JP3330831B2

JP3330831B2 - 歪検出センサ

Info

Publication number: JP3330831B2
Application number: JP32179396A
Authority: JP
Inventors: 征一鵜飼; 朋之飛田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-12-02
Filing date: 1996-12-02
Publication date: 2002-09-30
Anticipated expiration: 2016-12-02
Also published as: JPH10160610A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、化学プラントや発
電所などで流量や圧力を検出する差圧伝送器、圧力伝送
器や、自動車などの移動体における加速度、衝撃を検出
する加速度センサ、クラッシュセンサ等の歪検出センサ
に関する。

【０００２】

【従来の技術】歪検出センサの一例として、差圧センサ
に用いられてきた従来の技術を図１１に示す。図１１に
おいて、差圧を検出するために、センサ基板１のシリコ
ンダイアフラム２上に４個の感歪素子（ピエゾ抵抗素
子）３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが形成され、これら感歪素
子３ａ〜３ｄは、二酸化珪素（ＳｉＯ₂）などの絶縁膜
で覆われている。さらに、各ピエゾ抵抗素子の抵抗値の
安定化を図るため、各感歪抵抗素子３ａ〜３ｄは、アル
ミニュウムなどからなる導電性のシールド膜６ａ、６
ｂ、６ｃ、６ｄで保護されている。

【０００３】また、静圧を検出するために、シリコンダ
イアフラム２の外周部側のシリコン基板１上に４個のゲ
ージ抵抗素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄが形成され、これ
らゲージ抵抗素子４ａ〜４ｄも、抵抗素子３ａ〜３ｄと
同様に、二酸化珪素（ＳｉＯ₂）などの絶縁膜で覆われ
ている。さらに、各ゲージ抵抗素子４ａ〜４ｄの抵抗値
の安定化を図るため、アルミニュウムなどからなる導電
性のシールド膜７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄで保護されてい
る。

【０００４】また、温度を検出するために、シリコンダ
イアフラム２の外周部側のシリコン基板１上に温度ゲー
ジ素子５が形成され、この温度ゲージ素子５も、二酸化
珪素（ＳｉＯ₂）などの絶縁膜で覆われ、アルミニュウ
ムなどからなる導電性のシールド膜８で保護されてい
る。１４は配線であり、１５ａ〜１５ｄ、１６ａ〜１６
ｄ、１７〜１９はボンディングパッドである。

【０００５】また、上述した各々のシールド膜と、基板
とを絶縁膜を介して電気的にコンタクトさせるものもあ
った。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術にあっては、各々のピエゾ抵抗素子を、個別に
アルミ薄膜でシールドしていたため、その周辺の酸化膜
表面電位によってシールド部の電位が変化してしまい、
これに伴ってシールドの電位が変化する。この現象は抵
抗値の経時変化（ドリフト）を引き起こす要因となって
いた。

【０００７】つまり、従来は、上述したように、個々の
ゲージ抵抗に純アルミニュウムあるいはアルミニュウム
−シリコン（１〜２％）などから成るシールド膜６ａ〜
６ｄ、７ａ〜７ｄ、８を設け、これで絶縁膜の上から覆
っていた。この方法により、かなりドリフト現象は抑制
されるが、実際には完全になくなるわけではない。

【０００８】その理由は、各ゲージ抵抗の上の絶縁膜上
の電位は一瞬にして安定するが、チップ全体を見ると各
部分で帯電量が異なる。また、絶縁膜の抵抗はきわめて
大きいため、非常に長時間をかけて、各シールド膜の電
位を一定にするように電荷の移動が起こり、これによっ
てわずかなドリフトが発生してしまう。このため、圧力
等の検出精度の向上化が困難となっていた。

【０００９】また、各シールド部を基板電位にコンタク
トさせるように工夫したものがあるが、このコンタクト
部分は、段差が形成されるため、例えば、スパッタリン
グによりシールド膜を形成する際に、この段差部分で他
の部分よりも薄くなってしまうことが多く、熱応力や酸
化により断線あるいは導通不良を引き起こし易い状態と
なっていた。

【００１０】あるシールド部におけるシールド膜が断線
あるいは導通不良を生じていたりすると、上述と同様に
ドリフト現象を起こすという問題があった。

【００１１】本発明の目的は、ピエゾ抵抗素子などの感
歪素子から構成されるセンサにおいて、経時変化のない
安定した出力が得ることができ、圧力等の検出精度の向
上化が可能な歪検出センサを実現することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】

