JPH10300602A - Semiconductor pressure sensor - Google Patents

Semiconductor pressure sensor

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Publication number
JPH10300602A
JPH10300602A JP10858997A JP10858997A JPH10300602A JP H10300602 A JPH10300602 A JP H10300602A JP 10858997 A JP10858997 A JP 10858997A JP 10858997 A JP10858997 A JP 10858997A JP H10300602 A JPH10300602 A JP H10300602A
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JP
Japan
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pressure
semiconductor
stopper
diaphragm
pedestal
Prior art date
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Pending
Application number
JP10858997A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kiyomitsu Suzuki
清光 鈴木
Shinya Sato
真也 佐藤
Atsushi Miyazaki
敦史 宮▲崎▼
Masayuki Miki
政之 三木
Masanori Kubota
正則 久保田
Yoshiyuki Sasada
義幸 笹田
Shinichi Yamaguchi
真市 山口
Hisao Sonobe
久雄 園部
Satoshi Shimada
嶋田  智
Masahiro Matsumoto
昌大 松本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Hitachi Car Engineering Co Ltd
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Filing date
Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To supply at low price a semiconductor pressure sensor capable of measuring pressure from a low pressure region to a high pressure region with high precision and excellent pressure-resistance. SOLUTION: A silicon chip has a single diaphragm 16 forming on the face a set of bridge circuits comprising a boss 17, a stopper 18 and a semiconductor distortion gauge 20, and is joined to a pedestal. When a diaphragm is deformed in response to an applied pressure, the stopper 18 is brought into contact with the pedestal by a predetermined pressure. This pressure sensor is set to have a signal processing circuit capable of respectively with high precision detecting a pressure in a low pressure region before the stopper 18 is brought into contact with the pedestal and a pressure in a high pressure region after the stopper is brought into contact with the pedestal. Thereby, it is possible to provide a semiconductor pressure sensor at low cost and in a wide measurement range.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は半導体圧力センサに
関し、特には、燃料,オイル,油圧などの液体の圧力測
定範囲の広い用途に使用されるもので、低圧領域の圧力
と高圧領域の圧力をそれぞれ高精度に検出する圧力セン
サに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor pressure sensor, and more particularly, to a semiconductor pressure sensor used for a wide range of pressure measurement of liquids such as fuel, oil, and oil pressure. The present invention relates to pressure sensors that detect with high accuracy.

【0002】[0002]

【従来の技術】本発明に係わる従来技術としては、例え
ば特開平3−112168号公報,特開平4−178533号公報など
が知られている。低圧領域と高圧領域の圧力をそれぞれ
高精度に検出するために、低圧検出用のダイアフラムと
高圧検出用のダイアフラムを設け、それぞれのダイアフ
ラムに半導体歪ゲージで構成されるブリッジ回路を形成
していた。基本的には低圧領域と高圧領域の圧力を別々
のダイアフラムと信号処理回路を用いて検出していた。
2. Description of the Related Art As a prior art relating to the present invention, for example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 3-112168 and 4-178533 are known. In order to detect the pressures in the low pressure region and the high pressure region with high accuracy, a diaphragm for detecting a low pressure and a diaphragm for detecting a high pressure are provided, and a bridge circuit formed of a semiconductor strain gauge is formed in each of the diaphragms. Basically, the pressure in the low pressure region and the pressure in the high pressure region are detected using separate diaphragms and signal processing circuits.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかし、圧力検出部と
信号処理回路の構成が複雑でそのサイズも大きくなるこ
とから、生産性と低コスト化に問題があった。
However, since the construction of the pressure detecting section and the signal processing circuit are complicated and their sizes are large, there have been problems in productivity and cost reduction.

【0004】本発明は以上の問題に鑑みてなされたもの
で、耐圧性に優れ、低圧領域から高圧領域まで高精度に
測定できる圧力センサを、安価に供給することを目的と
する。
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a low-cost pressure sensor having excellent pressure resistance and capable of measuring with high accuracy from a low pressure region to a high pressure region.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】基本的には1個のダイア
フラム上に形成した1組のブリッジ回路で低圧領域の圧
力と高圧領域の圧力を高精度に検出する。ボス,ストッ
パー及び半導体歪ゲージからなるブリッジ回路を表面に
形成したダイアフラムを有するシリコンチップを台座に
接合し、印加された圧力に応じてダイアフラムが変形し
て、所定の圧力でストッパーを台座に接触させるように
する。そして、1組のブリッジ回路から得られる圧力に
対応した信号を処理する信号処理回路で、ストッパーが
台座に接触する前の低圧領域の圧力と、ストッパーが台
座に接触した後の高圧領域の圧力に対応した出力信号を
得られるようにする。高圧領域でストッパーを台座に接
触させることにより、高圧が作用したときのダイアフラ
ムの耐圧を向上させ、且つ低圧領域の圧力に対応した感
度を増加させることが可能になり、低圧領域の圧力と高
圧領域の圧力をそれぞれ高い精度で検出できる。また、
ダイアフラムと半導体歪ゲージで構成されるブリッジ回
路は1組のため、検出部のサイズが小型,簡単になり生
産性が向上する。結果として、低コストな半導体圧力セ
ンサが得られる。
Basically, a set of bridge circuits formed on one diaphragm detects the pressure in the low pressure region and the pressure in the high pressure region with high accuracy. A silicon chip having a diaphragm formed on the surface with a bridge circuit composed of a boss, a stopper and a semiconductor strain gauge is joined to a pedestal, and the diaphragm is deformed according to the applied pressure, and the stopper is brought into contact with the pedestal at a predetermined pressure. To do. A signal processing circuit that processes a signal corresponding to the pressure obtained from one set of bridge circuits. The signal processing circuit generates a pressure in a low-pressure region before the stopper contacts the pedestal and a pressure in a high-pressure region after the stopper contacts the pedestal. Get the corresponding output signal. By bringing the stopper into contact with the pedestal in the high pressure area, it is possible to improve the pressure resistance of the diaphragm when high pressure is applied, and to increase the sensitivity corresponding to the pressure in the low pressure area. Can be detected with high accuracy. Also,
Since the bridge circuit composed of the diaphragm and the semiconductor strain gauge is one set, the size of the detecting section is small and simple, and the productivity is improved. As a result, a low-cost semiconductor pressure sensor is obtained.

【0006】[0006]

【発明の実施の形態】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は本発明に係わる半導
体圧力センサの全体構成図である。第1のシリコン基板
1,熱酸化膜2,第2のシリコン基板3よりなるSOI
基板を、パイレックスガラスよりなる台座4に陽極接合
で気密に接合している。台座4はハウジング7に溶接さ
れたステム6へ低融点ガラス5で接着される。コバール
などの材料で構成されるステム6には、リードピン11
が高融点のガラス部材12でハーメチックに装着されて
いる。台座4にはスルーホール10が加工されており、
スルーホール10内に挿入した半田9とリードピン11
は接続されている。SOI基板よりなる検出部は半田
9,リードピン11,導線13を介して信号処理回路8
と電気的に結線されている。なお、後述する同一番号の
要素は全て同じ機能を有するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail based on an embodiment shown in the drawings. FIG. 1 is an overall configuration diagram of a semiconductor pressure sensor according to the present invention. SOI comprising first silicon substrate 1, thermal oxide film 2, and second silicon substrate 3
The substrate is hermetically bonded to the pedestal 4 made of Pyrex glass by anodic bonding. The pedestal 4 is adhered to a stem 6 welded to a housing 7 with a low-melting glass 5. The stem 6 made of a material such as Kovar has a lead pin 11
Are hermetically mounted with a glass member 12 having a high melting point. The pedestal 4 has a through hole 10 machined.
Solder 9 and lead pin 11 inserted in through hole 10
Is connected. The detection unit made of the SOI substrate is connected to the signal processing circuit 8 via the solder 9, the lead pin 11, and the conductor 13.
Is electrically connected to Note that elements having the same numbers, which will be described later, all have the same function.

