JP2021039042A - Pressure sensing element and pressure sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧力感知素子及び圧力センサに関するものである。 The present invention relates to a pressure sensing element and a pressure sensor.
近年、血圧計、ＣＰＡＰ（Continuous Positive Airway Pressure）装置、ＴＰＭＳ（Tire Pressure Monitoring System）、ＭＡＰ（Manifold Air Pressure）センサ等様々な装置にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて形成された圧力センサが用いられている。
このような圧力センサは、半導体基板からなる圧力感知素子の一部を裏面からエッチングすることによりダイアフラムを形成し、当該ダイアフラム上に、ダイアフラムの歪みを抵抗の変化として検知するピエゾ抵抗を設けて形成されている。
これによって、圧力が加えられた際のダイアフラムの歪みによるピエゾ抵抗の電気抵抗の変化を検出することで、圧力を測定することが可能となる。
In recent years, pressure sensors formed using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology in various devices such as sphygmomanometers, CPAP (Continuous Positive Airway Pressure) devices, TPMS (Tire Pressure Monitoring System), and MAP (Manifold Air Pressure) sensors. Is used.
Such a pressure sensor is formed by forming a diaphragm by etching a part of a pressure sensing element made of a semiconductor substrate from the back surface, and providing a piezoresistive effect on the diaphragm to detect distortion of the diaphragm as a change in resistance. Has been done.
This makes it possible to measure the pressure by detecting the change in the electrical resistance of the piezoresistive effect due to the distortion of the diaphragm when the pressure is applied.
このような圧力センサにおいては、微細な圧力の変化を検出可能とするためには、検出感度を向上することが重要となり、また、検出誤差を小さくするためには、出力の直線性を向上することが重要となる。
そこで、検出感度及び出力直線性を向上するため、ダイアフラムの表面を一部を残してエッチング加工等により除去することで、ダイアフラム上に、表面が除去され、膜厚が薄くなった部分である溝部と、表面が除去されておらず、溝部と比較して膜厚が厚い部分である略十字状の梁部と、を形成したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
In such a pressure sensor, it is important to improve the detection sensitivity in order to be able to detect minute changes in pressure, and to improve the linearity of the output in order to reduce the detection error. Is important.
Therefore, in order to improve the detection sensitivity and output linearity, the surface of the diaphragm is removed by etching or the like leaving a part of the surface of the diaphragm, so that the surface is removed on the diaphragm and the film thickness is reduced. And, it is known that the surface is not removed and a substantially cross-shaped beam portion, which is a portion having a thicker film thickness than the groove portion, is formed (see, for example, Patent Document 1).
また、同様に検出感度及び出力直線性を向上するため、溝部及び梁部に加え、ダイアフラムの中央部に、矩形状又は円形状に表面が除去されていない部分を残してボスを形成し、梁部を、このようなボスとダイアフラム周囲のフレームとを接続するように形成したものが知られている（例えば、特許文献２参照）。 Similarly, in order to improve the detection sensitivity and output linearity, in addition to the groove and the beam, a boss is formed in the center of the diaphragm, leaving a rectangular or circular surface whose surface has not been removed, to form a beam. It is known that the portion is formed so as to connect such a boss and a frame around the diaphragm (see, for example, Patent Document 2).
特許文献１に記載の圧力センサにおいては、検出感度については十分に向上することが可能であるものの、出力直線性の向上が十分ではなかった。
また、特許文献２に記載の圧力センサにおいては、ダイアフラム上のボスによって、特許文献１に記載の圧力センサと比較して出力直線性は向上できるものの、ダイアフラムのボス部分の変形が抑制されることから、検出感度の向上が十分ではなかった。
In the pressure sensor described in
Further, in the pressure sensor described in Patent Document 2, the boss on the diaphragm can improve the output linearity as compared with the pressure sensor described in
本発明の課題は、検出感度と、出力の直線性とを両立させた圧力センサを提供することである。 An object of the present invention is to provide a pressure sensor that has both detection sensitivity and output linearity.
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、
半導体基板を用いて形成された圧力感知素子であって、
フレームと、前記フレームに支持されるダイアフラムと、前記ダイアフラムに配置されたピエゾ抵抗と、を備え、
前記ダイアフラムは、溝部と、複数の梁部と、を備え、
複数の前記梁部は、前記ダイアフラムの縁部付近と、前記ダイアフラムの中央部付近と、を結び、前記ダイアフラムの中央部付近において交わるように配置され、
前記梁部は、第１の幅に形成された幅狭部と、前記第１の幅よりも広い第２の幅に形成された幅広部と、を備えることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the invention according to
A pressure sensing element formed using a semiconductor substrate.
A frame, a diaphragm supported by the frame, and a piezoresistive effect arranged on the diaphragm are provided.
The diaphragm includes a groove portion and a plurality of beam portions.
The plurality of beam portions are arranged so as to connect the vicinity of the edge portion of the diaphragm and the vicinity of the central portion of the diaphragm and intersect with each other in the vicinity of the central portion of the diaphragm.
The beam portion is characterized by including a narrow portion formed in a first width and a wide portion formed in a second width wider than the first width.
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の圧力感知素子であって、
前記梁部の形状は、前記ダイアフラムを貫通しない範囲で形成された前記溝部によって区画されることを特徴とする。
The invention according to claim 2 is the pressure sensing element according to
The shape of the beam portion is characterized in that it is partitioned by the groove portion formed so as not to penetrate the diaphragm.
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の圧力感知素子であって、
前記梁部は、前記幅狭部から前記幅広部へと、前記梁部の幅が徐々に広くなるように形成されていることを特徴とする。
The invention according to
The beam portion is characterized in that the width of the beam portion is gradually increased from the narrow portion to the wide portion.
