JP2002372474A - 半導体センサ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 構造を複雑にすることなく簡単な構成で圧力
と温度とを検出することが可能な半導体センサ装置をを
提供する。 【解決手段】 半導体式圧力センサ（半導体センサ）４
は半導体基板上にピエゾ抵抗効果を有する感圧素子を形
成し、前記感圧素子を用いてブリッジ回路２１を構成す
るとともに、薄肉のダイアフラム部を有する。回路基板
５は圧力センサ４とワイヤ８を介し電気的に接続する。
回路基板５は、単一の圧力センサ４からの出力に基づい
て圧力に関する第１の検出信号をと温度に関する第２の
検出信号とを出力する圧力検出増幅回路（第１の出力
部）２２と温度検出増幅回路（第２の出力部）２３とを
備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体基板上にピ
エゾ抵抗効果を有する感圧素子を形成し、前記感圧素子
を用いてブリッジ回路を構成する半導体センサを用いた
半導体センサ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体センサ装置としては、シリコン等
の半導体基板に薄肉のダイアフラム部を形成し、前記ダ
イアフラム部にピエゾ抵抗効果を有する圧力検出用の圧
感素子をブリッジ状に構成してなる半導体式圧力センサ
（半導体センサ）を、下ケースに備えられる圧力導入ポ
ートの上端部にベース板を介し配設するとともに、前記
圧力センサと回路基板とをワイヤボンディングによって
電気的に接続し、前記回路基板を介して前記圧力センサ
への電源供給及び前記圧力センサからの信号出力を行う
ためのリードピンを備えた上ケースによって前記圧力セ
ンサ及び前記回路基板を覆ってなる圧力検出装置があ
る。

【０００３】このような圧力検出装置は、例えば車両の
エンジンを被測定物とすることがある。エンジンを被測
定物とすると、エンジンオイルの圧力（以下、油圧とい
う）のみならず前記エンジンオイルの温度（以下、油温
という）を検出することが可能な圧力検出装置が望まれ
ており、このような圧力検出装置としては、特開平１１
−７２４０２号公報に開示されるものがある。

【０００４】かかる圧力検出装置は、サーミスタ等の温
度検出手段を前記油温が検出できるように圧力センサを
配設するケース内に配設し、前記圧力センサ及び前記温
度検出手段を単一のケース内に配設することで、異なる
被測定媒体（油圧及び油温）を検出することが可能とな
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、単一の
被測定物から異なる被測定対象を検出する前記圧力検出
装置において、前記装置の前記エンジンへの取付は簡素
化されるものの、前記圧力センサと前記温度検出手段と
をそれぞれ前記ケース内に配設することから、圧力検出
装置としての構造が複雑になるばかりでなく、構成部品
が多くなることから装置が大型化してしまうといった問
題点を有していた。また、圧力検出用の圧力センサと温
度検出用のサーミスタが必要であることから、装置とし
てのコストが高くなってしまうといった問題点を有して
いた。

【０００６】そこで、本発明は前記問題点に着目し、構
造を複雑にすることなく簡単な構成で圧力と温度とを検
出することが可能な半導体センサ装置を提供することを
目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するため、半導体基板上にピエゾ抵抗効果を有する感
圧素子を形成し、前記感圧素子を用いてブリッジ回路を
構成するとともに、薄肉のダイアフラム部を有する半導
体センサと、前記半導体センサと電気的に接続する回路
基板とを備え、前記回路基板に、単一の前記半導体セン
サからの出力に基づいて圧力に関する第１の検出信号と
温度に関する第２の検出信号とを出力する第１，第２の
出力部を備えてなるものである。

【０００８】また、前記第１の出力部は、前記ブリッジ
回路の中間電圧に基づいて前記第１の検出信号を出力し
てなるものである。

【０００９】また、前記第２の出力部は、前記ブリッジ
回路の両端電圧に基づいて前記第２の検出信号を出力し
てなるものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づき本発明を説明する。

【００１１】図１において、半導体センサ装置としての
圧力検出装置Ａは、下ケース１と、上ケース２と、ベー
ス板３と、半導体式圧力センサ（半導体センサ）４と、
回路基板５と、シールド板６と、グロメット７とから主
に構成されている。

