DE102005027463A1

DE102005027463A1 - Drucksensor

Info

Publication number: DE102005027463A1
Application number: DE102005027463A
Authority: DE
Inventors: Inao Kariya Toyoda
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2005-06-14
Publication date: 2006-02-02
Also published as: JP2006010623A; JP4337656B2; US6997058B2; FR2872281A1; US20050284228A1; CN1715854A; CN100417928C; FR2872281B1

Abstract

Ein Drucksensor enthält einen Metallstab (10), welcher ein Diaphragma (11) und ein Halbleitersubstrat (20) aufweist, in welchem eine Isolierschicht (23) zwischen ersten und zweiten Halbleiterschichten (21, 22) eingesetzt ist. In einer Vielzahl vorkommender Dehnungsmesser (24) sind auf einem vorbestimmten Bereich der ersten Halbleiterschicht des Halbleitersubstrats zum Umwandeln einer Krümmung des Diaphragmas in ein elektrisches Signal gebildet. In dem Drucksensor besitzen die Dehnungsmesser Strukturformen, welche voneinander durch Gräben (25) isoliert und getrennt sind, die sich von einer Oberfläche der ersten Halbleiterschicht aus bis zu der Isolierschicht erstrecken. Des Weiteren besitzt die zweite Halbleiterschicht einen Aussparungsabschnitt (28), welcher von einer Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht aus bis zu der Isolierschicht eine Aussparung bildet und an einer Position entsprechend dem vorbestimmten Bereich vorgesehen ist. Das Diaphragma ist in den Aussparungsabschnitt eingesetzt, und die Isolierschicht ist an einer Oberfläche des Diaphragmas in dem Aussparungsabschnitt befestigt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Drucksensor, in welchem ein Halbleitersubstrat, welches Dehnungsmesser aufweist, an einer Oberfläche eines Diaphragmas eines Metallstabs befestigt ist. Der Drucksensor erfasst einen Druck durch Umwandeln einer Verbiegung bzw. Krümmung des Diaphragmas in ein elektrisches Signal durch die Dehnungsmesser. Der Drucksensor kann beispielsweise zum Erfassen eines Drucks in einer Gegenstandsvorrichtung (subject device) eines Fahrzeugs geeignet verwendet werden.

Ein Drucksensor enthält einen Metallstab, welcher ein Diaphragma zur Druckerfassung aufweist, ein an einer Oberfläche des Diaphragmas befestigtes Halbleitersubstrat und Dehnungsmesser zum Umwandeln einer Krümmung des auf dem Halbleitersubstrat gebildeten Diaphragmas in ein elektrisches Signal (siehe beispielsweise die JP-B2-7-11461, welche der USP 4,986,861 und der USP 4,840,067 entspricht).

Bei dem Drucksensor ist die Dicke eines Krümmungsabschnitts mit der Dicke des Diaphragmas und der Dicke des Halbleitersubstrats konstruiert. In diesem Fall ist es sowohl für das Diaphragma als auch für das Halbleitersubstrat notwendig, dünner ausgebildet zu werden, um die Sensorempfindlichkeit zu erhöhen. Wenn jedoch das Halbleitersubstrat dünner ausgebildet wird, verschlechtert sich die Festigkeit des Halbleitersubstrats stark.

Wenn des Weiteren die Dehnungsmesser mit einem Diffusionswiderstand konstruiert werden, welcher unter Verwen dung eines Halbleiterprozesses hergestellt wird, wird eine elektrische Isolierung der Dehnungsmesser im Allgemeinen durch einen PN-Übergang erzielt. In diesem Fall kann ein Leckstrom des PN-Übergangs-Abschnitts bei einer hohen Temperatur erzeugt werden, und es ist schwierig, den Druck in einer Umgebung einer hohen Temperatur genau zu erfassen.

Im Hinblick auf die oben beschriebenen Schwierigkeiten ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drucksensor bereitzustellen, dessen Empfindlichkeit verbessert ist, während ein Druck einer Gegenstandsvorrichtung (subject device) genau erfasst werden kann.

Bei der vorliegenden Erfindung enthält ein Drucksensor einen Metallstab, der ein Diaphragma aufweist, das entsprechend einem aufgebrachten Druck deformierbar ist, ein an einer Oberfläche des Diaphragmas befestigtes Halbleitersubstrat und eine Vielzahl von Dehnungsmessern, welche auf einem vorbestimmten Bereich einer ersten Halbleiterschicht des Halbleitersubstrats gebildet sind, zum Umwandeln einer Verbiegung bzw. Krümmung des Diaphragmas in ein elektrisches Signal.

