JP5081071B2 - Semiconductor pressure sensor - Google Patents

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Description

本発明は、気圧等の圧力を測定する半導体圧力センサに関する。   The present invention relates to a semiconductor pressure sensor that measures pressure such as atmospheric pressure.

従来、自動車のタイヤ空気圧などを測定する半導体圧力センサとして、ダイヤフラム型の半導体圧力センサが知られている(特許文献1、2)。   Conventionally, a diaphragm type semiconductor pressure sensor is known as a semiconductor pressure sensor for measuring a tire pressure of an automobile (Patent Documents 1 and 2).

従来の半導体圧力センサの平面構造を図5に示した。この従来の半導体圧力センサは、平面視矩形のダイヤフラム101の各辺(輪郭)102の中央上にかかるように形成された4個のピエゾ素子103、104がブリッジ回路を構成するように接続されている。そうしてブリッジ回路の中点電圧が、圧力測定電圧として出力される。ダイヤフラム101に圧力が加わると、一対のピエゾ素子103は圧縮方向の力が作用し、一対のピエゾ素子104には引張り方向の力が作用する。   A planar structure of a conventional semiconductor pressure sensor is shown in FIG. In this conventional semiconductor pressure sensor, four piezo elements 103 and 104 formed so as to cover the center of each side (contour) 102 of a diaphragm 101 having a rectangular shape in plan view are connected so as to form a bridge circuit. Yes. Thus, the midpoint voltage of the bridge circuit is output as a pressure measurement voltage. When pressure is applied to the diaphragm 101, a force in the compression direction acts on the pair of piezo elements 103, and a force in the tension direction acts on the pair of piezo elements 104.

これら従来の半導体圧力センサは、4個のピエゾ素子の形状が同一か(特許文献1)、ダイヤフラム101の輪郭と、長手方向が直交する方向のピエゾ素子104の幅を、長手方向が平行するピエゾ素子103の幅よりも狭くして抵抗値を小さくしたものであった。
特開昭56−133877号公報 特開昭58−148467号公報
In these conventional semiconductor pressure sensors, the shape of the four piezoelectric elements is the same (Patent Document 1), or the width of the piezoelectric element 104 in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the diaphragm 101 is parallel to the longitudinal direction. The resistance value is made smaller than the width of the element 103.
JP 56-133877 A JP 58-148467 A

しかし従来、ダイヤフラムアライメント(ピエゾ素子103、104とダイヤフラム101(その輪郭102)の相対位置)を正確に形成するのは困難であり、ばらつきを生じている。そのため、圧力が変化したときのブリッジ回路のバランスが崩れてしまう問題があった。特に、ダイヤフラムアライメントずれの影響は、前記ダイヤフラム101の輪郭102と平行な方向のピエゾ素子103が直交方向にずれたときの方が、長手方向が直交するピエゾ素子104が長手方向にずれたときよりも顕著に出る問題があった。   However, conventionally, it has been difficult to accurately form the diaphragm alignment (the relative position of the piezo elements 103 and 104 and the diaphragm 101 (its contour 102)), resulting in variations. For this reason, there is a problem that the balance of the bridge circuit is lost when the pressure changes. In particular, the influence of the diaphragm misalignment is that when the piezoelectric element 103 in the direction parallel to the contour 102 of the diaphragm 101 is displaced in the orthogonal direction, the piezoelectric element 104 whose longitudinal direction is orthogonal is displaced in the longitudinal direction. There was also a prominent problem.

かかる従来技術の課題に鑑みて本発明は、ダイヤフラムとピエゾ素子との相対位置ずれによる影響が小さい半導体圧力センサを得ることを目的とする。   In view of the problems of the prior art, an object of the present invention is to obtain a semiconductor pressure sensor that is less affected by the relative displacement between the diaphragm and the piezo element.

