JPH08271363A - 力検知素子およびその製造方法 - Google Patents
力検知素子およびその製造方法Info
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- JPH08271363A JPH08271363A JP7099683A JP9968395A JPH08271363A JP H08271363 A JPH08271363 A JP H08271363A JP 7099683 A JP7099683 A JP 7099683A JP 9968395 A JP9968395 A JP 9968395A JP H08271363 A JPH08271363 A JP H08271363A
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Abstract
信頼度の力検知素子を提供することである。 【構成】 力検知素子1000は(110)面のシリコ
ン単結晶40と結晶化ガラス製の力伝達ブロック60、
台座70からなり、それぞれ静電接合により強固に固着
している。シリコン単結晶40と力伝達ブロック60の
接合面側のシリコン単結晶40の表面においてメサエッ
チングにより、ゲージ(Ga1,Ga2,Gb1,Gb
2)、リード部(43)、電極部(44a1,44a
2,44b1,44b2)がメサ底部より1〜3μm突
出して形成されている。ゲージの受圧面積の縮小で高感
度化を図り、メサ段差の調節によってストッパ構造を実
現して耐破壊強度を確保する。
Description
換する、半導体のピエゾ抵抗効果を用いた力検知素子に
関する。
を検知するためのセンサとして幅広く用いられている。
従って、このような力検知素子には、種々の測定条件に
おいて圧縮力を正確に検知できる能力が要求される。
定条件で用いられることが多い。近年においては、とり
わけエンジンのシリンダ内の燃焼圧力測定用として高
温、高圧力の環境下で用いられることが多く、その測定
圧力を用いてエンジンの燃焼制御が行われている。
力検知素子には、信頼性を確保するために高い圧縮破壊
強度と電気ノイズに対して十分に高い出力が要求され
る。
6−34455号)にかかる燃焼圧センサの一例が示さ
れる。
はその側面概略図をそれぞれ表している。
面として(110)の結晶面10aを具備する矩形板状
のp伝導型シリコン半導体(抵抗率8Ω−cm、厚み約
200μm)10と、このシリコン半導体10の結晶面
10aと接合され、圧縮力Wを結晶面10aに垂直に伝
達する力伝達ブロック30と、前記シリコン半導体10
の他面側に接合された指示台座20とを有する。そし
て、図示しないエンジンのシリンダ内における燃焼ガス
圧力Pがダイアフラムを介し、力伝達ブロック30の頂
面30aに圧縮力として垂直に作用するよう形成されて
いる。
A,圧力をP,力変換効率をaとすると、圧縮力Wは、
W=P×A×aとなる。
<110>結晶方向から反時計回りに45°の方向に、
相対向する一対の入力電極14,14′が設けられてお
り、この入力電極対14,14′を介して電源からシリ
コン半導体10に電流を流している。
<001>結晶方向から反時計回りに45°の方向に一
対の出力電極12,12′が相対向して設けられてい
る。この出力電極対12,12′からは、シリコン半導
体10の結晶面10aに垂直に圧縮力Wが作用したとき
に、圧縮力Wに対応する電圧がシリコン半導体のピエゾ
抵抗効果に基づき出力される。従って、この出力電圧を
測定することにより、圧縮力W、ひいては燃焼ガスの圧
力Pを測定することができる。
リコン半導体10の結晶面10aに圧縮力Wが加えられ
たとき、出力電極12,12′の間で電圧出力△Vが検
出される。
は、次の(数2)により書き示されることが「Use
of Piezoresistive Materia
lsin the Measurement of D
isplacement,Forcc,and Tor
quc,R.N.THURSTON,THE JOUR
NAL OF THE ACOUSTICAL SOC
IETY OF AMERICA,Vol.29,N
o.10,OCT,1957」に開示されており、例え
ば抵抗率約8Ω−cmのp伝導型の場合、約−33×1
0-6cm2/kgとして計算できる。
立法結晶におけるピエゾ抵抗係数で、抵抗率約8Ω−c
mのp導電型シリコンの場合、π11=6×10-6cm2
/kg、π12=−1×10-6cm2/kg、π44=13
8×10-6cm2/kgとなる。
に、図16に示すよう、高弾性材料として知られるシリ
コン半導体10を有する力検知素子2000を、圧力検
出手段としてアッセンブリすることで、静圧の計測も可
能な燃焼圧センサを提供することができる。
た力検知素子に関する技術に基づき、さらに研究開発を
すすめてきたが、その結果として、以下の課題が明らか
となった。
圧縮破壊強度とはトレードオフの関係にあり、信頼性の
観点から高感度(高出力)化にはおのずと限界がある。
サとして用いた場合には、過酷な環境下で使用されるが
ゆえに高い信頼性が要求される(特に、決して壊れない
ことが重要である)。したがって、センサ出力を犠牲に
しても、素子の使用荷重領域を限定して信頼性を優先さ
せなければならない。このような事情から、センサ感度
の大幅な向上を達成するのは困難である。
対する対策(つまり、センサ出力の温度特性の補償)が
重要である。センサ出力の温特補償には、力検知素子の
入力抵抗に逆の温特を持たせて特性変動をキャンセルす
る手法が有効である。そして、そのような都合のよい抵
