JP2018044819A - 圧力センサー、圧力センサーモジュール、電子機器および圧力センサーの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力検知精度の低下を抑制することのできる圧力センサー、圧力センサーモジュール、電子機器および圧力センサーの製造方法を提供すること。【解決手段】圧力センサーは、一方の主面に開放する凹部と、前記凹部の底部を構成し、受圧により撓み変形するダイアフラムと、を有する基板と、前記ダイアフラムの前記凹部と反対側に配置されている圧力基準室と、少なくとも一部が前記凹部内に位置していると共に、前記ダイアフラムとの間に隙間を隔てて配置され、前記凹部の変形を規制する変形規制部と、を有していることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、圧力センサー、圧力センサーモジュール、電子機器および圧力センサーの製造方法に関するものである。

従来から、圧力センサーとして、特許文献１に記載の構成が知られている。特許文献１の圧力センサーは、受圧により撓み変形するダイアフラムを有する基板と、ダイアフラム上に配置された圧力基準室と、を有している。また、基板には、圧力基準室とは反対側の主面に開放する凹部が形成されており、この凹部の底部がダイアフラムとなっている。

特開２０１５−１７９０００号公報

このような構成の圧力センサーでは、圧力検知の感度を高めるためにダイアフラムを薄くすることが求められるが、ダイアフラムが薄くなる分、基板の機械的強度が低下してしまう。そのため、例えば、比較的大きい圧力が加わると、基板のダイアフラム以外の部分、特に凹部が不本意に撓んでしまい、この撓みによる応力がダイアフラムに伝わることで、圧力検知精度が低下してしまうおそれがある。

本発明の目的は、圧力検知精度の低下を抑制することのできる圧力センサー、圧力センサーモジュール、電子機器および圧力センサーの製造方法を提供することにある。

このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の圧力センサーは、一方の主面に開放する凹部と、前記凹部の底部を構成し、受圧により撓み変形するダイアフラムと、を有する基板と、
前記ダイアフラムの前記凹部と反対側に配置されている圧力基準室と、
少なくとも一部が前記凹部内に位置していると共に、前記ダイアフラムとの間に隙間を隔てて配置され、前記凹部の変形を規制する変形規制部と、を有していることを特徴とする。

このような構成によれば、変形規制部によって凹部の変形が抑制される。そのため、ダイアフラムに外圧以外の応力が加わり難くなり、圧力検知精度の低下を抑制することができる。

本発明の圧力センサーでは、前記変形規制部は、前記隙間と前記凹部の外側とを連通する連通部を有していることが好ましい。

これにより、簡単な構成でダイアフラムの受圧面を周囲の環境と接続することができる。

本発明の圧力センサーでは、前記変形規制部は、前記基板の少なくとも一部と一体であることが好ましい。
これにより、変形規制部の形成が容易となる。

本発明の圧力センサーでは、前記変形規制部は、前記ダイアフラムの厚さ方向から見た平面視で、第１方向に沿って延在し、両端が前記凹部の側面に接続されている第１梁と、前記第１方向に交差する第２方向に沿って延在し、両端が前記凹部の側面に接続されている第２梁と、を有していることが好ましい。
これにより、変形規制部の構成（形状）が簡単なものとなる。

本発明の圧力センサーでは、前記基板は、前記ダイアフラムを有するダイアフラム配置層と、前記ダイアフラム配置層と前記基板の厚さ方向に離間して配置され、前記変形規制部を有する変形規制部配置層と、前記ダイアフラム配置層と前記変形規制部配置層との間に配置され、前記隙間を有する隙間配置層と、を有していることが好ましい。
これにより、ダイアフラム、変形規制部および隙間を形成し易くなる。

本発明の圧力センサーでは、前記ダイアフラムの前記凹部側の主面および前記圧力基準室側の主面は、それぞれ、前記ダイアフラム配置層の表面で構成されていることが好ましい。

これにより、ダイアフラムがダイアフラム配置層の１層で構成されるため、ダイアフラムをより薄くすることができ、圧力検知の感度を高めることができる。

本発明の圧力センサーでは、前記基板は、ＳＯＩ基板であることが好ましい。
これにより、基板の構成が簡単なものとなる。

本発明の圧力センサーモジュールは、本発明の圧力センサーと、
前記圧力センサーを収納するパッケージと、を有することを特徴とする。

これにより、本発明の圧力センサーの効果を享受でき、信頼性の高い圧力センサーモジュールが得られる。

本発明の圧力センサーモジュールでは、前記パッケージ内に配置されている充填部を有していることが好ましい。
これにより、パッケージ内の圧力センサーを保護することができる。

本発明の電子機器は、本発明の圧力センサーを有することを特徴とする。
これにより、本発明の圧力センサーの効果を享受でき、信頼性の高い電子機器が得られる。

本発明の圧力センサーの製造方法は、ダイアフラムとなる領域を有する第１層と、前記第１層と厚さ方向に離間して配置されている第２層と、前記第１層と前記第２層との間に配置されている第３層と、を有する基板を準備する工程と、
前記第２層に、厚さ方向に貫通する複数の貫通孔を形成することで、前記基板の厚さ方向から見た平面視で、前記ダイアフラムとなる領域と重なる領域に、前記基板の変形を規制する変形規制部を形成する工程と、
前記貫通孔を介して前記第３層の一部を除去し、前記ダイアフラムとなる領域と前記変形規制部との間に隙間を形成する工程と、を含むことを特徴とする圧力センサーの製造方法。

