JP6852579B2

JP6852579B2 - 圧力センサ

Info

Publication number: JP6852579B2
Application number: JP2017113976A
Authority: JP
Inventors: 崇後藤; 修久加藤
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2017-06-09
Filing date: 2017-06-09
Publication date: 2021-03-31
Anticipated expiration: 2037-06-09
Also published as: JP2018205257A

Description

本発明は、圧力センサに関する。

特許文献１には、半導体でできたセンサチップの所定位置にダイアフラムを形成し、このダイアフラムを含んだセンサチップ上に差圧又は圧力検出用のセンサゲージを設けた圧力センサが開示されている。センサゲージは協働してブリッジ回路を形成する複数のセンサゲージからなり、各センサゲージ間は半導体抵抗で接続され、かつ複数のセンサゲージと半導体抵抗は絶縁膜で覆われている。絶縁膜の一部には、半導体抵抗に電気的に接続されたコンタクトを形成するための電極取り出し用のコンタクト穴が貫通して形成されている。そして、電極取り出し用のコンタクト穴の個数は、センサゲージの数以下となっている。

また、物質に応力を加えた時に電気抵抗が変化する現象であるピエゾ抵抗効果を利用したピエゾ型半導体圧力センサが知られている。ピエゾ型半導体圧力センサは、例えば、異方性エッチングにより形成したダイアフラム構造部を持つ単結晶シリコンからなる半導体基板をガラス等のベース基板と接続した基本構成を有している。半導体基板の表面には、イオン注入などによる不純物導入により複数のピエゾ抵抗素子が形成され、各ピエゾ抵抗素子が、イオン注入などにより形成された配線でブリッジ状に接続されている。圧力の印加によってダイアフラムが変形すると、各ピエゾ抵抗素子の抵抗値が変化し、この抵抗値の変化に対応する出力電圧の差分に基づいて、圧力が検出される。

特開２００８−２１５８９２号公報

ところで、各ピエゾ抵抗素子の抵抗変化率には異方性があるため、この異方性を少しでも吸収して優れた圧力検出能力を発揮するための構造の工夫が考えられる。例えば、結晶面の方位が（１００）面であるＮ型単結晶シリコン基板の場合、ピエゾ抵抗係数π４４が最大となる＜１１０＞方向に直交する向きにピエゾ抵抗素子を配置してセンサ感度を高めることが有効である。逆に、ピエゾ抵抗素子以外の配線回路（配線部）は、ピエゾ抵抗係数π４４がゼロとなるように＜１１０＞方向に対して４５°傾斜で配線することが有効である。これは、配線回路での抵抗成分が感度を持ってしまうことを抑えるためである。また、ピエゾ抵抗素子以外の配線回路は、圧力印加時の変形量が大きいダイアフラム上を避けて配線することが有効である。

しかし、本発明者らの鋭意研究によると、上記構造は、ピエゾ抵抗素子以外の配線回路の抵抗変化という誤差要因を排除するために検討すべき制約となり得るものであり、この点で改良の余地があることが判明した。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、ピエゾ抵抗素子以外の配線回路の抵抗変化の影響を低減することができる圧力センサを提供することを目的の１つとする。

本実施形態の圧力センサは、その一態様では、半導体基板と、前記半導体基板に設けられた基準センサ部と、前記半導体基板に設けられた参照センサ部と、を有し、前記基準センサ部は、複数のピエゾ抵抗素子と、前記複数のピエゾ抵抗素子を繋ぐ第１の配線回路とを有し、前記参照センサ部は、前記基準センサ部において、前記複数のピエゾ抵抗素子を省略して、前記第１の配線回路のうち前記複数のピエゾ抵抗素子を省略した部分を繋いで構成された第２の配線回路を有する、ことを特徴としている。

本発明によれば、ピエゾ抵抗素子以外の配線回路の抵抗変化の影響を低減することができる圧力センサを提供することができる。

本実施形態による圧力センサの構成を示す平面図である。図１のII−II線に沿う断面図である。

図１、図２を参照して、本実施形態による圧力センサ１について詳細に説明する。図１は本実施形態による圧力センサ１の構成を示す平面図であり、図２は図１のII−II線に沿う断面図である。

