JPH1114482A - 静電容量式圧力センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】浮遊容量が小さく、かつ圧力を受けるダイアフ
ラム部の塑性変形が抑制され、高精度の圧力検出が可能
な静電容量式圧力センサを実現する。 【解決手段】ダイヤフラム111は不純物拡散された単結
晶シリコンで作られた脆性材料であり塑性変形せず安定
した圧力受動構造体を形成する。ダイヤフラム111と可
動電極104bとの間には酸化膜103が形成され可動電極104
bと基板101との間、可動電極104bと不純物拡散層102と
の間の浮遊容量を低減する。酸化膜103、可動電極104b
は複数の領域に分割され、酸化膜103の各領域の上に可
動電極104bの各領域が形成される。これにより、ダイヤ
フラム111、酸化膜103、可動電極104b相互の熱膨張率差
による応力歪が低減される。固定電極107の上は不純物
がドーピングされていない絶縁性の多結晶シリコン膜の
固定電極用構造体108により覆われ電極107の剛性を強化
し、リーク電流を低減することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧力を検出する圧
力センサ、特に自動車のエンジン制御に使用される静電
容量式圧力センサ及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の静電容量式圧力センサとしては、
例えば、特公平７−５０７８９号公報に記載された圧力
センサがある。この公報記載の静電容量式圧力センサ
は、単結晶シリコン基板の上に不純物拡散によって第１
の電極を形成し、この第１の電極と空隙を介して対向す
る第２の電極が導電化された多結晶シリコンでダイヤフ
ラム状に形成される。

【０００３】そして、ダイヤフラム状の第２の電極に圧
力が印加されると、この印加された圧力によってダイア
フラムである第２の電極が変位する。この第２の電極の
変位により、第１の電極と第２の電極との間の静電容量
が変化し、この変化を検出することによって、圧力を検
出する構成となっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来技術では、第１の電極が拡散によって形成されて
いるため、シリコン基板との接合容量が非常に大きく、
第１の電極と第２の電極との間の浮遊容量が大となって
しまうため、圧力の検出精度が低く、高精度の圧力検出
を行うことができなかった。

【０００５】また、第２の電極は、被測定媒体である空
気に直接接触する構造となっているため、ガソリン等が
混入した汚れた空気が第２電極に接触した場合、リーク
電流が発生し、正確に静電容量を検出することが困難で
あり、高精度の圧力検出を行うことができなかった。

【０００６】さらに、圧力によって変位するダイヤフラ
ムは多結晶シリコンで作られているため、塑性変形を起
こし易く、印加される圧力と静電容量の変化との対応関
係が変動する可能性があった。このため、圧力検出の精
度が低下し、信頼性に劣るという問題があった。

【０００７】本発明の目的は、浮遊容量が小さく、かつ
圧力を受けるダイアフラム部の塑性変形が抑制され、高
精度の圧力検出が可能な静電容量式圧力センサ及びその
製造方法を実現することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

（１）本発明は、上記目的を達成するため、次のように
構成される。すなわち、静電容量式圧力センサにおい
て、単結晶シリコン基板であり、印加される圧力によっ
て変位するダイヤフラムと、上記ダイヤフラム上に形成
された絶縁膜と、上記絶縁膜上に形成された第１の電極
と、空隙を介して上記第１の電極に対向して形成された
第２の電極と、上記ダイヤフラムに印加される圧力によ
って、上記第１の電極と第２の電極との間の距離が変化
することによって、第１の電極と第２の電極との間の静
電容量が変化することを検出し、電圧に変換する手段
と、を備える。

【０００９】（２）好ましくは、上記（１）において、
上記絶縁膜は、少なくとも２つ以上に分割して構成され
ている。

【００１０】（３）また、好ましくは、上記（２）にお
いて、上記第１の電極は、少なくとも２つ以上に分割し
て構成されている。

【００１１】（４）また、好ましくは、上記（３）にお
いて、上記第１の電極の面積が上記絶縁膜の面積より小
さい。

【００１２】（５）また、好ましくは、上記（１）から
（４）において、上記第１の電極と上記シリコン基板と
の間が一部中空となっている。

【００１３】（６）また、好ましくは、上記（１）から
（５）において、上記第１の電極は多結晶シリコンで構
成されている。

【００１４】（７）また、好ましくは、上記（１）から
（６）において、この圧力センサは、圧力センサの信号
を処理する信号処理回路と一体化され、この信号処理回
路が有するＭＯＳトランジスタのゲート電極の材料と上
記第１の電極の材料とは同一材料である。

【００１５】ダイヤフラムと第１の電極との間には、絶
縁膜が形成されており、第１の電極と単結晶シリコン基
板との間及び第１の電極と不純物との間に生じる浮遊容
量が低減される。

