JP6657049B2

JP6657049B2 - 圧力センサ

Info

Publication number: JP6657049B2
Application number: JP2016195395A
Authority: JP
Inventors: 祐介櫻井
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2016-10-03
Filing date: 2016-10-03
Publication date: 2020-03-04
Anticipated expiration: 2036-10-03
Also published as: JP2018059726A

Description

本発明は圧力センサに関する。

一般的なピエソ抵抗式圧力センサは、例えば特許文献１に記載のように、厚み方向の中間にシリコン酸化膜が形成され主表面側にシリコン活性層が形成されたＳＯＩ基板と、ＳＯＩ基板の裏面から前記シリコン酸化膜に達する圧力導入孔を設けることにより形成されたダイアフラム部と、前記シリコン活性層内の主表面側に形成されダイアフラム部の変形を検出するゲージ抵抗と、前記シリコン活性層上に形成された表面酸化膜とを備える。また、前記ゲージ抵抗はシリコン活性層に不純物を拡散させることにより形成され、４つのゲージ抵抗同士を結線してブリッジ回路を構成するのが通常である。

特開２０００−３５６５６０号公報

近年ではモバイル電子端末、高機能腕時計等がますます小型化してきており、これらに搭載される圧力センサにも、印加される圧力に対する感度を維持したまま一層の小型化が要求されている。小型化に伴いダイヤフラム部の面積が小さくなった場合でも感度を維持するためには、ダイヤフラム部は同じ圧力に対して同程度に変形する必要があり、その手段としてダイヤフラム部を含むシリコン活性層の薄膜化がある。しかしながら、シリコン活性層の薄膜化には製造上の限界がある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、シリコン活性層の薄膜化を行なうことなく、感度を維持したまま小型化された圧力センサを実現することである。

本発明に係る圧力センサは、キャビティ及び前記キャビティを取囲む基部を有するベース基板と、前記キャビティを覆うように前記ベース基板上に形成されるシリコン活性層とを備える半導体圧力センサであって、前記シリコン活性層は、前記キャビティに対応する位置に配置され変形可能な可動部と、前記基部の上部に配置され前記基部に固定される固定部と、前記可動部の周縁に形成され前記可動部の変形を検出する複数のゲージ抵抗とを有し、前記基部の上部であって少なくとも前記ゲージ抵抗の近傍には、前記シリコン活性層が形成されないシリコン活性層非形成部が設けられていることを特徴とする。

本発明に係る圧力センサによれば、キャビティ及び前記キャビティを取囲む基部を有するベース基板と、前記キャビティを覆うように前記ベース基板上に形成されるシリコン活性層とを備える半導体圧力センサであって、前記シリコン活性層は、前記キャビティに対応する位置に配置され変形可能な可動部と、前記基部の上部に配置され前記基部に固定される固定部と、前記可動部の周縁に形成され前記可動部の変形を検出する複数のゲージ抵抗とを有し、前記基部の上部であって少なくとも前記ゲージ抵抗の近傍には、前記シリコン活性層が形成されないシリコン活性層非形成部が設けられていることにより、圧力が印加されたときにシリコン活性層の各ゲージ抵抗付近に発生する応力が緩和されにくくなり、各ゲージ抵抗の分子レベルにおける歪みが大きくなる。その結果、シリコン活性層の薄膜化を行なうことなく、感度を維持したまま小型化された圧力センサを実現できる。

前記シリコン活性層非形成部は、前記基部の上部の周縁全体に亘って設けられていてもよい。

前記シリコン活性層非形成部は、複数の切欠部からなり、互いに離間して設けられていてもよい。

前記ベース基板と前記シリコン活性層との間には絶縁層が形成されていてもよい。

前記ベース基板は、前記キャビティの下部に底部を有していてもよい。

本発明によれば、圧力センサにおいて、シリコン活性層の薄膜化を行なうことなく、感度を維持したまま小型化された圧力センサを実現することができる。

本発明に係る圧力センサの第１実施形態を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。本発明に係る圧力センサの第２実施形態を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。本発明に係る圧力センサの第３実施形態を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。比較例の圧力センサ１０を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。本発明の圧力センサ１Ａ及び比較例の圧力センサ１０の応力シミュレーションのグラフである。

