JPH06216398A

JPH06216398A - 半導体圧力検出素子及びこれを用いた半導体圧力検出装置

Info

Publication number: JPH06216398A
Application number: JP513693A
Authority: JP
Inventors: Takanobu Takeuchi; 孝信竹内
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1993-01-14
Filing date: 1993-01-14
Publication date: 1994-08-05

Abstract

(57)【要約】【目的】高感度で安価、かつ性能の良い半導体圧力検
出素子及び半導体圧力検出装置を得ることを目的とす
る。【構成】歪みゲージであるゲージ抵抗３ａ〜３ｄ及び
３ａ′〜３ｄ′は、薄肉部２の外周に（１００）面のシ
リコンチップ１Ａの中心から（１００）方向あるいは
（１１′０）方向に互いに近接して垂直な例えばＴ字型
に形成し、ダブルブリッジ回路を構成している。これに
より、各ブリッジの出力を差動増幅することで、従来と
比べ２倍の感度が得られる。また、Ｔ字型に歪ゲージを
配置することにより歪ゲージを最適位置に配置できる。【効果】従来と同じプロセスで高度の高いセンサが得
られる。また、薄肉部の厚みも薄くする必要がないの
で、品質の高い高性能の圧力センサが得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体圧力検出素子
及びこれを用いた半導体圧力検出装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】図４は、従来の半導体圧力検出装置を示
す概略側断面図である。図において、測定した圧力を電
圧に変換するための半導体圧力検出素子であるシリコン
チップ１は、台座例えばシリコン台座５上に搭載されて
いる。このシリコン台座５は、シリコンチップ１に加わ
る外部からの応力を緩和するために設けられている。予
めシリコンチップ１がダイボンドされたシリコン台座５
は、ステム６にダイボンドにより載置される。このステ
ム６には、外部からの圧力をシリコンチップ１に伝える
ための圧力導入管７が設けられている。シリコンチップ
１は、このシリコンチップ１にワイヤボンドされたワイ
ヤ８と、ステム６に絶縁材１２により保持されたリード
９によって外部と電気的に接続されている。シリコンチ
ップ１、ワイヤ８等は、大気解放口１０を備えた金属製
のキャップ１１によって覆われている。

【０００３】従来の半導体圧力センサは上述したように
構成され、圧力導入管７より印加された圧力がシリコン
チップ１に加わり、シリコンチップ１により圧力が電圧
に変換され、ワイヤ８及びリード９を介して外部に出力
される。

【０００４】図５は、図４に示した半導体圧力検出装置
のシリコンチップ１を示す平面図であり、図６はその側
面図である。これらの図において、シリコンチップ１
は、結晶系の（１００）面を使用している。シリコンチ
ップ１の裏面には薄肉部２が形成されており、この薄肉
部２に対応したシリコンチップ１の表面の四隅には、ゲ
ージ抵抗３ａ〜３ｄ例えば拡散抵抗が形成されている。

【０００５】次に、シリコンチップ１の動作について説
明する。図５及び図６において、薄肉部２は正方形であ
るが、円形の場合についてもほぼ同等な特性を示すた
め、簡略のため薄肉部を円形と仮定して説明する。一般
に、外周が固定された半径ａ、薄肉部厚さｈの円板に圧
力Ｐが印加された場合の円板に加わる応力は次式で表さ
れる。

【０００６】

【数１】

【０００７】ここでｒは円板中心からの距離、νはポア
ソン比、σｒ，σｔはそれぞれ半径方向及びこれと直角
方向の応力を示す。また、（１００）面のシリコンウェ
ハを用いた場合、歪ゲージ抵抗を（１１０）面方向に電
流が流れるように配置した場合、（１１０）面方向に引
張応力が加わると抵抗値が増加し、逆に圧縮応力が加わ
ると抵抗値が減少する。さらに、（１１０）面方向と直
角方向に引張応力が加わると抵抗値が減少し、逆に圧縮
応力が加わると抵抗値が増加することが知られている。

