JP2020016619A - Pressure sensor - Google Patents

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博史 東條
智久 徳田
Tomohisa Tokuda
智久 徳田
のぞみ 木田
Nozomi Kida
のぞみ 木田
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Abstract

To protect a high-sensitivity pressure sensor in which hysteresis of an output value becomes small and which is capable of reliably covering and protecting the surface with a protective film.SOLUTION: A pressure sensor includes a diaphragm 3 having a pressure sensing part 11. The pressure sensing part 11 is divided into a region B whose thickness is thick and a region whose thickness is thin by forming a recess 13 on a lower surface 11a (one of the front and the back surfaces). On an upper surface 11b which is located in the region B whose thickness is thick in the pressure sensing part 11b and on which the recess 13 is not formed, a sensor gauge 21 including a piezoresistive element is provided.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、ピエゾ抵抗素子を有する圧力センサに関する。   The present invention relates to a pressure sensor having a piezoresistive element.

ピエゾ抵抗式圧力センサは、圧力室の壁の一部を構成するダイアフラムと、このダイアフラムに設けられたピエゾ抵抗素子からなるセンサゲージとを備えている。この圧力センサにおいては、ダイアフラムの周辺部に発生する応力の変化をセンサゲージの抵抗値の変化として検知する。この圧力センサにおいて、感度を向上させるためには、ダイアフラムのアスペクト比（直径／厚み）を大きくして発生する応力の大きさを大きくすることが有効である。このように感度向上を図るにあたっては、ダイアフラムの全体のアスペクト比を大きくすることが好ましい。しかし、例えば特許文献１に記載されているように、ダイアフラムの一部を他の部分より薄く形成することにより部分的にアスペクト比を大きくしても実現可能である。   The piezoresistive pressure sensor includes a diaphragm that forms a part of a wall of the pressure chamber, and a sensor gauge that includes a piezoresistive element provided on the diaphragm. In this pressure sensor, a change in stress generated in the periphery of the diaphragm is detected as a change in the resistance value of the sensor gauge. In this pressure sensor, in order to improve the sensitivity, it is effective to increase the aspect ratio (diameter / thickness) of the diaphragm to increase the magnitude of the generated stress. In order to improve the sensitivity in this way, it is preferable to increase the overall aspect ratio of the diaphragm. However, as described in Patent Document 1, for example, it can be realized even if the aspect ratio is partially increased by forming a part of the diaphragm thinner than the other part.

特許文献１に開示された圧力センサは、圧力室となる凹陥部を有するシリコン基板と、このシリコン基板に接合されて凹陥部の開口部分を閉塞するダイアフラムとを有している。このダイアフラムの感圧部には、感度向上を図るために凹部が設けられている。この凹部は、感圧部の表面と裏面とのうちシリコン基板とは反対側となる表面に段差が生じる形状に形成されている。このように凹部が形成されることによって、感圧部に部分的に厚みが薄い領域が形成されて感度向上が図られる。
この圧力センサのピエゾ抵抗素子は、上述した凹部とともに感圧部の上記表面に設けられている。
一般的に、ダイアフラムのピエゾ抵抗素子が設けられている表面は、酸化膜で覆われていることが多い。 The pressure sensor disclosed in Patent Literature 1 has a silicon substrate having a recess serving as a pressure chamber, and a diaphragm joined to the silicon substrate to close an opening of the recess. A concave portion is provided in the pressure-sensitive portion of the diaphragm in order to improve sensitivity. The recess is formed in a shape in which a step is formed on the surface of the pressure-sensitive portion opposite to the silicon substrate, between the surface and the back surface. By forming the concave portion in this manner, a region having a small thickness is partially formed in the pressure-sensitive portion, thereby improving the sensitivity.
The piezoresistive element of the pressure sensor is provided on the surface of the pressure-sensitive portion together with the recess.
Generally, the surface of the diaphragm on which the piezoresistive element is provided is often covered with an oxide film.

特開平１０−１４２０８６号公報JP-A-10-142086

特許文献１に開示された圧力センサでは、ピエゾ抵抗素子と同一の表面上に凹部が形成されていることが原因で問題が生じる。すなわち、ダイアフラムが外力で押されて撓むときと、自らのばね力で戻るときとにおいて、ダイアフラムの表面に生じる応力が異なるようになり、圧力センサの出力値のヒステリシスが大きくなるおそれがあった。   In the pressure sensor disclosed in Patent Literature 1, a problem occurs because a concave portion is formed on the same surface as the piezoresistive element. That is, when the diaphragm is pressed by an external force and bends, and when the diaphragm returns by its own spring force, the stress generated on the surface of the diaphragm becomes different, and the hysteresis of the output value of the pressure sensor may be increased. .

また、この圧力センサにおいては、ダイアフラムの凹部の開口部分を覆う酸化膜に角が形成されることがあり、ダイアフラムが変形することによってこの角に応力が集中して酸化膜にクラックが生じるおそれがある。酸化膜にクラックが生じると、外来の例えばナトリウムイオンやカリウムイオンなどから圧力センサを保護することができなくなる。
さらに、特許文献１に示す圧力センサでは、感度を高くするためにダイアフラムが撓み易くなるから、過大な圧力がダイアフラムに作用したときにダイアフラムが破損するおそれがあった。 Further, in this pressure sensor, a corner may be formed in the oxide film covering the opening of the concave portion of the diaphragm, and stress may be concentrated on the corner due to deformation of the diaphragm, and a crack may occur in the oxide film. is there. If a crack occurs in the oxide film, it becomes impossible to protect the pressure sensor from foreign substances such as sodium ions and potassium ions.
Furthermore, in the pressure sensor disclosed in Patent Literature 1, the diaphragm is easily bent in order to increase the sensitivity. Therefore, when an excessive pressure acts on the diaphragm, the diaphragm may be damaged.

