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1、(10)申请公布号 CN 102288354 A (43)申请公布日 2011.12.21 CN 102288354 A *CN102288354A* (21)申请号 201110165620.7 (22)申请日 2011.06.14 2010-137290 2010.06.16 JP G01L 9/06(2006.01) G01L 1/18(2006.01) (71)申请人 三美电机株式会社 地址 日本东京都 (72)发明人 大泉则一 (74)专利代理机构 北京银龙知识产权代理有限 公司 11243 代理人 许静 郭凤麟 (54) 发明名称 压敏电阻式压力传感器 (57) 摘要 提供一种压敏。
2、电阻式压力传感器， 其不降低 测定灵敏度地抑制因压敏电阻元件的热变动而引 起的通电变动， 由此能够实现高灵敏度以及高精 度的压力测定。在膜片 (31) 和支撑部 (32) 的边 界附近的膜片(31)上配置有压敏电阻部(R1、 R2、 R3、 R4)。 由此， 能够高灵敏度地测定压力。 各压敏 电阻部 (R1、 R2、 R3、 R4) 的压敏电阻元件组配置区 域的面积全部相同， 并且使所述区域的外形形状 为相同的形状。由此， 可以使压敏电阻部 (R1、 R2、 R3、 R4) 之间的温度部分均匀化， 所以能够抑制因 压敏电阻元件的热变动而引起的通电变动。 (30)优先权数据 (51)Int.Cl。
3、. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 9 页 CN 102288367 A1/1 页 2 1. 一种压敏电阻式压力传感器， 其特征在于， 具备 ： 平面形状为四角形的膜片 ； 从边缘支撑所述膜片的支撑部 ； 以及 在所述膜片的 4 边附近且在所述支撑部附近的、 在所述膜片上分别形成的多个检测 部， 所述多个检测部为 ： 多个压敏电阻元件平行地被配置， 并且， 由该多个压敏电阻元件构 成的压敏电阻元件组配置区域的面积在各检测部中全部相同， 并且所述区域的外形形状为 相同的形状。 2. 根据权利要求 1 所述的压敏电阻式压力传感器。
4、， 其特征在于， 所述检测部是由所述多个压敏电阻元件和不存在压敏电阻元件的部分构成的区域， 所述区域的形状为大体正方形。 3. 根据权利要求 1 或 2 所述的压敏电阻式压力传感器， 其特征在于， 所述多个检测部为 ： 所述膜片的边与所述压敏电阻元件组配置区域的距离全部相同。 权 利 要 求 书 CN 102288354 ACN 102288354 A CN 102288367 A1/5 页 3 压敏电阻式压力传感器 技术领域 0001 本发明涉及使用在膜片上配置的压敏电阻元件来检测压力的压敏电阻式压力传 感器。 背景技术 0002 压敏电阻式压力传感器是在膜片上配置了多个压敏电阻元件， 并且。
5、通过这些压敏 电阻元件构成桥电路。由此， 压敏电阻式压力传感器将因给予膜片的压力而在膜片上产生 的弯曲作为压敏电阻元件的电阻变化(即， 桥电路的输出电压变化)来进行检测， 由此检测 压力。例如在专利文献 1 3 中记载了这样的压敏电阻式压力传感器。 0003 然后， 简单地说明使用了膜片以及压敏电阻元件的一般的压敏电阻式压力传感 器。 0004 在图 1 中表示了现有的压敏电阻式压力传感器的结构。如图 1A 所示， 压敏电阻式 压力传感器 10 具有膜片 11 和支撑部 12。膜片 11 通过支撑部 12 从周边进行支撑。由此， 膜片 11 在通过支撑部 12 固定了其周边的状态下， 可根据被。
6、施加的压力而变成弯曲。 0005 在膜片 11 的周边部上配置了压敏电阻部 R1、 R2、 R3、 R4。各压敏电阻部 R1、 R2、 R3、 R4 具有多个压敏电阻元件。在图 1B 中表示压敏电阻部 R1 中的压敏电阻元件的配置例 子。在图例中， 压敏电阻部 R1 具有与 X 轴平行的 2 个压敏电阻元件 R1-1、 R1-2， 通过导线 ( 例如扩散配线 )21 连接了该压敏电阻元件 R1-1、 R1-2 的一端， 由此， 串联连接了压敏电阻 元件 R1-1、 R1-2。另外， 压敏电阻元件 R1-1、 R1-2 的另一端与桥电路的端子 ( 例如铝配线 ) 连接。压敏电阻部 R2、 R3、。
