JPH1194666A - 圧力検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 金属ダイヤフラムと単結晶半導体より成るセ
ンサチップとを組み合わせることにより高圧力を検出可
能な構成とする場合において、線膨張係数差に起因した
熱応力による悪影響を排除して検出誤差の低減を図るこ
と。 【解決手段】 金属製ダイヤフラム１ｂの上面には、平
面形状が正八角形のセンサチップ２が接合される。この
センサチップ２は、面方位がほぼ（１００）の単結晶シ
リコンより成るもので、その上面には、チップ中心Ｏと
直交した状態の２本の＜１１０＞軸上に、４個の歪みゲ
ージ抵抗３ａ〜３ｄがチップ中心Ｏを挟んで点対称配置
状に形成されている。これら歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄ
は、信号取出用のホイートストンブリッジを構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高圧流体の圧力を
検出する用途に適した圧力検出装置、特には単結晶半導
体のピエゾ抵抗効果を利用して圧力検出を行うようにし
た圧力検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、高圧流体の圧力を検出するた
めの装置として、例えば特公平７−１１４６１号公報に
記載されたものが知られている。このものは、表面に歪
みゲージ抵抗を有した正方形状のセンサチップ（半導体
チップ）を、センシングボディと一体に形成された金属
ダイヤフラム上にガラス層を介して接合した構成となっ
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のような圧力検出
装置においては、センサチップに作用する熱応力（半導
体チップ及び金属ダイヤフラムの線膨張係数差により発
生する熱応力）が、検出誤差に大きな影響を及ぼすとい
う事情がある。このような熱応力に起因した検出誤差の
低減を図るために、従来では、金属ダイヤフラムの材料
としてセンサチップと線膨張係数が近いものを選択した
り、金属ダイヤフラム及びセンサチップを極力薄くして
感度を上げる（熱応力による検出誤差を相対的に減ら
す）などの対策が行われている。しかしながら、このよ
うな対策だけでは検出誤差の低減効果に限界があるた
め、さらなる効果的対策の出現が望まれていた。

【０００４】本発明は上記のような事情に鑑みてなされ
たものであり、その目的は、金属ダイヤフラムと単結晶
半導体より成るセンサチップとを組み合わせることによ
り高圧力を検出可能な構成としたものでありながら、そ
れら金属ダイヤフラム及びセンサチップの線膨張係数差
に起因した熱応力による悪影響を簡単な構造により極力
排除でき、これにより検出誤差の低減を図り得るなどの
効果を奏する圧力検出装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の圧力検出
装置は、上記目的を達成するために、受圧用の金属製ダ
イヤフラム上に、歪みゲージ抵抗を備えた単結晶半導体
製のセンサチップを接合する構成とした上で、そのセン
サチップの平面形状を、凸ｎ角形（ｎ≧６）若しくは円
形に形成する構成としたものである。尚、凸ｎ角形と
は、頂角が１８０°未満のｎ角形をいう。

【０００６】本件発明者は、金属製ダイヤフラム上に接
合された単結晶半導体製センサチップの表面（つまり歪
みゲージ抵抗の形成面）での熱応力の分布について有限
要素法（ＦＥＭ）により解析した。その結果、センサチ
ップの平面形状が凸ｎ角形（ｎ≧６）若しくは円形であ
った場合には、センサチップの平面形状が正方形（従来
構成に相当）の場合に比べて熱応力による悪影響を小さ
くできることが判明した。

【０００７】従って、センサチップの平面形状を、凸ｎ
角形（ｎ≧６）若しくは円形に形成した請求項１記載の
発明によれば、金属ダイヤフラム及びセンサチップの線
膨張係数差に起因した熱応力による悪影響を、当該セン
サチップの平面形状を変更するだけの簡単な構造によっ
て極力排除できるものであり、これにより検出誤差の低
減を図り得るようになる。

【０００８】また、請求項２記載の発明のように、金属
製ダイヤフラム上に接合されたセンサチップの平面形状
を、外接円直径÷内接円直径の値が１．２未満となる多
角形若しくは円形に形成する構成としても良い。

【０００９】本件発明者による前述したような有限要素
法による解析の結果、センサチップの平面形状が円形に
近い状態であれば、程度の差はあるものの、熱応力によ
る悪影響の低減を図り得ることが分かった。センサチッ
プの平面形状を多角形状に形成することを想定した場
合、円形にどの程度近い形状であるか否かの判断基準と
して、その多角形の外接円及び内接円の各直径を比較す
ることが考えられる。即ち、外接円直径÷内接円直径の
値をδとした場合、真円に限りなく近い多角形のδはほ
ぼ１であり、また、正八角形であればδは約１．０８
２、正方形であればδは約１．４１４となる。

【００１０】この場合、熱応力に関して、どの程度まで
円形に近付いた形状が許容されるかを検討した結果、δ
が１．２未満の多角形（実際には正六角形程度以上のも
の）であれば、熱応力の悪影響を低減できる形状（円形
に近い形状）と考えて良いことが分かった。従って、セ
ンサチップの平面形状を、外接円直径÷内接円直径の値
が１．２未満となる多角形若しくは円形に形成した請求
項２記載の発明によっても、金属ダイヤフラム及びセン
サチップの線膨張係数差に起因した熱応力による悪影響
を、当該センサチップの平面形状を変更するだけの簡単
な構造により極力排除できて、検出誤差の低減を実現で
きることになる。

【００１１】また、請求項３記載の発明のように、前記
センサチップを、面方位がほぼ（１００）の単結晶半導
体により形成する構成としても良い。

【００１２】このようにセンサチップの面方位が（１０
０）であった場合には、センサチップ上には、これを構
成する単結晶半導体の＜１１０＞軸が直交した状態で存
在することになる。この場合、単結晶半導体における
（１００）面でのピエゾ抵抗効果は、互いに直交する２
本の＜１１０＞軸方向（以下、これらを便宜上Ｘ軸方向
及びＹ軸方向と呼ぶ）へ作用する各応力成分の双方の影
響を受けるものであり、また、被検出圧力が印加された
状態でのセンサチップ表面の歪みゲージ抵抗の抵抗変化
率は、上記Ｘ軸及びＹ軸方向の各応力成分の差に比例す
ることが分かっている。

【００１３】そこで、本件発明者は、被検出圧力の印加
に応じたセンサチップの表面におけるＸ軸方向及びＹ軸
方向の応力分布状態、並びに上記各方向の熱応力分布状
態を有限要素法により解析した。

【００１４】この解析の結果、面方位が（１００）の単
結晶半導体より成るセンサチップにあっては、そのチッ
プ中心からの距離が大きくなるほど被検出圧力の印加に
応じた上記応力成分差が拡大すること、つまり歪みゲー
ジ抵抗の抵抗変化率が大きくなることが判明した。ま
た、熱応力については、歪みゲージ抵抗を、チップ中心
から所定距離内の位置に配置すれば、その配置ポイント
でのＸ軸方向及びＹ軸方向の熱応力差をほぼ零にできる
ことが判明した。

【００１５】要するに、歪みゲージ抵抗の抵抗変化率を
大きくして感度を上げるためには、歪みゲージ抵抗の配
置位置をチップ中心から極力離れた位置に設定すること
が望ましく、また、熱応力に起因した検出誤差を縮小す
るためには、歪みゲージ抵抗の配置位置をチップ中心に
極力近い位置に設定することが望ましいことが判明し
た。

【００１６】また、上述のような解析の結果、センサチ
ップの平面形状を、凸ｎ角形（ｎ≧６）若しくは円形、
或いは外接円直径÷内接円直径の値が１．２未満となる
多角形に形成した場合には、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の熱
応力差をほぼ零にできる範囲（チップ中心からの距離）
が、従来構成の正方形の場合に比べて拡大することが判
明した。

【００１７】従って、請求項３記載の発明のように、面
方位がほぼ（１００）の単結晶半導体によりセンサチッ
プを形成した場合、歪みゲージ抵抗を、Ｘ軸方向及びＹ
軸方向の熱応力差をほぼ零にできる位置に配置した場合
でも、その位置をチップ中心から比較的離れた状態とす
ることができて、歪みゲージ抵抗の抵抗変化率をある程
度大きくできるようになるから、結果的に、検出誤差を
大幅に低減しながら感度の向上を実現できるという有益
な効果を奏するようになる。

【００１８】上記のように、センサチップを面方位がほ
ぼ（１００）の単結晶半導体により形成する場合には、
請求項４記載の発明のように、ブリッジ回路を構成する
ように２個以上設けられた歪みゲージ抵抗を、前記セン
サチップの中心部分で直交した状態の２本の＜１１０＞
軸上（つまり、Ｘ軸及びＹ軸上）に、当該センサチップ
の中心から所定距離だけ離間した状態で配置する構成と
することができる。このような構成によれば、請求項３
記載の発明と同様の理由により、各歪みゲージ抵抗を、
Ｘ軸方向及びＹ軸方向の熱応力差をほぼ零にできる位置
に配置した場合でも、その抵抗変化率をある程度大きく
できて、ブリッジ回路から熱応力オフセット電圧が小さ
い検出出力を得ることができるから、検出誤差を低減し
ながら感度の向上を実現できるようになる。

【００１９】また、上記のように、センサチップを面方
位がほぼ（１００）の単結晶半導体により形成する場合
には、請求項５記載の発明のように、ホイートストンブ
リッジの各辺を構成する歪みゲージ抵抗を、前記センサ
チップの中心部分で直交した状態の２本の＜１１０＞軸
上（Ｘ軸及びＹ軸上）に、当該センサチップの中心を挟
んでほぼ点対称配置とする構成としても良い。このよう
な構成によっても、請求項３記載の発明と同様の理由に
より、各歪みゲージ抵抗を、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の熱
応力差をほぼ零にできる位置に配置した場合でも、その
抵抗変化率をある程度大きくできて、ホイートストンブ
リッジから熱応力オフセット電圧が小さく且つ高レベル
の検出出力を得ることができるから、検出誤差を低減し
ながら感度の大幅な向上を実現できるようになる。

【００２０】また、請求項６記載の発明のように、前記
センサチップを、面方位がほぼ（１１０）の単結晶半導
体により形成する構成としても良い。このようにセンサ
チップの面方位が（１１０）であった場合には、センサ
チップ上には、これを構成する単結晶半導体の＜１００
＞軸及び＜１１０＞軸が直交した状態で存在することに
なる。この場合、単結晶半導体より成るセンサチップに
圧力が印加された場合、そのセンサチップの中心から＜
１１０＞軸方向に沿った方向での応力分布は、当該セン
サチップの中央部領域と周辺部領域とで比較的大きな差
が出るものである。従って、この＜１１０＞軸に沿った
異なる位置上の中央部及び周辺部にそれぞれ歪みゲージ
抵抗を配置した場合には、圧力印加に応じた各歪みゲー
ジ抵抗の抵抗変化率にも比較的大きな差が出ることにな
る。

【００２１】また、本件発明者による有限要素法による
解析によれば、センサチップの中心から＜１１０＞軸方
向に沿った方向での熱応力分布は、ある程度の範囲まで
同一の大きさのまま推移することが判明している。この
ため、例えば２個の歪みゲージ抵抗を、＜１１０＞軸に
沿った異なる位置上の中央部及び周辺部にそれぞれ配置
する場合であっても、それら歪みゲージ抵抗の＜１１０
＞軸方向の熱応力差をほぼ零にできることになる。

【００２２】従って、請求項６記載の発明のように、面
方位がほぼ（１１０）の単結晶半導体によりセンサチッ
プを形成した場合には、歪みゲージ抵抗を、センサチッ
プにおける＜１１０＞軸に沿った異なる位置上の中央部
及び周辺部に互いに離間した状態で配置することによ
り、各歪みゲージ抵抗の抵抗変化率の差を、熱応力の影
響を受けることなくある程度大きくできるようになる。
この結果、その抵抗変化率の差に基づいて圧力検出可能
となるものであり、このときには検出誤差を低減しなが
ら感度の向上を実現できるという有益な効果を奏するよ
うになる。

