JP6694747B2 - Stress sensor and manufacturing method thereof - Google Patents

Stress sensor and manufacturing method thereof Download PDF

Info

Publication number
JP6694747B2
JP6694747B2 JP2016072691A JP2016072691A JP6694747B2 JP 6694747 B2 JP6694747 B2 JP 6694747B2 JP 2016072691 A JP2016072691 A JP 2016072691A JP 2016072691 A JP2016072691 A JP 2016072691A JP 6694747 B2 JP6694747 B2 JP 6694747B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
diaphragm
sensitive film
stress sensor
convex portion
stress
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2016072691A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2017181439A (en
Inventor
安田　隆則
隆則 安田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kyocera Corp filed Critical Kyocera Corp
Priority to JP2016072691A priority Critical patent/JP6694747B2/en
Priority to US16/089,568 priority patent/US10866203B2/en
Priority to PCT/JP2017/013026 priority patent/WO2017170748A1/en
Priority to CN201780021252.4A priority patent/CN108885165B/en
Publication of JP2017181439A publication Critical patent/JP2017181439A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6694747B2 publication Critical patent/JP6694747B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Description

本発明は、応力センサ及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a stress sensor and a method for manufacturing the stress sensor.

従来、ダイヤフラムを用いて圧力又は応力等を検出するセンサが知られている。例えば、特許文献１には、ダイヤフラムに加えられる圧力を、ダイヤフラムの撓みに基づいて検出する圧力センサが開示されている。   Conventionally, a sensor that detects pressure, stress, or the like using a diaphragm is known. For example, Patent Document 1 discloses a pressure sensor that detects the pressure applied to the diaphragm based on the deflection of the diaphragm.

特開２０１５−１４３７１３号公報JP, 2005-143713, A

しかしながら、ダイヤフラムを用いた応力センサにおいて、応力の検出能力が必ずしも高くない場合がある。   However, a stress sensor using a diaphragm may not necessarily have high stress detection capability.

かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、検出能力を向上できる応力センサ及びその製造方法を提供することにある。   An object of the present invention made in view of such a point is to provide a stress sensor capable of improving the detection capability and a manufacturing method thereof.

本発明の一実施形態に係る応力センサは、
ダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムの面上に配置された感応膜と、
前記ダイヤフラムの面上に配置され、前記感応膜を囲う凸部と、
前記ダイヤフラムにおいて前記感応膜の外縁付近の領域に位置する検出部と、を備える。 The stress sensor according to the embodiment of the present invention,
A diaphragm,
A sensitive film disposed on the surface of the diaphragm,
A convex portion arranged on the surface of the diaphragm and surrounding the sensitive film,
A detection unit located in a region near the outer edge of the sensitive film in the diaphragm.

また、本発明の一実施形態に係る応力センサの製造方法は、
ダイヤフラム上に検出部を形成するステップと、
前記ダイヤフラムの面上に凸部を形成するステップと、
前記ダイヤフラムの面上の前記凸部に囲まれた領域に感応膜を形成するステップと、を含み、
前記検出部は、前記ダイヤフラムにおいて前記感応膜の外縁付近の領域に位置する。 Further, the method for manufacturing the stress sensor according to the embodiment of the present invention,
Forming a detector on the diaphragm,
Forming a protrusion on the surface of the diaphragm,
Forming a sensitive film in a region surrounded by the convex portion on the surface of the diaphragm,
The detection unit is located in a region of the diaphragm near the outer edge of the sensitive film.

本発明の一実施形態に係る応力センサ及びその製造方法によれば、検出能力を向上できる。   According to the stress sensor and the manufacturing method thereof according to the embodiment of the present invention, the detection capability can be improved.

本発明の一実施形態に係る応力センサの概略構成を示す上面図である。It is a top view which shows schematic structure of the stress sensor which concerns on one Embodiment of this invention. 図１に示す応力センサのＬ−Ｌ線に沿った断面図である。It is sectional drawing which followed the LL line of the stress sensor shown in FIG. ガス分子が感応膜に吸着された際の図２に示す範囲Ａの拡大図である。FIG. 3 is an enlarged view of a range A shown in FIG. 2 when gas molecules are adsorbed on a sensitive film. 本発明の一実施形態に係る応力センサの製造に用いるＳＯＩ基板の概略構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of the SOI substrate used for manufacture of the stress sensor which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る応力センサの製造工程を説明するための断面図である。FIG. 6D is a cross-sectional view for explaining the manufacturing process for the stress sensor according to the embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る応力センサの製造工程を説明するための断面図である。FIG. 6D is a cross-sectional view for explaining the manufacturing process for the stress sensor according to the embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る応力センサの製造工程を説明するための断面図である。FIG. 6D is a cross-sectional view for explaining the manufacturing process for the stress sensor according to the embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る応力センサの製造工程を説明するための断面図である。FIG. 6D is a cross-sectional view for explaining the manufacturing process for the stress sensor according to the embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る応力センサの製造工程を説明するための断面図である。FIG. 6D is a cross-sectional view for explaining the manufacturing process for the stress sensor according to the embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る応力センサの製造工程を説明するための断面図である。FIG. 6D is a cross-sectional view for explaining the manufacturing process for the stress sensor according to the embodiment of the present invention.

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。なお、本発明に係る実施形態では、ダイヤフラムの面上に配置された膜（感応膜）への物質の吸着によって、ダイヤフラムが変形し、ダイヤフラムに応力が生じるものとして説明する。また、以下の説明で用いられる図は模式的なものである。   Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, in the embodiment according to the present invention, it is assumed that the diaphragm is deformed by the adsorption of the substance to the film (sensitive film) arranged on the surface of the diaphragm, and the stress is generated in the diaphragm. Also, the drawings used in the following description are schematic.

図１は、本発明の一実施形態に係る応力センサ１の概略構成を示す上面図であり、図２は、図１に示す応力センサ１のＬ−Ｌ線に沿った断面図である。なお、本明細書では、ｚ軸正方向が上側、ｚ軸負方向が下側であるとして、以下説明する。   FIG. 1 is a top view showing a schematic configuration of a stress sensor 1 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a sectional view taken along line LL of the stress sensor 1 shown in FIG. In the present specification, it is assumed that the positive direction of the z-axis is the upper side and the negative direction of the z-axis is the lower side.

応力センサ１は、ダイヤフラム１０と、感応膜２０と、凸部３０と、４個のピエゾ抵抗素子（検出部）４０，４１，４２，４３とを備える。感応膜２０は、ダイヤフラム１０の上面において、凸部３０に囲まれた領域に配置される。応力センサ１は、感応膜２０が流体中の物質を吸着することにより、流体中の物質を検出する。本実施形態に係る応力センサ１には、例えば上面側から気体が吹きかけられる。応力センサ１は、吹きかけられた気体中に、検出対象となる所定のガス分子が含まれるか否かを検出できる。応力センサ１は、例えばＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いて製造される。応力センサ１の製造方法の一例については後述する。   The stress sensor 1 includes a diaphragm 10, a sensitive film 20, a convex portion 30, and four piezoresistive elements (detection portions) 40, 41, 42, 43. The sensitive film 20 is arranged on the upper surface of the diaphragm 10 in a region surrounded by the protrusions 30. The stress sensor 1 detects the substance in the fluid by the sensitive film 20 adsorbing the substance in the fluid. Gas is blown onto the stress sensor 1 according to the present embodiment from the upper surface side, for example. The stress sensor 1 can detect whether or not a predetermined gas molecule to be detected is contained in the blown gas. The stress sensor 1 is manufactured using, for example, an SOI (Silicon on Insulator) substrate. An example of a method for manufacturing the stress sensor 1 will be described later.

ダイヤフラム１０は、変形可能な部材である。ダイヤフラム１０は、例えば、薄い基板である。ダイヤフラム１０は、例えば、ｎ型Ｓｉ基板とすることができる。ダイヤフラム１０は、図１に示すように、上面側から見て矩形状としてもよいが、形状はこれに限るものではなく、例えば円形状であってもよいし他の多角形の形状等でもよい。ダイヤフラム１０は、その周囲において、ダイヤフラム１０よりも厚い基板と一体として構成されている。ダイヤフラム１０は、上面に配置された感応膜２０が変形すると、感応膜２０の変形の度合いに応じて変形する。   The diaphragm 10 is a deformable member. The diaphragm 10 is, for example, a thin substrate. The diaphragm 10 can be, for example, an n-type Si substrate. As shown in FIG. 1, the diaphragm 10 may have a rectangular shape when viewed from the upper surface side, but the shape is not limited to this, and may be, for example, a circular shape or another polygonal shape. .. The diaphragm 10 is integrally formed with a substrate that is thicker than the diaphragm 10 around the diaphragm 10. When the sensitive film 20 disposed on the upper surface of the diaphragm 10 is deformed, the diaphragm 10 is deformed according to the degree of deformation of the sensitive film 20.

感応膜２０は、本実施形態では、円形状である。感応膜２０は、図２に示すように、中央部２０Ａと、中央部２０Ａよりも厚みが大きい外側部２０Ｂとを有する。   The sensitive film 20 is circular in this embodiment. As shown in FIG. 2, the sensitive film 20 has a central portion 20A and an outer portion 20B that is thicker than the central portion 20A.

外側部２０Ｂの厚みを、中央部２０Ａの厚みよりも大きい形状とすることは、例えば、凸部３０を形成してから、凸部３０に囲まれた領域に感応膜材料を塗布して感応膜２０を形成することにより実現される。このように感応膜２０を形成すると、感応膜材料を塗布した際に、広がろうとする液体状の感応膜材料が凸部３０によって堰き止められるため、外側部２０Ｂが盛り上がる。そのため、感応膜２０は、外側部２０Ｂの厚みが、中央部２０Ａの厚みよりも大きい形状となる。なお、凸部３０は、感応膜２０に接している。   To make the thickness of the outer portion 20B larger than the thickness of the central portion 20A, for example, after forming the convex portion 30, the sensitive film is formed by applying the sensitive film material to the region surrounded by the convex portion 30. It is realized by forming 20. When the sensitive film 20 is formed in this way, when the sensitive film material is applied, the liquid-like sensitive film material which is about to spread is blocked by the convex portion 30, so that the outer portion 20B rises. Therefore, the sensitive film 20 has a shape in which the thickness of the outer portion 20B is larger than the thickness of the central portion 20A. The convex portion 30 is in contact with the sensitive film 20.

