JP2006003100A - Piezoresistance type pressure sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体基板にピエゾ抵抗を配置して構成されたピエゾ抵抗型圧力センサに関し、特に、半導体基板におけるダイヤフラムの形成領域の面積を増大させることなく検出感度の向上が図られたピエゾ抵抗型圧力センサに関する。 The present invention relates to a piezoresistive pressure sensor configured by arranging a piezoresistor on a semiconductor substrate, and more particularly, to a piezoresistive type in which detection sensitivity is improved without increasing the area of a diaphragm formation region in the semiconductor substrate. The present invention relates to a pressure sensor.
近年、各種の物理量を検出するためのセンサが半導体装置製造技術を応用して製作されるようになってきており、圧力センサについても、ピエゾ抵抗型圧力センサとして、半導体装置製造技術に基づいて製作されるようになっている。 In recent years, sensors for detecting various physical quantities have been manufactured by applying semiconductor device manufacturing technology. Pressure sensors are also manufactured as piezoresistive pressure sensors based on semiconductor device manufacturing technology. It has come to be.
図6(a)は、この種のピエゾ抵抗型圧力センサの原理を示す上面図であり、図6(b)は図6(a)の2点鎖線の位置での断面図である。このピエゾ抵抗型圧力センサ20では、例えばシリコンからなる半導体基板を使用し、半導体基板の一部の領域に半導体基板の裏面側から中空部2を設けてその領域では半導体基板の厚さが薄くなるようにしてダイヤフラム3を形成している。ダイヤフラム3のことは、メンブレンとも呼ぶ。図6(a)では、ダイヤフラム3の領域は、一方向斜線からなるハッチングで示されている。半導体基板において中空部2の周囲に位置する、ダイヤフラム3よりも厚い領域は、ダイヤフラム3に対する支持枠1として機能する。ダイヤフラム3は、一般には、正方形あるいは長方形の平面形状を有する領域あるいは円形の領域として形成される。ダイヤフラム3は、半導体基板の一方の面と他方の面との間に圧力差が生じたときに、その圧力差に応じて微小な変形を示す領域であるが、この変形に伴う応力が発生する位置において、ダイヤフラム3を含む半導体基板の表面には、応力に応じて抵抗値が変化する拡散抵抗(ピエゾ抵抗)が形成されている。この拡散抵抗は、例えば、半導体基板に対するイオン打ち込みによって設けられるものであって、ピエゾ抵抗型圧力検出部4を構成する。ピエゾ抵抗からなる圧力検出部4は細長く設けられており、その長手方向の両端には不図示の配線パターンが接続しており、それによって、抵抗値を測定することができるようになっている。ピエゾ抵抗の形状に直線状のものに限定されるものではなく、U字型あるいはコの字型に設け、両端間の抵抗を計測できるようにしてもよい。
FIG. 6A is a top view showing the principle of this type of piezoresistive pressure sensor, and FIG. 6B is a cross-sectional view taken along the two-dot chain line in FIG. 6A. In this piezoresistive pressure sensor 20, for example, a semiconductor substrate made of silicon is used, and a hollow portion 2 is provided in a partial region of the semiconductor substrate from the back side of the semiconductor substrate, and the thickness of the semiconductor substrate is reduced in that region. Thus, the
このセンサでは、圧力検出部4における抵抗変化を検出することによって、ダイヤフラム3の両側の圧力差を検出することができる。圧力検出部4を含めてダイヤフラム3及び支持枠1の上面すなわち半導体基板の表面側の全面は、保護膜5で覆われている。
In this sensor, a pressure difference between both sides of the
検出感度向上のため、一般には、略矩形のダイヤフラム3の対向する2辺に沿ってそれぞれ拡散抵抗を設けたり、略矩形のダイヤフラム3の各辺に沿ってそれぞれ拡散抵抗を設け、これらの拡散抵抗を電気的にブリッジ接続することが行われている。図示したものでは、ダイヤフラム3の1対の対向する2辺に沿って設けられる圧力検出部4は、その長手方向が対応する辺の延長方向に平行であり、別の対の対向する2辺の近傍に配置される圧力検出部4は、その長手方向が対応する辺の延長方向に直交している。圧力検出部4における応力感度特性は、ピエゾ抵抗における電流が流れる方向と応力の印加方向とによって変化するから、このようにダイヤフラム3内に配置した2対の圧力検出部4をホイーストンブリッジ接続することによって、感度よく正確に圧力を測定できるようになる。
In order to improve the detection sensitivity, generally, diffusion resistors are provided along two opposing sides of the substantially
このようなピエゾ抵抗型圧力センサは、温度の影響を受けやすいという問題点を有するものの簡単な温度補償回路を設けることでこの問題点は容易に解消でき、また、通常の半導体装置製造プロセスを用いて比較的容易に製造でき、また、現在の半導体微細加工技術を適応することで、高感度化、小型化、低コスト化を容易に達成できる、という利点を有する。 Although such a piezoresistive pressure sensor has a problem that it is easily affected by temperature, this problem can be easily solved by providing a simple temperature compensation circuit, and a normal semiconductor device manufacturing process is used. In addition, it has the advantage that high sensitivity, small size, and low cost can be easily achieved by applying the current semiconductor microfabrication technology.
