JPH0744027Y2 - 半導体圧力センサ - Google Patents
半導体圧力センサInfo
- Publication number
- JPH0744027Y2 JPH0744027Y2 JP1987145863U JP14586387U JPH0744027Y2 JP H0744027 Y2 JPH0744027 Y2 JP H0744027Y2 JP 1987145863 U JP1987145863 U JP 1987145863U JP 14586387 U JP14586387 U JP 14586387U JP H0744027 Y2 JPH0744027 Y2 JP H0744027Y2
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- Japan
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- gauge
- pressure
- shear type
- strain
- shear
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- Pressure Sensors (AREA)
Description
【考案の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本考案は、シリコンなどの半導体単結晶の持つピエゾ抵
抗効果を利用して圧力を電気信号に変換する半導体圧力
センサに係り、特にその非直線性を改良した半導体圧力
センサに関する。
抗効果を利用して圧力を電気信号に変換する半導体圧力
センサに係り、特にその非直線性を改良した半導体圧力
センサに関する。
〈従来の技術〉 第４図は従来の半導体圧力センサの構成を示す構成図で
ある。
ある。
第４図（イ）は圧力センサの平面図、（ロ）は圧力セン
サの横断面図を示す。１はｎ形のシリコン単結晶で作ら
れたダイヤフラムであり、凹部２を有し更に凹部２の形
成により単結晶の厚さの薄くなった起歪部３とその周辺
の固定部４とを有している。
サの横断面図を示す。１はｎ形のシリコン単結晶で作ら
れたダイヤフラムであり、凹部２を有し更に凹部２の形
成により単結晶の厚さの薄くなった起歪部３とその周辺
の固定部４とを有している。
固定部４はその下端が連通孔５を有する基板６にガラス
薄膜７を介して陽極接合などにより固定されている。
薄膜７を介して陽極接合などにより固定されている。
起歪部３は単結晶の（100）面とされ、その上にはその
中心を通る結晶軸〈001〉方向で起歪部３と固定部４と
の境界付近にピエゾ抵抗素子としての剪断形ゲージ８が
不純物の拡散により伝導形がＰ形として形成されてい
る。
中心を通る結晶軸〈001〉方向で起歪部３と固定部４と
の境界付近にピエゾ抵抗素子としての剪断形ゲージ８が
不純物の拡散により伝導形がＰ形として形成されてい
る。
第４図（ハ）に剪断形ゲージ８の構成を拡大して示す。
図に示す剪断形ゲージ８はゲージ長がｌでゲージ幅がｗ
であり、この剪断形ゲージ８の長さ方向に電源端９、10
が形成されここに電圧が印加される。測定圧力Ｐがダイ
ヤフラム１に与えられると、これによって生じた剪断応
力τに対応した電圧がゲージ長ｌのほぼ中央に形成され
た出力端11、12に得られる。しかし、電源端９、10間の
抵抗は測定圧力Ｐにより変化を受けることはない。
図に示す剪断形ゲージ８はゲージ長がｌでゲージ幅がｗ
であり、この剪断形ゲージ８の長さ方向に電源端９、10
が形成されここに電圧が印加される。測定圧力Ｐがダイ
ヤフラム１に与えられると、これによって生じた剪断応
力τに対応した電圧がゲージ長ｌのほぼ中央に形成され
た出力端11、12に得られる。しかし、電源端９、10間の
抵抗は測定圧力Ｐにより変化を受けることはない。
そして、図示しない変換部から電源端９、10に電圧を供
給し、出力端11、12から測定圧力Ｐに対応した出力電圧
Voを得る。変換部はこの出力電圧Voに対して必要な信号
処理をして対応する信号電圧を出力する。
給し、出力端11、12から測定圧力Ｐに対応した出力電圧
Voを得る。変換部はこの出力電圧Voに対して必要な信号
処理をして対応する信号電圧を出力する。
〈考案が解決しようとする問題点〉 しかしながら、この様な従来の半導体圧力センサでは、
以下に説明するような問題点がある。
以下に説明するような問題点がある。
この半導体圧力センサの測定圧力Ｐに対する出力電圧Vo
は第５図に示す様に直線的な変化をせず、中央部でΔな
る偏差を持つ湾曲した非直線特性を示す。このため、種
