(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上にピエゾ抵抗効果を有する感圧素子を形成し、前記感圧素子を用いてブリッジ回路を構成するとともに、薄肉のダイアフラム部を有する単一の半導体センサを備え、前記ブリッジ回路の中間電圧から流体の圧力に関する第一の検出信号を、前記ブリッジ回路の両端電圧から前記流体の温度に関する第二の検出信号をそれぞれ得る半導体センサ装置であって、
前記流体を導入するため導入口を備えた圧力導入部と、
前記半導体センサに前記流体の圧力及び温度を伝達するための穴部が設けられ前記半導体センサを配設する載置部を備え、前記載置部から延設された鍔部を前記圧力導入部に接合することで前記導入口の一端を塞ぐ状態で配設されるベース板と、
前記ベース板上に位置し、前記半導体センサを収納する収納穴部を備えるとともに、前記半導体センサと電気的に接続される回路基板と、
前記回路基板に備えられ、前記ブリッジ回路に所定の定電流を供給する定電流源回路と、
少なくともサーミスタと正温度係数抵抗とを有して前記第二の検出信号の温度特性を調整するとともに、前記ベース板の近傍に位置する状態で前記回路基板の前記鍔部に対向する位置に配設される温度特性調整手段と、
を備えてなることを特徴とする半導体センサ装置。
【請求項２】
前記載置部は、前記鍔部に対して少なくとも一段高くなる位置に設けられてなることを特徴とする請求項１に記載の半導体センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板上にピエゾ抵抗効果を有する感圧素子を形成し、前記感圧素子を用いてブリッジ回路を構成する半導体センサを用いた半導体センサ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体センサ装置としては、シリコン等の半導体基板に薄肉のダイアフラム部を形成し、前記ダイアフラム部にピエゾ抵抗効果を有する圧力検出用の圧感素子をブリッジ状に構成してなる半導体式圧力センサ（半導体センサ）を、下ケースに備えられる圧力導入ポートの上端部にベース板を介し配設するとともに、前記圧力センサと回路基板とをワイヤボンディングによって電気的に接続し、前記回路基板を介して前記圧力センサへの電源供給及び前記圧力センサからの信号出力を行うためのリードピンを備えた上ケースによって前記圧力センサ及び前記回路基板を覆ってなる圧力検出装置がある。
【０００３】
このような圧力検出装置は、例えば車両のエンジンを被測定物とすることがある。エンジンを被測定物とすると、エンジンオイルの圧力（以下、油圧という）のみならず前記エンジンオイルの温度（以下、油温という）を検出することが可能な圧力温度検出装置が望まれており、このような圧力温度検出装置としては、特開平１１−７２４０２号公報に開示されるものがある。
【０００４】
かかる圧力温度検出装置は、サーミスタ等の温度検出手段を前記油温が検出できるように圧力センサを配設するケース内に配設し、前記圧力センサ及び前記温度検出手段を単一のケース内に配設することで、異なる被測定対象（油圧及び油温）を検出することが可能となる。
【０００５】
しかしながら、単一の被測定物から異なる被測定対象を検出する前記圧力温度検出装置において、前記装置の前記エンジンへの取付は簡素化されるものの、前記圧力センサと前記温度検出手段とをそれぞれ前記ケース内に配設することから、圧力温度検出装置としての構造が複雑になるばかりでなく、構成部品が多くなることから装置が大型化してしまうといった問題点を有していた。
【０００６】