ピエゾ抵抗型圧力センサでは、検出感度向上のために取り組みがさらに進められている。例えば、特許文献1には、図7(a)〜(d)に示すように、ダイヤフラムにおいて相対的に膜厚が大きい厚膜領域7と相対的に膜厚が小さい薄膜領域6とを設け、厚膜領域7にピエゾ抵抗型圧力検出部4を配置することにより、ピエゾ抵抗型圧力検出部4に応力を集中させる構造を開示している。厚膜領域7における半導体基板の厚さは薄膜領域6での厚さよりも厚いものの、ダイヤフラムの周囲の支持枠の部分での半導体基板の厚さよりは十分に薄くなっている。
For piezoresistive pressure sensors, further efforts are being made to improve detection sensitivity. For example, in
図7(a)〜(d)は、それぞれ、厚膜領域7の形状を異ならせた実施例に対応するものであってダイヤフラム部分のみを示している。ハッチングが付された部分が厚膜領域7であって、ハッチングのない部分が薄膜領域6である。図7(a)に示したものでは、ダイヤフラムの中央部に略正方形状に厚膜領域7を形成し、さらに、この正方形状の厚膜領域7の各辺の中央部とダイヤフラムの外周の各辺の中央部とをそれぞれ厚膜領域7で接続したものである。図7(b)に示したものは、ダイヤフラムの外周の対向する辺の中央部同士を接続するように十字型に厚膜領域7を形成したものである。図7(c)に示したものは、ダイヤフラムの外周の1対の対向する辺の中央部同士を接続するように、一文字型に厚膜領域7を形成したものである。図7(d)に示したものは、ダイヤフラムの外周の1対の対向する辺の中央部からそれぞれダイヤフラムの中心に向かって厚膜領域7を形成したものである。
FIGS. 7A to 7D each correspond to an embodiment in which the shape of the
また、ピエゾ抵抗型圧力センサにおいては、検出の直線性を向上させるために、ダイヤフラムの裏面側の中央領域に、台形状(メサ型)の突出部を設ける場合がある。メサ型の突出部は、ダイヤフラム形成時にシリコン半導体基板に対して異方性エッチングを適用することによって、四角錐台状に設けることができるが、この際、図8に示すように、メサ部8の四隅に角落ち部9が生じ、厳密な四角錐台状ではなくなる、という問題点が生じる。図8では、斜面8aと頂面8bからなるメサ部8において、隣接する斜面8a間の稜線となる部分で角落ち部9が生じている。そこで、特許文献2には、シリコン半導体基板に対して異方性エッチングを行う際のエッチングマスクとして図9に示すようなエッチングマスク31を使用し、メサ部を八角錐台状に形成することが開示されている。図9において、エッチングマスク31には、開口部32が形成されている。
図6(a),(b)に示した、略正方形の平面形状を有するダイヤフラムを使用するとともに、ダイヤフラムにメサ部を有しない、標準的なピエゾ抵抗型圧力センサ20では、ダイヤフラム3の1辺の長さをh、ダイヤフラム3の厚さをaとしたとき、ダイヤフラム3に発生する最大応力は(h/a)2に比例することが知られている。この式からは、最大応力を高めて検出感度を向上させるためには、ダイヤフラムの一辺の長さhを大きくするか、あるいは厚さaを小さくすればよいことがわかる。圧力センサの小型化を図るためには、一辺の長さhを大きくするわけにはいかず、したがって、ダイヤフラム3の形成領域を増加させることなしに圧力センサの検出感度の向上を図るためには、ダイヤフラム3の厚さaを薄くする必要がある。しかしダイヤフラム3の厚さaを薄くすると、ダイヤフラム3の機械的強度が低下する。
In the standard piezoresistive pressure sensor 20 using the diaphragm having a substantially square planar shape shown in FIGS. 6A and 6B and having no mesa portion in the diaphragm, one side of the
図7(a)〜(d)に示したようにダイヤフラムにおいて厚膜領域と薄膜領域とを設ける場合であっても、応力集中を促進するためにダイヤフラムにおける薄膜領域7の占める割合を大きくすれば、ダイヤフラム3自体の機械的な強度が低下してしまう。
Even when the thick film region and the thin film region are provided in the diaphragm as shown in FIGS. 7A to 7D, if the proportion of the
そこで本発明の目的は、ダイヤフラムの形成領域を大きくすること、若しくはダイヤフラムの厚さを薄くすることなく、検出感度の向上を図ることができるピエゾ抵抗型圧力センサを提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a piezoresistive pressure sensor capable of improving detection sensitivity without increasing the diaphragm formation region or reducing the thickness of the diaphragm.