【００２３】上記のように、センサチップを面方位がほ
ぼ（１１０）の単結晶半導体により形成する場合には、
請求項７記載の発明のように、ブリッジ回路を構成する
ように２個以上設けられた歪みゲージ抵抗を、前記セン
サチップの中心部分を通る＜１１０＞軸に沿った位置上
に、その中央部及び周辺部に互いに離間した状態で配置
する構成とすることができる。このような構成によれ
ば、請求項６記載の発明と同様の理由により、各歪みゲ
ージ抵抗の抵抗変化率の差を、熱応力の影響を受けるこ
となくある程度大きくできるようになって、ブリッジ回
路から熱応力オフセット電圧が小さい検出出力を得るこ
とができるから、検出誤差を低減しながら感度の向上を
実現できるようになる。

【００２４】また、上記のように、センサチップを面方
位がほぼ（１１０）の単結晶半導体により形成する場合
には、請求項８記載の発明のように、ホイートストンブ
リッジの対辺に位置した一対の歪みゲージ抵抗及び他の
対辺に位置した一対の歪みゲージ抵抗を、それぞれ前記
センサチップの中心部分を通る＜１１０＞軸に沿った位
置上の中央部及び周辺部に互いに離間した状態で配置す
る構成としても良い。このような構成によっても、請求
項６記載の発明と同様の理由により、ホイートストンブ
リッジの対辺に位置した一対の歪みゲージ抵抗と、他の
対辺に位置した一対の歪みゲージ抵抗との抵抗変化率の
差を、熱応力の影響を受けることなくある程度大きくで
きるようになって、ホイートストンブリッジから熱応力
オフセット電圧が小さく且つ高レベルの検出出力を得る
ことができるから、検出誤差を低減しながら感度の大幅
な向上を実現できるようになる。

【００２５】請求項１０記載の発明のように、前記セン
サチップの平面形状をほぼ八角形に形成した場合には、
半導体ウエーハ上でのセンサチップのレイアウトが簡単
化すると共に、無駄が少なくなる。この結果、当該セン
サチップを半導体ウエーハから切り出す工程が簡単化す
ると共に、チップ収率（チップ取れ率）が向上する利点
が出てくる。

【００２６】請求項１２記載の圧力検出装置は、前記目
的を達成するために、受圧用の金属製ダイヤフラム上
に、歪みゲージ抵抗を備えた単結晶半導体製のセンサチ
ップを接着用材料を介して接合する構成とした上で、そ
のセンサチップを矩形平板状に形成すると共に、前記接
着用材料の平面分布形状を、凸ｎ角形（ｎ≧６）若しく
は円形となるように構成したものである。

【００２７】本件発明者は、金属製ダイヤフラム上に、
接着用材料を介して接合された矩形平板状の単結晶半導
体製センサチップの表面（つまり歪みゲージ抵抗の形成
面）での熱応力の分布について、上記接着用材料の平面
分布形状を種々変更しながら有限要素法によって解析し
た。その結果、接着用材料の平面分布形状が凸ｎ角形
（ｎ≧６）若しくは円形であった場合には、金属製ダイ
ヤフラム上にセンサチップの全体を接着用材料を介して
接合した場合（接着用材料の平面分布形状がセンサチッ
プの形状に応じた矩形状となる場合）に比べて熱応力に
よる悪影響を小さくできることが判明した。

【００２８】従って、接着用材料の平面分布形状を凸ｎ
角形（ｎ≧６）若しくは円形に形成した請求項１２記載
の発明によれば、金属ダイヤフラム及びセンサチップの
線膨張係数差に起因した熱応力による悪影響を、当該接
着用材料の平面分布形状を変更するだけの簡単な構造に
よって極力排除できるものであり、これにより検出誤差
の低減を図り得るようになる。しかも、この場合には、
センサチップの形状が矩形状とされているから、当該セ
ンサチップをウェハのダイシング加工によって容易に得
ることができて製造性が向上すると共に、その加工時の
無駄が少なくなって、チップ収率（チップ取れ率）が大
幅に向上するようになる。

【００２９】また、請求項１３記載の発明のように、金
属製ダイヤフラム上に接着用材料を介して矩形平板状の
センサチップを接合する場合に、その接着用材料の平面
分布形状を、外接円直径÷内接円直径の値が１．２未満
となる多角形若しくは円形に形成する構成としても良
い。

【００３０】本件発明者による前述したような有限要素
法による解析の結果、センサチップが矩形平板状のもの
であっても、これを金属ダイヤフラム上に接着するため
の接着用材料の平面分布形状が円形に近い状態であれ
ば、程度の差はあるものの、熱応力による悪影響の低減
を図り得ることが分かった。接着用材料の平面分布形状
を多角形状に形成することを想定した場合、円形にどの
程度近い形状であるか否かの判断基準として、その多角
形の外接円及び内接円の各直径を比較することが考えら
れる。即ち、外接円直径÷内接円直径の値をδとした場
合、真円に限りなく近い多角形のδはほぼ１であり、ま
た、正八角形であればδは約１．０８２、正方形であれ
ばδは約１．４１４となる。

【００３１】この場合、熱応力に関して、前記接着用材
料の平面分布形状が、どの程度まで円形に近付いた形状
が許容されるかを検討した結果、δが１．２未満の多角
形（実際には正六角形程度以上のもの）であれば、熱応
力の悪影響を低減できる形状（円形に近い形状）と考え
て良いことが分かった。従って、接着用材料の平面分布
形状を、外接円直径÷内接円直径の値が１．２未満とな
る多角形若しくは円形に形成した請求項１３記載の発明
によっても、金属ダイヤフラム及びセンサチップの線膨
張係数差に起因した熱応力による悪影響を、当該接着用
材料の平面形状を変更するだけの簡単な構造により極力
排除できて、検出誤差の低減を実現できることになる。

【００３２】また、請求項１４記載の発明のように、前
記矩形平板状のセンサチップを、面方位がほぼ（１０
０）の単結晶半導体により形成する構成としても良い。
このような構成によれば、前述した請求項３記載の発明
の場合と同様に、歪みゲージ抵抗を、Ｘ軸方向及びＹ軸
方向（互いに直交する２本の＜１１０＞軸方向）の熱応
力差をほぼ零にできる位置に配置した場合でも、その位
置をチップ中心から比較的離れた状態とすることができ
て、歪みゲージ抵抗の抵抗変化率をある程度大きくでき
るようになるから、結果的に、検出誤差を大幅に低減し
ながら感度の向上を実現できるという有益な効果を奏す
るようになる。

【００３３】また、上記のように、矩形平板状のセンサ
チップを面方位がほぼ（１００）の単結晶半導体により
形成する場合には、請求項１５記載の発明のように、ブ
リッジ回路を構成するように２個以上設けられた歪みゲ
ージ抵抗を、前記センサチップの中心部分で直交した状
態の２本の＜１１０＞軸上（つまり、Ｘ軸及びＹ軸上）
に、当該センサチップの中心から所定距離だけ離間した
状態で配置する構成とすることができる。このような構
成によれば、請求項１４記載の発明と同様の理由によ
り、各歪みゲージ抵抗を、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の熱応
力差をほぼ零にできる位置に配置した場合でも、その抵
抗変化率をある程度大きくできて、ブリッジ回路から熱
誤差オフセット電圧が小さい検出出力を得ることができ
るから、検出誤差を低減しながら感度の向上を実現でき
るようになる。

【００３４】さらに、上記のように、矩形平板状のセン
サチップを面方位がほぼ（１００）の単結晶半導体によ
り形成する場合には、請求項１６記載の発明のように、
ホイートストンブリッジの各辺を構成する歪みゲージ抵
抗を、前記センサチップの中心部分で直交した状態の２
本の＜１１０＞軸（Ｘ軸及びＹ軸上）上に、当該センサ
チップの中心を挟んでほぼ点対称配置とする構成として
も良い。このような構成によっても、請求項１４記載の
発明と同様の理由により、各歪みゲージ抵抗を、Ｘ軸方
向及びＹ軸方向の熱応力差をほぼ零にできる位置に配置
した場合でも、その抵抗変化率をある程度大きくでき
て、ホイートストンブリッジから熱応力オフセット電圧
が小さく且つ高レベルの検出出力を得ることができるか
ら、検出誤差を低減しながら感度の大幅な向上を実現で
きるようになる。

【００３５】また、請求項１７記載の発明のように、前
記矩形平板状のセンサチップを、面方位がほぼ（１１
０）の単結晶半導体により形成する構成としても良い。
このような構成によれば、前述した請求項６記載の発明
の場合と同様に、歪みゲージ抵抗を、センサチップにお
ける＜１１０＞軸に沿った異なる位置上の中央部及び周
辺部に互いに離間した状態で配置することにより、各歪
みゲージ抵抗の抵抗変化率の差を、熱応力の影響を受け
ることなくある程度大きくできるようになる。従って、
その抵抗率の差に基づいて圧力検出可能となるものであ
り、このときには検出誤差を低減しながら感度の向上を
実現できるという有益な効果を奏するようになる。

【００３６】上記のように、矩形平板状のセンサチップ
を面方位がほぼ（１１０）の単結晶半導体により形成す
る場合には、請求項１８記載の発明のように、ブリッジ
回路を構成するように２個以上設けられた歪みゲージ抵
抗を、前記センサチップの中心部分を通る＜１１０＞軸
に沿った位置上に、その中央部及び周辺部に互いに離間
した状態で配置する構成とすることができる。このよう
な構成によれば、請求項６記載の発明と同様の理由によ
り、各歪みゲージ抵抗の抵抗変化率の差を、熱応力の影
響を受けることなくある程度大きくできるようになっ
て、ブリッジ回路から熱応力オフセット電圧が小さい検
出出力を得ることができるから、検出誤差を低減しなが
ら感度の向上を実現できるようになる。

【００３７】また、上記のように、矩形平板状のセンサ
チップを面方位がほぼ（１１０）の単結晶半導体により
形成する場合には、請求項１９記載の発明のように、ホ
イートストンブリッジの対辺に位置した一対の歪みゲー
ジ抵抗及び他の対辺に位置した一対の歪みゲージ抵抗
を、それぞれ前記センサチップの中心部分を通る＜１１
０＞軸に沿った位置上の中央部及び周辺部に互いに離間
した状態で配置する構成としても良い。このような構成
によっても、請求項６記載の発明と同様の理由により、
ホイートストンブリッジの対辺に位置した一対の歪みゲ
ージ抵抗と、他の対辺に位置した一対の歪みゲージ抵抗
との抵抗変化率の差を、熱応力の影響を受けることなく
ある程度大きくできるようになって、ホイートストンブ
リッジから熱応力オフセット電圧が小さく且つ高レベル
の検出出力を得ることができるから、検出誤差を低減し
ながら感度の大幅な向上を実現できるようになる。

【００３８】請求項２４記載の圧力検出装置は、前記目
的を達成するために、受圧用の金属製ダイヤフラム上
に、歪みゲージ抵抗を備えた単結晶半導体製のセンサチ
ップを接合する構成とした上で、そのセンサチップを、
表面に互いに直交した状態の結晶軸を有した矩形平板状
に形成すると共に、上記各結晶軸の方向をセンサチップ
の辺部と平行する直線に対して１５°〜３７°の角度だ
け回転させた範囲となるように設定する構成としたもの
である。

