JP2005055313A - 半導体圧力センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 微圧計測においてＳ／Ｎ比の良い安定した信号が得られ、かつ初期特性の悪化を招かない半導体圧力センサ装置を提供する。
【解決手段】 圧力を検出する感歪ゲージ素子１ｄが形成されたダイヤフラム１ａと、ダイヤフラム１ａを取り囲むように設けられた肉厚部１ｂとから構成され、ダイヤフラム１ａに隣接する部分に第１の凹部１ｃが形成された半導体センサ基板１と、第１の凹部１ｃと対向する位置に第２の凹部２ａが形成され、半導体センサ基板１の裏面に固着されているガラス台座２とを備え、第２の凹部２ａの開口部断面は、第１の凹部１ｃの開口部断面に包含される位置関係を有することとしたため、半導体センサ基板１の厚みを小さくでき、しかもガラス台座２との接合応力のダイヤフラム部１ａに与える歪を緩和できた。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体圧力センサ装置に係り、特に自動車のガソリン漏れを検出するタンク内圧センサ等の微圧用途に使用する半導体圧力センサ装置に関するものである。

半導体圧力センサ装置は、半導体に加わった圧力を電気信号に変換する効果を利用して圧力を検知するものである。このような半導体圧力センサ装置として、所定圧力に応じて所定電気信号を発生するために適切な厚みのダイヤフラムを持つ半導体センサ基板と、前記半導体センサ基板を固定するための支持部材としてのガラス台座とを備えたものが知られている。

このような構成の半導体圧力センサとして特許文献１の図１に示されるようなものがある。従来から知られている半導体圧力センサはその両面にかかる圧力差に応動する円形のダイヤフラムを使用している。このダイヤフラムは、その一方の主面に配置された応力センサを持つ、単結晶シリコン基板からなる正方形の半導体センサ基板の中に形成されている。半導体センサ基板の主面には、ダイヤフラムの周辺に感歪ゲージ素子を４個配設して、ダイヤフラムにかかる応力を感知するようにしている。この感歪ゲージ素子はピエゾ抵抗特性を示し、その抵抗はセンサが経験する応力によって変化する。さらにダイヤフラムを形成するために、感歪ゲージ素子を配設した表面と反対側の面内には、シリコンエッチングにより円形の空洞を形成している。そして、半導体センサ基板の他方の主面に硼珪酸ガラスからなる支持部材を接合している。

一方支持部材は、その中央部付近に円形の圧力導入孔となる貫通孔を有しており、感歪ゲージ素子を表面の反対側の面に接続している。また、半導体センサ基板のダイヤフラムを囲む肉厚部と対向する支持部材の接合領域には、ダイヤフラムを囲みかつこれと同心の円環状の支持部がその周囲より数μｍ高く設けられている。これにより接合領域の形状が円環状となり、支持部材との接合領域の形状がダイヤフラムの形状と対称性を持たないことによるゼロシフト現象を防止している。

特開平８−２１７７４号公報 （第３−４頁、図１）

上記シリコンエッチングにおいては、エッチング速度はエッチング液の温度及びエッチャントの濃度により変化するので、エッチング液中でシリコン基板を回転させて、液温及びエッチャント濃度の均一化を図っているが、シリコンの深さ方向のエッチング量が多くなるとダイヤフラムに隣接する空洞内で乱流が発生し、上記空洞内での温度差及びエッチャントの濃度差が生じやすくなり、ダイヤフラムの中央部に比べ外周部の厚みが小さくなるという傾向があった。シリコン基板の厚みは４００μｍであり、ダイヤフラムの厚みは１８μｍ程度なので、上記従来の技術においてもダイヤフラムの厚みをコントロールすることは相応の技術を要したが、微圧計測においてＳ／Ｎ比の良い安定した信号を得ようとすると、ダイヤフラムを更に薄くする必要があり、このためシリコンのエッチング量を増やすこととなるが、これによりダイヤフラムの厚みのばらつきが更に大きくなり、ひどい場合にはダイヤフラムの一部に穴のあくこともあった。

