JP2017120213A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】ひずみゲージが形成された半導体チップの小型化と高感度化を両立した圧力センサを提供する。【解決手段】本発明に係る圧力センサ（１０１）は、平面視円形状のダイアフラム（３）と、ひずみゲージが形成された半導体チップ（１）と、第２主面に加わる圧力よりも大きな圧力が第１主面に加わったときにダイアフラムが変形する第２主面の領域に垂設されて、半導体チップを支持する第１構造体および第２構造体（６ａ〜６ｉ）とを有し、第１構造体の一端と第２構造体の一端とは、ダイアフラムの径方向に沿って互いに離間して第２主面に接合され、第１構造体の他端と第２構造体の他端とは、互いに離間して半導体チップに接合され、第２主面上における第１構造体の一端と第２構造体の一端との間隔（Ｌ２）は、半導体チップに固定された第１構造体の他端と第２構造体の他端との間隔（Ｌ１）よりも大きいことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、圧力センサに関し、例えばサニタリー用圧力センサに関する。

一般に、流体の圧力を検出する圧力センサが衛生的な配慮が必要な食品や医薬品等の製造現場等で用いられるサニタリー用圧力センサとして認められるためには、耐食性、清浄性、信頼性、および汎用性等に関する厳しい要件を満足しなければならない。

例えば、耐食性として、サニタリー用圧力センサは、圧力の測定対象の流体（例えば液体）が接触する接液部分にステンレス鋼（ＳＵＳ）、セラミックス、およびチタン等の耐食性の高い材料を用いなければならない。また、清浄性として、サニタリー用圧力センサは、洗浄しやすいフラッシュダイアフラム構造を有し、且つ蒸気洗浄に対する高い耐熱衝撃性を有していなければならない。また、信頼性として、サニタリー用圧力センサは、封入剤を使用しない構造（オイルフリー構造）、およびダイアフラムが破れ難い構造（バリア高剛性）を有していなければならない。更に、汎用性として、サニタリー用圧力センサは、測定対象の流体が流れる配管との接続部分が継手形状でなければならない。

このように、サニタリー用圧力センサは、使用する材料や構造が他の圧力センサに比べて制限されるため、高感度化が容易ではない。例えば、ダイアフラムが破れ難い構造を実現するためには、ダイアフラムの膜厚を大きくする（ダイアフラムの厚みに対する径のアスペクト比を小さくする）必要があるが、一般に、ダイアフラムの膜厚を大きくするとダイアフラムの変形量が微小となり、センサ感度が低下するという問題がある。そのため、サニタリー用圧力センサでは、ダイアフラムの微小な変形を精度良く検出する技術が求められている。

例えば、特許文献１，２には、拡散抵抗から成るひずみゲージが形成されたＳｉ等の半導体チップ（ビーム部材）に、ダイアフラムの中心部分の変位のみを伝達し、上記半導体チップの歪に基づくピエゾ抵抗効果による拡散抵抗の抵抗値の変化を検出することでセンサの高感度化を狙った荷重変換型の圧力センサが開示されている。

具体的に、特許文献１、２に開示された従来の荷重変換型の圧力センサでは、半導体チップの中心部分をダイアフラムの中心部分において支持するとともに、上記半導体チップの両端を実質的に変動しない位置に固定している。例えば、特許文献１では、短冊状の半導体チップの中心をピボットと呼ばれる棒状部材によってダイアフラムの中心において支持するとともに、半導体チップの両端を、絶縁架台を介してダイアフラムの外周縁に形成された厚肉部分に固定している。また、特許文献２では、矩形状の半導体チップの中心をダイアフラムの中心に固定するとともに、半導体チップの両端を変動しない台座上に固定している。

特開２００４−４５１４０号公報 特開昭６３−２１７６７１号公報

上記特許文献１，２に開示された圧力センサのように、半導体チップの中心部分をダイアフラムの中心において支持するとともに、半導体チップの両端を実質的に変動しない位置に固定することにより、ダイアフラムが撓んだときのダイアフラムの中心部分の大きな変位を半導体チップに効率よく伝達することができるので、センサの高感度化が可能になる。

しかしながら、上記の圧力センサでは、半導体チップのサイズが大きくなるという課題がある。例えば、特許文献１に開示された圧力センサの場合、円形のダイアフラムの外周縁に厚肉部を形成し、その上に短冊状の半導体チップの両端を固定している。そのため、例えば配管と接続される圧力センサの継手の径を大きくした場合、ダイアフラムの径も大きくなるので、それに応じて半導体チップを長くしなければならず、チップサイズが大きくなるという問題があった。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、ひずみゲージが形成された半導体チップの小型化と高感度化を両立した圧力センサを提供することにある。

本発明に係る圧力センサ（１０１〜１０７，１０１Ａ〜１０１Ｅ）は、測定対象の流体の圧力（Ｐ）を受ける第１主面（３Ａ）と、第１主面の反対側の第２主面（３Ｂ）とを有する平面視円形状のダイアフラム（３）と、ひずみゲージを構成する複数の抵抗が形成された半導体チップ（１）と、第２主面に加わる圧力よりも大きな圧力が第１主面に加わったときにダイアフラムが変形する第２主面の領域に垂設されて、半導体チップを支持する第１構造体および第２構造体（６ａ〜６ｉ）とを有し、第１構造体の一端と第２構造体の一端とは、ダイアフラムの径方向に沿って互いに離間して第２主面に接合され、第１構造体の他端と第２構造体の他端とは、互いに離間して半導体チップに接合され、第２主面上における第１構造体の一端と第２構造体の一端との間隔（Ｌ２）は、半導体チップに固定された第１構造体の他端と第２構造体の他端との間隔（Ｌ１）よりも大きいことを特徴とする。

