JPH04320938A - 差圧センサ、及び複合機能形差圧センサ - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、二つの流体間の圧力差
を計測するに好適な差圧センサ、更には静圧及び温度を
も計測し得る複合機能形差圧センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】差圧を計測する差圧センサにおいて、ワ
ンチップ上に差圧，静圧，温度の各センサを設け、差圧
，静圧，温度を同時に検出できる複合機能形のセンサに
は多くがあり、例えば特開昭６１−２４０１３４号，特
公平２−９７０４　号などがある。いずれの開示例にお
いても、主センサである差圧センサ部には感圧ダイアフ
ラムと呼ばれる薄肉部上に差圧に感応する半導体の抵抗
体を４個有している。また、感圧ダイアフラム以外の厚
肉部には静圧（ライン圧力），温度に感応する半導体の
抵抗体が数本あり、これらは半導体製造プロセスの熱拡
散法，あるいはイオンプランティーション法により、半
導体の基板上に同時に形成されており、前記半導体基板
は固定台に固着され、ハウジングに取り付けられている
。

【０００３】上述したこの種の複合機能形センサはプロ
セスのライン圧力変化，温度変化により生じる差圧セン
サのゼロ点変化を、同センサ上に具備させた補助センサ
（静圧，温度センサ）の信号を利用することにより、積
極的に補償し、精度の高い差圧信号を得るものであった
。しかし、上記例において、特に特公平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積極的に利用
しているため、出力は非常に小さく、Ｓ／Ｎ比の低い補
償信号しか得られていない。また、この静圧信号を得る
ために曲げ歪を発生させているので、この曲げ歪が差圧
センサの感圧ダイアフラムに影響を与えており、差圧信
号と静圧信号が干渉する。このため、高精度の差圧信号
を得るには温度，静圧を変化させながら差圧センサの入
出力特性を細かく収集する必要がある。一方、特開昭６
１−２４０１３４号の例によると、被検出圧力である差
圧と静圧を、それぞれの感圧部を形成して検出している
ため、静圧信号は前述の例と比較するとかなり大きく取
れる。しかし、この例では、Ｓ／Ｎ比の高い信号を得る
ため、静圧信号用感圧部の裏面に基準圧を導入する導入
管路部を設ける必要があった。このような構成法は基本
的には、別個の静圧センサを新たに設けることと全く同
じである。 このため、構成法，製造プロセスが複雑になり、信頼性
，経済性に欠ける。できるなら、前者の例の如く、各種
のセンサをワンチップ上に集約させた方が各種の観点で
望ましい。

【０００４】上記いずれの例における複合機能形センサ
においても、主に、主歪センサである差圧センサの静圧
印加時のゼロ点変化に着目しており、このゼロ点変化を
静圧センサの出力信号をパラメータとして補償させるも
のであった。一方、差圧センサの静圧印加時には、前記
のゼロ点の変化のみならず、必然的にスパンの変化をも
生じる。このスパン変化の補償は前記ゼロ点変化の補償
と比べると比較にならない程、補償のデータを収集する
ことが難しい。何故なら、静圧を印加した状態で所定の
差圧を発生させ、差圧センサの特性を採取する必要があ
るためである。このため、スパン変化に関しては、補償
をしないか、又は簡易的な補償法を実施しているのみで
ある。主歪センサである差圧センサにおいては、前記ゼ
ロ点変化とスパン変化とを比較すると、測定精度上はス
パン変化を重要視すべきであるにもかかわらず、前記の
例においては、このスパン変化を十分に補償できていな
い。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記欠点に鑑
みてなされたもので、その第１の目的とするところは、
差圧センサの静圧印加時のゼロ点変化とスパン変化とを
ハード的に低減することにより高精度の差圧信号を得る
ことの出来る差圧センサを提供するにある。

【０００６】第２の目的は、差圧信号の他、静圧信号，
温度信号を互の干渉なく独立して得ることのできる複合
機能形差圧センサを提供するにある。

【０００７】更に他の目的は、製作容易で経済性に富み
、かつ高出力の圧力信号を得るに好適な構成法を提供す
るにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記第１の目的を達成す
るため、差圧検出手段を具備する半導体チップと当該半
導体チップを固定する固定台とを接合し、この接合面と
反対側の上記判導体チップ表面に第１の圧力を印加し、
上記接合面側の半導体チップ面に上記固定台の中空部を
介して第２の圧力を印加すると共に、この固定台の接合
面と反対側に上記第１の圧力を印加する手段を備えたと
ろにある。

【０００９】前記第２の目的を達成するため、薄肉部に
差圧検出手段を具備し、当該薄肉部以外の厚肉部に静圧
検出手段を具備する単一の半導体チップと、この半導体
チップの厚肉部と接する接合面を有し、かつこの接合面
の厚さを上記半導体チップの肉厚と同等かそれ以下の形
状部を形成し、上記差圧検出手段を配置した薄肉部径内
以内の薄肉部を有する固定台とを備えたところにある。

【００１０】更に、前記他の目的を達成するため、本発
明では固定台の形状，半導体チップと固定台とハウジン
グの接合方法等について工夫するものであるが、これら
ついては以下の説明で詳述する。

【００１１】

【作用】前記第１の手段により、前記半導体チップと接
合する固定台の接合部は、静圧による歪又は熱による歪
を吸収する吸収体として機能すると共に、前記半導体チ
ップ表面の圧力に対向する圧力作用面としても機能する
。したがって、半導体チップは静水圧状態に置かれたと
同等の状態となり、静圧時の歪を軽減し、ゼロ点変化，
スパン変化をハード的に低減できる。

