JP2016053508A - Pressure sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ダイヤフラム部の変位に応じて抵抗値が変化する歪みゲージを備えた圧力センサに関する。 The present invention relates to a pressure sensor including a strain gauge whose resistance value changes in accordance with displacement of a diaphragm portion.
従来より、ダイヤフラム部に複数の歪み検出素子が設けられた圧力センサが、例えば特許文献1で提案されている。各歪み検出素子のうちの1つは、ダイヤフラム部の内側と外側とにまたがって配置されている。これにより、圧力に対するセンサ出力の感度が向上するようになっている。
Conventionally, for example,
しかしながら、圧力が大きくなるとセンサ出力が大きくなるように変化するが、当該変化には非線形性が含まれている。また、センサ出力の感度が高くなることで当該非線形性が大きくなる。このため、上記従来の技術のように、高感度のセンサ出力を得ようとするとセンサ出力の非線形性が大きくなってしまうという問題がある。 However, when the pressure increases, the sensor output changes so as to increase, but the change includes non-linearity. In addition, the non-linearity increases as the sensitivity of the sensor output increases. For this reason, there is a problem that non-linearity of the sensor output increases when an attempt is made to obtain a highly sensitive sensor output as in the prior art.
本発明は上記点に鑑み、圧力に対するセンサ出力の非線形性を小さくすることができる圧力センサを提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the pressure sensor which can make the nonlinearity of the sensor output with respect to a pressure small in view of the said point.
発明者らは、圧力に対するセンサ出力の非線形成分は、ダイヤフラム部(14)の外周端部(15)の位置と各歪みゲージ(20〜23)の中心位置との距離に応じて2次関数で変化することを見出した。また、この2次関数の変曲点すなわちセンサ出力の非線形成分が最も小さくなる距離はダイヤフラム部(14)の厚みに応じて変化することを見出した。 The inventors have determined that the non-linear component of the sensor output with respect to the pressure is a quadratic function according to the distance between the position of the outer peripheral end (15) of the diaphragm (14) and the center of each strain gauge (20-23). I found it to change. Further, it has been found that the inflection point of the quadratic function, that is, the distance at which the nonlinear component of the sensor output becomes the smallest varies depending on the thickness of the diaphragm portion (14).
そこで、請求項1に記載の発明では、表面(11)及び裏面(12)を有する半導体基板(13)の一部が裏面(12)側から除去された薄肉状であると共に圧力を受けて変位するダイヤフラム部(14)を有するセンサチップ(10)を備えている。
Therefore, in the invention described in
また、センサチップ(10)のうちの表面(11)側に形成され、ダイヤフラム部(14)の変位に応じて抵抗値が変化する第1歪みゲージ(20)、第2歪みゲージ(21)、第3歪みゲージ(22)、及び第4歪みゲージ(23)を備えている。 Further, a first strain gauge (20), a second strain gauge (21), which are formed on the surface (11) side of the sensor chip (10) and whose resistance value changes according to the displacement of the diaphragm portion (14), A third strain gauge (22) and a fourth strain gauge (23) are provided.
ダイヤフラム部(14)の厚みをtと定義し、センサチップ(10)の表面(11)の面方向のうちダイヤフラム部(14)の外周端部(15)に直角の方向におけるダイヤフラム部(14)の外周端部(15)の位置と各歪みゲージ(20〜23)の中心位置との距離をdと定義する。 The thickness of the diaphragm part (14) is defined as t, and the diaphragm part (14) in the direction perpendicular to the outer peripheral end part (15) of the diaphragm part (14) in the surface direction of the surface (11) of the sensor chip (10). The distance between the position of the outer peripheral end (15) and the center position of each strain gauge (20-23) is defined as d.