圧力センサ１は、半導体基板１０とベース基板２０とを有している。半導体基板１０は、例えば、結晶面の方位が（１００）面であるＮ型単結晶シリコン基板とすることができる。ベース基板２０は、例えば、ガラス材料やセラミックス材料等から構成することができる。

半導体基板１０とベース基板２０は、平面視したときに略同一の矩形形状をなしている。半導体基板１０の下面とベース基板２０の上面は、互いに接合（陽極接合）されている。

半導体基板１０とベース基板２０（両基板の接合体）は、平面視したとき、図１中の左右方向の長さが図１中の上下方向の長さの２倍となっている。このため、図１中の左右方向の中間部で半導体基板１０とベース基板２０（両基板の接合体）を左右に区画したとき、左右一対の正方形の領域が画成される。以下では、左右一対の正方形の領域のうち、一方（図１中の左側）を基準センサ部形成領域Ｂと呼び、他方（図１中の右側）を参照センサ部形成領域Ｒと呼ぶ。

半導体基板１０は、基準センサ部形成領域Ｂにおいて、表面（上面）の中央部に形成された正方形のダイアフラム１１Ｂと、このダイアフラム１１Ｂを取り囲む厚肉部１２Ｂとを有している。半導体基板１０は、基準センサ部形成領域Ｂにおいて、裏面（下面）の中央部に形成された凹部１３Ｂを有している。図示は省略しているが、ベース基板２０は、基準センサ部形成領域Ｂにおいて、ダイアフラム１１Ｂの裏側（凹部１３Ｂ）に被測定媒体の圧力を導く導圧路を有していてもよい。

半導体基板１０は、参照センサ部形成領域Ｒにおいて、表面（上面）の中央部に形成された正方形のダイアフラム１１Ｒと、このダイアフラム１１Ｒを取り囲む厚肉部１２Ｒとを有している。半導体基板１０は、参照センサ部形成領域Ｒにおいて、裏面（下面）の中央部に形成された凹部１３Ｒを有している。図示は省略しているが、ベース基板２０は、参照センサ部形成領域Ｒにおいて、ダイアフラム１１Ｒの裏側（凹部１３Ｒ）に被測定媒体の圧力を導く導圧路を有していてもよい。

半導体基板１０は、基準センサ部形成領域Ｂにおいて、基準センサ部３０Ｂを有している。基準センサ部３０Ｂは、４つのピエゾ抵抗素子３１Ｂと、この４つのピエゾ抵抗素子３１Ｂを繋ぐ第１の配線回路３２Ｂと、この第１の配線回路３２Ｂに接続された４つのコンタクト３３Ｂとを有している。

４つのピエゾ抵抗素子３１Ｂは、正方形のダイアフラム１１Ｂの各辺の中央部の外側の領域に上下左右に配置されている。４つのピエゾ抵抗素子３１Ｂは、それぞれ、ピエゾ領域として作用して圧力を検出することが可能である。

第１の配線回路３２Ｂは、上方と左方のピエゾ抵抗素子３１Ｂを繋ぐとともに左上方向に延びる部分と、上方と右方のピエゾ抵抗素子３１Ｂを繋ぐとともに右上方向に延びる部分と、下方と右方のピエゾ抵抗素子３１Ｂを繋ぐとともに右下方向に延びる部分と、下方と左方のピエゾ抵抗素子３１Ｂを繋ぐとともに左下方向に延びる部分とを含んだ所定の配線パターンを有している。

４つのピエゾ抵抗素子３１Ｂと第１の配線回路３２Ｂは、例えば、半導体基板１０の表面（上面）にイオン注入などによって不純物を導入することで形成される。４つのピエゾ抵抗素子３１Ｂと第１の配線回路３２Ｂは、協働して、圧力検出用のブリッジ回路を形成する。図示は省略しているが、４つのピエゾ抵抗素子３１Ｂと第１の配線回路３２Ｂは、その一部又は全部が酸化膜（絶縁膜）で覆われていてもよい。

