JP2002116106A - 半導体圧力センサ - Google Patents

半導体圧力センサ

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JP2002116106A
JP2002116106A JP2000314418A JP2000314418A JP2002116106A JP 2002116106 A JP2002116106 A JP 2002116106A JP 2000314418 A JP2000314418 A JP 2000314418A JP 2000314418 A JP2000314418 A JP 2000314418A JP 2002116106 A JP2002116106 A JP 2002116106A
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JP
Japan
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diaphragm
pressure sensor
pressure
acceleration
sensor
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JP2000314418A
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Yasunori Shoji
康則 庄司
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】ピエゾ抵抗とダイアフラムを組み合わせた構造
をもつ半導体圧力センサで、1チップで差圧、静圧、加
速度が測定できる圧力センサを提供する。 【解決手段】圧力センサのダイアフラムを支持する単結
晶シリコン基板上に固定端をもつ梁を形成し、その梁上
に加速度検出用のピエゾ抵抗を形成する。圧力と加速度
が同時センサに印加された時、差圧センサ、静圧センサ
の出力から、加速度だけに反応する梁上のピエゾ抵抗の
出力を補正して差し引くことにより、圧力成分と加速度
成分の分離が可能となり、1チップのセンサで高精度な
圧力測定が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はプラント、航空機、
自動車などで圧力、流量等を測定する際に使用される半
導体圧力センサに関する。
【0002】
【従来の技術】被測定物の圧力を受けて変位するシリコ
ンダイアフラム上に感歪ゲージとしてピエゾ抵抗を配置
し、圧力センサを構成することはよく知られている。通
常、圧力センサは例えば特開平5−157648号公報
のようにダイアフラム上面と下面の圧力差を測定する差
圧センサ、ダイアフラム下面を一定圧力に密閉して上面
の圧力変化を測定する静圧センサの2種類の圧力センサ
が集積化されているのが一般的である。しかし、圧力セ
ンサが例えば航空機や自動車などの動的な場所や振動の
大きな場所で使用される場合、ダイアフラムの変位には
加速度による変位分が重畳するが、特開平5−1576
48号公報のような構成では、差圧センサ、静圧センサ
とも加速度を重畳した形でしか圧力検知ができない。
【0003】これに対し、特開平10−132682号
公報は、圧力センサのダイアフラム中央に形成された剛
体部に板材を貼り付けることで加速度を検出できる構成
を提供している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記公知例で
は、本来、過大圧力に対するストッパである板材を加速
度検出に利用するため、板材の剛性が高く、高感度な加
速度検出を行うことはできない。
【0005】本発明は、ダイアフラムの上面に梁を形成
し、梁の変形から加速度を測定することで、圧力成分と
加速度成分を分離できる構造を提供するものである。こ
の構造を用いると、梁の厚さを制御することで加速度の
測定感度を任意に設定でき、さらに、同一センサチップ
に加速度センサ、差圧センサ、静圧センサを容易に集積
化することができ、1チップのセンサで高精度な圧力測
定が可能となる。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する方法
として、ダイアフラムを支持する単結晶シリコン基板上
に固定端をもつ梁を形成し、その梁上にピエゾ抵抗を形
成する。
【0007】
【発明の実施の形態】図1は本発明における実施例の概
略構造を示す上面図、図2は図1の矢視A−O−B断面
図である。n型(100)面単結晶シリコンからなる基
板51の一部を、例えばアルカリ異方性エッチングによ
ってくり抜き、差圧検出用ダイアフラム31および静圧
検出用ダイアフラム32を形成する。ダイアフラム支持
部33上には固定端35を有する、例えばポリシリコン
からなる梁34を形成する。この梁の形状は図1,図2
に示すように片持ち梁の他、図3に上面図、図4にその
矢視A−O−B断面図を示す両持ち梁でも構わない。も
ちろん、更に多くの固定端をもつ梁であっても構わな
い。梁34の配置位置は、梁の支持部35がダイアフラ
ム支持部33上にあればどこでも構わないが、梁をダイ
アフラム上に配置すればセンサチップ面積の拡大を防ぐ
ことができる。この場合、ダイアフラムと梁の間には、
梁およびダイアフラムが変形しない初期状態で所定の間