7、 R4 中的压敏电阻元件的配置也和图 1B 相同。 0006 在图 2 中表示了通过压敏电阻部 R1、 R2、 R3、 R4 构成的桥电路。顺便， 以桥电路的 相邻的压敏电阻部 (R1、 R3 和 R2、 R4) 的电阻变化相反的方式 ( 即， 压敏电阻部 R1 和 R3 的 电阻变化相同， 压敏电阻部 R2 和 R4 的电阻变化与压敏电阻部 R1 和 R3 的电阻变化相反 )， 配置压敏电阻元件。 0007 专利文献 1 ： 日本特开 2002-286567 号公报 0008 专利文献 2 ： 日本特开 2000-162056 号公报 0009 专利文献 3 ： 日本特开 2002-3988。
8、8 号公报 发明内容 0010 在压敏电阻式压力传感器中， 由于压敏电阻元件发热， 测定精度有可能降低。 0011 关于测定精度降低的第一原因， 考虑在压敏电阻部之间压敏电阻元件的温度分 布不均匀， 温度上升导致的压敏电阻的电阻值变化不均匀， 因此， 在接通电源时， 失调电压 (offset voltage) 变动。 0012 关于测定精度降低的第二原因， 考虑在压敏电阻部之间压敏电阻元件的温度分布 不均匀， 伴随温度上升， 构成膜片的硅， 氧化硅膜、 氮化硅膜等的热膨胀率不同导致的应力 变化变得不均匀， 因此， 在接通电源时， 失调电压变动。 说 明 书 CN 102288354 ACN 1。
9、02288354 A CN 102288367 A2/5 页 4 0013 如此， 在压敏电阻式压力传感器中， 当在压敏电阻部之间压敏电阻元件的温度部 分不均匀时， 在压敏电阻部之间压敏电阻的电阻值不均匀地变化以及或在压敏电阻部之间 膜片的应力不均匀地变化。 结果， 因为接通电源时的失调电压不均匀地变动， 所以在检测电 压中产生波动， 由此， 产生传感器的测定精度恶化的问题。 0014 在专利文献 1 中， 公开了把压敏电阻元件配置在难以产生因膜片的热应力变化而 引起的应力误差的位置， 由此降低测定误差的技术。但是， 在专利文献 1 的技术中， 虽然认 为能够抑制由于所述第二原因导致的测定精度。
10、的降低， 但是不足以抑制由于所述第一原因 导致的测定精度的降低。 0015 因此， 当考虑测定灵敏度时， 压敏电阻元件由于压力变化， 膜片的变动成为最大， 优选在距离膜片与支撑部的边界近的膜片上进行配置。但是， 因为膜片与支撑部的厚度不 同， 所以优选所以载距离膜片和支撑部的边界的膜片上。 但是， 由于膜片和支撑部的厚度不 同， 所以膜片上的与支撑部的边界附近是在膜片上温度分布最急剧的位置， 即温度变化最 大的位置。 在这样的位置上配置压敏电阻元件， 意味着由于所述第一原因以及第二原因， 容 易产生测定精度降低。 0016 本发明是鉴于该问题而提出的， 其目的在于提供一种压敏电阻式压力传感器，。
11、 其 不降低测定灵敏度地抑制由于压敏电阻元件的热变动导致的通电变动， 可以实现高灵敏度 以及高精度的压力。 0017 本发明的压敏电阻式压力传感器一个方式为， 具备 ： 平面形状为四角形状的膜片 ； 从边缘支撑所述膜片的支撑部 ； 以及在所述膜片的 4 边附近且在所述支撑部附近的、 在所 述膜片上分别形成的多个检测部， 所述多个检测部为 ： 多个压敏电阻元件平行地被配置， 并且， 由该多个压敏电阻元件构成的压敏电阻元件组配置区域的面积在各检测部中全部相 同， 并且所述区域的外形形状为相同的形状。 0018 根据本发明， 可以提供一种压敏电阻式压力传感器， 其不降低测定灵敏度地抑制 由于压敏电阻。
12、元件的热变动导致的通电变动， 可以实现高灵敏度以及高精度的压力测定。 附图说明 0019 图 1 表示现有的压敏电阻式压力传感器的结构， 图 1A 是表示全体结构的平面图， 图 1B 是表示压敏电阻部中的压敏电阻元件的配置的平面图。 0020 图 2 是表示由压敏电阻部构成的桥电路的连接图。 0021 图3表示实施方式的压敏电阻式压力传感器的结构， 图3A是表示全体结构的平面 图， 图 3B 是表示压敏电阻部中的压敏电阻元件的配置的平面图。 0022 图 4 是由各向异性干蚀刻形成的实施方式的压敏电阻式压力传感器的截面图。 0023 图 5 是通过各向异性湿蚀刻形成的压敏电阻式压力传感器的截面。
