JP2016011889A - 物理量検出装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】物理量検出装置は、空洞部3を有する基板2に濃度検出素子と圧力検出素子とを集積化した物理量検出装置において、圧力検出素子と濃度検出素子を同一層の絶縁膜4a、4b、4cを含む支持膜5上に設けたものである。すなわち、圧力検出素子を支持する支持膜5と濃度検出素子を支持する支持膜5に共通膜を設ける構造である。
【選択図】図2
Description
Ph=λ(Th-Ts)
である。λは発熱体6から周囲の空気への熱伝達係数であり湿度によって変化する。このことからTh-Tsを一定に保持すれば湿度に応じた消費電力Phとなる。ここで、発熱体6の抵抗値をRhとすると、発熱体6の印加電圧をVhは、
Vh=√(Rh λ(Th-Ts))
である。抵抗Rhは温度特性の他に、応力によって抵抗が変化するひずみ抵抗変化が同時に発生する。そのため、温度による抵抗変化であるか、ひずみ抵抗変化によるものであるが判別ができない。このため、発熱体6が形成された支持膜5の撓みによって発熱体6の抵抗値Rhが変化し、湿度計測における誤差となる。そこで、支持膜5の撓みによるRhの変化を検出し補正することが必要になる。
上式において、Kgはゲージ抵抗体8のひずみ抵抗変化の係数(ゲージ率)、Khは発熱体6のゲージ率である。ygは図9の<A>に示すように応力中心軸からのゲージ抵抗体8までの距離、yhは図9の<B>に示すように応力中心軸からの発熱体6までの距離である。Lは空洞部の大きさ、Eは支持膜5のヤング率、Izは支持膜5の慣性モーメントである。Xgは空洞部端部からゲージ抵抗体8の距離、Xhは空洞部端部から発熱体6の距離である。
となる。上式において、Xg、Xh、Lは固定値であるため、ゲージ抵抗体8,9の抵抗変化率ΔRg/Rgに係数を掛けることによって簡易に発熱体の抵抗変化ΔRh/Rhを求めることができる。
熱式湿度センサの駆動回路は、発熱体6と発熱体7に対して加熱電流を供給し、発熱体6を第一の温度T1に制御し、且つ発熱体7を第一の温度よりも低温である第二の温度T2に制御する。T1、T2としては、たとえばT1=500℃、T2=300℃が選ばれる。
第三のブリッジ回路21は、ゲージ抵抗体8、9と参照抵抗体10、11が含まれる。ゲージ抵抗体8と参照抵抗体10が直列接続された直列回路と、参照抵抗体11とゲージ抵抗体9が直列接続された直列回路とを並列に接続して構成される。空気の圧力変化により空洞部3上の支持膜5が撓み、ゲージ抵抗体8、9に変形が生じる。ゲージ抵抗体8、9は変形によりひずみ抵抗変化が発生し、参照抵抗体10、11は空洞部の外側の基板2上に形成されているため抵抗変化が生じない。したがって、ブリッジ回路21の抵抗バランスが変化し空洞部3上の支持膜5の撓みに応じた電圧VPが得られる。
上式において、Kgはゲージ抵抗体8のひずみ抵抗変化の係数(ゲージ率)、Khは発熱体6のゲージ率である。ygは図10の<A>に示すように応力中心軸からのゲージ抵抗体8までの距離、yhは図10の<B>に示すように応力中心軸からの発熱体6までの距離である。LAは空洞部3bの大きさ、LBは空洞部3aの大きさ、Eは支持膜5のヤング率、Izは支持膜5の慣性モーメントである。Xgは空洞部3b端部からゲージ抵抗体8の距離、Xhは空洞部3a端部から発熱体6の距離である。
上式において、Xg、Xh、LA、LBは固定値であるため、ゲージ抵抗体8,9の抵抗変化率ΔRg/Rgに係数を掛けることによって簡易に発熱体の抵抗変化ΔRh/Rhを求めることができる。
23…センサモジュール、24…吸気通路、25…ハウジング、26…吸気、27…計測室、
28…連通路、29…センサパッケージ、30a〜30f…リードフレーム、31…半導体チップ、32…封止樹脂、
Claims (10)
- 空洞部を有する半導体基板と、
前記空洞部を覆うように前記半導体基板上に設けられる絶縁材料からなる支持膜と、
前記支持膜上であって前記空洞部を覆う領域に設けられるゲージ抵抗体と、
前記支持膜上に設けられる湿度検出素子と、を備えることを特徴とする物理量検出装置。 - 前記支持膜上であって前記空洞部を覆う領域外に設けられ、前記ゲージ抵抗体と同一材料で形成された参照抵抗体と、を備え、
前記ゲージ抵抗体と前記参照抵抗体とを有するブリッジ回路を構成することを特徴とする請求項1に記載の物理量検出装置。 - 前記ゲージ抵抗体は前記領域内に2つ形成され、前記参照抵抗体は前記領域外に2つ形成され、前記2つのゲージ抵抗体と前記2つの参照抵抗体によりホイーストンブリッジを構成することを特徴とする請求項1に記載の物理量検出装置。
- 前記湿度検出素子は発熱体を有し、前記発熱体の放熱量から気体の濃度を検出することを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載の物理量検出装置。
- 前記湿度検出素子は、前記発熱体の周辺に、該発熱体の加熱温度よりも低い温度に加熱される補助発熱体を有することを特徴とする請求項5に記載の物理量検出装置。
- 前記発熱体は、前記領域内の前記ゲージ抵抗体よりも内側に設けられることを特徴とする請求項4に記載の物理量検出装置。
- 前記Si基板は第二の空洞部を有し、前記支持膜は該第二の空洞部も覆うように設けられ、
前記発熱体は、前記支持膜の前記第二の空洞部を覆う第二の領域に設けられることを特徴とする請求項4に記載の物理量検出装置。 - 前記領域の短辺は、前記第二の領域の短辺よりも短いことを特徴とする請求項7に記載の物理量検出装置。
- 前記発熱体と前記歪ゲージとが同一の金属材料により構成されていることを特徴とする請求項4に記載の物理量検出装置。
- 前記ブリッジから得られる信号に基づいて前記湿度検出素子から得られる信号を補正する信号処理部を設けたことを特徴とする請求項9に記載の物理量検出装置。
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