JP2014159977A - 圧力センサ、及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コスト化が可能な圧力センサ、及び半導体回路を提供すること。
【解決手段】本実施の形態に係る圧力センサは、少なくとも一部が気体と接した第１の温度センサ素子２１を有する第１のセンサ２７と、第２の温度センサ素子３１を有する第２のセンサ３７と、を備えている。さらに、本実施の形態に係る圧力センサは、第２のセンサ３７を覆うカバー膜１５と、第１の温度センサ素子２１及び第２の温度センサ素子３１に接続された検出回路６０と、を備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧力センサ、及び半導体装置に関する。

特許文献１〜６には、種々の圧力センサが開示されている。特許文献１〜４には、ダイアフラムを有する圧力センサが開示されている。また、特許文献５、６には、発熱体と、温度センサを有する圧力センサが開示されている。例えば、特許文献５は、発熱抵抗エレメントと、測温抵抗エレメントとを備えた圧力センサが開示されている。特許文献６には、電熱線と、電熱線の発熱により加熱されて滞留する雰囲気中の気体の温度を検出する圧力センサが開示されている。

特開２００４−５３３２９号公報号公報 特開２００２−１１６１０６号公報号公報 国際公開第０２／１０７０３号明細書 特表２０１１−５１９０４２号公報号公報 特開昭６１−２４０１３５号公報号公報 特開平１１−４４６０１号公報号公報

このような圧力センサにおいて、より低コスト化を図りたいという要求がある。
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

一実施の形態によれば、圧力センサは、少なくとも一部が気体と接した第１の温度センサ素子を有する第１のセンサと、第２の温度センサ素子を有する第２のセンサと、前記第２の温度センサ素子を覆うカバー膜と、を有している。

前記一実施の形態によれば、低コスト化が可能な圧力センサ、及び半導体回路を提供することがきる。

本実施の形態にかかる半導体回路の構成を模式的に示す図である。 圧力センサ領域の構成を模式的に示す平面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。 圧力センサの検出回路の構成を示す回路図である。 ヒータと温度センサ素子の間隔を説明するための平面図である。 ヒータと温度センサ素子の間隔を説明するための断面図である。 シミュレーションに予測される温度差を示すグラフである。 ダイアフラムを用いた圧力センサの構成を模式的に示す断面図である。 実施の形態２にかかる半導体回路の圧力センサ領域の構成を模式的に示す平面図である。 実施の形態３にかかる半導体回路の圧力センサ領域の構成を模式的に示す断面図である。 実施の形態４にかかる半導体回路の圧力センサ領域の構成を模式的に示す断面図である。 実施の形態５にかかる半導体回路の圧力センサ領域の構成を模式的に示す平面図である。 図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ断面図である。 実施の形態６にかかる圧力センサの検出回路の構成を示す回路図である。 実施の形態７にかかる圧力センサの検出回路の構成を示す回路図である。 実施の形態８にかかる圧力センサの構成を模式的に示す平面図である。 実施の形態９にかかる圧力センサの構成を模式的に示す平面図である。 実施の形態１０にかかる圧力センサの構成を模式的に示す平面図である。 実施の形態１１にかかる圧力センサの構成を模式的に示す断面図である。 実施の形態１１にかかる圧力センサの検出回路の構成を示す回路図である。 実施の形態１１にかかる圧力センサの別の検出回路の構成を示す回路図である。 実施の形態１２にかかる圧力センサの構成を模式的に示す断面図である。

実施の形態１．
本実施の形態にかかる圧力センサを有する半導体回路について図１を参照して説明する。図１は、本実施の形態にかかる半導体チップ１の構成を模式的に示す図である。半導体チップ１は、基板１０とパッド１２と絶縁膜１３と配線１４とカバー膜１５とを有している。例えば、基板１０はシリコン基板などの半導体基板である。基板１０上に絶縁膜１３が形成されている。絶縁膜１３は基板１０の全面を覆っている。絶縁膜１３の上にはカバー膜１５が設けられている。カバー膜１５は、基板１０のほぼ全面に設けられている。基板１０の端部には、複数のパッド１２が配列されている。なお、パッド１２の部分ではカバー膜１５が除去され、パッド１２が露出している。パッド１２は、配線１４と接続されている。これにより、外部からの信号の入出力が可能となる。カバー膜１５は例えば、酸化膜や有機膜などの絶縁膜である。カバー膜１５は、通常の半導体プロセス（層堆積、フォトリソグラフィー、エッチング、リフトオフ、アニール、スピンコート等）によって形成される。

また、基板１０の中央部分がＣＭＯＳ回路領域１１となり、基板１０の端部が圧力センサ領域２０となっている。ＣＭＯＳ回路領域１１には、図示しないＭＯＳトランジスタなどの回路素子が設けられている。また、圧力センサ領域２０には、第１のセンサ２７と第２のセンサ３７とが設けられている。圧力センサ領域２０の一部では、カバー膜１５が、開口部１６を有している。開口部１６は、矩形状に形成されている。また、基板１０の圧力センサ領域２０と反対側の端部には、複数のパッド１２が配列されている。パッド１２は、ＣＭＯＳ回路領域１１の回路と接続されている。したがって、ＣＭＯＳ回路領域１１の回路には、パッド１２を介して信号が入出力される。例えば、パッド１２に入力された信号が、配線１４を介して、ＣＭＯＳ回路領域１１の半導体素子に供給される。
ここで、ＣＭＯＳ回路領域１１をチップ中央部、圧力センサ領域２０をチップ端部、パッド１２を反対側の端部としているが、この位置関係はこれ以外でも良い。

