JP2016080491A - Physical quantity sensor, electronic apparatus and movable body - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、物理量センサー、この物理量センサーを備えている電子機器及び移動体に関する。 The present invention relates to a physical quantity sensor, an electronic device including the physical quantity sensor, and a moving object.
従来、物理量センサーとして、裏面に凹部が形成され、この凹部に対応した表面側の薄肉部がダイアフラムとして構成されるとともに、表面にピエゾ抵抗を有するセンサーチップと、センサーチップの裏面に接合され、凹部からダイアフラムへ通じる貫通孔を有する台座と、を備え、台座の貫通孔におけるセンサーチップ側の開口部の径は、センサーチップにおける凹部の径よりも小さい構成の圧力センサーが知られている(例えば、特許文献1参照)。
上記圧力センサーは、台座の貫通孔からゲル部材を介してダイアフラムに圧力が導入され、ピエゾ抵抗効果によって印加された圧力に応じた信号が、センサーチップから出力されるように構成されている。
Conventionally, as a physical quantity sensor, a concave portion is formed on the back surface, and a thin portion on the surface side corresponding to the concave portion is configured as a diaphragm, and a sensor chip having a piezoresistor on the surface and the back surface of the sensor chip are bonded to the concave portion. And a pedestal having a through hole that leads to the diaphragm, and a pressure sensor having a configuration in which the diameter of the opening on the sensor chip side in the through hole of the pedestal is smaller than the diameter of the recess in the sensor chip is known (for example, Patent Document 1).
The pressure sensor is configured such that pressure is introduced into the diaphragm from the through hole of the pedestal via the gel member, and a signal corresponding to the pressure applied by the piezoresistance effect is output from the sensor chip.
上記圧力センサーは、台座の貫通孔におけるセンサーチップ側の開口部の径が、センサーチップにおける凹部の径よりも小さい構成であることから、センサーチップの凹部に対して台座の貫通孔周囲部分が、ひさし状にせり出すことになる。
これにより、上記圧力センサーは、ゲル部材とセンサーチップの凹部の壁面との間に生じた気泡が、台座のひさし状にせり出した部分に滞留し、台座側へ抜けていかない虞がある。
この結果、上記圧力センサーは、台座の貫通孔からゲル部材を介してダイアフラムに圧力を導入する際に、滞留した気泡によって圧力の一部が吸収されることから、本来の圧力がダイアフラムに印加されない虞がある。
このことから、上記圧力センサーは、圧力検出精度が低下する虞がある。
Since the pressure sensor has a configuration in which the diameter of the opening on the sensor chip side in the through hole of the pedestal is smaller than the diameter of the concave part in the sensor chip, the peripheral part of the through hole of the pedestal with respect to the concave part of the sensor chip, It will stick out in the form of an eaves.
Thereby, in the pressure sensor, there is a possibility that bubbles generated between the gel member and the wall surface of the concave portion of the sensor chip stay in the protruding portion of the pedestal and do not come out to the pedestal side.
As a result, when the pressure sensor introduces pressure from the pedestal through hole to the diaphragm through the gel member, a part of the pressure is absorbed by the accumulated bubbles, so that the original pressure is not applied to the diaphragm. There is a fear.
For this reason, there is a possibility that the pressure detection accuracy of the pressure sensor is lowered.
本発明は、上記課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1]本適用例にかかる物理量センサーは、底部にダイアフラムを有する凹部と、前記凹部に充填され前記ダイアフラムを覆っているゲル状または液状の圧力伝播部材と、を備え、前記凹部の開口部は、少なくとも一部に開口面と前記凹部の壁面とを接続する第1接続面を有し、前記第1接続面は、前記ダイアフラムの受圧面に対する角度が、前記壁面よりも小さいことを特徴とする。 Application Example 1 A physical quantity sensor according to this application example includes a recess having a diaphragm at the bottom, and a gel-like or liquid pressure propagation member filled in the recess and covering the diaphragm, and the opening of the recess The portion has a first connection surface that connects at least part of the opening surface and the wall surface of the recess, and the first connection surface has an angle with respect to the pressure receiving surface of the diaphragm that is smaller than the wall surface. And
これによれば、物理量センサーは、第1接続面が案内面となり、圧力伝播部材と凹部の壁面との間に生じる気泡が、第1接続面に沿って開口部から外部へ抜け易くなる。
この結果、物理量センサーは、上記気泡によって外部からの圧力の一部が吸収されることが減少し、本来の圧力に近い圧力が圧力伝播部材を介してダイアフラムの受圧面に印加されることになる。
したがって、物理量センサーは、従来(例えば、特許文献1の構成、以下同様)よりも圧力検出精度を向上させることができる。
According to this, in the physical quantity sensor, the first connection surface serves as a guide surface, and bubbles generated between the pressure propagation member and the wall surface of the recess can easily escape from the opening along the first connection surface.
As a result, in the physical quantity sensor, a part of the external pressure is absorbed by the bubbles, and a pressure close to the original pressure is applied to the pressure receiving surface of the diaphragm via the pressure propagation member. .
Therefore, the physical quantity sensor can improve the pressure detection accuracy as compared with the conventional one (for example, the configuration of
[適用例2]上記適用例にかかる物理量センサーにおいて、前記第1接続面は、前記受圧面の法線方向に沿い前記壁面に直交する面で切断した断面形状が、直線部を有することが好ましい。 Application Example 2 In the physical quantity sensor according to the application example described above, it is preferable that the first connection surface has a linear portion in a cross-sectional shape cut along a surface perpendicular to the wall surface along the normal line direction of the pressure receiving surface. .
これによれば、物理量センサーは、第1接続面が上記断面形状に直線部を有することから、圧力伝播部材と凹部の壁面との間に生じる気泡が、第1接続面の直線部に沿って開口部から外部へ抜け易くなる。 According to this, in the physical quantity sensor, since the first connection surface has the straight portion in the cross-sectional shape, bubbles generated between the pressure propagation member and the wall surface of the recess are formed along the straight portion of the first connection surface. It becomes easy to come out from the opening.
