JP2000241273A - Pressure detecting device - Google Patents

Pressure detecting device

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JP2000241273A
JP2000241273A JP11045348A JP4534899A JP2000241273A JP 2000241273 A JP2000241273 A JP 2000241273A JP 11045348 A JP11045348 A JP 11045348A JP 4534899 A JP4534899 A JP 4534899A JP 2000241273 A JP2000241273 A JP 2000241273A
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JP
Japan
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semiconductor chip
pressure
diaphragm
crystal semiconductor
detecting device
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Application number
JP11045348A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiroaki Tanaka
宏明 田中
Yasutoshi Suzuki
康利 鈴木
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Denso Corp
Original Assignee
Denso Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve temperature characteristics of the detection sensitivity of the pressure detecting device constituted by joining a single-crystal semiconductor chip where a piezoresistance element is formed to one surface side of a metallic diaphragm for pressure detection. SOLUTION: The pressure detecting device 100 is equipped with a metallic stem 20 having a circular diaphragm surface 10, and the single-crystal semiconductor chip 30 which has the side one surface 31 adhered to the side of one surface 11 of the diaphragm surface 10. A pressure medium is introduced into the side of the other surface 12 of the diaphragm surface 10 to detect pressure according to the deformation of the diaphragm surface 10 and single-crystal semiconductor chip 30. The surface azimuth of the single-crystal semiconductor chip 30 is a (100) surface, two piezoresistance elements 51 to 54 each are arranged on the side of the other surface 32 of the single-crystal semiconductor chip 30 along mutually orthogonal <110> crystal axes, and the four piezoresistance elements 51 to 54 are arranged on the circumference around the center K of the diaphragm surface 10.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、受圧用金属ダイヤ
フラムを有し、例えば1MPa以上の高圧媒体の圧力を
検出するのに適した圧力検出装置に関し、特に感度の温
度特性向上に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a pressure detector having a pressure-receiving metal diaphragm and suitable for detecting the pressure of a high-pressure medium having a pressure of, for example, 1 MPa or more, and more particularly to improving the temperature characteristics of sensitivity.

【0002】[0002]

【従来の技術】この種の圧力検出装置としては、特公平
7−11461号公報に記載のものが提案されている。
これは、受圧用の金属ダイヤフラムを有するステムを有
し、ピエゾ抵抗素子(半導体歪みゲージ)が形成された
(110)面方位を持つ単結晶半導体チップを、該ダイ
ヤフラムの一面側に接合したものである。
2. Description of the Related Art As a pressure detecting device of this type, a pressure detecting device described in Japanese Patent Publication No. Hei 7-11461 has been proposed.
This is a single crystal semiconductor chip having a (110) plane orientation in which a piezoresistive element (semiconductor strain gauge) is formed and having a stem having a metal diaphragm for pressure reception, and joined to one surface side of the diaphragm. is there.

【0003】そして、該ダイヤフラムの他面側に圧力媒
体を導入したときに、該ダイヤフラムおよび該チップの
変形に基づき、ピエゾ抵抗素子の抵抗値変化を検出する
ことにより、圧力検出が行われる。このものによれば、
金属ダイヤフラムを用いているためダイヤフラム強度が
大きく、例えば1MPa以上の高圧媒体に対しても圧力
検出が可能である。
When a pressure medium is introduced into the other surface of the diaphragm, pressure is detected by detecting a change in the resistance of the piezoresistive element based on the deformation of the diaphragm and the chip. According to this one
Since a metal diaphragm is used, the diaphragm strength is large, and pressure detection is possible even for a high-pressure medium of, for example, 1 MPa or more.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
者等の検討によれば、上記従来公報記載の圧力検出装置
を、車両におけるエンジンの燃料噴射圧制御やブレーキ
圧制御等に用いた場合、使用温度範囲が広く(例えば−
40℃〜140℃)、感度(検出感度)の温度特性に大
きな誤差を生じ、実用上問題となることがわかった。
However, according to the study by the present inventors, it has been found that the pressure detecting device described in the above-mentioned conventional publication is not suitable for use in controlling the fuel injection pressure or the brake pressure of an engine in a vehicle. Wide temperature range (eg-
(40 ° C. to 140 ° C.), a large error occurs in the temperature characteristics of the sensitivity (detection sensitivity), and it has been found that this causes a practical problem.

【0005】図7は検出の温度と感度との関係を示す一
例であるが、例えばこの図に示す様に、感度は、室温に
比較して低温及び高温で低くなり、温度特性の挙動は二
次的な変化を示す。このような温度特性であると、回路
の面から感度の温度補正をすることが困難であるため、
温度特性は一次的な変化を示すことが要求される。即
ち、図7に示す様に、実際の温度特性が一次的変化を示
すと想定した場合(二点鎖線で図示)の温度特性との差
(TNSという)を0に近づけることが好ましい。
FIG. 7 is an example showing the relationship between the detection temperature and the sensitivity. For example, as shown in this figure, the sensitivity is lower at low and high temperatures than at room temperature, and the behavior of the temperature characteristics is two. Shows the next change. With such a temperature characteristic, it is difficult to perform temperature correction of sensitivity from the viewpoint of a circuit.
The temperature characteristic is required to show a temporary change. That is, as shown in FIG. 7, it is preferable that the difference (referred to as TNS) from the temperature characteristic when the actual temperature characteristic shows a temporary change (shown by a two-dot chain line) approaches zero.