々の補償手段、例えば変換器の信号出力を入力側に所
定の帰還をして出力電圧を直線化する、静圧センサを
設けてこの静圧信号で信号電圧を直線化する、などの手
段を講じて直線特性を得ている。
は第５図に示す様に直線的な変化をせず、中央部でΔな
る偏差を持つ湾曲した非直線特性を示す。このため、種
々の補償手段、例えば変換器の信号出力を入力側に所
定の帰還をして出力電圧を直線化する、静圧センサを
設けてこの静圧信号で信号電圧を直線化する、などの手
段を講じて直線特性を得ている。
しかしながら、この様な手段では変換器の回路構成が複
雑となり、更にそれぞれのレンジ毎に補償をしなければ
ならないのでコストが高くなり、またセンサ自体の直線
性をある程度まで小さくしておかないと十分な直線性の
補償ができないという問題がある。
雑となり、更にそれぞれのレンジ毎に補償をしなければ
ならないのでコストが高くなり、またセンサ自体の直線
性をある程度まで小さくしておかないと十分な直線性の
補償ができないという問題がある。
〈問題点を解決するための手段〉 この考案は以上の問題点を解決するために、第１面を掘
って作られた第１起歪部の凸面側に形成された第１剪断
形ゲージと前記第１面とは反対側の面を掘って作られた
第２起歪部の凸面側に形成された第２剪断形ゲージとを
有するシリコンチップと、前記第１起歪部の凸面側と前
記第２起歪部の凹面側に測定圧力を印加する圧力印加手
段と、前記第１剪断形ゲージと前記第２剪断形ゲージの
各出力端に発生する電圧を単純加算して前記測定圧力に
対応する出力信号を出す加算手段とを具備するようにし
たものである。
って作られた第１起歪部の凸面側に形成された第１剪断
形ゲージと前記第１面とは反対側の面を掘って作られた
第２起歪部の凸面側に形成された第２剪断形ゲージとを
有するシリコンチップと、前記第１起歪部の凸面側と前
記第２起歪部の凹面側に測定圧力を印加する圧力印加手
段と、前記第１剪断形ゲージと前記第２剪断形ゲージの
各出力端に発生する電圧を単純加算して前記測定圧力に
対応する出力信号を出す加算手段とを具備するようにし
たものである。
〈作用〉 同一方向からの測定圧力に対して第１起歪部に形成され
た第１ピエゾゲージの圧力特性と同じ圧力特性を持つ第
２起歪部の第２ピエゾゲージに対してそれぞれ第１起歪
部の凸面側と第２起歪部の凹面側に測定圧力を印加し
て、各ピエゾゲージの出力を加算することによって測定
圧力対出力信号の非直線特性が補償される。
た第１ピエゾゲージの圧力特性と同じ圧力特性を持つ第
２起歪部の第２ピエゾゲージに対してそれぞれ第１起歪
部の凸面側と第２起歪部の凹面側に測定圧力を印加し
て、各ピエゾゲージの出力を加算することによって測定
圧力対出力信号の非直線特性が補償される。
〈実施例〉 以下、本考案の実施例について図面に基づいて説明す
る。第１図は本考案の１実施例の構成を示す縦断面図で
ある。
る。第１図は本考案の１実施例の構成を示す縦断面図で
ある。
13は金属製の有底円筒であり、その上部は開放され底部
14の中央には開放孔15が穿設されている。有底円筒13の
内部の中央付近には、測定圧力に応答するセンサチップ
16が搭載された円筒状の金属製の基板17が、その周囲を
有底円筒13の側面と気密を保って、上から挿入固定され
ている。さらに有底円筒13の上端は金属製の円形状の閉
塞板18で気密を保って閉塞されている。
14の中央には開放孔15が穿設されている。有底円筒13の
内部の中央付近には、測定圧力に応答するセンサチップ
16が搭載された円筒状の金属製の基板17が、その周囲を
有底円筒13の側面と気密を保って、上から挿入固定され
ている。さらに有底円筒13の上端は金属製の円形状の閉
塞板18で気密を保って閉塞されている。
閉塞板18はその円形の中央部に貫通孔19が開けられ、そ
の周囲から中央部に向かって球面の一部を成して凹むよ
うに形成されている。閉塞板18の外周縁部はその断面が
波形に形成され測定圧力を受ける金属製の受圧膜20で気
密を保って固定されている。
の周囲から中央部に向かって球面の一部を成して凹むよ
うに形成されている。閉塞板18の外周縁部はその断面が
波形に形成され測定圧力を受ける金属製の受圧膜20で気
密を保って固定されている。
基板17と底部14との間にはセンサチップ16からの圧力信
号が導入され所定の信号処理をする信号処理回路を持つ
変換部21が内蔵されている。
号が導入され所定の信号処理をする信号処理回路を持つ
変換部21が内蔵されている。
基板17は中央部付近にその表裏に貫通する貫通孔22が穿
