JPH0579937A - 半導体圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は静圧下ならびに差圧下で生じる信号
を補償するとともに、静圧および差圧を同一半導体基板
上で、しかも極めて精度良く、かつ高い信頼性で検出す
る。 【構成】 １つの台座管４の一端側中央部分に半導体基
板２を接合して前記台座管４に形成された導圧路１８を
介して前記半導体基板２の下面側に形成された空洞６に
圧力を導いて差圧センサ部として使用し、かつ前記半導
体基板２と完全に分離された半導体基板３を前記台座管
４の前記一端側周辺部分に接合して前記半導体基板３を
静圧センサ部として使用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧力を検出する半導体圧
力センサに係わり、特に静圧下ならびに差圧下で生じる
信号を検出し、静圧および差圧を極めて精度よく検出し
得るようにした半導体圧力センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】圧力の検出を行なうためのセンサの１つ
として、従来、半導体圧力センサが知られている。

【０００３】この半導体圧力センサは単結晶半導体（例
えば、シリコン等）の優れた弾性を利用し、薄膜シリコ
ンダイヤフラムの両端にかかる圧力差に応答する応力を
検出する。

【０００４】図３はこのような半導体圧力センサの一例
を示す断面図である。

【０００５】この図に示す半導体圧力センサ１００はｎ
形面からなるシリコン単結晶基板１０１の一面に凹部１
０２を形成して薄肉部のダイヤフラム部１０３とし、前
記凹部１０２側の面と反対側の表面にｐ形不純物を拡散
して図４に示す如く差圧センサ（ストレインゲージ抵
抗）１０４〜１０６を形成した後、これら差圧センサ１
０４〜１０６を形成した単結晶基板１０１の表面に酸化
膜１０７を形成して前記各差圧センサ１０４〜１０６を
被膜し、さらにこの酸化膜１０７に貫通して設けられた
孔１０８を介して前記各差圧センサ１０４〜１０６の両
端に各々電極層１０９を接続して形成したものであり、
円筒状に形成された台座管１１２に固定されるととも
に、金線等によって構成されるワイヤ１１０によって前
記電極層１０９と外部端子（図示は省略する）とが接続
されて使用される。

【０００６】なお、図４においては、右側の差圧センサ
１０４〜１０６部分にのみに電極層１０９を設けている
が、実際には各差圧センサ１０４〜１０６毎に各々電極
層１０９が設けられている。

【０００７】そして、このように構成された半導体圧力
センサ１００においては、ダイヤフラム部１０３が圧力
によって応力を受けると、ダイヤフラム部１０３の表面
に形成された差圧センサ１０４〜１０６のうち、予め決
められた結晶軸方向に配置されたものの抵抗値が増加す
るとともに、他の決められた結晶軸方向に配置されたも
のの抵抗値が減少して、これら各差圧センサ１０４〜１
０６によって構成されているホィートストンブリッジ回
路（図示は省略する）の出力電圧が変化し、この変化分
に対応した検出信号が出力される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな半導体圧力センサ１００においては、静圧（ダイヤ
フラムの両面にかかる共通な圧力）下でも、ゼロシフト
と呼ばれる誤信号を生じる。

【０００９】そこで、このような問題を解決する方法と
てして、半導体圧力センサ１００と別個の圧力センサを
用いて静圧を検出し、この検出結果に基づいて半導体圧
センサ１００の出力を補正する方法が実施されている。

【００１０】しかしながら、このような方法では、２つ
の素子を使用しなければならないため、なるべくなら
ば、シングルタイプの素子を用いて、２つの信号から単
純な補正で２つの信号を生成するようにすることが望ま
しい。

【００１１】そこで、このような要求を満たす方法とし
て、シリコン単結晶基板１０１の表面（前記台座管１１
２と接合する面と反対側の面）に、差圧センサ１０４〜
１０６と同様な配置で静圧によって生じる歪みを検出す
るセンサ（静圧センサ）を設け、この静圧センサの出力
に基づいて前記差圧センサ１０４〜１０６の出力を補正
することも行われている。

【００１２】しかしながら、このような半導体圧力セン
サで用いられる静圧センサは、温度に対する影響を共通
化するために、差圧センサ１０４〜１０６と同一基板上
で、同じ配置位置関係となるように静圧センサを配置し
ているので、静圧センサにも差圧歪みによる影響が出て
しまい、その応答特性が一義的な信号にならないことが
多いばかりか、このような静圧センサに対しても、差圧
センサの出力に基づいて補正を行なう必要があるため、
極めて厄介補正関係が必要であった。

【００１３】このため、静圧センサによって差圧センサ
の信号を補正する方法では、極めて大きな誤差を与える
危険がある。

【００１４】本発明は上記の事情に鑑み、静圧下ならび
に差圧下で生じる信号を補償することができるととも
に、静圧および差圧を同一半導体基板上で、しかも極め
て精度良く、かつ高い信頼性で検出することができる半
導体圧力センサを提供することを目的としている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明による半導体圧力センサは、第１面および第
２面を有し、前記第１面に空洞が形成される単結晶半導
体材料からなる第１半導体基板と、第１面および第２面
を有し、前記第１半導体基板の周囲に配置される単結晶
半導体材料からなる第２半導体基板と、その一端が前記
第１半導体基板の前記第１面に形成された前記空洞を取
り囲むように前記第１、第２半導体基板の各第１面に接
合され、かつ検出すべき圧力を前記空洞に導入する導圧
路を有する所定形状の台座管と、前記第１半導体基板の
前記第２面で前記空洞の反対側に形成された少なくとも
１個の垂直方向の差圧センサおよび少なくとも１個の平
行方向の差圧センサと、前記第２半導体基板の前記第２
面で前記台座管に接合された一端の反対側に形成される
少なくとも１個の垂直方向の静圧センサおよび少なくと
も１個の平行方向の静圧センサとを備えたことを特徴と
している。

【００１６】

【作用】上記の構成において、１つの台座管の一端側中
央部分に第１半導体基板を接合して前記台座管に形成さ
れた導圧路を介して前記第１半導体基板の下面側に形成
された空洞に圧力を導いて差圧センサ部として使用し、
かつ前記第１半導体基板と完全に分離された第２半導体
基板を前記台座管の前記一端側周辺部分に接合して前記
第２半導体基板を静圧センサ部として使用することによ
り、静圧下ならびに差圧下で生じる信号を補償するとと
もに、静圧および差圧を同一半導体基板上で、しかも極
めて精度良く、かつ高い信頼性で検出する。

【００１７】

【実施例】図１は本発明による半導体圧力センサの一実
施例を示す断面図である。

【００１８】この図に示す半導体圧力センサ１は薄い方
形の半導体基板２と、前記半導体基板２の周囲にこの半
導体基板２と分離して配置される口形の半導体基板３
と、これらの各半導体基板２、３の一面に接合される台
座管４とによって構成されている。

【００１９】半導体基板２はシリコンのような単結晶材
料によって構成される矩形状の基板５によって構成され
ており、この半導体基板２の中央部分下側（図１におい
て下側）に矩形状の凹部６を形成して作った薄肉のダイ
ヤフラム部７が形成されるとともに、図２に示す如く前
記ダイヤフラム部７の上側（図１において上側）にボロ
ン等の不純物を拡散により注入して前記基板５と一体に
形成したピエゾ特性を有する所望形状の差圧センサ８〜
１１が形成されている。

【００２０】この場合、前記各差圧センサ８〜１１は差
圧センサ８、９が一方の結晶軸方向に配置され、他方の
各差圧センサ１０、１１が前記結晶軸方向と直交する方
向に配置されている。

【００２１】そして、前記ダイヤフラム部７の上面側
と、下面側との差圧によって前記ダイヤフラム部７が歪
んだとき、この歪みに応じて前記各差圧センサ８〜１１
の抵抗値が変化してこれが差圧検出信号として外部に出
力される。

【００２２】また、半導体基板３はシリコンのような単
結晶材料によって構成される口形の基板１２によって構
成されており、図２に示す如くこの半導体基板３の上側
（図１において上側）にボロン等の不純物を拡散注入し
て前記半導体基板３と一体に形成したピエゾ特性を所望
形状の有する静圧センサ１３〜１６が形成されている。

【００２３】この場合、前記各静圧センサ１３〜１６は
静圧センサ１３、１４が一方の結晶軸方向に配置され、
他方の各静圧センサ１５、１６が前記結晶軸方向と直交
する方向に配置されている。

【００２４】そして、前記半導体基板３が収められてい
る部分の静圧によって前記半導体基板３が歪んだとき、
この歪みに応じて前記各静圧センサ１３〜１６の抵抗値
が変化してこれが静圧検出信号として出力される。

【００２５】また、台座管４はパイレックガラス等によ
って構成され、その外径が前記半導体基板３の外縁を形
成する一辺の長さと同じ長さに形成されるとともに、そ
の内径が前記凹部６の径よりもかなり短く形成される断
面円形の円筒部材１７によって構成されており、その上
端（図１において上端）が前記各半導体基板２、３の下
面に接合され、その内部に形成された断面円形の導圧路
１８によって前記半導体基板２の凹部６に検出対象とな
る圧力媒体を導く。

