JP2002195902A

JP2002195902A - 圧力センサ

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Publication number: JP2002195902A
Application number: JP2000392792A
Authority: JP
Inventors: Masato Imai; 正人今井; Takeshi Shinoda; 丈司篠田; Hiroaki Tanaka; 宏明田中; Yasutoshi Suzuki; 康利鈴木
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-12-25
Filing date: 2000-12-25
Publication date: 2002-07-10
Anticipated expiration: 2020-12-25
Also published as: EP1219941A3; EP1219941B1; DE60121910T8; DE60121910D1; JP4356238B2; US6578426B2; EP1219941A2; US20020078755A1; DE60121910T2

Abstract

(57)【要約】【課題】圧力検出用のダイヤフラムを有する金属ステ
ムを金属製のハウジング内に収納し、歪みゲージが形成
された半導体よりなるセンサチップを該ダイヤフラムの
表面に絶縁膜を介して固定してなる圧力センサにおい
て、センサ出力への外来ノイズの影響を抑制する。【解決手段】センサチップ４０はシリコン半導体チッ
プよりなり、絶縁膜５０との接触面側から反対側の面に
向かって、Ｐ型層４０ａ、Ｎ型層４０ｂが順次積層され
たものであり、歪みゲージ４１は、Ｐ型層４０ａとは分
離してＮ型層４０ｂ内に形成されたＰ型領域４０ｃとし
て構成され、Ｐ型層４０ａは、金属ステム１０と歪みゲ
ージ４１とを電気的に遮断するシールド層４４として構
成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属製のハウジン
グ内に収納され圧力検出用のダイヤフラムを有する金属
ステムと、該ダイヤフラムの表面に絶縁膜を介して固定
された半導体よりなるセンサ基板と、該センサ基板に形
成され該ダイヤフラムの歪みを電気信号に変換するため
の歪みゲージとを備える圧力センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の圧力センサの一般的な全
体構成を図１１に概略断面として示す。このものは、例
えば、自動車の燃料噴射系（例えばコモンレ−ル）にお
ける燃料パイプ内の高い圧力（燃料圧）を検出する高圧
検出用のセンサに適用可能なものである。

【０００３】金属製のハウジング１０内に、圧力検出用
のダイヤフラム１１を有する金属ステム１０が収納され
ている。この金属ステム１０は、ネジ部材２０等により
ハウジング３０に固定され、ダイヤフラム１１はハウジ
ング３０の圧力導入通路３２から導入された圧力により
歪むようになっている。

【０００４】ここで、図１２は、図１１に示す圧力セン
サにおけるダイヤフラム１１近傍の構成を拡大して示す
模式的断面図であり、金属ステム１０のダイヤフラム１
１の表面には、ダイヤフラム１１の歪みを電気信号に変
換するための半導体よりなるセンサ基板Ｊ４０が、低融
点ガラス（シリコン酸化物等）等よりなる絶縁膜５０を
介して固定されている。

【０００５】センサ基板チップＪ４０は、ダイヤフラム
１１の歪みを電気信号に変換するための歪みゲージＪ４
１を有する（図１２参照）。図１２に示すセンサ基板Ｊ
４０では、Ｎ型シリコン基板の表面に形成されたＰ型領
域が歪みゲージＪ４１として形成されている。

【０００６】また、センサ基板Ｊ４０の周囲には、回路
基板６０が配設され、センサ基板Ｊ４０と回路基板６０
とは、ボンディングワイヤ６４により結線され、電気的
に接続されている。また、回路基板６０はピン６６を介
してターミナル７２に電気的に接続されている。

【０００７】かかる圧力センサにおいては、圧力導入通
路３２から導入された圧力によってダイヤフラム１１が
歪み、その歪みをセンサ基板チップＪ４０の歪みゲージ
Ｊ４１を介して電気信号に変換し、この信号をワイヤ６
４、回路基板６０、ピン６６、さらにターミナル７２を
介して、外部回路（自動車のＥＣＵ等）へ出力し、圧力
検出を行うようになっている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の圧力
センサにおいては、上記図１２に示す様に、金属ステム
１０のダイヤフラム１１の表面に、センサ基板Ｊ４０が
絶縁膜５０を介して固定された構成となっているため、
金属ステム１０とセンサ基板Ｊ４０との間には、金属ス
テム１０とセンサ基板Ｊ４０とを電極とし、絶縁膜５０
を誘電体とするコンデンサ（寄生容量）Ｃｐが形成され
ている。

【０００９】よって、圧力センサがノイズの多い環境下
で使われた場合、次のような問題が生じる。ノイズの多
い環境とは、例えば、無線等の電磁波が発生している環
境である。このような電磁波等によるノイズ電流（例え
ば１ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚ、数１０〜２００Ｖ）は、
ハウジング３０から順に、金属ステム１０、寄生容量Ｃ
ｐ、センサ基板Ｊ４０、歪みゲージＪ４１の経路にて伝
播する。

【００１０】すると、歪みゲージＪ４１を介して出力さ
れる電気信号に、ノイズ電流が加わり、これが、その後
の処理回路にて増幅されることで、センサ出力における
Ｓ／Ｎ比の低下や誤動作の発生につながるという問題が
発生する。

【００１１】本発明は上記問題に鑑み、圧力検出用のダ
イヤフラムを有する金属ステムを金属製のハウジング内
に収納し、歪みゲージが形成された半導体よりなるセン
サ基板を該ダイヤフラムの表面に絶縁膜を介して固定し
てなる圧力センサにおいて、センサ出力への外来ノイズ
の影響を抑制することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明においては、センサ基板（４
０）における歪みゲージ（４１）と絶縁膜（５０）との
間の部位に、金属ステム（１０）と歪みゲージとを電気
的に遮断するシールド層（４４）を設けたことを特徴と
している。

