JP2007271280A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】高温領域で使用しても安定した圧力検出動作を行うことができる圧力センサを提供する。
【解決手段】シート状の単結晶Ｓｉに対して例えばＰ型不純物をドーピングしたのち、エッチングなどによってパターニングして歪ゲージ２４となる領域のみを残すことで歪ゲージ２４を形成する。つまり、Ｐ型不純物という単一の導電型の不純物のみによって歪ゲージ２４を構成し、歪ゲージ２４がＰＮ接合が無い構造とする。このような構成では、圧力センサ１００を例えば１５０℃以上もしくは１８０℃以上といった高温領域において使用したとしても、歪ゲージ２４で電流リークが発生しないようにすることができる。したがって、高温領域においても安定した圧力検出動作を行うことが可能な圧力センサ１００とすることが可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、金属ダイアフラムにゲージ抵抗を形成した圧力センサに関する。

従来より、この種の圧力センサとしては、特許文献１に記載の圧力センサが提案されている。この圧力センサは、圧力導入孔を有する金属製のハウジングと外部との信号のやりとりを行うためのターミナルピンを有する樹脂製のコネクタケースとが一体に接合されてなるパッケージを備えている。

パッケージには、圧力導入孔から導入される圧力に応じた電気信号を生成する検出部が備えられている。この検出部は、半導体チップに例えばＰ型の歪ゲージを形成した構成とされ、金属製のステムの一部を薄肉にすることで構成した金属製ダイヤフラムの表面に低融点ガラスを介して接合されている。

そして、従来では、このように構成される圧力センサが、例えば１２０℃程度の温度領域で使用される２０ＭＰａレンジの圧力の検出に用いられている。
特開２０００−２９８０７１号公報

近年、圧力センサを従来よりも高温領域、例えば１５０℃以上とか１８０℃以上の温度領域で使用したいというニーズがある。しかしながら、従来のように半導体チップにＰ型の歪ゲージを形成した検出部では、ＰＮ接合の温度特性により、ＰＮ接合部分において電流リークが発生し、安定した圧力検出動作が行えなくなるという問題がある。

本発明は上記点に鑑みて、高温領域で使用しても安定した圧力検出動作を行うことができる圧力センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、金属製のダイアフラム（２２）と、第１導伝型不純物をドーピングしたシート状の半導体層をパターニングすることで構成された第１導電型半導体のみによって構成され、金属ダイアフラム（２２）に接合される歪ゲージ（２４）と、歪ゲージ（２４）に対して電圧を印加したときに、歪ゲージ（２４）の電気信号を受け取り、この電気信号に応じた出力信号を発生させる信号処理回路が備えられた基板（３０）と、を備えていることを特徴としている。

このように、シート状の半導体層に対して第１導電型不純物（例えばＰ型不純物）をドーピングしたのち、エッチングなどによってパターニングして歪ゲージ（２４）となる領域のみを残すことで歪ゲージ（２４）を形成している。つまり、第１導電型不純物という単一の導電型の不純物のみによって歪ゲージ（２４）を構成しており、歪ゲージ（２４）がＰＮ接合が無い構造となっている。

このため、圧力センサを例えば１５０℃以上もしくは１８０℃以上といった高温領域において使用したとしても、歪ゲージ（２４）で電流リークが発生しないようにすることができる。したがって、高温領域においても安定した圧力検出動作を行うことが可能な圧力センサとすることが可能となる。

例えば、熱可塑性樹脂（２５）を介して、金属ダイアフラム（２２）に歪ゲージ（２４）を接合することができる。

また、ＳＯＩ基板（２６）におけるＳＯＩ層（２６ｃ）に対して第１導伝型不純物をドーピングしたのち、該ＳＯＩ層（２６ｃ）を歪ゲージ（２４）に相当する領域が残るようにパターニングすることで歪ゲージ（２４）を形成することもできる。

また、ＳＯＳ基板（２７）におけるシリコン層（２７ｂ）に対して第１導伝型不純物をドーピングしたのち、該ＳＯＩ層（２６ｃ）を歪ゲージ（２４）に相当する領域が残るようにパターニングすることで歪ゲージ（２４）を形成することもできる。

また、アルミナを下地として歪ゲージ（２４）を配置することができる。この場合、金属製のダイアフラム（２２）をアルミナで構成すれば、該ダイアフラム（２２）の表面に直接歪ゲージ（２４）を接合することも可能となる。勿論、金属ダイアフラム（２２）をアルミナで構成しておき、該金属ダイアフラム（２２）に熱可塑性樹脂（２５）を介して歪ゲージ（２４）が接合されるようにしても良い。

