JP2021039042A - 圧力感知素子及び圧力センサ - Google Patents
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Abstract
Description
このような圧力センサは、半導体基板からなる圧力感知素子の一部を裏面からエッチングすることによりダイアフラムを形成し、当該ダイアフラム上に、ダイアフラムの歪みを抵抗の変化として検知するピエゾ抵抗を設けて形成されている。
これによって、圧力が加えられた際のダイアフラムの歪みによるピエゾ抵抗の電気抵抗の変化を検出することで、圧力を測定することが可能となる。
そこで、検出感度及び出力直線性を向上するため、ダイアフラムの表面を一部を残してエッチング加工等により除去することで、ダイアフラム上に、表面が除去され、膜厚が薄くなった部分である溝部と、表面が除去されておらず、溝部と比較して膜厚が厚い部分である略十字状の梁部と、を形成したものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
また、特許文献2に記載の圧力センサにおいては、ダイアフラム上のボスによって、特許文献1に記載の圧力センサと比較して出力直線性は向上できるものの、ダイアフラムのボス部分の変形が抑制されることから、検出感度の向上が十分ではなかった。
半導体基板を用いて形成された圧力感知素子であって、
フレームと、前記フレームに支持されるダイアフラムと、前記ダイアフラムに配置されたピエゾ抵抗と、を備え、
前記ダイアフラムは、溝部と、複数の梁部と、を備え、
複数の前記梁部は、前記ダイアフラムの縁部付近と、前記ダイアフラムの中央部付近と、を結び、前記ダイアフラムの中央部付近において交わるように配置され、
前記梁部は、第1の幅に形成された幅狭部と、前記第1の幅よりも広い第2の幅に形成された幅広部と、を備えることを特徴とする。
前記梁部の形状は、前記ダイアフラムを貫通しない範囲で形成された前記溝部によって区画されることを特徴とする。
前記梁部は、前記幅狭部から前記幅広部へと、前記梁部の幅が徐々に広くなるように形成されていることを特徴とする。
前記ピエゾ抵抗は、前記梁部の前記ダイアフラムの縁部側の端部付近に配置されていることを特徴とする。
前記幅狭部は前記梁部の前記ダイアフラムの縁部側の端部付近に備えられ、前記ピエゾ抵抗は、前記幅狭部と重なる位置に配置されていることを特徴とする。
前記ダイアフラムの縁部には、前記溝部と比較して厚みが厚い部分である外枠部が備えられていることを特徴とする。
前記溝部は前記ダイアフラムの縁部を避けて形成され、前記外枠部は、前記ダイアフラムの縁部を周回するように形成されていることを特徴とする。
前記外枠部は、前記梁部との接続部に、前記ダイアフラムの中央部方向へと突出し、前記梁部との接続部へと徐々に幅が狭くなる突出部を備え、
前記ピエゾ抵抗は、前記梁部と前記突出部との接続部に配置されていることを特徴とする。
前記梁部は、長手方向中央部付近に前記幅広部を備え、前記ダイアフラムの縁部側の端部付近及び前記ダイアフラムの中央部側の端部付近に備えられた前記幅狭部から、前記幅広部へと徐々に幅が広くなるように形成されていることを特徴とする。
前記梁部は、長手方向中央部よりも前記ダイアフラムの中央部寄りの位置に前記幅広部を備え、前記ダイアフラムの縁部側の端部付近に備えられた前記幅狭部から、前記幅広部へと徐々に幅が広くなるように形成されていることを特徴とする。
前記梁部は、長手方向中央部よりも前記ダイアフラムの縁部寄りの位置に前記幅広部を備え、前記ダイアフラムの中央部側の端部付近に備えられた前記幅狭部から、前記幅広部へと徐々に幅が広くなるように形成されていることを特徴とする。
請求項1から11のいずれか一項に記載の圧力感知素子を備えることを特徴とする。
前記圧力感知素子が実装される基板と、
圧力の感知対象となる流体を前記圧力感知素子へと導入するノズルと、
を備えることを特徴とする。
実施形態に係る圧力センサ100は、図1に示すように、圧力感知素子1と、回路部2と、基板3と、ノズル4と、を備える。
圧力感知素子1は、図2及び図3に示すように、半導体基板を用いて平面視略正方形状に形成された半導体チップである。なお、本実施形態においては、圧力感知素子1のうちダイアフラム11が形成された側を上面、その反対側を下面と定めて説明する。
また、圧力感知素子1のダイアフラム11には、図2に示すように、4か所にピエゾ抵抗13が備えられている。
