JPH0712940U - 半導体圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 出力電圧はダイヤフラム部の半径方向の応力
σr と、円周方向の応力σθとの差に比例することか
ら、ゲージ近傍部における円周方向の応力σr を減少さ
せ、大きな出力電圧を得る。 【構成】 ダイヤフラム部２の表面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に
隣接してその円周方向両側に浅溝１１ａ，１１ｂをそれ
ぞれ形成する。

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〜６０μｍ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４および図５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、これらゲージ 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た高濃 度（１０²¹ 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。

【０００７】 なお、図４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。

【０００８】 図６はダイヤフラム部上の応力分布を示す図で、縦軸は半径方向の応力σr と 円周方向の応力σθ、横軸はダイヤフラム部中心からの距離である。差圧検出用 ゲージ３の出力電圧は応力の差｜σr −σθ｜に比例する。図から明らかなよう に円周付近ではこの差が最も大きく、このためゲージ３をダイヤフラム部２の周 辺部に形成している。

【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、検出感度の向上が大きな課題とさ れる。そこで、差圧検出用ゲージ３を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＞）に揃えて形成す ると共に、応力の差｜σr −σθ｜が最も大きいダイヤフラム部周辺にゲージ３ を形成して大きな出力電圧を得るようにしている。 この場合、ダイヤフラム部２に発生する応力についてみれば、半径方向の応力 σr を大きくするか円周方向の応力σθを小さくすると、応力の差がより大きく なり、大きな出力電圧を得ることができる。半径方向の応力σr を大きくするに はダイヤフラム部２をより薄く形成すればよいが、その場合は破壊圧力が小さく なり、またダイヤフラム部をエッチングする場合厚さの制御が難しいという問題 があり、一定の厚さ（２０〜５０μｍ）以下にすることには限界があった。

【００１０】 そこで、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、ダ イヤフラム部全体の厚みは変えず、ゲージ部近傍の厚みを薄くしてゲージ部近傍 における円周方向の応力σθを吸収ないし減少することにより、応力σr とσθ の差を大きくし、大きな出力電圧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 エゾ抵抗素子に隣接してその円周方向両側に浅溝をそれぞれ形成したものである 。

【００１２】

【作用】

ダイヤフラム部の浅溝は、ピエゾ抵抗素子付近における円周方向の応力σθを 吸収ないし減少する。したがって、ピエゾ抵抗素子には円周方向の応力σθが減 少し、｜σr −σθ｜が大きくなる。

【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、図２は図１の II−II線拡大断面図である。なお、図４および図５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 の表面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に隣接してその円周方向 両側に浅溝１１ａ，１１ｂをそれぞれ形成したものである。ダイヤフラム部２は 従来と同様の厚さ、すなわち２０〜６０μｍ程度の厚さで、浅溝１１ａ，１１ｂ の深さは数μｍ程度とされる。したがって、浅溝１１ａ，１１ｂはダイヤフラム 部全体の強度に影響を与えることはない。また、浅溝１１ａ，１１ｂの円周方向 の長さＬは、ゲージ部３ａの幅Ｗ（２０μｍ程度）の５倍程度とされる。 なお、その他の構成は図４および図５に示した従来の半導体圧力センサと同様 である。

【００１４】 図３はダイヤフラム部２の浅溝付近における応力分布を示す図である。 この図から明らかなようにゲージ部３ａ付近における円周方向（図２矢印方向 ）の応力σθは、浅溝１１ａによって遮られるため減少する。一方、ゲージ部３ ａ付近における半径方向の応力σr は、円周方向の応力σθと直交するため浅溝 １１ａ，１１ｂによって遮られず、影響を受けない。したがって、ダイヤフラム 部２のピエゾ抵抗素子３Ａ（３Ｂも同様）が形成されている部分２ａ（図２参照 ）には円周方向の応力σθが減少し、｜σr −σθ｜が大きくなる。この結果、 出力電圧は、｜σr −σθ｜に比例するため、上記した従来のセンサに比べてよ り大きな出力を得ることができる。

【００１５】 なお、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、ピエゾ抵抗素子に隣接 してその円周方向両側に浅溝をそれぞれ形成したので、ピエゾ抵抗素子付近にお ける円周方向の応力を浅溝によって吸収ないし減少させることができる。したが って、ピエゾ抵抗素子に加わる応力は半径方向の応力のみで、大きな出力電圧が 得られ、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】図１のII−II線拡大断面図である。

【図３】ダイヤフラム部の浅溝付近の応力分布を示す図
である。

【図４】半導体圧力センサの従来例を示す平面図であ
る。

【図５】同センサの断面図である。

【図６】ダイヤフラム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 １１ａ，１１ｂ 浅溝

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に隣接してその円周方向両側に浅溝
   をそれぞれ形成したことを特徴とする半導体圧力セン
   サ。