(57)【要約】【課題】金属ダイヤフラムと単結晶半導体より成るセンサチップとを組み合わせることにより高圧力を検出可能な構成とする場合において、線膨張係数差に起因した熱応力による悪影響を排除して検出誤差の低減を図ること。【解決手段】金属製ダイヤフラム１ｂの上面には、平面形状が正八角形のセンサチップ２が接合される。このセンサチップ２は、面方位がほぼ（１００）の単結晶シリコンより成るもので、その上面には、チップ中心Ｏと直交した状態の２本の＜１１０＞軸上に、４個の歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄがチップ中心Ｏを挟んで点対称配置状に形成されている。これら歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄは、信号取出用のホイートストンブリッジを構成する。【選択図】図１
2007304109.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受圧用の金属製ダイヤフラム上に、歪みゲージ抵抗を備えた単結晶半導体製のセンサチップを接合して成る圧力検出装置において、
前記センサチップを、表面に互いに直交した状態の結晶軸を有した矩形平板状に形成すると共に、上記各結晶軸の方向をセンサチップの辺部と平行する直線に対して１５°〜３７°の角度だけ回転させた範囲となるように設定したことを特徴とする圧力検出装置。
【請求項２】
前記センサチップは、面方位がほぼ（１００）の単結晶半導体により形成されて、互いに直交した状態の前記各結晶軸がそれぞれ＜１１０＞軸となるように構成され、
前記歪みゲージ抵抗はブリッジ回路を構成するように２個以上設けられ、
各歪みゲージ抵抗は、前記センサチップの中心部分で直交した状態の各結晶軸上に、当該センサチップの中心から所定距離だけ離間した状態で配置されることを特徴とする請求項１記載の圧力検出装置。
【請求項３】
請求項２記載の圧力検出装置において、
前記歪みゲージ抵抗は、ホイートストンブリッジを構成するように複数個設けられ、
そのホイートストンブリッジの各辺を構成する歪みゲージ抵抗は、前記センサチップの中心部分で直交した状態の前記各結晶軸上に、当該センサチップの中心を挟んで点対称配置されることを特徴とする圧力検出装置。
【請求項４】
前記センサチップは、面方位がほぼ（１１０）の単結晶半導体により形成されて、互いに直交した状態の前記各結晶軸がそれぞれ＜１００＞軸及び＜１１０＞軸となるように構成され、
前記歪みゲージ抵抗はブリッジ回路を構成するように２個以上設けられ、
各歪みゲージ抵抗は、前記センサチップの中心部分を通る前記＜１１０＞軸に沿った位置上に、その中央部及び周辺部を互いに離間した状態で配置されることを特徴とする請求項１記載の圧力検出装置。
【請求項５】
請求項４記載の圧力検出装置において、
前記歪みゲージ抵抗は、ホイートストンブリッジを構成するように複数個設けられ、
そのホイートストンブリッジの対辺に位置した一対の歪みゲージ抵抗及び他の対辺に位置した一対の歪みゲージの抵抗が、それぞれ前記センサチップの中心部分を通る前記＜１１０＞軸に沿った位置上の中央部及び周辺部に互いに離間した状態で配置されることを特徴とする圧力検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧流体の圧力を検出する用途に適した圧力検出装置、特には単結晶半導体のピエゾ抵抗効果を利用して圧力検出を行うようにした圧力検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、高圧流体の圧力を検出するための装置として、例えば特公平７−１１４６１号公報に記載されたものが知られている。このものは、表面に歪みゲージ抵抗を有した正方形状のセンサチップ（半導体チップ）を、センシングボディと一体に形成された金属ダイヤフラム上にガラス層を介して接合した構成となっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記のような圧力検出装置においては、センサチップに作用する熱応力（半導体チップ及び金属ダイヤフラムの線膨張係数差により発生する熱応力）が、検出誤差に大きな影響を及ぼすという事情がある。このような熱応力に起因した検出誤差の低減を図るために、従来では、金属ダイヤフラムの材料としてセンサチップと線膨張係数が近いものを選択したり、金属ダイヤフラム及びセンサチップを極力薄くして感度を上げる（熱応力による検出誤差を相対的に減らす）などの対策が行われている。しかしながら、このような対策だけでは検出誤差の低減効果に限界があるため、さらなる効果的対策の出現が望まれていた。
【０００４】
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、金属ダイヤフラムと単結晶半導体より成るセンサチップとを組み合わせることにより高圧力を検出可能な構成としたものでありながら、それら金属ダイヤフラム及びセンサチップの線膨張係数差に起因した熱応力による悪影響を簡単な構造により極力排除でき、これにより検出誤差の低減を図り得るなどの効果を奏する圧力検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１から５のいずれか一項に記載の圧力検出装置は、前記目的を達成するために、受圧用の金属製ダイヤフラム上に、歪みゲージ抵抗を備えた単結晶半導体製のセンサチップを接合する構成とした上で、そのセンサチップを、表面に互いに直交した状態の結晶軸を有した矩形平板状に形成すると共に、上記各結晶軸の方向をセンサチップの辺部と平行する直線に対して１５°〜３７°の角度だけ回転させた範囲となるように設定する構成としたものである。
【０００６】
本件発明者は、金属製ダイヤフラム上に接合された矩形平板状の単結晶半導体製センサチップについて、その表面に互いに直交した状態で存する各結晶軸の方向を当該センサチップの辺部と平行した直線に対して所定角度ずつ回転させた複数のモデルを想定し、各モデルにおけるセンサチップ表面（つまり歪みゲージ抵抗の形成面）での熱応力の分布について、有限要素法（ＦＥＭ）により解析した。その結果、上記回転角度が１５°〜３７°の範囲にあれば、センサチップの中心から比較的広い範囲の領域まで上記熱応力による誤差要因が減少することが判明した。
【０００７】
従って、矩形平板状のセンサチップ表面に互いに直交した状態で存する各結晶軸の方向を、当該センサチップの辺部と平行する直線に対して１５°〜３７°の角度だけ回転させた範囲となるように設定した請求項２４記載の発明によれば、金属ダイヤフラム及びセンサチップの線膨張係数差に起因した熱応力による悪影響を、当該センサチップの結晶軸方向を変更するだけの簡単な構造によって極力排除できるものであり、これにより検出誤差の低減を図り得るようになる。しかも、この場合には、センサチップの矩形平板状のものであるから、当該センサチップをウェハのダイシング加工によって容易に得ることができて製造性が向上すると共に、その加工時の無駄が少なくなって、チップ収率（チップ取れ率）が大幅に向上するようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
（第１の実施の形態）
以下、本発明の第１実施例について図１ないし図７を参照しながら説明する。
図１には圧力検出装置の要部が一部断面にした状態で示され、図２には同要部の平面構造が示されている。これら図１及び図２において、金属製のセンシングボディ１は、下面が受圧口１ａとされた有底円筒状に形成されており、その上端部（底面相当部）は、検出圧力に応じた厚さ寸法の受圧用の金属製ダイヤフラム１ｂとなるように構成されている。
【０００９】
ダイヤフラム１ｂの上面には、面方位がほぼ（１００）の単結晶シリコン（単結晶半導体）より成る平板状のセンサチップ２が、低融点ガラスや接着剤など（図示せず）を利用して接合されている。尚、面方位がほぼ（１００）であるということは、（１００）面から数°程度傾斜しているものも含む概念である。また、上記センサチップ２は、その裏面全体がダイヤフラム１ｂと接合されるものである。
