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【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、力検知素子に係り、特に、エンジンのシリンダ内燃焼圧力等を検知するために使用される力検知素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、エンジンのシリンダ内燃焼圧力等を検知するために使用される力検知素子として、ピエゾ抵抗素子を利用した小型の力検知素子が知られている。ピエゾ抵抗素子は、歪み（応力変形）に応じて歪みが生じた部分の抵抗率が変化する素子である。このピエゾ抵抗素子は、一般に、半導体製造技術により単結晶Ｓｉ基板の主面上に形成されたゲージ抵抗によって構成されている。
【０００３】
ピエゾ抵抗素子を用いた歪みゲージとしては、応力作用面に対向する面または側面に電極を取り付けると共に、伸縮する被測定物にゲージの応力作用面を貼り付け、被測定物の伸縮に応じて変化する電流の変化から応力を検出する歪みゲージが知られている。この歪みゲージでは、応力が作用する方向と電流が流れる方向とが同一であるため、ピエゾ抵抗係数π11を利用している。
【０００４】
また、力検知素子としては、（１１０）面を主面とするＳｉ基板上に、ピエゾ抵抗効果を持つ４つのゲージ抵抗を＜１００＞方向及び＜１１０＞方向に形成してホイートストンブリッジを構成し、このホイートストンブリッジの上に力伝達ブロックを配置した力検知素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。この力検知素子では、力伝達ブロックに力が作用すると、力伝達ブロックからＳｉ基板の厚み方向に応力が伝達されるので、この応力の方向に対して垂直方向に電流が流れるように電圧を印加する。そして、応力に応じて発生するゲージ抵抗のピエゾ抵抗効果が＜１００＞方向と＜１１０＞方向とで異なることから、抵抗値に差が生じ、この抵抗値の差を電圧差として検知することで力伝達ブロックに作用した力を検知している。
【０００５】
この力検知素子では、電圧検知方向と電流経路方向とが同じで、かつ電流経路に対して垂直方向に力（一軸応力）が作用するので、ピエゾ抵抗係数π13を利用することになる。
【０００６】
また、この力検知素子を燃焼圧センサとして使用する場合には、力検知素子はセンサハウジングの中央に配置されてパッケージングされ、力検知素子の各電極と、この各電極と同一平面上に形成された取り出し端子とが、ワイヤボンディングによって接続される。そして、力検知素子上部に、力検知素子の力伝達ブロックに接触するように力伝達ロッド及びダイヤフラムが設けられ、ダイヤフラムに作用した力が力伝達ロッドを介して力検知素子に伝達されることで、上記のようにして燃焼圧力を電位差で検知するように構成されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平８−２７１３６３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の歪みゲージでは、ゲージを被測定物に接着剤等により貼り付ける必要があるため、接着剤の厚みむら、ばらつき等の影響によって高精度な測定結果を得ることができない、という問題がある。また、４００℃を越えるような高温下で測定する場合には、接着剤が充分に機能せず、測定不能になる。
【０００９】
また、従来の力検知素子では、同一平面状に電極を形成していることから、ワイヤボンディングによるゲージ電圧出力用の配線が必要となるため、製造工程の工数が多くなり、低コストで力検知素子を製造することが困難になる、という問題がある。
【００１１】
本発明は、上記問題を解決すべく成されたもので、ワイヤボンディングによるゲージ電圧出力用の配線を不用とすることにより、製造工程の工数を低減し、低コストで製造することができるようにした力検知素子を提供することを目的とする。
【００１８】
上記の目的を達成するために本発明は、半導体基板と、前記半導体基板の一方の主面に形成されると共に、力が作用したときに押圧されるゲージ部と、前記半導体基板の厚み方向の電流経路が前記ゲージ部に形成され、かつ、前記半導体基板の厚み方向に電圧が検知されるように、前記ゲージ部に電気的に接続された第１の電極と、前記半導体基板の他方の主面に、前記第１の電極と対向するように形成された第２の電極とで構成される２つの電極と、を含んで構成し、前記ゲージ部において前記電流経路の方向に力が作用するようにしたものである。
【００１９】
本発明では、半導体基板の厚み方向に対応する方向の電流経路がゲージ部に形成され、かつ、半導体基板の厚み方向に電圧が検知されるように、ゲージ部に電気的に接続された第１の電極と、半導体基板の他方の主面に、第１の電極と対向するように形成された第２の電極とで構成される２つの電極を形成している。また、力が作用したときにゲージ部が電流経路の方向に押圧される。
【００２０】
このように本発明では、電流経路の方向と電圧の検知方向とが同一で、かつ電流経路の方向に力（一軸応力）が作用するので、ピエゾ抵抗係数π11を利用することになる。
第１の電極及び第２の電極の少なくとも一方をコンタクトホールが穿設された絶縁膜を介して主面に形成し、絶縁膜を介して主面に形成した電極をコンタクトホールを介してゲージ部と電気的に接続するようにしてもよい。このコンタクトホールを穿設する位置は、電極の中心に対応する部位が好ましい。
【００２１】
本発明の力検出素子は、ゲージ部を押圧する力伝達ブロックを用いて陽極接合することなく構成することができる（接合レス型力検出素子）。この接合レス型力検出素子は、半導体基板と、前記半導体基板の一方の主面に形成されると共に、力が作用したときに押圧されるゲージ部と、前記半導体基板の厚み方向に対応する方向の電流経路が前記ゲージ部に形成され、かつ、前記半導体基板の厚み方向に電圧が検知されるように、前記ゲージ部に電気的に接続された第１の電極と、前記半導体基板の他方の主面に、前記第１の電極と対向するように形成された第２の電極とで構成される２つの電極と、力が作用したときに前記ゲージ部を前記電流経路の方向に押圧する力伝達ブロックと、を含んで構成することができる。
【００２２】
この接合レス型力検出素子では、力伝達ブロックがゲージ部を電流経路の方向に押圧するので、上記で説明したのと同様にピエゾ抵抗係数π11を利用することになる。また、接合レス型力検出素子では、陽極接合等の接合技術を必要としないので、低コストで製造することができる。
【００２４】
また、本発明の力検出素子は、力伝達ブロックを用いることなく、２つの半導体基板をダイレクトボンディング法等によって接合して構成することもできる（接合型力検出素子）。この接合型力検出素子は、第１の半導体基板と、前記第１の半導体基板の一方の主面に形成されると共に、力が作用したときに押圧されるゲージ部と、一方の主面側が前記第１の半導体基板の前記ゲージ部に接合された第２の半導体基板と、前記第１の半導体基板に形成された第１の電極、及び前記第２の半導体基板に形成された第２の電極とを備え、前記ゲージ部に力が作用する方向と同じ方向の電流経路を形成し、かつ、前記ゲージ部に力が作用する方向と同じ方向に電圧を検知する２つの電極と、を含んで構成することができる。
【００２５】
この接合型力検出素子では、一方の主面に第１のゲージ部が形成され、かつ他方の主面に第１の電極が形成された第１の半導体基板と、一方の主面の前記第１のゲージ部に対応する位置に第２のゲージ部が形成され、かつ他方の主面に第２の電極が形成された第２の半導体基板とを用い、前記第１のゲージ部と前記第２のゲージ部とを接合することで構成することができる。また、一方の主面に第１のゲージ部が形成され、かつ他方の主面に第１の電極が形成された第１の半導体基板と、一方の主面に第２の電極が形成され、かつ他方の主面に該第２の電極に電気的に接続された引出し線が形成された第２の半導体基板とを用い、第１の電極のゲージ部と第２の電極の一方の主面側とを接合し、ゲージ部と引出し線とを接合することで構成することもできる。
【００２６】
この接合型力検出素子においても、ゲージ部に力が作用すると、電流経路の方向と電圧の検知方向とが同一で、かつ電流経路の方向に力が作用するので、上記で説明したのと同様にピエゾ抵抗係数π11を利用することになる。接合型力検出素子では、ゲージ部が強固に接合されているので、ゲージ部での滑りが発生せず、結果としてヒステリシスが発生しなくなる。
【００２７】
なお、接合型力検出素子においては、前記第１の電極を、前記第１の半導体基板の他方の主面または側面に形成すると共に、前記第２の電極を、前記第２の半導体基板の他方の主面または側面に形成することができる。
【００２８】
本発明では、２つの電極を用いているため、電極の各々に端子を接続すればよく、従来必要であったワイヤボンディングによるゲージ電圧出力用の配線が不用になるので、製造工程の工数を低減し、低コストで製造することができる。
【００２９】
ピエゾ抵抗係数π11は、（１１０）面を主面とするｐ型シリコン単結晶の場合には、＜１１０＞方向に、（１１１）面を主面とするｐ型シリコン単結晶の場合には、＜１１１＞方向に、各々最大の感度を持っている。また、（１００）面を主面とするｎ型シリコン単結晶の場合には、＜１００＞方向に最大の感度を持っている。
【００３０】
従って、本発明の半導体基板は、（１１０）面を主面とし、かつ＜１１０＞方向を前記電流経路の方向とするｐ型シリコン単結晶基板、（１１１）面を主面とし、かつ＜１１１＞方向を前記電流経路の方向とするｐ型シリコン単結晶基板、または、（１００）面を主面とし、かつ＜１００＞方向を前記電流経路の方向とするｎ型シリコン単結晶基板を用いることができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の力検知素子を燃焼圧センサに適用した場合について詳細に説明する。
【００３２】
図１に示すように、筒状のハウジング１０の一端には、抵抗溶接によって、金属製のダイアフラム１２が固定されている。ハウジング１０の内部には、筒状端子１４の一部が挿入され、抵抗溶接によってハウジング１０の内壁に固定されている。
【００３３】
筒状端子１４の内部には、ハーメチック端子１６が挿入され、ハウジング１０内部が気密に封止されている。ハーメチック端子１６は、筒状端子１４の内部に気密に封止された絶縁体１６Ａと、この絶縁体１６Ａを貫通して外部に一端が突出され、かつ他端に径が太い素子固定部１６Ｃが形成された棒状端子１６Ｂとによって構成されている。棒状端子１６Ｂの素子固定部１６Ｃは、気密封止された室の内部に配置されている。
【００３４】
棒状端子１６Ｂの素子固定部１６Ｃには、力検知素子２４の検知素子部２０が下側に位置する電極側で固定されている。力検知素子２４は、図２（１）にも示すように、検知素子部２０と、検知素子部２０の上面に載置された半球状の力伝達体２２とによって構成されている。
【００３５】
力伝達体２２は、高電気導電性材料で構成するのが好ましく、また電気導電性を有しない材料や、低電気導電性材料で構成した場合には、力伝達体２２の表面に、Ｎｉ無電解メッキ等の電気導電性処理を施し、電気導電性が良好になるように構成すればよい。筒状端子１４の気密封止された室の内部に位置する端部には、筒状端子１４の端部と力伝達体２２の頂部とを電気的に接続する板状の接続端子２６が設けられている。接続端子２６の上面には、ガイド筒２８が固定されており、このガイド筒２８にはダイヤフラム１２の裏面と接触し、かつガイド筒の軸方向に移動可能にロッド３０が挿入されている。
