JP6734991B2 - 半導体圧力センサ - Google Patents

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Description

本発明は、半導体圧力センサに関し、より詳しくは、導電体材質の5つの接続パッドと接続パッドに連結されて外部圧力による長さ変化に比例して抵抗値が変化する4つの半導体抵抗とを含む1又は2つのフルホイートストンブリッジ構造の半導体圧力センサに関する。
一般的に、圧力センサは、自動車、環境設備、医療機器などに広く利用されるセンサ部分の技術分野において、振動が多く発生するか、急激な圧力の変化がある環境など、圧力に対する測定が必要な機器で用いられる。圧力センサの測定原理は、半導体に加えられる圧力に比例して半導体の形状が変化して、半導体の抵抗値が変化することを利用する。圧力センサは、電圧が印加されるホイートストンブリッジを含め、ホイートストンブリッジに外部圧力が加えられると、物理的な撓みで発生する半導体の抵抗値を測定することで、圧力の程度を感知する。
従来の半導体圧力センサは、圧力が加えられる環境に露出するように構成された感知要素であって、少なくとも1つの高濃度ドーピング半導体ストレーンゲージを備える電子パッケージを含む。
本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであって、本発の目的は、単一の電源供給部を備えたフルホイートストンブリッジを構成する半導体圧力センサを提供することにある。
また、本発明の目的は、ホイートストンブリッジを形成する接続パッドをオーバーラップするように配置することで、半導体圧力センサの全体面積を減少して生産収率を向上させ、接続パッドのワイヤボンディング部の領域を大きくする半導体圧力センサを提供することにある。
更に、本発明の目的は、4つの抵抗体で2つの独立したフルホイートストンブリッジを形成し、2つの独立したフルホイートストンブリッジで圧力の変化を測定して2つの圧力測定値の比較が可能な半導体圧力センサを提供することにある。
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による半導体圧力センサは、測定対象物体に設置されて前記測定対象物体に加えられる外部圧力を測定する半導体圧力センサであって、それぞれが導電体材質の板状を有して互いに平行に配列された5つの接続パッドと、前記接続パッドのうちのいずれか一対の接続パッドに互いに連結され、前記外部圧力による長さの変化に比例して抵抗値が変化する4つの半導体抵抗部と、を備え、前記5つの接続パッドは、電源供給パッド、第1の出力電圧パッド、第1の接地パッド、第2の出力電圧パッド、及び第2の接地パッドを含み、前記電源供給パッドは、中央に配置され、前記第1の出力電圧パッド及び前記第1の接地パッドは、前記電源供給パッドの一側に配置され、前記第2の出力電圧パッド及び前記第2の接地パッドは、前記電源供給パッドの他側に配置され、前記第1の出力電圧パッドは、前記第1の接地パッドと前記電源供給パッドとを連結し、前記第2の出力電圧パッドは、前記第2の接地パッドと前記電源供給パッドとを連結することを特徴とする。
前記5つの接続パッドは、単一のフルホイートストンブリッジを形成する。
前記半導体抵抗部のそれぞれは、いずれか1つの接続パッドと前記いずれか1つの接続パッドに連結された他の接続パッドとを連結するように、前記いずれか1つの接続パッドに長さ方向に延在して連結された上部抵抗部と、前記他の接続パッドに長さ方向に延在して連結された下部抵抗部と、前記接続パッド間の抵抗を同一に調節するように、前記上部抵抗部と前記下部抵抗部との間に設けられた抵抗調節部と、を含む。
前記5つの接続パッドは、同一の間隔で互いに離隔して平行に配列され、前記5つの接続パッドが配列される方向を基準に、前記上部抵抗部と前記下部抵抗部とは、同一の間隔で互いに離隔して配置される。
上記目的を達成するためになされた本発明の他の態様による半導体圧力センサは、測定対象物体に設置されて前記測定対象物体に加えられる外部圧力を測定する半導体圧力センサであって、それぞれが導電体材質の板状を有し、互いに離隔して配列された第1の接続パッド、第2の接続パッド、第3の接続パッド、第4の接続パッド、及び第5の接続パッドと、前記接続パッドのうちのいずれか一対の接続パッドに互いに連結され、前記外部圧力による長さの変化に比例して抵抗値が変化する4つの半導体抵抗部と、を備え、前記第3の接続パッドは、中央に配置され、前記第1の接続パッド及び前記第2の接続パッドは、前記第3の接続パッドの一側に配置され、前記第4の接続パッド及び前記第5の接続パッドは、前記第3の接続パッドの他側に配置され、前記5つの接続パッドのうちの電気的に連結される2つ以上の接続パッドは、前記第3の接続パッドの長さ方向である第1の方向から見たときに互いにオーバーラップする部分を有することを特徴とする。
前記第1の方向を基準に、前記第1の接続パッド〜前記第5の接続パッドのそれぞれの両端部は、前記第3の接続パッドの両端部と同じか又は内側に位置する。
前記第1の方向を基準に、前記第3の接続パッドは、他の接続パッドのいずれに対しても平行に配置されてオーバーラップされる部分がなく、前記第1の接続パッドと前記第2の接続パッド、前記第4の接続パッドと前記第5の接続パッドは、それぞれ互いにオーバーラップする部分を有する。
前記第3の接続パッドは、それぞれが前記第1の方向に延在する形状を有する2つの副接続パッドを含み、前記副接続パッドのそれぞれは、前記第1方向に垂直な第2の方向に互いにオフセットされて連結される形状を有し、前記第1の方向を基準に、他の接続パッドにオーバーラップする部分を有する。
前記5つの接続パッドは、単一のフルホイートストンブリッジを形成する。
