JPH11304615A

JPH11304615A - 圧力センサ

Info

Publication number: JPH11304615A
Application number: JP11342798A
Authority: JP
Inventors: Yasunori Shoji; 康則庄司
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-04-23
Filing date: 1998-04-23
Publication date: 1999-11-05

Abstract

(57)【要約】【課題】レンジアビリティが広く、高精度な小型の圧力
センサを提供する。【解決手段】差圧用ダイアフラム６５上に、その中央領
域の外周に沿って剛体５８を環状に形成し、ｐ型拡散層
５１ｂ側にも、差圧用ダイアフラム６５の中央領域の外
周に沿って突起５７を環状に形成する。そして、剛体５
８上には、差圧用ダイアフラム６５の変形に伴う剛体５
８の傾きを阻止する傾斜防止用板材１８を取り付ける。
この差圧ダイアフラム６５に所定値以上の差圧ΔＰを印
加すると、差圧用ダイアフラム６５の中央領域６５ａの
外周が、突起５７と剛体５８とによって完全に拘束さ
れ、差圧用ダイアフラム６５上の応力分布には、中央領
域５６ａ内の外縁部付近と周辺領域の外縁部付近とに、
それぞれ、引張応力のピークが現れる。そこで、差圧用
ダイアフラム６５上には、中央領域５６ａ内の外縁部付
近と周辺領域の外縁部付近とに、それぞれ、ピエゾ抵抗
を４本ずつ配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各種プラント等に
おける圧力測定に使用される半導体圧力センサに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ダイアフラム構造のシリコンペレットに
形成された拡散抵抗層のピエゾ抵抗効果を利用する拡散
型圧力センサの１つとして、特開平８−２９５０８５号
公報記載の差圧用の半導体圧力センサが知られている。
この半導体圧力センサ(以下、従来の圧力センサと呼ぶ)
には、非直線誤差の抑制を図るための構造上の２つの工
夫、即ち、(ａ)ダイアフラム上の中央領域へのボスの形
成、(ｂ)拡散層が形成されているリムを除く周辺領域の
薄肉化がなされている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の
圧力センサは、圧力感度が一定であるために、低圧から
高圧に到る広範な圧力レンジをカバーすることができな
いという欠点を有している。この欠点を解消するために
は、ワンチップ上に、互いに受圧面積の異なる複数のダ
イアフラム、即ち、互いに圧力感度の異なる複数の圧力
センサを搭載すればよいが、そのようにすると、今度
は、チップ大型化という新たな問題が発生する。

【０００４】ところで、差圧と静圧の双方を検出する複
合センサを実現する場合にも、ワンチップ上に、複数の
ダイアフラム、即ち、差圧用ダイアフラムと静圧用ダイ
アフラムとをそれぞれ搭載する必要があるため、チップ
が大型化する傾向にある。

【０００５】そこで、本発明は、レンジアビリティが広
く、しかも小型で高精度な半導体圧力センサを提供する
ことを第一の目的とする。また、静圧と差圧の双方を検
出することができる小型の半導体圧力センサを提供する
ことを第二の目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、基板上に固定された差圧用ダイアフラム
に配置された複数の歪みゲージによって、前記差圧用ダ
イアフラムに印加された差圧に応じた当該差圧ダイアフ
ラムの歪みを検出する圧力センサであって、前記基板側
に変位した前記差圧用ダイアフラムを、当該差圧用ダイ
アフラムの基板対向面の中央領域の外周部で支持する支
持部材と、前記差圧用ダイアフラムの基板対向面と反対
側の面の中央領域の外周部に形成された剛性部材と、前
記差圧用ダイアフラムに対する前記剛性部材の傾斜を阻
止する傾斜防止部材とを備え、前記複数の歪みゲージ
は、前記差圧用ダイアフラムの中央領域と当該中央領域
を囲む外周領域とに配置されていることを特徴とする圧
力センサを提供する。

