JPS6124836B2 - - Google Patents
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- JPS6124836B2 JPS6124836B2 JP52111312A JP11131277A JPS6124836B2 JP S6124836 B2 JPS6124836 B2 JP S6124836B2 JP 52111312 A JP52111312 A JP 52111312A JP 11131277 A JP11131277 A JP 11131277A JP S6124836 B2 JPS6124836 B2 JP S6124836B2
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- Japan
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- semiconductor
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
- G01R19/165—Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values
- G01R19/16533—Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values characterised by the application
- G01R19/16538—Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values characterised by the application in AC or DC supplies
- G01R19/16542—Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values characterised by the application in AC or DC supplies for batteries
-
- G—PHYSICS
- G08—SIGNALLING
- G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
- G08B17/00—Fire alarms; Alarms responsive to explosion
- G08B17/10—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means
- G08B17/11—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means using an ionisation chamber for detecting smoke or gas
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- Pressure Sensors (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
この発明は半導体のピエゾ抵抗効果を利用して
流体圧力の測定等を行う半導体圧力変換装置に関
する。
流体圧力の測定等を行う半導体圧力変換装置に関
する。
半導体プレーナ技術の応用により、シリコンや
ゲルマニウム等の半導体単結晶板の一部に肉薄の
ダイヤフラムを設け、このダイヤフラムに感圧素
子として拡散抵抗層を形成して、そのピエゾ抵抗
効果を利用した圧力変換装置が実用化されてい
る。その一例の概略構造を示すと第１図のように
なつている。図において、１は例えばｎ型のシリ
コン単結晶板であり、その中央部に肉薄のダイヤ
フラム２を設け、このダイヤフラム２にｐ型の拡
散抵抗層３，３１，３２………を形成している。
表面は絶縁層４で覆われ、その上にAl等からな
る電極配線層５が配設されている。電極配線層５
は絶縁層４に設けたコンタクトホールを介して拡
散抵抗層３に端部で接触し、拡散抵抗層３の内部
結線や外部への電極取出し端子の役割を果たして
いる。従つて、電極配線層５には必要に応じてリ
ード線６がボンデイングされている。単結晶板１
は固定台７に接着固定される。固定台７には貫通
孔８が設けられていて、この貫通孔８に流入する
流体の圧力Ｐがダイヤフラム２の変形をもたら
し、拡散抵抗層３の抵抗変化をもたらすことにな
る。
ゲルマニウム等の半導体単結晶板の一部に肉薄の
ダイヤフラムを設け、このダイヤフラムに感圧素
子として拡散抵抗層を形成して、そのピエゾ抵抗
効果を利用した圧力変換装置が実用化されてい
る。その一例の概略構造を示すと第１図のように
なつている。図において、１は例えばｎ型のシリ
コン単結晶板であり、その中央部に肉薄のダイヤ
フラム２を設け、このダイヤフラム２にｐ型の拡
散抵抗層３，３１，３２………を形成している。
表面は絶縁層４で覆われ、その上にAl等からな
