JP2006329929A - 半導体圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】被測定流体中の荷電物や外来からの電界に対して影響を受けず、感度及び正確性が確保される。
【解決手段】この発明に係る半導体圧力センサは、被測定流体の圧力に応動するダイアフラム４を備えた半導体圧力センサにおいて、ダイアフラム４は、ブリッジ回路を構成するピエゾ抵抗素子７が埋設されたシリコン基板６と、被測定流体が接触する側のシリコン基板６の面に形成された電磁シールド用のシールド膜９とを備え、シールド膜９は、シリコン基板６と電気的に接続されて同電位である。
【選択図】図２

Description

この発明は、被測定流体の圧力に応動するダイアフラムを備え、例えば内燃機関のインテークマニホールドの内圧、タンク内圧等の圧力を検出する半導体圧力センサに関するものである。

従来、シリコン基板の一面にダイアフラムを形成し、このダイアフラムにピエゾ抵抗素子を形成した半導体圧力センサが知られている。
このものの場合、被測定流体の圧力によりダイアフラムが歪むことでピエゾ抵抗素子の抵抗値が変化し、この変化量を電気信号として出力することで被測定流体の圧力を検出するようになっている。

ところで、圧力測定対象となる被測定流体は、それが気体、液体を問わず一般に電荷を帯びており、圧力測定時に被測定流体がダイアフラムに接すると、荷電物もダイアフラムに接触し、この荷電物から発生する電界によりピエゾ抵抗素子の抵抗値が変化し、出力される電気信号が不安定になってしまう。

この対策として、表面を絶縁膜で覆ったダイアフラムを備えた半導体圧力センサが知られている（特許文献１参照）。
このものの場合、絶縁膜を形成することでピエゾ抵抗素子と荷電物との間の距離が拡がり、荷電物から発生する電界によるピエゾ抵抗素子に対する影響を軽減している。
また、別の対策として、表面を接地されたシールド膜で覆ったダイアフラムを備えた半導体圧力センサが知られている（特許文献２参照）。
このものの場合、電荷がダイアフラムのシールド膜の表面に付着しても、シールド膜は接地されているので、その電荷は外部に流出し、ピエゾ抵抗素子に対する荷電物からの電界の影響を防止している。

特開昭６３−２５０８６５号公報（第１３図） 特開平１１−２８１５０９号公報（図７）

しかしながら、上記特許文献１のものでは、荷電物による電界の影響を低く抑えるためには、絶縁膜の厚さを厚くしてピエゾ抵抗素子と荷電物との間の距離を大きくしなければならない。そのことは、ダイアフラム自体の厚みが増すことになり、被測定流体の圧力に応じて変位するダイアフラムの変位量が小さくなり、十分な感度が得られないという問題点があった。

また、上記特許文献２のものでは、シリコン基板が基準電位を有している場合、シールド膜は零電位であるので、シールド膜とシリコン基板との間では電位差により必ず電界が生じ、荷電物の有無に拘わらず、ピエゾ抵抗素子は、常にその電界の影響を受け、基準電位が変動すれば、そのままピエゾ抵抗素子から出力される電気信号が変動してしまい、測定値が不安定になってしまうという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、被測定流体中の荷電物や外来からの電界に対して影響を受けずに、被測定流体の圧力を測定できる半導体圧力センサを提供することを目的とする。

この発明に係る半導体圧力センサは、被測定流体の圧力に応動するダイアフラムを備えた半導体圧力センサにおいて、前記ダイアフラムは、ブリッジ回路を構成するピエゾ抵抗素子が埋設されたシリコン基板と、前記被測定流体が接触する側の前記シリコン基板の面に形成された電磁シールド用のシールド膜とを備え、前記シールド膜は、前記シリコン基板と電気的に接続されて同電位である。

この発明に係る半導体圧力センサによれば、被測定流体中の荷電物や外来からの電界に対して影響を受けずに被測定流体の圧力を測定することができる。

実施の形態１．
以下、この発明の一実施の形態について図に基づいて説明する。
図１はこの発明の実施の形態１の半導体圧力センサを示す平面図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った矢視断面図である。
この半導体圧力センサでは、ガラス基板１とセンサチップ２との間に真空室３が形成されている。
センサチップ２には、被測定流体の圧力に応じて変形するダイアフラム４が形成されている。