これにより、圧力検知精度の低下を抑制することのできる圧力センサーを容易に得ることができる。

本発明の第１実施形態に係る圧力センサーの断面図である。 図１に示す圧力センサーが有する変形規制部を示す底面図である。 図１に示す圧力センサーが有する変形規制部を示す断面斜視図である。 図１に示す圧力センサーが有するセンサー部を示す平面図である。 図４に示すセンサー部を含むブリッジ回路を示す図である。 図１に示す圧力センサーの製造工程を示すフローチャートである。 図１に示す圧力センサーの製造方法を説明するための断面図である。 図１に示す圧力センサーの製造方法を説明するための断面図である。 図１に示す圧力センサーの製造方法を説明するための断面図である。 図１に示す圧力センサーの製造方法を説明するための断面図である。 図１に示す圧力センサーの製造方法を説明するための断面図である。 図１に示す圧力センサーの製造方法を説明するための断面図である。 図１に示す圧力センサーの製造方法を説明するための断面図である。 図１に示す圧力センサーの製造方法を説明するための断面図である。 図１に示す圧力センサーの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第２実施形態に係る圧力センサーの底面図である。 本発明の第３実施形態に係る圧力センサーの底面図である。 図１７に示す貫通孔の形成方法を説明するための断面図である。 図１７に示す貫通孔の形成方法を説明するための断面図である。 図１７に示す貫通孔の形成方法を説明するための断面図である。 図１７に示す貫通孔の形成方法を説明するための断面図である。 本発明の第４実施形態に係る圧力センサーモジュールの断面図である。 図２２に示す圧力センサーモジュールが有する支持基板の平面図である。 本発明の電子機器としての高度計を示す斜視図である。 本発明の電子機器としてのナビゲーションシステムを示す正面図である。 本発明の電子機器としての移動体を示す斜視図である。

以下、本発明の圧力センサー、圧力センサーモジュール、電子機器および圧力センサーの製造方法を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。

＜第１実施形態＞
まず、本発明の第１実施形態に係る圧力センサーについて説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る圧力センサーの断面図である。図２は、図１に示す圧力センサーが有する変形規制部を示す底面図である。図３は、図１に示す圧力センサーが有する変形規制部を示す断面斜視図である。図４は、図１に示す圧力センサーが有するセンサー部を示す平面図である。図５は、図４に示すセンサー部を含むブリッジ回路を示す図である。図６は、図１に示す圧力センサーの製造工程を示すフローチャートである。図７ないし図１５は、それぞれ、図１に示す圧力センサーの製造方法を説明するための断面図である。なお、以下の説明では、図１中の上側を「上」、下側を「下」とも言う。

図１に示すように、圧力センサー１は、一方の主面である下面に開放する凹部２６と、凹部２６の底部（上方側）を構成し、受圧により撓み変形するダイアフラム２５と、を有する基板２と、ダイアフラム２５の凹部２６と反対側である上側に配置されている圧力基準室Ｓと、少なくとも一部が凹部２６内に位置していると共に、ダイアフラム２５との間に隙間Ｇを隔てて配置され、凹部２６の変形を規制する変形規制部７と、を有している。このような構成によれば、変形規制部７によって凹部２６の変形（基板２のダイアフラム２５以外の部分の変形）を抑制するこができる。そのため、ダイアフラム２５が圧力以外の応力（基板の変形により生じる圧力）を受け難くなり、圧力検知精度の低下が抑制された圧力センサー１となる。また、変形規制部７によって、基板２の機械的強度が高まるため、より頑丈な圧力センサー１となる。また、変形規制部７によって、凹部２６内への異物の侵入をある程度阻止することができるため、ダイアフラム２５の受圧面２５１を保護することもできる。以下、このような圧力センサー１について詳細に説明する。

図１に示すように、圧力センサー１は、主に、基板２と、センサー部３と、周囲構造体４と、圧力基準室Ｓと、変形規制部７と、を有している。

基板２には、周囲の部分よりも薄肉であり、受圧によって撓み変形するダイアフラム２５が設けられている。本実施形態では、基板２にその下面に開放する有底の凹部２６が形成されており、凹部２６の底部（上方側）は、薄膜状のダイアフラム２５で構成されている。そして、ダイアフラム２５の下面が圧力を受ける受圧面２５１となっている。このようなダイアフラム２５は、機械的強度および耐久性を保てる限り、薄く形成することが好ましい。これにより、ダイアフラム２５が受圧によって撓み易くなるため、圧力検知の感度（応答性）を高めることができる。ダイアフラム２５の厚さとしては、特に限定されず、その大きさ（平面視での面積）によっても異なるが、例えば、１．０μｍ以上、２．０μｍ以下程度とすることが好ましい。これにより、機械的強度を保ちつつ、十分に薄く撓み易いダイアフラム２５が得られる。

なお、本実施形態では、ダイアフラム２５の平面視形状が略正方形であるが、ダイアフラム２５の平面視形状としては、特に限定されず、例えば、円形であってもよいし、５角形以上の多角形であってもよい。

基板２に形成された凹部２６の内側には、変形規制部７が設けられている。変形規制部７は、前述したように、凹部２６の変形（基板２のダイアフラム２５以外の部分の変形）を抑制する機能を有している。このような変形規制部７は、図１に示すように、ダイアフラム２５と離間して、すなわち非接触で配置されており、ダイアフラム２５と変形規制部７との間には隙間Ｇが設けられている。このように、ダイアフラム２５と変形規制部７との間に隙間Ｇを設けることで、ダイアフラム２５が撓み変形しても、変形規制部７との接触を抑制することができ、特に、ダイアフラム２５の破損を抑制することができる。なお、隙間Ｇの厚さとしては、特に限定されないが、例えば、０．１μｍ以上、１．０μｍ以下とすることが好ましい。これにより、隙間Ｇが過度に厚くなるのを防止することができる共に、ダイアフラム２５の変形規制部７との接触を効果的に抑制することができる。なお、隙間Ｇは、変形規制部７の各部で同じであってもよいし、異なっていてもよい。例えば、ダイアフラム２５の中央部と重なる位置での隙間Ｇが、ダイアフラム２５の端部と重なる位置での隙間Ｇよりも大きくなっていてもよい。

