WO2014061263A1 - 圧力センサおよび、それを備えるセンサユニット - Google Patents

Abstract

　センサチップ(１)において、その本体部が接地される状態で、回路層(７２)の上に形成されるシールド電極を構成するシールド層(７１)は、抵抗体(４６)を介して接地されているもの。

Description

圧力センサおよび、それを備えるセンサユニット

　本発明は、センサチップを備える圧力センサおよびそれを備えるセンサユニットに関する。

　液封型のワンチップ半導体圧力センサは、例えば、特許文献１にも示されるように、センサユニットの一部を構成している。センサユニットは、金属製の継手部の内側に形成される圧力検出室内に配されている。そのようなセンサユニットは、例えば、継手部内に支持され上述の圧力検出室と後述する液封室とを隔絶するダイヤフラムと、ダイヤフラムの下方に形成され圧力伝達媒体としてのシリコーンオイルを貯留する液封室と、液封室内に配されダイヤフラムの変位に応じたシリコーンオイルの圧力変動を検出するセンサチップと、センサチップを支持するチップマウント部材と、ハウジングの貫通孔におけるチップマウント部材の周囲を密封するハーメチックガラスと、センサチップからの出力信号の送出およびセンサチップへの電力供給を行う端子群とを主な要素として含んで構成されている。

　そのようなセンサチップにおいては、特許文献１における図１０に示されるように、複数個の圧力検出素子が一体に形成される可動部（圧力検出部）と、可動部の周囲の基台に一体に形成され圧力検出素子と電気的に接続される電子回路と、その可動部および基台の上面を覆う酸化膜と、酸化膜における可動部に対応する部分を除き酸化膜全体を覆う金属製薄膜とを含んで構成されているものが提案されている。そのような金属製薄膜は、電子回路に悪影響が発生することを防止するためにアルミ蒸着により形成されている。また、金属製薄膜が、可動部に対応する部分を除き酸化膜全体を覆うように構成されるのは、圧力センサの特性の悪化を防止するためである。

　上述のようなワンチップ半導体圧力センサにおいても、昨今、妨害電磁波について電磁波環境両立性（以下、ＥＭＣ（Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ）ともいう）が要求される。

特許第３９８７３８６号明細書

　上述のようなセンサチップにおいて、アルミ蒸着により形成される金属製薄膜が、可動部に対応する部分を除き酸化膜全体を覆うように構成される場合、金属製薄膜の配線により形成されるインダクタンスと、電子回路の出力電圧ラインが形成される導電層と金属製薄膜との間に形成されるキャパシタとにより、共振回路が形成される虞がある。このような場合、共振回路により発生するノイズによってＥＭＣの性能が悪化する虞がある。

　以上の問題点を考慮し、本発明は、圧力センサおよび、それを備えるセンサユニットであって、ＥＭＣの性能を良好に維持できるとともに、電子回路に悪影響が発生することを防止することもできる圧力センサおよび、それを備えるセンサユニットを提供することを目的とする。

　上述の目的を達成するために、本発明に係る圧力センサは、複数個の圧力検出素子を有し作用する圧力に応じて変位可能な可動部と、可動部に連なる固定部とを備える本体部と、本体部に積層される第１の層に形成され圧力検出素子に導電層を介して接続される回路と、第１の層に積層される第２の層に形成されるシールド層と、を含んで構成されるセンサチップと、シールド層と所定の電位との間に接続される抵抗体と、を備えて構成される。

　本発明に係る圧力センサを備えるセンサユニットは、上述の圧力センサと、圧力センサを、封止材を介して収容するハウジングと、圧力が検出されるべき圧力室とハウジングの内周部とを隔絶するダイヤフラムと、ダイヤフラムと圧力センサのセンサチップとの間に充填される圧力伝達媒体と、圧力センサのセンサチップの回路に電気的に接続される端子群と、を備えて構成される。