（１）上記目的を達成するために、本発明は次のように
構成される。すなわち、一つの基板上に複数の感歪素子
が形成され、これら感歪素子のそれぞれの上面に絶縁膜
が形成され、かつ、それぞれの絶縁膜の上面に導電性の
薄膜が形成された歪検出センサにおいて、上記複数の感
歪素子のそれぞれの上面に形成された導電性薄膜は、導
電性の薄膜であるシールドネットワークにより互いに連
結されている。

【００１３】（２）好ましくは、上記（１）において、
上記複数の感歪素子のそれぞれの上面に形成された導電
性薄膜及びシールドネットワークは、上記基板に対して
所定の電位に固定される。

【００１４】（３）また、好ましくは、上記（１）又は
（２）において、上記シールドネットワークは、上記複
数の感歪素子のそれぞれの上面に形成された導電性薄膜
と同一の材料から成る。

【００１５】（４）また、好ましくは、上記（１）、
（２）又は（３）において、上記基板は、そのほぼ中心
部分に薄肉部からなるダイアフラムと、このダイアフラ
ムの外周側に形成され、上記感歪素子のそれぞれの出力
を取り出す配線とを有し、上記シールドネットワーク
は、上記ダイアフラムの外周側であって、かつ、上記配
線に接触しない上記基板上の領域に形成される。

【００１６】（５）また、好ましくは、上記（４）にお
いて、上記シールドネットワークは上記ダイアフラムの
外周に円環状に形成される。

【００１７】（６）また、好ましくは、上記（１）、
（２）、（３）又は（４）において、上記シールドネッ
トワークは、アルミニュウムを主成分とする材質からな
る。

【００１８】ピエゾ抵抗などの複数の感歪素子のそれぞ
れの上面に形成された絶縁膜に導電性の薄膜が形成さ
れ、これら導電性の薄膜を導電体からなるシールドネッ
トワークで連結して、全ての感歪素子上の表面電位を等
しくしたものである。

【００１９】通常、歪検出型のセンサは４個のピエゾ抵
抗素子をブリッジに組んで、歪による抵抗変化を差動的
にとらえる。一方、ピエゾ抵抗などの拡散抵抗はその上
に形成された絶縁膜の表面電位によって、数百ｐｐｍの
オーダーでその値が変化してしまう。もし、全てのピエ
ゾ抵抗素子が同じように変化してくれるならば、センサ
出力にその影響は現れない（ドリフトしない）が、一般
的には各素子は離れた場所に配置されているため、表面
電位の変化も場所によって異なり、ドリフトを生じる。

【００２０】ここで、全てのピエゾ抵抗素子上に形成さ
れた導電性薄膜をシールドネットワークにより電気的に
接続することにより、表面電位を同一にすることができ
る。その結果、ドリフトを抑制することができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の第１の実施形態
である差圧・圧力センサの上面図であり、図２は、図１
のＡ−Ｏ−Ｂ線に沿った断面図である。図１及び図２に
おいて、単結晶シリコンなどからなる基板１の中心部に
ダイアフラム２が形成され、差圧を検出するための差圧
センサとして、このダイアフラム２上にピエゾ抵抗素子
（ゲージ抵抗）などからなる感歪素子３ａ〜３ｄが形成
されている。

【００２２】基板１の、ダイアフラム２の外周側には、
小さなダイアフラム１２が設けられ、このダイアフラム
１２上に差圧センサと同様、ゲージ抵抗素子４ａ〜４ｄ
が形成されている。小さなダイアフラム１２は、ホウ珪
酸ガラス（パイレックスガラス）からなる固定台１０１
によって封止されているので、内部の圧力はほぼ一定と
なる。すなわち、ゲージ抵抗素子４ａ〜４ｄは、圧力セ
ンサとして機能する。

【００２３】さらに、厚肉部（基板１と同じ厚さを有す
る部分）には、応力に感応しない方向に温度ゲージ５が
形成される。従って、ここに示したセンサは差圧、圧
力、温度を１チップで検出する複合センサである。

【００２４】各感歪抵抗素子３ａ〜３ｄ、ゲージ抵抗素
子４ａ〜４ｄ、温度抵抗素子５のそれぞれには、その上
面に絶縁膜が形成され、その絶縁膜を介して、純アルミ
ニュウム又はアルミニュウム−シリコン（１〜２％）か
らなるシールド膜６ａ〜６ｄ、シールド膜７ａ〜７ｄ、
シールド膜８で保護されている。

