JP2005214831A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 ピエゾ抵抗効果を有する半導体からなる感圧素子の受圧面に対して、測定圧力を圧力伝達部材を介して印加するようにした圧力センサにおいて、ウェハ一括で形成でき、圧力伝達部材の位置精度および小型化を適切に実現することのできる圧力センサを提供する。
【解決手段】 ピエゾ抵抗効果を有する半導体からなる感圧素子１０と、この感圧素子１０における受圧面１２に設けられた圧力伝達部材１７とを備え、圧力伝達部材１７を介して測定圧力を感圧素子１０の受圧面１２に印加するようにした圧力センサにおいて、圧力伝達部材１７は、受圧面１２上に銅などのめっきにより形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ピエゾ抵抗効果を有する半導体からなる感圧素子の受圧面に対して、測定圧力を圧力伝達部材を介して印加するようにした圧力センサに関する。

従来のこの種の圧力センサとしては、ピエゾ抵抗効果を有する半導体からなる感圧素子と、この感圧素子における受圧面に設けられた圧力伝達部材とを備え、圧力伝達部材を介して測定圧力を感圧素子の受圧面に印加するようにした圧力センサが提案されている（たとえば、特許文献１、特許文献２参照）。

ここで、ピエゾ抵抗効果とは、半導体に加えられた外力の応力または歪みによって電気抵抗が変化する現象のことである。

具体的に、従来のこの種の圧力センサでは、単結晶シリコンチップなどの半導体からなる感圧素子の受圧面に測定圧力を加えたときに、その抵抗値変化により印加された圧力を検出するようにしている。

そして、従来では、圧力伝達部材として、たとえば先端部が半球面形状をなす圧力伝達部材を、半導体プロセスにより作られた感圧素子の受圧面上に接着あるいは、静電接合により接合している。
特開平７−２５３３６４号公報 特開平２−３６３２８号公報

しかしながら、従来の圧力センサでは、シリコンチップの１つ毎、あるいは、ウェハのチップ単位毎に、圧力伝達部材を、感圧素子の感圧部に位置合わせして設けなくてはならず、圧力伝達部材を位置精度良く接合するには手間がかかる。

また、センサの小型化を図ろうとすると、圧力伝達部材も小型化しなくてはならない。圧力伝達部材を小さく作ろうとすれば、チップすなわち感圧素子への組み付けにおける取り扱いが困難であるといった問題が生ずる。

そこで、本発明は上記問題に鑑み、ピエゾ抵抗効果を有する半導体からなる感圧素子の受圧面に対して、測定圧力を圧力伝達部材を介して印加するようにした圧力センサにおいて、ウェハ一括で形成でき、圧力伝達部材の位置精度および小型化を適切に実現することのできる圧力センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、ピエゾ抵抗効果を有する半導体からなる感圧素子（１０）と、この感圧素子（１０）における受圧面（１２）上に設けられた圧力伝達部材（１７）とを備え、圧力伝達部材（１７）を介して測定圧力を感圧素子（１０）の受圧面（１２）に印加するようにした圧力センサにおいて、圧力伝達部材（１７）は、受圧面（１２）上にめっきにより形成されていることを特徴としている。

それによれば、めっきにより形成される圧力伝達部材（１７）は、感圧素子（１０）を製造する半導体プロセスにおけるフォトリソグラフィーおよびめっきによる電極形成工程から作製することができる。

そのため、感圧素子（１０）および圧力伝達部材（１７）をウェハ状態で形成できるとともに、圧力伝達部材（１７）の位置および大きさは、フォトリソグラフィーで規定することができる。

そのため、本発明によれば、ウェハ一括で形成でき、圧力伝達部材（１７）の位置精度および小型化を適切に実現することのできる圧力センサを提供することができる。

ここで、請求項２に記載の発明のように、請求項１に記載の圧力センサにおける圧力伝達部材（１７）としては、測定圧力の印加方向に沿って受圧面（１２）からその外方へ凸となるような曲面を有する形状をなすものにできる。

また、請求項３に記載の発明のように、請求項１または請求項２に記載の圧力センサにおける圧力伝達部材（１７）としては、銅、ニッケル、スズ、金およびこれらの合金から選択されためっきにより形成されたものにできる。

また、請求項４に記載の発明のように、請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の圧力センサにおける感圧素子（１０）としては、単結晶シリコン基板（１１）からなるものにできる。

また、請求項５に記載の発明のように、請求項４に記載の圧力センサにおける感圧素子（１０）の受圧面（１２）は、（１１０）面とすることができる。それによれば、ピエゾ抵抗効果が大きく感度の向上に有利である。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。本実施形態の圧力センサは、用途を限定するものではないが、たとえば、エンジンシリンダー内圧センサ等に適用することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る圧力センサＳ１の概略断面図であり、図２は、図１の上方から見たときの本圧力センサＳ１における各部の平面的な概略配置構成を示す図である。なお、図１は、図２中のＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。

