JPH0686045U - 半導体圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ゲージ部の各部における応力を略等しくする
ことができ、最大出力を得る。 【構成】 ダイヤフラム部２の外周寄りにそれぞれ２つ
ずつ配設される半径および接線方向の差圧検出用ゲージ
（ピエゾ抵抗素子）３Ａ，３Ｂの各ゲージ部３ａを４つ
の微少な線分３０ａ〜３０ｄにそれぞれ分離分割し、こ
れら線分３０ａ〜３０ｄをダイヤフラム部２の中心０か
ら略同一の半径Ｒ上に配列する。そして、、これら線分
３ａ〜３ｄ間を連結部３ｂで接続する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は差圧あるいは圧力を検出する半導体圧力センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】

従来、この種の半導体圧力センサとしてはＳｉ（シリコン）半導体ダイヤフラ ムを利用したものが知られている。このＳｉダイヤフラム型半導体圧力センサは 、半導体結晶からなる基板（以下半導体基板という）の表面に不純物の拡散もし くはイオン打ち込み技術によりピエゾ抵抗領域として作用するゲージを形成する と共に、Ａｌの蒸着等によりリードを形成し、裏面の一部をエッチングによって 除去することにより厚さ２０μｍ〜５０μｍ程度の薄肉部、すなわちダイヤフラ ム部を形成して構成したもので、ダイヤフラム部の表裏面に測定圧力をそれぞれ 加えると、ダイヤフラム部の変形に伴いゲージの比抵抗が変化し、この時の抵抗 変化に伴う出力電圧を検出し、差圧または圧力を測定するものである。

【０００３】 図２および図３はこのような半導体圧力センサの従来例を示す平面図および断 面図で、半導体基板１は（１００）面のｎ型単結晶Ｓｉからなり、エッチングに よりその裏面中央部を除去されることにより差圧または圧力に感応する薄肉円板 状の感圧ダイヤフラム部２を備え、またこのダイヤフラム部２の表面側にピエゾ 領域として作用し差圧または圧力を検出する差圧検出用ゲージ３（３Ａ，３Ｂ） が設けられ、バックプレート４上に静電接合されている。バックプレート４は、 半導体基板１と熱膨張係数が近似したパイレックスガラス、セラミックス等によ って形成され、中央には前記半導体基板１の裏面に形成された凹陥部５を介して ダイヤフラム部２の裏面側に測定すべき圧力Ｐ1 ，Ｐ2 のうちの一方（Ｐ1 ）を 導く貫通孔６が形成されている。

【０００４】 前記差圧検出用ゲージ３は、前記感圧ダイヤフラム部２の表面で差圧または圧 力の印加時にダイヤフラム部２に発生する半径方向と周方向の応力が最大となる 周縁部寄りに拡散またはイオン打ち込み法によって４つ形成されており、ホイー ルストーンブリッジに結線されることでダイヤフラム部２の表裏面に加えられた 測定すべき圧力Ｐ1 ，Ｐ2 の差圧信号を差動的に出力する。測定差圧または圧力 はそれぞれ最大１４０Ｋｇｆ／ｃｍ² ，４２０Ｋｇｆ／ｃｍ² 程度である。 また、４つの差圧検出用ゲージ３のうち半径方向の２つの差圧検出用ゲージ３ Ａは、折り返しゲージを形成することで、低濃度（１０¹⁹ 個／ｃｍ³ ）で所定 のシート抵抗を有し、結晶面方位（１００）においてピエゾ抵抗係数が最大とな る＜１１０＞の結晶軸方向と平行な２つのゲージ部３ａ，３ａと、ゲージ部３ａ ，３ａの一端を互いに連結する連結部３ｂと、ゲージ部３ａ，３ａの他端にそれ ぞれ接続された２つのリードアウト部３ｃ，３ｃとからなり、連結部３ｂとリー ドアウト部３ｃ，３ｃがゲージ部３ａ，３ａに対するこれらの影響を除くため一 般に高濃度（１０²¹ 個／ｃｍ³ ）の導電型（ｐ⁺ 型）半導体物質領域を形成し ている。一方、接線方向の２つの差圧検出用ゲージ３Ｂは、折り返しゲージを形 成せず、低濃度（１０¹⁹ 個／ｃｍ³ ）で所定のシート抵抗を有し、結晶面方位 （１００）においてピエゾ抵抗係数が最大となる＜１１０＞の結晶軸方向と平行 な１つのゲージ部３ａと、ゲージ部３ａの端部にそれぞれ接続され高濃度（１０ ²¹ 個／ｃｍ³ ）の導電型（ｐ⁺ 型）半導体物質領域を形成する２つのリードア ウト部３ｃ，３ｃとで構成されている。