【００１３】本発明によれば、シールド層（４４）によ
って、ハウジング（３０）を介して金属ステム（１０）
から歪みゲージ（４１）に加わる外来ノイズを電気的に
遮断することができるため、センサ出力への外来ノイズ
の影響を抑制することができる。

【００１４】ここで、請求項２に記載の発明は、センサ
基板の具体的構成を提供するものである。すなわち、セ
ンサ基板（４０）はシリコン半導体チップよりなり、絶
縁膜（５０）側の面から反対側の面に向かって、第１の
導電型層（４０ａ）、第２の導電型層（４０ｂ）が順次
積層されたものであり、シールド層（４４）は第１の導
電型層により構成され、歪みゲージ（４１）は、第１の
導電型層とは分離して第２の導電型層内に形成された第
１の導電型領域（４０ｃ）により構成されたものにする
ことができる。

【００１５】また、シールド層（４４）としては、請求
項３に記載の発明のように、接地されているものとする
ことができる。

【００１６】また、請求項４に記載の発明では、歪みゲ
ージ（４１）が、ダイヤフラム（１１）の歪みに応じた
抵抗値変化を電気信号に変換するためのブリッジ回路
（４８）を構成する複数個のものよりなり、センサ基板
（４０）には、シールド層（４４）を接地するためのシ
ールド層接地用パッド（４６）とブリッジ回路を接地す
るためのブリッジ回路接地用パッド（４２ｂ）とが別々
に設けられており、これらシールド層接地用パッドとブ
リッジ回路接地用パッドとが、ハウジング（３０）に設
けられた接地用のターミナル（７２）に対して別々の配
線により接続されていることを特徴としている。

【００１７】それによれば、ブリッジ回路接地用パッド
（４２ｂ）とは別系統で接地されたシールド層接地用パ
ッド（４６）を介して、外来のノイズ電流が逃されるた
め、より確実にセンサ出力への外来ノイズの影響を抑制
することができる。

【００１８】なお、上記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一
例である。

【００１９】

【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
センサＳ１の全体断面構成を示す。また、図２は、図１
中の丸で囲んだＡ部の概略（センサチップと金属ステム
の断面）を拡大して示す斜視図である。

【００２０】本実施形態では、限定するものではない
が、圧力センサＳ１は、自動車の燃料噴射系（例えばコ
モンレ−ル）における燃料パイプ（図示せず）に取り付
けられ、この燃料パイプ内の圧力媒体としての液体また
は気液混合気の圧力を検出するものとして説明する。

【００２１】１０は中空円筒形状を成す金属ステムであ
り、ネジ部材２０により、ハウジング３０にネジ結合さ
れ固定されている。金属ステム１０は、一端側に閉塞部
としての薄肉状のダイヤフラム１１を有し、他端側に開
口部１２を有する。また、金属ステム１０の他端側（開
口部１２側）には、一端側（ダイヤフラム１１側）に比
べて外周径が大きい段付部１３が形成されている。

【００２２】金属ステム１０のダイヤフラム１１の表面
には、図２に示す様に、半導体からなるセンサチップ４
０（本発明でいうセンサ基板）が、低融点ガラス等より
なる絶縁膜５０により接合固定されている。

【００２３】このセンサチップ４０は、開口部１２から
金属ステム１０内部に導入された圧力媒体の圧力によっ
てダイヤフラム１１が変形したときに発生する歪みを検
出するものであり、ダイヤフラム１１の歪みを電気信号
に変換するための歪みゲージ４１（図３参照）を備えて
いる。

【００２４】金属ステム１０の材料には、超高圧を受け
ることから高強度であること、及び、Ｓｉからなるセン
サチップ４０をガラス等の絶縁膜５０により接合するた
め低熱膨張係数であることが求められ、具体的には、Ｆ
ｅ、Ｎｉ、ＣｏまたはＦｅ、Ｎｉを主体とし、析出強化
材料としてＴｉ、Ｎｂ、Ａｌまたは、Ｔｉ、Ｎｂが加え
られた材料を選定し、プレス、切削や冷間鍛造等により
形成できる。

【００２５】ハウジング３０は、被取付体としての上記
燃料パイプに直接取り付けられるもので、外周面に該取
付用のネジ３１が形成されている。また、ハウジング３
０の内部には、金属ステム１０の開口部１２と連通する
圧力導入通路３２が形成されている。この圧力導入通路
３２は、ハウジング３０が上記燃料パイプに取り付けら
れた状態で上記燃料パイプ内と連通し、金属ステム１０
内へ圧力媒体を導入するようになっている。

【００２６】ネジ部材（スクリュウ）２０は、金属ステ
ム１０の外周を覆う円筒形状を有し、その外周面に雄ネ
ジ部２１が形成され、一方、ハウジング３０における雄
ネジ部２１と対応する部位には、雄ネジ部２１に対応し
た形状の雌ネジ部３３が形成されている。

【００２７】そして、これら両ネジ部２１、３３のネジ
結合により、金属ステム１０において、ネジ部材２０か
らの押圧力が段付部１３に印加されるため、金属ステム
１０はハウジング３０に押圧固定され、さらに、この押
圧力によって、開口部１２と圧力導入通路３２との連通
部、即ち、金属ステム１０の開口部１２側とハウジング
３０の圧力導入通路３２側との境界部Ｋがシールされて
いる。

