JP2008215893A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】高感度で高耐圧の圧力センサを提供する。
【解決手段】半導体でできたチップ１０の一部にダイアフラム１１が形成され、ダイアフラム１１の圧力に応じた変位を電気変換して当該圧力を検出する圧力センサ１において、ダイアフラム１１の一辺長をこのダイアフラム１１の厚さで割ったアスペクト比を横軸とし、圧力センサ１の許容耐圧を縦軸とすることで規定されるこの圧力センサ１の許容耐圧特性曲線の微分値がほぼゼロとなる大きさ以上のアスペクト比を有するダイアフラム１１を備えることで、高感度で高耐圧の圧力センサとすることができた。
【選択図】図３

Description

本発明は、絶対圧やゲージ圧、差圧を測定するのに適した圧力センサに関する。

例えば、半導体チップ上の一部にダイアフラムを形成し、このダイアフラム上にピエゾ抵抗素子をブリッジ状に配して被測定媒体の圧力に応じたダイアフラムの変位をピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化に変えて被測定媒体の圧力を検出する圧力センサが広く用いられている（例えば、特許文献１参照）。

また、このようなダイアフラムの厚さを厳密に管理しながらこのダイアフラムを半導体チップ上に形成する圧力センサの製造プロセスに関する発明も知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００２−２７７３３７号公報（２頁、図２） 特開２０００−１７１３１８号公報（３−４頁、図１）

ところで、圧力センサの半導体チップには一般的にシリコンが使用されているが、シリコンのような半導体を一つの塊として見た場合、この半導体の物性として外力に対する変形度合い（歪み）即ち応力−歪み特性がほぼ線形性を示し、非線形性を殆ど示さない。即ち、これは半導体材料を塊としてみた場合に成り立つ物性である。しかしながら、結晶状態を精密にコントロールされたシリコン等の半導体材料をある程度以上薄く加工した場合、非線形性が大きくなることが定性的に分かっている。

しかし、この非線形性が大きくなるという性質はあくまで定性的に知られているだけで、このような半導体からなるチップの一部にダイアフラムが形成され、このダイアフラムに作用する圧力に応じた変位を電気変換して圧力を検出する圧力センサにおいて、ダイアフラムの厚さを具体的にどのような寸法範囲まで薄くすればダイアフラムの応力−歪み特性の非線形領域を広めて高感度を有しながらかつ高耐圧にするという、相反する要求を満たすようにできるかについては今まで明らかになっていなかった。

言い換えると、感圧部となるダイアフラムを有する圧力センサチップにおいてダイアフラムでの発生応力がセンサ感度となることから、圧力センサを、高感度を有しながら高耐圧にするためには、相反する要求を満たすべくこの非線形領域がなるべく広くなるように圧力センサのダイアフラムの寸法パラメータを特別に制御する必要があり、このような寸法パラメータを具体的に見つけることで相反する要求である高感度かつ高耐圧を満たして圧力センサの限界範囲を広くすることが要望されていた。

本発明の目的は、高感度で高耐圧の圧力センサを提供することにある。

本発明にかかる圧力センサは、
半導体でできたチップの一部にダイアフラムが形成され、前記ダイアフラムに作用する圧力に応じた変位を電気変換して当該圧力を検出する圧力センサにおいて、
前記ダイアフラムの一辺長を当該ダイアフラムの厚さで割ったアスペクト比を横軸とし、前記圧力センサの許容耐圧を縦軸とすることで規定される当該圧力センサの許容耐圧特性曲線の微分値がほぼゼロとなるアスペクト比を有するダイアフラムを備えたことを特徴としている。

このような寸法範囲に収まる構造の半導体ダイアフラムを備えた圧力センサを用いることによって、ダイアフラムに作用する圧力に応じたダイアフラムの変形に伴って生じる応力−歪み特性の非線形領域を広め、この非線形領域を圧力測定に上手く利用することで、高感度で高耐圧の圧力センサとすることができる。

また、請求項２に記載の本発明にかかる圧力センサは、請求項１に記載の圧力センサにおいて、
前記圧力が作用する側から見て前記ダイアフラムが四角形形状を有していることを特徴としている。

