JP3251289B2 - 圧力センサ内に使用するシリコンチップ - Google Patents
圧力センサ内に使用するシリコンチップInfo
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- G01L23/08—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid operated electrically
- G01L23/18—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid operated electrically by resistance strain gauges
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- G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
- G01L9/0051—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
- G01L9/0052—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements
- G01L9/0054—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements integral with a semiconducting diaphragm
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Description
【発明の詳細な説明】 従来の技術 本発明は、請求の範囲第１項記載の種類の圧力センサ
に使用するシリコンチップを前提とするものである。ド
イツ特許出願41061020から、既に圧力センサに、特に内
燃機関の燃焼室内の圧力検出に使用するシリコンチップ
が公知である。これらのチップの場合、圧力はプランジ
ャによりシリコンチップに伝えられる。シリコンチップ
は、圧力の作用により抵抗を変化させる圧電抵抗素子を
有している。この圧電抵抗素子の信号は、同じくチップ
上に設けられた接続回路により予め処理され、リード線
によりチップ外の他の接続回路へ伝えられる。これらの
シリコンチップの場合、機械的なひずみの妨害的な影響
から接続回路を護る措置が全くとられていない。
に使用するシリコンチップを前提とするものである。ド
イツ特許出願41061020から、既に圧力センサに、特に内
燃機関の燃焼室内の圧力検出に使用するシリコンチップ
が公知である。これらのチップの場合、圧力はプランジ
ャによりシリコンチップに伝えられる。シリコンチップ
は、圧力の作用により抵抗を変化させる圧電抵抗素子を
有している。この圧電抵抗素子の信号は、同じくチップ
上に設けられた接続回路により予め処理され、リード線
によりチップ外の他の接続回路へ伝えられる。これらの
シリコンチップの場合、機械的なひずみの妨害的な影響
から接続回路を護る措置が全くとられていない。
発明の利点 これに対して、請求の範囲第１項記載の特徴を有する
本発明によるシリコンチップは、次のような利点有して
いる。すななち、圧電抵抗素子が機械応力の大きい区域
に配置され、接続回路が機械応力の小さな区域に配置さ
れている点である。この配置により、圧電抵抗素子の信
号が最大化され、接続回路の妨害が最低限に抑えられ
る。
本発明によるシリコンチップは、次のような利点有して
いる。すななち、圧電抵抗素子が機械応力の大きい区域
に配置され、接続回路が機械応力の小さな区域に配置さ
れている点である。この配置により、圧電抵抗素子の信
号が最大化され、接続回路の妨害が最低限に抑えられ
る。
請求の範囲第１項に記載の特徴を有するシリコンチッ
プは、第２項以下各項に記載の措置により、更に有利に
構成され、改善される。４個の圧電抵抗素子を圧力導入
区域の周囲に配置し、そのうちの２個は圧力導入区域に
対し素子の縦方向で配置し、他の２個は横方向に配置す
ることにより、圧電抵抗素子の信号の分析評価は、たと
えばブリッジ接続により特に簡単化される。圧力導入区
域に、等方向の２個の圧電抵抗素子を配置することによ
り、著しくスペースが節約される。シリコンチップの非
対称的な構成の場合、４個の圧電抵抗素子を１つの測定
線上に配置するのが有利である。その場合、２個は、測
定線上に素子の縦方向に配置し、２個は測定線に対し横
方向に配置する。なぜなら、そうすることにより、この
場合も、機械応力が最大の区域に同時に配置されるさい
には、４個の圧電抵抗素子とのブリッジ接続が可能にな
るからである。本発明によるシリコンチップの最も簡単
な構成は、チップの中央の圧力導入区域と、チップ縁部
の接続回路とを有する中実のシリコン片から成るもので
ある。圧力導入区域と接続回路との間の、シリコンチッ
プ上側にみぞを設けることにより、接続回路は、特に効
果的に圧力導入区域の機械応力を免れることができる。
シリコンチップの下側を構造化することにより、シリコ
ンチップの上側の接続回路は、みぞを設けるための腐食
処理による負荷を低減される。その場合、圧力導入区域
と向い合った区域だけが対応受けに載せられると、接続
回路は、特に良好に機械的に圧力導入区域から分離され
る。圧力導入区域がシリコンチップの下側でみぞに取囲
まれるようにすると、接続回路が、機械的に圧力導入区
域から分離される。しかしながら、接続回路は未だ対応
受けに接触しているので、接続回路内に生じる熱は対応
受けを介して十分に放熱される。圧電抵抗素子の区域へ
の応力集中度を高めるために、みぞにより取囲まれた区
域の中央に、更に凹所を設けておくことができる。シリ
コンチップの縁部に位置する区域のみが対応受けと結合
されている非対称的配置により、シリコンチップと対応
受けとの間の機械応力が低減せしめられる。シリコンチ
ップの下側の圧力導入区域を約270゜にわたり取囲むみ
ぞを設け、みぞに取囲まれた区域に凹所を設けることに
より、導入される力により変形されるシリコンチップ区
域が、実質的には、片側に応力が加わるたわみビームと
して構成されることになる。これに対応して、２つの平
行なみぞを設け、これらみぞの間の厚さを減少させるこ
とにより、シリコンチップの変形区域を、両側に応力が
