JPH0656742U - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 差圧と静圧および温度を検出する機能を有す
る圧力センサのＳ／Ｎ比を向上させる。 【構成】 シリコン基板１上に差圧検出用ブリッジ回路
１１，静圧検出用ブリッジ回路１２及び温度検出用ブリ
ッジ回路１３をそれぞれ一体に形成する。そして、これ
ら差圧，静圧及び温度検出用ブリッジ回路１１〜１３に
対し、測定時のサンプリングに同期して動作する回転ス
イッチ１４により電源端子１０ａ，１０ｂ間に印加され
る一定の電圧Ｖを順次切換えることにより、各々の電圧
Ｖ_P， Ｖ_S，Ｖ_Tを一定の周期Ｔで供給するものとなって
いる。これにより、各ブリッジ回路１１〜１３に別個に
測定のサンプリング時のみ給電できるので、そのサンプ
リング時にそれぞれのブリッジ回路１１〜１３に供給す
る電流が大きくなる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案はシリコン等の半導体のピエゾ抵抗効果を利用して圧力を電気信号に変 換する圧力センサに関し、特に差圧とともに静圧，温度を検出する機能を有する 圧力センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

一般に、この種の圧力センサは、圧力の導入によってゲージ抵抗の歪を発生さ せ、その抵抗素子のピエゾ抵抗効果による抵抗変化を電気信号に変換して圧力の 値を測定するものであり、工業計測をはじめとする種々の用途に広く用いられて いる。この圧力センサは、その基本構造を図４(a)及び(b)に示すように、固定部 となる厚肉部２と薄肉ダイアフラム部３とを備えたチップ状のｎ形シリコン基板 １を用い、その薄肉ダイアフラム部３内に、ｐ形拡散領域からなるピエゾ抵抗効 果を有するゲージ抵抗４（４₁〜４₄）を形成した構成を有している。

【０００３】 そして、このシリコン基板１は厚肉部２において圧力導入口３２を備えたガラ スチューブ等の支持部材３１に固定されていて、この導入口３２から圧力が加え られると、薄肉ダイアフラム部３は歪み、それによってゲージ抵抗４は抵抗値が 変化する。そのため、これらゲージ抵抗４をブリッジ回路に組み込み、これに電 圧を印加すれば、そのブリッジ回路から圧力、つまり薄肉ダイヤフラム部３の表 裏の圧力Ｐ_HとＰ_Lの差圧に応じた出力信号を取り出すことができる。

【０００４】 ここで、ゲージ抵抗４を形成したシリコン基板１の表面は、ＳｉＯ₂ などの絶 縁膜５によって覆われ、これを開口したコンタクト孔を通してゲージ抵抗４と電 気的に接続するアルミニウム（Ａｌ）等からなる引出し電極６が形成され、外部 との接続は通常ワイヤボンディングにより行われている。

【０００５】 ところで、かかる圧力センサを工業計測用の圧力発信器として用いる場合、こ の圧力センサに、静圧を検出するとともに周囲の温度を検出するために静圧検出 回路と温度検出回路をそれぞれ内蔵させたものがある。これは、その等価的な回 路構成を図５に示すように、シリコン基板１上の薄肉ダイアフラム部３にｐ形ゲ ージ抵抗４（４₁ 〜４₄ ）からなる差圧検出用ブリッジ回路１１を形成するとと もに、その外周の厚肉部２の所定領域に前記ゲージ抵抗４と同様なゲージ抵抗１ ２₁〜１２₄ からなる静圧温度検出用ブリッジ回路１２，温度検出素子１３₁〜１ ３₄ からなる温度検出用ブリッジ回路１３を一体に形成する。そして、これらブ リッジ回路１１〜１３の各入力端子を一定の電圧Ｖが印加される電源端子１０ａ ，１０ｂに共通にそれぞれ接続することにより、この電圧Ｖによって前記各ブリ ッジ回路１１〜１３を常時駆動するものとなっている。

【０００６】 このような圧力センサは、シリコン基板１上の薄肉ダイアフラム部３に配置し たゲージ抵抗４₁〜４₄で構成したブリッジ回路４により差圧を測定する一方、前 記厚肉部２にそれぞれ形成したゲージ抵抗１２₁〜１２₄で構成したブリッジ回路 １２により静圧を測定するとともに、温度検出素子１３₁〜１３₄で構成したブリ ッジ回路１３により温度を測定して、後段の電気回路により差圧に対する静圧， 温度の影響を補正するものとなっている。なお、図５中符号Ｖ₁，Ｖ₂およびＶ₃ はそれぞれ差圧，静圧および温度出力を示す。また、同図において図４と同一符 号のものは同一または相当のものを示している。