本発明のピエゾ抵抗型圧力センサは、ダイヤフラムと、ダイヤフラムの外周でダイヤフラムを支持しダイヤフラムよりも相対的に厚く形成された支持枠と、ダイヤフラムに圧力が印加したことによるダイヤフラムの変形により歪むことで圧力を電気量として検出するピエゾ抵抗型圧力検出部とを備えたピエゾ抵抗型圧力センサにおいて、支持枠の一部がダイヤフラムに向かって突出する突出部を形成していることを特徴とする。 The piezoresistive pressure sensor of the present invention includes a diaphragm, a support frame that supports the diaphragm on the outer periphery of the diaphragm and is formed relatively thicker than the diaphragm, and is distorted by deformation of the diaphragm caused by pressure applied to the diaphragm. A piezoresistive pressure sensor including a piezoresistive pressure detector that detects pressure as an electric quantity is characterized in that a part of the support frame forms a protruding portion that protrudes toward the diaphragm.
本発明において、ピエゾ抵抗型圧力検出部は突出部に対応して設けられていることが好ましい。その場合、(1)ピエゾ抵抗型圧力検出部は、ダイヤフラム上の位置であって突出部の近傍に形成されるようにしてもよいし、(2)ピエゾ抵抗型圧力検出部は、ダイヤフラムと突出部とをまたぐように形成されるようにしてもよいし、(3)ピエゾ抵抗型圧力検出部の形成領域の少なくとも一部が、突出部の位置に配置するようにしてもよい。 In the present invention, it is preferable that the piezoresistive pressure detector is provided corresponding to the protrusion. In that case, (1) the piezoresistive pressure detector may be formed on the diaphragm and in the vicinity of the protruding portion, or (2) the piezoresistive pressure detecting portion protrudes from the diaphragm. It may be formed so as to straddle the part, or (3) at least a part of the formation region of the piezoresistive pressure detection part may be arranged at the position of the protruding part.
ダイヤフラムの形状は、特に限定されるものではなく、正方形または長方形の平面形状であってよいし、円形であってもよい。正方形または長方形の平面形状のダイヤフラムを用いる場合には、ダイヤフラムの少なくとも1辺の中央部から突出部が突出するようにすることが好ましく、さらには、ダイヤフラムの各辺の中央部からそれぞれ突出部が突出し、突出部ごとにピエゾ抵抗型圧力検出部が配置するようにすることが、好ましい。 The shape of the diaphragm is not particularly limited, and may be a square or rectangular planar shape or a circular shape. In the case of using a square or rectangular planar diaphragm, it is preferable that the protruding portion protrudes from the central portion of at least one side of the diaphragm, and further, the protruding portion respectively protrudes from the central portion of each side of the diaphragm. It is preferable that the piezoresistive pressure detection unit is arranged so as to protrude.