そこで、本願出願人は、構造を複雑にすることなく簡単な構成で圧力と温度とを検出することが可能な半導体センサ装置を特願２００１−１８５７３７号で提案している。かかる半導体センサ装置は、半導体基板上にピエゾ抵抗効果を有する感圧素子を形成し、前記感圧素子を用いてブリッジ回路を構成するとともに、薄肉のダイアフラム部を有する半導体センサと、前記半導体センサと電気的に接続する回路基板とを備え、前記回路基板に、単一の前記半導体センサからの出力に基づいて圧力に関する第一の検出信号と温度に関する第二の検出信号とを出力する第一，第二の出力部を備えてなるものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記半導体センサ装置は、温度と出力電圧との関係を示す出力電圧特性Ｔ１に、図９の実線で示すような、検出温度範囲（−４０℃〜１２５℃）の中間で出力電圧が低くなる非線形性があり、検出される温度に若干の誤差が生じる虞があるため、前記出力電圧特性Ｔ１を図９の点線で示すような線形の出力電圧特性Ｔ２とするべき改善が望まれている。
【０００８】
本発明は、前述した課題に着目し、構造を複雑にすることなく簡単な構成で圧力と温度とを検出することができ、且つ、温度と出力電圧との関係を示す出力電圧特性を更に線形にすることで温度の検出精度を向上させることが可能な半導体センサ装置を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するため、請求項１に記載の半導体センサ装置のように、半導体基板上にピエゾ抵抗効果を有する感圧素子を形成し、前記感圧素子を用いてブリッジ回路を構成するとともに、薄肉のダイアフラム部を有する単一の半導体センサを備え、前記ブリッジ回路の中間電圧から流体の圧力に関する第一の検出信号を、前記ブリッジ回路の両端電圧から前記流体の温度に関する第二の検出信号をそれぞれ得る半導体センサ装置であって、前記流体を導入するため導入口を備えた圧力導入部と、前記半導体センサに前記流体の圧力及び温度を伝達するための穴部が設けられ前記半導体センサを配設する載置部を備え、前記載置部から延設された鍔部を前記圧力導入部に接合することで前記導入口の一端を塞ぐ状態で配設されるベース板と、前記ベース板上に位置し、前記半導体センサを収納する収納穴部を備えるとともに、前記半導体センサと電気的に接続される回路基板と、前記回路基板に備えられ、前記ブリッジ回路に所定の定電流を供給する定電流源回路と、少なくともサーミスタと正温度係数抵抗とを有して前記第二の検出信号の温度特性を調整するとともに、前記ベース板の近傍に位置する状態で前記回路基板の前記鍔部に対向する位置に配設される温度特性調整手段と、を備えてなるものである。
【００１３】
また、本発明は、請求項２に記載の半導体センサ装置のように、前記載置部は、前記鍔部に対して少なくとも一段高くなる位置に設けられてなるものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づき説明する。
【００１５】
図１において、半導体センサ装置としての圧力温度検出装置Ａは、下ケース１と、上ケース２と、ベース板３と、半導体センサ４と、回路基板５と、シールド板６と、グロメット７とから主に構成されている。
【００１６】
下ケース１は、ＳＵＭ等の金属材料からなる取付ねじ部を有する六角部材である圧力導入部１ａと、ＰＢＴ等の樹脂材料からなるフランジ部１ｂとを備え、圧力導入部１ａとフランジ部１ｂとはインサート成形によって一体的に構成される。また圧力導入部１ａの略中央には、圧力導入穴（導入口）１ｃが形成されている。
【００１７】
上ケース２は、ＰＢＴ等の樹脂材料から形成され、上ケース２の開口端部を下ケース１のフランジ部１ｂに対して熱加締めすることによって配設固定され、ベース板３，半導体センサ４，回路基板５等を収納する。また、上ケース２は、後述する電極リードを介して電源供給及び信号出力を行うためのコネクタ部２ａを備えている。
【００１８】
ベース板３は、コバール等の金属材料から構成され、下ケース１における圧力導入部１ａの上端部に抵抗溶接によって配設固定するためのフランジ部（鍔部）３ａが設けられ、このフランジ部３ａから一段高くなった位置には、圧力センサ４を配設するための載置部３ｂが設けられている。また載置部３ｂの略中央には、半導体センサ４に被測定物の圧力及び温度を伝達するための穴部３ｃが設けられている。ベース板３は、圧力導入部１ａの上端部に抵抗溶接によって配設固定されることで、圧力導入穴１ｃの一端を塞ぐ状態で下ケース１に配設されることになる。