【0006】本発明は上記問題に鑑み、受圧用金属ダイ
ヤフラムの一面側にピエゾ抵抗素子を形成した単結晶半
導体チップを接合してなる圧力検出装置において、検出
感度の温度特性を向上させることを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above problems, it is an object of the present invention to improve the temperature characteristics of detection sensitivity in a pressure detecting device in which a single crystal semiconductor chip having a piezoresistive element formed on one surface of a pressure receiving metal diaphragm is joined. And

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明者等は、検出感度
の温度特性について、以下に述べるように、単結晶半導
体チップの結晶構造及びピエゾ抵抗素子の配置等の観点
から鋭意検討を行った。その結果、上記した従来のもの
では、(110)面方位を持つ単結晶半導体チップを用
いているが故に、感度の温度特性に大きな誤差を生じ上
記TNSが大きくなることがわかった。
Means for Solving the Problems The present inventors have intensively studied the temperature characteristics of the detection sensitivity from the viewpoint of the crystal structure of the single crystal semiconductor chip and the arrangement of the piezoresistive elements, as described below. . As a result, it has been found that, in the above-described conventional device, since a single crystal semiconductor chip having a (110) plane orientation is used, a large error occurs in the temperature characteristic of sensitivity, and the TNS increases.

【0008】図4は(110)面方位を持つ半導体チッ
プJ1を示すものであるが、(110)面には、その構
造上、相直交する2つの結晶軸<110>と<100>
とが存在する。ここで、<110>結晶軸方向に発生す
る応力の感度は、<100>結晶軸方向に発生する応力
の感度と比べてピエゾ抵抗係数が非常に大きい(例えば
約50倍程度)ため、(110)面における応力検出に
おいては、<110>結晶軸方向に発生する応力を用い
ることになる。
FIG. 4 shows a semiconductor chip J1 having a (110) plane orientation. The (110) plane has two crystal axes <110> and <100> orthogonal to each other due to its structure.
And exists. Here, the sensitivity of the stress generated in the <110> crystal axis direction is very large (for example, about 50 times) as compared with the sensitivity of the stress generated in the <100> crystal axis direction. The stress generated in the <110> crystal axis direction is used in the stress detection on the ()) plane.

【0009】ところで、<110>結晶軸方向に発生す
る応力分布は、図4に示す様に、チップJ1の中心Kか
ら外周部にかけて低くなっている。そして、(110)
面においては<110>は1方向しか存在しないため、
より感度の高い結晶軸に対してより高い出力を得ようと
すると、必然的に、図4に示す様なピエゾ抵抗素子(ゲ
ージC1、C2、S1、S2)の配置となる。
By the way, as shown in FIG. 4, the distribution of stress generated in the <110> crystal axis direction decreases from the center K to the outer periphery of the chip J1. And (110)
Since <110> exists only in one direction on the surface,
In order to obtain a higher output with respect to a crystal axis having higher sensitivity, the arrangement of the piezoresistive elements (gauges C1, C2, S1, S2) inevitably results as shown in FIG.

【0010】つまり、<110>結晶軸方向に沿ってチ
ップJ1の中心寄りに配置したセンターゲージC1、C
2と、該センターゲージよりも外側に配置したサイドゲ
ージS1、S2とを設け、これら4個のゲージでブリッ
ジ回路を構成して<110>結晶軸方向に発生する応力
を検出する。センターゲージC1、C2における応力を
σC 、サイドゲージS1、S2における応力をσS 、と
すると、出力eは両応力σC 、σS の和に比例(e∝
(σC +σS ))する。
That is, the center gauges C1, C arranged near the center of the chip J1 along the <110> crystal axis direction.
2 and side gauges S1 and S2 disposed outside the center gauge, and a bridge circuit is formed by these four gauges to detect a stress generated in the <110> crystal axis direction. Assuming that the stress at the center gauges C1 and C2 is σ C and the stress at the side gauges S1 and S2 is σ S , the output e is proportional to the sum of the two stresses σ C and σ S (e∝
C + σ S )).

【0011】ここで、(110)面方位を持つ半導体チ
ップを用いた従来構造における感度の温度特性の誤差
は、各ゲージの配置の不均等が主原因と考えられる。つ
まり、図4に示す様に、センターゲージC1、C2とサ
イドゲージS1、S2とを発生応力の異なる位置に設け
ざるを得ないため、ゲージの設置箇所によっては、温度
変化に伴うチップの変形(膨張、収縮等)の度合や発生
応力の変化度合が異なる等、ゲージ毎の熱的な誤差が大
きく、そのため、感度の温度特性に大きな誤差を生じる
と考えられる。
Here, it is considered that the error in the temperature characteristic of the sensitivity in the conventional structure using the semiconductor chip having the (110) plane orientation is mainly caused by the uneven arrangement of the gauges. That is, as shown in FIG. 4, since the center gauges C1 and C2 and the side gauges S1 and S2 have to be provided at positions where the generated stresses are different from each other, the deformation of the chip due to the temperature change (depending on the location of the gauge). It is considered that there is a large thermal error for each gauge, such as a different degree of expansion or contraction or a change in the generated stress, and therefore a large error occurs in the temperature characteristics of sensitivity.

