JPH0239574A - 半導体圧力センサ - Google Patents
半導体圧力センサInfo
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- JPH0239574A JPH0239574A JP19087888A JP19087888A JPH0239574A JP H0239574 A JPH0239574 A JP H0239574A JP 19087888 A JP19087888 A JP 19087888A JP 19087888 A JP19087888 A JP 19087888A JP H0239574 A JPH0239574 A JP H0239574A
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- Measuring Fluid Pressure (AREA)
- Pressure Sensors (AREA)
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。
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］
この発明は多結晶シリコン歪ゲージを用いた半導体圧力
センリーに関するものである。
センリーに関するものである。
［従来技術及び課題］
従来から単結晶シリコン歪ゲージを用いた半導体圧力セ
ンサが使用されている。同セン１すにおいては、その歪
みゲージが平面応力の主軸方向に配置され、その応力印
加時の抵抗変化率Δ訣／尺は・ ・ ・ （１） ただし、Ｒ；応力が印加されていない場合の抵抗値 ΔＲ；応力による抵抗値の変化層 ガ；縦方向（電流印加方向）ピ ニジ抵抗係数 π１ ；横方向ピエゾ抵抗係数 σ、；歪ゲージ縦方向応力 σ１ ；歪ゲージ横方向応力 で表わされる。
ンサが使用されている。同セン１すにおいては、その歪
みゲージが平面応力の主軸方向に配置され、その応力印
加時の抵抗変化率Δ訣／尺は・ ・ ・ （１） ただし、Ｒ；応力が印加されていない場合の抵抗値 ΔＲ；応力による抵抗値の変化層 ガ；縦方向（電流印加方向）ピ ニジ抵抗係数 π１ ；横方向ピエゾ抵抗係数 σ、；歪ゲージ縦方向応力 σ１ ；歪ゲージ横方向応力 で表わされる。
一方、低消費電力用圧カセンザ、高温度用圧力センサと
して多結晶シリコン歪ゲージを用いた半導体圧力センサ
が使用されている。当該センナにおいては、横方向ピエ
ゾ抵抗係数π１は縦方向ピエゾ抵抗係数πｇと符号が反
対で、その大きさは縦方向ピエゾ抵抗係数πρの１／３
〜１／２程度である。又、通常、歪ゲージは４個１組に
してホイートストンブリッジを構成し、出力がプッシュ
プルとなるように抵抗が増加するものと減少するものを
２つづつ組合せその一方をダイヤフラムの中央部に他方
はダイヤフラム周辺部に配置し、歪ゲージ縦方向応力σ
ｇが正（引張り応力）と負（圧縮応力）となるものを用
意していた。しかしながら、ダイヤプラム中央部ではσ
１＝σノであるため、上記（１）式の第２項は常に抵抗
の変化率ΔＲ／Ｒ１即ちセンサの出力電圧を下げるよう
に働いていた。
して多結晶シリコン歪ゲージを用いた半導体圧力センサ
が使用されている。当該センナにおいては、横方向ピエ
ゾ抵抗係数π１は縦方向ピエゾ抵抗係数πｇと符号が反
対で、その大きさは縦方向ピエゾ抵抗係数πρの１／３
〜１／２程度である。又、通常、歪ゲージは４個１組に
してホイートストンブリッジを構成し、出力がプッシュ
プルとなるように抵抗が増加するものと減少するものを
２つづつ組合せその一方をダイヤフラムの中央部に他方
はダイヤフラム周辺部に配置し、歪ゲージ縦方向応力σ
ｇが正（引張り応力）と負（圧縮応力）となるものを用
意していた。しかしながら、ダイヤプラム中央部ではσ
１＝σノであるため、上記（１）式の第２項は常に抵抗
の変化率ΔＲ／Ｒ１即ちセンサの出力電圧を下げるよう
に働いていた。
この発明の目的は、ダイヤフラム中央部でも横方向（電
流印加直交方向）の悪影響を抑制してセンサ出力を向上
