(57)【要約】【課題】圧力に対するセンサ出力の非線形性を小さくすることができる圧力センサを提供する。【解決手段】センサチップ１０に設けられたダイヤフラム部１４の厚みをｔと定義する。また、センサチップ１０の表面１１の面方向のうちダイヤフラム部１４の外周端部１５に直角の方向におけるダイヤフラム部１４の外周端部１５の位置と前記各歪みゲージ２０〜２３の中心位置との距離をｄと定義する。各歪みゲージ２０〜２３は、ｄ＝−６．１６ｔ＋８３．５［μｍ］によって算出された距離ｄの位置に設けられている。ここで、ダイヤフラム部１４の外周端部１５の位置をｄ＝０とし、当該外周端部１５を基準位置としてダイヤフラム部１４の中央領域１６側をｄ＜０の領域とすると共にダイヤフラム部１４の外周領域１７側をｄ＞０とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面（１１）及び裏面（１２）を有する半導体基板（１３）の一部が前記裏面（１２）側から除去された薄肉状であると共に圧力を受けて変位するダイヤフラム部（１４）を有するセンサチップ（１０）と、
前記センサチップ（１０）のうちの前記表面（１１）側に形成され、前記ダイヤフラム部（１４）の変位に応じて抵抗値が変化する第１歪みゲージ（２０）、第２歪みゲージ（２１）、第３歪みゲージ（２２）、及び第４歪みゲージ（２３）と、
を備え、
前記ダイヤフラム部（１４）の厚みをｔと定義し、前記センサチップ（１０）の前記表面（１１）の面方向のうち前記ダイヤフラム部（１４）の外周端部（１５）に直角の方向における前記ダイヤフラム部（１４）の前記外周端部（１５）の位置と前記各歪みゲージ（２０〜２３）の中心位置との距離をｄと定義し、
さらに、前記ダイヤフラム部（１４）の前記外周端部（１５）の位置をｄ＝０とし、当該外周端部（１５）を基準位置として前記ダイヤフラム部（１４）の中央領域（１６）側をｄ＜０の領域とすると共に前記ダイヤフラム部（１４）の外周領域（１７）側をｄ＞０とすると、
前記各歪みゲージ（２０〜２３）のうちの少なくとも１つが、ｄ＝−６．１６ｔ＋８３．５［μｍ］によって算出された距離ｄの位置に設けられていることを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
前記ダイヤフラム部（１４）は、前記表面（１１）における前記外周端部（１５）が四角形となるように前記センサチップ（１０）に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記ダイヤフラム部（１４）は、前記表面（１１）における前記外周端部（１５）が八角形となるように前記センサチップ（１０）に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記ダイヤフラム部（１４）は、前記表面（１１）における前記外周端部（１５）が円形となるように前記センサチップ（１０）に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイヤフラム部の変位に応じて抵抗値が変化する歪みゲージを備えた圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ダイヤフラム部に複数の歪み検出素子が設けられた圧力センサが、例えば特許文献１で提案されている。各歪み検出素子のうちの１つは、ダイヤフラム部の内側と外側とにまたがって配置されている。これにより、圧力に対するセンサ出力の感度が向上するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４０３５５１９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、圧力が大きくなるとセンサ出力が大きくなるように変化するが、当該変化には非線形性が含まれている。また、センサ出力の感度が高くなることで当該非線形性が大きくなる。このため、上記従来の技術のように、高感度のセンサ出力を得ようとするとセンサ出力の非線形性が大きくなってしまうという問題がある。
【０００５】
本発明は上記点に鑑み、圧力に対するセンサ出力の非線形性を小さくすることができる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】
