JPH0554710B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は圧力検出装置、特に多点における圧力
分布の測定可能な圧力分布検出装置に関する。

［従来の技術］ 従来より、複数の半導体圧力センサをマトリク
ス状に整列配置した圧力分布検出装置が周知であ
り、多点における圧力の動的変化をリアルタイム
で検出可能であることから、各種の圧力分布を動
的に把握するために幅広く用いられている。

このような圧力分布検出装置として、従来より
いくつかの提案がなされており、その１つに特公
昭60−22797に示すものが知られている。

この圧力分布検出装置は、半導体圧力センサを
ｎ行×ｍ列に複数個整列配置し、これら各センサ
を時分割的に連続走査することにより、圧力分布
の動的変化をリアルタイムで測定していた。

しかし、この装置は、それぞれ個別に形成され
た周知の半導体圧力センサを用いていることか
ら、１個当りのセンサが大きくなることが避けら
れず、この結果、圧力分布の２次元分解能が約
100mmｓと大きくなつてしまうという問題があつ
た。

更に、装置全体の価格も、センサ１個当りの単
価に使用個数を掛け合せた値以上のとなることが
避けられず、特にセンサ１個当りの単価が比較的
高いことから装置全体が高価なものとなり、広く
利用されるにいたつていないという問題があつ
た。

また、このような問題を解決するために、１枚
の基板上に複数のセンサを一体形成してなる圧力
分布検出装置も知られている（IEEETrans.
Electron.Devices、Vol.ED−32、P.1196、
1985）。

第８図には、この圧力分布検出装置が示されお
り、この検出装置は、シリコン基板１０、ガラス
台座１２及び枠体１４を含み、シリコン基板１０
上には所定の方法を用いて複数の静電容量型半導
体圧力センサ１８がｎ行×ｍ列のマトリツクス状
に形成されている。

ここにおいて、各半導体圧力センサ１８は、基
板１０の表面側及び裏面側をエツチング除去して
形成されたダイアフラム２０と、基板１０をその
裏面側肉厚部にてガラス台座１２と密着固定する
ことによつて形成された圧力基準室２２と、を含
み、この圧力基準室２２内に第１電極２４及び第
２電極２６を対向配置している。

また、シリコン基板１０の表面側肉厚部には枠
体１４が密着固定され、この枠体１４にはマトリ
ツクス配置された各センサ１８のダイアフラム２
０に圧力を印加する複数の圧力導入孔２８が複数
個形成されており、この枠体１４の表面側は外被
３０により被覆されている。

以上の構成とすることにより、枠体１４の表面
側から圧力が印加されると、この圧力は圧力導入
口２８を介して各センサ１８のダイアフラム２０
に印加され、第１電極２４及び第２の電極２６間
の静電容量の変化として検出される。

このようにして、この圧力分布検出装置によれ
ば、同一のシリコン基板１０上に複数の半導体圧
力センサ１８を一体形成しているため、各センサ
１８を密にマトリクス配列することができ、印加
される圧力分布の２次元検出分解能が２mmと極め
て良好なものとなり、前述した装置より格段に向
上することとなる。

［発明が解決しようとする問題点］ しかし、この従来の圧力分布検出装置は、以下
に詳述するいくつかの解決すべき問題点を有して
おり、その有効な対策が望まれていた (イ) まず、このような従来の圧力分布検出装置
は、各センサ１８を形成するにあたりシリコン
基板１０の表面側及び裏面側の両面をエツチン
グ加工する必要があるため、その製造工程が極
めて複雑なものとなるという問題があつた。

すなわち、このような従来装置では、基板１
０の表面側及び裏面側をエツチング加工してダ
イアフラム２０を形成し、更にダイアフラム２
０裏面側に第１電極２４を設ける必要がある。

このような基板１０の両面処理は、各工程毎
に、両面位置合せをしながら行う必要があり、
このためその製造工程が極めて複雑なものとな
るという問題があつた。

(ロ) また、このような従来の装置では、各センサ
１８のダイアフラム３０の膜厚を薄く形成する
ことが困難であるという問題があつた。

すなわち、従来の装置では、所望の厚さのダ
イアフラム２０を形成するため、周知のように
シリコン基板１０の深さ方向のエツチング速度
に基づいて計算した時間でエツチングを停止す
る方法を用いている。

しかし、エツチング速度は基板１０の表面状
態によつて変化し、更に基板１０の厚さ自体に
も一定の範囲でバラツキがあるため、このよう
なエツチング処理によつて形成されるダイアフ
ラム２０はその膜厚に一定の範囲でバラつきが
発生することは避けられない。

