JP2000241273A - 圧力検出装置 - Google Patents
圧力検出装置Info
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- JP2000241273A JP2000241273A JP11045348A JP4534899A JP2000241273A JP 2000241273 A JP2000241273 A JP 2000241273A JP 11045348 A JP11045348 A JP 11045348A JP 4534899 A JP4534899 A JP 4534899A JP 2000241273 A JP2000241273 A JP 2000241273A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 受圧用金属ダイヤフラムの一面側にピエゾ抵
抗素子を形成した単結晶半導体チップを接合してなる圧
力検出装置において、検出感度の温度特性を向上させ
る。 【解決手段】 圧力検出装置１００は、円形のダイヤフ
ラム面１０を有する金属ステム２０と、一面３１側がダ
イヤフラム面１０の一面１１側に接着された単結晶半導
体チップ３０とを備え、ダイヤフラム面１０の他面１２
側に圧力媒体を導入し、ダイヤフラム面１０および単結
晶半導体チップ３０の変形に基づき圧力検出を行うよう
になっている。単結晶半導体チップ３０の面方位は（１
００）面であり、単結晶半導体チップ３０の他面３２側
には相直交する＜１１０＞結晶軸方向に沿って各々２個
のピエゾ抵抗素子５１〜５４が配置され、該４個のピエ
ゾ抵抗素子５１〜５４はダイヤフラム面１０の中心Ｋに
対する円周上に配置されている。
抗素子を形成した単結晶半導体チップを接合してなる圧
力検出装置において、検出感度の温度特性を向上させ
る。 【解決手段】 圧力検出装置１００は、円形のダイヤフ
ラム面１０を有する金属ステム２０と、一面３１側がダ
イヤフラム面１０の一面１１側に接着された単結晶半導
体チップ３０とを備え、ダイヤフラム面１０の他面１２
側に圧力媒体を導入し、ダイヤフラム面１０および単結
晶半導体チップ３０の変形に基づき圧力検出を行うよう
になっている。単結晶半導体チップ３０の面方位は（１
００）面であり、単結晶半導体チップ３０の他面３２側
には相直交する＜１１０＞結晶軸方向に沿って各々２個
のピエゾ抵抗素子５１〜５４が配置され、該４個のピエ
ゾ抵抗素子５１〜５４はダイヤフラム面１０の中心Ｋに
対する円周上に配置されている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、受圧用金属ダイヤ
フラムを有し、例えば１ＭＰａ以上の高圧媒体の圧力を
検出するのに適した圧力検出装置に関し、特に感度の温
度特性向上に関する。
フラムを有し、例えば１ＭＰａ以上の高圧媒体の圧力を
検出するのに適した圧力検出装置に関し、特に感度の温
度特性向上に関する。
【０００２】
【従来の技術】この種の圧力検出装置としては、特公平
７−１１４６１号公報に記載のものが提案されている。
これは、受圧用の金属ダイヤフラムを有するステムを有
し、ピエゾ抵抗素子（半導体歪みゲージ）が形成された
（１１０）面方位を持つ単結晶半導体チップを、該ダイ
ヤフラムの一面側に接合したものである。
７−１１４６１号公報に記載のものが提案されている。
これは、受圧用の金属ダイヤフラムを有するステムを有
し、ピエゾ抵抗素子（半導体歪みゲージ）が形成された
（１１０）面方位を持つ単結晶半導体チップを、該ダイ
ヤフラムの一面側に接合したものである。
【０００３】そして、該ダイヤフラムの他面側に圧力媒
体を導入したときに、該ダイヤフラムおよび該チップの
変形に基づき、ピエゾ抵抗素子の抵抗値変化を検出する
ことにより、圧力検出が行われる。このものによれば、
金属ダイヤフラムを用いているためダイヤフラム強度が
大きく、例えば１ＭＰａ以上の高圧媒体に対しても圧力
検出が可能である。
体を導入したときに、該ダイヤフラムおよび該チップの
変形に基づき、ピエゾ抵抗素子の抵抗値変化を検出する
ことにより、圧力検出が行われる。このものによれば、
金属ダイヤフラムを用いているためダイヤフラム強度が
大きく、例えば１ＭＰａ以上の高圧媒体に対しても圧力
検出が可能である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
者等の検討によれば、上記従来公報記載の圧力検出装置
を、車両におけるエンジンの燃料噴射圧制御やブレーキ
圧制御等に用いた場合、使用温度範囲が広く（例えば−
４０℃〜１４０℃）、感度（検出感度）の温度特性に大
きな誤差を生じ、実用上問題となることがわかった。
者等の検討によれば、上記従来公報記載の圧力検出装置
を、車両におけるエンジンの燃料噴射圧制御やブレーキ
圧制御等に用いた場合、使用温度範囲が広く（例えば−
４０℃〜１４０℃）、感度（検出感度）の温度特性に大
きな誤差を生じ、実用上問題となることがわかった。
【０００５】図７は検出の温度と感度との関係を示す一
例であるが、例えばこの図に示す様に、感度は、室温に
比較して低温及び高温で低くなり、温度特性の挙動は二
次的な変化を示す。このような温度特性であると、回路
の面から感度の温度補正をすることが困難であるため、
温度特性は一次的な変化を示すことが要求される。即
ち、図７に示す様に、実際の温度特性が一次的変化を示
すと想定した場合（二点鎖線で図示）の温度特性との差
（ＴＮＳという）を０に近づけることが好ましい。
例であるが、例えばこの図に示す様に、感度は、室温に
比較して低温及び高温で低くなり、温度特性の挙動は二
次的な変化を示す。このような温度特性であると、回路
の面から感度の温度補正をすることが困難であるため、
温度特性は一次的な変化を示すことが要求される。即