隔37をもたせ、梁やダイアフラムの変形範囲を確保し
ておく。単結晶シリコン基板51の下面側は例えばパイ
レックス(登録商標)ガラス52,低融点ガラス53を
介して、差圧検出用導入口36を有する、例えばTe−
Ni製のポスト54に接着する。
【0008】差圧検出用ダイアフラム31には差圧を受
けてダイアフラムが変形した際の応力を検知する差圧検
出用ピエゾ抵抗21a〜21dを、静圧検出用ダイアフ
ラム32には静圧を受けてダイアフラムが変形した際の
応力を検知する静圧検出用ピエゾ抵抗22a〜22dを
形成し、単結晶シリコン基板51上で、ダイアフラム領
域となっていない場所には温度検出用ピエゾ抵抗23を
形成する。また、梁34上には加速度検出用ピエゾ抵抗
24a〜24bを形成する。25はp型高濃度不純物層
の配線、26はアルミニウムの配線、1〜16はアルミ
ニウムのコンタクトパッドである。
【0009】差圧検出用ダイアフラム31ならびに4個
の静圧検出用ダイアフラム32のそれぞれの表面付近に
形成されたp型のピエゾ抵抗は、ボロンを拡散して応力
に対して最も敏感な〈110〉方向に作り込まれる。ピ
エゾ抵抗は、長手方向に引張応力が働いた場合抵抗値が
増加する。この方向に配列したゲージをLゲージと呼
ぶ。また、横手方向に引張応力が働いた場合抵抗値が減
少する。この方向に配列したゲージをTゲージと呼ぶ。
図1の例では差圧検出用ダイアフラム31上の支持部近
傍に、長手方向がダイアフラムの半径方向と平行となる
2個のLゲージ21a,21c、長手方向がダイアフラ
ムの接線方向と平行となる2個のTゲージ21b,21
dを配置している。差圧検出用ダイアフラム32上には
Lゲージ22a,22c,Tゲージ22b,22dを配
置している。21a〜21d,22a〜22dのピエゾ
抵抗は図5,図6に示すように2組のホイートストンブ
リッジを構成する。ここで、差圧検出用ダイアフラム3
1と21a〜21dのブリッジで構成される部分を差圧
センサ、静圧検出用ダイアフラム32と22a〜22d
のブリッジで構成される部分を静圧センサと呼ぶ。ダイ
アフラムに圧力が印加されると、それぞれのダイアフラ
ムがたわみ、ダイアフラム上に形成されたピエゾ抵抗で
構成される各ブリッジが上面と下面の圧力差にほぼ比例
したセンサ出力V1,V2を発生する。ここで、差圧セン
サはダイアフラムの上面と下面の圧力差(差圧)を測定
するのに対し、静圧センサはダイアフラムの上面と密閉
された一定圧力部分との圧力差(静圧)を測定すること
になる。
【0010】一方、ダイアフラムと同一基板上に集積化
される温度検出用のピエゾ抵抗23も同様にボロンを拡
散することで形成されるが、応力変化に対してほとんど
抵抗変化を示さない〈100〉方向に配列することで、
温度に対してのみ感度をもたせるようにする。ピエゾ抵
抗23からなる部分を温度センサと呼び、図5,図6に
示したように差圧センサ、静圧センサのピエゾ抵抗ブリ
ッジと結線される。また、梁上に形成される加速度検出
用のピエゾ抵抗24a,24bも同様にボロンを拡散す
ることで形成されるが、結晶方位依存性はないため、梁
のたわむ方向に平行に配列することで加速度に関する感
度を高くする。ピエゾ抵抗24a,24bからなる部分
を加速度センサと呼び、図5,図6に示したように差圧
センサ、静圧センサのピエゾ抵抗ブリッジと結線され
る。
【0011】ピエゾ抵抗の配列間ならびにアルミニウム
のコンタクトパッド1〜16への配線には、より高濃度
にボロンを拡散したp型不純物拡散層25とアルミニウ
ム配線26を併用する。本実施例ではダイアフラムの外
側やピエゾ抵抗から離れた場所等、温度ヒステリシスの
影響が比較的小さい所については、抵抗値の小さいアル
ミニウム配線を使用しているが、この他、コンタクトパ
ッドを除くすべての配線を高濃度不純物層とする配線方
法も可能である。
【0012】次に図7を用いてダイアフラムに圧力が印
加された場合のセンサの動作について説明する。ダイア
フラムの上面と下面の間で圧力差が生じた場合、上面側
がより高圧力ならば図7(a)に示すようにダイアフラ
ムが変形する。ダイアフラム変形時に、ピエゾ抵抗が作
り込まれているダイアフラム表面付近に発生する応力は
図7(b)に示すようになる。ダイアフラム上では、ダ
イアフラム支持部近傍で最大の引張応力σ1が発生す
る。ダイアフラムの外径をX、厚さをhとすれば、差圧
ΔPが印加された時σ1は次の式で表される。
【0013】
【数1】σ1=3X2ΔP/(16h2) 図1に示すように、ダイアフラムの支持部近傍にそれぞ
れLゲージ、Tゲージを2個ずつ配置した場合には、差
圧センサの出力V1は次の式で表される。
【0014】
【数2】V1=(1/2)・π44(1−ν)σ1・V ここで、νはポワソン比、π44は剪断のピエゾ抵抗係
数、Vは励起電圧である。
【0015】次に、圧力センサが動的な場所で使用され
る場合を考える。図8に示すように、差圧ΔPに加えて
加速度Gがセンサに印加された時、差圧検出量ダイアフ
ラム31および静圧検出量ダイアフラム32は圧力を受
けた際の変位に加え、加速度を受けたことによる変形を
生じる。図9は、ダイアフラム上面から正の差圧と正の
加速度が印加された時の変形状態とセンサ出力を示した
ものである。梁34は加速度を受けた時にだけ変形する
ため、図9(b)のように差圧センサの出力から加速度
センサの出力を補正して差し引くことにより、圧力成分