図２に示すように、変形規制部７は、ダイアフラム２５の厚さ方向から見た平面視で、第１方向Ｘに沿って延在し、両端が凹部２６の側面に接続されている第１梁７１と、第１方向Ｘに交差する第２方向Ｙに沿って延在し、両端が凹部２６の側面に接続されている第２梁７２と、を有している。そして、これら第１梁７１および第２梁７２は、互いの中央部で交差している。そのため、変形規制部７は、十字形状となっている。また、凹部２６は、略正方形の横断面形状を有し、第１梁７１は、凹部２６の対向する一方の組の側面同士を接続するように設けられており、第２梁７２は、凹部２６の対向する他方の組の側面同士を接続するように設けられている。このような構成とすることで、前述した作用効果を有する変形規制部７の構成（形状）を簡単なものとすることができる。

また、図３に示すように、変形規制部７は、隙間Ｇと凹部２６の外側とを連通する連通部７３を有している。そして、連通部７３を介してダイアフラム２５の受圧面２５１が外部環境（圧力センサー１が置かれている環境）に接続されている。すなわち、連通部７３によって、ダイアフラム２５の受圧面２５１が外圧を受けることのできる状態となっている。このように、変形規制部７に連通部７３を形成することで、簡単な構成で、ダイアフラム２５の受圧面２５１を外部環境に接続することができる。なお、本実施形態の連通部７３は、第１梁７１および第２梁７２と凹部２６の内壁面との間の空間で構成された４つの貫通孔７３１で構成されている。

なお、変形規制部７の構成としては、その機能を発揮することができる限り、特に限定されず、例えば、後述する第２実施形態、第３実施形態のような構成としてもよい。また、例えば、第１梁７１および第２梁７２のうちの一方を省略してもよいし、第１梁７１および第２梁７２に加えて別の梁を追加してもよい。

また、変形規制部７は、基板２の少なくとも一部（後述する変形規制部配置層２１）と一体である。すなわち、変形規制部７は、基板２の少なくとも一部（後述する変形規制部配置層２１）から一体的に形成されている。このように、変形規制部７を基板２の少なくとも一部と一体化することで、後述する製造方法等によって、変形規制部７を容易に形成することができる。また、変形規制部７と基板２との接続強度を強くすることができ、より機械的強度の高い圧力センサー１となる。ただし、変形規制部７は、基板２と別体として形成され、接着剤等によって凹部２６の側面に接着されていてもよい。

以上、変形規制部７が一体となった基板２について説明した。図３に示すように、このような基板２は、ダイアフラム２５を有するダイアフラム配置層２３と、ダイアフラム配置層２３と基板２の厚さ方向に離間して配置され、変形規制部７を有する変形規制部配置層２１と、ダイアフラム配置層２３と変形規制部配置層２１との間に配置され、隙間Ｇを有する隙間配置層２２と、を有している。このように、基板２を３層構造とすることで、ダイアフラム２５、変形規制部７および隙間Ｇをそれぞれ別の層から形成することができる。そのため、ダイアフラム２５、変形規制部７および隙間Ｇを形成し易くなる。

本実施形態では、このような３層構造基板２としてＳＯＩ基板を用いている。すなわち、基板２は、ＳＯＩ基板である。このＳＯＩ基板は、変形規制部配置層２１としての第１シリコン層２１０と、第１シリコン層２１０の上側に配置されたダイアフラム配置層２３としての第２シリコン層２３０と、第１シリコン層２１０および第２シリコン層２３０の間に配置された隙間配置層２２としての酸化シリコン層２２０と、を有している。このように、基板２としてＳＯＩ基板を用いることで、基板２の構成が簡単なものとなる。また、ＳＯＩ基板は、優れた加工精度を有しているため、基板２としてＳＯＩ基板を用いることで、より高精度な圧力センサー１を製造することができる。なお、基板２としては、ＳＯＩ基板に限定されず、例えば、単層のシリコン基板等、種々の半導体基板を用いることもできる。

ここで、本実施形態では、ダイアフラム２５は、ダイアフラム配置層２３（第２シリコン層２３０）からなる単層構造となっている。すなわち、ダイアフラム２５の下面（凹部２６側の主面）および上面（圧力基準室Ｓ側の主面）は、それぞれ、ダイアフラム配置層２３の表面（下面および上面）で構成されている。このように、ダイアフラム２５を単層構造とすることで、ダイアフラム２５をより薄くすることができる。また、ダイアフラム２５を単層構造とすることにより、次のような効果を発揮することもできる。すなわち、ダイアフラム２５が材料の異なる複数の層で構成されている場合、各層の線膨張係数の差に起因して、環境温度によってダイアフラム２５の内部応力が変化するおそれがある。そのため、同じ圧力を受けても環境温度によって測定値が異なってしまうというヒステリシスが生じるおそれがある。これに対して、本実施形態のようにダイアフラム２５を単層構造とすることで、上述のようなヒステリシスの問題が生じ難くなり、圧力検知精度の低下を効果的に低減することができる。だたし、ダイアフラム２５は、単層構造に限定されず、複数の層が積層した積層構造となっていてもよい。

以上、基板２について説明した。このような基板２にはセンサー部３と電気的に接続される半導体回路（ＭＯＳトランジスタ、キャパシタ、インダクタ、抵抗、ダイオードトランジスタ等の回路要素）が作り込まれていてもよい。