本発明の第１の目的は、出力値のヒステリシスが小さくなるとともに表面を保護膜で確実に覆って保護することが可能な高感度の圧力センサを提供することである。第２の目的は、感度が高くなる構成を採りながら、ダイアフラムが破損することを防ぐことが可能な圧力センサを提供することである。   A first object of the present invention is to provide a high-sensitivity pressure sensor that can reduce the hysteresis of an output value and can reliably cover and protect the surface with a protective film. A second object is to provide a pressure sensor capable of preventing a diaphragm from being damaged while adopting a configuration in which sensitivity is increased.

この目的を達成するために、本発明に係る圧力センサは、感圧部を有するダイアフラムを備え、前記感圧部は、表面と裏面とのうち一方の面に凹部が形成されることにより厚みが厚い領域と薄い領域とに分けられ、前記感圧部の厚みが厚い領域であって、表面と裏面とのうち前記凹部が形成されていない面にピエゾ抵抗素子を含むセンサゲージが設けられているものである。   To achieve this object, a pressure sensor according to the present invention includes a diaphragm having a pressure-sensitive portion, and the pressure-sensitive portion has a thickness by forming a concave portion on one of a front surface and a back surface. A sensor gauge including a piezoresistive element is provided on a region where the thickness of the pressure-sensitive portion is thick, where the concave portion is not formed among the front surface and the back surface. Things.

本発明は、前記圧力センサにおいて、前記厚みが厚い領域は、前記ダイアフラムの厚み方向から見て前記感圧部の中心と、前記中心から離間した複数の端部とを結ぶ形状に形成され、前記複数の端部は、前記ダイアフラムの厚み方向から見て前記センサゲージの形成範囲より大きく形成され、前記センサゲージは、前記複数の端部にそれぞれ設けられていてもよい。   According to the present invention, in the pressure sensor, the thick region is formed in a shape that connects a center of the pressure-sensitive portion as viewed from a thickness direction of the diaphragm and a plurality of ends separated from the center, The plurality of ends may be formed to be larger than the formation range of the sensor gauge when viewed from the thickness direction of the diaphragm, and the sensor gauge may be provided at each of the plurality of ends.

本発明は、前記圧力センサにおいて、前記厚みが厚い領域における前記センサゲージが設けられていない部分は、前記ダイアフラムの厚み方向から見て、前記センサゲージが設けられている部分に較べて細く形成されていてもよい。   According to the present invention, in the pressure sensor, a portion where the sensor gauge is not provided in the thick region is formed thinner than a portion where the sensor gauge is provided when viewed from the thickness direction of the diaphragm. May be.

本発明は、前記圧力センサにおいて、さらに、前記ダイアフラムの前記凹部が形成されていない面に接合されたストッパ部材を備え、前記ストッパ部材は、前記感圧部と対向する部位に凹曲面によって形成された凹部を有し、前記凹部は、変形した前記感圧部に倣う形状に形成されていてもよい。   The present invention provides the pressure sensor, further comprising a stopper member joined to a surface of the diaphragm where the concave portion is not formed, wherein the stopper member is formed by a concave curved surface at a portion facing the pressure-sensitive portion. The concave portion may be formed in a shape following the deformed pressure-sensitive portion.

本発明は、前記圧力センサにおいて、前記ストッパ部材は、前記凹部の内外を連通する連通孔を有し、前記感圧部は、変形することにより前記厚みが厚い領域が前記連通孔と重なるように形成されていてもよい。   According to the present invention, in the pressure sensor, the stopper member has a communication hole communicating between the inside and the outside of the recess, and the pressure-sensitive portion is deformed so that the thick region overlaps with the communication hole. It may be formed.

本発明によれば、ダイアフラムに厚みが薄い領域を形成するための凹部とセンサゲージとがダイアフラムの一方の面と他方の面とに振り分けて形成されており、センサゲージが設けられている面が平坦面になる。このため、ダイアフラムが外力で押されて撓むときと、自らのばね力で戻るときとにおいて、ダイアフラムのセンサゲージが設けられている面に生じる応力に違いが生じ難くなる。
センサゲージが設けられている面を保護膜で覆うにあたって、保護膜に角部が形成されることがなく、応力が集中することがない。このため、圧力センサの保護を十分に行うことが可能になる。
したがって、本発明によれば、出力値のヒステリシスが小さくなるとともに、表面を保護膜で確実に覆って保護することが可能な高感度の圧力センサを提供することができる。 According to the present invention, the concave portion and the sensor gauge for forming the thin region in the diaphragm are formed separately on one surface and the other surface of the diaphragm, and the surface on which the sensor gauge is provided is formed. Become a flat surface. For this reason, when the diaphragm is pressed by an external force and bends, and when the diaphragm returns by its own spring force, a difference in stress generated on the surface of the diaphragm on which the sensor gauge is provided is less likely to occur.
When the surface on which the sensor gauge is provided is covered with the protective film, no corner is formed on the protective film, and no stress is concentrated. Therefore, it is possible to sufficiently protect the pressure sensor.
Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a high-sensitivity pressure sensor in which the hysteresis of the output value is reduced and the surface is reliably covered with the protective film for protection.