【００２５】そして、これらシールド膜６ａ〜６ｄ、７
ａ〜７ｄ、８は、これらシールド膜と同等の材質からな
る導電性の薄膜であるシールドネットワーク９により、
基板１上で電気的に接続されている。このシールドネッ
トワーク９は、８角形のダイアフラム２の外周側であっ
て、感歪素子３ａ〜３ｄの出力を取り出す配線１４の内
周側で、この配線１４に接触しない領域に８角形状形成
され、シールド膜６ａ〜６ｄを電気的に接続している。
また、シールド膜６ａと７ａ、６ｂと７ｂ、６ｃと７
ｃ、６ｄと７ｄが、シールドネットワーク９により、そ
れぞれ互いに接続されている。さらに、シールド膜８と
シールド膜７ｂとがシールドネットワーク９により接続
されている。

【００２６】また、シールドネットワーク９は、２つの
シールドネットワーク用パッド１０ａ及び１０ｂに接続
されている。これらシールドネットワーク用パッド１０
ａ及び１０ｂは、シールドネットワーク９が、電気的に
導通しているか否かをチェックするためのパッドであ
る。

【００２７】ゲージ抵抗部の拡大上面図を図３に示し、
図３の断面図を図４に示す。図３及び図４において、ダ
イアフラム２の薄肉部２上にゲージ抵抗３ｂが拡散形成
され、不純物濃度の高い低抵抗層３０ｂによって固定
部、つまり、ダイアフラム２の外周部まで引き出され
る。さらに、低抵抗層３０ｂは、アルミニュウム等から
なる配線１４によって、ワイヤボンディングパッド（図
１の１５ａ〜１５ｄ、１６ａ〜１６ｄ、１７〜１９）に
導かれる。

【００２８】さて、ここに示したゲージ抵抗３ｂは、通
常、パッシベーションのためＳｉＯ₂やＰＳＧ（リンガ
ラス）などの絶縁膜によって覆われているが、その表面
電位の安定性は十分ではなく、経時変化（ドリフト）す
る事が知られている。その原因は、絶縁膜１３上に帯電
してくることの影響でゲージ抵抗３ｂの最表面のキャリ
ア密度が変化するからである。具体的には、ｐ型のゲー
ジ抵抗に対し、絶縁膜上が＋に帯電すると抵抗値が上昇
し、−に帯電すると抵抗値が下がる。ｎ型ゲージ抵抗の
場合は、この逆である。

【００２９】このため、シールドネットワーク９によ
り、各シールド膜６ａ〜６ｄ等を接続しない場合には、
各ゲージ抵抗間で僅かなドリフトが発生してしまう。

【００３０】この様子を図５、図６によって説明する。
図５は、差圧ゲージ抵抗素子３ａ〜３ｄをシールド膜６
ａ〜６ｄで覆い、さらにシールドネットワーク９を設け
た状態を模式的に表したものである。１０２は電源であ
る。ここで、センサ出力ｅは、ボンディングパッド１５
ａ、１５ｂの電位Ｖ１と、ボンディングパッド１５ｃ、
１５ｄの電位Ｖ２との差である。全く、シールド膜のな
い場合は、個々のゲージ抵抗上の電位が安定するまでの
ドリフトと、ゲージ間の電位が安定するまでのドリフト
とが合成され、図６の２０１に示す曲線の様にかなり長
い間、大きなドリフトが発生する。この曲線２０１の場
合、例えば、ドリフトが無い場合と比較して、ドリフト
が発生し始めてから５時間程で、約１％程度のドリフト
が発生する。

【００３１】また、ゲージ部だけにシールド膜を施した
従来例の場合には、個々のゲージ上の電位は瞬時に安定
してしまうため短期的なドリフトはなくなる。ただし、
各ゲージ間の長期的なドリフトが徐々に現れてくる。図
６の曲線２０２は、従来例におけるドリフトを示してお
り、ドリフトが無い場合と比較して、０．１〜０．２％
程度のドリフトが発生する。通常、圧力センサ等に用い
られる計器の精度は約０．１％程度であるので、０．１
〜０．２％程度のドリフトが発生したのでは、高精度の
測定は困難である。

【００３２】これらに対し、本発明のシールドネットワ
ーク９を施した構成では、すべてのシールド膜の電位が
一瞬にして安定化できるため、図６の２０３に示すよう
に出力のドリフトがなくなる。

