WO2017122496A1 - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

本発明に係る圧力センサ（１００）は、ダイアフラム（３）と、ひずみゲージを構成する複数の抵抗（Ｒ１～Ｒ４）が形成され、平面視正方形状の半導体チップ（１）と、一端においてダイアフラムの第１主面（１Ａ）に圧力が加わったときに変形するダイアフラムの第２主面（３Ｂ）の領域に接合され、他端において半導体チップの４隅に夫々接続され、第２主面に垂設された４つの第１構造体（２ａ～２ｄ）と、一端において平面視で第２主面におけるダイアフラムの中心（３０）に接合され、他端において平面視で半導体チップの中心（１０）に接合され、第２主面に垂設された第２構造体（２ｅ）とを有することを特徴とする。

Description

圧力センサ

　本発明は、圧力センサに関し、例えばサニタリー用圧力センサに関する。

　一般に、衛生的な配慮が必要な食品や医薬品等の製造現場等で用いられるサニタリー用圧力センサには、耐食性、清浄性、信頼性、および汎用性等に関する厳しい要件を満足することが求められる。

　例えば、耐食性の要件を満足するために、サニタリー用圧力センサの、圧力の測定対象の流体（例えば液体）が接触する接液部分に耐食性の高い材料、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、セラミックス、およびチタン等を用いなければならない。また、清浄性の要件を満足するために、サニタリー用圧力センサは、洗浄しやすいフラッシュダイアフラム構造を有し、且つ蒸気洗浄に対する高い耐熱衝撃性を有していなければならない。また、信頼性の要件を満足するために、サニタリー用圧力センサ、封入剤を使用しない構造（オイルフリー構造）、およびダイアフラムが破れ難い構造（バリア高剛性）を有していなければならない。更に、汎用性の要件を満足するために、サニタリー用圧力センサの、測定対象の流体が流れる配管との接続部分が継手形状でなければならない。

　このように、サニタリー用圧力センサに使用する材料や構造が他の圧力センサに比べて制限されるため、サニタリー用圧力センサの高感度化が容易ではない。例えば、ダイアフラムが破れ難い構造を実現するために、ダイアフラムの膜厚を大きくする（ダイアフラムの厚みに対する径のアスペクト比を小さくする）とダイアフラムの変形量が微小となり、センサ感度が低下するという問題がある。そのため、サニタリー用圧力センサでは、ダイアフラムの微小な変形を精度良く検出するための技術が求められている。

　例えば、特許文献１，２に開示された荷重変換型の圧力センサは、拡散抵抗から成るひずみゲージが形成されたＳｉ等の半導体チップ（ビーム部材）に、ダイアフラムの中心部分の変位のみを伝達し、上記半導体チップの歪に基づくピエゾ抵抗効果による拡散抵抗の抵抗値の変化を検出することでセンサの高感度化を狙っている。

　具体的に、特許文献１、２に開示された従来の荷重変換型の圧力センサでは、平面視長方形状の半導体チップの中心部分をダイアフラムの中心部分において支持するとともに、上記半導体チップの両端を実質的に変動しない位置に固定している。例えば、特許文献１では、短冊状の半導体チップの中心をピボットと呼ばれる棒状部材によってダイアフラムの中心において支持するとともに、半導体チップの長手方向の両端を、絶縁架台を介してダイアフラムの外周縁に形成された厚肉部分に固定している。また、特許文献２では、矩形状の半導体チップの中心をダイアフラムの中心に固定するとともに、半導体チップの長手方向の両端を変動しない台座上に固定している。

特開２００４－４５１４０号公報 特開昭６３－２１７６７１号公報

　ところで、一般に、サニタリー用圧力センサでは、測定対象の流体が流れる配管との接続部分に継手（例えばフェルール継手）が採用されている。
　配管とサニタリー用圧力センサとの接続は、図１７に示すようなクランプと呼ばれる接続部材を用いることによって実現される。具体的には、図１８に示すように、配管２００の継手とサニタリー用圧力センサ３００の継手とが対向して配置される。また、その２つの継手が、クランプ５０のリング状の固定部５１Ａ，５１Ｂによって挟み込まれる。更に、ねじ５２によって固定部５１Ａ，５１Ｂが締め付けられることによって、配管２００とサニタリー用圧力センサ３００とが接続される。