感応膜２０は、検出対象となる物質がその表面に吸着されると、その物質との物理的な接触又はその物質との化学反応等によって、伸縮等して変形する。感応膜２０には、検出対象となる物質に応じた材料が用いられる。一例として、感応膜２０の材料は、例えば、ポリスチレン、クロロプレンゴム、ポリメチルメタクリレート又はニトロセルロース等が挙げられる。   When a substance to be detected is adsorbed on the surface of the sensitive film 20, the sensitive film 20 expands and contracts and deforms due to physical contact with the substance or a chemical reaction with the substance. For the sensitive film 20, a material corresponding to the substance to be detected is used. As an example, the material of the sensitive film 20 may be polystyrene, chloroprene rubber, polymethylmethacrylate, nitrocellulose, or the like.

凸部３０は、ダイヤフラム１０の上面に配置される。凸部３０は、例えば、断面が略矩形状のリング状である。凸部３０は、例えば、感応膜２０が親水性の材料である場合は、疎水性の材料で形成してもよい。こうすると、応力センサ１の製造時において、凸部３０が感応膜２０をはじき、感応膜２０の外縁２１を、よりエッジが立った構成とすることができるからである。凸部３０の材料は、例えば、ＳｉＮなどである。なお、親水性とは、感応膜２０の材料の化学種や置換基が、水（Ｈ２Ｏ）との間で水素結合などで結合することを指す。また、疎水性とは、感応膜２０の材料が、親水性と逆の極性を有していることを指す。 The convex portion 30 is arranged on the upper surface of the diaphragm 10. The convex portion 30 has, for example, a ring shape having a substantially rectangular cross section. The convex portion 30 may be formed of a hydrophobic material when the sensitive film 20 is a hydrophilic material, for example. This is because, when the stress sensor 1 is manufactured, the convex portion 30 repels the sensitive film 20 and the outer edge 21 of the sensitive film 20 can have a more edgy structure. The material of the convex portion 30 is, for example, SiN. The hydrophilic property means that the chemical species or the substituent of the material of the sensitive film 20 is bonded to water (H 2 O) by a hydrogen bond or the like. The term “hydrophobic” means that the material of the sensitive film 20 has a polarity opposite to that of hydrophilicity.

ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、自身が受ける応力によって抵抗値が変化する。ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、例えばｐ型Ｓｉである。ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、ダイヤフラム１０がｎ型Ｓｉである場合には、ボロン（Ｂ）を拡散させて形成したものであってもよい。ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、ダイヤフラム１０上に配置される。本明細書において、ダイヤフラム１０上に配置されるとは、平板状のダイヤフラム１０の上面に配置された状態と、図２に示すようにダイヤフラム１０の上面側においてダイヤフラム１０に埋め込まれた状態とを含む。ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、ダイヤフラム１０上において、応力変化領域に位置する。ここで、応力変化領域とは、検出対象となる物質が感応膜２０に吸着された際に、感応膜２０の変形に起因したダイヤフラム１０の変形に伴い応力が大きく変化する領域である。応力変化領域は、例えば、感応膜２０の外縁２１付近の領域を含む。外縁２１付近の領域は、上面視において、外縁２１を基準に外縁２１よりも内側の領域と外側の領域とを含む。応力変化領域は、後述する図３において、一例として領域Ｄとして示されている。本実施形態では、図１に示すように、４個のピエゾ抵抗素子４０〜４３は、上面視において外縁２１に沿って等間隔に配置されている。また、ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、例えば帯状である。   The resistance values of the piezoresistive elements 40 to 43 change according to the stress received by themselves. The piezoresistive elements 40 to 43 are, for example, p-type Si. The piezoresistive elements 40 to 43 may be formed by diffusing boron (B) when the diaphragm 10 is n-type Si. The piezoresistive elements 40 to 43 are arranged on the diaphragm 10. In the present specification, being placed on the diaphragm 10 means a state of being placed on the upper surface of the flat plate-shaped diaphragm 10 and a state of being embedded in the diaphragm 10 on the upper surface side of the diaphragm 10 as shown in FIG. Including. The piezoresistive elements 40 to 43 are located in the stress change region on the diaphragm 10. Here, the stress change region is a region in which the stress largely changes due to the deformation of the diaphragm 10 caused by the deformation of the sensitive film 20 when the substance to be detected is adsorbed on the sensitive film 20. The stress change region includes, for example, a region near the outer edge 21 of the sensitive film 20. The area near the outer edge 21 includes an area inside and an area outside the outer edge 21 with respect to the outer edge 21 in a top view. The stress change region is shown as a region D as an example in FIG. 3 described later. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the four piezoresistive elements 40 to 43 are arranged at equal intervals along the outer edge 21 in a top view. The piezoresistive elements 40 to 43 are strip-shaped, for example.