本発明に係る圧力センサの第１の実施の形態による断面図である。1 is a cross-sectional view of a pressure sensor according to a first embodiment of the present invention. ダイアフラムの凹部側の平面図である。FIG. 4 is a plan view of the diaphragm on the concave side. 第１の実施の形態による圧力センサの製造方法を説明するための断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining the method for manufacturing the pressure sensor according to the first embodiment. 第２の実施の形態による圧力センサの断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of a pressure sensor according to a second embodiment. 第２の実施の形態による圧力センサの製造方法を説明するための断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view for explaining the method for manufacturing the pressure sensor according to the second embodiment. ダイアフラムの凹部側の平面図である。FIG. 4 is a plan view of the diaphragm on the concave side. 厚みが厚い領域の一部を拡大して示す平面図である。It is a top view which expands and shows a part of thick area | region. 厚みが厚い領域の幅が狭い部分の位置と出力との関係を示すグラフである。9 is a graph showing a relationship between a position of a portion where a width of a region having a large thickness is small and an output. 厚みが厚い領域の幅が狭い部分の位置と出力との関係を示すグラフである。9 is a graph showing a relationship between a position of a portion where a width of a region having a large thickness is small and an output. 厚みが厚い領域の幅が狭い部分の幅と出力との関係を示すグラフである。9 is a graph showing the relationship between the width of a portion where the thickness of a thick region is small and the output. 厚みが厚い領域の変形例を示すダイアフラムの平面図である。It is a top view of the diaphragm which shows the modification of a thick area | region. 厚みが厚い領域の変形例を示すダイアフラムの平面図である。It is a top view of the diaphragm which shows the modification of a thick area | region. 厚みが厚い領域の変形例を示すダイアフラムの平面図である。It is a top view of the diaphragm which shows the modification of a thick area | region.

（第１の実施の形態）
以下、本発明に係る圧力センサの一実施の形態を図１〜図３を参照して詳細に説明する。図１の破断位置は、図２中にＩ−Ｉ線によって示した位置である。
図１に示す圧力センサ１は、図１において下側に位置するベース部材２と、このベース部材２に接合されたダイアフラム３と、このダイアフラム３に接合されたストッパ部材４とを備えている。図１は、圧力センサ１の中心線Ｃから一側方に位置する半分のみを図示している。この圧力センサ１の構成部品を説明するにあたっては、便宜上、図１の上側に位置する面を上面といい、図１において下側に位置する面を下面という。 (First Embodiment)
Hereinafter, an embodiment of a pressure sensor according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 is the position shown by the II line in FIG.
The pressure sensor 1 shown in FIG. 1 includes a base member 2 located on the lower side in FIG. 1, a diaphragm 3 joined to the base member 2, and a stopper member 4 joined to the diaphragm 3. FIG. 1 shows only one half of the pressure sensor 1 located on one side from the center line C. In describing the components of the pressure sensor 1, for convenience, the surface located on the upper side in FIG. 1 is referred to as the upper surface, and the surface located on the lower side in FIG. 1 is referred to as the lower surface.

ベース部材２は、例えばシリコンによって板状に形成され、幅方向の中央部に凹陥部５が形成されている。ベース部材２の形状は、厚み方向から見て四角形である。
凹陥部５は、圧力センサ１内に圧力室６を形成するためにベース部材２に設けられており、ベース部材２の上面に開口している。凹陥部５の形状は、ベース部材２の厚み方向から見て円形である。このベース部材２の幅方向の中央部には、圧力室６内に被測定圧力を導入するための貫通孔７が穿設されている。 The base member 2 is formed in a plate shape from, for example, silicon, and has a concave portion 5 at the center in the width direction. The shape of the base member 2 is a quadrangle when viewed from the thickness direction.
The recess 5 is provided in the base member 2 for forming a pressure chamber 6 in the pressure sensor 1, and is opened on the upper surface of the base member 2. The shape of the recess 5 is circular when viewed from the thickness direction of the base member 2. A through hole 7 for introducing a pressure to be measured into the pressure chamber 6 is formed in the center of the base member 2 in the width direction.

ダイアフラム３は、例えばシリコンによって板状に形成され、ベース部材２の上面２ａに接合されている。このダイアフラム３は、圧力室６の壁の一部となる感圧部１１と、ベース部材２に接合される接合部１２とによって構成されている。感圧部１１は、ダイアフラム３の厚み方向から見て、凹陥部５と同一軸線上に位置する円形に形成されている。
ダイアフラム３の感圧部１１は、表面と裏面とのうち一方の面（図１においては凹陥部５と対向する下面１１ａ）に複数の凹部１３が形成されている。この実施の形態による凹部１３は、図２に示すように、感圧部１１の中心Ｐの周囲の４箇所に設けられている。 The diaphragm 3 is formed in a plate shape by, for example, silicon, and is joined to the upper surface 2 a of the base member 2. The diaphragm 3 includes a pressure-sensitive portion 11 that is a part of a wall of the pressure chamber 6 and a joining portion 12 that is joined to the base member 2. The pressure sensing portion 11 is formed in a circular shape that is located on the same axis as the recess 5 when viewed from the thickness direction of the diaphragm 3.
The pressure-sensitive portion 11 of the diaphragm 3 has a plurality of recesses 13 formed on one of the front surface and the back surface (the lower surface 11a facing the recess 5 in FIG. 1). As shown in FIG. 2, the concave portions 13 according to this embodiment are provided at four positions around the center P of the pressure-sensitive portion 11.

このように凹部１３が感圧部１１に形成されていることにより、感圧部１１は、図２に示すように、凹部１３と一致する領域である厚みが薄い領域Ａと、凹部１３が形成されていない領域である厚みが厚い領域Ｂとに分けられている。以下においては、厚みが薄い領域を単に薄い領域Ａといい、厚みが厚い領域を単に厚い領域Ｂという。
凹部１３は、感圧部１１の下面に例えばドライエッチングを施すことによって、所定の形状、深さに形成することができる。 Since the recess 13 is formed in the pressure-sensitive portion 11 as described above, the pressure-sensitive portion 11 has a region A having a small thickness, which is a region coinciding with the recess 13, as shown in FIG. It is divided into a region B, which is a region where the thickness is not increased, and a region B having a large thickness. In the following, a region having a small thickness is simply referred to as a thin region A, and a region having a large thickness is simply referred to as a thick region B.
The recess 13 can be formed to a predetermined shape and depth by performing, for example, dry etching on the lower surface of the pressure-sensitive portion 11.

