JPH01199476A

JPH01199476A - 圧力センサ

Info

Publication number: JPH01199476A
Application number: JP24707388A
Authority: JP
Inventors: Aki Tabata; 亜紀田畑; Atsushi Tachika; 田近　淳; Hiroshi Inagaki; 宏稲垣; Yukio Kobayashi; 小林　諭樹夫; Asatake Suzuki; 朝岳鈴木
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1987-10-28
Filing date: 1988-09-30
Publication date: 1989-08-10

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）半導体に歪を加えると大きな抵抗変化を示すというピエ
ゾ効果を利用した半導体歪ゲージを用いて、各種のセン
サが開発されている。

その１つとして、ステンレスなどの金属でダイヤフラム
を構成し、このダイヤフラム上に絶縁膜を介してアモル
ファスシリコン薄膜等の半導体薄膜からなる歪ゲージを
形成した薄膜圧力センサがある。

本発明は、前記ｆｌｌ膜圧上センサ歪ゲージの温度ある
いは零点を補償する回路において、その抵抗素子を歪ゲ
ージと同材料で形成した補償回路、の構造と圧力センサ
の受圧部と拘束部を遠ざけ拘束による受圧部への悪影響
を少なくする構造に関するものである。

（従来の技術）薄膜圧力センサについて説明する。

第６図（ａ）に、薄膜圧力センサの断面図を示すように
、ｆｉＦ！圧カセフカセンサテンレス製のダイヤフラム
ｌと該ダイヤフラムｌの表面に絶縁膜としての酸化シリ
コン（Ｓ　ｉ　Ｏｔ　）　ＩＩＩ　２を介して形成され
た多結晶シリコン層パターンからなる歪ゲージ３と、該
歪ゲージ３に給電するためのアルミニウム層パターンか
らなる電極４と、歪ゲージ３と電極４とからなるセンサ
部５を被膜保護するための窒化シリコン層からなるバッ
シベーシッン堕６とから構成されている。そして同図（
ｂ）に示すように、センサ部５は４つの歪ゲージ３のパ
ターンＲ，〜Ｒ４とこれらに給電するための６つの電極
４の配線パターンＥ、〜Ｅ、とから構成されている。こ
のセンサ部５を等価回路で示すと、同図（Ｃ）に示すよ
うに、ブリッジ回路を構成しており、圧力に起因した歪
による歪ゲージ３の抵抗変化によって生じる電極配線パ
ターンＥ８とＥ。

との間の電圧変化を検出することにより、圧力を測定す
るようになっている。

ところで、半導体素子には、特性の温度依存性が大きい
という欠点がある。しかし温度に対する繰り返し再現性
は（憂れており、補償後はこの特性が逆に素子の信頼性
を高める結果になつている。

半導体薄膜圧力センサの場合、歪ゲージの抵抗値は該歪
ゲージの固有の抵抗値と、圧力による抵抗の変化ととも
に、温度で変化する。従って歪ゲージを組みあわせたブ
リッジ回路では、圧力感度と零点とが、ともに温度によ
って変化してしまう。

温度補償をいかに上手に行うかで圧力センサの精度が決
まるために、従来から種々様々な方法が試みられてきた
。

次に示す方法は、定電圧駆動する圧力センサにおいて、
トランジスタと抵抗を組み合わせて歪ゲージの感度の温
度変動を相殺するものである。

第７図に温度補償用回路７を組み込んだ圧力センサの等
価回路図を示すが、ｉｌｉ［＋配線パターンＥ４、Ｅ、
の接点とＥ、との間に、トランジスタＴｒと抵抗Ｒｓ、
Ｒａとを接続する。

薄膜圧力センサの感度は、第８図（ａ）に示すように、
温度が高（なるにつれて直線的に低下してしまう（イ）
、ここで感度とは、圧力センサが受ける圧力の大きさと
、それによって生じる抵抗値の変化率である。つまり、となり、感度が高い方が精度が向上する。

いっぽう、温度補償に用いられているトランジスタの電
圧降下は、温度が高くなるにつれて低くなる。つまり入
力端子を一定にしておけば第８図（ｂ）に示すように、
トランジスタを介してセンサ部に印加される電圧が高く
なっていく　（ロ）。

センサ部に印加される電圧が高くなると温度によるセン
サ部の感度低下分と相殺され、結局温度が上昇しても一
定な感度を保つことができる（第８図（ａｇｏ）。この
ように温度補償用の素子を組み込んだ薄膜圧力センサは
温度によって感度が変化しない信頼性の高いものとなる
。　　−このような温度補償用の素子は、第９図に示す
ように薄膜圧力センサの外部に組み込まれている。

