JPH02253133A - 半導体圧力センサ - Google Patents

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） 本発明は、半導体のピエゾ抵抗効果を利用して圧力を検
出する半導体圧力センサに関するものである。

（従来の技術） 第２図は、従来の半導体圧力センサを示す断面図である
。第２図において、１は圧力導入パイプ２と一体化され
た金属ステム、３は台座で、軸方向中央部には貫通した
圧力伝達孔３ａが形成され、この圧力伝達孔３ａと圧力
導入パイプ２とが連通ずるように、接着剤Ｂにより金属
ステム１上に固定されている。

４はシリコン単結晶からなるシリコンダイアフラムで、
−面には拡散等により、いわゆる半導体感圧抵抗素子か
らなる歪ゲージ（図示せず）が形成されており、他面は
ぼ中央部には、例えばエツチングにより肉薄とした受圧
面４ａが形成され、この受圧面４ａと台座３の圧力伝達
孔３ａとが対向するように、接着剤Ｂによりその周縁部
を介して台座３上に固定されている。

５はボンディングワイヤで、シリコンダイヤフラム４の
歪ゲージを図示しない電気配線を介して、例えばハーメ
チックシールにより金属ステム１と電気的に絶縁したり
−ドピン６に接続している。

７は樹脂あるいは金属等からなるキャップで、金属ステ
ム１の台座３搭載面を覆うように、接着剤あるいは溶接
等により金属ステム１に気密性良く固定されている。８
はキャップ７に設けられた通気穴で、絶対圧型半導体圧
力センサを構成する際に、真空室９を形成するため真空
槽内にて封止される（例えば、特開昭５８−８９８Ｌ１
号公報参照）。

一般に、半導体圧力センサにおいては、上記したように
、半導体感圧抵抗素子が形成されたシリコンダイヤフラ
ム４を台座３上に固定して使用することにより、金属ス
テム１の材料、例えばアルミニウムとシリコンとの線膨
張率が異なるために生じる、温度変化に伴なう熱応力の
感知を抑止している。

この台座３の材料としては、シリコンダイヤフラム４の
線膨張率（３〜４　ｘ　１０−６／　℃）に近似した線
膨張率を有する物質、例えば、ジルコン（Ｚ　ｒ　Ｓ　
ｉｏ　４　）等のセラミックあるいはパイレックスガラ
ス等が使用可能であるが、通常、シリコンダイヤフラム
４と線膨張率の等しいシリコン製台座が用いられ、温度
変化に伴なう熱歪に起因する出力変動を抑制していた。

また実際に、シリコンダイアフラム４上には、第３図に
示すように、４個の半導体感圧抵抗素子Ｒ１，Ｒ、Ｒ、
Ｒによってブリッジ回路が拡散等によって形成され、前
述した歪ゲージか構成される。このとき、例えば互いに
対向する感圧抵抗素子ＲとＲ並びに感圧抵抗素子Ｒ２と
Ｒ４同士は、同一方向圧力に対して抵抗値変化が同一方
向となるように形成し、かつ、感圧抵抗素子Ｒ及びＲ３
の抵抗値の変化方向と感圧抵抗素子Ｒ及びＲ４の抵抗値
の変化方向とが互いに逆方向となるように形成される。

この場合、受圧面４ａに圧力が印加されていない時、感
圧抵抗素子Ｒ−Ｒ４の抵抗値が温度変化があったとして
も互いに等しい値を保持し、ブリッジ回路の出力電圧は
常に零になるのが理想的である。

しかし、半導体感圧抵抗素子Ｒ−Ｒ４を拡散によって作
製する場合、その工程条件等により抵抗値の温度特性に
バラツキが生じてしまう。そこで、従来のシリコンダイ
アフラム４の近傍にサ−ミスタ等を設けたり、あるいは
第３図に示すように、例えば、感圧抵抗素子Ｒ３と並列
して、レーザトリミングした温度補償用感温抵抗素子Ｒ
ｔを設け、温度変化に対する零点の移動の補償を行なっ
ていた。

（発明が解決しようとする課題） 上記したように、従来の半導体圧力センサでは、温度変
化に伴なう熱歪による出力変動を抑止するため、金属ス
テム１とシリコンダイアフラム４との間に介在させる台
座３の線膨張率に配慮が必要であり、高精度な出力特性
を得るためには、さらにシリコンダイアフラム４と台座
３を接合する接着剤Ｂの材質にも配慮する必要があり、
台座３の材料選択に煩雑な手間を要するという欠点があ
った。