させることができる多結晶シリコン歪ゲージを用いた半
導体圧力センサを提供することにある。
流印加直交方向）の悪影響を抑制してセンサ出力を向上
させることができる多結晶シリコン歪ゲージを用いた半
導体圧力センサを提供することにある。
［課題を解決するための手段］
この発明は、基板に形成された薄肉のダイヤフラムと、
前記ダイヤフラム上に配置された多結晶シリコン歪ゲー
ジとを備えた半導体圧力センサにおいて、前記ダイヤフ
ラムの形状を、縦の長さと横の長さの比が１．５以上と
した半導体圧力センサをその要旨とする。
前記ダイヤフラム上に配置された多結晶シリコン歪ゲー
ジとを備えた半導体圧力センサにおいて、前記ダイヤフ
ラムの形状を、縦の長さと横の長さの比が１．５以上と
した半導体圧力センサをその要旨とする。
［作用］
縦の長さと横の長さの比が１．５以上としたダイヤフラ
ムを使用することにより、ダイヤフラム中央部でも歪ゲ
ージ横方向応力σ１を歪ゲージ縦方向応力σ１に比べ小
さくでき、上記（１）式の第２項による抵抗の変化率Δ
Ｒ／Ｒの低下、即らセンサの出力電圧が下がるのを抑制
する。
ムを使用することにより、ダイヤフラム中央部でも歪ゲ
ージ横方向応力σ１を歪ゲージ縦方向応力σ１に比べ小
さくでき、上記（１）式の第２項による抵抗の変化率Δ
Ｒ／Ｒの低下、即らセンサの出力電圧が下がるのを抑制
する。
［実施例］
以下、この発明を具体化した一実施例を図面に従って説
明する。
明する。
第１図は本実施例の半導体圧力セン゛リ−の平面図を示
し、第２図は第１図のＡ−Ａ断面を示す。
し、第２図は第１図のＡ−Ａ断面を示す。
シリコン基板１は（１１０）又は（１００＞面の単結晶
シリコン基板が使用される。尚、このシリコン基板１の
導電型はＰ型でもＮ型でもよく、又、抵抗率も任意に選
ぶことができる。
シリコン基板が使用される。尚、このシリコン基板１の
導電型はＰ型でもＮ型でもよく、又、抵抗率も任意に選
ぶことができる。
このシリコン基板１の中央部には薄肉のダイセフラム２
が形成されている。そのダイヤフラム２は長方形をなし
、その短辺の長ざａが１ｍｍで長辺の長さｂが２ｍｍと
なり、その厚さが０．１ｍｍとなっている。このダイヤ
フラム２（薄肉部）の形成は、シリコン基板１の裏面全
面にシリコン窒化物（ｐ−３ｉＮ）を形成し、フォトリ
ソグラフィ、ドライエツチング法により長方形の開口部
を形成し、そのシリコン基板１の開口部をＫＯＨ水溶液
（３３ＶＯ１％、８２℃）にて所望の深さまでエツチン
グすることにより行なわれる。
が形成されている。そのダイヤフラム２は長方形をなし
、その短辺の長ざａが１ｍｍで長辺の長さｂが２ｍｍと
なり、その厚さが０．１ｍｍとなっている。このダイヤ
フラム２（薄肉部）の形成は、シリコン基板１の裏面全
面にシリコン窒化物（ｐ−３ｉＮ）を形成し、フォトリ
ソグラフィ、ドライエツチング法により長方形の開口部
を形成し、そのシリコン基板１の開口部をＫＯＨ水溶液
（３３ＶＯ１％、８２℃）にて所望の深さまでエツチン
グすることにより行なわれる。
このとき、シリコン基板１に（１１０）面を用いる場合
はダイヤフラム２の長方形の短辺がく１１０〉方向と平
行になるようにし、又、（１００）面を用いる場合も長
方形の短辺が＜１１０＞方向と平行になるようにする。
はダイヤフラム２の長方形の短辺がく１１０〉方向と平
行になるようにし、又、（１００）面を用いる場合も長
方形の短辺が＜１１０＞方向と平行になるようにする。
シリコン基板１の上面における全面には厚さが約５００
０Ａのシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）３が形成され、当該
膜３により後記多結晶シリコン歪ゲージ４，５をシリコ
ン基板１から絶縁する。このシリコン酸化膜３は約１０
００℃の水蒸気中で熱酸化することにより形成される。
０Ａのシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）３が形成され、当該
膜３により後記多結晶シリコン歪ゲージ４，５をシリコ
ン基板１から絶縁する。このシリコン酸化膜３は約１０