感圧部１１の厚い領域Ｂは、ダイアフラム３の厚み方向から見て感圧部１１の中心Ｐと、この中心Ｐから離間した複数の端部とを結ぶ形状に形成されている。この実施の形態による複数の端部は、図２において上下方向の両端部Ｅ１，Ｅ２と、左右方向の両端部Ｅ３，Ｅ４である。このため、感圧部１１の厚い領域Ｂは、ダイアフラム３の厚み方向から見て十字状に形成されている。この実施の形態による厚い領域Ｂは、中心に位置する円形部１４と、この円形部１４から上下方向と左右方向とに延びる４本の帯状部１５とによって構成されている。   The thick region B of the pressure-sensitive portion 11 is formed in a shape that connects a center P of the pressure-sensitive portion 11 and a plurality of ends separated from the center P when viewed from the thickness direction of the diaphragm 3. The plurality of ends according to this embodiment are both ends E1 and E2 in the vertical direction and both ends E3 and E4 in the horizontal direction in FIG. For this reason, the thick region B of the pressure sensing portion 11 is formed in a cross shape when viewed from the thickness direction of the diaphragm 3. The thick region B according to the present embodiment includes a circular portion 14 located at the center and four band-like portions 15 extending from the circular portion 14 in the vertical and horizontal directions.

帯状部１５の幅（長手方向とは直交する方向であって下面１１ａに沿う方向の幅）は、円形部１４から離れるにしたがって次第に広くなっている。
図１に示すように、感圧部１１の厚い領域Ｂであって、表面と裏面とのうち凹部１３が形成されていない面（図１においては上面１１ｂ）には、ピエゾ抵抗素子を含むセンサゲージ２１が設けられている。このセンサゲージ２１は、図２に示すように、上述した４箇所の端部Ｅ１〜Ｅ４にそれぞれ設けられている。４箇所の端部Ｅ１〜Ｅ４は、ダイアフラム３の厚み方向から見てセンサゲージ２１の形成範囲より大きく形成されている。
センサゲージ２１が形成されている部分を含めてダイアフラム３の上面３ａには、図示してはいないが、酸化膜などの保護膜が設けられている。 The width of the band-like portion 15 (the width in the direction orthogonal to the longitudinal direction and along the lower surface 11a) gradually increases as the distance from the circular portion 14 increases.
As shown in FIG. 1, a sensor including a piezoresistive element is provided in a thick region B of the pressure-sensitive portion 11, in which the concave portion 13 is not formed (the upper surface 11 b in FIG. 1). A gauge 21 is provided. As shown in FIG. 2, the sensor gauges 21 are provided at the four ends E1 to E4 described above. The four end portions E1 to E4 are formed to be larger than the formation range of the sensor gauge 21 when viewed from the thickness direction of the diaphragm 3.
Although not shown, a protective film such as an oxide film is provided on the upper surface 3a of the diaphragm 3 including the portion where the sensor gauge 21 is formed.

ストッパ部材４は、例えばシリコンによって板状に形成され、ダイアフラム３の上面３ａに接合されている。
このストッパ部材４は、ダイアフラム３の感圧部１１と対向する部位に凹曲面によって形成された凹部２２を有している。
凹部２２は、ストッパ部材４の厚み方向から見て円形に形成されている。また、凹部２２を構成する凹曲面は、いわゆる非球面で、ダイアフラム３の感圧部１１が圧力室６内の圧力によって押されて変形したときの感圧部１１に倣う形状に形成されている。このため、感圧部１１は、圧力室６内の圧力で押されて変形することによって、その上面１１ｂの全域が凹部２２の凹曲面に密着するようになる。このような凹部２２は、例えばドライエッチングによって形成することができる。 The stopper member 4 is formed in a plate shape by, for example, silicon, and is joined to the upper surface 3 a of the diaphragm 3.
The stopper member 4 has a concave portion 22 formed by a concave curved surface at a portion of the diaphragm 3 facing the pressure-sensitive portion 11.
The concave portion 22 is formed in a circular shape when viewed from the thickness direction of the stopper member 4. The concave curved surface constituting the concave portion 22 is a so-called aspheric surface, and is formed in a shape following the pressure-sensitive portion 11 when the pressure-sensitive portion 11 of the diaphragm 3 is deformed by being pressed by the pressure in the pressure chamber 6. . Therefore, the pressure-sensitive portion 11 is pressed by the pressure in the pressure chamber 6 and deformed, so that the entire area of the upper surface 11 b comes into close contact with the concave curved surface of the concave portion 22. Such a concave portion 22 can be formed by, for example, dry etching.

ストッパ部材４の幅方向の中央部には、凹部２２の内外を連通する連通孔２３が穿設されている。この圧力センサ１を使用するときに凹部２２内に気体や流体が入る場合には、この気体や液体が凹部２２の容積変化に伴って連通孔２３を通るようになる。
感圧部１１が凹部２２の凹曲面に密着する状態においては、感圧部１１の中央部、すなわち厚い領域Ｂの円形部１４が連通孔２３と重なる。円形部１４は、ダイアフラム３の厚み方向において、連通孔２３より大きいから、上述したように感圧部１１が凹曲面に密着するときには連通孔２３の開口部分を覆うようになる。 At the center in the width direction of the stopper member 4, a communication hole 23 communicating the inside and outside of the concave portion 22 is formed. When a gas or a fluid enters the concave portion 22 when the pressure sensor 1 is used, the gas or the liquid passes through the communication hole 23 as the volume of the concave portion 22 changes.
When the pressure-sensitive portion 11 is in close contact with the concave curved surface of the concave portion 22, the central portion of the pressure-sensitive portion 11, that is, the circular portion 14 in the thick region B overlaps the communication hole 23. Since the circular portion 14 is larger than the communication hole 23 in the thickness direction of the diaphragm 3, the circular portion 14 covers the opening of the communication hole 23 when the pressure-sensitive portion 11 comes into close contact with the concave curved surface as described above.