抗の温特を得るためには、力検知素子を構成する半導体
単結晶として高濃度に不純物をドープしたものを使用す
る必要がある。
に、半導体単結晶に高不純物濃度拡散すると素子の入力
抵抗が低くなり、かつ、従来から使用しているピエゾ抵
抗係数π63が小さくなってしまう。したがって、センサ
出力(電圧値)が極度に小さくなってS/Nが悪化し、
現実の使用には耐えなくなる。したがって、本発明前で
は、不純物濃度を利用した温特補償の技術を現実に実施
することは困難であった。
電橋回路が構成できる素子構造で、高不純物濃度拡散で
も1kΩ程度の入力抵抗が確保でき、十分な圧縮破壊強
度を確保して、高不純物濃度拡散でも十分な感度を有す
る素子構造の開発が望まれていた。
たものであり、その目的は、十分な圧縮破壊強度を確保
し、かつ、感度温度特性の優れた高不純物濃度拡散でも
十分高い感度を有し、精度と信頼性の高い力検知素子を
提供することにある。
本発明は、以下の構成となっている。
加えられる面として(110)面またはこれと等価な結
晶面を有するシリコン単結晶と、前記シリコン単結晶の
前記結晶面と固着され、前記圧縮力をその結晶面に垂直
に伝達する力伝達ブロックと、前記シリコン単結晶の、
前記力伝達ブロックが固着された面とは別の面に固着さ
れ、このシリコン単結晶を支持する支持台座と、を具備
する力検知素子であって、前記シリコン単結晶の、前記
力伝達ブロックが固着された前記結晶面の表面には、力
伝達ブロックによる圧縮力を受け、その圧縮力によって
電気抵抗が変化するゲージが設けられ、前記ゲージは、
前記結晶面の表面に段差を形成することによってその段
差の底部より突出して設けられ、かつ、このゲージは、
対向する2組の辺をもつ形状に配設されてホイートスト
ンブリッジを構成し、このうちの1組のゲージの長手方
向は<110>方向またはこれと等価な結晶方向になっ
ており、他の1組のゲージの長手方向は<100>方向
またはこれと等価な結晶方向になっており、前記ホイー
トストンブリッジの入力極に電流を流し、出力極より前
記力伝達ブロックに作用させた圧縮力に比例した電圧出
力を得ることを特徴とする。
を突出させるための前記結晶面における段差の深さは、
圧縮力が所定量を越えた場合に、その圧縮力によって変
形が生じた前記力伝達ブロックの、前記シリコン結晶面
の段差底部に対向する面の少なくとも一部が、前記シリ
コン結晶面の段差底部に接触するような深さとなってお
り、これによって圧縮力が前記所定量を越えた場合に、
力伝達ブロックとシリコン結晶面の段差底部の接触部分
がストッパとして働いて前記圧縮応力を分担して支える
ようになっていることを特徴とする。
ン単結晶の前記結晶面において、ゲージを突出させるた
めの第1の段差に連接して、その第1の段差よりも浅い
第2の段差が設けられており、この第1および第2の段
差の深さの調整によって、圧縮力が所定量を越えた場合
にその圧縮力によって変形が生じた前記力伝達ブロック
は前記第2の段差の底部のみに接触し、第1の段差の底
部には接触し得ないようになっており、これによって圧
縮力が前記所定量を越えた場合に、力伝達ブロックとシ
リコン結晶面の前記第2の段差底部の接触部分がストッ
パとして働いて前記圧縮応力を分担して支えるようにな
っていることを特徴とする。
は、前記結晶面上において、互いに平行な2組の辺をも
つ四角形の形状に配設され、隣あったゲージの結合部4
箇所の、向かいあった対角の1組を入力極とし、他の1
組を出力極とし、入力極に電流を流して出力極に力伝達
ブロックに作用させた圧縮力に比例した電圧出力が得ら
れるようになっており、また、前記四角形の各辺を構成
する各ゲージに対して力伝達ブロックによる圧縮力が加
わるように各ゲージが配設されていることを特徴とす
る。
の各辺を構成する各ゲージは、力伝達ブロックを圧縮す
ることにより発生する平面方向応力の中立線近傍に設け
られていることを特徴とする。
部から突出した前記ゲージの、少なくとも表面部分はp
型不純物が導入された領域となっており、これによっ
て、前記ゲージの抵抗値の温度特性は、入力極に定電圧
を印加した場合における力検知感度特性の温度に依存し
た変動を補償するような温度特性となっていることを特
徴とする。
純物の濃度は、1×1018atoms/cm3のオーダ
ー,あるいは1×1020atoms/cm3のオーダー
の、いずれかのオーダーとなっていることを特徴とす
る。
部から突出した前記ゲージの両側に、そのゲージと同程
度に段差底部から突出し、かつそのゲージとは電気的に
分離されてなるガードバンクが設けられていることを特
徴とする。
ブロックと固着される前記シリコン単結晶の前記結晶面
には、結晶面の表面段差底部から前記ゲージと同程度に
突出し、かつそのゲージとは電気的に分離されている、
前記力伝達ブロックの中央部分を支持するための支持突
起部が設けられていることを特徴とする。
縮力の検知に使用される前記ゲージにおけるピエゾ抵抗
係数として、π13を使用することを特徴とする。
知素子の製造方法は、圧縮力が加えられる面として(1
10)面またはこれと等価な結晶面を有するシリコン単
結晶と、前記シリコン単結晶の前記結晶面と固着され、
前記圧縮力をその結晶面に垂直に伝達する力伝達ブロッ
クと、前記シリコン単結晶の、前記力伝達ブロックが固
着された面とは別の面に固着され、このシリコン単結晶
を支持する支持台座とを具備し、前記シリコン単結晶
の、前記力伝達ブロックが固着された前記結晶面の表面
には、力伝達ブロックによる圧縮力を受け、その圧縮力
