JPS6276785A

JPS6276785A - 圧力分布検出装置

Info

Publication number: JPS6276785A
Application number: JP21767485A
Authority: JP
Inventors: Susumu Sugiyama; 進杉山; Takashi Suzuki; 隆司鈴木; Mitsuharu Takigawa; 瀧川　光治
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1985-09-30
Filing date: 1985-09-30
Publication date: 1987-04-08
Also published as: JPH0554710B2

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】［産業上の利用分野１本発明は圧力検出装置、特に多点における圧力分布の測
定可能な圧ツノ分イ「検出装置に関する。

［従来の技術］従来より、複数の半導体圧力センサをマトリクス状に整
列配置した圧ツノ分イ［検出装置が周知であり、多点に
おける圧力の動的変化をリアルタイムで検出可能である
ことから、各種の圧力弁イ「を動的に把握するために幅
広く用いられている。

このような圧力弁イ５検出装置として、従来よりいくつ
かの提案がなされており、その１つに特公昭６０−２２
７９７に示すものか知られている。

この圧力弁イロ検出装置は、半）停体圧カレンザをｎ行
×ｍ列に複数個整列配置し、これら各センサを時分＾１
ｊ的に連続走査することにより、圧力分布の動的変化を
リアルタイムで測定していた。

しかし、この装置は、それぞれ個別に形成された周知の
半導体圧ノＪセンサを用いていることから、１個当りの
センナが大きくなることが避けられず、この結果、圧力
分布の２次元分解能が約１００ｍｍ５と大きくなってし
まうという問題があった。

更に、装置全体の価格も、亡ン蚤太１個当りの単価に使
用個数を掛は合せた値以上のとなることが避けられず、
特にヒンナ１個当りの単価が比較的高いことから装置全
体が高価なものとなり、広く利用されるにいたっていな
いという問題があった。

また、このような問題を解決するために、１枚の基板上
に複数のセンサを一体形成してなる圧力分布検出装置も
知られている（ＩＥＥＥＴｒａｎｓ、　Ｅｌｅｃｔｒｏ
ｎ　［）ｅｖｉｃｅｓ、　Ｖｏｌ、　ＥＤ−３２゜Ｐ、
　　１１９６．１９８５）。

第８図には、この圧力弁’１１７検出装置が示されあり
、この検出装置は、シリコン基板１０、ガラス台座１２
及び枠体１４を含み、シリコン基板１０上には所定の方
法を用いて複数の静電容ω型半導体圧力センリ゛１８が
ｎ行×ｍ列のマトリックス状に形成されている。

ここにおいて、各半導体圧カゼンザ１８は、基板１０の
表面側及び裏面側をエツチング除去して形成されたダイ
アフラム２０と、基板１０をその裏面側肉厚部にてガラ
ス台座１２と密着固定することによって形成された圧力
基準室２２と、を含み、この圧力基準室２２内に第１電
極２４及び第２電極２６を対向配置している。

また、シリコン基板１０の表面側肉厚部には枠体１４が
密着固定され、この枠体１４にはマｌへりクス配置され
た各センサ１８のダイアフラム２０に圧力を印加する複
数の圧力導入孔２８が複数個形成されてあり、この枠体
１４の表面側は外被３０により被覆されている。

以上の構成とすることにより、枠体１４の表面側から圧
力か印加されると、この圧力は圧力導入口２８を介して
各センサ１８のダイアフラム２０に印加され、第１電極
２４及び第２の電極２６間の静電寄辺の変化として検出
される。

このようにして、この圧力弁イ５検出装置によれば、同
一のシリコン基板１０上に複数の半力体圧力センリゾ８
を一体形成しているため、各センサ１８を密に７１〜リ
マクス配列することができ、印加される圧力分布の２次
元検出分解能か２ｍｍと極めて良好なものとなり、前述
した装置より１３段に向上することとなる。

［発明が解決しようとする問題点］しかし、この従来の圧力弁イロ検出装置は、以下に詳）
ホするいくつかの解決すべき問題点を有しており、その
有効な対策が望まれていた。

（イ）まず、このような従来の圧力分布検出装置は、各
セン畳す１８を形成するにあたりシリコン基板１０の表
面側及び裏面側の両面をエツチング加工する必要がある
ため、その製造工程が極めて複雑なものとなるという問
題がめった。

すなわら、このような従来装置では、基板１０の表面側
及び裏面側をエツチング加工してダイアフラム２０を形
成し、更にダイアフラム２０の裏面側に第１電極２４を
設ける必要がある。

このような基板１０の両面処理は、各工程毎に、両面位
首合Ｕをしながら行う必要があり、このためその製造工
程が極めて複雑な−ｂのとなるという問題かあった。

（ロ）また、このような従来の装置では、各センサ１８
のダイアフラム３０の膜厚を薄く形成することが困難で
あるという問題があった。

すなわら、従来の装置では、所望の厚さのダイアフラム
２０を形成するため、周知のようにシリコン基板１０の
深さ方向のエツチング速度に基づいて計算した時間でエ
ツチングを停止する方法を用いている。