【０００７】このような構造によれば、差圧用ダイアフ
ラムに印加される差圧が所定値を超えると、支持部材及
び剛性部材により、差圧用ダイアフラムの中央領域の外
周部の上下移動が拘束される。従って、このとき、差圧
用ダイアフラム上の応力分布には、その中央領域と外周
領域とに、それぞれ、引張応力のピーク値σ₁,σ₂が現
れる(図４(ｂ)参照)。このことは、差圧用ダイアフラム
の中央領域と外周領域とが、それぞれ、独立のダイアフ
ラムとして機能し得ることを意味する。より具体的に説
明すると、大きな方のピーク値σ₁が現れる外周領域
は、印加される差圧の変化に敏感な低圧用ダイアフラム
として機能し、小さい方のピーク値σ₂が現れる中央領
域は、印加される差圧の変化に鈍感な高圧用ダイアフラ
ムとして機能する。

【０００８】従って、差圧用ダイアフラムが一枚しか搭
載されていないにもかかわらず、複数の差圧用ダイアフ
ラムが搭載されている場合と同様に、圧力感度の複数化
を図ることが出来る。即ち、チップ大型化という不利益
を伴わずに、低圧から高圧に到る広範な圧力レンジをカ
バーすることができる。

【０００９】そして、差圧の印加によって差圧ダイアフ
ラムが変形しても、傾斜防止用部材が剛性部材の傾斜を
阻止するため、剛性部材の傾斜に伴う応力損失が防止さ
れ、差圧ダイアフラム上における応力分布には、たんに
剛性部材と支持部材とだけを設けた場合よりも明瞭なピ
ークが現れる。従って、この傾斜防止用板材を設けたこ
とによって、差圧用ダイアフラムの中央領域及び外周領
域の双方の圧力感度が向上し、かつ、それらの出力の非
直線誤差が抑制される。

【００１０】また、このような圧力センサにおいて、前
記差圧ダイアフラムの中央領域を囲む外周領域を、前記
歪みゲージの配置領域を除いた領域が前記歪みゲージの
配置領域よりも肉薄に形成すれば、さらなる圧力感度の
向上と非直線誤差の抑制とが達成される。

【００１１】さらに、前記差圧ダイアフラムの基板対向
面の反対側の面に対向する圧力導入口を有するポストと
して、前記圧力導入口の開口面積が前記差圧ダイアフラ
ムの中央領域の面積よりも狭いものを取り付ければ、ポ
ストと剛性部材等との接触によって差圧用ダイアフラム
の過度の変形が阻止されるため、過大圧(吸圧)導入時に
おける差圧用ダイアフラムの破壊を防止することができ
る。

【００１２】また、このような圧力センサにおいて、前
記剛性部材を、前記外周部に分断なく形成し、前記傾斜
防止部材として、前記剛性部材に囲まれた空間を密閉す
る板材を用いれば、ダイアフラムの中央領域と傾斜防止
用板材との間に気密空間が形成されるため、ダイアフラ
ムの中央領域は、静圧用ダイアフラムとして機能する。
従ってダイアフラムが一枚しか搭載されていないにもか
かわらず、静圧用ダイアフラムと差圧用ダイアフラムと
が搭載されている場合と同様に、静圧と差圧の双方の検
出することができる。即ち、チップ大型化という不利益
を伴わずに、静圧と差圧の双方の検出することができ
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照しなが
ら、本発明に係る実施の一形態について説明する。

【００１４】最初に、本実施の形態に係る半導体圧力セ
ンサの基本構造について説明する。本半導体圧力センサ
は、絶縁膜(ＳｉＯＮ等)とｎ型単結晶シリコン膜との二
層構造を有するダイアフラムに形成されたｐ型高濃度不
純物拡散層(以下、ピエゾ抵抗と呼ぶ)のピエゾ抵抗効果
を利用して、差圧と静圧の双方を検出する拡散型圧力セ
ンサ、即ち、複合センサである。その基本構造は、図１
に示すように、差圧に感応する差圧用ダイアフラム６５
と静圧に感応する静圧用ダイアフラム６６とを有するセ
ンサチップ１００、圧力導入口６８を有するポスト５９
(通常、Ｆｅ−Ｎｉ合金その他の金属製)、接着層６０
(通常、低融点ガラス、パイレックスガラスその他のガ
ラス製)等からなる。

【００１５】以下、図２により、この半導体圧力センサ
の特徴部分であるセンサチップ１００の構造について、
さらに詳細に説明する。

【００１６】センサチップ１００は、ｎ型単結晶シリコ
ン基板５１ａ上にボロンその他の不純物の拡散によって
ｐ型高濃度不純物拡散層５１ｂ(以下、ｐ型拡散層５１
ｂと呼ぶ)を形成したものである。

