JP3071932B2 - 半導体圧力センサ - Google Patents

半導体圧力センサ

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JP3071932B2
JP3071932B2 JP4051138A JP5113892A JP3071932B2 JP 3071932 B2 JP3071932 B2 JP 3071932B2 JP 4051138 A JP4051138 A JP 4051138A JP 5113892 A JP5113892 A JP 5113892A JP 3071932 B2 JP3071932 B2 JP 3071932B2
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semiconductor
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は圧力を検出する半導体圧
力センサに係わり、特に静圧下ならびに差圧下で生じる
信号を検出し、静圧および差圧を極めて精度よく検出し
得るようにした半導体圧力センサに関する。
【0002】
【従来の技術】圧力の検出を行なうためのセンサの1つ
として、半導体圧力センサが知られている。
【0003】この半導体圧力センサは単結晶半導体(例
えば、シリコン等)の優れた弾性を利用し、薄膜シリコ
ンダイアフラムの両端にかかる圧力差に応答する応力を
検出する。
【0004】図6はこのような半導体圧力センサの一例
を示す断面図である。
【0005】この図に示す半導体圧力センサ100はn
形面からなるシリコン単結晶基板101の一面に凹部1
02を形成して薄肉部のダイアフラム部103とし、前
記凹部102側の面と反対側の表面にp形不純物を拡散
して図7に示す如く差圧センサ(ストレインゲージ抵
抗)104〜106を形成した後、これら差圧センサ1
04〜106を形成した単結晶基板101の表面に酸化
膜107を形成して前記各差圧センサ104〜106を
被膜し、さらにこの酸化膜107に貫通して設けられた
孔108を介して前記各差圧センサ104〜106の両
端に各々電極層109を接続して形成したものであり、
円筒状に形成された台座管112に固定されるととも
に、金線等によって構成されるワイヤ110によって前
記電極層109と外部端子(図示は省略する)とが接続
されて使用される。
【0006】なお、図7においては、右側の差圧センサ
104〜106部分にのみに電極層109を設けている
が、実際には各差圧センサ104〜106毎に各々電極
層109が設けられている。
【0007】そして、このように構成された半導体圧力
センサ100においては、ダイアフラム部103が圧力
によって応力を受けると、ダイアフラム部103の表面
に形成された差圧センサ104〜106のうち、予め決
められた結晶軸方向に配置されたものの抵抗値が増加す
るとともに、他の決められた結晶軸方向に配置されたも
のの抵抗値が減少して、これら各差圧センサ104〜1
06によって構成されているホィートストンブリッジ回
路(図示は省略する)の出力電圧が変化し、この変化分
に対応した検出信号が出力される。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな半導体圧力センサ100においては、静圧(ダイア
フラムの両面にかかる共通な圧力)下でも、ゼロシフト
と呼ばれる誤信号を生じる。
【0009】そこで、このような問題を解決する方法と
して、半導体圧力センサ100と別個の圧力センサを用
いて静圧を検出し、この検出結果に基づいて半導体圧セ
ンサ100の出力を補正する方法が試みられている。
【0010】しかしながら、このような方法では、2つ
の素子を使用しなければならないため、なるべくなら
ば、シングルタイプの素子を用いて、2つの信号から単
純な補正で2つの信号を生成するようにすることが望ま
しい。
【0011】そこで、このような要求を満たす方法とし
て、図8に示す如く角板状に形成されたシリコン単結晶
基板115の表面(円筒形の台座管116と接合する面
と反対側の面)に設けられた差圧センサ117〜120
と同様な配置で静圧によって生じる歪みを検出するセン
サ(静圧センサ)121〜124を設け、この静圧セン
サ121〜124の出力に基づいて前記差圧センサ11
7〜120の出力を補正することも行われている。
【0012】そして、この場合、台座管116の形状を
円筒状にするとともに、シリコン単結晶基板115の形
状を角板状にして圧縮歪みに対して非対称にし、これに
よって静圧センサ121〜124の出力を大きくしてい
る。
【0013】しかしながら、このような半導体圧力セン
サで用いられる静圧センサ121〜124は、温度に対
する影響を共通化するために、差圧センサ117〜12
