JPH11142269A - Semiconductor, pressure sensor and composite transmitter using the same - Google Patents

Semiconductor, pressure sensor and composite transmitter using the same

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JPH11142269A
JPH11142269A JP30680297A JP30680297A JPH11142269A JP H11142269 A JPH11142269 A JP H11142269A JP 30680297 A JP30680297 A JP 30680297A JP 30680297 A JP30680297 A JP 30680297A JP H11142269 A JPH11142269 A JP H11142269A
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JP
Japan
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diaphragm
pressure sensor
pressure
semiconductor pressure
semiconductor
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JP30680297A
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Japanese (ja)
Inventor
Yasunori Shoji
康則 庄司
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a highly accurate pressure sensor with a protecting mechanism by utilizing a contact between a side face step area and a plate material as a mechanical stopper when an excessive pressure is applied. SOLUTION: When an excessive pressure is applied from a lower face of a diaphragm, the diaphragm is deformed. At this time, a diameter of a plate material 24 is set to be smaller than a maximum diameter of a surface area formed at a step part of a thick part supporting the diaphragm 21 and larger than a minimum diameter of the surface area formed at the step part of the thick part supporting the diaphragm 21. As a result, the plate material 24 hits a step area 20 of a side face, acting as a mechanical stopper. When an excessive pressure is applied from an upper face of the diaphragm, the plate material 24 comes in touch with a post material 28, whereby a mechanical stopper is formed. Since the mechanical stopper thus acts to the positive and the negative excessive pressures, this protecting mechanism realizes a highly accurate semiconductor pressure sensor with an excessive pressure-protecting mechanism.

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】本発明は各種プラントで圧力
などを測定する際に使用される半導体圧力センサ及びこ
れを用いた複合伝送器に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor pressure sensor used for measuring pressure and the like in various plants and a composite transmitter using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】被測定物の圧力を受けて変位するシリコ
ンダイアフラム上に感歪ゲージとしてピエゾ抵抗を使用
し、圧力センサを構成することは広く知られている。こ
の圧力センサに過大圧力が加わり、シリコンの機械強度
を超えると、ダイアフラムが破損し圧力センサが壊れて
しまうため、過大圧力がかかった場合に備えて何らかの
保護機構を備え付ける必要がある。伝送器においては、
圧力センサに過大圧力が加わらないように、圧力センサ
を組み込む伝送器本体に保護機構を設ける場合が多い。
しかし、伝送器本体に保護機構を設けることは、伝送器
自体の大きさが大きくなるばかりでなく、保護機構を組
み込むことによって生じる機械的歪が伝送器出力のドリ
フトやヒステリシスの主原因となり、特性に悪影響を及
ぼす。
2. Description of the Related Art It is widely known to construct a pressure sensor using a piezoresistor as a strain-sensitive gauge on a silicon diaphragm which is displaced under the pressure of an object to be measured. If excessive pressure is applied to the pressure sensor and exceeds the mechanical strength of silicon, the diaphragm will be broken and the pressure sensor will be broken. Therefore, it is necessary to provide some kind of protection mechanism in case of excessive pressure. In the transmitter,
In many cases, a protection mechanism is provided on the transmitter body in which the pressure sensor is incorporated so that excessive pressure is not applied to the pressure sensor.
However, providing a protection mechanism in the transmitter body not only increases the size of the transmitter itself, but also causes mechanical distortion caused by incorporating the protection mechanism to be the main cause of transmitter output drift and hysteresis. Adversely affect

【0003】したがって、過大圧力に対する保護機構は
圧力センサ自身に備え付けることが望ましい。
Therefore, it is desirable to provide a protection mechanism against excessive pressure in the pressure sensor itself.

【0004】圧力センサ自身に過大圧力保護機構とし
て、機械的ストッパを設ければ伝送器の大きさを小さく
することができ、伝送器の出力特性の悪化を防ぐことが
できる。
If a mechanical stopper is provided as an excessive pressure protection mechanism in the pressure sensor itself, the size of the transmitter can be reduced, and the output characteristics of the transmitter can be prevented from deteriorating.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
においては、圧力センサのダイヤフラム内部に機械的ス
トッパとして作用する部材を追加している場合が多い。
従ってセンサと部材との貼り付け位置が意図したとおり
正確に貼り付けられないと、部材が機械的ストッパとし
て作用する過大圧力に大きなばらつきが生じてしまう。
However, in the above prior art, a member acting as a mechanical stopper is often added to the inside of the diaphragm of the pressure sensor.
Therefore, if the attachment position between the sensor and the member is not accurately adhered as intended, a large variation occurs in the excessive pressure at which the member acts as a mechanical stopper.