【００１０】
上記センサチップ２は、平面形状が正八角形となるように形成されたもので、例えば、厚さ寸法が約０．２mm、対辺間の寸法が約３．５mmに設定されている。このセンサチップ２の表面には、周知の拡散プロセスによって４個の歪みゲージ抵抗３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが形成されており、これらの歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄは、図３に示すように信号取出用のホイートストンブリッジを構成するように接続されている。尚、各歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄは、説明の便宜上、長辺方向の抵抗値変化をセンサ出力として取り出す矩形状のものとして表現したが、実際には、このような形状に限定されるものではない。
【００１１】
この場合、センサチップ２上には、当該センサチップ２を構成する単結晶シリコンの＜１１０＞軸が直交した状態で存在するものであり、図２に示すように、４個設けられた歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄは、センサチップ２上の中心Ｏから互いに直交した方向へ延びる２本の＜１１０＞軸上に、当該チップ中心Ｏを挟んで点対称配置される。
【００１２】
具体的には、歪みゲージ抵抗３ａ、３ｄは、チップ中心Ｏを通る一方の＜１１０＞軸（以下、これをｘ軸と呼ぶ）上に、当該ｘ軸と平行し且つチップ中心Ｏから等距離ずつ離間した形態で配置される。また、歪みゲージ抵抗３ｂ、３ｃは、チップ中心Ｏを通る他方の＜１１０＞軸（以下、これをｙ軸と呼ぶ）上に、当該ｙ軸と直交し且つチップ中心Ｏから等距離ずつ離間した形態で配置される。さらに、センサチップ２にあっては、上記ｘ軸及びｙ軸（＜１１０＞軸）と交差する４辺が、それらｘ軸及びｙ軸とほぼ直交するように構成されている。
【００１３】
尚、センシングボディ１の材料としては、熱膨張率がセンサチップ２を構成する単結晶シリコンに極力近い金属が望ましく、例えばコバール（３０％Ｎｉ−２０％Ｃｏ−Ｆｅ）などを利用することになる。また、受圧口１ａの直径は約２．５mm、ダイヤフラム１ｂの厚さ寸法は約０．６５mmに設定されるものであり、これにより１０ＭＰａ程度以上２０ＭＰａ程度までの圧力を検出できるようになっている。
【００１４】
上記構成によれば、ダイヤフラム１ｂに対しては、受圧口１ａ側の面から被検出圧力が印加されると共に、これと反対側の面から一定の基準圧力（例えば大気圧）が印加されるものであり、それら印加圧力の差によってダイヤフラム１ｂ及びセンサチップ２が同時に撓むようになる。このようにセンサチップ２が撓み変形した場合には、これに伴うセンサチップ２表面の歪み変形が歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄの抵抗値変化として現れるようになる。従って、図３に示すホイートストンブリッジの入力端子Ｉａ・Ｉｂ間に直流定電圧Ｖを与えた状態では、受圧口１ａを通じて被検出圧力が作用するのに応じて、出力端子Ｐａ・Ｐｂ間から当該被検出圧力に応じた電圧レベルＶoutの信号が出力されることになる。
【００１５】
さて、以下においては、上記出力電圧レベルＶoutと歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄの位置との関係、並びにセンシングボディ１とセンサチップ２との線膨張係数差に基づいて発生する熱応力について考察するに、まず、出力電圧レベルＶoutと歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄの位置との関係について考察する。
【００１６】
図４には、圧力印加に応じたセンサチップ２の表面における応力分布状態を有限要素法（ＦＥＭ）により解析した結果を示す。具体的には、この図４は、図２中のｘ軸（＜１１０＞軸）に沿った複数のポイント（チップ中心Ｏからの距離が異なるポイント）での応力分布を解析した結果を、各ポイントでのｘ軸方向成分の応力σxxとｙ軸方向成分の応力σyyとに分解した状態で示すものである。
【００１７】
単結晶シリコンにおける（１００）面でのピエゾ抵抗効果は、上記応力σxx及びσyy双方の影響を受けるものであり、ｘ軸上に配置された歪みゲージ抵抗３ａ、３ｄの抵抗値変化率ΔＲ／Ｒは、次式（１）で表すことができる。但し、Ｒはゲージ初期抵抗値、ΔＲは増加分抵抗値、π44はピエゾ抵抗係数であり、また、σxx及びσyyはそれぞれ平均応力を示す。
【００１８】
ΔＲ／Ｒ＝（π44／２）（σxx−σyy）            ……（１）
また、ｙ軸上に配置された歪みゲージ抵抗３ｂ、３ｃの抵抗値変化率ΔＲ’／Ｒは、結晶軸の対称性から、次式（２）で表すことができる。但し、ΔＲ’は増加分抵抗値、σxx’及びσyy’は、図２中のｙ軸（＜１１０＞軸）に沿ったポイントでのｘ軸方向の平均応力及びｙ軸方向の平均応力を示す。
【００１９】
ΔＲ’／Ｒ＝（π44／２）（σxx’−σyy’）      ……（２）
また、各歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄは、センサチップ２上の中心Ｏを挟んで点対称配置されているから、次式（３）の関係が成立するようになる。
【００２０】
σxx＝σyy’、σyy＝σxx’            ……（３）
ここで、被検出圧力が下面から作用した状態では、歪みゲージ抵抗３ａ、３ｄの抵抗値が減少すると共に、歪みゲージ抵抗３ｂ、３ｃの抵抗値が増加することになるが、歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄの配置位置の対称性により上記（３）式が成立することになるため、被検出圧力が作用した状態における歪みゲージ抵抗３ｂ、３ｃの抵抗値増加率（（２）式により得られる）と、歪みゲージ抵抗３ａ、３ｄの抵抗値減少率（（１）式により得られる）とが等しくなる。
【００２１】
歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄにより図３に示すようなホイートストンブリッジを構成した場合、出力端子Ｐａ・Ｐｂ間からの出力電圧レベルＶoutは、次式（４）で得られることになる。但し、Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ及びＲｄは、歪みゲージ抵抗３ａ、３ｂ、３ｃ及び３ｄの各抵抗値であり、
Ｒａ＝Ｒｄ＝Ｒ＋ΔＲ
Ｒｂ＝Ｒｃ＝Ｒ＋ΔＲ’
の関係にある。
Ｖout＝［（ＲｂＲｃ−ＲａＲｄ）／｛（Ｒａ＋Ｒｂ）（Ｒｃ＋Ｒｄ）｝］Ｖ
………（４）
この（４）式は、Ｒ＞＞ΔＲ、Ｒ＞＞ΔＲ’であること、並びに（１）〜（３）式に基づいて、次式（５）のように変形することができる。
【００２２】
【数１】
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【００２３】
この（５）式からは、被検出圧力を示す電圧レベルＶoutが、各歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄに作用するｘ軸方向及びｙ軸方向の応力の差に比例することが分かる。つまり、検出出力の電圧レベルＶoutを大きくして感度を高めるためには、図４及び上記（５）式から理解できるように、チップ中心Ｏから極力離れた位置に歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄを形成すれば良いことになる。
【００２４】
次に、センシングボディ１とセンサチップ２との線膨張係数差に基づく熱応力について考察する。この熱応力は、検出出力の誤差に大きく影響するものであり、零に近付けることが望ましい。