加わるたわみビームとして構成することもできる。たわ
みビームに応力が加わるさいに、これらたわみビームの
端部に生じる機械応力は、特に簡単に計算可能であり、
シリコンチップの挙動を正確に予測可能である。
プは、第２項以下各項に記載の措置により、更に有利に
構成され、改善される。４個の圧電抵抗素子を圧力導入
区域の周囲に配置し、そのうちの２個は圧力導入区域に
対し素子の縦方向で配置し、他の２個は横方向に配置す
ることにより、圧電抵抗素子の信号の分析評価は、たと
えばブリッジ接続により特に簡単化される。圧力導入区
域に、等方向の２個の圧電抵抗素子を配置することによ
り、著しくスペースが節約される。シリコンチップの非
対称的な構成の場合、４個の圧電抵抗素子を１つの測定
線上に配置するのが有利である。その場合、２個は、測
定線上に素子の縦方向に配置し、２個は測定線に対し横
方向に配置する。なぜなら、そうすることにより、この
場合も、機械応力が最大の区域に同時に配置されるさい
には、４個の圧電抵抗素子とのブリッジ接続が可能にな
るからである。本発明によるシリコンチップの最も簡単
な構成は、チップの中央の圧力導入区域と、チップ縁部
の接続回路とを有する中実のシリコン片から成るもので
ある。圧力導入区域と接続回路との間の、シリコンチッ
プ上側にみぞを設けることにより、接続回路は、特に効
果的に圧力導入区域の機械応力を免れることができる。
シリコンチップの下側を構造化することにより、シリコ
ンチップの上側の接続回路は、みぞを設けるための腐食
処理による負荷を低減される。その場合、圧力導入区域
と向い合った区域だけが対応受けに載せられると、接続
回路は、特に良好に機械的に圧力導入区域から分離され
る。圧力導入区域がシリコンチップの下側でみぞに取囲
まれるようにすると、接続回路が、機械的に圧力導入区
域から分離される。しかしながら、接続回路は未だ対応
受けに接触しているので、接続回路内に生じる熱は対応
受けを介して十分に放熱される。圧電抵抗素子の区域へ
の応力集中度を高めるために、みぞにより取囲まれた区
域の中央に、更に凹所を設けておくことができる。シリ
コンチップの縁部に位置する区域のみが対応受けと結合
されている非対称的配置により、シリコンチップと対応
受けとの間の機械応力が低減せしめられる。シリコンチ
ップの下側の圧力導入区域を約270゜にわたり取囲むみ
ぞを設け、みぞに取囲まれた区域に凹所を設けることに
より、導入される力により変形されるシリコンチップ区
域が、実質的には、片側に応力が加わるたわみビームと
して構成されることになる。これに対応して、２つの平
行なみぞを設け、これらみぞの間の厚さを減少させるこ
とにより、シリコンチップの変形区域を、両側に応力が
加わるたわみビームとして構成することもできる。たわ
みビームに応力が加わるさいに、これらたわみビームの
端部に生じる機械応力は、特に簡単に計算可能であり、
シリコンチップの挙動を正確に予測可能である。
図面 図面には本発明の複数実施例が示されており、以下で
それらの実施例を詳説する。図１には、圧力センサ内に
用いる本発明によるシリコンチップが、また図２にはシ
リコンチップの一実施例の平面図と横断面とが示されて
いる。図３は、上面にみぞが設けられたシリコンチップ
の図、図４は、圧力導入区域と向い合った区域に設けら
れた対応受け上にのみ載置されたシリコンチップ、図５
は、下側に圧力導入区域を取囲むみぞが設けられたシリ
コンチップ、図６は、図５のシリコンチップの下側に凹
所を付加形成したもの、図７は、一方の縁区域のみが対
応受けと結合されたシリコンチップ、図８は、片側だけ
に応力が加えられるたわみビームとして構成されたシリ
コンチップ、図９は両側に応力が加わるたわみビームと
して構成されたシリコンチップの図である。
それらの実施例を詳説する。図１には、圧力センサ内に
用いる本発明によるシリコンチップが、また図２にはシ
リコンチップの一実施例の平面図と横断面とが示されて
いる。図３は、上面にみぞが設けられたシリコンチップ
の図、図４は、圧力導入区域と向い合った区域に設けら
れた対応受け上にのみ載置されたシリコンチップ、図５
は、下側に圧力導入区域を取囲むみぞが設けられたシリ
コンチップ、図６は、図５のシリコンチップの下側に凹
所を付加形成したもの、図７は、一方の縁区域のみが対
応受けと結合されたシリコンチップ、図８は、片側だけ
に応力が加えられるたわみビームとして構成されたシリ
コンチップ、図９は両側に応力が加わるたわみビームと
して構成されたシリコンチップの図である。
実施例の説明 図１は、圧力センサ内の本発明によるシリコンチップ
の用法を示したものである。この用法は、たとえば、燃
焼室圧力センサに関する後続刊行されたドイツ特許出願
41061020に記載されている。シリコンチップ20は、対応
受け38上に配置されている。圧力はプランジャ18と中間
部材36とを介してシリコンチップ20に加えられる。符号
23で示された圧力導入区域は、直接に直接部材36の下に
位置するチップ区域である。中間部材36は必ず用いなけ
ればならないものではなく、プランジャ18を直接にシリ
コンチップ上に作用させてもよい。中間部材36は、しか
し、以下の図にもシリコンチップ20のどの区域に圧力が
加わるかを示すために、示してある。更に、シリコンチ
ップ20には圧電抵抗素子21と接続回路22とが備えられて
いる。素子21と回路22との正確な配置は本発明の重要な
構成要素であり、図２から図９によって詳説される。ボ
ンド線39を介して、チップ外に位置する、図示されてい
ない接続回路への電気接続が生ぜしめられる。図１に示
した配置のユニットはケーシング内に組付けられてい
る。この配置の構成は、たとえば前述のドイツ特許出願
に記載されている。
の用法を示したものである。この用法は、たとえば、燃
焼室圧力センサに関する後続刊行されたドイツ特許出願
41061020に記載されている。シリコンチップ20は、対応
受け38上に配置されている。圧力はプランジャ18と中間
部材36とを介してシリコンチップ20に加えられる。符号
23で示された圧力導入区域は、直接に直接部材36の下に
位置するチップ区域である。中間部材36は必ず用いなけ
ればならないものではなく、プランジャ18を直接にシリ
コンチップ上に作用させてもよい。中間部材36は、しか