[適用例3]上記適用例にかかる物理量センサーにおいて、前記第1接続面は、前記受圧面の法線方向に沿い前記壁面に直交する面で切断した断面形状が、曲線部を有することが好ましい。 Application Example 3 In the physical quantity sensor according to the application example described above, it is preferable that the first connection surface has a curved portion in a cross-sectional shape cut along a plane perpendicular to the wall surface along a normal direction of the pressure receiving surface. .
これによれば、物理量センサーは、第1接続面が上記断面形状に曲線部を有することから、圧力伝播部材と凹部の壁面との間に生じる気泡が、第1接続面の曲線部に沿って開口部から外部へ抜け易くなる。 According to this, in the physical quantity sensor, since the first connection surface has a curved portion in the cross-sectional shape, bubbles generated between the pressure propagation member and the wall surface of the recess are formed along the curved portion of the first connection surface. It becomes easy to come out from the opening.
[適用例4]上記適用例にかかる物理量センサーにおいて、前記凹部は、シリコン基板に設けられ、前記第1接続面は、前記シリコン基板の(111)面であることが好ましい。 Application Example 4 In the physical quantity sensor according to the application example, it is preferable that the concave portion is provided in a silicon substrate, and the first connection surface is a (111) surface of the silicon substrate.
これによれば、物理量センサーは、第1接続面がシリコン基板の(111)面であることから、例えば、シリコン基板の結晶異方性を利用したウエットエッチングにより、第1接続面を容易に形成できる。 According to this, in the physical quantity sensor, since the first connection surface is the (111) surface of the silicon substrate, for example, the first connection surface can be easily formed by wet etching using the crystal anisotropy of the silicon substrate. it can.
[適用例5]上記適用例にかかる物理量センサーにおいて、前記第1接続面は、平面視で環状に設けられていることが好ましい。 Application Example 5 In the physical quantity sensor according to the application example, it is preferable that the first connection surface is provided in an annular shape in a plan view.
これによれば、物理量センサーは、第1接続面が環状に設けられていることから、圧力伝播部材と凹部の壁面との間に生じる気泡が、第1接続面に沿って開口部から外部へ更に抜け易くなる。 According to this, since the physical quantity sensor is provided with the first connection surface in an annular shape, bubbles generated between the pressure propagation member and the wall surface of the recess are formed along the first connection surface from the opening to the outside. Furthermore, it becomes easy to come off.
[適用例6]上記適用例にかかる物理量センサーにおいて、前記壁面は、前記受圧面の法線方向に沿っていることが好ましい。 Application Example 6 In the physical quantity sensor according to the application example, it is preferable that the wall surface is along a normal direction of the pressure receiving surface.
これによれば、物理量センサーは、壁面が受圧面の法線方向に沿っていることから、壁面が凹部の外側に傾斜している場合よりも凹部の平面サイズを小さくできる。
この結果、物理量センサーは、平面サイズの小型化を図ることができる。
According to this, since the wall surface is along the normal line direction of the pressure receiving surface, the physical quantity sensor can make the planar size of the recess smaller than when the wall surface is inclined to the outside of the recess.
As a result, the physical quantity sensor can be reduced in planar size.
[適用例7]上記適用例にかかる物理量センサーにおいて、前記受圧面と前記壁面とを接続する第2接続面を更に有し、前記第2接続面は、前記ダイアフラムの前記受圧面に対する角度が、前記壁面よりも小さく、且つ前記受圧面の法線方向に沿い前記壁面に直交する面で切断した断面形状が、直線であることが好ましい。 Application Example 7 In the physical quantity sensor according to the application example, the physical quantity sensor further includes a second connection surface that connects the pressure receiving surface and the wall surface, and the second connection surface has an angle of the diaphragm with respect to the pressure receiving surface. It is preferable that the cross-sectional shape cut by a plane smaller than the wall surface and perpendicular to the wall surface along the normal line direction of the pressure receiving surface is a straight line.
これによれば、物理量センサーは、断面形状が直線である第2接続面により、ダイアフラムの外周部の断面形状が安定的に形成されることから、ダイアフラムが撓んだ時の外周部に生じる応力のばらつきを低減することができる。
この結果、物理量センサーは、第2接続面がない場合よりも圧力検出精度を向上させることができる。
According to this, in the physical quantity sensor, since the cross-sectional shape of the outer peripheral portion of the diaphragm is stably formed by the second connection surface having a straight cross-sectional shape, the stress generated in the outer peripheral portion when the diaphragm is bent Can be reduced.
As a result, the physical quantity sensor can improve the pressure detection accuracy as compared with the case where there is no second connection surface.
[適用例8]上記適用例にかかる物理量センサーにおいて、前記凹部は、シリコン基板に設けられ、前記第2接続面は、前記シリコン基板の(111)面であることが好ましい。 Application Example 8 In the physical quantity sensor according to the application example described above, it is preferable that the recess is provided in a silicon substrate, and the second connection surface is a (111) surface of the silicon substrate.
これによれば、物理量センサーは、第2接続面がシリコン基板の(111)面であることから、例えば、シリコン基板の結晶異方性を利用したウエットエッチングにより、第2接続面を容易に形成できる。 According to this, in the physical quantity sensor, since the second connection surface is the (111) surface of the silicon substrate, for example, the second connection surface is easily formed by wet etching using the crystal anisotropy of the silicon substrate. it can.
[適用例9]本適用例にかかる電子機器は、上記適用例のいずれか一例に記載の物理量センサーを備えていることを特徴とする。 Application Example 9 An electronic apparatus according to this application example includes the physical quantity sensor described in any one of the application examples described above.
これによれば、本構成の電子機器は、上記適用例のいずれか一例に記載の物理量センサーを備えていることから、上記適用例のいずれか一例に記載の効果が奏され、優れた性能を発揮することができる。 According to this, since the electronic device of this configuration includes the physical quantity sensor described in any one of the above application examples, the effect described in any one of the above application examples is achieved, and excellent performance is achieved. It can be demonstrated.