発明者らは、圧力に対するセンサ出力の非線形成分は、ダイヤフラム部（１４）の外周端部（１５）の位置と各歪みゲージ（２０〜２３）の中心位置との距離に応じて２次関数で変化することを見出した。また、この２次関数の変曲点すなわちセンサ出力の非線形成分が最も小さくなる距離はダイヤフラム部（１４）の厚みに応じて変化することを見出した。
【０００７】
そこで、請求項１に記載の発明では、表面（１１）及び裏面（１２）を有する半導体基板（１３）の一部が裏面（１２）側から除去された薄肉状であると共に圧力を受けて変位するダイヤフラム部（１４）を有するセンサチップ（１０）を備えている。
【０００８】
また、センサチップ（１０）のうちの表面（１１）側に形成され、ダイヤフラム部（１４）の変位に応じて抵抗値が変化する第１歪みゲージ（２０）、第２歪みゲージ（２１）、第３歪みゲージ（２２）、及び第４歪みゲージ（２３）を備えている。
【０００９】
ダイヤフラム部（１４）の厚みをｔと定義し、センサチップ（１０）の表面（１１）の面方向のうちダイヤフラム部（１４）の外周端部（１５）に直角の方向におけるダイヤフラム部（１４）の外周端部（１５）の位置と各歪みゲージ（２０〜２３）の中心位置との距離をｄと定義する。
【００１０】
さらに、ダイヤフラム部（１４）の外周端部（１５）の位置をｄ＝０とし、当該外周端部（１５）を基準位置としてダイヤフラム部（１４）の中央領域（１６）側をｄ＜０の領域とすると共にダイヤフラム部（１４）の外周領域（１７）側をｄ＞０とする。
【００１１】
そして、各歪みゲージ（２０〜２３）のうちの少なくとも１つが、ｄ＝−６．１６ｔ＋８３．５［μｍ］によって算出された距離ｄの位置に設けられていることを特徴とする。
【００１２】
このように、ダイヤフラム部（１４）の厚みｔに応じてダイヤフラム部（１４）の外周端部（１５）を基準とした各歪みゲージ（２０〜２３）の距離ｄを規定しているので、圧力に対するセンサ出力の非線形性を小さくすることができる。
【００１３】
なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る圧力センサの平面図である。
【図２】図１のII−II断面図である。
【図３】ダイヤフラム部の外周端部の位置と各歪みゲージの中心位置との距離ｄを説明するための図である。
【図４】圧力に対するセンサ出力とＮＬＰの算出式を示した図である。
【図５】距離ｄとＮＬＰとの関係を示した図である。
【図６】ダイヤフラム部の厚みｔと距離ｄとの関係を示した図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る圧力センサのダイヤフラム部の平面図である。
【図８】他の実施形態において、ダイヤフラム部の外周端部の形状の一例を示した平面図である。
【図９】他の実施形態において、ダイヤフラム部の外周端部の形状の一例を示した平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
【００１６】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。図１に示されるように、圧力センサは、センサチップ１０、第１歪みゲージ２０、第２歪みゲージ２１、第３歪みゲージ２２、及び第４歪みゲージ２３を備えて構成されている。
【００１７】
センサチップ１０は、図２に示されるように、表面１１及び裏面１２を有する板状の半導体基板１３から構成されている。また、センサチップ１０は、ダイヤフラム部１４を有している。ダイヤフラム部１４は、半導体基板１３の一部が裏面１２側から除去された薄肉状の部分である。ダイヤフラム部１４は、例えば半導体基板１３の裏面１２側の受圧面で圧力媒体の圧力を受けて変位する。なお、半導体基板１３の表面１１がセンサチップ１０の表面に対応し、半導体基板１３の裏面１２がセンサチップ１０の裏面に対応する。
【００１８】
また、ダイヤフラム部１４は、半導体基板１３の表面１１における外周端部１５が八角形となるようにセンサチップ１０に形成されている。このようなダイヤフラム部１４の形状は、半導体基板１３の裏面１２に形成したマスクの開口形状を八角形にして半導体基板１３をエッチングすることにより形成することができる。半導体基板１３として、例えばシリコン基板が用いられる。
【００１９】
各歪みゲージ２０〜２３は、ダイヤフラム部１４の変位に応じて抵抗値が変化するセンシング手段である。本実施形態では、各歪みゲージ２０〜２３は、ダイヤフラム部１４の各辺にそれぞれ対応するよう、半導体基板１３に４カ所形成されている。
