JP2009300197A

JP2009300197A - 半導体圧力センサ

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Publication number: JP2009300197A
Application number: JP2008153750A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Kubo; 雅裕久保; Tetsuya Fukuda; 哲也福田
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2008-06-12
Filing date: 2008-06-12
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2028-06-12
Also published as: JP5081071B2

Abstract

【課題】ダイヤフラムと感応抵抗素子との相対位置ずれによる影響が小さい半導体圧力センサを得る。
【解決手段】シリコン基板に形成されたダイヤフラムと、このダイヤフラムの歪みに応じて抵抗値が変化する複数のピエゾ素子とを有する半導体圧力センサであって、各ピエゾ素子は、複数の平面視細長形状の素子を直列に接続し、圧縮方向に作用するピエゾ素子と引張方向に作用するピエゾ素子とを構成する各々複数の平面視細長形状の素子を一方向に平行に形成し、上記圧縮方向の複数の平面視細長形状の素子のうち、ダイヤフラムの輪郭を跨ぐ平面視細長形状の素子を、他の平面視細長形状の素子よりも面積が広く、かつ他の平面視細長形状の素子のアスペクト比と同一のアスペクト比に形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、気圧等の圧力を測定する半導体圧力センサに関する。

従来、自動車のタイヤ空気圧などを測定する半導体圧力センサとして、ダイヤフラム型の半導体圧力センサが知られている（特許文献１、２）。

従来の半導体圧力センサの平面構造を図５に示した。この従来の半導体圧力センサは、平面視矩形のダイヤフラム１０１の各辺（輪郭）１０２の中央上にかかるように形成された４個のピエゾ素子１０３、１０４がブリッジ回路を構成するように接続されている。そうしてブリッジ回路の中点電圧が、圧力測定電圧として出力される。ダイヤフラム１０１に圧力が加わると、一対のピエゾ素子１０３は圧縮方向の力が作用し、一対のピエゾ素子１０４には引張り方向の力が作用する。

これら従来の半導体圧力センサは、４個のピエゾ素子の形状が同一か（特許文献１）、ダイヤフラム１０１の輪郭と、長手方向が直交する方向のピエゾ素子１０４の幅を、長手方向が平行するピエゾ素子１０３の幅よりも狭くして抵抗値を小さくしたものであった。
特開昭５６−１３３８７７号公報特開昭５８−１４８４６７号公報

しかし従来、ダイヤフラムアライメント（ピエゾ素子１０３、１０４とダイヤフラム１０１（その輪郭１０２）の相対位置）を正確に形成するのは困難であり、ばらつきを生じている。そのため、圧力が変化したときのブリッジ回路のバランスが崩れてしまう問題があった。特に、ダイヤフラムアライメントずれの影響は、前記ダイヤフラム１０１の輪郭１０２と平行な方向のピエゾ素子１０３が直交方向にずれたときの方が、長手方向が直交するピエゾ素子１０４が長手方向にずれたときよりも顕著に出る問題があった。

かかる従来技術の課題に鑑みて本発明は、ダイヤフラムとピエゾ素子との相対位置ずれによる影響が小さい半導体圧力センサを得ることを目的とする。

かかる目的を達成する本発明は、シリコン基板に形成されたダイヤフラムと、このダイヤフラムの歪みに応じて抵抗値が変化する複数のピエゾ素子とを有する半導体圧力センサであって、各ピエゾ素子は、複数の平面視細長形状の素子が直列に接続され、圧縮方向に作用するピエゾ素子と引張方向に作用するピエゾ素子とを構成する各々複数の平面視細長形状の素子は一方向に平行に形成されていて、上記圧縮方向の複数の平面視細長形状の素子のうち、ダイヤフラムの輪郭を跨ぐ平面視細長形状の素子は、他の平面視細長形状の素子よりも面積が広く、かつ他の平面視細長形状の素子のアスペクト比と同一のアスペクト比に形成されていること、に特徴を有する。

好ましくは、上記ダイヤフラムは平面視正方形に形成されていて、上記圧縮方向のピエゾ素子は、各平面視細長形状の素子が上記ダイヤフラムの輪郭線と平行に形成されていて、上記ダイヤフラムの輪郭線を跨ぐ平面視細長形状の素子は、短手方向に上記ダイヤフラムの輪郭線を跨いで形成され、このダイヤフラムの輪郭線を跨ぐ素子がダイヤフラム上に位置する部分の面積は、他の素子の面積と同一に形成される。

