DE112012006592T5

DE112012006592T5 - Drucksensor

Info

Publication number: DE112012006592T5
Application number: DE112012006592.1T
Authority: DE
Inventors: c/o DENSO CORPORATION Kakoiyama Naoki
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2012-07-24
Publication date: 2015-04-16
Also published as: JP2014010086A; US20150128713A1; JP5454628B2; US9513182B2; WO2014002150A1

Abstract

Ein Drucksensor beinhaltet: einen Sensorabschnitt (10), der ein festes Ende (21) und einen ersten bis vierten Messwiderstand (25a bis 25d) aufweist, die auf einem Diaphragma (24) angeordnet sind; und ein Tragelement (40), das den Sensorabschnitt (10) befestigt. Ein erstes bis viertes Paar piezoresistiver Elemente (26a bis 26h) sind auf dem Diaphragma angeordnet. Zwei piezoresistive Elemente jedes Paars haben entgegengesetzte Widerstandswertänderungsrichtungen und Abstände zu den Tragelementen sind gleich zueinander. Abstände zwischen jedem piezoresistiven Element des dritten und vierten Paars und dem Tragelement sind länger als ein Abstand zwischen dem piezoresistiven Element des ersten Paars und des zweiten Paars und dem Tragelement. Jeder Messwiderstand beinhaltet einen kombinierten Widerstand, der durch serielles Verbinden zwei entsprechender piezoresistiver Elemente bereitgestellt wird. Die zwei entsprechenden piezoresistiven Elemente haben eine gleiche Widerstandswertänderungsrichtung.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung basiert auf und beansprucht die Priorität der am 26. Januar, 2011 eingereichten japanischen Patentanmeldung mit der Nummer 2011-14284 und auf der 29. Juni 2012 eingereichten japanischen Patentanmeldung mit der Nummer 2012-147834 auf deren Offenbarungen vollinhaltlich Bezug genommen wird.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Drucksensor, der einen Sensorabschnitt beinhaltet, in dem piezoresistive Elemente frei getragen durch ein Tragelement ausgebildet sind.
STAND DER TECHNIK
Im Stand der Technik offenbart Patentdokument 1 einen Drucksensor einschließlich eines Sensorabschnitts, der mit einem Diaphragma und einem ersten bis vierten Messwiderstand versehen ist, die auf dem Diaphragma ausgebildet sind, um eine Brückenschaltung auszubilden, und der ein Sensorsignal basierend auf Druck ausgibt, und eines Tragelements, das den Sensorabschnitt frei trägt.
Wie in 6 dargestellt ist, ist in dem Drucksensor ein Sensorabschnitt J10 in einer rechtwinkeligen Parallelepipedform ausgebildet und hat ein festes Ende auf einem Ende davon in seiner Längsrichtung, wobei das feste Ende J21 an ein Tragelement J40 gebondet ist, um freitragend zu sein. Ferner ist der Sensorabschnitt J10 unter Verwendung eines Siliziumsubstrats J20, das eine Hauptoberfläche aufweist, das bzw. die eine 001-Ebene ist, ausgebildet, und ein Diaphragma J24 ist in dem Siliziumsubstrat J20 ausgebildet. Die Längsrichtung des Sensorabschnitts J10 ist parallel zu einer 110-Richtung.
Das Diaphragma J24 ist in einer Quadratform ausgebildet, deren äußere Konturlinie eine erste Seite J24a bis vierte Seite J24d aufweist, wobei die erste Seite J24a und die dritte Seite J24c, die einander gegenüberliegen, parallel zu einer –110-Richtung sind, und die zweite Seite J24b und die vierte Seite J24d, die einander gegenüberliegen, parallel zur 110-Richtung sind. Die erste Seite J24a befindet sich auf der Seite des festen Endes J21. In dem Diaphragma J24 sind, da zentrale Abschnitte der ersten Seite bis vierten Seite J24a bis J24d einfach deformiert werden, wenn Druck ausgeübt wird, ein erster Messwiderstand bis vierter Messwiderstand J25a bis J25d, deren Widerstandswerte geändert werden, wenn die Deformation ausgeübt wird, jeweils in Abschnitten ausgebildet, die benachbart zu den zentralen Abschnitten der ersten Seite bis vierten Seite J24a bis J24d ausgebildet sind.
In dem Drucksensor kann, da der Sensorabschnitt J10 verglichen mit einem Fall, in dem die Gesamtheit einer Rückseite des Sensorabschnitts J10 an das Tragelement J40 gebondet ist, durch das Tragelement J40 frei getragen wird, thermische Belastung, die in dem Diaphragma J24 erzeugt wird, wenn eine externe Temperatur geändert wird, reduziert werden. Das heißt, die thermische Belastung, die auf den ersten bis vierten Messwiderstand J25a bis J25 ausgeübt wird, kann reduziert werden.
Jedoch können in dem Drucksensor, wenn die externe Temperatur geändert wird, die thermischen Belastungen, die auf den ersten bis vierten Messwiderstand J25a bis J25d ausgeübt werden, reduziert aber nicht vollständig entfernt werden. In diesem Fall wird in einem Abschnitt nahe dem befestigten Ende J21 in dem Diaphragma J24 eine große thermische Belastung erzeugt und eine thermische Belastung, die kleiner als die, die auf der Seite des festen Endes J21 erzeugt wird, wird in einem Abschnitt erzeugt, der von dem festen Ende J21 in dem Diaphragma J24 beabstandet ist.
Das heißt, die große thermische Belastung wird auf den ersten Messwiderstand J25a ausgeübt, und eine kleine thermische Belastung wird auf den dritten Messwiderstand J25c ausgeübt. Somit werden unterschiedliche thermische Belastungen auf den ersten bis vierten Messwiderstand J25a bis J25d ausgeübt, wenn die externe Temperatur geändert wird, und somit wird ein Sensorsignal bezüglich Temperatur nicht linear (vergleiche 10). In diesem Fall kann Temperatureigenschaftskorrektur des Sensorsignals durch eine externe Schaltung oder dergleichen ausgeführt werden, jedoch, wenn das Sensorsignal bezüglich Temperatur nicht linear ist, wird die Temperatureigenschaftskorrektur kompliziert.
In der vorstehenden Beschreibung wird ein Beispiel, in dem der Drucksensor, der den Sensorabschnitt J10 einschließlich des Siliziumsubstrats J20 beinhaltet, in dem die 001-Ebene die Hauptoberfläche ist, beschrieben, jedoch tritt, obwohl der Drucksensor konfiguriert ist, den Sensorabschnitt J10 einschließlich des Siliziumsubstrats J20, in dem eine 001-Ebene die Hauptoberfläche ist, zu beinhalten, das vorstehende Problem auf ähnliche Weise auf.
Ferner, da der Sensorabschnitt J10 durch das Tragelement J40 in dem Drucksensor freitragend ist, kann verglichen mit einem Fall, in dem die gesamte Rückseite des Sensorabschnitts J10 an das Tragelement J40 gebondet ist, die thermische Belastung, die in dem Diaphragma J24 erzeugt wird, wenn die externe Temperatur geändert wird, reduziert werden und Reduzierung von Druckerfassungsgenauigkeit kann unterdrückt werden.
Jedoch in dem Drucksensor, wenn die externe Temperatur geändert wird, kann die thermische Belastung, die in dem Diaphragma J24 erzeugt wird, reduziert jedoch nicht komplett entfernt werden. In diesem Fall wird eine große thermische Belastung in einem Abschnitt nahe dem festen Ende J21 in dem Diaphragma J24 erzeugt und eine thermische Belastung, die kleiner als die, die auf der Seite des festen Endes J21 erzeugt wird, wird in einem von dem festen Ende J21 in dem Diaphragma J24 beabstandeten Abschnitt erzeugt. Insbesondere wird die größte thermische Belastung in einem zentralen Abschnitt der ersten Seite J24a erzeugt, die auf der Seite des festen Endes J21 in dem Diaphragma J24 positioniert ist. Ferner ist in dem Drucksensor das erste piezoresistive Element J25a benachbart zum zentralen Abschnitt der ersten Seite J24a ausgebildet.
Somit, wenn die externe Temperatur geändert wird, werden andere thermische Belastungen auf das erste bis vierte piezoresistive Element J25a bis J25b ausgeübt, und somit wird eine Differenz zwischen den thermischen Belastungen, die auf das erste bis vierte piezoresistive Element J25a bis J25d ausgeübt werden, als Rauschen (Versatz bzw. ein sogenannter Offset) ausgegeben und die Druckerfassungsgenauigkeit wird reduziert. Insbesondere, da die große thermische Belastung auf das erste piezoresistive Element J25a ausgeübt wird, das benachbart zum zentralen Abschnitt der ersten Seite J24a ausgebildet ist, wird eine Differenz zwischen einer Widerstandswertänderung des ersten piezoresistiven Elements J25a und Widerstandswertänderungen der anderen zweiten bis vierten piezoresistiven Elemente J25b bis J25d groß.
LITERATUR DES STANDS DER TECHNIK
PATENTLITERATUR
Patentdokument 1: JP-A-2002-350260
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen Drucksensor bereitzustellen, in dem ein Sensorabschnitt freitragend ist und der ein nicht-lineares Sensorsignal unterdrücken kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet ein Drucksensor: einen Sensorabschnitt, der eine Richtung als eine Längsrichtung, ein Ende in der Längsrichtung als ein festes Ende und das andere Ende als ein freies Ende gegenüberliegend zu dem einen Ende aufweist, und ein dünnes Diaphragma und eine Mehrzahl piezoresistiver Elemente beinhaltet, die auf dem Diaphragma angeordnet ist, um eine Brückenschaltung bereitzustellen; und ein Tragelement, das das eine Ende des Sensorabschnitts befestigt. Das Diaphragma hat eine Form, die eine erste Seite einer äußeren Konturlinie aufweist, die die Längsrichtung orthogonal schneidet. Die erste Seite befindet sich auf einer Endseite. Die Mehrzahl piezoresistiver Elemente befindet sich in einer vorbestimmten Region außer einer Region um einen Mittelpunkt der ersten Seite des Diaphragmas herum.
In dem Drucksensor mit einer derartigen Konfiguration wird, da das Diaphragma eine äußeres Erscheinungsbild mit einer Seite auf einer Endseite aufweist, wenn eine externe Temperatur geändert wird, die größte thermische Belastung in einer Region (zentraler Abschnitt) um einen Mittelpunkt der einen Seite herum erzeugt, wobei jedoch die piezoresistiven Elemente in einer Region ausschließlich der Region um den Mittelpunkt der einen Seite herum ausgebildet sind. Somit kann verglichen mit dem Drucksensor des Standes der Technik, in dem die piezoresistiven Elemente in dem Abschnitt ausgebildet sind, in dem die größte thermische Belastung erzeugt wird, wenn die externe Temperatur verändert wird, die Differenz der thermischen Belastungen, die auf die jeweiligen piezoresistiven Elemente ausgeübt werden, reduziert werden und die Reduzierung von Druckerfassungsgenauigkeit kann unterdrückt werden.
Ferner wird in dem Drucksensor mit einer derartigen Konfiguration das Erfassungssignal, das von der Brückenschaltung ausgegeben wird, durch ein vorbestimmtes Vielfaches unter Verwendung einer Verstärkerschaltung verstärkt, und der Druck wird basierend auf dem verstärkten Signal gemessen. Somit wird ein Fehler des verstärkten Signals größer, da ein Absolutwert des Maximalwerts der thermischen Belastungen, die auf die entsprechenden piezoresistiven Elemente angewandt werden, größer wird. Jedoch kann in dem Drucksensor, da die piezoresistiven Elemente in der Region ausschließlich der Region um den Mittelpunkt der einen Seite herum ausgebildet sind, wenn die externe Temperatur geändert wird, der Absolutwert des Maximalwerts der thermischen Belastungen, die auf die piezoresistiven Elemente ausgeübt werden, reduziert werden. Somit kann die Reduzierung der Druckerfassungsgenauigkeit ferner unterdrückt werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet ein Drucksensor: einen Sensorabschnitt, der eine Richtung als eine Längsrichtung, ein Ende in der Längsrichtung als ein festes Ende und das andere Ende als ein freies Ende gegenüberliegend zu dem einen Ende aufweist, und ein dünnes Diaphragma und eine Mehrzahl piezoresistiver Elemente beinhaltet, die auf dem Diaphragma angeordnet ist, um eine Brückenschaltung auszubilden; und ein Tragelement, das das eine Ende des Sensorabschnitts befestigt. Das Diaphragma hat eine kreisförmige äußere Konturlinie. Eine gerade Linie, die parallel zur Längsrichtung ist und ein Zentrum des Diaphragmas passiert, schneidet eine äußere Konturlinie des Diaphragmas an zwei Schnittpunkten. Die Mehrzahl piezoresistiver Elemente ist in einer vorbestimmten Region ausschließlich einer Region um einen Schnittpunkt herum angeordnet, der an einer festen Endseite positioniert ist.
In dem Drucksensor mit einen derartigen Konfiguration kann die Differenz zwischen den thermischen Belastungen, die auf die entsprechenden bzw. jeweiligen piezoresistiven Elemente ausgeübt werden, reduziert werden und die Reduzierung der Druckerfassungsgenauigkeit kann unterdrückt werden.
Ferner kann in dem Drucksensor mit einer derartigen Konfiguration, wenn die externe Temperatur geändert wird, der Absolutwert des Maximalwerts der thermischen Belastungen, die auf die piezoresistiven Elemente ausgeübt werden, reduziert werden. Somit kann die Reduzierung der Druckerfassungsgenauigkeit ferner unterdrückt werden.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet ein Drucksensor: einen Sensorabschnitt, der eine Richtung als eine Längsrichtung, ein Ende in der Längsrichtung als ein festes Ende und das andere Ende als ein freies Ende gegenüberliegend zu dem einen Ende aufweist, und ein dünnes Diaphragma und eine Mehrzahl piezoresistiver Elemente beinhaltet, die auf dem Diaphragma angeordnet ist, um eine Brückenschaltung auszubilden, und ein Tragelement, das das eine Ende des Sensorabschnitts befestigt. Das Diaphragma hat eine äußere Konturlinie einer Dreiecksform. Die Dreiecksform hat einen vertikalen Winkel mit einer ersten bis dritten Seite. Der vertikale Winkel ist auf einer Endseite angeordnet. Die Mehrzahl piezoresistiver Elemente ist in einer vorbestimmten Region ausschließlich einer Region um den vertikalen Winkel herum angeordnet.
In dem Drucksensor mit einer derartigen Konfiguration kann die Differenz zwischen den thermischen Belastungen, die auf die jeweiligen piezoresistiven Elemente ausgeübt werden, reduziert werden und die Reduzierung der Druckerfassungsgenauigkeit kann unterdrückt werden.
Ferner, kann in dem Drucksensor mit einer derartigen Konfiguration, wenn die externe Temperatur geändert wird, der Absolutwert des Maximalwerts der thermischen Belastungen, die auf die piezoresistiven Elemente ausgeübt werden, reduziert werden. Somit kann die Reduzierung der Druckerfassungsgenauigkeit ferner unterdrückt werden.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet ein Drucksensor: einen Sensorabschnitt, der eine Richtung als eine Längsrichtung, ein Ende in der Längsrichtung als ein festes Ende und das andere Ende als ein freies Ende gegenüberliegend zu dem einen Ende aufweist, und ein dünnes Diaphragma und einen ersten bis vierten Messwiderstand beinhaltet, die sich auf dem Diaphragma befinden, um eine Brückenschaltung auszubilden; und ein Tragelement, das das eine Ende des Sensorabschnitts befestigt. Ein erstes bis viertes Paar piezoresistiver Elemente sind auf dem Diaphragma angeordnet. Jedes der piezoresistiven Elemente hat eine Widerstandswertänderungsrichtung, die eine Richtung angibt, in der ein Widerstandswert gemäß einer ausgeübten Kraft zunimmt oder abnimmt. Zwei piezoresistive Elemente jedes Paars haben entgegengesetzte Widerstandswertänderungsrichtungen. Das erste Paar beinhaltet ein erstes piezoresistives Element und ein fünftes piezoresistives Element, das zweite Paar beinhaltet ein zweites piezoresistives Element und ein sechstes piezoresistives Element, das dritte Paar beinhaltet ein drittes piezoresistives Element und ein siebtes piezoresistives Element und das vierte Paar beinhaltet ein viertes piezoresistives Element und ein achtes piezoresistives Element. Abstände zwischen piezoresistiven Elementen des ersten Paars und des zweiten Paars und dem Tragelement sind gleich zueinander. Abstände zwischen piezoresistiven Elementen des dritten Paars und des vierten Paars und dem Tragelement sind länger als die Abstände zwischen piezoresistiven Elementen des ersten Paars und des zweiten Paars und dem Tragelement und sind gleich zueinander. Der erste Messwiderstand beinhaltet einen kombinierten Widerstand, der durch serielles Verbinden des ersten piezoresistiven Elements und des achten piezoresistiven Elements bereitgestellt wird, und das erste piezoresistive Element und das achte piezoresistive Element haben eine gleiche Widerstandswertänderungsrichtung. Der zweite Messwiderstand beinhaltet einen kombinierten Widerstand, der durch serielles Verbinden des zweiten piezoresistiven Elements und des siebten piezoresistiven Elements bereitgestellt wird, und das zweite piezoresistive Element und das siebte piezoresistive Element haben eine gleiche Widerstandswertänderungsrichtung. Der dritte Messwiderstand beinhaltet einen kombinierten Widerstand, der durch serielles Verbinden des dritten piezoresistiven Elements und des sechsten piezoresistiven Elements bereitgestellt wird, und das dritte piezoresistive Element und das sechste piezoresistive Element haben eine gleiche Widerstandswertänderungsrichtung. Der vierte Messwiderstand beinhaltet einen kombinierten Widerstand beinhaltet, der durch serielles Verbinden des vierten piezoresistiven Elements und des fünften piezoresistiven Elements bereitgestellt wird, und das vierte piezoresistive Element und das fünfte piezoresistive Element haben eine gleiche Widerstandswertänderungsrichtung.
In dem Drucksensor ist jeder des ersten bis vierten Messwiderstands durch einen kombinierten Widerstand ausgebildet, in dem ein piezoresistives Element, auf das eine große thermische Belastung ausgeübt wird, und ein piezoresistives Element, auf das eine kleine thermische Belastung ausgeübt wird, seriell miteinander verbunden sind. Somit kann, wenn die thermische Belastung in dem Diaphragma erzeugt wird, die Differenz zwischen den Größen der thermischen Belastungen, die auf den ersten bis vierten Messwiderstand ausgeübt werden, reduziert werden. Demzufolge kann die Differenz zwischen den Größen von Widerstandswertänderungen aufgrund der thermischen Belastungen des ersten bis vierten Messwiderstands reduziert werden und das Auftreten eines nicht-linearen Sensorsignals kann eingeschränkt werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorstehenden und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Zusammenschau mit den Zeichnungen ersichtlicher.
Es zeigen:
