JPH0750788B2 - Pressure sensor - Google Patents
Pressure sensorInfo
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- JPH0750788B2 JPH0750788B2 JP59164443A JP16444384A JPH0750788B2 JP H0750788 B2 JPH0750788 B2 JP H0750788B2 JP 59164443 A JP59164443 A JP 59164443A JP 16444384 A JP16444384 A JP 16444384A JP H0750788 B2 JPH0750788 B2 JP H0750788B2
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- Japan
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- diaphragm
- pressure
- pressure sensor
- sensitive element
- peripheral portion
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-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
- H10D48/00—Individual devices not covered by groups H10D1/00 - H10D44/00
- H10D48/50—Devices controlled by mechanical forces, e.g. pressure
Landscapes
- Pressure Sensors (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は圧力センサーに関し、特に感度ばらつきのない
圧力センサに関するものである。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a pressure sensor, and more particularly to a pressure sensor having no sensitivity variation.
(従来技術とその問題点) 従来、圧力センサの分野では圧力感度に関して製品間の
ばらつきを低減することが大きな課題であった。当該圧
力感度のばらつきの原因として、(1)ダイアフラムの膜
厚の違い、(2)不純物濃度のばらつき等による各感圧素
子の感度の違い、(3)ダイアフラム上の感圧素子の位置
ずれ等の要因があげられる。近年、電気化学エッチング
等によりダイアフラムの膜厚制御が可能となり、上記
(1)の要因による圧力感度ばらつきの低減化に利用され
ている。また、半導体製造装置の進歩により上記(2)の
不純物濃度のばらつきを少なくすることも可能となっ
た。(Prior Art and its Problems) In the field of pressure sensors, it has been a major problem to reduce the variation in pressure sensitivity among products. The causes of the pressure sensitivity variation are (1) the difference in the film thickness of the diaphragm, (2) the difference in the sensitivity of each pressure sensitive element due to the variation in the impurity concentration, etc., (3) the displacement of the pressure sensitive element on the diaphragm, etc. The factors are: In recent years, it has become possible to control the thickness of the diaphragm by electrochemical etching, etc.
It is used to reduce pressure sensitivity variation due to factor (1). Further, the progress of the semiconductor manufacturing apparatus has made it possible to reduce the variation in the impurity concentration in the above (2).
一方、通常、感圧素子の位置決めは、顕微鏡を用いて、
技術者が予め刻まれた目印に従って目合せを行なってい
る。従がって、多少の位置ずれはこれを避けることがで
きない。以下、従来例を図をあげて説明し、同時にその
欠点について述べる。On the other hand, normally, the positioning of the pressure sensitive element is performed by using a microscope.
A technician makes an alignment according to a pre-marked mark. Therefore, some displacement is unavoidable. Hereinafter, a conventional example will be described with reference to the drawings, and at the same time, its drawbacks will be described.
第9図は従来の圧力変換器の構成例であり、又、第10図
は従来のダイアフラムを上から見た図である。第9図に
おいて、拡散型ひずみゲージ抵抗1の置かれる厚さ均一
のダイアフラム13と台座14により構成されるダイアフラ
ム型圧力センサ3は、該圧力センサ3の線膨張係数に極
めて近い線膨張係数を有するガラス4(例えばコーニン
グ社製7740パイレックスガラス)に静電ボンディングに
よって接着されている。FIG. 9 is a structural example of a conventional pressure transducer, and FIG. 10 is a view of a conventional diaphragm as viewed from above. In FIG. 9, the diaphragm type pressure sensor 3 composed of the diaphragm 13 and the pedestal 14 on which the diffusion type strain gauge resistor 1 is placed has a linear expansion coefficient very close to the linear expansion coefficient of the pressure sensor 3. It is adhered to glass 4 (for example, Corning 7740 Pyrex glass) by electrostatic bonding.