以上の構成からなる本発明によれば、ダイヤフラム上で変位する部分のピエゾ素子の面積を、引張り方向のピエゾ素子と圧縮方向のピエゾ素子とで同一に設定したので、４個のピエゾ素子をブリッジ接続した場合のブリッジバランスのずれが補正される。

本発明の最良な実施形態について、添付図を参照して説明する。図１は、絶対圧検知用やゲージ圧検知用等として用いられる圧力センサの平面図、図２は、図１の切断線II-IIに沿う断面図である。圧力センサ１は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板１０を用いて形成される。このＳＯＩ基板１０は、第１シリコン基板１１と第２シリコン基板１３とが、酸化膜であるシリコン酸化膜（Ｓｉ０₂）１２を介して貼り合わされた積層構造である。第１シリコン基板１１の回路面（上側面）には酸化膜としてシリコン酸化膜１４が形成されていて、このシリコン酸化膜１４の下に、ブリッジ回路を形成するように、感応抵抗素子としての第１ピエゾ素子Ａ、第２ピエゾ素子Ｂ、第３ピエゾ素子Ｃ及び第４ピエゾ素子Ｄと、第１乃至第４パッド２４Ａ乃至２４Ｄ、ピエゾ素子Ａ乃至Ｄと第１乃至第４パッド２４を導通する配線２３が形成されている。さらに第１乃至第４ピエゾ素子Ａ乃至Ｄ、配線２３及び第１シリコン基板１１の表面を絶縁保護する、シリコンナイトライドＳｉ₃Ｎ₄などによるパッシベーション膜１５が形成されている。なお、第１乃至第４パッド２４Ａ乃至２４Ｄの表面は、パッシベーション膜１５から露出している。

ＳＯＩ基板１０には、第２シリコン基板１３にその表面側（図２では下側の面）からキャビティ（凹部）２０を形成し、このキャビティ２０の上面を構成するシリコン酸化膜１２、第１シリコン基板１１、シリコン酸化膜１４及びパッシベーション膜１５によってダイヤフラム２１が形成されている。このダイヤフラム２１は、平面視矩形（正方形）である（図１）。

第１乃至第４ピエゾ素子Ａ乃至Ｄは、一部が、正方形のダイヤフラム２１の輪郭または各辺に相当するダイヤフラム輪郭線２１ａにかかる位置に形成されている。別言すれば、第１乃至第４ピエゾ素子Ａ乃至Ｄの大部分がキャビティ２０の上方となるダイヤフラム２１上に存在し、一部がキャビティ２０の外周（圧力が作用しても歪みが生じない固定領域２２）に位置するように形成されている。なお、ダイヤフラム輪郭線２１ａは、キャビティ２０を規制する第２シリコン基板１３のキャビティ内面の延長上に相当する。

以上の通り構成されたＳＯＩ基板１０の第２シリコン基板１３の表面（下面）にガラス基板又はＳi基板からなるベース基板３１が接合され、ダイヤフラム２１とベース基板３１との間のキャビティ２０が密閉される。なおキャビティ２０内は、真空とされる。

このダイヤフラム２１にキャビティ２０外からに付加される圧力に応じて歪む（変位する）と、その歪みに応じて第１乃至第４ピエゾ素子Ａ乃至Ｄの抵抗値が変化し、第１乃至第４ピエゾ素子Ａ乃至Ｄによって形成されたブリッジ回路の中点電位が変化する。ダイヤフラム２１に圧力が付与されたときの変位は、一対の第１、第４ピエゾ素子Ａ、Ｄに対しては圧縮方向に作用して抵抗値が小さくなるように、対向する一対の第２、第３ピエゾ素子Ｂ、Ｃに対しては引張り方向に作用して抵抗値が大きくなるように働く。

