(57)【要約】【課題】本開示は、検出精度を向上させた圧力センサ素子を提供することを目的とする。【解決手段】この目的を達成するために本開示は、第１の主面９と第２の主面１０を有したダイヤフラム部１１を備える基板１２と、第１の主面９に形成され、ダイヤフラム部１１に加えられた圧力を検出する第１、第２、第３、第４のピエゾ抵抗素子１３、１４、１５、１６と、基板１２上に前記ダイヤフラム部１１を囲むように配置された金属配線１８と、を有し、第１のピエゾ抵抗素子１３と第４のピエゾ抵抗素子１６はダイヤフラム部の第１の方向３２の一端側に設けられ、第２のピエゾ抵抗素子１４と第３のピエゾ抵抗素子１５はダイヤフラム部１１の第１の方向３２の他端側に設けられている構成とした。【選択図】図１
2018169177.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の主面と第２の主面を有したダイヤフラム部を備える基板と、
前記第１の主面に形成され、前記ダイヤフラム部に加えられた圧力を検出する第１、第２、第３、第４のピエゾ抵抗素子と、
前記基板上に前記ダイヤフラム部を囲むように配置された金属配線と、を有し、
前記第１のピエゾ抵抗素子と前記第４のピエゾ抵抗素子は前記ダイヤフラム部の前記第１の方向の一端側に設けられ、
前記第２のピエゾ抵抗素子と前記第３のピエゾ抵抗素子は前記ダイヤフラム部の前記第１の方向の他端側に設けられている圧力センサ素子。
【請求項２】
前記金属配線の内周は第１の方向が第２の方向よりも長い長方形状に形成され、
前記第１の方向の前記金属配線の内周と前記ダイヤフラム部の外周との第１の距離は、前記第２の方向の前記金属配線の内周と前記ダイヤフラム部の外周との第２の距離よりも長い請求項１に記載の圧力センサ素子。
【請求項３】
前記第１のピエゾ抵抗素子と前記第２のピエゾ抵抗素子は前記ダイヤフラム部の前記第２の方向の中央部分に並んで配置され、
前記第３のピエゾ抵抗素子と前記第４のピエゾ抵抗素子は前記ダイヤフラム部の前記第２の方向の中央部分に並んで配置されている請求項１または２に記載の圧力センサ素子。
【請求項４】
前記基板の前記ダイヤフラム部と前記金属配線と前記第１の方向の間には、前記第１、第２、第３、第４のピエゾ抵抗素子を接続してブリッジ回路を構成する拡散配線が設けられている請求項１〜３のいずれかに記載の圧力センサ素子。
【請求項５】
前記基板の面方位は（１００）面である請求項１〜３のいずれかに記載の圧力センサ素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の圧力センサ素子と、
前記圧力センサ素子を収納するケースと、
前記ケースに挿入された端子と、を有した圧力センサ。
【請求項７】
前記ケースは前記圧力センサ素子を収納した本体部と前記本体部の中央に接続された管部を有し、
前記管部は前記管部の外と中を連通する圧力導入孔を有し、
前記圧力センサ素子は前記圧力導入孔を塞ぐように配置されている請求項６に記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、気体などの流体の圧力を検知する圧力センサ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数のピエゾ抵抗素子が設けられたダイヤフラム部を備えた基板の表面にダイヤフラム部を囲むように回路が設けられた圧力センサが知られていた。（特許文献１、２）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−７７７４４号公報
【特許文献２】特開２０１４−７７７４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の圧力センサに用いられている圧力センサ素子は、ダイヤフラム部の周囲に回路を構成する金属配線を設けた際に、この金属配線の応力開放に伴い圧力センサの検出精度が低下すると言う課題があった。
【０００５】