【０００７】

【考案が解決しようとする課題】

しかしながら、上記した従来の圧力センサは、差圧，静圧および温度検出用の 各ブリッジ回路１１〜１３に常時給電が行われているので、測定時に電流が分流 されてそれぞれのブリッジ回路に供給される電流が少なくなり、Ｓ／Ｎ比を低下 させる要因となっていた。これは、特に２線式伝送の場合に著しくなっていた。

【０００８】 本考案は以上の点に鑑み、上記のような課題を解決するためになされたもので あり、その目的は、差圧と静圧および温度を検出する機能を有する圧力センサに おいて個々の検出回路への測定時の供給電流を多くして、Ｓ／Ｎ比を向上させた 圧力センサを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

上記の目的を達成するため本考案は、半導体のピエゾ抵抗効果を利用して圧力 を測定する圧力センサにおいて、半導体単結晶基板上に一体に形成された差圧検 出回路と静圧検出回路および温度検出回路を備え、これら差圧，静圧および温度 検出回路への給電を周期的に行うようにしたものである。

【００１０】

【作用】

本考案においては、半導体単結晶基板上に形成した差圧検出回路，静圧検出回 路および温度検出回路への給電を同時に行わず、周期的（サイクリック）に行う ことにより、個々の検出回路への測定時の供給電流が多くなる。

【００１１】

【実施例】

図１は本考案による圧力センサの一実施例を説明するための概略図であり、同 図(a)はそのセンサ部の平面パターン図を、同図(b)はその等価的な回路図をそれ ぞれ示す。この実施例は、図１に示すように、固定部となる厚肉部２と薄肉ダイ アフラム部３とを備えたチップ状のｎ形シリコン基板１を用い、その薄肉ダイア フラム部３にピエゾ抵抗効果をもつゲージ抵抗４（４₁〜４₄）からなる差圧検出 用ブリッジ回路１１が形成され、その表面にＳｉＯ₂ などの絶縁膜５が被覆形成 されている点は上述した図４の従来例のものと同様であるが、前記シリコン基板 １上の厚肉部２の所定領域に、前記ゲージ抵抗４と同様のゲージ抵抗１２₁ 〜１ ２₄ からなる差圧検出用ブリッジ回路１２と、温度検出素子として不純物濃度の 低い第１の抵抗層１３₁，１３₄と不純物濃度の高い第２の抵抗層１３₂，１３₃か らなる温度検出用ブリッジ回路１３を一体に形成する。

【００１２】 そして、これら差圧，静圧および温度検出用ブリッジ回路１１〜１３に対し、 測定時のサンプリングに同期して動作する回転スイッチ１４により電源端子１０ ａ，１０ｂ間に印加される一定の電圧Ｖを順次切換えることにより、各々の電圧 Ｖ_P，Ｖ_S，Ｖ_Tを図２に示すように一定の周期Ｔで供給するものとなっている。

【００１３】 この場合、温度検出用ブリッジ回路１３において、不純物濃度の低い第１の抵 抗層１３₁，１３₄は前記各ゲージ抵抗４と同様に形成されたｐ形拡散層からなり 、温度係数にして例えば３０００ｐｐｍ／℃程度の値を有している。また、不純 物濃度の高い第２の抵抗層１３₂，１３₃は各ゲージ抵抗４の配線用拡散リード層 ２１と同様に形成されたｐ形拡散層からなり、温度係数にして例えば１５００ｐ ｐｍ／℃程度の値を有している。そのため、これら抵抗層１３１〜１３４の温度 変化による抵抗値変化をブリッジ回路１３で電圧信号に変換することによって、 温度に対応した出力信号を取り出すことができる。

【００１４】 なお、図１中２１は各ゲージ抵抗４（４_A〜４_D）間を接続する配線用の拡散リ ード層、２２はそれら拡散リード層２１を引き出すＡｌリード、２３は差圧検出 用のリード端子を示し、２４は各ゲージ抵抗（_A〜_D）間を接続する配線用の拡散 リード層、２５はそれら拡散リード層を引き出すＡｌリード、２６は静圧検出用 のリード端子を示す。２７は第１の抵抗層のそれぞれを接続するＡｌリード、２ ８は第１の抵抗層と第２の抵抗層とをそれぞれ接続するＡｌリード、２９は温度 検出用のリード端子を示す。また、同図において図４と同一符号のものは同一ま たは相当のものを示している。

