JPH06213743A - 半導体圧力センサ - Google Patents

半導体圧力センサ

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JPH06213743A
JPH06213743A JP5020856A JP2085693A JPH06213743A JP H06213743 A JPH06213743 A JP H06213743A JP 5020856 A JP5020856 A JP 5020856A JP 2085693 A JP2085693 A JP 2085693A JP H06213743 A JPH06213743 A JP H06213743A
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Keizo Otani
圭三 大谷
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0051Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
    • G01L9/0052Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements
    • G01L9/0054Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements integral with a semiconducting diaphragm

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 折り返しゲージのブレークダウン電圧を高く
する。 【構成】 半導体基板1の表面にピエゾ領域として作用
する折り返しゲージ2を形成する。この折り返しゲージ
2は、低濃度のゲージ部2a,2b、このゲージ2a,
2bを連結する高濃度の連結部3およびリードアウト部
4a,4bを備え、かつ半導体基板1の内部に形成した
低濃度の導電型半導体物質領域14により前記連結部3
およびリードアウト部4a,4bを取り囲み、半導体基
板1からアイソレートする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は差圧あるいは圧力を検出
する半導体圧力センサに関する。
【0002】
【従来の技術】従来、この種の半導体圧力センサとして
はSi(シリコン)半導体ダイヤフラムを利用したもの
が知られている。このSiダイヤフラム型半導体圧力セ
ンサは、半導体基板の表面に不純物の拡散もしくはイオ
ン打ち込み技術によりピエゾ領域として作用するゲージ
を形成すると共に、Alの蒸着等によりリードを形成
し、裏面の一部をエッチングによって除去することによ
り厚さ20μm〜50μm程度の起歪部、すなわちダイ
ヤフラムを形成して構成したもので、ダイヤフラムの表
裏面に測定圧力をそれぞれ加えると、ダイヤフラムの変
形に伴いゲージの比抵抗が変化し、この時の抵抗変化に
伴う出力電圧を検出し、差圧または圧力を測定するもの
である。ピエゾ抵抗係数はp型、n型共に半導体基板へ
の不純物のドーピング量が多くなるにつれて低下する。
このため、ゲージの比抵抗の変化率を大きくして、圧力
に対する感度を上げるには不純物濃度を低く設定する。
また、ピエゾ抵抗係数は、p型と,n型で異なり、p型
のほうがより大きく、このためn型半導体上にp型抵抗
層を設けるのが一般的である。
【0003】図6および図7は従来の半導体圧力センサ
におけるゲージを示す平面図およびVII −VII 線断面図
である。これらの図において、1はSi単結晶からなる
半導体基板(n型)、2は半導体基板1の表面に形成さ
れたピエゾ領域として作用する折り返しゲージ(p型)
で、このゲージ2は所定のシート抵抗を有する低濃度
(1019 個/cm3 )のゲージ部2a,2bと、ゲー
ジ部2a,2b間を連結する連結部3と、リードアウト
部4a,4bとからなり、連結部3とリードアウト部4
a,4bがゲージ部2a,2bに対するこれらの影響を
除くため一般に高濃度(1021 個/cm3 )の導電型
(p+ 型)半導体物質領域を形成している。5a,5b
は蒸着によって形成されたアルミニウムからなるリード
で、これらリード5a,5bの一端は各リードアウト部