薄膜圧力センサ１００はケース１０１に組み込まれ、そ
のケース１０１と共に外部回路用のケース！０２に組み
込まれる。同ケース＋０２の内部にはアンプ１０５と温
度補償用素子１０６が接続されたプリント基板１０４が
あり、同ケース１０２はＪｉ１０３によって閉じられて
いる。プリント基板１０４上の温度補償用素子１０６に
よって温度補償されたｌｌｌ５圧カセンサ１００の出力
は、アンプ１０５によって増幅され、外部回路（図示せ
ず）に出力される。

また、従来はセンサモジュールを圧力変換器や他の被測
定体に組み込む際、センサモジエールを拘束する位置は
受圧面とほぼ同一面上にあった（第５図（ｂ））。

（発明が解決しようとする課題）上記で説明した温度補償用の回路において、使用してい
るトランジスタの温度による電圧降下の変化率と、歪ゲ
ージの温度による感度低下の変化率とは必ずしも一致し
ない、そこで、抵抗素子Ｒ５、Ｒ６を２個用いて、その
抵抗素子の２個の抵抗の比を変えることにより、前記電
圧降下の温度依存性の値を自由に変えることができるの
で、歪ゲージの感度低下の変化率と一致させて、精度良
く感度補正を行う。

従来この抵抗素子は、薄膜圧力センサの外部のプリン１
！板！０４に接続されていた。薄膜圧力センサは大０変
小さいので、プリント基板１０４にトランジスタとさら
に抵抗素子２個をハンダ付けで接続したり、圧力センサ
の電極と接続したりするのは困難であった。そして、抵
抗素子２個を接続するために、部品点数と工程が増える
ということは、工程上の歩留り低下の要因、部品の不良
や部品の接触不良等による歩留り低下の要因が大きく増
えるということであった。

又、圧力センサを拘束し圧力を印加すると、拘束箇所の
形状が変化し、第５図（ｃ）に示すように拘束位置がず
れる。従来のように拘束部が受圧面に近いと少しの拘束
位置のずれでもダイヤフラム上の応力“分布が大きく変
化する（第５図（ｂ））、この結果圧力に対する出力特
性の直線性に悪影響を及ぼすという問題があった。

（課題を解決するための手段及び作用）（＋）薄幕圧力
センサの温度補１貫のための抵抗は、抵抗素子を用いて
構成するのではなく、該薄膜圧力センサの歪ゲージを構
成している材料を用いる。

つまり、歪ゲージを形成する際、多結晶シリコン１１１
９等を［Ｊし、そしてパターニングを行うが、それ七同
時に、抵抗もパターニングして設ける。

センサ部と抵抗との配線も、センサ部の電極配線パター
ンと同材料で同時に形成する。

抵抗部を形成した多結晶シリコン薄膜等は、形状を任意
にかえることにより、所望の抵抗値を得ることができ、
従って、抵抗素子を用いることなく、トランジスタの電
圧降下の温度依存性の値を歪ゲージの感度低下の変化率
と一致させることができる。

（２）ダイヤフラム受圧面の裏側に絶縁膜を介して歪ゲ
ージを設けている薄膜圧力センサにおいて、ダイヤフラ
ムの拘束面とダイヤフラム受圧面とに段差を設けた、つ
まり拘束面を受圧面から遠ざけることにより、圧力印加
時の拘束位置変化による影響が及ばなくする。

（実施例）以下、本発明の実施例を図面に従って説明する。

始めに補償用抵抗に関して説明する。

第１実施例第１図に本発明の第一の実施例の（ａ）平面図と、（ｂ
）断面図を示す、第１図（ａ）に示すように、ダイヤフ
ラムｌの歪ゲージ３（Ｒ１〜Ｒ，）の形成面に、抵ｔＡ
　１５％　＋　Ｒｈを、電極配線Ｅ４、Ｅ、の接点と印
加電圧ｒｊＩＸＶｉｎ（図示せず）との間に形成する。

第１図（ｂ）に示すように、この実施例において、薄膜
圧力センサは、ステンレスｌ上に絶縁膜としてＳ　ｉ　
Ｏを膜２を積層し、次に歪ゲージ３と抵抗Ｒ２、Ｒ，と
を多結晶シリコン薄膜で形成し、その上にｔｌｉ４の配
線パターン（Ｅ、〜Ｅｌが形成されて構成されている。

トランジスタＴｒは、Ｅ４〜Ｅ、間と、Ｅ、、Ｅ、とに
外付けで接続される（図示せず）、この薄膜圧力センサ
の等価回路は第７図と同様である。

第２図（ａ）〜（ｅ）に本発明の第一の実施例の工程図
を示し、説明する。

（１）第２図（ａ）に示すように、ステンレスのダイヤ
フラムｌ上に、！！ａ１１１としてＳ　ｉ　Ｏｚ　Ｎ’
ｌをプラズマＣＶＤ法で約７μｍ積層する。

（２）第２図（ｂ）に示すように、該Ｓ　ｉ　Ｏを膜上
に多結晶シリコン薄膜をプラズマＣＶＤ法でシランガス
を原料に用いて約０．５μｍ積層する。

（３）第２図（ｃ）に示すように、積層した多結晶シリ
コン薄膜を、フォトリングラフィ工程を用いて、歪ゲー
ジ３パターン（Ｒ，〜Ｒ，）と抵抗パターン（Ｒｓ、Ｒ
−）を形成する。この時、抵抗パターンの形をかえるこ
とにより、所望の抵抗値が得られ、補償用回路のトラン
ジスタの温度依存性の値を変えることができる。

