JP2018169177A - Pressure sensor element and pressure sensor using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、気体などの流体の圧力を検知する圧力センサ素子に関する。 The present disclosure relates to a pressure sensor element that detects the pressure of a fluid such as a gas.
従来、複数のピエゾ抵抗素子が設けられたダイヤフラム部を備えた基板の表面にダイヤフラム部を囲むように回路が設けられた圧力センサが知られていた。(特許文献1、2)
Conventionally, there has been known a pressure sensor in which a circuit is provided on a surface of a substrate having a diaphragm portion provided with a plurality of piezoresistive elements so as to surround the diaphragm portion. (
しかしながら、従来の圧力センサに用いられている圧力センサ素子は、ダイヤフラム部の周囲に回路を構成する金属配線を設けた際に、この金属配線の応力開放に伴い圧力センサの検出精度が低下すると言う課題があった。 However, in the pressure sensor element used in the conventional pressure sensor, when the metal wiring constituting the circuit is provided around the diaphragm portion, the detection accuracy of the pressure sensor is reduced as the stress of the metal wiring is released. There was a problem.
本開示は上記課題を解決し、ダイヤフラム部の周囲に回路を構成する金属配線を設けても、ピエゾ抵抗素子への金属配線から受ける応力の影響を限定して出力を安定させた圧力センサを提供することを目的とする。 The present disclosure solves the above problems and provides a pressure sensor that stabilizes the output by limiting the influence of the stress received from the metal wiring on the piezoresistive element even if the metal wiring constituting the circuit is provided around the diaphragm portion. The purpose is to do.
上記課題を解決するために本開示は、第1の主面と第2の主面を有したダイヤフラム部を備える基板と、前記第1の主面に形成され、前記ダイヤフラム部に加えられた圧力を検出する第1、第2、第3、第4のピエゾ抵抗素子と、前記基板上に前記ダイヤフラム部を囲むように配置された金属配線と、を有し、前記第1のピエゾ抵抗素子と前記第2のピエゾ抵抗素子は前記ダイヤフラム部の前記第1の方向の一端側に設けられ、前記第3のピエゾ抵抗素子と前記第4のピエゾ抵抗素子は前記ダイヤフラム部の前記第1の方向の他端側に設けられている構造としている。 In order to solve the above-described problem, the present disclosure provides a substrate including a diaphragm portion having a first main surface and a second main surface, and a pressure formed on the first main surface and applied to the diaphragm portion. 1st, 2nd, 3rd, 4th piezoresistive element for detecting, and metal wiring arranged on the substrate so as to surround the diaphragm portion, and the first piezoresistive element, The second piezoresistive element is provided on one end side of the diaphragm portion in the first direction, and the third piezoresistive element and the fourth piezoresistive element are arranged in the first direction of the diaphragm portion. The structure is provided on the other end side.
上記構成により本開示は、第1〜第4のピエゾ抵抗素子をダイヤフラム部の第1の方向の端部に形成したことにより、第1〜第4のピエゾ抵抗素子への応力の影響を安定させることができる。 With this configuration, the present disclosure stabilizes the influence of stress on the first to fourth piezoresistive elements by forming the first to fourth piezoresistive elements at the end portions in the first direction of the diaphragm portion. be able to.
(実施の形態1)
以下に、実施の形態1の圧力センサ素子とこれを用いた圧力センサについて図面を用い
ながら説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the pressure sensor element of
図1は実施の形態1の圧力センサ素子の上面図、図2は同圧力センサ素子のブリッジ回路を示す図、図3は同圧力センサ素子を用いた圧力センサの側面図、図4は同圧力センサのAA線断面図、図5は同圧力センサの圧力センサ素子の一部拡大断面図を示す図である。 1 is a top view of the pressure sensor element of the first embodiment, FIG. 2 is a diagram showing a bridge circuit of the pressure sensor element, FIG. 3 is a side view of a pressure sensor using the pressure sensor element, and FIG. FIG. 5 is a partially enlarged cross-sectional view of the pressure sensor element of the pressure sensor.