しかし、エツチング速度は基板１０の表面状態によって
変化し、更に基板１０の厚さ自体にも一定の範囲でバラ
ツキがあるため、このようなエツチング処理によって形
成されるダイアフラム２０はその膜厚に一定の範囲でハ
ラつきか発生することは避けられない。

特に、前述したように、基板１０をその両面側からエツ
チング処理することよってダイアフラム２０を形成する
場合には、ダイアフラム２０の膜厚を精度良く制御する
ことが極めてむずかしく、この結果、高感度で特性にバ
ラつきのないセンサを（ｑることかできないという問題
があった。

（ハ）また、この従来の装置では、マトリクス状に形成
された各ダイアフラム２０の裏面に第１電極２４が取付
けれたシリコン基板１０と１、第２電極２６がマトリク
ス状に設けられたガラス台座１２とを密着接合し、第１
電極２４及び第２電極２６より形成されるコンデンサを
用い圧力検出を１１つている。

しかし、これらシリコン基板１０とガラス台座１２との
接合時に少しでも位置合Ｉ！誤差が存在すると、各セン
サ１８に設けられた電極２０及び２６の静電容量が異な
ったものとなり、圧力弁゛布の測定を正確に行うことが
できなくなるという問題があった。

（ニ）また、この従来の装置では、静電容量型の半導体
圧力センサ′１８を用いているため、浮遊容量が測定誤
差を引き起すという問題があった。

このような浮遊容量による誤差を低減させるためには、
各センサ１８の第１電極２４及び第２電（※２６の面積
を大きく形成することが必要となり、このようにすると
センサ１個当りの面積が大きくなり圧ツク分イ５の検出
分解能が低下することが避けられない。

また、静電容量による誤差を低減させるために、静電シ
ールドを設けることも考えるが、このような場合には装
置仝休の構造が極めて複雑な−しのとなるという問題が
あった。

（ホ）更に、この従来の装置では、センサ１８として静
電容量型のものを用いてるため、その出力信号が静電容
量の変化に応じて僅かに変化するに過ぎず、これを確実
に検出するための対策が必要となり、装置金体が複雑か
つ高価なものとなるという問題があった。

以上説明したように、この従来の静電容量型圧力分布検
出装置は、前記（イ）〜（ホ）の各問題点を有するため
、測定精度の向上及び小形化を充分に藺ることかできず
、しかもその製造方法が複雑であることから量産性を図
り低価格化を実現することができないという問題があっ
た。

特に、今日においては、例えば精密作業ロボット等の触
圧センザヤ触覚センザとして、おるいはその仙の用途に
高精度な２次元分解能をもった圧力弁イ「検出装置が必
要とされており、その有効な対策が望まれていた。

し発明の目的］本発明は、このような従来の課題に鑑み為されたもので
あり、その目的は、小形化、量産化が容易で、かつ高分
解能の圧力弁イｆｆ検出装置を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］前記目的を達成するため、本発明の圧力弁’Ｉ’ｌＴ検
出装置は、半導体基板と、この半導体基板と同一の基板上にマトリクス状に整列配
置されてなる複数の半導体圧力センサと、各圧カゼンサ
を順次走査しその出力信号を検出するセンサ走査手段と
、を含み、各半導体圧力センサは、前記半導体基板の主表面上に被覆され、耐エツチング材
料からなる絶縁性のダイアフラム膜と、このダイアフラ
ム膜の受圧領域所定位置に設けられた少なくとも１個の
歪みゲージと、この歪みゲージ及びダイアフラム膜上に
被覆され耐エツチング材料からなる絶縁性保護膜と、こ
の絶縁性保護膜及びダイアフラム膜を貫通するよう形成
された少なくとも１個のエツチング液注入口と、エツチング液注入口を介して半導体基板の一部をエツチ
ング除去することにより形成された圧力基準室と、を含み、マトリクス配置された各半導体圧力センナ−に印加され
る圧力分布を測定することを特徴とする。

以下に、本発明の圧力弁イ「検出装置を更に具体的に説
明する。

本発明の特徴的事項は半導体基板の表面側を片面処理す
ることにより、マトリクス状に整列配置されてなる複数
の半導体センナ−を該基板と一体的に形成したことにお
る。

第１図及び第２図には、本発明の圧力分布検出装置の具
体的な構成が示されており、第１図はその基板の１図を
拡大した平面説明図、第２図にはその断面説明図が示さ
れている。

本発明において、半導体基板４０上に整列配置された各
半導体圧力センサ１００は、半導体基板４０の主表面上
に耐エツチング性を有する材料からなる絶縁性のダイア
フラム膜４４が被覆形成され、このダイアフラム膜４４
の受圧領域所定位置に少なくとも１個の歪みゲージ４６
が設けられている。

