JP2001524212A - Batch assembled semiconductor thin film pressure sensor and method of manufacturing the same - Google Patents

Batch assembled semiconductor thin film pressure sensor and method of manufacturing the same

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JP2001524212A JP54572398A JP54572398A JP2001524212A JP 2001524212 A JP2001524212 A JP 2001524212A JP 54572398 A JP54572398 A JP 54572398A JP 54572398 A JP54572398 A JP 54572398A JP 2001524212 A JP2001524212 A JP 2001524212A
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タン，ウェイロン
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Abstract

(57)【要約】 空気流からの圧力など外力によって動かされる可撓性膜を有する圧力センサ。この可撓性膜は開口を有する半導体フレームを跨いで延び、その一部が前記半導体フレーム全体を跨いで延び、またその一部が前記開口を跨いで延びる形になっている。膜には固有の引張応力がかかっている。前記開口を跨いで延びる前記膜部分を覆って一つ以上の歪みゲージ抵抗器を形成する。この膜は外部からかかる圧力に応じて変形する。膜の変形に伴って歪みゲージ抵抗器が長くなり、それら抵抗器の抵抗値を大きくする。この抵抗値変化を測定し、外部圧力の大きさの算定に用いる。一つの実施例では、歪みゲージ抵抗器の抵抗値変化を電位差に変換するのにホイートストンブリッジ回路を用いている。 (57) [Summary] A pressure sensor having a flexible membrane that is moved by an external force such as pressure from an air flow. The flexible film extends over a semiconductor frame having an opening, a portion of the flexible film extends over the entire semiconductor frame, and a portion of the flexible film extends over the opening. The film has an inherent tensile stress. One or more strain gauge resistors are formed over the membrane portion extending across the opening. This film deforms in response to externally applied pressure. The strain gauge resistors become longer with the deformation of the film, increasing the resistance of those resistors. This change in resistance is measured and used for calculating the magnitude of the external pressure. In one embodiment, a Wheatstone bridge circuit is used to convert the change in resistance of the strain gauge resistor into a potential difference.

Description

【発明の詳細な説明】 一括組立の半導体薄膜圧力センサおよびその製造方法 応用分野 この発明はかけられた外力に応答して物理的な動きを生ずる圧力センサに関す る。また、この発明はこの種の圧力センサの組立技術に関する。 背景技術 慣用のシリコン微細加工圧力センサは薄いシリコンダイアフラムの偏位の検出 にピエゾ抵抗素子または容量性素子を通常用いている。ピエゾ抵抗素子の方が容 量性素子よりもずっと一般的である。ピエゾ素子が低コストであり受け入れやす いからである。 図１Ａは慣用のシリコン微細加工ピエゾ抵抗圧力センサ１の上面図である。圧 力センサ１を面積２mm×２mm、厚さ500μm程度のシリコン基板２の上に形成する 。圧力センサ１の感度を上げるために、基板２はフレーム2a、環状のダイアフラ ム2bおよび円形の台2cを備えるように加工してある。ダイアフラム2bは厚さ10μ m程度になるようにエッチングし、フレーム2aおよび台2cは厚さ約500μmを保持 する。その結果、基板２の変形は環状ダイアフラム2b内部に集中し、圧力センサ １の感度が上がる。 四つのホイートストンブリッジ回路3a、3b、3c、3dを基板２の上に形成する。 これらホイートストンブリッジ回路の各々は複数のコンタクトパッド４、複数の ピエゾ抵抗素子５、およびこれらパッド４とピエゾ抵抗素子５とを接続する導電 体の配線を備える。ピエゾ抵抗素子５は環状ダイアフラム2bに不純物領域をイオ ン打込みすることによって形成する。ピエゾ抵抗素子５の抵抗値は結晶性基板２ にかけられた機械的応力に応答して変動する。より詳細に述べると、ピエゾ抵抗 素子５の抵抗値はダイアフラム2bの圧縮および膨張に応答して変動する。この環 状ダイアフラム2bとピエゾ抵抗素子５の位置とがゲージ率を25倍乃至50倍増加さ せ、圧力センサ１が４インチ水柱（WC）程度の差圧全範囲についての設計の場合 に２乃至３mV/V程度の出力電圧を生ずることができる。 従来は圧力センサ１は自動車業界で高圧力範囲検出用に通常用いられてきた。 その種の用途は、例えば、マニホールド絶対圧力、伝動液圧力、冷却水およびパ ワーステアリング液およびタイヤ圧力の測定などである。 圧力センサ１の効果は二つの物理的作用の組合せで定まり、これら作用は電気 的増幅器と縦続接続した機械的増幅器の見地から説明できる。この機械的増幅器 は圧力を偏位に変換するダイアフラム2bである。一方、電気的増幅器はピエゾ抵 抗素子５と前記偏位を電圧に変換するホイートストンブリッジ回路3a−3dとの組 合せである。 圧力センサ１はもともと多数の不利な点を伴う。まず、台2cは衝撃および振動 （すなわち騒音）に応答して過度の動的偏位を生ずる可震質量として作用する。 また、台2cは重力に応答して過度の静的偏位を生じ、そのためにセンサ感度が取 付位置に大きく左右される。その結果、圧力センサ１の動作はその取付位置およ び環境に影響され得る。 さらに、ピエゾ抵抗素子５は焦電抵抗器として作用し、そのためにセンサ１が 温度変化に対して極めて高感度になる。そのために、複雑な温度補償装置が圧力 センサ１の利用には通常必要となる。上記温度補償を行っても、温度の効果が全 測定範囲の１乃至２パーセント程度に達するのが普通である。 また、環状ダイヤフラムは通常非常に脆弱で、そのために圧力センサ１が搬送 、処理および組立の際に壊れやすくなる。さらに、環状ダイヤフラム2bは圧力セ ンサ１の機械的増幅器部分の感度を高めるが、このダイヤフラム2bの形状がダイ ヤフラム2bの線型弾性範囲を制限する。その結果、圧力センサ１の動作はこのダ イヤフラム2bの変位がシリコンダイアフラムの線型弾性範囲を超えると非線型に なり得る。 さらに、シリコン基板２に本来備わっているスティフネスのために、圧力セン サ１は低圧用（すなわち１psi以下の圧力の測定用）よりも高圧用（すなわち１p si以上の圧力の測定用）により適している。 図１Ｂは圧力測定用の慣用の容量性差圧センサ20の断面図である。この圧力セ ンサ20は、エッチングで形成したシリコンダイアフラム29（シリコン基板28から エッチング形成した）を上側ガラス板30と下側ガラス板27との間に挿んで構成し てある。圧力ポート25および26はシリコンダイアフラム29に気体を送り込むよう に上側および下側ガラス板30および27をそれぞれ通じて形成してある。これら上 側および下側ガラス板の内面にはアルミニウムをスパッタして固定キャパシタプ レート23および24を形成する。これらキャパシタプレート23および24からそれぞ れ圧力ポート25および26の内壁沿いに上側および下側ガラス板30および27までコ ネクタ21および22が延びている。このシリコンダイアフラム29は容量性ポテンシ ョメータと同様の形状でセンサ20の可動中心容量性プレートを形成する。圧力ポ ート25にかかった正の圧力はシリコンダイアフラム29を下側ガラス板27に向かっ て偏位させ、ダイヤフラム29とプレート24との間の容量を大きくし、一方、ダイ アフラム29とプレート23との間の容量を小さくする。この不均衡、すなわち圧力 に正比例するこの不均衡を電気回路で検出する。 この圧力センサ20は次のような不都合を伴う。まず、シリコンダイアフラム29 は比較的厚い（すなわち、少なくとも約５ミクロンの厚さを有する）ので衝撃お よび振動を受けると過大な動的偏位を生じ得る。また、シリコンダイアフラム29 を低圧用途のために薄くしていくと（すなわち、厚さ約５ミクロン）、実質的に 平板状のダイアフラムの形成が困難になる。非平板状ダイアフラムは不正確な容 量測定値を生じやすい。また、シリコンダイアフラム29を低圧用途のために薄く すると、ダイアフラムが非常に脆弱になり、そのために圧力センサ20が搬送、処 理および組立の際に損傷を受けやすくなる。 したがって、温度、動的衝撃および重力に対して比較的低感度で、低コスト、 高信頼性の圧力センサが望ましい。また、その種の圧力センサを比較的頑丈にし て広い線型弾性範囲をもたせるのが望ましい。さらに、その種の圧力センサを低 圧用途に適合させるのが望ましい。 概要 したがって、この発明は半導体フレームで支持した低応力窒化シリコンなど可 撓性膜を含む高感度圧力センサを提供する。この可撓性膜は上記フレームに張ら れ、引張応力がかかっている。ニッケル−クロムなどの薄膜歪みゲージ材料をこ の可撓性膜を覆って堆積させ、可撓性膜上に一つ以上の抵抗値可変の抵抗器を形 成する。 空気流に起因する動的圧力低下などの外圧がこの膜に加えられると、この膜は 変形して平面状態から反る。膜が平面状態から反ると、抵抗値可変の抵抗器の長 さが増加して抵抗値を増す。この抵抗値の増加をホイートストンブリッジ回路な どの電気回路でモニタする。このセンサ回路は膜の偏位に比例した出力信号を生 ずる。膜には引張応力だけがかかるので（より厚く構成され曲げをサポートでき るダイアフラムの場合に引張応力および圧縮応力の両方がかかるのに対して）、 この発明の圧力センサの生ずる出力信号は膜が上向きに変形するか下向きに変形 するかに関わりなく同じであり、差圧に比例する。 上記可撓性膜には試験用質量は付着していないので、この発明の圧力センサは 衝撃、振動および向きに免疫性を備える。また、歪みゲージ材料の抵抗値は形状 構造の効果だけに左右されるので、この発明の圧力センサは温度に対し安定であ る。さらに、この可撓性膜は一定の差圧に対して（センサ１に比較して）相対的 に大きい変形を受ける。そのために、低圧用途に適した相対的に高感度で高安定 度のセンサが得られる。 可撓性膜は大きい差圧に耐えられる強い材料で構成する。この膜には引張応力 がかかっているので、平面からの偏位はかけられた圧力に正比例する。膜は薄い のでその質量は無視できるほど小さく、取扱不注意に伴う重力もこの圧力センサ に損傷を生ずるほどには大きくならない。 この発明の圧力センサは標準ハウジングの中に単一のダイとして取付け可能で ある。あるいは、膜の変形を制限する過大圧力ストッパとして作用する二つのシ リコンダイの間にこの圧力センサを取り付けることもできる。 この発明のもう一つの実施例によると、第１の導体層を膜の上面に形成し、第 ２の導体層を過大圧力ストッパの上面に形成する。この実施例では、これら第１ および第２の導体層が容量性圧力センサを形成する。 図面を参照して述べる次の詳細な説明からこの発明はよりよく理解されよう。 図面の簡単な説明 図１Ａは慣用のシリコン微細加工ピエゾ抵抗圧力センサの上面図である。 図１Ｂは慣用の容量性差圧センサの断面図である。 図２はこの発明の一実施例による薄膜トランスデューサ圧力センサの上面図で ある。 図３は図２の圧力センサの底面図である。 図４は図２の線４−４における図２の圧力センサの断面図である。 図５Ａ−５Ｇは図２−図４の圧力センサのいくつかの加工工程を図解した断面 図である。 図６Ａおよび図６Ｂは図２−図４の圧力センサの膜の変形を示す図である。 図７は上側および下側過大圧力ストッパ構造付きの図２の圧力センサを示す断 面図である。 図８は図７の上側過大圧力ストッパ構造の底面図である。 図９はこの発明の代替的実施例による容量性圧力センサを図解する断面図であ る。 図１０Ａはこの発明の一つの実施例による圧力センサ組立体の断面図である。 図１０Ｂは図１０Ａの圧力センサ組立体の空気流管の上面図である。 図１１はこの発明の一つの実施例による温度センサとしての用途に適合させた 圧力センサの断面図である。 図１２はこの発明のもう一つの実施例による真空センサとしての用途に適合さ せた圧力センサの断面図である。 図１３、図１４および図１５ははこの発明の代替的実施例によるピトー管とし ての用途に適合させた圧力センサの断面図である。 図１６はこの発明のさらにもう一つの実施例による化学物質検出器として動作 するように変形した圧力センサの断面図である。 詳細な説明 図２はこの発明の一つの実施例による圧力センサ200の上面図である。図３は 圧力センサ200の底面図である。図４は図２の断面線４−４における圧力センサ2 00の断面図である。図２−図４は図示のとおりＸ−Ｙ−Ｚ座標系を用いている。 圧力センサ200は半導体フレーム201と、可撓性膜202と、導電性の配線211−21 4と、導電性パッド211a−214aと、歪みゲージ抵抗器221−224とを備える。半導 体フレーム201は単結晶半導体材料から成る。この説明の例では、フレーム201は <100>結晶軸を有する単結晶シリコンである。しかし、フレーム201は他の実施例 では上記以外の材料で構成することもできる。フレーム201は、Ｘ軸沿いの長さ 約0.6cm、Ｙ軸沿いの長さ約0.6cm、Ｚ軸沿いの長さ約400μmの大きさを備える。 中央部に位置する開口203はフレーム201を貫通している。 フレーム201は低応力の可撓性膜202を支持している。この説明の例では、膜20 2をフレーム201の上側面で開口203に張り渡されているシリコンリッチな窒化シ リコン膜で構成する。この例では、窒化シリコン膜202は約2000オングストロー ムの厚さを有する。これ以外の実施例では膜202をポリイミドなど上記以外の材 料で構成することもできる。膜202にもともと備わっている引張応力のために膜2 02はＸ−Ｙ平面に平行な平面内に保持される。しかし、膜202はＺ軸方向に可動 である。すなわち、フレーム201を固定し外力をＺ軸方向に膜202にかけると、膜 202は変形してＺ軸沿いに動く。膜202の変形に要する外力は250μN程度である。 この外力のもとでの膜202のＺ軸沿いの変形の大きさは約0.5μmである。 膜202は慣用のピエゾ抵抗式圧力センサ１（図１Ａ）に比べて大幅に改善され た機械的増幅率を備える。膜202は予め応力をかけてあるので、この膜はカンチ レバー梁としてよりも吊り橋の吊りケーブルと同様の作用をする。膜202の平面 からの反りのスティフネスは膜材料のヤング率または断面慣性の関数ではなく、 むしろ膜202のよく制御されたもともとの引張応力の関数である。膜202に予めか かっている固有応力は圧力センサ200の形成に関連して後述する。 歪みゲージ抵抗器211−224は膜202の露出面の上に形成する。歪みゲージ抵抗 器材料を、この材料の長さに比例しこの材料の断面積に反比例する抵抗値をもつ 導電性材料を意味するものと定義する。この説明の例では、歪みゲージ抵抗器を ニッケル−クロム（ニッケル約80パーセント、クロム20パーセント）で構成する 。これ以外の歪みゲージ材料として、クロム、チタンなどがある。これら歪みゲ ージ抵抗器221−224が膜202のＺ軸沿いの歪なしのとき互いに等しい長さと断面 積をもつようにする。そうすると、膜202のＺ軸沿いの変形がないとき歪みゲー ジ抵抗器221−224の抵抗値は互いに等しくなる。この説明の例では、歪みゲージ 抵抗器221−224の各々はＺ軸沿いの変形なしの場合に厚さ約500オングストロー ム、抵抗値約5,000オーム（室温で）を有する。これら歪みゲージ抵抗器221−22 4はこの例では同じ組成を有するが、この発明において必要条件ではない。他の 実施例では抵抗器223および224を歪みゲージ抵抗器221−222形成用の材料とは異 なる材料（非歪みゲージ材料）で形成することもできる。この実施例では、抵抗 器223および224は、膜202がＺ軸沿いに変形していない状態における歪みゲージ 抵抗器221および222と同じ抵抗値をもつように設計してある。 歪みゲージ抵抗器221および222は図に示すとおり半円形蛇行パターンに形成す る。歪みゲージ抵抗器221および222は、フレーム201に直接に結合されていない 膜202の部分全体を覆って形成してある。すなわち、歪みゲージ抵抗器221および 222はフレーム201の開口203の上に位置する膜202部分を覆って形成してある。（ 開口203は図２では点線で示してある。）その結果、歪みゲージ抵抗器221および 222は、膜202がＸ−Ｙ平面から反れるに従って長さが増し断面積が小さくなる。 後に詳述するとおり、これら抵抗器221および222の抵抗値は上記条件の下では増 加する。 歪みゲージ抵抗器223および224は図２に示すとおり蛇行状に形成する。これら 歪みゲージ抵抗器223および224をフレーム201直接結合の膜202部分全体を覆って 形成する。すなわち、歪みゲージ抵抗器223および224を開口203のすぐ上に設け る。その結果、これら歪みゲージ抵抗器223および224は膜202ほどに大幅にはＸ −Ｙ平面から反れない。 導電性の配線211−214を金属または合金などの低抵抗材料で形成する。この説 明の例では配線211−214は厚さ2000オングストローム、幅100μmの金または金の 合金で構成する。したがって、配線211−214の抵抗値は歪みゲージ抵抗器221−2 24の抵抗値よりもずっと小さい。配線211−214はホイートストンブリッジを形成 するようにこれら歪みゲージ抵抗値221−224を接続する。より詳細に述べると、 配線211は抵抗器223の第１の端子を抵抗器221の第１の端子に接続する。配線212 は抵抗器223の第２の端子を抵抗器222の第１の端子に接続する。配線213は抵抗 器222の第２の端子を抵抗器224の第１の端子に接続する。配線214は抵抗器221の 第２の端子を抵抗器224の第２の端子に接続する。これら配線211−214の端部に はパッド211a−214aをそれぞれ形成して、上記ホイートストンブリッジ回路の接 続点を提供する。 この発明の一つの実施例によると、圧力センサ200は次のとおり形成する。図 ５Ａ−図５Ｇは特定の加工工程における圧力センサ200を図解する。最初に単結 晶シリコン基板201を洗滌する。次に、図５Ａに示すとおり、窒化シリコンの層2 02を基板201の外側表面に堆積させる。この例では、窒化シリコン層202は厚さ約 2000オングストロームであるが、これ以外の厚さも可能である。次に、図５Ｂに 示すとおりフォトレジスト層501を窒化シリコン層202の上に堆積させる。フォト レジスト層501をパターニングして開口502を区画する。この説明の例では開口50 2は正 方形である。 次に図５Ｃに移って、窒化シリコン層202の開口502で露出した部分を除去する ようにプラズマエッチングを行う。次に、フォトレジスト除去ののち、KOHエッ チングを施す。図５Ｃに示すとおり、このKOHエッチングにより基板201貫通の開 口203を形成し、それによって基板がフレーム201を構成するようにする。KOHエ ッチングは窒化シリコン層202を侵さないので、窒化シリコン層202は開口203を 跨ぐ膜として残る。この膜202は上述の製造方法に起因する引張応力を備える。 次に、図５Ｄに示すとおり厚さ約200オングストロームの金の層215を窒化シリ コン層202の下側表面全体に蒸着（またはスパッタ）する。次にこの金の層215を 慣用の加工技術によりパターニングしエッチングして図５Ｅの配線211−214を形 成する。厚さ約500オングストロームの歪みゲージ抵抗材料の層216（例えばニッ ケル−クロム）を窒化シリコン層202の下側表面全面に蒸着（またはスパッタ） する。次にこの歪みゲージ抵抗材料の層216を慣用の加工技術によりパターニン グしエッチングして歪みゲージ抵抗器221−214を形成し、圧力センサ200の製造 を完了する（図５Ｇ）。他の実施例ではKOH以外のエッチング液も使うことがで きる。 図５Ａ−５Ｇは単一の圧力センサ200の製造を図解しているが、この圧力セン サ200と同様の多数のセンサを一つのシリコンウェーハ上に同時に（すなわち、 一括して）製造できることを理解されたい。それら一括製造の圧力センサを周知 の半導体加工技術にしたがって個別の圧力センサに分離できる。代わりに、これ ら一括製造の圧力センサを集積圧力センサアレーとして使うこともできる。 この圧力センサ200の動作を次に説明する。