特に、前述したように、基板１０をその両面
側からエツチング処理することによつてダイア
フラム２０を形成する場合には、ダイアフラム
２０の膜厚を精度良く制御することが極めてむ
ずかしく、この結果、高感度で特性にバラつき
のないセンサを得ることができないという問題
があつた。

(ハ) また、この従来の装置では、マトリクス状に
形成された各ダイアフラム２０の裏面に第１電
極２４が取付けれたシリコン基板１０と、第２
電極２６がマトリクス状に設けられたガラス台
座１２とを密着接合し、第１電極２４及び第２
電極２６より形成されるコンデンサを用い圧力
検出を行つている。

しかし、これらシリコン基板１０とガラス台
座１２との接合時に少しでも位置合せ誤差が存
在すると、各センサ１８に設けられた電極２０
及び２６の静電容量が異なつたものとなり、圧
力分布の測定を正確に行うことができなくなる
という問題があつた。

(ニ) また、この従来の装置では、静電容量型の半
導体圧力センサ１８を用いているため、浮遊容
量が測定誤差を引き起すという問題があつた。

このような浮遊容量による誤差を低減させる
ためには、各センサ１８の第１電極２４及び第
２電極２６の面積を大きく形成することが必要
となり、このようにするとセンサ１個当りの面
積が大きくなり圧力分布の検出分解能が低下す
ることが避けられない。

また、静電容量による誤差を低減させるため
に、静電シールドを設けることも考えるが、こ
のような場合には装置全体の構造が極めて複雑
なものとなるという問題があつた。

(ホ) 更に、この従来の装置では、センサ１８とし
て静電容量型のものを用いてるため、その出力
信号が静電容量の変化に応じて僅かに変化する
に過ぎず、これを確実に検出するための対策が
必要となり、装置全体が複雑かつ高価なものと
なるという問題があつた。

以上説明したように、この従来の静電容量型圧
力分布検出装置は、前記(イ)〜(ホ)の各問題点を有す
るため、測定精度の向上及び小形化を充分に図る
ことができず、しかもその製造方法が複雑である
ことから量産性を図り低価格化を実現することが
できないという問題があつた。

特に、今日においては、例えば精密作業ロボツ
ト等の触圧センサや触覚センサとして、あるいは
その他の用途に高精度な２次元分解能をもつた圧
力分布検出装置が必要とされており、その有効な
対策が望まれていた。

［発明の目的］ 本発明は、このような従来の課題に鑑み為され
たものであり、その目的は、小形化、量産化が容
易で、かつ高分解能の圧力分布検出装置を提供す
ることにある。

［問題点を解決するための手段］ 前記目的を達成するため、本発明の圧力分布検
出装置は、 半導体基板と、 この半導体基板と同一の基板上にマトリクス状
に整列配置されてなる複数の半導体圧力センサ
と、 各圧力センサを順次走査しその出力信号を検出
するセンサ走査手段と、 を含み、 各半導体圧力センサは、 前記半導体基板の主表面上に被覆され、耐エツ
チング材料からなる絶縁性のダイアフラム膜と、 このダイアフラム膜の受圧領域所定位置に設け
られた少なくとも１個の歪みゲージと、 この歪みゲージ及びダイアフラム膜上に被覆さ
れ耐エツチング材料からなる絶縁性保護膜と、 この絶縁性保護膜及びダイアフラム膜を貫通す
るよう形成された少なくとも１個のエツチング液
注入口と、 エツチング液注入口を介して半導体基板の一部
をエツチング除去することにより形成された圧力
基準室と、 を含み、 マトリクス配置された各半導体圧力センサに印
加される圧力分布を測定することを特徴とする。

以下に、本発明の圧力分布検出装置を更に具体
的に説明する。

本発明の特徴的事項は半導体基板の表面側を片
面処理することにより、マトリクス状に整列装置
されてなる複数の半導体センサを該基板と一体的
に形成したことにある。

第１図及び第２図には、本発明の圧力分布検出
装置の具体的な構成が示されており、第１図はそ
の基板の１図を拡大した平面説明図、第２図には
その断面説明図が示されている。

本発明において、半導体基板４０上に整列配置
された各半導体圧力センサ１００は、半導体基板
４０の主表面上に耐エツチング性を有する材料か
らなる絶縁性のダイアフラム膜４４が被覆形成さ
れ、このダイアフラム膜４４の受圧領域所定位置
に少なくとも１個の歪みゲージ４６が設けられて
いる。

そして、歪みゲージ４６をセンサ製造工程中に
使用されるエツチング液から保護するために、歪
みゲージ４６及びダイアフラム膜４４は、耐エツ
チング材料からなる絶縁性保護膜４８により被覆
されている。

