JPH05343705A - Ｓｏｉ基板を用いた圧力センサ - Google Patents
Ｓｏｉ基板を用いた圧力センサInfo
- Publication number
- JPH05343705A JPH05343705A JP14461592A JP14461592A JPH05343705A JP H05343705 A JPH05343705 A JP H05343705A JP 14461592 A JP14461592 A JP 14461592A JP 14461592 A JP14461592 A JP 14461592A JP H05343705 A JPH05343705 A JP H05343705A
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- Japan
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- diaphragm
- pressure sensor
- soi substrate
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 ２５０〜３００℃程度の高温領域下において
も使用可能とし，温度特性の改善をはかる。 【構成】 ＳＯＩ基板の厚肉側のＳｉを異方性エツチン
グしＳｉ，ＳｉＯ2，Ｓｉ構造として形成された矩形状
のダイアフラムと，前記ダイアフラムの薄肉部のＳｉ側
で，かつ，ダイアフラム上の少なくとも一辺の中央近傍
に形成された歪ゲージとからなるＳＯＩ基板を用いた圧
力センサにおいて，前記ダイアフラム上の歪みゲージ部
分を除く薄肉部のＳｉ層を除去する。
も使用可能とし，温度特性の改善をはかる。 【構成】 ＳＯＩ基板の厚肉側のＳｉを異方性エツチン
グしＳｉ，ＳｉＯ2，Ｓｉ構造として形成された矩形状
のダイアフラムと，前記ダイアフラムの薄肉部のＳｉ側
で，かつ，ダイアフラム上の少なくとも一辺の中央近傍
に形成された歪ゲージとからなるＳＯＩ基板を用いた圧
力センサにおいて，前記ダイアフラム上の歪みゲージ部
分を除く薄肉部のＳｉ層を除去する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は，半導体基板に形成した
ダイアフラムと，そのダイアフラム上に歪みゲージを形
成してダイアフラムに印加される圧力を測定する構成の
圧力センサに関し，特に，例えば２５０〜３００℃程度
の高温領域下においても使用可能な圧力センサに関する
ものである。
ダイアフラムと，そのダイアフラム上に歪みゲージを形
成してダイアフラムに印加される圧力を測定する構成の
圧力センサに関し，特に，例えば２５０〜３００℃程度
の高温領域下においても使用可能な圧力センサに関する
ものである。
【０００２】
【従来の技術】一般にシリコンを用いた圧力センサにお
いては圧力検出素子としてｐｎ接合により絶縁されたピ
エゾ抵抗素子が用いられる。しかしながら，ｐｎ接合の
有効性はセンサの温度が上昇するにつれて減少する。即
ち１２５℃〜１７５℃以上になるとその接合面は絶縁性
が低下するという問題があった。このため，従来，高温
用としてはＳＯＩ基板（Ｓｉ基板上にＳｉＯ2層を挟ん
でＳｉ層が形成された基板）が使用されている。
いては圧力検出素子としてｐｎ接合により絶縁されたピ
エゾ抵抗素子が用いられる。しかしながら，ｐｎ接合の
有効性はセンサの温度が上昇するにつれて減少する。即
ち１２５℃〜１７５℃以上になるとその接合面は絶縁性
が低下するという問題があった。このため，従来，高温
用としてはＳＯＩ基板（Ｓｉ基板上にＳｉＯ2層を挟ん
でＳｉ層が形成された基板）が使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら，ＳＯＩ
基板を用いた場合はダイアフラムはＳｉ，ＳｉＯ2，Ｓ
ｉの３層で形成されることになる。その場合，Ｓｉの熱
膨張係数は２．３×１０ -6／℃，ＳｉＯ2の熱膨張係数
は０．５×１０-6／℃，と大きく異なっているため，酸
化膜層での熱応力が複雑な内部応力となり零点の温度誤
差に大きく影響することが考えられる。本発明は上記従
来技術の問題点を解決するために成されたもので，ＳＯ
Ｉ構造の基板を用いながら温度特性の安定した圧力セン
サを提供することを目的とする。
基板を用いた場合はダイアフラムはＳｉ，ＳｉＯ2，Ｓ