【００１７】このセンサチップ１００の各コーナ部に位
置する静圧用ダイアフラム６６ａ,66b,６６ｃ,６６ｄ
は、その表面に印加された圧力と、ｐ型拡散層５１ｂに
形成された空洞６２内部の基準圧との差(静圧)によって
変形する。５４は、これら各静圧用ダイアフラム６６
ａ,６６ｂ,６６ｃ,６６ｄを形成する際に利用した犠牲
層(後述)をエッチングするために開けた貫通穴６４を塞
ぐアルミニウム厚膜である。

【００１８】一方、このセンサチップ１００のほぼ中央
部に位置する差圧用ダイアフラム６５は、その表面に印
加された圧力と、ｐ型拡散層５１ｂに形成された圧力導
入口６３から導入された圧力との差(差圧)によって変形
する。尚、本実施の形態では、非直線誤差の抑制と圧力
感度の向上とを図るため、この差圧用ダイアフラム６５
の中央領域６５ａを囲む外周領域６５ｂのうち、ピエゾ
抵抗３１ａ,３１ｂ,３１ｃ,３１ｄが形成されているリ
ブ領域６５ｂ₁を除いた領域６５ｂ₂だけを薄肉化してあ
る。

【００１９】そして、差圧用ダイアフラム６５の表面上
には、その中央領域６５ａと外周領域６５ｂとの境界に
沿って、環状に、絶縁酸化膜３７、及び、剛性部材５８
が積層されている。尚、剛性部材５８は、環状に限ら
ず、多角形等であっても構わないし、途中で分断されて
いても構わない。

【００２０】そして、剛性部材５８の先端面には、低融
点ガラスやパイレックスガラス等によって接着層１７が
形成され、その上から、差圧用ダイアフラム６５の中央
領域６５ａ側に圧力を導入するための貫通穴１８ａが開
けられた傾斜防止用のガラス板材１８(以下、傾斜防止
用板材１８と呼ぶ)がかぶせられている。このような傾
斜防止用板材１８を設けたことによって、差圧印加時に
差圧用ダイアフラム６５にかかる応力が損失する原因と
なる、剛性部材５８の傾斜が阻止される。但し、この傾
斜防止用板材１８とポスト５９の端面５９ａとの接触に
よって差圧用ダイアフラム６５の変形が妨げられること
がないように、ポスト５９の端面５９ａと傾斜防止用板
材１８との間には、μｍオーダの初期間隙(図１のΔｔ₀
に相当)を設ける必要がある。工業上の理由等から、こ
のような初期間隙を設けるための十分な厚さの接着層６
０を形成することが困難である場合等には、図３に示す
ように、ポスト５９の端面５９ａに、その外縁に沿った
適当な高さの凸部５９ｂを形成しておけばよい。

【００２１】尚、この傾斜防止用板材１８の外径Ｚを圧
力導入口６８の内径Ｄよりも大きくすれば、傾斜防止用
板材１８によって差圧用ダイアフラム６５の過度の変形
が阻止されるため、過大圧(吸圧)導入時における差圧用
ダイアフラム６５の破壊防止にも役立つ。

【００２２】また、ｐ型拡散層５１ｂ側にも、剛性部材
５８と上下対応するように、即ち、差圧用ダイアフラム
６５の中央領域６５ａの外周に沿って環状に、突起５７
が形成してある。そして、この突起５７の先端と差圧用
ダイアフラム６５の裏面との間に、μｍオーダーの初期
間隙(図１のΔｔ₁に相当)を設けることによって、初期
の無負荷状態において突起５７の先端が差圧用ダイアフ
ラム６５の裏面に接触しないようにしてある。尚、この
突起５７が、過大圧(加圧)導入時における差圧用ダイア
フラム６５の破壊防止にも役立つことは言うまでもな
い。

【００２３】このような差圧用ダイアフラム６５に、図
４(ａ)に示すように所定値以上の差圧ΔＰが印加される
と、その中央領域６５ａの外周の上下移動が突起５７と
剛性部材５８とによって完全に阻止される。力の釣り合
い条件にしたがい、このときの差圧用ダイアフラム６５
の表面上における応力分布には、図４(ｂ)に示すよう
に、その中央領域６５ａ内の外縁部付近と、外周領域６
５ｂ内の外縁部付近との双方に、以下に示す数式(１)
(２)により与えられる引張応力のピークσ₂,σ₁が現れ
る。