そして、各センサ１００の受圧領域所定位置に
は、絶縁性保護膜４８及びダイアフラム膜４４を
貫通する少なくとも１個のエツチング液注入口５
０が設けられており、このエツチング液注入口５
０を介して基板４０側に所定のエツチング液が注
入される。

これにより、耐エツチング材料からなるダイヤ
フラム膜４４及び半導体基板４０の界面の横方向
エツチング特性を利用したエツチングが行われ、
基板４０の一部がエツチング除去され圧力基準室
５２が形成される。

この時、この圧力基準室５２に面してその上方
に位置するダイアフラム膜４４及び絶縁性保護膜
４８の積層膜は、各センサ１００の可動ダイアフ
ラム１１０として機能することになる。

そして、前記エツチング液注入口５０は、圧力
基準室５２が形成された後、その内部を真空状態
に保つたまま封止部材５６により密封される。

本発明の圧力分布検出装置では、このようにし
て半導体基板４０上に複数の圧力センサ１００が
マトリクス状に形成されており、従つて、基板４
０の主表面側から圧力が印加されると、対応され
る箇所に設けられたセンサ１００の可動ダイアフ
ラム１１０が圧力に比例してたわみ、このたわみ
によつて受圧領域に設れれた歪みゲージ４６の抵
抗が変化する。

従つて、各センサ１００に設けられた歪みゲー
ジ４６の抵抗変化を電気的検出することにより、
圧力分布の動的変化をリアルタイムで測定するこ
とが可能となる。

なお、本発明においては前記ダイアフラム膜４
４及び絶縁性保護膜４８以外に、必要に応じてこ
れ以外の薄膜をも積層被覆することが可能であ
り、この場合には、これら各薄膜の積層膜が、圧
力基準室５２に対する可動ダイアフラム１１０と
して機能することとなる。

このように、本発明によれば、可動ダイアフラ
ム１１０の膜厚は、ダイアフラム膜４４、絶縁性
保護膜４８などの膜厚を合計した値となるため、
周知の薄膜形成技術を用いることにより、可動ダ
イアフラム１１０を予め設定した所望の膜厚に、
薄くかつ精度良く形成することが可能である。

更に、本発明によれば、可動ダイアフラム１１
０の大きさを半導体基板４０の厚さのバラつきに
影響されることなく、それと無関係に精度良く形
成することができる。

従つて、本発明によれば、可動ダイアフラム１
１０の膜厚及び大きさを、予め設定した寸法に従
い、充分に小さくしかも精度良く形成せすること
が可能となり、基板４０上に形成される各センサ
１００を極めて小さくかつ高感度のものとするこ
とが可能となる。

特に、本発明によれば、各センサ１００を充分
小さくかつ高感度のものとすることができるた
め、基板４０上に各センサ１００を高密度にマト
リクス配置することができ、圧力分布の動的変化
を高い２次元分解能をもつて精度良く測定するこ
とが可能となる。

ところで、このような装置を用い、圧力分布の
検出を行う場合には、マトリクス状に整列配置さ
れた各センサ１００からどのように信号を取出す
かが問題となる。

このような手段の１つとして、例えば全ての圧
力センサ１００に同時に電源を接続して、各セン
サ１０の検出信号を同時に測定することも考えら
れるが、このようにすると少なくともセンサ１個
分の消費電力の複数倍の電力が必要となるばかり
でなく、センサ１００が多数設けられている場合
には、その消費電力によつて装置が発熱してしま
い安定な動作を行うことができなくなるという問
題がある。

例えば、１個当りの消費電力が10ｍＷの圧力セ
ンサ１００を256個整列配置した場合を想定する
と、装置全体の消費電力は少なくとも2.56W以上
となり、この結果、単一のシリコン基板４０では
その発熱により数10℃の温度上昇が引き起こさ
れ、安定な動作を行うことは到底できなくなる。

このため、本発明の装置においては、マトリク
ス状に整列配置された各半導体圧力センサ１００
に順次選択的に電源を接続し、その出力信号を検
出するセンサ走査手段２００が設けられており、
この走査手段２００は、各センサ１００を順次走
査して電源を接続し、この走査に同期して各圧力
センサ１００出力信号を検出している。