ｉの３層で形成されることになる。その場合，Ｓｉの熱
膨張係数は２．３×１０ -6／℃，ＳｉＯ2の熱膨張係数
は０．５×１０-6／℃，と大きく異なっているため，酸
化膜層での熱応力が複雑な内部応力となり零点の温度誤
差に大きく影響することが考えられる。本発明は上記従
来技術の問題点を解決するために成されたもので，ＳＯ
Ｉ構造の基板を用いながら温度特性の安定した圧力セン
サを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は，ＳＯＩ基板の厚肉側のＳｉを異方性エツチ
ングしＳｉ，ＳｉＯ2，Ｓｉ構造として形成された矩形
状のダイアフラムと，前記ダイアフラムの薄肉部のＳｉ
側で，かつ，ダイアフラム上の少なくとも一辺の中央近
傍に形成された歪ゲージとからなるＳＯＩ基板を用いた
圧力センサにおいて，前記ダイアフラム上の歪みゲージ
部分を除く薄肉部のＳｉ層を除去したことを特徴とする
ものである。
に本発明は，ＳＯＩ基板の厚肉側のＳｉを異方性エツチ
ングしＳｉ，ＳｉＯ2，Ｓｉ構造として形成された矩形
状のダイアフラムと，前記ダイアフラムの薄肉部のＳｉ
側で，かつ，ダイアフラム上の少なくとも一辺の中央近
傍に形成された歪ゲージとからなるＳＯＩ基板を用いた
圧力センサにおいて，前記ダイアフラム上の歪みゲージ
部分を除く薄肉部のＳｉ層を除去したことを特徴とする
ものである。
【０００５】
【作用】ＳＯＩ基板を用いた矩形状のダイアフラムを有
する圧力センサにおいては，ダイアフラムの絶縁層上の
Ｓｉのみを除いた構成が，何も除かない場合やＳｉおよ
びＳｉＯ2層まで除いた場合に比較して温度特性がすぐ
れている。
する圧力センサにおいては，ダイアフラムの絶縁層上の
Ｓｉのみを除いた構成が，何も除かない場合やＳｉおよ
びＳｉＯ2層まで除いた場合に比較して温度特性がすぐ
れている。
【０００６】
【実施例】以下図面を用いて本発明を説明する。図１,
図２は本発明の一実施例を示す構成図であり，図１は平
面図，図２は図１のＡ−Ａ’断面図である。これらの図
において，１は不純物濃度〜１０14程度で厚さ０．５ｍ
ｍ程度のｐ形Ｓｉ基板であり，この基板上に厚さ１μｍ
程度のＳｉＯ2層１ａおよび基板１同程度の濃度で厚さ
１μｍ程度のＳｉ層１ｂが積層されている。２は異方性
エッチングにより形成された空洞で，この空洞により基
板表面にダイアフラム３を形成している。なお，エッチ
ング後の基板Ｓｉの厚さは２５μｍ程度でこの上にＳｉ
Ｏ2層１ａおよびＳｉ層１ｂを有することになる。
図２は本発明の一実施例を示す構成図であり，図１は平
面図，図２は図１のＡ−Ａ’断面図である。これらの図
において，１は不純物濃度〜１０14程度で厚さ０．５ｍ
ｍ程度のｐ形Ｓｉ基板であり，この基板上に厚さ１μｍ
程度のＳｉＯ2層１ａおよび基板１同程度の濃度で厚さ
１μｍ程度のＳｉ層１ｂが積層されている。２は異方性
エッチングにより形成された空洞で，この空洞により基
板表面にダイアフラム３を形成している。なお，エッチ
ング後の基板Ｓｉの厚さは２５μｍ程度でこの上にＳｉ
Ｏ2層１ａおよびＳｉ層１ｂを有することになる。
【０００７】５はＳｉＯ2（１ａ）上に形成された歪ゲ
ージであり，Ｓｉ単結晶に所定の濃度の不純物（例えば
１０16〜１０18ｃｍ-3程度）のｐ+層を注入して形成さ
れている。６は歪ゲージ５に接して形成された高濃度不
純物（例えば１０20ｃｍ-3程度）拡散層からなるｐ+ゲ
ージリード，８はゲージリードの一端に接して形成され
た例えばＡｕ／Ｗ系からなる耐熱配線層である。
ージであり，Ｓｉ単結晶に所定の濃度の不純物（例えば
１０16〜１０18ｃｍ-3程度）のｐ+層を注入して形成さ
れている。６は歪ゲージ５に接して形成された高濃度不
純物（例えば１０20ｃｍ-3程度）拡散層からなるｐ+ゲ
ージリード，８はゲージリードの一端に接して形成され
た例えばＡｕ／Ｗ系からなる耐熱配線層である。
【０００８】図２において，２ａで示す部分はダイアフ
ラムの一辺であるが，本発明においてはダイアフラム３
上のＳｉＯ2層１ａは残し，２ｂで示す歪みゲージ部分
を除く薄肉部のＳｉ層１ｂを除去している。なお，図１
において，イ，ロ，ハに示す歪ゲージおよびゲージリー
ドはダミーとして形成したもので，本願の本質を示すも
のではない。
ラムの一辺であるが，本発明においてはダイアフラム３
上のＳｉＯ2層１ａは残し，２ｂで示す歪みゲージ部分
を除く薄肉部のＳｉ層１ｂを除去している。なお，図１
