JPH0770737B2 - 圧力センサ - Google Patents
圧力センサInfo
- Publication number
- JPH0770737B2 JPH0770737B2 JP59277369A JP27736984A JPH0770737B2 JP H0770737 B2 JPH0770737 B2 JP H0770737B2 JP 59277369 A JP59277369 A JP 59277369A JP 27736984 A JP27736984 A JP 27736984A JP H0770737 B2 JPH0770737 B2 JP H0770737B2
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- JP
- Japan
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- diaphragm
- pressure
- pressure sensor
- resistance
- sensitivity
- Prior art date
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- Expired - Lifetime
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
- H10D48/00—Individual devices not covered by groups H10D1/00 - H10D44/00
- H10D48/50—Devices controlled by mechanical forces, e.g. pressure
Landscapes
- Pressure Sensors (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、感度ばらつきのない圧力センサの構造に関す
るものである。
るものである。
（従来技術とその問題点） 従来、圧力センサの分野では圧力感度に関して製品間の
ばらつきを低減することが大きな課題であった。当該圧
力感度のばらつきの原因として、（１）ダイアフラムの
膜厚の違い、（２）不純物濃度のばらつき等による各感
圧素子の感度の違い、（３）ダイアフラム上の感圧素子
の位置ずれ等の要因があげられる。近年、電気化学エッ
チング等により、ダイアフラムの膜厚制御が可能とな
り、上記（１）の要因による当該感度ばらつきの低減化
に利用されている。また、半導体製造装置の進歩により
上記（２）の不純物濃度のばらつきを少なくすることも
可能となった。
ばらつきを低減することが大きな課題であった。当該圧
力感度のばらつきの原因として、（１）ダイアフラムの
膜厚の違い、（２）不純物濃度のばらつき等による各感
圧素子の感度の違い、（３）ダイアフラム上の感圧素子
の位置ずれ等の要因があげられる。近年、電気化学エッ
チング等により、ダイアフラムの膜厚制御が可能とな
り、上記（１）の要因による当該感度ばらつきの低減化
に利用されている。また、半導体製造装置の進歩により
上記（２）の不純物濃度のばらつきを少なくすることも
可能となった。
一方、感圧素子の位置決めは、通常、光学顕微鏡を用い
て、技術者が予め刻まれた目印に従って目合せをするこ
とにより行なっている。従がって、多少の位置ずれはこ
れを避けることができない。以下、従来例について図を
あげて説明し、同時にその欠点について述べる。
て、技術者が予め刻まれた目印に従って目合せをするこ
とにより行なっている。従がって、多少の位置ずれはこ
れを避けることができない。以下、従来例について図を
あげて説明し、同時にその欠点について述べる。
第７図は従来の圧力変換器の構成例であり、第８図はダ
イアフラムを上から見た図である。第７図において、拡
散型ひずみゲージ抵抗１の置かれる厚さ均一のダイアフ
ラム13と支持体14により構成されるダイアフラム型圧力
センサ３は、該圧力センサ３の線膨張係数に極めて近い
線膨張係数を有するガラス４（例えばコーニング社製77
40パイレックスガラス）に静電ボンディングによって接
着されている。
イアフラムを上から見た図である。第７図において、拡
散型ひずみゲージ抵抗１の置かれる厚さ均一のダイアフ
ラム13と支持体14により構成されるダイアフラム型圧力
センサ３は、該圧力センサ３の線膨張係数に極めて近い
線膨張係数を有するガラス４（例えばコーニング社製77
40パイレックスガラス）に静電ボンディングによって接
着されている。
さらに当該ガラス４はパッケージ６に金・スズあるいは
金・シリコンの共晶合金５によって接着されている。ま
た、該パッケージ６は、キャップ９によって封止されて
