JPH08501156A

JPH08501156A - 圧力センサ

Info

Publication number: JPH08501156A
Application number: JP6516540A
Authority: JP
Inventors: ウイルフリートモーバ; ミヒャエルカントラ; ヨークアーメルンク
Original assignee: フラウンホーファー・ゲゼルシャフトツアフェルデルンクデルアンゲワンテンフォルシュンクアインゲトラーゲナーフェライン
Priority date: 1993-01-19
Filing date: 1993-01-19
Publication date: 1996-02-06
Anticipated expiration: 2012-09-10
Also published as: WO1994017383A1; EP0681691B1; US5583296A; EP0681691A1; JP2652589B2; DE59303373D1

Abstract

(57)【要約】基板と、基板と共に圧力センサ空洞を形成するための層とを備えた圧力センサであって、上記層は外部圧力による作用を受けるダイヤフラム領域を含む。超小型化が可能な上記の圧力センサは、差圧測定または相対的な圧力測定に用いられる。上記空洞には、基板の表面に沿って延びるチャンネルが通じており、このチャンネルは圧力センサのダイヤフラム領域を形成している層を含む層構造を備えている。上記チャンネル上部の層構造の厚みに対するチャンネルの幅の比は、ダイヤフラム領域の厚みに対するダイヤフラム面におけるダイヤフラム領域の最小幅の比より小さい。

Description

【発明の詳細な説明】圧力センサ本発明は圧力センサに関する。詳しくは、本発明は、極めて小さい寸法を持つ微小な構造の相対圧力センサに関するものである。即ち、請求項１の前段部分に記載のように、本発明は基板と層とを備え、その間に空洞が設けられた圧力センサに関する。上記層は、上記空洞の上部にダイヤフラム領域を含み、このダイヤフラム領域は上記空洞の外部から作用する第１の圧力によって作動するように作られている。マイクロメカニクスの分野、特に表面マイクロメカニクスの分野における方法によって使用されるような圧力センサについては、最近の多くの科学文献や特許文献の中で開示されている。例えば、本出願人の国際特許出願ＰＣＴ／ＤＥ９１／００１０７（公開番号ＷＯ９１／１２５０７）においては、半導体材料、特にシリコンからマイクロメカニカルな方法によって製造しうる絶対圧力センサが開示されている。この絶対圧力センサは基板を持ち、この基板の中には、適切なドーピングによって導電性の半導体領域が基板とは絶縁された状態で形成されている。さらに、この絶対圧力センサは、上記半導体基板の中の導電性半導体領域の上に圧力センサ構造を持っており、この圧力センサ構造は、まず基板にスペーサ層をのせ、そのスペーサ層の上に多結晶半導体層をのせ、次にその多結晶半導体層がドーピングされ、スペーサ層つまりは犠牲層が適切なチャンネル（channel ）を通るエッチングによって取り除かれる事によって形成される。最後に、チャンネルは適切な材料によって閉鎖される。これにより得られた構造は、容量性圧力センサ構造（capacitive pressure sensor structure）であり、その中では、多結晶半導体層と基板とが閉鎖された空洞を構成し、この空洞は例えば真空排気されたり、所定の圧力を持つガスが充填されたりする事が可能である。このような圧力センサは、絶対圧力を高精度で測定できるとともに、半導体領域が板から絶縁されているので、ＣＭＯＳ回路と適合性を有するという点で非常に有利ではあるが、絶対圧力しか測定できないという点で限界がある。マイクロメカニカルな技術によって実現された相対圧力センサや差圧測定用の圧力センサは、既に知られている。