【００１２】この点、前記第２の手段と併わせて、その
作用を詳述すると、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に感応する感圧ダイヤフラムとな
り、この感圧ダイアフラム上に形成された差圧抵抗体（
差圧検出手段）は、感圧ダイアフラム上に印加される差
圧に応じて抵抗値が変化する。前記半導体チップの差圧
起歪体以外の厚肉部には温度のみに感応する感温抵抗が
形成され、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、この厚肉部には前記感温抵抗と同様に
、４個の静圧抵抗体が形成される。この静圧抵抗体のう
ち少なくとも２個は前記差圧感圧ダイアフラムと同等に
新たに形成する静圧用の感圧ダイアフラム上に、あるい
は温度抵抗体と同様に厚肉部上に形成される。これらの
厚肉部に形成された静圧抵抗体は、静圧が印加されると
、その圧力に応じて抵抗が大きく変化し（静圧の感圧ダ
イアフラムを形成した場合），あるいは後述する固定台
との歪差（静圧の感圧ダイアフラムを全く形成しない場
合）によりその抵抗が変化し、静圧信号を出力する。

【００１３】前記半導体チップを固定し、ハウジングに
取り付けるための固定台に設けられている接合部形状は
、その領域は少なくとも前記半導体チップの厚肉部領域
以上の面積を有し、かつその厚みは前記半導体チップ厚
より同等かそれ以下の形状を有している部分は、静圧に
よる歪又は熱による歪を吸収する吸収体ならびに強固の
接合を達成する接合面として機能する。さらに、前記半
導体チップの厚肉部に静水圧の状態を作る圧力作用面と
しても機能する。これらの作用により、前記半導体チッ
プの感圧ダイアフラム上には、静圧印加時でも、その静
圧に相当する歪をそのまま引張り側に平行にシフトする
歪のみを発生する。静圧印加時の差圧センサのゼロ点変
化，スパン変化の大きさは、感圧ダイアフラム上の歪分
布により決まるが、前記の接合形状の形状作用により、
ゼロ点変化は全くなく、かつ、スパン変化も非常に小さ
くすることができる。また、前記固定台の接合部形状部
分以外に設けられている少なくとも１つ以上の薄肉部分
は、その外径が差圧の感圧ダイアフラム径内に位置する
寸法でかつ肉厚が薄い部分は、前記接合形状部分の前記
半導体チップの厚肉部に作用する前述の機能を損うこと
はない。また、前記半導体チップと材質の異る材料を使
用しても、この部分が外部歪（静圧歪，熱歪）の吸収体
としても動作するため、前記接合形状の作用を損うこと
は全くない。さらに、ハウジングから伝達される静圧印
加時の圧力歪と熱歪をも隔離することができる。したが
って、固定台に上述の如く、形状の制御のみを行うこと
により、差圧センサのゼロ点変化，スパン変化を非常に
小さくでき、かつ外乱歪にも耐力がある。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図により説明する
。

【００１５】尚、差圧センサは複合機能形差圧センサの
一態様であり、以下、複合機能形差圧センサを中心に説
明することで、単なる差圧センサの構成についても明ら
かになると考える。

【００１６】図１は複合機能形差圧センサの一実施例を
示す断面図であり、図２及び図３は図１の複合機能形差
圧センサ部の半導体チップ部分の平面図とその回路図で
ある。

【００１７】図１において、１は単結晶シリコンから成
る複合機能形差圧センサチップである。複合機能形差圧
センサチップ１は中空の固定台２を介してハウジング４
に取り付けらける。固定台２は、複合機能形差圧センサ
チップ１のハウジング４との電気絶縁およびハウジング
４との線膨張係数の相違による熱歪の低減を考慮して、
前記シリコンと線膨張係数の近似したセラミックス（例
えばＳｉＣ）が望ましい。しかし、入手不可能の場合は
その材料選択時に前記シリコンとの線膨張係数との相違
を無視しても、実用的精度は達成できる。固定台２のセ
ンサチップ１との接合面側には接合層２０を有する。接
合層２０は固定台２の接合表面を低融点ガラス等の酸化
物ソルダーでグレイズ化して形成するか、あるいは金属
ソルダー、あるいはＡｕ−Ｓｉ合金層又はＡｕの薄膜を
スパッタ法，あるいは蒸着法により形成することができ
る。または、有機質あるいは無機質のバインダーでも形
成できる。かかる接合層２０を固定台２のセンサチップ
１の接合面側に設けることにより、センサチップ１を、
低温で容易に接合できる。またその接合層は薄いので接
合歪の影響を極力低減できる。

【００１８】複合機能形差圧センサチップ１からの差圧
，静圧，温度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により外部にそれぞれ取り出される。 複合機能形差圧センサチップ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、円形
又は多角形の薄肉部１１を有する。一方、センサチップ
１の他方の面には、中央に孔２９を有する固定台２との
間で凹部１３を形成する。この凹部１３に検出すべき差
圧の一方を上記孔２９を介して導入する。これにより、
前記薄肉部１１は差圧に感応する起歪体となり、差圧検
出用の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形抵抗体（
ゲージ抵抗）１１１〜１１４がそれぞれ結晶軸に対して
平行又は直角方向に、熱拡散法あるいはイオンプランテ
ィーション法により形成される。前記各抵抗体１１１〜
１１４は、差圧印加時に差圧感圧ダイアフラム１１上に
発生する半径方向の歪が最大になる固定部近傍に配置す
る。また、これらの抵抗の配置方向としては、１１１と
１１３を半径方向とし、１１２と１１４を接線方向とし
、図３に示すブリッジ回路に結線することにより大きな
差圧信号を得ることができる。差圧感圧ダイアフラム１
１の形状と肉厚は感応する差圧に応じて所望の形状と肉
厚に設定され、異方性ウェットエッチング、あるいはド
ライエッチングによって形成される。

