JP2018072311A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】検出信号の感度を大きく確保しつつ、温度に起因した応力の影響を小さくすることができる圧力センサを提供する。【解決手段】センシング部３２は、ブリッジ回路を構成すると共に半導体チップ３０の内部に設けられた複数の歪みゲージ３２ａ〜３２ｄを有している。各歪みゲージ３２ａ〜３２ｄは、半導体チップ３０の一面３１に投影された位置が、一面３１の中心３１ａを含んだ中央部３１ｂに位置している。金属ステム１０の端面１４の一方向をＸ方向とし、端面１４においてＸ方向に垂直な方向をＹ方向とする。センシング部３２は、接合ガラス２０及び半導体チップ３０を介して各歪みゲージ３２ａ〜３２ｄに印加されるダイヤフラム１３の歪みのうち、Ｘ方向に発生する応力とＹ方向に発生する応力との応力差に対応した検出信号を出力する。【選択図】図１

Description

本発明は、金属ステムのダイヤフラムに印加される圧力を検出するように構成された圧力センサに関する。

従来より、受圧用のダイヤフラムを有する金属ステムと、圧力媒体の圧力によってダイヤフラムに発生する応力を歪みとして検出する歪みゲージと、を備えた圧力センサが、例えば特許文献１で提案されている。

ダイヤフラムは、金属ステムの中心軸方向に沿って設けられた穴によって構成されている。基材は、ダイヤフラム面に平行な一面の中心が金属ステムの中心軸の中心と一致するように端面の上方に配置される。歪みゲージは、金属ステムの中心軸を中心に、基材の上あるいは基材に複数設けられる。

特開２０００−２４１２７３号公報

ここで、特許文献１にあるとおり、Ｘ方向の発生応力をσＸＸとし、Ｙ方向の発生応力をσＹＹとする。各歪みゲージの出力ｅは、σＸＸとσＹＹとの差の絶対値に比例（ｅ∝｜σＸＸ−σＹＹ｜）し、検出が成される。

また、応力差は、各歪みゲージが金属ステムの端面の中心から離れた位置に配置されるほど大きくなる。応力差が大きくなると、各歪みゲージによって検出される検出信号の感度も大きくなるので、大きな感度を得るためには各歪みゲージを金属ステムの端面の中心から離して配置することが望ましい。

一方、基材は、ダイヤフラムの応力分布とは別に、温度の影響を受けて応力を発生させる。温度に応じて基材に発生する応力分布は、基材の一面の中心を基準に対称に発生する。そして、金属ステムの端面の中心付近では、基材の温度が変化したとき、Ｘ方向に発生する応力とＹ方向に発生する応力との応力差はほとんどない。しかし、金属ステムの端面の中心から離れた位置では、基材の温度が変化したとき、Ｘ方向に発生する応力とＹ方向に発生する応力との応力差が大きくなる。この応力差は、オフセット成分として検出信号の感度に影響を及ぼす。

以上のことから、大きな感度を得る目的で各歪みゲージを金属ステムの端面の中心から離して配置すると、基材の温度変化時に検出信号に含まれるオフセット成分が大きくなってしまうという問題がある。圧力に対する応力分布は金属ステムの穴の形状により決まるが、温度に対する応力分布は基材の一面の中心を基準に対称に発生するからである。したがって、従来では、良好な感度を得るためには、検出信号の感度と基材のオフセット成分とのトレードオフ設計が必要だった。

本発明は上記点に鑑み、検出信号の感度を大きく確保しつつ、温度に起因した応力の影響を小さくする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、請求項１に記載の発明では、圧力センサは、圧力媒体が導入される圧力導入孔（１１）が設けられた中空筒形状であって、圧力導入孔の一方を閉じるように中空筒形状の一端部（１２）に設けられていると共に圧力導入孔に導入される圧力媒体の圧力によって歪むダイヤフラム（１３）を有する金属ステム（１０）を備えている。

圧力センサは、金属ステムの一端部のうちダイヤフラムにおいて圧力導入孔とは反対側の端面（１４）に設けられた基材（２０、３０）を備えている。

また、圧力センサは、ブリッジ回路を構成すると共に基材の内部あるいは基材の一面（３１）に設けられた複数の歪みゲージ（３２ａ〜３２ｄ）を有し、端面の一方向をＸ方向とし、端面においてＸ方向に垂直な方向をＹ方向としたとき、基材を介して複数の歪みゲージに印加されるダイヤフラムの歪みのうち、Ｘ方向に発生する応力とＹ方向に発生する応力との応力差に対応した検出信号を出力するセンシング部（３２）を備えている。