ダイアフラム４では、シリコン基板６に感圧素子であるピエゾ抵抗素子７が拡散で形成されている。４個のピエゾ抵抗素子７は、それぞれ互いに電気的に接続されてホイートストンブリッジ回路を構成している。シリコン基板６の真空室３側の面には、ホイートストンブリッジ回路に電圧を印加する基準電位膜５が形成されている。シリコン基板６の反真空室３側の面には、絶縁性の酸化膜８が形成されている。酸化膜８の反ピエゾ抵抗素子７側の面には、ポリシリコンからなり電磁シールド性のシールド膜９が形成されている。シールド膜９の反酸化膜８側の面には、シールド膜９の表面を被測定流体から保護するための保護膜である窒化膜１０が形成されている。

センサチップ２の四隅には、それぞれ金ワイヤ（図示せず）が接続されたアルミニウムパッド１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが設けられている。
アルミニウムパッド１１ａには、図示しない電源ＩＣから基準電位が直接印加されている。また、このアルミニウムパッド１１ａには、シールド膜９が直接接続されており、アルミニウムパッド１１ａを通じて基準電位膜５に基準電位が印加される。
アルミニウムパッド１１ｂ、１１ｃは拡散配線を通じてホイートストンブリッジ回路に接続されている。アルミニウムパッド１１ｄは、前記電源ＩＣのＧＮＤと接続されている。

上記半導体圧力センサでは、図２において、被測定流体の圧力が矢印Ａの方向からダイアフラム４に印加され、ダイアフラム４は歪み変形する。それに伴い、ピエゾ抵抗素子７には応力が加わり、その応力に比例してピエゾ抵抗素子７の抵抗値が変化する。
一方、ピエゾ抵抗素子７はホイートストンブリッジ回路を構成しており、外部からアルミニウムパッド１１ａ、１１ｄを通じて基準電位が印加されており、ピエゾ抵抗素子７の抵抗値の変化に伴い、ホイートストンブリッジ回路からの出力電圧が変化する。
ホイートストンブリッジ回路が拡散配線（図示せず）でアルミニウムパッド１１ｂ、１１ｃに接続されているので、その出力電圧の変化量は、アルミニウムパッド１１ｂ、１１ｃを通じて外部に出力され、被測定流体の圧力が検出される。

上記構成の半導体圧力センサによれば、シールド膜９と基準電位膜５とは電気的に接続されて同電位なので、シールド膜９と基準電位膜５との間では、電界は発生しない。そのため、例えば圧力測定時に被測定流体に含まれた荷電物がダイアフラム４に付着した場合でも、シールド膜９と基準電位膜５との間に挟まれたピエゾ抵抗素子７は、電界による影響を受けることは無い。
また、仮に、基準電位膜５の基準電位が変動しても、シールド膜９と基準電位膜５とは電気的に接続されて同電位であることには変わりがなく、ピエゾ抵抗素子７は、電界による影響を受けることは無い。
また、ピエゾ抵抗素子７は、同電位のシールド膜９と基準電位膜５との間で挟まれているので、外来の荷電をシールド膜９でＧＮＤに流すことは必須ではなく、従ってシールド膜９の表面にセンサチップ２の保護膜として窒化膜１０を形成することができる。

アルミニウムパッド１１ａには、シールド膜９が直接接続されているので、ガラス基台１上にセンサチップ２を製造する工程の途中において、新たに基準電位膜５とシールド膜９とを接続するための孔を形成するような追加工程は不要であり、シールド膜９を基準電位膜５と簡単に同電位にすることができる。

ところで、シールド膜９については、導電性の膜であれば所定の電位を維持することが可能であるが、シリコンと物性が大きく異なる金属体等では線膨張係数等の物性が異なるため、ダイアフラムの歪みによるピエゾ抵抗素子７の抵抗値の変化を安定して出力することは困難であり、半導体圧力センサのシールド膜として上記金属等を用いることは不適当である。
そのため、この実施の形態では、シールド膜９の材料として、シリコン基板６と物性値が近似したポリシリコンを用いている。本願発明者は、ポリシリコンを選定するに当たっては、実験により、半導体圧力センサとして十分に性能が維持できることを確認している。

