JPH0426051B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明は半導体のビエゾ抵抗効果を圧力検出
に利用した半導体圧力センサに関し、特にダイア
フラムの破損を検出する手段を備えた半導体圧力
センサに関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

半導体圧力センサは、シリコン等の半導体で構
成されたダイアフラムの片面に拡散抵抗を形成
し、この拡散抵抗のひずみによる抵抗変化すなわ
ちピエゾ抵抗効果を利用して圧力を電気信号に変
換するようにしたものである。ところで、この種
の半導体圧力センサは、シリコン等の半導体がも
つ脆い性質のため、圧力が急激に変化するとダイ
アフラムが破損してしまうことがある。このため
に何らかの方法でダイアフラムの破損を検出する
必要がある。このダイアフラムの破損を検出する
手段としては従来、次のようなものがある。まず
その１つとして、ダイアフラムの周辺部にほぼ全
周にわたつてアルミニウムによつて構成される配
線パターンを形成し、この配線パターンの断線も
しくは破損を外部に設けられている検出手段で検
出するものがある。この手段は、ダイアフラムの
破損時にこれと同時に上記配線パターンにも機械
的影響が与えられる現象を利用するようにしたも
のである。ところが、ダイアフラム周辺部にほぼ
全周にわたつて配線パターンを形成すると、半導
体材料との熱膨張差によるひずみが発生し、本来
の圧力によるひずみを感知する拡散抵抗が上記熱
膨張差に基づくひずみも感知してしまい誤差が発
生する。したがつて、この手段は高精度を必要と
する微差圧用圧力センサには不適当である。ま
た、この手段でダイアフラムの破損を検出するた
めには、外部に何らかの検出手段たとえば検出回
路が必要になるという欠点もある。

さらに従来では、（100）面のウエーハを用いた
場合にへき開が起こる方向は（110）の方向であ
ることを利用して、このへき開方向の交点付近に
前記配線パターンを形成したものがある。このよ
うな手段では上記熱膨張差に起因するひずみの影
響を小さくおさえることはできる。ところが前記
手段の場合と同様に、外部に検出回路を設けなけ
ればダイアフラムの破損検出が行なえないという
欠点がある。

〔発明の目的〕

この発明は上記のような事情を考慮してなされ
たものであり、その目的とするところは、外部に
特別な検出回路を設けることなしにダイアフラム
部の破損検出を行なうことができる半導体圧力セ
ンサを提供することにある。

〔発明の概要〕

この発明によれば、ダイアフラム部にこのダイ
アフラム破損検出用の導電性パターンが形成さ
れ、かつ半導体圧力センサ本体にはバイポーラト
ランジスタがモノリシツクに形成され、上記導電
性パターンは上記バイポーラトランジスタのエミ
ツタ回路に挿入されている半導体圧力センサが提
供されている。

〔発明の実施例〕

以下図面を参照してこの発明の一実施例を説明
する。

第１図ａはこの発明に係る半導体圧力センサの
平面図であり、第１図ｂは同図ａのセンサをＡ−
A′線のところで切断した場合の概略的な断面図
である。第１図において１０はＮ型でかつ（100）
面を持つ単結晶シリコンウエーハを用いて構成さ
れる外観形状が方形の半導体圧力センサ本体であ
る。このセンサ本体１０はエツチングもしくは機
械的手段により裏面側が円形状にくり抜かれてお
り、これによつて円形で肉薄のダイアフラム部１
１と肉厚の周縁部１２とが構成されている。また
上記方形のセンサ本体１０の１辺において、上記
ダイアフラム部１１の周辺部には、その長手方向
がこのダイアフラム部１１の半径方向と一致する
ように配置された感圧用のＰ型の拡散抵抗１３が
形成されている。同様に上記ダイアフラム部１１
の周辺部には、その長手方向がこのダイアフラム
部１１の半径方向と直交する方向と一致するよう
に配置されたもう１つの感圧用のＰ型の拡散抵抗
１４が形成されている。上記一方の拡散抵抗１４
の両端は、センサ本体１０上に図示しない絶縁膜
を介して設けられアルミニウムによつて構成され
た配線１５₁，１５₂を介して、これもアルミニウ
ムによつて構成された２個の電極１６₁，１６₂そ
れぞれに接続されている。同様に上記他方の拡散
抵抗１３の両端はアルミニウムによつて構成され
た配線１５₃，１５₄を介して、上記２個の電極１
６₁，１６₂の配列に沿つて配列されかつアルミニ
ウムによつて構成された２個の電極１６₃，１６₄
それぞれに接続されている。さらに上記センサ本
体１０の上記１辺において、周縁部１２にはＰ型
領域１７とN⁺型領域１８とが所定距離を保つて
形成されており、さらに上記Ｐ型領域１７内には
N⁺型領域１９が形成されている。