いる。以下に当該圧力変換器の動作原理を記する。圧力
の測定される気体10が導通管８を通して供給され、一方
キャップ９につけられた導通管12を通して参照となる気
体11が供給される。12は大気中に開放される場合もあ
る。圧力センサ３のダイアフラム13には、上面と下面の
気体の圧力の差によりひずみが生じ、ダイアフラム13上
につくられ、ゲージ抵抗により構成されたホイートスト
ンブリッジ回路において、当該ブリッジ回路の出力電圧
変化が検出される。当該ブリッジの励起電圧及び出力電
圧は、金属細線２を介してリード７より入力あるいは出
力第８図のダイアフラム13は通常、シリコンの（100）
面を利用しており、当該ダイアフラムの周辺は＜110＞
方向に向けられている。かかる場合には、ゲージ抵抗１
の抵抗変化率ΔR/Rはピエゾ抵抗効果の関係式を用いて
（１）式のように表わせる。
金・シリコンの共晶合金５によって接着されている。ま
た、該パッケージ６は、キャップ９によって封止されて
いる。以下に当該圧力変換器の動作原理を記する。圧力
の測定される気体10が導通管８を通して供給され、一方
キャップ９につけられた導通管12を通して参照となる気
体11が供給される。12は大気中に開放される場合もあ
る。圧力センサ３のダイアフラム13には、上面と下面の
気体の圧力の差によりひずみが生じ、ダイアフラム13上
につくられ、ゲージ抵抗により構成されたホイートスト
ンブリッジ回路において、当該ブリッジ回路の出力電圧
変化が検出される。当該ブリッジの励起電圧及び出力電
圧は、金属細線２を介してリード７より入力あるいは出
力第８図のダイアフラム13は通常、シリコンの（100）
面を利用しており、当該ダイアフラムの周辺は＜110＞
方向に向けられている。かかる場合には、ゲージ抵抗１
の抵抗変化率ΔR/Rはピエゾ抵抗効果の関係式を用いて
（１）式のように表わせる。
ΔR/R＝πｌσｌ＋πｔσｔ （１） 式中、σｌは抵抗の長さ方向に働く法線応力、σｔは抵
抗の長さ方向と垂直に働く法線応力を表わしており、π
l,πｔはそれぞれの応力にかかる比例定数である。この
ゲージ抵抗１をボロン等の拡散により形成した場合に
は、πl,πｔの間に（２）式の近似がなりたつ。
抗の長さ方向と垂直に働く法線応力を表わしており、π
l,πｔはそれぞれの応力にかかる比例定数である。この
ゲージ抵抗１をボロン等の拡散により形成した場合に
は、πl,πｔの間に（２）式の近似がなりたつ。
πｌ−πｔ （２） 従って、（２）式を用いて（１）式を変形すると ΔR/Rπｌ（σｌ−σｔ） （３） の関係式が得られる。第９図は、（３）式をもとにして
ダイアフラム上面に正の圧力が印加されたとき中心線上
（第８図Ａ−Ａ′）に生じる抵抗変化率の分布を示した
ものである。図中30はゲージ抵抗１のおかれる位置を示
しており、通常、感度が最も大きくなる位置が選ばれ
る。しかし、同図に明らかなように、当該位置30では、
抵抗変化率の位置による変化は特に急である。従って、
従来の構造を持つ圧力センサでは、先に述べたようなゲ
ージ抵抗の位置決めの際に不可避的に生ずる目合せのい
ずれに対して感度が大きく変動し、結局、圧力センサの
感度ばらつきが発生するという欠点があった。
ダイアフラム上面に正の圧力が印加されたとき中心線上
（第８図Ａ−Ａ′）に生じる抵抗変化率の分布を示した
ものである。図中30はゲージ抵抗１のおかれる位置を示
しており、通常、感度が最も大きくなる位置が選ばれ
る。しかし、同図に明らかなように、当該位置30では、
抵抗変化率の位置による変化は特に急である。従って、
従来の構造を持つ圧力センサでは、先に述べたようなゲ
ージ抵抗の位置決めの際に不可避的に生ずる目合せのい
ずれに対して感度が大きく変動し、結局、圧力センサの
感度ばらつきが発生するという欠点があった。
（発明の目的） 本発明の目的は、上記従来技術の欠点を除去せしめて、
感度ばらつきの少ない圧力センサの構造を提供すること
にある。
感度ばらつきの少ない圧力センサの構造を提供すること
にある。
（発明の構成） 上記目的を達成するために、本発明は、印加した圧力に
応答する感圧素子と、前記感圧素子が置かれ（100）方
向に主面がある正方形のシリコンからなるダイアフラム
と、前記ダイアフラムの周囲を固定する支持体とを備え
たシリコン圧力センサにおいて、一辺に平行な方向にお
いて中央部を周辺部よりも厚くし、かつ、他の一辺に平
行な方向において厚さが周辺部と中央部がともに均一な
形状になるように前記ダイアフラムを構成し、前記ダイ
アフラムの中央部に前記感圧素子を少なくとも一個置い
たのである。
応答する感圧素子と、前記感圧素子が置かれ（100）方
向に主面がある正方形のシリコンからなるダイアフラム
と、前記ダイアフラムの周囲を固定する支持体とを備え
たシリコン圧力センサにおいて、一辺に平行な方向にお