【００２４】 σ₁＝３×(Ｘ²−Ｚ²)×ΔＰ／(１６×ｈ²) …(１) σ₂＝３×Ｙ²×ΔＰ／(１６×ｈ²) …(２) ここで、Ｘは、差圧用ダイアフラム６５の外径であり、
Ｙ及びＺは、剛性部材５８の内径及び外径であり、ｈ
は、差圧用ダイアフラム６５の肉厚である。

【００２５】そこで、本実施の形態では、差圧用ダイア
フラム６５の表面上の外周領域６５ｂの外縁部付近に、
４本のピエゾ抵抗３１ａ,３１ｂ,３１ｃ,３１ｄのそれ
ぞれを、ほぼ等中心角毎に、その長手方向が(１００)結
晶面上の結晶軸＜１１０＞方向に向かうように配置し
た。即ち、差圧ダイアフラム６５の半径方向に長手方向
をもつ２本のピエゾ抵抗３１ａ,３１ｃと、差圧ダイア
フラム６５の接線方向に長手方向をもつ２本のピエゾ抵
抗３１ｂ,３１ｄとが配置されている。尚、以下におい
ては、差圧ダイアフラム６５の半径方向に長手方向をも
つピエゾ抵抗をＬゲージと呼び、差圧ダイアフラム６５
の接線方向に長手方向をもつピエゾ抵抗をＴゲージと呼
ぶこととする。

【００２６】また、さらに、差圧用ダイアフラム６５の
表面上の中央領域６５ａの外縁部付近にも、４本のピエ
ゾ抵抗３２ａ,３２ｂ,３２ｃ,３２ｄのそれぞれを、ほ
ぼ等中心角毎に、その長手方向が(１００)結晶面上の結
晶軸＜１１０＞方向に向かうように配置した。即ち、２
本のＬゲージ３２ａ,３２ｃと、２本のＴゲージ３２ｂ,
３２ｄとが配置されている。

【００２７】そして、図６に示すように、差圧用ダイア
フラム６５の外周領域６５ｂの外縁部付近に配置された
４本のピエゾ抵抗３１ａ,３１ｂ,３１ｃ,３１ｄによっ
て、数式(３)で与えられる電圧Ｖ₁を出力するホイート
ストンブリッジ４０ａを構成し、これとは別に、差圧用
ダイアフラム６５の中央領域６５ａの外縁部付近に配置
された４本のピエゾ抵抗３２ａ,３２ｂ,３２ｃ,３２ｄ
によって、数式(４)で与えられる電圧Ｖ₂を出力するホ
イートストンブリッジ４０ｂを構成してある。

【００２８】Ｖ₁＝(１／２)×π₄₄×(１−ν)×σ₁×Ｖ …(３) Ｖ₂＝(１／２)×π₄₄×(１−ν)×σ₂×Ｖ …(４) ここで、νは、差圧用ダイアフラム６５のポワソン比で
あり、π₄₄は、各ピエゾ抵抗３１ａ,３１ｂ,３１ｃ,３
１ｄ,３２ａ,３２ｂ,３２ｃ,３２ｄの剪断のピエゾ抵抗
係数であり、Ｖは、励起電圧である。

【００２９】以上の数式(１)(２)(３)(４)より導出され
た数式(５)より、３つの形状パラメータＸ,Ｙ,Ｚを調整
すれば、２つのホイートストンブリッジ４０ａ,４０ｂ
の出力電圧比Ｖ₁:Ｖ₂を自在に変更することができるこ
とが判る。

【００３０】Ｖ₁／Ｖ₂＝(Ｘ²−Ｚ²)／Ｙ² ……(５) 即ち、本半導体圧力センサは、差圧用ダイアフラム６５
を１枚しか備えていないにも関わらず、図７に示すよう
に、印加された差圧を、互いに異なる２つの圧力感度で
検出することができる。例えば、２つのホイートストン
ブリッジ４０ａ,４０ｂの出力電圧比Ｖ₁:Ｖ₂が４:１に
なるように、３つの形状パラメータ比Ｘ:Ｙ:Ｚを５:２:
３に設定すれば、所定の圧力感度Ｓとその４倍の圧力感
度４×Ｓとによる差圧検出が可能となる。