基材は、結晶軸を有する材料で構成されていると共に、一面の面方位が（１００）面である。また、４個の歪みゲージのうちの２個は、歪みゲージを構成する主要部分が基材の＜１１０＞軸に沿って配置され、４個の歪みゲージのうちの他の２個は、歪みゲージを構成する主要部分が基材の＜−１１０＞軸に沿って配置されている。

そして、複数の歪みゲージは、基材の一面に投影された位置が、一面の中心（３１ａ）に集中して配置されていると共に、金属ステムの中心軸からの距離が概略均等に配置されている。

これによると、複数の歪みゲージは、互いに近づいて配置されているので、温度に起因して発生するＸ方向の発生応力（σＸＸ）とＹ方向の発生応力（σＹＹ）との応力差が小さい。このため、温度が変化したときに検出信号に含まれるオフセット成分を小さくすることができる。

一方、ダイヤフラムに発生する応力は基材に発生する応力とは別である。このため、金属ステムの端面においてＸ方向に発生する応力とＹ方向に発生する応力との応力差が大きくなる位置にセンシング部を配置することができる。したがって、検出信号の感度を大きく確保しつつ、温度に起因した応力の影響を小さくすることができる。

なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した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。

本発明の第１実施形態に係る圧力センサの金属ステムの平面図である。 図１のII−II断面図である。 半導体チップのピエゾ抵抗係数を示した図である。 半導体チップの平面図である。 圧力による発生応力及び熱による発生応力を示した図である。 比較例の圧力センサの平面図である。 図６の比較例における圧力による発生応力及び熱による発生応力を示した図である。 本発明の第２実施形態に係る圧力センサの断面図である。 本発明の第３実施形態に係る圧力センサの平面図である。 図９の圧力センサにおける圧力による発生応力及び熱による発生応力を示した図である。 本発明の第４実施形態に係る圧力センサの平面図である。 本発明の第５実施形態に係る圧力センサの平面図である。 本発明の第６実施形態に係る圧力センサの平面図である。 本発明の第７実施形態に係る圧力センサの平面図である。 本発明の第８実施形態に係る圧力センサの平面図である。 第９実施形態において、センシング部の位置の一例を示した半導体チップの平面図である。 第９実施形態において、センシング部の配置の一例を示した半導体チップの平面図である。 第９実施形態に係る各歪みゲージの配置の一例を示した半導体チップの平面図である。 第９実施形態に係る各歪みゲージの配置の一例を示した半導体チップの平面図である。 第９実施形態に係る各歪みゲージの配置の一例を示した半導体チップの平面図である。 第９実施形態に係る各歪みゲージの配置の一例を示した半導体チップの平面図である。 第９実施形態に係る各歪みゲージの配置の一例を示した半導体チップの平面図である。 第１０実施形態に係る半導体チップのピエゾ抵抗係数を示した図である。 第１０実施形態に係る半導体チップのピエゾ抵抗係数を示した図である。 第１０実施形態に係る半導体チップのピエゾ抵抗係数を示した図である。 本発明の第１１実施形態に係る圧力センサの平面図である。 図２６のXXVII−XXVII断面図である。 本発明の第１２実施形態に係る圧力センサの平面図である。 図２８のXXIX−XXIX断面図である。

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）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。本実施形態に係る圧力センサは、例えば、車両におけるエンジンの燃料噴射圧制御やブレーキ圧制御等に用いられる。

図１に示されるように、圧力センサは、金属ステム１０、接合ガラス２０、半導体チップ３０、及び回路チップ４０を備えている。

金属ステム１０は、圧力媒体が導入される圧力導入孔１１が設けられた中空筒形状の金属製の部品である。本実施形態では、金属ステム１０は円筒状に構成されていると共に、圧力導入孔１１は円柱状に構成されている。金属ステム１０は、例えばＳＵＳを材料として形成されている。

金属ステム１０は、圧力導入孔１１の一方を閉じるように中空筒形状の一端部１２に設けられていると共に圧力導入孔１１に導入された圧力媒体の圧力によって歪むダイヤフラム１３を有している。ダイヤフラム１３は、圧力媒体の圧力によって変形可能な薄肉状の受圧手段である。

接合ガラス２０は、金属ステム１０の一端部１２のうちダイヤフラム１３において圧力導入孔１１とは反対側の端面１４に設けられている。接合ガラス２０は、半導体チップ３０を金属ステム１０の端面１４に固定するための接合手段である。

半導体チップ３０は、接合ガラス２０を介して金属ステム１０の端面１４に固定されている。半導体チップ３０は、結晶軸を有する材料、例えば単結晶シリコンによって構成された単結晶半導体チップである。半導体チップ３０は、四角形状の板状に形成されている。

本実施形態では、半導体チップ３０は、一面３１の面方位が（１００）面となるように切り出された単結晶シリコン基板として構成されている。半導体チップ３０の一面３１は正方形に構成されている。また、図３に示されるように、一面３１の面方位が（１００）面の場合、ピエゾ抵抗係数は実線及び点線で示された大きさとなる。なお、実線と点線は、縦方向ピエゾ抵抗係数と横方向ピエゾ抵抗係数との違いである。

図４に示されるように、半導体チップ３０は、圧力媒体の圧力を検出するためのセンシング部３２と、センシング部３２と回路チップ４０とを電気的に接続するための複数のパッド３３と、を有している。

センシング部３２は、４個の歪みゲージ３２ａ〜３２ｄを有して構成されている。例えば、半導体チップ３０としてＮ型の単結晶シリコン基板を採用した場合、各歪みゲージ３２ａ〜３２ｄはダイヤフラム１３の歪みにより特性変化を生じるＰ＋型領域として半導体チップ３０の内部に形成されている。各歪みゲージ３２ａ〜３２ｄは、ブリッジ回路を構成するように電気的に接続されている。したがって、センシング部３２は、ブリッジ回路の電圧差を検出信号として出力する。なお、半導体チップ３０にはコンタクト領域等の他の電気的要素も形成されている。

各歪みゲージ３２ａ〜３２ｄは、半導体チップ３０の一面３１に投影された位置が、当該一面３１の中心３１ａを含んだ中央部３１ｂに位置するように、半導体チップ３０に配置されている。本実施形態では、半導体チップ３０の一面３１の中心３１ａと、センシング部３２を囲む領域の中心と、が一致している。

４個の歪みゲージ３２ａ〜３２ｄのうちの２個は、金属ステム１０の中心軸を中心とした径方向に主に電流が流れるようにパターン形成されている。具体的には、２個の歪みゲージ３２ａ、３２ｄは、平面形状が波状に折り返された形状になっている。言い換えると、２個の歪みゲージ３２ａ、３２ｄは、蛇行状に配線を構成している。したがって、２個の歪みゲージ３２ａ、３２ｄにおいて金属ステム１０の径方向に沿った主要部分に主に電流が流れる。つまり、主要部分は、折り返し形状の長手部分であり、短手部分ではない。

また、図４に示された４個の歪みゲージ３２ａ〜３２ｄのうちの他の２個は、金属ステム１０の中心軸を中心とした周方向に主に電流が流れるようにパターン形成されている。これら２個の歪みゲージ３２ｂ、３２ｃも、２個の歪みゲージ３２ａ、３２ｄと同様に、波状に配線を構成している。

２個の歪みゲージ３２ａ、３２ｄは、主要部分が図３に示された半導体チップ３０の＜１１０＞軸に沿って配置されている。２個の歪みゲージ３２ｂ、３２ｃは、主要部分が半導体チップ３０の＜−１１０＞軸に沿って配置されている。＜１１０＞軸は結晶軸のＡ軸に対応し、＜−１１０＞軸は結晶軸のＢ軸に対応している。これにより、半導体チップ３０のうちピエゾ抵抗係数が大きい方向に主要部分が配置されるので、各歪みゲージ３２ａ〜３２ｄの感度を確保することができる。

さらに、図４に示されるように、２個の歪みゲージ３２ａ、３２ｄは、半導体チップ３０の一面３１の中心３１ａに対して対角の位置に配置されている。同様に、他の２個の歪みゲージ３２ｂ、３２ｃは、半導体チップ３０の一面３１の中心３１ａに対して対角の位置に配置されている。各歪みゲージ３２ａ〜３２ｄが形成された四角形の領域の一つの角部が半導体チップ３０の一面３１の中心３１ａに位置している。

そして、各歪みゲージ３２ａ〜３２ｄは、半導体チップ３０の一面３１に投影された位置が、一面３１の中心３１ａに集中して配置されている。

また、図１に示されるように、各歪みゲージ３２ａ〜３２ｄは、半導体チップ３０の一面３１に投影された位置が、金属ステム１０の中心軸からの距離が概略均等に配置されている。ここで、概略均等とは、４つの歪みゲージ３２ａ〜３２ｄのチップ端からの距離が等しく、縦方向の２個の歪みゲージ３２ｂ、３２ｃの面心と横方向の２個の歪みゲージ３２ａ、３２ｄの面心が一致し、半導体チップ３０の中央に隙間なく密集していることを意味する。これによると、各歪みゲージ３２ａ〜３２ｄの感度のばらつきを抑えることができる。

半導体チップ３０は、一面３１の中心３１ａが圧力導入孔１１を構成する側壁１５の延長線上に位置するように、金属ステム１０の端面１４に配置されている。この場合、半導体チップ３０は、各歪みゲージ３２ａ〜３２ｄに流れる電流の方向や主要部分の向きが上記の条件に一致するように、金属ステム１０に固定されている。

接合ガラス２０の位置は、半導体チップ３０を金属ステム１０に固定するための必要不可欠な範囲に留まっている。つまり、接合ガラス２０の一部は、金属ステム１０の端面１４のうちダイヤフラム１３の一部に位置すると共に、ダイヤフラム１３の周囲の一部に位置している。

回路チップ４０は、センシング部３２のブリッジ回路に電流を供給する機能、ブリッジ回路の差電圧を検出信号として検出する機能、及び検出信号の増幅、トリミング等の電気的調整を行う機能を有している。回路チップ４０は、ＩＣチップとして構成されている。回路チップ４０は、半導体チップ３０に対してボンディングワイヤ５０を介して電気的に接続されている。回路チップ４０は図示しない筐体等に実装されている。

以上が、圧力センサの構成である。なお、圧力センサは、上記各構成を収容する筐体や、他の装置と電気的接続を行うための端子等を備えている。

次に、圧力検出方法について説明する。圧力導入孔１１に導入した圧力媒体の圧力がダイヤフラム１３に印加されると、ダイヤフラム１３に歪みが発生し、ダイヤフラム１３が変形する。これに伴い、各歪みゲージ３２ａ〜３２ｄには図１に示されたＸ方向とＹ方向とにそれぞれ応力が発生する。Ｘ方向は金属ステム１０の端面１４の一方向であり、Ｙ方向は当該端面１４においてＸ方向に垂直な方向である。

Ｘ方向及びＹ方向は図３に示された結晶軸に沿った方向である。Ｘ方向に発生する応力をσＸＸとし、Ｙ方向に発生する応力をσＹＹとする。σＸＸは主に歪みゲージ３２ａ、３２ｄによって検出される。σＹＹは主に歪みゲージ３２ｂ、３２ｃによって検出される。

したがって、センシング部３２は、接合ガラス２０及び半導体チップ３０を介して各歪みゲージ３２ａ〜３２ｄに印加されるダイヤフラム１３の歪みのうち、Ｘ方向に発生する応力とＹ方向に発生する応力との応力差に対応した検出信号を出力する。つまり、σＹＹ−σＸＸに比例した電圧差がブリッジ回路に発生するので、センシング部３２は当該電圧差を検出信号として出力する。

発明者らは、各歪みゲージ３２ａ〜３２ｄに発生する応力として、圧力による発生応力、及び、熱による発生応力をシミュレーションにより調べた。シミュレーションでは、検出信号の感度が最大になる位置に各歪みゲージ３２ａ〜３２ｄを配置した。その結果を図５に示す。

なお、図５では、歪みゲージ３２ａの検出値をＲＡ、歪みゲージ３２ｂの検出値をＲＢ、歪みゲージ３２ｃの検出値をＲＣ、歪みゲージ３２ｄの検出値をＲＤとしている。図７及び図１０も同じである。

まず、図５（ａ）に示されるように、圧力による発生応力は、金属ステム１０の端面１４の中心位置から離れた位置で、Ｘ方向に発生する応力（σＸＸ）とＹ方向に発生する応力（σＹＹ）とに充分な応力差が発生している。つまり、検出信号の感度が確保されている。

また、半導体チップ３０の温度を１５０℃とした場合、図５（ｂ）に示されるように、熱による発生応力は、図５（ａ）と同じ位置において、σＸＸとσＹＹとの応力差がほとんど発生していない。図５（ｃ）に示されるように、応力の範囲を拡大してみても、センシング部３２が配置された位置では、σＸＸとσＹＹとの差はほとんどなかった。つまり、センシング部３２は、半導体チップ３０に発生する応力の温度特性の影響を受けない。

発明者らは、比較例として、図６に示された各歪みゲージ３４ａ〜３４ｄの配置についても圧力による発生応力、及び、熱による発生応力をシミュレーションにより調べた。その結果を図７に示す。

なお、図６では、半導体チップ３０の一面３１の中心３１ａが金属ステム１０の端面１４の中心軸上に位置している。また、各歪みゲージ３４ａ〜３４ｄは金属ステム１０の中心軸から離れた位置に配置されている。

図７（ａ）に示されるように、各歪みゲージ３４ａ〜３４ｄが配置された位置では、σＸＸとσＹＹとに充分な応力差が発生した。しかし、半導体チップ３０の温度を１５０℃とした場合、図７（ｂ）に示されるように、熱による発生応力は、図７（ａ）と同じ位置において、σＸＸとσＹＹとに応力差が発生した。図７（ｃ）に示されるように、応力の範囲を拡大してみると、σＸＸとσＹＹとの応力差が発生した。