【００３９】本件発明者は、金属製ダイヤフラム上に接
合された矩形平板状の単結晶半導体製センサチップにつ
いて、その表面に互いに直交した状態で存する各結晶軸
の方向を当該センサチップの辺部と平行した直線に対し
て所定角度ずつ回転させた複数のモデルを想定し、各モ
デルにおけるセンサチップ表面（つまり歪みゲージ抵抗
の形成面）での熱応力の分布について、有限要素法（Ｆ
ＥＭ）により解析した。その結果、上記回転角度が１５
°〜３７°の範囲にあれば、センサチップの中心から比
較的広い範囲の領域まで上記熱応力による誤差要因が減
少することが判明した。

【００４０】従って、矩形平板状のセンサチップ表面に
互いに直交した状態で存する各結晶軸の方向を、当該セ
ンサチップの辺部と平行する直線に対して１５°〜３７
°の角度だけ回転させた範囲となるように設定した請求
項２４記載の発明によれば、金属ダイヤフラム及びセン
サチップの線膨張係数差に起因した熱応力による悪影響
を、当該センサチップの結晶軸方向を変更するだけの簡
単な構造によって極力排除できるものであり、これによ
り検出誤差の低減を図り得るようになる。しかも、この
場合には、センサチップの矩形平板状のものであるか
ら、当該センサチップをウェハのダイシング加工によっ
て容易に得ることができて製造性が向上すると共に、そ
の加工時の無駄が少なくなって、チップ収率（チップ取
れ率）が大幅に向上するようになる。

【００４１】

【発明の実施の形態】

（第１の実施の形態）以下、本発明の第１実施例につい
て図１ないし図７を参照しながら説明する。図１には圧
力検出装置の要部が一部断面にした状態で示され、図２
には同要部の平面構造が示されている。これら図１及び
図２において、金属製のセンシングボディ１は、下面が
受圧口１ａとされた有底円筒状に形成されており、その
上端部（底面相当部）は、検出圧力に応じた厚さ寸法の
受圧用の金属製ダイヤフラム１ｂとなるように構成され
ている。

【００４２】ダイヤフラム１ｂの上面には、面方位がほ
ぼ（１００）の単結晶シリコン（単結晶半導体）より成
る平板状のセンサチップ２が、低融点ガラスや接着剤な
ど（図示せず）を利用して接合されている。尚、面方位
がほぼ（１００）であるということは、（１００）面か
ら数°程度傾斜しているものも含む概念である。また、
上記センサチップ２は、その裏面全体がダイヤフラム１
ｂと接合されるものである。

【００４３】上記センサチップ２は、平面形状が正八角
形となるように形成されたもので、例えば、厚さ寸法が
約０．２mm、対辺間の寸法が約３．５mmに設定されてい
る。このセンサチップ２の表面には、周知の拡散プロセ
スによって４個の歪みゲージ抵抗３ａ、３ｂ、３ｃ、３
ｄが形成されており、これらの歪みゲージ抵抗３ａ〜３
ｄは、図３に示すように信号取出用のホイートストンブ
リッジを構成するように接続されている。尚、各歪みゲ
ージ抵抗３ａ〜３ｄは、説明の便宜上、長辺方向の抵抗
値変化をセンサ出力として取り出す矩形状のものとして
表現したが、実際には、このような形状に限定されるも
のではない。

【００４４】この場合、センサチップ２上には、当該セ
ンサチップ２を構成する単結晶シリコンの＜１１０＞軸
が直交した状態で存在するものであり、図２に示すよう
に、４個設けられた歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄは、セン
サチップ２上の中心Ｏから互いに直交した方向へ延びる
２本の＜１１０＞軸上に、当該チップ中心Ｏを挟んで点
対称配置される。

【００４５】具体的には、歪みゲージ抵抗３ａ、３ｄ
は、チップ中心Ｏを通る一方の＜１１０＞軸（以下、こ
れをｘ軸と呼ぶ）上に、当該ｘ軸と平行し且つチップ中
心Ｏから等距離ずつ離間した形態で配置される。また、
歪みゲージ抵抗３ｂ、３ｃは、チップ中心Ｏを通る他方
の＜１１０＞軸（以下、これをｙ軸と呼ぶ）上に、当該
ｙ軸と直交し且つチップ中心Ｏから等距離ずつ離間した
形態で配置される。さらに、センサチップ２にあって
は、上記ｘ軸及びｙ軸（＜１１０＞軸）と交差する４辺
が、それらｘ軸及びｙ軸とほぼ直交するように構成され
ている。

【００４６】尚、センシングボディ１の材料としては、
熱膨張率がセンサチップ２を構成する単結晶シリコンに
極力近い金属が望ましく、例えばコバール（３０％Ｎｉ
−２０％Ｃｏ−Ｆｅ）などを利用することになる。ま
た、受圧口１ａの直径は約２．５mm、ダイヤフラム１ｂ
の厚さ寸法は約０．６５mmに設定されるものであり、こ
れにより１０ＭＰａ程度以上２０ＭＰａ程度までの圧力
を検出できるようになっている。

【００４７】上記構成によれば、ダイヤフラム１ｂに対
しては、受圧口１ａ側の面から被検出圧力が印加される
と共に、これと反対側の面から一定の基準圧力（例えば
大気圧）が印加されるものであり、それら印加圧力の差
によってダイヤフラム１ｂ及びセンサチップ２が同時に
撓むようになる。このようにセンサチップ２が撓み変形
した場合には、これに伴うセンサチップ２表面の歪み変
形が歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄの抵抗値変化として現れ
るようになる。従って、図３に示すホイートストンブリ
ッジの入力端子Ｉａ・Ｉｂ間に直流定電圧Ｖを与えた状
態では、受圧口１ａを通じて被検出圧力が作用するのに
応じて、出力端子Ｐａ・Ｐｂ間から当該被検出圧力に応
じた電圧レベルＶout の信号が出力されることになる。

【００４８】さて、以下においては、上記出力電圧レベ
ルＶout と歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄの位置との関係、
並びにセンシングボディ１とセンサチップ２との線膨張
係数差に基づいて発生する熱応力について考察するに、
まず、出力電圧レベルＶoutと歪みゲージ抵抗３ａ〜３
ｄの位置との関係について考察する。

【００４９】図４には、圧力印加に応じたセンサチップ
２の表面における応力分布状態を有限要素法（ＦＥＭ）
により解析した結果を示す。具体的には、この図４は、
図２中のｘ軸（＜１１０＞軸）に沿った複数のポイント
（チップ中心Ｏからの距離が異なるポイント）での応力
分布を解析した結果を、各ポイントでのｘ軸方向成分の
応力σxxとｙ軸方向成分の応力σyyとに分解した状態で
示すものである。

【００５０】単結晶シリコンにおける（１００）面での
ピエゾ抵抗効果は、上記応力σxx及びσyy双方の影響を
受けるものであり、ｘ軸上に配置された歪みゲージ抵抗
３ａ、３ｄの抵抗値変化率ΔＲ／Ｒは、次式（１）で表
すことができる。但し、Ｒはゲージ初期抵抗値、ΔＲは
増加分抵抗値、π44はピエゾ抵抗係数であり、また、σ
xx及びσyyはそれぞれ平均応力を示す。

【００５１】 ΔＲ／Ｒ＝（π44／２）（σxx−σyy） ……（１） また、ｙ軸上に配置された歪みゲージ抵抗３ｂ、３ｃの
抵抗値変化率ΔＲ′／Ｒは、結晶軸の対称性から、次式
（２）で表すことができる。但し、ΔＲ′は増加分抵抗
値、σxx′及びσyy′は、図２中のｙ軸（＜１１０＞
軸）に沿ったポイントでのｘ軸方向の平均応力及びｙ軸
方向の平均応力を示す。 ΔＲ′／Ｒ＝（π44／２）（σxx′−σyy′） ……（２）

【００５２】また、各歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄは、セ
ンサチップ２上の中心Ｏを挟んで点対称配置されている
から、次式（３）の関係が成立するようになる。 σxx＝σyy′、σyy＝σxx′ ……（３）

【００５３】ここで、被検出圧力が下面から作用した状
態では、歪みゲージ抵抗３ａ、３ｄの抵抗値が減少する
と共に、歪みゲージ抵抗３ｂ、３ｃの抵抗値が増加する
ことになるが、歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄの配置位置の
対称性により上記（３）式が成立することになるため、
被検出圧力が作用した状態における歪みゲージ抵抗３
ｂ、３ｃの抵抗値増加率（（２）式により得られる）
と、歪みゲージ抵抗３ａ、３ｄの抵抗値減少率（（１）
式により得られる）とが等しくなる。

【００５４】歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄにより図３に示
すようなホイートストンブリッジを構成した場合、出力
端子Ｐａ・Ｐｂ間からの出力電圧レベルＶout は、次式
（４）で得られることになる。但し、Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ
及びＲｄは、歪みゲージ抵抗３ａ、３ｂ、３ｃ及び３ｄ
の各抵抗値であり、 Ｒａ＝Ｒｄ＝Ｒ＋ΔＲ Ｒｂ＝Ｒｃ＝Ｒ＋ΔＲ′ の関係にある。 Ｖout ＝［（ＲｂＲｃ−ＲａＲｄ）／｛（Ｒａ＋Ｒｂ）（Ｒｃ＋Ｒｄ）｝］Ｖ ………（４）

【００５５】この（４）式は、Ｒ>>ΔＲ、Ｒ>>ΔＲ′で
あること、並びに（１）〜（３）式に基づいて、次式
（５）のように変形することができる。

【００５６】

【数１】

【００５７】この（５）式からは、被検出圧力を示す電
圧レベルＶout が、各歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄに作用
するｘ軸方向及びｙ軸方向の応力の差に比例することが
分かる。つまり、検出出力の電圧レベルＶout を大きく
して感度を高めるためには、図４及び上記（５）式から
理解できるように、チップ中心Ｏから極力離れた位置に
歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄを形成すれば良いことにな
る。

【００５８】次に、センシングボディ１とセンサチップ
２との線膨張係数差に基づく熱応力について考察する。
この熱応力は、検出出力の誤差に大きく影響するもので
あり、零に近付けることが望ましい。

【００５９】図５には、本実施例のように正八角形状の
センサチップ２を備えた圧力検出装置に対し、所定の温
度差（例えば９５℃）を与えた状態（印加圧力は零）で
のセンサチップ２の表面における熱応力分布状態を有限
要素法により解析した結果を示す。この図５には、図２
中のｘ軸（＜１１０＞軸）に沿った複数のポイント（チ
ップ中心Ｏからの距離が異なるポイント）での熱応力分
布を、各ポイントでのｘ軸方向の応力σxxとｙ軸方向の
応力σyyとに分解した状態で示してある。尚、図６に
は、上記のような解析結果を、センサチップ２と対応付
けた状態で摸式的に示した。

【００６０】これらの図５及び図６からは、歪みゲージ
抵抗３ａ〜３ｄを、チップ中心Ｏから１mm程度以下の距
離、好ましくは０．８mm程度以下の距離内に配置すれ
ば、その配置ポイントでのｘ軸方向及びｙ軸方向の熱応
力差をほぼ零にできて、検出出力の誤差を大幅に縮小で
きることが分かる。

【００６１】因みに、ダイヤフラム１ｂ上に、センサチ
ップ２に代えて単結晶シリコンより成る正方形状のセン
サチップ（センサチップ２と同様の歪みゲージ抵抗を有
するもの）の裏面全体を接合したモデルについて、その
表面における熱応力分布状態の解析を上述同様に行った
結果を図７に示す。この図７からは、歪みゲージ抵抗
を、チップ中心から０．５mm程度以下の距離、好ましく
は０．２５mm程度以下の距離内の位置、つまりチップ中
心に比較的近い位置に配置しなければ、熱応力をほぼ零
にできないことが分かる。

