の裏面側に直接接触し圧力がセン
サ素子２０に直接かかるものである。従って、感度がき
わめて高く、装置も小型化でき、センサ素子２０の圧力
検出面の厚さは０．０１ｍｍ程度に形成することも可能
であり、低い圧力の検出に際してもきわめて正確な測定
が可能である。さらに、センサ素子２０は、これと熱膨
張率の近い取付部材２４に接合され、さらに取付部材２
４は同じく熱膨張率の近い圧力導入管２５に接合されて
いるので、熱歪による応力がセンサ素子２０にはほとん
ど伝わらず、この圧力センサの温度特性は、ほぼ直線的
な特性にすることができるものである。また、接続部２
６，２８は金属により接合しているので、その接続強度
がきわめて高く、耐久性もあり、腐食性ガス等に対する
信頼性も高いものである。さらには、圧力を測定するガ
スは、圧力導入筒３７、Ｏリング３８、圧力導入管２
５、接続部２６，２８、取付部材２４及びセンサ素子２
０にのみ接触するものであり、他の構成要素や接合部に
は触れず、上記各部材は、対腐食性、耐久性等に対する
信頼性はきわめて高いものが選択できる。従って、有毒
ガスや可燃性ガスの測定に際しても十分な安全性を確保
することができるものである。

【００１５】次にこの発明の第二実施例の圧力センサに
ついて図２に基づいて説明する。ここで、上述の実施例
と同様の部材については、同一の符号を付して説明を省
略する。この実施例の圧力センサは、センサ素子２０
が、上記第一実施例と同様の鉄−ニッケル系合金の取付
部材５４に金箔又は金メッキにより溶接され、同様に圧
力導入管５５も銀ロー等によりロー付けされている。取
付部材５４には、筒状のセンサ収容筒５１が銀ロー付け
され、その内側に、取付部材５４からリード端子５２が
突出している。リード端子５２は、取付部材５４の透孔
５３を介して下方に延出し、その先端部が基板６０にハ
ンダ付けされている。

【００１６】基板６０と一体のセンサ収容筒５１は、図
２において逆さまにされた状態で、外装ケース６２の取
付部６４に嵌合される。外装ケース６２は、その開口部
６５を蓋部材７４で覆うとともに、この蓋部材７４に圧
力導入部６６とこれに連通する圧力導入筒６７が形成さ
れている。圧力導入部６６の内側にはＯリング３８が嵌
合され、圧力導入管５５がＯリング３８の内部に挿入さ
れている。さらに、蓋部材７４の内側には、圧力導入管
５５が挿通される透孔７５が形成された押え板７６が、
圧力導入部６６を覆うように固定されている。この押え
板７６は、Ｏリング３８の脱落を防止するものである。

【００１７】この実施例の圧力センサの組み立て方法
は、取付部材５４と圧力導入管５５を接合し、センサ収
容筒５１及びリード端子５２を取付部材５４に固定した
後、センサ素子２０を取付部材５４に接合する。そし
て、センサ素子２０とリード端子５３の先端部とをワイ
ヤボンディングし、センサ収容筒５１内に充填材４１を
注入する。また、基板６０とリード端子５２とをハンダ
付けしておく。そして、外装ケース６２の取付部６４に
センサ収容筒５１を嵌合させ、開口部６５を上にして外
装ケース６２内に充填材４２を注入する。そして、蓋部
材７４の取付部６６にＯリング３８を嵌合させ、Ｏリン
グ３８に圧力導入管５５を挿入し、蓋部材７４を外装ケ
ース６２に固定して組立が完了する。

【００１８】この実施例によれば、センサ素子２０は金
属製のセンサ収容筒５１内に設けられ、センサ素子２０
と取付部材５４との溶接時の熱により悪影響を及ぼす部
材がなく、耐久性等が高く、より信頼性が高いものにす
ることができる。