【００１６】また、絶縁膜及び第１の電極が、細かく分
割して、つまり、複数の領域に分割して形成されるよう
に構成すれば、ダイヤフラム、絶縁膜、第１の電極、相
互の熱膨張率差によって生じる応力歪を低減することが
可能となる。つまり、第１の電極、絶縁膜が、複数に分
割されている場合には、複数に分割されない場合と比較
して、相互の熱膨張率差によって生じる応力歪を低減す
ることができる。

【００１７】また、圧力センサの第１の電極が、多結晶
シリコンで構成される場合には、圧力センサの信号を処
理する信号処理回路のＭＯＳトランジスタのゲート電極
の材料も、多結晶シリコンで構成されるので、圧力セン
サと信号処理回とを一体化して構成することができる。

【００１８】（８）また、静電容量式圧力センサの製造
方法において、単結晶シリコン基板に不純物をドーピン
グする工程と、酸化膜を上記不純物上の所定の部分に形
成する工程と、第１の電極となる導電化された多結晶シ
リコン膜を上記酸化膜上に形成し、パターニングする工
程と、犠牲層を少なくとも上記第１の電極上に形成し、
パターニングをする工程と、第２の電極となる導電化さ
れた多結晶シリコン膜を少なくとも上記犠牲層上に形成
する工程と、絶縁された多結晶シリコン膜を上記第２の
電極上に形成し、パターニングする工程と、上記犠牲層
を除去する工程と、保護膜を上記絶縁された多結晶シリ
コン膜上に形成する工程と、上記単結晶シリコン基板の
上記不純物がドーピングされた面とは反対側の面の所定
の部分をエッチングし、上記不純物からなるダイヤフラ
ムを形成する工程と、を備える。

【００１９】第１の電極が多結晶シリコンで構成されて
おり、圧力センサの信号を処理する信号処理回路のＭＯ
Ｓトランジスタのゲート電極の材料も、多結晶シリコン
で構成される場合には、圧力センサと信号処理回とを一
体化して同時に製造することができる。

【００２０】（９）また、静電容量式圧力センサにおい
て、単結晶シリコン基板であり、印加される圧力によっ
て変位するダイヤフラムと、上記ダイヤフラム上に形成
され、少なくとも２つ以上に分割された第１の電極と、
空隙を介して上記第１の電極に対向して形成された第２
の電極と、上記ダイヤフラムに印加される圧力によっ
て、上記第１の電極と第２の電極との間の距離が変化す
ることによって、第１の電極と第２の電極との間の静電
容量が変化することを検出し、電圧に変換する手段と、
を備えることを特徴とする静電容量式圧力センサ。

【００２１】（１０）好ましくは、上記（９）におい
て、上記第１の電極は多結晶シリコンで構成されてい
る。

【００２２】（１１）また、好ましくは、上記（９）又
は（１０）において、この圧力センサは、圧力センサの
信号を処理する信号処理回路と一体化され、この信号処
理回路が有するＭＯＳトランジスタのゲート電極の材料
と上記第１の電極の材料とは同一材料である。

【００２３】第１の電極が、複数の領域に分割して形成
されるので、ダイヤフラムと第１の電極との熱膨張率差
によって生じる応力歪を低減することが可能となる。

【００２４】（１２）また、静電容量式圧力センサの製
造方法において、単結晶シリコン基板に不純物をドーピ
ングする工程と、第１の電極となる導電化された多結晶
シリコン膜を上記不純物上の所定の部分に形成し、分割
された複数の領域にパターニングする工程と、犠牲層を
少なくとも上記第１の電極上に形成し、パターニングを
する工程と、第２の電極となる導電化された多結晶シリ
コン膜を少なくとも上記犠牲層上に形成する工程と、絶
縁された多結晶シリコン膜を上記第２の電極上に形成
し、パターニングする工程と、上記犠牲層を除去する工
程と、保護膜を上記絶縁された多結晶シリコン膜上に形
成する工程と、上記単結晶シリコン基板の上記不純物が
ドーピングされた面とは反対側の面の所定の部分をエッ
チングし、上記不純物からなるダイヤフラムを形成する
工程と、を備える。

【００２５】第１の電極が多結晶シリコンで構成されて
おり、圧力センサの信号を処理する信号処理回路のＭＯ
Ｓトランジスタのゲート電極の材料も、多結晶シリコン
で構成される場合には、圧力センサと信号処理回とを一
体化して同時に製造することができる。

【００２６】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の第１の実施形態
である静電容量式圧力センサの断面図であり、図２は、
この第１の実施形態の平面図である。図１及び図２にお
いて、この第１の実施形態である静電容量式圧力センサ
は、単結晶シリコン基板１０１、不純物拡散層１０２、
酸化膜層（絶縁膜）１０３、固定電極配線１０４ａ、可
動電極（第１の電極）１０４ｂ、保護膜１０５、固定電
極（第２の電極）１０７、固定電極用構造体１０８、空
隙１０９、保護膜１１０、ダイヤフラム１１１、圧力導
入孔１１２を備えている。

