JPH11132881A - Semiconductor type compound sensor - Google Patents

Semiconductor type compound sensor

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JPH11132881A
JPH11132881A JP29235997A JP29235997A JPH11132881A JP H11132881 A JPH11132881 A JP H11132881A JP 29235997 A JP29235997 A JP 29235997A JP 29235997 A JP29235997 A JP 29235997A JP H11132881 A JPH11132881 A JP H11132881A
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sensor
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signal processing
silicon chip
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照美 仲沢
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嶋田  智
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保弘 浅野
Hiromichi Ebine
広道 海老根
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve yield, measurement precision and quality of a semic onductor type compound sensor, and realize miniaturization. SOLUTION: A plurality of diaphragm type sensor elements 11, 12, 13, and a sensor signal processing circuit 15 are formed on the single surface of a silicon chip 10, by a surface device process treatment of a multilayered film. The signal processing circuit 15 is arranged in the central part of the silicon chip 10. A plurality of the sensor elements 11, 12, 13 are arranged on the periphery of the signal processing circuit 15, sandwiching the signal processing circuit 15. A pedestal 20 is joined to the surface of the silicon chip 10 on which surface the sensor elements and the signal processing circuit are formed. The joined region of the pedestal 20 is made the periphery of the sensor elements 11, 12, 13. The periphery of the signal processing circuit 15 is made a region which is not joined.

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、シリコンチップに
表面デバイスのプロセス技術を用いてセンサ素子(例え
ば圧力検出素子,温度検出素子)とその信号処理回路を
形成した半導体複合センサに関する。
The present invention relates to a semiconductor composite sensor in which a sensor element (for example, a pressure detecting element, a temperature detecting element) and a signal processing circuit thereof are formed on a silicon chip by using a surface device process technique.

【0002】[0002]

【従来の技術】自動車や産業用計測に使用される従来の
半導体形圧力センサの代表的なものとして、裏面からシ
リコン基板を加工(シリコンエッチング)してダイアフ
ラムを形成し、そのダイアフラムに相当する位置のシリ
コン基板表面に歪抵抗素子を拡散技術により形成するバ
ルク形のピエゾ抵抗式センサが知られている。この種の
センサには、例えば、差圧,静圧及び温度を一つの基板
に形成する複合形センサタイプのものがある(例えば、
特開平4−204226号、特開平7−311110
号)。
2. Description of the Related Art As a typical example of a conventional semiconductor type pressure sensor used for automobile and industrial measurement, a diaphragm is formed by processing (silicon etching) a silicon substrate from the back surface, and a position corresponding to the diaphragm is formed. There is known a bulk type piezoresistive sensor in which a strain resistance element is formed on a silicon substrate surface by a diffusion technique. As this type of sensor, there is, for example, a composite sensor type in which a differential pressure, a static pressure, and a temperature are formed on one substrate (for example,
JP-A-4-204226, JP-A-7-311110
issue).

【0003】最近では、上記のバルク形に代わって、シ
リコンチップの片面に、多層膜の表面デバイスプロセス
技術を用いて複数のダイアフラム形のセンサ素子を設
け、加えてセンサ素子からの信号を処理する信号処理回
路を併設した表面デバイス形の複合センサが提案されて
いる。このタイプは、シリコンチップの表面に固定電極
を形成し、その上に後で削除される犠牲層(例えばSi
2)を形成し、さらにその上にダイアフラム素材(例
えばポリシリコン)を積層し、上記犠牲層を削除してダ
イアフラムを形成するものであり、静電容量,歪抵抗等
の検出素及びダイアフラムがすべて片面から形成される
ために、これらの要素の位置合わせがバルク形に較べて
高精度かつ容易に行い得るものとして評価されている。
Recently, instead of the bulk type described above, a plurality of diaphragm-type sensor elements are provided on one side of a silicon chip by using a multi-layer surface device process technology, and additionally, signals from the sensor elements are processed. 2. Description of the Related Art A surface device type composite sensor provided with a signal processing circuit has been proposed. In this type, a fixed electrode is formed on the surface of a silicon chip, and a sacrificial layer (for example, Si
O 2) is formed, and further laminating a diaphragm material (e.g., polysilicon) thereon, which forms the diaphragm by removing the sacrificial layer, the electrostatic capacity, the detection element and the diaphragm such as strain resistance Since they are all formed from one side, it is evaluated that the alignment of these elements can be performed with higher precision and easier than in the bulk type.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】上記のような複合セン
サにおいて、シリコンチップ片面に表面デバイスプロセ
ス技術により信号処理回路と複数のセンサ素子をシリコ
ン基板に併設する場合、複数のセンサ素子は環境温度が
なるべく同じになるようセンサ素子同士を隣り合うよう
にまとめて形成し、信号処理回路はその傍らに並べてレ
イアウトするものが提案されていた。
In the above-described composite sensor, when a signal processing circuit and a plurality of sensor elements are provided on a silicon substrate on one surface of a silicon chip by surface device processing technology, the plurality of sensor elements have an environmental temperature. It has been proposed that sensor elements are formed so as to be adjacent to each other so as to be as similar as possible, and a signal processing circuit is laid out side by side.

【0005】このような配置構造を模式化して表わした
従来例が図6(a)であり〔図6(a)はシリコンチッ
プ10上を正面から見た図〕、l0はシリコンウエハー
を多数分割して得られるその中の一つのシリコンチップ
10の一辺の長さを示し、その両サイドの斜線領域がウ
エハーをブレードにより分割する時のダイシングカット
幅(カット代)である。
Conventional examples of such an arrangement structure represented by schematic form is FIGS. 6 (a) [Fig. 6 (a) viewed silicon chip 10 on Front View], l 0 is a number of silicon wafers The length of one side of one of the silicon chips 10 obtained by the division is shown, and the hatched areas on both sides thereof are the dicing cut width (cut allowance) when the wafer is divided by the blade.

