KR840001795B1 - Semiconductor diaframe type sensor - Google Patents
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Abstract
Description
제1도는 본원 발명의 반도체다이어프램형센서의 원리를 설명하기 위한 응력분포도.1 is a stress distribution diagram for explaining the principle of the semiconductor diaphragm sensor of the present invention.
제2도는 본원 발명의 반도체다이어프램형센서의 일실시예를 나타낸 구조도.2 is a structural diagram showing an embodiment of a semiconductor diaphragm sensor of the present invention.
제3도는 제2도의 제도의피에조저항소자에 의한 휘이트스톤브리지(Wheatstone brrdge)회로도.FIG. 3 is a Wheatstone brrdge circuit diagram of the piezoresistive element of the drawing of FIG. 2. FIG.
제4도, 제5도는 제2도의 피에조저항소자의 확대설명도.4 and 5 are enlarged explanatory diagrams of the piezoresistive element of FIG.
제6도, 제7도는 다이어프램의 형상을 변형시켰을 경우의 구조도.6 and 7 are structural diagrams in the case where the shape of the diaphragm is deformed.
제8도(a)는 πl의 비직선성도.8 (a) is a nonlinearity diagram of pi.
제8도(b)는 πt의 비직선성도.8 (b) is a nonlinearity diagram of πt.
본원 발명의 반도체 다이어프램센서에 관한 것이며, 특히 압력 또는 힘등을 변형량으로 변환하여, 이것을 전기저항을 변화로서 검출하는 반도체 다이어프램형센서의 개량에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a semiconductor diaphragm sensor, and more particularly, to an improvement of a semiconductor diaphragm type sensor that converts a pressure or a force into a deformation amount and detects this as a change in electrical resistance.
종래, 일본국 특개소 51(서기 1976)-69678호 공보에 볼 수 있듯이 실리콘 단결정기판(單結晶基板)을 중앙부와 외주부가 두꺼운데(肉厚部)로, 그 사이가 도우넛모양의 엷은데(簿肉部)로 되도록 형성하고, 엷은데에 피에조저항소자를 형성한 반도체 다이어프램형센서가 제안되어 있다.Conventionally, as shown in Japanese Patent Laid-Open No. 51 (West 1976) -69678, a silicon single crystal substrate has a thick center portion and an outer circumference portion, and a donut-shaped thin portion between them. BACKGROUND ART A semiconductor diaphragm type sensor is formed which is formed so as to form a thin film and has a piezoresistive element formed in a thin film.
이 센서는 압력인가시 엷은데에 생기는 막응력(膜應力)이 작기 때문에, 저압에 있어서도 입력압력과의 직선성이 양호하며 더구나 엷은데의 폭이 좁을수록 감도가 양호하다. 한편 피에조저항소자는 어느정도의 길이가 필요하지만 좁은 엷은데에 형성시킬 경우, 필연적으로 복수개의 피에조 저항소자를 직렬접속하게 된다.Since the sensor has a small film stress generated when the pressure is applied, the linearity with the input pressure is good even at low pressure, and the thinner the width, the better the sensitivity. On the other hand, the piezoresistive element needs a certain length, but when it is formed in a narrow thin film, a plurality of piezoresistive elements are necessarily connected in series.
그런데 피에조저항소자는 특정의 결정축(結晶軸)에 평행으로 설치되지만, 피에조저항소자를 복수개직렬접속했을 경우, 각 피에조저항소자에의 용력인가방향이 다르며, 입력 압력과 출력전압과의 직선성에 영향을 미치게 된다.However, the piezoresistive elements are provided in parallel to a specific crystal axis. However, when a plurality of piezoresistive elements are connected in series, the direction in which the force applied to the piezo resistors is different is different and the linearity between the input pressure and the output voltage is affected. Get mad.
본원 발명의 목적은 상시한 종래 기술의 결점을 없애고, 힘 또는 압력을 저(低)렌지까지 고감도로, 더구나 뛰어난 직선성으로 측정할 수 있는 반도체다이어프램센서를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor diaphragm sensor capable of measuring the force or pressure to a low range with high sensitivity and further excellent linearity, eliminating the drawbacks of the conventional prior art.
