(57)【要約】好ましくはシリコン製センサ２を有するチップ１と、概して鋼製のハウジング１３，１９との熱膨張率の差の結果として、ハウジング１３，１９内に組付け後、温度変化中に熱応力がセンサ２内に誘発され、そのため、測定成績が歪められる。本発明により、前記熱応力が少なくとも低減でき、それにより中央固定部９，１０と側方固定部１２とが、力が導入されるセンサ２の側で、チップ１の区域を機械式に部分に分割することで形成される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力及び／又は力の測定センサであって、その検出素子（２）がチップ（１）内に配置され、チップの長手軸線方向（１７）での力の作用が、表面と平行方向に生じる形式のものにおいて、
中央固定部（９，１０）と側方固定部（１２）とが、センサ内へ力が作用する側の、チップ（１）の部分区域に設けられ、該部分区域が機械的に互いに分離されていることを特徴とする、圧力及び／又は力の測定センサ。
【請求項２】
前記チップ（１）が、２部分から成るハウジング（１３，１９）内に取り付けられ、比較的軟質のダイアフラム（２２）を介してハウジング内へ力が導入される、請求項１に記載されたセンサ。
【請求項３】
前記中央固定部（９，１０）が、チップ（１）の中央脚（５）内にピン（９）を介して形成される一方、側方固定部（１２）が、側脚（８）をスリーブ状ハウジング部材（１３）のスロット（２５）内へ挿入することで形成され、しかも、力が軸線方向かつ中心方向に中央脚（５）内へ作用し、側方固定部が、中央への力の作用方向（１７）に関し対称的に形成されている、請求項２に記載されたセンサ。
【請求項４】
チップ（１）の、分離された中央脚と側脚（５，８）とが、リンク部材（１６）によって互いに局所的に連結されている、請求項３に記載されたセンサ。
【請求項５】
ハウジング（１３，１９）内のチップ（１）が、力の作用方向（１７）でストッパ（１４）により調節される、請求項２から請求項４までのいずれか１項に記載されたセンサ。
【請求項６】
側脚（８）の外縁が、スロット（２５）の縁部と平行に長手方向に配向されている、請求項３又は請求項４に記載されたセンサ。
【請求項７】
力が作用する中央脚（５）が、側脚（８）に対して予荷重を負荷される、請求項３から請求項８までのいずれか１項に記載されたセンサ。
【請求項８】
前記側脚（８）が、部分ハウジング（１３）内に接着及び／又はクランプによって固定される、請求項３から請求項７までのいずれか１項に記載されたセンサ。
【請求項９】
前記検出素子（２）が、少なくとも１つのスロット（４）によって、固定部とは反対側への機械的な誤荷重から保護され、しかも、該反対側では、検出素子（２）との機械式結合が、ワイヤボンディングによる電気接触に変えられる、請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載されたセンサ。
【請求項１０】
前記検出素子（２）が微細機械加工された共振器である、請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載されたセンサ。
【請求項１１】
前記検出素子（２）が、複数の圧電素子、磁気ひずみ素子、圧電抵抗器、磁気抵抗器のいずれかから成る、請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載されたセンサ。
【請求項１２】
中央固定部（９，１０）の穴（１０）まで力の作用距離（ａ）と、側方固定部の固定区域（１２）までの力の作用距離（ａ）とが、少なくともほぼ等しい値であり、更に、前記距離（ａ）を決定する構成要素（１１，１３，２３）が、等しい材料製である、請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載されたセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、特許請求の範囲第１項前文に記載されたセンサに関するものである。これに採用されているチップは、検出素子を共振器として使用しているもので、Ｍ．ホウエイス氏の報告から知ることができる。この報告は、２０００年８月２７日から９月２日にかけて米国のイリノイ州シカゴで開かれた第２０回理論・応用工学国際会議でなされたもので、Ｍ．ホウエイスほかによる要約ＴＬｌ「チップ振動の励起及び検出による力の検出用単結晶マイクロ共振器」（Ｓｉｎｇｌｅ　ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　ｍｉｃｒｏｒｅｓｏｎａｔｏｒ　ｆｏｒ　ｆｏｒｃｅ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｏｎ−ｃｈｉｐ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）として公刊されている。