圧力センサＳ１において、感圧素子１０は、ピエゾ抵抗効果を有する半導体からなるものであり、本実施形態では、単結晶シリコン基板としてのシリコンチップ１１からなるものである。

ここでは、感圧素子１０の基板部分を構成するシリコンチップ１１はＮ型のシリコンチップである。そして、このシリコンチップ１１の表面（図１中の上面）１２は、感圧素子１０の受圧面１２であり、ここでは、（１１０）面である。

この感圧素子１０を構成するシリコンチップ１１の中央部付近において、受圧面１２の表層部には、ボロン（Ｂ）などを注入・拡散してなるＰ型拡散層からなるゲージ１３が形成されている。

ここで、ゲージ１３は、図２に示されるように、シリコンチップ１１の中央部において、ピエゾ抵抗効果の感度を大きくするために折り返し形状となっている。そして、このゲージ１３における折り返し部が、感圧素子１０における実質的にピエゾ抵抗効果を発揮する感圧部となっている。

また、シリコンチップ１１の受圧面１２には、たとえばシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）などからなる絶縁膜１４が形成されており、さらにその上には、スパッタリングなどにより成膜されたアルミニウム膜などからなる電極１５が設けられている。なお、この電極１５にはボンディングワイヤなどが電気的に接続され、センサの電気信号を外部に取り出し可能となっている。

そして、Ｐ型拡散層からなるゲージ１３の両端は、絶縁膜１４に設けられたコンタクトホール１４ａを介して、それぞれ電極１５に電気的に接続されている。

また、図１、図２に示されるように、受圧面１２のうちＰ型拡散層からなるゲージ１３の折り返し部の上には、絶縁膜１４を介してスパッタリングなどにより成膜されたアルミニウム膜などからなるめっき用電極１６が形成されている。

そして、このめっき用電極１６の上には、Ｃｕ（銅）などのめっきからなる圧力伝達部材１７が形成されている。この圧力伝達部材１７は荷重伝達部材として受圧面１２に荷重を印加する機能を持つ。

つまり、この圧力伝達部材１７には、図１中の白抜き矢印に示されるように、その上に設けられたロッド２０などから測定圧力が印加され、その測定圧力は、圧力伝達部材１７を介して感圧素子１０の受圧面１２に印加されるようになっている。

この圧力伝達部材１７は、めっき用電極１６を下地として無電解めっきにより形成されたものであり、本実施形態では、測定圧力の印加方向すなわち受圧面１２と垂直な方向に沿って受圧面１２から外方（図１では上方）へ凸となるような曲面を有する形状すなわち略半球形状をなすものである。

このような圧力伝達部材１７の半球形状は、半導体プロセスにおいてバンプをめっきにより形成した場合と同じように、実現されるものである。

なお、圧力伝達部材１７をこのような半球形状とすれば、圧力伝達部材１７と上記ロッド２０との位置関係において、ロッド２０が受圧面１２の垂直方向から多少傾いた場合でも、測定圧力を極力均一に受圧面１２に印加することが可能となる。

かかる圧力センサＳ１においては、図１中の白抜き矢印に示されるように、ロッド２０から圧力伝達部材１７を介して測定圧力が感圧素子１０の受圧面１２に印加されたとき、ゲージ１３に歪みが発生し、それによるピエゾ抵抗効果により、ゲージ１３の抵抗値が変化する。

そして、このゲージ１３の抵抗値変化を、ゲージ１３の両端の電極１４から電圧や電流などの電気信号として検出する。それにより、測定圧力に応じた電気信号が検出されることになり、圧力検出が可能となっている。

次に、この圧力センサＳ１の製造方法について述べる。この圧力センサＳ１は、単結晶シリコン半導体等からなる半導体ウェハにおいて、チップ単位毎に、周知の半導体プロセス技術を用いて製造され、ダイシングカット等により最終的にチップに分断されることで形成される。

図３は、本製造方法を示す工程図であり、上記図１に対応した断面にてワークの状態を示すものである。

まず、図３（ａ）に示されるように、感圧素子１０を構成するシリコンチップ１１となるＮ型のシリコンウェハ１００を用意し、このウェハ１００における受圧面１２となる表面において、チップ単位毎に、ボロン（Ｂ）などを注入・拡散することにより、Ｐ型拡散層からなるゲージ１３を形成する。

次に、図３（ｂ）に示されるように、シリコンウェハ１００の表面上に、ＣＶＤ（化学気相成長法）などにより、シリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）などからなる絶縁膜１４を形成する。

続いて、フォトリソグラフィーなどを用いて、図３（ｃ）に示されるように、絶縁膜１４に開口部としてのコンタクトホール１４ａを形成する。

その後、図３（ｄ）に示されるように、絶縁膜１４の上に、スパッタリングなどによりアルミニウムなどからなる膜を形成し、これをフォトリソグラフィーなどを用いてパターニングすることにより、上記電極１５およびめっき用電極１６を形成する。

