(57)【要約】【課題】  半導体歪みゲージ圧力センサのための方法および装置。【解決手段】  装置は、圧力環境に晒されるように構成され、且つ、少なくとも１つの高度にドープされた半導体歪みゲージを備える感知素子であって、当該高度にドープされた半導体歪みゲージが、５つのパッドの単一のフルホイートストンブリッジを備える、感知素子と、キャリア上に配置され、且つ、感知素子に電気的に結合される電子部品パッケージであって、当該キャリアが、感知素子を含むポート上に配置される、電子部品パッケージと、感知素子および電子部品パッケージ周辺に配置されるハウジングと、ハウジングに接合されるコネクタと、を備える。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力環境に晒されるように構成され、且つ、少なくとも１つの高度にドープされた半導体歪みゲージを備える感知素子であって、当該高度にドープされた半導体歪みゲージが、５つのパッドの単一のフルホイートストンブリッジを備える、前記感知素子と、
キャリア上に配置され、且つ、前記感知素子に電気的に結合される電子部品パッケージであって、当該キャリアが、前記感知素子を含むポート上に配置される、前記電子部品パッケージと、
前記感知素子および電子部品パッケージ周辺に配置されるハウジングと、
前記ハウジングに接合され、且つ、前記電子部品パッケージに電気的に接続され、外部インターフェースを備えるコネクタと、
を含む装置。
【請求項２】
前記高度にドープされた半導体歪みゲージが、側壁上に絶縁層をさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記絶縁層が一窒化ケイ素（ＳｉＮ）を含む、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記絶縁層が窒化ケイ素（Ｓｉ３／Ｎ４）を含む、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記５つのパッドの単一のフルホイートストンブリッジが、
第１のブリッジ出力パッドと、
第１の電圧供給パッドと、
グランドパッドと、
第２の電圧供給パッドと、
第２のブリッジ出力パッドと
を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記グランドパッドが、前記第１の電圧供給パッドと前記第２の電圧供給パッドとの間に位置される、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記５つのパッドの単一のフルホイートストンブリッジが、４つのピエゾ抵抗型抵抗をさらに含む、請求項５に記載の装置。
【請求項８】
前記第１のブリッジ出力パッド、前記第１の電圧供給パッド、前記グランドパッド、前記第２の電圧供給パッド、および前記第２のブリッジ出力パッドが、同じ配向にあり、且つ平行に配置される、請求項５に記載の装置。
【請求項９】
前記５つのパッドの単一のフルホイートストンブリッジが、側壁の堆積を有する２つのハーフブリッジを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記高度にドープされた半導体歪みゲージが、３つのパッドのハーフブリッジ、４つのパッドのフルブリッジ、または６つのパッドのフルブリッジのうちの１つを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記高度にドープされた半導体歪みゲージが、側壁の窒化物堆積または絶縁層をさらに含む、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
５つのパッドの単一のフルホイートストンブリッジと、
４つのピエゾ抵抗型抵抗と、
側壁上の絶縁層と
を含む、高度にドープされた半導体歪みゲージ。
【請求項１３】
前記絶縁層が一窒化ケイ素（ＳｉＮ）を含む、請求項１２に記載の高度にドープされた半導体歪みゲージ。
【請求項１４】
前記絶縁層が窒化ケイ素（Ｓｉ３／Ｎ４）を含む、請求項１２に記載の高度にドープされた半導体歪みゲージ。
【請求項１５】
前記５つのパッドの単一のフルホイートストンブリッジが、
第１のブリッジ出力パッドと、
第１の電圧供給パッドと、
グランドパッドと、
第２の電圧供給パッドと、
第２のブリッジ出力パッドと
を含む、請求項１２に記載の高度にドープされた半導体歪みゲージ。
【請求項１６】
前記グランドパッドが、前記第１の電圧供給パッドと前記第２の電圧供給パッドとの間に位置される、請求項１５に記載の高度にドープされた半導体歪みゲージ。
【請求項１７】
前記第１のブリッジ出力パッド、前記第１の電圧供給パッド、前記グランドパッド、前記第２の電圧供給パッド、および前記第２のブリッジ出力パッドが、同じ配向にあり、且つ平行に配置される、請求項１５に記載の高度にドープされた半導体歪みゲージ。
【請求項１８】
前記５つのパッドの単一のフルホイートストンブリッジが、側壁のデポジションを有する２つのハーフブリッジを含む、請求項１２に記載の高度にドープされた半導体歪みゲージ。
【請求項１９】
前記５つのパッドの単一のフルホイートストンブリッジが、３つのパッドのハーフブリッジ、４つのパッドのフルブリッジまたは６つのパッドフルブリッジのうちの１つに置き換えられる、請求項１２に記載の高度にドープされた半導体歪みゲージ。