【0006】本発明の目的は、ほぼ一定の規定過大圧力
で機械的ストッパが作用する過大圧保護機構を提供する
ものである。この保護機構を用いることで、安定した過
大圧力保護機構付半導体圧力センサ及び複合センサが実
現できる。
It is an object of the present invention to provide an overpressure protection mechanism in which a mechanical stopper acts at a substantially constant prescribed overpressure. By using this protection mechanism, a stable semiconductor pressure sensor with an excessive pressure protection mechanism and a composite sensor can be realized.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する方法
として、ダイアフラムを支持する厚肉部のダイアフラム
側の側面には段差構造を設け、ダイアフラム内部に形成
された剛体部の先端に板材を貼り付ける構造とする。こ
のダイアフラム支持部側面の段差表面領域と板材との接
触を負側過大圧力が加わった際の機械的ストッパとして
利用することで、負側過大圧力に対する保護機構とす
る。通常、単結晶シリコン基板を裏面側からくり抜いて
ダイアフラムを形成する際にはアルカリ異方性エッチン
グ技術が用いられ、ダイアフラムを支持する厚肉部の側
面は、裏面開口側が広く、ダイアフラム形成側が狭くな
るように、テーパ状に形成される。このアルカリ異方性
エッチングを2段に分けて行うことで、側面に段差構造
を形成することができる。単結晶シリコン基板の裏面側
から過大圧力が印加された際に、ダイアフラム内部に形
成された剛体部先端の板材がダイアフラムを支持する厚
肉部側面に形成された段差部の表面領域に当たるように
板材の径を設定することで、機械的なストッパとするこ
とができる。
As a method for solving the above-mentioned problems, a step structure is provided on the side of the thick portion supporting the diaphragm on the side of the diaphragm, and a plate is attached to the tip of a rigid portion formed inside the diaphragm. To be attached. By utilizing the contact between the plate surface and the step surface area of the side surface of the diaphragm support as a mechanical stopper when a negative excessive pressure is applied, a protection mechanism against the negative excessive pressure is provided. Normally, when forming a diaphragm by hollowing out a single crystal silicon substrate from the back side, an alkali anisotropic etching technique is used, and the side of the thick portion supporting the diaphragm is wide on the back side opening side and narrow on the diaphragm forming side. Thus, it is formed in a tapered shape. By performing the alkali anisotropic etching in two steps, a step structure can be formed on the side surface. When an excessive pressure is applied from the back side of the single crystal silicon substrate, the plate material at the tip of the rigid portion formed inside the diaphragm hits the surface area of the step portion formed on the side of the thick portion supporting the diaphragm. By setting the diameter of, a mechanical stopper can be obtained.

【0008】[0008]

【発明の実施の形態】図1は本発明における一実施例の
概略構造を示す上面図、図2は図1の矢視A−O−B断
面図である。基板51はn型(100)面単結晶シリコ
ンからなり、差圧検出用ダイアフラム21内には側面段
差領域20を例えばアルカリ異方性エッチング技術を2
段に分けて用いることにより形成する。この側面段差領
域の形状は図1,図2では八角形であるが、もちろん円
形、その他の形状であっても構わない。この時、剛体部
23も同時に形成することができる。差圧検出用ダイア
フラム21の外側には4個の静圧検出用ダイアフラム2
2をアルカリ異方性エッチングによって同時に形成す
る。剛体部23の先端には例えばパイレックスガラスか
らなる板材24が形成されている。
FIG. 1 is a top view showing a schematic structure of an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a sectional view taken along the line AOB of FIG. The substrate 51 is made of n-type (100) plane single crystal silicon, and the side surface step region 20 is formed in the differential pressure detecting diaphragm 21 by, for example, an alkali anisotropic etching technique.
It is formed by being used in stages. The shape of the side step region is octagon in FIGS. 1 and 2, but may be circular or another shape. At this time, the rigid portion 23 can be formed at the same time. Four static pressure detecting diaphragms 2 are provided outside the differential pressure detecting diaphragm 21.
2 are simultaneously formed by alkali anisotropic etching. A plate 24 made of, for example, Pyrex glass is formed at the tip of the rigid body 23.

【0009】この板材24の形状は図1,図2では円形
であるが、もちろんその他の形状であっても構わない。
25はパイレックスガラスからなる台、27は低融点ガ
ラス、28は圧力導入口29を有する、例えばFe−N
iからなるポスト材である。上記ダイアフラム21,2
2上には圧力を受けてダイアフラムが変形した際の応力
を検知するピエゾ抵抗31a〜31d,32a〜32d
および温度センサ33が形成されている。34はp型高
濃度不純物層の配線、35はアルミニウムの配線、1〜
12はアルミニウムのコンタクトパッドである。
The shape of the plate member 24 is circular in FIGS. 1 and 2, but may be any other shape.
25 is a base made of Pyrex glass, 27 is low-melting glass, 28 is a pressure inlet 29, for example, Fe-N
i is a post material. The diaphragms 21 and 22
Piezoresistors 31a to 31d and 32a to 32d for detecting stress when the diaphragm is deformed by receiving pressure
And a temperature sensor 33 are formed. 34 is a wiring of a p-type high concentration impurity layer, 35 is an aluminum wiring,
Reference numeral 12 denotes an aluminum contact pad.

【0010】図3(a)〜(g)は上記実施例半導体セ
ンサの製造工程を示す断面図である。以下、製造工程に
ついて説明する。
FIGS. 3A to 3G are cross-sectional views showing the steps of manufacturing the semiconductor sensor of the above embodiment. Hereinafter, the manufacturing process will be described.

【0011】(a)まず、n型(100)面単結晶シリ
コンからなるダイアフラム支持基板51の上面に、ボロ
ンを拡散して、ピエゾ抵抗,p型高濃度不純物層の配線
およびアルミニウムの配線,コンタクトパッドを形成す
る。
(A) First, boron is diffused on the upper surface of a diaphragm supporting substrate 51 made of n-type (100) plane single-crystal silicon to form a piezoresistor, p-type high-concentration impurity layer wiring, aluminum wiring, and contacts. Form pads.