また、ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、ホイートストンブリッジ回路を構成する。応力センサ１は、ピエゾ抵抗素子４０〜４３で構成されたホイートストンブリッジ回路から、ピエゾ抵抗素子４０〜４３の抵抗値の変化を電気信号として検出することで、検出対象となる物質の感応膜２０への吸着を検出できる。なお、ホイートストンブリッジ回路は、必ずしも４個のピエゾ抵抗素子４０〜４３の全てを用いて構成する必要はなく、ピエゾ抵抗素子４０〜４３の何れか１個、２個又は３個を用いて構成してもよい。また、ピエゾ抵抗素子４０〜４３の何れか１個、２個又は３個を用いてホイートストンブリッジ回路を構成する際には、応力センサ１は、ホイートストンブリッジ回路に用いられる個数のピエゾ抵抗素子を、ダイヤフラム１０上に備えるようにしてもよい。   The piezoresistive elements 40 to 43 form a Wheatstone bridge circuit. The stress sensor 1 detects the change in the resistance value of the piezoresistive elements 40 to 43 as an electric signal from the Wheatstone bridge circuit configured of the piezoresistive elements 40 to 43, and transfers it to the sensitive film 20 of the substance to be detected. Can be detected. Note that the Wheatstone bridge circuit does not necessarily have to be configured by using all of the four piezoresistive elements 40 to 43, and may be configured by using any one, two, or three of the piezoresistive elements 40 to 43. May be. Further, when the Wheatstone bridge circuit is configured by using any one, two or three of the piezoresistive elements 40 to 43, the stress sensor 1 includes the piezoresistive elements of the number used in the Wheatstone bridge circuit. It may be provided on the diaphragm 10.

なお、ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、図１に示す例では、上面視において外縁２１に沿って位置しているが、ピエゾ抵抗素子４０〜４３は応力変化領域に位置していればよい。従って、ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、外縁２１の内側又は外側に位置していてもよい。また、ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、図１及び図２では、ダイヤフラム１０の上面側に位置しているが、ダイヤフラム１０の内部又は下面側に位置していてもよい。   In the example shown in FIG. 1, the piezoresistive elements 40 to 43 are located along the outer edge 21 in the top view, but the piezoresistive elements 40 to 43 may be located in the stress change region. Therefore, the piezoresistive elements 40 to 43 may be located inside or outside the outer edge 21. Although the piezoresistive elements 40 to 43 are located on the upper surface side of the diaphragm 10 in FIGS. 1 and 2, they may be located inside or on the lower surface side of the diaphragm 10.

また、本実施形態では、応力センサ１は４個のピエゾ抵抗素子４０〜４３を備えるが、応力センサ１が備えるピエゾ抵抗素子の個数は４個に限られない。応力センサ１は、検出対象となる物質を検出可能な任意の個数のピエゾ抵抗素子を備えていればよい。   Further, in the present embodiment, the stress sensor 1 includes four piezoresistive elements 40 to 43, but the number of piezoresistive elements included in the stress sensor 1 is not limited to four. The stress sensor 1 may include any number of piezoresistive elements capable of detecting a substance to be detected.

また、ダイヤフラム１０に生じる応力を検出する検出部として、ピエゾ抵抗素子の代わりに、他の圧電素子が用いられてもよい。   Further, instead of the piezoresistive element, another piezoelectric element may be used as a detection unit that detects the stress generated in the diaphragm 10.

次に、ダイヤフラム１０に生じる応力について、図３を参照して説明する。図３は、ガス分子２が感応膜２０に吸着された際の図２に示す範囲Ａの拡大図である。なお、ガス分子２は、応力センサ１を用いて検出する対象のガス分子を模式的に示すものである。   Next, the stress generated in the diaphragm 10 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is an enlarged view of the range A shown in FIG. 2 when the gas molecules 2 are adsorbed on the sensitive film 20. The gas molecule 2 schematically shows the gas molecule to be detected using the stress sensor 1.

図３に示すように、ガス分子２が感応膜２０に吸着されると、感応膜２０が変形する。感応膜２０の変形に伴い、ダイヤフラム１０において感応膜２０が配置された領域も変形する。ダイヤフラム１０の変形により、領域Ｄに応力が生じる。   As shown in FIG. 3, when the gas molecules 2 are adsorbed on the sensitive film 20, the sensitive film 20 is deformed. Along with the deformation of the sensitive film 20, the region of the diaphragm 10 where the sensitive film 20 is arranged also deforms. The deformation of the diaphragm 10 causes stress in the region D.

具体的には、ダイヤフラム１０の領域Ｃは、感応膜２０の中心側が上側に盛り上がった凸形状に変形する。この際、感応膜２０の外縁２１のエッジが急峻に立っている方がダイヤフラム１０の領域Ｄに生じる応力が高まる。本実施形態の感応膜２０は、外側部２０Ｂの厚みが中央部２０Ａの厚みよりも大きい構成である。そのため、通常の製造方法によって、外側の厚みが中央部の厚みよりも徐々に小さくなっていくように形成された感応膜と比較して、外縁２１のエッジが急峻に立っている。したがって、本実施形態の構成に係る感応膜２０を上面に形成したダイヤフラム１０は、通常の製造方法によって形成された感応膜を上面に形成したダイヤフラムよりも、領域Ｄに生じる応力が高くなる。   Specifically, the region C of the diaphragm 10 is deformed into a convex shape in which the central side of the sensitive film 20 is raised upward. At this time, when the edge of the outer edge 21 of the sensitive film 20 is steeper, the stress generated in the region D of the diaphragm 10 is increased. The sensitive film 20 of the present embodiment has a configuration in which the thickness of the outer portion 20B is larger than the thickness of the central portion 20A. Therefore, the edge of the outer edge 21 is steeper than that of the sensitive film formed by the normal manufacturing method so that the outer thickness is gradually smaller than the central thickness. Therefore, the diaphragm 10 having the sensitive film 20 according to the configuration of the present embodiment formed on the upper surface thereof has a higher stress generated in the region D than the diaphragm having the sensitive film formed on the upper surface formed by a normal manufacturing method.

