JP2615887B2 - 半導体圧力センサ - Google Patents

半導体圧力センサ

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JP2615887B2 JP63190878A JP19087888A JP2615887B2 JP 2615887 B2 JP2615887 B2 JP 2615887B2 JP 63190878 A JP63190878 A JP 63190878A JP 19087888 A JP19087888 A JP 19087888A JP 2615887 B2 JP2615887 B2 JP 2615887B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は多結晶シリコン歪ゲージを用いた半導体圧
力センサに関するものである。
[従来技術及び課題] 従来から単結晶シリコン歪ゲージを用いた半導体圧力
センサが使用されている。同センサにおいては、その歪
みゲージが平面応力の主軸方向に配置され、その応力印
加時の抵抗変化率ΔR/Rは ただし、 R;応力が印加されていない場合の抵抗値 ΔR;応力による抵抗値の変化量 πl;縦方向(電流印加方向)ピエゾ抵抗係数 πt;横方向ピエゾ抵抗係数 σl;歪ゲージ縦方向応力 σt;歪ゲージ横方向応力 で表わされる。
一方、低消費電力用圧力センサ、高温度用圧力センサ
として多結晶シリコン歪ゲージを用いた半導体圧力セン
サが使用されている。当該センサにおいては、横方向ピ
エゾ抵抗係数πは縦方向ピエゾ抵抗係数πと符号が
反対で、その大きさは縦方向ピエゾ抵抗係数πの1/3
〜1/2程度である。又、通常、歪ゲージは4個1組にし
てホイートストンブリッジを構成し、出力がプッシュプ
ルとなるように抵抗が増加するものと減少するものを2
つづつ組合せその一方をダイヤフラムの中央部に他方は
ダイヤフラム周辺部に配置し、歪ゲージ縦方向応力σ
が正(引張り応力)と負(圧縮応力)となるものを用意
していた。しかしながら、ダイヤフラム中央部ではσ
=σであるため、上記(1)式の第2項は常に抵抗の
変化率ΔR/R、即ちセンサの出力電圧を下げるように働
いていた。
この発明の目的は、ダイヤフラム中央部でも横方向
(電流印加直交方向)の悪影響を抑制してセンサ出力を
向上させることができる多結晶シリコン歪ゲージを用い
た半導体圧力センサを提供することにある。
[課題を解決するための手段] この発明は、基板に形成された薄肉のダイヤフラム
と、前記ダイヤフラム上に配置された多結晶シリコン歪
ゲージとを備えた半導体圧力センサにおいて、前記ダイ
ヤフラムの形状を、縦の長さと横の長さの比が1.5以上
とした長方形とし、ダイヤフラム上に配置される少なく
とも1つの多結晶シリコン歪ゲージは、ダイヤフラムの
中央部において歪ゲージの長手方向がダイヤフラムの短
軸方向と平行に配置されている半導体圧力センサをその
要旨としている。
[作用] 縦の長さと横の長さの比が1.5以上としたダイヤフラ
ムを使用ることにより、ダイヤフラム中央部でも歪ゲー
ジ横方向応力σを歪ゲージ縦方向応力σに比べ小さ
くでき、上記(1)式の第2項による抵抗の変化率ΔR/
R低下、即ちセンサの出力電圧を下がるの抑制する。
又、長方形のダイヤフラムとしたことにより、中央部
の応力に異方性が備わったため、ダイヤフラム中央部に
配置した多結晶シリコン歪ゲージのように縦方向と横方
向の歪感度の符号が反対でお互いの大きさを無視できな
い歪ゲージでは、前記式(1)中、第2項の影響が少な
くなり、この結果、センサの出力電圧が上がり、すなわ
ち、実効感度が上げられる。
[実施例] 以下、この発明を具体化した一実施例を図面に従って
説明する。