図５には、本実施例のように正八角形状のセンサチップ２を備えた圧力検出装置に対し、所定の温度差（例えば９５℃）を与えた状態（印加圧力は零）でのセンサチップ２の表面における熱応力分布状態を有限要素法により解析した結果を示す。この図５には、図２中のｘ軸（＜１１０＞軸）に沿った複数のポイント（チップ中心Ｏからの距離が異なるポイント）での熱応力分布を、各ポイントでのｘ軸方向の応力σxxとｙ軸方向の応力σyyとに分解した状態で示してある。尚、図６には、上記のような解析結果を、センサチップ２と対応付けた状態で摸式的に示した。
【００２５】
これらの図５及び図６からは、歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄを、チップ中心Ｏから１mm程度以下の距離、好ましくは０．８mm程度以下の距離内に配置すれば、その配置ポイントでのｘ軸方向及びｙ軸方向の熱応力差をほぼ零にできて、検出出力の誤差を大幅に縮小できることが分かる。
【００２６】
因みに、ダイヤフラム１ｂ上に、センサチップ２に代えて単結晶シリコンより成る正方形状のセンサチップ（センサチップ２と同様の歪みゲージ抵抗を有するもの）の裏面全体を接合したモデルについて、その表面における熱応力分布状態の解析を上述同様に行った結果を図７に示す。この図７からは、歪みゲージ抵抗を、チップ中心から０．５mm程度以下の距離、好ましくは０．２５mm程度以下の距離内の位置、つまりチップ中心に比較的近い位置に配置しなければ、熱応力をほぼ零にできないことが分かる。
【００２７】
ところが、正方形状のセンサチップを使用したモデルにおいても、歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄをチップ中心に近い位置に配置した場合には、被検出圧力印加時の各歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄに作用するｘ軸方向及びｙ軸方向の応力の差が小さくなるため、検出出力が十分に大きくならないという事情がある。このため、正方形状のセンサチップを用いる場合には、検出出力の誤差の拡大をある程度許容して感度の向上を図るか、或いは感度の低下を甘受するか、の二者択一を迫られるという問題点が出てくる。
【００２８】
これに対して、本実施例のように平面形状が正八角形のセンサチップ２を用いる構成によれば、歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄを、ｘ軸方向及びｙ軸方向の熱応力差をほぼ零にできる位置、具体的には、チップ中心Ｏからの距離が０．８mm程度以下の位置に配置した場合でも、図４から理解できるように、各歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄに作用するｘ軸方向及びｙ軸方向の応力σxx及びσyyの差が大きくなるから、検出出力の電圧レベルＶoutを十分に大きくできる。つまり、本実施例によれば、センサチップ２の平面形状を正八角形に設定したことによるチップ形状効果によって、検出誤差を大幅に低減しながら感度の向上を実現できるという有益な効果を奏するものである。
【００２９】
また、本実施例のように、面方位が（１００）の単結晶シリコンによってセンサチップ２を構成した場合には、ホイートストンブリッジを構成するための歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄを、センサチップ２のチップ中心Ｏを挟んで点対称配置することになる。このような配置とした場合には、前述したように、被検出圧力が作用した状態における歪みゲージ抵抗３ｂ、３ｃの抵抗値増加分と、歪みゲージ抵抗３ａ、３ｄの抵抗値減少分とが等しくなるから、被検出圧力に対する出力電圧の直線性が良好になるものである。
【００３０】
さらに、本実施例のように、センサチップ２の平面形状を正八角形とした場合には、半導体ウエーハ上でのセンサチップ２のレイアウトが簡単化すると共に、無駄が少なくなるから、当該センサチップ２を半導体ウエーハから切り出す工程が簡単化すると共に、チップ収率（チップ取れ率）が向上するようになる。
【００３１】
（第２の実施の形態）
図８ないし図１０には本発明の第２実施例が示されており、以下これについて前記第１実施例と異なる部分について説明する。
即ち、この第２実施例は、図８及び図９に示すように、センシングボディ１が有するダイヤフラム１ｂの上面に、平面形状が円形のセンサチップ４を図示しない低融点ガラスや接着剤などを利用して接合した点に特徴を有する。上記センサチップ４は、面方位がほぼ（１００）の単結晶シリコンより成るもので、例えば、厚さ寸法が約０．２mm、直径が約３．５mmに設定されており、このセンサチップ４の表面に４個の歪みゲージ抵抗３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが形成されている。
【００３２】
この第２実施例においても、センサチップ４上には、当該センサチップ４を構成する単結晶シリコンの＜１１０＞軸が直交した状態で存在するものであり、図９に示すように、４個設けられた歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄは、前記第１実施例と同様に、センサチップ２上の中心Ｏから互いに直交した方向へ延びるｘ軸及びｙ軸上に、当該チップ中心Ｏを挟んで点対称配置される。
この実施例のように円形状のセンサチップ４を備えた圧力検出装置に対し、所定の温度差（例えば９５℃）を与えた状態（印加圧力は零）でのセンサチップ４の表面における熱応力分布状態を有限要素法により解析した結果は図１０に示す通りである。
【００３３】
この図１０を、前記第１実施例における図５と比較した場合、両者が互いに極めて近似していることが分かる。従って、円形状のセンサチップ４を利用する構成とした場合でも、前記第１実施例と同様に、検出誤差を低減しながら感度の向上を実現できると共に、被検出圧力に対する出力電圧の直線性を良好にできることになる。
【００３４】
（第３の実施の形態）
図１１ないし図１３には本発明の第３実施例が示されており、以下これについて前記第１実施例と異なる部分について説明する。
即ち、この第３実施例は、図１１に示すように、センシングボディ１が有するダイヤフラム１ｂの上面に、平面形状が正六角形のセンサチップ５を図示しない低融点ガラスや接着剤などを利用して接合した点に特徴を有する。上記センサチップ５は、面方位がほぼ（１００）の単結晶シリコンより成るもので、その厚さ寸法が約０．２mm、対辺間の寸法が約３．５mm（対角線間寸法は４mm程度になる）に設定されており、このセンサチップ５の表面に４個の歪みゲージ抵抗３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが形成されている。
【００３５】
この場合、上記センサチップ５にあっては、当該センサチップ５を構成する単結晶シリコンの一方の＜１１０＞軸（ｘ軸）が、図１１に示すように、所定の対角線と平行した方向となるように設定されており、これに伴い他方の＜１１０＞軸（ｙ軸）は正六角形における所定の対辺と直交した状態となるように構成されている。そして、歪みゲージ抵抗３ａ、３ｄはｘ軸上に配置され、歪みゲージ抵抗３ｂ、３ｃはｙ軸上に配置される。
【００３６】
この実施例のように正六角形状のセンサチップ５を備えた圧力検出装置に対し、所定の温度差（例えば９５℃）を与えた状態（印加圧力は零）でのセンサチップ４の表面における熱応力分布状態を有限要素法により解析した結果は図１２及び図１３に示す通りである。尚、図１２は、図１１中のｘ軸に沿った複数のポイント（チップ中心Ｏからの距離が異なるポイント）での熱応力分布を、各ポイントでのｘ軸方向の応力σxxとｙ軸方向の応力σyyとに分解した状態で示し、図１３は、図１１中のｙ軸に沿った複数のポイント（チップ中心Ｏからの距離が異なるポイント）での熱応力分布を、各ポイントでのｘ軸方向の応力σxx’とｙ軸方向の応力σyy’とに分解した状態で示す。
【００３７】
これらの図１２及び図１３からは、歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄを、チップ中心Ｏから０．９mm程度以下の距離、好ましくは０．７mm程度以下の距離内に配置すれば、その配置ポイントでのｘ軸方向及びｙ軸方向の熱応力差をほぼ零にできて、検出出力の誤差を大幅に縮小できることが分かる。
