(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状部材（１１）と、
前記円筒状部材（１１）内に配置され、ゲージ抵抗（５）が形成されたセンサチップ（１）と、
前記円筒状部材（１１）内において、前記ゲージ抵抗（５）の上に配置されたボス部（２）と、
前記円筒状部材（１１）のうち前記センサチップ（１）に対して前記ボス部（２）と反対側に備えられ、測定対象となる圧力が加えられるとそれに応じて歪むメタルダイアフラム（１７）と、
前記メタルダイアフラム（１７）と前記ボス部（２）との間に配置されて前記メタルダイアフラム（１７）の歪みに応じて移動し、前記メタルダイアフラム（１７）に加えられた圧力に応じた荷重を前記ボス部（２）へ伝える荷重伝達部材（１８）と、前記荷重伝達部材（１８）と前記ボス部（２）との間に備えられ、前記荷重伝達部材（１８）から前記ボス部（２）への荷重の伝達を行う荷重印加部材（３）とを有し、
前記メタルダイアフラム（１７）の歪みに基づいて、前記荷重伝達部材（１８）、前記荷重印加部材（３）および前記ボス部（２）に伝えられた荷重が前記ゲージ抵抗（５）に加えられることで前記ゲージ抵抗（５）の抵抗値が変化し、その抵抗値変化に基づいて、前記メタルダイアフラム（１７）に加えられた前記圧力の測定を行うようになっており、
前記ゲージ抵抗（５）および前記ボス部（２）を前記荷重伝達部材（１８）からの荷重の伝達方向から見たときに、前記ゲージ抵抗（５）の面積が前記ボス部（２）の面積よりも大きくされており、前記ゲージ抵抗（５）内に前記ボス部（２）が完全に収められた構
成となっていることを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
円筒状部材（１１）と、
前記円筒状部材（１１）内に配置され、ゲージ抵抗（５）が形成されたセンサチップ（１）と、
前記円筒状部材（１１）内において、前記ゲージ抵抗（５）の上に配置されたボス部（２）と、
前記円筒状部材（１１）のうち前記センサチップ（１）に対して前記ボス部（２）と反対側に備えられ、測定対象となる圧力が加えられるとそれに応じて歪むメタルダイアフラム（１７）と、
前記メタルダイアフラム（１７）と前記ボス部（２）との間に配置されて前記メタルダイアフラム（１７）の歪みに応じて移動し、前記メタルダイアフラム（１７）に加えられた圧力に応じた荷重を前記ボス部（２）へ伝える荷重伝達部材（１８）と、前記荷重伝達部材（１８）と前記ボス部（２）との間に備えられ、前記荷重伝達部材（１８）から前記ボス部（２）への荷重の伝達を行う荷重印加部材（３）とを有し、
前記メタルダイアフラム（１７）の歪みに基づいて、前記荷重伝達部材（１８）、前記荷重印加部材（３）および前記ボス部（２）に伝えられた荷重が前記ゲージ抵抗（５）に加えられることで前記ゲージ抵抗（５）の抵抗値が変化し、その抵抗値変化に基づいて、前記メタルダイアフラム（１７）に加えられた前記圧力の測定を行うようになっており、
前記ゲージ抵抗（５）および前記ボス部（２）を前記荷重伝達部材（１８）からの荷重の伝達方向から見たときに、前記ゲージ抵抗（５）の方が前記ボス部（２）よりも前記円筒状部材の中心軸を中心とした径方向のサイズが大きなサイズで構成されていることを特徴とする圧力センサ。
【請求項３】
前記ゲージ抵抗（５）および前記ボス部（２）を前記荷重伝達部材（１８）からの荷重の伝達方向から見たときに、前記ゲージ抵抗（５）の面積が前記ボス部（２）の面積よりも大きくされており、前記ゲージ抵抗（５）内に前記ボス部（２）が収められた構成となっていることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記円筒状部材（１１）内に配置される円柱形の位置決め部材（１２）を有し、
この位置決め部材（１２）は、前記円筒状部材（１１）の内径と等しい外径を有して構成されていると共に、前記荷重の伝達方向から見た上面形状が正方形とされた前記センサチップ（１）が収容され、かつ、前記位置決め部材（１２）の中央が中心となる上面形状正方形の空洞部にて構成されたセンサチップ収容部（２０ｂ）と、前記荷重伝達部材（１８）が収容され、かつ、前記センサチップ収容部（２０ｂ）が構成する前記正方形の各辺と４５度ズレた各辺を有する上面形状正方形の荷重伝達部材収容部（２０ａ）と、を有していることを特徴とする請求項２または３に記載の圧力センサ。