第1図は本実施例の半導体圧力センサの平面図を示
し、第2図は第1図のA−A断面を示す。
シリコン基板1は(110)又は(100)面の単結晶シリ
コン基板が使用される。尚、このシリコン基板1の導電
型はP型でもN型でもよく、又、抵抗率も任意に選ぶこ
とができる。
このシリコン基板1の中央部には薄肉のダイヤフラム
2が形成されている。そのダイヤフラム2は長方形をな
し、その短辺の長さaが1mmで長辺の長さbが2mmとな
り、その厚さが0.1mmとなっている。このダイヤフラム
2(薄肉部)の形成は、シリコン基板1の裏面全面にシ
リコン窒化物(p−SiN)を形成し、フォトリソグラフ
ィ、ドライエッチング法により長方形の開口部を形成
し、そのシリコン基板1開口部をKOH水溶液(33vol%,8
2℃)にて所望の深さまでエッチングすることにより行
なわれる。
このとき、シリコン基板1に(110)面を用いる場合
はダイヤフラム2の長方形の短辺が<110>方向と平行
になるようにし、又、(100)面を用いる場合も長方形
の短辺が<110>方向と平行になるようにする。
シリコン基板1の上面における全面には厚さが約5000
Åのシリコン酸化膜(SiO2)3が形成され、当該膜3に
より後記多結晶シリコン歪ゲージ4,5をシリコン基板1
から絶縁する。このシリコン酸化膜3は約1000℃の水蒸
気中で熱酸化することにより形成される。
前記ダイヤフラム2の中央部におけるシリコン酸化膜
3上には多結晶シリコン歪ゲージ4がゲージ長手方向が
ダイヤフラム2の短軸と平行になるように2つ配置され
るとともに、ダイヤフラム2の外周部におけるシリコン
酸化膜3上には多結晶シリコン歪ゲージ5がゲージ長手
方向がダイヤフラム2の短軸と平行になるように2つ配
置されている。この多結晶シリコン歪ゲージ4,5は前記
シリコン酸化膜3上にCVD法により多結晶シリコン膜を
形成した後にフォトリソグラフィ、ドライエッチング法
により所望の形状にパターンニングし、さらに、イオン
注入法によりボロンをドーピングることにより形成され
る。
又、各多結晶シリコン歪ゲージ4,5は多結晶ポリシリ
コンよりなる配線材料6を介してアルミ電極7が取出さ
れているとともに、各多結晶シリコン歪ゲージ4,5及び
配線材料6はPSG(リンガラス)膜8にて保護されてい
る。尚、第1図においてはPSG膜8の図示は省略した。
そして、配線材料6、アルミ電極7を介した各多結晶
シリコン歪ゲージ4,5にてブリッジ回路が形成され、ダ
イヤフラム2の印加圧力の変化に伴う各歪ゲージ4,5の
抵抗値の変化が電圧の変化として出力されるようになっ
ている。
このように構成した半導体圧力センサの出力特性を以
下に述べる。
本実施例を解析的手法にて考察すべく、このダイヤフ
ラム2上の応力分布をFEM(有限要素法)により解析し
た。この解析においては、50kgf/cm2の圧力をダイヤフ
ラム2の裏面から印加し、その応力を求めた。その結果
を第3図に示す。この第3図において、ダイヤフラム2
の中央部では歪ゲージ4の縦方向応力σとなるσ
12.5×102kgf/cm2となるとともに、歪ゲージ横方向応力
σとなるσが4.5×102kgf/cm2となり、σがσ
より充分小さな値となっている。
このように、ダイヤフラム2の裏面により圧力を印加
した場合、ダイヤフラム2中央の歪ゲージ4に対し次の
一軸性圧縮応力が発生していることとなる。
|σt|ν・|σl|≪|σl| ただし、ν;ポアッソン比(=0.06〜0.36) 又、この半導体圧力センサの特性を説明するために、
実際の出力電圧に影響する指標として応力利用効率を次
のように定義する。
ただし、本実施例ではπt=−0.3536(実測値) そして、この応力利用効率を用いてダイヤフラムの長
辺と短辺と比の依存性を調べた。その結果を第4図に示
す。この第4図においてダイヤフラムの中央部と周辺部
とで応力利用効率を求めている。
この第4図に示すように、ダイヤフラムの外周部では
横方向の応力が小さいため約90%の効率が得られている
が、ダイヤフラムの中央部では正方形の場合には64%し
かなかった効率が本実施例の辺の比2(短辺の長さa=
1mm、長辺の長さb=2mm)では86%まで改善されてい
る。
このように大きな引張応力が発生しているダイヤフラ
ム2の中央部において、正方形や円等の対称性の高い形
状のダイヤフラムを使用する場合にはσ=σで等方
的な応力になっているために、引張応力が発生する場所
の歪ゲージは横方向の応力により抵抗の変化率ΔR/Rが
減少してしまうが、本実施例においては、歪ゲージ横方
向応力σが歪ゲージ縦方向応力σより充分小さな値
にでき一軸性応力が得られ、ダイヤフラム中央部でも横
方向の悪影響を抑制してセンサ出力を向上させることが
できる。又、上記のように定義した応力利用効率を使用
することによりダイヤフラム2中央部で正方形の場合に
は64%しかなかった応力利用効率が本実施例の辺の比2
(短辺の長さa=1mm、長辺の長さb=2mm)では86%ま
で改善することができる。
尚、この発明は上記実施例に限定されることなく、上
記実施例ではダイヤフラム2の短辺と長辺との比率を1:
2としたが、第4図から明らかなように長辺/短辺=1.5
以上ならば応力利用効率を80%以上とすることができる
ので、長辺/短辺=1.5以上であればよい。ただし、短
辺と長辺との比率を大きくすることにより飽和値となる
ダイヤフラム2の外周部での応力利用効率90%に近づけ
ることができるが、長辺/短辺が3以上ではチップ面積
が大きくなってしまうために実用性に乏しいものとな
る。
又、ダイヤフラムの形状は長方形の他にも、例えば第
5図に示すように楕円や第6図に示すように長孔形状で
もよい。要するに、縦の長さLaと横の長さLbの比が1.5
以上としたものであればよい。
[発明の効果] 以上詳述したように、この発明によれば、多結晶シリ
コン歪ゲージを用いた半導体圧力センサにおいて、ダイ
ヤフラム中央部でも横方向(電流印加直交方向)の悪影
響を抑制してその出力を向上させることができる。
又、長方形のダイヤフラムとしたことにより、中央部
の応力に異方性が備わったため、中央部に配置した多結
晶シリコン歪ゲージのように縦方向と横方向の歪感度の
符号が反対でお互いの大きさを無視できない歪ゲージの
実効感度を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明を具体化した半導体圧力センサの平面
図、第2図は第1図のA−A断面図、第3図はFEMによ
る解析結果を示す図、第4図は長辺/短辺と応力利用効
率の関係を示す図、第5図は別例のダイヤフラムの形状
を示す図、第6図は別例のダイヤフラムの形状を示す図
である。 1はシリコン基板、2はダイヤフラム、4は多結晶シリ
コン歪ゲージ、5は多結晶シリコン歪ゲージ。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板に形成された薄肉のダイヤフラムと、 前記ダイヤフラム上に配置された多結晶シリコン歪ゲー
    ジと を備えた半導体圧力センサにおいて、 前記ダイヤフラムの形状を、縦の長さと横の長さの比が
    1.5以上とした長方形とし、ダイヤフラム上に配置され
    る少なくとも1つの多結晶シリコン歪ゲージは、ダイヤ
    フラムの中央部において歪ゲージの長手方向がダイヤフ
    ラムの短軸方向と平行に配置されていることを特徴とす
    る半導体圧力センサ。
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