４つのコンタクト３３Ｂは、正方形の基準センサ部形成領域Ｂの四隅に設けられており、第１の配線回路３２Ｂの左上方向、右上方向、右下方向、左下方向に延びる部分とそれぞれ接続されている。４つのコンタクト３３Ｂは、４つのピエゾ抵抗素子３１Ｂと第１の配線回路３２Ｂ（ブリッジ回路）に電圧を印加する機能と、４つのピエゾ抵抗素子３１Ｂと第１の配線回路３２Ｂ（ブリッジ回路）から電圧を取り出す機能とを有している。

半導体基板１０は、参照センサ部形成領域Ｒにおいて、参照センサ部３０Ｒを有している。参照センサ部３０Ｒは、第２の配線回路３１Ｒと、この第２の配線回路３１Ｒに接続された４つのコンタクト３２Ｒとを有している。

第２の配線回路３１Ｒは、基準センサ部３０Ｂにおいて、４つのピエゾ抵抗素子３１Ｂを省略して、第１の配線回路３２Ｂのうち４つのピエゾ抵抗素子３１Ｂを省略した部分を繋いだ構成を有している。すなわち、基準センサ部３０Ｂの第１の配線回路３２Ｂは、中央部が４つのピエゾ抵抗素子３１Ｂで分断されているが、参照センサ部３０Ｒの第２の配線回路３１Ｒは、４つのピエゾ抵抗素子３１Ｂを省略して当該４つのピエゾ抵抗素子３１Ｂによって分断されることなく一体成形されている。第２の配線回路３１Ｒは、中央部から、左上方向に延びる部分と、右上方向に延びる部分と、右下方向に延びる部分と、左下方向に延びる部分とを含んだ所定の配線パターンを有している（この点については第１の配線回路３２Ｂと共通している）。

第２の配線回路３１Ｒは、例えば、半導体基板１０の表面（上面）にイオン注入などによって不純物を導入することで形成される。第２の配線回路３１Ｒは、単独で、圧力検出用のブリッジ回路を形成する。図示は省略しているが、第２の配線回路３１Ｒは、その一部又は全部が酸化膜（絶縁膜）で覆われていてもよい。

４つのコンタクト３２Ｒは、正方形の参照センサ部形成領域Ｒの四隅に設けられており、第２の配線回路３１Ｒの左上方向、右上方向、右下方向、左下方向に延びる部分とそれぞれ接続されている。４つのコンタクト３２Ｒは、第２の配線回路３１Ｒ（ブリッジ回路）に電圧を印加する機能と、第２の配線回路３１Ｒ（ブリッジ回路）から電圧を取り出す機能とを有している。

以上のように構成された圧力センサ１は、例えば、基準センサ部形成領域Ｂに設けられたダイアフラム１１Ｂに加えられた絶対圧、ゲージ圧、差圧などを検出するために使用される。圧力の印加によりダイアフラム１１Ｂが変形すると、４つのピエゾ抵抗素子３１Ｂの抵抗値が変化し、この抵抗値の変化に対応する電圧の差分に基づいて、圧力が検出される。

ここで、４つのピエゾ抵抗素子３１Ｂと同様に、圧力を受けた際に第１の配線回路３２Ｂの抵抗値も変動する。第１の配線回路３２Ｂの抵抗値の変動は、４つのピエゾ抵抗素子３１Ｂの抵抗値の変動よりも十分に小さいものではあるが、圧力センサ１による圧力検出の精度に悪影響を及ぼすノイズ（外乱）成分となり得る。

そこで本実施形態では、４つのピエゾ抵抗素子３１Ｂ以外の第１の配線回路３２Ｂの抵抗変化の影響を低減するための工夫を施している。すなわち、本実施形態では、基準センサ部３０Ｂのベース出力及び／又は出力変化量と参照センサ部３０Ｒのベース出力及び／又は出力変化量とに基づいて、圧力センサ１に印加された圧力を検出する。より具体的に、本実施形態では、基準センサ部３０Ｂのベース出力及び／又は出力変化量から参照センサ部３０Ｒのベース出力及び／又は出力変化量を差し引くことで、圧力センサ１に印加された圧力を検出する。