　しかしながら、クランプを用いて配管とサニタリー用圧力センサとを接続した場合、サニタリー用圧力センサのダイアフラムが少なからず変形し、センサ出力のゼロ点（オフセット）がシフトするおそれがある。上記特許文献１，２に開示されているような、平面視長方形の半導体チップを有する圧力センサの場合、クランプを固定することによるゼロ点のシフト量は、クランプを締め付けるねじの位置によってばらつくため、ゼロ点を補正することは容易ではない。

　本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、測定対象の流体が流れる配管と圧力センサとをクランプによって接続したときのセンサ出力のゼロ点のシフト量のばらつきを抑えることにある。

　本発明に係る圧力センサは、測定対象の流体の圧力を受ける第１主面と、第１主面の反対側の第２主面とを有するダイアフラムと、一の面にひずみゲージを構成する複数の抵抗が形成された、平面視正方形状の半導体チップと、第２主面に垂設され、一端において第２主面に加わる圧力よりも大きな圧力が第１主面に加わったときにダイアフラムが変形する第２主面の領域内に接合され、他端において半導体チップの他の面の４隅に夫々接続された４つの第１構造体と、第２主面に垂設され、一端において平面視で第２主面におけるダイアフラムの中心に接合され、他端において平面視で半導体チップの他の面の中心に接合された第２構造体とを有し、複数の抵抗は、平面視で半導体チップと中心を共通にする円の円周上に夫々形成され、上記複数の抵抗は、平面視で半導体チップの中心と半導体チップの夫々の辺の中点とを結ぶ直線上に夫々形成されていることを特徴とする。

　以上説明したことにより、本発明によれば、測定対象の流体が流れる配管と圧力センサとをクランプによって接続したときのセンサ出力のゼロ点のシフト量のばらつきを抑えることが可能となる。

図１は、実施の形態１に係る圧力センサの構成を示す斜視図である。 図２は、実施の形態１に係る圧力センサの構成を示す平面図である。 図３は、実施の形態１に係る圧力センサの構成を示す断面図である。 図４は、実施の形態１に係る圧力センサにおける半導体チップの裏面側の斜視図である。 図５は、ひずみゲージとしてのブリッジ回路の構成を示す図である。 図６は、ひずみゲージを構成する抵抗の半導体チップ上の配置例を示す図である。 図７は、実施の形態１に係る圧力センサにおいてダイアフラムの受圧面に流体からの圧力が加わっていない状態においてクランプを固定するねじの位置を変えたときに半導体チップに発生する応力のシミュレーション結果を示す図である。 図８は、実施の形態１に係る圧力センサと配管とを接続するクランプのねじの固定位置を示す図である。 図９は、比較例としての圧力センサにおいてダイアフラムの受圧面に流体からの圧力が加わっていない状態においてクランプを固定するねじの位置を変えたときに半導体チップに発生する応力のシミュレーション結果を示す図である。 図１０は、比較例としての圧力センサと配管とを接続するクランプのねじの固定位置を示す図である。 図１１は、実施の形態２に係る圧力センサの構成を示す平面図である。 図１２は、実施の形態２に係る圧力センサにおいてダイアフラムの受圧面に流体からの圧力が加わっていない状態においてクランプを固定するねじの位置を変えたときに半導体チップに発生する応力のシミュレーション結果を示す図である。 図１３は、実施の形態３に係る圧力センサの構成を示す斜視図である。 図１４は、実施の形態３に係る圧力センサの構成を示す平面図である。 図１５は、実施の形態３に係る圧力センサにおいてダイアフラムの受圧面に流体からの圧力が加わっていない状態においてクランプを固定するねじの位置を変えたときに半導体チップに発生する応力のシミュレーション結果を示す図である。 図１６は、半導体チップに形成された凹部の別の形状を示す斜視図である。 図１７は、圧力センサと配管とを接続するクランプの平面構造を示す図である。 図１８は、クランプによる圧力センサと配管との接続構造を示す図である。