圧力感知素子1は、図3及び図4に示すように、下面側中央部が、活性層1aのみが残るように平面視略正方形状にエッチング加工等により除去されている。これによって、圧力感知素子1には、上面側に活性層1aが薄膜状に残存した部分であるダイアフラム11が形成されている。
ダイアフラム11は、図2及び図3に示すように、圧力感知素子1の平面視における縁部付近を除いた部分に、平面視略正方形状に形成され、厚みが薄い部分である溝部111と、溝部111と比較して厚みが厚い部分である外枠部112及び梁部113と、を備える。
溝部111は、図4に示すように、ダイアフラム11上面側の一部が、活性層1aを貫通しない範囲でエッチング加工等により除去された部分であり、ダイアフラム11のうち、外枠部112及び梁部113と比較して、厚みが薄くなるように形成された部分である。
溝部111は、図2及び図3に示すように、外枠部112及び梁部113以外のダイアフラム11上面側の全体に、梁部113によって4か所に分割されるようにして形成されている。
溝部111は、図2及び図3に示すように、ダイアフラム11とフレーム12との境界から間隔を空けて、ダイアフラム11の縁部を残すように形成されている。すなわち、ダイアフラム11の縁部には溝部111が形成されず、ダイアフラム11の縁部を周回するように、活性層1aの上面側が除去されておらず、溝部111と比較して厚みが厚い部分である外枠部112が形成されている。
溝部111は、図2及び図3に示すように、平面視略正方形状のダイアフラム11の上面側に4か所に分割されて形成され、溝部111の間に、ダイアフラム11の中央部付近と、ダイアフラム11の縁部付近(外枠部112)と、を結ぶようにして、活性層1aの上面側が除去されておらず、溝部111と比較して厚みが厚い部分である4本の梁部113が形成されている。
4本の梁部113は、上述したように活性層1aにエッチング加工等によって溝部111が形成されることによって区画され、ダイアフラム11の中央部付近と、ダイアフラム11の縁部付近(外枠部112)と、を結ぶ形状が形成される。また、4本の梁部113は、図2及び図3に示すように、ダイアフラム11の中央部付近において交わるように形成され、全体として、平面視においてダイアフラム11の中央部で交差する略十字状となるように形成されている。
圧力感知素子1は、図3及び図4に示すように、下面側中央部のみが平面視略正方形状にエッチング加工等により除去されており、圧力感知素子1の縁部は、活性層1a、支持層1b及び絶縁層1cの3層が残存し、中央部のダイアフラム11と比べて厚みが厚くなるように形成されている。当該部分がフレーム12である。
圧力感知素子1は、図2に示すように、梁部113のダイアフラム11縁部側の端部近傍の4か所に、ピエゾ抵抗13を備える。具体的には、各梁部113のダイアフラム11の縁部側の端部付近に備えられた幅狭部1132と重なる位置、すなわち、各梁部113と外枠部112の突出部1121との接続部に、梁部113毎に1つずつ、計4つのピエゾ抵抗13が配置されている。
回路部2は、図1に示すように、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)21と、ワイヤ22と、を備える。
回路部2は、4つのピエゾ抵抗13を接続してホイートストンブリッジを構成し、ピエゾ抵抗13に電圧を印加することで、ダイアフラムの撓み量に応じて発生する応力に比例したピエゾ抵抗13の電気抵抗率によって生じる出力電位差から、圧力を計測する。また、ASIC21においては、センサ出力の校正や、駆動電圧範囲の変更等、種々の調整がなされる。
なお、このような圧力センサにおける回路部の構成は周知の技術であることから、詳細な説明は省略する。
基板3は、図1に示すように、圧力感知素子1及び回路部2がその一面に固定される板状の部材であり、後述のノズル4と共に、圧力センサ100の外側のケースとなる。
図1に示すように、圧力感知素子1は、基板3上に、その下面側において接続され、圧力感知素子1のダイアフラム11及びフレーム12と、基板3とによって囲まれた空洞が形成されている。また、基板3には、当該空洞を介して圧力感知素子1の下面側が大気と接触するように、圧力感知素子1の直下に貫通孔31が設けられている。
これによって、ダイアフラム11の上面側に存在する検出対象となる流体の圧力に応じて、ダイアフラム11の上面側と下面側との間に圧力差が生じ、ダイアフラム11が撓むこととなる。