【００２７】被測定媒体である空気は、圧力導入孔１１
２へ導入される。圧力導入孔１１２に導入された空気
が、ダイヤフラム１１１に圧力を加えると、その圧力の
大きさに応じてダイヤフラム１１１が変位する。

【００２８】ダイヤフラム１１１が変位すると、このダ
イヤフラム１１１上に形成された可動電極１０４ｂと固
定電極１０７との間の空隙１０９が変化する、つまり、
可動電極１０４ｂと固定電極１０７との間の距離が変化
することによって両電極間に形成される静電容量が変化
する。この静電容量変化を検出することにより、圧力を
検出することができる。

【００２９】ダイヤフラム１１１は、不純物拡散された
単結晶シリコンを用いて作られた脆性材料であるため、
塑性変形することなく、信頼性の良い、安定した圧力受
動構造体を形成している。

【００３０】ダイヤフラム１１１と可動電極１０４ｂと
の間には、酸化膜１０３が形成されており、可動電極１
０４ｂと基板１０１との間及び可動電極１０４ｂと不純
物拡散層１０２との間に生じる浮遊容量を低減してい
る。さらに、酸化膜１０３は、図示するように、細かく
分割して、つまり、複数の領域に分割して形成される
（この例においては、１６分割）。

【００３１】また、可動電極１０４ｂも、酸化膜１０３
と同様に、細かく分割して、つまり、複数の領域に分割
して形成され、各領域が電気的に接続されている。そし
て、酸化膜１０３の、各領域の上部に、可動電極１０４
ｂの複数に分割された各領域が形成される。

【００３２】これによって、ダイヤフラム１１１、酸化
膜１０３、可動電極１０４ｂ相互の熱膨張率差によって
生じる応力歪を低減することが可能である。つまり、可
動電極１０４ｂ、酸化膜１０３が、複数に分割されてい
る場合には、複数に分割されない場合と比較して、相互
の熱膨張率差によって生じる応力歪を低減することがで
きる。

【００３３】固定電極１０７の上部は、不純物がドーピ
ングされていない絶縁性の多結晶シリコン膜でできた固
定電極用構造体１０８によって覆われており、固定電極
１０７の剛性が強化される。また、固定電極１０７の表
面を絶縁物で完全に覆うことによりリーク電流を低減す
ることができる。

【００３４】以上のように、本発明の第１の実施形態で
ある静電容量式圧力センサによれば、ダイヤフラム１１
１が不純物拡散された単結晶シリコンを用いて作られた
脆性材料とされ、可動電極１０４ｂとダイタヤフラム１
１１との間には酸化膜１０３が配置されるとともに、こ
れら可動電極１０４ｂと酸化膜１０３とは複数の領域に
分割されている。

【００３５】さらに、固定電極１０７の上部は、不純物
がドーピングされていない絶縁性の多結晶シリコン膜で
できた固定電極用構造体１０８によって覆われている。
したがって、圧力受動構造体が安定しており、熱歪によ
る変形が少なく、浮遊容量やリーク電流の少ない、高精
度な信頼性の高い静電容量式圧力センサを実現すること
ができる。

【００３６】次に、上述した本発明の第１の実施形態で
ある静電容量式圧力センサの製造方法を説明する。図３
〜図６は、上記製造方法の各工程を説明する図である。
図３において、ＩＣ製造用の単結晶シリコン基板１０１
に、ＣＭＯＳ回路のウェル形成と同一の不純物拡散層１
０２をイオン打ち込み、熱拡散によって形成する。この
不純物は基板がＮ-subであればＰ-well、基板がＰ-sub
であれば、Ｎ-wellとする（図３の工程（ａ）、
（ｂ））。

【００３７】不純物拡散層１０２の上に、ＬＯＣＯＳ形
成用と同一の酸化膜１０３を熱拡散によって選択的に形
成する（所定の部分に形成する）。あるいは、全面に酸
化膜を形成した後、ドライエッチングによってパターニ
ングしても良い（図３の工程（ｃ））。

【００３８】次に、図４において、酸化膜１０３の上に
固定電極用配線１０４ａと可動電極１０４ｂを形成する
ための不純物がドーピングされた多結晶シリコンを成
膜、パターニングを行う（図４の工程（ｄ））。この場
合、後述するＣＭＯＳ回路（又はＭＯＳ回路）のゲート
電極の材料は、多結晶シリコンであることが多いので、
電極１０４ｂ等の形成と同時にＣＭＯＳ回路（又はＭＯ
Ｓ回路）も一体化して形成することが可能となる。

【００３９】可動電極１０４ｂの上に窒化膜等の保護膜
１０５を被せた後、酸化膜やＰＳＧ膜等の犠牲層１０６
をデポジション、ホトエッチングによるパターンニング
を行う（図４の工程（ｅ）、（ｆ））。

