JPS5887880A - 半導体ダイアフラム形センサ - Google Patents
半導体ダイアフラム形センサInfo
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- G—PHYSICS
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- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
- G01L19/14—Housings
- G01L19/148—Details about the circuit board integration, e.g. integrated with the diaphragm surface or encapsulation
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- G01L13/02—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values using elastically-deformable members or pistons as sensing elements
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- G01L19/0627—Protection against aggressive medium in general
- G01L19/0645—Protection against aggressive medium in general using isolation membranes, specially adapted for protection
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- G—PHYSICS
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- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
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- G—PHYSICS
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- H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
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- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
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- Pressure Sensors (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は半導体ダイアフラム形センサに係り、特に温度
特性に優れ、かつ高静圧下においてもその影響を小さく
するのに好適な構成の半導体ダイアフラム形センサに関
するものである。
特性に優れ、かつ高静圧下においてもその影響を小さく
するのに好適な構成の半導体ダイアフラム形センサに関
するものである。
半導体基板の一方の主面に不純物を拡散してピエゾ抵抗
素子を形成させたダイアフラムを圧力に応動する感圧素
子としたものは、これ捷で種々のものが提案されている
。このような素子は、半導体基板の一方の主面を中央部
と外周部とが肉厚部となシ、その間が薄肉部となるよう
に、例えばエツチングによって加工し、加工側と反対側
の基板主面−1−の薄肉部の+1面にピエゾt1(抗素
子を形成して、印加圧力に対する変換感度および精度を
向上させることができる。特にピエゾ抵IA−素子を中
央肉厚部近傍と外周肉厚部近傍にそJlそれ2個すつ形
成し、この4個の素子をホイ−トストンブリッジ度を効
果的に向上し得る。このような半導体ダイアフラム形感
圧素子を用いることにより、従来のものに比較して高感
度、かつ、1f’i+精度の差F「伝送器を製作できる
。しかし、差圧伝送器においては、感度、精度のほかに
種々の技術的課題が半導体ダイアフラム形センザにi果
せらtする3、このため、上記した構成の半導体ダイア
フラム形感圧素子を用いだセンサを差圧伝送器に応用す
る場合には,上記の半導体ダイアフラムのみならず、こ
の素子の支持部拐を含めた十ノザ構成全体の検討が必要
となる。その主な課題としては。
素子を形成させたダイアフラムを圧力に応動する感圧素
子としたものは、これ捷で種々のものが提案されている
。このような素子は、半導体基板の一方の主面を中央部
と外周部とが肉厚部となシ、その間が薄肉部となるよう
に、例えばエツチングによって加工し、加工側と反対側
の基板主面−1−の薄肉部の+1面にピエゾt1(抗素
子を形成して、印加圧力に対する変換感度および精度を
向上させることができる。特にピエゾ抵IA−素子を中
央肉厚部近傍と外周肉厚部近傍にそJlそれ2個すつ形
成し、この4個の素子をホイ−トストンブリッジ度を効
果的に向上し得る。このような半導体ダイアフラム形感
圧素子を用いることにより、従来のものに比較して高感
度、かつ、1f’i+精度の差F「伝送器を製作できる
。しかし、差圧伝送器においては、感度、精度のほかに
