JPH01287437A - 半導体圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は高い圧力の検出が可能な半導体圧力センサに関
する。

［従来の技術］ 半導体歪み素子を使用する圧力センサとして特公昭５１
−４９４２０号公報記載のものが知られている。この半
導体圧力センサは　半導体歪み素子が形成された感圧性
ｆｉｌ！躾と、感圧性ＦＩｉ躾をその周縁部で支持する
円筒状の支持体とからなる。この半導体圧力センサは、
感圧性隔膜の両主面に作用する圧力の差により発生する
感圧性隔膜のたわみを、半導体歪み素子の抵抗変化とし
て検出するものである。

また、銅やニッケルなどの金属抵抗層を起歪板上に蒸着
などで形成した圧力センサもある。この圧力センサも同
じく、起歪板の両主面に作用する圧力の差により発生す
る起歪板のたわみを、金属抵抗層の抵抗変化として検出
するものである。

［１明が解決しようとする課題］ ところが前記した従来の圧力センサでは、感圧性隔膜や
支持体が差圧を受けるので、差圧が大きいと感圧性隔膜
や支持体がたわみによりａｍする可能性があった。また
、感圧性隔膜は感度増加のために薄く形成する必要があ
り、その破墳を防止するために、感圧性隔膜の両主面の
圧力差を大きくしないようにづる必要があった。

前記した金属抵抗層を起歪板上に形成した圧力センサも
また、圧力差による起歪板のたわみを利用しているので
、圧力差を大きくできないという問題があった。

また前記した差圧検出型の半導体圧力センサでは、２種
類の被測定圧力の差を検出する場合には好都合であるが
、ただ一種類の被測定圧力の絶対圧を検出する場合には
、基準圧力のガスを密関した鰭準圧力室を設ける必要が
あり、特に被測定圧力が高い場合には構造が複雑となる
問題があった。

本発明は前記問題点に鑑みなされたものであって、高い
Ｅカを測定できるようにした半導体圧力センサを提供す
ることを目的とする。

［ｖＲ題を解決するための手段］ 本発明の半導体圧力センサは、圧縮変形を受けるブロッ
ク状の受圧体と、前記受「体の一部表面に一体的に形成
され前記受圧体と圧縮弾性率の異なる物質で作られた感
圧薄板と、前記感圧薄板に形成された半導体歪み素子と
をそなえることを特徴とする。

［作用］ 本発明の半導体圧力センサにおいて、受圧体および感圧
薄板は流体の被測定圧力を受けてそれぞれ圧縮変形する
。そして感圧薄板はそれと接する受圧体の圧縮変形Φに
応じた圧縮変形を受１ノる。

半導体歪み素子は感圧薄板の圧縮方向の変形に応じてそ
の抵抗率を変化させ、電圧の印加により被測定圧力を電
気的に出力する。

なお本発明の半導体圧力センサ（おいて、前記したよう
に、感圧薄板はそれ自身が受ける被測定圧りにより圧縮
変形する。しかしながらこの場合でも感圧薄板は受圧体
の表面に一体的に形成されかつ受圧体よりも薄いので、
感圧薄板の各部はそれぞれ接する受圧体の各部の圧縮変
形層に応じた圧縮変形を受ける。

特に、受圧体の圧縮弾性率を感圧薄板の圧縮弾性率より
も小さく設定した場合には、感圧薄板の圧縮変形盪はそ
れ自身のみで受圧して圧縮変形する場合よりも大きくな
り、半導体歪み素子は高感度となる。

また、受圧体の圧縮弾性率と感圧薄板の圧縮弾性率とを
異なるように設定しかつ受圧体の周縁部及び中央部に近
接してそれぞれ半導体歪み素子を形成した場合には、受
圧体の周縁部に近接する半導体歪み素子は、受圧体の中
央部に近接する半導体歪み素子と比較して、異なる大き
さの圧縮応力を受ける。その結果、各半導体歪み素子は
異なる抵抗率となる。このため複数の半導体歪み素子を
用いてブリッジ回路を形成する場合には、好都合である
。なお、受圧体の圧縮応力に基因する圧縮歪は受圧体を
構成する材料の結晶方向によっても異なる。結晶方向に
基づく圧縮歪の差異を利用してブリッジ回路を構成する
複数の素子を設けることもできる。