본원 발명의 특징은 다이어프램 재료로서 반도체단결성을 사용하여, 이들의 주변부에 두께가 두꺼운 고정부에 두께가 두꺼운 강체부(剛體部)를 형성하고, 그 사이의 엷은데를 확산에 의해서 피에조저항소자를 형성시키는 기왜부(起歪部)로 하여, 상기 고정부와 기왜부 및 강체부와 기왜부와의 경계선이 각기 상기반도체단결정의 어느 하나의 결정축(結晶軸)과 직각으로 교차하는 부분이 직선이 되도록 구성한 점에 있다.A feature of the present invention is to use a semiconductor unity as a diaphragm material, to form a thick rigid portion in a thick fixed portion at the periphery thereof, and to spread the thin film therebetween to spread the piezo resistor. A portion where the boundary line between the fixed portion, the distortion portion, and the rigid portion and the distortion portion crosses at right angles with one of the crystal axes of the semiconductor single crystal is a straight line. The point is that it is configured to be.
다음에 본원 발명의 일실시예를 도면에 의거하여 설명한다.Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
반도체 다이어프램상에 확산에 의해서 형성되는 피에조저항소자의 저항치변 ΔR/R화은 주지하는 바와같이, 상기 소자의 전류방향과 응력방향이 평행일 경우의 계수 πl(정)과 직각으로 교차할 경우의 계수 πt(부)에 의해, 1차근사(一次近似)로서 다음과 같이 표시된다.As is well known, the variation in resistance value ΔR / R of a piezoresistive element formed by diffusion on a semiconductor diaphragm is a coefficient when it crosses at a right angle with the coefficient πl (positive) when the current direction and the stress direction of the element are parallel. By pi (part), it is expressed as a first order approximation as follows.
여기서 σl,σt 각기 페에조저항소자에 작용하는 길이방향의 응력 및 직각방향의 응력이다.Where? 1 and? T are the stresses in the longitudinal direction and the stresses in the perpendicular direction respectively acting on the piezoresistor.
그런데, 기왜부(엷은데)상면의 응력분포는 제1도에 나타낸 바와같이 된다. 이러한 응력분포에 있어서는 상기 소자의 출력감도상 가장 효과적인 위치는 πt가 부(負)의 값일지라도 엷은데의 단부 근방에 있는 것은 제1도에 의해 명백하다. 또한 후술하는 실시예(1)에서 설명하는 바와같이, 입력압력에 대한 브리지출력감도를 최대로 하기 위해서는 상기 엷은데 상면의 증강강체부 근방과 주변의 고정부 근방에 각기 두개씩 피에조저항소자를 형성하고, 이것들로 브리지회로를 구성토록 하는 것이 바람직하다.By the way, the stress distribution on the top of the distortion part (thin) top surface is as shown in FIG. In this stress distribution, it is evident from FIG. 1 that the most effective position in the output sensitivity of the device is near the thin end, even though? T is a negative value. In addition, as described in Example (1) to be described later, in order to maximize the bridge output sensitivity with respect to the input pressure, two piezoresistive elements are formed in the vicinity of the reinforcement rigid part of the thin surface and in the vicinity of the fixed part of the periphery. It is desirable to form a bridge circuit with these.
한편, 이러한 반도체이어프램형센서의 직선성을 검토하고자, 본 발명자들은 (1)식을 발전시켜서 각 계수의 고차항까지 포함해서 해석하는 동시에, 실험을 한 결과, πt의 비직선성이 πl에 비해 현저하게 나쁘다는 것을 발견했다. 즉, 제8a도에 나타낸 것처럼 πl의 비선형성은 인장응력에서는 대충 0이며, 230MPa의 압력응력에서 1%이다. 한편, 의 비선형성은 제8b도에 나타낸 것처럼 230MPa의 인장응력에서 4.5%, 230MPa의 압축응력에서-3%이며, 양자에 현저한 차이가 있다. 이러한 검토 결과를 고려하면, 상기 다이어프램중심을 지나는 축에 평행으로 피에조저항소자를 배열함으로써, 직선성이 원리적으로 개선될 것이다.On the other hand, in order to examine the linearity of such a semiconductor earpiece-type sensor, the present inventors have developed (1) to include the higher order terms of the coefficients and analyze the same. Found significantly worse than that. That is, as shown in FIG. 8A, the nonlinearity of pi is approximately 0 in tensile stress, and 1% in pressure stress of 230 MPa. On the other hand, the non-linearity of is 4.5% in the tensile stress of 230MPa, -3% in the compressive stress of 230MPa, as shown in Figure 8b, there is a significant difference in both. Considering these findings, the linearity will be improved in principle by arranging the piezoresistor in parallel to the axis passing through the diaphragm center.