上記圧力センサ（１００）において、第１構造体は、平面視でダイアフラムと同心円状に設けられ、第２主面から垂直方向に突出した第１台座（５ａ）と、一端が第１台座上に接合され、他端が第２構造体に近づく方向に延伸して半導体チップに接合された絶縁材料から成る第１支持部材（２ａ）とを含み、第２構造体は、平面視でダイアフラムと同心円状に設けられ、第１台座と異なる半径を有し、第２主面から垂直方向に突出した第２台座（５ｂ）と、一端が第２台座に接合され、他端が半導体チップに接合された絶縁材料から成る第２支持部材（２ｂ）とを含んでもよい。

なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の参照符号を括弧を付して記載している。

以上説明したことにより、本発明によれば、ひずみゲージが形成された半導体チップの小型化と高感度化を両立した圧力センサを実現することができる。

図１は、実施の形態１に係る圧力センサの構成を示す斜視断面図である。 図２は、実施の形態１に係る圧力センサの構成を示す平面図である。 図３は、実施の形態１に係る圧力センサの構成を示す断面図である。 図４は、図３におけるダイアフラムと半導体チップとの間の接合部分を拡大した図である。 図５は、実施の形態１に係る圧力センサにおいて、ダイアフラムが変形したときの支持部材および半導体チップの変位を模式的に示す図である。 図６は、実施の形態１に係る圧力センサの比較例としての圧力センサにおいて、ダイアフラムが変形したときの支持部材および半導体チップの変位を模式的に示す図である。 図７は、実施の形態１に係る圧力センサの比較例として、２つの支持部材をダイアフラムの支持面に垂直方向にのみ延伸させた構造を有する圧力センサを示す図である。 図８は、実施の形態２に係る圧力センサの構成を示す斜視断面図である。 図９は、実施の形態２に係る圧力センサの構成を示す平面図である。 図１０は、実施の形態２に係る圧力センサの構成を示す断面図である。 図１１は、実施の形態３に係る圧力センサの構成を示す斜視断面図である。 図１２は、実施の形態３に係る圧力センサの構成を示す平面図である。 図１３は、実施の形態３に係る圧力センサの構成を示す断面図である。 図１４は、実施の形態４に係る圧力センサの構成を示す斜視断面図である。 図１５は、実施の形態４に係る圧力センサの構成を示す平面図である。 図１６は、実施の形態４に係る圧力センサの構成を示す断面図である。 図１７は、実施の形態５に係る圧力センサの構成を示す斜視断面図である。 図１８は、実施の形態５に係る圧力センサの構成を示す平面図である。 図１９は、実施の形態５に係る圧力センサの構成を示す断面図である。 図２０は、実施の形態６に係る圧力センサの構成を示す斜視断面図である。 図２１は、実施の形態６に係る圧力センサの構成を示す平面図である。 図２２は、実施の形態６に係る圧力センサの構成を示す断面図である。 図２３は、実施の形態７に係る圧力センサの構成を示す斜視断面図である。 図２４は、実施の形態７に係る圧力センサの構成を示す平面図である。 図２５は、実施の形態７に係る圧力センサの構成を示す断面図である。 図２６は、支持部材の形状の一例を示す図である。 図２７は、支持部材の形状の一例を示す図である。 図２８は、支持部材の形状の一例を示す図である。 図２９は、支持部材の形状の一例を示す図である。 図３０は、支持部材の形状の一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。なお、以下の説明において、各実施の形態において共通する構成要素には同一の参照符号を付し、繰り返しの説明を省略する。

≪実施の形態１≫
図１〜３は、実施の形態１に係る圧力センサの構成を示す図である。
図１には、実施の形態１に係る圧力センサ１００の斜視断面構造（９０度断面）が示され、図２には、図１のＺ方向から見たときの圧力センサ１００の平面構造が示され、図３には、図２のＡ−Ａ断面における圧力センサ１００の断面構造が示されている。

図１〜３に示される圧力センサ１００は、測定対象の流体の圧力によってダイアフラムが撓んだときのダイアフラムの変位を、ひずみゲージが形成された半導体チップに伝達することにより、上記流体の圧力を検知する装置である。

具体的に、圧力センサ１００は、半導体チップ１、構造体６ａ，６ｂ、ダイアフラム３、およびハウジング４から構成されている。なお、図１〜３には、圧力センサ１００におけるダイアフラム３の撓みを半導体チップ１に伝達する機構が図示されており、半導体チップ１から出力される信号を処理する回路等のその他の機能部については図示を省略している。また、圧力センサ１００は、検知した圧力の値等の各種情報をユーザに提示するための表示部（例えば液晶ディスプレイ）等を更に有していてもよい。

半導体チップ１、ダイアフラム３、および構造体６ａ，６ｂは、耐食性の高い金属材料から成るハウジング４に収容されている。ハウジング４は、図１〜３に示されるように、筒状に形成され、一方の端部４Ａが測定対象の流体が流れる配管と接続するための継手形状を有している。ハウジング４の内部は、例えば空気で満たされており、内壁４Ｂ側の圧力は例えば大気圧である。

半導体チップ１は、平面視矩形状に形成され、Ｓｉ等の半導体基板から構成されている。半導体チップ１には、半導体チップ１の応力によって発生するひずみを抵抗値の変化として検知するひずみゲージが形成されている。上記ひずみゲージは、例えば、半導体チップ１に形成された４つの抵抗（例えば拡散抵抗）から成るブリッジ回路によって構成されている。圧力センサ１００では、上記ブリッジ回路に一定の電流を流した状態において、半導体チップ１の内部に発生した応力による上記抵抗の抵抗値の変化を電圧の変化として検出することにより、測定対象の流体の圧力を測定することができる。