次に、圧力センサ領域２０に設けられた圧力センサの構成について、図２、及び図３を用いて説明する。図２は、圧力センサ領域２０の周辺の構成を示す平面図であり、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。

図２に示すように、圧力センサ２は、第１のセンサ２７、第２のセンサ３７、及びカバー膜１５を備えている。第１のセンサ２７は、第１温度センサ素子２１と第１ヒータ２２とを備えている。同様に、第２のセンサ３７は、第２温度センサ素子３１と第２ヒータ３２とを備えている。第１温度センサ素子２１と第１ヒータ２２とが組となって、第１のセンサ２７を構成している。同様に、第２温度センサ素子３１と第２ヒータ３２とが組となって、第２のセンサ３７を構成している。このように、温度センサ素子とヒータからなる組を２組設ける。なお、第１温度センサ素子２１、第１ヒータ２２、第２温度センサ素子３１、第２ヒータ３２は、絶縁膜１３の上に配置されている。第１温度センサ素子２１、及び１ヒータ２２は、開口部１６に形成される。換言すると、第１温度センサ素子２１、及び１ヒータ２２は、基板１０の際表層に形成されている。カバー膜１５は、第２温度センサ素子３１、第２ヒータ３２を覆っている。

第１温度センサ素子２１は引き出し配線２３と接続されている。第１ヒータ２２は、引き出し配線２４と接続している。第２温度センサ素子３１は引き出し配線３３と接続されている。第２ヒータ３２は、引き出し配線３４と接続している。引き出し配線２３、２４、３３、３４は絶縁膜１３上に形成される。引き出し配線２３、２４、３３、３４は、図１で示した圧力センサ領域２０からＣＭＯＳ回路領域１１まで引き回されている。引き出し配線２３、２４は、カバー膜１５直下から開口部１６まで延在している。カバー膜１５は、引き出し配線３３、３４の一部を覆っている。引き出し配線２３、２４、３３、３４は、ＣＭＯＳ回路領域１１に設けられた回路素子と接続される。

例えば、引き出し配線２４、３４はそれぞれ第１ヒータ２２、第２ヒータ３２を加熱するための加熱電源（不図示）と接続されている。引き出し配線２４、３４を介して、第１ヒータ２２、及び第２ヒータ３２に、加熱電源から電流が供給されることで、第１ヒータ２２、及び第２ヒータ３２が発熱する。引き出し配線２３、３３は、ＣＭＯＳ回路領域１１内に設けられた検出回路と接続される。そして、第１温度センサ素子２１、及び第２温度センサ素子３１からの出力信号に基づいて、検出回路が圧力を検出する。なお。検出回路については、後述する。

ヒータ２２、３２と温度センサ素子２１、３１は共に配線抵抗を利用したものである。すなわち、温度センサ素子２１、３１は所定の導電材料によって形成された配線であり、温度によって抵抗値が変化する。例えば、温度センサ素子２１、３１は配線の抵抗値の温度係数により温度を検出する。シリコン半導体ではメタル配線として、銅またはアルミなどを用いることができる。あるいは、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、鉄（Ｆｅ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、バナジウム（Ｖ）などの金属材料を用いることができる。あるいは、それらの金属材料の合金または、酸化物や窒化物などの化合物を用いることができる。例えば、酸化バナジウムなどの金属酸化物や、チタンシリサイドなどの金属化合物を用いることができる。

ヒータ２２、３２は、所定の導電材料によって形成された配線であり、電流が流れることで発熱する。温度センサ素子２１、３１、及びヒータ２２、３２を同じ層の配線で形成した場合、温度センサ素子２１、３１、及びヒータ２２、３２は同じ配線材料となる。もちろん、温度センサ素子２１、３１をヒータ２２、３２と異なる配線材料で形成してもよい。温度センサ素子２１、３１、及びヒータ２２、３２の配線材料は、上記の材料に限定されるものではない。温度センサ素子２１、３１、及びヒータ２２、３２として配線を用いることで、簡素な構成とすることができる。

ここで、第１のセンサ２７の上には、カバー膜１５に開口部１６が設けられている。したがって、第１のセンサ２７の第１温度センサ素子２１と第１ヒータ２２が空気に接する。すなわち、第１温度センサ素子２１と第１ヒータ２２が外部の空間に通じるように、カバー膜１５には開口部１６が設けられている。一方、第２のセンサ３７の第２温度センサ素子３１と第２ヒータ３２は、カバー膜１５によって覆われている。従って、第２温度センサ素子３１と第２ヒータ３２は空気に接しない。

このように、２組のヒータと温度センサ素子の組のうち、片方の組の上にはカバー膜１５は形成しないものとする。そして、もう片方の組の上をカバー膜１５で覆い、直接空気に接しないようにする。カバーの無い方の組は空気による熱伝導が起こり、カバーのある方はカバー膜１５を介した熱伝導が起こる。空気による熱伝導は対流によるものが大部分である。対流により伝わる熱量は空気の圧力に依存し、圧力が高いほど伝わる熱量は多くなる。これに対して、カバー膜１５を介した熱伝導は空気の圧力に依存しない。よって、両方の温度センサ素子２１、３１の抵抗値を比較することで、圧力を検出することができる。

