JPH01114732A - 温度補正手段を備えた半導体圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は半導体単結晶基板、特にシリコン単結晶基板、
を用いた半導体圧力センサに関する。

半導体圧力センサはロボット用圧力検出の他。

産業用、民生用、計測器用などあらゆる圧力検出を必要
とする分野で利用される。

（従来技術） シリコン単結晶基板を用いた半導体圧力センサは、ｒｃ
ｇ造プロセスをそのまま応用して製造することができる
こと、及びその結果として高感度で高精度のものが小型
でしかも安価に実現できることから広く実用化されてい
る。

第２図に本出願人により提案されている半導体圧力セン
サを示す。

２はセンサチップであり、シリコン単結晶基板の表面に
不純物拡散により検出素子４が形成されている。検出素
子４は応力を受けて変形することにより抵抗率が変化す
るピエゾ抵抗効果を利用するものである。

センサチップ２はステム６に接着されて固定されている
。ステム６の裏面中央部には検出される力を伝達する伝
達体８が設けられており、力伝達体８の周囲には凹部１
０が形成されてセンサチップ２が接着されている部分の
ステム６が薄肉になって弾性変形が行われるようになっ
ている。力伝達体８により伝えられるＸ、Ｙ及びＺ軸方
向の三次元の力が検出素子４により検出される。

１６はゲル状樹脂であり、センサチップ２を保護するた
めにセンサチップ２を被うように設けられている。１２
はキャップであり、センサチップ２が汚れたり傷ついた
りしないように、また外気から遮断することにより、特
性が劣化しないようにセンサチップ２を保護している。

１４はリードピンであり、ステム６を貫通して設けられ
、リードピン１４を通して検出素子４の信号が外部へ取
り出される。

他の半導体圧力センサとしては、シリコン単結晶基板を
薄く加工してダイヤフラムとし、その表面に不純物拡散
によって検出素子を形成したものもある。本発明は種々
の半導体圧力センサに適用することができる。

シリコン単結晶基板を用いた圧力センサは金属を用いた
ものよりも出力電圧を大きく取ることができる利点をも
っているものの、シリコン単結晶基板自身の基本的特性
に起因してピエゾ抵抗係数の温度依存性が大きく、温度
によって零点出力や検出感度などが複雑に変化していく
問題がある。

−例として第３図（Ａ）及び同図（Ｂ）にシリコン単結
晶のピエゾ抵抗係数の温度と表面濃度（Ｎｓ）依存性を
示す。（Ａ）はＰ型のピエゾ抵抗係数π４４であり、（
Ｂ）はＮ型のピエゾ抵抗係数π１１である。このように
、ピエゾ抵抗係数の温度依存性が大きいことから、半導
体圧力センサには何らかの温度補償を施す必要がある。

温度補償の手段としてはいくつかの方法が提案されてい
る。例えば、センサチップ部分の温度を検出して外部で
補償する方法、温度補償用素子をセンサチップ上に形成
し、直並列接続して補償する方法、又はセンサチップ上
にＣＰＵを集積化して形成し、補正処理を行う方法など
である。いずれもセンサチップの温度を検出し、温度変
化分を補償するものである。それぞれに一長一短があり
、決定的な方法がないのが実状である。−軸方向の圧力
を検出する半導体圧力センサでも温度補償は複雑である
のに、ピエゾ抵抗効果の結晶方位依存性が複雑に異なる
ため、二軸（Ｘ、Ｙ方向）、三軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ方向）と
検出軸方向が増すに従って補正はますます複雑になる。

（目的） 本発明は、センサチップの温度を一定に保つことによっ
て複雑な温度補償手段を不要にした簡単な構造の半導体
圧力センサを提供することを目的とするものである。

（構成） 本発明の半導体圧力センサでは、機械的変形により電気
抵抗を変化させる検出素子が半導体基板に形成されたセ
ンサチップに、ゲル状樹脂を介してペルチェ効果素子を
配置し、前記センサチップ上又はその近辺に温度検出素
子を設け、この温度検出素子の検出信号に基づいて前記
センサチップの温度が一定になるように前記ペルチェ効
果素子を制御する。

検出素子が形成される半導体基板は、半導体単結晶基板
に限らず１例えば絶縁体上に形成された半導体薄膜であ
ってもよい。したがって、センサチップには薄膜状のも
のも含まれる。

以下、実施例について具体的に説明する。

第１図は一実施例を示すものであり、第２図の半導体圧
力センサに本発明を適用した例を表わしている。

第２図と同様に、２はシリコン単結晶基板表面に検出素
子４が形成されたセンサチップであり、ステム６の中央
部に接着されて固定されている。

ステム６の中央部裏面には力伝達体８が形成され、その
周囲には凹部１０が形成されている。１４はリードピン
である。

本実施例ではセンサチップ２の表面にゲル状樹脂１６を
介してペルチェ効果素子１８が設けられている。ゲル状
樹脂１６としては、例えばシリコンゴムを用いることが
でき、その具体的な例としてはＪＣＲ（信越化学社の商
品名）をあげることができる。

ペルチェ効果素子１８の反対側の面はキャップ１２の裏
面と接触している。キャップ１２の縁部とステム６の間
には断熱部材２０が介在している。

センサチップ２の表面には温度検出素子２２が設けられ
ている。温度検出素子２２の検出信号もリードピン１４
を経て外部に取り出され、外部の温度制御回路を経てペ
ルチェ効果素子１８に流す電流が制御される。