ノズル4は、図1に示すように、基板3上に設置された圧力感知素子1及び回路部2を覆うようにして備えられ、圧力感知素子1によって圧力が感知される流体を取り込む取込口41を備える。
基板3とノズル4とによって、取込口41によって外部と繋がり、内部に圧力感知素子が配置された空間が形成され、当該空間内に取込口41から導入された流体の圧力が、圧力感知素子1によって感知されることとなる。
本実施形態に係る圧力センサ100によれば、圧力感知素子1のダイアフラム11に、厚みが薄い部分である複数の溝部111と、溝部111と比較して厚みが厚い部分である複数の梁部113と、が形成され、かつ、梁部113は、梁部113のダイアフラム11の縁部側の端部付近及びダイアフラム11の中央部側の端部付近に幅狭部1132を備え、梁部113の長手方向中央部付近に、幅狭部1132よりも幅が広い幅広部1131を備える。
これによって、例えば特許文献1に記載の圧力センサのように圧力感知素子のダイアフラム上に梁部が直線状に形成された場合と比較して圧力を受けた際のダイアフラムの変形メカニズムが変化することで、圧力センサの出力直線性を向上することができる。
また、このような効果は、幅狭部1132から幅広部1131へと、梁部113の幅が徐々に広くなるように形成されていることで、より高めることができる。
圧力センサの感度は、圧力感知素子のダイアフラムの変形量、すなわち圧力を受けた際の変形し易さに依存し、また、ダイアフラムは、当然に、厚みが薄い溝部の部分が変形し易いことから、圧力センサの感度は、圧力感知素子のダイアフラム上の溝部の面積の大小に影響を受けることとなる。
この点、本実施形態に係る圧力センサ100によれば、圧力感知素子1のダイアフラム11上における溝部の面積の低下を抑制できることから、圧力センサの出力直線性を向上しつつ、感度の低下も抑えることができる。
上記実施形態においては、図2及び図3に示すように、ダイアフラム11の梁部113の長手方向中央部付近に幅広部1131が形成され、両端部付近に幅狭部1132が形成される場合につき説明したが、幅広部及び幅狭部が形成される位置は、これに限られない。
この場合も、例えば特許文献1に記載の圧力センサのように圧力感知素子のダイアフラム上に梁部が直線状に形成された場合と比較して、出力直線性を向上することができる。
また、この場合、ピエゾ抵抗13を、梁部113Aの幅が狭くなる位置に配置できなくなることから、感度向上の効果は上記実施形態に係る圧力感知素子1を用いる場合と比較すれば低下するものの、例えば特許文献2に記載の圧力センサのように、圧力感知素子のダイアフラム上に、梁部に加えてボスを形成した場合と比較すれば、溝部の面積の低下が少ないことから、感度の低下も抑えることができる。
例えば、図7に示す変形例3に係る圧力感知素子1Cのように、ダイアフラム11Cにつき、溝部111Cが、梁部113に面していない部分が円弧をなすように形成してもよい。
例えば、上記においては、圧力感知素子1のダイアフラム11の下面側の空洞に大気を導入し、圧力感知素子1の下面側が大気と接触するようにした上で、上面側に圧力を測定する対象となる流体を導入する場合につき説明したが、基板3に貫通孔31を設けることなく、圧力感知素子1のダイアフラム11及びフレーム12と、基板3とによって囲まれた空洞を低真空とするようにしてもよい。また、上記とは反対に、圧力感知素子1のダイアフラム11の上面側の空間を大気で満たし、又は低真空とした上で、下面側の空洞内に圧力を測定する対象となる流体が導入されるようにしてもよい。
以下の実施例及び比較例に係る圧力センサを用意した。
[(1) 圧力感知素子の構成]
・層構造:活性層(Si)15μm、支持層(Si)625μm及びその間の絶縁層(SiO2)の3層
・圧力感知素子サイズ:平面視各辺2.0mmの正方形
・ダイアフラムサイズ:平面視各辺1.55mmの正方形
・ダイアフラム厚み:梁部及び外枠部15μm、溝部5μm(溝部深さ10μm)
・ピエゾ抵抗サイズ:平面視各辺30μmの正方形
・梁部形状:下記の位置に幅広部を有するもの(図8(a)に示す圧力感知素子1D)
・梁部の幅:幅広部0.12mm、両端部(幅狭部)0.06mm
・幅広部の位置:W0=0.73mm、W2=0.10mm、W2/W0=0.14
なお、図8(a)に示すように、W0は溝部の外枠部に沿った端部から当該端部と平行な梁部の中心線までの距離であり、梁部の長さを示す。また、W2は溝部の外枠部に沿った端部から幅広部を通る当該端部と平行な直線までの距離であり、W2/W0は、梁部における幅広部の配置位置を示す。