請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の圧力感知素子であって、
前記ピエゾ抵抗は、前記梁部の前記ダイアフラムの縁部側の端部付近に配置されていることを特徴とする。
The invention according to claim 4 is the pressure sensing element according to any one of
The piezoresistive effect is characterized in that it is arranged near the edge side end portion of the diaphragm portion of the beam portion.
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の圧力感知素子であって、
前記幅狭部は前記梁部の前記ダイアフラムの縁部側の端部付近に備えられ、前記ピエゾ抵抗は、前記幅狭部と重なる位置に配置されていることを特徴とする。
The invention according to claim 5 is the pressure sensing element according to claim 4.
The narrow portion is provided near the end portion of the beam portion on the edge side of the diaphragm, and the piezoresistive effect is arranged at a position overlapping the narrow portion.
請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれか一項に記載の圧力感知素子であって、
前記ダイアフラムの縁部には、前記溝部と比較して厚みが厚い部分である外枠部が備えられていることを特徴とする。
The invention according to claim 6 is the pressure sensing element according to any one of
The edge portion of the diaphragm is provided with an outer frame portion which is a portion thicker than the groove portion.
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の圧力感知素子であって、
前記溝部は前記ダイアフラムの縁部を避けて形成され、前記外枠部は、前記ダイアフラムの縁部を周回するように形成されていることを特徴とする。
The invention according to claim 7 is the pressure sensing element according to claim 6.
The groove portion is formed so as to avoid the edge portion of the diaphragm, and the outer frame portion is formed so as to orbit the edge portion of the diaphragm.
請求項８に記載の発明は、請求項６又は７に記載の圧力感知素子であって、
前記外枠部は、前記梁部との接続部に、前記ダイアフラムの中央部方向へと突出し、前記梁部との接続部へと徐々に幅が狭くなる突出部を備え、
前記ピエゾ抵抗は、前記梁部と前記突出部との接続部に配置されていることを特徴とする。
The invention according to claim 8 is the pressure sensing element according to claim 6 or 7.
The outer frame portion is provided with a protruding portion that projects toward the central portion of the diaphragm at the connecting portion with the beam portion and gradually narrows in width toward the connecting portion with the beam portion.
The piezoresistive device is characterized in that it is arranged at a connecting portion between the beam portion and the protruding portion.
請求項９に記載の発明は、請求項１から８のいずれか一項に記載の圧力感知素子であって、
前記梁部は、長手方向中央部付近に前記幅広部を備え、前記ダイアフラムの縁部側の端部付近及び前記ダイアフラムの中央部側の端部付近に備えられた前記幅狭部から、前記幅広部へと徐々に幅が広くなるように形成されていることを特徴とする。
The invention according to claim 9 is the pressure sensing element according to any one of
The beam portion is provided with the wide portion in the vicinity of the central portion in the longitudinal direction, and is wide from the narrow portion provided in the vicinity of the edge side end portion of the diaphragm and the vicinity of the central portion side end portion of the diaphragm. It is characterized in that it is formed so as to gradually widen into a portion.
請求項１０に記載の発明は、請求項１から８のいずれか一項に記載の圧力感知素子であって、
前記梁部は、長手方向中央部よりも前記ダイアフラムの中央部寄りの位置に前記幅広部を備え、前記ダイアフラムの縁部側の端部付近に備えられた前記幅狭部から、前記幅広部へと徐々に幅が広くなるように形成されていることを特徴とする。
The invention according to
The beam portion includes the wide portion at a position closer to the center portion of the diaphragm than the central portion in the longitudinal direction, and from the narrow portion provided near the edge side end portion of the diaphragm to the wide portion. It is characterized in that it is formed so as to gradually widen.
請求項１１に記載の発明は、請求項１から８のいずれか一項に記載の圧力感知素子であって、
前記梁部は、長手方向中央部よりも前記ダイアフラムの縁部寄りの位置に前記幅広部を備え、前記ダイアフラムの中央部側の端部付近に備えられた前記幅狭部から、前記幅広部へと徐々に幅が広くなるように形成されていることを特徴とする。
The invention according to
The beam portion includes the wide portion at a position closer to the edge portion of the diaphragm than the central portion in the longitudinal direction, and from the narrow portion provided near the end portion on the central portion side of the diaphragm to the wide portion. It is characterized in that it is formed so as to gradually widen.
請求項１２に記載の発明は、圧力センサであって、
請求項１から１１のいずれか一項に記載の圧力感知素子を備えることを特徴とする。
The invention according to
The pressure sensing element according to any one of
請求項１３に記載の発明は、請求項１２に記載の圧力センサであって、
前記圧力感知素子が実装される基板と、
圧力の感知対象となる流体を前記圧力感知素子へと導入するノズルと、
を備えることを特徴とする。
The invention according to
The substrate on which the pressure sensing element is mounted and
A nozzle that introduces a fluid to be pressure-sensitive into the pressure-sensing element,
It is characterized by having.
本発明によれば、検出感度と、出力の直線性とを両立させた圧力センサを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a pressure sensor that has both detection sensitivity and output linearity.
以下、本発明の実施の形態について、図１から図７に基づいて説明する。ただし、本発明の技術的範囲は図示例に限定されるものではなく、以下において説明する実施の形態には、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更を加えることが可能である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 7. However, the technical scope of the present invention is not limited to the illustrated examples, and various modifications can be made to the embodiments described below without departing from the spirit of the present invention.