例えば異方性エッチングを介して四角形形状のダイアフラムを形成することで、例えば等方性エッチングを介して円形形状のダイアフラムを形成する場合に比べてダイアフラムの厚さをより薄くしないと応力−歪み特性の非線形領域が現れなくなる。そのため、この非線形領域を利用するためにダイアフラムの厚さを薄くせざるを得なくなる。しかしながら、ダイアフラムの厚さを薄くすることで四角形形状のダイアフラムには特に応力集中が生じ易くなる。従って、本発明のような寸法範囲に収まる構造の四角形形状の半導体ダイアフラムを備えた圧力センサとすることで、半導体ダイアフラムに作用する圧力に応じたダイアフラムの変形に伴って生じる応力−歪み特性の非線形領域を広め、この非線形領域を圧力測定に上手く利用することができるようになり、高感度で高耐圧の圧力センサとすることができる。

また、請求項３に記載の本発明にかかる圧力センサは、請求項１又は請求項２に記載の圧力センサにおいて、
前記ダイアフラムが単結晶シリコンで形成されていることを特徴としている。

特に塊の状態では塑性変形せず、応力−歪み特性に関する非線形性を持たない単結晶シリコンを半導体チップの材料に用いた場合、或る程度の厚さのダイアフラムを形成すると、ダイアフラムが本来降伏点を迎えず応力−歪み特性に関する線形領域内で破壊してしまう。しかしながら、本発明の寸法関係のようなダイアフラムとすることで、応力−歪み特性に関する非線形性を積極的に生じさせることができ、高感度で高耐圧という、相反する要求を満たした圧力センサとすることができる。

また、請求項４に記載の本発明にかかる圧力センサは、請求項１乃至請求項３の何れかに記載の圧力センサにおいて、
前記ダイアフラムの厚さが１５μｍ未満であって前記アスペクト比が１３５以上であることを特徴としている。

ダイアフラムの寸法を特にこのように限定することで、ダイアフラムの応力−歪み特性の非線形領域を確実に利用することができ、高感度で高耐圧という、相反する要求を満たした圧力センサとすることができる。

本発明によると、半導体ダイアフラムに作用する圧力に応じたダイアフラムの変形に伴って生じる応力−歪み特性の非線形領域を広め、この非線形領域を圧力測定に上手く利用することができるようになり、高感度で高耐圧の圧力センサとすることができる。

本発明の一実施形態にかかる圧力センサ１は、図１及び図２に示すように結晶面方位が（１００）面の単結晶シリコンからなる正方形のセンサチップ１０を有している。なお、本実施形態における説明では「圧力」の用語のみを用いるが、ダイアフラムの両面に異なる圧力が加わり、この差圧を測定する場合もこれらの実施形態に含まれることは言うまでもない。また、本発明は、結晶面方位が（１００）面のシリコンからなるセンサチップに限定されず、結晶面方位が（１１０）面のシリコンからなるセンサチップにも適用可能である。

センサチップ１０は、チップ表面の所定位置に形成された正方形のダイアフラム１１と、センサチップ１０の外周部を形成しダイアフラム１１を取り囲む厚肉部１２とからなる。そして、センサチップ１０の裏面中央にはダイアフラム１１の形成によって正方形の凹部１３が形成され、厚肉部１２が台座１５に陽極接合されている。台座１５は、パイレックス（登録商標）ガラスやセラミックス等によってセンサチップ１０と略同一の大きさを有する角柱体に形成されている。また、台座１５には、ダイアフラム１１の裏側に被測定媒体の圧力を導く導圧路１５ａが形成されている。

ダイアフラム１１は、図２に示す平面視でその対角線がセンサチップ１０の対角線と直交するようにセンサチップ１０に対して略４５°傾いた状態で形成されている（図２中の点線で示すダイアフラム１１の縁部参照）。そして、ダイアフラム表面の周縁部付近にはピエゾ領域として作用し圧力を検出する４つの圧力検出用のセンサゲージ２１０（２１１〜２１４）がセンサチップ１０の対角線に平行する位置に形成されている。即ち、これらのセンサゲージ２１１〜２１４は、センサチップ１０の（１００）面においてピエゾ抵抗係数が最大となる＜１１０＞方向に形成されている。

このようなセンサゲージ２１０（２１１〜２１４）は、拡散法又はイオン打ち込み法によって形成され、図示しないリードによってホイーストーンブリッジ回路を構成するように結線されており、ダイアフラム１１の表裏面に異なる圧力がそれぞれ印加されると、その差圧に応じたダイアフラム１１の変形に伴い各センサゲージ２１０の抵抗が変化し、測定圧力を求めるための差圧信号を差動的に出力するようになっている。