例えば、技術文献のJournal of Vacuum Scie nce & technology／A,Vol.4,No.3,1986年5〜6月号の第１部，618頁，コラム２の最終章から619頁，コラム１，第１章までと、図３を参照すれば、半導体材料によって構成された相対圧力センサが紹介されている。この相対圧力センサには、基板とポリシリコン層とがその間に空洞が形成されるように含まれており、この基板は、基板の裏面から上記空洞への異方性エッチングによって形成された裏面開口部を持つ。圧力センサの製造プロセスの中で、スペーサ層または犠牲層は、後で圧力センサ用の空洞となるように、フッ化水素酸を用いてこの裏面開口部を通したエッチングを行うことによって除去される。しかし、このような相対圧力センサでは、特に過負荷の場合に、機械的安定性が不十分である。さらに、このような相対圧力センサでは、測定感度の点においてバラツキが発生する。例えば容量性の相対圧力センサの場合、圧力変化に対する容量変化の商についてのバラツキが、単一の製造ロットの中でも起こりうるのである。上記の先行技術を基礎として、本発明の目的は、差圧が測定可能で、高度に超小型化でき、さらに圧力センサの１つの製造ロット内では測定感度の良好な再現性を達成できる圧力センサを提供する事にある。この目的は、本発明の請求項１に示された圧力センサによって達成できる。従来の技術では、圧力センサの空洞に基板の裏面開口部を通して直接連通していたのに対し、本発明においては、圧力センサの空洞の内部圧力は、基板の表面に沿って延びる通路またはチャンネルを通して供給される。さらに本発明の特徴としては、このチャンネルが基板に対面して層構造によって形成され、この層構造には、少なくとも、圧力センサのダイヤフラム領域をも構成するような第１層が含まれている。さらに本発明においては、チャンネル上の層構造の厚みに対するチャンネルの幅の比は、ダイヤフラム領域の厚みに対するダイヤフラム面内のダイヤフラム領域の最小幅の比よりも小さくなければならない。これにより、チャンネルが基板表面に対面して延びているという事実にもかかわらず、全体構造において意味のある歪みは、ダイヤフラム領域内でのみ起こり、一方、チャンネル領域における圧力センサ構造は、差圧変化によってほとんど影響を受けないのである。本発明によれば、実際の圧力センサ機能の位置と、２つの圧力の内の一方を圧力センサ空洞に供給する機能の位置とは離れている。実際の圧力センサ機能とは、ダイヤフラム領域の歪みによる差圧の検知と、ダイヤフラム領域の歪みの電気的な検知と、過負荷抗力や張力をかけないダイヤフラム支持といった機械的機能とを含んでいる。２つの圧力の内の一方を圧力センサ空洞に供給する機能は、チャンネル構造を本発明に沿った構造設計にすることによって達成できる。本発明における機能分離は、従来技術とは対照的と言える。なぜなら、従来技術による相対圧力センサにおいては、ダイヤフラム領域の下部に位置する基板の裏面開口部を通ってダイヤフラム領域に張力が導入されていたからであり、また、ダイヤフラムの歪みの容量検知の場合においては、検知能力が裏面開口部の前面出口の殆ど定義できないような寸法に左右されるからであり、さらには、この従来技術の圧力センサ構造では圧力センサの過負荷抗力が限られていたからである。本発明による圧力センサの構造は、差圧を測定する能力を持つと同時に、冒頭で紹介した絶対圧力センサが備える長所、即ち高度な測定精度と絶対圧力センサにおけるＣＭＯＳ回路との適合性とを含む全ての長所を備えている。本発明の圧力センサのさらなる展開は、従属項に示す通りである。以下に、本発明の圧力センサの望ましい実施例を、図を参照しながら詳細に説明する。図１は圧力センサの製造過程を説明するための断面図である。図２は圧力センサと、組み合わせた参考エレメント（reference element）を示す断面図である。