【0012】また、チップの外周形状を単純な円形や矩
形ではなく、ゲージ毎の熱的な誤差を低減するように工
夫することも考えられるが、そのための形状設計が難し
く、また、複雑な形状であるとチップの切り出しが難し
くなる等、製造上の困難も予想される。従って、必然的
に上記のピエゾ抵抗素子配置となる従来構造では、検出
感度の温度特性を向上させることは困難である。
It is also conceivable that the outer peripheral shape of the chip is not simply circular or rectangular, but is devised so as to reduce thermal errors for each gauge. In such a case, manufacturing difficulties such as difficulties in cutting out chips are expected. Therefore, it is difficult to improve the temperature characteristics of the detection sensitivity in the conventional structure in which the piezoresistive elements are necessarily arranged as described above.

【0013】そこで、本発明者等は、(100)面方位
を持つ単結晶半導体チップを用いた構造について検討を
行った。図3は(100)面方位を持つ半導体チップ3
0を示すものであるが、(100)面には、その構造
上、<110>結晶軸が相直交して存在する。ここで、
図3に示す様に、一方の<110>結晶軸方向をX方
向、他方の<110>結晶軸方向をY方向とする。
Therefore, the present inventors have studied a structure using a single crystal semiconductor chip having a (100) plane orientation. FIG. 3 shows a semiconductor chip 3 having a (100) plane orientation.
Although it indicates 0, the (100) plane has <110> crystal axes that are orthogonal to each other due to its structure. here,
As shown in FIG. 3, one <110> crystal axis direction is defined as an X direction, and the other <110> crystal axis direction is defined as a Y direction.

【0014】そして、該半導体チップ30においては、
図3に示す様に、それぞれの<110>結晶軸方向に沿
って一対のピエゾ抵抗素子(ゲージ51〜54)が配置
される。つまり、チップ30の(100)面に、X方向
に沿って位置する一対のゲージ51、52とY方向に沿
って位置する一対のゲージ53、54とを配置し、これ
ら4個のゲージでブリッジ回路を構成する。
In the semiconductor chip 30,
As shown in FIG. 3, a pair of piezoresistive elements (gauges 51 to 54) are arranged along each <110> crystal axis direction. That is, a pair of gauges 51 and 52 located along the X direction and a pair of gauges 53 and 54 located along the Y direction are arranged on the (100) plane of the chip 30, and a bridge is formed by these four gauges. Configure the circuit.

【0015】その検出原理は、X方向の発生応力を
σXX、Y方向の発生応力をσYY、とすると、各ゲージ5
1〜54における出力eは、σXXとσYYの差Dの絶対値
に比例(e∝|σXX−σYY|)し、検出が成される。こ
のような検出原理を有する(100)面方位を持つチッ
プにおいては、従来の(110)面のチップのように、
各ゲージを応力分布の異なる箇所に設置する必要はな
い。
The principle of detection is as follows. Assuming that the generated stress in the X direction is σ XX and the generated stress in the Y direction is σ YY , each gauge 5
The output e at 1 to 54 is proportional to the absolute value of the difference D between σ XX and σ YY (e∝ | σ XX −σ YY |), and detection is performed. In a chip having a (100) plane orientation having such a detection principle, like a conventional (110) plane chip,
It is not necessary to place each gauge at a different point in the stress distribution.

【0016】本発明者等は、以上の知見により、ブリッ
ジを組む4個のゲージを、すべてチップの(100)面
における応力分布の等しい位置に均等配置すれば、ゲー
ジ毎に、温度変化に伴うチップの変形の度合や発生応力
の変化度合が異なるといった熱的な誤差を低減できると
考えた。そして、この着眼点に基づき鋭意検討した結
果、図5に示す様に、該均等配置構成により、従来構造
に比べて上記TNSを低減できることを実験的に確認す
ることができた。
Based on the above findings, the present inventors have found that if all the four gauges forming the bridge are equally arranged at the same stress distribution on the (100) plane of the chip, the temperature change of each gauge is caused. It was considered that thermal errors such as different degrees of chip deformation and changes in generated stress could be reduced. As a result of intensive studies based on this point of view, as shown in FIG. 5, it was experimentally confirmed that the TNS can be reduced by the uniform arrangement as compared with the conventional structure.

【0017】請求項1記載の発明は、上記検討に基づい
て成されたものであり、円形のダイヤフラム面を有する
金属ステムと、一面側が該ダイヤフラム面の一面側に接
着された単結晶半導体チップとを備える圧力検出装置で
あって、該単結晶半導体チップの面方位が(100)面
であり、該単結晶半導体チップの他面側において2本の
<110>結晶軸方向に沿ってそれぞれ2個のピエゾ抵
抗素子を配置し、これら4個のピエゾ抵抗素子を該ダイ
ヤフラム面の中心に対する円周上に配置したことを特徴
としている。
The invention according to claim 1 is based on the above study, and comprises a metal stem having a circular diaphragm surface, and a single-crystal semiconductor chip having one surface adhered to one surface of the diaphragm surface. Wherein the single crystal semiconductor chip has a (100) plane orientation and two single crystal semiconductor chips along the two <110> crystal axis directions on the other surface side of the single crystal semiconductor chip. Are arranged, and these four piezoresistive elements are arranged on the circumference with respect to the center of the diaphragm surface.

