JP3750810B2

JP3750810B2 - 半導体圧力センサ

Info

Publication number: JP3750810B2
Application number: JP2002230956A
Authority: JP
Inventors: 裕司新井; 直西川
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2002-08-08
Filing date: 2002-08-08
Publication date: 2006-03-01
Anticipated expiration: 2022-08-08
Also published as: JP2004069581A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、センサ感度が増大出来て、レンジアビリティが拡大され、出力リップルが減少出来る半導体圧力センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、従来より一般に使用されている従来例の構成説明図である。
図において、３はシリコン基板１に設けられ受圧ダイヤフラム２を形成する凹部受圧ダイヤフラムである。
【０００３】
４は、凹部３が形成された面と反対の面の、受圧ダイヤフラム２の中央部側に半導体プロセスにより設けられた第１の振動子である。
５は、凹部３が形成された面と反対の面の、受圧ダイヤフラム２の周縁部側に半導体プロセスにより設けられた第２の振動子である。
【０００４】
以上の構成において、図５に示す如く、矢印Ａ方向より圧力が印加されると受圧ダイヤフラム２の中央部側に配置されている第１の振動子には圧縮歪が加わり張力が減少し、共振周波数が減少する。
【０００５】
これに対し、受圧ダイヤフラム２の周縁部側に配置されている第２の振動子は、矢印Ａ方向より圧力が印加されると引張り歪が加わり張力が増加し、共振周波数が増加する。
このように、第１，第２の振動子４，５では、圧力印加に対して、周波数が逆相に変化する。
【０００６】
したがって、圧力印加前に第１，第２の振動子４，５がそれぞれｆ_４，ｆ_５の周波数で振動していて、圧力印加後にそれぞれΔｆ_４，Δｆ_５だけ変化したとすれば、センサ感度は|Δｆ_４／ｆ_４|+|Δｆ_５／ｆ_５|で表され、振動子が1本の場合よりも2本の方が感度が高くなる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような装置においては、以下の間題点がある。
矢印Ａ方向より圧力が印加される場合、第１の振動子４は、ある圧力で座屈して振動が止まるが、第２の振動子５には常に引張り歪が加わり、座屈することがない。
【０００８】
振動子は張力が小さいほどゲージファクタが大きく、同じ歪量で比較すると、張力が小さいほどセンサ感度が大きくとれる。
したがって、第１の振動子４には座屈しないために、ある一定以上の初期張力が必要となるが、圧力が印加されても座屈することが無い第２の振動子５の初期張力は、小さいほど高感度のセンサとなる。
【０００９】
現在はセンサチップ製作プロセス上、第２の振動子５にも第１の振動子４と同じ初期張力が付加されているため、その第２の振動子５の感度を落としていることになり、センサ感度を損している。
【００１０】
本発明の目的は、上記の課題を解決するもので、センサ感度が増大出来て、レンジアビリティが拡大され、出力リップルが減少出来る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】
このような目的を達成するために、本発明では、請求項１記載の圧力測定装置においては、
シリコン基板に設けられ受圧ダイヤフラムを形成する凹部と、前記凹部が形成された面と反対の面の前記受圧ダイヤフラムの中央部側に半導体プロセスにより設けられ測定レンジ範囲内で座屈を生じないような初期張力が付与された少なくとも一個の第１の振動子と、前記凹部が形成された面と反対の面の前記受圧ダイヤフラムの周縁部側に半導体プロセスにより設けられ前記第１の振動子より初期張力が小にされた少なくとも一個の第２の振動子とを具備し前記受圧ダイヤフラムの前記凹部が形成された面と反対の面に測定圧が加えられたことを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項２においては、
シリコン基板に設けられ受圧ダイヤフラムを形成する凹部と、前記凹部が形成された面と反対の面の前記受圧ダイヤフラムの周縁部側に半導体プロセスにより設けられ測定レンジ範囲内で座屈を生じないような初期張力が付与された少なくとも一個の第２の振動子と、前記凹部が形成された面と反対の面の前記受圧ダイヤフラムの中央部側に半導体プロセスにより設けられ前記第２の振動子より張力が小にされた少なくとも一個の第１の振動子とを具備し前記受圧ダイヤフラムの前記凹部が形成された面に測定圧が加えられたことを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項３においては、請求項１又は請求項２記載の半導体圧力センサにおいて、
前記第１、第2の振動子がボロンの不純物拡散により張力が付加され、かつそれぞれ異なる不純物濃度を有することを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項４においては、請求項１又は請求項２記載の半導体圧力センサにおいて、
前記第１、第2の振動子がリンの不純物拡散により張力が付加され、かつそれぞれ異なる不純物濃度を有することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。
図１は本発明の一実施例の要部構成説明図、図２は図１の平面図、図３は図１の製作工程説明図である。
図において、図５と同一記号の構成は同一機能を表す。
以下、図５と相違部分のみ説明する。
【００１６】
図において、１１は、凹部３が形成された面と反対の面の受圧ダイヤフラムの中央部側に半導体プロセスにより設けられた少なくとも一個の第１の振動子である。
【００１７】