［第１ 実施形態の構成］
実施形態に係る圧力センサ１００は、図１に示すように、圧力感知素子１と、回路部２と、基板３と、ノズル４と、を備える。
[Structure of the first embodiment]
As shown in FIG. 1, the
［１ 圧力感知素子］
圧力感知素子１は、図２及び図３に示すように、半導体基板を用いて平面視略正方形状に形成された半導体チップである。なお、本実施形態においては、圧力感知素子１のうちダイアフラム１１が形成された側を上面、その反対側を下面と定めて説明する。
[1 Pressure sensing element]
As shown in FIGS. 2 and 3, the
圧力感知素子１は、図４に示すように、上面側に形成されたシリコン（Ｓｉ）層である活性層１ａと、下面側に形成されたシリコン（Ｓｉ）層である支持層１ｂと、これらの間に二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）によって形成された絶縁層１ｃと、の３層から構成されている。
As shown in FIG. 4, the
また、圧力感知素子１は、図３及び図４に示すように、下面側中央部が空洞となっており、当該部分の上面側がダイアフラム１１を構成し、ダイアフラム１１周囲の下面側に空洞が形成されていない部分が、フレーム１２を構成している。
また、圧力感知素子１のダイアフラム１１には、図２に示すように、４か所にピエゾ抵抗１３が備えられている。
Further, as shown in FIGS. 3 and 4, the
Further, as shown in FIG. 2, the
［（１） ダイアフラム］
圧力感知素子１は、図３及び図４に示すように、下面側中央部が、活性層１ａのみが残るように平面視略正方形状にエッチング加工等により除去されている。これによって、圧力感知素子１には、上面側に活性層１ａが薄膜状に残存した部分であるダイアフラム１１が形成されている。
ダイアフラム１１は、図２及び図３に示すように、圧力感知素子１の平面視における縁部付近を除いた部分に、平面視略正方形状に形成され、厚みが薄い部分である溝部１１１と、溝部１１１と比較して厚みが厚い部分である外枠部１１２及び梁部１１３と、を備える。
[(1) Diaphragm]
As shown in FIGS. 3 and 4, the
As shown in FIGS. 2 and 3, the
［ア 溝部］
溝部１１１は、図４に示すように、ダイアフラム１１上面側の一部が、活性層１ａを貫通しない範囲でエッチング加工等により除去された部分であり、ダイアフラム１１のうち、外枠部１１２及び梁部１１３と比較して、厚みが薄くなるように形成された部分である。
溝部１１１は、図２及び図３に示すように、外枠部１１２及び梁部１１３以外のダイアフラム１１上面側の全体に、梁部１１３によって４か所に分割されるようにして形成されている。
[A groove]
As shown in FIG. 4, the
As shown in FIGS. 2 and 3, the
［イ 外枠部］
溝部１１１は、図２及び図３に示すように、ダイアフラム１１とフレーム１２との境界から間隔を空けて、ダイアフラム１１の縁部を残すように形成されている。すなわち、ダイアフラム１１の縁部には溝部１１１が形成されず、ダイアフラム１１の縁部を周回するように、活性層１ａの上面側が除去されておらず、溝部１１１と比較して厚みが厚い部分である外枠部１１２が形成されている。
[A outer frame]
As shown in FIGS. 2 and 3, the
また、外枠部１１２は、図２及び図３に示すように、略正方形状のダイアフラム１１の各辺の中央部付近に、ダイアフラム１１の中央部方向へと突出する突出部１１２１を備える。突出部１１２１は、ダイアフラム１１中央部方向へと平面視における幅が徐々に狭くなるように形成され、その先端の最も幅が狭くなる部分において、梁部１１３と接続されている。
Further, as shown in FIGS. 2 and 3, the
［ウ 梁部］
溝部１１１は、図２及び図３に示すように、平面視略正方形状のダイアフラム１１の上面側に４か所に分割されて形成され、溝部１１１の間に、ダイアフラム１１の中央部付近と、ダイアフラム１１の縁部付近（外枠部１１２）と、を結ぶようにして、活性層１ａの上面側が除去されておらず、溝部１１１と比較して厚みが厚い部分である４本の梁部１１３が形成されている。
４本の梁部１１３は、上述したように活性層１ａにエッチング加工等によって溝部１１１が形成されることによって区画され、ダイアフラム１１の中央部付近と、ダイアフラム１１の縁部付近（外枠部１１２）と、を結ぶ形状が形成される。また、４本の梁部１１３は、図２及び図３に示すように、ダイアフラム１１の中央部付近において交わるように形成され、全体として、平面視においてダイアフラム１１の中央部で交差する略十字状となるように形成されている。
[Beam]
As shown in FIGS. 2 and 3, the
As described above, the four
また、梁部１１３は、それぞれ、図２及び図３に示すように、ダイアフラム１１の縁部側及びダイアフラム１１の中央部側の両端部から、梁部１１３の長手方向の中央部へと徐々に平面視における幅が広くなるように形成されている。これにより、梁部１１３は、長手方向中央部付近に幅広部１１３１を備えると共に、ダイアフラム１１の縁部側及びダイアフラム１１の中央部側の両端部付近に幅狭部１１３２を備え、幅広部１１３１において、幅狭部１１３２よりも幅（平面視における梁部１１３の長手方向と直行する方向の長さ）が広くなるように形成されている。
Further, as shown in FIGS. 2 and 3, the
なお、ダイアフラム１１の中央部とは、平面視におけるダイアフラム１１の形状の重心位置近傍の部分のことを指す。また、ダイアフラム１１の縁部とは、ダイアフラム１１のうち周囲のフレーム１２等との境界の近傍の部分を指し、ダイアフラム１１に外枠部１１２がフレーム１２等との境界に沿って周回するように形成されている場合には、外枠部１１２が形成された部分がこれに該当する。
The central portion of the
［（２） フレーム］
圧力感知素子１は、図３及び図４に示すように、下面側中央部のみが平面視略正方形状にエッチング加工等により除去されており、圧力感知素子１の縁部は、活性層１ａ、支持層１ｂ及び絶縁層１ｃの３層が残存し、中央部のダイアフラム１１と比べて厚みが厚くなるように形成されている。当該部分がフレーム１２である。
[(2) Frame]
As shown in FIGS. 3 and 4, only the central portion on the lower surface side of the
［（３） ピエゾ抵抗］
圧力感知素子１は、図２に示すように、梁部１１３のダイアフラム１１縁部側の端部近傍の４か所に、ピエゾ抵抗１３を備える。具体的には、各梁部１１３のダイアフラム１１の縁部側の端部付近に備えられた幅狭部１１３２と重なる位置、すなわち、各梁部１１３と外枠部１１２の突出部１１２１との接続部に、梁部１１３毎に１つずつ、計４つのピエゾ抵抗１３が配置されている。