【００１２】下ケース１は、ＳＵＭ等の金属材料からな
る取付ねじ部を有する六角部材である圧力導入部１ａに
ＰＢＴ等の樹脂材料からなるフランジ部１ｂがアウトサ
ート成形されてなるものである。また圧力導入部１ａの
略中央には、圧力導入穴１ｃが形成されている。

【００１３】上ケース２は、ＰＢＴ等の樹脂材料から形
成され、上ケース２の開口端部を下ケース１のフランジ
部１ｂに対して熱加締めすることによって配設固定さ
れ、ベース板３，半導体式圧力センサ４，回路基板５等
を収納する。また、上ケース２は、後述する電極リード
を介して電源供給及び信号出力を行うためのコネクタ部
２ａを備えている。

【００１４】ベース板３は、コバール等の金属材料から
構成され、下ケース１における圧力導入部１ａの上端部
に抵抗溶接によって配設固定するためのフランジ部３ａ
が設けられ、このフランジ部３ａから一段高くなった位
置には、圧力センサ４を配設するための載置部３ｂが設
けられている。また載置部３ｂの略中央には、圧力セン
サ４に圧力を伝達するための穴部３ｃが設けられてい
る。

【００１５】圧力センサ４は、図１及び図２に示すよう
に、シリコン等の半導体基板に薄肉部となるダイアフラ
ム部を形成する半導体チップ４ａをガラス基板４ｂ上に
配設し、半導体チップ４ａとガラス台座４ｃとを陽極接
合法によって接合してなるものである。圧力センサ４
は、前記ダイアフラム部に対応する部位にボロン等の不
純物を拡散処理することによって、ピエゾ抵抗効果を有
する４つの感圧素子となる抵抗Ｒａ〜Ｒｃを形成し、こ
の各抵抗Ｒａ〜Ｒｃをアルミ等の導電性材料を用いた配
線パターンによって接続することでブリッジ回路が構成
される。

【００１６】尚、圧力センサ４は、ガラス基板４ａの裏
面側にメタライズ層を形成するとともに、半田を介して
ベース板３と接合する。

【００１７】回路基板５は、紙フェノール，ガラス繊維
入り樹脂及びセラミック等の絶縁材料を支持材とし、後
述する回路構成を得るための所定の配線パターン（図示
しない）が形成されてなるもので、下ケース１のフラン
ジ部１ｂの上方に設けられる載置部１ｄに配設される。
回路基板５は、図２に示すように、圧力センサ４の出力
電圧を増幅するための増幅回路やノイズを除去するため
のコンデン等の電子部品が実装される。

【００１８】また、回路基板５は、回路基板５の周縁部
が下ケース１の載置部１ｄに支持される配設構造であっ
て、回路基板５の略中央には、ベース板３に配設される
圧力センサ４の上方から回路基板５を下ケース１の載置
部１ｄに配設した際に、回路基板５が圧力センサ４を取
り巻くように配設するための収納用穴部５ａが形成され
ている。

【００１９】また、回路基板５には、収納用穴部５ａの
周辺に複数の電極部が形成され、この電極部と圧力セン
サ４に形成される電極パッドとは金等の導電材料からな
るワイヤ８によって電気的に接続される。

【００２０】また、回路基板５には、上ケース２のコネ
クタ部２ａにグロメット７を介して配設される電極リー
ド９とリードピン付き貫通コンデンサ１０を介し電気的
に接続するリードピン１１が実装されている。

【００２１】シールド板６は、ＳＰＴＥ等の金属材料か
らなり、ホルダ部６ａと、下ケース１と上ケース２との
間に狭持状態にて配設するためのフランジ部６ｂとが設
けられている。

【００２２】ホルダ部６ａは、グロメット７の載置面よ
りも一段高くなる位置に設けられ、貫通コンデンサ１０
を配設するための配設部６ｃが形成されるとともに、こ
の配設部６ｃには、複数の孔部が形成され、この各孔部
に各貫通コンデンサ１０が半田を介し配設固定される。

【００２３】グロメット７は、ニトリルゴム等の弾性部
材によって構成され、電極リード９がインサート形成さ
れてなる。グロメット７は、上ケース２のコネクタ部２
ａに設けられる凹部２ｂに設けられた穴部２ｃに電極リ
ード９を挿通させるとともに、グロメット７を凹部２ｂ
に嵌め込むことで、シールド板６のホルダ部６ａから一
段低くなった前記載置面に配設される。

