JPH03112168A - 半導体ピエゾセンサ - 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、例えば半導体圧力センサや半導体加速度セン
１ノとして用いられる半導体ピエゾセンサに関りる。

［従来の技１＋ｉ　］ 従来、半導体圧力センサや半導体加速度センサとして、
半導体ピエゾセンサが用いられている。

１４間昭５７−５０４７９号公報の半導体圧力センサを
第１２図に示す。

この半導体圧力センサは、円板形状を有しており、台座
（図示せず）に接合される厚肉板状の接合支持部１００
と、この接合支持部１００から順番に内延づる薄肉輪板
状の第１起歪部１０１、厚肉輪板状の突起ストッパ部１
０２、薄肉円板状の第２起千部１０３をもち、第１起歪
部１０１に複数の半導体歪み素子１０４を有している。

この半導体圧力センサの特徴は、第１起歪部１０１から
順次内側方向へ連設して￥起ストッパ部１０２及び第２
起歪部１０３を設Ｃプた点にあり、このようにすること
により出力信号電圧の直線性を改善している。

［発明が解決しようとする課題１ 従来の半導体ピエゾセンサの高感度化を図ろうとすると
起歪部の起歪率（すなわら変形率）を大きく設計しなけ
ればならないが、その結果、高圧乃至加速度測定領域（
大起歪力測定領域）において出力信号電圧の直線性が劣
化する問題があり、更に起歪部断面積の減少に伴い機械
的強度が低下する。

また、入超歪力領域における直線性を改善するために起
歪部の起歪率を小さく設計すると、出力感度が鈍化して
低圧乃至小加速度測定領域（小戻歪力領域）におけるＳ
Ｎ比が劣化した。

本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、出力信
号電圧の良好な直線性と広いダイナミックレンジとが両
立可能な半導体ピエゾセンサを提供することをその解決
すべき課題としている。。

［課題を解決づるための手段］ 本発明の半導体ピエゾセンサは、台座の接合面に接合さ
れる厚肉板状の接合支持部と、前記接合支持部から延在
する薄肉板状の第１起歪部と、前記第１起歪部から前記
接合支持部と反対側へ延在し前記台座に当接可能な厚肉
板状の突起ストッパ部と、前記突起ストッパ部から前記
第１起歪部と反対側へ延在し前記第１起歪部と異なる起
歪率をｂつ薄肉板状の第２起歪部とを有する半導体ピエ
ゾ廿ン晋すにおいて、 第１半導体歪み素子が前記第１、第２起歪部のうらでよ
り高い起歪率をもつ方に設けられ、第２半導体歪み素子
がより低い起歪率をもつ方に設けられ、前記第１半導体
歪み素子は前記突起ストッパ部を前記台座に当接を生じ
させる強度を下回る起歪力に対して有効出力範囲を有し
、前記第２半導体歪み素子は前記当接を生じさせる強度
を超える起歪力に対して有効出力範囲を有することを特
徴としている。

［作用］ 本発明の半導体ピエゾセンサにおいて、突起ストッパ部
は起歪力（圧力又は加速度力）により第１、第２起歪部
のうちでより高い起歪率をもつくより湾曲しやすい）方
の起歪部（以下、高感度起歪部という）が−室以上湾曲
した場合に台座に当接し、高感度起歪部がそれ以上湾曲
するのを防止する。また、突起ストッパ部はそれ以上の
起歪力に基づいて第１、第２起歪部のうちでより低い起
歪率をもつくより湾曲しにくい）方の起歪部（以下、低
感度起歪部という）が湾曲する場合の湾曲量始端となる
。

高感度起歪部に設（プられた第１半導体歪み素子は、突
起ストッパ部が台座に当接するに至らない小起歪力によ
る高感度起歪部の湾曲に応じて抵抗変化を発生する。

低感度起歪部に設けられた第２半導体歪み素子は、上記
台座当接後における大起歪力による低感度起歪部の湾曲
に応じて抵抗変化を発生する。

したがって、本発明の半導体ピエゾセンサでは、小Ｒ歪
力範囲において第１半導体歪み素子が、入超↑力範囲に
おいて第２半導体歪み素子が、それぞれ良好な直線性で
作動する。

