JPH10132684A

JPH10132684A - 半導体圧力センサ

Info

Publication number: JPH10132684A
Application number: JP28367096A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Shimada; 嶋田　　智; Akihiko Saito; 明彦斉藤; Masahiro Matsumoto; 昌大松本; Kiyomitsu Suzuki; 清光鈴木; Terumi Nakazawa; 照美仲沢; Atsushi Miyazaki; 敦史宮▲崎▼; Norio Ichikawa; 範男市川; Keiji Hanzawa; 恵二半沢
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Astemo Ltd
Priority date: 1996-10-25
Filing date: 1996-10-25
Publication date: 1998-05-22
Anticipated expiration: 2016-10-25
Also published as: JP3409980B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明の目的は、小形で低コストの複合センサ
を提供するものである。また、構造と製造方法が簡単で
量産的かつ経済的な複合センサを提供することにある。【解決手段】１チップ上に複数の圧力検知用容量と参照
静電容量を複合形成し、１つの圧力検知と参照静電容量
との差から絶対圧を、他の圧力検知用容量と参照静電容
量との差から大気圧を演算出力する、さらに絶対圧基準
のセンサと大気センサの差をとり、相対圧センサとして
出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧力を静電容量の変
化として検出する半導体形センサに係わり、特には、シ
リコンチップの同一平面に形成した表面デバイス形の複
合センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、複合センサは特願昭63−82961 号
に見られるように、差圧，静圧、及び温度のセンサが一
つの基板上に構成され、裏面から基板を加工してダイア
フラムを形成したいわゆるバルク形のピエゾ抵抗式複合
センサである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来のバルク形の複合
センサでは、シリコン基板の裏面から加工してダイアフ
ラムを形成するため表面に形成した検出素子との位置が
僅かにずれると感度が大きく低下するのでこの問題を防
ぐためダイアフラムをある程度大きく設計する必要があ
った。シリコンウェハの両面の位置合わせ精度は片側の
位置合わせ精度に比べて悪いためである。

【０００４】また両面を鏡面研磨したシリコンウェハを
使用するためコストが高い問題があった。またピエゾ抵
抗式のセンサは、周囲温度の変化によって特性が大きく
変化し非線形なので特性補正が複雑となりコスト高とい
う問題があった。

【０００５】本発明の目的は、小形で低コストの複合セ
ンサを提供するものである。また、構造と製造方法が簡
単で量産的かつ経済的な複合センサを提供することにあ
る。そして他の目的は、１つのチップに複数のセンサと
信号処理回路を形成した多機能圧力センサを提供するも
のである。

【０００６】他の目的は、高感度で温度影響の小さいＩ
Ｃ圧力センサを提供するにある。

【０００７】本発明の他の目的は、高耐圧の複合センサ
を提供するにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記小形で低コストの目
的を達成するために、シリコンウェハの片面のみに多層
膜を形成する表面デバイスのプロセス技術を用いて構造
と製造方法が簡単な静電容量式のセンサを形成する。ま
ずセンサ用ダイアフラムとして作用する導電性の膜と後
で除去して空間を形成する絶縁膜（犠牲層）を形成し、
前記ダイアフラムとシリコンウェハの基板側に形成した
固定電極との間で静電容量を形成する。量産性を達成す
るため、ＬＳＩで用いる標準仕様のシリコンウェハを用
い、その片面にセンサと信号処理回路を同時に半導体プ
ロセスにより形成する。

【０００９】多機能化の目的を達成するために、１チッ
プ上に絶対圧基準の構造を持つ２つの圧力検知用静電容
量を複合形成し、１つを絶対圧測定用のセンサとし、他
の１つを大気圧測定用のセンサとし、さらに両者の差を
とり相対圧センサとして出力する多機能圧力センサを提
供するものである。

【００１０】高感度化と温度影響低減の目的を達成する
ために、複合センサの出力信号を演算する信号処理回路
をセンサ容量のすぐ近くに形成して信号引出線などによ
る浮遊容量を極めて小さくする。また、シリコン基板の
一面に近接して複合形成した２つの静電容量式絶対圧基
準形センサと同時に形成した参照容量は温度係数がほと
んど同じ値をもつため互いの差の信号をとることで温度
影響の小さい圧力センサを実現する。また、参照容量は
圧力で変化しないので単独で温度センサとしても機能で
きる。