向、この抵抗パターン（Ｒｓ、Ｒ６）は、歪を生じると
抵抗値が変化してしまうので、一定の値を保つため、圧
力によって歪を生じないダイヤフラムの周辺の位置に形
成しなくてはならない。

（４）第２図（ｄ）に示すように、歪ゲージ（Ｒ１〜Ｒ
，）と抵抗（Ｒｓ、Ｒ，）を形成した上に、アルミニウ
ム（Ａｌ）等の金ｋＩ４電極４を屑着し、フォトリング
ラフィ工程により配線パターン（Ｅ１〜Ｅ−）を形成し
、配線する。

（５）第２図（ｅ）に示すように、歪ゲージ、抵抗、配
線パターンを保護するために、パッシベーション膜とし
てＳｉＮ＋＋Ｉ！をプラズマＣＶＤ法で５０００人程度
積層する。

以−Ｆで、薄膜圧力センサは完成する。そして、この薄
膜圧力センサは第９図に示したと同様に、ケース１０１
に組み込まれ、そのケース１０１と′　　共に外部回路
用のケース１０２に組み込まれる。

同ケース１０２の内部にはアンプ１０５と温度補償用の
トランジスタが接続されたプリント基板１０４があり、
同ケース１０２は蓋１０３によって閉じられる。プリン
ト基板１０４上のトランジスタと、ｉＩＭ圧カ圧力サの
電極Ｅ４〜Ｅ１間、Ｅｌ、Ｅ、はボンディングワイヤ（
図示せず）等で接続され、温度補償用回路は完成し、圧
力センサの出力はアンプ１０５によって増幅され、外部
回路（図示せず）に出力され−る。

このような構成の’３８９圧カセンサにすることにより
、温度補償用回路を構成する場合、部品、工程を増やす
ことなく、抵抗が形成できる。

本実施例は、感度に対する温度補償用の回路について説
明したが、これに限ることなく、例えば、零点に対する
温度補償用の回路、各歪ゲージ間のバラツキによる零点
補償用の回路等にも通用可能である。

第２実施例第３図に第２の実施例として、感度に対する温度補償用
の回路の抵抗Ｒｓ、Ｒｉと、各歪ゲージ間のバラツキに
よる零点補償用抵抗Ｒ７を、薄膜圧力センサのダイヤフ
ラム上に形成した実施例の（ａ）平面図と（ｂ）断面図
と（Ｃ）温度補償素子としてトランジスタを外部接続し
た場合の等価回路図を示す、ダイヤフラムｌ上に、絶ｉ
ｉｎ＊を積層しく図示せず）、その上に歪ゲージ（Ｒ，
〜Ｒ１）と、感度に対する温度補償用の抵抗Ｒｓ、Ｒ４
と各歪ゲージ間のバラツキによる零点補償用回路の抵抗
Ｒ１として、多結晶シリコンを積層し、パターニングす
る。そしてＡ歪などの金属を積層しパターニングして、
電極配線（Ｅｌ　−Ｅｓ　）を形成し、パッシベーショ
ン膜（図示せず）を積ＩＭして薄膜圧力センサは完成す
る０本実施例ではＥ、とＥ、を結線し、その接点とＥ、
の電極から電圧を出力させることにより、Ｒ１に零点粗
調紙（に２個を、Ｒイに零点微調抵抗を加えたことにな
る。

第３実施例第４図は本発明の第３の実施例の（ａ）平面図と（ｂ）
断面図である。温度補償素子を外部接続した場合の等価
回路図は第２の実施例と同様（第３図（Ｃ））である０
本実施例では第４図（ａ）に示すように歪ゲージ３（Ｒ
１〜Ｒ，）は実質長尺パターンなので抵抗が高く、これ
に伴って零点補償用抵抗Ｒｔも高抵抗化する。従って本
発明の第２の実施例のように、零点補償抵抗をくの字形
などの実質幅広パターンにする必要はない。

又、本実施例では零点補償用粗調抵抗Ｒ１をダイヤフラ
ムｌの中心に対して同一円周上に配置したので、感圧層
成膜時の膜厚分布（ダイヤフラム中心が最も厚く外側に
向かって薄くなる）を無視できる。そのため、複数個に
区切られた粗調抵抗１個当たりの抵抗値のバラツキを低
減でき、精度の良い補償ができる。