し、以下の図にもシリコンチップ20のどの区域に圧力が
加わるかを示すために、示してある。更に、シリコンチ
ップ20には圧電抵抗素子21と接続回路22とが備えられて
いる。素子21と回路22との正確な配置は本発明の重要な
構成要素であり、図２から図９によって詳説される。ボ
ンド線39を介して、チップ外に位置する、図示されてい
ない接続回路への電気接続が生ぜしめられる。図１に示
した配置のユニットはケーシング内に組付けられてい
る。この配置の構成は、たとえば前述のドイツ特許出願
に記載されている。
図２以下のどの図にも、中間部材36と、その下に位置
する圧力導入区域23と、圧電抵抗素子21と、接続回路22
とが示されている。簡単化の目的で、ボンド線39とプラ
ンジャ18とは省略されている。圧電抵抗素子21は、たと
えば拡散処理（Diffusionprozess）によりシリコンチッ
プ20の材料内に造出しておく。シリコンの機械的変形に
より、この拡散区域の抵抗が変化する。この抵抗の変化
は、たとえば、圧電抵抗素子21との金属製接続路を介し
て立証できる。圧電抵抗素子21はボンディング（Kontak
tierung）にもとづく縦の方向を有している。この縦方
向を、シリコンチップ20の上面に圧電抵抗素子21を配置
するさいに考慮せねばならない。シリコンの圧電抵抗係
数は結晶方向に従属するからである。接続回路22を精密
に構成することは、本発明の思想にとって重要ではない
が、たとえば、圧電抵抗素子21の信号を予備分析するた
めブリッジ接続にすることが考えられる。しかし、重要
なことは、接続回路22を機械応力が低い区域に配置し
て、シリコンチップ20の材料の機械的な歪み又は変形に
より、回路22の挙動が影響されないようにすることであ
る。
する圧力導入区域23と、圧電抵抗素子21と、接続回路22
とが示されている。簡単化の目的で、ボンド線39とプラ
ンジャ18とは省略されている。圧電抵抗素子21は、たと
えば拡散処理（Diffusionprozess）によりシリコンチッ
プ20の材料内に造出しておく。シリコンの機械的変形に
より、この拡散区域の抵抗が変化する。この抵抗の変化
は、たとえば、圧電抵抗素子21との金属製接続路を介し
て立証できる。圧電抵抗素子21はボンディング（Kontak
tierung）にもとづく縦の方向を有している。この縦方
向を、シリコンチップ20の上面に圧電抵抗素子21を配置
するさいに考慮せねばならない。シリコンの圧電抵抗係
数は結晶方向に従属するからである。接続回路22を精密
に構成することは、本発明の思想にとって重要ではない
が、たとえば、圧電抵抗素子21の信号を予備分析するた
めブリッジ接続にすることが考えられる。しかし、重要
なことは、接続回路22を機械応力が低い区域に配置し
て、シリコンチップ20の材料の機械的な歪み又は変形に
より、回路22の挙動が影響されないようにすることであ
る。
図２には、一体のシリコン片100として構成された本
発明によるシリコンチップの最も簡単な実施例が示され
ている。図２の（ａ）の平面図には、４個の圧電抵抗素
子21が圧力導入区域23の周囲に配置されている様子が示
されている。この場合、２個の素子21は圧力導入区域23
に対し素子の縦方向に、他の２個は横方向に配置されて
いる。接続回路22はチップ20の縁部に配置されている。
図２の（ｂ）の横断面図からは、シリコン片100が対応
受け38と完全に結合されていることが分かる。この場合
は、冒頭に挙げた特許出願に開示された、適当な膨張係
数を有する材料の組合せを利用するのが有利である。
発明によるシリコンチップの最も簡単な実施例が示され
ている。図２の（ａ）の平面図には、４個の圧電抵抗素
子21が圧力導入区域23の周囲に配置されている様子が示
されている。この場合、２個の素子21は圧力導入区域23
に対し素子の縦方向に、他の２個は横方向に配置されて
いる。接続回路22はチップ20の縁部に配置されている。
図２の（ｂ）の横断面図からは、シリコン片100が対応
受け38と完全に結合されていることが分かる。この場合
は、冒頭に挙げた特許出願に開示された、適当な膨張係
数を有する材料の組合せを利用するのが有利である。
図３に示したシリコンチップ20は、上側にみぞが設け
られている。図３の（ａ）は平面図であり、図３の
（ｂ）と（ｃ）とは、図３（ａ）のIII−III線に沿った
横断面図である。図３（ｂ）のみぞは、図３（ａ）のみ
ぞとは別の処理によって形成された。平面図（図３
（ａ））からは、圧電抵抗素子21が圧力導入区域23内に
配置されていることが分かる。圧力導入区域23の２つの
側には、みぞ122が形成されている。シリコンチップ20
の、区域23とは反対の側には接続回路22が配置されてい
る。シリコンの圧電抵抗係数が方向従属性であるため、
双方の圧電抵抗素子21は等方向に向けられている。この
方向は任意のどの方向でもよいが、みぞ122と平行でな
いほうがよい。区域23は、たとえば円形に構成しておい
てもよい。みぞ122は、その縦方向に区域23の延びより
も明らかに長尺でなければならないだろう。図３（ｂ）
には、図３（ａ）のIII−III線に沿った断面図が示され
ている。みぞ122は長方形横断面を有している。長方形
横断面のみぞは、たとえば湿式化学的（nasschemisch）
な異方性腐食処理によって配向度110（110orientiert）
のシリコンウエファー内に形成することができる。この
腐食処理の異方性が大であるため、みぞは、その場合、
数百のオーダーの深さ・幅比が可能である。シリコンチ
ップ上のこれらのみぞの位置は、しかし、シリコンの結
晶構造と結び付いている。大体長方形の横断面を有する
みぞは、シリコンの結晶構造とは無関係に形成できる。
しかし、そのさい達成できる深さ・幅比は、湿式化学的
な腐食処理の場合より、明らかに低い値である。図３
（ｃ）には、同じくIII−III線に沿った断面図が示され
ている。この場合は、みぞ122が約70.5゜の開角を有す
るＶ字形横断面を有している。この横断面を有するみぞ
は、配向度100のシリコン内に湿式化学的な腐食処理に
よって形成できる。
られている。図３の（ａ）は平面図であり、図３の
（ｂ）と（ｃ）とは、図３（ａ）のIII−III線に沿った
横断面図である。図３（ｂ）のみぞは、図３（ａ）のみ
ぞとは別の処理によって形成された。平面図（図３