さらに、ダイヤフラム部(14)の外周端部(15)の位置をd=0とし、当該外周端部(15)を基準位置としてダイヤフラム部(14)の中央領域(16)側をd<0の領域とすると共にダイヤフラム部(14)の外周領域(17)側をd>0とする。 Further, the position of the outer peripheral end portion (15) of the diaphragm portion (14) is d = 0, and the central region (16) side of the diaphragm portion (14) is d <0 with the outer peripheral end portion (15) as a reference position. In addition to the region, d> 0 is set on the outer peripheral region (17) side of the diaphragm (14).
そして、各歪みゲージ(20〜23)のうちの少なくとも1つが、d=−6.16t+83.5[μm]によって算出された距離dの位置に設けられていることを特徴とする。 And at least 1 of each strain gauge (20-23) is provided in the position of the distance d calculated by d = -6.16t + 83.5 [micrometer], It is characterized by the above-mentioned.
このように、ダイヤフラム部(14)の厚みtに応じてダイヤフラム部(14)の外周端部(15)を基準とした各歪みゲージ(20〜23)の距離dを規定しているので、圧力に対するセンサ出力の非線形性を小さくすることができる。 Thus, since the distance d of each strain gauge (20-23) on the basis of the outer peripheral end part (15) of the diaphragm part (14) is prescribed according to the thickness t of the diaphragm part (14), the pressure The non-linearity of the sensor output with respect to can be reduced.
なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each means described in this column and the claim shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, the same or equivalent parts are denoted by the same reference numerals in the drawings.
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態について図を参照して説明する。図1に示されるように、圧力センサは、センサチップ10、第1歪みゲージ20、第2歪みゲージ21、第3歪みゲージ22、及び第4歪みゲージ23を備えて構成されている。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the pressure sensor includes a
センサチップ10は、図2に示されるように、表面11及び裏面12を有する板状の半導体基板13から構成されている。また、センサチップ10は、ダイヤフラム部14を有している。ダイヤフラム部14は、半導体基板13の一部が裏面12側から除去された薄肉状の部分である。ダイヤフラム部14は、例えば半導体基板13の裏面12側の受圧面で圧力媒体の圧力を受けて変位する。なお、半導体基板13の表面11がセンサチップ10の表面に対応し、半導体基板13の裏面12がセンサチップ10の裏面に対応する。
As shown in FIG. 2, the
また、ダイヤフラム部14は、半導体基板13の表面11における外周端部15が八角形となるようにセンサチップ10に形成されている。このようなダイヤフラム部14の形状は、半導体基板13の裏面12に形成したマスクの開口形状を八角形にして半導体基板13をエッチングすることにより形成することができる。半導体基板13として、例えばシリコン基板が用いられる。
The
各歪みゲージ20〜23は、ダイヤフラム部14の変位に応じて抵抗値が変化するセンシング手段である。本実施形態では、各歪みゲージ20〜23は、ダイヤフラム部14の各辺にそれぞれ対応するよう、半導体基板13に4カ所形成されている。
Each of the
そして、各歪みゲージ20〜23は、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。これにより、各歪みゲージ20〜23のピエゾ抵抗効果を利用して、ダイヤフラム部14の歪みに応じた電圧を圧力として検出することができる。
And each strain gauge 20-23 is electrically connected so that a Wheatstone bridge circuit may be comprised. Thereby, the voltage according to the distortion of the
各歪みゲージ20〜23は、半導体基板13に対するイオン注入により形成された拡散抵抗である。つまり、各歪みゲージ20〜23は、半導体基板13のうちの表面11側に形成されている。
Each
ここで、図1では、各歪みゲージ20〜23は正方形に示されているが、実際には波状にレイアウトされており、そのうちの折れ曲がり部分ではなく直線部分が設けられた領域が正方形に対応している。
Here, in FIG. 1, the
また、各歪みゲージ20〜23を覆うように、半導体基板13の表面11に絶縁膜30が形成されている。絶縁膜30は例えばシリコン酸化膜(SiO2)である。なお、図1では絶縁膜30を省略している。また、絶縁膜30の上には、各歪みゲージ20〜23を電気的に接続する配線や、ボンディングワイヤが接合されるパッド等の配線部が形成されている。
In addition, an
上記の構成において、各歪みゲージ20〜23の位置は、以下のように規定されている。まず、長さの定義について説明する。ダイヤフラム部14の厚みをtと定義する。すなわち、半導体基板13の表面11に垂直な方向において、半導体基板13のうちダイヤフラム部14における表面11から裏面12までの長さがダイヤフラム部14の厚みに該当する。