[適用例10]本適用例にかかる移動体は、上記適用例のいずれか一例に記載の物理量センサーを備えていることを特徴とする。 Application Example 10 A moving body according to this application example includes the physical quantity sensor described in any one of the application examples.
これによれば、本構成の移動体は、上記適用例のいずれか一例に記載の物理量センサーを備えていることから、上記適用例のいずれか一例に記載の効果が奏され、優れた性能を発揮することができる。 According to this, since the moving body of this configuration includes the physical quantity sensor described in any one of the above application examples, the effect described in any one of the above application examples is achieved, and excellent performance is achieved. It can be demonstrated.
以下、本発明を具体化した実施形態について図面を参照して説明する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to the drawings.
(実施形態)
物理量センサーの一例として圧力検出機能を有する圧力センサーについて説明する。
図1は、圧力センサーの概略構成を示す模式図であり、図1(a)は、模式平面図、図1(b)は、図1(a)のA−A線での模式断面図である。図2は、圧力センサーの模式検出用回路図である。なお、平面図では、一部の構成要素を省略してある。また、説明の便宜上、各構成要素の寸法比率は実際と異なる。
(Embodiment)
A pressure sensor having a pressure detection function will be described as an example of the physical quantity sensor.
FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a pressure sensor, FIG. 1 (a) is a schematic plan view, and FIG. 1 (b) is a schematic cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1 (a). is there. FIG. 2 is a schematic detection circuit diagram of the pressure sensor. In the plan view, some components are omitted. Further, for convenience of explanation, the dimensional ratio of each component is different from the actual one.
最初に、圧力センサー1の構成について説明する。図1に示すように、圧力センサー1は、圧力センサーユニット2と、圧力センサーユニット2が電気的に接続されている台座3と、台座3に固定され圧力センサーユニット2を収容する円筒状の容器4と、容器4内に充填され圧力センサーユニット2を保護し、外部からの圧力を圧力センサーユニット2に伝播する圧力伝播部材5と、を備えている。ここでは、圧力センサーユニット2が物理量センサーに対応している。
First, the configuration of the
圧力センサーユニット2は、基板40と、基板40の一方の面40a側を覆う空洞部層50と、を備え、平面形状が略矩形であって、略直方体形状に構成されている。
圧力センサーユニット2は、基板40の一方の面40a側に配置され、歪みを受けて信号を出力するピエゾ抵抗素子20と、基板40の一方の面40aとは表裏の関係にある他方の面40b側に、平面視でピエゾ抵抗素子20と重なる範囲を含んで設けられている凹部41と、凹部41の底部に設けられているダイアフラム10と、凹部41に充填されダイアフラム10を覆っているゲル状または液状の圧力伝播部材5と、を備えている。
加えて、圧力センサーユニット2は、基板40の一方の面40a側に平面視でダイアフラム10と重なる空洞の圧力基準室Sと、図2に示すように、ピエゾ抵抗素子20が接続される検出用回路30と、を備えている。
The
The
In addition, the
ダイアフラム10は、SOI基板(シリコン基板層とシリコン層との間に、SiO2(二酸化ケイ素、シリコン酸化膜ともいう)層が挿入された基板)などの半導体基板を用いた基板40の、他方の面40b側に凹部41を設けることにより、凹部41の底部に形成されている。なお、凹部41は、平面視で略矩形状に形成されている。
ここでは、基板40にSOI基板を用い、シリコン基板層43をSiO2層44に達するまでエッチングすることにより、凹部41が設けられている(製造方法の詳細は後述する)。
Here, an SOI substrate is used as the
凹部41の開口部は、少なくとも一部に開口面としての他方の面40bと凹部41の壁面41aとを接続する第1接続面41bを有している。
第1接続面41bは、ダイアフラム10の受圧面10aに対する角度が、壁面41aよりも小さくなるように設けられている。
また、第1接続面41bは、受圧面10aの法線方向に沿い壁面41aに直交する面で切断した断面形状(図1(b)の形状)が、直線部を有するように設けられていることが好ましい。
The opening part of the recessed
The
The
ここで、凹部41は、シリコン基板としてのシリコン基板層43に設けられていることから、第1接続面41bがシリコン基板層43の(111)面(受圧面10aに対する角度が約54.7度の面)であることが好ましい。
また、第1接続面41bは、平面視で環状に設けられていることが好ましい。なお、ここでは、第1接続面41bが部分的に途切れていても、環状に設けられているものと定義する。
壁面41aは、受圧面10aの法線方向に沿っている(具体的には、受圧面10aに対して略直角である)ことが好ましい。
Here, since the
Moreover, it is preferable that the
The
凹部41は、受圧面10aと壁面41aとを接続する第2接続面41cを更に有していることが好ましい。
第2接続面41cは、ダイアフラム10の受圧面10aに対する角度が、壁面41aよりも小さく、且つ受圧面10aの法線方向に沿い壁面41aに直交する面で切断した断面形状(図1(b)の形状)が、直線であることが好ましい。
ここで、凹部41は、シリコン基板層43に設けられていることから、第2接続面41cがシリコン基板層43の(111)面であることが好ましい。
It is preferable that the recessed
The
Here, since the
ピエゾ抵抗素子20は、基板40のシリコン層45にリン、ボロンなどの不純物をドープ(拡散または注入)することにより、平面形状が略長方形状に形成されている。ピエゾ抵抗素子20は、加わる応力(ダイアフラム10の撓みによる歪み)に応じて抵抗値が直線的に変化する性質を有している。
ピエゾ抵抗素子20は、ダイアフラム10の略矩形状の輪郭の4つの辺のそれぞれに対応するように設けられている。(なお、便宜上、ピエゾ抵抗素子全体の説明には符号20を用い、個別説明には符号21〜24を用いる。)
The
The
ピエゾ抵抗素子21〜24は、ダイアフラム10の内側で、輪郭の各辺11〜14の直近に配置されている。