（ａ））からは、圧電抵抗素子21が圧力導入区域23内に
配置されていることが分かる。圧力導入区域23の２つの
側には、みぞ122が形成されている。シリコンチップ20
の、区域23とは反対の側には接続回路22が配置されてい
る。シリコンの圧電抵抗係数が方向従属性であるため、
双方の圧電抵抗素子21は等方向に向けられている。この
方向は任意のどの方向でもよいが、みぞ122と平行でな
いほうがよい。区域23は、たとえば円形に構成しておい
てもよい。みぞ122は、その縦方向に区域23の延びより
も明らかに長尺でなければならないだろう。図３（ｂ）
には、図３（ａ）のIII−III線に沿った断面図が示され
ている。みぞ122は長方形横断面を有している。長方形
横断面のみぞは、たとえば湿式化学的（nasschemisch）
な異方性腐食処理によって配向度110（110orientiert）
のシリコンウエファー内に形成することができる。この
腐食処理の異方性が大であるため、みぞは、その場合、
数百のオーダーの深さ・幅比が可能である。シリコンチ
ップ上のこれらのみぞの位置は、しかし、シリコンの結
晶構造と結び付いている。大体長方形の横断面を有する
みぞは、シリコンの結晶構造とは無関係に形成できる。
しかし、そのさい達成できる深さ・幅比は、湿式化学的
な腐食処理の場合より、明らかに低い値である。図３
（ｃ）には、同じくIII−III線に沿った断面図が示され
ている。この場合は、みぞ122が約70.5゜の開角を有す
るＶ字形横断面を有している。この横断面を有するみぞ
は、配向度100のシリコン内に湿式化学的な腐食処理に
よって形成できる。
図３と図２の場合、圧力導入区域23の周囲又は区域23
内に圧電抵抗素子21が配置されており、この配置は、そ
れぞれ本発明のシリコンチップの２つの実施形式として
考えられるものである。
内に圧電抵抗素子21が配置されており、この配置は、そ
れぞれ本発明のシリコンチップの２つの実施形式として
考えられるものである。
図４に示した本発明のシリコンチップの場合、下側の
区域131だけが対応受け38上に載せられている。図４
（ａ）の平面図には、４個の圧電抵抗素子21が圧力導入
区域23の周囲に配置され、接続回路は、シリコンチップ
20の、対応受けと結合されていない区域に配置された形
式のものが示されている。図４（ｂ）は、図４（ａ）の
IV−IV線に沿ってシリコンチップを切断して示した横断
面図である。圧電抵抗素子21は、圧力導入区域23の双方
の側に配置されている。その配置位置は、対応受け38と
結合されている区域131内である。図３に示した配置形
式、すなわち圧力導入区域23内に２個の素子21を配置す
る形式を使用する場合は、対応受け38と結合された区域
131は、区域23と等しい寸法にすることができる。接続
回路22は、対応受け38と結合されていないシリコンチッ
プ区域132上に配置されている。回路22は、したがっ
て、圧力が加わっても機械的な変形が生じない区域に配
置されている。図４のシリコンチップ20は、下側が腐食
処理によって構成される。図４（ｂ）に示した垂直の腐
食壁を有する実施形式は、プラズマ腐食処理を用いて製
造でき、図４（ｃ）に示した傾斜壁を有する変化形は、
配向度100のシリコンウエファー内に湿式化学的な異方
性腐食処理により製造される。図４（ｂ）に示した変化
形は、配向度110のシリコンウエファーを用いて、湿式
化学的な腐食処理により製造することもできる。ただそ
の場合には、みぞは、もはや長方形（orthogonal）とは
ならない。図４の実施例の基礎となっている本発明の思
想は、図２のシリコンチップ及び相応に構成された対応
受け38によっても実現可能である。シリコンチップ20及
び対応受け38と結合された区域131は、その場合、対応
受け38の隆起部として構成される。対応受け38がガラス
状の場合には、腐食処理により構成可能であり、対応受
け38が金属製の場合は、同じく腐食処理か、又は切削に
よる表面加工を用いることができる。製造技術上、特に
簡単に実現可能なのは、区域131の対応受け38の隆起部
を局所的に、たとえばシルクスクリーン印刷により形成
し、シリコンチップ20と対応受け38とを接着剤で接着す
ることである。
区域131だけが対応受け38上に載せられている。図４
（ａ）の平面図には、４個の圧電抵抗素子21が圧力導入
区域23の周囲に配置され、接続回路は、シリコンチップ
20の、対応受けと結合されていない区域に配置された形
式のものが示されている。図４（ｂ）は、図４（ａ）の
IV−IV線に沿ってシリコンチップを切断して示した横断
面図である。圧電抵抗素子21は、圧力導入区域23の双方
の側に配置されている。その配置位置は、対応受け38と
結合されている区域131内である。図３に示した配置形
式、すなわち圧力導入区域23内に２個の素子21を配置す
る形式を使用する場合は、対応受け38と結合された区域
131は、区域23と等しい寸法にすることができる。接続
回路22は、対応受け38と結合されていないシリコンチッ
プ区域132上に配置されている。回路22は、したがっ
て、圧力が加わっても機械的な変形が生じない区域に配
置されている。図４のシリコンチップ20は、下側が腐食
処理によって構成される。図４（ｂ）に示した垂直の腐
食壁を有する実施形式は、プラズマ腐食処理を用いて製
造でき、図４（ｃ）に示した傾斜壁を有する変化形は、
配向度100のシリコンウエファー内に湿式化学的な異方
性腐食処理により製造される。図４（ｂ）に示した変化
形は、配向度110のシリコンウエファーを用いて、湿式
化学的な腐食処理により製造することもできる。ただそ
の場合には、みぞは、もはや長方形（orthogonal）とは
ならない。図４の実施例の基礎となっている本発明の思
想は、図２のシリコンチップ及び相応に構成された対応
受け38によっても実現可能である。シリコンチップ20及
び対応受け38と結合された区域131は、その場合、対応
受け38の隆起部として構成される。対応受け38がガラス
状の場合には、腐食処理により構成可能であり、対応受
け38が金属製の場合は、同じく腐食処理か、又は切削に
よる表面加工を用いることができる。製造技術上、特に
簡単に実現可能なのは、区域131の対応受け38の隆起部
を局所的に、たとえばシルクスクリーン印刷により形成
