JP4739164B2 - 車両用エンジンの吸入空気圧力測定用の半導体感歪センサ - Google Patents

Description

この発明は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板にピエゾ抵抗素子とこのピエゾ抵抗素子からの信号を外部に取り出すための電極とを備えた車輌用エンジンの吸入空気圧力測定用の半導体感歪センサに関するものである。

従来の半導体感歪センサは、薄肉化されたダイヤフラム部およびダイヤフラム部の周囲に位置する肉厚の外枠部が形成されてなる単結晶シリコンなどの半導体基板と、半導体基板の外枠部に接合されたガラス台座とを備えている（例えば、特許文献１参照）。ダイヤフラム部上には、圧力が印加されるとピエゾ抵抗効果により抵抗値が変化する複数の歪みゲージ抵抗がブリッジ回路を構成するように配置されており、歪みゲージ抵抗の抵抗値変化を電圧変化として検出することによって圧力を検出する。アルミニウムなどよりなる電極が、配線によって歪みゲージ抵抗に接続されており、外部に圧力信号を出力するようになっている。

特開２００２−１３１１６１号公報

従来の半導体感歪センサでは、アルミニウムが電極に用いられ、単結晶シリコンが半導体基板に用いられる。アルミニウムの熱膨張係数は、約２３．５ｐｐｍ／℃であり、単結晶シリコンの熱膨張係数は、約２．５ｐｐｍ／℃である。このように、電極と半導体基板との熱膨張係数が大きく異なっているので、センサが使用される環境の温度が変化した際には、電極および半導体基板が歪み、熱応力が発生し、センサの出力信号に温度ドリフトや温度ヒステリシスが生じるという課題があった。

この発明は、上記課題を解決するためになされたもので、電極の形成領域をピエゾ抵抗素子が形成されているダイヤフラムから離間させて、ピエゾ抵抗素子が電極からの熱応力の影響を受け難くし、温度安定性に優れた車輌用エンジンの吸入空気圧力測定用の半導体感歪センサを得ることを目的とする。

この発明による車輌用エンジンの吸入空気圧力測定用の半導体感歪センサ半導体感歪センサは、裏面側から基板の一部を除去して形成された薄肉のダイヤフラム部およびこのダイヤフラム部を囲む厚肉の外枠部からなるＳＯＩ基板と、上記ダイヤフラム部に形成され、圧力に応じた電気信号を出力するピエゾ抵抗素子と、上記外枠部に形成され、上記ピエゾ抵抗素子の電気信号を取り出す電極と、を備えている。そして、裏面側から上記ＳＯＩ基板の一部を除去して上記ダイヤフラム部の下部に形成されたキャビティの壁面が該ＳＯＩ基板の裏面に対して垂直となっており、上記ダイヤフラム部の厚さが、３０μｍ以下であって、上記電極は、上記ダイヤフラム部と上記外枠部との境界から１００μｍ以上離反した位置に設けられている。

この発明によれば、電極がダイヤフラム部と外枠部との境界から１００μｍ以上離反した外枠部上の位置に設けられているので、ピエゾ抵抗素子が電極からの熱応力の影響を受け難くなり、センサチップ単体で出力電圧の温度ヒステリシスが０．２％ＦＳ以下に抑えられる。そこで、半導体感歪センサは車載取付用に組み立てを行った後でも、制御システム側の要求である１％ＦＳ以下を満たすことができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る半導体感歪センサの構成を模式的に示す平面図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ矢視断面図である。この実施の形態１における半導体感歪センサは、車輌用エンジンのインテークマニホールド内における吸入空気の圧力を測定するためのもので、圧力レンジとしては５気圧程度までのものを想定している。

図１および図２において、ＳＯＩ基板１は、例えば、埋め込み酸化膜１０を介して２枚のシリコン基板を貼り合わせ、表面側のシリコン基板を所望の厚みに研磨して作製される。このＳＯＩ基板１は、薄肉の圧力検出用のダイヤフラム部２と、ダイヤフラム部２の周囲に形成された厚肉の外枠部９と、を備えている。このダイヤフラム部２は、ＳＯＩ基板１の裏面からディープＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）を施して裏面側のシリコン基板を除去して形成される。ここで、ダイヤフラム部２のサイズは、検出する圧力レンジにも依存するので一概には言えないが、真空から１気圧までの圧力を測定する感歪センサに適用される場合には、例えば、ダイヤフラム部の一辺が４００μｍの正方形で、厚さが１０μｍである。

ダイヤフラム部２の歪に伴う抵抗値変化に基づく検出信号を出力するための複数個のピエゾ抵抗素子３が、ダイヤフラム部２を構成する表面側のシリコン基板にイオン注入、拡散によって形成されている。これら複数個のピエゾ抵抗素子３は、同じくイオン注入、拡散によって形成された配線５によって、ホイートストンブリッジを構成するように電気的に結線されている。配線５は外枠部９上にまで延線され、電極４が配線５の延線端上に形成されている。これにより、ホイートストンブリッジ回路は、配線５によって結線された電極４を介して、外部から電圧が供給したり、ピエゾ抵抗素子３による検出信号が外部に取り出されたりする。ここで、電極４はスパッタなどにより成膜された金属膜であり、電極の材料としては、配線５とのオーミックコンタクト性、コスト、耐久性などを総合的に考慮すると、アルミニウムまたはアルミニウムに微量のシリコンや銅を添加したアルミニウム合金を用いることが好ましい。

また、例えばシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜１１がＳＯＩ基板１の表面側に形成され、各素子の電気的絶縁を確保している。さらに、例えばシリコン窒化膜からなる保護膜１２が層間絶縁膜１１上に積層形成され、半導体感歪センサを保護している。また、ＳＯＩ基板１は、外枠部９の裏面をガラス台座１３と陽極接合などにより接合される。そして、エッチングにより形成されたキャビティがこのガラス台座１３により気密に封止され、圧力基準室１４を構成している。この圧力基準室１４は、例えば真空に維持される。

このように構成された半導体感歪センサでは、電極４を介してホイートストンブリッジの入力端子間に直流定電圧を印加しておき、ダイヤフラム部２に歪があれば、それがピエゾ抵抗素子３の抵抗値変化となり、電圧変化として検出される。

このような半導体感歪センサにおいては、ダイヤフラム部２の歪をピエゾ抵抗効果によって検出するので、測定すべき印加圧力以外の要因によってピエゾ抵抗素子３に生じる歪は、全てセンサ特性の誤差要因となる。
一般に、半導体感歪センサの出力信号には、図３に示すように温度ヒステリシス（ＴＨ）が存在する。なお、温度範囲は、例えば−４０℃〜１２０℃である。

つぎに、ダイヤフラム部２と外枠部９との境界（境界線６）と電極４との間の距離ｄを変えてセンサチップを作製し、各センサチップの温度ヒステリシスを測定した結果を図４に示す。なお、各センサチップでは、平面形状を正方形とするダイヤフラム部の辺長および厚さがそれぞれ、４００μｍおよび１０μｍで、ピエゾ抵抗素子の長手方向の長さが３５μｍである。また、図４の縦軸は、温度ヒステリシスの実測値の出力のフルケースに対する割合を示している。

図４から、距離ｄが大きくなるほど、温度ヒステリシスが指数関数的に低減することがわかる。言い換えれば、電極４がダイヤフラム部２に近くなるほど、電極４の熱応力による出力の熱応力誤差が大きくなることがわかる。
また、距離ｄが１００μｍ以上となると、温度ヒステリシスが０．２％ＦＳ以下となることがわかる。

この実施の形態１によれば、電極４がダイヤフラム部２と外枠部９との境界線６から離反して外枠部９上に形成されているので、ピエゾ抵抗素子３が電極４の熱応力の影響を受けにくくなり、熱応力誤差を低減でき、温度安定性を向上させることができる。
また、電極４が境界線６から外枠部９側に１００μｍ以上離反する外枠部９上の位置に設けられているので、センサチップ単体で出力電圧の温度ヒステリシスを０．２％ＦＳ以下に抑えられる。そこで、半導体感歪センサを車載取付用に組み立てを行った後であっても、制御システム側の要求である１％ＦＳ以下を満たすことができ、車輌用エンジンのインテークマニホールド内における吸入空気の圧力を測定する用途に適用できる半導体感歪センサを実現できる。

また、ディープＲＩＥによりＳＯＩ基板１をエッチングしているので、エッチングにより得られるキャビティの壁面をＳＯＩ基板１の裏面に対して垂直に形成できる。そこで、センサチップサイズをより小型化することができる。
さらに、ＳＯＩ基板１を用いているので、エッチングが埋め込み酸化膜１０で停止され、それ以上進行しない。そこで、ダイヤフラム部２の厚みの加工精度を高めることができる。

なお、実施の形態１では、配線５がイオン注入、拡散によって形成されているものとしているが、配線５の一部を電極４と同じ金属膜で形成してもよい。この場合、配線５の一部に形成された金属膜も、ダイヤフラム部２と外枠部９との境界線６から外枠部側に１００μｍ以上離間して形成される。

実施の形態２．
この実施の形態２では、電極４が、ダイヤフラム部２と外枠部９との境界線から外枠部９側に１２０μｍ以上離れた外枠部９上の位置に設けられている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