かかる目的を達成する本発明は、シリコン基板に形成されたダイヤフラムと、このダイヤフラムの歪みに応じて抵抗値が変化する複数のピエゾ素子とを有する半導体圧力センサであって、各ピエゾ素子は、複数の平面視細長形状の素子が直列に接続され、圧縮方向に作用するピエゾ素子と引張方向に作用するピエゾ素子とを構成する各々複数の平面視細長形状の素子は一方向に平行に形成されていて、上記圧縮方向の複数の平面視細長形状の素子のうち、ダイヤフラムの輪郭を跨ぐ平面視細長形状の素子は、平面視の面積が他の平面視細長形状の素子の平面視の面積より広く、かつ平面視のアスペクト比が他の平面視細長形状の素子の平面視のアスペクト比と同一に形成されていること、に特徴を有する。 The present invention for achieving such an object is a semiconductor pressure sensor having a diaphragm formed on a silicon substrate and a plurality of piezo elements whose resistance values change according to the distortion of the diaphragm, and each piezo element includes a plurality of piezo elements. The planar elongated elements are connected in series, and each of the planar elongated elements constituting the piezoelectric element acting in the compression direction and the piezoelectric element acting in the tension direction are formed in parallel in one direction. Te, among the elements of the plurality of plan view an elongated shape of the compression direction, the element in plan view elongated across the contour of the diaphragm, the area of the plan view wider than the area in plan view of the elements of the other in plan view elongated And the aspect ratio in plan view is the same as the aspect ratio in plan view of other elongated elements in plan view .

好ましくは、上記ダイヤフラムは平面視正方形に形成されていて、上記圧縮方向のピエゾ素子は、各平面視細長形状の素子が上記ダイヤフラムの輪郭線と平行に形成されていて、上記ダイヤフラムの輪郭線を跨ぐ平面視細長形状の素子は、短手方向に上記ダイヤフラムの輪郭線を跨いで形成され、かつダイヤフラム上に位置する部分の平面視の面積他の平面視細長形状の素子の平面視の面積と同一に形成される。

Preferably, the diaphragm is formed in a square shape in a plan view, and the piezoelectric element in the compression direction is configured such that each elongated element in a plan view is formed in parallel with the contour line of the diaphragm, and the contour line of the diaphragm is formed. the element in plan view elongated across the area of the short-side direction is formed across the contour of the diaphragm, and a plan view of the element area in plan view of another plan view slender portion located on the diaphragm Are formed identically.

以上の構成からなる本発明によれば、ダイヤフラム上で変位する部分のピエゾ素子の面積を、引張り方向のピエゾ素子と圧縮方向のピエゾ素子とで同一に設定したので、4個のピエゾ素子をブリッジ接続した場合のブリッジバランスのずれが補正される。   According to the present invention having the above configuration, the area of the piezo element that is displaced on the diaphragm is set to be the same for the piezo element in the tensile direction and the piezo element in the compression direction, so that four piezo elements are bridged. Bridge balance deviation when connected is corrected.

本発明の最良な実施形態について、添付図を参照して説明する。図1は、絶対圧検知用やゲージ圧検知用等として用いられる圧力センサの平面図、図2は、図1の切断線II-IIに沿う断面図である。圧力センサ1は、SOI(Silicon on Insulator)基板10を用いて形成される。このSOI基板10は、第1シリコン基板11と第2シリコン基板13とが、酸化膜であるシリコン酸化膜(Si02)12を介して貼り合わされた積層構造である。第1シリコン基板11の回路面(上側面)には酸化膜としてシリコン酸化膜14が形成されていて、このシリコン酸化膜14の下に、ブリッジ回路を形成するように、感応抵抗素子としての第1ピエゾ素子A、第2ピエゾ素子B、第3ピエゾ素子C及び第4ピエゾ素子Dと、第1乃至第4パッド24A乃至24D、ピエゾ素子A乃至Dと第1乃至第4パッド24を導通する配線23が形成されている。さらに第1乃至第4ピエゾ素子A乃至D、配線23及び第1シリコン基板11の表面を絶縁保護する、シリコンナイトライドSi34などによるパッシベーション膜15が形成されている。なお、第1乃至第4パッド24A乃至24Dの表面は、パッシベーション膜15から露出している。 The best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a plan view of a pressure sensor used for absolute pressure detection, gauge pressure detection, and the like, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the section line II-II in FIG. The pressure sensor 1 is formed using an SOI (Silicon on Insulator) substrate 10. This SOI substrate 10 has a laminated structure in which a first silicon substrate 11 and a second silicon substrate 13 are bonded together via a silicon oxide film (SiO 2 ) 12 that is an oxide film. A silicon oxide film 14 is formed as an oxide film on the circuit surface (upper side surface) of the first silicon substrate 11, and a bridge circuit is formed under the silicon oxide film 14 so as to form a first resistive resistor element. The first piezo element A, the second piezo element B, the third piezo element C, and the fourth piezo element D are electrically connected to the first to fourth pads 24A to 24D, and the piezo elements A to D are connected to the first to fourth pads 24. A wiring 23 is formed. Further, a passivation film 15 made of silicon nitride Si 3 N 4 or the like for insulating and protecting the surfaces of the first to fourth piezo elements A to D, the wiring 23 and the first silicon substrate 11 is formed. Note that the surfaces of the first to fourth pads 24 </ b> A to 24 </ b> D are exposed from the passivation film 15.