し、シリコンチップ20と対応受け38とを接着剤で接着す
ることである。
図５に示したシリコンチップ20は、下側144にみぞ141
が設けられている。このみぞ141は、圧力導入区域３と
向い合った区域142を完全に取囲んでいる。図５（ａ）
には平面図が、図５（ｂ）と図５（ｃ）には、図５
（ａ）のＶ−Ｖ線に沿った横断面図が示されている。平
面図からは、圧力導入区域４個の圧電抵抗素子21に取囲
まれていることが分かる。この場合、圧力導入区域23内
に２個の圧電抵抗素子21を配置することも考えられる。
区域23と素子21とは、長方形のみぞ141により取囲まれ
ている。みぞ141形状は、円形又はその他の形状のもの
も考えられる。みぞ141の、区域23とは反対の側には応
力の僅かな区域143が設けられ、この区域143に接続回路
22が配置されている。図５（ｂ）に示した横断面図に
は、長方形横断面を有するみぞ141が示されている。こ
のみぞ141は、異方性プラズマ腐食処理により形成され
た。この腐食処理はシリコンの結晶方向とは無関係に行
なわれるので、平面図で見て円形のみぞ形状の場合も、
この腐食処理によって形成できる。図５（ｃ）には、配
向度100のシリコンチップ20の横断面が示されている。
このチップ20には、みぞ141が湿式化学的な異方性腐食
処理により形成されている。斜めの壁部の開角が約70.5
゜であるみぞ141の台形横断面は、腐食深さの時間的な
監視、又はシリコンウエファー上側に腐食停止層を用い
ることにより達成される。図示のみぞ141により、接続
回路22は圧力導入区域23から良好に機械的に分離され
る。接続回路22が配置されている区域143は、しかし、
機械的には対応受け38と結合されているので、接続回路
22内に発生する熱は、対応受け38を介して良好に放熱で
きる。
が設けられている。このみぞ141は、圧力導入区域３と
向い合った区域142を完全に取囲んでいる。図５（ａ）
には平面図が、図５（ｂ）と図５（ｃ）には、図５
（ａ）のＶ−Ｖ線に沿った横断面図が示されている。平
面図からは、圧力導入区域４個の圧電抵抗素子21に取囲
まれていることが分かる。この場合、圧力導入区域23内
に２個の圧電抵抗素子21を配置することも考えられる。
区域23と素子21とは、長方形のみぞ141により取囲まれ
ている。みぞ141形状は、円形又はその他の形状のもの
も考えられる。みぞ141の、区域23とは反対の側には応
力の僅かな区域143が設けられ、この区域143に接続回路
22が配置されている。図５（ｂ）に示した横断面図に
は、長方形横断面を有するみぞ141が示されている。こ
のみぞ141は、異方性プラズマ腐食処理により形成され
た。この腐食処理はシリコンの結晶方向とは無関係に行
なわれるので、平面図で見て円形のみぞ形状の場合も、
この腐食処理によって形成できる。図５（ｃ）には、配
向度100のシリコンチップ20の横断面が示されている。
このチップ20には、みぞ141が湿式化学的な異方性腐食
処理により形成されている。斜めの壁部の開角が約70.5
゜であるみぞ141の台形横断面は、腐食深さの時間的な
監視、又はシリコンウエファー上側に腐食停止層を用い
ることにより達成される。図示のみぞ141により、接続
回路22は圧力導入区域23から良好に機械的に分離され
る。接続回路22が配置されている区域143は、しかし、
機械的には対応受け38と結合されているので、接続回路
22内に発生する熱は、対応受け38を介して良好に放熱で
きる。
図６には、図５に示したシリコンチップ20の改良形式
が示されている。図６（ａ）と図６（ｂ）とは、それぞ
れ図５（ａ）のＶ−Ｖ線に沿った横断面を示したもので
ある。図６のシリコンチップ20は、図５のみぞ141のほ
かに、チップ20の下側に凹所145が付加されている。凹
所145は、圧力導入区域23と向い合った位置に設けら
れ、ほぼ等しい幾何形状を有している。みぞ141により
取囲まれるシリコンチップ20と対応受け38との面積は、
凹所145によって減少せしめられることになる。区域23
に加わる機械的な力は、このため、減少せしめられた面
積を介して対応受け38へ伝えられる。これと関連する圧
電抵抗素子21の区域での応力集中により、素子21の信号
が増強される。図６の（ａ）に示した長方形横断面を有
するみぞ141と凹所145とを有する構成は、異方性プラズ
マ腐食処理を用いて製造される。図示のように、みぞ14
1は凹所145と異なる深さを有しているので、この腐食処
理は、２つのステップに分けて行なう。図６の（ｂ）に
示した配向100のシリコンに台形の腐食みぞを設けた構
成は、湿式化学的な異方性腐食処理を用いて行なわれ
る。みぞ141と凹所145とは、深さが等しく、１ステップ
の腐食処理で形成される。３角形横断面のみぞ又は凹所
を設ける場合は、異なる深さの場合も１ステップの腐食
処理で形成できる。配向100のシリコンの場合、３角形
のみぞは実質的にはみぞ幅に左右されるからである。
が示されている。図６（ａ）と図６（ｂ）とは、それぞ
れ図５（ａ）のＶ−Ｖ線に沿った横断面を示したもので
ある。図６のシリコンチップ20は、図５のみぞ141のほ
かに、チップ20の下側に凹所145が付加されている。凹
所145は、圧力導入区域23と向い合った位置に設けら
れ、ほぼ等しい幾何形状を有している。みぞ141により
取囲まれるシリコンチップ20と対応受け38との面積は、
凹所145によって減少せしめられることになる。区域23
に加わる機械的な力は、このため、減少せしめられた面
積を介して対応受け38へ伝えられる。これと関連する圧
電抵抗素子21の区域での応力集中により、素子21の信号
が増強される。図６の（ａ）に示した長方形横断面を有
するみぞ141と凹所145とを有する構成は、異方性プラズ
マ腐食処理を用いて製造される。図示のように、みぞ14
1は凹所145と異なる深さを有しているので、この腐食処
理は、２つのステップに分けて行なう。図６の（ｂ）に
示した配向100のシリコンに台形の腐食みぞを設けた構
成は、湿式化学的な異方性腐食処理を用いて行なわれ
る。みぞ141と凹所145とは、深さが等しく、１ステップ
の腐食処理で形成される。３角形横断面のみぞ又は凹所
を設ける場合は、異なる深さの場合も１ステップの腐食
処理で形成できる。配向100のシリコンの場合、３角形
のみぞは実質的にはみぞ幅に左右されるからである。