[(3) Piezoresistive effect]
As shown in FIG. 2, the
ピエゾ抵抗１３は、ダイアフラム１１上に、例えば拡散やイオン打ち込み等によって形成され、ダイアフラム１１が圧力を受けて撓んだ際に、ダイアフラム１１の撓み量に応じて発生する応力に比例して、電気抵抗率が変化するように構成されたものである。また、後述のように、４つのピエゾ抵抗１３は、ホイートストンブリッジを構成するように、回路部２によって接続されている。
The
［２ 回路部］
回路部２は、図１に示すように、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）２１と、ワイヤ２２と、を備える。
回路部２は、４つのピエゾ抵抗１３を接続してホイートストンブリッジを構成し、ピエゾ抵抗１３に電圧を印加することで、ダイアフラムの撓み量に応じて発生する応力に比例したピエゾ抵抗１３の電気抵抗率によって生じる出力電位差から、圧力を計測する。また、ＡＳＩＣ２１においては、センサ出力の校正や、駆動電圧範囲の変更等、種々の調整がなされる。
なお、このような圧力センサにおける回路部の構成は周知の技術であることから、詳細な説明は省略する。
[2 circuit section]
As shown in FIG. 1, the circuit unit 2 includes an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) 21 and a
The circuit unit 2 connects four
Since the configuration of the circuit unit in such a pressure sensor is a well-known technique, detailed description thereof will be omitted.
［３ 基板］
基板３は、図１に示すように、圧力感知素子１及び回路部２がその一面に固定される板状の部材であり、後述のノズル４と共に、圧力センサ１００の外側のケースとなる。
図１に示すように、圧力感知素子１は、基板３上に、その下面側において接続され、圧力感知素子１のダイアフラム１１及びフレーム１２と、基板３とによって囲まれた空洞が形成されている。また、基板３には、当該空洞を介して圧力感知素子1の下面側が大気と接触するように、圧力感知素子１の直下に貫通孔３１が設けられている。
これによって、ダイアフラム１１の上面側に存在する検出対象となる流体の圧力に応じて、ダイアフラム１１の上面側と下面側との間に圧力差が生じ、ダイアフラム１１が撓むこととなる。
[3 boards]
As shown in FIG. 1, the
As shown in FIG. 1, the
As a result, a pressure difference is generated between the upper surface side and the lower surface side of the
［４ ノズル］
ノズル４は、図１に示すように、基板３上に設置された圧力感知素子１及び回路部２を覆うようにして備えられ、圧力感知素子１によって圧力が感知される流体を取り込む取込口４１を備える。
基板３とノズル４とによって、取込口４１によって外部と繋がり、内部に圧力感知素子が配置された空間が形成され、当該空間内に取込口４１から導入された流体の圧力が、圧力感知素子１によって感知されることとなる。
[4 nozzles]
As shown in FIG. 1, the nozzle 4 is provided so as to cover the
The
［第２ 実施形態の効果］
本実施形態に係る圧力センサ１００によれば、圧力感知素子１のダイアフラム１１に、厚みが薄い部分である複数の溝部１１１と、溝部１１１と比較して厚みが厚い部分である複数の梁部１１３と、が形成され、かつ、梁部１１３は、梁部１１３のダイアフラム１１の縁部側の端部付近及びダイアフラム１１の中央部側の端部付近に幅狭部１１３２を備え、梁部１１３の長手方向中央部付近に、幅狭部１１３２よりも幅が広い幅広部１１３１を備える。
これによって、例えば特許文献１に記載の圧力センサのように圧力感知素子のダイアフラム上に梁部が直線状に形成された場合と比較して圧力を受けた際のダイアフラムの変形メカニズムが変化することで、圧力センサの出力直線性を向上することができる。
また、このような効果は、幅狭部１１３２から幅広部１１３１へと、梁部１１３の幅が徐々に広くなるように形成されていることで、より高めることができる。
[Effect of the second embodiment]
According to the
As a result, the deformation mechanism of the diaphragm when pressure is applied changes as compared with the case where the beam portion is linearly formed on the diaphragm of the pressure sensing element as in the pressure sensor described in
Further, such an effect can be further enhanced by forming the
また、この際、例えば特許文献２に記載の圧力センサのように圧力感知素子のダイアフラム上に、梁部に加えてボスを形成した場合と比較すると、単に梁部に幅広部を設けたのみの構成であるため、ダイアフラム上の溝部の面積の低下を抑制することができる。
圧力センサの感度は、圧力感知素子のダイアフラムの変形量、すなわち圧力を受けた際の変形し易さに依存し、また、ダイアフラムは、当然に、厚みが薄い溝部の部分が変形し易いことから、圧力センサの感度は、圧力感知素子のダイアフラム上の溝部の面積の大小に影響を受けることとなる。
この点、本実施形態に係る圧力センサ１００によれば、圧力感知素子１のダイアフラム１１上における溝部の面積の低下を抑制できることから、圧力センサの出力直線性を向上しつつ、感度の低下も抑えることができる。
Further, at this time, as compared with the case where a boss is formed in addition to the beam portion on the diaphragm of the pressure sensing element as in the pressure sensor described in Patent Document 2, for example, a wide portion is simply provided on the beam portion. Since it is configured, it is possible to suppress a decrease in the area of the groove on the diaphragm.
