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JPS6015010B2 - pressure detector - Google Patents
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JPS6015010B2 - pressure detector - Google Patents

pressure detector

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JPS6015010B2
JPS6015010B2 JP12840777A JP12840777A JPS6015010B2 JP S6015010 B2 JPS6015010 B2 JP S6015010B2 JP 12840777 A JP12840777 A JP 12840777A JP 12840777 A JP12840777 A JP 12840777A JP S6015010 B2 JPS6015010 B2 JP S6015010B2
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silicon
base
metal base
semiconductor
diaphragm
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JP12840777A
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祥隆 松岡
彰夫 保川
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は圧力検出器、特に、半導体単結晶に抵抗拡散し
た半導体ストレィンゲージを利用して圧力を検出する圧
力検出器に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a pressure sensor, and particularly to a pressure sensor that detects pressure using a semiconductor strain gauge that is resistance-diffused in a semiconductor single crystal.

この種圧力検出器は、例えばn型シリコンなどの半導体
単結晶にp型の抵抗を選択拡散し、圧力の印加により半
導体単結晶に歪を発生させ、ピェソ抵抗効果によりp型
紙抗体に生じた抵抗変化を測定して印加圧力を知るもの
である。この圧力検出器の圧力センサであるシリコンダ
イアフラムの構造を示したのが第1図aおよびbで、a
は上面、bは断面を示している。このセンサはシリコン
ダイアフラム1とシリコン台3および金属台4よりなり
、シリコンダイアフラムーはn型シリコン単結晶に凹部
を穿設することにより形成された起歪部11と固定部1
2を有し、超歪部11上にはp型不純物の拡散により形
成されたゲージ抵抗21,22,23および24が拡散
されており、各ゲージ抵抗21,22,23および24
には固定部12にのびるアルミニウムよりなる電極25
が設けられている。このシリコンダイアフラム1は接着
層5を介してその固定部12でシリコン台3に支持され
、シリコン台3はさらに金属台4に接着層6によって接
着支持されている。この圧力センサのシリコンダイアフ
ラムーに圧力を加えるためには、一般に金属ケース(図
示せず)に装着して起歪部11の表裏に圧力差を発生さ
せる。
This type of pressure detector is made by selectively diffusing a p-type resistor into a semiconductor single crystal such as n-type silicon, generating strain in the semiconductor single crystal by applying pressure, and creating a resistance in the p-type paper antibody due to the piezoresistance effect. The applied pressure is known by measuring the change. Figures 1a and 1b show the structure of the silicon diaphragm that is the pressure sensor of this pressure detector.
indicates the top surface, and b indicates the cross section. This sensor consists of a silicon diaphragm 1, a silicon pedestal 3, and a metal pedestal 4.
2, and gauge resistors 21, 22, 23, and 24 formed by diffusion of p-type impurities are diffused on the super strained portion 11, and each gauge resistor 21, 22, 23, and 24 is
There is an electrode 25 made of aluminum extending on the fixed part 12.
is provided. This silicon diaphragm 1 is supported by a fixing portion 12 on a silicon base 3 via an adhesive layer 5, and the silicon base 3 is further adhesively supported on a metal base 4 via an adhesive layer 6. In order to apply pressure to the silicon diaphragm of this pressure sensor, it is generally attached to a metal case (not shown) and a pressure difference is generated between the front and back sides of the strain generating part 11.

