JPH10142086A

JPH10142086A - 半導体圧力センサとその製造方法及びこれを用いた差圧伝送器

Info

Publication number: JPH10142086A
Application number: JP8295085A
Authority: JP
Inventors: Yasunori Shoji; 康則庄司; Seiichi Ukai; 征一鵜飼; Yasushi Shimizu; 康司清水
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-11-07
Filing date: 1996-11-07
Publication date: 1998-05-29

Abstract

(57)【要約】【課題】相対圧力を検出できるとともに、検出出力の直
線性が向上された高精度の半導体圧力センサを実現す
る。【解決手段】シリコン基板51aの表面に高濃度不純物層5
1bが形成され不純物層51b内に円形状の差圧検出用中洞
部61、静圧検出用中洞部62、圧力導入口63、エッチング
液導入用穴部64が形成される。不純物層51bにはSiONの
絶縁膜52、シリコン膜53が形成されダイアフラム65、66
を形成し、シリコン膜53には応力を検知するピエゾ抵抗
31a〜31d、32a〜32d、温度センサ33が形成される。ダイ
アフラム65上にアルミニウム厚膜の円形状のボス57が配
置され、ボス57の周縁近傍のダイアフラム65の一部分が
固定端として働き直線性の良い出力を得られる。ダイア
フラム65上のシリコンはピエゾ抵抗31a〜31dが形成され
たリブ67を除いて薄く形成され、これにより半導体圧力
センサの圧力感度を向上させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各種プラントで圧
力などを測定する際に使用される半導体圧力センサなら
びにこれを用いた差圧伝送器に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧力を受けて変位するダイアフラム上に
感歪ゲージとしてピエゾ抵抗を使用し、圧力センサを構
成することは広く知られている。従来、この種の圧力セ
ンサはシリコン基板を裏面から深くエッチングしてダイ
アフラムを形成するバルクマイクロマシーニング技術と
呼ばれる方法で製作されてきた。

【０００３】これに対して、最近はシリコン基板表面だ
けを加工することによってダイアフラムを形成するサー
フェイスマイクロマシーニング技術と呼ばれる方法を用
いた圧力センサの開発が進められている。

【０００４】特開平３−２０２７３９号公報、特開平３
−２０２７４０号公報、特開平５−１２６６６１号公報
は、単結晶シリコン基板上に堆積させた薄膜を犠牲層と
してエッチングすることでダイアフラムを形成した半導
体圧力センサの例である。これらの半導体圧力センサで
は、シリコン基板の裏面加工や深いエッチングが不要と
なり、制作工程の削減、ならびに低コスト化が図られて
いる。

【０００５】特に、特開平５−１２６６６１号公報に記
載された半導体圧力センサにおいては、可動ダイアフラ
ムの周辺を段差構造のないフラットな形状とすることに
より、応力集中を避けることができ、良好なセンサ特性
を得ることが可能となっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来のフ
ラットな形状の半導体圧力センサにおいては、犠牲層エ
ッチングの後、受圧ダイアフラム上に設けられたエッチ
ャント導入口が封止されるため、単結晶シリコン片側凹
部とダイアフラムとで構成される中洞部は密封されてし
まう。そのため、検出可能な圧力は絶対圧に限られてし
まう。

【０００７】また、上記従来のフラットな形状の半導体
圧力センサにおいて、さらに、圧力検出出力の直線性の
向上により、さらに高精度の半導体圧力センサが望まれ
ている。

【０００８】本発明の目的は、以上のような従来技術の
課題を解決すべく、相対圧力を検出できるとともに、検
出出力の直線性が向上された高精度の半導体圧力センサ
とその製造方法及びこれを用いた差圧伝送器を実現する
ことである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

（１）上記目的を達成すため、本発明は次のように構成
される。すなわち、単結晶シリコン基板の一方の面に形
成された凹部と、この凹部開口側を覆うように上記単結
晶シリコン基板の一方の面に形成した絶縁膜と、この絶
縁膜上に配置され、少なくとも１個のピエゾ抵抗が形成
されたシリコン膜とを有し、上記絶縁膜及びシリコン膜
により、測定する圧力に応じて変位する差圧ダイアフラ
ムとする半導体圧力センサにおいて、上記差圧ダイアフ
ラムの上記単結晶シリコン基板に形成された凹部に対向
する面とは反対側の面上の領域に形成された剛体部と、
上記絶縁膜と上記単結晶シリコン基板の凹部とにより形
成された空間部に圧力を導入する導入口と備える。

【００１０】圧力導入口が形成され、差圧ダイアフラム
上には、剛体部が配置されているため、相対圧力を検出
できるとともに、検出出力の直線性が向上される。

【００１１】（２）好ましくは、上記（１）において、
上記差圧ダイアフラムのピエゾ抵抗が配置された所定領
域を除く領域の厚みは、ピエゾ抵抗が配置された領域の
厚みよりも小である。

【００１２】差圧ダイアフラムのピエゾ抵抗が配置され
た所定領域を除く領域の厚みは、ピエゾ抵抗が配置され
た領域の厚みよりも小とすれば、検出感度を向上するこ
とができる。

