JPH10160602A - 半導体式圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 基台の歪みによりシリコン基板の表面に偏っ
た方向の応力が発生しても、それによる検出誤差を小さ
くする。 【解決手段】 センシング部が載置される基台７ａに熱
膨張によって歪みが生じると、シリコン基板１の表面の
Ｘ方向に大きな応力を発生させる。シリコン基板１は
（１１０）の面方位を有しており、ダイヤフラム１ａ上
に形成された拡散ゲージ２ａ〜２ｄは、＜１１０＞方向
に主電流が流れるように形成されている。ここで、その
＜１１０＞方向を、基台７ａの歪みにより大きな応力が
発生するＸ方向と直交する方向、すなわちＹ方向とする
ことにより、基台７ａの歪みによりシリコン基板１の表
面のＸ方向に大きな応力が発生しても、それによる検出
誤差を小さくすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体式圧力セン
サに関し、例えば自動車用の吸気圧センサ等に用いるこ
とができる。

【０００２】

【従来の技術】図７に従来の半導体式圧力センサの構成
を示す。シリコン基板（センサチップ）１には、圧力を
受けて変位するダイヤフラム１ａが形成され、その表面
にはダイヤフラム１ａの変位に応じて抵抗値が変化する
拡散ゲージ（歪みゲージ）２が形成されている。シリコ
ン基板１は、ガラス台座３に陽極接合されている。そし
て、シリコン基板１とガラス台座３の間には真空室４が
形成され、ダイヤフラム１ａは、表面にかかる圧力と真
空室４の圧力の差圧に応じて変位する。ここで、シリコ
ン基板１から台座３の部分にてセンシング部５を構成し
ており、ガラス台座３が金属ステム等の基台６に半田付
けされることにより、センシング部５が基台６上に載置
される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来の構成に
おいて、基台６を例えば樹脂材料により構成すると、基
台６が変形しやすくなる。ここで、例えば、図の左右の
面（Ａ、Ａ’面）を拘束し、紙面に対し表裏の面（Ｂ面
および図８に示すＢ’面）を拘束しないフリーな状態と
した場合、基台６は、その熱膨張によって、図８に示す
ように変形する。すなわち、図のＹ方向に比べてＸ方向
に大きく歪む。この歪みは、台座３を介してシリコン基
板１に伝達され、シリコン基板１の表面においてＹ方向
に比べＸ方向に大きな応力を発生させる。そして、シリ
コン基板１の表面に形成された拡散ゲージ２が、そのよ
うな偏った方向の応力を検出すると、検出誤差が生じ
る。

【０００４】本発明は上記問題に鑑みたもので、基台の
歪みによりシリコン基板の表面に偏った方向の応力が発
生しても、それによる検出誤差を小さくすることができ
る半導体式圧力センサを提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１乃至４に記載の発明においては、（１１
０）の面方位を有するシリコン基板の表面に複数の拡散
ゲージを形成し、その拡散ゲージの各々を、基台の歪み
により応力が大きく発生する方向と直交する＜１１０＞
方向に主電流が流れるように形成したことを特徴として
いる。

【０００６】従って、基台の歪みによりシリコン基板の
表面に偏った応力が発生しても、その応力発生方向と拡
散ゲージに主電流が流れる＜１１０＞方向とが直交して
いるため、拡散ゲージでの抵抗値変化はほとんどなく、
基台の歪みによる検出誤差を小さくすることができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】図１乃至図４に本発明の一実施形
態に係る半導体式圧力センサの構造を示す。図１は平面
図、図２は図１中のII-II 断面図、図３は図１中のIII-
III 断面図、図４は裏面図である。本実施形態に係る半
導体式圧力センサは、自動車用の吸気圧センサとして用
いられるもので、図７に示すものと同様のセンシング部
５を有しており、全体がモールドＩＣとして構成されて
いる。そして、センシング部５が載置される基台は、モ
ールドＩＣを構成するモールド部材（パッケージ材）７
の一部として構成されている。すなわち、リードフレー
ム８をエポキシ樹脂によりモールドし、そのモールド部
材７の一部をなす基台７ａ上にセンシング部５が載置さ
れている。ここで、センシング部５におけるガラス台座
３は、シリコン系の樹脂接着材９にて基台７ａに接着さ
れている。