　本発明に係る圧力センサおよびそれを備えるセンサユニットによれば、第１の層に積層される第２の層に形成されるシールド層と、シールド層と所定の電位との間に接続される抵抗体とを備えるのでＥＭＣの性能を良好に維持できるとともに、電子回路に悪影響が発生することを防止することもできる。

図１Ａは、本発明に係る圧力センサの第１実施例におけるセンサチップを示す上面図である。 図１Ｂは、図１Ａにおける断面図である。 図２は、図１Ａおよび図１Ｂに示される例における回路構成を模式的に示す模式図である。 図３は、図２に示される例における等価回路をあらわす回路図である。 図４は、図１Ａおよび図１Ｂに示される例に適用される等価回路の他の一例をあらわす回路図である。 図５は、本発明に係る圧力センサおよび、それを備えるセンサユニットの複数の実施例が適用される圧力検出装置の要部を概略的に示す部分断面図である。 図６Ａは、本発明に係る圧力センサの第２実施例におけるセンサチップを示す上面図である。 図６Ｂは、図６Ａにおける断面図である。 図７は、図２に示される例において抵抗体として用いられる導体パターンの一例を示す図である。

　図５は、本発明に係る圧力センサおよび、それを備えるセンサユニットの第１実施例および後述する他の実施例が適用される圧力検出装置の要部を概略的に示す。

　図５において、圧力検出装置は、圧力が検出されるべき流体が導かれる配管に接続されるジョイント部１０と、ジョイント部１０に連結されジョイント部１０から検出出力信号を所定の圧力測定装置に供給するコネクタ部１２と、を含んで構成されている。

　ジョイント部１０は、上述の配管の内部に連通する流体導入通路１０ａと、流体導入通路１０ａの一端に円錐状に拡大して形成される圧力室１０Ａと、圧力室１０Ａに隣接して円柱状に形成され、後述するセンサユニットを収容するセンサ収容室と、コネクタ部１２の端部を連結するコネクタ連結部と、を有している。

　圧力室１０Ａ内には、流体導入通路１０ａを通じて流体としての空気または液体が供給される。また、圧力室１０Ａに配されるダイヤフラム保護カバー１４は、後述するダイヤフラム１６の縁部を、後述するハウジング１８の端面とで挟持しハウジング１８に溶接されることにより、ハウジング１８と一体化される。

　上述のジョイント部１０のコネクタ連結部に接続されるコネクタ部１２の一方の端部の内側には、後述する入出力端子群２４およびオイル充填用パイプ２２が配される凹部１２Ａが形成されている。また、コネクタ部１２の端部は、入出力端子群２４に接続される端子群２６を有している。端子群２６は、所定の圧力測定装置に接続される。

　センサ収容室内に配されるセンサユニットは、センサ収容室におけるコネクタ部１２の一方の端部に向かい合う内面とコネクタ部１２の一方の端部との間でＯリングを介して狭持されている。

　圧力室１０Ａ内の圧力を検出し検出出力信号を送出するセンサユニットは、図５に示されるように、円筒状のハウジング１８と、上述の圧力室１０Ａに向き合うハウジング１８の一方の端面に支持され圧力室１０Ａとハウジング１８の内周部とを隔絶するダイヤフラム１６と、複数の圧力検出素子３２ＧＲ１，３２ＧＲ２，３２ＧＲ３，３２ＧＲ４を有するセンサチップ１と、ガラス層８０を介してセンサチップ１を支持する金属製のチップマウント部材２８と、センサチップ１に電気的に接続される入出力端子群２４と、入出力端子群２４およびオイル充填用パイプ２２をチップマウント部材２８の外周面とハウジング１８の内周面との間に固定するハーメチックガラス２０と、を主な要素として含んで構成されている。

　金属製のダイヤフラム１６と向かい合うセンサチップ１およびハーメチックガラス２０の端面との間に形成される液封室には、例えば、圧力伝達媒体として所定量のシリコーンオイルがオイル充填用パイプ２２を介して充填されている。なお、オイル充填用パイプ２２の一方の端部は、オイル充填後、閉塞されている。また、圧力伝達媒体は、斯かる例に限られることなく、例えば、不活性液体であるフッ素系オイル、フッ素系ゲル、フッ素系不活性液体、シリコーン系ゲル、シリコーン系不活性液体であってもよい。