【００２０】
そして、各歪みゲージ２０〜２３は、ホイートストンブリッジ回路を構成するように電気的に接続されている。これにより、各歪みゲージ２０〜２３のピエゾ抵抗効果を利用して、ダイヤフラム部１４の歪みに応じた電圧を圧力として検出することができる。
【００２１】
各歪みゲージ２０〜２３は、半導体基板１３に対するイオン注入により形成された拡散抵抗である。つまり、各歪みゲージ２０〜２３は、半導体基板１３のうちの表面１１側に形成されている。
【００２２】
ここで、図１では、各歪みゲージ２０〜２３は正方形に示されているが、実際には波状にレイアウトされており、そのうちの折れ曲がり部分ではなく直線部分が設けられた領域が正方形に対応している。
【００２３】
また、各歪みゲージ２０〜２３を覆うように、半導体基板１３の表面１１に絶縁膜３０が形成されている。絶縁膜３０は例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）である。なお、図１では絶縁膜３０を省略している。また、絶縁膜３０の上には、各歪みゲージ２０〜２３を電気的に接続する配線や、ボンディングワイヤが接合されるパッド等の配線部が形成されている。
【００２４】
上記の構成において、各歪みゲージ２０〜２３の位置は、以下のように規定されている。まず、長さの定義について説明する。ダイヤフラム部１４の厚みをｔと定義する。すなわち、半導体基板１３の表面１１に垂直な方向において、半導体基板１３のうちダイヤフラム部１４における表面１１から裏面１２までの長さがダイヤフラム部１４の厚みに該当する。
【００２５】
また、センサチップ１０の表面１１の面方向のうちダイヤフラム部１４の外周端部１５に直角の方向におけるダイヤフラム部１４の外周端部１５の位置と各歪みゲージ２０〜２３の中心位置との距離をｄと定義する。
【００２６】
さらに、図３に示されるように、ダイヤフラム部１４の外周端部１５の位置をｄ＝０とする。そして、ダイヤフラム部１４の外周端部１５の位置を基準位置としてダイヤフラム部１４の中央領域１６側をｄ＜０の領域とする。一方、ダイヤフラム部１４の外周領域１７側をｄ＞０の領域とする。
【００２７】
上記の定義において、各歪みゲージ２０〜２３のうちの少なくとも１つが、ｄ＝−６．１６ｔ＋８３．５［μｍ］によって算出された距離ｄの位置に設けられている。本実施形態では、全ての歪みゲージ２０〜２３がｄ＝−６．１６ｔ＋８３．５［μｍ］によって算出された距離ｄの位置にそれぞれ設けられている。
【００２８】
次に、上記の式が得られた根拠について説明する。上述のように、圧力が大きくなるとセンサ出力の非線形性が大きくなってしまうという問題がある。具体的には、図４に示されるように、圧力に対するセンサ出力は理想的には破線のように線形的に変化するが、実際にはセンサ出力は実線のように非線形的に変化する。これは、歪みゲージ２０〜２３に発生する応力が原因である。
【００２９】
そして、発明者らは、各歪みゲージ２０〜２３とダイヤフラム部１４の外周端部１５との距離ｄと、ＮＬＰと、の関係について、ダイヤフラム部１４の厚みｔを変化させて調べた。ここで、ＮＬＰは、理想のセンサ出力（フルスケール）に対する非線形成分の割合であり、図４に示された式で表される。ＮＬＰが小さいほど、理想のセンサ出力に対する非線形成分の割合が小さいことになる。
【００３０】
発明者らの調査により、図５に示されるように、距離ｄに対してＮＬＰが二次関数の曲線に沿って変化していることがわかった。また、ダイヤフラム部１４の厚みｔに応じてシフトすることがわかった。さらに、各曲線において、二次関数の曲線の変曲点の位置でＮＬＰが最もゼロに近くなることがわかった。
【００３１】
発明者らは、図５の結果からダイヤフラム部１４の厚みｔと変曲点の位置（距離ｄ）との関係を一次関数で近似したところ、図６に示されるようにｄ＝−６．１６ｔ＋８３．５［μｍ］が得られた。つまり、当該式から得られた距離ｄに各歪みゲージ２０〜２３を配置することにより、センサ出力の非線形性を最も小さくすることができる。
【００３２】
以上説明したように、本実施形態では、各歪みゲージ２０〜２３はダイヤフラム部１４の厚みｔに応じて変化する距離ｄによって決められることが特徴となっている。これにより、圧力に対するセンサ出力の非線形性を小さくすることができる。
【００３３】