　先ず、本発明に係る圧力センサの概要について説明する。

　本発明に係る圧力センサ（１００，１０２）は、測定対象の流体の圧力を受ける第１主面（３Ａ）と、第１主面の反対側の第２主面（３Ｂ）とを有するダイアフラム（３）と、一の面（１Ａ）にひずみゲージを構成する複数の抵抗（Ｒ１～Ｒ４）が形成された、平面視正方形状の半導体チップ（１）と、第２主面に垂設され、一端において第２主面に加わる圧力よりも大きな圧力が第１主面に加わったときにダイアフラムが変形する第２主面の領域内に接合され、他端において半導体チップの他の面（１Ｂ）の４隅に夫々接続された４つの第１構造体（２ａ～２ｄ）と、第２主面に垂設され、一端において平面視で第２主面におけるダイアフラムの中心（３０）に接合され、他端において平面視で半導体チップの他の面の中心（１０）に接合された第２構造体（２ｅ）とを有し、複数の抵抗は、平面視で半導体チップと中心を共通にする円（１Ｃ）の円周上に夫々形成され、上記複数の抵抗は、平面視で半導体チップの中心と半導体チップの夫々の辺の中点とを結ぶ直線（１３，１４）上に夫々形成されていることを特徴とする。

　上記圧力センサにおいて、半導体チップは、上記他の面（１Ｂ）に形成された凹部（１Ｃ，１Ｅ）を有し、複数の抵抗は、半導体チップの上記一の面における上記凹部の内側に対応する領域に形成されていてもよい。

　上記圧力センサにおいて、凹部（１Ｃ）は、平面視円形状に形成されていてもよい。

　上記圧力センサにおいて、凹部（１Ｅ）は、平面視矩形状に形成されていてもよい。

　なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の参照符号を括弧を付して記載している。

　以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。なお、以下の説明において、各実施の形態において共通する構成要素には同一の参照符号を付し、それらの構成要素についての繰り返しの説明を省略する。

　≪実施の形態１≫
　図１～３は、実施の形態１に係る圧力センサの構成を示す図である。
　図１には、実施の形態１に係る圧力センサ１００の斜視図が示されている。図２には、図１のＺ方向から見たときの圧力センサ１００の平面構造が示されている。図３には、図２のＡ－Ａ断面における圧力センサ１００の断面構造が示されている。なお、図１では、ハウジング４のみ１８０度の断面構造が示されている。

　図１～３に示される圧力センサ１００は、測定対象の流体の圧力によってダイアフラムが撓んだときのダイアフラムの変位を、ひずみゲージが形成された半導体チップに伝達することにより、上記流体の圧力を検知する装置である。

　具体的に、圧力センサ１００は、半導体チップ１、支持部材２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ、ダイアフラム３、およびハウジング４を含む。なお、図１～３には、圧力センサ１００におけるダイアフラム３の撓みを半導体チップ１に伝達する機構が図示されているが、半導体チップ１から出力される信号を処理する回路等のその他の機能部は省略されている。また、圧力センサ１００は、検知した圧力の値等の各種情報をユーザに提示するための表示部（例えば液晶ディスプレイ）等を更に有していてもよい。

　半導体チップ１、ダイアフラム３、および支持部材２ａ～２ｅは、耐食性の高い金属材料から成るハウジング４に収容されている。ハウジング４は、図１～３に示されるように、筒状に形成されている。ハウジング４の一方の端部４Ａは、測定対象の流体が流れる配管と接続するための継手形状を有している。ハウジング４の内部は、例えば空気で満たされており、内壁４Ｂ側の圧力は例えば大気圧である。

　ダイアフラム３は、測定対象の流体の圧力を受ける膜である。ダイアフラム３は、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、セラミックス、およびチタン等の耐食性の高い材料によって構成され、例えば平面視円形状に形成されている。ダイアフラム３は、半導体チップ１および支持部材２を支持する。

　ダイアフラム３は、ハウジング４の端部４Ａ側に固定され、ハウジング４の端部４Ａの開口部分を塞いでいる。例えば、ダイアフラム３は、その外周縁がハウジング４の端部４Ａ側の内壁４Ｂと隙間なく接合されている。

　ダイアフラム３は、測定対象の流体と接する受圧面（接液面）３Ａと、受圧面３Ａの反対側の面であって半導体チップ１および支持部２を支持する支持面３Ｂとを有している。ダイアフラム３は、支持面３Ｂに加わる圧力（例えば大気圧）よりも大きな圧力が測定対象の流体から受圧面３Ａに加えられることにより、撓む。

　半導体チップ１は、平面視正方形状に形成され、Ｓｉ等の半導体基板から構成されている。半導体チップ１は、半導体チップ１の応力によって発生するひずみを抵抗値の変化として検知するひずみゲージが形成された主面１Ａと、主面１Ａの反対側の面であって、支持部材２が接合される裏面１Ｂとを有している。