【0006】同図(a)において、11或いは12は、
例えば被測定圧力,大気圧等の圧力検出素子、13は温
度検出素子であり、これらのセンサのうち前者をセンサ
素子、後者をセンサ素子とすると、シリコンチップ
10上には、表面デバイスプロセス処理にて形成された
センサ素子,が隣り合い、その傍らにこれら信号処
理回路(集積回路)15が配置されている。
In FIG. 1A, reference numerals 11 and 12 denote:
For example, a pressure detecting element such as a measured pressure and an atmospheric pressure, and 13 is a temperature detecting element. Of these sensors, the former is a sensor element and the latter is a sensor element. These signal processing circuits (integrated circuits) 15 are arranged beside the formed sensor elements.

【0007】(イ)このような配置構成において、セン
サ素子,間やセンサ素子・信号処理回路15間
は、環境温度が同じでスペースの合理化を図るには理想
的には、できるだけ接近しあうのが望まれる。しかし、
実際には、これらのセンサ素子間やセンサ素子・信号処
理回路間には配線スペースを確保しなければならず、そ
の間を離間させなければならず、また、このように離し
た場合には、その間にシリコン基板表面に形成される保
護膜30(例えば材質はフォトレジンと同じもの)が流
入できるよう、ある程度の間隔l1,l2を確保しなけれ
ばならない。
(A) In such an arrangement, the sensor elements and between the sensor elements and the signal processing circuit 15 are ideally close to each other as much as possible in order to rationalize the space at the same environmental temperature. Is desired. But,
Actually, a wiring space must be secured between these sensor elements or between the sensor element and the signal processing circuit, and the wiring space must be separated. In order to allow the protective film 30 (for example, the material is the same as that of the photoresin) formed on the surface of the silicon substrate to flow in, a certain interval l 1 and l 2 must be secured.

【0008】保護膜30は、シリコンウエハーの切断
(ダイシングカット前)前の各チップ領域にセンサ素子
や信号処理回路を形成後に施され、例えば、回転円盤上
にシリコンウエハーを真空チャックにより固定して高速
回転させながら(≒10krpm)、そのシリコンウエハー表
面中心に保護膜の材料となるレジスト液を滴下し、その
レジスト液をシリコンウエハーの回転遠心力で拡げるこ
とで成膜している。
The protective film 30 is applied after forming a sensor element and a signal processing circuit in each chip area before cutting (before dicing cut) the silicon wafer. For example, the silicon wafer is fixed on a rotating disk by a vacuum chuck. While rotating at a high speed (≒ 10 krpm), a resist solution serving as a material for a protective film is dropped at the center of the surface of the silicon wafer, and the resist solution is spread by the rotational centrifugal force of the silicon wafer to form a film.

【0009】このうち、センサ素子,間の間隔l1
はセンサ素子・信号処理回路15間の間隔l2よりも
大きくしていた。その理由は、信号処理回路15よりセ
ンサ素子,は、その積層構造からして背丈が高いた
めに、そこに被る保護膜30の盛り上がり(山)が急勾
配になる傾向にあり、この勾配がきついほど保護膜30
のセンサエッジにかかる部分30′(以下、保護膜エッ
ジ部30′と称する)が薄膜化し充分に保護膜の厚みが
確保し得ないことが起こり得るので、特にセンサ素子
,で挾まれる間隔l1は双方のセンサ素子,の
保護膜エッジ部30′に対して薄膜化を避けるようにす
るために、距離l1を拡げて(l2よりも大きくして)、
保護膜30の勾配をなだらかにする必要があった。ちな
みに、センサ素子の高さは約10μm、信号処理回路の
高さは約4μm程度である。
Among them, the interval l 1 between the sensor elements is
Is larger than the interval l 2 between the sensor element and the signal processing circuit 15. The reason for this is that the sensor element is higher in height than the signal processing circuit 15 due to its laminated structure, and therefore the swelling (mountain) of the protective film 30 covering the sensor element tends to be steep, and this gradient is steep. Protective film 30
Since the portion 30 '(hereinafter referred to as the protective film edge portion 30') of the sensor edge may become so thin that the thickness of the protective film cannot be sufficiently secured, the distance l between the sensor elements is particularly large. 1 is to increase the distance l 1 (to be greater than l 2 ) in order to avoid thinning the protective film edge 30 ′ of both sensor elements,
It was necessary to make the gradient of the protective film 30 gentle. Incidentally, the height of the sensor element is about 10 μm, and the height of the signal processing circuit is about 4 μm.

【0010】上記のようにセンサ素子,間の間隔l
1を拡げざるを得ないために、その分、各シリコンチッ
プ10が大きくなる。
As described above, the distance l between the sensor elements
Since the size of 1 must be increased, the size of each silicon chip 10 increases accordingly.

【0011】(ロ)また、従来方式では、信号処理回路
15はシリコンチップ10の端寄りに配置されるため
に、シリコンチップ10の表面を覆う保護膜30に欠け
が生じると、信号処理回路15の湿度リークの不具合が
生じたりすることが懸念される。例えば、信号処理回路
15をCMOS回路で構成した場合には、CMOS回路
のゲート電極,ソース電極,ドレイン電極等に湿度リー
クが生じるおそれがある。
(B) In the conventional method, since the signal processing circuit 15 is disposed near the edge of the silicon chip 10, if the protection film 30 covering the surface of the silicon chip 10 is chipped, the signal processing circuit 15 It is feared that a humidity leak may occur. For example, when the signal processing circuit 15 is formed of a CMOS circuit, there is a possibility that humidity leakage may occur in a gate electrode, a source electrode, a drain electrode, and the like of the CMOS circuit.

【0012】(ハ)また、信号処理回路15は、接合さ
れる台座(台座は、通常、シリコンチップ10との陽極
接合が容易なガラス板が用いられる)との線膨張係数差
による熱ストレスの影響を受けて、回路特性が温度によ
り変化する原因となる。
(C) In addition, the signal processing circuit 15 is provided with a thermal stress due to a difference in linear expansion coefficient from a pedestal to be joined (a pedestal is usually a glass plate which is easy to anodically bond with the silicon chip 10). Under the influence, it causes the circuit characteristics to change with temperature.