次に、圧力を検出するための回路について、図４を用いて説明する。図４に示すように、検出回路６０は、ブリッジ回路５０と差動アンプ５１とを備えている。なお、差動アンプ５１は、図１で示したＣＭＯＳ回路領域１１に形成されている。すなわち、ＣＭＯＳ回路領域１１のＭＯＳトランジスタ等によって差動アンプ５１が形成される。ブリッジ回路５０は負荷抵抗５２、５３と、センサ抵抗５４、５５とを備えている。例えば、電源電圧ＶＤＤとグランドとの間には、負荷抵抗５２とセンサ抵抗５５が直列に接続されている。同様に、電源電圧ＶＤＤとグランドとの間には、負荷抵抗５３とセンサ抵抗５４が直列に接続されている。

センサ抵抗５４は、カバー膜１５で被覆されていない第１温度センサ素子２１を含む配線の配線抵抗である。なお、センサ抵抗５４は、引き出し配線２３の抵抗を含んでいてもよい。センサ抵抗５５は、カバー膜１５で被覆された第２温度センサ素子３１を含む配線の配線抵抗である。なお、センサ抵抗５５は、引き出し配線３３の抵抗を含んでいてもよい。負荷抵抗５２とセンサ抵抗５５との接続ノードＩＮＢが差動アンプ５１の一方の入力端子に接続される。負荷抵抗５３とセンサ抵抗５４との接続ノードＩＮＴが差動アンプ５１の他方の入力端子に接続される。差動アンプ５１は、接続ノードＩＮＢと接続ノードＩＮＴの電位差を増幅して出力する。すなわち、検出回路６０の差動アンプ５１は、第１温度センサ素子２１と第２温度センサ素子３１との電位差を検出する。したがって、差動アンプ５１から出力される出力信号Ａｏｕｔを用いて、圧力を検出することができる。

ここで、センサ抵抗５４の配線と、センサ抵抗５５の配線とを同じ形状にしておくことで、ヒータ２２、３２からの熱が伝わらない状態での抵抗値を等しくすることができる。このため、両者の特性がチップ周囲の温度変動などで変化しても、両者の抵抗の変化量が同じとなるので差動アンプ５１の出力電圧は変化しない。つまり、外乱による出力変動を抑制することができる。このように、差動アンプ５１がブリッジ回路５０の２つの出力の差分を取ることで、オフセット変動に対する耐性を高めることができる。なお、差動アンプ５１はＣＭＯＳ回路領域１１に配置することができる。すなわち、ＣＭＯＳ回路領域１１に設けられたＭＯＳトランジスタ等によって、差動アンプ５１を形成することができる。また、検出回路６０が第１温度センサ素子２１と第１ヒータ２２の電位差を検出するため、容易に圧力を検出することができる。また、ブリッジ回路５０を設けることで、精度よく圧力を検出することができる。

本実施の形態にかかる圧力センサの効果を調べるために、熱流体シミュレータFloTHERMを用いて、シミュレーションを行った結果について説明する。ここでは、ヒータからセンサへ熱の伝わり方を調べるためにシミュレーションを行っている。具体的には、図５、図６に示すような簡略な形状の第１ヒータ２２と第１温度センサ素子２１を配置し、第１ヒータ２２に１０ｍＷの電力を印加したときの第１温度センサ素子２１で検出される温度変化をシミュレーションしている。このとき、第１ヒータ２２と第１温度センサ素子２１の間の距離をパラメータとして変化させている。なお、第１温度センサ素子２１と第１ヒータ２２の長さを２００μｍとしている。

図７はシミュレーション結果を示すグラフである。図７において、横軸は第１ヒータ２２と第１温度センサ素子２１の間の距離、縦軸は圧力が1atm（１気圧）変化したときに第１温度センサ素子２１で検出される温度変化である。図７のように、第１ヒータ２２と第１温度センサ素子２１の間の距離が大きいほど圧力に対する温度変化が大きくなる。100μm離した場合、1atmの変化に対して0.12℃の温度変化が検出されると予測される。アルミや銅などの配線抵抗では1℃の温度変化に対して抵抗値の変化が0.5%程度である。そして、1atmの圧力変動で、0.06%の抵抗変化が起こる。この抵抗に5Vの電圧を印加すると、予測される出力電圧は3mV/atmとなる。

次に、比較例であるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈｉｎｉｃａｌ Ｓｙｔｅｍ）式の圧力センサの構成について、図８を用いて説明する。図８は、ダイアフラムを用いた熱式圧力センサの構成を示す断面図である。この圧力センサは、シリコン基板１１０と壁１１２とダイアフラム１１１とヒータ１２１ａとヒータ１２１ｂを備えている。シリコン基板１１０には、枠状の壁１１２が設けられている。壁１１２は、シリコン又は絶縁膜によって形成されている。壁１１２の上にダイアフラム１１１が設けられている。壁１１２とダイアフラム１１１とシリコン基板１１０とによって、閉鎖空間（チャンバー）１２０が形成される。すなわち、シリコン基板１１０の上には、壁１１２とダイアフラム１１１によって外部空間と隔てられた閉鎖空間１２０が形成される。