또한 본원 발명자들은 다이어프램의 엷은데의 형상과 직선상과의 관계에 대해서 해석 민 실험을 한 결과, 다이어프램 중심에서 엷은데시단(如端) 민 종단까지의 치수비를 0.5이상으로 하고, 이 엷은데의 두께에 대해, 강체부의 두께를 2배이상으로 함으로써, 막응력이 저감되며, 양호한 직선성을 나타낸다는 것을 발견했다.In addition, the inventors of the present invention conducted an analysis of the relationship between the thin shape of the diaphragm and the straight line, and as a result, the dimension ratio from the center of the diaphragm to the thin end of the minor end was 0.5 or more. It was found that the film stress was reduced and exhibited good linearity by making the thickness of the rigid body portion more than twice the thickness of.
제2도는 본원 발명의 반도체 다이어프램센서의 실시예를 나타낸다는 것으로, (a)는 평면도, (b)는 단면도이며, 압력계에 응용한 예를 나타내고 있다. 제2도에 있어서, (11)은 n형 실리콘의 단도체단결정으로 이루어진 다이어프램이며, 예를들면 {100}면의 기판을 사용하여, 고정부(31)로 되는 외주 두꺼운데와 중앙부의 강체부(32)로 되는 중앙 두꺼운데를 제외하고 홈결상부(溝狀欠部)(33)를 알칼리에칭에 의한 이방성가공(異方性加工)에 의해서 형성하고, 그것에 의해 구성된 엷은데를 기왜부(41)로 하고, 이 기왜부(41)의 상면에 피에조저항소자(5)를 P형불순물의 확산에 의해서 형성해 놓았다. 단, 피에조저항소자(5)는 {100}면에 있어서 πl이 최대로 되는 <100>축에 연해서 복수 배열하도록 형성시켰으며, 중앙강체부(32)근방에 피에조저항소자(51),(53)가, 또 의주고정부(31)근방에 피에조저항소자(52), (54)가 각기 형성되어 있다. 그리고 도시한 바와같이 고정부(31), 강체부(32)는 각기동심(同心)의 각변이 평행인 정방형이되도록 구성되어 있고, 또한 고정부(31)와 기왜부(41)및 강체부(32)와 기왜부(41)와의 경계선이 각기 반도체단결정의 결정축<110>과 직각으로 교차하는 직선으로 되도록 구성되어 있다. 그리고 피에조저항소자(51)∼(54)는 상기 경계선이 결정축<110>과 직각으로 교차하는 부분에 결정축과 평행으로 형성시켰으며, 피에조저항소자중, 특성이 좋은 쌍으로 되는 4개의 피에조저항소자(51)∼(54)를 선택하여, 제3도에 나타낸 바와같이 휘이트스톤 브리지회로를 짜고, 차동적(差動的)으로 출력을 얻도록 하는 동시에, 온도영향을 적게하도록 해 놓았다. 제3도에 있어서 (13)은 직류전원, (14)는 출력계기이다.2 shows an embodiment of the semiconductor diaphragm sensor of the present invention, (a) is a plan view, (b) is a sectional view, and shows an example applied to a pressure gauge. In Fig. 2,
제2도에 있어서, (6)은 피에조저항소자(5)의 출력(저항치 변화)을 외부에 꺼내서 상기한 브리지 회로를 짜기 위한 증착전극(蒸着電極)이며, 예를들어 알루미늄을 진공증착한 것이다. (7)은 다이어프램(1)상의 증착전극(6)을 단자전극(8)에 접속하는 리이드선이고, 단자전극(8)은 케이스(10)상에 고착되어 있는 단자판(9)상에 금-파라듐 등의 후막페이스트(厚膜 Paste) 또는 도금법으로 형성되어 있다. 그리고 다이어프램(1)의 고정부(31)는 지지대(12)에 견고하게 접착되어 있다.In Fig. 2, reference numeral 6 denotes a vapor deposition electrode for squeezing the output (change in resistance value) of the
