JPS5997031A

JPS5997031A - 圧力センサ

Info

Publication number: JPS5997031A
Application number: JP57207958A
Authority: JP
Inventors: Setsuo Kotado; 古田土　節夫
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1982-11-27
Filing date: 1982-11-27
Publication date: 1984-06-04
Also published as: JPH0117531B2

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】この発明は、グロー放電法を用いて絶縁基板上に堆積し
たアモルファス薄膜半導体の有するピエゾ抵抗効果特性
、特に縦効果特性で得られる大きなゲージ率と、ｐ形と
ｎ形とでは各ゲージ率の極性がお互いに異なることとに
着目して構成した小型・軽量でかつ高感度特性を有する
圧力センサに関する。

従来、ひずみ−ゲージを用いた圧力センサとしては次の
２つの方法が使用されてきた。

（１）ダイヤフラムあるいはペローなどの弾性変形体の
変位部にひずみゲージを直接に接着させる。方法。

（２）　　Ｓｉを変形物体の素材とし、ＩＣ技曲によシ
拡散を行なってひずみゲージを形成させる方法。

（１）の方法に用いられるひずみゲージとしては、ボリ
ミイドフィルムあるいはフェノールグラスの上にコンス
バ６ン、＝クロムなどの金属薄膜あるいは半導体薄片を
接着させた構造の金属箔ひずみゲージあるいは結晶半導
体ひずみゲージなどがある。金属箔ひずみゲージは、応
力あるいはひずみによる抵抗体の形状変化によシ抵抗値
が変化することを利用したもので、超直線性を示すので
汎用されているが、ゲージ率が２前後と小さいので出力
部に低雑音・高利得の増幅器を必要とする。又ダイヤフ
ラム基板に接着剤を用いては９つける時に、接着剤の厚
み等によってゲージのみかけひずみ率が影響を受けるの
で、再現性の良い圧力センサや超小形の圧力センサの製
作には困難が伴う。

又、結晶半導体ひずみゲージは、ゲージ率が金属の数十
倍以上おり、高性能な増幅器を必要としないなどの利点
はあるが、ゲージ率のｚ１度依存性が太きいという欠点
が伴う上、ダイヤフラム基板に接着する場合は、金属箔
ひずみゲージと同様な問題点が発生する。

（２）の方法はＳｉチップの一部をエツチングにより薄
くしてダイヤフラム構造を形成し、形成されたダイヤフ
ラム構造の一部に拡散技術を用いてひずみゲージ用抵抗
体を形成する方法で、小形で高性能なものが得られるが
、次のような欠点を有する。

（１）　　ゲージ率すなわち検出感度の温度依存性が大
きいのでｆＨＬ度補償回路が必要となる。

（２）拡散技術を用いて抵抗体を構成するため、抵抗体
の抵抗値を高精度に制御することが困難であシ、従って
抵抗値調整用抵抗を必要とする。

（３）　　Ｓｉチップ、マウント用ペースおよび接着剤
の各線膨張率は一般に異なるので、接着後に検出感度を
校正する必要がある。

従って、Ｓｉチップを用いた半導体圧力センサは高精度
なものを構成することができるにもかかわらず、高価で
あり、又、使用条件が限られているという欠点を有する
。

以上の点に鑑み、本発明では、発明者が発見した事実、
すなわち、アモルファス薄膜半導体の有する高ゲージ率
、直線性およびｐ形とｎ形とでは各ゲージ率の極性がお
互いに異なることとに着目し、且つアモルファス薄膜半
導体材料の有する薄膜形成の容易さ・微細加工性を生か
して構成した小型・軽量でかつ高性能な圧力センサを提
供しようとするものである。

第１図は、ＳｉＦ４とＲ２の混合ガスを用い、直流グロ
ー放電法を用いて堆積したアモルファスシリコン薄膜の
歪みゲージ特性を示す図である。図中、実線はｐ形を、
破線はｎ形を示す。横軸θは、歪み抵抗素子と抵抗素子
に加えられる歪み方向とのなす角の大きさを表わし、θ
＝０は、抵抗素子の縦方向に沿って歪みが加えられる場
合、いわゆる”縦効果″を示す。θ＝号は、抵抗素子の
横方向に歪みが加えられる場合、いわゆる“横効果”を
示す。同様に、θ＝÷は、斜め方向に歪みが加えられた
場合で、いわゆる”斜め効果”を示す。又、たて軸はゲ
ージ率を示し、十印は、伸びに対して抵抗−値が増加す
ることを、−印は減少することを示している。

この図は次のことを示している。すなわち、ｐ形に関し
ては、θ−〇（縦効果）の時、ゲージ率が最大となり、
又、ｎ形に関しては、ゲージ率は常に負を示し、θ−０
（縦効果）の時、絶対値が最大となる。このことから、
ホイートストンブリッジの対向する一対の辺をそれぞれ
ｐ形およびｎ形で構成すれば、互いのゲージ率の極性が
異なるので、同一方向の歪みに対して各ゲージ率の絶対
値の和で与えられることがわかる。

