JPH0758795B2 - 圧力センサ - Google Patents

圧力センサ

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JPH0758795B2
JPH0758795B2 JP60013773A JP1377385A JPH0758795B2 JP H0758795 B2 JPH0758795 B2 JP H0758795B2 JP 60013773 A JP60013773 A JP 60013773A JP 1377385 A JP1377385 A JP 1377385A JP H0758795 B2 JPH0758795 B2 JP H0758795B2
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pressure
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sensitivity
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は圧力センサに関し、特に感度ばらつきのない圧
力センサに関するものである。
〔従来の技術〕
従来、圧力センサの分野では圧力感度に関して製品間の
ばらつきを低減することが大きな課題であった。当該圧
力感度のばらつきの原因として、(1)ダイアフラムの
膜厚の違い、(2)不純物濃度のばらつき等による各感
圧素子の感度の違い、(3)ダイアフラム上の感圧素子
の位置ずれ等の要因があげられる。近年、電気化学エッ
チング等によりダイアフラムの膜厚制御が可能となり、
これが上記(1)の要因による圧力感度ばらつきの低減
化に利用されている。また、半導体製造装置の進歩によ
り上記(2)の不純物濃度のばらつきを少なくすること
も可能となった。
一方、通常、感圧素子の位置決めは、顕微鏡を用いて、
技術者が予め刻まれた目印に従って目合せを行なってい
た。従って、多少の位置ずれはこれを避けることができ
ない。以下、従来例を図をあげて説明し、同時にその欠
点について述べる。
第13図は従来の圧力変換器の構成例であり、又、第14図
は従来のダイアフラムを上から見た図である。第13図に
おいて、拡散型ひずみゲージ抵抗1の置かれる厚さ均一
のダイアフラム13と台座14とにより構成されるダイアフ
ラム型圧力センサ3は、該圧力センサ3の線膨張係数に
極めて近い線膨張係数を有するガラス4(例えばコーニ
ング社製 7740パイレックスガラス)に静電ボンディン
グによって接着されている。
さらにガラス4はパッケージ6に金、シリコンあるいは
金、スズの共晶合金5によって接着されている。また、
パッケージ6は、キャップ9によって封止されている。
以下に前記圧力変換器の動作原理を記す。圧力の測定さ
れる気体10が導通管8を通して供給され、一方キャップ
9につけられた導通管12を通して参照となる気体11が供
給される。12は大気中に開放される場合もある。圧力セ
ンサ3のダイアフラム13には、上面と下面の気体の圧力
の差によりひずみが生じ、ダイアフラム13上につくら
れ、ゲージ抵抗により構成されたホイートストンブリッ
ジ回路において、当該ブリッジ回路の出力電圧変化が検
出される。当該ブリッジ回路の励起電圧及び出力電圧
は、金属細線2を介してリード7より入出力される。
第14図のダイアフラム13は通常シリコンの(100)面を
利用しており、当該ダイアフラムの周辺<110>方向に
向けられている。かかる場合には、ゲージ抵抗1は感度
は大きくとる目的で、ダイアフラム13の周辺近くに位置
決めされる。第15図は、圧力が印加された際にダイアフ
ラム中心線上(第14図A−A′)に生じた同方向一軸応
力の分布を示したものである。図中、30はゲージ抵抗1
の置かれる位置を示している。
〔発明が解決しようとする問題点〕
ところが、同図に明らかなように従来、ゲージ抵抗1の
置かれる位置は応力の急激に変化する所でもあるため、
上記構造を持つ圧力センサでは、先に述べたように、ゲ
ージ抵抗の位置決めの際に不可避的に生ずるわずかのず
れに対しても、感度の大きな変動が起こり、結局、圧力
センサの感度ばらつきを避けることができないという欠
点があった。
本発明の目的は、上記従来技術の欠点を除去し、感度ば
らつきのない圧力センサを提供することにある。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は、ブリッジを構成し、印加された圧力に応答す
る感圧素子と、該感圧素子の置かれる(100)方向を向
く方向にダイヤフラムがある正方形のダイヤフラムと、
該ダイヤフラムの周囲を固定する台座とより構成される
シリコン圧力センサにおいて、前記ダイヤフラムの一辺