一方シリコン基板の厚みをあらかじめ薄くしておけば、エッチング量が少なくなりばらつきも小さくなるためダイヤフラムの厚みを小さくできるが、同時に肉厚部の厚みも小さくなる。肉厚部の厚みが十分あれば、そこで支持部材との接合応力を吸収しダイヤフラムに及ぼす影響を小さくできるが、肉厚部の厚みが小さくなれば前記接合応力を肉厚部で吸収しきれず、ダイヤフラムがより大きな歪みを与え、半導体センサ基板上に形成された感歪ゲージ素子の抵抗値が変化し、初期特性の悪化をもたらすという問題があった。このためシリコン基板の厚みは４００μｍ必要であった。

特許文献１では、半導体センサ基板のダイヤフラムを囲む肉厚部と対向する支持部材の接合領域に、ダイヤフラムを囲みかつこれと同心の円環状の支持部をその周囲より高く設け、接合領域の形状を円環状とすることにより、支持部材との接合領域の形状がダイヤフラムの形状と対称性を持たないことによるゼロシフト現象を防止しているが、上記のような課題に対する認識はない。さらに、半導体センサ基板と支持部材との接合時に製造上やむ得ない位置ずれが発生した場合、やはり支持部材との接合領域の形状がダイヤフラムの形状と対称性を確保できないこととなり、ゼロシフト現象の発生が懸念される。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は初期特性の悪化をもたらすことなくダイヤフラムを薄肉化し、微圧計測においてＳ／Ｎ比の良い安定した信号がえられる半導体圧力センサ装置を提供しようとするものである。

前記の目的を達成するために、本発明に係る半導体圧力センサ装置は、相対向する平行な２つの主面を有し、一方の主面に圧力を検出する感歪ゲージ素子が形成されたダイヤフラムをなす薄肉部と、上記薄肉部を取り囲むように設けられた肉厚部とから構成され、他方の主面に開口部を有し底部を上記薄肉部とする第１の凹部が形成された半導体センサ基板と、上記半導体センサ基板の他方の主面側において上記肉厚部に固着され、上記第１の凹部と対向する位置に開口部を有する第２の凹部が形成された支持部材とを備え、上記第２の凹部の開口部断面は、上記第１の凹部の開口部断面に包含される位置関係を有することを特徴とする。

上記のような構成としたため、ダイヤフラム厚みを精度良く制御できることにより微圧計測においてもＳ／Ｎ比の良い安定した信号がえられ、かつ半導体センサ基板の厚みを小さくしたことによる初期特性の悪化を防止できる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１は本発明に係る半導体圧力センサ装置の実施の形態を示す断面図であり、図２は図１の中からセンサ基板組立体１０の部分だけを取出した平面図及び断面図である。

図２において、半導体センサ基板１はシリコンからなり、相対向する２つの平行な主面を有し、厚みが１５０〜２５０μｍで一辺が３ｍｍの正方形の基板であり、基板の中央部に一方の主面に隣接して存在し厚みが１３μｍで一辺が１．４ｍｍの正方形のダイヤフラム１ａと、基板の周辺部に存在し基板と同じ厚みの肉厚部１ｂと、ダイヤフラム１ａと肉厚部１ｂとによって規定され他方の主面に開口部を有する正方形の第１の凹部１ｃと、から構成されている。ダイヤフラム１ａの一方の主面には、周知の半導体プロセスを利用して４個の感歪ゲージ素子１ｄが設けられている。

半導体センサ基板１の他方の主面には、半導体センサ基板１を補強し支持する支持部材としてのガラス台座２が設けられている。ガラス台座２は、２つの平行な主面を有し、厚みが２ｍｍで、一辺が３ｍｍの正方形の形状をしており、材質はシリコンと熱膨張係数の近似した硼珪酸ガラスである。ガラス台座２の中央部には一方の主面に開口部を有するように第２の凹部２ａが設けられており、その周囲は肉厚部２ｂとなっている。半導体センサ基板１とガラス台座２とは、半導体センサ基板１の他方の主面とガラス台座２の一方の主面とが対向するように、それぞれの肉厚部（１ｂ，２ｂ）において陽極接合にて気密かつ強固に接合されている。第２の凹部２ａは、陽極接合の際の半導体センサ基板１とガラス台座２との位置合わせ時に半導体センサ基板１の接合面が第２の凹部２ａの開口部と重ならないように、位置合わせ誤差を考慮して、正方形のダイヤフラム１ａの一辺より５００μｍ程度短い一辺を有する正方形の形状で、その深さは１５０μｍ以上である。また、ガラス台座２の中央部には、一方の主面と他方の主面を結ぶように、圧力導入孔となる円形の貫通孔２ｃが形成されている。第１の凹部１ｃと第２の凹部２ａとで規定される空間に、貫通孔２ｃを通して測定しようとする圧力を導入し、その圧力によりダイヤフラム１ａを変形させ、ダイヤフラム１ａ上に形成された４個の感歪ゲージ素子１ｄで前記圧力を電気信号に変換する。