【００３１】従って、例えば、マイクロコンピュータの
閾値処理等によって、測定圧力のレンジに応じて圧力感
度を切り替えて、０≦ΔＰ≦ΔＰ₁の低圧レンジにおい
ては、直線性は劣るが圧力感度の高い出力電圧Ｖ₁から
差圧を算出し、ΔＰ₁＜ΔＰ＜ΔＰ₂の高圧レンジにおい
ては、直線性は良好であるが圧力感度の低い出力電圧Ｖ
₂から差圧データを算出するようにすれば、低圧から高
圧に到る広範な圧力範囲の高精度測定を実現することが
できる。

【００３２】傾斜防止板材１８が設けられていない場合
であっても、以上の場合と同様に、１枚の差圧用ダイア
フラム６５によって、差圧を、互いに異なる２つの圧力
感度で検出することは可能であるが、この場合には、図
５(ａ)に示すように、差圧用ダイアフラム６５の変形に
よって剛性部材５８が中心側に傾き、剛性部材５８付近
で応力損失が生じるため、図５(ｂ)に示すように、差圧
用ダイアフラム６５の表面上における応力分布に、傾斜
防止板材１８を設けた場合ほどの明瞭なピークがあらわ
れなくなる。本実施の形態では、このような剛性部材５
８の傾きを阻止する傾斜防止用板材１８を設けたことに
よって、差圧用ダイアフラム６５の表面上に、より急峻
な応力分布が現れるようにしたため、一層の圧力感度の
向上及び非直線誤差の抑制が達成されている。

【００３３】また、各静圧用ダイアフラム６６ａ,６６
ｂ,６６ｃ,６６ｄの表面上にも、それぞれ、１本づつピ
エゾ抵抗３３ａ,３３ｂ,３３ｃ,３３ｄを配置してあ
る。そして、これら４本のピエゾ抵抗３３ａ,３３ｂ,３
３ｃ,３３ｄによって、静圧に応じた電圧Ｖ₃を出力する
ホイートストンブリッジ４０ｃを構成してある(図６参
照)。

【００３４】また、本実施の形態では、シリコンチップ
１００上に、拡散抵抗３４を、その長手方向が(１００)
結晶面上の結晶軸＜１００＞方向に向かうように、即
ち、周囲の温度変化にのみ感応するように配置してある
ため、この拡散抵抗３４(以下、温度センサ３４と呼ぶ)
にも電源から励起電圧Ｖが供給されるようにしておく
(図６参照)。

【００３５】尚、３５,３６は、ホイートストンブリッ
ジ等を構成するために各ピエゾ抵抗から引き出された引
出線であり、１,２,３,４,５,６,７,８,９,１０,１１,
１２,１３,１４,１５,１６は、これらの引出線３５,３
６を相互に接続するためのコンタクトパッド(アルミニ
ウム)である。これらの引出線３５,３６の内、ピエゾ抵
抗の近傍や差圧用ダイアフラム６５の表面上等の温度ヒ
ステリシスによる影響が大きな領域に敷設される引出線
３５は、ボロンその他の不純物の高濃度拡散によって形
成されていることが望ましいが、差圧用ダイアフラム６
５の外側等の温度ヒステリシスによる影響が小さな領域
に敷設されてる引出線３６は、アルミニウムその他の低
抵抗の導体によって形成されていても構わない。

【００３６】次に、図８により、本実施の形態に係る半
導体圧力センサの製造方法について説明する。

【００３７】(ａ)ボロン等の不純物をｎ型単結晶シリコ
ン基板５１ａに高濃度に拡散させることによって、その
表面にｐ型拡散層５１ｂを形成する。更に、このｐ型拡
散層５１ｂに部分的にリン等のイオンを注入することに
よって、その表面に５つのｎ型不純物拡散層５５ａ,５
５ｂ、即ち、差圧用ダイアフラム６５の下地となるべき
ｎ型不純物拡散層５５ａ(以下、第一犠牲層５５ａと呼
ぶ)、及び、各静圧用ダイアフラム６６ａ,６６ｂ,６６
ｃ,６６ｄの下地となるべきｎ型不純物拡散層５５ｂ(以
下、第二犠牲層５５ｂと呼ぶ)を形成する。但し、圧力
導入口６３及び突起５７を形成する関係上、位置に応じ
て厚さが異なる第一犠牲層５５ａを形成するための工
夫、例えば、ｐ型拡散層５１ｂへのイオン注入過程にお
いて加速器の加速電圧を２段階に切り替える等の工夫が
必要となる。