また、図１に示すように、基板２の上面にはダイアフラム２５と重ならないように、かつ、ダイアフラム２５の周囲を囲むように中間層６が配置されている。中間層６は、基板２の上面に配置され、酸化シリコンで構成された第１中間層６１と、第１中間層６１の上面に配置され、窒化シリコンで構成された第２中間層６２と、第２中間層６２の上面に配置され、ポリシリコンで構成された第３中間層６３と、を有している。なお、各中間層６１、６２、６３の材料としては特に限定されない。また、中間層６１、６２、６３の少なくとも１層を省略してもよい。

［センサー部］
図４に示すように、センサー部３は、ダイアフラム２５に設けられている４つのピエゾ抵抗素子３１、３２、３３、３４と、これらに電気的に接続された配線３５と、を有している。ピエゾ抵抗素子３１、３２、３３、３４は、配線３５等を介して、互いに電気的に接続され、図５に示すブリッジ回路３０（ホイートストンブリッジ回路）を構成している。

ブリッジ回路３０には駆動電圧ＡＶＤＣを供給する駆動回路（図示せず）が接続されている。そして、ブリッジ回路３０は、ダイアフラム２５の撓みに基づくピエゾ抵抗素子３１、３２、３３、３４の抵抗値変化に応じた信号（電圧）を出力する。ピエゾ抵抗素子３１、３２、３３、３４は、それぞれ、例えば、第２シリコン層２３０にリン、ボロン等の不純物をドープ（拡散または注入）することで構成されている。また、配線３５は、例えば、第２シリコン層２３０に、ピエゾ抵抗素子３１、３２、３３、３４よりも高濃度でリン、ボロン等の不純物をドープ（拡散または注入）することで構成されている。

ここで、前述したように、ダイアフラム２５は、第２シリコン層２３０（ダイアフラム配置層２３）の単層から形成されているため、ピエゾ抵抗素子３１、３２、３３、３４は、それぞれ、ダイアフラム２５の上面に配置されていると言える。ダイアフラム２５が撓んだ際、ダイアフラム２５の厚さ方向において、その中央部よりも主面（上面および下面）側の方がより大きな応力が発生するため、本実施形態によれば、ピエゾ抵抗素子３１、３２、３３、３４により大きな応力を印加することができる。そのため、圧力検知の感度が向上する。

［圧力基準室］
図１に示すように、圧力基準室Ｓは、基板２と周囲構造体４とに囲まれることで画成されている。このような圧力基準室Ｓは、密閉された空間であり、圧力センサー１が検出する圧力の基準値となる。また、圧力基準室Ｓは、ダイアフラム２５の上側（受圧面２５１とは反対側）に位置し、ダイアフラム２５と重なって配置されている。このような圧力基準室Ｓは、真空状態（例えば１０Ｐａ以下程度）であることが好ましい。これにより、圧力センサー１を、真空を基準として圧力を検出する所謂「絶対圧センサー」として用いることができ、利便性の高い圧力センサー１となる。ただし、圧力基準室Ｓは、一定の圧力に保たれていれば、真空状態でなくてもよい。

［周囲構造体］
図１に示すように、基板２と共に圧力基準室Ｓを画成する周囲構造体４は、層間絶縁膜４１と、層間絶縁膜４１上に配置された配線層４２と、配線層４２および層間絶縁膜４１上に配置された層間絶縁膜４３と、層間絶縁膜４３上に配置された配線層４４と、配線層４４および層間絶縁膜４３上に配置された表面保護膜４５と、配線層４４および表面保護膜４５上に配置された封止層４６と、を有している。

配線層４２は、基板２の厚さ方向から見た平面視で、圧力基準室Ｓを囲んで配置された枠状のガードリング４２１（囲み部）と、センサー部３の配線３５と接続されている配線部４２９と、を有している。同様に、配線層４４は、基板２の平面視で、圧力基準室Ｓを囲んで配置されると共に、ガードリング４２１上に電気的に接続した状態で配置された枠状のガードリング４４１と、配線部４２９と電気的に接続された配線部４４９と、を有している。ガードリング４２１、４４１は、後述する製造方法でも説明するように、圧力基準室Ｓを埋める犠牲層をエッチング除去する際のストッパーとして機能する。また、配線部４２９、４４９は、センサー部３を周囲構造体４の上面に引き出す機能を有する。

配線層４４は、さらに、圧力基準室Ｓの天井に位置し、ガードリング４４１から延出して設けられた被覆層４４４を有している。また、被覆層４４４には圧力基準室Ｓの内外を連通する複数の貫通孔４４５が設けられている。後述する製造方法でも説明するように、複数の貫通孔４４５は、圧力基準室Ｓにエッチング液を侵入させるためのリリースエッチング用の孔である。このような被覆層４４４上には封止層４６が配置されており、封止層４６によって貫通孔４４５が封止され、圧力基準室Ｓが気密的な空間となっている。

表面保護膜４５は、周囲構造体４を水分、ゴミ、傷などから保護する機能を有している。このような表面保護膜４５は、被覆層４４４の貫通孔４４５を塞がないように、層間絶縁膜４３および配線層４４上に配置されている。

層間絶縁膜４１、４３としては、例えば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）等の絶縁膜を用いることができる。また、配線層４２、４４としては、例えば、アルミニウム膜等の金属膜を用いることができる。また、封止層４６としては、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ、Ｔｉ、ＴｉＮ等の金属膜、シリコン酸化膜等を用いることができる。また、表面保護膜４５としては、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、ポリイミド膜、エポキシ樹脂膜などを用いることができる。

以上、周囲構造体４について説明した。なお、周囲構造体４の構成としては、本実施形態の構成に限定されず、例えば、配線層や層間絶縁膜を３層以上有する構成となっていてもよい。