【００６２】ところが、正方形状のセンサチップを使用
したモデルにおいても、歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄをチ
ップ中心に近い位置に配置した場合には、被検出圧力印
加時の各歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄに作用するｘ軸方向
及びｙ軸方向の応力の差が小さくなるため、検出出力が
十分に大きくならないという事情がある。このため、正
方形状のセンサチップを用いる場合には、検出出力の誤
差の拡大をある程度許容して感度の向上を図るか、或い
は感度の低下を甘受するか、の二者択一を迫られるとい
う問題点が出てくる。

【００６３】これに対して、本実施例のように平面形状
が正八角形のセンサチップ２を用いる構成によれば、歪
みゲージ抵抗３ａ〜３ｄを、ｘ軸方向及びｙ軸方向の熱
応力差をほぼ零にできる位置、具体的には、チップ中心
Ｏからの距離が０．８mm程度以下の位置に配置した場合
でも、図４から理解できるように、各歪みゲージ抵抗３
ａ〜３ｄに作用するｘ軸方向及びｙ軸方向の応力σxx及
びσyyの差が大きくなるから、検出出力の電圧レベルＶ
out を十分に大きくできる。つまり、本実施例によれ
ば、センサチップ２の平面形状を正八角形に設定したこ
とによるチップ形状効果によって、検出誤差を大幅に低
減しながら感度の向上を実現できるという有益な効果を
奏するものである。

【００６４】また、本実施例のように、面方位が（１０
０）の単結晶シリコンによってセンサチップ２を構成し
た場合には、ホイートストンブリッジを構成するための
歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄを、センサチップ２のチップ
中心Ｏを挟んで点対称配置することになる。このような
配置とした場合には、前述したように、被検出圧力が作
用した状態における歪みゲージ抵抗３ｂ、３ｃの抵抗値
増加分と、歪みゲージ抵抗３ａ、３ｄの抵抗値減少分と
が等しくなるから、被検出圧力に対する出力電圧の直線
性が良好になるものである。

【００６５】さらに、本実施例のように、センサチップ
２の平面形状を正八角形とした場合には、半導体ウエー
ハ上でのセンサチップ２のレイアウトが簡単化すると共
に、無駄が少なくなるから、当該センサチップ２を半導
体ウエーハから切り出す工程が簡単化すると共に、チッ
プ収率（チップ取れ率）が向上するようになる。

【００６６】（第２の実施の形態）図８ないし図１０に
は本発明の第２実施例が示されており、以下これについ
て前記第１実施例と異なる部分について説明する。即
ち、この第２実施例は、図８及び図９に示すように、セ
ンシングボディ１が有するダイヤフラム１ｂの上面に、
平面形状が円形のセンサチップ４を図示しない低融点ガ
ラスや接着剤などを利用して接合した点に特徴を有す
る。上記センサチップ４は、面方位がほぼ（１００）の
単結晶シリコンより成るもので、例えば、厚さ寸法が約
０．２mm、直径が約３．５mmに設定されており、このセ
ンサチップ４の表面に４個の歪みゲージ抵抗３ａ、３
ｂ、３ｃ、３ｄが形成されている。

【００６７】この第２実施例においても、センサチップ
４上には、当該センサチップ４を構成する単結晶シリコ
ンの＜１１０＞軸が直交した状態で存在するものであ
り、図９に示すように、４個設けられた歪みゲージ抵抗
３ａ〜３ｄは、前記第１実施例と同様に、センサチップ
２上の中心Ｏから互いに直交した方向へ延びるｘ軸及び
ｙ軸上に、当該チップ中心Ｏを挟んで点対称配置され
る。

【００６８】この実施例のように円形状のセンサチップ
４を備えた圧力検出装置に対し、所定の温度差（例えば
９５℃）を与えた状態（印加圧力は零）でのセンサチッ
プ４の表面における熱応力分布状態を有限要素法により
解析した結果は図１０に示す通りである。

【００６９】この図１０を、前記第１実施例における図
５と比較した場合、両者が互いに極めて近似しているこ
とが分かる。従って、円形状のセンサチップ４を利用す
る構成とした場合でも、前記第１実施例と同様に、検出
誤差を低減しながら感度の向上を実現できると共に、被
検出圧力に対する出力電圧の直線性を良好にできること
になる。

【００７０】（第３の実施の形態）図１１ないし図１３
には本発明の第３実施例が示されており、以下これにつ
いて前記第１実施例と異なる部分について説明する。即
ち、この第３実施例は、図１１に示すように、センシン
グボディ１が有するダイヤフラム１ｂの上面に、平面形
状が正六角形のセンサチップ５を図示しない低融点ガラ
スや接着剤などを利用して接合した点に特徴を有する。
上記センサチップ５は、面方位がほぼ（１００）の単結
晶シリコンより成るもので、その厚さ寸法が約０．２m
m、対辺間の寸法が約３．５mm（対角線間寸法は４mm程
度になる）に設定されており、このセンサチップ５の表
面に４個の歪みゲージ抵抗３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが形
成されている。

【００７１】この場合、上記センサチップ５にあって
は、当該センサチップ５を構成する単結晶シリコンの一
方の＜１１０＞軸（ｘ軸）が、図１１に示すように、所
定の対角線と平行した方向となるように設定されてお
り、これに伴い他方の＜１１０＞軸（ｙ軸）は正六角形
における所定の対辺と直交した状態となるように構成さ
れている。そして、歪みゲージ抵抗３ａ、３ｄはｘ軸上
に配置され、歪みゲージ抵抗３ｂ、３ｃはｙ軸上に配置
される。

【００７２】この実施例のように正六角形状のセンサチ
ップ５を備えた圧力検出装置に対し、所定の温度差（例
えば９５℃）を与えた状態（印加圧力は零）でのセンサ
チップ４の表面における熱応力分布状態を有限要素法に
より解析した結果は図１２及び図１３に示す通りであ
る。尚、図１２は、図１１中のｘ軸に沿った複数のポイ
ント（チップ中心Ｏからの距離が異なるポイント）での
熱応力分布を、各ポイントでのｘ軸方向の応力σxxとｙ
軸方向の応力σyyとに分解した状態で示し、図１３は、
図１１中のｙ軸に沿った複数のポイント（チップ中心Ｏ
からの距離が異なるポイント）での熱応力分布を、各ポ
イントでのｘ軸方向の応力σxx′とｙ軸方向の応力σy
y′とに分解した状態で示す。

【００７３】これらの図１２及び図１３からは、歪みゲ
ージ抵抗３ａ〜３ｄを、チップ中心Ｏから０．９mm程度
以下の距離、好ましくは０．７mm程度以下の距離内に配
置すれば、その配置ポイントでのｘ軸方向及びｙ軸方向
の熱応力差をほぼ零にできて、検出出力の誤差を大幅に
縮小できることが分かる。

【００７４】従って、本実施例においても前記第１実施
例と同様の作用効果を奏するものである。

【００７５】尚、上記した各実施例で述べたような有限
要素法による解析の結果、センサチップの平面形状が円
形に近い状態であれば、程度の差はあるものの、熱応力
の低減を図り得ることが分かる。ここで、センサチップ
の平面形状を多角形状に形成することを想定した場合、
円形にどの程度近い形状であるか否かの判断基準とし
て、その多角形の外接円及び内接円の各直径を比較する
ことが考えられる。即ち、外接円直径÷内接円直径の値
をδとした場合、真円に限りなく近い多角形のδはほぼ
１であり、また、正八角形であればδは約１．０８２、
正方形であればδは約１．４１４となる。

【００７６】この場合、熱応力に関して、どの程度まで
円形に近付いた形状が許容されるかを検討した結果、δ
が１．２未満の多角形（実際には第３実施例で説明した
正六角形程度以上のもの）であれば、熱応力を低減でき
る形状（円形に近い形状）と考えて良いことが分かっ
た。従って、センサチップの平面形状を、外接円直径÷
内接円直径の値が１．２未満となる多角形に形成する構
成とすれば、金属ダイヤフラム及びセンサチップの線膨
張係数差に起因した熱応力による悪影響を、当該センサ
チップの平面形状を変更するだけの簡単な構造により極
力排除できて、検出誤差の低減を実現できることにな
る。

【００７７】（第４の実施の形態）上記した各実施例で
は、面方位が（１００）の単結晶シリコンによりセンサ
チップ２を形成する構成としたが、センサチップのチッ
プ形状効果によって検出誤差の低減を図るだけの目的で
あれば、面方位が（１１０）の単結晶シリコンによりセ
ンサチップを形成する構成としても良い。

【００７８】図１４及び図１５には、このような構成を
採用した本発明の第４実施例が示されている。即ち、上
記のように面方位が（１１０）の単結晶シリコンにより
センサチップを形成する場合には、歪みゲージ抵抗３ａ
〜３ｄの配置状態を、図１及び図２に示す状態から図１
４及び図１５に示す状態に変更したセンサチップ２′を
設ける必要がある。尚、上記歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄ
は、第１実施例で述べたように、ホイートストンブリッ
ジ（図３参照）を構成するものである。

【００７９】このようにセンサチップ２′の面方位が
（１１０）であった場合、図１５に示すように、センサ
チップ２′上には、これを構成する単結晶シリコンの＜
１００＞軸及び＜１１０＞軸が直交した状態で存在する
ことになる。この場合、上記ホイートストンブリッジの
対辺に位置した一対の歪みゲージ抵抗３ｂ、３ｃは、セ
ンサチップ２′の中心部分を通る＜１１０＞軸、つまり
ｘ軸に沿った位置上の中央部に配置され、当該ホイート
ストンブリッジの他の対辺に位置した一対の歪みゲージ
抵抗３ａ、３ｄは、上記ｘ軸に沿った位置上の周縁部に
配置される。

【００８０】この場合には、ｘ軸方向成分の応力σxxの
みがピエゾ抵抗効果にかかわるため、前記（５）式は次
式（６）のように変更される。但し、σxxc は歪みゲー
ジ抵抗３ｂ、３ｃにおけるｘ軸方向成分の応力、σxxs
は歪みゲージ抵抗３ａ、３ｄにおけるｘ軸方向成分の応
力を示すものであり、これらの値は前述した特性図（図
４）からほぼ知ることができる。

【００８１】

【数２】

【００８２】ここで、本件発明者による有限要素法によ
る解析によれば、センサチップ２′に圧力が印加された
場合、そのセンサチップ２′の中心Ｏからｘ軸方向に沿
った方向での応力分布は、前記図４とほぼ同じ傾向とな
るものである。つまり、ｘ軸方向成分の応力σxxは、セ
ンサチップ２′の中央部（歪みゲージ抵抗３ｂ、３ｃが
配置された領域）と周辺部（歪みゲージ抵抗３ａ、３ｄ
が配置された領域）とで比較的大きな差が出るものであ
る。従って、歪みゲージ抵抗３ｂ、３ｃの抵抗変化率と
歪みゲージ抵抗３ａ、３ｄの抵抗変化率の差が大きくな
り、（６）式からも明らかなようにホイートストンブリ
ッジの出力電圧Ｖout が大きくなる。

【００８３】また、本件発明者による有限要素法による
解析によれば、上記センサチップ２′において、チップ
中心Ｏからｘ軸方向に沿った方向での熱応力分布は、前
記図５とほぼ同じ傾向となるものである。つまり、Ｘ軸
方向成分の熱応力σxxは、チップ中心Ｏから０．８mm程
度の距離範囲までほぼ同一の大きさのまま推移し、１mm
程度の距離範囲まで見た場合には若干量だけ変化してい
る。このため、歪みゲージ抵抗３ｂ、３ｃをセンサチッ
プ２′の中央部に配置し、歪みゲージ抵抗３ａ、３ｄ
を、チップ中心Ｏから１mm程度以下の距離、好ましくは
０．８mm程度以下の距離内に配置すれば、歪みゲージ抵
抗３ｂ、３ｃに作用する熱応力と歪みゲージ抵抗３ａ、
３ｄに作用する熱応力の差をほぼ零にできることが分か
る。従って、ホイートストンブリッジから熱応力オフセ
ット電圧が小さい状態の出力電圧Ｖout を得ることがで
きることになり、以て検出誤差を低減しながら感度の向
上を実現できるようになる。

