JP2003035617A

JP2003035617A - 半導体センサ装置

Info

Publication number: JP2003035617A
Application number: JP2001221556A
Authority: JP
Inventors: Shuji Sato; 修治佐藤
Original assignee: Nippon Seiki Co Ltd
Current assignee: Nippon Seiki Co Ltd
Priority date: 2001-07-23
Filing date: 2001-07-23
Publication date: 2003-02-07

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でき、且つ、温度と出力電圧
との関係を示す温度−電圧特性を略線形にすることで温
度の検出精度を向上させた半導体センサ装置を提供す
る。【解決手段】半導体基板上にピエゾ抵抗効果を有する
感圧素子Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄを形成する。感圧素子
Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄを用いてブリッジ回路２１を構
成する。回路基板は、ブリッジ回路２１に所定の定電流
を供給する定電流源回路２０を有する。定電流源回路２
０は、第二の検出信号の温度特性が略線形となるように
第二の検出信号の温度特性を調整する温度特性調整手段
２０ｇを有する。

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
被測定対象（油圧及び油温）を検出することが可能とな
る。

【０００５】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。

【０００６】そこで、本願出願人は、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特願平１３−１８５７３７号と
して提案した。斯かる半導体センサ装置は、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
圧力に関する第一の検出信号と温度に関する第二の検出
信号とを出力する第一，第二の出力部を備えてなるもの
である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記半
導体センサ装置は、温度と出力電圧との関係を示す温度
−電圧特性である第二の出力特性Ｔ１に、図９の実線で
示すような、検出温度範囲（−４０℃〜１２５℃）の中
間で出力電圧が低くなる非線形性があり、検出される温
度に若干の誤差が生じる虞があるため、第二の出力特性
には図９の点線で示すような線形の特性Ｔ０が望まれて
いる。本発明は、この課題に鑑みなされたものであり、
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
検出することができ、且つ、温度と出力電圧との関係を
示す温度−電圧特性を略線形にすることで温度の検出精
度を向上させた半導体センサ装置を提供するものであ
る。

【０００８】

【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Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄを形成し、前記感圧素子
Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄ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半導体
センサ４と、前記ブリッジ回路２１に所定の定電流を供
給する定電流源回路２０を有し、前記半導体センサ４と
電気的に接続する回路基板５とを備え、前記回路基板５
に、単一の前記半導体センサ４からの出力に基づいて圧
力に関する第一の検出信号と温度に関する第二の検出信
号とを出力する第一，第二の出力部２２，２３を備えて
なる半導体センサ装置Ａにおいて、前記定電流源回路２
０は、前記第二の検出信号の温度特性が略線形となるよ
うに前記第二の検出信号の温度特性を調整する温度特性
調整手段２０ｇを有するものである。

【０００９】また、本発明は、前記第二の出力部２３
は、前記ブリッジ回路２１の両端電圧に基づいて前記第
二の検出信号を出力してなるものである。

【００１０】また、本発明は、前記温度特性調整手段２
０ｇは、サーミスタ２０ｅ及び正温度係数抵抗２０ｄを
有するものである。

【００１１】また、本発明は、前記温度特性調整手段２
０ｇに、前記サーミスタ２０ｅの特性を調整するサーミ
スタ特性調整用抵抗２０ｆを設けたものである。

【００１２】また、本発明は、前記温度特性調整手段２
０ｇに、前記正温度係数抵抗２０ｄの特性を調整する正
温度特性調整用抵抗１２ｃを設けたものである。

【００１３】

【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。

【００１４】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。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】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。

【００１８】圧力センサ４は、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。

【００１９】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。

【００２０】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
のコンデンサ等の電子部品が実装される。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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（第一の出力部）２２と、温度検出増幅回路（第
二の出力部）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。

【００２９】定電流源回路２０は、定電流源調整用抵抗
２０ａと、演算増幅器２０ｂと、正温度係数調整用抵抗
２０ｃ，正温度係数抵抗２０ｄ，サーミスタ２０ｅ及び
サーミスタ特性調整用抵抗２０ｆを有する温度特性調整
手段２０ｇとで構成され、ブリッジ回路２１へ所定の定
電流を供給する。なお、正温度係数抵抗２０ｄとは、温
度が高くなるに従って線形的に抵抗値が大きくなる特性
をもつ抵抗である。

【００３０】温度特性調整手段２０ｇは、電源Ｖｃｃに
対して直列に接続されたサーミスタ２０ｅ，正温度係数
抵抗２０ｄ及び正温度係数調整用抵抗２０ｃと、サーミ
スタ２０ｅに対して並列接続されたサーミスタ特性調整
用抵抗２０ｆとからなるものである。

【００３１】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、直列接続される第一抵抗群Ｒａ，Ｒｂ及び
第二抵抗群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。

【００３２】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
−電圧特性である第一の出力特性Ｔ２のゲイン調整を行
うためのゲイン調整用抵抗２２ａ、第一の出力特性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２２ｂ、ブリッジ回路２１における中間電圧ｖａ，ｖ
ｂをそれぞれ入力する第一，第二の演算増幅器２２ｃ，
２２ｄ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。

【００３３】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−電圧特性である第二の出力特性Ｔ３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、第二の出力特性Ｔ３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。