【0018】本発明のように、単結晶半導体チップにお
ける円形のダイヤフラム面に対応した領域では、図3に
示す様な応力分布となるから、ブリッジを組む4個のピ
エゾ抵抗素子を該ダイヤフラム面の中心に対する円周上
に配置することで、検出可能とできるとともに、4個の
ピエゾ抵抗素子をすべて(100)面における応力分布
の等しい位置に均等配置できる。
As in the present invention, in a region corresponding to a circular diaphragm surface in a single crystal semiconductor chip, a stress distribution as shown in FIG. 3 is obtained. Therefore, four piezoresistive elements forming a bridge are connected to the diaphragm surface. By arranging them on the circumference with respect to the center, detection can be performed, and all four piezoresistive elements can be evenly arranged at positions where stress distributions are equal on the (100) plane.

【0019】従って、本発明によれば、各ピエゾ抵抗素
子毎に、温度変化に伴うチップの変形の度合や発生応力
の変化度合等を同程度にでき、熱的な誤差を低減できる
ため、検出感度の温度特性を向上させることができる。
ここで、単結晶半導体チップは、請求項2記載の発明の
ように、その全体が均一な肉厚の平面形状を成すものに
できる。
Therefore, according to the present invention, for each piezoresistive element, the degree of deformation of the chip due to a temperature change, the degree of change in generated stress, and the like can be made substantially the same, and thermal errors can be reduced. The temperature characteristics of sensitivity can be improved.
Here, the single crystal semiconductor chip can have a planar shape with a uniform thickness as a whole as in the second aspect of the present invention.

【0020】また、ダイヤフラム強度の大きい金属ダイ
ヤフラムを有する請求項1及び2に記載の圧力検出装置
においては、圧力媒体の圧力が1MPa以上200MP
a以下の高圧に対しても適用可能であることを実験的に
確認している(図5参照)。なお、上記した括弧内の符
号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係
を示す一例である。
Further, in the pressure detecting device according to any one of claims 1 and 2 having a metal diaphragm having a large diaphragm strength, the pressure of the pressure medium is not less than 1 MPa and not more than 200 MPa.
It has been experimentally confirmed that the method can be applied to a high pressure of a or less (see FIG. 5). In addition, the code | symbol in a parenthesis mentioned above is an example which shows the correspondence with the concrete means of embodiment described later.

【0021】[0021]

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
について説明する。図1に本発明の実施形態に係る圧力
検出装置100を示す。この圧力検出装置100は車両
におけるエンジンの燃料噴射圧制御やブレーキ圧制御等
に用いられる。図1において、(a)は圧力検出装置1
00における単結晶半導体チップ(センサチップ)30
の平面方向からみた図、(b)は(a)のA−A断面図
である。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of the present invention. FIG. 1 shows a pressure detecting device 100 according to an embodiment of the present invention. The pressure detecting device 100 is used for controlling a fuel injection pressure of an engine and a brake pressure of a vehicle. In FIG. 1, (a) is a pressure detecting device 1
Single crystal semiconductor chip (sensor chip) 30 at 00
(B) is a cross-sectional view taken along line AA of (a).

【0022】圧力検出装置100は、円形のダイヤフラ
ム面10を有する金属ステム20と、一面31側がダイ
ヤフラム面10の一面11側に接着された単結晶半導体
チップ(以下、半導体チップという)30とを備え、ダ
イヤフラム面10の他面12側にエンジンの燃料噴射圧
力等に応じた圧力媒体(気体、液体等)を導入し、ダイ
ヤフラム面10および半導体チップ30の変形に基づき
圧力検出を行うようにしたものである。
The pressure detecting device 100 includes a metal stem 20 having a circular diaphragm surface 10 and a single crystal semiconductor chip (hereinafter, referred to as a semiconductor chip) 30 having one surface 31 bonded to one surface 11 of the diaphragm surface 10. A pressure medium (gas, liquid, or the like) corresponding to the fuel injection pressure of the engine or the like is introduced to the other surface 12 of the diaphragm surface 10, and the pressure is detected based on the deformation of the diaphragm surface 10 and the semiconductor chip 30. It is.

【0023】金属ステム20は切削等により形成された
中空円筒形状を成し、ガラスと熱膨張率が同程度である
Fi−Ni−Co系合金であるコバール等により構成さ
れている。金属ステム20においては、一端側にダイヤ
フラム面10が形成され、図示しない他端側から、図1
(b)中の白抜き矢印に示す様に、圧力媒体が導入さ
れ、ダイヤフラム面10の他面12に圧力が印加される
ようになっている。
The metal stem 20 has a hollow cylindrical shape formed by cutting or the like, and is made of Kovar or the like, which is a Fi-Ni-Co alloy having the same thermal expansion coefficient as glass. In the metal stem 20, a diaphragm surface 10 is formed on one end side.
As shown by a white arrow in (b), a pressure medium is introduced, and pressure is applied to the other surface 12 of the diaphragm surface 10.

