JP6971109B2 - センサ素子 - Google Patents

Description

本開示は、センサ素子に関する。

従来から、検体中の特定物質を検出するセンサが知られている。例えば、特許文献１には、ダイヤフラム部と、ダイヤフラム部の撓みを検知するピエゾ抵抗素子とを備えたセンサが開示されている。

特開平１０−２２５１１号公報

このようなセンサでは、検出精度を向上させることが求められている。

本開示の一実施形態に係るセンサ素子は、第１導電型の第１不純物及び第２導電型の第２不純物を含む基板を備える。前記基板は、少なくとも１つのピエゾ抵抗部と、第１領域と、第２領域とを有する。前記ピエゾ抵抗部は、前記第２不純物を含む。前記第１領域は、前記ピエゾ抵抗部の側部及び底部に接触した状態で前記ピエゾ抵抗部を囲むとともに前記第１不純物を含む。前記第２領域は、前記第１領域を囲むとともに前記第１不純物を含む。前記第１領域の前記第１不純物の濃度は、前記第２領域の前記第１不純物の濃度よりも高い。前記基板は、ダイヤフラムを有し、該ダイヤフラムの上に変形可能な感応膜が位置する。前記ピエゾ抵抗部は、前記感応膜の外側で、かつ前記ダイヤフラムの周囲に位置する。

本開示の一実施形態に係るセンサ素子によれば、検出精度を向上させることができる。

本開示の一実施形態に係るセンサ素子の概略構成を示す上面図である。 図１に示すＩ−Ｉ線に沿ったセンサ素子の断面図である。 比較例に係るセンサ素子の断面図である。

以下、本開示の一実施形態について、図面を参照して説明する。以下では、本開示の一実施形態に係るセンサ素子は、ガスセンサに採用されるものとする。しかしながら、本開示の一実施形態に係るセンサ素子は、ガスセンサに限定されず、ピエゾ抵抗部を利用する任意のセンサに採用されてよい。例えば、本開示の一実施形態に係るセンサ素子は、圧力センサ、加速度センサ又は臭いセンサに採用されてよい。

［センサ素子の構成］
図１は、本開示の一実施形態に係るセンサ素子１の概略構成を示す上面図である。図２は、図１に示すＩ−Ｉ線に沿ったセンサ素子１の断面図である。

センサ素子１は、例えば、ガスセンサに採用される。センサ素子１の被検体は、例えば、人間の呼気であるが、これに限定されない。被検体が人間の呼気である場合、センサ素子１の検出対象は、例えば、アセトン、エタノール又は一酸化炭素等である。

センサ素子１は、基板１０を備える。以下では、基板１０は、Ｓｉ基板であるものとする。しかしながら、基板１０は、半導体基板であれば、Ｓｉ基板ではなくてもよい。

基板１０は、図２に示すように、第１領域１３，１４及び第２領域１５等のｎ型領域と、ピエゾ抵抗部２０等のｐ型領域を含む。すなわち、基板１０は、第１導電型としてのｎ型の第１不純物、及び、第２導電型としてのｐ型の第２不純物を含む。第１不純物は、例えば、リン（Ｐ）又はヒ素（Ａｓ）等である。第２不純物は、例えば、ボロン（Ｂ）等である。なお、本実施形態では、第１導電型はｎ型、かつ第２導電型はｐ型であるものとする。しかしながら、第１導電型がｐ型、かつ第２導電型がｎ型であってもよい。

基板１０は、図１に示すように、ダイヤフラム１１と、ピエゾ抵抗部２０，２１，２２，２３とを有する。図１に示すセンサ素子１は、４つのピエゾ抵抗部２０〜２３を備える。しかしながら、センサ素子１が備えるピエゾ抵抗部の数は、４つに限定されない。センサ素子１は、少なくとも１つのピエゾ抵抗部を備えればよい。