【0013】本発明の目的は、上記したような課題を解
決して、この種センサの歩留まり向上、測定精度ひいて
は品質の向上、及び小形化を図れる半導体形複合センサ
を提供することにある。
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide a semiconductor composite sensor capable of improving the yield, measuring accuracy, and quality of this type of sensor, and miniaturizing the sensor.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】[Means for Solving the Problems]

(1)本発明に係わる半導体複合センサは、基本的に
は、図6(b)に示すように、シリコンチップ10の片
面(表面)に、多層膜の表面デバイスプロセス処理によ
り形成された複数のダイアフラム形のセンサ素子,
と前記センサ素子からの信号を処理する信号処理回路1
5とが設けられ、且つ前記信号処理回路15は前記シリ
コンチップ10の中央に配置されて、この信号処理回路
15の周辺に前記複数のセンサ素子,が配置されて
いることを特徴とする。なお、センサ素子は後で述べ
る実施例では、圧力検出素子11,12として、センサ
素子は温度検出素子13として例示している。
(1) Basically, as shown in FIG. 6B, the semiconductor composite sensor according to the present invention comprises a plurality of silicon chips 10 formed on one surface (surface) of a silicon chip 10 by surface device process processing of a multilayer film. Diaphragm type sensor element,
And a signal processing circuit 1 for processing a signal from the sensor element
And the signal processing circuit 15 is disposed at the center of the silicon chip 10, and the plurality of sensor elements are disposed around the signal processing circuit 15. In the embodiments described later, the sensor elements are illustrated as the pressure detecting elements 11 and 12, and the sensor elements are illustrated as the temperature detecting elements 13.

【0015】このように構成すれば、例えば、信号処理
回路15を中央に配置して、その両側の一方にセンサ素
子を、他方にセンサ素子を配置する構造を採用する
ことができ、シリコンチップ10の一辺の長さl0にお
ける素子及び回路等の配置間隔の総和はL3+l2+l2
+L3で表わされる。ここで、L3はセンサ素子やセン
サ素子とチップ10一端間の距離、l2はセンサ素子
やセンサ素子と信号処理回路15間の距離である。
According to this structure, for example, a structure can be adopted in which the signal processing circuit 15 is disposed at the center, the sensor element is disposed on one side of the signal processing circuit 15, and the sensor element is disposed on the other side. The sum of the arrangement intervals of elements, circuits, and the like at the length l 0 of one side is L 3 + l 2 + l 2
Represented by + L 3. Here, L 3 is the distance between the sensor element and the sensor element and the chip 10 at one end, l 2 is the distance between the sensor element and the sensor element and the signal processing circuit 15.

【0016】比較例を先に述べた図6(a)の配置構造
とすれば、この場合のチップ長l0における素子及び回
路等の配置間隔の総和は、l3+l2+l1+L3である。
1はセンサ素子,間の距離であり、l3は信号処理
回路15・チップ10の一端間の距離である。
If the comparative example has the above-described arrangement structure of FIG. 6A, the total sum of the arrangement intervals of the elements and circuits at the chip length l 0 is l 3 + l 2 + l 1 + L 3 . is there.
l 1 is the distance between the sensor elements, and l 3 is the distance between the signal processing circuit 15 and one end of the chip 10.

【0017】図6(b)の従来例を同図(a)の本発明
と比較するに、本実施例の場合には、センサ素子,
間の距離l1が存在せず、これに代わって、センサ素子
・信号処理回路15間の距離l2が存在するものであ
る。既述したように、背丈の高いセンサ素子間の距
離l1は保護膜エッジ部30′の急勾配を防いで保護膜
30の薄膜化を防止するために、一方が背丈の低い信号
処理回路15・センサ素子(或いはセンサ素子)と
の距離l1よりも拡げる必要がある。したがって、l1
2の関係が成立する。また、l3とL3を比較した場
合、上記のセンサ素子と信号処理回路の背丈の関係から
すればL3の方が大きくせざるを得ないように見られる
が、実際には、ダイシングカット幅もL3の延長部とし
て利用できるので、L3≒l3(L3=l3を含む)でも保
護膜エッジ部の薄膜防止を図れる。
6 (b) is compared with the present invention shown in FIG. 6 (a).
There is no distance l 1 between them, and instead there is a distance l 2 between the sensor element and the signal processing circuit 15. As described above, the distance l 1 between the tall sensor elements is one of which is one of the short signal processing circuits 15 in order to prevent the protection film edge 30 ′ from being steep and preventing the protection film 30 from being thinned. sensor element (or sensor element) and it is necessary to spread than the distance l 1 of the. Therefore, l 1 >
The relationship of l 2 holds. Also, when comparing l 3 and L 3 , it seems that L 3 has to be larger in view of the height relationship between the sensor element and the signal processing circuit. Since the width can also be used as an extension of L 3, the edge of the protective film can be prevented from being thin even when L 3 ≒ l 3 (including L 3 = l 3 ).

【0018】したがって、図6(b)の本実施例と図6
(a)の従来例とを比較した場合、チップ長l0を本実
施例の方が短縮することができ、その分、複合センサの
小形化を図ることができる。
Therefore, this embodiment shown in FIG.
As compared with the conventional example of FIG. 7A, the chip length l 0 can be shortened in the present embodiment, and the size of the composite sensor can be reduced accordingly.

【0019】信号処理回路15は、シリコンチップ10
のほぼ中央に形成してあるので、ダイシングカット時等
にシリコンチップの端部欠けが生じても、その影響を避
けて、回路のリーク電流の解決を図れる。
The signal processing circuit 15 includes the silicon chip 10
Is formed almost in the center, so that even if chipping of the silicon chip occurs at the time of dicing cut or the like, the influence of the chipping can be avoided and the leakage current of the circuit can be solved.

【0020】(2)もう一つの発明としては、上記
(1)の構成に加えて、シリコンチップの片面(センサ
素子及び信号処理回路が形成されている側の面)にガラ
ス基板等の台座を接合する場合に、その接合領域を前記
センサ素子の周辺とし、前記信号処理回路の周辺は非接
合領域として成るものを提案する。
(2) As another invention, in addition to the configuration of the above (1), a pedestal such as a glass substrate is provided on one surface of the silicon chip (the surface on which the sensor element and the signal processing circuit are formed). In the case of bonding, it is proposed that the bonding region be the periphery of the sensor element and the periphery of the signal processing circuit be a non-bonding region.