また、上記する熱歪による影響を、台座３及び接着剤Ｂ
の選定が最適に行なわれ、理想的に抑止できたとしても
、半導体感圧抵抗索子Ｒ１〜Ｒ４の温度変化に対する零
点の移動補償のため、サーミスタ等を設ける必要がある
。この場合、サーミスタを感圧抵抗素子Ｒｔ　−Ｒ４が
形成されたシリコンダイアフラム４上に配置することは
困難であるため、両者を別々の位置に設置する必要があ
る。

これでは、両者の温度を一致させることが困難であり、
外部温度の変動が激しい場合は、温度補償誤差が大きく
なってしまい、高精度の圧力検出は行なえない。

また、第３図に示すように、シリコンダイアフラム４上
に温度補償用感温抵抗素子Ｒｔを設けることにより、感
温抵抗素子Ｒ０と感圧抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４との温度をほ
ぼ同一とすることができるが、これでは、製造工程の複
雑化を招き、精度を良くするためには、ざらにレーザト
リミング等の煩雑な工程を必要とするという問題点があ
った。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、そ
の目的は、温度変化に伴う台座による熱歪の影響及び感
圧抵抗素子の抵抗値の温度変化に対する的確な温度補償
を行なえ、高精度な圧力検出を行ない得る半導体圧力セ
ンサを提供することにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本発明では、圧力検出用の半
導体ダイアフラムと、該半導体ダイアフラムと熱的に結
合した電子冷却素子と、予め設定した温度に対する前記
半導体ダイアフラムの温度変動を検知する温度変動検知
部と、該温度変動検知部の検知信号に基づいて前記電子
冷却素子への印加電力の供給方向を切換える電子冷却素
子駆動回路とを備えた。

（作　用） 本発明によれば、半導体ダイアフラムの、例えば被圧力
検出体の影響による温度変動が温度変動検知部で検知さ
れる。これに伴ない、電子冷却素子駆動回路は、温度変
動検知部の検知信号に基づき電子冷却素子へ印加される
電力の供給方向を切換えて、電子冷却素子の吸熱あるい
は発熱作用を誘起させることにより、半導体ダイアフラ
ムの温度を所望の設定温度に保持させる。従って、零点
の移動が極めて少ない、高精度な圧力検出が行なわれる
。

（実施例） 第１図は、本発明に係る半導体圧力センサの一実施例を
示す主要部の断面図であって、従来例を示す第２図と同
一構成部分は同一符号をもって表す。即ち、１は圧力導
入パイプ２と一体化された金属ステム、４はシリコン単
結晶からなるシリコンダイアフラムて、−面には拡散等
より後記する４個の半導体感圧抵抗素子（以下、感圧抵
抗素子という）Ｒ、Ｒ、Ｒ、Ｒからなる歪ゲージ（ブリ
ッジ回路）が形成され、他面中央部には、エツチング等
により受圧面４ａが形成されている。

５はボンディングワイヤで、シリコンダイヤフラム４の
歪ゲージを図示しない電気配線を介して、バーメツチッ
クシールにより金属ステム１と電気的に絶縁したリード
ピン６に接続している。７は樹脂あるいは金属等からな
るキャップで、金属ステム１に対して溶接等により気密
性良く固定されている。

１０は台座で、異種の半導体同士の接合部への直流電流
の供給方向に応じて吸熱及び発熱作用か誘起される、い
わゆるペルチェ効果を有する電子冷却素子１１と、電子
冷却素子１１の上下両面側にそれぞれ半田層からなる電
極１２ａ、１２ｂを介して配置されたアルミナセラミッ
ク製基板１３ａ、１３ｂとから構成されている。このよ
うな構成を有する台座１０の軸方向中央部には貫通した
圧力伝達孔１４が形成されており、この圧力伝達孔１４
と圧力導入パイプ２とが連通ずるように接着剤Ｂにより
基板１３ａを介して金属ステム１上に固定され、かつ、
基板１３ｂ上には受圧面４ａが圧力伝達孔１４と対向す
るように接着剤Ｂによりシリコンダイアフラム４が固定
されている。

第４図は、電子冷却素子１１の原理を説明するための図
である。第４図に示すように、電子冷却素子１１はＮ型
半導体（図中、Ｎで示す）とＰ型半導体（図中、Ｐで示
す）とを電極１２ａ、１２ｂにより直列に接続した構造
を有しく実際には、複数個を交互に直列に接続）、直流
電源Ｖにより電極１２ａに供給する電流をＮ型半導体側
から通すと（図中、矢印で示す方向）、電極１２ａとＰ
型及びＮ型半導体同士の接合部では高温となり発熱作用
が発生し、電極１２ｂとＮ型及びＰ型半導体同士の接合
部では低温となり吸熱作用が発生する。このペルチェ効
果は、可逆的で第４図において電流の向きを逆にすると
、吸熱が電極１２ａによる接合部で、発熱が電極１２ｂ
による接合部でそれぞれ発生するようになる。

