JP2003065867A - 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正温度係数抵抗２
０ｂ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、例えば車両エ
ンジンのエンジンオイルを被測定物とすることがある。
エンジンオイル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２００１−１８５７３７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℃）の低
温域で傾きが小さく、高温域で傾きが大きくなる非線形
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が望まれており、本願出願人は、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を定電流源回路
に設けることにより、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特願２００１−２２１５５
６号として提案した。

【０００８】しかし、半導体センサの温度と温度特性手
段の温度は常に一致していることが理想なのであるが、
温度特性調整手段が回路基板に設けられているため、被
測定物の熱が温度特性調整手段に伝わり難く、半導体セ
ンサと温度特性調整手段に温度差が生じる虞があり、必
ずしも温度特性の調整が適正に行われない虞があった。
本発明は、上記半導体センサ装置を改良し、温度の検出
精度を更に向上させた半導体センサ装置を提供するもの
である。

【０００９】

【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を設け、前記定電流源回路２０
は、前記半導体基板上に形成され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
度特性を調整する正温度係数抵抗２０ｂを有するもので
ある。

【００１０】また、本発明は、前記第一の出力部２２
は、前記ブリッジ回路２１の中間電圧に基づいて前記第
一の検出信号を出力してなるものである。

【００１１】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。

【００１２】

【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。

【００１３】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。

【００１４】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。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】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ゲー
ジ抵抗Ｒａ〜Ｒｄを形成し、この各ゲージ抵抗Ｒａ〜Ｒ
ｄ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。

【００１８】尚、圧力センサ４は、ガラス基板４ｂ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。

【００１９】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には、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。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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
及び後述する正温度係数抵抗２０ｂ以外は回路基板５上
で構成される。

【００２８】定電流源回路２０は、定電流源調整用抵抗
２０ａと、正温度係数抵抗２０ｂと、演算増幅器２０ｃ
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。正温度係数抵抗２０ｂは、温度が高くなるに従っ
て抵抗値が大きくなる特性Ｔ２を有するものであり（図
３参照）、半導体基板上に形成される。定電流源回路２
０の基準電圧ｖｄは、上に凸の特性Ｔ３となる（図４参
照）。

【００２９】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ゲージ
抵抗Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄから形成される。ブリッジ
回路２１において、直列接続される第一抵抗群Ｒａ，Ｒ
ｂ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。

【００３０】圧力センサ４には、ゲージ抵抗Ｒａ〜Ｒ
ｄ，電極２５〜３１が形成されている（図５及び図６参
照）。電極２５は、ゲージ抵抗Ｒａとゲージ抵抗Ｒｄと
に導通され、演算増幅器２２ｄに接続される。電極２６
は、ゲージ抵抗Ｒａとゲージ抵抗Ｒｂとの導通され、演
算増幅器２２ｄに接続される。電極２７は、ゲージ抵抗
Ｒｄとゲージ抵抗Ｒｃとに導通され、演算増幅器２２ｃ
に接続される。電極２８，２９は、夫々、ゲージ抵抗Ｒ
ｂ，Ｒｃに導通され、オフセット電圧調整抵抗３２，３
３に接続される。なお、オフセット電圧調整抵抗３２，
３３は、第一抵抗群Ｒａ，Ｒｂ及びオフセット電圧調整
抵抗３２の合成抵抗と、第二抵抗群Ｒｃ，Ｒｄ及びオフ
セット電圧調整抵抗３３の合成抵抗が一致するように調
整するものである。電極３０，３１は正温度係数抵抗２
０ｂの両端に設けられている。

【００３１】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、ゲイン調整用抵抗２２ａ、オフセット電圧調整用抵
抗２２ｂ、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ｖ
ａ，ｖｂを入力すると中間電圧ｖａ，ｖｂ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。図７で示すように、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Ｔ４は、線形
となる。

【００３２】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、ゲイン調整用抵抗２３ａ、オフセット
電圧調整用抵抗２３ｂ、演算増幅器２３ｃ等から構成さ
れる。演算増幅器２３ｃは、ブリッジ回路２１における
両端電圧ｖｃを入力すると共に、その両端電圧ｖｃを所
定の倍率で増幅し、出力電圧Ｖ２として出力する。

【００３３】かかる圧力検出装置Ａは、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ｖ
ａ，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とを得ることができる。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。

【００３４】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。

【００３５】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Ｔ５は、正温度係
数抵抗２０ｂにより温度補償され、図８に示すように、
略線形になる。つまり、定電流源回路２０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低
温域で出力電圧の傾きが小さく、高温域で出力電圧の傾
きが大きくなるが、定電流源回路２０から供給される定
電流は、検出温度範囲の低温域で傾きが大きく、高温域
で傾きが小さ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Ｔ５が略線形にな
り、温度の検出精度が向上する。

【００３６】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で示すような高温域で傾き
が大きくなる非線形的な特性Ｔ１を有するものであるこ
とから、図４で示すような特性Ｔ１と逆の関係をなす非
線形的な特性Ｔ３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８で示される線形的な出力電圧特性Ｔ５である出
力電圧Ｖ２が得られるものである。そして、正温度係数
抵抗２０ｂを圧力センサ４の半導体基板に形成したこと
により、ブリッジ回路２１と正温度係数抵抗２０ｂの温
度は常に一致しているため、温度特性の調整が適正に行
われる。

【００３７】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７及び図８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。

【００３８】

【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
源回路を設け、前記定電流源回路は、前記半導体基板上
に形成され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正温
度係数抵抗を有するものであり、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
調整する正温度係数抵抗を定電流源回路に設けることに
より、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、且つ、正温度係数抵抗を半導体基板に形成するこ
とにより、半導体センサと温度特性調整手段に温度差が
生じることを防ぎ、温度特性の調整を適正に行ない、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】同上実施の形態の温度と、正温度係数調整用抵
抗の抵抗値との関係を示す図。

【図４】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５】同上実施の形態の圧力センサを示す正面図。

【図６】同上実施の形態の圧力センサの回路構成を示す
図。

【図７】同上実施の形態の圧力と出力電圧との関係を示
す図。

【図８】

【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 ２０ｂ 正温度係数調整用抵抗 ２１ ブリッジ回路 ２２ 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 ゲージ抵抗（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）

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F055 AA40 BB20 CC02 DD04 EE14 FF02 FF43 GG12 GG25 GG32 2F056 JT01 JT08 4M112 AA01 BA01 CA03 CA04 CA13 CA15 DA12 EA02 EA10 EA13

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
   路を設け、 前記定電流源回路は、前記半導体基板上に形成され前記
   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。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の半導体センサ装置にお
   いて、前記第一の出力部は、前記ブリッジ回路の中間電
   圧に基づいて前記第一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。
3. 【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。