と加速度成分の分離が可能となる。加速度が図9と逆方
向であれば、加速度センサの出力も逆になるため、加速
度の方向も知ることができる。静圧センサについても同
様に補正処理を行うことができる。
【0016】図10(a)〜(d)は上記実施例圧力セ
ンサの製造工程を示す断面図である。以下、製造工程に
ついて説明する。
【0017】(a)まず、単結晶シリコン基板51を熱
酸化,ポリシリコンの蒸着とホトリソで加速度検出用の
梁34を形成する。
【0018】(b)次に、ピエゾ抵抗,p型高濃度不純
物層の配線およびアルミニウムの配線、コンタクトパッ
ドを形成する。
【0019】(c)単結晶シリコン基板51の裏面側に
SiN膜の蒸着とホトリソでパターンを形成後、アルカ
リ異方性エッチングによって差圧ダイアフラム31なら
びに静圧ダイアフラム32を形成する。
【0020】(d)裏面のSiN膜を除去、パイレック
スガラス52を接合後、低融点ガラス53、ポスト54
を接着する。
【0021】この圧力センサはその後、図11に示すよ
うに出力取り出し用金具(シール金具)55に溶接ある
いは接着し、センサのパッド1〜16と出力取り出し用
端子56をシードワイヤ57で接続する。この金具はハ
ーメチックシールによって気密構造となっており、最終
的には差圧伝送器へ組み込まれることになる。
【0022】
【発明の効果】本発明によって、差圧,静圧の他に加速
度の測定が可能となり、1チップのセンサで高精度な圧
力測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示す圧力センサの概略
上面図。
【図2】図1のA−O−B線に沿った概略断面図。
【図3】本発明の第2の実施例を示す圧力センサの概略
上面図。
【図4】図3のA−O−B線に沿った概略断面図。
【図5】本発明の第1の実施例におけるピエゾ抵抗の結
線図。
【図6】本発明の第2の実施例におけるピエゾ抵抗の結
線図。
【図7】圧力印加時に発生する応力分布図。
【図8】圧力センサに圧力と加速度が同時に印加した時
の、印加圧力と抵抗値変化の関係を示す図。
【図9】圧力と加速度が同時に印加した時の圧力センサ
の変形状態とセンサ出力を示す図。
【図10】圧力センサの製造工程図。
【図11】圧力センサのシール金具への組込図。
【符号の説明】
1〜16…圧力センサ出力取り出し用アルミコンタクト
パッド、21a〜21d…差圧検出用ピエゾ抵抗、22
a〜22d…静圧検出用ピエゾ抵抗、23…温度検出用
ピエゾ抵抗、24a〜24b…加速度検出用ピエゾ抵
抗、25…p型高濃度不純物層配線、26…アルミニウ
ム配線、31…差圧検出用ダイアフラム、32…静圧検
出用ダイアフラム、33…ダイアフラム支持部、34…
梁、35…梁固定端、36…差圧検出用導入口、37…
ダイアフラムと梁の間の空隙部、51…単結晶シリコン
基板、52…パイレックスガラス、53…低融点ガラ
ス、54…ポスト、55…ハーメチックシール、56…
出力取り出し用端子、57…リードワイヤ。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 単結晶シリコンからなるダイアフラムな
    らびにその支持部を有し、上記ダイアフラム上に少なく
    とも一つのピエゾ抵抗を配置した半導体圧力センサにお
    いて、上記支持部上に固定端を持つ、少なくとも一つの
    ピエゾ抵抗を配置した片持ち梁が形成されていることを
    特徴とする半導体圧力センサ。
  2. 【請求項2】 単結晶シリコンからなるダイアフラムな
    らびにその支持部を有し、上記ダイアフラム上に少なく
    とも一つのピエゾ抵抗を配置した半導体圧力センサにお
    いて、上記支持部上に複数の固定端を持つ、少なくとも
    一つのピエゾ抵抗を配置した梁が形成されていることを
    特徴とする半導体圧力センサ。
  3. 【請求項3】 請求項1,2記載の半導体圧力センサに
    おいて、上記梁は上記ダイアフラム上に配置され、さら
    に上記梁と上記ダイアフラムとの間には梁およびダイア
    フラムが変形しない初期状態で所定の間隔を有すること
    を特徴とする半導体圧力センサ。
  4. 【請求項4】 請求項1〜3記載の半導体圧力センサに
    おいて、同一基板上に、上記ダイアフラムとは別にダイ
    アフラムを設け、この上に静圧検出素子としてピエゾ抵
    抗を配置したことを特徴とする半導体圧力センサ。
  5. 【請求項5】 請求項1〜4記載の半導体圧力センサに
    おいて、同一基板上に、温度検出素子としてピエゾ抵抗
    を配置したことを特徴とする半導体圧力センサ。
JP2000314418A 2000-10-10 2000-10-10 半導体圧力センサ Pending JP2002116106A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100449815C (zh) * 2003-07-11 2009-01-07 友达光电股份有限公司 半导体压力传感器
CN109003964A (zh) * 2018-07-05 2018-12-14 上海洛丁森工业自动化设备有限公司 一种集成式多参量传感芯片、电路板和电子装置

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