【００１３】（３）また、好ましくは、上記（１）にお
いて、上記単結晶シリコン基板の一方の面に形成された
凹部とは異なる他の凹部が上記単結晶シリコン基板の一
方の面に形成され、絶縁膜とシリコン膜とからなり、ピ
エゾ抵抗が配置され上記差圧ダイアフラムとは異なる静
圧ダイアフラムが上記他の凹部開口側を覆うように形成
され、上記他の凹部と静圧ダイアフラムとからなる他の
空間部であって、圧力導入口を有していない上記他の空
間部が形成される。

【００１４】（４）また、好ましくは、上記（１）にお
いて、上記単結晶シリコン基板上に、温度センサが形成
されている。（５）また、好ましくは、上記（１）において、上記差
圧ダイアフラム上には４個のピエゾ抵抗が配置され、こ
れら４個のピエゾ抵抗すべてを上記差圧ダイアフラムの
周縁部近傍に配置し、上記４個のピエゾ抵抗のうちの２
個のピエゾ抵抗をその長手方向が上記差圧ダイアフラム
の半径方向に平行となるように配置し、他の２個のピエ
ゾ抵抗をその長手方向が上記差圧ダイアフラムの接線方
向に平行となるように配置し、これら４個のピエゾ抵抗
によりホイートストンブリッジ回路を形成する。

【００１５】（６）また、好ましくは、上記（１）にお
いて、上記差圧ダイアフラム上には４個のピエゾ抵抗が
配置され、これら４個のピエゾ抵抗すべてを上記剛体部
近傍に配置し、上記４個のピエゾ抵抗のうちの２個のピ
エゾ抵抗をその長手方向が上記差圧ダイアフラムの半径
方向に平行となるように配置し、他の２個のピエゾ抵抗
をその長手方向が上記差圧ダイアフラムの接線方向に平
行となるように配置し、これら４個のピエゾ抵抗により
ホイートストンブリッジ回路を形成する。

【００１６】（７）また、好ましくは、上記（１）にお
いて、上記差圧ダイアフラム上には４個のピエゾ抵抗が
配置され、これら４個のピエゾ抵抗のうちの２個のピエ
ゾ抵抗を上記差圧ダイアフラムの周縁部近傍に、その長
手方向が上記差圧ダイアフラムの半径方向に平行となる
ように配置し、他の２個のピエゾ抵抗を上記剛体部近傍
に、その長手方向が上記差圧ダイアフラムの半径方向に
平行となるように配置し、これら４個のピエゾ抵抗によ
りホイートストンブリッジ回路を形成する。

【００１７】（８）また、好ましくは、上記（１）にお
いて、上記差圧ダイアフラム上には４個のピエゾ抵抗が
配置され、これら４個のピエゾ抵抗のうちの２個のピエ
ゾ抵抗を上記差圧ダイアフラムの周縁部近傍に、その長
手方向が上記差圧ダイアフラムの接線方向に平行となる
ように配置し、他の２個のピエゾ抵抗を上記剛体部近傍
に、その長手方向が上記差圧ダイアフラムの接線方向に
平行となるように配置し、これら４個のピエゾ抵抗によ
りホイートストンブリッジ回路を形成する。

【００１８】（９）また、好ましくは、上記（１）にお
いて、上記シリコン膜上の上記単結晶シリコン基板に形
成された凹部とは反対側の面上の領域に、圧力導入口を
有するポスト部材を固着する。

【００１９】（１０）また、好ましくは、上記（９）に
おいて、上記シリコン膜上の上記単結晶シリコン基板に
形成された凹部とは反対側の面上の領域に、圧力導入口
を有するポスト部材を低融点ガラスまたはパイレックス
ガラスを用いて接合する。

【００２０】（１１）また、好ましくは、上記（９）に
おいて、上記ポスト部材の圧力導入口が形成された面
と、上記差圧ダイアフラムとの間には、ダイアフラムが
変形しない初期状態で所定の間隔を有する。

【００２１】（１２）また、好ましくは、上記（９）に
おいて、上記剛体部の最大径は、上記ポスト部材の圧力
導入口の穴径よりも大きい。

【００２２】（１３）また、好ましくは、上記（９）に
おいて、上記差圧ダイアフラム上のピエゾ抵抗を結ぶ配
線は導電性の膜で形成されており、その配線は上記シリ
コン膜上の上記ポスト部材を固着する領域を越えて、セ
ンサ端面近傍まで延在している。

【００２３】（１４）また、好ましくは、上記（９）に
おいて、上記差圧ダイアフラム上のピエゾ抵抗を結ぶ配
線はシリコンの高濃度不純物層で形成されており、その
配線は上記シリコン膜上の上記ポスト部材を固着する領
域を越えて、センサ端面近傍まで延在している。

【００２４】（１５）また、上記（１）から（１４）の
半導体圧力センサを有する差圧伝送器において、第１測
定圧力が印加される第１ダイアフラムと、この第１ダイ
アフラムを介して第１測定圧力を上記差圧ダイアフラム
の一方面側に伝達する第１圧力伝達流体が封入された第
１受圧室と、第２測定圧力が印加される第２ダイアフラ
ムと、この第２ダイアフラムを介して第２測定圧力を上
記差圧ダイアフラムの他方面側に伝達する第２圧力伝達
流体が封入された第２受圧室とを備え、上記第１及び第
２受圧室の圧力が、上記半導体圧力センサの上記差圧ダ
イアフラムに直接伝達される。

【００２５】半導体圧力センサ自体に正負両過大圧に対
する機械的なストッパ、つまり、剛体部が形成されてい
るため、過大圧力がかかった場合にセンサを保護する特
別な構造を伝送器本体に設ける必要がなく、製作が容易
になり、伝送器としての出力特性をより安定にすること
ができる。