【００３８】
従って、本実施例においても前記第１実施例と同様の作用効果を奏するものである。
尚、上記した各実施例で述べたような有限要素法による解析の結果、センサチップの平面形状が円形に近い状態であれば、程度の差はあるものの、熱応力の低減を図り得ることが分かる。ここで、センサチップの平面形状を多角形状に形成することを想定した場合、円形にどの程度近い形状であるか否かの判断基準として、その多角形の外接円及び内接円の各直径を比較することが考えられる。即ち、外接円直径÷内接円直径の値をδとした場合、真円に限りなく近い多角形のδはほぼ１であり、また、正八角形であればδは約１．０８２、正方形であればδは約１．４１４となる。
【００３９】
この場合、熱応力に関して、どの程度まで円形に近付いた形状が許容されるかを検討した結果、δが１．２未満の多角形（実際には第３実施例で説明した正六角形程度以上のもの）であれば、熱応力を低減できる形状（円形に近い形状）と考えて良いことが分かった。従って、センサチップの平面形状を、外接円直径÷内接円直径の値が１．２未満となる多角形に形成する構成とすれば、金属ダイヤフラム及びセンサチップの線膨張係数差に起因した熱応力による悪影響を、当該センサチップの平面形状を変更するだけの簡単な構造により極力排除できて、検出誤差の低減を実現できることになる。
【００４０】
（第４の実施の形態）
上記した各実施例では、面方位が（１００）の単結晶シリコンによりセンサチップ２を形成する構成としたが、センサチップのチップ形状効果によって検出誤差の低減を図るだけの目的であれば、面方位が（１１０）の単結晶シリコンによりセンサチップを形成する構成としても良い。
図１４及び図１５には、このような構成を採用した本発明の第４実施例が示されている。即ち、上記のように面方位が（１１０）の単結晶シリコンによりセンサチップを形成する場合には、歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄの配置状態を、図１及び図２に示す状態から図１４及び図１５に示す状態に変更したセンサチップ２’を設ける必要がある。尚、上記歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄは、第１実施例で述べたように、ホイートストンブリッジ（図３参照）を構成するものである。
【００４１】
このようにセンサチップ２’の面方位が（１１０）であった場合、図１５に示すように、センサチップ２’上には、これを構成する単結晶シリコンの＜１００＞軸及び＜１１０＞軸が直交した状態で存在することになる。この場合、上記ホイートストンブリッジの対辺に位置した一対の歪みゲージ抵抗３ｂ、３ｃは、センサチップ２’の中心部分を通る＜１１０＞軸、つまりｘ軸に沿った位置上の中央部に配置され、当該ホイートストンブリッジの他の対辺に位置した一対の歪みゲージ抵抗３ａ、３ｄは、上記ｘ軸に沿った位置上の周縁部に配置される。
【００４２】
この場合には、ｘ軸方向成分の応力σxxのみがピエゾ抵抗効果にかかわるため、前記（５）式は次式（６）のように変更される。但し、σxxcは歪みゲージ抵抗３ｂ、３ｃにおけるｘ軸方向成分の応力、σxxsは歪みゲージ抵抗３ａ、３ｄにおけるｘ軸方向成分の応力を示すものであり、これらの値は前述した特性図（図４）からほぼ知ることができる。
【００４３】
【数２】
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【００４４】
ここで、本件発明者による有限要素法による解析によれば、センサチップ２’に圧力が印加された場合、そのセンサチップ２’の中心Ｏからｘ軸方向に沿った方向での応力分布は、前記図４とほぼ同じ傾向となるものである。つまり、ｘ軸方向成分の応力σxxは、センサチップ２’の中央部（歪みゲージ抵抗３ｂ、３ｃが配置された領域）と周辺部（歪みゲージ抵抗３ａ、３ｄが配置された領域）とで比較的大きな差が出るものである。従って、歪みゲージ抵抗３ｂ、３ｃの抵抗変化率と歪みゲージ抵抗３ａ、３ｄの抵抗変化率の差が大きくなり、（６）式からも明らかなようにホイートストンブリッジの出力電圧Ｖoutが大きくなる。
【００４５】
また、本件発明者による有限要素法による解析によれば、上記センサチップ２’において、チップ中心Ｏからｘ軸方向に沿った方向での熱応力分布は、前記図５とほぼ同じ傾向となるものである。つまり、Ｘ軸方向成分の熱応力σxxは、チップ中心Ｏから０．８mm程度の距離範囲までほぼ同一の大きさのまま推移し、１mm程度の距離範囲まで見た場合には若干量だけ変化している。このため、歪みゲージ抵抗３ｂ、３ｃをセンサチップ２’の中央部に配置し、歪みゲージ抵抗３ａ、３ｄを、チップ中心Ｏから１mm程度以下の距離、好ましくは０．８mm程度以下の距離内に配置すれば、歪みゲージ抵抗３ｂ、３ｃに作用する熱応力と歪みゲージ抵抗３ａ、３ｄに作用する熱応力の差をほぼ零にできることが分かる。従って、ホイートストンブリッジから熱応力オフセット電圧が小さい状態の出力電圧Ｖoutを得ることができることになり、以て検出誤差を低減しながら感度の向上を実現できるようになる。
【００４６】
（第５の実施の形態）
図１６ないし図１９には本発明の第５実施例が示されており、以下これについて前記第１実施例と異なる部分のみ説明する。
図１６には圧力検出装置の要部が一部断面にした状態で示され、図１７には同要部の平面構造が示されている。これら図１６及び図１７において、金属製のセンシングボディ１の上端部に構成された金属製ダイヤフラム１ｂの上面には、面方位がほぼ（１００）の単結晶シリコン（単結晶半導体）より成る矩形平板状のセンサチップ６が、接着用材料としての低融点ガラス７（図１７参照）を利用して接合されている。尚、上記センシングボディ１の各部の寸法は第１実施例と同じである（受圧口１ａの直径は約２．５mm、ダイヤフラム１ｂの厚さ寸法は約０．６５mm）。
【００４７】
この場合、上記センサチップ６は、平面形状が正方形（例えば約３．５mm□、厚さ寸法は約０．２mm）となるように形成されたもので、その表面には、図１７に示すように、当該センサチップ６を構成する単結晶シリコンの＜１１０＞軸が、互いに直交し且つセンサチップ６の辺部とも直交（及び平行）した状態で存在するものである。また、このセンサチップ６の表面には、第１実施例と同様に、信号取出用のホイートストンブリッジ（図３参照）を構成する４個の歪みゲージ抵抗３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが形成されている。つまり、各歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄは、センサチップ６上の中心Ｏから互いに直交した方向へ延びる２本の＜１１０＞軸上に、当該チップ中心Ｏを挟んで点対称配置されている。尚、本実施例においても、チップ中心Ｏを通る一方の＜１１０＞軸をｘ軸と呼び、チップ中心Ｏを通る他方の＜１１０＞軸をｙ軸と呼ぶ。
【００４８】
上記低融点ガラス７は、図１７に示すように、その平面分布形状が正八角形となるように設定されたもので、合計４個の辺部がセンサチップ６の四辺部にそれぞれ沿った状態（重なった状態）で設けられている。従って、この低融点ガラス７は、前記ｘ軸及びｙ軸と直交する辺を備えた状態となるものであり、また、低融点ガラス７の対向辺部間の距離は、センサチップ６の対向辺部間の寸法に応じた約３．５mmとなる。
【００４９】
上記のような構成においても、ダイヤフラム１ｂに対しては、受圧口１ａ側の面から被検出圧力が印加されると共に、これと反対側の面から一定の基準圧力（例えば大気圧）が印加されるものであり、それら印加圧力の差によってダイヤフラム１ｂ及びセンサチップ６が同時に撓むようになる。このようにセンサチップ６が撓み変形した場合には、これに伴うセンサチップ６表面の歪み変形が歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄの抵抗値変化として現れるようになるから、図３に示すホイートストンブリッジを通じて被検出圧力に応じた電圧レベルＶoutの信号を得ることができる。
【００５０】