詳述すると、ダイアフラム10の辺11に対しては、ピエゾ抵抗素子21が長手方向を辺11に沿わせて辺11の中心近傍に配置され、辺11に対向する辺12に対しては、ピエゾ抵抗素子22が長手方向を辺12に沿わせて辺12の中心近傍に配置されている。
また、ダイアフラム10の辺11に隣り合う辺13に対しては、ピエゾ抵抗素子23が長手方向を辺13と直交する方向に沿わせて辺13の中心近傍に配置され、辺13に対向する辺14に対しては、ピエゾ抵抗素子24が長手方向を辺14と直交する方向に沿わせて辺14の中心近傍に配置されている。
つまり、ピエゾ抵抗素子21〜24は、長手方向が全て同じ方向になるように配置されている。なお、ピエゾ抵抗素子21〜24を接続する配線類は、省略してある。なお、ピエゾ抵抗素子21〜24は、それぞれ複数個が直列接続されている群形態としてもよい。
The
More specifically, for the
For the
That is, the
図2に示すように、ピエゾ抵抗素子21〜24は、検出用回路30に接続され、ブリッジ回路(ホイートストンブリッジ回路)を構成している。
ピエゾ抵抗素子21〜24は、互いに抵抗値が等しくなるように構成されている。
As shown in FIG. 2, the
The
圧力基準室Sは、空洞部層50の内部にあって、空間形状が略直方体状に形成されており、平面視で略矩形状の底部に、一回り小さい略矩形状の輪郭を有するダイアフラム10が設けられていることになる。
圧力基準室Sは、周囲が封止されて真空状態(例えば、10Pa以下の真空度)になっている。これにより、圧力基準室Sは、圧力センサーユニット2が検出する圧力の基準となり、圧力センサー1は絶対圧センサーとして機能する。
なお、圧力基準室Sは、真空状態でなくてもよく、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスが充填された大気圧状態や加圧状態でもよく、または大気圧よりも減圧されている減圧状態でもよい。
The pressure reference chamber S is inside the
The pressure reference chamber S is sealed in a vacuum state (for example, a degree of vacuum of 10 Pa or less). Thereby, the pressure reference chamber S becomes a reference of the pressure detected by the
Note that the pressure reference chamber S may not be in a vacuum state, and may be, for example, an atmospheric pressure state or a pressurized state filled with an inert gas such as nitrogen, argon, or helium, or may be depressurized from the atmospheric pressure. It may be in a reduced pressure state.
圧力基準室Sは、例えば、半導体製造プロセスを用いて、基板40の一方の面40a側に絶縁膜(パッシベーション膜)46を成膜後、酸化膜層51などからなる犠牲層51’を順次堆積させ、犠牲層51’を取り囲み、更に上から覆うように金属層52を順次堆積させた後、犠牲層51’を覆っている金属層52に複数の貫通孔53を設け、この貫通孔53から犠牲層51’を選択的にリリースエッチングした後、貫通孔53を封止層54で封止するなどして空洞部層50の内部に設けられている。(ここでは、便宜的に、圧力基準室S内を犠牲層51’として示している。)
In the pressure reference chamber S, for example, an insulating film (passivation film) 46 is formed on the one
空洞部層50の封止層54側の外面の四隅には、端子31,32,33,34が設けられている。
金属層52などをパターニングした図示しない配線により、端子31は、ピエゾ抵抗素子21とピエゾ抵抗素子23との間に接続され、端子32は、ピエゾ抵抗素子22とピエゾ抵抗素子24との間に接続され、端子33は、ピエゾ抵抗素子22とピエゾ抵抗素子23との間に接続され、端子34は、ピエゾ抵抗素子21とピエゾ抵抗素子24との間に接続されている。
The terminal 31 is connected between the
台座3は、ガラエポ基板(ガラス繊維入りエポキシ基板)などを用いて略矩形平板状に形成され、容器4側の主面3aにおける容器4の内側の範囲に内部端子61,62,63,64が設けられている。
内部端子61〜64は、図示しない配線により台座3の主面3aの一端側に設けられている外部端子71,72,73,74にそれぞれ接続されている。詳述すると、内部端子61は外部端子71に接続され、内部端子62は外部端子72に接続され、内部端子63は外部端子73に接続され、内部端子64は外部端子74に接続されている。
The
The
圧力センサーユニット2は、端子31〜34が、ボンディングワイヤー80を介して台座3の内部端子61〜64にそれぞれ接続されている。詳述すると、端子31は内部端子61に接続され、端子32は内部端子62に接続され、端子33は内部端子63に接続され、端子34は内部端子64に接続されている。これにより、圧力センサーユニット2は、台座3と電気的に接続されていることになる。
In the
容器4は、金属(例えば、SUS304、SUS316などのステンレス鋼、洋白、チタンなど)または樹脂(例えば、ABS樹脂、PC樹脂、PBT樹脂など)を用いて円筒状(丸パイプ状)に形成され、圧力センサーユニット2を収容するように、図示しない接着部材で台座3の主面3aに固定されている。なお、容器4の形状は、丸パイプ状に限定されず、角パイプ状であってもよい。
The
容器4内には、ゲル状の圧力伝播部材5が充填されている。圧力伝播部材5は、圧力センサーユニット2の凹部41にも充填され、ダイアフラム10を覆っている。
圧力伝播部材5には、フッ素系ゲル、シリコーン系ゲル、フロロシリコーン系ゲルなどのゲル状材料を用いることが好ましい。
圧力伝播部材5は、台座3の主面3aから圧力センサーユニット2が没する高さまで充填されており、圧力センサーユニット2を保護し、外部からの圧力を圧力センサーユニット2(ダイアフラム10)に伝播する機能を果たす。
なお、圧力伝播部材5は、上記機能を果たせれば液状であってもよい。
The
For the
The
The
圧力センサー1は、外部端子73、内部端子63を経由して、端子33に外部の例えば、制御用ICの駆動回路(図示せず)から駆動電圧(AVDC)が供給されるとともに、外部端子74、内部端子64を経由して、端子34が接地(アース)されている。これにより、圧力センサー1は、端子31,32、内部端子61,62を経由して、外部端子71,72に検出用回路30における中点電位が出力される。
The
次に、圧力センサー1(圧力センサーユニット2)の動作について説明する。
図2に示すように、圧力センサー1は、外部から圧力が印加されることに伴うダイアフラム10の撓み(変形)によるピエゾ抵抗素子21〜24の抵抗値の変化によって生じる端子31−32間の電位差から圧力値を導出する。
なお、ピエゾ抵抗素子21,22は、ダイアフラム10が撓むことにより、長手方向が圧縮されて抵抗値が小さくなるように設定され、ピエゾ抵抗素子23,24は、ダイアフラム10が撓むことにより、長手方向が伸長されて抵抗値が大きくなるように設定されている。
Next, the operation of the pressure sensor 1 (pressure sensor unit 2) will be described.