【００１９】ところで、差圧感圧ダイアフラム１１上の
抵抗体１１１〜１１４はダイアフラムの上面と凹部１３
の差圧により発生する歪を受け、ピエゾ抵抗効果により
抵抗が変化する。従って、図３に示したような回路方式
を採用すれば、ｄ〜ｇの端子からその信号を取り出すこ
とができる。

【００２０】ところで従来、これらの抵抗体１１１〜１
１４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（静圧状態）、または温度が変化した
ときにも感応してしまうので、出力が変化する。前者の
出力変化を静圧によるゼロ点変化と呼び、後者の出力変
化を温度変化によるゼロ点変化と呼んでいる。温度変化
時のゼロ点変化は主に抵抗体１１１〜１１４の各抵抗値
のバラツキと、抵抗体の抵抗値は温度の関数となってい
るためである。したがって、温度センサの出力と差圧セ
ンサの出力との関係は明確に関係づけられるので補償も
容易である。静圧印加時のゼロ点変化は、主に、静圧印
加時に発生する固定台２やハウジング４などのセンサチ
ップ１以外の構成体より生じる歪によって生じる。この
ゼロ点変化も、温度変化時のゼロ点変化と同様に、静圧
印加時の差圧センサのゼロ点変化と静圧センサの出力と
の関係を情報として格納しておけば、この情報に基づい
て比較的容易に補償できる。また、静圧印加時には前述
のゼロ点変化以外に、その差圧感度も変化する。この変
化をスパン変化と呼んでいる。通常センサチップ１は図
１に示すように、センサチップ１の厚肉部１２を有し、
この厚肉部１２を介して固定台２等に固着され、かつハ
ウジング４に取り付けられている。このとき、この厚肉
部１２には静圧印加時に、厚肉部の外形，内径の相違に
よる歪が発生する。この歪は前記差圧感圧ダイアフラム
１１に伝搬するので、差圧抵抗体１１１〜１１４の抵抗
値を変化させる。また、この歪は差圧測定時に感圧ダイ
アフラム１１に発生する最大歪の５％〜５０％にも達す
る。かかる高歪の状態において、差圧感圧ダイアフラム
１１の両面に差圧が発生すると、差圧感圧ダイアフラム
１１は差圧に感応して変形し、差圧抵抗体１１１〜１１
４には大きな抵抗変化が発生する。このときの変形過程
において、前記の均一な大きな静圧歪が付加されるので
、差圧感圧ダイアフラムの歪分布は大気圧下（静圧＝０
）での歪分布とは異なる。すなわち、大気圧下での差圧
センサの出力と静圧下での差圧センサの出力は相違して
しまう。この出力変化（スパン変化）は前述の如く、セ
ンサチップ１の単独状態でも生じるものと推定される。 。一方、前述のゼロ点変化は均一な歪分布であるので発
生しないものと推定される。また、センサチップ１の実
装上は、必ず固定台等の付加物を具備させる必要があり
、これらの付加物による静圧印加時の歪の影響を受ける
のでスパン変化はさらに大きくなる。

【００２１】上述した複合機能形センサの主歪センサで
ある差圧センサのゼロ点変化，スパン変化は差圧計測上
大きな問題であり、特にスパン変化に関しては重要な問
題である。何故ならスパン変化は差圧計測上の精度に最
も関連しており、プラントの制御精度をも左右するから
である。また、最近では低差圧領域の差圧計測計装を多
く採用しており、差圧センサとしては差圧感圧ダイアフ
ラム１１をより薄肉化して感度を高める必要があるが、
その反面、スパン変化が大きくなるため、差圧感度を向
上させることは容易でない。

【００２２】これらの問題を解決するため、一般的には
、静圧を感知する静圧センサを補助センサとして同チッ
プ上に具備させ、この信号を利用して差圧センサのゼロ
点変化，スパン変化を積極的に補償する方法を採用して
きたわけであるが、かなりの問題が残っている。特に、
静圧信号を得るために、固定台２との縦弾性係数の差を
利用して成る複合機能形センサでは、静圧信号を得るた
めにその厚肉部１２に過大な曲げ歪を発生させる。 この曲げ歪は差圧感圧ダイアフラム１１に伝搬し、差圧
センサの出力に大きく干渉する。このため、精度が高く
、かつゼロ点変化の小さい差圧センサを得るためには、
各温度，各静圧，各差圧点での差圧センサの入出力関係
を明確にする必要がある。この入出力関係を確定するた
めの情報量は非常に膨大である。また、この情報を得る
過程において、特に、温度，静圧を変化させながら、差
圧センサの入出力特性の情報を採集する必要がある。こ
の情報採集の簡便な方法、またはその装置に関しては良
い方策案がなく、製造上の工数を増加させる原因となっ
ている。

【００２３】すなわち、複合機能形差圧センサの主歪セ
ンサである差圧センサの静圧印加時のゼロ点変化および
スパン変化を補償するために設けた静圧センサはそれな
りの効果はあるものの、その反面、主歪センサである差
圧センサの感圧ダイアフラムに過大な歪を与えるため、
より複雑な製造工程，および補償方法を必要とする。ま
た、本来の複合機能形センサと呼ばれる機能を十分に発
揮させていない。

【００２４】したがって、本実施例では、これらの種々
の問題を解決するために、固定台の形状を工夫し、ハー
ド的に差圧センサのゼロ点変化，スパン変化を削減し、
無補償でその特性を向上させる方向を採用する。また、
ゼロ点変化，スパン変化を削減することは、静圧センサ
をライン圧センサとして活用できることにもつながる。

【００２５】図１，図２において、複合機能形差圧セン
サチップ１の差圧感圧ダイアフラム１１以外の厚肉部１
２には少なくとも１個の感温抵抗１５５が形成される。 この感温抵抗１５５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
形の抵抗体であり、差圧又は静圧には感応しない。この
抵抗は差圧抵抗体１１１〜１１４と同様のプロセスにて
、所定の抵抗値で形成される。