【0024】ここで、金属ステム20の寸法の一例を示
すと、円筒の外径は6.5mm、円筒の内径は2.5m
m、ダイヤフラム面10の肉厚は、例えば20MPaの
測定に際しては0.65mm、200MPaの測定に際
しては1.40mmである。ダイヤフラム面10の一面
11に接着された半導体チップ30は、面方位が(10
0)面であり且つ全体が均一な肉厚の平面形状を成す単
結晶シリコン基板よりなり、その一面31が低融点ガラ
ス等よりなるガラス層40により、ダイヤフラム面10
の一面11に固定されている。
Here, as an example of the dimensions of the metal stem 20, the outer diameter of the cylinder is 6.5 mm, and the inner diameter of the cylinder is 2.5 m.
m, the thickness of the diaphragm surface 10 is, for example, 0.65 mm when measuring at 20 MPa, and 1.40 mm when measuring at 200 MPa. The semiconductor chip 30 bonded to one surface 11 of the diaphragm surface 10 has a plane orientation of (10
0) plane, the entire surface of which is formed of a single-crystal silicon substrate having a planar shape having a uniform thickness, and one surface 31 of which is formed of a glass layer 40 made of low melting point glass or the like.
Is fixed to the one surface 11 of the main body.

【0025】ここで、半導体チップ30の寸法の一例を
示すと、3.56mm×3.56mmの正方形状で、肉
厚は0.2mmである。また、ガラス層40の厚さは
0.06mmである。また、半導体チップ30の他面3
2側には、4個のピエゾ抵抗素子である長方形状のゲー
ジ51〜54が配設されている。上述のように、(10
0)面方位を有する半導体チップ30には、その構造
上、<110>結晶軸が相直交して存在する。ここで、
図1(a)に示す様に、一方(A−A断面線と一致する
方)の<110>結晶軸方向をX方向、他方の<110
>結晶軸方向をY方向とする。
Here, an example of the dimensions of the semiconductor chip 30 is a square of 3.56 mm × 3.56 mm, and the thickness is 0.2 mm. The thickness of the glass layer 40 is 0.06 mm. The other surface 3 of the semiconductor chip 30
On the two sides, rectangular gauges 51 to 54, which are four piezoresistive elements, are provided. As described above, (10
0) Due to the structure of the semiconductor chip 30 having the plane orientation, the <110> crystal axes are orthogonal to each other. here,
As shown in FIG. 1A, the direction of the <110> crystal axis on one side (the one coinciding with the section line AA) is set in the X direction, and
> The crystal axis direction is defined as the Y direction.

【0026】4個のゲージ51〜54は、図1(a)に
示す様に、<110>結晶軸方向X、Yに沿ってそれぞ
れ2個ずつ配置される。ここで、一対のゲージ51、5
2はその長辺方向をX方向に沿って位置し、一対のゲー
ジ53、54がその短辺方向をY方向に沿って位置す
る。さらに、これら4個のゲージ51〜54は、ダイヤ
フラム面10の中心Kに対する円周上に配置されてい
る。
As shown in FIG. 1A, two of the four gauges 51 to 54 are arranged along the <110> crystal axis directions X and Y, respectively. Here, a pair of gauges 51, 5
No. 2 has its long side direction located along the X direction, and a pair of gauges 53 and 54 has its short side direction located along the Y direction. Further, these four gauges 51 to 54 are arranged on the circumference with respect to the center K of the diaphragm surface 10.

【0027】また、図1中には図示しないが、次の図2
に示す製造工程にて述べるように、半導体チップ30に
は、4個のゲージ51〜54がブリッジ回路を構成し且
つ外部回路と接続するための配線・パット、さらには保
護膜が形成される。半導体チップ30の主な製造工程を
図2に示す。なお図2は、図1(b)に対応した断面を
示している。図2(a)に示すn型サブウエハ60に、
フォトリソグラフィにより所望のパターンを形成後、ボ
ロン等を拡散させてP+領域61を形成する(図2
(b))。これが、ピエゾ抵抗素子であるゲージ51〜
54となる。
Although not shown in FIG. 1, the following FIG.
As described in the manufacturing process shown in FIG. 5, the semiconductor chip 30 is formed with wirings / patts for connecting four gauges 51 to 54 to form a bridge circuit and connecting to an external circuit, and further, a protective film. FIG. 2 shows main manufacturing steps of the semiconductor chip 30. FIG. 2 shows a cross section corresponding to FIG. The n-type sub-wafer 60 shown in FIG.
After forming a desired pattern by photolithography, boron or the like is diffused to form a P + region 61 (FIG. 2).
(B)). This is the gauge 51 to piezoresistive element
54.

【0028】これに、図2(c)に示す様に、配線・パ
ット62及び配線・パット62の絶縁を確保する酸化膜
63を形成し、さらに保護膜64を形成し、パット上の
保護膜64をエッチングすれば、半導体チップ30は完
成である。そして、完成したチップ30を、金属ステム
20のダイヤフラム面10上に低融点ガラスを用いて接
着することにより、図1に示す圧力検出装置100が出
来上がる。
As shown in FIG. 2C, a wiring / pat 62 and an oxide film 63 for ensuring insulation of the wiring / pat 62 are formed thereon, and a protection film 64 is further formed thereon. By etching 64, the semiconductor chip 30 is completed. Then, the completed chip 30 is bonded to the diaphragm surface 10 of the metal stem 20 using low-melting glass, whereby the pressure detecting device 100 shown in FIG. 1 is completed.

