(57)【要約】【課題】ダイヤフラムとピエゾ抵抗にアライメント精度に起因する位置ずれが生じたとしても、ブリッジ抵抗の出力電圧のばらつきを抑制する半導体センサを目的とする。【解決手段】本発明はシリコン基板の薄肉部からなるダイヤフラムに、複数のピエゾ抵抗を形成した半導体圧力センサにおいて、ダイヤフラムの中央部に厚肉部を設けたことを特徴とする。そして複数のピエゾ抵抗はブリッジ接続され、少なくとも一対となるピエゾ抵抗がダイヤフラムの厚肉部に接して配置されることを特徴とする半導体圧力センサとする【選択図】  図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板の薄肉部からなるダイヤフラムに複数のピエゾ抵抗を形成した半導体圧力センサにおいて、
該ダイヤフラムの中央部に厚肉部を設けたことを特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項２】
前記複数のピエゾ抵抗は、ブリッジ接続されることを特徴とする請求項1の半導体圧力センサ。
【請求項３】
前記ブリッジ接続される複数のピエゾ抵抗のうち、少なくとも１対となるピエゾ抵抗がダイヤフラムの厚肉部に接して配置することを特徴とする請求項2の半導体圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力によって変形するダイヤフラムをシリコンウェハ上に形成し、歪みによって抵抗値が変化するピエゾ抵抗をダイヤフラムに配置した半導体圧力センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図5に、一般に使用されている半導体圧力センサの一例を示す。図5(a)は平面図であり、図5(b)は図5(a)のA-A'の断面図である。
半導体圧力センサは、シリコン基板1の表面4に不純物を注入したピエゾ抵抗R1、R2、R3、R4を形成し、裏面をエッチングして薄肉部を形成したダイヤフラム2を備える。
【０００３】
上記半導体圧力センサに圧力が加わるとダイヤフラムが歪み、ピエゾ抵抗の抵抗値が変化し、この変化量を検出することで圧力を測定するが、変化量は微小なので検出にはホイートストンブリッジを利用するのが一般的である。図6にホイートストンブリッジ回路を示す。
【０００４】
ダイヤフラムに圧力が加わってない状態では全てのピエゾ抵抗(R1〜R4)の抵抗値は等しく、出力電圧Vout=0となる。
【０００５】
ダイヤフラムに圧力が加わった場合、場所により応力分布が違うためピエゾ抵抗R1とR2(またはR3とR4)の抵抗変化ΔR1とΔR2が異なり、ホイートストンブリッジに入力される電圧をVinとすると、VbとVaの間の電圧Voutは数1によって与えられる。
【数１】
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ここで、R0  ：R1〜R4の圧力の加わっていない状態の抵抗値
ΔR1：R1またはR3の抵抗の変化
ΔR2：R2またはR4の抵抗の変化
である。
なお、ピエゾ抵抗に圧力が加わったときの抵抗の変化量ΔRは、(πL・σL＋πT・σT)・Rで表され、発生した応力とピエゾ抵抗係数に依存することが分かる。
ここで、πＬ:電流方向に平行なピエゾ抵抗係数
πＴ:電流方向に垂直なピエゾ抵抗係数
σＬ:電流方向に平行な応力
σＴ:電流方向に垂直な応力
R :ピエゾ抵抗の初期抵抗
である。
【０００６】
シリコンを用いた半導体圧力センサでは、ダイヤフラムの加工が容易であり得られる応力が大きいことから、面方位(100)がよく用いられる。
【０００７】
図7は、図5に示した半導体圧力センサにおいて、図5(b)の矢印のように圧力Pが加わったときのC-C'断面のダイヤフラムの応力分布図であり、横軸は位置、縦軸は応力である。
この半導体圧力センサは、シリコン基板の寸法X,Y=1.5mm、ダイヤフラムの寸法X1,Y1=0.7mmであり、ダイヤフラムの面方位は(100)、σＴは<110>、σＬは<1-10>である。
【０００８】
図7の応力分布から、σＴ、σＬともにダイヤフラムの位置によって応力が大きく異なることが分かる。このことから、ピエゾ抵抗の位置ずれによりセンサの出力が異なることが避けられない。
【０００９】
このような問題を改善するためにシリコン面方位(110)を用いて、σＴを<001>、σＬを<1-10>とする方法もあるが、改善できるのはσＬ方向の位置ずれのみであり、σＴ方向の位置ずれは改善できない。
【００１０】
【特許文献１】特開平6-302833
【特許文献２】特開2002-373991
【特許文献３】特開2004-279089
