JP2573540Y2 - 半導体圧力センサ - Google Patents

半導体圧力センサ

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JP2573540Y2
JP2573540Y2 JP1993031577U JP3157793U JP2573540Y2 JP 2573540 Y2 JP2573540 Y2 JP 2573540Y2 JP 1993031577 U JP1993031577 U JP 1993031577U JP 3157793 U JP3157793 U JP 3157793U JP 2573540 Y2 JP2573540 Y2 JP 2573540Y2
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圭三 大谷
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Description

【考案の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本考案は差圧あるいは圧力を検出
する半導体圧力センサに関する。
【0002】
【従来の技術】従来、この種の半導体圧力センサとして
はSi(シリコン)半導体ダイヤフラムを利用したもの
が知られている。このSiダイヤフラム型半導体圧力セ
ンサは、半導体結晶からなる基板(以下半導体基板とい
う)の表面に不純物の拡散もしくはイオン打ち込み技術
によりピエゾ抵抗領域として作用するゲージを形成する
と共に、Alの蒸着等によりリードを形成し、裏面の一
部をエッチングによって除去することにより厚さ20μ
m〜50μm程度の薄肉部、すなわちダイヤフラム部を
形成して構成したもので、ダイヤフラム部の表裏面に測
定圧力をそれぞれ加えると、ダイヤフラム部の変形に伴
いゲージの比抵抗が変化し、この時の抵抗変化に伴う出
力電圧を検出し、差圧または圧力を測定するものであ
る。
【0003】図2および図3はこのような半導体圧力セ
ンサの従来例を示す平面図および断面図で、半導体基板
1は(100)面のn型単結晶Siからなり、エッチン
グによりその裏面中央部を除去されることにより差圧ま
たは圧力に感応する薄肉円板状の感圧ダイヤフラム部2
を備え、またこのダイヤフラム部2の表面側にピエゾ領
域として作用し差圧または圧力を検出する差圧検出用ゲ
ージ3(3A,3B)が設けられ、バックプレート4上
に静電接合されている。バックプレート4は、半導体基
板1と熱膨張係数が近似したパイレックスガラス、セラ
ミックス等によって形成され、中央には前記半導体基板
1の裏面に形成された凹陥部5を介してダイヤフラム部
2の裏面側に測定すべき圧力P1 ,P2 のうちの一方
(P1 )を導く貫通孔6が形成されている。
【0004】前記差圧検出用ゲージ3は、前記感圧ダイ
ヤフラム部2の表面で差圧または圧力の印加時にダイヤ
フラム部2に発生する半径方向と周方向の応力が最大と
なる周縁部寄りに拡散またはイオン打ち込み法によって
4つ形成されており、ホイールストーンブリッジに結線
されることでダイヤフラム部2の表裏面に加えられた測
定すべき圧力P1 ,P2 の差圧信号を差動的に出力す
る。測定差圧または圧力はそれぞれ最大140Kgf/
cm2 ,420Kgf/cm2 程度である。また、4つ
の差圧検出用ゲージ3のうち半径方向の2つの差圧検出
用ゲージ3Aは、折り返しゲージを形成することで、低
濃度(1019 個/cm3 )で所定のシート抵抗を有
し、結晶面方位(100)においてピエゾ抵抗係数が最
大となる<110>の結晶軸方向と平行な2つのゲージ
部3a,3aと、ゲージ部3a,3aの一端を互いに連
結する連結部3bと、ゲージ部3a,3aの他端にそれ
ぞれ接続された2つのリードアウト部3c,3cとから
なり、連結部3bとリードアウト部3c,3cがゲージ
部3a,3aに対するこれらの影響を除くため一般に高
濃度(1021 個/cm3 )の導電型(p+ 型)半導体
物質領域を形成している。一方、接線方向の2つの差圧
検出用ゲージ3Bは、折り返しゲージを形成せず、低濃
度(1019 個/cm3 )で所定のシート抵抗を有し、