【0029】かかる圧力検出装置100の検出原理は、
次のようである。図1(b)に示す白抜き矢印方向に圧
力が印加されると、ダイヤフラム面10および半導体チ
ップ30がひずみ変形し、半導体チップ30に応力が発
生する。それに伴い、各ゲージ51〜54には、<11
0>結晶軸に応じて図1(a)に示す矢印X方向と矢印
Y方向とに応力が発生する。ここで、X方向の発生応力
をσXX、Y方向の発生応力をσYY、とする。
The detection principle of the pressure detection device 100 is as follows.
It is as follows. When pressure is applied in the direction of the outlined arrow shown in FIG. 1B, the diaphragm surface 10 and the semiconductor chip 30 are deformed and deformed, and stress is generated in the semiconductor chip 30. Accordingly, each gauge 51 to 54 has <11
0> Stress is generated in the arrow X direction and the arrow Y direction shown in FIG. Here, the generated stress in the X direction is σ XX , and the generated stress in the Y direction is σ YY .

【0030】半導体チップ30におけるダイヤフラム面
10に位置する領域での発生応力の分布を、図3に示
す。図3は、発生応力σXX(実線図示)とσYY(破線図
示)の大きさを、半導体チップ30の前記領域における
ダイヤフラム面10の中心Kからの距離に応じて示した
ものである。図3に示す様に、発生応力σXX及びσ
YYは、共に該中心Kから離れるに従って小さくなってい
るが、発生応力σYYの方が減少度合が大きい。
FIG. 3 shows a distribution of generated stress in a region of the semiconductor chip 30 located on the diaphragm surface 10. FIG. 3 shows the magnitude of the generated stress σ XX (shown by a solid line) and σ YY (shown by a broken line) according to the distance from the center K of the diaphragm surface 10 in the region of the semiconductor chip 30. As shown in FIG. 3, the generated stresses σ XX and σ
Both YY become smaller as the distance from the center K increases, but the generated stress σ YY has a greater decrease degree.

【0031】そのため、各<110>結晶軸方向X、Y
に沿って配置された各ゲージ51〜54における出力e
は、両発生応力σXXとσYYの差Dを検出して出力するこ
とができる。即ち、該出力eは、σXXとσYYの差の絶対
値に比例(e∝|σXX−σYY|)し、上記ブリッジ回路
により圧力検出が成される。つまり、(100)面方位
を有する半導体チップ30においては、その構造上、高
い応力感度を有する相直交する結晶軸<110>が存在
し、ゲージ1個に対して2種類の応力σXX及びσYYが発
生するため、上記の検出原理によって圧力検出ができる
のである。
Therefore, each of the <110> crystal axis directions X and Y
E in each of the gauges 51 to 54 arranged along
Can detect and output the difference D between the generated stresses σ XX and σ YY . That is, the output e is proportional to the absolute value of the difference between σ XX and σ YY (e∝ | σ XX −σ YY |), and pressure detection is performed by the bridge circuit. In other words, in the semiconductor chip 30 having the (100) plane orientation, due to its structure, mutually orthogonal crystal axes <110> having high stress sensitivity exist, and two types of stresses σ XX and σ Since YY occurs, pressure can be detected by the above detection principle.

【0032】そして、本実施形態においては、かかる応
力分布を有する半導体チップ30において、中心Kに対
して円周上に配置された4個のゲージ51〜54は、該
中心Kから均等距離、つまり発生応力σXX及びσYYの等
しい位置に配置され、各ゲージ51〜54における応力
の値は略等しく、両応力の差Dが出力となる。従って、
本実施形態によれば、各ゲージ51〜54毎に、温度変
化に伴うチップの変形の度合や発生応力の変化度合等を
同程度にできるため、従来の(110)面方位を有する
半導体チップに比べて、温度変化に伴うチップの変形の
度合や発生応力の変化度合が異なるといった熱的な誤差
を低減でき、検出感度の温度特性を向上させることがで
きる。
In the present embodiment, in the semiconductor chip 30 having such a stress distribution, the four gauges 51 to 54 arranged on the circumference with respect to the center K have an equal distance from the center K, that is, The generated stresses σ XX and σ YY are arranged at equal positions, the stress values of the gauges 51 to 54 are substantially equal, and the difference D between the two stresses is output. Therefore,
According to the present embodiment, the degree of deformation of the chip due to the temperature change, the degree of change in the generated stress, and the like can be made the same for each of the gauges 51 to 54, so that the conventional semiconductor chip having the (110) plane orientation can be used. In comparison, it is possible to reduce a thermal error such as a difference in the degree of deformation of the chip or a change in the generated stress due to the temperature change, and it is possible to improve the temperature characteristics of the detection sensitivity.