図７に示したシリコンチップ20は、一方の縁部だけが
対応受け38と結合されている。図７の（ａ）は平面図、
図７の（ｂ）と（ｃ）とは、それぞれ図７の（ａ）のVI
I−VII線に沿った断面図である。平面図から分かるよう
に、圧電抵抗素子21は圧力導入区域23と、対応受け38に
結合された区域161との間に配置されている。接続回路2
2は、区域23の他方の側、すなわち、対応受け38と結合
されていない区域163に配置されている。圧電抵抗素子2
1は測定線24上に配置されている。この場合、測定線24
は、対応受け38と結合された区域161と、結合されてい
ない区域163との間の境界164と合致している。４個の素
子21のうちの２個は、この場合、それらの縦方向で測定
線上に配置され、他の２個は測定線に対し横方向に配置
されている。横断面図７の（ｂ）及び７の（ｃ）によ
り、素子21の境界164上での配置が分かる。圧力導入区
域23への力の導入により、結合されていない薄手の区域
163は、対応受け38方向へたわみを生じる。この場合、
最大の機械的変形したがって最大の機械応力は結合区域
161と非結合区域163との間の境界164に生じる。対応受
け38との非結合区域163には、ほとんど機械応力は加わ
らない。接続回路22は、したがって、非結合区域163に
配置しておく。図７の（ｂ）に示された実施例は、結合
区域161と非結合区域163との間に垂直の壁部を有してい
るが、この実施例は、配向度110のシリコンに湿式化学
的な異方性腐食処理、異方性プラズマ腐食処理のいずれ
によっても製造できる。図７の（ｃ）には、区域161と
区域163との間に傾斜壁部を有する実施例が示されてい
る。この実施例は、配向度100のシリコンに湿式化学的
な異方性腐食処理を用いて製造した。この場合の境界16
4は傾斜移行区域の上端と理解する。
対応受け38と結合されている。図７の（ａ）は平面図、
図７の（ｂ）と（ｃ）とは、それぞれ図７の（ａ）のVI
I−VII線に沿った断面図である。平面図から分かるよう
に、圧電抵抗素子21は圧力導入区域23と、対応受け38に
結合された区域161との間に配置されている。接続回路2
2は、区域23の他方の側、すなわち、対応受け38と結合
されていない区域163に配置されている。圧電抵抗素子2
1は測定線24上に配置されている。この場合、測定線24
は、対応受け38と結合された区域161と、結合されてい
ない区域163との間の境界164と合致している。４個の素
子21のうちの２個は、この場合、それらの縦方向で測定
線上に配置され、他の２個は測定線に対し横方向に配置
されている。横断面図７の（ｂ）及び７の（ｃ）によ
り、素子21の境界164上での配置が分かる。圧力導入区
域23への力の導入により、結合されていない薄手の区域
163は、対応受け38方向へたわみを生じる。この場合、
最大の機械的変形したがって最大の機械応力は結合区域
161と非結合区域163との間の境界164に生じる。対応受
け38との非結合区域163には、ほとんど機械応力は加わ
らない。接続回路22は、したがって、非結合区域163に
配置しておく。図７の（ｂ）に示された実施例は、結合
区域161と非結合区域163との間に垂直の壁部を有してい
るが、この実施例は、配向度110のシリコンに湿式化学
的な異方性腐食処理、異方性プラズマ腐食処理のいずれ
によっても製造できる。図７の（ｃ）には、区域161と
区域163との間に傾斜壁部を有する実施例が示されてい
る。この実施例は、配向度100のシリコンに湿式化学的
な異方性腐食処理を用いて製造した。この場合の境界16
4は傾斜移行区域の上端と理解する。
図８の（ａ）にはシリコンチップの平面図が、図８の
（ｂ）と（ｃ）には、図８の（ａ）のVIII−VIII線に沿
った横断面図が示されている。平面図から分かるよう
に、圧力導入区域23は、下側のみぞ172によって約270゜
にわたり取囲まれている。横断面図、たとえば図８の
（ｂ）からは、みぞ172により取囲まれた区域173の厚さ
が薄手にされていることが分かる。このようにして、シ
リコンチップ20は区域23がたわみビームとして構成され
る。このような構成のたわみビームは、一方の側が、み
ぞ172に取囲まれていない区域174に支承されている。支
承区域には、測定線24上に圧電抵抗素子21が配置されて
いる。素子21内に生じる機械応力を大きくするには、み
ぞ172上方のシリコンチップの残留厚を小さくしておく
必要がある。接続回路22は、みぞ172の、区域23とは反
対の側に配置されている。この区域ではシリコンチップ
の機械応力は最小である。図８の（ｂ）に示した実施例
は、異方性プラズマ腐食処理を使用して製造した。した
がって、みぞ172ないし凹所175の壁部は、シリコンチッ
プ20の上面に対しほぼ直角である。図８の（ｃ）に示し
た実施例は、配向度100のシリコンに湿式化学的な異方
性腐食処理を用いて製造した。
（ｂ）と（ｃ）には、図８の（ａ）のVIII−VIII線に沿
った横断面図が示されている。平面図から分かるよう
に、圧力導入区域23は、下側のみぞ172によって約270゜
にわたり取囲まれている。横断面図、たとえば図８の
（ｂ）からは、みぞ172により取囲まれた区域173の厚さ
が薄手にされていることが分かる。このようにして、シ
リコンチップ20は区域23がたわみビームとして構成され
る。このような構成のたわみビームは、一方の側が、み
ぞ172に取囲まれていない区域174に支承されている。支
承区域には、測定線24上に圧電抵抗素子21が配置されて
いる。素子21内に生じる機械応力を大きくするには、み
ぞ172上方のシリコンチップの残留厚を小さくしておく
必要がある。接続回路22は、みぞ172の、区域23とは反
対の側に配置されている。この区域ではシリコンチップ
の機械応力は最小である。図８の（ｂ）に示した実施例
は、異方性プラズマ腐食処理を使用して製造した。した
がって、みぞ172ないし凹所175の壁部は、シリコンチッ
プ20の上面に対しほぼ直角である。図８の（ｃ）に示し
た実施例は、配向度100のシリコンに湿式化学的な異方
性腐食処理を用いて製造した。
図９の（ａ）に平面図で示したシリコンチップ20に
は、下側183に設けられた平行のみぞ181が備えられてい
る。双方のみぞ181の間は、下側183の凹所185により厚