また、アルミナ基板（２８）の上に配置したシート状のシリコン層（２９）に対して第１導伝型不純物をドーピングしたのち、該シリコン層（２９）を歪ゲージ（２４）に相当する領域が残るようにパターニングすることで歪ゲージ（２４）を形成することもできる。

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ものである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本実施形態の圧力センサ１００の全体の概略断面構成を示す図である。また、図２は、図１の部分拡大図である。

図１に示すように、金属製のハウジング１０とターミナルピン５０を有する樹脂製のコネクタケース６０とが一体に接合されてなるパッケージ１が構成されている。

ハウジング１０は、中空形状の金属製のケースであり、その一端側の外周面には、被測定体にネジ結合可能なネジ部１１が形成されている。このハウジング１０の一端側には、外部からの圧力を開口部１２を介してセンサ内へ導入するための圧力導入孔１３が形成されている。

また、ハウジング１０の圧力導入孔１３には、中空円筒形状に加工された金属製のステム２０が固定されている。ステム２０は、ステム２０の外周面に形成された雄ねじ部２１とハウジング１０の圧力導入孔１３の内周面に形成された雌ねじ部１４とのねじ結合により固定されている。

このステム２０は、その軸一端側にハウジング１０に導入された圧力によって変形可能な薄肉状のダイアフラム２２を有し、軸他端側にダイアフラム２２に通じる開口部２３を有する。

そして、ステム２０の開口部２３とハウジング１０の圧力導入孔１３とが連通された状態にされ、それによって、被測定体の圧力が圧力導入孔１３からステム２０のダイアフラム２２に伝えられるようになっている。

また、このステム２０のダイアフラム２２上には、図２に示すように、ダイアフラム２２の変形に応じた電気信号を出力する検出部としての歪ゲージ２４が固定されている。本実施形態では、熱可塑性樹脂２５を介して歪ゲージ２４がダイアフラム２２の上に熱圧着されることで固定されている。 ここでいう熱可塑性樹脂２５としては、例えば、ＰＥＥＫ（ポリエーテル・エーテル・ケトン）系熱可塑樹性脂などを用いることができる。

歪ゲージ２４は、例えば１０００Å〜数十μｍ程度の厚みのシート状の単結晶Ｓｉ（シリコン）に対して例えばＰ型不純物をドーピングしたのち、エッチングなどによってパターニングして歪ゲージ２４となる領域のみを残すことで形成されている。この歪ゲージ２４は、圧力導入孔１３からステム２０内部に導入された圧力によってダイアフラム２２が変形したとき、この変形に応じた抵抗値の変化を電気信号に変換して出力する検出部として機能するものである。

具体的には、ハウジング１０の圧力導入孔１３からステム２０内に導入された圧力によりダイアフラム２２が変形すると、これに応じてダイアフラム２２上においてホイートストンブリッジ状に設置された歪ゲージ２４が変形する。このとき、この変形によるピエゾ抵抗効果により、歪ゲージ２４の抵抗値が変化する。

したがって、歪ゲージ２４に対して電圧を加え、歪ゲージ２４から抵抗値の変化に応じた電気信号を出力させることで、歪ゲージ２４に加えられた応力、すなわちハウジング１０の圧力導入孔１３からステム２０内に導入された圧力を検出することができる。

基板３０は、ハウジング１０に固定された状態でパッケージ１に収納されている。この基板３０は、歪ゲージ２４から出力された電気信号を受け取り、この電気信号に応じた出力信号を作成するものであり、具体的には、信号変換機能などを有するＩＣチップ３１や、歪ゲージ２４の出力する電気信号の処理を行うと共にそれに応じた出力信号を発生させる信号処理回路、配線パターンなどを備えたものである。

歪ゲージ２４と基板３０とは、ボンディングワイヤ３２で結線されて電気的に接続されている。それによって、歪ゲージ２４の信号が、基板３０に配置された回路およびＩＣチップ３１に入力されるようになっている。

また、バネ部材としてのバネターミナル４０は、基板３０内の上記回路とターミナルピン５０とを電気的に接続するものであり、一枚の金属板の両側が折り曲げられることでバネ状とされている。このバネターミナル４０は、導電接着剤などを介して基板３０に直接接着されるとともに、バネターミナル４０のバネとされる部分がターミナルピン５０の下端部に当接されることによって、基板３０とターミナルピン５０との間における電気的な接続が可能になっている。

ここで、ターミナルピン５０とコネクタケース６０とは、インサート成形などにより一体に固定されている。そして、ターミナルピン５０の上端部が図示しない外部コネクタなどに接続されることで、圧力センサ１００の外部にある相手側回路等へ配線部材を介して電気的に接続されるようになっている。