【００１５】 このように本実施例の圧力センサによると、シリコン基板１上に差圧検出用ブ リッジ回路１１，静圧検出用ブリッジ回路１２および温度検出用ブリッジ回路１ ３をそれぞれ形成し、これらブリッジ回路１１〜１３に別個に測定のサンプリン グ時のみ給電することにより、そのサンプリング時に各々のブリッジ回路１１〜 １３に供給する電流を大きくできるので、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。 これについて、図３の回路を用いて詳述する。

【００１６】 図３において、上記各ブリッジ回路１１〜１３のうち例えばブリッジ回路１１ における一方の出力点ａの誤差をΔｖ、入力電圧をＶ、シリコン基板上に形成す るブリッジ回路を構成する各ゲージ抵抗を絶縁分離するｐｎ接合による絶縁抵抗 値をＲ₁、そのブリッジ回路の各ゲージ抵抗つまりセンサ抵抗の抵抗値をＲ₂とし たとき、合成抵抗Ｒ₀は

【００１７】

【数１】

【００１８】 となる。このとき、ブリッジ回路に流れ込む電流をｉとすると、この電流ｉは

【００１９】

【数２】

【００２０】 となる。また、誤差Δｖは次式で表される。

【００２１】

【数３】

【００２２】 これにより、式(3)に式(2)を代入して計算すると、誤差Δｖは近似値として次式 で求まる。

【００２３】

【数４】

【００２４】 よって、この式(4)から明かなようにＲ₂／Ｒ₁ の値が小さいほど、誤差Δｖが 少なくなる。したがって、ブリッジ回路を構成するセンサ抵抗Ｒ₂ をなるべく小 さくすればよいが、このセンサ抵抗Ｒ₂ を小さくすると消費電流が増える。この ため、本実施例によると、測定のサンプリング時のみ給電するようにしたことに より、センサ抵抗Ｒ₂ を低くして、ブリッジ回路個別に電源を供給できるので、 消費電流を増やすことなく、Ｓ／Ｎを上げることができる。

【００２５】 なお、上述の実施例では半導体単結晶基板としてｎ形シリコン基板を用いた場 合について示したが、本考案はこれに限定されるものではなく、ｐ形シリコン基 板やＳＯＩ構造の基板を用いたり、あるいは薄肉ダイアフラム外周の厚肉部に形 成する温度検出用の回路も不純物濃度の異なる抵抗層以外のセンサ素子で構成し たりすることなど、幾多の変形が可能である。

【００２６】

【考案の効果】

以上説明したように本考案によれば、半導体のピエゾ抵抗効果を利用して圧力 を測定する圧力センサにおいて、半導体単結晶基板上に一体に形成した差圧検出 回路，静圧検出回路および温度検出回路への給電を同時に行わず、サイクリック に行うことにより、個々の検出回路への測定時の供給電流が多くなり、したがっ て、Ｓ／Ｎ比の良い圧力センサが得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案による圧力センサの一実施例を説明する
概略図であり、(a) はそのセンサ部の平面パターン図、
(b)はその等価的な回路図である。

【図２】図１の各ブリッジ回路に印加される電源電圧の
タイミングチャートである。

【図３】上記実施例の説明に供する説明図である。

【図４】従来の圧力センサの基本的な構成図であり、
(a)はその平面図、(b)は断面図である。

【図５】従来技術による圧力センサの概略説明図であ
る。

【符号の説明】

１ ｎ形シリコン基板 ２ 厚肉部 ３ 薄肉ダイアフラム部 ４，４₁〜４₄ ｐ形ゲージ抵抗 ５ 絶縁膜 １０ａ，１０ｂ 電源端子 １１ 差圧検出用ブリッジ回路 １２ 静圧検出用ブリッジ回路 １３ 温度検出用ブリッジ回路 １４ 回転スイッチ

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体のピエゾ抵抗効果を利用して圧力
   を測定する圧力センサにおいて、 半導体単結晶基板上に一体に形成された差圧検出回路と
   静圧検出回路および温度検出回路を備え、これら差圧，
   静圧および温度検出回路への給電を周期的に行うように
   したことを特徴とする圧力センサ。