【００２６】一方、もう１つの補助センサである静圧セ
ンサは、前記感温抵抗体１５５と同様に、センサチップ
１の厚肉部１２に、前記差圧抵抗体と同じ結晶軸方向に
、それぞれ平行に又は直角方向に、抵抗体１５１〜１５
４が形成される。静圧抵抗体１５１〜１５４のうち、抵
抗体１５１，１５４は前記センサチップ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固定台２の一方の面との
接合時に、凹部１２１を形成する。この凹部１２１は静
圧印加時に、基準室として動作し、前記薄肉部１５は静
圧感圧ダイアフラムとして動作する。このため、この薄
肉部１５上の抵抗体１５１，１５４は前記差圧感圧ダイ
アフラム１１上の抵抗体と同様に大きな抵抗変化を得る
ことができる。一方、別の２個の抵抗体１５２，１５３
は前記センサチップ１の厚肉部１２に形成してあり。 静圧印加時にはほとんど抵抗が変化しない。これらの抵
抗体１５１〜１５４を図３に示すようなブリッジに結線
し、端子ｈ〜ｋよりその出力が取り出せる。本例におい
ては、前述の如く、ブリッジ方式を２アクティブゲージ
方式としているのでその出力は差圧センサの出力と比較
すれば小さいが、ライン圧力センサとしては十分な出力
である。

【００２７】複合機能形差圧センサチップ１の上面には
前記差圧，静圧，温度の各抵抗体を保護する保護膜１８
と、各抵抗体を図３の如く結線するためのアルミ配線１
６とボンディングパッドａ〜ｋが形成される。前記保護
膜１８は各抵抗体とセンサチップ１の厚肉部のみに形成
し、差圧感圧ダイアフラム１１上には形成しない。これ
は、温度変化時に保護膜１８とセンサチップ１の材質相
違により生じる熱歪の影響を削除するためである。また
この配慮は、差圧感圧ダイアフラム１１が薄くなればな
る程（低差圧用センサ）その効果が大きくなる。

【００２８】図４は複合機能形差圧センサチップ１の静
圧下におけるゼロ点変化，スパン変化を低減する原理を
、模式的に説明するための図である。同図（ａ）は複合
機能形差圧センサチップ１の模式図であり、無負荷状態
を表わしたものである。同図（ｂ）は前記センサチップ
１に静圧が印加された状態の形状を表わしたものである
。静圧印加時には、センサチップ１の厚肉部１２のパイ
プ形状部（外径２Ａ，内径２Ｂ）により、センサチップ
は内側に変形すると共に、上面からの静圧により、下方
に変形する。変形状態は同図（ｂ）の実線で示される。 このとき、差圧センサの感圧ダイアフラム１１には前記
歪の差により、均一な静圧相当分の歪が発生する。 この歪状態において差圧が印加されると、差圧感圧ダイ
アフラムは前記静圧歪をベースにして差圧歪を受けるこ
とになる。この静圧歪は差圧歪の発生に大きな影響を与
えるため、大気圧下（静圧＝０）での差圧のみによる発
生歪と相違する。このため、静圧発生下ではスパンが変
化する。しかし、同図（ｂ）の状態（静圧＝Ｐｓ，差圧
＝０）では、差圧感圧ダイアフラム１１と厚肉部１２に
おいては均一な静圧歪が発生しているので、ゼロ点の変
化は起らない。

【００２９】したがって、静圧下でのゼロ点変化，スパ
ン変化を無くするには、同図（ｂ）に示す如く、センサ
チップ１の厚肉部１２に均一な引張り力Ｆ力を作用させ
ると共に、同図（ｃ）に示す如く、平行に一点鎖線の形
状（元の形状（ａ））に戻せば良い。そうすれば、ゼロ
点変化，スパン変化は皆無になる。この引張り力Ｆは、
同図（ｃ）に示すＰｓ′に相当する静圧を前記センサチ
ップ１の固定台２との接合面に作用すれば、そのポアソ
ン効果により、発生させることができる。一般に、この
Ｐｓ′の大きさは静圧Ｐｓの大きさと等しいので、換言
すれば前記センサチップ１の厚肉部１２を静水圧状態に
していることと同等である。そこで本実施例では、固定
台のセンサチップ１との接合面の他方の面２１に静圧Ｐ
ｓが作用する面を形成しているので（同図（ｄ）参照）
、センサチップ１の厚肉部１２を静水圧状態に保持する
ことができる。この静水圧の状態を確保する範囲は、前
記センサチップ１の厚肉部の面積を確保するだけで十分
であり、その厚さはできる限り薄い方が良いが、強度の
観点からは所定の肉厚が必要である。

【００３０】前記Ｆなる力は固定台２とセンサチップ１
に使用する材料によっては、前述の静水圧時のポアソン
効果と比べると小さい値であるが、発生させることがで
きる。例えば固定台２をセンサチップ１の縦弾性係数よ
り小さい材料を使用し、その厚みを最大でも前記チップ
と同程度の肉厚とすると、静圧印加時のセンサチップ１
の厚肉部１２と固定台２の前記センサチップ１との接合
部分とでは歪差が発生する。この歪差が前記厚肉部１２
の上面には正の曲げ歪が発生する。この曲げ歪はセンサ
チップ１の感圧ダイアフラム１１を外側に引張る力とし
て機能する。また、前述とは逆に、固定台２をセンサチ
ップ１の縦弾性係数より大きい材料を使用し、前者に比
べてその肉厚をさらに薄くすると、前記センサチップ１
の感圧ダイアフラム１１を外側に引張る力として機能さ
せることができる。