そして、閉鎖空間１２０に、ヒータ１２１ａ、１２１ｂが形成される。ヒータ１２１ａはシリコン基板１１０上において、閉鎖空間１２０の中央に配置される。一方、ヒータ１２１ｂは、シリコン基板１１０上において、閉鎖空間１２０の端部に配置される。外部空間と閉鎖空間１２０の圧力差によって、ダイアフラム１１１がたわむ。例えば、外部空間の圧力が高い場合、図８の点線に示すように、ダイアフラム１１１の形状が変化する。

したがって、ヒータ１２１ａからダイアフラム１１１までの距離は、ヒータ１２１ｂからダイアフラム１１１までの距離よりも短くなる。すなわち、ダイアフラム１１１とシリコン基板１１０の表面との距離は、閉鎖空間１２０の中央ほど近くなり、端部になるほど離れることになる。仕上がって、ヒータ１２１ａの熱はダイアフラム１１１に逃げやすく、ヒータ１２１ｂの熱はダイアフラム１１１に逃げにくい。このため、２つのヒータ１２１ａ、１２１ｂには温度差が生じる。ヒータ１２１ａ、１２１ｂの直列抵抗値を測定することで、ヒータの温度差を求めることができる。そして、ヒータの温度差から、ダイアフラムのたわみ、すなわち圧力を検出することができる。

しかしながら、図８に示すようにダイアフラムを用いた構成では、機械的な可動部分が必要である。このため、ＭＥＭＳプロセスによって、可動部を形成する必要がある。ＭＥＭＳプロセスとＣＭＯＳプロセスとでは、互換性が低いので、圧力センサ本体と、読み出し回路を別チップとする必要が生じてしまう。また、閉鎖空間を形成する際に、製造時に閉鎖空間内の圧力を制御する必要があり、ガス封止のための特殊なプロセスが必要となってしまう。

これに対して、本実施の形態に係る圧力センサでは、ダイアフラムを形成しなくてもよい。したがって、ＣＭＯＳプロセスのみで圧力センサを製造することができるため、ＣＭＯＳ回路と同じチップ上に圧力センサを形成することができる。換言すると、ＣＭＯＳプロセスにおける絶縁膜や配線の形成工程のみで、圧力センサを製造することができる。これにより、簡便な構成の圧力センサを実現することができ。低コスト化を図ることができる。

半導体チッブ１の上部にヒータ２２、３２と温度センサ素子２１、３１を配置する。そして、ヒータ２２、３２から温度センサ素子２１、３１への熱の伝わり方を検出する。こうすることで、半導体チップ１上部のガスの圧力を検出する。ここで、空気に開放した第１ヒータ２２と第１温度センサ素子２１の組と密閉した第２ヒータ３２と第２温度センサ素子３１の組の２組を用い、両者の出力の差分をとることで、オフセット変動に対する耐性を高めることができる。

このような圧力センサは、種々の分野に適用することができる。例えば、車の各部、タイヤの空気圧、ブレーキ圧、エアバッグなどのモニタ用圧力センサとして用いることができる。さらには、医療用機器やスマートフォンなどの携帯機器の圧力センサとしても用いることができる。また、タブレット端末や、ゲーム機などの搭載される半導体チップ１に、圧力センサ２を設けてもよい。これらの圧力検出にはこれまでMEMS素子を用いた圧力センサが用いられるが、MEMSプロセスを用いるために、高コストとなってしまう。上記のように、ＭＥＭＳを用いない圧力センサを実現することができるので、既存のシリコン半導体チップとの集積化が容易となり、低コスト化が実現できる。

圧力センサ２の雰囲気ガスとしては、大気もしくは窒素(N)、アルゴン(Ar)、ヘリウム(He)、水素(H)などを使用することができる。特に、ヘリウムや水素は大気に比べてそれぞれ約６〜７倍の熱伝導率を有するので、圧力センサ２の感度を高めることが出来る。

なお、上記の説明では、第１温度センサ素子２１と第１ヒータ２２がカバー膜１５によって覆われていない構成としたが、第１温度センサ素子２１、及び第１ヒータ２２の全部がカバー膜１５で覆われていなくてもよい。すなわち、第１温度センサ素子２１、及び第１ヒータ２２の少なくとも一部がカバー膜１５で覆われておらず、気体と接する構成であればよい。換言すると、第１温度センサ素子２１、及び第１ヒータ２２の一部がカバー膜１５の外側に配置され、カバー膜１５からはみ出していればよい。そして、第１温度センサ素子２１が接する気体の圧力が、測定する雰囲気の気体の圧力と同じとする。

実施の形態２．
本実施の形態にかかる圧力センサの構成について、図９を用いて説明する。図９は、圧力センサの構成を示す平面図である。なお、本実施の形態では、第１温度センサ素子２１、及び第２温度センサ素子３１が４つ設けられている。図９において、４つの第１温度センサ素子２１をそれぞれ第１温度センサ素子２１ａ〜第１温度センサ素子２１ｄとして示す。同様に、４つの第２温度センサ素子３１を第２温度センサ素子３１ａ〜第２温度センサ素子３１ｄとして示す。なお、圧力センサの基本的構成については、実施の形態１と同様であるため、同様の内容については、説明を省略する。

