CN101256101B

CN101256101B - 压力传感器

Info

Publication number: CN101256101B
Application number: CN2008100063202A
Authority: CN
Inventors: 东條博史; 米田雅之; 德田智久
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2007-02-28
Filing date: 2008-02-26
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2028-02-26
Also published as: KR20080080005A; JP4916006B2; US7497126B2; CN101256101A; EP1965186B1; US20080202248A1; EP1965186A2; JP2008215893A; EP1965186A3; ATE543082T1; KR100972161B1

Abstract

本发明提供一种高灵敏度、高耐压的压力传感器，在由半导体制成的芯片(10)的一部分上形成膜片(11)，对膜片(11)的随着压力所产生的位移进行电变换来检测该压力，通过使膜片(11)具有大于等于以下大小的纵横比，可以得到高灵敏度且高耐压的压力传感器，在该大小下，传感器(1)的容许耐压特性曲线的微分值大致为零，该容许耐压特性曲线是将膜片(11)的一边长度除以该膜片(11)的厚度所得到的纵横比作为横轴、将压力传感器(1)的容许耐压作为纵轴而规定的。

Description

压力传感器

技术领域

本发明涉及一种适用于测量绝对压力、片(gauge)压力或差压的压力传感器。

背景技术

现在，以下这样的压力传感器已被广泛地使用，该压力传感器，例如通过在半导体芯片上的一部分上形成膜片，在该膜片上将压电电阻元件配置成桥状，将膜片随被测量介质的压力而产生的位移变换为压电电阻元件的电阻值的变化，来测量出被测量介质的压力(例如，参照专利文献1)。

另外，与以下这样的压力传感器的制造工艺相关的发明也已为人们所知，该制造工艺严格地控制以上那样的膜片的厚度来在半导体芯片上形成上述膜片(例如，参照专利文献2)。

专利文献1：日本特开2002-277337号公报(第2页、图2)

专利文献2：日本特开2000-171318号公报(第3-4页、图1)

但是，压力传感器的半导体芯片一般使用硅，在将硅这样的半导体视为一个块体的情况下，作为该半导体的物性，对外力的变形程度(应变)、即应力-应变特性表现为大致线性，几乎没有表现出非线性。即，这是将半导体材料视为块体的情况下成立的物性。但是，定性地可知：在将精密地控制了结晶状态的硅等半导体材料加工得薄于或等于某种程度的情况下，其非线性会增大。

但是，归根结底仅是定性地知道该非线性增大这样的性质，在由这样的半导体构成的芯片的一部分上形成膜片，对随作用在该膜片上的压力产生的位移进行电变换来检测压力的压力传感器中，使膜片的厚度具体地薄到何种尺寸范围，可以扩大膜片的应力一应变特性的非线性区域，满足具有高灵敏度同时又做到高耐压这样的矛盾要求，至今为止尚不知道。

换而言之，在以膜片作为感压部的压力传感器中，因为膜片上产生的应力成为传感器灵敏度，所以为了使压力传感器具有高灵敏度的同时做到高耐压，需要对压力传感器的膜片的尺寸参数进行特别地控制，使得该非线性区域尽量扩大，以满足矛盾的要求，迫切需要具体地找到这样的尺寸参数，来满足矛盾的要求、即高灵敏度和高耐压，并扩大压力传感器的界限范围。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种高灵敏度且高耐压的压力传感器。

本发明的技术方案一所涉及的压力传感器，在由半导体制成的芯片的一部分上形成膜片，对随作用在上述膜片上的压力所产生的位移进行电变换来检测该压力，其特征在于，

上述膜片具有上述压力传感器的容许耐压特性曲线的微分值大致为零的纵横比，该容许耐压特性曲线是通过将上述膜片的一边长度除以该膜片的厚度所得到的纵横比作为横轴、将上述压力传感器的容许耐压作为纵轴而规定的。

使用具备以下半导体膜片的压力传感器，该半导体膜片具有满足这样的尺寸范围的构造，可扩大随着膜片的变形而产生的应力-应变特性的非线性区域，该膜片的变形是随着作用于膜片的压力而产生的，通过将该非线性区域充分地用于压力测量，可以制成高灵敏度且高耐压的压力传感器。

另外，本发明的技术方案二所涉及的压力传感器，其特征在于，在技术方案一所述的压力传感器中，从上述压力作用的一侧观察，上述膜片具有四边形形状。

通过例如各向异性蚀刻形成四边形形状的膜片，与例如通过各向同性蚀刻形成圆形形状的膜片的情况相比，不将膜片的厚度形成得更薄时，不会出现应力-应变特性的非线性区域。因此，为了利用该非线性区域必须减小膜片的厚度。但是，减小膜片的厚度，在四边形形状的膜片中将特别容易发生应力集中。因此，在具备四边形形状的以下半导体膜片的压力传感器中，该半导体膜片具有满足本发明的尺寸范围的构造，可以扩大随着膜片的变形而产生的应力-应变特性的非线性区域，该膜片的变形是随着作用于膜片的压力产生的，可以将该非线性区域充分地用于压力测量，因而能制成高灵敏度且高耐压的压力传感器。

