JPH0875581A - 半導体圧力変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ゲージのリードを短縮化させることができ、
半導体基板とリードとの熱膨張係数および強度の相違に
起因するダイヤフラム部の不均一な変形を極力小ならし
め、測定精度を向上させる。 【構成】 半導体圧力センサ９の上方にボード４１を配
設する。ボード４１には差圧検出用ゲージ１２、温度補
償用ゲージ１７および静圧検出用ゲージ３１の接続回路
４２と、各ゲージ１２，１７，３１の端子部１５，１
９，３３に対応する複数のリード線通過孔４３が形成さ
れている。接続回路４２と各ゲージ１２，１７，３１の
端子部とは、通過孔４３に挿通されるリード線４６によ
ってそれぞれ接続され、さらに各接続回路４２はリード
線１６によって導電ピン６に接続される。このため、半
導体圧力センサ９側ではゲージ１２，３１をホイールス
トーンブリッジに結線する必要がなく、そのリード線１
３，３２を短縮化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は差圧または圧力を検出す
る半導体圧力変換器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の半導体圧力変換器として
は半導体圧力センサを利用したものが知られている
（例：実開昭５９−１３５６５４号公報等）。半導体圧
力センサは、半導体基板の表面に不純物の拡散もしくは
イオン打ち込み技術によりピエゾ抵抗領域として作用す
るゲージを形成すると共に、Ａｌの蒸着等によりリード
を形成し、裏面の一部をエッチングによって除去するこ
とにより厚さ２０μｍ〜５０μｍ程度の薄肉部、すなわ
ちダイヤフラムを形成して構成したもので、ダイヤフラ
ムの表裏面に測定圧力をそれぞれ加えると、ダイヤフラ
ムの変形に伴いゲージの比抵抗が変化し、この時の抵抗
変化に伴う出力電圧を検出し、差圧または圧力を測定す
るものである。

【０００３】また、最近では温度や静圧により生じるセ
ンサの零点変化を防止するため、静圧および温度を検出
し、これらの検出信号により差圧または圧力信号を補正
することにより、差圧または圧力をより高精度に測定し
得るようにした複合機能型半導体圧力センサも知られて
いる（例：特開平４−１１３２３９号公報）。特に、温
度補償は、半導体基板の不純物濃度が低くなるとピエゾ
抵抗係数の温度依存性が大きくなることから重要であ
る。

【０００４】図３および図４はこのような複合機能型半
導体圧力センサを備えた半導体圧力変換器の従来例を示
す平面図および断面図である。この半導体圧力変換器
は、支持台１上にガラスチューブ２を設置し、さらにそ
の上に半導体圧力センサ３を設置して構成したものであ
る。支持台１はステンレス、コバール等によって形成さ
れ、中心に嵌合孔４を有し、また外周寄りには導電路を
形成する複数本の導電ピン６が気密端子５を介して貫通
立設されている。ガラスチューブ２は半導体圧力センサ
３と熱膨張係数が近似したパイレックスガラス、セラミ
ックス等によって形成されて支持台１上にろう材７によ
って接合固定されており、中心には圧力導入孔８が貫通
形成されている。

【０００５】前記半導体圧力センサ３は、ｎ型単結晶Ｓ
ｉ（シリコン）等からなり前記ガラスチューブ２の上面
に静電接合された半導体基板９を備えている。この半導
体基板９は、裏面側にエッチングにより設けられた凹部
１０のため厚さ２０μｍ〜５０μｍ程度の薄肉部を形成
する部分が円板状の差圧感圧用ダイヤフラム部１１を形
成し、このダイヤフラム部１１の表面側には不純物の拡
散もしくはイオン打ち込み技術によりピエゾ抵抗領域と
して作用する４つの差圧検出用ゲージ１２が形成されて
いる。これらのゲージ１２は、Ａｌの蒸着等により形成
されたリード１３により互いに接続されてホイールスト
ーンブリッジを構成し、その差圧検出用電源端子部１５
ａおよび差圧信号取出用端子部１５ｂがリード線１６に
よって前記導電ピン６にそれぞれ接続されており、ダイ
ヤフラム部１１の表裏面に測定圧力Ｐ1 ，Ｐ2 がそれぞ
れ印加されると、その変形に伴い各ゲージ１２の比抵抗
が変化し、圧力Ｐ1 ，Ｐ2 の差圧信号を差動的に出力す
る。

