JPH0575637U - Pressure sensor - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ヒステリシスを低減した、小形，軽量かつ高
精度の圧力センサを実現することである。 【構成】 シリコンダイアフラム２に周期的な交流変位
（ダイアフラムに垂直な方向の双方向の変位）を与えて
おき、最終的に、信号処理回路８により平均化して出力
信号を得る構成する。ダイアフラムの機械的ヒステリシ
スは除去されて極めて低減される。 (57) [Abstract] [Purpose] To realize a compact, lightweight and highly accurate pressure sensor with reduced hysteresis. [Structure] A periodical AC displacement (bidirectional displacement in a direction perpendicular to the diaphragm) is applied to the silicon diaphragm 2, and finally the signal processing circuit 8 averages to obtain an output signal. The mechanical hysteresis of the diaphragm is eliminated and greatly reduced.

Description

【考案の詳細な説明】[Detailed description of the device]

【０００１】[0001]

【産業上の利用分野】[Industrial applications]

本考案は圧力センサに関し、特に、ダイアフラムの持つ機械的ヒステリシスを 抑制して検出精度を高めたセンサに関する。 The present invention relates to a pressure sensor, and more particularly to a sensor that suppresses mechanical hysteresis of a diaphragm to improve detection accuracy.

【０００２】[0002]

【従来の技術】[Prior Art]

図４は一般的な半導体ピエゾ抵抗式圧力センサの、パッケージを含めた全体構 成例を示す断面図である。 シリコンセンサ２０は、シリコンダイアフラム上にピエゾ抵抗ゲージを有してお り、圧電効果を利用してダイアフラムの変位に応じた電気信号を出力し、この信 号はアンプ２３で増幅され、ケーブル２４を介して外部に導出されるようになっ ている。また、この例では、腐食性流体についても測定可能とするために、シー ルダイアフラム２１および封入液２２を介して圧力をシリコンダイアフラムに伝 える方式を採用している。 FIG. 4 is a sectional view showing an example of the overall configuration of a general semiconductor piezoresistive pressure sensor including a package. The silicon sensor 20 has a piezoresistive gauge on the silicon diaphragm and outputs an electric signal according to the displacement of the diaphragm by utilizing the piezoelectric effect. This signal is amplified by the amplifier 23 and the cable 24 is connected. It is designed to be outsourced via the Internet. Further, in this example, in order to make it possible to measure corrosive fluids as well, a method of transmitting pressure to the silicon diaphragm via the seal diaphragm 21 and the filled liquid 22 is adopted.

【０００３】[0003]

【考案が解決しようとする課題】[Problems to be solved by the device]

上述した従来の圧力センサでは、以下の問題点がある。 （１）シールダイアフラム構造を使用しているため、シリコンダイアフラムのヒ ステリシスに加え、そのシール部のヒステリシス（歪み）も加算されて大きくな る。このため、測定精度が低下する。 （２）シールダイアフラムおよび封入液があるため、センサ本体の外形，重量が 大きくなる。また、圧力測定の際に加わる加速度の影響が、これらの存在により 増幅され、無視できないほど大きくなる。 （３）シールダイアフラムおよび封入液を使わず、直接シリコンダイアフラムで 測定圧を受けることも考えられるが、この場合、（２）の問題点は解消するが、 今度は腐食性流体は測定できないという問題が生じる。 （４）直接にシリコンダイアフラムで測定圧力を受ける場合、耐食性を持たせる ために、酸化シリコン被膜や窒化被膜等の被膜等を付けることも考えられるが、 この場合は、それらのパッシベーション膜によるダイアフラムのヒステリシス増 大が避けられない。 The conventional pressure sensor described above has the following problems. (1) Since the seal diaphragm structure is used, in addition to the hysteresis of the silicon diaphragm, the hysteresis (distortion) of the seal part is also added and becomes large. Therefore, the measurement accuracy decreases. (2) Since the seal diaphragm and the filled liquid are present, the outer shape and weight of the sensor body are increased. In addition, the influence of acceleration applied during pressure measurement is amplified by the existence of these, and becomes so large that it cannot be ignored. (3) It is conceivable that the measurement pressure may be directly received by the silicon diaphragm without using the seal diaphragm and the filling liquid. In this case, the problem of (2) is solved, but this time the corrosive fluid cannot be measured. Occurs. (4) When the measurement pressure is directly applied to the silicon diaphragm, it is possible to add a film such as a silicon oxide film or a nitride film in order to provide corrosion resistance, but in this case, the diaphragm of those passivation films is used. Increasing hysteresis is unavoidable.