SOI基板10には、第2シリコン基板13にその表面側(図2では下側の面)からキャビティ(凹部)20を形成し、このキャビティ20の上面を構成するシリコン酸化膜12、第1シリコン基板11、シリコン酸化膜14及びパッシベーション膜15によってダイヤフラム21が形成されている。このダイヤフラム21は、平面視矩形(正方形)である(図1)。   In the SOI substrate 10, a cavity (concave portion) 20 is formed on the second silicon substrate 13 from the surface side (lower surface in FIG. 2), and the silicon oxide film 12 constituting the upper surface of the cavity 20, the first silicon A diaphragm 21 is formed by the substrate 11, the silicon oxide film 14, and the passivation film 15. The diaphragm 21 is a rectangle (square) in plan view (FIG. 1).

第1乃至第4ピエゾ素子A乃至Dは、一部が、正方形のダイヤフラム21の輪郭または各辺に相当するダイヤフラム輪郭線21aにかかる位置に形成されている。別言すれば、第1乃至第4ピエゾ素子A乃至Dの大部分がキャビティ20の上方となるダイヤフラム21上に存在し、一部がキャビティ20の外周(圧力が作用しても歪みが生じない固定領域22)に位置するように形成されている。なお、ダイヤフラム輪郭線21aは、キャビティ20を規制する第2シリコン基板13のキャビティ内面の延長上に相当する。   Part of the first to fourth piezo elements A to D is formed at positions corresponding to the outline of the square diaphragm 21 or the diaphragm outline 21a corresponding to each side. In other words, most of the first to fourth piezo elements A to D are present on the diaphragm 21 above the cavity 20, and a part of the outer periphery of the cavity 20 (no distortion occurs even when pressure is applied). It is formed so as to be located in the fixed region 22). The diaphragm outline 21 a corresponds to an extension of the cavity inner surface of the second silicon substrate 13 that regulates the cavity 20.

以上の通り構成されたSOI基板10の第2シリコン基板13の表面(下面)にガラス基板又はSi基板からなるベース基板31が接合され、ダイヤフラム21とベース基板31との間のキャビティ20が密閉される。なおキャビティ20内は、真空とされる。   A base substrate 31 made of a glass substrate or an Si substrate is bonded to the surface (lower surface) of the second silicon substrate 13 of the SOI substrate 10 configured as described above, and the cavity 20 between the diaphragm 21 and the base substrate 31 is sealed. The The inside of the cavity 20 is evacuated.

このダイヤフラム21にキャビティ20外からに付加される圧力に応じて歪む(変位する)と、その歪みに応じて第1乃至第4ピエゾ素子A乃至Dの抵抗値が変化し、第1乃至第4ピエゾ素子A乃至Dによって形成されたブリッジ回路の中点電位が変化する。ダイヤフラム21に圧力が付与されたときの変位は、一対の第1、第4ピエゾ素子A、Dに対しては圧縮方向に作用して抵抗値が小さくなるように、対向する一対の第2、第3ピエゾ素子B、Cに対しては引張り方向に作用して抵抗値が大きくなるように働く。   When the diaphragm 21 is distorted (displaced) according to the pressure applied from the outside of the cavity 20, the resistance values of the first to fourth piezo elements A to D change according to the distortion, and the first to fourth are changed. The midpoint potential of the bridge circuit formed by the piezo elements A to D changes. The displacement when the pressure is applied to the diaphragm 21 acts on the pair of first and fourth piezo elements A and D in the compression direction so that the resistance value becomes small, so that the pair of second, The third piezo elements B and C act in the pulling direction so as to increase the resistance value.