【0007】図2は本発明による半導体圧力センサの検
出部の詳細な断面図である。第1のシリコン基板1と第
2のシリコン基板3を熱酸化膜2を介して1100℃以
上の温度で直接接合したSOI基板をエッチング加工し
て、第1のシリコン基板1へダイアフラム16とボス1
7を、第2のシリコン基板3へストッパー18,半導体
歪ゲージ20,シリコンパッド19を形成している。第
1のシリコン基板1,熱酸化膜2,第2のシリコン基板
3の厚さはそれぞれ約数百ミクロン,1ミクロン,10
ミクロンである。なお、ストッパー18と台座4間には
ギャップ21が形成されている。スルーホール10の底
面のシリコンパッド19上には金属薄膜14がスパッタ
あるいは蒸着などの方法で形成されている。金属薄膜1
4はAl/Ti/Ni/Auなどの多層膜で、この金属
薄膜14を介して半田9はシリコンパッド19と電気的
に接続される。シリコンパッド19は溝15で第2のシ
リコン基板3の外枠部とは分離されている。ここで、ダ
イアフラム16の寸法をA,ボス17の寸法をB,スト
ッパー18の寸法をC,半導体歪ゲージ20間の距離を
D,シリコンパッド19間の距離をEとする。E≧Aの
ときダイアフラム16の寸法はA,E<Aのときダイア
フラム16の実質的な寸法はEで決定される。
FIG. 2 is a detailed sectional view of a detecting portion of the semiconductor pressure sensor according to the present invention. An SOI substrate in which the first silicon substrate 1 and the second silicon substrate 3 are directly bonded at a temperature of 1100 ° C. or higher via the thermal oxide film 2 is etched to form a diaphragm 16 and a boss 1 on the first silicon substrate 1.
7, a stopper 18, a semiconductor strain gauge 20, and a silicon pad 19 are formed on the second silicon substrate 3. The thicknesses of the first silicon substrate 1, the thermal oxide film 2, and the second silicon substrate 3 are about several hundred microns, 1 micron, and 10 microns, respectively.
Micron. A gap 21 is formed between the stopper 18 and the pedestal 4. The metal thin film 14 is formed on the silicon pad 19 on the bottom surface of the through hole 10 by a method such as sputtering or vapor deposition. Metal thin film 1
Reference numeral 4 denotes a multilayer film of Al / Ti / Ni / Au or the like, and the solder 9 is electrically connected to the silicon pad 19 via the metal thin film 14. The silicon pad 19 is separated from the outer frame of the second silicon substrate 3 by the groove 15. Here, the dimension of the diaphragm 16 is A, the dimension of the boss 17 is B, the dimension of the stopper 18 is C, the distance between the semiconductor strain gauges 20 is D, and the distance between the silicon pads 19 is E. When E ≧ A, the size of the diaphragm 16 is determined by A, and when E <A, the substantial size of the diaphragm 16 is determined by E.

【0008】第2のシリコン基板3を台座4側から見た
平面図を図3に示す。4個のシリコンパッド部19は溝
15により、第2のシリコン基板3の外枠部22とは分
離されている。シリコンパッド19のほぼ中央に金属薄
膜14が成膜される。2個の半径方向半導体歪ゲージ2
0aと2個の接線方向半導体歪ゲージ20bは熱酸化膜
2の表面に形成され、この熱酸化膜2により第1のシリ
コン基板1と第2のシリコン基板3の外枠部22とは電
気的に絶縁されている。これらの4個の半導体歪ゲージ
でブリッジ回路が構成され、リード引き出し部23を介
してシリコンパッド部19と電気的に接続されている。
前図のように、ストッパー18はボス17の下部に形成
される。第1のシリコン基板1,第2のシリコン基板3
は(100)P型の単結晶シリコンよりなり、シリコン
パッド19とリード引き出し部23にはボロンをドーピ
ングしてこの部分を低抵抗にしている。半導体歪ゲージ
20a,20bとリード引き出し部23の厚さは約0.
5〜3.0ミクロンの値に設計される。また、ストッパ
ー18の厚さは前図で説明したギャップ21が約1ミク
ロン前後になるように加工される。
FIG. 3 is a plan view of the second silicon substrate 3 as viewed from the pedestal 4 side. The four silicon pad portions 19 are separated from the outer frame portion 22 of the second silicon substrate 3 by the grooves 15. The metal thin film 14 is formed substantially at the center of the silicon pad 19. Two radial semiconductor strain gauges 2
0a and two tangential semiconductor strain gauges 20b are formed on the surface of the thermal oxide film 2, and the thermal oxide film 2 electrically connects the first silicon substrate 1 and the outer frame portion 22 of the second silicon substrate 3 to each other. Insulated. A bridge circuit is formed by these four semiconductor strain gauges, and is electrically connected to the silicon pad 19 via the lead lead-out part 23.
As shown in the previous figure, the stopper 18 is formed below the boss 17. 1st silicon substrate 1, 2nd silicon substrate 3
Is made of (100) P-type single crystal silicon, and the silicon pad 19 and the lead lead-out portion 23 are doped with boron to reduce the resistance of this portion. The thicknesses of the semiconductor strain gauges 20a and 20b and the lead lead-out portion 23 are about 0.5.
Designed to a value of 5-3.0 microns. Further, the thickness of the stopper 18 is processed so that the gap 21 described in the previous figure is about 1 micron.

【0009】SOI検出部をダイアフラム側から見た平
面図を図4に示す。ダイアフラム16の中央部分にボス
17が形成される。傾斜部分24と25はダイアフラム
16とボス17をアルカリ溶液でエッチング加工したと
きに生じたものである。また、半導体歪ゲージ20a,
20bはダイアフラム16側からは見えないが、ダイア
フラム16の下部のその位置に配置されているという意
味で図中に示した。
FIG. 4 is a plan view of the SOI detector as viewed from the diaphragm side. A boss 17 is formed at the center of the diaphragm 16. The inclined portions 24 and 25 are generated when the diaphragm 16 and the boss 17 are etched with an alkaline solution. Further, the semiconductor strain gauges 20a,
20 b is not visible from the diaphragm 16 side, but is shown in the figure in the sense that it is located at that position below the diaphragm 16.

【0010】本発明による半導体圧力センサの出力特性
例を図5に示した。本図は測定すべき圧力Pに対する出
力電圧Voの関係を示したものである。出力特性(a)
はブリッジ回路に生じた信号をそのまま信号処理回路8
で増幅したものである。1Mpaの圧力でストッパー18を
台座4へ接触させた例である。図に示すように、0〜1
Mpaの低圧領域と1〜10Mpaの高圧領域の検出感
度は異なり、低圧領域の感度は高圧領域の約10倍であ
る。
FIG. 5 shows an output characteristic example of the semiconductor pressure sensor according to the present invention. This figure shows the relationship between the output voltage Vo and the pressure P to be measured. Output characteristics (a)
Represents the signal generated in the bridge circuit as it is in the signal processing circuit 8
Amplified by This is an example in which the stopper 18 is brought into contact with the base 4 at a pressure of 1 Mpa. As shown in FIG.
The detection sensitivity of the low-pressure region of Mpa is different from that of the high-pressure region of 1 to 10 Mpa, and the sensitivity of the low-pressure region is about 10 times that of the high-pressure region.

