JPS60201228A - 圧力センサ - Google Patents

圧力センサ

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JPS60201228A
JPS60201228A JP5877084A JP5877084A JPS60201228A JP S60201228 A JPS60201228 A JP S60201228A JP 5877084 A JP5877084 A JP 5877084A JP 5877084 A JP5877084 A JP 5877084A JP S60201228 A JPS60201228 A JP S60201228A
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JP
Japan
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pressure receiving
pressure
receiving diaphragm
diaphragm
semiconductor substrate
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JP5877084A
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JPH0542609B2 (ja
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Toshio Aga
阿賀 敏夫
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Yokogawa Electric Corp
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Yokogawa Hokushin Electric Corp
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0051Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
    • G01L9/0052Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements
    • G01L9/0054Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements integral with a semiconducting diaphragm

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈発明の属する技術分野〉 本発明は、半導体のピエゾ抵抗効果を利用し九圧力セン
サに関するものである。
ンサは、例えばシリコンからなる単結晶半導体基板に工
、チングで受圧ダイヤフラムを形成し、かつ受圧ダイヤ
フラム上に拡散技術等によりゲージ抵抗を設け、受圧ダ
イヤフラムの両面Kかかる圧力差に基づく応力をゲージ
抵抗に作用させ、ゲージ抵抗の抵抗値の変化から圧力差
を検出するものである。通常は、受圧ダイヤフラム上に
2個もしくは4個のゲージ抵抗を設け、ハーフブリッジ
あるいはフルブリッジを構成し、ダイヤフラムにかかる
圧力差を表わす信号を得ている。ところで、この種の圧
力センサにおいては、ゲージ抵抗の温度依存性が大きい
ため、周囲温度の変化による影響を受け、出力が変動す
る欠点がある。
よって一般には、サーミスタ、ポジスタ、トランジスタ
等の感温素子を用い、温度変化に応じてブリッジの電源
電圧を制御することによって、出力変動の補償を行って
いる。この方法で精度よく補償を行うには、ゲージ抵抗
の温度特性と補償用抵抗の温度特性および補償用感温素
子の温度特性をいちいち測定して行わなければならない
等、圧力センサの全組立工数の半分近くを占めている。
〈発明の目的〉 本発明は、周囲温度の変化による影響を有効に補償でき
る構造の圧力センサを実現するKある。
〈発明の構成〉 本発明は、単結晶半導体基板に受圧ダイヤスラムととも
に、その中心に棒状の突起体を形成し、この突起体によ
シ受圧ダイヤフラムにあらかじめ一定変位を与えて単結
晶半導体基板を基台に固定するとともに1受圧ダイヤフ
ラムに少なくとも2個のゲージ抵抗を設け、かつ単結晶
半導体基板の固定部にもゲージ抵抗を設けて、これらゲ
ージ抵抗の抵抗値に基づいて受圧ダイヤフラムに作用す
る被測定圧を算出することを特徴とするものである。
〈実施例〉 第1図は本発明圧力センナの一実施例を示す斜視図、第
2図社その断面図である。両図において、10は面方位
が(100)のシリコン等の単結晶半導体基板、11は
基板10に等方性エツチングで形成された円形の受圧ダ
イヤフラム、12は受圧ダイヤフラム11の中心に形成
された棒状の突起体、13は基板10の固定部である。
そして第6図に示すように突起体12と固定部15との
間にはわずかな初期段差δ(例えばaoooX)が設け
られている。21.22゜23は各々拡散抵抗等のゲー
ジ抵抗で、21.22は受圧ダイヤフラム11の表面に
その長手方向(電流方向)が直交し、かつ近接して形成
されてお9.25は固定部13の表面に形成されている
。30はシリコンあるいはガラス等の基台で、単結晶半
導体基板10の固定部13の裏面および突起体12の先