In said structure, the position of each strain gauge 20-23 is prescribed | regulated as follows. First, the definition of length will be described. The thickness of the
また、センサチップ10の表面11の面方向のうちダイヤフラム部14の外周端部15に直角の方向におけるダイヤフラム部14の外周端部15の位置と各歪みゲージ20〜23の中心位置との距離をdと定義する。
Further, the distance between the position of the outer
さらに、図3に示されるように、ダイヤフラム部14の外周端部15の位置をd=0とする。そして、ダイヤフラム部14の外周端部15の位置を基準位置としてダイヤフラム部14の中央領域16側をd<0の領域とする。一方、ダイヤフラム部14の外周領域17側をd>0の領域とする。
Further, as shown in FIG. 3, the position of the outer
上記の定義において、各歪みゲージ20〜23のうちの少なくとも1つが、d=−6.16t+83.5[μm]によって算出された距離dの位置に設けられている。本実施形態では、全ての歪みゲージ20〜23がd=−6.16t+83.5[μm]によって算出された距離dの位置にそれぞれ設けられている。 In the above definition, at least one of the strain gauges 20 to 23 is provided at the position of the distance d calculated by d = −6.16t + 83.5 [μm]. In the present embodiment, all the strain gauges 20 to 23 are provided at positions of the distance d calculated by d = −6.16t + 83.5 [μm].
次に、上記の式が得られた根拠について説明する。上述のように、圧力が大きくなるとセンサ出力の非線形性が大きくなってしまうという問題がある。具体的には、図4に示されるように、圧力に対するセンサ出力は理想的には破線のように線形的に変化するが、実際にはセンサ出力は実線のように非線形的に変化する。これは、歪みゲージ20〜23に発生する応力が原因である。 Next, the basis for obtaining the above formula will be described. As described above, there is a problem that the nonlinearity of the sensor output increases as the pressure increases. Specifically, as shown in FIG. 4, the sensor output with respect to pressure ideally changes linearly as indicated by a broken line, but actually the sensor output changes nonlinearly as indicated by a solid line. This is due to the stress generated in the strain gauges 20-23.
そして、発明者らは、各歪みゲージ20〜23とダイヤフラム部14の外周端部15との距離dと、NLPと、の関係について、ダイヤフラム部14の厚みtを変化させて調べた。ここで、NLPは、理想のセンサ出力(フルスケール)に対する非線形成分の割合であり、図4に示された式で表される。NLPが小さいほど、理想のセンサ出力に対する非線形成分の割合が小さいことになる。
The inventors examined the relationship between the distance d between the strain gauges 20 to 23 and the outer
発明者らの調査により、図5に示されるように、距離dに対してNLPが二次関数の曲線に沿って変化していることがわかった。また、ダイヤフラム部14の厚みtに応じてシフトすることがわかった。さらに、各曲線において、二次関数の曲線の変曲点の位置でNLPが最もゼロに近くなることがわかった。
As shown in FIG. 5, the inventors have found that NLP changes along a curve of a quadratic function with respect to the distance d. Moreover, it turned out that it shifts according to the thickness t of the
発明者らは、図5の結果からダイヤフラム部14の厚みtと変曲点の位置(距離d)との関係を一次関数で近似したところ、図6に示されるようにd=−6.16t+83.5[μm]が得られた。つまり、当該式から得られた距離dに各歪みゲージ20〜23を配置することにより、センサ出力の非線形性を最も小さくすることができる。
When the inventors approximated the relationship between the thickness t of the
以上説明したように、本実施形態では、各歪みゲージ20〜23はダイヤフラム部14の厚みtに応じて変化する距離dによって決められることが特徴となっている。これにより、圧力に対するセンサ出力の非線形性を小さくすることができる。
As described above, the present embodiment is characterized in that each of the strain gauges 20 to 23 is determined by the distance d that changes according to the thickness t of the
特に、ダイヤフラム部14の厚みtが10数μmのように薄いので、各歪みゲージ20〜23はダイヤフラム部14から応力の影響を受けやすい。しかしながら、上記の式に従って各歪みゲージ20〜23の位置を決めることにより、ダイヤフラム部14から応力の影響を小さくすることができ、ひいてはセンサ出力の非線形性を小さくすることができる。