本開示は上記課題を解決し、ダイヤフラム部の周囲に回路を構成する金属配線を設けても、ピエゾ抵抗素子への金属配線から受ける応力の影響を限定して出力を安定させた圧力センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために本開示は、第１の主面と第２の主面を有したダイヤフラム部を備える基板と、前記第１の主面に形成され、前記ダイヤフラム部に加えられた圧力を検出する第１、第２、第３、第４のピエゾ抵抗素子と、前記基板上に前記ダイヤフラム部を囲むように配置された金属配線と、を有し、前記第１のピエゾ抵抗素子と前記第２のピエゾ抵抗素子は前記ダイヤフラム部の前記第１の方向の一端側に設けられ、前記第３のピエゾ抵抗素子と前記第４のピエゾ抵抗素子は前記ダイヤフラム部の前記第１の方向の他端側に設けられている構造としている。
【発明の効果】
【０００７】
上記構成により本開示は、第１〜第４のピエゾ抵抗素子をダイヤフラム部の第１の方向の端部に形成したことにより、第１〜第４のピエゾ抵抗素子への応力の影響を安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態１の圧力センサ素子の上面図
【図２】同圧力センサ素子のブリッジ回路を示す図
【図３】同圧力センサ素子を用いた圧力センサの側面図
【図４】同圧力センサのＡＡ線断面図
【図５】同圧力センサの圧力センサ素子の一部拡大断面図
【図６】同圧力センサ素子の製造方法の説明図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（実施の形態１）
以下に、実施の形態１の圧力センサ素子とこれを用いた圧力センサについて図面を用い
ながら説明する。
【００１０】
図１は実施の形態１の圧力センサ素子の上面図、図２は同圧力センサ素子のブリッジ回路を示す図、図３は同圧力センサ素子を用いた圧力センサの側面図、図４は同圧力センサのＡＡ線断面図、図５は同圧力センサの圧力センサ素子の一部拡大断面図を示す図である。
【００１１】
圧力センサ１は圧力センサ素子２と、圧力センサ素子２を収納し底面を有したケース３と、ケース３内に設けられた処理回路（図示せず）と、ケース３に挿入された端子４とを有している。
【００１２】
ケース３は樹脂でできており、本体部５と管部６を有しており、管部６には外部と連通した圧力導入孔７が設けられている。圧力導入孔７から測定対象の流体を導入する。圧力センサ素子２は圧力導入孔７を塞ぐように配置されている。圧力導入孔７は途中で径が変わり、管部６の内部側の端部と外部側の端部とで圧力導入孔７の径方向の中心の位置が異なっている。本体部５には大気を導入する大気導入孔８が設けられている。
【００１３】
圧力センサ素子２は第１の主面９と第２の主面１０を有したダイヤフラム部１１が形成された基板１２と、ダイヤフラム部１１の第１の主面９に設けられた第１のピエゾ抵抗素子１３、第２のピエゾ抵抗素子１４、第３のピエゾ抵抗素子１５、第４のピエゾ抵抗素子１６と、ダイヤフラム部１１の周囲を囲む様に基板１２の表面に設けられた電源配線１７と金属配線１８とを有している。電源配線１７は、圧力センサ１においてはダイヤフラム部１１を囲む様に設けられているが、この限りではなく、圧力センサ１の用途に応じて、適宜配線の仕方は変更することができる。
【００１４】
基板１２はシリコン等の半導体材料で形成されている。ダイヤフラム部１１は基板１２の中央に正方形状に形成されているが、ダイヤフラム部１１の形状は使用用途等に応じて変更しても良い。圧力センサ素子２は基板１２に形成されたＮウェル１９と、Ｎウェル１９に形成された第１のＰウェル２０と第２のＰウェル２１と、これらの上部に形成された熱酸化膜２２と、熱酸化膜２２上に形成された第１〜第３の層間絶縁膜２３、２４、２５と、第１〜第３の配線２６、２７、２８と第３の層間絶縁膜２５上に形成されたパッシベーション膜２９で形成されている。
【００１５】