【0012】(b)単結晶シリコン基板の裏面側に、例
えばCVDによってSiO2 膜26を堆積し、アルカリ
異方性エッチングの際にマスクとなるパターンをフォト
リソ,エッチングによって形成する。この際、フォトリ
ソ,エッチングは2回行い、SiO2 膜厚を2段に形成
する。
(B) A SiO 2 film 26 is deposited on the back side of the single crystal silicon substrate by, for example, CVD, and a pattern to be a mask at the time of alkali anisotropic etching is formed by photolithography and etching. At this time, photolithography and etching are performed twice to form the SiO 2 film in two steps.

【0013】(c)次に、例えばKOHにより、アルカ
リ異方性エッチングを行う。
(C) Next, alkali anisotropic etching is performed using, for example, KOH.

【0014】(d)この後、SiO2 のエッチングを行
う。先程形成した2段のSiO2 膜の内、膜厚の薄い方
は無くなり、膜厚の厚い方は残るようにする。
(D) Thereafter, etching of SiO 2 is performed. Of the two-stage SiO 2 films formed earlier, the thinner one is eliminated and the thicker one is left.

【0015】(e)次に、もう一度KOHによるアルカ
リ異方性エッチングを行い、側面段差領域20,ダイア
フラム21,22、剛体部23の形成を行う。
(E) Next, alkali anisotropic etching with KOH is performed again to form the side surface step region 20, the diaphragms 21 and 22, and the rigid portion 23.

【0016】(f)もう一度SiO2 のエッチングを行
い、すべてのSiO2 膜をエッチング除去する。
(F) Etch the SiO 2 again to remove all the SiO 2 film.

【0017】(g)パイレックスガラスからなる板材2
4を陽極接合によって接合する。最後にダイアフラムの
支持する厚肉部にパイレックスガラス台25を陽極接合
し、低融点ガラス27を介して、Fe−Ni等からなる
ポスト材28を固着する。この時、圧力導入口29がつ
ながるダイアフラム21は差圧検出用ダイアフラムとな
り、圧力導入口29がつながらないダイアフラム22は
静圧検出用ダイアフラムとなる。
(G) Plate 2 made of Pyrex glass
4 by anodic bonding. Finally, a Pyrex glass table 25 is anodically bonded to the thick portion supported by the diaphragm, and a post material 28 made of Fe—Ni or the like is fixed via a low-melting glass 27. At this time, the diaphragm 21 to which the pressure inlet 29 is connected becomes a differential pressure detecting diaphragm, and the diaphragm 22 to which the pressure inlet 29 is not connected becomes a static pressure detecting diaphragm.

【0018】剛体部23の板厚と板材24の板厚の和
が、ダイアフラムを支持する厚膜部の板厚とパイレック
スガラス台の板厚の和とほぼ同じか、もしくは大きいな
らば、図4に示すようにポスト材28の板材に対向する
面側に、板材24の最大径Dよりも大きい径Eをもつ穴
部30を形成することで、ダイアフラムに圧力が印加さ
れた時のダイアフラム変位領域を確保することができ
る。
If the sum of the thickness of the rigid portion 23 and the thickness of the plate material 24 is substantially equal to or greater than the sum of the thickness of the thick film portion supporting the diaphragm and the thickness of the Pyrex glass table, FIG. By forming a hole 30 having a diameter E larger than the maximum diameter D of the plate member 24 on the surface of the post member 28 facing the plate member as shown in FIG. 5, the diaphragm displacement area when pressure is applied to the diaphragm. Can be secured.

【0019】もし、剛体部23の板厚と板材24の板厚
の和が、ダイアフラムを支持する厚膜部の板厚とパイレ
ックスガラス台の板厚の和よりも小さく、ダイアフラム
上面側から圧力が印加された時のダイアフラム変位領域
を十分確保できるならば、図5に示すように、ポスト材
の板材に対向する面側を平らな形状とすることができ
る。いずれの場合にも、圧力導入口の穴径dは板材24
の最大径Dよりも小さくしておく。図4,図5のような
構造とすれば、ダイアフラム上面側から過大圧力がかか
った場合に板材24とポスト材28が接触するため、機
械的なストッパが形成できる。
If the sum of the thickness of the rigid portion 23 and the thickness of the plate member 24 is smaller than the sum of the thickness of the thick film portion supporting the diaphragm and the thickness of the Pyrex glass base, pressure is applied from the upper surface of the diaphragm. As long as the diaphragm displacement area when the voltage is applied can be sufficiently ensured, the surface of the post member facing the plate member can be made flat as shown in FIG. In each case, the hole diameter d of the pressure inlet is 24
Smaller than the maximum diameter D. 4 and 5, the plate member 24 and the post member 28 come into contact with each other when an excessive pressure is applied from the upper surface of the diaphragm, so that a mechanical stopper can be formed.

【0020】差圧検出用ダイアフラム21ならびに4個
の静圧検出用ダイアフラム22のそれぞれの表面付近に
形成されたp型のピエゾ抵抗は、ボロン等を拡散して応
力に対して最も敏感な<110>方向に作り込まれる。
ピエゾ抵抗は、長手方向に引張応力が働いた場合抵抗値
が増加する。この方向に配列したゲージをLゲージと呼
ぶ。また、横手方向に引張応力が働いた場合抵抗値が減
少する。この方向に配列したゲージをTゲージと呼ぶ。
The p-type piezoresistors formed near the respective surfaces of the differential pressure detecting diaphragm 21 and the four static pressure detecting diaphragms 22 diffuse boron or the like and are most sensitive to stress <110. > Created in the direction.
The piezo resistance increases when a tensile stress acts in the longitudinal direction. Gauges arranged in this direction are called L gauges. When a tensile stress acts in the lateral direction, the resistance value decreases. Gauges arranged in this direction are called T gauges.