　図４は、半導体チップ１の裏面１Ｂ側の斜視図である。
　同図に示されるように、半導体チップ１の裏面１Ｂには、凹部（ザグリ）１Ｃが形成されている。図２～４に示されるように、凹部１Ｃは、半導体チップ１のダイアフラムと対向する面、すなわち半導体チップ１の裏面１Ｂに形成された、半導体チップ１の中心１０を中心点とした平面視円形状の窪みである。

　例えば、平面視円形状の凹部１Ｃの中心、すなわち裏面１Ｂにおける半導体チップ１の中心１０には、半導体チップ１と支持部材２ｅとを接合するための台座１Ｄが形成されている。台座１Ｄは、例えば半導体チップ１と一体形成されている。例えば、半導体チップ１Ｂの裏面１Ｂを裏面１Ｂの中心部分を残して削ることにより、平面視円形状の非貫通孔を形成する。この場合に、削り取られた部分を凹部１Ｃとし、削り残った部分を裏面１Ｂの四隅と同じ高さ（Ｚ軸方向の長さ）を有する台座１Ｄとすることができる。

　支持部材２ａ～２ｅ（総称する場合には、単に「支持部材２」と表記することがある。）は、ダイアフラム３上で半導体チップ１を支持する構造体である。支持部材２は、柱状、例えば角柱状（例えば四角柱状）に形成されている。また、支持部材２は、電気的な絶縁性を有する材料によって構成されている。より好ましくは、支持部材２は、電気的な絶縁性を有し、且つ熱伝導率のより小さい材料によって構成されている。支持部材２の材料としては、ガラス（例えばホウケイ酸ガラス（パイレックス（登録商標）））を例示することができる。

　第１構造体としての支持部材２ａ～２ｄは、支持面３Ｂに夫々垂設されている。具体的には、図１～３に示されるように、支持部材２ａ～２ｄの一端は、支持面３Ｂに加わる圧力よりも大きな圧力が受圧面３Ａに加わったときにダイアフラム３が変形する支持面３Ｂの領域に夫々接合されている。また、支持部材２ａ～２ｄの他端は、半導体チップの裏面１Ｂの４隅に夫々接合されている。

　また、第２構造体としての支持部材２ｅは、支持面３Ｂに垂設されている。具体的には、図１～３に示されるように、支持部材２ｅの一端は、平面視で支持面３Ｂにおけるダイアフラム３の中心３０に接合されている。また、支持部材２ｅの他端は、平面視で半導体チップ１の中心１０に接合されている。より具体的には、支持部材２ｅの他端は、半導体チップ１の裏面１Ｂの凹部１Ｃに形成された台座１Ｄに接合されている。

　なお、支持部材２ｅは、ダイアフラム３の支持面３Ｂにおいて支持部材２ｅの底面の中心とダイアフラム３の中心３０とが一致して設けることが望ましいが、支持部材２ｅの底面の中心がダイアフラム３の中心３０から多少ずれていてもよい。

　支持部材２ａ～２ｅは、例えば、夫々の高さ（Ｚ軸方向の長さ）が等しく形成されている。また、支持部材２ａ～２ｅは、半導体チップ１の主面１Ａとダイアフラム３の支持面３Ｂとが平行となるように、支持面３Ｂにおいて半導体チップ１を支持している。

　次に、実施の形態１に係る圧力センサ１００の動作原理について説明する。
　圧力センサ１００において、ダイアフラム３の受圧面３Ａに支持面３Ｂに加わる圧力（大気圧）よりも大きな圧力が加わるとダイアフラム３が撓む。このとき、支持部材２ｅの一端がダイアフラム３の中心３０に固定されていることから、支持部材２ｅの他端は、Ｚ軸方向に大きく変位するが、Ｘ軸方向およびＹ軸方向にはほとんど変位しない。

　これに対し、支持部材２ａ～２ｄの一端がダイアフラム３の中心３０から離れた位置において支持面３Ｂと略垂直に固定されていることから、支持部材２ａ～２ｄの他端は、Ｚ軸に対して傾く。すなわち、支持部材２ａ～２ｄの他端は、は、Ｚ軸方向の変位のみならず、Ｘ軸およびＹ軸方向にも変位が生じる。より具体的には、支持部材２ａ～２ｄの他端は、は、ダイアフラム３の中心３０（支持部材２ｅ）から離れる方向（ハウジング４の内壁４Ｂに近づく方向）に夫々に傾く。