【００４０】次に、図５の工程（ｇ）、（ｈ）、（ｉ）
において、固定電極１０７となる不純物がドーピングさ
れた多結晶シリコン膜と、ノンドーピングの多結晶シリ
コン膜１０８とがデポジッション、パターンニングされ
る。

【００４１】続いて、図６において、フッ酸等によって
犠牲層がウェットエッチングされる。その後、窒化膜等
の保護膜１１０が形成され、単結晶シリコン基板１０１
の裏面からＫＯＨ等により異方性のウェットエッチング
される（図６の工程（ｊ））。このとき、単結晶シリコ
ン基板１０１と拡散層１０２との間に電圧を印加しなが
らエッチングすることによって、単結晶シリコン基板１
０１のみがエッチングされ、不純物拡散層１０２は、エ
ッチングされずに残すことができる。これによって、ダ
イヤフラム１１０と圧力導入孔１１１とを同時形成でき
る（図６の工程（ｋ））。

【００４２】上述した本発明の第１の実施形態である静
電容量式圧力センサの製造方法によって、ＣＯＭＯＳ回
路（ＭＯＳ回路）と同一基板上に一体化してセンサを製
造でき、小型で安価な、特性が安定した圧力センサの製
造方法を実現することができる。

【００４３】図７は、本発明の第２の実施形態である静
電容量式圧力センサの断面図であり、図８は、この第２
の実施形態の平面図である。図７及び図８において、こ
の第２の実施形態である静電容量式圧力センサは、単結
晶シリコン基板２０１、不純物拡散層２０２、酸化膜層
２０３、固定電極配線２０４ａ、可動電極２０４ｂ、固
定電極２０６、固定電極用構造体２０７、空隙２０８、
保護膜２０９、ダイヤフラム２１０、圧力導入孔２１１
を備えている。

【００４４】被測定媒体である空気は、圧力導入孔２１
１へ導入される。圧力導入孔２１１に導入された空気
が、ダイヤフラム２１０に圧力を加えると、その圧力の
大きさに応じてダイヤフラム２１０が変位する。ダイヤ
フラム２１０が変位すると、このダイヤフラム２１０上
に形成された可動電極２０４ｂと固定電極２０６と間の
空隙２０８が変化する、つまり、可動電極２０４ｂと固
定電極２０６との間の距離が変化することによって、両
電極間に形成された静電容量が変化し、圧力を検出する
ことができる。ダイヤフラム２１０は、不純物拡散され
た単結晶シリコンを用いて作られた脆性材料である。

【００４５】ダイヤフラム２１０と可動電極２０４ｂと
の間には、酸化膜２０３が形成されており、可動電極２
０４ｂと基板２０１との間及び可動電極２０４ｂと不純
物拡散層２０２との間に生じる浮遊容量を低減してい
る。

【００４６】さらに、酸化膜２０３を細かく分割形成
し、その上部にオーバーハングした形で、つまり、酸化
膜２０３の各分割領域のそれぞれの面積より、可動電極
２０４ｂの各分割領域のそれぞれの面積が大となるよう
に、可動電極２０４ｂを形成したことによって、ダイヤ
フラム２１０と、酸化膜２０３と、可動電極２０４ｂと
の相互の熱膨張率差によって生じる応力歪を大きく低減
することが可能である。

【００４７】上述した本発明の第２の実施形態である静
電容量式圧力センサにおいても、第１の実施形態と同様
な効果を得ることができる。さらに、この第２の実施形
態においては、酸化膜２０３の各分割領域のそれぞれの
面積より、可動電極２０４ｂの各分割領域のそれぞれの
面積が大となるように可動電極２０４ｂを形成している
ので、ダイヤフラム２１０と、酸化膜２０３と、可動電
極２０４ｂとの相互の熱膨張率差によって生じる応力歪
を、大きく低減することが可能である。

【００４８】次に、上述した本発明の第２の実施形態で
ある静電容量式圧力センサの製造方法を説明する。図９
〜図１２は、上記製造方法の各工程を説明する図であ
る。図９において、ＩＣ製造用の単結晶シリコン基板２
０１に、ＣＭＯＳ回路（ＭＯＳ回路）のウェル形成と同
一の不純物拡散層２０２をイオン打ち込み、熱拡散によ
って形成する。この不純物層は基板が、Ｎ-subであれば
Ｐ-well、基板がＰ-subであれば、Ｎ-wellとする（図９
の工程（ａ）、（ｂ））。

【００４９】不純物拡散層２０２の上に、ＬＯＣＯＳ形
成用と同一の酸化膜２０３を熱酸化によって選択的に形
成する（図９の工程（ｃ））。あるいは、全面酸化膜を
形成した後、ドライエッチングによってパターンニング
しても良い。

【００５０】次に、図１０及び図１１において、酸化膜
２０３の上に固定電極用配線２０４ａと可動電極２４０
ｂとを形成するための不純物がドーピングされた多結晶
シリコンを成膜、パターンニングを行う（図１０の工程
（ｄ））。