設され、また基板17の上面側には凹部23が形成されこの
部分に上下に貫通する貫通孔24が穿設されている。さら
に、基板17の周辺部には上下に貫通し気密が保たれたハ
ーメチックシール部25が形成されている。
設され、また基板17の上面側には凹部23が形成されこの
部分に上下に貫通する貫通孔24が穿設されている。さら
に、基板17の周辺部には上下に貫通し気密が保たれたハ
ーメチックシール部25が形成されている。
センサチップ16の詳細な構成とその製造方法については
後述するが、以下にその概要を説明する。センサチップ
16はシリコンで出来ておりその外形は矩形状を成し、そ
の上部には円柱状の凹部26が、下部にも円柱状の凹部27
がそれぞれ形成され、これ等の凹部26と27の反対側の外
面にはゲージ28、29がそれぞれ形成されている。凹部26
の反対側のゲージ27の形成されている外面は基板17の凹
部23に対向配置され、その周縁は基板17に気密を保って
接着され開放孔15からの圧力が導入されている。また、
凹部27は基板17の貫通孔22に対向して配置され、その周
縁は基板17に気密を保って接着固定され開放孔15からの
圧力が導入されている。センサチップ16と受圧膜20との
間には非圧縮性のシリコンオイル30が封入されている。
従って、ケージ29の形成されているセンサチップ16の外
面と凹部26には測定圧力Ｐがシリコンオイル30を介して
印加されている。
後述するが、以下にその概要を説明する。センサチップ
16はシリコンで出来ておりその外形は矩形状を成し、そ
の上部には円柱状の凹部26が、下部にも円柱状の凹部27
がそれぞれ形成され、これ等の凹部26と27の反対側の外
面にはゲージ28、29がそれぞれ形成されている。凹部26
の反対側のゲージ27の形成されている外面は基板17の凹
部23に対向配置され、その周縁は基板17に気密を保って
接着され開放孔15からの圧力が導入されている。また、
凹部27は基板17の貫通孔22に対向して配置され、その周
縁は基板17に気密を保って接着固定され開放孔15からの
圧力が導入されている。センサチップ16と受圧膜20との
間には非圧縮性のシリコンオイル30が封入されている。
従って、ケージ29の形成されているセンサチップ16の外
面と凹部26には測定圧力Ｐがシリコンオイル30を介して
印加されている。
ゲージ29からはハーメチック部25を介して変換部21に、
ゲージ28からは貫通孔24を介して変換部21にそれぞれリ
ード線により接続されている。
ゲージ28からは貫通孔24を介して変換部21にそれぞれリ
ード線により接続されている。
第２図は第１図に示すセンサチップ16を製造するための
工程の概要を示す工程図である。
工程の概要を示す工程図である。
第２図（イ）はセンサチップを作るためのベースとなる
シリコンウエハ31を示している。このシリコンウエハ31
の表面の所定の上下位置に第４図（ハ）に示すような剪
断形のゲージ８に対応する剪断形のゲージ28、29を、例
えばイオン注入法などにより、形成する。
シリコンウエハ31を示している。このシリコンウエハ31
の表面の所定の上下位置に第４図（ハ）に示すような剪
断形のゲージ８に対応する剪断形のゲージ28、29を、例
えばイオン注入法などにより、形成する。
この後、工程（ハ）によりゲージ28、29を覆い、さらに
凹部26、27をエッチングで形成させるために窒化膜（S
N）32、〜35で所定の範囲をマスキングした後、エッチ
ング液の中に浸積して等方性エッチングを行い、凹部2
6、27を形成する。この結果、凹部26とゲージ28が形成
される下面との間には薄肉の起歪部36が、凹部27とゲー
ジ29が形成される下面との間には薄肉の起歪部37がそれ
ぞれ形成される。
凹部26、27をエッチングで形成させるために窒化膜（S
N）32、〜35で所定の範囲をマスキングした後、エッチ
ング液の中に浸積して等方性エッチングを行い、凹部2
6、27を形成する。この結果、凹部26とゲージ28が形成
される下面との間には薄肉の起歪部36が、凹部27とゲー
ジ29が形成される下面との間には薄肉の起歪部37がそれ
ぞれ形成される。
第２図（ホ）の工程では窒化膜32〜35を除去して上下面
にパシベーション膜38、39を形成させてセンサチップ16
を作る。
にパシベーション膜38、39を形成させてセンサチップ16
を作る。
第２図（ヘ）はハーメチック部25、貫通孔22、25、およ
び凹部23が固定された基板17の構成を示している。
び凹部23が固定された基板17の構成を示している。
第２図（ト）に示す工程はこの基板17に第２図（ホ）で