ダイヤフラム１１は、変形可能な部材である。ダイヤフラム１１は、例えば、薄いｎ型Ｓｉ基板である。ダイヤフラム１１は、上面視において円形状である。ダイヤフラム１１の上には、感応膜１２が配置される。ダイヤフラム１１は、その上面に配置された感応膜１２が変形すると、感応膜１２の変形の度合いに応じて変形する。

感応膜１２は、上面視において円形状である。感応膜１２は、検出対象となる物質が感応膜１２に吸着されると、その物質との物理的な接触又はその物質との化学反応等によって、伸縮等して変形する。感応膜１２には、検出対象となる物質に応じた材料が用いられる。

ピエゾ抵抗部２０〜２３は、ｐ型Ｓｉである。すなわち、ピエゾ抵抗部２０〜２３は、第２不純物を含む。ピエゾ抵抗部２０〜２３は、例えば、第２不純物を高濃度に拡散させて形成され得る。ピエゾ抵抗部２０〜２３は、例えば、高濃度ｐ型Ｓｉである。

ピエゾ抵抗部２０，２１は、図２に示すように、基板１０に形成される。ピエゾ抵抗部２０，２１と同様に、ピエゾ抵抗部２２，２３は、基板１０に形成される。ピエゾ抵抗部２０の上には、図２に示すように、配線３０が形成される。ピエゾ抵抗部２１の上には、図２に示すように、配線３１が形成される。ピエゾ抵抗部２０，２１と同様に、ピエゾ抵抗部２２の上には、配線３２が形成される。ピエゾ抵抗部２０，２１と同様に、ピエゾ抵抗部２３の上には、配線３３が形成される。図１に示すように、配線３０は、外部からの配線３０Ａと電気的に接続する。配線３１は、外部からの配線３１Ａと電気的に接続する。配線３２は、外部からの配線３２Ａと電気的に接続する。配線３３は、外部からの配線３３Ａと電気的に接続する。

ピエゾ抵抗部２０〜２３は、図１に示すように、上面視においてダイヤフラム１１の周囲に等間隔に配置される。ピエゾ抵抗部２０とピエゾ抵抗部２１は、感応膜１２を挟んで、互いに対向する位置に配置される。ピエゾ抵抗部２２とピエゾ抵抗部２３は、感応膜１２を挟んで、互いに対向する位置に配置される。

ピエゾ抵抗部２０〜２３の抵抗値は、ピエゾ抵抗部２０〜２３がそれぞれ受ける応力によって、それぞれ変化する。本実施形態では、ダイヤフラム１１が撓むことにより、ピエゾ抵抗部２０〜２３がそれぞれ応力を受けることによって、ピエゾ抵抗部２０〜２３の抵抗値はそれぞれ変化する。ピエゾ抵抗部２０〜２３の抵抗値の変化は、電気信号として、配線３０〜３３及び配線３０Ａ〜３３Ａを介して、外部に出力される。ピエゾ抵抗部２０〜２３の抵抗値の変化を電気信号として検出することで、検出対象となる物質の感応膜１２への吸着を検出することができる。

ピエゾ抵抗部２０〜２３は、ホイートストンブリッジ回路を構成してもよい。ピエゾ抵抗部２０〜２３で構成されたホイートストンブリッジ回路から、ピエゾ抵抗部２０〜２３の抵抗値の変化を電気信号として検出させることで、検出対象となる物質の感応膜１２への吸着が検出されてよい。

配線３０は、図２に示すように、例えば電極層として、ピエゾ抵抗部２０の上に形成される。配線３０は、ピエゾ抵抗部２０と電気的に接続する。配線３１は、図２に示すように、例えば電極層として、ピエゾ抵抗部２１の上に形成される。配線３１は、ピエゾ抵抗部２１と電気的に接続する。配線３０，３１と同様に、配線３２は、例えば電極層として、ピエゾ抵抗部２２の上に形成される。配線３２は、ピエゾ抵抗部２２と電気的に接続する。配線３０，３１と同様に、配線３３は、例えば電極層として、ピエゾ抵抗部２３の上に形成される。配線３３は、ピエゾ抵抗部２３と電気的に接続する。