ダイアフラム３は、測定対象の流体の圧力を受けるとともに、半導体チップ１および構造体６ａ，６ｂを支持する膜である。ダイアフラム３は、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、セラミックス、およびチタン等の耐食性の高い材料によって構成され、例えば平面視円形状に形成されている。

ダイアフラム３は、ハウジング４の端部４Ａ側に固定され、ハウジング４の端部４Ａの開口部分を塞いでいる。例えば、ダイアフラム３は、その外周縁がハウジング４の端部４Ａ側の内壁４Ｂと隙間なく接合されている。

ダイアフラム３は、測定対象の流体と接する受圧面（接液面）３Ａと、受圧面３Ａの反対側の面であって半導体チップ１および構造体６ａ，６ｂを支持する支持面３Ｂとを有している。ダイアフラム３は、測定対象の流体から、支持面３Ｂに加わる圧力（例えば大気圧）よりも大きな圧力が受圧面３Ａに加わることにより、撓む。

構造体６ａ，６ｂは、ダイアフラム３の支持面３Ｂにおいて半導体チップ１を支持する。構造体６ａ，６ｂは、支持面３Ｂに加わる圧力よりも大きな圧力が受圧面３Ａに加わったときにダイアフラム３が変形する支持面３Ｂ上の領域に垂設され、ダイアフラム３の径方向に並んで固定されている。

図１〜３に示すように、構造体６ａの一端と構造体６ｂの一端とは、ダイアフラム３の径方向に沿って互いに離間して支持面３Ｂ上に接合され、構造体６ａの他端と構造体６ｂの他端とは、互いに離間して半導体チップ１に接合されている。より具体的には、構造体６ａ，６ｂの夫々の一端は、平面視でダイアフラムの中心３０から離れるダイアフラムの径方向に沿って互いに離間して第２主面３Ｂに接合され、構造体６ａ，６ｂの夫々の他端は、互いに離間して半導体チップ１に接合されている。
以下、構造体６ａ，６ｂについて詳細に説明する。

図４は、図３におけるダイアフラムと半導体チップとの間の接合部分を拡大した図である。
図４に示すように、構造体６ａの半導体チップ１と接合される端部と構造体６ｂの半導体チップ１と接合される端部とのダイアフラム３の径方向の距離Ｌ１は、構造体６ａのダイアフラム３と接合される端部と構造体６ｂのダイアフラム３と接合される端部とのダイアフラム３の径方向の距離Ｌ２よりも短い。

換言すれば、ダイアフラム３の径方向（Ｘ軸方向）において、構造体６ａの半導体チップ１との接合面６１は、構造体６ａのダイアフラム３との接合面６０よりも構造体６ｂに近い位置に配置されている。

図１〜３に示すように、構造体６ａは、台座５ａと支持部材２ａとから構成され、構造体６ｂは、台座５ｂと支持部材２ｂとから構成されている。

台座５ａ，５ｂ（総称する場合には、「台座５」と表記する。）は、ダイアフラム３の支持面３Ｂにおいて支持部材２ａ，２ｂを支えるための部材（架台）である。台座５は、平面視でダイアフラム３と同心円状に設けられ、支持面３Ｂから垂直方向に突出した形状を有し、例えばダイアフラム３と一体形成されている。

図２に示されるように、台座５ａ，５ｂは、ダイアフラム３と同心円状に形成されている。より具体的には、台座５ａは、ダイアフラム３の中心３０を中心点とするリング状に形成され、台座５ｂは、ダイアフラム３の中心３０を中心点とし、台座５ａよりも大きい半径を有するリング状に形成されている。台座５ａ，５ｂは、それらの軸が支持面３Ｂと垂直になるように、支持面３Ｂに固定されている。

支持部材２ａ，２ｂ（総称する場合には、「支持部材２」と表記する。）は、ダイアフラム３上で半導体チップ１を支持する柱として機能する。支持部材２は、電気的な絶縁性を有する材料によって構成されている。より好ましくは、支持部材２は、電気的な絶縁性を有し、且つ熱伝導率のより小さい材料によって構成されている。支持部材２の材料としては、ガラス（例えばホウケイ酸ガラス（パイレックス、登録商標））を例示することができる。

支持部材２ａは、一端が台座５ａ上に接合され、他端が構造体６ａに近づく方向に延伸して半導体チップ１の一方の端部に接合されている。具体的には、図３に示すように、支持部材２ａは、例えばＬ字状に形成されており、そのＬ字状の一方の端部が台座５ａに接合され、他方の端部が半導体チップ１に接合されている。

ここで、支持部材２ａは、ダイアフラム３が撓んだときに、歪まない程度の剛性を有している。例えば、図１，３には、Ｌ字状の支持部材２ａの長手部分のＺ軸方向の厚みを短手部分のＸ軸方向の厚みよりも大きくすることによって、支持部材２ａの剛性を確保する場合が例示されている。なお、支持部材２ａが、ダイアフラム３が撓んだときに歪まない程度の剛性を確保することができるのであれば、支持部材２ａの厚み等は図１，３に限定されるものではない。

支持部材２ｂは、一端が台座５ｂ上に接合され、他端が半導体チップ１の他方の端部に接合されている。支持部材２ｂは、例えば角柱状（例えば四角柱状）に形成され、支持部材２ａの中心軸が支持面３Ｂ（Ｘ−Ｙ平面）に対して垂直となるように台座５ａに固定（垂設）されている。