安定した大気状態（すなわち１気 圧で周囲に大気の流れがない状態）、または膜の両側で等圧の場合は、圧力セン サ200は図２−図４に図解した状態に留まる。すなわち、膜202はＸ−Ｙ平面に実 質的に平行であり、Ｚ軸沿いの膜202の変形はない。したがって、歪みゲージ抵 抗器221−224は互いに等しい抵抗値を有する。パッド211aとパッド213aとの間（ またはパッド212aとパッド214aとの間）に一定の外部電圧をかける。この時点で は歪みゲージ抵抗器221−224はすべて同じ抵抗値を有するので、パッド212aとパ ッド214aとの間には電位差は生じない。 しかし、大気の状態により圧力センサ200に外圧（すなわち、Ｚ軸沿いの正ま たは負の向きに押す力または引く力）がかかると、膜202がＸ−Ｙ平面から反れ て歪 みゲージ抵抗器221および222を伸張させる。図６ＡはＺ軸方向正の向きの膜202 の変形を示す。図６ＢはＺ軸方向負の向きの膜202の変形を示す。歪みゲージ抵 抗器221および222が伸張するとこれら抵抗器221および222の抵抗値が増加する。 歪みゲージ抵抗器221および222の物理的配列は膜202の変形については対称的で あるので、歪みゲージ抵抗器221および222は同じ量だけ変形（すなわち伸張）し 、これら抵抗器221および222の抵抗値もほぼ同じ量だけ増加する。これら抵抗器 221および222の抵抗値の上昇の結果、パッド212aとパッド214aとの間に電位差が 生じる（パッド211aおよび213aの間に一定の入力電圧を印加した場合）。パッド 212aおよび214aの間の電位差は膜202の変形に比例する。膜202の変形は圧力に比 例するのでパッド212aおよび214aの間の電位差は圧力に比例する。 圧力センサ200は慣用のピエゾ抵抗式圧力センサに対して次の利点を有する。 まず、圧力センサ200は極めて高感度で１psiよりもずっと低い圧力を測定できる 。例えば、圧力センサ200は全測定範囲５インチ水柱（0.02psi）乃至0.005イン チ水柱の感度を有する。また、圧力センサ200は予め応力のかかった膜の利用に 基づき機械的増幅が改善されている。さらに、膜202には予め応力がかかってい るので、膜202は線型動作範囲が非常に広く、過大圧力に対して保護される。ま た、膜202の質量は相対的に小さいので、いわゆるＧ力はほとんど無視でき、重 力に起因する静的誤差（すなわちセンサ位置オフセット）または騒音や振動に起 因する動的誤差を免れる。これらの特徴により、圧力センサ200は下記の超低圧 範囲気体流検出用に使用可能である。すなわち、HVACダンパー制御、ダクト内空 気流およびフィルタ気圧低下測定、化学物質流フード、病室、クリーンルーム与 圧、医療器械、産業用制御／監視および電子式燃焼冷却状態検出などの用途であ る。 圧力センサ200は前述のとおりそれだけで動作でき、また、過大圧力がかかっ た場合（過大圧状態）に備えて膜202の動きの範囲を制限するように作用する関 連部材との組合せでも動作できる。図７は圧力センサ200に結合した第１の過大 圧力ストッパ構造300および第２の過大圧力ストッパ400の断面図である。 第１の過大圧力ストッパ300は膜202を支持している圧力センサ200に結合して ある。第１の過大圧力ストッパ300は、基板301の周囲に形成した複数の支持パッ ド303を備える基板301を含む。この例では基板301は単結晶シリコンで構成する 。電気的絶縁層302を図示のとおり支持パッド303を覆って形成する。この例では 、絶 縁層302は酸化シリコンである。絶縁層302は、過大圧力ストッパ300を圧力セン サ200に結合した際の配線211−214と歪みゲージ抵抗器221−224との間の短絡を 防止する。支持パッド303と絶縁層302との合計の高さを、Ｚ軸方向正の向きの膜 202の動きの所望の最短距離に対応するように設定する。 図８は第１の過大圧力ストッパ300の底面図である。深い溝領域304が中央部か ら周辺部に向かって四方向に延びている。深い溝領域304は膜202の上側表面を外 部圧力に露出させる。支持パッド303の間に十分な間隔があって膜202の上側表面 が支持パッド303間の間隔によって外部の大気に連通している場合は、溝領域304 を除去することもできる。 第２の過大圧力ストッパ400は、膜202を支持する面と反対の面で圧力センサ20 0に結合してある。この第２の過大圧力ストッパ400は複数の貫通孔402を備える 基板401を含む。この例では基板401は単結晶シリコンである。孔402は慣用の半 導体プロセス技術（例えば、エッチング、機械式孔あけまたは超音波孔あけ）に 従って形成する。孔402は基板401を貫通し、膜202の下側表面を大気圧またはそ れ以外の空気室に基板401経由で連通させる。この実施例では、基板201の高さを 、Ｚ軸方向負の向きの膜202の動きの所望の最大値対応の値に設定する。動きの 距離をより大きくする場合は、支持パッド（支持パッド303と同様の）を基板401 の上側表面の周囲にエッチングで形成する。 第１および第２の過大圧力ストッパ300および400を結合材料または接着剤で圧 力センサ200に結合する。支持パッド303によるパターニングずみの表面はある程 度不均一（すなわち不連続）であり、そのために結合が改善されて有利である。 上述の例の変形として、第１の過大圧力ストッパ300に基板301を貫通する孔（孔 402と同様の）を備え、膜202の上側表面に連通させることもできる。同様に、第 ２の過大圧力ストッパ400にも、膜202の下側表面に連通するように基板401に溝 （溝304と同様の）を設けることができる。さらにもう一つの変形として、第１ の過大圧力ストッパ300を第２の過大圧力ストッパ４００なしで用いることもで きる。同様に、第２の過大圧力ストッパ400を第１の過大圧力ストッパ300なしで 用いることもできる。 この発明の代替的実施例では、圧力センサ200および第１の過大圧力ストッパ3 00を容量性圧力センサを構成するように変形する。図９はその代替的実施例によ る容量性圧力センサ500の断面図である。容量性圧力センサ500は圧力センサ200A および第１の過大圧力ストッパ300Aを含む。圧力センサ200Aおよび第１の過大圧 力ストッパ300Aは上述の圧力センサ200および第１の過大圧力ストッパ300とそれ ぞれ類似である。したがって、図９における構成要素で図７と同じものは同じ参 照数字で示してある。 圧力センサ200Aは図５Ａ−図５Ｄを参照して上に述べた工程を経て形成する。 したがって、圧力センサ200Aはフレーム201、膜202および金の層215を備える。 なお、この実施例では金の層215はパターニングしておらず、歪みゲージ抵抗材 料層216は形成してない。過大圧力ストッパ300Aはストッパ300（図８）の溝部30 4に導電性層305（例えば金）を堆積させて形成する。導電性層215および305に電 気的接続を設け、これら二つの層の間の容量を慣用の容量測定回路で測定する。 膜202が過大圧力ストッパ300Aに向かって変形するに伴って、容量測定値は大き くなる。逆に、膜202が過大圧力ストッパ300から離れる向きに変形するに伴って 、容量測定値は小さくなる。かけられた圧力の大きさは慣用の手法を用いてこの 容量測定値から算出できる。 用途 圧力センサ200の種々の用途を次に述べる。下記の用途は例示であって限定で はない。この発明の圧力センサは当業者に自明のこれら以外の多数の用途に用い ることができる。 空気流検出器 圧力センサ200は多様な用途に使用可能である。図１０Ａに示すとおり、圧力 センサ200は圧力センサ組立体900を構成するようにパッケージしてある。圧力セ ンサ組立体900はプラスチックでそれぞれ形成可能な上側モールド体901および下 側モールド体902を含む。上側モールド体901と下側モールド体902とを両者間に 気密封止を形成するように一体化する。圧力センサ200を下側モールド体902に気 密封止を形成するように取り付ける。下側モールド体902を通じて空胴903および 904が延びている。圧力センサ200を、膜202の下側表面が空胴904の内に露出する ように空胴904の上に配置する。空胴903は圧力センサ200周辺部の外側の位置で 下側モールド体902を貫通している。したがって、膜202の上側表面は空胴903に 露出している。 空気流管910および911を空胴903および904にそれぞれ嵌め合わせてある。空気 流管910および911は上端で開き下端で閉じている中空管である。開口930および9 31は管910および911の管面にそれぞれ配置してある。フィルタ920および921を空 気流管910および911の上端にそれぞれ配置してある。フィルタ920および921はハ ウジング900への微粒子の侵入を防ぎ、膜202の動作特性の変動を防ぐ。圧力セン サ200の種々のボンディングパッドをボンディングワイヤ（ボンディングワイヤ9 50など）によりコネクタピン（コネクタピン905など）に接続できる。 このようにして作った構成物は次のとおり動作する。この圧力センサ組立体90 0を空気流の予想される位置に取り付ける。この圧力センサ組立体900を、開口93 0が予想される空気流の向きと相対する向きに、開口931が予想される空気流の向 きから反れる向きにそれぞれ向けた状態で固定する。図１０Ｂは空気流管910お よび911の上面図である。矢印は予想される空気流の向きを示す。図示の空気流 がある場合は、開口930を通じて正圧が生じ開口931を通じて負圧が生ずる。開口 931は、負圧（真空）P2を発生させるために、予想される空気流の向きと少なく とも90°だけ位相をずらして配置しなければならない。子想される空気流がある ときは圧力P1およびP2の間の差が膜202をＸ−Ｙ平面から強制的に反らせる。逆 に、予想される空気流がないときは、圧力P1およびP2（互いにほぼ等しい）は膜 202を変形なしの状態に留める。膜202の一方の側に正圧P1をかけ、他方の側に負 圧をかけることによって、相対的に大きい力がかかって圧力センサ200を作動さ せる。代替の実施例では、空気流管910および911を、二つの内部溝付きでそれら 溝の各々に通ずる一つの孔を有する単一の空気流管に置換できる。 また、空気流管910および911の各々に単一の孔を設ける代わりに、これら空気 流管910および911の各々に二つ以上の孔を設け、各孔を空気流に対して僅かに異 なる角度で配置し全部の孔を同一の空胴（例えば903または904）に結合すること もできる。一つの例では、二つの孔を両者間の成す角度を約５°にして設ける。 二つの孔を設けることによって、空気流管910および911の空気流の向きに対する 設置角度の精度を下げることができる。しかし、空気流管一つにつき孔を一つ追 加するごとに、圧力測定値は小さくなり感度は少し低下する。さらにもう一つの 実施例では、孔930および931の代わりに水平方向溝孔開口を設けることができる 。それらの溝孔開口は空気流の向きに対する空気流管の向きの所要精度を緩和す る。 圧力センサ組立体900はコンピュータシステムの冷却用ファンの近傍または保 護対象の部品の近傍に取り付けることができる。それによって圧力センサ200は ファンの形成する空気流を受ける。空気流が所定の閾値以上であれば膜202は変 形してパッド212aおよび214aの間に電位差を生ずる。この電位差の存在がコンピ ュータシステム内に十分な空気流があることを示すものと解釈する。圧力センサ 200の閾値はファンに対して圧力センサ200の位置を半径方向または軸方向に調節 することによって、または膜202の感度を変えることによって定めることができ る。圧力センサ200はファンの故障または最適状態以下の動作を直ちに検出する ので、コンピュータシステム内の電子部品の加熱を慣用の温度検出デバイス利用 の場合よりも早い段階で防止できる。 この発明によると、圧力センサ組立体900と同一の圧力センサ組立体複数個を 保護対象のコンピュータシステム全体を通じて配置できる。このような構成によ って、最適状態以下の動作状態を局所的に検出できる。 警報用センサとしての利用のほかに、上記デバイスはファン回転速度の制御の ための帰還センサとして、すなわち特定のシステム用または特定の周囲温度用に 所望の空気流を形成するのに必要な任意の速度で回転するようにファンを制御す るための帰還センサとしても使用できる。代わりに、動作するファンの数を所望 の空気流を達成できるように制御することもできる。それら適応型（“スマート ”）ファンを、ファン騒音が問題になる場合やシステム信頼性を厳しく求められ る場合などに用いることができる。 温度センサ 図１１に示すとおり、この発明の代替的実施例によると、圧力センサ200を温 度センサ1100の形成に使うことができる。温度センサ1100は圧力センサ200、下 側ハウジング部材1101、上側ハウジング部材1102および栓1103を含む。空胴1104 が下側ハウジング部材1101を貫通して延びている。圧力センサ200を気密封止で ハウジング部1101に、膜202の下側表面（または上側表面）が空胴1104に露出す るように取り付ける。上側ハウジング部材1102は図示のとおり下側ハウジング部 材1101に取り付ける。上側ハウジング部材1102は膜202の上側表面（または下側 表面）に連通するフィルタ1105を含む。周囲温度を制御している間は、空胴1104 は栓1103で封止（気密）する。したがって、空胴1104は一定量の空気を内包する 閉じた空胴 になる。この空気が加熱される（または冷却される）と、膨張（または収縮）し 、導電性膜を変形させる。温度センサ1100を密封状態にする温度を制御し、圧力 センサの感度を制御することによって、温度センサ1100の動作特性を制御できる 。 真空検出器 もう一つの応用では、圧力センサ200を空気調節システム、炉または半導体プ ロセス装置などのチェンバ内または空気流内の真空（または圧力）を溝内の真空 の検出によって検出するのに使うことができる。図１２はこの発明のもう一つの 実施例による真空圧力センサ1200の概略図である。この真空圧力センサ1200は下 側ハウジング部材1202に取り付けた圧力センサ200を含む。開口1203はハウジン グ部材1202を貫通し、膜202の下側表面（または上側表面）を露出させる。フィ ルタ1205付きの上側ハウジング部材1204を下側ハウジング部材1202に取り付ける 。これら下側ハウジング部材1202および上側ハウジング部材1204を、空気流管12 11（例えばヴェンチュリ管）から分岐したより大型のハウジング1210に嵌め込む 。管1211を通る空気流がない場合は、膜202は非変形状態にある。しかし、空気 流Ｆが管1211内に生ずると、膜202はハウジング1210内に誘起された負圧ｐによ って変形する。 ピトー管 もう一つの応用として、この圧力センサ200をシリコン微細加工ピトー管用に 適合させることができる。図１３はこの発明の一つの実施例によるピトー管1300 の断面図である。この実施例では、圧力センサ200の基板201を延長し、基板201 のその延長部分の上側表面に樋1301を形成する。単結晶シリコンなどの構造材料 から成る上側層1311を基板201の上側表面に付ける。また、上側層1311を貫通す る開口1312を設ける。開口1312および樋1301は膜202の上側表面を外気に連通さ せる。 下側構造体層1320を図示のとおり圧力センサ200の下側表面に取り付ける。下 側構造体層1320は空胴1322に至る支持パッド1322と、層1320の下側表面の樋1323 と、空胴1322と樋1323の間で延びる開口1324とを備える。樋1323は下側構造体層 1320の外周に延びて開口1325に達する。下側カバー層1330を下側構造体層1320の 下側表面に付ける。したがって、膜202の下側表面は空胴1321、樋1323および開 口1324経由で外気に連通する。 このように構成した構成物を慣用のピトー管などにおける空気流速度の測定に 使用できる。入来空気流Ｆの速度がＶ1、圧力Ｐ1とすると、空気流の他の任意の 点において Ｐ2＋1/2ρＶ2 2＝Ｐ1＋1/2ρＶ1 2 の関係が得られる。ここでρは空気の質量密度である。開口1325は流れに向かっ ており、対応の樋1323は流速Ｖ2が零になる空胴1322までずっと延びているので 、膜202の下側表面における圧力は Ｐ2＝Ｐ1＋1/2ρＶ1 2 になるはずである。 一方、開口1312は流れと垂直な方向に向いているので、樋1301を通じた膜202 上側表面における圧力は単なるＰ1であり、したがって、膜202にかかる差圧は ΔＰ＝Ｐ2−Ｐ1＝1/2ρＶ1 2 で与えられる。 この差圧が膜202の変形を生じさせる。その変形が電位差を生じさせ、この電 位差を空気流Ｆの測定に使うことができる。 圧力センサ200の構成を用いて上記以外のピトー管構成を実現できる。例えば 、図１４は圧力センサ200に結合した三つの構成部材1401、1411および1421を備 える三層ピトー管構成1400を示す。構成部分1401は支持パッド1402、開口1403、 溝1404および開口1405を含む。構成部材1401の上側表面（すなわち、支持パッド 1402を含む表面）を図示のとおり圧力センサ200に付ける。構成部材1411を構成 部材1401の下側表面に付ける。 圧力センサ200に図示のとおり付けた構造部材1421は二つの開口1422および142 3を含む。90度曲がりを有する開口1422は膜202の上側表面に連通する。直線状の 開口である開口1422は圧力センサ200に設けてある開口1406に続いている。開口1 406は開口1423および1405の間に延び、膜202の下側表面を外気に連通させる。こ のピトー管構成1400も上述のピトー管1300について述べたのと同じ方法で動作す る。 同様に、図１５は二層ピトー管構成1500を示す。ピトー管構成1500の構成要素 のうちピトー管構成1400と同じものは同じ参照数字で示してある。ピトー管構成 1500は上記構成1400の構成部材1401および1411を単一の部材1501で置換した構成 を備える。構成部材1501は支持パッド1502と、膜202の下側表面を開口1423およ び 1406に連通する溝1503とを備える。溝1503は、上述の溝304（図８）について説 明した方法と同じ方法で形成する。ピトー管構成1500は上述のピトー管構成1300 および1400と同じように動作する。もう一つの実施例では、ピトー管構成を他の 材料（プラスチックなど）で構成し、開閉器（シリコンで構成）に結合すること ができる。 化学物質検出器 図１６はガスまたは化学物質（例えば一酸化炭素）検出器用に適合させた圧力 センサを示す。この発明のこの実施例においては、化学物質吸収体1601を開口20 3内の膜202全体にわたって堆積させる。吸収体1601は周辺大気中にある化学物質 を吸収する。吸収体1601は吸収を行うと膨張して膜202を変形させる。その結果 生じた電位差を周辺大気中の許容量以上の有害化学物質の存在の検出に使うこと ができる。 いくつかの実施例についてこの発明を説明してきたが、この発明は上述の実施 例に限られず、当業者に自明の種々の変形が可能である。例えば、ホイートスト ンブリッジ回路を構成するように互いに接続した歪みゲージ抵抗器に関連してこ の発明を上に説明したが、歪みゲージ抵抗器１個以上を圧力センサの膜の上に形 成することによって上記以外の形式の検出回路を実現できることは当業者に理解 されよう。また、圧力センサ200を特定の寸法をもつものとして説明したが、こ れら寸法は例示であって限定ではない。上記以外の寸法も採用可能であり、この 発明の範囲にあるものと考える。この発明は請求の範囲のみによって限定される 。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION             Batch assembled semiconductor thin film pressure sensor and method of manufacturing the same Application areas   The present invention relates to a pressure sensor that produces a physical movement in response to an applied external force. You. The present invention also relates to a technique for assembling such a pressure sensor. Background art   Conventional silicon micromachining pressure sensor detects displacement of thin silicon diaphragm In general, a piezoresistive element or a capacitive element is used. Piezoresistive elements are better It is much more general than a quantitative element. Piezo element is low cost and easy to accept Because it is.   