圧力センサ1は圧力センサ素子2と、圧力センサ素子2を収納し底面を有したケース3と、ケース3内に設けられた処理回路(図示せず)と、ケース3に挿入された端子4とを有している。
The
ケース3は樹脂でできており、本体部5と管部6を有しており、管部6には外部と連通した圧力導入孔7が設けられている。圧力導入孔7から測定対象の流体を導入する。圧力センサ素子2は圧力導入孔7を塞ぐように配置されている。圧力導入孔7は途中で径が変わり、管部6の内部側の端部と外部側の端部とで圧力導入孔7の径方向の中心の位置が異なっている。本体部5には大気を導入する大気導入孔8が設けられている。
The
圧力センサ素子2は第1の主面9と第2の主面10を有したダイヤフラム部11が形成された基板12と、ダイヤフラム部11の第1の主面9に設けられた第1のピエゾ抵抗素子13、第2のピエゾ抵抗素子14、第3のピエゾ抵抗素子15、第4のピエゾ抵抗素子16と、ダイヤフラム部11の周囲を囲む様に基板12の表面に設けられた電源配線17と金属配線18とを有している。電源配線17は、圧力センサ1においてはダイヤフラム部11を囲む様に設けられているが、この限りではなく、圧力センサ1の用途に応じて、適宜配線の仕方は変更することができる。
The
基板12はシリコン等の半導体材料で形成されている。ダイヤフラム部11は基板12の中央に正方形状に形成されているが、ダイヤフラム部11の形状は使用用途等に応じて変更しても良い。圧力センサ素子2は基板12に形成されたNウェル19と、Nウェル19に形成された第1のPウェル20と第2のPウェル21と、これらの上部に形成された熱酸化膜22と、熱酸化膜22上に形成された第1〜第3の層間絶縁膜23、24、25と、第1〜第3の配線26、27、28と第3の層間絶縁膜25上に形成されたパッシベーション膜29で形成されている。
The
第1〜第4のピエゾ抵抗素子13、14、15、16は図示されない接地端子GND、電圧出力端子Vout+、電圧出力端子Vout−、バイアス電圧印加用端子Vddに接続されている。第4のピエゾ抵抗素子16の一方端は拡散配線30及び電源配線17を介して接地端子GNDに接続され、その他方端は拡散配線30及び電源配線17を介して電圧出力端子Vout+に接続されている。第2のピエゾ抵抗素子14の一方端は拡散配線30及び電源配線17を介して電圧出力端子Vout−に接続され、その他方端は拡散配線30及び電源配線17を介してバイアス電圧印加用端子Vddに接続されている。第3のピエゾ抵抗素子15の一方端は拡散配線30及び電源配線17を介して電圧出力端子Vout+に接続され、その他方端は拡散配線30及び電源配線17を介してバイアス電圧印加用端子Vddに接続されている。第1のピエゾ抵抗素子13の一方端は拡散配線30及び電源配線17を介して接地端子GNDに接続され、その他方端は拡散配線30及び電源配線17を介して電圧出力端子Vout−に接続されている。
The first to fourth
第1のピエゾ抵抗素子13と第3のピエゾ抵抗素子15が対になり、第2のピエゾ抵抗素子14、第4のピエゾ抵抗素子16が対になってブリッジ回路31を構成し、ブリッジ回路31上で対向配置されている。このような構成を有する圧力センサ1は、ダイヤフラム部11の第1の主面9または第2の主面10から圧力を受けると、ダイヤフラム部11
の第1の主面9側と第2の主面10との間に差圧が生じることによってダイヤフラム部11に撓みが生じる。この撓みによって第1〜第4のピエゾ抵抗素子13、14、15、16を構成する結晶が歪んで抵抗値が変化する。そして第1〜第4のピエゾ抵抗素子13、14、15、16の抵抗値の変化を、ブリッジ回路31を利用してバイアス電圧印加用端子Vddに印加されたバイアス電圧に対する電圧変化として電圧出力端子Vout+、Vout−から検出する。
The first
When the differential pressure is generated between the first
基板12に設けられた金属配線18によって、第1〜第4のピエゾ抵抗素子13、14、15、16によって得た電圧変化を処理する回路が形成されている。金属配線18が形成する回路としては、例えば、第1〜第4のピエゾ抵抗素子13、14、15、16における電圧出力端子Vout+、Vout−からの電圧の検出を制御し、出力アンプ(図示せず)を制御する制御回路、電圧値を取り出すフロント処理回路、フロント処理回路によって取り出された電圧値に応じた信号に対して所定の処理を施す感度/温特調整回路などが形成される。これにより、感度/温特調整回路は、圧力センサ1の感度調整、温度特性調整を施す。なお、金属配線18が形成する回路はこれに限定されるものではなく、圧力センサ1の用途に応じて適宜変更することができる。
A circuit for processing a voltage change obtained by the first to fourth