［実施例］ 実施例１ 本発明の半導体ピエゾセンサの一実施例を第１図、第２
図により説明する。

この半導体ピエゾセン１ノーは、半導体圧力センサとし
て用いられるものであり、順番に中心に向けて連接する
接合支持部２１、第１起歪部２２、第１突起ストッパ部
２３、第２起歪部２４、第２突起ストッパ部２７を有す
るシリコンウェハ２と、台座となるシリコンウェハ１と
からなる。

シリコンウェハ１は、中央部にその両生面を貫通する圧
力導入孔１１をもち、圧力導入孔１１を中心としてその
第１主面に、円板状の深溝部１２と、深溝部１２の外周
縁を内周縁とするリング状の浅溝部１３とを有している
。深溝部１２のエツチング深さは約１．３μｍ、浅溝部
１３のエツチング深さは約１μｍとされている。深溝部
１２及び浅溝部１３を除くシリコンウェハ１の他の部分
の第１主面は本発明でいう接合面１４となっている。

シリコンウェハ２は、その第１主面２Ｂに同心状に、径
小浅溝の内側輪状溝２５と、径大深）１４の外側輪状溝
２６とを有している。シリコンウェハ２の第２主面２９
と外側輪状溝２６の底面との間には約４０μｍの肉厚を
有しリング状のダイヤフラムを構成する第１起歪部２２
が設【プられ、シリコンウェハ２の第２主而２９と内側
輪状溝２５の底面との間には約４５μｍの肉厚をイ１し
リング状のダイヤフラムを構成する第２起歪部２３が設
（）られている。

第１起歪部２２の第２主面２９側の表面部にはそれぞれ
４個の第１半導体歪み素子３１からなる２組のブリッジ
が形成されており、同様に、第２起歪部２４の第２主面
２９側の表面部にはそれぞれ４個の第２半導体歪み素子
３２からなる２組のブリッジが形成されている。なお、
各ブリッジを構成する４ｆ１Ｍｌの半導体歪み素子のう
ちで、各２個はそれぞれ、第１、第２起歪部２２．２４
の内周縁に近接しており、残る各２個は第１、第２起歪
部２２．２４の夕１周縁にそれぞれ近接して設けられＣ
いる。また、内側輪状溝２５で外周縁を区画されるシワ
：１ンウ１ハ２の円板部分は本発明でいう第２突起スト
ッパ部２７となっており、内側輪状溝２５及び外側輪状
溝２６で内、外周縁を区画されるシリコンウェハ２の輪
板部分が本発明でいう第１突起スｌ〜ツバ部２３となっ
ており、外側輪状溝２６から更に外側の部分が本発明で
いう接合支持部２１となっている。シリコンウェハ１の
深）１４部１２の外周縁とシリコンウェハ２の内側輪状
溝２５の外周縁とはほぼ同一直径となっており、シリコ
ンウェハ１の浅溝部１３の外周縁とシリコンウェハ２の
外側輪状溝２６の外周縁とはほぼ同一・直径となってい
る。

シリ」ンウエハ１の接合面１４はシリコンウェハ２の接
合支持部２１の第１主而２８側の表向に直接接合されて
おり、その結果、両ウェハ１．２に囲まれて、圧力導入
孔１１によりシリコンウェハ１側の外部空間と連通ずる
圧力導入空間４０が形成されている。

この半導体ピエゾセンサの製造方法を以下に略述する。

面方位が（１１０）、３〜５Ω−ｃｍでＮ−型のシリコ
ンウェハ２をｍ０し、その第１主而２９に約１０２０原
子／　ｃ　ｍ　）のホウ素をドープして半導体歪み素子
（ピエゾ抵抗素子）３１．３２を形成し、その後、パッ
シベーションを実施する。

次に、シリコンウェハ２の第１主面２８上に設けられた
窒化シリコン膜を選択開孔し、その後、Ｋ　Ｏ＋−１水
溶液により異方性エツチングして、内側輪状溝２５及び
外側輪状溝２６を形成する。なお、外側輪状溝２６は内
側輪状溝２５よりも第１主面２８上において広幅とされ
ており、その結果、外側輪状溝２６は内側輪状溝２５よ
りも深溝となっている。