【００３１】固定台２のもう一方の面はハウジング４に
センサチップ１を固定するための接合部として機能し、
一方、前記接合部と前記センサチップ１の厚肉部１２と
の接合面を有する部分（前記センサチップを静水圧状態
にする部分）との間には、少なくとも１つ以上の薄肉部
２２を有する。この薄肉部２２は、その外形を前記セン
サチップ１の厚肉部径より内側に、すなわち前記センサ
チップ１の差圧感圧ダイアフラム１１の内径２Ａ内に（
２Ｃ≦２Ａ）位置する。このとき、この薄肉部２２はハ
ウジング４からの熱歪又は静圧印加時の圧力歪を吸収す
る部分として機能するので、前記センサチップ１の厚肉
部１２と前記固定台の接合部分２１とで形成されている
静水圧の状態を乱すことは一切ない。

【００３２】以上説明したように、静圧印加時に、差圧
センサのゼロ点変化，スパン変化を皆無または非常に小
さくするには、固定台２に接合部分２１を設け、その形
状としては前記センサチップ１の厚肉部を囲むような面
積を有する形状とし、その肉厚を前記センサチップ１の
厚肉部１２の厚さと同等かそれ以下の肉厚とすることに
より、前記センサチップ１の厚肉部１２を静水圧状態に
保持することができるので、ゼロ点変化，スパン変化を
皆無又は非常に小さくすることができる。さらに、固定
台２に、前記センサチップ１の差圧感圧ダイアフラム径
内にその外径を有する薄肉部２２を少なくとも１つ設け
ることにより、前述の静水圧状態をより確実に確保でき
ると共に、熱歪あるいは静圧印加時の圧力歪を吸収でき
る部分として動作させることができる。この作用により
、差圧センサチップ１の差圧感圧ダイアフラム１１には
外部環境に起因する温度歪，圧力歪の影響を受けること
はない。したがって、かかる構成における複合機能形差
圧センサでは、ゼロ点変化，スパン変化を皆無又は非常
に小さくできることはもちろんのこと、補助センサであ
る静圧センサには一切の負担をかけることがなくなるの
で、静圧センサをライン圧力用センサとして有効に活用
できる。

【００３３】図５，図６は上述の原理に基づいて製作し
た複合機能形差圧センサの特性図であり、差圧感圧ダイ
アフラム１１を非常に薄く（低差圧領域の差圧センサで
そのダイアフラム板厚は約１０μｍ，ダイアフラム径は
約４ｍｍ程度）したときの、固定台の前述のそれぞれの
機能部分を確認した結果である。図５は固定台を２層構
造とし、すなわち、接合部分２１と薄肉部２２に分離し
た構成とし、接合部分２１の板厚ｔｆとセンサチップ１
の肉厚ｔｓを変化させた時のゼロ点変化，スパン変化を
調べた結果である。図から明らかなように、ゼロ点変化
，スパン変化とも、センサチップ１の肉厚ｔｓと固定台
２の接合部分２１の肉厚ｔｆとにより大きく変化するが
、センサチップ１の厚肉部の肉厚ｔｓに比べて固定台２
の接合部分２１の肉厚ｔｆを薄くすることにより非常に
小さくなることが判る。なお使用材料としては、接合部
分２１はセンサチップ１の縦弾性係数よりかなり小さい
材料とし、薄肉部２２はセンサチップ１の縦弾性係数よ
り大きい材料とした。

【００３４】図６はセンサチップ１と固定台２のみで構
成し、固定台２の一部分に前記接合部分２１（その厚さ
をｔｆ＜ｔｓ）と薄肉部分２２（その外形を２Ｃ＜２Ａ
とし、その長さＧを接合部分の厚さｔｆと同じにした）
を設け、固定台２の縦弾性係数を０．５×１０５〜４×
１０５ＭＰａの範囲で変化させたときのゼロ点変化とス
パン変化を調べた結果である。尚、差圧感圧ダイアフラ
ム１の厚さは図５と同じとした。図から明らかなように
、縦弾性係数の変化に対してそのゼロ点変化，スパン変
化は、非常に鈍感であり、その絶対値も非常に小さい。

【００３５】したがって、図５，図６より、前述の原理
に基づいて構成する複合機能形差圧センサは、その主歪
センサである差圧センサの特性が非常に優れており、か
つセンサチップを固定するための固定台の材料の選択範
囲が非常に広い。

【００３６】図１に示した固定台２は前述の原理に基づ
く構成法を採用しているのはもちろんのこと、さらにハ
ウジング４との接合性ならびに特性向上を考慮した形状
となっている。すなわち、ハウジング４と、接合層３と
、固定台２の材質が異ると、その接合時ならびに温度変
化時さらには、静圧印加時には各種の歪が（接合歪，温
度変化歪，静圧歪）発生する。この各種の歪を吸収して
前記センサチップ１に各種歪の影響をなくするように、
固定台２のハウジング４との接合部近傍に薄肉部２４を
設けている。この薄肉部２４は前記各種歪の吸収体ある
いは隔離部として機能する。

【００３７】図７はその他の実施例を示した図であり、
同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は断面図である。図に
おいて、前記固定台２の材質を前記複合機能形センサチ
ップ１と縦弾性係数及び線膨張係数が近似したＦｅ−Ｎ
ｉ合金を使用し、前記固定台の薄肉部分２２に接合歪吸
収部２４を単一形状内に設けるように構成したものであ
る。接合層２０は高絶縁性の低融点ガラス等の酸化物ソ
ルダーあるいはセラミックス系の接合層である。ハウジ
ング４と固定台２の接合は接合歪吸収部２４を介してア
ルゴンアーク溶接またはプラズマ溶接にて容易に接合さ
れる。これにより、本発明の効果を奏することはいうま
でもないが、固定台２の材料の入手，及び製作が非常に
容易になり、かつ経済性に富む。

