(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製のダイヤフラム（１）と歪みゲージ素子を備えた圧力センサにおいて、歪みゲージ素子が、圧電抵抗形の抵抗素子（１１）を埋め込んだ珪素ブリッジ素子（２）を有し、該珪素ブリッジ素子（２）が支柱（１０１）を介してダイヤフラム（１）と結合されており、前記支柱（１０１）が、前記ダイヤフラムの面に垂直な方向では剛性的に構成され、また前記ダイヤフラムに平行な方向では撓み可能に構成されており、前記ダイヤフラムには１つの剛性フレーム（３）が設けられており、該剛性フレームに前記珪素ブリッジ素子（２）が台座（１０２）を介して結合されており、かつ支柱（１０１）及び台座（１０２）が、珪素の熱膨張係数に実質的に等しい熱膨張係数を有する、ニッケル−鉄金属のような材料から形成されていることを特徴とする、圧力センサ。
【請求項２】
ダイヤフラム（１）と剛性フレーム（３）が一体に構成されている、請求項１記載の圧力センサ。
【請求項３】
ダイヤフラム（１）及び剛性フレーム（３）が切削加工によって製作されている、請求項１又は２記載の圧力センサ。
【請求項４】
剛性フレーム（３）が雄ねじ山（６）を有している、請求項１から３までのいずれか１項記載の圧力センサ。
【請求項５】
支柱（１０１）及び台座（１０２）と珪素ブリッジ素子（２）との結合が、ガラス鑞から成る接合層（１０３，１０４）によって行われる、請求項１から４までのいずれか１項記載の圧力センサ。
【請求項６】
支柱（１０１）とダイヤフラム（１）及び台座（１０２）と剛性フレーム（３）が溶接、鑞接又は接着によって接合されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
背景技術：
本発明は、請求項１に発明の上位概念として規定した通り、金属製のダイヤフラムと、該ダイヤフラム上に配置された歪みゲージ素子を備えた形式の圧力センサに関する。ダイヤフラム上に歪みゲージ素子を装着する形式の圧力センサはすでにドイツ連邦共和国特許第４０２８３７６号明細書に基づいて公知である。歪みゲージ素子は、薄膜形成技術によってガラス板上で製作される。
発明の利点：
前記背景技術に対して、請求の範囲の請求項１の特徴部に記載した構成手段を有する本発明の圧力センサは、珪素ブリッジ素子の使用によって格別低廉な圧力センサが得られるという利点を有している。個々のブリッジ素子は、多数のブリッジ素子を１つの珪素ウェハから同時に製作することによって、極めて格安に製造することができる。しかも珪素ブリッジ素子に埋め込まれた圧電抵抗形の抵抗素子は高い感度を有している。
請求項２以降に記載した手段によって、請求項１に記載した圧力センサの有利な構成及び改良が得られる。１つの剛性フレーム内にダイヤフラムを一体的に張設することによって１つの圧力センサが得られ、しかもダイヤフラム肉厚の簡単なバリエーションによって、種々異なった圧力範囲を測圧するためのセンサが製造される。その場合高い感度を得るために、歪みゲージ素子が剛性フレームからダイヤフラム上へ延びている。圧電式の抵抗素子が、高い測定信号を保証するために殊に、高い機械的変形領域に配置されている。珪素ブリッジ素子は、金属製ダイヤフラム上及び剛性フレーム上に直接配置されるか、或いは支持体を介して金属製ダイヤフラム上及び剛性フレーム上に配置することができる。支持体によって製作時の珪素ブリッジ素子の操作可能性が改善される。その場合、剛性フレーム上にもダイヤフラム上にも結合域を設けることが可能である。センサ信号の温度従変性を改善するために、ダイヤフラム上の結合域をダイヤフラムに固着接合せず、ダイヤフラム上に単に載置しておくことも可能である。珪素ブリッジ素子の結合域とダイヤフラム又は剛性フレームとの結合は、接着又は鑞接によって行われるのが有利である。ダイヤフラムと剛性フレームの製作は、殊に金属からの切削加工によって行われるのが有利である。使用部位への圧力センサの特に簡便な組付けを可能にするために、剛性フレームは付加的に、雄ねじ山を有する螺合構成部品として構成することができる。