第1のピエゾ抵抗素子13と第4のピエゾ抵抗素子16はダイヤフラム部11の第1の方向32の一端側に設けられ、第2のピエゾ抵抗素子14と第4のピエゾ抵抗素子15はダイヤフラム部11の第1の方向32の他端側に設けられている。これにより、金属配線18による第1〜第4のピエゾ抵抗素子13、14、15、16への応力の影響を低減させることができるため、第1〜第4のピエゾ抵抗素子13、14、15、16が安定してダイヤフラム部11に生じた歪みを検出することができる。これにより、圧力センサ1の出力が安定する。さらに、第1〜第4のピエゾ抵抗素子13、14、15、16はダイヤフラム部11の第2の方向33の中央部分に並んで配置されている。これにより、金属配線18から第1〜第4のピエゾ抵抗素子13、14、15、16までの第2の方向33の距離が長くなり、第2の方向33の金属配線18の応力開放による第1〜第4のピエゾ抵抗素子13、14、15、16への影響がさらに低減する。第1のピエゾ抵抗素子13と第4のピエゾ抵抗素子16の間の距離と、第2のピエゾ抵抗素子14と第3のピエゾ抵抗素子15の間の距離は、近くなるほど第2の方向33の金属配線18の応力開放の影響が低減される。このため、第1のピエゾ抵抗素子13と第4のピエゾ抵抗素子16、第2のピエゾ抵抗素子14と第3のピエゾ抵抗素子15は出来る限り近い位置に配置した方が良く、夫々が製造可能な範囲で近い位置に配置されていると効果的に第2の方向33の金属配線18の応力開放の影響を低減できる。基板の第1〜第4のピエゾ抵抗素子13、14、15、16の設けられた面の面方位を(100)面にすると、ダイヤフラム部11の外周に近いほどダイヤフラム部11の歪みが大きくなる。このため、第1〜第4のピエゾ抵抗素子13、14、15、16はダイヤフラム部11の外周近傍に設けると圧力センサ1の感度を向上させることが出来る。
The first
金属配線18は内周が第1の方向32の長さが第2の方向33の長さよりも長い長方形状となるように形成されている。なお、金属配線18の内周の形状は長方形状とすることにより形成が容易になるが、長方形状以外の形状であっても良い。金属配線18の内周がダイヤフラム部11を囲む長方形状であることにより、第1の方向32の金属配線18の内周とダイヤフラム部11の外周との間の第1の距離L1は第2の方向33の金属配線18の内周とダイヤフラム部11の外周との間の第2の距離L2よりも長くなっている。なお、ここでいう第1の距離L1は第2の方向33の中心の位置における第1の方向32と平行な方向の距離を示し、第2の距離L2は第1の方向32の中心の位置における第2の方向33と平行な方向の距離を示す。第1のダイヤフラム部11への金属配線18の応力開放の影響はダイヤフラム部11の外周と金属配線18の内周との距離が長くなるほど低減するため、第1の方向32のダイヤフラム部11への金属配線18の応力開放の影響が
低減される。また、金属配線18は拡散配線30も囲む位置に配置されている。このようにして形成された圧力センサ素子2は、圧力センサ素子2を大型化せずに、金属配線18の応力開放の影響を低減して圧力センサ素子2の検出精度を向上させることが出来ている。
The
次に、この圧力センサ素子2の製造工程について説明する。図6は実施の形態1の圧力センサ素子の製造方法を示した図である。
Next, a manufacturing process of the
まず、シリコン基板を用意し、表面を熱酸化して熱酸化膜22を形成する。次に熱酸化膜22上に金属からなる第1の配線26を形成し、第1の配線26と熱酸化膜22上にCVD法により、酸化シリコン膜を形成することで第1の層間絶縁膜23を形成する。第1の層間絶縁膜23の上に第2の配線27を形成し、第2の配線27の上にさらに酸化シリコン膜からなる第2の層間絶縁膜24を形成する。第2の層間絶縁膜24上の下部にある第1の配線26と第2の配線27よりも外側に第3の配線28を形成し、その上にさらに酸化シリコン膜からなる第3の層間絶縁膜25を形成する。第3の層間絶縁膜25の上にパッシベーション膜29を形成し、第3の層間絶縁膜25とパッシベーション膜29をエッチングし、第3の配線28を露出させる。最後に表面全体および裏面にフォトレジストのパターンを形成し、異方性エッチングを行うことで基板12を裏面から肉薄化し、ダイヤフラム部11を形成する。
First, a silicon substrate is prepared, and the surface is thermally oxidized to form a
このようにして形成された圧力センサ素子2を用いることで、圧力センサ1を大型化せずに圧力センサ1の検出精度を向上させることが出来ている。
By using the
本開示の圧力センサは、大型化せずに圧力センサの検出精度が向上しているため、様々な種類のガス等の流体を検出するセンサに有用である。 The pressure sensor of the present disclosure is useful as a sensor for detecting fluids such as various types of gases because the detection accuracy of the pressure sensor is improved without increasing the size.