【0033】一方、上述したように、図4に示す様な従
来の(110)面方位を持つ半導体チップJ1において
は一方向の<110>結晶軸しか存在せず、4個のゲー
ジC1、C2、S1、S2を2個ずつチップの中心寄り
と外側寄りとで異なる位置(つまり発生応力の異なる位
置)に設けざるを得ないため、温度変化に伴うゲージ毎
の熱的な誤差が大きく、そのため、感度の温度特性に大
きな誤差を生じると考えられる。
On the other hand, as described above, in the conventional semiconductor chip J1 having the (110) plane orientation as shown in FIG. 4, only one <110> crystal axis exists, and the four gauges C1, C2 , S1, and S2 must be provided at different positions (ie, different stresses) at the center of the chip and at the outside of the chip, resulting in a large thermal error for each gauge due to a temperature change. It is considered that a large error occurs in the temperature characteristic of the sensitivity.

【0034】本実施形態による検出感度の温度特性向上
の効果についての一例を図5に示す。図5は、図1に示
した本実施形態の圧力検出装置100について、上述し
た図7に示すTNS(単位:ppm/℃)を測定した結
果であり、−40℃〜140℃の使用温度範囲における
TNSの値を示している。なお、比較例として圧力検出
装置100において半導体チップを(110)面方位を
持つものとした従来構造の結果も示してある。
FIG. 5 shows an example of the effect of improving the temperature characteristics of the detection sensitivity according to the present embodiment. FIG. 5 shows the result of measuring the TNS (unit: ppm / ° C.) shown in FIG. 7 described above for the pressure detecting device 100 of the present embodiment shown in FIG. 1, and shows a use temperature range of −40 ° C. to 140 ° C. Shows the value of TNS in FIG. As a comparative example, a result of a conventional structure in which the semiconductor chip has a (110) plane orientation in the pressure detecting device 100 is also shown.

【0035】TNSは、測定圧力を20MPaとした場
合の本実施形態(測定サンプル数n:8個)及び上記比
較例(n=10)と、測定圧力を200MPaとした場
合の本実施形態(n=5)及び上記比較例(n=10)
とを示してある。ここで、測定にあたって各部の寸法
は、上述した一例の寸法としている。また、金属ステム
20の材質は、測定圧力が20MPaの場合はコバール
で、200MPaの場合はコバールとは多少組成等を変
えた金属を用いた。
In the TNS, the present embodiment (the number of measurement samples n: 8) and the comparative example (n = 10) in the case where the measurement pressure is set to 20 MPa, and the TNS in the case where the measurement pressure is set to 200 MPa (n = 5) and the above comparative example (n = 10)
Are shown. Here, in the measurement, the dimensions of each part are the dimensions of the above-described example. The material of the metal stem 20 was Kovar when the measurement pressure was 20 MPa, and a metal whose composition was slightly different from that of Kovar when the measurement pressure was 200 MPa.

【0036】図5に示す様に、本実施形態では、比較例
としての従来構造に比べてTNSを低減でき、0に近い
ものとできることがわかる。つまり、各ゲージ51〜5
4に対するばらつき成分が圧力印加時においても低減さ
れ、誤差が減少されている。そして、本実施形態では、
TNSが0に近く、検出感度の温度特性が一次的に変化
するように向上できるから、回路の面から温度補正をす
ることなく、また、他の感度温度特性補正のための素
子、抵抗を必要とすることなく、センサ特性を満足でき
る。
As shown in FIG. 5, in the present embodiment, it can be seen that the TNS can be reduced as compared with the conventional structure as a comparative example, and can be made close to zero. That is, each of the gauges 51 to 5
4, the variation component is reduced even when pressure is applied, and the error is reduced. And in this embodiment,
Since TNS is close to 0 and the temperature characteristic of the detection sensitivity can be improved so as to change linearly, there is no need to perform temperature correction from the viewpoint of the circuit, and other elements and resistors for correcting other sensitivity temperature characteristics are required. , Sensor characteristics can be satisfied.

【0037】ところで、金属ステム20の特性において
は、線膨張係数及びヤング率が重要である。線膨張係数
は、チップ30の材料である単結晶シリコン(Si)に
近づけるために、上記のコバール系の低線膨張係数(2
〜8ppm/℃程度)のものが好ましい。また、ヤング
率においても、大きな温度変化を持つものは不適であ
り、例えば、使用温度範囲(−40℃〜140℃)にお
いて120GPa〜165GPaの範囲内で、変動差が
8GPa程度であるもの、また、使用温度外でも、11
0GPa〜180GPa内にあるものが好ましい。図6
に、本実施形態の金属ステム20に用いたコバールのヤ
ング率の温度特性を示す。
In the characteristics of the metal stem 20, the linear expansion coefficient and the Young's modulus are important. The linear expansion coefficient is set to a low linear expansion coefficient (2) of the above Kovar system in order to approach the single crystal silicon (Si) which is the material of the chip 30.
(About 8 ppm / ° C.). Also, those having a large temperature change are also unsuitable in Young's modulus. For example, those having a variation difference of about 8 GPa within a range of 120 GPa to 165 GPa in an operating temperature range (−40 ° C. to 140 ° C.) , Even outside the operating temperature, 11
Those within the range of 0 GPa to 180 GPa are preferred. FIG.
The temperature characteristics of Kovar's Young's modulus used for the metal stem 20 of the present embodiment are shown below.