において，イ，ロ，ハに示す歪ゲージおよびゲージリー
ドはダミーとして形成したもので，本願の本質を示すも
のではない。
【０００９】上記の構成において，ダイアフラムに圧力
が印加されるとダイアフラムが変位するが，その応力に
関連して変化する歪ゲージの抵抗値の変化を検出する。
上記構成の圧力センサは公知の半導体技術を用いて製作
可能である。図３は発明者等が試作した矩形状の圧力セ
ンサに２０℃の室温で２ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力を印加し
た場合と印加しない場合のダイアフラム上の位置と剪断
応力の関係を示すものである。
が印加されるとダイアフラムが変位するが，その応力に
関連して変化する歪ゲージの抵抗値の変化を検出する。
上記構成の圧力センサは公知の半導体技術を用いて製作
可能である。図３は発明者等が試作した矩形状の圧力セ
ンサに２０℃の室温で２ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力を印加し
た場合と印加しない場合のダイアフラム上の位置と剪断
応力の関係を示すものである。
【００１０】図によれば，ダイアフラムが３層構造とな
っているため，ダイアフラムの端部付近の応力の振舞い
は大変複雑である。また，周囲温度の変化に対しても，
ＳｉとＳｉＯ2層の間の熱膨張の違いから応力が発生
し，同様の現象が起こると予想される。この応力は歪み
ゲージの位置に非常に敏感で温度特性悪化の原因となっ
ている。そしてこの様な圧力センサを高温下で高精度に
動作させる場合温度補償をする必要があるが，あまり複
雑な補償は難しいという制約がある。従ってより線形な
特性を実現し温度誤差の絶対値を小さくすることが求め
られている。
っているため，ダイアフラムの端部付近の応力の振舞い
は大変複雑である。また，周囲温度の変化に対しても，
ＳｉとＳｉＯ2層の間の熱膨張の違いから応力が発生
し，同様の現象が起こると予想される。この応力は歪み
ゲージの位置に非常に敏感で温度特性悪化の原因となっ
ている。そしてこの様な圧力センサを高温下で高精度に
動作させる場合温度補償をする必要があるが，あまり複
雑な補償は難しいという制約がある。従ってより線形な
特性を実現し温度誤差の絶対値を小さくすることが求め
られている。
【００１１】図４は温度特性の安定を得るためにダイア
フラム上Ｓｉ（１ｂ）を除去した状態を示す図，図５は
同じくダイアフラム上のＳｉ（１ｂ）およびＳｉＯ
2（１ａ）を除去した状態を示すものである。図６，図
７は上記図４，図５に示す圧力センサの零点の温度変化
に対する変化率を測定した結果を示すものである。な
お，ここでいう零点とは圧力零における出力（オフセッ
ト）であり，この零点における出力を基準とし，この基
準出力に対する温度上昇による出力の変化を変化率で示
している。
フラム上Ｓｉ（１ｂ）を除去した状態を示す図，図５は
同じくダイアフラム上のＳｉ（１ｂ）およびＳｉＯ
2（１ａ）を除去した状態を示すものである。図６，図
７は上記図４，図５に示す圧力センサの零点の温度変化
に対する変化率を測定した結果を示すものである。な
お，ここでいう零点とは圧力零における出力（オフセッ
ト）であり，この零点における出力を基準とし，この基
準出力に対する温度上昇による出力の変化を変化率で示
している。
【００１２】これらの図において印はダイアフラム部分
がＳＯＩ構造のままのもの，△印はダイアフラム部分の
Ｓｉ（１ｂ）層のみを除去したもの，□印はダイアフラ
ム部分のＳｉ（１ｂ）層およびＳｉＯ2（１ａ）を除去
したものである。これらの図によれば，ＳＯＩ構造
（印）のものは振舞いが非線形であり，また，Ｓｉ層お
よびＳｉＯ2の両方を除去したものは振舞いは線形であ
るが温度係数が非常に大きい。これらに比較してＳｉの
みを除去したものは振舞いも線形であり，温度係数も比
較的小さいことがわかる。
がＳＯＩ構造のままのもの，△印はダイアフラム部分の
Ｓｉ（１ｂ）層のみを除去したもの，□印はダイアフラ
ム部分のＳｉ（１ｂ）層およびＳｉＯ2（１ａ）を除去
したものである。これらの図によれば，ＳＯＩ構造
（印）のものは振舞いが非線形であり，また，Ｓｉ層お
よびＳｉＯ2の両方を除去したものは振舞いは線形であ
るが温度係数が非常に大きい。これらに比較してＳｉの
みを除去したものは振舞いも線形であり，温度係数も比
