JP2694594B2 - 圧力センサ - Google Patents
圧力センサInfo
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- JP2694594B2 JP2694594B2 JP2085893A JP2085893A JP2694594B2 JP 2694594 B2 JP2694594 B2 JP 2694594B2 JP 2085893 A JP2085893 A JP 2085893A JP 2085893 A JP2085893 A JP 2085893A JP 2694594 B2 JP2694594 B2 JP 2694594B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はシリコン等の半導体のピ
エゾ抵抗効果を利用して圧力を電気信号に変換する圧力
センサに関し、特に圧力の他に温度を検出する機能を有
する温度検出機能付き圧力センサに関するものである。
エゾ抵抗効果を利用して圧力を電気信号に変換する圧力
センサに関し、特に圧力の他に温度を検出する機能を有
する温度検出機能付き圧力センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に、この種の圧力センサは、圧力の
導入によってゲージ抵抗の歪を発生させ、その抵抗素子
のピエゾ抵抗効果による抵抗変化を電気信号に変換して
圧力の値を測定するものであり、工業計測をはじめとす
る種々の用途に広く用いられている。この圧力センサ
は、その基本構造を図３(a)及び(b)に示すように、固定
部となる厚肉部２と薄肉ダイアフラム部３とを備えたチ
ップ状のｎ形シリコン基板１を用い、その薄肉ダイアフ
ラム部３内に、ｐ形拡散領域からなるピエゾ抵抗効果を
有するゲージ抵抗４（４A〜４D）を形成した構成を有し
ている。
導入によってゲージ抵抗の歪を発生させ、その抵抗素子
のピエゾ抵抗効果による抵抗変化を電気信号に変換して
圧力の値を測定するものであり、工業計測をはじめとす
る種々の用途に広く用いられている。この圧力センサ
は、その基本構造を図３(a)及び(b)に示すように、固定
部となる厚肉部２と薄肉ダイアフラム部３とを備えたチ
ップ状のｎ形シリコン基板１を用い、その薄肉ダイアフ
ラム部３内に、ｐ形拡散領域からなるピエゾ抵抗効果を
有するゲージ抵抗４（４A〜４D）を形成した構成を有し
ている。
【０００３】そして、このシリコン基板１は厚肉部２に
おいて圧力導入口３２を備えたガラスチューブ等の支持
部材３１に固定されていて、この導入口３２から圧力が
加えられると、薄肉ダイアフラム部３は歪み、それによ
ってゲージ抵抗４は抵抗値が変化する。そのため、これ
らゲージ抵抗４をブリッジ回路に組み込み、これに電圧
を印加すれば、そのブリッジ回路から圧力、つまり薄肉
ダイヤフラム部３の表裏の圧力ＰHおよびＰLの差に応じ
た出力信号を取り出すことができる。
おいて圧力導入口３２を備えたガラスチューブ等の支持
部材３１に固定されていて、この導入口３２から圧力が
加えられると、薄肉ダイアフラム部３は歪み、それによ
ってゲージ抵抗４は抵抗値が変化する。そのため、これ
らゲージ抵抗４をブリッジ回路に組み込み、これに電圧
を印加すれば、そのブリッジ回路から圧力、つまり薄肉
ダイヤフラム部３の表裏の圧力ＰHおよびＰLの差に応じ
た出力信号を取り出すことができる。
【０００４】ここで、ゲージ抵抗４を形成したシリコン
基板１の表面は、ＳｉＯ2 などの絶縁膜５によって覆わ
れ、これを開口したコンタクト孔を通してゲージ抵抗４
と電気的に接続するアルミニウム（Ａｌ）等からなる引
出し電極６が形成され、外部との接続は通常ワイヤボン
ディングにより行われている。
基板１の表面は、ＳｉＯ2 などの絶縁膜５によって覆わ
れ、これを開口したコンタクト孔を通してゲージ抵抗４
と電気的に接続するアルミニウム（Ａｌ）等からなる引