また、第５図の（ａ）は第１図の半導体圧力センサのキ
ャップ７をとりはずした際の斜視図で、同図の（ｂ）は
その等価回路図を示している。第５図かられかるように
、シリコンダイアフラム４上に形成され圧力検出用ブリ
ッジ回路を構成する感圧抵抗素子Ｒ、Ｒ、Ｒ、Ｒは、前
述した第３図の場合と同様に、感圧抵抗素子ＲとＲ３並
■ びに感圧抵抗素子Ｒ２とＲ４同士は、同一方向圧力に対
して抵抗値変化が同一方向となるように形成され、かつ
、感圧抵抗素子Ｒ及びＲ３の抵抗■ 値の変化方向と感圧抵抗素子Ｒ及びＲ４の抵抗値の変化
方向とが互いに逆方向となるように形成されている。さ
らに、感圧抵抗素子Ｒ１とＲ２の接続中点がリードピン
６３に、感圧抵抗素子Ｒ３とＲ４の接続中点がリードピ
ン６２に、感圧抵抗素子Ｒ２とＲ３の接続中点がリード
ピン６４に、感圧抵抗素子Ｒ１とＲ４の接続中点がリー
ドピン６５に、台座１０の電極１２ａがリードピン６１
及び６６にボンディングワイヤ５を介してそれぞれ接続
されている。また、リードピン６５は一端が接地された
抵抗Ｒ５に接続され、リードピン６６は接地されている
。

第６図は、本発明に係る半導体圧力センサの全体構成を
示す回路図である。第６図において、２０は定電流駆動
回路で、電源電圧Ｖ　（＋）と、アノードが接地された
ツェナーダイオードＺＤと、電源電圧Ｖ（＋）とツェナ
ーダイオードＺＤのカソードとの間に接続した抵抗Ｒ６
と、非反転入力（＋）が抵抗Ｒ６とツェナーダイオード
ＺＤとの接続中点に接続され、反転入力（−）が前記リ
ードピン６５に接続されており、その出力より前記リー
ドピン６４に定電流Ｉｎを供給する。３０は温度目標値
設定部で、電源電圧■（＋）、抵抗Ｒ６及び一端が接地
され他端が抵抗Ｒ６と接続された可変抵抗ＶＲ１から構
成され、温度値に対応した基準電圧ｖＴＨを供給する。

４０は温度変動検知部で、非反転入力（＋〉に温度目標
値設定部３０の可変抵抗ＶＲＩの可動端子が接続されて
基準電圧ＶＴ１１が入力され、反転入力（−）は前記リ
ードピン６４に接続され、シリコンダイアフラム４の温
度変化に伴なって変動する温度フィードバック信号ＶＴ
が入力され、基準信号ＶＴ１１と温度フィードバック信
号Ｖ、とを比較し、その比較結果に応じて出力である検
知信号Ｄ□のレベルを反転させる。

この温度フィードバック信号ＶＴは、第７図に示すよう
に、温度変化に対して負の係数を有し、シリコンダイア
フラム４の温度が高くなると、小さい値となる。これは
、リードピン６４とリードピン６５間の感圧抵抗素子Ｒ
ＲＲ １°　　２′３ Ｒの合成抵抗値ＲＢが温度変化に対して負の係数を有す
ることに起因し、温度フィードバック信号の値は次式で
示す値となる。

■　＝＝Ｉ　×（ＲＢ＋Ｒ５）・・・（１）Ｂ ５０は電子冷却素子駆動回路で、正の電源電圧Ｖ（＋）
及び負の電源電圧Ｖ（−）と、コレクタが電源電圧Ｖ（
＋）に、エミッタが前記リードピン６１にそれぞれ接続
され、ベース・コレクタ間に抵抗Ｒ８が接続されたＮＰ
Ｎ型トランジスタＴＲＩと、アノードが抵抗Ｒ８とトラ
ンジスタＴＲＩのベスとの接続中点に接続され、カソー
ドが温度変動検知部４０の出力と接続されたダイオード
Ｄ１と、エミッタがトランジスタＴＲＩとリードピン６
１との接続中点に、コレクタが電源電圧Ｖ（−）にそれ
ぞれ接続され、ベース・コレクタ間に抵抗Ｒ９が接続さ
れたＰＮＰ型トランジスタＴＲ２と、アノードがダイオ
ードＤ１のカソードと温度変動検知部４０の出力との接
続中点に接続され、カッドが抵抗Ｒ９とトランジスタＴ
Ｒ２のベースとの接続中点に接続されたダイオードＤ２
とから構成されている。また、Ｒｌｏは帰還抵抗である
。