【００１１】高耐圧化の目的を達成するために、シリコ
ンウェハの基板表面に多層膜を形成し、表面層の下に数
ミクロンの空隙を形成し、過負荷圧力が加えられたとき
にはダイアフラムが変位してシリコンウェハの基板面に
当接してダイアフラムの過剰な変位を制限し、破損を防
止するので測定レンジの数１０倍耐圧を得ることができ
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】まず、作用について説明する。

【００１３】シリコンチップの片面に形成したダイアフ
ラムは可動電極として作用する導電性の膜であり、負荷
される圧力に応動する。絶縁膜（犠牲層）を除去して形
成した空間は、ダイアフラムとシリコンウェハの基板側
に形成した固定電極との間で圧力検知用静電容量を形成
する。この空間は、真空封止されており、基準圧室とし
て機能する。いわゆる絶対圧基準の静電容量式圧力セン
サを構成する。したがって、ダイアフラムが大気圧に曝
されたときは下方に変位し凹状の形をしており、負荷圧
力が真空に近づくにつれダイアフラムはもとの平らな形
状に戻る。負荷圧力が大気圧より正圧の場合はダイアフ
ラムがさらに下方に変位し可動電極との空間の隙間が小
さくなる。このように負荷圧力により固定電極との間で
形成する静電容量が変化する。この静電容量変化を信号
処理回路で１−５Ｖなどの規格化出力信号に変換し、こ
の出力値から負荷された圧力を検知する。

【００１４】１チップ上に上記絶対圧基準の構造を持つ
２つの圧力検知用静電容量を複合形成し、１つの検知容
量上に被測定圧力を導き絶対圧基準のセンサとして使用
し、他のセンサ上に大気圧力を導き大気圧の変化を検知
するセンサとする。さらに信号処理回路で両者の差をと
り、相対圧センサとしての信号を出力する。２つの圧力
検知容量と参照容量との差をとり、絶対圧測定及び大気
圧測定用センサとしての信号を出力する。

【００１５】ダイアフラムの上から、表面層の下に数ミ
クロンの空隙を形成し、過負荷圧力が加えられたときに
はダイアフラムが変位してシリコンウェハの基板面に当
接してダイアフラムの過剰な変位を制限し、破損を防止
するので測定レンジの数１０倍の耐圧を得ることができ
る。

【００１６】次に本発明の実施例について説明する。本
発明のブロック構成の一実施例を図１に示す。複合形成
した２つの圧力検知用容量１１，１２は、被測定圧力を
静電容量変化として検出し信号処理して絶対圧基準の信
号として端子１４２から出力する。また、端子１４３か
らは相対圧センサの信号として出力する。まず圧力検知
用容量１２と参照容量１３との差から絶対圧基準の出力
を演算する。また圧力検知用容量１１を大気圧センサと
し、スイッチ手段１５５を用いて切り替え、圧力検知用
容量１２との差をとり、端子１４３から相対圧センサと
しての信号を出力する。必要な場合は、図１（Ｃ）のよ
うに構成して圧力検知用容量１１と参照容量１３′との
差を演算し、端子１４４から大気圧を出力する。さらに
必要なら、参照容量１３の温度による変化を信号処理し
て端子１４１から温度信号として出力する。このとき、
２つの圧力検知用容量１１，１２と参照容量１３は同一
基盤上に隣接して同じプロセスで同じに形成するため殆
ど同じ温度特性を持つ。故に、周囲温度が変化しても信
号処理回路で演算し両者の差をとれば温度による誤差を
打ち消すことができる。本発明の容量式圧力センサは従
来のピエゾ抵抗式の圧力センサに比べて温度係数は小さ
いが、さらにこのような演算処理で温度影響をさらに小
さくすることができる。図１（Ｃ）は２個の圧力検知用
容量１１，１２と２個の参照容量１３，１３′を用いた
例である。参照容量１３から温度センサ，圧力検知用容
量１２と参照容量１３の差から絶対圧力信号を、また圧
力検知用容量１１と圧力検知用容量１２の差から相対圧
信号を、そして圧力検知用容量１１と参照容量１３′の
差から大気圧信号を得る。この実施例の特徴は１チップ
に形成した４つの静電容量と信号処理回路１５により温
度信号と周囲の温度変化の影響を受けない絶対圧，相対
圧，大気圧の信号を正確に得られることである。

【００１７】スタンドアローン形センサの組立断面図を
示す図２（Ａ）、センサ部の拡大断面図の図２（Ｂ）及
びブロック回路図図１を用いてさらに詳細に説明する。
センサ基板１はシリコン、ケーシング２はプラスチック
などの材料からなる、３は信号引出用コネクタ、４はセ
ンサ基板１をケーシング２に気密に接着する有機接着
材、２１はケーシング２の一部に形成され大気を導くた
めの穴、５は被測定圧力を導く導圧管、７はセンサとコ
ネクタ３１の結線である。６はセンサ基板１と結線７を
保護するためのシリコーンゲルである。

【００１８】導圧管５から導かれた被測定圧力は、ケー
シング２に気密に接着したセンサ基板１に導びかれる。
センサ基板１はこの圧力に応動し、これに比例した電気
信号をコネクタ３を経由して外部に出力する。またセン
サ基板１はケーシング２に形成した穴２１から導かれる
大気圧を粘弾性をもつシリコーンゲル６を介して受け大
気の圧力を検知する。センサ基板１は図２（Ｂ）に示す
ように１チップ上に絶対圧基準の構造を持つ２つの圧力
検知用容量１１，１２を複合形成し、１つの圧力検知用
容量１２上に被測定圧力を導き絶対圧基準のセンサとし
て使用し、他の圧力検知用容量１１上に大気圧力を導き
大気圧の変化を検知するセンサとする。さらに図１に示
すように信号処理回路１５で両者の差をとり、相対圧セ
ンサとしての出力を出す。図２（Ｂ）を用いてセンサ部
の構造を詳細に説明する。１はセンサ基板で、この上に
絶対圧基準の構造を持つ２つの圧力検知用容量１１，１
２と参照容量１３及び信号処理回路１５が複合形成され
ている。２つの圧力検知用容量は全く同じ構造を持ち、
後述する表面デバイスプロセスで同時に形成される。１
２１はダイアフラム、１２２は空間部、１２３は空間の
隙間を限定するためのエッチングストッパ膜、１２４は
固定電極、１２５は絶縁膜、１２６は空間部１２２の封
止である。圧力検知用容量１１も同じ構造寸法を持つ。
これらセンサからの電極は隣接の信号処理回路１５に最
短距離で接続し、浮遊容量を極力小さくしている。信号
処理回路１５で１−５Ｖなどの標準信号に変換され、外
部のボンディングパッド１４に引き出される。信号処理
回路１５は周辺部１２７でガラス板２０と気密に接合さ
れ、形成される空間１５５は真空または窒素などの乾燥
ガスで封止され外部からの水分や汚染から保護される。
２０はシリコンに熱膨張が近似した硼珪酸ガラスの板、
２１は圧力検知用容量１１に大気を導く穴、２２は同じ
く圧力検知用容量１２に被測定圧力を導く穴である。参
照容量１３の上は真空中でガラス板２０で気密にシ−ル
されている。参照容量１３の空間１３２も同じく真空中
で気密シ−ルされるので被測定圧力と大気圧いずれも検
知しない。即ち周囲の温度が変化したことによる容量の
変化だけを検知する。一種の温度センサとして機能す
る。温度による容量変化は、材料の誘電率変化，熱歪に
よる隙間の変化などによってもたらされる。５０は補強
板、５１は導圧穴２１に通じ圧力検知用容量１１に大気
を導く穴、５２は導圧穴２２に通じ外部から被測定圧力
を導く穴である。

【００１９】センサ基板１と補強板５０の材料はシリコ
ンで、ガラス板２０はシリコンに熱膨張が近似した硼珪
酸ガラスで構成し、接着剤を用いずに静電接合法により
互いが接合される。

【００２０】また補強板５０は図２（Ａ）に示したよう
に、プラスチック材料のケーシング２に接着固定するの
で、両者の熱膨張の違いによる不可逆な熱歪の発生を回
避するため、ガラス板２０に比べシリコン補強板５０を
厚くし剛性高く設計されている。

【００２１】導圧管５から導かれた被測定圧力は、ケー
シング２に気密に接着したセンサ基板１上の圧力検知用
容量１２上に導びかれる。圧力検知用容量１２のダイア
フラム１２１はこの圧力に応動し、空間の隙間が変化し
て静電容量が変化する。これを信号処理回路１５で処理
し周囲温度の変動による特性変化を参照容量１３を用い
て補正し静電容量の変化を１−５Ｖなどの標準電気信号
に変換して被測定圧力に比例した信号をコネクタ３を経
由して外部に出力する。