【請求項５】
前記ボス部（２）は、前記荷重伝達部材（１８）からの荷重の伝達方向から見たときの上面形状が円形を成しており、
前記ゲージ抵抗（５）は、前記荷重伝達部材（１８）からの荷重の伝達方向から見たときの上面形状が正方形を成しており、
前記ボス部（２）の直径は、前記ゲージ抵抗（５）の一辺の長さと同じないし若干小さくされていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子に形成されたゲージ抵抗に対して、測定対象となる圧力に応じた荷重が機械的に加えられるようにすることで、ゲージ抵抗の抵抗値を変化させ、測定対象となる圧力を検出する圧力センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、測定対象となる圧力によって歪むダイアフラムの歪みを荷重伝達部材によって伝え、その荷重をゲージ抵抗に直接伝えることでゲージ抵抗の抵抗値を変化させ、圧力の測定を行う圧力センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この従来の圧力センサの主要部分における概略構成を図１１に示す。この図に示されるように、圧力センサには、センサチップＪ１と、センサチップの上に配置された半球Ｊ３とを備えた構成となっている。
【０００４】
センサチップＪ１は、Ｎ型のシリコン基板Ｊ４をベースとして構成されており、シリコン基板Ｊ４の表層部に形成されたゲージ抵抗Ｊ５と、ゲージ抵抗Ｊ５の表面に形成された絶縁膜Ｊ６と、ゲージ抵抗Ｊ５から延設されたＰ+型コンタクト部Ｊ７と、電極Ｊ８、Ｊ９と、Ｎ+型層Ｊ１０およびシリコン基板Ｊ４の裏面側に備えられた裏面電極Ｊ１１を備えて構成されている。
【０００５】
半球Ｊ３は、球面と円形平面とを構成する部材であり、球面側にて測定対象となる圧力に応じた荷重を受け、平面側にてゲージ抵抗Ｊ５を押すことで、ゲージ抵抗５に測定対象となる圧力に応じた荷重をかけるようになっている。この半球Ｊ３は、図１１を上方から見たときにゲージ抵抗Ｊ５内に収まるように配置され、半球Ｊ３のサイズＴ１がゲージ抵抗Ｊ５のサイズＴ２よりも大きくされている。
【０００６】
このように構成される圧力センサは、以下のように動作する。すなわち、裏面電極Ｊ１１側に電源電圧が印加されると共に、電極Ｊ９側が接地状態とされる。これにより、電流が裏面電極Ｊ１１→シリコン基板Ｊ４→電極Ｊ８→Ｐ+型コンタクト部Ｊ７およびゲージ抵抗Ｊ５→Ｎ+型層Ｊ１０→電極Ｊ９の経路を通じて電流が流れる。
【０００７】
このとき流れる電流の値は、ゲージ抵抗Ｊ５の抵抗値が、半球Ｊ３を介して加えられた測定対象となる圧力に応じた荷重の大きさに応じて変化することから、ゲージ抵抗Ｊ５の抵抗値の変化に応じて変動する。
【０００８】
このため、この電流を圧力検出用電流とし、その電流の値を図示しない圧力検出部側にて測定することにより、測定対象の圧力を検出することが可能となる。
【０００９】
なお、電流は、裏面電極Ｊ１１→シリコン基板Ｊ４→電極Ｊ９の経路でも流れるが、この経路を流れる電流の値は、シリコン基板Ｊ４の内部抵抗によって一義的に決まるものであるため、実質的に圧力検出に寄与しない。
【特許文献１】特許３１６６０１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記構成の圧力センサの特性を調べたところ、半球Ｊ３を介してゲージ抵抗Ｊ５に加えられる荷重に対するゲージ抵抗Ｊ５の抵抗値の変化が図１２のように示されることが確認された。この図から判るように、加えられた荷重が小さい場合、抵抗値変化が小さく、この領域において感度が非常に低くなって安定しなくなってしまう。また、特性曲線の直進性が悪く、ヒステリシスも発生するなど良好な特性を得られないという問題もある。
【００１１】