次に１本実施例の動作について説明する。

この半導体圧力センサの使用時には温度検出素子２２が
センサチップ２の温度を検出し、センサチップ２の温度
が一定になるようにペルチェ効果素子１８の通電を制御
する。センサチップ２からの熱をペルチェ効果素子１８
によって放熱する場合は、ペルチェ効果素子１８はゲル
状樹脂１６を介してセンサチップ２の熱を吸熱し、反対
側の面からキャップ１２を経て放熱する。ペルチェ効果
素子は、一般には発熱側を空冷あるいは水冷して使用さ
れるが、半導体圧力センサではセンサチップ２からの発
熱を考えなくてもよいので、キャップ１２からの自然放
熱だけで冷却を行うことができる。しかし、必要ならキ
ャップ１２に冷却用フィンを設けてもよい。

ペルチェ効果素子１２は直流電流の方向を変えることに
よって冷却と発熱を自由に行うことができるため、比較
的広い範囲で任意に温度設定を行うことができる。

圧力検出時は、センサチップ２が変形するが、ゲル状樹
脂１６は柔らかいので、圧力検出動作に支障を来たさな
い。

第４図にペルチェ効果素子の汎用特性図を示す。

図中の記号の意味は以下の如くである。

Ｔｈ・・・・・高温側接合部温度（’Ｃ）Ｑｃ・・・・
・・低温側吸熱ｍ　（Ｗ＞Ｑｃｍａｘ・・・・・・低温
側最大吸熱ｉ　（Ｗ）Ｑｃ／ＱｃＩＩｌａｘ・・・・・
・低温側吸熱量と低温側最大吸熱量の比 Ｔｃ・・・・・・低温側接合部温度（’Ｃ）ΔＴ・・・
・・・温度差 ΔＴ＝Ｔｈ−Ｔｃ　（℃） ΔＴ　ｍａｘ・・・・・・最大温度差（”Ｃ）ΔＴ／Δ
Ｔｗａｘ・・・・・・温度差と最大温度差の比Ｖｔ・・
・・・・端子電圧（Ｖ） Ｖｔｍａｘ・・・・・・最大端子電圧（Ｖ）Ｖｔ／Ｖｔ
ｌｌ１ａｘ・・・・・・端子電圧と最大端子電圧の比 ■・・・・・・電流（Ａ） Ｉ　ｍａｘ・・・・・・最大電流（Ａ）Ｉ　／　Ｉ　ｍ
ａｘ・・・・・・電流と最大電流の北本発明は第１図の
実施例に限らず、種々の変形が可能である。例えば、ペ
ルチェ効果素子１８の位置は図のようにゲル状樹脂１６
を介してセンサチップ２上に設ける場合だけでなく、ペ
ルチェ効果素子１８をキャップ１２上に設け、キャップ
１２の裏面とセンサチップ２とをゲル状樹脂１６を介し
て接触させておいてもよく、ペルチェ効果素子１８をス
テム６に設けてステム６を介してセンサチップ２を温度
制御するようにしてもよい。

センサチップ２の温度はペルチェ効果素子１８の能力の
範囲内で必要に応じて、すなわち、使用環境や使用条件
によって自由に設定することができる。

温度検出素子２２はセンサチップ２に直接接触していな
くてもよく、その近辺に設けられていればよい。そして
温度検出素子２２の検出信号をフィードバックしてペル
チェ効果素子１８により所定の温度に制御する手段は一
般に知られたどのような手段を用いてもよい。

本発明はまた、実施例の半導体圧力センサに限らず、シ
リコン単結晶基板のダイヤフラムに圧力検出素子を形成
した形式の半導体圧力センサに適用することももちろん
可能である。その場合、ペルチェ効果素子は圧力検出素
子が設けられた検出面の反対側の面にゲル状樹脂を介し
て取りつけるのが好ましい。

（効果） 本発明では、センサチップにゲル状樹脂を介してペルチ
ェ効果素子を配置するとともに、センサチップ上又はそ
の近辺に温度検出素子を設け、温度検出素子の検出信号
に基づいてペルチェ効果素子を制御してセンサチップの
温度が一定になるようにしたので、従来のような複雑な
温度補償手段を必要とせず、極めて簡単に温度補正を行
うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は一実施例を示す断面図、第２図は提案されてい
る半導体圧力センサを示す断面図・第３図（Ａ）及び同
図（Ｂ）はシリコン単結晶基板のピエゾ抵抗係数の温度
と表面濃度依存性を示す図・第４図はペルチェ効果素子
の汎用特性図である。 ２・・・・・・センサチップ、 ４・・・・・・圧力検出素子、 ６・・・・・・ステム、 ８・・・・・・力伝達体、 １２・・・・・・キャップ、 １６・・・・・・ゲル状樹脂、 １８・・・・・・ペルチェ効果素子、 ２０・・・・・・断熱部材、 ２２・・・・・・温度検出素子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）機械的変形により電気抵抗を変化させる検出素子
   が半導体基板に形成されたセンサチップに、ゲル状樹脂
   を介してペルチェ効果素子を配置し、前記センサチップ
   上又はその近辺に温度検出素子を設け、この温度検出素
   子の検出信号に基づいて前記センサチップの温度が一定
   になるように前記ペルチェ効果素子を制御する半導体圧
   力センサ。