【０００８】よって、上式σｒとσｔの差が大きいとき
歪ゲージの抵抗値変化が最大となり、感度が高くなる。
従って、０＜ｒ＜ａの範囲で（σｒ−σｔ）が最大とな
るのは、ｒが限りなくａに近い場合、つまり薄肉部の外
周部であることが判る。従って、図５に示すように、薄
肉部２の外周に歪ゲージ抵抗３ａ〜３ｄを（１１０）面
方向に配置し、その配線を図７に示す等価回路のように
行なっている。シリコンチップ１の裏面から圧力が加わ
ると、ゲージ抵抗３ａ、３ｃには圧縮応力が加わり抵抗
値はＲａ、Ｒｃで減少する。また、ゲージ抵抗３ｂ、３
ｄにも圧縮応力が加わり抵抗値はＲｂ、Ｒｄで増加す
る。従って、ブリッジ回路の電気的バランスが崩れ、出
力Ｖが得られる。なお、ゲージ抵抗３ａ〜３ｄは、抵抗
Ｒａ〜Ｒｄで示した。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述したような半導体
圧力検出装置では、さらに感度を上げるためには、ゲー
ジ抵抗に加わる応力を大きくするために、シリコンチッ
プを大型化するか、あるいは、薄肉部をさらに薄く形成
する必要がある。しかし、シリコンチップを大型化した
り薄肉部をさらに薄くすると、半導体圧力検出装置が高
価となり、シリコンチップが破損しやすいという問題点
があった。また、性能面においてもシリコンチップを薄
肉化により高感度化すると、一定歪み内はリニアーに変
化するが一定値を越えるとリニアーでなくなるバルーン
効果によって、圧力と応力とのリニアリティー性を失う
という問題点があった。

【００１０】この発明はこのような問題点を解決するた
めになされたもので、高感度化できるとともに、安価で
信頼性及び性能のよい半導体圧力検出素子及び半導体圧
力検出装置を得ることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明の請求項第１項
に係る半導体圧力検出素子は、薄肉部の外周に沿ってそ
の裏面にゲージ抵抗を形成し、かつこのゲージ抵抗に近
接して互いに垂直に他のゲージ抵抗を形成したものであ
る。この発明の請求項第２項に係る半導体圧力検出装置
は、上記半導体圧力検出素子を台座に搭載し、この台座
をステムに載置したものである。

【００１２】

【作用】この発明の請求項第１項においては、薄肉部の
外周に沿ってその裏面に例えばＴ字型にゲージ抵抗を配
置したので、２組のブリッジ回路を構成することがで
き、半導体圧力検出素子の感度を２倍にできる。この発
明の請求項第２項においては、請求項第１項の半導体圧
力検出素子を搭載することにより、高感度で安価な半導
体圧力検出装置が得られる。

【００１３】

【実施例】実施例１．図１は、この発明の一実施例によ
る半導体圧力検出装置のシリコンチップ１Ａを示す平面
図であり、図２はその側面図である。なお、各図中、同
一符号は同一又は相当部分を示している。これらの図に
おいて、歪みゲージであるゲージ抵抗３ａ〜３ｄ及び３
ａ′〜３ｄ′は、薄肉部２の外周に（１００）面のシリ
コンチップ１Ａの中心から（１００）方向あるいは（１
１′０）方向に互いに近接して垂直な例えばＴ字型に合
計８個形成されている。また、これらのゲージ抵抗３ａ
〜３ｄ′のブリッジ回路は、図３に示す等価回路のよう
に配線されている。ここで、配線１５は、互いに交差し
ないようなパターン形状に形成されている。なお、ゲー
ジ抵抗３ａ〜３ｄ′をそれぞれＲａ〜Ｒｄ′で示す。図
１に示したシリコンチップ１Ａは、図４に示すように、
シリコン台座５上に搭載され、半導体圧力検出装置が構
成される。

【００１４】上述したように構成された半導体圧力検出
装置における薄肉部２の応力値及び歪ゲージの抵抗値変
化については、従来の技術で説明した内容と同様のため
省略する。また、（１１′０）方向に形成された歪ゲー
ジの特性は、結晶軸の向きとしては同じであり、（１１
０）方向と等価と考えられることが知られている。そこ
で、歪ゲージを薄肉部２の外周部に（１１０）方向だけ
でなく、（１１′０）方向についても配置できることを
見い出したものである。この場合、ゲージ抵抗３ａ′〜
３ｄ′をゲージ抵抗３ａ〜３ｄにそれぞれ平行に（１１
０）方向だけに配置することも可能であるが、薄肉部２
の端部からやや中央寄りに設けなければならず、感度が
低下するため望ましくない。また、（１１０）方向だけ
に歪ゲージを配置すると配線が交差してしまい、ダブル
ブリッジ回路が実現できない。

