JPH04113239A - 複合機能形センサ - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は複合機能形の差圧、圧力等を検出するセンサに
係り、特に高精度、高出力の差圧、静圧信号を得ること
ができ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できる複合機
能形の差圧、圧力センサには多くの開示例があり１例え
ば、特開昭６１−２４０１３４号または平２−９７０４
号などがある。いずれの開示例においてもダイアフラム
と呼ばれる薄肉部上に差圧。

圧力に感応する半導体の差圧、圧力の抵抗群がある。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、温度の抵抗群があり、これらは半導体の拡散法又
はイオンプランティージョン法により、同時に基板上に
形成されており、固着台に固着接合されている。

上述したこの種の複合機能形センサは、温度や静圧（ラ
イン圧）による生じる差圧、圧力センサ（主センサ）の
零点変化を、同センサ上に具備された静圧センサ、温度
センサ（補助センサ）の信号をもとに、積極的に補償し
、高精度な差圧又は圧力信号を得るものであった。

しかしながら、上記開示例特に平２−９７０４号におけ
る静圧信号は、静圧印加時に半導体基板と固定台の縦弾
性係数の相違から生じる曲げ歪を利用しているため、非
常に小さい信号しか得られない。

したがって、差圧又は圧力信号を高精度に補償できない
。また、静圧信号のみを取出してプロセス圧用の圧力セ
ンサとしても利用できない。

一方、昭６１−２４０１３４号公報においては、被検出
圧力である差圧又は圧力と静圧とを、それぞれの感圧部
を形成して検出しているため、静圧信号は前者と比べる
とかなり大きくとれる。しかしながら、この開示的では
、高出力の静圧信号を得るために、静圧信号感圧部の裏
面に基準圧を導入する導入管路を設ける必要があった。

このような構成は、基本的には別個の静圧センサを新た
に設けることと全く同じであり、構成法、製造法が複雑
になるので、信頼性に欠ける。できるなら、前者の開示
例の如くシンプルな構成法の方が望ましい。

〔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、その目的と
するところは、静圧信号を高出力化し、高精度の補正さ
れた差圧信号を得るとともに、静圧信号をプロセスライ
ン圧力用センサとしても適用できるようにし、さらに、
静圧信号を得るための起歪部を容易に具備させる構成法
を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明においては、複合セ
ンサの差圧又は圧力抵抗群を配置している薄肉の起歪部
以外の厚肉部に温度に感応する感温抵抗と、静圧に感応
する薄肉の起歪部を少なくとも２つ以上設け、その起歪
部上に少なくとも１つ以上の静圧抵抗群を形成し、薄肉
の起歪部と固定台間に形成される空間を封止し基準圧室
したものである。さらに、静圧抵抗群を形成している起
歪部の肉厚は前記差圧又は圧力抵抗群を形成している起
歪部の肉厚と、全く同じ肉厚で形成したものである。

〔作用〕

半導体チップのほぼ中央に形成された薄肉の起歪体は差
圧又は圧力差に感応する感圧ダイアフラムとなる。半導
体チップと同−又は別の材料からなる中空の固定台の一
方の面と前記感圧ダイアフラムの一方の面と接合されて
凹部を形成する。この凹部は感圧ダイアフラムに圧力を
導く。感圧ダイアフラム上に形成された４個の差圧又は
圧力抵抗群は感圧ダイアフラム上に印加される差圧又は
圧力差に応じて抵抗が変化する。このため、感圧ダイア
フラムにかかる差圧又は圧力差を表わす信号を圧力する
。