突出部の形状は特に限定されるものではないが、ダイヤフラムの中心に向かう突出部の突出長さをY、突出長さに直交する方向での突出部の幅をX、ダイヤフラムの辺の長さをh、ダイヤフラムの厚さをaとして、a/hが0.03以下の領域において、Xを0.15h以下とし、Yを0.1h以下とすることが好ましく、Xを0.05h以下とし、Yを0.1h以下とすることが、さらに好ましい。 The shape of the protrusion is not particularly limited, but the protrusion length of the protrusion toward the center of the diaphragm is Y, the width of the protrusion in the direction perpendicular to the protrusion length is X, and the length of the side of the diaphragm Where h is the thickness of the diaphragm and a is the area where a / h is 0.03 or less, X is preferably 0.15 h or less, Y is preferably 0.1 h or less, and X is 0.05 h or less. , Y is more preferably 0.1 h or less.
本発明においては、ダイヤフラムが第1の一様な厚さを有し、少なくともダイヤフラムの周縁の領域において突出部を含めて支持枠が第2の一様な厚さに設けられているようにすることが好ましい。 In the present invention, the diaphragm has the first uniform thickness, and the support frame including the protrusions is provided at the second uniform thickness at least in the peripheral region of the diaphragm. It is preferable.
本発明によると、ピエゾ抵抗型圧力センサにおいて、ダイヤフラムの辺からダイヤフラムの中心に向かって支持枠を突出させることによって、ダイヤフラムの厚さをほぼ一定に保ちダイヤフラムの強度を保ちながら、支持枠の突出部分の周辺に応力を集中させることができる。このような応力集中領域にピエゾ抵抗型圧力検出部を配置することにより、ダイヤフラムの形成領域を増加させることなしに、検出感度の向上及び出力の直線性の向上を図ることができる。 According to the present invention, in the piezoresistive pressure sensor, by projecting the support frame from the side of the diaphragm toward the center of the diaphragm, the thickness of the diaphragm is kept substantially constant, and the strength of the diaphragm is maintained. Stress can be concentrated around the part. By disposing the piezoresistive pressure detector in such a stress concentration region, it is possible to improve detection sensitivity and output linearity without increasing the diaphragm formation region.
次に、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照する。なお、以下に述べる実施の形態及び実施例は、それぞれ、本発明の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。 Reference is now made to the drawings for preferred embodiments of the invention. Each of the embodiments and examples described below is a preferable specific example of the present invention, and various technically preferable limitations are given. However, the scope of the present invention is particularly limited in the following description. As long as there is no description which limits, it is not restricted to these forms.
図1(a),(b)は、それぞれ、本発明の実施の一形態のピエゾ抵抗型圧力センサの構造を示す上面図と平面図である。 1A and 1B are a top view and a plan view, respectively, showing the structure of a piezoresistive pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
図示されるピエゾ抵抗型圧力センサ20は、例えばシリコンからなる半導体基板を使用するものであって、半導体基板の裏面側から中空部2を形成し、中空部2の上面の部分の半導体基板がダイヤフラム3となるようにしたものである。ダイヤフラム3を取り囲む部分は、中空部2とはなっていない分だけダイヤフラム3の領域よりも半導体基板が厚くなっており、ダイヤフラム3に対する支持枠1として構成されている。支持枠1は、少なくともダイヤフラム3を取り囲んでいる領域において、一様な厚さを有する。ここでは図示していないが、ダイヤフラム3や支持枠1の領域を含め、半導体基板の表面側には全面に保護膜が形成されている。