以下、本発明に係る圧力センサの好適な実施形態について、図面に基づいて説明する。

図１は、本発明に係る圧力センサの第１実施形態を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
図１に示すように、本発明の圧力センサ１Ａは、ベース基板としてのシリコン基板１００、絶縁層としてのシリコン酸化膜１１０、シリコン活性層１２０の順番で積層されている。シリコン基板１００は、キャビティ１０２及びキャビティ１０２を取囲む基部１０１と、それらの下部に位置する底部１０３から構成されている。ここで、シリコン活性層１２０は、キャビティ１０２を覆うように、シリコン酸化膜１１０を介してシリコン基板１００上に形成されている。また、シリコン活性層１２０は、キャビティ１０２に対応する位置に配置され変形可能な可動部１２１と、基部１０１の上部に配置され基部１０１に固定される固定部１２２と、可動部１２１の周縁に形成され可動部１２１の変形を検出する複数のゲージ抵抗１２４〜１２７と、ゲージ抵抗１２４〜１２７間を電気的に接続する配線１２８とを有する。さらに、基部１０１の上部の周縁全体に亘って、シリコン活性層１２０が形成されないシリコン活性層非形成部１２３が設けられている。シリコン活性層非形成部１２３は、製造時にシリコン活性層１２０の周縁をウェットエッチングやドライエッチング等で削除することにより設ける。

なお、圧力センサ１Ａにおいては、シリコン活性層１２０の可動部１２１と、可動部１２１直下のシリコン酸化膜１１０が一体化してダイヤフラム部１３０として動作する。しかしながら、シリコン酸化膜１１０は必須ではなく、シリコン酸化膜１１０が存在しない場合には、シリコン活性層１２０の可動部１２１のみがダイヤフラム部１３０として動作する。ダイヤフラム部の定義については他の実施形態も同様である。

ゲージ抵抗１２４〜１２７は、ダイアフラム部１３０に加わる圧力変動を検出する検出回路を構成するものであり、配線１２８を介して、いわゆるホイートストンブリッジ回路を構成するように互いが接続されている。配線１２８の中間部にはワイヤボンディング用のランド１２９が形成されている。

このようなゲージ抵抗１２４〜１２７は、ダイアフラム部１３０の各辺の中央付近に配置するのが一般的である。ダイアフラム部１３０の各辺の中央付近においては圧縮と引張の両応力がゲージ抵抗１２４〜１２７に加わり易いので、感度の良い圧力センサ１Ａが得られる。また、ゲージ抵抗１２４〜１２７は、ダイアフラム部１３０の表面に配されており、例えばシリコン活性層１２０にボロンなどの拡散源を注入することによって形成することができる。また、配線１２８は、アルミニウム等の金属により形成するか、または、ゲージ抵抗１２４〜１２７よりも高濃度の拡散源を注入することによって形成できる。

ここで、本発明の圧力センサ１Ａの動作原理について、比較例の圧力センサ１０と比較しつつ説明する。図４は、比較例の圧力センサ１０を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
図４に示すように、比較例の圧力センサ１０は、圧力センサ１Ａと異なり、シリコン基板４００の基部４０１の上部にはシリコン活性層非形成部が設けられていない。従って、基部４０１の上部全体に、シリコン酸化膜４１０を介してシリコン活性層４２０の固定部４２２が固定されている。それ以外の構造及び寸法は圧力センサ１Ａと同一である。圧力センサ１０においては、製造時にシリコン活性層４２０を削除しないことになる。

そして、圧力センサ１Ａ及び圧力センサ１０に対して同じ圧力が印加されたとき、両者のダイヤフラム部１３０及び４３０の変形の程度は同様である。しかしながら、圧力センサ１Ａは、シリコン活性層１２０のゲージ抵抗１２４〜１２７の外側にシリコン活性層非形成部１２３が設けられていることによりゲージ抵抗１２４〜１２７付近に発生する応力が緩和されにくくなり、ゲージ抵抗１２４〜１２７の分子レベルにおける歪みが大きくなる。その結果、圧力センサ１Ａの方が感度が良くなる。