そして、歪みゲージ４６をセンサ製造工程中に使用され
るエツチング液から保護するために、歪みゲージ４６及
びダイアフラム膜４４は、耐エツチング材料からなる絶
縁性保護膜４８により被覆されている。

そして、各センＩ＋　１００の受圧領域所定位置には、
絶縁性保護膜４Ｂ及びダイアフラム膜４４を貫通する少
なくとも１個のエツチング液注入口５０が設けられてお
り、このエツチング液注入口５０を介して基板４０側に
所定のエツチング液が注入される。

これにより、耐エツチング材料からなるダイヤフラム膜
４４及び半導体基板４０の界面の横方向エツチング特性
を利用したエツチングが行われ、基板４０の一部がエツ
チング除去され圧力Ｗ　ＬＦ＝　Ｚ５２が形成される。

この時、この圧力塁ｉ％Ｌ室５２に面してその上方に位
置するダイアフラム膜４４及び絶縁性保護膜４８の積層
膜は、各センナ１００の可動グイ７フラム１１０として
機能することになる。

そして、前記エツチング液注入口５０は、圧力基準室５
２が形成された後、その内部を真空状態に保ったまま封
止部材５６により密１」される。

本発明の圧力分布検出装置では、このようにして半導体
基板４０上に複数の圧力センナ−１００がマトリクス状
に形成されており、従って、基板４０の主表面側から圧
力が印加されると、対応される箇所に設けられたセンナ
１００の可動ダイアフラム１１０が圧力に比例してたわ
み、このたわみによって受圧領域に設けられた歪みゲー
ジ４６の抵抗が変化する。

従って、各センナ１００に設【プられた歪みゲージ４６
の抵抗変化を電気的検出することにより、圧力弁イロの
動的変化をリアルタイムで測定することか可能となる。

なお、本発明においては前記ダイアフラム膜４４及び絶
縁性保護膜４８以外に、必要に応じてこれ以外の薄膜を
も積層被覆することが可能であリ、この場合には、これ
ら各薄膜の積層膜が、圧力基準室５２に対する可動ダイ
アフラム１１０として機能することとなる。

このように、本発明によれば、可動ダイアフラム１１０
の膜厚は、ダイアフラムｖ４４４．絶縁性保護膜４８な
どの膜厚を合計した値となるため、周知の薄膜形成技術
を用いることにより、可動ダイアフラム１１０を予め設
定した所望の膜厚に、薄くかつ粘度良く形成することが
可能である。

更に、本発明によれば、可動ダイアフラム１１０の大ぎ
さを半導体基・仮４０の厚さのバラつきに影響されるこ
となく、それと無関係に精度良く形成することができる
。

従って、本発明によれば、可動ダイアフラム１１０の膜
厚及び大きざを、予め設定した寸法に従い、充分に小さ
くしかも精度良く形成せすることが可能となり、基板４
０上に形成される各セン昏す１００８極めて小さくかつ
高感度のものとすることが可能となる。

特に、本発明によれば、各センナ１００を充分小さくか
つ高感度のものとすることかできるため、基板４０上に
各センサ１００を高密度にマトリクス配置することがで
き、圧力弁イロの動的変化を高い２次元分解能をもって
精度良く測定することか可能となる。

ところで、このような装置を用い、圧力分布の検出を行
う場合には、マトリクス状に整列配置された各レン１す
１００からどのように信号を取出すかが問題となる。

このような手段の１つとして、例えば全ての圧力センサ
１００に同時に電源を接続して、各センサ１００の検出
信号を同時に測定することも考えられるが、このように
すると少なくともセンサ１個分の消費電力の複数倍の電
力が必要となるばかりでなく、センサ゛１００が多数設
けられている場合には、その消費電力によって装置が発
熱してしまい安定な動作を行うことができなくなるとい
う問題がおる。

例えば、１個当りの消費電力が１０ｍ慶の圧力センサ１
００を２５６個整列配置した場合を想定すると、装置全
体の消費電力は少なくとも２．５６Ｗ以上となり、この
結果、単一のシリコン基板４０てはその発熱により数１
０℃の温度上昇が引き起こされ、安定な動作を行うこと
は到底できなくなる。

このため、本発明の装置においては、マトリクス状に整
列配置された各半導体圧力センサ１００に順次選択的に
電源を接続し、その出力信号を検出するセンサ走査手段
２００が設けられており、この走査手段２００は、各セ
ンサ１００を順次走査して電源を接続し、この走査に同
期して各圧力センサ１００出力信号を検出している。