前記5つの接続パッドは、単一の電源供給パッド、第1の出力電圧パッド、第1の接地パッド、第2の出力電圧パッド、及び第2の接地パッドを含み、前記電源供給パッドは、中央に配置され、前記第1の出力電圧パッド及び前記第1の接地パッドは、前記電源供給パッドの一側に配置され、前記第2の出力電圧パッド及び前記第2の接地パッドは、前記電源供給パッドの他側に配置される。
前記5つの接続パッドは、単一の接地パッド、第1の電源供給パッド、第1の出力電圧パッド、第2の電源供給パッド、第2の出力電圧パッドを含み、前記接地パッドは、中央に配置され、前記第1の電源供給パッド及び前記第1の出力電圧パッドは、前記接地パッドの一側に配置され、前記第2の電源供給パッド及び前記第2の出力電圧パッドは、前記接地パッドの他側に配置される。
前記5つの接続パッドは、2つのフルホイートストンブリッジを形成する。
前記4つの半導体抵抗部のそれぞれは、外部固定抵抗を介して外部印加電圧に連結され、2つの独立したフルホイートストンブリッジを形成する。
前記半導体抵抗部のそれぞれは、いずれか1つの接続パッドと前記いずれか1つの接続パッドに連結された他の接続パッドとを連結するように、前記いずれか1つの接続パッドに長さ方向に延在して連結された上部抵抗部と、前記他の接続パッドに長さ方向に延在して連結された下部抵抗部と、前記接続パッド間の抵抗を同一に調節するように、前記上部抵抗部と前記下部抵抗部との間に設けられた抵抗調節部と、を含む。
前記5つの接続パッドが配列される方向を基準に、前記上部抵抗部と前記下部抵抗部とは、同一の間隔で互いに離隔して配置される。
上記目的を達成するためになされた本発明の更に他の態様による半導体圧力センサは、測定対象物体に設置されて前記測定対象物体に加えられる外部圧力を測定する半導体圧力センサであって、それぞれが導電体材質の板状を有し、互いに離隔して配列された第1の接続パッド、第2の接続パッド、第3の接続パッド、第4の接続パッド、及び第5の接続パッドと、前記接続パッドのうちのいずれか一対の接続パッドが互いに連結され、前記外部圧力による長さの変化に比例して抵抗値が変化する4つの半導体抵抗部と、を備え、前記第3の接続パッドは、共通の接地パッド又は共通の電源供給パッドであり、前記第1の接続パッド、前記第2の接続パッド、及び前記第3の接続パッドは、第1のフルホイートストンブリッジを形成し、前記第4の接続パッド、前記第5の接続パッド、及び前記第3の接続パッドは、第2のフルホイートストンブリッジを形成することを特徴とする。
前記第3の接続パッドは、中央に配置され、前記第1の接続パッド及び前記第2の接続パッドは、前記第3の接続パッドの一側に配置され、前記第4の接続パッド及び前記第5の接続パッドは、前記第3の接続パッドの他側に配置される。
前記4つの半導体抵抗部は、前記第3の接続パッドを中心に互いに非対称の形状を有する。
前記第1の接続パッドは、第1の半導体抵抗部の出力部になり、前記第2の接続パッドは、第2の半導体抵抗部の出力部になり、第1のフルホイートストンブリッジを構成し、前記第4の接続パッドは、第3の半導体抵抗部の出力部になり、前記第5の接続パッドは、第4の半導体抵抗部の出力部になり、第2のフルホイートストンブリッジを構成する。
前記第3の接続パッドは、共通の接地パッドであり、前記4つの半導体抵抗部のそれぞれは、外部固定抵抗を介して外部印加電圧に連結され、2つの独立したフルホイートストンブリッジを形成する。
本発明による半導体圧力センサは、単一の電源供給部を備えることで、複数の電源供給部が接続パッドに連結された半導体圧力センサに代えて、同一の印加電圧を保持することが容易であるため、外部電源供給連結部を単一に製造することができる。これによって、半導体圧力センサの全体の製造工程が簡便となり、製造コストを低減することができる。また、半導体圧力センサの回路の構成が簡単になり、圧力センサの設置が簡便であり、故障の危険性が低くなるという効果がある。
また、本発明による半導体圧力センサは、ホイートストンブリッジを形成する接続パッドを、オーバーラップ部分を有するように配置することで、半導体圧力センサの全体面積を減少させて生産収率を向上させることができる。また、接続パッドのワイヤボンディング部の領域を大きくして、二重ボンディング及び様々な幅のワイヤボンディングを可能にしてワイヤ接続を安定にすることができる。
更に、本発明による半導体圧力センサは、半導体抵抗部の長さを調節して抵抗のサイズを制御することで消耗電力を小さくすることができ、許容電力が相違する様々な種類の集積回路に連結することができる。
なお、本発明による半導体圧力センサは、4つの抵抗体で2つの独立したフルホイートストンブリッジを形成することで、2つの独立したフルホイートストンブリッジで圧力の変化を測定して2つの圧力測定値の比較が可能になるため、圧力測定の精度が向上する。また、2つの独立したフルホイートストンブリッジを用いることで、一部の構成要素の故障時でも正常作動する残りのフルホイートストンブリッジによる圧力の測定を可能にする。
本発明の一実施形態による単一の電源供給部を有する半導体圧力センサの構造図である。 図1の半導体圧力センサが適用された圧力測定装置の一部断面図である。 外部圧力の印加時に圧力測定装置の作動原理を示す図である。 本発明の一実施形態による抵抗調節部を有する半導体圧力センサの構造図である。 本発明の一実施形態によるオーバーラップ構造を有する半導体圧力センサの第1例の構造図である。 本発明の一実施形態によるオーバーラップ構造を有する半導体圧力センサの第2例の構造図である。 本発明の一実施形態によるオーバーラップ構造を有する半導体圧力センサの第3例の構造図である。 本発明の一実施形態によるオーバーラップ構造を有する半導体圧力センサの第4例の構造図である。 本発明の一実施形態による2つのフルホイートストンブリッジを構成する半導体圧力センサの一例の構造図である。 本発明の一実施形態による2つのフルホイートストンブリッジを構成する半導体圧力センサの他の例の構造図である。 図9における半導体圧力センサを用いた4つの抵抗体からなる2つのフルホイートストンブリッジ回路の作動を説明する図である。