なお、本実施形態の場合、圧力センサ１のセンサチップ１０の大きさは圧力の作用方向で見て正方形形状の一辺が４．０ｍｍ、厚さが２５０μｍ程度を有し、同じく圧力の作用方向で見て正方形形状のダイアフラム１１の大きさは一辺が２．０ｍｍ、厚さが１３μｍ程度を有している。即ち、本実施形態にかかる圧力センサ１のセンサチップ１０は単結晶シリコンの半導体でできており、かつダイアフラム１１の厚さが１５μｍ未満であってダイアフラム１１の一辺長をこのダイアフラム１１の厚さで割ったアスペクト比が１３５以上となっている。

そして、本実施形態にかかる圧力センサ１のダイアフラム１１は、上述のアスペクト比を横軸とし、圧力センサ１の許容圧力を縦軸とすることで規定される後に詳細に説明する圧力センサ１の許容耐圧特性曲線の微分値がほぼゼロとなるアスペクト比を有するダイアフラムを備えていることになっている。

なお、上述した構成を有する圧力センサ１の製造プロセスについては、例えば特開平６−８５２８７号公報に記載されたように公知であり、ダイアフラム１１の厚さを正確に管理する製造プロセスについても特開２０００−１７１３１８号公報に記載されたように公知であるので、ここではこの製造プロセスについての詳細な説明を省略する。また、特開２０００−１７１３１８号公報に記載された圧力センサのセンサチップは、２つのシリコン層の間に二酸化シリコン層が介在した構成を有しており、本発明を示す図１においては、このような二酸化シリコン層が描かれていないが、同図は本発明の理解の容易化のために概略的に描いた構成図であり、上記公報に記載された二酸化シリコン層を有したものも本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。

以上のような構成を有する圧力センサ１を用いることで、スパン電圧が５．０ＫＰａ（６０ｍＶ）と高感度を有しつつ耐圧が３５０ｋＰａの高耐圧を有する圧力センサとすることができる。これは、半導体チップが単結晶シリコンでできておりかつダイアフラム１１が上述した寸法形状を有することにより、図４に示すダイアフラム１１の応力−歪み特性の非線形領域をうまく利用しているからである。

なお、本発明のようにこのような高感度でありながら高耐圧という、相反する要求を満たす圧力センサとするためには、上述した実施形態のようなセンサチップ１０の材質及びダイアフラム１１の寸法関係に限定される必要はなく、センサチップの一部に形成されたダイアフラムの一辺長をこのダイアフラムの厚さで割ったアスペクト比を横軸とし、圧力センサの許容耐圧を縦軸とすることで規定される圧力センサの許容耐圧特性曲線の微分値がほぼゼロとなるアスペクト比をダイアフラムが有していれば良い。また、異法性エッチングを介してダイアフラムを製造することで圧力が作用する方向から見てダイアフラムが四角形形状を有することには限定されず、等方性エッチングを介してダイアフラムを製造することでダイアフラムが円形形状を有していても本発明を適用することは可能である。

しかしながら、本発明における上述した作用を十分発揮するために、好ましくは圧力の作用する側から見てダイアフラムが四角形形状を有し、ダイアフラムが単結晶シリコンで形成され、ダイアフラムの厚さが１５μｍ未満であってアスペクト比が１３５以上であるのが良い。

圧力の作用する側から見てダイアフラムが四角形形状を有していることが好ましい理由は、異方性エッチングを介してダイアフラムを形成した結果、ダイアフラムが四角形形状を有していると、例えば等方性エッチングを介してダイアフラムを円形形状に形成する場合に比べて厚さをより薄くしないと非線形領域が現れなくなくなるため、この非線形領域を利用するためにダイアフラムの厚さを薄くせざるを得なくなる。しかしながら、ダイアフラムの厚さを薄くすることで四角形形状のダイアフラムには特に応力集中が生じ易くなる。そのため、本発明のような寸法範囲に収まる構造の四角形形状の半導体ダイアフラムを備えた圧力センサを用いることで、半導体ダイアフラムに作用する圧力に応じたダイアフラムの変形に伴って生じる応力−歪み特性の非線形領域を広め、この非線形領域を圧力測定に上手く利用することができるようになり、高感度で高耐圧の圧力センサとすることができるからである。