【０００８】また、シリコン基板１の表面に形成された
拡散ゲージ２は、シリコン基板１上に形成された図示し
ないＡｌ薄膜による配線パターンおよびボンディングワ
イヤ１０により、リードフレーム８に電気的に接続され
ている。ここで、拡散ゲージ２は、シリコン基板１の表
面でダイヤフラム１ａ上に４箇所形成されており、それ
らの拡散ゲージを２ａ〜２ｄとすると、拡散ゲージ２ａ
〜２ｄは、図５に示すブリッジ回路を構成するように電
気結線されている。拡散ゲージ２ａ、２ｄはダイヤフラ
ム１ａの中央部分に形成され、拡散ゲージ２ｂ、２ｃは
周辺部分に形成されており（後述する図６参照）、中央
部分と周辺部分ではダイヤフラム１ａの変位が異なるた
め、拡散ゲージ２ａ、２ｄと拡散ゲージ２ｂ、２ｃは、
図５中の矢印で示すように互いに異なる方向に抵抗値が
増減変化する。

【０００９】そして、端子２１から拡散ゲージ２ａ〜２
ｄに電流を流したとき、ダイヤフラム１ａにかかる圧力
に応じた電位差が端子２２、２３間に発生する。この電
位差は、リードフレーム上に設けられた図示しない信号
処理回路にて増幅され、センサ信号として出力される。
また、信号処理回路は、電源端子、接地端子、およびセ
ンサ信号の出力端子としての、３つの外部端子１２、１
３、１４と電気的に接続されている。

【００１０】ここで、モールドＩＣを構成する場合、リ
ードフレーム８を上型、下型のモールド成形品で押さえ
てエポキシ樹脂によりモールドするため、モールド部材
７には、リードフレーム８の下側に、型押さえのための
開口部１１が形成される。この開口部１１の形成によ
り、基台７ａのＸ方向（図２参照）は、モールド部材７
の他の部分によって拘束され、Ｙ方向（図３参照）は拘
束されないフリーの状態になる。このため、熱膨張によ
って基台７ａに歪みが生じたとき、その歪みは、図８に
示したように、Ｘ方向に大きな歪みとなり、シリコン基
板１の表面においてＸ方向に大きな応力を発生させる。

【００１１】そこで、本実施形態においては、シリコン
基板１として（１１０）の面方位を有するものを用い、
拡散ゲージ２ａ〜２ｄの全てを、図６に示すように、＜
１１０＞方向に主電流が流れる（拡散ゲージ２ａ〜２ｄ
は櫛歯状に形成されているため、拡散ゲージ２ａ〜２ｄ
の長手方向に主電流が流れる）ように形成している。ま
た、その＜１１０＞方向を、基台７ａの歪みにより大き
な応力が発生するＸ方向と直交する方向、すなわちＹ方
向としている。

【００１２】ここで、（１１０）の面方位を有するシリ
コン基板１を用いた場合、拡散ゲージ２ａ〜２ｄを＜１
１０＞方向に配置したとき、＜１１０＞方向（Ｙ方向）
の応力変化に対してはピエゾ抵抗効果によって拡散ゲー
ジ２ａ〜２ｄの抵抗値が変化するが、＜１００＞方向
（Ｘ方向）の応力変化に対しては拡散ゲージ２ａ〜２ｄ
の抵抗値は変化しない。

【００１３】従って、ダイヤフラム１ａが変位したとき
そのＹ方向の変位に対して拡散ゲージ２ａ〜２ｄの抵抗
値が変化し、圧力検出を行うことができる。一方、基台
７ａの歪みによりＸ方向に大きな応力が発生した場合に
は、拡散ゲージ２ａ〜２ｄの抵抗値はほとんど変化しな
いため、基台７ａの歪みによる検出誤差を小さくするこ
とができる。