　入出力端子群２４は、２本の電源用端子と、１本の出力用端子と、５本の調整用端子とから構成されている。各端子の両端部は、それぞれ、上述の液封室と凹部１２Ａ内に突出している。なお、図５においては、８本の端子うちの４本の端子だけが示されている。

　センサチップ１は、図１Ａおよび図１Ｂに拡大されて示されるように、チップマウント部材２８の上端面にガラス層８０を介して支持されている。センサチップ１は、複数の圧力検出素子３２ＧＲ１，３２ＧＲ２，３２ＧＲ３，３２ＧＲ４を有し例えば、シリコンで略矩形状に形成されている本体部と、本体部の上端面に形成され処理回路を形成する回路層７２と、第１の層としての回路層７２の上面に積層される第２の層としての絶縁膜層と、その絶縁膜層に形成されるアルミニウム製のシールド層７１と、シールド層７１の上層部を保護する保護層７６とを含んで構成されている。

　本体部は、ガラス層８０に当接し支持される固定部６４Ｃと、可動部６４Ｂとから構成されている。薄肉の可動部６４Ｂは、上述のダイヤフラム１６の中央部に対応した位置となる固定部６４Ｃの中央部に一体に形成されている。可動部６４Ｂとガラス層８０との間には、所定の真空度に保たれる凹部６４Ａが形成されている。可動部６４Ｂにおいて、図１Ａに拡大されて示されるように、例えば、圧力検出素子３２ＧＲ１，３２ＧＲ２，３２ＧＲ３，３２ＧＲ４が共通の円周上に均等間隔で４箇所にホイートストンブリッジ回路を構成するように形成されている。なお、圧力検出素子３２ＧＲ１～３２ＧＲ４の配置は、ホイートストンブリッジ回路を構成するように形成されていればよいので斯かる例に限られることなく、例えば、共通の円周上に均等間隔で配置されなくともよい。

　回路層７２には、ポリシリコンで形成されるゲート３８Ａ、３８Ｂと、ドレインと、ソース等からなるＭＯＳＦＥＴ（ｍｅｔａｌ－ｏｘｉｄｅ－ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｆｉｅｌｄ　ｅｆｆｅｃｔ　ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を含む回路が、アルミニウム製の導体層を介して圧力検出素子３２ＧＲ１～３２ＧＲ４に電気的に接続されるように形成されている。これにより、例えば、圧力検出素子３２ＧＲ１と圧力検出素子３２ＧＲ２との接続端と、圧力検出素子３２ＧＲ３と圧力検出素子３２ＧＲ４との接続端との間に所定の電圧Ｖｃｃが印加された場合、圧力検出素子３２ＧＲ２と圧力検出素子３２ＧＲ３との接続端、および、圧力検出素子３２ＧＲ１と圧力検出素子３２ＧＲ４との接続端相互間に、可動部６４Ｂに作用した圧力に比例した出力電圧Ｖｏｕｔが得られることとなる。

　上述の絶縁膜層には、図１Ａに示されるように、導体層、ゲート３８Ａ、３８Ｂの真上となる所定の範囲（斜線部分）に、例えば、アルミニウム製の矩形状のシールド層７１が形成されている。シールド層７１は、図１Ｂに示されるように、圧力検出素子３２ＧＲ１，３２ＧＲ２，３２ＧＲ３，３２ＧＲ４の真上となる位置に開口部７１ａを有している。