13、图。 0024 图 6 表示温度分布仿真结果， 图 6A 表示现有的压敏电阻式压力传感器 10 的温度 分布， 图 6B 表示实施方式的压敏电阻式压力传感器的温度分布。 0025 图7表示失调电压变动的测定结果， 图7A表示现有的压敏电阻式压力传感器的失 调电压变动， 图 7B 表示实施方式的压敏电阻式压力传感器的失调电压变动。 0026 图8表示其他实施方式的压敏电阻式压力传感器的结构， 图8A是表示全体结构的 平面图， 图 8B 是表示压敏电阻部中的压敏电阻元件的配置的平面图。 说 明 书 CN 102288354 ACN 102288354 A CN 102288367 A3/5 页 5。
14、 0027 图9表示其他实施方式的压敏电阻式压力传感器的结构， 图9A是表示全体结构的 平面图， 图 9B 是表示压敏电阻部中的压敏电阻元件的配置的平面图。 0028 符号说明 0029 10、 30、 40、 50 压敏电阻式压力传感器 0030 11、 31 膜片 0031 12、 32 支撑部 0032 21、 33-1、 33-2、 33-3 导线 0033 R1、 R2、 R3、 R4 压敏电阻部 0034 R1-1、 R1-2、 R1-3、 R1-4 压敏电阻元件 具体实施方式 0035 以下参照附图详细说明本发明的实施方式。 0036 在图 3 中表示了本发明实施方式的压敏电阻式。
15、压力传感器的结构。如图 3A 所示， 压敏电阻式压力传感器 30 具有膜片 31 和支撑部 32。通过支撑部 32 从周边支撑膜片 31。 由此， 膜片 31 在通过支撑部 32 固定了周边的状态下， 对应被施加的压力进行位移。 0037 在膜片 31 的周边部 ( 换言之， 在膜片 31 的 4 边附近的膜片 31 上， 或者在距离膜 片 31 与支撑部 32 的边界近的膜片 31 上 ) 配置有压敏电阻部 R1、 R2、 R3、 R4。各压敏电阻 部 R1、 R2、 R3、 R4 具有多个压敏电阻元件。 0038 在图 3B 中， 表示了在压敏电阻部 R1 中的压敏电阻元件的配置。在图示的。
16、例子中， 压敏电阻部 R1 具有与 X 轴平行的 4 个压敏电阻元件 R1-1、 R1-2、 R1-3、 R1-4。 0039 隔开预定的间隔相互平行地配置多个压敏电阻元件 R1-1、 R1-2、 R1-3、 R1-4。此 外， 使配置了由压敏电阻元件 R1-1、 R1-2、 R1-3、 R1-4 构成的压敏电阻元件组的区域的外形 形状为大体正方形。即， 在图 3B 中， 使 a b。换言之， 以压敏电阻元件 R1-1、 R1-2、 R1-3、 R1-4 和不存在压敏电阻元件的部分构成的区域为大体正方形的方式， 配置压敏电阻元件 R1-1、 R1-2、 R1-3、 R1-4。 0040 通过导。
17、线(例如扩散配线)33-1、 33-2、 33-3串联地连接压敏电阻元件R1-1、 R1-2、 R1-3、 R1-4。另外， 压敏电阻元件 R1-1 的右端部以及 R1-4 的右端部连接在桥电路的端子 ( 例如铝配线 ) 上。压敏电阻部 R2、 R3、 R4 中的压敏电阻元件的配置也和图 3B 相同， 压敏 电阻元件 R1-1、 R1-2、 R1-3、 R1-4 和不存在压敏电阻元件的部分构成的区域的面积也全部 相同。 0041 此外， 以到膜片 31 与支撑部 32 的边界的距离相同的方式配置压敏电阻部 R1、 R2、 R3、 R4。换句话说， 关于压敏电阻部 R1、 R2、 R3、 R4，。