支持部材２ａ，２ｂと半導体チップ１および台座５ａ，５ｂとの間の接合には、例えば接着剤が用いられている。

なお、図４には、半導体チップ１における支持部材２ａ，２ｂとの接合部分が、半導体チップ１の他の部分に比べてＺ軸方向に厚肉状に形成されている場合が例示されているが、上記接合部分は上記他の部分と同じ厚さであってもよい。

次に、実施の形態１に係る圧力センサ１００の動作原理について説明する。
図５は、圧力センサ１００において、ダイアフラム３が変形したときの支持部材２および半導体チップ１の変位を模式的に示す図であり、図６は、圧力センサ１００の比較例としてリング状の台座５を設けていない構成の圧力センサにおいて、ダイアフラム３が変形したときの支持部材２および半導体チップ１の変位を模式的に示す図である。

先ず、図６に示すように、支持部材２ａ，２ｂを、ダイアフラム３の同心円の上にリング状の台座を設けずに直接固定した場合、流体からの圧力Ｐによってダイアフラム３が変形したとき、支持部材２ａ，２ｂは、ダイアフラム３に対して垂直な状態を保ったまま傾く。すなわち、支持部材２ａと支持部材２ｂは共に、ダイアフラム３の変形に応じて、Ｚ軸方向のみならず、Ｘ軸方向にも変位が生じる。これにより、ダイアフラム３の変位が半導体チップ１に適切に伝達されず、半導体チップ１には、ほとんどひずみが生じない。

これに対し、実施の形態１に係る圧力センサ１００によれば、図５に示すように、流体からの圧力Ｐによってダイアフラム３が変形したとき、台座５ａ，５ｂとダイアフラム３との接合部分の剛性により、台座５ａ，５ｂがＺ軸に対してほとんど傾くことなく、Ｚ軸方向にのみ変位する。その結果、支持部材２ａ，２ｂには、主に、ダイアフラム３の中心からの距離に応じたダイアフラム３のＺ軸方向の変位が伝達され、Ｘ軸方向の変位はほとんど伝達されない。これにより、半導体チップ１にひずみが生じ、半導体チップ１の内部に引張応力が生じる。半導体チップ１における上記引張応力が生じる領域に、上述したひずみゲージ（ブリッジ回路）を構成する複数の抵抗を適切に形成しておくことにより、測定対象の流体の圧力を高精度に検知することが可能となる。

ここで、台座５ａ，５ｂにおけるダイアフラム３との接合面の幅（リングの径方向の長さ）が大きくなるほど、ダイアフラム３の変形が阻害されてセンサ感度が低下する。その一方で、上記幅が狭くなるほど、台座５ａ，５ｂとダイアフラム３との接合部分の剛性が小さくなり、台座５ａ，５ｂがダイアフラム３の変形に対してＸ軸方向へ傾きやすくなるとともに、支持部材２ａ，２ｂとの間の接着強度が低下してしまう。したがって、上記幅は、要求されるセンサ感度や接着強度を考慮して適宜する必要がある。

以上、実施の形態１に係る圧力センサ１００によれば、ダイアフラム３の支持面３Ｂに設けたダイアフラム３と同心円状の台座５ａ，５ｂに支持部材２ａ，２ｂを夫々固定し、支持部材２ａ，２ｂによって半導体チップ１を支持することにより、支持部材２ａと支持部材２ｂとの間のＺ軸方向の変位差に応じた引張応力を半導体チップ１の内部に効率よく発生させることができる。これにより、センサ感度の高い圧力センサを実現することが可能となる。

また、圧力センサ１００によれば、半導体チップ１の両端部を支持する支持部材２ａ，２ｂをダイアフラム３が変形する領域に固定しているので、従来の荷重変換型の圧力センサのように、実質的に変動しない位置、すなわちダイアフラム３が変形する部分よりも外側の位置に支持部材２ａ，２ｂを固定する場合に比べて、半導体チップ１のチップサイズを小さくすることができる。

特に、圧力センサ１００によれば、図４に示したように、構造体６ａの半導体チップ１と接合される端部と構造体６ｂの半導体チップ１と接合される端部とのダイアフラム３の径方向の距離Ｌ１が、構造体６ａのダイアフラム３と接合される端部と構造体６ｂのダイアフラム３と接合される端部とのダイアフラム３の径方向の距離Ｌ２よりも短いので、半導体チップのチップサイズを更に小さくすることができる。

例えば、図７に示す圧力センサ１００の比較例のように、半導体チップ１を支持する支持部材２ａ，２ｂをダイアフラム３の支持面３Ｂに対して垂直方向にのみ延伸した形状とした場合、半導体チップ１の長手方向の長さは、支持部材２ａ，２ｂ間の距離Ｌ２によって決まる。これに対し圧力センサ１００のように、一方の支持部材２ａを、支持面３Ｂに対して垂直方向にのみならず、他方の支持部材２ｂに近づく方向に延伸した形状とすることにより、支持部材２ａ，２ｂ間の距離に依らず、半導体チップ１の長手方向の長さを決めることが可能となる。

以上のように、実施の形態１に係る圧力センサ１００によれば、半導体チップの小型化と高感度化を両立することが可能となる。

≪実施の形態２≫
図８〜１０は、実施の形態２に係る圧力センサの構成を示す図である。
図８には、実施の形態２に係る圧力センサ１０１の斜視断面構造（９０度断面）が示され、図９には、図８のＺ方向から見たときの圧力センサ１０１の平面構造が示され、図１０には、図９のＡ−Ａ断面における圧力センサ１０１の断面構造が示されている。