【００１９】
尚、ベース板３におけるフランジ部３ａは、圧力導入部１ａに抵抗溶接できる構成であれば単なる段差形状であっても良い。
【００２０】
半導体センサ４は、シリコン等の半導体基板に薄肉部となるダイアフラム部を形成する半導体チップ４ａをガラス基板４ｂ上に配設し、半導体チップ４ａとガラス台座４ｃとを陽極接合法によって接合してなるものである。半導体センサ４は、前記ダイアフラム部に対応する部位にボロン等の不純物を拡散処理することによって、ピエゾ抵抗効果を有する４つの感圧素子となる抵抗を形成し、この各抵抗をアルミ等の導電性材料を用いた配線パターンによって接続することで後で詳述するブリッジ回路が構成される。
【００２１】
尚、半導体センサ４は、ガラス基板４ｂの裏面側にメタライズ層を形成するとともに、半田を介してベース板３と接合する。
【００２２】
回路基板５は、紙フェノール，ガラス繊維入り樹脂及びセラミック等の絶縁材料を支持材とし、後述する回路構成を得るための所定の配線パターンが表裏に形成されてなる両面印刷回路基板であり、ベース板３上に位置するように下ケース１のフランジ部１ｂの上方に設けられる載置部１ｄに配設される。回路基板５は、後で詳述する回路構成の構成部品である各種電子部品（半導体センサ４の出力電圧を増幅するための増幅回路やノイズを除去するためのコンデンサ等）が実装される。
【００２３】
また、回路基板５は、周縁部が下ケース１の載置部１ｄに支持される配設構造であって、回路基板５の略中央には、ベース板３の載置部３ｂに配設される半導体センサ４の上方から回路基板５を下ケース１の載置部１ｄに配設した際に、回路基板５が半導体センサ４を取り巻くように配設するための収納穴部５ａが形成されている。
【００２４】
また、回路基板５の表面の収納穴部５ａの周辺には、複数の電極部が形成され、この電極部と半導体センサ４に形成される電極パッド（電極部）とは金等の導電材料からなるワイヤ８によって電気的に接続される。また、回路基板５の裏面の収納穴部５ａの周辺には、圧力温度検出装置Ａにおける温度と出力電圧との関係を示す線形的な出力電圧特性Ｔ２（図９参照）にするべく後で詳述する温度特性調整手段をベース板３の近傍に配設するための半田付けランド及び配線パターンが形成されている。
【００２５】
また、回路基板５には、上ケース２のコネクタ部２ａにグロメット７を介して配設される電極リード９とリードピン付き貫通コンデンサ１０を介し電気的に接続するリードピン１１が実装されている。
【００２６】
シールド板６は、ＳＰＴＥ等の金属材料からなり、ホルダ部６ａと、下ケース１と上ケース２との間に狭持状態にて配設するためのフランジ部６ｂとが設けられている。
【００２７】
ホルダ部６ａは、グロメット７の載置面よりも一段高くなる位置に設けられ、貫通コンデンサ１０を配設するための配設部６ｃが形成されるとともに、この配設部６ｃには、複数の孔部が形成され、この各孔部に各貫通コンデンサ１０が半田を介し配設固定される。
【００２８】
グロメット７は、ニトリルゴム等の弾性部材によって構成され、電極リード９がインサート形成されてなる。グロメット７は、上ケース２のコネクタ部２ａに設けられる凹部２ｂに設けられた穴部２ｃに電極リード９を挿通させるとともに、グロメット７を凹部２ｂに嵌め込むことで、シールド板６のホルダ部６ａから一段低くなった前記載置面に配設される。
【００２９】
グロメット７にインサート成形される電極リード９は、半導体センサ４への電源供給と半導体センサ４からの後述する圧力及び温度に関する検出信号を外部に伝達するものである。
【００３０】