以下では、図面を参照して、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように、本発明の実施形態を詳しく説明する。しかし、本発明は、様々な形態に具現可能であり、ここで説明する実施形態に限定されるものではない。また、図面において、本発明の実施形態を明らかに説明するために、説明と関係ない部分は省略する。
本明細書で使われる用語は、単に特定の実施形態を説明するために使われ、本発明を限定する意図として使われるものではない。単数の表現は、文脈上明白に異なることを意味しない限り、複数の表現を含む。
本明細書で“含む”、“有する”、又は“備える”などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品、又はこれらの組み合わせを指定しようとするものであり、1又はそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品、又はこれらを組み合わせたものの存在、又は付加可能性を予め排除しないものと理解すべきである。
また、以下の実施形態は、当業界で通常の知識を有する者に、より明確に説明するために提供されるものであって、図面における要素の形状及びサイズなどは、より明確な説明のために誇張される。
以下、本発明を実施するための形態の具体例を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施形態による単一の電源供給部を有する半導体圧力センサの構造図であり、図2は、図1の半導体圧力センサが適用された圧力測定装置の一部断面図である。図3は、外部圧力の印加時に圧力測定装置の作動原理を示す図である。
図1〜図3に示すように、本実施形態による半導体圧力センサA0は、測定対象物体の上部圧力変形面100に設けられて、測定対象物体に加えられる外部圧力を測定する。半導体圧力センサA0は、5つの接続パッドP(P1〜P5)と、4つの半導体抵抗部R(R1〜R4)とを含む。
本明細書において、接続パッドPは、第1の接続パッドP1、第2の接続パッドP2、第3の接続パッドP3、第4の接続パッドP4、第5の接続パッドP5をいずれも示し、半導体抵抗部Rは、それぞれ上部抵抗部(R1a、R2a、R3a、R4a)及び下部抵抗部(R1b、R2b、R3b、R4b)と、上部抵抗部(R1a、R2a、R3a、R4a)と下部抵抗部(R1b、R2b、R3b、R4b)とを連結する連結部をいずれも示す。
5つの接続パッドPは、それぞれが導電体材質からなり、互いに平行に配列された薄肉の長方形状である。4つの半導体抵抗部Rのそれぞれは、いずれか一対の接続パッドPを互いに連結し、外部圧力による長さの変化に比例して抵抗値が変化する。
5つの接続パッド(P1〜P5)のそれぞれは、共通に使用する単一の電源供給パッドP3、第1の出力電圧パッドP1、第1の接地パッドP2、第2の接地パッドP4、及び第2の出力電圧パッドP5に対応する。第3の接続パッドである電源供給パッドP3は接続パッドPの中央に配置され、第1の出力電圧パッドP1及び第1の接地パッドP2は電源供給パッドP1の一側に配置され、第2の出力電圧パッドP5及び第2の接地パッドP4は電源供給パッドP3の他側に配置される。また、第1の出力電圧パッドP1は第1の接地パッドP2と電源供給パッドP3とを連結し、第2の出力電圧パッドP5は第2の接地パッドP4と電源供給パッドP3とを連結する。このような構造による5つの接続パッドは、単一の電源供給を有する単一のフルホイートストンブリッジ回路を形成する。
4つの半導体抵抗部Rは、それぞれ上部抵抗部(R1a、R2a、R3a、R4a)及び下部抵抗部(R1b、R2b、R3b、R4b)を含み、上部抵抗部(R1a、R2a、R3a、R4a)と下部抵抗部(R1b、R2b、R3b、R4b)とを連結する連結部(11、12、13、14)が垂直方向(図面のY軸方向)に形成される。連結部(11、12、13、14)は、接続パッドにメッキされた物質と同一の金属材料でコートされ、連結部(11、12、13、14)の長さ及び面積による抵抗の影響を最小化する。金属材料は、一例として金メッキ、アルミニウムメッキ、銀メッキなどが用いられる。
一方、単一の電源供給部を有する半導体圧力センサA0の全体回路の電気的なフローとは関係なく、製品の全体的な形状を安定にするために、構造強化部(21、22、23、24)が連結部(11、12、13、14)の中央から連結部に垂直な方向に向けて(即ち、上部抵抗部及び下部抵抗部に平行に)形成される。
本実施形態において、それぞれの接続パッドPは水平方向(図面においてX軸方向)に長い長方形状の薄板でいずれも同一の形状からなり、それぞれの半導体抵抗部Rは水平方向に長く形成されていずれも同一の形状からなり、それぞれの構造強化部(21、22、23、24)も水平方向に長く同一の形状からなる。しかし、連結部(11、12、13、14)の高さ(w1、w2、w3、w4)は、形成位置によって2種類の互いに異なる高さ(図面においてY軸方向)を有する。本実施例において、連結部(11、13)は互いに対称の位置に設けられて同一の高さを有し、連結部(12、14)は互いに対称の位置に設けられて同一の高さを有する。連結部(11、12、13、14)は、導電体材質で形成される。
接続パッドPはいずれも高さよりも幅が長い長方形状で厚さが薄い板状を有し、それぞれの接続パッドPは接続パッドPの高さwよりも相対的に小さい間隔で互いに離隔して配置される。