ち、図７に示す様に、実際の温度特性が一次的変化を示
すと想定した場合（二点鎖線で図示）の温度特性との差
（ＴＮＳという）を０に近づけることが好ましい。
【０００６】本発明は上記問題に鑑み、受圧用金属ダイ
ヤフラムの一面側にピエゾ抵抗素子を形成した単結晶半
導体チップを接合してなる圧力検出装置において、検出
感度の温度特性を向上させることを目的とする。
ヤフラムの一面側にピエゾ抵抗素子を形成した単結晶半
導体チップを接合してなる圧力検出装置において、検出
感度の温度特性を向上させることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、検出感度
の温度特性について、以下に述べるように、単結晶半導
体チップの結晶構造及びピエゾ抵抗素子の配置等の観点
から鋭意検討を行った。その結果、上記した従来のもの
では、（１１０）面方位を持つ単結晶半導体チップを用
いているが故に、感度の温度特性に大きな誤差を生じ上
記ＴＮＳが大きくなることがわかった。
の温度特性について、以下に述べるように、単結晶半導
体チップの結晶構造及びピエゾ抵抗素子の配置等の観点
から鋭意検討を行った。その結果、上記した従来のもの
では、（１１０）面方位を持つ単結晶半導体チップを用
いているが故に、感度の温度特性に大きな誤差を生じ上
記ＴＮＳが大きくなることがわかった。
【０００８】図４は（１１０）面方位を持つ半導体チッ
プＪ１を示すものであるが、（１１０）面には、その構
造上、相直交する２つの結晶軸＜１１０＞と＜１００＞
とが存在する。ここで、＜１１０＞結晶軸方向に発生す
る応力の感度は、＜１００＞結晶軸方向に発生する応力
の感度と比べてピエゾ抵抗係数が非常に大きい（例えば
約５０倍程度）ため、（１１０）面における応力検出に
おいては、＜１１０＞結晶軸方向に発生する応力を用い
ることになる。
プＪ１を示すものであるが、（１１０）面には、その構
造上、相直交する２つの結晶軸＜１１０＞と＜１００＞
とが存在する。ここで、＜１１０＞結晶軸方向に発生す
る応力の感度は、＜１００＞結晶軸方向に発生する応力
の感度と比べてピエゾ抵抗係数が非常に大きい（例えば
約５０倍程度）ため、（１１０）面における応力検出に
おいては、＜１１０＞結晶軸方向に発生する応力を用い
ることになる。
【０００９】ところで、＜１１０＞結晶軸方向に発生す
る応力分布は、図４に示す様に、チップＪ１の中心Ｋか
ら外周部にかけて低くなっている。そして、（１１０）
面においては＜１１０＞は１方向しか存在しないため、
より感度の高い結晶軸に対してより高い出力を得ようと
すると、必然的に、図４に示す様なピエゾ抵抗素子（ゲ
ージＣ１、Ｃ２、Ｓ１、Ｓ２）の配置となる。
る応力分布は、図４に示す様に、チップＪ１の中心Ｋか
ら外周部にかけて低くなっている。そして、（１１０）
面においては＜１１０＞は１方向しか存在しないため、
より感度の高い結晶軸に対してより高い出力を得ようと
すると、必然的に、図４に示す様なピエゾ抵抗素子（ゲ
ージＣ１、Ｃ２、Ｓ１、Ｓ２）の配置となる。
【００１０】つまり、＜１１０＞結晶軸方向に沿ってチ
ップＪ１の中心寄りに配置したセンターゲージＣ１、Ｃ
２と、該センターゲージよりも外側に配置したサイドゲ
ージＳ１、Ｓ２とを設け、これら４個のゲージでブリッ
ジ回路を構成して＜１１０＞結晶軸方向に発生する応力
を検出する。センターゲージＣ１、Ｃ２における応力を
σC 、サイドゲージＳ１、Ｓ２における応力をσS 、と
すると、出力ｅは両応力σC 、σS の和に比例（ｅ∝
（σC ＋σS ））する。
ップＪ１の中心寄りに配置したセンターゲージＣ１、Ｃ
２と、該センターゲージよりも外側に配置したサイドゲ
ージＳ１、Ｓ２とを設け、これら４個のゲージでブリッ
ジ回路を構成して＜１１０＞結晶軸方向に発生する応力
を検出する。センターゲージＣ１、Ｃ２における応力を
σC 、サイドゲージＳ１、Ｓ２における応力をσS 、と
すると、出力ｅは両応力σC 、σS の和に比例（ｅ∝
（σC ＋σS ））する。
【００１１】ここで、（１１０）面方位を持つ半導体チ
ップを用いた従来構造における感度の温度特性の誤差
は、各ゲージの配置の不均等が主原因と考えられる。つ
まり、図４に示す様に、センターゲージＣ１、Ｃ２とサ
イドゲージＳ１、Ｓ２とを発生応力の異なる位置に設け
ざるを得ないため、ゲージの設置箇所によっては、温度
変化に伴うチップの変形（膨張、収縮等）の度合や発生
応力の変化度合が異なる等、ゲージ毎の熱的な誤差が大
きく、そのため、感度の温度特性に大きな誤差を生じる
と考えられる。
ップを用いた従来構造における感度の温度特性の誤差
は、各ゲージの配置の不均等が主原因と考えられる。つ
まり、図４に示す様に、センターゲージＣ１、Ｃ２とサ
イドゲージＳ１、Ｓ２とを発生応力の異なる位置に設け
ざるを得ないため、ゲージの設置箇所によっては、温度
変化に伴うチップの変形（膨張、収縮等）の度合や発生
応力の変化度合が異なる等、ゲージ毎の熱的な誤差が大
きく、そのため、感度の温度特性に大きな誤差を生じる
と考えられる。
【００１２】また、チップの外周形状を単純な円形や矩
形ではなく、ゲージ毎の熱的な誤差を低減するように工
夫することも考えられるが、そのための形状設計が難し
く、また、複雑な形状であるとチップの切り出しが難し
くなる等、製造上の困難も予想される。従って、必然的
に上記のピエゾ抵抗素子配置となる従来構造では、検出
感度の温度特性を向上させることは困難である。
形ではなく、ゲージ毎の熱的な誤差を低減するように工
夫することも考えられるが、そのための形状設計が難し
く、また、複雑な形状であるとチップの切り出しが難し
くなる等、製造上の困難も予想される。従って、必然的
に上記のピエゾ抵抗素子配置となる従来構造では、検出
感度の温度特性を向上させることは困難である。