　これにより、半導体チップ１が外側に引っ張られ、半導体チップ１の内部には引張応力が生じる。すなわち、支持部材２ｅと支持部材２ａ～２ｄとの間のＸ軸方向およびＹ軸方向の夫々の変位差に応じた引張応力が半導体チップ１の内部に発生する。したがって、半導体チップ１における上記引張応力が生じる領域に、上述したひずみゲージ（ブリッジ回路）を構成する抵抗Ｒ１～Ｒ４を適切に形成しておくことにより、測定対象の流体の圧力を高精度に検知することが可能となる。

　次に、半導体チップ１におけるひずみゲージについて具体的に説明する。
　図５に示すように、上記ひずみゲージは、例えば半導体チップ１に形成された４つの抵抗（例えば拡散抵抗）Ｒ１～Ｒ４から成るブリッジ回路１０によって構成されている。圧力センサ１００は、ブリッジ回路１０に一定の電流を流した状態において、半導体チップ１内部に応力が発生したとき、その応力による抵抗Ｒ１～Ｒ４の抵抗値の変化を電圧の変化として検出することにより、測定対象の流体の圧力を測定することができる。

　図６に、抵抗Ｒ１～Ｒ４の半導体チップ１上の配置例を示す。
　抵抗Ｒ１～Ｒ４は、流体の圧力によってダイアフラム３が撓んだときに、半導体チップ１に生じる応力が正（＋）となる領域、すなわち半導体チップ１の内部に引張応力が生じる領域に形成されている。具体的には、抵抗Ｒ１～Ｒ４は、主面１Ａの凹部１Ｃの内側に対応する領域１２内において、半導体チップ１と中心を共通にする円１１の円周上に夫々形成されている。より具体的には、図６に示すように、抵抗Ｒ１～Ｒ４は、平面視で半導体チップ１の中心１０と半導体チップ１の夫々の辺の中点とを結ぶ直線１３，１４上に夫々形成されている。

　ここで、抵抗Ｒ１～Ｒ４は、それらの少なくとも一部が円１１の円周上および上記直線上に形成されていればよい。

　上記の構造を有する圧力センサ１００によれば、測定対象の流体が流れる配管と圧力センサ１００とをクランプによって接続したときのセンサ出力のゼロ点のシフト量のばらつきを抑えることが可能となる。以下、詳細に説明する。

　図７は、実施の形態１に係る圧力センサ１００のダイアフラムの受圧面に流体からの圧力が加わっていない状態においてクランプを固定するねじの位置を変えたときに半導体チップに発生する応力のシミュレーション結果を示す図である。図７において、横軸はダイアフラム３の中心３０を原点とした半導体チップ１のＸ軸方向の位置を表し、縦軸は半導体チップ１に発生する応力の大きさを表している。

　図７には、図１７に示したクランプ５０によって、図１８に示すように圧力センサ１００と配管２００とが接続され、且つダイアフラム３の受圧面３Ａに流体からの圧力が加わっていない状態において、クランプ５０を固定するねじ５２の位置を変えたときの半導体チップ１の応力分布が夫々示されている。

　図７において、参照符号Ｐ１は、クランプ５０のねじ５２が図８に示す位置Ｐ１に固定された場合の半導体チップ１の応力分布を示し、参照符号Ｐ２は、クランプ５０のねじ５２を図８に示す位置Ｐ２に固定した場合の半導体チップ１の応力分布を示し、参照符号Ｐ３は、クランプ５０のねじ５２を図８に示す位置Ｐ３に固定した場合の半導体チップ１の応力分布を示している。

　一方、図９は、圧力センサ１００の比較例として、図１０に示す平面視長方形の半導体チップ１Ｘをダイアフラム３の支持面３Ｂの中心３０付近に配置した圧力センサ３０１において、ダイアフラムの受圧面に流体からの圧力が加わっていない状態でクランプを固定するねじの位置を変えたときに半導体チップ１Ｘに発生する応力のシミュレーション結果を示す図である。図９において、横軸はダイアフラム３の中心３０を原点とした半導体チップ１ＸのＸ軸方向の位置を表し、縦軸は半導体チップ１Ｘに発生する応力の大きさを表している。

