JPH0611403A - Pressure sensor array - Google Patents

Pressure sensor array

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JPH0611403A
JPH0611403A JP16914892A JP16914892A JPH0611403A JP H0611403 A JPH0611403 A JP H0611403A JP 16914892 A JP16914892 A JP 16914892A JP 16914892 A JP16914892 A JP 16914892A JP H0611403 A JPH0611403 A JP H0611403A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
electrodes
diaphragm
spacer
semiconductor
electrode
Prior art date
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Pending
Application number
JP16914892A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Satoshi Tokuda
敏 徳田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shimadzu Corp
Original Assignee
Shimadzu Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Shimadzu Corp filed Critical Shimadzu Corp
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Publication of JPH0611403A publication Critical patent/JPH0611403A/en
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高感度、高安定性が期待できる静電容量型
で、しかも従来のこの種のセンサに比して寄生容量が少
なく、かつ、高密度で各電極間距離が均一な高精度の圧
力センサアレイを提供する。 【構成】 半導体薄板に複数の電極11を形成したダイ
ヤフラム1と、上記各電極11とそれぞれ対向する複数
の電極21を形成した半導体基板2とを、半導体薄板に
上記各電極対に対応する複数の貫通孔31を形成したス
ペーサ3を介して相互に接合した構造とする。
(57) [Abstract] [Purpose] It is a capacitance type that can be expected to have high sensitivity and high stability, has less parasitic capacitance than the conventional sensor of this type, and has a high density and distance between electrodes. A uniform and highly accurate pressure sensor array is provided. A diaphragm 1 having a plurality of electrodes 11 formed on a semiconductor thin plate, and a semiconductor substrate 2 having a plurality of electrodes 21 facing the electrodes 11 are provided on a semiconductor thin plate corresponding to the electrode pairs. The structure is such that they are joined to each other through the spacer 3 having the through holes 31 formed therein.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、例えば工業計測や、自
動車あるいは医療用の自動計測用の圧力センサとして利
用できる、半導体ダイヤフラムを用いた静電容量型のマ
イクロ圧力センサアレイに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a capacitance type micro pressure sensor array using a semiconductor diaphragm, which can be used as a pressure sensor for industrial measurement or automatic measurement for automobile or medical use.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体ダイヤフラムを用いたマイクロ圧
力センサとしては、一般に、ピエゾ抵抗型と静電容量型
とがある。
2. Description of the Related Art Micro pressure sensors using a semiconductor diaphragm are generally classified into a piezoresistive type and a capacitance type.

【0003】ピエゾ抵抗型はポリシリコンのピエゾ抵抗
効果を利用したもので、シリコン基板により形成された
ダイヤフラムに隣接してその表面にポリシリコン抵抗体
を形成し、ダイヤフラムを介して抵抗体に作用する圧力
をその抵抗値の変化から検出する。
The piezoresistive type utilizes the piezoresistive effect of polysilicon. A polysilicon resistor is formed on the surface of a diaphragm formed of a silicon substrate adjacent to the diaphragm and acts on the resistor via the diaphragm. The pressure is detected from the change in its resistance value.

【0004】静電容量型は、対向電極の距離変化による
容量変化を利用したもので、例えばガラス基板の表面に
ピット状の凹部を形成してその底部に一方の電極を形成
するとともに、この凹部を覆うように薄板状のダイヤフ
ラムを配置し、このダイヤフラムに他方の電極を形成し
た構造を採り、圧力変化によるダイヤフラムの変形に伴
う電極対間の容量変化からその圧力を検出する(例えば
電気学会論文集C109巻12号(平成1年)P.820
)。
The electrostatic capacitance type utilizes a capacitance change due to a distance change of a counter electrode. For example, a pit-shaped recess is formed on the surface of a glass substrate and one electrode is formed on the bottom thereof, and the recess is formed. A thin-plate diaphragm is placed so as to cover the diaphragm, and the other electrode is formed on this diaphragm, and the pressure is detected from the capacitance change between the electrode pair accompanying the deformation of the diaphragm due to the pressure change (for example, the Institute of Electrical Engineers of Japan Shu C109 Volume 12 (Heisei 1) P.820
).