前記半導体チップの感圧ダイアフラム以外の厚肉部には
温度のみに感応する（圧力には感応しない）感温抵抗が
形成される。このため、半導体チップの温度変化に応じ
て抵抗が変化し、温度信号を出力する。一方、厚肉部に
は同時に、前記感温抵抗と同様に４個の静圧抵抗群が形
成される。静圧抵抗群のうち少なくとも２個は前記差圧
又は圧力差感圧ダイアフラムと同じ肉厚を有するが別個
の小さい薄い起歪体上に形成される。この起歪体は前記
固定台の一方の面と接合されて、所定の圧力で封止され
た凹部を形成する。この凹部は静圧印加時の基準圧室と
なる。このため、この厚肉部の薄い起歪体は静圧感圧ダ
イアフラムとなる。静圧感圧ダイアフラム上に形成され
た各静圧抵抗は静圧感圧ダイアフラム上に印加される圧
力差に応じて抵抗が変化する。このため、前記差圧又は
圧力抵抗群と同様に大きな静圧信号を出力する。この静
圧信号と温度信号により、前記差圧又は圧力差感圧ダイ
アフラムにかかる静圧と温度による零点変化を補償する
。またこの静圧信号は前述の如く大きな出力を得ること
ができるので高精度の補正信号を得え、かつ、プロセス
圧用の圧力センサとしても活用できる。さらに、この静
圧用起歪部は差圧又は圧力差抵抗群の起歪部属と同し肉
厚であるため、同時に形成でき、製作工程が容易である
。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施図により説明する。

第１図は複合機能形センサの一実施例を示す断面図であ
り、第２図は第１図のセンサのみの平面図と回路図であ
る。

第１図において１は単結晶シリコンからなる複合機能形
センサチップである。複合機能形センサチップ１は中空
の第１の固定台２．中空の第２の固定台３を介してハウ
ジング４に取付けられる。

第１の固定台２は複合機能形センサチップ１のハウジン
グ４からの電気絶縁およびハウジング４からの線膨張係
数の相違による熱歪の低減を考慮し、シリコンと線膨張
係数の近似した硼珪酸塩ガラス又はその接合面のみに酸
化膜を付けたシリコンが好ましい。また、第２の固定台
３は固定台２と同様に、線膨張係数およびハウジング４
への溶接接合等の取付けを考慮し、シリコンと線膨張係
数の近似したＦｅ−Ｎｉ合金、あるいはＦｅ−Ｎｉ−Ｃ
ｏ合金が好ましい。第１の固定台２を硼珪酸塩ガラス、
又は接合面に酸化膜を付したシリコン、第２の固定台３
をＦｅ−Ｎｉ合金又はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金とすると、
複合機能形センサチップ１と第１の固定台２、および第
２の固定台３は陽極接合法により容易に接合できる。さ
らに、第２の固定台３とハウジング４は通常の溶接接合
（例えばＴＩＧ溶接２はプラズマ溶接）により容易に接
合される。

複合機能形センサチップ１からの差圧又は圧力差信号、
静圧信号、温度信号の各信号はリード線１７、および配
線板５を介して、ハウジング４に設けられたハーメチッ
クシール部４１の端子４２によりそれぞれ取出される。

複合機能形センサチップ１は（１００）面のｎ形単結晶
シリコンであり、その一方の面のほぼ中央にほぼ円形又
は環状の薄肉部１１を有する。

方、チップ１の他方の面は、中央に孔を有する第１の固
定台２により四部１３を形成する。この凹部１３に検出
すべき圧力の一方を中央に孔を有する第２の固定台３よ
り圧力を導入する。これにより、前記薄肉部１１は差圧
又は圧力差に感応する起歪体となり、差圧感圧ダイアフ
ラムとして動作する。

差圧感圧ダイアフラム１１の上面には、（１００）面に
おけるピエゾ抵抗係数が最大となる（１１０）軸方向に
、ｐ形ゲージ抵抗１１１〜１１４の差圧又は圧力差抵抗
がそれぞれ平行に、又は直角方向に拡散法あるいはイオ
ン注入法により４個形成される。前記各抵抗１１１〜１
１４の位置は差圧又は圧力差印加時に差圧感圧ダイアフ
ラム１１上に発生する半径方向と周方向の応力が最大に
なる固定部近傍に形成される。またそれらの抵抗の方向
として、１１１と１１３を半径方向とし、１１２と１１
４を接線方向としている。これらの抵抗群は第２図（ｂ
）に示すようなブリッジに結線される。差圧感圧ダイア
フラム１１の形状と肉厚は感応する差圧又は圧力差によ
り所望の形状と肉厚に設定されている。