【００３３】ただし、シールド膜は通常、金属膜から成
るが、基板１との膨張率の違いから、温度サイクルによ
って応力が発生し、金属膜にクリープ現象を生じ、温度
ヒステリシスを引き起こす。このため、（電気的に導通
がとれる範囲で）シールド膜はなるべく薄いものがよ
い。さらに、温度ヒステリシスは金属膜厚／シリコン厚
に、ほぼ比例するので、シールドネットワーク９をダイ
アフラム２よりも外側すなわち厚肉部にレイアウトし、
シールド膜のクリープ現象による影響を小さく抑える必
要がある。このため、上述したように、シールドネット
ワーク９はダイアフラム２よりも外周側に配置されてい
る。

【００３４】以上のように、本発明の第１の実施形態に
よれば、複数の歪検出素子３ａ〜３ｄ、４ａ〜４ｄ、５
を、それぞれ、絶縁膜を介してシールドする複数のシー
ルド膜６ａ〜６ｄ、７ａ〜７ｄ、８を、シールドネット
ワーク９により、基板１上で電気的に接続する構成とな
っている。また、シールドネットワーク９は、段差のな
い平坦部で形成されているので、断線等が発生しにくい
構成となっている。したがって、経時変化のない安定し
た出力が得ることができ、圧力等の検出精度の向上化が
可能な歪検出センサを実現することができる。

【００３５】図７は、本発明の第２の実施形態である差
圧・圧力センサの上面図であり、図８は、図７の要部断
面図である。この図７の例と図１の例との異なるところ
は、図７の例は、基板１と同じ不純物型の高濃度層２０
が基板１に形成され、この高濃度層２０がシールドネッ
トワーク９に接続されているところである。その他の構
成においては、図１の例と図７の例とは同等となってい
る。

【００３６】上述した高濃度層２０は、シールド膜の電
位を強制的に、基板１の電位に固定してしまうものであ
る。つまり、シールドネットワーク９の一部を引き出し
ておき、基板１と同じ不純物型の高濃度層２０をあらか
じめ形成しておいて、これにシールドネットワーク９の
一部をコンタクトさせるものである。または、シルドネ
ットワーク９用の導通チェック用パッド１０ａ、１０ｂ
をワイヤボンディングし、この端子に、一定の電位を与
える方法も考えられる。以上説明した本発明の第２の実
施形態においても、第１の実施形態と同様な効果を得る
ことができる。

【００３７】図９は本発明の第３の実施形態を示す上面
図であり、図１０は図９のＡ−Ａ線に沿った断面図であ
る。そして、この第３の実施形態は、本発明をピエゾ抵
抗式の加速度センサに適用した場合の例である。

【００３８】図９及び図１０において、カンチレバー２
１によって基板１の間隔２２を有して質量部２３が支持
されており、この質量部２３は、加速度Ｇによって、紙
面表方向と裏方向とに移動する。

【００３９】そして、カンチレバー２１の一方には、ピ
エゾ抵抗素子３ａ、３ｂが形成され、これらピエゾ抵抗
素子３ａ、３ｂは絶縁層を介してシールド膜６ｂが形成
されている。また、カンチレバー２１の他方には、ピエ
ゾ抵抗素子３ｃ、３ｄが形成され、これらピエゾ抵抗素
子３ｃ、３ｄは絶縁層を介してシールド膜６ｃが形成さ
れている。１５ａ〜１５ｄ、１８はボンディング用パッ
ドである。そして、シールド膜６ｂと６ｃとがシールド
ネットワーク９により電気的に接続されている。

【００４０】上述したように、カンチレバー２１が２つ
設けられ、それぞれに２つのピエゾ抵抗素子を形成する
とき、この加速度センサにおいても、圧力センサと同様
の問題が発生する。すなわち、これらの抵抗素子を２個
ずつ、別個にシールド膜６ｂ、６ｃによりシールドして
も、カンチレバー２１間の絶縁膜の電位が安定するまで
ドリフトが発生してしまう。

【００４１】そこで、この第３の実施形態のように、連
結部（ネットワーク部）９を設けることによって、この
ドリフトは解消される。以上説明した第３の実施形態に
おいても、第１の実施形態と同様に、経時変化のない安
定した出力が得ることができ、加速度の検出精度の向上
化が可能な歪検出センサを実現することができる。

【００４２】なお、上述した例においては、シールドネ
ットワーク９は、シールド膜６ａ等と同等の材質を用い
て形成するようにしたが、導電性を有する材質であれ
ば、シールド膜６ａ等とは異なる材質のものを用いても
よい。

【００４３】また、上述した例においては、シールドネ
ットワーク９は、シールド膜６ａ〜６ｄを接続する部分
においては、８角形を有する形状となっているが、ダイ
アフラム２の外周部であって、配線１４に接触しない領
域であれば、８角形状では無く、円環形状等の他の形状
により、シールド膜６ａ〜６ｄを接続するように構成し
てもよい。