【００３８】図８はその他の実施例を示した図であり、
前記固定台２の材質を前記複合機能形センサチップ１と
全く同じ材料であるシリコンを使用し、あるいは線膨張
係数の近似した硼珪酸ガラスを使用し、前記固定台の薄
肉部分２２に接合歪吸収部２４を単一形状に設けるよう
に構成したものである。さらに、センサチップ１の厚肉
部１２には、前記静圧感圧ダイアフラム１５を４個設け
ている。これにより、静圧センサの出力は前記実施例に
比べて約２倍の出力を得ることができるので、よりＳ／
Ｎ比の高いプロセス圧信号を得ることができる。また、
前記固定台２を硼珪酸ガラスで構成すると、前記センサ
チップ１との接合を陽極接合法により無歪で接合層２０
を介さないで接合できる。このため、特に、製作が容易
であり、経済性に富む。一方、固定台２をシリコンで構
成すると、センサチップ１と固定台２の接合部分２１の
界面には電気絶縁ならび接合のための酸化膜あるいは高
絶縁性の酸化物ソルダーあるいはセラミックス系のソル
ダー層２０を数１０μｍ要するが、その作成は通常の半
導体プロセスと同様の方法により容易に実現できるので
製作が容易である。かつ、その材料特性、特に、線膨張
係数が全く同じであるため、温度特性のより優れたセン
サを得ることができる。

【００３９】図９はその他の実施例を示した図であり、
前記固定台２の接合部分２１と薄肉部分２２をその機能
別に異種材料で構成し、かつ、前記薄肉部分２２に接合
歪吸収部２４を設けるように構成したものである。接合
部分２１の材料としては硼珪酸ガラスを使用し、薄肉部
分２２の材料としてはＦｅ−Ｎｉ合金系等の金属材料を
使用したものである。さらに、前記センサチップ１の厚
肉部１２には静圧感圧ダイアフラムを一切有していない
。（但し、静圧抵抗体は有する）かかる構成においても
、本発明の効果を損うことはいうまでもないが、さらに
前記センサチップ１との接合とを陽極接合法により無歪
で接合層を介さないで接着できる。さらに、センサチッ
プ１と接合部分２１を基板ベースで（ウェハ単位）一括
して接合できる。また、前記センサチップ１とはその縦
弾性係数が大いに相違するので、静圧印加時にはその歪
差により生じる曲げ歪がセンサチップ１の上面に発生す
る。このため、前記実施例の如く、静圧感圧ダイアフラ
ムを設けなくとも、静圧信号を得ることができ、かつ静
圧感圧ダイアフラムの強度（最高使用圧力）を全く考慮
しなくても良い。したがって、その最高使用圧力が非常
に高いセンサを提供できるとともに、より小形化が達成
できる。薄肉部２２の材料を前記センサチップ１の線膨
張係数と近似したＦｅ−Ｎｉ合金を使用すると、前記接
合部分２１と陽極接合にて接合でき、かつハウジング４
とは接合歪吸収部２４を介してアルゴンアーク，プラズ
マ溶接により容易に固着できる。また、薄肉部２２の材
料にＦｅ−Ｎｉ合金以外の金属材料を使用しても、前記
接合部分２１との接合界面に接合層２１２を柔軟性の低
融点ガラス等の酸化物ソルダー，又は有機あるいは無機
質バインダー又は金属ソルダー等で設けることにより、
容易に前記接合部分２１に接合できると共にハウジング
４にも溶接等により容易に固着できる。また、前記柔軟
性の接合層１２１は静圧による圧力歪，温度変化による
温度歪を吸収できる。したがって、固定台２の薄肉部分
２２の材料をＦｅ系の金属材料とすることにより、その
製作性に富むことはもちろんのこと、組立性，あるいは
材料形状も単一形状なので経済性にも富む。

【００４０】図１０はその他の実施例を示した図であり
、前記固定台２の接合部分２１と薄肉部分２２をその機
能別に異種材料で構成し、かつ前記薄肉部分２２に接合
歪吸収部２４を設け、前記センサチップ１の厚肉部１２
には少なくとも２つ以上の静圧感圧ダイアフラム１５を
設けたものである。かかる構成においては、接合部分２
１，薄肉部分２２に電気絶縁性，接合性，接合層形成時
の密着性，材料の形状性（板材，パイプ材）などを考慮
した上で、それぞれに適意の材料を選択することができ
る。例えば接合部分２１にて電気絶縁を実施し、センサ
チップ１との線膨張係数を極力一致させ、より温度特性
の優れたセンサにするには接合部分２１の材料をＳｉＣ
等のセラミックスあるいは硼珪酸ガラスとし、薄肉部分
２２をＳｉＣ等のセラミックス又は硼珪酸ガラスあるい
はＦｅ−Ｎｉ合金等の金属材料で構成すればよい。これ
らの組み合わせにおいて、薄肉部分２２をＦｅ−Ｎｉ合
金とすると、前述の特徴に加え、さらにハウジング４と
の接合が溶接法により実施できるので非常に組立易い。 一方前述の構成と逆の構成をとることもできる。すなわ
ち、薄肉部分２２をセラミックスあるいは硼珪酸ガラス
の高絶縁材料とし、接合部分２１をシリコンあるいはＦ
ｅ−Ｎｉ合金のセンサチップ１との線膨張係数が非常に
近似した材料にて構成する。また、接合層２０，２１２
，３は各種の材料の組み合わせにより、前記実施例に述
べたような各種のソルダーあるいはバインダーを適意に
選択して使用できる。