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】以上の各型の圧力セン
サにおいて、ピエゾ抵抗型では2次元集積化した報告例
もあるが(S. Saginomiya et.al., Proc. Transducer's
89 (1989) p.152、あるいは電子情報通信学会論文誌C
−II Vol. J73-C-II No.31-37, 1990 年 1月)、温度や
ストレスの影響を受けやすく、高精度化することが難し
い。
In the pressure sensors of the respective types described above, there are reports of two-dimensionally integrated piezoresistive type pressure sensors (S. Saginomiya et.al., Proc. Transducer's.
89 (1989) p.152, or IEICE Transactions C
-II Vol. J73-C-II No.31-37, January 1990), susceptible to temperature and stress, making it difficult to achieve high precision.

【0006】一方、静電容量型では、高感度、高安定性
が期待できるものの、電極間距離の均一化等が困難で、
特にアレイ化する場合には問題となるとともに、電極か
らの信号取り出し用配線等に起因して、従来の構造では
寄生容量の低減が困難であるという欠点がある。
On the other hand, in the capacitance type, high sensitivity and high stability can be expected, but it is difficult to make the distance between electrodes uniform,
In particular, there is a problem in the case of forming an array, and there is a drawback that it is difficult to reduce the parasitic capacitance in the conventional structure due to the signal extraction wiring from the electrodes and the like.

【0007】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
ので、高感度、高安定性が期待できる静電容量型で、し
かも寄生容量が少なく、かつ、高密度で各電極間距離が
均一な圧力センサアレイの提供を目的としている。
The present invention has been made in view of the above points, and is a capacitance type which can be expected to have high sensitivity and high stability, has a small parasitic capacitance, and has a high density and a uniform distance between electrodes. The purpose is to provide a simple pressure sensor array.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの構成を実施例に対応する図1,図2を参照しつつ説
明すると、本発明の圧力センサアレイは、半導体薄板の
一面に複数の電極11・・11が形成されてなるダイヤフ
ラム1と、一面に上記各電極11・・11とそれぞれ対向
する複数の電極21・・21が形成された半導体基板2と
が、半導体薄板に上記各電極対に対応する複数の貫通孔
31・・31が形成されたスペーサ3を介して相互に接合
されていることによって特徴づけられる。
A structure for achieving the above object will be described with reference to FIGS. 1 and 2 corresponding to an embodiment. A pressure sensor array of the present invention has a plurality of semiconductor thin plates on one surface thereof. The diaphragm 1 having the electrodes 11 ... 11 formed thereon and the semiconductor substrate 2 having a plurality of electrodes 21. It is characterized by being joined to each other through the spacer 3 in which a plurality of through holes 31 ... 31 corresponding to the electrode pairs are formed.

【0009】[0009]

【作用】各電極間距離がスペーサ3の厚さによって決ま
り、かつ、このスペーサ3を半導体薄板としていること
からその加工に半導体微細加工技術を応用できるため、
各電極間距離の均一化が容易となるとともに高密度化が
容易であり、ダイヤフラム1および基板2側の電極のい
ずれもが平面上に形成されていることから、信号取り出
し用配線が寄生容量に及ぼす影響が少なく、所期の目的
を達成できる。
The distance between the electrodes is determined by the thickness of the spacer 3, and since the spacer 3 is a semiconductor thin plate, semiconductor fine processing technology can be applied to its processing.
Since it is easy to make the distance between the electrodes uniform and the density can be easily made, and since both the diaphragm 1 and the electrodes on the substrate 2 side are formed on a flat surface, the signal extraction wiring has a parasitic capacitance. Affects little and can achieve the intended purpose.