【００２６】次に、図１および図２を参照しながらこの
実施例の構造と効果と関係を説明する。

【００２７】まず、ダイヤフラム部７が形成されている
半導体基板２の周囲に配置されている半導体基板３に対
して異種材料となるパイレックガラス等の台座管４を接
合しているため、ダイヤフラム部７にかかる差圧がゼロ
で、静圧のみが加えられたときには、圧縮率の大きい台
座管４側から圧縮率の小さい半導体基板２、３により大
きな歪みが伝わり易いために、半導体基板３と台座管４
との接合面直上の半導体基板３の上面（図１において上
面）側に誘起される歪みはダイヤフラム部７に誘起され
る歪みよりもかなり大きい。

【００２８】一方、差圧センサ８〜１１が形成されてい
る半導体基板２と、静圧センサ１３〜１６が形成されて
いる半導体基板３とが完全に分離されているので、ダイ
ヤフラム部７の両面にかかる差圧によってダイヤフラム
面に誘起される歪みは、このダイヤフラム部７が形成さ
れている半導体基板２と完全に分離された半導体基板３
側の上面に極めて伝わり難くい。

【００２９】これによって、静圧を主として検出する静
圧センサ１３〜１６は差圧による誤差が小さくなり、か
つ差圧の測定範囲内では一義的な誤差特性を表わす。

【００３０】この結果、１つの組になった４個の差圧セ
ンサ８〜１１は主としてダイヤフラム部７にかかる差圧
を検出し、別の組にった４個の静圧センサ１３〜１６は
半導体基板３と台座管４とにかかる静圧変化によっての
み生じる信号を出力するので、静圧センサ１３〜１６か
ら出力される信号によって差圧センサ８〜１１から出力
される信号を補正することにより、前記差圧センサ８〜
１１の出力に含まれる静圧誤差信号成分を除去すること
ができる。

【００３１】このようにこの実施例においては、半導体
基板２の中央部分下面にパイレックガラス等によつて構
成される台座管４を接合して前記半導体基板２を差圧セ
ンサ部７として使用し、前記半導体基板２の周辺部に前
記半導体基板２と完全に分離した半導体基板３を配置す
るとともに、この半導体基板３の下面を前記台座管４に
接合して前記半導体基板３を静圧センサ部として使用す
るようにしたので、静圧下ならびに差圧下で生じる信号
を補償することができるとともに、静圧および差圧を同
一半導体基板上で、しかも極めて精度良く、かつ高い信
頼性で検出することができる。

【００３２】また、上述した実施例においては、各半導
体基板２、３の外縁を方形にしてその下面側に、円形の
外縁を有する台座管４を接合するようにしているが、こ
れらの形状を他の形状、例えば半導体基板２、３の外縁
形状を円形とし、これと接合される台座管４の形状を円
筒状にするようにしても上述した実施例と同様な効果を
得ることができる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、静
圧下ならびに差圧下で生じる信号を補償することができ
るとともに、静圧および差圧を同一半導体基板上で、し
かも極めて精度良く、かつ高い信頼性で検出することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体圧力センサの一実施例を示
す断面図である。

【図２】図１に示す半導体圧力センサの平面図である。

【図３】従来から知られている半導体圧力センサの一例
を示す断面図である。

【図４】図３に示す半導体圧力センサの平面図である。

【符号の説明】

２ 半導体基板（第１半導体基板） ３ 半導体基板（第２半導体基板） ４ 台座管 ６ 空洞 ８、９ 垂直方向の差圧センサ １０、１１ 平行方向の差圧センサ １３、１４ 垂直方向の静圧センサ １５、１６ 平行方向の静圧センサ １８ 導圧路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１面および第２面を有し、前記第１面
   に空洞が形成される単結晶半導体材料からなる第１半導
   体基板と、 第１面および第２面を有し、前記第１半導体基板の周囲
   に配置される単結晶半導体材料からなる第２半導体基板
   と、 その一端が前記第１半導体基板の前記第１面に形成され
   た前記空洞を取り囲むように前記第１、第２半導体基板
   の各第１面に接合され、かつ検出すべき圧力を前記空洞
   に導入する導圧路を有する所定形状の台座管と、 前記第１半導体基板の前記第２面で前記空洞の反対側に
   形成された少なくとも１個の垂直方向の差圧センサおよ
   び少なくとも１個の平行方向の差圧センサと、 前記第２半導体基板の前記第２面で前記台座管に接合さ
   れた一端の反対側に形成される少なくとも１個の垂直方
   向の静圧センサおよび少なくとも１個の平行方向の静圧
   センサと、 を備えたことを特徴とする半導体圧力センサ。