００℃の水蒸気中で熱酸化することにより形成される。
前記ダイヤフラム２の中央部におけるシリコン酸化膜３
上には多結晶シリコン歪ゲージ４がゲージ長手方向がダ
イヤフラム２の短軸と平行になるように２つ配置される
とともに、ダイヤフラム２の外周部におけるシリコン酸
化膜３上には多結晶シリコン歪ゲージ５がゲージ長手方
向がダイヤフラム２の短軸と平行になるように２つ配置
されている。この多結晶シリコン歪ゲージ４，５は前記
シリコン酸化膜３上にＣＶＤ法により多結晶シリコン膜
を形成した後にフォトリソグラフィ、ドライエツチング
法により所望の形状にパターンニングし、ざらに、イオ
ン注入法によりボロンをドーピングすることにより形成
される。
上には多結晶シリコン歪ゲージ４がゲージ長手方向がダ
イヤフラム２の短軸と平行になるように２つ配置される
とともに、ダイヤフラム２の外周部におけるシリコン酸
化膜３上には多結晶シリコン歪ゲージ５がゲージ長手方
向がダイヤフラム２の短軸と平行になるように２つ配置
されている。この多結晶シリコン歪ゲージ４，５は前記
シリコン酸化膜３上にＣＶＤ法により多結晶シリコン膜
を形成した後にフォトリソグラフィ、ドライエツチング
法により所望の形状にパターンニングし、ざらに、イオ
ン注入法によりボロンをドーピングすることにより形成
される。
又、各多結晶シリコン歪ゲージ４，５は多結晶ポリシリ
コンよりなる配線材料６を介してアルミ電極７が取出さ
れているとともに、各多結晶シリコン歪ゲージ４．５及
び配線材料６はＰＳＧ （リンガラス）膜８にて保護さ
れている。尚、第１図においてはＰＳＧＳａＯ２示は省
略した。
コンよりなる配線材料６を介してアルミ電極７が取出さ
れているとともに、各多結晶シリコン歪ゲージ４．５及
び配線材料６はＰＳＧ （リンガラス）膜８にて保護さ
れている。尚、第１図においてはＰＳＧＳａＯ２示は省
略した。
そして、配線材料６、アルミ電極７を介した各多結晶シ
リコン歪ゲージ４，５にてブリッジ回路が形成され、ダ
イせフラム２の印加圧力の変化に伴う各歪ゲージ４，５
の抵抗値の変化が電圧の変化として出力されるようにな
っている。
リコン歪ゲージ４，５にてブリッジ回路が形成され、ダ
イせフラム２の印加圧力の変化に伴う各歪ゲージ４，５
の抵抗値の変化が電圧の変化として出力されるようにな
っている。
このように構成した半導体圧力センサの出力特性を以下
に述べる。
に述べる。
本実施例を解析的手法にて考察すべく、このダイヤフラ
ム２上の応力分布をＦＥＭ （有限要素法）により解析
した。この解析においては、５０ｋｑｆ ／ ｃｒｉの
圧力をダイヤフラム２の裏面から印加し、その応力を求
めた。その結果を第３図に示す。この第３図において、
ダイヤフラム２の中央部では歪ゲージ４の縦方向応力σ
ｇとなるσ、が１２゜５ｘ１０２ｋｃｌｆ／ｃｄとなる
とともに、歪ゲージ横方向応力σ となるσ が４．５
Ｘ１０２ｋｃｌｔ ｘ ｆ／ｃｍとなり、σ１が０ｇより充分小さな値となって
いる。
ム２上の応力分布をＦＥＭ （有限要素法）により解析
した。この解析においては、５０ｋｑｆ ／ ｃｒｉの
圧力をダイヤフラム２の裏面から印加し、その応力を求
めた。その結果を第３図に示す。この第３図において、
ダイヤフラム２の中央部では歪ゲージ４の縦方向応力σ
ｇとなるσ、が１２゜５ｘ１０２ｋｃｌｆ／ｃｄとなる
とともに、歪ゲージ横方向応力σ となるσ が４．５
Ｘ１０２ｋｃｌｔ ｘ ｆ／ｃｍとなり、σ１が０ｇより充分小さな値となって
いる。
このように、ダイヤフラム２の裏面より圧力を印加した
場合、ダイヤフラム２中夫の歪ゲージ４に対し次の一軸
性圧縮応力が発生していることとなる。
場合、ダイヤフラム２中夫の歪ゲージ４に対し次の一軸
性圧縮応力が発生していることとなる。
σｔ１γν・１σｇ１（１σｇ
ただし、シ；ポアッソン比（＝０．０６〜０．３６）
又、この半導体圧力センサの特性を説明するために、実
際の出力電圧に影響する指標として応力利用効率を次の
ように定義する。
際の出力電圧に影響する指標として応力利用効率を次の
ように定義する。
ただし、本実施例ではπ ／πｐ
＝−０，３５３６（実測値）