【0011】ダイアフラム16の破壊に至らない範囲内
で感度を上げると、一般的にその分だけ圧力を高い精度
で検出できるようになる。本図に示すように、低圧領域
の感度が高いのでこの部分の検出精度が容易に向上す
る。また、0〜1Mpaの低圧範囲と1〜10Mpaの
高圧範囲の出力電圧の変化値はほぼ同じであり、同様に
高圧領域の検出精度も高い。ストッパー18が台座4へ
接触すると、ダイアフラム16の寸法が等価的に小型に
なりダイアフラム16自身の耐圧が向上する。そして、
図に示すように単位圧力変化に対する感度は高圧領域側
で小さくなり、1Mpaの圧力で出力特性は段折れにな
る。半導体圧力センサの使用されるシステムではマイク
ロコンピュータが用いられており、制御システム上この
ような段折れ特性は何ら支障がない。必要に応じてこの
ような段折れ特性(a)を信号処理回路8で、出力特性
(b)と出力特性(c)あるいは出力特性(b)と出力
特性(d)のように低圧領域と高圧領域の2出力特性に
変換して出力化することも容易である。このようにした
ほうが、使い勝手が良い場合もある。なお、半導体歪ゲ
ージ20a,20bの配置を工夫しないと、ブリッジ回
路に発生する信号は点線で示すような(x)特性にな
る。この場合は、低圧領域と高圧領域で2値を持つこと
になり、圧力値の弁別ができなくなる。これを避けるた
めには、ΔVo/ΔPを負ではなく正にしなければなら
ない。
If the sensitivity is increased within a range where the diaphragm 16 is not destroyed, the pressure can generally be detected with a higher degree of accuracy. As shown in the figure, since the sensitivity in the low pressure region is high, the detection accuracy of this portion is easily improved. Further, the change value of the output voltage in the low voltage range of 0 to 1 Mpa and the change value of the output voltage in the high voltage range of 1 to 10 Mpa are almost the same, and the detection accuracy in the high voltage region is also high. When the stopper 18 comes into contact with the pedestal 4, the size of the diaphragm 16 becomes equivalently small, and the pressure resistance of the diaphragm 16 itself improves. And
As shown in the figure, the sensitivity to a unit pressure change becomes smaller on the high pressure region side, and the output characteristic becomes stepped at a pressure of 1 Mpa. In a system using a semiconductor pressure sensor, a microcomputer is used, and such a step breaking characteristic does not cause any problem in a control system. If necessary, such a step-break characteristic (a) may be processed by the signal processing circuit 8 into a low-pressure region and a high- It is also easy to convert the output to the two-output characteristic of the area and output the output. In some cases, this is more convenient. Unless the arrangement of the semiconductor strain gauges 20a and 20b is devised, the signal generated in the bridge circuit has the (x) characteristic shown by the dotted line. In this case, the pressure has two values in the low pressure region and the high pressure region, and the pressure value cannot be discriminated. To avoid this, ΔVo / ΔP must be made positive instead of negative.

【0012】この2値特性を避ける方法を図6により説
明する。本図はストッパー18が台座4へ接触した後の
高圧領域における単位圧力変化ΔPに対するブリッジ回
路の単位信号変化ΔVoの大きさを示したものである。
図に示すように、ブリッジ回路に発生する出力感度ΔV
o/ΔPは半導体歪ゲージの配置位置で決定され、ゲー
ジ位置D/A(E≧Aのとき)あるいはD/E(E<A
のとき)が約0.9 でゼロ,0.9以下で負,0.9以上
で正になる。それ故、ゲージ位置は少なくとも0.9以
上の値にし、可能な限り1.0に近い位置に設定するこ
とが2値を持たず、且つ高圧領域の感度を大きくするこ
とができる。即ち、可能な限り半導体歪みゲージ20
a,20bをダイアフラム16の固定端の端部近傍へ配
置するのが望ましい。ボス17の寸法B,ストッパー1
8の寸法Cの値によっては、出力感度ΔVo/ΔPがゼ
ロになるゲージ位置は必ずしも0.9 ではなく、若干ず
れた位置に移動する。
A method for avoiding the binary characteristic will be described with reference to FIG. This figure shows the magnitude of the unit signal change ΔVo of the bridge circuit with respect to the unit pressure change ΔP in the high pressure region after the stopper 18 contacts the pedestal 4.
As shown in the figure, the output sensitivity ΔV generated in the bridge circuit
o / ΔP is determined by the arrangement position of the semiconductor strain gauge, and the gauge position D / A (when E ≧ A) or D / E (E <A
) Is approximately 0.9, zero, below 0.9, negative, and above 0.9, positive. Therefore, setting the gauge position to at least 0.9 or more and setting it as close to 1.0 as possible has no binary value and can increase the sensitivity in the high-pressure region. That is, as much as possible the semiconductor strain gauge 20
It is desirable to arrange a and 20b near the fixed end of the diaphragm 16. Boss 17 dimension B, stopper 1
Depending on the value of the dimension C of 8, the gauge position at which the output sensitivity ΔVo / ΔP becomes zero is not necessarily 0.9, and moves to a slightly shifted position.

【0013】半導体歪みゲージで構成されるブリッジ回
路に生ずる信号特性が、圧力測定範囲の全領域もしくは
部分的に非線形になっているのが望ましい場合がある。
出力特性をあらかじめ非線形にしておくのは、低圧領域
から高圧領域に渡る圧力測定範囲の全領域で読み値の精
度を上げるのに有効だからである。この場合の出力特性
例を図7に示す。出力特性(e)は0〜1Mpaの低圧
領域では線形、1〜10Mpaの高圧領域では非線形の
特性を有するものである。一方、出力特性(f)は低圧
領域から高圧領域の全領域で非線形の特性を有するもの
である。
In some cases, it is desirable that the signal characteristics generated in the bridge circuit formed by the semiconductor strain gauge be non-linear over the entire pressure measurement range or partially.
The reason why the output characteristic is made nonlinear in advance is that it is effective to improve the accuracy of the read value in the entire pressure measurement range from the low pressure region to the high pressure region. FIG. 7 shows an output characteristic example in this case. The output characteristic (e) has a linear characteristic in a low pressure range of 0 to 1 Mpa and a non-linear characteristic in a high pressure range of 1 to 10 Mpa. On the other hand, the output characteristic (f) has non-linear characteristics in the entire region from the low pressure region to the high pressure region.

【0014】次にこれらの出力特性(e)と(f)を得
る方法について説明する。
Next, a method for obtaining these output characteristics (e) and (f) will be described.

【0015】まず、出力特性(e)を得るためのSOI
検出部の断面構造を図8に示す。本図の特徴は、ダイア
フラム16の上にボスがなく、ストッパー18の寸法C
が大きい場合である。当然のことながら、ストッパー1
8が台座4へ接触するまでの低圧領域(0〜1Mpa)
における出力特性は、前図に示したように線形になる。
ストッパー18の厚さは高だか10ミクロン以下と薄い
ため、ダイアフラム16とストッパー18からなる弾性
体は全体として弓なりに変形し、まずストッパー18の
中央部がまず台座4に接触する。その後、圧力が増加す
るにつれて台座4とストッパー18の接触位置は、スト
ッパー18の中央部を含めて次第にストッパー18の端
部側へ移動する。この結果として、高圧領域(1〜10
Mpa)における出力特性は非線形になる。
First, SOI for obtaining the output characteristic (e)
FIG. 8 shows a cross-sectional structure of the detection unit. The feature of this drawing is that there is no boss on the diaphragm 16 and the size of the stopper 18 is C
Is large. Naturally, the stopper 1
Low pressure area until 0 contacts base 4 (0 to 1 Mpa)
Is linear as shown in the previous figure.
Since the thickness of the stopper 18 is as thin as 10 μm or less, the elastic body composed of the diaphragm 16 and the stopper 18 is deformed like a bow as a whole. Thereafter, as the pressure increases, the contact position between the pedestal 4 and the stopper 18 gradually moves toward the end of the stopper 18 including the center of the stopper 18. As a result, the high pressure region (1 to 10
The output characteristic at Mpa) becomes nonlinear.

