JP2015184046A - 物理量センサー、圧力センサー、高度計、電子機器および移動体 - Google Patents

物理量センサー、圧力センサー、高度計、電子機器および移動体 Download PDF

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Abstract

【課題】小型化を図っても、S/N比を向上させることができる物理量センサーを提供すること、また、この物理量センサーを備える圧力センサー、高度計、電子機器および移動体を提供すること。【解決手段】本発明の物理量センサー1は、受圧により撓み変形する複数のダイヤフラム部64と、互いに異なるダイヤフラム部64に配置されていて直列に電気的に接続されている複数のピエゾ抵抗素子7と、を備える。複数のピエゾ抵抗素子7がブリッジ回路を構成している。【選択図】図1

Description

本発明は、物理量センサー、圧力センサー、高度計、電子機器および移動体に関するものである。
受圧により撓み変形するダイヤフラムを備えた圧力センサーが広く用いられている。このような圧力センサーとして、ダイヤフラム上にピエゾ抵抗素子が配置され、ダイヤフラムの撓みをセンサー素子で検出することにより、ダイヤフラムに加わった圧力を検出するものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
例えば、特許文献1に記載の圧力センサーでは、ダイヤフラムが形成されたSOI(Silicon On Insulator)基板と、ダイヤフラム上に設けられた4つのピエゾ抵抗素子とを有し、この4つのピエゾ抵抗素子がホイートストンブリッジ回路を構成するように電気的に接続されている。そして、このホイートストンブリッジ回路の出力に基づいて、ダイヤフラムに加わった圧力を検出する。
しかし、特許文献1に記載の圧力センサーでは、1つのダイヤフラムに設けられたピエゾ抵抗素子からの出力のみを用いて圧力を検出するため、小型化に伴って、S/N比が低下するという問題があった。これは、ダイヤフラムが小型になると、ダイヤフラムの受圧により歪む部分の面積が小さくなるため、ピエゾ抵抗素子の面積を大きくしても、感度(信号)が小さくなってしまい、一方、ダイヤフラムの受圧により歪む部分に合わせてピエゾ抵抗素子の面積も小さくすると、1/fノイズが増大してしまうからである。
特開2006−3099号公報
本発明の目的は、小型化を図っても、S/N比を向上させることができる物理量センサーを提供すること、また、この物理量センサーを備える圧力センサー、高度計、電子機器および移動体を提供することにある。
このような目的は、下記の本発明により達成される。
[適用例1]
本発明の物理量センサーは、受圧により撓み変形する複数のダイヤフラム部と、
互いに異なる前記ダイヤフラム部に配置されていて、電気的に直列に接続されている複数のピエゾ抵抗素子と、
を備えることを特徴とする。
このような物理量センサーによれば、小型化に伴ってピエゾ抵抗素子1つあたりの面積が小さくなっても、直列に接続された複数のピエゾ抵抗素子の合計により面積を増やすことができる。そのため、1/fノイズを低減しつつ、受圧感度を高めることができる。したがって、小型化を図っても、S/N比を向上させることができる。
[適用例2]
本発明の物理量センサーでは、前記複数のピエゾ抵抗素子を含んで構成されているブリッジ回路を備えることが好ましい。
これにより、比較的簡単な構成で、直列に接続された複数のピエゾ抵抗素子から圧力に応じた高精度な信号を取り出すことができる。
[適用例3]
本発明の物理量センサーでは、前記ダイヤフラム部の数が2つであることが好ましい。
これにより、比較的簡単かつ小型な構成で、S/N比を向上させることができる。
[適用例4]
本発明の物理量センサーでは、前記ダイヤフラム部の数が4つであることが好ましい。
これにより、比較的簡単かつ小型な構成で、S/N比を向上させることができる。
[適用例5]
本発明の物理量センサーでは、複数の圧力基準室を備えることが好ましい。
これにより、ダイヤフラムごとに圧力基準室の壁部が形成されるため、物理量センサーの機械的強度を高めることができる。その結果、物理量センサーの信頼性を高めることができる。
[適用例6]
本発明の物理量センサーでは、前記複数のダイヤフラム部に共通している圧力基準室を備えることが好ましい。
これにより、各ダイヤフラム部が共通の圧力を基準として撓み変形することとなる。その結果、物理量センサーの設計が容易となる。
[適用例7]
本発明の物理量センサーでは、前記圧力基準室は、半導体製造プロセスを用いて形成されていることが好ましい。
これにより、簡単かつ高精度に小型な物理量センサーを製造することができる。
[適用例8]
本発明の物理量センサーでは、前記ピエゾ抵抗素子は、前記ダイヤフラム部の外周部とそれよりも中心側の部分とにそれぞれ配置されていることが好ましい。
これにより、ダイヤフラム部の受圧により歪みが生じる部分に無駄なくピエゾ抵抗素子を配置して、ピエゾ抵抗素子の合計の面積を大きくすることができる。その結果、S/N比をさらに高めることができる。
[適用例9]
本発明の圧力センサーは、本発明の物理量センサーを有することを特徴とする。
これにより、小型で優れたS/N比を有する物理量センサーを備える圧力センサーを提供することができる。
[適用例10]
本発明の高度計は、本発明の物理量センサーを有することを特徴とする。
これにより、小型で優れたS/N比を有する物理量センサーを備える高度計を提供することができる。
[適用例11]
本発明の電子機器は、本発明の物理量センサーを有することを特徴とする。