いて中央部を周辺部よりも厚くし、かつ、他の一辺に平
行な方向において厚さが周辺部と中央部がともに均一な
形状になるように前記ダイアフラムを構成し、前記ダイ
アフラムの中央部に前記感圧素子を少なくとも一個置い
たのである。
（実施例） 本発明は、上述の構成をとることにより従来技術の問題
点を解決した。以下、本発明について実施例を示す図面
を参照して説明する。
点を解決した。以下、本発明について実施例を示す図面
を参照して説明する。
第１図および第２図は、本発明の一実施例を示す図で、
第２図は第１図のシリコンダイアフラム40を上から見た
平面図である。これらの図において、第７図および第８
図と同一番号は同一構成要素を示している。第１図と従
来例の第７図とはダイアフラム40の構造の違いを除いて
ほぼ同一構成であり、以下当該ダイアフラム40について
説明を行ない、他の要素についてはこれを省く。
第２図は第１図のシリコンダイアフラム40を上から見た
平面図である。これらの図において、第７図および第８
図と同一番号は同一構成要素を示している。第１図と従
来例の第７図とはダイアフラム40の構造の違いを除いて
ほぼ同一構成であり、以下当該ダイアフラム40について
説明を行ない、他の要素についてはこれを省く。
ダイアフラム40では中央部42は厚さが周辺部41の２倍あ
り、ゲージ抵抗１は当該中央部42におかれている。ま
た、当該ゲージ抵抗１は第２図に示すように互いに垂直
な方向をなす二種類の方向に配置され、ブリッジ回路を
構成する（図示せず）。
り、ゲージ抵抗１は当該中央部42におかれている。ま
た、当該ゲージ抵抗１は第２図に示すように互いに垂直
な方向をなす二種類の方向に配置され、ブリッジ回路を
構成する（図示せず）。
ダイアフラム40を作製するには、例えば第一のマスクを
支持体14の下面に用いてパターニングし、これをSiO2等
により保護した後、エッチングにより中央部42を作り、
続いて第二のマスクを支持体14および中央部42の下面に
用いて周辺部41を作製するという方法を用いると良い。
なお、当該エッチングを行なう際には、ダイアフラム40
の上面を常に保護して当該エッチングを受けないように
しなれけばいけない。また、当該エッチングの技術とし
て、化学エッチング、放電加工等を用いることができ
る。
支持体14の下面に用いてパターニングし、これをSiO2等
により保護した後、エッチングにより中央部42を作り、
続いて第二のマスクを支持体14および中央部42の下面に
用いて周辺部41を作製するという方法を用いると良い。
なお、当該エッチングを行なう際には、ダイアフラム40
の上面を常に保護して当該エッチングを受けないように
しなれけばいけない。また、当該エッチングの技術とし
て、化学エッチング、放電加工等を用いることができ
る。
第３図は、圧力が印加された際にダイアフラム40の中心
線上（第２図Ａ−Ａ′）に生じた応力により、当該エー
ジ抵抗１で抵抗の長さ方向が中心線と垂直な方向をもつ
抵抗の抵抗変化率を位置に対して示したものである。図
中60は、感圧素子で例えばゲージ抵抗１の置かれる位置
を示している。同図は、従来例の第９図と異なり、当該
感圧素子の置かれる位置で感度の位置に対する変化が著
しく小さい。従がって、本実施例の構造をもつ圧力セン
サでは、当該感圧素子の位置ずれにより生ずる感度ばら
つきを低減することが可能である。
線上（第２図Ａ−Ａ′）に生じた応力により、当該エー
ジ抵抗１で抵抗の長さ方向が中心線と垂直な方向をもつ
抵抗の抵抗変化率を位置に対して示したものである。図
中60は、感圧素子で例えばゲージ抵抗１の置かれる位置
を示している。同図は、従来例の第９図と異なり、当該
感圧素子の置かれる位置で感度の位置に対する変化が著
しく小さい。従がって、本実施例の構造をもつ圧力セン
サでは、当該感圧素子の位置ずれにより生ずる感度ばら
つきを低減することが可能である。
（実施例２〜５） 第４図（ａ）〜（ｄ）に前記第１図の圧力センサ３の他
の実施例を示す。図において、第１図と同一番号は同一
構成要素を示している。本実施例において、ダイアフラ
ム40の中央部42の形状が、同図（ａ）では中央が厚いテ
ーパに、同図（ｂ）では周辺が厚いテーパ形状になって
いる。また、同図（ｃ）では、中央部42が二段の階段形
状により形成されている。同図（ｄ）では、中央部42よ
り漸次周辺に薄いテーパにより当該ダイアフラム40が形
成されている。Siダイアフラムならば異方性エッチング
でこのテーパを形成できる。また放電加工でもよい。上
記の実施例の他に、当該中央部42が、二段以上の段階形
状あるいはテーパからなる構成を持っても良い。また、
上記階段形状とテーパおよび同図（ｄ）等を任意に組み
合せた構成も本発明に含まれる。