【００１３】そこで、本発明者等は、（１００）面方位
を持つ単結晶半導体チップを用いた構造について検討を
行った。図３は（１００）面方位を持つ半導体チップ３
０を示すものであるが、（１００）面には、その構造
上、＜１１０＞結晶軸が相直交して存在する。ここで、
図３に示す様に、一方の＜１１０＞結晶軸方向をＸ方
向、他方の＜１１０＞結晶軸方向をＹ方向とする。
を持つ単結晶半導体チップを用いた構造について検討を
行った。図３は（１００）面方位を持つ半導体チップ３
０を示すものであるが、（１００）面には、その構造
上、＜１１０＞結晶軸が相直交して存在する。ここで、
図３に示す様に、一方の＜１１０＞結晶軸方向をＸ方
向、他方の＜１１０＞結晶軸方向をＹ方向とする。
【００１４】そして、該半導体チップ３０においては、
図３に示す様に、それぞれの＜１１０＞結晶軸方向に沿
って一対のピエゾ抵抗素子（ゲージ５１〜５４）が配置
される。つまり、チップ３０の（１００）面に、Ｘ方向
に沿って位置する一対のゲージ５１、５２とＹ方向に沿
って位置する一対のゲージ５３、５４とを配置し、これ
ら４個のゲージでブリッジ回路を構成する。
図３に示す様に、それぞれの＜１１０＞結晶軸方向に沿
って一対のピエゾ抵抗素子（ゲージ５１〜５４）が配置
される。つまり、チップ３０の（１００）面に、Ｘ方向
に沿って位置する一対のゲージ５１、５２とＹ方向に沿
って位置する一対のゲージ５３、５４とを配置し、これ
ら４個のゲージでブリッジ回路を構成する。
【００１５】その検出原理は、Ｘ方向の発生応力を
σXX、Ｙ方向の発生応力をσYY、とすると、各ゲージ５
１〜５４における出力ｅは、σXXとσYYの差Ｄの絶対値
に比例（ｅ∝｜σXX−σYY｜）し、検出が成される。こ
のような検出原理を有する（１００）面方位を持つチッ
プにおいては、従来の（１１０）面のチップのように、
各ゲージを応力分布の異なる箇所に設置する必要はな
い。
σXX、Ｙ方向の発生応力をσYY、とすると、各ゲージ５
１〜５４における出力ｅは、σXXとσYYの差Ｄの絶対値
に比例（ｅ∝｜σXX−σYY｜）し、検出が成される。こ
のような検出原理を有する（１００）面方位を持つチッ
プにおいては、従来の（１１０）面のチップのように、
各ゲージを応力分布の異なる箇所に設置する必要はな
い。
【００１６】本発明者等は、以上の知見により、ブリッ
ジを組む４個のゲージを、すべてチップの（１００）面
における応力分布の等しい位置に均等配置すれば、ゲー
ジ毎に、温度変化に伴うチップの変形の度合や発生応力
の変化度合が異なるといった熱的な誤差を低減できると
考えた。そして、この着眼点に基づき鋭意検討した結
果、図５に示す様に、該均等配置構成により、従来構造
に比べて上記ＴＮＳを低減できることを実験的に確認す
ることができた。
ジを組む４個のゲージを、すべてチップの（１００）面
における応力分布の等しい位置に均等配置すれば、ゲー
ジ毎に、温度変化に伴うチップの変形の度合や発生応力
の変化度合が異なるといった熱的な誤差を低減できると
考えた。そして、この着眼点に基づき鋭意検討した結
果、図５に示す様に、該均等配置構成により、従来構造
に比べて上記ＴＮＳを低減できることを実験的に確認す
ることができた。
【００１７】請求項１記載の発明は、上記検討に基づい
て成されたものであり、円形のダイヤフラム面を有する
金属ステムと、一面側が該ダイヤフラム面の一面側に接
着された単結晶半導体チップとを備える圧力検出装置で
あって、該単結晶半導体チップの面方位が（１００）面
であり、該単結晶半導体チップの他面側において２本の
＜１１０＞結晶軸方向に沿ってそれぞれ２個のピエゾ抵
抗素子を配置し、これら４個のピエゾ抵抗素子を該ダイ
ヤフラム面の中心に対する円周上に配置したことを特徴
としている。
て成されたものであり、円形のダイヤフラム面を有する
金属ステムと、一面側が該ダイヤフラム面の一面側に接
着された単結晶半導体チップとを備える圧力検出装置で
あって、該単結晶半導体チップの面方位が（１００）面
であり、該単結晶半導体チップの他面側において２本の
＜１１０＞結晶軸方向に沿ってそれぞれ２個のピエゾ抵
抗素子を配置し、これら４個のピエゾ抵抗素子を該ダイ
ヤフラム面の中心に対する円周上に配置したことを特徴
としている。
【００１８】本発明のように、単結晶半導体チップにお
ける円形のダイヤフラム面に対応した領域では、図３に
示す様な応力分布となるから、ブリッジを組む４個のピ
エゾ抵抗素子を該ダイヤフラム面の中心に対する円周上
に配置することで、検出可能とできるとともに、４個の
ピエゾ抵抗素子をすべて（１００）面における応力分布
の等しい位置に均等配置できる。
ける円形のダイヤフラム面に対応した領域では、図３に
示す様な応力分布となるから、ブリッジを組む４個のピ
エゾ抵抗素子を該ダイヤフラム面の中心に対する円周上
に配置することで、検出可能とできるとともに、４個の
ピエゾ抵抗素子をすべて（１００）面における応力分布
の等しい位置に均等配置できる。
【００１９】従って、本発明によれば、各ピエゾ抵抗素
子毎に、温度変化に伴うチップの変形の度合や発生応力
の変化度合等を同程度にでき、熱的な誤差を低減できる
ため、検出感度の温度特性を向上させることができる。
ここで、単結晶半導体チップは、請求項２記載の発明の
ように、その全体が均一な肉厚の平面形状を成すものに
できる。
子毎に、温度変化に伴うチップの変形の度合や発生応力
の変化度合等を同程度にでき、熱的な誤差を低減できる
ため、検出感度の温度特性を向上させることができる。
ここで、単結晶半導体チップは、請求項２記載の発明の
ように、その全体が均一な肉厚の平面形状を成すものに
できる。
【００２０】また、ダイヤフラム強度の大きい金属ダイ
ヤフラムを有する請求項１及び２に記載の圧力検出装置
においては、圧力媒体の圧力が１ＭＰａ以上２００ＭＰ