FIG. 1A is a top view of a conventional silicon micromachined piezoresistive pressure sensor 1. Pressure A force sensor 1 is formed on a silicon substrate 2 having an area of 2 mm × 2 mm and a thickness of about 500 μm. . In order to increase the sensitivity of the pressure sensor 1, the substrate 2 has a frame 2a and an annular diaphragm. It is machined so as to have a memory 2b and a circular base 2c. Diaphragm 2b is 10μ thick Etch to about m, frame 2a and table 2c keep about 500μm thickness I do. As a result, the deformation of the substrate 2 concentrates inside the annular diaphragm 2b, and the pressure sensor 1 increases the sensitivity.   Four Wheatstone bridge circuits 3a, 3b, 3c, 3d are formed on the substrate 2. Each of these Wheatstone bridge circuits has a plurality of contact pads 4, a plurality of A piezoresistive element 5 and a conductive element for connecting these pads 4 to the piezoresistive element 5 Provide body wiring. The piezoresistive element 5 is formed by adding an impurity region to the annular diaphragm 2b. It is formed by driving. The resistance value of the piezoresistive element 5 is Fluctuates in response to mechanical stresses applied to the substrate. More specifically, piezoresistance The resistance of element 5 varies in response to the compression and expansion of diaphragm 2b. This ring Diaphragm 2b and the position of the piezoresistive element 5 increase the gauge factor by 25 to 50 times. When the pressure sensor 1 is designed for the entire range of differential pressure of about 4 inches of water column (WC) Output voltage of about 2 to 3 mV / V.   Conventionally, the pressure sensor 1 has been commonly used in the automotive industry for detecting a high pressure range. Such applications include, for example, manifold absolute pressure, transmission fluid pressure, cooling water and Measurement of water steering fluid and tire pressure.   The effect of the pressure sensor 1 is determined by a combination of two physical actions, and these actions are Can be explained in terms of a mechanical amplifier cascaded with a mechanical amplifier. This mechanical amplifier Is a diaphragm 2b that converts pressure into deflection. Electrical amplifiers, on the other hand, Combination of a resistance element 5 and a Wheatstone bridge circuit 3a-3d for converting the deviation into a voltage It is a match.   The pressure sensor 1 inherently has a number of disadvantages. First, the table 2c is shock and vibration (Ie, noise) acting as a seismic mass that produces excessive dynamic excursion. Also, the platform 2c responds to gravity, causing excessive static excursions, thereby increasing sensor sensitivity. It greatly depends on the attachment position. As a result, the operation of the pressure sensor 1 depends on its mounting position and And the environment.   Furthermore, the piezoresistive element 5 acts as a pyroelectric resistor, so that the sensor 1 Extremely high sensitivity to temperature changes. Therefore, a complicated temperature compensator The use of the sensor 1 is usually required. Even if the above temperature compensation is performed, the effect of temperature It usually reaches about 1 to 2 percent of the measurement range.   Also, the annular diaphragm is usually very fragile, so that the pressure sensor 1 , Fragile during processing and assembly. Further, the annular diaphragm 2b is Although the sensitivity of the mechanical amplifier part of the sensor 1 is increased, the shape of the diaphragm 2b is Limit the linear elastic range of the diaphragm 2b. As a result, the operation of the pressure sensor 1 is When the displacement of the diaphragm 2b exceeds the linear elastic range of the silicon diaphragm, it becomes non-linear. Can be.   Further, due to the inherent stiffness of the silicon substrate 2, a pressure sensor is provided. The source 1 is for high pressure (ie, 1p) than for low pressure (ie, for measuring pressures below 1 psi). More suitable for measuring pressures above si).   FIG. 1B is a cross-sectional view of a conventional capacitive differential pressure sensor 20 for measuring pressure. This pressure cell The sensor 20 is formed by etching a silicon diaphragm 29 (from a silicon substrate 28). (Formed by etching) between upper glass plate 30 and lower glass plate 27. It is. Pressure ports 25 and 26 allow gas to enter silicon diaphragm 29 Are formed through upper and lower glass plates 30 and 27, respectively. On these Aluminum is sputtered on the inner surfaces of the side and lower glass plates to Form rates 23 and 24. From these capacitor plates 23 and 24 respectively Along the inner walls of the pressure ports 25 and 26 to the upper and lower glass plates 30 and 27 The connectors 21 and 22 extend. This silicon diaphragm 29 has a capacitive potential The movable center capacitive plate of the sensor 20 is formed in the same shape as the rheometer. Pressure port Positive pressure on plate 25 pushes silicon diaphragm 29 toward lower glass plate 27. To increase the volume between the diaphragm 29 and the plate 24, while The capacity between the afram 29 and the plate 23 is reduced. This imbalance, pressure This imbalance which is directly proportional to is detected by an electric circuit.   This pressure sensor 20 has the following disadvantages. First, the silicon diaphragm 29 Are relatively thick (ie, have a thickness of at least about 5 microns), And vibrations can cause excessive dynamic excursions. In addition, silicon diaphragm 29 Thinner for low pressure applications (ie, about 5 microns thick), substantially It becomes difficult to form a flat diaphragm. Non-planar diaphragms are incorrect Prone to volume measurements. Also, the silicon diaphragm 29 is thinner for low pressure applications. Then, the diaphragm becomes very fragile, so that the pressure sensor 20 is transported and processed. Susceptible to damage during processing and assembly.   Therefore, it is relatively insensitive to temperature, dynamic shock and gravity, low cost, A highly reliable pressure sensor is desirable. It also makes such pressure sensors relatively robust. It is desirable to have a wide linear elastic range. In addition, such pressure sensors It is desirable to adapt to pressure applications. Overview   Therefore, the present invention is applicable to low-stress silicon nitride supported by a semiconductor frame. A highly sensitive pressure sensor including a flexible film is provided. This flexible membrane is stretched on the frame Is under tensile stress. Use a thin film strain gauge material such as nickel-chrome And depositing one or more variable resistance resistors on the flexible film. To achieve.   When an external pressure, such as a dynamic pressure drop due to airflow, is applied to the membrane, the membrane becomes Deforms and warps from a flat state. When the film warps from the flat state, the length of the variable resistance And the resistance value increases. This increase in resistance is Which electrical circuit to monitor. This sensor circuit produces an output signal proportional to the membrane deflection. Cheating. The membrane is only subjected to tensile stress (thicker and can support bending) Diaphragms are subject to both tensile and compressive stresses) The output signal produced by the pressure sensor of the present invention is such that the membrane deforms upward or downward. It is the same regardless of whether it is performed, and is proportional to the differential pressure.   Since no test mass is attached to the flexible membrane, the pressure sensor of the present invention Immune to shock, vibration and orientation. Also, the resistance value of the strain gauge material is shaped The pressure sensor of the present invention is temperature stable because it depends only on the effect of the structure. You. In addition, the flexible membrane is relative to a certain differential pressure (compared to sensor 1). Undergoes large deformation. Therefore, relatively high sensitivity and high stability suitable for low pressure applications A degree sensor is obtained.   The flexible membrane is made of a strong material that can withstand a large differential pressure. This film has a tensile stress , The deviation from the plane is directly proportional to the applied pressure. The film is thin Therefore, its mass is so small that it can be ignored. It is not large enough to cause damage.   The pressure sensor of the present invention can be mounted as a single die in a standard housing. is there. Alternatively, two shears acting as overpressure stoppers to limit the deformation of the membrane This pressure sensor can be mounted between the recon dies.   According to another embodiment of the present invention, a first conductor layer is formed on the upper surface of the film, A second conductor layer is formed on the upper surface of the excessive pressure stopper. In this embodiment, these first And the second conductor layer forms a capacitive pressure sensor.   BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention will be better understood from the following detailed description given with reference to the drawings, in which: FIG. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES   FIG. 1A is a top view of a conventional silicon micromachined piezoresistive pressure sensor.   FIG. 1B is a cross-sectional view of a conventional capacitive differential pressure sensor.   FIG. 2 is a top view of a thin film transducer pressure sensor according to one embodiment of the present invention. is there.   FIG. 3 is a bottom view of the pressure sensor of FIG.   FIG. 4 is a cross-sectional view of the pressure sensor of FIG. 2 taken along line 4-4 of FIG.   5A-5G are cross-sections illustrating some processing steps of the pressure sensor of FIGS. FIG.   6A and 6B are views showing deformation of the membrane of the pressure sensor of FIGS.   