【００２６】（１６）また、半導体圧力センサの製造方
法において、単結晶シリコン基板の表面付近にｐ型高濃
度不純物層を形成し、上記ｐ型高濃度不純物層の部分領
域にｎ型不純物層を形成し、上記ｎ形不純物層の上を覆
う耐エッチング性の絶縁膜を形成し、上前耐エッチング
性の絶縁膜を貫通して上記ｎ型不純物層へ到達するエッ
チング液導入口を少なくとも１個形成し、上記エッチン
グ液導入口を通してエッチング液を注入し、上記ｎ型不
純物層を犠牲層エッチングして、単結晶シリコン基板に
凹部を形成し、上記ｎ型不純物層の上記凹部に対向する
面とは、反対側の面に厚膜の剛体部を形成する。

【００２７】

【発明の実施の形態】図１は、本発明における第１の実
施形態である半導体圧力センサの概略上面図であり、図
２は、図１のＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ線に沿った概略断面図
である。図１及び図２において、ｎ型単結晶シリコン基
板５１ａの表面領域にボロンを注入したｐ型高濃度不純
物層５１ｂが形成されている。このｐ型高濃度不純物層
５１ｂ内には円形状の差圧検出用中洞部（凹部）６１、
静圧検出用中洞部６２、圧力導入口６３ならびにエッチ
ング液導入用穴部６４といった各空間領域が形成されて
いる。

【００２８】そして、ｐ型高濃度不純物層５１ｂ上には
ＳｉＯＮの絶縁膜５２、その上にｎ型単結晶シリコン膜
５３が形成されており、この２層の膜が、圧力を受けて
変位するダイアフラム６５、６６を形成している。

【００２９】また、上記ｎ型単結晶シリコン膜５３上に
は圧力を受けてダイアフラムが変形した際の応力を検知
するピエゾ抵抗３１ａ〜３１ｄ、３２ａ〜３２ｄおよび
温度センサ３３が形成されている。アルミニウム厚膜５
４はエッチング液導入用穴部６４を埋めるためのもので
ある。３４はｐ型高濃度不純物層の配線、３５はアルミ
ニウムの配線、１〜１２はアルミニウムのコンタクトパ
ッドである。

【００３０】ダイアフラム６５上の中央部には、アルミ
ニウム厚膜で形成されたボス５７が配置されている。こ
のボス５７は円形状であり、円形状の差圧検出用中洞部
６１の径より小の径を有している。このボス５７をダイ
アフラム６５上に配置することにより、ボス５７の周縁
近傍のダイアフラム６５の一部分が固定端として働くよ
うになるため、より直線性の良い出力を得ることができ
る。

【００３１】さらに、ダイアフラム６５上のシリコン
を、ピエゾ抵抗３１ａ〜３１ｄが形成された部分領域６
７を除いて薄く形成されている。つまり、差圧ダイアフ
ラム６５のピエゾ抵抗が配置された所定領域を除く領域
の厚みは、ピエゾ抵抗が配置された領域の厚みよりも小
である。

【００３２】このピエゾ抵抗が形成された部分領域６７
をリブと呼ぶ。このリブ６７は、中洞部６１の周辺部分
から、ダイアフラム６５のボス５７が配置された周縁部
分までとを結ぶ４つの橋状の形状となっている。このよ
うに、リブ６７を除いて、ダイアフラム６５を薄く形成
することにより、半導体圧力センサの出力の直線性を維
持しながら圧力感度を向上させることができる。

【００３３】図３（ａ）〜（ｄ）は、上述した半導体圧
力センサの製造工程を示す図である。図３の（ａ）にお
いて、ダイアフラム支持基板５１ａは、ｎ型シリコン単
結晶からなり、この支持基板５１ａの上面には、例えば
ボロンを拡散して形成されたｐ型高濃度不純物層５１ｂ
の領域が形成される。そして、このｐ型高濃度不純物層
５１ｂ内の部分領域に、更に例えばリンをイオン注入し
てｎ型不純物層５５を形成する。

【００３４】図１の例では差圧検出用中洞部６１、静圧
検出用中洞部６２、圧力導入口６３の部分が、ｎ型高濃
度不純物層５５の形成領域となる。これら不純物層５１
ｂ、５５を形成した後、ダイアフラム支持基板５１ｂ上
に、例えばＳｉＯＮといった絶縁膜５２をＣＶＤで堆積
させる。この絶縁膜５２はＳｉＯＮの他、ＳｉＯ₂、Ｓ
ｉＮ、Ａｌ₂Ｏ₃であってもよい。

【００３５】絶縁膜５２の上にｎ型単結晶シリコンを貼
り合わせた後、グラインディングしてシリコン膜５３を
形成する。このシリコン膜５３はエピタキシャル成長さ
せても構わないし、ポリシリコンを堆積させても構わな
い。

【００３６】次に、図３の（ｂ）において、シリコン膜
上にボロンを注入してピエゾ抵抗３１ａ〜３１ｄ、３２
ａ〜３２ｄ、３３と、ボロン高濃度不純物層３４及びア
ルミニウム配線３５を形成する。