本発明は上記点に鑑みて、加えられた荷重が小さい場合にも、安定した感度が得られる圧力センサを提供することを目的とする。また、特性曲線の直進性が良好で、ヒステリシスの発生を抑制できる圧力センサを提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、円筒状部材（１１）と、円筒状部材（１１）内に配置され、ゲージ抵抗（５）が形成されたセンサチップ（１）と、円筒状部材（１１）内において、ゲージ抵抗（５）の上に配置されたボス部（２）と、筒状部材（１１）のうちセンサチップ（１）に対してボス部（２）と反対側に備えられ、測定対象となる圧力が加えられるとそれに応じて歪むメタルダイアフラム（１７）と、メタルダイアフラム（１７）とボス部（２）との間に配置されてメタルダイアフラム（１７）の歪みに応じて移動し、メタルダイアフラム（１７）に加えられた圧力に応じた荷重をボス部（２）へ伝える荷重伝達部材（１８）と、前記荷重伝達部材（１８）と前記ボス部（２）との間に備えられ、前記荷重伝達部材（１８）から前記ボス部（２）への荷重の伝達を行う荷重印加部材（３）とを有し、メタルダイアフラム（１７）の歪みに基づいて、荷重伝達部材（１８）、前記荷重印加部材（３）およびボス部（２）に伝えられた荷重がゲージ抵抗（５）に加えられることでゲージ抵抗（５）の抵抗値が変化し、その抵抗値変化に基づいて、メタルダイアフラム（１７）に加えられた圧力の測定を行うようになっており、ゲージ抵抗（５）およびボス部（２）を荷重伝達部材（１８）からの荷重の伝達方向から見たときに、ゲージ抵抗（５）の面積がボス部（２）の面積よりも大きくされており、ゲージ抵抗（５）内にボス部（２）が完全に収められた構成となっていることを特徴としている。
【００１３】
このように、ボス部（２）およびゲージ抵抗（５）を荷重伝達方向から見たときに、ボス部（２）の面積よりもゲージ抵抗（５）の面積の方が大きく、かつ、ゲージ抵抗（５）内側にボス部（２）が完全に収まった状態としている。このため、応力が集中するボス部（２）の外周部近傍の応力がゲージ抵抗（５）に加えられる状態となる。したがって、荷重が小さくても安定した感度とすることができる。
【００１４】
例えば、請求項５に示すように、荷重伝達部材（１８）からの荷重の伝達方向から見たときの上面形状が、ボス部（２）は円形、ゲージ抵抗（５）は正方形となるようにし、ボス部（２）の直径がゲージ抵抗（５）の一辺の長さと同じないし若干小さくした構成とすることができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明では、前記ゲージ抵抗（５）および前記ボス部（２）を前記荷重伝達部材（１８）からの荷重の伝達方向から見たときに、前記ゲージ抵抗（５）の方が前記ボス部（２）よりも円筒状部材（１１）の中心軸を中心とした径方向のサイズが大きなサイズで構成されていることを特徴としている。このような構成により、請求項１と同様の効果を得ることができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明では、円筒状部材（１１）内に配置される円柱形の位置決め部材（１２）を有し、この位置決め部材（１２）は、円筒状部材（１１）の内径と等しい外径を有して構成されていると共に、荷重の伝達方向から見た上面形状が正方形とされたセンサチップ（１）が収容され、かつ、位置決め部材（１２）の中央が中心となる上面形状正方形の空洞部にて構成されたセンサチップ収容部（２０ｂ）と、荷重伝達部材（１８）が収容され、かつ、センサチップ収容部（２０ｂ）が構成する正方形の各辺と４５度ズレた各辺を有する上面形状正方形の荷重伝達部材収容部（２０ａ）と、を有している構成となっていることを特徴としている。
【００１８】
このように、構成の位置決め部材（１２）を用いることにより、円筒状部材（１１）の中心軸上へのセンサチップ（１）の位置決めを行うことが可能となる。
【００１９】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
【００２１】
（第１実施形態）