【0021】このように構成すれば、シリコンチップ上
の信号処理回路は、シリコンチップと台座との線膨張係
数差による熱ストレスの影響を避けることができ、回路
特性が温度により変化するのを防止する。この場合に
は、高精度の温度特性が要求される半導体複合センサの
場合に特に有効である。
With this configuration, the signal processing circuit on the silicon chip can avoid the influence of thermal stress due to the difference in linear expansion coefficient between the silicon chip and the pedestal, thereby preventing the circuit characteristics from changing with temperature. I do. This case is particularly effective in the case of a semiconductor composite sensor that requires high-precision temperature characteristics.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】本発明の実施例を図面を用いて説
明する。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0023】図1は本発明の一実施例に係わる半導体形
複合センサのセンサ部(ここでは、センサ素子と信号処
理回路を有するチップをセンサ部と称する)を示す平面
図、図2(a)はそのA−B線断面図、図2(b)は同
じくA−C線断面図、図3はセンサの実装構造を示す縦
断面図、図4はセンサの製造プロセスを示す説明図、図
5は本実施例の回路構成図である。
FIG. 1 is a plan view showing a sensor section (here, a chip having a sensor element and a signal processing circuit is referred to as a sensor section) of a semiconductor composite sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line A-C of FIG. 2, FIG. 3 is a vertical cross-sectional view showing a mounting structure of the sensor, FIG. 4 is an explanatory view showing a manufacturing process of the sensor, and FIG. Is a circuit configuration diagram of the present embodiment.

【0024】本例における半導体形センサのセンサ部1
は、シリコン基板(シリコンチップ)10の片面に、多
層膜の表面デバイスプロセス技術を用いて複数のダイア
フラム形のセンサ素子11,12,13とこれらのセン
サ素子からの信号を処理する回路部(信号処理回路)1
5とを形成してなり、さらに、信号処理回路15で処理
された信号を外部に引き出したり、電源入力等の複数の
電極24がシリコンチップ10上の周縁近くに配設され
ている。
The sensor unit 1 of the semiconductor type sensor in this embodiment
A plurality of diaphragm-type sensor elements 11, 12, and 13 and a circuit section (signal processing section) for processing signals from these sensor elements are formed on one surface of a silicon substrate (silicon chip) 10 by using a multilayer film surface device process technology. Processing circuit) 1
Further, a plurality of electrodes 24 for drawing out a signal processed by the signal processing circuit 15 to the outside and for inputting a power supply are arranged near the periphery of the silicon chip 10.

【0025】ここでは、センサ素子の一例として、被測
定圧力を導入して検出する圧力検出素子11と、大気圧
を導入して検出する圧力検出素子12と、温度を測定す
る温度検出素子13とを例示し、いずれの検出素子(セ
ンサ素子)もダイアフラム形の静電容量式としている。
Here, as examples of the sensor element, a pressure detecting element 11 for introducing and detecting a pressure to be measured, a pressure detecting element 12 for detecting by introducing atmospheric pressure, and a temperature detecting element 13 for measuring temperature. And each of the detection elements (sensor elements) is a diaphragm-type capacitance type.

【0026】信号処理回路15は、シリコンチップ10
の中央に形成され、この信号処理回路15の周囲に圧力
検出素子11、12や温度検出素子13が配設される。
本例では、圧力検出素子11,12と温度検出素子13
とが信号処理回路15を挾む形でシリコンチップ10上
の両サイドに配置されている。圧力検出素子11,12
及び温度検出素子13は、信号処理回路15と配線(導
電膜)16を介して電気的に接続されている。
The signal processing circuit 15 includes the silicon chip 10
The pressure detection elements 11 and 12 and the temperature detection element 13 are arranged around the signal processing circuit 15.
In this example, the pressure detecting elements 11 and 12 and the temperature detecting element 13
Are arranged on both sides of the silicon chip 10 so as to sandwich the signal processing circuit 15. Pressure detecting elements 11, 12
The temperature detecting element 13 is electrically connected to the signal processing circuit 15 via a wiring (conductive film) 16.

【0027】図2(a)は図1のシリコンチップ10に
台座20を接合した状態を、図1のA−B線を断面して
表わし、図2(b)は同じくA−C線を断面して表わし
ている。
FIG. 2A shows a state in which the pedestal 20 is joined to the silicon chip 10 of FIG. 1 along a line AB in FIG. 1, and FIG. 2B shows a state along a line AC in FIG. Is represented.

【0028】図2(a),(b)に示すように、圧力検
出素子11,12及び温度検出素子13は、基本的には
同一の多層膜構造を呈するダイアフラム形の静電容量式
のセンサ素子よりなり、可動電極となるダイアフラム1
21,封止空間部122,絶縁膜125,空間部122
の隙間を限定するためのエッチングストッパ膜123,
固定電極124より成る。126は空間部122の封止
である。
As shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), the pressure detecting elements 11, 12 and the temperature detecting element 13 are basically a diaphragm type capacitance type sensor having the same multilayer film structure. Diaphragm 1 consisting of elements and acting as a movable electrode
21, sealing space 122, insulating film 125, space 122
Stopper film 123 for limiting the gap between
It comprises a fixed electrode 124. Reference numeral 126 denotes a seal for the space 122.

【0029】圧力検出素子11は、図2(b)に示すよ
うに、ダイアフラム121の被測定圧力受圧面に臨む側
の空間128が台座20に設けた被測定圧力導入部22
に通じている。圧力検出素子12は、図2(a)に示す
ように、ダイアフラム121の大気圧受圧面に臨む側の
空間128′が台座20に設けた大気圧導入部21に通
じている。
As shown in FIG. 2B, the pressure detecting element 11 has a space 128 on the side facing the measured pressure receiving surface of the diaphragm 121 and the measured pressure introducing portion 22 provided on the pedestal 20.
Leads to. As shown in FIG. 2A, the pressure detecting element 12 has a space 128 ′ on the side facing the atmospheric pressure receiving surface of the diaphragm 121 communicating with the atmospheric pressure introducing portion 21 provided on the pedestal 20.