の実施例を示す。図において、第１図と同一番号は同一
構成要素を示している。本実施例において、ダイアフラ
ム40の中央部42の形状が、同図（ａ）では中央が厚いテ
ーパに、同図（ｂ）では周辺が厚いテーパ形状になって
いる。また、同図（ｃ）では、中央部42が二段の階段形
状により形成されている。同図（ｄ）では、中央部42よ
り漸次周辺に薄いテーパにより当該ダイアフラム40が形
成されている。Siダイアフラムならば異方性エッチング
でこのテーパを形成できる。また放電加工でもよい。上
記の実施例の他に、当該中央部42が、二段以上の段階形
状あるいはテーパからなる構成を持っても良い。また、
上記階段形状とテーパおよび同図（ｄ）等を任意に組み
合せた構成も本発明に含まれる。
（実施例６〜８） 第５〜６図は本発明の他の実施例を示す図である。図に
おいて、第１図と同一番号は同一構成要素を示してい
る。
おいて、第１図と同一番号は同一構成要素を示してい
る。
第5,6図の実施例は、ゲージ抵抗１を薄肉の周辺部41に
も置いたことを特徴とする圧力センサの実施例であり、
前者ではゲージ抵抗１がダイアフラム40の辺近くに置か
れている。後者では、ゲージ抵抗１をダイアフラム40の
中央近くに配置している。後者の場合、第３図に明らか
なように周辺部41におかれた抵抗の抵抗値変化率の値は
中央部42に置かれたゲージ抵抗１と反対の符号をもつ。
また、位置による抵抗変化率の値の変化が小さく、抵抗
位置の目合せずれによる影響が小さい。
も置いたことを特徴とする圧力センサの実施例であり、
前者ではゲージ抵抗１がダイアフラム40の辺近くに置か
れている。後者では、ゲージ抵抗１をダイアフラム40の
中央近くに配置している。後者の場合、第３図に明らか
なように周辺部41におかれた抵抗の抵抗値変化率の値は
中央部42に置かれたゲージ抵抗１と反対の符号をもつ。
また、位置による抵抗変化率の値の変化が小さく、抵抗
位置の目合せずれによる影響が小さい。
以上、本発明について例を挙げ詳細な説明を行なった。
なお、本発明の構成は、前記実施例第１図のダイアフラ
ム40（周辺部41と中央部42を含む）を除く他の構成要素
について何ら制限されず、通常用いられる全ての構成が
本発明に含まれる。
なお、本発明の構成は、前記実施例第１図のダイアフラ
ム40（周辺部41と中央部42を含む）を除く他の構成要素
について何ら制限されず、通常用いられる全ての構成が
本発明に含まれる。
また、シリコン等半導体よりなる前記ダイアフラムの表
面をシリコン等の酸化膜、窒化膜等で保護した構成、及
び、該表面上に周辺回路を形成した構成も本発明に含ま
れる。
面をシリコン等の酸化膜、窒化膜等で保護した構成、及
び、該表面上に周辺回路を形成した構成も本発明に含ま
れる。
なお、上記実施例において中央部の領域および厚さを大
きくする程、当該ゲージ抵抗に働く応力の分布は緩やか
になり、従がって、感度ばらつきが減少する。しかし、
この場合には、同時に当該応力の絶対値が減少すること
により、感度が小さくなる。従って、圧力センサを設計
する際には、以上の効果を考慮して、感度および感度ば
らつきを最適にするようにダイアフラム中央部の寸法を
決めなければならない。
きくする程、当該ゲージ抵抗に働く応力の分布は緩やか
になり、従がって、感度ばらつきが減少する。しかし、
この場合には、同時に当該応力の絶対値が減少すること
により、感度が小さくなる。従って、圧力センサを設計
する際には、以上の効果を考慮して、感度および感度ば
らつきを最適にするようにダイアフラム中央部の寸法を
決めなければならない。
（発明の効果） 以上、本発明の構成をとることにより、感度ばらつきの
少ない圧力センサを供給することが可能となった。本発
明による品質の向上および製造コストを低減することの
できる効果は大きいものである。
少ない圧力センサを供給することが可能となった。本発
明による品質の向上および製造コストを低減することの
できる効果は大きいものである。
第１図は、本発明の実施例の断面の構成を示す図であ
り、第２図は、第１図のダイアフラム40を上から見た平
面図である。また、第３図は、第２図Ａ−Ａ′に沿って
生じる本発明の実施例による抵抗変化率の分布を示す図
である。第４図（ａ）〜（ｄ）は、第１図の圧力センサ
３の他の実施例の構成を示す図であり、第２図のＡ−
Ａ′に沿って切った図である。第５図および第６図は、
第１図のダイアフラム40の構成を示す他の実施例の平面
図である。第７図、第８図は、従来の圧力変換器の構成
を示す図であり、第９図は、第８図のＡ−Ａ′に沿って
生ずる抵抗変化率の値を示す図である。 １……ゲージ抵抗、２……金属細線、 ３……圧力センサ、４……ガラス、 ５……金・スズ等の共晶合金、 ６……パッケージ、７……リード、 8,12……導通管、９……キャップ、 10,11……気体、13……ダイアフラム、 14……支持体、 30,60……ゲージ抵抗の置かれる位置、 40……ダイアフラム、41……周辺部、 42……中央部、80……くびれ