第１領域１３は、ピエゾ抵抗部２０を囲むとともに第１不純物を含む。つまり、第１領域１３は、ピエゾ抵抗部２０を囲む、ｎ型領域である。第１領域１４は、ピエゾ抵抗部２１を囲むとともに第１不純物を含む。つまり、第１領域１４は、ピエゾ抵抗部２１を囲む、ｎ型領域である。本実施形態では、基板１０は、さらに、ピエゾ抵抗部２２を囲む第１領域及びピエゾ抵抗部２３を囲む第１領域を含むものとする。

第２領域１５は、第１領域１３，１４を囲むとともに第１不純物を含む。つまり、第２領域１５は、第１領域１３，１４を囲む、ｎ型領域となる。また、第２領域１５は、配線等を介して接地されてもよい。

ここで、本実施形態では、第１領域１３，１４の第１不純物の濃度は、第２領域１５の第１不純物の濃度よりも高い。例えば、第１領域１３，１４の第１不純物の濃度は、１．０×１０¹⁴ｃｍ³〜１．０×１０¹⁹ｃｍ³であってよい。例えば、第２領域１５の第１不純物の濃度は、１．０×１０¹³ｃｍ³〜１．０×１０¹⁵ｃｍ³であってよい。この場合、第１領域１３，１４の第１不純物の濃度は、第２領域１５の第１不純物の濃度よりも、１０倍〜１００００倍高くなる。つまり、第１領域１３，１４は、第２領域１５に対して、高濃度ｎ型領域となる。また、第２領域１５は、第１領域１３，１４に対して、低濃度ｎ型領域となる。

このような構成とすることで、本実施形態に係るセンサ素子１は、以下に説明するように、検出精度を向上させることができる。

図３は、比較例に係るセンサ素子１Ａの断面図である。図３に示す構成要素において、図２に示す構成要素と同一のものは、同一符号を付し、その説明を省略する。

比較例に係るセンサ素子１Ａは、基板１０Ａを備える。基板１０Ａは、第１領域を含まない。そのため、高濃度ｐ型のピエゾ抵抗部２０，２１は、図３に示すように、第２領域１５に囲まれる。

比較例に係るセンサ素子１Ａでは、高濃度ｐ型のピエゾ抵抗部２０〜２３は、基板１０Ａにおいて、低濃度ｎ型の第２領域１５と接触する。そのため、ピエゾ抵抗部２０等と第２領域１５との間のｐｎ接合部（例えば、矢印Ｂ）の拡散電位が大きくなってしまう。当該ｐｎ接合部の拡散電位が大きくなると、当該ｐｎ接合部に形成される空乏層が厚くなってしまう。当該ｐｎ接合部に形成される空乏層が厚くなると、センサ素子１Ａを用いた検出処理中に、外部光が空乏層に入り込んでしまう蓋然性が高くなる。外部光が空乏層に入り込むと、光起電力によって電流が生じ、この電流がノイズ源となってしまうことがある。

これに対し、本実施形態に係るセンサ素子１では、高濃度ｐ型のピエゾ抵抗部２０〜２３は、図２に示すように、基板１０において、高濃度ｎ型の第１領域１３，１４等と接触する。そのため、ピエゾ抵抗部２０等と第１領域１３等との間のｐｎ接合部（例えば、図２に示す矢印Ａ）の拡散電位は、比較例よりも、小さくなり得る。当該ｐｎ接合部の拡散電位が小さくなることで、当該ｐｎ接合部に形成される空乏層は、比較例よりも、狭められ得る。当該ｐｎ接合部に形成される空乏層が狭められることで、外部光が空乏層に入り込む蓋然性が低減され得る。外部光が空乏層に入り込む蓋然性が低減されることで、本実施形態に係るセンサ素子１は、ノイズ源となる電流が生じてしまうことを低減させることができる。従って、本実施形態に係るセンサ素子１は、検出精度を向上させることができる。