ａ以下の高圧に対しても適用可能であることを実験的に
確認している（図５参照）。なお、上記した括弧内の符
号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係
を示す一例である。
ヤフラムを有する請求項１及び２に記載の圧力検出装置
においては、圧力媒体の圧力が１ＭＰａ以上２００ＭＰ
ａ以下の高圧に対しても適用可能であることを実験的に
確認している（図５参照）。なお、上記した括弧内の符
号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係
を示す一例である。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
について説明する。図１に本発明の実施形態に係る圧力
検出装置１００を示す。この圧力検出装置１００は車両
におけるエンジンの燃料噴射圧制御やブレーキ圧制御等
に用いられる。図１において、（ａ）は圧力検出装置１
００における単結晶半導体チップ（センサチップ）３０
の平面方向からみた図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図
である。
について説明する。図１に本発明の実施形態に係る圧力
検出装置１００を示す。この圧力検出装置１００は車両
におけるエンジンの燃料噴射圧制御やブレーキ圧制御等
に用いられる。図１において、（ａ）は圧力検出装置１
００における単結晶半導体チップ（センサチップ）３０
の平面方向からみた図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図
である。
【００２２】圧力検出装置１００は、円形のダイヤフラ
ム面１０を有する金属ステム２０と、一面３１側がダイ
ヤフラム面１０の一面１１側に接着された単結晶半導体
チップ（以下、半導体チップという）３０とを備え、ダ
イヤフラム面１０の他面１２側にエンジンの燃料噴射圧
力等に応じた圧力媒体（気体、液体等）を導入し、ダイ
ヤフラム面１０および半導体チップ３０の変形に基づき
圧力検出を行うようにしたものである。
ム面１０を有する金属ステム２０と、一面３１側がダイ
ヤフラム面１０の一面１１側に接着された単結晶半導体
チップ（以下、半導体チップという）３０とを備え、ダ
イヤフラム面１０の他面１２側にエンジンの燃料噴射圧
力等に応じた圧力媒体（気体、液体等）を導入し、ダイ
ヤフラム面１０および半導体チップ３０の変形に基づき
圧力検出を行うようにしたものである。
【００２３】金属ステム２０は切削等により形成された
中空円筒形状を成し、ガラスと熱膨張率が同程度である
Ｆｉ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金であるコバール等により構成さ
れている。金属ステム２０においては、一端側にダイヤ
フラム面１０が形成され、図示しない他端側から、図１
（ｂ）中の白抜き矢印に示す様に、圧力媒体が導入さ
れ、ダイヤフラム面１０の他面１２に圧力が印加される
ようになっている。
中空円筒形状を成し、ガラスと熱膨張率が同程度である
Ｆｉ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金であるコバール等により構成さ
れている。金属ステム２０においては、一端側にダイヤ
フラム面１０が形成され、図示しない他端側から、図１
（ｂ）中の白抜き矢印に示す様に、圧力媒体が導入さ
れ、ダイヤフラム面１０の他面１２に圧力が印加される
ようになっている。
【００２４】ここで、金属ステム２０の寸法の一例を示
すと、円筒の外径は６．５ｍｍ、円筒の内径は２．５ｍ
ｍ、ダイヤフラム面１０の肉厚は、例えば２０ＭＰａの
測定に際しては０．６５ｍｍ、２００ＭＰａの測定に際
しては１．４０ｍｍである。ダイヤフラム面１０の一面
１１に接着された半導体チップ３０は、面方位が（１０
０）面であり且つ全体が均一な肉厚の平面形状を成す単
結晶シリコン基板よりなり、その一面３１が低融点ガラ
ス等よりなるガラス層４０により、ダイヤフラム面１０
の一面１１に固定されている。
すと、円筒の外径は６．５ｍｍ、円筒の内径は２．５ｍ
ｍ、ダイヤフラム面１０の肉厚は、例えば２０ＭＰａの
測定に際しては０．６５ｍｍ、２００ＭＰａの測定に際
しては１．４０ｍｍである。ダイヤフラム面１０の一面
１１に接着された半導体チップ３０は、面方位が（１０
０）面であり且つ全体が均一な肉厚の平面形状を成す単
結晶シリコン基板よりなり、その一面３１が低融点ガラ
ス等よりなるガラス層４０により、ダイヤフラム面１０
の一面１１に固定されている。
【００２５】ここで、半導体チップ３０の寸法の一例を
示すと、３．５６ｍｍ×３．５６ｍｍの正方形状で、肉
厚は０．２ｍｍである。また、ガラス層４０の厚さは
０．０６ｍｍである。また、半導体チップ３０の他面３
２側には、４個のピエゾ抵抗素子である長方形状のゲー
ジ５１〜５４が配設されている。上述のように、（１０
０）面方位を有する半導体チップ３０には、その構造
上、＜１１０＞結晶軸が相直交して存在する。ここで、
図１（ａ）に示す様に、一方（Ａ−Ａ断面線と一致する
方）の＜１１０＞結晶軸方向をＸ方向、他方の＜１１０
＞結晶軸方向をＹ方向とする。
示すと、３．５６ｍｍ×３．５６ｍｍの正方形状で、肉
厚は０．２ｍｍである。また、ガラス層４０の厚さは
０．０６ｍｍである。また、半導体チップ３０の他面３
２側には、４個のピエゾ抵抗素子である長方形状のゲー
ジ５１〜５４が配設されている。上述のように、（１０
０）面方位を有する半導体チップ３０には、その構造
上、＜１１０＞結晶軸が相直交して存在する。ここで、
図１（ａ）に示す様に、一方（Ａ−Ａ断面線と一致する
方）の＜１１０＞結晶軸方向をＸ方向、他方の＜１１０
＞結晶軸方向をＹ方向とする。