特に、ダイヤフラム部１４の厚みｔが１０数μｍのように薄いので、各歪みゲージ２０〜２３はダイヤフラム部１４から応力の影響を受けやすい。しかしながら、上記の式に従って各歪みゲージ２０〜２３の位置を決めることにより、ダイヤフラム部１４から応力の影響を小さくすることができ、ひいてはセンサ出力の非線形性を小さくすることができる。
【００３４】
（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態では、ダイヤフラム部１４は、表面１１における外周端部１５が四角形となるようにセンサチップ１０に形成されている。
【００３５】
具体的には、図７（ａ）に示されるように、ダイヤフラム部１４の外周端部１５が正方形となるように形成されているものがある。一方、図７（ｂ）に示されるように、ダイヤフラム部１４の外周端部１５が長方形となるように形成されているものもある。長方形の場合、各歪みゲージ２０〜２３のうちの歪みゲージ２０及び歪みゲージ２２は長方形の２つの長辺に対応して１個ずつ配置される。また、これら２個の歪みゲージ２０、２２の間に、すなわち中央領域１６に２個の歪みゲージ２１、２３が長辺に沿って配置される。そして、ダイヤフラム部１４の２つの長辺に対応した歪みゲージ２０、２２に対して距離ｄが設定される。
【００３６】
このように、ダイヤフラム部１４の外周端部１５が四角形（正方形及び長方形）となるように形成された構造においても、上述の距離ｄの式から各歪みゲージ２０〜２３の位置を規定することができる。
【００３７】
（他の実施形態）
上記各実施形態で示された圧力センサの構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、上記の圧力センサは裏面受圧型として構成されているが、これは圧力センサの使用方法の一例である。したがって、圧力センサは両面受圧型として構成されていても良いし、表面受圧型として構成されていても良い。
【００３８】
上記各実施形態では、ダイヤフラム部１４の外周端部１５の形状が八角形及び四角形について示されたが、当該外周端部１５の形状は他の偶数角の多角形でも良い。例えば、図８（ａ）に示されるように、ダイヤフラム部１４の外周端部１５は六角形でも良い。この場合、各歪みゲージ２０〜２３は２つずつ対向するように配置される。
【００３９】
また、図８（ｂ）に示されるように、ダイヤフラム部１４の外周端部１５は十二角形でも良い。この場合、十二辺のうちの四辺に対応するように各歪みゲージ２０〜２３が配置される。このように、ダイヤフラム部１４の外周端部１５を多角形状にすることで、熱応力等の外部から各歪みゲージ２０〜２３に伝達する応力が低減することができるので、センサ出力の精度を向上することができる。
【００４０】
さらに、図９に示されるように、センサチップ１０の表面１１におけるダイヤフラム部１４の外周端部１５の形状が円形となるように形成されていても良い。この場合、各歪みゲージ２０〜２３は外周端部１５の直角の方向、すなわち径方向に沿って距離ｄが設定される。
【００４１】
上記各実施形態では、全ての歪みゲージ２０〜２３がｄ＝−６．１６ｔ＋８３．５［μｍ］によって算出された距離ｄの位置に設けられていたが、これは各歪みゲージ２０〜２３の配置の一例である。したがって、各歪みゲージ２０〜２３のうちの少なくとも１つが、ｄ＝−６．１６ｔ＋８３．５［μｍ］によって算出された距離ｄの位置に設けられていても良い。このように、各歪みゲージ２０〜２３のうちの少なくとも１つが当該式によって算出された位置に配置されることで、圧力に対するセンサ出力の非線形性を小さくすることができる。
【符号の説明】
【００４２】
１０        センサチップ
１１        表面
１２        裏面
１３        半導体基板
１４        ダイヤフラム部
１５        外周端部
１６        中央領域
１７        外周領域
２０〜２３  歪みゲージ
【図１】
2016053508.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2016053508.tif 000009
【図８】
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【図９】
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