このように第1乃至第4ピエゾ素子A乃至Dに作用する圧縮方向及び引張り方向の力によって変化する抵抗値により変位する中点電位が、センサ出力として公知の測定装置に出力される。なお、第1ピエゾ素子Aと第2ピエゾ素子Bは第1パッド24Aを介して直列接続され、第3ピエゾ素子Cと第4ピエゾ素子Dは第2パッド24Bを介して直列接続され、第1ピエゾ素子Aと第3ピエゾ素子Cは第3パッド24Cを介して入力電圧に接続され、第2ピエゾ素子24Bと第4ピエゾ素子24Dは第4パッド24Dを介してグランド端子に接続される。そうして第1、第2パッド24A、24Bから中点電位が出力される。以上の第1乃至第4パッド24A乃至24Bは、いずれもダイヤフラム21外周の固定領域22に形成されている。   Thus, the midpoint potential that is displaced by the resistance value that is changed by the force in the compression direction and the tension direction acting on the first to fourth piezoelectric elements A to D is output as a sensor output to a known measuring device. The first piezo element A and the second piezo element B are connected in series via the first pad 24A, and the third piezo element C and the fourth piezo element D are connected in series via the second pad 24B. The piezo element A and the third piezo element C are connected to the input voltage via the third pad 24C, and the second piezo element 24B and the fourth piezo element 24D are connected to the ground terminal via the fourth pad 24D. Thus, the midpoint potential is output from the first and second pads 24A and 24B. The first to fourth pads 24 </ b> A to 24 </ b> B are all formed in the fixed region 22 on the outer periphery of the diaphragm 21.

第1乃至第4パッド24A乃至24B及び各パッドから延出する接続配線23は、AlやAu等の良導体のメッキ層やスパッタ層で形成される。   The first to fourth pads 24A to 24B and the connection wiring 23 extending from each pad are formed of a plated layer or sputtered layer of a good conductor such as Al or Au.

第1乃至第4ピエゾ素子A乃至Dの詳細について、さらに図2、図3を参照して説明する。第1乃至第4ピエゾ素子A乃至Dは、ダイヤフラム21の表側にP型半導体層を備えて形成される。この実施形態では、第1乃至第4ピエゾ素子A乃至Dはそれぞれ、3本のP型半導体層からなる平面視細長形状の第1乃至第3の素子部分A1乃至A3、B1乃至B3、C1乃至C3、D1乃至D3が直列に接続されて構成されている。各々の第1乃至第4ピエゾ素子A乃至Dの平面視細長形状の第1乃至第3の素子部分A1乃至A3、B1乃至B3、C1乃至C3、D1乃至D3は、それぞれ所定間隔を空けて平行に並設され、第1乃至第3の素子部分A1乃至A3、B1乃至B3、C1乃至C3、D1乃至D3が、P型半導体層からなる接続部Eによって直列に接続された、ミアンダ形状を呈している。図1に示すように、ミアンダ形状で形成された各第1乃至第4ピエゾ素子A乃至Dの両端は配線23に接続され、ブリッジ回路を構成している。   Details of the first to fourth piezo elements A to D will be described with reference to FIGS. The first to fourth piezo elements A to D are formed with a P-type semiconductor layer on the front side of the diaphragm 21. In this embodiment, the first to fourth piezo elements A to D are first to third element portions A1 to A3, B1 to B3, C1 to C1, which are elongated in plan view, each consisting of three P-type semiconductor layers. C3 and D1 to D3 are connected in series. The first to third element portions A1 to A3, B1 to B3, C1 to C3, and D1 to D3 of the first to fourth piezo elements A to D that are elongated in plan view are parallel to each other with a predetermined interval. The first to third element portions A1 to A3, B1 to B3, C1 to C3, and D1 to D3 have a meander shape connected in series by a connection portion E made of a P-type semiconductor layer. ing. As shown in FIG. 1, both ends of each of the first to fourth piezo elements A to D formed in a meander shape are connected to a wiring 23 to form a bridge circuit.

第1、第4ピエゾ素子A、Dの第1乃至第3の素子部分A1乃至A3、D1乃至Dは、ダイヤフラム21が圧力を受けて歪んだとき(図2では下方)に、長手方向に圧縮方向の力が作用して抵抗値が小さくなるように設定され、第2、第3ピエゾ素子B、Cの第1乃至第3の素子部分B1乃至B3、C1乃至C3は、ダイヤフラム21が圧力を受けて歪んだとき(図2では下方)に、各素子部分B1乃至B3、C1乃至C3の長手方向に引っ張り方向の力が作用して抵抗値が大きくなるように設定されている。   The first to third element portions A1 to A3 and D1 to D of the first and fourth piezoelectric elements A and D are compressed in the longitudinal direction when the diaphragm 21 is distorted by pressure (downward in FIG. 2). Directional force is applied to reduce the resistance value, and the first to third element portions B1 to B3 and C1 to C3 of the second and third piezo elements B and C have the diaphragm 21 exerting pressure. When it is received and distorted (downward in FIG. 2), the tensile force acts in the longitudinal direction of each of the element portions B1 to B3 and C1 to C3 to increase the resistance value.