結晶面方位(100)においてピエゾ抵抗係数が最大と
なる<110>の結晶軸方向と平行な1つのゲージ部3
aと、ゲージ部3aの端部にそれぞれ接続され高濃度
(1021 個/cm3 )の導電型(p+ 型)半導体物質
領域を形成する2つのリードアウト部3c,3cとで構
成されている。
【0005】差圧検出用ゲージ3のピエゾ抵抗係数はp
型、n型共に半導体基板1への不純物のドーピング量が
多くなるにつれて低下する。このため、差圧検出用ゲー
ジ3の比抵抗の変化率を大きくして、圧力に対する感度
を上げ大きな出力電圧を得るには不純物濃度を低く設定
する。また、ピエゾ抵抗係数は、p型と,n型で異な
り、p型のほうがより大きく、このためn型半導体上に
p型抵抗層を設けるのが一般的である。
【0006】差圧検出用ゲージ3の出力電圧は、ダイヤ
フラム部2の形状、肉厚、差圧検出用ゲージ3の形成位
置、ゲージ自体の向き等によっても異なる。例えば、向
きについていえば、結晶面方位(001)のSi上にゲ
ージを設ける場合、ピエゾ抵抗係数が最大になる向きは
<110>の結晶軸方向であるため、この方向に差圧検
出用ゲージ3を形成することが望ましい。但し、接線方
向の差圧検出用ゲージ3Bについてみれば、1本の細長
い帯状体に形成されているので、図2から明らかなよう
にダイヤフラム部2の中心0からゲージ部中央までの半
径Rと、ゲージ部端までの半径R1 とでは異なり(R1
>R)、そのため半径R1 とRの位置ではゲージ部3a
に加わる応力も異なっている。なお、半径方向の差圧検
出用ゲージ3Aについても前記中心0から各端部までの
距離が異なるので、接線方向のゲージ3Bと全く同様で
ある。
【0007】図4は接線方向の差圧検出用ゲージ3の応
力分布を示す図で、σr は半径方向の応力、σθは円周
方向の応力である。この図からも明らかなようにゲージ
部中央とゲージ部端に加わる応力は異なり、応力分布に
広がりをもっている。出力電圧は応力の差|σr −σθ
|に比例し、応力分布の広がりが小さい程大出力が得ら
れる。
【0008】なお、図1において7a,7bは蒸着によ
って形成されたアルミニウムからなるリードで、これら
リード7a,7bの一端は各リードアウト部3c,3c
にそれぞれ接続されている。8は差圧信号取出し用端子
部、9は差圧検出用電源端子部である。
【0009】
【考案が解決しようとする課題】上記した従来の半導体
圧力センサにおいて、差圧検出用ゲージ3は圧力に感応
するよう結晶面方位(001)におけるピエゾ抵抗係数
が最大となる結晶軸方向(<110>)に揃えて形成さ
れている。しかしながら、ダイヤフラム部2の中心0か
ら差圧検出用ゲージ3のゲージ部中央までの半径Rと、
ゲージ部端までの半径R1 とでは異なる(R1 >R)の
で、応力が広い範囲にわたって分布し、最大出力を得る
ことができないという不都合があった。
【0010】したがって、本考案は上記したような従来
の問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするとこ
ろは、ゲージ部の各部における応力を略等しくすること
ができ、最大出力を得ることができるようにした半導体
圧力センサを提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記目的を解決するため
本考案は、半導体結晶からなる基板の裏面に凹陥部を形
成することにより薄肉部を形成し、この薄肉部の主面に
半径方向および接線方向にそれぞれ一対のピエゾ抵抗素
子を設けた半導体圧力センサにおいて、前記ピエゾ抵抗
素子の夫々を複数の微少な線分に分割し、これら線分を
前記薄肉部を中心とする略同一半径上に配列したもので
ある。
【0012】
【作用】ピエゾ抵抗素子を形成する複数の微少な線分
は、応力が生じるとそれに応じた出力信号を生じる。こ
れら線分に加わる応力は、これら線分が薄肉部を中心と
する略同一半径上に配列されていることから略等しく、
したがって、略等しい出力信号を生じ、結果として最大
出力を得ることができる。
【0013】
【実施例】以下、本考案を図面に示す実施例に基づいて
詳細に説明する。図1は本考案に係る半導体圧力センサ
の一実施例を示す平面図である。なお、図2および図3
と同一構成部材のものに対しては同一符号をもって示
し、その説明を省略する。本実施例はダイヤフラム部2
の外周寄りにそれぞれ2つずつ配設される半径および接
線方向の差圧検出用ゲージ(ピエゾ抵抗素子)3A,3
Bの各ゲージ部3aを複数、例えば4つの微少な線分3
0a〜30dにそれぞれ分離分割し、これら線分30a
〜30dをダイヤフラム部2の中心0から略同一の半径
R上に配列すると共に、これら線分間を連結部3bで接
続して構成したものである。線分30a〜30dの向き
は、結晶面方位(001)のSi上に差圧検出用ゲージ
3A,3Bを設ける場合、ピエゾ抵抗係数が最大になる
向き、すなわち<110>の結晶軸方向と全て一致して
いる。各線分30a〜30dの長さは、略等しいことが
望ましいが、かならずしもこれに限定されるものではな
く、これら線分30a〜30dの全長が図2に示した従
来のゲージにおけるゲージ部の全長と略等しいものであ
ればよい。なお、その他の構成は図2および図3に示し
た従来の半導体圧力センサと同様である。
【0014】このような構成からなる半導体圧力センサ
において、各差圧検出用ゲージ3A,3Bのゲージ部3
aを形成する4つの線分30a〜30dは、応力が生じ
た場合、それに応じて抵抗値が変化し出力信号をそれぞ
れ生じる。この場合、これら線分30a〜30dの長さ
が全て等しいとすると、線分30a〜30dに加わる応
力は、これら線分がダイヤフラム部2の中心0から略同
一半径R上に配列されていることから全て等しく、した
がって、等しい出力信号を生じ、結果として、半径R上
の圧力センサとして最大の出力を得ることができる。
【0015】なお、上記実施例はゲージ部3aを4つの
微少な線分30a〜30dに分割した例を示したが、本
考案はこれに何等特定されるものではなく、2つ、3
つ、4つ以上等適宜数に分割することが可能である。ま
た、上記実施例は半導体基板1をn型シリコン、ピエゾ
抵抗領域であるゲージ部3aをp型シリコンによって構
成した場合について説明したが、これはp型シリコンか
らなるピエゾ抵抗体を用いた方が、n型に比較して圧力
−抵抗のリニアリティがよく、ピエゾ抵抗係数が最大と
なる(001)面、<110>結晶軸方向において対称
性の良好な正逆両方向の出力が取り出せるからである
が、本考案はこれに何等特定されるものではなく、p型
の基板にn型のピエゾ領域を形成してもよいことは勿論
である。
【0016】
【考案の効果】以上説明したように本考案に係る半導体
圧力センサは、ダイヤフラムを形成する薄肉部の外周寄
りに配設されるピエゾ抵抗素子の夫々を複数個の線分に
分割し、これら線分を前記薄肉部を中心とする略同一半
径上に配列したので、各線分に加わる応力を等しくする
ことができる。したがって、応力分布に広がりがなく、
最大出力を得ることができ、センサの検出感度を向上さ
せることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本考案に係る半導体圧力センサの一実施例を示
す平面図である。
【図2】半導体圧力センサの従来例を示す平面図であ
る。
【図3】同センサの断面図である。
【図4】ゲージ部の応力分布を示す図である。
【符号の説明】
1 半導体基板 2 ダイヤフラム部(薄肉部) 3A 半径方向の差圧検出用ゲージ 3B 接線方向の差圧検出用ゲージ 3a ゲージ部 3b 連結部 3c リードアウト部 4 バックプレート 5 凹陥部 30a〜30d 線分

Claims (1)

    (57)【実用新案登録請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体結晶からなる基板の裏面に凹陥部
    を形成することにより薄肉部を形成し、この薄肉部の主
    面に半径方向および接線方向にそれぞれ一対のピエゾ抵
    抗素子を設けた半導体圧力センサにおいて、 前記ピエゾ抵抗素子の夫々を複数の微少な線分に分割
    し、これら線分を前記薄肉部を中心とする略同一半径上
    に配列したことを特徴とする半導体圧力センサ。
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