JPH0712942U - 半導体圧力変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ダイヤフラム部以外の変形や温度変化による
影響を軽減防止し、高精度な測定を行い得るようにす
る。 【構成】 基板１に環状のダイヤフラム部２を設け、さ
らにその外側に環状の薄肉部２１を形成する。基板１の
裏面外周部を台座４に接合し、薄肉部２１より内側部分
を台座４から浮かせる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は差圧あるいは圧力を検出する半導体圧力変換器に関する。

【０００２】

【従来の技術】

従来、この種の半導体圧力変換器としてはＳｉ（シリコン）半導体ダイヤフラ ムを利用したものが知られている。このＳｉダイヤフラム型半導体圧力変換器は 、半導体結晶からなる基板（以下半導体基板という）の表面に不純物の拡散もし くはイオン打ち込み技術によりピエゾ抵抗領域として作用するゲージを形成する と共に、Ａｌの蒸着等によりリードを形成し、裏面の一部をエッチングによって 除去することにより厚さ２０μｍ〜５０μｍ程度の薄肉部、すなわちダイヤフラ ム部を形成して構成したもので、ダイヤフラム部の表裏面に測定圧力をそれぞれ 加えると、ダイヤフラム部の変形に伴いゲージの比抵抗が変化し、この時の抵抗 変化に伴う出力電圧を検出し、差圧または圧力を測定するものである。

【０００３】 図４および図５はこのような半導体圧力変換器の従来例を示す平面図および断 面図で、半導体基板１は（１００）面のｎ型単結晶Ｓｉからなり、エッチングに よりその裏面中央部を環状に除去されることにより差圧または圧力に感応する薄 肉円環状の感圧ダイヤフラム部２を備え、またこのダイヤフラム部２の表面側に はピエゾ領域として作用し差圧または圧力を検出する差圧検出用ゲージ３（３Ａ ，３Ｂ）が設けられ、台座４上に静電接合されている。台座４は、半導体基板１ と熱膨張係数が近似したパイレックスガラス、セラミックス等によって形成され 、前記半導体基板１の裏面に形成された凹陥部５を介してダイヤフラム部２の裏 面側に測定すべき圧力Ｐ1 ，Ｐ2 のうちの一方（Ｐ2 ）を導く貫通孔６が形成さ れている。

【０００４】 前記差圧検出用ゲージ３は、前記感圧ダイヤフラム部２の表面で径方向中央に 拡散またはイオン打ち込み法によって４つ形成されており、ホイールストーンブ リッジに結線されることでダイヤフラム部２の表裏面に加えられた測定すべき圧 力Ｐ1 ，Ｐ2 の差圧信号を差動的に出力する。測定差圧または圧力はそれぞれ最 大１４０Ｋｇｆ／ｃｍ² ，４２０Ｋｇｆ／ｃｍ² 程度である。 また、４つの差圧検出用ゲージ３のうち半径方向の２つの差圧検出用ゲージ３ Ａは、折り返しゲージを形成することで、低濃度（１０¹⁹ 個／ｃｍ³ ）で所定 のシート抵抗を有し、結晶面方位（１００）においてピエゾ抵抗係数が最大とな る＜１１０＞の結晶軸方向と平行な２つのゲージ部３ａ，３ａと、ゲージ部３ａ ，３ａの一端を互いに連結する連結部３ｂと、ゲージ部３ａ，３ａの他端にそれ ぞれ接続された２つのリードアウト部３ｃ，３ｃとからなり、連結部３ｂとリー ドアウト部３ｃ，３ｃがゲージ部３ａ，３ａに対するこれらの影響を除くため一 般に高濃度（１０²¹ 個／ｃｍ³ ）の導電型（ｐ⁺ 型）半導体物質領域を形成し ている。一方、接線方向の２つの差圧検出用ゲージ３Ｂは、折り返しゲージを形 成せず、低濃度（１０¹⁹ 個／ｃｍ³ ）で所定のシート抵抗を有し、結晶面方位 （１００）においてピエゾ抵抗係数が最大となる＜１１０＞の結晶軸方向と平行 な１つのゲージ部３ａと、ゲージ部３ａの端部にそれぞれ接続され高濃度（１０ ²¹ 個／ｃｍ³ ）の導電型（ｐ⁺ 型）半導体物質領域を形成する２つのリードア ウト部３ｃ，３ｃとで構成されている。