このように第１乃至第４ピエゾ素子Ａ乃至Ｄに作用する圧縮方向及び引張り方向の力によって変化する抵抗値により変位する中点電位が、センサ出力として公知の測定装置に出力される。なお、第１ピエゾ素子Ａと第２ピエゾ素子Ｂは第１パッド２４Ａを介して直列接続され、第３ピエゾ素子Ｃと第４ピエゾ素子Ｄは第２パッド２４Ｂを介して直列接続され、第１ピエゾ素子Ａと第３ピエゾ素子Ｃは第３パッド２４Ｃを介して入力電圧に接続され、第２ピエゾ素子２４Ｂと第４ピエゾ素子２４Ｄは第４パッド２４Ｄを介してグランド端子に接続される。そうして第１、第２パッド２４Ａ、２４Ｂから中点電位が出力される。以上の第１乃至第４パッド２４Ａ乃至２４Ｂは、いずれもダイヤフラム２１外周の固定領域２２に形成されている。

第１乃至第４パッド２４Ａ乃至２４Ｂ及び各パッドから延出する接続配線２３は、ＡｌやＡｕ等の良導体のメッキ層やスパッタ層で形成される。

第１乃至第４ピエゾ素子Ａ乃至Ｄの詳細について、さらに図２、図３を参照して説明する。第１乃至第４ピエゾ素子Ａ乃至Ｄは、ダイヤフラム２１の表側にＰ型半導体層を備えて形成される。この実施形態では、第１乃至第４ピエゾ素子Ａ乃至Ｄはそれぞれ、３本のＰ型半導体層からなる平面視細長形状の第１乃至第３の素子部分Ａ１乃至Ａ３、Ｂ１乃至Ｂ３、Ｃ１乃至Ｃ３、Ｄ１乃至Ｄ３が直列に接続されて構成されている。各々の第１乃至第４ピエゾ素子Ａ乃至Ｄの平面視細長形状の第１乃至第３の素子部分Ａ１乃至Ａ３、Ｂ１乃至Ｂ３、Ｃ１乃至Ｃ３、Ｄ１乃至Ｄ３は、それぞれ所定間隔を空けて平行に並設され、第１乃至第３の素子部分Ａ１乃至Ａ３、Ｂ１乃至Ｂ３、Ｃ１乃至Ｃ３、Ｄ１乃至Ｄ３が、Ｐ型半導体層からなる接続部Ｅによって直列に接続された、ミアンダ形状を呈している。図１に示すように、ミアンダ形状で形成された各第１乃至第４ピエゾ素子Ａ乃至Ｄの両端は配線２３に接続され、ブリッジ回路を構成している。

第１、第４ピエゾ素子Ａ、Ｄの第１乃至第３の素子部分Ａ１乃至Ａ３、Ｄ１乃至Ｄは、ダイヤフラム２１が圧力を受けて歪んだとき（図２では下方）に、長手方向に圧縮方向の力が作用して抵抗値が小さくなるように設定され、第２、第３ピエゾ素子Ｂ、Ｃの第１乃至第３の素子部分Ｂ１乃至Ｂ３、Ｃ１乃至Ｃ３は、ダイヤフラム２１が圧力を受けて歪んだとき（図２では下方）に、各素子部分Ｂ１乃至Ｂ３、Ｃ１乃至Ｃ３の長手方向に引っ張り方向の力が作用して抵抗値が大きくなるように設定されている。

より具体的には、第１、第４ピエゾ素子Ａ、Ｄは、第３の素子部分Ａ３、Ｄ３が短手方向にダイヤフラム輪郭線２１ａを跨いで（ダイヤフラム輪郭線２１ａが第３の素子部分Ａ３、Ｄ３の長手方向を縦断するように）配置され、第１、第２の素子部分Ａ１、Ａ２、Ｄ１、Ｄ２はダイヤフラム２１上に配置されている。一方、第２、第３ピエゾ素子Ｂ、Ｃは、第１乃至第３の素子部分Ｂ１乃至Ｂ３、Ｄ１乃至Ｄ３の全てをその長手方向がダイヤフラム輪郭線２１ａを跨いで（ダイヤフラム輪郭線２１ａが短手方向を横断するように）配置され、かつ大部分がダイヤフラム２１上に配置されている。

そうしてこの実施形態では、第１、第４ピエゾ素子Ａ、Ｄのダイヤフラム輪郭線２１ａを跨ぐ第３の素子部分Ａ３、Ｄ３を、他の素子部分Ａ１、Ａ２、Ｄ１、Ｄ２のアスペクト比と同一のアスペクト比を保ったまま、線倍率で約１．３５倍拡大して形成してある。図３には、第１ピエゾ素子Ａ及び第２ピエゾ素子Ｂを拡大して示した。第１ピエゾ素子Ａの第３の素子部分Ａ３を除き、各素子部分は長手方向の長さＬが４０μm、短手方向の長さ（幅）Ｗが８μmに形成されている、そうして第３の素子部分Ａ３は、アスペクト比同一で線倍率１．３５倍、つまり、長手方向の長さＬ１が５４μm、短手方向の長さ(幅）Ｗ１が１０．８μmに形成されている。