In particular, since the thickness t of the
(第2実施形態)
本実施形態では、第1実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態では、ダイヤフラム部14は、表面11における外周端部15が四角形となるようにセンサチップ10に形成されている。
(Second Embodiment)
In the present embodiment, parts different from the first embodiment will be described. In the present embodiment, the
具体的には、図7(a)に示されるように、ダイヤフラム部14の外周端部15が正方形となるように形成されているものがある。一方、図7(b)に示されるように、ダイヤフラム部14の外周端部15が長方形となるように形成されているものもある。長方形の場合、各歪みゲージ20〜23のうちの歪みゲージ20及び歪みゲージ22は長方形の2つの長辺に対応して1個ずつ配置される。また、これら2個の歪みゲージ20、22の間に、すなわち中央領域16に2個の歪みゲージ21、23が長辺に沿って配置される。そして、ダイヤフラム部14の2つの長辺に対応した歪みゲージ20、22に対して距離dが設定される。
Specifically, as shown in FIG. 7A, there is one in which the outer
このように、ダイヤフラム部14の外周端部15が四角形(正方形及び長方形)となるように形成された構造においても、上述の距離dの式から各歪みゲージ20〜23の位置を規定することができる。
As described above, even in the structure in which the outer
(他の実施形態)
上記各実施形態で示された圧力センサの構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、上記の圧力センサは裏面受圧型として構成されているが、これは圧力センサの使用方法の一例である。したがって、圧力センサは両面受圧型として構成されていても良いし、表面受圧型として構成されていても良い。
(Other embodiments)
The configuration of the pressure sensor shown in each of the above embodiments is an example, and the present invention is not limited to the configuration shown above, and may be another configuration that can realize the present invention. For example, the above-described pressure sensor is configured as a back pressure-receiving type, but this is an example of how to use the pressure sensor. Therefore, the pressure sensor may be configured as a double-sided pressure receiving type or a surface pressure receiving type.
上記各実施形態では、ダイヤフラム部14の外周端部15の形状が八角形及び四角形について示されたが、当該外周端部15の形状は他の偶数角の多角形でも良い。例えば、図8(a)に示されるように、ダイヤフラム部14の外周端部15は六角形でも良い。この場合、各歪みゲージ20〜23は2つずつ対向するように配置される。
In each of the above embodiments, the shape of the outer
また、図8(b)に示されるように、ダイヤフラム部14の外周端部15は十二角形でも良い。この場合、十二辺のうちの四辺に対応するように各歪みゲージ20〜23が配置される。このように、ダイヤフラム部14の外周端部15を多角形状にすることで、熱応力等の外部から各歪みゲージ20〜23に伝達する応力が低減することができるので、センサ出力の精度を向上することができる。
Further, as shown in FIG. 8B, the outer
さらに、図9に示されるように、センサチップ10の表面11におけるダイヤフラム部14の外周端部15の形状が円形となるように形成されていても良い。この場合、各歪みゲージ20〜23は外周端部15の直角の方向、すなわち径方向に沿って距離dが設定される。
Further, as shown in FIG. 9, the outer
上記各実施形態では、全ての歪みゲージ20〜23がd=−6.16t+83.5[μm]によって算出された距離dの位置に設けられていたが、これは各歪みゲージ20〜23の配置の一例である。したがって、各歪みゲージ20〜23のうちの少なくとも1つが、d=−6.16t+83.5[μm]によって算出された距離dの位置に設けられていても良い。このように、各歪みゲージ20〜23のうちの少なくとも1つが当該式によって算出された位置に配置されることで、圧力に対するセンサ出力の非線形性を小さくすることができる。 In each of the above embodiments, all the strain gauges 20 to 23 are provided at the position of the distance d calculated by d = −6.16t + 83.5 [μm], but this is the arrangement of the strain gauges 20 to 23. It is an example. Therefore, at least one of the strain gauges 20 to 23 may be provided at the position of the distance d calculated by d = −6.16t + 83.5 [μm]. As described above, by arranging at least one of the strain gauges 20 to 23 at the position calculated by the equation, the nonlinearity of the sensor output with respect to the pressure can be reduced.
