JPH0285737A

JPH0285737A - 薄膜圧力センサ

Info

Publication number: JPH0285737A
Application number: JP25445987A
Authority: JP
Inventors: Tomotake Suzuki; 鈴木朝岳; Atsushi Tachika; 田近　淳; Makoto Kamaike; 蒲池　誠; Aki Tabata; 亜紀田畑; Hiroshi Inagaki; 宏稲垣
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1987-10-07
Filing date: 1987-10-07
Publication date: 1990-03-27

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】（産業上の利用分野）本発明は、薄膜圧力センサにおいて、歪ゲージの温度補
償に関するものである。

（従来の技術）半導体に歪を加えると大きな抵抗変化を示すというピエ
ゾ効果を利用した半導体歪ゲージを用いて、各種のセン
サが開発されている。

その・１つとして、ステンレスでダイヤフラムを構成し
、このダイヤフラム上にｗｉＡａ膜を介してアモルファ
スシリコン薄膜等の半導体薄膜からなる歪ゲージを形成
したｇｉＭ圧カセンサがある。

例えば、第３図（ａ）に示すように、この薄膜圧力セン
サは、ステンレス製のダイヤフラム！と、該ダイヤフラ
ム１の表面に絶縁膜２としての酸化シリコン（Ｓｉ（１
ｇ）膜２を介して形成された多結晶シリコン層パターン
からなる歪ゲージ３と、該歪ゲージ３に給電するための
アルミニウム層パターンからなる電極４と、歪ゲージ３
と電極４とからなるセンサ部５を被膜保護するための窒
化シリコン層からなるパンシベーション膜６とから構成
されている。

そして同図（ｂ）に示すように、センサ部５は、４つの
歪ゲージパターンＲ１−Ｒ４と、これらに給電するため
の６つの電極配線パターンＥｌ−Ｅ６とから構成されて
いる。

このセンサ部５を等価回路で示すと、第４図に示すよう
に、ブリッジ回路を構成しており、圧力に起因した歪に
よる多結晶シリコン層からなる歪ゲージ３の抵抗値変化
によって生じる電極配線パターンＥ２とＲ５との間の電
圧変化を検出することにより、圧力を測定するようにな
っている。

すなわち、無負荷時（歪のない時）、′各歪ゲージパタ
ーンＲ１−Ｒ４の抵抗値はすべて等しくＲとしておく。

仮に、第５図に示すように、圧力Ｐがダイヤフラムｌに
作用したとすると、歪ゲージパターンＲ１とＲ３がダイ
ヤフラムの周辺部に、そして歪ゲージパターンＲ２とＲ
４とが中央部に配される構造となっているため、歪ゲー
ジパターンＲ１とＲ３は、圧縮応力を受け、Ｒ十ΔＲと
なる一方、歪ゲージパターンＲ２とＲ４は、引張り応力
を受けＲ−ΔＲとなる。

電極配線パターンＥｌ、Ｅ６間にＶｉｎを印加するもの
とすると、歪のない時には、４つの歪ゲージパターンＲ
１，Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４はすべて等しいため、電極配線パ
ターンＥ２．８５間の電位は等しく、これらの間の電圧
はｖ−０である。

従って、第５図に示す圧力Ｐのような負荷がかかったと
き、歪ゲージパターンＲ１，Ｒ３はＲ十ΔＲ１歪ゲージ
パターンＲ２、Ｒ４はＲ−ΔＲとなり、電極配線パター
ンＥ２．８５間の電圧はＶ＝２　（ΔＲ／Ｒ）　　・Ｖｉｎとなる。このようにして圧力に応じた電圧が出力され、
アンプ部（図示せず）で増幅等の処理をして、外部回路
に出力される。

ところで、半導体素子には、特性の温度依存性が大きい
という欠点がある。しかし、温度に対する繰り返し再現
性も優れており、補償後は、この特性が逆に素子の信顛
性を高める結果になっている。半導体薄膜センサの場合
、半導体薄膜からなる歪ゲージの抵抗と、圧力による抵
抗の変化率とともに、温度で変化する。従って、歪ゲー
ジを組合わせたブリッジ回路では、圧力感度と零点がと
もに温度によって変化してしまう。

温度補償をいかに上手に行うかで圧力センサの精度が決
まるため、従来から、種々様々な方法が試みられてきた
。

次に示す方法は、定電圧駆動する圧力センサにおいて、
ダイオードまたは、トランジスタと抵抗をブリッジ回路
に組みあわせて歪ゲージの感度の温度変動を相殺するも
のである。

