JP5630088B2 - ピエゾ抵抗式圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、ダイヤフラム上に配置されたピエゾ抵抗素子を用いて、圧力を検出するピエゾ抵抗式圧力センサに関する。

ピエゾ抵抗式圧力センサは、ダイヤフラム上に複数のピエゾ抵抗素子が配置されており、かつ、これら複数のピエゾ抵抗素子によってブリッジ回路が構成されている。これにより、ピエゾ抵抗式圧力センサは、ダイヤフラムに与えられた圧力によりダイヤフラムに生じた撓みを、ピエゾ抵抗素子の抵抗変化（つまりブリッジ回路の出力電圧変化）として検出することで、圧力を検出するようになっている。このようなピエゾ抵抗式圧力センサは、例えば特許文献１−３に開示されている。

次に、ダイヤフラム及びピエゾ抵抗素子を用いた、一般的なピエゾ抵抗式圧力センサについて簡単に説明する。

図１に、従来のピエゾ抵抗式圧力センサの構造を示す。図１Ａに示すように、ピエゾ抵抗式圧力センサ１０は、ダイヤフラム１１と、支持部１２とを有する。ダイヤフラム１１は、支持部１２によって周辺から支持される。これにより、ダイヤフラム１１は、支持部１２によって周辺が固定された状態で、加えられた圧力に応じて撓むようになっている。

ダイヤフラム１１の周縁部には、ピエゾ抵抗部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が配置されている。各ピエゾ抵抗部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は、複数のピエゾ抵抗素子を有する。図１Ｂに、ピエゾ抵抗部Ｒ１におけるピエゾ抵抗素子の配置例を示す。図の例では、ピエゾ抵抗部Ｒ１は、Ｘ軸に平行な２つのピエゾ抵抗素子Ｒ１−１，Ｒ１−２を有し、このピエゾ抵抗素子Ｒ１−１，Ｒ１−２の一端は導電線（例えば拡散配線）２１によって接続されており、これによりピエゾ抵抗素子Ｒ１−１，Ｒ１−２は直列に接続される。なお、ピエゾ抵抗素子Ｒ１−１，Ｒ１−２の他端はブリッジ回路の端子（例えばアルミニウム配線）に接続される。ピエゾ抵抗部Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４におけるピエゾ抵抗素子の配置も、図１Ｂと同様である。

図２に、ピエゾ抵抗部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４によって構成されるブリッジ回路の様子を示す。因みに、ブリッジ回路の隣り合うピエゾ抵抗部（Ｒ１，Ｒ３とＲ２，Ｒ４）の抵抗変化が逆になるように（つまりピエゾ抵抗部Ｒ１とＲ３は抵抗変化が同じであり、ピエゾ抵抗部Ｒ２とＲ４はピエゾ抵抗部Ｒ１とＲ３とは抵抗変化が逆となるように）、ピエゾ抵抗素子が配置される。

特開２００２−２８６５６７号公報 特開２０００−１６２０５６号公報 特開２００２−３９８８８号公報

ところで、ピエゾ抵抗式圧力センサにおいては、ピエゾ抵抗素子の発熱に起因して、測定精度が低下するおそれがある。

測定精度低下の第１の要因は、ピエゾ抵抗部の間でピエゾ抵抗素子の温度分布が不均一になり、温度上昇によるピエゾ抵抗の抵抗値変化が不均一となるため、電源投入時にオフセット電圧が変動することであると考えられる。

測定精度低下の第２の要因は、ピエゾ抵抗部の間でピエゾ抵抗素子の温度分布が不均一になり、温度上昇に伴って、ダイヤフラムを構成するシリコン、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜などの熱膨張率の違いよる応力変化が不均一になるため、電源投入時にオフセット電圧が変動することであると考えられる。

このように、ピエゾ抵抗式圧力センサにおいては、ピエゾ抵抗部の間でピエゾ抵抗素子の温度分布が不均一になると、ピエゾ抵抗部の間でピエゾ抵抗の抵抗値が不均一に変化し及び又はピエゾ抵抗部の間でダイヤフラムの応力が不均一に変化する。この結果、電源投入時のオフセット電圧が不均一に変動するので、検出電圧にばらつきが生じ、これにより、センサの測定精度が悪化する問題が発生する。