さらにガラス4はパッケージ6に金、スズあるいは金、
スズの共晶合金5によって接着されている。また、パッ
ケージ6は、キャップ9によって封止されている。以下
に前記圧力変換器の動作原理を記す。圧力の測定される
気体10が導通管8を通して供給され、一方キャップ9に
つけられた導通管12を通して参照となる気体11が供給さ
れる。12は大気中に開放される場合もある。圧力センサ
3のダイアフラム13には、上面と下面の気体の圧力の差
によりひずみが生じ、ダイアフラム13上につくられ、ゲ
ージ抵抗により構成されたホイートストンブリッジ回路
において、当該ブリッジ回路の出力電圧変化が検出され
る。当該ブリッジ回路の励起電圧及び出力電圧は、金属
細線2を介してリード7より入出力される。Furthermore, the glass 4 is packaged in gold, tin or gold,
Bonded by tin eutectic alloy 5. The package 6 is sealed by a cap 9. The operating principle of the pressure converter will be described below. A gas 10 whose pressure is to be measured is supplied through a conduit 8 while a reference gas 11 is supplied through a conduit 12 attached to a cap 9. 12 may be released to the atmosphere. Distortion occurs in the diaphragm 13 of the pressure sensor 3 due to the difference in gas pressure between the upper surface and the lower surface, and in the Wheatstone bridge circuit that is formed on the diaphragm 13 and is composed of a gauge resistance, the output voltage change of the bridge circuit is detected. To be done. The excitation voltage and the output voltage of the bridge circuit are input and output from the lead 7 via the thin metal wire 2.
第10図のダイアフラム13は通常シリコンの(100)面を
利用しており、当該ダイアフラムの周辺〈110〉方向に
向けられている。かかる場合には、ゲージ抵抗1は感度
を大きくとる目的で、ダイアフラム13に周辺近くに位置
決めされる。第11図は、圧力が印加された際にダイアフ
ラム中心線上(第10図A−A′)に生じた同方向一軸応
力の分布を示したものである。図中、30はゲージ抵抗1
の置かれる位置を示している。同図に明らかなように、
従来、ゲージ抵抗1の置かれる位置は応力の急激に変化
する所でもあった。従がって、従来の構造を持つ圧力セ
ンサでは、先に述べたように、ゲージ抵抗の位置決めの
際に不可避的に生ずるわずかのずれに対しても、感度の
大きな変動が起こり、結局、圧力センサの感度ばらつき
を避けることができないという欠点があった。The diaphragm 13 in FIG. 10 normally uses the (100) plane of silicon and is oriented in the peripheral <110> direction of the diaphragm. In such a case, the gauge resistor 1 is positioned near the periphery of the diaphragm 13 for the purpose of increasing the sensitivity. FIG. 11 shows a distribution of uniaxial stress in the same direction generated on the diaphragm center line (A-A 'in FIG. 10) when pressure is applied. In the figure, 30 is a gauge resistance 1
Shows the position where the is placed. As is clear from the figure,
Conventionally, the position where the gauge resistor 1 is placed has also been a place where the stress changes abruptly. Therefore, in the pressure sensor with the conventional structure, as described above, even if a slight deviation inevitably occurs during the positioning of the gauge resistance, a large change in sensitivity occurs, and eventually the pressure There is a drawback in that it is impossible to avoid variations in the sensitivity of the sensor.
(発明の目的) 本発明の目的は、上記従来技術の欠点を除去し、感度ば
らつきのない圧力センサを提供することにある。(Object of the Invention) An object of the present invention is to eliminate the above-mentioned drawbacks of the prior art and to provide a pressure sensor with no sensitivity variation.
(発明の構成) 上記目的を達成するために、本発明は、印加した圧力に
応答する感圧素子と、前記感圧素子の置かれる(100)
方向を向く方向に主面がある正方形のダイアフラムと、
前記ダイアフラムの周囲を固定する台座より構成される
シリコン圧力センサにおいて、前記ダイアフラムの周辺
部を中央部より厚くし、かつ、前記周辺部の応力変動量
が小さな位置に、前記感圧素子を配置したものである。(Structure of the Invention) In order to achieve the above object, the present invention provides a pressure-sensitive element responsive to an applied pressure and a pressure-sensitive element (100).
A square diaphragm with a main surface facing the direction,
In a silicon pressure sensor composed of a pedestal that fixes the periphery of the diaphragm, the peripheral portion of the diaphragm is made thicker than the central portion, and the pressure sensitive element is arranged at a position where the amount of stress variation in the peripheral portion is small. It is a thing.
(発明の作用原理) 本発明の圧力センサは感圧素子の置かれるダイアフラム
が従来のように均一の厚さでなく、周辺部が中央部より
厚く構成されている。このダイアフラムの中心線上に生
じた応力を同方向一軸応力について示すと第3図の関係
が得られ、感圧素子の置かれる位置での応力の変化が著
しく小さいことが明らかになった。従って本発明では感
圧素子を置くダイアフラムを中央部より周辺部を厚く
し、応力変化のすくない位置に感圧素子を設置したので
感圧素子の設置位置のわずかの変化に対し圧力センサの
感度ばらつきを大幅に低減することができた。(Principle of Operation of the Invention) In the pressure sensor of the present invention, the diaphragm on which the pressure sensitive element is placed does not have a uniform thickness as in the prior art, but the peripheral portion is thicker than the central portion. When the stress generated on the center line of the diaphragm is shown for the uniaxial stress in the same direction, the relationship of FIG. 3 is obtained, and it has been clarified that the change in stress at the position where the pressure sensitive element is placed is extremely small. Therefore, in the present invention, the diaphragm on which the pressure-sensitive element is placed is thicker in the peripheral portion than in the central portion, and the pressure-sensitive element is installed at a position where stress change is small. Could be significantly reduced.
(実施例) 以下、本発明の実施例について、図面を参照して説明す
る。(Example) Hereinafter, the Example of this invention is described with reference to drawings.
第1図および第2図は、本発明の一実施例を示す図で、
第1図は断面図、第2図は第1図のダイアフラムを上か
ら見た図である。図において、従来例として示した第9
図および第10図と同一番号は同一構成要素を示してい
る。第1図と従来例の第9図とはダイアフラムの構造の
違いを除いて同一構成であり、以下当該ダイアフラムに
ついて説明を行ない、他の要素についてはこれを省く。1 and 2 are views showing an embodiment of the present invention.
FIG. 1 is a sectional view, and FIG. 2 is a view of the diaphragm of FIG. 1 seen from above. In the figure, the ninth example shown as a conventional example
The same reference numerals as those in FIG. 10 and FIG. 10 indicate the same components. FIG. 1 and FIG. 9 of the conventional example have the same structure except for the difference in the structure of the diaphragm. The diaphragm will be described below, and the other elements will be omitted.
当該ダイアフラム40aでは、周辺部41が中央部42よりも
厚く、ゲージ抵抗1は周辺部41に置かれている。ダイア
フラム40aを作製するには、例えば第一段のマスクを台
座14の下面に用いてこれを保護した後、エッチングによ
り周辺部41を作り、続いて、第二段のマスクを台座14お
よび周辺部41の下面に用いて中央部42を作製するという
方法を用いると良い。なお、当該エッチングを行なう際
には、ダイアフラム40aの上面を常に保護してエッチン
グを受けないようにしなければならない。また、エッチ
ングの技術として、化学エッチング、放電加工等を用い
ることができる。In the diaphragm 40a, the peripheral portion 41 is thicker than the central portion 42, and the gauge resistance 1 is placed in the peripheral portion 41. To manufacture the diaphragm 40a, for example, a first-stage mask is used for the lower surface of the pedestal 14 to protect it, and then the peripheral portion 41 is formed by etching, and then the second-stage mask is used for the pedestal 14 and the peripheral portion. It is preferable to use a method of forming the central portion 42 using the lower surface of 41. When performing the etching, the upper surface of the diaphragm 40a must be protected at all times to prevent the etching. Further, as the etching technique, chemical etching, electric discharge machining, or the like can be used.
第3図は、圧力が印加された際にダイアフラム40aの中
心線上(第2図B−B′)に生じた応力を同一方向一軸
応力について示したものである。図中60は、感圧素子例
えばゲージ抵抗1の置かれる位置を示している。同図
は、従来例の第11図と異なり、当該感圧素子の置かれる
位置で応力の変化が著しく小さい。従がって、本実施例
の構造をもつ圧力センサでは、感圧素子の位置ずれによ
り生ずる感度ばらつきを低減することが可能である。FIG. 3 shows the stress generated on the center line of the diaphragm 40a (B-B 'in FIG. 2) when the pressure is applied, for the uniaxial stress in the same direction. In the figure, 60 indicates the position where the pressure sensitive element, for example, the gauge resistor 1 is placed. Unlike the conventional example shown in FIG. 11, the change in stress is remarkably small at the position where the pressure sensitive element is placed. Therefore, in the pressure sensor having the structure of this embodiment, it is possible to reduce the sensitivity variation caused by the displacement of the pressure sensitive element.
第4図乃至第7図は本発明の他の実施例である。図にお
いて、第1図と同一番号は同一構成要素を示している。
これらの実施例において、ダイアフラムの周辺部41の形
状が、第4図ではダイアフラム40bが周辺に厚いテーパ
に、第5図ではダイアフラム40cが内側に厚いテーパ形
状になっている。また、第6図では、ダイアフラム40d
が周辺部41が二段のステップにより形成されている。第
7図では、中央部42より漸次周辺に厚いテーパによりダ
イアフラム40eが形成されている。上記の実施例の他
に、周辺部41が、二段以上のステップあるいはテーパか
らなる構成を持っても良い。また、上記ステップとテー
パおよび第7図等を任意に組み合せた構成も本発明に含
まれる。4 to 7 show another embodiment of the present invention. In the figure, the same numbers as in FIG. 1 indicate the same components.
In these embodiments, the peripheral portion 41 of the diaphragm has a shape in which the diaphragm 40b has a thicker taper toward the periphery in FIG. 4 and the diaphragm 40c has a thicker taper shape toward the inside in FIG. Also, in FIG. 6, the diaphragm 40d
The peripheral portion 41 is formed by two steps. In FIG. 7, the diaphragm 40e is formed by a taper gradually thicker around the central portion 42. In addition to the above-described embodiment, the peripheral portion 41 may have a configuration of two or more steps or taper. Further, the present invention also includes a configuration in which the above steps, the taper, and FIG. 7 are arbitrarily combined.
第8図は本発明のその他の一実施例を示す図である。図
において、第1図と同一番号は同一構成要素を示してい
る。本実施例は、第2図の実施例の周辺部41にくびれ80
が形成された点において前記実施例と異なる構成をもつ
が、第4図乃至第7図に示す実施例と同様の効果が得ら
れる。FIG. 8 is a diagram showing another embodiment of the present invention. In the figure, the same numbers as in FIG. 1 indicate the same components. This embodiment has a constriction 80 in the peripheral portion 41 of the embodiment shown in FIG.
Although it has a structure different from that of the above-mentioned embodiment in that the above-mentioned structure is formed, the same effect as that of the embodiment shown in FIGS.
以上、本発明について例を挙げ詳細な説明を行なった。
なお、本発明の構成は、前記実施例第1図のダイアフラ
ム40a(周辺部41と中央部42を含む)を除く他の構成要
素について何ら制限されず、通常用いられる全ての構成
が本発明に含まれる。The present invention has been described in detail above with reference to examples.
The configuration of the present invention is not limited to the other constituent elements except the diaphragm 40a (including the peripheral portion 41 and the central portion 42) of the first embodiment shown in FIG. included.
また、前記ダイアフラムを金属で構成し、該金属の表面
の一方、あるいは両側にストレンゲージを貼りつけた
り、金属あるいは半導体からなるストレンゲージを蒸着
したりすること等によって、該ダイアフラムに印加され
た圧力を検出する構成、シリコン等半導体よりなる前記
ダイアフラムの表面をシリコン等の酸化膜、窒化膜等で
保護した構成、及び該表面上に周辺回路を形成した構成
も本発明に含まれる。In addition, the pressure applied to the diaphragm is made by forming the diaphragm with a metal and attaching a strain gauge to one or both surfaces of the metal, or depositing a strain gauge made of a metal or a semiconductor. The present invention also includes a configuration for detecting, a configuration in which the surface of the diaphragm made of a semiconductor such as silicon is protected by an oxide film such as silicon, a nitride film or the like, and a peripheral circuit formed on the surface.
なお、上記実施例において周辺部の領域および厚さを大
きくする程、ゲージ抵抗に働く応力の分布は緩やかにな
り、従がって、感度ばらつきが減少する。しかし、この
場合には、同時に応力の絶対値が減少することにより、
感度が小さくなる。従がって、圧力センサを設計する際
には、以上の効果を考慮して、感度および感度ばらつき
を最適にするようにダイアフラムの周辺部の寸法を決め
なければならない。It should be noted that in the above-described embodiment, the larger the peripheral area and thickness, the more gradual the distribution of stress acting on the gauge resistance, and accordingly the variation in sensitivity decreases. However, in this case, since the absolute value of stress decreases at the same time,
The sensitivity is reduced. Therefore, when designing the pressure sensor, the dimensions of the peripheral portion of the diaphragm must be determined so as to optimize the sensitivity and the sensitivity variation in consideration of the above effects.
(発明の効果) 以上説明したとおり、本発明によれば、感度ばらつきの
ない圧力センサを供給することが可能となり、その結果
圧力センサの品質の向上および製造コストを低減するこ
とのできる効果は大きいものである。(Effects of the Invention) As described above, according to the present invention, it is possible to supply a pressure sensor without variations in sensitivity, and as a result, it is possible to improve the quality of the pressure sensor and reduce the manufacturing cost. It is a thing.
第1図は本発明の一実施例の断面図、第2図は第1図の
ダイアフラムを上から見た図、第3図は第2図のB−
B′に沿って生ずる応力の分布図、第4図〜第8図はそ
れぞれ本発明の他の実施例のダイアフラムの断面図、第
9図は従来の圧力センサの断面図、第10図は第9図のダ
イアフラムを上から見た図、第11図は第10図のA−A′
に沿って生ずる応力の分布図である。 1……ゲージ抵抗、2……金属細線、3……圧力セン
サ、4……ガラス、5……金、スズ等の共晶合金、6…
…パッケージ、7……リード、8,12……導通管、9……
キャップ、10,11……気体、13……ダイアフラム、14…
…台座、30,60……ゲージ抵抗の置かれる位置、40,40a,
40b,40c,40d,40e,40f……ダイアフラム、41……周辺
部、42……中央部、80……くびれ。FIG. 1 is a sectional view of an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a view of the diaphragm of FIG. 1 as seen from above, and FIG. 3 is B- of FIG.
FIG. 4 to FIG. 8 are sectional views of the diaphragm of another embodiment of the present invention, FIG. 9 is a sectional view of a conventional pressure sensor, and FIG. FIG. 9 is a view of the diaphragm seen from above, and FIG. 11 is AA ′ of FIG.
It is a distribution diagram of the stress generated along. 1 ... Gauge resistance, 2 ... Metal wire, 3 ... Pressure sensor, 4 ... Glass, 5 ... Eutectic alloy such as gold, tin, 6 ...
... Package, 7 ... Lead, 8,12 ... Continuing tube, 9 ...
Cap, 10, 11 ... Gas, 13 ... Diaphragm, 14 ...
… Pedestals, 30,60 …… Gauge resistance positions, 40,40a,
40b, 40c, 40d, 40e, 40f …… diaphragm, 41 …… peripheral part, 42 …… central part, 80 …… constriction.
Claims (1)
感圧素子の置かれる(100)方向を向く方向に主面があ
る正方形のダイアフラムと、前記ダイアフラムの周囲を
固定する台座より構成されるシリコン圧力センサにおい
て、前記ダイアフラムの周辺部を中央部より厚くし、か
つ、前記周辺部の応力変動量が小さな位置に、前記感圧
素子を配置したことを特徴とする圧力センサ。1. A pressure-sensitive element responsive to an applied pressure, a square diaphragm having a main surface in a direction facing the (100) direction in which the pressure-sensitive element is placed, and a pedestal for fixing the periphery of the diaphragm. In the silicon pressure sensor described above, the peripheral portion of the diaphragm is made thicker than the central portion, and the pressure sensitive element is arranged at a position where the amount of stress variation in the peripheral portion is small.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59164443A JPH0750788B2 (en) | 1984-08-06 | 1984-08-06 | Pressure sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59164443A JPH0750788B2 (en) | 1984-08-06 | 1984-08-06 | Pressure sensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6142956A JPS6142956A (en) | 1986-03-01 |
| JPH0750788B2 true JPH0750788B2 (en) | 1995-05-31 |
Family
ID=15793261
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59164443A Expired - Lifetime JPH0750788B2 (en) | 1984-08-06 | 1984-08-06 | Pressure sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0750788B2 (en) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0758795B2 (en) * | 1985-01-28 | 1995-06-21 | 日本電気株式会社 | Pressure sensor |
| JP3509275B2 (en) * | 1995-04-24 | 2004-03-22 | 株式会社デンソー | Method for manufacturing semiconductor device |
| JP2006516327A (en) * | 2003-03-11 | 2006-06-29 | ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング | Diaphragm sensor |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5160577A (en) * | 1974-11-25 | 1976-05-26 | Tokyo Shibaura Electric Co |
-
1984
- 1984-08-06 JP JP59164443A patent/JPH0750788B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6142956A (en) | 1986-03-01 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |