JPS62145130A

JPS62145130A - 半導体圧力センサ

Info

Publication number: JPS62145130A
Application number: JP28693985A
Authority: JP
Inventors: Satoru Ohata; 覚大畠
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-12-20
Filing date: 1985-12-20
Publication date: 1987-06-29
Anticipated expiration: 2009-04-20
Also published as: JPH0629819B2

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】〔発明の技術分野〕本発明は、ピエゾ抵抗効果を利用して圧力を検出する半
導体圧力センサに係わり、特にダイアフラムの保護およ
び電気信号の安定化を図った半導体圧力センサに関する
。

〔発明の技術的背爾〕

半導体圧力センサは、シリコン等の半導体装置成された
ダイアフラムの表面側周辺部に拡散抵抗による感圧抵抗
部が形成され、この拡散抵抗のひずみによる抵抗変化、
すなわちピエゾ抵抗効果を利用して圧力を電気信号に変
換して出力するものである。

第３図は上記半導体圧力センサの断面図であって、凹状
に形成された外体１の中央部分に挿通された圧力導入路
２を持ったＴ字状負圧導入体３の上部に、該圧力導入路
２と連通ずる圧力導入路４を形成した基体５が前記外体
１の内壁面と所定の隙間を有して載置固定され、さらに
この基体５の前面側には断面逆凹字状部に形成され、そ
の中央部分の薄肉部分をダイアフラム６として構成し、
かつこのダイアフラム６の裏側の空間部分を負圧側室７
として構成した圧力センサ本体部８が設けられている。

９は圧力センサ本体部８の前面側に拡散抵抗層を施して
ピエゾ抵抗効果を利用して圧力を検出する感圧抵抗部で
あって、この感圧抵抗部９の圧力検出信号出力端はアル
ミニューム等の信号取出し用リードワイヤー１０を介し
て外体１の外周部に挿通されたリードビン１１に接続さ
れている。さらに、外体１前而および圧カセンサ本体部
８前面は所定の空間をもった高圧側室１２を形成するよ
うにキャップ１３が被せられている。

１４は正圧力導入口である。

ところで、以上のような半導体圧力センサは、シリコン
等の半導体の持つ脆い性質のために、圧力が急激に変化
して弾性限界を越えるとダイアフラム６が破損してしま
う。

そこで、従来の半導体圧力センサにおいては、前記キャ
ップ１３の内側面部に前記ダイアフラム６と向き合うよ
うにバックアッププレート１５が取り付けられ、負圧に
よるダイアフラム６の変位量を制限するように構成して
いる。従来、このような構成とすることにより、負圧が
測定許容以上の圧力になったとき、ダイアフラム６が上
方にたわんでバックアッププレート１５に接地し、破損
変位愚に達する前にダイアフラム６のたわみが止まり、
過大圧力のときでも安定に差圧を測定できると考えられ
ていた。

〔背景技術の問題点〕

しかし、上記バックアッププレート１５は、ダイアフラ
ム６のふくらみ具合等を考慮する必要があるために形状
が複雑で製造コストが高くなり、かつその位置設定が非
常に難しいために過大圧力によるダイアフラム６の破損
保護には十分なものではなかった。また、感圧抵抗部９
の上部側に導電性のバックアッププレート１５を設けた
ことにより、ダイアフラム６の電位とバックアッププレ
ート１５の電位（通常零ボルト）が圧力印加時もしくは
動作時に絶えず異なってくるので、ダイアフラム６の上
部表面に形成された感圧抵抗部９および前記機能回路に
影響を与えて静電誤差を生じる問題がある。また、ダイ
アフラム６の電位とバックアッププレート１５の電位が
異なると、高圧側室１２内に満たされるシリコンオイル
内の不純物イオンや半導体中に捕獲されているイオンが
活性化し、ＰＮ接合部や圧力センサ本体部８表面の伝導
率が変化する原因となり、動作が不安定になって信頼性
に欠ける問題がある。

〔発明の目的〕

本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、構造簡単に
して過大圧力に対し変位量を確実に制限してダイアフラ
ムの破損を防止し得るとともに、感圧抵抗部その他の機
能回路が外部電磁場の影響を受けずに長期にわたって安
定に動作し得る半導体圧力センサを提供することにある
。