1 圧力センサ
2 圧力センサ素子
3 ケース
4 端子
5 本体部
6 管部
7 圧力導入孔
8 大気導入孔
9 第1の主面
10 第2の主面
11 ダイヤフラム部
12 基板
13 第1のピエゾ抵抗素子
14 第2のピエゾ抵抗素子
15 第3のピエゾ抵抗素子
16 第4のピエゾ抵抗素子
17 電源配線
18 金属配線
19 Nウェル
20 第1のPウェル
21 第2のPウェル
22 熱酸化膜
23 第1の層間絶縁膜
24 第2の層間絶縁膜
25 第3の層間絶縁膜
26 第1の配線
27 第2の配線
28 第3の配線
29 パッシベーション膜
30 拡散配線
31 ブリッジ回路
32 第1の方向
33 第2の方向
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記第1の主面に形成され、前記ダイヤフラム部に加えられた圧力を検出する第1、第2、第3、第4のピエゾ抵抗素子と、
前記基板上に前記ダイヤフラム部を囲むように配置された金属配線と、を有し、
前記第1のピエゾ抵抗素子と前記第4のピエゾ抵抗素子は前記ダイヤフラム部の前記第1の方向の一端側に設けられ、
前記第2のピエゾ抵抗素子と前記第3のピエゾ抵抗素子は前記ダイヤフラム部の前記第1の方向の他端側に設けられている圧力センサ素子。 A substrate comprising a diaphragm portion having a first main surface and a second main surface;
First, second, third, and fourth piezoresistive elements that are formed on the first main surface and detect pressure applied to the diaphragm portion;
Metal wiring disposed on the substrate so as to surround the diaphragm portion, and
The first piezoresistive element and the fourth piezoresistive element are provided on one end side in the first direction of the diaphragm portion,
The second piezoresistive element and the third piezoresistive element are pressure sensor elements provided on the other end side in the first direction of the diaphragm portion.
前記第1の方向の前記金属配線の内周と前記ダイヤフラム部の外周との第1の距離は、前記第2の方向の前記金属配線の内周と前記ダイヤフラム部の外周との第2の距離よりも長い請求項1に記載の圧力センサ素子。 The inner periphery of the metal wiring is formed in a rectangular shape in which the first direction is longer than the second direction,
The first distance between the inner circumference of the metal wiring in the first direction and the outer circumference of the diaphragm portion is a second distance between the inner circumference of the metal wiring and the outer circumference of the diaphragm portion in the second direction. The pressure sensor element according to claim 1 longer.
前記第3のピエゾ抵抗素子と前記第4のピエゾ抵抗素子は前記ダイヤフラム部の前記第2の方向の中央部分に並んで配置されている請求項1または2に記載の圧力センサ素子。 The first piezoresistive element and the second piezoresistive element are arranged side by side in a central portion of the diaphragm portion in the second direction;
3. The pressure sensor element according to claim 1, wherein the third piezoresistive element and the fourth piezoresistive element are arranged side by side at a central portion in the second direction of the diaphragm portion.
前記圧力センサ素子を収納するケースと、
前記ケースに挿入された端子と、を有した圧力センサ。 A pressure sensor element according to any one of claims 1 to 5;
A case housing the pressure sensor element;
A pressure sensor having a terminal inserted into the case.
前記管部は前記管部の外と中を連通する圧力導入孔を有し、
前記圧力センサ素子は前記圧力導入孔を塞ぐように配置されている請求項6に記載の圧力センサ。 The case has a main body that houses the pressure sensor element and a pipe connected to the center of the main body.
The pipe part has a pressure introduction hole that communicates the outside and the inside of the pipe part,
The pressure sensor according to claim 6, wherein the pressure sensor element is disposed so as to close the pressure introducing hole.
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