【００２６】４個のゲージ５１〜５４は、図１（ａ）に
示す様に、＜１１０＞結晶軸方向Ｘ、Ｙに沿ってそれぞ
れ２個ずつ配置される。ここで、一対のゲージ５１、５
２はその長辺方向をＸ方向に沿って位置し、一対のゲー
ジ５３、５４がその短辺方向をＹ方向に沿って位置す
る。さらに、これら４個のゲージ５１〜５４は、ダイヤ
フラム面１０の中心Ｋに対する円周上に配置されてい
る。
示す様に、＜１１０＞結晶軸方向Ｘ、Ｙに沿ってそれぞ
れ２個ずつ配置される。ここで、一対のゲージ５１、５
２はその長辺方向をＸ方向に沿って位置し、一対のゲー
ジ５３、５４がその短辺方向をＹ方向に沿って位置す
る。さらに、これら４個のゲージ５１〜５４は、ダイヤ
フラム面１０の中心Ｋに対する円周上に配置されてい
る。
【００２７】また、図１中には図示しないが、次の図２
に示す製造工程にて述べるように、半導体チップ３０に
は、４個のゲージ５１〜５４がブリッジ回路を構成し且
つ外部回路と接続するための配線・パット、さらには保
護膜が形成される。半導体チップ３０の主な製造工程を
図２に示す。なお図２は、図１（ｂ）に対応した断面を
示している。図２（ａ）に示すｎ型サブウエハ６０に、
フォトリソグラフィにより所望のパターンを形成後、ボ
ロン等を拡散させてＰ＋領域６１を形成する（図２
（ｂ））。これが、ピエゾ抵抗素子であるゲージ５１〜
５４となる。
に示す製造工程にて述べるように、半導体チップ３０に
は、４個のゲージ５１〜５４がブリッジ回路を構成し且
つ外部回路と接続するための配線・パット、さらには保
護膜が形成される。半導体チップ３０の主な製造工程を
図２に示す。なお図２は、図１（ｂ）に対応した断面を
示している。図２（ａ）に示すｎ型サブウエハ６０に、
フォトリソグラフィにより所望のパターンを形成後、ボ
ロン等を拡散させてＰ＋領域６１を形成する（図２
（ｂ））。これが、ピエゾ抵抗素子であるゲージ５１〜
５４となる。
【００２８】これに、図２（ｃ）に示す様に、配線・パ
ット６２及び配線・パット６２の絶縁を確保する酸化膜
６３を形成し、さらに保護膜６４を形成し、パット上の
保護膜６４をエッチングすれば、半導体チップ３０は完
成である。そして、完成したチップ３０を、金属ステム
２０のダイヤフラム面１０上に低融点ガラスを用いて接
着することにより、図１に示す圧力検出装置１００が出
来上がる。
ット６２及び配線・パット６２の絶縁を確保する酸化膜
６３を形成し、さらに保護膜６４を形成し、パット上の
保護膜６４をエッチングすれば、半導体チップ３０は完
成である。そして、完成したチップ３０を、金属ステム
２０のダイヤフラム面１０上に低融点ガラスを用いて接
着することにより、図１に示す圧力検出装置１００が出
来上がる。
【００２９】かかる圧力検出装置１００の検出原理は、
次のようである。図１（ｂ）に示す白抜き矢印方向に圧
力が印加されると、ダイヤフラム面１０および半導体チ
ップ３０がひずみ変形し、半導体チップ３０に応力が発
生する。それに伴い、各ゲージ５１〜５４には、＜１１
０＞結晶軸に応じて図１（ａ）に示す矢印Ｘ方向と矢印
Ｙ方向とに応力が発生する。ここで、Ｘ方向の発生応力
をσXX、Ｙ方向の発生応力をσYY、とする。
次のようである。図１（ｂ）に示す白抜き矢印方向に圧
力が印加されると、ダイヤフラム面１０および半導体チ
ップ３０がひずみ変形し、半導体チップ３０に応力が発
生する。それに伴い、各ゲージ５１〜５４には、＜１１
０＞結晶軸に応じて図１（ａ）に示す矢印Ｘ方向と矢印
Ｙ方向とに応力が発生する。ここで、Ｘ方向の発生応力
をσXX、Ｙ方向の発生応力をσYY、とする。
【００３０】半導体チップ３０におけるダイヤフラム面
１０に位置する領域での発生応力の分布を、図３に示
す。図３は、発生応力σXX（実線図示）とσYY（破線図
示）の大きさを、半導体チップ３０の前記領域における
ダイヤフラム面１０の中心Ｋからの距離に応じて示した
ものである。図３に示す様に、発生応力σXX及びσ
YYは、共に該中心Ｋから離れるに従って小さくなってい
るが、発生応力σYYの方が減少度合が大きい。
１０に位置する領域での発生応力の分布を、図３に示
す。図３は、発生応力σXX（実線図示）とσYY（破線図
示）の大きさを、半導体チップ３０の前記領域における
ダイヤフラム面１０の中心Ｋからの距離に応じて示した
ものである。図３に示す様に、発生応力σXX及びσ
YYは、共に該中心Ｋから離れるに従って小さくなってい
るが、発生応力σYYの方が減少度合が大きい。
【００３１】そのため、各＜１１０＞結晶軸方向Ｘ、Ｙ
に沿って配置された各ゲージ５１〜５４における出力ｅ
は、両発生応力σXXとσYYの差Ｄを検出して出力するこ
とができる。即ち、該出力ｅは、σXXとσYYの差の絶対
値に比例（ｅ∝｜σXX−σYY｜）し、上記ブリッジ回路
により圧力検出が成される。つまり、（１００）面方位
を有する半導体チップ３０においては、その構造上、高
い応力感度を有する相直交する結晶軸＜１１０＞が存在
し、ゲージ１個に対して２種類の応力σXX及びσYYが発
生するため、上記の検出原理によって圧力検出ができる
のである。
に沿って配置された各ゲージ５１〜５４における出力ｅ
は、両発生応力σXXとσYYの差Ｄを検出して出力するこ
とができる。即ち、該出力ｅは、σXXとσYYの差の絶対
値に比例（ｅ∝｜σXX−σYY｜）し、上記ブリッジ回路
により圧力検出が成される。つまり、（１００）面方位
を有する半導体チップ３０においては、その構造上、高
い応力感度を有する相直交する結晶軸＜１１０＞が存在
し、ゲージ１個に対して２種類の応力σXX及びσYYが発
生するため、上記の検出原理によって圧力検出ができる
のである。
【００３２】そして、本実施形態においては、かかる応
力分布を有する半導体チップ３０において、中心Ｋに対
して円周上に配置された４個のゲージ５１〜５４は、該
