JP2005221453A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 圧力検出用のダイアフラムを有する半導体基板を、圧力導入孔としての貫通孔を有するガラス台座に接合してなる圧力センサにおいて、貫通孔からの異物の侵入を極力抑制する。
【解決手段】 薄肉部としてのダイアフラム１４およびその周囲に位置する厚肉部１０ａが形成されてなる半導体基板１０と、一面２１側が半導体基板１０の厚肉部１０ａに接合されたガラス台座２０と、ガラス台座２０においてその他面２２から一面２１まで貫通するように設けられ、他面２２側の開口部２３ａから半導体基板１０のダイアフラム１４へ圧力を導入する貫通孔２３とを備える圧力センサＳ１において、貫通孔２３は、ガラス台座２０の一面２１側から他面２２側へ向かうにつれて穴径が狭くなった形状をなす。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧力検出用のダイアフラムを有する半導体基板を圧力導入孔を有するガラス台座に接合してなる圧力センサに関する。

従来より、この種の圧力センサとしては、薄肉部としての圧力検出用のダイアフラムおよびダイアフラムの周囲に位置する厚肉部が形成されてなる半導体基板と、一面側が半導体基板の厚肉部に接合されたガラス台座とを備えるものが提案されている（たとえば、特許文献１、特許文献２等参照）。

このような圧力センサでは、ガラス台座においてその他面から一面すなわち半導体基板と接合される面まで貫通するように設けられた貫通孔が圧力導入孔として設けられており、当該貫通孔におけるガラス台座の他面側の開口部から貫通孔を介して半導体基板のダイアフラムへ圧力が導入されるようになっている。
特開平２−６９６３０号公報 特開平４−１１４４７８号公報

しかしながら、上記した圧力センサでは、ガラス台座の貫通孔が大きいと、この貫通孔から圧力とともにゴミなどの異物が侵入しやすく、侵入した異物がダイアフラムに付着した場合、センサの特性が変動するという問題がある。

そこで、本発明は、上記問題に鑑み、圧力検出用のダイアフラムを有する半導体基板を、圧力導入孔としての貫通孔を有するガラス台座に接合してなる圧力センサにおいて、貫通孔からの異物の侵入を極力抑制することを目的とする。

本発明は、従来の圧力センサにおいては、ガラス台座の貫通孔の穴径が全体で均一であることから貫通孔が大きいと異物が侵入しやすくなると考え、貫通孔の形状を工夫することを試みた結果、本発明を創出するに至った。

すなわち、請求項１に記載の発明では、薄肉部としての圧力検出用のダイアフラム（１４）およびダイアフラム（１４）の周囲に位置する厚肉部（１０ａ）が形成されてなる半導体基板（１０）と、一面（２１）側が半導体基板（１０）の厚肉部（１０ａ）に接合されたガラス台座（２０）と、ガラス台座（２０）においてその他面（２２）から一面（２１）まで貫通するように設けられ、他面（２２）側の開口部（２３ａ）から半導体基板（１０）のダイアフラム（１４）へ圧力を導入する貫通孔（２３）と、を備える圧力センサにおいて、貫通孔（２３）は、ガラス台座（２０）の一面（２１）側から他面（２２）側へ向かうにつれて穴径が狭くなった形状となっていることを特徴としている。

それによれば、貫通孔（２３）において、ダイアフラム（１４）寄りのガラス台座（２０）の一面（２１）側から圧力が導入される側であるガラス台座（２０）の他面（２２）側へ向かうにつれて穴径が狭くなっているため、貫通孔（２３）内に異物が侵入しにくくなる。

したがって、本発明によれば、圧力検出用のダイアフラム（１４）を有する半導体基板（１０）を、圧力導入孔としての貫通孔（２３）を有するガラス台座（２０）に接合してなる圧力センサ（Ｓ１）において、貫通孔（２３）からの異物の侵入を極力抑制することができる。

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いて、貫通孔（２３）としては、ガラス台座（２０）の一面（２１）側から他面（２２）側へ向かうにつれて穴径が狭くなった円錐形状をなすものにできる。

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。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

図１（ａ）は、本発明の実施形態に係る半導体圧力センサＳ１を示す概略断面図であり、図１（ｂ）は同圧力センサＳ１をガラス台座２０の他面２２側から見たときの概略平面図である。

