JP3140033B2 - 半導体装置 - Google Patents
半導体装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は半導体装置に関し、主に、車両搭載用として
広い温度領域において使用される半導体式圧力センサあ
るいは加速度センサ等の半導体歪センサに関する。
広い温度領域において使用される半導体式圧力センサあ
るいは加速度センサ等の半導体歪センサに関する。
[従来の技術] 半導体歪センサの一種である半導体式圧力センサは、
例えば車両エンジンの吸気管圧力の検出に用いられ、燃
料噴射量の制御等に利用されている。半導体式圧力セン
サは、シリコン基板の一部を薄肉の受圧ダイヤフラムと
なし、その上面に歪ゲージ抵抗体を形成した感圧素子を
台座に接合した構造のものが一般的である。ダイヤフラ
ムに圧力が作用すると、歪ゲージの抵抗値が変化し(ピ
エゾ抵抗効果)、圧力に応じた出力信号が得られる。
例えば車両エンジンの吸気管圧力の検出に用いられ、燃
料噴射量の制御等に利用されている。半導体式圧力セン
サは、シリコン基板の一部を薄肉の受圧ダイヤフラムと
なし、その上面に歪ゲージ抵抗体を形成した感圧素子を
台座に接合した構造のものが一般的である。ダイヤフラ
ムに圧力が作用すると、歪ゲージの抵抗値が変化し(ピ
エゾ抵抗効果)、圧力に応じた出力信号が得られる。
感圧素子を支持する台座には、熱膨張係数の差による
熱応力を緩和する目的で、基板材料であるシリコンに比
較的熱膨張係数の近い硼珪酸ガラス系材料を用いること
が多く、通常、シリコン基板に静電接合(陽極接合)に
より接合されている。
熱応力を緩和する目的で、基板材料であるシリコンに比
較的熱膨張係数の近い硼珪酸ガラス系材料を用いること
が多く、通常、シリコン基板に静電接合(陽極接合)に
より接合されている。
[発明が解決しようとする課題] しかしながら、車載用の圧力センサは使用温度領域が
広いため、温度変化に伴い、両者のわずかな熱膨張係数
の差により接合面に熱歪が生ずる。この熱歪はシリコン
基板の厚肉部を伝わってダイヤフラム上の歪ゲージにま
で及び、その出力に影響を及ぼす。つまり、歪ゲージは
歪の大きさにほぼ比例した歪出力信号を出すので、圧力
センサとしては、圧力信号以外の信号成分(以下、オフ
セット電圧と称する)に熱歪信号を含んでしまうことに
なる。
広いため、温度変化に伴い、両者のわずかな熱膨張係数
の差により接合面に熱歪が生ずる。この熱歪はシリコン
基板の厚肉部を伝わってダイヤフラム上の歪ゲージにま
で及び、その出力に影響を及ぼす。つまり、歪ゲージは
歪の大きさにほぼ比例した歪出力信号を出すので、圧力
センサとしては、圧力信号以外の信号成分(以下、オフ
セット電圧と称する)に熱歪信号を含んでしまうことに
なる。
この熱歪の大きさは温度依存性を有し、しかも、温度
に対する変化分が、センサの使用温度領域内で一定でな
い。これはオフセット電圧が温度に対し非直線的に変化
することを意味し、簡単な電子回路では補正が難しいと
いう問題がある。
に対する変化分が、センサの使用温度領域内で一定でな
い。これはオフセット電圧が温度に対し非直線的に変化
することを意味し、簡単な電子回路では補正が難しいと
いう問題がある。
しかして、本発明の目的は主にオフセット電圧の温度
特性を改善し、高精度かつ信頼性の高い半導体装置を提
供することにある。
特性を改善し、高精度かつ信頼性の高い半導体装置を提
供することにある。
[課題を解決するための手段] 上記課題を解決するために、本発明では、シリコン半
導体基板を他の部材に接合してなり、部材を、半導体使
用領域内の温度T[℃]における熱膨張係数α[℃-1]
が、 α=aT+bで示され、かつ 2.4×10-9≦a≦7.2×10-9[℃-2] 1.9×10-6≦b≦3.3×10-6[℃-1] である、シリコン以外の材料で構成してある。
導体基板を他の部材に接合してなり、部材を、半導体使
用領域内の温度T[℃]における熱膨張係数α[℃-1]
が、 α=aT+bで示され、かつ 2.4×10-9≦a≦7.2×10-9[℃-2] 1.9×10-6≦b≦3.3×10-6[℃-1] である、シリコン以外の材料で構成してある。
[作用] シリコンの熱膨張係数αsi[℃-1]は αsi≒a′T+b′ a′≒4.79×10-9[℃-2] b′≒2.56×10-6[℃-1] で表わされる。