4と同一基板上で、同じ配置位置関係となるように各静
圧センサ121〜124を配置しているので、静圧セン
サ121〜124にも差圧歪みによる影響が出てしま
い、その応答特性が一義的な信号にならないことが多い
ばかりか、このような静圧センサ121〜124に対し
ても、差圧センサ117〜120の出力に基づいて補正
を行なう必要があるため、極めて厄介な補正関係が必要
であった。
【0014】そして、静圧センサ121〜124によっ
て差圧センサ117〜120の信号を補正する方法で
は、極めて大きな誤差を与える危険がある。
【0015】本発明は上記の事情に鑑み、静圧下ならび
に差圧下で生じる信号を補償することができるととも
に、静圧および差圧を同一半導体基板上で、しかも極め
て精度良く、かつ高い信頼性で検出することができる半
導体圧力センサを提供することを目的としている。
【0016】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明による半導体圧力センサは、第1面および第
2面を有し、前記第1面に角形の空洞が形成される単結
晶半導体材料からなる角板状の半導体基板と、その一端
が前記半導体基板の前記第1面に形成された前記空洞を
取り囲むように前記半導体基板の第1面に接合され、か
つ検出すべき圧力を前記空洞に導入する導圧路を有する
角筒状の台座管と、前記半導体基板の前記第2面で前記
空洞の反対側に形成された少なくとも1個の垂直方向の
差圧センサおよび少なくとも1個の平行方向の差圧セン
サと、前記半導体基板の前記第2面で前記台座管に接合
された一端の反対側で、前記半導体基板の対角線から所
定角度だけずれた位置に、各々形成される少なくとも2
つ以上の静圧センサとを備えたことを特徴としている。
【0017】
【作用】上記の構成において、半導体基板の下面に凹部
を形成してこの部分に表面側に差圧センサを配置すると
ともに、前記半導体基板の下面側に角筒状の台座管を接
続し、前記半導体基板の前記台座管の上方にある部分中
の前記半導体基板の各対角線から所定角度だけ傾けた位
置に各静圧センサを配置することにより、静圧および差
圧を精度よく検出する。
【0018】
【実施例】図1は本発明による半導体圧力センサの一実
施例を示す断面図である。
【0019】この図に示す半導体圧力センサ1は薄い方
形の半導体基板2と、この半導体基板2の一面に接合さ
れる台座管3とによって構成されている。
【0020】半導体基板2はシリコンのような単結晶材
料によって構成される矩形状の基板によって構成されて
おり、この半導体基板2の中央部分下側(図1において
下側)に矩形状の凹部4を形成して作った薄肉のダイア
フラム部5が形成されるとともに、図2に示す如く前記
ダイアフラム部5の上側(図1において上側)にボロン
等の不純物を拡散により注入して前記半導体基板2と一
体に形成したピエゾ特性を有する所望形状の差圧センサ
6〜9と、所望形状の静圧センサ10〜17が形成され
ている。
【0021】この場合、前記各差圧センサ6〜9は差圧
センサ6、8が一方の結晶軸方向に配置され、他方の各
差圧センサ7、9が前記結晶軸方向と直交する方向に配
置され、図3に示す如くブリッジ接続されている。
【0022】そして、前記ダイアフラム部5の上面側
と、下面側との差圧によって前記ダイアフラム部5が歪
んだとき、この歪みに応じて前記各差圧センサ6〜9の
抵抗値が変化してこれが差圧検出信号として外部に出力
される。
【0023】また、半導体基板2の上側(図1において
上側)の各静圧センサ10〜17は半導体基板2の中心
と各差圧センサ6〜9とを結んだ各線と、前記半導体基
板2の対角線との間、例えば半導体基板2の対角線から
22.5度傾いた位置に配置され、図3に示す如く各静
圧センサ10〜17が2つずつ組み合わされてブリッジ
接続されている。
【0024】そして、前記半導体基板2が収められてい
る部分の静圧によって前記半導体基板2が歪んだとき、
この歪みに応じて前記各静圧センサ10〜17の抵抗値
が変化してこれが静圧検出信号として出力される。
【0025】また、台座管3はその外径が前記半導体基
板2の外縁と接する同じ長さに形成されるとともに、そ
の内径が前記凹部4の径よりもかなり短く形成される断
面角筒形のパイレックガラス等によって構成されてお
り、その上端(図1において上端)が前記半導体基板2
の下面に接合され、その内部に形成された断面円形の導
圧路18によって前記半導体基板2の凹部4に検出対象
となる圧力媒体を導く。
【0026】次に、図1および図2を参照しながらこの
実施例の構造と効果との関係を説明する。
【0027】まず、ダイアフラム部4が形成されている
半導体基板2に対して異種材料となるパイレックガラス
等の台座管3を接合しているため、ダイアフラム部5に
かかる差圧がゼロで、静圧のみが加えられたときには、