実施の形態２に係る圧力センサ１０１は、２つの構造体の双方がＬ字状に形成されている点において、実施の形態１に係る圧力センサ１００と相違し、その他の点においては、実施の形態１に係る圧力センサ１００と同様である。

具体的に、図８〜１０に示されるように、構造体６ｃは、台座５ｂと支持部材２ｃとから構成されている。

支持部材２ｃは、支持部材２ａと同様に絶縁材料から構成され、一端が台座５ｂ上に接合され、他端が構造体６ａに近づく方向に延伸して半導体チップ１の一方の端部に接合されている。具体的には、図８，１０に示すように、支持部材２ｃは、支持部材２ａと同様にＬ字状に形成されており、そのＬ字状の一方の端部が台座５ｃに接合され、他方の端部が半導体チップ１に接合されている。

ここで、支持部材２ｃは、支持部材２ａと同様に、ダイアフラム３が撓んだときに歪まない程度の剛性を有している。例えば、支持部材２ａと同様に、Ｌ字状の支持部材２ｃの長手部分のＺ軸方向の厚みを短手部分のＸ軸方向の厚みよりも大きくしている。

実施の形態２に係る圧力センサ１０１によれば、流体からの圧力によってダイアフラム３が変形したとき、実施の形態１の圧力センサ１００と同様に、支持部材２ａ，２ｃがダイアフラム３の中心からの距離に応じてＺ軸方向に夫々変位するので、支持部材２ａと支持部材２ｃとの間のＺ軸方向の変位差に応じた引張応力を半導体チップ１の内部に発生させることができる。

また、圧力センサ１０１によれば、２つの支持部材２ａ，２ｃが互いに近づく方向に延伸した形状を有していることから、半導体チップの長手方向の長さを更に短くすることができ、半導体チップの更なる小型化が可能となる。

以上、実施の形態２に係る圧力センサ１０１によれば、半導体チップの更なる小型化と高感度化を両立することが可能となる。

≪実施の形態３≫
図１１〜１３は、実施の形態３に係る圧力センサの構成を示す図である。
図１１には、実施の形態３に係る圧力センサ１０２の斜視断面構造（９０度断面）が示され、図１２には、図１１のＺ方向から見たときの圧力センサ１０２の平面構造が示され、図１３には、図１２のＡ−Ａ断面における圧力センサ１０２の断面構造が示されている。

実施の形態３に係る圧力センサ１０２は、２つの台座のうち内側ではなく外側の台座に接合される支持部材がＬ字状に形成される点において、実施の形態１に係る圧力センサ１０１と相違し、その他の点においては、実施の形態１に係る圧力センサ１００と同様である。

具体的に、図１１〜１３に示されるように、構造体６ｄは、台座５ａと支持部材２ｄとから構成され、構造体６ｃは、台座５ｂと支持部材２ｃとから構成されている。
支持部材２ｄは、支持部材２ａと同様に絶縁材料から構成され、一端が台座５ａ上に接合され、他端が半導体チップ１の一方の端部に接合されている。支持部材２ｄは、例えば角柱状（例えば四角柱状）に形成され、支持部材２ｄの中心軸が支持面３Ｂ（Ｘ−Ｙ平面）に対して垂直となるように台座５ａに固定されている。

支持部材２ｃは、上述したようにＬ字状に形成されており、そのＬ字状の一方の端部が台座５ｂに接合され、他方の端部が半導体チップ１に接合されている。

実施の形態３に係る圧力センサ１０２によれば、実施の形態１の圧力センサ１００と同様に、流体からの圧力に基づくダイアフラム３の変形に応じた引張応力を半導体チップ１の内部に発生させることができ、且つ半導体チップの長手方向の長さを短くすることができるので、半導体チップの小型化と高感度化を両立することが可能となる。

≪実施の形態４≫
図１４〜１６は、実施の形態４に係る圧力センサの構成を示す図である。
図１４には、実施の形態４に係る圧力センサ１０３の斜視断面構造（９０度断面）が示され、図１５には、図１４のＺ方向から見たときの圧力センサ１０３の平面構造が示され、図１６には、図１５のＡ−Ａ断面における圧力センサ１０３の断面構造が示されている。

実施の形態４に係る圧力センサ１０３は、２つの支持部材のうち一方の支持部材のみが台座に固定されている点において、実施の形態１に係る圧力センサ１００と相違し、その他の点においては、実施の形態１に係る圧力センサ１００と同様である。

具体的に、図１４〜１６に示されるように、構造体６ｆは、支持部材２ｆから構成されている。支持部材２ｆは、一端が支持面３Ｂにおける台座５ａよりも外側の領域に接合され、他端が支持面３Ｂと略垂直な方向に延伸して半導体チップ１の他方の端部に接合されている。支持部材２ｆは、支持部材２ａと同様に絶縁材料から構成され、例えば角柱状（例えば四角柱状）に形成されている。

実施の形態４に係る圧力センサ１０３において、流体からの圧力によってダイアフラム３が変形したとき、実施の形態１の圧力センサ１００と同様に、支持部材２ａは、Ｘ軸方向にはほとんど変位せず、主にＺ軸方向にのみ変位する。一方、支持部材２ｆは、台座を介さずに支持面３Ｂに直接固定されているため、支持面３Ｂに垂直な状態を保ったまま傾く。すなわち、支持部材２ｆは、上述した図６のように、ダイアフラム３の中心３０から離れる方向に傾き、Ｚ軸方向のみならず、Ｘ軸方向にも変位が生じる。