[1] 1 eine Draufsicht eines Drucksensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
[2] 2 eine Querschnittsansicht entlang der Linie II-II von 1;
[3] 3 ein Schaltungsdiagramm einer Brückenschaltung, die durch einen ersten bis vierten Messwiderstand ausgebildet ist;
[4] 4 eine vergrößerte Ansicht eines in 1 dargestellten Diaphragmas;
[5] 5(a) ein Diagramm, das ein erstes piezoresistives Element illustriert, und 5(b) ein Diagramm, das ein fünftes piezoresistives Element illustriert;
[6] 6 eine Draufsicht eines Drucksensors des Stands der Technik;
[7] 7 ein Schaltungsdiagramm einer Brückenschaltung, die durch einen ersten bis vierten Messwiderstand ausgebildet ist, die in 6 dargestellt sind;
[8] 8 ein Diagramm, das eine Belastungsverteilung entlang Linie VIII-VIII von 6 illustriert;
[9] 9 ein Diagramm, das Widerstandswertänderungen des ersten bis vierten Messwiderstands, die in 6 dargestellt sind, illustriert;
[10] 10 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einem Sensorsignal eines Drucksensors und Temperatur im Stand der Technik illustriert;
[11] 11 ein Diagramm, das Widerstandswertänderungen des ersten bis vierten Messwiderstands, die in 3 dargestellt sind, illustriert;
[12] 12 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einem Sensorsignal eines in 1 dargestellten Drucksensors und Temperatur illustriert;
[13] 13(a) eine Draufsicht eines Diaphragmas in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, 13(b) ein Simulationsergebnis einer thermischen Belastung entlang einer Richtung B von 13(a) und 13(c) ein Simulationsergebnis einer thermischen Belastung in einer Richtung C von 13(a);
[14] 14(a) eine Draufsicht eines Diaphragmas, dessen Aspektverhältnis 1 ist, 14(b) ein Simulationsergebnis einer thermischen Belastung entlang einer Richtung D von 14(a) und 14(c) ein Simulationsergebnis einer thermischen Belastung in einer Richtung E von 14(a);
[15] 15(a) eine Draufsicht eines Diaphragmas, dessen Aspektverhältnis kleiner als 1 ist, 15(b) ein Simulationsergebnis einer thermischen Belastung in einer Richtung F von 15(a), 15(c) ein Simulationsergebnis einer thermischen Belastung in einer Richtung G von 15(a);
[16] 16 eine Draufsicht eines Diaphragmas gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
[17] 17(a) bis 17(e) Querschnittsansichten eines Sensorabschnitts gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
[18] 18(a) bis 18(e) Draufsichten eines Diaphragmas gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
[19] 19(a) bis 19(c) Draufsichten eines Diaphragmas gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
[20] 20(a) eine Draufsicht eines Drucksensors gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung und 20(b) eine Querschnittsansicht entlang XXB-XXB von 20(a);
[21] 21 ein Schaltungsdiagramm einer Brückenschaltung;
[22] 22 ein Simulationsergebnis, das eine thermische Belastung illustriert, die in einem Diaphragma erzeugt wird, wenn eine externe Temperatur 150°C ist;
[23] 23 ein Simulationsergebnis, das eine thermische Belastung illustriert, die in einem Diaphragma erzeugt wird, wenn eine externe Temperatur –40°C ist;
[24] 24 eine Draufsicht eines Diaphragmas gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
[25] 25 eine Draufsicht eines Drucksensors gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
[26] 26(a) eine Draufsicht eines Sensorabschnitts, dessen Aspektverhältnis eines Diaphragmas kleiner als 1 ist, und 26(b) und 26(c) Simulationsergebnisse, die thermische Belastungen illustrieren, die in dem Diaphragma erzeugt werden, wenn eine externe Temperatur 150°C ist;
[27] 27(a) eine Draufsicht eines Sensorabschnitts, bei dem ein Aspektverhältnis eines Diaphragmas 1 ist, und 27(b) und 27(c) Simulationsergebnisse, die thermische Belastungen illustrieren, die in dem Diaphragma erzeugt werden, wenn eine externe Temperatur 150°C ist;
[28] 28(a) eine Draufsicht eines Sensorabschnitts, bei dem ein Aspektverhältnis eines Diaphragmas größer als 1 ist, und 28(b) und 28(c) Simulationsergebnisse, die thermische Belastungen illustrieren, die in dem Diaphragma erzeugt werden, wenn eine externe Temperatur 150°C ist;
[29] 29 eine Draufsicht eines Drucksensors gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
[30] 30 ein Diagramm, das eine Querschnittszusammensetzung eines Sensorabschnitts gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung illustriert;
[31] 31 eine Draufsicht eines Diaphragmas gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
[32] 32 ein Simulationsergebnis, das eine thermische Belastung illustriert, die in einem Diaphragma gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung erzeugt wird; und
[33] 33 eine Draufsicht, die ein Diaphragma gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung illustriert.
AUSFÜHRUNGSFORMEN ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
(Erste Ausführungsform)
Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird erläutert. Wie in 1 und 2 dargestellt ist, beinhaltet ein Drucksensor einen Sensorabschnitt 10 und ein Tragelement 40, das aus einem Harzmaterial oder dergleichen ausgebildet ist, und den Sensorabschnitt 10 frei trägt.
Der Sensorabschnitt 10 beinhaltet ein Siliziumsubstrat 20 und eine Basis 30 wie beispielsweise ein Glassubstrat und hat eine rechtwinkelige Parallelepipedform, in der eine Richtung eine Längsrichtung ist. Ein Ende der Längsrichtung ist ein festes Ende 21 und das andere Ende gegenüberliegend zu dem einen Ende ist ein freies Ende 22. Ferner ist das feste Ende 21 an das Tragelement 40 durch ein Bondelement 50 wie beispielsweise einen Klebstoff gebondet. Das heißt, der Sensorabschnitt 10 wird durch das Tragelement 40 frei getragen. Die Längsrichtung des Sensorabschnitts 10 bezieht sich auf eine Richtung entlang der 110-Richtung.
Das Siliziumsubstrat 20 ist in der rechtwinkeligen Parallelepipedform ausgebildet. In der vorliegenden Ausführungsform entspricht eine Hauptoberfläche desselben der 001-Ebene und die 110-Achse und die –110-Achse sind orthogonal zueinander auf der Hauptoberfläche. Ferner wird in dem Siliziumsubstrat 20 eine Vertiefung, die einen trapezartigen Querschnitt aufweist, die durch Ausführen von anisotropem Ätzen oder dergleichen auf der Vorderseite ausgebildet wird, auf der Seite des freien Endes 22 bezüglich der Seite des festen Endes 21 ausgebildet, so dass ein Diaphragma 24 durch einen dünnen Abschnitt gemäß der Vertiefung 23 ausgebildet ist.
Der Grund, warum das Diaphragma 24 auf der Seite des freien Endes 22 ausgebildet ist, ist, da thermische Belastung, die in dem Diaphragma 24 erzeugt wird, wenn eine externe Temperatur geändert wird, verglichen mit einem Fall abnimmt, in dem das Diaphragma 24 auf der Seite des festen Endes 21 ausgebildet ist.
In der vorliegenden Ausführungsform hat das Diaphragma 24 eine Konfiguration, in der eine erste bis vierte Seite 24a bis 24b einer äußeren Konturlinie (Linie, die in 1a durch eine gestrichelte Linie angegeben ist) parallel zur 110-Richtung sind und eine planare Form davon eine Quadratform ist. Insbesondere sind die erste Seite 24a und die dritte Seite 24c, die einander unter der ersten bis vierten Seite 24a bis 24d gegenüberliegen, parallel zur –110-Richtung und die zweite Seite 24b und die vierte Seite 24d, die einander gegenüberliegen, sind parallel zur 110-Richtung. Ferner ist das Diaphragma 24 so ausgebildet, dass sich die erste Seite 24a auf der Seite des festen Endes 21 befindet.
Ferner ist das Diaphragma 24 so ausgebildet, dass eine Achse, die die Mitte des Siliziumsubstrats 20 passiert, und sich in der 110-Richtung erstreckt, die Mitte des Diaphragmas 24 passiert. In anderen Worten ist das Diaphragma 24 mit Bezug auf die 110-Achse, die das Zentrum des Siliziumsubstrats 20 passiert, symmetrisch ausgebildet.
In der vorliegenden Ausführungsform entspricht die 110-Richtung einer ersten Richtung der vorliegenden Offenbarung und die –110-Richtung entspricht einer zweiten Richtung der vorliegenden Offenbarung.
Ferner sind ein erster bis vierter Messwiderstand 25a bis 25d, bei denen ein Widerstandswert durch Belastung variiert, vorgesehen, um eine Wheatstone'sche Brückenschaltung (nachfolgend einfach als eine Brückenschaltung bezeichnet) auf dem Diaphragma 24 auszubilden, wie in 3 dargestellt ist. Nachfolgend werden der erste bis vierte Messwiderstand 25a bis 25d im Detail erläutert.
Der erste bis vierte Messwiderstand 25a bis 25d sind unter Verwendung eines ersten bis achten piezoresistiven Elements 26a bis 26h ausgebildet. Wie in 4 dargestellt ist, sind das erste bis achte piezoresistive Element 26a bis 26h auf dem Diaphragma 24 als jeweilige Sätze aus zwei piezoresistiven Elementen ausgebildet, in denen ein Anstieg und ein Abstieg von Widerstandswerten gemäß einer ausgeübten Kraft entgegengesetzt sind.
In der vorliegenden Ausführungsform werden das erste piezoresistive Element 26a und das fünfte piezoresistive Element 26e als ein erstes Paar verwendet, das zweite piezoresistive Element 26b und das sechste piezoresistive Element 26f werden als ein zweites Paar verwendet, das dritte piezoresistive Element 26c und das siebte piezoresistive Element 26g werden als ein drittes Paar verwendet und das vierte piezoresistive Element 26d und das achte piezoresistive Element 26h werden als ein viertes Paar verwendet. Ferner ist das erste Paar aus dem ersten piezoresistiven Element 26a und dem fünften piezoresistiven Element 26e benachbart zu einem zentralen Abschnitt der zweiten Seite 24b des Diaphragmas 24 ausgebildet und das zweite Paar aus dem zweiten piezoresistiven Element 26b und dem sechsten piezoresistiven Element 26f ist benachbart zu einem zentralen Abschnitt der vierten Seite 24d ausgebildet. Abstände zu dem Tragelement 20 von den zwei Paaren der piezoresistiven Elemente 26a, 26e, 26d und 26f sind gleich zueinander. Zusätzlich sind Abstände zu dem Tragelement 40 von dem dritten Paar aus dem dritten piezoresistiven Element 26c und dem siebten piezoresistiven Element 26g und dem vierten Paar aus dem vierten piezoresistiven Element 26d und dem achten piezoresistiven Element 26h, die benachbart zu einem zentralen Abschnitt der dritten Seite 24c des Diaphragmas 24 ausgebildet sind, gleich zueinander.
In anderen Worten sind das erste bis achte piezoresistive Element 26a bis 26h der vorliegenden Ausführungsform in einer Region ausschließlich einer Region um einen Mittelpunkt der ersten Seite 24a herum in dem Diaphragma 24 ausgebildet. Das heißt, das erste bis achte piezoresistive Element 26a bis 26h sind in einer Region ausschließlich der Umgebung des Mittelpunkts der ersten Seite 24a ausgebildet und sind so ausgebildet, dass sie nicht in Kontakt mit dem Mittelpunkt der ersten Seite 24a sind. Das heißt, das erste bis achte piezoresistive Element 26a bis 26h sind in einer Region ausschließlich eines Abschnitts ausgebildet, bei dem die größte thermische Belastung in dem Diaphragma 24 erzeugt wird, wenn die externe Temperatur geändert wird. In anderen Worten sind alle der ersten bis achten piezoresistiven Elemente 26a bis 26h auf der Seite des freien Endes 22 in dem Diaphragma 24 ausgebildet.
Der Grund, warum das erste bis achte piezoresistive Element 26a bis 26h benachbart zu zentralen Abschnitten der zweiten Seite 24b bis vierten Seite 24d ausgebildet sind, ist, da, wenn die Hauptoberfläche des Siliziumsubstrats 20 die 001-Ebene ist, die zentralen Abschnitte der zweiten Seite 24b bis vierten Seite 24d einfach deformiert werden, wenn Druck auf das Diaphragma 24 ausgeübt wird.
Das erste bis achte piezoresistive Element 26a bis 26h sind in einer Zickzackform ausgebildet, in der gerade Segmente, die sich in einer Richtung erstrecken, wiederholt an ihren Endteilen gebogen sind und dieselbe Größe aufweisen. Insbesondere haben das erste bis vierte piezoresistive Element 26a bis 26d die geraden Segmente, die sich in der –110-Richtung erstrecken, und das fünfte bis achte piezoresistive Element 26e bis 26h haben die geraden Segmente, die sich in der 110-Richtung erstrecken. Somit nehmen in dem ersten, zweiten, siebten und achten piezoresistiven Element 26a, 26b, 26g und 26h die Widerstandswerte gemäß der Kraft zu, die in dem Diaphragma 24 erzeugt wird, und in dem dritten, vierten, fünften und sechsten piezoresistiven Element 26c, 26d, 26e und 26f nehmen die Widerstandswerte gemäß der Kraft ab, die in dem Diaphragma 24 erzeugt wird.
Ferner sind das erste bis achte piezoresistive Element 26a bis 26h so ausgebildet, dass eine Region A, die die geraden Segmente umgibt, was die Widerstandswerte bestimmt, in einer Quadratform ausgebildet ist. Das heißt, wie in 5 dargestellt ist, haben gemäß dem ersten piezoresistiven Element 26a und dem fünften piezoresistiven Element 26e das erste piezoresistive Element 26a und das fünfte piezoresistive Element 26e Formen, die gleich werden, wenn sie um 90° gedreht werden und haben die gleiche Empfindlichkeit.
Ferner sind der erste bis vierte Messwiderstand 25a bis 25d durch das erste bis achte piezoresistive Element 26a bis 26h ausgebildet, die wie vorstehend beschrieben ausgebildet sind. Insbesondere, wie in 3 dargestellt, ist der erste Messwiderstand 25a durch serielles Verbinden des ersten piezoresistiven Elements 26a und des achten piezoresistiven Elements 26h ausgebildet und der zweite Messwiderstand 25b ist durch serielles Verbinden des zweiten piezoresistiven Elements 26b und des siebten piezoresistiven Elements 26g ausgebildet. Ferner ist der dritte Messwiderstand 25c durch serielles Verbinden des dritten piezoresistiven Elements 26c und des sechsten piezoresistiven Elements 26f ausgebildet und der vierte Messwiderstand 25b ist durch serielles Verbinden des vierten piezoresistiven Elements 26d und des fünften piezoresistiven Elements 26e ausgebildet.
Das heißt, der erste bis vierte Messwiderstand 25a bis 25d sind durch einen kombinierten Widerstand ausgebildet, wobei ein piezoresistives Element in dem ersten Paar und dem zweiten Paar und ein piezoresistives Element in dem dritten Paar und dem vierten Paar, bei denen ein Vorzeichen der Zunahme oder Abnahme des Widerstandswerts gemäß der ausgeübten Kraft das gleiche wie in dem einen piezoresistiven Element in dem ersten Paar und dem zweiten Paar ist, seriell miteinander verbunden werden.
Ferner wird in der vorliegenden Ausführungsform ein Konstantstrom von einem gemeinsamen Verbindungspunkt des zweiten Messwiderstands 25b und des dritten Messwiderstands 25c bereitgestellt und Druck wird aus einer Potentialdifferenz zwischen einem gemeinsamen Verbindungspunkt des ersten Messwiderstands 25a und des dritten Messwiderstands 25c und einem gemeinsamen Verbindungspunkt des zweiten Messwiderstands 25b und des vierten Messwiderstands 25d erfasst.
Das erste bis achte piezoresistive Element 26a bis 26h sind miteinander durch nicht dargestellte Verbindungen wie beispielsweise eine Diffusionsverbindung, die auf dem Siliziumsubstrat 20 ausgebildet ist, oder eine Metallverbindung, die auf dem Siliziumsubstrat 20 ausgebildet ist, elektrisch verbunden. In diesem Fall können die Verbindungen innerhalb des Diaphragmas 24 oder außerhalb des Diaphragmas 24 ausgebildet sein.
Ferner repräsentieren in 3 Pfeile, die auf der Ebene der Figur aufwärts gerichtet sind und über dem ersten Messwiderstand 25a und dem zweiten Messwiderstand 25b dargestellt sind, dass die Widerstandswerte zunehmen, wenn Kraft auf das Diaphragma 24 ausgeübt wird, und Pfeile, die auf der Ebene der Figur abwärts gerichtet sind und über dem dritten Messwiderstand 25c und dem vierten Messwiderstand 25d dargestellt sind, repräsentieren, dass die Widerstandswerte abnehmen, wenn Kraft auf das Diaphragma 24 ausgeübt wird.
Ferner, wie in 2 dargestellt ist, ist die rechtwinkelige parallelepipedförmige Basis 30, die durch ein Glassubstrat, ein Siliziumsubstrat oder dergleichen ausgebildet ist, an eine Rückseite des Siliziumsubstrats 20 gebondet. Eine Vertiefung 31 ist in einer Region der Basis 30 ausgebildet, die der Bodenseite der Vertiefung 23 gegenüberliegt. Somit ist eine Druckreferenzkammer 27 durch die Vertiefung 31 und das Siliziumsubstrat 20 ausgebildet. In der vorliegenden Ausführungsform hat die Druckreferenzkammer 27 einen Vakuumdruck aber kann beispielsweise Atmosphärendruck aufweisen.
In der vorliegenden Ausführungsform hat der Drucksensor die vorstehend beschriebene Konfiguration. Als Nächstes wird ein Sensorsignal, wenn die thermische Belastung auf dem Sensorabschnitt 10 ausgeübt wird, verglichen mit einem Drucksensor des Stands der Technik beschrieben.
Als Erstes wird der Drucksensor des Standes der Technik beschrieben. In dem Drucksensor des Standes der Technik, wie in 6 und 7 dargestellt ist, ist ein Diaphragma J24 mit derselben Form wie der des Diaphragmas 24 der vorliegenden Ausführungsform ausgebildet und ein erster bis vierter Messwiderstand J25a bis J25d sind benachbart zu zentralen Abschnitten einer ersten Seite J24a bis vierten Seite J24d ausgebildet, um eine Brückenschaltung auszubilden.
Ferner, wenn eine thermische Belastung in dem Diaphragma J24 erzeugt wird, wie in 8 dargestellt ist, ist die thermische Belastung auf der Seite der ersten Seite J24a (Seite des festen Endes 21) maximal und nimmt hin zur Seite der dritten Seite J24c (Seite des freien Endes 22) graduell ab. Somit entstehen Widerstandswertänderungen des ersten bis vierten Messwiderstands J25a bis J25e, wie in 9 dargestellt ist, derart, dass die Größe (ΔRa) der Widerstandswertänderung des ersten Messwiderstands J25a größer als die Größen (ΔRb) der Widerstandswertänderungen des zweiten Messwiderstands J25b und des vierten Messwiderstands J25d werden und die Größen (ΔRb) der Widerstandswertänderungen des zweiten Messwiderstandswert J25b und des vierten Messwiderstands J25d größer als die Größe (ΔRc) der Widerstandswertänderung des dritten Messwiderstands J25c werden. Ferner ist der Widerstandswert Ra des ersten Messwiderstands J25a als die folgende Gleichung angegeben.
(Gleichung 1)