【0030】圧力検出素子11,12は、その封止空間
部122が真空中で気密シールされることで、絶対圧を
基準とする静電容量式の圧力センサを構成し、例えば、
この種複合センサを車両用として使用する場合を想定す
ると、圧力検出素子12が大気圧の変動を検出するセン
サとして使われ、圧力検出素子11がエンジンのマニフ
ォルド圧力の変動を検出するセンサとして使われたりす
る。
The pressure detecting elements 11 and 12 constitute a capacitance type pressure sensor based on the absolute pressure by hermetically sealing the sealing space 122 in a vacuum.
Assuming that this kind of composite sensor is used for a vehicle, the pressure detecting element 12 is used as a sensor for detecting a change in the atmospheric pressure, and the pressure detecting element 11 is used as a sensor for detecting a change in the manifold pressure of the engine. Or

【0031】温度検出素子13の空間部122も真空中
で気密シールされ、この温度検出素子のもう一方の空間
128″も真空中で台座20で封止されて被測定圧力と
大気圧のいずれも検知しない構造としてあり、周囲の温
度が変化した時の容量の変化だけを検知する。温度によ
る容量変化は、材料の誘電率変化、熱歪による隙間の変
化(ダイアフラムの歪み変化)などによってもたらされ
る。
The space 122 of the temperature detecting element 13 is also hermetically sealed in a vacuum, and the other space 128 "of the temperature detecting element is also sealed by the pedestal 20 in a vacuum, so that both the measured pressure and the atmospheric pressure are reduced. It has a structure that does not detect, and detects only the change in capacitance when the ambient temperature changes, which is caused by a change in the dielectric constant of the material, a change in the gap due to thermal strain (change in diaphragm distortion), etc. .

【0032】台座20はシリコンチップ10に熱膨張が
近似した硼珪酸ガラスの板よりなり、その中央に穴25
があけてあり、この穴25に対面して信号処理回路15
が位置するように設定する。台座20は、シリコンチッ
プ10のセンサ素子11〜13及び信号処理回路15を
形成した側の表面に接合(例えば陽極接合)される。こ
の接合位置は、圧力検出素子11,12及び温度検出素
子13の周辺位置であり、信号処理回路15の周辺は非
接合領域としてある。すなわち、信号処理回路(回路
部)15及びその周辺は台座20の空間25と対面する
非接合領域となることで、信号処理回路15がガラス基
板20とシリコンチップ10との線膨張係数の差による
熱ストレスを受けない構造としている。
The pedestal 20 is made of a borosilicate glass plate whose thermal expansion is similar to that of the silicon chip 10 and has a hole 25 in the center thereof.
The signal processing circuit 15 faces the hole 25.
Set so that is located. The pedestal 20 is bonded (eg, anodically bonded) to the surface of the silicon chip 10 on the side where the sensor elements 11 to 13 and the signal processing circuit 15 are formed. This joining position is a position around the pressure detecting elements 11 and 12 and the temperature detecting element 13, and the periphery of the signal processing circuit 15 is a non-joining area. That is, the signal processing circuit (circuit portion) 15 and its periphery are non-bonded areas facing the space 25 of the pedestal 20, so that the signal processing circuit 15 is caused by a difference in linear expansion coefficient between the glass substrate 20 and the silicon chip 10. The structure does not receive heat stress.

【0033】ここで、センサ部1、すなわちシリコンチ
ップ10に圧力検出素子11,12及び温度検出素子1
3を表面デバイスプロセス処理にて形成する場合の製造
過程を図4により説明する。
Here, the pressure sensing elements 11 and 12 and the temperature sensing element 1
The manufacturing process in the case of forming 3 by the surface device process will be described with reference to FIG.

【0034】図4において、(a)は、信号処理回路1
5を形成するプロセス、たとえば標準的なCMOS回路
プロセスを用いて形成される。圧力検出素子11,12
と温度検出素子13は、信号処理回路15を挾む形で左
右両サイドに形成される。この過程では、そのほかに検
出素子の固定電極124,ストッパ膜123及び絶縁膜
(例えばSi34よりなる表面保護膜)125が形成さ
れる。
In FIG. 4, (a) shows the signal processing circuit 1
5, for example, using a standard CMOS circuit process. Pressure detecting elements 11, 12
And the temperature detecting element 13 are formed on both left and right sides so as to sandwich the signal processing circuit 15. In this process, a fixed electrode 124 of the detection element, a stopper film 123, and an insulating film (for example, a surface protective film made of Si 3 N 4 ) 125 are formed.

【0035】(b)は後で除去される犠牲層122´を
形成するプロセスで、例えばをSiO2等で形成され
る。この犠牲層122´は、ダイアフラム形成のための
空間122となるために最終的には除去される。
(B) is a process for forming a sacrificial layer 122 'to be removed later, which is formed, for example, of SiO 2 . This sacrificial layer 122 'is finally removed because it becomes a space 122 for forming a diaphragm.

【0036】(c)のプロセスでは、ダイアフラムとな
るポリシリコン膜121をセンサの測定圧力レンジに応
じて成膜する。また、ポリシリコン膜121のうちダイ
アフラム周辺部127の一部を除去し絶縁溝129を形
成する。このダイアフラム周辺に残されたポリシリコン
膜127は、後で接合されるガラス基板(台座)20の
接着剤の役割を果たす。
In the process (c), a polysilicon film 121 serving as a diaphragm is formed in accordance with the measurement pressure range of the sensor. Further, a part of the diaphragm peripheral portion 127 of the polysilicon film 121 is removed to form an insulating groove 129. The polysilicon film 127 left around the diaphragm serves as an adhesive for the glass substrate (pedestal) 20 to be bonded later.

【0037】(d)は、犠牲層122′をエッチング除
去するプロセスで、ポリシリコン膜121の一部に開け
た穴を通じてフッ酸を導き、犠牲層(SiO2)を除去
して空間122を形成する。固定電極124の上にはS
34膜(絶縁膜123)が予め形成してあるので、固
定電極124はエッチングされず、空間122が犠牲層
としての酸化膜122′の厚みに等しい隙間により正確
に形成される。
(D) is a process for etching and removing the sacrificial layer 122 '. Hydrofluoric acid is led through a hole formed in a part of the polysilicon film 121, and the space 122 is formed by removing the sacrificial layer (SiO 2 ). I do. S on the fixed electrode 124
Since the i 3 N 4 film (insulating film 123) is formed in advance, the fixed electrode 124 is not etched, and the space 122 is accurately formed by a gap equal to the thickness of the oxide film 122 ′ as a sacrificial layer.