なｄ３、前記センリ゛走査手段２００として、消費電力
の大きい回路素子を用いると、圧力センサ１００の温度
上昇まねく原因となり好ましくない。

このため、前記走査手段２００は、消費電力が小さいＭ
ＯＳ型電界効果トランジスタを用いてその回路を形成す
ることが好ましい。

［作用１本発明は以上の構成からなり、次にその作用を説明する
。

蛎作本発明の圧力弁イｆｉ検出装置は、複数圧力センサ１０
０がマトリクス状に整列配置された主表面に、２次元的
な圧力弁イ「をもった所定の測定圧力を印加する。

この時、センーリ１００に設けられたダイアフラム１１
０には、たわみが発生し、このダイアフラム’１１０の
たわみ吊は、圧力分布に対応して各センサ１０’Ｏに印
加される圧力の大きさに比例し、ダイアフラム１１０に
設りられた歪みゲージ４６の抵抗変化として表れる。

本発明の装置は、マトリクス状（５整列配置された各セ
ンナ１００を順次走査して、各セン督す１００の抵抗変
化を検出しているため、印加される圧力の２次元的な分
イ［の動的変化をリアルタイムで測定することが可能と
なる。

例えば、前記センサ走査手段を、ＭＯＳ型電界効果トラ
ンジスタを含むスイッチング回路を用いて形成した場合
には、該スイッチング回路によりマトリクス状に整列配
置された複数のＬンリ”１００から、特定のセンサを行
及び列を特定することにより順次１個づつ選択していく
。

そして、選択した圧力ゼンリー１００にスイッチング回
路を介して電源を接続し、そのレンザ１００の歪みゲー
ジ４６に電流を流し、該ゲージ４６の抵抗変化を電気信
号として順次検出する。

このようにして、スイッチング回路を用い、７１ヘリク
スの行と列とを順次切替え走査していくことにより、マ
トリクス状に整列配置された各センサ゛１００に印加さ
れる圧力分布ｉの動的変化をリアルタイムで測定するこ
とが可能となる。

径檄本発明の圧力弁１５検出装置は以上の構成及び作用を有
し、以下にその特徴を更に具体的に説明する（ａ＞本発明によれば、半導体圧力センサ１００の製造
処理工程の全てを、半導体基板４０の主表面側のみで行
うといういわゆる片面処理によって行うことができる。

すなわら、本発明によれば、基板４０の主表面側におい
て可動ダイアフラム１１０を周λ［１の薄膜形成技術を
もって形成し、また圧力基へ（室５２は基板４０の主表
面側に形成されたエツチング液注入口５０を介してエツ
チングを行うことにより形成され、更に、圧力基準室５
２の気密１」止を真空蒸着等の集積回路技術を用いて行
うことかできる。

このように、全ての製造処理工程を基板４０の主表面側
においてのみ行い、いわゆる片面処理て各センサ゛１０
０を形成することができ、その結果、本発明によれば、
従来の両面処理のセンサに比しその製造工程か極めて簡
単かつ安価なものとなる。

（ｂ）また、本発明によれば、周知の薄１摸形成技術を
用いることにより、ダイアフラム１１０の膜厚を予め設
定した値に薄くかつ精度良く形成することができる。

更に、本発明によれば、ダイアフラム１１０の形状を、
基板４０の厚さのバラつにき無関係に予め設定平面寸法
に基づき極めて小さくかつ精度良く形成することかでき
る。

このように、本発明によれば、従来のロンリ−に比しダ
イアフラムを予め設定した膜厚及び寸法に小さくかつ精
度良く形成することか可能となり、各センサ１００を小
型でかつ高感度のものとすることが可能となり、この結
果、このようにして形成されたセンサ１００を、同一の
基板４０上に高密度にマトリクス配置することにより、
小型でかつ分解能が極めて優れた圧力分布検出装置を得
ることが可能となる。

（Ｃ）また本発明によれば、前述したように、各センサ
１００は、半導体基板４０を片面処理することよって形
成することかできるため、従来のように基板４０の両面
位置合ぜや両面加工処理が不要となり、その結果、基板
４０上に形成する各センサ１００の特性のバラツキを大
幅に低減することか可能となる。

（ｄ）また本発明によれば、マトリクス状に整列配置さ
れた各半導体圧力センサ１００への電源供給は、センサ
走査手段２００ににり選択的に順次行われるため、多数
のセン丈１００が設けられているにも拘らず、消費電力
をセンサ１個分の値とすることか可能となる。

更に、このようなセンサ走査手段２００として、ＭＯＳ
型電界効果トランジスタを用いて形成されたスイッチン
グ回路を使用することにより、消費電力を更に軽減する
ことが可能となる。

このように、本発明の圧力弁１５検出装置は、以上詳述
したような優れた特徴を右し、特に圧力分布の動的変化
を２次元的に極めて高い分解能で測定することか可能と
なる。

実験によれば、本発明の装置は、その２次分解能が２０
０μｍ以下となり、従来の装置に比し１０倍以上の分解
能を示すよう形成可能であることが確認されている。

また、このように半導体圧力センυは、極めて高い２次
元分解能を発揮することかできることから、各種用途に
幅広く用いられることか可能であり、例えば、高粘密の
作業口ボッｌ−等の触覚センリＡｂ触圧センリーとして
優れた性能を発揮することが可能である。