第２図は、ホイートストンブリッジを示す回路で・図中
、Ｒ１（＝　１’Ｌｌ）にｐ形アモルファスシリコン薄
膜、Ｒ２（＝Ｒ４）にｎ形アモルファスシリコン薄膜を
用いて構成し、縦方向の同一ひずみ６が加えられた場合
、各抵抗値変化は次式で与えられる。

ΔＲ１＝ＫｐＲＩ　ｇ　　　　　　　　　（１）ΔＲ２
＝　ＫｎＲ２ｇ　　　　　　　　　＋２１但し、Ｋ、、
Ｋｎはｐ形およびｎ形アモルファスシリコン薄膜の各ゲ
ージ率を示す。

従って、Ａ点、Ｂ点間に電圧Ｅ。を印加した場合、０点
とＤ点との間に発生する電圧Ｖは、次式で与えられる。

つぎに、各抵抗素子にひずみ６が加えられた場合、０点
とＤ点との間に発生する電圧Ｖ１０は次のようになる。

（Ｒ１１Ｒ２＞ΔＲ１＋ΔＲ２）従って、ひずみεが加えられた場合のＣＤ間の電圧の変
動（出力電圧）■は次のようになる。

特にＲ１＝　Ｒ２の時は、ＫｐとＫｎの極性が異なるこ
とを考慮して次のようになる。

以上の結果より、各抵抗素子に加えられたひずみの大き
さεに比例した出力電圧Ｖが得られる。

この場合、ｐ形およびｎ形の各アモルファスシリコン薄
膜のゲージファクターの極性が異なるので、各ゲージ率
の絶対値の和に比例した形で、歪みの大きさεを検出す
ることができるという大きな特徴を有する。

第３図および第４図は、本発明によるアモルファスシリ
コン薄膜を用いて構成した圧力センサの一実施例を示す
図で、第３図は平面図を、第４図は第３図の線ｘ　−ｘ
’における断面を示す図である。

図中、１は周縁が固定されたダイヤフラム基板、２．２
′はｐ形（ｎ形）アモルファスシリコンｉ［対、３．３
′はｎ形（ｐ形）アモルファスシリコン薄膜対、４Ａ、
４Ｂ、４Ｃ，４Ｄは各オーミック電極、５Ａ、　！５Ｂ
　、　５Ｃ、５Ｄは各リード線、６は圧力センサを示す
。

周縁が固定されたダイヤフラム基板としては、通常絶縁
体を使うが、半導体あるいは金属でもよく、この時、ダ
イヤフラム基板の表面は絶縁膜で覆われる。

第５図は、第３図および第４図に示した円形夕“イヤフ
ラム基板（半径をｒとする）に矢印の向きに流体の圧力
が加えられた場合のダイヤフラム基板の各部に発生する
ひずみの大きさεを示す図で、ｔｔは接線方向のひずみ
、εｒは半径方向のひずみを、又、十印は伸び、−印は
縮みを、示す。この図よシ、周縁が固定された円形ダイ
ヤフラム基板においては中心部が最大に彎曲し、周辺部
では半径方向に沿って縮むことがわかる。

以上の考察に基づいて、ホイートストンブリッジの各抵
抗素子を構成するｐ形およびｎ形各アモルファスシリコ
ン薄膜対２　、２’、　３　、３’は、図のようにほぼ
最大に彎曲する位置に配列される。

この時、ｐ形およびｎ形各アモルファスシリコン薄膜対
はそれぞれホイートストンブリッジの対向する辺を構成
するように配列されるので、圧力すなわちひずみが加え
られた場合、５Ａ　−５Ｄ間に電圧Ｅ。を印加すれば、
出力端子間、例えば５Ｂ−５Ｃ間には、（６）式で与え
られるよらな出力電圧Ｖが発生する。

以上、周縁が固定されたダイヤフラム基板として、円形
状のものについて説明を行なったが、ダイヤフラム基板
の形状としては、矩形、だ同体その他、任意の形状のも
のを違ぶことができる。この場合、ホイートストンブリ
ッジの各抵抗素子を構成するｐ形およびｎ形各アモルフ
ァスシリコン薄膜対２　、２’　、　３　、３’は、ダ
イヤフラム基板がほぼ最大に彎曲する位置に配列される
。

次に本発明による圧力センサの製造方法について述べる
。

ダイヤフラム基板材料としては、弾性変形を示す物体な
らばよく、絶縁体、半導体および金属が使用できる。但
し、半導体あるいは金属を用いる場合は、表面を絶縁膜
で覆う。ダイヤスラム基板の周縁を固定する方法として
は、第４図に示すようにエツチング等によシ中央部を除
去することによシ周辺部の板厚を厚くする方法が簡便で
あるが、架台等に直接は９つけたシ、あるいはサンドイ
ッチ状に狭むことによって固定することも可能である。