［実施例１ 実ｆＡ例１ 本発明の半導体圧力センサの一実施例断面図を第１図に
示し、その模式平面図を第２図、その出力特性を第３図
に示す。

本実施例の半導体圧力センサは、円柱状の受圧体１と、
受圧体１の端面１１に陽極接合された円板状の感圧薄板
２と、感圧薄板２の表面２１に形成されブリッジ回路を
構成している４８１の半導体歪み素子３１，３２，３３
，３４　（第２図参＠）とからなる。

受圧体１は、圧縮弾性率が６４００　ｋｏ／　ｃｌであ
り、直径が２１１１高さ（１＞が２１のパイレックス（
商品名）興のガラス円柱で構成されている。

感圧薄板２は、直径が２１Ｌ厚ざが２２０μｍ、不純物
濃度が約１０１５原子／ｃｓ３、圧縮弾性率が１３００
０ｋＯ／ｃｓ２であるＮ型単結晶シリコンであり、表面
２１は（１１０）面となっている。

半導体歪み素子３１〜３４は、第２図に示すように、感
圧薄板２の表面２１に形成されたＰ型拡散領域よりなる
抵抗線で構成され、約４μｍの幅と約１μｍの深さと約
１０１”原子／ｃｍ３の不純物濃度をもつ。これら半導
体歪み素子３１〜３４はそれぞれ約１にΩの抵抗値をも
つ。半導体歪み素子３１は、第２図に示すように、その
両端にＰ型コンタクト領域４１．４２をもち、同様に半
導体歪み素子３２はＰ型コンタクト領域４３．４４を、
半導体歪み素子３３はＰ型コンタクト領域４５．４６を
、半導体歪み素子３４はＰ型コンタクト領域４７．４８
をもつ。これらＰ型コンタクト領域４１〜４８はそれぞ
れ約１０’Ｏ原子／ｃｏ＋３の不純物濃度をもち、それ
ぞれボンディングワイヤ（図示せず）により、受圧体収
納用の開放容器（図示せず）の出力端子（図示せず）に
電気的に接続されている。

また、前記ボンディングワイヤの接続により、半導体歪
み素子３３と半導体歪み素子３４とを対向する辺とし半
導体歪み素子３１と半導体歪み素子３２とを対向する辺
とするブリジ回路が構成されている。

また、感圧薄板２の表面２１には２！！化シリコン膜の
表面保１１！（図示せず）が形成されている。

この半導体圧力センサを圧力流体中に配置して出力特性
を調べた。但し、前記ブリッジ回路には、３．７ｍＡの
定電流を供給した。その結果、この半導体圧力センサは
第３図に示すように、１０００　ｋｏｒ　／　０１２の
印加圧力で約９ｍＶの出力電圧を発生した。

以下、この半導体圧力センナの作動説明を補足する。

この半導体圧力センサを圧力Ｐの流体中に配置すると、
受圧体１にｉ極接合される感圧薄板２の表面２２はより
小さな圧縮弾性率をもつ受圧体１の縮みの影響により、
追加の圧縮力を受け、感圧薄板２の他の表面２１よりも
余計に縮む。その結果、感圧薄板２の表面２１の周縁部
にかかる表面２１と平行なＸ方向の圧縮力は圧力Ｐより
も小さくなり、感圧薄板２の表面２１の中央部２１ｂに
かかるＸ方向の圧縮ノ】は圧力Ｐよりも大きくなる。

被測定流体の圧力が１０００　ｋａｆ　／ｃａｔである
ときに、感ＩＥ薄板２の表面２１の各部に発生ずるＸ方
向の圧縮応力の分布を第４図に示す。この圧縮応力分布
は有限要素（＋＝　Ｅ　Ｍ　）法により計算したもので
あり、感圧薄板２の中心からＸ方向への距離を横軸に、
発生するＸ方向の圧縮応力を縦軸に示す。

感ＩＦ薄板２の表面２１の中央部２１ｂでは、第４図に
示すように、被測定圧力（１０００ｋｏｒ／ｃｍ”　）
よりも大きな約１２００にり【／Ｃ１の圧縮応力発生し
、感圧薄板２の表面２１の周縁部２１ａでは被測定圧力
（１０００ｋｏｆ　／ｃｇｕ　）よりも小さな約８００
ｋｏｆ／ｃｍｚの圧縮応力が発生している。

以上説明したように本実施例の半導体圧力センサは、受
圧体１及び感圧薄板２に結果的に圧縮力だけが加えられ
、引っ張り力が加えられないので、たとえ被測定圧力が
高くても破壊されにくい利点をもつ。

また、受圧体１が感圧薄板２より小さいヤング率をもつ
ので、感圧薄板２の中央部２１ｂに形成された半導体歪
み素子３１．３２に、被測定圧力よりも大きな圧縮力を
加えることができる。