本発明の一実施形態を適用した圧力センサについて説明する。この圧力センサは、例えば車両に備えられるエンジンの各気筒に備えられるピストンの先端位置に備えられ、各気筒内の燃料圧の測定に用いられる。図１に、本実施形態における圧力センサの断面構成を示す。また、図２に、図１に示す圧力センサの部分拡大図を示す。以下、図１、図２に基づき、本実施形態の圧力センサの構成について説明する。
【００２２】
図１、図２に示されるように、圧力センサには、センサチップ１と、センサチップ１の上に形成されたボス部２と、ボス部２に対して荷重を加える半球３とを備えた構成となっている。
【００２３】
センサチップ１は、主表面の各辺が１．４ｍｍ、厚さが０．６２５ｍｍ程度となるＮ型のシリコン基板４をベースとして構成されており、シリコン基板４の表層部に形成されたゲージ抵抗５と、ゲージ抵抗５から部分的に延設されたＰ+型コンタクト部６と、電極７、８と、Ｎ+型層９およびシリコン基板４の裏面側に備えられた裏面電極１０を備えて構成されている。センサチップ１に用いられるシリコン基板４は、その表面がゲージ抵抗５の出力が大きくなる（１１０）軸と一致しているものが用いられており、各電極７、８は、その（１１０）軸方向の一端と他端に配置された状態となっている。
【００２４】
ボス部２は、脆性材料によって構成されたもので、本実施形態では、ゲージ抵抗５の表面にパターニングされたシリコン窒化膜（ＳｉＮ）によって構成されている。このボス部２とゲージ抵抗５の関係は、以下のようになっている。図３を参照して、この関係について説明する。
【００２５】
図３は、図１、図２に示されたセンサチップ１のみを図示したものであり、センサチップ１に形成されたゲージ抵抗とボス部２のみを示してある。図３のうち、（ａ）はセンサチップ１を上方から見たときの上面図、（ｂ）はセンサチップ１を所定の方向（荷重伝達方向）に切断したときの断面図である。
【００２６】
この図に示されるように、例えば、センサチップ１は、上面正方形で構成されており、その各辺の長さは１．４ｍｍとなっている。センサチップ１における中心位置において、ボス部２とゲージ抵抗５とがオーバラップするように配置されている。
【００２７】
ボス部２は、例えば上面形状が円形で構成され、例えばその直径φが０．１６ｍｍ、厚みが１μｍ程度となっている。ゲージ抵抗５は、例えば上面形状が正方形で構成され、例えばその各辺が０．１８ｍｍとなっていて、ボス部２の直径に対してほぼ同等ないし若干大きくなるような構成とされている。そして、ゲージ抵抗５は、上方から見たとき、および図３（ｂ）の断面で見たときに、ボス部２が内側に完全に収まるようにレイアウトされている。以上のような関係となるように、ボス部２とゲージ抵抗５とがレイアウトされている。
【００２８】
また、半球３は、図２に示されるように、球面と円形平面とを構成する部材であり、球面側にて測定対象となる圧力に応じた荷重を受け、平面側にてボス部２を押すことで、ゲージ抵抗５に測定対象となる圧力に応じた荷重をかけるようになっている。この半球３の直径は、例えば１．０ｍｍとされている。
【００２９】
この半球３の球面側は、例えば金属メッキのような導電性材料がコーティングされた構成となっており、球面側で電流が流せるような構成となっている。
【００３０】
圧力センサには、さらに、円筒状部材１１が備えられていると共に、この円筒状部材１１内において、位置決め部材１２、導電性接着剤１３、支持部材１４、電気配線１５、第１〜第３円筒部材１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、メタルダイアフラム１７および荷重伝達部材１８が備えられている。
【００３１】
円筒状部材１１は、センサチップ１、ボス部２および半球３を収容するハウジングを構成するもので、本実施形態ではＳＵＳなどの金属材料で構成されている。
【００３２】
位置決め部材１２は、円筒状部材１１内におけるセンサチップ１の位置決めを行うためのものである。この位置決め部材１２の斜視模式図を図４に示す。
【００３３】