このように、圧力センサ１０３によれば、流体からの圧力によってダイアフラム３が変形したとき、支持部材２ａがダイアフラム３の中心からの距離に応じてＺ軸方向に変位する一方、支持部材２ｆがダイアフラム３の中心からの距離に応じてＸ軸方向、およびＺ軸方向に変位するので、支持部材２ａと支持部材２ｆとの間のＸ軸方向、およびＺ軸方向の夫々の変位差に応じた引張応力を半導体チップ１の内部に発生させることができる。

したがって、実施の形態４に係る圧力センサ１０３によれば、実施の形態１の圧力センサ１００と同様に、流体からの圧力に基づくダイアフラム３の変形に応じた引張応力を半導体チップ１の内部に発生させることができ、且つ半導体チップの長手方向の長さを短くすることができるので、半導体チップの小型化と高感度化を両立することが可能となる。

≪実施の形態５≫
図１７〜１９は、実施の形態５に係る圧力センサの構成を示す図である。
図１７には、実施の形態５に係る圧力センサ１０４の斜視断面構造（９０度断面）が示され、図１８には、図１７のＺ方向から見たときの圧力センサ１０４の平面構造が示され、図１９には、図１８のＡ−Ａ断面における圧力センサ１０２の断面構造が示されている。

実施の形態５に係る圧力センサ１０４は、２つの台座のうち外側の台座がリング状でない点において、実施の形態３に係る圧力センサ１０２と相違し、その他の点においては、実施の形態３に係る圧力センサ１０２と同様である。

具体的に、図１７〜１９に示されるように、構造体６ｄは、台座５ａと支持部材２ｄとから構成され、構造体６ｇは、台座５ｇと支持部材２ｃとから構成されている。

台座５ｇは、支持面３Ｂにおける台座５ａよりも外側の領域に接合されている。台座５ｇは、リング状ではなく、例えば角柱状（例えば四角柱状）に形成されている。具体的に、台座５ｇは、その中心軸が支持面３Ｂと垂直となるように支持面３Ｂ上に固定されている。台座５ｇは、ダイアフラム３と一体形成されていてもよい。
支持部材２ｃは、上述したようにＬ字状に形成されており、そのＬ字状の一方の端部が台座５ｇに接合され、他方の端部が半導体チップ１に接合されている。

実施の形態５に係る圧力センサ１０４において、流体からの圧力によってダイアフラム３が変形したとき、実施の形態１の圧力センサ１００と同様に、支持部材２ｄは、Ｘ軸方向にはほとんど変位せず、主にＺ軸方向にのみ変位する。一方、台座５ｇは、リング状に形成されていないため十分な剛性を有していないため、支持面３Ｂに垂直な状態を保ったままダイアフラム３の中心３０から離れる方向に傾く。これにより、台座５ｇに固定された支持部材２ｃも同様に、支持面３Ｂに垂直な状態を保ったままダイアフラム３の中心３０から離れる方向に傾く。すなわち、支持部材２ｃは、リング状の台座を介さずにダイアフラム３の支持面３Ｂに直接固定された場合と同様に、Ｚ軸方向のみならず、Ｘ軸方向にも変位が生じる。

このように、圧力センサ１０４によれば、流体からの圧力によってダイアフラム３が変形したとき、支持部材２ｄがダイアフラム３の中心からの距離に応じてＺ軸方向に変位する一方、支持部材２ｃがダイアフラム３の中心からの距離に応じてＸ軸方向およびＺ軸方向に変位するので、支持部材２ｄと支持部材２ｃとの間のＸ軸方向およびＺ軸方向の夫々の変位差に応じた引張応力を半導体チップ１の内部に発生させることができる。

したがって、実施の形態５に係る圧力センサ１０４によれば、実施の形態１の圧力センサ１００と同様に、流体からの圧力に基づくダイアフラム３の変形に応じた引張応力を半導体チップ１の内部に発生させることができ、且つ半導体チップの長手方向の長さを短くすることができるので、半導体チップの小型化と高感度化を両立することが可能となる。

なお、本実施の形態では、台座５ｇと支持部材２ｃとを別々に形成する場合を例示したが、支持部材２ｃの剛性が保てる場合には、台座５ｇと支持部材２ｃとを同一の絶縁材料によって一体形成してもよい。

≪実施の形態６≫
図２０〜２２は、実施の形態６に係る圧力センサの構成を示す図である。
図２０には、実施の形態６に係る圧力センサ１０５の斜視断面構造（９０度断面）が示され、図２１には、図２０のＺ方向から見たときの圧力センサ１０５の平面構造が示され、図２２には、図２１のＡ−Ａ断面における圧力センサ１０５の断面構造が示されている。

実施の形態６に係る圧力センサ１０５は、２つの構造体がダイアフラム３の中心３０を挟んで対向して配置される点において、実施の形態１に係る圧力センサ１０１と相違し、その他の点においては、実施の形態１に係る圧力センサ１００と同様である。

具体的に、図２０〜２２に示されるように、構造体６ｈは、支持部材２ｈから構成され、構造体６ｃは、台座５ｂと支持部材２ｃとから構成されている。

支持部材２ｈは、支持部材２ａと同様に絶縁材料から構成され、例えば角柱状（例えば四角柱状）に形成されている。支持部材２ｈは、一端が支持面３Ｂにおけるダイアフラム３の中心３０を挟んで構造体６ｃと対向する位置に接合され、他端が支持面３Ｂと略垂直な方向に延伸して半導体チップ１の一方の端部に接合されている。