以上の各部によって圧力温度検出装置Ａが構成される。次に図２を用いて、圧力温度検出装置Ａの回路構成について説明する。圧力温度検出装置Ａの回路構成は、定電流源回路２０と、ブリッジ回路２１と、圧力検出増幅回路２２と、温度検出増幅回路２３とを有するもので、ブリッジ回路２１以外の各回路は回路基板５上で構成される。
【００３１】
定電流源回路２０は、定電流源調整用抵抗２０ａと、演算増幅器２０ｂと、正温度係数調整用抵抗２０ｃ，正温度係数抵抗２０ｄ，サーミスタ２０ｅ及びサーミスタ特性調整用抵抗２０ｆを有する温度特性調整手段２０ｇとで構成され、ブリッジ回路２１へ所定の定電流を供給する。なお、正温度係数抵抗２０ｄは、温度が高くなるに従って線形的に抵抗値が大きくなる特性をもつ抵抗である。
【００３２】
温度特性調整手段２０ｇは、電源Ｖｃｃに対して直列に接続されたサーミスタ２０ｅ，正温度係数抵抗２０ｄ及び正温度係数調整用抵抗２０ｃと、サーミスタ２０ｅに対して並列接続されたサーミスタ特性調整用抵抗２０ｆとからなるものである。
【００３３】
ブリッジ回路２１は、半導体センサ４のダイアフラム部上に形成される４つの感圧素子である抵抗Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄから形成される。ブリッジ回路２１において、直列接続される第一抵抗群Ｒａ，Ｒｂ及び第二抵抗群Ｒｃ，Ｒｄからそれぞれ引き出された中間電圧ｖａ，ｖｂは、圧力検出増幅回路２２へ供給される。
【００３４】
圧力検出増幅回路２２は、入力インピーダンスの影響の少ない増幅回路によって構成されるもので、図３で示す圧力と出力電圧Ｖ１との関係を示す圧力−電圧特性である第一の出力電圧特性Ｔ３のゲイン調整を行うためのゲイン調整用抵抗２２ａ、第一の出力電圧特性Ｔ３のオフセット調整を行うためのオフセット電圧調整用抵抗２２ｂ、ブリッジ回路２１における中間電圧ｖａ，ｖｂをそれぞれ入力する第一，第二の演算増幅器２２ｃ，２２ｄ等から構成される。圧力検出増幅回路２２は、中間電圧ｖ１，ｖ２を入力すると中間電圧ｖ１，ｖ２の差分を増幅して出力電圧（第一の検出信号）Ｖ１として出力し圧力検出するものである。
【００３５】
温度検出増幅回路２３は、ブリッジ回路２１の両端電圧ｖｃを増幅して出力電圧（第二の検出信号）Ｖ２として取り出すものであって、図４で示す温度と出力電圧Ｖ２との関係を示す温度−電圧特性である第二の出力電圧特性Ｔ４の傾きの調整であるゲイン調整を行うためのゲイン調整用抵抗２３ａ、第二の出力電圧特性Ｔ４のオフセット調整を行うためのオフセット電圧調整用抵抗２３ｂ、ブリッジ回路２１における両端電圧ｖｃを入力するとともに、所定の倍率によって増幅する演算増幅器２３ｃ等から構成される。
【００３６】
次に、定電流源回路２０の作用について詳述する。正温度係数調整用抵抗２０ｃと正温度係数抵抗２０ｄとの合成抵抗は、温度が高くなるに従って抵抗値が大きくなる温度−抵抗値特性（以下、特性Ｔ５という。図５参照）を有し、また、サーミスタ２０ｅとサーミスタ特性調整用抵抗２０ｆとの合成抵抗は、温度が高くなるに従って抵抗値が反比例的に小さくなる温度−抵抗値特性（以下、特性Ｔ６という。図６参照）を有している。従って、定電流源回路２０において、各特性Ｔ５，Ｔ６を含む各抵抗２０ａ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ，２０ｆの合成抵抗は、図７に示すような、検出温度範囲（−４０℃〜１２５℃）の略中間で出力電圧が低くなる非線形的（下に凸の特性曲線）温度−抵抗値特性（以下、特性Ｔ７という）となることから、定電流源回路２０の基準電圧ｖｄは、図８に示すような、前記検出温度範囲の略中間で出力電圧が高くなる非線形的（上に凸の特性曲線）な出力電圧特性Ｔ８となる。
【００３７】