FIG. 7 shows the pressure sensor of FIG. 2 with upper and lower overpressure stopper structures. FIG.   FIG. 8 is a bottom view of the upper excessive pressure stopper structure of FIG.   FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a capacitive pressure sensor according to an alternative embodiment of the present invention. You.   FIG. 10A is a cross-sectional view of a pressure sensor assembly according to one embodiment of the present invention.   FIG. 10B is a top view of the airflow tube of the pressure sensor assembly of FIG. 10A.   FIG. 11 is adapted for use as a temperature sensor according to one embodiment of the present invention. It is sectional drawing of a pressure sensor.   FIG. 12 is adapted for use as a vacuum sensor according to another embodiment of the present invention. FIG. 3 is a cross-sectional view of a pressure sensor that has been applied.   FIGS. 13, 14 and 15 show a pitot tube according to an alternative embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view of a pressure sensor adapted to all applications.   FIG. 16 operates as a chemical detector according to yet another embodiment of the present invention. FIG. 4 is a cross-sectional view of a pressure sensor deformed as follows. Detailed description   FIG. 2 is a top view of a pressure sensor 200 according to one embodiment of the present invention. Figure 3 FIG. 3 is a bottom view of the pressure sensor 200. FIG. 4 shows the pressure sensor 2 at section line 4-4 in FIG. It is sectional drawing of 00. 2 to 4 use an XYZ coordinate system as shown.   The pressure sensor 200 includes a semiconductor frame 201, a flexible film 202, and conductive wires 211-21. 4, conductive pads 211a-214a, and strain gauge resistors 221-224. Semiconduct Body frame 201 is made of a single crystal semiconductor material. In the example of this description, the frame 201 is <100> Single crystal silicon having a crystal axis. However, the frame 201 is different from the other embodiments. Then, a material other than the above may be used. Frame 201 is the length along X axis It has a size of about 0.6 cm, about 0.6 cm in length along the Y axis, and about 400 μm in length along the Z axis. The opening 203 located at the center penetrates the frame 201.   The frame 201 supports a low stress flexible membrane 202. In the example of this description, the membrane 20 2 is a silicon-rich silicon nitride It is composed of a recon film. In this example, the silicon nitride film 202 has a thickness of about 2000 angstroms. Have a thickness of In other embodiments, the film 202 is made of a material other than the above, such as polyimide. It can also be composed of fees. Due to the inherent tensile stress of membrane 202, membrane 2 02 is held in a plane parallel to the XY plane. However, the film 202 is movable in the Z-axis direction It is. That is, when the frame 201 is fixed and an external force is applied to the film 202 in the Z-axis direction, 202 deforms and moves along the Z axis. The external force required for deformation of the film 202 is about 250 μN. The magnitude of deformation of the membrane 202 along the Z axis under this external force is about 0.5 μm.   Membrane 202 is a significant improvement over conventional piezoresistive pressure sensor 1 (FIG. 1A). Mechanical amplification factor. Since the film 202 is pre-stressed, Acts more like a suspension bridge suspension cable than as a lever beam. Plane of membrane 202 Is not a function of the membrane material's Young's modulus or cross-sectional inertia, Rather, it is a function of the well-controlled original tensile stress of the membrane 202. Beforehand on the membrane 202 The applied intrinsic stress will be described later in connection with the formation of the pressure sensor 200.   Strain gauge resistors 211-224 are formed on the exposed surface of membrane 202. Strain gauge resistance The material has a resistance that is proportional to the length of the material and inversely proportional to the cross-sectional area of the material It is defined as meaning a conductive material. In this example, the strain gage resistor is Consist of nickel-chromium (80% nickel, 20% chromium) . Other strain gauge materials include chromium and titanium. These distortions Lengths and cross sections equal to each other when the resistive resistors 221-224 are free of strain along the Z axis of the membrane 202 To have a product. Then, when there is no deformation of the film 202 along the Z axis, The resistance values of the resistors 221 to 224 are equal to each other. In this example, the strain gauge Each of the resistors 221-224 has a thickness of about 500 angstroms without deformation along the Z axis. Have a resistance of about 5,000 ohms (at room temperature). These strain gauge resistors 221-22 4 has the same composition in this example, but is not a requirement of the present invention. other In the preferred embodiment, resistors 223 and 224 are different from the materials used to form strain gauge resistors 221-222. (A non-strain gauge material). In this embodiment, the resistance The devices 223 and 224 are strain gauges in a state where the membrane 202 is not deformed along the Z axis. It is designed to have the same resistance value as resistors 221 and 222.   The strain gauge resistors 221 and 222 are formed in a semi-circular meandering pattern as shown. You. Strain gauge resistors 221 and 222 are not directly coupled to frame 201 The film 202 is formed so as to cover the entire portion. That is, the strain gauge resistor 221 and 222 is formed so as to cover the portion of the film 202 located above the opening 203 of the frame 201. ( The opening 203 is indicated by a dotted line in FIG. ) As a result, the strain gage resistor 221 and The length 222 increases and the cross-sectional area decreases as the film 202 warps from the XY plane. As described later in detail, the resistance values of these resistors 221 and 222 increase under the above conditions. Add.   The strain gauge resistors 223 and 224 are formed in a meandering shape as shown in FIG. these Strain gauge resistors 223 and 224 cover the entire membrane 202 portion of the frame 201 direct coupling Form. That is, the strain gauge resistors 223 and 224 are provided immediately above the opening 203. You. As a result, these strain gauge resistors 223 and 224 are significantly less X -Does not warp from the Y plane.   The conductive wiring 211 to 214 is formed of a low-resistance material such as a metal or an alloy. This theory In this example, the wiring 211-214 is made of gold or gold having a thickness of 2000 angstroms and a width of 100 μm. It is composed of an alloy. Therefore, the resistance value of the wiring 211-214 is equal to the resistance of the strain gauge resistor 221-2. Much less than the resistance of 24. Wiring 211-214 forms a Wheatstone bridge To connect these strain gauge resistance values 221-224. More specifically, Wiring 211 connects the first terminal of resistor 223 to the first terminal of resistor 221. Wiring 212 Connects the second terminal of resistor 223 to the first terminal of resistor 222. Wiring 213 is a resistor A second terminal of the resistor 222 is connected to a first terminal of the resistor 224. Wiring 214 is for resistor 221 The second terminal is connected to the second terminal of resistor 224. At the end of these wires 211-214 Form pads 211a-214a, respectively, to connect the Wheatstone bridge circuit. Provide a continuation point.   According to one embodiment of the present invention, pressure sensor 200 is formed as follows. Figure 5A-5G illustrate the pressure sensor 200 in a particular processing step. First one The crystalline silicon substrate 201 is washed. Next, as shown in FIG. 02 is deposited on the outer surface of the substrate 201. In this example, the silicon nitride layer 202 has a thickness of about 2000 Angstroms, but other thicknesses are possible. Next, in FIG. As shown, a photoresist layer 501 is deposited on the silicon nitride layer 202. photo The opening 502 is defined by patterning the resist layer 501. In the example of this description, the opening 50 2 is positive It is rectangular.   Next, referring to FIG. 5C, a portion of the silicon nitride layer 202 exposed at the opening 502 is removed. Is performed as described above. Next, after removing the photoresist, Apply ching. As shown in FIG. 5C, the opening through the substrate 201 is opened by this KOH etching. An opening 203 is formed so that the substrate constitutes the frame 201. KOH d Since the etching does not attack the silicon nitride layer 202, the silicon nitride layer 202 It remains as a straddling film. This film 202 has a tensile stress caused by the above-described manufacturing method.   Next, as shown in FIG. 5D, an approximately 200 Å thick gold layer 215 is deposited on the silicon nitride. The vapor deposition (or sputtering) is performed on the entire lower surface of the con layer 202. Next, this layer of gold 215 Patterning and etching by conventional processing techniques to form the wiring 211-214 of FIG. 5E To achieve. A layer 216 of strain gauge resistive material about 500 Å thick (eg, (Kel-chrome) is deposited (or sputtered) on the entire lower surface of the silicon nitride layer 202 I do. This layer of strain gauge resistive material 216 is then patterned using conventional processing techniques. To form the strain gauge resistors 221-214 and manufacture the pressure sensor 200. Is completed (FIG. 5G). In other embodiments, an etchant other than KOH can be used. Wear.   5A-5G illustrate the fabrication of a single pressure sensor 200, this pressure sensor is shown. A large number of sensors similar to the sensor 200 are simultaneously placed on one silicon wafer (ie, It should be understood that they can be manufactured (collectively). Well-known pressure sensors manufactured in batch Can be separated into individual pressure sensors according to the semiconductor processing technology. Instead, this The pressure sensors manufactured together can be used as an integrated pressure sensor array.   