第６図（ａ）または（ｂ）に示すように、電橋配線パタ
ーンＥ４、Ｒ６間にダイオードＤまたは、トランジスタ
Ｔ「と抵抗Ｒとを接線する。

薄膜圧力センサの感度は、第７図（ａ）に示すように、
温度が高（なるにつれて、直線的に低下してしまう、一
方、ダイオードまたはトランジスタの電圧降下は、温度
が高（なるにつれて低くなり、つまり、第７図（ｂ）に
示すようにダイオードまたはトランジスタを介してセン
サ部にかかる電圧が高くなっていく、センサ部にかかる
電圧が高くなると、感度は向上するので、このような温
度補償用の素子を組みこんだ薄膜圧力センサは温度によ
って感度の変化しない信鎖性の高いものとなる。

このような温度補償用の素子は、第８図に示すように薄
膜圧力センサの外部に組みこまれている。

薄膜圧力センサ１００は、ケース１０１に組みこまれ、
そのケースｌｏｔと共に、外部回路のケース１０２に組
みこまれる。同ケース１０２の内部にはアンプ１０５と
、温度補償用素子１０６が接続されたプリント基板１０
４があり、同ケース１０２は蓋によって閉じられている
。

プリント基板１０４上の温度補償用素子１０６により、
温度補償された薄膜圧力センサ１００の出力は、アンプ
１０５によって増幅され、外部回路（図示せず）に出力
される。

（発明が解決しようとする問題点）上記説明したような構成で、温度補償用のダイオードま
たはトランジスタと抵抗を、センサ部の外部に設けるこ
とは、センサ部の温度と、温度補償用の素子の温度に差
が生じてしまい、つまり温度補償が正確に行わなれなく
なってしまう。

例えば、温度によってダイオードの電圧降下が変化し、
それによって、センサ部にかかる電圧を変化させ、ｙＩ
膜膜圧上センサ感度を一定にしているが、ダイオードの
温度がセンサ部の温度と違うとすると、補償に必要な電
圧より不足して、または必要以上の電圧がセンサ部に印
加され、一定な感度を保つことが不可能となる。

本発明は、上記のべた問題点に鑑みなされたもので、温
度補償を正確に行うことのできる精度の優れたｍＨ圧カ
センサを提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段）本発明は、次のような構造の薄膜圧力センサを提供する
。

（イ）ダイヤフラムの受圧面の１側に、絶縁膜を介して
歪ゲージを設けている。

（ロ）ダイヤフラムの歪ゲージ形成面に内側に凹部を形
成したシールキャップを前記歪ゲージを覆うように、か
つ、ダイヤフラムの周辺固定部分に接着している。

（ハ）前記シールキャンプの上面に、ポンディングパッ
ドと端子用バンドとからなる外部接続用配線と、温度補
償用素子接続用配線とを形成している。

（ニ）前記シールキャップの上面に、温度補償用素子を
設ける。

（作用）本発明の薄膜圧力センサの構成では、センサ部と、温度
補償用素子が近接して設けられているため、その温度は
、はとんど等しくなっている。よって、正確な温度補償
を行うことができる。

（実施例）以下、図面に従って、本発明の一実施例を説明する。

始めに薄膜圧力センサの製造方法を説明する。

第９図は、薄膜圧力センサの１１造工程図である。同図
（ａ）に示すように、ステンレス製のダイヤフラムｌの
上に、絶縁膜２として酸化シリコン膜を積層する０次に
、同図（ｂ）に示すように、多結晶シリコン層３′をプ
ラズマＣｖＤ法で積層し、同図（Ｃ）に示すように、フ
ォトリソグラフィでバターニングし、歪ゲージ３を形成
する。続いて、電極４としてアルミニウム膜を蒸着し、
フォトリソグラフィでパターニングする。最後に、セン
サ部５を保護するためにパッンヘーンヨン６として窒化
シリコンを積層する。

以上で、ｒＡ薄膜圧力センサ完成する。同概要図は、第
３図（ａ）及び（ｂ）のようになる。

次に第１図に示すように、北記完成した薄膜圧力センサ
１００のセンサ部を外気から封１トするために、シール
キャップＩＯを歪ゲージを覆うように、そして周辺固定
部分１′に接着剤等を用いて接着する。