　図９には、図１７に示したクランプ５０によって図１８に示すように圧力センサ３０１と配管２００とが接続され、ダイアフラム３の受圧面３Ａに流体からの圧力が加わっていない状態において、クランプ５０を固定するねじ５２の位置を変えたときの半導体チップ１の応力分布が夫々示されている。図９において、参照符号Ｐ１は、クランプ５０のねじ５２を図１０に示す位置Ｐ１に固定した場合の半導体チップ１Ｘの応力分布を示している。参照符号Ｐ２は、クランプ５０のねじ５２を図１０に示す位置Ｐ２に固定した場合の半導体チップ１Ｘの応力分布を示している。参照符号Ｐ３は、クランプ５０のねじ５２を図１０に示す位置Ｐ３に固定した場合の半導体チップ１Ｘの応力分布を示している。

　先ず、長方形状の半導体チップ１Ｘを備える圧力センサ３０１の場合、図９に示すように、クランプ５０のねじ５２の締め付け位置によって応力分布の傾向が大きく変わることが理解される。その結果、圧力センサ３０１のセンサ出力のゼロ点のシフト量がねじ５２の位置によって大きくばらつくため、圧力センサ３０１を使用する場合には、クランプ５０をねじ５２で締め付ける最適な位置を指定しなければならない。

　これに対し、実施の形態１に係る圧力センサ１００の場合、図７に示すように、クランプ５０のねじ５２の締め付け位置によって応力分布の傾向はほとんど変わらない。また、発生応力の絶対値のばらつきも、上記比較例の圧力センサ３０１に比べて小さくなる。したがって、実施の形態１に係る圧力センサ１００によれば、従来の長方形状の半導体チップを有する圧力センサに比べて、クランプ５０のねじ５２の締め付け位置によるセンサ出力のゼロ点のシフト量のばらつきを低減することができる。

　以上、実施の形態１に係る圧力センサ１００は、半導体チップを平面視正方形状とし、ダイアフラム３の支持面３Ｂの中心において半導体チップ１の中心１０と４隅を支持部材２ａ～２ｅによって夫々支持する構造を有している。この構造によれば、半導体チップ１の適切な位置にひずみゲージを構成する抵抗Ｒ１～Ｒ４を形成することにより、圧力センサ１００と配管２００とを接続するためのクランプ５０のねじ５２の締め付け位置に依存する半導体チップ１の発生応力のばらつきを抑えることが可能となる。例えば、抵抗Ｒ１～Ｒ４を平面視で半導体チップ１と中心を共通にする円１１の円周上に夫々形成することにより、上記ばらつきを効果的に抑えることができる。
　これにより、従来の長方形状の半導体チップを有する圧力センサに比べて、クランプ５０のねじ５２の締め付け位置によるセンサ出力のゼロ点のシフト量のばらつきを低減することが可能となる。

　特に、抵抗Ｒ１～Ｒ４を平面視で半導体チップ１の中心１０と半導体チップ１０の夫々の辺の中点とを結ぶ直線上に夫々形成することにより、ねじ５２の締め付け位置に依存する半導体チップ１の発生応力のばらつきを効果的に低減することができる。これにより、センサ出力のゼロ点のシフト量のばらつきの更なる低減が可能となる。

　また、半導体チップ１の裏面１Ｂに凹部１Ｃを設け、抵抗Ｒ１～Ｒ４を平面視で凹部１Ｃの内側の領域に形成することにより、ダイアフラム３の受圧面３Ａに加わる圧力に対する圧力センサ１００のセンサ感度を更に高めることができる。

　≪実施の形態２≫
　図１１は、実施の形態２に係る圧力センサの構成を示す図である。
　図１１には、図２と同様に実施の形態２に係る圧力センサ１０１の平面構造が示されている。なお、図１１では、ダイアフラム３およびハウジング４の図示を省略している。

　実施の形態２に係る圧力センサ１０１は、ひずみゲージを構成する抵抗Ｒ１～Ｒ４が形成される位置が異なる点において、実施の形態１に係る圧力センサ１００と相違し、その他の点においては、実施の形態１に係る圧力センサと同様である。

　図１１に示されるように、ひずみゲージを構成する抵抗Ｒ１～Ｒ４は、半導体チップ１ａにおいて、平面視で半導体チップ１ａの対角線上に夫々形成されている。具体的に、抵抗Ｒ１～Ｒ４は、平面視で半導体チップ１ａの中心１０と半導体チップの４隅とを夫々結ぶ直線上に夫々形成されている。