さが薄くされている。この薄手の区域185と残りのシリ
コンチップ区域との間の２つの境界184には、それぞれ
２つの圧電抵抗素子21が配置されている。これらの素子
21のうち、それぞれ１個が圧力導入区域23に対し素子縦
方向で、それぞれ１個が横方向で配置されている。接続
回路22は、みぞ181の、区域23とは反対の側に配置され
ている。シリコンチップ20の薄手にされた区域185は、
両側で支えられたたわみビームを形成している。区域23
に力が加わると、最大の機械応力は、このたわみビーム
の両側の支え個所に発生する。
は、下側183に設けられた平行のみぞ181が備えられてい
る。双方のみぞ181の間は、下側183の凹所185により厚
さが薄くされている。この薄手の区域185と残りのシリ
コンチップ区域との間の２つの境界184には、それぞれ
２つの圧電抵抗素子21が配置されている。これらの素子
21のうち、それぞれ１個が圧力導入区域23に対し素子縦
方向で、それぞれ１個が横方向で配置されている。接続
回路22は、みぞ181の、区域23とは反対の側に配置され
ている。シリコンチップ20の薄手にされた区域185は、
両側で支えられたたわみビームを形成している。区域23
に力が加わると、最大の機械応力は、このたわみビーム
の両側の支え個所に発生する。
ピエゾ抵抗素子21は、これらの個所に配置されてい
る。このシリコンチップ20が機械応力を素子21のところ
に集中するようにするには、シリコンチップ20の、みぞ
181上方の厚さを比較的僅かにしておく必要がある。接
続回路22は、対応受け38と良好に熱接触せしめられてい
る。図９の（ｂ）には、図９の（ａ）のIX−IX線に沿っ
た断面図が示されている。図示のみぞは、長方形横断面
を有し、異方性プラズマ腐食処理によりシリコンチップ
20に形成された。図９の（ｃ）も同じく、IX−IX線に沿
った断面図だが、この場合は、みぞ181と凹所182とが湿
式化学的な異方性腐食処理により形成された。
る。このシリコンチップ20が機械応力を素子21のところ
に集中するようにするには、シリコンチップ20の、みぞ
181上方の厚さを比較的僅かにしておく必要がある。接
続回路22は、対応受け38と良好に熱接触せしめられてい
る。図９の（ｂ）には、図９の（ａ）のIX−IX線に沿っ
た断面図が示されている。図示のみぞは、長方形横断面
を有し、異方性プラズマ腐食処理によりシリコンチップ
20に形成された。図９の（ｃ）も同じく、IX−IX線に沿
った断面図だが、この場合は、みぞ181と凹所182とが湿
式化学的な異方性腐食処理により形成された。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マレク，イリ ドイツ連邦共和国 Ｄ―7410 ロイトリ ンゲン 22 ライプルシュトラーセ 10 ／１ (72)発明者 ヴァイプレン，クルト ドイツ連邦共和国 Ｄ―7430 メツィン ゲン ２ メツィンガー シュトラーセ 14 (72)発明者 バンティーン，フランク ドイツ連邦共和国 Ｄ―7257 ディツィ ンゲン クニールシュトラーセ 44 (72)発明者 キュッセル，マティアス ドイツ連邦共和国 Ｄ―7015 コルンタ ール―ミュンヒンゲン ２ プフルーク フェルダー ヴェーク ９／１ (72)発明者 シュミット，シュテフェン ドイツ連邦共和国 Ｄ―7410 ロイトリ ンゲン 11 ヘッベルシュトラーセ 18 (56)参考文献 特開 平２−36575（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−150832（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−245036（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−185325（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−98174（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−46830（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−313979（ＪＰ，Ａ) 実開 昭58−96230（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭58−154439（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭53−458781（ＪＰ，Ｕ) 特表 昭61−502365（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01L 9/06 G01L 23/10
Claims (8)
- 【請求項１】パワセンサに使用するためのシリコンチッ
プであって、スタンプで押圧される力供給領域を有する
形式のものにおいて、 （ａ） 圧電抵抗エレメントと（ｂ）接続回路とから構
成されており、 （ｉ）前記圧電抵抗エレメントが機械的な応力の高い領
域に配置されており、 （ii）前記圧電抵抗エレメントが信号を形成するように
なっており、 （ｉ）前記接続回路が機械的な応力の低い領域に配置さ
れており、 （ii）前記接続回路が前記圧電抵抗エレメントで形成さ
れた信号を評価するために用いられており、 前記力供給領域がシリコンチップのトップ表面に位置し
ており、該トップ表面が、前記力供給領域と前記接続回
路との間にある溝を有しており、 前記溝が前記トップ表面の下方の深さに向かって延び、
該深さがシリコンチップの厚さよりも小さいことを特徴
とする、シリコンチップ。 - 【請求項２】前記圧電抵抗エレメントが前記力供給領域
に配置されており、 前記シリコンチップがサポートに配置される底表面を有
している、 請求項１記載のシリコンチップ。 - 【請求項３】パワセンサに使用するためのシリコンチッ
プであって、スタンプで押圧される力供給領域を有する
形式のものにおいて、 （ａ）第１の圧電抵抗エレメントと（ｂ）接続回路と
（ｃ）サポートとから構成されており、 （ｉ）前記第１の圧電抵抗エレメントが機械的な応力の
高い領域に配置されており、 （ii）前記第１の圧電抵抗エレメントが信号を形成する