図１８には、圧力印加に応じたセンサチップ６の表面における応力分布状態を有限要素法により解析した結果を示す。この図１８は、図１７中のｘ軸に沿った複数のポイントでの応力分布を示すもので、ｘ軸方向成分の応力をσxx、ｙ軸方向成分の応力をσyyで表している。この図１８と、前記第１実施例における同様の解析結果を示す前記図４とを比較した場合、両者は極めて類似したプロファイルになっていることが分かる。
【００５１】
この場合、前にも述べたように、単結晶シリコンにおける（１００）面でのピエゾ抵抗効果は、上記応力σxx及びσyy双方の影響を受けるものであり、ｘ軸上に配置された歪みゲージ抵抗３ａ、３ｄの抵抗値変化率ΔＲ／Ｒは、次式（１）で表すことができ、また、ｙ軸上に配置された歪みゲージ抵抗３ｂ、３ｃの抵抗値変化率ΔＲ’／Ｒは、結晶軸の対称性から、次式（２）で表すことができる。但し、Ｒはゲージ初期抵抗値、ΔＲは抵抗３ａ，３ｄの増加分抵抗値、π44はピエゾ抵抗係数、ΔＲ’は抵抗３ｂ，３ｃの増加分抵抗値を示し、σxx及びσyyは図１７中のＸ軸に沿ったポイントでのＸ軸方向の平均応力及びｙ軸方向の平均応力、σxx’及びσyy’は、図１７中のｙ軸に沿ったポイントでのｘ軸方向の平均応力及びｙ軸方向の平均応力を示す。
【００５２】
ΔＲ／Ｒ＝（π44／２）（σxx−σyy）            ……（１）
ΔＲ’／Ｒ＝（π44／２）（σxx’−σyy’）      ……（２）
また、各歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄの位置の対称性から次式（３）の関係が成立する。      
【００５３】
σxx＝σyy’、σyy＝σxx’            ……（３）
従って、前記第１実施例で説明した内容と同じ理由により、歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄにより構成されたホイートストンブリッジ（図３参照）を通じて得られる出力電圧のレベルＶoutは次式（５）のようになる。
【００５４】
【数３】
2007304109.tif 000005
【００５５】
この（５）式からは、被検出圧力を示す電圧レベルＶoutが、各歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄに作用するｘ軸方向及びｙ軸方向の応力の差に比例することが分かる。つまり、検出出力の電圧レベルＶoutを大きくして感度を高めるためには、図１８及び上記（５）式から理解できるように、チップ中心Ｏから極力離れた位置に歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄを形成すれば良いことになる。
【００５６】
図１９には、本実施例のように正方形状のセンサチップ６をダイヤフラム１ｂ上に平面分布形状が正八角形の低融点ガラス７を利用して接合した圧力検出装置に対し、所定の温度差（例えば９５℃）を与えた状態（印加圧力は零）でのセンサチップ６の表面における熱応力分布状態を有限要素法により解析した結果を示す。この図１９は、図１７中のｘ軸に沿った複数のポイントでの熱応力分布を、各ポイントでのｘ軸方向の応力σxxとｙ軸方向の応力σyyとに分解した状態で示している。この図１９と、前記第１実施例における同様の解析結果を示す前記図５とを比較した場合、両者は極めて類似したプロファイルになっていることが分かる。
【００５７】
従って、上記図１７及び図１８からは、歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄを、チップ中心Ｏから１mm程度以下の距離、好ましくは０．８mm程度以下の距離内に配置すれば、その配置ポイントでのｘ軸方向及びｙ軸方向の熱応力差をほぼ零にできて、検出出力の誤差を大幅に縮小できることが分かる。
【００５８】
要するに、本実施例のように平面形状が正方形のセンサチップ６を用いる場合であっても、そのセンサチップ６をダイヤフラム１ｂ上に接合するための低融点ガラス７の平面分布形状を八角形とするなどの構成とした場合には、歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄを、ｘ軸方向及びｙ軸方向の熱応力差をほぼ零にできる位置、具体的には、チップ中心Ｏからの距離が０．８mm程度以下の位置に配置した場合でも、図１９から理解できるように、各歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄに作用するｘ軸方向及びｙ軸方向の応力σxx及びσyyの差が大きくなるから、検出出力の電圧レベルＶoutを十分に大きくできる。つまり、本実施例のように、正方形状のセンサチップ６を固定する部分となる低融点ガラス７の平面分布形状を正八角形に設定した場合には、当該センサチップ６が正方形状のものであっても、前記第１実施例で述べたチップ形状効果と同等の効果が得られるものであり、これによって、検出誤差を大幅に低減しながら感度の向上を実現できるという有益な効果を奏するものである。
【００５９】
また、本実施例のように、面方位が（１００）の単結晶シリコンによってセンサチップ６を構成した場合には、ホイートストンブリッジを構成するための歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄを、センサチップ６のチップ中心Ｏを挟んで点対称配置することになる。このような配置とした場合には、前述したように、被検出圧力が作用した状態における歪みゲージ抵抗３ｂ、３ｃの抵抗値増加分と、歪みゲージ抵抗３ａ、３ｄの抵抗値減少分とが等しくなるから、被検出圧力に対する出力電圧の直線性が良好になるものである。
【００６０】
さらに、本実施例のように、センサチップ６の平面形状を正方形とした場合には、半導体ウエーハ上でのセンサチップ６のレイアウトが簡単化するばかりか、センサチップ６をウェハのダイシング加工によって容易に得ることができて製造性が向上すると共に、その加工時の無駄が少なくなって、チップ収率（チップ取れ率）が大幅に向上するようになる。
【００６１】
一方、図２０には、上記第５実施例における低融点ガラス７の平面分布形状を円形（直径は約３．５mm）とした状態において、センサチップ６の表面における応力分布状態を有限要素法により解析した結果が示され、図２１には、同状態において、センサチップ６の表面における熱応力分布状態を有限要素法により解析した結果が示されている。これらの図２０及び図２１と、低融点ガラス７の平面分布形状が正八角形（対辺間の距離は約３．５mm）の状態での同様の解析結果を示す前記図１８及び図１９とを比較した場合、両者は極めて類似したプロファイルになっていることが分かる。
【００６２】
従って、低融点ガラス７の平面分布形状を円形とした場合でも、第５実施例と同様の効果を奏するものである。
また、図２２には、上記第５実施例における低融点ガラス７の平面分布形状を正六角形（対辺間の距離は約３．５mm：一対の対向辺部がセンサチップ６の一対の対向辺部に沿った配置とされる）とした状態において、センサチップ６の表面における応力分布状態を有限要素法により解析した結果が示され、図２３には、同状態において、センサチップ６の表面における熱応力分布状態を有限要素法により解析した結果が示されている。これらの図２２及び図２３と、上記のような図１８及び図１９とを比較した場合にも、両者は極めて類似したプロファイルになっていることが分かる。
【００６３】
従って、低融点ガラス７の平面分布形状を正六角形とした場合でも、第５実施例と同様の効果を奏するものである。
つまり、センサチップ６を接合するための低融点ガラス７の平面分布形状が円形若しくは円形に近い多角形状であれば、程度の差はあるものの、熱応力の低減を図り得ることが分かる。ここで、低融点ガラス７の平面分布形状を多角形状に形成することを想定した場合、円形にどの程度近い形状であるか否かの判断基準として、その多角形の外接円及び内接円の各直径を比較することが考えられる。即ち、外接円直径÷内接円直径の値をδとした場合、真円に限りなく近い多角形のδはほぼ１であり、また、正八角形であればδは約１．０８２、正方形であればδは約１．４１４となる。
