JPS59186376A

JPS59186376A - 圧力センサ

Info

Publication number: JPS59186376A
Application number: JP5921883A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Shimada; 智嶋田; Shigeyuki Kobori; 小堀　重幸; Kazuji Yamada; 一二山田; Kiyomitsu Suzuki; 清光鈴木; Takeshi Murayama; 健村山
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 1983-04-06
Filing date: 1983-04-06
Publication date: 1984-10-23

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は、圧力センナに保シ、特にシリコンダイアフラ
ムの適用されたピエゾ抵抗型の圧力センサに関する。

〔発明の背景〕

第１図〜第４図を用いて、従来技術および最近試みられ
ている技術を説明する。

まず第１図を用い、ピエゾ抵抗型圧力センサの基本的な
説明を行なう。同図（イ）は平面図、０は断面図、０は
応力分布図である。なお、（０応力分布図は微小変動理
論や有限要素法等で解析したものである。

平面上のシリコン単結晶から成るシリコンダイアフラム
ｌは、下面中央部に円形の四部２を設けたことによって
形成された薄肉部３と、厚肉部４を有している。このシ
リコンダイアフラム１の厚爾部４の下面は、支持台５に
気折接着されている。

シリコンダイアフラム１０表面には、ピエゾ抵抗素子Ｒ
，６及びＲ，７がクム散法又は、イオン打込法により形
成されている。なお、Ｒ１６は円形薄肉部の半径方向に
、凡【７は、接線方向に一致させて、各々、２ｍ配置さ
れ、それらはブリッジ結線されている。

この様に形成される圧力センサにおいて、ダイアフラム
１表面に図示矢印の方向に被測距圧力Ｐ（この場合は低
圧）が印加されると、シリコンダイアフラム１表面には
、第１図（Ｑに示されるような応力分布が生じる。同図
の横軸は、円形薄肉品中心線上の位置を表わし、縦軸は
、応力値ＣＩを表わしておシ、曲線σ、は半径方向応プ
バ曲線σ。

は、接線方向応力を示している。

この応力分布におけるピエゾ抵抗素子６〜７のブリッジ
出力Ｅｏは、シリコンダイアフラム１表面の結晶方位を
（１００）に選べば、Ｅ　ｏ　”　Ｋ１・Δσ　　　　　　・・・・・・・・
・（１）Ｋｌ　　二比例定数 Δσ：ピエゾ抵抗素子６〜７に作用する半径方向応力σ、と接線方向応力σ１の差となる。つ捷り、ピエゾ抵抗素子６．７ｉ、とのΔσが
最大となる位置に配せば、出力感度は最大になる。

さて、以上のピエゾ抵抗型圧力センサの説明を元に、従
来の低圧用（数気圧以下）及び高圧用（数１０気圧〜数
千気圧）の圧力センサを説明する。

第１図は、低圧用の圧力センサであＬ　　ｔ＝０、２　
ｍｍ　８　Ｋの非常に薄いシリコンウニ・・を用いてい
る。薄いシリコンウエノ・は、低コスト化に有利なだめ
である。薄肉部３の形状は、低圧に対する出力感度ヲ上
げるため、半（４ａを十分に太きくし、板厚り全薄くし
である。この場合、同図（Ｑの応力分布図からピエゾ抵
抗素子６，７は、Δσが最大になる薄肉部３の周辺部に
配するのが良い。

次に、この薄いシリコンウェハを用いた高圧用センサに
ついて第２図を用いて説明す石。高圧用の場合は、出力
感度を得るのと同時に、強度的な問題を解決しなければ
ならない。シリコンダイアフラムに生じる最大応力σ、
（ｄｌに２　：比例定数Ｐ：開力ロ圧力ｈ：薄肉部２３板厚ａ：薄肉部２３半径と表わされる。従って応力低減のためには、半径ａを小
さく、板厚りを大きくする必要がある。しかし、ｔ＝０
．２ｒｔｕｎ程度の薄いシリコンウェハを用いる場合、
板厚り増大には限度（ｈ　（０，２ｍｍ　）があシ、半
径ａ’ｚよ９以上に小さくする必要がある。

第２図０に、この場合の応力分布図を示した。

Δσは、薄肉部２３周辺部近傍の厚肉部２４上で最大に
なるため、この位置にピエゾ抵抗素子２６〜２７を配せ
げ感度が最大になる。２１はシリコンダイアフラム、２
２は凹部、２５は支持台である。

以上の、薄いシリコンウエノ・（を中０．２ｍｍ）を用
いた低圧用センサ（第１図）、高圧用センナ（第２図）
を比較すると、甘ず、薄肉部形状（３及び２３）がゲ（
なる。これは、強度的見地から当然である。しかし、同
時に、ピエゾ抵抗素子位置（中心からピエゾ抵抗素子址
での距離）も異なるの（Ｉ′ｊ：、センサの製作コスト
、工程数上昇の要因になシ好しくない。

