JPS61177783A - 半導体圧力センサ - Google Patents
半導体圧力センサInfo
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Classifications
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/84—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of applied mechanical force, e.g. of pressure
-
- G—PHYSICS
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- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
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- Measuring Fluid Pressure (AREA)
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の利用分野〕
本発明は、ピエゾ抵抗効果を用いた半導体圧力センサの
フェイル・セイフ機構に関するものである。
フェイル・セイフ機構に関するものである。
半導体圧力センサの構造及び特性については、「“Ｐｒ
ｅｓｓｕｒｅ ５ｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｉｎ Ａｎｉ
ｓｏｔｒｏｐｉｃａｌｌｙＥｔｃｈｅｄ Ｔｈｉｎ−Ｄ
ｉａｐｈｒａｇｍ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ５ｅｎｓｏｒｓ
”ＩＥＥＥＥｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ、ＶＯＬ
ＥＤ−２６ＮＯ，１２，Ｄｅｃ １９７９゜Ｐ１８
８７Ｊに詳細に記載されている。
ｅｓｓｕｒｅ ５ｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｉｎ Ａｎｉ
ｓｏｔｒｏｐｉｃａｌｌｙＥｔｃｈｅｄ Ｔｈｉｎ−Ｄ
ｉａｐｈｒａｇｍ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ５ｅｎｓｏｒｓ
”ＩＥＥＥＥｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ、ＶＯＬ
ＥＤ−２６ＮＯ，１２，Ｄｅｃ １９７９゜Ｐ１８
８７Ｊに詳細に記載されている。
又、フェイル・セイフ機構の例としては、公開特許公報
昭和５５年９５３７３号や、公開特許公報昭和５９年１
２４１７３号等に記載されているものがある。
昭和５５年９５３７３号や、公開特許公報昭和５９年１
２４１７３号等に記載されているものがある。
第５図は、従来の半導体圧力センサの一例図であり、（
Ａ）はダイヤフラムの平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ
’断面図である。
Ａ）はダイヤフラムの平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ
’断面図である。
第５図において、１．１’ 、２．２’は不純物拡散に
よって形成されたピエゾ抵抗、３は各ピエゾ抵抗をブリ
ッジ接続する配線導体、４はＳＬダイヤフラムであり、
エレクトロケミカルエツチング技術等を用いてシリコン
基板を裏面エツチングすることで薄肉化して形成したも
のである。
よって形成されたピエゾ抵抗、３は各ピエゾ抵抗をブリ
ッジ接続する配線導体、４はＳＬダイヤフラムであり、
エレクトロケミカルエツチング技術等を用いてシリコン
基板を裏面エツチングすることで薄肉化して形成したも
のである。
又、４′はダイヤフラムエッヂ、５は酸化膜、６は表面
保護用のＰＳＧ膜、７はｎ型エピタキシャル層、８はｐ
型シリコン基板である。
保護用のＰＳＧ膜、７はｎ型エピタキシャル層、８はｐ
型シリコン基板である。
上記のごとき半導体圧力センサにおいて、圧力が加えら
れるとＳｉダイヤフラム４が撓み、ダイセフラムエッヂ
４′近傍に配設されたピエゾ抵抗１．１’ 、２．２’
に応力が加えられ、抵抗値がそれぞれ変化する。
れるとＳｉダイヤフラム４が撓み、ダイセフラムエッヂ
