JPH0344079A

JPH0344079A - 複合センサ

Info

Publication number: JPH0344079A
Application number: JP17811889A
Authority: JP
Inventors: Tomoyuki Hida; 朋之飛田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-07-12
Filing date: 1989-07-12
Publication date: 1991-02-25

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〕本発明は複合機能形差圧、圧力を計測するセンサに係り
、特に高精度、高出力で均一な抵抗変化する複合機能形
センサに関する。

〔従来の技術〕

圧力、差圧を計測する差圧、圧力センサにおいて、差圧
、圧力信号と静圧、温度信号を同時に検出する複合機能
形の差圧、圧力センサには多くの開示例があり、例えば
特開昭６２−２２２７２号などがある。いずれの開示例
においても、ダイアフラムと呼ばれる薄肉部より差圧、
圧力に感応する半導体差圧、圧力センサ抵抗群がある。

またダイアフラム以外の厚肉部には静圧、温度に感応す
る静圧。

温度抵抗群があり、これらは半導体の拡散法によリ、同
時に基板上に形成されており、さらに、固定台に固着接
合されている。

この複合機能層差圧、圧カセンサにはその機能上、高い
静圧力と正逆の高差圧力（差圧センサの場合）、高い圧
力（圧力センサの場合）が印加されるのでこれらの圧力
に十分耐える必要がある。

また、複合機能形センサを実装しである検出器はこのセ
ンサからの信号をディジタル化し演算処理する信号処理
部と演算処理部などがある。このため、複合機能形のセ
ンサは、高精度で高出力でかつこの高出力を達成させる
ための個々の差圧、圧力抵抗群の抵抗変化率は均一であ
る必要がある。

前述した必要条件は、測定差圧、圧力が高くなればなる
程重要な問題となるが、これらの必要条件を満足するセ
ンサ構成が提案されておらず、高精度、高信頼性の差圧
、圧力計測を達成できなかった。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は上記欠点を鑑みてなされたものであり、その目
的とするところは、高精度、高出力でその高出力化を達
成させる個々の抵抗群の変化率を均一化できる信頼性の
高い複合機能層差圧、圧カセンサを提供することにある
。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、複合機能層差圧、圧カセンサの感圧ダイア
フラムを板厚の相違する感圧ダイアプラムとし、差圧、
圧力抵抗群を前記感圧ダイアプラム上に圧力、差圧力に
対してその抵抗変化を負方向、正方向に変化する位置に
それぞれの感圧ダイアフラム−」二に個々に配置するこ
とにより達成できる。

〔作・用〕

板厚の相違する各感圧ダイアフラムはその境界点で連続
であるが、それぞれの板厚に対してそれぞれの歪（応力
）分布を示す。このため、差圧。

圧力印加時の差圧、圧力抵抗群の位置は、それぞれの感
圧ダイアフラム上の歪に対して、高歪でかつ抵抗変化率
の同じ位置に配置できる選択度が多くなり、容易にそれ
らの配置位置を決定でき、高出力でかつその抵抗変化を
も均一化できる。また、差圧、圧力に対するそれぞれの
感圧ダイアフラムの耐力値についても、材料の許容値以
内なら、それぞれの感圧ダイアフラムについて個々に容
易に設定できるので高耐力化が計れる。

〔実施例〕

以下本発明による複合機能層差圧、圧カセンサの実施例
を第１図から第４図を参照して説明する第１図において
、１は薄い円形の半導体差圧。

圧力センサチップでシリコンの如き、半導体単結晶材料
であり、その面方位は（１１０）である。

半導体差圧、圧力センサチップｌは板厚の異なる２つの
薄肉部１１．１３（一般には感圧ダイアフラム）と、厚
肉部１２から威る。感圧ダイアフラム１１，１３上には
拡散により形成された抵抗群ｌ↓１〜１１４があり、一
方厚内部にも同様な抵抗群１２１〜１２４と１３．１が
形成しである。半導体差圧、圧力センサチップエの抵抗
群を形成している他方の面は第１の固定台２に陽極接合
にて固着される。この固定台２は半導体差圧、圧力セン
サチップ上と線膨張係数は同しであるが、縦骨４− 性係数の極端に相違するパイレックスガラス等であり、
その中心には圧力を導入するための孔２」−を有し、さ
らに、半導体差圧、圧力センサチップ１の厚内部１２と
の接合径と同し凹み２２を有している。固定台２のもう
一方の面は固定台３に陽極接合にて固着される。この固
定台３は固定台２と半導体差圧、圧力センサチツプ１−
と線膨張係数は同しであるが、縦弾性係数は半導体差圧
、圧力センサチップと同じであるＦｅ−Ｎｉ材等である
。