【０００５】 差圧検出用ゲージ３のピエゾ抵抗係数はｐ型、ｎ型共に半導体基板１への不純 物のドーピング量が多くなるにつれて低下する。このため、差圧検出用ゲージ３ の比抵抗の変化率を大きくして、圧力に対する感度を上げ大きな出力電圧を得る には不純物濃度を低く設定する。また、ピエゾ抵抗係数は、ｐ型と，ｎ型で異な り、ｐ型のほうがより大きく、このためｎ型半導体上にｐ型抵抗層を設けるのが 一般的である。

【０００６】 差圧検出用ゲージ３の出力電圧は、ダイヤフラム部２の形状、肉厚、差圧検出 用ゲージ３の形成位置、ゲージ自体の向き等によっても異なる。例えば、向きに ついていえば、結晶面方位（００１）のＳｉ上にゲージを設ける場合、ピエゾ抵 抗係数が最大になる向きは＜１１０＞の結晶軸方向であるため、この方向に差圧 検出用ゲージ３を形成することが望ましい。 但し、接線方向の差圧検出用ゲージ３Ｂについてみれば、１本の細長い帯状体 に形成されているので、図２から明らかなようにダイヤフラム部２の中心０から ゲージ部中央までの半径Ｒと、ゲージ部端までの半径Ｒ1 とでは異なり（Ｒ1 ＞ Ｒ）、そのため半径Ｒ1 とＲの位置ではゲージ部３ａに加わる応力も異なってい る。 なお、半径方向の差圧検出用ゲージ３Ａについても前記中心０から各端部まで の距離が異なるので、接線方向のゲージ３Ｂと全く同様である。

【０００７】 図４は接線方向の差圧検出用ゲージ３の応力分布を示す図で、σr は半径方向 の応力、σθは円周方向の応力である。この図からも明らかなようにゲージ部中 央とゲージ部端に加わる応力は異なり、応力分布に広がりをもっている。出力電 圧は応力の差｜σr −σθ｜に比例し、応力分布の広がりが小さい程大出力が得 られる。

【０００８】 なお、図１において７ａ，７ｂは蒸着によって形成されたアルミニウムからな るリードで、これらリード７ａ，７ｂの一端は各リードアウト部３ｃ，３ｃにそ れぞれ接続されている。８は差圧信号取出し用端子部、９は差圧検出用電源端子 部である。

【０００９】

【考案が解決しようとする課題】

上記した従来の半導体圧力センサにおいて、差圧検出用ゲージ３は圧力に感応 するよう結晶面方位（００１）におけるピエゾ抵抗係数が最大となる結晶軸方向 （＜１１０＞）に揃えて形成されている。しかしながら、ダイヤフラム部２の中 心０から差圧検出用ゲージ３のゲージ部中央までの半径Ｒと、ゲージ部端までの 半径Ｒ1 とでは異なる（Ｒ1 ＞Ｒ）ので、応力が広い範囲にわたって分布し、最 大出力を得ることができないという不都合があった。

【００１０】 したがって、本考案は上記したような従来の問題点に鑑みてなされたもので、 その目的とするところは、ゲージ部の各部における応力を略等しくすることがで き、最大出力を得ることができるようにした半導体圧力センサを提供することに ある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】

上記目的を解決するため本考案は、半導体結晶からなる基板の裏面に凹陥部を 形成することにより薄肉部を形成し、この薄肉部の主面に半径方向および接線方 向にそれぞれ一対のピエゾ抵抗素子を設けた半導体圧力センサにおいて、前記ピ エゾ抵抗素子の夫々を複数の微少な線分に分割し、これら線分を前記薄肉部を中 心とする略同一半径上に配列したものである。

【００１２】

【作用】

ピエゾ抵抗素子を形成する複数の微少な線分は、応力が生じるとそれに応じた 出力信号を生じる。これら線分に加わる応力は、これら線分が薄肉部を中心とす る略同一半径上に配列されていることから略等しく、したがって、略等しい出力 信号を生じ、結果として最大出力を得ることができる。