Bei dem Drucksensor ist das Halbleitersubstrat eine Schichtstruktur, in welcher eine Isolierschicht zwischen ersten und zweiten Halbleiterschichten eingesetzt ist, wobei die Dehnungsmesser Strukturformen besitzen, die voneinander durch Gräben isoliert und getrennt sind, von denen sich jeder von einer Oberfläche der ersten Halbleiterschicht aus bis zu der Isolierschicht erstreckt. Das Halbleitersubstrat besitzt einen Aussparungsabschnitt, welcher eine Aussparung von einer Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht aus bis zu der Isolierschicht bildet und an einer Position entsprechend dem vorbestimmten Bereich vorgesehen ist. Des Weiteren ist das Diaphragma in den Aussparungsabschnitt eingesetzt, und die Isolierschicht ist an einer Oberfläche des Diaphragmas in dem Aussparungsabschnitt befestigt.

In dem Drucksensor ist ein Krümmungsdickenabschnitt (bending thickness portion) zur Erfassung eines Drucks mit dem Dickenteil (thickness part) des Diaphragmas des Metallstabs und dem Dickenteil der Isolierschicht konstruiert. Daher kann die Empfindlichkeit des Drucksensors verbessert sein, und es kann der Druck in einer Gegenstandsvorrichtung (subject device) genau unter Verwendung der auf dem ersten Halbleiter gebildeten Dehnungsmesser erfasst werden. Beispielsweise kann der Drucksensor einen Brenn- bzw. Treibstoff oder einen Bremsdruck erfassen.

Beispielsweise ist das Halbleitersubstrat ein SOI-Substrat, mit welchem sowohl die erste als auch zweite Halbleiterschicht aus Silizium und die Isolierschicht aus einem Siliziumdioxidfilm hergestellt sind. Des Weiteren kann die Isolierschicht auf die Oberfläche des Diaphragmas in dem Aussparungsabschnitt durch ein Glasmaterial gebondet sein.

Das Diaphragma kann mit einem Vorsprungsabschnitt an einer Position entsprechend dem Aussparungsabschnitt des Halbleitersubstrats versehen sein. In diesem Fall ist der Vorsprungsabschnitt des Diaphragmas in den Aussparungsabschnitt eingesetzt und an der Isolierschicht in dem Aussparungsabschnitt befestigt.

Alternativ kann lediglich die Isolierschicht an dem Diaphragma in dem Aussparungsabschnitt innerhalb des Halbleitersubstrats befestigt sein.

Beispielsweise ist der Aussparungsabschnitt durch die Isolierschicht und die zweite Halbleiterschicht derart definiert, dass er eine trapezförmige Querschnittsform besitzt, die von der Isolierschicht aus bis auf eine Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht erweitert ist. In diesem Fall besitzt das Diaphragma einen Vorsprungsabschnitt entsprechend der Form des Aussparungsabschnitts, und die Isolierschicht des Halbleitersubstrats ist auf der Oberfläche des Vorsprungsabschnitts des Diaphragmas in dem Aussparungsabschnitt befestigt. Daher kann die Struktur des Drucksensors einfach ausgestellt bzw. gebildet sein.

Des Weiteren kann der Metallstab mit einer Wandoberfläche versehen sein, welche sich von dem Diaphragma nach außen erstreckt und der Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht zugewandt ist, und die Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht ist an der Wandoberfläche des Metallstabs außerhalb des Aussparungsabschnitts befestigt. Daher kann sogar dann, wenn der Aussparungsabschnitt in dem Halbleitersubstrat vorgesehen ist, die Festigkeit des Halbleitersubstrats wirksam verbessert sein.