4a,4bにそれぞれ接続されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、pn接合に
逆方向電圧を印加すると、飽和電流Is が僅かに流れる
だけであるが、ある電圧を越えると、急に電流が流れ出
す。この現象をブレークダウン(降伏)といい、この電
圧をブレークダウン電圧(VB )という。VB 電圧を越
えて高い電圧を印加するとpn接合が機械的に破壊す
る。これはpn接合に印加された電圧が高くなると、電
界が強くなって導電電子や正孔のエネルギが大きくな
り、他の電子と衝突したときに価電子結合を破壊して電
子なだれ増倍が急激に生じるためである。そのため、V
B 電圧は高いことが望ましいが、連結部3およびリード
アウト部4a,4bは不純物濃度が高く低抵抗の導電型
(p+ 型)半導体物質領域を形成しているため、空乏層
の厚さが小さく、電界が強くなるので耐電圧が小さく、
VB 電圧が低いという問題があった。
【0005】したがって、本発明は上記したような従来
の問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするとこ
ろは、折り返しゲージのVB 電圧を高くすることができ
るようにした半導体圧力センサを提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を解決するため
本発明は、半導体基板の表面にピエゾ領域として作用す
る折り返しゲージを形成し、この折り返しゲージのゲー
ジ部間連結部およびリードアウト部をゲージ部より高濃
度に形成した半導体圧力センサにおいて、前記半導体基
板の内部に前記連結部およびリードアウト部の少なくと
もいずれか一方を取り囲む低濃度の導電型半導体物質領
域を形成したものである。
【0007】
【作用】連結部およびリードアウト部の少なくともいず
れか一方を取り囲む低濃度の導電型半導体物質領域は、
空乏層の厚みが大きく、電界が弱くなるので、耐電圧を
大きくし、ゲージのVB 電圧を上げる。ゲージ部間の電
流は低抵抗層を形成する連結部およびリードアウト部を
通るため、これら両部を取り囲む低濃度の導電型半導体
物質領域を設けても抵抗値に影響を及ぼすことはない。
【0008】
【実施例】以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて
詳細に説明する。図1は本発明に係る半導体圧力センサ
の一実施例を示す平面図、図2は同センサの断面図、図
3は折り返しゲージの平面図、図4は同ゲージの要部断
面図である。なお、図中図6および図7と同一構成部材
のものに対しては同一符号をもって示す。図1および図
2において、半導体基板1は(100)面のn型単結晶
Siからなり、エッチングによりその裏面中央部を除去
されることにより差圧または圧力に感応する薄肉円板状
の感圧ダイヤフラム部10を備え、表面側に差圧または
圧力を検出する差圧検出用ゲージ2が設けられ、バック
プレート11上に静電接合によって一体的に接合されて
いる。バックプレート11は、半導体基板1と熱膨張係
数が近似したパイレックスガラス、セラミックス等によ
って形成され、中央には前記半導体基板1の裏面に形成
された凹部12を介してダイヤフラム部10の裏面側に
測定すべき圧力の一方を導く貫通孔13が形成されてい
る。
【0009】前記差圧検出用ゲージ2は、前記感圧ダイ
ヤフラム部10の上面で差圧または圧力の印加時にダイ
ヤフラム部10に発生する半径方向と周方向の応力が最
大となる周縁部寄りに拡散またはイオン打ち込み法によ
って4つ形成されており、ホイールストーンブリッジに
結線されることで差圧信号を差動的に出力する。また、
差圧検出用ゲージ2は、図3に示すように折り返しゲー
ジを形成することで、低濃度(1019 個/cm3 )で
所定のシート抵抗を有し、結晶面方位(100)におい
てピエゾ抵抗係数が最大となる<110>の結晶軸方向
と平行なゲージ部2a,2bと、高濃度(1021 個/
cm3 )の導電型(p+ 型)半導体物質領域を形成し
ゲージ部2a,2b間を連結する連結部3と、リードア
ウト部4a,4bと、半導体基板1の内部に形成されて
前記連結部3およびリードアウト部4a,4bを取り囲
み半導体基板1からアイソレートする低濃度(1019
個/cm3 )の導電型半導体物質領域14(図4)とで
構成されている。連結部3、リードアウト部4a,4b
および導電型半導体物質領域14の製作に際しては、先
ず低濃度の不純物(ボロン等)を拡散またはイオン打ち