ようになっており、 （ｉ）前記接続回路が機械的な応力の低い領域に配置さ
れており、 （ii）前記接続回路が前記第１の圧電抵抗エレメントで
形成された信号を評価するために用いられており、 前記サポートがシリコンチップの底側に、前記力供給領
域とは反対側の領域だけで接触しており、該領域にて前
記接続回路が該領域の外側に位置していることを特徴と
するシリコンチップ。 - 【請求項４】パワセンサに使用するためのシリコンチッ
プであって、スタンプで押圧される力供給領域を有する
形式のものにおいて、 （ａ）圧電抵抗エレメントと（ｂ）接続回路とから構成
されており、 （ｉ）前記圧電抵抗エレメントが機械的な応力の高い領
域に配置されており、 （ii）前記圧電抵抗エレメントが信号を形成するように
なっており、 （ｉ）前記接続回路が機械的な応力の低い領域に配置さ
れており、 （ii）前記圧電抵抗エレメントで形成された信号を評価
するために使用されており、 シリコンチップが溝を有する底面を有し、前記溝が完全
に、前記力供給領域の反対側の底面領域を取囲んでお
り、前記溝が前記力供給領域と前記接続回路との間に配
置されており、 シリコンチップが前記底表面でサポートに配置されてお
り、完全に前記溝で取囲まれた底表面の少なくとも１部
分が前記サポートと接触していることを特徴とするシリ
コンチップ。 - 【請求項５】溝で取囲まれた前記領域が前記底表面の中
心から発する凹所を有している、請求項４記載のシリコ
ンチップ。 - 【請求項６】パワセンサに使用するためのシリコンチッ
プであって、スタンプで押圧される力供給領域を有して
いる形式のものにおいて、 （ａ）第１、第２、第３及び第４の圧電抵抗エレメント
と（ｂ）接続回路と（ｃ）サポートとから構成されてお
り、 （ｉ）各圧電抵抗エレメントが機械的な応力の高い領域
に配置されており、 （ii）各圧電抵抗エレメントが縦軸線の方向を有してお
り、 （iii）各圧電抵抗エレメントが信号を形成するために
使用されており、 （ｉ）前記接続回路が機械的な応力の低い領域に配置さ
れており、 （ii）前記接続回路が圧電抵抗エレメントで形成された
信号を評価するために使用されており、 前記サポートがシリコンチップの底表面の唯一のエッジ
に接続し、その際に接続された領域と接続されていない
領域とを境界で分離しており、 前記圧電抵抗エレメントがファーストライン上に配置さ
れ、前記第１と第２の圧電抵抗エレメントが、その縦軸
線の方向が前記ファーストラインに沿うように方向づけ
られており、前記第３と第４の圧電抵抗エレメントが、
その縦軸線の方向が前記ファーストラインに対し直角に
なるように方向づけられており、 シリコンチップの接続されていない領域がシリコンチッ
プの接続された領域よりも薄く、前記境界が直線であっ
て、前記ファーストラインが前記境界に沿って位置して
おり、前記接続回路が前記接続されていない領域の上に
配置されていることを特徴とする、シリコンチップ。 - 【請求項７】パワセンサに使用するためのシリコンチッ
プであって、スタンプで押圧される力供給領域を有する
形式のものにおいて、 （ａ）第１、第２、第３及び第４の圧電抵抗エレメント
と、（ｂ）接続回路とから構成されており、 （ｉ）各圧電抵抗エレメントが機械的な応力の高い領域
に配置されており、 （ii）各圧電抵抗エレメントが縦軸線の方向を有してお
り、 （iii）各圧電抵抗エレメントが信号を形成するために
使用されており、 （ｉ）前記接続回路が機械的な応力の低い領域に配置さ
れており、 （ii）前記接続回路が前記圧電抵抗エレメントで形成さ
れた信号を評価するために使用されており、 前記圧電抵抗エレメントがファーストライン上に配置さ
れており、第１と第２の圧電抵抗エレメントが、その縦
軸線の方向が前記ファーストラインに沿うように方向づ
けられかつ前記第３及び第４の圧電抵抗エレメントが、
その縦軸線が前記ファーストラインに直角であるように
方向づけられており、シリコンチップが溝を有する底表
面を有し、該溝が前記力供給領域とは反対側の底表面の
領域を約270゜取囲んでおり、シリコンチップの前記領
域が前記底表面の凹所にて、減少させられた厚さを有し
ており、前記ファーストラインが前記溝によって取囲ま
れていないセクションに沿って配置されており、前記溝
が前記接続回路と前記力抵抗領域との間に配置されてい
ることを特徴とする、シリコンチップ。 - 【請求項８】パワセンサに使用するためのシリコンチッ
プであって、スタンプで押圧される力供給領域を有する
形式のものにおいて、 第１の圧電抵抗エレメントと、接続回路と、底表面と、
第２、第３、第４の圧電抵抗エレメントから構成されて
おり、 前記第１の圧電抵抗エレメントが機械的な応力の高い領
域に配置されかつ信号を形成するために使用されてお
り、 前記接続回路が機械的な応力の低い領域に配置され、前
記圧電抵抗エレメントで形成された信号を評価するため
に使用されており、 前記底表面が２つの平行な溝を有し、前記底表面内にて
前記力供給領域が前記２つの溝の間に配置され、前記２
つの溝が前記力供給領域と前記接続回路との間に配置さ
れ、前記２つの溝の間でシリコンチップの底表面の領域
が凹所を有し、該凹所が厚さの減じられた領域を規定し
ており、その際、２つの境界がシリコンチップの厚さの
減じられた領域と厚さの変わらない領域とを規定してお
り、 前記第２、第３及び第４の圧電抵抗エレメントの各々が
縦軸線の方向を有し、前記第１と第２の圧電抵抗エレメ
ントが前記２つの境界の内の第１の境界上に位置し、第
１の圧電抵抗エレメントはその縦軸線の方向が前記第１
の境界に対し平行になるように方向づけられかつ前記第
２の圧電抵抗エレメントはその縦軸線の方向が前記第１
の境界に対し直角になるように方向づけられ、前記第３
と第４の圧電抵抗エレメントが前記２つの境界の内の第
２の境界上に位置し、前記第３の圧電抵抗エレメントは
その縦軸線の方向が前記第２の境界に対し平行になるよ
うに方向づけられかつ前記第４の圧電抵抗エレメントは
その縦軸線の方向が前記第２の境界と直角になるように
方向づけられていることを特徴とするシリコンチップ。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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