〔発明の概要〕

本発明は、裏側を所定の深さにくり抜いてダイアフラム
として構成された圧力センサ本体部を、前記ダイアフラ
ムに相当する部分を除いて圧力導入路を持った導電性材
料の基体と導電性材料のキャップとで挟み込むように接
合することにより、過大な正圧および負圧によるダイア
フラムの変位向を前記基体およびキャップ自体で制限す
るとともに、前記基体、キャップと前記ダイアフラムを
同電位となるように構成した半導体圧力センサである。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例について第１図および第２図を
参照して説明する。第１図は本発明半導体圧力センサの
断面図であって、２０はＮ型でかつ（１００）面を持つ
単結晶シリコンウェー八を用いて構成された圧力センサ
本体部である。この圧力センサ本体部２０はその裏面側
がエツチングもしくは機械的手段により所定深さで円形
状もしくは矩形状にくり汰かれ、これによりその円形も
しくは矩形部分の薄肉ダイアフラム２１とそれ以外の部
分である厚肉の周縁部２２とで構成されている。前記ダ
イアフラム２１の上側周辺部にはＰ型拡散抵抗のひずみ
による抵抗変化、すなわちピエゾ抵抗効果を利用して圧
力を検出して電気信号に変換する感圧抵抗部２３が設け
られ、ざらに厚肉の周縁部２２には機能回路等のパター
ンが形成されている。

ざらに、前記圧力センサ本体部２０を挟み込むように、
そのセンサ本体部２０の裏面側に基体２４が接着層２５
により接合され、またセンサ本体部２０の上側にキャッ
プ２６が同じく接着層２７により接合されている。接着
層２５は例えばＡｕ−８ｕ半田法、接着層２７は例えば
Ａ１とＳｉの合金法等を用いて形成されている。

前記基体２４は、前記圧力センサ本体部２０と同一もし
くはそれに近い導電性材料を用いて前記センサ本体部２
０と導通して同電位となるように構成され、その形状は
内部に負圧力導入路２８が形成され、また前記ダイアフ
ラム２１に相当する位置にダイアフラム１６のくり扱き
深さによりも低く、かつ幅を小さくした凸状部２９が形
成されている。このような構造とすることにより、正側
圧力によりたわむダイアフラム２１の変位量を所定の変
位量となるように制限し、また負側の油滑を調整する機
能を持っている。

一方、前記キャップ２６は、前記圧力センサ本体部２０
と同一もしくはそれに近い導電性材料を用いて前記セン
サ本体部２０と導通して同電位となるように構成され、
その形状は内部に正圧力導入路３０が形成され、また前
記ダイアフラム２１に相当する位置にダイアフラム１６
および前記機能回路と設置しないようにエツチング等に
より凹状部３１が形成されている。この凹状部３１の深
さすなわちエツチング量は負側圧力に対してダイアフラ
ム２１の変位量を所定の変位量に制限する機能を持って
いる。

次に、第２図は、圧力センタ本体部２０への基体２４お
よびキャップ２６の接合部分を拡大して示した図である
。同図中４１は高濃度Ｐ層、４２は感圧素子２３等の表
面を覆うように施された絶縁層、４３は電極取出し部を
示す。

従って、以上のような構成によれば、正側圧力が測定許
容範囲以上に上昇すると、圧力センサ本体部２０のダイ
アフラム２１の中央部分が下方にたわんで基体２４の凸
状部２９の面部に触れる。

さらに、圧力が上昇すると、ダイアフラム２１のたわみ
が増加するが、凸状部２９に触れ始めた以降に凸状部２
９に阻止されてそれ以上たわまない。

よって、ダイアフラム２１の周辺部に発生する応力はダ
イアフラム２１が凸状部２９に接触し始めた時点から飽
和し始め、ダイアフラム２１の破損する限界が上昇する
。

逆に、負側の圧力のときも測定許容範囲以上になると、
ダイアフラム２１が前記キャップ２６の凹状部３１の面
部に接触し、ダイアフラム２１の変位量が所定の変位量
となるように制限され、これによりダイアフラム２１が
破損からまぬがれる。