【００３８】このようにして第一犠牲層５５ａと第二犠
牲層５５ｂの形成が終了したら、その後、ＣＶＤ法を用
いて、ＳｉＯＮ、ＳｉＯ₂、ＳｉＮ、Ａｌ₂Ｏ₃等の絶縁
物を堆積させることによって、これらの拡散層５１ｂ,
５５ａ,５５ｂ上に適当な厚さの絶縁膜５２を形成す
る。

【００３９】そして、この絶縁膜５２上にｎ型単結晶シ
リコンを貼り合わた後、グラインディングによって適当
な厚さのｎ型単結晶シリコン膜５３に仕上げる。或るい
は、エピタキシャル成長、ポリシリコンの堆積等によっ
て、ｎ型単結晶シリコン膜５３を形成する。

【００４０】(ｂ)その後、ボロン等の不純物をｎ型単結
晶シリコン膜５３に拡散させることによって、その表面
上の所定の位置にピエゾ抵抗３１ａ,３１ｂ,３１ｃ,３
１ｄ,３２ａ,３２ｂ,３２ｃ,３２ｄ,３３ａ,３３ｂ,３
３ｃ,３３ｄ、及び、温度センサ３４を形成する。具体
的には、差圧用ダイアフラム６５の中央領域６５ａとな
るべき領域の外縁部付近と、外周領域６５ｂとなるべき
領域の外縁部付近とに、それぞれ、４本のピエゾ抵抗を
形成し、静圧用ダイアフラム６６ａ,６６ｂ,６６ｃ,６
６ｄとなるべき領域のそれぞれにピエゾ抵抗を１本づつ
形成する。また、ダイアフラムが形成されていないセン
サチップ１００上の肉厚領域に、温度センサ３４を形成
する。

【００４１】更に、各ホイートストーンブリッジ４０
ａ,４０ｂ,４０ｃ(図６参照)が形成されるように、ｎ型
単結晶シリコン膜５３上に引出線３５,３６を形成す
る。具体的には、温度ヒステリシスによる影響が大きな
領域には、ボロン等の不純物の高濃度拡散によって引出
線３５を形成し、それ以外の領域には、アルミニウム等
の低抵抗導体の蒸着によって引出線３６を形成する。或
るいは、不純物の拡散によって、全引出線を形成するよ
うにしても構わない。

【００４２】(ｃ)その後、ホトレジストを用いて、ｎ型
単結晶シリコン膜５３上にレジストパターン５６を形成
した後、このレジストパターン５６をマスクにして、ｎ
型単結晶シリコン膜５３と絶縁膜５２とをエッチングす
ることによって、静圧検出に悪影響を与えない箇所に、
外部と第二犠牲層５５ｂとをつなぐ貫通穴６４を形成す
る。そして、ｎ型シリコンに対するＳｉＯＮ及びｐ型拡
散層の選択比が大きいエッチング液(例えば、ヒドラジ
ン)を、圧力導入口６３となるべき部位と貫通穴６４と
から導入することによって、第一犠牲層５５ａと第二犠
牲層５５ｂとを選択的にエッチング除去する。そして、
不要なエッチング液を回収すれば、突起５７と圧力導入
口６３とが完成する。

【００４３】(ｄ)その後、レジストパターン５６を除去
した後、差圧用ダイアフラム６５の中央領域６５ａとな
るべき領域の外周に沿って、帯状に、絶縁酸化膜３７を
形成する。

【００４４】そして、貫通穴６４を、アルミニウム等の
厚膜５４で埋めることによって、第二犠牲層５５ｂを除
去した後の空洞６２を気密封止する。これにより、静圧
用ダイアフラム６６ａ,６６ｂ,６６ｃ,６６ｄが完成す
る。また、これと同一工程において、絶縁膜３７上に、
剛性部材５８となるべきアルミニウム厚膜等を形成す
る。尚、より厚い剛性部材５８が必要な場合には、この
剛性部材５８だけを形成する工程を別途設けることが望
ましい。