【００１３】

【実施例】

以下、本考案を図面に示す実施例に基づいて詳細に説明する。 図１は本考案に係る半導体圧力センサの一実施例を示す平面図である。なお、 図２および図３と同一構成部材のものに対しては同一符号をもって示し、その説 明を省略する。本実施例はダイヤフラム部２の外周寄りにそれぞれ２つずつ配設 される半径および接線方向の差圧検出用ゲージ（ピエゾ抵抗素子）３Ａ，３Ｂの 各ゲージ部３ａを複数、例えば４つの微少な線分３０ａ〜３０ｄにそれぞれ分離 分割し、これら線分３０ａ〜３０ｄをダイヤフラム部２の中心０から略同一の半 径Ｒ上に配列すると共に、これら線分間を連結部３ｂで接続して構成したもので ある。線分３０ａ〜３０ｄの向きは、結晶面方位（００１）のＳｉ上に差圧検出 用ゲージ３Ａ，３Ｂを設ける場合、ピエゾ抵抗係数が最大になる向き、すなわち ＜１１０＞の結晶軸方向と全て一致している。各線分３０ａ〜３０ｄの長さは、 略等しいことが望ましいが、かならずしもこれに限定されるものではなく、これ ら線分３０ａ〜３０ｄの全長が図２に示した従来のゲージにおけるゲージ部の全 長と略等しいものであればよい。 なお、その他の構成は図２および図３に示した従来の半導体圧力センサと同様 である。

【００１４】 このような構成からなる半導体圧力センサにおいて、各差圧検出用ゲージ３Ａ ，３Ｂのゲージ部３ａを形成する４つの線分３０ａ〜３０ｄは、応力が生じた場 合、それに応じて抵抗値が変化し出力信号をそれぞれ生じる。この場合、これら 線分３０ａ〜３０ｄの長さが全て等しいとすると、線分３０ａ〜３０ｄに加わる 応力は、これら線分がダイヤフラム部２の中心０から略同一半径Ｒ上に配列され ていることから全て等しく、したがって、等しい出力信号を生じ、結果として、 半径Ｒ上の圧力センサとして最大の出力を得ることができる。

【００１５】 なお、上記実施例はゲージ部３ａを４つの微少な線分３０ａ〜３０ｄに分割し た例を示したが、本考案はこれに何等特定されるものではなく、２つ、３つ、４ つ以上等適宜数に分割することが可能である。 また、上記実施例は半導体基板１をｎ型シリコン、ピエゾ抵抗領域であるゲー ジ部３ａをｐ型シリコンによって構成した場合について説明したが、これはｐ型 シリコンからなるピエゾ抵抗体を用いた方が、ｎ型に比較して圧力−抵抗のリニ アリティがよく、ピエゾ抵抗係数が最大となる（００１）面、＜１１０＞結晶軸 方向において対称性の良好な正逆両方向の出力が取り出せるからであるが、本考 案はこれに何等特定されるものではなく、ｐ型の基板にｎ型のピエゾ領域を形成 してもよいことは勿論である。

【００１６】

【考案の効果】

以上説明したように本考案に係る半導体圧力センサは、ダイヤフラムを形成す る薄肉部の外周寄りに配設されるピエゾ抵抗素子の夫々を複数個の線分に分割し 、これら線分を前記薄肉部を中心とする略同一半径上に配列したので、各線分に 加わる応力を等しくすることができる。したがって、応力分布に広がりがなく、 最大出力を得ることができ、センサの検出感度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案に係る半導体圧力センサの一実施例を示
す平面図である。

【図２】半導体圧力センサの従来例を示す平面図であ
る。

【図３】同センサの断面図である。

【図４】ゲージ部の応力分布を示す図である。

【符号の説明】

１ 半導体基板 ２ ダイヤフラム部（薄肉部） ３Ａ 半径方向の差圧検出用ゲージ ３Ｂ 接線方向の差圧検出用ゲージ ３ａ ゲージ部 ３ｂ 連結部 ３ｃ リードアウト部 ４ バックプレート ５ 凹陥部 ３０ａ〜３０ｄ 線分

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体結晶からなる基板の裏面に凹陥部
   を形成することにより薄肉部を形成し、この薄肉部の主
   面に半径方向および接線方向にそれぞれ一対のピエゾ抵
   抗素子を設けた半導体圧力センサにおいて、 前記ピエゾ抵抗素子の夫々を複数の微少な線分に分割
   し、これら線分を前記薄肉部を中心とする略同一半径上
   に配列したことを特徴とする半導体圧力センサ。