半導体圧力センサA0の形状をより具体的に説明すると、第1の接続パッドP1の左上端部には、第1の上部抵抗部R1aが連結される。第1の上部抵抗部R1aは、第1の接続パッドP1の約1/3の高さ及び第1の接続パッドP1に類似した長さの幅を有する長方形状で薄い厚さを有し、第1の接続パッドP1に水平に連結されて形成される。第1の上部抵抗部R1aと第1の下部抵抗部R1bとを電気的に連結する第1の連結部11は、隅が丸く長い長方形状で薄い厚さを有し、第1の上部抵抗部R1aの左端部から第1の下部抵抗部R1bの左端部までを連結する。また、半導体圧力センサA0の全体回路の電気的なフローとは関係なく、製品の全体的な形状を安定的にし、製造工程時の便利さのために、第1の連結部11の上下方向(Y軸方向)の中心部から右側に第1の組立体21が形成される。一例として、第1の組立体21は、半導体抵抗部Rの約5/6の長さを有する第1の組立体21として形成されるが、その長さと幅は様々である。他の接続パッド(P2、P3、P4、P5)、半導体抵抗部(R2、R3、R4)、及び連結部(12、13、14)は、これと同様な方式で形成される。
図2を参照して、本実施形態による単一の電源供給部を備えた半導体圧力センサA0の作動原理を説明する。半導体圧力センサA0が取り付けられた圧力測定装置Bは、内部が中空の円筒状からなり、上部及び側部は密閉され、下部のみが内部と外部とが通じるように開放された形状を有する円筒状である。圧力測定装置Bの円筒の中空の内部に流体などの任意の媒質を介して外部の圧力が伝達されると、下部より上部に向かう方向に圧力が加えられ、圧力測定装置Bの上部圧力変形面100が圧力の大きさに比例して物理的な形状の変形が生じるように製作される。外部圧力が増加すると、圧力測定装置Bの円筒の中心軸を基準に中心軸に近い部分が上に膨らむようになって、中心部表面101の上部表面は、より増加する。一方、圧力測定装置Bの円筒の中心軸よりも遠い上部面の一部は、外部の圧力が増加すると、上部板の下側が伸びる長さよりも上側が伸びる長さがより小さくなるため、外郭部表面102がより減少する。
図3に示すように、半導体圧力センサA0の第1の接続パッドP1の左右端部がそれぞれ中心部表面101と外郭部表面102との中間に位置するように、半導体圧力センサA0を圧力測定装置Bの上部圧力変形面100に水平方向に設置する。この場合、円筒内に伝達される流体による外部圧力が増加すると、中心部表面101の長さが増加し、これによって中心部表面101に位置する半導体抵抗部Rの長さが同一割合で増加することになり、抵抗値が増加する。一方、外部の圧力が減少すると、外郭部表面102の長さが減少し、これによって外郭部表面102に位置する半導体抵抗部Rの長さが同一割合で減少し、抵抗値が減少する。従って、半導体抵抗部Rの抵抗値変化の程度を測定することで、外部から圧力測定装置Bの内部に与えられる圧力の測定が可能になる。
圧力測定装置Bの上部圧力変形面100に半導体圧力センサA0を設置する方法は、その設置方向によって2つある。第1の設置方法C1は、第1の連結部11及び第4の連結部14が中心部表面101に位置し、第2の連結部12及び第3の連結部13が外郭部表面102側に位置する場合である。第2の設置方法C2は、第2の連結部12及び第3の連結部13が中心部表面101側に位置し、第1の連結部11及び第4の連結部14が外郭部表面102側に位置する場合である。設置方法によって、計2つのフルホイートストンブリッジが生成される。
本実施形態による半導体圧力センサA0は、圧力の変化による半導体抵抗部Rの抵抗値の変化を測定するためのフルホイートストンブリッジを形成するに当たり、第1の接続パッドP1は第1の出力電圧部になり、第2の接続パッドP2は第1の接地部になり、第3の接続パッドP3は共通の電源供給部になり、第4の接続パッドP4は第2の接地部になり、第5の接続パッドP5は第2の出力電圧部になる。従って、外部電源供給連結部が単一に形成されても半導体圧力センサA0の作動が可能になり、同一の電圧で印加電圧を保持することが容易になる。また、外部電源供給連結部を単一に製造することで、半導体圧力センサA0の全体の製造工程が簡便になり、製造コストが減少し、連結される回路の構成が簡単になって、圧力センサの設置が簡便であり、故障の危険性が低くなるという優れた効果がある。
図4は、本発明の一実施形態による抵抗調節部を有する半導体圧力センサの構造図である。
先ず、図4に示すように、本実施形態による半導体圧力センサA1は、図1における半導体圧力センサA0と比較すると、上部抵抗部(R1a、R2a、R3a、R4a)と下部抵抗部(R1b、R2b、R3b、R4b)とを連結する連結部(11、12、13、14)の間に接続パッドPに向かって曲がる形状を有する抵抗調節部(R1c、R2c、R3c、R4c)を備えるという相違点がある。半導体圧力センサA1は、別のICチップに電気的に接続されて、測定された抵抗値をICチップに伝達する。ICチップは、その目的と機能によって許容される抵抗値が異なり、望ましくは消耗電力の小さいICチップが望ましい。本実施形態による半導体圧力センサA1は、抵抗調節部(R1c、R2c、R3c、R4c)を備え、全体的な抵抗の長さを調節することができると共に、半導体圧力センサA1の作動時に全体的な抵抗値を増加させることができるため、消耗電力を低くすることができる。
図5〜図8は、本発明の一実施形態によるオーバーラップ構造を有する半導体圧力センサの多様な例の構造図である。
先ず、図5に示すように、本発明の一実施形態によるオーバーラップ構造を有する半導体圧力センサA4は、図1における半導体圧力センサA0と比較すると、5つの接続パッド(P1、P2、P3、P4、P5)の形状が相違する。