【００３６】
次に、力検知素子の検知素子部の詳細について説明する。この力検知素子としては、接合レス型力検知素子または接合型力検知素子を適用することができる。
【００３７】
最初に、接合レス型力検知素子について説明する。図３〜図４は、接合レス型力検知素子の検知素子部を示すものである。
【００３８】
検知素子部を構成する半導体基板としては、（１１０）面を主面とするｐ型シリコン単結晶基板、または（１００）面を主面とするｎ型シリコン単結晶基板を用いることができる。これらの基板は、主面に形成される電極とオーミック接触が得られるように、例えば、０．０１Ω・ｃｍレベルの濃度を有する基板が使用される。
【００３９】
このシリコン単結晶基板の一方の主面には、円柱状のゲージ部３２及びゲージ部３２を中心としてゲージ部３２の周辺に設けられたリング状力伝達体支持部３４が形成され、他方の主面には第２の電極４０が形成されている。ゲージ部３２には、シリコン単結晶基板の厚み方向に電流が流れるように、第２の電極４０と対向させて第１の電極３８が形成されて、ゲージ部３２と電気的に接続されている。本実施の形態の第１の電極及び第２の電極は、一対の対向電極を構成している。なお、電流経路に電流を流す方向は、第１の電極から第２の電極の方向でもよく、逆に、第２の電極から第１の電極の方向でもよい。
【００４０】
この検知素子部は、以下のようにして製造される。まず、シリコン単結晶基板上に、エピタキシャル成長により、例えば抵抗値０．１〜１Ω・ｃｍ、厚さ１〜３μｍのエピタキシャル層を成長させる。
【００４１】
次に、図３及び図４に示すように、一方の主面の中心に円柱状ゲージ部３２が形成されると共に、円柱状ゲージ部３２を中心とするリング状力伝達体支持部３４が形成されるように、エピタキシャル層の不用部分をエッチングにより除去する。その後、シリコン単結晶基板上面の全面に、ＳｉＯ2膜３６を形成する。エピタキシャル層の厚さが１〜３μｍであるので、円柱状ゲージ部３２及びリング状力伝達体支持部３４の高さは、１〜３μｍ程度である。
【００４２】
円柱状ゲージ部３２の上面に形成されたＳｉＯ2膜は、ウエットエッチングによりコンタクトホールが形成され、Ａｌスパッタと反応性イオンエッチングによりこのコンタクトホールを介してゲージ部３２とオーミック接触した第１の電極３８が形成されている。
【００４３】
また、シリコン単結晶基板の下面には、全面にわたって第２の電極４０が形成されている。
【００４４】
これによって、第１の電極３８と第２の電極４０とは対向して形成され、第１の電極３８と第２の電極４０との間に電圧を印加したときに、電流が第１の電極３８から第２の電極４０へ流れるか、または第２の電極４０から第１の電極３８へ流れる電流経路が形成される。この電流経路は、シリコン単結晶基板の厚み方向を向いており、例えば、ｐ型シリコン単結晶基板の場合で、電流が第１の電極３８から第２の電極４０へ流れる電流経路の場合には、図４に示すように＜１１０＞方向、ｎ型シリコン単結晶基板の場合には図５に示すように＜１００＞方向に形成される。
【００４５】
第１の電極及び第２の電極の材料としては、オーミック接触が得られる材料であれば良く、上記で説明したＡｌ、またはＡｌ合金を使用することができるが、材料強度の面からはＷ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｃｒ等のいずれかが望ましく、電極の最表面は、酸化され難い金属材料、例えばＡｕでコーティングするのが好ましい。
【００４６】
ゲージ部３２の形状は、ゲージ部の目的とする抵抗値により決定される。ゲージ部の抵抗値は、下記の式で表されるので、例えば、汎用的に使用されている歪ゲージのゲージ抵抗（１２０Ω〜１ｋΩ）を用いると、例えば、円柱状ゲージ部の比抵抗を０．１Ω・ｃｍ、ゲージ高さを３μｍ、円柱状ゲージ部の直径を５μｍとすれば、ゲージ抵抗値として約１６０Ωが得られる。
【００４７】
ゲージ部の抵抗が比較的高いエピタキシャル層（例えば、１Ωレベル）を用いる場合は、第１の電極とのオーミック接触が得られ難いため、この場合には、例えばイオン注入技術によりゲージ部表面に浅い高濃度層を形成すればよい。
【００４８】

Figure 0004019876
なお、円柱状ゲージ部の直径及び高さの上下限値は、圧力作用下でのゲージ部の破壊耐久性及び出力感度により決定される。
【００４９】
また、上記ではリング状の力伝達体支持部について説明したが、ゲージ部の周変に配置する力伝達支持部は、ゲージの出力感度及び破壊耐久性に影響を与えないような形状であればよく、形状については特に限定されず、四角形や五角形等の多角形状に形成してもよい。
【００５０】
次に、接合レス型力検知素子の検知素子部の変形例を図６〜図８を参照して説明する。この変形例は、リング状力伝達体支持部に代えて、複数の円柱状力伝達体支持部を円周上に等間隔に配置したものである。このため、図６〜図８において、図３〜図５と対応する部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００５１】
この変形例では、図６、図７に示すように、一方の主面の中心に形成された円柱状ゲージ部３２を中心とする円周上に等間隔に複数（例えば、４個）の円柱状力伝達体支持部３５が形成されるように、エピタキシャル層の不用部分がエッチングにより除去されている。この力伝達体支持部３４の高さは、円柱状ゲージ部３２と同様に１〜３μｍ程度である。
【００５２】
なお、図８は、ｎ型シリコン単結晶基板を用い、電流経路を＜１００＞方向に形成した例を示すものである。また、複数の力伝達体支持部の配置位置及び各力伝達体支持部の形状は、ゲージの出力感度及び破壊耐久性に影響を与えないような配置及び形状であればよく、特に限定されない。この変形例においても、電流経路における電流を流す方向は、第１の電極から第２の電極の方向でもよく、逆に、第２の電極から第１の電極の方向でもよい。
【００５３】
上記では、ゲージ部３２形成側に、力伝達体２２を配置する例について説明したが、図２（２）に示すように検知素子部の上下を反転させて、第２の電極側に力伝達体２２を配置するようにしてもよい。この場合においても、電流経路における電流を流す方向は、第１の電極から第２の電極の方向でもよく、逆に、第２の電極から第１の電極の方向でもよい。
【００５４】
次に、図９、図１０を参照して、接合型力検知素子の検知素子部の第１の実施の形態を説明する。この検知素子部には、第１の半導体基板である第１のシリコン単結晶基板５０と第２の半導体基板である第２のシリコン単結晶基板６０とが設けられている。
【００５５】
第１のシリコン単結晶基板５０の一方の主面には、主面全面を覆うように第１の電極５６が形成されている。なお、この第１のシリコン単結晶基板５０には、ゲージ部は設けられていない。
【００５６】
第２のシリコン単結晶基板６０の一方の主面の中心には、円柱状のゲージ部６２と、ゲージ部６２を中心とするリング状ゲージ部６４とが形成されている。これらのゲージ部は、上記で説明したようにエピタキシャル成長とエッチングにより形成することができる。また、第２のシリコン単結晶基板６０の他方の主面には、主面全面を覆うように第２の電極６６が形成されている。第１の電極及び第２の電極の材料としては、上記で説明した材料を使用することができる。
【００５７】
なお、第１のシリコン単結晶基板の他方の主面側及び第２のシリコン単結晶基板のゲージ部形成側は、接合レス型力検知素子のシリコン単結晶基板と異なり、ＳｉＯ2膜は形成されていないので、円柱状のゲージ部及びリング状ゲージ部はＳｉ単結晶で形成されている。
【００５８】
第１のシリコン単結晶基板５０と第２のシリコン単結晶基板６０とは、Ｓｉ単結晶のゲージ部同士を接触させた状態で加熱及び加圧して接合するダイレクトボンディング法によって接合され、図１０に示す検知素子部が構成される。
【００５９】
この検知素子部の第１の電極と第２の電極間との間に電圧を印加すると、図１０に示すように、接合されたシリコン単結晶基板の中心部のゲージ部と周辺部のゲージ部とに、これらのゲージ部を基板の厚み方向に流れる電流経路が形成される。図では、電流経路に第１の電極から第２の電極方向に電流が流れるように電圧を印加したが、電流経路に第２の電極から第１の電極方向に電流が流れるように電圧を印加してもよい。
【００６０】
また、図１０では、ゲージ部が形成されたシリコン単結晶基板の上にゲージ部が形成されていないシリコン単結晶基板を配置する例について説明したが、図１１に示すように、ゲージ部が形成されていないシリコン単結晶基板の上にゲージ部が形成されたシリコン単結晶基板を配置するようにしてもよい。この場合においても、電流経路における電流を流す方向は、第１の電極から第２の電極の方向でもよく、逆に、第２の電極から第１の電極の方向でもよい。
【００６１】
また、半導体基板としては、上記で説明したように、（１１０）面を主面とするｐ型シリコン単結晶基板、または（１００）面を主面とするｎ型シリコン単結晶基板を用いることができる。
【００６２】
この接合型力検知素子の検知素子部の第１の実施の形態によれば、一対のシリコン単結晶基板の一方にのみゲージ部を形成し、このゲージ部に対向する他方のシリコン単結晶基板の主面には何も形成していないので、一対のシリコン単結晶基板をダイレクトボンディング法によって接合する際の位置決めを容易に行なうことができる。
【００６３】
次に、図１２、及び図１３を参照して、接合型力検知素子の検知素子部の第２の実施の形態を説明する。この検知素子部の第２の実施の形態は、第１の半導体基板である第１のシリコン単結晶基板５０と第２の半導体基板である第２のシリコン単結晶基板６０との両方に円柱状のゲージ部及びリング状ゲージ部を設けたものである。
【００６４】
図に示すように、第１のシリコン単結晶基板５０の一方の主面の中心には、円柱状のゲージ部５２と、ゲージ部５２を中心とするリング状ゲージ部５４とが形成されている。これらのゲージ部は、上記で説明したようにエピタキシャル成長とエッチングにより形成することができる。また、第１の半導体基板５０の他方の主面には、主面全面を覆うように第１の電極５６が形成されている。
【００６５】
第２のシリコン単結晶基板６０の一方の主面の中心には、円柱状のゲージ部６２と、ゲージ部６２を中心とするリング状ゲージ部６４とが形成されている。また、第２のシリコン単結晶基板６０の他方の主面には、主面全面を覆うように第２の電極６６が形成されている。第１の電極及び第２の電極の材料としては、上記で説明した材料を使用することができる。第１の電極及び第２の電極の材料は、以下で説明する実施の形態及び変形例においても同様である。
【００６６】
なお、第１のシリコン単結晶基板及び第２のシリコン単結晶基板のゲージ部形成側は、上記で説明したように、接合レス型力検知素子のシリコン単結晶基板と異なり、ＳｉＯ2膜は形成されていないので、円柱状のゲージ部及びリング状ゲージ部はＳｉ単結晶で形成されている。
【００６７】
第１のシリコン単結晶基板５０と第２のシリコン単結晶基板６０とは、Ｓｉ単結晶のゲージ部同士を接触させた状態で加熱及び加圧して接合するダイレクトボンディング法によって接合され、図１３に示す検知素子部が構成される。
【００６８】
この検知素子部の第１の電極と第２の電極間との間に電圧を印加すると、図１３に示すように、接合されたシリコン単結晶基板の中心部のゲージ部と周辺部のゲージ部とに、これらのゲージ部を基板の厚み方向に流れる電流経路が形成される。図では、電流経路に第１の電極から第２の電極方向に電流が流れるように電圧を印加したが、電流経路に第２の電極から第１の電極方向に電流が流れるように電圧を印加してもよい。
