JP2015169456A - Physical quantity detection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、物理量を検出するように構成された物理量検出装置に関する。 The present invention relates to a physical quantity detection device configured to detect a physical quantity.
従来より、物理量を検出する装置が、例えば特許文献1で提案されている。具体的には、支持部と、この支持部に実装された半導体素子と、を備えた構成が提案されている。半導体素子は板状の半導体基板に基づいて形成されたものである。半導体素子には、複数の拡散抵抗がホイートストンブリッジ回路を構成するように形成されている。
Conventionally, an apparatus for detecting a physical quantity has been proposed in
そして、半導体素子に物理量が印加されるとピエゾ抵抗効果により各拡散抵抗の抵抗値が変化する。したがって、当該抵抗値の変化に基づいて物理量が取得されるようになっている。 When a physical quantity is applied to the semiconductor element, the resistance value of each diffusion resistor changes due to the piezoresistance effect. Therefore, the physical quantity is acquired based on the change in the resistance value.
上記従来の技術では、半導体素子が治具に吸着または吸引されることによりピックアップされて支持部に実装される。しかしながら、半導体素子が治具にピックアップされる際に、治具に付着した異物や半導体素子表面の構造によって半導体素子が破壊されてしまう可能性がある。このため、ホイートストンブリッジ回路による物理量の検出が困難になってしまうという問題がある。 In the above conventional technique, the semiconductor element is picked up by being attracted or sucked by a jig and mounted on the support portion. However, when the semiconductor element is picked up by the jig, there is a possibility that the semiconductor element is destroyed due to foreign matters attached to the jig or the structure of the surface of the semiconductor element. For this reason, there exists a problem that the detection of the physical quantity by a Wheatstone bridge circuit will become difficult.
本発明は上記点に鑑み、半導体素子が治具によってピックアップされて支持部に実装される構成において、治具による半導体素子の物理的な破壊の影響を低減することができる物理量検出装置を提供することを目的とする。 In view of the above points, the present invention provides a physical quantity detection device capable of reducing the influence of physical destruction of a semiconductor element by a jig in a configuration in which the semiconductor element is picked up by a jig and mounted on a support portion. For the purpose.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、一面(31a)を有する板状であり、ホイートストンブリッジ回路を構成するように複数の拡散抵抗(32a〜32d、33a〜33d)が一面(31a)側に形成され、複数の拡散抵抗(32a〜32d、33a〜33d)に対して物理量が印加されたときの複数の拡散抵抗(32a〜32d、33a〜33d)の抵抗値の変化に基づいて検出信号を出力する半導体素子(30)を備えている。また、半導体素子(30)が実装された支持部(10)を備えている。 In order to achieve the above object, in the first aspect of the present invention, a plate having one surface (31a) is provided, and a plurality of diffusion resistors (32a to 32d, 33a to 33d) are formed to form a Wheatstone bridge circuit. It is formed on the (31a) side, and changes in resistance values of the plurality of diffusion resistors (32a to 32d, 33a to 33d) when a physical quantity is applied to the plurality of diffusion resistors (32a to 32d, 33a to 33d). The semiconductor element (30) which outputs a detection signal based on it is provided. Moreover, the support part (10) with which the semiconductor element (30) was mounted is provided.
そして、半導体素子(30)は、一面(31a)側に形成されていると共に支持部(10)に実装される際に保持される部分であり、当該半導体素子(30)のうち複数の拡散抵抗(32a〜32d、33a〜33d)が形成されたセンシング部(32、33)から電気的に分離されたフローティング部(31d)を備えていることを特徴とする。 The semiconductor element (30) is a part formed on the one surface (31a) side and held when mounted on the support part (10), and a plurality of diffusion resistors among the semiconductor element (30). A floating part (31d) electrically separated from the sensing part (32, 33) in which (32a to 32d, 33a to 33d) is formed is provided.