第３の素子部分Ａ３は、アスペクト比（第１、第２の素子部分Ａ１、Ａ２とアスペクト比）を保って拡大されているので、拡大率にかかわらず抵抗値は変化しない。したがって、無歪み（無負荷）状態における第１、第２ピエゾ素子Ａ、Ｂの抵抗値は等しい。なお、図３には示していないが、図１に示した通り、第３ピエゾ素子Ｃは第２ピエゾ素子Ｂと対称に、第４ピエゾ素子Ｄは第１ピエゾ素子Ａと対称に形成されている。

さらに第３の素子部分Ａ３は、ダイヤフラム２１上に位置する部分の面積が第１、第２の素子部分Ａ１、Ａ２と同等となるように形成されている。つまり、図示実施形態では、第３の素子部分Ａ３を、ダイヤフラム２１の外周（固定領域２２）に４．８μm位置するように設定してある。これにより、第３の素子部分Ａ３のダイヤフラム２１上の面積は５４×（１０．８ - ４．８）＝３２４（×１０^-12m²）となり、第１、第２の素子部分Ａ１、Ａ２の面積（４０×８＝３２０（×１０^-12m²））とほぼ等しくなっている。

このように圧縮方向の第１、第４ピエゾ素子Ａの第１乃至第３の素子部分Ａ１乃至Ａ３、Ｄ１乃至Ｄ３のダイヤフラム２１上に位置する部分の面積を略等しく形成したので、ダイヤフラム２１に作用する圧力が変化しても、ブリッジバランスが一定に保たれる。

図４には、比較例として、第１ピエゾ素子Ａの第３の素子部分Ａ３に相当する第３の素子部分Ａ３′が第１、第２の素子部分Ａ１、Ａ２と同一の大きさの第１ピエゾ素子Ａ′を示した。この比較例の第２ピエゾ素子Ｂは図３の実施形態の第２ピエゾ素子Ｂと同一の仕様であり、第１ピエゾ素子Ａの各素子部分Ａ１、Ａ２、Ａ３′は第２ピエゾ素子Ｂの各素子部分Ｂ１乃至Ｂ３と同様である。つまり、各素子部分Ｂ１乃至Ｂ３、Ａ１、Ａ２及びＡ３′の長さＬ２は４０(μm)、幅Ｗ２は６(μm)である。

この比較例では、第３の素子部分Ａ３′は、短手方向がダイヤフラム輪郭線２１ａを跨ぐように、かつダイヤフラム２１の外周（固定領域２２）に２．０μm位置するように設定されている。したがって、ダイヤフラム２１上に位置する部分の第３の素子部分Ａ３′の面積は、４０×６＝２４０（×１０^-12m²）となって、第１、第２の素子部分Ａ１、Ａ２よりも狭い。そのため、この比較例では、ダイヤフラム２１に作用する圧力が変化したときのブリッジバランスが崩れてしまう。

さらに、この半導体圧力センサの製造時に、ダイヤフラム２１と第１乃至第４ピエゾ素子Ａ乃至Ｄのアライメントが崩れると、ブリッジバランスが設計値からずれるなどの影響を受ける。例えば、図３、４においてアライメントがＸ軸方向に1μmずれたと仮定する。Ｙ軸方向にずれた場合は、第１ピエゾ素子Ａ、Ａ′への影響は殆ど無いが、Ｘ軸方向にずれた場合に、第１ピエゾ素子Ａ、Ａ′は影響を受ける。

本実施形態の場合、第３の素子部分Ａ３、Ａ３′がダイヤフラム２１上に位置する部分の面積が、第３の素子部分Ａ３は１／１０．８変化するのに対して、比較例の第３の素子部分Ａ３′は、１／８変化する。つまり、面積の変化率が、本実施形態の方が比較例よりも小さい。ここで、面積の変化率は抵抗の変化率となるので、本実施形態の方が比較例よりも抵抗変化率が小さくなり、ダイヤフラムアライメント誤差の影響が小さくなる。