Next, the operation of the pressure sensor 200 will be described. Stable atmospheric conditions (ie Pressure with no airflow around the membrane) or equal pressure on both sides of the membrane. The sensor 200 remains in the state illustrated in FIGS. That is, the film 202 is realized on the XY plane. Qualitatively parallel, there is no deformation of the membrane 202 along the Z axis. Therefore, strain gauge resistance The anti-arms 221-224 have equal resistance values. Between the pad 211a and the pad 213a ( Alternatively, a constant external voltage is applied between the pad 212a and the pad 214a). at this point Since the strain gauge resistors 221-224 all have the same resistance value, the pad 212a and the No potential difference occurs with the head 214a.   However, depending on atmospheric conditions, the pressure sensor 200 may receive an external pressure (that is, a normal pressure along the Z axis). Or a force that pushes or pulls in the negative direction), the film 202 warps from the XY plane. Distorted Extend the gauge resistors 221 and 222. FIG. 6A shows a film 202 in the positive direction in the Z-axis direction. This shows the deformation of. FIG. 6B shows the deformation of the film 202 in the negative direction in the Z-axis direction. Strain gauge resistor As the arms 221 and 222 expand, the resistances of the resistors 221 and 222 increase. The physical arrangement of the strain gauge resistors 221 and 222 is symmetric with respect to the deformation of the membrane 202. The strain gauge resistors 221 and 222 deform (ie, stretch) by the same amount. , The resistances of resistors 221 and 222 also increase by approximately the same amount. These resistors As a result of the increase in the resistance values of 221 and 222, the potential difference between pad 212a and pad 214a is increased. (When a constant input voltage is applied between the pads 211a and 213a). pad The potential difference between 212a and 214a is proportional to the deformation of membrane 202. Deformation of membrane 202 is proportional to pressure By way of example, the potential difference between pads 212a and 214a is proportional to pressure.   Pressure sensor 200 has the following advantages over conventional piezoresistive pressure sensors. First, the pressure sensor 200 is extremely sensitive and can measure pressures much less than 1 psi . For example, pressure sensor 200 has a total measurement range of 5 inches of water (0.02 psi) to 0.005 inches. It has the sensitivity of a water column. In addition, the pressure sensor 200 can be used for pre-stressed membranes. Based on this, the mechanical amplification is improved. Further, the film 202 is pre-stressed. Thus, the membrane 202 has a very wide linear operating range and is protected against overpressure. Ma Since the mass of the film 202 is relatively small, the so-called G force can be almost ignored, Static error due to force (ie, sensor position offset) or noise or vibration Eliminates dynamic errors due to Due to these features, the pressure sensor 200 Can be used for range gas flow detection. That is, HVAC damper control, air in duct Air flow and filter pressure drop measurement, chemical flow hood, hospital room, clean room Pressure, medical instruments, industrial control / monitoring and electronic combustion cooling status detection. You.   The pressure sensor 200 can operate by itself as described above, and Function to limit the range of movement of the membrane 202 in case of It can operate even in combination with the connecting member. FIG. 7 shows a first overshoot coupled to pressure sensor 200. FIG. 4 is a sectional view of a pressure stopper structure 300 and a second excessive pressure stopper 400.   The first overpressure stopper 300 is coupled to the pressure sensor 200 supporting the membrane 202. is there. The first excessive pressure stopper 300 is provided with a plurality of support pads formed around the substrate 301. A substrate 301 provided with a substrate 303. In this example, the substrate 301 is made of single crystal silicon . An electrically insulating layer 302 is formed over the support pads 303 as shown. In this example , The edge layer 302 is silicon oxide. The insulating layer 302 applies an excessive pressure Short circuit between the wiring 211-214 and the strain gauge resistor 221-224 when coupled to the To prevent. The total height of the support pad 303 and the insulating layer 302 is set to the positive direction in the Z-axis direction. Set to correspond to the desired shortest distance of the 202 movement.   FIG. 8 is a bottom view of the first excessive pressure stopper 300. Is deep groove region 304 central? Extending in four directions toward the periphery. Deep trench region 304 is outside the upper surface of membrane 202 Exposure to partial pressure. The upper surface of the membrane 202 with sufficient spacing between the support pads 303 Are in communication with the outside atmosphere due to the spacing between the support pads 303, the groove region 304 Can also be removed.   The second overpressure stopper 400 has a pressure sensor 20 on the surface opposite to the surface supporting the membrane 202. Connected to 0. The second overpressure stopper 400 has a plurality of through holes 402. The substrate 401 is included. In this example, the substrate 401 is single crystal silicon. Hole 402 is a conventional half For conductor processing techniques (eg, etching, mechanical drilling or ultrasonic drilling) Therefore, it is formed. The hole 402 penetrates through the substrate 401 and exposes the lower surface of the film 202 to atmospheric pressure or The other air chambers are communicated via the substrate 401. In this embodiment, the height of the substrate 201 is , The movement of the film 202 in the negative direction in the Z-axis direction is set to a value corresponding to a desired maximum value. In motion To increase the distance, attach a support pad (similar to support pad 303) to substrate 401. Is formed around the upper surface of the substrate by etching.   Press the first and second overpressure stops 300 and 400 with a bonding material or adhesive. It couples to the force sensor 200. The surface patterned by the support pad 303 The degree of non-uniformity (i.e., discontinuity) is advantageous because of improved bonding. As a modification of the above example, a hole (a hole) penetrating the substrate 301 is formed in the first excessive pressure stopper 300. 402 (similar to 402) and communicate with the upper surface of the membrane 202. Similarly, The second overpressure stopper 400 also has a groove in the substrate 401 so as to communicate with the lower surface of the film 202. (Similar to groove 304) can be provided. As yet another variant, the first Can be used without the second overpressure stopper 400. Wear. Similarly, the second overpressure stopper 400 can be used without the first overpressure stopper 300. It can also be used.   In an alternative embodiment of the invention, the pressure sensor 200 and the first overpressure stop 3 00 is modified to form a capacitive pressure sensor. FIG. 9 shows an alternative embodiment thereof. 5 is a sectional view of a capacitive pressure sensor 500 shown in FIG. Capacitive pressure sensor 500 is pressure sensor 200A And a first overpressure stopper 300A. Pressure sensor 200A and first overpressure The force stopper 300A is composed of the pressure sensor 200 and the first excessive pressure stopper 300 described above. Each is similar. Therefore, the components in FIG. 9 that are the same as those in FIG. It is indicated by the reference numeral.   The pressure sensor 200A is formed through the steps described above with reference to FIGS. 5A to 5D. Accordingly, the pressure sensor 200A includes the frame 201, the membrane 202, and the gold layer 215. Note that, in this embodiment, the gold layer 215 is not patterned, and The material layer 216 is not formed. The excessive pressure stopper 300A is the groove 30 of the stopper 300 (FIG. 8). 4 is formed by depositing a conductive layer 305 (for example, gold). Charge the conductive layers 215 and 305 A pneumatic connection is provided and the capacitance between these two layers is measured with a conventional capacitance measuring circuit. As the membrane 202 deforms toward the overpressure stopper 300A, the capacitance measurement increases. It becomes. Conversely, as the membrane 202 deforms away from the overpressure stopper 300, , The capacitance measurement will be smaller. The magnitude of the applied pressure is determined using conventional techniques. It can be calculated from the capacitance measurement. Use   Various uses of the pressure sensor 200 will now be described. The following uses are examples and are limited There is no. The pressure sensor of the present invention may be used in many other applications which will be apparent to those skilled in the art. Can be Air flow detector   The pressure sensor 200 can be used for various applications. As shown in FIG. Sensor 200 is packaged to form pressure sensor assembly 900. Pressure cell The sensor assembly 900 includes an upper mold body 901 and a lower A side mold body 902 is included. The upper mold body 901 and the lower mold body 902 are placed between them. Integrate to form a hermetic seal. Check the pressure sensor 200 against the lower mold body 902. Attach to form a tight seal. Cavities 903 and through lower mold body 902 904 is extended. The pressure sensor 200 is exposed at the lower surface of the membrane 202 into the cavity 904. So that it is placed above the cavity 904. The cavity 903 is located outside the periphery of the pressure sensor 200. It penetrates the lower mold body 902. Therefore, the upper surface of the membrane 202 is in the cavity 903. It is exposed.   Air flow tubes 910 and 911 are fitted into cavities 903 and 904, respectively. air Flow tubes 910 and 911 are hollow tubes that open at the upper end and close at the lower end. Openings 930 and 9 31 is arranged on the tube surface of tubes 910 and 911, respectively. Empty filters 920 and 921 It is located at the upper end of the airflow tubes 910 and 911, respectively. Filters 920 and 921 The penetration of fine particles into the housing 900 is prevented, and the fluctuation of the operating characteristics of the film 202 is prevented. Pressure sensor Various bonding pads of the wire 200 are connected to bonding wires (bonding wire 9 50) can be connected to a connector pin (connector pin 905, etc.).   The component thus produced operates as follows. This pressure sensor assembly 90 Install 0 at the expected position of the airflow. This pressure sensor assembly 900 is The opening 931 has the expected airflow direction in a direction opposite to the expected airflow direction of 0. Fix them in a state where they are each turned in a direction deviating from the direction. FIG. 10B shows the air flow tubes 910 and And 911 are top views. The arrows indicate the expected direction of the airflow. Airflow shown When there is, a positive pressure is generated through the opening 930 and a negative pressure is generated through the opening 931. Opening 931 generates the negative pressure (vacuum) P2, the expected airflow direction and less Both must be arranged with a phase shift of 90 °. There is a imagined air flow Sometimes the difference between the pressures P1 and P2 forces the membrane 202 to warp from the XY plane. Reverse When there is no expected airflow, the pressures P1 and P2 (approximately equal to each other) Leave 202 undeformed. A positive pressure P1 is applied to one side of the membrane 202 and a negative pressure is applied to the other side. By applying pressure, a relatively large force is applied to activate the pressure sensor 200. Let In an alternative embodiment, the air flow tubes 910 and 911 are It can be replaced by a single air flow tube with one hole leading to each of the grooves.   Also, instead of providing a single hole in each of the air flow tubes 910 and 911, these air Provide two or more holes in each of flow tubes 910 and 911, with each hole slightly different for airflow. Arrange all angles and connect all holes to the same cavity (eg 903 or 904) Can also. In one example, two holes are provided with an angle between them of about 5 °. By providing two holes, the air flow pipes 910 and 911 The accuracy of the installation angle can be reduced. However, one hole is added for each air flow tube. With each addition, the pressure measurement decreases and the sensitivity decreases slightly. Yet another In embodiments, horizontal slot openings may be provided in place of holes 930 and 931 . Their slot openings reduce the required accuracy of airflow tube orientation with respect to airflow direction. You.   Pressure sensor assembly 900 is located near or in the cooling fan of the computer system. It can be mounted near the component to be protected. Thereby, the pressure sensor 200 Receives the airflow created by the fan. If the airflow is above a predetermined threshold, membrane 202 will change. To create a potential difference between pads 212a and 214a. The existence of this potential difference Interpreted as an indication that there is sufficient airflow in the computer system. Pressure sensor 200 threshold adjusts the position of pressure sensor 200 relative to the fan, radially or axially Or by changing the sensitivity of the membrane 202. You. Pressure sensor 200 immediately detects fan failure or suboptimal operation Uses a conventional temperature sensing device to heat the electronic components in the computer system Can be prevented earlier.   According to the present invention, a plurality of pressure sensor assemblies identical to pressure sensor assembly 900 are used. Can be deployed throughout the protected computer system. With such a configuration Thus, an operation state lower than the optimum state can be locally detected.   In addition to being used as an alarm sensor, the device also controls fan speed. As a feedback sensor for a specific system or for a specific ambient temperature Control the fan to rotate at any speed necessary to create the desired airflow Can also be used as a feedback sensor. Instead, you want the number of working fans Can be controlled so as to achieve the airflow of the air. Those adaptive (“smart ”) If the fan noise is a problem or the system reliability is strictly required Can be used in cases such as Temperature sensor   As shown in FIG. 11, according to an alternative embodiment of the present invention, the pressure sensor 200 is heated. It can be used to form a degree sensor 1100. Temperature sensor 1100 is pressure sensor 200, lower It includes a side housing member 1101, an upper housing member 1102, and a plug 1103. Cavity 1104 Extend through the lower housing member 1101. Pressure sensor 200 is hermetically sealed In the housing part 1101, the lower surface (or upper surface) of the membrane 202 is exposed to the cavity 1104. Attach so that Upper housing member 1102 is lower housing part as shown Attach to material 1101. Upper housing member 1102 is connected to the upper surface (or lower Surface 1). While controlling the ambient temperature, Is sealed (airtight) with a stopper 1103. Therefore, cavity 1104 contains a certain amount of air Closed cavity become. When this air is heated (or cooled), it expands (or contracts). Deform the conductive film. The temperature at which the temperature sensor 1100 is sealed is controlled and the pressure By controlling the sensitivity of the sensor, the operating characteristics of the temperature sensor 1100 can be controlled . Vacuum detector   In another application, the pressure sensor 200 is connected to an air conditioning system, furnace or semiconductor The vacuum (or pressure) in the chamber of the process equipment or the air flow is reduced by the vacuum in the groove. Can be used to detect by FIG. 12 shows another embodiment of the present invention. FIG. 3 is a schematic view of a vacuum pressure sensor 1200 according to the embodiment. This vacuum pressure sensor 1200 is Includes pressure sensor 200 attached to side housing member 1202. Opening 1203 is housing The lower surface (or upper surface) of the film 202 is exposed by penetrating the piercing member 1202. Fi Attach upper housing member 1204 with filter 1205 to lower housing member 1202 . The lower housing member 1202 and the upper housing member 1204 are Fit into a larger housing 1210 that branches off 11 (eg Venturi tube) . When there is no airflow through tube 1211, membrane 202 is in an undeformed state. But air When the flow F occurs in the tube 1211, the membrane 202 is caused by the negative pressure p induced in the housing 1210. It transforms. Pitot tube   As another application, this pressure sensor 200 is used for a silicon micro-machined pitot tube. Can be adapted. FIG. 13 shows a pitot tube 1300 according to one embodiment of the present invention. FIG. In this embodiment, the substrate 201 of the pressure sensor 200 is extended, A gutter 1301 is formed on the upper surface of its extension. Structural materials such as single crystal silicon Is applied to the upper surface of the substrate 201. Penetrates the upper layer 1311 Opening 1312 is provided. Openings 1312 and gutters 1301 connect the upper surface of membrane 202 to outside air Let   The lower structure layer 1320 is attached to the lower surface of the pressure sensor 200 as shown. under Side structure layer 1320 includes support pad 1322 leading to cavity 1322 and gutter 1323 on the lower surface of layer 1320. And an opening 1324 extending between the cavity 1322 and the gutter 1323. Gutter 1323 is the lower structural layer It extends to the outer periphery of 1320 and reaches opening 1325. The lower cover layer 1330 is Attach to lower surface. Thus, the lower surface of membrane 202 is a cavity 1321, gutter 1323 and open It communicates with the outside air through the mouth 1324.   The structure thus constructed is used for measuring the air flow velocity in a conventional pitot tube, etc. Can be used. The velocity of the incoming air flow F is V1, Pressure P1And any other of the airflow In terms of         PTwo+ 1 / 2ρVTwo Two= P1+ 1 / 2ρV1 Two Is obtained. Where ρ is the mass density of air. Opening 1325 goes to flow And the corresponding gutter 1323 has a flow velocity VTwoBecause it extends all the way to the cavity 1322 where , The pressure at the lower surface of membrane 202 is         PTwo= P1+ 1 / 2ρV1 Two Should be.   