　シールド電極を構成するシールド層７１は、図２に示される模式図および図３に示される等価回路において示されるように、抵抗体４６を介して接地されている。抵抗体４６は、例えば、シールド層７１と他の部位とを接続するための配線用導体層として構成されてもよい。斯かる場合、配線層がシールド層７１の材質とは異なる材質、例えば、ポリシリコンで形成される抵抗体であってもよい。また、配線用導体層は、図７に拡大されて示されるように、導体パターン８０として形成されてもよい。導体パターン８０は、所定の厚さＴおよび幅Ｗを有し、例えば、シールド層７１の材質と同一の材質で矩形波の形状に形成されている。なお、導体パターン８０の形状は、斯かる例に限られることなく、例えば、雷紋、渦巻きなどの他の形状に形成されてもよいことは勿論である。

　なお、図２においては、キャパシタＣ１，Ｃ２を形成するアルミニウム層に形成される電極Ｅ１およびＥ２と上述のシールド電極との代表的な関係を模式的に示す。また、可動部６４Ｂおよび固定部６４Ｃも接地されている。

　その際、抵抗体４６の抵抗値Ｒ２は、上述の圧力伝達媒体としてのシリコーンオイルの抵抗値に比してかなり小なる値に設定されている。抵抗体４６の抵抗値Ｒ２は、例えば、１０Ω以上１ＭΩ以下とされ、好ましくは、１ｋΩ以上１００ｋΩ以下に設定されている。通常、信号の減衰量は、コンデンサ容量と抵抗値との関係で決まる。抵抗値Ｒ２が、１ｋΩ未満の場合、コンデンサ容量が小さいとき、ノイズ対策になり得る減衰量が確保できないので外部からノイズに対する信号の減衰量が不足することとなり、その結果、ノイズ対策になりにくい。一方、抵抗値Ｒ２が、１００ｋΩを超える場合、上述の信号の減衰量は、確保できるが、抵抗体４６そのものの面積が大となるのでチップサイズを小さくすることが難しく、その結果、その製造コストが嵩むこととなる。以上の理由により、抵抗体４６の抵抗値Ｒ２は、好ましくは、１ｋΩ以上１００ｋΩ以下に設定される。

　抵抗体４６が上述の導体パターン８０の場合、導体パターン８０全体の抵抗値Ｒ２（＝ρ・L/WT）が、１０Ω以上１ＭΩ以下に設定されている。但し、抵抗値の関係式において、ρは、抵抗率、Ｌは、帯状片の全長、Ｗは、幅（図７参照）、Ｔは、厚さである。なお、導体パターン８０の抵抗率、全長、幅、厚さは、それぞれ、抵抗値Ｒ２が１０Ω以上１ＭΩ以下となるように、適宜選択される。

　例えば、図３に示されるように、仮にインダクタンスＬ１としてのシールド電極の配線と、出力電圧ライン（アルミニウム層）とシールド電極との間に形成されるキャパシタＣ３とにより共振回路が形成される場合においても、抵抗体４６が、ＥＭＣ対策として有効であることが本願の発明者により確認されている。

　上述のようなＥＭＣ対策としては、斯かる例に限られることなく、例えば、図４に示されるように、シールド電極とグランドライン（ＧＮＤ）との間に形成されるキャパシタＣ４をさらに備える構成において、シールド電極を構成するシールド層７１と入力電圧ラインとの間に、所定の抵抗値Ｒ３，Ｒ４をそれぞれ有する抵抗体４８および５０が、並列に設けられる構成であってもよい。抵抗値Ｒ３，Ｒ４は、それぞれ、例えば、１０Ω以上１ＭΩ以下とされ、好ましくは、１ｋΩ以上１００ｋΩ以下に設定されている。上述したように、通常、信号の減衰量は、コンデンサ容量と抵抗値との関係で決まる。抵抗値Ｒ３、Ｒ４が、１ｋΩ未満の場合、コンデンサ容量が小さいとき、ノイズ対策になり得る減衰量が確保できないので外部からノイズに対する信号の減衰量が不足することとなり、その結果、ノイズ対策になりにくい。一方、抵抗値Ｒ３、Ｒ４が、１００ｋΩを超える場合、上述の信号の減衰量は、確保できるが、抵抗体４８，５０そのものの面積が大となるのでチップサイズを小さくすることが難しく、その結果、その製造コストが嵩むこととなる。以上の理由により、抵抗体４８，５０の抵抗値Ｒ３、Ｒ４は、好ましくは、１ｋΩ以上１００ｋΩ以下に設定される。