中心Ｋから均等距離、つまり発生応力σXX及びσYYの等
しい位置に配置され、各ゲージ５１〜５４における応力
の値は略等しく、両応力の差Ｄが出力となる。従って、
本実施形態によれば、各ゲージ５１〜５４毎に、温度変
化に伴うチップの変形の度合や発生応力の変化度合等を
同程度にできるため、従来の（１１０）面方位を有する
半導体チップに比べて、温度変化に伴うチップの変形の
度合や発生応力の変化度合が異なるといった熱的な誤差
を低減でき、検出感度の温度特性を向上させることがで
きる。
力分布を有する半導体チップ３０において、中心Ｋに対
して円周上に配置された４個のゲージ５１〜５４は、該
中心Ｋから均等距離、つまり発生応力σXX及びσYYの等
しい位置に配置され、各ゲージ５１〜５４における応力
の値は略等しく、両応力の差Ｄが出力となる。従って、
本実施形態によれば、各ゲージ５１〜５４毎に、温度変
化に伴うチップの変形の度合や発生応力の変化度合等を
同程度にできるため、従来の（１１０）面方位を有する
半導体チップに比べて、温度変化に伴うチップの変形の
度合や発生応力の変化度合が異なるといった熱的な誤差
を低減でき、検出感度の温度特性を向上させることがで
きる。
【００３３】一方、上述したように、図４に示す様な従
来の（１１０）面方位を持つ半導体チップＪ１において
は一方向の＜１１０＞結晶軸しか存在せず、４個のゲー
ジＣ１、Ｃ２、Ｓ１、Ｓ２を２個ずつチップの中心寄り
と外側寄りとで異なる位置（つまり発生応力の異なる位
置）に設けざるを得ないため、温度変化に伴うゲージ毎
の熱的な誤差が大きく、そのため、感度の温度特性に大
きな誤差を生じると考えられる。
来の（１１０）面方位を持つ半導体チップＪ１において
は一方向の＜１１０＞結晶軸しか存在せず、４個のゲー
ジＣ１、Ｃ２、Ｓ１、Ｓ２を２個ずつチップの中心寄り
と外側寄りとで異なる位置（つまり発生応力の異なる位
置）に設けざるを得ないため、温度変化に伴うゲージ毎
の熱的な誤差が大きく、そのため、感度の温度特性に大
きな誤差を生じると考えられる。
【００３４】本実施形態による検出感度の温度特性向上
の効果についての一例を図５に示す。図５は、図１に示
した本実施形態の圧力検出装置１００について、上述し
た図７に示すＴＮＳ（単位：ｐｐｍ／℃）を測定した結
果であり、−４０℃〜１４０℃の使用温度範囲における
ＴＮＳの値を示している。なお、比較例として圧力検出
装置１００において半導体チップを（１１０）面方位を
持つものとした従来構造の結果も示してある。
の効果についての一例を図５に示す。図５は、図１に示
した本実施形態の圧力検出装置１００について、上述し
た図７に示すＴＮＳ（単位：ｐｐｍ／℃）を測定した結
果であり、−４０℃〜１４０℃の使用温度範囲における
ＴＮＳの値を示している。なお、比較例として圧力検出
装置１００において半導体チップを（１１０）面方位を
持つものとした従来構造の結果も示してある。
【００３５】ＴＮＳは、測定圧力を２０ＭＰａとした場
合の本実施形態（測定サンプル数ｎ：８個）及び上記比
較例（ｎ＝１０）と、測定圧力を２００ＭＰａとした場
合の本実施形態（ｎ＝５）及び上記比較例（ｎ＝１０）
とを示してある。ここで、測定にあたって各部の寸法
は、上述した一例の寸法としている。また、金属ステム
２０の材質は、測定圧力が２０ＭＰａの場合はコバール
で、２００ＭＰａの場合はコバールとは多少組成等を変
えた金属を用いた。
合の本実施形態（測定サンプル数ｎ：８個）及び上記比
較例（ｎ＝１０）と、測定圧力を２００ＭＰａとした場
合の本実施形態（ｎ＝５）及び上記比較例（ｎ＝１０）
とを示してある。ここで、測定にあたって各部の寸法
は、上述した一例の寸法としている。また、金属ステム
２０の材質は、測定圧力が２０ＭＰａの場合はコバール
で、２００ＭＰａの場合はコバールとは多少組成等を変
えた金属を用いた。
【００３６】図５に示す様に、本実施形態では、比較例
としての従来構造に比べてＴＮＳを低減でき、０に近い
ものとできることがわかる。つまり、各ゲージ５１〜５
４に対するばらつき成分が圧力印加時においても低減さ
れ、誤差が減少されている。そして、本実施形態では、
ＴＮＳが０に近く、検出感度の温度特性が一次的に変化
するように向上できるから、回路の面から温度補正をす
ることなく、また、他の感度温度特性補正のための素
子、抵抗を必要とすることなく、センサ特性を満足でき
る。
としての従来構造に比べてＴＮＳを低減でき、０に近い
ものとできることがわかる。つまり、各ゲージ５１〜５
４に対するばらつき成分が圧力印加時においても低減さ
れ、誤差が減少されている。そして、本実施形態では、
ＴＮＳが０に近く、検出感度の温度特性が一次的に変化
するように向上できるから、回路の面から温度補正をす
ることなく、また、他の感度温度特性補正のための素
子、抵抗を必要とすることなく、センサ特性を満足でき
る。
【００３７】ところで、金属ステム２０の特性において
は、線膨張係数及びヤング率が重要である。線膨張係数
は、チップ３０の材料である単結晶シリコン（Ｓｉ）に
近づけるために、上記のコバール系の低線膨張係数（２
〜８ｐｐｍ／℃程度）のものが好ましい。また、ヤング
率においても、大きな温度変化を持つものは不適であ
り、例えば、使用温度範囲（−４０℃〜１４０℃）にお
いて１２０ＧＰａ〜１６５ＧＰａの範囲内で、変動差が
８ＧＰａ程度であるもの、また、使用温度外でも、１１
０ＧＰａ〜１８０ＧＰａ内にあるものが好ましい。図６
に、本実施形態の金属ステム２０に用いたコバールのヤ
ング率の温度特性を示す。
は、線膨張係数及びヤング率が重要である。線膨張係数
は、チップ３０の材料である単結晶シリコン（Ｓｉ）に
近づけるために、上記のコバール系の低線膨張係数（２
〜８ｐｐｍ／℃程度）のものが好ましい。また、ヤング
率においても、大きな温度変化を持つものは不適であ