特許文献１では、ピエゾ抵抗素子を、ダイヤフラムの熱応力変化による応力誤差が生じにくい位置に配置することで、測定誤差を低減する技術が開示されている。しかしながら、特許文献１の技術では、前記第２の要因による測定精度低下は抑制できると考えられるが、前記第１の要因による測定精度低下を抑制するには不十分であると考えられる。

ここで、測定感度のことを考慮すると、ピエゾ抵抗素子は、圧力変化によってダイヤフラムの変動が最も大きくなる、ダイヤフラムと支持部との境界に近いダイヤフラム上に配置されることが好ましい。ところが、ダイヤフラムと支持部の厚さが異なるため、ダイヤフラム上の支持部との境界付近は、ダイヤフラム上で最も温度分布が急峻な位置、つまり温度変化が最も大きい位置である。このような位置にピエゾ抵抗素子を配置すると言うことは、前記第１及び第２の要因による測定精度低下が生じ易くなることを意味する。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、測定感度を低下させることなく、ピエゾ抵抗素子の熱変動に起因する通電変動を抑制することにより、高感度及び高精度の圧力測定を実現できるピエゾ抵抗式圧力センサを提供することを目的とする。

本発明のピエゾ抵抗式圧力センサの一つの態様は、周縁を有する平面状のダイヤフラムと、前記ダイヤフラムを周辺から支持する支持部と、平行に配置された複数のピエゾ抵抗素子からなるピエゾ抵抗素子群配置領域をそれぞれ有し、前記ダイヤフラムの前記周縁近傍でかつ前記支持部近傍の、前記ダイヤフラム上にそれぞれ形成された、第１、第２、第３及び第４のピエゾ抵抗部と、を備え、前記第１及び第２のピエゾ抵抗部は、前記ダイヤフラムの平面上の第１の方向において対向配置され、前記第３及び第４のピエゾ抵抗部は、前記ダイヤフラムの平面上の、前記第１の方向に直交する第２の方向において対向配置され、前記第１、第２、第３及び第４のピエゾ抵抗部において、前記ピエゾ抵抗素子群配置領域の面積は各ピエゾ抵抗部ですべて同じであるとともに前記領域の外形形状は同形状であり、前記第１、第２、第３及び第４のピエゾ抵抗部はそれぞれ前記支持部に向かい合う部分を有し、前記支持部に向かい合う部分の大きさが各ピエゾ抵抗部で同じであり、前記ダイヤフラムの前記周縁と前記支持部に向かい合う部分との距離が各ピエゾ抵抗部ですべて同一である。

本発明によれば、測定感度を低下させることなく、ピエゾ抵抗素子の熱変動に起因する通電変動を抑制できるので、高感度及び高精度の圧力測定を実現できる。

従来のピエゾ抵抗式圧力センサの構造を示す図であり、図１Ａは全体構成を示す平面図、図１Ｂはピエゾ抵抗部におけるピエゾ抵抗素子の配置を示す平面図 ピエゾ抵抗部から構成されるブリッジ回路を示す接続図 実施の形態のピエゾ抵抗式圧力センサの構造を示す図であり、図３Ａは全体構成を示す平面図、図３Ｂはピエゾ抵抗部におけるピエゾ抵抗素子の配置を示す平面図 異方性ドライエッチングにより形成した、実施の形態のピエゾ抵抗式圧力センサの断面図 異方性ウエットエッチングにより形成した、ピエゾ抵抗式圧力センサの断面図 温度分布シミュレーション結果を示す図であり、図６Ａは従来のピエゾ抵抗式圧力センサ１０の温度分布を示す図、図６Ｂは実施の形態のピエゾ抵抗式圧力センサの温度分布を示す図 オフセット電圧変動の測定結果を示す図であり、図７Ａは従来のピエゾ抵抗式圧力センサのオフセット電圧変動を示す図、図７Ｂは実施の形態のピエゾ抵抗式圧力センサのオフセット電圧変動を示す図 他の実施の形態のピエゾ抵抗式圧力センサの構造を示す図であり、図８Ａは全体構成を示す平面図、図８Ｂはピエゾ抵抗部におけるピエゾ抵抗素子の配置を示す平面図 他の実施の形態のピエゾ抵抗式圧力センサの構造を示す図であり、図９Ａは全体構成を示す平面図、図９Ｂはピエゾ抵抗部におけるピエゾ抵抗素子の配置を示す平面図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図３に、本発明の実施の形態に係るピエゾ抵抗式圧力センサの構造を示す。図３Ａに示すように、ピエゾ抵抗式圧力センサ３０は、ダイヤフラム３１と、支持部３２とを有する。ダイヤフラム３１は、支持部３２によって周辺から支持される。これにより、ダイヤフラム３１は、支持部３２によって周辺が固定された状態で、加えられた圧力に応じて変位するようになっている。