The sensitivity of the pressure sensor depends on the amount of deformation of the diaphragm of the pressure sensing element, that is, the ease of deformation when a pressure is applied, and the diaphragm is naturally easily deformed in the portion of the groove having a thin thickness. , The sensitivity of the pressure sensor is affected by the size of the area of the groove on the diaphragm of the pressure sensing element.
In this regard, according to the
また、本実施形態に係る圧力センサ１００によれば、圧力感知素子１のピエゾ抵抗１３が、梁部１１３の幅狭部１１３２と重なる位置に配置されている。これによって、ピエゾ抵抗１３を、ダイアフラム１１の厚みが厚い梁部１１３の幅が狭く、変形し易い部分に配置できることから、感度を向上することができる。
Further, according to the
また、本実施形態に係る圧力センサ１００によれば、圧力感知素子１のダイアフラム１１の外枠部１１２が、梁部１１３との接続部に、ダイアフラム１１中央部方向へと突出し、かつ、梁部１１３との接続部へと徐々に幅が狭くなるように形成された突出部１１２１を備え、ピエゾ抵抗１３は、梁部１１３と突出部１１２１との接続部に配置されている。これによって、ピエゾ抵抗１３が配置された梁部１１３のダイアフラム１１の縁部側の端部近傍の部分を変形し易くすることができ、感度を向上することができる。
Further, according to the
また、本実施形態に係る圧力センサ１００は、圧力感知素子１のダイアフラム１１の縁部に溝部１１１が形成されず、ダイアフラム１１の縁部を周回するように、外枠部１１２が設けられている。これによって、梁部１１３のダイアフラム１１の縁部側の端部近傍に配置されたピエゾ抵抗１３が、フレーム１２から外枠部１１２の分離れた位置に配置されることから、ダイアフラム１１の変形につきフレーム１２の影響を受け難い位置に配置されることとなり、感度を向上することができる。
Further, in the
［第３ 変形例］
上記実施形態においては、図２及び図３に示すように、ダイアフラム１１の梁部１１３の長手方向中央部付近に幅広部１１３１が形成され、両端部付近に幅狭部１１３２が形成される場合につき説明したが、幅広部及び幅狭部が形成される位置は、これに限られない。
[Third variant example]
In the above embodiment, as shown in FIGS. 2 and 3, a
例えば、図５に示す変形例１に係る圧力感知素子１Ａのように、梁部１１３Ａにつき、幅広部１１３１Ａが外枠部１１２Ａとの境界部分付近に形成されるようにし、ダイアフラム１１Ａ中央部の梁部１１３Ａの交差部分付近に形成された幅狭部１１３２Ａから、ダイアフラム１１Ａの縁部方向へと徐々に幅が広くなるように形成してもよい。
この場合も、例えば特許文献１に記載の圧力センサのように圧力感知素子のダイアフラム上に梁部が直線状に形成された場合と比較して、出力直線性を向上することができる。
また、この場合、ピエゾ抵抗１３を、梁部１１３Ａの幅が狭くなる位置に配置できなくなることから、感度向上の効果は上記実施形態に係る圧力感知素子１を用いる場合と比較すれば低下するものの、例えば特許文献２に記載の圧力センサのように、圧力感知素子のダイアフラム上に、梁部に加えてボスを形成した場合と比較すれば、溝部の面積の低下が少ないことから、感度の低下も抑えることができる。
For example, as in the
Also in this case, the output linearity can be improved as compared with the case where the beam portion is linearly formed on the diaphragm of the pressure sensing element as in the case of the pressure sensor described in
Further, in this case, since the piezoresistive 13 cannot be arranged at a position where the width of the
また、例えば、図６に示す変形例２に係る圧力感知素子１Ｂのように、梁部１１３Ｂにつき、幅広部１１３１Ｂがダイアフラム１１Ｂ中央部付近の梁部１１３Ｂの交差部分付近に形成されるようにし、外枠部１１２との境界部分付近に形成された幅狭部１１３２Ｂから、ダイアフラム１１Ｂの中央部方向へと徐々に幅が広くなるように形成してもよい。
Further, for example, as in the
また、上記実施形態においては、ダイアフラム１１上の溝部１１１の形状につき、梁部１１３に面していない部分がフレーム１２に沿って直角をなす場合につき説明したが、溝部の形状はこれには限られない。
例えば、図７に示す変形例３に係る圧力感知素子１Ｃのように、ダイアフラム１１Ｃにつき、溝部１１１Ｃが、梁部１１３に面していない部分が円弧をなすように形成してもよい。
Further, in the above embodiment, regarding the shape of the
For example, as in the pressure sensing element 1C according to the third modification shown in FIG. 7, the
また、圧力感知素子の層構造は、上記３層構造に限られない。例えば、絶縁層としてのＳｉＯ２層を有しないシリコンの単層構造であってもよいし、支持層については、ガラス等の材料を用いてもよい。 Further, the layer structure of the pressure sensing element is not limited to the above three-layer structure. For example, it may have a single-layer structure of silicon that does not have two SiO layers as an insulating layer, or a material such as glass may be used for the support layer.