【００４５】(ｅ)その後、剛性部材５８上に、低融点ガ
ラスやパイレックスガラス等の接着層１７を形成し、そ
の上に、傾斜防止用板材１８として、予め貫通穴１８ａ
があけられたガラス板を貼り付ける。

【００４６】さらに、エッチングによって、差圧用ダイ
アフラム６５の外周領域６５ｂとなるべき領域の内、ピ
エゾ抵抗が形成されていない領域(リブ領域６５ｂ₁を除
く領域６５ｂ₂)を薄肉化すれば、差圧用ダイアフラム６
５が完成する。尚、このときのエッチングは、図９に示
すように絶縁膜５２に達していても構わないし、貫通穴
さえあかなければ、図１０に示すように絶縁膜５２に及
んでいても構わない。

【００４７】そして、このようにして完成されたセンサ
チップをポスト５９に固着することによって、本実施の
形態に係る半導体圧力センサが完成する。

【００４８】ところで、差圧用ダイアフラム６５上にお
けるピエゾ抵抗の配置は、図２に示したものだけに限ら
れるわけではない。例えば、差圧用ダイアフラム６５の
周辺領域５６ｂには、図１１に示すように、圧縮応力の
ピーク(図４中のσ₃)が現れている内縁部付近に、２本
のＬゲージ３１ａ,３１ｃと２本のＴゲージ３１ｂ,３１
ｄとを配置するようにしても構わない。また、差圧用ダ
イアフラム６５の周辺領域６５ｂには、図１２に示すよ
うに、圧縮応力のピークσ₃が現れている内縁部付近に
２本のＬゲージ３１ｂ,３１ｄを配置し、引張応力のピ
ークσ₁が現れている外縁部付近に２本のＬゲージ３１
ａ,３１ｃを配置するようにしてもよい。また、差圧用
ダイアフラム６５の周辺領域６５ｂには、図１３に示す
ように、圧縮応力のピークσ₃が現れている内縁部付近
に、２本のＴゲージ３１ｂ,３１ｄを配置し、引張応力
のピークσ₁が現れている外縁部付近に、２本のＴゲー
ジ３１ａ,３１ｃを配置するようにしてもよい。

【００４９】また、本実施の形態では、一枚の差圧用ダ
イアフラム６５の圧力感度を複数化することによって、
レンジアビリティの向上とセンサチップ１００の小型化
という、従来両立が困難とされていた２つの課題を達成
しているが、センサチップ１００の小型化に重点がおか
れている場合等には、傾斜防止用板材１８として、圧力
導入用の貫通穴１８ａがあけられていないガラス板材
(厚さ約２００μｍ程度)を使用することが望ましい。こ
のような傾斜防止用板材を使用した場合、ダイアフラム
６５の中央領域６５ａと傾斜防止用板材１８との間に気
密空間が形成されるため、ダイアフラム６５の中央領域
６５ａは、圧力導入口６３から導入された圧力と、気密
空間内部の基準圧との差(静圧)に感応する静圧用ダイア
フラムとして機能する。従って、レンジアビリティの向
上の達成は困難となるが、センサチップ１００のコーナ
部に静圧用ダイアフラム６６を形成する必要がなくなる
ため、より小型のセンサチップ１００を提供することが
可能となる。

【００５０】

【発明の効果】本発明によれば、レンジアビリティが広
く、しかも高精度な小型の半導体圧力センサを提供する
ことができる。

【００５１】また、本発明によれば、静圧及び差圧の双
方が検出可能な小型の半導体圧力センサを提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態に係る半導体圧力センサ
の断面図である。

【図２】(ａ)は、本発明の実施の一形態に係る半導体圧
力センサのセンサチップの上面図であり、(ｂ)は、その
矢視Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ断面図である。

【図３】本発明の実施の一形態に係る半導体圧力センサ
の断面図である。

【図４】(ａ)は、本発明の実施の一形態に係る差圧用ダ
イアフラムの変形を概念的に示した断面図であり、(ｂ)
は、その際の差圧用ダイアフラム上における応力分布図
である。

【図５】(ａ)は、傾斜防止用板材が設けられていない差
圧用ダイアフラムの変形を概念的に示した断面図であ
り、(ｂ)は、その際の差圧用ダイアフラム上における応
力分布図である。