Die vorliegende Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.
1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht, welche einen Drucksensor einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Halbleitersubstrat des Drucksensors von 1;
3A-3D zeigen schematische Querschnittsansichten, welche ein Verfahren zur Herstellung des Halbleitersubstrats darstellen; und
4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht, welche einen Drucksensor einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Erste Ausführungsform
1 stellt einen Drucksensor 100 dar und zeigt eine Querschnittsansicht eines Abschnitts entlang Linie I-I von 2. Der Drucksensor 100 kann als Beispiel an einer Gegenstandsvorrichtung (subject device) befestigt sein, beispielsweise an einer Kraftstoffleitung in einem Fahrzeugeinspritzsystem (beispielsweise bei einer mechanisch gesteuerten Kraftstoff-Einspritzung aus gemeinsamer Druckleitung (common rail)). In diesem Fall erfasst der Drucksensor 100 den Druck eines Flüssigtreibstoffs oder eines Treibstoffs einer Gas-Flüssigkeits-Mischung in einer Kraftstoffleitung als Druckmedium.
Der Drucksensor 100 enthält einen Metallstab 10, welcher ein Diaphragma 11 für eine Druckerfassung aufweist, ein Halbleitersubstrat 20, welches an einer Oberfläche des Diaphragmas 11 in dem Metallstab 10 befestigt ist, und Dehnungsmesser 24 zum Umwandeln einer Krümmung (Deformierung) des Diaphragmas 11 in ein elektrisches Signal.
Der Metallstab 10 ist beispielsweise aus einer Fe-Ni-Co-Legierung hergestellt, welche einen kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt. Der Metallstab 10 ist als Hohlzylinder ausgebildet, welcher wie in 1 dargestellt, einen geschlossenen Endabschnitt aufweist. Der Metallstab 10 besitzt das Diaphragma 11, welches Dünnwandabschnitt in dem geschlossenen Endabschnitt (oberes Ende in 1) gebildet ist, und einen offenen Abschnitt 12 an dem anderen Ende.
Da ein hoher Druck dem Metallstab 10 aufgebracht wird, muss das Material des Metallstabs 10 im Allgemeinen eine hohe Festigkeit besitzen. Da das aus einem Halbleitermaterial wie Si gebildete Halbleitersubstrat 20 an dem Metallstab 10 durch das Glas 30 befestigt ist, wird des Weiteren ein Material mit einem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das Material des Metallstabs 10 verwendet. Beispielsweise wird eine Legierung aus Fe, Ni, Co oder Fe, Ni als Hauptmaterial des Metallstabs 10 verwendet, und es wird Ti, Nb, Al oder Ti, Nb dem Hauptmaterial als Schichtungsverstärkungsmaterial hinzugefügt. Der Metallstab 10 wird durch Pressen, Schneiden bzw. Spanen (cutting) oder Kaltverformung, usw. gebildet.
Das Halbleitersubstrat 20 ist an einer Oberfläche des Diaphragmas 11 in dem Metallstab 10 durch ein Bondmaterial befestigt, welches eine elektrische Isolierung aufweist. Als Beispiel ist bei dieser Ausführungsform das Halbleitersubstrat 20 auf die Oberfläche des Diaphragmas 11 des Metallstabs 10 durch ein Glas 30 gebondet, welches einen niedrigen Schmelzpunkt besitzt.
Bei dieser Ausführungsform besitzt das Halbleitersubstrat 20 eine Schichtstruktur, in welcher eine Isolierschicht 23 zwischen der ersten Halbleiterschicht 21 und einer zweiten Halbleiterschicht 22 eingesetzt ist. Das Halbleitersubstrat 20 kann mit einem SOI- (Silizium auf Isolator) Substrat konstruiert sein, in welchem die erste Halbleiterschicht 21 und die zweite Halbleiterschicht 22 aus Silizium und die Isolierschicht 23 aus einem Siliziumdioxidfilm hergestellt sind.
Wie in 1 dargestellt, wird die erste Halbleiterschicht 21 als P-Typ-Oberflächensiliziumschicht verwendet und besitzt eine Dicke von etwa 10 μm. Die zweite Siliziumschicht 22 wird als Substratsiliziumschicht verwendet und besitzt eine Dicke von etwa 500 μm. Beide Siliziumschichten 21, 22 sind auf zwei Oberflächen der Isolierschicht 23 gebondet, welche sich aus dem Siliziumdioxidfilm zusammensetzt.
Wie in 1 und 2 dargestellt, sind die Dehnungsmesser 24 auf der ersten Halbleiterschicht 21 des Siliziumsubstrats 20 gebildet. Die Dehnungsmesser 24 sind voneinander durch Gräben 25 isoliert und getrennt, welche von der Oberfläche der ersten Halbleiterschicht aus bis zu der Isolierschicht 23 gebildet sind.
Des Weiteren sind, wie in 2 dargestellt, die Dehnungsmesser 24 derart elektrisch miteinander verbunden, dass eine Brückenschaltung gebildet wird, welche eine Widerstandsänderung entsprechend einer Deformierung des Diaphragmas 11 in ein elektrisches Signal umwandelt.
Beispielsweise sind vier Dehnungsmesser 24, welche jeweils eine gefaltete Form besitzen, elektrisch miteinander verbunden, um eine Brückenschaltung (Wheatstonebrücke) zu bilden.
Verdrahtungsabschnitte 26, welche voneinander durch die Gräben 25 abgeteilt sind, sind auf der ersten Halbleiterschicht 21 gebildet. Die Verdrahtungsabschnitte 26 sind elektrisch jeweils mit den Dehnungsmessern 24 verbunden. Eine Verbindungskontaktstelle 27 für eine Verbindung nach außen ist auf jedem Verdrahtungsabschnitt 26 gebildet. Die Kontaktstellen 27 können beispielsweise durch Zerstäubung eines Aluminiummaterials gebildet sein. Die Kontaktstellen 27 werden als Kontaktstellen verwendet, die mit Bonddrähten verbunden sind.
Ein Aussparungsabschnitt 28 ist an der anderen Seite des Halbleitersubstrats 20 vorgesehen. Der Aussparungsab schnitt 28 ist in der zweiten Halbleiterschicht 22 zumindest an einer Position entsprechend einem Bereich dort gebildet, wo die Dehnungsmesser 24 gebildet sind. Wie in 1 dargestellt, bildet der Aussparungsabschnitt 28 von der Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht 22 aus gegenüberliegend der ersten Halbleiterschicht 21 bis zu der Isolierschicht 23 eine Aussparung. Die Dehnungsmesser 24 sind an Positionen oberhalb des Aussparungsabschnitts 28 vorgesehen. Beispielsweise sind die Dehnungsmesser 24 innerhalb eines Bereichs eines Bodenabschnitts (Isolierabschnitt 23) des Aussparungsabschnitts 28 vorgesehen.
Wie in 1 dargestellt, ist das Diaphragma 11 des Metallstabs 10 in den Aussparungsabschnitt 28 derart eingesetzt, dass die Isolierschicht 23 zur Bildung einer Oberfläche (Bodenoberfläche) des Aussparungsabschnitts 28 auf eine Oberfläche des Diaphragmas gebondet ist. Beispielsweise sind die Isolierschicht 23 zur Bildung der Oberfläche des Aussparungsabschnitts 28 und die Oberfläche des Diaphragmas 11 durch das Glas 30 gebondet, welches einen niedrigen Schmelzpunkt besitzt. Dementsprechend wird der Abschnitt der Isolierschicht 23, welcher den Aussparungsabschnitt 28 definiert, entsprechend einer Deformierung des Diaphragmas 11 in dem Halbleitersubstrat 20 gekrümmt.
In dem Metallstab 10 besitzt das Diaphragma 11 einen Vorsprungsabschnitt 11a entsprechend dem Aussparungsabschnitt 28 in dem Halbleitersubstrat 20. Der Vorsprungsabschnitt 11a des Diaphragmas 11 wird in den Aussparungsabschnitt 28 eingesetzt, um auf die Isolierschicht 23 in dem Aussparungsabschnitt 28 gebondet zu werden.
Als Nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung des Halbleitersubstrats 20 beschrieben. Ein Halbleitersubstrat wird in einem Waferzustand durch einen Halbleiter prozess hergestellt und in Chipeinheiten unter Verwendung einer Trennvorrichtung getrennt.
Obwohl das Herstellungsverfahren in dem Waferzustand gezeigt wird, werden in 3A-3D die Bezugszeichen ähnlich den Konstruktionselementen des Halbleitersubstrats 20, wie in 1 und 2 dargestellt, verwendet.
Wie in 3A dargestellt, wird ein Halbleiterwafer, welcher eine SOI-Substratstruktur aufweist, zur Bildung des Halbleitersubstrats 20 vorbereitet bzw. bereitgestellt. In dem Halbleiterwafer sind die erste Halbleiterschicht 21 und die zweite Halbleiterschicht 22 auf zwei Oberflächen der Isolierschicht 23 gebondet, welche ein Siliziumdioxidfilm ist. D.h., die ersten und zweiten Halbleiterschichten 21, 22 sind durch die Isolierschicht 23 aufeinander gebondet.
Danach werden, wie in 3B dargestellt, die Kontaktstellen 27 auf der Oberfläche der ersten Halbleiterschicht 21 unter Verwendung eines Filmbildungsverfahrens wie Zerstäuben gebildet. Die Kontaktstellen 27 werden zur Bildung einer elektrischen Verbindung mit außen verwendet. Beispielsweise kann die elektrische Verbindung mit außen durch Drahtbonden erzielt werden.
Als Nächstes werden, wie in 3C dargestellt, die Gräben 25, welche sich von der Oberfläche der ersten Halbleiterschicht 21 bis auf die Isolierschicht 23 zu erstrecken, unter Ausführung eines Trockenätzens auf die erste Halbleiterschicht 21 gebildet. Daher werden die Dehnungsmesser 24 und die Verdrahtungsabschnitte 26 gebildet, welche durch die Gräben 25 aufgeteilte Strukturen besitzen.
Darüber hinaus wird, wie in 3D dargestellt, der Aussparungsabschnitt 28, welcher von der Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht 22 aus bis zu der Isolierschicht 23 eine Aussparung bildet, unter Durchführung eines Ätzens auf die zweite Halbleiterschicht 22 gebildet. Beispielsweise kann ein Trockenätzen oder ein anisotropes Ätzen unter Verwendung einer Lösung von Kaliumhydroxid (KOH) auf die zweite Halbleiterschicht 22 durchgeführt werden, um den Aussparungsabschnitt 28 zu bilden.
In dem Beispiel von 2 ist ein Aussparungsabschnitt 28, welcher eine quadratische planare Form besitzt, durch anisotropes Ätzen unter Verwendung der Lösung von Kaliumhydroxid (KOH) gebildet. Jedoch kann ein Aussparungsabschnitt 28, welcher eine runde planare Form besitzt, durch Trockenätzen gebildet werden. Des Weiteren kann der Aussparungsabschnitt 28 in einer trapezförmigen Querschnittsform gebildet werden, welche sich von der Isolierschicht 23 aus auf die Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht 22, wie in 3D dargestellt, vergrößert.
Dann wird der Halbleiterwafer in Chipeinheiten derart geschnitten, dass das Halbleitersubstrat 20 des Drucksensors 100 gebildet wird.
Demgegenüber wird der Metallstab 10 durch Pressen, Schneiden bzw. Spanen oder durch Kaltverformung gebildet. Das oben gebildete Halbleitersubstrat 20 wird auf die Oberfläche des Diaphragmas 11 des Metallstabs 10 durch Glasbonden gebondet. Daher ist das Halbleitersubstrat 20 an der Oberfläche des Diaphragmas 11 des Metallstabs 10 durch das Glas 10 befestigt. Da in dem Aussparungsabschnitt 28 des Halbleitersubstrats 20 die Oberfläche des Diaphragmas 11 auf die aus einem Siliziumdioxidfilm ge bildete Isolierschicht 23 gebondet wird, kann eine feste Verbindung mit dem Glas 30 erzielt werden.
Der oben hergestellte Drucksensor 100 kann an einer Kraftstoffleitung derart befestigt sein, dass der offene Abschnitt 12 des Metallstabs 10 mit dem Inneren der Kraftstoffleitung kommuniziert. In diesem Fall wird das Druckmedium innerhalb der Kraftstoffleitung der Innenseite des Metallstabs 10 von dem offenen Abschnitt 12 des Metallstabs 10 aus zugeführt. Daher wird der Druck innerhalb der Kraftstoffleitung einer Oberfläche des Diaphragmas 11 gegenüberliegend dem Halbleitersubstrat 20 aufgebracht. Dementsprechend werden das Diaphragma 11 und die Isolierschicht 23 entsprechend dem aufgebrachten Druck gekrümmt (deformiert), und die Dehnungsmesser 24 über der Oberfläche des Diaphragmas 11 werden infolge der Krümmung (Deformierung) des Diaphragmas und der Isolierschicht 23 ebenfalls gekrümmt (deformiert).
Die Dehnungsmesser 24 ändern ihre Widerstandswerte entsprechend einem Dehnungsgrad durch den Piezowiderstandseffekt. Der Widerstandswert der Dehnungsmesser 24 wird als elektrisches Signal erfasst, um den Druck innerhalb der Kraftstoffleitung zu erfassen.
Beispielsweise kann eine vorbestimmte Spannung auf die mit den Dehnungsmessern 24 gebildete Brückenschaltung aufgebracht werden. In diesem Fall wird ein Widerstandswertabgleich der Brückenschaltung entsprechend einer Krümmung (Deformierung) des Diaphragmas verändert, und es wird ebenfalls eine Ausgangsspannung von der Brückenschaltung verändert. Dementsprechend kann die Änderung der Ausgangsspannung als elektrisches Signal erfasst werden.
Bei dieser Ausführungsform enthält der Drucksensor 100 den Metallstab 10, welcher das Diaphragma 11 für eine Druckerfassung aufweist, das an der Oberfläche des Diaphragmas 11 des Metallstabs 10 befestigte Halbleitersubstrat 20 und die Dehnungsmesser 24 zur Umwandlung einer Krümmung des Diaphragmas 11 in ein elektrisches Signal. Das Halbleitersubstrat 20 besitzt eine Schichtstruktur dort, wo die Isolierschicht 23 zwischen der ersten Halbleiterschicht 21 und der zweiten Halbleiterschicht 22 eingesetzt ist.
Die Dehnungsmesser 24 sind auf der ersten Halbleiterschicht 21 in dem Halbleitersubstrat 20 gebildet, und die Dehnungsmesser 24 sind voneinander durch Gräben 25 isoliert und getrennt, welche sich von der Oberfläche der ersten Halbleiterschicht 21 aus bis auf die Isolierschicht 23 erstrecken. Des Weiteren ist der Aussparungsabschnitt 28, welcher von einer Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht 22 aus bis zu der Isolierschicht 23 eine Aussparung bildet, in der zweiten Halbleiterschicht 22 an einer Position entsprechend dem Bereich gebildet, wo die Dehnungsmesser 24 gebildet sind. Darüber hinaus wird das Diaphragma 11 derart in den Aussparungsabschnitt 28 eingesetzt, dass die Isolierschicht 23, welche die Bodenoberfläche des Aussparungsabschnitts 28 bildet, an der Oberfläche des Diaphragmas 11 befestigt ist. Beispielsweise wird die Isolierschicht 23, welche die Bodenoberfläche des Aussparungsabschnitts 28 bildet, auf die Oberfläche des Diaphragmas 11 durch ein Bondmaterial wie das Glas 30 gebondet.
Dementsprechend wird ein Krümmungsdickenabschnitt (bending thickness portion) mit dem Dickenteil (thickness part) des Diaphragmas 11 des Metallstabs 10 und dem Dickenteil der Isolierschicht 23 des Halbleitersubstrats 20 in dem Drucksensor 100 konstruiert. Daher kann eine Dru ckerfassung ohne weiteres genau unter Verwendung der Dehnungsmesser 24 durchgeführt werden, welche über dem Diaphragma 11 und der Krümmungsisolierschicht 23 gebildet sind.
Bei dieser Ausführungsform kann ein Krümmungsdickenabschnitt in dem Halbleitersubstrat 20 auf lediglich die Dicke der Isolierschicht 23 dünner gemacht werden. Daher kann eine Druckempfindlichkeit des Drucksensors 100 wirksam verbessert werden.
Die Druckmesser 24 werden mit der ersten Halbleiterschicht 21 unter Verwendung des Piezowiderstandseffekts konstruiert. Da des Weiteren die Dehnungsmesser 24 voneinander durch Gräben 25 geteilt sind, sind die Dehnungsmesser 24 voneinander auf der Isolierschicht 23 isoliert. Daher sind die Dehnungsmesser 24 unnötiger Weise voneinander unter Verwendung eines PN-Übergangs isoliert und getrennt. Somit kann ein Leckstrom bei einer hohen Temperatur in dem Drucksensor 100 verhindert werden, und es kann ein Druck einer Gegenstandsvorrichtung (subject device) unter Verwendung des Drucksensors 100 genau erfasst werden.
In dem oben beschriebenen Beispiel ist das Halbleitersubstrat 20 ein SOI-Substrat, in welchem sowohl die erste als auch zweiten Halbleiterschicht 21 und 22 aus Silizium hergestellt sind und die Isolierschicht 23 aus einem Siliziumdioxidfilm gebildet ist. Jedoch kann lediglich dann, wenn die Isolierschicht 23 zwischen der ersten und zweiten Halbleiterschicht 21 und 22 eingesetzt wird, die Struktur des Halbleitersubstrats 20 geeignet verändert werden.
Des Weiteren ist bei der oben beschriebenen Ausführungsform die Isolierschicht 23, welche die Bodenoberflä che des Aussparungsabschnitts 28 bildet, an der Oberfläche des Diaphragmas 11 durch das Glasbonden (Glas 30) beispielsweise befestigt. Jedoch ist die Befestigung der Isolierschicht 23 auf der Oberfläche des Diaphragmas 11 nicht auf das Glasbonden (Glas 30) beschränkt.
In dem Drucksensor 100 der oben beschriebenen Ausführungsform ist das Diaphragma 11 mit dem Vorsprungsabschnitt 11a versehen, welches an einer Position entsprechend dem Aussparungsabschnitt 28 des Halbleitersubstrats 20 vorspringt. Des Weiteren wird der Vorsprungsabschnitt 11a des Diaphragmas 11 in den Aussparungsabschnitt 28 eingesetzt und an der Isolierschicht 23 befestigt. Daher kann die Spitzenoberfläche des Diaphragmas 11 ohne weiteres an dem Halbleitersubstrat 20 befestigt werden.