［発明の効果］以上説明したように、この発明によれば、小型化が容易
で、圧力分布の検出分解能が極めて高く、しかも安定に
量産可能な圧力分布検出装置を１ｑることか可能となる
。

［実施例］次に、本発明の好適な実施例を図面に基づき説明する。

第自実施例第３図には、本発明の圧力分布検出装置の好適な第１実
施例が示されており、実施例の装置は、半導体基板４０
の主表面上に複数の半導体圧力センサ１００がｎ行×ｍ
列のマトリクス状に整列配置され、センサマトリクス１
２０を形成している。

そして、これら各センサ１００は後）ホするセンサ走査
手段２００により順次走査され、その出力信号が検出さ
れている。

従って、基板４０に主表面側から印加された圧力は、ゼ
ン量太７トリクス１２０によりその圧力分子ＩＴか２次
元的に測定され、前述したセンサ走査手段２００により
センリーフ１〜リクス１２０を繰返して連続的に走査し
た場合には、その圧力分布の動的変化をリアルタイムで
測定することが可能となる。

（イ）半導体圧力センサ第１図及び第２図には、前記シリコン基板４０の一部を
拡大した平面図及び断面図の概略が示されており、実施
例において、半導体基板４０はＰ型シリコン基板を用い
て形１成されてあり、この基板４０上に複数の半導体圧
力センサ１００が７トリクス状に整列配列されている。

実施例において、各センサ１００は、シリコン基板４０
の受圧領域に被覆された消失膜４２と、この消失膜４２
及び基板４０の主表面上に被覆されたダイアフラム膜４
４をと含む。

ここにおいて、前記消失膜４２は、各半導体圧力センサ
１００の可動ダイアフラム１１０の形状及び大きさを特
定するために用いられるもので必り、例えば多結晶シリ
コン等の等方性エツチング材料を用いて形成されている
。

本実施例においては、この消失膜４２を基板４０の受圧
領域に沿って正確に被Ｆｆｊ−ｉるために、まず、基板
４０の表面に窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４　）からなる絶
縁膜５８を被覆し、次にフォｉ・エツチングを用いてこ
の絶縁膜５８の受圧領域に相当する部分に開口５８ａを
形成し、この開口５８ａを覆うように絶縁膜５８上に消
失膜４２を被覆形成する。

この時、この消失膜４２の形状は、第１図に示づように
ほぼ正方形に形成されており、しかも正方形の周囲には
その外側に向は延長された複数の領域４２ａが形成され
ている。

また、前記ダイアフラム膜４４は、窒化シリコンを用い
て形成されており、このダイアフラム膜４４の受圧領域
所定位置には、艮ざ４０μｍ１幅１０μｍ、厚さ０．１
５μｍのＰ型子結晶シリコンからなる歪みゲージ４６が
設けられている。

そして、この歪ゲージ４６を、後述するエツチング液か
ら保護するために、歪みゲージ４６の表面及びダイアフ
ラム膜４４の表面は絶縁性保護膜４Ｂにより被覆され、
実施例においてこの絶縁性保護膜４８は厚さ０．１５μ
ｍの窒化シリコンを用いて形成されている。

そして、各センサ１００は、前述した各突出領［４２ａ
に、絶縁性保護膜４８、ダイアフラム膜を貫通してなる
複数のエツチング液注入口５０が開口形成されており、
このエツチング液注入口５０を介して基板４０へ向は水
酸化カリウム（Ｋ　ＯＨ＞水容液等の異方法エツチング
液が注入される。

このようにすることにより、消失膜４２の全てと基板４
０の一部とがエツヂング除去され、圧力基準室５２及び
可動ダイアフラム１１０が形成される。

ずなちり、エツチング液注入口５０からエツチング液を
注入すると、消失膜４２は所定速度で横方向にエツヂン
グ除去されていき、これと同時に基板４０はこの横方向
のエツチングに連動して縦方向に所定深さだけエツチン
グ除去され、圧力基準室５２が形成されることとなる。

このとき、圧力基準室５２の上面側に位置−リ−るダイ
アフラム膜４４及び絶縁性保護膜４８は、耐エツチング
材料を用いて形成されているため、はとんどエツチング
除去されることはなく、従ってダイアフラムＩ！４４、
絶縁性保護膜４８及び後述する第２の絶縁性像ｆｆ１ｌ
ｌ！Ｊ５４からなる積層膜は、その受圧領域、すなわち
消失膜４２の設けられた領域が圧力基準室５２に対する
可動ダイアフラム１１０として機能することになる。

ここにおいて、前記消失膜４２をその一辺が約１００μ
ｍの正方形状に形成すると、前記可動ダイアフラム１１
０及び圧力基準室５２もその一辺がほぼ１００μｍの正
方形状に形成されることとなる。