【0021】図1の例では差圧検出用ダイアフラム21
上のピエゾ抵抗4個をすべてダイアフラム支持部近傍に
配置し、長手方向がダイアフラムの半径方向と平行とな
る2個のLゲージ31a,31c、長手方向がダイアフ
ラムの接線方向と平行となる2個のTゲージ31b,3
1dを配置している。静圧検出用ダイアフラム22上に
はLゲージ32a,32c、Tゲージ32b,32dを
配置している。
In the example shown in FIG. 1, the diaphragm 21 for detecting the differential pressure is used.
All four upper piezoresistors are arranged near the diaphragm support, and two L gauges 31a and 31c whose longitudinal direction is parallel to the radial direction of the diaphragm, and two L gauges whose longitudinal direction is parallel to the tangential direction of the diaphragm. T gauge 31b, 3
1d is arranged. L gauges 32a and 32c and T gauges 32b and 32d are arranged on the static pressure detecting diaphragm 22.

【0022】ピエゾ抵抗の配置方法は図1の例の他、L
ゲージ2個とTゲージ2個をすべて剛体部近傍に配置す
る方法、Lゲージをダイアフラム支持部近傍に2個、剛
体部近傍に2個配置する方法、Tゲージをダイアフラム
支持部近傍に2個、剛体部近傍に2個配置する方法があ
る。31a〜31d,32a〜32dのピエゾ抵抗は図
6に示すように2組のホイートストンブリッジを構成す
る。ここで、差圧検出用ダイアフラム21と31a〜3
1dのブリッジで構成される部分を差圧センサ、静圧検
出用ダイアフラム22と32a〜32dのブリッジで構
成される部分を静圧センサと呼ぶ。
The method of arranging the piezoresistors is the same as that of FIG.
A method of arranging two gauges and two T gauges in the vicinity of the rigid body part, a method of arranging two L gauges in the vicinity of the diaphragm support part and two in the vicinity of the rigid body part, two T gauges in the vicinity of the diaphragm support part, There is a method of arranging two near the rigid body. The piezoresistors 31a to 31d and 32a to 32d constitute two sets of Wheatstone bridges as shown in FIG. Here, the differential pressure detecting diaphragms 21 and 31a-3
The portion composed of the 1d bridge is called a differential pressure sensor, and the portion composed of the static pressure detecting diaphragm 22 and the bridge of 32a to 32d is called a static pressure sensor.

【0023】ダイアフラムに圧力が印加されると、それ
ぞれのダイアフラムがたわみ、ダイアフラム上に形成さ
れたピエゾ抵抗で構成される各ブリッジが上面と下面の
圧力差にほぼ比例したセンサ出力V1,V2を発生する。
ここで、差圧センサはダイアフラムの上面と下面の圧力
差(差圧)を測定するのに対し、静圧センサはダイアフ
ラムの上面と密閉された一定圧力部分との圧力差(静
圧)を測定することになる。
When pressure is applied to the diaphragms, the respective diaphragms bend, and the bridges formed by the piezoresistors formed on the diaphragms output sensor outputs V 1 and V 2 which are substantially proportional to the pressure difference between the upper and lower surfaces. Occurs.
Here, the differential pressure sensor measures the pressure difference (differential pressure) between the upper and lower surfaces of the diaphragm, while the static pressure sensor measures the pressure difference (static pressure) between the upper surface of the diaphragm and a sealed constant pressure portion. Will do.

【0024】一方、ダイアフラムと同一基板上に集積化
される温度センサ33も同様にボロン等を拡散すること
で形成されるが、応力変化に対してほとんど抵抗変化を
示さない<100>方向に配列することで、温度に対し
てのみ感度をもたせるようにする。温度センサ33は図
6に示したように差圧センサ,静圧センサのピエゾ抵抗
ブリッジと結線される。
On the other hand, the temperature sensor 33 integrated on the same substrate as the diaphragm is similarly formed by diffusing boron or the like, but is arranged in the <100> direction where there is almost no change in resistance to a change in stress. By doing so, sensitivity is given only to temperature. The temperature sensor 33 is connected to the piezoresistive bridge of the differential pressure sensor and the static pressure sensor as shown in FIG.

【0025】ピエゾ抵抗の配列間ならびにアルミニウム
のコンタクトパッド1〜12への配線には、より高濃度
にボロン等を拡散したp型不純物拡散層34とアルミニ
ウム配線35を併用する。本実施例ではダイアフラムの
外側やピエゾ抵抗から離れた場所等、温度ヒステリシス
の影響が比較的小さい所については、抵抗値の小さいア
ルミニウム配線を使用しているが、この他、コンタクト
パッドを除くすべての配線を高濃度不純物層とする配線
方法も可能である。
A p-type impurity diffusion layer 34 in which boron or the like is diffused at a higher concentration and an aluminum wiring 35 are used in combination between the arrangement of the piezoresistors and the wiring to the contact pads 1 to 12 of aluminum. In the present embodiment, aluminum wiring having a small resistance value is used in places where the influence of temperature hysteresis is relatively small, such as outside the diaphragm or in a place apart from the piezoresistor. A wiring method in which the wiring is a high-concentration impurity layer is also possible.

【0026】次に図7を用いてダイアフラムに圧力が印
加された場合のセンサの動作について説明する。ダイア
フラムの上面と下面の間で圧力差が生じた場合、上面側
がより高圧力ならば図7(a)に示すようにダイアフラ
ムが変形する。ダイアフラム変形時に、ピエゾ抵抗が作
り込まれているダイアフラム表面付近に発生する応力は
図7(b)に示すようになる。ダイアフラム上では、ダ
イアフラム支持部近傍で最大の引張応力σ1 、剛体部近
傍で最大の圧縮応力が発生する。図7(a)に示すよう
に、ダイアフラムの外径をX、剛体部の外径をY、ダイ
アフラムの厚さをhとすれば、差圧ΔPが印加された時
σ1 は次の式で表わされる。
Next, the operation of the sensor when pressure is applied to the diaphragm will be described with reference to FIG. When a pressure difference occurs between the upper surface and the lower surface of the diaphragm, if the upper surface side has a higher pressure, the diaphragm is deformed as shown in FIG. When the diaphragm is deformed, the stress generated near the surface of the diaphragm where the piezoresistor is formed becomes as shown in FIG. 7B. On the diaphragm, a maximum tensile stress σ 1 is generated near the diaphragm support portion, and a maximum compressive stress is generated near the rigid portion. As shown in FIG. 7A, when the outer diameter of the diaphragm is X, the outer diameter of the rigid portion is Y, and the thickness of the diaphragm is h, σ 1 when the differential pressure ΔP is applied is expressed by the following equation. Is represented.

【0027】[0027]

【数1】σ1=3・(X2−Y2)・ΔP/(16・h2) 図1に示すように、ダイアフラムの支持部近傍にそれぞ
れLゲージ,Tゲージを2個ずつ配置した場合には、差
圧センサの出力V1 は次の式で表わされる。
Σ 1 = 3 · (X 2 −Y 2 ) · ΔP / (16 · h 2 ) As shown in FIG. 1, two L gauges and two T gauges are arranged in the vicinity of the support of the diaphragm. in this case, the output V 1 of the differential pressure sensor is expressed by the following equation.

【0028】[0028]

【数2】V1=(1/2)・π44・(1−ν)・σ1・V ここで、νはポワソン比、π44は剪断のピエゾ抵抗係
数、Vは励起電圧である。
[Number 2] V 1 = (1/2) · π 44 · (1-ν) · σ 1 · V where, [nu is Poisson's ratio, the [pi 44 piezoresistance coefficient of shear, V is the excitation voltage.

【0029】次に、ダイアフラム下面側から過大圧力が
印加された時の動作について説明する。ダイアフラムの
下面側から過大圧力が印加された時、ダイアフラムは図
8のように変形する。この時、板材24の径を、図1に
示すようにダイアフラム21を支持する厚肉部の段差部
分に形成される表面領域の最大径よりも小さく、かつダ
イアフラム21を支持する厚肉部の段差部分に形成され
る表面領域の最小径よりも大きくしておくことで、側面
段差領域20に板材24が当り、板材24を機械的なス
トッパとして作用させることができる。
Next, the operation when an excessive pressure is applied from the lower surface of the diaphragm will be described. When an excessive pressure is applied from the lower surface side of the diaphragm, the diaphragm is deformed as shown in FIG. At this time, the diameter of the plate member 24 is smaller than the maximum diameter of the surface region formed in the step portion of the thick portion supporting the diaphragm 21 as shown in FIG. By making the diameter larger than the minimum diameter of the surface region formed in the portion, the plate material 24 hits the side surface step region 20 and the plate material 24 can function as a mechanical stopper.

【0030】半導体圧力センサはこの後、図9に示すよ
うに出力取り出し用金具(シール金具)75に溶接ある
いは接着し、センサのコンタクトパッド1〜12と出力
取り出し用端子76をリードワイヤ77で接続する。こ
の金具はハーメチックシールによって気密構造となって
いる。
Thereafter, the semiconductor pressure sensor is welded or bonded to an output take-out fitting (seal fitting) 75 as shown in FIG. 9, and the contact pads 1 to 12 of the sensor and the output take-out terminal 76 are connected by a lead wire 77. I do. This metal fitting has an airtight structure by a hermetic seal.

【0031】本発明の複合センサを用いた複合伝送器の
一実施例を図10に示す。シール金具に組み込まれた圧
力センサを差圧伝送器受圧部81に組み込む。高圧力側
のシールダイアフラム82aと低圧力側のシールダイア
フラム82bに印加された圧力はシリコーンオイル等の
圧力伝達流体83を通してセンサチップ84に伝達す
る。過大圧に対する機械的ストッパをセンサチップ自体
にもたない従来の差圧伝送器では、伝送器本体に機械的
ストッパとなるセンタダイアフラムを形成する等の対策
が必要であった。このような構造を伝送器本体に設ける
ことは、製作工程が複雑になるだけでなく、伝送器出力
のドリフトやヒステリシスの主原因となってしまう。
FIG. 10 shows an embodiment of a composite transmitter using the composite sensor of the present invention. The pressure sensor incorporated in the seal fitting is incorporated in the differential pressure transmitter pressure receiving section 81. The pressure applied to the high-pressure side seal diaphragm 82a and the low-pressure side seal diaphragm 82b is transmitted to the sensor chip 84 through a pressure transmission fluid 83 such as silicone oil. In a conventional differential pressure transmitter that does not have a mechanical stopper against excessive pressure on the sensor chip itself, it is necessary to take measures such as forming a center diaphragm that serves as a mechanical stopper in the transmitter body. Providing such a structure in the transmitter body not only complicates the manufacturing process, but also becomes a main cause of transmitter output drift and hysteresis.