【００６９】
また、半導体基板としては、上記で説明したように、（１１０）面を主面とするｐ型シリコン単結晶基板、または（１００）面を主面とするｎ型シリコン単結晶基板を用いることができる。
【００７０】
この接合型力検知素子の検知素子部の第２の実施の形態によれば、一対のシリコン単結晶基板の両方にゲージ部を形成し、このゲージ部同士を接合し、ゲージ部を直列接続したので、ゲージ部の抵抗が高くなり、これによって精度良く力を検出することができる。
【００７１】
次に、図１４、及び図１５を参照して、接合型力検知素子の検知素子部の第３の実施の形態を説明する。この検知素子部の第３の実施の形態は、上記の実施の形態で説明した一対の対向電極の一方の電極をシリコン単結晶基板の側面に形成した側面電極に変更したものである。
【００７２】
第２のシリコン単結晶基板６０の上に配置された第１のシリコン単結晶基板５０の対向する側面の各々には、一対の第１の電極（側面電極）５６が形成されている。なお、この第１の電極５６は、第１のシリコン単結晶基板５０の全周にわたって形成してもよい。第２のシリコン単結晶基板６０は、上記の図１０で説明したのと同様の構成であるので対応する部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００７３】
この検知素子部は、図１５に示すように、素子固定部１６Ｃに載置され、力検知素子の検知素子部２０が第２の電極側で素子固定部１６Ｃに固定されている。
【００７４】
図１５に示すように、素子固定部１６Ｃの外周を被覆するように、ハーメチック端子の絶縁体１６Ａが形成されており、この絶縁体１６Ａには、この絶縁体１６Ａを中央部に設けられた棒状端子１６Ｂの長さ方向に貫通する一対の周辺端子８２が支持されている。周辺端子８２の先端部は、相互に接近する方向に屈曲されている。
【００７５】
周辺端子８２の先端部を屈曲させて周辺端子８２の先端部の間隔を検知素子部の外形寸法より短くすることにより、検知素子部を素子固定部１６Ｃに載置したときに、検知素子部は、周辺端子８２の屈曲部によって挟持されて固定される。なお、周辺端子が絶縁体を貫通しているので、周辺端子と中央の棒状端子とは電気的に絶縁されている。
【００７６】
上記のように構成された力検知素子の周辺電極８２と棒状電極１６Ｂとの間に電圧を印加すると、図１５に示すように、接合されたシリコン単結晶基板の中心部のゲージ部と周辺部のゲージ部とに、これらのゲージ部を基板の厚み方向に流れる電流経路が形成される。図では、電流経路に第１の電極から第２の電極方向に電流が流れるように電圧を印加したが、電流経路に第２の電極から第１の電極方向に電流が流れるように電圧を印加してもよい。
【００７７】
本実施の形態では、検知素子部を挟持するために、周辺電極としては対向配置された一対の電極が最低必要になるが、電圧を印加する周辺電極は、最低１本でよい。
【００７８】
上記では、ゲージ部が形成されたシリコン単結晶基板の上にゲージ部が形成されていないシリコン単結晶基板を配置する例について説明したが、図１６に示すように、ゲージ部が形成されていないシリコン単結晶基板５０の上にゲージ部が形成されたシリコン単結晶基板６０を配置するようにしてもよい。
【００７９】
このように構成した場合には、第１の電極（側面電極）は、ゲージ部が形成されたシリコン単結晶基板の対向する側面、または側面全周にわたって形成され、第２の電極は、ゲージ部が形成されていないシリコン単結晶基板５０の素子固定部１６Ｃ側主面に形成される。この場合においても、電流経路における電流を流す方向は、第１の電極から第２の電極の方向でもよく、逆に、第２の電極から第１の電極の方向でもよい。
【００８０】
なお、側面電極を側面全周にわたって形成した場合には、検知素子部の向きによらず側面電極が周辺電極の屈曲部に当接するので、検知素子部の組付が容易になる。
【００８１】
次に、接合型力検知素子の検知素子部の第１の変形例を図１７を参照して説明する。この変形例は、荷重印加時の応力バランスを考慮すると、ゲージ部（検出部）は中心部のみに設けるのが望ましいことから、ｐｎ分離の原理を利用して図１０の電流経路が中心部にのみに形成されるようにしたものである（ｐｎ分離構造）。なお、図１７において図１０と対応する部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００８２】
この変形例は、（１００）面を主面とするｎ型シリコン単結晶基板を用い、リング状ゲージ部の所定深さまでの領域にｐ型の不純物層６５を形成したものである。このようにｐ型の不純物層を形成することにより、リング状ゲージ部はゲージとして機能しなくなり、上側に位置するシリコン単結晶基板を支持する支持部としてのみ機能する。従って、この場合には、接合レス型力検出素子の力伝達体と力検知素子部とを接合したのと同様の構成になる。
【００８３】
なお、この変形例において（１１０）面を主面とするｐ型シリコン単結晶基板を用る場合には、リング状ゲージ部の所定深さまでの領域にｎ型の不純物層を形成すればよい。
【００８４】
次に、接合型力検知素子の検知素子部の第２の変形例を図１８に示す。この変形例は、図１３に示した検知素子部のリング状ゲージ部に、図１７に示した第１の変形例と同様に、（１００）面を主面とするｎ型シリコン単結晶基板に形成されたリング状ゲージ部の一方に、ｐ型の不純物層６５を形成したものである。この変形例においても（１１０）面を主面とするｐ型シリコン単結晶基板を用い、リング状ゲージ部の所定深さまでの領域にｎ型の不純物層を形成してもよい。
【００８５】
次に、電流経路を中心部にのみに形成した検知素子部の第３の変形例について図１９を参照して説明する。この変形例は、２つの半導体基板（シリコン単結晶基板）のいずれか一方（本変形例では下側）をＳＯＩ（Ｓｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ)で構成するることにより、電流経路を中心部にのみ制限したものである。
【００８６】
図１９に示すように、この変形例において上側に位置するシリコン単結晶基板は、図１１と同一の構成である。下側に位置するＳＯＩ８０は、ＳｉＯ2膜で形成された酸化層７０の上に薄いシリコン薄膜７２を形成した基板であるので、シリコン薄膜７２の上側の半導体基板に形成された円柱状ゲージ部５２及びリング状ゲージ部５４に対応する領域以外の部分をエッチング等によって除去し、中心部領域７２Ａ及び周辺部領域７２Ｂを残存させる。
【００８７】
また、酸化層７０における中心部領域７２Ａの近傍の領域に孔を穿設し、導電性の引出し線７４によって中心部領域７２ＡとＳＯＩの酸化層の下側領域とをオーミック接触させる。そして、下側に位置するＳＯＩ８０と上側に位置するシリコン単結晶基板５０とを上記で説明したのと同様にダイレクトボンディング法によって接合する。
【００８８】
これによって、電流経路は、上側シリコン単結晶基板に形成された円柱状ゲージ部、ＳＯＩの中心部領域７２Ａ、及び引出し線７４を含む中心部にのみ制限される。
【００８９】
次に、電流経路を中心部にのみに形成した検知素子部の第４の変形例について図２０を参照して説明する。この変形例は、図１７に示した第１の変形例のｐ型領域に代えて、リング状ゲージ部にＳｉＯ2膜等の絶縁膜６７を形成し、電流経路を中心部にのみ制限するようにしたものである（絶縁膜分離構造）。図２０では、図１０の検知素子部に絶縁膜６７を形成した例について説明したが、図１３に示す検知素子部に絶縁膜６７を形成するようにしてもよい。
【００９０】
上記で説明した電流経路を中央部に制限するｐｎ分離構造及び絶縁膜分離構造の場合、ウエハ状態からチップ状態にダイシングカットする際、カットした面にマイクロクラックが発生する場合がある。このマイクロクラックが発生すると、不純物形成部（上記で説明したｐ型領域、またはｎ型領域）や絶縁膜形成部でリーク電流が発生し易くなる。この問題を解消するたあめに、図２１の第５の変形例では不純物形成部６５の外周６５Ｓをダイシングカット部Ｃより内側に配置している。また、図２２の第６の変形例では絶縁膜形成部６７の外周６７Ｓをダイシングカット部Ｃより内側に配置している。これによって、不純物形成部や絶縁膜形成部がダイシングカットされることがないので、これらの部分にマイクロクラックが発生することがない。
【００９１】
また、不純物形成部や絶縁膜形成部の側面部は、大気中の可動イオン等の付着により延面リークが発生し易い。この対策として、図２３に示す第７の変形例では、ｐｎ分離構造の場合において、不純物形成部の側面に絶縁ワニス等を塗布することにより絶縁ワニス等で形成された外気遮断層８４を形成している。
【００９２】
また、図２４に示す第８の変形例では、絶縁膜分離構造の場合において、絶縁膜形成部６７に対面する領域で、かつシリコン単結晶基板表面のゲージ部と接触する領域を除いた領域にもＳｉＯ2膜等の絶縁膜８６を形成したものである。このように、絶縁膜８６を形成することにより、延面距離を長くすることができ、リーク低減を図ることができる。
【００９３】
なお、上記で説明した第１の変形例から第８の変形例では、検知素子部を上下反転して使用することができ、また、一対の対向電極の一方を側面電極に変更してもよく、更に電流経路に第１の電極から第２の電極方向に電流が流れるように電圧を印加してもよく、第２の電極から第１の電極方向に電流が流れるように電圧を印加してもよい。
【００９４】
上記の実施の形態及び変形例では、シリコン単結晶基板表面にゲージ部を形成する例について説明したが、以下では、シリコン単結晶基板自体でゲージ部を形成することにより、より構造を簡単にし実施の形態について説明する。
【００９５】
図２５は、参考例を示すものであり、矩形状に切り出されたシリコン単結晶基板自体で形成されたゲージ部９０と、ゲージ部９０の一方の主面に形成された第１の電極９２と、ゲージ部９０の他方の主面に第１の電極と対向するように形成された第２の電極９４とで構成されている。
【００９６】
シリコン単結晶基板としては、（１００）面を主面とするｎ型シリコン単結晶基板、（１１０）面を主面とするｐ型シリコン単結晶基板、または（１１１）面を主面とするｐ型シリコン単結晶基板を用いることができる。
【００９７】
本参考例では、電極が形成された主面が応力作用面になり、ゲージ部９０は、力が作用したときにゲージ部９０の厚み方向、すなわちシリコン単結晶基板の厚み方向に押圧される。本参考例において、第１の電極及び第２の電極間に電圧を印加すると、ゲージ部の厚み方向に電流経路が形成される。この状態で、ゲージ部に力が作用するとゲージ部の抵抗が変化し、流れる電流が変化するのでこれによって力を検出することができる。
【００９８】
参考例では、主面の略全面に亘って電極が形成されているので、ゲージ抵抗が小さくて出力感度が低くなる可能性がある。次に、参考例の電流経路の領域を制限することにより、ゲージ抵抗の高抵抗化を図った第１の変形例を図２６（１）、（２）を参照して説明する。この第１の変形例は、第１の電極９２及び第２の電極９４の各々をコンタクトホール９８が穿設されたＳｉＯ2膜等の絶縁膜９６を介して主面に形成し、第１の電極９２及び第２の電極９４の各々をコンタクトホール９８を介してゲージ部９０と電気的に接続したものである。このコンタクトホール９８は、図２６（２）に示すように、電極９２、９４の中心に対応する部位に穿設されている。
【００９９】
