JP2012122924A

JP2012122924A - 圧力センサ

Info

Publication number: JP2012122924A
Application number: JP2010275416A
Authority: JP
Inventors: Fumihito Kato; 史仁加藤; Yuichi Niimura; 雄一新村; Hideo Nishikawa; 英男西川
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-12-10
Filing date: 2010-12-10
Publication date: 2012-06-28

Abstract

【課題】簡便な方法で高感度の圧力センサを提供する。
【解決手段】圧力センサ１は、半導体基板２を加工してダイヤフラム構造を形成した圧力センサであって、半導体基板２が貫通した貫通部４を１箇所以上ダイヤフラム部３に形成し、半導体基板２が貫通していない薄板部にピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４によるブリッジ回路を形成し、無機または有機材料５ａ〜５ｃにより貫通部４を密閉している。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板を加工してダイヤフラム構造を形成した圧力センサに関する。

従来の圧力センサとしては、とりわけ、半導体基板を使用した半導体圧力センサが一般的である（例えば、特許文献１参照）。こうした半導体圧力センサでは、単結晶シリコン基板の一部をエッチング技術により薄板（ダイヤフラム構造）に加工し、このダイヤフラム面へピエゾ抵抗素子を用いたホイートストンブリッジ回路（以降、単にブリッジ回路という。）を形成する。これにより、ダイヤフラム面が圧力を受けると、ダイヤフラム面のたわみに伴ってピエゾ抵抗素子が変形し、ピエゾ抵抗素子の抵抗値が変化する。この抵抗値の変化をブリッジ回路を用いて検出するようになっている。

特開昭５９−１６４９３４号公報

圧力センサの感度を向上させるためには、ダイヤフラム部を薄板にする必要がある。しかし、薄板を形成するには高精度にエッチング可能な技術が必要であり、そうした高精度加工技術を用いても数ｕｍ程度の薄板を形成することが限界であった。そのため、より一層感度を向上させるためには、薄板部のサイズを増大させる方法しかなかった。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、簡便な方法で高感度の圧力センサを提供することである。

本発明は、半導体基板を加工してダイヤフラム構造を形成した圧力センサであって、前記ダイヤフラム部に前記半導体基板が貫通した貫通部を１箇所以上形成し、前記半導体基板が貫通していない薄板部にピエゾ抵抗素子によるブリッジ回路を形成し、無機または有機材料により前記貫通部を密閉していることを特徴とする。

また、本発明において、前記薄板部は、はり同士が交差する連結はり構造であってもよい。

また、本発明において、前記薄板部は、両端固定はり構造であってもよい。

また、本発明において、前記薄板部は、１個以上の片持ちはり構造であってもよい。

また、本発明において、前記薄板部は、１枚の連続した薄板構造体を１箇所以上で保持する構造であってもよい。

また、本発明において、前記１枚の連続した薄板構造体は、その面内に１箇所以上の前記貫通部を有してもよい。

また、本発明において、前記半導体基板裏面にガラス基板を陽極接合してもよい。

また、本発明において、前記ダイヤフラム面が圧力を受けた際に前記薄板部における発生応力が最大となるエリアに前記ピエゾ抵抗素子を配置してもよい。

本発明に係る圧力センサによれば、ダイヤフラム部に貫通部を形成し、その貫通部を無機または有機材料により密閉している。これにより、ダイヤフラム部の剛性を低下させることができるため、ダイヤフラム部の板厚をより薄くすることなく、感度を向上させることができる。

第１実施形態における圧力センサの構成を示す図であり、（ａ）は表面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。第２実施形態における圧力センサの構成を示す図であり、（ａ）は表面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。第３実施形態における圧力センサの構成を示す図であり、（ａ）は表面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。第４実施形態における圧力センサの構成を示す図であり、（ａ）は表面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。第５実施形態における圧力センサの構成を示す図であり、（ａ）は表面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。第１〜第５実施形態における半導体基板の裏面にガラス基板を陽極接合した様子を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態における半導体圧力センサについて説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態における圧力センサ１の構成を示す図であり、（ａ）は表面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。この図に示すように、圧力センサ１は、矩形形状のダイヤフラム部３を有するシリコン基板等の半導体基板２と、このダイヤフラム部３の表面に低濃度のｐ型不純物を注入することにより形成されたピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４とを備えている。ダイヤフラム部３の板厚は、高精度での加工限界となる数ｕｍ程度である。ピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４は、電極配線（拡散配線）Ｌにより接続され、ブリッジ回路を構成している。電極配線Ｌは、半導体基板２の表面に高濃度のｐ型不純物を拡散させることにより形成される。