・外枠部:突出部を除き幅0.045mm、ダイアフラムの縁部を周回するように形成
・突出部:幅が最も狭くなる梁部との接続部で幅0.06mm、幅が最も広くなる根本の部分で幅0.12mm
・溝部面積:1.89mm2
[(2) 回路部の構成]
図10に示す通り。
この場合、ダイアフラムが受けた圧力(応力)により各ピエゾ抵抗(Rn)が変化し、圧力に応じて下記計算式でVoutを出力することとなる。
Vout=(V+)−(V−)
=[R4/(R1+R4)xVDD]−[R2/(R2+R3)xVDD]
図8(b)に示す圧力感知素子1Eのように、ダイアフラムの梁部の幅広部の位置を、W0=0.73mm、W2=0.20mm、W2/W0=0.27となる位置としたものである。なお、その他の構成は実施例1と同様である。
図8(c)に示す圧力感知素子1Fのように、ダイアフラムの梁部の幅広部の位置を、W0=0.73mm、W2=0.30mm、W2/W0=0.41となる位置としたものである。なお、その他の構成は実施例1と同様である。
図8(d)に示す圧力感知素子1Gのように、ダイアフラムの梁部の幅広部の位置を、W0=0.73mm、W2=0.365mm、W2/W0=0.50となる位置としたものである。なお、その他の構成は実施例1と同様である。
図8(e)に示す圧力感知素子1Hのように、ダイアフラムの梁部の幅広部の位置を、W0=0.73mm、W2=0.40mm、W2/W0=0.55となる位置としたものである。なお、その他の構成は実施例1と同様である。
図8(f)に示す圧力感知素子1Iのように、ダイアフラムの梁部の幅広部の位置を、W0=0.73mm、W2=0.48mm、W2/W0=0.66となる位置としたものである。なお、その他の構成は実施例1と同様である。
図8(g)に示す圧力感知素子1Jのように、ダイアフラムの梁部の幅広部の位置を、W0=0.73mm、W2=0.50mm、W2/W0=0.68となる位置としたものである。なお、その他の構成は実施例1と同様である。
図8(h)に示す圧力感知素子1Kのように、ダイアフラムの梁部の幅広部の位置を、W0=0.73mm、W2=0.60mm、W2/W0=0.82となる位置としたものである。なお、その他の構成は実施例1と同様である。
図8(i)に示す圧力感知素子1Lのように、ダイアフラムの梁部の幅広部の位置を、W0=0.73mm、W2=0.67mm、W2/W0=0.92となる位置としたものである。なお、その他の構成は実施例1と同様である。
図9(a)に示す圧力感知素子1Mのように、ダイアフラムの梁部113Cを幅0.06mmの直線状としたものである。なお、その他の構成は実施例1と同様である。この場合、溝部面積は1.98mm2となる。
図9(b)に示す圧力感知素子1Nのように、ダイアフラムの梁部113Dを幅0.06mmの直線状とし、かつ、ダイアフラム中央部に、梁と同様の厚みとなるように各辺0.5mmの略正方形状のボス114を形成したものである。なお、その他の構成は実施例1と同様である。この場合、溝部面積は1.77mm2となる。
上記実施例及び比較例に係る圧力センサについて、以下の条件下で、スパン電圧(mV)及び出力直線性(%FS)を算出した。
・気温:常温(25°C)
・電源電圧:3.3V
・印加圧力:0〜−4kPa(圧力感知素子下面(支持層側)より印加)
・スパン電圧 :−4kPa印加時出力
・出力直線性:ワースト値
試験の結果を図11から図13に示す。
実施例1から9と比較例1との比較から、梁部の形状を、直線状から幅広部及び幅狭部を有する形状とすることで、出力直線性を向上することができることが分かる。
したがって、感度の向上を重視する場合には、幅広部の位置を梁部の長手方向中央部よりもダイアフラムの縁部側に近づけることが好ましく、出力直線性の向上を重視する場合には、幅広部の位置を梁部の長手方向中央部よりもダイアフラム中央部側に近づけることが好ましく、感度の向上と出力直線性の向上とのバランスを重視する場合には、幅広部の位置を梁部の長手方向中央部付近とすることが好ましいものと言える。
なお、幅広部の位置が最もダイアフラムの縁部に近い実施例1については、実施例2から4よりもスパン電圧が低下している。これは幅広部とピエゾ抵抗が配置される梁部の端部の幅狭部(外枠部の突出部との接続部)との角度が急角度となり過ぎた場合、却ってピエゾ抵抗配置位置の応力が低下するためである。ただし、この場合においても、幅広部の位置を梁部の長手方向中央部よりもダイアフラム中央側に近づけた、実施例5から9と比較すれば、感度向上の効果は高まっている。