によって電気抵抗が変化するゲージが設けられ、前記ゲ
ージは、前記結晶面の表面に段差を形成することによっ
てその段差の底部より突出して設けられ、かつ、この段
差底部から突出したゲージの表層部分はp型領域となっ
ている力検知素子を製造する方法であって、前記ゲージ
ならびにp型領域を含む前記シリコン単結晶を形成する
工程として、n型シリコン単結晶基板の表面部にp型不
純物を導入してp型領域を形成する工程と、ゲージとな
る部分を除いて前記n型シリコン単結晶基板の前記表面
部においてメサエッチングを施して前記p型領域よりも
深い段差を形成し、これによって表層部においてp型領
域が形成されてなる細いゲージを得る工程とを有するこ
とを特徴とする。
求項11において、シリコン単結晶基板として、SOI
(Silicon on Insulator)基板を
用いることを特徴とする。
より突出した細いゲージを設け、このゲージによって力
伝達ブロックの圧縮力を受ける。したがって、単結晶面
で圧縮力を受けていた従来構造と違い、受圧面積が小さ
くなっており、したがって、ゲージにより大きな圧縮応
力が作用し、検出感度が高い。
面積)×a(力変換効率:ダイアフラムの固定部が受持
つ力と圧縮力Wとして作用する力の比)と表される。し
たがって、圧縮力Wを一定として、検知素子部に作用す
る応力(出力はピエゾ抵抗係数×応力に比例する)を大
きくするには、検知素子部の受圧面積を小さくするのが
有効である。
電場の統合解析(FEM)により、本発明の場合、測定
ゲージ領域の受圧面積を小さくした量に比例して圧縮応
力が増加する以上に、測定ゲージ部には急激な応力集中
を起こすことなく有効な圧縮応力が作用していることが
確認されている。
晶の(110)面上で〈110〉方向に最大の感度を有
するピエゾ抵抗係数π13を使用し、ブリッジを構成する
という新規な構成を採用することで実現できる。
調整することによってストッパ構造を実現し、圧縮力を
分散させ、耐圧を向上させる。
の変形(たわみ)が大きくなると、力伝達ブロックの底
面の一部が半導体単結晶表面のメサ底部に接触し、この
接触領域によってストッパが構成され、このストッパが
圧縮力を分担することにより、ゲージにかかる応力を分
散させる。メサ段差は1μm〜3μmが好適である。
晶表面のメサ構造を図7に例示されるような2段階のメ
サ構造とし、深いメサ段差における力伝達ブロックの撓
みを利用して、ストッパ作用後の、力伝達ブロック底面
と浅い段差の底面全面とのすみやかな接触を実現し、ス
トッパ作用後の接触面積変化を速やかに一定とすること
により、力検知素子のストッパ接触後の出力のリニアリ
ティを向上させる。
は、図6に例示するようにストッパ作用の開始の初期に
おいて、接触面積が少しづつ変化していくために、検知
出力になまりが生じる。これに対し2段メサ構造では、
ストッパ作用後の接触面積変化が速やかに飽和する(つ
まり、速やかに、力伝達ブロックのストッパとして機能
する底面域の全面が浅い段差の底面にぴったりと接触
し、かつ、深い段差の底面には力伝達ブロックの底面は
接触できないようになっているため、それ以降は接触面
積が変化しなくなり変化は一定となる)ことにより、図
8に例示されるように、ストッパ作用後の初期における
出力のリニアリティが改善され、したがって、ストッパ
領域も測定領域として使う2段出力型(高感度特性域S
L1と低感度特性域SL2を有する)とすることができ
る。これにより、測定範囲を拡大することができる。
おいて、高感度領域の直線部分と低感度領域の直線部分
が曲線部分でつながっている。この曲線部分を2段メサ
で少なくして、低感度領域の直線部分を広くすることに
より高感度領域と低感度領域の両方を使用する2段出力
特性を有するセンサができる。
例示されるように、4本のゲージ(Ga1,Ga2,G
b1,Gb2)を四角形の形状に配設し、かつ、全ての
ゲージに力伝達ブロック(60)による圧縮力を与える
構成としている。
得られる。
よる作用 上述のように、ゲージを突出加工することにより受圧面
積を減らしてセンサ感度を向上できる。しかし、単に受
圧面積を小さくしただけでは、半導体単結晶の表面に作
用する水平分力(構造的誤差により必ず発生する)によ
り、ゲージは破壊されやすい。
構成では、斜め方向の圧縮力WPによってゲージGX
は、回転モーメント(剥離応力)によって破壊されやす
い。
ように、各ゲージをロの字型に配設し、かつ、力伝達ブ
ロックの圧縮面(力伝達ブロックの底面)の周辺(つま
り、圧縮面の形状を決定している各辺から少し内側に入
った位置)に配設することが有効である。このような構
成により、斜め上方からの圧縮力WPが有効な圧縮力と
して各ゲージに作用するようになり、回転モーメントの
剥離応力が作用せず、破壊しにくくなる。したがって、
耐破壊強度が向上する。
る圧縮力を与えることによる作用 上述のように、ゲージを四角形(ロの字型)に配置する
場合に有効となるのがπ13である。このπ13は、(11
0)面の〈110〉方向に最大の感度をもち、〈10
0〉方向には感度0であり、したがって、請求項1に記
載の方向にゲージを配置してホイートストンブリッジを
構成すると、フルブリッジ構成でハーフブリッジ相当の
出力を得ることができる。
0〉方向のゲージ(Gd1,Gd2)を圧縮力の作用し
ない部分に配置して、〈110〉方向のゲージ(Ga
1,Ga2)にのみ圧縮力を作用させるようなレイアウ
トを採用すると、ゲージ(Ga1,Ga2)には、有効
な縦方向の圧縮力のみならずゲージの水平方向の変形に
よりわずかに生じる水平分力の圧縮力が与えらる。した
がって、その不要な水平方向の応力によって生じるピエ
ゾ抵抗係数π12(図18の(ウ)参照)の変化分が、正
規の圧縮力によるπ13の変化に重畳されS/Nが悪化す
る(信号レベルが低下し、出力の直線性が悪くなる)。
方向のゲージ(Gb1,Gb2)にも圧縮力を作用させ
ると、この〈100〉方向のゲージ(Gb1,Gb2)
に生じるπ12の変化の方向と、〈110〉方向のゲージ
(Ga1,Ga2)に生じる水平分力によるπ12の変化
の方向が逆となり(ゲージが直交しているため)、した
がってπ12の変化が相殺されることとなり、検知感度が
向上する。
形(ロの字型)の各辺を構成する各ゲージを、力伝達ブ
ロックを圧縮することにより発生する平面方向応力の中
立線近傍に設けることとしている。
た、「力伝達ブロックの圧縮面(力伝達ブロックの底
面)の周辺(つまり、圧縮面の形状を決定している各辺
から少し内側に入った位置)に配設することが有効であ
る」という記述をより具体化したものである。
力伝達ブロックの圧縮によって発生する各方向の水平応
力が相互に相殺しあって、見かけ上、水平応力が生じな
い線領域をいう。
圧縮により変形してゲージ角部を斜めに押すことにより
発生する平面方向応力の左右の対称性が確保でき打ち消
し合って応力を0にすることができ、圧縮力が有効な圧
縮力として各ゲージに作用するようになり、水平の剥離
応力が極めて低減されて、ゲージが破壊されにくくな
る。したがって、耐破壊強度が向上する。
は、グリッド状の細いゲージの特徴を活かして、力検知
素子の自己感度温度補償ならびに耐高温性を実現する。
に、定電圧印加によるセンサ感度(G),ゲージの抵抗
値(R)は共に温度(T)によって変化する(例えば、
図17(ア)に示されるような温度特性G1,R1をも
つ)。
される特性r1,g1のように、不純物濃度に依存して
変化する。したがって、不純物濃度の選択によって温特
の補償が可能である。
し、このとき、例えば、△tの温度上昇でセンサ感度が
20%低下したとき、仮にゲージの抵抗値が20%上昇
すれば、印加電圧の増大によってブリッジ入力電圧は2
0%上昇して感度低下分を補償することができる。
物濃度は、p型半導体の場合には、図17(イ)に例示
されるように、1×1018atom/cm3(A点)
と、1×1020atoms/cm3(B点)近傍にあ
り、これによって、感度の温度依存性を大幅に改良する
ことができる。
ジを使用するがゆえに、断面積が小さく、ゲージの抵抗
は高抵抗化されている。したがって、上述のように高不
純物濃度としても、ゲージの抵抗値として1kΩ程度の
入力抵抗を確保でき、したがって、充分に実用に耐える
ゲージを作製できる。
耐高温性も向上できる。
作成する場合には、上述の温特補償のためのp型不純物
の導入によってp型層を形成すると、必然的にpn接合
が形成される。このpn接合のリーク電流は周囲温度が
高温になるにつれて増大するため温特不良の一因とな
る。
に、メサエッチングによってpn接合界面をより深く段
差を形成することによって、pn接合面をゲージ部底面
のみにとどめることができ、半導体基板の表面に一様に
p型層を形成した場合に比べ、リーク電流を低減でき、
これによって、高温に強い素子が得られる。例えば、少
なくとも200℃までの使用が可能となる。
構造を使用すると、絶縁膜が介在するためにpn接合が
形成されないため、より高温に強い素子が得られる。
クを設ける。
力伝達ブロックが圧縮力により変形することにより発生
する水平分力も常に支え、ゲージに作用する水平分力を
低減させる働きをもつ。
変形してゲージ角部を斜めに押すことにより発生する、
平面方向応力をガードバンク部で緩和し、ゲージに有効
な圧縮応力を効率良く作用させことができる。したがっ
て、高感度化ならびに耐破壊強度の向上を図ることがで
きる。
(以後、臍部ともいう)を設ける。この中央突起部(臍
部)は、常に圧縮力を支え、主に、力伝達ブロックの変
形を抑制する働きをする。
て小さく保ったままで(感度を下げずに)、また、メサ
段差を増加させることなく、ストッパ接触開始荷重を大
きくすることができる。したがって、高感度領域を拡大
して設計自由度の向上に役立つ。
段差を高くする必要があるが、メサ段差の限界はフォト
リソグラフィの解像度の制約により約3μm(これを越
えると、露光がぼける)である。しかし、臍を設けるこ
とにより力伝達ブロックが圧縮力により変形する量を約
1/10に減少させることができ、結果として、高感度
領域の受圧面積をほとんど変化させるたとなく、フォト
リソの作業性を確保してストッパに力伝達ブロックが接
触し始める圧縮力を10倍に拡大できる。
開始荷重は、測定ゲージ部面積とストッパ部面積の比、
メサ段差、臍の有り無し、力伝達ブロックの形状と縦弾
性係数により決まる。感度を高くするには測定ゲージ部
面積をストッパ部面積より小さくし、臍をつけ、プロセ
スの容易さからメサ段差を少なくし、ストッパ開始荷重
の制御から力伝達ブロックの縦弾性係数を小さくするの
が望ましい。この点で、力伝達ブロックの材質として
は、デビトロン(結晶化ガラス)が適している。
て、ピエゾ抵抗係数としてπ13を使用することを明確化
している。
すように、電圧検出の方向と電流を流す方向が同じで、
前記方向と垂直に一軸応力が作用する場合のピエゾ抵抗
係数の呼称である。
抵抗係数π63は、図18(イ)に示されるように電圧検
出の方向と電流を流す方向が直交する場合に、前記方向
と垂直に一軸応力が作用する場合のピエゾ抵抗係数の呼
称である。また、請求項4で問題となった、ピエゾ抵抗
係数π12は、図18(ウ)に示すように、電圧検出の方
向と電流を流す方向が同じで、前記方向と水平に一軸応
力が作用する場合のピエゾ抵抗係数の呼称である。
10)面の〈110〉方向に最大の感度をもち、〈10
0〉方向には感度0であり、したがって、請求項1に記
載の方向にゲージを配置してホイートストンブリッジを
構成すると、フルブリッジ構成でハーフブリッジ相当の
出力を得ることができる。
体基板の一括メサエッチにより、グリッド(格子)状の
ゲージを形成する。すなわち、半導体基板の主表面の全
面に不純物を拡散後、メサエッチを施してグリッド状ゲ
ージを作成する。これにより、簡単なプロセスで上述し
た優れた特性を有するゲージ(素子)を作成できる。
I(Silicon on Insulator)基板
を利用することにより、簡単なプロセス(一括メサの工
程と同じ工程で処理できる)により、200℃以上の高
温で使用することも可能なゲージ(素子)を得ることが
できる(pn接合が形成されないため)。
高く、かつ、従来の8倍も高感度の力検知素子を製造で
きる。したがって、燃焼圧センサに利用した場合には、
センサ出力を増幅するためのアンプが不要となる可能性
がある。
部を省略できれば、ローコスト化が可能である。
て説明する。
および臍なし) (全体構成)図1には、本発明の第1の実施例に係わる
力検知素子1000の斜視図が示されている。
リコン単結晶40と、結晶化ガラス製の力伝達ブロック
60および台座70からなり、それぞれ静電接合により
強固に固着している。
は、抵抗率約1Ωcmのn型半導体であり、幅W2=
1.4mm、長さL2=2.0mm、高さH2=0.3m
mの直方体状に形成されている。
L2=2.0mm、高さH2=0.5mmの直方体状に形
成されている。
の接合面側のシリコン単結晶表面には、ゲージ幅10μ
mでフルブリッジ構成の口の字状のゲージ(Ga1〜G
b2)が形成されている。このゲージは、n型半導体表
面全面にボロンを拡散させ0.001Ωcmのp型半導
体層(図3の参照番号41)を形成し、ゲージ(Ga1
〜Gb2)、リード部43、電極部(44a1〜44b
2)を除いてメサエッチングにより3μm加工すること
により形成される。
より強固に固着した結晶化ガラスからなる力伝達ブロッ
ク60は、幅W2=1.0mm、長さL2=0.5mmの
直方体形状に形成され、その頂面60aに加えられる圧
縮力Wをゲージ(Ga1〜Gb2)に垂直に伝達する。
エゾ抵抗効果を決定するピエゾ抵抗係数π13の感度を極
座標系で表したものを図19に示す。
Ga1,Ga2の長手方向を〈110〉方向に、他の1
組のゲージGb1,Gb2の長手方向を〈100〉方向
に作製し、隣あったゲージの結合部4箇所からリード部
43を取り出す。
2)と同じp型半導体からなり、電極部44a1〜44
b2に電気的に接続している。
厚みをもつ。参照番号44a1,44a2が入力極であ
り、44b1,44b2が出力極である。入力極に一定
電流を流せば、出力極に力伝達ブロック60に作用させ
た圧縮力Wに比例した電圧出力Vが得られる。この電圧
出力Vと圧縮力W、ピエゾ抵抗係数π13の関係数式を
(数3)に示す。
のように書き表すことができる。
施例の力検知素子1000を、圧力検出手段としてアッ
センブリした燃焼圧センサ1100が示されている。
アフラム82を備えた筒状のハウジング80と、このハ
ウジング80内に取付け固定された力検知素子1000
とを含む。
シリンダヘッドの壁面に装着され、金属製ダイアフラム
82にシリンダ内圧力P作用するよう形成されている。
に密封端子90を用いて取付け固定され、その力伝達ブ
ロック60の頂部62はドーム形状となっており、金属
製ダイアフラム82の裏面側と接触している。
製ダイアフラム82によって圧縮力Wとして変換され、
力検知素子1000を構成する力伝達ブロックの頂面6
2に伝達され、最終的に図1のシリコン半導体の(11
0)結晶面に圧縮応力として作用する。
a,92b,92c,92d(92a,92bのみ図1
3に示されている)が設けられている。そして、リード
ピン92a,92b,92c,92dの上端と力検知素
子1000の電極44a1,44a2,44b1,44
b2は、直径50μmのボンディングワイヤ94a等に
て電気的接続がなされている。
に、シリンダ内圧力Pが作用した場合、この圧力Pは、
圧縮力Wとして力検知素子1000に伝達され、前記
(数4)に示したシリコン半導体40のピエゾ抵抗効果
に基づく電圧出力△Vに変換される。
リンダ内圧力Pを正確に測定することができる。なお、
ピエゾ抵抗係数π13を有効に利用できるその他のシリコ
ン半導体として、p伝導型(111)面、(211)
面、n導電型(100)面が存在するが、p導電型(1
10)面が最も係数が大きい。
に、各ゲージ(図3ではGa1,Ga2のみ示されてい
る)が、半導体基板(メサ底部)から突出した細いゲー
ジとして加工されていること、ならびに、図3(b)に
示されるように、メサ段差の調整によって、荷重が所定
量を越えると、ストッパ領域(力伝達ブロック60の底
面の一部ならびにn型シリコン基板のメサ段差底部)S
TP1〜STP4)が互いに接触してストッパが作用
し、圧縮力(W)を分担するようになっていることであ
る。このストッパ作用により、立体化されて細くなった
ゲージにかかる圧縮力が分担され、破壊強度が向上す
る。
される。高感度特性S1がストッパが作用しない状態に
おける特性であり、低感度特性S2がストッパが作用し
た後の特性である。図中、ストッパ作動開始荷重はWP
1として示されている。
特性が、図12に示される。特性曲線D1が本実施例の
特性を示す。
ように、4本のゲージGa1,Ga2,Gb1,Gb2
が口の字型(四角形形状)に配列されていること、なら
びに、これらのゲージの全部に力伝達ブロック60の圧
縮応力が作用するようになっていることである。
極めて強い破壊強度を示すものの、水平方向の応力と垂
直方向のひっぱり力には弱いという性質がある、したが
って、本実施例では、図4(a)のような構成をとら
ず、図4(b)のように、力伝達ブロック60の周辺
(平面応力の中立線近傍)にゲージ(Ga1,Ga2)
を配設し、水平方向の応力を低減している。
とにより発生する平面方向応力の中立線近傍にロの字の
形状のゲージ部を作製することにより、ゲージの平面方
向応力の両側のバランスをとることができ、ゲージへの
平面方向応力の穏和が可能になる。
a1,Ga2)のみを圧縮する構造(他の1組のゲージ
Gd1,Gd2は圧縮しない)とすると、ゲージの水平
方向の伸張によるπ13以外のピエゾ抵抗係数の影響が直
接的に検知出力に現れて感度が低下するため、図2に示
すように全部のゲージを圧縮するようにしている。
対の、π13以外のピエゾ抵抗の変化が生じるため、変化
が相殺され、出力に影響を与えないようになる。
に、ゲージGa1,Ga2等の圧縮力を直接に受ける先
端部分には、高濃度のp型不純物の拡散がなされてい
る。この不純物濃度は、図17(イ)のA点またはB点
のオーダーの濃度であり、これにより、センサ出力の温
特の自動的な補償がなされる。
が小さいために、高不純物濃度でも1kΩ程度の入力抵
抗を確保でき、実使用に耐えるゲージを得ることができ
る。また、pn接合がゲージ部のみにしか生じず、環境
温度の高温化に伴うpn接合からの漏れ電流を低減でき
る。したがって、少なくとも200℃程度までは、使用
できる。
は、n型単結晶シリコン40の表面に2段階のメサエッ
チングを施し、浅い段差の第1のメサ部MS1と、深い
段差の第2のメサ部MS2を形成している。
の底面ならびに、この面に対応する力伝達ブロック60
の底面の一部のみがストッパSTP1〜STP4として
機能し、深い段差の第2のメサ部MS2に対応した部分
はストッパとして機能しないように段差が調節されてい
る。
第2のメサ部MS2において力伝達ブロック60の撓み
が生じ、これによって浅い第1のメサ部MS1において
速やかにストッパが働き、その後は接触面積に変化が生
じないため、図8に示されるように、力検知出力のリニ
アリティが向上する(図6に見られるような、接触面積
の変動に起因するストッパ作動の初期における鈍りが少
なくなる)。
域接触後の接触面積変化を速やかに一定にすることがで
き、これにより、低感度領域も測定領域として使う2段
出力型とすることができる。したがって測定範囲を拡大
し、必要部分のみを高感度で測定することができるよう
になる。
りゲージGa1〜Gb2を作製した力検知素子の斜視図
を示す。
れたゲージGa1〜Gb2の両側に、このゲージの幅の
1〜5倍の距離を隔ててゲージと同質、同形状で、電気
的にゲージ部に接続していないガードバンクK1〜K5
を設け、このガードバンクによりゲージへの平面方向応
力の緩和とゲージ肩部の応力集中の緩和を行うこと、な
らびに、ロの字の形状のゲージの中心近傍に、ゲージと
同質、同高さで電気的にゲージに接続していない中央突
起部(へそ部)HAを設け、この臍構造により、受圧面
積変化を極めて小としつつ(感度を下げずに)、ストッ
パ接触開始荷重を大きくしたことである。
れるように、ゲージGa1〜Gb2の外側に個別に設け
られ、ガードバンクK5は、ゲージGa1〜Gb2の内
側にに一体的に設けられている。
ゲージと同質、同高さで電気的にゲージに接続していな
い臍部HAを設けることにより、臍構造により受圧面積
変化極めて小さく維持しつつストッパ接触開始荷重を大
きくすることができる。この時の、荷重−出力特性が図
12に示される。特性曲線D2が本実施例の特性であ
る。図1の構造の特性比べ、破壊耐圧がかなり高くなっ
ていることがわかる。
によれば、中央突起部(へそ部)HAが力伝達ブロック
60を常に支えてその変形を抑制し、一方、ガードバン
クK1〜K5がゲージにかかる圧縮力を分担するため、
図11(a)に示される図1の構造よりもゲージにかか
る負担が少なく、よって、図12のように耐圧が向上す
るものである。
製する手法として、図15に示されるようなメサ一括プ
ロセスが有効である。
れるように、n型シリコン単結晶基板40に全面にp型
不純物を拡散して表面より1μm程度の深さのp型拡散
層41を形成する。
ード部、電極部を残して3μm程度のメサエッチングを
施し、ストッパ部、ゲージ(Ga1,Ga2等)、リー
ド部、電極部を一括して形成する。
図1や図9に示される本発明の半導体素子を形成でき
る。
一括プロセス) 本実施例では、SOI基板を用いて、図1や図9に示さ
れる本発明にかかる半導体素子を製造する。
としては、エピタキシャル成長技術、シリコンウェハ直
接接合(SDB)技術、SIMOX技術を利用する方法
があるが、本実施例では、SIMOX法によりSOI基
板を作成する。
に、n型シリコン半導体基板40の表面から酸素
(O2)原子を打ち込み、熱処理によりO2を活性化させ
て、シリコン基板の表面の内部に絶縁層(同図(b)の
参照番号45のシリコン酸化膜)を形成する。
ン(B)を全面に拡散し、高濃度のp型層41を形成す
る。
チングを施し、ゲージGa1,Ga2等を形成する。
ず、高温下でも、リーク電流が生じず、200℃以上の
温度環境でも使用できる。
例えば、図14のように組み立てられて使用される。
に、半球状の頭部62を設けている。これにより、図1
3に示す金属製ダイアフラム82と、力伝達ブロック6
0との接触面積が小さくなり、高温の金属製ダイアフラ
ム82から力検知素子への直接的な熱伝導が少なくな
り、力検知素子の温度上昇を抑制することができる。し
たがって、SOI構造のゲージの採用効果とあいまっ
て、高温下での使用により適する構造となっている。
が、本発明はこれらに限定されるものではなく、種々変
形が可能である。例えば、前掲の各実施例では、本発明
を燃焼圧センサに適用した場合を例にとり説明したが、
本発明はこれに限らず、これ以外の各種分野において幅
広く用いることが可能である。
下の効果を得ることができる。
晶のメサ底部より突出した細いゲージを設け、このゲー
ジによって力伝達ブロックの圧縮力を受けるため、受圧
面積が小さく、したがってゲージにより大きな圧縮応力
が作用し、力検知感度を極めて向上させることができ
る。
調整することによってストッパ構造を実現し、圧縮力を
分散させ、耐圧を向上させることができる。
晶表面に2段階のメサ構造を採用することにより、力検
知素子の出力のリニアリティを向上させることができ
る。
角形の形状に配設することによる作用、ならびに4本の
ゲージ全てに力伝達ブロックによる圧縮力を与えること
による作用によって、素子の耐破壊強度の向上および素
子の高感度化を図ることができる。
を、力伝達ブロックを圧縮することにより発生する平面
方向応力の中立線近傍に設けることにより、圧縮力が有
効な圧縮力として各ゲージに作用するようになり、水平
の剥離応力が極めて低減されて、ゲージが破壊されにく
くなる。
は、グリッド状の細いゲージの特徴を活かして、力検知
素子の自己感度温度補償ならびに耐高温性を実現するこ
とができる。
クを形成することにより、力伝達ブロックが圧縮により
変形してゲージ角部を斜めに押すことにより発生する平
面方向応力を緩和でき、素子の高感度化ならびに耐破壊
強度の向上を図ることができる。
(臍部)を設けることにより、受圧面積の変化を極めて
小さく保ったままで(感度を下げずに)、また、メサ段
差を増加させることなく、ストッパ接触開始荷重を大き
くすることができる。したがって、高感度領域を拡大し
て設計自由度の向上を図れる。
としてπ13を使用することを明確化している。 π13は
(110)面の〈110〉方向に最大の感度をもち、
〈100〉方向には感度0であり、したがって、ホイー
トストンブリッジを構成すると、フルブリッジ構成でハ
ーフブリッジ相当の出力を得ることができる。
体基板の一括メサエッチにより、グリッド(格子)状の
ゲージを形成することにより、簡単なプロセスによっ
て、優れた性能を有するゲージ(素子)を作成できる。
I(Silicon on Insulator)基板
を利用することにより、簡単なプロセス(一括メサの工
程と同じ工程で処理できる)により、200℃以上の高
温で使用することも可能なゲージ(素子)を得ることが
できる。
高く、かつ、従来の8倍も高感度の力検知素子を製造で
きる。したがって、燃焼圧センサに利用した場合には、
センサ出力を増幅するためのアンプを不要とできる。セ
ンサ全体の価格の1/3を占めるアンプ部を省略できれ
ば、燃焼圧センサのローコスト化ができる。
観斜視図である。
らびに力伝達ブロックとの相対関係を説明するための図
である。
あり、(a)は圧縮力なしの場合、(b)は圧縮力によ
って力伝達ブロックが変形してストッパが機能している
場合を示す。
によって材料力学的に破壊強度が向上する理由を説明す
るための断面図であり、(a)は比較例を示し、(b)
は図1の実施例の場合を示す。
うなゲージと力伝達ブロックとの相対関係によって、検
知感度が向上する理由を説明するための平面図である。
示す図である。
造)を示す図であり、(a)は圧縮力なしの場合、
(b)は圧縮力によって力伝達ブロックが変形してスト
ッパが機能している場合を示す。
示す図である。
図である。
バンク,中央突起部等の平面配置を示す図である。
らびに中央突起部の作用,効果を説明するための図であ
り、(a)は比較例を示し、(b)は図9の実施例の場
合を示す。
す図である。
圧センサの要部の概略を示す断面図である。
体的構成例を示す図である。
方法の一実施例を示す図である。
素子の製造方法の他の実施例を示す図である。
素子におけるセンサ感度の温特補償効果を説明するため
の図である。
抵抗係数を説明するための図である。
相対する2個の入出力電極を形成し、結晶面に圧縮力を
作用させた場合のピエゾ抵抗係数π13を、入出力電極
の形成方向を360全方向におたり変化させて測定し円
グラフ化した図である。
よって開発された力検知素子の構造を説明するための図
である。
Claims (12)
- 【請求項1】 圧縮力が加えられる面として(110)
面またはこれと等価な結晶面を有するシリコン単結晶
と、 前記シリコン単結晶の前記結晶面と固着され、前記圧縮
力をその結晶面に垂直に伝達する力伝達ブロックと、 前記シリコン単結晶の、前記力伝達ブロックが固着され
た面とは別の面に固着され、このシリコン単結晶を支持
する支持台座と、を具備する力検知素子であって、 前記シリコン単結晶の、前記力伝達ブロックが固着され
た前記結晶面の表面には、力伝達ブロックによる圧縮力
を受け、その圧縮力によって電気抵抗が変化するゲージ
が設けられ、 前記ゲージは、前記結晶面の表面に段差を形成すること
によってその段差の底部より突出して設けられ、かつ、
このゲージは、対向する2組の辺をもつ形状に配設され
てホイートストンブリッジを構成し、このうちの1組の