そして、この応力利用効率を用いてダイヤフラムの長辺
と短辺の比の依存性を調べた。その結果を第４図に示す
。この第４図においてダイヤフラムの中央部と周辺部と
で応力利用効率を求めている。
と短辺の比の依存性を調べた。その結果を第４図に示す
。この第４図においてダイヤフラムの中央部と周辺部と
で応力利用効率を求めている。
この第４図に示すように、ダイヤフラムの外周部では横
方向の応力が小さいため約９０％の効率が得られている
が、ダイヤフラムの中央部では正方形の場合には６４％
しかなかった効率が本実施例の辺の比２（短辺の長さａ
＝１ｍｍ、長辺の長ざｂ＝２ｍｍ）では８６％まで改善
されている。
方向の応力が小さいため約９０％の効率が得られている
が、ダイヤフラムの中央部では正方形の場合には６４％
しかなかった効率が本実施例の辺の比２（短辺の長さａ
＝１ｍｍ、長辺の長ざｂ＝２ｍｍ）では８６％まで改善
されている。
このように大きな引張応力が発生しているダイヤフラム
２の中央部において、正方形や円等の対称性の高い形状
のダイヤフラムを使用する場合にはσ１＝σｇで等方向
な応力になっているために、引張応力が発生する場所の
歪ゲージは横方向の応力により抵抗の変化率ΔＲ／Ｒが
減少してしまうが、本実施例においては、歪ゲージ横方
向応力σ１が歪ゲージ縦方向応力σｇより充分小さな値
にてき一軸性応力が得られ、ダイヤフラム中央部でも横
方向の悪影響を抑制してセンサ出力を向上させることが
できる。又、上記のように定義した応力利用効率を使用
することによりダイヤフラム２中央部で正方形の場合に
は６４％しかなかった応力利用効率が本実施例の辺の比
２（短辺の長さａ＝１ｍｍ、長辺の長さｂ＝２ｍｍ＞で
は８６％まで改善することができる。
２の中央部において、正方形や円等の対称性の高い形状
のダイヤフラムを使用する場合にはσ１＝σｇで等方向
な応力になっているために、引張応力が発生する場所の
歪ゲージは横方向の応力により抵抗の変化率ΔＲ／Ｒが
減少してしまうが、本実施例においては、歪ゲージ横方
向応力σ１が歪ゲージ縦方向応力σｇより充分小さな値
にてき一軸性応力が得られ、ダイヤフラム中央部でも横
方向の悪影響を抑制してセンサ出力を向上させることが
できる。又、上記のように定義した応力利用効率を使用
することによりダイヤフラム２中央部で正方形の場合に
は６４％しかなかった応力利用効率が本実施例の辺の比
２（短辺の長さａ＝１ｍｍ、長辺の長さｂ＝２ｍｍ＞で
は８６％まで改善することができる。
尚、この発明は上記実施例に限定されることなく、上記
実施例ではダイヤフラム２の短辺と長辺との比率を１：
２としたが、第４図から明らかなように長辺／短辺＝１
．５以上ならば応力利用効率を８０％以上とすることが
できるので、長辺／短辺＝１．５以上であればよい。た
だし、短辺と長辺との比率を大きくすることにより飽和
値となるダイヤフラム２の外周部での応力利用効率９０
％に近づけることができるが、長辺／短辺が３以上では
チップ面積が大きくなってしまうために実用性に乏しい
ものとなる。
実施例ではダイヤフラム２の短辺と長辺との比率を１：
２としたが、第４図から明らかなように長辺／短辺＝１
．５以上ならば応力利用効率を８０％以上とすることが
できるので、長辺／短辺＝１．５以上であればよい。た
だし、短辺と長辺との比率を大きくすることにより飽和
値となるダイヤフラム２の外周部での応力利用効率９０
％に近づけることができるが、長辺／短辺が３以上では
チップ面積が大きくなってしまうために実用性に乏しい
ものとなる。
又、ダイヤフラムの形状は長方形の他にも、例えば第５
図に示すように楕円や第６図に示すように長孔形状でも
よい。要するに、縦の長ざｌ−ａと横の長さ１−ｂの比
が１．５以上としたものであればよい。
図に示すように楕円や第６図に示すように長孔形状でも
よい。要するに、縦の長ざｌ−ａと横の長さ１−ｂの比
が１．５以上としたものであればよい。
［発明の効果］
以上詳述したようにこの発明よれば、多結晶シリコン歪
ゲージを用いた半導体圧力センサにおいてダイヤフラム
中央部でも横方向（電流印加直交方向）の悪影響を抑制