Ra = R – ΔRa

Hierbei repräsentiert R einen Referenzwiderstandswert und die Größe der Widerstandswertänderung ist durch einen Absolutwert repräsentiert. Ferner sind der Widerstandswert Rb des zweiten Messwiderstands J25b und der Widerstandswert Rd des vierten Messwiderstands J25d durch die folgende Gleichung angegeben.
(Gleichung 2)

Rb = Rd = R + ΔRb

Ferner ist der Widerstandswert Rc des dritten Messwiderstands J25c durch die folgende Gleichung angegeben.
(Gleichung 3)

Rc = R – ΔRc

Somit ist die Sensorsignalausgabe vom Drucksensor des Stands der Technik wie folgt angegeben.
(Gleichung 4)

Δv = (R + ΔRb)·(R + ΔRb) – (R – ΔRa)·(R – ΔRc) / (R – ΔRa) + (R + ΔRb) + (R – ΔRc) + (R + ΔRb)·I = 2R·ΔRb + ΔRb² + R·ΔRa + R·ΔRc – ΔRa·ΔRc / 4R + 2ΔRb – ΔRa – ΔRc

Demzufolge wird in dem Drucksensor des Stands der Technik das Sensorsignal bezüglich der Temperatur nicht linear, wie in 10 dargestellt ist.
Andererseits sind in der vorliegenden Ausführungsform, da das erste Paar aus dem ersten piezoresistiven Element 26a und dem fünften piezoresistiven Element 26e benachbart zum zentralen Abschnitt der zweiten Seite 24b ausgebildet ist, und das zweite Paar aus dem zweiten piezoresistiven Element 26b und dem sechsten piezoresistiven Element 26f benachbart zum zentralen Abschnitt der vierten Seite 24d ausgebildet ist, thermische Belastungen, die auf das erste Paar aus dem ersten piezoresistiven Element 26a und dem fünften piezoresistiven Element 26e und das zweite Paar aus dem zweiten piezoresistiven Element 26b und dem sechsten piezoresistiven Element 26f ausgeübt werden, annähernd die gleichen. Ferner sind, da das dritte Paar aus dem dritten piezoresistiven Element 26c und dem siebten piezoresistiven Element 26g und das vierte Paar aus dem vierten piezoresistiven Element 26d und dem achten piezoresistiven Element 26f benachbart zum zentralen Abschnitt der dritten Seite 24c ausgebildet sind, thermische Belastungen, die auf das dritte, siebte, vierte und achte piezoresistive Element 26c, 26g, 26d und 26f ausgeübt werden, annähernd dieselben.
Ferner sind der erste bis vierte Messwiderstand 25a bis 25d durch kombinierte Widerstände ausgebildet, wobei das erste piezoresistive Element bis achte piezoresistive Element 26a bis 26h angemessen seriell miteinander verbunden sind, wie vorstehend beschrieben ist. Das heißt, der erste bis vierte Messwiderstand 25a bis 25d sind so ausgebildet, dass das erste, zweite, fünfte und sechste piezoresistive Element 26a, 26b, 26e und 26f, in denen die Größe des Widerstandswert groß ist, und das dritte, vierte, siebte und achte piezoresistive Element 26b, 26d, 26g, 26h, in denen die Größe der Widerstandswertänderung klein ist, seriell verbunden sind. Somit, wenn die thermische Belastung in dem Diaphragma 24 erzeugt wird, haben in dem ersten bis vierten Messwiderstand 25a bis 25d, wie in 11 dargestellt ist, die Größen der Widerstandswertänderungen annähernd denselben Wert ΔR. Demzufolge wird das Sensorsignal durch die folgende Gleichung angegeben.
(Gleichung 5)