【０００６】この時の差圧検出用ゲージ１２の出力電圧
は、ダイヤフラム部１１の形状、肉厚、差圧検出用ゲー
ジ１２の形成位置、ゲージ自体の向き等によっても異な
る。例えば、差圧検出用ゲージ１２の向きについていえ
ば、結晶面方位（００１）のＳｉ上にゲージ１２を設け
る場合、ピエゾ抵抗係数が最大になる向きは＜１１０＞
の結晶軸方向であるため、この方向に差圧検出用ゲージ
１２を形成することが望ましい。

【０００７】さらに、前記半導体基板９の表面には同じ
く４つからなり温度を検出する温度補償用ゲージ１７が
設けられている。温度補償用ゲージ１７は、前記差圧検
出用ゲージ１２と同様、不純物の拡散もしくはイオン打
ち込み技術により形成されてピエゾ抵抗領域（ピエゾ抵
抗素子）として作用し、Ａｌの蒸着等により形成された
リード１８によりホイールストーンブリッジを構成する
ことにより、温度を検出する。そして、このゲージ１７
はダイヤフラム部１１の表裏面に加えられた測定すべき
圧力Ｐ1 ，Ｐ2 に感応しないよう、半導体基板９の厚肉
部表面上に、結晶面方位（００１）におけるピエゾ抵抗
係数の最小感度を示す向き＜０１０＞（もしくは＜１０
０＞）軸方向に形成されており、その温度補償用電源端
子部１９ａおよび温度信号取出用端子部１９ｂがゲージ
１７用の導電ピン６にリード線２０を介して接続されて
いる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記したように従来の
半導体圧力変換器においては、支持台１上に複数の導電
ピン６を各ゲージ１２，１７に対応して貫通立設し、そ
の上端に差圧検出用ゲージ１２と温度補償用ゲージ１７
の各端子部１５ａ，１５ｂ、１９ａ，１９ｂをリード線
１６，２０を介して接続していた。各ゲージ１２，１３
は、そのリード１３，１８によってそれぞれホイールス
トーンブリッジに結線されている。更に、静圧補償用の
ゲージが設けられる場合は、そのためのゲージおよびそ
のリードが形成される。このように半導体圧力センサ３
に複数種のゲージを設けた複合機能型半導体圧力変換器
においては、リード１３，１８、リード線１６，２０の
本数が増加する。その場合、特にリード１３，１８はＡ
ｌの蒸着等によって半導体基板９の表面に長く形成され
てホイールストーンブリッジに結線されているので、半
導体基板９とリード１３，１８との熱膨張係数および強
度の相違からダイヤフラム部１１の変形が不均一とな
り、測定精度が低いという問題があった。したがって、
複合機能型半導体圧力変換器においては各ゲージのリー
ドを極力短く形成する必要があった。

【０００９】本発明は上記したような従来の問題点に鑑
みてなされたもので、その目的とするところは、ゲージ
のリードを短縮化させることができ、半導体基板とリー
ドとの熱膨張係数および強度の相違に起因するダイヤフ
ラム部の不均一な変形を極力小ならしめ、測定精度を向
上させるようにした半導体圧力変換器を提供することに
ある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明は、半導体圧力センサを接合した支持台に導電ピ
ンを立設し、前記半導体圧力センサに形成されたゲージ
と前記導電ピンとをリード線により電気的に接続した半
導体圧力変換器において、前記半導体圧力センサに複数
のゲージとそのリードを形成し、複数のゲージ用接続回
路とリード線通過孔を有するボードを前記半導体圧力セ
ンサの上方に配設し、前記リードと接続回路間および導
電ピンと接続回路間をそれぞれ対応する端子部同士でリ
ード線により接続したことを特徴とするものである。