種々の技術的課題が半導体ダイアフラム形センザにi果
せらtする3、このため、上記した構成の半導体ダイア
フラム形感圧素子を用いだセンサを差圧伝送器に応用す
る場合には,上記の半導体ダイアフラムのみならず、こ
の素子の支持部拐を含めた十ノザ構成全体の検討が必要
となる。その主な課題としては。
1、温度影響の低減
特に半導体が本来有する温度特性に対する変調効果(例
えば、温度ザイクルによる零点のドリフトやヒステリシ
スなど)の低減 2、誘導雑音の影響防止 3、静圧影響の低減 がある。
えば、温度ザイクルによる零点のドリフトやヒステリシ
スなど)の低減 2、誘導雑音の影響防止 3、静圧影響の低減 がある。
本発明の目的は1上記課題を解決し7うる構成の半導体
ダイアフラム形センサを提供するにある。
ダイアフラム形センサを提供するにある。
本発明は、半導体ダイアフラムを支持する支持部材をダ
イアノラムと同じ半導体で構成し、この半導体の支持部
材とダイアノラムとの間に薄肉のガラス膜および酸化膜
を形成するようにしノーものである。
イアノラムと同じ半導体で構成し、この半導体の支持部
材とダイアノラムとの間に薄肉のガラス膜および酸化膜
を形成するようにしノーものである。
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。
る。
第1図は本発明のセンサの一実施例を示す縦断面図、第
2図は第1図の部分拡大詳細説明図で、(a)は平面図
、(1))は縦断面図である3、第1図において、1は
n形S1単結晶からなる面方位(1oo)のダイアノラ
ム、6はこれと同じ制置からなる第1支持部拐、61は
酸化膜、5は熱膨張係数がダイアフラム1と近似してお
り、かつ、絶縁性が高いホウケイ酸ガラスをスパッタリ
ングにより被着した薄膜、7は熱膨張係数および縦弾性
係数がダイアノラム1と近似しているI・’c−40%
N1合金からなる第2支持部材である。
2図は第1図の部分拡大詳細説明図で、(a)は平面図
、(1))は縦断面図である3、第1図において、1は
n形S1単結晶からなる面方位(1oo)のダイアノラ
ム、6はこれと同じ制置からなる第1支持部拐、61は
酸化膜、5は熱膨張係数がダイアフラム1と近似してお
り、かつ、絶縁性が高いホウケイ酸ガラスをスパッタリ
ングにより被着した薄膜、7は熱膨張係数および縦弾性
係数がダイアノラム1と近似しているI・’c−40%
N1合金からなる第2支持部材である。
ダイアノラム1は、第2図(2])に示すように、中央
肉厚部11.外周肉厚部12.その間を溝状に加工して
形成させた薄肉部1:3をイjシフ、肉JIW部11.
12の厚さは0.35 mmとなっており、外周形状は
一辺の長さが3〜9 mmのi、E 、)j形状としで
ある。薄肉部13は、第1図と同様、ピエゾ11(抗素
イを配置する部分が直線部となる形:lJSに[7であ
る。
肉厚部11.外周肉厚部12.その間を溝状に加工して
形成させた薄肉部1:3をイjシフ、肉JIW部11.
12の厚さは0.35 mmとなっており、外周形状は
一辺の長さが3〜9 mmのi、E 、)j形状としで
ある。薄肉部13は、第1図と同様、ピエゾ11(抗素
イを配置する部分が直線部となる形:lJSに[7であ
る。
このような形状に加工するには、KOll等のアルカリ
溶液を用いた異方性エッチノブ舌によって竹えばよい。
溶液を用いた異方性エッチノブ舌によって竹えばよい。
薄肉部13の厚さは1例えは、差圧等の測定レンジと出
力感度に応じて決める。寸だ、精度の観点からは薄肉部
13の内径と外径との比が重要で、0.5以」二とする
ことが肝四である。
力感度に応じて決める。寸だ、精度の観点からは薄肉部
13の内径と外径との比が重要で、0.5以」二とする
ことが肝四である。
14〜17はピエゾ抵抗素子で、ピエゾ1j(抗素子1
4へ・17は、薄肉部13−」−曲の外周肉厚部12近
傍と中央肉厚部11近傍とに、第2図(a)に示すよう
にそれぞれ2個ずつ不純物の選択的拡散によって形成し
てあり、計4個をノリブリッジ結線として使用するよう
にしである。この上う々ブリノンは、薄肉部13」−面
に4組構成し、そのうちの1組を選択して用いる5、な
お、各ピエゾ抵抗素子14〜17は、それぞれ(100
1面における最大ピエゾ感度軸である<110>軸を長
手方向とする各々平行な6本の細条を低抵抗層によって
直列に接続した構成としである。また、固定部となる外
周肉厚部12上面には3個の感温素子18〜20を形成
させである。感温素子18〜20は、差圧伝送器のレン
ジ切換時の温度特性補償に効果的な役割をするものであ
り、ピエゾ感度がほぼ零である(100)軸を長手方向
とする各々平行な2本の細条を低抵抗層によって直列に
接続して構成しである。21はS1ダイアフラム基板に
最高電位を与えるだめのバンドである。これは、誘導雑
音の影響防止に効果的な役割を果す。22は各素子間の
配線導体で、At蒸着で形成しである。
4へ・17は、薄肉部13−」−曲の外周肉厚部12近
傍と中央肉厚部11近傍とに、第2図(a)に示すよう
にそれぞれ2個ずつ不純物の選択的拡散によって形成し
てあり、計4個をノリブリッジ結線として使用するよう
にしである。この上う々ブリノンは、薄肉部13」−面
に4組構成し、そのうちの1組を選択して用いる5、な
お、各ピエゾ抵抗素子14〜17は、それぞれ(100
1面における最大ピエゾ感度軸である<110>軸を長
手方向とする各々平行な6本の細条を低抵抗層によって
直列に接続した構成としである。また、固定部となる外
周肉厚部12上面には3個の感温素子18〜20を形成