【００８４】（第５の実施の形態）図１６ないし図１９
には本発明の第５実施例が示されており、以下これにつ
いて前記第１実施例と異なる部分のみ説明する。図１６
には圧力検出装置の要部が一部断面にした状態で示さ
れ、図１７には同要部の平面構造が示されている。これ
ら図１６及び図１７において、金属製のセンシングボデ
ィ１の上端部に構成された金属製ダイヤフラム１ｂの上
面には、面方位がほぼ（１００）の単結晶シリコン（単
結晶半導体）より成る矩形平板状のセンサチップ６が、
接着用材料としての低融点ガラス７（図１７参照）を利
用して接合されている。尚、上記センシングボディ１の
各部の寸法は第１実施例と同じである（受圧口１ａの直
径は約２．５mm、ダイヤフラム１ｂの厚さ寸法は約０．
６５mm）。

【００８５】この場合、上記センサチップ６は、平面形
状が正方形（例えば約３．５mm□、厚さ寸法は約０．２
mm）となるように形成されたもので、その表面には、図
１７に示すように、当該センサチップ６を構成する単結
晶シリコンの＜１１０＞軸が、互いに直交し且つセンサ
チップ６の辺部とも直交（及び平行）した状態で存在す
るものである。また、このセンサチップ６の表面には、
第１実施例と同様に、信号取出用のホイートストンブリ
ッジ（図３参照）を構成する４個の歪みゲージ抵抗３
ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが形成されている。つまり、各歪
みゲージ抵抗３ａ〜３ｄは、センサチップ６上の中心Ｏ
から互いに直交した方向へ延びる２本の＜１１０＞軸上
に、当該チップ中心Ｏを挟んで点対称配置されている。
尚、本実施例においても、チップ中心Ｏを通る一方の＜
１１０＞軸をｘ軸と呼び、チップ中心Ｏを通る他方の＜
１１０＞軸をｙ軸と呼ぶ。

【００８６】上記低融点ガラス７は、図１７に示すよう
に、その平面分布形状が正八角形となるように設定され
たもので、合計４個の辺部がセンサチップ６の四辺部に
それぞれ沿った状態（重なった状態）で設けられてい
る。従って、この低融点ガラス７は、前記ｘ軸及びｙ軸
と直交する辺を備えた状態となるものであり、また、低
融点ガラス７の対向辺部間の距離は、センサチップ６の
対向辺部間の寸法に応じた約３．５mmとなる。

【００８７】上記のような構成においても、ダイヤフラ
ム１ｂに対しては、受圧口１ａ側の面から被検出圧力が
印加されると共に、これと反対側の面から一定の基準圧
力（例えば大気圧）が印加されるものであり、それら印
加圧力の差によってダイヤフラム１ｂ及びセンサチップ
６が同時に撓むようになる。このようにセンサチップ６
が撓み変形した場合には、これに伴うセンサチップ６表
面の歪み変形が歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄの抵抗値変化
として現れるようになるから、図３に示すホイートスト
ンブリッジを通じて被検出圧力に応じた電圧レベルＶou
t の信号を得ることができる。

【００８８】図１８には、圧力印加に応じたセンサチッ
プ６の表面における応力分布状態を有限要素法により解
析した結果を示す。この図１８は、図１７中のｘ軸に沿
った複数のポイントでの応力分布を示すもので、ｘ軸方
向成分の応力をσxx、ｙ軸方向成分の応力をσyyで表し
ている。この図１８と、前記第１実施例における同様の
解析結果を示す前記図４とを比較した場合、両者は極め
て類似したプロファイルになっていることが分かる。

【００８９】この場合、前にも述べたように、単結晶シ
リコンにおける（１００）面でのピエゾ抵抗効果は、上
記応力σxx及びσyy双方の影響を受けるものであり、ｘ
軸上に配置された歪みゲージ抵抗３ａ、３ｄの抵抗値変
化率ΔＲ／Ｒは、次式（１）で表すことができ、また、
ｙ軸上に配置された歪みゲージ抵抗３ｂ、３ｃの抵抗値
変化率ΔＲ′／Ｒは、結晶軸の対称性から、次式（２）
で表すことができる。但し、Ｒはゲージ初期抵抗値、Δ
Ｒは抵抗３ａ，３ｄの増加分抵抗値、π44はピエゾ抵抗
係数、ΔＲ′は抵抗３ｂ，３ｃの増加分抵抗値を示し、
σxx及びσyyは図１７中のＸ軸に沿ったポイントでのＸ
軸方向の平均応力及びｙ軸方向の平均応力、σxx′及び
σyy′は、図１７中のｙ軸に沿ったポイントでのｘ軸方
向の平均応力及びｙ軸方向の平均応力を示す。

【００９０】 ΔＲ／Ｒ＝（π44／２）（σxx−σyy） ……（１） ΔＲ′／Ｒ＝（π44／２）（σxx′−σyy′） ……（２）

【００９１】また、各歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄの位置
の対称性から次式（３）の関係が成立する。 σxx＝σyy′、σyy＝σxx′ ……（３）

【００９２】従って、前記第１実施例で説明した内容と
同じ理由により、歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄにより構成
されたホイートストンブリッジ（図３参照）を通じて得
られる出力電圧のレベルＶout は次式（５）のようにな
る。

【００９３】

【数３】

【００９４】この（５）式からは、被検出圧力を示す電
圧レベルＶout が、各歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄに作用
するｘ軸方向及びｙ軸方向の応力の差に比例することが
分かる。つまり、検出出力の電圧レベルＶout を大きく
して感度を高めるためには、図１８及び上記（５）式か
ら理解できるように、チップ中心Ｏから極力離れた位置
に歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄを形成すれば良いことにな
る。

【００９５】図１９には、本実施例のように正方形状の
センサチップ６をダイヤフラム１ｂ上に平面分布形状が
正八角形の低融点ガラス７を利用して接合した圧力検出
装置に対し、所定の温度差（例えば９５℃）を与えた状
態（印加圧力は零）でのセンサチップ６の表面における
熱応力分布状態を有限要素法により解析した結果を示
す。この図１９は、図１７中のｘ軸に沿った複数のポイ
ントでの熱応力分布を、各ポイントでのｘ軸方向の応力
σxxとｙ軸方向の応力σyyとに分解した状態で示してい
る。この図１９と、前記第１実施例における同様の解析
結果を示す前記図５とを比較した場合、両者は極めて類
似したプロファイルになっていることが分かる。

【００９６】従って、上記図１７及び図１８からは、歪
みゲージ抵抗３ａ〜３ｄを、チップ中心Ｏから１mm程度
以下の距離、好ましくは０．８mm程度以下の距離内に配
置すれば、その配置ポイントでのｘ軸方向及びｙ軸方向
の熱応力差をほぼ零にできて、検出出力の誤差を大幅に
縮小できることが分かる。

【００９７】要するに、本実施例のように平面形状が正
方形のセンサチップ６を用いる場合であっても、そのセ
ンサチップ６をダイヤフラム１ｂ上に接合するための低
融点ガラス７の平面分布形状を八角形とするなどの構成
とした場合には、歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄを、ｘ軸方
向及びｙ軸方向の熱応力差をほぼ零にできる位置、具体
的には、チップ中心Ｏからの距離が０．８mm程度以下の
位置に配置した場合でも、図１９から理解できるよう
に、各歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄに作用するｘ軸方向及
びｙ軸方向の応力σxx及びσyyの差が大きくなるから、
検出出力の電圧レベルＶout を十分に大きくできる。つ
まり、本実施例のように、正方形状のセンサチップ６を
固定する部分となる低融点ガラス７の平面分布形状を正
八角形に設定した場合には、当該センサチップ６が正方
形状のものであっても、前記第１実施例で述べたチップ
形状効果と同等の効果が得られるものであり、これによ
って、検出誤差を大幅に低減しながら感度の向上を実現
できるという有益な効果を奏するものである。

【００９８】また、本実施例のように、面方位が（１０
０）の単結晶シリコンによってセンサチップ６を構成し
た場合には、ホイートストンブリッジを構成するための
歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄを、センサチップ６のチップ
中心Ｏを挟んで点対称配置することになる。このような
配置とした場合には、前述したように、被検出圧力が作
用した状態における歪みゲージ抵抗３ｂ、３ｃの抵抗値
増加分と、歪みゲージ抵抗３ａ、３ｄの抵抗値減少分と
が等しくなるから、被検出圧力に対する出力電圧の直線
性が良好になるものである。

【００９９】さらに、本実施例のように、センサチップ
６の平面形状を正方形とした場合には、半導体ウエーハ
上でのセンサチップ６のレイアウトが簡単化するばかり
か、センサチップ６をウェハのダイシング加工によって
容易に得ることができて製造性が向上すると共に、その
加工時の無駄が少なくなって、チップ収率（チップ取れ
率）が大幅に向上するようになる。

【０１００】一方、図２０には、上記第５実施例におけ
る低融点ガラス７の平面分布形状を円形（直径は約３．
５mm）とした状態において、センサチップ６の表面にお
ける応力分布状態を有限要素法により解析した結果が示
され、図２１には、同状態において、センサチップ６の
表面における熱応力分布状態を有限要素法により解析し
た結果が示されている。これらの図２０及び図２１と、
低融点ガラス７の平面分布形状が正八角形（対辺間の距
離は約３．５mm）の状態での同様の解析結果を示す前記
図１８及び図１９とを比較した場合、両者は極めて類似
したプロファイルになっていることが分かる。従って、
低融点ガラス７の平面分布形状を円形とした場合でも、
第５実施例と同様の効果を奏するものである。

【０１０１】また、図２２には、上記第５実施例におけ
る低融点ガラス７の平面分布形状を正六角形（対辺間の
距離は約３．５mm：一対の対向辺部がセンサチップ６の
一対の対向辺部に沿った配置とされる）とした状態にお
いて、センサチップ６の表面における応力分布状態を有
限要素法により解析した結果が示され、図２３には、同
状態において、センサチップ６の表面における熱応力分
布状態を有限要素法により解析した結果が示されてい
る。これらの図２２及び図２３と、上記のような図１８
及び図１９とを比較した場合にも、両者は極めて類似し
たプロファイルになっていることが分かる。従って、低
融点ガラス７の平面分布形状を正六角形とした場合で
も、第５実施例と同様の効果を奏するものである。

【０１０２】つまり、センサチップ６を接合するための
低融点ガラス７の平面分布形状が円形若しくは円形に近
い多角形状であれば、程度の差はあるものの、熱応力の
低減を図り得ることが分かる。ここで、低融点ガラス７
の平面分布形状を多角形状に形成することを想定した場
合、円形にどの程度近い形状であるか否かの判断基準と
して、その多角形の外接円及び内接円の各直径を比較す
ることが考えられる。即ち、外接円直径÷内接円直径の
値をδとした場合、真円に限りなく近い多角形のδはほ
ぼ１であり、また、正八角形であればδは約１．０８
２、正方形であればδは約１．４１４となる。