第１〜第４のピエゾ抵抗素子１３、１４、１５、１６は図示されない接地端子ＧＮＤ、電圧出力端子Ｖout＋、電圧出力端子Ｖout−、バイアス電圧印加用端子Ｖddに接続されている。第４のピエゾ抵抗素子１６の一方端は拡散配線３０及び電源配線１７を介して接地端子ＧＮＤに接続され、その他方端は拡散配線３０及び電源配線１７を介して電圧出力端子Ｖout＋に接続されている。第２のピエゾ抵抗素子１４の一方端は拡散配線３０及び電源配線１７を介して電圧出力端子Ｖout−に接続され、その他方端は拡散配線３０及び電源配線１７を介してバイアス電圧印加用端子Ｖddに接続されている。第３のピエゾ抵抗素子１５の一方端は拡散配線３０及び電源配線１７を介して電圧出力端子Ｖout＋に接続され、その他方端は拡散配線３０及び電源配線１７を介してバイアス電圧印加用端子Ｖddに接続されている。第１のピエゾ抵抗素子１３の一方端は拡散配線３０及び電源配線１７を介して接地端子ＧＮＤに接続され、その他方端は拡散配線３０及び電源配線１７を介して電圧出力端子Ｖout−に接続されている。
【００１６】
第１のピエゾ抵抗素子１３と第３のピエゾ抵抗素子１５が対になり、第２のピエゾ抵抗素子１４、第４のピエゾ抵抗素子１６が対になってブリッジ回路３１を構成し、ブリッジ回路３１上で対向配置されている。このような構成を有する圧力センサ１は、ダイヤフラム部１１の第１の主面９または第２の主面１０から圧力を受けると、ダイヤフラム部１１
の第１の主面９側と第２の主面１０との間に差圧が生じることによってダイヤフラム部１１に撓みが生じる。この撓みによって第１〜第４のピエゾ抵抗素子１３、１４、１５、１６を構成する結晶が歪んで抵抗値が変化する。そして第１〜第４のピエゾ抵抗素子１３、１４、１５、１６の抵抗値の変化を、ブリッジ回路３１を利用してバイアス電圧印加用端子Ｖddに印加されたバイアス電圧に対する電圧変化として電圧出力端子Ｖout＋、Ｖout−から検出する。
【００１７】
基板１２に設けられた金属配線１８によって、第１〜第４のピエゾ抵抗素子１３、１４、１５、１６によって得た電圧変化を処理する回路が形成されている。金属配線１８が形成する回路としては、例えば、第１〜第４のピエゾ抵抗素子１３、１４、１５、１６における電圧出力端子Ｖout＋、Ｖout−からの電圧の検出を制御し、出力アンプ（図示せず）を制御する制御回路、電圧値を取り出すフロント処理回路、フロント処理回路によって取り出された電圧値に応じた信号に対して所定の処理を施す感度／温特調整回路などが形成される。これにより、感度／温特調整回路は、圧力センサ１の感度調整、温度特性調整を施す。なお、金属配線１８が形成する回路はこれに限定されるものではなく、圧力センサ１の用途に応じて適宜変更することができる。
【００１８】
第１のピエゾ抵抗素子１３と第４のピエゾ抵抗素子１６はダイヤフラム部１１の第１の方向３２の一端側に設けられ、第２のピエゾ抵抗素子１４と第４のピエゾ抵抗素子１５はダイヤフラム部１１の第１の方向３２の他端側に設けられている。これにより、金属配線１８による第１〜第４のピエゾ抵抗素子１３、１４、１５、１６への応力の影響を低減させることができるため、第１〜第４のピエゾ抵抗素子１３、１４、１５、１６が安定してダイヤフラム部１１に生じた歪みを検出することができる。これにより、圧力センサ１の出力が安定する。さらに、第１〜第４のピエゾ抵抗素子１３、１４、１５、１６はダイヤフラム部１１の第２の方向３３の中央部分に並んで配置されている。これにより、金属配線１８から第１〜第４のピエゾ抵抗素子１３、１４、１５、１６までの第２の方向３３の距離が長くなり、第２の方向３３の金属配線１８の応力開放による第１〜第４のピエゾ抵抗素子１３、１４、１５、１６への影響がさらに低減する。第１のピエゾ抵抗素子１３と第４のピエゾ抵抗素子１６の間の距離と、第２のピエゾ抵抗素子１４と第３のピエゾ抵抗素子１５の間の距離は、近くなるほど第２の方向３３の金属配線１８の応力開放の影響が低減される。このため、第１のピエゾ抵抗素子１３と第４のピエゾ抵抗素子１６、第２のピエゾ抵抗素子１４と第３のピエゾ抵抗素子１５は出来る限り近い位置に配置した方が良く、夫々が製造可能な範囲で近い位置に配置されていると効果的に第２の方向３３の金属配線１８の応力開放の影響を低減できる。基板の第１〜第４のピエゾ抵抗素子１３、１４、１５、１６の設けられた面の面方位を（１００）面にすると、ダイヤフラム部１１の外周に近いほどダイヤフラム部１１の歪みが大きくなる。このため、第１〜第４のピエゾ抵抗素子１３、１４、１５、１６はダイヤフラム部１１の外周近傍に設けると圧力センサ１の感度を向上させることが出来る。