The illustrated piezoresistive pressure sensor 20 uses a semiconductor substrate made of, for example, silicon. The hollow portion 2 is formed from the back side of the semiconductor substrate, and the semiconductor substrate on the upper surface of the hollow portion 2 is a diaphragm. It is set to be 3. The portion surrounding the
ダイヤフラム3は、長方形あるいは正方形の平面形状を有するが、図6(a),(b)に示したものと相違して、ダイヤフラム3の各辺のほぼ中央部において支持枠1がダイヤフラム3の中心に向かって突出しており、その分、ダイヤフラム3自体の形状としては、各辺の中央部が中心方向に向かって後退している。ダイヤフラム3の中心に向かう突出部10において、支持枠1の厚さは、ダイヤフラム3を取り囲んでいる、突出部10以外の領域での支持枠1の厚さと同じである。このような突出部10は、半導体基板の裏面側にエッチング等によって中空部2を形成する際に、突出部10に相当する領域はエッチング除去されないようにすることによって設けることができる。図示したものでは、突出部10のダイヤフラム3の中心に向かう突出形状は、長方形状となっており、突出長(ダイヤフラム3の辺から中心に向かう突出部10の長さ)はY、突出幅(ダイヤフラム3の辺のうち突出部10が形成されている部分の長さ)はXで表されている。なお、ダイヤフラム3の辺とは、突出部10がないとするとダイヤフラム3は正方形または長方形なので、そのような正方形または長方形としての辺のことを指している。用途や圧力の測定範囲にも依存するが、ダイヤフラム3の1辺の長さは例えば100〜400μm程度であり、厚さは例えば1〜10μm程度である。
The
支持枠1における突出部10は、ダイヤフラム3の厚さをほぼ一定に保ちダイヤフラム3の強度を保ちながら、その突出部10の近傍の領域に応力を集中させるためのものである。したがって、突出部10の形成領域に対応して、応力が集中するであろう位置において、半導体基板の表面には、ピエゾ抵抗(拡散抵抗)からなる圧力検出部4a,4bが設けられている。圧力検出部4aは、ダイヤフラム3の図示左辺及び右辺からダイヤフラムに向かう支持枠の突出部10にそれぞれ対応して設けられたものであり、圧力検出部4bは、ダイヤフラム3の図示上辺及び下辺からダイヤフラムに向かう支持枠の突出部10にそれぞれ対応して設けられたものである。これらの圧力検出部4a,4bは、ダイヤフラム3の変形により歪むことで圧力を電気信号として検出するためのものであって、図示しない回路パターンによってホイーストンブリッジ接続されている。
The protruding
以上説明したピエゾ抵抗型圧力センサでは、支持枠1の一部を突出部10としてダイヤフラム3方向に突出させ、この突出部10の形成領域に応力が集中するようにし、応力が集中する領域にピエゾ抵抗型圧力検出部を配置することにより、半導体基板に対するダイヤフラムの形成領域を増加させることなしに、圧力の検出感度の向上を図ることができる。
In the piezoresistive pressure sensor described above, a part of the
次に、このようなピエゾ抵抗型圧力センサの製造工程について、図2(a),(b)を用いて説明する。シリコンなどの半導体基板30を用意し、図2(a)に示すように、半導体基板30の表面に、イオン注入と熱処理により、ピエゾ抵抗型圧力検出部4を形成する。次に、図2(b)に示すように、半導体基板30の裏面から異方性のウエットエッチングやRIE(反応性イオンエッチング:Reactive Ion Etching)によって中空部2の位置のシリコンを除去し、中空部2を形成する。その際、当然のことながら、突出部10を含めて支持枠1はエッチング除去されないようにする。その後、不図示の配線パターンや不図示の保護膜を設けることによって、ピエゾ抵抗型圧力センサが完成する。
Next, the manufacturing process of such a piezoresistive pressure sensor will be described with reference to FIGS. A semiconductor substrate 30 made of silicon or the like is prepared, and the
以上の説明においては、正方形あるいは長方形であるダイヤフラムの4辺の全てに対応して支持枠1の突出部を設けているが、本発明はこれに限られるものでない。応力を集中するための突出部が少なくとも1つ設けられ、その突出部に対応して、言い換えれば突出部によって応力が集中する領域にピエゾ抵抗型圧力検出部が設けられていれば、本発明の目的は達せられる。この場合、ダイヤフラム及びその近傍に配置されるピエゾ抵抗型圧力検出部が複数ある場合には、そのうちの少なくとも1つが突出部に対応していればよい。
In the above description, the protruding portions of the
支持枠の突出部の形状は、長方形に限られるものではなく、例えば、半円状あるいは弓なりの形状でもってダイヤフラムの中心方向に支持枠を突出させることができる。また、ダイヤフラム自体の平面形状も上述したものに限られるものではなく、例えば、円形あるいは楕円形のダイヤフラムにおいて、その周の1箇所以上にダイヤフラムの中心に向かう突出部を設けるようにしてもよい。 The shape of the protruding portion of the support frame is not limited to a rectangle, and the support frame can protrude in the center direction of the diaphragm, for example, in a semicircular shape or a bow shape. Further, the planar shape of the diaphragm itself is not limited to the above-described one. For example, in a circular or elliptical diaphragm, a projecting portion toward the center of the diaphragm may be provided at one or more locations on the circumference.
