JP2008082952A

JP2008082952A - 半導体感歪センサ

Info

Publication number: JP2008082952A
Application number: JP2006265079A
Authority: JP
Inventors: Eiji Yoshikawa; 英治吉川; Kimiaki Taruya; 公昭樽谷
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2008-04-10

Abstract

【課題】全体の温度が変化し、電極と半導体基板との間に熱応力が発生しても、この熱応力がピエゾ抵抗にまで伝達せず、その結果ピエゾ抵抗からの電気信号の誤差を低減する半導体感歪センサを得る。
【解決手段】薄肉部１ａおよびこの薄肉部１ａの外側に設けられこの薄肉部１ａよりも厚い外枠部１ｂを有した半導体基板１と、薄肉部１ａに設けられたピエゾ抵抗２と、外枠部１ｂに設けられ、ピエゾ抵抗２と配線３を介して電気的に接続され、ピエゾ抵抗２からの電気信号を外部に伝達する電極４とを備えた半導体感歪センサにおいて、外枠部１ｂには、電極４の周囲に沿って凹部１ｃが形成されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体基板に、変形することで抵抗値が変化するピエゾ抵抗と、このピエゾ抵抗の抵抗値の変化を電気信号で外部に伝達する電極とを備えた半導体感歪センサに関する。

従来、薄肉部およびこの薄肉部の外側に設けられこの薄肉部よりも厚い外枠部を有した半導体基板と、前記薄肉部に設けられたピエゾ抵抗と、前記外枠部に設けられ、前記ピエゾ抵抗と配線を介して電気的に接続され、前記ピエゾ抵抗からの電気信号を外部に伝達する電極とを備えた半導体感歪センサにおいて、全面に渡って平らである前記半導体基板の上面に、電極が配置された半導体感歪センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−１３１１６１号公報

しかしながら、このものの場合、通常、電極にはアルミニウムが用いられ、半導体基板にはシリコンが用いられており、両者の熱膨張係数が異なるので、全体の温度が変化すると、電極と半導体基板との間に熱応力が発生し、この熱応力がピエゾ抵抗にまで伝達され、ピエゾ抵抗からの電気信号に誤差が発生してしまうという問題点があった。

この発明は、上述のような問題点を解決することを課題とするものであって、その目的は、全体の温度が変化し、電極と半導体基板との間に熱応力が発生しても、この熱応力がピエゾ抵抗にまで伝達せず、その結果ピエゾ抵抗からの電気信号の誤差を低減する半導体感歪センサを提供するものである。

この発明に係る半導体感歪センサは、薄肉部およびこの薄肉部の外側に設けられこの薄肉部よりも厚い外枠部を有した半導体基板と、前記薄肉部に設けられたピエゾ抵抗と、前記外枠部に設けられ、前記ピエゾ抵抗と配線を介して電気的に接続され、前記ピエゾ抵抗からの電気信号を外部に伝達する電極とを備えた半導体感歪センサにおいて、前記外枠部には、前記電極の周囲に沿って凹部が形成されている。
また、この発明に係る半導体感歪センサは、薄肉部およびこの薄肉部の外側に設けられこの薄肉部よりも厚い外枠部を有した半導体基板と、前記薄肉部に設けられたピエゾ抵抗と、前記外枠部に設けられ、前記ピエゾ抵抗と配線を介して電気的に接続され、前記ピエゾ抵抗からの電気信号を外部に伝達する電極とを備えた半導体感歪センサにおいて、前記配線は、弾性の接続体を有し、前記接続体は、前記電極と前記ピエゾ抵抗とをつなぐ経路の一部を構成している。

この発明に係る半導体感歪センサによれば、全体の温度が変化し、電極と半導体基板との間に熱応力が発生しても、この熱応力がピエゾ抵抗にまで伝達せず、その結果、ピエゾ抵抗からの電気信号の誤差を低減することができる。

以下、この発明の各実施の形態を図に基づいて説明するが、各図において、同一または相当の部材、部位については、同一の符号を付して説明する。
実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る半導体感歪センサの平面図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った矢視断面図、図３は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った矢視断面図である。
実施の形態１に係る半導体感歪センサは、薄肉部１ａおよびこの薄肉部１ａの外側に設けられたこの薄肉部１ａよりも厚い外枠部１ｂを有した半導体基板１と、半導体基板１の下側に設けられた台座５とを備えている。