【００１１】

【作用】半導体圧力センサの上方に配設されるボード
は、複数のゲージ用接続回路とリード線通過孔を有し、
このリード線通過孔に挿通されるリード線によって前記
ゲージ用接続回路とゲージのリードが接続される。つま
り、ゲージはボード上に形成された接続回路によって結
線されており、これにより半導体基板に形成されるリー
ドを短縮化させる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて
詳細に説明する。図１は本発明に係る半導体圧力変換器
の一実施例を示す半導体基板の平面図、図２は同変換器
の断面図である。なお、図中図３および図４と同一構成
部材のものに対しては同一符号をもって示し、その説明
を省略する。本実施例は差圧または圧力に加えて静圧お
よび温度を検出し、静圧および温度の検出信号により、
差圧または圧力信号を補正することにより、差圧または
圧力をより高精度に測定し得るようにした複合機能型半
導体圧力センサに適用した場合を示す。このため、半導
体基板９は（００１）面のｎ型単結晶Ｓｉからなり、そ
の裏面中央部を除去されることにより形成され差圧また
は圧力に感応する薄肉円板状の差圧または圧力検出用感
圧ダイヤフラム１１と、同じくエッチングによりその裏
面で前記感圧ダイヤフラム１１の外側に周方向に等間隔
をおいて除去されることにより形成された、静圧に感応
する４つの静圧検出用感圧ダイヤフラム３０を備えてい
る。半導体基板９の表面側には差圧または圧力を検出す
る差圧検出用ゲージ１２と静圧を検出する静圧検出用ゲ
ージ３１が前記差圧または圧力検出用感圧ダイヤフラム
１１と各静圧検出用感圧ダイヤフラム３０上にそれぞれ
位置づけられて設けられ、さらに肉厚部の表面外周寄り
には温度を検出する温度補償用ゲージ１７が設けられて
いる。

【００１３】なお、各静圧検出用感圧ダイヤフラム３０
の形成に伴って半導体基板９の裏面側に形成された４つ
の凹部１０ａは、ガラスチューブ２によって密閉される
ことにより、基準室を形成しており、真空または大気圧
に保持されている。また、各差圧検出用ゲージ１２、温
度補償用ゲージ１７および静圧補償用ゲージ３１のリー
ド１３，１８，３２は従来の変換器のそれに比べて著し
く短く形成されており、その一端に端子部１５，１９，
３３がそれぞれ形成されている。これは各ゲージ１２，
１７，３１が半導体基板９の表面側で結線されないこと
による（後述する）。

【００１４】前記温度補償用ゲージ１７は、静圧検出用
ゲージ３１の外側に位置するよう半導体基板９の厚肉部
の上面外周部に拡散またはイオン打ち込み法によって形
成されることによりピエゾ領域を形成しており、所定の
長さおよび抵抗値を有している。また、ゲージ１７は、
本実施例の場合互いに直交する２つの微少線分３５ａ，
３５ｂをジグザグ状に接続して形成されており、これに
よって圧力に感応しない温度センサを構成している。微
少線分３５ａ，３５ｂの方向としては基本的には互いに
直交するものであればよい。但し、半導体基板９のピエ
ゾ抵抗係数が最小となる＜０１０＞軸方向と＜１００＞
軸方向からずれると感度が低下し、誤差が大きくなるた
め、望ましくは一致するように製作することが望まし
い。そして、ゲージ１７の両端には短いリード１８がＡ
ｌの蒸着等により形成され、さらにその先端には端子部
１９が形成されている。