させである。感温素子18〜20は、差圧伝送器のレン
ジ切換時の温度特性補償に効果的な役割をするものであ
り、ピエゾ感度がほぼ零である(100)軸を長手方向
とする各々平行な2本の細条を低抵抗層によって直列に
接続して構成しである。21はS1ダイアフラム基板に
最高電位を与えるだめのバンドである。これは、誘導雑
音の影響防止に効果的な役割を果す。22は各素子間の
配線導体で、At蒸着で形成しである。
23は電極パッドで、上記と同様A4蒸着で形成しであ
る。
る。
第1支持部材6け感圧素子1ど同+3質のシリコンで作
り、その上面には酸化膜61を0.1〜17+m形成す
る。次にスパッタリング法などによりガラス薄膜5を1
〜51tm形成する3、 第4図に本発明の製法の概略を示ず3、−1−記の第1
支持部制に形成したガラス5の1−に前記/リコンタ”
イアフラム1を重ね合せ、温度台−300C伺近に加熱
した状態でシリコ/ダイアフラム側を干、ガラス側を−
とし約100■の電圧を印加することに両者を接合する
。これらの作業は約60φのウェハの状態で行った後、
数lOO〜数10数10−9nrIn角チツプにペレタ
イズする。
り、その上面には酸化膜61を0.1〜17+m形成す
る。次にスパッタリング法などによりガラス薄膜5を1
〜51tm形成する3、 第4図に本発明の製法の概略を示ず3、−1−記の第1
支持部制に形成したガラス5の1−に前記/リコンタ”
イアフラム1を重ね合せ、温度台−300C伺近に加熱
した状態でシリコ/ダイアフラム側を干、ガラス側を−
とし約100■の電圧を印加することに両者を接合する
。これらの作業は約60φのウェハの状態で行った後、
数lOO〜数10数10−9nrIn角チツプにペレタ
イズする。
第1支持部材6」−に形成する酸化膜61は第1にシリ
コンダイアフラノ、■との高絶縁をより確実にするため
に設ける。この」−に形成するガラス薄膜にピノホール
が発生した時には酸化膜が絶縁の機能をになうと\もに
、温度上昇時にも十分な絶縁を確保する。第2に/リコ
ンの酸化膜はガラス薄膜との相性がよくその上には極め
て薄く、均一な薄膜ガラスが形成される。我々の実験で
は直接、シリコンの上にガラスを薄く、均一に形成する
のは難しいことが分っている。
コンダイアフラノ、■との高絶縁をより確実にするため
に設ける。この」−に形成するガラス薄膜にピノホール
が発生した時には酸化膜が絶縁の機能をになうと\もに
、温度上昇時にも十分な絶縁を確保する。第2に/リコ
ンの酸化膜はガラス薄膜との相性がよくその上には極め
て薄く、均一な薄膜ガラスが形成される。我々の実験で
は直接、シリコンの上にガラスを薄く、均一に形成する
のは難しいことが分っている。
以上のようなプロセスにより組立てられる圧力センサは
ガラス薄膜が0.1〜数μmと極めて薄いため周囲温度
の変化に対してほとんど全体がシリコンで作られだセン
サとして挙動する。
ガラス薄膜が0.1〜数μmと極めて薄いため周囲温度
の変化に対してほとんど全体がシリコンで作られだセン
サとして挙動する。
圧力がダイアフラム1に印加されると、ピエゾ抵抗素子
14 (16)と15 (17)とには符号が反対で絶
対値がほぼ等しい応力が加わる。このときの各ピエゾ抵
抗素子14〜17の抵抗変化率に]、次式で近似できる
。
14 (16)と15 (17)とには符号が反対で絶
対値がほぼ等しい応力が加わる。このときの各ピエゾ抵
抗素子14〜17の抵抗変化率に]、次式で近似できる
。
ここに、π6 ;縦方向ピエゾ抵抗係数(正)πt ;
横方向ピエゾ抵抗係数(負) σ、;半径方向応力 σt ;接線方向応力 したがって、抵抗素子14 (16)と15 (17)
とはそれぞれ符号が反対で絶対値がほぼ等しい抵抗変化
を示し1圧力にほぼ比例した太きカニブリッジ出力電圧
が得られる。
横方向ピエゾ抵抗係数(負) σ、;半径方向応力 σt ;接線方向応力 したがって、抵抗素子14 (16)と15 (17)
とはそれぞれ符号が反対で絶対値がほぼ等しい抵抗変化
を示し1圧力にほぼ比例した太きカニブリッジ出力電圧
が得られる。
ところで、本発明者等がセンサの静圧影響を受ける原因
を検討する過程で、l00Kq/(1n2の静圧を印加
した状態でのタイアフラA lの薄肉部13の応力分布
を削9した結果、第4図がイ(Iられた。第5図におい
で、ダイアフラノ・lの薄肉部13の両端部に応力差が
ある場合、1−記の原理によりブリノン出力電圧が変化
するが、肉厚ガラスとした場合の応力はそれぞれσ、′
、σ、′曲線で示すようになり、本発明の実施例の場合
のぞわはそれぞれ01″、σ、″曲線で示すようになり
、その差が明白である。なお1本発明者肴C1かかる応
力計算結果にもとづいた出力言1勢イII′1.すなわ
ち、静圧影響値は実測値とよく一致することを確認して
いる。
を検討する過程で、l00Kq/(1n2の静圧を印加
した状態でのタイアフラA lの薄肉部13の応力分布
を削9した結果、第4図がイ(Iられた。第5図におい
で、ダイアフラノ・lの薄肉部13の両端部に応力差が
ある場合、1−記の原理によりブリノン出力電圧が変化
するが、肉厚ガラスとした場合の応力はそれぞれσ、′
、σ、′曲線で示すようになり、本発明の実施例の場合
のぞわはそれぞれ01″、σ、″曲線で示すようになり
、その差が明白である。なお1本発明者肴C1かかる応
力計算結果にもとづいた出力言1勢イII′1.すなわ
ち、静圧影響値は実測値とよく一致することを確認して
いる。
第5図は温度特性の測定結果を示すクラブである。ゲー
ジブリッジは定電圧励起の場合である。