る電極配線層５が配設されている。電極配線層５
は絶縁層４に設けたコンタクトホールを介して拡
散抵抗層３に端部で接触し、拡散抵抗層３の内部
結線や外部への電極取出し端子の役割を果たして
いる。従つて、電極配線層５には必要に応じてリ
ード線６がボンデイングされている。単結晶板１
は固定台７に接着固定される。固定台７には貫通
孔８が設けられていて、この貫通孔８に流入する
流体の圧力Ｐがダイヤフラム２の変形をもたら
し、拡散抵抗層３の抵抗変化をもたらすことにな
る。
実際の流体圧力測定は、例えば第２に示すよう
に、２個の拡散抵抗層３１，３２と２個の固定抵
抗R1，R2とでブリツジ回路を組んで行われる。
この場合、拡散抵抗３１，３２は一方が流体圧力
Ｐによつて抵抗値の増大するもの、他方が流体圧
力Ｐによつて抵抗値が減少するものとする。この
ような抵抗値変化の異方性は、拡散抵抗層３をダ
イヤフラム２のどの領域にどのようなパターンで
設けるかによつて決まる。
に、２個の拡散抵抗層３１，３２と２個の固定抵
抗R1，R2とでブリツジ回路を組んで行われる。
この場合、拡散抵抗３１，３２は一方が流体圧力
Ｐによつて抵抗値の増大するもの、他方が流体圧
力Ｐによつて抵抗値が減少するものとする。この
ような抵抗値変化の異方性は、拡散抵抗層３をダ
イヤフラム２のどの領域にどのようなパターンで
設けるかによつて決まる。
肉薄のダイヤフラム２に設けられた拡散抵抗層
３は、検知しようとする流体圧力Ｐ以外の全ての
外部応力に対して感応しないようにしなければな
らない。これは、固定台７を十分強固なものと
し、単結晶板１の周辺肉厚部をこの固定台にガラ
スあるいはAu−Si合金等により強固に接着する
ことで、ほぼ実現できる。
３は、検知しようとする流体圧力Ｐ以外の全ての
外部応力に対して感応しないようにしなければな
らない。これは、固定台７を十分強固なものと
し、単結晶板１の周辺肉厚部をこの固定台にガラ
スあるいはAu−Si合金等により強固に接着する
ことで、ほぼ実現できる。
しかし、これだけでは解決できないものに、温
度変化に伴う内部歪みにより生ずる誤差がある。
この点について具体例を挙げて説明する。第１図
では概略的な構造を説明したが、実際に実験に用
いた素子構造を詳細に示すと第３図のようになつ
ている。即ち、絶縁層４の部分は、3000〜7000Å
の熱酸化膜４１、約3000ÅのBSG膜４２、約3000
Åの第１のPSG膜４３が積層され、これらの上に
約４μｍのAlからなる電極配線層５が設けら
れ、更にその表面に約１μｍの第２のPSG膜４４
が設けられている。熱酸化膜４１は拡散マスクで
あり、BSG膜４２は拡散抵抗層３を得るための固
体拡散源として用いたものであり、第１、第２の
PSG膜４３，４４はパシベーシヨン膜である。ま
た、単結晶板１の周辺肉厚部の厚さを350μｍ、
ダイヤフラムの径を17mm、厚さを135μｍとし
た。このような素子は、0.1Kg/cm2の流体圧に対し
て1.5〜２％の抵抗変化を示し、低圧力用として
用いられるものである。
度変化に伴う内部歪みにより生ずる誤差がある。
この点について具体例を挙げて説明する。第１図
では概略的な構造を説明したが、実際に実験に用
いた素子構造を詳細に示すと第３図のようになつ
ている。即ち、絶縁層４の部分は、3000〜7000Å
の熱酸化膜４１、約3000ÅのBSG膜４２、約3000
Åの第１のPSG膜４３が積層され、これらの上に
約４μｍのAlからなる電極配線層５が設けら
れ、更にその表面に約１μｍの第２のPSG膜４４
が設けられている。熱酸化膜４１は拡散マスクで
あり、BSG膜４２は拡散抵抗層３を得るための固
体拡散源として用いたものであり、第１、第２の
PSG膜４３，４４はパシベーシヨン膜である。ま
た、単結晶板１の周辺肉厚部の厚さを350μｍ、
ダイヤフラムの径を17mm、厚さを135μｍとし
た。このような素子は、0.1Kg/cm2の流体圧に対し
て1.5〜２％の抵抗変化を示し、低圧力用として
用いられるものである。
上述したような素子構造で、第２図のようなブ
リツジ回路（Ｅ＝4V、フルスケール40ｍＶ）を
構成し、−20℃〜80℃の熱サイクルを加えると、
オフセツト電圧ΔＶが第４図のようなヒステリシ
ス特性を示す。図から明らかなように、例えば30
℃でのオフセツト電圧ΔＶは、80℃の高温を経験
した場合と−20℃の低温を経験した場合とで約
400μＶの差が生じている。つまり、温度変化に
対して、零点の再現性が失われ、高精度の圧力測
定ができなくなることを意味する。
リツジ回路（Ｅ＝4V、フルスケール40ｍＶ）を
構成し、−20℃〜80℃の熱サイクルを加えると、
オフセツト電圧ΔＶが第４図のようなヒステリシ
ス特性を示す。図から明らかなように、例えば30
℃でのオフセツト電圧ΔＶは、80℃の高温を経験
した場合と−20℃の低温を経験した場合とで約
400μＶの差が生じている。つまり、温度変化に
対して、零点の再現性が失われ、高精度の圧力測
定ができなくなることを意味する。
ところで従来では、上述したように拡散抵抗３
１，３２がシビアな抵抗変化を示すことから、そ
の抵抗変化を検出するべく上記拡散抵抗３１，３
２にそれぞれ接続された電極配線層５に起因する
検出抵抗値誤差要因を除く為に、上記電極配線層
５をできる限り低抵抗なものとするようにしてい
る。この電極配線層５の低抵抗化は、その形成材
料によつても左右されるが、一般に配線層５の幅
を広くし、またその厚みを厚くすることによつて
行われる。つまり配線層５の断面積を許容できる
限り広くして、その抵抗値を小さくすることが行
われている。然し乍ら、この種の圧力変換装置に
あつては、それほど顕著な効果が期待できなかつ
た。
１，３２がシビアな抵抗変化を示すことから、そ
の抵抗変化を検出するべく上記拡散抵抗３１，３
２にそれぞれ接続された電極配線層５に起因する
検出抵抗値誤差要因を除く為に、上記電極配線層
５をできる限り低抵抗なものとするようにしてい
る。この電極配線層５の低抵抗化は、その形成材
料によつても左右されるが、一般に配線層５の幅
を広くし、またその厚みを厚くすることによつて
行われる。つまり配線層５の断面積を許容できる
限り広くして、その抵抗値を小さくすることが行
われている。然し乍ら、この種の圧力変換装置に
あつては、それほど顕著な効果が期待できなかつ
た。
この発明は上記した点に鑑みてなされたもの
で、オフセツト電圧の温度変化に対するヒステリ
シスを小さくし、高性能化、高信頼化を図つた半
導体圧力変換装置を提供するものである。
で、オフセツト電圧の温度変化に対するヒステリ
シスを小さくし、高性能化、高信頼化を図つた半
導体圧力変換装置を提供するものである。
この発明は、流体圧により変形する肉薄部を有
する半導体単結晶板と、この半導体単結晶板の前
記肉薄部に形成された拡散抵抗層と、前記半導体
単結晶板上に絶縁層を介して配設された前記拡散
抵抗層と接触する電極配線層とを備えた半導体圧
力変換装置において、前記電極配線層の低抵抗化
を図るべくその幅を許容できる限り広くしようと
する従来の技術思想に逆行して前記電極配線層の
幅を前記拡散抵抗層の幅以下としたことを特徴と
している。
する半導体単結晶板と、この半導体単結晶板の前
記肉薄部に形成された拡散抵抗層と、前記半導体
単結晶板上に絶縁層を介して配設された前記拡散
抵抗層と接触する電極配線層とを備えた半導体圧
力変換装置において、前記電極配線層の低抵抗化
を図るべくその幅を許容できる限り広くしようと
する従来の技術思想に逆行して前記電極配線層の
幅を前記拡散抵抗層の幅以下としたことを特徴と
している。
圧力変換用の拡散抵抗層は、本来、流体圧力Ｐ
にのみ感応させるためのものであるが、実際には
この拡散抵抗層に加わる歪応力であれば、流体圧
力Ｐによるもの以外の応力、例えば熱膨張差によ
る応力や空気振動により伝わる応力などにも感応
し、これらが素子のＳ／Ｎを低下させる原因とな
る。ただし、流体圧力Ｐ以外によつて発生する歪
応力であつても、温度変化に対してヒステリシス
を有するものでなければ、零点の再現性には影響
を与えないはずである。先に第３図に示した構造
例から、拡散抵抗層に歪応力を与え易いものとし
ては、熱酸化膜、BSG膜、PSG膜等の絶縁層およ
びAl等からなる電極配線層がある。そして、本
発明者らの実験によれば、前述した温度ヒステリ
シス発生の原因が、半導体単結晶板との関係で熱
膨張率や弾性率が大きく異なる電極配線層にある
ことが判明した。そこで、更に種々の実験を重ね
た結果、電極配線層の幅を拡散抵抗層の幅以下と
することによつて、効果的に前述の温度ヒステリ
シスを減少させ得ることが明らかになつたもので
ある。
にのみ感応させるためのものであるが、実際には
この拡散抵抗層に加わる歪応力であれば、流体圧
力Ｐによるもの以外の応力、例えば熱膨張差によ
る応力や空気振動により伝わる応力などにも感応
し、これらが素子のＳ／Ｎを低下させる原因とな
る。ただし、流体圧力Ｐ以外によつて発生する歪
応力であつても、温度変化に対してヒステリシス
を有するものでなければ、零点の再現性には影響
を与えないはずである。先に第３図に示した構造
例から、拡散抵抗層に歪応力を与え易いものとし
ては、熱酸化膜、BSG膜、PSG膜等の絶縁層およ
びAl等からなる電極配線層がある。そして、本
発明者らの実験によれば、前述した温度ヒステリ
シス発生の原因が、半導体単結晶板との関係で熱
膨張率や弾性率が大きく異なる電極配線層にある
ことが判明した。そこで、更に種々の実験を重ね
た結果、電極配線層の幅を拡散抵抗層の幅以下と
することによつて、効果的に前述の温度ヒステリ
シスを減少させ得ることが明らかになつたもので
ある。
以下に、実験データに基づいて、この発明の効
果を詳細に説明する。第５図ａ，ｂは実験に用い
た圧力変換装置の要部構造で、ａは平面パター
ン、ｂがそのＡ−A′断面図である。即ち、１１
はｎ型シリコン単結晶板であり、中央部に肉薄と
したダイヤフラム１２を形成し、その表面にｐ型
の拡散抵抗層１３を設けている。拡散抵抗層１３
の作り方は従来と同様で、熱酸化膜１４１で拡散
マスクを形成し、BSG膜１４２、第１のPSG膜１
４３を重ね、BSG膜１４２からのボロン拡散を行
つたものである。そして、コンタクトホールをあ
けてAlの蒸着、パターニングを行つて電極配線
層１５，１５１，１５２を設け、更にその表面を
第２のPSG膜１４４で覆つている。電極配線層１
５のボンデイング・パツドは圧力変換に影響のな
い単結晶板周辺の肉厚部に設けられる。
果を詳細に説明する。第５図ａ，ｂは実験に用い
た圧力変換装置の要部構造で、ａは平面パター
ン、ｂがそのＡ−A′断面図である。即ち、１１
はｎ型シリコン単結晶板であり、中央部に肉薄と
したダイヤフラム１２を形成し、その表面にｐ型
の拡散抵抗層１３を設けている。拡散抵抗層１３
の作り方は従来と同様で、熱酸化膜１４１で拡散
マスクを形成し、BSG膜１４２、第１のPSG膜１
４３を重ね、BSG膜１４２からのボロン拡散を行
つたものである。そして、コンタクトホールをあ
けてAlの蒸着、パターニングを行つて電極配線
層１５，１５１，１５２を設け、更にその表面を
第２のPSG膜１４４で覆つている。電極配線層１
５のボンデイング・パツドは圧力変換に影響のな
い単結晶板周辺の肉厚部に設けられる。
このような構造として、電極配線層の幅と厚さ
を種々変えた場合に、−20℃〜80℃の熱サイクル
を与えたときのオフセツト電圧ΔＶが示すヒステ
リシスの大きさ（30℃におけるオフセツト電圧の
差）δＶを示したのが第６図である。図は電極配
線層の幅S1と拡散抵抗層の幅S0の比を横軸とし、
電極配線層の厚みをパラメータとして表わしたも
のである。図から明らかなように、ヒステリシス
の大きさはδＶは電極配線層の幅と厚みに大きく
依存していることがわかる。そして、S1／S0≦１
とすることによりδＶは十分小さくなり、S1／S0
＞１とすると急激にδＶが大きくなる。
を種々変えた場合に、−20℃〜80℃の熱サイクル
を与えたときのオフセツト電圧ΔＶが示すヒステ
リシスの大きさ（30℃におけるオフセツト電圧の
差）δＶを示したのが第６図である。図は電極配
線層の幅S1と拡散抵抗層の幅S0の比を横軸とし、
電極配線層の厚みをパラメータとして表わしたも
のである。図から明らかなように、ヒステリシス
の大きさはδＶは電極配線層の幅と厚みに大きく
依存していることがわかる。そして、S1／S0≦１
とすることによりδＶは十分小さくなり、S1／S0
＞１とすると急激にδＶが大きくなる。
なお、電極配線層を第５図ａに一点鎖線で示し
たように拡散抵抗層の長手方向に直角に配設した
場合についても同様の実験を行つたが、拡散抵抗
層の長手方向に沿つて配設した場合との間に有意
差は認められなかつた。
たように拡散抵抗層の長手方向に直角に配設した
場合についても同様の実験を行つたが、拡散抵抗
層の長手方向に沿つて配設した場合との間に有意
差は認められなかつた。
以上のように、この発明によれば、流体圧に感
応する拡散抵抗層の幅を電極配線層の幅以下に選
ぶことによつて、温度変化に対するオフセツト電
圧のヒステリシスを十分小さくすることができ、
高精度の圧力変換が可能となる。
応する拡散抵抗層の幅を電極配線層の幅以下に選
ぶことによつて、温度変化に対するオフセツト電
圧のヒステリシスを十分小さくすることができ、
高精度の圧力変換が可能となる。
なお、以上の説明では、電極配線層の材料とし
てAlを用いたが、半導体単結晶板との関係で熱
膨張率や弾性率などの物理定数が大きく異なるも
のであれば、Pt、Au、Ni、Mo、Cu、Ta、Ti、
Ｗなど金属を用いた場合にも同様の効果が得られ
る。
てAlを用いたが、半導体単結晶板との関係で熱
膨張率や弾性率などの物理定数が大きく異なるも
のであれば、Pt、Au、Ni、Mo、Cu、Ta、Ti、
Ｗなど金属を用いた場合にも同様の効果が得られ
る。
第１図は半導体圧力変換装置の基本構造を概略
的に示す図、第２図は感圧素子としての拡散抵抗
を固定抵抗と共にブリツジ回路に組込んだ圧力測
定回路を示す図、第３図は第１図の要部断面構造
を詳細に示す図、第４図は従来の半導体圧力変換
装置の温度変化に対するオフセツト電圧のヒステ
リシス特性例を示す図、第５図ａ，ｂはこの発明
の効果を明らかにするための実験に用いた半導体
圧力変換装置の要部構造を示す図、第６図はその
実験データを示す図である。 １１……ｎ型シリコン単結晶板、１２……ダイ
ヤフラム（肉薄部）、１３……拡散抵抗層、１４
１……熱酸化膜、１４２……BSG膜、１４３，１
４４……PSG膜、１５，１５１，１５２……電極
配線層。
的に示す図、第２図は感圧素子としての拡散抵抗
を固定抵抗と共にブリツジ回路に組込んだ圧力測
定回路を示す図、第３図は第１図の要部断面構造
を詳細に示す図、第４図は従来の半導体圧力変換
装置の温度変化に対するオフセツト電圧のヒステ
リシス特性例を示す図、第５図ａ，ｂはこの発明
の効果を明らかにするための実験に用いた半導体
圧力変換装置の要部構造を示す図、第６図はその
実験データを示す図である。 １１……ｎ型シリコン単結晶板、１２……ダイ
ヤフラム（肉薄部）、１３……拡散抵抗層、１４
１……熱酸化膜、１４２……BSG膜、１４３，１
４４……PSG膜、１５，１５１，１５２……電極
配線層。
Claims (1)
- １ 流体圧により変形する肉薄部を有する半導体
単結晶板と、この半導体単結晶板の前記肉薄部に
形成された拡散抵抗層と、この拡散抵抗層の両端
部にそれぞれコンタクトホールを形成して前記半
導体単結晶板表面に設けられた絶縁層と、この絶
縁層上に一端を上記コンタクトホールを介して前
記拡散抵抗層の端部に接続し、他端を前記半導体
単結晶板の周縁肉厚部に配設した一対の電極配線
層とを備え、前記電極配線層の幅を前記拡散抵抗
層の幅以下としたことを特徴とする半導体圧力変
換装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11131277A JPS5444883A (en) | 1977-09-16 | 1977-09-16 | Semiconductor pressure converter |
| SE7808751A SE7808751L (sv) | 1977-09-16 | 1978-08-18 | Batteridriven joniseringsrokkennarenhet |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11131277A JPS5444883A (en) | 1977-09-16 | 1977-09-16 | Semiconductor pressure converter |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5444883A JPS5444883A (en) | 1979-04-09 |
| JPS6124836B2 true JPS6124836B2 (ja) | 1986-06-12 |
Family
ID=14558024
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11131277A Granted JPS5444883A (en) | 1977-09-16 | 1977-09-16 | Semiconductor pressure converter |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5444883A (ja) |
| SE (1) | SE7808751L (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02110027U (ja) * | 1989-02-10 | 1990-09-03 |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2827718B2 (ja) * | 1992-07-15 | 1998-11-25 | 株式会社デンソー | 半導体加速度センサ |
| US6056888A (en) * | 1999-04-19 | 2000-05-02 | Motorola, Inc. | Electronic component and method of manufacture |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS4841070A (ja) * | 1971-09-27 | 1973-06-16 | ||
| JPS51143380A (en) * | 1975-06-04 | 1976-12-09 | Hitachi Ltd | Semiconductor pressure converter |
-
1977
- 1977-09-16 JP JP11131277A patent/JPS5444883A/ja active Granted
-
1978
- 1978-08-18 SE SE7808751A patent/SE7808751L/xx unknown
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS4841070A (ja) * | 1971-09-27 | 1973-06-16 | ||
| JPS51143380A (en) * | 1975-06-04 | 1976-12-09 | Hitachi Ltd | Semiconductor pressure converter |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02110027U (ja) * | 1989-02-10 | 1990-09-03 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| SE7808751L (sv) | 1979-02-20 |
| JPS5444883A (en) | 1979-04-09 |
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