第１の変形例では、ゲージ部のコンタクトホールに挟まれた部分に電流経路（主として電流が流れる領域）１００が形成されるので、電流経路はゲージ部の一部分に形成されるように制限される。このように、電流経路が制限されることにより、ゲージ抵抗を高抵抗にでき、扱い易い抵抗値を得ることができる。
【０１００】
なお、第１の変形例では、第１の電極及び第２の電極の各々をコンタクトホールを介してゲージ部と電気的に接続したが、第１の電極及び第２の電極のいずれか一方をコンタクトホールを介してゲージ部と電気的に接続しても、電流経路を制限することができるので、第１の電極及び第２の電極の少なくとも一方をコンタクトホールを介してゲージ部と電気的に接続するようにすればよい。
【０１０１】
以下、電流経路がゲージ部の一部分に形成されるように制限する第２〜４の変形例について説明する。
【０１０２】
第２の変形例は、図２７（１）、（２）に示すように、ゲージ部９０の第１の電極９２が形成された側に平行な複数（図では２本）の溝１０２を形成することにより、第１の電極９２を複数（図では３個）の領域に分割したものである。第２の変形例では、第１の電極９２の分割された複数の領域と第２の電極９４におけるこの領域の各々に対応する部位とで挟まれた複数（図では３つ）の領域に電流経路が形成される。したがって、第２の変形例の電流経路が形成される領域は参考例と比較して狭い領域（図では参考例の３／５程度の領域）に制限される。
【０１０３】
なお、第２の変形例では、第１の電極を複数に分割した例について説明したが、以下で説明するように、ゲージ部の溝で挟まれた中央の部分の上面にのみに第１の電極を形成し、ゲージ部の主面の他の部分にはＳｉＯ2膜等の絶縁膜を形成するようにしてもよい。この場合には、参考例と比較して電流経路が形成される領域を更に狭い領域（図では参考例の１／５程度の領域）に制限することができる。
【０１０４】
第３の変形例では、ゲージ部９０の一方の主面に複数の溝１０２を形成し、溝１０２で挟まれた中央の部分の上面にのみ第１の電極９２を形成し、ゲージ部の主面の他の部分にはＳｉＯ2膜等の絶縁膜１０４を形成している。また、ゲージ部９０の他方の主面に溝１０２と直交する方向に複数の溝１０６を形成し、溝１０６で挟まれた中央の部分の上面にのみ第２の電極９４を形成し、ゲージ部の主面の他の部分にはＳｉＯ2膜等の絶縁膜１０４を形成している。
【０１０５】
第３の変形例では、第１の電極９２と第２の電極９４とで挟まれた領域に電流経路が形成されるので、参考例と比較して電流経路が形成される領域を更に狭い領域（図では参考例の１／９程度の領域）に制限することができる。
【０１０６】
上記ではゲージ部の一方の主面に形成する溝とゲージ部の他方の主面に形成する溝が直交するようにしたが、溝を形成する方向は直交させる必要はなく、交差する方向に形成すればよい。
【０１０７】
第４の変形例は、図２９に示すように、ゲージ部の両方の主面に格子状の溝を形成して、ゲージ部の両方の主面に複数の四角柱を形成し、一方の主面の中央の四角柱の上面に第１の電極９２を形成し、他方の主面の中央の四角柱の上面に第２の電極９４を形成したものである。他の四角柱の上面にはＳｉＯ2膜等の絶縁膜１０４が形成されている。第４の変形例では、第３の変形例と同様に電流経路が形成される領域を狭い領域に制限することができるが、第４の変形例では、更に第１の電極及び第２の電極を小さくすることができる。
【０１０８】
なお、参考例における各変形例の絶縁膜が形成されている部分は、力伝達ブロックの支持部としての機能も有するものである。また、電極が形成されている部分の幅や高さを調整することにより所定の抵抗値を得ることができる。さらに、上記では、側壁が鉛直面で形成されかつ底面が平面で形成され、長さ方向と直交する面で切断した断面が矩形の直角溝を形成する例について説明したが、長さ方向と直交する面で切断した断面がＶ字形のＶ字溝を形成してもよい。また、溝の幅や間隔は不等ピッチでもよい。
【０１０９】
上記のように構成された燃焼圧センサは、金属製ダイアフラム１２にシリンダ内圧力が作用するよう図示しないエンジンのシリンダヘッドの壁面に装着される。
【０１１０】
シリンダ内の圧力は、金属製ダイアフラム１２、ロッド３０、及び接続端子２６を介して、例えば、力伝達体２２または上側シリコン単結晶基板５０等に伝達され、ゲージ部３２（または、ゲージ部５２及び５４等）を電流経路の方向に押圧する。この押圧力は、シリコン単結晶基板のピエゾ抵抗係数π11によるピエゾ抵抗効果に基づく出力電圧の変化に変換される。従って、電圧の変化からシリンダ内圧力を正確に測定することができる。
【０１１１】
なお、上記では、（１１０）面を主面とするｐ型シリコン単結晶基板、（１００）面を主面とするｎ型シリコン単結晶基板等を用いる例について説明したが、これらと等価な結晶面を有するシリコン単結晶基板であれば、いずれも使用することができる。
【０１１２】
通常、半導体回路は、（１００）面またはこの面と等価な結晶面に形成される。従って、ｎ型シリコン単結晶（１００）基板を使用すれば、半導体圧力センサに増幅器や駆動回路を容易に組合せることができるため、これまで困難であった制御回路一体型センサが実現可能となる。
【０１１３】
上記では、ゲージ部や支持部をメサエッチング加工により形成する例について説明したが、ダイシング加工によっても形成することができる。
【０１１４】
メサエッチングで形成する場合は、ゲージ部や支持部の形状及び配置を任意に決定することができるので、素子の高性能化（構造の最適化）を図ることができる。ダイシング加工の場合には、エッチングマスク等を必要とせずに容易にゲージ部、支持部、または溝を形成することができるので、製造工程を簡素化（低コスト化）することができる。
【０１１６】
以上説明したように本発明によれば、ゲージ部において電流経路の方向と力が作用する方向とを同じにし、かつ、ゲージ部に力が作用する方向と同じ方向に電圧を検知することによりワイヤボンディングによるゲージ出力用の配線を不用としたので、製造工程の工数を低減し、低コストで製造することができる、という効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の燃焼圧センサの断面図である。
【図２】（１）は図１の力検知素子の拡大図であり、（２）は検知素子部を上下反転して使用する場合の力検知素子の拡大図である。
【図３】燃焼圧センサに使用可能な接合レス型力検知素子の検知素子部の斜視図である。
【図４】図３の検知素子部のｐ型シリコン単結晶基板を用いた場合の断面図である。
【図５】図３の検知素子部のｎ型シリコン単結晶基板を用いた場合の断面図である。
【図６】力検知素子の検知素子部の変形例を示す斜視図である。
【図７】図６の検知素子部のｐ型シリコン単結晶基板を用いた場合の断面図である。
【図８】図６の検知素子部のｎ型シリコン単結晶基板を用いた場合の断面図である。
【図９】燃焼圧センサに使用可能なゲージ無し基板とゲージ有り基板とを用いた接合型力検知素子の第１の実施の形態の半導体基板の斜視図である。
【図１０】図９の接合型力検知素子の断面図である。
【図１１】図１０の接合型力検知素子の上下を反転した接合型力検知素子の断面図である。
【図１２】燃焼圧センサに使用可能な一対のゲージ有り基板を用いた接合型力検知素子の第２の実施の形態の半導体基板の斜視図である。
【図１３】図１２の接合型力検知素子の断面図である。
【図１４】接合型力検知素子の検知素子部の第３の実施の形態を示す断面図である。
【図１５】検知素子部の第３の実施の形態を組み込んだ力検知素子の断面図である。
【図１６】第３の実施の形態の検知素子部の上下を反転させて組み込んだ力検知素子の断面図である。
【図１７】接合型力検知素子の検知素子部の第１の変形例を示す断面図である。
【図１８】接合型力検知素子の検知素子部の第２の変形例を示す断面図である。
【図１９】接合型力検知素子の検知素子部の第３の変形例を示す断面図である。
【図２０】接合型力検知素子の検知素子部の第４の変形例を示す断面図である。
【図２１】接合型力検知素子の検知素子部の第５の変形例を示す断面図である。
【図２２】接合型力検知素子の検知素子部の第６の変形例を示す断面図である。
【図２３】接合型力検知素子の検知素子部の第７の変形例を示す断面図である。
【図２４】接合型力検知素子の検知素子部の第８の変形例を示す断面図である。
【図２５】力検知素子の検知素子部の第４の実施の形態の断面図である。
【図２６】（１）は第４の実施の形態の第１の変形例を示す断面図であり、（２）は平面図である。
【図２７】（１）は第４の実施の形態の第２の変形例を示す断面図であり、（２）は斜視図である。
【図２８】は第４の実施の形態の第３の変形例を示す斜視図である。
【図２９】は第４の実施の形態の第４の変形例を示す斜視図である。
【符号の説明】
２０ 検知素子部
２２ 力伝達体
３２ ゲージ部
３４ 力伝達体支持部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a force detection element, and more particularly to a force detection element used for detecting an in-cylinder combustion pressure or the like of an engine.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, a small force detecting element using a piezoresistive element is known as a force detecting element used for detecting an in-cylinder combustion pressure of an engine. A piezoresistive element is an element in which the resistivity of the portion where the distortion occurs is changed according to the distortion (stress deformation). This piezoresistive element is generally constituted by a gauge resistor formed on the main surface of a single crystal Si substrate by a semiconductor manufacturing technique.
[0003]
As a strain gauge using a piezoresistive element, an electrode is attached to the surface or side facing the stress acting surface, and the stress acting surface of the gauge is attached to the object to be expanded and contracted. Strain gauges that detect stress from changes in current are known. In this strain gauge, the direction in which the stress acts and the direction in which the current flows are the same, so the piezoresistance coefficient π11Is used.