このような圧力センサ１では、ダイヤフラム部３の一方から圧力が加わると、ダイヤフラム部３の表面と裏面との間に差圧が生じることによりダイヤフラム部３がたわむ。このダイヤフラム部３のたわみによりピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４を構成する結晶が歪んで抵抗値が変化し、この抵抗値の変化がブリッジ回路の入力電圧に対する出力電圧の変化として検出される。

ここで、半導体基板２が貫通した矩形形状の貫通部４をダイヤフラム部３に４箇所形成し、半導体基板２が貫通していない薄板部にピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４を配置する。このピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４の配置エリアは、ダイヤフラム面が圧力を受けた際に薄板部における発生応力が最大となるエリアである。本実施形態では、薄板部は、はり同士が交差する連結はり構造６ａである。この場合は、ダイヤフラム面が圧力を受けた際に薄板部の周辺部において発生応力が最大となるため、薄板部の周辺部にピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４を配置している。更に、貫通部４の上面には、無機または有機膜（具体的には、保護膜層５ａ、応力調節層５ｂ、エッチングストップ層５ｃ）を形成している。

以上のように、第１実施形態によれば、ダイヤフラム部３に貫通部４を形成し、その貫通部４を無機または有機材料により密閉している。これにより、ダイヤフラム部３の剛性を低下させることができるため、ダイヤフラム部３の板厚をより薄くすることなく、感度を向上させることができる。

また、第１実施形態では、薄板部は、はり同士が交差する連結はり構造６ａである。このような連結はり構造６ａは、シリコンの異方性エッチングにより形成可能であるため、高精度な形状を実現することができる。そのため、ウェハレベルでの製作の際、形状バラツキに依存する感度バラツキを低減することが可能である。はり同士が交差する連結はり構造６ａとすることで、貫通部４に形成する無機または有機膜の脆さを補うことができ、歩留まり良く製作することができるという効果もある。

また、第１実施形態では、ダイヤフラム面が圧力を受けた際に薄板部における発生応力が最大となるエリアにピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４を配置しているため、高感度に信号検収が可能である。ここでは、薄板部の周辺部にピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４を配置しているが、周辺部以外のエリアで発生応力が最大となる場合もある。この点については後述する。

（第２実施形態）
図２は、第２実施形態における圧力センサ１の構成を示す図であり、（ａ）は表面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。この図に示すように、第２実施形態では、矩形形状の貫通部４を２箇所形成し、薄板部を両端固定はり構造６ｂとしている。この場合は、ダイヤフラム面が圧力を受けた際に薄板部の周辺部と中央部において発生応力が最大となる。そのため、薄板部の周辺部にピエゾ抵抗素子Ｒ１，Ｒ３を配置し、薄板部の中央部にピエゾ抵抗素子Ｒ２，Ｒ４を配置している。その他の点は第１実施形態と同様である。

以上のように、第２実施形態によれば、薄板部を両端固定はり構造６ｂとしているため、第１実施形態よりも更に剛性を低下させることができ、より高い感度を得ることが可能となる。

（第３実施形態）
図３は、第３実施形態における圧力センサ１の構成を示す図であり、（ａ）は表面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。この図に示すように、第３実施形態では、矩形形状の貫通部４を４箇所形成するとともに、はり同士が交差する部分にも貫通部４を形成して、薄板部を４個の片持ちはり構造６ｃとしている。このような片持ちはり構造６ｃは、反応性イオンエッチング（ドライエッチング）により形成可能である。その他の点は第１実施形態と同様である。