次に、圧力センサー１の製造方法について簡単に説明する。図６に示すように、圧力センサー１の製造方法は、ダイアフラム２５となる領域２５０を有する第１層としての第２シリコン層２３０と、第２シリコン層２３０と厚さ方向に離間して配置されている第２層としての第１シリコン層２１０と、第２シリコン層２３０と第１シリコン層２１０との間に配置されている第３層としての酸化シリコン層２２０と、を有する基板２を準備する準備工程と、基板２にセンサー部３を形成するセンサー部形成工程と、基板２上に周囲構造体４を形成する周囲構造体形成工程と、第１シリコン層２１０に、厚さ方向に貫通する複数の貫通孔７３１を形成することで、基板２の厚さ方向から見た平面視で、ダイアフラム２５となる領域２５０と重なる領域に、基板２の変形を規制する変形規制部７を形成する変形規制部形成工程と、貫通孔７３１を介して酸化シリコン層２２０の一部を除去し、ダイアフラム２５となる領域２５０と変形規制部７との間に隙間Ｇを形成する隙間形成工程と、を含んでいる。

［準備工程］
まず、図７に示すように、第１シリコン層２１０、酸化シリコン層２２０および第２シリコン層２３０を積層してなるＳＯＩ基板である基板２を準備する。第２シリコン層２３０は、必要に応じて研磨等によって薄肉化されており、得ようとするダイアフラム２５の厚さに合わせ込まれている。すなわち、第２シリコン層２３０には、ダイアフラム２５となる領域２５０が形成されている。

［センサー部形成工程］
次に、図８に示すように、基板２（第２シリコン層２３０）の上面にセンサー部３を形成した後、基板２上に第１中間層６１、第２中間層６２および第３中間層６３を成膜する。なお、第１中間層６１、第２中間層６２および第３中間層６３は、例えば、フォトリソグラフィー技法およびエッチング技法を用いてパターニングすることができる。

［周囲構造体形成工程］
次に、図９に示すように、基板２上に、層間絶縁膜４１、配線層４２、層間絶縁膜４３、配線層４４および表面保護膜４５を順に形成する。次に、図１０に示すように、マスクＭ１（レジストマスク）で表面保護膜４５を保護した上で、ウェットエッチングによって、貫通孔４４５を介して犠牲層４８（ガードリング４２１、４４１で囲まれた層間絶縁膜４１、４３）を除去して、圧力基準室Ｓを形成する。この際、ガードリング４２１、４４１は、エッチングのストッパーとして機能する。次に、図１１に示すように、圧力基準室Ｓを真空状態とした状態で、封止層４６を成膜して圧力基準室Ｓを封止する。

［変形規制部形成工程］
次に、図１２に示すように、基板２の下面（第１シリコン層２１０）に連通部７３（貫通孔７３１）に対応する開口を有するマスクＭ２を成膜する。次に、図１３に示すように、マスクＭ２を介して第１シリコン層２１０をドライエッチングし、複数の貫通孔７３１を形成し、変形規制部７を形成する。具体的には、公知のシリコンディープエッチング装置により、基板２の下面側から等方性エッチング、保護膜成膜および異方向性エッチングという工程を繰り返して第１シリコン層２１０を掘り進める。このような第１シリコン層２１０のエッチングが進み、酸化シリコン層２２０まで達すると、酸化シリコン層２２０がエッチングストッパーとなって、それ以上のエッチングが阻止される。これにより、複数の貫通孔７３１が形成され、変形規制部７が形成される。このような方法によれば、基板２を主面に対してほぼ直角に掘り進めることができる。言い換えると、凹部２６の側面や変形規制部７の側面を、主面に対して直交する面とすることができる。そのため、変形規制部７、凹部２６およびダイアフラム２５をより精度よく所望の形状とすることができる。なお、この等方性エッチング、保護膜成膜および異方性エッチング工程の繰り返しによるドライエッチングにより、変形規制部７および凹部２６の側面には、掘り方向に周期的な微小な凹凸が形成されるが、当該凹凸については説明の便宜上、図示していない。

［隙間形成工程］
次に、基板２の下面に残ったマスクＭ２を除去し、さらに、変形規制部形成工程において成膜された保護膜を除去する。次に、図１４に示すように、貫通孔７３１を介して、変形規制部７とダイアフラム２５となる領域２５０との間に位置している酸化シリコン層２２０をウェットエッチングする。このウェットエッチングが進み、第２シリコン層２３０まで達すると、第２シリコン層２３０がエッチングストッパーとなって、それ以上のエッチングが阻止される。これにより、ダイアフラム２５となる領域２５０と変形規制部７との間に隙間Ｇが形成され、ダイアフラム２５となる領域２５０と変形規制部７とが離間する。また、領域２５０がダイアフラム２５となる。

以上により、圧力センサー１が得られる。このような製造方法によれば、半導体プロセスを用いて圧力センサー１を製造することができるため、圧力検知精度の低下を抑制することのできる圧力センサー１を簡単に製造することができる。

なお、上述の圧力センサー１の製造方法の別の例として、例えば、図１５に示すように、基板２として、初めから酸化シリコン層２２０の一部が除去されて、隙間Ｇが形成されているＳＯＩ基板を用いてもよい。これにより、上述した製造方法の「隙間形成工程」が不要となる。そのため、圧力センサー１の製造工程をより短くすることができる。なお、図１５は、図１２に対応する工程を図示している。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る圧力センサーについて説明する。
図１６は、本発明の第２実施形態に係る圧力センサーを示す底面図である。

以下、第２実施形態の圧力センサーについて、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。

本発明の第２実施形態に係る圧力センサーは、変形規制部の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態と同様である。なお、前述した実施形態と同様の構成には同一符号を付してある。