【0016】なお、図2に示したようにボス17が存在
する場合は、ボス17,ダイアフラム16,ストッパー
18からなる弾性体は圧力に応じて台座4側へ平行移動
する。この結果として、図5の出力特性(a)に示した
ように高圧領域(1〜10Mpa)における出力特性は
線形になる。
When the boss 17 is present as shown in FIG. 2, the elastic body composed of the boss 17, the diaphragm 16 and the stopper 18 moves in parallel to the pedestal 4 according to the pressure. As a result, as shown in the output characteristic (a) of FIG. 5, the output characteristic in the high pressure region (1 to 10 Mpa) becomes linear.

【0017】次に、出力特性(f)を得るためのSOI
検出部の断面構造を図9に示す。本図の特徴は、ダイア
フラム16の上にボスがなく、また中央部が厚く端の方
に行くほど薄くなるようにストッパー18をエッチング
加工したことにある。そして、ダイアフラム16に印加
される圧力値がゼロでストッパー18が台座4へ接触す
るように、SOI検出部とパイレックスガラスよりなる
台座4は陽極接合で接着される。この結果、圧力の値が
0Mpaから10Mpaに増加するにつれて、ストッパ
ー18と台座4の接触位置がストッパー18の中心部分
から周辺部分へ次第に連続的に移動する。それ故、低圧
領域から高圧領域の全領域に渡って連続的に非線形な出
力特性(f)が得られる。なお、接触部分がストッパー
18の中心から周辺へ移動するにつれて、応力的にはダ
イアフラムの寸法が小さくなったことと等価である。そ
れ故、低圧ほど感度が高く、高圧に行くに従って次第に
感度が連続的に小さくなる出力特性(f)が得られる。
Next, the SOI for obtaining the output characteristic (f)
FIG. 9 shows a cross-sectional structure of the detection unit. The feature of this figure is that the stopper 18 is etched so that there is no boss on the diaphragm 16 and the center is thicker and thinner toward the end. Then, the SOI detector and the pedestal 4 made of Pyrex glass are bonded by anodic bonding so that the pressure value applied to the diaphragm 16 is zero and the stopper 18 contacts the pedestal 4. As a result, as the value of the pressure increases from 0 Mpa to 10 Mpa, the contact position between the stopper 18 and the pedestal 4 gradually and continuously moves from the central portion of the stopper 18 to the peripheral portion. Therefore, a non-linear output characteristic (f) is continuously obtained from the low pressure region to the high pressure region. As the contact portion moves from the center of the stopper 18 to the periphery, the stress is equivalent to a decrease in the size of the diaphragm. Therefore, an output characteristic (f) is obtained in which the lower the pressure, the higher the sensitivity, and the higher the pressure, the lower the sensitivity is continuously reduced.

【0018】前述したように、半導体歪みゲージを可能
な限りダイアフラムの固定端の近くに配置することが高
精度化のために重要である。次に、これらの対策を施し
た実施例を図10と図11に示す。これらの図は、検出
部のSOI基板を第2のシリコン基板3側から見た平面
図である。図10において点線で示した四角部26は、
熱酸化膜2の裏面の第1のシリコン基板1に形成された
ダイアフラム16の実質的なサイズを示したものであ
る。外枠部22をシリコンパッド19などから分離する
溝15の形状を四角部26の外部へ部分的にはみ出させ
る。即ち、半径方向の半導体歪ゲージ20a周辺の外枠
部22をエッチングによって加工し、凹部27を形成す
る。この凹部27へリード引き出し部23を部分的に配
置することが可能になり、半径方向の半導体歪みゲージ
20aをより四角部26の外周近くに、換言するとより
ダイアフラム16の固定端の近くへ配置することができ
る。なお、本図の場合は接線方向の半導体歪みゲージ2
0bをダイアフラム16の固定端の近くへ配置すること
は、半径方向の半導体歪みゲージ20aよりは容易であ
る。
As described above, it is important to arrange the semiconductor strain gauge as close to the fixed end of the diaphragm as possible for high accuracy. Next, FIGS. 10 and 11 show embodiments in which these measures are taken. These drawings are plan views of the SOI substrate of the detection unit as viewed from the second silicon substrate 3 side. The square 26 shown by the dotted line in FIG.
FIG. 3 shows a substantial size of the diaphragm 16 formed on the first silicon substrate 1 on the back surface of the thermal oxide film 2. The shape of the groove 15 that separates the outer frame portion 22 from the silicon pad 19 and the like partially protrudes outside the square portion 26. That is, the outer frame portion 22 around the semiconductor strain gauge 20a in the radial direction is processed by etching to form the concave portion 27. It is possible to partially dispose the lead lead-out portion 23 in the concave portion 27, and dispose the semiconductor strain gauge 20a in the radial direction closer to the outer periphery of the square portion 26, in other words, closer to the fixed end of the diaphragm 16. be able to. In the case of this figure, the semiconductor strain gauge 2 in the tangential direction is used.
Placing Ob near the fixed end of diaphragm 16 is easier than radial semiconductor strain gauge 20a.

【0019】図11は半導体歪ゲージの別な配置方法を
示したものである。全ての半導体歪ゲージの長手方向を
シリコンパッド19間に形成した溝28の長手方向と一
致させたものである。図に示すように、溝28を幅広に
設計してリード引き出し部23の一部を溝28の中へ引
き回すことにより、半径方向の半導体歪ゲージ20aを点
線で示した四角部26のより近くへ配置することが可能
になる。
FIG. 11 shows another method of arranging the semiconductor strain gauges. The longitudinal direction of all the semiconductor strain gauges is made to coincide with the longitudinal direction of the groove 28 formed between the silicon pads 19. As shown in the figure, the groove 28 is designed to be wide and a part of the lead lead-out portion 23 is routed into the groove 28 so that the semiconductor strain gauge 20a in the radial direction becomes closer to the square portion 26 shown by the dotted line. It becomes possible to arrange.