これにより、小型で優れたS/N比を有する物理量センサーを備える電子機器を提供することができる。
[適用例12]
本発明の移動体は、本発明の物理量センサーを有することを特徴とする。
これにより、小型で優れたS/N比を有する物理量センサーを備える移動体を提供することができる。
本発明の第1実施形態に係る物理量センサーを示す断面図である。 図1に示す物理量センサーのピエゾ抵抗素子の配置を示す拡大平面図である。 図1に示す物理量センサーのピエゾ抵抗素子を接続する配線の配置を示す平面図である。 図1に示す物理量センサーが備えるピエゾ抵抗素子を含むブリッジ回路を示す図である。 図1に示す物理量センサーの作用を説明するための図であって、(a)は加圧状態を示す断面図、(b)は加圧状態を示す平面図である。 図1に示す物理量センサーの製造工程を示す図である。 図1に示す物理量センサーの製造工程を示す図である。 図1に示す物理量センサーの製造工程を示す図である。 本発明の第2実施形態に係る物理量センサーのピエゾ抵抗素子の配置を示す拡大平面図である。 図9に示す物理量センサーが備えるピエゾ抵抗素子を含むブリッジ回路を示す図である。 本発明の第3実施形態に係る物理量センサーを示す断面図である。 本発明の第4実施形態に係る物理量センサーが備えるピエゾ抵抗素子を含むブリッジ回路を示す図である。 本発明の第5実施形態に係る物理量センサーが備えるピエゾ抵抗素子を含むブリッジ回路を示す図である。 本発明の圧力センサーの一例を示す断面図である。 本発明の高度計の一例を示す斜視図である。 本発明の電子機器の一例を示す正面図である。 本発明の移動体の一例を示す斜視図である。
以下、本発明の物理量センサー、圧力センサー、高度計、電子機器および移動体を添付図面に示す各実施形態に基づいて詳細に説明する。
<第1実施形態>
1.物理量センサー
図1は、本発明の第1実施形態に係る物理量センサーを示す断面図、図2は、図1に示す物理量センサーのピエゾ抵抗素子の配置を示す拡大平面図である。また、図3は、図1に示す物理量センサーのピエゾ抵抗素子を接続する配線の配置を示す平面図、図4は、図1に示す物理量センサーが備えるピエゾ抵抗素子を含むブリッジ回路を示す図である。また、図5は、図1に示す物理量センサーの作用を説明するための図であって、図5(a)は加圧状態を示す断面図、図5(b)は加圧状態を示す平面図である。なお、以下では、説明の便宜上、図1中の上側を「上」、下側を「下」という。
図1に示す物理量センサー1は、基板6と、基板6の上面上に設けられている積層構造体8と、を備えている。ここで、基板6は、複数(本実施形態では2つ)のダイヤフラム部64を有しており、各ダイヤフラム部64には、複数のピエゾ抵抗素子7が形成されている。また、積層構造体8は、各ダイヤフラム部64に対応する部分が基板6に対して離間しており、これにより、かかる部分と基板6との間には、空洞部S(圧力基準室)が形成されている。このような物理量センサー1は、ダイヤフラム部64ごとの2つのユニット1a、1bを備えているといえる。
以下、物理量センサー1を構成する各部を順次説明する。
−基板6−
基板6は、単結晶シリコンで構成されているシリコン層61(ハンドル層)と、シリコン酸化膜で構成されている酸化シリコン層62(ボックス層)と、単結晶シリコンで構成されているシリコン層63(デバイス層)とがこの順で積層されたSOI基板である。なお、基板6は、SOI基板に限定されず、例えば、単結晶シリコン基板等の他の半導体基板であってもよい。
また、基板6には、周囲の部分よりも薄肉であり、受圧によって撓み変形するダイヤフラム部64が設けられている。ダイヤフラム部64は、基板6の下面に有底の凹部65を設けることで形成されている。このようなダイヤフラム部64は、その下面が受圧面641となっている。本実施形態では、図2に示すように、ダイヤフラム部64は、正方形の平面視形状である。
本実施形態の基板6では、凹部65がシリコン層61を貫通しており、ダイヤフラム部64が酸化シリコン層62およびシリコン層63の2層で構成されている。ここで、酸化シリコン層62は、後述するように、物理量センサー1の製造工程において凹部65をエッチングにより形成する際にエッチングストップ層として利用することができ、ダイヤフラム部64の厚さの製品ごとのバラツキを少なくすることができる。
なお、凹部65がシリコン層61を貫通せず、ダイヤフラム部64がシリコン層61の薄肉部、酸化シリコン層62およびシリコン層63の3層で構成されていてもよい。
−ピエゾ抵抗素子7−
複数のピエゾ抵抗素子7は、図1示すように、それぞれ、ダイヤフラム部64の空洞部S側の面に形成されている。ここで、図示しないが、ピエゾ抵抗素子7上には、シリコン酸化膜およびシリコン窒化膜がこの順で積層されている。このシリコン酸化膜およびシリコン窒化膜は、それぞれ、絶縁膜として機能する。また、シリコン窒化膜は、後述する物理量センサー1の製造工程において空洞部Sを形成する際に用いるエッチングのストップ層としても機能する。なお、このシリコン酸化膜およびシリコン窒化膜は、必要に応じて設ければよく、省略してもよい。
図2に示すように、複数のピエゾ抵抗素子7は、複数のピエゾ抵抗素子71a、71b、71c、71d、72a、72b、72c、72dで構成されている。