さらに、ガスセンサは、ユーザが日常生活の中で使用することが多い。つまり、ガスセンサは、ユーザが活動している昼間に使用されることが多いため、光に曝されることが多い。ここで、本実施形態に係るセンサ素子１は、上述のように、外部光が空乏層に入り込む蓋然性を低減させ、ノイズ源となる電流が生じてしまうことを低減させることができる。従って、本実施形態に係るセンサ素子１は、ユーザが日常生活で使用するようなガスセンサに採用されても、検出精度を向上させることができる。

加えて、本実施形態では、センサ素子１が図２に示すような互いに対向する２つのピエゾ抵抗部２０，２１を備える場合、ピエゾ抵抗部２０を囲む第１領域１３と、ピエゾ抵抗部２１を囲む第１領域１４との間に、第２領域１５が位置する。このような構成によって、ピエゾ抵抗部２０とピエゾ抵抗部２１とが短絡してしまうことを防ぐことができる。

本開示を諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形および修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形及び修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各機能部、各手段等に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の機能部等を１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。また、上述した本開示の各実施形態は、それぞれ説明した各実施形態に忠実に実施することに限定されるものではなく、適宜、各特徴を組み合わせたり、一部を省略したりして実施することもできる。

例えば、上述の一実施形態では、センサ素子１は、ガスセンサに採用されるものとして説明した。しかしながら、センサ素子１は、ピエゾ抵抗部を利用するセンサであれば、ガスセンサ以外のセンサにも採用されてよい。例えば、センサ素子１は、圧力センサ、加速度センサ又は臭いセンサに採用されてよい。

例えば、上述の一実施形態では、第１導電型がｎ型、かつ第２導電型がｐ型であるものとした。しかしながら、第１導電型がｐ型、かつ第２導電型がｎ型であってもよい。この場合、基板１０がＳｉ基板であるとき、第１不純物は、例えば、ボロン（Ｂ）等である。また、第２不純物は、例えば、リン（Ｐ）又はヒ素（Ａｓ）等である。

１，１Ａ センサ素子
１０，１０Ａ 基板
１１ ダイヤフラム
１２ 感応膜
１３，１４ 第１領域
１５ 第２領域
２０，２１，２２，２３ ピエゾ抵抗部
３０，３１，３２，３３ 配線
３０Ａ，３１Ａ，３２Ａ，３３Ａ 配線

Claims (3)

1. 第１導電型の第１不純物及び第２導電型の第２不純物を含む基板を備え、
   前記基板は、前記第２不純物を含む少なくとも１つのピエゾ抵抗部と、前記ピエゾ抵抗部の側部及び底部に接触した状態で前記ピエゾ抵抗部を囲むとともに前記第１不純物を含む第１領域と、前記第１領域を囲むとともに前記第１不純物を含む第２領域とを有し、
   前記第１領域の前記第１不純物の濃度は、前記第２領域の前記第１不純物の濃度よりも高く、
   前記基板は、ダイヤフラムを有し、該ダイヤフラムの上に変形可能な感応膜が位置し、
   前記ピエゾ抵抗部は、前記感応膜の外側で、かつ前記ダイヤフラムの周囲に位置する、センサ素子。
2. 請求項１に記載のセンサ素子であって、
   前記基板は、互いに対向する２つの前記ピエゾ抵抗部を有し、
   前記２つのピエゾ抵抗部をそれぞれ囲む前記第１領域の間に、前記第２領域が位置する、センサ素子。
3. 請求項１又は２に記載のセンサ素子であって、
   前記ピエゾ抵抗部に電気的に接続される配線をさらに備える、センサ素子。

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