【0032】本発明の圧力センサは、圧力センサ自体に
正負両過大圧に対する機械的なストッパを形成できてい
るため、過大圧力がかかった場合にセンサチップを保護
する特別な構造を伝送器本体に設ける必要がなく、製作
が容易になり、伝送器としての出力特性をより安定にす
ることができる。センサ出力はFPC(フレキシブルプ
リント回路)85を通して信号処理部へ伝達する。本発
明の複合センサの場合、差圧,静圧,温度の3種類の出
力信号をMPX(マルチプレクサ)86を介して選択的
に取り込む。
In the pressure sensor of the present invention, since a mechanical stopper against both positive and negative overpressures can be formed in the pressure sensor itself, a special structure for protecting the sensor chip when an overpressure is applied is provided in the transmitter body. There is no need to provide them, the production becomes easy, and the output characteristics as a transmitter can be made more stable. The sensor output is transmitted to a signal processing unit through an FPC (flexible printed circuit) 85. In the case of the composite sensor of the present invention, three types of output signals of differential pressure, static pressure and temperature are selectively taken in via an MPX (multiplexer) 86.

【0033】次に、PGA(プログラマブルゲインアン
プ)87によって出力信号を増幅し、A/D変換器88
でデジタル信号に変換、MPU(マイクロプロセッサ)
89に送信する。MPU89は、差圧,静圧,温度セン
サの各特性が格納されたROM90のデータに基づいて
センサ出力を補正演算し、差圧,静圧,温度のそれぞれ
の値を算出する。こうして得られた値は再びD/A変換
器91でアナログ信号に変換、V/I変換器92を介し
て高精度なアナログ信号,デジタル信号あるいはアナロ
グ,デジタル信号が重畳した信号を出力する。
Next, the output signal is amplified by a PGA (programmable gain amplifier) 87 and the A / D converter 88
To digital signal by MPU (microprocessor)
Send to 89. The MPU 89 corrects the sensor output based on the data of the ROM 90 in which the characteristics of the differential pressure, the static pressure, and the temperature sensor are stored, and calculates respective values of the differential pressure, the static pressure, and the temperature. The value thus obtained is again converted to an analog signal by the D / A converter 91, and a high-precision analog signal, digital signal or a signal in which analog and digital signals are superimposed is output via the V / I converter 92.

【0034】以上のように、本発明の構造を用いれば、
規定の正負両過大圧に対して機械的ストッパを形成する
ことができ、さらに、また、圧力センサ自身に正負両過
大圧に対する機械的ストッパを設けることができたた
め、伝送器本体の構造が簡素化でき、出力特性の安定し
た高精度な複合伝送器を実現することができる。
As described above, by using the structure of the present invention,
A mechanical stopper can be formed for both the specified positive and negative overpressures, and the pressure sensor itself can be provided with a mechanical stopper for both the positive and negative overpressures, simplifying the structure of the transmitter body. As a result, a highly accurate composite transmitter with stable output characteristics can be realized.

【0035】[0035]

【発明の効果】本発明は、規定の正負両過大圧力に対し
て機械的ストッパが作用する保護機構を提供するもので
ある。この保護機構を用いることで、高精度な過大圧力
保護機構付半導体圧力センサが実現できる。また、圧力
センサ自身に正負両過大圧に対する機械的ストッパを設
けることができたため、伝送器本体の構造が簡素化で
き、出力特性の安定した高精度な複合伝送器を実現する
ことができる。
The present invention provides a protection mechanism in which a mechanical stopper acts on prescribed positive and negative overpressures. By using this protection mechanism, a highly accurate semiconductor pressure sensor with an excessive pressure protection mechanism can be realized. In addition, since the pressure sensor itself can be provided with a mechanical stopper for both positive and negative excessive pressures, the structure of the transmitter body can be simplified, and a highly accurate composite transmitter with stable output characteristics can be realized.

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

【図1】本発明の一実施例を示す複合センサの平面図。FIG. 1 is a plan view of a composite sensor showing one embodiment of the present invention.

【図2】図1の複合センサの断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view of the composite sensor of FIG.

【図3】図2の複合センサの製造工程を示す図。FIG. 3 is a view showing a manufacturing process of the composite sensor of FIG. 2;

【図4】板材よりも大きな径をもつ穴部を設けたポスト
材の形状を示す図。
FIG. 4 is a view showing a shape of a post member provided with a hole having a diameter larger than that of a plate member.

【図5】板材よりも大きな径をもつ穴部を設けないポス
ト材の形状を示す図。
FIG. 5 is a view showing a shape of a post material having no hole having a diameter larger than that of a plate material.

【図6】ピエゾ抵抗の結線図。FIG. 6 is a connection diagram of a piezo resistor.

【図7】(a)及び(b)は圧力が印加された時のダイ
アフラムの変形図及び応力分布図。
7A and 7B are a deformation diagram and a stress distribution diagram of a diaphragm when pressure is applied.

【図8】ダイアフラム下面側から過大圧力が印加した時
のダイアフラムの変形図。
FIG. 8 is a modified view of the diaphragm when an excessive pressure is applied from the lower surface side of the diaphragm.

【図9】出力取り出し用金具(シール金具)に本発明の
圧力センサを組み込んだ図。
FIG. 9 is a diagram in which the pressure sensor of the present invention is incorporated in an output take-out fitting (seal fitting).

【図10】本発明の圧力センサを用いた複合伝送器の構
成図。
FIG. 10 is a configuration diagram of a composite transmitter using the pressure sensor of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1〜12…複合センサ出力取り出し用アルミコンタクト
パッド、20…側面段差領域、21…差圧検出用ダイア
フラム、22…静圧検出用ダイアフラム、23…剛体
部、24…板材、25…パイレックスガラス台、26…
酸化膜、27…低融点ガラス、28…ポスト材、29…
圧力導入口、30…板材の最大径よりも大きな径を有す
る穴部、31a〜31d…差圧検出用ダイアフラム上ピ
エゾ抵抗、32a〜32d…静圧検出用ダイアフラム上
ピエゾ抵抗、33…温度センサ用ゲージ、34…p型高
濃度不純物層配線、35…アルミニウム配線、51…n
型単結晶シリコン基板、75…ハーメチックシール、7
6…出力取り出し用端子、77…リードワイヤ、81…
差圧伝送器受圧部、82a…高圧力側シールダイアフラ
ム、82b…低圧力側シールダイアフラム、83…圧力
伝達流体、84…センサチップ、85…フレキシブルプ
リント回路、86…マルチプレクサ、87…プログラマ
ブルゲインアンプ、88…A/D変換器、89…マイク
ロプロセッサ、90…ROM、91…D/A変換器、9
2…V/I変換器。
1 to 12: aluminum contact pad for taking out the output of a composite sensor, 20: stepped side area, 21: diaphragm for detecting differential pressure, 22: diaphragm for detecting static pressure, 23: rigid body, 24: plate material, 25: Pyrex glass stand, 26 ...
Oxide film, 27 ... low melting point glass, 28 ... post material, 29 ...
Pressure inlets, 30: holes having a diameter larger than the maximum diameter of the plate material, 31a to 31d: piezoresistors on a diaphragm for detecting a differential pressure, 32a to 32d: piezoresistors on a diaphragm for detecting a static pressure, 33: for a temperature sensor Gauge, 34: p-type high concentration impurity layer wiring, 35: aluminum wiring, 51: n
Type single crystal silicon substrate, 75 ... hermetic seal, 7
6 ... Output extraction terminal, 77 ... Lead wire, 81 ...
Differential pressure transmitter pressure receiving section, 82a: high pressure side seal diaphragm, 82b: low pressure side seal diaphragm, 83: pressure transmitting fluid, 84: sensor chip, 85: flexible printed circuit, 86: multiplexer, 87: programmable gain amplifier, 88 A / D converter, 89 Microprocessor, 90 ROM, 91 D / A converter, 9
2. V / I converter.