具体的に、半導体圧力センサA4は、それぞれが導電体材質の板状を有し、互いに離隔して配列された第1の接続パッドP1、第2の接続パッドP2、第3の接続パッドP3、第4の接続パッドP4、及び第5の接続パッドP5を含む。また、半導体圧力センサA4は、5つの接続パッドPのうちの一対の接続パッドPを互いに連結し、外部圧力による長さの変化に比例して抵抗値が変化する4つの半導体抵抗部(R1、R2、R3、R4)を含む。第3の接続パッドP3は中央に配置され、第1の接続パッドP1及び第2の接続パッドP2は第3の接続パッドP3の一側に配置され、第4の接続パッドP4及び第5の接続パッドP5は第3の接続パッドP3の他側に配置される。接続パッドPのそれぞれの幅(X軸方向)はそれぞれ異なり、高さ(Y軸方向)は互いに同一である。
図5による半導体圧力センサA4は、5つの接続パッドPのうちの電気的に連結される2以上の接続パッドが第3の接続パッドP3の長さ方向である第1の方向(X軸方向)からみた時、オーバーラップする部分があることを特徴とする。ここで、オーバーラップは、特定の方向からみたとき、前に位置する接続パッドによって後に位置する接続パッドの一部分が見えないことを意味する。本実施形態において、オーバーラップのサイズは、それぞれの接続パッドの高さの10%〜60%である。ここで、第1の接続パッドP1と第2の接続パッドP2とは、第1の方向(X軸方向)からみた時、オーバーラップする部分がある。また、第2の接続パッドP2は、第1の接続パッドP1及び第3の接続パッドP3の両方にオーバーラップする。第4の接続パッドP4は、第3の接続パッドP3及び第5の接続パッドP5にオーバーラップする。一方、第1の接続パッドP1、第2の接続パッドP2、第4の接続パッドP4、及び第5の接続パッドP5のそれぞれの両端部は、第3の接続パッド3の両端部と同じか又は内側に位置する。
本実施形態による半導体圧力センサA4は、図1における半導体圧力センサA0と比較すると、半導体圧力センサA4の高さ及び幅の長さを同一に保持しながらも、接続パッドPの領域のサイズを増加させることができる。即ち、半導体圧力センサA4の全体のサイズを図1における半導体圧力センサA0と同一に保持しながらも、接続パッドPの高さを増加させることができる。これによって、接続パッドPに厚いワイヤボンディングが可能になり、ワイヤボンディングの角度を多様にすることができ、それぞれの接続パッドPにボンディングされるワイヤ同士の間隔が大きいため、相互間の干渉を防止することができる。また、接続パッドPの高さが増加するため、1つの接続パッドPで複数回のワイヤボンディングが可能であり、電気的連結を安定にすることができる。
一方、半導体圧力センサA4のそれぞれの半導体抵抗部Rの連結部の高さ(w1、w2、w3、w4)は、同一に設定される。図示するように、接続パッドP1と接続パッドP2とは、互いにオーバーラップする部分があるため、第1の下部抵抗部R1b及び第2の下部抵抗部R2bが垂直方向(Y軸方向)に同一の高さに位置するように配置される。これによって、第1の半導体抵抗部R1及び第2の半導体抵抗部R2の全体の長さが同じく保持され、実際の抵抗値もいずれも同一に設定される。同様に、第3の半導体抵抗部R3及び第4の半導体抵抗部R4の全体の長さも同一に保持され、実際の抵抗値も同一に設定される。本実施形態において、半導体抵抗部Rのそれぞれの連結部の高さ(wl、w2、w3、w4)はいずれも同一に設定され、それぞれの半導体抵抗部Rの長さ及び実際の抵抗値がいずれも同一になる。従って、半導体圧力センサA4の製造時に工程の均一性が確保される。また、抵抗間のオフセットが最小化されて、ホイートストンブリッジの2つの出力端間の電圧差(オフセット)が最小化される。
一方、図5に示した実施形態のように、中央に位置する第3の接続パッドP3は、長方形状ではない中間部分がオフセットされた形状を有する。第3の接続パッドP3は、2つの副接続パッド(P3a、P3b)がY軸方向にオフセットされた状態で連結される形状を有する。副接続パッド(P3a、P3b)は、それぞれが第1の方向(X軸方向)に延在する形状を有し、且つ第1の方向に垂直な方向(Y軸方向)に互いにオフセットされて連結される。これによって、第1の方向を基準にすると、副接続パッドP3aは第2の接続パッドP2にオーバーラップされる部分が形成され、副接続パッドP3bは第4の接続パッドP4にオーバーラップされる部分が形成される。
一方、図示していないが、図5における半導体圧力センサA4の各接続パッドPの高さを、図1における半導体圧力センサA0の接続パッドPの高さと同一に保持する場合、半導体圧力センサA4の全体の高さが低くなって、そのサイズを減少させることができる。従って、ボンディング部の高さを、図1の半導体圧力センサA0と同一に保持する場合は、半導体圧力センサA4の全体のサイズが減少して生産性を向上させることができる。
図6〜図8には、上述した実施形態と異なる形状のオーバーラップ構造を有する半導体圧力センサ(A5、A6、A7)を示す。本実施形態では、中央に位置する接続パッドP3にオフセットがない形状であり、他の接続パッド(P1、P2、P4、P5)に平行に配置され、第1の接続パッドP1と第2の接続パッドP2とが第1の方向(X軸方向)を基準にオーバーラップされ、第4の接続パッドP4と第5の接続パッドP5とがオーバーラップする。特に、図6及び図7に示す半導体圧力センサ(A5、A6)は、接続パッド(P1P2、P4、P5)が互いに対称の凸状に形成されて配置されるため、接続パッド(P1、P2、P4、P5)の高さを大きくすることで、様々なワイヤボンディング効果が得られ、且つ半導体圧力センサ(A5、A6)の全体のサイズを減少させることができる。一方、図8に示すように、半導体圧力センサA7の接続パッド(P1、P2、P4、P5)は、互いに対向する面に対角線方向の傾斜部が設けられる。互いに対向する接続パッド(P1、P2)及び接続パッド(P4、P5)を、それぞれ互いに対して対角線方向に移動することで、オーバーラップ程度を調節することができる。これによって、半導体圧力センサA7の全体のサイズ及び半導体抵抗部Rの全体の抵抗を適正に調節することができる。従って、所定の面積の半導体ウエハのサイズから半導体圧力センサA7の生産収率及び目標の半導体抵抗部Rの抵抗値を同時に考慮して、半導体圧力センサA7の生産計画を樹立することができる。