【００１９】尚、この発明の圧力センサは、上記の実施
例に限定されるものではなく、取付部材や圧力導入管の
材質は適宜変更可能であり、センサ素子の熱膨張率と近
いものであれば良い。

【００２０】

【発明の効果】この発明の圧力センサは、上記センサ素
子と圧力導入管とＯリングが耐ガス腐食性能を有し、上
記センサ素子に圧力導入管を介して被測定圧力媒体を導
入し、上記圧力導入管の外壁面と樹脂製ケースの圧力導
入部の内壁面との間にＯリングを気密状態に介在させた
ので、被測定圧力媒体が接触する部分は、信頼性が保証
されているＯリングとケース及びセンサ素子の裏面と金
属部分のみとなり、被測定ガス等による腐食や、経年変
化による亀裂によりガス漏れ等が生じることを確実に防
止することができ、安全性、信頼性の高いものにするこ
とができる。また、センサ素子で直接被測定圧力を受け
ることができ、センサの感度が高く、装置の小型化が容
易に可能であり、コストも安価なものにすることができ
るものである。さらに、この発明の圧力センサは、セン
サ素子の熱膨張率と近い熱膨張率の取付部材及び金属製
の管を用いて上記センサ素子をケースに装着し、センサ
素子で囲まれた密閉空間に被測定圧力媒体を導入するよ
うにしたので、センサ素子に熱歪が伝わらず、正確な測
定が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第一実施例の圧力センサの縦断面図
である。

【図２】この発明の第二実施例の圧力センサの縦断面図
である。

【図３】従来の技術の圧力センサの縦断面図である。

【符号の説明】

２０ センサ素子 ２４ 取付部材 ２５ 圧力導入管 ２６，２８ 接続部 ２７ 圧力導入孔 ３２ 外装ケース ３８ Ｏリング

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大橋 徳良 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 久保 幸作 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 中根 伸一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 新井 利則 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 宇野 尚 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 中溝 佳幸 富山県上新川郡大沢野町下大久保3158番 地 北陸電気工業株式会社内 (72)発明者 田中 清之 富山県上新川郡大沢野町下大久保3158番 地 北陸電気工業株式会社内 (72)発明者 石割 博之 富山県上新川郡大沢野町下大久保3158番 地 北陸電気工業株式会社内 (72)発明者 福久 孝治 富山県上新川郡大沢野町下大久保3158番 地 北陸電気工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−105212（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−30386（ＪＰ，Ｕ)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体の圧力センサ素子と、このセンサ
   素子を収容したケースと、熱膨張率が上記センサ素子と
   近い金属により形成され上記センサ素子に連通した圧力
   導入孔が形成されているとともにこの圧力導入孔の周囲
   が気密状態で上記センサ素子に接合された取付部材と、
   上記センサ素子が取り付けられた側とは反対側の上記圧
   力導入孔の周囲の上記取付部材に気密状態で接合されて
   いるとともに上記センサ素子の熱膨張率と近い熱膨張率
   の金属製の管であって上記センサ素子の裏面側の上記セ
   ンサ素子で囲まれた密閉空間に被測定圧力媒体を導入す
   る圧力導入管と、上記圧力導入管の外周面と上記ケース
   の圧力導入部の内壁面との間に気密状態に介在されたＯ
   リングとを備え、上記各センサ素子と取付部材及び圧力
   導入管を各々金属により接合したことを特徴とする圧力
   センサ。
2. 【請求項２】 上記半導体の圧力センサ素子はシリコン
   により形成され、上記取付部材及び圧力導入管は鉄−ニ
   ッケル系合金により形成されていることを特 徴とする請
   求項１記載の圧力センサ。
3. 【請求項３】 上記センサ素子と上記取付部材は、上記
   センサ素子のシリコンと鉄−ニッケルが共晶結合して接
   合していることを特徴とする請求項２記載の圧力セン
   サ。
4. 【請求項４】 上記取付部材と上記圧力導入管は、銀ま
   たは金により接合されていることを特徽とする請求項２
   または３記載の圧力センサ。