ジブリッジは定電圧励起の場合である。
Aは035mのンリコ/グイアフラノ・を肉厚のガラス
て作った支持部利に接着した試料の特性、[3は本発明
の薄膜ガラスを用いた試料の’lk!; l’lを示ず
。
て作った支持部利に接着した試料の特性、[3は本発明
の薄膜ガラスを用いた試料の’lk!; l’lを示ず
。
Aの特性が勾配a、曲りりを示す理由はノリコンダイア
フラムと第1支持部材間の熱膨張係数差にあることが分
っており、本発明の構造は前述のように両者がシリコン
でできている上1介在するガラスの熱膨張係数がシリコ
ンと若干ちがっても、その厚さが約1μmと極めて薄い
ため影響を受けることなく理想的な温度特性を示すもの
である。
フラムと第1支持部材間の熱膨張係数差にあることが分
っており、本発明の構造は前述のように両者がシリコン
でできている上1介在するガラスの熱膨張係数がシリコ
ンと若干ちがっても、その厚さが約1μmと極めて薄い
ため影響を受けることなく理想的な温度特性を示すもの
である。
第6図は本発明をウニ・・状態で接合した後、ペレタイ
ズする場合の一部断面構造を示したもので各ペレット間
には深い溝がグイサーで切込捷れてゆき、最後にブレイ
クして切離される。
ズする場合の一部断面構造を示したもので各ペレット間
には深い溝がグイサーで切込捷れてゆき、最後にブレイ
クして切離される。
以上述へた本発明の圧カセ/すの特長は、センサ構造材
料の点で、ノリコンダイアフラムと近似しだ熱膨張をも
:)3Il!珪酸ガラスの薄膜を介してシリコン製の第
1支持部材に接合される故(1)性能的に静圧影響を受
けない。
料の点で、ノリコンダイアフラムと近似しだ熱膨張をも
:)3Il!珪酸ガラスの薄膜を介してシリコン製の第
1支持部材に接合される故(1)性能的に静圧影響を受
けない。
(2)温度特性が良好で補償不要。
が挙げられ、高静圧用の差圧伝送器に使用する圧(9)
カセンザが4に供できる9、
第1図は本発明の)1″−導体ダイア−ノンj・形セン
サの一実施例を示す縦断面図、第2図は第1図の部分拡
大詳細説明図で、 (、I)は平面図、(1))は縦断
面図。 第3図は製造プロセスを示す図、第4図はダイアフラム
薄肉部の応力分布図、第5図は温度と出力電圧との関係
を示す図、第6図←1、製造過程を示す図である。 1・・半導体ダイアフラノ・、5・・ガーンス薄膜、6
・・・第1支持部材、7・・・第2支持部4J、z・・
・中央肉厚部、12・・外周肉厚部、13・・・薄肉部
、14〜(10) 第1図 第2−図 1’u)
サの一実施例を示す縦断面図、第2図は第1図の部分拡
大詳細説明図で、 (、I)は平面図、(1))は縦断
面図。 第3図は製造プロセスを示す図、第4図はダイアフラム
薄肉部の応力分布図、第5図は温度と出力電圧との関係
を示す図、第6図←1、製造過程を示す図である。 1・・半導体ダイアフラノ・、5・・ガーンス薄膜、6
・・・第1支持部材、7・・・第2支持部4J、z・・
・中央肉厚部、12・・外周肉厚部、13・・・薄肉部
、14〜(10) 第1図 第2−図 1’u)
Claims (1)
- 1、ピエゾ抵抗素子を有する半導体のダイアフラム、こ
のダイアフラムを支持する半導体の支持部材、この支持
部材とダイアフラムとの間に形成されたガラス薄膜、こ
のガラス薄膜と前記支持部材との間に形成された酸化膜
とより構成したことを特徴とする半導体ダイアフラム形
センサ。
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP56185292A JPS5887880A (ja) | 1981-11-20 | 1981-11-20 | 半導体ダイアフラム形センサ |
CA000415846A CA1193464A (en) | 1981-11-20 | 1982-11-18 | Semiconductor pressure transducer |
DE8282110712T DE3276595D1 (en) | 1981-11-20 | 1982-11-19 | Semiconductor pressure transducer |
EP82110712A EP0080186B1 (en) | 1981-11-20 | 1982-11-19 | Semiconductor pressure transducer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP56185292A JPS5887880A (ja) | 1981-11-20 | 1981-11-20 | 半導体ダイアフラム形センサ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS5887880A true JPS5887880A (ja) | 1983-05-25 |
Family
ID=16168299
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP56185292A Pending JPS5887880A (ja) | 1981-11-20 | 1981-11-20 | 半導体ダイアフラム形センサ |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP0080186B1 (ja) |
JP (1) | JPS5887880A (ja) |
CA (1) | CA1193464A (ja) |