【0020】次に、低圧領域から高圧領域までの圧力を
連続的に高精度に検出する別の実施例を図12と図13
により説明する。圧力測定の全領域でストッパーを台座
へ接触させず、検出すべき最上限の圧力を越えたとき始
めてストッパーを台座へ接触させる。このようにするこ
とにより、定格以上の圧力が印加されてもダイアフラム
自身の耐圧を確保することができる。また、耐圧を確保
しつつダイアフラムの厚さを薄くすることにより、圧力
に対してブリッジ回路に発生する信号の感度を大きくす
ることができる。この場合の信号を単純に増幅すると、
図12の(g)出力特性のようになる。一般的に、ダイ
アフラムの破壊限界近くまでダイアフラムを薄くする
と、本(g)出力特性のように圧力に対する出力電圧の
直線性が悪くなる。半導体圧力センサを使用するシステ
ム中のマイクロコンピュータなどがあらかじめこの非直
線性の大きさを定量的に認識していれば、使用上からは
何ら支障は生じない。また、この非直線性を半導体圧力
センサ中の信号処理回路で補正し、(h)出力特性のよ
うに線形化して出力させることも可能である。この線形
化の概略ブロック図を図13に示す。半導体歪ゲージか
らなるブリッジ回路29に生じた信号のオフセットと感
度を調整回路30で調整する。調整後の信号を所望の電
圧値まで増幅回路31で増幅する。最後に、線形化回路
32で増幅回路31の信号の非線形性を補正する。な
お、各回路の詳細な説明は本質的な問題ではないので省
略する。
Next, another embodiment for continuously and accurately detecting the pressure from the low pressure region to the high pressure region is shown in FIGS.
This will be described below. The stopper is not brought into contact with the pedestal in the entire area of the pressure measurement, and the stopper is brought into contact with the pedestal only when the maximum pressure to be detected is exceeded. By doing so, the pressure resistance of the diaphragm itself can be ensured even if a pressure higher than the rated pressure is applied. In addition, by reducing the thickness of the diaphragm while maintaining the withstand voltage, the sensitivity of a signal generated in the bridge circuit to pressure can be increased. If you simply amplify the signal in this case,
The output characteristics are as shown in FIG. Generally, when the diaphragm is thinned to near the breaking limit of the diaphragm, the linearity of the output voltage with respect to the pressure is deteriorated as shown in the output characteristic (g). If a microcomputer or the like in a system that uses the semiconductor pressure sensor quantitatively recognizes the magnitude of the nonlinearity in advance, there is no problem in use. It is also possible to correct this non-linearity by a signal processing circuit in the semiconductor pressure sensor and (h) output it as linearized as in the output characteristic. FIG. 13 shows a schematic block diagram of this linearization. The adjustment circuit 30 adjusts the offset and sensitivity of the signal generated in the bridge circuit 29 composed of a semiconductor strain gauge. The signal after the adjustment is amplified by the amplifier circuit 31 to a desired voltage value. Finally, the nonlinearity of the signal of the amplifier circuit 31 is corrected by the linearization circuit 32. Note that a detailed description of each circuit is not an essential problem and will be omitted.

【0021】一方、ストッパー18が所定の圧力(例え
ば、1Mpaちょうどでバラツキの幅が少なく)で台座
4に接触するように検出部を製作することは必ずしも簡
単なことではない。これは、ストッパー18と台座4間
のギャップ21の設計値は約1ミクロン前後と狭く、S
OI基板よりなる検出部のエッチング加工時の寸法バラ
ツキや台座4へ接合した後の熱応力による変形によって
ギャップ21の寸法が影響を受けるからである。そこ
で、図14に示すようにあらかじめダイアフラム16の
厚さをやや厚めに加工して台座4と接合した後、圧力を
検出部に一度印加してストッパー18と台座4の接触す
る圧力値を測定する。そして、1Mpaちょうどの圧力
でストッパー18を台座4へ接触させるには、さらにど
の程度第1のシリコン基板1をエッチングしてダイアフ
ラム16の厚さをどのようにすれば良いか?を正確に予
測する。予測した結果に基づき、第1のシリコン基板1
と台座4を接合した状態で、第1のシリコン基板1の表
面に形成した熱酸化膜34をマスク材として、ダイアフ
ラム16をさらにエッチングにより予測値まで加工す
る。さらにエッチングで除去される部分を図中へ33で
示した。
On the other hand, it is not always easy to fabricate the detector so that the stopper 18 contacts the pedestal 4 at a predetermined pressure (for example, just 1 Mpa and the width of variation is small). This is because the design value of the gap 21 between the stopper 18 and the pedestal 4 is as narrow as about 1 micron,
This is because the size of the gap 21 is affected by the dimensional variation during the etching process of the detection unit made of the OI substrate and the deformation due to the thermal stress after joining to the pedestal 4. Therefore, as shown in FIG. 14, after the diaphragm 16 is processed to be slightly thicker in advance and joined to the pedestal 4, a pressure is applied to the detecting portion once to measure a pressure value at which the stopper 18 and the pedestal 4 come into contact. . In order to bring the stopper 18 into contact with the pedestal 4 with a pressure of exactly 1 Mpa, how much should the first silicon substrate 1 be etched and the thickness of the diaphragm 16 adjusted? Predict exactly. Based on the predicted result, the first silicon substrate 1
The diaphragm 16 is further processed to a predicted value by etching using the thermal oxide film 34 formed on the surface of the first silicon substrate 1 as a mask in a state where the base 16 and the pedestal 4 are joined. Further, a portion to be removed by etching is indicated by 33 in the figure.

【0022】なお、ストッパー18が所定の圧力(例え
ば、1Mpaちょうどでバラツキの幅が少なく)で台座
4へ接触しなくても、低圧領域から高圧領域までの圧力
を高精度に検出することを可能にする信号処理回路の方
法を図15に示した。本図は、ストッパー18が台座4
へ接触する圧力が領域Bの1.0Mpaから1.5Mpaま
でバラツイて製作された場合である。ブリッジ回路に発
生した信号のオフセットを適当に調整した後、この信号
の増幅率の小さい方を出力特性(S1)、大きい方を出
力特性(S2)とした。二つの出力特性(S1),(S
2)はストッパー18が台座4へ接触する圧力、即ち段
折れの生ずる圧力が領域Bの中央値である1.25Mp
a の例を示している。領域Aの低圧領域では出力特性
(S1)から、領域Cの高圧領域では出力特性(S2)
から検出すべき圧力の値が認識される。そして、中間の
領域Bでは出力特性(S1)あるいは(S2)から圧力
値が認識される。本図の例では1.25Mpa 以下の圧
力では出力特性(S1)から、1.25Mpa 以上の圧
力では出力特性(S2)から圧力の値が認識される。領
域Bでどちらの出力特性信号から圧力を推定すべきか
は、本半導体圧力センサを使用するシステム中のマイク
ロコンピュータを用いて両出力特性信号の出力電圧Vo
を演算、処理することによって容易に可能になる。
The pressure from the low pressure region to the high pressure region can be detected with high accuracy even if the stopper 18 does not come into contact with the pedestal 4 at a predetermined pressure (for example, just 1 Mpa and the variation width is small). FIG. 15 shows a method of the signal processing circuit to be used. This drawing shows that the stopper 18 is
This is a case where the pressure in contact with is varied from 1.0 Mpa to 1.5 Mpa in the region B. After appropriately adjusting the offset of the signal generated in the bridge circuit, the smaller one of the amplification factors of the signal was set as the output characteristic (S1), and the larger one was set as the output characteristic (S2). Two output characteristics (S1) and (S
2) The pressure at which the stopper 18 comes into contact with the pedestal 4, that is, the pressure at which the step breaks is 1.25 Mp, which is the median value of the area B.
2 shows an example of a. From the output characteristics (S1) in the low-pressure region of the region A, to the output characteristics (S2) in the high-pressure region of the region C.
The value of the pressure to be detected is recognized from. Then, in the intermediate region B, the pressure value is recognized from the output characteristics (S1) or (S2). In the example of this figure, the pressure value is recognized from the output characteristic (S1) at a pressure of 1.25 Mpa or less, and from the output characteristic (S2) at a pressure of 1.25 Mpa or more. The output voltage Vo of both output characteristic signals is determined by using a microcomputer in a system using the semiconductor pressure sensor, which output characteristic signal should be estimated in the region B.
Can be easily calculated and processed.