図面：
次に図面に基づいて本発明の実施例を詳説する。
第１図は本発明による圧力センサの第１実施例の断面図である。
第２図は本発明による珪素ブリッジ素子の概略平面図である。
第３図は本発明による圧力センサの第２実施例の断面図である。
第４図は本発明による圧力センサの第３実施例の略示側面図である。
実施例の説明：
第１図には、剛性フレーム３内に張設された金属製のダイヤフラム１を備えた本発明による圧力センサの第１実施例が図示されている。前記ダイヤフラム１上には、珪素ブリッジ素子２として形成された歪みゲージ素子が配置されている。珪素ブリッジ素子２は一方の結合域１０でもってダイヤフラム１上に、また他方の結合域１０でもって剛性フレーム３上に固着されている。更に剛性フレーム３上にはハイブリッド回路装置４が設けられており、該ハイブリッド回路装置によって、珪素ブリッジ素子２の信号が評価される。なお珪素ブリッジ素子２は、珪素材料内の応力状態に基づいて抵抗値を変化する圧電抵抗形の抵抗素子１１を有している。珪素ブリッジ素子２とハイブリッド回路装置４との間の電気的接続はボンディングワイヤ５によって形成れる。更に別のボンディングワイヤ又はその他の導電素子を設けて、該導電素子を介してハイブリッド回路装置４の信号を圧力センサの外部へ伝送することも可能である。また剛性フレーム３は、該剛性フレーム３を螺合によって固定的に組付けることを可能にする雄ねじ山６を有している。
圧力供給路７によってダイヤフラム１の下面は、計測すべき圧力で負荷される。ダイヤフラム１の上面は標準的な周辺圧又は基準圧で負荷されているので、絶対圧又は差圧が計測される。圧力供給路７とダイヤフラム上面との間の圧力差に基づいてダイヤフラムの変形が惹起され、ダイヤフラムの変形に相応して珪素ブリッジ素子２は変形せしめられる。珪素ブリッジ素子２は凹設部８を有し、該凹設部によって、弱化された、つまり、より薄肉に形成されたブリッジ域が形成される。このブリッジ域では、特に高い機械的応力が発生する。この理由から該領域に、つまり凹設部８の上位に圧電抵抗形の抵抗素子１１も配置されている。該抵抗素子１１は、機械的応力に基づいてその抵抗値を変化する。この抵抗値の変化はハイブリッド回路装置４によって確認され、かつ圧力供給路７に存在する圧力の１尺度となる。
第２図は、第１図に示した珪素ブリッジ素子２の平面図の１例である。この場合、圧電抵抗形の抵抗素子１１は、ダイヤフラム１の振れによって珪素ブリッジ素子２が変形する場合に前記抵抗素子内に機械的応力を発生させるように配置されている。それ故に本例では抵抗素子１１が結合域１０の上位には配置されないようにした。圧電抵抗形の抵抗素子１１を接点接続するために複数の導体路２０が設けられており、該導体路は接続域２１に通じている。該接続域２１には、第１図に示したようなボンディングワイヤ５を固着することが可能である。導体路２０は圧電抵抗形の抵抗素子１１と電気的に接続する。第２図では、セミブリッジ式に配線された２つの抵抗素子１１が図示されている。しかし該抵抗素子１１の別の配置形式も考えられ、特に多数の抵抗素子を、例えばフルブリッジ式に設けておくことも可能である。更にまた、低い機械的応力の発生する領域、本実施例では例えば結合域１０の上位に位置している領域内に、抵抗値がダイヤフラム１の変形には無関係な、別種の抵抗素子を設けておくことも可能である。この種の抵抗素子はこの場合、基準抵抗素子として使用することができる。