JPH0572068A - 半導体圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は静圧下ならびに差圧下で生じる信号
を補償するとともに、静圧および差圧を同一半導体基板
上で、しかも極めて精度良く、かつ高い信頼性で検出す
る。 【構成】 半導体基板１の中央部分下面に台座管２を接
続してこの部分を差圧センサ部５として使用し、前記半
導体基板１の周辺部に前記台座管２と分離された浮遊台
座管３を接続して前記半導体基板１の周辺部分を静圧セ
ンサ部７として使用し、これら差圧センサ部５と、静圧
センサ部７とを梁１７によって接続して前記半導体基板
１の中心部分と周辺部分との間を傾斜センサ部６として
使用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧力を検出する半導体圧
力センサに係わり、特に静圧下ならびに差圧下で生じる
信号を補償するとともに、センサ自身の傾斜による誤差
を補償する傾斜センサを備え、静圧および差圧を極めて
精度よく検出し得るようにした半導体圧力センサに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】圧力の検出を行なうためのセンサの１つ
として、従来、半導体圧力センサが知られている。

【０００３】この半導体圧力センサは単結晶半導体（例
えば、シリコン等）の優れた弾性を利用し、薄膜シリコ
ンダイヤフラムの両端にかかる圧力差に応答する応力を
検出してこの応力の大きさに応じた値の圧力検出信号を
出力する。

【０００４】図３はこのような半導体圧力センサの一例
を示す断面図である。

【０００５】この図に示す半導体圧力センサ１００はｎ
形面からなるシリコン単結晶基板１０１の一面に凹部１
０２を形成して薄肉部のダイヤフラム部１０３とし、前
記凹部１０３側の面と反対側の表面にｐ形不純物を拡散
して図４に示す如く複数の差圧センサ（ストレインゲー
ジ抵抗）１０４〜１０６を形成した後、これら差圧セン
サ１０４〜１０６を形成した単結晶基板１０１の表面に
酸化膜１０７を形成して前記各差圧センサ１０４〜１０
６を被膜し、さらにこの酸化膜１０７を貫通するように
設けられた孔１０８を介して前記各差圧センサ１０４〜
１０６の両端に各々電極層１０９を接続して形成したも
のであり、円筒状に形成された台座管１１２に固定され
るとともに、金線等によって構成されるワイヤ１１０に
よって前記電極層１０９と外部端子（図示は省略する）
とが接続されて使用される。

【０００６】なお、図４においては、右側の差圧センサ
１０４〜１０６部分にのみに電極層１０９を接続してい
るが、実際には各差圧センサ１０４〜１０６毎に各々電
極層１０９が設けられている。

【０００７】そして、このように構成された半導体圧力
センサ１００においては、ダイヤフラム部１０３が圧力
によって応力を受けると、ダイヤフラム部１０３の表面
に形成された差圧センサ１０４〜１０６のうち、予め決
められた結晶軸方向に配置されたものの抵抗値が増加す
るとともに、他の決められた結晶軸方向に配置されたも
のの抵抗値が減少して、これら各差圧センサ１０４〜１
０６によって構成されているホィートストンブリッジ回
路（図示は省略する）の出力電圧が変化し、この変化分
に対応した検出信号が出力される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな半導体圧力センサ１００においては、静圧（ダイヤ
フラムの両面にかかる共通な圧力）下でも、ゼロシフト
と呼ばれる誤信号を生じる。

【０００９】そこで、このような問題を解決する方法と
てして、半導体圧力センサ１００と別個の圧力センサを
用いて静圧を検出し、この検出値に基づいて差圧センサ
１０４〜１０６の出力を補正する方法が実用化されてい
る。

【００１０】しかしながら、このような方法では、２つ
の素子を使用しなければならないため、なるべくなら
ば、シングルタイプの素子を用い、かつ２つの信号に対
して単純な補正を行なうだけで２つの信号を得るように
することが望ましい。

【００１１】そこで、このような要求を満たす方法とし
て、シリコン単結晶基板１０１の表面（前記台座管１１
２と接合される面と反対側の面）に、差圧センサ１０４
〜１０６と同様な配置で静圧によって生じる歪みを検出
するセンサ（静圧センサ）を設け、この静圧センサの出
力に基づいて前記差圧センサ１０４〜１０６の出力を補
正することも行われている。

【００１２】しかしながら、このような半導体圧力セン
サ１００では温度に対する影響を共通化するために、差
圧センサ１０４〜１０６と同一基板上で、かつ同じ配置
位置関係となるように静圧センサを配置しているので、
静圧センサにも差圧歪みの影響が出てしまい、その応答
特性が一義的な信号にならないことが多いばかりか、こ
のような静圧センサに対しても、差圧センサ１０４〜１
０６の出力に基づいて補正を行なう必要があるため、極
めて厄介補正関係が必要であった。