[0004]
As a force sensing element, a Wheatstone bridge is formed by forming four gauge resistors having a piezoresistive effect in the <100> direction and the <110> direction on a Si substrate having a (110) plane as a main surface. A force detection element in which a force transmission block is arranged on the Wheatstone bridge is known (for example, see Patent Document 1). In this force detection element, when a force is applied to the force transmission block, stress is transmitted from the force transmission block in the thickness direction of the Si substrate. Therefore, a voltage is applied so that current flows in a direction perpendicular to the direction of the stress. To do. And since the piezoresistance effect of the gauge resistance generated according to the stress is different between the <100> direction and the <110> direction, a difference occurs in the resistance value, and this difference in resistance value is detected as a voltage difference. The force acting on the force transmission block is detected.
[0005]
In this force detection element, the voltage detection direction and the current path direction are the same, and a force (uniaxial stress) acts in a direction perpendicular to the current path, so that the piezoresistance coefficient π13Will be used.
[0006]
When this force detection element is used as a combustion pressure sensor, the force detection element is disposed at the center of the sensor housing and packaged, and each electrode of the force detection element is formed on the same plane as each electrode. The taken out terminal is connected by wire bonding. A force transmission rod and a diaphragm are provided on the upper portion of the force detection element so as to contact the force transmission block of the force detection element, and the force acting on the diaphragm is transmitted to the force detection element via the force transmission rod. The combustion pressure is detected by the potential difference as described above.
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-8-271363
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-mentioned conventional strain gauge, it is necessary to attach the gauge to the object to be measured with an adhesive or the like, and therefore it is not possible to obtain a highly accurate measurement result due to the influence of uneven thickness or variation of the adhesive. There is. Further, when measuring at a high temperature exceeding 400 ° C., the adhesive does not function sufficiently and measurement becomes impossible.
[0009]
In addition, since the conventional force detection element has electrodes formed on the same plane, wiring for gauge voltage output by wire bonding is required, which increases the number of manufacturing steps and reduces the cost. There exists a problem that it becomes difficult to manufacture an element.
[0011]
  The present invention has been made to solve the above problems,To provide a force detection element that can be manufactured at low cost by reducing the number of man-hours in the manufacturing process by eliminating the wiring for gauge voltage output by wire bonding.EyesTarget.
[0018]
  UpOfTo achieve the purposeBookThe invention includes a semiconductor substrate, a gauge portion that is formed on one main surface of the semiconductor substrate, pressed when a force is applied, and a current path in a thickness direction of the semiconductor substrate is formed in the gauge portion. And the gauge portion so that a voltage is detected in the thickness direction of the semiconductor substrate.InElectrically connectedA first electrode and a second electrode formed on the other main surface of the semiconductor substrate so as to face the first electrode.Two electrodes, and a force acts in the direction of the current path in the gauge portion.
[0019]
  BookIn the invention, the gauge portion is formed so that a current path in a direction corresponding to the thickness direction of the semiconductor substrate is formed in the gauge portion and a voltage is detected in the thickness direction of the semiconductor substrate.InElectrically connectedConsists of a first electrode and a second electrode formed on the other main surface of the semiconductor substrate so as to face the first electrodeTwo electrodes are formed. Further, when force is applied, the gauge portion is pressed in the direction of the current path.
[0020]
  in this wayBookIn the present invention, since the direction of the current path is the same as the voltage detection direction and a force (uniaxial stress) acts in the direction of the current path, the piezoresistance coefficient π11Will be used.
At least one of the first electrode and the second electrode is formed on the main surface through an insulating film having a contact hole formed therein, and the electrode formed on the main surface through the insulating film is formed on the gauge portion through the contact hole. And may be electrically connected. A position corresponding to the center of the electrode is preferred as the position for forming the contact hole.
[0021]
  BookThe force detection element of the invention can be configured without anodic bonding using a force transmission block that presses the gauge part (bonding-less force detection element). The bonding-less force detecting element is formed on one main surface of the semiconductor substrate, a gauge portion that is pressed when a force is applied, and a direction corresponding to the thickness direction of the semiconductor substrate. The gauge portion is formed so that a current path is formed in the gauge portion and a voltage is detected in a thickness direction of the semiconductor substrate.InElectrically connectedA first electrode and a second electrode formed on the other main surface of the semiconductor substrate so as to face the first electrode.Two electrodes and a force transmission block that presses the gauge portion in the direction of the current path when a force is applied can be configured.
[0022]
In this jointless type force detection element, the force transmission block presses the gauge portion in the direction of the current path, so that the piezoresistance coefficient π is the same as described above.11Will be used. Moreover, since the joining-less force detecting element does not require a joining technique such as anodic joining, it can be manufactured at a low cost.
[0024]
  Also,BookThe force detection element of the invention can also be configured by bonding two semiconductor substrates by a direct bonding method or the like without using a force transmission block (bonded force detection element). The junction-type force detecting element is formed on a first semiconductor substrate, one main surface of the first semiconductor substrate, a gauge portion pressed when a force is applied, and one main surface side A second semiconductor substrate bonded to the gauge portion of the first semiconductor substrate; a first electrode formed on the first semiconductor substrate; and a second electrode formed on the second semiconductor substrate. Two electrodes that form a current path in the same direction as the direction in which a force acts on the gauge portion and detect a voltage in the same direction as the direction in which the force acts on the gauge portion. Can be configured.
[0025]
In this junction-type force detection element, a first semiconductor substrate having a first gauge portion formed on one main surface and a first electrode formed on the other main surface, and the first semiconductor substrate on the first main surface. A second semiconductor substrate in which a second gauge portion is formed at a position corresponding to one gauge portion and a second electrode is formed on the other main surface, and the first gauge portion and the first gauge portion are used. It can comprise by joining 2 gauge parts. A first semiconductor substrate having a first gauge portion formed on one main surface and a first electrode formed on the other main surface; and a second electrode formed on one main surface; And a second semiconductor substrate having a lead wire electrically connected to the second electrode formed on the other main surface, the gauge portion of the first electrode and one main surface of the second electrode. It can also be configured by joining the sides and joining the gauge part and the lead wire.
[0026]
Also in this junction type force detection element, when a force acts on the gauge portion, the direction of the current path is the same as the direction of voltage detection, and the force acts in the direction of the current path. Piezoresistance coefficient π11Will be used. In the joint type force detection element, the gauge part is firmly joined, so that no slip occurs in the gauge part, and as a result, no hysteresis occurs.
[0027]
In the junction-type force detection element, the first electrode is formed on the other main surface or side surface of the first semiconductor substrate, and the second electrode is formed on the other side of the second semiconductor substrate. It can be formed on the main surface or side surface.
[0028]
  In the present invention,TwoTherefore, it is only necessary to connect a terminal to each of the electrodes, and the wiring for gauge voltage output by wire bonding, which has been necessary in the past, is unnecessary. Can be manufactured.
[0029]
PiEzo resistance coefficient π11Is in the <110> direction in the case of a p-type silicon single crystal having the (110) plane as the principal plane, and in the <111> direction in the case of a p-type silicon single crystal having the (111) plane as the principal plane. Each has maximum sensitivity. In addition, in the case of an n-type silicon single crystal having a (100) plane as a main surface, it has the maximum sensitivity in the <100> direction.
[0030]
  Therefore,BookThe semiconductor substrate of the invention is, (A p-type silicon single crystal substrate having a (110) plane as a principal plane and the <110> direction as the direction of the current path, a (111) plane as a principal plane and the <111> direction as the direction of the current path. A p-type silicon single crystal substrate or an n-type silicon single crystal substrate having the (100) plane as the main surface and the <100> direction as the direction of the current path can be used.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the case where the force detection element of the embodiment of the present invention is applied to a combustion pressure sensor will be described in detail with reference to the drawings.
[0032]
As shown in FIG. 1, a metal diaphragm 12 is fixed to one end of a cylindrical housing 10 by resistance welding. A part of the cylindrical terminal 14 is inserted into the housing 10 and fixed to the inner wall of the housing 10 by resistance welding.
[0033]
A hermetic terminal 16 is inserted into the cylindrical terminal 14 and the inside of the housing 10 is hermetically sealed. The hermetic terminal 16 includes an insulator 16A hermetically sealed inside the cylindrical terminal 14, and an element fixing portion 16C that penetrates the insulator 16A and has one end protruding outside and the other end having a large diameter. It is comprised by the formed rod-shaped terminal 16B. The element fixing portion 16C of the rod-shaped terminal 16B is disposed inside a hermetically sealed chamber.
[0034]
The detection element portion 20 of the force detection element 24 is fixed to the element fixing portion 16C of the rod-shaped terminal 16B on the electrode side located on the lower side. As shown in FIG. 2A, the force detection element 24 includes a detection element unit 20 and a hemispherical force transmission body 22 placed on the upper surface of the detection element unit 20.
[0035]
The force transmission body 22 is preferably composed of a high electrical conductivity material. When the material is not electrically conductive or is composed of a low electrical conductivity material, Ni is not present on the surface of the force transmission body 22. What is necessary is just to comprise so that electrical conductivity processing, such as electrolytic plating, may be given and electrical conductivity may become favorable. A plate-like connection terminal 26 that electrically connects the end of the cylindrical terminal 14 and the top of the force transmitting body 22 is provided at the end located inside the hermetically sealed chamber of the cylindrical terminal 14. It has been. A guide tube 28 is fixed to the upper surface of the connection terminal 26, and a rod 30 is inserted into the guide tube 28 so as to be in contact with the back surface of the diaphragm 12 and movable in the axial direction of the guide tube.
[0036]
Next, details of the detection element portion of the force detection element will be described. As this force detection element, a junctionless type force detection element or a junction type force detection element can be applied.
[0037]
First, the jointless type force detection element will be described. 3 to 4 show the detection element portion of the jointless force detection element.
[0038]
As a semiconductor substrate constituting the detection element portion, a p-type silicon single crystal substrate having a (110) plane as a main surface or an n-type silicon single crystal substrate having a (100) plane as a main surface can be used. As these substrates, for example, substrates having a concentration of 0.01 Ω · cm level are used so that an ohmic contact with the electrode formed on the main surface can be obtained.
[0039]
On one main surface of the silicon single crystal substrate, a cylindrical gauge portion 32 and a ring-shaped force transmission body support portion 34 provided around the gauge portion 32 with the gauge portion 32 as the center are formed. A second electrode 40 is formed on the surface. A first electrode 38 is formed on the gauge portion 32 so as to face the second electrode 40 so that current flows in the thickness direction of the silicon single crystal substrate, and is electrically connected to the gauge portion 32. . The first electrode and the second electrode in this embodiment form a pair of counter electrodes. The direction in which the current flows in the current path may be the direction from the first electrode to the second electrode, or conversely, the direction from the second electrode to the first electrode.
[0040]
This detection element part is manufactured as follows. First, an epitaxial layer having a resistance value of 0.1 to 1 Ω · cm and a thickness of 1 to 3 μm is grown on a silicon single crystal substrate by epitaxial growth.