出し電極６が形成され、外部との接続は通常ワイヤボン
ディングにより行われている。
【０００５】ところで、かかる圧力センサを工業計測用
の圧力発信器として用いる場合、この圧力センサに、周
囲の温度を検出するために温度検出素子を内蔵させたも
のがある。これは、その基本構成を図４に示すように、
シリコン基板１上のダイアフラム部３に各々のｐ形ゲー
ジ抵抗４（４A〜４D）を形成してブリッジ回路を構成す
るとともに、その厚肉部２に温度検出素子２１を一体に
形成する。
の圧力発信器として用いる場合、この圧力センサに、周
囲の温度を検出するために温度検出素子を内蔵させたも
のがある。これは、その基本構成を図４に示すように、
シリコン基板１上のダイアフラム部３に各々のｐ形ゲー
ジ抵抗４（４A〜４D）を形成してブリッジ回路を構成す
るとともに、その厚肉部２に温度検出素子２１を一体に
形成する。
【０００６】そして、この温度検出素子２１を、アナロ
グ・ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器２２に作られた抵抗ラ
ダー回路の精密抵抗２３1〜２３3と組み合わせてブリッ
ジ回路２４を構成し、その温度検出素子２１の抵抗値変
化をブリッジ回路２４により電圧変化として検出したう
え、この出力をＡ／Ｄ変換器２２でＡ／Ｄ変換して圧力
信号とともにディジタル的に受信計器（図示せず）へ伝
送するものとなっている。なお、図４中符号２５はシリ
コン基板１上の温度検出素子２１を外部のブリッジ回路
２４の一辺に接続するためのリード線を示す。また、同
図において図３と同一符号のものは同一または相当のも
のを示している。
グ・ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器２２に作られた抵抗ラ
ダー回路の精密抵抗２３1〜２３3と組み合わせてブリッ
ジ回路２４を構成し、その温度検出素子２１の抵抗値変
化をブリッジ回路２４により電圧変化として検出したう
え、この出力をＡ／Ｄ変換器２２でＡ／Ｄ変換して圧力
信号とともにディジタル的に受信計器（図示せず）へ伝
送するものとなっている。なお、図４中符号２５はシリ
コン基板１上の温度検出素子２１を外部のブリッジ回路
２４の一辺に接続するためのリード線を示す。また、同
図において図３と同一符号のものは同一または相当のも
のを示している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな温度検出素子を備えた従来の圧力センサは、温度を
検出するのにブリッジ回路２４を構成する抵抗対に精密
抵抗２３1〜２３3を用いているため高価であり、また、
温度検出素子２１をリード線２５を介して外部のブリッ
ジ回路２４に接続しなければならないため、そのリード
線の影響によってノイズに対し弱いという課題があっ
た。
うな温度検出素子を備えた従来の圧力センサは、温度を
検出するのにブリッジ回路２４を構成する抵抗対に精密
抵抗２３1〜２３3を用いているため高価であり、また、
温度検出素子２１をリード線２５を介して外部のブリッ
ジ回路２４に接続しなければならないため、そのリード
線の影響によってノイズに対し弱いという課題があっ
た。
【０００８】本発明は以上の点に鑑み、上記のような課
題を解決するためになされたものであり、その目的は、
圧力の他に温度を検出する機能を有する温度検出機能付
き圧力センサにおいて安価にして、耐ノイズ性を向上さ
せた圧力センサを提供することにある。
題を解決するためになされたものであり、その目的は、
圧力の他に温度を検出する機能を有する温度検出機能付
き圧力センサにおいて安価にして、耐ノイズ性を向上さ
せた圧力センサを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め本発明は、固定部となる厚肉部と薄肉ダイアフラム部
からなる半導体単結晶基板と、この薄肉ダイアフラム部
の所定領域に形成されたピエゾ抵抗効果を有する複数の