【００１３】このため、このような静圧センサによって
差圧センサ１０４〜１０６の信号を補正する方法では、
極めて大きな誤差が発生する恐れがあった。

【００１４】また、このような半導体圧力センサ１００
においては、この半導体圧力センサ１００をケースに入
れたとき、センサ自身の傾斜によりダイヤフラム部１０
３の差圧センサ１０４〜１０６を取り囲むように充填さ
れている圧力媒体（例えば、シリコンオイルなど）の重
さが差圧センサ１０４〜１０６に加えられて、これら差
圧センサ１０４〜１０６から出力される信号中に前記セ
ンサ自身の傾斜に起因する誤差成分が重畳されてしまう
ため、各差圧センサ１０４〜１０６の補正がかなり難し
くなってしまうことがあった。

【００１５】さらに、半導体圧力センサ１００の設置条
件によっては、低周波の信号を伴う環境下で差圧を測定
するとき、振動によるノイズによって差圧センサ１０４
〜１０６の出力に誤差が発生してしまうことがあり、こ
のようなノイズを除去できることができる半導体圧力セ
ンサの開発が強く望まれている。

【００１６】本発明は上記の事情に鑑み、静圧下ならび
に差圧下で生じる信号を補償することができるととも
に、静圧および差圧を同一半導体基板上で、しかも極め
て精度良く、かつ高い信頼性で検出することができる半
導体圧力センサを提供することを目的としている。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明による半導体圧力センサは、第１面および第
２面を有し、前記第１面の中央部分に空洞が形成され、
かつ前記空洞を取り囲む周辺に第２面から第１面まで貫
通する複数の孔が形成されて前記中央部分と周辺部分と
を接続する梁が形成された単結晶半導体材料からなる所
定形状の半導体基板と、一端が前記半導体基板の前記第
１面に形成された前記空洞を取り囲むように接合されて
内側に形成された導圧路によって前記空洞に検出対象と
なる圧力媒体を導く所定形状の台座管と、前記半導体基
板と異なる材料からなり、一端が前記半導体基板の最外
周辺の第１面に接合される浮遊台座管と、前記半導体基
板の前記第２面で前記空洞の反対側に形成される少なく
とも１つ以上の垂直方向差圧センサおよび少なくとも１
つ以上の平行方向差圧センサと、前記半導体基板の前記
第２面で前記浮遊台座管に接合された部分に形成される
少なくとも１つ以上の垂直方向静圧センサおよび少なく
とも１つ以上の平行方向静圧センサと、前記梁の第２面
に形成される少なくとも１つ以上の傾斜センサとを備え
たことを特徴としている。

【００１８】

【作用】上記の構成において、半導体基板の中央部分下
面に台座管を接続してこの部分を差圧センサ部として使
用し、前記半導体基板の周辺部に前記台座管と分離され
た浮遊台座管を接続して前記半導体基板の周辺部分を静
圧センサ部として使用し、これら差圧センサ部と、静圧
センサ部とを梁によって接続して前記半導体基板の中心
部分と周辺部分との間を傾斜センサ部として使用するこ
とにより、静圧下ならびに差圧下で生じる信号を補償す
るとともに、静圧および差圧を同一半導体基板上で、し
かも極めて精度良く、かつ高い信頼性で検出する。

【００１９】

【実施例】図１は本発明による半導体圧力センサの一実
施例を示す断面図である。

【００２０】この図に示す半導体圧力センサは薄い方形
の半導体基板１と、前記半導体基板１の一面に接続され
台座管２と、この台座管２の周囲に配置され前記半導体
基板１の前記一面に接合される浮遊台座管３とによって
構成されている。

【００２１】半導体基板１はシリコンのような単結晶材
料によって構成される矩形状の基板４によって構成され
ており、差圧センサ部５と、傾斜センサ部６と、静圧セ
ンサ部７とに区分されている。

【００２２】差圧センサ部５は前記半導体基板１の中央
部分下側（図１において下側）に矩形状の凹部８を形成
して作った薄肉のダイヤフラム部９と、図２に示す如く
前記ダイヤフラム部９の上側（図１において上側）にボ
ロン等の不純物を拡散注入して前記半導体基板１と一体
に形成したピエゾ特性を有する所望形状の差圧センサ１
０〜１３とを備えている。

【００２３】この場合、これら差圧センサ１０〜１３は
差圧センサ１０、１１が予め設定されている結晶軸方向
と一致するように形成され、他方の差圧センサ１２、１
３が前記結晶軸と直交するように形成される。