このセンサの開発は、最高約３００°Ｃまでの広い温度範囲用のセンサを得ることが目的であり、該センサの、より詳しい説明は、Ｍ．ホウエイスほかの論文「高温に適用するためのパッケージバルク微細機械加工共振−力センサ」（Ｐａｃｋａｇｅｄ　ｂｕｌｋ　ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ　ｒｅｓｏｎａｎｔ−ｆｏｒｃｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｆｏｒ　ｈｉｇｈ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）（ＳＰＩＥ−設計、Ｔｅｓｔ，Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｐａｃｋａｇｉｎｇ　ｏｆ　ＭＥＭＳ／ＭＯＥＭＳ，パリ、２０００年５月，Ｖｏｌ．４０１９，２０００，３７９〜３８８頁）に開示されている。
【０００２】
この公知センサのチップは、検出素子の両側に２個のピンによりハウジング内に取り付けられている。見られるように、このセンサは、検出素子内に交番張力を誘発させる温度変化に過敏である。温度に対するこのような過敏性は、チップ材料とハウジングとの熱膨張の相違から生じ、この場合、該チップ材料はシリコンであり、ハウジングは概して鋼製である。
本発明の目的は、前記温度過敏性を少なくとも低減することであり、この目的は特許請求の範囲第１項の特徴部分に記載の特徴により達せられた。
【０００３】
チップを検出素子の一方の側でのみハウジングに接続した場合、チップの両側が、固定区域によって妨げられることなく異なる程度に膨張するため、検出素子内に熱による機械的応力が誘発されることがない。
例えば一好適実施例では、中央固定部がチップの中央脚内にピンにより形成され、側方固定部が、ハウジングのスロット内へ側脚を挿入することにより確実に形成される。
力の作用方向に対し両直角方向でのチップの剛性を増すためには、分離された中央脚を側脚と局所的に連結リンクによって結合すればよい。
【０００４】
力の作用方向でのチップの精密調節は、ストッパによって達せられる。別の可能性は、長手方向でスロット縁部と平行に側脚外縁を配向することである。
更に、測定成績の線形を改善するために、及び／又は測定範囲を画定するために、力が作用する中央脚は、側脚に対して予荷重を負荷される、好ましくは張力を加えるようにされる。
【０００５】
以下で、本発明の一実施例を図面との関連で説明する。
センサの検出素子は、気密に互いに結合された３個のシリコンウェーハから成るチップ１（図１）である。該検出素子は、公知の形式でＳＯＩ技術により用意され、中間層に検出素子本体２を含んでいる。検出素子本体は、例えば微細機械加工された共振器であるが、別の力検出素子であってもよい。したがって、検出素子としては、圧電素子、磁気抵抗素子、圧電抵抗器、磁気抵抗器のいずれかを使用できる。
図１には、検出素子２の上方に接触パッド３が示され、該接触パッドを介して、検出素子２は、ワイヤボンディングにより付属電子装置１５（図２）に接続されている。検出素子２は、例えば、接触パッド３を電子装置に接続するボンドワイヤによって発生することがある機械的な誤荷重から、スロット４によって護られている。
【０００６】
検出素子２は、チップ１の比較的狭幅のストリップ内に配置されている。該ストリップは、中央固定部を含む中央脚５まで延び、側方固定部を形成する側脚８からは、スロット６と穴７とにより機械式に分離されている。このストリップは、また導入された力を目標へ向けて検知素子へ集中させる。
ピン９（図４）は、中央固定具として役立ち、僅かな遊びをもってチップ１の穴１０に挿入され、フランジを介しセンサヘッド１１（図４）と接続される。
側脚８の部分区域１２は、円筒形の部分ハウジング１３（図２）のスロット２５内へ挿入され、チップ１の長手方向にはストッパ１４により調節され、側方固定部として役立つ。この部分区域１２は、部分ハウジング１３内に接着その他の密な接合形式により付加的に固定される。チップ１は、力の作用方向１７に対し両直交方向にスロット２５により整合せしめられる。
【０００７】