作られたセンサチップ16を第１図に示す配置で固定して
基板組立をする工程である。
作られたセンサチップ16を第１図に示す配置で固定して
基板組立をする工程である。
以上のようにして組み立てられた基板組立部40は第１図
に示す有底円筒13の内部に挿入されてその周縁部が有底
円筒13の内面に気密に固定される。
に示す有底円筒13の内部に挿入されてその周縁部が有底
円筒13の内面に気密に固定される。
次に、以上のように構成された半導体圧力センサの動作
について第３図を参照して説明する。
について第３図を参照して説明する。
第３図おいて横軸には測定圧力Ｐが、縦軸には剪断形ゲ
ージ28、29の出力電圧が取られ、理想的な入出力特性V
00と共に各剪断形ゲージの測定圧力に対する出力電圧V
02、V01の特性が描かれている。
ージ28、29の出力電圧が取られ、理想的な入出力特性V
00と共に各剪断形ゲージの測定圧力に対する出力電圧V
02、V01の特性が描かれている。
実験の結果によれば、ゲージ面側に測定圧力Ｐが印加さ
れる剪断形のゲージ29の出力電圧V01は理想的な入出力
特性V00に対して上側に湾曲した特性を示し、凹部26側
に測定圧力Ｐが印加される剪断形のゲージ28の出力電圧
V02は理想的な入出力特性V00に対して下側に湾曲する特
性を示している。
れる剪断形のゲージ29の出力電圧V01は理想的な入出力
特性V00に対して上側に湾曲した特性を示し、凹部26側
に測定圧力Ｐが印加される剪断形のゲージ28の出力電圧
V02は理想的な入出力特性V00に対して下側に湾曲する特
性を示している。
この関係を実験式から求めると次の式を得る。
V01＝AP（Ｐ−Ps）＋BP …（１） V02＝−AP（Ｐ−Ps）＋BP …（２） V00＝BP …（３） 但し、Psは100％の出力電圧に相当する測定圧力であ
り、Ａ、Ｂは定数である。
り、Ａ、Ｂは定数である。
（１）、（２）式において右辺第１項のAP（Ｐ−Ps）は
非直線性成分を表しており、これはピエゾ抵抗係数πの
非直線性とバルーン効果によるものである。そして、こ
の両者の非直線性の向きは剪断形のゲージに作用してい
る応力の方向で決定される。第１図に示す実施例ではセ
ンサチップ16の剪断形ゲージ29に引張応力が働いている
ときは剪断形ゲージ28には圧縮応力が働く関係となって
いる。
非直線性成分を表しており、これはピエゾ抵抗係数πの
非直線性とバルーン効果によるものである。そして、こ
の両者の非直線性の向きは剪断形のゲージに作用してい
る応力の方向で決定される。第１図に示す実施例ではセ
ンサチップ16の剪断形ゲージ29に引張応力が働いている
ときは剪断形ゲージ28には圧縮応力が働く関係となって
いる。
従って、剪断形ゲージ29の出力電圧V01と剪断形ゲージ2
8の出力電圧V02とを（１）式および（２）式を用いて、
例えば変換部21で加算すると V01＋V02＝2BP …（３） となり、（３）式で示す理想的な直線特性を得ることが
できる。
8の出力電圧V02とを（１）式および（２）式を用いて、
例えば変換部21で加算すると V01＋V02＝2BP …（３） となり、（３）式で示す理想的な直線特性を得ることが
できる。
なお、これまでの説明ではセンサチップ16と基板17との
接合に際しては接着剤を介して接合するものとしたが、
ガラスを用いて例えば陽極接合しても良い。
接合に際しては接着剤を介して接合するものとしたが、
ガラスを用いて例えば陽極接合しても良い。
さらに、これまでの説明ではセンサチップの外形を円形
として説明したが、これは矩形などその他の形状でも良
い。
として説明したが、これは矩形などその他の形状でも良
い。
〈考案の効果〉 以上、実施例と共に具体的に説明したように、本考案に
よれば、同一のシリコンチップの表裏に第１起歪部と第
２起歪部を形成し、これらの起歪部の凸面側にそれぞれ
第１剪断形ゲージと第２剪断形ゲージとを形成する構成
としたので、物性的に同一であり、同一方向からの測定
圧力に対して第１剪断形ゲージの圧力特性と同じ圧力特
性を持つ第２剪断形ゲージを得ることができる。つま
り、バラツキのない均質な非直線補正が可能となり、高
精度の補正が可能である。
よれば、同一のシリコンチップの表裏に第１起歪部と第
２起歪部を形成し、これらの起歪部の凸面側にそれぞれ
第１剪断形ゲージと第２剪断形ゲージとを形成する構成
としたので、物性的に同一であり、同一方向からの測定
圧力に対して第１剪断形ゲージの圧力特性と同じ圧力特
性を持つ第２剪断形ゲージを得ることができる。つま
り、バラツキのない均質な非直線補正が可能となり、高