【００６４】
この場合、熱応力に関して、低融点ガラス７の平面分布形状をどの程度まで円形に近付いた形状が許容されるかを検討した結果、δが１．２未満の多角形（実際には正六角形程度以上のもの）であれば、熱応力を低減できる形状（円形に近い形状）と考えて良いことが分かった。従って、低融点ガラス７の平面分布形状を、外接円直径÷内接円直径の値が１．２未満となる多角形に形成する構成とすれば、金属ダイヤフラム１ｂ及び正方形状のセンサチップ６の線膨張係数差に起因した熱応力による悪影響を、当該低融点ガラス７の平面形状を変更するだけの簡単な構造により極力排除できて、検出誤差の低減を実現できると共に、チップ取れ率の向上を図り得ることになる。
【００６５】
（第６の実施の形態）
上記第５実施例では、面方位が（１００）の単結晶シリコンによりセンサチップ６を形成する構成としたが、面方位が（１１０）の単結晶シリコンによりセンサチップを形成する構成としても良い。
図２４には、このような構成を採用した本発明の第６実施例が示されている。即ち、上記のように面方位が（１１０）の単結晶シリコンによってセンサチップ６’を形成する場合には、そのセンサチップ６’上の歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄを、図１７に示す配置状態から図２４に示す配置状態に変更する必要がある。尚、上記歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄは、第５実施例と同様にホイートストンブリッジ（図３参照）を構成するものである。
【００６６】
このようにセンサチップ６’の面方位が（１１０）であった場合、図２４に示すように、センサチップ６’上には、これを構成する単結晶シリコンの＜１００＞軸及び＜１１０＞軸が直交した状態で存在することになる。この場合、上記ホイートストンブリッジの対辺に位置した一対の歪みゲージ抵抗３ｂ、３ｃは、センサチップ６’の中心部分を通る＜１１０＞軸、つまりｘ軸に沿った位置上の中央部に配置され、当該ホイートストンブリッジの他の対辺に位置した一対の歪みゲージ抵抗３ａ、３ｄは、上記ｘ軸に沿った位置上の周縁部に配置される。
【００６７】
この場合には、前記第４実施例の説明から明らかなように、次式（６）が成立する（σxxcは歪みゲージ抵抗３ｂ、３ｃにおけるｘ軸方向成分の応力、σxxsは歪みゲージ抵抗３ａ、３ｄにおけるｘ軸方向成分の応力）。
【００６８】
【数４】
2007304109.tif 000006
【００６９】
ここで、本件発明者による有限要素法による解析によれば、ダイヤフラム１ｂ上に平面分布形状が正八角形の低融点ガラス７を介して接合された正方形状のセンサチップ６’に圧力が印加された場合、そのセンサチップ６’の中心Ｏからｘ軸方向に沿った方向での応力分布は、前記図４とほぼ同じ傾向となるものである。つまり、ｘ軸方向成分の応力σxxは、センサチップ６’の中央部（歪みゲージ抵抗３ｂ、３ｃが配置された領域）と周辺部（歪みゲージ抵抗３ａ、３ｄが配置された領域）とで比較的大きな差が出るものである。従って、歪みゲージ抵抗３ｂ、３ｃの抵抗変化率と歪みゲージ抵抗３ａ、３ｄとの抵抗変化率の差が大きくなり、（６）式からも明らかなように、ホイートストンブリッジの出力電圧Ｖoutが大きくなる。
【００７０】
また、本件発明者による有限要素法による解析によれば、上記のようなセンサチップ６’において、チップ中心Ｏからｘ軸方向に沿った方向での熱応力分布は、前記図５とほぼ同じ傾向となるものである。つまり、Ｘ軸方向成分の熱応力σxxは、チップ中心Ｏから０．８mm程度の距離範囲まで同一の大きさのまま推移し、１mm程度の距離範囲まで見た場合には若干量だけ変化している。このため、歪みゲージ抵抗３ｂ、３ｃをセンサチップ６’の中央部に配置し、歪みゲージ抵抗３ａ、３ｄを、チップ中心Ｏから１mm程度以下の距離、好ましくは０．８mm程度以下の距離内に配置すれば、歪みゲージ抵抗３ｂ、３ｃに作用する熱応力と歪みゲージ抵抗３ａ、３ｄに作用する熱応力の差をほぼ零にできることが分かる。従って、ホイートストンブリッジから熱応力オフセット電圧が小さい状態の出力電圧Ｖoutを得ることができることになり、以て検出誤差を低減しながら感度の向上を実現できるようになる。
勿論、この第６実施例においても、低融点ガラス７の平面分布形状を円形や正六角形などに形成しても良いものである。
【００７１】
（第７の実施の形態）
図２５ないし図３３には本発明の第７実施例が示されており、以下これについて前記第１実施例と異なる部分のみ説明する。
図２５には圧力検出装置の要部が一部断面にした状態で示され、図２６には同要部の平面構造が示されている。これら図２５及び図２６において、金属製のセンシングボディ１の上端部に構成された金属製ダイヤフラム１ｂの上面には、面方位がほぼ（１００）の単結晶シリコン（単結晶半導体）より成る矩形平板状のセンサチップ８が、低融点ガラスや接着剤（図示せず）を利用して接合されている。尚、上記センシングボディ１の各部の寸法は第１実施例と同じである（受圧口１ａの直径は約２．５mm、ダイヤフラム１ｂの厚さ寸法は約０．６５mm）。また、上記センサチップ８は、その裏面全体がダイヤフラム１ｂと接合されるものである。
【００７２】
この場合、上記センサチップ８は、平面形状が正方形（例えば約３．５mm□、厚さ寸法は約０．２mm）となるように形成されたもので、その表面には、当該センサチップ８を構成する単結晶シリコンの＜１１０＞軸が、互いに直交した状態で存在するものである。但し、本実施例では、各結晶軸の方向を、センサチップ８の辺部と平行した直線に対してそれぞれ所定の角度θ例えば２２．５°だけ回転させた状態としている。つまり、チップ中心Ｏを通る一方の＜１１０＞軸をｘ軸、チップ中心Ｏを通る他方の＜１１０＞軸をｙ軸とした場合、上記回転角度θは、図２６中に示すように、ｘ軸とセンサチップ８の辺部８ａに平行した中心線Ａとの間の角度、または、ｙ軸とセンサチップ８の上記辺部８ａと直交した辺部８ｂに平行した中心線Ｂとの間の角度に相当することになる。
【００７３】
そして、上記センサチップ８の表面には、第１実施例と同様に、信号取出用のホイートストンブリッジ（図３参照）を構成する４個の歪みゲージ抵抗３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが形成されている。つまり、各歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄは、センサチップ８上の中心Ｏから互いに直交した方向へ延びる２本の＜１１０＞軸（ｘ軸及びｙ軸）上に、当該チップ中心Ｏを挟んで点対称配置されている。
【００７４】
上記のような構成においても、ダイヤフラム１ｂに対しては、受圧口１ａ側の面から被検出圧力が印加されると共に、これと反対側の面から一定の基準圧力（例えば大気圧）が印加されるものであり、それら印加圧力の差によってダイヤフラム１ｂ及びセンサチップ８が同時に撓むようになる。このようにセンサチップ８が撓み変形した場合には、これに伴うセンサチップ８表面の歪み変形が歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄの抵抗値変化として現れるようになるから、図３に示すホイートストンブリッジを通じて被検出圧力に応じた電圧レベルＶoutの信号を得ることができる。
このような構成においても、歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄにより構成されたホイートストンブリッジ（図３参照）を通じて得られる出力電圧のレベルＶoutについては、次式（５）が成立するものである。
【００７５】
【数５】
2007304109.tif 000007
【００７６】
また、圧力印加に応じたセンサチップ８の表面におけるｘ軸方向及びｙ軸方向の応力差は、チップ中心Ｏから遠ざかるに連れて大きくなるという事情があるから、本実施例においても、検出出力の電圧レベルＶoutを大きくして感度を高めるためには、チップ中心Ｏから極力離れた位置に歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄを形成すれば良いことになる。
【００７７】
この場合、上記検出出力の誤差要因となるｘ軸方向及びｙ軸方向の熱応力差は、歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄの位置がチップ中心Ｏから遠ざかるに連れて拡大するという特性があるが、本実施例のように、センサチップ８上の結晶軸（＜１１０＞軸）の方向をセンサチップ８の辺部に対してθ＝２２．５°だけ回転させた状態とした場合には、上記熱応力差が零若しくは零に近い状態となる領域がチップ中心Ｏから比較的離れた位置まで拡大するものである。
【００７８】
つまり、図２７ないし図２９には、本実施例のように正方形状のセンサチップ８の裏面全体をダイヤフラム１ｂ上に接合した圧力検出装置において、前記回転角度θをそれぞれ０°、２２．５°、４５°に変更したモデルを想定し、各モデルに対し、所定の温度差（例えば９５℃）を与えた状態（印加圧力は零）でのセンサチップ８の表面における熱応力分布状態を有限要素法により解析した結果を示す。尚、これらの図２７ないし図２９は、図２６中のｘ軸に沿った複数のポイントでの熱応力分布を、各ポイントでのｘ軸方向の応力σxxとｙ軸方向の応力σyyとに分解した状態で示している。
【００７９】
上記のような解析結果からは、回転角度θが０°及び４５°の各モデル（図２７、図２９）においては、チップ中心Ｏからの距離が０．４〜０．５mm程度を越えた領域からｘ軸方向及びｙ軸方向の熱応力差（σyy−σxx）が拡大し始めているのに対して、回転角度θが２２．５°のモデル（図２８）においては、チップ中心Ｏからの０．９mm程度の領域まで上記のような熱応力差が零になっていることが分かる。
【００８０】
従って、本実施例の構成によっても、歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄを、チップ中心Ｏからほぼ１mm程度以下の距離（好ましくは０．９mm程度以下の距離）内に配置すれば、その配置ポイントでのｘ軸方向及びｙ軸方向の熱応力差をほぼ零にできて、検出出力の誤差を大幅に縮小できると共に、検出出力の電圧レベルＶoutを十分に大きくできて感度の向上を実現できるようになる。また、このような効果を得るために、センサチップ８上の結晶軸の方向を変更するだけの簡単な構造を採用するだけで済む利点がある。しかも、センサチップ８の形状が正方形であるから、半導体ウエーハ上でのセンサチップ８のレイアウトが簡単化するばかりか、センサチップ８をウェハのダイシング加工によって容易に得ることができて製造性が向上すると共に、その加工時の無駄が少なくなって、チップ収率（チップ取れ率）が大幅に向上するようになる。
【００８１】
上記第７実施例では、センサチップ８上の＜１１０＞軸の当該センサチップ８の辺部に対する回転角度θを２２．５°としたが、これに限られるものではなく、歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄの配置ポイントでのｘ軸方向及びｙ軸方向の熱応力差をほぼ零にできる範囲をある程度確保できる角度であれば、上記回転角度θを変更しても良いものである。
【００８２】
そこで、以下においては、このような回転角度θの許容範囲について考察する。即ち、半導体圧力検出装置においては、センサチップ上においてｘ軸方向及びｙ軸方向の熱応力差が存在すると、検出出力の零点が温度特性を持つようになるため、その非直線性が問題となる。このような非直線性の補正を外部回路によって行おうとする場合には、その回路構成が複雑になると共に面倒な調整作業が必要になるという問題点が出てくる。本実施例においても、このような零点温度非直線性ＴＮＯ（Temperature Nonlinearity of Offset Voltage）が問題となるものであり、これは次式（７）で表すことができる。
【００８３】
【数６】
2007304109.tif 000008
【００８４】
ここで、Ｖoffset（Ｔ）は温度Ｔにおける零点出力電圧、ＲＴは常温、ＨＴは温度変動幅の最高温度、ＬＴは温度変動幅の最低温度、ＦＳはフルスケール出力電圧幅（スパン）である。
このように得られるＴＮＯの前記回転角度θに対する依存性を上記第７実施例のような基本構造を有したモデルについてシミュレーションした結果が図３０に示されている。但し、このシミュレーションでは、歪みゲージ抵抗のチップ中心からの距離は０．８mm、その歪みゲージ抵抗の形成領域を０．２mm□の正方形と仮定した。
【００８５】
図３０における回転角度θ＝０°の状態は、従来行われてきた一般的なゲージ配置であるが、この状態でのＴＮＯの絶対値は４％ＦＳ強以上となっている。仮に、このようなＴＮＯの絶対値を半減すれば非直線性の補正に効果があるとすれば、回転角度θ＝１５°〜３３°の範囲に設定すれば良いことになる。尚、この図３０では、ＴＮＯが零になる回転角度θは約２５°となっているが、これは歪みゲージ抵抗の形成領域を正方形に仮定したことに起因すると考えられる。
【００８６】
一方、上記回転角度θが３３°より大きく設定された場合でも、検出出力の誤差要因となるｘ軸方向及びｙ軸方向の熱応力差を零にできることがある。つまり、図３１ないし図３３には、第７実施例のように正方形状のセンサチップ８の裏面全体をダイヤフラム１ｂ上に接合した圧力検出装置において、前記回転角度θをそれぞれ３３．７５°、３７°、４０°に変更したモデルを想定し、各モデルに対し、所定の温度差（例えば９５℃）を与えた状態（印加圧力は零）でのセンサチップ８の表面における熱応力分布状態を有限要素法により解析した結果を示す。尚、これらの図３１ないし図３３は、図２６中のｘ軸に沿った複数のポイントでの熱応力分布を、各ポイントでのｘ軸方向の応力σxxとｙ軸方向の応力σyyとに分解した状態で示している。
【００８７】
上記のような解析結果からは以下のようなことが分かる、つまり、回転角度θが例えば３３．７５°のモデル（図３１）においては、ｘ軸方向及びｙ軸方向の熱応力差（σyy−σxx）は、チップ中心Ｏから０．３mm程度の領域を越えると拡大傾向を示すが、チップ中心Ｏから１．６mm程度の位置でもほぼ零になる。従って、歪みゲージ抵抗を、その中心が上記チップ中心Ｏから１．６mm程度の位置となるように配置すれば、大きな検出出力が得られると共に、上記熱応力差を最小にできて当該検出出力の誤差を縮小できることになる。さらに、回転角度θが３７°のモデル（図３２）においても、ｘ軸方向及びｙ軸方向の熱応力差が零になる位置（チップ中心Ｏから約１．９mm強の位置）が存在するから、同様に熱応力差を最小にできて検出出力の誤差を縮小できることになる。また、回転角度が４０°のモデル（図３３）においては、ｘ軸方向及びｙ軸方向の熱応力差が零になる領域がチップ中心Ｏから０．２mm程度の範囲内のごく狭い領域に限られることになり、上記のような誤差縮小効果は望めないことになる。
【００８８】
以上のことを総合すると、回転角度θの許容範囲は１５°〜３７°になるものであり、この範囲で回転角度θを変更することができる。
（第８の実施の形態）
図３４ないし図３８には、上記第７実施例に変更を加えた本発明の第８実施例が示されており、以下これについて第７実施例と異なる部分のみ説明する。
【００８９】
図３４には圧力検出装置の要部が断面構造が示され、図３５には同要部の平面構造が示されている。これら図３４及び図３５において、下面に受圧口９ａを備えた金属製のセンシングボディ９の上端部に構成された金属製ダイヤフラム９ｂの上面には、第７実施例と同じ構成のセンサチップ８の裏面全体が、低融点ガラスや接着剤（図示せず）を利用して接合されている。この場合、本実施例では、２００ＭＰａ用の圧力検出装置を対象としており、上記センシングボディ９は、これに応じた形状とされている。つまり、センシングボディ９は、例えばコバール（３０％Ｎｉ−２０％Ｃｏ−Ｆｅ）によって形成されたもので、受圧口９ａの直径は約２．５mm、ダイヤフラム９ｂの厚さ寸法は約２mmと比較的大きな値に設定される。
【００９０】