４′近傍に配設されたピエゾ抵抗１．１’ 、２．２’
に応力が加えられ、抵抗値がそれぞれ変化する。
この抵抗値の変化を検出すれば、印加された圧力を検出
することが出来る。
することが出来る。
上記の抵抗変化を検出するには、一般にピエゾ抵抗１．
ｌ’ 、２，２’でブリッジ回路を形成し、差動出力を
検出するものが多い。
ｌ’ 、２，２’でブリッジ回路を形成し、差動出力を
検出するものが多い。
第６図は、上記のブリッジ回路の一例図である。
第６図の回路における出力電圧Ｖ。は、ｖ ｏ＝ Ｖ
ＯＸΔＲ／Ｒ（Ｖ） で示される。
ＯＸΔＲ／Ｒ（Ｖ） で示される。
なお上式において、ΔＲは応力による抵抗変化分、Ｒは
基本抵抗値、ＶＤは電源電圧を示す。
基本抵抗値、ＶＤは電源電圧を示す。
上記のように半導体圧力センサは、Ｓｉダイヤフラムに
機械的なストレスを与える構造となっているため、過大
な圧力が加わったり疲労が蓄積したりすると、Ｓｉダイ
ヤフラム（特にエッチ部）にクラック等が生じて機械的
に破損することがある。
機械的なストレスを与える構造となっているため、過大
な圧力が加わったり疲労が蓄積したりすると、Ｓｉダイ
ヤフラム（特にエッチ部）にクラック等が生じて機械的
に破損することがある。
そして、エッチ部が破損した場合には、ピエゾ抵抗が断
線するのでセンサ出力が得られなくなり、特にブリッジ
回路を構成している場合には、出力が浮動状態になって
後続の制御装置等の動作に悪影響を及ぼすことがある。
線するのでセンサ出力が得られなくなり、特にブリッジ
回路を構成している場合には、出力が浮動状態になって
後続の制御装置等の動作に悪影響を及ぼすことがある。
上記の問題を解決するため、従来は１例えば第７図に示
すごとく、破損が予想されるＳｉダイヤフラムのエッチ
部４′と交差するようにアメダス状に破損検知導体１０
を配設し、Ｓｉダイヤフラムが破損すると同時に破損検
知導体１０が破断し、それを引出し端子９を介して接続
した外部の検知回路で検知することにより、センサ出力
を固定するかあるいはモニタ信号等を発生させるように
構成していた。
すごとく、破損が予想されるＳｉダイヤフラムのエッチ
部４′と交差するようにアメダス状に破損検知導体１０
を配設し、Ｓｉダイヤフラムが破損すると同時に破損検
知導体１０が破断し、それを引出し端子９を介して接続
した外部の検知回路で検知することにより、センサ出力
を固定するかあるいはモニタ信号等を発生させるように
構成していた。
なお、破損検知導体１０は、アルミ配線や拡散層で形成
されている。
されている。
上記のように従来のフェイル・セイフ機構においては、
検知精度を高めるためにはＳｉダイヤフラムのエッチ部
又はダイヤフラム全域に亘って検知導体を張り巡らす必
要があるが、検知導体の幅と間隔は５μ程度が限度であ
り、又、ダイヤフラムの大きさは１〜２ｍ１１平方と広
域なので微細なパターンを広域に亘って形成する必要が
あるため、高度な製造技術を要求され、製造コストが上
昇するという問題がある。
検知精度を高めるためにはＳｉダイヤフラムのエッチ部
又はダイヤフラム全域に亘って検知導体を張り巡らす必
要があるが、検知導体の幅と間隔は５μ程度が限度であ
り、又、ダイヤフラムの大きさは１〜２ｍ１１平方と広
域なので微細なパターンを広域に亘って形成する必要が
あるため、高度な製造技術を要求され、製造コストが上
昇するという問題がある。
又、ダイヤフラム上の広範囲な部分に亘って検知導体を
張り巡らすので、同一半導体基板上に処理回路等を形成
して集積化を図ることが困難であるという問題もある。
張り巡らすので、同一半導体基板上に処理回路等を形成
して集積化を図ることが困難であるという問題もある。
さらに、過大な圧力が印加された場合には、ダイヤフラ
ム自体が破損するため、ダイヤフラム内に形成出来る回
路が限定されるという問題もある。
ム自体が破損するため、ダイヤフラム内に形成出来る回
路が限定されるという問題もある。
本発明は、上記のごとき従来技術の問題を解決すること
を目的とするものである。
を目的とするものである。
上記の目的を達成するため、本発明においては、Ｓｉダ
イヤフラム自体が破壊される前に破損して圧力を逃す破
損限定薄肉部をダイヤフラム内に設け、又、上記破損限
定薄肉部が破損すると同時に破断する破損検知導体を上
記破損限定薄肉部に設けることによって、ダイヤフラム
自体の破壊を防ぐと共にセンサの破損を直ちに検出する
ことが出来るように構成している。
イヤフラム自体が破壊される前に破損して圧力を逃す破
損限定薄肉部をダイヤフラム内に設け、又、上記破損限
定薄肉部が破損すると同時に破断する破損検知導体を上
記破損限定薄肉部に設けることによって、ダイヤフラム
自体の破壊を防ぐと共にセンサの破損を直ちに検出する
ことが出来るように構成している。
第１図は、本発明の一実施例図であり（Ａ）は平面図、
（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ’断面図を示す。
（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ’断面図を示す。
第１図において、１２は破損限定薄肉部であり。
その破損限定薄肉部１２が破壊された時、同時に破断さ
れる位置に破損検知導体１１が形成されている。
れる位置に破損検知導体１１が形成されている。
そして、破損検知導体１１は、外部に接続出来るように
引出し端子が設けられている。
引出し端子が設けられている。
この破損限定薄肉部１２は、過大な圧力が印加された時
、Ｓｉダイヤフラム４よりも先に破壊し、圧力を逃すよ
うに設計することが必要である。
、Ｓｉダイヤフラム４よりも先に破壊し、圧力を逃すよ
うに設計することが必要である。
正方形ダイヤプラムの大きさは１次式で示される。
１２ ＝ 「７；π７１コＰ Ｘｔ （■）上式に
おいて、Ｑはダイヤフラムの一辺の長さ、Ｂは応力係数
で０．３、Ｐは最大加圧である。またσＩ？Ｉａ×は破
壊限界強度であり、Ｓｉの場合は５０００ｋｇ／ｃｘｌ
−ｔはダイヤフラムの厚さであり、通常部分では約２０
．、破損限定薄肉部では約３−である。
おいて、Ｑはダイヤフラムの一辺の長さ、Ｂは応力係数
で０．３、Ｐは最大加圧である。またσＩ？Ｉａ×は破
壊限界強度であり、Ｓｉの場合は５０００ｋｇ／ｃｘｌ
−ｔはダイヤフラムの厚さであり、通常部分では約２０
．、破損限定薄肉部では約３−である。
したがって、測定物の最大加圧が３ｋｇ／ａＪとすれば
、破損限定薄肉部の大きさは約２００ Ｘ ２００１１
ＩＲとなり、又、Ｓｉダイヤプラムは、最大加圧を若干
大きく設定して設計する必要から１．５ Ｘ １．５ｍ
ｍ程度のサイズとなる。
、破損限定薄肉部の大きさは約２００ Ｘ ２００１１
ＩＲとなり、又、Ｓｉダイヤプラムは、最大加圧を若干
大きく設定して設計する必要から１．５ Ｘ １．５ｍ
ｍ程度のサイズとなる。
上記のごとき半導体圧力センサに過大な圧力が印加され
ると、第２図に示すごとく、まず破損限定薄肉部１２が
破壊して穴があき、その際、破損検知導体１１も同時に
破断する。
ると、第２図に示すごとく、まず破損限定薄肉部１２が
破壊して穴があき、その際、破損検知導体１１も同時に
破断する。
この時、破壊された破損限定薄肉部１２から圧力が逃げ
るためＳｉダイヤフラム４自体は破壊されず、ダイヤフ
ラム上のピエゾ抵抗やその他の回路は保護され、センサ
出力が浮動状態となることはなくなる。
るためＳｉダイヤフラム４自体は破壊されず、ダイヤフ
ラム上のピエゾ抵抗やその他の回路は保護され、センサ
出力が浮動状態となることはなくなる。
上記のように、破損限定薄肉部１２をＳｉダイヤフラム
４内に設けるだけでもフェイル・セイフ機能を持たせる
ことは出来るが、破損検知導体１１を用いれば、さらに
センサ出力を特定電位に固定したり、破損モニタ信号を
発生させたりすることが可能となる。
４内に設けるだけでもフェイル・セイフ機能を持たせる
ことは出来るが、破損検知導体１１を用いれば、さらに
センサ出力を特定電位に固定したり、破損モニタ信号を
発生させたりすることが可能となる。
第３図は、破損検知導体１１を用いた一実施例の回路図
であり、出力電圧を所定電位に固定する回路を示す。
であり、出力電圧を所定電位に固定する回路を示す。
第３図において、１３はｐｎｐトランジスタ、１４は抵
抗、１５は差動増幅器である。
抗、１５は差動増幅器である。
第３図の回路において、正常時は破損検知導体１１が導
通しているのでｐｎｐトランジスタ１３はオフとなり、
ブリッジ回路の出力に影響を与えることはない。
通しているのでｐｎｐトランジスタ１３はオフとなり、
ブリッジ回路の出力に影響を与えることはない。
次に、過大な圧力が印加されて破損検知導体１１が破断
すると、ｐｎｐトランジスタ１３がオンとなり、ブリッ
ジ回路の出力は電源電圧ＶＤに固定される。
すると、ｐｎｐトランジスタ１３がオンとなり、ブリッ
ジ回路の出力は電源電圧ＶＤに固定される。