【0010】[0010]

【実施例】図1は本発明実施例の断面図で、図2はその
分解斜視図である。ダイヤフラム1は被測定圧力により
弾性変形を起こす半導体薄板で、数十μmの厚さを持つ
シリコン単結晶板等によって構成されている。このダイ
ヤフラム1の一方の面には、高融点金属を堆積してなる
複数個の電極11・・11が2次元状に形成されている。
1 is a sectional view of an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an exploded perspective view thereof. The diaphragm 1 is a semiconductor thin plate that elastically deforms due to the measured pressure, and is composed of a silicon single crystal plate having a thickness of several tens of μm. On one surface of the diaphragm 1, a plurality of electrodes 11, ... 11, Which are formed by depositing a refractory metal, are two-dimensionally formed.

【0011】例えばシリコン単結晶からなる半導体基板
2の一面には、ダイヤフラム1の電極11・・11と同一
のパターンで、同じく高融点金属を堆積してなる複数個
の電極21・・21が2次元状に形成されており、この半
導体基板2とダイヤフラム1とが、それぞれの電極11
・・11および21・・21が対向するように、スペーサ3
を介して接合されている。
On one surface of the semiconductor substrate 2 made of, for example, a silicon single crystal, a plurality of electrodes 21 ... 21 each having the same pattern as the electrodes 11 ... The semiconductor substrate 2 and the diaphragm 1 are formed in a three-dimensional shape, and the electrodes 11
.... Spacer 3 so that 11 and 21 ... 21 face each other
Are joined through.

【0012】スペーサ3は、シリコン単結晶等の半導体
薄板に、互いに対向するそれぞれの電極11・・11と2
1・・21との間に空隙が形成されるように複数個の貫通
孔31・・31を形成したもので、このスペーサ3の厚さ
が電極11・・11と21・・21間の距離を規定してい
る。また、このスペーサ3の周囲には、その表裏両面側
に突出する段部32が形成されており、その段部32の
内縁はダイヤフラム1および半導体基板2の外縁と同等
の形状・寸法を有しており、この段部32の内側にダイ
ヤフラム1および半導体基板2を差し込むことにより、
電極11・・11、貫通孔31・・31、および電極21・・
21がそれぞれ位置合わせされるようになっている。
The spacer 3 is formed on a semiconductor thin plate made of silicon single crystal or the like and has electrodes 11 ... 11 and 2 facing each other.
A plurality of through-holes 31 ... 31 are formed so that a gap is formed between the spacers 1 ... 21 and the thickness of this spacer 3 is the distance between the electrodes 11 ... 11 and 21 ... 21. Is prescribed. Around the spacer 3, a step portion 32 is formed so as to project to both front and back sides, and the inner edge of the step portion 32 has the same shape and size as the outer edge of the diaphragm 1 and the semiconductor substrate 2. By inserting the diaphragm 1 and the semiconductor substrate 2 inside the step 32,
Electrode 11 ..., through hole 31 ... 31 and electrode 21 ...
21 are aligned with each other.

【0013】スペーサ3の両面と、電極11・・11およ
び21・・21の形成部分を除くダイヤフラム1および半
導体基板2のスペーサ3との接合面には、それぞれ酸化
膜が形成されており、ダイヤフラム1とスペーサ3、お
よび半導体基板2とスペーサ3は、それぞれ融着により
相互に強固に接合されている。すなわち、表面に薄い酸
化膜が形成されたシリコン単結晶は、1000°C程度
の高温熱処理により容易に強固な接合が可能であり、電
極11・・11および21・・21を高融点金属としておく
ことにより、各部材1〜3を個別に作成した後に一体化
することができる。
An oxide film is formed on each of the joint surfaces of the spacer 3 and the spacers 3 of the diaphragm 1 and the semiconductor substrate 2 except for the portions where the electrodes 11 ... 11 and 21 ... 21 are formed. 1 and the spacer 3, and the semiconductor substrate 2 and the spacer 3 are firmly bonded to each other by fusion bonding. That is, a silicon single crystal having a thin oxide film formed on its surface can be easily and strongly bonded by a high temperature heat treatment at about 1000 ° C., and the electrodes 11 ... 11 and 21 ... 21 are made of refractory metal. Thus, the members 1 to 3 can be individually formed and then integrated.

【0014】以上の構造の本発明実施例によると、ダイ
ヤフラム1の各電極11・・11がそれぞれ静電容量型圧
力センサの可変電極を形成し、半導体基板2の各電極2
1・・21が同じく対向電極を形成して、ダイヤフラム1
に作用する被測定圧力の2次元状の分布を測定すること
ができる。すなわち、被測定圧力がダイヤフラム1に作
用すると、その大きさに応じて各電極11・・11の形成
部が変形して対向する電極21・・21との間の距離が変
化し、それに応じて各電極対の静電容量が変化するの
で、その静電容量変化から各電極対の形成位置における
圧力の大きさを知ることができる。
According to the embodiment of the present invention having the above-mentioned structure, each electrode 11 of the diaphragm 1 is formed as a variable electrode of the capacitance type pressure sensor, and each electrode 2 of the semiconductor substrate 2 is formed.
The diaphragms 1 and 21 also form the counter electrodes.
It is possible to measure a two-dimensional distribution of the measured pressure acting on the. That is, when the measured pressure acts on the diaphragm 1, the formation portion of the electrodes 11 ... 11 is deformed according to the size thereof, and the distance between the electrodes 21. Since the capacitance of each electrode pair changes, the magnitude of pressure at the formation position of each electrode pair can be known from the change in capacitance.

【0015】この構成において特に注目すべき点は、ア
レイ状の各センサの電極間距離がスペーサ3の厚さによ
って決まる点であり、これにより、全ての電極間距離を
容易に均一化することが可能となる。
In this structure, a point to be particularly noted is that the distance between the electrodes of each array-shaped sensor is determined by the thickness of the spacer 3, and this makes it possible to easily make all the distances between the electrodes uniform. It will be possible.

【0016】そして、以上の本発明実施例を製造するに
当たり、スペーサ3の貫通孔31・・31は異方性エッチ
ングにより開口することができ、また、その面方向への
位置決め、およびダイヤフラム1と半導体基板2の各電
極11・・11および21・・21の位置決めも等に関して
は、半導体微細加工技術を応用することにより極めて高
精度で高密度のセンサアレイを得ることができる。
In manufacturing the above-described embodiment of the present invention, the through holes 31 of the spacer 3 can be opened by anisotropic etching, and the positioning in the surface direction and the diaphragm 1 can be performed. With respect to the positioning of the electrodes 11 ... 11 and 21 ... 21 of the semiconductor substrate 2, by applying the semiconductor fine processing technology, a highly precise and high density sensor array can be obtained.

【0017】更に、各部材1〜3を個別に作成した後、
相互に位置合わせをして最後に一体化できるため、半導
体基板2に信号処理回路を形成し、ワンチップのインテ
リジェントセンサの構成とすることが容易となる。ただ
し、半導体基板2には電極21・・21のみを形成し、信
号処理回路は別の基板に形成してもよく、この場合には
製造工程の自由度が増し、信号処理回路の性能、歩留り
の向上が期待できる。
Further, after the members 1 to 3 are individually prepared,
Since they can be aligned with each other and integrated at the end, it becomes easy to form a signal processing circuit on the semiconductor substrate 2 to form a one-chip intelligent sensor. However, only the electrodes 21 ... 21 may be formed on the semiconductor substrate 2 and the signal processing circuit may be formed on another substrate. In this case, the degree of freedom in the manufacturing process is increased, and the performance and yield of the signal processing circuit are increased. Can be expected to improve.

【0018】なお、ダイヤフラム1、半導体基板2およ
びスペーサ3の材質としてはシリコン単結晶に限られる
ことはないが、各部材に要求される機能、例えばダイヤ
フラム1においては弾性、スペーサ3においては異方性
エッチングが可能なこと、更には各部材の接合等を考慮
すると、シリコン単結晶が最も適した材料であると言え
る。
The material of the diaphragm 1, the semiconductor substrate 2 and the spacer 3 is not limited to silicon single crystal, but the function required for each member, such as elasticity in the diaphragm 1 and anisotropic in the spacer 3. In view of the fact that it is possible to perform a positive etching, and further considering the joining of each member, it can be said that silicon single crystal is the most suitable material.

【0019】[0019]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
複数の電極が形成された半導体ダイヤフラムと、その各
電極に対向する電極が形成された半導体基板とを、半導
体薄板によって形成され、かつ、各電極対に対応する貫
通孔が形成されたスペーサを介して相互に接合すること
によって静電容量型の圧力センサアレイを構成している
ので、各電極対間の距離がスペーサの肉厚によって一意
的に決まるとともに、その製造に当たっても半導体微細
加工技術を応用することができるため、従来のこの種の
圧力センサアレイに比して、各電極間距離が極めて均一
化で、高精度で高密度のセンサアレイを容易に得ること
ができる。
As described above, according to the present invention,
A semiconductor diaphragm having a plurality of electrodes formed thereon, and a semiconductor substrate having electrodes facing the respective electrodes are formed of a semiconductor thin plate, and a spacer having through holes corresponding to the respective electrode pairs is provided therebetween. Since the electrostatic capacitance type pressure sensor array is configured by bonding them to each other, the distance between each electrode pair is uniquely determined by the thickness of the spacer, and the semiconductor microfabrication technology is applied even when manufacturing the same. Therefore, compared with the conventional pressure sensor array of this type, it is possible to easily obtain a highly accurate and high-density sensor array in which the distance between the electrodes is extremely uniform.

【0020】また、その構造上、各電極は平面上に形成
されているため、従来のこの種のセンサに比して信号取
り出し用の配線も容易で、かつ、寄生容量も減少する。
Further, because of its structure, each electrode is formed on a plane, so that wiring for signal extraction is easier and the parasitic capacitance is reduced as compared with the conventional sensor of this type.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明実施例の断面図FIG. 1 is a sectional view of an embodiment of the present invention.

【図2】その分解斜視図FIG. 2 is an exploded perspective view thereof.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 半導体ダイヤフラム 11・・11 電極(可変電極) 2 半導体基板 21・・21 電極(対向電極) 3 半導体スペーサ 31・・31 貫通孔 32 段部 1 Semiconductor Diaphragm 11 ... 11 Electrode (Variable Electrode) 2 Semiconductor Substrate 21 ... 21 Electrode (Counter Electrode) 3 Semiconductor Spacer 31 ... 31 Through Hole 32 Step

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体ダイヤフラムを用いた静電容量型
の2次元圧力センサアレイであって、半導体薄板の一面
に複数の電極が形成されてなるダイヤフラムと、一面に
上記各電極とそれぞれ対向する複数の電極が形成された
半導体基板とが、半導体薄板に上記各電極対に対応する
複数の貫通孔が形成されたスペーサを介して相互に接合
されていることを特徴とする圧力センサアレイ。
1. A capacitance-type two-dimensional pressure sensor array using a semiconductor diaphragm, wherein a diaphragm having a plurality of electrodes formed on one surface of a semiconductor thin plate, and a plurality of electrodes facing each electrode on one surface. And a semiconductor substrate having electrodes formed thereon are bonded to each other via a spacer having a plurality of through holes corresponding to the electrode pairs formed on the semiconductor thin plate.
JP16914892A 1992-06-26 1992-06-26 Pressure sensor array Pending JPH0611403A (en)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000018908A (en) * 1998-07-02 2000-01-21 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Surface shape recognition sensor
JP2008165949A (en) * 2007-01-05 2008-07-17 Hitachi Global Storage Technologies Netherlands Bv Magnetic disk device, preamplifier for magnetic disk device, flexible printed cable assembly for magnetic disk device
CN117242325A (en) * 2021-05-14 2023-12-15 松下知识产权经营株式会社 load cell

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