図１６に示すように、本実施形態の圧力センサー１では、変形規制部７が、互いの中央部で交差する第１梁７１および第２梁７２を有するが、第１梁７１が凹部２６の一方の対角同士を接続して配置されており、第２梁７２が他方の対角同士を接続して配置されている。

このような第２実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態に係る圧力センサーについて説明する。

図１７は、本発明の第３実施形態に係る圧力センサーの底面図である。図１８ないし図２１は、それぞれ、図１７に示す貫通孔の形成方法を説明するための断面図である。

以下、第３実施形態の圧力センサーについて、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。

本発明の第３実施形態に係る圧力センサーは、変形規制部の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態と同様である。なお、前述した実施形態と同様の構成には同一符号を付してある。

図１７に示すように、本実施形態の圧力センサー１では、変形規制部７は、凹部２６の開口を塞ぐように配置された基部７５と、基部７５に形成された連通部７３と、を有している。また、連通部７３は、基部７５に形成された複数の貫通孔７３１を有している。なお、複数の貫通孔７３１の配置としては、特に限定されないが、本実施形態のように、基部７５の全域に広がって均等に配置されていることが好ましい。また、貫通孔７３１の横断面形状としては、特に限定されないが、本実施形態では、円形となっている。

このような貫通孔７３１は、前述したシリコンディープエッチング装置を用いたエッチングによって形成することもできるが、例えば、メタルアシストエッチングにより形成することが好ましい。メタルアシストエッチングは、長く径が小さい貫通孔（すなわち、アスペクト比の高い貫通孔）を形成するのに適しており、これにより、精度よく貫通孔７３１を形成することができる。メタルアシストエッチングについて簡単に説明すると、まず、図１８に示すように、基板２の下面であって貫通孔７３１を形成する箇所に、触媒活性な金属粒子Ｍを付着させる。金属粒子Ｍとしては、特に限定されないが、例えば、Ａｇ、Ａｕ等を用いることができる。また、金属粒子Ｍは、蒸着やスパッタリングによって基板２上に付着させることができる。次に、エッチング液として過酸化水素水（酸化剤）を含んだフッ酸水溶液を準備し、このエッチング液中に基板２を浸漬する。すると、図１９に示すように、基板２の金属粒子Ｍと接触している部分で酸化反応が起こって（ＳｉＯ_２が形成され）、この部分がエッチング液に溶け、最終的に、図２０に示すように、第１シリコン層２１０を貫通する貫通孔７３１が形成される。そして、図２１に示すように、貫通孔７３１を介して隙間配置層２２（酸化シリコン層２２０）の除去することで、隙間Ｇが得られる。

このようなメタルアシストエッチングによれば、金属粒子Ｍを配置した箇所に、金属粒子Ｍの径とほぼ等しい径を有する貫通孔７３１を形成することができるため、貫通孔７３１を精度よく形成することができる。また、貫通孔７３１をストレート状に形成することができるため、貫通孔７３１の配設密度を高めることもできる。

ここで、貫通孔７３１の径を小さくすることで、ダイアフラム２５に対する防水性を付与することができる。すなわち、隙間Ｇに水が浸入することを抑制することができる。例えば、１〜１０気圧では基板２の下面（第１シリコン層２１０の表面）の水の接触角が１２０°程度であるため、１０気圧防水を実現するためには、貫通孔７３１の径ｒを０．１４４μｍ以下程度とすればよい。なお、径ｒの値は、水銀注入法で知られるＤ＝（−４σｃｏｓθ）／Ｐなる関係から導くことができる。当該式中のＤは貫通孔の径（＝ｒ）であり、Ｐは圧力であり、σは表面張力であり、θは接触角である。

このような第３実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。

＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態に係る圧力センサーモジュールについて説明する。

図２２は、本発明の第４実施形態に係る圧力センサーモジュールの断面図である。図２３は、図２２に示す圧力センサーモジュールが有する支持基板の平面図である。

以下、第４実施形態の圧力センサーモジュールについて、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。

図２２に示すように、圧力センサーモジュール１００は、圧力センサー１と、圧力センサー１を収納するパッケージ１１０と、パッケージ１１０内に配置されている充填部１４０と、を有している。このような圧力センサーモジュール１００によれば、パッケージ１１０および充填部１４０によって圧力センサー１を保護することができる。また、圧力センサー１を有しているため、圧力センサー１の効果を享受でき、信頼性の高い圧力センサーモジュール１００となる。以下、このような圧力センサーモジュール１００について説明する。

圧力センサーモジュール１００は、内部空間Ｓ１を有するパッケージ１１０と、内部空間Ｓ１内からパッケージ１１０の外側に引き出されて配置され、パッケージ１１０の内側に位置する部分と外側に位置する部分を有する支持基板１２０と、内部空間Ｓ１内で支持基板１２０に支持されている回路素子１３０および圧力センサー１と、内部空間Ｓ１に配置されている充填部１４０と、を有している。

パッケージ１１０は、ベース１１１およびハウジング１１２を有し、ベース１１１およびハウジング１１２が支持基板１２０を挟み込むようにして互いに接着層を介して接合されている。このようにして形成されているパッケージ１１０は、その上端部に形成された開口１１０ａと、開口１１０ａに連通する内部空間Ｓ１と、を有している。

これらベース１１１およびハウジング１１２の構成材料としては、特に限定されず、例えば、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア等の酸化物セラミックス、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化チタン等の窒化物セラミックスのような各種セラミックスや、ポリエチレン、ポリアミド、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリル系樹脂、ＡＢＳ樹脂、エポキシ樹脂のような各種樹脂材料等の絶縁性材料が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。これらの中でも、各種セラミックスを用いることが特に好ましい。