ダイヤフラム３１の周縁部（ダイヤフラム３１の４辺近傍のダイヤフラム３１上、或いは、ダイヤフラム３１と支持部３２との境界に近いダイヤフラム３１上と言い換えてもよい）には、ピエゾ抵抗部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が配置されている。各ピエゾ抵抗部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は、複数のピエゾ抵抗素子を有する。

図３Ｂに、ピエゾ抵抗部Ｒ１におけるピエゾ抵抗素子の配置を示す。図の例では、ピエゾ抵抗部Ｒ１は、Ｘ軸に平行な４つのピエゾ抵抗素子Ｒ１−１，Ｒ１−２，Ｒ１−３，Ｒ１−４を有する。

複数のピエゾ抵抗素子Ｒ１−１，Ｒ１−２，Ｒ１−３，Ｒ１−４は、所定の間隔を隔てて互いに平行に配置されている。加えて、ピエゾ抵抗素子Ｒ１−１，Ｒ１−２，Ｒ１−３，Ｒ１−４からなるピエゾ抵抗素子群が配置される領域の外形形状は、略正方形状とされている。つまり、図３Ｂにおいて、ａ＝ｂとされている。換言すれば、ピエゾ抵抗素子Ｒ１−１，Ｒ１−２，Ｒ１−３，Ｒ１−４とピエゾ抵抗素子の無い部分とで構成される領域が、概略正方形になるようにピエゾ抵抗素子Ｒ１−１，Ｒ１−２，Ｒ１−３，Ｒ１−４が配置されている。

ピエゾ抵抗素子Ｒ１−１，Ｒ１−２，Ｒ１−３，Ｒ１−４は、導電線（例えば拡散配線）３３−１，３３−２，３３−３によって直列に接続されている。なお、ピエゾ抵抗素子Ｒ１−１の右端部及びＲ１−４の右端部は、ブリッジ回路の端子（例えばアルミニウム配線）に接続される。ピエゾ抵抗部Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４におけるピエゾ抵抗素子の配置も、図３Ｂと同様であり、ピエゾ抵抗素子Ｒ１−１，Ｒ１−２，Ｒ１−３，Ｒ１−４とピエゾ抵抗素子の無い部分とで構成される領域の面積もすべて同じでる。

また、ピエゾ抵抗部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は、ダイヤフラム３１と支持部３２との境界までの距離が同一となるよう配置されている。換言すれば、ピエゾ抵抗部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は、ダイヤフラム３１の辺とピエゾ抵抗素子群配置領域との距離がすべて同一となっている。

ピエゾ抵抗部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４によって構成されるブリッジ回路の様子は、図２に示した通りである。

図４に、ピエゾ抵抗式圧力センサ３０の断面を示す。図４は、ピエゾ抵抗部Ｒ１，Ｒ３を通る面で切った概略的断面図である。

図４に示すピエゾ抵抗式圧力センサ３０は、上側からＳｉ、ＳｉＯ_２、Ｓｉの順で積層された基板を用意し、この基板の下側からＳｉＯ_２をエッチストッパとした異方性ドライエッチングを行ってＳｉを除去し、その後にＳｉＯ_２を除去することにより、ダイヤフラム３１と支持部３２とが形成される。また、ダイヤフラム３１と支持部３２との境界近傍のダイヤフラム３１上には、拡散やイオン注入などの半導体プロセスによって、ボロンなどのＰ型不純物よりなるピエゾ抵抗部Ｒ１，Ｒ３が形成される。

図４からも分かるように、本実施の形態のピエゾ抵抗式圧力センサ３０は、異方性ドライエッチングを適用したことにより、ダイヤフラム３１の面に対して、支持部３２を略直角に配置することができる。これにより、ダイヤフラム３１の面積を大きくすることができるようになる。