従って、定電流源回路２０に備えられる温度特性調整手段２０ｇによって温度補償することで、温度と出力電圧Ｖ２との関係を示す温度−電圧特性である第二の出力電圧特性Ｔ４は、図４に示すように略線形になる。つまり、定電流源回路から供給される定電流が仮に一定電圧であれば、第二の出力電圧特性Ｔ４は、図９で示される出力電圧特性Ｔ１で示すように検出温度範囲の中間で出力電圧が低くなるが、定電流源回路２０から供給される定電流は、検出温度範囲の略中間で高くなる特性を有するため、第二の出力電圧特性Ｔ４は温度補償され、第二の出力電圧特性Ｔ４が略線形になり、温度の検出精度が向上することになる。
【００３８】
即ち、半導体センサ４を構成するブリッジ回路２１の両端電圧ｖｃが図９で示すような下に凸をなす非線形的な出力電圧特性Ｔ１を有するものであることから、図８で示すような出力電圧特性Ｔ１と逆の関係をなす上に凸の非線形的な特性Ｔ８からなる定電流源回路２０の基準電圧Ｖｄを半導体センサ４のブリッジ回路２１に印加することで、図９で示す理想的な線形を有する出力電圧特性Ｔ２のような線形的な出力電圧特性Ｔ４（図４参照）に基づいた両端電圧ｖｃが得られるものである。
【００３９】
出力電圧特性Ｔ４を更に線形的にするためには、温度特性調整手段２０ｇの構成部品の内、最も温度補償をするに重要な被測定物の温度（例えば油温）を検出するサーミスタ２０ｅと正温度係数抵抗２０ｄとを、回路基板５の裏面側で、かつベース板３のフランジ部３ａとの対向面であるベース板３の近傍に配設することで達成することが可能である（図１参照）。
【００４０】
即ち、前記被測定物の温度の影響を最も受けやすいベース板３の近傍にサーミスタ２０ｅを配設することによって、半導体センサ４が置かれている環境と略同等の環境の温度をサーミスタ２０ｅによって検出することが可能となり、温度が高くなるに従って抵抗値が反比例的に小さくなる特性（図６参照）Ｔ６を良好に得ることが可能となる。
【００４１】
また、正温度係数抵抗２０ｄもベース板３の近傍に配設することから、正温度係数抵抗２０ｄの抵抗値は、温度が高くなるに従って抵抗値が大きくなる特性Ｔ５（図５参照）を良好に求めることが可能となる。
【００４２】
従って、定電流源回路２０において、各特性Ｔ５，Ｔ６を含む各抵抗２０ａ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ，２０ｆの合成抵抗は、被検出体の検出温度に応じて良好な特性Ｔ７を得ることが可能となることから、定電流源回路２０の基準電圧ｖｄにおいても被測定物の検出温度に応じた良好な出力電圧特性Ｔ８が得られることから、より線形的な出力電圧特性Ｔ４を得ることが可能となり、温度の検出精度を更に向上させることができる。
【００４３】
かかる圧力温度検出装置Ａは、半導体基板上にピエゾ抵抗効果を有する感圧素子を形成し、前記感圧素子を用いてブリッジ回路２１を構成するとともに、薄肉のダイアフラム部を有する単一の半導体センサ４によって流体の圧力に関する第一の検出信号と前記流体の温度に関する第二の検出信号とを得るものであり、前記流体を導入するため圧力導入穴１ｃを備えた圧力導入部１ａと、半導体センサ４に前記流体の圧力及び温度を伝達するための穴部３ｃが設けられ半導体センサ４を配設する載置部３ｂを備え、載置部３ｂから延設されたフランジ部３ａを圧力導入部１ａと接合することで圧力導入穴１ｃの一端を塞ぐ状態を配設されるベース板３と、ベース板３上に位置し、半導体センサ４を収納する収納穴部５ａを備えるとともに半導体センサ４と電気的に接続される回路基板５と、回路基板５に備えられ、ブリッジ回路２１に所定の定電流を供給する定電流源回路２０と、第二の検出信号の温度特性を調整するとともに、ベース板３の近傍に位置する状態で回路基板５に配設される温度特性調整手段２０ｇとを備えてなるものであり、構造を複雑にすることなく簡単な構成で圧力と温度とを検出することができ、且つ、温度と出力電圧との関係を示す出力電圧特性Ｔ４を更に線形にすることで温度の検出精度を向上させることができる。
【００４４】
また、温度特性調整手段２０ｇは、少なくともサーミスタ２０ｅと正温度係数抵抗２０ｄとを有することから、簡単な構成で、また安価に構成することが可能となる。
【００４５】