本発明では、シリコン半導体基板と接合される他の部
材を、熱膨張係数αがaT+b[℃-1]で表わされ、かつ
a≒a′である材料で構成したので、両者の接合により
生ずる熱歪|εT|は、 |εT|≒|(b−b′)T+εo| となる。つまり、熱歪は温度Tに関する一次式で示さ
れ、温度変化に対し直線的に変化する。従って、半導体
基板より出力を得る場合に熱歪成分の補正が容易にで
き、精度が向上する。
材を、熱膨張係数αがaT+b[℃-1]で表わされ、かつ
a≒a′である材料で構成したので、両者の接合により
生ずる熱歪|εT|は、 |εT|≒|(b−b′)T+εo| となる。つまり、熱歪は温度Tに関する一次式で示さ
れ、温度変化に対し直線的に変化する。従って、半導体
基板より出力を得る場合に熱歪成分の補正が容易にで
き、精度が向上する。
[実施例] 以下、本発明を半導体式圧力センサに適用した例を図
面に基づいて説明する。
面に基づいて説明する。
第1図において、シリコン半導体基板1は、エッチン
グにより中央部を薄肉化してダイヤフラム2となしてあ
り、該ダイヤフラム2の上面には、半導体プロセスによ
り歪ゲージ抵抗体3が形成してある。ここでは歪ゲージ
抵抗体3を、上記ダイヤフラム2上面の所定箇所に不純
物を熱拡散させることによって形成した。この歪ゲージ
抵抗体3は、通常、4本でホイートストンブリッジを組
むか、あるいは2本でハーフブリッジを組むようにな
し、これら歪ゲージ抵抗体3間、および歪ゲージ抵抗体
3とアルミニウム電極7間には熱拡散により抵抗体部を
形成して拡散リード4となしてある。
グにより中央部を薄肉化してダイヤフラム2となしてあ
り、該ダイヤフラム2の上面には、半導体プロセスによ
り歪ゲージ抵抗体3が形成してある。ここでは歪ゲージ
抵抗体3を、上記ダイヤフラム2上面の所定箇所に不純
物を熱拡散させることによって形成した。この歪ゲージ
抵抗体3は、通常、4本でホイートストンブリッジを組
むか、あるいは2本でハーフブリッジを組むようにな
し、これら歪ゲージ抵抗体3間、および歪ゲージ抵抗体
3とアルミニウム電極7間には熱拡散により抵抗体部を
形成して拡散リード4となしてある。
シリコン基板1の表面は、シリコン酸化膜等の保護膜
5で覆われており、該保護膜5の一部に基板1に達する
コンタクト孔6を設けて、その上に上記アルミニウム電
極7を形成してある。このようにして形成される各部を
含む全体を感圧素子11と称する。
5で覆われており、該保護膜5の一部に基板1に達する
コンタクト孔6を設けて、その上に上記アルミニウム電
極7を形成してある。このようにして形成される各部を
含む全体を感圧素子11と称する。
上記感圧素子11は、中央部に圧力導入孔9を設けた台
座8に静電接合される。この台座8の高さは、台座8の
下部に接合される部材による熱歪が感圧素子11の出力に
影響を及ぼさない程度に適宜設定される。
座8に静電接合される。この台座8の高さは、台座8の
下部に接合される部材による熱歪が感圧素子11の出力に
影響を及ぼさない程度に適宜設定される。
台座8を構成する材料としては、シリコンを除き、セ
ンサ使用領域内の温度T[℃]における熱膨張係数α
[℃-1]がα=aT+bで示され、 2.4×10-9≦a≦7.2×10-6[℃-2] 1.9×10-9≦b≦3.3×10-6[℃-1]を満たす各種材料が
好適に使用できる。
ンサ使用領域内の温度T[℃]における熱膨張係数α
[℃-1]がα=aT+bで示され、 2.4×10-9≦a≦7.2×10-6[℃-2] 1.9×10-9≦b≦3.3×10-6[℃-1]を満たす各種材料が
好適に使用できる。
ここで、台座8の材料の熱膨張係数の違いが、シリコ
ンとの接合面における熱歪に及ぼす影響について検討す
る。
ンとの接合面における熱歪に及ぼす影響について検討す
る。
まず、台座8として、従来材であるパイレックス(登
録商標;コーニング社ガラスコード#7740,Na2O−SiO2
−B2O3系ガラス材料)を用い、シリコンと静電接合のよ
うな強固な接合を施した場合の熱歪について検討する。
録商標;コーニング社ガラスコード#7740,Na2O−SiO2
−B2O3系ガラス材料)を用い、シリコンと静電接合のよ
うな強固な接合を施した場合の熱歪について検討する。