なお、前記センサ走査手段２００として、消費
電力の大きい回路素子を用いると、圧力センサ１
００の温度上昇まねく原因となり好ましくない。

このため、前記走査手段２００は、消費電力が
小さいMOS型電界効果トランジスタを用いてそ
の回路を形成することが好ましい。

［作用］ 本発明は以上の構成からなり、次にその作用を
説明する。

動 作 本発明の圧力分布検出装置は、複数圧力センサ
１００がマトリクス状に整列配置された主表面
に、２次元的な圧力分布をもつた所定の測定圧力
を印加する。

この時、センサ１００に設けられたダイアフラ
ム１１０には、たわみが発生し、このダイアフラ
ム１１０のたわみ量は、圧力分布に対応して各セ
ンサ１００に印加される圧力の大きさに比例し、
ダイアフラム１１０に設けられた歪みゲージ４６
の抵抗変化として表れる。

本発明の装置は、マトリクス状に整列配置され
た各センサ１００を順次走査して、各センサ１０
０の抵抗変化を検出しているため、印加される圧
力の２次元的な分布の動的変化をリアルタイムで
測定することが可能となる。

例えば、前記センサ走査手段をMOS型電界効
果トランジスタを含むスイツチング回路を用いて
形成した場合には、該スイツチング回路によりマ
トリクス状に整列配置された複数のセンサ１００
から、特定のセンサを行及び列を特定することに
より順次１個づつ選択していく。

そして、選択した圧力センサ１００にスイツチ
ング回路を介して電源を接続し、このセンサ１０
０の歪みゲージ４６に電流を流し、該ゲージ４６
の抵抗変化を電気信号として順次検出する。

このようにして、スイツチング回路を用い、マ
トリクスの行と列とを順次切替え走査していくこ
とにより、マトリクス状に整列配置された各セン
サ１００に印加される圧力分布の動的変化をリア
ルタイムで測定することが可能となる。

特 徴 本発明の圧力分布検出装置は以上の構成及び作
用を有し、以下にその特徴を更に具体的に説明す
る。

(a) 本発明によれば、半導体圧力センサ１００の
製造処理工程の全てを、半導体基板４０の主表
面側のみで行うといういわゆる片面処理によつ
て行うことができる。

すなわち、本発明によれば、基板４０の主表
面側において可動ダイアフラム１１０を周知の
薄膜形成技術をもつて形成し、また圧力基準室
５２は基板４０の主表面側に形成されたエツチ
ング液注入口５０を介してエツチングを行うこ
とにより形成され、更に、圧力基準室５２の機
密封止を真空蒸着等の集積回路技術を用いて行
うことができる。

このように、全ての製造処理工程を基板４０
の主表面側においてのみ行い、いわゆる片面処
理で各センサ１００を形成することができ、そ
の結果、本発明によれば、従来の両面処理のセ
ンサに比しその製造工程が極めて簡単かつ安価
なものとなる。

(b) また、本発明によれば、周知の薄膜形成技術
を用いることにより、ダイアフラム１１０の膜
厚を予め設定した値に薄くかつ精度良く形成す
ることができる。

更に、本発明によれば、ダイアフラム１１０
の形状を、基板４０の厚さのバラツキに無関係
に予め設定平面寸法に基づき極めて小さくかつ
精度良く形成することができる。

このように、本発明によれば、従来のセンサ
に比しダイアフラムを予め設定した膜厚及び寸
法に小さくかつ精度良く形成することが可能と
なり、各センサ１００を小型でかつ高感度のも
のとすることが可能となり、この結果、このよ
うにして形成されたセンサ１００を、同一の基
板４０上に高密度にマトリクス配置することに
より、小型でかつ分解能が極めて優れた圧力分
布検出装置を得ることが可能となる。

(c) また本発明によれば、前述したように、各セ
ンサ１００は、半導体基板４０を片面処理する
ことよつて形成することができるため、従来の
ように基板４０の両面位置合せや両面加工処理
が不要となり、その結果、基板４０上に形成す
る各センサ１００の特性のバラツキを大幅に低
減することが可能となる。

(d) また本発明によれば、マトリクス状に整列配
置された各半導体圧力センサ１００への電源供
給は、センサ走査手段２００により選択的に順
次行われるため、多数のセンサ１００が設けら
れているにも拘らず、消費電力をセンサ１個分
の値とすることが可能となる。

更に、このようなセンサ走査手段２００とし
て、MOS型電界効果トランジスタを用いて形
成されたスイツチング回路を使用することによ
り、消費電力を更に低減することが可能とな
る。