【００１５】支持台１上には前記半導体圧力センサ３を
覆う筒状体４０が設置固定されており、その上面板が前
記半導体圧力センサ３と適宜間隔を保って平行に対向す
るボード４１を形成している。ボード４１は、Ｓｉ、一
般のプリント基板等によって形成されるもので、その上
面には前記差圧検出用ゲージ１２、温度補償用ゲージ１
７および静圧検出用ゲージ３１の接続回路４２が印刷等
によってそれぞれ形成されると共に、各ゲージ１２，１
７，３１の端子部１５，１９，３３に対応する複数のリ
ード線通過孔４３が貫通形成されている。そして、ボー
ド４１の各接続回路４２と前記各差圧検出用ゲージ１
２、温度補償用ゲージ１７および静圧検出用ゲージ３１
の端子部１５，１９，３３とは、前記通過孔４３に挿通
されるリード線４６によってそれぞれ接続され、さらに
各接続回路４２はリード線１６によって導電ピン６に接
続されている。この場合、各差圧検出用ゲージ１２は、
接続回路４２によってホイールストーンブリッジに結線
されることで、差圧信号を差動的に出力する。同様に、
各静圧検出用ゲージ３１も同様に接続回路４２によって
ホイールストーンブリッジに結線されることで、静圧信
号を差動的に出力する。なお、その他の構成は従来装置
と同様である。

【００１６】かくしてこのような構成からなる半導体圧
力変換器においては、半導体圧力センサ３の上方に設け
たボード４１側に差圧検出用ゲージ１２と静圧検出用ゲ
ージ３１をそれぞれホイールストーンブリッジに結線す
る接続回路４２を形成しているので、半導体圧力センサ
９側にて各ゲージ１２，３１をホイールストーンブリッ
ジに結線する必要がなく、そのため各ゲージ１２，３１
のリード１３，３２を短く形成することができる。ま
た、温度補償用ゲージ１７の接続回路４２もボード４１
に形成されているので、ゲージ１７のリード１８を短く
形成し得る。その結果、半導体基板９とリード１３，１
９，３２との熱膨張係数および強度の相違に起因するダ
イヤフラム部１１，３０の不均一な変形が少なく、測定
精度を向上させることができる。

【００１７】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る半導体
圧力変換器は、半導体圧力センサを接合した支持台に導
電ピンを立設し、前記半導体圧力センサに形成されたゲ
ージと前記導電ピンとをリード線により電気的に接続し
た半導体圧力変換器において、前記半導体圧力センサに
複数のゲージとそのリードを形成し、複数のゲージ用接
続回路とリード線通過孔を有するボードを前記半導体圧
力センサの上方に配設し、前記リードと接続回路間およ
び導電ピンと接続回路間をそれぞれ対応する端子部同士
でリード線により接続したので、半導体圧力センサ側に
てゲージをホイールストーンブリッジに結線する必要が
なく、そのためゲージのリードを短く形成することがで
き、ダイヤフラム部に対するリードの影響を少なくする
ことができる。その結果、ダイヤフラム部の変形が均一
となり、変換器の測定精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る半導体圧力変換器の一実施例を
示す半導体基板の平面図である。

【図２】 同変換器の断面図である。

【図３】 半導体圧力変換器の従来例を示す平面図であ
る。

【図４】 同変換器の断面図である。

【符号の説明】

１…支持台、２…ガラスチューブ、３…半導体圧力セン
サ、５…気密端子、６…導電ピン、７…ろう材、８…圧
力導入孔、９…半導体基板、１１…ダイヤフラム部、１
２…差圧検出用ゲージ、１３…リード、１５…端子部、
１６…リード線、１７…温度補償用ゲージ、１８…リー
ド、１９…端子部、２０…リード線、３０…ダイヤフラ
ム部、３１…静圧補償用ゲージ、３２…リード、３３…
端子部、４１…ボード、４２…接続回路、４３…リード
線通過孔、４６…リード線。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体圧力センサを接合した支持台に導
   電ピンを立設し、前記半導体圧力センサに形成されたゲ
   ージと前記導電ピンとをリード線により電気的に接続し
   た半導体圧力変換器において、 前記半導体圧力センサに複数のゲージとそのリードを形
   成し、複数のゲージ用接続回路とリード線通過孔を有す
   るボードを前記半導体圧力センサの上方に配設し、前記
   リードと接続回路間および導電ピンと接続回路間をそれ
   ぞれ対応する端子部同士でリード線により接続したこと
   を特徴とする半導体圧力変換器。