次に、この実施の形態による圧力センサ１の製造方法を図３（Ａ）〜（Ｄ）を用いて詳細に説明する。
圧力センサ１を製造するためは、先ず、図３（Ａ）に示すように、ダイアフラム３の母材であるシリコンウェハ３１の上面３１ａにセンサゲージ２１を形成し、このシリコンウェハ３１の上面３１ａにストッパ部材４を接合する。なお、図示してはいないが、センサゲージ２１に接続する配線は、ストッパ部材４がシリコンウェハ３１に接合される以前にシリコンウェハ３１の上面３１ａに形成される。シリコンウェハ３１の上面３１ａには、センサゲージ２１や配線が設けられた後に酸化膜などの保護膜が設けられる。 Next, a method of manufacturing the pressure sensor 1 according to this embodiment will be described in detail with reference to FIGS.
In order to manufacture the pressure sensor 1, first, as shown in FIG. 3A, a sensor gauge 21 is formed on an upper surface 31a of a silicon wafer 31 which is a base material of the diaphragm 3, and the upper surface 31a of the silicon wafer 31 is formed on the upper surface 31a. The stopper member 4 is joined. Although not shown, the wiring connected to the sensor gauge 21 is formed on the upper surface 31 a of the silicon wafer 31 before the stopper member 4 is joined to the silicon wafer 31. On the upper surface 31a of the silicon wafer 31, a protective film such as an oxide film is provided after the sensor gauge 21 and the wiring are provided.

次に、シリコンウェハ３１の下面３１ｂを研削し、図３（Ｂ）に示すように、シリコンウェハ３１から薄いダイアフラム３を形成する。この研削加工は、ストッパ部材４を介してシリコンウェハ３１を支持した状態で行うことができる。その後、図３（Ｃ）に示すように、ダイアフラム３の下面３ｂに複数の凹部１３を形成する。このように凹部１３が形成された後、図３（Ｄ）に示すように、ダイアフラム３の下面３ｂにベース部材２を接合することによって、圧力センサ１が完成する。   Next, the lower surface 31b of the silicon wafer 31 is ground to form a thin diaphragm 3 from the silicon wafer 31, as shown in FIG. This grinding can be performed while the silicon wafer 31 is supported via the stopper member 4. Thereafter, as shown in FIG. 3C, a plurality of recesses 13 are formed in the lower surface 3b of the diaphragm 3. After the recess 13 is thus formed, the pressure sensor 1 is completed by joining the base member 2 to the lower surface 3b of the diaphragm 3, as shown in FIG.

このように構成された圧力センサ１においては、ダイアフラム３に複数の薄い領域Ａが設けられているために感度が高くなる。また、ダイアフラム３に薄い領域Ａを形成するための凹部１３とセンサゲージ２１とがダイアフラム３の一方の面（感圧部１１の下面１１ａ）と他方の面（感圧部１１の上面１１ｂ）とに振り分けて形成されている。このため、ダイアフラム３が外力で押されて撓むときと、自らのばね力で戻るときとにおいて、センサゲージ２１が設けられている感圧部１１の上面１１ｂに生じる応力に違いが生じ難くなる。   In the pressure sensor 1 configured as described above, the sensitivity is increased because the diaphragm 3 is provided with the plurality of thin regions A. In addition, the concave portion 13 for forming the thin region A in the diaphragm 3 and the sensor gauge 21 are provided on one surface of the diaphragm 3 (the lower surface 11a of the pressure sensing portion 11) and the other surface (the upper surface 11b of the pressure sensing portion 11). Is formed. For this reason, when the diaphragm 3 is bent by being pressed by an external force and returned by its own spring force, a difference is less likely to occur in the stress generated on the upper surface 11b of the pressure-sensitive portion 11 provided with the sensor gauge 21. .

センサゲージ２１が設けられている感圧部１１の上面１１ｂは、平坦面によって形成されているから、この上面１１ｂを保護膜で覆うにあたって、保護膜に角部が形成されることがなく、応力が集中することがない。このため、圧力センサ１の保護を十分に行うことが可能になる。
したがって、この実施の形態によれば、出力値のヒステリシスが小さくなるとともに、表面を保護膜で確実に覆って保護することが可能な高感度の圧力センサを提供することができる。 Since the upper surface 11b of the pressure sensing portion 11 on which the sensor gauge 21 is provided is formed by a flat surface, when the upper surface 11b is covered with the protective film, no corner is formed on the protective film and the stress is reduced. Is not concentrated. Therefore, the pressure sensor 1 can be sufficiently protected.
Therefore, according to this embodiment, it is possible to provide a high-sensitivity pressure sensor that can reduce the hysteresis of the output value and can surely cover and protect the surface with the protective film.

この実施の形態によるダイアフラム３の厚みが厚い領域Ｂは、ダイアフラム３の厚み方向から見て感圧部１１の中心Ｐと、この中心Ｐから離間した複数の端部Ｅ１〜Ｅ４とを結ぶ形状に形成されている。複数の端部Ｅ１〜Ｅ４は、ダイアフラム３の厚み方向から見てセンサゲージ２１の形成範囲より大きく形成されている。センサゲージ２１は、複数の端部Ｅ１〜Ｅ４にそれぞれ設けられている。
このため、複数のピエゾ抵抗素子を使用して圧力を高い精度で検出可能な圧力センサを提供することができる。 The region B where the thickness of the diaphragm 3 according to this embodiment is large has a shape that connects the center P of the pressure-sensitive portion 11 and a plurality of ends E1 to E4 separated from the center P when viewed from the thickness direction of the diaphragm 3. Is formed. The plurality of ends E1 to E4 are formed to be larger than the formation range of the sensor gauge 21 when viewed from the thickness direction of the diaphragm 3. The sensor gauge 21 is provided at each of the plurality of ends E1 to E4.
For this reason, it is possible to provide a pressure sensor capable of detecting pressure with high accuracy using a plurality of piezoresistive elements.