平面視で四角形をなすダイヤフラム部64の4つの辺にそれぞれ対応して、ピエゾ抵抗素子71a、72a、ピエゾ抵抗素子71b、72b、ピエゾ抵抗素子71c、72c、ピエゾ抵抗素子71d、72dが配置されている。ここで、平面視で四角形をなすダイヤフラム部64の4つの辺は、図2中の左右方向に並んで互いに対向する1対の辺と、図2中の上下方向に並んで互いに対向する1対の辺とからなる。そして、平面視で四角形をなすダイヤフラム部64を図2中の上下左右にそれぞれ分割したとき、ピエゾ抵抗素子71a、72aは、図2中の右側部分に配置され、これと対称となるように、ピエゾ抵抗素子71b、72bは、図2中の左側部分に配置され、また、ピエゾ抵抗素子71c、72cは、図2中の上側部分に配置され、これと対称となるように、ピエゾ抵抗素子71d、72dは、図2中の下側部分に配置されている。
ピエゾ抵抗素子71aは、ダイヤフラム部64の外周部に1対配置され、それぞれ、ダイヤフラム部64の対応する辺に対して垂直な方向に沿って延びている。また、ピエゾ抵抗素子72aは、ダイヤフラム部64のピエゾ抵抗素子71aよりも内側に1対配置され、それぞれ、ダイヤフラム部64の対応する辺に対して平行な方向に沿って延びている。そして、1対のピエゾ抵抗素子71aおよび1対のピエゾ抵抗素子72aは、配線92a、93aにより直列に電気的に接続され、配線91aにより外側に引き出されている。
同様に、ピエゾ抵抗素子71bは、ダイヤフラム部64の外周部に1対配置され、それぞれ、ダイヤフラム部64の対応する辺に対して垂直な方向に沿って延びている。また、ピエゾ抵抗素子72bは、ダイヤフラム部64のピエゾ抵抗素子71bよりも内側に1対配置され、それぞれ、ダイヤフラム部64の対応する辺に対して平行な方向に沿って延びている。そして、1対のピエゾ抵抗素子71bおよび1対のピエゾ抵抗素子72bは、配線92b、93bにより直列に電気的に接続され、配線91bにより外側に引き出されている。
一方、ピエゾ抵抗素子71cは、ダイヤフラム部64の外周部に1対配置され、それぞれ、ダイヤフラム部64の対応する辺に対して平行な方向に沿って延びている。また、ピエゾ抵抗素子72cは、ダイヤフラム部64のピエゾ抵抗素子71cよりも内側に1対配置され、それぞれ、ダイヤフラム部64の対応する辺に対して垂直な方向に沿って延びている。そして、1対のピエゾ抵抗素子71cおよび1対のピエゾ抵抗素子72cは、配線92c、93cにより直列に電気的に接続され、配線91cにより外側に引き出されている。
同様に、ピエゾ抵抗素子71dは、ダイヤフラム部64の外周部に1対配置され、それぞれ、ダイヤフラム部64の対応する辺に対して平行な方向に沿って延びている。また、ピエゾ抵抗素子72dは、ダイヤフラム部64のピエゾ抵抗素子71dよりも内側に1対配置され、それぞれ、ダイヤフラム部64の対応する辺に対して垂直な方向に沿って延びている。そして、1対のピエゾ抵抗素子71dおよび1対のピエゾ抵抗素子72dは、配線92d、93dにより直列に電気的に接続され、配線91dにより外側に引き出されている。
なお、前述したピエゾ抵抗素子71a、72aをまとめて「ピエゾ抵抗素子7a」、ピエゾ抵抗素子71b、72bをまとめて「ピエゾ抵抗素子7b」、ピエゾ抵抗素子71c、72cをまとめて「ピエゾ抵抗素子7c」、ピエゾ抵抗素子71d、72dをまとめて「ピエゾ抵抗素子7d」という。また、配線91a、91b、91c、91d、92a、92b、92c、92d、93a、93b、93c、93dをまとめて「配線9」という。
このようなピエゾ抵抗素子7a、7b、7c、7dおよび配線9は、それぞれ、例えば、リン、ボロン等の不純物をドープ(拡散または注入)したシリコン(単結晶シリコン)で構成されている。ここで、配線9における不純物のドープ濃度は、ピエゾ抵抗素子7a、7b、7c、7dにおける不純物のドープ濃度よりも高い。なお、配線9は、金属で構成されていてもよい。
また、ピエゾ抵抗素子7a、7b、7c、7dは、自然状態における抵抗値が互いに等しくなるように構成されている。
以上説明したようなピエゾ抵抗素子7a、7b、7c、7dは、図3に示すように、前述した2つのユニット1a、1bにそれぞれ設けられており、図4に示すようなブリッジ回路70(ホイートストンブリッジ回路)を構成している。
具体的に説明すると、図3に示すように、ユニット1a、1bのピエゾ抵抗素子7aの一端同士が配線84c1を介して電気的に接続され、ユニット1aのピエゾ抵抗素子7aの他端が配線84c2を介して電極84b1に電気的に接続され、ユニット1bのピエゾ抵抗素子7aの他端が配線84c3を介して電極84b2に電気的に接続されている。これにより、ユニット1a、1bのピエゾ抵抗素子7aは、1対の電極84b1、84b2に対して直列に電気的に接続されている。
また、ユニット1a、1bのピエゾ抵抗素子7bの一端同士が配線84d1を介して電気的に接続され、ユニット1aのピエゾ抵抗素子7bの他端が配線84d2を介して電極84b3に電気的に接続され、ユニット1bのピエゾ抵抗素子7bの他端が配線84d3を介して電極84b4に電気的に接続されている。これにより、ユニット1a、1bのピエゾ抵抗素子7bは、1対の電極84b3、84b4に対して直列に電気的に接続されている。
また、ユニット1a、1bのピエゾ抵抗素子7cの一端同士が配線82d1を介して電気的に接続され、ユニット1aのピエゾ抵抗素子7cの他端が配線82d2を介して電極84b1に電気的に接続され、ユニット1bのピエゾ抵抗素子7cの他端が配線82d3を介して電極84b3に電気的に接続されている。これにより、ユニット1a、1bのピエゾ抵抗素子7cは、1対の電極84b1、84b3に対して直列に電気的に接続されている。
また、ユニット1a、1bのピエゾ抵抗素子7dの一端同士が配線82e1を介して電気的に接続され、ユニット1aのピエゾ抵抗素子7dの他端が配線82e2を介して電極84b2に電気的に接続され、ユニット1bのピエゾ抵抗素子7dの他端が配線82e3を介して電極84b4に電気的に接続されている。これにより、ユニット1a、1bのピエゾ抵抗素子7dは、1対の電極84b2、84b4に対して直列に電気的に接続されている。