・また、受圧体１の縮みにより感圧薄板２の外端部２１
ｃが受圧体１の方向に反る影響により、感圧薄板２の表
面２１の周縁部２１ａに形成された半導体歪み素子３３
．３４に、被測定圧力よりも小さな圧縮力を加えること
ができる。

また、本実施例の半導体圧力センサは、感圧薄板２の周
縁部２１ａと中央部２１ｂとの圧縮応力の差をブリッジ
回路により検出しているので、温度補償や抵抗値のばら
つき補償が可能となり高感度化を図ることができる。

なお本実施例において、受圧体１及び感圧薄板２の形状
は各種変更可能である。感圧薄板２．２ａとして、単結
晶シリコンの代わりに多結晶シリコンなどを使用するこ
とができる。受圧体１として、パイレックス（商品名）
以外の材料を使用することができる。

実施例２ 本発明の他の実施例の半導体圧力センサを第５図の模式
平面図に示す。

この半導体圧力センサは、直径が２ｍ（＾さが２ａｔｓ
のパイレックス（商品名）製のガラス円柱で構成された
受圧体（図示せず）と、受圧体に陽極接合された感圧薄
板２とからなり、感圧薄板２がその中央部にただ１１！
ｌの半導体歪み素子３を形成されている他は実施例１の
センサと同じである。

この半導体歪み素子３の両端部にはＰ型コンタクト領域
４．４が形成されている。

この半導体歪み素子３の圧力−抵抗特性を第６図に示す
。半導体歪み素子３は、被測定圧力がＯ（即ち、大気圧
）である場合に約９２００の抵抗値をもち、被測定圧力
が１０００　ｋＯｆ　／ｃ１である場合に約８２００の
抵抗値をもつ。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明の半導体圧力センサは、圧縮
変形を受けるブロック状の受圧体と受圧体の表面に一体
的に形成され半導体歪み素子をもつ感圧薄板とから構成
されているので、以下の効果を奏することができる。

（ａ）被測定圧力が高圧であっても、受圧体及び感圧＠
根は結果的に圧縮力だけを受番ノるので、たとえば５０
０　ｋＯｆ　／　ｃｌｆｆｉ以上といった高圧測定に使
用しても損傷の恐れが少ない。

（ｂ）一種類の被測定圧力の絶対圧を検出する場合に、
基準圧力室を設ける必要がなく、構造が簡単である。

（Ｃ）従来の半導体圧力センサに比べてダイヤフラム部
の形成を省略できるので、製造工程を簡単にできる。

（ｄ）受圧体のヤング率を感圧薄板のヤング率よりも小
さく設定した場合には、感圧薄板の圧縮変形量はそれ自
身のみで受圧して圧縮変形する場合よりも大きくなり、
半導体歪み素子の感度を高くすることができる。

（ｌ受圧体のヤング率と感圧薄板のヤング率とを異なる
ように設定しかつ受圧体の周縁部及び中央部に近接して
それぞれ半導体歪み素子を形成した場合には、受圧体の
周縁部に近接する半導体歪み素子は受圧体の中火部に近
接する半導体歪み素子と異なる大きさの圧縮力を受けて
異なる抵抗率となるので、ブリッジ回路を構成すること
ができ、その結果として、温度変化による出力電圧変化
を低減し、かつ製造工程及びウェハーに起因する各半導
体圧力センサ間の特性のばらつきを低減し、高い出力感
度を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体圧力センサの一実施例を示す断
面図、第２図は第１図の半導体圧力センサの模式平面図
、第３図はこの半導体圧力センサの出力特性図、第４図
は感圧薄板２の圧縮応力のＸ方向の分布を表す圧力分布
図である。第５図は本発明の半導体圧力センサの他の実
施例を示す模式平面図である。第６１ｊ４は第５図の半
導体歪み素子の圧力−抵抗特性図である。 １・・・受圧体 ２・・・感圧薄板 ３１〜３４・・・半導体歪み素子 特許出願人　　　日本電装株式会社 代理人　　　　弁理士　大川　宏 第１図 １・・・受圧体 ２・・偲迂薄版 ３１、田、諷・・・半導体歪み素子 Ｘ朋回ガ１

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧縮変形を受けるブロック状の受圧体と、前記受
   圧体の一部表面に一体的に形成され前記受圧体と圧縮弾
   性率の異なる物質で作られた感圧薄板と、前記感圧薄板
   に形成された半導体歪み素子とをそなえることを特徴と
   する半導体圧力センサ。