【００１９】
金属配線１８は内周が第１の方向３２の長さが第２の方向３３の長さよりも長い長方形状となるように形成されている。なお、金属配線１８の内周の形状は長方形状とすることにより形成が容易になるが、長方形状以外の形状であっても良い。金属配線１８の内周がダイヤフラム部１１を囲む長方形状であることにより、第１の方向３２の金属配線１８の内周とダイヤフラム部１１の外周との間の第１の距離Ｌ１は第２の方向３３の金属配線１８の内周とダイヤフラム部１１の外周との間の第２の距離Ｌ２よりも長くなっている。なお、ここでいう第１の距離Ｌ１は第２の方向３３の中心の位置における第１の方向３２と平行な方向の距離を示し、第２の距離Ｌ２は第１の方向３２の中心の位置における第２の方向３３と平行な方向の距離を示す。第１のダイヤフラム部１１への金属配線１８の応力開放の影響はダイヤフラム部１１の外周と金属配線１８の内周との距離が長くなるほど低減するため、第１の方向３２のダイヤフラム部１１への金属配線１８の応力開放の影響が
低減される。また、金属配線１８は拡散配線３０も囲む位置に配置されている。このようにして形成された圧力センサ素子２は、圧力センサ素子２を大型化せずに、金属配線１８の応力開放の影響を低減して圧力センサ素子２の検出精度を向上させることが出来ている。
【００２０】
次に、この圧力センサ素子２の製造工程について説明する。図６は実施の形態１の圧力センサ素子の製造方法を示した図である。
【００２１】
まず、シリコン基板を用意し、表面を熱酸化して熱酸化膜２２を形成する。次に熱酸化膜２２上に金属からなる第１の配線２６を形成し、第１の配線２６と熱酸化膜２２上にＣＶＤ法により、酸化シリコン膜を形成することで第１の層間絶縁膜２３を形成する。第１の層間絶縁膜２３の上に第２の配線２７を形成し、第２の配線２７の上にさらに酸化シリコン膜からなる第２の層間絶縁膜２４を形成する。第２の層間絶縁膜２４上の下部にある第１の配線２６と第２の配線２７よりも外側に第３の配線２８を形成し、その上にさらに酸化シリコン膜からなる第３の層間絶縁膜２５を形成する。第３の層間絶縁膜２５の上にパッシベーション膜２９を形成し、第３の層間絶縁膜２５とパッシベーション膜２９をエッチングし、第３の配線２８を露出させる。最後に表面全体および裏面にフォトレジストのパターンを形成し、異方性エッチングを行うことで基板１２を裏面から肉薄化し、ダイヤフラム部１１を形成する。
【００２２】
このようにして形成された圧力センサ素子２を用いることで、圧力センサ１を大型化せずに圧力センサ１の検出精度を向上させることが出来ている。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本開示の圧力センサは、大型化せずに圧力センサの検出精度が向上しているため、様々な種類のガス等の流体を検出するセンサに有用である。
【符号の説明】
【００２４】
１  圧力センサ
２  圧力センサ素子
３  ケース
４  端子
５  本体部
６  管部
７  圧力導入孔
８  大気導入孔
９  第１の主面
１０  第２の主面
１１  ダイヤフラム部
１２  基板
１３  第１のピエゾ抵抗素子
１４  第２のピエゾ抵抗素子
１５  第３のピエゾ抵抗素子
１６  第４のピエゾ抵抗素子
１７  電源配線
１８  金属配線
１９  Ｎウェル
２０  第１のＰウェル
２１  第２のＰウェル
２２  熱酸化膜
２３  第１の層間絶縁膜
２４  第２の層間絶縁膜
２５  第３の層間絶縁膜
２６  第１の配線
２７  第２の配線
２８  第３の配線
２９  パッシベーション膜
３０  拡散配線
３１  ブリッジ回路
３２  第１の方向
３３  第２の方向
【図１】
2018169177.tif 000003
【図２】
2018169177.tif 000004
【図３】
2018169177.tif 000005
【図４】
2018169177.tif 000006
【図５】
2018169177.tif 000007
【図６】
2018169177.tif 000008