そして、実施例のセンサ１００は、歪みゲージ４６に接
続される電極リード２２２，２２８及びその他の電極リ
ードを形成したのち、圧力基準室５２内を真空状態に保
ったまま絶縁性保護膜４８の表面の全域に窒化シリコン
からなる第２の絶縁性保護膜５４を被覆する。このよう
にすることにＪ：す、この第２の絶縁性保護膜５４は、
各エッヂング液注入口５０の封止部材５６として機能し
、更にセンサ表面のパッシベーションを兼ねることにな
る。

このようにして、本実施例の圧力弁イｌｒ検出装置では
、半導体基板４０の主表面上に複数の絶対圧検出用のセ
ンサ１００がｎ行×ｍ列の７トリスク状に形成されるこ
とになる。

（ロ）センサ走査手段また、本実施例の圧力分布検出装置において、主表面上
にマトリクス状に整列配置された各圧力センサ１００は
、センサ走査手段２００により順次電源が供給され、そ
の出力信号が出力するよう形成されている。

実施例において、このセンサ走査手段２００は基板４０
の主表面上に前記各センサ１００と１対１に対応するｎ
チャンネルのＭＯＳ型電界効果トランジスタ（以下ＦＥ
Ｔと記す）２１０を隣接配置し、該ＦＥＴ２１０を順次
切り換えることにより各センサ１００をマトリクス状に
走査するように形成されている。

実施例において、このＦＥＴ２１０は、イオン注入法に
よって形成されたＮ型のソース２１２及びドレイン２１
４と、ゲート酸化膜２１６と、多結晶シリコングー１〜
２１８と、分離用酸化膜２２０とを含む。

そして、各ＦＥＴ２１０のソース２１２）対応するセン
サ１００に設けられた歪みゲージ４６の一端と、リード
２２２を介して接続されており、またドレイン２１４は
電源のプラス側に接続されている。

そして、このＦＥＴ２１０は、リード２２６を介してゲ
ート２１８に印加される制御信号により、対応する歪み
ゲージと電源との接続を制御している。

また、歪みゲージ４６の一端側に接続されたリード２２
８は、第４図に示すＦＥＴ２３０を介して図示しない信
号検出回路に接続されている。

このようにして、実施例の装置は、各セン１ノ゛１００
のＦＥＴ２１０とが対になって１つのユニットを形成し
、これらユニツｌ−が第３図に示すように、ｎ行×ｍ列
のセンリーマトリクス１２０を形成している。

なお、実施例において、前記各リード２２２゜２２４．
２２６，２２８は、絶縁性保護膜４８上に被覆形成され
ており、これら各リードと歪みゲージ４６との接続は、
絶縁性保護膜４８上にゲージ両端位置に対応して設けら
れた接続孔６０を介して行われている。

第４図には、本実施例のセンサ走査手段２００の回路図
が示されており、実施例においては、説明を容易にする
ため、基板４０上にセンサ１００が４行×４列でマトリ
クス配置されている場合を例にとり説明する。

実施例において、ＡＯ−Ａ３はセンリマトリクス１２０
の行を選択する端子を表し、Ｂｏ〜Ｂ３はその列を選択
する端子を表している。

また、ＶＤＤは各セン＋：Ｊ１００の電源供給端子を表
し、ＶＯは信号出力端子、Ｑｎｄはアース端子をそれぞ
れ表している。

また、実施例の回路においては、センサマトリクス１２
０の各列に対応してＦＥＴ２３０−０゜２３０−１・・
・２３０−３が基板４０上に形成されてあり、各ＦＥＴ
２３０の一端は共通線を介して出力端子ＶＯに接続され
、その（ｌ！！　喘は対応する各列のセンサ１００にそ
れぞれ接続され、そのゲートは対応する列選択用の端子
３０−３３にそれぞれ接続されている。

１だ、実施例の回路においては、行選択用の端子ＡＯ−
Ａ３及び列選択の端子ＢＯ−８’３により特定されたセ
ンサ１００の出力を電圧信号として出力するために、出
力端子ＶＯとアースとの間には比較用抵抗２４０が接続
されている。

実施例のセンサ走査手段２００は以上の構成からなり、
次にその具体的な動作を説明する。

まず、行選択用の端子ＡＯ〜Ａ３のうち１つの端子例え
ばＡＯに正電圧を加え、他の端子をＯ電圧にすると、Ａ
Ｏ行のＦＥＴ２１０−００〜２１０−０３のみオン状態
となり、電源端子Ｖ［）ＤからはＡＯ列の１００−００
〜１００−０３の歪みゲージ４６に電源電圧が印加され
る。