On the other hand, since the opening 1312 is oriented in a direction perpendicular to the flow, the membrane 202 through the gutter 1301 The pressure at the upper surface is just P1Therefore, the differential pressure across the membrane 202 is         ΔP = PTwo−P1= 1 / 2ρV1 Two Given by   This differential pressure causes the membrane 202 to deform. The deformation creates a potential difference, The potential difference can be used for measuring the air flow F.   A pitot tube configuration other than the above can be realized using the configuration of the pressure sensor 200. For example FIG. 14 includes three components 1401, 1411 and 1421 coupled to the pressure sensor 200. Figure 3 shows a three-layered Pitot tube configuration 1400 that can be used. The component 1401 includes a support pad 1402, an opening 1403, Includes groove 1404 and opening 1405. The upper surface of component 1401 (ie, the support pad 1402) is attached to the pressure sensor 200 as shown. Configure component member 1411 Attached to the lower surface of member 1401.   The structural member 1421 attached to the pressure sensor 200 as shown has two openings 1422 and 142 Including 3. An opening 1422 having a 90 degree bend communicates with the upper surface of membrane 202. Linear The opening 1422, which is an opening, continues to the opening 1406 provided in the pressure sensor 200. Opening 1 406 extends between openings 1423 and 1405 and communicates the lower surface of membrane 202 to the outside air. This Pitot tube configuration 1400 operates in the same manner as described for pitot tube 1300 above. You.   Similarly, FIG. 15 shows a two-layer pitot tube configuration 1500. Components of Pitot tube configuration 1500 Among them, the same components as the pitot tube configuration 1400 are indicated by the same reference numerals. Pitot tube configuration 1500 is a configuration in which the components 1401 and 1411 of the above configuration 1400 are replaced with a single member 1501. Is provided. The constituent member 1501 is provided with an opening 1423 and a support pad 1502 on the lower surface of the membrane 202. And And a groove 1503 communicating with 1406. The groove 1503 is similar to the groove 304 (FIG. 8) described above. It is formed by the same method as described above. Pitot tube configuration 1500 is the pitot tube configuration 1300 described above. And works the same as 1400. In another embodiment, the pitot tube configuration is Composed of material (such as plastic) and connected to a switch (composed of silicon) Can be. Chemical detector   FIG. 16 shows pressure adapted for a gas or chemical (eg, carbon monoxide) detector. 2 shows a sensor. In this embodiment of the invention, the chemical absorber 1601 is 3 is deposited over the entire film 202 in. Absorber 1601 is a chemical substance in the surrounding atmosphere Absorb. Absorber 1601 expands and deforms film 202 when absorbing. as a result Use the resulting potential difference to detect the presence of more hazardous chemicals in the surrounding atmosphere than allowed Can be.   Although the present invention has been described with reference to several embodiments, the present invention is not limited to the above-described embodiment. The invention is not limited to the examples, and various modifications obvious to those skilled in the art are possible. For example, Wheatst Associated with strain gage resistors connected together to form a bridge circuit. As described above, one or more strain gauge resistors are formed on the pressure sensor membrane. It will be understood by those skilled in the art that a detection circuit of a type other than the above can be realized by implementing Let's do it. Further, although the pressure sensor 200 has been described as having a specific size, These dimensions are illustrative and not limiting. Dimensions other than the above are also available. It is considered to be within the scope of the invention. The invention is limited only by the claims. .

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１１年７月２日（１９９９．７．２） 【補正内容】 請求の範囲 １．開口を有する半導体フレームと、 前記半導体フレーム全体にわたり前記半導体フレームの前記開口を跨いで延び １psi以下の圧力の測定に十分な可撓性を有する可撓性膜と、 前記半導体フレームの前記開口を跨いで延びる前記膜の一部を覆って形成した 第１の歪みゲージ抵抗器と を含む圧力センサ。 ２．前記半導体フレームが単結晶シリコンを含む請求項１記載の圧力センサ。 ３．前記膜が窒化シリコンを含む請求項１記載の圧力センサ。 ４．前記第１の歪みゲージ抵抗器がニッケル−クロムを含む請求項１記載の圧力 センサ。 ５．前記半導体フレームの前記開口を跨いで延びる前記膜の一部を覆って形成し た第２の歪みゲージ抵抗器をさらに含む請求項１記載の圧力センサ。 ６．前記第１の歪みゲージ抵抗器と前記第２の歪みゲージ抵抗器とが対称的であ る請求項５記載の圧力センサ。 ７．前記第１の歪みゲージ抵抗器と前記第２の歪みゲージ抵抗器の各々が蛇行形 状を備える請求項５記載の圧力センサ。 ８．前記第１の歪みゲージ抵抗器と前記第２の歪みゲージ抵抗器が同じ抵抗値を 有する請求項５記載の圧力センサ。 ９．前記半導体フレームを跨いで延びる前記膜の一部を覆って形成した第３の抵 抗器と、 前記半導体フレームを跨いで延びる前記膜の一部を覆って形成した第４の抵抗 器と、 前記膜の上に形成され、前記第１の歪みゲージ抵抗器、前記第２の歪みゲージ 抵抗器、前記第３の抵抗器および前記第４の抵抗器をホイートストンブリッジ回 路の形に接続する複数の導電性配線と をさらに含む請求項５記載の圧力センサ。 １０．前記第３の抵抗器および前記第４の抵抗器が歪みゲージ抵抗器である請求 項９記載の圧力センサ。 １１．前記半導体フレームに結合され、前記膜を跨いで延び前記膜の第１の向き の変形を制限する第１のストッパをさらに含む請求項１記載の圧力センサ。 １２．前記半導体フレームに結合され、前記膜を跨いで延び前記膜の前記第１の 向きと反対の第２の向きの変形を制限する第２のストッパをさらに含む請求項１ １記載の圧力センサ。 １３．圧力を検出する方法であって、 開口を有する半導体のフレーム全体にわたり可撓性膜を形成する過程と、 前記開口を跨いで延びる前記膜の一部を覆って第１の歪みゲージ抵抗器を形成 する過程と、 前記膜および前記歪みゲージ抵抗器が測定対象の１psi以下の圧力によって反 るように前記膜を前記測定対象の圧力に露出させる過程と、 前記圧力を測定するように前記第１の歪みゲージ抵抗器の抵抗値を用いる過程 と を含む方法。 １４．圧力センサを製造する方法であって、 半導体基板の外表面を覆って厚さ約2000オングストローム程度の膜層を形成す る過程と、 前記膜層を露出させる開口を有するフレームを形成するように前記半導体基板 をエッチングする過程と、 前記膜層の上に一つ以上の歪みゲージ抵抗器を形成する過程と を含む製造方法。 １５．開口を有する半導体フレームと、 前記半導体フレーム全体にわたり前記半導体フレームの前記開口を跨いで延び る可撓性膜と、 前記膜を覆って形成した第１の導電体層と、 中央部に配置した領域を有する基板と、 前記中央部に配置した領域の周囲に配置した複数の浮き彫り支持パッドと、 前記中央部に配置した領域を覆って形成した第２の導電体層と を含み、前記支持パッドを前記半導体フレームに結合し、前記第１の導電体層を 前記第２の導電体層と平行に支持した容量性圧力センサ。 １６．前記膜が窒化シリコンから成る請求項１５記載の圧力センサ。 １７．前記基板を貫通して前記膜を連通させる一つ以上の孔をさらに含む請求項 １６記載の圧力センサ。 １８．前記膜に面する前記基板の表面に配置され前記膜を連通させる一つ以上の 溝をさらに含む請求項１６記載の圧力センサ。 １９．第１の基板の外表面を覆って膜層を形成する過程と、 前記膜層を露出させる開口を有するフレームを形成するように前記半導体基板 をエッチングする過程と、 前記膜を覆って第１の導電体層を形成する過程と、 第２の基板の中央部の周囲に複数の浮き彫り支持パッドを形成する過程と、 前記第２の基板の前記中央部を覆って第２の導電体層を形成する過程と、 前記支持パッドの前記フレームへの結合を、前記第１の導電体層が前記第２の 導電体層と平行に支持されるように行う過程と を含む圧力センサの製造方法。 ２０．前記可撓性膜が全測定範囲５インチ水柱乃至0.005インチ水柱の感度範囲 を有する請求項１記載の圧力センサ。 ２１．前記可撓性膜が2000オングストローム程度の厚さを有する請求項１記載の 圧力センサ。 ２２．前記可撓性膜が250マイクロニュートン程度の外力に応答して0.5ミクロン 程度の変形を生ずる請求項１記載の圧力センサ。[Procedure of Amendment] Article 184-8, Paragraph 1 of the Patent Act [Submission date] July 2, 1999 (1999.7.2) [Correction contents]                                The scope of the claims 1. A semiconductor frame having an opening;   Extending across the opening of the semiconductor frame over the entire semiconductor frame A flexible membrane having sufficient flexibility to measure pressures below 1 psi;   Formed so as to cover a part of the film extending over the opening of the semiconductor frame; With the first strain gauge resistor A pressure sensor. 2. The pressure sensor according to claim 1, wherein the semiconductor frame includes single crystal silicon. 3. The pressure sensor according to claim 1, wherein the film includes silicon nitride. 4. The pressure of claim 1 wherein said first strain gauge resistor comprises nickel-chromium. Sensors. 5. Forming a portion of the film extending across the opening of the semiconductor frame; The pressure sensor according to claim 1, further comprising a second strain gauge resistor. 6. The first strain gauge resistor and the second strain gauge resistor are symmetrical. The pressure sensor according to claim 5, wherein 7. Each of the first strain gauge resistor and the second strain gauge resistor has a serpentine shape 6. The pressure sensor according to claim 5, wherein the pressure sensor has a shape. 8. The first strain gauge resistor and the second strain gauge resistor have the same resistance value. The pressure sensor according to claim 5, further comprising: 9. A third resistor formed to cover a part of the film extending across the semiconductor frame; With armaments,   A fourth resistor formed to cover a part of the film extending over the semiconductor frame; Vessels,   A first strain gauge resistor formed on the film, the second strain gauge A resistor, the third resistor and the fourth resistor are connected by a Wheatstone bridge circuit. Multiple conductive wires that connect in the form of a road The pressure sensor according to claim 5, further comprising: 10. The third resistor and the fourth resistor are strain gauge resistors. Item 10. The pressure sensor according to Item 9. 11. A first orientation of the film coupled to the semiconductor frame and extending across the film; The pressure sensor according to claim 1, further comprising a first stopper that limits a deformation of the pressure sensor. 12. Coupled to the semiconductor frame and extending across the membrane; 2. The apparatus according to claim 1, further comprising a second stopper for limiting deformation in a second direction opposite to the direction. 2. The pressure sensor according to 1. 13. A method for detecting pressure, comprising:   Forming a flexible film over the entire semiconductor frame having an opening;   Forming a first strain gauge resistor over a portion of the film extending across the opening The process of   The membrane and the strain gauge resistor are counteracted by a pressure of less than 1 psi of the object to be measured. Exposing the membrane to the pressure of the measurement object so that   Using the resistance of the first strain gauge resistor to measure the pressure When A method that includes 14． A method of manufacturing a pressure sensor, comprising:   Form a film layer with a thickness of about 2000 Å over the outer surface of the semiconductor substrate. Process,   The semiconductor substrate so as to form a frame having an opening exposing the film layer The process of etching   Forming one or more strain gauge resistors on the membrane layer; A manufacturing method including: 15. A semiconductor frame having an opening;   Extending across the opening of the semiconductor frame over the entire semiconductor frame A flexible membrane,   A first conductor layer formed covering the film;   A substrate having a region arranged in the center,   A plurality of embossed support pads arranged around the centrally located area,   A second conductor layer formed so as to cover the region arranged in the central portion; Bonding the support pad to the semiconductor frame and forming the first conductive layer A capacitive pressure sensor supported in parallel with the second conductor layer. 16. The pressure sensor according to claim 15, wherein the film is made of silicon nitride. 17． The method of claim 1, further comprising one or more holes penetrating the substrate to communicate the membrane. 16. The pressure sensor according to item 16. 18. One or more ones disposed on the surface of the substrate facing the film to communicate the film 17. The pressure sensor according to claim 16, further comprising a groove. 19. Forming a film layer covering the outer surface of the first substrate;   The semiconductor substrate so as to form a frame having an opening exposing the film layer The process of etching   Forming a first conductor layer over the film;   Forming a plurality of raised support pads around a central portion of the second substrate;   Forming a second conductor layer over the central portion of the second substrate;   The bonding of the support pad to the frame is performed by the first conductive layer by the second conductive layer. A process performed so as to be supported in parallel with the conductor layer; A method for manufacturing a pressure sensor including: 20. The flexible membrane has a sensitivity range of 5 inches to 0.005 inches of water. The pressure sensor according to claim 1, comprising: 21. 2. The method of claim 1 wherein said flexible membrane has a thickness on the order of 2000 Angstroms. Pressure sensor. 22. The flexible membrane responds to an external force of about 250 micronewton by 0.5 microns 2. The pressure sensor according to claim 1, wherein the pressure sensor undergoes a degree of deformation.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＵ，ＣＡ，ＣＮ，Ｊ Ｐ，ＳＧ (72)発明者 タン，ウェイロン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 91801 アルハンブラ，チャンピオン プ レイス 15エイ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page    (81) Designated countries EP (AT, BE, CH, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, L U, MC, NL, PT, SE), AU, CA, CN, J P, SG (72) Inventor Tan, Waylon             United States California             91801 Alhambra, Championship             Wraith 15E

Claims (1)

【特許請求の範囲】 １．開口を有する半導体フレームと、 前記半導体フレーム全体にわたり前記半導体フレームの前記開口を跨いで延び る可撓性膜と、 前記半導体フレームの前記開口を跨いで延びる前記膜の一部を覆って形成した 第１の歪みゲージ抵抗器と を含む圧力センサ。 ２．前記半導体フレームが単結晶シリコンを含む請求項１記載の圧力センサ。 ３．前記膜が窒化シリコンを含む請求項１記載の圧力センサ。 ４．前記第１の歪みゲージ抵抗器がニッケル−クロムを含む請求項１記載の圧力 センサ。 ５．前記半導体フレームの前記開口を跨いで延びる前記膜の一部を覆って形成し た第２の歪みゲージ抵抗器をさらに含む請求項１記載の圧力センサ。 ６．前記第１の歪みゲージ抵抗器と前記第２の歪みゲージ抵抗器とが対称的であ る請求項５記載の圧力センサ。 ７．前記第１の歪みゲージ抵抗器と前記第２の歪みゲージ抵抗器の各々が蛇行形 状を備える請求項５記載の圧力センサ。 ８．前記第１の歪みゲージ抵抗器と前記第２の歪みゲージ抵抗器が同じ抵抗値を 有する請求項５記載の圧力センサ。 ９．前記半導体フレームを跨いで延びる前記膜の一部を覆って形成した第３の抵 抗器と、 前記半導体フレームを跨いで延びる前記膜の一部を覆って形成した第４の抵抗 器と、 前記膜の上に形成され、前記第１の歪みゲージ抵抗器、前記第２の歪みゲージ 抵抗器、前記第３の抵抗器および前記第４の抵抗器をホイートストンブリッジ回 路の形に接続する複数の導電性配線と をさらに含む請求項５記載の圧力センサ。 １０．前記第３の抵抗器および前記第４の抵抗器が歪みゲージ抵抗器である請求 項９記載の圧力センサ。 １１．前記半導体フレームに結合され、前記膜を跨いで延び前記膜の第１の向き の変形を制限する第１のストッパをさらに含む請求項１記載の圧力センサ。 １２．前記半導体フレームに結合され、前記膜を跨いで延び前記膜の前記第１の 向きと反対の第２の向きの変形を制限する第２のストッパをさらに含む請求項１ １記載の圧力センサ。 １３．圧力を検出する方法であって、 開口を有する半導体のフレーム全体にわたり可撓性膜を形成する過程と、 前記開口を跨いで延びる前記膜の一部を覆って第１の歪みゲージ抵抗器を形成 する過程と、 前記膜および前記歪みゲージ抵抗器が測定対象の圧力によって反るように前記 膜を前記測定対象の圧力に露出させる過程と、 前記圧力を測定するように前記第１の歪みゲージ抵抗器の抵抗値を用いる過程 と を含む方法。 １４．圧力センサを製造する方法であって、 半導体基板の外表面を覆って膜層を形成する過程と、 前記膜層を露出させる開口を有するフレームを形成するように前記半導体基板 をエッチングする過程と、 前記膜層の上に一つ以上の歪みゲージ抵抗器を形成する過程と を含む製造方法。 １５．開口を有する半導体フレームと、 前記半導体フレーム全体にわたり前記半導体フレームの前記開口を跨いで延び る可撓性膜と、 前記膜を覆って形成した第１の導電体層と、 中央部に配置した領域を有する基板と、 前記中央部に配置した領域の周囲に配置した複数の浮き彫り支持パッドと、 前記中央部に配置した領域を覆って形成した第２の導電体層と を含み、前記支持パッドを前記半導体フレームに結合し、前記第１の導電体層を 前記第２の導電体層と平行に支持した容量性圧力センサ。 １６．前記膜が窒化シリコンから成る請求項１５記載の圧力センサ。 １７．前記基板を貫通して前記膜を連通させる一つ以上の孔をさらに含む請求項 １６記載の圧力センサ。 １８．前記膜に面する前記基板の表面に配置され前記膜を連通させる一つ以上の 溝をさらに含む請求項１６記載の圧力センサ。 １９．第１の基板の外表面を覆って膜層を形成する過程と、 前記膜層を露出させる開口を有するフレームを形成するように前記半導体基板 をエッチングする過程と、 前記膜を覆って第１の導電体層を形成する過程と、 第２の基板の中央部の周囲に複数の浮き彫り支持パッドを形成する過程と、 前記第２の基板の前記中央部を覆って第２の導電体層を形成する過程と、 前記支持パッドの前記フレームへの結合を、前記第１の導電体層が前記第２の 導電体層と平行に支持されるように行う過程と を含む圧力センサの製造方法。[Claims] 1. A semiconductor frame having an opening;   Extending across the opening of the semiconductor frame over the entire semiconductor frame A flexible membrane,   Formed so as to cover a part of the film extending over the opening of the semiconductor frame; With the first strain gauge resistor A pressure sensor. 2. The pressure sensor according to claim 1, wherein the semiconductor frame includes single crystal silicon. 3. The pressure sensor according to claim 1, wherein the film includes silicon nitride. 4. The pressure of claim 1 wherein said first strain gauge resistor comprises nickel-chromium. Sensors. 5. Forming a portion of the film extending across the opening of the semiconductor frame; The pressure sensor according to claim 1, further comprising a second strain gauge resistor. 6. The first strain gauge resistor and the second strain gauge resistor are symmetrical. The pressure sensor according to claim 5, wherein 7. Each of the first strain gauge resistor and the second strain gauge resistor has a serpentine shape 6. The pressure sensor according to claim 5, wherein the pressure sensor has a shape. 8. The first strain gauge resistor and the second strain gauge resistor have the same resistance value. The pressure sensor according to claim 5, further comprising: 9. A third resistor formed to cover a part of the film extending across the semiconductor frame; With armaments,   A fourth resistor formed to cover a part of the film extending over the semiconductor frame; Vessels,   A first strain gauge resistor formed on the film, the second strain gauge A resistor, the third resistor and the fourth resistor are connected by a Wheatstone bridge circuit. Multiple conductive wires that connect in the form of a road The pressure sensor according to claim 5, further comprising: 10. The third resistor and the fourth resistor are strain gauge resistors. Item 10. The pressure sensor according to Item 9. 11. A first orientation of the film coupled to the semiconductor frame and extending across the film; The pressure sensor according to claim 1, further comprising a first stopper that limits a deformation of the pressure sensor. 12. Coupled to the semiconductor frame and extending across the membrane; 2. The apparatus according to claim 1, further comprising a second stopper for limiting deformation in a second direction opposite to the direction. 2. The pressure sensor according to 1. 13. A method for detecting pressure, comprising:   Forming a flexible film over the entire semiconductor frame having an opening;   Forming a first strain gauge resistor over a portion of the film extending across the opening The process of   The film and the strain gauge resistor are warped by the pressure of the object to be measured. Exposing the membrane to the pressure of the measurement object;   Using the resistance of the first strain gauge resistor to measure the pressure When A method that includes 14． A method of manufacturing a pressure sensor, comprising:   Forming a film layer covering the outer surface of the semiconductor substrate;   The semiconductor substrate so as to form a frame having an opening exposing the film layer The process of etching   Forming one or more strain gauge resistors on the membrane layer; A manufacturing method including: 15. A semiconductor frame having an opening;   Extending across the opening of the semiconductor frame over the entire semiconductor frame A flexible membrane,   A first conductor layer formed covering the film;   A substrate having a region arranged in the center,   A plurality of embossed support pads arranged around the centrally located area,   A second conductor layer formed so as to cover the region arranged in the central portion; Bonding the support pad to the semiconductor frame and forming the first conductive layer A capacitive pressure sensor supported in parallel with the second conductor layer. 16. The pressure sensor according to claim 15, wherein the film is made of silicon nitride. 17． The method of claim 1, further comprising one or more holes penetrating the substrate to communicate the membrane. 16. The pressure sensor according to item 16. 18. One or more ones disposed on the surface of the substrate facing the film to communicate the film 17. The pressure sensor according to claim 16, further comprising a groove. 19. Forming a film layer covering the outer surface of the first substrate;   The semiconductor substrate so as to form a frame having an opening exposing the film layer The process of etching   Forming a first conductor layer over the film;   Forming a plurality of raised support pads around a central portion of the second substrate;   Forming a second conductor layer over the central portion of the second substrate;   The bonding of the support pad to the frame is performed by the first conductive layer by the second conductive layer. A process performed so as to be supported in parallel with the conductor layer; A method for manufacturing a pressure sensor including:
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