【００２４】そして、前記ダイヤフラム部９の上面側
と、下面側との差圧によって前記ダイヤフラム部９が歪
んだとき、この歪みに応じて前記各差圧センサ１０〜１
３の抵抗値が変化してこれが差圧検出信号として外部に
出力される。

【００２５】また、傾斜センサ部６は前記半導体基板１
の前記差圧センサ部５の周囲下面側（図において下側）
に枠状の長溝１４を形成して作った薄肉部１５の所要部
分に複数の孔１６を形成して作成した複数の梁部１７
と、これらの各梁部１７の上側（図１において上側）に
ボロン等の不純物を拡散注入して前記半導体基板１と一
体に形成したピエゾ特性を有する所望形状の傾斜センサ
１８〜２１とを備えている。

【００２６】この場合、傾斜センサ１８〜２１はこの半
導体圧力センサがケースに収められたとき、傾斜センサ
１８、１９が上下関係となり、傾斜センサ２０、２１が
上下関係となるように前記各梁部１７に形成される。

【００２７】そして、前記差圧センサ部５に対して静圧
センサ部７の相対位置が変化して各梁部１７が歪んだと
き、この歪みに応じて前記各傾斜センサ１８〜２１の抵
抗値が変化してこれが傾斜検出信号として外部に出力さ
れる。

【００２８】また、静圧センサ部７は前記半導体基板１
上の前記傾斜センサ部６の周囲に形成された口形の枠部
２２と、図２に示す如く前記枠部２２の上側（図１にお
いて上側）にボロン等の不純物を拡散注入して前記半導
体基板１と一体に形成したピエゾ特性を有する所望形状
の静圧センサ２３〜２６とを備えている。

【００２９】この場合、これら静圧センサ２３〜２６は
静圧センサ２３、２４が予め設定されている結晶軸方向
と一致するように形成され、他方の静圧センサ２５、２
６が前記結晶軸と直交するように形成される。

【００３０】そして、この半導体圧力センサが収められ
ているケース内の静圧によって前記各枠部２２が歪んだ
とき、この歪みに応じて前記静圧センサ２３〜２６の抵
抗値が変化してこれが静圧検出信号として外部に出力さ
れる。

【００３１】また、台座管２はパイレックガラス等によ
って構成され、その外径が前記差圧センサ部５を構成す
る凹部８の一辺の長さよりも長く、かつその内径が前記
凹部８の一辺の長さよりもかなり短くなるように形成さ
せた四角筒部材２７によって構成されており、その上端
（図において上端）が前記差圧センサ部５を構成する半
導体基板１の下面に接合され、その内部に形成された断
面円形の導圧路２８によって前記差圧センサ部５の前記
凹部８に検出対象となる圧力媒体を導く。

【００３２】また、浮遊台座管３はパイレックガラス等
によって構成され、その外径が前記静圧センサ部７の外
縁を構成する一辺の長さとほぼ同じ長さに形成され、か
つその内径が前記静圧センサ部７の内縁を構成する一辺
の長さとほぼ同じ長さに形成される四角筒部材２９によ
って構成されており、その上端（図において上端）が前
記静圧センサ部７を構成する半導体基板１の下面に接合
されている。

【００３３】次に、図１および図２を参照しながらこの
実施例の構造と効果との関係を説明する。

【００３４】まず、前記半導体基板１の下面周囲にこの
半導体基板１に対して異種材料となるパイレックガラス
等の浮遊台座３を接合し、圧縮率の大きい浮遊台座３側
から圧縮率の小さい半導体基板１により大きな歪みが伝
わり易くしているため、ダイヤフラム部９にかかる差圧
がゼロで、静圧のみが加えられたときには、半導体基板
１と浮遊台座管３との接合面直上の半導体基板１の上面
（図１において上面）側に誘起される歪みはダイヤフラ
ム部９に誘起される歪みよりもかなり大きい。

【００３５】一方、傾斜センサ部６の下面側（図１にお
いて下面側）に設けられた長溝１４と、複数の孔１６と
によって差圧センサ部５のダイヤフラム部９に生じた歪
みがその外側の半導体基板１に形成された静圧センサ部
７側に極めて伝わり難くなっているので、ダイヤフラム
部９の両面にかかる差圧によってダイヤフラム面に歪み
が誘起されても、各静圧センサ２３〜２６の出力はほと
んど変化しない。