As shown in FIG. 2, the
The
圧力センサー1は、圧力が印加されない状態では、ダイアフラム10が撓まないことから、ピエゾ抵抗素子21〜24の抵抗値に変化はなく、互いに等しいままである。
これにより、圧力センサー1は、端子31−32間の電位差が0となり、導出される圧力値は0となる。
In the
As a result, in the
圧力センサー1は、外部から圧力が印加されると、ダイアフラム10が、例えば、圧力基準室S側に撓むことから、ピエゾ抵抗素子21,22の抵抗値が小さくなり、ピエゾ抵抗素子23,24の抵抗値が大きくなる。
これにより、圧力センサー1は、端子31,32の中点電位が変化し、端子31−32間に電位差が生じることから、この電位差に応じた圧力値がルックアップテーブルなどに基づいて導出される。
なお、ダイアフラム10が撓む際に生じる応力は、輪郭に近いほど大きいことが知られている。このことから、ピエゾ抵抗素子20は、圧力の検出感度を向上させる(換言すれば、抵抗値の変化を大きくする)べく、ダイアフラム10の輪郭の内側の直近に配置されていることが好ましい。
When pressure is applied from the outside to the
Thereby, in the
In addition, it is known that the stress produced when the
上述したように、物理量センサーとしての圧力センサーユニット2は、第1接続面41bが案内面となり、圧力伝播部材5充填時などに、圧力伝播部材5と凹部41の壁面41aとの間に生じる気泡が、第1接続面41bに沿って開口部から外部へ抜け易くなる。
この結果、圧力センサーユニット2は、上記気泡によって外部からの圧力の一部が吸収されることが減少し、本来の圧力に近い圧力が圧力伝播部材5を介してダイアフラム10の受圧面10aに印加されることになる。
したがって、圧力センサーユニット2は、従来よりも圧力検出精度を向上させることができる。
As described above, in the
As a result, the
Therefore, the
また、圧力センサーユニット2は、第1接続面41bが受圧面10aの法線方向に沿い壁面41aに直交する面で切断した断面形状(図1(b)の形状)に、直線部を有することから、圧力伝播部材5と凹部41の壁面41aとの間に生じる気泡が、第1接続面41bの直線部に沿って開口部から外部へ抜け易くなる。
Moreover, the
なお、第1接続面41bは、受圧面10aの法線方向に沿い壁面41aに直交する面で切断した断面形状(図1(b)の形状)が、曲線部を有するように設けられていてもよい(例えば、上記断面形状が、開口部側に湾曲するように設けられていてもよい)。
これによれば、圧力センサーユニット2は、第1接続面41bが上記断面形状に曲線部を有することから、圧力伝播部材5と凹部41の壁面41aとの間に生じる気泡が、第1接続面41bの曲線部に沿って開口部から外部へ抜け易くなる。
The
According to this, in the
また、圧力センサーユニット2は、第1接続面41bがシリコン基板層43の(111)面であることから、例えば、シリコン基板層43の結晶異方性を利用したウエットエッチングにより、第1接続面41bを容易に形成できる。
Further, since the
また、圧力センサーユニット2は、第1接続面41bが環状に設けられていることから、圧力伝播部材5と凹部41の壁面41aとの間に生じる気泡が、凹部41の周方向の位置にかかわらず、第1接続面41bに沿って開口部から外部へ抜け易くなる。
Further, in the
また、圧力センサーユニット2は、壁面41aが受圧面10aの法線方向に沿っていることから、壁面41aが凹部41の外側(容器4側)に傾斜している場合よりも凹部41の平面サイズを小さくできる。
この結果、圧力センサーユニット2は、平面サイズの小型化を図ることができる。換言すれば、圧力センサーユニット2は、同じサイズのウエハー状の基板40からより多く製造することができる。
これにより、圧力センサーユニット2は、圧力センサー1の平面サイズの小型化に寄与することができる。
Further, in the
As a result, the
Thereby, the
また、圧力センサーユニット2は、ダイアフラム10の受圧面10aに対する角度が、壁面41aよりも小さく、且つ受圧面10aの法線方向に沿い壁面41aに直交する面で切断した断面形状(図1(b)の形状)が、直線である第2接続面41cを有している。
これにより、圧力センサーユニット2は、ダイアフラム10の外周部の断面形状が安定的に形成されることから、ダイアフラム10が撓んだ時の外周部に生じる応力のばらつきを低減することができる。
この結果、圧力センサーユニット2は、第2接続面41cがない場合よりも圧力検出精度を向上させることができる。
Further, the
Thereby, since the cross-sectional shape of the outer peripheral part of the
As a result, the
また、圧力センサーユニット2は、第2接続面41cがシリコン基板層43の(111)面であることから、例えば、シリコン基板層43の結晶異方性を利用したウエットエッチングにより、第2接続面41cを容易に形成できる。
Moreover, since the
次に、圧力センサー1の製造方法の一例について説明する。
図3は、圧力センサーの製造方法の主要な製造工程を示すフローチャートであり、図4(a)〜(d)、図5(e)〜(g)は、主要な製造工程を順に説明する模式断面図である。なお、各図の断面位置は、図1(b)と同様である。
Next, an example of the manufacturing method of the
FIG. 3 is a flowchart showing main manufacturing steps of the pressure sensor manufacturing method, and FIGS. 4A to 4D and FIGS. 5E to 5G are schematic diagrams for sequentially explaining the main manufacturing steps. It is sectional drawing. In addition, the cross-sectional position of each figure is the same as that of FIG.1 (b).