このように、本発明の圧力分布検出装置は、以
上詳述したような優れた特徴を有し、特に圧力分
布の動的変化を２次元的に極めて高い分解能で測
定することが可能となる。

実験によれば、本発明の装置は、その２次分解
能が200μｍ以下となり、従来の装置に比し10倍
以上の分解能を示すよう形成可能であることが確
認されている。

また、このように半導体圧力センサは、極めて
高い２次元分解能を発揮することができることか
ら、各種用途に幅広く用いられることが可能であ
り、例えば、高精密の作業ロボツト等の触覚セン
サ触圧センサやとして優れた性能を発揮すること
が可能である。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明によれば、小型
化が容易で、圧力分布の検出分解能が極めて高
く、しかも安定に量産可能な圧力分布検出装置を
得ることが可能となる。

［実施例］ 次に、本発明の好適な実施例を図面に基づき説
明する。

第１実施例 第３図には、本発明の圧力分布検出装置の好適
な第１実施例が示されており、実施例の装置は、
半導体基板４０の主表面上に複数の半導体圧力セ
ンサ１００がｎ行×ｍ列のマトリクス状に整列配
置され、センサマトリクス１２０を形成してい
る。そして、これら各センサ１００は後述するセ
ンサ走査手段２００により順次走査され、その出
力信号が検出されている。

従つて、基板４０に主表面側から印加された圧
力は、センサマトリクス１２０によりその圧力分
布が２次元的に測定され、前述したセンサ走査手
段２００によりセンサマトリクス１２０を繰返し
て連続的に走査した場合には、その圧力分布の動
的変化をリアルタイムで測定することが可能とな
る。

(イ) 半導体圧力センサ 第１図及び第２図には、前記シリコン基板４
０の一部を拡大した平面図及び断面図の概略が
示されており、実施例において、半導体基板４
０はＰ型シリコン基板を用いて形成されてお
り、この基板４０上に複数の半導体圧力センサ
１００がマトリクス状に整列配列されている。

実施例において、各センサ１００は、シリコ
ン基板４０の受圧領域に被覆された消失膜４２
と、この消失膜４２及び基板４０の主表面上に
被覆されたダイアフラム膜４４をと含む。

ここにおいて、前記消失膜４２は、各半導体
圧力センサ１００の可動ダイアフラム１１０の
形状及び大きさを特定するために用いられるも
のであり、例えば多結晶シリコン等の等方性エ
ツチング材料を用いて形成されている。

本実施例においては、この消失膜４２を基板
４０の受圧領域に沿つて正確に被覆するため
に、まず、基板４０の表面に窒化シリコン
（Si₃N₄）からなる絶縁膜５８を被覆し、次に
フオトエツチングを用いてこの絶縁膜５８の受
圧領域に相当する部分に開口５８ａを形成し、
この開口５８ａを覆うように絶縁膜５８上に消
失膜４２を被覆形成する。

この時、この消失膜４２の形状は、第１図に
示すようにほぼ正方形に形成されており、しか
も正方形の周囲にはその外側に向け延長された
複数の領域４２ａが形成されている。

また、前記ダイアフラム膜４４は、窒化シリ
コンを用いて形成されており、このダイアフラ
ム膜４４の受圧領域所定位置には、長さ40μ
ｍ、幅10μｍ、厚さ0.15μｍのＰ型多結晶シリコ
ンからなる歪みゲージ４６が設けられている。

そして、この歪ゲージ４６を、後述するエツ
チング液から保護するために、歪みゲージ４６
の表面及びダイアフラム膜４４の表面は絶縁性
保護膜４８により被覆され、実施例においてこ
の絶縁性保護膜４８は厚さ0.15μｍの窒化シリ
コンを用いて形成されている。

そして、各センサ１００は、前述した各突出
領域４２ａに、絶縁性保護膜４８、ダイアフラ
ム膜を貫通してなる複数のエツチング液注入口
５０が開口形成されており、このエツチング液
注入口５０を介して基板４０へ向け水酸化カリ
ウム（KOH）水溶液等の異方法エツチング液
が注入される。

このようにすることにより、消失膜４２の全
てと基板４０の一部とがエツチング除去され、
圧力基準室５２及び可動ダイアフラム１１０が
形成される。

すなわち、エツチング液注入口５０からエツ
チング液を注入すると、消失膜４２は所定速度
で横方向にエツチング除去されていき、これと
同時に基板４０はこの横方向のエツチングに連
動して縦方向に所定深さだけエツチング除去さ
れ、圧力基準室５２が形成されることとなる。

このとき、圧力基準室５２の上面側に位置す
るダイアフラム膜４４及び絶縁性保護膜４８
は、耐エツチング材料を用いて形成されている
ため、ほとんどエツチング除去されることはな
く、従つてダイアフラム膜４４、絶縁性保護膜
４８及び後述する第２の絶縁性保護膜５４から
なる積層膜は、その受圧領域、すなわち消失膜
４２の設けられた領域が圧力基準室５２に対す
る可動ダイアフラム１１０として機能すること
になる。