　このようにグランドライン（ＧＮＤ）とシールド電極との間に形成されるキャパシタＣ４とにより共振回路が形成される場合においても、抵抗体４８および５０が、ＥＭＣ対策として有効であることが本願の発明者により確認されている。なお、図４において、出力電圧ラインは、図示が省略されている。

　図６Ａおよび図６Ｂは、本発明に係る圧力センサおよび、それを備えるセンサユニットの第２実施例に用いられるセンサチップ１´をガラス層とともに概略的に示す。

　図１Ａおよび図１Ｂに示される例においては、シールド層７１は、圧力検出素子３２ＧＲ１，３２ＧＲ２，３２ＧＲ３，３２ＧＲ４の真上となる位置に開口部７１ａを有しているが、一方、図６Ａおよび６Ｂに示される例においては、加えて、開口部７１ａ内における圧力検出素子３２ＧＲ１，３２ＧＲ２，３２ＧＲ３，３２ＧＲ４の真上となる位置にポリシリコン製のシールド層７３が形成されている。

　なお、図６Ａおよび図６Ｂにおいて、図１Ａおよび図１Ｂにおいて示される例において同一の構成要素について同一の符号を付して示し、その重複説明を省略する。

　シールド電極を構成するシールド層７３は、図６Ａに示されるように、例えば、シールド層７１の開口部７１ａ内において圧力検出素子３２ＧＲ１，３２ＧＲ２，３２ＧＲ３，３２ＧＲ４の真上となる略矩形状の領域（斜線部分）に形成されている。その際、シールド層７３は、シールド層７１の開口部７１ａ内において略共通の平面内に位置するように形成されている。シールド電極を構成するシールド層７３も、上述の抵抗体４６を介して接地されている。

　なお、シールド層７３は、斯かる例に限られることなく、絶縁膜層においてシールド層７１と略共通の平面内に位置することなく、その位置よりも下方の位置に形成されてもよい。

　このようにシールド層７３がポリシリコンにより形成されることにより、圧力伝達媒体としてのシリコーンオイルに含まれるイオン性不純物が、可動部に対応する部分に付着し、その結果として電子回路の誤動作が生じることを防止できるとともに、各圧力検出素子における感度、および、直線性が低下することなく、しかも、各圧力検出素子における温度特性が悪化する虞がない。

Claims (5)

1. 　複数個の圧力検出素子を有し作用する圧力に応じて変位可能な可動部と、該可動部に連なる固定部とを備える本体部と、該本体部に積層される第１の層に形成され該圧力検出素子に導電層を介して接続される回路と、該第１の層に積層される第２の層に形成されるシールド層と、を含んで構成されるセンサチップと、
   　前記シールド層と所定の電位との間に接続される抵抗体と、
   　を具備して構成される圧力センサ。
2. 　前記第２の層において、前記第１の層に形成される回路の上に、前記抵抗体に接続されるアルミニウム製のシールド層が形成されることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
3. 　前記第２の層における前記シールド層は、ポリシリコンで形成され、前記複数個の圧力検出素子の真上となる所定の領域を覆うことを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
4. 　前記第２の層において、前記第１の層に形成される回路における複数の半導体素子の真上となる位置に、前記抵抗体に接続されるアルミニウム製のシールド層が形成されることを特徴とする請求項２記載の圧力センサ。
5. 　前記請求項１乃至請求項３に記載のうちのいずれかの圧力センサと、
   　前記圧力センサを、封止材を介して収容するハウジングと、
   　圧力が検出されるべき圧力室と前記ハウジングの内周部とを隔絶するダイヤフラムと、
   　前記ダイヤフラムと前記圧力センサのセンサチップとの間に充填される圧力伝達媒体と、
   　前記圧力センサのセンサチップの回路に電気的に接続される端子群と、
   　を具備して構成されるセンサユニット。

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