次に、面方位が（１００）で、１０１７原子／Ｃｒｎ’
以下のＰ型のシリコンウェハ１を用意し、その第１主面
上に設けられた酸化シリコン膜を選択開孔して約１０２
０原子／　ｃ　ｍ　３のリンを深渦部１２となるべき領
域に深くドープし、同様の工程Ｃリンを浅溝部１３とな
るべき領域に浅くドープし、ぞの後、容積比が１：３：
８の割合に調合された弗酸−硝酸−酢酸混合液により、
これらリンドープのＮ中型領域を選択エツチングする。

その後、シリコンウェハ１．２の各第１主面を露出さけ
てＵいに直接接合する。なお、双方の接合面は予め充分
に研磨されている。

この半導体ピエゾセンサの動作を説明すると、第１起千
部２２は第２起歪部２４よりも薄肉に形成されており、
低圧圧力範囲では主として第１起千部２２だけが湾曲し
、第１起歪部２２の第１半３９体歪み索子３１が高感度
で良好な直線性をもつ出力信号電圧を発生する（抵抗変
化する）。第１起歪部２２の湾曲が所定レベルに達する
と、第１突起ストッパ部２３がシリコンウェハ１の浅溝
部１３に当接しく第３図参照）、それ以上の圧力増加に
ス・１りる第１起歪部２２の過大な湾曲を防止する３、
その後の圧力増加に対しては、第２起歪部２４が第１突
起ストッパ部２３を支持端として湾曲する。第２起歪部
２４の湾曲が所定レベルに達すると、第２突起ストッパ
部２７がシリコンウェハ１の深溝部１２に当接しく第４
図参照）、それ以上の圧力増加に対する第２起歪部２４
の過大な湾曲を防止する。

したがって、この半導体ピエゾセンリは、高、低、２つ
の圧力範囲においてそれぞれ良好な直線性及び出力感度
を有する。

この半導体ピエゾセンリにおいて、第７図及び第８図に
示すように、内側の第２起歪部４４を高感度とし、外側
の第１起歪部４２を低感度とすることもできる。第１、
第２起歪部４２．４４の起歪率を調整するには、起歪部
の厚さや径方向の幅を変更して実施することができる。

この半導体ピエゾセンサでは、シリコンウェハ１は実施
例１の深溝部１２及び浅溝部１３の代りに、一定の溝深
さを有する円形溝部１３ａを右している。

なお、第１図の半導体ピエゾセンサにおいて、第１突起
ストッパ部２３及び第２突起ストッパ部２７の肉厚に差
をつけていることにより、深溝部１２と浅猫部１３３を
同−深さに形成してもよい。

また、変形態様として、低圧、中圧、高圧範囲でそれぞ
れイｊ効出力範囲を持つ３個の起歪部を同心状に設（）
ることや、それ以上の起歪部を同心状にｎＱｔプること
も可能である。

実施例２ 本発明の他の実施例を第５図及び第６図に示す。

この半導体ピエゾセンサは、半導体加速度センナであっ
て、接合支持部２１ａ、第１起歪部２２ａ、第１突起ス
トッパ部２３ａ、第２起歪部２４ａ、第２突起ス１〜ツ
バ部２７ａを有するシリコンウェハ２ａと、接合支持部
２１ａを接合支持するシリコンウェハ１ａとからなる。

ただ、この実施例では、内側輪状渦２５８及び外側輪状
溝２６８は、７ｊいに９０度離れて設けられた小片状の
第１起歪部２２ａ又は第１起歪部２４ａを除いて、シリ
−１ンウＴハ２ａの両主面を貫通しており、その結果と
して、第１突起ストッパ部２３ａは４個の第１起↑部２
２ａを介して接合支持部２１ａに連接されてＪ３す、同
様に、第２の突起ストッパ部２７ａは４個の第２起歪部
２４ａを介して第１突起ストッパ部２３ａに連接されて
いる。第１、第２起歪部２２ａ、２４ａの各−個には、
それぞれ第１、第２半導体歪み素子３１ａ、３２ａがそ
れぞれ実施例１の場合と同様の配置で設けられている。