なお、この場合、圧力基準室５２の空洞の形
状は本質的には重要ではなく、可動ダイアフラ
ム１１０に発生するたわみ量を阻止することの
ない充分な間〓が設けられれば良い。例えば消
失膜４２の厚さを可動ダイアフラム１１０のた
わみ量より厚く形成すれば、基板４０は全くエ
ツチングしなくても本発明の効果に変わること
はない。

ここにおいて、前記消失膜４２をその一辺が
約100μｍの正方形状に形成すると、前記可動
ダイアフラム１１０及び圧力基準室５２もその
一辺がほぼ100μｍの正方形状に形成されるこ
ととなる。

そして、実施例のセンサ１００は、歪みゲー
ジ４６に接続される電極リード２２２，２２８
及びその他の電極リードを形成したのち、圧力
基準室５２内を真空状態に保つたまま絶縁性保
護膜４８の表面の全域に窒化シリコンからなる
第２の絶縁性保護膜５４を被覆する。このよう
にすることにより、この第２の絶縁性保護膜５
４は、各エツチング液注入口５０の封止部材５
６として機能し、更にセンサ表面のパツシベー
シヨンを兼ねることになる。

このようにして、本実施例の圧力分布検出装
置では、半導体基板４０の主表面上に複数の絶
対圧検出用のセンサ１００がｎ行×ｍ列のマト
リクス状に形成されることになる。

(ロ) センサ走査手段 また、本実施例の圧力分布検出装置におい
て、主表面上にマトリクス状に整列配置された
各圧力センサ１００は、センサ走査手段２００
により順次電源が供給され、その出力信号が出
力するよう形成されている。

実施例において、このセンサ走査手段２００
は基板４０の主表面上に前記各センサ１００と
１対１に対応するｎチヤンネルのMOS型電界
効果トランジスタ（以下FETと記す）２１０
を隣接配置し、該FET２１０を順次切り換え
ることにより各センサ１００をマトリクス状に
走査するように形成されている。

実施例において、このFET２１０は、イオ
ン注入法によつて形成されたＮ型のソース２１
２及びドレイン２１４と、ゲート酸化膜２１６
と、多結晶シリコンゲート２１８と、分離用酸
化膜２２０とを含む。

そして、各FET２１０のソース２１２、対
応するセンサ１００に設けられた歪みゲージ４
６の一端と、リード２２２を介して接続されて
おり、またドレイン２１４は電源のプラス側に
接続されている。

そして、このFET２１０は、リード２２６
を介してゲート２１８に印加される制御信号に
より、対応する歪みゲージと電源との接続を制
御している。

また、歪みゲージ４６の一端側に接続された
リード２２８は、第４図に示すFET２３０を
介して図示しない信号検出回路に接続されてい
る。

このようにして、実施例の装置は、各センサ
１００のFET２１０とが対になつて１つのユ
ニツトを形成し、これらユニツトが第３図に示
すように、ｎ行×ｍ列のセンサマトリクス１２
０を形成している。

なお、実施例において、前記各リード２２
２，２２４，２２６，２２８は、絶縁性保護膜
４８上に被覆形成されており、これら各リード
と歪みゲージ４６との接続は、絶縁性保護膜４
８上にゲージ両端位置に対応して設けられた接
続孔６０を介して行われている。

第４図には、本実施例のセンサ走査手段２０
０の回路図が示されており、実施例において
は、説明を容易にするため、基板４０上にセン
サ１００が４行×４列でマトリクス配置されて
いる場合を例にとり説明する。

実施例において、A0〜A3はセンサマトリク
ス１２０の行を選択する端子を表し、B0〜B3
はその列を選択する端子を表している。

また、VDDは各センサ１００の電源供給端
子を表し、V0は信号出力端子、Gndはアース
端子をそれぞれ表している。

また、実施例の回路においては、センサマト
リクス１２０の各列に対応してFET２３０−
０，２３０−１…２３０−３が基板４０上に形
成されており、各FET２３０の一端は共通線
を介して出力端子V0に接続され、その他端は
対応する各列のセンサ１００にそれぞれ接続さ
れ、そのゲートは対応する列選択用の端子B0
〜B3にそれぞれ接続されている。

また、実施例の回路においては、行選択用の
端子A0〜A3及び列選択の端子B0〜B3により
特定されたセンサ１００の出力を電圧信号とし
て出力するために、出力端子V0とアースとの
間には比較用抵抗２４０が接続されている。