その他、圧力センサ１００における圧力感知素子１以外の構成（回路部２、基板３及びノズル４）については、圧力センサとして機能し得るものであれば任意であり、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記においては、圧力感知素子１のダイアフラム１１の下面側の空洞に大気を導入し、圧力感知素子１の下面側が大気と接触するようにした上で、上面側に圧力を測定する対象となる流体を導入する場合につき説明したが、基板３に貫通孔３１を設けることなく、圧力感知素子１のダイアフラム１１及びフレーム１２と、基板３とによって囲まれた空洞を低真空とするようにしてもよい。また、上記とは反対に、圧力感知素子１のダイアフラム１１の上面側の空間を大気で満たし、又は低真空とした上で、下面側の空洞内に圧力を測定する対象となる流体が導入されるようにしてもよい。
In addition, the configuration (circuit unit 2,
For example, in the above, the air is introduced into the cavity on the lower surface side of the
次に、本発明の実施例及び比較例に係る圧力センサにつき、感度及び出力直線性に係る試験を行った結果について説明する。 Next, the results of testing the sensitivity and output linearity of the pressure sensors according to the examples and comparative examples of the present invention will be described.
［第１ 実施例及び比較例の構成］
以下の実施例及び比較例に係る圧力センサを用意した。
[Structure of First Example and Comparative Example]
Pressure sensors according to the following examples and comparative examples were prepared.
［１ 実施例１］
［（１） 圧力感知素子の構成］
・層構造：活性層（Ｓｉ）１５μｍ、支持層（Ｓｉ）６２５μｍ及びその間の絶縁層（ＳｉＯ２）の３層
・圧力感知素子サイズ：平面視各辺２．０ｍｍの正方形
・ダイアフラムサイズ：平面視各辺１．５５ｍｍの正方形
・ダイアフラム厚み：梁部及び外枠部１５μｍ、溝部５μｍ（溝部深さ１０μｍ）
・ピエゾ抵抗サイズ：平面視各辺３０μｍの正方形
・梁部形状：下記の位置に幅広部を有するもの（図８（ａ）に示す圧力感知素子１Ｄ）
・梁部の幅：幅広部０．１２ｍｍ、両端部（幅狭部）０．０６ｍｍ
・幅広部の位置：Ｗ０＝０．７３ｍｍ、Ｗ２＝０．１０ｍｍ、Ｗ２／Ｗ０＝０．１４
なお、図８（ａ）に示すように、Ｗ０は溝部の外枠部に沿った端部から当該端部と平行な梁部の中心線までの距離であり、梁部の長さを示す。また、Ｗ２は溝部の外枠部に沿った端部から幅広部を通る当該端部と平行な直線までの距離であり、Ｗ２／Ｗ０は、梁部における幅広部の配置位置を示す。
・外枠部：突出部を除き幅０．０４５ｍｍ、ダイアフラムの縁部を周回するように形成
・突出部：幅が最も狭くなる梁部との接続部で幅０．０６ｍｍ、幅が最も広くなる根本の部分で幅０．１２ｍｍ
・溝部面積：１．８９ｍｍ２
［（２） 回路部の構成］
図１０に示す通り。
この場合、ダイアフラムが受けた圧力（応力）により各ピエゾ抵抗（Ｒｎ）が変化し、圧力に応じて下記計算式でＶｏｕｔを出力することとなる。
Ｖｏｕｔ＝（Ｖ＋）−（Ｖ−）
＝［Ｒ４／（Ｒ１＋Ｒ４）ｘＶＤＤ］−［Ｒ２／（Ｒ２＋Ｒ３）ｘＶＤＤ］
[1 Example 1]
[(1) Configuration of pressure sensing element]
-Layer structure: 3 layers of active layer (Si) 15 μm, support layer (Si) 625 μm and insulating layer (SiO 2 ) between them ・ Pressure sensing element size: Square with each side 2.0 mm in plan view ・ Diaphragm size: Plan view Square diaphragm thickness of 1.55 mm on each side: beam and outer frame 15 μm, groove 5 μm (
-Piezoresistive size: Square with each side of 30 μm in plan view-Beam shape: Those having a wide part at the following positions (
-Beam width: wide part 0.12 mm, both ends (narrow part) 0.06 mm
-Position of wide part: W0 = 0.73 mm, W2 = 0.10 mm, W2 / W0 = 0.14
As shown in FIG. 8A, W0 is the distance from the end portion along the outer frame portion of the groove portion to the center line of the beam portion parallel to the end portion, and indicates the length of the beam portion. Further, W2 is the distance from the end portion along the outer frame portion of the groove portion to the straight line parallel to the end portion passing through the wide portion, and W2 / W0 indicates the arrangement position of the wide portion in the beam portion.
-Outer frame part: 0.045 mm wide excluding the protruding part, formed so as to go around the edge of the diaphragm-Protruding part: 0.06 mm wide and widest at the connection part with the beam part where the width is the narrowest 0.12 mm wide at the base
・ Groove area: 1.89 mm 2
[(2) Configuration of circuit section]
As shown in FIG.
In this case, each piezoresistive effect (Rn) changes depending on the pressure (stress) received by the diaphragm, and Vout is output according to the pressure by the following formula.