半導体圧力センサＳ１は、本発明でいう半導体基板としてのシリコン基板１０に対し、周知の半導体製造技術を施すことにより製造される。ここでは、このシリコン基板１０は、たとえば図１（ａ）中の上面である一面１１およびこの一面１１とは反対側の他面１２の面方位が（１１０）面または（１００）面である平面矩形の板状のものである。

シリコン基板１０には、他面１２から、たとえばアルカリ液を用いた異方性エッチングにより凹部１３が形成されており、この凹部１３の形成に伴い薄肉部となった凹部１３の底部は、薄肉部としての圧力検出用のダイアフラム１４して形成されている。

ダイアフラム１４の平面形状は、本例では、図１（ｂ）に示されるように、テーパ部１４ｂを持つ平面四角形であるが、これに限定されるものではなく、たとえば平面八角形となっているものであってもよい。

このダイアフラム１４には、ダイアフラム１４の歪みに伴う抵抗値変化に基づく検出信号を出力するためピエゾ抵抗体１５が形成されている。このピエゾ抵抗体１５は、イオン注入、拡散を施すことで形成される。

このピエゾ抵抗体１５は、たとえば、シリコン基板１０の面方位が（１１０）面である場合、〈１１０〉結晶軸方向に沿ってダイアフラム１４の中心寄りに配置された２個のセンターゲージと、該センターゲージよりもダイアフラム１４の周辺部に配置された２個のサイドゲージとよりなる。

そして、これらピエゾ抵抗体１５は、同じくイオン注入、拡散により形成された拡散配線層（図示しない）により、ホイートストンブリッジを構成するように結線され、電気的に接続されている。

なお、このようなホイートストンブリッジ回路においては、当該ブリッジ回路における入力端子間に直流定電圧を与えた状態で、ダイアフラム１４の歪みがピエゾ抵抗体の抵抗値変化として現れ、出力端子間から被検出圧力に応じたレベルの電圧が検出信号として出力されるようになっている。

また、シリコン基板１０においてダイアフラム１４の外周囲に位置する厚肉部１０ａにおけるシリコン基板１０の一面１１には、ピエゾ抵抗体１５と外部とを電気的に接続し、上記ブリッジ回路へ電圧を印加したり、上記ブリッジ回路からの検出信号を出力するなどのための配線層１６が形成されている。

これら配線層１６は、図１に示されるように、シリコン基板１０の一面１１上に形成されたシリコン酸化膜等よりなる絶縁膜１７の上に、アルミニウムを用いた蒸着法等により形成されている。また、絶縁膜１７に形成されたコンタクトホールを介して配線層１６とピエゾ抵抗体１５とが電気的に接続されている。

また、これら配線層１６および絶縁膜１７の上には、半導体圧力センサＳ１を保護するためのシリコン窒化膜等よりなる保護膜１８が、積層されている。なお、図示しないが、配線層１６の上の保護膜４０には適所に開口部が形成され、この開口部を介して、配線層１６と外部とがワイヤボンディング等により電気的に接続されるようになっている。

このような半導体圧力センサＳ１におけるシリコン基板１０は、周知の半導体製造技術を用いて製造することができる。

そして、製造されたシリコン基板１０に対しては、図１（ｂ）に示されるように、シリコン基板１０の他面１２の厚肉部１０ａにホウ珪酸ガラスなどからなるガラス台座２０の一面２１が陽極接合や接着剤などにより接合されている。

ここで、ガラス台座２０においては、その他面２２から一面２１まで貫通するように貫通孔２３が設けられている。この貫通孔２３は、この貫通孔２３におけるガラス台座２０の他面２２側の開口部２３ａからシリコン基板１０のダイアフラム１４へ圧力を導入する圧力導入孔として構成されている。

そして、本実施形態では、この貫通孔２３は、ガラス台座２０の一面２１側から他面２２側へ向かうにつれて穴径が狭くなった形状となっている。具体的には、貫通孔２３は、ガラス台座２０の一面２１側から他面２２側へ向かうにつれて穴径が狭くなった円錐形状をなすものとなっている。

もちろん、貫通孔２３としては、このような円錐形状以外にも、ガラス台座２０の一面２１側から他面２２側へ向かうにつれて穴径が狭くなった形状であるならば、たとえば角錐形状であってもよい。

