JPH07253374A

JPH07253374A - 圧力検出装置

Info

Publication number: JPH07253374A
Application number: JP4247294A
Authority: JP
Inventors: Seiichiro Otake; 精一郎大竹; Kazuyoshi Nagase; 和義長瀬; Shinji Ozaki; 慎治尾崎
Original assignee: NipponDenso Co Ltd
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1994-03-14
Filing date: 1994-03-14
Publication date: 1995-10-03
Anticipated expiration: 2018-01-08
Also published as: JP3365028B2

Abstract

(57)【要約】【目的】感圧素子の電極幅に関係なく、仮に圧縮応力
の作用面がずれたとしても感度が低下せず、精度の良い
温度特性を得る。【構成】半導体基板３２からなり、少なくとも４個の
ゲージ抵抗２５ａ〜２５ｄを有し、圧力に応じた信号を
出力する感圧素子３と、感圧素子３に圧力を伝達する圧
力伝達部材２とを備え、感圧素子３のゲージ抵抗２５ａ
〜２５ｄを有する面上に圧力伝達部材２を設置してなる
圧力検出装置であって、感圧素子３の面方位を（１１
０）面とし、結晶軸〈１１０〉方向にー対のゲージ抵抗
２５ａ、２５ｂを配置するとともに結晶軸〈１００〉方
向にー対のゲージ抵抗２５ａ、２５ｂし互いに接続して
ブリッジ回路を構成する。そして、このブリッジ回路
が、少なくとも圧力伝達部材２が押圧する感圧素子３の
押圧面内に収まる。さらに、結晶軸〈１００〉方向に温
度補償抵抗を配置し上記半導体基板３２の領域内に収ま
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば内燃機関の燃焼
ガス検出用として用いられ、特に半導体のピエゾ効果を
利用した圧力検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の圧力検出装置にあって
は、特開昭６４−３６０８１号公報に開示されるものが
ある。この圧力検出装置によると、圧縮応力が加えられ
る面として（１１０）面の結晶面を有するように切り出
した厚みと不純物濃度が均ーなＳｉ単結晶体上に、ー対
の出力電極と入力電極とを直交する方向に相対して設け
ている。そして、この結晶面に垂直に加えられる圧縮応
力を常時分散して伝達可能な台座を、結晶面に接合固定
している。さらに、結晶面に対向するＳｉ単結晶体の他
の面に、圧縮応力の生じる方向に十分な剛性を備えた支
持基台を接合固定している。このようにＳｉ単結晶体を
支持基台に接合固定することにより、結晶面に垂直に圧
縮応力が作用したときにＳｉ単結晶体に単純な圧縮応力
のみを生じさせている。

【０００３】以上のような構成により、温度変化に伴い
増加する歪みゲージの抵抗値がもたらす特性への悪影響
を低減しようとしている。ここで、上記Ｓｉ単結晶体は
図２４に示す６２のような構成となっており、入力電極
６３ａ、６３ｂよりｘ方向に電流を流すとともにｚ方向
に圧縮力を加えた場合に、入力電極６３ａ、６３ｂと直
交するｙ方向に配置した出力電極６４ａ、６４ｂに電位
差が発生するπ’₆₃ゲージを用いている。なお、６５は
台座が結晶面を押圧する押圧面を示す。

【０００４】また、電極形成時において、通常マスクを
使用したパターンニングによるプレーナ技術が実施され
るので、図２４に示すようにある程度の電極幅Ｗが形成
されるている。また、電極はＡｌ等の金属で形成される
ので、電極内での抵抗は非常に小さいものとなってい
る。

【０００５】次に、この種の他の圧力検出装置として、
本出願人は日本電装公開技報（整理番号９２−２２０）
において図２５に示すものを開示している。図２５にお
いて、螺子部６６を有するハウジング６７（ケース）の
先端側開口部に金属ダイヤフラム部６８を備えたコップ
６９が設けられている。そして、この内部にはリード７
０をハーメチックシールして保持する支持台７１が設け
られ、この支持台７１上にゲージ抵抗（図示せず）が形
成された感圧素子７２が設けられ、さらにその上には荷
重伝達用として上面が球面状にロッド７３が設けられて
いる。また、支持台７１下側には放熱剤７４が設けられ
ている。そして、装置が螺子部６６でエンジンブロック
（図示せず）に接続されているため、支持台７１はエン
ジンブロックと導通しボディアースとなっている。

【０００６】このように、ロッド７３と感圧素子７２と
の間、および感圧素子７２と支持台７１との間は絶縁性
の接着剤７５により接着固定されている。こうして、各
々の間はこの接着剤７５からなる絶縁接着層により絶縁
されている。また、感圧素子７２とリード７０との間は
ボンディングワイヤ７６により電気的に接続されてい
る。

【０００７】この構成の圧力検出装置によれば、ダイヤ
フラム部６８に印加された圧力はロッド７３を介して感
圧素子７２に導かれ、感圧素子７２上のゲージ抵抗に生
ずるピエゾ抵抗効果によって圧力が検出されることにな
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
開昭６４−３６０８１号公報に開示される圧力検出装置
によれば、実際に台座を結晶面に接合固定する際には台
座のずれが少なからず生じるが、この場合、従来の構成
ではＳｉ単結晶体６２表面全体にゲージ抵抗を配置し、
この表面の押圧面６５、即ち圧縮応力の作用面を台座に
より押さえているので、位置の同位性がくずれて感動の
低下をもたらすという問題がある。

【０００９】また、押圧面６５よりゲージ領域が大きい
ので、内燃機関で使用するときの台座からの熱により台
座直下の押圧面６５とそれ以外の領域との間で温度差が
発生し、特に上記のように台座が押圧面６５からずれる
と温度特性がばらつくという問題がある。また、Ｓｉ単
結晶体６２は１本のゲージ抵抗で電位差を検出する構成
としているので、圧縮応力が結晶面に加わった際に、上
記のようにある程度の電極幅Ｗを有し金属等からなる電
極では電極内での抵抗は非常に小さく殆ど同電位となっ
てしまう。従って、せっかく発生した電位を相殺させて
しまい、これにより感度が低下するという問題もある。

【００１０】次に、上記日本電装公開技報（整理番号９
２−２２０）に開示する圧力検出装置では、図２５にお
けるＧ部の部分拡大図２６のように、支持台７１の表面
には小さな凹凸が存在しているので、支持台７１と感圧
素子７２が部分接触し導通することがある。従って、絶
縁接着層による絶縁だけでは不十分である。この場合、
感圧素子７２と支持台７１との間での非絶縁からケース
−ゲージ抵抗間でケース６７へのリーク電流がながれ、
特性が不安定となるという問題がある。

【００１１】通常、ゲージ抵抗は数百Ω〜数十ｋΩ程度
あり、このゲージ抵抗が、例えば数十ｐＦの容量でケー
ス６７と容量結合されると、数十ＭHz以上の高周波ノイ
ズがゲージ出力信号に混入し装置が誤動作する。ここで
本発明者らは、この寄生容量により高周波ノイズがゲー
ジ出力信号に混入するという点について検討したとこ
ろ、リード７０のハーメチックシール部と、支持台７１
と感圧素子７２との間の絶縁接着層によるものと、感圧
素子７２とロッド７３との間の絶縁接着層によるもの、
との３箇所に寄生容量が発生しており、各々のコンデン
サカップリングによりゲージ出力信号に高周波ノイズが
混入して装置が誤動作していることを見出した。

【００１２】よって、この構成には、これら３箇所の寄
生容量により高周波ノイズがゲージ出力信号に混入し装
置が誤動作するという問題がある。以上説明したよう
に、圧力検出装置を構成し用いる場合の特性変動の要因
として、台座の位置ずれと電極幅Ｗに起因するもので特
に温度特性が大きくばらつくことがある。さらに、感圧
素子と支持台間での非絶縁から生じるリーク電流による
ものと、リードのハーメチックシール部での寄生容量お
よび支持台と感圧素子間の絶縁接着層での寄生容量およ
び感圧素子とロッド間の絶縁接着層での寄生容量により
ゲージ出力信号に混入する高周波ノイズによるものがあ
る。