１２は、凹部３が形成された面と反対の面の２受圧ダイヤフラム２の周縁部側に半導体プロセスにより設けられ、第１の振動子１１より張力が小にされた少なくとも一個の第２の振動子である。
【００１８】
以上の構成において、第１，第２の２本の振動子１１，１２には、それぞれ異なった張力が付加されたものである。
第１，第２の振動子１１，１２を形成するには、シリコン基板１を２つの領域に分けて不純物の拡散を行う。
【００１９】
最終的には、一方の領域Ａ１に第１の振動子１１が、他方の領域Ａ２には第２の振動子１２がそれぞれ形成される。
【００２０】
図３は、具体的な製造方法の一実施例である。
（１）図３の工程１に示す如く、シリコン基板１の第１の振動子１１の形成部分（領域Ａ１）をマスクＢ１し、ボロン(B)やリン(P)等の不純物拡散を第２の振動子１２の形成部分（領域Ａ２）に行う。
図３の工程２に示す如く、これにより領域Ａ２には引張り張力が発生する。
【００２１】
（２）次に，図３の工程３に示す如く、領域Ａ２をマスクＢ２し、領域Ａ１に同様に不純物拡散を行う。
図３の工程３に示す如く、これにより領域Ａ１にも引張り張力が発生する。
【００２２】
不純物拡散は１０００℃程度の高温で行うため、先に不純物を拡散した領域Ａ２は高温でアニールされることにより歪が緩和し、張力が減少する。
この時点で、図３の工程４に示す如く、領域Ａ１の張力＞領域Ａ２の張力となる。
【００２３】
（３）図３の工程５に示す如く、領域Ａ１に第１の振動子１１、領域Ａ２に第２の振動子１２を形成する。
なお、張力の制御は、不純物の量、不純物拡散の温度、時間を調整して行う。
【００２４】
この結果、
（１）第１，第２の振動子１１，１２の張力を所定の異なった張力に制御することにより、単位歪量あたりの周波数変化率を大きくすることが出来、センサ感度の大きい半導体圧力センサが得られる。
【００２５】
（２）センサ感度が増大できるので、レンジアビリティを拡大出来る半導体圧力センサが得られる。
（３）センサ感度が増大できるので、出力リップルが減少出来る半導体圧力センサが得られる。
【００２６】
（４）ボロン（リン）の不純物拡散により張力の異なるP型（ｎ型）の振動子１１，１２を容易に製作することができ、単位歪量あたりの周波数変化率の大きい振動子を容易に製作することができる半導体圧力センサが得られる。
【００２７】
図４は、本発明の他の実施例の要部構成説明図である。
本実施例においては、シリコン基板１に、矢印Ｂ方向から圧力が印加される場合である。
この場合には、図１実施例と比較して、第１，第２の振動子の張力の張力の大きさを逆にすればよい。
【００２８】
図において、２１は、凹部３が形成された面と反対の面の受圧ダイヤフラム２の中央部側に半導体プロセスにより設けられた少なくとも一個の第１の振動子である。
【００２９】
２２は、凹部３が形成された面と反対の面の受圧ダイヤフラム２の周縁部側に半導体プロセスにより設けられ、第１の振動子２１より張力が大にされた少なくとも一個の第２の振動子である。
【００３０】
矢印Ｂ方向から圧力が印加される場合、第１の振動子２１には常に引張り歪が発生し、第２の振動子，２２には常に圧縮歪が発生する。
この場合、第２の振動子２２は、ある一定以上の圧力で座屈するが、第１の振動子２１は座屈しない。
【００３１】
したがって、図１実施例とは逆に、第２の振動子２２の張力を大きくしておき、第１の振動子２１の張力を座屈しない範囲で、できるだけ小さくしておけば、第１の振動子２１の感度を大きくすることができる。
【００３２】
以上の構成において、図３の製作工程説明図で、領域Ａ１と領域Ａ２の不純物拡散の順番を逆にすることにより、第１の振動子２１の張力＜第２の振動子２２の張力が実現できる。
【００３３】
この結果、
（１）第１，第２の振動子２１，２２の張力を所定の異なった張力に制御することにより、単位歪量あたりの周波数変化率を大きくすることが出来、センサ感度の大きい半導体圧力センサが得られる。
【００３４】
（２）センサ感度が増大できるので、レンジアビリティを拡大出来る半導体圧力センサが得られる。
（３）センサ感度が増大できるので、出力リップルが減少出来る半導体圧力センサが得られる。
【００３５】
（４）ボロン（リン）の不純物拡散により張力の異なるP型（ｎ型）の振動子２１，２２を容易に製作することができ、単位歪量あたりの周波数変化率の大きい振動子を容易に製作することができる半導体圧力センサが得られる。
【００３６】
なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１又請求項２によれば、次のような効果がある。
（１）第１，第２の振動子の張力を所定の異なった張力に制御することにより、単位歪量あたりの周波数変化率を大きくすることが出来、センサ感度の大きい半導体圧力センサが得られる。
【００３８】
（２）センサ感度が増大できるので、レンジアビリティを拡大出来る半導体圧力センサが得られる。
（３）センサ感度が増大できるので、出力リップルが減少出来る半導体圧力センサが得られる。
【００３９】
本発明の請求項３又請求項４によれば、次のような効果がある。
ボロン（リン）の不純物拡散により張力の異なるP型（ｎ型）の振動子を容易に製作することができ、単位歪量あたりの周波数変化率の大きい振動子を容易に製作することができる半導体圧力センサが得られる。
【００４０】
従って、本発明によれば、センサ感度が増大出来て、レンジアビリティが拡大され、出力リップルが減少出来る半導体圧力センサを実現することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の要部構成説明図である。
【図２】図１の平面図である。
【図３】図１の製作工程説明図である。
【図４】本発明の他の実施例の要部構成説明図である。
【図５】従来より一般に使用されている従来例の要部構成説明図である。
【図６】図５の平面図である。
【符号の説明】
１シリコン基板
２受圧ダイヤフラム
３凹部
４第１の振動子
５第２の振動子
１１第1の振動子
１２第2の振動子
２１第1の振動子
２２第2の振動子
Ａ１領域
Ａ２領域
Ｂ１マスク
Ｂ２マスク