ΔV = ΔR·I

Somit kann in dem Drucksensor der vorliegenden Ausführungsform, wie in 12 dargestellt ist, das Auftreten des nicht-linearen Sensorsignals bezüglich der Temperatur unterdrückt werden. Hierbei wird ein Beispiel erläutert, in dem die Brückenschaltung mit Konstantstrom versorgt wird, jedoch wird dieselbe Wirkung ebenso erlangt, wenn die Brückenschaltung mit einer Konstantspannung versorgt wird.
Wie vorstehend beschrieben ist, sind in dem Drucksensor der vorliegenden Ausführungsform der erste bis vierte Messwiderstand 25a bis 25d durch den kombinierten Widerstand ausgebildet, wobei das erste bis achte piezoresistive Element 26a bis 26h angemessen seriell miteinander verbunden sind. Somit kann, wenn die thermische Belastung in dem Diaphragma 24 erzeugt wird, die Differenz zwischen den Größen der thermischen Belastungen, die auf den ersten bis vierten Messwiderstand 25a bis 25d ausgeübt werden, reduziert werden. Demzufolge kann die Differenz zwischen den Widerstandswertänderungen aufgrund der thermischen Belastungen des ersten bis vierten Messwiderstands 25a bis 25d reduziert werden und das Auftreten des nicht-linearen Sensorsignals kann unterdrückt werden. Ferner kann, da das Auftreten des nicht-linearen Sensorsignals unterdrückt werden kann, wenn eine Temperatureigenschaftskorrektur unter Verwendung einer externen Schaltung ausgeführt wird, die Temperatureigenschaftskorrektur ausgeführt werden, indem nur ein Temperaturkompensationswiderstand oder dergleichen bereitgestellt wird, und die Berechnungskomplexität beim Ausführen der Temperatureigenschaftskorrektur kann unterdrückt werden.
Ferner hat das Diaphragma 24 die Form, die symmetrisch bezüglich der 110-Achse ist, die das Zentrum des Lithiumsubstrats 20 passiert. Somit kann, wenn die thermische Belastung in dem Diaphragma 24 erzeugt wird, die Differenz zwischen der thermischen Belastung, die auf das erste piezoresistive Element 26a und das fünfte piezoresistive Element 26e ausgeübt wird, und der thermischen Belastung, die auf das zweite piezoresistive Element 26b und das sechste piezoresistive Element 26f ausgeübt wird, reduziert werden.
Ferner sind in der vorliegenden Ausführungsform das erste piezoresistive Element 26a und das achte piezoresistive Element 26h in der Region um den Mittelpunkt der ersten Seite 24a herum in dem Diaphragma 24 ausgebildet. Somit kann das Auftreten des nicht-linearen Sensorsignals unterdrückt werden.
Das heißt, das Auftreten des nicht-linearen Sensorsignals kann durch Ausbilden des ersten bis vierten Messwiderstands 25a bis 25b wie vorstehend beschrieben unterdrückt werden, jedoch sind beispielsweise, da das erste piezoresistive Element 26a und das fünfte piezoresistive Element 26e parallel zur 110-Richtung angeordnet sind, die thermischen Belastungen, die auf das erste piezoresistive Element 26a und das fünfte piezoresistive Element 26e ausgeübt werden, etwas unterschiedlich zueinander. Somit können durch Ausbilden des ersten piezoresistiven Elements bis achten piezoresistiven Elements 26a bis 26h in der Region ausschließlich der Region um den Mittelpunkt der ersten Seite 24a herum, wo die maximale Belastung auf das Diaphragma 24 ausgeübt wird, die Größen der thermischen Belastungen, die auf das erste bis achte piezoresistive Element 26a bis 26h ausgeübt werden, reduziert werden. Das heißt, die Differenz zwischen den Größen der thermischen Belastungen, die auf das erste bis achte piezoresistive Element 26a bis 26h ausgeübt werden, können reduziert werden, und somit kann die Differenz zwischen den Größen der thermischen Belastungen, die auf den ersten bis vierten Messwiderstand 25a bis 25d ausgeübt werden, reduziert werden. Somit kann das Auftreten des nicht-linearen Sensorsignals ferner unterdrückt werden.
Ferner ist in der vorliegenden Ausführungsform das Diaphragma 24 auf der Seite des freien Endes 22 auf dem Siliziumsubstrat 20 ausgebildet. Somit kann die thermische Belastung, die ausgehend vom Tragelement 40 zwischen dem Diaphragma 24 und dem Tragelement 40 auf dem Siliziumsubstrat 20 ausgeübt wird, entspannt werden, und somit kann die thermische Belastung, die in dem Diaphragma 24 erzeugt wird, reduziert werden.
(Zweite Ausführungsform)
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird erläutert. Ein Drucksensor gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist derart konfiguriert, dass die Form des Diaphragmas 40 verglichen zur ersten Ausführungsform geändert wird. Da die anderen Konfigurationen derselben dieselben wie in der ersten Ausführungsform sind, wird deren Beschreibung nicht wiederholt.
Wie in 13(a) bis 13(c) dargestellt ist, wenn das Verhältnis von (Länge in –110-Richtung)/(Länge in 110-Richtung) als ein Aspektverhältnis repräsentiert ist, ist das Diaphragma 24 in einer rechtwinkeligen Form ausgebildet, deren Aspektverhältnis größer als 1 ist. In einem derartigen Drucksensor kann, wenn eine externe Temperatur geändert wird, die thermische Belastung, die in dem Diaphragma 24 erzeugt wird, reduziert werden. Das heißt, die thermischen Belastungen, die auf dem ersten bis vierten Messwiderstand 25a bis 25d ausgeübt werden, können reduziert werden.
Das heißt, wie in 14(a) bis 14(c) dargestellt ist, wenn das Diaphragma 24, dessen Aspektverhältnis 1 ist, als eine Referenz verwendet wird, wie in 13(a) bis 13(c) dargestellt ist, nimmt in dem Diaphragma 24 dessen Aspektverhältnis größer als 1 ist, die thermische Belastung, die zu dem piezoelektrischen Resistenzeffekt beiträgt, ab, jedoch wie in 15(a) bis 15(c) dargestellt ist, nimmt in dem Diaphragma 24, dessen Aspektverhältnis kleiner als 1 ist, die thermische Belastung, die zum piezoelektrischen Resistenzeffekt beiträgt, zu.
In 13(b) und 13(c), 14(b) und 14(c) und 15(b) und 15(c) repräsentiert ein Kreis eine thermische Belastung in der 110-Richtung, ein Quadrat repräsentiert eine thermische Belastung in der –110-Richtung und ein Dreieck repräsentiert eine thermische Belastung, die zum piezoelektrischen Resistenzeffekt beiträgt (in der Figur einfach als Beitragungsbelastung dargestellt). Ferner bezeichnen 13(b) und 13(c), 14(b) und 14(c) und 15(b) und 15(c) Simulationsergebnisse, wenn die externe Temperatur 150°C ist.
Der Grund dafür wird wie folgt angenommen. Das heißt, dass, da der Sensorabschnitt 10 in der rechtwinkeligen Parallelepipedform unter Verwendung der 110-Richtung als die Längsrichtung ausgebildet ist und das feste Ende 21 an dem Tragelement 40 befestigt ist, der Sensorabschnitt 10, wenn die externe Temperatur geändert wird, einfach bezüglich der Achse der –110-Richtung gebogen wird. Das heißt, das freie Ende 22 ist in der vertikalen Richtung einfach versetzbar. Ferner ändert sich die Richtung, wo das Diaphragma 24 einfach gebogen wird, gemäß dem Aspektverhältnis. Das heißt, wenn das Aspektverhältnis größer als 1 ist, wird das Diaphragma 24 einfach mit Bezug auf die Achse der 110-Richtung gebogen und wenn das Aspektverhältnis kleiner als 1 ist, wird das Diaphragma 24 einfach mit Bezug auf die Achse der –110-Richtung gebogen.
Das heißt, in dem Diaphragma 24, dessen Aspektverhältnis gleich oder kleiner als 1 ist, wenn die externe Temperatur geändert wird, sind die Richtung, wo der Sensorabschnitt 10 einfach gebogen wird, und die Richtung, wo das Diaphragma 24 einfach gebogen wird, dieselbe und somit nimmt die thermische Belastung zu, die in dem Diaphragma 24 erzeugt wird. Andererseits nimmt in dem Diaphragma 24, dessen Aspektverhältnis größer als 1 ist, da die Richtung, wo der Sensorabschnitt 10 einfach gebogen wird, und die Richtung, wo das Diaphragma 24 einfach gebogen wird, sich schneiden, die thermische Belastung, die in dem Diaphragma 24 erzeugt wird, verglichen mit dem Drucksensor, dessen Aspektverhältnis gleich oder kleiner als 1 ist, ab.
Demzufolge kann in der vorliegenden Ausführungsform die thermische Belastung, die in dem Diaphragma 24 erzeugt wird, reduziert werden und das Auftreten des nicht-linearen Sensorsignals kann unterdrückt werden.
(Dritte Ausführungsform)
Eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird beschrieben. Ein Drucksensor der vorliegenden Ausführungsform ist derart konfiguriert, dass die Oberflächenorientierung der Hauptoberfläche des Siliziumsubstrats 20 verglichen zur ersten Ausführungsform geändert ist. Da die anderen Konfigurationen der dritten Ausführungsform dieselben wie die der ersten Ausführungsform sind, wird deren Beschreibung nicht wiederholt.
Wie in 16 dargestellt ist, hat das Siliziumsubstrat 20 der vorliegenden Ausführungsform eine Hauptoberfläche der 011-Ebene. Auf der Hauptoberfläche liegen die 01-1-Achse und die 100-Achse so vor, dass sie orthogonal zueinander sind. Auf diese Weise, tritt, wenn das Siliziumsubstrat 20, dessen Hauptoberfläche die 011-Ebene ist, verwendet wird, wenn Druck auf das Diaphragma 24 von einem Messmedium ausgeübt wird, eine große Differenz zwischen einer zentralen Region und einer peripheren Region entlang der 01-1-Achsenrichtung ausgehend vom Zentrum auf.
Demzufolge sind in der vorliegenden Ausführungsform das erste Paar aus dem ersten piezoresistiven Element 26 und dem fünften piezoresistiven Element 26e und das zweite Paar aus dem zweiten piezoresistiven Element 26b und dem sechsten piezoresistiven Element 26f am zentralen Abschnitt des Diaphragmas 24 ausgebildet.
Sogar wenn das Substrat, dessen Hauptoberfläche die 011-Ebene ist, als das Siliziumsubstrat 20 verwendet wird, wie vorstehend beschrieben ist, kann, wenn der erste bis vierte Messwiderstand 25a bis 25d durch die kombinierten Widerstände, in denen das erste piezoresistive Element bis achte piezoresistive Element 26a bis 26h angemessen seriell miteinander verbunden werden, dieselbe Wirkung erlangt werden.
(Weitere Ausführungsformen)
In den vorstehend beschriebenen jeweiligen Ausführungsformen ist ein Beispiel erläutert, in dem das feste Ende 21 des Sensorabschnitts 10 an das Tragelement 40 durch das Bondingelement 50 gebondet ist. Jedoch kann beispielsweise das feste Ende 21 des Sensorabschnitts 10 durch Harz abgedichtet sein, um an dem Tragelement 40 befestigt zu sein.
Ferner können in den vorstehend beschriebenen jeweiligen Ausführungsformen das erste Paar aus dem ersten piezoresistiven Element 26a und dem fünften piezoresistiven Element 26e und das zweite Paar aus dem zweiten piezoresistiven Element 26b und dem sechsten piezoresistiven Element 26f benachbart zum zentralen Abschnitt der ersten Seite 24a in dem Diaphragma 24 ausgebildet sein. Ferner können das dritte Paar aus dem dritten piezoresistiven Element 26c und dem siebten piezoresistiven Element 26g und das vierte Paar aus dem vierten piezoresistiven Element 26b mit dem achten piezoresistiven Element 26h benachbart zum zentralen Abschnitt der dritten Seite 24c in dem Diaphragma 24 ausgebildet sein. Ähnlich können das erste Paar aus dem ersten piezoresistiven Element 26a und dem fünften piezoresistiven Element 26b benachbart zum zentralen Abschnitt der zweiten Seite 24b in dem Diaphragma 24 ausgebildet sein und das zweite Paar aus dem zweiten piezoresistiven Element 26b und dem sechsten piezoresistiven Element 26f kann benachbart zum zentralen Abschnitt der vierten Seite 24d in dem Diaphragma ausgebildet sein. Das dritte Paar aus dem dritten piezoresistiven Element 26c und dem siebten piezoresistiven Element 26g und das vierte Paar aus dem vierten piezoresistiven Element 26d und dem achten piezoresistiven Element 26h können benachbart zum zentralen Abschnitt der ersten Seite 24a in dem Diaphragma 24 sein.
Ferner ist in den vorstehend beschriebenen jeweiligen Ausführungsformen ein Beispiel, in dem der Sensorabschnitt 10 das Siliziumsubstrat 20, in dem die Vertiefung 23 auf dessen Vorderseite ausgebildet ist, und die Basis 30 beinhaltet, die an die Rückseite des Siliziumsubstrats 20 gebondet ist, beschrieben. Jedoch kann beispielsweise der Sensorabschnitt 10 die folgende Konfiguration aufweisen.
Wie in 17(a) dargestellt ist, kann die Vertiefung 23, die einen trapezartigen Querschnitt aufweist, ausgehend von der Rückseite des Siliziumsubstrats 20 ausgebildet sein, um das Diaphragma 24 zu konfigurieren. Ferner, wie in 17(b) dargestellt ist, kann als ein Modifikationsbeispiel von 17(a) die Vertiefung 23 einen rechtwinkeligen Querschnitt aufweisen. Zusätzlich, wie in 17(c) dargestellt ist, kann das Siliziumsubstrat 20 dünn gemacht werden, die Vertiefung 31 kann in der Basis 30 ausgebildet werden und das Diaphragma 24 kann in einer Region des Siliziumsubstrats 20 ausgebildet werden, das der Vertiefung 31 gegenüberliegt. Ferner, wie in 17(d) dargestellt ist, kann als ein Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform der Querschnitt der Vertiefung 23, die ausgehend von der Vorderseite des Siliziumsubstrats 20 ausgebildet ist, eine rechtwinkelige Form sein. Ferner, wie in 17(e) dargestellt ist, kann der Sensorabschnitt 10 nur durch das Siliziumsubstrat 20 ausgebildet sein, und eine Kavität 28, die die Druckreferenzkammer 27 ausbildet, kann innerhalb des Siliziumsubstrats 20 ausgebildet sein. Das Siliziumsubstrat 20 ist durch Ausbilden einer Vertiefung auf einer Vorderseite eines aus Silizium ausgebildeten Substrats und dann durch Ausbilden einer Epitaxieschicht auf dem Substrat zum Blockieren der Vertiefung unter Verwendung eines LPCVD-Verfahrens oder dergleichen, so dass die Kavität 28 durch die Vertiefung ausgebildet wird, hergestellt.
Ferner ist in der ersten und dritten Ausführungsform ein Beispiel beschrieben, in dem das Diaphragma 24 quadratförmig ist, wobei jedoch die Form des Diaphragmas 24 nicht darauf beschränkt ist.
Beispielsweise, wie in 18(a) dargestellt ist, kann das Diaphragma 24 in einer oktogonalen Form ausgebildet sein, die eine erste bis vierte Seite 24a bis 24d, eine fünfte Seite 24e, die die erste Seite 24a und die zweite Seite 24b verbindet, eine sechste Seite 24f, die die zweite Seite 24b und die dritte Seite 24c verbindet, eine siebte Seite 24g, die die dritte Seite 24c und die vierte Seite 24d verbindet, und eine achte Seite 24h aufweist, die die vierte Seite 24d und die erste Seite 24a verbindet. Ferner, wie in 18(b) dargestellt ist, kann das Diaphragma 24 in einer trapezartigen Form ausgebildet sein, die die erste bis vierte Seite 24a bis 24d aufweist, wobei die erste Seite 24a kürzer als die dritte Seite 24c ist. Obwohl nicht speziell dargestellt ist, kann eine trapezartige Form, in der die dritte Seite 24c kürzer als die erste Seite 24a ist, verwendet werden.
Ferner, wie in 18(c) dargestellt ist, kann das Diaphragma 24 in einer Kreisform ausgebildet sein. In diesem Fall können das erste bis achte piezoresistive Element 26a bis 26h in einer Region ausschließlich einer Region um einen Schnittpunkt herum, der auf der Seite des festen Endes 21 platziert ist, unter Schnittpunkten, wo eine gerade Linie, die parallel zur 110-Richtung ist und das Zentrum des Diaphragmas 24 passiert, eine äußere Konturlinie schneidet, die die äußere Erscheinung des Diaphragmas 24 ausbildet, ausgebildet sein. Das heißt, wenn die externe Temperatur geändert wird, können, da die größte thermische Belastung in einem zum festen Ende 21 in dem Diaphragma 24 im ersten Abschnitt erzeugt wird, das erste bis achte piezoresistive Element 26a bis 26h in einer Region ausschließlich des Abschnitts ausgebildet sein
Ferner, wie in 18(d) dargestellt ist, kann das Diaphragma 24 mit einer Dreiecksform ausgebildet werden, die die erste bis dritte Seite 24a bis 24c und einen vertikalen Winkel 24e auf der Seite des festen Endes 21 beinhaltet, wobei die zweite Seite 24b parallel zur –110-Richtung ist. In diesem Fall können, da die größte thermische Belastung in einer Region um den vertikalen Winkel 24i in dem Diaphragma 24 herum erzeugt wird, das erste bis achte piezoresistive Element 26a bis 26h in einer Region ausschließlich des Abschnitts ausgebildet werden.
Ferner ist in der zweiten Ausführungsform ein Beispiel, in dem das Diaphragma 24 mit der rechtwinkeligen Form ausgebildet ist, deren Aspektverhältnis größer als 1 ist, beschrieben, wobei jedoch die Form des Diaphragmas 24 nicht darauf beschränkt ist.
Wie in 19(a) dargestellt ist, kann in dem oktogonalen Diaphragma 24, das in 18(a) dargestellt ist, das Aspektverhältnis auf 1 oder größer festgelegt werden. Ferner, wie in 19(b) dargestellt ist, kann das Diaphragma 24, das in 18(a) dargestellt ist, mit einer annähernd rechtwinkeligen Form ausgebildet werden, deren jeweilige Eckabschnitte rund sind, wobei die erste bis vierte Seite 24a bis 24d miteinander verbunden sind. Ferner, wie in 19(c) dargestellt ist, kann das Diaphragma, das in 18(c) dargestellt ist, mit einer elliptischen Form ausgebildet werden, deren Aspektverhältnis 1 oder größer ist.
Sogar wenn die Diaphragmen 24, die in 18(a) bis 18(d) und 19(a) bis 19(c) dargestellt sind, verwendet werden, wie vorstehend beschrieben ist, können durch Ausbilden des ersten bis vierten Messwiderstands 25a bis 25d durch den kombinierten Widerstand, in dem das erste bis achte piezoresistive Element 26a bis 26h angemessen seriell miteinander verbunden sind, und durch Reduzieren der Differenz zwischen den Größen der thermischen Belastungen, die auf dem ersten bis vierten Messwiderstand 25a bis 25d ausgeübt werden, dieselben Wirkungen wie in den vorstehend beschriebenen jeweiligen Ausführungsformen erlangt werden.
In 18(a) bis 18(d) und 19(a) bis 19(c) ist ein Fall, in dem die Vorderseite des Siliziumsubstrats 20 die 001-Ebene ist, beschrieben, wobei jedoch die Formen des Diaphragmas 24, die in 18(a) bis 18(d) und 19(a) bis 19(c) dargestellt sind, ebenso auf das Siliziumsubstrat 20, dessen Hauptoberfläche die 011-Ebene ist, angewandt werden können. In diesem Fall können beispielsweise ähnlich zur vorstehend beschriebenen dritten Ausführungsform das erste Paar aus dem ersten piezoresistiven Element 26a und dem fünften piezoresistiven Element 26e und das zweite Paar aus dem zweiten piezoresistiven Element 26b und dem sechsten piezoresistiven Element 26f am zentralen Abschnitt in dem Diaphragma 24 ausgebildet werden.
(Vierte Ausführungsform)
Eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird erläutert. 20(a) ist eine Draufsicht eines Drucksensors der vorliegenden Ausführungsform und 20(b) ist eine Querschnittsansicht entlang Linie XXB-XXB von 20(a).
Wie in 20 dargestellt ist, beinhaltet der Drucksensor einen Sensorabschnitt 110 und ein Tragelement 140, das durch ein Harzmaterial oder dergleichen ausgebildet ist, und de Sensorabschnitt 110 freitragend trägt.