【0023】これまで述べてきたものは、全てダイアフ
ラムの厚さが一様な実施例であった。ダイアフラムの厚
さを部分的に変えることにより、半導体歪ゲージからな
るブリッジ回路に発生する信号の低圧領域と高圧領域に
おける圧力に対する感度の比を自由に設定することが可
能で、設計の自由度が向上する。この実施例を図16に
示す。図に示すように、ダイアフラムは薄い部分16a
と厚い部分16bよりなり、半導体歪ゲージはダイアフ
ラムの薄い部分と厚い部分のそれぞれの裏面上に形成さ
れる。第1のシリコン基板1をダイアフラム側から見た
平面図を図17及び図18に示す。図17は二つの半径
方向の半導体歪ゲージ20aと20cを厚さの薄いダイ
アフラム16aの部分の裏面に、二つの接線方向の半導
体歪ゲージ20bと20dを厚さの厚いダイアフラム1
6bの部分の裏面に形成し、ボス17をダイアフラムの
厚さの薄い部分16a上に形成した実施例である。本実
施例では薄い部分16aは四角の形状を有する。一方、
図18は薄い部分のダイアフラム16aと厚い部分のダ
イアフラム16bは共に三角形状で、ボス17をダイア
フラムの薄い部分16aの上に形成した実施例である。
ダイアフラムの薄い部分と厚い部分にはそれぞれ各1個
の半径方向の半導体歪ゲージと接線方向の半導体歪ゲー
ジを形成している。
The embodiments described so far are all examples in which the thickness of the diaphragm is uniform. By partially changing the thickness of the diaphragm, it is possible to freely set the ratio of the sensitivity of the signal generated in the bridge circuit consisting of the semiconductor strain gauge to the pressure in the low-voltage region and the high-pressure region. improves. This embodiment is shown in FIG. As shown, the diaphragm is thinner 16a.
The semiconductor strain gauge is formed on the back surface of each of the thin and thick portions of the diaphragm. FIGS. 17 and 18 show plan views of the first silicon substrate 1 as viewed from the diaphragm side. FIG. 17 shows two radial semiconductor strain gauges 20a and 20c on the back surface of the thin diaphragm 16a, and two tangential semiconductor strain gauges 20b and 20d on the thick diaphragm 1.
This is an embodiment in which a boss 17 is formed on the thin portion 16a of the diaphragm, which is formed on the back surface of the portion 6b. In this embodiment, the thin portion 16a has a square shape. on the other hand,
FIG. 18 shows an embodiment in which both the thin portion diaphragm 16a and the thick portion diaphragm 16b are triangular, and the boss 17 is formed on the thin portion 16a of the diaphragm.
One thin semiconductor strain gauge in the radial direction and one semiconductor strain gauge in the tangential direction are formed on each of the thin portion and the thick portion of the diaphragm.

【0024】検出部は必ずしもSOI構造の検出部に限
定される必要はなく、図19の非SOI構造の半導体圧
力センサにも適用できるのは言うまでもない。シリコン
基板100の裏面をエッチング加工して、ボスとストッ
パーの機能を兼用する突起103とダイアフラム104
を形成している。シリコン基板100の表面には半導体
歪ゲージ105を拡散あるいはイオン打ち込みなどの方
法で形成し、その表面を熱酸化膜などの保護膜106で
カバーしている。シリコン基板100を陽極接合などで
ガラス基板などからなる台座101と接合すると、突起
103と台座101の間にはギャップ102が形成され
る。本実施例もSOI構造の検出部の場合と同様に、ダ
イアフラム104には1組のブリッジ回路しか形成され
ていないのは言うまでもない。
It is needless to say that the detecting section is not necessarily limited to the detecting section having the SOI structure, but can be applied to the semiconductor pressure sensor having the non-SOI structure shown in FIG. The back surface of the silicon substrate 100 is etched to form a projection 103 and a diaphragm 104 which also serve as a boss and a stopper.
Is formed. A semiconductor strain gauge 105 is formed on the surface of the silicon substrate 100 by a method such as diffusion or ion implantation, and the surface is covered with a protective film 106 such as a thermal oxide film. When the silicon substrate 100 is bonded to a pedestal 101 made of a glass substrate or the like by anodic bonding or the like, a gap 102 is formed between the projection 103 and the pedestal 101. In this embodiment, as in the case of the detection unit having the SOI structure, it is needless to say that only one set of bridge circuits is formed in the diaphragm 104.

【0025】[0025]

【発明の効果】耐圧性に優れ、低圧領域から高圧領域ま
での圧力を高精度に測定できる半導体圧力センサを提供
できる。しかも、圧力検出部と信号処理回路の構成が簡
単でそのサイズを小さくできるので、生産性に優れ低コ
ストな半導体圧力センサを実現できる。
According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor pressure sensor having excellent pressure resistance and capable of measuring pressure from a low pressure region to a high pressure region with high accuracy. In addition, since the pressure detecting unit and the signal processing circuit have a simple configuration and can be reduced in size, a low-cost semiconductor pressure sensor with excellent productivity can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明による半導体圧力センサの全体構成図を
示した図。
FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration diagram of a semiconductor pressure sensor according to the present invention.

【図2】本発明による半導体圧力センサの検出部の詳細
な断面構造の一実施例を示した図。
FIG. 2 is a diagram showing one embodiment of a detailed cross-sectional structure of a detection unit of the semiconductor pressure sensor according to the present invention.

【図3】本発明による半導体圧力センサの第2のシリコ
ン基板の平面図の一実施例を示した図。
FIG. 3 is a diagram showing one embodiment of a plan view of a second silicon substrate of the semiconductor pressure sensor according to the present invention.

【図4】本発明による半導体圧力センサの第1のシリコ
ン基板の平面図の一実施例を示した図。
FIG. 4 is a diagram showing one embodiment of a plan view of a first silicon substrate of the semiconductor pressure sensor according to the present invention.

【図5】本発明による半導体圧力センサの出力特性例を
示した図。
FIG. 5 is a diagram showing an output characteristic example of the semiconductor pressure sensor according to the present invention.

【図6】半導体歪ゲージの位置と高圧領域における検出
感度の関係を示した図。
FIG. 6 is a diagram showing a relationship between a position of a semiconductor strain gauge and detection sensitivity in a high-pressure region.

【図7】本発明による半導体圧力センサの出力特性の他
の実施例を示した図。
FIG. 7 is a diagram showing another embodiment of the output characteristics of the semiconductor pressure sensor according to the present invention.

【図8】本発明による半導体圧力センサの検出部の断面
構造の他の実施例を示した図。
FIG. 8 is a view showing another embodiment of the sectional structure of the detecting section of the semiconductor pressure sensor according to the present invention.

【図9】本発明による半導体圧力センサの検出部の断面
構造の他の実施例を示した図。
FIG. 9 is a diagram showing another embodiment of the sectional structure of the detecting section of the semiconductor pressure sensor according to the present invention.

【図10】本発明による半導体圧力センサの第2のシリ
コン基板の平面図の他実施例を示した図。
FIG. 10 is a plan view showing another embodiment of the second silicon substrate of the semiconductor pressure sensor according to the present invention.

【図11】本発明による半導体圧力センサの第2のシリ
コン基板の平面図の他実施例を示した図。
FIG. 11 is a plan view showing another embodiment of the second silicon substrate of the semiconductor pressure sensor according to the present invention.

【図12】本発明による半導体圧力センサの他の出力特
性例を示した図。
FIG. 12 is a diagram showing another output characteristic example of the semiconductor pressure sensor according to the present invention.

【図13】出力特性の線形化方法の概略ブロック図を示
した図。
FIG. 13 is a diagram showing a schematic block diagram of a method for linearizing output characteristics.

【図14】ストッパーと台座の接触する圧力を正確に決
定するための製造方法を示した図。
FIG. 14 is a view showing a manufacturing method for accurately determining the pressure at which the stopper and the base come into contact with each other.

【図15】本発明による半導体圧力センサの出力特性の
他の実施例を示した図。
FIG. 15 is a diagram showing another embodiment of the output characteristics of the semiconductor pressure sensor according to the present invention.