この実施の形態による圧力センサ１は、ダイアフラム３の上面３ａ（凹部１３が形成されていない面）に接合されたストッパ部材４を備えている。ストッパ部材４は、感圧部１１と対向する部位に凹曲面によって形成された凹部２２を有している。凹部２２は、変形した感圧部１１に倣う形状に形成されている。
このため、ダイアフラム３の感圧部１１に圧力室６側から過大な圧力が加えられた場合は、感圧部１１がストッパ部材４の凹部２２に密着し、それ以上の感圧部１１の変形が規制される。したがって、感度が高くなる構成を採りながら、ダイアフラム３が破損することを防ぐことが可能な圧力センサを提供することができる。 The pressure sensor 1 according to this embodiment includes a stopper member 4 joined to the upper surface 3a of the diaphragm 3 (the surface on which the concave portion 13 is not formed). The stopper member 4 has a concave portion 22 formed by a concave curved surface at a portion facing the pressure-sensitive portion 11. The concave portion 22 is formed in a shape following the deformed pressure-sensitive portion 11.
For this reason, when excessive pressure is applied to the pressure-sensitive portion 11 of the diaphragm 3 from the pressure chamber 6 side, the pressure-sensitive portion 11 comes into close contact with the concave portion 22 of the stopper member 4 and further deformation of the pressure-sensitive portion 11 Is regulated. Therefore, it is possible to provide a pressure sensor capable of preventing the diaphragm 3 from being damaged while adopting a configuration in which the sensitivity is increased.

この実施の形態によるストッパ部材４は、凹部１３の内外を連通する連通孔２３を有している。ダイアフラム３の感圧部１１は、この感圧部１１が変形することにより厚い領域Ｂ（円形部１４）が連通孔２３と重なるように形成されている。感圧部１１が変形して凹部２２の凹曲面に密着する状態においては、感圧部１１における連通孔２３と重なる部分がストッパ部材４によって支えられない状態となる。しかし、感圧部１１において連通孔２３と重なる部分は、厚い領域Ｂであるから、連通孔２３内に不必要に入り込むようなことはない。したがって、連通孔２３を有しているにもかかわらず、感圧部１１の過度の変形を阻止することができる。   The stopper member 4 according to this embodiment has a communication hole 23 that communicates the inside and the outside of the recess 13. The pressure-sensitive portion 11 of the diaphragm 3 is formed such that the thick region B (circular portion 14) overlaps the communication hole 23 when the pressure-sensitive portion 11 is deformed. When the pressure-sensitive portion 11 is deformed and comes into close contact with the concave curved surface of the concave portion 22, the portion of the pressure-sensitive portion 11 overlapping the communication hole 23 is not supported by the stopper member 4. However, the portion of the pressure-sensitive portion 11 that overlaps the communication hole 23 is the thick region B, and therefore does not needlessly enter the communication hole 23. Therefore, despite having the communication hole 23, it is possible to prevent the pressure-sensitive portion 11 from being excessively deformed.

（第２の実施の形態）
本発明に係る圧力センサは、図４および図５に示すように、第１の実施の形態で示したストッパ部材を使用することなく実現することができる。図４および図５において、図１〜図３によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略する。 (Second embodiment)
As shown in FIGS. 4 and 5, the pressure sensor according to the present invention can be realized without using the stopper member shown in the first embodiment. 4 and 5, the same or equivalent members as those described with reference to FIGS. 1 to 3 are denoted by the same reference numerals, and detailed description will be appropriately omitted.

図４に示す圧力センサ４１は、ベース部材２と、このベース部材２の上面２ａに接合されたダイアフラム３とによって構成されている。ダイアフラム３は、第１の実施の形態を採るときと較べて上下方向を逆にした状態でベース部材２に接合されている。
この実施の形態による凹部１３は、ダイアフラム３の上面３ａに形成されている。ピエゾ抵抗素子を含むセンサゲージ２１は、ダイアフラム３の下面３ｂに設けられている。凹部１３と同一位置にある厚みが薄い領域Ａの構成と、凹部１３が形成されていない厚みが厚い領域Ｂの構成は、第１の実施の形態を採るときと同一である。 The pressure sensor 41 shown in FIG. 4 includes the base member 2 and the diaphragm 3 joined to the upper surface 2a of the base member 2. The diaphragm 3 is joined to the base member 2 in a state where the diaphragm 3 is turned upside down as compared with the first embodiment.
The recess 13 according to this embodiment is formed on the upper surface 3a of the diaphragm 3. The sensor gauge 21 including the piezoresistive element is provided on the lower surface 3b of the diaphragm 3. The configuration of the thin region A located at the same position as the concave portion 13 and the configuration of the thick region B where the concave portion 13 is not formed are the same as in the first embodiment.

この圧力センサ４１を製造するためには、先ず、図５（Ａ）に示すように、シリコンウェハ３１の下面３１ｂにセンサゲージ２１と図示していない配線および保護膜などを形成し、このシリコンウェハ３１の下面３１ｂにベース部材２を接合する。そして、シリコンウェハ３１の上面３１ａを研削し、図５（Ｂ）に示すようにダイアフラム３を形成する。しかる後、図５（Ｃ）に示すように、ダイアフラム３の上面３ａに凹部１３を形成する。このように凹部１３が形成されることによって圧力センサ４１が完成する。   In order to manufacture the pressure sensor 41, first, as shown in FIG. 5A, a sensor gauge 21 and a wiring and a protection film (not shown) are formed on the lower surface 31b of the silicon wafer 31, and the silicon wafer 31 The base member 2 is joined to the lower surface 31b of the base 31. Then, the upper surface 31a of the silicon wafer 31 is ground to form the diaphragm 3 as shown in FIG. Thereafter, as shown in FIG. 5C, a concave portion 13 is formed on the upper surface 3a of the diaphragm 3. The pressure sensor 41 is completed by forming the recess 13 in this manner.