第２図に前記シールキャップ１０の詳細を示す。第２図
（ａ）は、素子がダイオードの場合に於けるシールキャ
ップ１０の平面図である第２図（ｂ）のＢ−Ｂ断面図で
ある。また、第２図（Ｃ）は素子がトランジスタと抵抗
の場合に於けるシールキャップＩＯの平面図である第２
図（ｄ）のＡ−Ａ断面図である。内側に凹部１１を設け
たシールキャップ１０の上面に、外部接続用配線１２と
、素子接続用配線１３を形成している。それぞれ、ポン
ディングパッド１２’、１３’　と、端子用パッド１２
＃、１３″、素子用パッド１３′″とから構成されてい
る。

そして、外部接続用配線１２の端子用パッド１２’　と
、素子接続用配線１３の端子パッド１３’には、端子１
４がろう付されていて、外部回路に接続できるようにな
っている。

また、素子接続用配線１３の素子用パッド１３４には、
温度補償用素子例えば同図（ｂ）に示すように、ダイオ
ード１５（Ｄ）が同図（ｄ）に示すようにトランジスタ
ｌ　５　（Ｔｒ）と厚膜抵抗１５（Ｒ）が接続されてい
る。この薄膜圧力センサの回路図は、第６図（ａ）及び
（ｂ）と同様である。

シールキャンプを接着後、第１図に示すように、薄膜圧
力センサの電極４と、シールキャップ１０　ｋの配線１
２．１３のポンディングパッド１２’　、＋３’　とを
、各々ボンディングワイヤ１６で接続する。この接続は
、超音波ボンディングにより穫めて容易に行うことがで
きる。

先に、端子１４と素子１５があらかじめ接続されている
ノールキャンプ１０を説明したが、ボンディングワイヤ
６で接続後、端子１４と素子　１５をシールキャップ１
０に接続してもよい。

最後に、ダイヤフラムｌ上の外周にリング１７を接着し
、その内部に樹脂ボッティング１日を充填する。前記ポ
ツティングにより、センサ部５の外気からの気密性は、
さらに完全なものとなる。

以上説明した構成の薄膜圧力センサは温度補償用の素子
がセンサ部５に近接して設けることができる。

（発明の効果）本発明によれば、温度補償用素子を、シールキャンプ上
に設けたことにより、同素子は薄膜圧力センサのセンサ
部に近接している。よって、センサ部と同素子の温度は
、はぼ等しくなり、センサ部の感度の温度変動は、温度
補償用素子の電圧降下により、はぼ完全に相殺される。

このような構成の薄膜圧力センサは、信頼性が、大幅に
向上される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の薄膜圧力センサの概要図第２図は、
同、シールキャップの概要図第３図に於いて（ａ）は、
ｙＩ膜膜圧上センサ平面図である第３図（ｂ）の断面図第４図は、同、回路図第５図は、同、圧力ががかっている状態を示す図第６図は、温度補償用の素子を組みこんだ回路図第７図は、（ａ）ｆｌｌ膜圧上センサ感度と温度の関係
を示す図（ｂ）温度補償用素子を介してセンサ部にかかる電圧と温度の関係を示す図第８図は、薄膜圧力センサを本体に組みこんだ状態を示
す図７！４９図は、薄膜圧力センサの製造工程図である第１
図第２図（ａ）第２日（ｂ）第２図　（ｃ）第２図（ｄ）第３図（ｂ）第４図第５図区　　　区第７図（ａ）第７図（ｂ）第８図寸　　　　　　　　　　　　　　　　■手続補正書（方
式）％式％２、発明の名称薄膜圧力センサ３、補正をする者事件上の関係　特許出願人電話（０３）５８４−７１１１４、補正命令の日付（発送口）平成　１年　３月　７日５、補正の対象明細Ｓの図面の１Ｆ１１ホな説明の欄６、補正の内容第１３頁５ないし６行目の「第３図に・・・の断面図」
を「第３図（ａ）は薄膜圧力センサの断面図、（ｂ）は
薄膜圧力センサの平面図」と補正する。

Claims

【特許請求の範囲】ダイヤフラムの受圧面の裏側に絶縁膜を介して、歪ゲー
ジを設けている薄膜圧力センサにおいて、（イ）内側にダイヤフラム歪ゲージを収納する凹部を形
成し、かつ上面に外部接続用配線と、温度補償用素子接
続用配線とを有するシールキャップと（ロ）前記シールキャップ上に、温度補償用素子接続用
配線を介して接続されている温度補償用素子とからなる
薄膜圧力センサ。