另外，本发明的技术方案三所涉及的压力传感器，其特征在于，在技术方案一或技术方案二所述的压力传感器中，上述膜片是用单晶硅形成的。

在将特别是在块状的状态下不发生塑性变形、应力-应变特性不具有非线性的单晶硅用作半导体芯片材料的情况下，在形成某种程度的厚度的膜片时，膜片不会达到本征屈服点，而在应力-应变特性的线性区域内被破坏。但是，通过制作满足本发明的尺寸关系的膜片，对于应力-应变特性，可以积极地使之产生非线性，可以制成满足高灵敏度且高耐压这样的矛盾要求的压力传感器。

另外，本发明的技术方案四所涉及的压力传感器，其特征在于，在技术方案一至技术方案三中任意一项所述的压力传感器中，

上述膜片的厚度小于15μm，上述纵横比为135以上。

通过特别像这样来限定膜片的尺寸，可以可靠地利用膜片的应力一应变特性的非线性区域，制成满足高灵敏度且高耐压这样的矛盾要求的压力传感器。

根据本发明，可以扩大随着膜片的变形而产生的应力-应变特性的非线性区域，该膜片的变形是随着作用于膜片的压力而产生的，可以将该非线性区域充分地用于压力测量，从而可以制成高灵敏度且高耐压的压力传感器。

附图说明

图1是表示本发明的一实施方式所涉及的压力传感器的概略结构的剖视图。

图2是图1所示的压力传感器的俯视图。

图3是表示本发明的一实施方式所涉及的压力传感器的输出特性和耐压特性的特性图，横轴表示膜片的纵横比，左侧的纵轴表示压力传感器的耐压(kPa)，右侧的纵轴用跨度电压(mV)表示压力传感器的灵敏度。

图4是表示本发明的一实施方式所涉及的压力传感器的应力-应变特性的图。

图中符号说明：

1-压力传感器；10-传感器芯片；11-膜片；12-厚壁部；13-凹部；15-基座；15a-导压路径；210(211～214)传感片(sensor gauge)

具体实施方式

本发明的一实施方式所涉及的压力传感器1，如图1和图2所示，具有由晶面方位为(100)面的单晶硅构成的正方形的传感器芯片10。另外，在本实施方式的说明中，仅使用“压力”一词，但是，在这些实施方式中当然也包括对膜片的两面施加不同的压力，测量其差压的情况。另外，本发明并不局限于由晶面方位为(100)面的硅构成的传感器芯片，也可以适用于由晶面方位为(110)面的硅构成的传感器芯片。

传感器芯片10由在芯片表面的规定位置所形成的正方形的膜片11和形成传感器芯片10的外周部并围绕膜片11的厚壁部12构成。而且，在传感器芯片10的背面中央，由于膜片11的形成而形成了正方形的凹部13，厚壁部12被阳极接合在底座15上。底座15由派热克斯(Pyrex，注册商标)玻璃或陶瓷等形成为具有与传感器芯片10大致相同大小的棱柱体。另外，在底座15中，形成有用于将被测量介质的压力导入膜片11的背面侧的导压路径15a。

在图2所示的俯视图中，以相对于传感器芯片10倾斜了大致45°的状态，形成有膜片11，使得膜片11的边缘部与传感器芯片10的对角线正交(参照图2中的虚线所示的膜片11的边缘部)。而且，在膜片表面的周缘部附近，在平行于传感器芯片10的对角线的位置，形成有发挥压电区域的作用来检测压力的四个压力检测用传感片210(211～214)。即，这些传感片211～214，在传感器芯片10的(100)面中，形成在压电电阻系数最大的<110>方向上。

这样的传感片210(211～214)，通过扩散法或离子注入法形成，通过未图示的引线进行连接，构成惠斯顿桥式电路，在对膜片11的正反面分别施加不同的压力时，膜片11随着其差压而产生变形，各个传感片210的电阻随着该变形而发生变化，差动地输出用于求得测量压力的差压信号。

另外，在本实施方式的情况下，压力传感器1的传感器芯片10的大小，在压力的作用方向观察，正方形形状的一边为4.0mm左右，厚度为250μm左右，同样，在压力的作用方向观察，正方形形状的膜片11的大小是一边为2.0mm左右，厚度为13μm左右。即，本实施方式所涉及的压力传感器1的传感器芯片10由作为半导体的单晶硅制成，且膜片11的厚度小于15μm，将膜片11的一边长度除以该膜片11的厚度而得到的纵横比为135以上。