すなわち、上記周縁部１２には、Ｐ型領域１７
をベース領域、N⁺型領域１９をエミツタ領域、
N⁺型領域１８をコレクタコンタクト領域および
N⁺型領域１７とＰ型領域１８付辺の前記センサ
本体１０をコレクタ領域とするnpnトランジスタ
２０がモノリシツクに形成されている。上記npn
トランジスタ２０のコレクタコンタクト領域に対
応した上記N⁺型領域１８は前記と同様にアルミ
ニウムによつて構成された配線１５₅を介して、
アルミニウムによつて構成された電極１６₅に接
続されている。同様に上記npnトランジスタ２０
のベース領域に対応した上記Ｐ型領域１７は、同
じくアルミニウムによつて構成された配線１５₆
を介して、アルミニウムによつて構成された電極
１６₆に接続されている。さらに同様に、上記
npnトランジスタ２０のエミツタ領域に対応した
上記N⁺型領域１９は、同じくアルミニウムによ
つて構成された配線１５₇を介して、アルミニウ
ムによつて構成された電極１６₇に接続されてい
る。ここで上記npnトランジスタ２０のエミツタ
領域としてのN⁺型領域１９を電極１６₇に接続す
る配線１５₇は、その一部が前記ダイアフラム部
１１のへき開方向の交点付近すなわち圧力センサ
本体１０の（110）方向の交点付近に位置しかつ
へき開方向を横切るようにパターン形成されてお
り、この配線１５₇のダイアフラム部１１の部分
はダイアフラム破損検出用の配線パターン２１と
して使用される。そして上記２個の感圧用の拡散
抵抗１３，１４，npnトランジスタ２０、ダイア
フラム破損検出用の配線パターン２１および電極
１６₁〜１６₇等からなる回路は、上記センサ本体
１０の残り３つの各辺にも同様に形成されてい
る。すなわち、この半導体圧力センサでは、圧力
センサ本体１０には同じ回路が４つ形成されてお
り、実際に圧力測定を行なう場合にはこのうちの
１つもしくは２つが用いられ、残りのものは冗長
用として用いられる。

第２図は上記第１図に示す半導体圧力センサの
１回路分の等価回路であり、第１図と対応する箇
所には第１図に付した符号と同一の符号を付して
いる。図示するように前記ダイアフラム破損検出
用の配線パターン２１はnpnトランジスタ２０の
エミツタ回路に挿入された構成となつている。

このような回路において圧力測定を行なう場合
には、上記２つの拡散抵抗１３，１４を用いた次
のような回路構成によつてなされる。第３図は上
記拡散抵抗１３，１４を用いた圧力測定回路を示
す。図示するようにこの回路では、上記両抵抗１
３，１４と値が固定されている２つの抵抗３１，
３２とを用いていわゆるハーフブリツジが構成さ
れている。上記２つの拡散抵抗１３，１４は前記
ダイアフラム部１１に加えられる圧力に応じてそ
の値が変化し、しかもこの２つの拡散抵抗１３，
１４は前記第１図ａに示すようにその長手方向が
互いに直交するように配置されているので、圧力
変化に対する抵抗値の変化方向が異なる。したが
つて、第３図において抵抗１３と３１の接続点３
３、抵抗１４と３２の接続点３４相互間に一定電
圧Ｖを印加したときに、抵抗１３と１４の接続点
３５、抵抗３１と３２の接続点３６相互間に発生
する圧力変化に応じた電位差ΔEは、２つの拡散
抵抗１３，１４の長手方向を同一方向に配置した
場合よりも大きくなる。またこのときの上記電位
差ΔEを計測すれば、ダイアフラム部１１に加え
られている圧力を知ることができる。