18、 膜片 31 的边与压敏电阻元件组配置区域 的距离全部相同。 0042 通过压敏电阻部 R1、 R2、 R3、 R4 构成的桥电路如图 2 那样。 0043 在图 4 中表示了压敏电阻式压力传感器 30 的截面。图 4 表示以穿过压敏电阻部 R1、 R3 的面进行切割的概要截面图。 0044 图 4 所示的压敏电阻式压力传感器 30 准备了从上侧开始按照 Si、 SiO2、 Si 的顺序 层叠的基板， 从该基板下侧进行以 SiO2为蚀刻阻挡的各向异性干蚀刻来除去 Si， 之后除去 SiO2， 由此形成膜片31和支撑部32。 此外， 在膜片31和支撑部32的边界附近的膜片31上， 说 明 书 C。
19、N 102288354 ACN 102288354 A CN 102288367 A4/5 页 6 通过扩散或离子注入的半导体制程， 形成硼等 P 型不纯物形成的压敏电阻部 R1、 R3。 0045 根据图4还可知， 本实施方式的压敏电阻式压力传感器30通过采用各向异性干蚀 刻， 可以相对于膜片 31 的表面大体垂直地配置支撑部 32。由此， 能够增大膜片 31 的面积。 0046 与此相对， 在采用了各向异性湿蚀刻时， 如图 5 所示， 在支撑部形成了锥部， 所以 与图 4 相比， 膜片 31 的面积减小， 结果， 测定灵敏度降低。此外， 为了提高测定灵敏度， 当增 大膜片的面积时， 整个装。
20、置变大。 0047 即， 在本实施方式中， 通过各向异性干蚀刻形成膜片 31 以及支撑部 32， 由此得到 小型灵敏度良好的压敏电阻式压力传感器30。 但是， 本发明不限于此， 可以采用各向异性湿 蚀刻。 0048 然后， 说明压敏电阻式压力传感器 30 的动作。 0049 当对压敏电阻部 R1、 R2、 R3、 R4 接通电源时， 各压敏电阻部 R1、 R2、 R3、 R4 的压敏电 阻元件发热， 由此， 各压敏电阻部 R1、 R2、 R3、 R4 发热。 0050 各压敏电阻部 R1、 R2、 R3、 R4 的热量向比膜片 31 厚的支撑部 32 放热。此时， 在本 实施方式的压敏电阻式压。
21、力传感器30中， 因为使各压敏电阻部R1、 R2、 R3、 R4的压敏电阻元 件组的外形形状为大体正方形， 所以向X轴方向的散热和向Y轴方向的散热均匀， 其结果， 4 个压敏电阻部 R1、 R2、 R3、 R4 的温度分布均匀。 0051 在此， 向 X 轴方向的散热和向 Y 轴方向的散热均匀的原因在于在全部的压敏电阻 部 R1、 R2、 R3、 R4 之间， 与支撑部 32 相向的部分的大小相同。在图 1 所示的压敏电阻式压 力传感器 10 中， 压敏电阻部 R1、 R2、 R3、 R4 的外形形状在 X 轴方向上长， 在 Y 轴方向上短， 所以向 Y 轴方向的散热大于向 X 轴方向的散热。。
22、其结果， 在图 1 所示的压敏电阻式压力传 感器 10 中， 压敏电阻部 R1、 R3 的温度分布和压敏电阻部 R2、 R4 的温度分布不同。 0052 本实施方式的压敏电阻式压力传感器 30 的 4 个压敏电阻部 R1、 R2、 R3、 R4 的温度 分布均匀， 因此， 温度上升导致的压敏电阻的电阻值变化均匀。结果， 能够抑制由于接通电 源时的电阻值的变化引起的失调电压的变动。另外， 伴随温度上升膜片 31 上的应力变化变 得均匀。结果， 可以抑制接通电源时由于应力变化引起的失调电压的变动。 0053 压敏电阻式压力传感器 30 通过上述那样失调电压的变动减小， 测定压力时的输 出电压的变动。
23、减小， 就可以得到高精度的测定结果。 0054 在图 6 中表示了对从膜片中心到支撑部的 X 轴以及 Y 轴上的温度分布进行仿真后 的结果。图 6A 表示图 1 所示的现有的压敏电阻式压力传感器 10 的温度分布。图 6B 表示 图 3 所示的本实施方式的压敏电阻式压力传感器 30 的温度分布。可知相对于现有的压敏 电阻式压力传感器 10 的温度分布在 X 轴与 Y 轴之间偏移 ( 图 6A)， 本实施方式的压敏电阻 式压力传感器 30 的温度分布在 X 轴和 Y 轴之间一致 ( 图 6B)。 0055 在图 7 中表示向桥电路接通电源时的失调电压变动的测定结果。图 7A 表示图 1 所示的现。