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は上述した問題に鑑み成されたもので、ダイヤフラムとピエゾ抵抗のアライメント精度に起因する位置ずれが生じたとしても、ブリッジ抵抗の出力電圧のばらつきを抑制する半導体センサを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明はシリコン基板の薄肉部からなるダイヤフラムに、複数のピエゾ抵抗を形成した半導体圧力センサにおいて、ダイヤフラムの中央部に厚肉部を設けたことを特徴とする。そして複数のピエゾ抵抗はブリッジ接続され、少なくとも一対となるピエゾ抵抗がダイヤフラムの厚肉部に接して配置されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ダイヤフラムの中央部に厚肉部を設け、ブリッジ接続されるピエゾ抵抗の少なくとも一対を厚肉部に接して配置することにより、アライメント精度に起因するピエゾ抵抗の抵抗値のばらつきを小さくできる。
【実施例】
【００１４】
図1は本発明による圧力センサのダイヤフラム構造を示す図であり、(a)は平面図、(b)は図1(a)のA-A'断面図である。
図1に示すように、ダイヤフラム22と、ブリッジ接続されるピエゾ抵抗R1〜R4を備え、一対のピエゾ抵抗のR2とR3はダイヤフラム内の厚肉部30の外周に接して配置する。
このとき、
ダイヤフラムの厚肉部30の横寸法X2はX1の1/3〜1/2倍、
ダイヤフラムの厚肉部30の縦寸法Y2はY1の1/3〜1/2倍、
ダイヤフラムの厚肉部30の厚み20はダイヤフラム薄肉部23の1〜2倍、
ダイヤフラムの厚肉部30と薄肉部29との形状は矩形とする。
【００１５】
図2は、図1に示した半導体圧力センサにおいて、図1(b)の矢印のように圧力Pが加わったときのA-A'断面のダイヤフラムの応力分布図であり、横軸はダイヤフラムの位置、縦軸は応力である。
この半導体圧力センサは、例えばシリコン基板の寸法X,Y=1.5mm、ダイヤフラムの寸法X1,Y1=0.7mm、ダイヤフラム厚肉部寸法X2,Y2=0.3mmとし、ダイヤフラム面の面方位は(110)、σＴは<001>、σＬは<1-10>を用いた応力分布図である。
【００１６】
図1に示すように、ダイヤフラム中心部に厚肉部X2,Y2を設けることにより、厚肉部の外周に幅30μｍ程度の応力一定領域eを生じる。
ピエゾ抵抗体幅を10μｍとしたとき、工程で生じる位置ずれ量を5μｍとすれば、σＴ方向に位置ずれが生じたとしてもピエゾ抵抗は応力一定領域eの範囲内にあるので、位置ずれにより応力変化はない。
したがって、ホイートストンブリッジをなす一対のピエゾ抵抗体をこの応力一定領域に配置することにより、少なくとも該ピエゾ抵抗の位置ずれの影響を防止することができる。
【００１７】
図3は従来構造と本発明の構造の位置ずれと出力電圧誤差のグラフであり、横軸はσＴ方向の位置ずれであり、縦軸は出力電圧誤差である。
特性aは本発明の実施例の特性であり、特性bは従来構造の特性である。
【００１８】
以上のことから、本発明の半導体圧力センサ(特性a)はピエゾ抵抗の位置ずれによる出力電圧のばらつきを従来の圧力センサ(特性b)に比べて約1/5に押さえることができる。
なお、図1のダイヤフラム中央の厚肉部20はダイヤフラム薄肉部23のエッチングの際に同時に形成されるので、厚肉部に対して薄肉部がずれることはない。
【００１９】
図4は本発明による他の実施例であり、ダイヤフラムを円形とした場合である。(a)は平面図を示し、(b)は図4(a)のB-B'断面図を示す。
図4のように、ダイヤフラム形状が円形の場合でも正方形の場合と同様の効果を得ることができる。円形のダイヤフラム59の内部に円形の厚肉部50を作製することにより、応力一定領域を備えることができる。
【００２０】
このとき、
ダイヤフラムの厚肉部50の直径63はダイヤフラム直径61の1/3〜1/2倍、
ダイヤフラムの厚肉部50の厚み51はダイヤフラム53の1〜2倍、
ダイヤフラムの厚肉部50と薄肉部59との形状は円形とする。
位置ずれに対する感度の変化量は、図2のダイヤフラムの応力分布図と同じになる。
【００２１】
このようにダイヤフラムの形状は、正方形に限定されるものではなく、長方形であっても円形であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明による圧力センサのダイヤフラム構造。(a)は平面図、(b)はA-A'断面図。
【図２】図1のA-A'断面のダイヤフラムの応力分布図である。eは応力一定領域である。
【図３】従来構造と本発明の構造の位置ずれと出力電圧の誤差のグラフである。
【図４】本発明による実施例として、ダイヤフラムを円形とした場合である。(a)は平面図、(b)はB-B'断面図。
【図５】従来技術による圧力センサの構造である。(a)は平面図、(b)はC-C'断面図。
【図６】図5のピエゾ抵抗のホイ-トストンブリッジ回路である。
【図７】図5において、圧力が加わったときのC-C'断面の応力分布図であり、面方位面方位は(100)、σＴは<1-10>、σＬは<110>である。
【符号の説明】
【００２３】
1,21,51  シリコン基板
22,52  ダイヤフラム
20,50  ダイヤフラム厚肉部
【図１】
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【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】
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