【０１０３】この場合、熱応力に関して、低融点ガラス
７の平面分布形状をどの程度まで円形に近付いた形状が
許容されるかを検討した結果、δが１．２未満の多角形
（実際には正六角形程度以上のもの）であれば、熱応力
を低減できる形状（円形に近い形状）と考えて良いこと
が分かった。従って、低融点ガラス７の平面分布形状
を、外接円直径÷内接円直径の値が１．２未満となる多
角形に形成する構成とすれば、金属ダイヤフラム１ｂ及
び正方形状のセンサチップ６の線膨張係数差に起因した
熱応力による悪影響を、当該低融点ガラス７の平面形状
を変更するだけの簡単な構造により極力排除できて、検
出誤差の低減を実現できると共に、チップ取れ率の向上
を図り得ることになる。

【０１０４】（第６の実施の形態）上記第５実施例で
は、面方位が（１００）の単結晶シリコンによりセンサ
チップ６を形成する構成としたが、面方位が（１１０）
の単結晶シリコンによりセンサチップを形成する構成と
しても良い。図２４には、このような構成を採用した本
発明の第６実施例が示されている。即ち、上記のように
面方位が（１１０）の単結晶シリコンによってセンサチ
ップ６′を形成する場合には、そのセンサチップ６′上
の歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄを、図１７に示す配置状態
から図２４に示す配置状態に変更する必要がある。尚、
上記歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄは、第５実施例と同様に
ホイートストンブリッジ（図３参照）を構成するもので
ある。

【０１０５】このようにセンサチップ６′の面方位が
（１１０）であった場合、図２４に示すように、センサ
チップ６′上には、これを構成する単結晶シリコンの＜
１００＞軸及び＜１１０＞軸が直交した状態で存在する
ことになる。この場合、上記ホイートストンブリッジの
対辺に位置した一対の歪みゲージ抵抗３ｂ、３ｃは、セ
ンサチップ６′の中心部分を通る＜１１０＞軸、つまり
ｘ軸に沿った位置上の中央部に配置され、当該ホイート
ストンブリッジの他の対辺に位置した一対の歪みゲージ
抵抗３ａ、３ｄは、上記ｘ軸に沿った位置上の周縁部に
配置される。

【０１０６】この場合には、前記第４実施例の説明から
明らかなように、次式（６）が成立する（σxxc は歪み
ゲージ抵抗３ｂ、３ｃにおけるｘ軸方向成分の応力、σ
xxsは歪みゲージ抵抗３ａ、３ｄにおけるｘ軸方向成分
の応力）。

【０１０７】

【数４】

【０１０８】ここで、本件発明者による有限要素法によ
る解析によれば、ダイヤフラム１ｂ上に平面分布形状が
正八角形の低融点ガラス７を介して接合された正方形状
のセンサチップ６′に圧力が印加された場合、そのセン
サチップ６′の中心Ｏからｘ軸方向に沿った方向での応
力分布は、前記図４とほぼ同じ傾向となるものである。
つまり、ｘ軸方向成分の応力σxxは、センサチップ６′
の中央部（歪みゲージ抵抗３ｂ、３ｃが配置された領
域）と周辺部（歪みゲージ抵抗３ａ、３ｄが配置された
領域）とで比較的大きな差が出るものである。従って、
歪みゲージ抵抗３ｂ、３ｃの抵抗変化率と歪みゲージ抵
抗３ａ、３ｄとの抵抗変化率の差が大きくなり、（６）
式からも明らかなように、ホイートストンブリッジの出
力電圧Ｖout が大きくなる。

【０１０９】また、本件発明者による有限要素法による
解析によれば、上記のようなセンサチップ６′におい
て、チップ中心Ｏからｘ軸方向に沿った方向での熱応力
分布は、前記図５とほぼ同じ傾向となるものである。つ
まり、Ｘ軸方向成分の熱応力σxxは、チップ中心Ｏから
０．８mm程度の距離範囲まで同一の大きさのまま推移
し、１mm程度の距離範囲まで見た場合には若干量だけ変
化している。このため、歪みゲージ抵抗３ｂ、３ｃをセ
ンサチップ６′の中央部に配置し、歪みゲージ抵抗３
ａ、３ｄを、チップ中心Ｏから１mm程度以下の距離、好
ましくは０．８mm程度以下の距離内に配置すれば、歪み
ゲージ抵抗３ｂ、３ｃに作用する熱応力と歪みゲージ抵
抗３ａ、３ｄに作用する熱応力の差をほぼ零にできるこ
とが分かる。従って、ホイートストンブリッジから熱応
力オフセット電圧が小さい状態の出力電圧Ｖout を得る
ことができることになり、以て検出誤差を低減しながら
感度の向上を実現できるようになる。勿論、この第６実
施例においても、低融点ガラス７の平面分布形状を円形
や正六角形などに形成しても良いものである。

【０１１０】（第７の実施の形態）図２５ないし図３３
には本発明の第７実施例が示されており、以下これにつ
いて前記第１実施例と異なる部分のみ説明する。図２５
には圧力検出装置の要部が一部断面にした状態で示さ
れ、図２６には同要部の平面構造が示されている。これ
ら図２５及び図２６において、金属製のセンシングボデ
ィ１の上端部に構成された金属製ダイヤフラム１ｂの上
面には、面方位がほぼ（１００）の単結晶シリコン（単
結晶半導体）より成る矩形平板状のセンサチップ８が、
低融点ガラスや接着剤（図示せず）を利用して接合され
ている。尚、上記センシングボディ１の各部の寸法は第
１実施例と同じである（受圧口１ａの直径は約２．５m
m、ダイヤフラム１ｂの厚さ寸法は約０．６５mm）。ま
た、上記センサチップ８は、その裏面全体がダイヤフラ
ム１ｂと接合されるものである。

【０１１１】この場合、上記センサチップ８は、平面形
状が正方形（例えば約３．５mm□、厚さ寸法は約０．２
mm）となるように形成されたもので、その表面には、当
該センサチップ８を構成する単結晶シリコンの＜１１０
＞軸が、互いに直交した状態で存在するものである。但
し、本実施例では、各結晶軸の方向を、センサチップ８
の辺部と平行した直線に対してそれぞれ所定の角度θ例
えば２２．５°だけ回転させた状態としている。つま
り、チップ中心Ｏを通る一方の＜１１０＞軸をｘ軸、チ
ップ中心Ｏを通る他方の＜１１０＞軸をｙ軸とした場
合、上記回転角度θは、図２６中に示すように、ｘ軸と
センサチップ８の辺部８ａに平行した中心線Ａとの間の
角度、または、ｙ軸とセンサチップ８の上記辺部８ａと
直交した辺部８ｂに平行した中心線Ｂとの間の角度に相
当することになる。

【０１１２】そして、上記センサチップ８の表面には、
第１実施例と同様に、信号取出用のホイートストンブリ
ッジ（図３参照）を構成する４個の歪みゲージ抵抗３
ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが形成されている。つまり、各歪
みゲージ抵抗３ａ〜３ｄは、センサチップ８上の中心Ｏ
から互いに直交した方向へ延びる２本の＜１１０＞軸
（ｘ軸及びｙ軸）上に、当該チップ中心Ｏを挟んで点対
称配置されている。

【０１１３】上記のような構成においても、ダイヤフラ
ム１ｂに対しては、受圧口１ａ側の面から被検出圧力が
印加されると共に、これと反対側の面から一定の基準圧
力（例えば大気圧）が印加されるものであり、それら印
加圧力の差によってダイヤフラム１ｂ及びセンサチップ
８が同時に撓むようになる。このようにセンサチップ８
が撓み変形した場合には、これに伴うセンサチップ８表
面の歪み変形が歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄの抵抗値変化
として現れるようになるから、図３に示すホイートスト
ンブリッジを通じて被検出圧力に応じた電圧レベルＶou
t の信号を得ることができる。

【０１１４】このような構成においても、歪みゲージ抵
抗３ａ〜３ｄにより構成されたホイートストンブリッジ
（図３参照）を通じて得られる出力電圧のレベルＶout
については、次式（５）が成立するものである。

【０１１５】

【数５】

【０１１６】また、圧力印加に応じたセンサチップ８の
表面におけるｘ軸方向及びｙ軸方向の応力差は、チップ
中心Ｏから遠ざかるに連れて大きくなるという事情があ
るから、本実施例においても、検出出力の電圧レベルＶ
out を大きくして感度を高めるためには、チップ中心Ｏ
から極力離れた位置に歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄを形成
すれば良いことになる。

【０１１７】この場合、上記検出出力の誤差要因となる
ｘ軸方向及びｙ軸方向の熱応力差は、歪みゲージ抵抗３
ａ〜３ｄの位置がチップ中心Ｏから遠ざかるに連れて拡
大するという特性があるが、本実施例のように、センサ
チップ８上の結晶軸（＜１１０＞軸）の方向をセンサチ
ップ８の辺部に対してθ＝２２．５°だけ回転させた状
態とした場合には、上記熱応力差が零若しくは零に近い
状態となる領域がチップ中心Ｏから比較的離れた位置ま
で拡大するものである。

【０１１８】つまり、図２７ないし図２９には、本実施
例のように正方形状のセンサチップ８の裏面全体をダイ
ヤフラム１ｂ上に接合した圧力検出装置において、前記
回転角度θをそれぞれ０°、２２．５°、４５°に変更
したモデルを想定し、各モデルに対し、所定の温度差
（例えば９５℃）を与えた状態（印加圧力は零）でのセ
ンサチップ８の表面における熱応力分布状態を有限要素
法により解析した結果を示す。尚、これらの図２７ない
し図２９は、図２６中のｘ軸に沿った複数のポイントで
の熱応力分布を、各ポイントでのｘ軸方向の応力σxxと
ｙ軸方向の応力σyyとに分解した状態で示している。

【０１１９】上記のような解析結果からは、回転角度θ
が０°及び４５°の各モデル（図２７、図２９）におい
ては、チップ中心Ｏからの距離が０．４〜０．５mm程度
を越えた領域からｘ軸方向及びｙ軸方向の熱応力差（σ
yy−σxx）が拡大し始めているのに対して、回転角度θ
が２２．５°のモデル（図２８）においては、チップ中
心Ｏからの０．９mm程度の領域まで上記のような熱応力
差が零になっていることが分かる。

【０１２０】従って、本実施例の構成によっても、歪み
ゲージ抵抗３ａ〜３ｄを、チップ中心Ｏからほぼ１mm程
度以下の距離（好ましくは０．９mm程度以下の距離）内
に配置すれば、その配置ポイントでのｘ軸方向及びｙ軸
方向の熱応力差をほぼ零にできて、検出出力の誤差を大
幅に縮小できると共に、検出出力の電圧レベルＶoutを
十分に大きくできて感度の向上を実現できるようにな
る。また、このような効果を得るために、センサチップ
８上の結晶軸の方向を変更するだけの簡単な構造を採用
するだけで済む利点がある。しかも、センサチップ８の
形状が正方形であるから、半導体ウエーハ上でのセンサ
チップ８のレイアウトが簡単化するばかりか、センサチ
ップ８をウェハのダイシング加工によって容易に得るこ
とができて製造性が向上すると共に、その加工時の無駄
が少なくなって、チップ収率（チップ取れ率）が大幅に
向上するようになる。

【０１２１】上記第７実施例では、センサチップ８上の
＜１１０＞軸の当該センサチップ８の辺部に対する回転
角度θを２２．５°としたが、これに限られるものでは
なく、歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄの配置ポイントでのｘ
軸方向及びｙ軸方向の熱応力差をほぼ零にできる範囲を
ある程度確保できる角度であれば、上記回転角度θを変
更しても良いものである。

【０１２２】そこで、以下においては、このような回転
角度θの許容範囲について考察する。即ち、半導体圧力
検出装置においては、センサチップ上においてｘ軸方向
及びｙ軸方向の熱応力差が存在すると、検出出力の零点
が温度特性を持つようになるため、その非直線性が問題
となる。このような非直線性の補正を外部回路によって
行おうとする場合には、その回路構成が複雑になると共
に面倒な調整作業が必要になるという問題点が出てく
る。本実施例においても、このような零点温度非直線性
ＴＮＯ（Temperature Nonlinearity of Offset Voltag
e）が問題となるものであり、これは次式（７）で表す
ことができる。