この図に示されるように、位置決め部材１２は、外形が円柱形を成しており、その直径が円筒状部材１１の内径とほぼ同等のサイズとなっている。この位置決め部材１２の中央部には、段付きの空洞部２０が形成された構成となっている。空洞部２０は、例えば上面形状が一辺１．０ｍｍの正方形となる半球収容部２０ａと、例えば上面形状が一辺２．０ｍｍとなるセンサチップ収容部２０ｂとを構成している。これら半球収容部２０ａとセンサチップ収容部２０ｂは、各辺が４５度ズレた位置関係となることで段付形状となっている。
【００３４】
また、位置決め部材１２のうち、半球収容部２０ａの任意の一辺の近傍に、位置決め部材１２の一端面側とセンサチップ収容部２０ｂとを連通する配線用穴部２１が形成されている。この配線用穴部２１は、センサチップ１との電気的導通を図るためのものであり、所望の穴径となっている。
【００３５】
なお、配線用穴部２１を所望の穴径とするためには、半球収容部２０ａとセンサチップ収容部２０ｂとを上方から見たときに、センサチップ収容部２０ｂのはみ出し部分、つまりセンサチップ収容部２０ｂのうち半球収容部２０ａとオーバラップしない部分の長さが、その穴径分なければならない。しかしながら、センサチップ収容部２０ｂの一辺の長さを単に半球収容部２０ａの一辺の長さよりも、その穴径分大きくしたのでは、センサチップ収容部２０ｂが大きくなってしまう。このため、本実施形態では、その穴径分の長さを確保しつつ、センサチップ収容部２０ｂのサイズを縮小化できるように、半球収容部２０ａとセンサチップ収容部２０ｂは、各辺が４５度ズレた位置関係としている。
【００３６】
このような形状により、位置決め部材１２が構成されている。そして、このような位置決め部材１２が、円筒状部材１１内に収容されることで、円筒状部材１１の内壁から所定の位置、すなわち円筒状部材１１の空洞部の中心軸と位置決め部材１２における空洞部２０を構成する半球収容部２０ａおよびセンサチップ収容部２０ｂの中心軸とが一致するようになっている。
【００３７】
そして、この位置決め部材１２におけるセンサチップ収容部２０ｂ内にセンサチップ１が収容されると共に、半球収容部２０ａ内に半球３が収容され、これらセンサチップ１および半球３が円筒状部材１１の中心軸上に配置された状態となっている。
【００３８】
導電性接着剤１３は、位置決め部材１２に形成された配線用穴部２１内を通じて、半球３の球面とセンサチップ１に形成された電極８とを電気的に接続するように構成されている。
【００３９】
支持部材１４は、センサチップ１に形成された裏面電極１０と電気的に接続されるもので、例えばコバールなどの金属からなる導電材料で構成されている。この支持部材１４は、先端位置にフランジ１４ａが形成された略円柱形を成しており、フランジ１４ａ以外の部分が第１円筒部材１６ａの空洞部内に収容された状態となっている。このような構成により、フランジ１４ａにてセンサチップ１が支持され、フランジ１４ａによって支持部材１４が第１円筒部材１６ａの所定位置で保持されるようになっている。
【００４０】
電気配線１５は、センサチップ１と円筒状部材１１の外部との電気的接続を行うものである。具体的には、電気配線１５は、第１〜第３円筒部材１６ａ〜１６ｃそれぞれの空洞部内を通って支持部材１４の一端に接続され、支持部材１４を介してセンサチップ１の裏面電極１０と電気的に接続されている。
【００４１】
第１〜第３円筒部材１６ａ〜１６ｃは、外形が円筒状部材１１の内径と同等程度のサイズとされており、それぞれの空洞部が同等の内径で構成されている。これら第１〜第３円筒部材１６ａ〜１６ｃは、位置決め部材１２の下端位置から順に、同軸的に並べられている。
【００４２】
第１円筒部材１６ａは、位置決め部材１２の支持および支持部材１４の位置決め（抜け防止）を行うものである。この第１円筒部材１６ａは、支持部材１４と円筒状部材１１とを電気的に遮断するために、例えばセラミックスや耐熱性樹脂などの絶縁材料によって構成されている。
【００４３】
第２円筒部材１６ｂは、円筒状部材１１内に収容される各部品の位置決め固定を行うためのもので、その外周部が円筒状部材１１の内壁に例えば溶接によって固定されている。この第２円筒部材１６ｂは、例えば金属で構成されている。
【００４４】
第３円筒部材１６ｃは、電気配線１５のガイドとなるもので、例えば金属や樹脂などで構成される。
【００４５】