図２は、本発明に係る圧力センサの第２実施形態を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
図２に示すように、本発明の圧力センサ１Ｂは、シリコン活性層２２０のシリコン活性層非形成部２２３は、複数の開口部としての切欠部からなり、各々の開口部としての切欠部はシリコン活性層２２０のゲージ抵抗２２４〜２２７の外側に互いに離間して設けられている。それ以外の構造及び寸法は圧力センサ１Ａと同一である。ここで、圧力センサ１Ｂの切欠部は、シリコン活性層２２０に囲まれた開口部としての切欠部であるが、シリコン活性層２２０の周縁まで達した切欠部でもよい。

圧力センサ１Ａの特徴はシリコン活性層非形成部１２３を設けることが容易なことであり、圧力センサ１Ｂの特徴としてシリコン活性層２２０が剥がれ難いことが挙げられる。また、シリコン活性層のシリコン活性層非形成部の位置や大きさは、圧力センサ１Ａ及び圧力センサ１Ｂに示されているものに限定されず、シリコン基板の基部の上部であってゲージ抵抗の近傍に設けられていることにより、圧力が印加されたときにゲージ抵抗付近に発生する応力が緩和されにくくなるものであればよい。すなわち、ゲージ抵抗の近傍とは、圧力が印加されたときにゲージ抵抗付近に発生する応力が緩和されにくくなるような位置であることを意味する。

図３は、本発明に係る圧力センサの第３実施形態を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
図３に示すように、本発明の圧力センサ１Ｃは底部を有さず、キャビティ３０２が下方向に開放されている。それ以外の構造及び寸法は圧力センサ１Ａと同一である。圧力センサ１Ａは絶対圧を検出する場合に用いられ、圧力センサ１Ｃは差圧を検出する場合に使われる。

次に、圧力センサ１Ａ及び圧力センサ１０について行なったシミュレーションについて説明する。具体的には、圧力センサ１Ａ及び圧力センサ１０に対して同じ圧力が印加されたとき、各々のゲージ抵抗１２４〜１２７及び４２４〜４２７に発生する応力解析のシミュレーションを有限要素法により行なった。今回、使用した応力解析シミュレーションソフトはサイバネットシステム株式会社の「ＡＮＳＹＳＭｅｃｈａｎｉｃａｌ」である。

応力解析のシミュレーションを行なうためには、一般的には、次式に表わされるフックの法則を個別のシミュレーション条件に最適化させるように変形した上で、要素の数に相当する分の連立方程式を解くことにより行なう。

また、今回のシミュレーションの寸法条件を記載する。上面視におけるシリコン基板１００及び４００、キャビティ１０２及び４０２、シリコン酸化膜１１０及び４１０、シリコン活性層１２０及び４２０は各々正方形であるものとし、図１にＬ１１、Ｌ１２、Ｌ１３、Ｍ１１、Ｍ１２、Ｍ１３、Ｍ１４として、また図４にＬ２１、Ｌ２２、Ｌ２３、Ｍ２１、Ｍ２２、Ｍ２３、Ｍ２４として示された個所の寸法は以下の通りである。つまり、Ｌ１３とＬ２３以外は圧力センサ１Ａと圧力センサ１０とで共通である。
圧力センサ１Ａは、
Ｌ１１（シリコン基板１００の一辺の長さ）＝５００μｍ
Ｌ１２（キャビティ１０２の一辺の長さ）＝３００μｍ
Ｌ１３（シリコン活性層１２０の一辺の長さ）＝３５０μｍ
Ｍ１１（シリコン基板１００の厚さ）＝２００μｍ
Ｍ１２（キャビティ１０２の高さ）＝５μｍ
Ｍ１３（シリコン酸化膜１１０の厚さ）＝１μｍ
Ｍ１４（シリコン活性層１２０の厚さ）＝１３μｍであり、
圧力センサ１０は、
Ｌ２１（シリコン基板４００の一辺の長さ）＝５００μｍ
Ｌ２２（キャビティ４０２の一辺の長さ）＝３００μｍ
Ｌ２３（シリコン活性層４２０の一辺の長さ）＝５００μｍ
Ｍ２１（シリコン基板４００の厚さ）＝２００μｍ
Ｍ２２（キャビティ４０２の高さ）＝５μｍ
Ｍ２３（シリコン酸化膜４１０の厚さ）＝１μｍ
Ｍ２４（シリコン活性層４２０の厚さ）＝１３μｍである。