なお、第１図の実施例においては、破損限定薄肉部１２
をＳｉダイヤフラム４の中央に設けた場合を例示したが
、ダイヤフラム内であれば中心でなくても任意の位置に
設けることが出来る。
をＳｉダイヤフラム４の中央に設けた場合を例示したが
、ダイヤフラム内であれば中心でなくても任意の位置に
設けることが出来る。
したがって、パターン設計の自由度が大きくなる。
次に、第４図は、第１図の装置の製造工程図である。
第４図において、（Ａ）〜（Ｆ）までは、通常のバイポ
ーラプロセスである。
ーラプロセスである。
まず、（Ａ）において、ｐ型シリコン基板８に埋込み層
２４を形成した後、（Ｂ）で全面にｎ型エピタキシャル
層７を１０〜２０虜の厚さに形成する。
２４を形成した後、（Ｂ）で全面にｎ型エピタキシャル
層７を１０〜２０虜の厚さに形成する。
次に、（Ｃ）において、Ｐ＋アイソレーション領域１６
を拡散形成した後、（Ｄ）において、Ｐ＋ペース拡散を
行なう。この時、ピエゾ抵抗１７も形成される。
を拡散形成した後、（Ｄ）において、Ｐ＋ペース拡散を
行なう。この時、ピエゾ抵抗１７も形成される。
次に、（Ｅ）において、エミッタ拡散１８を行なった後
、ＣＦ）において、コンタクト穴開けをして裏面エツチ
ングのマスクとなるＳｉ、Ｎ４を裏面全面にデポジショ
ンした後、アルミ配線のパターニングにより破損検知導
体１１及び配線導体３等を形成する。
、ＣＦ）において、コンタクト穴開けをして裏面エツチ
ングのマスクとなるＳｉ、Ｎ４を裏面全面にデポジショ
ンした後、アルミ配線のパターニングにより破損検知導
体１１及び配線導体３等を形成する。
次に、（Ｇ）〜（Ｉ）は、ダイヤフラムの形成工程を示
す。
す。
裏面エツチングは、エレクトロケミカルエツチングを用
いて行なう。
いて行なう。
すなわち、エチレンジアミン系の強アルカリエツチング
液を用いてｐｎ接合のｎ領域のみに電圧を印加し、ｐ領
域のみのエツチングを行なう。
液を用いてｐｎ接合のｎ領域のみに電圧を印加し、ｐ領
域のみのエツチングを行なう。
まず、（Ｇ）において、ＰＳＧ膜２０を全面にデポジシ
ョンした後、パッド部及びダイヤフラム部のｎ領域に電
圧を印加する為のコンタクト２２のパターニングを行な
う。
ョンした後、パッド部及びダイヤフラム部のｎ領域に電
圧を印加する為のコンタクト２２のパターニングを行な
う。
さらに、薄いＰＳＧ膜２膜製１面にデポジションして、
パッド部のアルミ露出部をカバーする。
パッド部のアルミ露出部をカバーする。
次に、（Ｈ）において、電極金属層２３をメッキ又は蒸
着等で形成し、さらに、裏面のＳｉ、Ｎ４膜１９のパタ
ーニングを行なう。
着等で形成し、さらに、裏面のＳｉ、Ｎ４膜１９のパタ
ーニングを行なう。
次に、（Ｉ）において、エレクトロケミカルエツチング
によってｐ型頭域のみのエツチングを行なうことにより
、Ｓｉダイヤフラム４と破損限定薄肉部１２とが形成さ
れる。
によってｐ型頭域のみのエツチングを行なうことにより
、Ｓｉダイヤフラム４と破損限定薄肉部１２とが形成さ
れる。
その後、電極金属層２３と薄いＰＳＧ膜２膜製１それぞ
れ除去することにより半導体圧力センサが完成する。
れ除去することにより半導体圧力センサが完成する。
以上説明したごとく本発明においては、ダイヤフラムの
一部にそのダイヤフラムの厚さより更に薄肉化してダイ
ヤフラムよりも強度を低下させた破損限定薄肉部を設け
、その部分に破損検知導体を配設するように構成してい
るので、確実な破損検知とフェイル・セイフ機能を容品
に実現することが出来る。
一部にそのダイヤフラムの厚さより更に薄肉化してダイ
ヤフラムよりも強度を低下させた破損限定薄肉部を設け
、その部分に破損検知導体を配設するように構成してい
るので、確実な破損検知とフェイル・セイフ機能を容品
に実現することが出来る。
又、破損限定薄肉部に必要な面積が小面積で済むので破
損限定薄肉部を任意の位置に配置することが出来、回路
の集積効率が向上すると共にレイアウト設計の自由度も
増し、しかも従来と同様の製造工程によって製造するこ
とが出来るため、コストも低減することが出来る。
損限定薄肉部を任意の位置に配置することが出来、回路
の集積効率が向上すると共にレイアウト設計の自由度も
増し、しかも従来と同様の製造工程によって製造するこ
とが出来るため、コストも低減することが出来る。
第１図は本発明の一実施例の平面図及び断面図、第２図
は破損状態を示す断面図、第３図は破損検知回路の一実