これに対して、異方性ウエットエッチングを適用した場合には、図５に示すように、支持部にテーパ部が形成されてしまうので、図４と比較して、ダイヤフラム３１の面積が小さくなり、その結果、測定感度が低下する。また、測定感度を上げるためにダイヤフラムの面積を大きくしようとすると、装置全体が大型化してしまう。

つまり、本実施の形態では、異方性ドライエッチングによってダイヤフラム３１及び支持部３２を形成することで、小型で感度の良いピエゾ抵抗式圧力センサ３０を得るようになっている。但し、本発明はこれに限らず、異方性ウエットエッチングを適用してもよい。

次に、ピエゾ抵抗式圧力センサ３０の動作について説明する。

ピエゾ抵抗部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４に電源が投入されると、各ピエゾ抵抗部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４のピエゾ抵抗素子が発熱することにより、各ピエゾ抵抗部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は発熱する。

各ピエゾ抵抗部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の熱は、ダイヤフラム３１よりも厚い支持部３２へと放熱される。この際、本実施の形態のピエゾ抵抗式圧力センサ３０においては、各ピエゾ抵抗部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４のピエゾ抵抗素子群の外形形状が略正方形状とされているので、Ｘ軸方向への放熱とＹ軸方向への放熱が均一になる。この結果、４つのピエゾ抵抗部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の温度分布が均一になる。

ここで、Ｘ軸方向への放熱とＹ軸方向への放熱が均一になるのは、全てのピエゾ抵抗部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の間で支持部３２に向かい合う部分の大きさが同じであるからである。因みに、図１に示したピエゾ抵抗式圧力センサ１０では、ピエゾ抵抗部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の外形形状が、Ｘ軸方向に長く，Ｙ軸方向に短いため、Ｙ軸方向への放熱がＸ軸方向への放熱よりも大きくなる。この結果、図１に示したピエゾ抵抗式圧力センサ１０では、ピエゾ抵抗部Ｒ１，Ｒ３の温度分布とピエゾ抵抗部Ｒ２，Ｒ４の温度分布とが異なるものとなってしまう。

本実施の形態のピエゾ抵抗式圧力センサ３０は、４つのピエゾ抵抗部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の温度分布が均一になるので、温度上昇によるピエゾ抵抗の抵抗値変化が均一となる。この結果、電源投入時の抵抗値変化に起因するオフセット電圧の変動が抑制される。また、温度上昇に伴うダイヤフラム３１上での応力変化が均一になる。この結果、電源投入時に応力変化に起因するオフセット電圧の変動が抑制される。

ピエゾ抵抗式圧力センサ３０は、上述したようにオフセット電圧の変動が小さくなることにより、圧力を測定する際の出力電圧の変動が小さくなり、高精度の測定結果を得ることができる。

図６に、ダイヤフラム中心から支持部までのＸ軸及びＹ軸上の温度分布をシミュレーションした結果を示す。図６Ａは、図１に示した従来のピエゾ抵抗式圧力センサ１０の温度分布を示す。図６Ｂは、図３に示した本実施の形態のピエゾ抵抗式圧力センサ３０の温度分布を示す。従来のピエゾ抵抗式圧力センサ１０の温度分布はＸ軸とＹ軸との間でずれている（図６Ａ）のに対して、本実施の形態のピエゾ抵抗式圧力センサ３０の温度分布はＸ軸とＹ軸との間で一致している（図６Ｂ）ことが分かる。

図７に、ブリッジ回路への電源投入時からのオフセット電圧変動の測定結果を示す。図７Ａは、図１に示した従来のピエゾ抵抗式圧力センサ１０のオフセット電圧変動を示す。図７Ｂは、図３に示した本実施の形態のピエゾ抵抗式圧力センサ３０のオフセット電圧変動を示す。従来のピエゾ抵抗式圧力センサ１０と比較して、本実施の形態のピエゾ抵抗式圧力センサ３０は、オフセット電圧変動が小さくなっているのが分かる。なお、一般に、オフセット電圧変動の許容値は、０．３％ＦＳ程度である。