【0038】(e)は、ポリシリコン膜121の一部に
開けた穴を封止するプロセスで、同じポリシリコン膜等
で成膜して、封止126を形成する。
(E) is a process for sealing a hole formed in a part of the polysilicon film 121 by forming the same polysilicon film or the like to form a seal 126.

【0039】(f)は、信号処理回路15における配線
アルミ電極14や図1に示す配線アルミ電極16を形成
するプロセスである。
(F) is a process for forming the wiring aluminum electrode 14 in the signal processing circuit 15 and the wiring aluminum electrode 16 shown in FIG.

【0040】なお、図1〜図5に図示しないが、センサ
部1の片側(シリコンチップ10のうちセンサ素子11
〜13や信号処理回路15を形成した側の面)には保護
膜30〔図6(b)参照〕が形成される。保護膜30
は、センサ部1のセンサ素子11〜13及び回路15を
保護するものであるが、この保護膜30の材質は、例え
ばフォトレジンと同材質のものが使用される。
Although not shown in FIGS. 1 to 5, one side of the sensor unit 1 (the sensor element 11
13 and the surface on which the signal processing circuit 15 is formed), a protective film 30 (see FIG. 6B) is formed. Protective film 30
Protects the sensor elements 11 to 13 of the sensor section 1 and the circuit 15, and the material of the protective film 30 is, for example, the same as that of the photo resin.

【0041】図3は、上記したセンサ部1と台座20と
の接合したものをセンサケーシング2に実装して、本発
明に係わる複合圧力センサの全体構造を示すものであ
る。
FIG. 3 shows the entire structure of a composite pressure sensor according to the present invention, in which the above-mentioned sensor unit 1 and pedestal 20 are mounted on a sensor casing 2.

【0042】ケーシング2はプラスチックなどの材料か
ら成り、コネクタ3と圧力導入管5を有する。台座20
は、シリコン板50とも陽極接合される。シリコン板5
0は、ケーシング2に有機接着剤4を介して気密に接着
される。センサ部1の端子電極14はワイヤ(結線)7
を介してコネクタ端子31と接続され、ケーシング2内
にはシリコーンゲル6が充填され、ケーシング2はカバ
ー60で被蓋される。このケーシング2とカバー60は
接着剤を介して接着される。
The casing 2 is made of a material such as plastic and has a connector 3 and a pressure introducing pipe 5. Pedestal 20
Is also anodically bonded to the silicon plate 50. Silicon plate 5
No. 0 is airtightly bonded to the casing 2 via the organic adhesive 4. The terminal electrode 14 of the sensor unit 1 is a wire (connection) 7
The casing 2 is filled with the silicone gel 6 and the casing 2 is covered with a cover 60. The casing 2 and the cover 60 are bonded via an adhesive.

【0043】シリコーンゲル60はセンサ部1とワイヤ
7とを保護する。カバー60には大気圧導入穴61が設
けてある。
The silicone gel 60 protects the sensor unit 1 and the wire 7. The cover 60 is provided with an atmospheric pressure introduction hole 61.

【0044】自動車のマニフォルドと圧力導入管5は接
続され、マニフォルド圧力は内部導入穴51,52及び
22を通って、圧力検出素子11のダイアフラム121
に印加される。一方、大気圧はカバー60に設けた大気
圧導入穴61を介してケーシング2内に導入され、この
大気圧を粘弾性をもつシリコーンゲル6を介して受け、
その圧力変動を大気圧導入路21を介して圧力検出素子
12のダイアフラム121に印加される。
The manifold of the automobile is connected to the pressure introducing pipe 5, and the manifold pressure passes through the internal introducing holes 51, 52 and 22, and the diaphragm 121 of the pressure detecting element 11.
Is applied to On the other hand, the atmospheric pressure is introduced into the casing 2 through an atmospheric pressure introducing hole 61 provided in the cover 60, and the atmospheric pressure is received through the viscoelastic silicone gel 6,
The pressure fluctuation is applied to the diaphragm 121 of the pressure detecting element 12 via the atmospheric pressure introducing path 21.

【0045】圧力検出素子11,12の各ダイアフラム
121(可動電極)は、それぞれの導入した圧力に応動
して空間122の隙間が変化して可動電極121・固定
電極124間の静電容量が変化する。これを、信号処理
回路15で周囲温度の変動によるセンサの特性変化を補
正し、静電容量の変化を1−5Vなどの標準電気信号に
変換して、絶対圧基準の信号をコネクタ3を介して外部
に出力する。
Each of the diaphragms 121 (movable electrodes) of the pressure detecting elements 11 and 12 changes the gap of the space 122 in response to the introduced pressure and changes the capacitance between the movable electrode 121 and the fixed electrode 124. I do. The signal processing circuit 15 corrects the change in sensor characteristics due to the change in ambient temperature, converts the change in capacitance into a standard electric signal such as 1-5 V, and converts the signal based on absolute pressure through the connector 3. Output to the outside.

【0046】図1,図2の構成を回路ブロックで示すと
図5となる。
FIG. 5 is a circuit block diagram of the configuration shown in FIGS.

【0047】図5において信号処理回路15は、それぞ
れセンサ素子11〜13に対応した数だけの信号増幅器
151を有する。
In FIG. 5, the signal processing circuit 15 has a number of signal amplifiers 151 corresponding to the number of the sensor elements 11 to 13, respectively.

【0048】信号処理回路15は、圧力検出素子11,
12及び温度検出素子13の信号を入力し、スイッチ手
段155の切替制御により信号処理して、出力端子14
2が圧力検出素子11で検出した被測定圧力(マニフォ
ルド圧力)や、圧力検出素子12で検出した大気圧を絶
対圧基準の信号として出力する。この場合、圧力検出素
子11や12と温度検出素子13との差から絶対圧基準
の信号を演算して、温度補償を行う。また、出力端子1
43から圧力検出素子11,12の差である相対圧の信
号を出力する。必要な場合は、温度検出素子13の温度
による変化を信号処理して端子141から温度信号とし
て出力する。
The signal processing circuit 15 includes the pressure detecting element 11,
12 and the signals of the temperature detecting element 13 are input, and the signals are processed by the switching control of the switch means 155.
2 outputs the measured pressure (manifold pressure) detected by the pressure detecting element 11 and the atmospheric pressure detected by the pressure detecting element 12 as an absolute pressure reference signal. In this case, an absolute pressure reference signal is calculated from the difference between the pressure detecting elements 11 and 12 and the temperature detecting element 13 to perform temperature compensation. Output terminal 1
43 outputs a signal of a relative pressure which is a difference between the pressure detecting elements 11 and 12. If necessary, a change in the temperature of the temperature detecting element 13 due to the temperature is signal-processed and output from the terminal 141 as a temperature signal.