より具体的には、第1、第4ピエゾ素子A、Dは、第3の素子部分A3、D3が短手方向にダイヤフラム輪郭線21aを跨いで(ダイヤフラム輪郭線21aが第3の素子部分A3、D3の長手方向を縦断するように)配置され、第1、第2の素子部分A1、A2、D1、D2はダイヤフラム21上に配置されている。一方、第2、第3ピエゾ素子B、Cは、第1乃至第3の素子部分B1乃至B3、D1乃至D3の全てをその長手方向がダイヤフラム輪郭線21aを跨いで(ダイヤフラム輪郭線21aが短手方向を横断するように)配置され、かつ大部分がダイヤフラム21上に配置されている。   More specifically, in the first and fourth piezoelectric elements A and D, the third element portions A3 and D3 straddle the diaphragm contour 21a in the short direction (the diaphragm contour 21a is the third element portion A3). The first and second element portions A 1, A 2, D 1, and D 2 are disposed on the diaphragm 21. On the other hand, the second and third piezo elements B and C all extend from the first to third element portions B1 to B3 and D1 to D3 across the diaphragm contour 21a (the diaphragm contour 21a is short). Are arranged on the diaphragm 21 so as to cross the hand direction).

そうしてこの実施形態では、第1、第4ピエゾ素子A、Dのダイヤフラム輪郭線21aを跨ぐ第3の素子部分A3、D3を、他の素子部分A1、A2、D1、D2のアスペクト比と同一のアスペクト比を保ったまま、線倍率で約1.35倍拡大して形成してある。図3には、第1ピエゾ素子A及び第2ピエゾ素子Bを拡大して示した。第1ピエゾ素子Aの第3の素子部分A3を除き、各素子部分は長手方向の長さLが40μm、短手方向の長さ(幅)Wが8μmに形成されている、そうして第3の素子部分A3は、アスペクト比同一で線倍率1.35倍、つまり、長手方向の長さL1が54μm、短手方向の長さ(幅)W1が10.8μmに形成されている。   Thus, in this embodiment, the third element portions A3 and D3 straddling the diaphragm outlines 21a of the first and fourth piezoelectric elements A and D are replaced with the aspect ratios of the other element portions A1, A2, D1, and D2. While maintaining the same aspect ratio, the line magnification is enlarged by about 1.35 times. FIG. 3 shows an enlarged view of the first piezo element A and the second piezo element B. Except for the third element portion A3 of the first piezo element A, each element portion is formed such that the length L in the longitudinal direction is 40 μm and the length (width) W in the short direction is 8 μm. The third element portion A3 has the same aspect ratio and a linear magnification of 1.35 times, that is, the length L1 in the longitudinal direction is 54 μm and the length (width) W1 in the short direction is 10.8 μm.

第3の素子部分A3は、アスペクト比(第1、第2の素子部分A1、A2とアスペクト比)を保って拡大されているので、拡大率にかかわらず抵抗値は変化しない。したがって、無歪み(無負荷)状態における第1、第2ピエゾ素子A、Bの抵抗値は等しい。なお、図3には示していないが、図1に示した通り、第3ピエゾ素子Cは第2ピエゾ素子Bと対称に、第4ピエゾ素子Dは第1ピエゾ素子Aと対称に形成されている。   Since the third element portion A3 is enlarged while maintaining the aspect ratio (the aspect ratio of the first and second element portions A1 and A2), the resistance value does not change regardless of the enlargement ratio. Therefore, the resistance values of the first and second piezoelectric elements A and B in the unstrained (no load) state are equal. Although not shown in FIG. 3, as shown in FIG. 1, the third piezo element C is formed symmetrically with the second piezo element B, and the fourth piezo element D is formed symmetrically with the first piezo element A. Yes.