図3に示すように、圧力センサー1の製造方法は、ピエゾ抵抗素子形成工程と、圧力基準室形成工程と、凹部形成第1工程と、凹部形成第2工程と、台座接続工程と、圧力伝播部材充填工程と、を含んでいる。
As shown in FIG. 3, the manufacturing method of the
[ピエゾ抵抗素子形成工程]
まず、図4(a)に示すように、ウエハー状の基板40の一方の面40a側にピエゾ抵抗素子20を形成する。
具体的には、基板40の一方の面40a側のシリコン層45の、後に形成されるダイアフラム10の輪郭の内側の直近となる位置に、リン、ボロンなどの不純物をドープし、前述したピエゾ抵抗素子20(21〜24)を形成する。
[Piezoresistive element formation process]
First, as shown in FIG. 4A, the
Specifically, the
[圧力基準室形成工程]
ついで、図4(b)に示すように、基板40の一方の面40aに、Si3N4(窒化ケイ素、シリコンナイトライドともいう)などからなる絶縁膜46を成膜後、CVD法などを用いて酸化膜(例えば、SiO2膜)層51などからなる犠牲層51’を順次堆積させ、犠牲層51’を取り囲み、更に上から覆うようにスパッタリング法などを用いて金属層(配線層)52を順次堆積させる(通常、犠牲層51’の堆積及び金属層52の堆積は、複数層に分けて交互に行う)。
[Pressure reference chamber formation process]
Next, as shown in FIG. 4B, an insulating
ついで、犠牲層51’を覆っている金属層52に複数の貫通孔53を設け、この貫通孔53から犠牲層51’をドライエッチングまたはウエットエッチングにより選択的にリリースエッチングした後、真空中(例えば、10Pa以下の真空度)で、貫通孔53をスパッタリング法などを用いて封止層54で封止することにより、空洞部層50の内部に圧力基準室Sを形成する。
Next, a plurality of through
この際、空洞部層50の封止層54側の外面の四隅に、スパッタリング法などを用いて端子31〜34を形成し、金属層52などをパターニングした配線によりピエゾ抵抗素子20と接続する。
なお、圧力基準室S内は、真空状態でなくてもよく、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスが充填された大気圧状態や加圧状態でもよく、または大気圧よりも減圧されている減圧状態でもよい。
At this time,
Note that the inside of the pressure reference chamber S may not be in a vacuum state, and may be, for example, an atmospheric pressure state or a pressurized state filled with an inert gas such as nitrogen, argon, or helium, or a pressure lower than the atmospheric pressure. It may be in a reduced pressure state.
[凹部形成第1工程]
ついで、図4(c)に示すように、バックグラインド法などを用いて、基板40の他方の面40b側を削り、基板40の厚み(例えば、700μm程度)を、所望の厚み(例えば、150μm〜400μm程度)まで薄くし、スピンコーティング法などを用いて基板40の他方の面40bにレジスト101を塗布し、フォトリソグラフィー法などを用いてレジスト101を、凹部41の本来の平面形状より若干小さくなるようにパターニングする。
[Recess formation first step]
Next, as shown in FIG. 4C, the
ついで、図4(d)に示すように、Boschプロセス(c−C4F8(八フッ化シクロブタン)ガスで保護膜を形成するステップと、SF6(六フッ化硫黄)ガスで等方性エッチングするステップとを交互に繰り返すプロセス)を用いたドライエッチング(ディープシリコンエッチング)により、基板40のシリコン基板層43を、他方の面40bからSiO2層44に達するまでエッチングし、平面形状が本来の形状より若干小さい凹部41’を形成する。これにより、凹部41’の底部にダイアフラム10’が形成される。
Then, as shown in FIG. 4 (d), forming a protective film by Bosch process (c-C 4 F 8 (eight fluoride cyclobutane) gas, isotropic SF 6 (sulfur hexafluoride) gas The
この際、図4(d)のB部の拡大図である図5(e)に示すように、凹部41’の壁面41a’の断面形状は、Boschプロセスにより円弧が連続したような凹凸形状となっている。この円弧の形状(曲率の度合い)は、ドライエッチング状態に左右され、ばらつきが大きく再現性がない。
このことから、ダイアフラム10’の外周部(輪郭を含む部分)の断面形状(図5(e)におけるシリコン基板層43の壁面41a’とSiO2層44との接続部の形状)は、大きくばらつくこととなり、このままでは、圧力検出感度がばらつき、圧力検出精度に悪影響を及ぼす虞がある。
At this time, as shown in FIG. 5 (e), which is an enlarged view of the B portion in FIG. 4 (d), the cross-sectional shape of the
Accordingly, the cross-sectional shape (the shape of the connecting portion between the
また、壁面41a’には、撥水性を有する重合膜((CF2)n)が保護膜47として強固に形成され、このままでは、後述する圧力伝播部材5充填時に、圧力伝播部材5と凹部41’(ダイアフラム10’)との密着性が阻害され、隙間(気泡)によって外部からの圧力がダイアフラム10’に正確に伝播されない虞がある。
これらの問題の少なくとも一部を解決するために、発明者は、下記の凹部形成第2工程を設けた。
In addition, a polymer film ((CF 2 ) n ) having water repellency is firmly formed as a
In order to solve at least a part of these problems, the inventor provided the following second step of forming a recess.