このとき熱歪|εT|は下式、 式中、T :温度 To :接合時温度 αp :従来材の熱膨張係数 αsi:シリコンの熱膨張係数 で表わされる。第2図に示されるように、 αp ≒3.21×10-6[℃-1] αsi≒a′T+b′[℃-1] a′≒4.79×10-9[℃-2] b′≒2.56×10-6[℃-1] であるので、 |εT|≒|−2.39×10-9T2 +0.65×10-6T+εo| εo;T=0℃の熱歪 となり、熱歪|εT|は温度依存性を持つ。上式の第1項
は温度Tについての2次成分であり、これが熱歪の温度
依存性の非直線成分を表わしている。一般的には、2次
以上の成分が非直線成分といえ、従って、熱歪の温度依
存性の非直線性をなくすには、このTについての2次以
上の成分がなければよいことがわかる。すなわち、台座
8の材料の熱膨張係数をαとすると、 α=aT+b[℃-1]のとき、a≒a′である材料を選択
すれば、 |εT′|≒|(b−b′)T+εo′| となり、温度依存性の非直線性が改善されることがわか
る。
は温度Tについての2次成分であり、これが熱歪の温度
依存性の非直線成分を表わしている。一般的には、2次
以上の成分が非直線成分といえ、従って、熱歪の温度依
存性の非直線性をなくすには、このTについての2次以
上の成分がなければよいことがわかる。すなわち、台座
8の材料の熱膨張係数をαとすると、 α=aT+b[℃-1]のとき、a≒a′である材料を選択
すれば、 |εT′|≒|(b−b′)T+εo′| となり、温度依存性の非直線性が改善されることがわか
る。
なお、ここで、a=a′かつb=b′ならば両者の熱
膨張係数は完全に一致し、熱歪は生じないが、温度依存
性の非直線性をなくすという本発明の目的を達成するた
めには、a≒a′、つまりTの2次以上の成分がなけれ
ば十分である。
膨張係数は完全に一致し、熱歪は生じないが、温度依存
性の非直線性をなくすという本発明の目的を達成するた
めには、a≒a′、つまりTの2次以上の成分がなけれ
ば十分である。
次に、aおよびbがどの範囲にあれば良好な改善効果
が得られるかを検討する。上記従来材を用いた場合に対
し、温度依存性の非直線性が半減すればよいとすると、 a=a′±0.5|ap−a′|[℃-2] ap:従来材の温度係数≒0 =4.79×10-9[℃-2]±50% =2.4×10-9〜7.2×10-9[℃-2] また、熱歪の大きさを従来材程度におさえようとする
と、T=0℃において、シリコンと従来材の熱膨張係数
の差は約0.7×10-6[℃-1]であるから、 b=b′±0.7×10-6[℃-1] =2.6×10-6±0.7×10-6[℃-1] =1.9×10-6〜3.3×10-6[℃-1] となる。以上より、台座8の材料の熱膨張係数α
[℃-1]が、α=aT+bで示され、 2.4×10-9≦a≦7.2×10-6[℃-2] 1.9×10-9≦b≦3.3×10-6[℃-1] であれば、温度特性の非直線性を改善できることがわか
る。
が得られるかを検討する。上記従来材を用いた場合に対
し、温度依存性の非直線性が半減すればよいとすると、 a=a′±0.5|ap−a′|[℃-2] ap:従来材の温度係数≒0 =4.79×10-9[℃-2]±50% =2.4×10-9〜7.2×10-9[℃-2] また、熱歪の大きさを従来材程度におさえようとする
と、T=0℃において、シリコンと従来材の熱膨張係数
の差は約0.7×10-6[℃-1]であるから、 b=b′±0.7×10-6[℃-1] =2.6×10-6±0.7×10-6[℃-1] =1.9×10-6〜3.3×10-6[℃-1] となる。以上より、台座8の材料の熱膨張係数α
[℃-1]が、α=aT+bで示され、 2.4×10-9≦a≦7.2×10-6[℃-2] 1.9×10-9≦b≦3.3×10-6[℃-1] であれば、温度特性の非直線性を改善できることがわか
る。
続いて、本発明の効果を確認するために、下記第1表
および第2図に示す熱膨張係数α(30℃〜150℃)を有
する試料(実施例1、2)を用いて、検証した。これら
は、静電接合可能で、かつ熱膨張係数の温度依存性の傾
きがシリコンに近い(a≒a′)という条件をあわせも
つように成分調合されたガラス材料である。
および第2図に示す熱膨張係数α(30℃〜150℃)を有
する試料(実施例1、2)を用いて、検証した。これら
は、静電接合可能で、かつ熱膨張係数の温度依存性の傾