Claims

シリコン基板に設けられ受圧ダイヤフラムを形成する凹部と、
前記凹部が形成された面と反対の面の前記受圧ダイヤフラムの中央部側に半導体プロセスにより設けられ測定レンジ範囲内で座屈を生じないような初期張力が付与された少なくとも一個の第１の振動子と、
前記凹部が形成された面と反対の面の前記受圧ダイヤフラムの周縁部側に半導体プロセスにより設けられ前記第１の振動子より初期張力が小にされた少なくとも一個の第２の振動子と
を具備し前記受圧ダイヤフラムの前記凹部が形成された面と反対の面に測定圧が加えられたことを特徴とする半導体圧力センサ。
シリコン基板に設けられ受圧ダイヤフラムを形成する凹部と、
前記凹部が形成された面と反対の面の前記受圧ダイヤフラムの周縁部側に半導体プロセスにより設けられ測定レンジ範囲内で座屈を生じないような初期張力が付与された少なくとも一個の第２の振動子と、
前記凹部が形成された面と反対の面の前記受圧ダイヤフラムの中央部側に半導体プロセスにより設けられ前記第２の振動子より張力が小にされた少なくとも一個の第１の振動子と
を具備し前記受圧ダイヤフラムの前記凹部が形成された面に測定圧が加えられたことを特徴とする半導体圧力センサ。
前記第１、第２の振動子がボロンの不純物拡散により張力が付加され、かつそれぞれ異なる不純物濃度を有すること
を特徴とする請求項１又は請求項２記載の半導体圧力センサ。
前記第１、第２の振動子がリンの不純物拡散により張力が付加され、かつそれぞれ異なる不純物濃度を有すること
を特徴とする請求項１又は請求項２記載の半導体圧力センサ。