実施例のセンサ走査手段２００は以上の構成
からなり、次にその具体的な動作を説明する。

まず、行選択用の端子A0〜A3のうち１つの
端子例えばA0に正電圧を加え、他の端子を０
電圧にすると、A0行のFET２１０−００〜２
１０−０３のみオン状態となり、電源端子
VDDからはA0列の１００−００〜１００−０
３の歪みゲージ４６に電源電圧が印加される。

このとき、列選択用の端子B0〜B3のうちい
ずれか１つの端子、例えばB2に正電圧を加え、
他の端子を０電圧にすると、FET２３０〜２
がオン状態となり、B2列のセンサ１００−０
２，１００−１２，１００−２２，１００−３
２と出力端子V0とが接続される。

この結果、A0行、B2列によつて特定される
センサ１００−０２が選択され、該センサ１０
０の歪みゲージ４６−０２に電流が流れ、その
電流が抵抗２４０に流れ込む。

このようにして、センサ１００−０２のダイ
アフラム１１０に印加された圧力の大きさは、
このダイアフラム１１０上に形成された歪みゲ
ージ４６と抵抗変化として、比較用抵抗２４０
に流れ込む電流に変換され、更に比較的抵抗２
４０の電圧降下の変化に変換され、出力端子
V0を介して出力するされることになる。

このため、本実施例のセンサ走査手段２００
によれば、行選択端子A0〜A3を用いて行を選
択し、また列選択用端子B0〜B3を用いて列を
選択することにより、この行と列との交点の圧
力センサ１００を特定し、その検出信号を出力
端子V0を介して得ることが可能となる。

従つて、このセンサマトリクス１２０を順次
繰返し走査すれば、このマトリクス面に印加さ
れる圧力分布の動的変化をリアルタイムで測定
することが可能となる。

なお、本実施例において、比較用抵抗２４０
は歪みゲージ４６と同一の処理工程で形成され
た多結晶シリコンを用いて基板４０の主表面上
に形成されているため、その抵抗温度係数は歪
みゲージ４６と等しく温度補償されている。

(ハ) 圧力印加手段 次に、本実施例の圧力分布検出装置に用いら
れる圧力印加手段３００を説明する。

第５図には、基板４０に圧力印加手段３００
を取付けた圧力分布検出装置が示されており、
実施例において基板４０は第３図に示すごとく
形成され、その主表面上には10行×10列のマト
リクス状に複数の圧力センサ１００が整列配置
されている。

そして、この基板４０は、その裏面側がセラ
ミツクのベース３０１に接着固定されており、
基板４０の主表面側に設けられた各電極１３０
はベース３０１上に形成された厚膜電極にリー
ド３０２を介してボンデイングされており、こ
れにより外部リード３０４と接続されている。

また、基板４０の主表面側周縁に配置された
電極１３０とリード３０２とを保護するため
に、基板４０の主表面側周縁とベース３０１の
表面との間にキヤツプ３０６が接着固定されて
いる。

更に、シリコン基板４０上に形成されている
センサマトリクス１２０の上部には、平板状に
形成されたゴム弾性体３０８が当節接置され、
この弾性体３０８上における接触圧力がそのま
まセンサマトリクス１２０側へ伝えられる。

このようにして、本実施例の装置によれ、弾
性体３０８上に圧力を印加することにより、こ
の印加圧力の分布はセンサマトリクス１２０に
そのまま伝えられ、その圧力分布を正確に検出
することが可能となる。

第６図には、圧力印加手段３００を更に改良
した他の実施例が示されており、実施例の装置
は、圧力分布の２次元分解能を更に良好に検出
可能とするために、キヤツプ３０６及び弾性体
３０８の形状に改良を加えたものである。

実施例において、キヤツプ３０６は、基板４
０の表面全域に当接するよう形成されており、
このキヤツプ３０６のセンサマトリクス１２０
の各ダイアフラム１１０と対応する位置にはマ
トリクス状に複数の貫通孔３１０が開口形成さ
れている。

そして、これら各貫通孔３１０には、弾性体
３０８がそれぞれ注入形成されており、キヤツ
プ３０６の表面側から印加される圧力を各弾性
体３０８を介して個別に各センサ１００へ伝達
するよう形成されている。このように、実施例
の圧力印加手段３００は、印加圧力を各センサ
１００に個別伝達するよう形成されているた
め、前述した第５図に示す装置に比し、圧力分
布を更に正確に測定することが可能となる。

なお、本実施例の装置は、その外形寸法が10
mm×10mm×2.mmと小型に形成することが可能と
なり、更に、実験によれば、0.4mmというすぐ
れた２次元分解能を発揮することが確認されて
いた。