端が陽極接合あるいは低融点ガラス接合などにより固定
されている。この基板10と基台30の接合により、初
期段差に基づく突起体12の作用で、受圧ダイヤフラム
11の中心部に一足変位δがあらかじめ与えられる。こ
れにより受圧ダイヤフラム11の中心に与えられる力F
は、受圧ダイヤフラム11の直径2aと、突起体12の
直径2bとが、2b(2aの関係にあるので次式で表わ
される。
ここで、シ:ボアソン比 E:ヤング率 h:受圧ダイヤフラム11の厚さ そして、受圧ダイヤフラム11の面上には、この方FK
対応した半径方向応力σrRと円周方向応力σθ□が発
生している。この応力σrR+σθ、の温度係数は、主
にヤング率Eの温度係数で決まり、基板10がシリコン
の場合その、値は約43 X 10−6/ ℃と充分に
小さく、σrR+ σθRは周囲温度の変化の影響を受
けない基準応力として用いることができる。
なお突起体12の先端は基台3oに接合しなくてもよい
O また基台30には受圧ダイヤフラム11の裏面に基準圧
P。(例えば大気圧)を与えるための開口31が設けら
れている。これにょシ受圧ダイヤフラム11は、その表
面に加わる被測定圧PM(基準圧P。がらの差)に感応
する。そして受圧ダイヤフラム11の面上忙は、この被
測定圧2MIC対応した半径方向応力σrMと円周方向
応力σ6Mが作用する。また基板10の固定部13の面
上には、一定変位δによるカFや被測定圧PMKjる応
力が作用しない。
このように構成した本発明圧力センサにおいて、ます受
圧ダイヤフラム11に設けたゲージ抵抗21゜22には
、一定変位δに基づくσrR’ σθ8と被測定圧PM
に基づく応力σrM’ σθヤが作用する。ゲージ抵抗
係数をπ□。、π、。、ピエゾ抵抗a、d準温度t。か
らの温度変化をt、受圧ダイヤフラム11の構造やゲー
ジ抵抗21.22の配置等で決まる定数をに1.、 k
2. ks、 k4とすると、それぞれ次式で表わされ
る。
”M1=”0(1+αt)(1+(k1PM+に、F)
(1+βt)) (2)RM2=Ro(1+αt) (
1+(k2PM−t−に4F) (1+βt)) (3
)ここで% kIPM:’tO’rM ” ”tO’θ
Mk 2PM ” ICto(20M ” ”to’r
Mk3r=πtoσrR+πtOσθB k4F =πtoσθR+πtoσrR一方固定部13
に設けたゲージ抵抗2sには、一定変位δに基づく応力
および被測定圧へに基づく応力が作用しないので、その
抵抗値R2は次式で与えられる。
R2=” Ro (’+αt ) 、(4)よってゲー
ジ抵抗21.22.25の抵抗値RM、。
1R2、nzK基づいて次式の演算を行えば、となシ、
温度係数αとβの項を有効に除去できる。
すなわち、周囲温度の変化による影響を受けることなく
、高精度に被測定圧〜章表わす信号を得ることができる
。しかも恒温槽の使用によるゲージ抵抗の温度特性の測
定が不要となシ、単に基準応力のチェ、りのみでよいた
め、圧力センサの組立工数の削減もできる。
また、単結晶半導体基板10と基台30との接合で生ず
る残留応力などの外乱力については、通常基板10の厚
さや接合幅を大きくしてその影響を小さくしている。さ
もに外乱力による応力がゲージ抵抗21.22. 23
に作用しても、この外乱力による応その影響は(5)式
の演算を行うことによって打ち消すことができる。
第4図は本発明圧力センサに用いる信号処理回路の一例
を示す接続図である。第4図の信号処理回路40におい
て、41 、 41b、41eは各々センサアンプで、
センナアンプ41 の帰還回路にゲージ抵抗21が、セ
ンサアンプ41.の帰還回路にゲージで、その出力EC
が抵抗値の等しい抵抗43.、 43b。
43 をそれぞれ介してセンサアンプ41 、 41.
41゜の入力に加えられている。44. 、 44.は
各々減算回路で、44.はセンサアンプ41.の出力”
Mlとセンサアンプ41゜の出力Ezの差(FXMl 
””Z)を、44、酸センサアンプ41.の出力EM2
とセンサアンプ41cの出力E2の差(”R2−EZ)
をそれぞれ演算する。45. 、 45. 、 45c
、45.は各々係数回路で、45、は減算回路44.の
出力(8R2−Ez) K係数K。
を乗じ、45.は減算回路441の出力(z、 −12
)に係数に2を乗じ、45cは減算回路44.の出力(
8R2−Ez)K係数に3を乗じ、45.杜減算回路4
41の出力(”Ml −EZ)に係数に4を乗する。4
6. 、 46.は各各派算回路で、46.は係数回路
45.の出力に1(8R2−R2)と係数回路45.の
出力に2(B、、 −R2)との差を演算して、誤差増
幅器420入力端子(−)に加える。
減算回路46.は係数回路45.の出力に4(へ1””
Z)と係数回路45eの出力に3 (8R2”’ EZ
)との差を演算して、出力端子OUTに出力電圧E0と
して与える。
47は基準電圧源で、一定電圧ERを誤差増幅器420
入力端子←)K与える。
このような構成の信号処理回路においては、抵抗43&
、45b、43cの抵抗値を等しく選び、その値をRe
とすると各センサアンプ41.. 41b、41゜の出
力”Ml ’ ”R2−”Zはそれぞれ次式で与えられ
(K、−2−KIEZ −R2”Ml ” R2”Z 
)が基準電圧Hnと等しくなるように1センサアンプ4
1 、 41..41゜の入力電圧ECを制御するので
、次式の関数が成立する。
よって、減算回路46bの出力端に得られる出力電圧E
0は、K、==に1. R2−に2. KS=に、、 