り、例えば、使用温度範囲（−４０℃〜１４０℃）にお
いて１２０ＧＰａ〜１６５ＧＰａの範囲内で、変動差が
８ＧＰａ程度であるもの、また、使用温度外でも、１１
０ＧＰａ〜１８０ＧＰａ内にあるものが好ましい。図６
に、本実施形態の金属ステム２０に用いたコバールのヤ
ング率の温度特性を示す。
【００３８】以上述べてきたように、本発明は、特に、
強度の大きい金属ダイヤフラムを有し例えば１ＭＰａ以
上の高圧媒体の圧力を検出するのに適した圧力検出装置
に用いて好適であり、圧力印加時における検出感度の温
度特性が半導体チップの結晶構造に起因するという独自
の着目点に基づき、金属ダイヤフラムに接着する単結晶
半導体チップを（１００）面方位を有するものとし、且
つピエゾ抵抗素子の配置を工夫するという新規な構成に
より、検出感度の温度特性を向上させるものである。
強度の大きい金属ダイヤフラムを有し例えば１ＭＰａ以
上の高圧媒体の圧力を検出するのに適した圧力検出装置
に用いて好適であり、圧力印加時における検出感度の温
度特性が半導体チップの結晶構造に起因するという独自
の着目点に基づき、金属ダイヤフラムに接着する単結晶
半導体チップを（１００）面方位を有するものとし、且
つピエゾ抵抗素子の配置を工夫するという新規な構成に
より、検出感度の温度特性を向上させるものである。
【図１】本発明の実施形態に係る圧力検出装置を示す図
で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図で
ある。
で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図で
ある。
【図２】図１に示す圧力検出装置の製造方法を示す工程
図である。
図である。
【図３】図１に示す圧力検出装置の半導体チップの発生
応力分布を示す図である。
応力分布を示す図である。
【図４】（１１０）面方位を持つ半導体チップの発生応
力分布を示す図である。
力分布を示す図である。
【図５】上記実施形態における検出感度の温度特性向上
効果の一例を示す図である。
効果の一例を示す図である。
【図６】上記実施形態における金属ステムのヤング率の
温度特性図である。
温度特性図である。
【図７】圧力検出装置における検出温度と感度との関係
の一例を示す図である。
の一例を示す図である。
１０…ダイヤフラム面、１１…ダイヤフラム面の一面、
１２…ダイヤフラム面の他面、２０…金属ステム、３０
…単結晶半導体チップ、３１…単結晶半導体チップの一
面、３２…単結晶半導体チップの他面、４０…ガラス
層、５１〜５４…ゲージ。
１２…ダイヤフラム面の他面、２０…金属ステム、３０
…単結晶半導体チップ、３１…単結晶半導体チップの一
面、３２…単結晶半導体チップの他面、４０…ガラス
層、５１〜５４…ゲージ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F055 AA11 AA21 BB12 CC02 DD01 EE14 EE15 FF01 GG12 GG16 4M112 AA01 BA01 CA03 CA05 CA09 CA15 DA12 DA18 EA03 EA13 FA05
Claims (3)
- 【請求項１】 円形のダイヤフラム面を有する金属ステ
ムと、 一面側が前記ダイヤフラム面の一面側に接着された単結
晶半導体チップとを備え、 前記ダイヤフラム面の他面側に圧力媒体を導入し、前記
ダイヤフラム面および前記単結晶半導体チップの変形に
基づき圧力検出を行うようにした圧力検出装置であっ
て、 前記単結晶半導体チップは、その面方位が（１００）面
であり、 前記単結晶半導体チップの他面側において相直交する＜
１１０＞結晶軸方向に沿って、それぞれ２個のピエゾ抵
抗素子が配置され、 これら４個のピエゾ抵抗素子は、前記ダイヤフラム面の
中心に対する円周上に配置されていることを特徴とする
圧力検出装置。 - 【請求項２】 前記単結晶半導体チップは、その全体が
均一な肉厚の平面形状を成すものであることを特徴とす
る請求項１に記載の圧力検出装置。 - 【請求項３】 前記圧力媒体の圧力が１ＭＰａ以上２０
０ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項１または２
に記載の圧力検出装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11045348A JP2000241273A (ja) | 1999-02-23 | 1999-02-23 | 圧力検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11045348A JP2000241273A (ja) | 1999-02-23 | 1999-02-23 | 圧力検出装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000241273A true JP2000241273A (ja) | 2000-09-08 |
Family
ID=12716786
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11045348A Pending JP2000241273A (ja) | 1999-02-23 | 1999-02-23 | 圧力検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000241273A (ja) |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1219941A3 (en) * | 2000-12-25 | 2003-01-02 | Denso Corporation | Pressure sensor having semiconductor sensor chip |