【０００４】 本考案は、このような問題点を考慮してなされたものであり、その目的は、ヒ ステリシスを低減した、小形，軽量かつ高精度の圧力センサを実現することにあ る。The present invention has been made in consideration of such problems, and an object thereof is to realize a small-sized, lightweight and highly accurate pressure sensor with reduced hysteresis.

【０００５】[0005]

【課題を解決するための手段】[Means for Solving the Problems]

本考案の代表的なものの概要は以下のとおりである。 すなわち、窒化膜等のパッシベーション膜を有するシリコンダイアフラムを使用 する。 このダイアフラムに圧電素子を付加して交流励振し、ダイアフラムを常時振動さ せる（すなわち、ディザをかける）。この場合の励振は、圧力検知用センサに有 害な振動数ではなく、シリコンダイアフラムが疲労破壊を起こさない振幅であり 、かつヒステリシスのマスクに十分な条件を満たすように慎重に選択される。 この交流成分が重畳された検出信号に対し、平均化処理等を行って交流成分の影 響を取り除き、真正の圧力検出信号を得る。 The outline of the typical one of the present invention is as follows. That is, a silicon diaphragm having a passivation film such as a nitride film is used. A piezoelectric element is added to this diaphragm to excite an alternating current to vibrate the diaphragm (that is, dither). The excitation in this case is not a frequency that is harmful to the pressure detection sensor but an amplitude that does not cause fatigue failure of the silicon diaphragm, and is carefully selected so as to satisfy a sufficient condition for the hysteresis mask. The detection signal on which the AC component is superimposed is subjected to averaging processing or the like to remove the influence of the AC component and obtain a true pressure detection signal.

【０００６】[0006]

【作用】[Action]

常時シリコンダイアフラムに周期的な交流変位（ダイアフラムに垂直な方向の 双方向の変位）を与えておき、最終的にこれを平均化するため、ダイアフラムの ヒステリシスは相殺されて見えなくなる（すなわち、マスクされる）。 これにより、ダイアフラムをパッシベーション膜で覆った、腐食性流体等の直接 測定が可能な圧力センサの測定精度を向上できる。 Since a periodic alternating displacement (bidirectional displacement perpendicular to the diaphragm) is always applied to the silicon diaphragm, and finally this is averaged, the hysteresis of the diaphragm is canceled and disappears (that is, masked). ). As a result, it is possible to improve the measurement accuracy of the pressure sensor in which the diaphragm is covered with the passivation film and the corrosive fluid or the like can be directly measured.

【０００７】[0007]

【実施例】【Example】

次に、本考案の実施例について図面を参照して説明する。図１は本考案の一実 施例の構成を示す図（上側に平面形態が示され，下側に断面形態が示される）で ある。 Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an embodiment of the present invention (a plan view is shown on the upper side, and a cross section is shown on the lower side).

【０００８】 本実施例のシリコンセンサチップ１には、薄肉のダイアフラム２が形成されて いる。このダイアフラム２上には、圧力感知素子であるピエゾ抵抗素子３と圧電 素子４ａ，４ｂとが設けられている。また、シリコンセンサチップ１の表面は、 シリコン窒化膜等の耐湿性のあるパッシベーション膜で保護され、流体等の直接 測定も可能な構造となっている。 圧電素子４ａは励振用素子，４ｂはフィードバック用素子であり、それぞれには 配線９ａ，９ｂおよび信号線Ｌ３を介して発振回路７が接続されており、これに よって発振ループが形成されている。この発振ループを用いてダイアフラム２を 連続的に交流励振することができる。 ピエゾ抵抗素子３からの圧力検出信号は、信号線Ｌ１，Ｌ２を介して平均化等の 信号処理回路８に入力され、励振成分（ディザ成分）を除去して、真正の圧力検 出信号を得るようになっている。 すなわち、本実施例は、ダイアフラムに励振器を形成してディザをかける構成と し、ダイアフラムの持つ機械的ヒステリシスを大幅に低減した交流信号を得、さ らに、この信号の平均化処理等を行って、扱い易い直流信号に変化させて出力信 号とするものである。A thin diaphragm 2 is formed on the silicon sensor chip 1 of this embodiment. A piezoresistive element 3, which is a pressure sensing element, and piezoelectric elements 4a and 4b are provided on the diaphragm 2. Moreover, the surface of the silicon sensor chip 1 is protected by a moisture-resistant passivation film such as a silicon nitride film, and has a structure capable of directly measuring a fluid or the like. The piezoelectric element 4a is an exciting element, and the piezoelectric element 4b is a feedback element. The oscillation circuit 7 is connected to the piezoelectric element 4a via the wirings 9a and 9b and the signal line L3, thereby forming an oscillation loop. The diaphragm 2 can be continuously AC-excited by using this oscillation loop. The pressure detection signal from the piezoresistive element 3 is input to the signal processing circuit 8 for averaging or the like via the signal lines L1 and L2, and the excitation component (dither component) is removed to obtain a true pressure detection signal. It is like this. That is, in this embodiment, an exciter is formed on the diaphragm to apply dither to obtain an AC signal with the mechanical hysteresis of the diaphragm significantly reduced, and the averaging process of this signal is performed. The output signal is converted to a DC signal that is easy to handle.

【０００９】 次に、本実施例の動作ならびに特性を説明する。 センサチップ１が圧力を受けると、ピエゾ抵抗素子３は圧力に比例した電圧信号 を出力する。この時、並行して圧電素子４ａを発振回路７により励振してダイア フラム２を振動させる。この振動は、圧電素子４ｂにより発振回路７にフィード バックされる。このとき、この圧電素子４ｂによるフィードバック量等を制御し 、励振が、圧力検出に有害な振動数ではなく、シリコンダイアフラムが疲労破壊 を起こさない振幅であり、かつヒステリシスのマスクに十分な条件を満たすよう に調整する。Next, the operation and characteristics of this embodiment will be described. When the sensor chip 1 receives pressure, the piezoresistive element 3 outputs a voltage signal proportional to the pressure. At this time, in parallel, the piezoelectric element 4a is excited by the oscillation circuit 7 to vibrate the diaphragm 2. This vibration is fed back to the oscillation circuit 7 by the piezoelectric element 4b. At this time, the amount of feedback or the like by the piezoelectric element 4b is controlled so that the vibration is not the frequency harmful to the pressure detection, the amplitude is such that the silicon diaphragm does not cause fatigue fracture, and the hysteresis mask satisfies a sufficient condition. To adjust.

【００１０】 平均化等信号処理回路８では、例えば、図２（ａ）に示されるような、励振成 分（ディザ成分）が重畳された信号に対して、平均化処理や、信号増幅，温度や リニアリティの補償処理（さらに、必要ならば、補正演算処理）を行い、図２（ ｂ）のように真の圧力値を示す信号を得る。このようなディザ重畳方式を用いた 場合のセンサのヒステリシス特性は、図２（ｃ）のようになり、ヒステリシス幅 の大幅な縮小を実現できる。 図３は比較例としての従来例の特性を示し、（ａ）のように、ダイアフラムの下 降方向と上昇方向の圧力検出信号に大きなオフセットが生じており、これが、同 図（ｂ）のような大きなヒステリシスとなって現われる。本実施例では、ヒステ リシス幅は、従来のほぼ１／５に低減されている。In the averaging signal processing circuit 8, for example, as shown in FIG. 2A, averaging processing, signal amplification, and temperature adjustment are performed on a signal on which an excitation component (dither component) is superimposed. A linearity compensation process (and, if necessary, a correction calculation process) is performed to obtain a signal indicating a true pressure value as shown in FIG. 2 (b). When the dither superposition method is used, the hysteresis characteristic of the sensor is as shown in FIG. 2C, and the hysteresis width can be significantly reduced. FIG. 3 shows the characteristics of a conventional example as a comparative example. As shown in (a), a large offset occurs in the pressure detection signals in the descending and descending directions of the diaphragm, which is as shown in FIG. It appears as a big hysteresis. In this embodiment, the hysteresis width is reduced to about 1/5 of the conventional one.