圧力検出部4a.4bとしても、直線状のピエゾ抵抗(拡散抵抗)の他に、U字型あるいはコの字型のピエゾ抵抗を用いることができる。
以下、本発明について、実施例によってさらに詳しく説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
《実施例1》
上述の図1(a),(b)に示すピエゾ抵抗型圧力センサにおいて、(突出部が設けられていないとしたときの)ダイヤフラム3の形状を正方形としてその辺の長さをh、ダイヤフラム3における半導体基板の厚さをaとしたとき、a/hが十分に小さければ、ダイヤフラム3の両面の間に圧力差が生じたときにピエゾ抵抗型圧力センサに発生する最大応力は、突出部10とダイヤフラム3との境界の近傍であってダイヤフラム3側の位置で発生する。実施例1では、圧力検出部4a,4bは、そのいずれのものも、1個の圧力検出部としての一部あるいは全部の領域が、突出部10に近接したダイヤフラムの領域に形成されるようにしている。具体的には、ダイヤフラム3の1対の対向する辺に関し、それぞれ、それらの辺の延長方向と直交する方向に延びる圧力検出部4aが、支持枠からなる突出部10とダイヤフラム3とをまたがるように形成されている。また、ダイヤフラム3の他の1対の対向する辺に関し、それぞれ、それらの辺の延長方向と平行な方向に延びる圧力検出部4bが、突出部10の先端の近傍であってダイヤフラム3内となる位置に形成されている。
Example 1
In the piezoresistive pressure sensor shown in FIGS. 1A and 1B described above, the shape of the diaphragm 3 (when no protrusion is provided) is a square, the length of the side is h, and the
このような構成を採用することにより、ダイヤフラム3の領域での半導体基板の厚さはほぼ一様であるので、強度低下を防ぎつつダイヤフラムの形成領域を増加させることなしに、検出感度を向上させることができる。
By adopting such a configuration, the thickness of the semiconductor substrate in the region of the
ここで、図1(a),(b)に示す構造を有し、1辺の長さが100μm、厚さが1.5μmである正方形状のダイヤフラムを用いるピエゾ抵抗型圧力センサにおいて、支持枠の突出部を設けない場合と設けた場合との検出感度を比較した。支持枠の突出部10を設ける場合、図1(a),(b)に示したような長方形状の突出部10とし、その幅Xは10μm、長さYは5μmとした。その結果、突出部を設けた場合には、突出部を設けない場合に比べ、圧力の検出感度が30%向上した。
Here, in the piezoresistive pressure sensor having the structure shown in FIGS. 1A and 1B and using a square diaphragm having a side length of 100 μm and a thickness of 1.5 μm, a supporting frame The detection sensitivity was compared between the case where no protrusion was provided and the case where it was provided. When the
《実施例2》
図3(a),(b)は、本発明の実施例2のピエゾ抵抗型圧力センサ20を示している。実施例2のピエゾ抵抗型圧力センサは、実施例1の圧力センサと同様の構造のものであるが、圧力検出部4a,4bの形成位置が若干異なっている。
Example 2
3A and 3B show the piezoresistive pressure sensor 20 according to the second embodiment of the present invention. The piezoresistive pressure sensor of the second embodiment has the same structure as the pressure sensor of the first embodiment, but the formation positions of the
上述の図1(a),(b)に示すピエゾ抵抗型圧力センサにおいて、(突出部が設けられていないとしたときの)ダイヤフラム3の形状を正方形としてその辺の長さをh、ダイヤフラム3における半導体基板の厚さをaとしたとき、a/hを大きくしていくと、ダイヤフラム3の両面の間に圧力差が生じたときにピエゾ抵抗型圧力センサに発生する最大応力が発生する位置は、ダイヤフラム3上の位置から支持枠の突出部10上の位置へと移行する。そこで図3(a),(b)に示したピエゾ抵抗型圧力センサ20では、各ピエゾ抵抗型圧力検出部4a,4bが、そのいずれのものも、1個の圧力検出部としての一部あるいは全部の領域が、突出部10の領域に配置されるようにしている。具体的には、ダイヤフラム3の1対の対向する辺に関し、それぞれ、それらの辺の延長方向と直交する方向に延びる圧力検出部4aが、突出部10とダイヤフラム3とをまたがるように形成されている。また、ダイヤフラム3の他の1対の対向する辺に関し、それぞれ、それらの辺の延長方向と平行な方向に延びる圧力検出部4bも、突出部10とダイヤフラム3とをまたがるように形成されている。
