JPS583081Y2 - 拡散形半導体圧力センサ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 この考案は拡散形ひずみゲージを利用した拡散形半導体
圧力センサ、特にゲージ圧検出用の拡散形半導体圧力セ
ンサの改良に関するものである。

一般に、半導体がひずみゲージとして使用できるのはピ
エゾ抵抗効果を利用したものであり、厚さの薄い低濃度
の基板結晶Ｓｉの上に高濃度の不純物（ボロン）を拡散
して薄膜の拡散層を所定の形に形成することによって、
これがそのままひずみゲージとしで使用される。

従来、拡散形半導体ひずみゲージを使用したゲージ圧検
出用の圧力センサは、第１図に示すように構成されてい
る。

すなわち、拡散形ひずみゲージとして構成された感圧ダ
イアフラムＳの周縁部をコバール等の絶縁台Ｂにガラス
またはハンダにより気密に接着し、絶縁台Ｂに感圧ダイ
アフラムＳの下部の感圧室ＭＲと連通ずる導圧口Ｍを穿
設する。

また、感圧ダイアフラムＳの拡散面に形成されたストレ
ンゲージをボンディングワイヤＷを介して絶縁台Ｂに貫
通して配設したハーメチックシール端子Ｔに接続し、さ
らに大気導圧口Ｎを穿設したキャップＣを感圧ダイアフ
ラムＳを囲繞して絶縁台Ｂの周縁部に接着し感圧ダイア
フラムＳの上方に大気圧室ＡＲを構成し、感圧ダイアフ
ラムＳにより大気圧室ＡＲと感圧室ＭＲとの圧力差、す
なわちゲージ圧をこれに比例した電気量に変換して圧力
変換出力として外部に導出するよう構成される。

このよう、に構成された従来におけるゲージ圧検出用の
圧力センサにおいては、感圧ダイアフラムＳの拡散面お
よびポンチ゛イングワイヤＷが大気圧室ＡＲに露呈する
ため、大気に含まれる水分等により感圧ダイアフラム表
面の絶縁耐力が低下して誤動作し、かつポンチ゛イング
ワイヤＷおよびその端子が腐蝕して断線故障を惹起し、
動作の安定性に欠ける難点がある。

また、上述の欠点を解消するため、開口部の全くないキ
ャップＣで感圧ダイアフラムＳを気密に包囲して感圧ダ
イアフラムＳの上方の基準圧力室を外界と隔離し、その
内部を基準圧力に保持した絶対圧形座カセンサを２個使
用し、一方の圧力センサの感圧室ＭＲに測定圧を作用さ
せると共に、他方の圧力センサの感圧室ＭＲに大気圧を
作用させて、両方の圧力センサの出力差からゲージ圧を
得るよう構成したものが使用されている。

しかしながら、この種のものでは、２個の圧力センサを
必・要とし、設備コストが嵩むばかりでなく、一方の圧
力センサの基準圧力がスローリークにより変化した場合
には出力誤差を生ずる欠点があった。

そこで、本考案者等は鋭意研究並びに工夫を重ねた結果
、一つの基台上に複数個の感圧ダイアフラムを並べて配
置し、これら複数個の感圧ダイアフラムに接触する共通
の基準圧力室を設け、各感圧ダイアフラムの拡散面をそ
の共通の基準圧力室内に露呈させることにより、前記基
準圧力室内の圧力が変動した場合においても出力誤差を
生ずることなく、出力回路の出力端に各感圧室に導入さ
れた圧力の差に比例した電気出力を発生させることがで
き、前述の難点を一挙に解消できることを突き止めた。

また、前記の圧力センサにおいて、感圧ダイアフラムを
２個の感圧ダイアフラムから構成し、一方の感圧ダイア
フラムに測定圧を作用させ、他方の感圧ダイアフラムに
大気圧を作用させることにより、ゲージ圧に比例した電
気出力を発生させることができることを突き止めた。

さらに、前記複数の感圧ダイアフラムはそれぞれ別個の
半導体チップ内または共通の半導体チップ内に設けるこ
とができることが判った。

従って、本考案の一般的な目的は、安定した精度でゲー
ジ圧または複数の圧力の差圧を検出することができ、し
かも低置なコストで製造することができる拡散形半導体
圧力センサを提供するにある。