【００２２】また圧力センサ容量１１はケーシング２に
形成した穴２１′から導かれる大気圧を補強板５０の穴
５１、ガラス板２０の穴２１を経てダイアフラム１２１
上に受け同様に検知する。この間、大気圧を導びく通路
には粘弾性をもつシリコーンゲル６が介在しているが、
圧力が伝達する十分な柔らかさをもつので圧力センサ容
量１１は絶対圧を基準として大気圧を測定することがで
きる。

【００２３】以上の説明は静電容量の段階で演算を行う
場合を例にして説明したが、図１（Ｂ）に示すように信
号増幅器１５１で容量変化を電圧信号に変換した後に差
をとる演算を行うことができる。選択は信号変化の大き
さＳＮ比などセンサの設計によって決められる。

【００２４】図３は別の実装構造の実施例である。以下
説明する。センサ基板１はこれまでに説明してきた構造
と同じである。それを実装するケーシング２と信号の取
り出し構造が異なり、取付け基板９上の配線パターンに
半田で接続するいわゆる表面実装に対応するため鍍金に
よる配線３１をもつコネクタ３の内部にセンサ基板１が
接着剤４で固定され、結線７で配線３１とセンサ基板１
のパッドが接続される。被測定圧力はケーシング２に固
定された導圧管５０に導かれセンサ基板１上の絶対圧基
準の圧力検知用容量１２に加えられ、大気圧導入部２１
を経て圧力検知用容量１２に加えられる。信号処理回路
１５では図１で説明した演算を行い、必要に応じて絶対
圧基準の信号や相対圧に比例したセンサ信号を出力す
る。

【００２５】図４は大気圧センサの実施例である。この
実施例では、参照容量１３が大気圧で変化しないように
ダイアフラム中央部にピラー１３９が形成されている。
大気圧を検知する圧力検知用容量１２と参照容量１３の
差を演算して、大気圧に比例した信号を出力する。被測
定圧力は直接センサ１上に加わるので、ケーシング２と
これに固定した導圧管５０が不必要となり極めて簡単な
構造である。

【００２６】図５を用いて、センサ部の製造プロセスを
説明する。

【００２７】（Ａ）は信号処理回路を形成するプロセ
ス、例えば標準的なＣＭＯＳ回路形成プロセスを用い信
号処理回路１５が形成される。

【００２８】（Ｂ）は後で除去される犠牲層１２２を形
成するプロセスで例えばＳｉＯ₂などがセンサの静電容
量値として設計された必要な厚さに成膜される。

【００２９】（Ｃ）はダイアフアラムとなるポリシリコ
ン膜１２１をセンサの測定圧力レンジに応じて成膜す
る。隣接するダイアフラム周辺部のポリシリコン膜の一
部を除去し絶縁溝１２９が形成されている。またこのダ
イアフラム周辺部と信号処理回路１５の周辺部に形成し
たポリシリコン膜１２７は後で接合するガラス基板の接
着材の役割を果たす。

【００３０】（Ｄ）は犠牲層をエッチング除去するプロ
セスで、ポリシリコン膜の一部に開けた穴を通じてフッ
酸を導きＳｉＯ₂を除去し空間１２２′を形成する。固
定電極１２４の上にはプロセス１の段階でＳｉ₃Ｎ₄膜が
形成されているので電極124はエッチングされず犠牲層
としての酸化膜１２２の厚みに等しい空間１２２′がが
正確に形成される。