以上のように、第３実施形態によれば、薄板部を４個の片持ちはり構造６ｃとしているため、超高感度化を実現することが可能となる。すなわち、第１または第２実施形態のようにシリコン異方性エッチングを用いれば、高精度な形状を実現できるが、シリコンの結晶性に依存した形状しか実現できない。一方、本実施形態のように反応性イオンエッチングを用いれば、加工精度は低下するが、自由な形状に加工できる。これにより、両端固定はり構造よりも更に高い感度を得ることができ、超高感度化を実現することが可能となる。

なお、ここでは、薄板部を４個の片持ちはり構造６ｃとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、１個以上の片持ちはり構造６ｃであれば、同様の効果を得ることができる。

（第４実施形態）
図４は、第４実施形態における圧力センサ１の構成を示す図であり、（ａ）は表面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。この図に示すように、第４実施形態では、薄板部は、１枚の連続した薄板構造体６ｄを４箇所で保持する構造である。このような薄板構造体６ｄは、ドライエッチングにより形成することができる。薄板構造体６ｄを保持する４箇所とは、貫通部４が形成されていないエリアを意味する。その他の点は第１実施形態と同様である。

以上のように、第４実施形態によれば、１枚の連続した薄板構造体６ｄを４箇所で保持する構造としているため、薄板部および無機または有機膜によって形成したダイヤフラム部３のたわみ量を低減することができる。こうしたたわみは、薄板から厚板に変わる部分や、積層した材料構成が異なる境界部分における応力集中に起因して生ずる。たわみが生じた場合は、センサの直線性特性を劣化させるため、センサ設計の際に注意が必要となる。本実施形態のように、ダイヤフラムの基材となる薄板部をできる限り広く取ることで、応力集中に起因したたわみを改善することが可能である。

なお、ここでは、１枚の連続した薄板構造体６ｄを４箇所で保持しているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、１枚の連続した薄板構造体６ｄを１箇所以上で保持する構造であれば、同様の効果を得ることができる。

（第５実施形態）
図５は、第５実施形態における圧力センサ１の構成を示す図であり、（ａ）は表面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。この図に示すように、第５実施形態では、１枚の連続した薄板構造体６ｄの面内に１箇所以上の孔（貫通部４）を有する。ここでは、１０×１０箇所に円形の孔を有する場合を例示している。その他の点は第４実施形態と同様である。

以上のように、第５実施形態によれば、１枚の連続した薄板構造体６ｄの面内に１箇所以上の孔を有するようにしている。これにより、薄板構造体６ｄの剛性を低下させることができるため、第４実施形態よりも感度を向上させることが可能となる。

なお、第１〜第５実施形態では言及しなかったが、図６に示すように、半導体基板２の裏面にガラス基板７を陽極接合してもよい。このようにすれば、絶対圧力を計測可能な圧力センサを実現することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施形態について説明したが、この実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明が限定されることはない。すなわち、上記の実施形態に基づいて当業者によってなされる他の実施形態、実施例及び運用技術などはすべて本発明の範囲に含まれることを付け加えておく。

１圧力センサ
２半導体基板
３ダイヤフラム部
４貫通部
Ｒ１〜Ｒ４ピエゾ抵抗素子
６ａ連結はり構造
６ｂ両端固定はり構造
６ｃ片持ちはり構造
６ｄ薄板構造体
７ガラス基板

Claims

半導体基板を加工してダイヤフラム構造を形成した圧力センサであって、
前記半導体基板が貫通した貫通部を１箇所以上前記ダイヤフラム部に形成し、前記半導体基板が貫通していない薄板部にピエゾ抵抗素子によるブリッジ回路を形成し、無機または有機材料により前記貫通部を密閉していることを特徴とする圧力センサ。
前記薄板部は、はり同士が交差する連結はり構造であることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
前記薄板部は、両端固定はり構造であることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
前記薄板部は、１個以上の片持ちはり構造であることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
前記薄板部は、１枚の連続した薄板構造体を１箇所以上で保持する構造であることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
前記１枚の連続した薄板構造体は、その面内に１箇所以上の前記貫通部を有することを特徴とする請求項５記載の圧力センサ。
前記半導体基板裏面にガラス基板を陽極接合したことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の圧力センサ。
前記ダイヤフラム面が圧力を受けた際に前記薄板部における発生応力が最大となるエリアに前記ピエゾ抵抗素子を配置することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の圧力センサ。