JPH0579938A - 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。 【構成】 半導体基板２の下面に台座管３を接合して前
記半導体基板２を差圧センサ部として使用し、前記半導
体基板２の周辺部に配置され、かつ前記半導体基板２と
完全に分離された半導体基板４の下面に前記台座管３と
完全に分離された浮遊台座管５を接合して前記半導体基
板４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４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５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５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１００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、かつ同じ配置位置関係となるように配置して
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、この第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一
端が接合され、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、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、一端が前記第２半
導体基板の第１面に接合される浮遊台座管と、前記第２
半導体基板の前記第２面で、前記浮遊台座管に接合され
た部分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、第１半導体基板の下面に
台座管を接合して前記第１半導体基板を差圧センサ部と
して使用し、前記第１半導体基板の周辺部に配置され、
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
基板の下面に前記台座管と完全に分離された浮遊台座管
を接合して前記第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
を検出してこれら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の一面に接合さ
れ台座管３と、前記半導体基板２の周囲に分離して配置
される口形の半導体基板４と、この半導体基板４の一面
に接続される浮遊台座管５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６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（図において
下側）には、矩形状の凹部７を形成して作った薄肉のダ
イヤフラム部８が形成されるとともに、前記ダイヤフラ
ム部８の上側（図１において上側）には、図２に示す如
くボロン等の不純物を拡散注入してこの半導体基板２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９〜１２が形成されている。

【００２０】この場合、前記各差圧センサ９〜１２は差
圧センサ９、１０が一方の結晶軸方向に配置され、他方
の各差圧センサ１１、１２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８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８が歪
んだとき、この歪みに応じて前記各差圧センサ９〜１２
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、台座管５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２の一辺の長
さとほぼ同じ長さに、かつその内径が前記凹部７の径と
ほぼ同じ長さに形成される四角筒部材１３によって構成
されており、その上端（図１において上端）が前記半導
体基板２の下面周囲に接合され、その内部に形成された
断面円形の導圧路１４によって前記半導体基板６の凹部
７内に検出対象となる圧力媒体を導く。

【００２３】また、半導体基板４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１５によって構
成されており、この半導体基板４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半導体基板４
と一体に形成したピエゾ特性を有する所望形状の静圧セ
ンサ１６〜１９が形成されている。

【００２４】この場合、前記各静圧センサ１６〜１９は
静圧センサ１６、１７が一方の結晶軸方向に配置され、
他方の各静圧センサ１８、１９が前記結晶軸方向と直交
する方向に配置されている。

【００２５】そして、前記半導体基板４が収められてい
る部分の静圧によって前記半導体基板４が歪んだとき、
この歪みに応じて前記各静圧センサ１６〜１９の抵抗値
が変化してこれが静圧検出信号として外部に出力され
る。

【００２６】また、浮遊台座管５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４の外縁を
構成する一辺の長さとほぼ同じ長さに形成されるととも
に、その内径が前記半導体基板５の内縁を構成する一辺
の長さとほぼ同じ長さに形成される四角筒部材２０によ
って構成されており、その上端（図１において上端）が
前記半導体基板４の下面に接合されている。

【００２７】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。

【００２８】まず、前記ダイヤフラム部８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４
に、この半導体基板４に対して異種材料となるパイレッ
クガラス等の浮遊台座５を接合しているため、ダイヤフ
ラム部８にかかる差圧がゼロで、静圧のみが加えられた
ときには、圧縮率の大きい浮遊台座５側から圧縮率の小
さい半導体基板４により大きな歪みが伝わり易いため
に、半導体基板４の上面（図において上面）側に誘起さ
れる歪みはダイヤフラム部８に誘起される歪みよりもか
なり大きい。

【００２９】一方、差圧センサ９〜１２が形成されてい
る半導体基板２と、静圧センサ１６〜１９が形成されて
いる半導体基板４とが完全に分離され、かつ前記半導体
基板２が接合されている台座管３と、前記半導体基板４
が接合されている浮遊台座管５とが完全に分離さている
ので、ダイヤフラム部８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
８が形成されている半導体基板２から半導体基板４側の
上面に極めて伝わり難くい。

【００３０】これによって、静圧を主として検出する静
圧センサ１６〜１９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。

【００３１】この結果、１つの組になった４個の差圧セ
ンサ９〜１２は主としダイヤフラム部８にかかる差圧を
検出し、別の組にった４個の静圧センサ１６〜１９は半
導体基板４と浮遊台座管５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１６〜１９
から出力される静圧検出信号によって差圧センサ９〜１
２から出力される差圧検出信号を補正することにより、
前記差圧センサ９〜１２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。

【００３２】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３を接合してこの部分を差圧センサ部と
して使用し、前記半導体基板２の周辺部にこの半導体基
板２と完全に分離した半導体基板４を配置するととも
に、この半導体基板４の下面にパイレックガラス等によ
つて構成される浮遊台座管５を接合してこの部分を静圧
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。

【００３３】また、上述した実施例においては、半導体
基板２および台座管３の外縁を方形にし、これら半導体
基板２および台座管３の周囲に配置される半導体基板４
および浮遊台座管５の断面を口形にしているが、図３に
示す如くこれら半導体基板２および台座管３の外縁を円
形にして、これら半導体基板２および台座管３の周囲に
配置される半導体基板４および浮遊台座管５の内縁を円
形にするようしても良い。

【００３４】

【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】本発明による半導体圧力センサの他の実施例を
示す平面図である。

【図４】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５】図４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 台座管 ４ 半導体基板（第２半導体基板） ５ 浮遊台座管 ７ 空洞 ９、１０ 垂直方向の差圧センサ １１、１２ 平行方向の差圧センサ １４ 導圧路 １６、１７ 垂直方向の静圧センサ １８、１９ 平行方向の静圧センサ

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、 この第１半導体基板の前記第１面に形成された前記空洞
   を取り囲むように一端が接合され、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、 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、 一端が前記第２半導体基板の第１面に接合される浮遊台
   座管と、 前記第２半導体基板の前記第２面で、前記浮遊台座管に
   接合された部分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。