ゲージ抵抗とを備え、これらゲージ抵抗のピエゾ抵抗効
果を利用して圧力を検出する圧力センサにおいて、前記
半導体単結晶基板上の厚肉部に、不純物濃度の低い第１
の抵抗層と不純物濃度の高い第２の抵抗層を形成して、
これら抵抗層の温度に対する抵抗値の変化を温度信号と
して検出する温度検出回路を一体に構成したものであ
る。
め本発明は、固定部となる厚肉部と薄肉ダイアフラム部
からなる半導体単結晶基板と、この薄肉ダイアフラム部
の所定領域に形成されたピエゾ抵抗効果を有する複数の
ゲージ抵抗とを備え、これらゲージ抵抗のピエゾ抵抗効
果を利用して圧力を検出する圧力センサにおいて、前記
半導体単結晶基板上の厚肉部に、不純物濃度の低い第１
の抵抗層と不純物濃度の高い第２の抵抗層を形成して、
これら抵抗層の温度に対する抵抗値の変化を温度信号と
して検出する温度検出回路を一体に構成したものであ
る。
【００１０】
【作用】本発明においては、半導体単結晶基板上に形成
したゲージ抵抗のピエゾ抵抗効果を利用して圧力を検出
できるとともに、その基板上に一体に形成した不純物濃
度の異なる抵抗層からなる温度検出回路により温度を検
出できる。
したゲージ抵抗のピエゾ抵抗効果を利用して圧力を検出
できるとともに、その基板上に一体に形成した不純物濃
度の異なる抵抗層からなる温度検出回路により温度を検
出できる。
【００１１】
【実施例】図１は本発明による圧力センサの一実施例を
説明するための概略図であり、同図(a)はそのセンサ部
の平面パターン図を、同図(b)はその温度検出部の等価
回路図をそれぞれ示す。この実施例は、図１に示すよう
に、固定部となる厚肉部２と薄肉ダイアフラム部３とを
備えたチップ状のｎ形シリコン基板１を用い、その薄肉
ダイアフラム部３の所定領域にｐ形拡散領域からなるピ
エゾ抵抗効果をもつゲージ抵抗４（４A 〜４D ）が形成
され、その表面にＳｉＯ2 などの絶縁膜５が被覆形成さ
れている点は上述した図３の従来例のものと同様である
が、前記シリコン基板１上の厚肉部２内に、不純物濃度
の低い第１の抵抗層７1，７2と不純物濃度の高い第２の
抵抗層８1，８2をそれぞれ形成して、これら第１の抵抗
層７1 ，７2と第２の抵抗層８1，８2 により温度検出用
のブリッジ回路９を一体に構成したことである。
説明するための概略図であり、同図(a)はそのセンサ部
の平面パターン図を、同図(b)はその温度検出部の等価
回路図をそれぞれ示す。この実施例は、図１に示すよう
に、固定部となる厚肉部２と薄肉ダイアフラム部３とを
備えたチップ状のｎ形シリコン基板１を用い、その薄肉
ダイアフラム部３の所定領域にｐ形拡散領域からなるピ
エゾ抵抗効果をもつゲージ抵抗４（４A 〜４D ）が形成
され、その表面にＳｉＯ2 などの絶縁膜５が被覆形成さ
れている点は上述した図３の従来例のものと同様である
が、前記シリコン基板１上の厚肉部２内に、不純物濃度
の低い第１の抵抗層７1，７2と不純物濃度の高い第２の
抵抗層８1，８2をそれぞれ形成して、これら第１の抵抗
層７1 ，７2と第２の抵抗層８1，８2 により温度検出用
のブリッジ回路９を一体に構成したことである。
【００１２】この場合、不純物濃度の低い第１の抵抗層
７1，７2はゲージ抵抗４と同じ工程で形成されるもの
で、ｐ形不純物としてボロンをイオン注入して１０16ｃ
ｍ-3程度のｐ形拡散層からなり、温度係数にして例えば
３０００ｐｐｍ／℃程度の値を有している。また、不純
物濃度の高い第２の抵抗層８1，８2は前記ゲージ抵抗４
の配線用拡散リード層１１と同時に形成されるもので、
ｐ形不純物としてボロンをイオン注入して１０18ｃｍ-3
程度のｐ形拡散層からなり、温度係数にして例えば１５
００ｐｐｍ／℃程度の値を有している。
７1，７2はゲージ抵抗４と同じ工程で形成されるもの
で、ｐ形不純物としてボロンをイオン注入して１０16ｃ
ｍ-3程度のｐ形拡散層からなり、温度係数にして例えば