第１ヒータ２２の配線の周囲を囲む対称な位置に第１温度センサ素子２１ａ〜２１ｄの配線を配置する。例えば、図９において、第１ヒータ２２の上下左右に第１温度センサ素子２１ａ〜２１ｄが配置されている。換言すると、第１温度センサ素子２１ａと第１温度センサ素子２１ｄの間に第１ヒータ２２が配置されている。また、第１温度センサ素子２１ｂと第１温度センサ素子２１ｃとの間に、第１ヒータ２２が配置されている。このように、複数の第１温度センサ素子２１が第１ヒータ２２の外周を囲む対称に配置される。第１温度センサ素子２１ａ〜第１温度センサ素子２１ｄ、及び第１ヒータ２２は、開口部１６に配置され、気体と接している。

第２温度センサ素子３１ａ〜第２温度センサ素子３１ｄについても同様に、第２ヒータ３２の周囲に配置されている。そして、４つの第２温度センサ素子３１ａ〜第２温度センサ素子３１ｄが第２ヒータ３２に対して対称な位置に配置されている。このように、複数の第２温度センサ素子３１が第２ヒータ３２の外周を囲むように対称に配置される。

空気による熱伝導は対流によるものが大部分であるが、対流は重力の影響を受ける。つまり、重力により特定の方向に熱が偏って伝わる。図９のようにヒータの周囲に対称に温度センサ素子を配置し、これらの温度センサ素子の抵抗値変化を平均化すると、重力の影響を排除できる。この平均化は、対称に配置された複数の温度センサ素子の抵抗を直列もしくは並列に接続することで実現することができる。すなわち、図４で示したブリッジ回路５０において、複数の温度センサ素子を並列、又は直列に接続する。あるいは、複数の温度センサ素子の出力を別個にデジタル値に変換して、デジタル演算を行うことで実現してもよい。

実施の形態３．
本実施の形態に係る圧力センサの構成について、図１０を用いて説明する。図１０は、圧力センサの構成を示す断面図である。本実施の形態では、実施の形態１の構成に加えて、温度計１７が用いられている。なお、実施の形態１と同様の構成については、説明を省略する。例えば、第１のセンサ２７、及び第２のセンサ３７は実施の形態１と同様の構成であるため、詳細な説明を省略する。

図１０に示すように、第１のセンサ２７、第２のセンサ３７の温度センサ素子２１、３１とは別に、基板１０上に温度計１７を配置する。温度計１７は、チップ温度を測温する。温度計１７は、絶縁膜１３の上に配置される。また、ここでは、カバー膜１５が温度計１７を覆っている。この温度計１７は温度センサ素子２１、３１と同様に配線抵抗の温度変化でチップ温度の絶対値を検出する。温度計１７はヒータ２２、３２の影響を受けないように、半導体チップ１上で第１のセンサ２７、第２のセンサ３７とは離れた位置に配置する。圧力センサ部での熱伝導はチップ周囲の外気温の影響を受けるので、温度計１７の出力するチップ温度の絶対値を用いて検出回路６０の検出結果を補正することで、測定雰囲気の気温の影響を排除できる。なお、本実施の形態の温度計１７を実施の形態２の構成と組み合わせることも可能である。

実施の形態４．
本実施の形態に係る圧力センサの構成について、図１１を用いて説明する。図１１は、圧力センサの構成を示す断面図である。本実施の形態では、実施の形態４と同様に、温度計１７が用いられている。さらに、本実施の形態では、基板１０上のp-n接合によって、温度計１７を形成している。したがって、温度計１７は絶縁膜１３の下に配置される。また、絶縁膜１３とカバー膜１５が温度計１７を覆っている。

p-n接合の順方向電圧は温度依存性を持つので、この電圧を測定することで、チップ温度の絶対値を得ることが出来る。これにより、実施の形態３と同様の効果を得ることができる。すなわち、温度計１７の出力するチップ温度の絶対値を用いて検出回路の検出結果を補正することで、気温の影響を排除できる。なお、本実施の形態の温度計１７を実施の形態２の構成と組み合わせることも可能である。

実施の形態５．
本実施の形態に係る圧力センサの構成について、図１２、及び図１３を用いて説明する。図１２は、圧力センサ２の構成を示す平面図である。図１３は、図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ断面図である。本実施の形態には、カバー膜１５の上に蓋１８が設けられている。蓋１８は、開口部１６の空間を覆う。蓋１８は、第１のセンサ２７の上方に配置される。蓋１８は、例えば、柔軟な保護フィルムとすることができる。

カバー膜１５の上方に蓋１８を設けることで、開口部１６の空間を囲むようなチャンバー１９を形成する。すなわち、カバー膜１５と基板１と蓋１８とで囲まれた閉鎖空間がチャンバー１９となる。そして、カバー膜１５がチャンバー１９の側壁となっている。カバー膜１５の上部に柔軟な保護フィルムを貼り付けることで蓋１８とすることができる。蓋１８としては、外部の圧力によってたわむような柔軟な材料、例えばポリイミドなどを用いることができる。これによって、チャンバー１９の内と外の圧力は等しくなる。この蓋１８が保護膜として働き、チャンバー１９の内側は外気とを遮断する。これにより空気以外のものが第１のセンサ２７の配線等に付着することを防ぐことができる。すなわち、水分などが第１のセンサ２７の配線に付着するのを防ぐことができ、信頼性を高めることが出来る。

この構造では図８で示した圧力センサと同様に、閉鎖空間となるチャンバー１９を持つ。図８の圧力センサでは、閉鎖空間１２０の上に設けられたダイアフラム１１１の変位を直接検出するために形状や材質が均質かつ高精度なダイアフラム１１１を必要とする。一方、本実施の形態のチャンバー１９は圧力センサ２の配線などを保護するだけなので、加工精度が低くても問題なく、製造が容易である。これにより、低コスト化を図ることができる。また、蓋１８が開口部１６を完全に覆わなくてもよい。