上述した図5〜図8の半導体圧力センサ(A4、A5、A6、A7)において、5つの接続パッド(P1、P2、P3、P4、P5)は、単一の電源供給パッド、第1の出力電圧パッド、第1の接地パッド、第2の出力電圧パッド、及び第2の接地パッドを含む。この場合、電源供給パッドは中央に配置された第3の接続パッドP3であり、第1の出力電圧パッド及び第1の接地パッドはそれぞれ第3の接続パッドP3の一側に配置された第1の接続パッドP1及び第2の接続パッドP2である。また、第2の出力電圧パッド及び第2の接地パッドはそれぞれ第3の接続パッドP3の他側に配置された第5の接続パッドP5及び第4の接続パッドP4である。
これとは異なり、上述した図5〜図8の半導体圧力センサ(A4、A5、A6、A7)において、5つの接続パッド(P1、P2、P3、P4、P5)は、単一の接地パッド、第1の電源供給パッド、第1の出力電圧パッド、第2の電源供給パッド、第2の出力電圧パッドを含むことができる。この場合、接地パッドは中央に配置された第3の接続パッドP3であり、第1の電源供給パッド及び第1の出力電圧パッドはそれぞれ第3の接続パッドP3の一側に配置された第2の接続パッドP2及び第1の接続パッドP1である。また、第2の電源供給パッド及び第2の出力電圧パッドはそれぞれ第3の接続パッドP3の他側に配置された第4の接続パッドP4及び第5の接続パッドP5である。上述した実施形態による半導体圧力センサ(A5、A6、A7、A8)は、いずれも単一のフルホイートストンブリッジを構成する。
図9は、本発明の一実施形態による2つのフルホイートストンブリッジを構成する半導体圧力センサの構造図であり、図10は、図9における半導体圧力センサを用いた4つの抵抗体からなる2つのフルホイートストンブリッジ回路の作動を説明する図である。
図9a及び図9bに示すように、本実施形態による半導体圧力センサ(A8、A9)は、上述した実施形態による半導体圧力センサと比較すると、半導体抵抗部Rと接続パッドPの連結方式が異なる。半導体圧力センサ(A8、A9)の5つの接続パッドPは、2つのフルホイートストンブリッジを形成することで、図10に示すように、4つの半導体抵抗部Rのそれぞれが別に設けられた外部固定抵抗を介して外部印加電圧に連結され、2つの独立したフルホイートストンブリッジを形成する。
図9aに示すように、半導体圧力センサA8は、4つの半導体抵抗部Rで2つの独立したフルホイートストンブリッジを形成する。この構造は、導電体である接続パッドP1が薄い厚さを有する長方形状を有し、第1の接続パッドPlの下端には、第1の接続パッドP1に類似した形状の第2の接続パッドP2が第1の接続パッドP1の高さよりも短い間隔で離隔して設けられる。また、これと同様な方式で、導電体である第3の接続パッドP3、第4の接続パッドP4、及び第5の接続パッドP5が同一の間隔で下端方向に順に離隔して形成される。接続パッドPは、水平方向に平行に設けられる。
一方、第1の半導体抵抗部R1が第5の接続パッドP5の右下端部と第3の接続パッドP3の右下端部とを連結し、第2の半導体抵抗部R2が第1の接続パッドP1の左上端部と第3の接続パッドP3の左上端部とを連結し、第3の半導体抵抗部R3が第3の接続パッドP3の右上端部と第2の接続パッドの右上端部とを連結し、第4の半導体抵抗部R4が第3の接続パッドP3の左下端部と第4の接続パッドP4の左下端部とを連結する。それぞれの半導体抵抗部Rは、図1における半導体抵抗部Rと同様に、上部抵抗部、下部抵抗部、及び上部抵抗部と下部抵抗部とを連結する連結部を含む。また、連結部の中間には、構造強化部が設けられる。
一方、図9bにおける半導体圧力センサA9は、図9aの半導体圧力センサA8と比較すると、図5における半導体圧力センサA4のように、接続パッドの形状がオーバーラップする構造を有する相違点がある。
図10を参照すると、本実施形態による半導体圧力センサ(A8、A9)の回路の構成及び作動原理は以下の通りである。半導体圧力センサ(A8、A9)に連結された外部回路に、4つの外部固定抵抗(201、202、203、204)及び1又は2つの印加電圧が備えられ、計2つの独立したフルホイートストンブリッジ(H1、H2)が形成される。図2の圧力測定装置Bの圧力変形面100への圧力の印加時、抵抗が増加する側に半導体圧力センサ(A8、A9)の第1の半導体抵抗部R1及び第3の半導体抵抗部R3を位置させ、抵抗が減少する側に第2の半導体抵抗部R2及び第4の半導体抵抗部R4を位置させる。これにより、第1半導体抵抗部R1、第4の半導体抵抗部R4、及び外部固定抵抗(201、202)は、第1のフルホイートストンブリッジ(H1)を形成する。この場合、第5の接続パッドP5は第1の半導体抵抗部R1の出力部になり、第4の接続パッドP4は第4の半導体抵抗部R4の出力部になり、第3の接続パッドP3は接地部になる。また、別の外部回路には、第4の接続パッドP4及び第5の接続パッドP5に連結された1又は2つの印加電圧及び2つの固定抵抗(201、202)が設けられる。圧力変形面100に外力が加えられると、第1の半導体抵抗部R1の抵抗値が増加して第5の接続パッドP5の出力電圧が増加し、第4の半導体抵抗部R4の抵抗値が減少して第4の接続パッドP4の出力電圧が減少する。