一方、前記第２図におけるnpnトランジスタ２
０とダイアフラム破損検出用の配線パターン２１
とは、前記ダイアフラム部１１の破損を検出する
ためと、温度補正のためとに用いられる。第４図
は上記破損検出と温度補正を行なう場合の回路を
示す。図示するようにこの回路では、前記npnト
ランジスタ２０のコレクタ、ベース間に抵抗R₁
を、ベースと前記配線パターン２１の一端との間
に抵抗R₂を、かつ配線パターン２１の一端とア
ース電位との間に抵抗R₃をそれぞれ挿入し、npn
トランジスタ２０のコレクタとアース電位との間
に一定電圧Ｖc.c.を供給するようにしている。な
お、上記３つの抵抗R₁〜R₃は電極１６₅，１６₆，
１６₇の相互間に外付けするようにしてもよいし、
圧力センサ本体１０の周縁部１２にモノリシツク
に構成するようにしてもよい。

ところで半導体圧力センサは本来、圧力よりも
温度に対する感度が高くなるので、そのときの温
度に応じて圧力感度等を補正する必要がある。そ
こでこの実施例によるセンサでは、上記第４図の
ような回路によつて温度補正とともにダイアフラ
ム部１１の破損をも検知しようとするものであ
る。すなわち、いま第４図において、配線パター
ン２１が断線もしくは破損していない状態のとき
を考える。この状態のときに前記npnトランジス
タ２０のベース・エミツタ間電圧V_BEが温度変化
に応じて変われば、電極１６₇とアース電位との
間の電圧もV_BEに応じて変わる。したがつて、上
記配線パターン２１が断線もしくは破損していな
いときに、上記電極１６₇とアース電位との間の
電圧を用いることによつて温度補正を行なうこと
ができる。

一方、第４図において、ダイアフラム部１１が
破損しこれに伴つて前記配線パターン２１が断線
もしくは破損した状態のときに、前記電極１６₇
とアース電位との間の電圧が前記温度変化に伴う
V_BE変化によるこの電圧変化範囲外となるように
前記抵抗R₁〜R₃の値を設定しておけば、この電
圧を観測することによつて前記ダイアフラム部１
１の破損を容易に検出することができる。

このように上記実施例によれば、圧力センサ本
体１０にモノリシツクにnpnトランジスタ２０お
よびこのトランジスタ２０のエミツタ回路にダイ
アフラム破損検出用の配線パターン２１を挿入す
るようにしたので、外部にダイアフラム破損検出
用の検出回路を設けることなしに、温度補正とと
もにダイアフラム部１１の破損検出を行なうこと
ができる。しかも上記配線パターン２１はダイア
フラム部１１の周辺全面に設けず一部にのみ設け
るようにしているので、前記したような熱膨張差
に基づく影響も小さなものとすることができる。

なお、この発明は上記一実施例に限定されるも
のではなく種々の変形が可能である。たとえば上
記実施例ではダイアフラム破損検出用の配線パタ
ーン２１はダイアフラム部１１上に絶縁膜を介し
て形成されたアルミニウムによる配線１５₇の一
部で構成される場合について説明したが、これは
ダイアフラム部１１にたとえば拡散法、イオン注
入法等によつて形成される半導体領域で構成する
ようにしてもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したようにこの発明によれば、外部に
特別な検出回路を設けることなしにダイアフラム
の破損検出を行なうことができる半導体圧力セン
サが提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａはこの発明に係る半導体圧力センサの
平面図、第１図ｂは第１図ａのＡ−A′線に沿つ
た断面図、第２図は第１図に示すセンサの１回路
分の等価回路を示す図、第３図は第１図に示すセ
ンサを用いて圧力測定を行なう場合の圧力測定回
路を示す図、第４図は第１図に示すセンサを用い
てダイアフラム部の破損検出を行なう場合の回路
を示す図である。 １０…半導体圧力センサ本体、１１…ダイアフ
ラム部、１２…周縁部、１３，１４…拡散抵抗、
１５…配線、１６…電極、２０…npnトランジス
タ、２１…ダイアフラム破損検出用の配線パター
ン、R₁〜R₃…抵抗。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ダイヤフラム部に感圧手段としての拡散抵抗
   が形成された半導体圧力センサ本体と、 上記半導体圧力センサ本体にモノリシツクに形
   成されたダイヤフラム部破損検出用並びに温度補
   正用のバイポーラトランジスタと、 上記ダイヤフラム部に形成され、上記トランジ
   スタのエミツタ回路に挿入されたダイヤフラム部
   破損検出用並びに温度補正用の導電性パターンと を具備したことを特徴とする半導体圧力センサ。 ２ 前記導電性パターンがダイヤフラム部におけ
   るへき開方向の交点付近の位置に形成されている
   特許請求の範囲第１項に記載の半導体圧力セン
   サ。