【００１１】 以上、本考案を実施例を用いて説明したが、本考案はこれに限定されるもので はなく、種々、変形，応用できる。例えば、圧力検出素子としては、ピエゾ抵抗 の他に、歪みゲージや振動式のものも使用できる。また、ダイアフラムはシリコ ン以外にも、サファイヤや金属（ステンレス，ハステロイ，ニッケルスパン合金 ）等で形成できる。また、発振回路におけるフィードバックなしの場合も考えら れる。 本考案は、パッシベーションによる他、配線層や金属ダイアフラムの接合等に起 因するヒステリシスの除去等に、広く利用できる。Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited to this, and various modifications and applications are possible. For example, as the pressure detecting element, a strain gauge or a vibration type element can be used in addition to the piezoresistive element. The diaphragm can be made of sapphire or metal (stainless steel, hastelloy, nickel span alloy), etc., in addition to silicon. It is also possible that there is no feedback in the oscillator circuit. INDUSTRIAL APPLICABILITY In addition to the passivation, the present invention can be widely used for removing hysteresis caused by joining of wiring layers and metal diaphragms.

【００１２】[0012]

【考案の効果】[Effect of the device]

以上説明したように本考案は、ダイアフラムに励振器を形成してディザをかけ る構成とすることにより、ダイアフラムの持つ機械的なヒステリシスやパッシベ ーション膜等に起因するヒステリシスを除去して、高精度かつ小型，軽量の圧力 センサを実現できる効果がある。 As described above, according to the present invention, by forming an exciter on the diaphragm and dithering it, the mechanical hysteresis of the diaphragm and the hysteresis caused by the passivation film are removed to achieve high accuracy. It also has the effect of realizing a compact and lightweight pressure sensor.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図１】本考案の一実施例の構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an embodiment of the present invention.

【図２】（ａ），（ｂ），（ｃ）は図１の実施例の特性
を説明するための図である。2 (a), (b) and (c) are diagrams for explaining the characteristics of the embodiment of FIG.

【図３】（ａ），（ｂ）は比較例としての従来例の特性
を示す図である。3A and 3B are diagrams showing characteristics of a conventional example as a comparative example.

【図４】従来のシールダイアフラム式の圧力センサの全
体構成例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of the overall configuration of a conventional seal diaphragm type pressure sensor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１ シリコンセンサチップ ２ シリコンダイアフラム ３ ピエゾ抵抗素子 ４ａ，４ｂ 圧電素子 ６ パッシベーション膜 ７ 発振回路 ８ 平均化等信号処理回路 ９ａ，９ｂ 引出し配線 1 Silicon sensor chip 2 Silicon diaphragm 3 Piezoresistive element 4a, 4b Piezoelectric element 6 Passivation film 7 Oscillation circuit 8 Averaging signal processing circuit 9a, 9b Lead-out wiring

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】[Scope of utility model registration request] 【請求項１】ダイアフラムを交流励振するための励振器
（７）と、 圧力検知手段（３）から得られる、前記交流励振による
信号成分が重畳された圧力検知信号から、交流励振成分
を除去するための信号処理回路（８）とを具備すること
を特徴とする圧力センサ。1. An AC excitation component is removed from a pressure detection signal obtained by an exciter (7) for AC excitation of a diaphragm and a pressure detection means (3) on which a signal component due to the AC excitation is superimposed. And a signal processing circuit (8) for the pressure sensor.