また、ベース板３は、フランジ部３ａに対して載置部３ｂが一段高くなる位置に設けられ、また回路基板５のベース板３におけるフランジ部３ａに対向する位置、即ちフランジ部３ａと載置部３ｂとの段差部分に対応する回路基板５の裏面側に温度特性調整手段２０ｇであるサーミスタ２０ｅと正温度係数抵抗２０ｄとを配設することから、被測定物の温度の影響を最も受けやすいベース板３の最も近くにサーミスタ２０ｅと正温度係数抵抗２０ｄとを配設することが可能となるため、出力電圧特性Ｔ４を更に線形にすることが可能となる。
【００４６】
尚、本発明の第一，第二の出力部となる圧力検出増幅回路２２と温度検出増幅回路２３の回路構成にあっては、本発明の実施の形態で説明した回路構成に限定されるものではなく、図３及び図４で示すような圧力及び温度に関する出力特性が得られる回路構成であれば良い。
【００４７】
また、本発明の実施の形態で説明した温度特性調整手段２０ｇは、正温度係数調整用抵抗２０ｃ，正温度係数抵抗２０ｄ，サーミスタ２０ｅ及びサーミスタ特性調整用抵抗２０ｆを有するものであったが、本発明における温度特性調整手段は、正温度係数抵抗及びサーミスタを少なくとも備えるものであれば良い。
【００４８】
また、本発明の実施の形態では、ベース板３と温度特性調整手段２１ｇの正温度係数抵抗２０ｄ及びサーミスタ２０ｅとの間に若干の隙間があるが、この隙間に熱伝導部材を介在させることによって、更に線形的な出力電圧特性Ｔ４を得ることができる。前記熱伝導部材として、例えば信越化学（株）製，型式Ｇ７４７，商品名オイルコンパウンドが挙げられる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明は、半導体基板上にピエゾ抵抗効果を有する感圧素子を形成し、前記感圧素子を用いてブリッジ回路を構成するとともに、薄肉のダイアフラム部を有する単一の半導体センサによって流体の圧力に関する第一の検出信号と前記流体の温度に関する第二の検出信号とを得る半導体センサ装置に関し、構造を複雑にすることなく簡単な構成で圧力と温度とを検出することができ、且つ、温度と出力電圧との関係を示す出力電圧特性を更に線形にすることで温度の検出精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の圧力温度検出装置を示す要部断面図。
【図２】同上実施の形態の回路構成を示す図。
【図３】同上実施の形態の圧力と出力電圧との関係を示す図。
【図４】同上実施の形態の温度と出力電圧との関係を示す図。
【図５】同上実施の形態の温度と、正温度係数調整用抵抗及び正温度係数抵抗の合成抵抗との関係を示す図。
【図６】同上実施の形態の温度と、サーミスタとサーミスタ特性調整用抵抗との合成抵抗との関係を示す図。
【図７】同上実施の形態の温度と、温度特性調整手段の合成抵抗との関係を示す図。
【図８】同上実施の形態の温度と、定電流源回路の基準電圧との関係を示す図。
【図９】従来の温度と出力電圧との関係を示す図。
【符号の説明】
１    下ケース
１ａ    圧力導入部
１ｃ    圧力導入穴（導入部）
３    ベース板
３ａ  フランジ部（鍔部）
３ｂ  載置部
３ｃ  穴部
４    半導体センサ
５    回路基板
５ａ    収納穴部
２０    定電流源回路
２０ｃ  正温度係数調整用抵抗
２０ｄ  正温度係数抵抗
２０ｅ  サーミスタ
２０ｆ  サーミスタ特性調整抵抗
２０ｇ  温度特性調整手段
２１    ブリッジ回路
２２，２４  圧力検出増幅回路（第一の出力部）
２３    温度検出増幅回路（第二の出力部）
Ｒａ〜Ｒｄ  抵抗（感圧素子）
ｖａ，ｖｂ  中間電圧
ｖｃ  両端電圧
Ａ  圧力温度検出装置（半導体センサ装置）
【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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