尚、本実施例では第４図（ｂ）に示すように絶１ｉ１１
２はＳｉＯ□−層であるが、ステンレスダイヤフラムｌ
と絶縁Ｍ２の間に両者の線膨張係数の差を緩和するため
のバッファ層として中間の線膨張係数を持つ１ｌｌ（例
えばノンドープ多結晶シリコン膜０．３μｍ程度）を積
層してもよい。

第４実施例次に圧力センサの出力特性の直線性の改善に関して説明
する。

第５図に圧力センサのダイヤフラムｌ上の応力分布の拘
束位置依存性を、（ａ）本発明によるダイヤフラム、（
ｂ）従来のダイヤフラム、について各々示している。

第５図（ｂ）は従来のダイヤフラムの断面形状であり、
拘束位置１ａとダイヤフラム受圧部１ｂはほぼ同じ高さ
にあり、拘束部が■、■５■、■と少しその位置がずれ
ることにより応力分布が大きく変わることを示し、第５
図（ａ）は本発明のダイヤフラムの断面形状であり、拘
束位置！ａとダイヤフラム受圧部１ｂには段差が設けて
あり、拘束位置１ａとダイヤフラム受圧部１ｂは離れて
いる０本発明の構造であると、拘束部が■、■とその位
置がずれても応力分布に変化はない。

従って、圧力印加時、第５図（Ｃ）に示すように拘束位
置がずれても、拘束部が受圧部に悪影響を及ぼさないの
で直線性は大幅に改善される。実施例では非直線性は約
１／３に低減された（第５図（ｄ））。

（発明の効果）本発明の特許請求の範囲第１項の発明によれば補償用回
路の抵抗をダイヤフラム上に歪ゲージと同材料で形成し
ているので、抵抗素子の部品点数を増やすことなく、ま
た、ハンダ付等の工程数を増やすことなく、補償用回路
の抵抗を構成することができる。そのため、ハンダ付等
の工程中におこる不良、接触不良等による歩留り低下な
どの要因がなくなるため、歩留りは向上する。さらに、
抵抗は歪ゲージと同材料で、同工程で形成されるので、
薄膜圧力センサの工程を変えることなく、抵抗を形成す
ることができるので、抵抗を形成することによっての工
程の時間数は全く増加しない。

本発明の特許請求の範囲第２項の発明によれば圧力印加
時に拘束位置がずれても、ダイヤフラムの応力分布に変
化がなくなり、圧力センサの出力特性の直線性が向上す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明筒１の実施例の薄膜圧力センサの（ａ）
平面図と（ｂ）断面図第２図は同工程図第３図は本発明筒２の実施例の薄膜圧力センサの（ａ）
平面図と（ｂ）断面図（ｃ）等価回路図第４図は本発明
や第３の実施例の薄膜圧力センサの（ａ）平面図と（ｂ
）断面図第５図（ａ）は本発明による１１１９圧カセンサのダイ
ヤフラムの応力分布の拘束位置依存性を示すグラフ、第
５図（ｂ）は従来の薄膜圧力センサの一ダイヤフラムの
応力分布の拘束位置依存性を示すグラフ、第５図（Ｃ）
は圧力印加時のダイヤフラム拘束位置のずれを表す図、
第５図（ｄ）は本発明による直線性の改善を示すグラフ
である。第６図は従来の７１　ｇｌｌツカセンサ（ａ）断面図と
（ｂ）平面図と（Ｃ）等価回路図第７図は補償用回路を組み込んだ′ｄ４膜圧カセンサの
等価回路図第８図（ａ）は薄膜圧力センサの感度と温度の関係を示
す図、第８図（ｂ）は温度補償用素子を介してセンサ部
に印加される電圧と温度との関係を示す図第９図は薄膜圧力センサと回路等をケースに組み込んだ
図である。ｌ・・・ダイヤフラム　４・・・電極ｌａ・・・拘束位置ｌｂ・・・ダイヤフラム受圧部２・・・絶縁膜　　　　５・・・センサ部３・・・歪ゲ
ージ６・・・バンシベーシッン膜７・・・温度補償用回路Ｒ７・・・零点補償用の抵抗

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ダイヤフラム受圧面の裏側に、絶縁膜を介して歪
ゲージを設けている薄膜圧力センサにおいて、前記歪ゲ
ージ形成面に歪ゲージと同材料で形成されている温度、
零点等の補償の抵抗回路を設けたことを特徴とする圧力
センサ。
（２）ダイヤフラム受圧面の裏側に、絶縁膜を介して歪
ゲージを設けている薄膜圧力センサにおいて、ダイヤフ
ラムの拘束面とダイヤフラム受圧面とに段差を設けたこ
とを特徴とする圧力センサ。