Der Sensorabschnitt 110 beinhaltet ein Siliziumsubstrat 120 und eine Basis 130 wie beispielsweise ein Glassubstrat und hat eine rechtwinkelige Parallelepipedform, in der eine Richtung desselben eine Längsrichtung ist. Ein Ende in der Längsrichtung ist ein festes Ende 121 und das andere Ende gegenüberliegend zu dem einen Ende ist ein freies Ende 122. Ferner ist das feste Ende an das Tragelement 140 durch ein Bondelement 150 wie beispielsweise einen Klebstoff gebondet. Das heißt, der Sensorabschnitt 110 wird durch das Tragelement 140 freitragend getragen. Die Längsrichtung in der vorliegenden Ausführungsform ist die 110-Richtung.
Das Siliziumsubstrat 120 ist in der rechtwinkeligen Parallelepipedform ausgebildet. In der vorliegenden Ausführungsform entspricht eine Hauptoberfläche desselben der 001-Ebene und die 110-Achse und die –110-Achse sind auf der Hauptoberfläche orthogonal zueinander. Ferner ist in dem Siliziumsubstrat 120 eine Vertiefung 123 mit einem trapezartigen Querschnitt, der durch anisotropes Ätzen oder dergleichen auf der Vorderseite ausgebildet wird, auf der Seite des freien Endes 122 mit Bezug auf die Seite des festen Endes 121 ausgebildet, so dass ein Diaphragma 124 durch einen dünnen Abschnitt gemäß der Vertiefung 123 ausgebildet ist. Der Grund dafür, dass das Diaphragma 124 auf der Seite des freien Endes 122 ausgebildet ist, ist, dass thermische Belastung, die in dem Diaphragma 124 erzeugt wird, wenn eine externe Temperatur geändert wird, verglichen mit einem Fall, in dem das Diaphragma 124 auf der Seite des festen Endes 121 ausgebildet ist, abnimmt.
Ferner ist die rechtwinkelige parallelepipedförmige Basis, die durch ein Glassubstrat, ein Siliziumsubstrat oder dergleichen ausgebildet ist, an eine Rückseite des Siliziumsubstrats 120 gebondet. Eine Vertiefung 131 ist in einer Region der Basis 130 ausgebildet, die der Bodenseite der Vertiefung 123 gegenüberliegt. Somit ist eine Druckreferenzkammer 126 durch die Vertiefung 123 und das Siliziumsubstrat 120 ausgebildet. In der vorliegenden Ausführungsform hat die Druckreferenzkammer 126 einen Vakuumdruck, kann jedoch aber auch beispielsweise einen atmosphärischen Druck aufweisen.
In der vorliegenden Ausführungsform hat das Diaphragma 124 eine Konfiguration, bei der eine erste Seite 124a bis vierte Seite 124b einer äußeren Konturlinie (Linie, die in 20(a) durch eine gestrichelte Linie angegeben ist) parallel zur 110-Richtung sind und eine planare Form davon eine Quadratform ist. Insbesondere die erste Seite 124a und die dritte Seite 124c, die einander unter der ersten bis vierten Seite 124a bis 124d gegenüberliegen, sind parallel zur –110-Richtung und eine zweite Seite 124b und die vierte Seite 124d, die einander gegenüberliegen, sind parallel zur 110-Richtung. Ferner ist das Diaphragma 124 so ausgebildet, dass sich die erste Seite 124a auf der Seite des festen Endes 121 befindet. In der vorliegenden Ausführungsform entspricht die 110-Richtung einer ersten Richtung der vorliegenden Offenbarung und die –110-Richtung entspricht einer zweiten Richtung der vorliegenden Offenbarung.
Ferner werden ein erstes bis viertes piezoresistives Element 125a bis 125d, deren Widerstandswert durch Belastung variiert, bereitgestellt, um eine Wheatstone'sche Brückenschaltung (Vollbrücke) auf dem Diaphragma 124 auszubilden. Insbesondere werden das erste bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d in einer Region ausgebildet, die eine Region um einen Mittelpunkt der ersten Seite 124a in dem Diaphragma 124 herum ausschließt. Das heißt, das erste bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d sind einer Region ausschließlich der Umgebung des Mittelpunkts der ersten Seite 124a ausgebildet, und sind so ausgebildet, dass sie nicht in Kontakt mit dem Mittelpunkt der ersten Seite 124a sind. In anderen Worten sind das erste bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d in einer Region ausschließlich eines Abschnitts ausgebildet, wo die größte thermische Belastung in dem Diaphragma 124 erzeugt wird, wenn die externe Temperatur geändert wird.
In der vorliegenden Ausführungsform sind das erste piezoresistive Element 125a und das dritte piezoresistive Element 125c benachbart zu einem zentralen Abschnitt der dritten Seite 124c ausgebildet, das zweite piezoresistive Element 125b ist benachbart zu einem zentralen Abschnitt der zweiten Seite 124b ausgebildet und das vierte piezoresistive Element 125d ist benachbart zu einem zentralen Abschnitt der vierten Seite 124d ausgebildet. Das heißt, das erste bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d sind auf der Seite des freien Endes 122 in dem Diaphragma 124 als ein ganzes ausgebildet. Der Grund dafür, warum das erste bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d benachbart zu zentralen Abschnitten der zweiten Seite 124b bis vierten Seite 124d ausgebildet sind, ist, weil, wenn die Hauptoberfläche des Siliziumsubstrats 120 die 001-Ebene ist, die zentralen Abschnitte der zweiten Seite 124b bis vierten Seite 124d einfach deformiert werden, wenn Druck auf das Diaphragma 124 ausgeübt wird.
21 ist ein Schaltungsdiagramm der Brückenschaltung. Wie in 21 dargestellt ist, bilden in der vorliegenden Ausführungsform das erste bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d eine viereckige geschlossene Schaltung, in der das erste piezoresistive Element 125a seriell mit dem zweiten piezoresistiven Element 125b und dem vierten piezoresistiven Element 125d verbunden ist und das dritte piezoresistive Element 125c seriell mit dem zweiten piezoresistiven Element 125b und dem vierten piezoresistiven Element 125d verbunden ist. In 21 repräsentieren Pfeile, die auf der Ebene der Figur nach unten gerichtet sind und die über dem ersten piezoresistiven Element 125a und dem dritten piezoresistiven Element 125c dargestellt sind, dass der Widerstandswert abnimmt, wenn Druck auf das Diaphragma 124 ausgeübt wird, und Pfeile, die auf der Ebene der Figur nach oben gerichtet sind und über dem zweiten piezoresistiven Element 125b und dem vierten piezoresistiven Element 125d dargestellt sind, repräsentieren, dass die Widerstandswerte zunehmen, wenn Druck auf das Diaphragma 124 ausgeübt wird.
Das erste bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d sind als Widerstände durch Diffusion oder dergleichen ausgebildet und sind. in einer Zickzackform ausgebildet, in der eine gerade Linie wiederholt gebogen ist. Ferner haben in der vorliegenden Ausführungsform das erste bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d die Zickzackform, in der eine Richtung, in der der Widerstandswert geändert wird, wenn Belastung auf das Diaphragma 124 ausgeübt wird, eine Längsrichtung ist. Hierbei ist die Längsrichtung die 110-Richtung. Das heißt in der vorliegenden Ausführungsform wird ein Abschnitt, der sich in der Längsrichtung erstreckt, ein Abschnitt, bei dem der Widerstandswert geändert wird.
Als Nächstes wird die thermische Belastung, die in dem Diaphragma 124 erzeugt wird, wenn die externe Temperatur geändert wird, erläutert. 22a bis 22c zeigen Simulationsergebnisse, die thermische Belastungen illustrieren, die in dem Diaphragma 124 erzeugt werden, wenn die externe Temperatur 150°C ist. 22a ist ein Belastungsverteilungsdiagramm des Diaphragmas J24 in einem Drucksensor des Stands der Technik, 22b ist ein Belastungsverteilungsdiagramm des Diaphragmas 124 in dem Drucksensor der vorliegenden Ausführungsform und 22c ist ein Diagramm, das einen Durchschnittswert von Belastungen illustriert, die in der Region erzeugt werden, in der das erste bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d in dem Diaphragma 124 ausgebildet sind. Ferner zeigen 23a bis 23c Simulationsergebnisse, die thermische Belastungen darstellen, die in dem Diaphragma 124 erzeugt werden, wenn die externe Temperatur –40°C ist. 23a ist ein Belastungsverteilungsdiagramm des Diaphragmas J24 in dem Drucksensor des Stands der Technik, 23b ist ein Belastungsverteilungsdiagramm des Diaphragmas 124 in dem Drucksensor der vorliegenden Ausführungsform und 23c ist ein Diagramm, das einen Durchschnittswert von Belastungen illustriert, die in der Region erzeugt werden, in der das erste bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d in dem Diaphragma 124 ausgebildet sind. Der Drucksensor des Stands der Technik repräsentiert einen Drucksensor, in dem das erste bis vierte piezoresistive Element J25a bis J25d jeweils benachbart zu den zentralen Abschnitten der ersten bis vierten Seite J24a bis J24d ausgebildet sind, wie in 6 dargestellt ist.
Ferner zeigen 22A und 22B und 23A und 23B thermische Belastungen, die in dem Diaphragma 124 gemäß Abstufung erzeugt werden, wobei eine Zugbelastung eines Abschnitts, der zum piezoelektrischen Resistenzeffekt beiträgt, zunimmt, wenn die Konzentration dünn wird, und eine Druckbelastung eines Abschnitts, der zum piezoelektrischen Resistenzeffekt beiträgt, zunimmt, wenn die Konzentration dick wird. Ferner zeigt in 22C und 23C ein Säulendiagramm mit durchgezogener Linie eine thermische Belastung, die in der Region erzeugt wird, wo das erste bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d in dem Drucksensor des Stands der Technik ausgebildet sind und ein Säulendiagramm mit einer unterbrochenen Linie zeigt eine thermische Belastung, die in der Region erzeugt wird, wo das erste bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d in dem Drucksensor der vorliegenden Ausführungsform ausgebildet sind. Acht Säulendiagramme sind sequentiell ausgehend von links angeordnet, wobei zwei Säulendiagramme, die am linken Ende angeordnet sind, eine Durchschnittsbelastung repräsentieren, die in der Region erzeugt wird, in der das erste piezoresistive Element 125a ausgebildet ist, zwei Säulendiagramme, die an zweiter Stelle von links angeordnet sind, eine Durchschnittsbelastung repräsentieren, die in der Region erzeugt wird, in der das zweite piezoresistive Element 125b ausgebildet ist, zwei Säulendiagramme, die an der dritten Stelle ausgehend von links angeordnet sind, eine Durchschnittsbelastung repräsentieren, die in der Region erzeugt wird, in der das dritte piezoresistive Element 125c ausgebildet ist, und zwei Säulendiagramme, die an dem rechten Ende angeordnet sind, eine Durchschnittsbelastung repräsentieren, die in der Region erzeugt wird, wo das vierte piezoresistive Element 125d ausgebildet ist.
Wie in 22A bis 22C und 23A bis 23C dargestellt ist, wenn die externe Temperatur 150°C oder –40°C ist, wird die thermische Belastung in dem Diaphragma 124 aufgrund von Biegen des Sensorabschnitts 110 oder dergleichen erzeugt. Hierbei wird die thermische Belastung am größten in der Region um den Mittelpunkt der ersten Seite 124a am nächsten zum festen Ende 121 in dem Diaphragma 124 erzeugt, das heißt, dem zentralen Abschnitt der ersten Seite 124a und die thermische Belastung wird kleiner, während sie radial ausgehend vom zentralen Abschnitt expandiert.
Ferner wird in dem Drucksensor des Stands der Technik, da das erste bis vierte piezoresistive Element J25a bis J25d benachbart zu zentralen Abschnitten der ersten bis vierten Seite J24a bis J24d ausgebildet sind, wenn die externe Temperatur geändert wird, verglichen zu dem zweiten piezoresistiven Element J25b des vierten piezoresistiven Element J25d eine große thermische Belastung auf das erste piezoresistive Element J25a ausgeübt, das benachbart zum zentralen Abschnitt der ersten Seite J24a ist. In anderen Worten ist das erste piezoresistive Element J25a in dem Abschnitt ausgebildet, in dem die größte thermische Belastung in dem Diaphragma J24 erzeugt wird.
Andererseits kann in der vorliegenden Ausführungsform, da das erste piezoresistive Element 125a und das dritte piezoresistive Element 125c benachbart zum zentralen Abschnitt der dritten Seite 124c ausgebildet sind, die thermische Belastung, die auf das erste piezoresistive Element 125a ausgeübt wird, annähernd gleich wie die thermische Belastung gemacht werden, die auf das dritte piezoresistive Element 125c ausgeübt wird. Das heißt, in dem Drucksensor der vorliegenden Ausführungsform, wenn die externe Temperatur von 150° auf –40°C geändert wird, kann die Differenz der thermischen Belastungen, die auf das erste bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d ausgeübt werden, verglichen zum Drucksensor des Stands der Technik reduziert werden. Somit kann die Reduzierung der Druckerfassungsgenauigkeit unterdrückt werden.
Ferner wird in dem Drucksensor mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration das Erfassungssignal, das von der Brückenschaltung ausgegeben wird, um ein vorbestimmtes Vielfaches unter Verwendung einer Verstärkerschaltung verstärkt und der Druck wird basierend auf dem verstärkten Signal gemessen. Somit wird ein Fehler des verstärkten Signals größer, da der Maximalwert der thermischen Belastungen, die auf das erste bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d ausgeübt werden, größer wird. Jedoch kann in der vorliegenden Ausführungsform, da das erste bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d in der Region ausschließlich der Region um den Mittelpunkt der ersten Seite 124a herum ausgebildet sind, wenn die externe Temperatur geändert wird, der Absolutwert des Maximalwerts der thermischen Belastungen, die auf das erste bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d ausgeübt werden, ebenso reduziert werden. Das heißt beispielsweise, dass, wenn die externe Temperatur 150°C in dem Drucksensor des Stands der Technik ist, 3 MPa, die auf das erste piezoresistive Element 125a ausgeübt werden, der Maximalwert der Belastungen wird. Jedoch wird in dem Drucksensor der vorliegenden Ausführungsform 1,8 MPa, die auf das zweite piezoresistive Element 125b und das vierte piezoresistive Element 125d ausgeübt werden, der Maximalwert der Belastungen. Demzufolge kann der Fehler des verstärkten Signals reduziert werden und die Reduzierung der Druckerfassungsgenauigkeit kann ferner unterdrückt werden.
Wie vorstehend beschrieben ist, sind in dem Drucksensor der vorliegenden Ausführungsform das erste piezoresistive Element 125a und das dritte piezoresistive Element 125c benachbart zum zentralen Abschnitt der dritten Seite 124c ausgebildet, das zweite piezoresistive Element 125b ist benachbart zum zentralen Abschnitt der zweiten Seite 124b ausgebildet und das vierte piezoresistive Element 125d ist benachbart zum zentralen Abschnitt der vierten Seite 124d ausgebildet. Somit kann, wenn die thermische Belastung in dem Diaphragma 124 gemäß der Änderung der externen Temperatur erzeugt wird, da das erste bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d nicht in dem Abschnitt ausgebildet ist, in dem die größte thermische Belastung in dem Diaphragma 124 erzeugt wird, die Differenz der thermischen Belastungen, die auf das erste bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d ausgeübt werden, reduziert werden und die Reduzierung der Druckerfassungsgenauigkeit kann unterdrückt werden.
Ferner, da das erste piezoresistive Element bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d nicht in dem Abschnitt ausgebildet sind, in dem die größte thermische Belastung in dem Diaphragma 124 erzeugt wird, kann der Maximalwert der Absolutwert der thermischen Belastungen, die auf das erste bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d ausgeübt werden, reduziert werden. Demzufolge kann der Fehler des verstärkten Signals reduziert werden und die die Druckerfassungsgenauigkeit kann ferner unterdrückt werden.
Das heißt, dass beispielsweise davon ausgegangen wird, dass die Differenz der thermischen Belastungen, die auf die jeweiligen piezoresistiven Elemente 125a bis 125d ausgeübt werden, reduziert wird, wenn die externe Temperatur geändert wird, indem das erste bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d benachbart zum zentralen Abschnitt der ersten Seite 124a ausgebildet wird, jedoch wird in diesem Drucksensor die ausgeübte thermische Belastung größer und somit wird der Fehler des verstärkten Signals größer. Andererseits kann in der vorliegenden Ausführungsform der Fehler des verstärkten Signals unterdrückt werden und die Reduzierung der Druckerfassungsgenauigkeit kann unterdrückt werden.
(Fünfte Ausführungsform)
Eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird beschrieben. Ein Drucksensor der vorliegenden Ausführungsform ist so konfiguriert, dass die Orte, wo das zweite piezoresistive Element 125b und das vierte piezoresistive Element 125d ausgebildet sind, verglichen zur vierten Ausführungsform geändert werden. Da die anderen Konfigurationen der fünften Ausführungsform die gleichen wie die der ersten Ausführungsform sind, wird deren Beschreibung nicht wiederholt. 24 ist eine Draufsicht eines Diaphragmas 124 der vorliegenden Ausführungsform.
Wie in 24 dargestellt ist, sind das erste bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d benachbart zueinander ausgebildet und sind benachbart zur dritten Seite 124c ausgebildet. Ferner ist das zweite piezoresistive Element 125b auf einer Seite gegenüberliegend zum dritten piezoresistiven Element 125c mit dem dazwischen befindlichen piezoresistiven Element 125a ausgebildet und das vierte piezoresistive Element 125d ist auf einer Seite gegenüberliegend zum ersten piezoresistiven Element 125a mit dem dazwischen befindlichen dritten piezoresistiven Element 125c ausgebildet.
In diesem Fall werden, wenn Druck auf das Diaphragma 124 von dem Messmedium ausgeübt wird, da das erste bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d alle benachbart zur dritten Seite 124c ausgebildet sind, Belastungen mit denselben Vorzeichen auf das erste bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d ausgeübt. Das heißt, dieselbe Zug- oder Druckbelastung wird auf das erste bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d ausgeübt. Somit wird in der vorliegenden Ausführungsform um eine Ausgabe von der in 21 dargestellten Brückenschaltung zu erfassen, die Längsrichtung des ersten piezoresistiven Elements 125a und des dritten piezoresistiven Elements 125c auf die 110-Richtung festgelegt und die Längsrichtung des zweiten piezoresistiven Elements 125b und des vierten piezoresistiven Elements 125b auf die –110-Richtung festgelegt. Das heißt, die Längsrichtung des ersten piezoresistiven Elements 125a und des dritten piezoresistiven Elements 125 ist orthogonal zur Längsrichtung des zweiten piezoresistiven Elements 125b und des vierten piezoresistiven Elements 125d. Pfeile, die in dem ersten bis vierten piezoresistiven Element 125a bis 125d in 24 dargestellt sind, repräsentieren die Längsrichtungen.