実施の形態６．
本実施の形態に係る圧力センサの構成について、図１４を用いて説明する。図１４は、圧力センサ２の検出回路６０の構成を示す回路図である。本実施の形態では、図４に示した検出回路６０の構成に、スイッチ６１、記憶素子６２、比較器６３、ヒータ抵抗６４、ヒータスイッチ６５が追加されている。なお、検出回路６０の基本的な回路構成については、図４と同様であるため、説明を省略する。すなわち、ブリッジ回路５０と差動アンプ５１の構成は、図４と同様である。

本実施の形態では、第１ヒータ２２はヒータ抵抗６４とヒータスイッチ６５とを備えている。ヒータ抵抗６４は、第１ヒータ２２を含む配線抵抗である。ヒータスイッチ６５は、ヒータ抵抗６４への電流供給を制御する。すなわち、ヒータスイッチ６５が第１ヒータ２２をオンオフする。なお、第２ヒータ３２についても同様の回路構成となっており、ヒータスイッチ６５でオンオフできるようになっている。

差動アンプ５１の出力は、スイッチ６１に接続されている。スイッチ６１は、ヒータスイッチ６５と同期して切り替わる。スイッチ６１は記憶素子６２に接続されている。記憶素子６２の出力は、比較器６３の一方の入力端子に接続されている。さらに、スイッチ６１は、比較器６３の他方の出力端子に接続されている。すなわち、スイッチ６１によって、差動アンプ５１の出力先が、記憶素子６２から比較器６３の他方の入力端子に切り替わる。

ヒータ２２、３２がオフの時はブリッジ回路５０の出力ＩＮＴ，ＩＮＢを差動アンプ５１で増幅した後、差動アンプの出力信号Ａｏｕｔをオフセット値として記憶素子６２に記憶する。ヒータ２２、３２がオンの時の差動アンプの出力信号Ａｏｕｔが比較器６３に入力される。比較器６３は、ヒータ２２、３２がオンの時の出力信号Ａｏｕｔからオフセット値を差し引いた値を計算する。比較器６３は、その結果を比較信号Ｖｏｕｔとして、出力する。

ヒータ２２、３２がオフの時は、ヒータ２２、３２から温度センサ素子２１、３１への熱伝導は発生しない。したがって、空気に露出している第１温度センサ素子２１と露出していない第２温度センサ素子３１で温度差は発生しない。そこで、ヒータ２２、３２のオフ時の差動アンプ５１の出力信号Ａｏｕｔは温度センサ素子間のばらつきや差動アンプ５１の入力オフセットなどを含んだものとなる。ヒータ２２、３２がオンの時の差動アンプ５１の出力信号Ａｏｕｔには、オフ時のオフセット値に圧力による伝熱量の変化の影響が加わる。オン時の出力値から記憶しているオフセット値を差し引くことで、オフセット補正が可能となる。これにより、より高い精度で圧力を測定することができる。

なお、スイッチ６１、記憶素子６２、比較器６３、ヒータ抵抗６４、ヒータスイッチ６５はＣＭＯＳ回路領域１１に配置することができる。すなわち、図１のＣＭＯＳ回路領域１１に設けられたＭＯＳトランジスタ等によって、スイッチ６１、記憶素子６２、比較器６３、ヒータ抵抗６４、ヒータスイッチ６５を形成することができる。

実施の形態７．
本実施の形態に係る圧力センサの構成について、図１５を用いて説明する。図１５は、圧力センサ２の検出回路６０の構成を示す回路図である。本実施の形態では実施の形態６の構成に加えて、ＡＤ変換器６６が設けられている。さらに、比較器６３の代わりに演算器６７が設けられている。なお、検出回路の基本的構成については、実施の形態１、６で示した構成と同様であるため、適宜説明を省略する。

差動アンプ５１の出力には、ＡＤ変換器６６が接続されている。ＡＤ変換器６６は、差動アンプ５１のアナログの出力信号ＡｏｕｔをＡＤ変換する。したがって、ＡＤ変換器６６はデジタルの出力信号Ｄｏｕｔが出力される。ヒータ２２、３２のオフ時にＡＤ変換器６６から出力された出力信号Ｄｏｕｔの値は、記憶素子６２に記憶される。記憶素子６２の値は、演算器６７に出力される。

ヒータ２２、３２のオン時にＡＤ変換器６６から出力された出力信号Ｄｏｕｔは、演算器６７は、ヒータ２２、３２のオン時とオフ時における出力信号Ｄｏｕｔの値を比較する。すなわち、ヒータ２２、３２のオン時における出力信号Ｄｏｕｔの値から、ヒータ２２、３２のオフ時における出力信号Ｄｏｕｔの値を引く。そして、演算器６７は、差し引いた値を出力端子ＯＵＴから出力する。こうすることで、実施の形態６と同様に、オフセット補正が可能になり、より高い精度で圧力測定することができる。

なお、ＡＤ変換器６６、スイッチ６１、記憶素子６２、比較器６３、ヒータ抵抗６４、ヒータスイッチ６５はＣＭＯＳ回路領域１１に配置することができる。すなわち、図１のＣＭＯＳ回路領域１１に設けられたＭＯＳトランジスタ等によって、ＡＤ変換器６６、スイッチ６１、記憶素子６２、比較器６３、ヒータ抵抗６４、ヒータスイッチ６５を形成することができる。

実施の形態８．
本実施の形態に係る圧力センサ２の構成について、図１６を用いて説明する。図１６は、圧力センサ２の構成を示す側面断面図である。本実施の形態では、図１３と同様に蓋１８が設けられている。ここでは、蓋１８としては、たとえば、シリコンやガラスなどの硬い物質を用いている。蓋１８は、開口部１６の上側を覆っている。すなわち、第１ヒータ２２、及び第１温度センサ素子２１の上方に蓋１８が配置される。

この場合、蓋１８を形成する前にカバー膜１５の側面に外気と第１ヒータ２２、及び第１温度センサ素子２１をつなぐ気体の流路２９を形成する。流路２９は、蓋１８の下に設けられている。すなわち、基板１０と蓋１８の間に、第１のセンサ２７に通じる流路２９を配置する。流路２９によって、第１のセンサ２７が外部、すなわち圧力を測定する空間に通じる。こうすることで、チップ外と第１ヒータ２２、及び第１温度センサ素子２１周りの圧力を同じとすることができる。蓋１８を設けることで、第１のセンサ２７に異物が混入するのを防ぐことができる。また、気体の流路２９を狭くしておくことで、外部からの異物の混入を防ぐことができる。

実施の形態９．
本実施の形態に係る圧力センサ２の構成について、図１７を用いて説明する。図１７は、圧力センサ２の構成を示す側面断面図である。本実施の形態では、実施の形態１の構成にから開口部１６の形状を変えている。カバー膜１５の開口部１６の大きさを第１ヒータ２２、及び第１温度センサ素子２１の大きさと同程度まで小さくしている。すなわち、第１ヒータ２２と第１温度センサ素子２１の間の一部にカバー膜１５を形成する。このように開口部１６を小さくすることで、よりも大きな異物の混入を防ぐ。

実施の形態１０．
本実施の形態に係る圧力センサ２の構成について、図１８を用いて説明する。図１８は、圧力センサの構成を示す側面断面図である。本実施の形態では、実施の形態１の構成にからカバー膜１５の形状を変えている。具体的には、カバー膜１５に開口部１６を設けない構成としている。すなわち、カバー膜１５の端部が第１のセンサ２７と第２のセンサ３７の間に配置されており、カバー膜１５が第１のセンサ２７の外周を囲んでいない構成となっている。このような構成であっても、上記の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

実施の形態１１．
なお、上記の実施の形態では、温度センサ素子２１、３１を配線抵抗によって形成したが、図１１の温度計１７と同様にp-n接合によって形成するようにしてもよい。すなわち、p-n接合の順方向電圧は温度依存性を持っている。したがって、図１９に示すように、配線抵抗ではなくp-n接合を有するダイオード７４、７５によって、温度センサ素子２１、３１を形成してもよい。この場合、ダイオード７４、７５は直接空気と接しないので、ダイオード７４、７５の直上に最上層配線７９を配置する。そして、ダイオード７４，７５を最上層配線７９とビア７８で接続する。これにより、ビア７８を介して、最上層配線７９を介して空気の温度をダイオード７４、７５に伝えることができる。

この場合の回路図を模式的に示すと、図２０に示すようになる。電源電圧ＶＤＤとグランドとの間に、負荷抵抗５２とダイオード７５が直列接続される。電源電圧ＶＤＤとグランドとの間に、負荷抵抗５３とダイオード７４が直列接続される。電源電圧ＶＤＤとグランドとの間において、ダイオード７４、７５は順方向となっている。負荷抵抗５２とダイオード７５との間の接続ノードＩＮＢが差動アンプ５１の一方の入力端子に接続される。負荷抵抗５３とダイオード７４との間の接続ノードＩＮＴが差動アンプ５１の他方の入力端子に接続される。このような構成であっても、上記の実施の形態と同様の効果を得ることができる。もちろん、ダイオード７４、７５を有する温度センサ素子２１、３１を実施の形態２〜９のいずれかに適用してもよい。

また、図２１に示すようにダイオード７４、７５の代わりにトランジスタ７６、７７を設けてもよい。この場合、トランジスタ７６、７７をそれぞれダイオード接続すればよい。この場合も、上記の構成と同様の効果を得ることができる。

実施の形態１２．
なお、上記の実施の形態では、第１温度センサ素子２１、及び第２温度センサ素子３１とは別に第１ヒータ２２、及び第２ヒータ３２を設けたが、第１温度センサ素子２１、及び第２温度センサ素子３１がそれぞれヒータとして機能させてもよい。

例えば、図２２のように、第１のセンサ２７として第１温度センサ素子２１設け、第２のセンサ３７として第１温度センサ素子２１を設ける。第１温度センサ素子２１、及び第２温度センサ素子３１は、上記の通り、配線である。そして、第１温度センサ素子２１、及び第２温度センサ素子３１に電流を供給することで、第１温度センサ素子２１、及び第２温度センサ素子３１が発熱する。換言すると、第１温度センサ素子２１、及び第２温度センサ素子３１がヒータとして機能する。このような構成であっても、第１温度センサ素子２１、及び第２温度センサ素子３１の電位差を検出することで、温度を検出することができる。換言すると、検出回路６０が２つのヒータの電位差を検出する。このため、同様の効果を得ることができる。また、ヒータと温度センサ素子を別々に設ける必要がなくなる。