[0041]
Next, as shown in FIGS. 3 and 4, a cylindrical gauge portion 32 is formed at the center of one main surface, and a ring-shaped force transmission body support portion 34 centering on the cylindrical gauge portion 32 is formed. Thus, unnecessary portions of the epitaxial layer are removed by etching. After that, on the entire upper surface of the silicon single crystal substrate, SiO2A film 36 is formed. Since the thickness of the epitaxial layer is 1 to 3 μm, the height of the columnar gauge portion 32 and the ring-shaped force transmission body support portion 34 is about 1 to 3 μm.
[0042]
SiO formed on the upper surface of the cylindrical gauge portion 322A contact hole is formed in the film by wet etching, and a first electrode 38 that is in ohmic contact with the gauge portion 32 is formed through the contact hole by Al sputtering and reactive ion etching.
[0043]
A second electrode 40 is formed on the entire bottom surface of the silicon single crystal substrate.
[0044]
As a result, the first electrode 38 and the second electrode 40 are formed to face each other, and when a voltage is applied between the first electrode 38 and the second electrode 40, the current flows to the first electrode 38. A current path that flows from the second electrode 40 to the second electrode 40 or from the second electrode 40 to the first electrode 38 is formed. This current path is directed in the thickness direction of the silicon single crystal substrate. For example, in the case of a p-type silicon single crystal substrate, the current path flows from the first electrode 38 to the second electrode 40. 4 is formed in the <110> direction, and in the case of an n-type silicon single crystal substrate, it is formed in the <100> direction as shown in FIG.
[0045]
The material of the first electrode and the second electrode may be any material that can provide ohmic contact, and Al or Al alloy described above can be used. From the viewpoint of material strength, W, Any one of Ni, Ti, Cr and the like is desirable, and the outermost surface of the electrode is preferably coated with a metal material which is not easily oxidized, for example, Au.
[0046]
The shape of the gauge part 32 is determined by the target resistance value of the gauge part. Since the resistance value of the gauge portion is expressed by the following equation, for example, when the gauge resistance (120Ω to 1 kΩ) of a strain gauge used for general purposes is used, the specific resistance of the cylindrical gauge portion is set to 0 0.1 Ω · cm, the gauge height is 3 μm, and the diameter of the cylindrical gauge portion is 5 μm, a gauge resistance value of about 160Ω is obtained.
[0047]
When an epitaxial layer (for example, 1 Ω level) having a relatively high resistance of the gauge portion is used, it is difficult to obtain ohmic contact with the first electrode. A high concentration layer may be formed.
[0048]
Figure 0004019876
The upper and lower limits of the diameter and height of the cylindrical gauge portion are determined by the fracture durability and output sensitivity of the gauge portion under the action of pressure.
[0049]
In the above description, the ring-shaped force transmission support section has been described. However, the force transmission support section disposed on the circumference of the gauge section has a shape that does not affect the output sensitivity and the durability to breakage of the gauge. The shape is not particularly limited, and may be formed in a polygonal shape such as a quadrangle or a pentagon.
[0050]
Next, modifications of the detection element portion of the jointless force detection element will be described with reference to FIGS. In this modification, instead of the ring-shaped force transmission body support portion, a plurality of columnar force transmission body support portions are arranged at equal intervals on the circumference. For this reason, in FIGS. 6-8, the same code | symbol is attached | subjected to the part corresponding to FIGS. 3-5, and description is abbreviate | omitted.
[0051]
In this modified example, as shown in FIGS. 6 and 7, a plurality of (for example, four) circles are equally spaced on the circumference centered on the cylindrical gauge portion 32 formed at the center of one main surface. Unnecessary portions of the epitaxial layer are removed by etching so that the columnar force transmission body support portion 35 is formed. The height of the force transmission body support portion 34 is about 1 to 3 μm like the cylindrical gauge portion 32.
[0052]
FIG. 8 shows an example in which an n-type silicon single crystal substrate is used and current paths are formed in the <100> direction. Further, the arrangement position of the plurality of force transmission body support portions and the shape of each force transmission body support portion are not particularly limited as long as the arrangement and shape do not affect the output sensitivity and the fracture durability of the gauge. Also in this modification, the direction in which the current flows in the current path may be the direction from the first electrode to the second electrode, or conversely, the direction from the second electrode to the first electrode.
[0053]
In the above description, the example in which the force transmission body 22 is arranged on the gauge portion 32 formation side has been described. However, as shown in FIG. 2 (2), the sensing element portion is turned upside down to transmit force to the second electrode side. The body 22 may be arranged. Also in this case, the direction in which the current flows in the current path may be from the first electrode to the second electrode, and conversely, from the second electrode to the first electrode.
[0054]
Next, with reference to FIG. 9 and FIG. 10, a first embodiment of the detection element portion of the joint type force detection element will be described. The sensing element portion is provided with a first silicon single crystal substrate 50 that is a first semiconductor substrate and a second silicon single crystal substrate 60 that is a second semiconductor substrate.
[0055]
A first electrode 56 is formed on one main surface of the first silicon single crystal substrate 50 so as to cover the entire main surface. The first silicon single crystal substrate 50 is not provided with a gauge portion.
[0056]
A cylindrical gauge portion 62 and a ring-shaped gauge portion 64 centered on the gauge portion 62 are formed at the center of one main surface of the second silicon single crystal substrate 60. These gauge portions can be formed by epitaxial growth and etching as described above. A second electrode 66 is formed on the other main surface of the second silicon single crystal substrate 60 so as to cover the entire main surface. As the material for the first electrode and the second electrode, the materials described above can be used.
[0057]
Note that the other main surface side of the first silicon single crystal substrate and the gauge portion forming side of the second silicon single crystal substrate are different from the silicon single crystal substrate of the junctionless force sensing element in that the SiO 22Since no film is formed, the cylindrical gauge portion and the ring gauge portion are formed of Si single crystal.
[0058]
The first silicon single crystal substrate 50 and the second silicon single crystal substrate 60 are bonded by a direct bonding method in which the Si single crystal gauge portions are brought into contact with each other by heating and pressurizing, and are bonded to each other in FIG. The sensing element section shown is configured.
[0059]
When a voltage is applied between the first electrode and the second electrode of the sensing element portion, as shown in FIG. 10, the central gauge portion and the peripheral gauge portion of the bonded silicon single crystal substrate In addition, a current path that flows through these gauge portions in the thickness direction of the substrate is formed. In the figure, a voltage is applied so that a current flows from the first electrode to the second electrode in the current path, but a voltage is applied so that a current flows from the second electrode to the first electrode in the current path. May be.
[0060]
Further, although FIG. 10 illustrates an example in which a silicon single crystal substrate without a gauge portion is disposed on a silicon single crystal substrate with a gauge portion formed, the gauge portion is formed as shown in FIG. A silicon single crystal substrate in which a gauge portion is formed on a silicon single crystal substrate that is not formed may be disposed. Also in this case, the direction in which the current flows in the current path may be from the first electrode to the second electrode, and conversely, from the second electrode to the first electrode.
[0061]
In addition, as described above, a p-type silicon single crystal substrate having a (110) plane as a main surface or an n-type silicon single crystal substrate having a (100) plane as a main surface is used as the semiconductor substrate. it can.
[0062]
According to the first embodiment of the sensing element portion of the junction type force sensing element, the gauge portion is formed only on one of the pair of silicon single crystal substrates, and the other silicon single crystal substrate facing the gauge portion is formed. Since nothing is formed on the main surface, positioning when the pair of silicon single crystal substrates are bonded by the direct bonding method can be easily performed.
[0063]
Next, with reference to FIG. 12 and FIG. 13, a second embodiment of the detection element portion of the junction type force detection element will be described. In the second embodiment of the detection element section, both the first silicon single crystal substrate 50, which is the first semiconductor substrate, and the second silicon single crystal substrate 60, which is the second semiconductor substrate, are cylindrical. The gauge part and the ring-shaped gauge part are provided.
[0064]
As shown in the figure, a cylindrical gauge portion 52 and a ring-shaped gauge portion 54 centering on the gauge portion 52 are formed at the center of one main surface of the first silicon single crystal substrate 50. . These gauge portions can be formed by epitaxial growth and etching as described above. A first electrode 56 is formed on the other main surface of the first semiconductor substrate 50 so as to cover the entire main surface.
[0065]
A cylindrical gauge portion 62 and a ring-shaped gauge portion 64 centered on the gauge portion 62 are formed at the center of one main surface of the second silicon single crystal substrate 60. A second electrode 66 is formed on the other main surface of the second silicon single crystal substrate 60 so as to cover the entire main surface. As the material for the first electrode and the second electrode, the materials described above can be used. The materials for the first electrode and the second electrode are the same in the embodiments and modifications described below.
[0066]
Note that the gauge portion forming side of the first silicon single crystal substrate and the second silicon single crystal substrate is different from the silicon single crystal substrate of the junctionless type force detection element as described above, as described above.2Since no film is formed, the cylindrical gauge portion and the ring gauge portion are formed of Si single crystal.
[0067]
The first silicon single crystal substrate 50 and the second silicon single crystal substrate 60 are bonded together by a direct bonding method in which the Si single crystal gauge portions are brought into contact with each other by heating and pressurizing and bonded to each other in FIG. The sensing element section shown is configured.
[0068]
When a voltage is applied between the first electrode and the second electrode of the sensing element portion, as shown in FIG. 13, the gauge portion at the central portion and the gauge portion at the peripheral portion of the bonded silicon single crystal substrate In addition, a current path that flows through these gauge portions in the thickness direction of the substrate is formed. In the figure, a voltage is applied so that a current flows from the first electrode to the second electrode in the current path, but a voltage is applied so that a current flows from the second electrode to the first electrode in the current path. May be.
[0069]
In addition, as described above, a p-type silicon single crystal substrate having a (110) plane as a main surface or an n-type silicon single crystal substrate having a (100) plane as a main surface is used as the semiconductor substrate. it can.
[0070]
According to the second embodiment of the sensing element portion of the bonded force sensing element, the gauge portions are formed on both of the pair of silicon single crystal substrates, the gauge portions are joined together, and the gauge portions are connected in series. As a result, the resistance of the gauge portion is increased, whereby the force can be detected with high accuracy.
[0071]
Next, with reference to FIG. 14 and FIG. 15, a third embodiment of the detection element portion of the junction type force detection element will be described. In the third embodiment of the detection element portion, one electrode of the pair of counter electrodes described in the above embodiment is changed to a side electrode formed on the side surface of the silicon single crystal substrate.
[0072]
A pair of first electrodes (side electrodes) 56 is formed on each of the opposing side surfaces of the first silicon single crystal substrate 50 disposed on the second silicon single crystal substrate 60. Note that the first electrode 56 may be formed over the entire circumference of the first silicon single crystal substrate 50. Since the second silicon single crystal substrate 60 has the same configuration as that described with reference to FIG. 10, the same reference numerals are given to the corresponding portions, and description thereof is omitted.
[0073]
As shown in FIG. 15, the detection element portion is placed on the element fixing portion 16C, and the detection element portion 20 of the force detection element is fixed to the element fixing portion 16C on the second electrode side.