この実施の形態においても、ダイアフラム３の感圧部１１の一方の面（上面１１ｂ）に凹部１３が形成されて他方の面（下面１１ａ）にセンサゲージ２１が設けられているから、第１の実施の形態を採る場合と同様に、出力値のヒステリシスが小さくなるとともに、表面を保護膜で確実に覆って保護することが可能な高感度の圧力センサを提供することができる。   Also in this embodiment, the concave portion 13 is formed on one surface (upper surface 11b) of the pressure-sensitive portion 11 of the diaphragm 3 and the sensor gauge 21 is provided on the other surface (lower surface 11a). As in the case of the embodiment, it is possible to provide a high-sensitivity pressure sensor capable of reducing the hysteresis of the output value and securely protecting the surface by protecting the surface with a protective film.

（第３の実施の形態）
ダイアフラムの感圧部の厚い領域は、図６および図７に示すように形成することができる。図６および図７において、図１〜図３によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略する。
図６に示すダイアフラム３の感圧部１１には、ダイアフラム３の厚み方向から見て十字状に厚い領域Ｂが形成されている。この厚い領域Ｂの４本の帯状部１５は、センサゲージ２１が設けられている外側部分１５ａと、センサゲージ２１が設けられていない内側部分１５ｂとで幅が異なっている。すなわち、センサゲージ２１が設けられていない内側部分１５ｂは、ダイアフラム３の厚み方向から見て、センサゲージ２１が設けられている外側部分１５ａに較べて細く形成されている。外側部分１５ａと内側部分１５ｂとの境界部分は、傾斜面によって形成されている。 (Third embodiment)
The thick region of the pressure sensitive portion of the diaphragm can be formed as shown in FIGS. 6 and 7, members that are the same as or equivalent to those described with reference to FIGS. 1 to 3 are given the same reference numerals, and detailed descriptions thereof will be omitted as appropriate.
In the pressure-sensitive portion 11 of the diaphragm 3 shown in FIG. 6, a cross-shaped thick region B is formed as viewed from the thickness direction of the diaphragm 3. The four belt-like portions 15 in the thick region B have different widths at the outer portion 15a where the sensor gauge 21 is provided and at the inner portion 15b where the sensor gauge 21 is not provided. That is, the inner portion 15b where the sensor gauge 21 is not provided is formed to be narrower than the outer portion 15a where the sensor gauge 21 is provided when viewed from the thickness direction of the diaphragm 3. The boundary between the outer portion 15a and the inner portion 15b is formed by an inclined surface.

このように帯状部１５の内側部分１５ｂを外側部分１５ａより細く形成して圧力センサ１の出力を測定する実験を行ったところ、内側部分１５ｂの形状や大きさに応じて出力が変わることが判った。
この実験は、図７に示すように、長さＬ１，Ｌ２、幅Ｈ１，Ｈ２を定めて行った。長さＬ１は、感圧部１１の中心Ｐからの内側部分１５ｂの長さである。長さＬ２は、感圧部１１の中心Ｐから外側部分１５ａの最も内側となる位置までの長さである。内側部分１５ｂの幅Ｈ１は、内側部分１５ｂの幅の１／２である。幅Ｈ２は、外側部分１５ａの幅の１／２である。この実験は、幅Ｈ２を一定として行った。 An experiment was conducted to measure the output of the pressure sensor 1 by forming the inner portion 15b of the belt-like portion 15 thinner than the outer portion 15a in this manner. As a result, it was found that the output changed according to the shape and size of the inner portion 15b. Was.
In this experiment, as shown in FIG. 7, lengths L1 and L2 and widths H1 and H2 were determined. The length L1 is the length of the inner portion 15b from the center P of the pressure-sensitive portion 11. The length L2 is a length from the center P of the pressure-sensitive portion 11 to the innermost position of the outer portion 15a. The width H1 of the inner portion 15b is １ ／ of the width of the inner portion 15b. The width H2 is の of the width of the outer portion 15a. This experiment was performed while keeping the width H2 constant.

出力が最大になるときの長さＬ１は、図８に示すように、０に近いことが判った。長さＬ１が０である場合（内側部分１５ｂが形成されていない場合）は、出力が増大することはない。
出力が最大になるときの長さＬ２は、図９に示すように、０に近く、出力が最大になる長さＬ１より僅かに長いことが判った。
出力が最大になるときの幅Ｈ１は、図１０に示すように、最大幅と最小幅との間に存在することが判った。 It has been found that the length L1 when the output is maximized is close to 0 as shown in FIG. When the length L1 is 0 (when the inner portion 15b is not formed), the output does not increase.
As shown in FIG. 9, the length L2 when the output is maximized is close to 0, and is slightly longer than the length L1 where the output is maximized.
It has been found that the width H1 at which the output is maximized is between the maximum width and the minimum width, as shown in FIG.

したがって、帯状部１５のセンサゲージ２１が設けられていない内側部分１５ｂをセンサゲージ２１が設けられている外側部分１５ａに較べて細く形成することにより、ダイアフラム３で発生する応力を最大化することができ、圧力センサ１の出力を最大にすることができる。   Therefore, by forming the inner portion 15b of the belt portion 15 where the sensor gauge 21 is not provided to be thinner than the outer portion 15a where the sensor gauge 21 is provided, it is possible to maximize the stress generated in the diaphragm 3. The output of the pressure sensor 1 can be maximized.