固定台３の中心にも固定台２と同様に圧力を導入するた
めの孔３１を有する。さらに固定台３のもう一方の面は
その外周を筒体４に溶接接合され固定される。筒体４に
は半導体差圧、圧力センサチップ１との電気接続を達成
するための厚膜基板５を有し、厚膜基板５のパッドと半
導体差圧、圧力センサチップ１の電気配線パッド１４に
よりワイヤボンディング線１５によって接続される。さ
らに筒体４には半導体差圧、圧力センサチップ１からの
電気信号を外部に取り出すためのハーメチックシール端
子４１．４２を有し、この端子を介して半導体差圧、圧
力センサチップ１の信号が外部に取り出される。

第２図は第１図における半導体差圧、圧力センサチップ
１の平面図であり、感圧ダイアフラム１１上に抵抗１１
１，１１３が半径方向（結晶方位は＜１１１＞方向）に
配置されている。またもう一方の感圧ダイアフラム１３
上に抵抗１１２゜１１４が前記抵抗１１１，１１３の方
向とは結晶方位の相違する半径方向（結晶方位は＜８８
１１＞方向）に配置されている。これらの抵抗群１１１
〜１１４はそれぞれの感圧ダイアプラムの両面にかかる
圧力差（Ｐｈ　　Ｐｇ）に比例して、ピエゾ抵抗効果と
、それぞれの板厚に応じてその抵抗が変化する。例えば
第１図において、Ｐ　ｈ　＞　Ｐ　翼のとき、抵抗１１
１，１１３は引張り歪を受けるので正方向に抵抗が変化
し、一方、抵抗１１２，１１４は圧縮歪により負方向に
抵抗が変化する。これらの抵抗変化を第３図に示すよう
なブリッジ回路１ａにて取出し、出力端子１ａｌ、１ａ
２より送出する。さらに、静圧信号と温度信号は半導体
差圧。

圧力センサチップ１の厚肉部１２に設けられた抵抗群、
１２１〜１２４，１３１により検出し、前述の差圧、圧
力に対応した出力信号と同様に、第３図のブリッジ回路
１ｂ、ｌｃにて取り出される。

第３図のブリッジ回路１ａ、ｌｂ、ｌｃから送出された
信号は通常ディジタル信号変換回路６に送られ、離散値
化される。この信号変換回路６には、一般に、多数の抵
抗にて構成されるので、実装上は第３図のｌａ、ｌｂ、
ｌｃの出力間（例えば１ａ１．王ａ２間）にそれぞれ付
加抵抗を有している。この付加抵抗は前記半導体差圧、
圧力センサチップ１の差圧拡散抵抗１１１〜１１４と比
べると、差圧、圧力変化による抵抗変化は全くないので
、ブリッジのインピーダンスは主に半導体差圧、圧力セ
ンサチップの拡散抵抗により変化する。このインピーダ
ンスの変化が圧力、差圧に対してほぼ一定に変化すれば
前記ディジタル信号変換回路は正常に動作する。ところ
が拡散抵抗１１１〜１１４において、例えば１１１と１
１４が、圧力、差圧に対して不均一に変化すると、ディ
ジタ　− 角信号変換回路のインピーダンスの変化が不均一になり
、差圧、圧力に対して比例した離散値を得ることができ
なくなり、変換の精度が悪化する。

このため、差圧、圧力印加時に、半導体差圧、圧力セン
サチップ上の拡散抵抗はほぼ均一に変化する必要がある
。例えば第３図の差圧、圧力出力回路においては、抵抗
１１↓と１１２の抵抗変化を等しくし、また抵抗１１３
と１１４の抵抗変化を等しくする（圧力、差圧に対する
抵抗の絶対値変化とする）。また、ｌａ、ｌｂ、ｌｃか
らの出力電圧は高ければ高い程、変換回路のＳ−Ｎ比が
向上することは言うまでもない。

第４図は各感圧ダイアフラム１１，１３に差圧。

圧力が印加されたときの、感圧ダイアフラム上の応力分
布を示したものである。感圧ダイアフラム１１．１３は
差圧、圧力が印加されると、前述したように、ＰｈとＰ
Ｌの差に応じて上下に変形し、各板厚に応じてそれぞれ
の応力分布を呈する。各感圧ダイアフラム上に配置され
た拡散抵抗はこの応力により、ピエゾ抵抗効果により変
化する。本−δ 実施例では、内側の感圧ダイアフラム１３を外側の感圧
ダイアフラム１１より厚くすることにより、より高差圧
、圧力に対して耐力あるものとし、さらに外側の感圧ダ
イアプラムにより、高出力化と抵抗の変化を均一にして
いる。