半導体基板１と台座５との間で、薄肉部１ａの下方には、真空が維持された圧力基準室８が形成されている。
薄肉部１ａは、ダイヤフラムとして機能しており、外部の空気の圧力の変化により変形する。
薄肉部１ａの上部の周縁部には、変形にともない抵抗値が変化する４個のピエゾ抵抗２が互いに対向して設けられている。
それぞれのピエゾ抵抗２には、ホイートストンブリッジを構成するように４本の配線３（図１の点模様で示した領域）が接続されている。
外枠部１ｂの上部の一端部には、ピエゾ抵抗２に電圧を印加し、また、ピエゾ抵抗２の抵抗値の変化にともない変化する電圧を電気信号として外部に伝達する４個の電極４が外枠部１ｂの１つの側面に沿って設けられ、それぞれの電極４は、配線３の上側に積層して接続されている。
外枠部１ｂの上面には、電極４の周囲において、外枠部１ｂの１つの側面に面した領域以外には、電極４の周囲に沿って凹部１ｃが形成されている。
配線３は、凹部１ｃを迂回して、外枠部１ｂの１つの側面に面した領域を通って電極４と接続されている。

半導体基板１は、ＳＯＩ基板であり、中間部に層状の埋込酸化膜１ｄが全面に渡って形成されている。
薄肉部１ａは、半導体基板１の下面からディープＲＩＥによって埋込酸化膜１ｄまでエッチングすることにより形成されている。
薄肉部１ａの大きさは、一辺が４００μｍ、厚さが１０μｍ程度である。

半導体基板１の上面には、シリコン酸化膜６が形成され、さらにこのシリコン酸化膜６の上面にはシリコン窒化膜７が形成されており、シリコン酸化膜６およびシリコン窒化膜７によって半導体基板１が保護されている。

電極４は、配線３とのオートミックコンタクト性、コスト、耐久性などを総合的に考慮すると、アルミニウムまたはアルミニウムに微量のシリコンや銅を添加したアルミニウム合金を用いることが望ましい。
台座５は、ホウ珪酸ガラスからなり、陽極接合により半導体基板１と接合されている。

ピエゾ抵抗２および配線３は、半導体基板１にイオン注入、拡散することによって形成されている。
凹部１ｃの深さは、イオン注入、拡散によって形成された配線３の深さと同等以上であり、３μｍ〜５μｍ程度であり、ドライエッチングにより形成されている。

次に、実施の形態１に係る半導体感歪センサの動作について説明する。
まず、電極４により、各ピエゾ抵抗２には、ホイートストンブリッジとしての電圧が印加される。
次に、外部の空気の圧力の変化にともない、薄肉部１ａが変形し、ピエゾ抵抗２の抵抗値も変化する。ピエゾ抵抗２の抵抗値が変化すると、配線３を介して変化した電圧が電極４に伝えられる。
電極４には、図示しない圧力算出手段が設けられており、この圧力算出手段は、電圧の変化から薄肉部１ａの変形量を算出し、さらに、薄肉部１ａの変形量から薄肉部１ａに加えた空気の圧力を算出する。

ここで、全体の温度が変化すると、電極４および半導体基板１は変形する。
このとき、電極４と半導体基板１とは、それぞれの熱膨張係数が異なるため、電極４と半導体基板１との間では、熱応力が発生する。
この熱応力は、半導体基板１を通じて伝達されるものの、電極４周辺の半導体基板１には、電極４の周囲に沿った凹部１ｃが形成されているので、熱応力が、凹部１ｃに吸収され、凹部１ｃより外側へ伝達されない。
その結果、ピエゾ抵抗２には、全体の温度変化により発生する熱応力の影響が伝達されず、半導体感歪センサの誤差の発生を防ぐことができる。

以上説明したように、実施の形態１に係る半導体感歪センサによると、外枠部１ｂには、電極４の周囲に沿って凹部１ｃが形成されているので、全体の温度が変化し、電極４と半導体基板１との間に熱応力が発生しても、この熱応力がピエゾ抵抗２にまで伝達せず、その結果、ピエゾ抵抗２からの電気信号の誤差を低減することができる。