較的小さいことがわかる。
【００１３】図８は上記３種類のセンサを複数個作製
し，その複数のセンササンプルについて周囲温度を２０
〜２８０℃の間で変化させた時のオフセット電圧とその
温度係数をプロットしたものである。図によれば，Ｓｉ
のみを取り除いた構造のもの（図中の△印）はＳｉ層お
よびＳｉＯ2を除去したものに比較してオフセットの温
度係数が小さくなっている。なお，ダイアフラム部分が
ＳＯＩ構造のままの印のものは温度係数の絶対値を見た
場合Ｓｉのみを取り除いた構造の△印のものとあまり変
わらないが，この構造のものは図７に示した様に温度変
化に対する変化率の振舞いが非線形なのでＳｉ（１ｂ）
層のみを除去したものが総合的に優れている。なお，上
記実施例においては具体的寸法をあげて説明したが実施
例に限ることなく設計可能である。
し，その複数のセンササンプルについて周囲温度を２０
〜２８０℃の間で変化させた時のオフセット電圧とその
温度係数をプロットしたものである。図によれば，Ｓｉ
のみを取り除いた構造のもの（図中の△印）はＳｉ層お
よびＳｉＯ2を除去したものに比較してオフセットの温
度係数が小さくなっている。なお，ダイアフラム部分が
ＳＯＩ構造のままの印のものは温度係数の絶対値を見た
場合Ｓｉのみを取り除いた構造の△印のものとあまり変
わらないが，この構造のものは図７に示した様に温度変
化に対する変化率の振舞いが非線形なのでＳｉ（１ｂ）
層のみを除去したものが総合的に優れている。なお，上
記実施例においては具体的寸法をあげて説明したが実施
例に限ることなく設計可能である。
【００１４】
【発明の効果】以上実施例とともに具体的に説明したよ
うに本発明の圧力センサによれば，歪ゲージ部分にｐｎ
接合を用いていないので２５０〜３００℃程度の高温領
域下においても使用可能で，温度特性の安定した圧力セ
ンサを実現することができる。更に圧力センサの形成に
際しては半導体製造技術が使用できるので細かいパター
ンの形成も可能である。
うに本発明の圧力センサによれば，歪ゲージ部分にｐｎ
接合を用いていないので２５０〜３００℃程度の高温領
域下においても使用可能で，温度特性の安定した圧力セ
ンサを実現することができる。更に圧力センサの形成に
際しては半導体製造技術が使用できるので細かいパター
ンの形成も可能である。
【図１】本発明の圧力センサの一実施例を示す平面図で
ある。
ある。
【図２】図１のＡーＡ’断面図である。
【図３】ダイアフラムをＳＯＩ構造とした圧力センサの
ダイアフラム上の位置と剪断応力の関係を示す図であ
る。
ダイアフラム上の位置と剪断応力の関係を示す図であ
る。
【図４】ダイアフラム上のＳｉを除去した状態を示す図
である。
である。
【図５】ダイアフラム上のＳｉおよびＳｉＯ2を除去し
た状態を示す図である。
た状態を示す図である。
【図６】圧力センサの零点の温度変化に対する変化率を
測定した結果を示す図である。
測定した結果を示す図である。
【図７】圧力センサの零点の温度変化に対する変化率を
測定した結果を示す図である。
測定した結果を示す図である。
【図８】３種類のセンサを複数個作製し，その複数のセ
ンササンプルについて温度零誤差と温度スパン誤差の関
係をプロットした図である。
ンササンプルについて温度零誤差と温度スパン誤差の関
係をプロットした図である。
１ Ｓｉ基板 ２ 空洞 ３ ダイアフラム ５ 歪ゲージ ６ ゲージリード ８ 耐熱配線層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 稲村 功 東京都武蔵野市中町２丁目９番32号 横河 電機株式会社内 (72)発明者 鈴木 良孝 東京都武蔵野市中町２丁目９番32号 横河 電機株式会社内
Claims (1)
- 【請求項１】 ＳＯＩ基板の厚肉側のＳｉを異方性エツ
チングしＳｉ，ＳｉＯ2，Ｓｉ構造として形成された矩
形状のダイアフラムと，前記ダイアフラムの薄肉部のＳ
ｉ側で，かつ，ダイアフラム上の少なくとも一辺の中央
近傍に形成された歪ゲージとからなるＳＯＩ基板を用い
た圧力センサにおいて，前記ダイアフラム上の歪みゲー
ジ部分を除く薄肉部のＳｉ層を除去したことを特徴とす