Bei dieser Ausführungsform kann die Dicke des Krümmungsabschnitts in dem Halbleitersubstrat 20 im Wesentlichen auf die Dicke der Isolierschicht 23 verringert werden. Jedoch besitzt der andere Abschnitt des Halbleitersubstrats 20 um den Aussparungsabschnitt 28 herum eine hinreichende Dicke einschließlich der zweiten Halbleiterschicht 22. Daher kann die Festigkeit des Halbleitersubstrats 20 hinreichen aufrecht erhalten werden. Wie in 1 dargestellt, besitzt der Metallstab 10 eine Wandoberfläche, welche sich von dem Diaphragma aus nach außen erstreckt und der Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht 22 zugewandt ist, und die Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht 22 ist an der Wandoberfläche des Metallstabs 10 außerhalb des Aussparungsabschnitts 28 befestigt.
Zweite Ausführungsform
Die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 4 beschrie ben. Bei der zweiten Ausführungsform ist, wie in 4 dargestellt, ein äußerer Durchmesser des Diaphragmas 11 in dem Metallstab 10 kleiner ausgebildet als ein Durchmesser des Bodenabschnitts des Aussparungsabschnitts 28.
Beispielsweise kann der gesamte äußere Durchmesser des Metallstabs 10 kleiner ausgebildet werden als der Durchmesser des Bodenabschnitts (der Isolierschicht 23) des Aussparungsabschnitts 28 des Halbleitersubstrats 20, wie in 4 dargestellt. In diesem Fall wird das gesamte Diaphragma 11 in den Aussparungsabschnitt 28 eingesetzt und ohne weiteres an der Isolierschicht 23 befestigt.
Bei der zweiten Ausführungsform kann die Oberfläche des Diaphragmas 11 ohne weiteres an dem Halbleitersubstrat 20 befestigt werden, und es kann der Metallstab 10 ohne weiteres gebildet werden, da der Metallstab 10 eine einfache Form besitzt.
Weitere Ausführungsformen
Obwohl die vorliegenden Erfindung in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsformen davon unter Bezugnahme auf die zugehörigen Figuren beschrieben worden sind, wird betont, dass verschiedene Änderungen und Modifizierungen für den Fachmann ersichtlich sind.
Die Strukturform der Dehnungsmesser 24, welche in 2 dargestellt sind, ist ein Beispiel und kann geeignet verändert werden. Des Weiteren kann in dem Beispiel von 2 ein Widerstandselement zur Erfassung einer Temperatur auf dem Halbleitersubstrat 20 zusätzlich zu den Dehnungsmessern 24 vorgesehen sein.
Des Weiteren kann die Form des Metallstabs 10 lediglich dann geeignet geändert werden, wenn die Oberfläche des Diaphragmas 11 des Metallstabs 10 an dem Halbleitersubstrat 20 in dem Aussparungsabschnitt 28 befestigt sein kann.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen davon beschrieben wurde, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die beispielhaften Ausführungsformen und Konstruktionen beschränkt ist. Mit der Erfindung wird beabsichtigt, verschiedene Modifizierungen und äquivalente Anordnungen abzudecken. Während die verschiedenen Elemente der bevorzugten Ausführungsformen in verschiedenen Kombinationen und Konfigurationen dargestellt sind, welche beispielhaft sind, liegen darüber hinaus andere Kombinationen und Konfigurationen, welche mehr oder weniger oder lediglich ein einziges Element enthalten, ebenfalls im Rahmen der Erfindung.
Vorstehend wurde ein Drucksensor offenbart. Der Drucksensor enthält einen Metallstab (10), welcher ein Diaphragma (11) und ein Halbleitersubstrat (20) aufweist, in welchem eine Isolierschicht (23) zwischen ersten und zweiten Halbleiterschichten (21, 22) eingesetzt ist. In einer Vielzahl vorkommende Dehnungsmesser (24) sind auf einem vorbestimmten Bereich der ersten Halbleiterschicht des Halbleitersubstrats zum Umwandeln einer Krümmung des Diaphragmas in ein elektrisches Signal gebildet. In dem Drucksensor besitzen die Dehnungsmesser Strukturformen, welche voneinander durch Gräben (25) isoliert und getrennt sind, die sich von einer Oberfläche der ersten Halbleiterschicht aus bis zu der Isolierschicht erstrecken. Des Weiteren besitzt die zweite Halbleiterschicht einen Aussparungsabschnitt (28), welcher von einer Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht aus bis zu der Isolierschicht eine Aussparung bildet und an einer Position entsprechend dem vorbestimmten Bereich vorgesehen ist. Das Diaphragma ist in den Aussparungsabschnitt eingesetzt, und die Isolierschicht ist an einer Oberfläche des Diaphragmas in dem Aussparungsabschnitt befestigt.