【００３４】次に、定電流源回路２０の作用について更
に詳述する。正温度係数調整用抵抗２０ｃと正温度係数
抵抗２０ｄとの合成抵抗は、温度が高くなるに従って抵
抗値が大きくなる特性Ｔ４があり（図５参照）、また、
サーミスタ２０ｅとサーミスタ特性調整用抵抗２０ｆと
の合成抵抗は、温度が高くなるに従って抵抗値が反比例
的に小さくなる特性Ｔ５がある（図６参照）。従って、
定電流源回路２０の特性Ｔ４，Ｔ５を含む各抵抗２０
ａ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ，２０ｆの合成抵抗は、図
７に示すような、下に凸の特性Ｔ６となることから、定
電流源回路２０の基準電圧ｖｄは、図８に示すような、
上に凸の特性Ｔ７となる。

【００３５】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
に着目したものであり、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、
圧力に関する第一の検出信号である出力電圧Ｖ１と、温
度に関する第二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、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。

【００３６】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。

【００３７】また、温度と出力電圧Ｖ２との関係を示す
温度−電圧特性である第二の出力特性Ｔ３は、温度特性
調整手段２０ｇにより温度補償され、図４に示すよう
に、略線形になる。つまり、定電流源回路から供給され
る定電流が、仮に一定電圧であれば、第二の出力特性は
図９で示される特性Ｔ１で示すように検出温度範囲の中
間で出力電圧が低くなるが、定電流源回路２０から供給
される定電流は、検出温度範囲の中間で高くなる特性を
有するため、第二の出力特性Ｔ３は温度補償され、第二
の出力特性Ｔ３が略線形になり、温度の検出精度が向上
する。即ち、圧力センサ４を構成するブリッジ回路２１
の両端電圧ｖｃが図９で示すような下に凸をなす非線形
的な特性Ｔ１を有するものであることから、図８で示す
ような特性Ｔ１と逆の関係をなす下に凸の非線形的な特
性Ｔ７からなる定電流源回路２０の基準電圧Ｖｄを圧力
センサ４のブリッジ回路２１に印加することで、図４で
示される線形的な出力電圧特性Ｔ３である両端電圧ｖｃ
が得られるものである。

【００３８】なお、本発明の第一，第二の出力部となる
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一，第二の出力特性が得られる
回路構成であれば良い。

【００３９】また、本発明の実施の形態で説明した温度
特性調整手段２０ｇは、正温度係数調整用抵抗２０ｃ，
正温度係数抵抗２０ｄ，サーミスタ２０ｅ及びサーミス
タ特性調整用抵抗２０ｆを有するものであったが、例え
ば、正温度係数抵抗２０ｄ及びサーミスタ２０ｅからな
るものであっても良い。

【００４０】

【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、前記ブリッジ回路に所定の定
電流を供給する定電流源回路を有し、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
に関する第一の検出信号と温度に関する第二の検出信号
とを出力する第一，第二の出力部を備えてなる半導体セ
ンサ装置において、前記定電流源回路は、前記第二の検
出信号の温度特性が略線形となるように前記第二の検出
信号の温度特性を調整する温度特性調整手段を有するも
のであり、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でき、且つ、温度と出力電圧
との関係を示す温度−電圧特性を略線形にすることで温
度の検出精度を向上させることができる。

【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】同上実施の形態の回路構成を示す図。

【図３】同上実施の形態の圧力と出力電圧との関係を示
す図。

【図４】同上実施の形態の温度と出力電圧との関係を示
す図。

【図５】同上実施の形態の温度と、正温度係数調整用抵
抗及び正温度係数抵抗の合成抵抗との関係を示す図。

【図６】同上実施の形態の温度と、サーミスタとサーミ
スタ特性調整用抵抗との合成抵抗との関係を示す図。

【図７】同上実施の形態の温度と、温度特性調整手段の
合成抵抗との関係を示す図。

【図８】同上実施の形態の温度と、定電流源回路の基準
電圧との関係を示す図。

【図９】従来の温度と出力電圧との関係を示す図。

【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２０定電流源回路２０ｃ正温度係数調整用抵抗２０ｄ正温度係数抵抗２０ｅサーミスタ２０ｆサーミスタ特性調整抵抗２１ブリッジ回路２２，２４圧力検出増幅回路（第一の出力部）２３温度検出増幅回路（第二の出力部）Ｒａ〜Ｒｄ抵抗（感圧素子）ｖａ，ｖｂ中間電圧ｖｃ両端電圧Ａ圧力検出装置（半導体センサ装置）

Claims

【特許請求の範囲】

【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、前記ブリッジ回路に所定の定電流を供給
する定電流源回路を有し、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一
の検出信号と温度に関する第二の検出信号とを出力する
第一，第二の出力部を備えてなる半導体センサ装置にお
いて、前記定電流源回路は、前記第二の検出信号の温度
特性が略線形となるように前記第二の検出信号の温度特
性を調整する温度特性調整手段を有することを特徴とす
る半導体センサ装置。
【請求項２】請求項１に記載の半導体センサ装置にお
いて、前記第二の出力部は、前記ブリッジ回路の両端電
圧に基づいて前記第二の検出信号を出力してなることを
特徴とする半導体センサ装置。
【請求項３】請求項１または請求項２に記載の半導体
センサ装置において、前記温度特性調整手段は、サーミ
スタ及び正温度係数抵抗を有することを特徴とする半導
体センサ装置。
【請求項４】請求項３に記載の半導体センサ装置にお
いて、前記温度特性調整手段に、前記サーミスタの特性
を調整するサーミスタ特性調整用抵抗を設けたことを特
徴とする半導体センサ装置。
【請求項５】請求項３に記載の半導体センサ装置にお
いて、前記温度特性調整手段に、前記正温度係数抵抗の
特性を調整する正温度特性調整用抵抗を設けたことを特
徴とする半導体センサ装置。