In dem Drucksensor mit einer derartigen Konfiguration kann, da das erste bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d jeweils benachbart zur dritten Seite 124 ausgebildet sind, wenn die externe Temperatur geändert wird, die Differenz der thermischen Belastungen, die auf das erste bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d ausgeübt werden, ferner verglichen mit der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform reduziert werden. Ferner, da das zweite piezoresistive Element 125b und das vierte piezoresistive Element 125d an einer Position separiert vom festen Ende 121 verglichen zur ersten Ausführungsform ausgebildet sind, kann, wenn die externe Temperatur geändert wird, der Absolutwert des Maximalwerts der thermischen Belastungen, die auf das erste bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d ausgeübt werden, reduziert werden. Demzufolge kann, wenn die externe Temperatur geändert wird, die Reduzierung der Druckerfassungsgenauigkeit verglichen zur ersten Ausführungsform unterdrückt werden.
(Sechste Ausführungsform)
Eine sechste Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird erläutert. Ein Drucksensor der vorliegenden Ausführungsform ist derart konfiguriert, dass die Form des Diaphragmas 124 verglichen zur fünften Ausführungsform geändert wird. Da die anderen Konfigurationen der sechsten Ausführungsform dieselben wie die der fünften Ausführungsform sind, wird die Beschreibung nicht wiederholt. 25 ist eine Draufsicht des Drucksensors der vorliegenden Ausführungsform.
Wie in 25 dargestellt ist, wenn das Verhältnis von (Länge in –110-Richtung)/(Länge in 110-Richtung) als das Aspektverhältnis repräsentiert ist, ist das Diaphragma 124 mit einer rechtwinkeligen Form ausgebildet, deren Aspektverhältnis größer als 1 ist. In einem derartigen Drucksensor, kann, wenn die externe Temperatur geändert wird, die thermische Belastung, die in dem Diaphragma 124 erzeugt wird, reduziert werden. Ferner kann die Reduzierung der Druckerfassungsgenauigkeit unterdrückt werden.
26(a) ist eine Draufsicht eines Sensorabschnitts 110, bei dem das Aspektverhältnis des Diaphragmas 124 kleiner als 1 ist, und 27(a) ist eine Draufsicht eines Sensorabschnitts, bei dem das Aspektverhältnis des Diaphragmas 124 1 ist, und 28(a) ist eine Draufsicht eines Sensorabschnitts, bei dem das Aspektverhältnis des Diaphragmas 124 größer als 1 ist. 26(b) und 26(c), 27(b) und 27(c) und 28(b) und 28(c) zeigen Simulationsergebnisse, die thermische Belastungen illustrieren, die in dem Diaphragma 124 erzeugt werden, wenn die externe Temperatur 150°C ist. In 26(a) und 26(c), 27(b) und 27(c) und 28(b) und 28(c) zeigen 26(b), 27(b) und 28(b) Simulationsergebnisse, die thermische Belastungen entlang der X-Richtung von 26(a), 27(a) und 28(a) illustrieren und 26(c), 27(c) und 28(c) zeigen Simulationsergebnisse, die thermische Belastungen entlang der Y-Richtung von 26(a), 27(a) und 28(a) illustrieren.
In 26(b) und 26(c), 27(b) und 27(c) und 28(b) und 28(c) repräsentiert ein Kreis eine thermische Belastung in der 110-Richtung, ein Quadrat repräsentiert eine thermische Belastung in der –110-Richtung und ein Dreieck repräsentiert eine thermische Belastung, die zum piezoelektrischen Resistenzeffekt (in der Figur einfach als Beitragsbelastung dargestellt) beiträgt. Ferner sind in 26(a), 27(a) und 28(a) das erste bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d nicht dargestellt.
Gemäß dem Diaphragma 124, dessen Aspektverhältnis 1 ist, wie in 27(a) bis 27(c) dargestellt ist, nimmt in dem Diaphragma 124 dessen Aspektverhältnis größer als 1 ist, wie in 28(a) bis 28(c) dargestellt ist, die thermische Belastung, die zum piezoelektrischen Resistenzeffekt beiträgt, ab, wobei jedoch in dem Diaphragma 124 dessen Aspektverhältnis kleiner als 1 ist, wie in 26(a) bis 26(c) dargestellt ist, die thermische Belastung, die zum piezoelektrischen Resistenzeffekt beiträgt, zunimmt.
Der Grund dafür wird folgendermaßen angenommen. Das heißt, da der Sensorabschnitt 110 in der rechtwinkeligen Parallelepipedform ausgebildet ist, in der die 110-Richtung die Längsrichtung ist, und das feste Ende 121 an dem Tragelement 140 befestigt ist, wird, wenn die externe Temperatur geändert wird, der Sensorabschnitt 110 bezüglich der Achse der –110-Richtung einfach gebogen. Das heißt, das freie Ende 122 wird einfach in der vertikalen Richtung versetzt. Ferner wird die Richtung, in der das Diaphragma 124 einfach gebogen wird, gemäß dem Aspektverhältnis geändert. Das heißt, wenn das Aspektverhältnis größer als 1 ist, wird das Diaphragma 124 einfach mit Bezug auf die Achse der 110-Richtung gebogen und wenn das Aspektverhältnis kleiner als 1 ist, wird das Diaphragma 124 einfach mit Bezug auf die Achse der –110-Richtung gebogen.
Das heißt, in dem Diaphragma 124, dessen Aspektverhältnis gleich oder kleiner als 1 ist, wenn die externe Temperatur geändert wird, sind die Richtung, in der der Sensorabschnitt 110 einfach gebogen wird, und die Richtung, in der das Diaphragma 124 einfach gebogen wird, die gleiche und somit nimmt die thermische Belastung zu, die in dem Diaphragma 124 erzeugt wird. Andererseits, nimmt in dem Diaphragma 124, dessen Aspektverhältnis größer als 1 ist, da die Richtung, in der der Sensorabschnitt 110 leicht gebogen wird, und die Richtung, in der das Diaphragma 124 einfach gebogen wird, sich schneiden, die thermische Belastung, die in dem Diaphragma 124 erzeugt wird, verglichen mit dem Drucksensor, dessen Aspektverhältnis gleich oder kleiner als 1 ist, ab. Demzufolge kann in der vorliegenden Ausführungsform die thermische Belastung, die in dem Diaphragma 124 erzeugt wird, reduziert werden und die Reduzierung der Druckerfassungsgenauigkeit kann unterdrückt werden. In der vorliegenden Ausführungsform ist ein Beispiel, in dem das erste bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d benachbart zur dritten Seite 124c ausgebildet sind, erläutert, wobei jedoch das zweite piezoresistive Element 125b benachbart zum zentralen Abschnitt der zweiten Seite 124b ausgebildet sein kann und das vierte piezoresistive Element 125d benachbart zum zentralen Abschnitt der vierten Seite 124d ausgebildet sein kann, wie in der ersten Ausführungsform beschrieben ist.
(Siebte Ausführungsform)
Eine siebte Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird erläutert. Ein Drucksensor der vorliegenden Ausführungsform ist so konfiguriert, dass die Oberflächenorientierung der Hauptoberfläche des Siliziumsubstrats 120 verglichen mit der vierten Ausführungsform geändert ist. Da die anderen Konfigurationen der siebten Ausführungsform die gleichen wie die der vierten Ausführungsformen sind, wird deren Beschreibung nicht wiederholt. 29 ist eine Draufsicht eines Drucksensors gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
Wie in 29 dargestellt ist, hat das Siliziumsubstrat 120 der vorliegenden Ausführungsform eine Konfiguration, in der eine Hauptoberfläche die 011-Ebene ist. Auf der Hauptoberfläche liegen die 01-1-Achse und die 100-Achse vor, um orthogonal zueinander zu sein. Auf diese Weise tritt, wenn das Siliziumsubstrat 120, dessen Hauptoberfläche die 011-Ebene ist, verwendet wird, wenn Druck auf das Diaphragma 124 von einem Messmedium ausgeübt wird, eine große Differenz zwischen einer zentralen Region und einer peripheren Region entlang der 01-1-Achsenrichtung ausgehend von dem Zentrum auf. Demzufolge sind in der vorliegenden Ausführungsform das erste piezoresistive Element 125a und das dritte piezoresistive Element 125c am zentralen Abschnitt des Diaphragmas 124 angeordnet und das zweite piezoresistive Element 125b und das vierte piezoresistive Element 125d sind am zentralen Abschnitt der dritten Seite 124c angeordnet.
Auf diese Weise kann sogar wenn das Substrat, dessen Hauptoberfläche die 011-Ebene ist, als das Siliziumsubstrat 120 verwendet wird, ähnlich zur vorstehend beschriebenen vierten Ausführungsform, da das erste bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d in einer Region ausschließlich der Region um den Mittelpunkt der ersten Seite 124a herum ausgebildet sind, wenn die externe Temperatur geändert wird, die Reduzierung der Druckerfassungsgenauigkeit unterdrückt werden.
(Weitere Ausführungsformen)
In den vorstehend beschriebenen jeweiligen Ausführungsformen ist ein Beispiel, in dem das feste Ende 121 des Sensorabschnitts 110 an dem Tragelement 140 durch das Bondelement 150 befestigt ist, beschrieben. Jedoch kann beispielsweise das feste Ende 121 des Sensorabschnitts 110 durch Harz abgedichtet sein, um an dem Tragelement 140 befestigt zu sein.
Ferner ist in den vorstehend beschriebenen jeweiligen Ausführungsformen ein Beispiel, in dem der Sensorabschnitt 110 das Siliziumsubstrat 120, in dem die Vertiefung 123 auf dessen Rückseite ausgebildet ist, und die Basis 130 beinhaltet, die an die Rückseite des Siliziumsubstrats 120 gebondet ist, beschrieben. Jedoch kann der Sensorabschnitt 110 beispielsweise die folgende Konfiguration aufweisen. 30A bis 30E sind Diagramme, die Konfigurationen von Querschnitten des Sensorabschnitts 110 gemäß weiterer Ausführungsformen illustrieren.
Wie in 30A dargestellt ist, kann die Vertiefung 123, die einen trapezartigen Querschnitt aufweist, ausgehend von der Rückseite des Siliziumsubstrats 120 ausgebildet werden, um das Diaphragma 124 zu konfigurieren. Ferner, wie in 30B dargestellt ist, kann als ein Modifikationsbeispiel von 30A die Vertiefung 123 einen rechtwinkeligen Querschnitt aufweisen. Zusätzlich, wie in 30C dargestellt ist, kann das Siliziumsubstrat 120 dünn gemacht werden, die Vertiefung 123 kann in der Basis 130 ausgebildet werden, und das Diaphragma 124 kann in einer Region des Siliziumsubstrats 120 ausgebildet werden, die der Vertiefung 131 gegenüberliegt. Ferner, wie in 30D dargestellt ist, kann als ein Modifikationsbeispiel von 20(b) der Querschnitt der Vertiefung 123, die auf der Vorderseite des Siliziumsubstrats 120 ausgebildet ist, eine rechtwinkelige Form sein. Ferner, wie in 30E dargestellt ist, kann der Sensorabschnitt 110 nur durch das Siliziumsubstrat 120 ausgebildet sein und eine Kavität 127, die die Druckreferenzkammer 126 ausbildet, kann innerhalb des Siliziumsubstrats 120 ausgebildet sein. Das Siliziumsubstrat 120 wird beispielsweise durch Ausbilden einer Vertiefung auf einer Vorderseite eines Substrats, das aus Silizium ausgebildet ist, und dann Ausbilden einer Epitaxieschicht auf dem Substrat zum Blockieren der Vertiefung und Verwendung eines LPCVD-Verfahrens oder dergleichen, so dass die Kavität 127 durch die Vertiefung ausgebildet ist, gefertigt.
Ferner ist in der ersten und zweiten Ausführungsform ein Beispiel, in dem das Diaphragma 124 quadratförmig ist, beschrieben, wobei die Form des Diaphragmas 124 nicht darauf beschränkt ist. 31A bis 31D sind vergrößerte Draufsichten des Diaphragmas 124 in weiteren Ausführungsformen.
Wie in 31A dargestellt ist, kann das Diaphragma 124 mit einer oktogonalen Form, die eine erste Seite 124a bis vierte Seite 124d, eine fünfte Seite 124e, die die erste Seite 124a und die zweite Seite 124b verbindet, eine sechste Seite 124f, die die zweite Seite 124b und die dritte Seite 124c verbindet, eine siebte Seite 124g, die die dritte Seite 124c und die vierte Seite 124d verbindet, und eine achte Seite 124h aufweist, die die vierte Seite 124d und die erste Seite 124a verbindet. In diesem Fall können beispielsweise ähnlich zur vierten Ausführungsform das erste piezoresistive Element 125a und das dritte piezoresistive Element 125c benachbart zur dritten Seite 124c ausgebildet sein, das zweite piezoresistive Element 125b kann benachbart zum zentralen Abschnitt der zweiten Seite 124b ausgebildet sein und das vierte piezoresistive Element 125d kann benachbart zum zentralen Abschnitt der vierten Seite 124d ausgebildet sein.
Wie in 31B dargestellt ist, kann das Diaphragma 124 mit einer trapezartigen Form ausgebildet sein, die die erste bis vierte Seite 124a bis 124d aufweist, wobei die erste Seite 124a kürzer als die dritte Seite 124c ist. Obwohl nicht speziell dargestellt ist, kann trapezartige Form, in der die dritte Seite 124c kürzer als die erste Seite 124a ist, verwendet werden. In diesem Fall können beispielsweise ähnlich zur fünften Ausführungsform das erste bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d benachbart zur dritten Seite 124c ausgebildet sein. Ähnlich zur ersten Ausführungsform kann das zweite piezoresistive Element 125b an der Stelle benachbart zum zentralen Abschnitt der zweiten Seite 124b und das vierte piezoresistive Element 125b kann an der Stelle benachbart zum zentralen Abschnitt der vierten Seite 124d ausgebildet sein.
Ferner, wie in 31C dargestellt ist, kann das Diaphragma 124 in einer Kreisform ausgebildet sein. In diesem Fall können das erste bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125b in einer Region ausschließlich einer Region um einen Schnittpunkt herum, der auf der Seite des festen Endes 121 platziert ist, von Schnittpunkten, wo eine gerade Linie, die parallel zur 110-Richtung ist und das Zentrum des Diaphragmas 124 passiert, eine äußere Konturlinie schneidet, die die äußere Erscheinung des Diaphragmas 124 ausbildet, ausgebildet sein. Das heißt, wenn die externe Temperatur geändert wird, können, da die größte thermische Belastung in einem Abschnitt, der am nächsten zum festen Ende 121 in dem Diaphragma 124 ist, das erste piezoresistive Element bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d in einer Region ausschließlich des Abschnitts ausgebildet sind.
Insbesondere in 31C sind das erste piezoresistive Element 125a und das dritte piezoresistive Element 125c auf der Seite des freien Endes 122 bezüglich des Zentrums des Diaphragmas 124 ausgebildet, das zweite piezoresistive Element 125b ist auf der Seite der –110-Richtung ausgehend von dem Zentrum auf der –110-Achse ausgebildet, die das Zentrum passiert, und das vierte piezoresistive Element 125d ist auf der Seite der 1-1-0-Richtung vom Zentrum ausgehend ausgebildet.
Ferner, wie in 31D dargestellt ist, kann das Diaphragma 124 in einer Dreiecksform ausgebildet sein, die die erste bis dritte Seite 124a bis 124c und einen vertikalen Winkel 126 auf der Seite des festen Endes 121 beinhaltet, wobei die zweite Seite 124b parallel zur –110-Richtung ist. 32A und 32B zeigen Simulationsergebnisse, die thermische Belastungen angeben, die in dem Diaphragma gemäß den anderen Ausführungsformen erzeugt werden. 32A zeigt ein Simulationsergebnis, wenn die externe Temperatur 150°C ist. 32B zeigt ein Simulationsergebnis, wenn die externe Temperatur –40°C ist. Wie in 32A und 32D dargestellt ist, wenn die externe Temperatur 150°C oder –40°C ist, wird die größte chemische Belastung in der Region um den vertikalen Winkel 126 herum in dem Diaphragma 124 erzeugt. Somit, wie in 31D dargestellt ist, können das erste bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d in der Region um den vertikalen Winkel 126 herum in dem Diaphragma 124 ausgebildet sein und können beispielsweise benachbart zur zweiten Seite 124b ähnlich zur fünften Ausführungsform ausgebildet sein.
Da der Drucksensor, der das Diaphragma 124 beinhaltet, das in 31A bis 31D wie vorstehend beschrieben dargestellt ist, eine Seite aufweist, die nicht parallel zur 110-Richtung oder zur –110-Richtung ist, wird der Drucksensor bezüglich der Achse der –110-Richtung oder der 110-Richtung nicht einfach gebogen. Somit unterscheiden sich die Richtung, wo der Sensorabschnitt 101 einfach gebogen wird und die Richtung, wo das Diaphragma 124 einfach gebogen wird, voneinander und somit kann die thermische Belastung, die in dem Diaphragma 124 erzeugt wird, wie in der sechsten Ausführungsform beschrieben, reduziert werden.
31A bis 31D zeigen nur Beispiele der Positionen, bei denen das erste bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d ausgebildet sind. Das heißt, solange das erste bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d in einer Region ausschließlich des Abschnitts, wo die größte thermische Belastung in dem Diaphragma 124 erzeugt wird, wenn die externe Temperatur geändert wird, ausgebildet sind, kann die Reduzierung der Erfassungsgenauigkeit verglichen mit dem Drucksensor des Stands der Technik unterdrückt werden.
Ferner ist in der sechsten Ausführungsform ein Beispiel, in dem das Diaphragma 124 in der rechtwinkeligen Form ausgebildet ist, deren Aspektverhältnis größer als 1 ist, beschrieben, wobei jedoch die Form des Diaphragmas 124 nicht darauf beschränkt ist. 33A bis 33C sind vergrößerte Draufsichten des Diaphragmas 124 in anderen Ausführungsformen.
Wie in 33A dargestellt ist, kann in dem Diaphragma 124, das eine oktagonale Form aufweist und in 31 dargestellt ist, dass Aspektverhältnis gleich oder größer als 1 festgelegt werden. In diesem Fall können das erste bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125b benachbart zu dritten Seite 124c ausgebildet werden. Ferner, wie in 33B dargestellt ist, kann das Diaphragma 124, das in 25 dargestellt ist, mit einer annähernd rechtwinkeligen Form ausgebildet werden, die in den entsprechenden Eckabschnitten, bei denen die erste bis vierte Seite 124 bis 124d miteinander verbunden sind, abgerundet sind. Ferner, wie in 33C dargestellt ist, kann das Diaphragma 124, das in 31C dargestellt ist, in einer elliptischen Form ausgebildet werden, deren Aspektratio 1 oder größer ist. In diesem Fall können das erste piezoresistive Element bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d auf der Seite des freien Endes 122 bezüglich des Zentrums des Diaphragmas 124 angeordnet werden.
In 31A bis 31D und 33A bis 33C ist ein Fall beschrieben, in dem die Hauptoberfläche des Siliziumsubstrats 120 die 001-Ebene ist, wobei jedoch Formen des Diaphragmas 124, die in 31A bis 31D und 33A bis 33C dargestellt sind, auf ein Siliziumsubstrat 120 angewendet werden können, dessen Hauptoberfläche die 011-Ebene ist. In diesem Fall können beispielsweise ähnlich zur siebten Ausführungsform das erste piezoresistive Element 125a und das dritte piezoresistive Element 125c von dem ersten bis vierten piezoresistiven Element 125a bis 125d am zentralen Abschnitt des Diaphragmas 124 ausgebildet werden.
Ferner ist in den vorstehend beschriebenen entsprechenden Ausführungsformen ein Beispiel, in dem das erste bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d, die die Wheatstone'sche Brückenschaltung (Vollbrückenschaltung) ausbilden, in dem Diaphragma 124 ausgebildet sind, beschrieben, jedoch können beispielsweise nur das erste piezoresistive Element 125a und das zweite piezoresistive Element 125b, die eine Halbbrückenschaltung ausbilden, in dem Diaphragma 124 ausgebildet werden.