【００５１】固定電極用配線２０４ａと可動電極２４０
ｂとの上に酸化膜やＰＳＧ膜等の犠牲層２０５をデポジ
ション、ホトエッチングによるパターニングを行う（図
１０の工程（ｅ））。

【００５２】その後、固定電極２０６となる不純物がド
ーピングされた多結晶シリコン膜と、ノンドーピングの
多結晶シリコン膜２０７とがデポジッション、パターニ
ングされる（図１０の工程（ｆ）、図１１の工程
（ｇ））。

【００５３】次に、フッ酸等によって犠牲層２０５と酸
化膜２０３の一部が、ウェットエッチングされる（図１
１の工程（ｈ））。

【００５４】続いて、図１２において、多結晶シリコン
膜２０７の上に、窒化膜等の保護膜２０９が形成され
（図１２の工程（ｉ））、単結晶シリコン基板２０１の
裏面からＫＯＨ等によりウェットエッチングされる（図
１２の工程（ｊ））。このとき、単結晶シリコン基板２
０１と拡散層２０２との間に電圧を加えながらエッチン
グすることによって、単結晶シリコン基板２０１のみが
エッチングされ、不純物拡散層２０２はエッチングされ
ずに残すことができる。これによって、ダイヤフラム２
１０と圧力導入孔２１１とを同時形成することができ
る。

【００５５】上述した本発明の第２の実施形態である静
電容量式圧力センサの製造方法によって、ＣＯＭＯＳ回
路と同一基板上に一体化してセンサを製造でき、小型で
安価な、特性が安定した圧力センサの製造方法を実現す
ることができる。

【００５６】図１３は、本発明の静電容量式圧力センサ
からの出力信号等の信号処理に適用される信号処理回路
の構成図である。図１３において、この信号処理回路
は、信号印加部２３１、圧力検出部２３２、容量検出部
２３３、出力調整部２３４からなる。

【００５７】信号印加部２３１は、電源ＶＤＤ、アナロ
グスイッチＳＷ１、ＳＷ２を備える。また、圧力検出部
２３２は、１つのコンデンサＣＳからなっており、これ
が上述した、可動電極（１０４ｂ、２０４ｂ）と固定電
極（１０７、２０６）とにより形成される圧力検出素子
としてのコンデンサである。

【００５８】容量検出部２３３は、アナログスイッチＳ
Ｗ３、ＳＷ４、ＳＷ５、オペアンプＯＰ１、コンデンサ
ＣＲ、ＣＴ、ＣＦによって構成される。出力調整部２３
４は、電源ＶＤＤ、オペアンプＯＰ２、抵抗Ｒ４、Ｒ
５、Ｒ６、Ｒ７、コンデンサＣ４によって構成される。

【００５９】信号印加部２３１、圧力検出部２３２、容
量検出部２３３は、スイッチドキャパシタ回路構成とな
っており、各スイッチのオン−オフ動作によって容量値
に比例した出力が得られる。容量検出部２３３の出力電
圧（ＯＰ１の出力）をＶｏとすると、この回路の動作
は、次式（１）で表される。ただし、ＣＦ、ＣＴ、Ｃ
Ｓ、ＣＲは、それぞれコンデンサＣＦ、ＣＴ、ＣＳ、Ｃ
Ｒの静電容量値とする。 CF・Vo(n) = CF・Vo(n-1) - CT・Vo(n-1) - CS・VDD + CR・VDD −−− （１） 最終的には、次式（２）で表される関係になる。 Vo = ((CR-CS)/CF)・VDD −−− （２） したがって、圧力が検出素子に印加され、コンデンサＣ
Ｓの容量値が変化することを電圧出力に変換できる。

【００６０】この出力電圧を出力調整部２３４によって
所定のオフセット電圧と感度とに調整される。この回路
構成によって、圧力信号を電圧信号に比較的容易に変換
できる。

【００６１】上述した信号処理回路は、ＣＭＯＳ回路で
構成され、このＣＭＯＳ回路のゲート電極が多結晶シリ
コンであれば、ＣＭＯＳ回路と圧力センサ本体とを一体
化して成形可能である。

【００６２】図１４は、本発明の第３の実施形態である
静電容量式圧力センサの断面図であり、図１５は、この
第３の実施形態の平面図である。図１４及び図１５にお
いて、この第３の実施形態である静電容量式圧力センサ
は、単結晶シリコン基板３０１、不純物拡散層３０２、
酸化膜層３０３ａ、固定電極配線３０４ａ、可動電極３
０４ｂ、固定電極３０７、固定電極用構造体３０８、空
隙３０９、保護膜３１０、ダイヤフラム３１１ａ、溝３
１１ｂ、圧力導入孔３１２を備えている。