上記のように構成されたセンサ基板組立体１０は、図１に示されるように、コネクタ部３ｂを備えた樹脂パッケージ３内部に収容され、圧力導入のためのニップル３ａ上にその貫通孔２ｃと整合するように設置され、周囲の空洞にシリコーン樹脂４をガラス台座２の側面まで充填させることにより、センサ基板組立体１０を固定しかつニップル３ａからの圧力漏れを防止している。樹脂パッケージ３のコネクタ部３ｂにはリード５が設けられており、半導体センサ基板１とワイヤ６にて結線されおり、半導体センサ基板１によって圧力から変換された電気信号をワイヤ６及びリード５を経由して外部に取出している。半導体センサ基板１の表面は保護のためシリコーン樹脂７で被覆されており、更に樹脂パッケージ３の空洞部を蓋８と接着剤９とで封止することにより、樹脂パッケージ３内部を保護している。

半導体センサ基板１のダイヤフラム１ａは、シリコン基板の他方の主面における所定の部分をエッチングにより除去し、所定の厚みとすることより形成される。このエッチングには、水酸化カリウム溶液のようなエッチング速度がシリコンの結晶軸に対して異方性を有するエッチング液が一般的に使用される。このため、形成される空洞の形状、すなわちダイヤフラムの形状は正方形を含む矩形となる。前述したように、このようなエッチングはエッチング量が増えることによりダイヤフラムの厚みのばらつきが大きくなりがちであるが、本実施の形態では、半導体センサ基板１の厚み、すなわちシリコン基板の厚みを４００μｍから２５０μｍ以下としたため、エッチング量の増加は招かず、ばらつきが少なくかつより厚みの小さいダイヤフラムを形成することが可能となる。上記によれば、半導体センサ基板１の厚みは、ダイヤフラム厚み精度の面からいえばより小さいほうが望ましいが、製造工程における基板取扱い時の基板強度を保持するため１５０μｍ以上は必要となる。

このように、シリコン基板の厚みを小さくすることによりダイヤフラムの厚みのばらつきは小さくなるが、一方ガラス台座２との接合により発生する応力により、ダイヤフラム１ａが歪みを受け、感歪ゲージ素子１ｄの初期特性の悪化をもたらす問題があった。半導体センサ基板１とガラス台座２とを陽極接合する際の温度は３８０〜４３０℃と高温のため、シリコンと硼珪酸ガラスとの熱膨張係数の違いから、常温に戻した時に接合面に応力が発生するが、シリコン基板の厚みが小さく、すなわちダイヤフラム１ａまでの深さが小さくなると、ガラス台座２の収縮による応力の影響がダイヤフラム１ａにまで及びやすくなるため、初期特性により顕著な影響を与えることとなる。

このため本実施の形態では、ガラス台座２に第２の凹部２ａを設けて、上記応力により発生する歪みを、半導体センサ基板１の肉厚部１ｂだけでなく、ガラス台座２の肉厚部２ｂにも分担させ、上記応力がダイヤフラム１ａに与える歪みを緩和している。これにより、シリコン基板の厚みを小さくしたことによる初期特性の悪化を避けることが可能となる。この目的のため、第２の凹部２ａの深さは半導体センサ基板１の厚みの減少分以上必要となり、すなわち半導体センサ基板１の厚みが２５０μｍのときは第２の凹部２ａの深さは１５０μｍ以上となる。更に微圧計測のため、ダイヤフラムの薄肉化に対応できるように半導体センサ基板１の厚みを１５０μｍとした場合を考慮すると、望ましくは第２の凹部２ａの深さは２５０μｍ以上となる。