してその出力を向上さぼることができる優れた効果を発
揮する。
ゲージを用いた半導体圧力センサにおいてダイヤフラム
中央部でも横方向（電流印加直交方向）の悪影響を抑制
してその出力を向上さぼることができる優れた効果を発
揮する。
第１図はこの発明を具体化した半導体圧力センサの平面
図、第２図は第１図のＡ−Ａ断面図、第３図はＦＦＭに
よる解析結果を示す図、第４図は長辺／短辺と応力利用
効率の関係を示す図、第５図は別例のダイヤフラムの形
状を示す図、第６図は別例のダイヤフラムの形状を示す
図である。 １はシリコン基板、２はダイヤフラム、４は多結晶シリ
コン歪ゲージ、５は多結晶シリコン歪ゲージ。 特許出願人 日本電装 株式会社代 理 人
弁理士 恩１）博宣第４図 （正方形） ダイヤフラム 長辺／短辺
図、第２図は第１図のＡ−Ａ断面図、第３図はＦＦＭに
よる解析結果を示す図、第４図は長辺／短辺と応力利用
効率の関係を示す図、第５図は別例のダイヤフラムの形
状を示す図、第６図は別例のダイヤフラムの形状を示す
図である。 １はシリコン基板、２はダイヤフラム、４は多結晶シリ
コン歪ゲージ、５は多結晶シリコン歪ゲージ。 特許出願人 日本電装 株式会社代 理 人
弁理士 恩１）博宣第４図 （正方形） ダイヤフラム 長辺／短辺
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、基板に形成された薄肉のダイヤフラムと、前記ダイ
ヤフラム上に配置された多結晶シリコン歪ゲージと を備えた半導体圧力センサにおいて、 前記ダイヤフラムの形状を、縦の長さと横の長さの比が
１．５以上としたことを特徴とする半導体圧力センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63190878A JP2615887B2 (ja) | 1988-07-29 | 1988-07-29 | 半導体圧力センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63190878A JP2615887B2 (ja) | 1988-07-29 | 1988-07-29 | 半導体圧力センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0239574A true JPH0239574A (ja) | 1990-02-08 |
| JP2615887B2 JP2615887B2 (ja) | 1997-06-04 |
Family
ID=16265254
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63190878A Expired - Fee Related JP2615887B2 (ja) | 1988-07-29 | 1988-07-29 | 半導体圧力センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2615887B2 (ja) |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| FR2820201A1 (fr) * | 2001-01-31 | 2002-08-02 | Denso Corp | Capteur de quantite dynamique a semiconducteur |
| KR100427430B1 (ko) * | 2002-01-28 | 2004-04-13 | 학교법인 동서학원 | 금속박막형 압력센서 및 그 제조방법 |
| JP2007147374A (ja) * | 2005-11-25 | 2007-06-14 | Mitsubishi Electric Corp | 圧力センサ |
| KR100972161B1 (ko) * | 2007-02-28 | 2010-07-26 | 가부시키가이샤 야마다케 | 압력센서 |
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