JP2004132947A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】丈夫で信頼できる圧力測定用の容量式シリコンセンサを提供する。
【解決手段】電極１２１を有するガラス製のプレート１２０と、半導体材料から形成されており、前記ガラス基板１２０に接着されており、少なくとも電極１２１の一部を含んでいる空隙１１５を形作り、それ故に容量式要素を形作り、それを通して、使用に際しては、決定される圧力を示すための静電容量を決定するために電気的信号が通過する隔膜１０３とかなる。
【選択図】　　図４

Description

【０００１】
【従来の技術】
圧力センサは、医療器械のような重要な分野、エンジン制御やタイヤ圧力測定のような自動車関連、工業プロセス制御や航空電子工学産業を含む様々な分野において、ますます広く使われている。シリコンベースの圧力センサにおいて最も一般的に使用される転換原理は、容量式検出とピエゾ圧電抵抗式検出である。
【０００２】
ピエゾ圧電抵抗式センサは、一般に容量式センサより頑丈であると考えられている。ピエゾ圧電抵抗式センサの他の利点は、良い線形性をもった、入力に比例する出力信号が得られるということである。一方、容量式センサは、ピエゾ圧電抵抗式タイプよりも、消費電力が少ない点が利点であるが、しかし、非線形性の直接の出力信号を持っており、電磁障害に対してより敏感である。容量式シリコンセンサは、小さく製造することができ、表面微細加工によって簡単に製造することができる。しかしながら、容量式シリコンセンサはあまり頑丈ではなく、したがって、それらの感圧隔膜は、大部分の用途において、ゲルや他の可撓性の材料によって、圧力メディアから保護されている必要がある。これは、隔膜上部に加えられた大部分のために、振動感の増加に結果としてなる。シリコン圧力センサおよび慣性式センサを製作するための高度、かつ、かなり証明された方法は、ヨーロッパ特許庁の公開公報第７４２５８１号および第９９４３３０号に記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の問題を解決するための、圧力測定用の容量式シリコンセンサ装置を提供しようとする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る容量式圧力センサは、電極がその表面に形成されたガラスプレートと、半導体材料から形成されており、前記ガラス基板に接着されており、少なくとも電極の一部を含んでいる囲まれた空隙を形作り、それ故に容量式要素を形作り、それを通して、使用に際しては、決定された圧力を示すための静電容量を決定するために、電気的信号が通過する、隔膜と、からなる。
【０００５】
このセンサは、コンデンサにおいて可動の電極として機能する感圧隔膜を有し、オンチップ真空リファレンス空間は、ガラス上のコンデンサのカウンター電極とともに、コンデンサのキャップとして機能するように、アノード結合によって密閉されている。
これらは、ガラス上の金属相互接続からなる伝導システムによって密閉された空隙の外側の接続であり、ガラス上の金属とシリコン部分上の金属の間のプレス接続であり、また、密閉領域の外側のワイヤー接続領域と金属相互接続によって密閉された空隙とを交差するようにシリコン基板中に埋設された導体を有している。本発明は、よい媒体互換性を有すし、丈夫で信頼できる圧力センサに結果としてなる。本発明をプロセステクノロジーに使用することにより、例えば自動車産業においては、高い生産効率によって有益なコスト低減をすることができる。
【０００６】
より高い測定精度は、圧力敏感なコンデンサとして、同じチップ上に、第２のマッチングコンデンサを取り入れて、２つの静電容量値の関連している違いを計ることによって成し遂げることができる。高い精度は、前記２台のコンデンサにパッケージングされた圧力に近似する同一の影響に起因して、２台のコンデンサのよいマッチングと、コンデンサ値の時間と温度によるゼロ点の追跡によって得られる。
【０００７】
本発明は、平坦処理がされたシリコンの使用で形成することができ、例えば、ドライエッチング、異方性および選択性エッチング、ガラスの薄膜金属化とアノード結合、および公知のマイクロシステムテクノロジー（ＭＳＴ）やマイクロエレクトレメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）のような精密機械加工されたシリコンモデムと結合することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の検出装置は、図１および２に示される。
【０００９】
本発明のセンサは、強固な支持リム１０１を有する基板１００上に形成されたシリコン部分１０を有し、薄い可撓性隔膜１０３と第１伝導タイプのリム１０１の一部としての表面層を有する。シリコン基板１０は、第１タイプのエピタキシャル層１０２と、金属相互接続１０８、１０９の下に埋設された、第２伝導タイプの、ドープされた導体１０６からなる電気伝導システムを含んでいる。埋設された導体１０６と金属相互接続１０８、１０９は、第２伝導タイプのプラグ拡散１０５ａ、１０５ｂと、表面不活性化層１１１に形成された接触孔によって、互いに電気的に接続されている。凹部は、隔膜全体に広がる領域の中でシリコン部分においてエッチングされる。
【００１０】
第１ガラス部分１２０は、その表面に、金属相互接続によって形成された薄膜表面伝導システム１２１を有し、また、シリコン隔膜１０３に対向するように形成されているプレート電極を有している。前記ガラス１２０は、前記シリコン部分１０にアノード結合されており、それによって、完全なシールリング１３０が形成されている。前記シリコン部分におけるエッチングされた凹部は、スケールされた真空リファレンス空間１１５を形成する