この圧力差によって起歪部11が歪むと、中央部のゲー
ジ抵抗21,23と周辺部のゲージ抵抗22,24とは
抵抗値が互いに逆に増減するように配置してあるので、
これらのゲージ抵抗21,22,23および24をブリ
ッジに組み、電圧を印加することにより圧力にほぼ比例
した出力信号を取り出すことができる。このように圧力
検出器においては、一般にシリコンよりケースの金属の
方が膨張係数が大であるため、シリコンダイアフラム1
を金属ケースに装着する際には、シリコンダイアフラム
1を膨張係数の同じシリコン台3に接着層5で気密に接
着した後、さらに金属台4に接着層6で気密接着し、溶
接部7で金属ケースと溶接した構造がとられている。
When the strain generating part 11 is distorted due to this pressure difference, the gauge resistors 21 and 23 in the center and the gauge resistors 22 and 24 in the peripheral part are arranged so that their resistance values increase and decrease in the opposite way to each other.
By assembling these gauge resistors 21, 22, 23 and 24 into a bridge and applying a voltage, an output signal approximately proportional to the pressure can be extracted. In pressure detectors, the expansion coefficient of the metal case is generally larger than that of silicon, so the silicon diaphragm 1
When attaching the silicon diaphragm 1 to a metal case, the silicon diaphragm 1 is airtightly bonded to a silicon base 3 with the same expansion coefficient using an adhesive layer 5, and then the silicon diaphragm 1 is airtightly bonded to a metal base 4 using an adhesive layer 6. The structure is welded to the case.

この金属台4の材料には、フアニコ、タングステン、モ
リブデンなど膨張係数がシリコンとケース金属の中間の
値をもつものが使われるが、場合によってはシリコンと
同じ、またはケース金属と同じ膨張係数の材料を用いる
場合もある。また接着層6は金一シリコン(Au−Sj
)共晶、金一ゲルマニウム(Au−W)共晶合金のよう
なるう材、または有機接着材、またはガラスなどが使わ
れるが、いずれの場合も100〜数100qoの固化温
度のものが用いられる。しかし、このような構造を有す
る圧力検出器においては、金属台4を構成する金属の膨
張係数がシリコン台3の膨張係数より大きいため、圧力
検出器の組立てに当り、シリコン台3を金属台4に接着
し、接着後常温に戻す時に、シリコン台3の接着層6の
外側端部のフリーな部分に引っ張り応力が集中的に発生
し、しかもシリコンは引張応力に弱いことから450内
側の方向に割れが発生する確率が高くなる欠点を有して
おり、製作上歩蟹りが低かった。
The metal base 4 is made of a material with an expansion coefficient between that of silicon and the case metal, such as fanico, tungsten, and molybdenum. may also be used. The adhesive layer 6 is made of gold silicon (Au-Sj
) Eutectic, gold-germanium (Au-W) eutectic alloy, organic adhesive, glass, etc. are used, but in all cases, those with a solidification temperature of 100 to several 100 qo are used. . However, in a pressure detector having such a structure, the expansion coefficient of the metal constituting the metal base 4 is larger than that of the silicon base 3, so when assembling the pressure sensor, the silicon base 3 is When the adhesive layer 6 of the silicone base 3 is returned to room temperature after adhesion, tensile stress is concentrated on the free outer end of the adhesive layer 6, and since silicone is weak against tensile stress, It had the disadvantage of increasing the probability of cracking, and the manufacturing process was slow.

本発明は、半導体よりなる支持台に発生する引張り応力
を軽減して割れを防止可能な圧力検出器の提供を可能に
するもので、半導体単結晶にダイアフラム状の薄肉部を
設けて起歪部と固定部を形成し、この起歪部に選択拡散
によりストレィンゲージ抵抗を形成した半導体ダイアフ
ラムと、この半導体ダイアフラムを固定部で支持する同
種半導体よりなり中心に孔を有する円板状の支持台と、
この支持台を支持する中心に孔を有する円柱状の金属台
とをそれぞれ同0的に接着してなる圧力センサを有する
圧力検出器において、支持台がその金属台側に円周状の
溝を有し、この溝ほ内径がこの金属台の外径と同等また
はより小であり、かっこの溝の外径がこの金属台の外径
より大なる支持台よりなることを特徴とするものである
The present invention makes it possible to provide a pressure sensor that can prevent cracking by reducing the tensile stress generated in a support base made of a semiconductor. a semiconductor diaphragm having a fixed part formed therein and a strain gauge resistor formed in the strain-generating part by selective diffusion; a disk-shaped support base made of the same type of semiconductor and having a hole in the center, which supports the semiconductor diaphragm in the fixed part;
In a pressure sensor having a pressure sensor formed by bonding the support base and a cylindrical metal base with a hole in the center to support the support base, the support base has a circumferential groove on the metal base side. and the inner diameter of the groove is equal to or smaller than the outer diameter of the metal base, and the outer diameter of the groove of the bracket is larger than the outer diameter of the metal base. .