圧力による発生応力が同じ結果となったことは、金属ステム１０の端面１４の中心軸から離れた位置に各歪みゲージ３２ａ〜３２ｄ及び各歪みゲージ３４ａ〜３４ｄが配置されている点が共通しているからである。すなわち、σＸＸとσＹＹとの応力差が大きくなる位置に各歪みゲージ３２ａ〜３２ｄが配置されているからである。したがって、検出信号の感度を大きくすることができる。

一方、熱による発生応力が異なる結果となったことは、半導体チップ３０における歪みゲージ３２ａ〜３２ｄの配置位置の違いによる。すなわち、本実施形態では、各歪みゲージ３２ａ〜３２ｄは半導体チップ３０の一面３１の中央部３１ｂに配置されていることで半導体チップ３０の温度特性の影響が最小限になっている。これに対し、図６では、各歪みゲージ３４ａ〜３４ｄは半導体チップ３０の中央部３１ｂから離れた位置に配置されているので、温度特性の影響を大きく受ける。

以上のように、本実施形態では、各歪みゲージ３２ａ〜３２ｄは、半導体チップ３０の一面３１の外縁部よりも中心付近に配置されているので、温度に起因して半導体チップ３０に発生する応力を受けにくくすることができる。このため、半導体チップ３０の温度が変化したときに検出信号に含まれるオフセット成分を小さくすることができる。したがって、検出信号の感度を大きく確保しつつ、半導体チップ３０の温度に起因した応力の影響を小さくすることができる。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、半導体チップ３０及び接合ガラス２０が特許請求の範囲の「基材」に対応する。また、半導体チップ３０が特許請求の範囲の「単結晶半導体チップ」に対応し、接合ガラス２０が特許請求の範囲の「接合部」に対応する。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。図８に示されるように、金属ステム１０は、圧力導入孔１１に設けられたテーパ部１６を有している。テーパ部１６は、圧力導入孔１１を構成する側壁１５と底面１７とを接続する圧力導入孔１１の一部である。

以上の構成によると、金属ステム１０を冷間鍛造によって形成することが可能となる。したがって、金属ステム１０を形成しやすくすることができる。また、低コストで金属ステム１０を形成することができる。

（第３実施形態）
本実施形態では、第１、第２実施形態と異なる部分について説明する。図９に示されるように、金属ステム１０の圧力導入孔１１は、四角柱状の穴として構成されている。このため、圧力導入孔１１の側壁１５を金属ステム１０の端面１４に投影したときの平面形状が長方形になっている。

発明者らは、図９に示された金属ステム１０を備えた圧力センサにおいて、各歪みゲージ３２ａ〜３２ｄに発生する応力として、圧力による発生応力、及び、熱による発生応力をシミュレーションにより調べた。その結果を図１０に示す。

図１０（ａ）に示されるように、圧力による発生応力は、金属ステム１０の端面１４の中心位置において、σＸＸとσＹＹとに充分な応力差が発生している。これは、圧力導入孔１１の形状に起因して、ダイヤフラム１３に発生する歪みの応力分布の対称性が高まるからである。

また、図１０（ｂ）に示されるように、熱による発生応力は、図１０（ａ）と同じ位置において、σＸＸとσＹＹとの応力差がほとんど発生していない。図１０（ｃ）の拡大図にも示されるように、σＸＸとσＹＹとの応力差はほとんどなかった。

したがって、本実施形態では、金属ステム１０の端面１４の中心と半導体チップ３０の一面３１の中心３１ａとが金属ステム１０の中心軸上で一致しているが、検出信号の大きな感度を得ることができる。また、半導体チップ３０の温度変化時のオフセット成分の発生を抑制することができる。

（第４実施形態）
本実施形態では、第１〜第３実施形態と異なる部分について説明する。図１１に示されるように、半導体チップ３０は、金属ステム１０の端面１４のうち、ダイヤフラム１３の外側の外周部１４ａに配置されていても良い。

（第５実施形態）
本実施形態では、第１〜第４実施形態と異なる部分について説明する。図１２に示されるように、半導体チップ３０は、一面３１の中心３１ａが圧力導入孔１１を構成する側壁１５の延長線上ではなく外周部１４ａに位置するように、金属ステム１０の端面１４に配置されている。

このように、半導体チップ３０の一面３１の中心３１ａが必ずしも側壁１５の延長線上に位置する必要は無い。半導体チップ３０の中央部３１ｂの少なくとも一部が側壁１５の延長線上に位置するように、金属ステム１０の端面１４に配置されていれば良い。

（第６実施形態）
本実施形態では、第１〜第５実施形態と異なる部分について説明する。図１３に示されるように、接合ガラス２０はダイヤフラム１３の全体を覆うように金属ステム１０の端面１４に設けられている。これによると、ダイヤフラム１３の剛性むらを抑制することができる。言い換えると、ダイヤフラム１３の剛性を均一にすることができる。また、金属ステム１０に対する半導体チップ３０の実装ずれに強い構成を得ることができる。

（第７実施形態）
本実施形態では、第１〜第６実施形態と異なる部分について説明する。図１４に示されるように、半導体チップ３０の一面３１は長方形に構成されている。また、半導体チップ３０は、一面３１の長辺がＸ方向に沿って配置されていると共に、一面３１の短辺がＹ方向に沿って配置されている。

以上のように、半導体チップ３０の一面３１の縦横比が異なることで、半導体チップ３０は金属ステム１０の径方向に反りやすく、周方向に反りにくくなる。このため、金属ステム１０の径方向及び周方向に対して半導体チップ３０の剛性バランスが取れる。したがって、圧力センサを高精度化することができる。

（第８実施形態）
本実施形態では、第１〜第７実施形態と異なる部分について説明する。図１５に示されるように、半導体チップ３０は、中央部３１ｂの外側に位置する外縁部３１ｃに形成された回路部３５を有している。回路部３５は、回路チップ４０の機能を実現する集積回路部が形成された部分である。これによると、半導体チップ３０と回路チップ４０とが一体化されて集積化されるので、圧力センサの部品点数及びコストを抑制することができる。

（第９実施形態）
本実施形態では、第１〜第８実施形態と異なる部分について説明する。図１６に示されるように、歪みゲージ３２ｃの半導体チップ３０の一面３１への投影位置が、当該一面３１の中心３１ａに位置するように、半導体チップ３０に配置されている。このような配置であっても、各歪みゲージ３２ａ〜３２ｄは、半導体チップ３０の一面３１の中央部３１ｂに位置している。

別の例として、図１７に示されるように、半導体チップ３０の一面３１の中心３１ａがセンシング部３２の外に位置していても良い。このように、中央部３１ｂの範囲は、半導体チップ３０の一面３１の中心３１ａがセンシング部３２の領域内に位置する範囲に限られない。したがって、図１６や図１７に示された各歪みゲージ３２ａ〜３２ｄの投影位置も、半導体チップ３０の一面３１の中心３１ａを含んだ中央部３１ｂに位置している。なお、図１６及び図１７では、パッド３３を省略している。

また、各歪みゲージ３２ａ〜３２ｄは、図４、図１６、及び図１７以外の他の配置を採用しても良い。変形例として、例えば図１８〜図２２の配置がある。

図１８に示された例では、歪みゲージ３２ａと歪みゲージ３２ｄとが横並びに配置されると共に、歪みゲージ３２ｂと歪みゲージ３２ｃとが横並びに配置されている。この配置では、歪みゲージ３２ａ、３２ｄとのパターンが連続し、歪みゲージ３２ｂ、３２ｃとのパターンが連続する。同一のパターンが連続しているので、各歪みゲージ３２ａ〜３２ｄのパターンの対称性が向上する。したがって、各歪みゲージ３２ａ〜３２ｄの出来映えを安定させることができる。半導体プロセスではマスクやフォトレジストを用いて各歪みゲージ３２ａ〜３２ｄを形成していくので特にメリットがある。

図１９に示された例では、各歪みゲージ３２ａ〜３２ｄが半導体チップ３０の一面３１の中心３１ａを囲むように四角形状の枠に沿って配置されている。この配置では、半導体チップ３０に発生する縦方向ピエゾ抵抗係数と横方向ピエゾ抵抗係数との差の影響を抑制することができる。

図２０に示された例では、各歪みゲージ３２ａ〜３２ｄが半導体チップ３０の一面３１の中心３１ａを中心として放射状に配置されている。つまり、各歪みゲージ３２ａ〜３２ｄはＸ状に配置されている。これにより、半導体チップ３０の温度変化時のσＸＸとσＹＹの応力差が小さくなるように各歪みゲージ３２ａ〜３２ｄを配置することができる。したがって、半導体チップ３０の温度特性によるオフセット成分の発生をさらに抑制することができる。

図２１に示された例では、各歪みゲージ３２ａ〜３２ｄは、台形状の領域に配置されていると共に、半導体チップ３０の一面３１の中心３１ａ側が上底となるように配置されている。これにより、各歪みゲージ３２ａ〜３２ｄは、半導体チップ３０の一面３１の中心３１ａを囲むように配置されている。半導体チップ３０の一面３１の対角線上及び中央部３１ｂは、Ｘ方向に発生する温度変化とＹ方向に発生する温度変化との差が小さいので、各歪みゲージ３２ａ〜３２ｄに掛かる熱による発生応力をより小さくすることができる。

図２２に示された例では、半導体チップ３０の一面３１が長方形の場合、２つの歪みゲージ３２ａ、３２ｄは長辺に沿って離れて配置される一方、他の２つの歪みゲージ３２ｂ、３２ｃは短辺に沿って近づいて配置されている。これによると、半導体チップ３０において長辺に沿った反りの高さと、短辺に沿った反りの高さと、が同じ位置になるように各歪みゲージ３２ａ〜３２ｄを配置することができる。