以上のようにしてユニット1a、1bのピエゾ抵抗素子7a、7b、7c、7dが図4に示すブリッジ回路70を構成している。このブリッジ回路70には、1対の電極84b1、84b4間に駆動電圧AVDCを供給する駆動回路(図示せず)が接続されている。そして、ブリッジ回路70では、1対の電極84b2、84b3間の電位差がピエゾ抵抗素子7a、7b、7c、7dの抵抗値に応じた信号(電圧)として出力される。
−積層構造体8−
積層構造体8は、ピエゾ抵抗素子7が配置されている空洞部Sを画成するように形成されている。ここで、積層構造体8は、シリコン層61の一方の面側に配置されていてダイヤフラム部64とともに空洞部Sを形成している「壁部」を構成している。
この積層構造体8は、基板6上にピエゾ抵抗素子7を取り囲むように形成された層間絶縁膜81と、層間絶縁膜81上に形成された配線層82と、配線層82および層間絶縁膜81上に形成された層間絶縁膜83と、層間絶縁膜83上に形成され、複数の細孔(開孔)を備えた被覆層841を有する配線層84と、配線層84および層間絶縁膜83上に形成された表面保護膜85と、被覆層841上に設けられた封止層86とを有している。
ここで、配線層82は、空洞部Sを囲むように形成されている配線層82aと、前述した配線82d1〜82d3、82e1〜82e3とを含んでいる。また、配線層84は、空洞部Sを囲むように形成されている配線層84aと、前述した電極84b1〜84b4および配線84c1〜84c3、84d1〜84d3とを含んでいる。
このような積層構造体8は、CMOSプロセスのような半導体プロセスを用いて形成することができる。なお、シリコン層61上およびその上方には、半導体回路が作り込まれていてもよい。この半導体回路は、MOSトランジスタ等の能動素子、その他必要に応じて形成されたコンデンサ、インダクタ、抵抗、ダイオード、配線(ピエゾ抵抗素子7に接続されている配線を含む)等の回路要素を有している。
−空洞部S−
基板6と積層構造体8とによって画成された空洞部Sは、ピエゾ抵抗素子7を収容する収容部として機能している。また、空洞部Sは、密閉された空間である。この空洞部Sは、物理量センサー1が検出する圧力の基準値となる圧力基準室として機能する。本実施形態では、空洞部Sが真空状態(300Pa以下)となっている。空洞部Sを真空状態とすることによって、物理量センサー1を、真空状態を基準として圧力を検出する「絶対圧センサー」として用いることができ、その利便性が向上する。
ただし、空洞部Sは、真空状態でなくてもよく、大気圧であってもよいし、大気圧よりも気圧が低い減圧状態であってもよいし、大気圧よりも気圧が高い加圧状態であってもよい。また、空洞部Sには、窒素ガス、希ガス等の不活性ガスが封入されていてもよい。
以上、物理量センサー1の構成について簡単に説明した。
このような構成の物理量センサー1は、図5(a)に示すように、ダイヤフラム部64の受圧面641が受ける圧力に応じて、ダイヤフラム部64が変形し、これにより、図5(b)に示すように、ピエゾ抵抗素子7a、7b、7c、7dが歪み、ピエゾ抵抗素子7a、7b、7c、7dの抵抗値が変化する。それに伴って、ピエゾ抵抗素子7a、7b、7c、7dが構成するブリッジ回路70(図4参照)の出力が変化し、その出力に基づいて、受圧面641で受けた圧力の大きさを求めることができる。
より具体的に説明すると、前述したように、ピエゾ抵抗素子7a、7b、7c、7dの抵抗値が互いに等しいため、前述したようなダイヤフラム部64の変形が生じる前の自然状態では、ピエゾ抵抗素子7a、7bの抵抗値の積とピエゾ抵抗素子7c、7dの抵抗値の積とが等しく、ブリッジ回路70の出力(電位差)はゼロとなる。
一方、前述したようなダイヤフラム部64の変形が生じると、図5(b)に示すように、ピエゾ抵抗素子71a、71b、72a、72bにその長手方向に沿った圧縮歪みおよび幅方向に沿った引張歪みが生じるとともに、ピエゾ抵抗素子71c、71d、72c、72dその長手方向に沿った引張歪みおよびその幅方向に沿った圧縮歪みが生じる。したがって、前述したようなダイヤフラム部64の変形が生じたとき、ピエゾ抵抗素子7a、7bの抵抗値とピエゾ抵抗素子7c、7dの抵抗値とのうち、一方の抵抗値が増加し、他方の抵抗値が減少する。
このようなピエゾ抵抗素子71a、71b、71c、71d、72a、72b、72c、72dの歪みにより、ピエゾ抵抗素子7a、7bの抵抗値の積とピエゾ抵抗素子7c、7dの抵抗値の積との差が生じ、その差に応じた出力(電位差)がブリッジ回路70から出力される。このブリッジ回路70からの出力に基づいて、受圧面641で受けた圧力の大きさ(絶対圧)を求めることができる。
特に、前述したように、ブリッジ回路70がユニット1aのピエゾ抵抗素子7とユニット1bのピエゾ抵抗素子7とが直列に接続されて構成されているため、ブリッジ回路70から大きな出力を得ることができる。
また、前述したようなダイヤフラム部64の変形が生じたとき、ピエゾ抵抗素子7a、7bの抵抗値とピエゾ抵抗素子7c、7dの抵抗値とのうち、一方の抵抗値が増加し、他方の抵抗値が減少するため、ピエゾ抵抗素子7a、7bの抵抗値の積とピエゾ抵抗素子7c、7dの抵抗値の積との差の変化を大きくすることができ、それに伴って、ブリッジ回路70からの出力を大きくすることができる。その結果、圧力の検出感度を高めることができる。また、ブリッジ回路70を構成するピエゾ抵抗素子7a、7b、7c、7dのすべて温度感度がほぼ同一であるため、外部の温度変化に対する特性変化を低減することもできる。