差圧感圧ダイアフラム１１上の抵抗群１１１〜１１４は
ダイアフラムの上面と凹部１３の圧力差により発生する
応力を受けることにより、ピエゾ抵抗効果にてその抵抗
値が変化するため、第２図（ｂ）の回路における６〜ｇ
の端子より差動にて取出せる。しかしながら、この出力
は差圧感圧ダイアフラム１１の両面にかかる圧力が等し
いときでさえ、あるいは温度が変化したでも感応してし
まう。これらの主要因としては第１には、１１１〜１１
４の抵抗値は必ずしも一定値ではなく、かつその抵抗値
は温度の関数で変化してしまうということである。第２
には複合機能形センサチップ１は第１図に示すように材
質の相違する接合を有した連続の構造体としてその機能
を発揮するため、圧力印加時には何らかの応力が必然的
に発生してしまうということである。

この開運を解決するため１本発明では、圧力と温度に感
応する補助センサを複合機能形センサチップ１上に設け
、それらの信号にて差圧又は圧力差信号を高精度に補正
することはもちろんのこと、プロセスライン圧用センサ
としても活用できるように、高出力化を図ったものであ
る。

第１図、第２図において、複合機能形センサチップ１の
前記差圧感圧ダイアフラム１１以外の厚肉部１２に少な
くとも１個の感温抵抗１５５が形成される。この感温抵
抗は（１００）面におけるピエゾ抵抗係数の最小感度を
示す（１００＞軸方向に配置されたｐ形の感温抵抗であ
り、圧力には感応しない。この抵抗は差圧抵抗群１１１
〜１１４と同様に拡散又はイオン注入法により所定の出
力が得られる抵抗値で形成される。

一方、もう１つの補助センサである静圧センサは、前記
感温抵抗１５５と同様に、センサチップ１の厚肉部１２
に前記差圧抵抗群と同じ結晶軸方向に、それぞれ平行に
又は直角方向に４個の静圧抵抗群１５１〜１５４が形成
される。静圧抵抗群１５１〜１５４のうち、１５１と１
５４は前記チップ１の厚肉部１２の一部に薄肉部１５を
有する面上に形成される。この薄肉部１５のもう一方の
面は前記第１の固定台２の一方の面と凹部１２１を形成
する。この凹部１２１は接合時に完全に封止されるので
、静圧と完全に分離され、所定の圧力を有した基準圧室
として動作する。一般には、この基準圧室の圧力として
は真空〜大気圧間の所定の圧力に保持されている。これ
により、厚肉部１２上の薄肉部１５は静圧に感応する起
歪体となり、基準圧室の圧力と静圧との圧力差に感応す
る静圧感応ダイアフラムとして動作する。この静圧感圧
ダイアフラム１５には前記差圧感圧ダイアフラム１１に
比して数百倍の差圧に耐える必要があるため、前記凹部
１２１の形状設定に十分注意する必要がある。設定手順
を以下に示す。

凹部１２１の外径を２ａとし、静圧感圧ダイアフラム１
５の肉厚をｈとし、最大静圧をＰｓとする。この時、静
圧感圧ダイアフラム１５は前記差圧感圧ダイアフラム１
］、の肉厚と同しにすれば同一の凹部形成法にてその肉
厚を精度良くコントロールできるし、さらに同一形成が
可能である。このため、製作工程を単一化でき、しかも
信頼性の高い高精度の感圧ダイアフラムを容易に作成で
きる。したがって静圧感圧ダイアフラム１５の肉厚は前
記差圧感圧ダイアフラム１１と同じ肉厚となるので、凹
部１２１の外径のみを最大静圧Ｐｓにより決定すれば良
い。σ、をシリコンの破壊応力とすると、外径ａは ａ≦ｈ−ＪＴ７Ｔ下丁 となる。ここでＫは比例定数（ダイアフラム固定部近傍
における定数）である。例えば測定差圧を１ｋｇｆ／ａ
（とし、最大静圧を１５０ｋｇｆ／１ｆｆｌとし、静圧
感圧ダイアフラム上に配置された抵抗の変化を差圧感圧
ダイアフラム上に配置された抵抗変化と同様にする静圧
感圧ダイアフラム径を求めてみる。測定差圧１ｋｇｆ／
ｃｄ時のダイアフラム厚を２５μｍとするとａは ａ≦０．０２５×　９０１０．３８Ｘ１．５　　＝０．
３１４ｍｍとなる。この値以下に凹部１２１の外径を設
定することにより静圧感圧ダイアフラム１５はその最高
圧力まで破壊すること耐える。第３図は前述の条件にさ
らに安淀率（外径を約１／３）を見込んだ時の詳細な静
圧感圧ダイアフラム上の応力分布を示したものである。