【図16】本発明による半導体圧力センサの検出部の断
面構造の他の実施例を示した図。
FIG. 16 is a view showing another embodiment of the cross-sectional structure of the detection unit of the semiconductor pressure sensor according to the present invention.

【図17】本発明による半導体圧力センサの第1のシリ
コン基板の平面図の他実施例を示した図。
FIG. 17 is a plan view showing another embodiment of the first silicon substrate of the semiconductor pressure sensor according to the present invention.

【図18】本発明による半導体圧力センサの第1のシリ
コン基板の平面図の他実施例を示した図。
FIG. 18 is a plan view showing another embodiment of the first silicon substrate of the semiconductor pressure sensor according to the present invention.

【図19】本発明による半導体圧力センサの非SOI構
造の検出部の断面構造を示した図。
FIG. 19 is a diagram showing a cross-sectional structure of a detection unit having a non-SOI structure of the semiconductor pressure sensor according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…第1のシリコン基板、2,106…熱酸化膜、3…
第2のシリコン基板、4,101…台座、5…低融点ガ
ラス、6…ステム、7…ハウジング、8…信号処理回
路、9…半田、10…スルーホール、11…リードピ
ン、12…高融点のガラス部材、13…導線、14…金
属薄膜、15,28…溝、16,104…ダイアフラ
ム、16a…厚さの薄いダイアフラム部、16b…厚さ
の厚いダイアフラム部、17…ボス、18…ストッパ
ー、19…シリコンパッド、20…半導体歪ゲージ、2
0a…半径方向の半導体歪ゲージ、20b…接線方向の
半導体歪ゲージ、20c…半径方向の半導体歪ゲージ、
20d…接線方向の半導体歪ゲージ、21,102…ギ
ャップ、22…外枠部、23…リード引き出し部、2
4,25…傾斜部分、26…ダイアフラムのサイズを示
す四角部、27…凹部、29…ブリッジ回路、30…調
整回路、31…増幅回路、32…線形化回路、33…除
去される部分、34…熱酸化膜、100…シリコン基
板、103…突起、105…半導体歪ゲージ。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... 1st silicon substrate, 2,106 ... thermal oxide film, 3 ...
Second silicon substrate, 4,101 base, 5 low melting point glass, 6 stem, 7 housing, 8 signal processing circuit, 9 solder, 10 through hole, 11 lead pin, 12 high melting point Glass member, 13: conductive wire, 14: metal thin film, 15, 28: groove, 16, 104: diaphragm, 16a: thin diaphragm portion, 16b: thick diaphragm portion, 17: boss, 18: stopper, 19: silicon pad, 20: semiconductor strain gauge, 2
0a: radial semiconductor strain gauge, 20b: tangential semiconductor strain gauge, 20c: radial semiconductor strain gauge,
20d: semiconductor strain gauge in the tangential direction, 21, 102: gap, 22: outer frame portion, 23: lead extraction portion, 2
4, 25: inclined portion, 26: square portion indicating diaphragm size, 27: concave portion, 29: bridge circuit, 30: adjusting circuit, 31: amplifying circuit, 32: linearizing circuit, 33: removed portion, 34 ... thermal oxide film, 100 ... silicon substrate, 103 ... protrusion, 105 ... semiconductor strain gauge.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮▲崎▼ 敦史 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者 三木 政之 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者 久保田 正則 茨城県ひたちなか市高場2477番地 株式会 社日立カーエンジニアリング内 (72)発明者 笹田 義幸 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者 山口 真市 茨城県ひたちなか市高場2477番地 株式会 社日立カーエンジニアリング内 (72)発明者 園部 久雄 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 嶋田 智 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 松本 昌大 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Miya ▲ saki ▼ Atsushi 2520 Oji Takaba, Hitachinaka City, Ibaraki Prefecture Inside the Automotive Equipment Division, Hitachi, Ltd. (72) Inventor Masayuki Miki 2520 Oaza Takaba, Hitachinaka City, Ibaraki Prefecture Address Co., Ltd.Hitachi, Ltd.Automotive Equipment Division (72) Inventor Masanori Kubota 2477 Takaba, Hitachinaka-shi, Ibaraki Pref.Hitachi Car Engineering Co., Ltd. (72) Inventor Makoto Yamaguchi 2477 Takaba, Hitachinaka-shi, Ibaraki Prefecture Incorporated Hitachi Car Engineering Co., Ltd. (72) Inventor Hisao Sonobe 7-1-1, Omikacho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture (72) Inventor Shimada, Hitachi, Ltd. Satoshi 7-1-1, Omikamachi, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Within Hitachi Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (72) Inventor Masahiro Matsumoto 7-1-1, Omikamachi, Hitachi City, Ibaraki Prefecture, Hitachi Research Laboratory, Hitachi, Ltd.