10 センサチップ
11 表面
12 裏面
13 半導体基板
14 ダイヤフラム部
15 外周端部
16 中央領域
17 外周領域
20〜23 歪みゲージ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記センサチップ(10)のうちの前記表面(11)側に形成され、前記ダイヤフラム部(14)の変位に応じて抵抗値が変化する第1歪みゲージ(20)、第2歪みゲージ(21)、第3歪みゲージ(22)、及び第4歪みゲージ(23)と、
を備え、
前記ダイヤフラム部(14)の厚みをtと定義し、前記センサチップ(10)の前記表面(11)の面方向のうち前記ダイヤフラム部(14)の外周端部(15)に直角の方向における前記ダイヤフラム部(14)の前記外周端部(15)の位置と前記各歪みゲージ(20〜23)の中心位置との距離をdと定義し、
さらに、前記ダイヤフラム部(14)の前記外周端部(15)の位置をd=0とし、当該外周端部(15)を基準位置として前記ダイヤフラム部(14)の中央領域(16)側をd<0の領域とすると共に前記ダイヤフラム部(14)の外周領域(17)側をd>0とすると、
前記各歪みゲージ(20〜23)のうちの少なくとも1つが、d=−6.16t+83.5[μm]によって算出された距離dの位置に設けられていることを特徴とする圧力センサ。 A semiconductor chip (13) having a front surface (11) and a back surface (12) is partially removed from the back surface (12) side, and has a diaphragm portion (14) that is displaced by pressure. (10) and
A first strain gauge (20) and a second strain gauge (21) which are formed on the surface (11) side of the sensor chip (10) and whose resistance value changes according to the displacement of the diaphragm portion (14). A third strain gauge (22) and a fourth strain gauge (23);
With
The thickness of the diaphragm portion (14) is defined as t, and the surface direction of the surface (11) of the sensor chip (10) is perpendicular to the outer peripheral end portion (15) of the diaphragm portion (14). The distance between the position of the outer peripheral end (15) of the diaphragm (14) and the center position of each strain gauge (20-23) is defined as d,
Further, the position of the outer peripheral end portion (15) of the diaphragm portion (14) is set to d = 0, and the outer peripheral end portion (15) is set as a reference position so that the central region (16) side of the diaphragm portion (14) is d. <0 and when the outer peripheral area (17) side of the diaphragm (14) is d> 0,
At least one of the strain gauges (20 to 23) is provided at a position of a distance d calculated by d = −6.16t + 83.5 [μm].
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KR20190066348A (en) * | 2017-12-05 | 2019-06-13 | 전자부품연구원 | Pressure sensor and manufacturing method thereof |
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2014
- 2014-09-03 JP JP2014179192A patent/JP2016053508A/en active Pending
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KR20190066348A (en) * | 2017-12-05 | 2019-06-13 | 전자부품연구원 | Pressure sensor and manufacturing method thereof |
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