コネクタケース６０は、圧力センサ１００で検出された圧力値の信号を外部に出力するためのコネクタ、いわゆるケースプラグを為すものである。このコネクタケース６０は、樹脂により成形されている。

そして、図１に示されるように、この圧力センサおいては、ハウジング１０の他端側（図５中の上端側）の端部が、コネクタケース６０の段差部に対してかしめ固定されている。それにより、コネクタケース６０とハウジング１０とは一体化して接合され上記パッケージ１を構成しており、該パッケージ１内部の歪ゲージ２４、基板３０、電気的接続部等が湿気・機械的外力より保護されるようになっている。

なお、コネクタケース６０の外周部とハウジング１０の内周部との間にはＯリング８０が配置され、これらの間のシールが確保されている。

このように構成された本実施形態の圧力センサ１００では、シート状の単結晶Ｓｉに対して例えばＰ型不純物をドーピングしたのち、エッチングなどによってパターニングして歪ゲージ２４となる領域のみを残すことで歪ゲージ２４を形成している。つまり、Ｐ型不純物という単一の導電型の不純物のみによって歪ゲージ２４を構成しており、歪ゲージ２４がＰＮ接合が無い構造となっている。

このため、本実施形態の圧力センサ１００を例えば１５０℃以上もしくは１８０℃以上といった高温領域において使用したとしても、歪ゲージ２４で電流リークが発生しないようにすることができる。したがって、高温領域においても安定した圧力検出動作を行うことが可能な圧力センサ１００とすることが可能となる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態の圧力センサ１００は、第１実施形態に対して歪ゲージ２４近傍の構成を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図３は、本実施形態の圧力センサ１００における歪ゲージ２４の近傍のみを示した部分拡大図である。この図に示すように、本実施形態では、ＳＯＩ（Silicon on insulator）基板２６を用いて歪ゲージ２４を構成している。

具体的には、ＳＯＩ基板２６は、シリコン基板によって構成された支持基板２６ａの表面にシリコン酸化膜２６ｂを介してシリコン層によって構成されるＳＯＩ層２６ｃが備えた構成となっている。このＳＯＩ基板２６におけるＳＯＩ層２６ｃをシート状のシリコン層として使用し、ＳＯＩ層２６ｃに対して例えばＰ型不純物をドーピングしたのち、エッチングなどによってパターニングしてシリコン酸化膜２６ｂを露出させるようにして歪みゲージ２４となる領域のみを残すことで歪ゲージ２４を形成している。

そして、ＳＯＩ基板２６における支持基板２６ａの裏面側とステム２０の表面とを低融点ガラス（図示しない）を介して接合することで、歪ゲージ２４がステム２０に固定された構造となっている。

このような構造としても、Ｐ型不純物という単一の導電型の不純物のみによって歪ゲージ２４を構成しているため、歪ゲージ２４がＰＮ接合が無い構造となっている。このため、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態の圧力センサ１００も、第１実施形態に対して歪ゲージ２４近傍の構成を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図４は、本実施形態の圧力センサ１００における歪ゲージ２４の近傍のみを示した部分拡大図である。この図に示すように、本実施形態では、ＳＯＳ（Silicon on sapphire）基板２７を用いて歪ゲージ２４を構成している。

具体的には、ＳＯＳ基板２７は、サファイア基板２７ａの表面にシリコン層２７ｂが備えた構成となっている。このＳＯＳ基板２７におけるシリコン層２７ｂをシート状のシリコン層として使用し、シリコン層２７ｂに対して例えばＰ型不純物をドーピングしたのち、エッチングなどによってパターニングしてサファイア基板２７ａを露出させるようにして歪ゲージ２４となる領域のみを残すことで歪ゲージ２４を形成している。

そして、サファイア基板２７ａの裏面側とステム２０の表面とを低融点ガラス（図示しない）を介して接合することで、歪ゲージ２４がステム２０に固定された構造となっている。

このような構造としても、Ｐ型不純物という単一の導電型の不純物のみによって歪ゲージ２４を構成しているため、歪ゲージ２４がＰＮ接合が無い構造となっている。このため、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態の圧力センサ１００も、第１実施形態に対して歪ゲージ２４近傍の構成を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図５は、本実施形態の圧力センサ１００における歪ゲージ２４の近傍のみを示した部分拡大図である。この図に示すように、本実施形態では、アルミナ基板２８を用いて歪ゲージ２４を構成している。

具体的には、アルミナ基板２８の表面にシート状のシリコン層２９を配置し、シリコン層２９に対して例えばＰ型不純物をドーピングしたのち、エッチングなどによってパターニングしてアルミナ基板２８を露出させるようにして歪ゲージ２４となる領域のみを残すことで歪ゲージ２４を形成している。