換言すれば、図２２に示されるように、ダイアフラム３の中心３０をＸ軸の原点とし、構造体６ｃがＸ軸の正側に配置されているとしたとき、支持部材２ｈは、その中心軸が支持面３Ｂ（Ｘ−Ｙ平面）に対して垂直となるように、台座５ｂの内側、且つＸ軸の負側の領域に固定されている。

実施の形態６に係る圧力センサ１０５において、流体からの圧力によってダイアフラム３が変形したとき、実施の形態１の圧力センサ１００と同様に、支持部材２ｃは、Ｘ軸方向およびＹ軸方向にはほとんど変位せず、主にＺ軸方向にのみ変位する。一方、支持部材２ｈは、支持面３Ｂに垂直な状態を保ったまま中心３０から離れる方向（Ｘ軸の負側）に傾く。すなわち、支持部材２ｈは、Ｚ軸方向のみならず、Ｘ軸方向にも変位が生じる。

このように、圧力センサ１０５によれば、実施の形態４に係る圧力センサ１０３と同様に、流体からの圧力によってダイアフラム３が変形したとき、支持部材２ｃと支持部材２ｈとの間のＸ軸方向、およびＺ軸方向の夫々の変位差に応じた引張応力を半導体チップ１の内部に発生させることができる。

したがって、実施の形態６に係る圧力センサ１０５によれば、実施の形態１の圧力センサ１００と同様に、流体からの圧力に基づくダイアフラム３の変形に応じた引張応力を半導体チップ１の内部に発生させることができ、且つ半導体チップの長手方向の長さを短くすることができるので、半導体チップの小型化と高感度化を両立することが可能となる。

≪実施の形態７≫
図２３〜２５は、実施の形態７に係る圧力センサの構成を示す図である。
図２３には、実施の形態７に係る圧力センサ１０６の斜視断面構造（９０度断面）が示され、図２４には、図２３のＺ方向から見たときの圧力センサ１０６の平面構造が示され、図２５には、図２４のＡ−Ａ断面における圧力センサ１０６の断面構造が示されている。

実施の形態７に係る圧力センサ１０６は、Ｌ字状に構成された支持部材の一部が台座と同一の材料によって構成されている点において、実施の形態１に係る圧力センサ１００と相違し、その他の点においては、実施の形態１に係る圧力センサ１００と同様である。

具体的に、図２３〜２５に示されるように、構造体６ｉは、台座５ａ、梁部材７ｉ、支持部材２ｉから構成されている。

梁部材７ｉは、一端が台座５ａに接合され、他端が構造体６ｂに近づく方向（Ｘ軸方向）に延伸した片持ち梁（ビーム）形状を有する。梁部材７ｉは、例えば角柱状（例えば四角柱状）に形成されている。より具体的には、梁部材７ｉは、例えば台座５ａと一体形成されており、梁部材７ｉの長手方向の辺が支持面３Ｂと平行となるように、台座５ａから構造体６ｂに近づく方向に延伸している。

ここで、梁部材７ｉは、実施の形態１に係る圧力センサ１００における支持部材２ａと同様に、ダイアフラム３が撓んだときに、歪まない程度の剛性を有している。

支持部材２ｉは、支持部材２ａと同様に絶縁材料から構成され、一端が梁部材７ｉに接合され、他端が半導体チップ１の一方の端部に接合されている。具体的に、支持部材２ｉは、例えば角柱状（例えば四角柱状）に形成され、支持部材２ｉの中心軸が支持面３Ｂ（Ｘ−Ｙ平面）に対して垂直となるように、梁部材７ｉの他方の端部に固定されている。

実施の形態７に係る圧力センサ１０６において、流体からの圧力によってダイアフラム３が変形したとき、実施の形態１の圧力センサ１００と同様に、支持部材２ａと支持部材２ｃとの間のＺ軸方向の変位差に応じた引張応力を半導体チップ１の内部に発生させることができる。

また、圧力センサ１０１によれば、半導体チップ１の一端を、支持部材２ｂに近づく方向に延伸した梁部材７ｉを介して台座５ａ上に固定することにより、実施の形態１の圧力センサ１００と同様に、半導体チップの長手方向の長さを更に短くすることができ、半導体チップの更なる小型化が可能となる。

以上、実施の形態７に係る圧力センサ１０１によれば、半導体チップの小型化と高感度化を両立することが可能となる。

以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。

例えば、上記実施の形態において、一方の構造体を構成する支持部材２ａ，２ｃの形状がＬ字状である場合を示したが、他方の構造体に向かって延伸する形状であればよく、上記の形状に限定されるものではない。例えば、図２６〜３０に示される圧力センサ１００Ａ〜１００Ｅのように、支持部材２ａ，２ｃの代わりに、Ｌ字状以外の形状を有する支持部材２ａＡ〜２ａＥを用いてもよい。

また、上記実施の形態において、台座５ａ，５ｂが連続したリング状である場合を例示したが、ダイアフラム３が撓んだときに、台座５ａ，５ｂ上に固定されている支持部材２ａ，２ｂ等がＺ軸に対して傾かない程度の剛性を確保できるのであれば、台座５ａ，５ｂは必ずしも連続したリング状である必要はない。例えば、台座５ａ，５ｂは、円弧状であってもよい。

また、上記実施の形態において、台座５ａ，５ｂ，５ｇがダイアフラム３と一体形成されている場合を例示したが、これらをダイアフラム３とは別個の部品として形成し、接着剤等によりダイアフラム３上に接着してもよい。この場合、台座５ａ，５ｂ，５ｇは、ダイアフラム３と異なる材料によって構成されていてもよい。