施例図、第４図は本発明の製造工程の一実施例図、第５
図は従来装置の平面図と断面図、第６図は従来装置のブ
リッジ回路図、第７図は従来のフェイル・セイフ機構を
備えた半導体圧力センサの一例の平面図である。 １．１’ 、２．２’ ・・・ピエゾ抵抗３・・・配線
導体 ４・・・Ｓｉダイヤフラム ４′・・・ダイヤフラムエッヂ １１・・・破損検知導体 １２・・・破損限定薄肉部
は破損状態を示す断面図、第３図は破損検知回路の一実
施例図、第４図は本発明の製造工程の一実施例図、第５
図は従来装置の平面図と断面図、第６図は従来装置のブ
リッジ回路図、第７図は従来のフェイル・セイフ機構を
備えた半導体圧力センサの一例の平面図である。 １．１’ 、２．２’ ・・・ピエゾ抵抗３・・・配線
導体 ４・・・Ｓｉダイヤフラム ４′・・・ダイヤフラムエッヂ １１・・・破損検知導体 １２・・・破損限定薄肉部
Claims (1)
- 半導体ダイヤフラム上に形成したピエゾ抵抗を感圧部
として用いた半導体圧力センサにおいて、上記半導体ダ
イヤフラムの加圧破壊強度より小さな破壊強度をもつ破
損限定薄肉部を上記半導体ダイヤフラム中に形成し、か
つ上記破損限定薄肉部が破損すると同時に破断する破損
検知導体を、上記破損限定薄肉部に設けたことを特徴と
する半導体圧力センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1863385A JPS61177783A (ja) | 1985-02-04 | 1985-02-04 | 半導体圧力センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1863385A JPS61177783A (ja) | 1985-02-04 | 1985-02-04 | 半導体圧力センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61177783A true JPS61177783A (ja) | 1986-08-09 |
Family
ID=11977015
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1863385A Pending JPS61177783A (ja) | 1985-02-04 | 1985-02-04 | 半導体圧力センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS61177783A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1996022515A1 (en) * | 1995-01-19 | 1996-07-25 | Honeywell Inc. | Apparatus for detection of a diaphragm rupture in a pressure sensor |
| WO2003002969A1 (de) * | 2001-06-28 | 2003-01-09 | Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg | Druckübertragungsvorrichtung mit vorausschauender korrosionsüberwachung |
| US9891161B2 (en) | 2014-03-14 | 2018-02-13 | Rosemount Inc. | Corrosion rate measurement |
| US10190968B2 (en) | 2015-06-26 | 2019-01-29 | Rosemount Inc. | Corrosion rate measurement with multivariable sensor |
| US10830689B2 (en) | 2014-09-30 | 2020-11-10 | Rosemount Inc. | Corrosion rate measurement using sacrificial probe |
-
1985
- 1985-02-04 JP JP1863385A patent/JPS61177783A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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