また、この実施の形態では、ダイアフラム４にシールド膜９を設けたが、このことにより、シールド膜が無いダイアフラムと比較して、圧力に対してダイアフラム４が歪みにくくなる、即ち圧力に対して感度は低下する傾向にある。
本願発明者は、実験によりシールド膜の膜厚と感度との関係を調べた。図３はそのときの関係を示す図、図４は図３に示した関係をプロットした図である。

図３、図４において、例えばシールド膜厚が１／３０とは、ダイアフラムにシールド膜が形成されていない、既存ダイアフラムの厚さに対して、ポリシリコンにより形成されたシールド膜の厚さの比率を示している。
また、例えば感度変化率８０とは、上記既存ダイアフラムを１００としたときの、シールド膜を有するダイアフラム（但し、窒化膜は除かれている）の感度変化率が８０であることを示している。
図３及び図４から分かるように、既存ダイアフラムの厚さに対して、シールド膜の厚さが１／５０以下であれば、感度変化率は１００であり、既存ダイアフラムと同じ感度が得られることが分かった。

また、この実施の形態では、ダイアフラム４にシールド膜９を設けたが、このことにより、シールド膜９自体の抵抗に起因して生じる電位分布による影響で十分な電磁シールド性が得られないことが起こり得る。

本願発明者は、実験によりポリシリコンからなるシールド膜の抵抗とシールド性能との関係を調べた。図５はそのときの関係図である。なお、図５において、例えば、「Ｅ＋０２」は「×１０^２」を示し、「Ｅ＋０３」は「×１０^３」を示している。
この図から分かるように、シールド膜の抵抗率が７．５×１０^３Ω・ｃｍ以下の場合には、十分な電磁シールド性が得られ、１×１０^１２Ω・ｃｍになるとシールド性は零であることが分かった。
なお、シールド膜の抵抗率が７．５×１０^３Ω・ｃｍ以下に設定することは、リンをポリシリコン製のシールド膜にドープすることで確保される。

なお、上記の実施の形態では、シリコン基板６の真空室３側の面に基準電位膜５を形成したが、シリコン基板自体を基準電位となるようにすることで、基準電位膜を削除した半導体圧力センサであってもよい。

この発明の実施の形態１の半導体圧力センサを示す平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った矢視断面図である。 本願発明者が実験により求めた、シールド膜のシールド膜厚と感度との関係を示す図である。 図３に示した関係をプロットして示した特性図である。 本願発明者が実験により求めた、シールド膜の抵抗値を示す特性値である。

符号の説明

４ ダイアフラム、５ 基準電位膜、６ シリコン基板、７ ピエゾ抵抗素子、９ シールド膜、１０ 窒化膜（保護膜）、１１ａ，１１ｂ アルミニウムパッド。

Claims (7)

1. 被測定流体の圧力に応動するダイアフラムを備えた半導体圧力センサにおいて、
   前記ダイアフラムは、ブリッジ回路を構成するピエゾ抵抗素子が埋設されたシリコン基板と、前記被測定流体が接触する側の前記シリコン基板の面に形成された電磁シールド用のシールド膜とを備え、
   前記シールド膜は、前記シリコン基板と電気的に接続されて同電位であることを特徴とする半導体圧力センサ。
2. 前記シリコン基板の反前記シールド膜側の面には、前記シールド膜と電気的に接続されているとともに前記ブリッジ回路に電圧を印加する基準電位膜が形成されている請求項１に記載の半導体圧力センサ。
3. 前記シールド膜は、ポリシリコンで構成されている請求項１または請求項２に記載の半導体圧力センサ。
4. 前記シールド膜の膜厚は、シールド膜を含まない前記ダイアフラムの厚さに対して、１／５０以下である請求項３に記載の半導体圧力センサ。
5. 前記シールド膜の抵抗率は、７．５×１０^３Ω・ｃｍ以下である請求項３または請求項４に記載の半導体圧力センサ。
6. 前記シールド膜は、前記基準電位膜と電気的に接続され外部から基準電位膜に電圧を印加するパッドに直接接続されている請求項２ないし請求項５の何れか１項に記載の半導体圧力センサ。
7. 前記シールド膜の反シリコン基板側の面には、シールド膜の表面を物理的に保護する保護膜が形成されている請求項１ないし請求項６の何れか１項に記載の半導体圧力センサ。

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