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】単結晶シリコンを裏面側からくり抜いて、
表面側にダイアフラム薄肉部ならびにそれを支持する厚
肉部を形成し、前記ダイアフラム表面上に受圧素子とし
てピエゾ抵抗を配置し、前記ダイアフラム薄肉部の部分
領域に前記薄肉部よりも板厚の厚い剛体部を有する半導
体圧力センサにおいて、前記ダイアフラムを支持する厚
肉部のダイアフラム側の側面は段差構造を有し、前記剛
体部のダイアフラム薄肉部側とは反対側の面に板材を形
成したことを特徴とする半導体圧力センサ。
1. A single crystal silicon is cut out from the back side,
A diaphragm thin portion and a thick portion supporting the diaphragm are formed on the front surface side, a piezo resistor is arranged as a pressure receiving element on the diaphragm surface, and a rigid body having a thickness greater than the thin portion in a partial region of the diaphragm thin portion. In the semiconductor pressure sensor having a portion, a side surface on the diaphragm side of the thick portion supporting the diaphragm has a stepped structure, and a plate material is formed on a surface of the rigid portion opposite to the thin film portion side. Semiconductor pressure sensor.
【請求項2】請求項1記載の半導体圧力センサにおい
て、前記ダイアフラムを支持する厚肉部の段差部分に形
成される表面領域と、前記板材のダイアフラムに対抗す
る面との間に、ダイアフラムが変形しない初期状態にお
いてクリアランスを有す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 diaphragm is deformed between a surface region formed at a step portion of the thick portion supporting the diaphragm and a surface of the plate material opposed to the diaphragm. A semiconductor pressure sensor having a clearance in an initial state where no pressure is applied.
【請求項3】請求項1,2記載の半導体圧力センサにお
いて、前記ダイアフラムの形状と、前記ダイアフラムを
支持する厚肉部の段差部分に形成される表面領域と、前
記板材の形状とが相似形であることを特徴とする半導体
圧力センサ。
3. The semiconductor pressure sensor according to claim 1, wherein a shape of said diaphragm, a surface region formed in a step portion of a thick portion supporting said diaphragm, and a shape of said plate material are similar. A semiconductor pressure sensor, characterized in that:
【請求項4】請求項1〜3記載の半導体圧力センサにお
いて、前記板材の最大径は、前記ダイアフラムを支持す
る厚肉部の段差部分に形成される表面領域の最大径より
も小さいことを特徴とする半導体圧力センサ。
4. A semiconductor pressure sensor according to claim 1, wherein a maximum diameter of said plate member is smaller than a maximum diameter of a surface region formed at a step portion of a thick portion supporting said diaphragm. Semiconductor pressure sensor.
【請求項5】請求項1〜4記載の半導体圧力センサにお
いて、前記板材の最小径は、前記ダイアフラムを支持す
る厚肉部の段差部分に形成される表面領域の最小径より
も大きいことを特徴とする半導体圧力センサ。
5. A semiconductor pressure sensor according to claim 1, wherein a minimum diameter of said plate member is larger than a minimum diameter of a surface region formed at a step portion of a thick portion supporting said diaphragm. Semiconductor pressure sensor.
【請求項6】前記ダイアフラムを支持する厚肉部が圧力
導入口を有するポスト材に固着された請求項1〜5記載
の半導体圧力センサにおいて、前記ポスト材の圧力導入
口穴径はダイアフラム薄肉部に対向する面で前記板材の
最大径よりも大きく、これとは反対の面で前記板材の最
大径よりも小さく形成されたことを特徴とする半導体圧
力センサ。
6. A semiconductor pressure sensor according to claim 1, wherein said thick portion supporting said diaphragm is fixed to a post member having a pressure inlet. A semiconductor pressure sensor which is formed to be larger than the maximum diameter of the plate on a surface facing the substrate and smaller than the maximum diameter of the plate on the opposite surface.
【請求項7】前記ダイアフラムを支持する厚肉部が圧力
導入口を有するポスト材に固着された請求項1〜5記載
の半導体圧力センサにおいて、前記剛体部の板厚に前記
板材の板厚を加えた板厚が前記ダイアフラムを支持する
厚肉部の板厚に厚肉部を支持する台の板厚を加えた板厚
よりも薄く、かつ前記板材の最大径が前記ポスト材の圧
力導入口穴径よりも大きい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 a thick portion supporting said diaphragm is fixed to a post member having a pressure inlet. The added plate thickness is smaller than the plate thickness of the thick portion supporting the diaphragm plus the plate thickness of the base supporting the thick portion, and the maximum diameter of the plate material is the pressure inlet of the post material. A semiconductor pressure sensor having a diameter larger than a hole diameter.
【請求項8】請求項1〜7記載の半導体圧力センサにお
いて、前記ダイアフラム薄肉部と同一基板上に温度セン
サを形成することを特徴とする半導体圧力センサ。
8. The semiconductor pressure sensor according to claim 1, wherein a temperature sensor is formed on the same substrate as the thin portion of the diaphragm.
【請求項9】請求項1〜8記載の半導体圧力センサにお
いて、前記ダイアフラム薄肉部と同一基板上に、これと
は別にダイアフラムを設け、この上に静圧検出用のピエ
ゾ抵抗を配置して静圧センサを形成することを特徴とす
る半導体圧力センサ。
9. A semiconductor pressure sensor according to claim 1, wherein a diaphragm is separately provided on the same substrate as the diaphragm thin portion, and a piezoresistor for detecting a static pressure is disposed thereon. A semiconductor pressure sensor forming a pressure sensor.
【請求項10】請求項1〜9記載の半導体圧力センサの
出力信号は、静圧検出手段の出力を温度検出手段を用い
て補正し、差圧検出手段の出力を前記補正された静圧出
力、さらに温度検出手段を用いて補正することを特徴と
する複合伝送器。
10. The output signal of the semiconductor pressure sensor according to claim 1, wherein the output of the static pressure detecting means is corrected by using a temperature detecting means, and the output of the differential pressure detecting means is corrected by the corrected static pressure output. A composite transmitter, wherein the correction is performed using temperature detecting means.
【請求項11】請求項10において、信号処理手段はメ
モリとマイクロプロセッサとで構成され、前記メモリに
温度変化に対する静圧センサ出力,差圧センサの出力の
関係と、静圧変化に対する差圧センサ出力の関係を記録
しておき、検出されたセンサ出力を前記マイクロプロセ
ッサを用いて前記メモリに記録されたデータに基づき補
正することを特徴とする複合伝送器。
11. The signal processing means according to claim 10, wherein said signal processing means comprises a memory and a microprocessor, wherein said memory has a relation between a static pressure sensor output and a differential pressure sensor output with respect to a temperature change and a differential pressure sensor with respect to a static pressure change. A composite transmitter in which a relationship between outputs is recorded, and the detected sensor output is corrected based on data recorded in the memory using the microprocessor.
【請求項12】第1ダイアフラムと、第1圧力伝達流体
が封入された第1受圧室と、第2ダイアフラムと、第2
圧力伝達流体が封入された第2受圧室とを備え、前記第
1ダイアフラムに第1測定圧力、前記第2ダイアフラム
に第2測定圧力を印加して、両圧力の差を半導体圧力セ
ンサで検出する請求項10,11記載の複合伝送器にお
いて、第1,第2受圧室の圧力が前記半導体圧力センサ
の受圧ダイアフラムに直接伝達することを特徴とする複
合伝送器。
12. A first diaphragm, a first pressure receiving chamber filled with a first pressure transmitting fluid, a second diaphragm, and a second diaphragm.
A second pressure receiving chamber filled with a pressure transmitting fluid, wherein a first measured pressure is applied to the first diaphragm and a second measured pressure is applied to the second diaphragm, and a difference between the two pressures is detected by a semiconductor pressure sensor. 12. The composite transmitter according to claim 10, wherein the pressures in the first and second pressure receiving chambers are directly transmitted to the pressure receiving diaphragm of the semiconductor pressure sensor.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007071596A (en) * 2005-09-05 2007-03-22 Denso Corp Collision detection system

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