【００１４】なお、本発明は上記した実施形態に限定さ
れるものでなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で適
宜変更が可能である。例えば、センシング部が載置され
る基台としては、上記した実施形態のようにＸ方向、Ｙ
方向のいずれか一方のみが拘束されたものに限らず、Ｘ
方向、Ｙ方向の両方が拘束されていても、一方が他方に
比べて緩やかに拘束されていれば基台は一方向に歪むた
め、そのような拘束状態にあるものも含む。

【００１５】また、そのような拘束に限らず、基台を構
成する材料によっては、Ｘ方向とＹ方向とで歪みが異な
る場合がある。例えば、基台を構成する材料として、単
一材料中に機械的強度向上のためにガラス繊維などを混
入したものを用いた場合、成形時の型内で材料の流れ方
向に平行方向と垂直方向とで熱膨張係数が異なり、それ
によって歪み方向に差が生じる。この場合、熱膨張係数
が小さい方向に、主電流が流れるように拡散ゲージを配
置すれば、それによる検出誤差を小さくすることができ
る。

【００１６】また、センシング部５としては、台座３を
貫通してダイヤフラム１ａに測定媒体の圧力を導入する
タイプのものでもよく、また台座３としてはガラス台座
に限らずシリコン台座でもよい。また、場合によって
は、台座３を設けないように構成してもよい。さらに基
台の材料、および台座を基台に固定する固定部材につい
ても、上記した実施形態以外の材料を用いることも可能
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す半導体式圧力センサ
の平面図である。

【図２】図１のII-II 断面図である。

【図３】図１のIII-III 断面図である。

【図４】本発明の一実施形態を示す半導体式圧力センサ
の裏面図である。

【図５】拡散ゲージ２ａ〜２ｄによるブリッジ回路の構
成を示す図である。

【図６】シリコン基板１を上から見た平面図である。

【図７】従来の半導体式圧力センサの構成を示す断面図
である。

【図８】本発明の課題を説明するための図である。

【符号の説明】

１…シリコン基板、１ａ…ダイヤフラム、２、２ａ〜２
ｄ…拡散ゲージ、３…ガラス台座、５…センシング部、
７…モールド部材、７ａ…基台、８…リードフレーム、
９…樹脂接着剤。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧力を受けて変位するダイヤフラム（１
   ａ）が形成され、このダイヤフラムの変位に応じて抵抗
   値が変化する複数の拡散ゲージ（２ａ〜２ｄ）が表面に
   形成されたシリコン基板（１）を有するセンシング部
   （５）を備え、前記複数の拡散ゲージに電流を流したと
   きのそれぞれの抵抗値に基づいて前記圧力を検出するよ
   うにした半導体式圧力センサにおいて、 前記センシング部は基台（７ａ）上に載置されており、
   この基台は、歪みが生じたときに、前記シリコン基板の
   表面においてＸ方向とＹ方向のうちの一方に他方よりも
   大きな応力を発生させるように構成されており、 前記シリコン基板は（１１０）の面方位を有し、前記複
   数の拡散ゲージの各々は、前記大きな応力が発生する方
   向と直交する＜１１０＞方向に主電流が流れるように形
   成されていることを特徴とする半導体式圧力センサ。
2. 【請求項２】 前記センシング部はシリコン基板を固定
   する台座（３）を備え、前記基台は樹脂材料にて構成さ
   れており、前記台座は樹脂接着剤（９）によって前記基
   台に接着されていることを特徴とする請求項１に記載の
   半導体式圧力センサ。
3. 【請求項３】 前記基台は、そのＸ方向とＹ方向の一方
   が他方に比べて強く拘束されていることを特徴とする請
   求項１又は２に記載の半導体式圧力センサ。
4. 【請求項４】 前記基台は、そのＸ方向とＹ方向におい
   て熱膨張係数が異なる材料にて構成されていることを特
   徴とする請求項１又は２に記載の半導体式圧力センサ。