７０は検出圧力演算部で、非反転増幅回路７１゜７２及
び差動増幅回路７３と、抵抗Ｒ１□〜Ｒ１６により構成
されており、増幅回路７１の非反転入力（＋）はリード
ピン６３に、増幅回路７２の非反転入力（＋）はリード
ピン６２にそれぞれ接続され、これら増幅回路７１．７
２の反転入力（−）同士は抵抗Ｒ１□を介して接続され
ている。さらに、増幅回路７１．７２の各出力と反転入
力（−）との接続中点には抵抗ＲＲがそれぞれ接続され
てい１２’　　１３ る。また、増幅回路７３の反転入力（−）には抵抗Ｒ１
４を介して増幅回路７１の出力が、非反転入力（＋）に
は抵抗Ｒ１５を介して増幅回路７２の出力がそれぞれ接
続されている。

８０は増幅回路用零点調整部で、増幅回路８１と、電源
電圧Ｖ（＋）と、抵抗Ｒ及び抵抗Ｒ１７〜Ｒと、可変抵
抗ｖＲ２とから構成されている。

増幅回路８１の非反転入力（＋）には可変抵抗ＶＲ２の
可動端子が、反転入力（−）には抵抗Ｒ１７及びＲの接
続中点が抵抗Ｒ１９を介して接続されている。さらに、
増幅回路８１の出力は、抵抗Ｒ２１を介して前記差動増
幅回路７３の非反転入力（＋）と抵抗Ｒ１，との接続中
点に接続されている。

次に、上記構成による動作を、第１図、第６図及び第８
図に基づいて説明する。なおここでは、気体等の被圧力
検出体によるシリコンダイアフラム４の温度変化に対す
る温度補償動作を主として説明し、かつ、被圧力検出体
の温度が、Ｔ１　→Ｔ２−Ｔ３　（但し、Ｔ２〉Ｔ１〉
Ｔ３）と変化した場合を例にとり説明する。また、温度
目標値設定部３０は、温度Ｔ１に相当する基準電圧Ｖ１
１．を供給するように設定しであるものとする。

まず、圧力導入パイプ２、圧力伝達孔１４を介して、シ
リコンダイアフラム４の受圧面４ａに到達する被圧力検
出体の温度がＴ　からＴ２と高くなると、これに伴ない
シリコンダイアフラム４の温度も上昇して、感圧抵抗素
子Ｒ１〜Ｒ４の値が変化し、リードピン６４とリードピ
ン６５間の感圧抵抗素子Ｒ−Ｒ４の合成抵抗値ＲＢが徐
々に小さな値となる。これにより、温度フィードバック
信号ＶＴの値が基準電圧”ＴＨよりも小さくなり、温度
変動検知部４０の出力である検知信号ＤＴのレベルが反
転して低レベルとなる。

これに伴ない、電子冷却素子駆動回路５０のトランジス
タＴＲ２がオンになり、電子冷却素子１１へ電源電圧Ｖ
（−）に基づく電力が供給され（第８図の■ＰＬ”基板
１３ｂ側で吸熱作用が行なわれるようになる。これによ
り、シリコンダイアフラム４の温度が徐々に降下し、温
度フィードバック信号ＶＴの値が基準電圧”Ｔｌ＋の値
に徐々に近すき、やがて等しくなる。

続いて、被圧力検出体の温度がＴ　からＴ３と低くなる
と、これに伴ないシリコンダイアフラム４の温度も降下
して、感圧抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４の値が変化し、リードピ
ン６４とリードピン６５間の感圧抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４の
合成抵抗値Ｒ６か徐々に大きな値となる。これにより、
温度フィードバック信号ＶＴＯ値が基準電圧”ＴＨより
も大きくなり、温度変動検知部４０の出力である検知信
号ＤＴのレベルが反転して高レベルとなる。

これに伴ない、電子冷却素子駆動回路５０のトランジス
タＴＲ２はオフになり、一方、トランジスタＴＲＩがオ
ンになる。従って、今度は電子冷却素子１１へ電源電圧
■（＋）に基づく電力が供給され（第８図のｖ、Ｈ）、
基板１３ｂ側で発熱作用が行なわれるようになる。これ
により、シリコンダイアフラム４の温度が徐々に上昇し
、温度フィードバック信号ＶＴの値が基準電圧”ＴＨの
値に徐々に近ずき、やがて等しくなる。