ここで重要なことは、半導体センサ基板１とガラス台座２とを陽極接合する際に、第２の凹部２ａの開口部は第１の凹部１ｃの開口部に包含されるように位置合わせされる必要がある、ということである。たとえば図３のように位置ずれした状態で半導体センサ基板１とガラス台座２とが陽極接合されていると、第１に、図３のＡ部とＢ部とで接合部分と感歪ゲージ素子との幾何学的位置関係の対称性が失われるため、圧力無しのときの出力電圧にオフセットが発生するという問題が出てくる。第２にＡ部の接合面積が他の部分より小さくなり、Ａ部の接合強度が設計値より小さくなるという問題が出てくる。このため本実施の形態では、第２の凹部２ａは、陽極接合時の位置合わせの許容誤差を考慮して、正方形のダイヤフラム１ａの一辺より５００μｍ程度短い一辺を有する正方形の形状としたため、第２の凹部２ａの開口部は第１の凹部１ｃの開口部に常に包含されるようになる。このため、接合部分の形状が常に半導体センサ基板の接合面の形状となるので、接合部分と感歪ゲージ素子１ｄとの幾何学的位置関係の対称性が失われることはなく、また接合面積も半導体センサ基板の接合面の形状で決定されるため接合強度も所定の設計値を確保できることとなり、上述のような問題を回避できる。

本実施の形態では、正方形のダイヤフラムを有する半導体圧力センサ装置について述べたが、円形のダイヤフラムを有する半導体圧力センサ装置に対しても、本発明の主旨が適用できることは言うまでもない。その場合は凹部を円形とし、その直径を、円形のダイヤフラムの直径より位置合わせ許容誤差分だけ短くすれば良く、このようにすることにより、半導体センサ基板とガラス台座との陽極接合後において、ガラス台座の凹部の開口部は半導体センサ基板の第１の凹部の開口部に包含されるようになるため、同様の効果を奏する。しかしながら、半導体センサ基板は一般的に矩形であるため、支持部材との接合領域の形状がダイヤフラムの形状と対称性を持たないことによるゼロシフト現象をも防止するためには、本実施の形態のように、第１の凹部の開口部の断面形状が矩形であり、凹部の開口部の断面形状が矩形であるほうが更に望ましい実施の形態である。

本発明に係る半導体圧力センサ装置の実施の形態を示す断面図である。 図１の中からセンサ組立体１０の部分だけを取出した平面図及び断面図である。 半導体センサ基板１とガラス台座２とが位置ずれした状態で陽極接合された場合の説明図

符号の説明

１ 半導体センサ基板、 ２ ガラス台座、 ３ 樹脂パッケージ、 ４ シリコーン樹脂、 ５ リード、 ６ ワイヤ、 ７ シリコーン樹脂、 ８ 蓋、 ９ 接着剤、 １０ センサ基板組立体。

Claims (4)

1. 相対向する平行な２つの主面を有し、一方の主面に圧力を検出する感歪ゲージ素子が形成されたダイヤフラムをなす薄肉部と、前記薄肉部を取り囲むように設けられた肉厚部とから構成され、他方の主面に開口部を有し底部を前記薄肉部とする第１の凹部が形成された半導体センサ基板と、
   前記半導体センサ基板の他方の主面側の前記肉厚部に固着され、前記第１の凹部と対向する位置に開口部を有する第２の凹部が形成された支持部材と、
   を備え、
   前記第２の凹部の開口部断面は、前記第１の凹部の開口部断面に包含される位置関係を有することを特徴とする半導体圧力センサ装置。
2. 前記肉厚部の厚みが、１５０μｍ以上２５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体圧力センサ装置。
3. 前記凹部の深さが、１５０μｍ以上であることを特徴とする請求項２記載の半導体圧力センサ装置。
4. 前記第１および第２の凹部の開口断部面形状が、それぞれ矩形であることを特徴とする請求項１記載の半導体圧力センサ装置。
   

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