【０１２３】

【数６】

【０１２４】ここで、Ｖoffset（Ｔ）は温度Ｔにおける
零点出力電圧、ＲＴは常温、ＨＴは温度変動幅の最高温
度、ＬＴは温度変動幅の最低温度、ＦＳはフルスケール
出力電圧幅（スパン）である。

【０１２５】このように得られるＴＮＯの前記回転角度
θに対する依存性を上記第７実施例のような基本構造を
有したモデルについてシミュレーションした結果が図３
０に示されている。但し、このシミュレーションでは、
歪みゲージ抵抗のチップ中心からの距離は０．８mm、そ
の歪みゲージ抵抗の形成領域を０．２mm□の正方形と仮
定した。

【０１２６】図３０における回転角度θ＝０°の状態
は、従来行われてきた一般的なゲージ配置であるが、こ
の状態でのＴＮＯの絶対値は４％ＦＳ強以上となってい
る。仮に、このようなＴＮＯの絶対値を半減すれば非直
線性の補正に効果があるとすれば、回転角度θ＝１５°
〜３３°の範囲に設定すれば良いことになる。尚、この
図３０では、ＴＮＯが零になる回転角度θは約２５°と
なっているが、これは歪みゲージ抵抗の形成領域を正方
形に仮定したことに起因すると考えられる。

【０１２７】一方、上記回転角度θが３３°より大きく
設定された場合でも、検出出力の誤差要因となるｘ軸方
向及びｙ軸方向の熱応力差を零にできることがある。つ
まり、図３１ないし図３３には、第７実施例のように正
方形状のセンサチップ８の裏面全体をダイヤフラム１ｂ
上に接合した圧力検出装置において、前記回転角度θを
それぞれ３３．７５°、３７°、４０°に変更したモデ
ルを想定し、各モデルに対し、所定の温度差（例えば９
５℃）を与えた状態（印加圧力は零）でのセンサチップ
８の表面における熱応力分布状態を有限要素法により解
析した結果を示す。尚、これらの図３１ないし図３３
は、図２６中のｘ軸に沿った複数のポイントでの熱応力
分布を、各ポイントでのｘ軸方向の応力σxxとｙ軸方向
の応力σyyとに分解した状態で示している。

【０１２８】上記のような解析結果からは以下のような
ことが分かる、つまり、回転角度θが例えば３３．７５
°のモデル（図３１）においては、ｘ軸方向及びｙ軸方
向の熱応力差（σyy−σxx）は、チップ中心Ｏから０．
３mm程度の領域を越えると拡大傾向を示すが、チップ中
心Ｏから１．６mm程度の位置でもほぼ零になる。従っ
て、歪みゲージ抵抗を、その中心が上記チップ中心Ｏか
ら１．６mm程度の位置となるように配置すれば、大きな
検出出力が得られると共に、上記熱応力差を最小にでき
て当該検出出力の誤差を縮小できることになる。さら
に、回転角度θが３７°のモデル（図３２）において
も、ｘ軸方向及びｙ軸方向の熱応力差が零になる位置
（チップ中心Ｏから約１．９mm強の位置）が存在するか
ら、同様に熱応力差を最小にできて検出出力の誤差を縮
小できることになる。また、回転角度が４０°のモデル
（図３３）においては、ｘ軸方向及びｙ軸方向の熱応力
差が零になる領域がチップ中心Ｏから０．２mm程度の範
囲内のごく狭い領域に限られることになり、上記のよう
な誤差縮小効果は望めないことになる。以上のことを総
合すると、回転角度θの許容範囲は１５°〜３７°にな
るものであり、この範囲で回転角度θを変更することが
できる。

【０１２９】（第８の実施の形態）図３４ないし図３８
には、上記第７実施例に変更を加えた本発明の第８実施
例が示されており、以下これについて第７実施例と異な
る部分のみ説明する。図３４には圧力検出装置の要部が
断面構造が示され、図３５には同要部の平面構造が示さ
れている。これら図３４及び図３５において、下面に受
圧口９ａを備えた金属製のセンシングボディ９の上端部
に構成された金属製ダイヤフラム９ｂの上面には、第７
実施例と同じ構成のセンサチップ８の裏面全体が、低融
点ガラスや接着剤（図示せず）を利用して接合されてい
る。この場合、本実施例では、２００ＭＰａ用の圧力検
出装置を対象としており、上記センシングボディ９は、
これに応じた形状とされている。つまり、センシングボ
ディ９は、例えばコバール（３０％Ｎｉ−２０％Ｃｏ−
Ｆｅ）によって形成されたもので、受圧口９ａの直径は
約２．５mm、ダイヤフラム９ｂの厚さ寸法は約２mmと比
較的大きな値に設定される。

【０１３０】このように、ダイヤフラム厚が大きく変更
されると、センサチップ８の表面での熱応力分布も多少
変わってくるものであり、このような熱応力分布の変化
に対応するために、本実施例では、センサチップ８上の
結晶軸（＜１１０＞軸）の当該センサチップ８の辺部に
対する回転角度θを約３０°に設定している。このよう
な設定の根拠は以下に述べる通りである。

【０１３１】即ち、図３６ないし図３８には、本実施例
のように正方形状のセンサチップ８の裏面全体を厚さ寸
法２mmのダイヤフラム９ｂ上に接合した圧力検出装置に
おいて、前記回転角度θをそれぞれ２６°、３０°、３
４°に変更したモデルを想定し、各モデルに対し、所定
の温度差（例えば９５℃）を与えた状態（印加圧力は
零）でのセンサチップ８の表面における熱応力分布状態
を有限要素法により解析した結果を示す。尚、これらの
図３６ないし図３８は、図３５中のｘ軸に沿った複数の
ポイントでの熱応力分布を、各ポイントでのｘ軸方向の
応力σxxとｙ軸方向の応力σyyとに分解した状態で示し
ている。

【０１３２】上記のような解析結果からは、検出出力の
誤差要因となるｘ軸方向及びｙ軸方向の熱応力差がほぼ
零となる領域は、回転角度θ＝３０°のモデル（図３
７）がチップ中心Ｏから約１mmの領域となるものであ
り、これが一番広がっていることが分かる。従って、本
実施例の構成によっても、歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄ
を、チップ中心Ｏからほぼ１mm程度以下の距離内に配置
すれば、その配置ポイントでのｘ軸方向及びｙ軸方向の
熱応力差をほぼ零にできて、検出出力の誤差を大幅に縮
小できると共に、検出出力の電圧レベルＶout を十分に
大きくできて感度の向上を実現できるようになる。

【０１３３】尚、上記回転角度θは、この実施例で挙げ
た３０°に限られるものではなく、歪みゲージ抵抗３ａ
〜３ｄの配置ポイントでのｘ軸方向及びｙ軸方向の熱応
力差をほぼ零にできる範囲をある程度確保できる角度で
あれば、前記第７実施例と同様に変更可能である。

【０１３４】（第９の実施の形態）上記第７実施例及び
第８実施例では、面方位が（１００）の単結晶シリコン
により正方形状のセンサチップ８を形成する構成とした
が、面方位が（１１０）の単結晶シリコンによりセンサ
チップを形成する構成としても良い。図３９には、この
ような構成を採用した本発明の第９実施例が示されてい
る。即ち、この第９実施例は第７実施例に変更を加えた
例を示すものであり、上記のように面方位が（１１０）
の単結晶シリコンによってセンサチップ８′を形成する
場合には、そのセンサチップ８′上の歪みゲージ抵抗３
ａ〜３ｄを、図２６に示す配置状態から図３９に示す配
置状態に変更する必要がある。尚、上記歪みゲージ抵抗
３ａ〜３ｄは、ホイートストンブリッジ（図３参照）を
構成するものである。

【０１３５】このようにセンサチップ８′の面方位が
（１１０）であった場合、図３９に示すように、センサ
チップ８′上には、これを構成する単結晶シリコンの＜
１００＞軸及び＜１１０＞軸が直交した状態で存在する
ことになる。この場合、上記ホイートストンブリッジの
対辺に位置した一対の歪みゲージ抵抗３ｂ、３ｃは、セ
ンサチップ８′の中心部分を通る＜１１０＞軸、つまり
ｘ軸に沿った位置上の中央部に配置され、当該ホイート
ストンブリッジの他の対辺に位置した一対の歪みゲージ
抵抗３ａ、３ｄは、上記ｘ軸に沿った位置上の周縁部に
配置される。

【０１３６】このような構成の本実施例においても、前
記第６実施例中で説明したと同等の理由によって、歪み
ゲージ抵抗３ｂ、３ｃに作用する熱応力と歪みゲージ抵
抗３ａ、３ｄに作用する熱応力の差をほぼ零にできるか
ら、ホイートストンブリッジから熱応力オフセット電圧
が小さい状態の出力電圧Ｖout を得ることができること
になり、以て検出誤差を低減しながら感度の向上を実現
できるようになる。

【０１３７】（その他の実施の形態）尚、本発明は上記
した各実施例に限定されるものではなく、以下に述べる
ような変形或いは拡大が可能である。各実施例では、ホ
イートストンブリッジを構成するために４個の歪みゲー
ジ抵抗を形成したが、例えば２個の歪み抵抗ゲージによ
りハーフブリッジ回路を形成する構成としても良い。セ
ンサチップの材料としては単結晶シリコンに限られるも
のではなく、ピエゾ抵抗効果を奏するものであれば、他
の単結晶半導体を利用することができる。

【０１３８】ダイヤフラムの直径よりセンサチップの対
辺寸法或いは直径が大きい状態の例で説明したが、その
寸法関係は逆であっても良い。また、センシングボディ
の材質はコバールに限定されるものではない。さらに、
歪みゲージ抵抗を拡散抵抗により構成したが、これをポ
リシリコン抵抗により形成することも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す要部の部分断面斜視
図

【図２】同要部の平面図

【図３】歪みゲージ抵抗の配線状態を示す結線図

【図４】圧力印加に応じたセンサチップ表面における応
力分布状態を解析した結果を示す特性図

【図５】センサチップ表面における熱応力分布状態を解
析した結果を示す特性図

【図６】図５の解析結果をセンサチップと対応付けた状
態で摸式的に示す図

【図７】正方形状のセンサチップモデルについて、その
表面における熱応力分布状態を解析した結果を示す特性
図

【図８】本発明の第２実施例を示す図１相当図

【図９】図２相当図

【図１０】図５相当図

【図１１】本発明の第３実施例を示す図２相当図

【図１２】センサチップ表面におけるｘ軸方向の熱応力
分布状態を解析した結果を示す特性図

【図１３】センサチップ表面におけるｙ軸方向の熱応力
分布状態を解析した結果を示す特性図

【図１４】本発明の第４実施例を示す図１相当図

【図１５】図２相当図

【図１６】本発明の第５実施例を示す図１相当図

【図１７】図２相当図

【図１８】圧力印加に応じたセンサチップ表面における
応力分布状態を解析した結果を示す特性図

【図１９】センサチップ表面における熱応力分布状態を
解析した結果を示す特性図

【図２０】第５実施例に一部変更を加えた変形例におけ
る図１８相当図

【図２１】同変形例における図１９相当図

【図２２】第５実施例に一部変更を加えた他の変形例に
おける図１８相当図

【図２３】同変形例における図１９相当図

【図２４】本発明の第６実施例を示す図２相当図

【図２５】本発明の第７実施例を示す図１相当図

【図２６】図２相当図

【図２７】圧力印加に応じたセンサチップ表面における
応力分布状態を解析した結果を示す特性図その１

【図２８】圧力印加に応じたセンサチップ表面における
応力分布状態を解析した結果を示す特性図その２

【図２９】圧力印加に応じたセンサチップ表面における
応力分布状態を解析した結果を示す特性図その３

【図３０】零点温度非直線性をシミュレーションした特
性図

【図３１】圧力印加に応じたセンサチップ表面における
応力分布状態を解析した結果を示す特性図その４

【図３２】圧力印加に応じたセンサチップ表面における
応力分布状態を解析した結果を示す特性図その５

【図３３】圧力印加に応じたセンサチップ表面における
応力分布状態を解析した結果を示す特性図その６

【図３４】本発明の第８実施例を示す要部の断面図

【図３５】図２相当図

【図３６】圧力印加に応じたセンサチップ表面における
応力分布状態を解析した結果を示す特性図その１

【図３７】圧力印加に応じたセンサチップ表面における
応力分布状態を解析した結果を示す特性図その２

【図３８】圧力印加に応じたセンサチップ表面における
応力分布状態を解析した結果を示す特性図その３

【図３９】本発明の第９実施例を示す図２相当図

【符号の説明】

１はセンシングボディ、１ｂはダイヤフラム、２、２′
はセンサチップ、３ａ〜３ｄは歪みゲージ抵抗、４、
５、６、６′はセンサチップ、７は低融点ガラス（接着
用材料）、８、８′はセンサチップ、９はセンシングボ
ディ、９ｂはダイヤフラムを示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 宏明 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 鈴木 康利 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内