[0074]
As shown in FIG. 15, an insulator 16A of a hermetic terminal is formed so as to cover the outer periphery of the element fixing portion 16C, and this insulator 16A has a rod-like shape provided with the insulator 16A in the central portion. A pair of peripheral terminals 82 penetrating in the length direction of the terminal 16B is supported. The distal end portions of the peripheral terminals 82 are bent in directions approaching each other.
[0075]
When the sensing element portion is placed on the element fixing portion 16C by bending the distal end portion of the peripheral terminal 82 so that the distance between the distal end portions of the peripheral terminal 82 is shorter than the outer dimension of the sensing element portion, the sensing element portion The peripheral terminal 82 is fixed by being sandwiched between the bent portions. In addition, since the peripheral terminal penetrates the insulator, the peripheral terminal and the central rod-shaped terminal are electrically insulated.
[0076]
When a voltage is applied between the peripheral electrode 82 and the rod-like electrode 16B of the force detecting element configured as described above, as shown in FIG. 15, the gauge portion and the peripheral portion at the center of the bonded silicon single crystal substrate A current path that flows through these gauge parts in the thickness direction of the substrate is formed in the gauge parts. In the figure, a voltage is applied so that a current flows from the first electrode to the second electrode in the current path, but a voltage is applied so that a current flows from the second electrode to the first electrode in the current path. May be.
[0077]
In the present embodiment, in order to sandwich the detection element portion, a pair of electrodes arranged opposite to each other is necessary as the peripheral electrode, but at least one peripheral electrode to which a voltage is applied is sufficient.
[0078]
In the above description, an example in which a silicon single crystal substrate without a gauge portion is disposed on a silicon single crystal substrate with a gauge portion formed has been described. However, as shown in FIG. 16, no gauge portion is formed. You may make it arrange | position the silicon single crystal substrate 60 in which the gauge part was formed on the silicon single crystal substrate 50.
[0079]
When configured in this manner, the first electrode (side electrode) is formed over the opposite side surface of the silicon single crystal substrate on which the gauge portion is formed, or the entire circumference of the side surface, and the second electrode is the gauge portion. Is formed on the main surface of the element fixing portion 16C side of the silicon single crystal substrate 50 in which is not formed. Also in this case, the direction in which the current flows in the current path may be from the first electrode to the second electrode, and conversely, from the second electrode to the first electrode.
[0080]
When the side electrode is formed over the entire circumference of the side surface, the side electrode comes into contact with the bent portion of the peripheral electrode regardless of the orientation of the detection element portion, so that the detection element portion can be easily assembled.
[0081]
Next, a first modification of the detection element portion of the junction type force detection element will be described with reference to FIG. In this modification, considering the stress balance at the time of load application, it is desirable to provide the gauge part (detection part) only in the center part. Therefore, the current path of FIG. (Pn isolation structure). In FIG. 17, parts corresponding to those in FIG.
[0082]
In this modification, an n-type silicon single crystal substrate having a (100) plane as a main surface is used, and a p-type impurity layer 65 is formed in a region up to a predetermined depth of the ring-shaped gauge portion. By forming the p-type impurity layer in this way, the ring-shaped gauge portion does not function as a gauge, and functions only as a support portion that supports the silicon single crystal substrate located on the upper side. Accordingly, in this case, the configuration is the same as that in which the force transmission body of the jointless type force detection element and the force detection element portion are joined.
[0083]
In this modification, when a p-type silicon single crystal substrate having a (110) plane as a main surface is used, an n-type impurity layer may be formed in a region up to a predetermined depth of the ring-shaped gauge portion.
[0084]
Next, the 2nd modification of the detection element part of a joining type | mold force detection element is shown in FIG. This modification is applied to the ring-shaped gauge part of the sensing element part shown in FIG. 13 as in the case of the first modification shown in FIG. A p-type impurity layer 65 is formed on one of the formed ring gauge portions. Also in this modification, a p-type silicon single crystal substrate having a (110) plane as a main surface may be used, and an n-type impurity layer may be formed in a region up to a predetermined depth of the ring-shaped gauge portion.
[0085]
Next, a third modified example of the sensing element portion in which the current path is formed only in the central portion will be described with reference to FIG. In this modified example, one of the two semiconductor substrates (silicon single crystal substrate) (the lower side in this modified example) is configured by SOI (Slicon on Insulator), thereby limiting the current path only to the central portion. Is.
[0086]
As shown in FIG. 19, the silicon single crystal substrate located on the upper side in this modification has the same configuration as FIG. The lower SOI 80 is SiO2Since the thin silicon thin film 72 is formed on the oxide layer 70 formed of a film, the regions corresponding to the cylindrical gauge portion 52 and the ring-shaped gauge portion 54 formed on the semiconductor substrate above the silicon thin film 72. The other portions are removed by etching or the like to leave the central region 72A and the peripheral region 72B.
[0087]
In addition, a hole is formed in the oxide layer 70 in the vicinity of the central region 72A, and the central region 72A and the lower region of the SOI oxide layer are brought into ohmic contact with the conductive lead line 74. Then, the SOI 80 positioned on the lower side and the silicon single crystal substrate 50 positioned on the upper side are bonded by the direct bonding method in the same manner as described above.
[0088]
Thus, the current path is limited only to the central portion including the cylindrical gauge portion formed in the upper silicon single crystal substrate, the SOI central portion region 72A, and the lead line 74.
[0089]
Next, a description will be given of a fourth modification of the sensing element portion in which the current path is formed only in the central portion with reference to FIG. In this modification, instead of the p-type region of the first modification shown in FIG.2An insulating film 67 such as a film is formed so that the current path is limited only to the central portion (insulating film isolation structure). 20, the example in which the insulating film 67 is formed in the detection element portion of FIG. 10 has been described. However, the insulating film 67 may be formed in the detection element portion shown in FIG. 13.
[0090]
In the case of the pn isolation structure and the insulating film isolation structure that limit the current path described above to the center portion, when the wafer is diced to the chip state, a microcrack may be generated on the cut surface. When this micro crack is generated, a leak current is likely to be generated in the impurity forming portion (p-type region or n-type region described above) or the insulating film forming portion. In order to solve this problem, the outer periphery 65S of the impurity forming portion 65 is arranged inside the dicing cut portion C in the fifth modification of FIG. Further, in the sixth modified example of FIG. 22, the outer periphery 67 </ b> S of the insulating film forming portion 67 is disposed inside the dicing cut portion C. As a result, the impurity forming portion and the insulating film forming portion are not diced and cut, so that micro cracks are not generated in these portions.
[0091]
Further, the side surface portions of the impurity forming portion and the insulating film forming portion are liable to cause a surface leakage due to adhesion of mobile ions or the like in the atmosphere. As a countermeasure against this, in the seventh modification shown in FIG. 23, in the case of the pn isolation structure, an outside air blocking layer 84 formed of insulating varnish or the like is formed by applying insulating varnish or the like to the side surface of the impurity forming portion. ing.
[0092]
In the eighth modification shown in FIG. 24, in the case of the insulating film isolation structure, the region facing the insulating film forming portion 67 and the region excluding the region in contact with the gauge portion on the surface of the silicon single crystal substrate. Also SiO2An insulating film 86 such as a film is formed. In this way, by forming the insulating film 86, the extended surface distance can be increased, and leakage can be reduced.
[0093]
In the first to eighth modifications described above, the sensing element portion can be used upside down, and one of the pair of counter electrodes may be changed to a side electrode. Further, a voltage may be applied so that a current flows from the first electrode to the second electrode in the current path, and a voltage is applied so that a current flows from the second electrode to the first electrode. Also good.
[0094]
In the above embodiment and the modification, the example in which the gauge portion is formed on the surface of the silicon single crystal substrate has been described. However, in the following, the structure is simplified by forming the gauge portion on the silicon single crystal substrate itself. Will be described.
[0095]
  FIG.Reference exampleThe gauge part 90 formed of the silicon single crystal substrate itself cut into a rectangular shape, the first electrode 92 formed on one main surface of the gauge part 90, and the other of the gauge part 90 And a second electrode 94 formed to face the first electrode on the main surface.
[0096]
As the silicon single crystal substrate, an n-type silicon single crystal substrate having a (100) plane as a main surface, a p-type silicon single crystal substrate having a (110) plane as a main surface, or a p having a (111) plane as a main surface. Type silicon single crystal substrate can be used.
[0097]
  BookReference exampleThen, the main surface on which the electrode is formed becomes a stress acting surface, and the gauge portion 90 is pressed in the thickness direction of the gauge portion 90, that is, the thickness direction of the silicon single crystal substrate when a force is applied. BookReference exampleWhen a voltage is applied between the first electrode and the second electrode, a current path is formed in the thickness direction of the gauge portion. In this state, when a force is applied to the gauge portion, the resistance of the gauge portion changes and the flowing current changes, so that the force can be detected.
[0098]
  Reference exampleThen, since the electrode is formed over substantially the entire main surface, there is a possibility that the gauge resistance is small and the output sensitivity is lowered. next,Reference exampleA first modification in which the gauge resistance is increased by limiting the current path region will be described with reference to FIGS. 26 (1) and 26 (2). In the first modification, each of the first electrode 92 and the second electrode 94 is made of SiO with a contact hole 98 formed therein.2The first electrode 92 and the second electrode 94 are formed on the main surface via an insulating film 96 such as a film, and are electrically connected to the gauge portion 90 via a contact hole 98. The contact hole 98 is formed in a portion corresponding to the center of the electrodes 92 and 94 as shown in FIG.
[0099]
In the first modified example, the current path (mainly the current flowing region) 100 is formed in the portion sandwiched between the contact holes of the gauge portion, so that the current path is limited to be formed in a part of the gauge portion. . Thus, by restricting the current path, the gauge resistance can be increased and a resistance value that is easy to handle can be obtained.
[0100]
In the first modification example, each of the first electrode and the second electrode is electrically connected to the gauge portion through the contact hole, but either the first electrode or the second electrode is connected to the gauge portion. Even if it is electrically connected to the gauge part through the contact hole, the current path can be limited. Therefore, at least one of the first electrode and the second electrode is electrically connected to the gauge part through the contact hole. What is necessary is just to make it connect.
[0101]
Hereinafter, second to fourth modifications that limit the current path to be formed in a part of the gauge portion will be described.
[0102]
  In the second modification, as shown in FIGS. 27 (1) and (2), a plurality (two in the figure) of grooves 102 parallel to the side on which the first electrode 92 of the gauge portion 90 is formed are formed. Thus, the first electrode 92 is divided into a plurality of (three in the figure) regions. In the second modification, current is supplied to a plurality of (three in the figure) regions sandwiched between a plurality of divided regions of the first electrode 92 and a portion corresponding to each of the regions of the second electrode 94. A path is formed. Therefore, the region where the current path of the second modification is formed isReference exampleCompared to a narrow area (in the figureReference exampleArea of about 3/5).
[0103]
  In the second modification, the example in which the first electrode is divided into a plurality of parts has been described. However, as described below, the first electrode is formed only on the upper surface of the central part sandwiched between the grooves of the gauge part. An electrode is formed, and the other part of the main surface of the gauge part is made of SiO.2An insulating film such as a film may be formed. In this case,Reference exampleCompared to the region where the current path is formed, the region is narrower (in the figureReference exampleArea of about 1/5 of the above).