【００３６】したがって、静圧を主として検出する各静
圧センサ２３〜２６は差圧による誤差が小さくなり、か
つ差圧の測定範囲内では一義的な誤差特性を表わす。

【００３７】これによって、１つの組になった４個の差
圧センサ１０〜１３は主としダイヤフラム部９にかかる
差圧を検出し、別の組にった４個の静圧センサ２３〜２
６は半導体基板１と浮遊台座管３とにかかる静圧変化に
よってのみ生じる信号を出力するので、静圧センサ２３
〜２６から出力される信号によって差圧センサ１０〜１
３から出力される信号を補正することにより、前記差圧
センサ１０〜１３の出力に含まれる静圧誤差信号成分を
除去することができる。

【００３８】また、台座管２に半導体基板１が固定され
ているときにおいて、半導体基板１に傾斜による力や振
動による力が加われば、これによってダイヤフラム部９
に歪みが発生して４個の差圧センサ１０〜１３から出力
される信号が変化するが、このとき差圧センサ部５に対
する静圧センサ部７の相対位置が変化してこれらを接続
している傾斜センサ部６の各梁部１７が歪んでこれら各
梁部１７に設けられている４個の傾斜センサ１８〜２１
から出力される信号が変化するので、これら傾斜センサ
１８〜２１から出力される信号によって差圧センサ１０
〜１３から出力される信号を補正することにより、前記
差圧センサ１０〜１３の出力に含まれる傾斜誤差信号成
分や振動誤差信号成分を除去することができる。

【００３９】このようにこの実施例においては、半導体
基板１の中央部分下面に台座管２を接続してこの部分を
差圧センサ部５として使用するとともに、前記半導体基
板１の周辺部に前記台座管２と分離した浮遊台座管３を
接合して静圧センサ部７として使用し、さらにこれら差
圧センサ部５と、静圧センサ部７とを複数の梁部１７に
よって接続してこの部分を傾斜センサ部６として使用す
るようにしたので、静圧下ならびに差圧下で生じる信号
を補償することができるとともに、静圧および差圧を同
一半導体基板上で、しかも極めて精度良く、かつ高い信
頼性で検出することができる。

【００４０】また、上述した実施例においては、半導体
基板１および台座管２、浮遊台座管３の横断面を方形状
にしているが、これらを円形にしても、また多角形状に
しても良く、また傾斜センサ部６に形成される孔１６の
形状を他の形状にしても良い。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、静
圧下ならびに差圧下で生じる信号を補償することができ
るとともに、静圧および差圧を同一半導体基板上で、し
かも極めて精度良く、かつ高い信頼性で検出することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体圧力センサの一実施例を示
す断面図である。

【図２】図１に示す半導体圧力センサの平面図である。

【図３】従来から知られている半導体圧力センサの一例
を示す断面図である。

【図４】図３に示す半導体圧力センサの平面図である。

【符号の説明】

１ 半導体基板 ２ 台座管 ３ 浮遊台座管 ５ 差圧センサ部 ６ 傾斜センサ部 ７ 静圧センサ部 ８ 凹部（空洞） １０、１１ 差圧センサ（垂直方向差圧センサ） １２、１３ 差圧センサ（平行方向差圧センサ） １６ 孔 １７ 梁 １８〜２１ 傾斜センサ ２３、２４ 静圧センサ（垂直方向静圧センサ） ２５、２６ 静圧センサ（平行方向静圧センサ） ２８ 導圧路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 林 忠広 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内 (72)発明者 渡辺 太一 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内 (72)発明者 石井 明 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１面および第２面を有し、前記第１面
   の中央部分に空洞が形成され、かつ前記空洞を取り囲む
   周辺に第２面から第１面まで貫通する複数の孔が形成さ
   れて前記中央部分と周辺部分とを接続する梁が形成され
   た単結晶半導体材料からなる所定形状の半導体基板と、 一端が前記半導体基板の前記第１面に形成された前記空
   洞を取り囲むように接合されて内側に形成された導圧路
   によって前記空洞に検出対象となる圧力媒体を導く所定
   形状の台座管と、 前記半導体基板と異なる材料からなり、一端が前記半導
   体基板の最外周辺の第１面に接合される浮遊台座管と、 前記半導体基板の前記第２面で前記空洞の反対側に形成
   される少なくとも１つ以上の垂直方向差圧センサおよび
   少なくとも１つ以上の平行方向差圧センサと、 前記半導体基板の前記第２面で前記浮遊台座管に接合さ
   れた部分に形成される少なくとも１つ以上の垂直方向静
   圧センサおよび少なくとも１つ以上の平行方向静圧セン
   サと、 前記梁の第２面に形成される少なくとも１つ以上の傾斜
   センサと、 を備えたことを特徴とする半導体圧力センサ。