第２実施例 第７図には、本発明好適な第２実施例が示され
ており、実施例において、基板４０の主表面上に
は、前記第１実施例と同様にして16行×16列のマ
トリクス状に合計256個のセンサ１００が整列配
置されている。

そして、実施例の装置は、このセンサマトリク
ス１２０の各行に電源を選択的に接続する２進−
16進デコーダ４００と、センサマトリクス１２０
の各列を選択する信号選択機として機能するマル
チプレクサ４１０と、前記デコーダ４００及びマ
ルチプレクサ４１０により選択されたセンサ１０
０の出力信号を電圧増幅する増幅器４２０と、増
幅器で増幅されたセンサ１００のアナログ信号を
デジタル信号に変換する８ビツトのＡ／Ｄコンバ
ータ４３０、前記各回路に同期信号を供給するク
ロツク回路４４０とを含む。

そして、実施例の装置は、デコーダ４００に入
力される４ビツトの選択信号A0、A1、A2、A3
でセンサマトリクス１２０の行を選択し、また、
マルチプレクサ４１０に入力される４ビツトの選
択信号B0、B1、B2、B3でセンサマトリクス１
２０の列を選択し、選択されたセンサ１００の信
号を増幅器４２０により増幅して、ボルトオーダ
のアナログ出力Ｃと、Ａ／Ｄコンバータ４３０か
ら出力される８ビツトのデジタル信号D0、D1、
D2、…D7として取出すことができる。

本実施例において、前記シリコン基板４０は、
10mm×10mmの寸法のものを用いており、前記各回
路４００〜４４０は、このシリコン基板４０上に
MOSFETを用いて形成されている。

また、本実施例の装置は、センサマトリクス１
２０を１mmsec以下の周期でくりかえし走査する
ことが可能であり、このようにすることにより、
動的な圧力分布の変化を正確にリアルタイム測定
することが可能となる。

また、実験によれば、実施例の装置は、0.2mm
という優れた２次元分解能を発揮することが確認
されている。

なお、前記各実施例においては、各センサ１０
０は、基板４０上に消失膜４２を被覆して形成す
る場合を例にとり説明したが、本発明はこれに限
らず、このような消失膜４２を設けることなく各
センサ１００を良好に形成することも可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明にかかる圧力分布検
出装置の好適な第１実施例の要部説明図、第３図
は第１実施例に用いられる基板の外観説明図、第
４図この第１実施例に用いられるセンサ走査手段
の原理を示す回路図、第５図及び第６図はこの第
１実施例に用いられる圧力印加手段の説明図、第
７図は本発明の好適な第２実施例を示す説明図、
第８図は従来の圧力分布検出装置の要部説明図で
ある。 ４０……半導体基板、４２……消失膜、４４…
…ダイアフラム膜、４６……歪みゲージ、４８…
…絶縁性保護膜、５０……エツチング液注入口、
５２……圧力基準室、５６……封止部材、１００
……半導体圧力センサ、１１０……可動ダイアフ
ラム、２００……センサ走査手段、２１０……
MOS電解効果トランジスタ、３００……圧力印
加手段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体基板と、 この半導体基板と同一の基板上にマトリクス状
   に整列配置されてなる複数の半導体圧力センサ
   と、 各圧力センサを順次走査しその出力信号を検出
   するセンサ走査手段と、 を含み、 各半導体圧力センサは、 前記半導体基板の主表面上に被覆され、耐エツ
   チング材料からなる絶縁性のダイアフラム膜と、 このダイアフラム膜の受圧領域所定位置に設け
   られた少なくとも１個の歪みゲージと、 この歪みゲージ及びダイアフラム膜上に被覆さ
   れ耐エツチング材料からなる絶縁性保護膜と、 この絶縁性保護膜及びダイアフラム膜を貫通す
   るよう形成された少なくとも１個のエツチング液
   注入口と、 エツチング液注入口を介して半導体基板の一部
   をエツチング除去することにより形成された圧力
   基準室と、 を含み、 マトリクス配置された各半導体圧力センサに印
   加される圧力分布を測定することを特徴とする圧
   力分布検出装置。 ２ 特許請求の範囲１記載の装置において、 センサ走査手段は、MOS型電界効果トランジ
   スタを用いて形成されてなることを特徴とする圧
   力分布検出装置。 ３ 特許請求の範囲１記載の装置において、 センサ走査手段は、クロツク回路、デコーダ、
   マルチプレクサ、増幅器、Ａ／Ｄコンバータを含
   み、前記各半導体圧力センサと同一の半導体基板
   上に形成されてなることを特徴とする圧力分布検
   出装置。