1、1A、1B、1C、1D、1E、1F、1G、1H、1I、1J、1K、1L、1M、1N 圧力感知素子
11、11A、11B、11C、11D、11E ダイアフラム
111、111A、111B、111C、111D、111E 溝部
112、112A、112B 外枠部
1121 突出部
113、113A、113B、113C、113D 梁部
1131、1131A、1131B 幅広部
1132、1132A、1132B 幅狭部
12 フレーム
13 ピエゾ抵抗
Claims (13)
- 半導体基板を用いて形成された圧力感知素子であって、
フレームと、前記フレームに支持されるダイアフラムと、前記ダイアフラムに配置されたピエゾ抵抗と、を備え、
前記ダイアフラムは、溝部と、複数の梁部と、を備え、
複数の前記梁部は、前記ダイアフラムの縁部付近と、前記ダイアフラムの中央部付近と、を結び、前記ダイアフラムの中央部付近において交わるように配置され、
前記梁部は、第1の幅に形成された幅狭部と、前記第1の幅よりも広い第2の幅に形成された幅広部と、を備えることを特徴とする圧力感知素子。 - 前記梁部の形状は、前記ダイアフラムを貫通しない範囲で形成された前記溝部によって区画されることを特徴とする請求項1に記載の圧力感知素子。
- 前記梁部は、前記幅狭部から前記幅広部へと、前記梁部の幅が徐々に広くなるように形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の圧力感知素子。
- 前記ピエゾ抵抗は、前記梁部の前記ダイアフラムの縁部側の端部付近に配置されていることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の圧力感知素子。
- 前記幅狭部は前記梁部の前記ダイアフラムの縁部側の端部付近に備えられ、前記ピエゾ抵抗は、前記幅狭部と重なる位置に配置されていることを特徴とする請求項4に記載の圧力感知素子。
- 前記ダイアフラムの縁部には、前記溝部と比較して厚みが厚い部分である外枠部が備えられていることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の圧力感知素子。
- 前記溝部は前記ダイアフラムの縁部を避けて形成され、前記外枠部は、前記ダイアフラムの縁部を周回するように形成されていることを特徴とする請求項6に記載の圧力感知素子。
- 前記外枠部は、前記梁部との接続部に、前記ダイアフラムの中央部方向へと突出し、前記梁部との接続部へと徐々に幅が狭くなる突出部を備え、
前記ピエゾ抵抗は、前記梁部と前記突出部との接続部に配置されていることを特徴とする請求項6又は7に記載の圧力感知素子。 - 前記梁部は、長手方向中央部付近に前記幅広部を備え、前記ダイアフラムの縁部側の端部付近及び前記ダイアフラムの中央部側の端部付近に備えられた前記幅狭部から、前記幅広部へと徐々に幅が広くなるように形成されていることを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の圧力感知素子。
- 前記梁部は、長手方向中央部よりも前記ダイアフラムの中央部寄りの位置に前記幅広部を備え、前記ダイアフラムの縁部側の端部付近に備えられた前記幅狭部から、前記幅広部へと徐々に幅が広くなるように形成されていることを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の圧力感知素子。
- 前記梁部は、長手方向中央部よりも前記ダイアフラムの縁部寄りの位置に前記幅広部を備え、前記ダイアフラムの中央部側の端部付近に備えられた前記幅狭部から、前記幅広部へと徐々に幅が広くなるように形成されていることを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の圧力感知素子。
- 請求項1から11のいずれか一項に記載の圧力感知素子を備えることを特徴とする圧力センサ。
- 前記圧力感知素子が実装される基板と、
圧力の感知対象となる流体を前記圧力感知素子へと導入するノズルと、
を備えることを特徴とする請求項12に記載の圧力センサ。
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