このように、ダイヤフラム厚が大きく変更されると、センサチップ８の表面での熱応力分布も多少変わってくるものであり、このような熱応力分布の変化に対応するために、本実施例では、センサチップ８上の結晶軸（＜１１０＞軸）の当該センサチップ８の辺部に対する回転角度θを約３０°に設定している。このような設定の根拠は以下に述べる通りである。
【００９１】
即ち、図３６ないし図３８には、本実施例のように正方形状のセンサチップ８の裏面全体を厚さ寸法２mmのダイヤフラム９ｂ上に接合した圧力検出装置において、前記回転角度θをそれぞれ２６°、３０°、３４°に変更したモデルを想定し、各モデルに対し、所定の温度差（例えば９５℃）を与えた状態（印加圧力は零）でのセンサチップ８の表面における熱応力分布状態を有限要素法により解析した結果を示す。尚、これらの図３６ないし図３８は、図３５中のｘ軸に沿った複数のポイントでの熱応力分布を、各ポイントでのｘ軸方向の応力σxxとｙ軸方向の応力σyyとに分解した状態で示している。
【００９２】
上記のような解析結果からは、検出出力の誤差要因となるｘ軸方向及びｙ軸方向の熱応力差がほぼ零となる領域は、回転角度θ＝３０°のモデル（図３７）がチップ中心Ｏから約１mmの領域となるものであり、これが一番広がっていることが分かる。従って、本実施例の構成によっても、歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄを、チップ中心Ｏからほぼ１mm程度以下の距離内に配置すれば、その配置ポイントでのｘ軸方向及びｙ軸方向の熱応力差をほぼ零にできて、検出出力の誤差を大幅に縮小できると共に、検出出力の電圧レベルＶoutを十分に大きくできて感度の向上を実現できるようになる。
尚、上記回転角度θは、この実施例で挙げた３０°に限られるものではなく、歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄの配置ポイントでのｘ軸方向及びｙ軸方向の熱応力差をほぼ零にできる範囲をある程度確保できる角度であれば、前記第７実施例と同様に変更可能である。
【００９３】
（第９の実施の形態）
上記第７実施例及び第８実施例では、面方位が（１００）の単結晶シリコンにより正方形状のセンサチップ８を形成する構成としたが、面方位が（１１０）の単結晶シリコンによりセンサチップを形成する構成としても良い。
【００９４】
図３９には、このような構成を採用した本発明の第９実施例が示されている。即ち、この第９実施例は第７実施例に変更を加えた例を示すものであり、上記のように面方位が（１１０）の単結晶シリコンによってセンサチップ８’を形成する場合には、そのセンサチップ８’上の歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄを、図２６に示す配置状態から図３９に示す配置状態に変更する必要がある。尚、上記歪みゲージ抵抗３ａ〜３ｄは、ホイートストンブリッジ（図３参照）を構成するものである。
【００９５】
このようにセンサチップ８’の面方位が（１１０）であった場合、図３９に示すように、センサチップ８’上には、これを構成する単結晶シリコンの＜１００＞軸及び＜１１０＞軸が直交した状態で存在することになる。この場合、上記ホイートストンブリッジの対辺に位置した一対の歪みゲージ抵抗３ｂ、３ｃは、センサチップ８’の中心部分を通る＜１１０＞軸、つまりｘ軸に沿った位置上の中央部に配置され、当該ホイートストンブリッジの他の対辺に位置した一対の歪みゲージ抵抗３ａ、３ｄは、上記ｘ軸に沿った位置上の周縁部に配置される。
【００９６】
このような構成の本実施例においても、前記第６実施例中で説明したと同等の理由によって、歪みゲージ抵抗３ｂ、３ｃに作用する熱応力と歪みゲージ抵抗３ａ、３ｄに作用する熱応力の差をほぼ零にできるから、ホイートストンブリッジから熱応力オフセット電圧が小さい状態の出力電圧Ｖoutを得ることができることになり、以て検出誤差を低減しながら感度の向上を実現できるようになる。
【００９７】
（その他の実施の形態）
尚、本発明は上記した各実施例に限定されるものではなく、以下に述べるような変形或いは拡大が可能である。
各実施例では、ホイートストンブリッジを構成するために４個の歪みゲージ抵抗を形成したが、例えば２個の歪み抵抗ゲージによりハーフブリッジ回路を形成する構成としても良い。センサチップの材料としては単結晶シリコンに限られるものではなく、ピエゾ抵抗効果を奏するものであれば、他の単結晶半導体を利用することができる。
【００９８】
ダイヤフラムの直径よりセンサチップの対辺寸法或いは直径が大きい状態の例で説明したが、その寸法関係は逆であっても良い。また、センシングボディの材質はコバールに限定されるものではない。さらに、歪みゲージ抵抗を拡散抵抗により構成したが、これをポリシリコン抵抗により形成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】本発明の第１実施例を示す要部の部分断面斜視図
【図２】同要部の平面図
【図３】歪みゲージ抵抗の配線状態を示す結線図
【図４】圧力印加に応じたセンサチップ表面における応力分布状態を解析した結果を示す特性図
【図５】センサチップ表面における熱応力分布状態を解析した結果を示す特性図
【図６】図５の解析結果をセンサチップと対応付けた状態で摸式的に示す図
【図７】正方形状のセンサチップモデルについて、その表面における熱応力分布状態を解析した結果を示す特性図
【図８】本発明の第２実施例を示す図１相当図
【図９】図２相当図
【図１０】図５相当図
【図１１】本発明の第３実施例を示す図２相当図
【図１２】センサチップ表面におけるｘ軸方向の熱応力分布状態を解析した結果を示す特性図
【図１３】センサチップ表面におけるｙ軸方向の熱応力分布状態を解析した結果を示す特性図
【図１４】本発明の第４実施例を示す図１相当図
【図１５】図２相当図
【図１６】本発明の第５実施例を示す図１相当図
【図１７】図２相当図
【図１８】圧力印加に応じたセンサチップ表面における応力分布状態を解析した結果を示す特性図
【図１９】センサチップ表面における熱応力分布状態を解析した結果を示す特性図
【図２０】第５実施例に一部変更を加えた変形例における図１８相当図
【図２１】同変形例における図１９相当図
【図２２】第５実施例に一部変更を加えた他の変形例における図１８相当図
【図２３】同変形例における図１９相当図
【図２４】本発明の第６実施例を示す図２相当図
【図２５】本発明の第７実施例を示す図１相当図
【図２６】図２相当図
【図２７】圧力印加に応じたセンサチップ表面における応力分布状態を解析した結果を示す特性図その１
【図２８】圧力印加に応じたセンサチップ表面における応力分布状態を解析した結果を示す特性図その２
【図２９】圧力印加に応じたセンサチップ表面における応力分布状態を解析した結果を示す特性図その３
【図３０】零点温度非直線性をシミュレーションした特性図
【図３１】圧力印加に応じたセンサチップ表面における応力分布状態を解析した結果を示す特性図その４
【図３２】圧力印加に応じたセンサチップ表面における応力分布状態を解析した結果を示す特性図その５
【図３３】圧力印加に応じたセンサチップ表面における応力分布状態を解析した結果を示す特性図その６
【図３４】本発明の第８実施例を示す要部の断面図
【図３５】図２相当図
【図３６】圧力印加に応じたセンサチップ表面における応力分布状態を解析した結果を示す特性図その１
【図３７】圧力印加に応じたセンサチップ表面における応力分布状態を解析した結果を示す特性図その２
【図３８】圧力印加に応じたセンサチップ表面における応力分布状態を解析した結果を示す特性図その３
【図３９】本発明の第９実施例を示す図２相当図
【符号の説明】
【０１００】
１はセンシングボディ、１ｂはダイヤフラム、２、２’はセンサチップ、３ａ〜３ｄは歪みゲージ抵抗、４、５、６、６’はセンサチップ、７は低融点ガラス（接着用材料）、８、８’はセンサチップ、９はセンシングボディ、９ｂはダイヤフラムを示す。
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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