【００３１】周辺部に形成した厚い酸化膜１２５と犠牲
層としての酸化膜１２２でダイアフラムの直径と空間の
隙間が決まり、静電容量つまり感度を決められる。

【００３２】（Ｅ）はポリシリコン膜１２２の一部に開
けた穴を封止するプロセスで、同じポリシリコンやＳｉ
Ｏ₂などを成膜し不必要部を除去し蓋１２６を形成す
る。

【００３３】（Ｆ）は回路１３とボンディングパッドの
ＡＬの端子１４を形成するプロセスである。

【００３４】図６は従来の複合センサの例である。ピエ
ゾ抵抗を複数個拡散形成して差圧，圧力センサと温度セ
ンサなどを構成したセンサ基板１、各センサの出力を切
り替えるマルチプレクサ１５６，各センサに応じてゲイ
ンを変えることができるプログラマブルゲインアンプ１
５７，ＡＤ変換器１５８でディジタル信号に変換しマイ
クロプロセッサ１６０で演算処理を行いＤＡ変換器１５
９で再度アナログ信号に変換後、端子１４から標準信号
を出力する。１６１は各センサの特性を記憶するメモリ
である。マイクロプロセッサ１６０で演算処理を行うの
で高精度なセンサシステムを実現出来るため工業用の差
圧伝送器に用いられる。しかし、構成が複雑となるため
コスト高であるという問題がある。

【００３５】

【発明の効果】１チップに絶対圧基準と相対圧基準の圧
力センサや大気圧センサを複合形成し温度影響が小さい
高感度で小型低コストの圧力センサを提供することがで
きる。また測定レンジを越える過負荷の圧力が負荷され
た場合、ダイアフラムは空間を越えて基板に当接しその
変位が制約され１０倍以上の耐圧にアツプすることが可
能となつた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセンサのブロック回路図。

【図２】本発明の圧力センサの組立断面図。

【図３】別の実装構造の実施例の断面図。

【図４】別の実装構造の実施例の断面図。

【図５】本発明のセンサ部の製造プロセス図。

【図６】従来の複合センサを説明する図。

【符号の説明】

１…センサ基板、２…ケーシング、３…コネクタ、４…
接着剤、５…導圧管、６…シリコーンゲル、７…結線、
８…固定接着剤、９…取付け基板、１１，１２…圧力検
知用容量、１３，１３′…参照容量、１５…信号処理回
路、１２１…ダイアフラム、１２４…固定電極、１２７
…接合用膜。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松本昌大茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者鈴木清光茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者仲沢照美茨城県ひたちなか市大字高場2520番地株式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者宮▲崎▼ 敦史茨城県ひたちなか市大字高場2520番地株式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者市川範男茨城県ひたちなか市高場2477番地株式会社日立カーエンジニアリング内 (72)発明者半沢恵二茨城県ひたちなか市高場2477番地株式会社日立カーエンジニアリング内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】静電容量を利用する半導体圧力センサにお
いて、シリコンチップの同一平面に複数の圧力検知用静
電容量と参照静電容量とを形成したことを特徴とする半
導体圧力センサ。
【請求項２】請求項１において、第１の前記圧力検知用
静電容量の変化から絶対圧力を、第２の前記圧力検知用
静電容量の変化から大気圧を、前記参照静電容量の変化
から温度を検知することを特徴とする半導体圧力セン
サ。
【請求項３】請求項２において、第１の前記圧力検知用
静電容量の変化と第２の前記圧力検知用静電容量の変化
の差から大気圧基準の相対圧力を検知することを特徴と
する半導体圧力センサ。
【請求項４】請求項１において、圧力に応動し可動電極
として作用するダイアフラム、その下部に形成した空間
に対向して形成し、前記ダイアフラムと絶縁した固定電
極からなる静電容量対、前記ダイアフラムの周囲に形成
し、導圧用の穴を有する基板と接合するために形成した
膜からなり、これを介して導圧用の基板を気密に接合し
たことを特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項５】請求項４において、接合用膜は導電性膜材
料で形成し、ガラスからなる膜または基板を介して導圧
用の穴を有する補強シリコン板とを静電接合したことを
特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項６】請求項４において、可動電極のダイアフラ
ムは、接合用膜とガラスからなる膜または基板との間に
形成した密封空間で外部と絶縁されていることを特徴と
する半導体圧力センサ。
【請求項７】請求項３において、シリコンチップの同一
平面に信号処理回路を集積形成し、その周辺部に形成し
た導電性接合用膜とガラス膜または基板とにより前記信
号処理回路を覆って気密に静電接合したことを特徴とす
る半導体圧力センサ。
【請求項８】請求項７において、シリコンチップの同一
平面に形成した２つのセンサの静電容量変化を一旦電圧
信号に変換した後、その差から大気圧基準の相対圧力を
検知することを特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項９】請求項１において、シリコンチップの同一
平面上に温度センサを集積形成したことを特徴とする半
導体圧力センサ。