JPH0572069A - 半導体圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 本発明は、センサチップ１上に配置形成され
たダイヤフラム５上の差圧センサと、その周縁部で台座
管３の上方に差圧センサと対応して同様に配置された静
圧センサの間に歪み分離帯を設けたことにより、静圧セ
ンサ信号に含まれる差圧によるダイヤフラム５の歪みに
基づく静圧信号誤差成分を除去する。 【効果】 本発明によれば、静圧信号誤差成分を除去す
ることで、より正確な静圧センサ信号が得られ、これに
より差圧センサ信号中の含まれる静圧による誤差を補正
することが可能となり、半導体圧力センサの精度が向上
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は差圧伝送器等に用いる半
導体圧力センサに係り、特に静圧誤差の補償精度の向上
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から圧力検出を行う為のセンサとし
ては種々のものが知られているが、その一つとして半導
体圧力センサが多く用いられている。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
利用して薄膜シリコンダイヤフラムの両面にかかる圧力
差に応答する応力を検出するものである。

【０００３】図３（ａ），（ｂ）は従来の半導体圧力セ
ンサの構成例を示したもので、図３（ａ）はセンサチッ
プを台座管が接合されている反対側から見た平面図、図
３（ｂ）は差圧センサとそれと対応する静圧センサを含
む面でセンサチップを垂直に切った断面図である。

【０００４】このダイヤフラム１０１は、その一方の表
面に応力センサを形成した単結晶半導体センサチップ１
０２から成る。この目的に広く利用される応力センサは
ピエゾ抵抗特性を有し、センサの抵抗はチップ内の応力
が変化する時、センサにかかる応力によって変化する。
また、ダイヤフラム１０１を構成するセンサチップ１０
２の別の表面には円形空洞１０３が形成される。そし
て、この円形空洞１０３へ検出すべき圧力を導入する導
圧路１０４を有する円筒状の台座管１０５の一端がセン
サチップ１０２の他方の表面に接合して設けられてい
る。

【０００５】更に、通常、少なくとも一対の半径方向歪
みセンサ（半径方向差圧センサ１０６）と少なくとも一
対の接線方向歪みセンサ（接線方向差圧センサ１０７）
がダイヤフラムに形成される。これらのセンサは、ブリ
ッジ回路を構成するように電気的に相互接続され、ダイ
ヤフラム１０１にかかる差圧を表わす信号を出力するよ
うになっている。

【０００６】一方、静圧下（ダイヤフラムの両面に同等
な圧力が印加されて差圧がゼロの場合）においても、ゼ
ロシフトと呼ばれる誤信号を生ずることがある。そこ
で、この静圧によって生ずる歪みを検出するセンサを上
記台座管と結合した反対側の面に差圧を検出するセンサ
と同様な配置で設け、静圧を表す信号を出力させて補正
をするようにしている。即ち、半径方向静圧センサ１０
８及び接線方向静圧センサ１０９である。

【０００７】しかしながら、この静圧を検出するセンサ
は、差圧を検出するセンサと同一基板上で同様な位置関
係にあることから、差圧による歪みをも検出し、その応
答特性は一般に一義的な信号として得られない場合があ
る。

【０００８】このような場合、静圧センサによって差圧
センサの信号を補正する手段では極めて大きな誤差を与
える危険がある。従って、従来では静圧センサもまた差
圧センサによる補正を必要とするという、極めて複雑な
補正関係が存在していた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
半導体圧力センサにおいては、差圧下並びに静圧下にお
いてそれぞれ生ずる応答信号に対して精度良く相互に補
償することができないという問題点があった。本発明は
上記にような従来技術の問題点を除去し、半導体圧力セ
ンサの信頼性を追及するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明においては、第１および第２の面を有し、前
記第１の面に空洞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、前記半導体基板の第１の面
に結合され、かつ検出すべき圧力を前記空洞に導入する
導圧路を有する所定形状の台座管と、

【００１１】前記半導体基板の第２の面上であって、前
記空洞周縁の反対側近傍に形成された少なくとも１個の
前記周縁に対して垂直方向の差圧歪みセンサおよび少な
くとも１個の前記周縁に対して平行方向の差圧歪みセン
サと、

【００１２】前記半導体基板の第２の面上であって、前
記台座管が接合された部分の反対側に前記差圧歪みセン
サと対応して同様な配置に形成された少なくとも１個の
前記周縁に対して垂直方向の静圧歪みセンサおよび少な
くとも１個の前記周縁に対して平行方向の静圧歪みセン
サと、