また、ダイアフラムが単結晶シリコンで形成されているのが好ましい理由は、特に塊の状態では塑性変形せず、応力−歪み特性に関する非線形性を持たない単結晶シリコンを半導体チップの材料に用いた場合、或る程度の厚さを有するダイアフラムを形成した場合、ダイアフラムが本来降伏点を迎えず応力−歪み特性に関する線形領域内で破壊してしまうが、本発明の寸法関係のようなダイアフラムとすることで、応力−歪み特性に関する非線形性を積極的に生じさせることができ、高感度で高耐圧という、相反する要求を満たした圧力センサとすることができるからである。

また、ダイアフラムの厚さが１５μｍ未満であってアスペクト比が１３５以上であることは好ましい理由については、本発明の発明者がその裏付けとなる実験を実際に行ったので、その結果を実施例として以下に合わせて説明する。

上述した一般的な半導体プロセスを利用して製造した様々な厚さのダイアフラムを備えた単結晶シリコンでできた圧力センサを用いて各圧力センサの圧力に対する出力特性とダイアフラムの応力−歪み特性を調べる実験を行った。なお、各圧力センサの寸法関係は、また、半導体チップの大きさや厚さ、ダイアフラムの一辺長の長さは、上述した実施例と同等の寸法関係とした。そして、ダイアフラムの一辺長をダイアフラムの厚さで割ったアスペクト比をそれぞれ特定のアスペクト比となるように管理して様々な圧力センサを製造した。

即ち、実験に際してアスペクト比を変えるにあたっては、ダイアフラムの一辺長を固定してダイアフラムの厚さを変えるようにした。そして、このアスペクト比が異なる様々な厚さのダイアフラムを備えた圧力センサを用いて各圧力センサの感度を示すスパン電圧（ｋＰａ（ｍＶ））で示される出力とダイアフラムに作用する圧力、即ち耐圧（ｋＰａ）を測定した。

図３は、この測定結果を示す圧力センサの出力特性図であり、横軸がダイアフラムのアスペクト比を示し、左側の縦軸が圧力センサの耐圧（ｋＰａ）を示し、右側の縦軸が圧力センサの感度を出力電圧（ｍＶ）で示している。

この特性図において示された多数のプロットは、圧力センサの各アスペクト比に対応する耐圧を実際に測定した測定結果を示しており、図中左側の縦方向に並んだ多数のプロットは厚さ３０μｍのダイアフラムを備えた圧力センサの測定結果を示し、図中中央部分に広く分散した多数のプロットは厚さ２３μｍのダイアフラムを備えた圧力センサの測定結果を示し、図中右側に狭く分散した多数のプロットは厚さ１３μｍのダイアフラムを備えた圧力センサの測定結果を示している。

そして、図３において右側に向かって下降し、ダイアフラムの厚さが約１５ｍｍでアスペクト比が約１３５のあたりで極小値（微分値がほぼゼロ）となる曲線がこの測定結果に基づいて求めたダイアフラムのアスペクト比に対する圧力センサの耐圧を示す耐圧特性である。一方、図中右上に向かって上昇していく直線は、ダイアフラムの各アスペクト比に対する上述した出力電圧を測定することで求めた圧力センサの感度を示す出力特性である。

本来的には、上述の耐圧特性と出力特性は圧力センサの出力電圧が高ければ高いほど耐圧が低下するはずであるが、本実験のような寸法を有する圧力センサを用いてアスペクト比をコントロールすることで、この出力特性図から明らかなように、圧力センサの許容耐圧特性曲線の微分値がほぼゼロとなる（最小値となる）点を積極的に生み出すことができ、この実験結果から、特にダイアフラムのアスペクト比が１３５以上でダイアフラムの厚さが１５μｍ未満の圧力センサ、即ち上述した本実施形態におけるような圧力センサが高感度で高耐圧という、相反する要求を満たした圧力センサとなっていることが分かった。

これは、このような寸法範囲に収まる構造の半導体ダイアフラムを備えた圧力センサを用いることで、図４に示すように半導体ダイアフラムに作用する圧力に応じたダイアフラムの変形に伴って生じる応力−歪み特性の非線形領域を広め、この非線形領域を圧力測定に上手く利用することで、高感度で高耐圧の圧力センサという、相反する要求を満たしていると考えられる。