３０００ｐｐｍ／℃程度の値を有している。また、不純
物濃度の高い第２の抵抗層８1，８2は前記ゲージ抵抗４
の配線用拡散リード層１１と同時に形成されるもので、
ｐ形不純物としてボロンをイオン注入して１０18ｃｍ-3
程度のｐ形拡散層からなり、温度係数にして例えば１５
００ｐｐｍ／℃程度の値を有している。
【００１３】したがって、これら抵抗層の温度依存性は
図２に示すようになり、実線に示す曲線Ａは、シート抵
抗を１００Ω／□としたときの第１の抵抗層７1，７2の
温度変化による抵抗値変化を示し、一点破線に示す曲線
Ｂは、シート抵抗を１０００Ω／□としたときの第２の
抵抗層８1，８2の温度変化による抵抗値変化を示してい
る。そのため、温度変化に対して抵抗値変化の大きい第
１の抵抗層７1 ，７2と温度変化に対して抵抗値変化の
少ない第２の抵抗層８1，８2をブリッジ回路９に組み込
み、駆動電源１０より電圧を印加することにより、それ
ら抵抗層の温度変化による抵抗値変化をブリッジ回路９
で電圧信号に変換して温度に対応した出力信号を取り出
すことができる。この時、ブリッジ回路９の出力は２５
℃の温度を基準に増減する電圧信号となる。ただし、図
２は横軸に温度（℃）を、縦軸に２５℃における抵抗値
に対する比率ΔＲ／Ｒをとってある。
図２に示すようになり、実線に示す曲線Ａは、シート抵
抗を１００Ω／□としたときの第１の抵抗層７1，７2の
温度変化による抵抗値変化を示し、一点破線に示す曲線
Ｂは、シート抵抗を１０００Ω／□としたときの第２の
抵抗層８1，８2の温度変化による抵抗値変化を示してい
る。そのため、温度変化に対して抵抗値変化の大きい第
１の抵抗層７1 ，７2と温度変化に対して抵抗値変化の
少ない第２の抵抗層８1，８2をブリッジ回路９に組み込
み、駆動電源１０より電圧を印加することにより、それ
ら抵抗層の温度変化による抵抗値変化をブリッジ回路９
で電圧信号に変換して温度に対応した出力信号を取り出
すことができる。この時、ブリッジ回路９の出力は２５
℃の温度を基準に増減する電圧信号となる。ただし、図
２は横軸に温度（℃）を、縦軸に２５℃における抵抗値
に対する比率ΔＲ／Ｒをとってある。
【００１４】なお、図１中１１は各ゲージ抵抗４（４A
〜４D）間を接続する配線用の拡散リード層、１２はそ
れら拡散リード層１１を引き出すＡｌリード、１３は圧
力検出用のリード端子を示し、１４1，１４2は第１の抵
抗層７1，７2のそれぞれを接続するＡｌリード、１５1
〜１５4 は第１の抵抗層７1，７2 と第２の抵抗層８
1 ，８2とをそれぞれ接続するＡｌリード、１６1〜１６
4 は温度検出用のリード端子を示す。また、同図におい
て図３と同一符号のものは同一または相当のものを示し
ている。
〜４D）間を接続する配線用の拡散リード層、１２はそ
れら拡散リード層１１を引き出すＡｌリード、１３は圧
力検出用のリード端子を示し、１４1，１４2は第１の抵
抗層７1，７2のそれぞれを接続するＡｌリード、１５1
〜１５4 は第１の抵抗層７1，７2 と第２の抵抗層８
1 ，８2とをそれぞれ接続するＡｌリード、１６1〜１６
4 は温度検出用のリード端子を示す。また、同図におい
て図３と同一符号のものは同一または相当のものを示し
ている。
【００１５】このように本実施例の圧力センサによる
と、シリコン基板１上に形成された各ゲージ抵抗４のピ
エゾ抵抗効果を利用して圧力を検出できるとともに、そ
の基板１上に一体に形成した不純物濃度の異なる第１の
抵抗層７1，７2と第２の抵抗層８1，８2からなる温度検
出用のブリッジ回路９により温度を検出できる。そのた
め、これら圧力信号とともに温度信号を従来と同様にＡ
／Ｄ変換して受信計器へディジタル的に伝送したり、あ
るいはアナログ的に伝送することができる。
と、シリコン基板１上に形成された各ゲージ抵抗４のピ
エゾ抵抗効果を利用して圧力を検出できるとともに、そ
の基板１上に一体に形成した不純物濃度の異なる第１の
抵抗層７1，７2と第２の抵抗層８1，８2からなる温度検