以上、パッケージ１１０について説明したが、パッケージ１１０の構成としては、その機能を発揮することができれば特に限定されない。

支持基板１２０は、ベース１１１およびハウジング１１２の間に挟まれており、内部空間Ｓ１内からパッケージ１１０の外側に引き出されて配置されている。また、支持基板１２０は、回路素子１３０および圧力センサー１を支持すると共に、回路素子１３０および圧力センサー１を電気的に接続している。このような支持基板１２０は、図２３に示すように、可撓性を有する基材１２１と、基材１２１に配置された複数の配線１２９と、を有している。

基材１２１は、開口１２２ａを有する枠状の基部１２２と、基部１２２から延出する帯状の帯体１２３と、を有している。そして、基部１２２の外縁部においてベース１１１とハウジング１１２とに挟まれ、帯体１２３がパッケージ１１０の外側に延出している。このような基材１２１としては、例えば、一般的に用いられているフレキシブルプリント基板を用いることができる。なお、本実施形態では基材１２１が可撓性を有しているが、基材１２１の全部または一部は、硬質であってもよい。

基材１２１の平面視で、回路素子１３０および圧力センサー１は、開口１２２ａの内側に位置し、並んで配置されている。また、回路素子１３０および圧力センサー１は、それぞれ、ボンディングワイヤーＢＷを介して基材１２１に吊られ、支持基板１２０から浮遊した状態で支持基板１２０に支持されている。また、回路素子１３０および圧力センサー１は、それぞれ、ボンディングワイヤーＢＷおよび配線１２９を介して電気的に接続されている。このように、回路素子１３０および圧力センサー１を支持基板１２０に対して浮遊した状態で支持することで、支持基板１２０から回路素子１３０および圧力センサー１に応力が伝わり難くなり、圧力センサー１の圧力検知精度が向上する。

回路素子１３０は、ブリッジ回路３０に電圧を供給するための駆動回路、ブリッジ回路３０からの出力を温度補償するための温度補償回路、温度補償回路からの出力から受けた圧力を求める圧力検出回路、圧力検出回路からの出力を所定の出力形式（ＣＭＯＳ、ＬＶ−ＰＥＣＬ、ＬＶＤＳ等）に変換して出力する出力回路等を有している。

充填部１４０は、回路素子１３０および圧力センサー１を覆うように内部空間Ｓ１に配置されている。このような充填部１４０により、回路素子１３０および圧力センサー１を保護（防塵および防水）すると共に、圧力センサー１に作用した外部応力（例えば、落下衝撃）が回路素子１３０および圧力センサー１に伝わり難くなる。

また、充填部１４０は、液状またはゲル状の充填材で構成することができ、回路素子１３０および圧力センサー１の過剰な変位を抑制することができる点で、特にゲル状の充填材で構成するのが好ましい。このような充填部１４０によれば、回路素子１３０および圧力センサー１を水分から効果的に保護することができると共に、圧力を効率的に圧力センサー１へ伝達することができる。このような充填部１４０を構成する充填材としては、特に限定されず、例えば、シリコーンオイル、フッ素系オイル、シリコーンゲル等を用いることができる。

以上、圧力センサーモジュール１００について説明した。圧力センサーモジュール１００の構成としては、上述の構成に限定されず、例えば、充填部１４０は、省略してもよい。また、本実施形態では、圧力センサー１および回路素子１３０が、ボンディングワイヤーＢＷによって、支持基板１２０に吊られた状態で支持されているが、例えば、圧力センサー１および回路素子１３０が、直接、支持基板１２０上に配置されていてもよい。また、本実施形態では、圧力センサー１および回路素子１３０が横に並んで配置されているが、例えば、圧力センサー１および回路素子１３０が高さ方向に並んで配置されていてもよい。

＜第５実施形態＞
次に、本発明の第５実施形態に係る電子機器について説明する。
図２４は、本発明の電子機器としての高度計を示す斜視図である。

図２４に示すように、高度計２００は、腕時計のように手首に装着することができる。また、高度計２００の内部には、圧力センサー１（圧力センサーモジュール１００）が搭載されており、表示部２０１に現在地の海抜からの高度、または、現在地の気圧等を表示することができる。なお、この表示部２０１には、現在時刻、使用者の心拍数、天候等、様々な情報を表示することができる。

このような電子機器の一例である高度計２００は、圧力センサー１を有している。そのため、高度計２００は、上述した圧力センサー１の効果を享受でき、高い信頼性を発揮することができる。

＜第６実施形態＞
次に、本発明の第６実施形態に係る電子機器について説明する。
図２５は、本発明の電子機器としてのナビゲーションシステムを示す正面図である。

図２５に示すように、ナビゲーションシステム３００は、図示しない地図情報と、ＧＰＳ（全地球測位システム：Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）からの位置情報取得手段と、ジャイロセンサーおよび加速度センサーと車速データとによる自立航法手段と、圧力センサー１（圧力センサーモジュール１００）と、所定の位置情報または進路情報を表示する表示部３０１とを備えている。

このナビゲーションシステム３００によれば、取得した位置情報に加えて高度情報を取得することができる。例えば、一般道路と位置情報上は略同一の位置を示す高架道路を走行する場合、高度情報を持たない場合には一般道路を走行しているのか高架道路を走行しているのかナビゲーションシステムでは判断できず、優先情報として一般道路の情報を使用者に提供してしまっていた。そこで、ナビゲーションシステム３００に圧力センサー１を搭載し、高度情報を圧力センサー１によって取得することで、一般道路から高架道路へ進入することによる高度変化を検出することができ、高架道路の走行状態におけるナビゲーション情報を使用者に提供することができる。

このような電子機器の一例としてのナビゲーションシステム３００は、圧力センサー１を有している。そのため、ナビゲーションシステム３００は、上述した圧力センサー１の効果を享受でき、高い信頼性を発揮することができる。