【００３７】その後、図３の（ｃ）において、シリコン
膜５３上をホトレジスト５６で保護し、圧力を受けて変
位するダイアフラム領域とは異なった領域にエッチング
液導入用穴部６４を形成し、この穴部６４を通して、例
えばヒドラジンを用いてシリコンのエッチングを行う。
ヒドラジンはｎ型シリコンに対するＳｉＯＮ、ｐ型高濃
度不純物シリコンの選択比が大きく、差圧検出用中洞部
６１、静圧検出用中洞部６２、圧力導入口６３の領域を
選択的にエッチング除去することができる。

【００３８】次に、図３の（ｄ）において、ｎ型不純物
層のエッチングが終了したらエッチング液を取り除き、
シリコン膜５３上を覆っていたホトレジスト５６を除去
してエッチング液導入用穴部６４を、例えばアルミニウ
ム厚膜５４で埋める。この時、圧力導入口６３をもつダ
イアフラム６５は差圧検出用ダイアフラムとなり、圧力
導入口をもたないダイアフラム６６は静圧検出用ダイア
フラムとなる。

【００３９】そして、このアルミニウム厚膜のボス５７
が、エッチング導入用穴部６４を塞ぐ工程で同時に形成
される。さらに、ダイアフラム６５のうち、リブ６７を
除く部分が薄くなるように処理される。

【００４０】なお、アルミニウムの膜厚５７を形成する
ためには、上記工程（ｄ）以外の別工程を設けても構わ
ないし、アルミニウム以外の材料を使用しても差し支え
ない。また、ダイアフラム６５のリブ６７を除く部分に
薄いダイアフラムを作る方法は、図６に示すように、ダ
イアフラム６５上におけるリブ以外のシリコン部分を完
全に除去する方法や、図７に示すように、ダイアフラム
６５上におけるリブ６７以外のシリコン部分を完全に除
去した後でさらに絶縁膜を薄くする方法もある。

【００４１】上記差圧センサ用ダイアフラム６５及びそ
の外側に形成された４個の静圧センサ用ダイアフラム６
６のそれぞれの表面付近に形成されたｐ型のピエゾ抵抗
３１ａ〜３１ｄ、３２ａ〜３２ｄは、応力に対して最も
高感度な＜１１０＞方向に作り込まれる。

【００４２】ピエゾ抵抗は、長手方向に引張応力がはた
らいた場合には、抵抗値が増加する。この方向に配列し
たゲージをＬゲージと呼ぶ。また、横手方向に引張応力
がはたらいた場合には、抵抗値が減少する。この方向に
配列したゲージをＴゲージと呼ぶ。

【００４３】図１の例では差圧検出用ダイアフラム６５
上のピエゾ抵抗３１ａ〜３１ｄの４個をすべてダイアフ
ラム６５の支持部近傍に配置し、長手方向がダイアフラ
ム６５の半径方向に平行となる２個のＬゲージ３１ａ、
３１ｃ、長手方向がダイアフラム６５の接線方向に平行
となる２個のＴゲージ３１ｂ、３１ｄを配列する。ま
た、静圧検出用ダイアフラム６６上にＬゲージ３２ａ、
３２ｃ、Ｔゲージ３２ｂ、３２ｄをそれぞれ１個ずつ配
置している。

【００４４】ピエゾ抵抗３１ａ〜３１ｄ、３２ａ〜３２
ｄは、図４に示すように２組のホイートストンブリッジ
回路を構成する。ここで、差圧検出用ダイアフラム６５
とピエゾ抵抗３１ａ〜３１ｄとで構成されるブリッジ回
路を差圧センサ、静圧検出用ダイアフラム６６とピエゾ
抵抗３２ａ〜３２ｄとで構成されるブリッジ回路を静圧
センサと呼ぶ。

【００４５】ダイアフラム６５、６６に圧力が印加され
ると、それぞれのダイアフラム６５、６６がたわみ、ダ
イアフラム６５、６６上に形成されたピエゾ抵抗で構成
される各ブリッジ回路が上面と下面の圧力差にほぼ比例
したセンサ出力Ｖ１、Ｖ２を発生する。

【００４６】ここで、図４におけるＶは励起電圧であ
る。この時、差圧センサはセンサチップの上面と下面の
圧力差（差圧）を測定するのに対し、静圧センサはセン
サチップの上面と密閉された一定圧力部分との圧力差
（上面側の静圧）を測定することになる。

【００４７】一方、ダイアフラム６５、６６と同一基板
上に集積化される温度センサ３３も同様にボロン等を拡
散することで形成されるが、応力変化に対してほとんど
抵抗変化を示さない＜１００＞方向に配列することで、
温度に対してのみ感度をもたせるようにする。温度セン
サ３３は、図４に示したように差圧センサ、静圧センサ
のピエゾ抵抗ブリッジ回路と結線される。

【００４８】ピエゾ抵抗３１ａ〜３１ｄ、３２ａ〜３２
ｄの配列間ならびにアルミニウムのコンタクトパッド１
〜１２への配線には、高濃度にボロン等を拡散したｐ型
不純物拡散層３４とアルミニウムの配線３５とを併用す
る。ｐ型不純物拡散層を用いた配線方法により、アルミ
配線等を用いたときに生じる温度ヒステリシスを小さく
することができる。