出用のブリッジ回路９により温度を検出できる。そのた
め、これら圧力信号とともに温度信号を従来と同様にＡ
／Ｄ変換して受信計器へディジタル的に伝送したり、あ
るいはアナログ的に伝送することができる。
【００１６】したがって、周囲温度を検出するのに、シ
リコン基板１上に一体に形成した不純物濃度の異なる抵
抗層７1 〜８2 の抵抗値の変化を利用しているので、従
来例のようにシリコン基板上の温度検出素子と別個に設
けた高価な精密抵抗を配線して組み合わせたものに比べ
て、安価にできる。また、シリコン基板１上に温度検出
用のブリッジ回路９を一体化構造にしたので、リード線
による配線が不要になり、耐ノイズ性を高めることがで
きる利点を有する。
リコン基板１上に一体に形成した不純物濃度の異なる抵
抗層７1 〜８2 の抵抗値の変化を利用しているので、従
来例のようにシリコン基板上の温度検出素子と別個に設
けた高価な精密抵抗を配線して組み合わせたものに比べ
て、安価にできる。また、シリコン基板１上に温度検出
用のブリッジ回路９を一体化構造にしたので、リード線
による配線が不要になり、耐ノイズ性を高めることがで
きる利点を有する。
【００１７】なお、上述の実施例では半導体単結晶基板
としてｎ形シリコン基板を用いた場合について示した
が、本発明はこれに限定されるものではなく、ｐ形シリ
コン基板やＳＯＩ構造の基板を用いたり、あるいは薄肉
ダイアフラム外周の厚肉部に形成する温度検出用の回路
も不純物濃度の異なる抵抗層を少なくとも２個設けてブ
リッジを構成したりすることなど、幾多の変形が可能で
ある。
としてｎ形シリコン基板を用いた場合について示した
が、本発明はこれに限定されるものではなく、ｐ形シリ
コン基板やＳＯＩ構造の基板を用いたり、あるいは薄肉
ダイアフラム外周の厚肉部に形成する温度検出用の回路
も不純物濃度の異なる抵抗層を少なくとも２個設けてブ
リッジを構成したりすることなど、幾多の変形が可能で
ある。
【００１８】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、半
導体単結晶基板上の薄肉ダイアフラムにゲージ抵抗を形
成し、そのゲージ抵抗のピエゾ抵抗効果を利用して圧力
を検出する圧力センサにおいて、前記半導体単結晶基板
上のダイアフラム外周の厚肉部に、不純物濃度の低い第
１の抵抗層と不純物濃度の高い第２の抵抗層を形成し
て、これら抵抗層の温度に対する抵抗値の変化を温度信
号として検出する温度検出回路を一体に組み込むことに
より、安価で、耐ノイズ性に優れた圧力センサが得られ
る効果がある。
導体単結晶基板上の薄肉ダイアフラムにゲージ抵抗を形
成し、そのゲージ抵抗のピエゾ抵抗効果を利用して圧力
を検出する圧力センサにおいて、前記半導体単結晶基板
上のダイアフラム外周の厚肉部に、不純物濃度の低い第
１の抵抗層と不純物濃度の高い第２の抵抗層を形成し
て、これら抵抗層の温度に対する抵抗値の変化を温度信
号として検出する温度検出回路を一体に組み込むことに
より、安価で、耐ノイズ性に優れた圧力センサが得られ
る効果がある。
【図１】本発明による圧力センサの一実施例を説明する
概略図であり、(a) はそのセンサ部の平面パターン図、
(b)はその温度検出部の等価回路図である。
概略図であり、(a) はそのセンサ部の平面パターン図、
(b)はその温度検出部の等価回路図である。
【図２】図１の実施例の説明に供する抵抗層の温度依存
性を示す図である。
性を示す図である。
【図３】従来の圧力センサの基本的な構成図であり、
(a)はその平面図、(b)は断面図である。
(a)はその平面図、(b)は断面図である。
【図４】従来の温度検出機能付き圧力センサの概略説明
図である。
図である。
１ ｎ形シリコン基板 ２ 厚肉部 ３ 薄肉ダイアフラム部 ４，４A〜４D ｐ形ゲージ抵抗 ７1，７2 第１の抵抗層 ８1，８2 第２の抵抗層 ９ 温度検出用のブリッジ回路
Claims (1)
