JPH02177567A - 半導体容量型圧力センサ - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、半導体容量型圧力センサ、特に小型で量産性
に優れたものに関する。

［従来の技術］ 静電容量値の変化によって圧力を検出する容量型圧力セ
ンサは、ピエゾ抵抗型圧力センサに比べ、（ａ）検出感
度が大きい。

（ｂ）温度特性がよい。

（Ｃ）パッケージから受けるサイドストレスによる影響
が小さい。

（ｄ）消費電力が小さい。

等の特徴を有し、工業計測の分野で広く利用されている
。そして、この容量型圧力センサを半導体で構成すると
、信号処理回路を一体化できるため、圧力センサを小型
化することが非常に容易となる。

そこで、容量型圧力センサを半導体で構成し、超小型化
して、生体内留置型圧力センサに利用する試みも行われ
ている。

また、容量型圧力センサを小型化していくと、検出でき
る容量値も小さくなり、浮遊容量の影響が相対的に大き
くなる。従って、小型の容量型圧力センサにおいては浮
遊容量を如何に小さくするかが重要となり、信号処理回
路を圧力センサと一体化し、浮遊容量を最小限とするこ
とができる半導体容量型圧力センサが小型化に非常に適
しているいえる。

従来の半導体容量型圧力センサとしては、例えば、　Ｃ
，Ｓ、５ａｎｄｅｒ、　Ｊ　、Ｍ、Ｋｎｕｔｔｌ　、　
Ｊ　、Ｄ、Ｍｅｉｎｄｌ　；　”ＡＭｏｎｏｌｉｔｈｉ
ｃ　Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　５ｅｎ
ｓｏｒ　ＷｉｔｈＰｕｌｓｅ−Ｐｅｒｉｏｄ　０ｕｔｐ
ｕｔ″；ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎＥ
ｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｅｅｓ、Ｖｏｌ、ＥＤ−２７
，Ｎｏ、５．Ｍａｙ　１９８０．ｐｐ９２７−９３０に
示されるようなものが知られている。

そこで、従来の半導体容量型圧力センサについて第５図
及び第６図に基づいて説明する。

ｐ型シリコン単結晶の半導体基板１０には、その下面側
の一部に圧力を導入するための圧力導入孔１２が形成さ
れている。この半導体基板１０の上面側の圧力導入孔１
２に対応する位置に凹欠部１４が設けられている。そし
て、この圧力導入孔１２と凹欠部１４に挾まれた部分が
、圧力に対して変形する移動電極層１６とされる。

また、半導体基板１０の上面側にはｎ型シリコン単結晶
膜をエピタキシャル成長させたエピタキシャル成長層１
８が形成されている。そして、このエピタキシャル成長
層１８の一部にはＩＣ化された増幅器２０が形成されて
いる。

一方、このエピタキシャル成長層１８の上方には透明な
パイレックスガラスによって構成される絶縁キャップ２
２が配置され、エピタキシャル成長層１８と陽極接合さ
れている。この絶縁キャップ２２のエピタキシャル成長
層１８側に設けられた増幅器２０の上部にはキャビティ
　（空隙）２４が設けられており、このキャビティ２４
の絶縁キャップ２２側表面にはアルミニウムによって形
成されるシールド用のアルミニウム膜２６がノイズ除去
のために蒸着されている。

また、絶縁キャップ２２の凹欠部１４に対応する位置に
は、アルミニ、ラムＭ４２８が蒸着されており、ここに
キャパシタが形成される。そして、このアルミニウム膜
２８の一端が接続層３０を介して増幅器２０に接続され
ている。

増幅器２０には、リード層３２　ａ、　　３２　ｂが接
続されており、このリード層３２ｇ、３２ｂは半導体基
板１０上を引き回し、絶縁キャップ２２の外部へ導かれ
、それぞれ外部端子３４ａ、３４ｂに接続される。なお
、半導体基板１０の電位は、外部端子３４ｃによって与
えられる。

以上のような構成により、ｎ型シリコン層であるエピタ
キシャル成長層１８、アルミニウム膜２８及びこれらに
挾まれた凹欠部１４とで形成されたキャパシタの静電容
量は、接続層３０を通じて増幅器２０に導かれ、所定の
電気信号に変換された後、リード層３２ａ、３２ｂを介
し、外部端子３４ａ、３４ｂより外部に取り出される。

そして、このエピタキシャル成長層１８とアルミニウム
膜２８の２つの電極によって形成されるキャパシタの容
量値は、圧力導入孔１２から導入される圧力の変動によ
って変化し、この変化量を増幅器２０によって電気信号
に変換して出力するため、圧力を電気信号として検出す
ることができる。

〔発明が解決しようとする課題］ このような従来の半導体容量型圧力センサは、圧力導入
孔１２を形成するのにシリコンのエツチングを用いるが
、移動電極層１６の板厚を１０μｍ以下に制御すること
は難く、移動電極層１６の面積を小さくした場合に、印
加圧力に対する変形量が小さく、出力感度の著しい低下
をまねくという問題点があった。また、移動電極層１６
は圧力の印加により撓み、アルミニウム膜２８との間の
静電容量を変化せしめるものであるが、この撓み量は移
動電極１６の周辺部分では小さく、ここが圧力不感部と
なっている。そして、このような圧力不感部が存在する
ことにより、圧力センサのサイズが大きくなり、また浮
遊容量増加の原因にもなるという問題点があった。

更に、半導体容量型圧力センサは、アルミニウム膜２８
と増幅器２０を接続する接続層３０とエピタキシャル成
長層１８との間に絶縁を取らなければならない。このた
め、例えばエピタキシャル成長層１８をｎ型シリコン層
とし、接続層３０をｎ型シリコン層として両者のｐｎ接
合により絶縁を行っている。しかしながら、このｐｎ接
合部には空乏層による浮遊容量が必然的に存在する。そ
して、この空乏層に起因する浮遊容量は、電圧依存性、
温度依存性が大きく、これが正確な圧力の測定の障害と
なっていた。

発明の目的 本発明は、上述のような問題点を解決することを課題と
してなされたものであり、その目的は出力感度の低下を
もたらさず、超小型化を実現する半導体容量型圧力セン
サを提供することにある。

［解決原理］ 一般に容量型圧力センサの感度ＣＣは、ピエゾ抵抗ゲー
ジファクターに対応するものとして次式％式％ ここで、Ｐは印加圧力、ｃｏは圧力を印加しないときの
静電容量値、ΔＣは圧力Ｐを印加したときの静電容量値
の変動分である。

そして、ΔＣ／　Ｃｏは移動電極層１６の圧力Ｐにおけ
る変形量から決まる値であり、近似的に次式で与えられ
る。

ΔＣ／Ｃｏ＝に−Ｐ−（１−ν”）　　・ａ’／（Ｅ−
ｈ３　・Ｓ）　　　・・・（２）ここで、Ｋは移動電極
層１６の平面形状によって決まる定数、ａは移動電極層
１６の平面形状を正方形とした時の１辺の半分の長さ、
ｈは移動電極層１６の板厚、Ｓは移動電極層１６とアル
ミニウム膜２８との間の距離、νは移動電極層１６のポ
アソン比、Ｅは移動電極層１６のヤング率である。

そして、（１）式及び（２）式より感度Ｇｃは次のよう
に表すことができる。

Ｇｃ　−Ｋｍ　　（１−ν”）　　・ａ’／　（Ｅ−ｈ
’　・ｓ）・・・（３） ここで、従来の半導体容量型圧力センサにおいては、（
３）式における移動電極層１６の阪厚りを１０μｍ以下
に制御することは難しく、従って移動電極層１６の平面
形状を正方形とした時の１辺の半分の長さａは十分な感
度Ｇ、を得るために５００μｍ程度に制限されていた。

しかし、第３式からも明らかなように（ｈ３・ｓ）Ｉ／
４を１／ｎ倍にすれば同等の感度Ｇｃを得るための長さ
ａを１　／　ｎ倍に縮小することができ、半導体圧力セ
ンサの超小型化が達成できることが理解される。

また、従来の半導体容量型圧力センサの移動電極１６は
、圧力印加時に第７図に示すような変形を示す。

この変形形状は移動電極部１６の平面及び断面形状及び
これを形成しているシリコンのヤング率で決定される。

従来の半導体容量型圧力センサは、移動電極部１６の中
央部における撓み量が大きく、移動電極部１６の周辺部
は撓み量が非常に小さい。

従って、圧力変動に対する容量変化に寄与する部分は、
移動電極部１６の中央部がほとんどである。

そこで、移動電極部１６の周辺部におけるヤング率を小
さくすれば、第４図に示すように周辺部の撓み量を大き
くし中央部の撓み量を小さくできる。これにより、移動
電極部１６はアルミニウム膜２８に対し、はぼ平行を保
ったまま移動し、容量変化に寄与する面積を増大するこ
とができると考えられる。

［課題を解決するための手段］ 請求項（１）記載の第１発明に係る半導体容量型圧力セ
ンサは、シリコン結晶からなる半導体基板と、この半導
体基板の上面の一部に不純物を拡散して形成された信号
処理部と、前記半導体基板の一部に形成され、印加圧力
により変形する移動電極層と、前記半導体基板の上面を
封止する絶縁キャップと、この絶縁キャップの移動電極
に所定の空隙を介し対向する位置に形成された固定電極
層と、を有し、前記移動電極層を前記半導体基板上に配
設したシリコンエツチングに対し耐性の大きな絶縁性の
薄膜によって形成することを特徴とする。

このようなシリコンエツチングに対し耐性の大きな薄膜
は、例えばＣＶ　Ｄ　（Ｃｈｅｓｌｃａｌ　Ｖａｐｏｕ
ｒＤｅｐｏｓ口１ｏｎ化学的気相成長法）等によって形
成した窒化シリコンによって実現することができ、これ
によれば、移動電極層１６の板厚を１μｍ以下に高精度
、かつ再現性良く形成することができる。

請求項（２）記載の第２発明に係る半導体容量型圧力セ
ンサは、移動電極のヤング率はその周辺部において中央
部より小さくなるように分布させることを特徴とする。

このような薄膜のヤング率の変更は、例えばイオン注入
によって行うことができる。従って、移動電極層に所定
のヤング率の分布を作ることができる。

［作用］ 本発明に係る半導体容量型圧力センサは、上述のような
構成を有しており、印加圧力に応じ移動電極層が所定の
変形をする。そして、この変形によって移動電極層と絶
縁キャップの固定電極層との空隙の距離が変動し、この
空隙の容量値を信号処理部において電気信号に変換する
。

これによって印加圧力の検出が行えるが、本発明におい
ては、移動電極層をシリコンエツチングに対し耐性の大
きな薄膜によって形成している。

そこで、移動電極層を５μｍ以下と極めて薄くすること
ができる。そこで、移動電極層の面積を非常に小さくし
ても、十分な感度を得ることができ、半導体容量型圧力
センサの超小型化を図ることができる。特に移動電極層
を薄膜で形成したため、移動電極層形成のためのシリコ
ンエツチングの際エツチングを薄膜で停止することがで
き、再現性良く所望の板厚の移動電極層を形成すること
ができる。これによって圧力に対する感度のばらつきが
小さくなり、量産性の優れた半導体圧力センサを得るこ
とができる。

また、移動電極層を絶縁性の材料で構成したため、ｐｎ
接合による絶縁を行う必要がなく、ここに温度依存性の
高い浮遊容量が発生することがない。

更に、本発明の第２発明によれば、移動電極層の周辺部
分のヤング率を小さくし、ここにおける変形量を大きく
できるため、移動電極層は固定電極層に対しほぼ平行な
状態を保ったまま移動し、容量変化に寄与する面積を増
大することができ、高精度の容量値測定を行うことがで
きる。

［効果］ 以上説明したように、本発明の第１発明によれば、移動
電極層を薄くすることができ、圧力センサ全体を小型化
することができる。また、移動電極層の板厚を正確に制
御できるため、感度のばらつきが少なく、量産性に優れ
たものとできる。更に、第２発明によれば、容量値の変
化を大きくすることができ、高感度とすることができる
。

［実施例］ 以下、この本発明に係る半導体容量型圧力センサの実施
例について図面に基づいて説明する。

第１実”施例 第１図及び第２図に示すように、Ｎ型シリコン基板５０
の下面の一部には、圧力導入孔５２が形成されており、
この圧力導入孔に対応する上面側には凹欠部５４が設け
られている。この凹欠部５４と圧力導入孔５２に挾まれ
た部分が移動電極層５６とされている。

そして、凹欠部５４を含むシリコン基板５０の。

上面には、シリコン窒化膜が配設（デポジション）され
ている。このシリコン窒化１８１５ｇは、ＣｖＤ等によ
り形成される。また、シリコン基板５０の一部には信号
処理回路６０が拡散などによって形成されている。上述
のシリコン窒化膜５８は、この信号処理回路６０の上面
にも形成されており、これを保護している。

ここで、移動電極層５６に対するシリコン基板５０の下
部に形成された圧力導入孔５２は、シリコンアルカリ異
方性エツチングにより形成される。

シリコン窒化ａＳａはシリコンアルカリ異方性エツチン
グに対し耐性が大きくエツチングはここで停止する。こ
のため、移動電極層５６の板厚はシリコン窒化膜５８を
配設する際の膜厚により決定できるため板厚を高精度に
制御することができる。

移動電極層５６のシリコン窒化膜５８の上部には多結晶
シリコンで構成される多結晶シリコン電極部６２が形成
されている。

一方、シリコン基板・５０の上部には透明なパイレック
スガラスによって構成された絶縁キャップ６６が接合さ
れており、絶縁キャップ６６の下部の移動電極層５６に
対応する位置にはアルミニウム固定電極層６８が形成さ
れている。

従って、このアルミニウム固定電極層６８と凹欠部５４
と多結晶シリコン電極部６２とでキャパシタを形成して
いる。そして、圧力導入孔５２より導入される圧力の変
動に対し、移動電極層５６が変形し、多結晶シリコン電
極部６２とアルミニウム固定電極層６８との距離が変化
し、キャパシタの容量値が変化することとなる。

また、アルミニウム固定電極層６８は多結晶シリコンよ
りなる接続層７０を介し信号処理部６０に接続されてい
る。ここで、接続層７０はシリコン窒化膜５８によって
シリコン基板５０と絶縁されており、ｐｎ接合による絶
縁に見られるような温度依存性の大きな浮遊容量は形成
されない。

絶縁キャップ６６の下部の信号処理部６０に対応する位
置には凹欠部７２が形成されており、この凹欠部７２に
は信号処理部６０をシールドするためのアルミニウム層
７４が形成されている。また、信号処理回路６０はリー
ド層７６ａ、７６ｂを介し、外部端子７３ａ、７８ｂに
接続されている。このため、処理回路６０から出力され
る信号は外部端子７８ａ、７８ｂから取り出されること
となる。

なお、シリコン基板５０と絶縁キャップ６６の接合は、
多結晶シリコンよりなる接合層６４と絶縁キャップδ６
の陽極接合により行われる。また、外部端子７８ｃは、
陽極接合時に用いる端子であるとともに、信号処理回路
６０をシールドするときにも利用する。

実験によれば、第５図及び第６図に示した従来の半導体
容量型圧力センサは、凹欠部１４におけるギャップが２
μｍ１移動電極層１６の板厚が２５μｍ１移動電極層１
６の１辺の長さが１ｍｍで、感度Ｇｃ　＝Ｉ　Ｘｌ　０
−’／ｍｍＨｇである。これに対し、第５図及び第６図
に示す本実施例によれば、同等の感度を得るために凹欠
部５４のギャップが２００ｎｍ、移動電極層５６の板厚
が２゜５８ｍ１移動電極層５６の１辺の長さが１００μ
ｍでよいことが確認された。

第２実施例 上述のように、第１実施例においては、従来の半導体容
量型圧力センサの１／１００の大きさで同等の感度を得
ることができた。しかし、第１実施例における半導体容
量型圧力センサのイニシャルの容量値ＣＯは従来のもの
に比べ１／１０となり、浮遊容量の影響を受けやすいも
のとなっている。そこで、第２実施例の半導体容量型圧
力センサにおいては、凹欠部５４のギャップを２０ｎｍ
。

移動電極層５６の板厚を５８ｍ１移動電極層５６の１辺
の長さを１００μｍとした。そして、この第２実施例に
係る半導体容量型圧力センサよる実験によれば、上述と
同様のＩ　Ｘ　１０−’／ｍｍＨｇを得ることができた
。そして、このときのイニシャルの容量値ｃｏは従来の
半導体容量型圧力センサとほぼ同等の２０９Ｆであり、
浮遊容量の影響についても従来例とほぼ同等となる。こ
の第２実施例によって、性能的には従来のものと全く同
等であり、小型化が図れることが理解される。

また、第２実施例においては、移動電極層５６の形成は
、第３図に示すように、シリコン基板５Ｇの下部よりシ
リコン窒化膜８２を全面にデポジションして制御した。

第３実施例 第３実施例に係る半導体容量型圧力センサにおいては、
第１図に示す移動電極層５６のシリコン窒化膜５８周辺
部にボロン（Ｂ＋）をイオン注入した。イオン注入して
いない中央部のシリコン窒化膜５８のヤング率Ｅは、４
Ｘ１０１２ｄｙｎ／ｃｍ２であり、イオン注入を行った
周辺部５８ａのシリコン窒化膜５８のヤング率Ｅは、３
Ｘ１０”ｄｙｎ／ｃｍ２であった。このようにシリコン
窒化膜のヤング率に分布を設け、周辺部の変形を大きく
すると、第４図に示すようなシリコン窒化膜５８の変形
を行うことができ、静電容量の変化量を大きくすること
ができる。この第３実施例によっで、圧力に対する感度
を約２０％増加することができた。従って、イオン注入
によるヤング率の制御は感度の増加、感度の調整に極め
て有効であることが確認された。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１実施例に係る半導体容量型圧力センサの正
面断面図、 第２図は同実施例における平面図、 第３図は第２実施例の要部を示す断面図、第４図は第３
実施例の要部を示す断面図、第５図は従来の半導体容量
型圧力センサの正面断面図、 第６図は同従来例の平面図、 第７図は同従来例の移動電極層１６の変形状態を説明す
るための断面図である。 ５０　・・・　半導体基板 ５４　・・・　凹欠部 ５６　・・・　移動電極 ５８　・・・　シリコン窒化膜 ６０　・・・　信号処理回路 ６２　・・・　多結晶シリコン電極部 （導電性材料層） ６６　・・・　絶縁キャップ ６８　・・・　アルミニウム固定電極層（固定電極） 出願人　株式会社　豊田中央研究所 代理人弁理士吉田研二［Ｄ−５］ 第　Ｉ オ１ス１乞セ゛１−１禎圀 第２図 ｆ２大花ケ１つ生部断面φ 第３図 第 図 ４更車※１つ手数１石 第 図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）シリコン結晶からなる半導体基板と、この半導体
   基板の上面の一部に不純物を拡散して形成された信号処
   理部と、 前記半導体基板の一部に形成され、印加圧力により変形
   する移動電極層と、 前記半導体基板の上面を封止する絶縁キャップと、 この絶縁キャップの移動電極に所定の空隙を介し対向す
   る位置に形成された固定電極層と、を有し、 前記移動電極層を前記半導体基板上に配設したシリコン
   エッチングに対し耐性の大きな絶縁性の薄膜とその上面
   に配置した導電性材料層によって形成することを特徴と
   する半導体容量型圧力センサ。
2. （２）請求項（１）記載の半導体容量型圧力センサにお
   いて、移動電極のヤング率はその周辺部において中央部
   より小さくなるように分布させることを特徴とする半導
   体容量型圧力センサ。