【００２８】このように、ハウジング３０は、上記燃料
パイプへの固定（超高圧シール及び機械的保持）、及
び、金属ステム１０のネジ部材２０を利用しての固定
（超高圧シール及び機械的保持）という機能、更には、
後述のコネクタケース８０の固定（シール及び機械的保
持）という機能を有する。そのため、ハウジング３０の
要求品質としては、圧力媒体及び実車環境からの耐食
性、また上記境界部Ｋにて高いシール面圧を発生させる
軸力を維持するためのネジ強度、が挙げられる。

【００２９】そして、これらの要求品質から、ハウジン
グ３０の材質としては、耐食性と高強度を合わせもつ炭
素鋼（例えばＳ１５Ｃ等）に耐食性を上げるＺｎめっき
を施したものや、耐食性を有するＸＭ７、ＳＵＳ４３
０、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ６３０等を採用することがで
きる。

【００３０】また、ネジ部材２０は、金属ステム１０を
ハウジング３０に固定し、高いシール面圧を発生させる
軸力を維持するために高強度が求められるが、ハウジン
グ３０とコネクタケース８０により構成されるパッケー
ジの内部に収納されることから、ハウジング３０と違い
耐食性は必要なく、炭素鋼等を採用できる。

【００３１】６０は回路基板としてのセラミック基板で
あり、ネジ部材２０に接着され固定されることにより、
ハウジング３０内におけるセンサチップ４０の周囲に配
設されている。該基板６０には、センサチップ４０の出
力を増幅するアンプ（Ａｍｐ）ＩＣチップ６２及び特性
調整ＩＣチップ６２が接着剤にて固定されている。ま
た、図１では図示しないが、各ＩＣチップ６２とセラミ
ック基板６０とはボンディングワイヤにより電気的に接
続されている。

【００３２】ここで、セラミック基板６０とセンサチッ
プ４０とは、超音波ワイヤボンディングにより形成され
たＡｌ（アルミニウム）等の細線であるボンディングワ
イヤ６４によって結線され、電気的に接続されている。
また、コネクタターミナル７０へ電気的接続するための
ピン６６が、銀ろうにてセラミック基板６０に接合され
ている。

【００３３】コネクタターミナル７０は、ターミナル７
２が樹脂７４にインサート成形により構成されたアッシ
ー（ＡＳＳＹ）である。ターミナル７２とセラミック基
板６０とはピン６６にレーザ溶接により接合されてい
る。これによって、センサチップ４０からの出力は、ボ
ンディングワイヤ６４からピン６６を介してターミナル
７２へ伝達可能となっている。

【００３４】また、コネクタターミナル７０は、接着剤
７６により、コネクタケース８０に固定保持され、ター
ミナル７２は自動車のＥＣＵ等へ配線部材を介して電気
的に接続可能となっている。

【００３５】なお、ターミナル７２は、図１では２本示
されているが、上記アンプＩＣチップ６２を介してセン
サチップ４０へ電圧を入出力する入力用、出力用及び接
地用の少なくとも３本が備えられている。

【００３６】コネクタケース８０は、コネクタターミナ
ル７０の外形を成すもので、Ｏリング９０を介して組付
けられたハウジング３０と一体化してパッケージを構成
し、該パッケージ内部のセンサチップ４０、各種ＩＣ、
電気的接続部を湿気・機械的外力より保護するものであ
る。コネクタケース８０の材質は、加水分解性の高いＰ
ＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等を採用できる。

【００３７】次に、センサチップ４０のより詳細な構成
について図３及び図４を参照して述べる。図３はセンサ
チップ４０における絶縁膜５０側の面（以下、裏面とい
う）とは反対側の面（以下、表面という）から見たとき
の平面構成を模式的に示す図、図４はセンサチップ４０
の断面構成を模式的に示す図である。

【００３８】なお、図３に示すハッチングは断面を示す
ものではなく、センサチップ４０の表面に現れている各
導電型領域を識別するために便宜上、施したものであ
り、斜線ハッチングが施された領域はＰ型領域、斜線ハ
ッチングが施されていない白地の領域はＮ型領域を示
す。

【００３９】本実施形態では、上記歪みゲージ４１が４
個形成されており、これら４個の歪みゲージ４１は、図
３に示す様に、配線４３によって互いに電気的に接続さ
れることにより、ダイヤフラム１１の変形に応じた抵抗
値変化を電気信号に変換するためのブリッジ回路４８を
構成している。なお、ブリッジ回路４８は、図３中の点
ａ、ｂ、ｃ、ｄで結線されたホイートストンブリッジ
（後述の図６参照）である。

【００４０】本実施形態のセンサチップ４０はシリコン
半導体チップよりなり、図４に示す様に、裏面側（図
中、下側）から表面（図中、上側）に向かって、Ｐ型層
（第１の導電型層）４０ａ、Ｎ型層（第２の導電型層）
４０ｂが順次積層されたものである。

【００４１】ここで、歪みゲージ４１は、Ｐ型層４０ａ
とは分離してＮ型層４０ｂ内に形成されＰ型層４０ａと
は不純物濃度の異なるＰ型領域（第１の導電型領域）４
０ｃとして構成されている。また、センサチップ４０に
おいて、裏面（絶縁膜５０側の面）に位置するＰ型層４
０ａは、本発明でいうシールド層４４を構成している。

【００４２】つまり、センサチップ４０における歪みゲ
ージ４１と絶縁膜５０との間の部位に、金属ステム１０
と歪みゲージ４１とを電気的に遮断するシールド層４４
が設けられている。