これによると、フローティング部(31d)がセンシング部(32、33)から電気的に分離されているので、フローティング部(31d)が保持された際にフローティング部(31d)が物理的に破壊されたとしてもセンシング部(32、33)に電気的な影響が生じない。したがって、半導体素子(30)がピックアップされて支持部(10)に実装される際に、半導体素子(30)の物理的な破壊による影響を低減することができる。 According to this, since the floating part (31d) is electrically separated from the sensing part (32, 33), the floating part (31d) is physically destroyed when the floating part (31d) is held. However, there is no electrical influence on the sensing units (32, 33). Therefore, when the semiconductor element (30) is picked up and mounted on the support portion (10), the influence of physical destruction of the semiconductor element (30) can be reduced.
なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each means described in this column and the claim shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, the same or equivalent parts are denoted by the same reference numerals in the drawings.
(第1実施形態)
以下、本発明の一実施形態について図を参照して説明する。本実施形態に係る物理量検出装置は、例えば圧力媒体の圧力を検出する圧力センサとして構成されている。このような物理量検出装置は、図1に示されるように、支持部10、接合部20、及び半導体素子30を備えて構成されている。
(First embodiment)
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The physical quantity detection device according to the present embodiment is configured as a pressure sensor that detects the pressure of a pressure medium, for example. As shown in FIG. 1, such a physical quantity detection device includes a
支持部10は、半導体素子30が実装される部品である。具体的には、支持部10は、圧力媒体が導入される圧力導入孔11が設けられた中空筒形状の部品である。また、支持部10は、圧力導入孔11の一方を閉じるように中空筒形状の一端部12に設けられたダイヤフラム13を有している。これにより、圧力媒体が圧力導入孔11を介してダイヤフラム13に導入されることとなる。ダイヤフラム13は圧力導入孔11に導入された圧力媒体の圧力によって変形可能な薄肉状の受圧手段である。支持部10は、例えば金属ステムである。なお、支持部10は図示しないハウジングに対して、例えばネジ止め等によって固定される。
The
接合部20は、支持部10の一端部12のうちダイヤフラム13において圧力導入孔11とは反対側に設けられている。接合部20は半導体素子30を支持部10に固定するための接合手段である。接合部20は例えばガラス材料で形成されたものである。
The
半導体素子30は、ダイヤフラム13の歪みに応じたセンサ信号を出力する圧力検出手段である。図2に示されるように、半導体素子30は例えばシリコン基板等のP型の半導体基板31から形成されたものである。また、半導体素子30は四角形状の一面31aを有する板状のものである。半導体素子30の一面31aは半導体基板31の一面に対応している。このような半導体素子30は、N型のウェル領域31b、P型のウェル領域31c、センシング部、及びフローティング部31dを備えている。
The
図3に示されるように、N型のウェル領域31bは半導体基板31の一面31a側に形成されている。N型のウェル領域31bには、例えば電源電圧が印加される。また、P型のウェル領域31cはN型のウェル領域31bの表層部に形成されている。P型のウェル領域31cには、電源電圧よりも低い基準電圧が印加される。基準電圧は、例えばグランド電圧である。
As shown in FIG. 3, the N-
センシング部はN型のウェル領域31bの表層部に形成されている。また、センシング部は、ダイヤフラム13の歪みを検出するように構成されている。具体的には、図2に示されるように、センシング部は、第1センシング部32と第2センシング部33とで構成されている。
The sensing part is formed in the surface layer part of the N-
第1センシング部32は、第1〜第4拡散抵抗32a〜32dを備えて構成されている。第1〜第4拡散抵抗32a〜32dは、N型のウェル領域31bの表層部に形成されたP+型領域として形成されている。また、第1拡散抵抗32a及び第2拡散抵抗32bの直列接続部と第3拡散抵抗32c及び第4拡散抵抗32dの直列接続部とが並列に接続されることでホイートストンブリッジ回路を構成している。なお、図2では配線等を省略している。