さらに第3の素子部分A3は、ダイヤフラム21上に位置する部分の面積が第1、第2の素子部分A1、A2と同等となるように形成されている。つまり、図示実施形態では、第3の素子部分A3を、ダイヤフラム21の外周(固定領域22)に4.8μm位置するように設定してある。これにより、第3の素子部分A3のダイヤフラム21上の面積は54×(10.8 - 4.8)=324(×10-12m2)となり、第1、第2の素子部分A1、A2の面積(40×8=320(×10-12m2))とほぼ等しくなっている。 Further, the third element portion A3 is formed so that the area of the portion located on the diaphragm 21 is equivalent to the first and second element portions A1 and A2. That is, in the illustrated embodiment, the third element portion A3 is set to be positioned at 4.8 μm on the outer periphery (fixed region 22) of the diaphragm 21. As a result, the area of the third element portion A3 on the diaphragm 21 is 54 × (10.8−4.8) = 324 (× 10 −12 m 2 ), and the first and second element portions A1, A2 (40 × 8 = 320 (× 10 −12 m 2 )).

このように圧縮方向の第1、第4ピエゾ素子Aの第1乃至第3の素子部分A1乃至A3、D1乃至D3のダイヤフラム21上に位置する部分の面積を略等しく形成したので、ダイヤフラム21に作用する圧力が変化しても、ブリッジバランスが一定に保たれる。   Since the areas of the first to fourth element portions A1 to A3 and D1 to D3 of the first and fourth piezo elements A in the compression direction are substantially equal in area, the diaphragm 21 has a substantially equal area. Even if the applied pressure changes, the bridge balance is kept constant.

図4には、比較例として、第1ピエゾ素子Aの第3の素子部分A3に相当する第3の素子部分A3′が第1、第2の素子部分A1、A2と同一の大きさの第1ピエゾ素子A′を示した。この比較例の第2ピエゾ素子Bは図3の実施形態の第2ピエゾ素子Bと同一の仕様であり、第1ピエゾ素子Aの各素子部分A1、A2、A3′は第2ピエゾ素子Bの各素子部分B1乃至B3と同様である。つまり、各素子部分B1乃至B3、A1、A2及びA3′の長さL2は40(μm)、幅W2は6(μm)である。   In FIG. 4, as a comparative example, a third element portion A3 ′ corresponding to the third element portion A3 of the first piezo element A has the same size as the first and second element portions A1 and A2. A piezo element A ′ is shown. The second piezo element B of this comparative example has the same specifications as the second piezo element B of the embodiment of FIG. 3, and each element portion A1, A2, A3 'of the first piezo element A is the same as that of the second piezo element B. It is the same as each element part B1 thru | or B3. That is, the length L2 of each element portion B1 to B3, A1, A2, and A3 ′ is 40 (μm), and the width W2 is 6 (μm).

この比較例では、第3の素子部分A3′は、短手方向がダイヤフラム輪郭線21aを跨ぐように、かつダイヤフラム21の外周(固定領域22)に2.0μm位置するように設定されている。したがって、ダイヤフラム21上に位置する部分の第3の素子部分A3′の面積は、40×6=240(×10-12m2)となって、第1、第2の素子部分A1、A2よりも狭い。そのため、この比較例では、ダイヤフラム21に作用する圧力が変化したときのブリッジバランスが崩れてしまう。 In this comparative example, the third element portion A3 ′ is set so that the lateral direction straddles the diaphragm outline 21a and is positioned at 2.0 μm on the outer periphery (fixed region 22) of the diaphragm 21. Therefore, the area of the third element portion A3 ′ located on the diaphragm 21 is 40 × 6 = 240 (× 10 −12 m 2 ), which is based on the first and second element portions A1 and A2. Is too narrow. Therefore, in this comparative example, the bridge balance is lost when the pressure acting on the diaphragm 21 changes.

さらに、この半導体圧力センサの製造時に、ダイヤフラム21と第1乃至第4ピエゾ素子A乃至Dのアライメントが崩れると、ブリッジバランスが設計値からずれるなどの影響を受ける。例えば、図3、4においてアライメントがX軸方向に1μmずれたと仮定する。Y軸方向にずれた場合は、第1ピエゾ素子A、A′への影響は殆ど無いが、X軸方向にずれた場合に、第1ピエゾ素子A、A′は影響を受ける。   Further, when the alignment of the diaphragm 21 and the first to fourth piezo elements A to D is lost during the manufacture of the semiconductor pressure sensor, the bridge balance is affected by deviation from the design value. For example, in FIGS. 3 and 4, it is assumed that the alignment is shifted by 1 μm in the X-axis direction. When shifted in the Y-axis direction, there is almost no effect on the first piezo elements A and A ′, but when shifted in the X-axis direction, the first piezo elements A and A ′ are affected.