このとき、列選択用の端子Ｂｏ−Ｂ３のうらいずれか１
つの端子、例えばＢ２に正電圧を加え、他の端子をＯ電
圧にすると、ＦＥＴ２３０−２がオン状態となり、８２
列のセンサ１００−０２゜１００−１２，１００−２２
，１００−３２と出力端子ＶＯとが接続される。

この結果、ＡＯ行、８２列によって特定されるセン９−
１００−０２が選択され、該セン曹す１００の歪みゲー
ジ４６−０２に電流が流れ、その電流が抵抗２４０に流
れ込む。

このようにして、センサ１００−０２のダイアフラム１
１０に印加された圧力の大きさは、このダイアフラム１
１０上に形成された歪みゲージ４６の抵抗変化として、
比較用抵抗２４０に流れ込む電流に変換され、更に比較
用抵抗２４０の電圧降下の変化に変換され、出力端子Ｖ
Ｏを介して出力するされることになる。

このため、本実施例のセンサ走査手段２００によれば、
行選択端子ＡＯ−Ａ３を用いて行を選択し、また列選択
用端子３０−３３を用いて列を選択することにより、こ
の行と列との交点の圧力センサ１００を特定し、その検
出信号を出力端子ＶＯを介して得ることが可能となる。

従って、このセンサマトリクス１２０を順次繰返し走査
すれば、このマトリクス面に印加される圧力分布の動的
変化をリアルタイムで測定することが可能となる。

なお、本実施例において、比較用抵抗２４０は歪みゲー
ジ４６と同一の処理工程で形成された多結晶シリコンを
用いて基板４０の主表面上に形成されているため、その
抵抗温度係数は歪みゲージ４６と等しく温度補償されて
いる。

（ハ）圧力印加手段次に、本実施例の圧力弁イ５検出装置に用いられる圧力
印加手段３００を説明する。

第５図には、基板４０に圧力印加手段３００を取イ」け
た圧力分布検出装置が示されており、実施例において基
板４０は第３図に示すごとく形成され、その主表面上に
は１０行×１０列の７１−リクス状に複数の圧力センサ
１００が整列配置されている。

そして、この基板４０は、その裏面側がセラミックのベ
ース３０１に接着固定されており、基板４０の主表面側
に設けられた各電極１３０はベース３０１上に形成され
た厚膜電極にリード３０２を介してボンディングされて
おり、これにより外部リード３０４と接続されている。

また、基板４０の主表面側周縁に配置された電極１３０
とリード３０２とを保護するために、基板４０の主表面
側周縁とベース３０１の表面との間にキャップ３０６が
接着固定されている。

更に、シリコン基板４０上に形成されているセンサマト
リクス１２０の上部には、平板状に形成されたゴム弾性
体３０８が当接配置され、この弾性体３０８上における
接触圧力がそのままセンサマトリクス１２０側へ伝えら
れる。

このようにして、本実施例の装置によれ１１弾性体３０
８上に圧力を印加することにより、この印加圧力の分布
はセンサマトリクス１２０にそのまま伝えられ、その圧
力分布を正確に検出することが可能となる。

第６図には、圧力印加手段３００を更に改良した他の実
施例が示されてあり、実施例の装置は、圧力力イ１の２
次元分解能を更に良好に検出可能とするために、キャッ
プ３０６及び弾性体３０８の形状に改良を加えたもので
ある。

実施例において、キャップ３０６は、基板４０の表面全
域に当接するよう形成されており、このキャッチ３０６
のセンサマトリクス１２０の各ダイアフラム１１０と対
応する位置にはマトリクス状に複数の貫通孔３１０が開
口形成されている。

そして、これら各貫通孔３１０には、弾性体３０８がそ
れぞれ注入形成されており、キャッチ３０６の表面側か
ら印加される圧力を各弾性体３０８を介して個別に各セ
ンサ１００へ伝達するよう形成されている。このように
、実施例の圧力印加手段３００は、印加圧力を各センナ
１００に個別伝達する（う形成されているため、前述し
た第５図に示す装置に比し、圧力分布を更に正確に測定
することが可能となる。

なあ、本実施例の装置は、その外形寸法が１０ｍｍｘ　
１０ｍｍｘ　２．ｍｍと小型に形成することが可能とな
り、更に、実験によれば、０．４ｍｍというすぐれた２
次元分解能を発揮することが確認されていた。

第２実施例第７図には、本発明好適な第２実施例が示されており、
実施例において、基板４０の主表面上には、前記第１実
施例と同様にして１６行×１６列のマトリクス状に合ｉ
ｔ　２５６個のセン°リ−１００が整列配置されている
。　− そして、実施例の装置は、このセンナマトリクス１２０
の各行に電源を選択的に接続する２進−１６進デコーダ
４００と、センリーマ１〜リクス１２０の各列を選択す
る信号選択機として機能するマルチプレクサ４１０と、
前記デコーダ４００及びマルチプレフナ４１０により選
択されたレン４）１００の出力信号を電圧増幅する増幅
器４２０と、増幅器で増幅されたセンサ１００のアナロ
グ信号をデジタル信号に変換する８ビットのＡ／Ｄコン
バータ４３０と、前記各回路に同期信号を供給するクロ
ック回路４４０とを含む。