The
第2センシング部33は、第5〜第8拡散抵抗33a〜33dを備えて構成されている。第5〜第8拡散抵抗33a〜33dは、N型のウェル領域31bの表層部に形成されたP+型領域として形成されている。また、第5拡散抵抗33a及び第6拡散抵抗33bの直列接続部と第7拡散抵抗33c及び第8拡散抵抗33dの直列接続部とが並列に接続されることでホイートストンブリッジ回路を構成している。
The
第1センシング部32の第2拡散抵抗32b及び第4拡散抵抗32dと第2センシング部33の第6拡散抵抗33bと第8拡散抵抗33dはP型のウェル領域31cに電気的に接続される。そして、N型のウェル領域31bには電源電圧が印加されると共に、P型のウェル領域31cには基準電圧が印加されるので、N型のウェル領域31bとP型のウェル領域31c(各拡散抵抗32a〜32d、33a〜33d)には逆バイアスが掛かる。したがって、P型のウェル領域31c(各拡散抵抗32a〜32d、33a〜33d)はN型のウェル領域31bから電気的に絶縁される。
The
また、各拡散抵抗32a〜32d、33a〜33dは、半導体基板31の一面31aの面方位に応じてレイアウトされている。本実施形態では、第1センシング部32の拡散抵抗32a、32b及び第2センシング部33の拡散抵抗33c、33dが同じ一方向に沿うように配置されている。これに対し、第1センシング部32の拡散抵抗32c、32d及び第2センシング部33の拡散抵抗33a、33bが同じ方向に沿うと共に、上記の一方向に対して直行する方向に沿うように配置されている。これはピエゾ効果が半導体基板31の一面31aの面方位方向に対して発生するためであり、第1センシング部32及び第2センシング部33におけるピエゾ効果が同等となるようにするためである。
Further, each of the
そして、第1センシング部32は、圧力が印加されたときの各拡散抵抗32a〜32dの抵抗値の変化に基づいて第1検出信号を出力する。すなわち、第1センシング部32は、第1拡散抵抗32aと第2拡散抵抗32bとの接続点の電位と、第3拡散抵抗32cと第4拡散抵抗32dとの接続点の電位と、の電位差を第1検出信号として出力する。
And the
同様に、第2センシング部33は、圧力が印加されたときの各拡散抵抗33a〜33dの抵抗値の変化に基づいて第2検出信号を出力する。すなわち、第2センシング部33は、第5拡散抵抗33aと第6拡散抵抗33bとの接続点の電位と、第7拡散抵抗33cと第8拡散抵抗33dとの接続点の電位と、の電位差を第2検出信号として出力する。
Similarly, the
これら第1検出信号及び第2検出信号は、図示しない制御装置で制御等に利用される。そして、第1センシング部32及び第2センシング部33のうちのいずれか一方が故障したとしても、他方から物理量に応じた検出信号を出力させることができる。したがって、半導体素子30のセンシング部の冗長性を高めることができる。
These first detection signal and second detection signal are used for control and the like by a control device (not shown). And even if any one of the
フローティング部31dは、支持部10に対して半導体素子30が実装される際に、図示しない治具によって保持される部分である。図3に示されるように、フローティング部31dは、半導体基板31の一面31a側においてN型のウェル領域31bの表層部に形成されている。このフローティング部31dの上には他の構造物は形成されていない。なお、半導体基板31の一面31aのうちフローティング部31dとは異なる部分には、図示しない配線等の他の構造物が形成されている。
The floating
また、図2に示されるように、フローティング部31dは、半導体基板31の一面31aのうちの中央部31eに配置されている。このため、上述の各拡散抵抗32a〜32d、33a〜33dは、フローティング部31dの周囲に配置されている。
Further, as shown in FIG. 2, the floating
さらに、フローティング部31dは、N型のウェル領域31bに形成されたセンシング部すなわち各拡散抵抗32a〜32d、33a〜33dから電気的に分離されていると共に、P型のウェル領域31c等の他の領域からも電気的に分離されている。もちろん、フローティング部31dは、外部からの電気的な印加もなされない。以上が、本実施形態に係る物理量検出装置の全体構成である。
Further, the floating
次に、半導体素子30にフローティング部31dが設けられていることの作用効果について説明する。図4に示されるように、半導体素子30は、ノズル等の治具40に吸着されることで保持される。なお、半導体素子30は治具40によって吸引されることで治具40に保持されても良い。
Next, the function and effect of providing the
そして、治具40によってピックアップされた半導体素子30がガラス材料の上に配置される。このように半導体素子30が治具40で保持される際に、治具40によって半導体基板31に物理的な破壊が発生することがある。物理的な破壊とは、例えば半導体基板31の一部に亀裂が発生することである。
Then, the
