JPH10510048A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ミクロ機械加工により製造可能な静電容量式圧力センサにおいて、シリコン基板（１）の上に補助層（３）内の空所（４）の上にダイアフラム層（５）により形成されたダイアフラムが設けられ、また空所（４）と反対側のダイアフラムの上にそれに対して間隔をおいて凹所（９）を有する電極層（８）により形成される電極が導電性のダイアフラム層（５）に対する対向電極として設けられる。外部の圧力の上昇の際にダイアフラム（５）と電極層（８）との間に電圧を与えることにより基板の方向へのダイアフラムの偏位が阻まれ、またそのために必要な電圧から圧力の大きさが求められる。

Description

【発明の詳細な説明】 圧力センサ 本発明はミクロ機械加工により製造可能な静電容量式圧力センサに関する。 絶対圧力を測定するためには静電容量式の圧力センサが使用される。基準圧力 を有する閉じられたチャンバが外部の圧力にさらされている弾性ダイアフラムに より閉じられている。電気伝導性のダイアフラムがこのチャンバの向かい合う面 と共に板コンデンサを形成する。外部の圧力と内部の基準圧力との間の圧力差に 基づいてダイアフラムが変形される。ダイアフラムと対向電極として作用するチ ャンバ背面との間の間隔の変化によりこのコンデンサのキャパシタンスが変化す る。このキャパシタンスの変化から外部の圧力を求めることができる。 ポール・エム・ザブラッキーほかの米国特許第 5095401号明細書には、ＬＯＣ ＯＳ法により製造されたシリコン酸化物から成る領域がその上に被覆された層の 小さい孔を通して除去されることによって空所が作られるＳＯＩ基板上の圧力セ ンサが記載されている。これらの孔は続いて隣接するシリコンの酸化により、ま たはシリコン窒化物、ポリシリコンなどから成る別の層の被覆により閉じられる 。この特許明細書には、そこに示されている製造方法を静電容量式圧力センサの 製造に使用することも記載されている。この圧力センサの構成要素は、圧力セン サの外側で電子デバイスの集積のため、またダイアフラムの範囲内でピエゾ抵抗 の形成のために使用される結晶化されたシリコン層である。 本発明の課題は、キャパシタンスと作用圧力との非線形的な関係の問題を解決 したミクロ機械加工により製造可能な静電容量式圧力センサおよびＢｉＣＭＯＳ プロセスの枠内で実行可能なその製造方法を提供することにある。 この課題は請求項１の特徴を有する圧力センサおよび請求項７の特徴を有する 製造方法により解決される。他の実施態様はそれぞれ従属請求項に記載されてい る。 本発明による圧力センサは上記の課題を、作用する外部圧力の変化の際に静電 的な補償によりダイアフラムの運動が阻止されることにより解決する。この静電 的な補償のために必要な電圧の大きさから圧力が求められる。ダイアフラムが偏 位させられないので、非線形性が生じない。従って、ダイアフラムの特別な構造 化または最大可能なダイアフラム偏位の制限も必要でない。測定信号の電子的評 価が同じく簡略化される。表面‐ミクロ機械加工による本発明による構成は製造 の際に、標推的にＢｉＣＭＯＳプロセスに用いられているプロセスステップのみ を使用する。マスクが使用される追加的に必要なプロセスステップは、これらの ステップがその他のプロセスと十分に両立できるように行われる。従って、チッ プ上でのセンサ構成要素および回路構成要素の簡単な同時の実現が可能である。 圧力センサの機能態様は静電的な力補償に基づいている（力平衡式センサ、Ｆ ＢＳ）。この場合、ダイアフラムの偏位は圧力の尺度としての役割をせず、ダイ アフラムを静止位置に保つために必要な力が圧力の尺度としての役割をする。こ の力は、この力を静電的に惹起する電圧から間接的に求められる。圧力センサが 基準圧力よりも高い圧力において使用できるようにするためには、静電的な補償 力が作用する外部圧力とは逆の方向にダイアフラムに与えられることが必要であ る。