そして、受圧面圧力伝達部材１７を構成するためのめっきを行わない部位を、フォトリソグラフィーにより形成されたレジストによりマスキングし、銅の無電解めっきを行う。それにより、銅めっきからなる上記圧力伝達部材１７が形成される。

つまり、この工程では、フォトリソグラフィーにより形成されたレジストにより形成されたマスク部材が形成され、そのマスク部材の開口部の位置および大きさが圧力伝達部材１７の位置および大きさを規定する。

しかる後、シリコンウェハ１００をチップ単位毎にダイシングカットなどによって分断することにより、上記圧力センサＳ１ができあがる。

ところで、本実施形態によれば、ピエゾ抵抗効果を有する半導体からなる感圧素子１０と、この感圧素子１０における受圧面１２上に設けられた圧力伝達部材１７とを備え、圧力伝達部材１７を介して測定圧力を感圧素子１０の受圧面１２に印加するようにした圧力センサにおいて、圧力伝達部材１７は、受圧面１２上にめっきにより形成されていることを特徴する圧力センサＳ１が提供される。

それによれば、めっきにより形成される圧力伝達部材１７は、上記製造方法に示されるように、感圧素子１０を製造する半導体プロセスにおけるフォトリソグラフィーおよびめっきによる電極形成工程から作製することができる。

そのため、感圧素子１０および圧力伝達部材１７をウェハ状態にて一括して形成できるとともに、圧力伝達部材１７の位置および大きさは、フォトリソグラフィーで規定することができる。

そのため、従来のように圧力伝達部材を接着や静電接合により感圧素子に接合する場合に比べて、圧力伝達部材１７を精度よく且つ圧力伝達部材１７自体を小さくすることができる。

たとえば、上記図に示されるような略半球形状の圧力伝達部材１７の場合、その直径を数十μｍ程度まで小型化することができる。従来では、圧力伝達部材はサブミリ〜ミリオーダーの大きさであり、本実施形態では、従来に比べて１桁程度の小型化が可能となっている。

このように、本実施形態によれば、ウェハ一括で形成することができ、圧力伝達部材１７の位置精度および小型化を適切に実現することのできる圧力センサＳ１を提供することができる。

ここで、本実施形態では、圧力伝達部材１７としては、測定圧力の印加方向に沿って受圧面１２からその外方へ凸となるような曲面を有する形状をなすものとなっている。当該形状は、めっきにより圧力伝達部材１７を形成することにより実現されるものである。

また、本実施形態の圧力センサＳ１における圧力伝達部材１７としては、上述した銅以外にも、ニッケル、スズ、金およびこれらの合金から選択されためっきにより形成されたものにできる。

また、本実施形態の圧力センサＳ１における感圧素子１０は、上述したように単結晶シリコン基板としてのシリコンチップ１１からなるものにできるが、もちろん、それ以外にも、本実施形態では、ピエゾ抵抗効果を有する半導体基板を採用することができる。

また、本実施形態では、感圧素子１０を単結晶シリコン基板としてのシリコンチップ１１より構成し、感圧素子１０の受圧面１２を、（１１０）面としている。それによれば、ピエゾ抵抗効果が大きく感度の向上に有利である。なお、感圧素子１０を構成するシリコンチップ１１を用いた場合、受圧面１２としては（１００）面であってもよい。

以上述べてきたように、本実施形態によれば、半導体チップからなる感圧素子上にゲージ拡散層を設け、この上にめっきによる圧力伝達部材（荷重伝達部材）をつくることにより、ウェハで面内で一括して、感圧素子および圧力伝達部材が形成でき、低コストで、位置合わせ精度に優れた、圧力センサを可能とする。

本発明の実施形態に係る圧力センサの概略断面図である。 図１に示される圧力センサにおける各部の平面的な概略配置構成を示す図である。 図１に示される圧力センサの製造方法を示す工程図である。

符号の説明

１０…感圧素子、１１…単結晶シリコン基板としてのシリコンチップ、
１２…感圧素子の受圧面、１７…圧力伝達部材。

Claims (5)

1. ピエゾ抵抗効果を有する半導体からなる感圧素子（１０）と、
   この感圧素子（１０）における受圧面（１２）上に設けられた圧力伝達部材（１７）とを備え、
   前記圧力伝達部材（１７）を介して測定圧力を前記感圧素子（１０）の前記受圧面（１２）に印加するようにした圧力センサにおいて、
   前記圧力伝達部材（１７）は、前記受圧面（１２）上にめっきにより形成されていることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記圧力伝達部材（１７）は、前記測定圧力の印加方向に沿って前記受圧面（１２）からその外方へ凸となるような曲面を有する形状をなすものであることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記圧力伝達部材（１７）は、銅、ニッケル、スズ、金およびこれらの合金から選択されためっきにより形成されたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力センサ。
4. 前記感圧素子（１０）は単結晶シリコン基板（１１）からなるものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の圧力センサ。
5. 前記感圧素子（１０）の前記受圧面（１２）は（１１０）面であることを特徴とする請求項４に記載の圧力センサ。
   

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