Ferner ist in den vorstehend beschriebenen jeweiligen Ausführungsformen ein Beispiel beschrieben, in dem das erste bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d so konfiguriert sind, dass die Richtung, in der der Widerstandswert geändert wird, wenn die Belastung auf das Diaphragma 124 ausgeübt wird, die Längsrichtung ist, wobei jedoch beispielsweise das erste bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d in einer Zickzackform ausgebildet sein können, in der die Richtung, in der sich der Widerstandswert ändert, wenn die Belastung auf das Diaphragma 124 ausgeübt wird, eine Breitenrichtung ist. Ferner müssen das erste bis vierte piezoresistive Element 125a bis 125d nicht in der Zickzackform ausgebildet sein, sondern können beispielsweise in einer geradlinigen Form ausgebildet sein.
Die vorliegende Offenbarung hat die folgenden Aspekte.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet ein Drucksensor: einen Sensorabschnitt, der eine Richtung als eine Längsrichtung, ein Ende in der Längsrichtung als ein festes Ende und das andere Ende als ein freies Ende gegenüberliegend zu dem einen Ende aufweist, und ein dünnes Diaphragma und einen ersten bis vierten Messwiderstand beinhaltet, die auf dem Diaphragma angeordnet sind, um eine Brückenschaltung auszubilden; und ein Tragelement, das das eine Ende des Sensorabschnitts befestigt. Ein erstes bis viertes Paar piezoresistiver Elemente sind auf dem Diaphragma angeordnet. Jedes der piezoresistiven Elemente hat eine Widerstandswertänderungsrichtung, die eine Richtung angibt, in der ein Widerstandswert gemäß einer ausgeübten Kraft zunimmt oder abnimmt. Zwei piezoresistive Elemente jedes Paars haben entgegengesetzte Widerstandswertänderungsrichtungen. Das erste Paar beinhaltet ein erstes piezoresistives Element und ein fünftes piezoresistives Element, das zweite Paar beinhaltet ein zweites piezoresistives Element und ein sechstes piezoresistives Element, das dritte Paar beinhaltet ein drittes piezoresistives Element und ein siebtes piezoresistives Element und das vierte Paar beinhaltet ein viertes piezoresistives Element und ein achtes piezoresistives Element. Abstände zwischen piezoresistiven Elementen des ersten Paars und des zweiten Paars und dem Tragelement sind gleich zueinander. Abstände zwischen piezoresistiven Elementen des dritten Paars und des vierten Paars und dem Tragelement sind länger als die Abstände zwischen piezoresistiven Elementen des ersten Paars und des zweiten Paars und dem Tragelement und sind gleich zueinander. Der erste Messwiderstand beinhaltet einen kombinierten Widerstand, der durch serielles Verbinden des ersten piezoresistiven Elements und des achten piezoresistiven Elements bereitgestellt wird, und das erste piezoresistive Element und das achte piezoresistive Element haben eine gleiche Widerstandswertänderungsrichtung. Der zweite Messwiderstand beinhaltet einen kombinierten Widerstand, der durch serielles Verbinden des zweiten piezoresistiven Elements und des siebten piezoresistiven Elements bereitgestellt wird, und das zweite piezoresistive Element und das siebte piezoresistive Element haben eine gleiche Widerstandswertänderungsrichtung. Der dritte Messwiderstand beinhaltet einen kombinierten Widerstand, der durch serielles Verbinden des dritten piezoresistiven Elements und des sechsten piezoresistiven Elements bereitgestellt wird, und das dritte piezoresistive Element und das sechste piezoresistive Element haben eine gleiche Widerstandswertänderungsrichtung. Der vierte Messwiderstand beinhaltet einen kombinierten Widerstand, der durch serielles Verbinden des vierten piezoresistiven Elements und des fünften piezoresistives Elements bereitgestellt wird, und das vierte piezoresistive Element und das fünfte piezoresistive Element haben eine gleiche Widerstandswertänderungsrichtung.
In dem Drucksensor ist jeder des ersten bis vierten Messwiderstands durch einen kombinierten Widerstand ausgebildet, in dem ein piezoresistives Element, auf das eine große thermische Belastung ausgeübt wird, und ein piezoresistives Element, auf das eine kleine thermische Belastung ausgeübt wird, seriell miteinander verbunden sind. Somit, wenn die thermische Belastung in dem Diaphragma erzeugt wird, kann die Differenz zwischen den Größen der thermischen Belastungen, die auf den ersten bis vierten Messwiderstand ausgeübt werden, reduziert werden. Demzufolge kann die Differenz zwischen den Größen von Widerstandswertänderungen aufgrund der thermischen Belastungen des ersten bis vierten Messwiderstands reduziert werden und das Auftreten nicht linearer Sensorsignale kann unterdrückt werden (12).
Alternativ kann das Diaphragma eine Form mit einer ersten Seite einer äußeren Konturlinie aufweisen, die orthogonal die Längsrichtung schneidet. Die erste Seite befindet sich auf einer Endseite. Jedes piezoresistive Element befindet sich in einer vorbestimmten Region ausschließlich einer Region um einen Mittelpunkt der ersten Seite des Diaphragmas herum. In diesem Fall können die thermischen Belastungen, die auf das erste bis achte piezoresistive Element ausgeübt werden, reduziert werden und das Auftreten des nicht-linearen Sensorsignals kann unterdrückt werden.
Alternativ kann der Sensorabschnitt ein Siliziumsubstrat beinhalten und hat eine rechtwinkelige Parallelepipedform. Das Diaphragma ist in dem Siliziumsubstrat angeordnet. Das Diaphragma hat eine Polygonform mit einer äußeren Konturlinie, die die erste Seite und eine zweite bis vierte Seite aufweist. Die Längsrichtung ist als eine erste Richtung definiert und eine Richtung orthogonal zur Längsrichtung ist als eine zweite Richtung definiert. Die erste Seite und die dritte Seite die einander gegenüberliegen, sind parallel zur zweiten Richtung und eine zweite Seite und die vierte Seite, die einander gegenüberliegen, sind parallel zur ersten Richtung. Die erste Seite befindet sich auf einer festen Endseite.
Alternativ kann das Siliziumsubstrat eine Hauptoberfläche aufweisen, die eine Ebene ist. Das erste Paar piezoresistiver Elemente ist benachbart zu einem zentralen Abschnitt der zweiten Seite des Diaphragmas ausgebildet. Das zweite Paar piezoresistiver Elemente ist benachbart zu einem zentralen Abschnitt der vierten Seite des Diaphragmas ausgebildet. Das dritte Paar und das vierte Paar piezoresistiver Elemente sind benachbart zu einem zentralen Abschnitt der dritten Seite des Diaphragmas ausgebildet.
Alternativ kann das Siliziumsubstrat eine Hauptoberfläche aufweisen, die eine Ebene ist. Das erste Paar und das zweite Paar piezoresistiver Elemente sind an einem zentralen Abschnitt des Diaphragmas ausgebildet. Das dritte Paar und das vierte Paar piezoresistiver Elemente sind benachbart zu einem zentralen Abschnitt der dritten Seite des Diaphragmas ausgebildet.
Alternativ kann ein Verhältnis einer Länge der ersten Seite zu einer Länge der zweiten Seite als ein Aspektverhältnis definiert werden. Das Aspektverhältnis ist gleich oder größer als 1. In diesem Fall kann die thermische Belastung, die in dem Diaphragma erzeugt wird, reduziert werden und die thermischen Belastungen, die auf das erste bis achte piezoresistive Element ausgeübt werden, können reduziert werden. Somit kann das Auftreten des nicht-linearen Sensorsignals weiter unterdrückt werden.
Alternativ kann das Diaphragma symmetrisch bezüglich einer X-Achse sein, die ein Zentrum des Sensorabschnitts passiert und parallel zur Längsrichtung ist.
Alternativ kann jedes der piezoresistiven Elemente eine Zickzackform mit geraden Segmenten und sich biegenden bzw. gebogenen Abschnitten aufweisen, von denen jeder ausgehend von einem Endteil eines entsprechenden geraden Segments gebogen ist. Eine Region, die durch überlappende gerade Segmente umgeben ist, hat eine Quadratform. Die Regionen der entsprechenden piezoresistiven Elemente haben die gleiche Größe.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet ein Drucksensor: einen Sensorabschnitt, der eine Richtung als eine Längsrichtung, ein Ende in der Längsrichtung als ein festes Ende und das andere Ende als ein freies Ende gegenüberliegend zu dem einen Ende aufweist, und ein dünnes Diaphragma und eine Mehrzahl piezoresistiver Elemente beinhaltet, die auf dem Diaphragma angeordnet ist, um eine Brückenschaltung auszubilden; und ein Tragelement, das das eine Ende des Sensorabschnitts befestigt. Das Diaphragma hat eine Form, die eine erste Seite einer äußeren Konturlinie hat, die orthogonal die Längsrichtung schneidet. Die erste Seite befindet sich auf einer Endseite. Die mehreren piezoresistiven Elemente befinden sich in einer vorbestimmten Region aus einer Region um einen Mittelpunkt der ersten Seite des Diaphragmas herum.
In dem Drucksensor mit einer derartigen Konfiguration, da das Diaphragma eine äußere Erscheinung mit einer Seite auf einer Endseite aufweist, wenn eine externe Temperatur geändert wird, wird die größte thermische Belastung in einer Region (zentraler Abschnitt) um einen Mittelpunkt der einen Seite herum erzeugt, jedoch sind die piezoresistiven Elemente in einer Region ausschließlich der Region um den Mittelpunkt einer Seite herum ausgebildet. Somit kann verglichen mit dem Drucksensor des Stands der Technik, in dem die piezoresistiven Elemente in dem Abschnitt ausgebildet sind, in dem die größte thermische Belastung erzeugt wird, wenn die externe Temperatur geändert wird, die Differenz der thermischen Belastungen, die auf die entsprechenden piezoresistiven Elemente ausgeübt werden, reduziert werden und die Reduzierung der Druckerfassungsgenauigkeit kann unterdrückt werden.
Ferner wird in dem Drucksensor mit einer derartigen Konfiguration, das Erfassungssignal, das von der Brückenschaltung ausgegeben wird, um ein vorbestimmtes Vielfaches unter Verwendung einer Verstärkerschaltung verstärkt und der Druck wird basierend auf dem verstärkten Signal gemessen. Somit wird ein Fehler des verstärkten Signals größer, da ein Absolutwert des Maximalwerts der thermischen Belastungen, die auf die entsprechenden piezoresistiven Elemente ausgeübt werden, größer wird. Jedoch kann in dem Drucksensor, da die piezoresistiven Elemente in der Region ausschließlich in der Region um den Mittelpunkt der einen Seite herum ausgebildet sind, wenn die externe Temperatur geändert wird, der Absolutwert des Maximalwerts der thermischen Belastungen, die auf die piezoresistiven Elemente ausgeübt werden, reduziert werden. Somit kann die Reduzierung der Druckerfassungsgenauigkeit weiter unterdrückt werden.
Alternativ kann der Sensorabschnitt ein Siliziumsubstrat aufweisen und hat eine rechtwinkelige Parallelepipedform. Das Diaphragma ist in dem Siliziumsubstrat ausgebildet. Das Diaphragma hat eine Polygonform, die die äußere Konturlinie einschließlich der ersten Seite und einer zweiten bis vierten Seite aufweist. Die Längsrichtung ist als eine erste Richtung definiert und eine Richtung orthogonal zur Längsrichtung ist als eine zweite Richtung definiert. Die erste Seite und die dritte Seite die einander gegenüberliegen, sind parallel zur zweiten Richtung und die zweite Seite und die vierte Seite, die einander gegenüberliegen, sind parallel zur ersten Richtung. Die erste Seite befindet sich auf einer festen Endseite befindet.
Ferner kann das Siliziumsubstrat eine Hauptoberfläche aufweisen, die eine Ebene ist. Die mehreren piezoresistiven Elemente beinhalten ein erstes bis viertes piezoresistives Element. Das erste piezoresistive Element und ein drittes piezoresistives Element sind benachbart zu einem zentralen Abschnitt der dritten Seite des Diaphragmas ausgebildet. Das zweite piezoresistive Element ist benachbart zu einem zentralen Abschnitt der zweiten Seite des Diaphragmas ausgebildet. Das vierte piezoresistive Element ist benachbart zu einem zentralen Abschnitt der vierten Seite des Diaphragmas ausgebildet.
In dem Drucksensor mit einer derartigen Konfiguration, da die Hauptoberfläche des Siliziumsubstrats die Ebene ist, werden die zentralen Abschnitte der ersten bis vierten Seite einfach deformiert, wenn Druck auf das Diaphragma ausgeübt wird. Somit kann die Reduzierung der Druckerfassungsgenauigkeit unterdrückt werden, während verglichen mit dem Drucksensor des Stands der Technik annähernd die Empfindlichkeit aufrechterhalten wird.
Alternativ kann das Siliziumsubstrat eine Hauptoberfläche aufweisen, die eine Ebene ist. Die mehreren piezoresistiven Elemente beinhalten ein erstes bis viertes piezoresistives Element. Das erste bis vierte piezoresistive Element sind benachbart zur dritten Seite des Diaphragmas ausgebildet. Das erste piezoresistive Element und ein drittes piezoresistives Element sind seriell miteinander durch ein zweites piezoresistives Element, das sich zwischen diesen befindet, verbunden. Das erste piezoresistive Element und das dritte piezoresistive Element sind seriell miteinander durch das dazwischen befindliche vierte piezoresistive Element verbunden. Das erste piezoresistive Element und das dritte piezoresistive Element beinhalten einen Widerstandswertänderungsabschnitt, der einen Widerstandswert aufweist, der jeweils geändert wird, wenn ein Druck auf das Diaphragma ausgeübt wird. Der Widerstandswertänderungsabschnitt des ersten piezoresistiven Elements und der Widerstandswertänderungsabschnitt des dritten piezoresistiven Elements erstrecken sich in der ersten Richtung. Das zweite piezoresistive Element und das vierte piezoresistive Element beinhalten einen Widerstandsänderungsabschnitt, der einen Widerstandswert aufweist, der jeweils geändert wird, wenn der Druck auf das Diaphragma ausgeübt wird. Der Widerstandswertänderungsabschnitt des zweiten piezoresistiven Elements und der Widerstandswertänderungsabschnitt des vierten piezoresistiven Elements erstrecken sich in der zweiten Richtung.
In dem Drucksensor mit einer derartigen Konfiguration sind das erste bis vierte piezoresistive Element benachbart zur dritten Seite am weitesten beabstandet von dem festen Ende ausgebildet. Somit kann die Differenz zwischen den thermischen Belastungen, die auf das erste bis vierte piezoresistive Element ausgeübt werden, reduziert werden und die Reduzierung der Druckerfassungsgenauigkeit kann unterdrückt werden.
Alternativ kann das Siliziumsubstrat eine Hauptoberfläche aufweisen, die eine Ebene ist. Die Mehrzahl piezoresistiver Elemente beinhaltet ein erstes bis viertes piezoresistives Element. Das erste piezoresistive Element und ein drittes piezoresistives Element sind in einem zentralen Abschnitt des Diaphragmas ausgebildet. Ein zweites piezoresistives Element und das vierte piezoresistive Element sind benachbart zu einem zentralen Abschnitt der dritten Seite des Diaphragmas ausgebildet.
Alternativ ist ein Verhältnis einer Länge der ersten Seite und einer Länge der zweiten Seite als ein Aspektverhältnis definiert ist. Das Aspektverhältnis ist gleich oder größer als 1.
In dem Drucksensor mit einer derartigen Konfiguration kann, wenn die externe Temperatur geändert wird, die thermische Belastung, die in dem Diaphragma erzeugt wird, reduziert werden und die Reduzierung der Druckerfassungsgenauigkeit kann unterdrückt werden.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet ein Drucksensor: einen Sensorabschnitt, der eine Richtung als eine Längsrichtung, ein Ende in der Längsrichtung als ein festes Ende und das andere Ende als ein freies Ende gegenüberliegend zu dem einen Ende aufweist, und ein dünnes Diaphragma und eine Mehrzahl piezoresistiver Elemente beinhaltet, die auf dem Diaphragma angeordnet ist, um eine Brückenschaltung auszubilden; und ein Tragelement, das das eine Ende des Sensorabschnitts befestigt. Das Diaphragma hat eine kreisförmige äußere Konturlinie. Eine gerade Linie, die parallel zur Längsrichtung ist und ein Zentrum des Diaphragmas passiert, schneidet eine äußere Konturlinie des Diaphragmas an zwei Schnittpunkten. Die Mehrzahl piezoresistiver Elemente ist in einer vorbestimmten Region ausschließlich einer Region um einen Schnittpunkt herum angeordnet, der an einer festen Endseite positioniert ist.
In dem Drucksensor mit einer derartigen Konfiguration kann die Differenz zwischen den thermischen Belastungen, die auf die entsprechenden piezoresistiven Elemente ausgeübt werden, reduziert werden und die Reduzierung der Druckerfassungsgenauigkeit kann unterdrückt werden. Ferner kann in dem Drucksensor mit einer derartigen Konfiguration, wenn die externe Temperatur geändert wird, der Absolutwert des Maximalwerts der thermischen Belastungen, die auf die piezoresistiven Elemente ausgeübt werden, reduziert werden. Somit kann die Reduzierung der Druckerfassungsgenauigkeit ferner unterdrückt werden.
Alternativ kann die äußere Konturlinie des Diaphragmas eine elliptische Form sein, die in einer Richtung orthogonal zur Längsrichtung eine Länge aufweist, die länger als eine Länge in der Längsrichtung ist.
In dem Drucksensor mit einer derartigen Konfiguration kann die thermische Belastung, die in dem Diaphragma erzeugt wird, reduziert werden und die Reduzierung der Druckerfassungsgenauigkeit kann unterdrückt werden.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet ein Drucksensor: einen Sensorabschnitt (10, 110), der eine Richtung als eine Längsrichtung, ein Ende (21, 121) in der Längsrichtung als ein festes Ende und das andere Ende (22, 122) als ein freies Ende gegenüberliegend zu dem einen Ende (21, 121) aufweist, und ein dünnes Diaphragma (24, 124) und eine Mehrzahl piezoresistiver Elemente (26a bis 26h, 125a bis 125d) beinhaltet, die auf dem Diaphragma (24, 124) angeordnet ist, um eine Brückenschaltung auszubilden, und ein Tragelement (40, 140), das das eine Ende (21, 121) des Sensorabschnitts (10, 110) befestigt. Das Diaphragma hat eine äußere Konturlinie einer Dreiecksform. Die Dreiecksform hat einen vertikalen Winkel (24i, 126) mit einer ersten bis dritten Seite. Der vertikale Winkel ist auf einer Endseite angeordnet. Die Mehrzahl piezoresistiver Elemente ist in einer vorbestimmten Region ausschließlich einer Region um den vertikalen Winkel herum angeordnet.
In dem Drucksensor mit einer derartigen Konfiguration kann die Differenz zwischen den thermischen Belastungen, die auf die entsprechenden piezoresistiven Elemente ausgeübt werden, reduziert werden und die Reduzierung der Druckerfassungsgenauigkeit kann unterdrückt werden. Ferner kann in dem Drucksensor mit einer derartigen Konfiguration, wenn die externe Temperatur geändert wird, der Absolutwert des Maximalwerts der thermischen Belastungen, die auf das piezoresistive Element bzw. auf die piezoresistiven Elemente ausgeübt werden, reduziert werden. Somit kann die Reduzierung der Druckerfassungsgenauigkeit ferner unterdrückt werden.