本実施形態の場合、第3の素子部分A3、A3′がダイヤフラム21上に位置する部分の面積が、第3の素子部分A3は1/10.8変化するのに対して、比較例の第3の素子部分A3′は、1/8変化する。つまり、面積の変化率が、本実施形態の方が比較例よりも小さい。ここで、面積の変化率は抵抗の変化率となるので、本実施形態の方が比較例よりも抵抗変化率が小さくなり、ダイヤフラムアライメント誤差の影響が小さくなる。   In the case of the present embodiment, the area of the portion where the third element portions A3 and A3 ′ are located on the diaphragm 21 is changed by 1 / 10.8 in the third element portion A3, whereas the area of the comparative example is 3 element part A3 'changes 1/8. That is, the area change rate is smaller in the present embodiment than in the comparative example. Here, since the rate of change in area is the rate of change in resistance, the rate of change in resistance is smaller in this embodiment than in the comparative example, and the influence of the diaphragm alignment error is reduced.

以上の通り本実施形態によれば、圧縮方向の力を受ける第1、第3ピエゾ素子A、Cの第3の素子部分A3、C3をアスペクト比を保って拡大し、かつダイヤフラム21上の面積を第1、第2の素子部分A1、A2、C1、C2と同等に設定したので、ダイヤフラム21が変位したときのブリッジバランスのずれが小さくなった。しかも第3の素子部分A3、C3の長手方向と直交する方向のダイヤフラムアライメントがずれてもその影響が小さく、発生する誤差が小さくなった。   As described above, according to the present embodiment, the third element portions A3 and C3 of the first and third piezoelectric elements A and C that receive a force in the compression direction are enlarged while maintaining the aspect ratio, and the area on the diaphragm 21 is increased. Is set to be equivalent to the first and second element portions A1, A2, C1, and C2, so that the deviation of the bridge balance when the diaphragm 21 is displaced is reduced. Moreover, even if the diaphragm alignment in the direction orthogonal to the longitudinal direction of the third element portions A3 and C3 is shifted, the influence is small, and the generated error is small.

なお、図3、4において、ダイヤフラムアライメントがY軸方向に1μmずれた場合は、ダイヤフラム21上の第1乃至第3の素子部分B1乃至B3の面積が1/38変化する。この面積変化率は、前述の、ダイヤフラムアライメントがX軸方向に1μmにずれたときの第3の素子部分A3、C3の面積変化率よりも小さいので、ダイヤフラムアライメントずれの影響は小さい。   3 and 4, when the diaphragm alignment is shifted by 1 μm in the Y-axis direction, the areas of the first to third element portions B1 to B3 on the diaphragm 21 change by 1/38. This area change rate is smaller than the area change rate of the third element portions A3 and C3 when the diaphragm alignment is shifted to 1 μm in the X-axis direction, so that the influence of the diaphragm alignment shift is small.

以上、本発明をミアンダ形状のピエゾ素子に適用した実施形態について説明したが、3列のミアンダ形状に限定されず、アスペクト比も限定されない。   The embodiment in which the present invention is applied to a meander-shaped piezo element has been described above, but the present invention is not limited to a three-row meander shape, and the aspect ratio is not limited.

以上の実施形態は、キャビティ20を真空とした絶対圧センサであるが、本発明は、ベース基板31に圧力導入口を形成して、キャビティ20を外部と連通させた差圧又はゲージ圧センサにも適用できる。   The above embodiment is an absolute pressure sensor in which the cavity 20 is evacuated, but the present invention provides a differential pressure or gauge pressure sensor in which a pressure introduction port is formed in the base substrate 31 and the cavity 20 communicates with the outside. Is also applicable.

本発明を適用した半導体圧力センサの要部を示す平面図である。It is a top view which shows the principal part of the semiconductor pressure sensor to which this invention is applied. 図1の切断線II-IIに沿って示す断面図である。It is sectional drawing shown along the cutting line II-II of FIG. 同半導体圧力センサのピエゾ素子部分を拡大して示す平面図である。It is a top view which expands and shows the piezoelectric element part of the semiconductor pressure sensor. 半導体圧力センサのピエゾ素子部分の比較例を拡大して示す平面図である。It is a top view which expands and shows the comparative example of the piezoelectric element part of a semiconductor pressure sensor. 従来の半導体圧力センサの概要を示す平面図である。It is a top view which shows the outline | summary of the conventional semiconductor pressure sensor.