【００４１】以上のように、本実例によると、本発明の
効果を奏することはいうまでもないが、さらに材料の選
択性が広くなり、かつ組立，製作が容易である。

【００４２】図１１はその他の実施例を示した図であり
、前記ハウジング４と一体に前記固定台２の薄肉部分２
２に相当する薄肉部４２を少なくとも１つ設け、その寸
法は前述の如くｂ＜ａとし、前記薄肉部４２と前記セン
サチップ１の厚肉部１２を固定する接合部分２１とを接
合層４２１を介して接合し、前記薄肉部４２の固定台２
の接合部分２１とは反対面に少なくとも１つ以上の歪吸
収体部４４を設ける構成とした。この構成においては、
通常ハウジング４は金属材料であるので、固定台２は高
絶縁でかつセンサチップ１との線膨張係数が近似した硼
珪酸ガラスあるいはＳｉＣ等のセラミックスあるいは絶
縁膜２０を有するシリコンとする。かかる構成において
も本発明の効果を損うことはないが、さらに、前記固定
台２の薄肉部分４２をハウジングに設けることができる
ので材料の低減ができ、かつセンサチップと固定台とを
センサチップアセンブリとして別個に製作できるので、
経済性に富み、製作が容易である。

【００４３】以上、複合機能形差圧センサを中心に説明
したが、単なる差圧センサに適用できることは勿論、半
導体チップの構造も、中央に厚肉部を有しない通常の各
種チップであっても同様に構成することができる。

【００４４】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、差圧センサ、更には複合機能形差圧センサの静圧
印加時の主歪センサである差圧検出器のゼロ点変化，ス
パン変化をハード的に削除できるので、より高精度の差
圧信号を得ることができ、かかるセンサを適用すること
でプラントの制御精度が向上する。また、静圧信号はプ
ロセス圧用センサとして利用できるので、圧力計測器の
削減が可能となり省力化できる。また、製造上、補償す
るための差圧センサの情報量を大幅に低減できるので、
製造管理の工数を大幅に削減できるとともに、製作性，
信頼性、および経済性に富むという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る複合機能形差圧センサ
の断面図。

【図２】図１の平面図。

【図３】図１のセンサ回路図。

【図４】本発明の原理を説明するための図。

【図５】接合部分の厚さを変えた場合の本発明の特性図
及び断面図。

【図６】固定台の縦弾性係数を変えた場合の本発明の特
性図及び断面図。

【図７】本発明の他の実施例に係る複合機能形差圧セン
サの平面図及び断面図を示す。

【図８】本発明の他の実施例に係る複合機能形差圧セン
サの平面図及び断面図を示す。

【図９】本発明の他の実施例に係る複合機能形差圧セン
サの平面図及び断面図を示す。

【図１０】本発明の他の実施例に係る複合機能形差圧セ
ンサの平面図及び断面図を示す。

【図１１】本発明の他の実施例に係る複合機能形差圧セ
ンサの平面図及び断面図を示す。

【符号の説明】

１…複合機能形差圧センサチップ、２…固定台、３…ハ
ウジングとの接合層（酸化物ソルダーあるいは金属ソル
ダーあるいはバインダー）、４…ハウジング、５…配線
板、１１…差圧感圧ダイアフラム、１２…センサチップ
厚肉部、１３…凹部、１５…静圧感圧ダイアフラム、１
６…アルミ配線、１７…リード線、１８…保護膜、２０
…センサチップとの接合層（酸化物ソルダーあるいは金
属ソルダーあるいはバインダー）、２１…固定台の接合
部分、２２…固定台の薄肉部分、２４…固定台の接合歪
吸収部分、２９…固定台の圧力孔、４１…ハーメチック
シール部、４２…ハーメチックシール端子、４４…歪吸
収部、１１１〜１１４…差圧抵抗体、１２１…静圧の基
準室、１５１〜１５４…静圧抵抗体、１５５…感温抵抗
、ａ〜ｋ…端子又はパッド、２１２…固定台の薄肉部分
と接合部分の接合層（酸化物ソルダーあるいは金属ソル
ダーあるいはバインダー）。