（ダイアフラムの変形例）
ダイアフラム３の感圧部１１の厚い領域Ｂの形状は、適宜変更することが可能である。帯状部１５は、例えば図１１〜図１３に示すように形成することができる。
図１１に示す厚い領域Ｂは、ダイアフラム３の厚み方向から見て十字状に形成されている。この厚い領域Ｂを構成する４本の帯状部１５は、形成範囲の全域にわたって幅が一定になるように形成されている。 (Modified example of diaphragm)
The shape of the thick region B of the pressure-sensitive portion 11 of the diaphragm 3 can be changed as appropriate. The belt-like portion 15 can be formed, for example, as shown in FIGS.
The thick region B shown in FIG. 11 is formed in a cross shape when viewed from the thickness direction of the diaphragm 3. The four strips 15 constituting the thick region B are formed so that the width is constant over the entire formation range.

図１２に示す厚い領域Ｂは、ダイアフラム３の厚み方向から見てＩ字状に形成されている。
図１３に示す厚い領域Ｂは、ダイアフラム３の厚み方向から見てＬ字状に形成されている。
厚い領域Ｂを図１１〜図１３に示すように形成したとしても、上述した各実施の形態を採る場合と同様に、出力値のヒステリシスが小さくなるとともに、表面を保護膜で確実に覆って保護することが可能な高感度の圧力センサが得られる。 The thick region B shown in FIG. 12 is formed in an I shape when viewed from the thickness direction of the diaphragm 3.
The thick region B shown in FIG. 13 is formed in an L shape when viewed from the thickness direction of the diaphragm 3.
Even when the thick region B is formed as shown in FIGS. 11 to 13, the hysteresis of the output value is reduced and the surface is reliably covered with the protective film as in the case of each of the above-described embodiments. A high-sensitivity pressure sensor is obtained.

１…圧力センサ、３…ダイアフラム、４…ストッパ部材、１１…感圧部、１１ａ…下面（一方の面）、１１ｂ…上面（凹部が形成されていない面）、１３…凹部、１５ａ…外側部分（センサゲージが設けられている部分）、１５ｂ…内側部分（センサゲージが設けられていない部分）、２１…センサゲージ、２３…連通孔、Ａ…厚みが薄い領域、Ｂ…厚みが厚い領域、Ｅ１〜Ｅ４…端部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Pressure sensor, 3 ... Diaphragm, 4 ... Stopper member, 11 ... Pressure sensitive part, 11a ... Lower surface (one surface), 11b ... Upper surface (surface where no concave part is formed), 13 ... Concave part, 15a ... Outside part (A part provided with a sensor gauge), 15b ... an inner part (a part not provided with a sensor gauge), 21 ... a sensor gauge, 23 ... a communication hole, A ... a thin area, B ... a thick area, E1 to E4 ... end portions.

Claims (5)

感圧部を有するダイアフラムを備え、
前記感圧部は、表面と裏面とのうち一方の面に凹部が形成されることにより厚みが厚い領域と薄い領域とに分けられ、
前記感圧部の厚みが厚い領域であって、表面と裏面とのうち前記凹部が形成されていない面にピエゾ抵抗素子を含むセンサゲージが設けられていることを特徴とする圧力センサ。 Equipped with a diaphragm having a pressure-sensitive part,
The pressure-sensitive portion is divided into a thick region and a thin region by forming a concave portion on one of the front surface and the back surface,
A pressure sensor, wherein a sensor gauge including a piezoresistive element is provided in a region where the concave portion is not formed among a front surface and a rear surface in a region where the thickness of the pressure-sensitive portion is large. 請求項１記載の圧力センサにおいて、
前記厚みが厚い領域は、前記ダイアフラムの厚み方向から見て前記感圧部の中心と、前記中心から離間した複数の端部とを結ぶ形状に形成され、
前記複数の端部は、前記ダイアフラムの厚み方向から見て前記センサゲージの形成範囲より大きく形成され、
前記センサゲージは、前記複数の端部にそれぞれ設けられていることを特徴とする圧力センサ。 The pressure sensor according to claim 1,
The thick region is formed in a shape that connects the center of the pressure-sensitive portion as viewed from the thickness direction of the diaphragm and a plurality of ends separated from the center,
The plurality of ends are formed to be larger than the formation range of the sensor gauge when viewed from the thickness direction of the diaphragm,
The pressure sensor, wherein the sensor gauge is provided at each of the plurality of ends. 請求項２記載の圧力センサにおいて、
前記厚みが厚い領域における前記センサゲージが設けられていない部分は、前記ダイアフラムの厚み方向から見て、前記センサゲージが設けられている部分に較べて細く形成されていることを特徴とする圧力センサ。 The pressure sensor according to claim 2,
A pressure sensor in which a portion where the sensor gauge is not provided in a region where the thickness is large is formed to be thinner than a portion where the sensor gauge is provided when viewed from a thickness direction of the diaphragm. . 請求項１ないし請求項３のうちいずれか一つに記載の圧力センサにおいて、
さらに、前記ダイアフラムの前記凹部が形成されていない面に接合されたストッパ部材を備え、
前記ストッパ部材は、前記感圧部と対向する部位に凹曲面によって形成された凹部を有し、
前記凹部は、変形した前記感圧部に倣う形状に形成されていることを特徴とする圧力センサ。 The pressure sensor according to any one of claims 1 to 3,
Further, a stopper member joined to a surface of the diaphragm where the concave portion is not formed,
The stopper member has a concave portion formed by a concave curved surface at a portion facing the pressure-sensitive portion,
The pressure sensor is characterized in that the recess is formed in a shape following the deformed pressure-sensitive portion. 請求項４記載の圧力センサにおいて、
前記ストッパ部材は、前記凹部の内外を連通する連通孔を有し、
前記感圧部は、変形することにより前記厚みが厚い領域が前記連通孔と重なるように形成されていることを特徴とする圧力センサ。 The pressure sensor according to claim 4,
The stopper member has a communication hole that communicates inside and outside of the concave portion,
The pressure sensor is characterized in that the pressure-sensitive portion is formed such that the thick region overlaps with the communication hole when deformed.
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