以上のように、本実施形態に係る応力センサ１では、通常の製造方法によって形成された感応膜を上面に形成したダイヤフラムに比較して、ダイヤフラム１０における外縁２１付近の領域に生じる応力が高くなる。そのため、外縁２１付近の領域に位置するピエゾ抵抗素子４０〜４３の抵抗値の変化もより大きくなる。これにより、応力センサ１では、検出対象となる物質が感応膜２０に吸着された際に、ダイヤフラム１０に生じる応力の検出能力を向上させることができる。そのため、応力センサ１では、検出対象となる物質の検出能力を向上させることができる。   As described above, in the stress sensor 1 according to the present embodiment, the stress generated in the region near the outer edge 21 of the diaphragm 10 is higher than that of the diaphragm in which the sensitive film formed by the normal manufacturing method is formed on the upper surface. .. Therefore, the change in the resistance value of the piezoresistive elements 40 to 43 located in the region near the outer edge 21 also becomes larger. Thereby, in the stress sensor 1, the ability to detect the stress generated in the diaphragm 10 when the substance to be detected is adsorbed by the sensitive film 20 can be improved. Therefore, in the stress sensor 1, it is possible to improve the detection ability of the substance to be detected.

また、本実施形態に係る応力センサ１は、凸部３０を有しているため、例えば感応膜２０が膨張しようとした場合、凸部３０が感応膜２０から力を受ける。このとき、凸部３０はダイヤフラム１０に接続していることから、凸部３０の内側面とダイヤフラム１０の上面との交点を回転軸として、モーメントが働く。したがって、ダイヤフラム１０に生じる応力を向上させることができる。   Further, since the stress sensor 1 according to the present embodiment has the convex portion 30, for example, when the sensitive film 20 tries to expand, the convex portion 30 receives a force from the sensitive film 20. At this time, since the convex portion 30 is connected to the diaphragm 10, a moment acts with the intersection of the inner side surface of the convex portion 30 and the upper surface of the diaphragm 10 as the axis of rotation. Therefore, the stress generated in the diaphragm 10 can be improved.

また、ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、感応膜２０と凸部３０との境界の直下に位置していてもよい。その結果、応力センサ１の感度を向上させることができる。   Further, the piezoresistive elements 40 to 43 may be located immediately below the boundary between the sensitive film 20 and the convex portion 30. As a result, the sensitivity of the stress sensor 1 can be improved.

また、凸部３０のヤング率は、感応膜２０のヤング率よりも大きくてもよい。その結果、感応膜２０から力を受けたときに、凸部３０自体の変形を低減することができる。   Moreover, the Young's modulus of the convex portion 30 may be larger than the Young's modulus of the sensitive film 20. As a result, when the force is applied from the sensitive film 20, the deformation of the convex portion 30 itself can be reduced.

また、凸部３０のヤング率は、ダイヤフラム１０のヤング率よりも大きくてもよい。その結果、凸部３０にモーメントが働いたときに、凸部３０自体の変形を低減しつつ、ダイヤフラム１０に生じる応力を向上させることができる。   The Young's modulus of the convex portion 30 may be larger than the Young's modulus of the diaphragm 10. As a result, when a moment acts on the convex portion 30, it is possible to improve the stress generated in the diaphragm 10 while reducing the deformation of the convex portion 30 itself.

なお、本実施形態において、凸部３０の高さは、凸部３０の幅よりも大きい。なお、凸部３０の高さは、ｚ軸方向の長さである。また、凸部３０の幅は、凸部３０を図２のように切断したときに、平面方向の長さである。また、本実施形態において、凸部３０の高さは、感応膜２０の高さよりも低く設定されている。   In addition, in this embodiment, the height of the convex portion 30 is larger than the width of the convex portion 30. The height of the convex portion 30 is the length in the z-axis direction. Further, the width of the convex portion 30 is the length in the plane direction when the convex portion 30 is cut as shown in FIG. Further, in the present embodiment, the height of the convex portion 30 is set to be lower than the height of the sensitive film 20.

（応力センサの製造工程）
次に、本発明の一実施形態に係る応力センサの製造工程の一例について、図４〜図１０を参照して説明する。なお、図４〜図１０に示す各構成要素において、同一の構成要素には同一符号を付す。 (Stress sensor manufacturing process)
Next, an example of a manufacturing process of the stress sensor according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In each constituent element shown in FIGS. 4 to 10, the same constituent element is designated by the same reference numeral.

（１）ＳＯＩ基板の準備
まず、応力センサの製造に用いるＳＯＩ基板を準備する。図４に、本発明の一実施形態に係る応力センサの製造に用いるＳＯＩ基板の概略構造を示す。図４に示すように、ＳＯＩ基板１００は、第１基板１１０と、ＳｉＯ２層１１１と、第２基板１１２とを備える。ＳＯＩ基板１００では、第２基板１１２上にＳｉＯ２層１１１が配置され、ＳｉＯ２層１１１上に第１基板１１０が配置されている。ＳＯＩ基板１００は、例えばいわゆる貼り合わせ法によって製造される。なお、以下では、第１基板１１０はｎ型であるとする。 (1) Preparation of SOI Substrate First, an SOI substrate used for manufacturing a stress sensor is prepared. FIG. 4 shows a schematic structure of an SOI substrate used for manufacturing the stress sensor according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, the SOI substrate 100 includes a first substrate 110, a SiO 2 layer 111, and a second substrate 112. In the SOI substrate 100, the SiO 2 layer 111 is arranged on the second substrate 112, and the first substrate 110 is arranged on the SiO 2 layer 111. The SOI substrate 100 is manufactured by, for example, a so-called bonding method. In the following, the first substrate 110 is n-type.