このためダイアフラムは電気伝導性に構成されており、また圧力センサの外 面上にダイアフラムの上に貫通孔を有する対向電極が位置している。 以下、図面に示されている断面図により本発明による圧力センサの実施例を一 層詳細に説明する。 図面には、基板１の上面に形成され下側の対向電極として設けられている導電 領域２、たとえばＬＯＣＯＳ法により部分的に酸化された基板１の上側層部分と して構成できる補助層３、ダイアフラム層５、シーリング層７、電極層８および 別の層１０、１１が示されている。補助層３には、真空にされまたは基準圧力の 空気または他の気体混合物により満たされている空所４が設けられている。ダイ アフラム層５には、ダイアフラム１２の範囲内で除去されたシーリング層７の材 料により満たされている凹所６が設けられている。ダイアフラム１２と電極層８ との間には、ダイアフラム面に対して垂直な２つの方向にダイアフラムを偏位さ せることができる中間空所が設けられている。外部の圧力が空所４の上に位置し ているダイアフラム層５の部分により形成されるダイアフラム１２に作用し得る ように、電極層８にはシーリングされていない凹所９が設けられている。ダイア フラム１２の範囲内では、電極層８の上側にある別の層１０、１１が除去されて いる。 電極層８内の凹所９は、それぞれ電極層８の両境界面を貫き、また外部の圧力 の変化の際にこれらの凹所９を通る流れに基づいてこの圧力変化が圧力センサの 予定されている用途に対して十分に短い時間中にダイアフラム１２にも伝わるよ うな寸法および配置にされている。高められた圧力の測定に用いられる特別な実 施態様では、ドープ領域２は省略することもできる。導電層５、８における電気 端子は側方に位置しており、また図面には記入されていない。導電領域２、ダイ アフラム層５および電極層８の上の接触部はそれ自体公知の仕方で施される。 この圧力センサの製造の際にはたとえばシリコンから成る基板１が使用される 。その上面にはドーパントの拡散により導電領域２が形成される。補助層３は好 ましくはＬＯＣＯＳ法によるシリコンの局部酸化により作られる。しかしその代 わりに、特別の層が補助層３として施されれてもよい。ダイアフラム層５に対し てはたとえば、同時に製造されるＭＯＳＦＥＴに対するゲート電極と一緒に施さ れまた続いて導電性にドープされるポリシリコンが使用される。その代わりにダ イアフラム層５に対して、たとえば同一のチップ上に作られる電子回路の配線の ためのメタライジングとして施されるよらな種々の金属から成る金属層または層 列も使用できる。 孔マスクを用いて凹所６がダイアフラム層５内に作られ、またこれらの凹所６ を通して空所４が補助層３のエッチングにより、または前もってＬＯＣＯＳ法に より作られた酸化物の除去により作られる。その後にたとえば誘電体から成るプ レーナー化層となるシーリング層７が施される。凹所６は、それらがシーリング 層７の材料によりシールされ、その際に空所４が満たされることのないような寸 法にされている。シーリング層７の上に次いで電極層８が全面的に施される。電 極層８は、好適にはたとえば電気配線のために設けらるメタライジング面の１つ またはそれ以上の金属層により形成される。 別のマスクにより凹所９が電極層８内に作られ、またこれらの凹所９を通して 製造すべぎダイアフラム１２の範囲内でシーリング層７の材料がダイアフラムの 表面から除去される。その際にエッチングプロセスの時間は、ダイアフラム層５ 内の凹所６がシーリング層７の残留材料によりシールされた状態にとどまるよう に制限される。別の層１０、１１はたとえば全プロセスの枠内で施されるパッシ ベーション層または絶縁層である。これらの別の層１０、１１はダイアフラム１ ２の範囲内では電極層８の上面から除去され、その際に電極層８内の凹所９が開 かれる。シーリング層７が、予定されている測定範囲に対して十分なキャパシタ ンスに対して必要な厚みに施されない場合には、シーリング層７と電極層８との 間に別の層を間隔層として設けることもできる。 