この半導体ピエゾセン１ノの動作を説明すると、第１突
起ストッパ部２３ａ、第２起歪部２４ａ、第２突起スト
ッパ部２７ａを受感Ｍｆｆｌとして第１起歪部２２ａが
小加速度範囲で起歪し、第１１ＩＪ２歪部２２ａの第１
半導体歪み素子３１ａが出力信号電圧を発生する。加速
度が一定値を超えると第１突起ストッパ部２３ａがシリ
コンウェハ１ａの円形溝部１３ａの底面に当接し、それ
以上の加速度に対しては第２起歪部２４ａが第２突起ス
トッパ部２７ａを受感黄道として起歪し、第２起歪部２
４ａの第２半導体歪み素子３２ａが出力信号電圧を発生
する。また、第２突起ストッパ部２７ａは第２起歪部２
４ａの過大な湾曲を防止するス１〜ツバとなっている。

この半導体ピエゾセンサの変形態様として、第９図に示
すような片持らビーム構造を採用することし当然用能Ｃ
ある。

なお、各起歪部の起歪率（りなわち、一定起歪力に対リ
−る）：９ｊ曲量）は、起歪部の厚さや径方向艮ざまた
は周方向の幅により適宜決定づることかでさる。

「発明の効果」 以上説明したように、本発明の半導体ピエゾゼンリは、
第１．２の半導体歪み素子が第１、第２の起歪部に個別
に設けられてあり、より高い起歪率をらつ方の起歪部に
設置ノられた第１半導体歪み素子が突起ストッパ部と台
座との当接以前に有効出力範囲をもも、Ｊ−り低い起歪
率をもつ方の起歪部に設けられた第２半導体歪み素子が
上記当接以後に有効出力範囲をもつＪ：うに構成されて
いるので、起千力が小さい範囲において第１半導体歪み
素子が、起１で力が大きい範囲において第２半導体歪み
素子が、ぞれぞれ良好な直線性及び感度で作動すること
ができ、その結果として、ダイナミックレンジか広くか
つ直線性に優れた半導体ピエゾセンサが実現する。

【図面の簡単な説明】 第１図は、本発明の半導体ピエゾセンサの一実施例を示
す断面図、第２図はその平面図、第３図及び第４図はこ
のセンサの動作を示す模式断面図、第５図は本発明の半
導体ピエゾセンサの他の実施例を示す断面図、第６図は
その平面図、第７図は第１図のセンサの変形態様を示す
小湾曲時の断面図、第８図は第７図のセンサの大湾曲１
１，５の断面図、第９図は片持ちビーム構造の加速度セ
ンサへの適用を示す断面図、第１０図は従来の半導体１
ｆカレン１ノの断面図である。 １・・・シリコウェハ（台座） ２１・・・接合支持部　２２・・・第１起歪部２３・・
・第１突起ストッパ部（突起ストッパ部）２４・・・第
２起歪部 ３１・・・第１半導体歪み素子 ３２・・・第２半導体歪み素子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）台座の接合面に接合される厚肉板状の接合支持部
   と、前記接合支持部から延在する薄肉板状の第１起歪部
   と、前記第１起歪部から前記接合支持部と反対側へ延在
   し前記台座に当接可能な厚肉板状の突起ストッパ部と、
   前記突起ストッパ部から前記第１起歪部と反対側へ延在
   し前記第１起歪部と異なる起歪率をもつ薄肉板状の第２
   起歪部とを有する半導体ピエゾセンサにおいて、 第１半導体歪み素子が前記第１、第２起歪部のうちでよ
   り高い起歪率をもつ方に設けられ、第２半導体歪み素子
   がより低い起歪率をもつ方に設けられ、 前記第１半導体歪み素子は前記突起ストッパ部を前記台
   座に当接を生じさせる強度を下回る起歪力に対して有効
   出力範囲を有し、 前記第２半導体歪み素子は前記当接を生じさせる強度を
   超える起歪力に対して有効出力範囲を有することを特徴
   とする半導体ピエゾセンサ。