なお、本発明の電子機器は、上記のナビゲーションシステムに限定されず、例えば、パーソナルコンピューター、携帯電話、スマートフォン、タブレット端末、時計（スマートウォッチを含む）、医療機器（例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡）、各種測定機器、計器類（例えば、車両、航空機、船舶の計器類）、フライトシミュレーター等に適用することができる。

＜第７実施形態＞
次に、本発明の第７実施形態に係る移動体について説明する。
図２６は、本発明の電子機器としての移動体を示す斜視図である。

図２６に示すように、移動体としての自動車４００は、車体４０１と、４つの車輪４０２とを有しており、車体４０１に設けられた図示しない動力源（エンジン）によって車輪４０２を回転させるように構成されている。このような自動車４００には、ナビゲーションシステム３００が内蔵されている。なお、前述したように、ナビゲーションシステム３００には、圧力センサー１（圧力センサーモジュール１００）が搭載されている。

このような電子機器（移動体）の一例としての自動車４００は、圧力センサー１を有している。そのため、自動車４００は、上述した圧力センサー１の効果を享受でき、高い信頼性を発揮することができる。

以上、本発明の圧力センサー、圧力センサーモジュール、電子機器および圧力センサーの製造方法を図示の各実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、他の任意の構成物や、工程が付加されていてもよい。また、各実施形態を適宜組み合わせてもよい。

１…圧力センサー、２…基板、２１…変形規制部配置層、２１０…第１シリコン層、２２…隙間配置層、２２０…酸化シリコン層、２３…ダイアフラム配置層、２３０…第２シリコン層、２５…ダイアフラム、２５０…領域、２５１…受圧面、２６…凹部、３…センサー部、３０…ブリッジ回路、３１、３２、３３、３４…ピエゾ抵抗素子、３５…配線、４…周囲構造体、４１…層間絶縁膜、４２…配線層、４２１…ガードリング、４２９…配線部、４３…層間絶縁膜、４４…配線層、４４１…ガードリング、４４４…被覆層、４４５…貫通孔、４４９…配線部、４５…表面保護膜、４６…封止層、４８…犠牲層、６…中間層、６１…第１中間層、６２…第２中間層、６３…第３中間層、７…変形規制部、７１…第１梁、７２…第２梁、７３…連通部、７３１…貫通孔、７５…基部、１００…圧力センサーモジュール、１１０…パッケージ、１１０ａ…開口、１１１…ベース、１１２…ハウジング、１２０…支持基板、１２１…基材、１２２…基部、１２２ａ…開口、１２３…帯体、１２９…配線、１３０…回路素子、１４０…充填部、２００…高度計、２０１…表示部、３００…ナビゲーションシステム、３０１…表示部、４００…自動車、４０１…車体、４０２…車輪、ＢＷ…ボンディングワイヤー、Ｇ…隙間、Ｍ…金属粒子、Ｍ１、Ｍ２…マスク、Ｓ…圧力基準室、Ｓ１…内部空間、Ｘ…第１方向、Ｙ…第２方向

Claims (11)

1. 一方の主面に開放する凹部と、前記凹部の底部を構成し、受圧により撓み変形するダイアフラムと、を有する基板と、
   前記ダイアフラムの前記凹部と反対側に配置されている圧力基準室と、
   少なくとも一部が前記凹部内に位置していると共に、前記ダイアフラムとの間に隙間を隔てて配置され、前記凹部の変形を規制する変形規制部と、を有していることを特徴とする圧力センサー。
2. 前記変形規制部は、前記隙間と前記凹部の外側とを連通する連通部を有している請求項１に記載の圧力センサー。
3. 前記変形規制部は、前記基板の少なくとも一部と一体である請求項１または２に記載の圧力センサー。
4. 前記変形規制部は、前記ダイアフラムの厚さ方向から見た平面視で、第１方向に沿って延在し、両端が前記凹部の側面に接続されている第１梁と、前記第１方向に交差する第２方向に沿って延在し、両端が前記凹部の側面に接続されている第２梁と、を有している請求項１ないし３のいずれか１項に記載の圧力センサー。
5. 前記基板は、前記ダイアフラムを有するダイアフラム配置層と、前記ダイアフラム配置層と前記基板の厚さ方向に離間して配置され、前記変形規制部を有する変形規制部配置層と、前記ダイアフラム配置層と前記変形規制部配置層との間に配置され、前記隙間を有する隙間配置層と、を有している請求項１ないし４のいずれか１項に記載の圧力センサー。
6. 前記ダイアフラムの前記凹部側の主面および前記圧力基準室側の主面は、それぞれ、前記ダイアフラム配置層の表面で構成されている請求項５に記載の圧力センサー。
7. 前記基板は、ＳＯＩ基板である請求項５または６に記載の圧力センサー。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の圧力センサーと、
   前記圧力センサーを収納するパッケージと、を有することを特徴とする圧力センサーモジュール。
9. 前記パッケージ内に配置されている充填部を有している請求項８に記載の圧力センサーモジュール。
10. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の圧力センサーを有することを特徴とする電子機器。
11. ダイアフラムとなる領域を有する第１層と、前記第１層と厚さ方向に離間して配置されている第２層と、前記第１層と前記第２層との間に配置されている第３層と、を有する基板を準備する工程と、
    前記第２層に、厚さ方向に貫通する複数の貫通孔を形成することで、前記基板の厚さ方向から見た平面視で、前記ダイアフラムとなる領域と重なる領域に、前記基板の変形を規制する変形規制部を形成する工程と、
    前記貫通孔を介して前記第３層の一部を除去し、前記ダイアフラムとなる領域と前記変形規制部との間に隙間を形成する工程と、を含むことを特徴とする圧力センサーの製造方法。

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