符号の説明Explanation of symbols

10 SOI基板
11 第1シリコン基板(他方のシリコン基板)
12 シリコン酸化膜(酸化膜)
13 第2シリコン基板(一方のシリコン基板)
14 シリコン酸化膜
15 パッシベーション膜
20 キャビティ
21 ダイヤフラム
21a ダイヤフラム輪郭線
22 ピエゾ素子(感応抵抗素子)
23 配線
31 ベース基板
A 第1ピエゾ素子(圧縮方向のピエゾ素子)
A1 A2 A3 第1、第2、第3の素子部分
B 第2ピエゾ素子(引張方向のピエゾ素子)
B1 B2 B3 第1、第2、第3の素子部分
C 第3ピエゾ素子(引張方向のピエゾ素子)
C1 C2 C3 第1、第2、第3の素子部分
D 第4ピエゾ素子(圧縮方向のピエゾ素子)
D1 D2 D3 第1、第2、第3の素子部分
10 SOI substrate 11 First silicon substrate (the other silicon substrate)
12 Silicon oxide film (oxide film)
13 Second silicon substrate (one silicon substrate)
14 Silicon oxide film 15 Passivation film 20 Cavity 21 Diaphragm 21a Diaphragm outline 22 Piezo element (sensitive resistance element)
23 Wiring 31 Base substrate A First piezo element (piezo element in compression direction)
A1 A2 A3 First, second and third element portions B Second piezo element (piezo element in the tensile direction)
B1 B2 B3 First, second and third element portions C Third piezo element (piezo element in the tensile direction)
C1 C2 C3 First, second and third element portions D Fourth piezo element (piezo element in compression direction)
D1 D2 D3 First, second and third element parts

Claims (2)

シリコン基板に形成されたダイヤフラムと、このダイヤフラムの歪みに応じて抵抗値が変化する複数のピエゾ素子とを有する半導体圧力センサであって、
各ピエゾ素子は、複数の平面視細長形状の素子が直列に接続され、
圧縮方向に作用するピエゾ素子と引張方向に作用するピエゾ素子とを構成する各々複数の平面視細長形状の素子は一方向に平行に形成されていて、
上記圧縮方向の複数の平面視細長形状の素子のうち、ダイヤフラムの輪郭を跨ぐ平面視細長形状の素子は、平面視の面積が他の平面視細長形状の素子の平面視の面積より広く、かつ平面視のアスペクト比が他の平面視細長形状の素子の平面視のアスペクト比と同一に形成されていること、を特徴とする半導体圧力センサ。
A semiconductor pressure sensor having a diaphragm formed on a silicon substrate and a plurality of piezo elements whose resistance values change according to strain of the diaphragm,
Each piezo element has a plurality of elongated elements in plan view connected in series,
Each of the plurality of elongated elements in a plan view constituting the piezoelectric element acting in the compression direction and the piezoelectric element acting in the tension direction is formed in parallel in one direction,
Among elements of the plurality of plan view an elongated shape of the compression direction, the element in plan view elongated across the contour of the diaphragm, the area of the plan view wider than the area in plan view of the elements of the other in plan view elongated, and the semiconductor pressure sensor that the aspect ratio of the plan view is formed in the same aspect ratio in plan view of the elements of the other in plan view elongated, characterized by.
請求項1記載の半導体圧力センサにおいて、上記ダイヤフラムは平面視正方形に形成されていて、上記圧縮方向のピエゾ素子は、各平面視細長形状の素子が上記ダイヤフラムの輪郭線と平行に形成されていて、上記ダイヤフラムの輪郭線を跨ぐ平面視細長形状の素子は、短手方向に上記ダイヤフラムの輪郭線を跨いで形成され、かつダイヤフラム上に位置する部分の平面視の面積他の平面視細長形状の素子の平面視の面積と同一に形成されている半導体圧力センサ。 2. The semiconductor pressure sensor according to claim 1, wherein the diaphragm is formed in a square shape in a plan view, and the piezoelectric elements in the compression direction are formed so that each elongated element in a plan view is formed in parallel with the contour line of the diaphragm. element in plan view elongated across the contour of the diaphragm, the lateral direction to be formed across the contour of the diaphragm, and the area of the plan view of the portion located on diaphragm other in plan view elongated A semiconductor pressure sensor formed to have the same area as a planar view of a shaped element.
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