しかしながら、本実施形態に係るフローティング部31dはP型のウェル領域31bや各拡散抵抗32a〜32d、33a〜33dから電気的に分離されている。すなわち、フローティング部31dは他の部分との電気的接続が図られていない。このため、フローティング部31dがN型のウェル領域31bと電気的にショートしてしまったとしても、P型のウェル領域31cや各拡散抵抗32a〜32d、33a〜33dには電気的な影響が生じない。したがって、半導体素子30のフローティング部31dが治具40によってピックアップされる構成とすることで、半導体素子30の物理的な破壊による影響を低減することができる。つまり、半導体素子30の故障を予め防止することができる。
However, the floating
また、本実施形態では、フローティング部31dが半導体基板31の一面31aの中央部31eに設けられているので、治具40によって半導体素子30をピックアップしやすくすることができる。
In the present embodiment, since the floating
なお、ガラス材料の上に半導体素子30を配置した後、ガラス材料を焼成することにより接合部20を形成する。これにより、接合部20によって半導体素子30を支持部10に固定することができる。
In addition, after arrange | positioning the
(第2実施形態)
本実施形態では、第1実施形態と異なる部分について説明する。図5に示されるように、物理量検出装置は、第1増幅器34a、第2増幅器34b、第1調整部35a、第2調整部35b、第1オペアンプ36a、第2オペアンプ36b、及び故障診断部37を備えている。なお、これらの構成は半導体基板31に形成されていても良いし、別の半導体チップに形成されていても良い。
(Second Embodiment)
In the present embodiment, parts different from the first embodiment will be described. As shown in FIG. 5, the physical quantity detection device includes a
第1増幅器34aは、第1センシング部32の第1検出信号を増幅する信号増幅手段である。すなわち、第1増幅器34aは、第1拡散抵抗32aと第2拡散抵抗32bとの接続点32eの電圧と、第3拡散抵抗32cと第4拡散抵抗32dとの接続点32fの電圧と、の差電圧を所定の増幅率で増幅するように構成された差動増幅器である。
The
同様に、第2増幅器34bは、第2センシング部33の第2検出信号を増幅する信号増幅手段である。すなわち、第2増幅器34bは、第5拡散抵抗33aと第6拡散抵抗33bとの接続点33eの電圧と、第7拡散抵抗33cと第8拡散抵抗33dとの接続点33fの電圧と、の差電圧である第2検出信号を所定の増幅率で増幅するように構成された差動増幅器である。
Similarly, the
第1調整部35aは、第1増幅器34aの出力に対してオフセット補正や温度特性に基づく補正を行う信号調整手段である。同様に、第2調整部35bは、第2増幅器34bの出力に対してオフセット補正や温度特性に基づく補正を行う信号調整手段である。
The
第1オペアンプ36a及び第2オペアンプ36bは、電流ブースタとしてのボルテージホロワを構成するものである。第1オペアンプ36aは、第1調整部35aで調整された第1検出信号を故障診断部37に出力する。また、第2オペアンプ36bは、第2調整部35bで調整された第2検出信号を故障診断部37に出力する。
The first
故障診断部37は、第1検出信号及び第2検出信号に基づいて第1センシング部32及び第2センシング部33の異常の有無を診断するものである。
The
以上が、本実施形態に係る物理量検出装置の全体構成である。なお、第1検出信号は第1出力端子38a(Vout1)から外部機器に出力され、第2検出信号は第2出力端子38b(Vout2)から外部機器に出力される。また、物理量検出装置は外部機器に接続される電源端子38c(Vcc)及び基準電圧端子38d(GND)を介して外部機器から電源供給される構成となっている。
The above is the overall configuration of the physical quantity detection device according to the present embodiment. The first detection signal is output from the
上記の構成では、故障診断部37は、第1センシング部32から第1増幅器34a及び第1オペアンプ36aを介して第1検出信号を入力すると共に、第2センシング部33から第2増幅器34b及び第2オペアンプ36bを介して第2検出信号を入力する。そして、故障診断部37は、例えば第1検出信号と第2検出信号との差が正常範囲内であるか否かを判定することにより故障診断を行う。なお、故障診断部37は、第1検出信号と第2検出信号とが予め設定された正常範囲内に含まれるか否かを判定することにより故障診断を行っても良い。
In the above configuration, the
このように、本実施形態では、第1センシング部32の出力と第2センシング部33の出力との相互診断が可能となる。したがって、物理量検出装置はセンシング部の故障について自己診断を行うことができる。上述のように、半導体素子30はフローティング部31dを備えた構成になっているので、自己診断機能を備えた構成において半導体素子30の故障を予め防止することができる。
As described above, in the present embodiment, mutual diagnosis between the output of the
(他の実施形態)
上記各実施形態で示された物理量検出装置の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、支持部10は金属ステムに限られず、他の部品でも良い。また、支持部10に対して半導体素子30を固定するための接合部20は接合ガラスに限られず、接着剤等の他の部品が用いられても良い。