【0038】以上述べてきたように、本発明は、特に、
強度の大きい金属ダイヤフラムを有し例えば1MPa以
上の高圧媒体の圧力を検出するのに適した圧力検出装置
に用いて好適であり、圧力印加時における検出感度の温
度特性が半導体チップの結晶構造に起因するという独自
の着目点に基づき、金属ダイヤフラムに接着する単結晶
半導体チップを(100)面方位を有するものとし、且
つピエゾ抵抗素子の配置を工夫するという新規な構成に
より、検出感度の温度特性を向上させるものである。
As described above, the present invention provides, in particular,
It is suitable for use in a pressure detecting device having a metal diaphragm with high strength and suitable for detecting the pressure of a high-pressure medium of, for example, 1 MPa or more, and the temperature characteristic of the detection sensitivity at the time of applying pressure is caused by the crystal structure of the semiconductor chip. Based on this unique point of view, the temperature characteristics of the detection sensitivity can be improved by a novel configuration in which the single crystal semiconductor chip bonded to the metal diaphragm has a (100) plane orientation and the arrangement of the piezoresistive element is devised. It is to improve.

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

【図1】本発明の実施形態に係る圧力検出装置を示す図
で、(a)は平面図、(b)は(a)のA−A断面図で
ある。
FIG. 1 is a diagram showing a pressure detecting device according to an embodiment of the present invention, wherein (a) is a plan view and (b) is a cross-sectional view taken along line AA of (a).

【図2】図1に示す圧力検出装置の製造方法を示す工程
図である。
FIG. 2 is a process chart showing a method for manufacturing the pressure detecting device shown in FIG.

【図3】図1に示す圧力検出装置の半導体チップの発生
応力分布を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a generated stress distribution of a semiconductor chip of the pressure detecting device shown in FIG.

【図4】(110)面方位を持つ半導体チップの発生応
力分布を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a generated stress distribution of a semiconductor chip having a (110) plane orientation.

【図5】上記実施形態における検出感度の温度特性向上
効果の一例を示す図である。
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of an effect of improving temperature characteristics of detection sensitivity in the embodiment.

【図6】上記実施形態における金属ステムのヤング率の
温度特性図である。
FIG. 6 is a temperature characteristic diagram of the Young's modulus of the metal stem in the embodiment.

【図7】圧力検出装置における検出温度と感度との関係
の一例を示す図である。
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a relationship between a detected temperature and sensitivity in a pressure detection device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…ダイヤフラム面、11…ダイヤフラム面の一面、
12…ダイヤフラム面の他面、20…金属ステム、30
…単結晶半導体チップ、31…単結晶半導体チップの一
面、32…単結晶半導体チップの他面、40…ガラス
層、51〜54…ゲージ。
10: Diaphragm surface, 11: One surface of the diaphragm surface,
12 ... other side of diaphragm surface, 20 ... metal stem, 30
... single crystal semiconductor chip, 31 ... one surface of single crystal semiconductor chip, 32 ... other surface of single crystal semiconductor chip, 40 ... glass layer, 51 to 54 ... gauge.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2F055 AA11 AA21 BB12 CC02 DD01 EE14 EE15 FF01 GG12 GG16 4M112 AA01 BA01 CA03 CA05 CA09 CA15 DA12 DA18 EA03 EA13 FA05  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 2F055 AA11 AA21 BB12 CC02 DD01 EE14 EE15 FF01 GG12 GG16 4M112 AA01 BA01 CA03 CA05 CA09 CA15 DA12 DA18 EA03 EA13 FA05

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 円形のダイヤフラム面を有する金属ステ
ムと、 一面側が前記ダイヤフラム面の一面側に接着された単結
晶半導体チップとを備え、 前記ダイヤフラム面の他面側に圧力媒体を導入し、前記
ダイヤフラム面および前記単結晶半導体チップの変形に
基づき圧力検出を行うようにした圧力検出装置であっ
て、 前記単結晶半導体チップは、その面方位が(100)面
であり、 前記単結晶半導体チップの他面側において相直交する<
110>結晶軸方向に沿って、それぞれ2個のピエゾ抵
抗素子が配置され、 これら4個のピエゾ抵抗素子は、前記ダイヤフラム面の
中心に対する円周上に配置されていることを特徴とする
圧力検出装置。
A metal stem having a circular diaphragm surface, a single crystal semiconductor chip having one surface adhered to one surface of the diaphragm surface, and introducing a pressure medium to the other surface of the diaphragm surface; A pressure detecting device for detecting pressure based on a diaphragm surface and deformation of the single crystal semiconductor chip, wherein the single crystal semiconductor chip has a (100) plane orientation, Orthogonal on the other side <
110> Two piezoresistive elements are arranged along the crystal axis direction, and these four piezoresistive elements are arranged on a circumference with respect to the center of the diaphragm surface. apparatus.
【請求項2】 前記単結晶半導体チップは、その全体が
均一な肉厚の平面形状を成すものであることを特徴とす
る請求項1に記載の圧力検出装置。
2. The pressure detecting device according to claim 1, wherein the single crystal semiconductor chip has a planar shape with a uniform thickness as a whole.
【請求項3】 前記圧力媒体の圧力が1MPa以上20
0MPa以下であることを特徴とする請求項1または2
に記載の圧力検出装置。
3. The pressure of the pressure medium is 1 MPa or more and 20 or more.
3. The pressure is 0 MPa or less.
3. The pressure detecting device according to 1.
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