【００６３】被測定媒体である空気は、圧力導入孔３１
２へ導入され、ダイヤフラム３１１に圧力を加えると、
その圧力の大きさに応じてダイヤフラム３１１ａが変位
する。ダイヤフラム３１１ａが変位すると、このダイヤ
フラム３１１ａ上に形成された可動電極３０４ｂと固定
電極３０７との間の空隙３０９が変化し、これによっ
て、両電極間に形成される静電容量が変化し、圧力を検
出することができる。

【００６４】ダイヤフラム３１１ａは、脆性材料である
不純物拡散された単結晶シリコンを用いてつくられてい
るため、塑性変形することなく、信頼性の良い、安定し
た圧力受動構造体を形成している。

【００６５】ダイヤフラム３１１ａは、基板３０１に溝
３１１ｂを細かく分割して形成し、溝３１１ｂ以外の上
部にのみ可動電極３０４ｂを形成したことによって、ダ
イヤフラム３１１ａと可動電極３０４ｂとの熱膨張率差
によって生じる応力歪を低減することが可能である。

【００６６】固定電極３０７の上部は、不純物がドーピ
ングされていない絶縁性の多結晶シリコン膜でできた固
定電極用構造体３０８によって覆われており、固定電極
３０７の剛性強化と固定電極３０７の表面を絶縁物で完
全に覆うことによってリーク電流を低減している。

【００６７】以上のように、本発明の第３の実施形態で
ある静電容量式圧力センサによれば、ダイヤフラム３１
１ａを不純物拡散された単結晶シリコンを用いて作られ
た脆性材料とされ、これら可動電極３０４ｂは複数の領
域に分割されている。さらに、固定電極３０７の上部
は、不純物がドーピングされていない絶縁性の多結晶シ
リコン膜でできた固定電極用構造体３０８によって覆わ
れている。したがって、圧力受動構造体が安定してお
り、熱歪による変形が少なく、リーク電流の少ない、高
精度な信頼性の高い静電容量式圧力センサを実現するこ
とができる。

【００６８】次に、上述した本発明の第３の実施形態で
ある静電容量式圧力センサの製造方法を説明する。図１
６〜図１９は、上記製造方法の各工程を説明する図であ
る。図１６において、ＩＣ製造用の単結晶シリコン基板
３０１に、ＣＭＯＳ回路のウェル形成と同一の不純物拡
散層３０２をイオン打ち込み、熱拡散によって形成する
（図１６の工程（ａ）、（ｂ））。この不純物は基板が
Ｎ-subであればＰ-well、基板がＰ-subであれば、Ｎ-we
llとする。

【００６９】不純物拡散層３０２の上に、ＬＯＣＯＳ形
成用と同一の酸化膜３０３ａ、３０３ｂを熱酸化によっ
て選択的に形成する（図１６の工程（ｃ））。あるい
は、全面酸化膜を形成した後、ドライエッチングによっ
てパターンニングしても良い。

【００７０】次に、図１７において、酸化膜３０３ａ及
び不純物拡散層３０２の上に固定電極用配線３０４ａと
可動電極３０４ｂを形成するための不純物がドーピング
された多結晶シリコンを成膜、パターンニングを行う
（図１７の工程（ｄ））。

【００７１】そして、可動電極３４０ｂ等の上に、酸化
膜やＰＳＧ膜等の犠牲層３０６をデポジション、ホトエ
ッチングによるパターンニングを行う（図１７の工程
（ｅ））。

【００７２】その後、固定電極３０７となる不純物がド
ーピングされた多結晶シリコン膜と、ノンドーピングの
多結晶シリコン膜３０８とがデポジッション、パターン
ニングされる（図１７の工程（ｆ）、図１８の工程
（ｇ））。

【００７３】その後、フッ酸等によって犠牲層３０６と
酸化膜３０３ｂとがウェットエッチングされ、空隙３０
９と溝３１１ｂとが同時に形成される（図１８の工程
（ｈ））。その後、窒化膜等の保護膜３１０が形成され
（図１９の工程（ｉ））、単結晶シリコン基板３０１の
裏面からＫＯＨ等により異方性のウエットエッチングさ
れる（図１９の工程（ｊ））。

【００７４】このとき、単結晶シリコン基板３０１と拡
散層３０２との間に電圧を加えながらエッチングするこ
とによって、単結晶シリコン基板３０１のみがエッチン
グされ、不純物拡散層３０２はエッチングされずに残さ
せることができる。これによって、ダイヤフラム３１１
ａと圧力導入孔３１２とを同時形成することができる。

【００７５】上述した本発明の第３の実施形態である静
電容量式圧力センサの製造方法によって、ＣＯＭＯＳ回
路と同一基板上に一体化してセンサを製造でき、小型で
安価な、特性が安定した圧力センサの製造方法を実現す
ることができる。

【００７６】なお、上述した例においては、可動電極
（１０４ｂ、２０４ｂ、３０４ｂ）、酸化膜（１０３、
２０３の分割数は１６としているが、分割数は１６に限
られず、必要な仕様に応じた歪低減効果が得られる分割
数で良く、その数は２分割以上の値であればよい。