　ここで、抵抗Ｒ１～Ｒ４は、それらの少なくとも一部が上記直線上に形成されていればよい。

　図１２は、実施の形態２に係る圧力センサ１０１のダイアフラムの受圧面に流体からの圧力が加わっていない状態においてクランプを固定するねじの位置を変えたときに半導体チップ１ａに発生する応力のシミュレーション結果である。図１２において、横軸はダイアフラム３の中心３０を原点とした半導体チップ１ａの対角線方向（中心１０と半導体チップ１の四隅とを結ぶ直線方向）の位置を表し、縦軸は半導体チップ１ａに発生する応力の大きさを表している。

　また、図１２において、参照符号Ｐ１～Ｐ３は、図８と同様に、ダイアフラム３の受圧面３Ａに流体からの圧力が加わっていない状態において、クランプ５０のねじ５２を位置Ｐ１～Ｐ３に夫々固定した場合の半導体チップ１ａの応力分布を示している。

　実施の形態２に係る圧力センサ１０１によれば、図１２に示すように、クランプ５０のねじ５２の締め付け位置に関わらず、応力分布の傾向および応力の絶対値が略同一となる。したがって、実施の形態２に係る圧力センサ１０１によれば、従来の長方形状の半導体チップを有する圧力センサに比べて、クランプ５０のねじ５２の締め付け位置によるセンサ出力のゼロ点のシフト量のばらつきを更に低減することができる。

　≪実施の形態３≫
　図１３，１４は、実施の形態３に係る圧力センサの構成を示す図である。
　図１３には、実施の形態３に係る圧力センサ１０２の斜視図が示されている。図１４には、Ｚ方向から見たときの実施の形態３に係る圧力センサ１０２の平面構造が示されている。なお、図１３および図１４では、ダイアフラム３およびハウジング４の図示が省略されている。

　実施の形態３に係る圧力センサ１０２は、半導体チップ１ｂの裏面１Ｂに凹部１Ｃが形成されていない点において、実施の形態２に係る圧力センサ１０１と相違し、その他の点においては、実施の形態２に係る圧力センサ１０１と同様である。

　図１３に示されるように、圧力センサ１０２における半導体チップ１ｂは、凹部１Ｃを有さず、平面の裏面１Ｂを有する。また、図１４に示されるように、圧力センサ１０２のひずみゲージを構成する抵抗Ｒ１～Ｒ４は、実施の形態２に係る圧力センサ１０１と同様に、平面視で半導体チップ１ｂの中心１０と半導体チップ１ｂの４隅とを夫々結ぶ直線上に夫々形成されている。

　図１５は、実施の形態３に係る圧力センサ１０２のダイアフラムの受圧面に流体からの圧力が加わっていない状態においてクランプを固定するねじの位置を変えたときに半導体チップ１ｂに発生する応力のシミュレーション結果である。図１５において、横軸はダイアフラム３の中心３０を原点とした半導体チップ１ｂの対角線方向（中心１０と半導体チップ１ｂの四隅とを結ぶ直線方向）の位置を表し、縦軸は半導体チップ１ｂに発生する応力の大きさを表している。

　また、図１５において、参照符号Ｐ１～Ｐ３は、図９と同様に、ダイアフラム３の受圧面３Ａに流体からの圧力が加わっていない状態においてクランプ５０のねじ５２を位置Ｐ１～Ｐ３に夫々固定した場合の半導体チップ１ｂの応力分布を夫々示している。

　実施の形態３に係る圧力センサ１０２によれば、図１５に示すように、クランプ５０のねじ５２の締め付け位置に関わらず、応力分布の傾向および応力の絶対値が略同一となる。したがって、実施の形態３に係る圧力センサ１０２によれば、凹部１Ｃを有する実施の形態２に係る圧力センサ１０１と同様に、クランプ５０のねじ５２の締め付け位置によるセンサ出力のゼロ点のシフト量のばらつきを大幅に低減することができる。

　以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。

　例えば、実施の形態１，２において、半導体チップ１，１ａの裏面１Ｂに形成される凹部１Ｃが平面視円形状である場合を例示したが、凹部１Ｃの平面視の形状に特に制限はない。例えば、図１６に示す圧力センサ１０３のように、平面視四角形状の凹部１Ｅを形成してもよい。