【００４３】また、センサチップ４０の表面には、電気
絶縁性の酸化膜４５が形成されている（図４参照）。こ
の酸化膜４５の上にはゲージ用パッド４２や配線４３
が、Ａｌ（アルミニウム）等の蒸着により形成されてい
る。また、歪みゲージ４１と配線４３とは、酸化膜４５
の所望の部位に形成された開口部を介して電気的に接続
されている。

【００４４】そして、４個の歪みゲージ４１は、図３に
示す様に、配線４３によって互いに電気的に接続される
とともに、各ゲージ用パッド４２と電気的に接続されて
いる。なお、これらパッド４２はワイヤボンディングさ
れる部位であるため、ボンディング時には、ゲージ用パ
ッド４２の下の酸化膜４５にダメージが入り、パッド４
２のアイソレーション（電気的な分離）が壊れる恐れが
ある。そのため、本例では、図４に示す様に、ゲージ用
パッド４２の直下のＮ型層４０ｂをＰ型領域４０ｄで取
り囲むことでアイソレーションを確保している。

【００４５】また、図４に示す様に、Ｐ型領域４０ｄの
上にはシールド層４４を接地するためのシールド層接地
用パッド４６が形成されており、当該パッド４６とＰ型
領域４０ｄとシールド層４４とは、酸化膜４５に形成さ
れた開口部を介して電気的に接続されている。

【００４６】ここで、各パッド４２、４６とセラミック
基板６０とは、ボンディングワイヤ６４を介して結線さ
れており、それによって、各パッド４２、４６は、各々
の用途に応じて、入力用、出力用及び接地用の各ターミ
ナル７２に電気的に接続されている。

【００４７】つまり、上記ブリッジ回路４８を構成する
４個のゲージ用パッド４２は、電圧を入力するために入
力用のターミナル７２と電気的に接続される入力用パッ
ド、信号を出力するために出力用のターミナル７２と電
気的に接続される出力用パッド、ブリッジ回路４８を接
地するために接地用のターミナル７２と電気的に接続さ
れるブリッジ回路接地用パッドとして、それぞれ用途が
分担されている。

【００４８】そして、ブリッジ回路接地用パッドとは別
々に設けられたシールド層接地用パッド４６は、接地用
のターミナル７２に対して別々の配線により接続されて
いる。そのため、シールド層４４は、Ｐ型領域４０ｄと
シールド層接地用パッド４６とを介し接地用のターミナ
ル７２によって、接地できるようになっている。

【００４９】なお、本実施形態のセンサチップ４０は、
イオン注入法や熱拡散等にて、各導電型層及び各導電型
領域４０ａ〜４０ｄを形成したり、蒸着法にて配線４３
やパッド４２、４６を形成したりする等、周知の半導体
製造技術を用いて製造することが可能である。

【００５０】かかる構成を有する圧力センサＳ１の組付
方法について述べる。まず、センサチップ４０が絶縁膜
５０で接合された金属ステム１０を、ネジ部材２０を介
してハウジング３０にネジ結合し、金属ステム１０をハ
ウジング３０に固定する。次に、ネジ部材２０にセラミ
ック基板６０を接着し、セラミック基板６０とセンサチ
ップ４０とをワイヤボンディングにより結線、電気的に
接続する。

【００５１】次に、コネクタターミナル７０とピン６６
とをレーザ溶接（ＹＡＧレーザ溶接等）にて接合する。
次に、Ｏリング９０を介して、コネクタケース８０をハ
ウジング３０の溝部に組み付け、該溝部をかしめること
により、コネクタケース８０とハウジング３０とを固定
する。こうして、図１に示す圧力センサＳ１が完成す
る。

【００５２】かかる圧力センサＳ１は、ハウジング３０
のネジ３１を上記図示しない燃料パイプに形成されたネ
ジ部に直接結合し取り付けることによって、該燃料パイ
プに接続固定される。

【００５３】そして、燃料パイプ内の燃料圧が、圧力導
入通路３２を通じて、金属ステム１０の開口部１２から
金属ステム１０の内部へ導入されたときに、その圧力に
よってダイヤフラム１１が歪み変形し、この変形をセン
サチップ４０により電気信号に変換し、この信号をセン
サの処理回路部を構成するセラミック基板６０等にて処
理し、圧力検出を行う。そして、検出された圧力（燃料
圧）に基づいて、上記ＥＣＵ等により燃料噴射制御がな
されるのである。

【００５４】このセンサチップ４０によるダイヤフラム
変形の電気信号への変換は、詳しくは、次のようにして
行うことができる。例えば、図４において、シールド層
接地用パッド４６に最近接位置にあるゲージ用パッド４
２をブリッジ回路接地用パッド４２ｂとすると、ブリッ
ジ回路接地用パッド４２ｂの対角位置にあるゲージ用パ
ッド４２が入力用パッド４２ａ、残りの２つのゲージ用
パッド４２が出力用パッド４２ｃ、４２ｄとなる。

【００５５】このように各ゲージ用パッド４２ａ〜４２
ｄの用途分担がなされている場合、入力用のターミナル
７２、アンプＩＣチップ６２、セラミック基板６０上の
配線（図６参照）、ボンディングワイヤ６４から、パッ
ド４２ａを介して、ブリッジ回路４８におけるａ−ｂ間
に電圧（入力電圧）を印加する。