抵抗素子１１の製作は、珪素ブリッジ素子２の珪素内へ不純物を拡散することによって行われる。その場合適当なドーピングと特定結晶軸に基づく配向とによって、機械的応力に関連した抵抗の高い従変性を得ることが可能である。導体路２０は表面金属成膜によってか又は拡散法によって実現され、後者の拡散法の場合、ドーピングを著しく高く選んで、圧電抵抗効果を僅少にすることが可能である。第１図に示した凹設部８は、珪素ブリッジ素子２の単結晶材料の異方性エッチングプロセスによって格別簡便に得られる。珪素ブリッジ素子２を製作する場合先ず第１に並行生産が考慮される。すなわち単結晶の珪素ウェハから出発して多数のブリッジ素子が並行生産される。次いで該製造プロセスの終期に珪素ウェハを細分することによって、多数の個々のブリッジ素子が得られる。当該生産処理方式の利点は、個々の珪素ブリッジ素子の製造コストが特に低廉になり、かつこのような製造プロセスが高い精密度をもって実施できることである。こうして高精度・低コストのブリッジ素子が得られる。
ダイヤフラム１及び剛性フレーム３の有利な製作は、１つの金属素材から切削加工、例えば旋削によってダイヤフラム１及び剛性フレーム３を一体的に形成することである。勿論また金属製の剛性フレーム３と、該フレームに一体的に結合されたダイヤフラム１とを同時に製作する別の方法も考えられる。ダイヤフラム１の肉厚及び直径の簡単なバリエーションによって、製作時に圧力センサの感度を、広い感度範囲にわたって設定することが可能である。また珪素ブリッジ素子２のバリエーション無しに、異なった圧力範囲のための圧力センサを製造することも可能である。更にまた製作時に剛性フレーム３に同時に雄ねじ山６を成形することが可能である。このような雄ねじ山６によって剛性フレーム３はケーシング、計測体などと圧力密に螺合締結される。従って圧力センサは簡便に螺入エレメントとして構成することができる。このように製作されたセンサは、数千バール範囲の高圧センサとして使用できるので格別有利である。
第３図には本発明の第２実施例が図示されている。珪素ブリッジエレメント２は、すでに第１図に基づいて説明したような珪素ブリッジ素子２に対応している。しかしながら本実施例の珪素ブリッジ素子２は、ダイヤフラム１及び剛性フレーム３の上面に直接装着されてはいず、支持体１６を介して前記ダイヤフラム１及び剛性フレーム３と結合されている。支持体１６は一方の結合域１０では固着層１２によって剛性フレーム３と固定的に接合されている。ダイヤフラム１の上位では支持体１６はただ１つの結合域１０を有しているにすぎず、該結合域１０で支持体１６はダイヤフラム１上に載置されている。珪素ブリッジ素子２は支持体１６と固着接合されている。圧力センサの製造時に、例えば鑞継手から成る固着層１２が剛性フレーム上でだけ固定的な接合部を形成することを保証するために、固着層１２がダイヤフラム１の方向に拡がるのを制限する鑞ストップ１５が設けられている。該鑞ストップ１５は本実施例では切欠部として形成されている。しかし又、固着層１２がダイヤフラム１の方向に拡がるのを防止するその他幾多の手段が考えられる。
支持体１６の使用によって珪素ブリッジ素子２の製作が単純になる。その場合留意すべき点は、凹設部８によって珪素ブリッジ素子２が機械的に著しく損傷し易く、ダイヤフラム１又は剛性フレーム３上に装着する際に破壊されることがあることである。支持体１６は例えば並行生産の場合も先ず大面積の円板として完全に珪素ウェハと接合され、次いで珪素ウェハと一緒に個々の小さな領域に細分することができる。損傷を受け易い珪素ブリッジ素子２を夫々１つの支持体１６上に配置するようにして形成された歪みゲージ素子は、製造法に関して、珪素ブリッジ素子２を単独に操作するよりも著しく簡便に操作することができる。また支持体１６のためには、珪素と金属の異なった熱膨張係数を或る範囲内で補償する素材を使用することが可能である。このために例えばガラスが支持体１６用の素材として適している。支持体１６を使用する利点は、支持体１６を剛性フレーム３ともダイヤフラム１とも接合する場合にも得られる。