【００１３】そこで、本発明は上記問題を達成するため
になされたものであり、電極幅に関係なく、仮に圧縮応
力の作用面がずれたとしても感度が低下せず、精度の良
い温度特性を得ることのできる圧力検出装置を提供する
ことを第１の目的とする。さらに、リーク電流や高周波
ノイズによる特性変動を抑止することを第２の目的とす
る。

【００１４】

【課題を達成するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、請求項１によれば、ゲージ抵抗を有し、圧
力に応じた信号を出力する感圧素子と、該感圧素子に圧
力を伝達する圧力伝達部材とを備え、前記感圧素子のゲ
ージ抵抗を有する面上に前記圧力伝達部材を設置してな
る圧力検出装置であって、前記感圧素子を前記圧力伝達
部材が押圧する該感圧素子の押圧面内に前記ゲージ抵抗
が収まるという技術的手段を具備するものである。

【００１５】また、請求項２によれば、半導体基板から
なり、少なくとも４個のゲージ抵抗を有し、圧力に応じ
た信号を出力する感圧素子と、該感圧素子に圧力を伝達
する圧力伝達部材とを備え、前記感圧素子のゲージ抵抗
を有する面上に前記圧力伝達部材を設置してなる圧力検
出装置であって、前記感圧素子の面方位を（１１０）面
とし、結晶軸〈１１０〉方向にー対の前記ゲージ抵抗を
配置するとともに結晶軸〈１００〉方向に他のー対の前
記ゲージ抵抗を配置し互いに接続してブリッジ回路を構
成し、少なくとも前記感圧素子を前記圧力伝達部材が押
圧する該感圧素子の押圧面内に前記ブリッジ回路が収ま
る。

【００１６】そして、請求項３、９によれば、請求項２
にさらに温度に応じて抵抗値変化する温度補償抵抗とを
備え、該温度補償抵抗を前記半導体基板の結晶軸〈１０
０〉方向に配置し、少なくとも前記感圧素子を前記圧力
伝達部材が押圧する該感圧素子の押圧面内に前記温度補
償抵抗および前記ブリッジ回路が収まり、そして、前記
ゲージ抵抗および前記温度補償抵抗を前記圧力伝達部材
下端直下の前記感圧素子表面における押圧面中央部に配
置している。

【００１７】また、請求項４によれば、ゲージ抵抗を有
し、圧力に応じた信号を出力する感圧素子と、該感圧素
子のゲージ抵抗を有する面に配置し、該感圧素子に圧力
を伝達する圧力伝達部材と、前記感圧素子を着設する導
電性のステムと、該ステムを保持する導電性のハウジン
グとを備えてなる圧力検出装置であって、前記感圧素子
を前記圧力伝達部材が押圧する該感圧素子の押圧面内に
前記ゲージ抵抗が収まり、該感圧素子の押圧面に対向す
る面に絶縁膜を設けて該感圧素子を前記ステムに絶縁性
の接着剤にて着設している。

【００１８】そして、請求項５によれば、請求項４にさ
らに、ゲージ抵抗を半導体基板に設け、前記ステムに嵌
挿してハーメチックシールし、前記感圧素子と外部との
間の信号の授受を行う信号伝達媒体とを備え、前記信号
伝達媒体をゲージ出力をインピーダンス変換した信号伝
達媒体とし、該感圧素子の押圧面に対向する面に絶縁膜
を設けるとともに前記半導体基板を接地しこの感圧素子
を前記ステムに絶縁性の接着剤にて着設し、前記感圧素
子のゲージ抵抗上に絶縁膜を介して導電性のシール部材
を設けるとともに該シール部材を接地しこのシール部材
上に前記圧力伝達部材を絶縁性の接着剤にて着設してい
る。

【００１９】さらに、請求項６によれば、請求項４、５
に記載の前記接着剤は前記感圧素子の下部端面において
該感圧素子側面へはい上がっている。そして、請求項７
によれば、請求項５、６に記載の前記半導体基板を電源
に接続している。また、請求項８によれば、請求項１乃
至７に記載の前記ゲージ抵抗を前記圧力伝達部材下端直
下の前記感圧素子表面における押圧面中央部に配置して
いる。

【００２０】

【発明の作用効果】本発明の請求項１乃至３、および
８、９によれば、圧力は圧力伝達部材を介して感圧素子
上のゲージ抵抗に伝達される。そして、ゲージ抵抗に圧
力が伝達されると感圧素子はこの圧力に応じた信号を出
力する。ここで、圧力伝達部材が押圧する感圧素子の押
圧面内にゲージ抵抗が収まっており、さらに温度補償抵
抗も押圧面内に収まっており、これらのゲージ抵抗およ
び温度補償抵抗を圧力伝達部材下端直下の感圧素子表面
における押圧面中央部に配置しているので、仮に圧縮応
力の作用面がずれたとしてもゲージ抵抗および温度補償
抵抗は圧力伝達部材の押圧面より外れることはない。か
つ、ゲージ抵抗と温度補償抵抗が共に圧力伝達部材下端
直下にあるため、ゲージ抵抗と温度報償抵抗は同一温度
になる。よって、感度が低下せず、精度の良い温度特性
を得ることができる。

【００２１】また、請求項４乃至７および８によれば、
さらに感圧素子とステム間は完全に絶縁されこの部分に
生ずるリーク電流は阻止され、ハーメチックシール部で
の寄生容量、ステムと感圧素子間の絶縁接着層での寄生
容量、および感圧素子と荷重伝達部材間の絶縁接着層で
の寄生容量により発生する高周波ノイズの混入は防止さ
れるので、感動が良好で、精度の良い温度特性を得るこ
とができる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明のー実施例を図に従って説明す
る。図１は本発明の圧力検出装置のー例を示す全体概略
の断面図であり、例えば内燃機関のエンジンブロック
（図示せず）に取り付けられるものである。図１の圧力
検出装置は、両端が開口した円筒のステンレス（以下、
ＳＵＳと略す）からなるハウジング７を有し、このハウ
ジング７の外周面には螺子部８が形成され、この螺子部
８はエンジンブロックのシリンダヘッド（図示せず）に
貫設された螺子孔（図示せず）に螺子締めされ、ハウジ
ング７とエンジンブロックとの間に電気的導通がとられ
るとともに、この螺子部８での接触を通じて外部へ熱を
逃がす放熱効果を有する。このとき、シール用リングと
してガスケット１２をハウジング六角部９とエンジンブ
ロック間で上記シリンダヘッドの外面に押しつけて、ガ
ス封止がなされる。

【００２３】また、Ｏリング１３が外部との防水用とし
てケース１４の所定箇所に設けられ、かつリード６とハ
ウジング７との絶縁を確保するためのスペーサ１１がハ
ウジング７の内部に設けられ、このスペーサ１１をハウ
ジング７に保持しつつケース１４がハウジング７のかし
め部１０によりかしめられると同時に、Ｏリング１３が
固定されている。

【００２４】ハウジング７の先端側（燃焼室側）の開口
部は、その要部を拡大した図２に示すような構成となっ
ており、薄肉状のコップ１が押入されている。そしてコ
ップ１の底部外周（図示Ａ部に相当）は、ハウジング７
の先端に溶接されて前記開口部を前記燃焼室から密閉し
ている。こうしてコップ１とハウジング７との間で電気
的導通がとられる。このとき、コップ１の円板状の底部
は受圧部となり、ここで受けた圧力は圧力伝達部材とし
ての荷重伝達ロッド２に伝達される。即ちこの受圧部は
ダイヤフラムとして機能するため、以下、ダイヤフラム
部１ａと称する。このようなダイヤフラム部１ａを有す
るコップ１は、例えば耐高温用ＳＵＳ等のバネ性、耐腐
食性、耐熱性等に優れた素材にて構成することが望まし
い。