力が導入される固定部との接続用めねじ２１を有するセンサヘッド１１（図４）は、その周縁部が鋼製ダイアフラム２２と結合され、該ダイアフラムは、部分ハウジング１３内で長手方向、すなわち力の作用方向に、ダイアフラムスリーブ２３を介して調節可能に変位せしめられ、固定される（箇所２４）。中央脚５に、ひいては検出素子２に負荷される或る一定の予荷重は、ダイアフラム２２の前記変位によって、ストッパ１４により調節される側脚８に対して調節することができる。既に述べたように、前記予荷重は、好ましくは張力で構成される。ダイアフラム２２は、比較的軟質に形成でき、したがって高い感度と、検出素子に達する熱誤差の低減とが達せられる。更に加えて、軟質ダイアフラム２２により、チップ１の正確な軸線方向及び中央への力の作用が改善される。
【０００８】
スロット６を架橋する連結リンク１６により、力の作用方向１７では、センサの弾性が大となる一方、該作用方向に対し直角の２方向では、センサの剛性が増す。
温度変化によって、ハウジング内でチップ１の機械式固定部から検出素子に加わる望ましくない機械荷重を最小化するために、測定すべき力の作用する複数構成部材の熱膨張は、部分ハウジング１３内でのチップ１の、力の作用する固定部の熱膨張と、出来るだけ等しい大きさにすべきである。このことは、好ましくは、構成部材１１，１３の材料と該構成部材間に挿入される材料とに、等しい材料を選択することにより保証され、かつまた、めねじ２１を経て穴１０までと、側方固定部の部分区域１２の各接着域又はクランプ域まで、もしくはストッパ１４までとの力の作用距離とが等距離ａであることにより保証されるのが好ましい。
【０００９】
また、部材１１，１３，２３に異なる熱膨張率を有する異なる材料を使用することも可能であり、そうすることが、例えば製造技術上の理由から必要になる場合もあることを理解すべきである。
そうした理由により、符号２１のところからチップ１の中央固定部９，１０までの力の作用距離と、側方固定部の接着区域又はクランプ区域１２までの作用距離とが異なるようにすることも、実際に可能である。その場合には、熱膨張にとって重要な、側方固定部までの力の作用距離は、部分ハウジング１３内のチップ１のストッパ１４によっても与えられる。
【００１０】
この種の変化形によるチップ１が図５に示されている。理論的には、このチップ１の場合、中央脚５の穴１０の力の作用箇所に対する側脚８の端部の変位又はストッパ１４のところに位置する固定区域１２の変位は、最大要求温度範囲内での、センサヘッド１１の材料の熱膨張と、ダイアフラムスリーブ２３及び部分ハウジング１３の材料の熱膨張との差に対応する。
図２及び図３に見られるように、円筒形の部分ハウジング１３は、左側を切除され、外殻を形成しており、該外殻の自由端にはねじ山１８が切られている。
【００１１】
該ねじ山には、第２の部分ハウジング１９（図４）が締結され、これにより部分ハウジング１３の開放外殻が閉じられ、電子装置１５とチップ１との双方が被覆される。部分ハウジング１９は、左側が、レンチを使用するための６角形ヘッドとして形成されている。また右側には、ねじ山２０が形成され、これにより、センサを被測定対象内へねじ込むことができる。更に、ハウジングが２部分構成であるため、被測定対象から分離可能であり、かつセンサ集合体から生じる張力に対し不感であることができる。
既述のように、部分ハウジング１３，１９は、鋼製であるのが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】
検出素子を有するチップの部分図。
【図２】
ハウジングの一部に挿入されたチップの側面図。
【図３】
図２の平面図。
【図４】
図３のＩＶ−ＩＶ線に沿って完成センサ、すなわち第２部分ハウジングを取り付けたセンサを長手方向に截断して示す断面図。
【図５】
チップの第２実施例を示す、図１同様の図。
【符号の説明】
１　シリコン製チップ
２　検出素子
３　接触パッド
４　保護スロット
５　中央脚
６　分離スロット
７　分離穴
８　側脚
１０　穴
１２　側脚固定部
１６　連結リンク
１７　力の作用方向
１３　ハウジング部分
１４　ストッパ
１５　電子装置
１８　ねじ山
２２　鋼製ダイアフラム
２５　スロット
ａ　固定部までの力の作用距離
９　ピン
１１　センサヘッド
１９　部分ハウジング
２０　ねじ山
２１　めねじ
２３　ダイアフラム用スリーブ
２４　固定箇所
【国際公開パンフレット】
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2004513378.tif 000005
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【国際調査報告】
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