以上のような物理量センサー1では、複数のピエゾ抵抗素子7が互いに異なるダイヤフラム部64に配置されていて直列に電気的に接続されているので、小型化に伴ってピエゾ抵抗素子7の1つあたりの面積が小さくなっても、直列に接続された複数のピエゾ抵抗素子7の合計により面積を増やすことができる。そのため、1/fノイズを低減しつつ、受圧感度を高めることができる。したがって、小型化を図っても、S/N比を向上させることができる。
また、直接に接続された複数のピエゾ抵抗素子7を含んでブリッジ回路70が構成されているので、比較的簡単な構成で、直列に接続された複数のピエゾ抵抗素子7から圧力に応じた高精度な信号を取り出すことができる。
また、本実施形態では、ダイヤフラム部64が2つであるため、比較的簡単かつ小型な構成で、S/N比を向上させることができる。
また、本実施形態では、ダイヤフラム部64ごとに空洞部Sが独立しているため、ダイヤフラム部64ごとに空洞部Sの壁部が形成されるため、物理量センサー1の機械的強度を高めることができる。その結果、物理量センサー1の信頼性を高めることができる。
また、空洞部Sは、後述するように、半導体製造プロセスを用いて形成されている。これにより、簡単かつ高精度に小型な物理量センサー1を製造することができる。
また、ピエゾ抵抗素子7は、ダイヤフラム部64の外周部とそれよりも中心側の部分とにそれぞれ配置されているため、ダイヤフラム部64の受圧により歪みが生じる部分に無駄なくピエゾ抵抗素子7を配置して、ピエゾ抵抗素子7の合計の面積を大きくすることができる。その結果、S/N比をさらに高めることができる。
次に、物理量センサー1の製造方法を簡単に説明する。
図6〜図8は、図1に示す物理量センサーの製造工程を示す図である。以下、これらの図に基づいて説明する。なお、ユニット1a、1bは互いに同様の構成であるため、以下の説明では、1つのユニットについて代表的に説明し、各図では、1つのユニットのみを図示している。
[センサー素子形成工程]
まず、図6(a)に示すように、SOI基板である基板6Xを用意する。この基板6Xは、単結晶シリコンで構成されているシリコン層61X(ハンドル層)と、シリコン酸化膜で構成されている酸化シリコン層62(ボックス層)と、単結晶シリコンで構成されているシリコン層63Xとがこの順で積層されてなる。ここで、シリコン層61Xは、後の工程において、必要に応じて研磨等により薄肉化された後に、凹部65が形成されてシリコン層61となる。
次に、シリコン層63Xにリン、ボロン等の不純物をドープ(イオン注入)することにより、図6(b)に示すように、ピエゾ抵抗素子7および配線9を形成する。これにより、ピエゾ抵抗素子7および配線9が形成されたシリコン層63を得る。
このイオン注入では、配線9への不純物のドープ量がピエゾ抵抗素子7よりも多くなるようにイオン注入条件等を調整する。
例えば、ボロンを17keVでイオン注入を行う場合、ピエゾ抵抗素子7へのイオン注入濃度を1×1013atoms/cm以上1×1015atoms/cm以下程度とし、配線9へのイオン注入濃度を1×1015atoms/cm以上5×1015atoms/cm以下程度とする。
[層間絶縁膜・配線層形成工程]
次に、図6(c)に示すように、シリコン層63上に、層間絶縁膜81X、83X、配線層82、84および表面保護膜85を形成する。
層間絶縁膜81X、83Xの形成は、シリコン酸化膜をスパッタリング法、CVD法等により形成し、そのシリコン酸化膜をエッチングによりパターンニングすることにより行う。
ここで、層間絶縁膜81X、83Xのそれぞれの厚さは、特に限定されないが、例えば、1500nm以上5000nm以下程度とされる。
また、配線層82、84の形成は、層間絶縁膜81X、83X上に、例えばアルミニウムよりなる層をスパッタリング法、CVD法等により形成した後、パターニング処理することにより行う。
ここで、配線層82、84のそれぞれの厚さは、特に限定されないが、例えば、300nm以上900nm以下程度とされる。
このような層間絶縁膜81X、83Xと配線層82、84との積層構造は、通常のCMOSプロセスにより形成され、その積層数は、必要に応じて適宜に設定される。すなわち、必要に応じてさらに多くの配線層が層間絶縁膜を介して積層される場合もある。
このような層間絶縁膜81X、83Xおよび配線層82、84の形成後、スパッタリング法、CVD法等により表面保護膜85を形成する。表面保護膜85の構成材料としては、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、ポリイミド膜、エポキシ樹脂膜など、素子を水分、ゴミ、傷などから保護するための耐性を有するもので形成される。
ここで、表面保護膜85の厚さは、特に限定されないが、例えば、500nm以上2000nm以下程度とされる。
[空洞部形成工程]
次に、図7(a)に示すように、エッチングにより空洞部Sを形成する。これにより、層間絶縁膜81X、83Xの一部が除去されて、層間絶縁膜81、83が形成される。
空洞部Sの形成は、被覆層841に形成された複数の細孔842を通じたエッチングにより、層間絶縁膜83X、85Xの一部を除去することにより行う。ここで、かかるエッチングとしてウェットエッチングを用いる場合、複数の細孔842からフッ酸、緩衝フッ酸等のエッチング液を供給し、ドライエッチングを用いる場合、複数の細孔842からフッ化水素酸ガス等のエッチングガスを供給する。
[封止工程]