【００７７】また、本発明の静電容量式圧力センサは、
自動車用のエンジン制御用の圧力センサとして適切であ
るが、自動車用に限らず、圧力を検出するものであれ
ば、他のものにも適用可能である。

【００７８】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているため、次のような効果がある。ダイヤフラムが不
純物拡散された単結晶シリコンを用いて作られた脆性材
料とされ、可動電極とダイタヤフラムとの間には酸化膜
が配置されるので、浮遊容量が低減され、高精度の圧力
検出が可能な静電容量式圧力センサを実現することがで
きる。

【００７９】また、可動電極と酸化膜とは複数の領域に
分割されるように構成すれば、ダイヤフラム、酸化膜、
可動電極相互の熱膨張率差によって生じる応力歪を低減
することができ、さらに、高精度の圧力検出が可能な静
電容量式圧力センサを実現することができる。

【００８０】また、固定電極の上部は、不純物がドーピ
ングされていない絶縁性の多結晶シリコン膜でできた固
定電極用構造体によって覆われるように構成すれば、熱
歪による変形が少なく、リーク電流の少ない、高精度な
信頼性の高い静電容量式圧力センサを実現することがで
きる。

【００８１】また、圧力を受ける構造体の塑性変形がな
く、かつ熱応力成膜時の真性応力による歪を受けにくい
安定した特性を有する静電容量式圧力センサを実現する
ことができる。

【００８２】さらに、一般的なＩＣ製造プロセスを用い
て製造できるため、回路部との１チップ化が可能とな
り、小型化、低価格化が可能な製造方法を実現すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態である静電容量式圧力
センサの断面図である。