の方向において周辺部の少なくとも一部が中央部より厚
く、しかも前記一辺に垂直な方向においてダイヤフラム
の厚さが均一であり、この厚くした周辺部に前記感圧素
子の一部のみが配置されていることを特徴とする圧力セ
ンサである。
〔作用・原理〕
本発明の圧力センサは感圧素子の置かれるダイアフラム
が従来のように均一の厚さでなく、周辺部の少くとも一
部が中央部より厚く構成されており、この中央部より厚
い周辺部の位置に感圧素子の一部が置かれる構成をとっ
ている。また、残りの感圧素子はダイアフラムの中央部
あるいは残りの薄い周辺部の最適位置に配置され、ダイ
アフラムを不必要に厚くして感度が悪くならないように
構成されている。このダイアフラムの中心線上に生じた
応力を同方向一軸応力について示すと例えば第3図の関
係が得られ、当該ダイアフラムの厚肉周辺部の感圧素子
の置かれる位置での応力の変化が著しく小さいことが明
らかになった。従って本発明では感圧素子を置くダイア
フラムを中央部より周辺部の一部を厚くし、応力変化の
すくない位置に感圧素子の一部を設置したので感圧素子
の設置位置のわずかの変化に対し圧力センサの感度ばら
つきを大幅に低減することができた。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例について、図面を参照して説明す
る。
第1図および第2図は、本発明の一実施例を示す図で、
第1図は断面図、第2図は第1図のダイアフラムを上か
ら見た図である。図において、従来例として示した第13
図および第14図と同一番号は同一構成要素を示してい
る。第1図と従来例の第13図とはダイアフラムの構造と
感圧素子の配置の違いを除いて同一構成であり、以下当
該ダイアフラムと感圧素子の配置について説明を行な
い、他の要素についてはこれを省く。
当該ダイアフラム40aでは、一対の相対する周辺部41が
中央部42よりも厚く、一組のゲージ抵抗1はこの周辺部
41に置かれている。また、他の一組のゲージ抵抗100は
中央部42の位置に置かれている。ダイアフラム40aを作
製するには、例えば第一段のマスクを台座14の下面に用
いてこれを保護した後、エッチングにより厚肉の周辺部
41を作り、続いて、第二段のマスクを台座14および周辺
部41の下面に用いて中央部42等を作製するという方法を
用いると良い。なお、当該エッチングを行なう際には、
ダイアフラム40aの上面を常に保護してエッチングを受
けないようにしなければならない。また、エッチングの
技術として、化学エッチング、放電加工等を用いること
ができる。
第3図は、圧力が印加された際にダイアフラム40aの中
心線上(第2図B−B′)に生じた応力を同一方向一軸
応力について示したものである。図中60は、感圧素子例
えばゲージ抵抗1の置かれる位置を示している。同図
は、従来例の第15図と異なり、当該感圧素子の置かれる
位置で応力の変化が著しく小さい。また、図中110は他
の感圧素子例えばゲージ抵抗100の置かれる位置を示し
ており、やはり、ここでも当該感圧素子の置かれる位置
で応力の変化は小さい。従って、本実施例の構造をもつ
圧力センサでは、感圧素子の位置ずれにより生ずる感度
ばらつきを低減することが可能である。
第4図乃至第7図は本発明の他の実施例である。図にお
いて、第1図と同一番号は同一構成要素を示している。
これらの実施例において、ダイアフラムの一対の相対す
る周辺部41の形状が、第4図ではダイアフラム40bが周
辺に厚いテーパに、第5図ではダイアフラム40cが内側
に厚いテーパ形状になっている。また、第6図では、ダ
イアフラム40dが周辺部41が二段のステップにより形成
されている。第7図では、中央部42より漸次周辺に厚い
テーパによりダイアフラム40eが形成されている。上記
の実施例の他に、周辺部41が、二段以上のステップある
いはテーパからなる構成を持っても良い。また、上記ス
テップとテーパおよび第7図等を任意に組み合せた構成
も本発明に含まれる。
第8図は本発明のその他の一実施例を示す図である。図
において、第1図と同一番号は同一構成要素を示してい
る。本実施例は、第2図の実施例の周辺部41にくびれ80
が形成された点において前記実施例と異なる構成をもつ
が、第4図乃至第7図に示す実施例と同様の効果が得ら
れる。
第9図および第10図は本発明の他の実施例であり、先の
第1図、第2図の実施例とは感圧素子の配置のみが異な
る。図において、第2図と同一番号は同一構成要素を示
している。第9図は、ゲージ抵抗200の位置が前記第2
図のゲージ抵抗100の位置と異なっており、ゲージ抵抗2
00に働く応力の大きさがゲージ抵抗100に働く応力に比
べて大きいため、圧力センサの感度が大きくなるという