なお、上記の実施の形態１〜１２は、適宜組み合わせることが可能である。すなわち、実施の形態１〜１２のうちの２以上を組み合わせた構成とすることができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。

１０ 基板
１１ ＣＭＯＳ回路領域
１２ パッド
１３ 絶縁膜
１４ 配線
１５ カバー膜
１６ 開口部
１７ 温度計
１８ 蓋
２０ 圧力センサ領域
２１ 第１温度センサ素子
２２ 第１ヒータ
２７ 第１のセンサ
３１ 第２温度センサ素子
３２ 第２ヒータ
３７ 第２のセンサ
５０ ブリッジ回路
５１ 差動アンプ
５２ 負荷抵抗
５３ 負荷抵抗
５４ センサ抵抗
５５ センサ抵抗
６１ スイッチ
６２ メモリ
６３ 比較器
６４ ヒータ抵抗
６５ ヒータスイッチ

Claims (18)

1. 少なくとも一部が気体と接した第１の温度センサ素子を有する第１のセンサと、
   第２の温度センサ素子を有する第２のセンサと、
   前記第２のセンサを覆うカバー膜と、
   前記第１の温度センサ素子及び前記第２の温度センサ素子に接続された検出回路と、を備えた圧力センサ。
2. 前記第１のセンサでは、前記第１の温度センサ素子に対して、少なくとも一つの第１のヒータが設けられ、
   前記第２のセンサでは、前記第２の温度センサ素子に対して、少なくとも一つの第２のヒータが設けられている請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記第１の温度センサ素子が前記第１のヒータに対して対称配置になるよう、前記第１のヒータの周囲に複数設けられ、
   前記第２の温度センサ素子が前記第２のヒータに対して対称配置になるよう、前記第２のヒータの周囲に複数設けられている請求項２に記載の圧力センサ。
4. 前記検出回路が前記第１の温度センサ素子と前記第２の温度センサ素子との電位差を検出する請求項１に記載の圧力センサ。
5. 前記検出回路が差動アンプを有しており、
   前記差動アンプの入力に、前記第１の温度センサ素子及び前記第２の温度センサ素子が接続されている請求項４に記載の圧力センサ。
6. 前記第１の温度センサ素子と、前記第１の温度センサ素子に接続された負荷抵抗と、前記第２の温度センサ素子と、前記第２の温度センサ素子に接続された負荷抵抗と、によってブリッジ回路が形成され、
   前記ブリッジ回路が前記差動アンプに接続されている請求項５に記載の圧力センサ。
7. 前記第１の温度センサ素子及び第２の温度センサ素子が、配線である請求項１に記載の圧力センサ。
8. 温度に応じて前記配線の抵抗が変化する請求項７に記載の圧力センサ。
9. 前記第１の温度センサ素子及び第２の温度センサ素子が、ダイオードである請求項１に記載の圧力センサ。
10. 前記第１の温度センサ素子及び前記第２の温度センサ素子が設けられた基板に、前記第１及び第２のセンサと離間して配置され、前記カバー膜で覆われた温度計が設けられている請求項１に記載の圧力センサ。
11. 前記温度計が、前記基板上に設けられた配線である請求項１０に記載の圧力センサ。
12. 前記温度計が、前記基板に設けられたｐ−ｎ接合を有している請求項１０に記載の圧力センサ。
13. 前記カバー膜に取り付けられ、前記第１のセンサの上方に配置された蓋をさらに有する請求項１に記載の圧力センサ。
14. 前記カバー膜が、前記第１のセンサが配置される開口部を備え、
    前記蓋が前記開口部を覆う保護フィルムであることを特徴とする請求項１３に記載の圧力センサ。
15. 前記カバー膜には、前記蓋の下方に設けられ、前記第１のセンサに通じる流路が形成されている請求項１３に記載の圧力センサ。
16. 前記第１のセンサに設けられた第１のヒータ、及び前記第２のセンサに設けられた第２のヒータをオンオフするヒータスイッチと、
    前記ヒータスイッチが前記第１のヒータ、及び前記第２のヒータをオフしたときに、前記差動アンプから出力される出力値を記憶する記憶素子と、
    前記ヒータスイッチが前記第１のヒータ、及び前記第２のヒータをオンしたときに、前記記憶素子に記憶された値と、前記差動アンプからの出力値とを比較する比較器と、をさらに備えた請求項５に記載の圧力センサ。
17. 基板と、
    前記基板上に設けられたカバー膜と、
    前記カバー膜の外側に少なくとも一部が配置された第１の温度センサ素子を有する第１のセンサと、
    前記カバー膜によって覆われた第２の温度センサ素子を有する第２のセンサと、
    前記第１の温度センサ素子及び前記第２のセンサに接続された検出回路と、を備えた圧力センサ。
18. ＣＭＯＳ回路領域と圧力センサ領域とを有する基板と、
    前記圧力センサ領域に配置され、少なくとも一部が気体と接した第１の温度センサ素子を有する第１のセンサと、
    前記圧力センサ領域に配置され、第２の温度センサ素子を有する第２のセンサと、
    前記第２のセンサを覆うカバー膜と、
    前記第１の温度センサ素子及び前記第２の温度センサ素子に接続された検出回路と、を備えた半導体回路。

Images