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】両面に印加される圧力の差を検出する差圧
   検出手段を少なくとも単一チップ上の一方の面に具備す
   る半導体チップと、当該半導体チップと接合して当該半
   導体チップを固定する固定台とを備えたものにおいて、
   上記固定台は、上記半導体チップとの接合面に対向する
   裏面に、上記半導体チップ表面に印加される圧力を導入
   する経路を形成したことを特徴とする差圧センサ。
2. 【請求項２】請求項１において、前記固定台は、中空形
   状とし、その外周部で前記半導体チップとの接合面を形
   成すると共に、上記中空部を介して他方の圧力を上記半
   導体チップに印加するように構成したことを特徴とする
   差圧センサ。
3. 【請求項３】少なくとも差圧検出手段を具備する半導体
   チップと当該半導体チップを固定する固定台とを接合配
   置し、当該接合面と夫々対向する上記半導体チップ表面
   及び固定台表面に第一の被測定流体路を構成し、かつ、
   上記固定台に形成した中空部と上記半導体チップ裏面と
   で第二の被測定流路を構成したことを特徴とする差圧セ
   ンサ。
4. 【請求項４】差圧を検出する差圧検出手段を薄肉部に、
   その周縁に形成した厚肉部に静圧検出手段を具備する単
   一の半導体チップと、上記半導体チップの厚肉部領域以
   上の面積を有する接合面を有し、かつその厚さを上記半
   導体チップの厚肉部厚さ以下とし、上記差圧検出手段を
   配置した薄肉部径内以内の薄肉部を有する固定台と、当
   該固定台と接合して成るハウジングとを備えたことを特
   徴とする複合機能形差圧センサ。
5. 【請求項５】請求項４において、前記半導体チップの肉
   厚部に温度検出手段を具備したことを特徴とする複合機
   能形差圧センサ。
6. 【請求項６】請求項４において、前記固定台をセラミッ
   クスとし、前記半導体チップとの接合面に低融点ガラス
   等の酸化物ソルダーの接合層又はＡｕの薄膜、Ａｕ−Ｓ
   ｉ合金の薄膜の金属ソルダーの接合層を有し、前記ハウ
   ジングとの接合部に前記ソルダー層又は無機質あるいは
   有機質バインダー層を介して前記ハウジングに固着した
   ことを特徴とする複合機能形差圧センサ。
7. 【請求項７】請求項４において、前記固定台をＦｅ−Ｎ
   ｉ系合金とし、前記半導体チップとの接合面に高絶縁の
   酸化物ソルダーの接合層を有し、前記ハウジングとの接
   合を溶接にて固着されていることを特徴とする複合機能
   形差圧センサ。
8. 【請求項８】請求項４において、固定台を硼珪酸ガラス
   とし、前記半導体チップとの接合を陽極接合法にて接合
   し、前記ハウジングとの接合部に低融点ガラス等の酸化
   物ソルダーの接合層又は金属ソルダー層又は無機質ある
   いは有機質のバインダー層を介して前記ハウジングに固
   着されていることを特徴とする複合機能形差圧センサ。
9. 【請求項９】請求項４において、前記固定台をシリコン
   とし、前記半導体チップとの接合面に低融点ガラス又は
   酸化膜を有し、この層を電気的絶縁と接合のためのソル
   ダー層として機能させ、前記ハウジングとの接合部に低
   融点ガラス等の酸化物ソルダー又は金属ソルダー又は有
   機質あるいは無機質バインダー層を介して前記ハウジン
   グに固着されていることを特徴とする複合機能形差圧セ
   ンサ。
10. 【請求項１０】差圧を検出する差圧検出手段と温度を検
    出する温度検出手段と静圧を検出する静圧検出手段とを
    単一チップの半導体基板上に具備する半導体チップと、
    前記半導体チップの厚肉部領域以上の面積を有する接合
    面を有し、かつその厚さを前記半導体チップ厚肉部厚さ
    より等しいかそれ以下とした第１の固定台と、前記半導
    体チップの差圧検出手段の感圧ダイアフラム径内に、そ
    の外形が位置する薄肉形状の第２の固定台と、前記第１
    の固定台と前記第２の固定台の一方の面とは接合され、
    前記半導体チップの各信号を外部に取出す手段を有し、
    かつ前記第２の固定台の他方の面と接合して成るハウジ
    ングとで構成したことを特徴とする複合機能差圧センサ
    。
11. 【請求項１１】請求項１０において、前記第１の固定台
    を硼珪酸ガラスとし、前記第２の固定台をＦｅ−Ｎｉ合
    金またはＦｅ系の合金とし、前記半導体チップと前記第
    １固定台との接合を陽極接合法により固定し、前記第１
    の固定台と第２の固定台との接合を陽極接合法あるいは
    低融点ガラス等の酸化物ソルダーあるいは有機又は無機
    質バインダーあるいは金属ソルダーを介して接合されて
    いることを特徴とする複合機能形差圧センサ。
12. 【請求項１２】請求項１０において、前記第１の固定台
    をセラミックスあるいは硼珪酸ガラスとし、前記第２の
    固定台をセラミックスあるいは硼珪酸ガラスあるいはＦ
    ｅ−Ｎｉ合金あるいはその他の金属材料とし、前記半導
    体チップと前記第１の固定台との接合を低融点ガラス等
    の酸化物ソルダーあるいはＡｕ−Ｓｉ合金又はＡｕの薄
    膜による金属ソルダーあるいは他の金属ソルダーあるい
    は陽極接合法あるいは有機又は無機質のバインダーで接
    合し、前記第１の固定台と前記第２の固定台との接合を
    、低融点ガラス等の酸化物ソルダーあるいはＡｕ−Ｓｉ
    合金又はＡｕの薄膜による金属ソルダーあるいは陽極接
    合法あるいは有機又は無機質のバインダーで接合してあ
    ることを特徴とする複合機能形差圧センサ。
13. 【請求項１３】差圧を検出する差圧検出手段と温度を検
    出する温度検出手順と静圧を検出する静圧検出手段とを
    単一チップの半導体基板上に具備する半導体チップと、
    前記半導体チップの厚肉部領域以上の面積を有する接合
    面を有し、かつその厚さを前記半導体チップの厚肉部厚
    さより等しいかそれ以下とする固定台と、前記半導体チ
    ップの各信号を外部に取出す手段を有し、かつ前記半導
    体チップの差圧検出手段の感圧ダイアフラム径内に、そ
    の外形が位置する薄肉の形状の接合部を有し、前記薄肉
    の形状の接合部と前記固定台とを接合して成るハウジン
    グとで構成してあることを特徴とする複合機能形差圧セ
    ンサ。
14. 【請求項１４】請求項１３において、前記固定台をセラ
    ミックスとし、前記半導体チップとの接合面に低融点ガ
    ラス等の酸化物ソルダーの接合層あるいはＡｕの薄膜又
    はＡｕ−Ｓｉ合金の薄膜の金属ソルダーあるいは他の金
    属ソルダーの接合層を有し、前記ハウジングの薄肉の形
    状の接合部との接合部に前記ソルダー層，又は無機質あ
    るいは有機質バインダーを介して固着されていることを
    特徴とする半導体複合機能形差圧センサ。
15. 【請求項１５】請求項１３において、前記固定台を硼珪
    酸ガラスとし、前記半導体チップとの接合を陽極接合法
    にて接合し、前記ハウジングの薄肉の形状の接合部との
    接合部に低融点ガラス等の酸化物ソルダーの接合層又は
    金属ソルダー層又は無機質あるいは有機質のバインダー
    層を介して固着されていることを特徴とする複合機能形
    差圧センサ。