利点がある。なお、ダイアフラムの境界に垂直な向きを
もつゲージ抵抗200に働く応力は、抵抗の長さについて
平均化されるために、抵抗の位置ずれが小さい場合に
は、この向きをもつ抵抗による感度ばらつきは小さい。
従って、本実施例は感度ばらつきが小さな圧力センサを
提供する。第10図の実施例は、先の第2図の実施例とゲ
ージ抵抗の向きが異なる。この場合、ゲージ抵抗300,40
0には抵抗の長手方向に働く応力が主になるかかる場合
には、ゲージ抵抗の応力−抵抗値変化の直線性が第2図
の実施例に比べて改善されるという特長がある。
第11図および第12図も本発明の他の実施例である。ここ
では、ダイアフラム40gが中央部42より厚い一辺の周辺
部41より構成されており、この厚肉周辺部41に一組のゲ
ージ抵抗500がくしの歯状に置かれていることに特長が
ある。第11図では、くしの歯状のゲージ抵抗600を中央
部42に、第12図では、ゲージ抵抗600を薄い周辺部に配
置したことに特徴がある。これら第11図および第12図の
実施例は、第2図の実施例に比べて、ダイアフラムの平
均的な厚さが薄いため、圧力センサの感度を大きくとる
ことが可能であるという長所がある。
以上、本発明について例を挙げ詳細な説明を行なった。
なお、本発明の構成は、前記実施例第1図のダイアフラ
ム40a(周辺部41と中央部42を含む)を除く他の構成要
素について何ら制限されず、通常用いられる全ての構成
が本発明に含まれる。
また、前記ダイアフラムを金属で構成し、該金属の表面
の一方、あるいは両側にストレンゲージを貼りつけた
り、金属あるいは半導体からなるストレンゲージを蒸着
したりすること等によって、該ダイアフラムに印加され
た圧力を検出する構成、シリコン等半導体よりなる前記
ダイアフラムの表面をシリコン等の酸化膜、窒化膜等で
保護した構成、及び、該表面上に周辺回路を形成した構
成も本発明に含まれる。
なお、上記実施例において周辺部の領域および厚さを大
きくする程、ゲージ抵抗に働く応力の分布は緩やかにな
り、従って、感度ばらつきが減少する。しかし、この場
合には、同時に応力の絶対値が減少することにより、感
度が小さくなる。従って、圧力センサを設計する際に
は、以上の効果を考慮して、感度および感度ばらつきを
最適にするようにダイアフラムの周辺部の寸法を決めな
ければならない。
〔発明の効果〕
以上説明したとおり、本発明によれば、感度のばらつき
がない圧力センサを供給することが可能となり、その結
果圧力センサの品質の向上および製造コストを低減する
ことのできる効果は大きいものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の断面図、第2図は第1図の
ダイアフラムを上から見た図、第3図は第2図のB−
B′に沿って生ずる応力の分布図、第4図〜第8図はそ
れぞれ本発明の他の実施例のダイヤフラムを示してお
り、第2図のB−B′方向に切ったときの断面図、第9
図〜第12図はそれぞれ本発明の他の実施例のダイアフラ
ムの平面図、第13図は従来の圧力センサの断面図、第14
図は第13図のダイアフラムを上から見た図、第15図は第
14図のA−A′に沿って生ずる応力の分布図である。 1,100,200,300,400,500,600……ゲージ抵抗、5……金
属細線、3……圧力センサ、4……ガラス、5……金、
スズ等の共晶合金、6……パッケージ、7……リード、
8,12……導通管、9……キャップ、10,11……気体、13
……ダイアフラム、14……台座、30,60,110……ゲージ
抵抗の置かれる位置、40,40a,40b,40c,40d,40e,40f,40g
……ダイアフラム、41……厚肉の周辺部、42……中央
部、80……くびれ。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ブリッジを構成し、印加された圧力に応答
    する感圧素子と、該感圧素子の置かれる(100)方向を
    向く方向にダイヤフラムがある正方形のダイヤフラム
    と、該ダイヤフラムの周囲を固定する台座とより構成さ
    れるシリコン圧力センサにおいて、前記ダイヤフラムの
    一辺の方向において周辺部の少なくとも一部が中央部よ
    り厚く、しかも前記一辺に垂直な方向においてダイヤフ
    ラムの厚さが均一であり、この厚くした周辺部に前記感
    圧素子の一部のみが配置されていることを特徴とする圧
    力センサ。
JP60013773A 1985-01-28 1985-01-28 圧力センサ Expired - Lifetime JPH0758795B2 (ja)

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