【0049】なお、本実施例は、静電容量式の圧力検出
素子で説明したが、ダイアフラム形を用いた歪み抵抗式
や共振周波数式でも同様に表面デバイスプロセス処理に
てシリコンチップ片面に形成することができる。
In this embodiment, the capacitance type pressure detecting element has been described. However, a strain resistance type using a diaphragm type or a resonance frequency type is similarly formed on one surface of a silicon chip by surface device processing. be able to.

【0050】本実施例によれば、次のような効果を奏す
る。
According to this embodiment, the following effects can be obtained.

【0051】(1)シリコンチップ10上のセンサ素子
11〜13及び信号処理回路15を合理的に配置してセ
ンサ部1の小形化を図ることができる。その理由は、図
6(b)を用いて[課題を解決するための手段]で述べ
た通りである。これを要約すれば、図6(b)のシリコ
ンチップの一辺の長さl0におけるセンサ素子や信号処
理回路等の間隔の総和(L3+l2+l2+L3)と、図6
(a)の従来例のセンサ素子や信号処理回路等の間隔の
総和(l3+l2+l1+L3)とを比較した場合、l2
1,L3≒l3(L3=l3を含む)の関係より、本実施
例のほうが従来例よりもシリコンチップ10の短縮化ひ
いては小形化を図れるということである。
(1) The sensor elements 11 to 13 and the signal processing circuit 15 on the silicon chip 10 are rationally arranged, so that the size of the sensor unit 1 can be reduced. The reason is as described in [Means for Solving the Problem] with reference to FIG. In summary, the sum of the intervals (L 3 + l 2 + l 2 + L 3 ) of the sensor element and the signal processing circuit at the length l 0 of one side of the silicon chip in FIG.
When comparing with the sum of the intervals (l 3 + l 2 + l 1 + L 3 ) of the sensor element and the signal processing circuit of the conventional example of (a), l 2 <
From the relationship of l 1 , L 3 ≒ l 3 (including L 3 = l 3 ), the present embodiment can reduce the size and size of the silicon chip 10 more than the conventional example.

【0052】なお、上記の間隔の総和の関係は、図7に
示すようにシリコンチップ10上に複数のセンサ素子1
1〜13と複数の信号処理回路15を配置したものでも
いえる。すなわち、この場合には、従来は、図7(a)
に示すようにセンサ素子や信号処理回路の間隔の総和が
3+l2+l1+l2+l3となり、本発明に係るものの
場合には、図7(b)に示すようにL3+l2+L1+l2
+L3となる。ここで、L1は信号処理回路15間の距離
であり、このL1はセンサ素子11(12),13より
も低背な信号処理回路15間の間隔であるため、保護膜
30のうち間隔L1から信号処理回路15にかけての盛
り上がりは、L1<l1の関係に設定してもなだらかなた
めに、保護膜エッジ部30´の薄膜化を防ぐことがで
き、本発明品の場合には、シリコンチップ10の小形化
を図ることができる。
Incidentally, the relationship of the sum of the above-mentioned intervals is as shown in FIG.
1 to 13 and a plurality of signal processing circuits 15 can be said. That is, in this case, conventionally, FIG.
As shown in FIG. 7, the sum of the intervals between the sensor elements and the signal processing circuits is l 3 + l 2 + l 1 + l 2 + l 3 , and in the case of the present invention, L 3 + l 2 + L as shown in FIG. 1 + l 2
It becomes + L 3. Here, L 1 is the distance between the signal processing circuit 15, the L 1 is the sensor element 11 (12), since the distance between the low-profile signal processing circuit 15 than 13, the interval of the protective film 30 Since the swell from L 1 to the signal processing circuit 15 is gentle even if the relation of L 1 <l 1 is set, it is possible to prevent the protective film edge portion 30 ′ from being thinned. Can reduce the size of the silicon chip 10.

【0053】(ロ)また、信号処理回路15は、シリコ
ンチップ10のほぼ中央に形成してあるので、ダイシン
グカット時等にシリコンチップの端部欠けが生じても、
その影響を避けて、回路のリーク電流の解決を図れる。
(B) Further, since the signal processing circuit 15 is formed substantially at the center of the silicon chip 10, even if the silicon chip is chipped at the time of dicing cut or the like, the signal processing circuit 15 can be formed.
By avoiding the influence, the leak current of the circuit can be solved.

【0054】(ハ)シリコンチップ10の片面に台座2
0を接合する場合に、その接合領域を気密シールが必要
な圧力検出素子11,12及び温度検出素子13の周辺
とし、信号処理回路15の周辺は非接合領域としている
ので、信号処理回路15は、シリコンチップ10と台座
20との線膨張係数差による熱ストレスの影響を避ける
ことができ、回路特性が温度により変化するのを防止で
きる。
(C) A pedestal 2 on one side of the silicon chip 10
In the case where 0 is joined, the joining area is set to the periphery of the pressure detecting elements 11 and 12 and the temperature detecting element 13 which need to be hermetically sealed, and the periphery of the signal processing circuit 15 is set to a non-joining area. In addition, the influence of thermal stress due to the difference in linear expansion coefficient between the silicon chip 10 and the pedestal 20 can be avoided, and the circuit characteristics can be prevented from changing with temperature.

【0055】なお、信号処理回路部15は、水分とか塵
埃等の汚染要素から保護する必要があるが、これは別の
保護部材(例えばシリコーンゲル)で信号処理回路部1
5の表面を覆うことで対処できる。
The signal processing circuit section 15 needs to be protected from contaminants such as moisture and dust, but this must be protected by another protective member (for example, silicone gel).
5 can be dealt with by covering the surface.