【００１５】ところが、ゲージ抵抗を互いにＴ字型に近
接させることによって、感度の低下を起こさずに８個の
ゲージ抵抗を最適位置に配置することができる共に、従
来と同様の工程でダブルブリッジ回路を構成することが
可能である。さらに、シリコンチップ１Ａの裏面から圧
力が加わると、ゲージ抵抗３ａ〜３ｄ′に圧縮力応力が
加わるために、Ｒａ，Ｒｃ，Ｒａ′、Ｒｃ′の抵抗値は
増加し、Ｒｂ、Ｒｄ、Ｒｂ′、Ｒｄ′の抵抗値は減少す
る。従って、出力Ｖ₁及び出力Ｖ₂はそれぞれ同等の感度
が得られるので、それぞれの出力を差動増幅することに
より、従来の２倍の感度が得られる。このように、薄肉
部２の厚みを変えていないので、圧力リニアリティー精
度を下げることなく高感度化が可能である。

【００１６】

【発明の効果】以上説明したとおり、この発明の請求項
第１項は、一方の面の中央にほぼ正方形に形成された薄
肉部を有し、他方の面に複数個のゲージ抵抗及びこのゲ
ージ抵抗に電気的に接続された電極が形成された半導体
圧力検出素子であって、上記薄肉部の外周に沿ってゲー
ジ抵抗を形成し、かつこのゲージ抵抗に近接して互いに
垂直に他のゲージ抵抗を形成したので、高感度な半導体
圧力検出素子を安価に得られるという効果を奏する。ま
た、薄肉部の厚みを変えないで高感度化できるため、圧
力リニアリティー精度の高い半導体圧力検出素子が得ら
れるという効果も奏する。

【００１７】この発明の請求項第２項は、一方の面の中
央にほぼ正方形に形成された薄肉部を有し、他方の面に
複数個のゲージ抵抗及びこのゲージ抵抗に電気的に接続
された電極が形成された半導体圧力検出素子であって、
上記薄肉部の外周に沿ってゲージ抵抗を形成し、かつこ
のゲージ抵抗に近接して互いに垂直に他のゲージ抵抗を
形成した半導体圧力検出素子と、この半導体圧力検出素
子を搭載する台座と、この台座を載置するステムと、上
記電極を外部装置に電気的に接続する電気的接続手段と
を備えたので、高感度で安価な半導体圧力検出装置が得
られるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、この発明の一実施例による半導体圧力
検出素子を示す平面図である。

【図２】図２は、図１に示した半導体圧力検出素子の側
面図である。

【図３】図１に示した半導体圧力検出素子の等価回路図
である。

【図４】この発明の一実施例及び従来の半導体圧力検出
装置を示す側断面図である。

【図５】従来の半導体圧力検出素子を示す平面図であ
る。

【図６】図５に示した半導体圧力検出素子の側面図であ
る。

【図７】図５に示した半導体圧力検出素子の等価回路図
である。

【符号の説明】

１シリコンチップ２薄肉部３ａ〜３ｄ′ ゲージ抵抗４電極５シリコン台座６ステム７圧力導入管８ワイヤ９リード１０大気解放口１１キャップ１２絶縁材１５配線パッド

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一方の面の中央に形成された薄肉部を有
し、他方の面に複数個のゲージ抵抗及びこのゲージ抵抗
に電気的に接続された電極が形成された半導体圧力検出
素子であって、上記薄肉部の外周に沿ってゲージ抵抗を形成し、かつこ
のゲージ抵抗に近接して互いに垂直に他のゲージ抵抗を
形成したことを特徴とする半導体圧力検出素子。
【請求項２】一方の面の中央にほぼ正方形に形成され
た薄肉部を有し、他方の面に複数個のゲージ抵抗及びこ
のゲージ抵抗に電気的に接続された電極が形成された半
導体圧力検出素子であって、上記薄肉部の外周に沿ってゲージ抵抗を形成し、かつこ
のゲージ抵抗に近接して互いに垂直に他のゲージ抵抗を
形成した半導体圧力検出素子と、この半導体圧力検出素子を搭載する台座と、この台座を載置するステムと、上記電極を外部装置に電気的に接続する電気的接続手段
とを備えたことを特徴とする半導体圧力検出装置。