そして、アルミナ基板２８の裏面側とステム２０の表面とを低融点ガラス（図示しない）を介して接合することで、歪ゲージ２４がステム２０に固定された構造となっている。

このような構造としても、Ｐ型不純物という単一の導電型の不純物のみによって歪ゲージ２４を構成しているため、歪ゲージ２４がＰＮ接合が無い構造となっている。このため、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（他の実施形態）
上記実施形態では、第１導電型の不純物としてＰ型不純物を用いて歪ゲージ２４を構成したが、勿論、Ｎ型不純物を用いても構わない。また、歪ゲージ２４をシリコンにて構成したが、他の半導体を用いて構成しても良い。

また、上記実施形態では、ステム２０によってダイアフラム２２を構成し、このステム２０をハウジング１０内に配置した構成としているが、ハウジング１０によってダイアフラム２２を構成しても良い。また、ステム２０の外周をネジ状にしてハウジング１０に固定しているが、ステム２０をハウジング１０に圧入することによってハウジング１０に固定されるようにしても構わない。

また、上記第４実施形態では、アルミナ基板２８を用い、このアルミナ基板２８の表面に歪ゲージ２４を配置している。しかしながら、アルミナは、歪ゲージ２４を直接搭載することが可能な材料であるため、ステム２０自体をアルミナで構成すれば、歪ゲージ２４をステム２０の表面に直接圧着などによって固定することが可能であるため、そのようにすればアルミナ基板２８も不要にすることが可能である。

本発明の実施形態に係る圧力センサ１００の全体概略断面図である。 図１における歪ゲージ２４の近傍の部分拡大図である。 本発明の第２実施形態に係る圧力センサ１００における歪ゲージ２４の近傍の部分拡大図である。 本発明の第３実施形態に係る圧力センサ１００における歪ゲージ２４の近傍の部分拡大図である。 本発明の第４実施形態に係る圧力センサ１００における歪ゲージ２４の近傍の部分拡大図である。

符号の説明

１…パッケージ、１０…ハウジング、２０…ステム、２２…ダイアフラム、２４…歪ゲージ、２５…熱可塑性樹脂、２６…ＳＯＩ基板、２６ａ…支持基板、２６ｂ…シリコン酸化膜、２６ｃ…ＳＯＩ層、２７…ＳＯＳ基板、２７ａ…サファイア基板、２７ｂ…シリコン層、２８…アルミナ基板、２９…シリコン層、３０…基板、３２…ボンディングワイヤ、４０…バネターミナル、５０…ターミナルピン、６０…コネクタケース、１００…圧力センサ。

Claims (7)

1. 金属製のダイアフラム（２２）と、
   第１導伝型不純物をドーピングしたシート状の半導体層をパターニングすることで構成された第１導電型半導体のみによって構成され、前記金属ダイアフラム（２２）に接合される歪ゲージ（２４）と、
   前記歪ゲージ（２４）に対して電圧を印加したときに、前記歪ゲージ（２４）の電気信号を受け取り、この電気信号に応じた出力信号を発生させる信号処理回路が備えられた基板（３０）と、を備えていることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記歪ゲージ（２４）は、前記金属ダイアフラム（２２）に熱可塑性樹脂（２５）を介して接合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。
3. 前記歪ゲージ（２４）は、ＳＯＩ基板（２６）におけるＳＯＩ層（２６ｃ）に対して前記第１導伝型不純物をドーピングしたのち、該ＳＯＩ層（２６ｃ）を前記歪ゲージ（２４）に相当する領域が残るようにパターニングすることで形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。
4. 前記歪ゲージ（２４）は、ＳＯＳ基板（２７）におけるシリコン層（２７ｂ）に対して前記第１導伝型不純物をドーピングしたのち、該シリコン層（２７ｂ）を前記歪ゲージ（２４）に相当する領域が残るようにパターニングすることで形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。
5. 前記金属ダイアフラム（２２）はアルミナで構成されており、該金属ダイアフラム（２２）の表面に直接前記歪ゲージ（２４）が接合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。
6. 前記歪ゲージ（２４）は、アルミナ基板（２８）の上に配置したシート状のシリコン層（２９）に対して前記第１導伝型不純物をドーピングしたのち、該シリコン層（２９）を前記歪ゲージ（２４）に相当する領域が残るようにパターニングすることで形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。
7. 前記金属ダイアフラム（２２）はアルミナで構成されており、該金属ダイアフラム（２２）に熱可塑性樹脂（２５）を介して前記歪ゲージ（２４）が接合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。
   

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