Vout = (V +)-(V-)
= [R4 / (R1 + R4) x VDD]-[R2 / (R2 + R3) x VDD]
［２ 実施例２］
図８（ｂ）に示す圧力感知素子１Ｅのように、ダイアフラムの梁部の幅広部の位置を、Ｗ０＝０．７３ｍｍ、Ｗ２＝０．２０ｍｍ、Ｗ２／Ｗ０＝０．２７となる位置としたものである。なお、その他の構成は実施例１と同様である。
[2 Example 2]
As in the
［３ 実施例３］
図８（ｃ）に示す圧力感知素子１Ｆのように、ダイアフラムの梁部の幅広部の位置を、Ｗ０＝０．７３ｍｍ、Ｗ２＝０．３０ｍｍ、Ｗ２／Ｗ０＝０．４１となる位置としたものである。なお、その他の構成は実施例１と同様である。
[3 Example 3]
As in the
［４ 実施例４］
図８（ｄ）に示す圧力感知素子１Ｇのように、ダイアフラムの梁部の幅広部の位置を、Ｗ０＝０．７３ｍｍ、Ｗ２＝０．３６５ｍｍ、Ｗ２／Ｗ０＝０．５０となる位置としたものである。なお、その他の構成は実施例１と同様である。
[4 Example 4]
As in the
［５ 実施例５］
図８（ｅ）に示す圧力感知素子１Ｈのように、ダイアフラムの梁部の幅広部の位置を、Ｗ０＝０．７３ｍｍ、Ｗ２＝０．４０ｍｍ、Ｗ２／Ｗ０＝０．５５となる位置としたものである。なお、その他の構成は実施例１と同様である。
[5 Example 5]
As in the
［６ 実施例６］
図８（ｆ）に示す圧力感知素子１Ｉのように、ダイアフラムの梁部の幅広部の位置を、Ｗ０＝０．７３ｍｍ、Ｗ２＝０．４８ｍｍ、Ｗ２／Ｗ０＝０．６６となる位置としたものである。なお、その他の構成は実施例１と同様である。
[6 Example 6]
As in the
［７ 実施例７］
図８（ｇ）に示す圧力感知素子１Ｊのように、ダイアフラムの梁部の幅広部の位置を、Ｗ０＝０．７３ｍｍ、Ｗ２＝０．５０ｍｍ、Ｗ２／Ｗ０＝０．６８となる位置としたものである。なお、その他の構成は実施例１と同様である。
[7 Example 7]
As in the
［８ 実施例８］
図８（ｈ）に示す圧力感知素子１Ｋのように、ダイアフラムの梁部の幅広部の位置を、Ｗ０＝０．７３ｍｍ、Ｗ２＝０．６０ｍｍ、Ｗ２／Ｗ０＝０．８２となる位置としたものである。なお、その他の構成は実施例１と同様である。
[8 Example 8]
As in the
［９ 実施例９］
図８（ｉ）に示す圧力感知素子１Ｌのように、ダイアフラムの梁部の幅広部の位置を、Ｗ０＝０．７３ｍｍ、Ｗ２＝０．６７ｍｍ、Ｗ２／Ｗ０＝０．９２となる位置としたものである。なお、その他の構成は実施例１と同様である。
[9 Example 9]
Like the
［１０ 比較例１］
図９（ａ）に示す圧力感知素子１Ｍのように、ダイアフラムの梁部１１３Ｃを幅０．０６ｍｍの直線状としたものである。なお、その他の構成は実施例１と同様である。この場合、溝部面積は１．９８ｍｍ２となる。
[10 Comparative Example 1]
Like the
［１１ 比較例２］
図９（ｂ）に示す圧力感知素子１Ｎのように、ダイアフラムの梁部１１３Ｄを幅０．０６ｍｍの直線状とし、かつ、ダイアフラム中央部に、梁と同様の厚みとなるように各辺０．５ｍｍの略正方形状のボス１１４を形成したものである。なお、その他の構成は実施例１と同様である。この場合、溝部面積は１．７７ｍｍ２となる。
[11 Comparative Example 2]
As in the
［第２ 試験方法］
上記実施例及び比較例に係る圧力センサについて、以下の条件下で、スパン電圧（ｍＶ）及び出力直線性（％ＦＳ）を算出した。
・気温：常温（２５°Ｃ）
・電源電圧：３．３Ｖ
・印加圧力：０〜−４ｋＰａ（圧力感知素子下面（支持層側）より印加）
・スパン電圧 ：−４ｋＰａ印加時出力
・出力直線性：ワースト値
[Second test method]
For the pressure sensors according to the above Examples and Comparative Examples, the span voltage (mV) and the output linearity (% FS) were calculated under the following conditions.
・ Temperature: Normal temperature (25 ° C)
・ Power supply voltage: 3.3V
-Applied pressure: 0 to -4 kPa (applied from the lower surface (support layer side) of the pressure sensing element)
・ Span voltage: Output when -4kPa is applied ・ Output linearity: Worst value
［第３ 試験結果］
試験の結果を図１１から図１３に示す。
[Third test result]
The test results are shown in FIGS. 11 to 13.
［第４ 評価］
実施例１から９と比較例１との比較から、梁部の形状を、直線状から幅広部及び幅狭部を有する形状とすることで、出力直線性を向上することができることが分かる。
[4th evaluation]
From the comparison between Examples 1 to 9 and Comparative Example 1, it can be seen that the output linearity can be improved by changing the shape of the beam portion from a linear shape to a shape having a wide portion and a narrow portion.
また、実施例１から９と比較例２との比較から、ダイアフラムにボスを設ける場合と比較して、梁部に幅広部を設ける構成とした方が、出力直線性を向上させつつ、感度の低下を抑制できることが分かる。すなわち、実施例１から９においては、ダイアフラムにボスを設けた比較例２と比較すれば出力直線性の向上の効果は弱まっているものの、上記のように比較例１と比較すれば向上できており、かつ、実施例１から９のいずれも、スパン電圧については比較例２と比較して高い値を示している。 Further, from the comparison between Examples 1 to 9 and Comparative Example 2, the configuration in which the wide portion is provided in the beam portion is more sensitive than the case where the boss is provided in the diaphragm while improving the output linearity. It can be seen that the decrease can be suppressed. That is, in Examples 1 to 9, although the effect of improving the output linearity is weaker than that of Comparative Example 2 in which the boss is provided on the diaphragm, it can be improved as compared with Comparative Example 1 as described above. In addition, all of Examples 1 to 9 show higher values for the span voltage as compared with Comparative Example 2.