以上のような、温度補償動作が行なわれることによって
、シリコンダイアフラム４の温度は所望の設定温度に応
答性良く保持される。従って、検出圧力演算部７０によ
り得られるアナログ出力は、温度変化に対して零点移動
の少ない、高精度な出力特性を有している。また、被圧
力検出体は、電子冷却素子１１を貫通した圧力伝達孔１
４を案内されるので、この圧力伝達孔１４を通過時にも
温度変動の抑制作用を受けていることになる。

以上のように、本実施例によれば、シリコンダイアフラ
ム４を載置する台座１０として、直流電流に応じて吸熱
及び発熱作用を誘起させ得る電子冷却素子１１を用い、
感圧抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４の合成抵抗値ＲＢの温度変化に
対する特性を利用して、温度目標値設定部３０で設定さ
れた温度に対するシリコンダイアフラム４の温度変動を
温度変動検知部４０で検知し、検知信号り、に基づいて
電子冷却素子１１の吸熱及び発熱作用の方向性を制御す
るようにしたので、シリコンダイアフラム４の温度が被
圧力検出体の温度変動の影響を受けて変動したとしても
、シリコンダイアフラム４の温度を所定の設定温度に保
持できる。従って、台座１０の煩雑な材料選択作業から
回避され、かつ、零点移動の極めて少ない、高精度な圧
力検出が実現できる。

なお、本実施例においては、絶対圧型半導体圧力センサ
を例にとり説明したが、いわゆるゲージ圧型や差圧型の
半導体圧力センサに本発明が適用できることはいうまで
もない。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、圧力検出用の半
導体ダイアフラムと、該半導体ダイアフラムと熱的に結
合した電子冷却素子と、予め設定した温度に対する前記
半導体ダイアフラムの温度変動を検知する温度変動検知
部と、該温度変動検知部の検知信号に基づいて前記電子
冷却素子への印加電力の供給方向を切換える電子冷却素
子駆動回路とを備えたので、半導体ダイアフラムの温度
が被圧力検出体の温度変動の影響を受けて変動したとし
ても、当該半導体ダイアフラムの温度を所定の設定温度
に保持できる。

従って、いわゆる感圧部の熱歪を低減でき、半導体ダイ
アフラムを載置する台座の煩雑な材料選択作業が必要な
くなり、かつ、零点の移動を抑制でき、高精度な圧力検
出を行ない得る半導体圧力センサを提供できる利点があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る半導体圧力センサの一実施例を示
す主要部の断面図、第２図は従来の半導体圧力センサの
断面図、第３図は従来の歪ゲージの等価回路図、第４図
は本発明に係る電子冷却素子の原理説明図、第５図は本
発明に係る半導体圧力センサの概要図、第６図は本発明
に係る半導体圧力センサの全体構成を示す回路図、第７
図は本発明に係る温度フィードバック信号ＶＴの温度特
性図、第８図は本発明に係る動作を説明するための波形
図である。 図中、１・・・金属ステム、２・・・圧力導入パイプ、
４・・・シリコンダイアフラム、５・・・ボンディング
ワイヤ、６．６１〜６６・・・リードピン、７・・・キ
ャップ、１０・・・台座、１１・・・電子冷却素子、１
２ａ１２ｂ・・・電極、１３ａ、１３ｂ・・・基板、１
４・・・圧力伝達孔、２０・・・定電流駆動回路、３０
・・・温度目標値設定部、４０・・・温度変動検知部、
５０・・・電子冷却素子駆動回路、Ｒ、Ｒ、Ｒ、Ｒ・・
・半導体感圧抵抗素子。 特許出願人　　コバル電子株式会社 代理人弁理士　　吉　１）　　精　孝 １　つ 第 因 第 図 ４シリコンダイアフラム （ａ） 本発明に係る半導体圧力センサの概要同第 図 第 図 （ｂ） 本発明に係る半導体圧力センサの概要同第 図 本発明に係る動作を説明するだめの波形図第８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 圧力検出用の半導体ダイアフラムと、 該半導体ダイアフラムと熱的に結合した電子冷却素子と
   、 予め設定した温度に対する前記半導体ダイアフラムの温
   度変動を検知する温度変動検知部と、該温度変動検知部
   の検知信号に基づいて前記電子冷却素子への印加電力の
   供給方向を切換える電子冷却素子駆動回路とを備えた ことを特徴とする半導体圧力センサ。