【請求項２０】
前記高度にドープされた半導体歪みゲージが、側壁の窒化物堆積または絶縁層をさらに含む、請求項１９に記載の高度にドープされた半導体歪みゲージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、センサに関し、より詳細には、半導体歪みゲージに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、マイクロヒューズドシリコン歪みゲージ（ＭＳＧ）圧力センサは、ブレーキやトランスミッション、燃料圧力センサから、乗員の重量力検出に至る様々な用途のために自動車産業全体で広く使用される。このような圧力センサは、通常は、ステンレス鋼のダイヤフラムにガラス接合されたシリコン歪みゲージ素子を備える。センサの設計は、キャリブレーションにより、鋼製ダイヤフラム上に印加された圧力に正比例する線形の電圧出力を提供するものとされる。
【発明の概要】
【０００３】
以下は、本発明のいくつかの態様の基本的な理解を提供するために、本革新技術の単純化された概要を提示する。この概要は、本発明の広範な概要ではない。本発明の重要または必須の要素を特定することも、本発明の範囲を示すことも意図しない。この唯一の目的は、後述のより詳細な説明の前置きとして単純化された形で、本発明の概念をいくつか提示することである。
【０００４】
本発明は、半導体歪みゲージのための方法および装置を提供する。
【０００５】
ある態様において、本発明は、圧力環境に晒されるように構成され、且つ、少なくとも１つの高度にドープされた半導体歪みゲージを備える感知素子であって、当該高度にドープされた半導体歪みゲージが、５つのパッドの単一のフルホイートストンブリッジを備える、感知素子と、キャリア上に配置され、且つ、感知素子に電気的に結合される電子機器パッケージであって、当該キャリアが、感知素子を含むポート上に配置される、電子機器パッケージと、感知素子および電子機器パッケージ周辺に配置されるハウジングと、ハウジングに接合され、且つ、電子機器パッケージに電気的に接続されるコネクタであって、外部インターフェースを備えるコネクタと、を備える装置を特徴とする。
【０００６】
別の態様において、本発明は、５つのパッドの単一のフルホイートストンブリッジと、４つのピエゾ抵抗型抵抗と、側壁上に絶縁層とを備える、高度にドープされた半導体歪みゲージを特徴とする。
【０００７】
上記および他の特徴および利点は、以下の詳細な説明を読み、添付の図面を検討することで明らかとなろう。前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、単に説明的なものであり、請求される態様を限定するものではないことを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
本発明は、以下の図面と共に詳細な説明を参照することによって、より完全に理解されよう。
【０００９】
【図１Ａ】例示的なマイクロヒューズドシリコン歪みゲージ（ＭＳＧ）圧力センサの図である。
【図１Ｂ】例示的なマイクロヒューズドシリコン歪みゲージ（ＭＳＧ）圧力センサの図である。
【図１Ｃ】例示的なマイクロヒューズドシリコン歪みゲージ（ＭＳＧ）圧力センサの図である。
【００１０】
【図２】本発明に従った、例示的な高度にドープされた半導体の単一のフルホイートストン歪みゲージの図である。
【００１１】
【図３】本発明の半導体の単一のフルホイートストン歪みゲージの上面図である。
【００１２】
【図４】絶縁層を備える高度にドープされた半導体の歪みゲージの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
主題の革新技術が、図面を参照して次に説明される。図面中の同様の参照番号は、全体を通して同様の要素を示すのに使用される。以下の記載において、説明目的のために、多数の具体的な詳細が、本発明の完全な理解を提供するために述べられる。しかし、本発明がこれらの具体的な詳細なしで実施できることが明らかであろう。他の例では、よく知られた構造およびデバイスが、本発明の説明を容易にするように、ブロック図の形で示される。
【００１４】
以下の説明において、「または（ｏｒ）」という用語は、排他的な「または（ｏｒ）」ではなく、包括的な「または（ｏｒ）」を意味することが意図される。すなわち、特に記載のない限り、または文脈から明らかでない限り、「Ｘは、ＡまたはＢを用いる」は、当然の包括的な順序のいずれかを意味することが意図される。すなわち、ＸがＡを用い、ＸがＢを用い、または、ＸがＡとＢの両方を用いる場合、「Ｘは、ＡまたはＢを用いる」は前述の例のいずれかを満たす。さらに、本明細書および添付の図面において使用される冠詞「ａ」および「ａｎ」は、特に記載のない限り、または、単数形を意図することが文脈から明らかでない限り、「１つまたは複数」を意味すると一般に理解されるべきである。
【００１５】
図１に示すように、例示的な圧力センサ１００が、ハウジング１１０内に含まれた状態で示してある。ハウジング１１０は、多数のスプリング１３０を備えることのできるスプリングガイド１２０を含む。スプリング１３０は、スプリングガイド１２０の上部から突出できる。図１Ｂは、図１Ａに示した圧力センサ１００の破断図であり、当該破断図は、軸Ａに沿ったものである。