【００２４】グロメット７にインサート成形される電極
リード９は、圧力センサ４への電源供給と圧力センサ４
からの後述する圧力及び温度に関する検出信号を外部に
伝達するものである。

【００２５】以上の各部によって圧力検出装置Ａが構成
されている。

【００２６】次に図２を用いて、圧力検出装置Ａの回路
構成について説明する。圧力検出装置Ａの回路構成は、
定電流源回路２０と、ブリッジ回路２１と、圧力検出増
幅回路（第１の出力部）２２と、温度検出増幅回路（第
２の出力部）２３とを有するもので、ブリッジ回路２１
以外の各回路は回路基板５上で構成される。

【００２７】定電流源回路２０は、定電流源調整用抵抗
２０ａや演算増幅器２０ｂ等から構成され、ブリッジ回
路２１へ所定の定電流を供給する。

【００２８】ブリッジ回路２１は、圧力センサ４のダイ
アフラム部上に形成される４つの感圧素子である抵抗Ｒ
ａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄから形成される。ブリッジ回路２
１において、直列接続される第１抵抗群Ｒａ，Ｒｂ及び
第２抵抗群Ｒｃ，Ｒｄからそれぞれ引き出された中間電
圧ｖａ，ｖｂは、圧力検出増幅回路２２へ供給される。

【００２９】圧力検出増幅回路２２は、入力インピーダ
ンスの影響の少ない増幅回路によって構成されるもの
で、図３で示す圧力と出力電圧Ｖ１との関係を示す圧力
−電圧特性である第１の出力特性Ｔ１の傾きの調整であ
るゲイン調整を行うためのゲイン調整用抵抗２２ａ，２
２ｂや、第１の出力特性Ｔ１のオフセット調整を行うた
めのオフセット電圧調整用抵抗２２ｃ、ブリッジ回路２
１における中間電圧ｖａ，ｖｂをそれぞれ入力する第
１，第２の演算増幅器２２ｄ，２２ｅ等から構成され
る。圧力検出増幅回路２２は、中間電圧ｖ１，ｖ２を入
力すると中間電圧ｖ１，ｖ２の差分を増幅して出力電圧
Ｖ１として出力し圧力検出するものである。

【００３０】温度検出増幅回路２３は、ブリッジ回路２
１の両端電圧ｖｃを増幅して出力電圧Ｖ２として取り出
すものであって、図４で示す温度と出力電圧Ｖ２との関
係を示す温度−電圧特性である第２の出力特性Ｔ２の傾
きの調整であるゲイン調整を行うためのゲイン調整用抵
抗２３ａや、第２の出力特性Ｔ２のオフセット調整を行
うためのオフセット電圧調整用抵抗２３ｂ、ブリッジ回
路２１における両端電圧ｖｃを入力するとともに、所定
の倍率によって増幅する演算増幅器２３ｃ等から構成さ
れる。

【００３１】以上の各部によって圧力検出装置Ａの回路
が構成されている。

【００３２】かかる圧力検出装置Ａは、ブリッジ回路２
１において、周囲温度の変化によってブリッジ回路２１
の両端電圧ｖｃがリニアに変化する半導体式圧力センサ
４の性質に着目したもので、温度に対して単一の圧力セ
ンサ４からブリッジ回路２１の中間電圧ｖａ，ｖｂと、
ブリッジ回路２１の両端電圧ｖｃとをそれぞれ圧力検出
増幅回路２２及び温度検出増幅回路２３に入力すること
で、圧力に関する第１の検出信号である出力電圧Ｖ１
と、温度に関する第２の検出信号である出力電圧Ｖ２と
を得ることが可能となる。従って、従来のようにサーミ
スタ等の専用の温度検出手段を設けなくとも、単一の圧
力センサ４のみで圧力及び温度を検出することが可能で
あることから、簡単な構成で温度検出機能を有する圧力
検出装置を提供することが可能となる。

【００３３】また、圧力センサ４におけるブリッジ回路
２１の中間電圧ｖａ，ｖｂと両端電圧ｖｃとの異なる二
つの出力形態から圧力及び温度を検出することが可能で
あることから、従来の圧力のみを検出する圧力検出装置
と略同等な構成によって温度検出機能を有する圧力検出
装置を得ることができることから、多機能を有する圧力
検出装置を低コストで提供することが可能となる。

【００３４】次に図５を用いて、本発明の他の実施形態
の図１に示す圧力検出装置Ａの回路構成を説明するが、
前述した実施の形態と同一もしくは相当箇所には同一符
号を付してその詳細な説明は省く。

【００３５】以下に説明する本発明の他の実施形態が前
述した実施形態と比べ異なる点は、圧力検出増幅回路の
回路構成である。即ち、前述した圧力検出増幅回路２２
が、図３で示す第１の出力特性Ｔ１のゲイン調整を２つ
の抵抗（ゲイン調整用抵抗２２ａ，２２ｂ）で行うもの
であったのに対し、本発明の他の実施形態における圧力
検出増幅回路２４は、一つの抵抗によってゲイン調整を
行えるようにした点である。

【００３６】即ち、圧力検出増幅回路２４は、前述した
圧力検出増幅回路２２と同様に、入力インピーダンスの
影響の少ない増幅回路によって構成されるもので、第１
の出力特性Ｔ１のゲイン調整を行うためのゲイン調整用
抵抗２４ａ、第１の出力特性Ｔ１のオフセット調整を行
うためのオフセット電圧調整用抵抗２４ｂ、ブリッジ回
路２１における中間電圧ｖａ，ｖｂをそれぞれ入力する
第１，第２の演算増幅器２４ｃ，２４ｄ等から構成され
る。

【００３７】かかる圧力検出増幅回路２４は、一つの抵
抗、即ちゲイン調整用抵抗２４ａのみで第１の出力特性
Ｔ１を調整できることから、圧力検出装置Ａの製造工程
において調整工程を簡素化することができる。

【００３８】尚、本発明の第１，第２の出力部となる圧
力検出増幅回路２２と温度検出増幅回路２３の回路構成
にあっては、本発明の実施の形態で説明した回路構成に
限定されるものではなく、図３及び図４で示すような圧
力及び温度に関する第１，第２の出力特性が得られる回
路構成であれば良い。

【００３９】

【発明の効果】本発明は、半導体基板上にピエゾ抵抗効
果を有する感圧素子を形成し、前記感圧素子を用いてブ
リッジ回路を構成するとともに、薄肉のダイアフラム部
を有する半導体センサと、前記半導体センサと電気的に
接続する回路基板とを備え、前記回路基板に、単一の前
記半導体センサからの出力に基づいて圧力に関する第１
の検出信号と温度に関する第２の検出信号とを出力する
第１，第２の出力部を備えてなる半導体センサ装置であ
り、構造を複雑にすることなく簡単な構成で圧力と温度
とを検出することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の圧力検出装置を示す要部
断面図。

【図２】同上圧力検出装置の回路構成を示す図。

【図３】同上圧力検出装置の圧力と出力電圧との関係を
示す図。

【図４】同上圧力検出装置の温度と出力電圧との関係を
示す図。

【図５】本発明の他の実施の形態の圧力検出装置の回路
構成を示す図。

【符号の説明】

４ 半導体圧力センサ（半導体センサ） ５ 回路基板 ２１ ブリッジ回路 ２２，２４ 圧力検出増幅回路（第１の出力部） ２３ 温度検出増幅回路（第２の出力部） Ｒａ〜Ｒｄ 抵抗（感圧素子） ｖａ，ｖｂ 中間電圧 ｖｃ 両端電圧 ４ 半導体圧力センサ Ａ 圧力検出装置（半導体センサ装置）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上にピエゾ抵抗効果を有する
   感圧素子を形成し、前記感圧素子を用いてブリッジ回路
   を構成するとともに、薄肉のダイアフラム部を有する半
   導体センサと、前記半導体センサと電気的に接続する回
   路基板とを備え、 前記回路基板に、単一の前記半導体センサからの出力に
   基づいて圧力に関する第１の検出信号と温度に関する第
   ２の検出信号とを出力する第１，第２の出力部を備えて
   なることを特徴とする半導体センサ装置。
2. 【請求項２】 前記第１の出力部は、前記ブリッジ回路
   の中間電圧に基づいて前記第１の検出信号を出力してな
   ることを特徴とする請求項１に記載の半導体センサ装
   置。
3. 【請求項３】 前記第２の出力部は、前記ブリッジ回路
   の両端電圧に基づいて前記第２の検出信号を出力してな
   ることを特徴とする請求項１に記載の半導体センサ装
   置。