以下、実施例について説する。Examples will be described below.

第2図aおよびbはそれぞれ一実施例の断面および下面
を示すもので、第1図aおよびbと同一部分には同一符
号が付してある。
FIGS. 2a and 2b show a cross section and a bottom view of one embodiment, respectively, and the same parts as in FIGS. 1a and 1b are given the same reference numerals.

この装置が第1図の装置と異なる点は、第2図aの要部
を拡大表示する第3図に示す如く、シリコン台3の金属
台4側に円周状の溝31を有する点で、この円周状の溝
31の内径は金属台4の外経つり小さく、かつその外径
は金属台4の外径より大きくなっている。第4図は、こ
のような構造とした場合に、シリコン台3と金属台4と
を接合後、冷却した時生ずる応力の分布を示したもので
、第5図は比較のため従来の構造の場合のシリコン台3
下面の応力分布を示したものである。
This device differs from the device shown in FIG. 1 in that it has a circumferential groove 31 on the metal base 4 side of the silicon base 3, as shown in FIG. The inner diameter of this circumferential groove 31 is smaller than the outer diameter of the metal base 4, and its outer diameter is larger than the outer diameter of the metal base 4. Figure 4 shows the distribution of stress that occurs when the silicon base 3 and metal base 4 are cooled after joining with this structure, and Figure 5 shows the stress distribution of the conventional structure for comparison. case silicon stand 3
This shows the stress distribution on the bottom surface.

すなわち、溝のもうけられていない従来の構造を示す第
5図において、Aはシリコン台下面の圧縮応力分布を示
し、Bはシリコン台下面の引張応力分布を示しており、
シリコン台3と金属台4との接合端部のすぐ外側に大き
な引張り応力が働いていることがわかる。
That is, in FIG. 5, which shows the conventional structure without grooves, A shows the compressive stress distribution on the bottom surface of the silicon pedestal, and B shows the tensile stress distribution on the bottom surface of the silicon pedestal.
It can be seen that a large tensile stress is acting just outside the joint end of the silicon base 3 and metal base 4.

これに対して、溝31のもうけられている実施例の構造
を示す第4図において、Cはシリコン台3下面の圧縮応
力分布を示し、0は溝31側面の引張応力分布を示して
おり、この場合にはシリコン台3下面の引張応力がなく
なっていることがわかる。しかし、その反面、溝31側
面に引張応力Dが生ずるが、この引張応力Dは、溝31
の深さをある程度深くすることにより低減できる。例え
ば、金属台4の内径が2肋、外径を4柳とした場合、溝
31の深さを1柳以上とすれば発生する応力を第5図の
溝のない場合に較べ約1′2にすることができる。この
ようにシリコン台3の金属台4との接着面の面積を金属
台4の面積よりも小さくして接着する場合は、金属台4
の膨張係数がシリコン台よりも大きくても接着面の応力
は圧縮応力のみとなり、シリコンは一般に圧縮応力に強
いため、シリコン台3に割れが発生なくなり、従って歩
蟹りを向上することができる。
On the other hand, in FIG. 4, which shows the structure of an embodiment in which the groove 31 is formed, C indicates the compressive stress distribution on the lower surface of the silicon pedestal 3, and 0 indicates the tensile stress distribution on the side surface of the groove 31. In this case, it can be seen that the tensile stress on the lower surface of the silicon stand 3 is gone. However, on the other hand, a tensile stress D is generated on the side surface of the groove 31;
This can be reduced by increasing the depth to a certain extent. For example, if the inner diameter of the metal base 4 is 2 ribs and the outer diameter is 4 ribs, and the depth of the groove 31 is 1 rib or more, the stress generated will be approximately 1'2 compared to the case without grooves in Fig. 5. It can be done. In this way, when bonding the silicon base 3 with the metal base 4 by making the area of the adhesive surface smaller than the area of the metal base 4, the metal base 4
Even if the expansion coefficient of the silicon base is larger than that of the silicon base, the stress on the adhesive surface is only compressive stress, and since silicon is generally strong against compressive stress, cracks will not occur in the silicon base 3, and the walking performance can be improved.