【００４４】また、上述した例は、本発明を差圧・圧力
センサ及び加速度センサに適用した例であるが、これら
のセンサのみならず、歪検出素子を用いた歪検出セン
サ、例えばロードセンサ等にも適用可能である。したが
って、歪検出センサとは、差圧・圧力センサ、加速度セ
ンサ、ロードセンサ等を含むものである。

【００４５】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているため、次のような効果がある。歪検出センサにお
いて、複数の感歪素子のそれぞれの上面に形成された導
電性薄膜は、導電性の薄膜であるシールドネットワーク
により互いに連結されているので、経時変化のない安定
した出力が得ることができ、圧力等の検出精度の向上化
が可能な歪検出センサを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態である差圧・圧力セン
サの上面図である。

【図２】図１のＡ−Ｏ−Ｂ線に沿った断面図である。

【図３】ゲージ抵抗部の拡大上面図である。

【図４】図３に示したゲージ抵抗部の断面図である。

【図５】差圧ゲージ抵抗素子３ａ〜３ｄをシールド膜６
ａ〜６ｄで覆い、さらにシールドネットワーク９を設け
た状態の模式図である。

【図６】本発明のシールドネットワークの効果を従来例
と比較して示すグラフである。

【図７】本発明の第２の実施形態である差圧・圧力セン
サの上面図である。

【図８】図７の要部断面図である。

【図９】本発明の第３の実施形態を示す上面図である。

【図１０】図９のＡ−Ａ線に沿った断面図である。

【図１１】従来技術における差圧・圧力センサの上面図
である。

【符号の説明】

１センサ基板２差圧検出用ダイアフラム３ａ〜３ｄ、４ａ〜４ｄ、５感歪抵抗（ゲージ抵抗）６ａ〜６ｄ、７ａ〜７ｄ、８ゲージ抵抗のシールド膜９シールドネットワーク１０ａ、１０ｂシールドネットワーク用パッド１３絶縁膜１４配線１５ａ〜１５ｄ、１６ａ〜１６ｂ、１７〜１９ボンデ
ィングパッド２０基板と同じ不純物型の低抵抗層２１カンチレバー２２間隙部２３加速度センサ質量部３０ａ〜３０ｄ低抵抗層１０１固定台１０２電源２０１、２０２、２０３センサ出力の時間変化

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＨ０１Ｌ 29/84 Ｇ０１Ｂ 7/18 Ｇ (56)参考文献特開平７−103837（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−197780（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−9247（ＪＰ，Ａ) 実開平７−27168（ＪＰ，Ｕ) 実開昭61−182050（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01L 9/04 101 G01B 7/16 G01L 1/18 G01L 1/22 G01P 15/12 H01L 29/84

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】一つの基板上に複数の感歪素子が形成さ
れ、これら感歪素子のそれぞれの上面に絶縁膜が形成さ
れ、かつ、それぞれの絶縁膜の上面に導電性の薄膜が形
成された歪検出センサにおいて、上記複数の感歪素子の
それぞれの上面に形成された導電性薄膜は、導電性の薄
膜であるシールドネットワークにより互いに連結されて
いることを特徴とする歪検出センサ。
【請求項２】請求項１記載の歪検出センサにおいて、上
記複数の感歪素子のそれぞれの上面に形成された導電性
薄膜及びシールドネットワークは、上記基板に対して所
定の電位に固定されることを特徴とする歪検出センサ。
【請求項３】請求項１又は２記載の歪検出センサにおい
て、上記シールドネットワークは、上記複数の感歪素子
のそれぞれの上面に形成された導電性薄膜と同一の材料
から成ることを特徴とする歪センサ。
【請求項４】請求項１、２又は３記載の歪検出センサに
おいて、上記基板は、そのほぼ中心部分に薄肉部からな
るダイアフラムと、このダイアフラムの外周側に形成さ
れ、上記感歪素子のそれぞれの出力を取り出す配線とを
有し、上記シールドネットワークは、上記ダイアフラム
の外周側であって、かつ、上記配線に接触しない上記基
板上の領域に形成されることを特徴とする歪検出セン
サ。
【請求項５】請求項４記載の歪検出センサにおいて、上
記シールドネットワークは上記ダイアフラムの外周に円
環状に形成されることを特徴とする歪検出センサ。
【請求項６】請求項１、２、３又は４記載の歪検出セン
サにおいて、上記シールドネットワークは、アルミニュ
ウムを主成分とする材質からなることを特徴とする歪検
出センサ。