（２）拡散配線（高ドープ層）の形成
次に、図４に示すＳＯＩ基板１００に、拡散配線を形成する。図５に示すように、第１基板１１０上にマスクパターン２００を形成した後、イオン注入法によってマスクパターン２００の開口部に高濃度のボロン（Ｂ）を注入し、拡散配線４１ａ，４１ｂ，４３ａ，４３ｂを形成する。 (2) Formation of Diffusion Wiring (Highly Doped Layer) Next, diffusion wiring is formed on the SOI substrate 100 shown in FIG. As shown in FIG. 5, after forming the mask pattern 200 on the first substrate 110, high-concentration boron (B) is injected into the openings of the mask pattern 200 by an ion implantation method to form diffusion wirings 41a, 41b, 43a. , 43b are formed.

（３）ピエゾ抵抗素子（低ドープ層）の形成
図５に示すマスクパターン２００を除去した後、ピエゾ抵抗素子４０〜４３を形成する。図６に示すように、第１基板１１０上にマスクパターン２０１を形成した後、イオン注入法によってマスクパターン２０１の開口部に低濃度のボロン（Ｂ）を注入し、ピエゾ抵抗素子４０〜４３を形成する。 (3) Formation of piezoresistive elements (lowly doped layer) After removing the mask pattern 200 shown in FIG. 5, piezoresistive elements 40 to 43 are formed. As shown in FIG. 6, after forming the mask pattern 201 on the first substrate 110, low concentration boron (B) is injected into the opening of the mask pattern 201 by an ion implantation method to form the piezoresistive elements 40 to 43. Form.

（４）金属配線の形成
図６に示すマスクパターン２０１を除去し、所定のパターンの絶縁層３１０ａ，３１０ｂを積層した後、アルミニウム等の金属配線を形成する。図７（ａ）に示すように、第１基板１１０上の全面にスパッタによって金属（例えばアルミニウム）を堆積させ、金属層３００（例えばアルミニウム層）を形成する。次に、図７（ｂ）に示すように、金属層３００上にマスクパターン２０２を形成する。その後、図７（ｃ）に示すように、マスクパターン２０２により保護されていない金属層３００をエッチングすることにより、金属配線３００ａ，３００ｂを形成する。金属配線３００ａ等及び拡散配線４１ａ等による接続によって、ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、ホイートストンブリッジ回路を構成する。 (4) Formation of Metal Wiring The mask pattern 201 shown in FIG. 6 is removed, insulating layers 310a and 310b having a predetermined pattern are laminated, and then metal wiring such as aluminum is formed. As shown in FIG. 7A, a metal (eg, aluminum) is deposited on the entire surface of the first substrate 110 by sputtering to form a metal layer 300 (eg, aluminum layer). Next, as shown in FIG. 7B, a mask pattern 202 is formed on the metal layer 300. Thereafter, as shown in FIG. 7C, the metal layer 300 not protected by the mask pattern 202 is etched to form metal wirings 300a and 300b. The piezoresistive elements 40 to 43 form a Wheatstone bridge circuit by the connection by the metal wiring 300a and the diffusion wiring 41a.

（５）凸部の形成
図７（ｃ）に示すマスクパターン２０２を除去した後、凸部３０を形成する。凸部３０は、図８に示すように、第１基板１１０上に、例えば、疎水性の材料により形成される。凸部３０は、例えば、図７（ａ）〜（ｃ）に示した方法と同様の方法により、スパッタにより堆積させた疎水性の材料を、マスクパターンにしたがってエッチングすることにより形成することができる。 (5) Formation of convex portion After removing the mask pattern 202 shown in FIG. 7C, the convex portion 30 is formed. As shown in FIG. 8, the convex portion 30 is formed on the first substrate 110 by using, for example, a hydrophobic material. The protrusion 30 can be formed, for example, by etching a hydrophobic material deposited by sputtering according to a mask pattern by a method similar to the method shown in FIGS. 7A to 7C. ..

（６）ダイヤフラムの形成
ＳＯＩ基板１００の上下を反転させた後、ダイヤフラムを形成する。図９（ａ）に示すように、第２基板１１２上にマスクパターン２０４を形成した後、マスクパターン２０４により保護されていない第２基板１１２を、ドライエッチングして凹部４００を形成する。このとき、ＳｉＯ２層１１１がストップ層の役割を果たすように、予めドライエッチングの条件を設定する。その後、ドライエッチングの条件を変更し、図９（ｂ）に示すように、ＳｉＯ２層１１１を除去してダイヤフラムを形成する。 (6) Formation of Diaphragm After turning the SOI substrate 100 upside down, the diaphragm is formed. As shown in FIG. 9A, after forming the mask pattern 204 on the second substrate 112, the second substrate 112 not protected by the mask pattern 204 is dry-etched to form the recess 400. At this time, dry etching conditions are set in advance so that the SiO 2 layer 111 serves as a stop layer. Then, the dry etching conditions are changed, and the SiO 2 layer 111 is removed to form a diaphragm, as shown in FIG. 9B.