メタルダイアフラム１７は、薄肉の金属で構成され、測定対象となる圧力によって歪むようになっている。このメタルダイアフラム１７は、一面側が開口する断面Ｕ字形状のコップ型となっている。そして、メタルダイアフラム１７の開口部側において、円筒状部材１１の先端が嵌め込まれ、その嵌め込まれた部分の外周位置において、メタルダイアフラム１７が円筒状部材１１に溶接固定された状態となっている。
【００４６】
荷重伝達部材１８は、円柱状を成しており、例えば金属などの導電性材料によって構成されている。この荷重伝達部材１８は、一端がメタルダイアフラム１７の底面の中央位置に接合され、他端が半球３の球面における頂上部に接した状態となっている。このため、荷重伝達部材１８は、メタルダイアフラム１７が測定対象となる圧力に応じて歪むと、その歪みにより円筒状部材１１の中心軸方向に移動し、メタルダイアフラム１７に加えられた圧力に応じた荷重を半球３に伝えるようになっている。
【００４７】
なお、ここでは図示しないが、圧力センサには、電気配線１５と円筒状部材１１とに接続され、電気配線１５に対して所定の電源電圧を印加する検出回路部が備えられている。この検出回路部では、電気配線１５に対して所定の電源電圧を印加した際に、電気配線１５に流れる電流値を測定するようになっている。
【００４８】
以上のように構成される圧力センサの作動について説明する。
【００４９】
まず、圧力測定に際し、電気配線１５に検出回路部の電源端子を接続すると共に円筒状部材１１に検出回路部のＧＮＤ端子接続し、検出回路部から電気配線１５に対して所定の電源電圧を印加する。
【００５０】
これにより、電気配線１５→支持部材１４→センサチップ１→導電性接着剤１３→半球３の球面→荷重伝達部材１８→メタルダイアフラム１７→円筒状部材１１を通る経路で圧力検出用電流が流される。そして、メタルダイアフラム１７に圧力が加えられていない状態（もしくは大気圧の状態）のときには、圧力検出用電流が所望の値となる。
【００５１】
そして、測定対象となる圧力がメタルダイアフラム１７に加えられると、その圧力に応じてメタルダイアフラム１７が歪み、それにより荷重伝達部材１８が移動する。これにより、半球３に圧力に応じた荷重が加えられる。
【００５２】
この半球３に加えられた荷重がボス部２に加えられ、その荷重に応じた荷重がボス部２からゲージ抵抗５に加えられる。このため、ゲージ抵抗５は、加えられた荷重に応じて抵抗値が変化する。
【００５３】
したがって、ゲージ抵抗５の抵抗値変化に応じて、圧力検出用電流の電流値が変化し、その電流値が検出回路部によって読み取られることで、測定対象となる圧力を検出することが可能となる。
【００５４】
ここで、ボス部２がゲージ抵抗５に対して荷重を印加するに際し、ボス部２がゲージ抵抗５を含むシリコン基板４の表面に対して加える応力の分布は図５のように示される。
【００５５】
この図に示されるように、ボス部２の外周部近傍において応力が集中して大きくなり、内部においては応力が小さくなっていることが判る。このため、図１１に示された従来の圧力センサのように、半球Ｊ３の方がゲージ抵抗Ｊ５よりも大きく、応力が集中して大きくなる部分がゲージ抵抗Ｊ５とオーバラップしないような場合には、応力が小さい部分のみに基づいてゲージ抵抗Ｊ５がその抵抗値を変化させることになる。このため、荷重が小さいときには十分な応力がゲージ抵抗５に加えられず、抵抗値変化が小さくなって感度が悪くなったり、安定した感度が得られないという問題や、荷重−ゲージ抵抗値変化を示す特性の直進性が悪くなったり、ヒステリシスが生じたりという問題が発生していた。
【００５６】
これに対し、本実施形態では、ボス部２およびゲージ抵抗５を上方から見たときに、ボス部２よりもゲージ抵抗５の方が大きく、かつ、ゲージ抵抗５内にボス部２が収まった状態となっている。このため、図５に示す応力が集中してた部分がゲージ抵抗５とオーバラップした状態となり、そのボス部２の外周部近傍の応力がゲージ抵抗５にすべて加えられる状態となる。
【００５７】