一方、第3の半導体抵抗部R3、第2の半導体抵抗部R2、及び外部固定抵抗(203、204)は、第2のフルホイートストンブリッジH2を形成する。この場合、第2の接続パッドP2は第3の半導体抵抗部R3の出力部になり、第1の接続パッドP1は第2の半導体抵抗部R2の出力部になり、第3の接続パッドP3は共通の接地部になる。また、別の外部回路には、第1の接続パッドP1及び第2の接続パッドP2に連結された1又は2つの印加電圧及び2つの固定抵抗(203、204)が設けられる。圧力変形面100に外力が加えられると、第3の半導体抵抗部R3の抵抗値が増加して第2の接続パッドP2の出力電圧が増加し、第2の半導体抵抗部R2の抵抗値が減少して第1の接続パッドP1の出力電圧が減少する。
本実施形態による半導体圧力センサ(A8、A9)によると、2つの独立したフルホイートストンブリッジ(H1、H2)を形成して圧力の変化を測定するため、2つの圧力測定値の比較が可能になり、これによって圧力測定の精度が向上する。また、2つの独立したフルホイートストンブリッジ(H1、H2)を用いるため、いずれか1つのフルホイートストンブリッジ(H1)の一部の構成要素が故障しても、リダンダンシーとして正常作動する他のフルホイートストンブリッジ(H2)で圧力の測定が可能になる。また、図示していないが、2つの独立したフルホイートストンブリッジを成す半導体抵抗部Rを、互いに異なるパターンの形状を持たせることで互いに非対称の長さ及び抵抗値を形成し、互いに異なる2つの圧力測定値を得ることで圧力測定の信頼度を向上させることができる。
上述した本発明の説明は、例示に過ぎず、本発明が属する技術分野の通常の知識を有する者は、本発明の技術的思想や必須的な特徴を変更することなく、他の具体的な形態に容易に変形できることが理解されるだろう。従って、上述した実施形態は、あらゆる面で例示であり、限定ではないものとして理解されるべきである。
本発明の範囲は、上記の詳細な説明よりは、後述する請求の範囲により示され、請求の範囲の意味及び範囲、そして、その均等概念から導出される全ての変更又は変形した形態が、本発明の範囲に含まれるものと解釈されるべきである。
本発明による半導体圧力センサは、一般の半導体圧力センサの製造産業において、同一の製品を反復的に製造することが可能であるため、産業上の利用可能性がある発明である。
11、12、13、14 第1〜第4の連結部
21、22、23、24 第1〜第4の構造強化部(組立体)
100 上部圧力変形面
101 中心部表面
102 外郭部表面
201、202、203、204 第1〜第4の外部固定抵抗
A0、A1、A4、A5、A6、A7、A8、A9 半導体圧力センサ
B 圧力測定装置
H1、H2 第1、第2のフルホイートストンブリッジ
P1 第1の接続パッドP(第1の出力電圧パッド)
P2 第2の接続パッドP(第1の接地パッド)
P3 第3の接続パッドP(電源供給パッド)
P4 第4の接続パッドP(第2の接地パッド)
P5 第5の接続パッドP(第2の出力電圧パッド)
R1〜R4 第1〜第4の半導体抵抗部R
R1a、R2a、R3a、R4a 上部抵抗部
R1b、R2b、R3b、R4b 下部抵抗部
R1c、R2c、R3c、R4c 抵抗調節部

Claims (20)

  1. 測定対象物体に設置されて前記測定対象物体に加えられる外部圧力を測定する半導体圧力センサであって、
    それぞれが導電体材質の板状を有して互いに平行に配列された5つの接続パッドと、
    前記接続パッドのうちのいずれか一対の接続パッドに互いに連結され、前記外部圧力による長さの変化に比例して抵抗値が変化する4つの半導体抵抗部と、を備え、
    前記5つの接続パッドは、電源供給パッド、第1の出力電圧パッド、第1の接地パッド、第2の出力電圧パッド、及び第2の接地パッドを含み、
    前記電源供給パッドは、中央に配置され、
    前記第1の出力電圧パッド及び前記第1の接地パッドは、前記電源供給パッドの一側に配置され、
    前記第2の出力電圧パッド及び前記第2の接地パッドは、前記電源供給パッドの他側に配置され、
    前記第1の出力電圧パッドは、前記第1の接地パッドと前記電源供給パッドとを連結し、前記第2の出力電圧パッドは、前記第2の接地パッドと前記電源供給パッドとを連結することを特徴とする半導体圧力センサ。
  2. 前記5つの接続パッドは、単一のフルホイートストンブリッジを形成することを特徴とする請求項1に記載の半導体圧力センサ。
  3. 前記半導体抵抗部のそれぞれは、
    いずれか1つの接続パッドと前記いずれか1つの接続パッドに連結された他の接続パッドとを連結するように、前記いずれか1つの接続パッドに長さ方向に延在して連結された上部抵抗部と、前記他の接続パッドに長さ方向に延在して連結された下部抵抗部と、
    前記接続パッド間の抵抗を同一に調節するように、前記上部抵抗部と前記下部抵抗部との間に設けられた抵抗調節部と、を含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体圧力センサ。
  4. 前記5つの接続パッドは、同一の間隔で互いに離隔して平行に配列され、
    前記5つの接続パッドが配列される方向を基準に、前記上部抵抗部と前記下部抵抗部とは、同一の間隔で互いに離隔して配置されることを特徴とする請求項3に記載の半導体圧力センサ。
  5. 測定対象物体に設置されて前記測定対象物体に加えられる外部圧力を測定する半導体圧力センサであって、
    それぞれが導電体材質の板状を有し、互いに離隔して配列された第1の接続パッド、第2の接続パッド、第3の接続パッド、第4の接続パッド、及び第5の接続パッドと、
    前記接続パッドのうちのいずれか一対の接続パッドに互いに連結され、前記外部圧力による長さの変化に比例して抵抗値が変化する4つの半導体抵抗部と、を備え、
    前記第3の接続パッドは、中央に配置され、
    前記第1の接続パッド及び前記第2の接続パッドは、前記第3の接続パッドの一側に配置され、
    前記第4の接続パッド及び前記第5の接続パッドは、前記第3の接続パッドの他側に配置され、