込みにより半導体基板1にドープすることにより低濃度
の導電型半導体物質領域14を形成し、しかる後この領
域14の所定箇所に同じ不純物を高濃度でそれぞれドー
プすることにより高濃度の連結部3およびリードアウト
部4a,4bを基板1と非接触で形成すればよい。
【0010】図5は低濃度の不純物と高濃度の不純物を
ドープした場合の不純物濃度と深さの関係を示す図であ
る。
【0011】なお、図1において、15は差圧信号取出
し用端子部、16は差圧検出用電源端子部である。
【0012】このような構成からなる半導体圧力センサ
においては、図3および図4に示すように差圧検出用ゲ
ージ2の連結部3およびリードアウト部4a,4bを半
導体基板1の内部に形成した低濃度の導電型半導体物質
領域14で取り囲み、半導体基板1からアイソレートし
ているので、空乏層の厚みが大きく、電界が弱くなるの
で、耐電圧を大きくし、したがって、pn接合に逆方向
の電圧を印加した場合のゲージ2のVB 電圧を高くする
ことができる。この場合、ゲージ部2a,2b間の電流
は低抵抗層を形成する連結部3およびリードアウト部4
a,4bを通るため、連結部3およびリードアウト部4
a,4bを取り囲む低濃度の導電型半導体物質領域14
を設けても抵抗値に影響を何等及ぼすことはない。
【0013】なお、上記実施例は連結部およびリードア
ウト部の両方を取り囲む低濃度の導電型半導体物質領域
を形成したが、これに限らず少なくともいずれか一方の
みを取り囲むようにしてもよい。また、上記実施例は半
導体基板1をn型シリコン、ピエゾ抵抗領域であるゲー
ジ2,12,13をp型シリコンによって構成した場合
について説明したが、これはp型シリコンからなるピエ
ゾ抵抗体を用いた方が、n型に比較して圧力−抵抗のリ
ニアリティがよく、ピエゾ抵抗係数が最大となる(10
0)面、<110>結晶軸方向において対称性の良好な
正逆両方向の出力が取り出せるからであるが、本発明は
これに何等特定されるものではなく、p型の基板にn型
のピエゾ領域を形成してもよいことは勿論である。
【0014】
【発明の効果】以上説明したように本発明に係る半導体
圧力センサは、折り返しゲージのゲージ部間連結部およ
びリードアウト部をゲージ部より高濃度に形成した半導
体圧力センサにおいて、半導体基板の内部に低濃度の導
電型半導体物質領域を形成し、これによって前記連結部
およびリードアウト部の少なくともいずれか一方を取り
囲み半導体基板からアイソレートしたので、連結部およ
びまたはリードアウト部による空乏層に比べて低濃度の
導電型半導体物質領域の空乏層の厚みが大きく、このた
め電界が弱くなるので、耐電圧を大きくし、ゲージのV
B 電圧を上げることができる。また、ゲージ部間の電流
は低抵抗層を形成する連結部およびリードアウト部を通
るため、連結部およびまたはリードアウト部を取り囲む
低濃度の導電型半導体物質領域を設けても抵抗値に影響
を及ぼすことはなく、差圧または圧力を正確に検出する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る半導体圧力センサの一実施例を示
す平面図である。
【図2】同センサの断面図である。
【図3】折り返しゲージの平面図である。
【図4】同ゲージの要部断面図である。
【図5】低濃度の不純物と高濃度の不純物をドープした
場合の不純物濃度と深さの関係を示す図である。
【図6】従来の半導体圧力センサにおけるゲージの平面
図である。
【図7】図6のVII −VII 線断面図である。
【符号の説明】
1 半導体基板 2 差圧検出用ゲージ 2a,2b ゲージ部 3 連結部 4a,4b リードアウト部 5a,5b リード 10 ダイヤフラム部 11 バックプレート 24 導電型半導体物質領域

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板の表面にピエゾ領域として作
    用する折り返しゲージを形成し、この折り返しゲージの
    ゲージ部間連結部およびリードアウト部をゲージ部より
    高濃度に形成した半導体圧力センサにおいて、 前記半導体基板の内部に前記連結部およびリードアウト
    部の少なくともいずれか一方を取り囲む低濃度の導電型
    半導体物質領域を形成したことを特徴とする半導体圧力
    センサ。
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