次に、図7(b)に示すように、被覆層841上に、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、AL、Cu、W、Ti、TiN等の金属膜等からなる封止層86をスパッタリング法、CVD法等により形成し、各細孔842を封止する。これより、空洞部Sが封止層86により封止され、積層構造体8を得る。
ここで、封止層86の厚さは、特に限定されないが、例えば、1000nm以上5000nm以下程度とされる。
[ダイヤフラム形成工程]
次に、シリコン層61Xの下面を必要に応じて研削した後、シリコン層61Xの下面の一部をエッチングにより除去することにより、図8に示すように、凹部65を形成する。これにより、周囲よりも薄肉なダイヤフラム部64が形成される。
ここで、シリコン層61Xの下面の一部を除去する際、酸化シリコン層62がエッチングストップ層として機能する。これにより、ダイヤフラム部64の厚さを高精度に規定することができる。
なお、シリコン層61Xの下面の一部を除去する方法としては、ドライエッチングであっても、ウェットエッチング等であってもよい。
以上のような工程により、物理量センサー1を製造することができる。
<第2実施形態>
次に本発明の物理量センサーの第2実施形態について説明する。
図9は、本発明の第2実施形態に係る物理量センサーのピエゾ抵抗素子の配置を示す拡大平面図、図10は、図9に示す物理量センサーが備えるピエゾ抵抗素子を含むブリッジ回路を示す図である。
以下、本発明の物理量センサーの第2実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。なお、図9および図10において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。
第2実施形態は、ダイヤフラムを有するユニットの数およびそれに関連する構成が異なること以外は、前記第1実施形態と同様である。
図9に示す物理量センサー1Aは、ピエゾ抵抗素子7a、7b、7c、7dを有する4つのユニット1a、1b、1c、1dを備えている。
このような4つのユニット1a、1b、1c、1dのピエゾ抵抗素子7a、7b、7c、7dは、図10に示すようなブリッジ回路70(ホイートストンブリッジ回路)を構成している。
具体的に説明すると、図9に示すように、ユニット1a、1b、1c、1dのピエゾ抵抗素子7aは、1対の電極84b1、84b2に対して、配線84c2、84c4、84c5、84c6、84c7により直列に電気的に接続されている。
また、ユニット1a、1b、1c、1dのピエゾ抵抗素子7bは、1対の電極84b3、84b4に対して、配線84d1、84d4、84d5、84d6、84d7により直列に電気的に接続されている。
また、ユニット1a、1b、1c、1dのピエゾ抵抗素子7cは、1対の電極84b1、84b3に対して、配線82d3、82d1、82d4、82d5、82d6により直列に電気的に接続されている。
また、ユニット1a、1b、1c、1dのピエゾ抵抗素子7dは、1対の電極84b2、84b4に対して、配線82e7、82e1、82e4、82e5、82e6により直列に電気的に接続されている。
以上のようにしてユニット1a、1b、1c、1dのピエゾ抵抗素子7a、7b、7c、7dが図10に示すブリッジ回路70Aを構成している。このブリッジ回路70Aには、1対の電極84b1、84b4間に駆動電圧AVDCを供給する駆動回路(図示せず)が接続されている。そして、ブリッジ回路70Aでは、1対の電極84b2、84b3間の電位差がピエゾ抵抗素子7a、7b、7c、7dの抵抗値に応じた信号(電圧)として出力される。
このような物理量センサー1Aでは、ダイヤフラム部64が4つであるため、比較的簡単かつ小型な構成で、S/N比を向上させることができる。
以上説明したような物理量センサー1Aによっても、小型化を図っても、S/N比を向上させることができる。
<第3実施形態>
次に本発明の物理量センサーの第3実施形態について説明する。
図11は、本発明の第3実施形態に係る物理量センサーを示す断面図である。
以下、本発明の物理量センサーの第3実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。
第3実施形態は、空洞部(圧力基準室)の構成が異なること以外は、前記第1実施形態と同様である。
図11に示す物理量センサー1Bは、基板6と、基板6の上面上に設けられている積層構造体8Bと、を備えている。ここで、積層構造体8Bは、基板6が有する複数のダイヤフラム部64に対応する部分だけでなくこれらの部分の間の部分が基板6に対して離間しており、これにより、かかる部分と基板6との間には、空洞部S1(圧力基準室)が形成されている。
この空洞部S1は、ユニット1aのダイヤフラム部64とユニット1bのダイヤフラム部64とに共通して設けられている。言い換えると、ユニット1aのダイヤフラム部64のための圧力基準室とユニット1bのダイヤフラム部64のための圧力基準室とが連通して空洞部S1が形成されている。
このような物理量センサー1Bでは、空洞部Sが複数のダイヤフラム部64に共通しているため、各ダイヤフラム部64が共通の圧力を基準として撓み変形することとなる。その結果、物理量センサー1Bの設計が容易となる。
以上説明したような物理量センサー1Bによっても、小型化を図っても、S/N比を向上させることができる。
<第4実施形態>
次に本発明の物理量センサーの第4実施形態について説明する。
図12は、本発明の第4実施形態に係る物理量センサーが備えるピエゾ抵抗素子を含むブリッジ回路を示す図である。