Claims

Drucksensor, aufweisend: einen Sensorabschnitt (10, 110), der eine Richtung als eine Längsrichtung, ein Ende (21, 121) in der Längsrichtung als ein festes Ende und das andere Ende (22, 122) als ein freies Ende gegenüberliegend zu dem einen Ende (21, 121) aufweist, und ein dünnes Diaphragma (24, 124) und eine Mehrzahl piezoresistiver Elemente (26a bis 26h, 125a bis 125d) beinhaltet, die auf dem Diaphragma (24, 124) angeordnet ist, um eine Brückenschaltung bereitzustellen; und ein Tragelement (40, 140), das das eine Ende (21, 121) des Sensorabschnitts (10, 110) befestigt, wobei das Diaphragma (24, 124) eine Form aufweist, die eine erste Seite (24a, 124a) einer äußeren Konturlinie aufweist, die die Längsrichtung orthogonal schneidet, wobei sich die erste Seite (24a, 124a) auf einer Endseite befindet, und wobei die Mehrzahl piezoresistiver Elemente (26a bis 26h, 125a bis 125d) in einer vorbestimmten Region außer einer Region um einen Mittelpunkt der ersten Seite (24a, 124a) des Diaphragmas (24, 124) herum angeordnet ist.
Drucksensor gemäß Anspruch 1, wobei der Sensorabschnitt (10, 110) ein Siliziumsubstrat (20, 120) beinhaltet und eine rechtwinkelige Parallelepipedform aufweist, wobei das Diaphragma (24, 124) in dem Siliziumsubstrat (20, 120) ausgebildet ist, wobei das Diaphragma (24, 124) eine Polygonform aufweist, die die äußere Konturlinie einschließlich der ersten Seite (24a, 124a) und einer zweiten bis vierten Seite (25b bis 25d, 124b bis 124d) aufweist, wobei die Längsrichtung als eine erste Richtung definiert ist und eine Richtung orthogonal zur Längsrichtung als eine zweite Richtung definiert ist, wobei die erste Seite (24a, 124a) und die dritte Seite (24c, 124c) die einander gegenüberliegen, parallel zur zweiten Richtung sind und die zweite Seite (24b, 124b) und die vierte Seite (24d, 124d), die einander gegenüberliegen, parallel zur ersten Richtung sind, und wobei die erste Seite (24a, 124a) sich auf einer festen Endseite befindet.
Drucksensor gemäß Anspruch 2, wobei das Siliziumsubstrat (120) eine Hauptoberfläche aufweist, die eine 001-Ebene ist, wobei die Mehrzahl piezoresistiver Elemente (125a bis 125d) ein erstes bis viertes piezoresistives Element (125a bis 125d) beinhaltet, wobei das erste piezoresistive Element (125a) und ein drittes piezoresistive Element (125c) benachbart zu einem zentralen Abschnitt der dritten Seite (124c) des Diaphragmas (124) ausgebildet sind, wobei das zweite piezoresistive Element (125b) benachbart zu einem zentralen Abschnitt der zweiten Seite (124b) des Diaphragmas (124) ausgebildet ist, und wobei das vierte piezoresistive Element (125d) benachbart zu einem zentralen Abschnitt der vierten Seite (124d) des Diaphragmas (124) ausgebildet ist.
Drucksensor gemäß Anspruch 2, wobei das Siliziumsubstrat (120) eine Hauptoberfläche aufweist, die eine 001-Ebene ist, wobei die Mehrzahl piezoresistiver Elemente (125a bis 125d) ein erstes bis viertes piezoresistives Element (125a bis 125d) beinhaltet, wobei das erste bis vierte piezoresistive Element (125a bis 125d) benachbart zur dritten Seite (124c) des Diaphragmas (124) ausgebildet sind, wobei das erste piezoresistive Element (125a) und ein drittes piezoresistives Element (125c) seriell miteinander durch ein dazwischen befindliches zweites piezoresistives Element (125b) verbunden sind, wobei das erste piezoresistive Element (125a) und das dritte piezoresistive Element (125c) seriell miteinander durch das dazwischen befindliche vierte piezoresistive Element (125d) verbunden sind, wobei das erste piezoresistive Element (125a) und das dritte piezoresistive Element (125c) einen Widerstandswertänderungsabschnitt beinhalten, der einen Widerstandswert aufweist, der jeweils geändert wird, wenn ein Druck auf das Diaphragma (124) ausgeübt wird, wobei der Widerstandswertänderungsabschnitt des ersten piezoresistiven Elements (125a) und der Widerstandswertänderungsabschnitt des dritten piezoresistiven Elements (125c) sich in der ersten Richtung erstrecken, wobei das zweite piezoresistive Element (125b) und das vierte piezoresistive Element (125d) eine Widerstandsänderungsabschnitt beinhalten, der einen Widerstandswert aufweist, der jeweils geändert wird, wenn der Druck auf das Diaphragma (124) ausgeübt wird, und wobei der Widerstandswertänderungsabschnitt des zweiten piezoresistiven Elements (125b) und der Widerstandswertänderungsabschnitt des vierten piezoresistiven Elements (125d) sich in der zweiten Richtung erstrecken.
Drucksensor gemäß Anspruch 2, wobei das Siliziumsubstrat (120) eine Hauptoberfläche aufweist, die eine 011-Ebene ist, wobei die Mehrzahl piezoresistiver Elemente (125a bis 125d) ein erstes bis viertes piezoresistives Element (125a bis 125d) beinhaltet, wobei das erste piezoresistive Element (125a) und ein drittes piezoresistives Element (125c) in einem zentralen Abschnitt des Diaphragmas (124) ausgebildet sind, und wobei ein zweites piezoresistives Element (125b) und das vierte piezoresistive Element (125d) benachbart zu einem zentralen Abschnitt der dritten Seite (124c) des Diaphragmas (124) ausgebildet sind.
Drucksensor gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei ein Verhältnis einer Länge der ersten Seite (24a) und einer Länge der zweiten Seite (24b) als ein Aspektverhältnis definiert ist, und wobei das Aspektverhältnis gleich oder größer als 1 ist.
Drucksensor, aufweisend: einen Sensorabschnitt (10, 110), der eine Richtung als eine Längsrichtung, ein Ende (21, 121) in der Längsrichtung als ein festes Ende und das andere Ende (22, 122) als ein freies Ende gegenüberliegend zu dem einen Ende (21, 121) aufweist, und ein dünnes Diaphragma (24, 124) und eine Mehrzahl piezoresistiver Elemente (26 bis 26h, 125h bis 125d) beinhaltet, die auf dem Diaphragma (24, 124) angeordnet ist, um eine Brückenschaltung auszubilden; und ein Tragelement (40, 140), das das eine Ende (21, 121) des Sensorabschnitts (10, 110) befestigt, wobei das Diaphragma (24, 124) eine kreisförmige äußere Konturlinie aufweist, wobei eine gerade Linie, die parallel zur Längsrichtung ist und ein Zentrum des Diaphragmas (40, 124) passiert, eine äußere Konturlinie des Diaphragmas (24, 124) an zwei Schnittpunkten schneidet, und wobei die Mehrzahl piezoresistiver Elemente (26a bis 26d, 125a bis 125d) in einer vorbestimmten Region ausschließlich einer Region um einen Schnittpunkt herum angeordnet ist, der an einer festen Endseite positioniert ist.
Drucksensor gemäß Anspruch 7, wobei die äußere Konturlinie des Diaphragmas (24, 124) eine elliptische Form ist, die in einer Richtung orthogonal zur Längsrichtung eine Länge aufweist, die länger als eine Länge in der Längsrichtung ist.
Drucksensor, aufweisend: einen Sensorabschnitt (10, 110), der eine Richtung als eine Längsrichtung, ein Ende (21, 121) in der Längsrichtung als ein festes Ende und das andere Ende (22, 122) als ein freies Ende gegenüberliegend zu dem einen Ende (21, 121) aufweist, und ein dünnes Diaphragma (24, 124) und eine Mehrzahl piezoresistiver Elemente (26a bis 26h, 125a bis 125d) beinhaltet, die auf dem Diaphragma (24, 124) angeordnet ist, um eine Brückenschaltung auszubilden, und ein Tragelement (40, 140), das das eine Ende (21, 121) des Sensorabschnitts (10, 110) befestigt, wobei das Diaphragma (24, 124) eine äußere Konturlinie einer Dreiecksform aufweist, wobei die Dreiecksform einen vertikalen Winkel (24i, 126) mit einer ersten bis dritten Seite (24a bis 24c, 124a bis 124c) aufweist, wobei der vertikale Winkel (24i, 126) auf einer Endseite angeordnet ist, und wobei die Mehrzahl piezoresistiver Elemente (26a bis 26h, 125a bis 125d) in einer vorbestimmten Region ausschließlich einer Region um den vertikalen Winkel (24i, 126) herum angeordnet ist.
Drucksensor, aufweisend: einen Sensorabschnitt (10), der eine Richtung als eine Längsrichtung, ein Ende (21, 121) in der Längsrichtung als ein festes Ende und das andere Ende (22, 122) als ein freies Ende gegenüberliegend zu dem einen Ende (21, 121) aufweist, und ein dünnes Diaphragma (24, 124) und einen ersten bis vierten Messwiderstand (25a bis 25d) beinhaltet, die sich auf dem Diaphragma befinden, um eine Brückenschaltung auszubilden; und ein Tragelement (40), das das eine Ende (21) des Sensorabschnitts (10) befestigt, wobei ein erstes bis viertes Paar piezoresistiver Elemente (26a bis 26h) auf dem Diaphragma (24) angeordnet sind, wobei jedes der piezoresistiven Elemente (26a bis 26h) eine Widerstandswertänderungsrichtung aufweist, die eine Richtung angibt, in der ein Widerstandswert gemäß einer ausgeübten Kraft zunimmt oder abnimmt, wobei zwei piezoresistive Elemente (26a bis 26h) jedes Paars entgegengesetzte Widerstandswertänderungsrichtungen aufweisen, wobei das erste Paar ein erstes piezoresistives Element (26a) und ein fünftes piezoresistives Element (26e) beinhaltet, das zweite Paar ein zweites piezoresistives Element (26b) und ein sechstes piezoresistives Element (26f) beinhaltet, das dritte Paar ein drittes piezoresistives Element (26c) und ein siebtes piezoresistives Element (26g) beinhaltet, und das vierte Paar ein viertes piezoresistives Element (26d) und ein achtes piezoresistives Element (26h) beinhaltet, wobei Abstände zwischen piezoresistiven Elementen (26a, 26b, 26e, 26f) des ersten Paars und des zweiten Paars und dem Tragelement (40) gleich zueinander sind, wobei Abstände zwischen piezoresistives Elementen (26c, 26d, 26g, 26h) des dritten Paars und des vierten Paars und dem Tragelement (40) länger als die Abstände zwischen piezoresistiven Elementen (26a, 26b, 26e, 26f) des ersten Paars und des zweiten Paars und dem Tragelement (40) sind und gleich zueinander sind, wobei der erste Messwiderstand (25a) einen kombinierten Widerstand beinhaltet, der durch serielles Verbinden des ersten piezoresistiven Elements (26a) und des achten piezoresistiven Elements (26h) bereitgestellt wird, und das erste piezoresistive Element (26a) und das achte piezoresistive Element (26h) eine gleiche Widerstandswertänderungsrichtung aufweisen, wobei der zweite Messwiderstand (25b) einen kombinierten Widerstand beinhaltet, der durch serielles Verbinden des zweiten piezoresistiven Elements (26b) und des siebten piezoresistiven Elements (26g) bereitgestellt wird, und das zweite piezoresistive Element (26b) und das siebte piezoresistive Element (26g) eine gleiche Widerstandswertänderungsrichtung aufweisen, wobei der dritte Messwiderstand (25c) einen kombinierten Widerstand beinhaltet, der durch serielles Verbinden des dritten piezoresistiven Elements (26c) und des sechsten piezoresistiven Elements (26f) bereitgestellt wird, und das dritte piezoresistive Element (26c) und das sechste piezoresistive Element (26f) eine gleiche Widerstandswertänderungsrichtung aufweisen, und wobei der vierte Messwiderstand (25d) einen kombinierten Widerstand beinhaltet, der durch serielles Verbinden des vierten piezoresistiven Elements (26d) und des fünften piezoresistiven Elements (26g) bereitgestellt wird, und das vierte piezoresistive Element (26d) und das fünfte piezoresistive Element (26e) eine gleiche Widerstandswertänderungsrichtung aufweisen.
Drucksensor gemäß Anspruch 10, wobei das Diaphragma (24) eine Form mit einer ersten Seite (24a) einer äußeren Konturlinie aufweist, die orthogonal die Längsrichtung schneidet, wobei sich die erste Seite (24a) auf einer Endseite befindet, und wobei jedes piezoresistive Element (26a bis 26h) in einer vorbestimmten Region ausschließlich einer Region um einen Mittelpunkt der ersten Seite (24a) des Diaphragmas (24) herum angeordnet ist.
Drucksensor gemäß Anspruch 11, wobei der Sensorabschnitt (10) ein Siliziumsubstrat (20) beinhaltet und eine rechtwinkelige Parallelepipedform aufweist, wobei das Diaphragma (24) in dem Siliziumsubstrat (20) angeordnet ist, wobei das Diaphragma (24) eine Polygonform mit einer äußeren Konturlinie aufweist, die die erste Seite und eine zweite Seite bis vierte Seite (24b bis 24d) aufweist, wobei die Längsrichtung als eine erste Richtung definiert ist und eine Richtung orthogonal zur Längsrichtung als eine zweite Richtung definiert ist, wobei die erste Seite (24a) und eine dritte Seite (24c), die einander gegenüberliegen, parallel zur zweiten Richtung sind und eine zweite Seite (24b) und die vierte Seite (24d), die einander gegenüberliegen, parallel zur ersten Richtung sind, und wobei die erste Seite (24a) auf einer festen Endseite angeordnet ist.
Drucksensor gemäß Anspruch 12, wobei das Siliziumsubstrat (20) eine Hauptoberfläche aufweist, die eine 001-Ebene ist, wobei das erste Paar piezoresistiver Elemente (26a, 26b) benachbart zu einem zentralen Abschnitt der zweiten Seite (24b) des Diaphragmas (24) ausgebildet ist, wobei das zweite Paar piezoresistiver Elemente (26b, 26f) benachbart zu einem zentralen Abschnitt der vierten Seite (24d) des Diaphragmas (24) ausgebildet ist, und wobei das dritte Paar und das vierte Paar piezoresistiver Elemente (26c, 26d, 26g, 26h) benachbart zu einem zentralen Abschnitt der dritten Seite (24c) des Diaphragmas (24) ausgebildet sind.
Drucksensor gemäß Anspruch 12, wobei das Siliziumsubstrat (20) eine Hauptoberfläche aufweist, die eine 001-Ebene ist, wobei das erste und das zweite Paar piezoresistiver Elemente (26a, 26b, 26e, 26f) an einem zentralen Abschnitt des Diaphragmas (24) ausgebildet sind, und wobei das dritte und das vierte Paar piezoresistiver Elemente (26c, 26d, 26g, 26h) benachbart zu einem zentralen Abschnitt der dritten Seite (24c) des Diaphragmas (24) ausgebildet sind.
Drucksensor gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei ein Verhältnis einer Länge der ersten Seite (24a) zu einer Länge der zweiten Seite (24b) als ein Aspektverhältnis definiert ist, und wobei das Aspektverhältnis gleich oder größer als 1 ist.
Drucksensor gemäß einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei das Diaphragma (24) symmetrisch bezüglich einer Achse ist, die ein Zentrum des Sensorabschnitts (10) passiert und parallel zur Längsrichtung ist.
Drucksensor gemäß einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei jedes der piezoresistiven Elemente (26a bis 26h) eine Zickzackform mit geraden Segmenten und gebogenen Abschnitten aufweist, von denen jeder ausgehend von einem Endteil eines entsprechenden geraden Segments gebogen ist, wobei eine Region (A), die durch überlappte gerade Segmente umgeben ist, eine Quadratform aufweist, und wobei die Regionen (A) der entsprechenden piezoresistiven Elemente (26a bis 26h) die gleiche Größe haben.