K4=に4に選ぶと、 となり、(5)式の演算を実行でき、周囲温度の変化の
影響を受けることなく、被測定圧PMを表わす信号電圧
E0を得ることができる。なお信号処理回路としては、
各ゲージ抵抗21.22.25に一定電流を流し、各ゲ
ージ抵抗の電圧降下をそれぞれ検出して、A/D変換後
マイクロコンピュータで(6)弐に相当するディジタル
演算を行う等積々の構成のものを用いることができる。
さらに信号処理回路40を単結晶半導体基板10上に形
成すれば、8/N向上。
小形化を図ることができる。
なお上述では、単結晶半導体基板10に等方性工、チン
グで円形の受圧ダイヤフラム11を形成する場合を例示
したが、異方性エツチングにより矩形の受圧ダイヤフラ
ムを形成してもよい。この場合1アンダーカ、ト1を生
かして、棒状突起体12の先端に第5図に示すように8
10□の板12aを形成すると、突起体12が曲がるこ
となく基台50Vc接触できる。またゲージ抵抗21.
22として第6図に示すように一体的に形成したものを
用いればより特性を揃えることができ、補償精度を上は
得る。さらにゲージ抵抗21と22を被測定圧へに基づ
く応力が線動的に変化する受圧ダイヤフラム上の2点に
別別に設ける場合には、必らずしも直交させる必要はな
い。
〈発明の効果〉 本発明において社、周囲温度による影響を有効に除去で
きる圧力センナが得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明圧力センサの一実施例を示す斜視図、第
2図はその断面図、第3図は本発明圧力センサの要部の
断面図、第4図は本発明圧力センサに用いる信号処理回
路の一実施例を示す接続図、第5図は本発明圧力センサ
の他の実施例を示す断面図、第6図は本発明圧力センサ
に用いるゲージ抵抗の一例を示す平面図である。 10・・・単結晶半導体基板、11・・・受圧ダイヤフ
ラム、12・・°突起体、13・・・固定部、21.2
2.25・・・ゲージ抵抗、30・・・基台、40・・
・信号処理回路。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 単結晶半導体基板に受圧ダイヤフラムとともに、その中
    心に棒状の突起体を形成し、この突起体により前記受圧
    ダイヤフラムの中心にあらかじめ一定の変位を与えて前
    記単結晶半導体基板を基台に固定するとともに1前記受
    圧ダイヤフラムに少なくとも2個のゲージ抵抗を形成し
    、かつ前記単結晶半導体基板の固定部にもゲージ抵抗を
    形成して、これらゲージ抵抗の抵抗値に基づいて前記受
    圧ダイヤフラムに作用する被測定圧を算出することを特
    徴とする圧力センナ。
JP5877084A 1984-03-27 1984-03-27 圧力センサ Granted JPS60201228A (ja)

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JP5877084A JPS60201228A (ja) 1984-03-27 1984-03-27 圧力センサ

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JP5877084A JPS60201228A (ja) 1984-03-27 1984-03-27 圧力センサ

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JPS60201228A true JPS60201228A (ja) 1985-10-11
JPH0542609B2 JPH0542609B2 (ja) 1993-06-29

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ID=13093779

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JP5877084A Granted JPS60201228A (ja) 1984-03-27 1984-03-27 圧力センサ

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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS56145327A (en) * 1980-04-15 1981-11-12 Fuji Electric Co Ltd Pressure transducer
JPS5737235A (en) * 1980-08-19 1982-03-01 Omron Tateisi Electronics Co Semiconductor pressure-sensitive device
JPS5782730A (en) * 1980-11-10 1982-05-24 Mitsubishi Electric Corp Pressure sensor
JPS5826237A (ja) * 1981-08-07 1983-02-16 Mitsubishi Electric Corp 圧力センサ

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JPH0542609B2 (ja) 1993-06-29

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