[凹部形成第2工程]
ついで、図5(f)に示すように、レジスト101をアッシングなどにより除去後、例えば、KOH(水酸化カリウム)水溶液、TMAH(テトラメチルアンモニアハイドロオキサイド)水溶液、EDP(エチレンジアミンピロカテコール)水溶液などのアルカリ性エッチング液を用い、シリコン基板層43の結晶異方性を利用して凹部41’をウエットエッチング(異方性エッチング)する。
これにより、保護膜47が分解し、除去され、凹凸が取れてなめらかに形成された壁面41aと、シリコン基板層43の(111)面である第1接続面41b及び第2接続面41cと、ダイアフラム10と、を有する凹部41が形成される。
[Recess formation second step]
Next, as shown in FIG. 5F, after removing the resist 101 by ashing or the like, for example, a KOH (potassium hydroxide) aqueous solution, a TMAH (tetramethylammonium hydroxide) aqueous solution, an EDP (ethylenediamine pyrocatechol) aqueous solution, or the like. Using an alkaline etching solution, the
As a result, the
なお、凹部41の形状は、ウエットエッチングのエッチング時間によって調整する。
一例として、シリコン基板層43のエッチングレートは、0.4μm/分程度なので、凹部41’に対するエッチング量を2μm〜3μm程度に設定した場合、エッチング時間は5分〜8分程度となる。
The shape of the
As an example, since the etching rate of the
ここまでの工程で、圧力伝播部材5充填前の圧力センサーユニット2(便宜的に符号は2のままとする)が完成する。
この、凹部形成第2工程により、圧力センサーユニット2は、ダイアフラム10の外周部の断面形状が安定的に形成されることから、ダイアフラム10が撓んだ時の外周部に生じる応力のばらつきを低減することができる。
Through the steps so far, the
The
また、凹部形成第2工程により、圧力センサーユニット2は、保護膜47が除去され、圧力伝播部材5と凹部41との親和性が向上する。
このことから、圧力センサーユニット2は、圧力伝播部材5充填時に、圧力伝播部材5と凹部41(ダイアフラム10)との密着性が向上し、外部からの圧力がダイアフラム10に正確に伝播されることになる。
Moreover, the
Therefore, the
[台座接続工程]
ついで、図5(g)に示すように、圧力センサーユニット2を台座3に接続する。具体的には、圧力センサーユニット2の端子31〜34を、ボンディングワイヤー80を用いて、例えば、はんだ付けなどで台座3の内部端子61〜64にそれぞれ接続する。これにより、圧力センサーユニット2は、台座3と電気的に接続されることになる。
ついで、圧力センサーユニット2を収容するように、容器4を図示しない接着部材で台座3の主面3aに固定する。
[Pedestal connection process]
Next, the
Next, the
[圧力伝播部材充填工程]
ついで、図1(b)に示すように、容器4内に圧力伝播部材5を充填する。具体的には、ディスペンサーなどの充填装置を用いて、圧力伝播部材5を台座3の主面3aから圧力センサーユニット2が没する高さまで充填する。
これにより、圧力センサーユニット2の凹部41にも圧力伝播部材5が充填され、ダイアフラム10が圧力伝播部材5で覆われることになる。
[Pressure propagation member filling process]
Next, as shown in FIG. 1 (b), the
As a result, the
ついで、真空チャンバーなどを用いて減圧し、圧力伝播部材5内及び容器4内の気泡を除去する。この際、第1接続面41b及び第2接続面41cが案内面となって、凹部41から気泡が抜け易くなる。
ついで、例えば、30℃〜40℃の環境下で24時間程度放置し、圧力伝播部材5を硬化させる。
以上の工程などを経ることにより、図1に示すような圧力センサー1を得る。
Next, the pressure is reduced using a vacuum chamber or the like to remove bubbles in the
Next, for example, the
The
上述したように、圧力センサー1の製造方法は、凹部形成第2工程により、圧力センサーユニット2のダイアフラム10の外周部の断面形状が安定的に形成されることから、ダイアフラム10が撓んだ時の外周部に生じる応力のばらつきを低減することができる。
この結果、圧力センサー1の製造方法は、凹部41の形成が凹部形成第1工程のみの場合よりも圧力センサー1の圧力検出精度を向上させることができる。
As described above, in the manufacturing method of the
As a result, the manufacturing method of the
加えて、圧力センサー1の製造方法は、凹部形成第2工程により、保護膜47が除去され、圧力伝播部材5と凹部41との親和性が向上する。
このことから、圧力センサー1の製造方法は、圧力伝播部材5充填時に、圧力伝播部材5と凹部41(ダイアフラム10)との密着性が向上し、外部からの圧力をダイアフラム10に正確に伝播することができる。
この結果、圧力センサー1の製造方法は、凹部41の形成が凹部形成第1工程のみの場合よりも圧力センサー1の圧力検出精度を向上させることができる。
In addition, in the manufacturing method of the
From this, the manufacturing method of the
As a result, the manufacturing method of the
(電子機器)
次に、上述した物理量センサーを備えている電子機器について説明する。
図6は、物理量センサーを備えている電子機器の一例としての高度計を示す模式斜視図である。
(Electronics)
Next, an electronic device including the physical quantity sensor described above will be described.
FIG. 6 is a schematic perspective view showing an altimeter as an example of an electronic apparatus including a physical quantity sensor.
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、物理量センサーとしての圧力センサーユニット2を備えた圧力センサー1が搭載されており、表示部201に現在地における海抜からの高度、または、現在地の気圧などが表示される。
なお、この表示部201には、上記高度、気圧などの他に、現在時刻、使用者の心拍数、天候など、様々な情報が表示される。
The
In addition to the altitude and atmospheric pressure, the
上述したように、本構成の高度計200は、圧力センサー1を備えていることから、上記実施形態に記載の効果が奏され、優れた性能(例えば、高精度な高度検出性能など)を発揮することができる。
なお、圧力センサー1は、例えば、防水機構を備えた腕時計などに搭載されれば、高精度な水圧検出により、腕時計などに高精度な水深計としての機能を付与することができる。
As described above, since the
For example, if the
次に、上述した物理量センサーを備えている電子機器の他の例について説明する。
図7は、物理量センサーを備えている電子機器の他の一例としてのナビゲーションシステムを示す模式正面図である。
Next, another example of an electronic device including the above-described physical quantity sensor will be described.
FIG. 7 is a schematic front view showing a navigation system as another example of an electronic apparatus including a physical quantity sensor.