なお、実施例においては、シリコン台と金属台との接着
面の面積を金属台の面積より小さくした場合について述
べたが、シリコン台と金属台との後着面の面積が金属台
の面積と同等の場合にもほぼ同様な効果が得られる。
In addition, in the example, a case was described in which the area of the adhesive surface between the silicon base and the metal base was made smaller than the area of the metal base, but the area of the bonded surface between the silicon base and the metal base is the area of the metal base. Almost the same effect can be obtained in equivalent cases.

以上、本発明の圧力検出器は、半導体よりなる支持台に
発生する引張り応力を軽減して割れ防止を可能とするも
ので、工業的効果の大なるものである。
As described above, the pressure detector of the present invention can prevent cracking by reducing the tensile stress generated in the support base made of semiconductor, and has a great industrial effect.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図aおよびbはそれぞれ従釆の圧力検出器の上面図
および断面図、第2図aおよびbはそれぞれ本発明圧力
検出器の一実施例の断面図および下面図、第3図は同じ
く要部断面図、第4図は同じく応力分布図、第5図は比
較のために示した第1図の従来の圧力検出器の要部の応
力分布図である。 1……シリコンダイアフラム、3……シリコン台、4・
・・…金属台、6・・・・・・接着層、31・・・・・
・溝。 第1図第2図 第3図 第4図 第5図
Figures 1a and b are a top view and a sectional view of a subordinate pressure detector, respectively, Figures 2a and b are a sectional view and a bottom view of an embodiment of the pressure detector of the present invention, respectively, and Figure 3 is the same. FIG. 4 is a stress distribution diagram of the main part, and FIG. 5 is a stress distribution diagram of the main part of the conventional pressure detector of FIG. 1 shown for comparison. 1...Silicon diaphragm, 3...Silicon stand, 4.
...Metal stand, 6...Adhesive layer, 31...
·groove. Figure 1 Figure 2 Figure 3 Figure 4 Figure 5

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 半導体単結晶にダイアフラム状の薄肉部を設けて起
歪部と固定部を形成し、該起歪部に選択拡散によりスト
レインゲージ抵抗を形成した半導体ダイアフラムと、該
半導体ダイアフラムを前記固定部で支持する同種半導体
よりなり中心に孔を有する円板状の支持台と、該支持台
を支持する中心に孔を有する円柱状の金属台とを、それ
ぞれ同心的に接着してなる圧力センサを有る圧力検出器
において、前記支持台がその前記金属台側に円周状の溝
を有し、該溝の内径が該金属台の外径と同等またはより
小であり、かつ該溝ほ外径が該金属台の外径より大なる
支持台よりなることを特徴とする圧力検出器。 2 前記半導体がシリコンである特許請求の範囲第1項
記載の圧力検出器。
[Scope of Claims] 1. A semiconductor diaphragm in which a diaphragm-like thin part is provided in a semiconductor single crystal to form a strain generating part and a fixing part, and a strain gauge resistor is formed in the strain generating part by selective diffusion, and the semiconductor diaphragm A disc-shaped support base made of the same type of semiconductor and having a hole in the center, which is supported by the fixing part, and a cylindrical metal base with a hole in the center, which supports the support base, are each concentrically bonded. In the pressure sensor having a pressure sensor, the support base has a circumferential groove on the metal base side, and the inner diameter of the groove is equal to or smaller than the outer diameter of the metal base, and A pressure detector comprising a support base in which the outer diameter of the groove is larger than the outer diameter of the metal base. 2. The pressure sensor according to claim 1, wherein the semiconductor is silicon.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002502964A (en) * 1998-02-04 2002-01-29 エム ケー エス インストルメンツ インコーポレーテッド Capacitive based pressure sensor design

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