【００１６】
図１Ｂに示すように、圧力センサ１００は、縦軸周辺に配置される。感知素子ダイヤフラム１４０は、内部ボアホール１５０を介して外部環境（すなわち、加圧環境）にさらされ、当該ボアホールはこうした環境に対して開放されている。内部ボアホール１５０は、軸Ａ‐Ａ周辺の中央に配置され、圧力ポート１６０内に提供される。圧力ポート１６０上に搭載され、且つ、縦軸に対して概ね垂直であるのは、図１Ａに示した軸に沿って配置されるプリント回路基板（ＰＣＢ）１７０である。一般に、ＰＣＢ１７０は、適切なゲル１８０をその内部に備えた状態で、圧力ポート１６０上に配置される。支持リング１９０が、ＰＣＢ１７０周辺に円周方向に配置され、ＰＣＢ１７０を中心に維持するように働き、一方で、スプリング１３０は、スプリングリテイナー２００と協働する。
【００１７】
図１Ｃに示すように、ＰＣＢ１７０は、少なくとも１つの歪みゲージ２２０をその上に搭載するガラス基板２１０に対するホストである。各歪みゲージ２２０は、ボンドされたワイヤ２３０によりＰＣＢ１７０に電気的に結合される。
【００１８】
図２に示すように、本発明に従った、例示的な高度にドープされた半導体の単一のフルホイートストン歪みゲージ２２０は、鋼製ポート１６０の上面２４０上にガラス接合される。「Ｐ」は、鋼製ポート１６０に印加される圧力の向きを示す。
【００１９】
図３に示すように、半導体の単一のフルホイートストン歪みゲージ２２０の上面図は、４つのピエゾ抵抗型抵抗２５０（Ｒ２）、２６０（Ｒ３）、２７０（Ｒ１）、２８０（Ｒ４）を備える。さらに、一実施形態では、歪みゲージ２２０は、５つのパッド２９０、３００、３１０、３２０、３３０を備える。一実施形態では、パッド２９０、３３０はブリッジ出力であり、パッド３１０はグランドであり、パッド３００、３２０は、電圧源である。この５つのパッドのシリコンゲージ構成により、グランドパッド３１０が中間にあることが可能となり、また、圧力が鋼製ポート１６０に印加されるときに、伸張状態の抵抗（２５０）と圧縮状態の抵抗（２８０）とを接続し、同時に伸張状態の２６０と圧縮状態の２７０とを接続することが可能となり、これにより、ホイートストンブリッジが圧力変化を感知するように形成される。この５つのパッドのシリコンゲージ構成は、２つのハーフブリッジを用いるものと比べて、コスト削減ももたらす。さらに、この５つのパッドのシリコンゲージ構成は、２組の抵抗が左右対称であることにより、圧力の非線形性を減少させる。また、５つの同一の向きの平行パッドがあるこの５つのパッドのシリコンゲージ構成により、ワイヤボンディング工程が容易になる。
【００２０】
図４に示すように、高度にドープされた半導体歪みゲージ２２０は、通常、上述のように、ガラス３４０により鋼製の圧力ポート１６０に接合される。ガラス絶縁抵抗および化学ネットワーク結合（chemical network bonding）が、一定の温度範囲に好適である。環境温度が閾値レベルに対して増加した場合で、且つ、センサが継続的に電力供給される場合、エピタキシャル（ＥＰＩ）層がガラスと直接的に接触するので、ガラス内で著しいイオンの移動および蓄積があり、これが半導体シリコンゲージ抵抗を変化させ得、結果的にセンサ出力ドリフトとなる。高度にドープされた半導体歪みゲージ２２０は、ゲージを遮蔽（バリア）して可動イオンの移動を阻止するように、ゲージの側壁上に絶縁層３５０を備える。この結果、絶縁層３５０を備えると、センサの信号ドリフトが著しく減少する。実施形態において、絶縁層３５０は、一窒化ケイ素（ＳｉＮ）または窒化ケイ素（Ｓｉ３／Ｎ４）とすることができる。
【００２１】
他の実施形態において、高度にドープされた半導体歪みゲージ２２０は、３つのパッドのハーフブリッジ、４つのパッドのフルブリッジ、６つのパッドのフルブリッジ等として構成されてもよい。これらの実施形態のそれぞれは、側壁の窒化物堆積（デポジション）／絶縁層を備えることができる。
【００２２】
いくつかの実施形態が、それらの派生物と共に「一実施形態」または「実施形態」という表現を用いて説明され得る。こうした用語は、実施形態に関して述べられた特定の特徴、構造または特性が少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味するものである。本明細書の様々な箇所における「一実施形態において」という言い回しの使用は、全てが同一の実施形態を参照する必要はない。
【００２３】
本発明を、その好ましい実施形態を参照して詳細に示し、且つ説明してきたが、添付の特許請求の範囲によって規定される本出願の精神および範囲から逸脱することなく、形状または詳細の様々な変更が成され得ることが当業者によって理解されるであろう。このような変形形態は、本出願の範囲に含まれることが意図される。このように、本出願の実施形態の前述の説明は、限定的であることを意図していない。むしろ、本発明に対するいずれの限定も、以下の特許請求の範囲に示される。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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