図３ａは本発明の圧力センサの第１実施例を示す断面図である。図３ｂは本発明の圧力センサの第２実施例を示す断面図である。図４は本発明の圧力センサの第３実施例を配列したアレーを示す平面図である。図５はハウジングと図３ａに示された圧力センサの第１実施例を含む、圧力センサユニットの第１実施例を示す断面図である。図６はハウジングと図３ｂに示された圧力センサの第２実施例を含む、圧力センサユニットの第２実施例を示す断面図である。図７は異なる圧力範囲のために異なるサイズのダイヤフラムを備えた圧力センサの配列を示す平面図である。図８は高い空間的分解能で圧力分布を検知するために使われる、圧力測定装置を示す平面図である。図１から分かるように、本発明の圧力センサの製造過程は、以下に述べるような工程を含んでいる。即ち、実施例ではＰ型シリコン基板からなる基板１に対して、まず基板の導電タイプとは逆のドーピングを施す工程である。このドーピングは、原則として通例のフォトリソグラフィ法による方法によって、ドーピング領域２内に施される。次に、図に示されたＰ型シリコン基板１の上に、ｎ^＋ドーピング領域２が作られる。その目的は、一方では導電性の良い電極を形成するためであり、他方では、ドーピング領域２によって形成されるこの電極を、ｐｎ接合によって基板１から絶縁するためである。その後、絶縁層３が施される。この絶縁層３には、二酸化ケイ素(silicon dioxide）を施す等の方法により、犠牲層とも言うべきスペーサ層４が設けられる。このスペーサ層４は、後に圧力センサの空洞を形成するために、それ自体公知であるフォトリソグラフィ法によって作られる。この圧力センサの空洞は、ドーピング領域２上の中心位置に配置される。次に、後のエッチンングチャンネル６を作るために、別の酸化層５が形成され、フォトリソグラフィ的に組み立てられる。この後、ポリシリコン層７が形成される。このポリシリコン層７は、圧力センサ空洞上の、少なくとも後にダイヤフラム領域８となる領域内に、導電的にドーピングされる。酸化物よりなるスペーサ層４、５は、エッチングチャンネル６を通じてフッ化水素酸によるエッチングによって除去される。その後、このエッチングチャンネル６は、酸化層のような適切な材料を埋め込むことにより閉じられる。図２から分かるように、最後の酸化層９は、図２において全体を符号１０で示したような圧力センサを形成するために、ダイヤフラム領域８内の領域におけるエッチングによって除去することができる。一方、同様の基本容量を持ち、図２において全体を番号１１で示した様な参考エレメントを形成するためには、この酸化層９はこのままの状態で残される。以下に、図３ａの断面図を参照しながら、全体を符号２０で示した本発明の圧力センサの第１実施例を説明する。この圧力センサは、ドーピング領域２２を持つ基板２１を備え、このドーピングもまた基板２１の導電タイプと逆になるように選ばれる。絶縁層２３の上には、第１ポリシリコン層２５が設けられ、この層２５は圧力センサ空洞２４を形成し、さらに上記ドーピング領域２２の上方に薄いダイヤフラム領域２６を形成している。このダイヤフラム領域２６は、外部圧力とも呼ぶことができる第１の圧力の作用を受けるように作られている。空洞２４上と通じるチャンネル２７は、圧力センサ空洞２４から始まり、基板２１の表面２８に沿って延び、この実施例では横開口部２９で終わる。このチャンネルは、基板２１に面して層構造により形成されており、その層構造は、一方において圧力センサ２０のダイヤフラム領域２６を含む第１ポリシリコン層２５を備え、また他方においては、その層２５の上に形成された補強層３０を備えている。第１ポリシリコン層２５の上に位置するこの補強層３０もまた、ポリシリコンで構成されていても良い。この補強層を形成するために、二酸化ケイ素または窒化ケイ素（silicon nitride）を使用することも考えられる。