【００５６】また、接地用のターミナル７２、セラミッ
ク基板６０上の配線（図６参照）、ボンディングワイヤ
６４から、パッド４２ｂを介してブリッジ回路４８は接
地されている。また、シールド層４４も、上述のよう
に、Ｐ型領域４０ｄ、シールド層接地用パッド４６、ボ
ンディングワイヤ６４、セラミック基板６０上の配線を
介し、接地用のターミナル７２によって接地されてい
る。

【００５７】この状態でダイヤフラム１１が歪むと、そ
の歪み応力を受けて歪みゲージ４１の抵抗値が変化す
る。この抵抗値変化はブリッジ回路４８におけるｃ−ｄ
間の電圧（出力電圧）として出力され、この出力電圧
は、パッド４２ｃ、４２ｄを介して、ボンディングワイ
ヤ６４、セラミック基板６０上の配線からアンプＩＣチ
ップ６２へ送られ、そこで増幅、差動等の処理を行い、
センサ出力として出力用のターミナル７２から外部へ出
力する。

【００５８】ところで、本実施形態においては、上記図
４に示した様に、センサチップ４０における歪みゲージ
４１と絶縁膜５０との間の部位に、金属ステム１０と歪
みゲージ４１とを電気的に遮断するシールド層４４を設
けたことを主たる特徴としている。

【００５９】それによれば、本圧力センサＳ１がノイズ
の多い環境下で使われた場合でも、シールド層４４によ
って、ハウジング３０を介して金属ステム１０から歪み
ゲージ４１に加わる外来ノイズを電気的に遮断すること
ができるため、センサ出力への外来ノイズの影響を抑制
することができる。

【００６０】つまり、本実施形態では、図５に示す様
に、センサチップ４０と金属ステム１０との間に形成さ
れる寄生容量Ｃｐは、接地されたシールド層４４と金属
ステム１０との間に形成される。

【００６１】そのため、従来、ハウジング３０、金属ス
テム１０、寄生容量Ｃｐ、センサ基板Ｊ４０、歪みゲー
ジＪ４１の順に流れていたノイズ電流の経路（上記図１
２参照）は、本実施形態では、ハウジング３０、金属ス
テム１０、寄生容量Ｃｐ、センサチップ４０のシールド
層４４、Ｐ型領域４０ｄ、シールド層接地用パッド４
６、ＧＮＤ（接地）の順に流れるようになり（図５参
照）、歪みゲージ４１へは流れなくなる。

【００６２】従って、本実施形態によれば、シールド層
４４によって、ハウジング３０、金属ステムから上記寄
生容量を介して歪みゲージ４１に加わるノイズ電流を、
歪みゲージ４１の手前で電気的に遮断することができる
ため、センサ出力への外来ノイズの影響を抑制すること
ができる。

【００６３】また、本実施形態では、センサチップ４０
に、シールド層接地用パッド４６とブリッジ回路接地用
パッド（例えば図４中の４２ｂ）とが別々に設けられて
おり、これら両接地用パッド４２ｂ、４６が、コネクタ
ケース８０を介してハウジング３０に設けられた接地用
のターミナル７２に対して、別々の配線により接続され
ていることも特徴点である。

【００６４】ここで、シールド層接地用パッドとブリッ
ジ回路接地用パッドとを同一の１個のパッドとする、例
えば、ブリッジ回路接地用パッド４２ｂをシールド層接
地用パッドとして兼用しても良いが、両接地用パッド４
２ｂ、４６を別体に設け、互いに別配線系統で接地すれ
ば、より確実にセンサ出力への外来ノイズの影響を抑制
することができる。

【００６５】この両接地用パッド４２ｂ、４６を別体に
設け互いに別配線系統で接地する構成の有効性につい
て、図６及び図７を参照して具体的に説明する。図６
は、両接地用パッドを別体とし別配線系統で接地した場
合、図７は、両接地用パッドを同一の１個のパッドとし
た場合、のそれぞれ検出方法をブロック図的に示した説
明図である。

【００６６】まず、図６において、シールド層接地用パ
ッド４６に最近接位置にあるゲージ用パッド４２をブリ
ッジ回路接地用パッド４２ｂとした場合のセンサチップ
４０が示されている。なお、図６中の太線は、センサチ
ップ４０の各パッド４２ａ〜４２ｄ、４６及びアンプＩ
Ｃチップ６２の各パッド６２ａ〜６２ｄと、セラミック
基板６０上の各パッド６０ａ〜６０ｄ、６０ｇ、６１ａ
〜６１ｄとを結線するボンディングワイヤを示してい
る。

【００６７】センサチップ４０の入力用パッド４２ａ
は、ボンディングワイヤ６４、セラミック基板６０上の
パッド６０ａ、配線Ｌａ、パッド６１ａ、ボンディング
ワイヤを介して、アンプＩＣチップ６２の入力用パッド
６２ａに電気的に接続されている。このアンプＩＣチッ
プ６２の入力用パッド６２ａは、セラミック基板６０に
形成された図示しない配線等によって、入力用のターミ
ナル７２の接続部Ｔ３に電気的に接続されている。

【００６８】センサチップ４０のブリッジ回路接地用パ
ッド４２ｂは、ボンディングワイヤ６４、セラミック基
板６０上のパッド６０ｂ、配線Ｌｂ１、配線ＬＧ１を介
して、接地用のターミナル７２の接続部Ｔ１に電気的に
接続されている。

【００６９】センサチップ４０の一方の出力用パッド４
２ｃは、ボンディングワイヤ６４、セラミック基板６０
上のパッド６０ｃ、配線Ｌｃ、パッド６１ｃ、ボンディ
ングワイヤを介して、アンプＩＣチップ６２の一方の出
力用パッド６２ｃに電気的に接続されている。