[0104]
In the third modification, a plurality of grooves 102 are formed on one main surface of the gauge portion 90, and the first electrode 92 is formed only on the upper surface of the central portion sandwiched between the grooves 102. The other part of the surface is SiO2An insulating film 104 such as a film is formed. A plurality of grooves 106 are formed on the other main surface of the gauge portion 90 in a direction orthogonal to the grooves 102, and the second electrode 94 is formed only on the upper surface of the central portion sandwiched between the grooves 106. The other part of the main surface of2An insulating film 104 such as a film is formed.
[0105]
  In the third modification, a current path is formed in a region sandwiched between the first electrode 92 and the second electrode 94.Reference exampleCompared to the region where the current path is formed, the region is narrower (in the figureReference exampleArea of about 1/9 of the above).
[0106]
In the above, the groove formed on one main surface of the gauge part and the groove formed on the other main surface of the gauge part are orthogonal to each other. However, the groove forming direction does not need to be orthogonal and formed in the intersecting direction. do it.
[0107]
As shown in FIG. 29, in the fourth modification example, lattice-like grooves are formed on both main surfaces of the gauge portion, and a plurality of square pillars are formed on both main surfaces of the gauge portion. The first electrode 92 is formed on the upper surface of the square column at the center of the surface, and the second electrode 94 is formed on the upper surface of the square column at the center of the other main surface. The upper surface of the other quadrangular columns is SiO2An insulating film 104 such as a film is formed. In the fourth modification, the region where the current path is formed can be limited to a narrow area as in the third modification. In the fourth modification, the first electrode and the second electrode are further provided. Can be reduced.
[0108]
  In addition,Reference exampleThe portion where the insulating film of each modification is formed also has a function as a support portion of the force transmission block. Moreover, a predetermined resistance value can be obtained by adjusting the width and height of the portion where the electrode is formed. Further, in the above description, the side wall is formed as a vertical surface and the bottom surface is formed as a flat surface, and the cross section cut along the surface perpendicular to the length direction forms a rectangular right angle groove. A V-shaped groove having a V-shaped cross section cut by the surface to be formed may be formed. Further, the widths and intervals of the grooves may be unequal pitches.
[0109]
The combustion pressure sensor configured as described above is mounted on the wall surface of an engine cylinder head (not shown) so that the cylinder internal pressure acts on the metal diaphragm 12.
[0110]
The pressure in the cylinder is transmitted to, for example, the force transmission body 22 or the upper silicon single crystal substrate 50 through the metal diaphragm 12, the rod 30, and the connection terminal 26, and the gauge portion 32 (or the gauge portion 52 and 54 etc.) in the direction of the current path. This pressing force is based on the piezoresistance coefficient π of the silicon single crystal substrate.11Is converted into a change in output voltage based on the piezoresistive effect. Therefore, the cylinder pressure can be accurately measured from the voltage change.
[0111]
In the above description, an example using a p-type silicon single crystal substrate having a (110) plane as a main surface and an n-type silicon single crystal substrate having a (100) plane as a main surface has been described. Any silicon single crystal substrate having a surface can be used.
[0112]
Usually, the semiconductor circuit is formed on a (100) plane or a crystal plane equivalent to this plane. Therefore, if an n-type silicon single crystal (100) substrate is used, an amplifier and a drive circuit can be easily combined with the semiconductor pressure sensor, so that it is possible to realize a control circuit integrated sensor that has been difficult until now. .
[0113]
In the above description, the example in which the gauge portion and the support portion are formed by mesa etching processing has been described. However, they can also be formed by dicing processing.
[0114]
In the case of forming by mesa etching, the shape and arrangement of the gauge part and the support part can be arbitrarily determined, so that the performance of the element (structure optimization) can be improved. In the case of dicing, since the gauge part, the support part, or the groove can be easily formed without the need for an etching mask or the like, the manufacturing process can be simplified (cost reduction).
[0116]
  Book as explained aboveAccording to the invention, the direction of the current path and the direction in which the force acts in the gauge part are the same, and the voltage is detected in the same direction as the direction in which the force acts on the gauge part, thereby enabling the gauge output for wire bonding. Since the wiring is not required, it is possible to reduce the number of steps in the manufacturing process and to manufacture at low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a combustion pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
2 is an enlarged view of the force detection element of FIG. 1, and (2) is an enlarged view of the force detection element when the detection element portion is used upside down. FIG.
FIG. 3 is a perspective view of a sensing element portion of a jointless force sensing element that can be used in a combustion pressure sensor.
4 is a cross-sectional view when a p-type silicon single crystal substrate of the detection element portion of FIG. 3 is used.
5 is a cross-sectional view in the case where an n-type silicon single crystal substrate of the detection element portion of FIG. 3 is used.
FIG. 6 is a perspective view showing a modification of the detection element portion of the force detection element.
7 is a cross-sectional view in the case where a p-type silicon single crystal substrate of the detection element portion of FIG. 6 is used.
8 is a cross-sectional view in the case where an n-type silicon single crystal substrate of the detection element portion of FIG. 6 is used.
FIG. 9 is a perspective view of a semiconductor substrate according to the first embodiment of a bonded force detection element using a gaugeless substrate and a gauged substrate that can be used in a combustion pressure sensor.
10 is a cross-sectional view of the junction-type force detection element of FIG.
FIG. 11 is a cross-sectional view of a junction type force detection element in which the junction type force detection element of FIG. 10 is turned upside down.
FIG. 12 is a perspective view of a semiconductor substrate according to a second embodiment of a bonded force detection element using a pair of gauge-equipped substrates that can be used in a combustion pressure sensor.
13 is a cross-sectional view of the joint type force detection element of FIG.
FIG. 14 is a cross-sectional view showing a third embodiment of the detection element portion of the junction-type force detection element.
FIG. 15 is a cross-sectional view of a force detection element incorporating a third embodiment of the detection element unit.
FIG. 16 is a cross-sectional view of a force detection element that is incorporated by inverting the detection element unit according to the third embodiment.
FIG. 17 is a cross-sectional view showing a first modification of the detection element portion of the bonded force detection element.
FIG. 18 is a cross-sectional view showing a second modification of the detection element portion of the bonded force detection element.
FIG. 19 is a cross-sectional view showing a third modification of the detection element portion of the junction-type force detection element.
FIG. 20 is a cross-sectional view showing a fourth modification of the detection element portion of the bonded force detection element.
FIG. 21 is a cross-sectional view showing a fifth modification of the detection element portion of the joint type force detection element.
FIG. 22 is a cross-sectional view showing a sixth modification of the detection element portion of the junction type force detection element.
FIG. 23 is a cross-sectional view showing a seventh modification of the detection element portion of the joint type force detection element.
FIG. 24 is a cross-sectional view showing an eighth modification of the detection element portion of the junction type force detection element.
FIG. 25 is a cross-sectional view of a fourth embodiment of the detection element portion of the force detection element.
FIG. 26A is a cross-sectional view showing a first modification of the fourth embodiment, and FIG. 26B is a plan view.
FIG. 27A is a cross-sectional view showing a second modification of the fourth embodiment, and FIG. 27B is a perspective view.
FIG. 28 is a perspective view showing a third modification of the fourth embodiment.
FIG. 29 is a perspective view showing a fourth modification of the fourth embodiment.
[Explanation of symbols]
20 Detection element
22 Force transmitter
32 gauge section
34 Force transmitter support

Claims (4)

半導体基板と、
前記半導体基板の一方の主面に形成されると共に、力が作用したときに押圧されるゲージ部と、
前記半導体基板の厚み方向の電流経路が前記ゲージ部に形成され、かつ、前記半導体基板の厚み方向に電圧が検知されるように、前記ゲージ部に電気的に接続された第１の電極と、前記半導体基板の他方の主面に、前記第１の電極と対向するように形成された第２の電極とで構成される２つの電極と、
を含み、前記ゲージ部において前記電流経路の方向に力が作用するようにした力検知素子。 A semi-conductor substrate,
A gauge portion which is pressed press when the conjunction is formed on one main surface of the semiconductor substrate, a force is applied,
The current path of the semiconductor substrate in the thickness direction is formed in the gauge section, and, as a voltage in the thickness direction of the semiconductor substrate is detected, a first electrode electrically connected to the gauge portion, Two electrodes composed of a second electrode formed on the other main surface of the semiconductor substrate so as to face the first electrode;
Only including, a force sensing element a force in the direction of the current path in the gauge portion has to act. 半導体基板と、
前記半導体基板の一方の主面に形成されると共に、力が作用したときに押圧されるゲージ部と、
前記半導体基板の厚み方向の電流経路が前記ゲージ部に形成され、かつ、前記半導体基板の厚み方向に電圧が検知されるように、前記ゲージ部に電気的に接続された第１の電極と、前記半導体基板の他方の主面に、前記第１の電極と対向するように形成された第２の電極とで構成される２つの電極と、
力が作用したときに前記ゲージ部を前記電流経路の方向に押圧する力伝達ブロックと、
を含む力検知素子。 A semiconductor substrate;
A gauge part formed on one main surface of the semiconductor substrate and pressed when a force is applied,
A first electrode electrically connected to the gauge portion so that a current path in the thickness direction of the semiconductor substrate is formed in the gauge portion and a voltage is detected in the thickness direction of the semiconductor substrate; Two electrodes composed of a second electrode formed on the other main surface of the semiconductor substrate so as to face the first electrode;
A force transmission block that presses the gauge portion in the direction of the current path when a force is applied;
Including force sensing element. 第１の半導体基板と、
前記第１の半導体基板の一方の主面に形成されると共に、力が作用したときに押圧されるゲージ部と、
一方の主面側が前記第１の半導体基板の前記ゲージ部に接合された第２の半導体基板と、
前記第１の半導体基板に形成された第１の電極、及び前記第２の半導体基板に形成された第２の電極とを備え、前記ゲージ部に力が作用する方向と同じ方向の電流経路を形成し、かつ、前記ゲージ部に力が作用する方向と同じ方向に電圧を検知する２つの電極と、
を含む力検知素子。 A first semiconductor substrate;
A gauge part formed on one main surface of the first semiconductor substrate and pressed when a force is applied;
A second semiconductor substrate having one main surface side bonded to the gauge portion of the first semiconductor substrate;
A first electrode formed on the first semiconductor substrate and a second electrode formed on the second semiconductor substrate, and having a current path in the same direction as a direction in which a force acts on the gauge portion. formed, and the two electrodes for detecting a voltage in the same direction as the direction in which force acts on the gauge portion,
The including force-sensing element. 前記第１の電極を、前記第１の半導体基板の他方の主面または側面に形成すると共に、前記第２の電極を、前記第２の半導体基板の他方の主面または側面に形成した請求項３記載の力検知素子。 Claims wherein the first electrode, The rewritable formed on the other principal surface or side of the first semiconductor substrate, the second electrode was formed on the other principal surface or side of the second semiconductor substrate Item 4. The force detection element according to Item 3 .
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