KR101213895B1 - 차량용 엔진의 흡입 공기 압력 측정용의 반도체 비틀림 감지 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 전극의 형성 영역을 피에조 저항 소자가 형성되어 있는 다이어프램으로부터 이간시켜서, 피에조 저항 소자가 전극으로부터의 열응력의 영향을 받기 어렵게 하여, 온도 안정성이 우수한 반도체 비틀림 감지 센서를 얻는 것으로, 해결수단으로서,
SOI 기판(1)은, 이면측으로부터 기판의 일부를 제거하여 형성된 얇은 다이어프램부(2) 및 이 다이어프램부(2)를 둘러싸는 두꺼운 바깥테두리부(9)를 구비한다. 압력에 따른 전기 신호를 출력하는 피에조 저항 소자(3)가 다이어프램부(2)상에 형성되고, 피에조 저항 소자(3)의 전기 신호를 출력하는 전극(4)이 바깥테두리부(9)상에 형성되어 있다. 그리고, 전극(4)이, 다이어프램부(2)와 바깥테두리부(9)의 경계선(6)으로부터 100㎛ 이상 떨어진 바깥테두리부(9)상의 위치에 마련되어 있다.
반도체 비틀림 감지 센서
Description
본 발명은, SOI(Silicon on Insulator) 기판에 피에조 저항 소자와 이 피에조 저항 소자로부터의 신호를 외부에 출력하기 위한 전극을 구비한 반도체 비틀림 감지 센서에 관한 것이다.
종래의 반도체 비틀림 감지 센서는, 박육화된 다이어프램부 및 다이어프램부의 주위에 위치하는 두꺼운 바깥테두리부가 형성되어 이루어지는 단결정 실리콘 등의 반도체 기판과, 반도체 기판의 바깥테두리부에 접합된 유리 받침기판를 구비하고 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조). 다이어프램부상에는, 압력이 인가되면 피에조 저항 효과에 의해 저항치가 변화하는 복수의 변형 게이지 저항이 브리지 회로를 구성하도록 배치되어 있고, 변형 게이지 저항의 저항치 변화를 전압 변화로서 검출함에 의해 압력을 검출한다. 알루미늄 등으로 이루어지는 전극이, 배선에 의해 변형 게이지 저항에 접속되어 있고, 외부에 압력 신호를 출력하도록 되어 있다.
특허 문헌 1 : 일본 특개2002-131161호 공보
종래의 반도체 비틀림 감지 센서에서는, 알루미늄이 전극에 사용되고, 단결정 실리콘이 반도체 기판에 사용된다. 알루미늄의 열팽창 계수는, 약 23.5ppm/℃이고, 단결정 실리콘의 열팽창 계수는, 약 2.5ppm/℃이다. 이와 같이, 전극과 반도체 기판의 열팽창 계수가 크게 다르기 때문에, 센서가 사용되는 환경의 온도가 변화한 때에는, 전극 및 반도체 기판이 비틀려서, 열응력이 발생하고, 센서의 출력 신호에 온도 드리프트나 온도 히스테리시스가 생긴다는 과제가 있다.
본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 전극의 형성 영역을 피에조 저항 소자가 형성되어 있는 다이어프램부로부터 이간시켜서, 피에조 저항 소자가 전극으로부터의 열응력의 영향을 받기 어렵게 하여, 온도 안정성에 우수한 반도체 비틀림 감지 센서를 얻는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 반도체 비틀림 감지 센서는, 이면측으로부터 기판의 일부를 제거하여 형성된 얇은 다이어프램부 및 이 다이어프램부를 둘러싸는 두꺼운 바깥테두리부로 이루어지는 SOI 기판과, 상기 다이어프램부에 형성되고, 압력에 따른 전기 신호를 출력하는 피에조 저항 소자와, 상기 바깥테두리부에 형성되고, 상기 피에조 저항 소자의 전기 신호를 출력하는 전극을 구비하고 있다. 그리고, 상기 전극은, 상기 다이어프램부와 상기 바깥테두리부의 경계로부터 100㎛ 이상 떨어진 위치에 마련되어 있다.
본 발명에 의하면, 전극이 다이어프램부와 바깥테두리부의 경계로부터 100㎛ 이상 떨어진 바깥테두리부상의 위치에 마련되어 있기 때문에, 피에조 저항 소자가 전극으로부터의 열응력의 영향을 받기 어렵게 되어, 센서 칩 단체(單體)에서 출력 전압의 온도 히스테리시스가 0.2%FS 이하로 억제된다. 그래서, 반도체 비틀림 감지 센서는 차량탑재 마련용으로 조립을 행한 후에도, 제어 시스템측의 요구인 1%FS 이하를 충족시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 전극이 다이어프램부와 바깥테두리부의 경계로부터 100㎛ 이상 떨어진 바깥테두리부상의 위치에 마련되어 있기 때문에, 피에조 저항 소자가 전극으로부터의 열응력의 영향을 받기 어렵게 되어, 센서 칩 단체(單體)에서 출력 전압의 온도 히스테리시스가 0.2%FS 이하로 억제된다. 그래서, 반도체 비틀림 감지 센서는 차량탑재 마련용으로 조립을 행한 후에도, 제어 시스템측의 요구인 1%FS 이하를 충족시킬 수 있다.
실시의 형태 1
도 1은 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 반도체 비틀림 감지 센서의 구성을 모식적으로 도시하는 평면도, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ화살표로 본 단면도이다. 이 실시의 형태 1 에서의 반도체 비틀림 감지 센서는, 차량용 엔진의 인테이크 매니폴드 내에서의 흡입 공기의 압력을 측정하기 위한 것으로, 압력 레인지로서는 5기압 정도까지의 것을 상정하고 있다.
도 1 및 도 2에서, SOI 기판(1)은, 예를 들면, 매립 산화막(10)을 사이에 두고 2장의 실리콘 기판을 접합하고, 표면측의 실리콘 기판을 소망하는 두께로 연마하여 제작된다. 이 SOI 기판(1)은, 얇은 압력 검출용의 다이어프램부(2)와, 다이어프램부(2)의 주위에 형성된 두꺼운 바깥테두리부(9)를 구비하고 있다. 이 다이어프램부(2)는, SOI 기판(1)의 이면부터 딥 RIE(Deep Reactive Ion Etching)을 시행하여 이면측의 실리콘 기판을 제거하여 형성된다. 여기서, 다이어프램부(2)의 사이즈는, 검출하는 압력 레인지에도 의존하기 때문에 한 마디로는 말할 수 없지만, 진공으로부터 1기압까지의 압력을 측정하는 비틀림 감지 센서에 적용되는 경우에는, 예를 들면, 다이어프램부의 한 변이 400㎛의 정사각형이고, 두께가 10㎛이다.
다이어프램부(2)의 비틀림에 수반하는 저항치 변화에 의거한 검출 신호를 출력하기 위한 복수개의 피에조 저항 소자(3)가, 다이어프램부(2)를 구성하는 표면측의 실리콘 기판에 이온 주입, 확산에 의해 형성되어 있다. 이들 복수개의 피에조 저항 소자(3)는, 마찬가지로 이온 주입, 확산에 의해 형성된 배선(5)에 의해, 휘트스톤 브리지를 구성하도록 전기적으로 결선되어 있다. 배선(5)은 바깥테두리부(9)상에까지 연선(延線)되고, 전극(4)이 배선(5)의 연선단(延線端)상에 형성되어 있다. 이로써, 휘트스톤 브리지 회로는, 배선(5)에 의해 결선된 전극(4)을 통하여, 외부로부터 전압이 공급되거나, 피에조 저항 소자(3)에 의한 검출 신호가 외부로 출력되거나 한다. 여기서, 전극(4)은 스퍼터 등에 의해 성막된 금속막이고, 전극의 재료로서는, 배선(5)과의 오믹 컨택트성, 비용, 내구성 등을 종합적으로 고려하면, 알루미늄 또는 알루미늄에 미량의 실리콘이나 구리를 첨가한 알루미늄 합금을 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 예를 들면 실리콘 산화막으로 이루어지는 층간절연막(11)이 SOI 기판(1)의 표면측에 형성되고, 각 소자의 전기적 절연을 확보하고 있다. 또한, 예를 들면 실리콘 질화막으로 이루어지는 보호막(12)이 층간절연막(11)상에 적층 형성되어, 반도체 비틀림 감지 센서를 보호하고 있다. 또한, SOI 기판(1)은, 바깥테두리부(9)의 이면을 유리 받침기판(13)과 양극접합(陽極接合) 등에 의해 접합된다. 그리고, 에칭에 의해 형성된 캐비티가 이 유리 받침기판(13)에 의해 기밀로 밀봉되어, 압력 기준실(14)을 구성하고 있다. 이 압력 기준실(14)은, 예를 들면 진공으로 유지된다.
이와 같이 구성된 반도체 비틀림 감지 센서로는, 전극(4)을 통하여 휘트스톤 브리지의 입력 단자 사이에 직류 정전압을 인가하여 두고, 다이어프램부(2)에 비틀림이 있으면, 그것이 피에조 저항 소자(3)의 저항치 변화로 되고, 전압 변화로서 검출된다.
이와 같은 반도체 비틀림 감지 센서에는, 다이어프램부(2)의 비틀림을 피에조 저항 효과에 의해 검출하기 때문에, 측정하여야 할 인가 압력 이외의 요인에 의해 피에조 저항 소자(3)에 생기는 비틀림은, 전부 센서 특성의 오차 요인이 된다.
일반적으로, 반도체 비틀림 감지 센서의 출력 신호에는, 도 3에 도시하는 바와 같이 온도 히스테리시스(TH)가 존재한다. 그리고, 온도 범위는, 예를 들면 -40℃ 내지 120℃이다.
다음에, 다이어프램부(2)와 바깥테두리부(9)와 경계(경계선(6))와 전극(4) 사이의 거리(d)를 바꾸어 센서 칩을 제작하고, 각 센서 칩의 온도 히스테리시스를 측정한 결과를 도 4에 도시한다. 또한, 각 센서 칩에서는, 평면 형상을 정사각형으로 하는 다이어프램부의 변 길이 및 두께가 각각, 400㎛ 및 10㎛이고, 피에조 저항 소자의 긴변 방향의 길이가 35㎛이다. 그리고, 도 4의 종축은, 온도 히스테리시스의 실측치의 출력의 풀 케이스에 대한 비율을 나타내고 있다.
도 4로부터, 거리(d)가 커질수록, 온도 히스테리시스가 지수함수적으로 저감하는 것을 알 수 있다. 환언하면, 전극(4)이 다이어프램부(2)에 가까워질수록, 전극(4)의 열응력에 의한 출력의 열응력 오차가 커지는 것을 알 수 있다.
또한, 거리(d)가 100㎛ 이상이 되면, 온도 히스테리시스가 0.2%FS 이하로 되는 것을 알 수 있다.
이 실시의 형태 1에 의하면, 전극(4)이 다이어프램부(2)와 바깥테두리부(9)의 경계선(6)으로부터 떨어져 바깥테두리부(9)상위에 형성되어 있어서, 피에조 저항 소자(3)가 전극(4)의 열응력의 영향을 받기 어려워지고, 열응력 오차를 저감할 수 있고, 온도 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 전극(4)이 경계선(6)으로부터 바깥테두리부(9)측으로 100㎛ 이상 떨어진 바깥테두리부(9)상의 위치에 마련되어 있기 때문에, 센서 칩 단체에서 출력 전압의 온도 히스테리시스가 0.2%FS 이하로 억제된다. 그래서, 반도체 비틀림 감지 센서를 차량탑재 마련용으로 조립을 행한 후라도, 제어 시스템측의 요구인 1%FS 이하를 충족시킬 수 있고, 차량용 엔진의 인테이크 매니폴드 내에서의 흡입 공기의 압력을 측정하는 용도에 적용할 수 있는 반도체 비틀림 감지 센서를 실현할 수 있다.
또한, 딥 RIE에 의해 SOI 기판(1)을 에칭하고 있기 때문에, 에칭에 의해 얻어지는 캐비티의 벽면을 SOI 기판(1)의 이면에 대해 수직으로 형성할 수 있다. 그래서, 센서 칩 사이즈를 보다 소형화할 수 있다.
또한, SOI 기판(1)을 이용하고 있기 때문에, 에칭이 매립 산화막(10)에서 정지되고, 그 이상 진행하지 않는다. 그래서, 다이어프램부(2)의 두께의 가공 정밀도를 높일 수 있다.
또한, 실시의 형태 1에서는, 배선(5)이 이온 주입, 확산에 의해 형성되어 있는 것으로 하고 있지만, 배선(5)의 일부를 전극(4)과 같은 금속막으로 형성하여도 좋다. 이 경우, 배선(5)의 일부에 형성된 금속막도, 다이어프램부(2)와 바깥테두리부(9)의 경계선(6)으로부터 바깥테두리부측으로 100㎛ 이상 이간하여 형성된다.
실시의 형태 2
이 실시의 형태 2에서는, 전극(4)이, 다이어프램부(2)와 바깥테두리부(9)의 경계선으로부터 바깥테두리부(9)측으로 120㎛ 이상 떨어진 바깥테두리부(9)상의 위치에 마련되어 있다.
그리고, 다른 구성은 상기 실시의 형태 1과 마찬가지로 구성되어 있다.
반도체 비틀림 감지 센서의 제조 공정에 있어서, 다이어프램부(2) 및 전극(4)의 가공 정밀도에 편차가 있다. 특히, 다이어프램부(2)는 SOI 기판(1)의 이면부터 딥 RIE에 의해 에칭함에 의해 형성되기 때문에, 다이어프램부(2)와 바깥테두리부(9)의 경계선(6)의 위치가 편차가 생기기 쉽다.
그래서, 다이어프램부(2)와 바깥테두리부(9)의 경계선(6)과 전극(4)의 거리(d)의 하한치를 100㎛으로 설정하고 있으면, 대량 생산시에는, 상기 가공 정밀도의 편차에 의해, 일정한 비율로 거리(d)가 100㎛ 미만의 센서 칩이 제조될 우려가 있다. 이로 인해, 센서 칩 단체의 열응력 오차가 공차 범위에 들어가지 않는 것이 제조되어, 수율이 저하될 우려가 있다.
이 실시의 형태 2에서는, 이 가공 편차(σ)에 대해 5σ(=20㎛)을 고려하여, 다이어프램부(2)와 바깥테두리부(9)의 경계선(6)과 전극(4)의 거리(d)의 하한치를 120㎛으로 설정하고 있다. 여기서, 가공 편차가 있어도, 다이어프램부(2)와 바깥테두리부(9)의 경계선(6)과 전극(4)의 거리(d)가 100㎛ 미만으로 되어, 0.2%FS를 초과하는 열응력 오차를 갖는 센서 칩을 제조하는 것이 억제되어, 수율을 향상시킬 수 있다.
실시의 형태 3
이 실시의 형태 3에서는, 다이어프램부(2)의 두께를 30㎛ 이하로 규정하고 있다. 그리고, 다른 구성은 상기 실시의 형태 1과 마찬가지로 구성되어 있다.
이 실시의 형태 3에 의하면, 다이어프램부(2)의 두께를 30㎛ 이하로 규정하고 있기 때문에, 전극(4)으로부터 피에조 저항 소자(3)에의 열응력의 영향 정도를 저감할 수 있고, 센서 칩 단체에서의 출력 전압의 온도 히스테리시스를 확실하게 0.2%FS 이하로 억제할 수 있다.
여기서, 센서 특성을 고려하면, 다이어프램부(2)의 두께는 1㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 각 실시의 형태에서는, 반도체 비틀림 감지 센서가 압력 센서로 적용되는 것으로 하여 설명하고 있지만, 반도체 비틀림 감지 센서는, 압력 센서로 한정되는 것이 아니고, 피에조 저항 소자가 다이어프램부에 형성되어 있으면 좋고, 예를 들면 가속도 센서와 같은 다른 물리량 센서에 적용되어도 좋다.
또한, 상기 각 실시의 형태에서는, SOI 기판(1)이 2개의 실리콘 기판을 매립 산화막을 사이에 두고 접합하여 제작되어 있는 것으로 하여 설명되어 있지만, SOI 기판은 이것으로 한정되는 것이 아니고, 절연체층상에 실리콘층이 형성되어 있으면 좋고, 예를 들면 S0S(Silicon on Sapphire), SIM0X(Separation by Implanted 0xygen), IT0X(internal Thermal 0xidation)라도 좋다.
또한, 상기 각 실시의 형태에서는, 전극(4)과 경계선(6)의 거리(d)의 최대치에 관해서는 기술하고 있지 않지만, 거리(d)의 최대치는, SOI 기판의 허용되는 외형 치수로부터 자연히 결정된다.
또한, 상기 각 실시의 형태에서는, 다이어프램부(2)의 평면 형상을 정사각형으로 하고 있지만, 다이어프램부의 평면 형상은 정사각형으로 한정되는 것이 아니고, 예를 들면, 육각형 및 8각형 등의 다각형, 원형, 또는 타원형이라도 좋다.
도 1은 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 반도체 비틀림 감지 센서의 구성을 모식적으로 도시하는 평면도.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ화살표로 본 단면도.
도 3은 반도체 비틀림 감지 센서에서의 온도 히스테리시스의 정의를 도시하는 도면.
도 4는 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 반도체 비틀림 감지 센서에서의 다이어프램 경계와 전극 사이의 거리와 온도 히스테리시스의 관계를 도시하는 도면.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)
1 : SOI 기판
2 : 다이어프램부
3 : 피에조 저항 소자
4 : 전극
6 : 경계선
9 : 바깥테두리부.
Claims (3)
- 이면측으로부터 기판의 일부를 제거하여 형성된 다이어프램부 및 이 다이어프램부를 둘러싸며 기판의 일부가 제거되지 않은 바깥테두리부로 이루어지는 SOI 기판과,상기 바깥테두리부의 이면에 접합되며, 이면측으로부터 상기 기판의 일부를 제거하여 상기 다이어프램부의 하부에 형성된 캐비티를 기밀하게 밀봉하는 받침기판과,다이어프램부에 형성되고, 압력에 따른 전기 신호를 출력하는 피에조 저항 소자와,상기 바깥테두리부에 형성되고, 상기 피에조 저항 소자의 전기 신호를 출력하는 전극을 구비하는 차량용 엔진의 흡입 공기 압력 측정용의 반도체 비틀림 감지 센서에 있어서,이면측으로부터 SOI 기판의 일부를 제거하여 상기 다이어프램부의 하부에 형성된 캐비티의 벽면이 해당 SOI 기판의 이면에 대해 수직으로 되어 있고,상기 전극은, 상기 다이어프램부와 상기 바깥테두리부의 경계로부터 100㎛ 이상 250㎛ 이하 떨어진 위치에 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 차량용 엔진의 흡입 공기 압력 측정용의 반도체 비틀림 감지 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 전극은, 상기 다이어프램부와 상기 바깥테두리부의 경계로부터 120㎛ 이상 떨어진 위치에 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 차량용 엔진의 흡입 공기 압력 측정용의 반도체 비틀림 감지 센서.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,상기 다이어프램부의 두께가, 1㎛ 이상 30㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 차량용 엔진의 흡입 공기 압력 측정용의 반도체 비틀림 감지 센서.
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