基準センサ部３０Ｂの出力は、４つのピエゾ抵抗素子３１Ｂの抵抗値と第１の配線回路３２Ｂの抵抗値を合成した合成抵抗値に対する出力電圧を意味している。基準センサ部３０Ｂのベース出力は、圧力センサ１に圧力を印加していない状態における基準センサ部３０Ｂの出力電圧を意味している。基準センサ部３０Ｂの出力変化量は、圧力センサ１に圧力を印加した状態における基準センサ部３０Ｂの出力電圧の変化量を意味している。

参照センサ部３０Ｒの出力は、第２の配線回路３１Ｒの抵抗値に対する出力電圧を意味している。参照センサ部３０Ｒのベース出力は、圧力センサ１に圧力を印加していない状態における参照センサ部３０Ｒの出力電圧を意味している。参照センサ部３０Ｒの出力変化量は、圧力センサ１に圧力を印加した状態における参照センサ部３０Ｒの出力電圧の変化量を意味している。

基準センサ部３０Ｂのベース出力及び／又は出力変化量から参照センサ部３０Ｒのベース出力及び／又は出力変化量を差し引くことにより、第１の配線回路３２Ｂの抵抗値の変動を除去（相殺）した高精度な圧力検出が可能になる。

このように、本実施形態の圧力センサ１では、圧力センサパターン（基準センサ部３０Ｂ、ピエゾ抵抗素子３１Ｂ、第１の配線回路３２Ｂ）と同一基板上に、ピエゾ抵抗素子３１Ｂ以外の配線回路のみで構成したリファレンスセンサパターン（参照センサ部３０Ｒ、第２の配線回路３１Ｒ）を設けている。そして、リファレンスセンサパターンのベース出力と出力変化量を圧力センサパターンのベース出力と出力変化量から差し引くことで、配線回路における圧力印加時の抵抗変化の影響や温度変化時の特性変化の影響を除外（低減）することができる。

また、ピエゾ抵抗素子３１Ｂ以外の抵抗変化という誤差要因を排除するための検討要素の１つである配線引き回しの方向や位置等の制約にとらわれることなく、自由度の高い配線レイアウトが可能となる。さらに、従来の圧力センサで誤差要因となっていた影響を除去することが可能となり、精度の良い圧力センサ１を実現することが可能になる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている構成要素の大きさや形状、機能などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

上記実施の形態では、基準センサ部３０Ｂに４つのピエゾ抵抗素子３１Ｂを設けた場合を例示して説明したが、ピエゾ抵抗素子３１Ｂの数は４つに限定されず、例えば、２つ、３つ、５つ以上であってもよい（ピエゾ抵抗素子３１Ｂは複数であればよい）。

本発明の圧力センサは、絶対圧、ゲージ圧、差圧などを検出するための圧力センサに適用することができる。

１圧力センサ
１０半導体基板
１１Ｂ１１Ｒダイアフラム
１２Ｂ１２Ｒ厚肉部
１３Ｂ１３Ｒ凹部
２０ベース基板
３０Ｂ基準センサ部
３１Ｂピエゾ抵抗素子
３２Ｂ第１の配線回路
３３Ｂコンタクト
３０Ｒ参照センサ部
３１Ｒ第２の配線回路
３２Ｒコンタクト
Ｂ基準センサ部形成領域
Ｒ参照センサ部形成領域

Claims

半導体基板と、
前記半導体基板に設けられた基準センサ部と、
前記半導体基板に設けられた参照センサ部と、
を有し、
前記基準センサ部は、複数のピエゾ抵抗素子と、前記複数のピエゾ抵抗素子を繋ぐ第１の配線回路とを有し、
前記参照センサ部は、前記基準センサ部において、前記複数のピエゾ抵抗素子を省略して、前記第１の配線回路のうち前記複数のピエゾ抵抗素子を省略した部分を繋いで構成された第２の配線回路を有する、
ことを特徴とする圧力センサ。
前記基準センサ部のベース出力及び／又は出力変化量と前記参照センサ部のベース出力及び／又は出力変化量とに基づいて、前記圧力センサに印加された圧力が検出される、
ことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
前記基準センサ部のベース出力及び／又は出力変化量から前記参照センサ部のベース出力及び／又は出力変化量を差し引くことで、前記圧力センサに印加された圧力が検出される、
ことを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。