- 【請求項１】 固定部となる厚肉部と薄肉ダイアフラム
部からなる半導体単結晶基板と、前記薄肉ダイアフラム
部の所定領域に形成されたピエゾ抵抗効果を有する複数
のゲージ抵抗とを備え、これらゲージ抵抗のピエゾ抵抗
効果を利用して圧力を検出する圧力センサにおいて、 前記半導体単結晶基板上の厚肉部に、不純物濃度の低い
第１の抵抗層と不純物濃度の高い第２の抵抗層を形成し
て、これら抵抗層の温度に対する抵抗値の変化を温度信
号として検出する温度検出回路を一体に構成したことを
特徴とする圧力センサ。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2085893A JP2694594B2 (ja) | 1993-01-14 | 1993-01-14 | 圧力センサ |
| US08/178,085 US5432372A (en) | 1993-01-14 | 1994-01-06 | Semiconductor pressure sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2085893A JP2694594B2 (ja) | 1993-01-14 | 1993-01-14 | 圧力センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06213745A JPH06213745A (ja) | 1994-08-05 |
| JP2694594B2 true JP2694594B2 (ja) | 1997-12-24 |
Family
ID=12038822
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2085893A Expired - Lifetime JP2694594B2 (ja) | 1993-01-14 | 1993-01-14 | 圧力センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2694594B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11378478B2 (en) | 2018-03-20 | 2022-07-05 | Tdk Electronics Ag | Sensor element for measuring pressure and temperature |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102015222756A1 (de) | 2015-11-18 | 2017-05-18 | Robert Bosch Gmbh | Sensorelement für einen Drucksensor |
| CN109405990A (zh) * | 2018-11-27 | 2019-03-01 | 广东电网有限责任公司惠州供电局 | 一种温度检测系统 |
-
1993
- 1993-01-14 JP JP2085893A patent/JP2694594B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11378478B2 (en) | 2018-03-20 | 2022-07-05 | Tdk Electronics Ag | Sensor element for measuring pressure and temperature |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06213745A (ja) | 1994-08-05 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
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