지금, 제2b도의 화살표 방향에서 압력 P을 가하면, 다이어프램(11)은 아래쪽으로 휘며, 기왜부(41)의 면상에는 제1도에 나타낸 바와같은 반응이력 발생한다. 이때 피에조저항소자(51), (53)는 압축응력에 대응해서 저항치가 감소하며, 피에조저항소자(52), (54)는 인장응력에 대응해서 저항치가 증가한다. 따라서, 제3도에 나타낸 브리지회로에서 압력에 대응한 출력전력을 자동적으로 꺼낼수 있다.Now, when the pressure P is applied in the direction of the arrow in FIG. 2B, the
제4도는 제2도에 나타낸 피에조저항소자(51)∼(54)를 확대해서 나타낸 것으로, (a)는 평면도, (b)는 단면도이며, 제5도는 그중의 피에조저항소자(51)를 더욱 확대해서 나타낸 것이다. 이 종류의 센서는 일반적으로 외부에 증폭기를 설치해서 출력신호를 처리하는 것이 보통이다. 이경우, 증폭기로서 사용하고 있는 여러가지 회로소자 등에의 구동용전력을 고려해서, 센서에 소비되는 전력을 적게 억제할 필요가 있다. 그 때문에 증폭기의 사양(仕樣)에 의해서 피에조저항소자의 초기 저항치의 하한이 결정된다. 한편, 확산형피에조저항소자를 제작할 경우, 그것의 초기 저항치는 확산불순물 농도와 피에조저항소자의 형상치수로 결정된다. 그중 불순물 농도는 피에조저항소자의 온도계수를 결정하는 중요한 홱터이며, 그 가장 적절한 값은 센서의 온도특성의 관점에서 결정하는 것이 좋다. 따라서 소정의 저항치를 얻기 위해서는 피에조저항소자의 형상치수를 바꾸도록 하지 않으면 안된다. 그런데 주지하는 바와같이, 저항치는 피에조저항소자의 길이에 비례하며, 폭에 반비례한다. 상기한 바와같이, 증폭기축에서 초기 저항치의 하한이 되어버릴 경우에는, 피에조저항소자의 길이를 길게하고, 폭을 극력작게 할 필요가 생기는 경우가 많다. 그러나, 단순히 피에조저항소자를 길게하면, 제1도에 나타낸 응력분포에서 명백한 것처럼 유효한 응력-저항치 변화의 변환이 얻어지지 않게된다. 또 피에조저항소자의 폭을 작게하는 것은 기술적으로 한계가 있다. 따라서 저항치가 큰 피에조저항소자로 하기 위해서는 서로 평행인 복수의 피에조저항세조(細條)를 형성시켜, 그들을 전기적으로 직렬접속한 구성의 것으로 하는 것이 가장 유효하다. 더구나 제2도에 나타낸 실시예에 의하면, 피에조저항소자(51)∼(54)를 형성시키는 부분의 각각의 경계선이 직선으로 되어 있으므로, 중앙강체부 민 외주고정부가 원형으로 되어있는 것과 비교하며 상기 방법을 채용하는데 적합한 구조로 되어 있다. 그래서 본원 발명에 있어서는 제5도에 나타낸 바와같이, 피에조저항소자(51)를 4개의 서로 평행인 피에조저항(511)∼(514)를 접속도체(15)로 직렬접속함으로써 구성했다. 피에조저항소자(52)∼(54)에 대해서도 마찬가지이다. 그리고 제2도에 나타낸 바와같이, 쌍으로 되는 피에조저항소자(51)∼(54)는 다이어포램(1)상에 완전히 등가적으로 4조(組)를 형성시킬 수 있고, 이러한 4조중에서 센서로서 가장 특성이 좋은 것을 선택해서 사용토록 할수 있으며, 이것에 의해 양산성을 대폭 향상시킬 수 있다.4 is an enlarged view of the
상기한 본 발명의 실시예에 의하면According to the embodiment of the present invention described above
(가) 중앙강체부에 부착된 각형(角形) 다이어프램(11)을 사용하고 있으므로, 저압력렌지까지 직선성이 양호하며, 또한 고감도의 측정이 가능해진다.(A) Since the
(나) 이상적인 탄성특성을 갖는 반도체단결정을 사용하여, 확산에 의해서 피에조저항소자(5)를 형성한 구성의 다이어프램(11)으로 하였으므로, 전체가 일체로 되어 있고, 히스테리시스나 크리이프가 적으며, 또한 안정성이 뛰어난 것으로 할 수 있다.(B) Since the
(다) 브리지회로를 구성하는 4개의 피에조저항소자(51)∼(54)는 IC기술에 의해 한번에 형성할 수 있으며, 특히 기판으로서 실리콘의 {100}면의 기판을 사용하면, 알칼리에칭에 의한 이방성가공이 가능해지기 때문에, 양산성이 향상되며, 또한 온도영향이나 특성의 불균일성을 작은 것으로 할 수 있다.(C) The four