In the piezoresistive pressure sensor shown in FIGS. 1A and 1B described above, the shape of the diaphragm 3 (when no protrusion is provided) is a square, the length of the side is h, and the
このような構成を採用することにより、ダイヤフラム3の領域での半導体基板の厚さはほぼ一様であるので、強度低下を防ぎつつダイヤフラムの形成領域を増加させることなしに、検出感度を向上させることができる。このピエゾ抵抗型圧力センサも、図2(a),(b)を用いて上述した製造方法によって、製作することができる。
By adopting such a configuration, the thickness of the semiconductor substrate in the region of the
ここで、図3(a),(b)に示す構造を有し、1辺の長さが100μm、厚さが1.5μmである正方形状のダイヤフラムを用いるピエゾ抵抗型圧力センサにおいて、支持枠の突出部を設けない場合と設けた場合との検出感度を比較した。支持枠の突出部10を設ける場合、図1(a),(b)に示したような長方形状の突出部10とし、その幅Xは10μm、長さYは5μmとした。その結果、突出部を設けた場合には、突出部を設けない場合に比べ、圧力の検出感度が20%向上した。
Here, in the piezoresistive pressure sensor having the structure shown in FIGS. 3A and 3B and using a square diaphragm having a side length of 100 μm and a thickness of 1.5 μm, a supporting frame The detection sensitivity was compared between the case where no protrusion was provided and the case where it was provided. When the
《実施例3》
図4(a),(b)は、本発明の実施例3のピエゾ抵抗型圧力センサ20を示している。実施例3のピエゾ抵抗型圧力センサは、実施例2の圧力センサと同様に、各ピエゾ抵抗型圧力検出部4a,4bが、そのいずれのものも、1個の圧力検出部としての一部あるいは全部の領域が、突出部10の領域に配置されるようにしている。ただし、実施例2のものと異なり、実施例3のピエゾ抵抗型圧力センサでは、ダイヤフラム3の1対の対向する辺に関し、それぞれ、それらの辺の延長方向と直交する方向に延びる圧力検出部4aが、突出部10と突出部10以外の支持枠1の本体部分とをまたがるように形成されている。また、ダイヤフラム3の他の1対の対向する辺に関し、それぞれ、それらの辺の延長方向と平行な方向に延びる圧力検出部4bは、突出部10内となる位置に形成されている。
Example 3
4A and 4B show a piezoresistive pressure sensor 20 according to a third embodiment of the present invention. As in the pressure sensor of the second embodiment, each of the
このような構成を採用することにより、ダイヤフラム3の領域での半導体基板の厚さはほぼ一様であるので、強度低下を防ぎつつダイヤフラムの形成領域を増加させることなしに、検出感度を向上させることができる。このピエゾ抵抗型圧力センサも、図2(a),(b)を用いて上述した製造方法によって、製作することができる。
By adopting such a configuration, the thickness of the semiconductor substrate in the region of the
ここで、図4(a),(b)に示す構造を有し、1辺の長さが100μm、厚さが1.5μmである正方形状のダイヤフラムを用いるピエゾ抵抗型圧力センサにおいて、支持枠の突出部を設けない場合と設けた場合との検出感度を比較した。支持枠の突出部10を設ける場合、図1(a),(b)に示したような長方形状の突出部10とし、その幅Xは10μm、長さYは5μmとした。その結果、突出部を設けた場合には、突出部を設けない場合に比べ、圧力の検出感度が20%向上した。
Here, in the piezoresistive pressure sensor having the structure shown in FIGS. 4A and 4B and using a square diaphragm having a side length of 100 μm and a thickness of 1.5 μm, a supporting frame The detection sensitivity was compared between the case where no protrusion was provided and the case where it was provided. When the
《実施例4》