【００２５】ダイヤフラム部１ａの燃焼ガスを直接受け
る受圧面中央部には、燃焼時の熱出力を低減するため
に、その径方向中央部が軸方向半導体素子３側へ窪んだ
恰好、換言すればダイヤフラム部１ａの外周部に比して
燃焼室と反対側に落ち込んだ恰好の凹状のへこみ部１ｂ
が設けられている。このようなダイヤフラム部１ａの反
対側のコップ１の開口部には、コップ状のアイレット４
ａとリード６とがガラス等からなる絶縁部材４ｂにて固
定されたステム４が挿入され、図示Ｂ部にてコップ１と
溶接されている。こうしてダイヤフラム部１ａとステム
４との間で電気的導通がとられる。よって、上記Ａ部お
よびＢ部の溶接によりステム４はエンジンブロックと導
通し、ボディアースとなっている。

【００２６】このようなステム４の平面（図２における
Ｘ方向からみた面）は、図３に示す要部拡大図のように
構成されている。ステム４には、この軸方向に貫設され
た複数の小孔１５が設けられ、この小孔１５には所定個
数（ここでは３個が図示される）の信号伝達媒体として
金属電極棒からなるリード６Ａ、６Ｂ、６Ｃが嵌挿さ
れ、絶縁部材４ｂにてハーメチックシールされている。
これにより、図２のようにコップ１の開口部はステム４
により密閉空間Ｓとされることとなる。密閉空間Ｓに面
するステム４の略中央部には、処理回路ー体型の感圧素
子として半導体素子３が後述の電気絶縁性接着剤２２に
より接着固定されている。この電気絶縁性接着剤２２
は、熱応力の緩和としての機能を有するものである。ま
た、半導体素子３とリード６Ａ、６Ｂ、６Ｃのー端はボ
ンディングワイヤ１６を介してＡｌ電極パッド１８ａ、
１８ｂ、１８ｃと電気的に接続されるとともに、他端は
ケース１４内のコネクタ用リード１７に接続され、図１
のように外部と半導体素子３との間における電気信号の
授受を可能としている。

【００２７】またステム４の底部には、半導体素子３に
荷重伝達ロッド２から伝えられる熱をハウジング７を通
してエンジンブロックへ効率よく逃がすために、例えば
Ｓｉゲル等の電気絶縁性放熱剤５が充填されている。な
お、半導体素子３にはゲージ抵抗およびアルミ電極が形
成されており、このゲージ抵抗に荷重伝達ロッド２から
伝達される圧力が加わるとピエゾ抵抗効果により抵抗値
が変化し、この抵抗値の変化を電圧変化として出力して
いるが、これについては後述する。

【００２８】半導体素子３の表面には、図３のように３
つのＡｌ電極パッド１８ａ、１８ｂ、１８ｃと、圧縮歪
みに対応して抵抗値変化するゲージ抵抗としてピエゾ抵
抗素子をブリッジ構成し、このピエゾ抵抗素子へ荷重伝
達ロッド２が圧力を伝達する押圧面としてのゲージ部１
９と、ブリッジ出力を増幅する後述のアンプ回路２０が
設けられている。このアンプ部２０には、通常トランジ
スタ、ダイオード、コンデンサ、抵抗等が集積化され形
成配置されている。３つのＡｌ電極パッド１８ａ、１８
ｂ、１８ｃは、例えば５Ｖ等の電源用の電極パッドと接
地（以下、ＧＮＤと称する）用の電極パッドと出力用の
電極パッドである。

【００２９】ー方、半導体素子３の裏面は、図２におけ
るＣ部、即ち半導体素子３とステム４との接合状態を示
す部分拡大図４のように、例えばＳｉ−Ｎ膜のような電
気絶縁膜２１で覆われてステム４との接触絶縁が確保さ
れつつ、電気絶縁性接着剤２２により半導体素子３はス
テム４に接着固定されている。ここで本実施例では、こ
のように接着固定する際に電気絶縁性接着剤２２の硬化
前粘度を下げているので、同様に図２におけるＤ部の部
分拡大図５のように、半導体素子３とステム４との接合
端面における半導体素子３の下部端面は、電気絶縁性接
着剤２２のはい上がりにより確実に電気絶縁性接着剤２
２で覆われ、接合界面でのリーク電流が防止されてい
る。なおアイレット４ａは、Ｓｉとの熱膨張係数を合わ
せるため、例えばコバ−ル等の金属を用いることが有効
である。

【００３０】また、荷重伝達ロッド２と半導体素子３と
の接合には、その状態を示す図２におけるＥ部の部分拡
大図６のように、ゲージ部１９の直上に荷重伝達ロッド
２が配置されるように緩衝部材としての電気絶縁性のフ
ィルム２３を挟み、そして電気絶縁性接着剤２２を用い
てできる緩衝層を形成し、荷重伝達ロッド２と半導体素
子３は接着固定されている。ここで荷重伝達ロッド２は
荷重伝達効率を上げるために弾性率（ヤング率）の大き
い金属、セラミック等からなり、ダイヤフラム部１ａか
ら伝えられた圧力を半導体素子３に伝達する作用を有す
る。なお、被測定雰囲気が高温である場合には、荷重伝
達ロッド２に選ばれる素材としてはセラミックのほうが
有効である。これは、セラミックの熱伝導率が他の金属
に比して小さく、このためダイヤフラム部１ａから半導
体素子３に流れ込む熱を遮断して半導体素子３の温度を
下げる効果が大きいからである。

【００３１】荷重伝達ロッド２の先端部２４は図２のよ
うに球状に加工され、図示Ｆ部のようにダイヤフラム部
１ａのへこみ部１ｂの凸状面中央、即ち底部の中心位置
にて点接触し、燃焼室側からダイヤフラム部１ａを介し
て伝達される力が荷重伝達ロッド２の軸心に常時作用す
るように構成されている。このように球状による点接触
とするのは、荷重伝達ロッド２が傾いて組付けられたと
きの半導体素子３のゲージ部１９への偏荷重を防止し、
常にゲージ部１９に均ーな圧縮応力を伝えるためと、熱
抵抗が増大され燃焼熱を受けたダイヤフラム部１ａから
の半導体素子３への断熱のための両方の効果を得るため
である。

【００３２】なお、フィルム２３としては荷重伝達ロッ
ド２より弾性率が小さく、かつ熱伝導度の低い樹脂また
はガラス等が用いられており、半導体素子３のゲージ部
１９への圧縮応力均ー化と、温度上昇防止を行ってい
る。ただし、応力集中緩和と温度上昇防止の効果が得ら
れれば必ずしもフィルム２３を使用することこだわる必
要はなく、例えば後述のフィラー入りの接着剤であって
も勿論有効である。

【００３３】次に図７乃至図１０を適宜用いて半導体素
子３について説明する。まず、半導体素子３は図７のよ
うな周知の製造工程を経て作成される。即ち、同図
（ａ）の工程においてＳｉウエハ表面にゲージを形成す
る。次に同図（ｂ）の工程においてウエハの裏面を研磨
し、その面に、次の同図（ｃ）の工程においてＳｉＮ膜
またはＳｉＯ₂膜等の電気的絶縁膜を形成する。そし
て、最後の同図（ｄ）の工程において各ゲージチップに
切断し半導体素子３は取り出される。

【００３４】このような製造工程を経て作成された半導
体素子３の平面は、図８に示す拡大図の如く構成されて
いる。図８において、Ｓｉ基板の面方位は（１１０）が
用いられ、４つのピエゾ抵抗素子２５ａ、２５ｂ、２５
ｃ、２５ｄにてブリッジ回路が構成されている。このう
ちの１対のピエゾ抵抗素子２５ａと２５ｂは〈１１０〉
方向に電流が流れるよう配置され、圧縮応力に対して抵
抗値がピエゾ抵抗効果により増加する。残りの１対のピ
エゾ抵抗素子２５ｃと２５ｄは〈１００〉方向に配置さ
れ、圧縮応力に対して抵抗値変化しない。この原理は、
Ｓｉの結晶異方性によるもので、ー般にＰ型Ｓｉ（１１
０）面における圧縮応力に対する抵抗値変化量を各方向
毎に示した図１０のようになることは周知である。