第３図に示した支持体１６は、剛性フレーム３とだけ固着接合されているのに対して、ダイヤフラム１上では単に載置されているにすぎない。従って剛性フレーム３上では固定支承が、またダイヤフラム１上では可動支承が形成される。従って支持体１６もしくは該支持体と接合された珪素ブリッジ素子２は、ダイヤフラム１及び剛性フレーム３の金属素材に対して収縮又は膨張することができ、しかもこの収縮又は膨張時に顕著な機械的応力が発生することはない。とは云え、圧力センサの圧力負荷によって惹起されるダイヤフラム１の振れは、珪素ブリッジ素子２内に依然として機械的応力を生ぜしめ、該機械的応力は圧電抵抗形の抵抗素子１１によって確認される。可動支承と固定支承の使用によって圧力センサの感熱性は低下され、これに伴って圧力センサの感度が著しく低下することはない。
第４図には、本発明の圧力センサの第３実施例が図示されている。珪素ブリッジ素子２、金属製のダイヤフラム１及び剛性フレーム３は、第１図又は第３図に示した構成要素に対応している。本実施例では、第３図の場合と同様に、珪素ブリッジ素子２は、金属製のダイヤフラム１又は剛性フレーム３と直接には接合されていない。珪素ブリッジ素子２と剛性フレーム３との結合は、台座１０２を介して行われる。珪素ブリッジ素子２とダイヤフラム１との結合は支柱１０１を介して行われる。支柱１０１及び台座１０２と珪素ブリッジ素子２との間には夫々１つの接合層１０４及び１０３が設けられている。
前記支柱１０１及び台座１０２のためには、珪素に適合した熱膨張係数を有する素材が使用される。その場合、鉄−ニッケル金属の、温度に起因した膨張は珪素の熱膨張係数にできるだけ近づくことになる。このために特に、ニッケル−鉄金属から成る支柱１０１及び台座１０２が使用される。接合層１０３，１０４のためには、やはり珪素に適合した膨張係数を有するガラス鑞を使用するのが有利である。
支柱１０１を介して、金属製のダイヤフラム１の振れは珪素でリッジ素子２に伝達される。台座１０２は、珪素ブリッジ素子２を剛性フレーム３上に固着するために役立つ。適合した温度係数によって珪素ブリッジ素子２内の熱応力は低減される。その場合特にＸ軸方向の熱膨張が重要である。それというのは金属製のダイヤフラム１と剛性フレーム３は殊に鋼から製作され、かつ該素材は珪素ブリッジ素子２の珪素素材に比較して著しく異なった膨張係数を有しているからである。支柱１０１をＹ軸方向で著しく剛性に設計することによって、Ｙ軸方向の金属製ダイヤフラム１の小さなな振れも珪素ブリッジ素子２へ良好に伝達される。しかしながら支柱１０１はＸ軸方向では著しくスリムに形成されているので、剛性フレーム３と金属製ダイヤフラム１に異なった膨張が発生した場合にはＸ軸方向の膨張は支柱１０１の撓みによって補償される。斯くして、温度影響によって生じる力は実質的に、支柱１０１の幾何学的形状及び支柱素材の弾性係数にだけ関連することになる。更にまた接合層１０３，１０４のために適当なガラス鑞を選択することによって、珪素ブリッジ素子２に対する熱的影響を更に低減することが可能である。
ダイヤフラム１上に支柱１０１を接合するため、かつ剛性フレーム３上に台座１０２を接合するためには、例えば溶接、鑞接又は接着のような慣用の金属継手が適している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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