さらに、表１は今回のシミュレーションの物性条件であり、圧力センサ１Ａ、圧力センサ１０共通である。表１に示される通り、シリコン基板１００及び４００とシリコン活性層１２０及び４２０の物性条件は同一である。ここで、シリコン活性層１２０及び４２０に形成されたゲージ抵抗１２４〜１２７及び４２４〜４２７と配線１２８及び４２８の物性条件もこれらと同一である。つまり、ゲージ抵抗１２４〜１２７及び４２４〜４２７と配線１２８及び４２８はもともとはシリコン活性層１２０及び４２０なので、導電率以外の物性条件は同一であるとみなすことができる。

その上で、ダイアフラム部１３０及び４３０の各辺の中央付近にはゲージ抵抗１２４〜１２７及び４２４〜４２７が存在すると想定し、それらの箇所に発生する応力をシミュレーションにより算出した。

図５は、圧力センサ１Ａ及び圧力センサ１０に対して上方から同じ圧力を印加したときに、各々の圧力センサのゲージ抵抗１２４及び４２４が存在すると想定した箇所に発生する応力をグラフ化したものである。図５から、圧力センサ１Ａのゲージ抵抗１２４が存在すると想定した箇所に発生する応力は、圧力センサ１０のゲージ抵抗４２４が存在すると想定した箇所に発生する応力の２倍程度大きいことが分かる。

このようにして、シリコン活性層の薄膜化を行なうことなく、感度を維持したまま小型化された圧力センサを実現することができる。

以上、本発明の圧力センサについて説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１０…圧力センサ
１００，２００，３００，４００…シリコン基板
１０１，２０１，３０１，４０１…基部
１０２，２０２，３０２，４０２…キャビティ
１０３，２０３，４０３…底部
１１０，２１０，３１０，４１０…シリコン酸化膜
１２０，２２０，３２０，４２０…シリコン活性層
１２１，２２１，３２１，４２１…可動部
１２２，２２２，３２２，４２２…固定部
１２３，２２３，３２３…シリコン活性層非形成部
１２４〜１２７，２２４〜２２７，３２４〜３２７，４２４〜４２７…ゲージ抵抗
１２８，２２８，３２８，４２８…配線
１２９，２２９，３２９，４２９…ランド
１３０，２３０，３３０，４３０…ダイヤフラム部

Claims

キャビティ及び前記キャビティを取囲む基部を有するベース基板と、前記キャビティを覆うように前記ベース基板上に形成されるシリコン活性層とを備える半導体圧力センサであって、
前記シリコン活性層は、前記キャビティに対応する位置に配置され変形可能な可動部と、前記基部の上部に配置され前記基部に固定される固定部と、前記可動部の周縁に形成され前記可動部の変形を検出する複数のゲージ抵抗とを有し、
前記基部の上部であって少なくとも前記ゲージ抵抗の近傍には、前記シリコン活性層が形成されないシリコン活性層非形成部が設けられていることを特徴とする半導体圧力センサ。
前記シリコン活性層非形成部は、前記基部の上部の周縁全体に亘って設けられていることを特徴とする請求項１記載の半導体圧力センサ。
前記シリコン活性層非形成部は、複数の切欠部からなり、互いに離間して設けられていることを特徴とする請求項１記載の半導体圧力センサ。
前記ベース基板と前記シリコン活性層との間には絶縁層が形成されていることを特徴とする請求項１〜３記載の半導体圧力センサ。
前記ベース基板は、前記キャビティの下部に底部を有することを特徴とする請求項１〜４記載の半導体圧力センサ。