ナビゲーションシステム300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、ジャイロセンサー及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、物理量センサーとしての圧力センサーユニット2を備えた圧力センサー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。
The
このナビゲーションシステム300は、取得した位置情報に加えて圧力センサー1により高度情報を取得することができる。
従来の、高度情報を持たないナビゲーションシステムでは、一般道路と高架道路とが重なって設けられている場合、一般道路と高架道路との判別ができないことから、高架道路を走行していても優先情報として一般道路走行におけるナビゲーション情報を使用者に提供していたという問題があった。
これに対して、ナビゲーションシステム300では、高度情報を取得することにより、一般道路と高架道路との判別が可能となることから、高架道路走行時において高架道路走行におけるナビゲーション情報を使用者に確実に提供することができる。
The
In conventional navigation systems that do not have altitude information, when general roads and elevated roads are overlapped, it is impossible to distinguish between general roads and elevated roads, so priority information is available even when traveling on elevated roads. There was a problem that navigation information in general road driving was provided to the user.
On the other hand, in the
なお、ナビゲーションシステム300の表示部301は、例えば、液晶パネルディスプレイや、有機EL(Organic Electro−Luminescence)ディスプレイなどを用いることにより、小型かつ薄型化が可能な構成となっている。
Note that the
上述したように、本構成のナビゲーションシステム300は、圧力センサー1を備えていることから、上記実施形態に記載の効果が奏され、優れた性能(例えば、高精度な高度情報の取得による精度の高いナビゲーション情報の提供など)を発揮することができる。
As described above, since the
なお、上述した物理量センサーを備えている電子機器としては、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)、フライトシミュレーターなどが挙げられる。 Note that the electronic device provided with the physical quantity sensor described above is not limited to the above-described one, and for example, a personal computer, a mobile phone, a medical device (for example, an electronic thermometer, a blood pressure meter, a blood glucose meter, an electrocardiogram measuring device, an ultrasonic wave) Diagnostic devices, electronic endoscopes), various measuring instruments, instruments (for example, instruments for vehicles, aircraft, ships), flight simulators, and the like.
(移動体)
次に、上述した物理量センサーを備えている移動体について説明する。
図8は、物理量センサーを備えている移動体の一例としての自動車を示す模式斜視図である。
(Moving body)
Next, a moving body provided with the above-described physical quantity sensor will be described.
FIG. 8 is a schematic perspective view illustrating an automobile as an example of a moving object including a physical quantity sensor.
図8に示すように、自動車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。
自動車400は、物理量センサーとしての圧力センサーユニット2を備えた圧力センサー1を、例えば、搭載されているナビゲーション装置、姿勢制御装置などの高度検出センサーや、車輪402の空気圧検出センサー、エンジンの燃焼室の圧力検出センサーなどとして用いている。
As shown in FIG. 8, the
The
これによれば、自動車400は、圧力センサー1を備えていることから、上記実施形態に記載の効果が奏され、優れた性能(例えば、高度に応じた精度の高いナビゲーション性能、高度に応じた応答性の高い姿勢制御性能、精度の高い空気圧管理性能、精度の高い燃焼室の圧力管理性能など)を発揮することができる。
According to this, since the
上述した物理量センサーは、上記自動車400に限らず、自走式ロボット、自走式搬送機器、列車、船舶、飛行機、人工衛星などを含む移動体の、例えば高度検出センサーなどとして好適に用いることができ、いずれの場合にも、上記実施形態で説明した効果が奏され、優れた性能を発揮する移動体を提供することができる。
The physical quantity sensor described above is not limited to the
1…圧力センサー、2…物理量センサーとしての圧力センサーユニット、3…台座、3a…主面、4…容器、5…圧力伝播部材、10…ダイアフラム、10’…完成前のダイアフラム、10a…受圧面、11,12,13,14…ダイアフラムの輪郭の辺、20,21,22,23,24…ピエゾ抵抗素子、30…検出用回路、31,32,33,34…端子、40…基板、40a…一方の面、40b…他方の面、41…凹部、41’…完成前の凹部、41a…壁面、41a’…完成前の壁面、41b…第1接続面、41c…第2接続面、43…シリコン基板としてのシリコン基板層、44…SiO2層、45…シリコン層、46…絶縁膜、47…保護膜、50…空洞部層、51…酸化膜層、51’…犠牲層、52…金属層、53…貫通孔、54…封止層、61,62,63,64…内部端子、71,72,73,74…外部端子、80…ボンディングワイヤー、101…レジスト、200…電子機器としての高度計、201…表示部、300…電子機器としてのナビゲーションシステム、301…表示部、400…移動体としての自動車、401…車体、402…車輪、S…圧力基準室。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記凹部に充填され前記ダイアフラムを覆っているゲル状または液状の圧力伝播部材と、を備え、
前記凹部の開口部は、少なくとも一部に開口面と前記凹部の壁面とを接続する第1接続面を有し、
前記第1接続面は、前記ダイアフラムの受圧面に対する角度が、前記壁面よりも小さいことを特徴とする物理量センサー。 A recess having a diaphragm at the bottom;
A gel-like or liquid pressure propagation member filled in the recess and covering the diaphragm,
The opening of the recess has a first connection surface connecting at least part of the opening surface and the wall surface of the recess,
The physical quantity sensor, wherein the first connection surface has an angle with respect to the pressure receiving surface of the diaphragm smaller than that of the wall surface.
前記第2接続面は、前記ダイアフラムの前記受圧面に対する角度が、前記壁面よりも小さく、且つ前記受圧面の法線方向に沿い前記壁面に直交する面で切断した断面形状が、直線であることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載の物理量センサー。 A second connection surface connecting the pressure receiving surface and the wall surface;
The second connection surface has an angle with respect to the pressure receiving surface of the diaphragm smaller than that of the wall surface, and a cross-sectional shape cut by a surface orthogonal to the wall surface along a normal direction of the pressure receiving surface is a straight line. The physical quantity sensor according to claim 1, wherein:
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