JPH0786617A - 半導体圧力センサ - Google Patents

半導体圧力センサ

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JPH0786617A
JPH0786617A JP5227590A JP22759093A JPH0786617A JP H0786617 A JPH0786617 A JP H0786617A JP 5227590 A JP5227590 A JP 5227590A JP 22759093 A JP22759093 A JP 22759093A JP H0786617 A JPH0786617 A JP H0786617A
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JP
Japan
Prior art keywords
diaphragm
thin film
silicon thin
polycrystalline silicon
pressure sensor
Prior art date
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Pending
Application number
JP5227590A
Other languages
English (en)
Inventor
Hiroshi Nagasaka
宏 長坂
Daiji Uehara
大司 上原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nagano Keiki Seisakusho KK
Original Assignee
Nagano Keiki Seisakusho KK
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 多結晶シリコン薄膜抵抗を用いたシリコンオ
ンインシュレータ構造の圧力センサの出力及び感度を向
上する。 【構成】 単結晶シリコン基板1に設けた長方形ダイア
フラム2の上面中心部Cと端部Dに多結晶シリコン薄膜
抵抗7,8を配置し、多結晶シリコン薄膜抵抗7,8の
電流の方向を長方形ダイアフラムの短辺に平行に沿うよ
うにする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明はダイアフラム等の起歪
部に半導体歪検出素子を設けた半導体圧力センサに関す
る。
【0002】
【従来の技術】一般に、流体の圧力を測定するために半
導体圧力センサが広く用いられている。これはダイアフ
ラムの変位量又は歪量を電気信号に変換して圧力を検出
するものであり、その代表的なものとして拡散型圧力セ
ンサがある。これは、図3及び図4に例示する如く<1
00>面の単結晶シリコン基板1に異方性エッチングに
より起歪部となるダイアフラム2を形成し、ダイアフラ
ム2となる単結晶シリコン上面に不純物が拡散によって
ドープされ、歪検出素子となる拡散抵抗層3a,3b,
4a,4bを形成する。この単結晶シリコン基板1は安
価に入手でき、しかも異方性エッチングにより容易に矩
形ダイアフラム2が得られることから一般に普及してい
る。
【0003】従来の拡散型圧力センサは、その拡散抵抗
層3a,3b,4a,4bを図3に示すようにダイアフ
ラム2の中心部と端部とにそれぞれ2本ずつ配置し、図
5に示す如くフルブリッジ接続する。すなわち、ダイア
フラム2の端部と中央部に設けた2つの拡散抵抗層3
b,4bを直列に接続するとともに、ダイアフラム2の
端部と中央部に設けた2つの拡散抵抗層3a,4aを直
列に接続することによって、図5に示す如きホイートス
トーンブリッヂを構成する。これとともに、各拡散抵抗
層3a,3b,4a,4bは、ダイアフラム2の長辺b
に対して平行にするとともに、図に示した下記方向、
【0004】
【数1】 以下、本明細書中上記表示を[10]と記載する。こ
の方向に対して平行となるように配置して構成するのが
普通である。
【0005】このように拡散抵抗層3a,3b,4a,
4bを配置するのは、次の理由による。まず、その配置
場所に関しては、第1に、ダイアフラム形成面方向から
圧力を印加した場合の長方形ダイアフラム2の応力の状
態は図6にその中心Cから端部Dまでの状態を示す如く
なり、その応力の方向はダイアフラム2の中心部Cで引
張応力となり、ダイアフラム2の端部Dで圧縮応力とな
る。
【0006】さらに、σy はC位置からD位置にかけて
ゆるやかに変化する特性をもつのに対し、σx はC位置
からD位置にかけて強い引張応力から強い圧縮応力まで
より大きく変化することが解る。
【0007】第2にダイアフラム形成面方向から圧力を
印加した場合の長方形ダイアフラム2の応力は、引張応
力はダイアフラム2の中心部Cで最大となり、圧縮応力
は図3の中心を通る[10]方向の線A−B部と長辺
が交差する端部Dが最大となる。
【0008】これより、拡散抵抗層3a,3b,4a,
4bは長方形ダイアフラム2の引張および圧縮応力の最
も大きい部分である中心部Cと端部Dに配置することが
検出出力を大きくできるのである。
【0009】また、その配置方向に関しては、第3の条
件としてシリコン基板1を使用した拡散抵抗層の感度
は、図7の拡散抵抗層の面<100>のピエゾ抵抗効果
の状態図に示す如く、拡散抵抗層(シリコン基板)の結
晶軸の方向に対する応力の方向により異なり、図の[1
0]方向の応力に対して最大となる。
【0010】第4に長方形ダイアフラム2の応力は、図
6に示すように、短辺aに対し平行な方向の応力σx
直交方向の応力σy とを比較すると、平行方向の応力σ
x の方が大きい。これより拡散抵抗層を図3の線A−B
と直交するように(長方形ダイアフラム2の短辺aと垂
直となるように)配置してダイアフラム2の短辺aに対
し平行な方向の応力σx と直交する方向の応力σy との
差を検出することにより圧力を測定するようにしてい
る。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】半導体圧力センサとし
て、上述のようなダイアフラムに歪検出素子として上述
のような拡散抵抗層を設けたものの他に、歪検出素子と
して多結晶シリコン薄膜抵抗を利用したいわゆるSOI
(sillcon On Insulator) 構造の半導体圧力センサが考
えられる。
【0012】しかし、多結晶シリコン薄膜抵抗を歪検出
素子として利用したSOI構造の圧力センサにおいて、
ダイアフラムに対し多結晶シリコン薄膜抵抗を前述した
拡散抵抗と同等に配置して構成したところ充分な出力が
得られず満足できる圧力の測定ができないという問題が
あった。
【0013】これは、図3に示す拡散抵抗体の配置と同
様に多結晶シリコン薄膜抵抗体を長方形ダイアフラム2
の引っ張りおよび圧縮応力の最も大きい部分に配置した
としても、その感度は拡散抵抗体とは異なり、電流の向
きに平行な応力に対する感度と直交する応力に対する感
度との比は20〜30:1程度となるために、σx と比
較して応力の変化特性が少ないσy を主なる検出対象と
することとなるので、十分な検出出力が得られないため
である。
【0014】本発明は上述の点に鑑み、SOI構造の圧
力センサとに多結晶シリコン薄膜抵抗を用いて構成した
ものでも充分な検出出力が得られ、満足のいく測定を可
能とする半導体圧力センサを新たに提供することを目的
とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体圧力セン
サは、単結晶シリコン基板の一部を肉薄にしてダイアフ
ラムを形成し、このダイアフラムの引張応力と圧縮応力
の最も大きい中心部と端部とに多結晶シリコン薄膜抵抗
を配置するとともに、この多結晶シリコン薄膜抵抗の電
流の方向がダイアフラムの応力の大きい方向に一致する
よう端部に設けた多結晶シリコン薄膜抵抗の電流の方向
をダイアフラムの中心を通り、ダイアフラムの側辺に平
行で、多結晶シリコン薄膜抵抗を設けた端部に近接する
側辺と垂直をなす方向と平行になるようにし、この方向
に対して中心部に設けたものの電流の方向を合致させる
よう構成したことを特徴とする。
【0016】
【作用】上述のように構成することにより、ダイアフラ
ムに働く応力の中でも大きい応力を測定できるようにす
るとともに、多結晶シリコン薄膜抵抗の電流の向きと平
行な方向の応力を検出するようにして多結晶シリコン薄
膜抵抗が高い感度を発揮できるようにするという作用を
奏する。
【0017】
【実施例】以下、本発明の半導体圧力センサの一実施例
を図1及び図2によって説明する。なお、この図1及び
図2において、前述した図3ないし図7に対応するもの
には同一符号を付すこととし、その詳細な説明を省略す
る。
【0018】図1は本実施例に用いる単結晶シリコン基
板上の歪検出素子の配置説明図、図2は本実施例の図1
A−B線による縦断面図であり、図で1は単結晶シリコ
ン基板、2は長方形ダイアフラムである。
【0019】本例では図2に示す如く単結晶シリコン基
板1の一方の面の所定箇所にシリコン異方性エッチング
手段により長方矩形凹部状のダイアフラム2を形成す
る。このダイアフラム2の長方形は長辺と短辺の比を
1.6程度とすることが感度を増す上で望ましい。この
ダイアフラム2の凹部状の下部には測定体の圧力を導入
する圧力導入口Pinを設ける。
【0020】単結晶シリコン基板1のダイアフラム2側
の面のダイアフラム2を形成した部分以外の表面、及び
ダイアフラム2の反対側の表面にはそれぞれ絶縁膜とし
てのシリコン酸化膜5,6を形成する。
【0021】単結晶シリコン基板1におけるダイアフラ
ム2側と反対側のシリコン酸化膜5上の所定2箇所に
は、それぞれピエゾ抵抗としての多結晶シリコン薄膜抵
抗7,8を設ける。さらに、単結晶シリコン基板1上に
は多結晶シリコン薄膜抵抗7,8に対する電極用アルミ
膜9を設けるとともに保護層としてのシリコン窒化膜1
0を形成し、SOI構造を構成する。
【0022】単結晶シリコン基板1上における多結晶シ
リコン薄膜抵抗7,8は、図1の如く配置するもので、
多結晶シリコン薄膜抵抗7,8方向が長方形ダイアフラ
ム2の中心を通る直線であってダイアフラム2の短辺a
に平行な線A−Bに沿って平行となるように構成する。
これにより、多結晶シリコン薄膜抵抗7,8の電流の方
向は図1のA−B線方向に設定される。これとともに、
多結晶シリコン薄膜抵抗7,8をダイアフラム2の中心
部Cと端部Dとに配置する。
【0023】すなわち、ダイアフラム2の一つの長辺b
に対し、近接する端部Dの多結晶シリコン薄膜抵抗8を
垂直方向に配設し、かつ中心部の多結晶シリコン薄膜抵
抗7も同じく長辺bに垂直な方向に配設して構成する。
【0024】このように構成するのは多結晶シリコン薄
膜抵抗7,8の感度が単結晶の拡散抵抗3,4と異な
り、薄膜抵抗中の電流の方向の影響を受けることによ
る。すなわち、多結晶シリコン薄膜抵抗7,8の感度は
電流の向きに対して平行な応力と電流の向きに対して直
交する応力では大きく異なり、その比は20〜30(平
行):1(直交)程度となる。よって、多結晶シリコン
薄膜抵抗7,8の電流の向きを短辺aに平行な線A−B
と平行に、かつ長辺bに垂直方向に配置すれば、線A−
Bと平行な方向の大きい応力σx を高感度で検出でき、
圧力センサの出力を大きくできる。
【0025】上述の如く構成した場合には、従来の拡散
型圧力センサの拡散抵抗層3,4の配置のように多結晶
シリコン薄膜抵抗7,8を線A−Bに直交するように配
置した場合に比べ、その圧力センサ装置の出力を2〜3
倍に大きくする事ができる。
【0026】
【発明の効果】以上詳述したように本発明の半導体圧力
センサによれば、単結晶シリコン基板の一部を肉薄にし
てダイアフラムを形成し、このダイアフラムの引張応力
と圧縮応力の最も大きい中心部と端部とに多結晶シリコ
ン薄膜抵抗を配置するとともに、この多結晶シリコン薄
膜抵抗の電流の方向がダイアフラムの応力の大きい方向
に一致するよう端部に設けた多結晶シリコン薄膜抵抗の
電流の方向をダイアフラムの中心を通り、ダイアフラム
の側辺に平行で、多結晶シリコン薄膜抵抗を設けた端部
に近接する側辺と垂直をなす方向と平行になるように
し、この方向に対して中心部に設けたものの電流の方向
を合致させるよう構成したので、ダイアフラムに働く大
きい応力を測定できるとともに、多結晶シリコン薄膜抵
抗の電流の向きに対して平行な応力を測定できることに
なり、高い感度で検出できるので、この半導体圧力セン
サの出力を大きくし、良好に圧力を測定できるようにす
るという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体圧力センサの一実施例を説明す
るための単結晶シリコン基板における歪検出素子の配置
説明である。
【図2】図1のA−B線による縦断面図である。
【図3】従来の半導体圧力センサの単結晶シリコン基板
を例示する歪検出素子である拡散抵抗層の配置説明図で
ある。
【図4】上記従来例の単結晶シリコン基板の縦断面図で
ある。
【図5】上記従来例に用いるホイートストーンブリッヂ
の回路説明図である。
【図6】上記従来例の長方形ダイアフラムにおける中心
から端部までの応力線図である。
【図7】上記従来例におけるP型拡散抵抗層の単結晶シ
リコン基板の面のピエゾ抵抗効果説明線図である。
【符号の説明】
1…単結晶シリコン基板 2…ダイアフラム 5,6…シリコン酸化膜 7,8…多結晶シリコン薄膜抵抗 9…電極用アルミ膜 10…シリコン窒化膜

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 単結晶シリコン基板の一部平面長方形状
    に肉薄にしたダイアフラムを形成し、当該ダイアフラム
    面上に歪検出素子としての多結晶シリコン薄膜抵抗を配
    した半導体圧力センサにおいて、 前記多結晶シリコン薄膜抵抗を前記長方形ダイアフラム
    面上の中心部と、その長辺中間近くとにそれぞれ配置
    し、 前記多結晶シリコン薄膜抵抗に流れる電流の方向を前記
    長方形ダイアフラムの短辺と平行に沿うよう構成したこ
    とを特徴とする半導体圧力センサ。
  2. 【請求項2】 前記多結晶シリコン薄膜抵抗の長さ方向
    を前記長方形ダイアフラムの短辺と平行に沿うよう構成
    したことを特徴とする請求項1記載の半導体圧力セン
    サ。
JP5227590A 1993-09-13 1993-09-13 半導体圧力センサ Pending JPH0786617A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0870170A2 (en) * 1995-12-24 1998-10-14 Dan Haronian Micro-electro-mechanics systems (mems)
JP2010091384A (ja) * 2008-10-07 2010-04-22 Yamatake Corp 圧力センサ
JP2015200549A (ja) * 2014-04-07 2015-11-12 株式会社デンソー 圧力センサ

Cited By (4)

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