【0056】[0056]

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、表面デ
バイス処理された半導体複合センサの小形化を図りなが
ら、その保護膜のセンサエッジ部の薄膜化を防止して保
護膜を適正な厚みに保つことができ、また、保護膜欠け
から信号処理回路を保護し、さらに信号処理回路の温度
特性を精度良く保つことで、この種センサの歩留まり向
上、測定精度ひいては品質の向上を図ることができる。
As described above, according to the present invention, while miniaturizing a semiconductor composite sensor subjected to a surface device treatment, it is possible to prevent the sensor edge portion of the protective film from being thinned and to form an appropriate protective film. The thickness of the sensor can be maintained, the signal processing circuit can be protected from chipping of the protective film, and the temperature characteristics of the signal processing circuit can be maintained with high accuracy to improve the yield, measurement accuracy, and quality of this type of sensor. Can be.

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

【図1】本発明の一実施例に係わる半導体形複合センサ
のセンサ部を示す平面図。
FIG. 1 is a plan view showing a sensor section of a semiconductor composite sensor according to one embodiment of the present invention.

【図2】(a)は図1のA−B線断面図、(b)は同じ
くA−C線断面図。
2A is a cross-sectional view taken along line AB of FIG. 1, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line AC of FIG.

【図3】上記実施例のセンサの実装構造を示す縦断面
図。
FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing a mounting structure of the sensor of the embodiment.

【図4】上記実施例のセンサの製造プロセスを示す説明
図。
FIG. 4 is an explanatory view showing a manufacturing process of the sensor of the embodiment.

【図5】上記実施例の回路構成図。FIG. 5 is a circuit diagram of the embodiment.

【図6】(a)はシリコンチップ10上を正面から見た
従来例の模式図、(b)はシリコンチップ10上を正面
から見た本発明の模式図。
FIG. 6A is a schematic diagram of a conventional example as viewed from the front on the silicon chip 10, and FIG. 6B is a schematic diagram of the present invention as viewed from the front on the silicon chip 10.

【図7】(a)はシリコンチップ10上を正面から見た
従来例の模式図、(b)はシリコンチップ10上を正面
から見た本発明の模式図。
FIG. 7A is a schematic view of a conventional example as viewed from the front on the silicon chip 10, and FIG. 7B is a schematic view of the present invention as viewed from the front on the silicon chip 10.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…センサ部、2…センサケーシング、3…コネクタ、
4…接着剤、5…圧力導入管、6…シリコーンゲル、7
…ワイヤ、10…シリコンチップ、11,12…圧力検
出素子(センサ素子)、13…温度検出素子(センサ素
子)、14…配線アルミ電極、15…信号処理回路、2
0…ガラス基板(台座)、121…ポリシリコン膜(ダ
イアフラム)。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Sensor part, 2 ... Sensor casing, 3 ... Connector,
4 ... adhesive, 5 ... pressure introducing tube, 6 ... silicone gel, 7
... wires, 10 ... silicon chips, 11, 12 ... pressure detection elements (sensor elements), 13 ... temperature detection elements (sensor elements), 14 ... wiring aluminum electrodes, 15 ... signal processing circuits, 2
0: glass substrate (pedestal), 121: polysilicon film (diaphragm).

フロントページの続き (72)発明者 浅野 保弘 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 (72)発明者 海老根 広道 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Continued on the front page (72) Inventor Yasuhiro Asano 2477 Takaba, Hitachinaka-shi, Ibaraki Pref.Hitachi Car Engineering Co., Ltd.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 シリコンチップの片面に、多層膜の表面
デバイスプロセス処理により形成された複数のダイアフ
ラム形のセンサ素子と前記センサ素子からの信号を処理
する信号処理回路とが設けられ、且つ前記信号処理回路
は、前記シリコンチップの中央に配置されて、この信号
処理回路の周辺に前記複数のセンサ素子が配置されてい
ることを特徴とする半導体形複合センサ。
1. A plurality of diaphragm-type sensor elements formed by surface device processing of a multilayer film and a signal processing circuit for processing a signal from the sensor element are provided on one surface of a silicon chip, and the signals are provided. A semiconductor composite sensor, wherein a processing circuit is arranged at the center of the silicon chip, and the plurality of sensor elements are arranged around the signal processing circuit.
【請求項2】 シリコンチップの片面に、多層膜の表面
デバイスプロセス処理により形成された複数のダイアフ
ラム形のセンサ素子と前記センサ素子からの信号を処理
する信号処理回路とが設けられ、且つ前記信号処理回路
は、前記シリコンチップの中央に配置され、この信号処
理回路の周辺に前記複数のセンサ素子が配置され、前記
シリコンチップのうち前記センサ素子及び信号処理回路
が形成されている側の面に台座が接合され、この台座の
接合領域を前記センサ素子の周辺とし、前記信号処理回
路の周辺は非接合領域として成ることを特徴とする半導
体形複合センサ。
2. A plurality of diaphragm-type sensor elements formed by a surface device processing of a multilayer film and a signal processing circuit for processing a signal from the sensor element are provided on one surface of a silicon chip, and A processing circuit is disposed at the center of the silicon chip, the plurality of sensor elements are disposed around the signal processing circuit, and a surface of the silicon chip on which the sensor element and the signal processing circuit are formed is provided. A semiconductor type composite sensor, wherein a pedestal is joined, a joint area of the pedestal is defined as a periphery of the sensor element, and a periphery of the signal processing circuit is defined as a non-joined area.
【請求項3】 前記複数のセンサ素子は、前記信号処理
回路を挾む形でそのシリコンチップ上の両サイドに配置
されている請求項1又は請求項2記載の半導体形複合セ
ンサ。
3. The semiconductor composite sensor according to claim 1, wherein said plurality of sensor elements are arranged on both sides of said silicon chip so as to sandwich said signal processing circuit.
【請求項4】 前記センサ素子は、ダイアフラムを感応
部とする圧力検出素子と温度検出素子よりなり、静電容
量式,歪み式,共振周波数式の少なくとも一種であるこ
とを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項
記載の半導体形複合センサ。
4. The sensor element according to claim 1, wherein said sensor element comprises a pressure detecting element having a diaphragm as a sensitive part and a temperature detecting element, and is at least one of a capacitance type, a distortion type and a resonance frequency type. The semiconductor composite sensor according to claim 3.
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