基板１０と前記ガラス部分１２０は、前記ガラス１２０上に、第１電極として機能している前記金属層１２１とともに、容量式検出装置を形成する。この電極は、当該電極１２１、前記相互接続１０８、および密閉された領域１３０の下に埋設された導体１０６の間に形成されたプレス接続によって、ワイヤー接合パッド１０９に電気的に接続されており、前記密閉された空隙の外側に存在している。前記密閉された空隙１１５は、前記コンデンサの電気絶縁ギャップとして機能する。前記可撓性隔膜１０３は、可変コンデンサの第２電極であり、表面層１０１によって、前記密閉された空隙の外側のワイヤー接合パッド１１２（図１に示さず）と電気的に接続されている。
【００１１】
圧力が、ガラス上のカウンター電極１２１の方向へ前記隔膜を押して、コンデンサのギャップ１１５がより小さくなるように機能した場合に、検出機能は、静電容量の増加によって提供される。
【００１２】
好ましくは、図３に示すように、孔１２６を有する第２ガラス基板１２５は、密閉１２７を有するシリコン基板に結合されている。前記結合は、例えば、アノード結合によって実行されることができる。
【００１３】
図４に示すように、前記検出装置においては、シリコン隔膜の中心部を強化するために、中心突起構造１０４を有するように変形してもよい。
【００１４】
図５に示すように、前記検出装置においては、前記ガラス１２０上にワイヤー結合パッド１２９を有するように変形してもよく、シリコン部分とガラス上の相互接続との間に追加のプレス接続１２３を有するように変形してもよい。
【００１５】
上記の例によって、１台のコンデンサを有する圧力センサは、示された。低く長期のドリフトを含んだ、高い総合測定精度を必要とするアプリケーションのために、上記の装置を適応させることができる。
【００１６】
２台のコンデンサを用いて構成される検出装置は、図７に示される。上記記載によれば、この装置においては、２台のコンデンサの中の１台は、感圧コンデンサとして作られており、他方のコンデンサは、圧力吸気口が設けられておらず、感圧ではない点を除いて、全て同一である。それ故に、圧力の違いは、隔膜２３３によって検知されることはない。圧力が加えられない場合、前記２台のコンデンサは、それらの静電容量の可能な限り最高のマッチングを成し遂げるために、一方では同一である。
【００１７】
図８に示すように、前記検出装置は、２つの吸気口３２６、３３６と通常の真空リファレンス空間３１５、３３５を有する差動圧力センサとして形成することもできる。
【００１８】
図９は、本発明の装置（図４にて図示されている。）の製造工程の手順を例示している。工程を構築するにあたっては、手順の単純であることが、簡単さ、および低コストに役に立つことが分かる。
【００１９】
この例では、工程は、＜１−０−０＞オリエンテーションを有するｐ型シリコン基板１００から始める（図９ａ参照）。図９ｂを参照すると、標準のリトグラフ法、イオン注入、および亜リン酸のようなｎ型ドーピングの高温拡散は、基板のｎ領域１０１、１０４を形成する。次のステップは、ホウ素のドライブイン拡散や注入によって、ｐ型領域１０６を形成している。図９ｃを参照すると、その後、ｎ型エピタキシャル層１０２は、埋設されたｐ領域１０６を形成するために、シリコン基板の上にに形成される。図９ｄに示すように、それから、凹部は、乾式エッチングおよび／または湿式エッチングによって、エッチングされる。図９ｅに示すように、この図において、前記プレス接続１０８を形成するための１つと、それが形成された後に、前記コンデンサにギャップを形成さするためのもう１つ、という２つのエッチング工程が実行される。（図９ｇの符号Ｄ参照）。ホウ素から形成される接続拡散領域１０５ａ、１０５ｂは、この後、埋設された導体１０６の両端で形作られる。図９ｅに示すように、それから、接続孔は、アルミニウムのような金属を使用して、不活性化層１１１において形成され、金属相互接続とワイヤー接続領域１０９の形成によって適用される。図９ｆに示すように、その後で基板の反対面上のエッチングマスクを使用した、異方性と選択性を有するエッチングが形成される。電気化学エッチングは、基板１００とｎ領域１０１の間、および１０４とｎ型エピタキシャル層１０２の間に、ｐｎ接合を拡張する。感圧隔膜は、現在、エピタキシャル層１０２の一部として形成される薄い可撓性の領域、および固い中心部分１０１ｂとともに形成される。
【００２０】
この感圧装置は、真空中で、金属電極と薄膜相互接続１２１が既に形成されたガラス基板１２０と、シリコン基板１００とをアノード結合することによって完成され、その結果として、図９ｇおよび図４に示すように、シリコン基板の表面をエッチングした凹部によって形成されるアノード結合密閉領域１３０と密閉された空隙１１５が構築される。
【図面の簡単な説明】
本発明、およびその特徴と利点を良く理解するための参照図を示す。
【図１】図１は、本発明の第１タイプの容量式絶対圧力センサの断面図である。
【図２】図２は、図１の圧力センサの上面図であり、Ａ−Ａ線は、図１の断面図を示している。
【図３】図３は、図１の圧力センサの断面図であるが、機械的安定性を向上させるための第２ガラス層と、第１ガラス層を通る圧力吸気口が設けられている。
【図４】図４は、図３の例を示しており、圧力に曝された場合に、隔膜のより多くのピストン運動のための、隔膜のための、突起した中心部分を有している。
【図５】図５は、本発明の第２タイプの容量式圧力センサの断面図であり、そのガラス層上には、電気相互連結を有する。
【図６】図６は、容量式測定ブリッジ回路を示しており、これは、２台のマッチングされたコンデンサを用いた本発明の高精度バージョンに使用することができる。
【図７】図７は、本発明の２つのマッチングされたコンデンサを有するチップの断面図であり、それらの一方は、圧力吸気口を有し、他方は、密閉されているか、マッチングリファレンスとして使用される。
【図８】図８は、本発明の差動測定装置である。
【図９】図９は、図４に示すセンサーを形成するために使用することができる製法手順である。

Claims (16)

1. 電極が表面に形成されたガラスプレートと、
   半導体材料から形成されており、前記ガラス基板に接着されており、少なくとも電極の一部を含んでいる囲まれた空隙を形作り、それ故に容量式要素を形作り、それを通して、使用に際しては、決定された圧力を示すための静電容量を決定するために電気的信号が通過する、隔膜と、からなる容量式圧力センサ。
2. 前記隔膜が、微細機械加工された半導体材料によって形成されている、請求項１の圧力センサ。
3. 前記半導体材料が、シリコンである、請求項１又は請求項２の圧力センサ。
4. 前記半導体材料が、強固な支持リムから成る、先行する何れかの請求項の圧力センサ。
5. 電気コネクタが、前記電極と前記隔膜のそれぞれに提供されている、先行する何れかの請求項の圧力センサ。
6. 前記電極のための前記電気コネクタが、半導体材料を含有して形成されたドープされた導体によって提供されている、請求項５の圧力センサ。
7. 前記電極のための前記電気コネクタが、半導体材料によって提供されている、請求項５または請求項６の圧力センサ。
8. 前記ガラス基板と前記半導体材料との間の密閉が、アノード結合によって提供されている、先行する何れかの請求項の圧力センサ。
9. 使用に際して、半導体材料の層がガラス基板の２つの層の間に挟まれるように、圧力吸気口を形成する孔が設けられた第２ガラス基板が、半導体材料と結合されている、先行する何れかの請求項の圧力センサ。
10. 前記隔膜が、固い中心突起を含む、先行する何れかの請求項の圧力センサ。
11. 追加のプレス接続が、他の装置との相互作用を考慮した空洞の外部を提供されている、先行する請求項の圧力センサ。
12. 少なくとも、２台の先行する請求項の容量式圧力センサからなる、圧力センサシステム。
13. 前記それぞれの圧力センサの隔膜が、半導体材料の単一セクションから形成されている、請求項１２の圧力センサシステム。
14. 前記それぞれの圧力センサが、同じガラスプレートを共有している、請求項１２又は請求項１３の圧力センサシステム。
15. このシステムが差動圧力センサ装置となるために、各圧力センサが、圧力吸気口を備えている、請求項１２から請求項１４の圧力センサシステム。
16. このセンサがリファレンスセンサとして使われるために、１つの圧力センサが、圧力吸気口を備えていない、請求項１２から請求項１４の圧力センサシステム。

Images