另外，将上述的纵横比作为横轴，将压力传感器1的容许压力作为纵轴，由此规定压力传感器1的容许耐压特性曲线，在后面对该容许耐压特性曲线进行详细说明。本实施方式所涉及的压力传感器1的膜片11，具有容许耐压特性曲线的微分值大致为零的纵横比。

另外，根据例如日本特开平6-85287号公报所记载，具有上述结构的压力传感器1的制造工艺是公知的，根据日本特开2000-171318号公报所记载，准确地控制膜片11的厚度的制造工艺也是公知的，因此，这里，省略了对该制造工艺的详细说明。另外，日本特开2000-171318号公报所记载的压力传感器的传感器芯片，具有二氧化硅层介于两个硅层之间的结构，在本发明所示的图1中，没有画出这样的二氧化硅层，该图是为了容易理解本发明而概略画出的结构图，本发明的范围当然也包括具有上述公报中所记载的二氧化硅层的传感器芯片。

具有以上结构的压力传感器1，可以成为跨度电压为5.0KPa(60mV)、具有高灵敏度、耐压达350kPa的高耐压的压力传感器。这是由于半导体芯片是用单晶硅制成、且膜片11具有上述尺寸形状，从而可充分利用图4所示的膜片11的应力-应变特性的非线性区域的缘故。

另外，在像本发明这样制造满足高灵敏度且高耐压这样的矛盾要求的压力传感器时，不必局限于上述实施方式的传感器芯片10的材质和膜片11的尺寸关系，只要膜片具有容许耐压特性曲线的微分值大致为零的纵横比即可，该容许耐压特性曲线是将纵横比作为横轴、将压力传感器的容许压力作为纵轴而规定的压力传感器的容许耐压特性曲线，该纵横比是将在传感器芯片的一部分上形成的膜片的一边长度除以该膜片的厚度而得到的。另外，并不局限于通过各向异性蚀刻来制造膜片，使膜片从压力作用的方向观察，具有四边形形状。通过各向同性蚀刻制造膜片，使膜片具有圆形形状，也可以适用本发明。

但是，为了充分发挥本发明中的上述作用，优选，从压力作用的一侧观察，膜片具有四边形形状，膜片由单晶硅形成，膜片的厚度小于15μm，纵横比为135以上。

优选从压力作用的一侧观察，膜片具有四边形形状的理由如下：通过各向异性蚀刻形成膜片，使得膜片具有四边形形状时，与例如通过各向同性蚀刻将膜片形成为圆形形状的情况相比，在不使厚度更薄时不会出现非线性区域，因此，为了利用该非线性区域，必须减少膜片的厚度。但是，减少膜片的厚度，会使得在四边形形状的膜片中特别容易发生应力集中。因此，使用具备四边形形状的以下半导体膜片的压力传感器，该半导体膜片具有满足本发明的尺寸范围的构造，可以扩大随着膜片的变形所产生的应力-应变特性的非线性区域，该膜片的变形是随着作用于半导体膜片的压力而产生的，可以将该非线性区域充分用于压力测量，因而可以制成高灵敏度且高耐压的压力传感器。

另外，优选，膜片用单晶硅形成的理由如下：在将特别是在块状的状态下不发生塑性变形、应力-应变特性不具备非线性的单晶硅用作半导体芯片材料的情况下，在形成具有某种程度厚度的膜片时，膜片不会达到本征屈服点，而在应力-应变特性的线性区域内被破坏，但是，通过制成满足本发明的尺寸关系的膜片，对于应力-应变特性，可以积极地使之产生非线性，可以制成满足高灵敏度和高耐压这样的矛盾要求的压力传感器。

另外，由于本发明的发明者实际进行了验证试验，因此，关于优选膜片的厚度为小于15μm，纵横比为135以上的理由，以下将试验结果作为实施例来一起进行说明。

实施例

使用具备利用上述一般的半导体工艺制造的各种厚度的膜片的、由单晶硅制成的压力传感器进行试验，研究各压力传感器对压力的输出特性和膜片的应力-应变特性。另外，各个压力传感器的尺寸关系以及半导体芯片的大小和厚度、膜片的一边长度，为与上述实施例同样的尺寸关系。而且，控制将膜片的一边长度除以膜片的厚度得到的纵横比，使其分别为特定的纵横比，由此制造成各种压力传感器。

即，在试验中改变纵横比时，将膜片的一边长度固定，而改变膜片的厚度。而且，使用具有该纵横比不同的、各种厚度的膜片的压力传感器，测量各压力传感器的输出和作用在膜片上的压力、即耐压(kPa)，压力传感器的输出用表示灵敏度的跨度电压(kPa(mV))表示。

图3是表示该测量结果的压力传感器的输出特性图，横轴表示膜片的纵横比，左侧的纵轴表示压力传感器的耐压(kPa)，右侧的纵轴用输出电压(mV)表示压力传感器的灵敏度。