【図２】本発明の第１の実施形態の平面図である。

【図３】本発明の第１の実施形態である静電容量式圧力
センサの製造方法を説明する図である。

【図４】本発明の第１の実施形態である静電容量式圧力
センサの製造方法を説明する図である。

【図５】本発明の第１の実施形態である静電容量式圧力
センサの製造方法を説明する図である。

【図６】本発明の第１の実施形態である静電容量式圧力
センサの製造方法を説明する図である。

【図７】本発明の第２の実施形態である静電容量式圧力
センサの断面図である。

【図８】本発明の第２の実施形態の平面図である。

【図９】本発明の第２の実施形態である静電容量式圧力
センサの製造方法を説明する図である。

【図１０】本発明の第２の実施形態である静電容量式圧
力センサの製造方法を説明する図である。

【図１１】本発明の第２の実施形態である静電容量式圧
力センサの製造方法を説明する図である。

【図１２】本発明の第２の実施形態である静電容量式圧
力センサの製造方法を説明する図である。

【図１３】本発明の静電容量式圧力センサに適用される
信号処理回路の構成図である。

【図１４】本発明の第３の実施形態である静電容量式圧
力センサの断面図である。

【図１５】本発明の第３の実施形態の平面図である。

【図１６】本発明の第３の実施形態である静電容量式圧
力センサの製造方法を説明する図である。

【図１７】本発明の第３の実施形態である静電容量式圧
力センサの製造方法を説明する図である。

【図１８】本発明の第３の実施形態である静電容量式圧
力センサの製造方法を説明する図である。

【図１９】本発明の第３の実施形態である静電容量式圧
力センサの製造方法を説明する図である。

【符号の説明】

１０１、２０１、３０１ 単結晶シリコン基板 １０２、２０２、３０２ 不純物拡散層 １０３、２０３ 酸化膜層 １０４ａ、２０４ａ、３０４ａ 固定電極配線 １０４ｂ、２０４ｂ、３０４ｂ 可動電極 １０５ 保護膜 １０６、２０５、３０６ 犠牲層 １０７、２０６、３０７ 固定電極 １０８、２０７、３０８ 固定電極用構造体 １０９、２０８、３０９ 空隙 １１０、２０９、３１０ 保護膜 １１１、２１０、３１１ａ ダイヤフラム １１２、２１１、３１２ 圧力導入孔 ２３１ 信号印加部 ２３２ 圧力検出部 ２３３ 容量検出部 ２３４ 出力調整部 ＶＤＤ 電源 ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３ アナログスイッチ ＳＷ４、ＳＷ５ アナログスイッチ ＣＳ コンデンサ ＯＰ１、ＯＰ２ オペアンプ ＣＲ、ＣＴ、ＣＦ コンデンサ ＶＤＤ 電源 Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７ 抵抗 Ｃ４ コンデンサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 嶋田 智 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 斉藤 明彦 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 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 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 堀江 潤一 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 栗生 誠司 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 (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】単結晶シリコン基板であり、印加される圧
   力によって変位するダイヤフラムと、 上記ダイヤフラム上に形成された絶縁膜と、 上記絶縁膜上に形成された第１の電極と、 空隙を介して上記第１の電極に対向して形成された第２
   の電極と、 上記ダイヤフラムに印加される圧力によって、上記第１
   の電極と第２の電極との間の距離が変化することによっ
   て、第１の電極と第２の電極との間の静電容量が変化す
   ることを検出し、電圧に変換する手段と、を備えること
   を特徴とする静電容量式圧力センサ。
2. 【請求項２】請求項１記載の静電容量式圧力センサにお
   いて、上記絶縁膜は、少なくとも２つ以上に分割して構
   成されていることを特徴とする静電容量式圧力センサ。
3. 【請求項３】請求項２記載の静電容量式圧力センサにお
   いて、上記第１の電極は、少なくとも２つ以上に分割し
   て構成されていることを特徴とする静電容量式圧力セン
   サ。
4. 【請求項４】請求項３記載の静電容量式圧力センサにお
   いて、上記第１の電極の面積が上記絶縁膜の面積より小
   さいことを特徴とする静電容量式圧力センサ。
5. 【請求項５】請求項１から４のうちのいずれかに記載の
   静電容量式圧力センサにおいて、上記第１の電極と上記
   シリコン基板との間が一部中空となっていることを特徴
   とする静電容量式圧力センサ。
6. 【請求項６】請求項１から５のうちのいずれかに記載の
   静電容量式圧力センサにおいて、上記第１の電極は多結
   晶シリコンで構成されていることを特徴とする静電容量
   式圧力センサ。
7. 【請求項７】請求項１から６のうちのいずれかに記載の
   静電容量式圧力センサにおいて、この圧力センサは、圧
   力センサの信号を処理する信号処理回路と一体化され、
   この信号処理回路が有するＭＯＳトランジスタのゲート
   電極の材料と上記第１の電極の材料とは同一材料である
   ことを特徴とする静電容量式圧力センサ。
8. 【請求項８】単結晶シリコン基板に不純物をドーピング
   する工程と、 酸化膜を上記不純物上の所定の部分に形成する工程と、 第１の電極となる導電化された多結晶シリコン膜を上記
   酸化膜上に形成し、パターンニングする工程と、 犠牲層を少なくとも上記第１の電極上に形成し、パター
   ンニングをする工程と、 第２の電極となる導電化された多結晶シリコン膜を少な
   くとも上記犠牲層上に形成する工程と、 絶縁された多結晶シリコン膜を上記第２の電極上に形成
   し、パターンニングする工程と、 上記犠牲層を除去する工程と、 保護膜を上記絶縁された多結晶シリコン膜上に形成する
   工程と、 上記単結晶シリコン基板の上記不純物がドーピングされ
   た面とは反対側の面の所定の部分をエッチングし、上記
   不純物からなるダイヤフラムを形成する工程と、を備え
   ることを特徴とする静電容量式圧力センサの製造方法。
9. 【請求項９】単結晶シリコン基板であり、印加される圧
   力によって変位するダイヤフラムと、 上記ダイヤフラム上に形成され、少なくとも２つ以上に
   分割された第１の電極と、 空隙を介して上記第１の電極に対向して形成された第２
   の電極と、 上記ダイヤフラムに印加される圧力によって、上記第１
   の電極と第２の電極との間の距離が変化することによっ
   て、第１の電極と第２の電極との間の静電容量が変化す
   ることを検出し、電圧に変換する手段と、を備えること
   を特徴とする静電容量式圧力センサ。
10. 【請求項１０】請求項９記載の静電容量式圧力センサに
    おいて、上記第１の電極は多結晶シリコンで構成されて
    いることを特徴とする静電容量式圧力センサ。
11. 【請求項１１】請求項９又は１０記載の静電容量式圧力
    センサにおいて、この圧力センサは、圧力センサの信号
    を処理する信号処理回路と一体化され、この信号処理回
    路が有するＭＯＳトランジスタのゲート電極の材料と上
    記第１の電極の材料とは同一材料であることを特徴とす
    る静電容量式圧力センサ。
12. 【請求項１２】単結晶シリコン基板に不純物をドーピン
    グする工程と、 第１の電極となる導電化された多結晶シリコン膜を上記
    不純物上の所定の部分に形成し、分割された複数の領域
    にパターンニングする工程と、 犠牲層を少なくとも上記第１の電極上に形成し、パター
    ンニングをする工程と、 第２の電極となる導電化された多結晶シリコン膜を少な
    くとも上記犠牲層上に形成する工程と、 絶縁された多結晶シリコン膜を上記第２の電極上に形成
    し、パターンニングする工程と、 上記犠牲層を除去する工程と、 保護膜を上記絶縁された多結晶シリコン膜上に形成する
    工程と、 上記単結晶シリコン基板の上記不純物がドーピングされ
    た面とは反対側の面の所定の部分をエッチングし、上記
    不純物からなるダイヤフラムを形成する工程と、を備え
    ることを特徴とする静電容量式圧力センサの製造方法。