그리고 제6도, 제7도는 다이어프램의 형상을 변화시켰을 경우의 구조도이며, 각기(a)는 단면도, (b)는 평면도이다. 제6도에 있어서는 외주의 고정부(31)의 내외주 민 중앙강체부(32)의 외주가 모두 원형으로 되어 있지만, 고정부(31)와, 기왜부와의 사이의 경계선 민 기왜부(41)와 중앙강체부(32)와의 사이의 경계선중, 반도체결정의 어느 하나의 결정축<110>직각으로 교차하는 부분이 있는 폭만이 직선으로 되도록 직선부(311), (321)가 설치되어 있다. 이와같은 구성의 다이어프램(11)으로 하더라도, 기왜부(41)의 직선부(311),(321) 근방에 각기 제6도에 나타낸 피에조저항소자(51)(54)를 형성시키는 것이 용이하며, 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또 이 경우는 내진성(而震性)이 향상되고, 다이어프램(11)의 수명이 길어진다고 하는 새로운 효과가 있다.6 and 7 are structural diagrams in the case where the shape of the diaphragm is changed, respectively (a) is a sectional view, and (b) is a plan view. In FIG. 6, although the outer periphery of the inner and outer periphery center
제7도에 있어서는 고정부(31)와 중앙강체부(32)를 함께 정방형으로 되도록 다이어프램(11)을 구성해 놓았으며, 이 경우는 기왜부(41)의 길이방향으로 밖에 피에조저항소자(5)를 형성할 수 없지만, 결정축<110>에 직각으로 교차하는 각 경계선의 직선부분이 길게 되어 있으므로, 이 부분의 기왜부(41)의 폭을 좁게 하더라도 다수의 피에조저항세조를 서로 평행으로 형성하여 이들을 직렬접속해서 소정의 저항치의 피에조저항소자로 하는 것이 가능하며, 기왜부(41)의 강체부(32)와 고정부(31)와의 사이의 폭을 좁게하여, 비직선오차를 더욱 작게할 수 있다고 하는 효과가 있다.In FIG. 7, the
또, 실시예에서는 실리콘반도체단결정의{100}면의 기판을 사용하고 있지만, 본원 발명은 이것에 한정되는 것은 아니며, 다른 결정면의 것을 사용해도 좋다. 또, 반도체 결정으로서는 실리콘에 한정되는 것은 아니며, 게르마늄 등의 다른 피에조저항 효과를 갖는 반도체 재료를 사용하도록 해도 좋다. 또, 실시예에서는 압력측정의 경우에 대해서 설명했지만, 중앙강체부(32)에 힘을 가하도록 하면 힘의 측정을 할 수도 있어서 동일한 효과가 있다.In addition, although the board | substrate of the {100} surface of a silicon semiconductor single crystal is used in the Example, this invention is not limited to this, You may use another crystal surface. In addition, the semiconductor crystal is not limited to silicon, and a semiconductor material having another piezoresistive effect such as germanium may be used. Moreover, although the case of pressure measurement was demonstrated in the Example, when a force is applied to the central
이상 설명한 바와같이 본원 발명에 의하면 힘 또는 압력을 저렌지까지 감도이고 또한 양호한 직선성을 갖게하여 측정할 수 있다고 하는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, there is an effect that the force or the pressure can be measured up to a low range with sensitivity and good linearity.
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1981
- 1981-03-16 KR KR1019810000846A patent/KR840001795B1/en active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR830005726A (en) | 1983-09-09 |
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