【００１３】前記各差圧歪みセンサとそれに対応する前
記各静圧歪みセンサの間の第２の面上にそれぞれ形成さ
れた歪み分離帯とを備えて成ることを特徴とする半導体
圧力センサを提供する。

【００１４】

【作用】このように構成された半導体圧力センサにおい
ては、差圧分の歪みを検出する差圧センサと静圧分の歪
みを検出する静圧センサとの間に歪み分離帯が存在する
ことにより、当該歪み分離帯の外側のセンサチップ上に
ある静圧センサには、差圧によるダイヤフラムの変形が
極めて伝わり難くなるため、差圧誤差信号が極めて微小
となる。これにより、静圧センサからの信号は静圧だけ
に応答した信号と見倣せる程の線形な信号として取り出
すことができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の詳細を図示の実施例によって
説明する。

【００１６】図１（ａ），（ｂ）は本発明による半導体
圧力センサの構成例を示したもので、図１（ａ）はセン
サチップを台座管と反対側の面から見た平面図、図１
（ｂ）は差圧センサとそれに対応する静圧センサを含む
面でセンサチップに垂直に切った断面図である。

【００１７】図１（ａ），（ｂ）において、１は薄い方
形のセンサチップであり、例えばシリコンのような単結
晶半導体材料から成る。また、２は方形空洞であり、セ
ンサチップ１の面、即ち第１の面に形成される。更に、
３は四角柱状の台座管で、例えばパイレックスガラスか
らなり、方形空洞２に検出すべき圧力を導入する断面円
形の導圧路４を有している。これにより、方形空洞２を
覆うセンサチップ１の部分はダイヤフラム５を形成し、
ダイヤフラム５に発生する歪みは台座管３によって導か
れた圧力と、センサチップ１の他方の面、即ち第２の面
に印加される圧力との差に依存する。

【００１８】一方、方形空洞２上のセンサチップ１の第
２の面には方形のセンサチップ１の垂直方向の歪みを検
出する垂直方向差圧センサ６及び平行方向の歪みを検出
する平行方向差圧センサ７が形成される。ここで、これ
らの差圧センサは、不純物、例えばボロンを方形空洞２
上のセンサチップ１の第２の面近傍に拡散等の手段によ
り注入してセンサチップ１と一体形成され、その形状は
センサの所望の形状によって決定される。このように形
成された差圧センサはピエゾ抵抗特性を有し、その抵抗
値はセンサが受ける歪みに従って変化する。

【００１９】これらの差圧センサは、ダイヤフラム５の
両面にかかる圧力差の結果としてダイヤフラム５内に誘
起する歪みに主として感応するものであるが、ダイヤフ
ラム５の両面にかかる圧力差が等しい時にダイヤフラム
５に生ずる歪みにも感応してしまう。この静圧による歪
み発生の原因は、センサチップ１と台座管３との異種材
料接合にある。そして、この歪みに対して感応するセン
サが静圧センサであり、本実施例では、垂直方向静圧セ
ンサ８及び平行方向静圧センサ９としてセンサチップ１
と台座管３との接合面上のセンサチップの第２の面近傍
にそれぞれ形成される。このようにして形成された静圧
センサはピエゾ抵抗を有しており、また各差圧センサと
各静圧センサとの間には歪み分離帯がそれぞれ形成され
ている。次に、図２（ａ），（ｂ）は台座管をセンサチ
ップ面と平行に切った断面図である。

【００２０】図２（ａ）は円形台座管１１の外表面と、
円形台座管１１の導圧路４に面した内表面に差圧ゼロの
状態で静圧が印加された場合を示している。（ここで、
矢印の数は特に意味を持たない。）

【００２１】次に、図２（ｂ）には方形台座管１２及び
導圧路４に差圧ゼロの静圧が印加された場合を示してお
り、この場合、方形台座管１２各辺の中点付近の圧縮が
最も大きく図示のようになることが分かる。以上に基づ
き、台座管とセンサチップの接合後にセンサチップと台
座管との接合面直上の第２の面に誘起される歪みについ
て考える。

【００２２】まず、図２（ａ）のような円形台座管１１
にセンサチップを接合すると、円形台座管１１の上述の
如き変形により、センサチップも等方的に歪みを生ずる
こととなる。これに対して、図２（ｂ）のような方形台
座管１２にセンサチップを接合した場合には、方形台座
管１２の上述の如き変形により、センサチップは各辺の
垂直二等分線近傍において、特に大きな歪みを生ずるこ
ととなる。即ち、台座管３が方形状でかつ中に断面円形
の導圧路４が開いているため、静圧による圧縮歪みが各
辺の垂直二等分線近傍に大きく発生し、かつその接合面
には異種材料のセンサチップが接合しているため、圧縮
率の小さいセンサチップには台座管３による大きな歪み
が伝わり、特にセンサチップ各辺の垂直二等分線近傍で
最大となる。従って、この際に静圧センサを各辺の垂直
二等分線近傍に配置することでより高い感度を得ること
ができる。

【００２３】更に、積極的に形状を選択し感度を上げる
ためには、ここでは台座管３の形状を方形とし断面円形
の導圧路４を形成する場合を示したが、何らこれに限定
されるものではない。

【００２４】一方、図１（ａ），（ｂ）に示したように
ダイヤフラム５の両面の差圧に基づく歪みはセンサチッ
プ１上の歪み分離帯１０により、それより外側のセンサ
チップ上に位置する静圧センサには極めて伝わり難くし
ている。従って、静圧センサにおいては、差圧による誤
差が小さくなり、即ち、差圧の測定範囲内では一義的な
誤差特性を有するセンサと考えることができる。これに
より、静圧センサの信号は差圧センサの信号における静
圧誤差信号成分を補正するのに用いることができる。こ
こで、歪み分離帯１０の形成法としては、センサチップ
１を台座管３に接合する以前にエッチング等により設け
ることが考えられる。また、前述のように台座管の形状
を選択することにより大きな静圧センサ信号を得ること
ができ、より精度の高い静圧誤差信号分の補正が可能と
なる。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、セ
ンサチップ上の差圧センサとそれに対応する静圧センサ
の間に歪み分離帯を設けたことにより、静圧センサ信号
中の差圧に基づく静圧誤差成分を除去し差圧センサ信号
を補正することで、半導体圧力センサの精度が向上す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の実施例を示すセンサチップを
台座管と反対側から見た平面図、（ｂ）は本発明の実施
例を示すセンサチップを差圧センサとそれに対応する静
圧センサを含む面でセンサチップに垂直に切った断面
図。

【図２】（ａ）は円形台座管の静圧印加時における圧縮
状態を示した断面図、（ｂ）は方形台座管の静圧印加時
における圧縮状態を示した断面図。

【図３】（ａ）は従来例を示すセンサチップを台座管と
反対側から見た平面図、（ｂ）は従来例を示すセンサチ
ップを差圧センサとそれに対応する静圧センサを含む面
でセンサチップに垂直に切った断面図。

【符号の説明】

１……センサチップ、２……方形空洞、３……台座管、
４……導圧路 ５……ダイヤフラム、６……垂直方向差圧センサ、７…
…平行方向差圧センサ ８……垂直方向静圧センサ、９……平行方向静圧セン
サ、１０……歪み分離帯 １１……円形台座管、１２……方形台座管、１０１……
ダイヤフラム １０２……センサチップ、１０３……円形空洞、１０４
……導圧路 １０５……台座管、１０６……半径方向差圧センサ １０７……接線方向差圧センサ、１０８……半径方向静
圧センサ １０９……接線方向静圧センサ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１および第２の面を有し、前記第１の
   面に空洞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、 前記半導体基板の第１の面に結合され、かつ検出すべき
   圧力を前記空洞に導入する導圧路を有する所定形状の台
   座管と、 前記半導体基板の第２の面上であって、前記空洞周縁の
   反対側近傍に形成された少なくとも１個の前記周縁に対
   して垂直方向の差圧歪みセンサおよび少なくとも１個の
   前記周縁に対して平行方向の差圧歪みセンサと、 前記半導体基板の第２の面上であって、前記台座管が接
   合された部分の反対側に前記差圧歪みセンサと対応して
   同様な配置に形成された少なくとも１個の前記周縁に対
   して垂直方向の静圧歪みセンサおよび少なくとも１個の
   前記周縁に対して平行方向の静圧歪みセンサと、 前記各差圧歪みセンサとそれに対応する前記各静圧歪み
   センサの間の第２の面上にそれぞれ形成された歪み分離
   帯とを備えて成ることを特徴とする半導体圧力センサ。