そこで、同じピエゾ抵抗素子位置（以後、抵抗パターン
と呼ぶ）を用いて、低圧用から高圧用捷でをカバーし得
る圧力センサが望寸れる。

この問題を解決するに際し、導かれる１つの方法として
最近試みられているのは、比較的厚い（を二〇、５〜２
．　Ｏｒｒａｎ　）シリコンウニ・・を用いることであ
る。第３図および第４図によりこれを説明する。第３図
は低圧用（数気圧以下）、第４図は、制圧用（数１０気
圧以上）であり、共にｔ二０．５〜２１訓程度の厚いシ
リコンウェハを用いている。

第３図の低圧用センサの薄肉部３３の形状は、先の第１
図に示した薄いシリコンウェハを用いたものと同じであ
り、同時（Ｑの応力分布図も同一である。つｌシ、出刃
特性上は、全く同じセンサカ構成できる。一方、この厚
いシリコンウェハを用いた高圧センナを第４図に示すが
、薄肉部４３板厚は、シリコンウェハが厚い分だけ、十
分に大きくとれるため、半径ａを第２図のように小さく
しなくてもよい。結局、同じ抵抗パターンを用いて、低
圧用から高圧用才で構成することができる。

３１．４１ぽシリコンウェハ、４２は凹部、３４゜４４
は厚肉部、３５．４５は支持台、４６．４７はピエゾ抵
抗素子である。

しかし、第３図に示した低圧センサでは、凹３２が深く
、加工が問題である。四部３２の加工には、一般に、化
学的エツチング法が採用されるか、力１」土速度が一屍
のため、深い分だけ時間がかかり、装作コストが尚くな
っていた。さらに、加工時間が狡いと、エツチング液に
より、ヒ゛エン゛抵抗素子３６〜３７が、耐食される問
題も生じていた。また、厚いソリコンウエノ・は、材料
コストも１％いという欠点がある。

〔発明の目的〕

本発明は、同一抵抗パターンを用いながら、低圧から高
圧までを測定し得る、低コスト、高信頼の圧カセンサ金
提惧することにある。

〔発明の概要〕

本発明の竹似は、シリコンダイアノラム上の谷ピエノ抵
抗系子に対応する薄肉部をＪし敗し、その曲の厚肉部を
支持材に固定したことにある。

〔発明の央ＪＭ？ｌｌ〕

第５図によｐ本発明の基本８′つ概念を説明する。

同図囚は低圧用、（１３）は中力用、（Ｃ）は高圧用の
圧力センサのシリコンダイアフラムである。なお、（１
）図は、平面図、（２）図は断面図である。

同図囚、低圧用は、従来型とシリコンダイアフラム５１
の形状が同じだが、４ケのピエゾ抵抗素子５７．５６に
対応して、４ケの薄肉部５３力Ｓ、互いに事なりあって
１対１に対応しているものと解釈できる。

同図ＣＢ）中圧用は、ピエゾ抵抗素子５６２．５７２に
対し、４ケの独立な薄肉部５３２が、シリコンダイアフ
ラム５１２中央部で重り合っている。これは、同図囚の
低圧用に比べ、各薄肉部５３２の生性を小さくする必要
が必るためである。

同図（Ｑは、高圧用であり、４ケの独立な薄肉部が、完
全に分帰埒れて、ピエゾ抵抗素子５６３゜５７３にそれ
ぞれ対応している。

このように、各ピエゾ抵抗素子に１対１で薄肉部を独立
に対応させることにより、薄肉部半径の自由度が太きく
なバ薄いシリコン単結晶・乞用いつつ、同一パターンで
、低圧用から高圧用捷で構成することができた。

以ｆ１本発明の一実施例を第６図を用いて説明する。本
実施列は、主に、数１００気圧以上の高圧に通用できる
。同図（６）は、平面図、に）は断面図、（Ｑは応力分
布図である。なお、応力分布は、有限要素法により解析
したものである。

シリコン単結晶から成るシリコンダイアフラム６１は、
４ケの円形の四部６２を設けたことにより形成された薄
肉部６３と、厚肉部６４を有している。シリコンダイア
フラム６１の厚肉部６４の−Ｆ面は、支持台６５に気智
接合されている。支持台６５には、シリコンとほぼ熱膨
張係叡の等しいホウケイ散カラスを用い、低融点ガラス
等を用いてノリコンダイアフラム６１と接合する。シリ
コンダイア７ラム６１の形状は、厚内部６４の＆厚０．
２喘、外周形状は１辺が３廃角である。また、凹部６２
形成には、アルカリエツチングが−ノ龜に用いられる。