高耐力化を達成するためには、一般には、感圧ダイアプ
ラムを厚くし、発生応力を低減する必要がある。しかし
一方、発生応力を低減することは高出力化を達成できな
いが、第４図に示すように感圧ダイアフラムをそれぞれ
別個に、それぞれの機能をもたせれば、高耐力で高出力
化が達成できる。すなわち、第４図において、感圧ダイ
アフラム１３はより、高差圧、高圧力に耐えるために、
感圧ダイアフラム１１はより高出力化するために設けら
れた形状である（仮に従来例のように、感圧ダイアフラ
ムを均一にすると、高耐力化はある程度達成できても、
応力分布が図に示す一点鎖線のようになるため、応力差
が少なく、絶対値が小さくなり、高出力化できない）。

また、各感圧ダイアフラム上にそれぞれ拡散抵抗を設置
することにより、前述の応力分布より、各拡散抵抗の変
化を均一にする位置とすることができる。すなわち、感
圧ダイアフラム１３上には、中心付近が最も応力値が高
く、かつほぼ同じ値となるので、ピエゾ抵抗変化の最大
となる＜８８１１＞方向に抵抗１１３を配置する。また
感圧ダイアフラム１１−上には、固定部１２付近が最も
応力値が高く、かつ応力差が最大となり、感圧ダイアフ
ラム］３上の抵抗１１３と同し抵抗変化となる＜１１１
＞方向に抵抗１１１を配置する。抵抗の詳細位置は第４
図において、各感圧ダイアフラムの１３ａ、Ｉｌｂの範
囲において任意に選択できる。

なお、実施例では感圧ダイアフラム１３とｌ］の板厚を
１３の方を厚くして例示しているが、１３の方を薄くし
てもその効果は変わらない。また、使用する結晶面、結
晶軸、結晶方向は任意に選択でき、拡散抵抗を配置位置
も、各感圧ダイアフラム上なら任意に選択できる。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように、本発明の複合センサによれ
ば、高い差圧、圧力まで十分耐力あり、均一な高出力が
得られるので、高精度の差圧、圧力計測を実施でき、プ
ロセス計測の高精度化、ならびに省力化に多大な効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示した断面図、第２図は第
１図の半導体差圧、圧力センサチップの抵抗群の配置を
示した平面図、第３図は抵抗群の結線の一例を示す図、
第４図は本発明の詳細な説明するのに使用する感圧ダイ
アフラム上の応力分布図である。１・・・差圧、圧力センサ、２，３・・・固定台、４・
・筒体、５・・厚膜基板、６・信号変換回路、１１゜１
３・・・感圧ダイアフラム、１２・肉厚部、１４配線パ
ツド、２１．３１・・・孔、４−１．４２・ハーメチッ
クシール端子、１１１〜１］４・・・差圧、圧力抵抗群
、１２１〜１２４・・静圧抵抗群、１３１・温度抵抗。

Claims

【特許請求の範囲】１、半導体単結晶基板に肉薄部と肉厚部を設け、前記肉
薄部に感圧素子として拡散抵抗群（差圧、圧力抵抗群）
を形成し、前記肉厚部の一方に静圧に感応する感圧素子
として拡散抵抗群（静圧抵抗群、温度抵抗群）を形成し
、前記半導体単結晶板を固定台に固着して構成されてい
る複合センサにおいて、前記肉薄部を少なくとも２つ以
上の相異なる板厚で構成し、各板厚部に少なくとも１つ
以上の抵抗を配置していることを特徴とする複合センサ
。２、特許請求の範囲第１項において、前記肉薄部を２つ
の板厚より構成し、前記板厚の相違を、内側の板厚の方
を外側の板厚より厚く構成し、前記内側の中心近傍に１
つの差圧、圧力抵抗を配置し、外側の外周近傍に１つの
差圧、圧力抵抗を配置してあることを特徴とする複合セ
ンサ。３、特許請求の範囲第１項において、前記半導体単結晶
板の面方向を（１１０）面とし、それぞれの肉薄部の差
圧、圧力抵抗の結晶軸方向を＜１１１＞または＜８８１
１＞方向としていることを特徴とする複合センサ。