（７）感応膜の形成
図９（ｂ）に示すマスクパターン２０４を除去し、さらにＳＯＩ基板１００の上下を反転させた後、感応膜２０を形成する。図１０に示すように、感応膜材料をダイヤフラム１０上における凸部３０に囲まれた領域に塗布した後、乾燥させて感応膜２０を形成する。このように、凸部３０に囲まれた領域に感応膜材料を塗布すると、広がろうとする液体状の感応膜材料が凸部３０によって堰き止められるため、外側部２０Ｂの厚みが、中央部２０Ａの厚みよりも大きい形状となる。 (7) Formation of Sensitive Film The mask pattern 204 shown in FIG. 9B is removed, and the SOI substrate 100 is turned upside down. Then, the sensitive film 20 is formed. As shown in FIG. 10, the sensitive film material is applied to the region surrounded by the convex portions 30 on the diaphragm 10 and then dried to form the sensitive film 20. As described above, when the sensitive film material is applied to the area surrounded by the convex portions 30, the liquid sensitive film material that is about to spread is blocked by the convex portions 30, so that the thickness of the outer portion 20B becomes smaller than that of the central portion 20A. The shape is larger than the thickness of.

ここでは第１基板１１０がｎ型であるとして説明したが、例えば第１基板１１０がｐ型である場合には、上記（２）拡散配線（高ドープ層）の形成及び（３）ピエゾ抵抗素子（低ドープ層）の形成において、ボロン（Ｂ）に替えてリン（Ｐ）を注入する。   Although the first substrate 110 is n-type here, for example, when the first substrate 110 is p-type, (2) the formation of the diffusion wiring (highly doped layer) and (3) the piezoresistive element. In forming the (low-doped layer), phosphorus (P) is implanted instead of boron (B).

本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各構成部、各ステップ等に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成部やステップ等を１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。   Although the present invention has been described based on the drawings and the embodiments, it should be noted that those skilled in the art can easily make various variations and modifications based on the present disclosure. Therefore, it should be noted that these variations and modifications are included in the scope of the present invention. For example, the functions and the like included in each constituent unit and each step can be rearranged so as not to logically contradict, and a plurality of constituent units and steps can be combined or divided into one. Is.

上記の説明では、感応膜２０の外側部２０Ｂの厚みが、中央部２０Ａの厚みよりも大きい例を説明した、本発明はこの場合に限られない。例えば、感応膜２０の外側部２０Ｂの厚みが、中央部２０Ａの厚みよりも小さくてもよい。具体的には、感応膜２０はドーム状であってもよい。また、感応膜２０は、平坦であってもよい。なお、平坦とは、感応膜２０の全てが平坦であってもよいし、外縁近傍を除いて感応膜２０の大部分が平坦な領域であってもよい。なお、感応膜２０の形状は、種々の条件等を調整することによって、調整することができる。   In the above description, the thickness of the outer portion 20B of the sensitive film 20 is larger than the thickness of the central portion 20A, but the present invention is not limited to this case. For example, the thickness of the outer portion 20B of the sensitive film 20 may be smaller than the thickness of the central portion 20A. Specifically, the sensitive film 20 may have a dome shape. Further, the sensitive film 20 may be flat. The term “flat” may mean that the entire sensitive film 20 is flat, or that most of the sensitive film 20 is a flat region except near the outer edge. The shape of the sensitive film 20 can be adjusted by adjusting various conditions and the like.

１，１ａ応力センサ
２ ガス分子
１０ ダイヤフラム
２０ 感応膜
２０Ａ 中央部
２０Ｂ 外側部
２１ 外縁
３０ 凸部
４０，４１，４２，４３ ピエゾ抵抗素子（検出部）
４１ａ，４１ｂ，４３ａ，４３ｂ 拡散配線
１００ ＳＯＩ基板
１１０ 第１基板
１１１ ＳｉＯ２層
１１２ 第２基板
２００，２０１，２０２，２０４ マスクパターン
３００ 金属層
３００ａ，３００ｂ 金属配線
３１０ａ，３１０ｂ 絶縁層
４００ 凹部
1, 1a Stress sensor 2 Gas molecule 10 Diaphragm 20 Sensitive film 20A Central part 20B Outer part 21 Outer edge 30 Convex part 40, 41, 42, 43 Piezoresistive element (detection part)
41a, 41b, 43a, 43b Diffusion wiring 100 SOI substrate 110 First substrate 111 SiO 2 layer 112 Second substrate 200, 201, 202, 204 Mask pattern 300 Metal layer 300a, 300b Metal wiring 310a, 310b Insulation layer 400 Recess

Claims (5)

ダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムの面上に配置された感応膜と、
前記ダイヤフラムの面上に配置され、前記感応膜を囲う凸部と、
前記ダイヤフラムにおいて前記感応膜の外縁付近の領域に位置する検出部と、を備える応力センサ。 A diaphragm,
A sensitive film disposed on the surface of the diaphragm,
A convex portion arranged on the surface of the diaphragm and surrounding the sensitive film,
A stress sensor provided in a region of the diaphragm near an outer edge of the sensitive film. 前記感応膜は、中央部と、該中央部の外側に位置し該中央部よりも厚みが大きい外側部とを有する、請求項１に記載の応力センサ。   The stress sensor according to claim 1, wherein the sensitive film has a central portion and an outer portion located outside the central portion and having a larger thickness than the central portion. 前記凸部は、疎水性の材料で形成されている、請求項１又は２に記載の応力センサ。   The stress sensor according to claim 1, wherein the convex portion is formed of a hydrophobic material. 前記検出部はピエゾ抵抗素子を含んで構成される、請求項１から３の何れか一項に記載の応力センサ。   The stress sensor according to claim 1, wherein the detection unit includes a piezoresistive element. ダイヤフラム上に検出部を形成するステップと、
前記ダイヤフラムの面上に凸部を形成するステップと、
前記ダイヤフラムの面上の前記凸部に囲まれた領域に感応膜を形成するステップと、を含み、
前記検出部は、前記ダイヤフラムにおいて前記感応膜の外縁付近の領域に位置する、応力センサの製造方法。
Forming a detector on the diaphragm,
Forming a protrusion on the surface of the diaphragm,
Forming a sensitive film in a region surrounded by the convex portion on the surface of the diaphragm,
The method for manufacturing a stress sensor, wherein the detection unit is located in a region of the diaphragm near an outer edge of the sensitive film.
JP2016072691A 2016-03-31 2016-03-31 Stress sensor and manufacturing method thereof Active JP6694747B2 (en)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016072691A JP6694747B2 (en) 2016-03-31 2016-03-31 Stress sensor and manufacturing method thereof
US16/089,568 US10866203B2 (en) 2016-03-31 2017-03-29 Stress sensor
PCT/JP2017/013026 WO2017170748A1 (en) 2016-03-31 2017-03-29 Stress sensor
CN201780021252.4A CN108885165B (en) 2016-03-31 2017-03-29 Stress sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016072691A JP6694747B2 (en) 2016-03-31 2016-03-31 Stress sensor and manufacturing method thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2017181439A JP2017181439A (en) 2017-10-05
JP6694747B2 true JP6694747B2 (en) 2020-05-20

Family

ID=60005251

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016072691A Active JP6694747B2 (en) 2016-03-31 2016-03-31 Stress sensor and manufacturing method thereof

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6694747B2 (en)

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5577178A (en) * 1978-12-06 1980-06-10 Toshiba Corp Semiconductor pressure converting element
JPH01315172A (en) * 1988-06-15 1989-12-20 Komatsu Ltd Stress converting element and its manufacture
JP2962738B2 (en) * 1989-06-27 1999-10-12 三洋電機株式会社 Humidity detector
JPH1019705A (en) * 1996-07-05 1998-01-23 Omron Corp Electrostatic capacity type physical quantity sensor
FR2894953B1 (en) * 2005-12-15 2008-03-07 Ecole Polytechnique Etablissem MICROELECTROMECHANICAL SYSTEM COMPRISING A DEFORMABLE PART AND A STRESS DETECTOR
JP5649138B2 (en) * 2010-05-24 2015-01-07 独立行政法人物質・材料研究機構 Surface stress sensor
JP2012122924A (en) * 2010-12-10 2012-06-28 Panasonic Corp Pressure sensor
JP5743026B2 (en) * 2012-04-17 2015-07-01 国立研究開発法人物質・材料研究機構 Double-sided surface stress sensor

Also Published As

Publication number Publication date
JP2017181439A (en) 2017-10-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10866203B2 (en) Stress sensor
US7214324B2 (en) Technique for manufacturing micro-electro mechanical structures
US7633131B1 (en) MEMS semiconductor sensor device
US11573137B2 (en) Surface stress sensor, hollow structural element, and method for manufacturing same
US20230126952A1 (en) Surface stress sensor, hollow structural element, and method for manufacturing same
KR20140026473A (en) Method of forming membranes with modified stress characteristics
JP2010155306A (en) Microelectromechanical systems (mems) device and method of manufacturing the same
KR20190084876A (en) Microelectromechanical system
JP4639979B2 (en) Capacitance type mechanical quantity sensor and manufacturing method thereof
US8334159B1 (en) MEMS pressure sensor using capacitive technique
JP2010103701A (en) Mems sensor
JP2017021010A (en) Low pressure sensor and flow sensor
CN113075726B (en) Hydrophone and method for manufacturing same
EP3127158B1 (en) Membrane-based sensor and method for robust manufacture of a membrane-based sensor
JP6694747B2 (en) Stress sensor and manufacturing method thereof
JP6713321B2 (en) Stress sensor and manufacturing method thereof
JP2000277753A (en) Semiconductor accelerometer and its manufacture
JP6882849B2 (en) Stress sensor
JP6882850B2 (en) Stress sensor
JP6773437B2 (en) Stress sensor
JP6873879B2 (en) Sensor element and its manufacturing method
JP6691414B2 (en) Stress sensor
US7737514B1 (en) MEMS pressure sensor using area-change capacitive technique
JP6908355B2 (en) Stress sensor
JP7412851B2 (en) Surface stress sensor and its manufacturing method

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20190311

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20200331

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20200420

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6694747

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150