このような円錐形状、角錐形状などを有する貫通孔２３は、たとえば、ガラス台座２０に対して超音波でプローブ（針）に振動を加えて切削するなどの一般的な加工方法により容易に形成することができる。

このような半導体圧力センサＳ１においては、たとえば、貫通孔２３の開口部２３ａから凹部１３へ導入されダイアフラム１４へ印加される圧力と、シリコン基板１０の一面１１側からダイアフラム１４へ印加される圧力との差により、ダイアフラム１４が歪む。そして、このときダイアフラム１４に発生する応力によって、ピエゾ抵抗体１５の抵抗値が変化する。

その抵抗値変化により、上記ホイートストンブリッジ回路から上記検出信号が出力される。この検出信号は、配線層１６から、外部回路へ送られて信号処理され、最終的な出力信号となる。こうして、被検出圧力の測定がなされる。

ところで、本実施形態によれば、薄肉部としての圧力検出用のダイアフラム１４およびダイアフラム１４の周囲に位置する厚肉部１０ａが形成されてなる半導体基板としてのシリコン基板１０と、一面２１側がシリコン基板１０の厚肉部に接合されたガラス台座２０と、ガラス台座２０においてその他面２２から一面２１まで貫通するように設けられ、他面２２側の開口部２３ａからシリコン基板１０のダイアフラム１４へ圧力を導入する貫通孔２３とを備える圧力センサにおいて、貫通孔２３は、ガラス台座２０の一面２１側から他面２２側へ向かうにつれて穴径が狭くなった形状となっていることを特徴とする圧力センサＳ１が提供される。

このような特徴を有する本実施形態の圧力センサＳ１によれば、貫通孔２３において、ダイアフラム１４寄りのガラス台座２０の一面２１側から圧力が導入される側であるガラス台座２０の他面２２側へ向かうにつれて穴径が狭くなっているため、従来の穴径が均一でストレートな貫通孔に比べて、貫通孔２３内に異物が侵入しにくくなる。

したがって、本実施形態によれば、圧力検出用のダイアフラム１４を有するシリコン基板１０を、圧力導入孔としての貫通孔２３を有するガラス台座２０に接合してなる圧力センサＳ１において、貫通孔２３からセンサ内部への異物の侵入を極力抑制することができる。

ここで、上記図示例では、本実施形態の圧力センサＳ１において、貫通孔２３としては、ガラス台座２０の一面２１側から他面２２側へ向かうにつれて穴径が狭くなった円錐形状をなすものにしているが、上述したように角錐形状でもよいし、ガラス台座２０の一面２１側から他面２２側へ向かうにつれて穴径が狭くなっていれば、それ以外の形状であってもよい。

以上述べてきたように、本発明は、圧力検出用のダイアフラムを有する半導体基板を圧力導入孔を有するガラス台座に接合してなる圧力センサにおいて、貫通孔を、ダイアフラム側から外部開口部側へ向かうにつれて穴径が狭くなった形状としたことを要部としたものであり、その他の細部については適宜設計変更が可能である。

（ａ）は、本発明の実施形態に係る半導体圧力センサを示す概略断面図であり、（ｂ）は同圧力センサをガラス台座の他面側から見たときの概略平面図である。

符号の説明

１０…半導体基板としてのシリコン基板、１０ａ…シリコン基板の厚肉部、
１４…ダイアフラム、２０…ガラス台座、２１…ガラス台座の一面、
２２…ガラス台座の他面、２３…貫通孔。

Claims (2)

1. 薄肉部としての圧力検出用のダイアフラム（１４）および前記ダイアフラム（１４）の周囲に位置する厚肉部（１０ａ）が形成されてなる半導体基板（１０）と、
   一面（２１）側が前記半導体基板（１０）の厚肉部（１０ａ）に接合されたガラス台座（２０）と、
   前記ガラス台座（２０）においてその他面（２２）から一面（２１）まで貫通するように設けられ、前記他面（２２）側の開口部（２３ａ）から前記半導体基板（１０）の前記ダイアフラム（１４）へ圧力を導入する貫通孔（２３）と、を備える圧力センサにおいて、
   前記貫通孔（２３）は、前記ガラス台座（２０）の一面（２１）側から他面（２２）側へ向かうにつれて穴径が狭くなった形状となっていることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記貫通孔（２３）は、前記ガラス台座（２０）の一面（２１）側から他面（２２）側へ向かうにつれて穴径が狭くなった円錐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。
   

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