また、実施例１から９の比較により、幅広部の位置をダイアフラムの縁部側に近づけることにより感度向上の効果が高まり、幅広部の位置をダイアフラム中央部側に近づけることにより、出力直線性向上の効果が高まることが分かる。
したがって、感度の向上を重視する場合には、幅広部の位置を梁部の長手方向中央部よりもダイアフラムの縁部側に近づけることが好ましく、出力直線性の向上を重視する場合には、幅広部の位置を梁部の長手方向中央部よりもダイアフラム中央部側に近づけることが好ましく、感度の向上と出力直線性の向上とのバランスを重視する場合には、幅広部の位置を梁部の長手方向中央部付近とすることが好ましいものと言える。
なお、幅広部の位置が最もダイアフラムの縁部に近い実施例１については、実施例２から４よりもスパン電圧が低下している。これは幅広部とピエゾ抵抗が配置される梁部の端部の幅狭部（外枠部の突出部との接続部）との角度が急角度となり過ぎた場合、却ってピエゾ抵抗配置位置の応力が低下するためである。ただし、この場合においても、幅広部の位置を梁部の長手方向中央部よりもダイアフラム中央側に近づけた、実施例５から９と比較すれば、感度向上の効果は高まっている。
Further, by comparing Examples 1 to 9, the effect of improving the sensitivity is enhanced by moving the position of the wide portion closer to the edge side of the diaphragm, and the output linearity is improved by moving the position of the wide portion closer to the center side of the diaphragm. It can be seen that the effect of
Therefore, when the improvement of sensitivity is emphasized, the position of the wide portion is preferably closer to the edge side of the diaphragm than the central portion in the longitudinal direction of the beam portion, and when the improvement of output linearity is emphasized, the wide portion is wide. It is preferable that the position of the portion is closer to the central portion of the diaphragm than the central portion in the longitudinal direction of the beam portion, and when the balance between the improvement of sensitivity and the improvement of output linearity is emphasized, the position of the wide portion of the beam portion is set. It can be said that it is preferably near the central portion in the longitudinal direction.
In Example 1 in which the position of the wide portion is closest to the edge of the diaphragm, the span voltage is lower than in Examples 2 to 4. This is because if the angle between the wide part and the narrow part at the end of the beam where the piezoresist is placed (the connection part with the protruding part of the outer frame) becomes too steep, the stress at the piezoresistive position is rather stressed. This is because However, even in this case, the effect of improving the sensitivity is enhanced as compared with Examples 5 to 9 in which the position of the wide portion is closer to the center side of the diaphragm than the central portion in the longitudinal direction of the beam portion.
１００ 圧力センサ
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、１Ｇ、１Ｈ、１Ｉ、１Ｊ、１Ｋ、１Ｌ、１Ｍ、１Ｎ 圧力感知素子
１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅ ダイアフラム
１１１、１１１Ａ、１１１Ｂ、１１１Ｃ、１１１Ｄ、１１１Ｅ 溝部
１１２、１１２Ａ、１１２Ｂ 外枠部
１１２１ 突出部
１１３、１１３Ａ、１１３Ｂ、１１３Ｃ、１１３Ｄ 梁部
１１３１、１１３１Ａ、１１３１Ｂ 幅広部
１１３２、１１３２Ａ、１１３２Ｂ 幅狭部
１２ フレーム
１３ ピエゾ抵抗
100
Claims (13)
フレームと、前記フレームに支持されるダイアフラムと、前記ダイアフラムに配置されたピエゾ抵抗と、を備え、
前記ダイアフラムは、溝部と、複数の梁部と、を備え、
複数の前記梁部は、前記ダイアフラムの縁部付近と、前記ダイアフラムの中央部付近と、を結び、前記ダイアフラムの中央部付近において交わるように配置され、
前記梁部は、第１の幅に形成された幅狭部と、前記第１の幅よりも広い第２の幅に形成された幅広部と、を備えることを特徴とする圧力感知素子。 A pressure sensing element formed using a semiconductor substrate.
A frame, a diaphragm supported by the frame, and a piezoresistive effect arranged on the diaphragm are provided.
The diaphragm includes a groove portion and a plurality of beam portions.
The plurality of beam portions are arranged so as to connect the vicinity of the edge portion of the diaphragm and the vicinity of the central portion of the diaphragm and intersect with each other in the vicinity of the central portion of the diaphragm.
The beam portion is a pressure sensing element including a narrow portion formed in a first width and a wide portion formed in a second width wider than the first width.
前記ピエゾ抵抗は、前記梁部と前記突出部との接続部に配置されていることを特徴とする請求項６又は７に記載の圧力感知素子。 The outer frame portion is provided with a protruding portion that projects toward the central portion of the diaphragm at the connecting portion with the beam portion and gradually narrows in width toward the connecting portion with the beam portion.
The pressure sensing element according to claim 6 or 7, wherein the piezoresistive effect is arranged at a connecting portion between the beam portion and the protruding portion.
圧力の感知対象となる流体を前記圧力感知素子へと導入するノズルと、
を備えることを特徴とする請求項１２に記載の圧力センサ。 The substrate on which the pressure sensing element is mounted and
A nozzle that introduces a fluid to be pressure-sensitive into the pressure-sensing element,
12. The pressure sensor according to claim 12.
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