しかも、ダイアフラム２１を持った圧力センサ本体部２
０が導電性材料の基体２３およびキャップ２５によりサ
ンドインチする構造としたので、従来不可能とされてい
た差圧計であっても簡単な対称構造物として実現するこ
とができ、キャップ２６の形状を変えることにより例え
ば絶対圧計としても使用可能であり、応用範囲の広いも
のが実　・現できる。また、接着層２５および２７は合
金法やハンダ法により圧力センサ本体部２０のｎ型基板
と電気的に接続されており、かつ基体２４およびキャッ
プ２６が圧力センサ本体部２０と同一もしくはそれに近
い導電性材料で形成されているので、圧力センサ本体部
２０の電位が基体２４およびキャップ２６にそのまま与
えることができ、その結果、圧力を検出する拡散抵抗層
の感圧抵抗部２３や温度静圧等を感じるその他の機能回
路は電気的にシールドされ、外界からの１！磁場等の影
響を受けることがなく、長期間にわたって動作の安定を
確保できる。また、圧力センサ本体部２０は、シリコン
オイル等によって封入する際、基体２４の凸状部２９や
キャップ２６の凹状部３１の形状により、正側および負
側の圧力媒体（シリコンオイル）の油層調整を行うこと
ができ、とりわけ初期ドリフトの原因となる油量を極力
少なくすることができる。

なお、上記実施例は、差圧力計として説明したが、キャ
ップ２６の形状を変えることにより、絶対圧針としても
利用できるものである。また、キャップ２６の形状を変
えることにより、センサ本体部２０とハーメチック化し
ないで一方向もしくは２方向を接着しなくても、同様な
効果が得られる。但し、このときは従来のように圧力室
と電気導入室が形成されることになる。その他、本発明
はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる
。

（発明の効果）以上詳記したように本発明によれば、圧力センサ本体部
を導電性材料の基体およびキャップによりサンドイッチ
状としたので、基体およびキャップで圧力によるダイア
フラムの変位口を所定の変位長に確実に制限できてダイ
アフラムの破損を防止し得、基体およびキャップが圧力
センサ本体部と同電位となっているので、電気的シール
ド機能により感圧抵抗部等が長期間にわたって安定に動
作し得る半導体圧力センサを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の一実施例を説明するため
に示したもので、第１図は半導体圧力センサの断面図、
第２図は圧力センサ本体部に対する基体とキャップの接
合部分の拡大図、第３図は従来の半導体圧力センサの断
面図である。２０・・・圧力センサ本体部、２１・・・ダイアフラム
、２３・・・感圧抵抗部、２４・・・基体、２５．２７
・・・接着層、２６・・・キャップ、２９・・・凸状部
、３１・・・凹状部。ＪＥ−を第１図第２図ヱ氏暴第３図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　裏面側を所定深さにくり抜いてその表面側にピ
エゾ抵抗効果を利用して圧力を検出する感圧抵抗部が形
成された薄肉のダイアフラムおよびこのダイアフラム以
外の部分に機能回路が形成された厚肉周縁部とを有する
圧力センサ本体部と、この圧力センサ本体部の前記裏面
側に接合され、前記ダイアフラムに相当する位置にこの
ダイアフラムの正側圧力による変位量を制限する凸状部
が形成された基体と、前記圧力センサ本体部の表面測に
接合され、前記ダイアフラムに相当する位置に少なくと
も前記ダイアフラムの負側圧力による変位量を制限する
凹状部が形成されたキャップとを備えたことを特徴とす
る半導体圧力センサ。
（２）　基体およびキャップは、導電性材料で構成して
前記圧力センサ本体部と同電位にし、前記圧力センサ本
体部の感圧抵抗部およびその他の機能回路を電気的にシ
ールドするようにした特許請求の範囲第１項記載の半導
体圧力センサ。
（３）　基体およびキャツプは、導電性材料で構成する
とともに、前記圧力センサ本体部を挟むように接合して
圧力室と電気信号取出し部分とを分離したことを特徴と
する特許請求の範囲第１項記載の半導体圧力センサ。
（４）　基体は、前記凸状部の形状および高さにより、
前記ダイアフラムにおける正側圧力による変位量を制限
する機能もしくは圧力媒体量の調節機能を有するもので
ある特許請求の範囲第１項記載の半導体圧力センサ。