圧縮率の大きい台座管3側から圧縮率の小さい半導体基
板2により大きな歪みが伝わる。差圧が印加されたと
き、ダイアフラムに発生する歪がピエゾ抵抗に作用する
位置より、各静圧センサ10〜17の位置を対角線から
22.5度だけ傾けているので、これらの各静圧センサ
10〜17は差圧による影響を受けにくい。
【0028】静圧印加では、半導体基板2と台座管3と
の接合面直上の半導体基板2の上面(図1において上
面)側に誘起される歪みはダイアフラム部5に誘起され
る歪みより伝達距離が短いので、各静圧センサ10〜1
7から大きな静圧信号が出力される。
【0029】これによって、静圧を主として検出する静
圧センサ10〜17は差圧による誤差が小さくなり、か
つ差圧の測定範囲内では一義的な誤差特性を表わす。
【0030】一方、差圧センサ6〜9が形成されている
半導体基板2の下面には角形の凹部4を形成しているの
で、半導体基板2に静圧が加えられても、歪みが発生し
にくく、この結果静圧に対して出力がほぼ零になる。
【0031】そして、ダイアフラム部5の両面に差圧が
加えられたときにのみ、この差圧によってダイアフラム
面に歪みが誘起されて各差圧センサ6〜9から大きな差
圧信号が出力される。
【0032】この結果、1つの組になった4個の差圧セ
ンサ6〜9は主としてダイアフラム部5にかかる差圧を
検出し、別の組にった8個の静圧センサ10〜17は半
導体基板2と台座管3とにかかる静圧変化によってのみ
生じる信号を出力する。
【0033】このようにこの実施例においては、半導体
基板2の下面に凹部4を形成してこの部分に表面側に差
圧センサ6〜9を配置するとともに、前記半導体基板2
の下面側に角筒状の台座管3を接続し、前記半導体基板
2の前記台座管3の上方にある部分中の前記半導体基板
2の各対角線から22.5度だけ傾けた位置に各静圧セ
ンサ10〜17を配置しているので、静圧および差圧を
同一半導体基板2上で、しかも極めて精度良く、かつ高
い信頼性で検出することができる。
【0034】また、上述した実施例においては、半導体
基板2の対角線から22.5度だけ傾けた位置に各静圧
センサ10〜17を配置するようにしているが、図4に
示す如く半導体基板2の1本の対角線から22.5度だ
け傾けた位置に静圧センサ20〜23を設け、図5に示
す如くこれらの各静圧センサ20〜23をブリッジ接続
するようにしても上述した実施例と同様な効果を得るこ
とができる。
【0035】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、静
圧下ならびに差圧下で生じる信号を補償することができ
るとともに、静圧および差圧を同一半導体基板上で、し
かも極めて精度良く、かつ高い信頼性で検出することが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による半導体圧力センサの一実施例を示
す断面図である。
【図2】図1に示す半導体圧力センサの平面図である。
【図3】図1に示す半導体圧力センサを構成する各差圧
センサおよび各静圧センサの結線例を示す回路図であ
る。
【図4】本発明による半導体圧力センサの他の実施例を
示す平面図である。
【図5】図4に示す半導体圧力センサを構成する各差圧
センサおよび各静圧センサの結線例を示す回路図であ
る。
【図6】従来から知られている半導体圧力センサの一例
を示す断面図である。
【図7】図6に示す半導体圧力センサの平面図である。
【図8】図6に示す半導体圧力センサの問題点を解決す
るために作られた半導体圧力センサの一例を示す平面図
である。
【符号の説明】
1 半導体圧力センサ 2 半導体基板 3 台座管 4 空洞 6〜9 差圧センサ 10〜17 静圧センサ

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1面及び第2面を有し、前記第1面に底
    面が正方形の凹部を有する板状の単結晶の半導体基板
    と、 前記凹部を取り囲むように前記第1面に接合される一端
    と、検出すべき圧力を前記凹部に導入する導圧路とを有
    する角筒状の台座管と、 前記第2面の前記凹部の反対側に設けられ、前記正方形
    の第1の辺の中央部の近傍に設けられる第1の差圧セン
    サと、 前記第2面で前記凹部の反対側に設けられ、前記第1の
    辺に隣り合う第2の辺の中央部の近傍に設けられる第2
    の差圧センサと、 前記第2面で前記一端の反対側に設けられ、前記正方形
    の2本の対角線の交点と配置される位置を結ぶ直線が前
    記対角線となす角度が22.5度程度である2つの静圧
    センサとを備えた事を特徴とする半導体圧力センサ。
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