以下、本発明の物理量センサーの第4実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。
第4実施形態は、ユニット間のピエゾ抵抗素子の接続関係が異なること以外は、前記第1実施形態と同様である。
本実施形態の物理量センサーは、図12に示すブリッジ回路70Cを備える。
このブリッジ回路70Cでは、ユニット1aのピエゾ抵抗素子7aとユニット1bのピエゾ抵抗素子7bが1対の電極84b1、84b2に対して直列に電気的に接続されている。
また、ユニット1aのピエゾ抵抗素子7bとユニット1bのピエゾ抵抗素子7aが1対の電極84b3、84b4に対して直列に電気的に接続されている。
また、ユニット1aのピエゾ抵抗素子7cとユニット1bのピエゾ抵抗素子7dが1対の電極84b1、84b3に対して直列に電気的に接続されている。
また、ユニット1aのピエゾ抵抗素子7dとユニット1bのピエゾ抵抗素子7cが1対の電極84b2、84b4に対して直列に電気的に接続されている。
以上説明したような第4実施形態によっても、小型化を図っても、S/N比を向上させることができる。
<第5実施形態>
次に本発明の物理量センサーの第5実施形態について説明する。
図13は、本発明の第5実施形態に係る物理量センサーが備えるピエゾ抵抗素子を含むブリッジ回路を示す図である。
以下、本発明の物理量センサーの第5実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。
第5実施形態は、ユニット間のピエゾ抵抗素子の接続関係が異なること以外は、前記第2実施形態と同様である。
本実施形態の物理量センサーは、図13に示すブリッジ回路70Dを備える。
このブリッジ回路70Dでは、ユニット1a、1b、1c、1dのピエゾ抵抗素子7aが1対の電極84b1、84b2に対して2つずつに分けて直列に電気的に接続されている。すなわち、直列に接続された2つのピエゾ抵抗素子7aが2組あり、これらの組が1対の電極84b1、84b2に対して並列に電気的に接続されている。
また、ユニット1a、1b、1c、1dのピエゾ抵抗素子7bが1対の電極84b3、84b4に対して2つずつに分けて直列に電気的に接続されている。
また、ユニット1a、1b、1c、1dのピエゾ抵抗素子7cが1対の電極84b1、84b3に対して2つずつに分けて直列に電気的に接続されている。
また、ユニット1a、1b、1c、1dのピエゾ抵抗素子7dが1対の電極84b2、84b4に対して2つずつに分けて直列に電気的に接続されている。
以上説明したような第5実施形態によっても、小型化を図っても、S/N比を向上させることができる。
2.圧力センサー
次に、本発明の物理量センサーを備える圧力センサー(本発明の圧力センサー)ついて説明する。図14は、本発明の圧力センサーの一例を示す断面図である。
図14に示すように、本発明の圧力センサー100は、物理量センサー1と、物理量センサー1を収納する筐体101と、物理量センサー1から得た信号を圧力データに演算する演算部102とを備えている。物理量センサー1は、配線103を介して演算部102と電気的に接続されている。
物理量センサー1は、筐体101の内側に、図示しない固定手段により固定されている。また、筐体101には、物理量センサー1のダイヤフラム部64が、例えば大気(筐体101の外側)と連通するための貫通孔104を有している。
このような圧力センサー100によれば、貫通孔104を介してダイヤフラム部64が圧力を受ける。この受圧した信号を配線103を介して演算部に送信し、圧力データに演算する。この演算された圧力データは、図示しない表示部(例えば、パーソナルコンピューターのモニター等)を介して表示することができる。
3.高度計
次に、本発明の物理量センサーを備える高度計(本発明の高度計)の一例について説明する。図15は、本発明の高度計の一例を示す斜視図である。
高度計200は、腕時計のように、手首に装着することができる。また、高度計200の内部には、物理量センサー1(圧力センサー100)が搭載されており、表示部201に現在地の海抜からの高度、または、現在地の気圧等を表示することができる。
なお、この表示部201には、現在時刻、使用者の心拍数、天候等、様々な情報を表示することができる。
4.電子機器
次に、本発明の物理量センサーを備える電子機器を適用したナビゲーションシステムについて説明する。図16は、本発明の電子機器の一例を示す正面図である。
ナビゲーションシステム300には、図示しない地図情報と、GPS(全地球測位システム:Global Positioning System)からの位置情報取得手段と、ジャイロセンサーおよび加速度センサーと車速データとによる自立航法手段と、物理量センサー1と、所定の位置情報または進路情報を表示する表示部301とを備えている。
このナビゲーションシステムによれば、取得した位置情報に加えて高度情報を取得することができる。高度情報を得ることにより、例えば、一般道路と位置情報上は略同一の位置を示す高架道路を走行する場合、高度情報を持たない場合には、一般道路を走行しているのか高架道路を走行しているのかナビゲーションシステムでは判断できず、優先情報として一般道路の情報を使用者に提供してしまっていた。そこで、本実施形態に係るナビゲーションシステム300では、高度情報を物理量センサー1によって取得することができ、一般道路から高架道路へ進入することによる高度変化を検出し、高架道路の走行状態におけるナビゲーション情報を使用者に提供することができる。
なお、表示部301は、例えば液晶パネルディスプレイや、有機EL(Organic Electro-Luminescence)ディスプレイなど、小型かつ薄型化が可能な構成となっている。