【００７０】センサチップ４０の他方の出力用パッド４
２ｄは、ボンディングワイヤ６４、セラミック基板６０
上のパッド６０ｄ、配線Ｌｄ、パッド６１ｄ、ボンディ
ングワイヤを介して、アンプＩＣチップ６２の他方の出
力用パッド６２ｄに電気的に接続されている。

【００７１】また、アンプＩＣチップ６２には、各出力
用パッド６２ｃ、６２ｄに対応して電気的に接続された
第１のオペアンプ６３ｃ、第２のオペアンプ６３ｄと、
これらオペアンプ６３ｃ、６３ｄの信号を差動処理する
差動アンプ６３とが設けられている。また、差動アンプ
６３からの出力は、セラミック基板６０に形成された図
示しない配線等によって、出力用のターミナル７２の接
続部Ｔ２へ送られるようになっている。

【００７２】また、アンプＩＣチップ６２の接地用パッ
ド６２ｂは、ボンディングワイヤ、セラミック基板６０
上のパッド６１ｂ、配線Ｌｂ２、配線ＬＧ１を介して、
接地用のターミナル７２の接続部Ｔ１に電気的に接続さ
れている。

【００７３】また、センサチップ４０のシールド層接地
用パッド４６は、ボンディングワイヤ６４、セラミック
基板６０上のパッド６０ｇ、配線ＬＧ２を介して、接地
用のターミナル７２の接続部Ｔ１に電気的に接続されて
いる。

【００７４】このように、シールド層接地用パッド４６
は、ブリッジ回路接地用パッド４２ｂと接地用のターミ
ナル７２の接続部Ｔ１とをつなぐ配線Ｌｂ１及び配線Ｌ
Ｇ１とは、別の配線ＬＧ２を介して接地用のターミナル
７２と接続されている。なお、配線ＬＧ２は、他の配線
よりも太いものとなっている。

【００７５】重複する部分もあるが、図６に基づいて、
本実施形態の圧力検出方法を述べる。なお、ここでは、
ブリッジ回路４８及びアンプＩＣチップ６２の動作にお
ける基準電位は、配線ＬＧ１、配線Ｌｂ１及び配線Ｌｂ
２の配線接続部Ｌｂ３の電位Ｖｈである。これは、接地
用のターミナル７２による接地が安定であり、接続部Ｔ
１の電位Ｖｇと配線接続部Ｌｂ３の電位Ｖｈとが略等し
いからである。

【００７６】まず、外来ノイズが無い環境下での検出動
作について述べる。アンプＩＣチップ６２を介して、ブ
リッジ回路４８のａ−ｂ間に電圧Ｖｃｃを印加する。こ
のとき、セラミック基板６０のパッド６０ａの電位はＶ
ｃｃ、パッド６０ｂの電位は、配線Ｌｂ１のインピーダ
ンスをＺＳ、ブリッジ回路４８に流れる電流をｉＳとす
ると（Ｖｈ＋ＺＳ・ｉＳ）となる。

【００７７】また、セラミック基板６０のパッド６１ｂ
の電位は、配線Ｌｂ２のインピーダンスをＺＢ、ブリッ
ジ回路４８に流れる電流をｉＢとすると（Ｖｈ＋ＺＢ・
ｉＢ）となる。なお、上記電位Ｖｇ、Ｖｈ及びインピー
ダンスＺＳ、ＺＢは、図６中、対応する構成符号の後に
括弧付きで示してある。

【００７８】このように、ブリッジ回路４８のａ−ｂ間
に電圧Ｖｃｃを印加した状態にて、圧力によるダイヤフ
ラム１１の歪みに応じた抵抗値変化を、ブリッジ回路４
８のｃ−ｄ間の電圧として出力する。

【００７９】詳しくは、アンプＩＣチップ６２の一方の
出力用パッド６２ｃへ送られた出力電圧（ＶＳ１＋Ｖ
ｈ）を、第１のオペアンプ６３ｃにて増幅し、アンプＩ
Ｃチップ６２の他方方の出力用パッド６２ｄへ送られた
出力電圧（ＶＳ２＋Ｖｈ）を、第２のオペアンプ６３ｄ
にて増幅し、それぞれの差を差動アンプ６３で取り、こ
てをセンサ出力として、出力用のターミナル７２へ出力
する。

【００８０】このような図６における検出動作におい
て、外来ノイズが加わった場合について考える。ハウジ
ング３０、金属ステム１０、寄生容量Ｃｐからセンサチ
ップ４０へ伝わるノイズ電流は、センサチップ４０のシ
ールド層４４、Ｐ型領域４０ｄ、シールド層接地用パッ
ド４６、セラミック基板４０上のパッド６０ｇ、配線Ｌ
Ｇ２、接地用のターミナル７２からＧＮＤへと逃され、
ノイズ電流が流れる配線系統が、検出動作に関わる配線
系統とは別々になっている。

【００８１】また、このことに加えて、接地用のターミ
ナル７２による接地が安定であり、検出動作の基準電位
となる接続部Ｌｂ３の電位Ｖｈが安定なこともあるた
め、外来のノイズ電流が入り込んで来ても、上記したセ
ラミック基板６０のパッド６０ａの電位Ｖｃｃ、パッド
６０ｂの電位（Ｖｈ＋ＺＳ・ｉＳ）、パッド６１ｂの電
位（Ｖｈ＋ＺＢ・ｉＢ）、アンプＩＣチップ６２の出力
用パッド６２ｃ、６２ｄの電位（ＶＳ１＋Ｖｈ）、（Ｖ
Ｓ２＋Ｖｈ）は変わらない。