実施例1に示したピエゾ抵抗型圧力センサにおいて、ダイヤフラムの辺の長さをh、厚みをaとしたとき、a/hが0.03以下の領域において、支持枠1の突出部10の幅xと突出長さyと突出部10による応力集中の度合いとをシミュレーションに基づいて検討した。図5は、a/h=0.03(=3/100)とした場合に、ダイヤフラム3内で発生する最大応力について、突出部10を設けた場合に突出部を設けなかった場合に比べて最大応力が何倍になるかを、比として示したものである。ここでは、ダイヤフラムの辺の長さhを単位として、突出部10の幅x及び長さyを表している。図5のグラフから明らかになるように、突出部10の幅xを0.15h以下、長さyを0.1h以下にすることで、支持枠の一部分を突出させない場合に比べて、1.0〜2.0倍の最大応力が発生する。特に、突出部10の幅xを0.05h以下、長さyを0.1h以下にすることで、突出部を設けない場合に比べて、1.4〜2.0倍の応力が発生する。a/hが0.03よりさらに小さくなれば、支持枠1からダイヤフラム3の中心方向に伸びる突出部10を設けることによる応力集中はさらに顕著になるものと考えられる。
Example 4
In the piezoresistive pressure sensor shown in the first embodiment, when the length of the diaphragm side is h and the thickness is a, the width of the
ダイヤフラムの形状が長方形である場合も、a/hが0.03以下の場合に、ある辺に対して設ける突出部について、その辺の長さをhとしたときに、突出部の幅xを0.15h以下、長さyを0.1h以下とすることが好ましく、幅xを0.05h以下、長さyを0.1h以下とすることがさらに好ましい。 Even when the shape of the diaphragm is a rectangle, when a / h is 0.03 or less, when the length of the side of the projection provided for a side is h, the width x of the projection is It is preferable that the length y is 0.15 h or less, the width x is 0.05 h or less, and the length y is 0.1 h or less.
突出部の形状が半円状あるいは弓なりの形状の場合には、突出部が設けられていないとしたときのダイヤフラム3の辺の位置における突出部の幅を幅xとし、前記の辺の位置から見てダイヤフラムの中心方向に突出する突出部の最大突出長さを長さyとすれば、a/hが0.03以下の場合に、幅xを0.15h以下、長さyを0.1h以下とすることが好ましく、幅xを0.05h以下、長さyを0.1h以下とすることがさらに好ましい。
When the shape of the protrusion is semicircular or bowed, the width of the protrusion at the side of the
1 支持枠
2 中空部
3 ダイヤフラム
4,4a,4b ピエゾ抵抗型圧力検出部
5 保護膜
6 薄膜領域
7 厚膜領域
8 メサ部
9 角落ち部
10 突出部
20 ピエゾ抵抗型圧力センサ
30 半導体基板
31 エッチングマスク
32 開口部
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記支持枠の一部が前記ダイヤフラムに向かって突出する突出部を形成していることを特徴とするピエゾ抵抗型圧力センサ。 A diaphragm, a support frame that supports the diaphragm on the outer periphery of the diaphragm, and is formed relatively thicker than the diaphragm; and the pressure is converted into an electric quantity by being distorted by deformation of the diaphragm caused by pressure applied to the diaphragm. In a piezoresistive pressure sensor equipped with a piezoresistive pressure detector that detects as
A piezoresistive pressure sensor characterized in that a part of the support frame forms a protruding portion protruding toward the diaphragm.
前記突出部ごとに前記ピエゾ抵抗型圧力検出部が配置している、請求項1に記載のピエゾ抵抗型圧力センサ。 The diaphragm has a square or rectangular planar shape, and the protrusions protrude from the center of each side of the diaphragm,
2. The piezoresistive pressure sensor according to claim 1, wherein the piezoresistive pressure detector is disposed for each of the protrusions.
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