　また、実施の形態１，２において、支持部材２ｅを台座１Ｄを介して半導体チップ１，１ａに接合する場合を例示したが、これに限られない。例えば、台座１Ｄを設けることなく、支持部材２ｅが半導体チップ１，１ａの裏面における中心１０に直接接合されてもよい。この場合には、半導体チップ１をダイアフラム３上に固定したときに半導体チップ１の主面１Ａとダイアフラム３の支持面３Ｂとが平行になるように、支持部材２ｅのＺ軸方向の長さを支持部材２ａ～２ｄのＺ軸方向の長さよりも長くする必要がある。

　また、上記実施の形態において、支持部材２ａ～２ｅおよび台座１Ｄが角柱状である場合を例示したが、支持部材２ａ～２ｅおよび台座１Ｄは例えば円柱状であってもよい。

　また、上記実施の形態において、ひずみゲージを構成する抵抗Ｒ１～Ｒ４の配置例として、半導体チップ１と共通の中心を有する円１１の円周上に抵抗Ｒ１～Ｒ４を夫々配置する場合を示したが、これに限られない。すなわち、抵抗Ｒ１～Ｒ４は、ねじ５２の締め付け位置に依存する半導体チップ１の発生応力の変動の少ない位置に形成されていればよく、上記円周上に形成する場合に限定されるものではない。

　例えば図６において、抵抗Ｒ１～Ｒ４は、直線１３または直線１４の上に形成されていればよく、中心１０から各抵抗Ｒ１～Ｒ４までの夫々の距離が一致していなくてもよい。
　具体的には、抵抗Ｒ１～Ｒ４は、直線１３または直線１４の上に一直線上に形成されていてもよい。これによれば、従来のように半導体チップ１を平面視長方形状に形成した場合に比べて、クランプ５０のねじ５２の締め付け位置によるセンサ出力のゼロ点のシフト量のばらつきを低減することができる。

　また、上記実施の形態において、円１１の径の長さは、図６に示した長さに限定されるものではなく、要求される性能等に応じて変更可能であることは言うまでもない。

　本発明に係る圧力センサは、例えばサニタリー用圧力センサ等の様々な用途に適用できる。

　１００，１０１，１０２，１０３…圧力センサ、１，１ａ，１ｂ…半導体チップ、１Ａ…半導体チップの主面、１Ｂ…半導体チップの裏面、１Ｃ…凹部、１Ｄ，１Ｅ…台座、１０…半導体チップの中心、支持部材…２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ、３…ダイアフラム、３Ａ…受圧面、３Ｂ…支持面、３０…ダイアフラムの中心、４…ハウジング、４Ａ…ハウジングの端部、４Ｂ…ハウジングの内壁、Ｒ１～Ｒ４…抵抗。

Claims (4)

1. 　測定対象の流体の圧力を受ける第１主面と、前記第１主面の反対側の第２主面とを有するダイアフラムと、
   　一の面にひずみゲージを構成する複数の抵抗を有する、平面視正方形状の半導体チップと、
   　前記第２主面に垂設され、一端において前記第２主面に加わる圧力よりも大きな圧力が前記第１主面に加わったときに前記ダイアフラムが変形する前記第２主面の領域内に接合され、他端において前記半導体チップの他の面の４隅に夫々接続された４つの第１構造体と、
   　前記第２主面に垂設され、一端において平面視で前記第２主面における前記ダイアフラムの中心に接合され、他端において平面視で前記半導体チップの他の面の中心に接合された第２構造体と、を有し、
   　前記複数の抵抗は、平面視で前記半導体チップと中心を共通にする円の円周上に夫々形成され、
   　前記複数の抵抗は、平面視で前記半導体チップの中心と前記半導体チップの夫々の辺の中点とを結ぶ直線上に夫々形成されている
   　ことを特徴とする圧力センサ。
2. 　請求項１に記載の圧力センサにおいて、
   　前記半導体チップは、前記他の面に形成された凹部を有し、
   　前記複数の抵抗は、前記半導体チップの前記一の面における前記凹部の内側に対応する領域内に形成されている
   　ことを特徴とする圧力センサ。
3. 　請求項２に記載の圧力センサにおいて、
   　前記凹部は、平面視円形状に形成されている
   　ことを特徴とする圧力センサ。
4. 　請求項２に記載の圧力センサにおいて、
   　前記凹部は、平面視矩形状に形成されている
   　ことを特徴とする圧力センサ。

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