また、上記実施の形態において、支持部材２ｂ，２ｄ等が角柱状である場合を例示したが、円柱状であってもよい。

１００〜１０７，１００Ａ〜１００Ｅ…圧力センサ、１…半導体チップ、２，２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｆ，２ｈ，２ｉ…支持部材、３…ダイアフラム、３Ａ…受圧面、３Ｂ…支持面、３０…ダイアフラムの中心、４…ハウジング、４Ａ…ハウジングの端部、４Ｂ…ハウジングの内壁、５，５ａ，５ｂ，５ｇ…台座、６ａ〜６ｉ…構造体、７ｉ…梁部材。

Claims (9)

1. 測定対象の流体の圧力を受ける第１主面と、前記第１主面の反対側の第２主面とを有する平面視円形状のダイアフラムと、
   ひずみゲージを構成する複数の抵抗が形成された半導体チップと、
   前記第２主面に加わる圧力よりも大きな圧力が前記第１主面に加わったときに前記ダイアフラムが変形する前記第２主面の領域に垂設されて、前記半導体チップを支持する第１構造体および第２構造体とを有し、
   前記第１構造体の一端と前記第２構造体の一端とは、前記ダイアフラムの径方向に沿って互いに離間して前記第２主面に接合され、
   前記第１構造体の他端と前記第２構造体の他端とは、互いに離間して前記半導体チップに接合され、
   前記第２主面上における前記第１構造体の一端と前記第２構造体の一端との間隔は、前記半導体チップに固定された前記第１構造体の他端と前記第２構造体の他端との間隔よりも大きい
   ことを特徴とする圧力センサ。
2. 請求項１に記載の圧力センサにおいて、
   前記第１構造体は
   平面視で前記ダイアフラムと同心円状に設けられ、前記第２主面から垂直方向に突出した第１台座と、
   一端が前記第１台座に接合され、他端が前記第２構造体に近づく方向に延伸して前記半導体チップに接合された絶縁材料から成る第１支持部材とを含み、
   前記第２構造体は
   平面視で前記ダイアフラムと同心円状に設けられ、前記第１台座と異なる半径を有し、前記第２主面から垂直方向に突出した第２台座と、
   一端が前記第２台座に接合され、他端が前記半導体チップに接合された絶縁材料から成る第２支持部材とを含む
   ことを特徴とする圧力センサ。
3. 請求項２に記載の圧力センサにおいて、
   前記第２台座は、平面視で前記第１台座よりも外側の領域に配置され、
   前記第２支持部材は、前記第２台座上に垂設されている
   ことを特徴とする圧力センサ。
4. 請求項２に記載の圧力センサにおいて、
   前記第２台座は、平面視で前記第１台座よりも外側の領域に接合され、
   前記第２支持部材は、一端が前記第２台座に接合され、他端が前記第１構造体に近づく方向に延伸して前記半導体チップに接合されている
   ことを特徴とする圧力センサ。
5. 請求項２に記載の圧力センサにおいて、
   前記第２台座は、平面視で前記第１台座よりも内側の領域に配置され、
   前記第２支持部材は、前記第２台座上に垂設されている
   ことを特徴とする圧力センサ。
6. 請求項１に記載の圧力センサにおいて、
   前記第１構造体は、
   平面視で前記ダイアフラムと同心円状に設けられ、前記第２主面から垂直方向に突出した第１台座と、
   一端が前記第１台座に接合され、他端が前記第２構造体に近づく方向に延伸して前記半導体チップに接合された絶縁材料から成る第１支持部材とを含み、
   前記第２構造体は、
   一端が平面視で前記第１台座よりも外側の領域に接合され、他端が前記第２主面と略垂直な方向に延伸して前記半導体チップに接合された第２支持部材を含む
   ことを特徴とする圧力センサ。
7. 請求項１に記載の圧力センサにおいて、
   前記第１構造体は、
   平面視で前記ダイアフラムと同心円状に設けられ、前記第２主面から垂直方向に突出した第１台座と、
   一端が前記第１台座に接合され、他端が前記第２主面と略垂直な方向に延伸して前記半導体チップに接合された絶縁材料から成る第１支持部材とを含み、
   前記第２構造体は、
   平面視で前記第１台座よりも外側の領域に第２台座と、
   一端が前記第２主面上に接合され、他端が前記第１構造体に近づく方向に延伸して前記半導体チップに接合された絶縁材料から成る第２支持部材と、を含む
   ことを特徴とする圧力センサ。
8. 請求項１に記載の圧力センサにおいて、
   前記第１構造体は、
   平面視で前記ダイアフラムと同心円状に設けられ、前記第２主面から垂直方向に突出した第１台座と、
   一端が前記第１台座に接合され、他端が前記第２構造体に近づく方向に延伸して前記半導体チップに接合された絶縁材料から成る第１支持部材とを含み、
   前記第２構造体は、
   一端が前記第２主面における前記ダイアフラムの中心を挟んで前記第１構造体と対向する位置に接合され、他端が前記第２主面と略垂直な方向に延伸して前記半導体チップに接合された第２支持部材を含む
   ことを特徴とする圧力センサ。
9. 請求項１に記載の圧力センサにおいて、
   前記第１構造体は、
   平面視で前記ダイアフラムと同心円状に設けられ、前記第２主面から垂直方向に突出した第１台座と、
   前記第１台座と一体に形成され、前記第２構造体に近づく方向に延伸した梁部材と、
   一端が前記梁部材に接合され、他端が前記半導体チップに接合された絶縁材料から成る第１支持部材とを含み、
   前記第２構造体は、一端が前記第２主面に接合され、他端が前記第２主面と略垂直な方向に延伸して前記半導体チップに接合されている
   ことを特徴とする圧力センサ。