24、有的压敏电阻式压力传感器 10 的失调电压变动。图 7B 表示图 3 所示的本实施方 式的压敏电阻式压力传感器 30 的失调电压变动。可知与现有的压敏电阻式压力传感器 10 相比， 本实施方式的压敏电阻式压力传感器 30 的失调电压的变动减小。一般而言， 失调电 压变动的允许值为 0.3 FS 左右。 0056 如上所述， 根据本发明， 可以在膜片 31 与支撑部 31 的边界附近的膜片 31 上配置 压敏电阻部 R1、 R2、 R3、 R4， 并且使各压敏电阻部 R1、 R2、 R3、 R4 的压敏电阻元件组的外形形 说 明 书 CN 102288354 ACN 102288354 A CN。
25、 102288367 A5/5 页 7 状为大体正方形， 所以能够不降低测定灵敏度地抑制因为压敏电阻元件的热变动引起的通 电变动。 0057 即， 将压敏电阻部 R1、 R2、 R3、 R4 配置在由于压力变化而膜片的变动成为最大的、 膜片 31 与支撑部 32 的边界附近的膜片 31 上， 所以测定灵敏度变高。但是， 由于膜片 31 与 支撑部32的边界附近是温度分布急剧的位置， 即在膜片31上温度变化最大的位置， 所以是 最容易出现压敏电阻部 R1、 R2、 R3、 R4 之间的温度的不均匀的位置。在本实施方式中， 考虑 到这一点， 使各压敏电阻部 R1、 R2、 R3、 R4 的压敏电阻。
26、元件组配置区域的外形形状为相同形 状的大体正方形， 使得到各压敏电阻部R1、 R2、 R3、 R4与支撑部32的边界的距离相等， 由此， 即使在温度分布急剧的位置即膜片 31 与支撑部 32 的边界附近配置了压敏电阻部 R1、 R2、 R3、 R4 的情况下， 也可以使温度均匀， 不降低测定灵敏度地抑制因压敏电阻元件的热变动而 引起的通电变动。 0058 另外， 在上述实施方式中， 如图 3 所示， 叙述了各压敏电阻部 R1、 R2、 R3、 R4 具有 4 个压敏电阻元件的情况， 但压敏电阻元件的个数不限于此。例如， 可以像图 8 的压敏电阻式 压力传感器 40 那样， 各压敏电阻部 R1、。
27、 R2、 R3、 R4 具有 2 个压敏电阻元件， 还可以像图 9 的 压敏电阻式压力传感器 50 那样， 各压敏电阻部 R1、 R2、 R3、 R4 具有 3 个压敏电阻元件。此 外， 叙述了配置构成各压敏电阻部 R1、 R2、 R3、 R4 的压敏电阻元件组的区域的外形形状为大 体正方形 ( 即 a=b) 的情况， 但是如果配置压敏电阻元件组的区域的外形相同并且面积相 同， 则可以得到与上述实施方式相同的效果。 0059 本发明的压敏电阻式压力传感器可以广泛地应用于检测气体或液态的压力， 以及 检测人的按压操作等的压力。 说 明 书 CN 102288354 ACN 102288354 A。
28、 CN 102288367 A1/9 页 8 说 明 书 附 图 CN 102288354 ACN 102288354 A CN 102288367 A2/9 页 9 图 2 说 明 书 附 图 CN 102288354 ACN 102288354 A CN 102288367 A3/9 页 10 说 明 书 附 图 CN 102288354 ACN 102288354 A CN 102288367 A4/9 页 11 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 102288354 ACN 102288354 A CN 102288367 A5/9 页 12 图 6A 说 明 书 附 图 CN 102288354 ACN 102288354 A CN 102288367 A6/9 页 13 图 6B 图 7A 说 明 书 附 图 CN 102288354 ACN 102288354 A CN 102288367 A7/9 页 14 图 7B 说 明 书 附 图 CN 102288354 ACN 102288354 A CN 102288367 A8/9 页 15 说 明 书 附 图 CN 102288354 ACN 102288354 A CN 102288367 A9/9 页 16 说 明 书 附 图 CN 102288354 ACN 102288354 A 。