実施の形態２．
図４は実施の形態２に係る半導体感歪センサの平面図、図５は図４のＶ−Ｖ線に沿った矢視断面図である。
実施の形態２に係る半導体感歪センサは、半導体基板１の外枠部１ｂに、電極４の全周囲に渡って凹部１ｃが形成され、電極４と配線３とが切り離されている。
この凹部１ｃには、接続体である１本の板形状のバネ９がＺ形状に折り曲げられて設けられており、このバネ９を介して電極４と配線３とが電気的に接続されている。
外枠部１ｂには、電極４の全周に渡って凹部１ｃが形成されているので、外部の温度変化に伴い、電極４と配線３との間に熱応力が発生しても、熱応力が凹部１ｃより外側へ伝達されない。
その他の構成は、実施の形態１と同様である。

実施の形態２に係る半導体感歪センサによると、配線３は、バネ９を有し、このバネ９を介して電極４と接続されているので、外部の温度が変化し、電極４による熱応力が発生しても、ピエゾ抵抗２にまで伝達されず、半導体感歪センサの誤差を低減することができる。
また、電極４および配線３が変形し、電極４と配線３との間の距離が広がっても、バネ９が変形することで、電極４と配線３との間の距離の変化に追随し、両者の電気的接続を確実にすることができる。

実施の形態３．
図６（ａ）は実施の形態３に係る半導体感歪センサの平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のバネ９の拡大図である。
実施の形態３に係る半導体感歪センサは、半導体基板１の外枠部１ｂに、電極４の全周に渡って凹部１ｃが形成され、電極４と配線３とが切り離されている。
この凹部１ｃの電極４と配線３との間には、接続体である板形状のバネ９が２本設けられ、それぞれのバネ９は山形状に折り曲げられ、突出した方向が互いに反対方向となるように配置されている。これらのバネ９により電極４と配線３とが電気的に接続されている。
その他の構成は、実施の形態２と同様である。

実施の形態３に係る半導体感歪センサによると、凹部１ｃには、バネ９が２本設けられているので、実施の形態２に係る半導体感歪センサのものより、電極４と配線３との電気的接続をより確実にすることができる。

なお、上記実施の形態２および実施の形態３では、接続体をバネ９として説明したが勿論このものに限らず、導電性かつ弾性のあるものであればよい。

また、上記実施の形態２および実施の形態３では、バネ９の端部が電極４と接続されている半導体感歪センサについて説明したが、バネ９が配線３の中間部にあり、配線３の端部が電極４と接続されてもよい。

また、上記各実施の形態では、外部の空気の圧力を測定するための半導体感歪センサについて説明したが、例えば、可動機構体の可動部の可動量を測定するためのセンサであってもよく、また、ピエゾ抵抗を備えた加速度を測定するセンサ等であってもよい。

実施の形態１に係る半導体感歪センサの平面図である。図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った矢視断面図である。図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った矢視断面図である。実施の形態２に係る半導体感歪センサの平面図である。図４のＶ−Ｖ線に沿った矢視断面図である。図６（ａ）は実施の形態３に係る半導体感歪センサの平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のバネの拡大図である。

符号の説明

１半導体基板、１ａ薄肉部、１ｂ外枠部、１ｃ凹部、１ｄ埋込酸化膜、２ピエゾ抵抗、３配線、４電極、５台座、６シリコン酸化膜、７シリコン窒化膜、８圧力基準室、９バネ。

Claims

薄肉部およびこの薄肉部の外側に設けられこの薄肉部よりも厚い外枠部を有した半導体基板と、
前記薄肉部に設けられたピエゾ抵抗と、
前記外枠部に設けられ、前記ピエゾ抵抗と配線を介して電気的に接続され、前記ピエゾ抵抗からの電気信号を外部に伝達する電極と、
を備えた半導体感歪センサにおいて、
前記外枠部には、前記電極の周囲に沿って凹部が形成されていることを特徴とする半導体感歪センサ。
薄肉部およびこの薄肉部の外側に設けられこの薄肉部よりも厚い外枠部を有した半導体基板と、
前記薄肉部に設けられたピエゾ抵抗と、
前記外枠部に設けられ、前記ピエゾ抵抗と配線を介して電気的に接続され、前記ピエゾ抵抗からの電気信号を外部に伝達する電極と、
を備えた半導体感歪センサにおいて、
前記配線は、弾性の接続体を有し、前記接続体は、前記電極と前記ピエゾ抵抗とをつなぐ経路の一部を構成していることを特徴とする半導体感歪センサ。
前記接続体は、並列に複数設けられたことを特徴とする請求項２に記載の半導体感歪センサ。
前記接続体は、バネであることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の半導体感歪センサ。