【図６】ピエゾ抵抗の結線図である。

【図７】本発明の実施の一形態に係る半導体圧力センサ
の出力特性を示した図である。

【図８】本発明の実施の一形態に係る半導体圧力センサ
の製造方法を説明するための図である。

【図９】本発明の実施の一形態に係る半導体圧力センサ
のセンサチップの矢視Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ断面図であ
る。

【図１０】本発明の実施の一形態に係る半導体圧力セン
サのセンサチップの矢視Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ断面図であ
る。

【図１１】(ａ)は、本発明の実施の一形態に係る半導体
圧力センサのセンサチップの上面図であり、(ｂ)は、そ
の矢視Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ断面図である。

【図１２】(ａ)は、本発明の実施の一形態に係る半導体
圧力センサのセンサチップの上面図であり、(ｂ)は、そ
の矢視Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ断面図である。

【図１３】(ａ)は、本発明の実施の一形態に係る半導体
圧力センサのセンサチップの上面図であり、(ｂ)は、そ
の矢視Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ断面図である。

【符号の説明】

1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16…コンタクト
パッド 17…接着層 18…傾斜防止用板材 18a…傾斜防止用板材の貫通穴 31a,31b,31c,31d…ピエゾ抵抗 32a,32b,32c,32d…ピエゾ抵抗 33a,33b,33c,33d…ピエゾ抵抗 34…温度センサ 35…引出線 36…引出線 37…絶縁酸化膜 40a,40b,40c…ホイートストンブリッジ 51a…ｎ型単結晶シリコン基板 51ｂ…ｐ型高濃度不純物拡散層 52…絶縁膜 53…ｎ型単結晶シリコン膜 54…貫通穴を塞ぐアルミニウム厚膜 55a,55b…ｎ型不純物拡散層(第一犠牲層55a、第二犠牲
層55b) 56…レジストパターン 57…ｐ型高濃度不純物拡散層に設けられた突起 58…剛性部材 59…ポスト 59a…ポスト端面 59b…ポスト凸部 60…接着層 62…静圧用ダイアフラムの基準圧用の空洞 63…圧力導入口 64…貫通穴 65…差圧用ダイアフラム 65a…差圧用ダイアフラムの中央領域 65b…差圧用ダイアフラムの外周領域 65b₁…差圧用ダイアフラムの外周領域のリブ領域 65b₂…差圧用ダイアフラムの外周領域の薄肉化領域 66…静圧用ダイアフラム 66a,66b,66c,66d…静圧用ダイアフラム 68…圧力導入口 100…センサチップ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に固定された差圧用ダイアフラムに
配置された複数の歪みゲージによって、前記差圧用ダイ
アフラムに印加された差圧に応じた当該差圧ダイアフラ
ムの歪みを検出する圧力センサであって、前記基板側に変位した前記差圧用ダイアフラムを、当該
差圧用ダイアフラムの基板対向面の中央領域の外周部で
支持する支持部材と、前記差圧用ダイアフラムの基板対向面と反対側の面の中
央領域の外周部に形成された剛性部材と、前記差圧用ダイアフラムに対する前記剛性部材の傾斜を
阻止する傾斜防止部材とを備え、前記複数の歪みゲージは、前記差圧用ダイアフラムの中
央領域と当該中央領域を囲む外周領域とに配置されてい
ることを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】請求項１記載の圧力センサであって、前記差圧ダイアフラムの中央領域を囲む外周領域は、前
記歪みゲージの配置領域を除いた領域が前記歪みゲージ
の配置領域よりも肉薄に形成されていることを特徴とす
る圧力センサ。
【請求項３】請求項１または２記載の圧力センサであっ
て、前記差圧ダイアフラムの基板対向面の反対側の面に対向
する圧力導入口を有するポストを備え、前記圧力導入口
の開口面積は、前記差圧ダイアフラムの中央領域の面積
よりも狭いことを特徴とする圧力センサ。
【請求項４】請求項１、２及び３のうちの何れか１項記
載の圧力センサであって、当該圧力センサの温度を検出する温度センサを備えるこ
とを特徴とする圧力センサ。
【請求項５】請求項１、２、３及び４のうちの何れか１
項記載の圧力センサであって、前記剛性部材は、前記外周部に分断なく形成され、前記傾斜防止部材は、前記剛性部材に囲まれた空間を密
閉する板材であることを特徴とする圧力センサ。