きがシリコンに近い(a≒a′)という条件をあわせも
つように成分調合されたガラス材料である。
これら実施例1、2のガラス材料を台座8材料として
用いて、上記第1図の圧力センサを試作した。オフセッ
ト電圧変動量ΔVOFFの温度依存性を測定した結果を第3
図に示す。図に明らかなように、従来材ではオフセット
電圧変動量ΔVOFFが非直線的に変化しているのに対し、
実施例1、2では非直線性がほとんどなく、温度特性が
大幅に改善されていることがわかる。
用いて、上記第1図の圧力センサを試作した。オフセッ
ト電圧変動量ΔVOFFの温度依存性を測定した結果を第3
図に示す。図に明らかなように、従来材ではオフセット
電圧変動量ΔVOFFが非直線的に変化しているのに対し、
実施例1、2では非直線性がほとんどなく、温度特性が
大幅に改善されていることがわかる。
ところで、オフセット電圧変動量の大きさは、シリコ
ンの熱膨張係数に近い実施例1の方が実施例2よりも大
きくなっており、一見矛盾しているかのように見える
が、これは歪ゲート抵抗体3がシリコン酸化膜等で形成
された保護膜5とシリコン基板1との間に生じる熱歪の
影響をも受けているからと考えられる。
ンの熱膨張係数に近い実施例1の方が実施例2よりも大
きくなっており、一見矛盾しているかのように見える
が、これは歪ゲート抵抗体3がシリコン酸化膜等で形成
された保護膜5とシリコン基板1との間に生じる熱歪の
影響をも受けているからと考えられる。
なお、ここでは台座8の材料としてガラス系材料を例
示したが、上記条件を満たすシリコン以外の材料であれ
ば、ガラス系材料に限られない。
示したが、上記条件を満たすシリコン以外の材料であれ
ば、ガラス系材料に限られない。
また、本実施例では圧力センサのシリコン基板1と台
座8との接合について説明したが、接合される部材は台
座に限らず、シリコン基板1と接合されるそれ以外の用
途、役割のものでも同様の効果が得られる。また接合方
法も静電接合(陽極接合)である必要はない。
座8との接合について説明したが、接合される部材は台
座に限らず、シリコン基板1と接合されるそれ以外の用
途、役割のものでも同様の効果が得られる。また接合方
法も静電接合(陽極接合)である必要はない。
上記実施例において、歪ゲート抵抗体3および拡散リ
ード4は熱拡散によって形成したが、それ以外の形成方
法によってもよく、また歪ゲージ抵抗体3はブリッジ回
路を構成している必要はない。さらに台座8は圧力導入
孔9がない構成のものでもよく、保護膜5およびアルミ
ニウム電極6はなくてもよい。
ード4は熱拡散によって形成したが、それ以外の形成方
法によってもよく、また歪ゲージ抵抗体3はブリッジ回
路を構成している必要はない。さらに台座8は圧力導入
孔9がない構成のものでもよく、保護膜5およびアルミ
ニウム電極6はなくてもよい。
上記実施例では圧力センサについて説明したが、本発
明は加速度センサ等、他の半導体装置に適用することも
もちろん可能である。
明は加速度センサ等、他の半導体装置に適用することも
もちろん可能である。
[発明の効果] このように、本発明によれば、シリコン基板に接合さ
れる部材を、熱膨張係数が所定の温度依存性を有する材
料で構成したので、これらの接合面に生じる熱歪が、温
度変化に対し非直線性を有することがない。従って、シ
リコン基板から出力信号を得る場合に温度補正が容易に
でき、センサ精度を著しく向上することができるので、
車両用など広い温度領域で使用される歪センサ等として
有用である。
れる部材を、熱膨張係数が所定の温度依存性を有する材
料で構成したので、これらの接合面に生じる熱歪が、温
度変化に対し非直線性を有することがない。従って、シ
リコン基板から出力信号を得る場合に温度補正が容易に
でき、センサ精度を著しく向上することができるので、
車両用など広い温度領域で使用される歪センサ等として
有用である。
第1図〜第3図は本発明の一実施例を示し、第1図は半
導体式圧力センサの全体断面図、第2図は熱膨張係数の
温度依存性を示す図、第3図はオフセット電圧変動量の
温度依存性を示す図である。 1……シリコン基板 2……ダイヤフラム 3……歪ゲージ抵抗体 8……台座(部材) 11……感圧素子
導体式圧力センサの全体断面図、第2図は熱膨張係数の
温度依存性を示す図、第3図はオフセット電圧変動量の