DE (1) | DE3276595D1 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2009020377A3 (en) * | 2007-08-09 | 2009-04-16 | Mdt Co Ltd | Saw sensor |
Families Citing this family (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS6183930A (ja) * | 1984-09-29 | 1986-04-28 | Toshiba Corp | 圧力・差圧伝送器 |
US4672853A (en) * | 1984-10-30 | 1987-06-16 | Burr-Brown Corporation | Apparatus and method for a pressure-sensitive device |
FI84401C (fi) * | 1987-05-08 | 1991-11-25 | Vaisala Oy | Kapacitiv tryckgivarkonstruktion. |
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US4970898A (en) * | 1989-09-20 | 1990-11-20 | Rosemount Inc. | Pressure transmitter with flame isolating plug |
US5287746A (en) * | 1992-04-14 | 1994-02-22 | Rosemount Inc. | Modular transmitter with flame arresting header |
GB9625138D0 (en) * | 1996-12-03 | 1997-01-22 | Crane Ltd | A capacitive differential pressure sensor |
US9310267B2 (en) * | 2014-02-28 | 2016-04-12 | Measurement Specialities, Inc. | Differential pressure sensor |
Citations (1)
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JPS56131966A (en) * | 1980-03-19 | 1981-10-15 | Nissan Motor Co Ltd | Method for bonding semiconductor chip |
Family Cites Families (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE2617731C3 (de) * | 1976-04-23 | 1979-06-07 | Siemens Ag, 1000 Berlin Und 8000 Muenchen | Miniaturdruckmeßwandler |
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JPS5687196A (en) * | 1979-12-19 | 1981-07-15 | Hitachi Ltd | Differential pressure transmitter |
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JPS5855732A (ja) * | 1981-09-30 | 1983-04-02 | Hitachi Ltd | 静電容量型圧力センサ |
-
1981
- 1981-11-20 JP JP56185292A patent/JPS5887880A/ja active Pending
-
1982
- 1982-11-18 CA CA000415846A patent/CA1193464A/en not_active Expired
- 1982-11-19 DE DE8282110712T patent/DE3276595D1/de not_active Expired
- 1982-11-19 EP EP82110712A patent/EP0080186B1/en not_active Expired
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS56131966A (en) * | 1980-03-19 | 1981-10-15 | Nissan Motor Co Ltd | Method for bonding semiconductor chip |
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WO2009020377A3 (en) * | 2007-08-09 | 2009-04-16 | Mdt Co Ltd | Saw sensor |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CA1193464A (en) | 1985-09-17 |
EP0080186A3 (en) | 1984-04-25 |
EP0080186B1 (en) | 1987-06-16 |
DE3276595D1 (en) | 1987-07-23 |
EP0080186A2 (en) | 1983-06-01 |
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