【００４９】本実施形態では、第１ダイアフラム６５の
外側や、ピエゾ抵抗３１ａ〜３１ｄ、３２ａ〜３２ｄか
ら離れた場所など、温度ヒステリシスの影響が比較的小
さい場所については、抵抗値の小さいアルミニウム配線
を使用しているが、この他、ボンディングパッドを除く
全ての配線をシリコンの高濃度不純物層とする配線方法
も可能である。つまり、差圧ダイアフラム６５上のピエ
ゾ抵抗を結ぶ配線を導電性の膜で形成し、その配線はシ
リコン膜５３上の後述するポスト部材を固着する領域を
越えて、センサ端面近傍まで延在するように構成するこ
ともできる。

【００５０】次に、図５を用いてダイアフラム６５に圧
力が印加された場合のセンサの動作について説明する。
ダイアフラム６５の上部と下部との間で圧力差が生じた
場合、上部がより高圧力ならば図５の（ａ）に示すよう
にダイアフラム６５が変形する。これは、ダイアフラム
６５の支持部とボス５７の近傍とがともに固定端として
働くためである。ダイアフラム６５の変形時に、ピエゾ
抵抗３１ａ〜３１ｄが作り込まれているダイアフラム表
面付近に発生する応力は、図５の（ｂ）に示すようにな
る。

【００５１】ダイアフラム６５上では、ダイアフラム６
５支持部近傍、つまり、差圧検出用中洞部６１の周縁部
で最大の引張応力σ₂が発生し、剛体部５７の近傍で最
大の圧縮応力が発生する。図５の（ａ）に示すように、
ダイアフラム６５の外径をＸ、ボス５７の外径をＹ、ダ
イアフラム６５の厚さをｈとすれば、差圧ΔＰが印加さ
れたとき引張応力σ₂は次式（１）で表される。 σ₂＝３（Ｘ²−Ｙ²）ΔＰ／（１６ｈ²） −−−（１）図１に示したように、ダイアフラム６５の支持部近傍に
それぞれＬゲージ、Ｔゲージを２個ずつ配置した場合に
は、差圧センサの出力Ｖ１は次式（２）で表される。Ｖ１＝（１／２）・π₄₄（１−ν）σ₂・Ｖ −−−（２）ただし、νはポワソン比、π₄₄は剪断のピエゾ抵抗係
数、Ｖは励起電圧である。

【００５２】ここで、従来技術のように、ダイアフラム
６５にボスを形成していない場合に、ダイアフラム６５
に圧力が印加された場合のセンサの動作について図１８
を用いて説明する。ダイアフラムの上部と下部との間で
圧力差が生じた場合、上部がより高圧力ならば図１８の
（ａ）に示すようにダイアフラムが変形する。ダイアフ
ラム変形時に、ピエゾ抵抗が作り込まれているダイアフ
ラム表面付近に発生する応力は、図１８の（ｂ）に示す
ようになる。

【００５３】ダイアフラム上では、ダイアフラム支持部
近傍で最大の引張応力σ₁が発生し、中央部近傍で最大
の圧縮応力が発生する。図１８の（ａ）に示すように、
ダイアフラムの外径をＸ、ダイアフラムの厚さをｈとす
れば、差圧ΔＰが印加されたときの引張応力σ₁は次式
（３）で表される。 σ₁＝３Ｘ²ΔＰ／（１６ｈ²） −−−（３）図１に示すように、ダイアフラムの支持部近傍にそれぞ
れＬゲージ、Ｔゲージを２個ずつ配置した場合には、差
圧センサの出力Ｖ１は次式（４）で表される。Ｖ１＝（１／２）・π₄₄（１−ν）σ₁・Ｖ −−−（４）通常、ダイアフラムに差圧△Ｐが印加された場合、この
差圧△Ｐが一定値以上となると、半導体圧力センサの出
力の直線性が損なわれる。つまり、上記（１）式及び
（３）式に示した、引張応力σ₁、σ₂が所定値以上とな
ると、出力Ｖ１の直線性が損なわれる。

【００５４】ここで、上記式（１）と（３）とを比較す
ると、同一の差圧△Ｐが印加されたとすると、引張応力
σ₁よりも引張応力σ₂の方が小さな値となる（σ₁／σ₂
＝Ｘ²／（Ｘ²−Ｙ²））。

【００５５】したがって、同一測定範囲内の差圧△Ｐに
関しては、図１、図２に示すように、ダイアフラム６５
上にボス５７が形成されている本発明の実施形態の方
が、半導体圧力センサの出力の直線性に優れることが理
解できる。

【００５６】上述したように、本発明の第１の実施形態
においては、圧力導入口６３が形成され、ダイアフラム
６５上の中央部には、アルミニウム厚膜で形成されたボ
ス５７が配置されているため、相対圧力を検出できると
ともに、検出出力の直線性が向上された高精度の半導体
圧力センサとその製造方法を実現することができる。

【００５７】さらに、ダイアフラム６５上のシリコン
を、ピエゾ抵抗３１ａ〜３１ｄが形成された部分領域で
あるリブ６７を除いて薄く形成したので、検出出力の直
線性を維持しながら圧力感度を向上させることができ
る。

【００５８】図８は、本発明における第２の実施形態で
ある半導体圧力センサの概略上面図であり、図９は、図
８のＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ線に沿った概略断面図である。
この第２の実施形態においては、ダイアフラム６５上に
形成されるピエゾ抵抗３１ａ〜３１ｄの配置方向の組合
せが図１の例とは異なっている。つまり、図８及び図９
に示すように、差圧センサ用ダイアフラム６５上のピエ
ゾ抵抗４個、３１ａ〜３１ｄをすべて剛体部（ボス）５
７の近傍に配置している。