この目的を達成するため、本考案においては、基台上に
並設されそれぞれ拡散形半導体より成る複数個の感圧ダ
イアフラムと、これら複数個の感圧ダイアフラムに接触
する一つの基準圧力室とを備え、各感圧ダイアフラムの
拡散面を前記一つの基準圧力室内に露呈させることを特
徴とする。

また、前記拡散形半導体圧力センサにおいて、感圧ダイ
アフラムは測定圧用感圧ダイアフラムと大気圧用感圧ダ
イアフラムとからなり、測定圧用感圧ダイアフラムは拡
散面と反対側面に測定圧を作用させ、大気圧用感圧ダイ
アフラムは拡散面と反対側面に大気圧を作用させること
により、出力回路に圧力測定流体のゲージ圧に比例した
圧力変換出力を発生するよう構成することができる。

さらに、複数の感圧ダイアフラムはそれぞれ独立した半
導体チップ内に設けるか、または単一の半導体チップ内
に複数設けることによって構成することができるよ 次に、本考案に係る拡散形半導体圧力センサの実施例に
つき添付図面を参照しながら以下詳細に説明する。

第２図は、２個の感圧ダイアフラムを備えたゲージ圧検
出用の拡散形半導体圧力センサを示すもので、参照符号
１０および１２は夫々感圧ダイアプラムを示し、この感
圧ダイアフラム１０および１２は一側表面にストレンゲ
ージが第３図（後に詳述する）に示すように拡散により
形成されたシリコン半導体によって構成されている。

この感圧ダイアフラム１０，１２は、その他側周縁部を
絶縁台１４に気密に接着して内部に感圧室１６．１８を
形成し、さらに前記絶縁台１４には夫々の感圧室１６．
１８と連通する導圧口２０，２２を設ける。

また、感圧ダイアフラム１０，１２の拡散面に形成され
たリード端子（図示せず）を夫々リード線２４を介して
絶縁台１４に貫通して設けたハーメチックシール端子２
６に接続する。

さらに、感圧ダイアフラム１０，１２を囲繞するよう構
成したキャップ２８を、絶縁台１４の周縁部に気密に接
着し、内部に基準圧力室３０を密閉構成して内圧を基準
圧力に保持する。

感圧ダイアフラム１０および１２の受圧部拡散面は、基
準圧力室３０内に露呈するよう配置され、この受圧部拡
散面には第３図に示すように、ストレンゲージ３２ ａ
、３４ ａおよび３２ｂ、３４ｂをそれぞれ１対づつ
形成し、このうち１対のストレンゲージ３２ａ、３２ｂ
は加圧により抵抗値が増加し、他方の１対のストレンゲ
ージ３４ａ、３４ｂは加圧により抵抗値が減少するよう
構成する。

このように構成されたそれぞれ１対のストレンゲージ３
２ａ、３４ａおよび３２ｂ、３４ｂは、第４図に示すブ
リッジ回路に接続構成されて、夫々の感圧室に作用させ
た流体圧の差圧に比例した圧力変換出力を取り出し得る
よう構成される。

次に、このように構成した本考案装置の作用について説
明する。

いま、一方の導圧口２０を通じて一方の感圧ダイアフラ
ム１０の感圧室１６に測定圧を作用させると共に、他方
の導圧口２２を通じて他方の感圧ダイアフラム１２の感
圧室１８に大気圧を作用させると、一方の感圧ダイアフ
ラム１０は測定圧と基準圧力室３０内の基準圧力との差
圧に比例した歪を生ずると共に、他方の感圧ダイアフラ
ム１２は大気圧と基準圧力室３０内の基準圧力との差圧
に比例した歪を生ずる。

これらの歪量は、それぞれ感圧ダイアフラム１０および
１２のストレンゲーシ３２ ａ 、３４ ａおよび３２
ｂ 、３４ ｂ ニより電気量に変換され、第４図に
示すブリッジ回路の出力端Ａ−Ｂおよび出力端Ｃ−Ｂに
それぞれの歪量に比例した下記の出力電圧■１および■
２を発生する。

■、＝Ｋ（Ｐｌ−Ｐｏ）Ｅ・・・・・・（１）■２＝Ｋ
（Ｐ２−Ｐｏ）Ｅ・・・・・・（２）但し、 Ｋ・・・・・・変換感度 Ｐ、・・・・・・基準圧力 Ｐｌ・・・・・・測定圧 Ｐ２・・・・・・大気圧 Ｅ・・・・・・ブリッジ回路電源電圧 従って、出力端Ａ−Ｃ間に発生する電圧■３は次式によ
り表わされる。