该特性图中所示的多个小块，表示实际对与压力传感器的各个纵横比对应的耐压进行测量而得到的测量结果，在图中左侧的纵向排列的多个小块表示具备厚度为30μm的膜片的压力传感器的测量结果，图中中央部分分散较广的多个小块表示具备厚度为23μm的膜片的压力传感器的测量结果，图中右侧分散较窄的多个小块表示具备厚度为13μm的膜片的压力传感器的测量结果。

另外，图3中向右侧下降的、在膜片的厚度大约为15μm、纵横比大约为135的附近有极小值(微分值大致为零)的曲线，是耐压特性，该耐压特性表示根据该测量结果求出的、对膜片的纵横比的压力传感器的耐压。另一方面，图中向右上上升的直线是表示压力传感器的灵敏度的输出特性，该压力传感器的灵敏度是通过测量对膜片的各个纵横比的上述输出电压而求得的。

本来，上述耐压特性和输出特性应该是压力传感器的输出电压越高其耐压越低，但是，根据该输出特性图可知：使用具有本实验这样的尺寸的压力传感器，通过控制纵横比，可以积极地产生压力传感器的容许耐压特性曲线的微分值大致为零(为最小值)的点。根据该实验结果可知：特别是膜片的纵横比为135以上、膜片厚度小于15μm的压力传感器，即上述实施方式中的压力传感器成为满足了高灵敏度和高耐压这样的矛盾要求的压力传感器。

这是由于使用具有以下半导体膜片的压力传感器，该半导体膜具有满足这样的尺寸范围的构造，如图4所示，扩大了随着膜片的变形而产生的应力-应变特性的非线性区域，该膜片的变形是随着作用于半导体膜片的压力而产生的，通过将该非线性区域充分地用于压力测量，满足了高灵敏度、高耐压这样的矛盾要求。

根据以上的说明可知：使用具有以下半导体膜片的压力传感器，该半导体膜片具有满足本发明的尺寸范围的构造，如图4所示，可以扩大随着膜片的变形而产生的应力-应变特性的非线性区域，该膜片的变形是随着作用于膜片的压力而产生的，通过将该非线性区域充分地用于压力测量，可以提供高灵敏度、高耐压的压力传感器。

此时，优选压力传感器的膜片从压力作用的一侧观察，具有四边形形状。其理由是：在例如通过各向异性蚀刻形成四边形形状的膜片的情况下，与例如通过各向同性蚀刻形成圆形形状的膜片的情况相比，不使厚度更薄，将不会出现非线性区域，因此为了利用该非线性区域，必须减小膜片的厚度。但是，减少膜片的厚度，将使得在四边形形状的膜片中特别容易发生应力集中。因此，使用具备四边形形状的以下半导体膜片的压力传感器，该半导体膜片具有满足本发明的尺寸范围的构造，可以扩大随着膜片的变形所产生的应力-应变特性的非线性区域，该膜片的变形是随着作用于半导体膜片的压力而产生的，可以将该非线性区域充分地用于压力测量，从而制成高灵敏度且高耐压的压力传感器。

另外，此时，特别优选膜片用单晶硅形成。其理由是：在将特别是在块状的状态下不发生塑性变形、应力-应变特性不具备非线性的单晶硅用作半导体芯片材料的情况下，在形成膜片时，对于具有某种程度的厚度的膜片，膜片不会达到本征屈服点，而将在应力-应变特性的线性区域内被破坏，通过制成满足本发明的尺寸关系的膜片，对于应力-应变特性，可以积极地使之产生图4所示的非线性，可以制成满足了高灵敏度和高耐压这样的矛盾要求的压力传感器。

另外，此时，优选膜片的厚度小于15μm，纵横比为135以上。其理由是：通过特别像这样来限定膜片的尺寸，可以可靠地利用膜片的应力-应变特性的非线性区域，制成满足高灵敏度和高耐压这样的矛盾要求的压力传感器。

Claims

1.一种压力传感器，在由半导体制成的芯片的一部分上形成膜片，对随着作用在上述膜片上的压力所产生的位移进行电变换，来检测该压力，其特征在于，

上述膜片具有大于等于以下大小的纵横比，在该大小下，上述压力传感器的容许耐压特性曲线的微分值大致为零，该容许耐压特性曲线是通过将上述膜片的一边长度除以该膜片的厚度而得到的纵横比作为横轴、将上述压力传感器的容许耐压作为纵轴而规定的。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，

从上述压力作用的一侧观察，上述膜片具有四边形形状。

3.根据权利要求1或2所述的压力传感器，其特征在于，

上述膜片由单晶硅形成。

4.根据权利要求1或2所述的压力传感器，其特征在于，

上述膜片的厚度小于15μm，上述纵横比为135以上。