このような本実施形態の圧力センサについて、荷重−ゲージ抵抗値変化の特性について調べてみたところ、図６に示される結果が得られた。この図から、本実施形態の圧力センサによれば、特性の直線性に優れ、荷重が小さくても安定した感度を得ることが可能となることが判る。このように、ボス部２よりもケージ抵抗５の方が大きいサイズとすることで、荷重が小さくても安定した感度の圧力センサとすることができ、感度悪化を防止することができると共に、特性の直進性を向上させることができ、さらにはヒステリシスの発生を防止することが可能となる。
【００５８】
続いて、本実施形態における圧力センサの製造方法について説明する。図７に、圧力センサの組み付け工程を示し、この図に基づいて説明する。
【００５９】
まず、圧力センサを組み付ける前準備として、センサチップ１およびボス部２を用意する。センサチップ１は、通常の半導体製造プロセスを用いて製造されが、ボス部２も半導体製造プロセスにより製造する。具体的には、ウェハ状のシリコン基板４の表層部にＰ+型のゲージ抵抗５およびそのゲージ抵抗５から部分的に引き出されたコンタクト部６をイオン注入法などによって形成すると共に、Ｎ+型層９をイオン注入法などによって形成する。
【００６０】
続いて、シリコン基板４の表面にシリコン窒化膜を成膜したのち、パターニングすることでボス部２を形成する。このように、半導体製造プロセスによってボス部２を製造していることから、ボス部２がサブμｍオーダーで製造され、ボス部２のゲージ抵抗５に対しての位置ズレが非常に小さなものとなる。
【００６１】
この後、シリコン基板４の表面が側に金属膜を配置したのち、それをパターニングすることで電極７、８を形成すると共に、シリコン基板４の裏面側に裏面電極１０を形成することでセンサチップ１を構成する各要素を形成する。そして、ウェハ状のシリコン基板４をチップ単位に分割することで、センサチップ１が完成する。
【００６２】
次に、図７（ａ）に示されるように、円筒状部材１１の内部に、第１〜第３円筒部材１６ａ〜１６ｃを順に配置したのち、電気配線１５が接合された支持部材１４を第１〜第３円筒部材１６ａ〜１６ｃの空洞部内に通す。このとき、支持部材１４の先端位置が円筒状部材１１の先端位置近傍となるようにする。なお、この工程は図示しない冶具を用いて行われる。
【００６３】
そして、図７（ｂ）に示されるように、センサチップ１を位置決め部材１２におけるシリコンチップ収容部２０ｂ内に収容した状態で、センサチップ１と位置決め部材１２とを円筒状部材１１の内部に挿入する。このとき、支持部材１４が円筒状部材１１の先端位置近傍に配置された状態となっていることから、センサチップ１は位置決め部材１２から脱落することなく、支持部材１４上に配置されることになる。これにより、センサチップ１は、円筒状部材１１の内部のほぼ中心軸上に配置された状態となる。
【００６４】
なお、このとき、半球３およびセンサチップ１の位置が若干ずれていて、圧力センサの感度が下がることもあり得ることから、センサチップの出力を見ながら位置決めを行うことも可能である。この様子を図８に示す。すなわち、図８に示されるように、半球３の頂上部に金メッキなどが施されたロッド３０を配置し、このロッド３０により荷重を加えながら、電気配線１５から所定の電圧を印加し、電気配線１５とロッド３０との間に流れる電流をモニタリングすることで、期待する出力が得られているかを確認することで、上記位置決めを行うことができる。
【００６５】
続いて、図７（ｃ）に示されるように、位置決め部材１２の半球収容部２０ａ内に半球３を配置する。このとき、半球３の直径が半球収容部２０ａの一辺と同等のサイズとなっていることから、半球３の位置決めが成される。その後、位置決め部材１２における配線用穴部２１内を埋め込むように導電性接着剤１３を塗布し、センサチップ１における電極８と半球３における球面とを電気的に接続する。
【００６６】
次に、センサチップ１、位置決め部材１２、支持部材１４、および第１〜第３円筒部材１６ａ〜１６ｃを円筒状部材１１内においてスライドさせ、半球３を円筒状部材１１の奥に引っ込める。
【００６７】
そして、荷重伝達部材１８が接合されたメタルダイアフラム１７を用意し、メタルダイアフラム１７の開口部に円筒状部材１１の先端部を嵌め込んだあと、メタルダイアフラム１７の外周を溶接することで、メタルダイアフラム１７を円筒状部材１１に固定する。