る圧力センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14461592A JPH05343705A (ja) | 1992-06-04 | 1992-06-04 | Ｓｏｉ基板を用いた圧力センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14461592A JPH05343705A (ja) | 1992-06-04 | 1992-06-04 | Ｓｏｉ基板を用いた圧力センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05343705A true JPH05343705A (ja) | 1993-12-24 |
Family
ID=15366155
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14461592A Pending JPH05343705A (ja) | 1992-06-04 | 1992-06-04 | Ｓｏｉ基板を用いた圧力センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05343705A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6718824B2 (en) | 2000-12-20 | 2004-04-13 | Nippon Soken, Inc. | Semiconductor dynamic quantity detecting sensor and manufacturing method of the same |
| JP2006145462A (ja) * | 2004-11-24 | 2006-06-08 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 圧力センサ |
| US7644623B2 (en) | 2007-01-30 | 2010-01-12 | Denso Corporation | Semiconductor sensor for measuring a physical quantity and method of manufacturing the same |
| US7926354B2 (en) | 2009-03-24 | 2011-04-19 | Mitsubishi Electric Corporation | Semiconductor pressure sensor and method of producing the same |
-
1992
- 1992-06-04 JP JP14461592A patent/JPH05343705A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6718824B2 (en) | 2000-12-20 | 2004-04-13 | Nippon Soken, Inc. | Semiconductor dynamic quantity detecting sensor and manufacturing method of the same |
| JP2006145462A (ja) * | 2004-11-24 | 2006-06-08 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 圧力センサ |
| US7644623B2 (en) | 2007-01-30 | 2010-01-12 | Denso Corporation | Semiconductor sensor for measuring a physical quantity and method of manufacturing the same |
| DE102008000128B4 (de) * | 2007-01-30 | 2013-01-03 | Denso Corporation | Halbleitersensorvorrichtung und deren Herstellungsverfahren |
| US7926354B2 (en) | 2009-03-24 | 2011-04-19 | Mitsubishi Electric Corporation | Semiconductor pressure sensor and method of producing the same |
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