Ｖ３＝Ｖ１−Ｖ、＝Ｋ（Ｐ、−Ｐ２）Ｅ−・−（３）前
記式（３）から明らかなように、出力端Ａ−Ｃ間に基準
圧力Ｐ。

と無関係に測定流体のゲージ圧（ｐ、−ｐ２）に比例し
た出力電圧Ｖ３を得ることができ、基準圧力室３０内の
基準圧力がスローリーク等により変動した場合において
も出力に誤差を生ずることがなくなる。

上述の実施例においては、測定圧導入用の感圧ダイアフ
ラム１０と大気圧導入用の感圧ダイアフラム１２とをそ
れぞれ別個のシリコンチップ内に設けたが、第５図およ
び第６図に示すように双方の感圧ダイアフラムを共通の
シリコンチップ４０内に設けることも可能であり、この
ように構成した場合には、ストレンゲージ４２ ａ 、
４４ ａおよび４２ｂ、４４ｂのマツチングが良くなり
、さらに良好な圧力検出特性を得ることができる。

本考案装置によれば、簡単な構成により、安定した精度
でゲージ圧または複数の圧力の差圧を測定することがで
き、性能の向上並びに製造コストの低減に寄与する効果
が極めて大きい。

さらに、本考案によれば、感圧ダイアフラムの拡散面を
大気と遮断された基準圧力室内に設けたことにより大気
中の湿度等による特性劣化を防止でき高信頼性の圧力セ
ンサが得られ、また式（３）から明らかなように、基準
圧力室を一つとしたことによりたとえ基準圧力がスロー
リーク等で変化したとしてもこの影響を受けない利点を
有する。

しかも、１個のセンサで２個（以上）の絶対原形圧カセ
ンサに相当する機能を有するので、従来２個の絶対原形
圧カセンサを用いて一方を大気圧補正用センサ、他方を
測定用センサとして用いた場合に比較して、部品の共用
化が図れるので部品点数の減少を実現でき、よって信頼
性の向上および低価格という効果を生ずる。

なお、本考案装置は脈動する流体圧のうちのりツプル成
分のみを取り出す検出装置に応用することかできる。

すなわち、本考案装置における２個の導圧口のうちの一
方に脈動する測定圧を導入し、他方にタンクを介して測
定圧を導入することにより上記の目的が達成される。

以上、本考案の好適な実施例について説明したが、本考
案の精神を逸脱しない範囲内において種々の改良並びに
変更を施すことができることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来におけるゲージ圧検出用の拡散形半導体圧
力センサの構成を示す側断面図、第２図は本考案に係る
拡散形半導体圧力センサの一実施例を示す側断面図、第
３図は第２図に示す本考案装置の感圧ダイアフラムを拡
大して示す要部平面図、第４図は第２図に示す本考案装
置の出力回路の構成を示す回路図、第５図は本考案に係
る拡散形半導体圧力センサの別の実施例を示す側断面図
、第６図は第５図に示す本考案装置の感圧ダイアフラム
を拡大して示す要部平面図である。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 （１）基台上に並設されそれぞれ拡散形半導体より成る
   複数個の感圧ダイアフラムと、これら複数個の感圧ダイ
   アフラムに接触する一つの基準圧力室とを備え、前記各
   感圧ダイアフラムの拡散面を前記一つの基準圧力室内に
   露呈させたことを特徴とする拡散形半導体圧力センサ。 （２）実用新案登録請求の範囲第１項記載の拡散形半導
   体圧力センサにお、いて、感圧ダイアフラムは測定圧用
   感圧ダイアフラムと大気圧用感圧ダイアフラムとからな
   り、測定圧用感圧ダイアフラムは拡散面と反対側面に測
   定圧を作用させられ、大気圧用感圧ダイアフラムは拡散
   面と反対側面に；大気圧を作用させられてなる拡散形半
   導体圧力センサ。 ” ・、゛（３）実用新案登録請求の範囲第１項
   または第２項記載の拡散形半・導体圧力センサにおいて
   、複数の感圧ダイアフラムはそれぞれ独立した半導体チ
   ップ内に設けてなる拡散形半導体圧力センサ。 （４）実用新案登録請求の範囲第１項または第２項記載
   の拡散形半導体圧力センサにおいて、複数の感圧ダイア
   フラムは単一の半導体チップ内に複数設けてなる拡散形
   半導体圧力センサ６