    5つの接続パッドのうちの電気的に連結される2つ以上の接続パッドは、前記第3の接続パッドの長さ方向である第1の方向から見たときに互いにオーバーラップする部分を有することを特徴とする半導体圧力センサ。
  6. 前記第1の方向を基準に、前記第1の接続パッド〜前記第5の接続パッドのそれぞれの両端部は、前記第3の接続パッドの両端部と同じか又は内側に位置することを特徴とする請求項5に記載の半導体圧力センサ。
  7. 前記第1の方向を基準に、前記第3の接続パッドは、他の接続パッドのいずれに対しても平行に配置されてオーバーラップされる部分がなく、前記第1の接続パッドと前記第2の接続パッド、前記第4の接続パッドと前記第5の接続パッドは、それぞれ互いにオーバーラップする部分を有することを特徴とする請求項5に記載の半導体圧力センサ。
  8. 前記第3の接続パッドは、それぞれが前記第1の方向に延在する形状を有する2つの副接続パッドを含み、
    前記副接続パッドのそれぞれは、前記第1の方向に垂直な第2の方向に互いにオフセットされて連結される形状を有し、前記第1の方向を基準に、他の接続パッドにオーバーラップする部分を有することを特徴とする請求項5に記載の半導体圧力センサ。
  9. 前記5つの接続パッドは、単一のフルホイートストンブリッジを形成することを特徴とする請求項5に記載の半導体圧力センサ。
  10. 前記5つの接続パッドは、単一の電源供給パッド、第1の出力電圧パッド、第1の接地パッド、第2の出力電圧パッド、及び第2の接地パッドを含み、
    前記電源供給パッドは、中央に配置され、
    前記第1の出力電圧パッド及び前記第1の接地パッドは、前記電源供給パッドの一側に配置され、
    前記第2の出力電圧パッド及び前記第2の接地パッドは、前記電源供給パッドの他側に配置されることを特徴とする請求項9に記載の半導体圧力センサ。
  11. 前記5つの接続パッドは、単一の接地パッド、第1の電源供給パッド、第1の出力電圧パッド、第2の電源供給パッド、第2の出力電圧パッドを含み、
    前記接地パッドは、中央に配置され、
    前記第1の電源供給パッド及び前記第1の出力電圧パッドは、前記接地パッドの一側に配置され、
    前記第2の電源供給パッド及び前記第2の出力電圧パッドは、前記接地パッドの他側に配置されることを特徴とする請求項5に記載の半導体圧力センサ。
  12. 前記5つの接続パッドは、2つのフルホイートストンブリッジを形成することを特徴とする請求項5に記載の半導体圧力センサ。
  13. 前記4つの半導体抵抗部のそれぞれは、外部固定抵抗を介して外部印加電圧に連結され、2つの独立したフルホイートストンブリッジを形成することを特徴とする請求項12に記載の半導体圧力センサ。
  14. 前記半導体抵抗部のそれぞれは、
    いずれか1つの接続パッドと前記いずれか1つの接続パッドに連結された他の接続パッドとを連結するように、前記いずれか1つの接続パッドに長さ方向に延在して連結された上部抵抗部と、前記他の接続パッドに長さ方向に延在して連結された下部抵抗部と、
    前記接続パッド間の抵抗を同一に調節するように、前記上部抵抗部と前記下部抵抗部との間に設けられた抵抗調節部と、を含むことを特徴とする請求項5に記載の半導体圧力センサ。
  15. 前記5つの接続パッドが配列される方向を基準に、前記上部抵抗部と前記下部抵抗部とは、同一の間隔で互いに離隔して配置されることを特徴とする請求項14に記載の半導体圧力センサ。
  16. 測定対象物体に設置されて前記測定対象物体に加えられる外部圧力を測定する半導体圧力センサであって、
    それぞれが導電体材質の板状を有し、互いに離隔して配列された第1の接続パッド、第2の接続パッド、第3の接続パッド、第4の接続パッド、及び第5の接続パッドと、
    前記接続パッドのうちのいずれか一対の接続パッドに互いに連結され、前記外部圧力による長さの変化に比例して抵抗値が変化する4つの半導体抵抗部と、を備え、
    前記第3の接続パッドは、共通の接地パッド又は共通の電源供給パッドであり、
    前記第1の接続パッド、前記第2の接続パッド、及び前記第3の接続パッドは、第1のフルホイートストンブリッジを形成し、
    前記第4の接続パッド、前記第5の接続パッド、及び前記第3の接続パッドは、第2のフルホイートストンブリッジを形成することを特徴とする半導体圧力センサ。
  17. 前記第3の接続パッドは、中央に配置され、
    前記第1の接続パッド及び前記第2の接続パッドは、前記第3の接続パッドの一側に配置され、
    前記第4の接続パッド及び前記第5の接続パッドは、前記第3の接続パッドの他側に配置されることを特徴とする請求項16に記載の半導体圧力センサ。
  18. 前記4つの半導体抵抗部は、前記第3の接続パッドを中心に互いに非対称の形状を有することを特徴とする請求項17に記載の半導体圧力センサ。
  19. 前記第1の接続パッドは、第1の半導体抵抗部の出力部になり、前記第2の接続パッドは、第2の半導体抵抗部の出力部になり、第1のフルホイートストンブリッジを構成し、
    前記第4の接続パッドは、第3の半導体抵抗部の出力部になり、前記第5の接続パッドは、第4の半導体抵抗部の出力部になり、第2のフルホイートストンブリッジを構成することを特徴とする請求項16に記載の半導体圧力センサ。
  20. 前記第3の接続パッドは、共通の接地パッドであり、
    前記4つの半導体抵抗部のそれぞれは、外部固定抵抗を介して外部印加電圧に連結され、2つの独立したフルホイートストンブリッジを形成することを特徴とする請求項16に記載の半導体圧力センサ。
JP2019511468A 2017-11-28 2018-05-17 半導体圧力センサ Active JP6734991B2 (ja)

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