なお、本発明の物理量センサーを備える電子機器は、上記のものに限定されず、例えば、パーソナルコンピューター、携帯電話、医療機器(例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡)、各種測定機器、計器類(例えば、車両、航空機、船舶の計器類)、フライトシュミレーター等に適用することができる。
5.移動体
次いで、本発明の物理量センサーを適用した移動体(本発明の移動体)について説明する。図17は、本発明の移動体の一例を示す斜視図である。
図17に示すように、移動体400は、車体401と、4つの車輪402とを有しており、車体401に設けられた図示しない動力源(エンジン)によって車輪402を回転させるように構成されている。このような移動体400には、ナビゲーションシステム300(物理量センサー1)が内蔵されている。
以上、本発明の物理量センサー、圧力センサー、高度計、電子機器および移動体を図示の各実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、他の任意の構成物や、工程が付加されていてもよい。
また、前述した実施形態では、1つのダイヤフラム部に設けられるピエゾ抵抗素子の数は、前述した実施形態に限定されず、例えば、2つ、4つ等であってもよい。また、ピエゾ抵抗素子の配置や形状等も前述した実施形態に限定されず、例えば、前述した実施形態において、ダイヤフラム部の内側のピエゾ抵抗素子を省略してもよい。
また、前述した実施形態では、物理量センサーに配置されるダイヤフラムの数は、前述の実施形態に限定されず、例えば、6つ、9つ、16つ等であってもよい。ダイヤフラムが大きいほど、S/N比を向上させる効果が高くなる。
1‥‥物理量センサー
1A‥‥物理量センサー
1B‥‥物理量センサー
1a‥‥ユニット
1b‥‥ユニット
6‥‥基板
6X‥‥基板
7‥‥ピエゾ抵抗素子
7a‥‥ピエゾ抵抗素子
7b‥‥ピエゾ抵抗素子
7c‥‥ピエゾ抵抗素子
7d‥‥ピエゾ抵抗素子
8‥‥積層構造体
8B‥‥積層構造体
9‥‥配線
61‥‥シリコン層
61X‥‥シリコン層
62‥‥酸化シリコン層
63‥‥シリコン層
63X‥‥シリコン層
64‥‥ダイヤフラム部
65‥‥凹部
70‥‥ブリッジ回路
70A‥‥ブリッジ回路
70C‥‥ブリッジ回路
70D‥‥ブリッジ回路
71a‥‥ピエゾ抵抗素子
71b‥‥ピエゾ抵抗素子
71c‥‥ピエゾ抵抗素子
71d‥‥ピエゾ抵抗素子
72a‥‥ピエゾ抵抗素子
72b‥‥ピエゾ抵抗素子
72c‥‥ピエゾ抵抗素子
72d‥‥ピエゾ抵抗素子
81‥‥層間絶縁膜
81X‥‥層間絶縁膜
82‥‥配線層
82a‥‥配線層
82d1‥‥配線
82d2‥‥配線
82d3‥‥配線
82d4‥‥配線
82d5‥‥配線
82d6‥‥配線
82e1‥‥配線
82e2‥‥配線
82e3‥‥配線
82e4‥‥配線
82e5‥‥配線
82e6‥‥配線
82e7‥‥配線
83‥‥層間絶縁膜
83X‥‥層間絶縁膜
84‥‥配線層
84a‥‥配線層
84b1‥‥電極
84b2‥‥電極
84b3‥‥電極
84b4‥‥電極
84c1‥‥配線
84c2‥‥配線
84c3‥‥配線
84d1‥‥配線
84d2‥‥配線
84d3‥‥配線
84d4‥‥配線
84d5‥‥配線
84d6‥‥配線
84d7‥‥配線
85‥‥表面保護膜
86‥‥封止層
91a‥‥配線
91b‥‥配線
91c‥‥配線
91d‥‥配線
92a‥‥配線
92b‥‥配線
92c‥‥配線
92d‥‥配線
100‥‥圧力センサー
101‥‥筐体
102‥‥演算部
103‥‥配線
104‥‥貫通孔
200‥‥高度計
201‥‥表示部
300‥‥ナビゲーションシステム
301‥‥表示部
400‥‥移動体
401‥‥車体
402‥‥車輪
641‥‥受圧面
841‥‥被覆層
842‥‥細孔
S‥‥空洞部
S1‥‥空洞部

Claims (12)

  1. 受圧により撓み変形する複数のダイヤフラム部と、
    互いに異なる前記ダイヤフラム部に配置されていて、電気的に直列に接続されている複数のピエゾ抵抗素子と、
    を備えることを特徴とする物理量センサー。
  2. 前記複数のピエゾ抵抗素子を含んで構成されているブリッジ回路を備える請求項1に記載の物理量センサー。
  3. 前記ダイヤフラム部の数が2つである請求項1または2に記載の物理量センサー。
  4. 前記ダイヤフラム部の数が4つである請求項1または2に記載の物理量センサー。
  5. 複数の圧力基準室を備える請求項1ないし4のいずれか1項に記載の物理量センサー。
  6. 前記複数のダイヤフラム部に共通している圧力基準室を備える請求項1ないし4のいずれか1項に記載の物理量センサー。
  7. 前記圧力基準室は、半導体製造プロセスを用いて形成されている請求項5または6に記載の物理量センサー。
  8. 前記ピエゾ抵抗素子は、前記ダイヤフラム部の外周部とそれよりも中心側の部分とにそれぞれ配置されている請求項1ないし7のいずれか1項に記載の物理量センサー。
  9. 請求項1ないし8のいずれか1項に記載の物理量センサーを有することを特徴とする圧力センサー。
  10. 請求項1ないし8のいずれか1項に記載の物理量センサーを有することを特徴とする高度計。
  11. 請求項1ないし8のいずれか1項に記載の物理量センサーを有することを特徴とする電子機器。
  12. 請求項1ないし8のいずれか1項に記載の物理量センサーを有することを特徴とする移動体。
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