そして、実施例の装置は、デコーダ４００に入力される
４ビツトの選択信号ＡＯ，ＡＩ、Ａ２．Ａ３でセンサマ
トリクス１２０の行を選択し、また、マルチプレクサ４
１０に入力される４ビツトの選択信号ＢＯ，Ｂｌ、８２
．Ｂ３でセンサマトリクス１２０の列を選択し、選択さ
れたセンサ１００の信号を増幅器４２０により増幅して
、ボルトオーダのアナログ出力Ｃと、Ａ／Ｄコンバータ
４３０から出力される８ビツトのデジタル信８ＤＯ，Ｄ
　１．　Ｄ２．・・・Ｄ７として取出すことができる。

本実施例において、前記シリコン基板４０は、１０ｍｍ
ｘ　１０ｍｍの寸法のものを用いてａ３す、前記各回路
４００〜４４０は、このシリコン基板４０上にＭＯＳＦ
ＥＴを用いて形成されている。

また、本実施例の装置は、センナマトリクス１２０を１
ｍｍ５ｅｃ以下の周期でくりかえし走査することが可能
であり、このようにすることにより、動的な圧力分布の
変化を正確にリアルタイム測定することが可能となる。

また、実験ににれば、実施例の装置は、０．２１１ｍと
いう優れた２次元分解能を発揮することが確認されてい
る。

なお、前記各実施例においては、各センサ１００は、基
板４０上に消失膜４２を被覆して形成する場合を例にと
り説明したが、本発明はこれに限らず、このような消失
膜４２を設けることなく各センナ１００を良好に形成す
ることも可能でおる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明にかかる圧力力イ［ｉ検出装
置の好適な第１実施例の要部説明図、第３図は第１実施
例に用いられる基板の外観説明図、第４図この第１実施例に用いられるセンサ走査手段の原
理を示す回路図、第５図及び第６図はこの第１実施例に用いられる圧力印
加手段の説明図、第７図は本発明の好適な第２実施例を示す説明図、第８図は従来の圧力弁イ「検出装置の要部説明図である
。４０　・・・　半導体単板４２　・・・　消失膜４４　・・・　ダイアフラム膜４６　・・・　歪みゲージ４８　・・・　絶縁性保護膜５０　・・・　１ツチング液注入口５２　・・・　圧力基準至５６　・・・　封止部材１００　　・・・　半導体圧力センサ１１０　　・・・　可動ダイアフラム２００　　・・・　センサ走査手段、２１０　　・・・　ＭＯ８電解効果トランジスタ３００
　　・・・　圧力印加手段第３図１２０毛ンプマ）！、ｌグ入第５図第６図第７図第８図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）半導体基板と、この半導体基板と同一の基板上にマトリクス状に整列配
置されてなる複数の半導体圧力センサと、各圧力センサ
を順次走査しその出力信号を検出するセンサ走査手段と
、を含み、各半導体圧力センサは、前記半導体基板の主表面上に被覆され、耐エッチング材
料からなる絶縁性のダイアフラム膜と、このダイアフラ
ム膜の受圧領域所定位置に設けられた少なくとも１個の
歪みゲージと、この歪みゲージ及びダイアフラム膜上に被覆され耐エッ
チング材料からなる絶縁性保護膜と、この絶縁性保護膜
及びダイアフラム膜を貫通するよう形成された少なくと
も１個のエッチング液注入口と、エッチング液注入口を介して半導体基板の一部をエッチ
ング除去することにより形成された圧力基準室と、を含み、マトリクス配置された各半導体圧力センサに印加される
圧力分布を測定することを特徴とする圧力分布検出装置
。
（２）特許請求の範囲（１）記載の装置において、前記
センサ走査手段は、各圧力センサを順次走査して電源と
接続し、その出力信号を検出することを特徴とする圧力
分布検出装置。
（３）特許請求の範囲（１）、（２）記載の装置におい
て、センサ走査手段は、ＭＯＳ型電界効果トランジスタを用
いて形成されてなることを特徴とする圧力分布検出装置
。
（４）特許請求の範囲（１）記載の装置において、セン
サ走査手段は、クロック回路、デコーダ、マルチプレク
サ、増幅器、Ａ／Ｄコンバータを含み、前記各半導体圧
力センサと同一の半導体基板上に形成されてなることを
特徴とする圧力分布検出装置。
（５）特許請求の範囲（１）〜（４）のいずれかに記載
の装置において、各半導体圧力センサは、半導体基板とダイアフラム膜と
の間に、半導体基板の受圧領域所定位置に沿って等方性
エッチング材料からなる消失膜を被覆してなることを特
徴とする圧力分布検出装置。