半導体感歪センサの製造工程において、ダイヤフラム部２および電極４の加工精度にばらつきがある。特に、ダイヤフラム部２はＳＯＩ基板１の裏面からディープＲＩＥによってエッチングすることによって形成されることから、ダイヤフラム部２と外枠部９との境界線６の位置がばらつきやすい。
そこで、ダイヤフラム部２と外枠部９との境界線６と電極４との距離ｄの下限値を１００μｍに設定していると、大量生産時には、上記加工精度のばらつきにより、一定の割合で距離ｄが１００μｍ未満のセンサチップが製造される恐れがある。これにより、センサチップ単体の熱応力誤差が公差範囲に入らないものが製造され、歩留まりが低下する恐れがある。

この実施の形態２では、この加工ばらつきσに対して５σ（＝２０μｍ）を考慮して、ダイヤフラム部２と外枠部９との境界線６と電極４との距離ｄの下限値を１２０μｍに設定している。そこで、加工ばらつきがあっても、ダイヤフラム部２と外枠部９との境界線６と電極４との距離ｄが１００μｍ未満となり、０．２％ＦＳを超える熱応力誤差を有するセンサチップを製造することが抑えられ、歩留まりを向上させることができる。

実施の形態３．
この実施の形態３では、ダイヤフラム部２の厚さを３０μｍ以下と規定している。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

この実施の形態３によれば、ダイヤフラム部２の厚さを３０μｍ以下に規定しているので、電極４からピエゾ抵抗素子３への熱応力の影響度合いを低減でき、センサチップ単体での出力電圧の温度ヒステリシスを確実に０．２％ＦＳ以下に抑えることができる。
ここで、センサ特性を考慮すれば、ダイヤフラム部２の厚みは１μｍ以上とすることが望ましい。

なお、上記各実施の形態では、半導体感歪センサが圧力センサに適用されるものとして説明しているが、半導体感歪センサは、圧力センサに限定されるものではなく、ピエゾ抵抗素子がダイヤフラム部に形成されていればよく、例えば加速度センサのような他の物理量センサに適用されてもよい。
また、上記各実施の形態では、ＳＯＩ基板１が２つのシリコン基板を埋め込み酸化膜を介して接合して作製されているものとして説明されているが、ＳＯＩ基板はこれに限定されるものではなく、絶縁体層上にシリコン層が形成されていれば良く、例えばＳＯＳ（Silicon On Sapphire）、ＳＩＭＯＸ（Separation by Implanted Oxygen）、ＩＴＯＸ(internal Thermal Oxidation）であってもよい。

また、上記各実施の形態では、電極４と境界線６との距離ｄの最大値については述べていないが、距離ｄの最大値は、ＳＯＩ基板の許容される外形寸法から自ずと決められる。
また、上記各実施の形態では、ダイヤフラム部２の平面形状を正方形としているが、ダイヤフラム部の平面形状は正方形に限定されるものではなく、例えば、六角形および八角形などの多角形、円形、あるいは楕円形でもよい。

この発明の実施の形態１に係る半導体感歪センサの構成を模式的に示す平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ矢視断面図である。 半導体感歪センサにおける温度ヒステリシスの定義を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る半導体感歪センサにおけるダイヤフラム境界と電極との間の距離と温度ヒステリシスとの関係を示す図である。

符号の説明

１ ＳＯＩ基板、２ ダイヤフラム部、３ ピエゾ抵抗素子、４ 電極、６ 境界線、９ 外枠部。

Claims (2)

1. 裏面側から基板の一部を除去して形成された薄肉のダイヤフラム部およびこのダイヤフラム部を囲む厚肉の外枠部からなるＳＯＩ基板と、
   上記ダイヤフラム部に形成され、圧力に応じた電気信号を出力するピエゾ抵抗素子と、
   上記外枠部に形成され、上記ピエゾ抵抗素子の電気信号を取り出す電極と、を備え、
   裏面側から上記ＳＯＩ基板の一部を除去して上記ダイヤフラム部の下部に形成されたキャビティの壁面が該ＳＯＩ基板の裏面に対して垂直となっており、
   上記ダイヤフラム部の厚さが、３０μｍ以下であって、上記電極は、上記ダイヤフラム部と上記外枠部との境界から１００μｍ以上離反した位置に設けられていることを特徴とする車輌用エンジンの吸入空気圧力測定用の半導体感歪センサ。
2. 上記電極は、上記ダイヤフラム部と上記外枠部との境界から１２０μｍ以上離反した位置に設けられていることを特徴とする請求項１記載の車輌用エンジンの吸入空気圧力測定用の半導体感歪センサ。

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