ゲージの長手方向は<110>方向またはこれと等価な
結晶方向になっており、他の1組のゲージの長手方向は
<100>方向またはこれと等価な結晶方向になってお
り、 前記ホイートストンブリッジの入力極に電流を流し、出
力極より前記力伝達ブロックに作用させた圧縮力に比例
した電圧出力を得ることを特徴とする力検知素子。 - 【請求項2】 ゲージを突出させるための前記結晶面に
おける段差の深さは、圧縮力が所定量を越えた場合に、
その圧縮力によって変形が生じた前記力伝達ブロック
の、前記シリコン結晶面の段差底部に対向する面の少な
くとも一部が、前記シリコン結晶面の段差底部に接触す
るような深さとなっており、これによって圧縮力が前記
所定量を越えた場合に、力伝達ブロックとシリコン結晶
面の段差底部の接触部分がストッパとして働いて前記圧
縮力を分担して支えるようになっていることを特徴とす
る、請求項1記載の力検知素子。 - 【請求項3】 シリコン単結晶の前記結晶面において、
ゲージを突出させるための第1の段差に連接して、その
第1の段差よりも浅い第2の段差が設けられており、こ
の第1および第2の段差の深さの調整によって、圧縮力
が所定量を越えた場合にその圧縮力によって変形が生じ
た前記力伝達ブロックは前記第2の段差の底部のみに接
触し、第1の段差の底部には接触し得ないようになって
おり、これによって圧縮力が前記所定量を越えた場合
に、力伝達ブロックとシリコン結晶面の前記第2の段差
底部の接触部分がストッパとして働いて前記圧縮応力を
分担して支えるようになっていることを特徴とする、請
求項1記載の力検知素子。 - 【請求項4】 ゲージは、前記結晶面上において、互い
に平行な2組の辺をもつ四角形の形状に配設され、隣あ
ったゲージの結合部4箇所の、向かいあった対角の1組
を入力極とし、他の1組を出力極とし、入力極に電流を
流して出力極に力伝達ブロックに作用させた圧縮力に比
例した電圧出力が得られるようになっており、 また、前記四角形の各辺を構成する各ゲージに対して力
伝達ブロックによる圧縮力が加わるように各ゲージが配
設されていることを特徴とする、請求項1〜3のいずれ
かに記載の力検知素子。 - 【請求項5】 四角形の各辺を構成する各ゲージは、力
伝達ブロックを圧縮することにより発生する平面方向応
力の中立線近傍に設けられていることを特徴とする請求
項4記載の力検知素子。 - 【請求項6】 段差底部から突出した前記ゲージの、少
なくとも表面部分はp型不純物が導入された領域となっ
ており、これによって、前記ゲージの抵抗値の温度特性
は、入力極に定電圧を印加した場合における力検知感度
特性の温度に依存した変動を補償するような温度特性と
なっていることを特徴とする請求項4または5記載の力
検知素子。 - 【請求項7】 p型不純物の濃度は、1×1018ato
ms/cm3のオーダー,あるいは1×1020atom
s/cm3のオーダーの、いずれかのオーダーとなって
いることを特徴とする請求項6記載の力検知素子。 - 【請求項8】 段差底部から突出した前記ゲージの両側
に、そのゲージと同程度に段差底部から突出し、かつそ
のゲージとは電気的に分離されてなるガードバンクが設
けられていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか
に記載の力検知素子。 - 【請求項9】 力伝達ブロックと固着される前記シリコ
ン単結晶の前記結晶面には、結晶面の表面段差底部から
前記ゲージと同程度に突出し、かつそのゲージとは電気
的に分離されている、前記力伝達ブロックの中央部分を
支持するための支持突起部が設けられていることを特徴
とする請求項1〜8のいずれかに記載の力検知素子。 - 【請求項10】 圧縮力の検知に使用される前記ゲージ
におけるピエゾ抵抗係数として、π13を使用することを
特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の力検知素
子。 - 【請求項11】 圧縮力が加えられる面として(11
0)面またはこれと等価な結晶面を有するシリコン単結
晶と、前記シリコン単結晶の前記結晶面と固着され、前
記圧縮力をその結晶面に垂直に伝達する力伝達ブロック
と、前記シリコン単結晶の、前記力伝達ブロックが固着
された面とは別の面に固着され、このシリコン単結晶を
支持する支持台座とを具備し、前記シリコン単結晶の、
前記力伝達ブロックが固着された前記結晶面の表面に
は、力伝達ブロックによる圧縮力を受け、その圧縮力に
よって電気抵抗が変化するゲージが設けられ、前記ゲー
ジは、前記結晶面の表面に段差を形成することによって
その段差の底部より突出して設けられ、かつ、この段差
底部から突出したゲージの表層部分はp型領域となって
いる力検知素子を製造する方法であって、 前記ゲージならびにp型領域を含む前記シリコン単結晶
を形成する工程として、 n型シリコン単結晶基板の表面部にp型不純物を導入し
てp型領域を形成する工程と、 ゲージとなる部分を除いて前記n型シリコン単結晶基板
の前記表面部においてメサエッチングを施して前記p型
領域よりも深い段差を形成し、これによって表層部にお
いてp型領域が形成されてなる細いゲージを得る工程と
を有することを特徴とする力検知素子の製造方法。 - 【請求項12】 シリコン単結晶基板として、SOI
(Silicon on Insulator)基板を
用いることを特徴とする請求項11記載の力検知素子の
製造方法。
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