【００５９】そして、ピエゾ抵抗３１ａ〜３１ｄの中の
３１ａと３１ｃとの２個を長手方向がダイアフラム６５
の半径方向に平行となるように配置し、ピエゾ抵抗３１
ｂと３１ｃの２個を長手方向がダイアフラム６５の接線
方向に平行になるように配置している。その他の構成
は、第１の実施形態と同様となっている。この第２の実
施形態においても、第１の実施形態と同様な効果を奏す
ることができる。

【００６０】図１０は、本発明における第３の実施形態
である半導体圧力センサの概略上面図であり、図１１
は、図１０のＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ線に沿った概略断面図
である。この第３の実施形態においては、差圧センサ用
ダイアフラム６５上のピエゾ抵抗４個３１ａ〜３１ｄの
うちの３１ａ及び３１ｃとの２個をダイアフラム６５の
支持部近傍に配置している。そして、残りの２個３１
ｂ、３１ｄを剛体部５７の近傍に配置し、ピエゾ抵抗３
１ａ〜３１ｄの長手方向が、ダイアフラム６５の半径方
向に平行になるように配置している。その他の構成は、
第１の実施形態と同様となっている。この第３の実施形
態においても、第１の実施形態と同様な効果を奏するこ
とができる。

【００６１】図１２は、本発明における第４の実施形態
である半導体圧力センサの概略上面図であり、図１３
は、図１２のＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ線に沿った概略断面図
である。この第４の実施形態においては、差圧センサ用
ダイアフラム６５上のピエゾ抵抗４個３１ａ〜３１ｄの
うちの３１ａ及び３１ｃの２個をダイアフラム６５の支
持部近傍に配置している。そして、残りの２個のピエゾ
抵抗３１ｂ及び３１ｄを剛体部５７の近傍に配置し、こ
れらピエゾ抵抗３１ａ〜３１ｄの長手方向がダイアフラ
ム６５の接線方向に平行になるように配置している。そ
の他の構成は、第１の実施形態と同様となっている。こ
の第４の実施形態においても、第１の実施形態と同様な
効果を奏することができる。

【００６２】上述した本発明の第１〜第４の実施形態で
ある半導体圧力センサは、図１４に示すように、センサ
チップの製造プロセス完了の後、圧力導入口６８をもつ
Ｆｅ−Ｎｉ合金等からなるポスト５８に固着される。図
１４の（Ａ）は、半導体圧力センサの上面を示し、図１
４の（Ｂ）は、半導体圧力センサにポスト５８が固着さ
れた場合の概略断面を示す。

【００６３】この図１４の例においては、ポスト５８と
センサチップとの間に低融点ガラス５９を挟み込んで接
合を行なっている。もちろん低融点ガラスの代わりにパ
イレックスガラスを挟み込んで接合を行なっても構わな
い。

【００６４】ここで、ポスト５８のセンサチップ側端面
７１とダイアフラム６５上の剛体部５７との間には、あ
る程度のクリアランス７２をとっておく。低融点ガラス
やパイレックスガラスの膜厚が十分大きければ、図１４
に示すように、ポスト５８のセンサチップ側端面７１は
フラットにすることができる。

【００６５】しかしながら、低融点ガラスやパイレック
スガラスの膜厚を十分大きくできない場合には、図１５
に示すように、ポスト５８の接合面７３をポスト５８の
センサチップ側端面７１よりも高くすることでクリアラ
ンス（所定の間隔）７２を形成することができる。

【００６６】剛体部５７の最大径が、接合されたポスト
５８の圧力導入口６８の径をよりも大きくなるようにす
れば、センサに圧力導入口６３から過大圧がかかった場
合にポスト５８のセンサチップ側端面７１と剛体部５７
とが接触するため、機械的なストッパとなる利点があ
る。

【００６７】なお、圧力導入口６８からの過大圧につい
ては差圧センサ用中洞部６１の下面が機械的なストッパ
となる。また、ピエゾ抵抗を結ぶアルミニウムの配線３
５は、低融点ガラスとｎ型単結晶シリコン膜５３の接合
部分７４よりも外側まで引き出しておく。もちろんこの
場合も配線はアルミニウムでなくシリコンの高濃度不純
物層であっても構わない。

【００６８】圧力センサは、この後、図１６に示すよう
に出力取り出し用金具（シール金具）７５に溶接あるい
は接着され、センサのコンタクトパッド１〜１２と出力
取り出し用端子７６とがリードワイヤ７７で接続され
る。この金具７５はハーメチックシールによって気密構
造となっている。

【００６９】上述した本発明の半導体圧力センサを用い
た差圧伝送器の一実施形態を図１７に示す。図１７にお
いて、シール金具に組み込まれた圧力センサを差圧伝送
器受圧部８１に組み込む。高圧力（第１測定圧力）側の
シールダイアフラム（第１ダイアフラム）８２ａと低圧
力（第２測定圧力）側のシールダイアフラム（第２ダイ
アフラム）８２ｂとに印加された圧力は、シリコーンオ
イル等の圧力伝達流体８３を通してセンサチップ８４に
伝達する。過大圧に対する機械的ストッパーをセンサチ
ップ自体にもたない従来の差圧伝送器では、伝送器本体
に機械的ストッパーとなるセンターダイアフラムを形成
する等の対策が必要であった。

【００７０】つまり、シールダイアフラム８２ａ、８２
ｂに印加された過大圧力が、圧力伝達流体を介してセン
サチップに直接伝達された場合には、センサチップが破
損する可能性があるため、シールダイアフラム８２ａ、
８２ｂとセンサチップとの間に、センターダイアフラム
を配置し、シールダイアフラム８２ａ、８２ｂに印加さ
れた圧力が、センターダイアフラムを介して、センサチ
ップに伝達されるように構成する必要があった。

【００７１】このようなセンターダイアフラムを伝送器
本体に設ける構成とすることは、製作工程が複雑になる
だけでなく、伝送器出力のドリフトや温度ヒステリシス
等の主原因となってしまっていた。

【００７２】これに対して、本発明による半導体圧力セ
ンサは、圧力センサ自体に正負両過大圧に対する機械的
なストッパ、つまり、剛体部５７が形成されているた
め、過大圧力がかかった場合にセンサチップを保護する
特別な構造を伝送器本体に設ける必要がなく、製作が容
易になり、伝送器としての出力特性をより安定にするこ
とができる。

【００７３】センサ出力は、ＦＰＣ（フレキシブルプリ
ント回路）８５を通して信号処理部へ伝達する。本発明
の差圧伝送器の場合、差圧、静圧、温度の３種類の出力
信号をＭＰＸ（マルチプレクサ）８６を介して選択的に
取り込む。次に、ＰＧＡ（プログラマブルゲインアン
プ）８７によって出力信号を増幅し、Ａ／Ｄ変換器８８
でディジタル信号に変換して、ＭＰＵ（マイクロプロセ
ッサ）８９に送信する。ＭＰＵ８９は、差圧、静圧、温
度センサの各特性が格納されたＲＯＭ９０のデータに基
づいてセンサ出力を補正演算し、差圧、静圧、温度のそ
れぞれの値を算出する。

【００７４】こうして得られた値は、再びＤ／Ａ変換器
９１でアナログ信号に変換し、Ｖ／Ｉ変換器９２を介し
て高精度なアナログ信号、ディジタル信号あるいはアナ
ログ、ディジタル信号が重畳した信号を出力する。

【００７５】以上のように、本発明の実施形態における
差圧伝送器によれば、圧力導入口が形成され、ダイアフ
ラム上の中央部にボスが配置されているとともに、ダイ
アフラムをリブを除いて薄く形成されている半導体圧力
センサを有しているので、検出出力の直線性を維持しな
がら圧力感度が向上された差圧伝送器を実現することが
できる。

【００７６】さらに、半導体圧力センサ自身に正負両過
大圧に対する機械的ストッパ（剛体部５７）が形成され
ているので、過大圧力が印加された場合のセンサチップ
を保護する特別な構造を伝送器本体に設ける必要がな
く、伝送器本体の構造が簡素化でき、出力特性が安定し
た高精度の差圧伝送器を実現することができる。

【００７７】

【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。圧力導入口が形成
され、差圧ダイアフラム上の中央部には、アルミニウム
厚膜で形成されたボスが配置されているため、相対圧力
を検出できるとともに、検出出力の直線性が向上された
高精度の半導体圧力センサとその製造方法を実現するこ
とができる。

【００７８】また、差圧ダイアフラム上のシリコンを、
ピエゾ抵抗が形成された部分領域であるリブを除いて薄
く形成したので、検出出力の直線性を維持しながら圧力
感度を向上させることができる。

【００７９】また、差圧検出器において、半導体圧力セ
ンサ自身に正負両過大圧に対する機械的ストッパが形成
されているので、過大圧力が印加された場合のセンサチ
ップを保護する特別な構造を伝送器本体に設ける必要が
なく、伝送器本体の構造が簡素化できるとともに、検出
出力の直線性を維持しながら圧力感度が向上された差圧
伝送器を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における第１の実施形態である半導体圧
力センサの概略上面図である。