Claims

Drucksensor mit: einem Metallstab (10), welcher ein Diaphragma (11) aufweist, welches entsprechend einem aufgebrachten Druck deformierbar ist; einem Halbleitersubstrat (20), welches auf einer Oberfläche des Diaphragmas befestigt ist, wobei das Halbleitersubstrat eine Schichtstruktur ist, in welcher eine Isolierschicht (23) zwischen ersten und zweiten Halbleiterschichten (21, 22) eingesetzt ist; und einer Vielzahl von Dehnungsmessern (24), die auf einem vorbestimmten Bereich der ersten Halbleiterschicht des Halbleitersubstrats gebildet sind und eine Krümmung des Diaphragmas in ein elektrisches Signal umwandeln, wobei: die Dehnungsmesser Strukturformen besitzen, welche voneinander durch Gräben (25) isoliert und getrennt sind, von denen jeder sich von einer Oberfläche der ersten Halbleiterschicht aus bis zu der Isolierschicht erstreckt; das Halbleitersubstrat einen Aussparungsabschnitt (28) aufweist, welcher eine Aussparung von einer Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht aus bis zu der Isolierschicht (23) eine Aussparung bildet und an einer Position entsprechend dem vorbestimmten Bereich vorgesehen ist; und das Diaphragma in den Aussparungsabschnitt eingesetzt ist und die Isolierschicht an einer Oberfläche des Diaphragmas in dem Aussparungsabschnitt befestigt ist.
Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat ein SOI-Substrat ist, in welchem sowohl die ersten als auch zweiten Halbleiter schichten aus Silizium und die Isolierschicht aus einem Siliziumdioxidfilm hergestellt sind.
Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht auf die Oberfläche des Diaphragmas in dem Aussparungsabschnitt durch ein Glasmaterial (30) gebondet ist.
Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Diaphragma einen Vorsprungsabschnitt (11a) an einer Position entsprechend dem Aussparungsabschnitt des Halbleitersubstrats aufweist; und der Vorsprungsabschnitt des Diaphragmas in den Aussparungsabschnitt eingesetzt und an der Isolierschicht in dem Aussparungsabschnitt befestigt ist.
Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich die Isolierschicht an dem Diaphragma in dem Aussparungsabschnitt innerhalb des Halbleitersubstrats befestigt ist.
Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussparungsabschnitt durch die Isolierschicht und die zweite Halbleiterschicht derart definiert ist, dass er eine trapezförmige Querschnittsform aufweist, welche von der Isolierschicht aus bis zu einer Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht erweitert ist; und das Diaphragma einen Vorsprungsabschnitt entsprechend der Form des Aussparungsabschnitts besitzt und die Isolierschicht des Halbleitersubstrats an einer Oberfläche des Vorsprungsabschnitts in dem Aussparungsabschnitt befestigt ist.
Drucksensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallstab eine Wandoberfläche aufweist, welche sich von dem Diaphragma nach außen erstreckt und der Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht zugewandt ist; und die Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht an der Wandoberfläche des Metallstabs außerhalb des Aussparungsabschnitts befestigt ist.
Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallstab eine hohle Form mit einer Öffnung aufweist, die an einem Ende gegenüberliegend dem Diaphragma geöffnet ist; und ein Druckmedium dem Diaphragma durch die Öffnung des Metallstabs aufgebracht wird.