以上の通り本実施形態によれば、圧縮方向の力を受ける第１、第３ピエゾ素子Ａ、Ｃの第３の素子部分Ａ３、Ｃ３をアスペクト比を保って拡大し、かつダイヤフラム２１上の面積を第１、第２の素子部分Ａ１、Ａ２、Ｃ１、Ｃ２と同等に設定したので、ダイヤフラム２１が変位したときのブリッジバランスのずれが小さくなった。しかも第３の素子部分Ａ３、Ｃ３の長手方向と直交する方向のダイヤフラムアライメントがずれてもその影響が小さく、発生する誤差が小さくなった。

なお、図３、４において、ダイヤフラムアライメントがＹ軸方向に１μmずれた場合は、ダイヤフラム２１上の第１乃至第３の素子部分Ｂ１乃至Ｂ３の面積が１／３８変化する。この面積変化率は、前述の、ダイヤフラムアライメントがＸ軸方向に１μmにずれたときの第３の素子部分Ａ３、Ｃ３の面積変化率よりも小さいので、ダイヤフラムアライメントずれの影響は小さい。

以上、本発明をミアンダ形状のピエゾ素子に適用した実施形態について説明したが、３列のミアンダ形状に限定されず、アスペクト比も限定されない。

以上の実施形態は、キャビティ２０を真空とした絶対圧センサであるが、本発明は、ベース基板３１に圧力導入口を形成して、キャビティ２０を外部と連通させた差圧又はゲージ圧センサにも適用できる。

本発明を適用した半導体圧力センサの要部を示す平面図である。図１の切断線II-IIに沿って示す断面図である。同半導体圧力センサのピエゾ素子部分を拡大して示す平面図である。半導体圧力センサのピエゾ素子部分の比較例を拡大して示す平面図である。従来の半導体圧力センサの概要を示す平面図である。

符号の説明

１０ＳＯＩ基板
１１第１シリコン基板（他方のシリコン基板）
１２シリコン酸化膜（酸化膜）
１３第２シリコン基板（一方のシリコン基板）
１４シリコン酸化膜
１５パッシベーション膜
２０キャビティ
２１ダイヤフラム
２１ａダイヤフラム輪郭線
２２ピエゾ素子（感応抵抗素子）
２３配線
３１ベース基板
Ａ第１ピエゾ素子（圧縮方向のピエゾ素子）
Ａ１Ａ２Ａ３第１、第２、第３の素子部分
Ｂ第２ピエゾ素子（引張方向のピエゾ素子）
Ｂ１Ｂ２Ｂ３第１、第２、第３の素子部分
Ｃ第３ピエゾ素子（引張方向のピエゾ素子）
Ｃ１Ｃ２Ｃ３第１、第２、第３の素子部分
Ｄ第４ピエゾ素子（圧縮方向のピエゾ素子）
Ｄ１Ｄ２Ｄ３第１、第２、第３の素子部分

Claims

シリコン基板に形成されたダイヤフラムと、このダイヤフラムの歪みに応じて抵抗値が変化する複数のピエゾ素子とを有する半導体圧力センサであって、
各ピエゾ素子は、複数の平面視細長形状の素子が直列に接続され、
圧縮方向に作用するピエゾ素子と引張方向に作用するピエゾ素子とを構成する各々複数の平面視細長形状の素子は一方向に平行に形成されていて、
上記圧縮方向の複数の平面視細長形状の素子のうち、ダイヤフラムの輪郭を跨ぐ平面視細長形状の素子は、他の平面視細長形状の素子よりも面積が広く、かつ他の平面視細長形状の素子のアスペクト比と同一のアスペクト比に形成されていること、を特徴とする半導体圧力センサ。
請求項１記載の半導体圧力センサにおいて、上記ダイヤフラムは平面視正方形に形成されていて、上記圧縮方向のピエゾ素子は、各平面視細長形状の素子が上記ダイヤフラムの輪郭線と平行に形成されていて、上記ダイヤフラムの輪郭線を跨ぐ平面視細長形状の素子は、短手方向に上記ダイヤフラムの輪郭線を跨いで形成され、このダイヤフラムの輪郭線を跨ぐ素子がダイヤフラム上に位置する部分の面積は、他の素子の面積と同一に形成されている半導体圧力センサ。