【図２】図１のＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ線に沿った概略断面
図である。

【図３】図１の例の半導体圧力センサの製作工程図であ
る。

【図４】図１の例における半導体圧力センサのピエゾ抵
抗の結線図である。

【図５】図１の例において圧力が印加された時のダイア
フラムの変形ならびに表面付近に発生する応力分布を示
す図である。

【図６】図１に示した半導体圧力センサのダイアフラム
におけるリブ以外のシリコン部分を完全に除去した例を
示す図である。

【図７】図１に示した半導体圧力センサのダイアフラム
におけるリブ以外のシリコン部分を完全に除去し、さら
に絶縁膜を薄くした例を示す図である。

【図８】本発明における第２の実施形態である半導体圧
力センサの概略上面図である。

【図９】図８のＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ線に沿った概略断面
図である。

【図１０】本発明における第２の実施形態である半導体
圧力センサの概略上面図である。

【図１１】図１０のＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ線に沿った概略
断面図である。

【図１２】本発明における第３の実施形態である半導体
圧力センサの概略上面図である。

【図１３】図１２のＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ線に沿った概略
断面図である。

【図１４】本発明の半導体圧力センサをポスト５８に固
着した例を示す図である。

【図１５】本発明の半導体圧力センサをポスト５８に固
着した他の例を示す図である。

【図１６】本発明の半導体圧力センサを出力取り出し用
金具に組み込んだ状態を示す図である。

【図１７】本発明の半導体圧力センサを用いた差圧伝送
器の一実施形態を示す図である。

【図１８】従来の半導体圧力センサにおいて圧力が印加
された時のダイアフラムの変形ならびに表面付近に発生
する応力分布を示す図である。

【符号の説明】

１〜１２複合センサ出力取り出し用アルミコンタクト
パッド３１ａ〜３１ｄ差圧検出用ダイアフラム上ピエゾ抵抗３２ａ〜３２ｄ静圧検出用ダイアフラム上ピエゾ抵抗３３温度センサ用ゲージ３４ｐ型高濃度不純物層配線３５アルミニウム配線５１ａｎ型単結晶シリコン基板５１ｂｐ型高濃度不純物層５２ＳｉＯＮ絶縁膜５３ｎ型単結晶シリコン膜５４穴埋め用アルミニウム厚膜５５ｎ型不純物層５６ホトレジスト５７ボス５８ポスト５９低融点ガラス６１差圧検出用中洞部６２静圧検出用中洞部６３単結晶シリコン側圧力導入口６４エッチング液導入用穴部６５差圧検出用ダイアフラム６６静圧検出用ダイアフラム６７リブ６８ポスト側圧力導入口７１ポストのセンサチップ側端面７２ポストのセンサチップ側端面とダイアフラム上剛
体部とのクリアランス７３ポストと低融点ガラスとの接合面７４低融点ガラスとｎ型単結晶シリコン膜との接合面７５ハーメチックシール７６出力取り出し用端子７７リードワイヤ８１差圧伝送器受圧部８２ａ高圧力側シールダイアフラム８２ｂ低圧力側シールダイアフラム８３圧力伝達流体８４センサチップ８５フレキシブルプリント回路８６マルチプレクサ８７プログラマブルゲインアンプ８８Ａ／Ｄ変換器８９マイクロプロセッサ９０ＲＯＭ９１Ｄ／Ａ変換器９２Ｖ／Ｉ変換器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単結晶シリコン基板の一方の面に形成され
た凹部と、この凹部開口側を覆うように上記単結晶シリ
コン基板の一方の面に形成した絶縁膜と、この絶縁膜上
に配置され、少なくとも１個のピエゾ抵抗が形成された
シリコン膜とを有し、上記絶縁膜及びシリコン膜によ
り、測定する圧力に応じて変位する差圧ダイアフラムと
する半導体圧力センサにおいて、上記差圧ダイアフラムの上記単結晶シリコン基板に形成
された凹部に対向する面とは反対側の面上の領域に形成
された剛体部と、上記絶縁膜と上記単結晶シリコン基板の凹部とにより形
成された空間部に圧力を導入する導入口と備えることを
特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項２】請求項１記載の半導体圧力センサにおい
て、上記単結晶シリコン基板の一方の面に形成された凹
部とは異なる他の凹部が上記単結晶シリコン基板の一方
の面に形成され、絶縁膜とシリコン膜とからなり、ピエ
ゾ抵抗が配置され上記差圧ダイアフラムとは異なる静圧
ダイアフラムが上記他の凹部開口側を覆うように形成さ
れ、上記他の凹部と静圧ダイアフラムとからなる他の空
間部であって、圧力導入口を有していない上記他の空間
部が形成されたことを特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項３】請求項１記載の半導体圧力センサにおい
て、上記シリコン膜上の上記単結晶シリコン基板に形成
された凹部とは反対側の面上の領域に、圧力導入口を有
するポスト部材を固着したことを特徴とする半導体圧力
センサ。
【請求項４】請求項３記載の半導体圧力センサにおい
て、上記差圧ダイアフラム上のピエゾ抵抗を結ぶ配線は
導電性の膜で形成されており、その配線は上記シリコン
膜上の上記ポスト部材を固着する領域を越えて、センサ
端面近傍まで延在していることを特徴とする半導体圧力
センサ。
【請求項５】請求項１から４記載のうちのいずれか一項
記載の半導体圧力センサを有する差圧伝送器において、
第１測定圧力が印加される第１ダイアフラムと、この第
１ダイアフラムを介して第１測定圧力を上記差圧ダイア
フラムの一方面側に伝達する第１圧力伝達流体が封入さ
れた第１受圧室と、第２測定圧力が印加される第２ダイ
アフラムと、この第２ダイアフラムを介して第２測定圧
力を上記差圧ダイアフラムの他方面側に伝達する第２圧
力伝達流体が封入された第２受圧室とを備え、上記第１
及び第２受圧室の圧力が、上記半導体圧力センサの上記
差圧ダイアフラムに直接伝達されることを特徴とする差
圧伝送器。
【請求項６】半導体圧力センサの製造方法において、単結晶シリコン基板の表面付近にｐ型高濃度不純物層を
形成し、上記ｐ型高濃度不純物層の部分領域にｎ型不純物層を形
成し、上記ｎ形不純物層の上を覆う耐エッチング性の絶縁膜を
形成し、上前耐エッチング性の絶縁膜を貫通して上記ｎ型不純物
層へ到達するエッチング液導入口を少なくとも１個形成
し、上記エッチング液導入口を通してエッチング液を注入
し、上記ｎ型不純物層を犠牲層エッチングして、単結晶
シリコン基板に凹部を形成し、上記ｎ型不純物層の上記凹部に対向する面とは、反対側
の面に厚膜の剛体部を形成することを特徴とする半導体
圧力センサの製造方法。