一般に、圧力センサの使用温度範囲は広くする必要があ
り、そのためダイヤフラム基板はダイヤフラム基板をパ
ークージするのに用いられるマウント部材の有する線膨
張率とほぼ等しい線膨張率を有するものが選ばれる。

ダイヤフラム基板を十分に洗浄したのち絶縁体側表面に
グロー放電分解法にてアモルファス薄膜を堆積させざ。

使用するガス系としては、Ｓ　ｉＨ４あるいはＳｉＦ４
のベースガスにＨｅ又はＨ２希釈のＢ　２Ｈ６ｒ　ＰＨ
３ｒ　Ａ８Ｈ３などのドーパントガスを混合したものが
用いられる。通常、ドーパント用物質としてはｐ形には
Ｂ、ｎ形にはＰあるいはＡｓが用いられる。

グロー放電分解は、真空容器内に、上記混合カスを導入
し、容器内圧力を０．５〜２ｔｏｒｒ前後に調整し、ア
ノード・カソード間に直流電界又は高周波電界を印加し
て行う。この時、ダイヤフラム基板１は、アノード又は
カンード上に置かれ、ヒーターによシ２００〜４００℃
に加熱される。

オーミック電極用金属としてはＡＬあるいはＮｌＣｒ／
Ａｕを用い、真空蒸着法あるいはスパッタ法を用いて堆
積させる。

パターニングはメタルマスク法あるいはホトエツチング
技術を用いて行なう。メタルマスク法ハ最小パターン寸
法が５０μｍ前後のものまで製作可能であり、それより
も小さい場合にはホトエツチング技術を用いる。

次に、表面をパシベーションするため絶縁膜で覆う。続
いてオーミック電極上の絶縁膜をエツチングにより除去
し、出力端子用各リード線５Ａ、５Ｂ。

５Ｃ、５Ｄを設ける。リード線にはＡｕリボン線、Ａｕ
ワイヤなどが用いられる。

最後に、エツチングあるいはダイサーなどによりチップ
状に分割することにより圧力センサは完成される。

次に本発明による効果を述べる。

（１）　　アモルファスシリコン薄膜の堆積方法として
低温グロー放電法を用いたので、ダイヤフラム基板材料
の選択自由度が太きい。その結果、任意形状のダイヤフ
ラム基板に直接検出部を形成でき、従来素子よυ高信頼
性・高性能を有する圧力センサが構成できた。

（２）　　ホイートストンブリッジの対向する辺を構成
する各一対の抵抗素子にｐ形およびｎ形各アモルファス
シリコン薄膜を用いて構成したので、得られるゲージ率
の大きさは各ゲージ率の絶対値の和となる。その結果検
出感度の大きな圧力センサを構成できた。

（３）　　フォトエツチング技術を用いることによシ超
小形の圧力センナを構成できる。

（４）　　製造方法が簡単なので安価な圧力センサを構
成できる。

（５）　　ゲージ率が金属の数十倍以上を有するアモル
ファスシリコン薄膜を用いたので高性能な圧力センサを
構成できる。

以上述べたように、本発明による圧力センサは従来のも
のより幾多の利点を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図はアモルファスシリコン薄膜のゲージ率特性を示
す図、第２図はホイートストンブリッジの構成を示す図
、第３図および第４図は本発明による圧力センサの一実
施例を示す図で第３図は平面図を、第４図は第３図の線
ｘ　−ｘ’における断面を示す図、第５図は第３図およ
び第４図で示された圧力センサにおけるダイヤフラム基
板のひずみ特性を示す図である。図中１は周縁を固定されたダイヤフラム基板、２．２’
ハｐ　形（ｎ　形）アモルファスシリコン薄膜対、　３
　、３’ｉｊ、　ｎ　形（ｐ　形）アモルファス７１ノ
コン薄膜対、４Ａ’、４Ｂ、４Ｃ，４Ｄは各オーミック
電極、５Ａ。５Ｂ　、　５Ｃ、５Ｄは各リード線、旦は圧力センサを
示す。代理人　　弁理士　小池　龍太部

Claims

【特許請求の範囲】周縁を固定され、少くともその一表面が絶縁体で、かつ
流体圧力を受けて変形するダイヤフラム基板（１）と；該ダイヤフラム基板の絶縁体上にそれぞれホイートスト
／ブリッジの対向する辺を構成するように形成された一
対のｐ形アモルファス薄膜半導体（２゜２′）および一
対のｎ形アモルファス薄膜半導体（３゜３′）と；前記ｐ形アモルファス半導体薄膜とｎ形アモルファス半
導体薄膜とを接続する２対の対向するオーミック電極（
４Ａ、４Ｂ、４Ｃ，４Ｄ）と；該各電極対にそれぞれ接
して設けられた２対のリード線対（５Ａ、５Ｂ、５Ｃ，
５Ｄ　）とから構成され、前記ダイヤフラム基板が流体
圧力を受けた場合、該ダイヤフラムがほぼ最大に彎曲す
る位置に各アモルファス半導体薄膜が配置されているこ
とを特徴とする圧力センサ。