(Other embodiments)
The configuration of the physical quantity detection device shown in each of the above embodiments is an example, and the present invention is not limited to the configuration shown above, and other configurations that can realize the present invention can be used. For example, the
また、本実施形態ではPN接合を利用してフローティング部31dを各拡散抵抗32a〜32d、33a〜33d等から電気的に分離する構成となっているが、これはフローティング部31dの一例である。例えばN型のウェル領域31bに絶縁層を介してフローティング部31dを形成し、他の部分に対してフローティング部31dを電気的に分離する構成としても良い。
In the present embodiment, the floating
さらに、フローティング部31dの配置は、半導体基板31の一面31aの中央部31eに限られない。したがって、フローティング部31dを半導体基板31の一面31aのうちのどの位置に配置するかは他の構成との関係で適宜変更しても良い。
Further, the arrangement of the floating
上記各実施形態では、センシング部は冗長性を高めるために2つのセンシング部32、33で構成されていたが、これはセンシング部の一例である。したがって、センシング部は最小構成である第1センシング部32だけで構成されていても良い。このような場合は故障診断部37を不要としても良い。
In each of the embodiments described above, the sensing unit is configured with the two sensing
10 支持部
30 半導体素子
31a 一面
31d フローティング部
32、33 センシング部
32a〜32d、33a〜33d 拡散抵抗
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記半導体基板(31)が実装された支持部(10)と、
を備え、
前記半導体素子(30)は、前記一面(31a)側に形成されていると共に前記支持部(10)に実装される際に保持される部分であり、当該半導体素子(30)のうち前記複数の拡散抵抗(32a〜32d、33a〜33d)が形成されたセンシング部(32、33)から電気的に分離されたフローティング部(31d)を備えていることを特徴とする物理量検出装置。 A plurality of diffusion resistors (32a to 32d, 33a to 33d) are formed on the one surface (31a) side so as to constitute a Wheatstone bridge circuit, and the plurality of diffusion resistors (32a) A semiconductor element (30) for outputting a detection signal based on a change in resistance value of the plurality of diffusion resistors (32a to 32d, 33a to 33d) when a physical quantity is applied to .about.32d and 33a to 33d) ,
A support portion (10) on which the semiconductor substrate (31) is mounted;
With
The semiconductor element (30) is a portion that is formed on the one surface (31a) side and is held when mounted on the support portion (10). A physical quantity detection device comprising a floating part (31d) electrically separated from a sensing part (32, 33) in which diffusion resistors (32a to 32d, 33a to 33d) are formed.
前記複数の拡散抵抗(32a〜32d、33a〜33d)は、前記フローティング部(31d)の周囲に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の物理量検出装置。 The floating part (31d) is disposed in a central part (31e) of one surface (31a) of the semiconductor element (30),
The physical quantity detection device according to claim 1, wherein the plurality of diffusion resistors (32a to 32d, 33a to 33d) are arranged around the floating portion (31d).
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