以上説明したように、本発明の寸法範囲に収まる構造の半導体ダイアフラムを備えた圧力センサを用いることで、図４に示すようにダイアフラムに作用する圧力に応じたダイアフラムの変形に伴って生じる応力−歪み特性の非線形領域を広め、この非線形領域を圧力測定に上手く利用することで、高感度で高耐圧の圧力センサを提供できることが分かった。

この場合、特に圧力が作用する側から見て圧力センサのダイアフラムが四角形形状を有しているのが好ましいことが分かった。これは、例えば異方性エッチングを介して四角形形状のダイアフラムを形成すると、例えば等方性エッチングを介して円形形状のダイアフラムを形成した場合に比べて厚さをより薄くしないと非線形領域が現れなくなくなるため、この非線形領域を利用するためにダイアフラムの厚さを薄くせざるを得なくなる。しかしながら、ダイアフラムの厚さを薄くすることで四角形形状のダイアフラムには特に応力集中が生じ易くなる。そのため、本発明のような寸法範囲に収まる構造の四角形形状の半導体ダイアフラムを備えた圧力センサを用いることで、半導体ダイアフラムに作用する圧力に応じたダイアフラムの変形に伴って生じる応力−歪み特性の非線形領域を広め、この非線形領域を圧力測定に上手く利用することができるようになり、高感度で高耐圧の圧力センサになるためと考えられる。

また、この場合、特にダイアフラムが単結晶シリコンで形成されているのが好ましいことが分かった。これは、特に塊の状態では塑性変形せず、応力−歪み特性に関する非線形性を有さない単結晶シリコンを半導体チップの材料に用いた場合、ダイアフラムを形成すると、或る程度の厚さのダイアフラムでは本来降伏点を迎えず応力−歪み特性に関する線形領域内で破壊してしまうが、本発明の寸法関係のようなダイアフラムとすることで、図４に示すように応力−歪み特性に関する非線形性を積極的に生じさせることができ、高感度で高耐圧という、相反する要求を満たした圧力センサになるためと考えられる。

また、この場合、特にダイアフラムの厚さが１５μｍ未満であってアスペクト比が１３５以上であるのが好ましいことが分かった。これは、ダイアフラムの寸法を特にこのように限定することで、ダイアフラムの応力−歪み特性の非線形領域を確実に利用することができ、高感度で高耐圧という、相反する要求を満たした圧力センサになるためと考えられる。

本発明の一実施形態かかる圧力センサの概略構成を示す断面図である。 図１に示した圧力センサの平面図である。 本発明の一実施形態かかる圧力センサについての出力特性と耐圧特性を示す特性図であり、横軸がダイアフラムのアスペクト比を示し、左側の縦軸が圧力センサの耐圧（ｋＰａ）を示し、右側の縦軸が圧力センサの感度をスパン電圧（ｍＶ）で示している。 本発明の一実施形態にかかる圧力センサの応力−歪み特性を示す図である。

符号の説明

１ 圧力センサ
１０ センサチップ
１１ ダイアフラム
１２ 厚肉部
１３ 凹部
１５ 台座
１５ａ 導圧路
２１０（２１１〜２１４） センサゲージ

Claims (4)

1. 半導体でできたチップの一部にダイアフラムが形成され、前記ダイアフラムに作用する圧力に応じた変位を電気変換して当該圧力を検出する圧力センサにおいて、
   前記ダイアフラムの一辺長を当該ダイアフラムの厚さで割ったアスペクト比を横軸とし、前記圧力センサの許容耐圧を縦軸とすることで規定される当該圧力センサの許容耐圧特性曲線の微分値がほぼゼロとなる大きさ以上のアスペクト比を有するダイアフラムを備えたことを特徴とする圧力センサ。
2. 前記圧力が作用する側から見て前記ダイアフラムが四角形形状を有していることを特徴とする、請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記ダイアフラムが単結晶シリコンで形成されていることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の圧力センサ。
4. 前記ダイアフラムの厚さが１５μｍ未満であって前記アスペクト比が１３５以上であることを特徴とする、請求項１乃至請求項３の何れかに記載の圧力センサ。
   
   

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