Claims (28)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 受圧用の金属製ダイヤフラム上に、歪み
   ゲージ抵抗を備えた単結晶半導体製のセンサチップを接
   合して成る圧力検出装置において、 前記センサチップの平面形状を、凸ｎ角形（ｎ≧６）若
   しくは円形に形成したことを特徴とする圧力検出装置。
2. 【請求項２】 受圧用の金属製ダイヤフラム上に、歪み
   ゲージ抵抗を備えた単結晶半導体製のセンサチップを接
   合して成る圧力検出装置において、 前記センサチップの平面形状を、外接円直径÷内接円直
   径の値が１．２未満となる多角形若しくは円形に形成し
   たことを特徴とする圧力検出装置。
3. 【請求項３】 前記センサチップは、面方位がほぼ（１
   ００）の単結晶半導体により形成されることを特徴とす
   る請求項１または２記載の圧力検出装置。
4. 【請求項４】 請求項３記載の圧力検出装置において、 前記歪みゲージ抵抗はブリッジ回路を構成するように２
   個以上設けられ、 各歪みゲージ抵抗は、前記センサチップの中心部分で直
   交した状態の２本の＜１１０＞軸上に、当該センサチッ
   プの中心から所定距離だけ離間した状態で配置されるこ
   とを特徴とする圧力検出装置。
5. 【請求項５】 請求項４記載の圧力検出装置において、 前記歪みゲージ抵抗は、ホイートストンブリッジを構成
   するように複数個設けられ、 そのホイートストンブリッジの各辺を構成する歪みゲー
   ジ抵抗は、前記センサチップの中心部分で直交した状態
   の２本の＜１１０＞軸上に、当該センサチップの中心を
   挟んでほぼ点対称配置されることを特徴とする圧力検出
   装置。
6. 【請求項６】 前記センサチップは、面方位がほぼ（１
   １０）の単結晶半導体により形成されることを特徴とす
   る請求項１または２記載の圧力検出装置。
7. 【請求項７】 請求項６記載の圧力検出装置において、 前記歪みゲージ抵抗はブリッジ回路を構成するように２
   個以上設けられ、 各歪みゲージ抵抗は、前記センサチップの中心部分を通
   る＜１１０＞軸に沿った位置上に、その中央部及び周辺
   部に互いに離間した状態で配置されることを特徴とする
   圧力検出装置。
8. 【請求項８】 請求項７記載の圧力検出装置において、 前記歪みゲージ抵抗は、ホイートストンブリッジを構成
   するように複数個設けられ、 そのホイートストンブリッジの対辺に位置した一対の歪
   みゲージ抵抗及び他の対辺に位置した一対の歪みゲージ
   抵抗が、それぞれ前記センサチップの中心部分を通る＜
   １１０＞軸に沿った位置上の中央部及び周辺部に互いに
   離間した状態で配置されることを特徴とする圧力検出装
   置。
9. 【請求項９】 前記センサチップは、多角形状に形成さ
   れる場合には、前記＜１１０＞軸とほぼ直交する辺を備
   えた形状に形成されることを特徴とする請求項３ないし
   ８の何れかに記載の圧力検出装置。
10. 【請求項１０】 前記センサチップは、その平面形状が
    ほぼ八角形に形成されることを特徴とする請求項１ない
    し９の何れかに記載の圧力検出装置。
11. 【請求項１１】 前記歪みゲージ抵抗は、前記センサチ
    ップの中心から１mm以下の距離内に配置されることを特
    徴とする請求項１ないし１０の何れかに記載の圧力検出
    装置。
12. 【請求項１２】 受圧用の金属製ダイヤフラム上に、歪
    みゲージ抵抗を備えた単結晶半導体製のセンサチップを
    接着用材料を介して接合して成る圧力検出装置におい
    て、 前記センサチップを矩形平板状に形成すると共に、 前記接着用材料の平面分布形状を、凸ｎ角形（ｎ≧６）
    若しくは円形となるように構成したことを特徴とする圧
    力検出装置。
13. 【請求項１３】 受圧用の金属製ダイヤフラム上に、歪
    みゲージ抵抗を備えた単結晶半導体製のセンサチップを
    接着用材料を介して接合して成る圧力検出装置におい
    て、 前記センサチップを矩形平板状に形成すると共に、 前記接着用材料の平面分布形状を、外接円直径÷内接円
    直径の値が１．２未満となる多角形若しくは円形となる
    ように構成したことを特徴とする圧力検出装置。
14. 【請求項１４】 前記センサチップは、面方位がほぼ
    （１００）の単結晶半導体により形成されることを特徴
    とする請求項１２または１３記載の圧力検出装置。
15. 【請求項１５】 請求項１４記載の圧力検出装置におい
    て、 前記歪みゲージ抵抗はブリッジ回路を構成するように２
    個以上設けられ、 各歪みゲージ抵抗は、前記センサチップの中心部分で直
    交した状態の２本の＜１１０＞軸上に、当該センサチッ
    プの中心から所定距離だけ離間した状態で配置されるこ
    とを特徴とする圧力検出装置。
16. 【請求項１６】 請求項１５記載の圧力検出装置におい
    て、 前記歪みゲージ抵抗は、ホイートストンブリッジを構成
    するように複数個設けられ、 そのホイートストンブリッジの各辺を構成する歪みゲー
    ジ抵抗は、前記センサチップの中心部分で直交した状態
    の２本の＜１１０＞軸上に、当該センサチップの中心を
    挟んでほぼ点対称配置されることを特徴とする圧力検出
    装置。
17. 【請求項１７】 前記センサチップは、面方位がほぼ
    （１１０）の単結晶半導体により形成されることを特徴
    とする請求項１２または１３記載の圧力検出装置。
18. 【請求項１８】 請求項１７記載の圧力検出装置におい
    て、 前記歪みゲージ抵抗はブリッジ回路を構成するように２
    個以上設けられ、 各歪みゲージ抵抗は、前記センサチップの中心部分を通
    る＜１１０＞軸に沿った位置上に、その中央部及び周辺
    部に互いに離間した状態で配置されることを特徴とする
    圧力検出装置。
19. 【請求項１９】 請求項１８記載の圧力検出装置におい
    て、 前記歪みゲージ抵抗は、ホイートストンブリッジを構成
    するように複数個設けられ、 そのホイートストンブリッジの対辺に位置した一対の歪
    みゲージ抵抗及び他の対辺に位置した一対の歪みゲージ
    抵抗が、それぞれ前記センサチップの中心部分を通る＜
    １１０＞軸に沿った位置上の中央部及び周辺部に互いに
    離間した状態で配置されることを特徴とする圧力検出装
    置。
20. 【請求項２０】 前記センサチップは、前記＜１１０＞
    軸とほぼ直交した状態の辺部を有し、 前記接着用材料は、平面分布形状が多角形状に形成され
    る場合には、前記＜１１０＞軸とほぼ直交する辺を備え
    た形状に形成されることを特徴とする請求項１４ないし
    １７の何れかに記載の圧力検出装置。
21. 【請求項２１】 前記接着用材料の平面分布形状がほぼ
    八角形となるように構成したことを特徴とする請求項１
    ２ないし２０の何れかに記載の圧力検出装置。
22. 【請求項２２】 前記歪みゲージ抵抗は、前記センサチ
    ップの中心から１mm以下の距離内に配置されることを特
    徴とする請求項１２ないし２１の何れかに記載の圧力検
    出装置。
23. 【請求項２３】 前記接着用材料は低融点ガラスである
    ことを特徴とする請求項１２ないし２２の何れかに記載
    の圧力検出装置。
24. 【請求項２４】 受圧用の金属製ダイヤフラム上に、歪
    みゲージ抵抗を備えた単結晶半導体製のセンサチップを
    接合して成る圧力検出装置において、前記センサチップ
    を、表面に互いに直交した状態の結晶軸を有した矩形平
    板状に形成すると共に、上記各結晶軸の方向をセンサチ
    ップの辺部と平行する直線に対して１５°〜３７°の角
    度だけ回転させた範囲となるように設定したことを特徴
    とする圧力検出装置。
25. 【請求項２５】 前記センサチップは、面方位がほぼ
    （１００）の単結晶半導体により形成されて、互いに直
    交した状態の前記各結晶軸がそれぞれ＜１１０＞軸とな
    るように構成され、 前記歪みゲージ抵抗はブリッジ回路を構成するように２
    個以上設けられ、 各歪みゲージ抵抗は、前記センサチップの中心部分で直
    交した状態の各結晶軸上に、当該センサチップの中心か
    ら所定距離だけ離間した状態で配置されることを特徴と
    する請求項２４記載の圧力検出装置。
26. 【請求項２６】 請求項２５記載の圧力検出装置におい
    て、 前記歪みゲージ抵抗は、ホイートストンブリッジを構成
    するように複数個設けられ、 そのホイートストンブリッジの各辺を構成する歪みゲー
    ジ抵抗は、前記センサチップの中心部分で直交した状態
    の前記各結晶軸上に、当該センサチップの中心を挟んで
    点対称配置されることを特徴とする圧力検出装置。
27. 【請求項２７】 前記センサチップは、面方位がほぼ
    （１１０）の単結晶半導体により形成されて、互いに直
    交した状態の前記各結晶軸がそれぞれ＜１００＞軸及び
    ＜１１０＞軸となるように構成され、 前記歪みゲージ抵抗はブリッジ回路を構成するように２
    個以上設けられ、 各歪みゲージ抵抗は、前記センサチップの中心部分を通
    る前記＜１１０＞軸に沿った位置上に、その中央部及び
    周辺部に互いに離間した状態で配置されることを特徴と
    する請求項２４記載の圧力検出装置。
28. 【請求項２８】 請求項２７記載の圧力検出装置におい
    て、 前記歪みゲージ抵抗は、ホイートストンブリッジを構成
    するように複数個設けられ、 そのホイートストンブリッジの対辺に位置した一対の歪
    みゲージ抵抗及び他の対辺に位置した一対の歪みゲージ
    抵抗が、それぞれ前記センサチップの中心部分を通る前
    記＜１１０＞軸に沿った位置上の中央部及び周辺部に互
    いに離間した状態で配置されることを特徴とする圧力検
    出装置。