この図において、静圧感圧ダイアフラム１５はほぼ円形
薄板の応力分布を示し、ダイアフラム端部近傍で半径方
向と周方向の応力差が最も大きくなることが明白である
。したがって前述の如く、静圧抵抗群１５１〜１５４は
ダイアフラム端部に拡散又はイオン注入により形成すれ
ばよい。この静圧感圧ダイアフラム１５の外径は前記差
圧感圧ダイアフラム１１の径に比してかなり小さいので
、必ずしも差圧感圧ダイアフラム上の抵抗群１１１〜１
１４と同一の配置は採用できないが、以下の理由により
、差圧抵抗群と同様の抵抗変化を得ることができる。第
３図に示すように、静圧抵抗は端部を含む位置に長さβ
にて配置する。二九により、静圧抵抗が受ける応力は抵
抗長Ｑの平均値となる。詳しくは第３図において、半径
方向の応力値はＡ／Ｑ、周方向の応力はＢ／Ｑとなり、
この値を実際に計算してみると、前記差圧抵抗群と少な
くとも同等か同等以上の値を得られることを確認した。

以上の検討結果より、静圧抵抗１５１〜１５４のうち、
１５１，１５４とを差圧抵抗群と同様に静圧感圧ダイア
フラム１５の固定部近傍に、半径方向と接線方向にそれ
ぞれ配置する。またこれらの抵抗は第２図（ａ）に示す
ように、それぞれ２分割して結線することにより（有効
ゲージ長を大きくすることにより）、より大きな抵抗変
化を得られるようにしている。一方、別の２個の抵抗１
５２．１５３は前記複合機能形センサチップ１の厚肉部
１２に抵抗１５１，１５４と同様に形成してあり、静圧
印加時にはほとんど抵抗変化がない。これらの抵抗群１
５１〜１５４を第２図（ｂ）に示すようなブリッジ（実
質的に２アクテイブブリツジ）に結線され、端子ｈ−に
よりその出力が取り出せる。

複合機能形センサチップ１の上面には前記差圧。

静圧、温度の各抵抗群を保護する酸化膜１８と、各抵抗
群を第２図（ｂ）のように結線するアルミ配線１６とポ
ンディングパッドａ〜ｋが設けられている。

第４図は前記差圧感圧ダイアフラム１１と静圧感圧ダイ
アフラム１５を同時に形成するための、マスクの一例で
ある。一般にこれらのダイアフラムはウェットエツチン
グ又はドライエツチングにより形成する。図中１２２は
これらのエツチング際の保護膜である。前述の如く、各
ダイアフラムの肉厚は全く同じであるため、第４図に示
すような、径の異なるそれぞれのパターンのみで十分で
ある。このため、各ダイアフラムは同時に、しかも同一
工程にて、高精度に形成されることは明白である。

上述した構成、原理により、第２図（ｂ）のブリッジよ
り出力された差圧又は圧力差信号、静圧信号、温度信号
は、周知の手段によって補償回路に送出それ、差圧又は
圧力差信号に含まれる零点変化成分を打ち消す処理が成
される。また、静圧信号はプロセス圧用出力として利用
する処理も容易である。

第５，６図は他の実施例を示したものである。

第５図における実施例では、前記静圧感圧ダイアフラム
１５を４個設け、各ダイアフラム上に静圧抵抗を設けた
ものである。これにより、静圧センサの出力は前記実施
例に比へ約２倍の出力を得ることができるので、より高
精度の補正出力、プロセス圧用出力を得ることができる
。