図４は相互接続された複数の圧力センサ４１が配列された圧力センサアレイ４０を表す平面図であるが、この図４から明らかなように、チャンネル４２の幅ｂｋは、個々の圧力センサ４１のダイヤフラム領域の直径または最小の横幅ｄｍよりも短いのが望ましい。通常、チャンネル２７，４２上の層構造２５，３０の厚みｄｓに対するチャンネル２７，４２の幅ｂｋの比は、ダイヤフラム領域２６の厚みｄｇに対するダイヤフラム面内のダイヤフラム領域２６，４１の最小幅ｄｍの比よりも小さくなければならない。これにより、外部からダイヤフラム２６に働く第１圧力Ｐ１と、チャンネル２７を通って圧力センサ空洞２４に導入される第２圧力Ｐ２の差圧は、確実にダイヤフラム領域２６だけを歪ませ、チャンネルの領域内の層構造２５，３０に対しては意味のある歪みを生まない事になる。上記のような寸法に設定された場合、チャンネル２７が十分に狭ければ、追加的な補強層３０は無くてもよい。但し、この補強層３０がある方が有利であると考えられる。図３ｂの中で全体が符号３２で表された圧力センサの第２実施例は、以下に述べる相違点を除いては、図３ａの中で示された圧力センサ２０の第１実施例と一致しており、同一または同様の要素については同一の参照符号が付されている。第１実施例の圧力センサ２０は違い、第２実施例ではチャンネル２７の横開口部２９が設けられておらず、圧力センサ空洞２４から反対側に向かう方向へは、チャンネル２７は、第１ポリシリコン層２５と補強層３０によって基板２１に対して閉じられている。基板２１は、上記チャンネル２７の下部に、例えば異方性エッチング等の方法で作られた裏面開口部３３を有している。この裏面開口部３３は、基板２１の裏側３４から基板２１を通り、基板２１の前面または表面２８まで延びており、その開口部３３の前面側出口３５は、ダイヤフラム領域２６から外れた位置でもっぱらチャンネル２７の領域内に位置している。図５は圧力センサユニットの第１実施例を示す断面図であり、このユニットは全体として符号５０で示され、ハウジング５１と図３ａに示された第１実施例の圧力センサ２０とを備えている。ハウジング５１は２本の間隔を隔てた接続パイプ５２，５３を有しており、これらパイプを通して第１圧力Ｐ１と第２圧力Ｐ２とが導入される。圧力センサ２０は、ハウジング５１のベース５４に対してシリコン基板２１の背面が接するように接着などの手段で固定してある。ハウジングは仕切５５によって夫々第１圧力Ｐ１および第２圧力Ｐ２が導入されるハウジング領域５６，５７に小分けされている。仕切はチャンネル２７の長手方向に対してほぼ直角に延びており、補強層３０の領域で圧力センサ２０と気密的に密着している。図６は、全体として符号６０で表される圧力センサユニットの第２実施例を示す。この実施例も、第１圧力Ｐ１と第２圧力Ｐ２を導入するために用いられる２本の接続パイプ６２，６３を設けたハウジング６１を備えている。しかしながら、この実施例の接続パイプ６２，６３は、ハウジング６１の互いに対向する壁に設けるのが望ましい。図３ｂを参照して説明した第２実施例の圧力センサ３２は、接続パイプ６３が突出する壁に対面して接着などの手段で固定されている。そして、圧力センサ３２はその裏面開口部３３が上記接続パイプ６３上に臨むように位置決めされる。図４で既に説明したように、ウエーハの上に形成された圧力センサユニットは、複数の圧力センサ４１を備えた圧力センサアレイ４０であってもよい。容量的な評価の場合において、このアレイ状の配置によって感度の向上を達成するためには、個々の電極が並列接続されるであろう。このような圧力センサアレイにおいては、個々の圧力センサは、既に詳述したチャンネル２７とほぼ対応する形状を持つチャンネルによって相互に接続される。単一の圧力センサアレイを用いて異なる圧力範囲を検出する必要がある場合には、図７に平面図を示し、かつ全体として符号７０で示された実施例が用いられるであろう。この圧力センサ装置７０は３個の圧力センサアレイ７１，７２，７３を備えており、圧力センサアレイ７１のダイヤフラム領域の表面は圧力センサアレイ７２のそれよりも広く、また、圧力センサアレイ７２のダイヤフラム領域は圧力センサアレイ７３のそれより広い。そのため、最後に述べた圧力センサアレイ７３は高い圧力範囲の検出に用いられ、２番目に述べた圧力センサアレイ７２は中間的な圧力範囲の検出に用いられ、さらに１番目に述べた圧力センサアレイ７１は低い圧力範囲のために設けられる。図８は全体として符号８０で表されたさらに別の圧力センサアレイの平面図を示す。この圧力センサ装置は、６個の圧力センサアレイ８１〜８６を備えており、これらは単一のチップの上に配置されている。各圧力センサアレイは好ましくは４個の圧力センサ８１ａ，８１ｂ，８１ｃ，８１ｄを含んでおり、これらセンサはチャンネルによって相互に接続されている。上記圧力センサアレイ８１〜８６はそれぞれチャンネル８７〜９２と接続されている。これらチャンネルは、上記チップ上の小さな面積を有する圧力検出領域９３の中に集中しており、そこで圧力分布Ｐ２，・・・，Ｐ７を比較的高い空間的分解能で測定できるようになっている。

【手続補正書】特許法第１８４条の７第１項【提出日】１９９３年１１月１９日【補正内容】請求の範囲１．基板（２１）と、上記基板（２１）上に、空洞（２４）を構成するために形成された第１層（２５）と、上記空洞（２４）に通じ、上記第１層（２５）の下部に基板（２１）の表面（２８）に沿って延びるチャンネル（２７）とを備え、上記層（２５）は空洞（２４）の上部にダイヤフラム領域（２６）を含み、このダイヤフラム領域は空洞（２４）の外部から第１圧力（Ｐ１）の作用を受けるように構成されており、上記チャンネル（２７）は第２圧力（Ｐ２）の作用を受けるように構成された、圧力センサであって、上記チャンネル（２７）は、片側が層構造（２５，３０）によって画定され、他側が上記基板（２１）によって画定され、上記層構造は第１層（２５）とその上に形成され、第１層（２５）を覆うとともに補強する第２層（３０）とを備え、上記第２層（３０）はダイヤフラム領域（２６）を覆っておらず、チャンネル（２７）上部の層構造（２５，３０）の厚み（ｄｓ）に対するチャンネル（２７）の幅（ｂｋ）の比は、ダイヤフラム領域（２６）の厚み（ｄｇ）に対するタイヤフラム面におけるダイヤフラム領域（２６）の最小幅（ｄｍ）の比より小さいことを特徴とする圧力センサ。２．請求項１に記載の圧力センサにおいて、第１層（２５）はポリシリコンで構成され、第２層（３０）はポリシリコンで構成されていることを特徴とする圧力センサ。３．請求項１に記載の圧力センサにおいて、第１層（２５）はポリシリコンで構成され、第２層（３０）は二酸化ケイ素で構成されていることを特徴とする圧力センサ。４．請求項１に記載の圧力センサにおいて、第１層（２５）はポリシリコンで構成され、第２層（３０）は窒化ケイ素て構成されていることを特徴とする圧力センサ。５．請求項１乃至４のいずれかに記載の圧力センサにおいて、上記基板には、基板の裏面から基板を通って上記チャンネル（２７）にまで延びる裏面開口部（３３）が設けられていることを特徴とする圧力センサ。６．請求項１乃至５のいずれかに記載の複数の圧力センサを、１つのチップ上に形成したことを特徴とする圧力センサ装置。７．請求項６に記載の圧力センサ装置において、上記圧力センサ（８１，…，８６）には、各圧力センサ（８１，…，８６）の空洞に通じるチャンネル（８７，…，９２）が設けられ、上記チャンネル（８７，…，９２）は、圧力分布を高い空間的分解能で測定するため、上記チップ上の圧力検出領域（９３）の中に集中していることを特徴とする圧力センサ装置。【手続補正書】【堤出日】１９９５年５月１８日【補正内容】 (1)明細書中、次の箇所を訂正する。（Ｉ）第５頁第１２行〜第１３行において、「図２は………断面図である。」とあるのを、次の文に訂正する。「図２ａは圧力センサと組み合わせた参考エレメントを示す断面図である。図２ｂは圧力センサと組み合わせた参考エレメントの他の例を示す断面図である。」（II）第６頁第１５行において、「絶縁層３が施される」の後に「（図１（ａ）参照）」を挿入する。（III）第６頁第１７行において、「スペーサ層４が設けられる」の後に「（図１（ｂ）参照）」を挿入する。（IV）第７頁第２行において、「組み立てられる」の後に「（図１（ｃ）参照）」を挿入する。（Ｖ）第７頁第３行において、「層７が形成される。このポリシリコン層７は、圧力センサ空洞９」とあるのを「層７が形成される（図１（ｄ）参照）。このポリシリコン層７は、圧力センサ空洞４」に訂正する。（VI）第７頁第７行において、「除去される」の後に「（図１（ｅ）参照）」を挿入する。（VII）第７頁第９行において、「図２から分かるように、最後の酸化層９は、図２」とあるのを、「図２ａから分かるように、最後の酸化層９は、図２ａ」に訂正する。（VIII）第７頁第１２行において、「図２において」とあるのを、「図２ｂにおいて」に訂正する。 (2)図面全図を別紙の通り訂正する。【図１】【図２ａ】【図２ｂ】【図３ａ】【図３ｂ】【図４】【図５】【図６】【図７】【図８】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者アーメルンクヨークドイツ国，クレフェルト，エスペンベーク４番

Claims

【特許請求の範囲】１．基板（２１）と、上記基板（２１）とともに空洞（２４）を形成する第１層（２５）とを備え、この層（２５）は上記空洞（２４）の上部にダイヤフラム領域（２６）を含み、このダイヤフラム領域は空洞（２４）の外部から第１圧力（Ｐ１）の作用を受けるように構成された圧力センサにおいて、上記空洞（２４）には、基板（２１）の表面（２８）に沿って延びるチャンネル（２７）が通じており、このチャンネル（２７）は第２圧力（Ｐ２）の作用を受けるように構成され、上記チャンネル（２７）は層構造（２５，３０）と基板（２１）とによって画定され、上記層構造（２５，３０）は少なくとも第１層（２５）を含み、チャンネル（２７）上部の層構造（２５，３０）の厚み（ｄｓ）に対するチャンネル（２７）の幅（ｂｋ）の比は、ダイヤフラム領域（２６）の厚み（ｄｇ）に対するタイヤフラム面におけるダイヤフラム領域（２６）の最小幅（ｄｍ）の比より小さいことを特徴とする圧力センサ。２．請求項１に記載の圧力センサにおいて、上記層構造（２５，３０）は第１層（２５）と第２層（３０）とを備え、第２層は第１層（２５）に対して固着され、第１層を覆うとともに補強していることを特徴とする圧力センサ。３．請求項２に記載の圧力センサにおいて、第１層（２５）はポリシリコンで構成され、第２層（３０）はポリシリコンで構成されていることを特徴とする圧力センサ。４．請求項２に記載の圧力センサにおいて、第１層（２５）はポリシリコンで構成され、第２層（３０）は二酸化ケイ素で構成されていることを特徴とする圧力センサ。５．請求項２に記載の圧力センサにおいて、第１層（２５）はポリシリコンで構成され、第２層（３０）は窒化ケイ素で構成されていることを特徴とする圧力センサ。６．請求項１乃至５のいずれかに記載の圧力センサにおいて、上記基板には、基板の裏面から基板を通って上記チャンネル（２７）にまで延びる裏面開口部（３３）が設けられていることを特徴とする圧力センサ。７．請求項１乃至６のいずれかに記載の複数の圧力センサを、１つのチップ上に形成したことを特徴とする圧力センサ装置。８．請求項７に記載の圧力センサ装置において、上記圧力センサ（８１，…，８６）には、各圧力センサ（８１，…，８６）の空洞に通じるチャンネル（８７，…，９２）が設けられ、上記チャンネル（８７，…，９２）は、圧力分布を高い空間的分解能で測定するため、上記チップ上の圧力検出領域（９３）の中に集中していることを特徴とする圧力センサ装置。