温度依存性を示す図である。 1……シリコン基板 2……ダイヤフラム 3……歪ゲージ抵抗体 8……台座(部材) 11……感圧素子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡田 寛 愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 日本 電装株式会社内 (56)参考文献 特開 昭59−116146(JP,A)
Claims (3)
- 【請求項1】シリコン半導体基板を他の部材に接合して
なり、上記部材を、半導体装置使用領域内の温度T
[℃]における熱膨張係数α[℃-1]が、 α=aT+bで示され、かつ 2.4×10-9≦a≦7.2×10-9[℃-2] 1.9×10-6≦b≦3.3×10-6[℃-1] である、シリコン以外の材料で構成したことを特徴とす
る半導体装置。 - 【請求項2】前記半導体基板は、凹部と、この凹部によ
って現れた薄肉部と、該薄肉部に形成された歪みゲージ
とを有し、 前記他の部材には、前記凹部に対向する位置に開孔部を
有するものであって、 前記薄肉部の幅が前記開孔部の幅よりも大きいものであ
る請求項1記載の半導体装置。 - 【請求項3】前記半導体基板は、凹部と、この凹部によ
って現れた薄肉部とを有し、 前記他の部材は、開口のない台座であるものである請求
項1記載の半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02234059A JP3140033B2 (ja) | 1990-09-04 | 1990-09-04 | 半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02234059A JP3140033B2 (ja) | 1990-09-04 | 1990-09-04 | 半導体装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04114478A JPH04114478A (ja) | 1992-04-15 |
| JP3140033B2 true JP3140033B2 (ja) | 2001-03-05 |
Family
ID=16964944
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP02234059A Expired - Lifetime JP3140033B2 (ja) | 1990-09-04 | 1990-09-04 | 半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3140033B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06132545A (ja) * | 1992-10-19 | 1994-05-13 | Mitsubishi Electric Corp | 圧力検出装置 |
| US5761957A (en) * | 1996-02-08 | 1998-06-09 | Denso Corporation | Semiconductor pressure sensor that suppresses non-linear temperature characteristics |
| JP2002310831A (ja) * | 2001-04-19 | 2002-10-23 | Denso Corp | 半導体センサ |
| JP2005221453A (ja) | 2004-02-09 | 2005-08-18 | Denso Corp | 圧力センサ |
-
1990
- 1990-09-04 JP JP02234059A patent/JP3140033B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04114478A (ja) | 1992-04-15 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term | ||
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
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