【００３５】これらのブリッジ抵抗２５ａ〜２５ｄは荷
重伝達ロッド２の下端の範囲内に十分に収まるようにゲ
ージ部１９に配置され、仮りに組付け時に荷重伝達ロッ
ド２がずれたときであっても、必ず荷重伝達ロッド２の
下端の範囲内に確実に収まるように十分小さくして配置
されている。そして、ブリッジ抵抗２５ａ〜２５ｄは荷
重伝達ロッド２の外側でＡｌ配線２７に接続され、ピエ
ゾ抵抗効果により発生した出力をアンプ回路２０へ導
く。これにより、感度を大きくすることができ、感度の
ばらつきも小さくできる。また、ブリッジ抵抗は荷重伝
達ロッド２の下端内に収まる範囲内で任意の線幅や長さ
をとれるため、抵抗値の選択自由度が増大する。

【００３６】また同様に、ブリッジの温度補償用抵抗２
６ａ、２６ｂも荷重伝達ロッド２の下端の範囲内に配置
されているので、ブリッジ抵抗２５ａ〜２５ｄと略同ー
温度になり、他の位置に配置した時より精度が向上す
る。なお、これらの抵抗は、Ａｌシールド領域としてシ
ール部材からなるシール膜２８を避けて低シート抵抗層
２９に接続され、荷重伝達ロッド２の下端のゲージ部１
９が設けられる領域から他の領域へＡｌ配線２７により
配線されるのである。

【００３７】次に、荷重伝達ロッド２およびステム４と
の接合状態も含む半導体素子３の断面構造を図９を用い
て説明する。図９は、図８におけるＡ−Ａ断面を示し、
かつ荷重伝達ロッド２およびステム４との接合状態を表
した要部拡大図である。図９において、ゲージ部１９に
構成されるピエゾ抵抗素子２５ｂ上には絶縁膜３０ｂを
介してシール膜２８が形成される。このシール膜２８は
図８に示すＧＮＤ電極１８ａに接続され、荷重伝達ロッ
ド２からの高周波ノイズ（１０ＭHz〜１０ＧHzのもので
あり、以下、ノイズと略す）を遮断している。続いて、
シール膜２８上に絶縁膜３０ａが形成され、さらにフィ
ルム２３を介して荷重伝達ロッド２が電気絶縁性接着剤
２２により接着固定されている。

【００３８】ー方、ピエゾ抵抗素子２５ｂ下にはＮ型抵
抗島３１が形成され、電源電位が与えられている。さら
にその下には、Ｐ型Ｓｉ基板３２でＧＮＤ電位が与えら
れている。そして、裏面側には電気絶縁膜２１が形成さ
れ、この半導体素子３は電気絶縁性接着剤２２によりス
テム４に接着固定されている。このような半導体素子３
のブリッジの出力端子Ｉ、Ｊ（後述の図２０において図
示）は、予め各々の抵抗値がＲ_25a＝Ｒ_25b＜Ｒ_25c＝
Ｒ_25dとされ、ブリッジ出力Ｖ_IおよびＶ_JがＶ_I＞Ｖ
_Jとなるように設定されている。この状態において、本
実施例ではステム４とコップ１とを図２におけるＢ部に
て溶接するときにプリセット荷重を半導体素子３に印加
しＲ_25aとＲ_25bを増大させているので、ステム４とコ
ップ１はＶ_I＝Ｖ_Jとなる荷重値で製品毎に組付けられ
ることになる。このように、ブリッジ出力Ｖ_I、Ｖ_Jの
ばらつきは組付け時に調整される。これにより、別途オ
フセット調整したり、またはＡＣカップリング回路（図
示せず）を用いる必要がなくなる。なお、Ｒ_25a、Ｒ
_25b、Ｒ_25c、およびＲ_25dはピエゾ抵抗素子２６ａ〜
２６ｄの各々の抵抗である。

【００３９】また、ピエゾ抵抗素子２５ａ〜２５ｄの製
造方法としては、例えば本出願人が既に出願済みの特開
平４−２５７２７２号公報に記載しているような製造技
術により作成され、その他のトランジスタ、抵抗等は周
知のバイポーラ製造プロセスにて作成されるため、ここ
では各々の詳細は省略する。以上のような構成の本発明
の圧力検出装置にあっては、コップ１の円板状の底部に
構成されるダイヤフラム部１ａの受圧中央部には凹状の
へこみ部１ｂが設けられているが、このへこみ部１ｂに
おける作用効果について以下でさらに説明する。

【００４０】このへこみ部１ｂは図２に示すように半導
体素子３側へ窪んでいるので、ダイヤフラム部１ａの表
面（被測定圧力作用面）αとその反対側の表面βとの間
における温度差が増大して表面αが表面βに対して相対
的に伸びようとする。その結果として、ダイヤフラム部
１ａの径方向中央部が軸方向燃焼室側へ膨れようとして
も、へこみ部１ｂの斜面が逆方向に伸びるため、ダイヤ
フラム部１ａは軸方向の表面α側へ変位しずらくなる。

【００４１】このメカニズムを、図１１を参照してより
具体的に説明する。なお、図１１は本実施例のダイヤフ
ラム部１ａの要部拡大断面図であり、その作用効果が明
確に理解できるようにへこみ部１ｂ周辺を誇大図示して
いる。また、１ｃはダイヤフラム部１ａの表面Ａ側の最
先端平坦部、１ｄはへこみ部１ｂの表面Ａ側における底
部平坦部、１ｅはへこみ部１ｂの表面Ａ側における最先
端平坦部１ｃと底部平坦部１ｄとを保持するようにテー
パ状に形成された斜面部を示し、最先端平坦部１ｃの厚
みｔ₁と底部平坦部１ｄの厚みｔ₂と斜面部１ｅの厚み
ｔ₃はｔ₃≦ｔ ₁かつ≦ｔ₂という関係となっている。

【００４２】ここで、表面α、β間の温度差が増大して
ダイヤフラム部１ａの表面αが表面βに対して相対的に
伸びようとすると、ダイヤフラム部１ａには次のような
作用が生じる。即ち、最先端平坦部１ｂは実線矢印Ｘ方
向（図示上方向）に膨らむように伸びようとする。そし
て同様に、底部平坦部１ｄも破線矢印Ｙ方向（図示上方
向）に膨らむように伸びようとするが、斜面部１ｅの長
手方向の伸びＺ（図示、実線矢印Ｚ）が底部平坦部１ｄ
の伸びＹを吸収するように働き、底部平坦部１ｄの径方
向中心部付近での変位（軸方向燃焼室側への膨れ）が殆
どなくなる。これは、少なくとも斜面部１ｅの厚みｔ₃
が各平坦部１ｃ、１ｄの厚みｔ₁、ｔ₂より小さいため
に、伸びＺが伸びＸ、Ｙより大きくなることに起因して
生じる。この状態でのダイヤフラム部１ａは、図１１に
示す破線形状のような変位となって生じることとなる。

【００４３】よって、本実施例では、表面α、β間の温
度差のよる変位の少ないダイヤフラム部１ａの径方向中
央部に荷重伝達ロッド２が設置されているので、燃焼サ
イクルや回転数やエンジン負荷や表面αへのすすの付着
具合に原因する両表面α、β間の温度差の変動が生じて
も、荷重伝達ロッド２はこの変動の影響を殆ど受けず、
この荷重伝達ロッド２を介して圧力を感圧素子３に伝達
するので、測定精度が向上する。

【００４４】なお、上記説明したダイヤフラム部１ａの
作用効果を十分発揮するために、本実施例のへこみ部１
ｂはダイヤフラム部１ａの中心軸に対して対称となるよ
うに形成される。また、ー例としてダイヤフラム部１ａ
の平面形状を図１２に示すような円形状としているが、
へこみ部１ｂがダイヤフラム部１ａの中心軸に対して対
称となる形状であれば、円形状に固守する必要はなく、
例えば方形状や星形状であっても本実施例と同様な効果
を得ることができる。なお、図１２は図１１において図
示上方向から見た平面図であり、ハウジング六角部等は
省略している。

【００４５】また、変動による影響が最も小さくなるへ
こみ部１ｂの表面β側平坦部略中心に荷重伝達ロッド２
を配置して、例えば本実施例と同様図１３のように先端
部２４を球状に加工して点接触するように、そのせった
ん部２４がへこみ部１ｂに点接触するような先端形状で
あれば、両表面α、β間の温度差が変動することによる
影響をさらに抑止することができる。つまり、荷重伝達
ロッド２の先端部２４の形状は球状に固守する必要はな
く、へこみ部１ｂの表面β側平坦部略中心に点接触する
形状であり、感圧素子３に圧力を伝達可能な形状であれ
ば良い。

【００４６】これに対して、ダイヤフラム部１ａにへこ
み部１ｂを設けることなく両表面α、β間の撓み量の変
動を減少することを可能とする他の実施例を、図１４を
参照して説明する。この圧力検出装置では、ダイヤフラ
ム部１ａ自体はその径方向中央部が軸方向半導体素子３
側へ窪んでいない，所謂へこみ部１ｂのない構成をとっ
ているが、ダイヤフラム部３３の径方向中央部の表面α
側に径小の支柱３４が立設されており、さらにこの支柱
３４の頂部にダイヤフラム部３３と平行に円板からなる
熱遮蔽傘状板３５が配設されている。なお、このような
支柱３４および熱遮蔽傘板３５はダイヤフラム部３３と
ー体に形成されている。

【００４７】このようにすれば、燃焼ガスから放射され
る放射熱エネルギがダイヤフラム部３３により受熱され
ることが阻害される。その結果、各種のエンジン運転条
件の変動に伴う燃焼ガス温度の変動により、ダイヤフラ
ム部３３の表面αの温度変化が減少する。この温度変化
の減少により、ダイヤフラム部３３の撓み量の変動が減
少し、半導体素子３の出力誤差が低減されることとな
る。

【００４８】上記これらに対し、さらに他の実施例を図
１５を参照して説明する。この圧力検出装置でも、ダイ
ヤフラム部３６自体は図２に示すダイヤフラム部１ａと
同様に、その径方向中央部が軸方向半導体素子３側へ窪
んでいる。ここで本実施例では、さらにダイヤフラム部
３６の径方向中央部の表面α側に径小の支柱３７が植設
されており、さらに、この支柱３７の頂部にダイヤフラ
ム部３６と平行に円板からなる熱遮蔽傘状板３８が配設
されている。

【００４９】このようにすれば、図２のようなへこみ部
１ｂ付きのダイヤフラム部１ａによる撓み低減効果と、
図１４のような熱遮蔽傘板３５による撓み低減効果との
相乗効果が得られる。上記これらに対し、さらに他の実
施例を図１６を参照して説明する。この圧力検出装置で
も、ダイヤフラム部３９自体は図２に示すダイヤフラム
部１ａと同様に、その径方向中央部が軸方向半導体素子
３側へ窪んでいる。ここで本実施例では、さらに，ＳＵ
Ｓからなる浅いカップ状の熱遮蔽缶４０がダイヤフラム
部３９の周囲に被せられている。薄肉の熱遮蔽缶４０の
周壁には燃焼ガス出入口４１が開口され、ダイヤフラム
部３９に燃焼ガスが作用可能となっている。この熱遮蔽
缶４０は、図１４と図１５の熱遮蔽傘板３５および３８
と同様に燃焼ガスから放射される放射熱エネルギがダイ
ヤフラム部３９の表面αで受熱されるのを阻害し、図１
４および図１５の構成をとる場合と同様な効果を奏す
る。

【００５０】上記これらに対し、さらに他の実施例を図
１７を参照して説明する。この圧力検出装置では、ダイ
ヤフラム部４２自体は図２に示すダイヤフラム部１ａと
同様に、その径方向中央部が軸方向半導体素子３側へ窪
んでいる。ここで本実施例では、さらに、例えばアルミ
ナ等のセラミック溶射により熱遮蔽層４３がダイヤフラ
ム部４２の表面αに被着されている。

【００５１】この熱遮蔽層４３は、図１４と図１５の熱
遮蔽傘板３５、３８および図１６の熱遮蔽缶４０と同様
に、燃焼ガスから放射熱エネルギがダイヤフラム部４２
の表面αで受熱されるのを阻害し、図１４、図１５、お
よび図１６の構成をとる場合と同様な効果を奏する。次
に、上記図４で説明した半導体素子３とステム４との接
合状態について、さらに詳述する。

【００５２】エンジンブロックにねじ締めされるハウジ
ング７はダイヤフラム部１ａを構成するコップ１を介し
てステム４との間で電気的導通がとられているので、ス
テム４はエンジンブロックと導通し、よってボディアー
スとなっていることは既に述べた。このとき、図４およ
び図５に示すようにステム４の表面には小さな凹凸が存
在しており、ステム４と半導体素子３が部分接触し導通
するという可能性を含んでいる。この場合、半導体素子
３はボディアースが受ける影響を直接受けてセンサ特性
が変動してしまうので、半導体素子３の裏面全体に電気
絶縁性接着剤２２を用いて絶縁膜を形成してステム４と
半導体素子３との絶縁を行っている。

【００５３】しかしながら、裏面全体に絶縁膜を形成し
ても完全に絶縁されない場合がある。つまり、半導体素
子３の下部端面において電気絶縁性接着剤２２がこの半
導体素子３の側面まではい上がらないことがあり、よっ
て半導体素子３側面での界面リークが発生する。従っ
て、本発明においては、半導体素子３側面への電気絶縁
性接着剤２２のはい上がりを確実に行うために、加熱等
の手段により予め電気絶縁性接着剤２２の粘度を下げて
いる。こうして、図５に示すように、半導体素子３側面
を電気絶縁性接着剤２２のはい上がりで被覆し、界面リ
ークを完全に防止している。

【００５４】なお、絶縁膜の膜厚を、例えば数十μｍと
厚くすることにより、電気絶縁性接着剤２２の粘度を下
げることなく界面リークの発生は防止可能であるが、放
熱性が低下することと膜形成に要する時間が増大するこ
とを考慮すれば、電気絶縁性接着剤２２の粘度を下げる
手段を講じるのがよいことは明らかである。また、少な
くとも半導体素子３が配設される位置のステム４表面に
絶縁コーティング（図示せず）を施すことで、半導体素
子３の裏面全体に絶縁膜を形成することなくステム４と
半導体素子３との絶縁を行うこともできる。

【００５５】このようにして、ステム４と半導体素子３
とが完全に非絶縁されて、リーク電流による特性変動を
なくすことが可能となる。次に、上記図６で説明した荷
重伝達ロッド２と半導体素子３との接合状態について、
図１８（ａ）、（ｂ）、および図１９を参照して詳述す
る。通常、硬い半導体素子４５に硬い荷重伝達ロッド４
４をじかに付き当てた場合、硬い荷重伝達ロッド４４直
下で半導体素子４５上に発生する応力は荷重伝達ロッド
４４の外周部直下に集中する。このような場合は図１８
（ａ）に示すようになり、半導体素子４５強度の低下を
招く。そこで、同図（ｂ）のように荷重伝達ロッド４４
と半導体素子４５との間に応力の緩衝層として柔らかい
部材４６を挟むことで外周部の応力集中はなくなる。

【００５６】しかしながら、圧力伝達路に柔らかい部材
４６を介在させるというのは圧力伝達ロスを引き起こし
ていることに他ならないので、これに起因する半導体素
子４５の感度のばらつきを防止するために柔らかい部材
４６のバネ特性を管理する必要がある。従って、柔らか
い部材４６のバネ特性を決定する要因である弾性率や厚
さを所望の値に管理する必要がある。ところが、半導体
素子４５と荷重伝達ロッド４４との接合に使用する接着
剤はー般に液状若しくはゲル状であるので、この接着剤
の厚さを管理するのは甚だ困難である。そこで本実施例
においては、緩衝層の厚さの管理に関しては、弾性率が
小さく、かつ熱伝導度の低い樹脂またはガラス等のフィ
ルム２３に求めており、荷重伝達ロッド２の外周部直下
での応力集中を緩和して圧縮応力が所望の値になるよう
に緩衝層のバネ特性を巧く管理している。

【００５７】また、このフィルム２３に感圧素子３に接
する面積は荷重伝達ロッド２の感圧素子３への押圧面
（ゲージ部１９）の面積と略同様な大きさとする、若し
くはそれ以上とすることで、より確実に荷重伝達ロッド
２の外周部直下での応力集中を緩和することが可能とな
る。従って、荷重伝達ロッド２直下の感圧素子３表面に
おける圧縮応力の集中は回避され緩和される。

【００５８】よって、圧力集中のない状態での圧力検出
を行うことができることとなる。また、このように圧縮
応力が感圧素子３上で緩和されるために、Ｓｉ基板強度
の低下はなくなり、圧力の比較的高い場所での使用が可
能となるので、使用範囲が従来以上に広がることにな
る。ところで、本実施例における電気絶縁性接着剤２２
とフィルム２３による緩衝層は、上記のように荷重によ
り発生する応力の集中を緩和するという機能を有する
が、図１９に示すような構成を採ることも可能である。
即ち、図１９ではフィルム２３を用いず電気絶縁性接着
剤２２または低融点ガラスそのものを緩衝層として用い
ており、この場合に必要な緩衝層の厚さを確保するため
に、この電気絶縁性接着剤２２中にガラス、セラミッ
ク、樹脂等の絶縁性のあるフィラー４７を添加してい
る。

【００５９】なお、本実施例では圧力に応じた信号を出
力する装置をー例として示したが、応力の発生手段はこ
のように圧力の印加に限られる必要はなく、荷重伝達ロ
ッド２を介して感圧素子３に応力が伝達可能な荷重手
段、例えば加速度や磁力や静電気力等により荷重伝達ロ
ッド２に応力を伝達する荷重手段であっても本実施例の
要旨を逸脱するとなく実現可能であることは言うまでも
ない。

【００６０】次に、上記図８で説明した半導体素子３
に、荷重伝達ロッド２からの圧力が伝達されたときの作
用効果を詳述する。半導体素子３に作用する応力、即ち
荷重伝達ロッド２の下端直下の半導体素子３上のゲージ
部１９に配置されるブリッジ抵抗に作用する応力とし
て、荷重伝達ロッド２からの加圧方向の応力のみを考慮
すると、（１１０）面におけるピエゾ抵抗効果は、

【００６１】

【数１】

【００６２】のようになる。ここで、Ｅ〈１００〉、Ｅ
〈１１０〉は電界であり、ｉ〈１００〉、ｉ〈１１０〉
は電流密度の各結晶軸方向成分であり、ρは抵抗率であ
り、σ_ZZは半導体素子面に垂直方向（ロッドからの加圧
方向）の応力成分であり、π₁₁、π₁₂、π₄₄は結晶主軸
に対するピエゾ抵抗係数である。

【００６３】ここで、通常のＰ型Ｓｉ基板の場合、
π₁₁、π₁₂≪π₄₄となるため、〈１００〉方向に配置さ
れたー対のピエゾ抵抗素子には殆どピエゾ抵抗効果は発
生せず、〈１１０〉方向に配置された他のー対のピエゾ
抵抗素子に対して最大のピエゾ抵抗効果が得られること
になる。即ち、ρ_ZZ方向の圧縮応力により〈１１０〉方
向の抵抗が増加するのである。従って、このようなピエ
ゾ抵抗効果を最も効率よく利用するためには、〈１０
０〉、〈１１０〉方向にピエゾ抵抗素子を各々配置して
ブリッジ型に接続することが重要となる。

【００６４】そこで、本発明にあっては、ピエゾ抵抗効
果素子２５ａ〜２５ｄとして半導体素子３表面に垂直な
圧縮応力に対して抵抗値変化するπ’₁₃ゲージ抵抗を用
いており、出力端子のコンタクト電極幅（図示せず）の
影響を除去し感度を向上させている。さらに、このπ’
₁₃ゲージ抵抗にてブリッジ構成したピエゾ抵抗素子２５
ａ、〜２５ｄ総てを荷重伝達ロッド２下端直下の半導体
素子３にあるゲージ部１９内に配置しているので、感度
のばらつきが小さくでき、かつ温度特性のばらつきを小
さくすることができる。

【００６５】このときの感度に関して、本発明者らが実
施したＦＥＭの効果によれば、本実施例のブリッジ接続
のゲージ抵抗２５ａ〜２５ｄは正方形ゲージ抵抗（図示
せず）の略１．５倍の感度が得られることを確認した。
よって、感圧素子３の電極幅に関係なく、仮に荷重伝達
ロッド２による圧縮応力の作用面がずれたとしても感度
が低下せず、精度の良い温度特性を得ることが可能とな
る。

【００６６】さらに、ブリッジの温度補償用抵抗２６
ａ、２６ｂも荷重伝達ロッド２の下端の範囲内に配置さ
れていることも既に上記図８において説明した。このよ
うにゲージ抵抗および温度補償用抵抗がロッドの下端の
範囲内に配置され、さらには図８のように半導体素子３
の中央付近に配置されているのは、荷重伝達ロッド２と
の接合面における半導体素子３表面中で、この箇所が最
も温度勾配の小さい箇所として選ばれるからである。な
お、この温度補償用抵抗２６ａ、２６ｂはゲージ抵抗２
５ｃ、２５ｄと同様な結晶軸〈１００〉方向に配置され
ている。よって、温度補償用抵抗２６ａ、２６ｂの抵抗
値は応力に対して殆ど変化しないので、この抵抗に起因
して生ずる圧力による増幅率の変化を抑止することがで
きる。

【００６７】このように、各々の抵抗２５ａ〜２５ｄ、
２６ａ、２６ｂが配置されたゲージ部１９とアンプ回路
２０からなる等価回路を図２０に示す。図２０におい
て、４本のピエゾ抵抗素子２５ａ〜２５ｄがブリッジ接
続されピエゾ抵抗効果による抵抗値の変化が電圧変化と
して検出される。そして、この出力電圧をオペアンプ
（ＯＰ）で増幅する際にオペアンプ（ＯＰ）の増幅率を
温度補償抵抗２６ａ、２６ｂにより変化させて、ピエゾ
抵抗素子２５ａ〜２５ｄの温度特性による感度変化を補
償している。

【００６８】ここで、ー般に拡散抵抗の抵抗値の温度係
数およびピエゾ抵抗効果の温度係数には不純物濃度依存
性があるため、前記のような補償を行うためには各々の
抵抗２５ａ〜２５ｄ、２６ａ、２６ｂの不純物濃度を適
当な値に設定する必要がある。そこで本実施例ではー例
として、各々の抵抗２５ａ〜２５ｄ、２６ａ、２６ｂに
例えば同じ濃度の抵抗を用い、さらに温度補償抵抗２６
ａ、２６ｂと共に増幅率を決めている抵抗Ｒ１、Ｒ２に
温度係数０の抵抗を用いている。

【００６９】この回路におけるトランジスタＴｒおよび
抵抗Ｒ₄、Ｒ₅、Ｒ₆はオペアンプ（ＯＰ）の仮想ＧＮ
Ｄを設定する定電圧回路であり、抵抗Ｒ₃はオペアンプ
オフセット調整用抵抗である。そして、抵抗Ｒ₅、Ｒ₆
はウエハ上でレーザトリミングされる薄膜抵抗である。
また、アンプ（ＯＰ）を複数個使用することによって高
精度な増幅回路とすることができる。

【００７０】次に、上記図９で説明した構成からなる半
導体素子３における作用効果を詳述する。エンジンブロ
ックに点火ノイズやトランシーバー等のノイズが混入し
てきたとき、荷重伝達ロッド２が金属で構成されている
場合は電気的に導通するので、この荷重伝達ロッド２に
はこのノイズが伝わる。このとき、図９のようにピエゾ
抵抗素子２５ａ〜２５ｄ上にはＧＮＤ電位のシール膜２
８があるので、荷重伝達ロッド２とこのシール膜２８と
の間にできる寄生容量によりノイズが吸収される。これ
により、ピエゾ抵抗素子２５ａ〜２５ｄへのノイズの影
響は除去されることとなる。また、同様にステム４にも
ノイズが伝わるが、半導体素子３のＰ型Ｓｉ基板３２電
位がＧＮＤに接続されているので、ステム−ＧＮＤ間に
できる寄生容量によりノイズは吸収される。よって、同
様にピエゾ抵抗素子２５ａ〜２５ｄへのノイズの影響は
除去されることとなる。よって、ノイズによる特性変動
を抑止することが可能となる。

【００７１】そこで、図２０に示す等価回路に、さらに
上記寄生容量をも考慮した等価回路を表すと図２１のよ
うになる。図２１において、Ｃ₁、Ｃ₂、Ｃ₃はリード
６Ａ、６Ｂ、６Ｃからなる信号線１８ａ、１８ｂ、１８
ｃとステム４との間の絶縁部材４ｂによりできる上記寄
生容量である。このとき、それぞれのリード６Ａ、６
Ｂ、６Ｃはゲージ出力をオペアンプ（ＯＰ）またはトラ
ンジスタ（Ｔｒ）にてインピーダンス変換した出力端子
であり、各信号線ともそのインピーダンスは１Ω以下で
あるのでノイズの影響を受けることはない。また、出力
信号に影響しない調整用端子（図示せず）を追加した
り、さらに、図示はしないが電源−ＧＮＤ間、出力−Ｇ
ＮＤ間に容量をつけても同様にノイズの影響を防止する
ことができる。

【００７２】Ｃ₄はステム４とＰ型Ｓｉ基板３２との間
の電気絶縁性接着剤２２と電気絶縁膜２１によりできる
寄生容量であり、これはＧＮＤ線に接続されているので
ピエゾ抵抗素子２５ａ〜２５ｄへのノイズの影響は除去
される。また、Ｃ₆〜Ｃ₉はピエゾ抵抗素子２５ａ〜２
５ｄとシール膜２８との間にできる寄生容量、Ｃ₅はシ
ール膜２８と荷重伝達ロッド３との間にできる寄生容量
であり、このシール膜２８が低インピーダンスの信号
線、即ちＧＮＤに接続されているのでピエゾ抵抗素子２
５ａ〜２５ｄへのノイズの影響は除去される。

【００７３】なお、本実施例では荷重伝達ロッド２は導
電性の部材により構成しているためゲージ抵抗２５ａ〜
２５ｄ上に絶縁膜３０ａ、３０ｂを介してＡｌシール膜
２８を設けているが、絶縁性の部材からなる荷重伝達ロ
ッド２を用いればシール膜２８の必要はなくなる。ま
た、図示はしないが、上記のようなシール膜２８を用い
ないで、ゲージ抵抗２５ａ〜２５ｄ上の絶縁性の接着剤
２２を厚くしてブリッジの出力端子Ｉ−ＧＮＤ間および
ブリッジの出力端子Ｊ−ＧＮＤ間に容量をつけてもよ
い。

【００７４】次に、ブリッジ出力Ｖ_I、Ｖ_Jのばらつき
を調整しながら組付ける本実施例の製造方法について図
２２、図２３を参照して詳述する。図２２は、製品毎に
プリセット荷重を設定する組付け装置の全体概略図であ
る。図２２において、半導体素子３、ステム４、および
ボンディングワイヤ１６からなるセンサユニット４８は
保持用治具４９にセットされ、さらにリード６Ａ、６
Ｂ、６Ｃは信号取り出し用のソケット５０に挿入されて
いる。そして、リード６Ａに製品電源線５１が接続さ
れ、リード６Ｂに製品ＧＮＤ線５２が接続され、リード
６Ｃに製品出力信号線５３が接続され、各々が制御ユニ
ット５４に接続されている。制御ユニット５４内には、
製品駆動用電源５５の電圧と基準電圧５６と製品出力信
号線５３からの入力電圧とを比較して荷重調整信号５８
を出力する比較器５７が備えられている。制御ユニット
５４から荷重調整信号５８が出力されると、荷重発生器
５９はこれを受けて荷重を発生し、この荷重をプリセッ
ト荷重印加治具６０に伝える。そして、プリセット荷重
印加治具６０はコップ１に設けられているダイヤフラム
部１ａにセットされており、コップ１は荷重伝達ロッド
２と共にセンサユニット４８と同軸にセットされてい
る。このように、プリセット荷重印加治具６０、ダイヤ
フラム部１ａおよびコップ１、荷重伝達ロッド２、セン
サユニット４８、保持用治具４９、ソケット５０は総て
同軸上に配置されている。

【００７５】このような構成の組付け装置によれば、図
２０のように構成される半導体素子３のウエハ上で抵抗
Ｒ₃は調整され、オペアンプ（ＯＰ）のオフセット電圧
は０Ｖとなる。また、ゲージ出力△Ｖ_G＝０Ｖ時に抵抗
Ｒ₆が０点電圧（例えば１．２Ｖ）になるように調整さ
れる。このときゲージオフセット電圧は負電圧（例えば
−６０ｍＶ）に設定されている。この状態でのゲージ出
力△Ｖ_Gとプリセット荷重Ｆとの関係は図２３のように
なる。

【００７６】図２３において、プリセット荷重印加治具
６０をダイヤフラム部１ａにセットする前のゲージ出力
△Ｖ_Gにばらつきがあり、例えばサンプルγとサンプル
δのような値を示す場合、センサ出力が０点電圧になる
ようにサンプルγに対してはプリセット荷重γ’を印加
し、サンプルδに対してはプリセット荷重δ’を印加す
ることでゲージ出力△Ｖ_Gを０Ｖとしている。このよう
にゲージオフセット電圧がばらついていても常にゲージ
オフセット電圧は０Ｖにできるので、電源ノイズの影響
を受けることはない。

【００７７】このように、ブリッジ回路の出力が０Ｖに
なるように荷重を感圧素子３に作用させて、この出力を
維持させれば、センサ出力の０点電圧のばらつきが防止
可能となる。よって、荷重発生器５９でー定のプリセッ
ト荷重Ｆを製品にかけた状態を保持しつつ、上記同軸上
に配置した各々の部材を回転軸６１を中心に同時に回転
させながらレーザ光を図２に示すＢ部に照射させてステ
ム４とコップ１とを全周溶接しているので、ブリッジ出
力Ｖ_I、Ｖ_Jのばらつきが調整された製品を得ることが
できるのである。

【００７８】また、制御ユニット５４における制御をパ
ソコン等を用いてソフト的に実施することもできる。ま
た、制御ユニット５４の機能にレーザ制御および回転制
御を加えることにより、オートマチックに全自動化が可
能となる。なお、本発明の圧力検出装置にあっては各箇
所に様々な工夫を凝らしているが、その趣旨を逸脱しな
い範囲において種々の変形が可能であることは言うまで
もない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧力検出装置の全体概略断面図であ
る。

【図２】本発明のハウジング先端部の要部拡大図であ
る。

【図３】本発明のステム平面を示す要部拡大図である。

【図４】本発明の半導体素子とステムとの接合状態を示
す部分拡大図である。

【図５】本発明の半導体素子とステムとの端面の接合状
態を示す部分拡大図である。

【図６】本発明の荷重伝達ロッドと半導体素子との端面
の接合状態を示す部分拡大図である。

【図７】本発明の半導体素子の製造工程を示す図であ
り、（ａ）は表面ゲージ形成、（ｂ）は裏面研磨、
（ｃ）は絶縁膜形成、（ｄ）はカットである。

【図８】本発明の半導体素子の平面拡大図である。

【図９】本発明の図８におけるＡ−Ａ断面を示し、かつ
荷重伝達ロッドおよびステムとの接合状態を表した要部
拡大図である。

【図１０】Ｐ型Ｓｉ（１１０）面における圧縮応力に対
する抵抗値変化量を各方向毎に示した図である。

【図１１】本発明のダイヤフラム部の要部拡大図であ
る。

【図１２】図１１における平面図である。

【図１３】本実施例のダイヤフラム部の他の要部拡大図
である。

【図１４】本発明のダイヤフラム部を構成するコップの
他の実施例を示す図である。

【図１５】本発明のダイヤフラム部を構成するコップの
さらに他の実施例を示す図である。

【図１６】本発明のダイヤフラム部を構成するコップの
さらに他の実施例を示す図である。

【図１７】本発明のダイヤフラム部を構成するコップの
さらに他の実施例を示す図である。

【図１８】ロッドの外周部直下の圧縮応力の状態を示す
図であり、（ａ）は緩衝層なし、（ｂ）は緩衝層ありの
場合である。

【図１９】本発明の緩衝層の他の実施例を示す図であ
る。

【図２０】本発明のゲージ部とアンプ回路から構成され
る等価回路である。

【図２１】図２０に寄生容量を考慮した場合の等価回路
である。

【図２２】本発明のプリセット荷重を設定する組付け装
置の全体概略図である。

【図２３】ゲージ出力△Ｖ_Gと印加荷重Ｆの関係を示す
図である。

【図２４】従来の圧力検出装置の説明図である。

【図２５】従来の他の圧力検出装置の説明図である。

【図２６】図２５におけるＧ部の部分拡大図である。

【符号の説明】

１ａ、３３、３６、３９、４２ダイヤフラム部１ｂへこみ部２荷重伝達ロッド（圧力伝達部材）３半導体素子（感圧素子）４ステム６Ａ、６Ｂ、６Ｃリード（信号伝達媒体）７ハウジング１１スペーサ１４ケース１８ａ、１８ｂ、１８ｃＡｌ電極パッド１９ゲージ部２０アンプ回路２１電気絶縁膜２２電気絶縁性接着剤２３フイルム（緩衝部材）２５ａ、２５ｂ、２５ｂ、２５ｄピエゾ抵抗素子（ゲ
ージ抵抗）２６ａ、２６ｂ温度補償用抵抗２８シール膜（シール部材）４８センサユニット４９保持用治具５４制御ユニット５９荷重発生器６０プリセット荷重印加治具６１回転軸

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ゲージ抵抗を有し、圧力に応じた信号を
出力する感圧素子と、該感圧素子に圧力を伝達する圧力伝達部材とを備え、前
記感圧素子のゲージ抵抗を有する面上に前記圧力伝達部
材を設置してなる圧力検出装置であって、前記感圧素子を前記圧力伝達部材が押圧する該感圧素子
の押圧面内に前記ゲージ抵抗が収まることを特徴とする
圧力検出装置。
【請求項２】半導体基板からなり、少なくとも４個の
ゲージ抵抗を有し、圧力に応じた信号を出力する感圧素
子と、該感圧素子に圧力を伝達する圧力伝達部材とを備え、前
記感圧素子のゲージ抵抗を有する面上に前記圧力伝達部
材を設置してなる圧力検出装置であって、前記感圧素子の面方位を（１１０）面とし、結晶軸〈１
１０〉方向にー対の前記ゲージ抵抗を配置するとともに
結晶軸〈１００〉方向に他のー対の前記ゲージ抵抗を配
置し互いに接続してブリッジ回路を構成し、少なくとも
前記感圧素子を前記圧力伝達部材が押圧する該感圧素子
の押圧面内に前記ブリッジ回路が収まることを特徴とす
る圧力検出装置。
【請求項３】半導体基板からなり、少なくとも４個の
ゲージ抵抗を有し、圧力に応じた信号を出力する感圧素
子と、該感圧素子に圧力を伝達する圧力伝達部材と、温度に応じて抵抗値変化する温度補償抵抗とを備え、前
記感圧素子のゲージ抵抗を有する面上に前記圧力伝達部
材を設置してなる圧力検出装置であって、前記感圧素子の面方位を（１１０）面とし、結晶軸〈１
１０〉方向にー対の前記ゲージ抵抗を配置するとともに
結晶軸〈１００〉方向に他のー対の前記ゲージ抵抗を配
置し互いに接続してブリッジ回路を構成し、さらに結晶
軸〈１００〉方向に前記温度補償抵抗を配置し、少なく
とも前記感圧素子を前記圧力伝達部材が押圧する該感圧
素子の押圧面内に前記温度補償抵抗および前記ブリッジ
回路が収まることを特徴とする圧力検出装置。
【請求項４】ゲージ抵抗を有し、圧力に応じた信号を
出力する感圧素子と、該感圧素子のゲージ抵抗を有する面に配置し、該感圧素
子に圧力を伝達する圧力伝達部材と、前記感圧素子を着設する導電性のステムと、該ステムを保持する導電性のハウジングとを備えてなる
圧力検出装置であって、前記感圧素子を前記圧力伝達部材が押圧する該感圧素子
の押圧面内に前記ゲージ抵抗が収まり、該感圧素子の押
圧面に対向する面に絶縁膜を設けて該感圧素子を前記ス
テムに絶縁性の接着剤にて着設することを特徴とする圧
力検出装置。
【請求項５】ゲージ抵抗を有する半導体基板からな
り、圧力に応じた信号を出力する感圧素子と、該感圧素子のゲージ抵抗を有する面に配置し、該感圧素
子に圧力を伝達する圧力伝達部材と、前記感圧素子を着設する導電性のステムと、該ステムに嵌挿してハーメチックシールし、前記感圧素
子と外部との間の信号の授受を行う信号伝達媒体と、前記圧力伝達部材と前記ステムとを保持する導電性のハ
ウジングとを備えてなる圧力検出装置であって、前記感圧素子を前記圧力伝達部材が押圧する該感圧素子
の押圧面内に前記ゲージ抵抗を収め、前記信号伝達媒体
をゲージ出力をインピーダンス変換した信号伝達媒体と
し、該感圧素子の押圧面に対向する面に絶縁膜を設ける
とともに前記半導体基板を接地しこの感圧素子を前記ス
テムに絶縁性の接着剤にて着設し、前記感圧素子のゲー
ジ抵抗上に絶縁膜を介して導電性のシール部材を設ける
とともに該シール部材を接地しこのシール部材上に前記
圧力伝達部材を絶縁性の接着剤にて着設することを特徴
とする圧力検出装置。
【請求項６】前記接着剤は前記感圧素子の下部端面に
おいて該感圧素子側面へはい上がっていることを特徴と
する請求項４または５に記載の圧力検出装置。
【請求項７】前記半導体基板を電源に接続することを
特徴とする請求項５または６に記載の圧力検出装置。
【請求項８】前記ゲージ抵抗を前記圧力伝達部材下端
直下の前記感圧素子表面における押圧面中央部に配置す
ることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の
圧力検出装置。
【請求項９】前記ゲージ抵抗および前記温度補償抵抗
を前記圧力伝達部材下端直下の前記感圧素子表面におけ
る押圧面中央部に配置することを特徴とする請求項３記
載の圧力検出装置。