第６図における実施例では、前記静圧抵抗群１５１〜１
５４のうち、ダミーゲージである１５２゜１５３とを、
前記温度センサと同様に圧力にほとんど感度を示さない
（１００＞軸方向に配置したものである。これにより、
本発明の効果を損なわないことはいうまでもないが、ダ
ミーゲージの圧力による零点変化要因を取除くことがで
き、より高精度の補正出力、プロセス圧用出力を得るこ
とができる。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように、本発明によれば、差圧又は
圧力センサの静圧、温度変化により生しる零点変化を補
償する静圧信号、温度信号を高精度でしかも高出力で取
出せるので、より正確な差圧又は圧力差信号を得ること
ができ、圧力計測の精度が向上する。また、静圧信号は
プロセス圧用センサとしても利用でき、圧力計測器の削
減ができる。さらに、製作工程が容易であるので、信頼
性、経済性に富むという効果がある。

【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図の平面図、第３図は静圧感圧ダイアフラム上の応力
分布を示した図、第４図は複合機能形センサチップの各
ダイアフラムを作成するためのマスク図、第５図、第６
図は本発明の他の実施例を示す要部平面図である。 １・・複合機能形センサチップ、２・・・第１の固定台
、３・・第２の固定台、４・・ハウジング、５・・・配
線板、１１・・差圧又は圧力差感圧ダイアフラム、１２
・・・センサチップの厚肉部、１３・・・差圧感圧ダイ
アフラム凹部、１４　中央剛体部、１５　静圧感圧ダイ
アフラム、１６　アルミ配線、１７・・・ボンディング
線、１８・・酸化膜、４１　・ハーメチックシール部材
、４２・ハーメチックシール端子、１１１〜１１４・・
差圧又は圧力差抵抗、１２１　静圧感圧ダイアフラム凹
部（基準圧室）、１２２・・・エツチング保護膜、１５
１〜１５４　静圧抵抗、１５５・・感温抵抗。 第１図 第３図 第２図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、差圧又は圧力差を検出する差圧検出手段、静圧を検
   出する静圧検出手段、温度を検出する手段を単一チップ
   内に具備し、前記差圧検出手段からの出力信号を前記静
   圧検出手段および温度検出手段からの出力信号により補
   正してより高精度の差圧信号を得ることができる複合機
   能形センサにおいて、 前記差圧検出手段の差圧感圧ダイアフラムとは別個に、
   静圧検出手段用の静圧感圧ダイアフラムを少なくとも２
   個以上設け、そのダイアフラム厚は前記差圧感圧ダイア
   フラム厚と同じ厚さを有し、前記静圧感圧ダイアフラム
   上の一方の面には、少なくとも１個以上の抵抗体を有し
   、前記静圧感圧ダイアフラムのもう一方面と前記単一チ
   ップを固定する固定台間で形成される空間を真空または
   大気圧あるいはその間の一定圧力にて封止されているこ
   とを特徴とする複合機能形センサ。 ２、請求項第１項において、４個の抵抗のうち、２個を
   前記静圧感圧ダイアフラム上のダイアフラム端部と固定
   部にまたがつて、半径方向、または接線方向にそれぞれ
   配置し、別の２個は前記チップの厚肉部にそれぞれ前者
   と同様に半径方向または接線方向に配置していることを
   特徴とする複合機能形センサ。 ３、請求項第１項において、４個の静圧抵抗を、前記静
   圧感圧ダイアフラム上のダイアフラム端部と固定部にま
   たがつて、前記差圧感圧ダイアフラム上の抵抗体と同様
   に、半径方向または接線方向に、それぞれの静圧感圧ダ
   イアフラム上にそれぞれ形成していることを特徴とする
   複合機能形センサ。 ４、請求項第１項において、４個の静圧抵抗のうち、２
   個を前記静圧感圧ダイアフラム上のダイアフラム端部と
   固定部にまたがつて、半径方向または接線方向にそれぞ
   れ配置し、別の２個は前記チップの厚肉部に設けてある
   感温抵抗と同方向（同結晶軸方向）に、前記差圧感圧ダ
   イアフラム以外の位置に設けてあることを特徴とする複
   合機能形センサ。 ５、請求項第１項において、前記複合機能形センサチッ
   プを固定する固定台を硼珪酸塩ガラスまたは表面に酸化
   膜を付したシリコンで構成してあることを特徴とする複
   合機能形センサ。