| JP2003302298A (ja) * | 2002-04-10 | 2003-10-24 | Denso Corp | 力学量検出装置 |
| US6858451B2 (en) | 2002-04-24 | 2005-02-22 | Denso Corporation | Method for manufacturing a dynamic quantity detection device |
| US6960487B2 (en) | 2002-04-10 | 2005-11-01 | Nippon Soken, Inc. | Method for manufacturing a dynamic quantity detection device |
| JP2011002393A (ja) * | 2009-06-22 | 2011-01-06 | Toyota Motor Corp | 圧力センサおよびその製造方法 |
| US7963155B2 (en) | 2008-03-28 | 2011-06-21 | Denso Corporation | Fuel pressure sensor/sensor mount assembly, fuel injection apparatus, and pressure sensing apparatus |
| US8100344B2 (en) | 2008-04-15 | 2012-01-24 | Denso Corporation | Fuel injector with fuel pressure sensor |
| JP2012506547A (ja) * | 2008-10-21 | 2012-03-15 | ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング | 高圧センサを製造する方法 |
| US8297259B2 (en) | 2007-11-02 | 2012-10-30 | Denso Corporation | Fuel injection valve and fuel injection device |
| US8590513B2 (en) | 2007-11-02 | 2013-11-26 | Denso Corporation | Fuel injection valve and fuel injection device |
| US8919186B2 (en) | 2007-11-02 | 2014-12-30 | Denso Corporation | Fuel pressure measuring device, fuel pressure measuring system, and fuel injection device |
-
1999
- 1999-02-23 JP JP11045348A patent/JP2000241273A/ja active Pending
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1219941A3 (en) * | 2000-12-25 | 2003-01-02 | Denso Corporation | Pressure sensor having semiconductor sensor chip |
| US6578426B2 (en) | 2000-12-25 | 2003-06-17 | Denso Corporation | Pressure sensor having semiconductor sensor chip |
| JP2003302298A (ja) * | 2002-04-10 | 2003-10-24 | Denso Corp | 力学量検出装置 |
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| US8297259B2 (en) | 2007-11-02 | 2012-10-30 | Denso Corporation | Fuel injection valve and fuel injection device |
| US8590513B2 (en) | 2007-11-02 | 2013-11-26 | Denso Corporation | Fuel injection valve and fuel injection device |
| US8919186B2 (en) | 2007-11-02 | 2014-12-30 | Denso Corporation | Fuel pressure measuring device, fuel pressure measuring system, and fuel injection device |
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| JP2012506547A (ja) * | 2008-10-21 | 2012-03-15 | ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング | 高圧センサを製造する方法 |
| US8595916B2 (en) | 2008-10-21 | 2013-12-03 | Robert Bosch Gmbh | Method for producing high-pressure sensors |
| JP2011002393A (ja) * | 2009-06-22 | 2011-01-06 | Toyota Motor Corp | 圧力センサおよびその製造方法 |
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