【０００５】 差圧検出用ゲージ３のピエゾ抵抗係数はｐ型，ｎ型共に半導体基板１への不純 物のドーピング量が多くなるにつれて低下する。このため、差圧検出用ゲージ３ の比抵抗の変化率を大きくして、圧力に対する感度を上げ大きな出力電圧を得る には不純物濃度を低く設定する。また、ピエゾ抵抗係数は、ｐ型とｎ型で異なり 、ｐ型の方がより大きく、このためｎ型半導体上にｐ型抵抗層を設けるのが一般 的である。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】

上記した従来の半導体圧力変換器において、ダイヤフラム部２は差圧（Ｐ1 − Ｐ2 ）（圧力測定は片側の圧力が０）に比例して変形する。この時、ダイヤフラ ム部２にのみ圧力が加わるものであれば差圧（または圧力）を正確に測定するこ とができるが、実際には変換器全体に圧力Ｐ1 ，Ｐ2 が作用しているため、ダイ ヤフラム部２以外の部分もこの圧力差（Ｐ1 −Ｐ2 ）によって変形する。そして 、この変形は当然のことながら圧力差が大きいほど大きく、ダイヤフラム部２に 応力（変形）を生じさせる。つまり、ダイヤフラム部２は、その表裏面に直接働 く圧力Ｐ1 ，Ｐ2 の差圧によって変形すると同時に、ダイヤフラム部２以外の部 分の変形を受けて変形する。したがって、差圧（または圧力）を正確には測定す ることができないという問題があった。 また、このような問題は温度変化によっても同様なことが言える。すなわち、 温度変化によって変換器が伸縮すると、変換器全体に応力が生じ、この応力がダ イヤフラム部２に加わると出力がシフトし、測定誤差を生じる。

【０００７】 本考案は上記したような従来の問題点に鑑みてなされたもので、その目的とす るところは、差圧または圧力によるダイヤフラム部以外の部分の変形や温度変化 による影響を軽減防止し、高精度な測定を行い得るようにした半導体圧力変換器 を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

上記目的を解決するため本考案に係る半導体圧力変換器は、半導体結晶からな る基板の一方の面に凹陥部を形成することにより薄肉部を形成し、前記基板の他 方の面の前記薄肉部上にピエゾ抵抗領域として作用するゲージを設け、前記基板 の一方の面の外周部を台座に固着した半導体圧力変換器において、前記基板の薄 肉部と周囲固着部との間に変形容易な環状の薄肉部を形成したものである。

【０００９】

【作用】

本考案において、ダイヤフラム部を形成する薄肉部は差圧または圧力によって 変形する。この時、薄肉部の外側に形成された変形容易な環状の薄肉部も変形す る。また、周囲固着部も差圧もしくは圧力によって変形すると、環状薄肉部に応 力（変形）を生じさせる。しかし、この環状薄肉部の応力（変形）は厚肉部の存 在によって遮断されているため、薄肉部は環状薄肉部に生じる応力（変形）の影 響を受けることがなく、薄肉部に加えられる差圧または圧力によってのみ変形す る。 また、温度変化によって環状薄肉部および周囲固着部が変形した場合も、薄肉 部は同様に影響を受けることがない。