【００６８】
続いて、図７（ｄ）に示されるように、センサチップ１、位置決め部材１２、支持部材１４、および第１〜第３円筒部材１６ａ〜１６ｃを円筒状部材１１内においてスライドさせ、半球３の頂上部を荷重伝達部材１８に接触させる。そして、最後に第２円筒部材１６ｂの位置において、円筒状部材１１の外周から溶接を行うことで、第２円筒部材１６ｂを円筒状部材１１に固定する。これにより、圧力センサが完成する。
【００６９】
以上説明したように、本実施形態の圧力センサでは、ボス部２およびゲージ抵抗５を上方から見たときに、ボス部２よりもゲージ抵抗５の方が大きく、かつ、ゲージ抵抗５内にボス部２が収まった状態としている。このため、応力が集中するボス部２の外周部近傍の応力がゲージ抵抗５に十分に加えられる状態となる。したがって、荷重が小さくても安定した感度とすることができ、感度悪化を防止することができると共に、特性の直進性を向上させることができ、さらにはヒステリシスの発生を防止することが可能となる。
【００７０】
（他の実施形態）
上記実施形態では、半球３をボス部２への荷重印加部材として用いたが、必ずしも半球である必要はなく、例えば、図９に示されるように円柱状の部材４０を用いても良い。
【００７１】
また、上記実施形態では、組み付け時にセンサチップ１を位置決め部材１２におけるセンサチップ収容部２０ｂに収容しただけの状態としたが、例えば、図１０に示されるように、センサチップ１と位置決め部材１２との接触部分の一部もしくは全部に接着剤４１を塗布しておけば、センサチップ１が位置決め部材１２に接着される。このようにすれば、組み付け時によりセンサチップ１が位置決め部材１２から脱落することを防止することができる。
【００７２】
また、上記実施形態では、支持部材１４の支持を第１〜第３円筒部材１６ａ〜１６ｃによって行ったが、ガラスハーメチックなどで構成し、支持部材１４をそのガラスハーメチックで位置決めするような形態とすることも可能である。
【００７３】
また、上記実施形態では、配線部材１５が円筒状部材１１の中に入り込むような構成としているが、支持部材１４の全長を長くし、円筒状部材１１の外部もしくは外部近傍において電気配線１５と接合されるような形態とすることもできる。もちろん、この場合にも、第１〜第３円筒部材１６ａ〜１６ｃの代わりにガラスハーメチックによって支持部材１４を支持することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の第１実施形態における圧力センサの断面構成を示した図である。
【図２】図１に示す圧力センサの主要部における部分拡大図である。
【図３】センサチップの概略構成を示す図であり、（ａ）はセンサチップの上面図、（ｂ）はセンサチップの断面図である。
【図４】位置決め部材の斜視模式図である。
【図５】ボス部がゲージ抵抗を含むシリコン基板の表面に対して加える荷重の分布を示した図である。
【図６】図１に示す圧力センサにおける荷重−ゲージ抵抗値変化の特性図である。
【図７】図１に示す圧力センサの製造工程図である。
【図８】図１に示す圧力センサのセンサチップの位置決めの様子を示した図である。
【図９】他の実施形態における圧力センサの主要部を示した部分拡大図である。
【図１０】他の実施形態における圧力センサの主要部を示した部分拡大図である。
【図１１】従来の圧力センサの主要部を示した部分拡大図である。
【図１２】図１１に示す圧力センサにおける荷重−ゲージ抵抗値変化の特性図である。
【符号の説明】
【００７５】
１…センサチップ、２…ボス部、３…半球、４…シリコン基板、５…ゲージ抵抗、
６…コンタクト部、７、８…電極、９…Ｎ+型層、１０…裏面電極、
１１…円筒状部材、１２…位置決め部材、１３…導電性接着剤、１４…支持部材、
１５…電気配線、１６ａ〜１６ｃ…第１〜第３円筒部材、
１７…メタルダイアフラム、１８…荷重伝達部材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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