Claims (18)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】ボスとストッパーと半導体歪ゲージと表面
にブリッジ回路を形成したダイアフラムを有するシリコ
ンチップと、 前記シリコンチップに接合される台座と、 印加された圧力に応じて前記ダイアフラムが変形して、
所定の圧力で前記ストッパーを前記台座に接触し、該ス
トッパーが該台座に接触する前の低圧領域の圧力と、該
ストッパーが該台座に接触した後の高圧領域の圧力をそ
れぞれ検出できるようにした信号処理回路と、を備えた
半導体圧力センサ。
1. A silicon chip having a boss, a stopper, a semiconductor strain gauge, and a diaphragm having a bridge circuit formed on the surface thereof, a pedestal joined to the silicon chip, and the diaphragm deformed in response to an applied pressure. ,
The stopper is brought into contact with the pedestal at a predetermined pressure, so that a pressure in a low-pressure area before the stopper comes into contact with the pedestal and a pressure in a high-pressure area after the stopper comes into contact with the pedestal can be respectively detected. And a signal processing circuit.
【請求項2】請求項1において、ボスとストッパーが同
一の要素であることを特徴とする半導体圧力センサ。
2. The semiconductor pressure sensor according to claim 1, wherein the boss and the stopper are the same element.
【請求項3】請求項1において、シリコンチップはSO
I基板からなりダイアフラムの一方の面にボス、他方の
面にストッパーとブリッジ回路を配置したことを特徴と
する半導体圧力センサ。
3. The silicon chip according to claim 1, wherein the silicon chip is SO
A semiconductor pressure sensor comprising an I-substrate, wherein a boss is arranged on one surface of a diaphragm, and a stopper and a bridge circuit are arranged on the other surface.
【請求項4】請求項1から3のいずれかにおいて、台座
はガラス基板よりなり陽極接合でシリコンチップと接合
されていることを特徴とする半導体圧力センサ。
4. The semiconductor pressure sensor according to claim 1, wherein the pedestal is formed of a glass substrate and is bonded to the silicon chip by anodic bonding.
【請求項5】請求項4において、半導体歪ゲージはダイ
アフラム直径の少なくとも90%以上外側の固定端側へ
配置されていることを特徴とする半導体圧力センサ。
5. The semiconductor pressure sensor according to claim 4, wherein the semiconductor strain gauge is disposed at least 90% or more outside the diameter of the diaphragm on the fixed end side.
【請求項6】請求項3から5のいずれかにおいて、スト
ッパーの幅寸法がボスの幅寸法より小さいことを特徴と
する半導体圧力センサ。
6. The semiconductor pressure sensor according to claim 3, wherein the width of the stopper is smaller than the width of the boss.
【請求項7】請求項1において、信号処理回路は低圧領
域の出力信号と高圧領域の出力信号を個別に出力させる
機能を有することを特徴とする半導体圧力センサ。
7. The semiconductor pressure sensor according to claim 1, wherein the signal processing circuit has a function of individually outputting an output signal in a low voltage region and an output signal in a high voltage region.
【請求項8】ストッパー及び半導体歪ゲージからなるブ
リッジ回路を表面に形成したダイアフラムを有するシリ
コンチップを台座に接合し、印加された圧力に応じて前
記ダイアフラムが変形して、所定の圧力で前記ストッパ
ーを前記台座に接触させるようにすることにより、該ス
トッパーが該台座に接触する前の低圧領域の圧力と、該
ストッパーが該台座に接触した後の高圧領域の圧力をそ
れぞれ高い精度で検出できるようにした信号処理回路を
もつことを特徴とする半導体圧力センサ。
8. A silicon chip having a diaphragm having a bridge circuit formed of a stopper and a semiconductor strain gauge formed on a surface thereof is joined to a pedestal, and the diaphragm is deformed in response to an applied pressure, and the stopper is deformed at a predetermined pressure. So that the pressure in the low-pressure area before the stopper contacts the pedestal and the pressure in the high-pressure area after the stopper contacts the pedestal can be detected with high accuracy. 1. A semiconductor pressure sensor comprising a signal processing circuit according to claim 1.
【請求項9】高さが一様でないストッパー及び半導体歪
ゲージからなるブリッジ回路を表面に形成したダイアフ
ラムを有するシリコンチップを台座に接合し、被測定流
体の最下限の圧力で前記ストッパーを前記台座に接触さ
せるように製造することにより、低圧領域の圧力から高
圧領域の圧力まで連続的、且つ非線形に検出できるよう
にしたことを特徴とする半導体圧力センサ。
9. A silicon chip having a diaphragm on the surface of which a bridge circuit comprising a stopper having a non-uniform height and a semiconductor strain gauge is joined to a pedestal, and the stopper is attached to the pedestal at the lowest pressure of the fluid to be measured. A semiconductor pressure sensor characterized in that it can be continuously and non-linearly detected from a pressure in a low pressure region to a pressure in a high pressure region by being manufactured so as to be in contact with the semiconductor pressure sensor.
【請求項10】請求項3において、SOI基板は第1の
シリコン基板,熱酸化膜,第2のシリコン基板の積層体
で構成され、第1のシリコン基板へダイアフラムとボス
を加工、第2のシリコン基板へストッパー,半導体歪ゲ
ージからなるブリッジ回路,リード引き出し部,パッド
部及び外枠部を加工し、前記ブリッジ回路が気密に封止
されるように台座を前記第2のシリコン基板に加工した
外枠部とパッド部へ接合し、前記台座に設けたスルーホ
ール内の導電部材を介して前記ブリッジ回路と外部の信
号処理回路とを電気的に接続したことを特徴とする半導
体圧力センサ。
10. The SOI substrate according to claim 3, wherein the SOI substrate is composed of a laminate of a first silicon substrate, a thermal oxide film, and a second silicon substrate, and a diaphragm and a boss are formed on the first silicon substrate. A stopper, a bridge circuit including a semiconductor strain gauge, a lead lead portion, a pad portion, and an outer frame portion were processed on the silicon substrate, and a pedestal was processed on the second silicon substrate so that the bridge circuit was hermetically sealed. A semiconductor pressure sensor which is joined to an outer frame portion and a pad portion, and electrically connects the bridge circuit and an external signal processing circuit via a conductive member in a through hole provided in the pedestal.
【請求項11】請求項10において、第2のシリコン基
板へ加工した外枠部の内側寸法の一部を第1のシリコン
基板に加工したダイアフラムの外周寸法より大きくする
ことにより、半導体歪ゲージを可能な限りダイアフラム
の固定端へ配置できるようにしたことを特徴とする半導
体圧力センサ。
11. The semiconductor strain gauge according to claim 10, wherein a part of an inner dimension of the outer frame portion processed on the second silicon substrate is made larger than an outer peripheral dimension of the diaphragm processed on the first silicon substrate. A semiconductor pressure sensor characterized in that it can be disposed as much as possible on a fixed end of a diaphragm.
【請求項12】請求項10において、第2のシリコン基
板へ加工したパッドは4個で、パッド間を分離する溝へ
平行に半導体歪ゲージを配置することにより、半導体歪
ゲージを可能な限りダイアフラムの固定端へ配置できる
ようにしたことを特徴とする半導体圧力センサ。
12. A semiconductor memory device according to claim 10, wherein the semiconductor silicon strain gauge is arranged as parallel as possible to said groove by separating the semiconductor strain gauge into four grooves formed on the second silicon substrate. A semiconductor pressure sensor characterized in that it can be arranged at a fixed end of a semiconductor pressure sensor.
【請求項13】ストッパーと半導体歪ゲージからなるブ
リッジ回路を表面に形成したダイアフラムを有するシリ
コンチップを台座に接合して、印加された圧力に応じて
前記ダイアフラムを変形させ、被測定流体の測定すべき
上限の圧力を越えたときに始めて前記ストッパーを前記
台座へ接触させるようにし、ブリッジ回路の信号を増
幅,線形化する信号処理回路をもつことを特徴とする半
導体圧力センサ。
13. A silicon chip having a diaphragm having a bridge circuit formed of a stopper and a semiconductor strain gauge formed on the surface thereof is joined to a pedestal, and the diaphragm is deformed in accordance with an applied pressure to measure a fluid to be measured. A semiconductor pressure sensor having a signal processing circuit for amplifying and linearizing a signal of a bridge circuit, wherein the stopper is brought into contact with the pedestal only when the pressure exceeds a power upper limit.
【請求項14】請求項1において、一度圧力を印加して
ストッパーが台座へ接触する圧力値を測定した後、ダイ
アフラムを更にエッチング加工してダイアフラムの厚さ
を適正な所定の寸法にする工程を有することを特徴とす
る半導体圧力センサ。
14. A method according to claim 1, wherein after the pressure is applied once to measure the pressure value at which the stopper comes into contact with the pedestal, the diaphragm is further etched to make the thickness of the diaphragm an appropriate predetermined dimension. A semiconductor pressure sensor comprising:
【請求項15】請求項1において、ダイアフラムの厚さ
は一様ではなく、薄いところと厚い所が有り、その薄い
部分と厚い部分の表面へそれぞれ半導体歪ゲージを配置
したことを特徴とする半導体圧力センサ。
15. The semiconductor according to claim 1, wherein the thickness of the diaphragm is not uniform, and there are a thin portion and a thick portion, and semiconductor strain gauges are disposed on the surfaces of the thin portion and the thick portion, respectively. Pressure sensor.
【請求項16】請求項15において、ストッパーは薄い
部分のダイアフラムの表面へ形成されていることを特徴
とする半導体圧力センサ。
16. The semiconductor pressure sensor according to claim 15, wherein the stopper is formed on the surface of the thin portion of the diaphragm.
【請求項17】請求項1において、圧力に対する出力信
号が低圧領域と高圧領域の間で段折れ特性になっている
ことを特徴とする半導体圧力センサ。
17. The semiconductor pressure sensor according to claim 1, wherein an output signal with respect to the pressure has a step-break characteristic between a low pressure region and a high pressure region.
【請求項18】請求項1において、ブリッジ回路部に発
生した信号の増幅率の小さい方を低圧領域の出力信号,
大きい方を高圧領域の出力信号とする信号処理回路であ
ることを特徴とする半導体圧力センサ。
18. The method according to claim 1, wherein the smaller the amplification factor of the signal generated in the bridge circuit portion, the lower the output signal of the low voltage region,
A semiconductor pressure sensor, which is a signal processing circuit that uses a larger one as an output signal in a high voltage range.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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