４ケの円形の薄肉部６３０周辺部近傍には、４ケのピエ
ゾ抵抗素子Ｒｒ６６、及びｆ（、ｔ６７がそれぞれ１対
１に対応して形成されて訃９、これらは、ブリッジ結線
されている。この時、シリコンダイア７ラム６１本体を
ｎｍｍクリンで構成すれば、ピエゾ抵抗素子は、ｐ型シ
リコンとするが、この逆の場合もある。さらに、ピエゾ
抵抗素子６６．６７を形成する面の結晶方位は、（１０
０１゜（１１０）などが採用されるが、本例の場合は、
半径方向及び接線方向ピエゾ抵抗素子の出力パラ／スか
ら（１００）面が良い。

シリコンダイアフラム６１上面より、図中矢印の方向に
圧力Ｐが印加されると、４ケの独立な薄肉部６３が変形
する。同図（Ｑに、シリコンダイアフラム６１上面の応
力分布を示す。横軸は、シリコンダイアフラム中心から
の距離、縦軸は応力σ、曲線σ、は半径方向応力、σｔ
は接線方向応力を示している。センサのブリッジ出力感
度は、ピエゾ抵抗素子６６．６７に作用する半径方向応
力σ、と接線方向応力σ、の差Δσに比例する。従って
、ピエゾ抵抗素子６６．６７ば、Δσの大きい薄肉部６
３周辺部近傍の厚内部６４上に配置するのが良い。これ
は、圧力が１００気圧以上の高圧であり、薄肉部６３板
厚が比較的厚いために、厚肉部６４が弾性変形すること
による。

各薄肉部６３の半径を約０．２　ｔｒｔｍ、板厚を０．
１　ｗｎ程度にすれは、ブリッジ出力は、７０ｍＶ／２
．５Ｖ得ることができる。

次に、本実施例の効果を説明する。第１の効果は、すで
に第５図で説明したように、ピエゾ抵抗素子パターンを
低圧用（数気圧）センナと共用できることで、生産工程
の削減、コストの低減が計れる。しかも、薄肉部６３の
板厚は、一定にして薄肉部６３半径のみを変更すること
により、低圧から高圧用までを構成することも可能であ
る。一般に、薄肉部６３の形成には、水酸化カリウム水
溶液によるアルカリエツチング法が用いられるが、加工
深さは時間に比例する。薄肉部厚みが、低圧用でも高圧
用でも一定であれば、加工時間も一定でよいことから、
生産管理が容易になる。

サラに、０．２ｍの薄いシリコンウエノ・を用いており
、高圧用の場合には、薄肉部加工は、０．０１〜０．０
８ｍでよく、加工時間が少なくてよい。

逆に、第６図における４ケの円形薄肉部６３０半径は一
定にして、板厚のみを変更しても、低圧から高圧までの
センサを構成できる。

第７図は、本発明の第２実施例のシリコンダイアフラム
の平面図である。薄肉部７３を四角状にして、ピエゾ抵
抗素子と薄肉部周辺全平行及び直角として、応力を有効
九作用させて、出力ｇ度を上げることができる。なお、
薄肉細形状は、その他の形状であっても良い。

〔発明の効果〕

本発明によれば、同一抵抗パターン（シリコンダイアフ
ラム上のピエゾ抵抗素子の配置）を用いて、数気圧の低
圧から、数１００気圧の高圧まで１＋１Ｊ定しえる圧力
センナが構成できるので、生産コストが低減できる。つ
まり、半導体プロセスにおけるゲージ拡散工程が一律化
されるため、低圧用と高圧用センサが同時に、量産でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、従来技術の説明図であり、第３
図および第４図は、最近試みられている例の説明図であ
シ、第５図は本発明の説明図であり、第６図は本発明の
第１実施例の説明図であシ、第７図は本発明の第２実施
例の平面図である。１．２１，３１．４１．５１，６１．７１・・・シリコ
ンダイアフラム、２，２２，３２，４２，５２゜６２．
７２・・・凹部、３，２３，３３，４３，５３゜６３．
７３・・・薄肉部、４．２４，３４，５４゜６４．７４
．８４・・・厚肉部、５，２５，３５゜４５．５５，６
５，７５・・・支持台、６．２６’。３６．４６，５６，６６．７６・・・半径方向ピエゾ抵
抗素子、７，２７，３７，４７，５７，６７゜第３圀　
　　泰４囚第　５７（Ｑ−Ｊ）（Ａ−２）（Ｂ−２）（Ｃ−２）第　６　国６７第　７　凹

Claims

【特許請求の範囲】

１、　シリコン単結晶平板の一方の面に、複数個のピエ
ゾ抵抗素子を形成し、このシリコン単結晶平板の他面に
とのピエゾ抵抗素子の位置に対応する薄肉部およびこの
薄肉部を包囲する厚肉部を形成したダイアフラムと、と
の厚肉部に接合されダイアフラムを支持する支持材とを
備えたことを特徴とする圧力センサ。