（第１０実施形態）
本実施形態では、第１〜第９実施形態と異なる部分について説明する。図２３に示されるように、結晶軸のＡ軸を任意とし、結晶軸のＢ軸をＡ軸に垂直な軸とする。このように、結晶軸を変更することで、半導体チップ３０における温度特性を最適化することができる。

変形例として、例えば図２４または図２５に示された面方位及び結晶軸を採用しても良い。図２４に示された例では、半導体チップ３０は、一面３１の面方位が（１１０）面となるように切り出されている。また、結晶軸のＡ軸を任意とし、結晶軸のＢ軸をＡ軸に垂直な軸とする。これにより、ピエゾ抵抗係数が大きい方向に各歪みゲージ３２ａ〜３２ｄを配置することができるので、検出信号の感度を高くすることができる。

また、図２５に示された例では、半導体チップ３０は、一面３１の面方位が（１１１）面となるように切り出されている。この場合、ピエゾ抵抗係数は方向によらず一定になるので、結晶軸のＡ軸及びＢ軸の両方を任意に設定することができる。このため、各歪みゲージ３２ａ〜３２ｄの配置の自由度を向上させることができる。

さらに、上記では半導体チップ３０は単結晶シリコン基板に基づいて構成されていたが、他の変形例として、ピエゾ抵抗係数を発揮する別の材料・工法に基づいて半導体チップ３０が構成されていても良い。例えば、多結晶シリコン基板やＮｉ−Ｃｒ蒸着薄膜を採用することができる。

（第１１実施形態）
本実施形態では、第１〜第１０実施形態と異なる部分について説明する。図２６及び図２７に示されるように、金属ステム１０は、島部１４ａを有している。島部１４ａは、金属ステム１０の端面１４のうち接合ガラス２０及び半導体チップ３０が配置される部位が島状に突出している部分である。つまり、島部１４ａは凸形状の段差構造である。そして、接合ガラス２０は、島部１４ａの上の全体に配置されている。

また、島部１４ａは、金属ステム１０の端面１４における接合ガラス２０の位置決め用として機能する部分である。接合ガラス２０は、例えばガラス印刷によって島部１４ａの上に設けられるが、島部１４ａの段差部分がガラス印刷の際の位置決めに利用される。これにより、レーザマーキング等の工程を追加することなく、金属ステム１０の端面１４の所望位置に精度良くガラス印刷及び半導体チップ３０の搭載を行うことができる。

さらに、半導体チップ３０の一部がダイヤフラム１３の一部の上に配置される形態では、島部１４ａの一部がダイヤフラム１３の一部を構成している。この場合、ダイヤフラム１３の厚みを増加させることになるので、金属ステム１０における半導体チップ３０の搭載箇所の厚み分布の差が緩和される。また、半導体チップ３０への熱応力の対称性が向上するので、半導体チップ３０に発生する温度特性曲がりを低減させることができる。

本実施形態では、島部１４ａは平面形状が円形であるが、これは一例である。島部１４ａの平面形状は四角形等の多角形でも良い。また、接合ガラス２０は島部１４ａの上の全体ではなく一部に設けられていても良い。

（第１２実施形態）
本実施形態では、第１１実施形態と異なる部分について説明する。図２８及び図２９に示されるように、金属ステム１０は、穴部１４ｂを有している。穴部１４ｂは、金属ステム１０の端面１４のうち接合ガラス２０及び半導体チップ３０が配置される部位が凹んだ部分である。つまり、穴部１４ｂは凹形状の段差構造である。そして、接合ガラス２０は、穴部１４ｂの全体に配置されている。

半導体チップ３０の一部がダイヤフラム１３の一部の上に配置される形態では、穴部１４ｂの一部がダイヤフラム１３の一部を構成している。この場合、ダイヤフラム１３のうち穴部１４ｂに対応する部分は他の部分よりも薄くなっている。

そして、穴部１４ｂは、島部１４ａと同様に、接合ガラス２０の位置決め用として機能する部分である。したがって、第１１実施形態と同様に、所望位置に精度良くガラス印刷及び半導体チップ３０の搭載を行うことができる。

本実施形態では、穴部１４ｂは平面形状が円形であるが、これは一例である。穴部１４ｂの平面形状は四角形等の多角形でも良い。また、接合ガラス２０は穴部１４ｂの底部の全体ではなく一部に設けられていても良い。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された圧力センサの構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、圧力センサは車両以外に適用されても良い。

上記各実施形態では、センシング部３２は半導体チップ３０の内部に設けられていたが、半導体チップ３０の一面３１に形成されていても良い。この場合、半導体チップ３０の一面３１は例えば絶縁膜の表面として構成されている。各歪みゲージ３２ａ〜３２ｄは、ダイヤフラム１３の歪みにより特性変化を生じる薄膜として、絶縁膜の上に配置される。

上記各実施形態では、半導体チップ３０を金属ステム１０に固定する手段として接合ガラス２０が採用されているが、これは固定手段の一例である。半導体チップ３０は、エポキシ系接着剤や焼結銀ペースト等によって金属ステム１０に固定されても良い。

なお、結晶の方位を示す場合、本来ならば所望の数字の上にバー（−）を付すべきであるが、パソコン出願に基づく表現上の制限が存在するため、本明細書においては、所望の数字の前にバーを付すものとする。

１０ 金属ステム、１１ 圧力導入孔、１２ 一端部、１３ ダイヤフラム、１４ 端面、２０ 接合ガラス（基材）、３０ 半導体チップ（基材）、３１ 一面、３１ａ 中心、３１ｂ 中央部、３２ センシング部、３２ａ〜３２ｄ 歪みゲージ

Claims (7)

1. 圧力媒体が導入される圧力導入孔（１１）が設けられた中空筒形状であって、前記圧力導入孔の一方を閉じるように前記中空筒形状の一端部（１２）に設けられていると共に前記圧力導入孔に導入される前記圧力媒体の圧力によって歪むダイヤフラム（１３）を有する金属ステム（１０）と、
   前記金属ステムの前記一端部のうち前記ダイヤフラムにおいて前記圧力導入孔とは反対側の端面（１４）に設けられた基材（２０、３０）と、
   ブリッジ回路を構成すると共に前記基材の内部あるいは前記基材の一面（３１）に設けられた複数の歪みゲージ（３２ａ〜３２ｄ）を有し、前記端面の一方向をＸ方向とし、前記端面において前記Ｘ方向に垂直な方向をＹ方向としたとき、前記基材を介して前記複数の歪みゲージに印加される前記ダイヤフラムの歪みのうち、前記Ｘ方向に発生する応力と前記Ｙ方向に発生する応力との応力差に対応した検出信号を出力するセンシング部（３２）と、
   ￥ を備え、
   前記基材は、結晶軸を有する材料で構成されていると共に、前記一面の面方位が（１００）面であり、
   前記４個の歪みゲージのうちの２個は、前記歪みゲージを構成する主要部分が前記基材の＜１１０＞軸に沿って配置され、
   前記４個の歪みゲージのうちの他の２個は、前記歪みゲージを構成する主要部分が前記基材の＜−１１０＞軸に沿って配置されており、
   前記複数の歪みゲージは、前記基材の前記一面に投影された位置が、前記一面の中心（３１ａ）に集中して配置されていると共に、前記金属ステムの中心軸からの距離が概略均等に配置されている圧力センサ。
2. 前記複数の歪みゲージは、４個の歪みゲージ（３２ａ〜３２ｄ）として構成されており、
   前記４個の歪みゲージのうちの２個は、前記金属ステムの中心軸を中心とした径方向に主に電流が流れるようにパターン形成され、
   前記４個の歪みゲージのうちの他の２個は、前記金属ステムの中心軸を中心とした周方向に主に電流が流れるようにパターン形成されている請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記基材は、前記中央部の少なくとも一部が前記圧力導入孔を構成する側壁（１５）の延長線上に位置するように、前記金属ステムの前記端面に配置されている請求項１または２に記載の圧力センサ。
4. 前記基材は、前記中央部を有する単結晶半導体チップ（３０）と、前記単結晶半導体チップを前記金属ステムの前記端面に固定する接合部（２０）と、を有して構成されている請求項１ないし３のいずれか１つに記載の圧力センサ。
5. 前記複数の歪みゲージは、前記ダイヤフラムの歪みにより特性変化を生じる薄膜として、前記基材の前記一面に形成されている請求項１ないし４のいずれか１つに記載の圧力センサ。
6. 前記金属ステム（１０）は、前記端面（１４）のうち前記基材（２０、３０）が配置される部位が突出していると共に、前記端面（１４）における前記基材（２０、３０）の位置決め用の島部（１４ａ）を有し、
   前記基材（２０、３０）は、前記島部（１４ａ）の上に設けられている請求項１ないし５のいずれか１つに記載の圧力センサ。
7. 前記金属ステム（１０）は、前記端面（１４）のうち前記基材（２０、３０）が配置される部位が凹んでいると共に、前記端面（１４）における前記基材（２０、３０）の位置決め用の穴部（１４ｂ）を有し、
   前記基材（２０、３０）は、前記穴部（１４ｂ）に設けられている請求項１ないし５のいずれか１つに記載の圧力センサ。

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