【００８２】よって、シールド層接地用パッド４６とブ
リッジ回路接地用パッド４２ｂとをを別体のものとし、
互いに別配線系統で接地する構成とすれば、ほぼ完全に
センサ出力への外来ノイズの影響を抑制することができ
る。

【００８３】これに比して、両接地用パッドを同一の１
個のパッドとした場合について、図７に基づいて述べ
る。図７は、上記図６に比べて、シールド層接地用パッ
ドが無くなり、ブリッジ回路接地用パッドがシールド層
接地用パッドを兼用する回路−シールド層接地用パッド
４７を設けたこと、及び、それに伴い、セラミック基板
６０上のパッド６０ｇ、配線ＬＧ２を無くしたことが相
違するものであり、他は同一である。

【００８４】なお、センサチップ４０の回路−シールド
層接地用パッド４７は、例えば、上記Ｐ型領域４０ｄを
介してシールド層４４と電気的に接続したものである。
そして、図７においては、この回路−シールド層接地用
パッド４７は、ボンディングワイヤ６４、セラミック基
板６０上のパッド６０ｂ、配線Ｌｂ１、配線ＬＧ１を介
して、接地用のターミナル７２の接続部Ｔ１に電気的に
接続されている。

【００８５】この図７における外来ノイズが無い環境下
での検出動作は、上記図６における検出動作と同様であ
る。すなわち、外来ノイズが無い環境下では、上記した
セラミック基板６０のパッド６０ａの電位はＶｃｃ、パ
ッド６０ｂの電位は（Ｖｈ＋ＺＳ・ｉＳ）、パッド６１
ｂの電位は（Ｖｈ＋ＺＢ・ｉＢ）、アンプＩＣチップ６
２の出力用パッド６２ｃ、６２ｄの電位は（ＶＳ１＋Ｖ
ｈ）、（ＶＳ２＋Ｖｈ）である。

【００８６】ここで、外来ノイズが加わった場合、セン
サチップ４０へ伝わるノイズ電流は、センサチップ４０
のシールド層４４、Ｐ型領域４０ｄ、回路−シールド層
接地用パッド４７、セラミック基板６０上のパッド６０
ｂ、配線Ｌｂ１、配線ＬＧ１、接地用のターミナル７２
からＧＮＤへと逃されるため、歪みゲージ４１すなわち
ブリッジ回路４８へのノイズ電流の流入は遮断できる。

【００８７】しかし、厳密には、次に述べるようなノイ
ズ電流の影響が生じる。回路−シールド層接地用パッド
４７から逃されるノイズ電流をｉＮとすると、上記した
セラミック基板６０のパッド６０ａの電位はＶｃｃ、パ
ッド６１ｂの電位は（Ｖｈ＋ＺＢ・ｉＢ）と変わらない
が、ブリッジ回路４８の接地電位となるパッド６０ｂの
電位は（Ｖｈ＋ＺＳ・ｉＳ＋ＺＳ・ｉＮ）となり、ノイ
ズ電流による電位変化ＺＳ・ｉＮが加わる。

【００８８】そのため、アンプＩＣチップ６２の出力用
パッド６２ｃ、６２ｄの電位も、それぞれ、（ＶＳ１＋
Ｖｈ＋ＺＳ・ｉＮ）、（ＶＳ２＋Ｖｈ＋ＺＳ・ｉＮ）と
なる。

【００８９】ここで、各オペアンプ６３ｃ、６３ｄは、
図８に示すような周波数特性を有し、高周波領域におい
ては、両オペアンプ６３ｃ、６３ｄの特性が一致しない
のが通常である。

【００９０】そのため、ノイズ（ＺＳ・ｉＮ）は、オペ
アンプの使用領域周波数（例えば数ｋＨｚ）ならば差動
を取ることでキャンセルすることができるが、ノイズ電
流の周波数が高くなる（例えばＭＨｚ領域）と、ノイズ
（ＺＳ・ｉＮ）は、両オペアンプ６３ｃ、６３ｄの特性
が異なることにより差動を取ってもキャンセルされなく
なり、センサ出力にはノイズが乗ってくる形となる。

【００９１】従って、本実施形態のように、シールド層
接地用パッド４６とブリッジ回路接地用パッド４２ｂと
をを別体のものとし、互いに別配線系統で接地する構成
とする方が、上記したような高周波領域のノイズに対し
ても有効である。実際に、本発明者等が、両接地用パッ
ドを別体化した構成（図６に示す構成）と同体化した構
成（図７に示す構成）とについて、ノイズ試験を行った
結果を図９に示す。

【００９２】図９は、圧力センサＳ１に対して、外来ノ
イズとして２００Ｖ／ｍの電磁波を加え、この電磁波の
周波数（ＭＨｚ）と、初期（ノイズ無しの状態）からの
センサ出力の変動量との関係を調べたものである。図９
（ａ）には、シールド層の無い従来品（破線にて図示）
及び両接地用パッドを同体化した構成（実線にて図示）
について示してあり、図９（ｂ）には両接地用パッドを
別体化した構成について示してある。

【００９３】図９（ａ）からわかるように、両接地用パ
ッドを同体化した構成では、従来品に現れていた低周波
領域（数１０ＭＨｚ）のノイズを抑え、通常の使用領域
ではセンサ出力への外来ノイズの影響を抑制することが
できているが、高周波領域（数百ＭＨｚ）ではノイズの
影響が現れている。

【００９４】それに対して、図９（ｂ）からわかるよう
に、両接地用パッドを別体化した構成では、低周波領域
から高周波領域の全体に渡ってノイズを抑えており、厳
しいノイズ環境にあっても確実にセンサ出力への外来ノ
イズの影響を抑制することができる圧力センサを実現し
ている。

【００９５】（他の実施形態）なお、センサチップ４０
として、上記図４に示した構成の代わりに、他の例とし
て、図１０に示す様な集積化したチップを用いても良
い。Ｐ型領域（Ｐ型のアイソレーション領域）４０ｄに
より、歪みゲージ（ゲージ領域）４０ｃが形成された領
域から絶縁分離された信号処理回路素子領域４０ｅが形
成されている。

【００９６】この集積化チップでは、Ｎ型のエピタキシ
ャル領域（Ｎエピ領域）４０ｆは、回路形成用に低濃度
となっており、空乏層が広がりやすいために、空乏層が
Ｐ型層（Ｐ基板）４０ａに達しないように、高濃度（１
×１０¹⁸／ｃｍ^-3）の埋め込みＮ＋領域４０ｇが形成さ
れている。

【００９７】また、センサ基板において、上記実施形態
とは逆に、第１の導電型がＮ型で、第２の導電型がＰ型
であるような構成であってもよい。

【００９８】また、センサ基板は、シリコン半導体チッ
プよりなるもの以外にも、金属ステムのダイヤフラム上
にシリコン酸化膜、シリコン半導体膜を蒸着させること
で、シリコン酸化膜を絶縁膜とし、シリコン半導体膜を
センサ基板として構成された圧力センサにも適用可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る圧力センサの全体構成
を示す概略断面図である。

【図２】図１中の丸で囲んだＡ部の概略を拡大して示す
斜視図である。

【図３】センサチップをその表面から見たときの模式的
平面構成を示す図である。

【図４】センサチップ４０の模式的断面構成を示す図で
ある。

【図５】シールド層による効果の説明図である。

【図６】シールド層接地用パッドとブリッジ回路接地用
パッドとを別体とし、別配線系統で接地した場合の検出
方法を示す説明図である。

【図７】シールド層接地用パッドとブリッジ回路接地用
パッドとを同一の１個のパッドとした場合の検出方法を
示す説明図である。

【図８】第１のオペアンプと第２のオペアンプの周波数
特性を模式的に示す図である。

【図９】本発明のノイズ抑制効果を具体的に示す図であ
る。

【図１０】センサチップの他の例を示す模式的断面構成
図である。

【図１１】従来の圧力センサの一般的な全体構成を示す
概略断面図である。

【図１２】図１１中のダイヤフラム近傍の構成を拡大し
て示す模式的断面図である。

【符号の説明】

１０…金属ステム、１１…ダイヤフラム、３０…ハウジ
ング、４０…センサチップ（センサ基板）、４０ａ…Ｐ
型層（第１の導電型層）、４０ｂ…Ｎ型層（第２の導電
型層）、４０ｃ…Ｐ型領域（第１の導電型領域）、４１
…歪みゲージ、４２ｂ…ブリッジ回路接地用パッド、４
４…シールド層、４６…シールド層接地用パッド、４８
…ブリッジ回路、５０…絶縁膜、７２…ターミナル。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田中宏明愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内 (72)発明者鈴木康利愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内Ｆターム(参考） 2F055 AA40 BB20 CC02 DD01 DD05 EE13 FF38 GG01 GG15 HH11 4M112 AA01 AA02 BA01 CA03 CA04 CA09 CA13 CA15 EA03 FA01 FA08 GA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属製のハウジング（３０）と、このハウジング内に収納され、圧力検出用のダイヤフラ
ム（１１）を有する金属ステム（１０）と、この金属ステムにおける前記ダイヤフラムの表面に絶縁
膜（５０）を介して固定された半導体よりなるセンサ基
板（４０）と、このセンサ基板に形成され前記ダイヤフラムの歪みを電
気信号に変換するための歪みゲージ（４１）とを備える
圧力センサにおいて、前記センサ基板における前記歪みゲージと前記絶縁膜と
の間の部位に、前記金属ステムと前記歪みゲージとを電
気的に遮断するシールド層（４４）が設けられているこ
とを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】前記センサ基板（４０）はシリコン半導
体チップよりなり、前記絶縁膜（５０）側の面から反対
側の面に向かって、第１の導電型層（４０ａ）、第２の
導電型層（４０ｂ）が順次積層されたものであり、前記シールド層（４４）は前記第１の導電型層により構
成され、前記歪みゲージ（４１）は、前記第１の導電型
層とは分離して前記第２の導電型層内に形成された第１
の導電型領域（４０ｃ）により構成されていることを特
徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】前記シールド層（４４）は接地されてい
ることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力セン
サ。
【請求項４】前記歪みゲージ（４１）は、前記ダイヤ
フラム（１１）の歪みに応じた抵抗値変化を前記電気信
号に変換するためのブリッジ回路（４８）を構成する複
数個のものよりなり、前記センサ基板（４０）には、前記シールド層（４４）
を接地するためのシールド層接地用パッド（４６）と前
記ブリッジ回路を接地するためのブリッジ回路接地用パ
ッド（４２ｂ）とが別々に設けられており、これらシールド層接地用パッドとブリッジ回路接地用パ
ッドとは、前記ハウジング（３０）に設けられた接地用
のターミナル（７２）に対して別々の配線により接続さ
れていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか
１つに記載の圧力センサ。