以上説明したように、本実施の形態によれば、ピエゾ抵抗部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４はダイヤフラム３１と支持部３２との境界近傍のダイヤフラム３１上に配置され、かつ、各ピエゾ抵抗部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４はピエゾ抵抗素子群の外形形状が略正方形状とされているので、測定感度を低下させることなく、ピエゾ抵抗素子の熱変動に起因する通電変動を抑制できる。

つまり、ピエゾ抵抗部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は、圧力変化によってダイヤフラムの変動が最も大きくなる、ダイヤフラム３１と支持部３２との境界近傍のダイヤフラム３１上に配置されているので、測定感度が高くなる。但し、ダイヤフラム３１と支持部３２との境界近傍は、温度分布が急峻な位置、つまりダイヤフラム３１上で温度変化が最も大きい位置なので、ピエゾ抵抗部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４間での温度の不均一が最も現れやすい位置である。本実施の形態では、これを考慮して、各ピエゾ抵抗部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４のピエゾ抵抗素子群配置領域の外形形状を同形状の略正方形状とし、各ピエゾ抵抗部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４と支持部３２との境界までの距離を等しくすることで、温度分布が急峻な位置であるダイヤフラム３１と支持部３２との境界近傍にピエゾ抵抗部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が配置された場合でも、温度を均一化できるので、測定感度を低下させることなく、ピエゾ抵抗素子の熱変動に起因する通電変動を抑制する。

なお、上述の実施の形態では、図３に示したように、各ピエゾ抵抗部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が４つのピエゾ抵抗素子を有する場合について述べたが、ピエゾ抵抗素子の個数はこれに限らない。例えば、図８のピエゾ抵抗式圧力センサ４０のように、各ピエゾ抵抗部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が２つのピエゾ抵抗素子を有するようにしてもよく、図９のピエゾ抵抗式圧力センサ５０のように、各ピエゾ抵抗部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が３つのピエゾ抵抗素子を有するようにしてもよい。また、各ピエゾ抵抗部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を構成しているピエゾ抵抗素子群が配置される領域の外形形状が略正方形状（つまりａ＝ｂ）である場合について述べたが、ピエゾ抵抗素子群が配置される領域の外形は同一でかつ面積が同じであれば上述の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

本発明に係るピエゾ抵抗式圧力センサは、気体や液体の圧力、さらには人間による押圧操作等の圧力を検出する場合に広く適用可能である。

１０，３０，４０，５０ ピエゾ抵抗式圧力センサ
１１，３１ ダイヤフラム
１２，３２ 支持部
２１，３３−１，３３−２，３３−３ 導電線
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４ ピエゾ抵抗部
Ｒ１−１，Ｒ１−２，Ｒ１−３，Ｒ１−４ ピエゾ抵抗素子

Claims (2)

1. 周縁を有する平面状のダイヤフラムと、
   前記ダイヤフラムを周辺から支持する支持部と、
   平行に配置された複数のピエゾ抵抗素子からなるピエゾ抵抗素子群配置領域をそれぞれ有し、前記ダイヤフラムの前記周縁近傍でかつ前記支持部近傍の、前記ダイヤフラム上にそれぞれ形成された、第１、第２、第３及び第４のピエゾ抵抗部と、
   を備え、
   前記第１及び第２のピエゾ抵抗部は、前記ダイヤフラムの平面上の第１の方向において対向配置され、前記第３及び第４のピエゾ抵抗部は、前記ダイヤフラムの平面上の、前記第１の方向に直交する第２の方向において対向配置され、
   前記第１、第２、第３及び第４のピエゾ抵抗部において、前記ピエゾ抵抗素子群配置領域の面積は各ピエゾ抵抗部ですべて同じであるとともに前記領域の外形形状は同形状であり、
   前記第１、第２、第３及び第４のピエゾ抵抗部はそれぞれ前記支持部に向かい合う部分を有し、前記支持部に向かい合う部分の大きさが各ピエゾ抵抗部で同じであり、
   前記ダイヤフラムの前記周縁と前記支持部に向かい合う部分との距離が各ピエゾ抵抗部ですべて同一である、
   ピエゾ抵抗式圧力センサ。
2. 前記第１、第２、第３及び第４のピエゾ抵抗部は、前記複数のピエゾ抵抗素子とピエゾ抵抗素子の無い部分とから構成される領域であり、
   前記外形形状は、略正方形状である、
   請求項１記載のピエゾ抵抗式圧力センサ。

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