電極層８により形成される対向電極に、または場合によっては基板１に形成さ れたドープ領域２に、静電的な復帰力を発生するための電圧が与えられるならば 、ダイアフラム偏位の関数としてのキャパシタンスの非線形性はこの圧力センサ では測定結果に入らない。この与えられた電圧の二乗が作用する圧力（一層正確 には、空所４内の圧力と外部の圧力との間の差）に比例している。このようにし て、測定すべき圧力差と測定信号との正確に定められた関係が生ずる。従って、 従来の静電容量式圧力センサにおけるような非線形性は生ぜず、また高い費用の かかる仕方で、たとえば電子回路内の事後的な評価により非線形性を消去する必 要がない。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．半導体デバイスとしての圧力センサにおいて、 片側で主として導電性のダイアフラム層（５）により形成されるダイアフラム （１２）により境されている空所（４）が設けられ、 この空所（４）と反対側のダイアフラムの上にこのダイアフラムに対して間隔 をおいて導電性の電極層（８）が設けられ、 この電極層（８）が開口（９）により貫かれ、 予め定められたインターバルにおいて、この空所（４）と反対側のこの電極層 （８）の上の媒体内を支配する圧力の変化の際に、電気端子を介してこのダイア フラム層（５）およびこの電極層（８）に与えられる電圧のダイアフラムの変形 を静電的に打ち消すために必要な変化が測定できるように、これらの開口（９） が形成されており、またダイアフラムが変形可能であり、また、 ダイアフラム層（５）および電極固（８）のこれらの電気端子に対する接触部 が設けられている ことを特徴とする圧力センサ。 ２．ダイアフラムと反対側の空所（４）の上に導電性にドープされた領域（２） が設けられ、また この領域（２）が同じく電気端子に対する接触部を設けられていることを特徴 とする請求項１記載の圧力センサ。 ３．ダイアフラム層（５）内にダイアフラム（１２）の範囲内にそれぞれこのダ イアフラム層（５）の両表面を貫く凹所（６）が設けられ、 これからの凹所（６）内にダイアフラム層（５）の上に施されたシーリング層 （７）の材料が入れられ、また このシーリング層（７）が空所（４）と反対側のダイアフラムを露出させるこ とを特徴とする請求項１または２記載の圧力センサ。 ４．ダイアフラム層（５）がポリシリコンであることを特徴とする請求項１ない し３の１つに記載の圧力センサ。 ５．ダイアフラム層（５）が金属であることを特徴とする請求項１ないし３の１ つに記載の圧力センサ。 ６．電極層（８）が１つまたはそれ以上の金属層により形成されていることを特 徴とする請求項１ないし５の１つに記載の圧力センサ。 ７．請求項１ないし６の１つによる圧力センサを製造するための方法において、 ａ）空所（４）の形成のために予定されている層（３）が作られ，またその上に ダイアフラム層（５）が施される工程と、 ｂ）マスクを用いて凹所（６）を後続の工程ｃ）およびｄ）に適合する大きさに ダイアフラム層（５）内に作るべきダイアフラムの範囲内に形成する工程と、 ｃ）これらの凹所（６）の使用のもとに空所（４）がそのために設けられている 層（３）内でエッチング除去され工程と、 ｄ）シーリング層（７）がダイアフラム層（５）の上に、空所（４）を満たすこ となしに凹所（６）がシールされるように施される工程と、 ｅ）電極層（８）が施され、また開口（９）を設けられる工程と、 ｆ）これらの開口（９）の使用のもとにダイアフラム層（５）と電極層（８）と の間にある材料が形成すべきダイアフラムの範囲内でエッチング除去され、また ダイアフラム層（５）および電極層（８）に電圧を与えるために必要な手段が形 成される工程と を含んでいることを特徴とする圧力センサの製造方法。 ８．工程ａ）でダイアフラム層（５）がポリシリコンから作られ、また 後続の工程でダイアフラム層（５）を導電性にするため、ドーパントの注入が 行われる ことを特徴とする請求項７記載の方法。 ９．工程ｄ）とｅ）との間に間隔層が施され、また 工程ｆ）でこの間隔層が形成すべきダイアフラムの範囲内でエッチング除去さ れる ことを特徴とする請求項７または８記載の方法。