精度の補正が可能である。
また、これらの剪断形ゲージに発生する電圧を単に加算
するだけ非直線補正が可能であり、補償のための他の回
路素子を必要としないので、各剪断形ゲージの有する非
直線性を簡単な構成で極めて良好に補正することが可能
となる。
するだけ非直線補正が可能であり、補償のための他の回
路素子を必要としないので、各剪断形ゲージの有する非
直線性を簡単な構成で極めて良好に補正することが可能
となる。
第１図は本考案の１実施例の構成を示す縦断面図、第２
図は第１図における主要部を作る工程を示す工程図、第
３図は本考案の効果を説明する圧力特性を示す特性図、
第４図は従来の半導体圧力センサの構成を示す構成図、
第５図は第４図に示す半導体圧力センサの問題点を説明
する特性図である。 １……ダイヤフラム、２……凹部、３、36、37……起歪
部、８……剪断形ゲージ、13……有底円筒、16……セン
サチップ、17……基板、20……受圧板、21……変換部、
23、26、27……凹部、28、29……ゲージ、31……シリコ
ンウエハ
図は第１図における主要部を作る工程を示す工程図、第
３図は本考案の効果を説明する圧力特性を示す特性図、
第４図は従来の半導体圧力センサの構成を示す構成図、
第５図は第４図に示す半導体圧力センサの問題点を説明
する特性図である。 １……ダイヤフラム、２……凹部、３、36、37……起歪
部、８……剪断形ゲージ、13……有底円筒、16……セン
サチップ、17……基板、20……受圧板、21……変換部、
23、26、27……凹部、28、29……ゲージ、31……シリコ
ンウエハ
Claims (1)
- 【請求項１】第１面を掘って作られた第１起歪部の凸面
側に形成された第１剪断形ゲージと前記第１面とは反対
側の面を掘って作られた第２起歪部の凸面側に形成され
た第２剪断形ゲージとを有するシリコンチップと、前記
第１起歪部の凸面側と前記第２起歪部の凹面側に測定圧
力を印加する圧力印加手段と、前記第１剪断形ゲージと
前記第２剪断形ゲージの各出力端に発生する電圧を単純
加算して前記測定圧力に対応する出力信号を出す加算手
段とを具備することを特徴とする半導体圧力センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1987145863U JPH0744027Y2 (ja) | 1987-09-24 | 1987-09-24 | 半導体圧力センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1987145863U JPH0744027Y2 (ja) | 1987-09-24 | 1987-09-24 | 半導体圧力センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6450454U JPS6450454U (ja) | 1989-03-29 |
| JPH0744027Y2 true JPH0744027Y2 (ja) | 1995-10-09 |
Family
ID=31414826
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1987145863U Expired - Lifetime JPH0744027Y2 (ja) | 1987-09-24 | 1987-09-24 | 半導体圧力センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0744027Y2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102008043644A1 (de) * | 2008-11-11 | 2010-05-12 | Robert Bosch Gmbh | Drucksensor |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5515650A (en) * | 1978-07-19 | 1980-02-02 | Sankei Sangyo Kk | Oil treating apparatus |
-
1987
- 1987-09-24 JP JP1987145863U patent/JPH0744027Y2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6450454U (ja) | 1989-03-29 |
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