【００１０】

【実施例】

以下、本考案を図面に示す実施例に基づいて詳細に説明する。 図１は本考案に係る半導体圧力変換器の一実施例を示す断面図である。なお、 図４および図５と同一構成部材のものに対しては同一符号をもって示し、その説 明を省略する。本実施例は半導体基板１の裏面外周寄りに凹陥部２０を形成する ことによりゲージ３が埋め込み形成されたダイヤフラム部（薄肉部）２の外側に 変形容易な環状の薄肉部２１を設けたものである。ダイヤフラム部２と環状薄肉 部２１とは、環状の厚肉部２２によって仕切られており、この厚肉部２２の裏面 ２２ａとダイヤフラム部２の内側に設けられている円板状の厚肉部２３の裏面２ ３ａは台座４の表面から離間している。 その他の構成は上記した従来の変換器と同様である。

【００１１】 図２は上記構成からなる半導体圧力変換器の差圧測定時における変形を示す図 である。差圧測定時にダイヤフラム部２の表裏面に測定すべき圧力Ｐ1 ，Ｐ2 （ 図においてはＰ1 ＞Ｐ2 の場合を示す）が印加されると、ダイヤフラム部２と環 状薄肉部２１はともに台座４側に変形する。また、圧力Ｐ1 ，Ｐ2 は変換器全体 に作用しているため、差圧が大きいと台座４の上面に固着されている周囲固着部 ２４も変形し、この変形によって環状薄肉部２１を変形させる。つまり、環状薄 肉部２１は、表裏面に加えられる圧力Ｐ1 ，Ｐ2 の差および周囲固着部２４の変 形に伴って変形する。しかし、このような環状薄肉部２１の変形は厚肉部２２に よって遮断されているため、ダイヤフラム部２には何等影響を及ぼすことがない 。また、厚肉部２２は温度変化による環状薄肉部２１の変形を遮断する。したが って、ダイヤフラム部２は、ダイヤフラム部２に加えられる差圧（または圧力） によってのみ変形し、正確な差圧（圧力）測定を可能にする。

【００１２】 図３は本考案の他の実施例を示す断面図である。この実施例は半導体基板１の 裏面中央部に設けた円形の凹陥部３０のため薄肉部を形成する部分を円板状の差 圧感圧用ダイヤフラム部２としたものである。その他の構成は上記実施例と同様 である。 このような構成においても上記実施例と同様に差圧または圧力によるダイヤフ ラム部以外の部分の変形や温度変化による影響を防止することができる。

【００１３】

【考案の効果】

以上説明したように本考案に係る半導体圧力変換器によれば、基板のダイヤフ ラムを形成する薄肉部の外側に厚肉部と環状薄肉部を形成したので、簡単な構成 にも拘らずダイヤフラム部を形成する薄肉部を、ダイヤフラム部自体に加えられ る差圧または圧力のみによって変形させることができて、差圧または圧力による ダイヤフラム部以外の部分の変形による影響を何等受けず、したがって、差圧ま たは圧力を高精度に測定することができ、変換器の測定精度を向上させることが できる。また、温度変化による影響をも軽減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案に係る半導体圧力変換器の一実施例を示
す断面図である。

【図２】半導体圧力変換器の差圧測定時における変形を
示す図である。

【図３】本考案の他の実施例を示す断面図である。

【図４】半導体圧力変換器の従来例を示す平面図であ
る。

【図５】同変換器の断面図である。

【符号の説明】

１ 半導体基板 ２ ダイヤフラム部（薄肉部） ３Ａ 半径方向の差圧検出用ゲージ ３Ｂ 接線方向の差圧検出用ゲージ ３ａ ゲージ部 ３ｂ 連結部 ３ｃ リードアウト部 ４ 台座 ５ 凹陥部 ２０ 凹陥部 ２１ 薄肉部 ２２ 厚肉部 ２３ 厚肉部 ２４ 周囲固着部

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体結晶からなる基板の一方の面に凹
   陥部を形成することにより薄肉部を形成し、前記基板の
   他方の面の前記薄肉部上にピエゾ抵抗領域として作用す
   るゲージを設け、前記基板の一方の面の外周部を台座に
   固着した半導体圧力変換器において、 前記基板の薄肉部と周囲固着部との間に変形容易な環状
   の薄肉部を形成したことを特徴とする半導体圧力変換
   器。