り、第２図は、第１図のダイアフラム40を上から見た平
面図である。また、第３図は、第２図Ａ−Ａ′に沿って
生じる本発明の実施例による抵抗変化率の分布を示す図
である。第４図（ａ）〜（ｄ）は、第１図の圧力センサ
３の他の実施例の構成を示す図であり、第２図のＡ−
Ａ′に沿って切った図である。第５図および第６図は、
第１図のダイアフラム40の構成を示す他の実施例の平面
図である。第７図、第８図は、従来の圧力変換器の構成
を示す図であり、第９図は、第８図のＡ−Ａ′に沿って
生ずる抵抗変化率の値を示す図である。 １……ゲージ抵抗、２……金属細線、 ３……圧力センサ、４……ガラス、 ５……金・スズ等の共晶合金、 ６……パッケージ、７……リード、 8,12……導通管、９……キャップ、 10,11……気体、13……ダイアフラム、 14……支持体、 30,60……ゲージ抵抗の置かれる位置、 40……ダイアフラム、41……周辺部、 42……中央部、80……くびれ
Claims (1)
- 【請求項１】印加した圧力に応答する感圧素子と、前記
感圧素子が置かれ（100）方向に主面がある正方形のシ
リコンからなるダイアフラムと、前記ダイアフラムの周
囲を固定する支持体とを備えたシリコン圧力センサにお
いて、一辺に平行な方向において中央部を周辺部よりも
厚くし、かつ、他の一辺に平行な方向において厚さが周
辺部と中央部がともに均一な形状になるように前記ダイ
アフラムを構成し、前記ダイアフラムの中央部に前記感
圧素子を少なくとも一個置いたことを特徴とする圧力セ
ンサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59277369A JPH0770737B2 (ja) | 1984-12-27 | 1984-12-27 | 圧力センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59277369A JPH0770737B2 (ja) | 1984-12-27 | 1984-12-27 | 圧力センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61154179A JPS61154179A (ja) | 1986-07-12 |
| JPH0770737B2 true JPH0770737B2 (ja) | 1995-07-31 |
Family
ID=17582561
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59277369A Expired - Lifetime JPH0770737B2 (ja) | 1984-12-27 | 1984-12-27 | 圧力センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0770737B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5454628B2 (ja) | 2012-06-29 | 2014-03-26 | 株式会社デンソー | 圧力センサ |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS54162491A (en) * | 1978-06-13 | 1979-12-24 | Mitsubishi Electric Corp | Semiconductor pressure transducer |
| JPS5688371A (en) * | 1979-12-20 | 1981-07-17 | Toshiba Corp | Semiconductor pressure converter |
| JPS56133877A (en) * | 1980-03-24 | 1981-10-20 | Hitachi Ltd | Semiconductor diaphragm type sensor |
| JPS5882138A (ja) * | 1981-11-11 | 1983-05-17 | Hitachi Ltd | 半導体測定ダイアフラム |
-
1984
- 1984-12-27 JP JP59277369A patent/JPH0770737B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS61154179A (ja) | 1986-07-12 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |