JP2018048974A - 圧力センサー、圧力センサーモジュールおよび電子機器 - 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および電子機器を提供する。【解決手段】圧力センサーは、受圧により撓み変形するダイアフラムと、前記ダイアフラムの一方の面側に配置されている圧力基準室と、を有する本体部と、前記本体部を支持する支持部と、前記本体部と前記支持部とを接続する応力緩和部と、を有する。また、前記応力緩和部は、弾性変形可能であり、少なくとも１つのバネ部を有している。【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および電子機器に関するものである。

従来から、圧力センサーモジュールとして、例えば、特許文献１に記載の構成が知られている。特許文献１の圧力センサーモジュールは、受圧により撓み変形するダイアフラムを有するセンサチップを有し、このセンサチップは、補強板を介して台座に固定されている。

特開平０９−２１０８２１号公報

しかしながら、このような構成の圧力センサーモジュールでは、圧力以外の応力（例えば、センサチップと補強板との熱膨張係数の差に起因して発生する熱応力）がセンサチップに伝わり易く、圧力検知精度が低下してしまう。

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および電子機器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、受圧により撓み変形するダイアフラムと、前記ダイアフラムの一方の面側に配置されている圧力基準室と、を有する本体部と、
前記本体部を支持する支持部と、
前記本体部と前記支持部とを接続する応力緩和部と、を有することを特徴とする。
このような構成によれば、圧力センサーを支持部において対象物に固定すれば、応力（例えば、圧力センサーと対象物との熱膨張係数の差に起因して発生する熱応力、対象物に加わる応力等）が応力緩和部によって緩和、吸収されるため、ダイアフラムに検出すべき圧力以外の応力が伝わり難くなる。そのため、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が得られる。

本発明の圧力センサーでは、前記応力緩和部は、弾性変形可能であることが好ましい。
これにより、応力緩和部が弾性変形することで、効果的に応力を緩和、吸収することができる。

本発明の圧力センサーでは、前記応力緩和部は、少なくとも１つのバネ部を有していることが好ましい。
これにより、応力緩和部の構成が簡単なものとなる。

本発明の圧力センサーでは、前記ダイアフラムの厚さ方向から見た平面視で、互いに交差する方向を第１方向および第２方向としたとき、
前記応力緩和部は、前記バネ部として、前記本体部の前記第１方向の両側に配置されている一対の第１バネ部と、前記本体部の前記第２方向の両側に配置されている一対の第２バネ部と、を有することが好ましい。
これにより、本体部の姿勢が安定する。

本発明の圧力センサーでは、前記第１バネ部は、前記第２方向に往復するように蛇行し、
前記第１バネ部の前記第２方向に沿う長さは、前記本体部の前記第２方向に沿う長さよりも長く、
前記第２バネ部は、前記第１方向に往復するように蛇行し、
前記第２バネ部の前記第１方向に沿う長さは、前記本体部の前記第１方向に沿う長さよりも長いことが好ましい。
これにより、第１バネ部および第２バネ部がより弾性変形し易くなる。

本発明の圧力センサーでは、前記応力緩和部は、前記支持部および前記本体部の少なくとも一方と一体であることが好ましい。
これにより、圧力センサー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、
前記圧力センサーが配置されているベースと、を有することを特徴とする。
このような構成によれば、圧力センサーを支持部においてベースに固定すれば、応力（例えば、圧力センサーとベースとの熱膨張係数の差に起因して発生する熱応力、ベースに加わる応力等）が応力緩和部によって緩和、吸収されるため、ダイアフラムに圧力以外の応力が伝わり難くなる。そのため、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、前記本体部は、前記ベースに対して浮遊していることが好ましい。
これにより、ベースから本体部へ、応力が直接（すなわち、応力緩和部を通らずに）伝わってしまうことを抑制することができる。そのため、圧力検知精度の低下をより効果的に抑制することができる。

本発明の圧力センサーモジュールでは、前記支持部の前記ベース側の端部は、前記本体部の前記ベース側の端部よりも前記ベース側に位置していることが好ましい。
これにより、より簡単な構成で、本体部をベースに対して浮遊させることができる。

本発明の圧力センサーモジュールでは、前記圧力センサーを覆う充填部を有することが好ましい。
これにより、圧力センサーを埃や水分から保護することができる。

本発明の圧力センサーモジュールでは、回路素子を有することが好ましい。
これにより、例えば、回路素子で圧力センサーを駆動させたり、圧力センサーからの検出信号に基づいて圧力を検知したりすることができる。

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、前述した圧力センサーの効果を享受することができ、信頼性の高い電子機器が得られる。

本発明の第１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１に示す圧力センサーモジュールが有する圧力センサーの平面図である。 図２に示す圧力センサーが有する本体部の断面図である。 図３に示す本体部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２に示す圧力センサーの断面図である。 図２に示す圧力センサーの製造方法を示す図である。 図２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２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２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２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２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２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モジュールの断面図である。 本発明の第３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１５に示す圧力センサーモジュールが有する圧力センサーの平面図である。 図１６に示す圧力センサーの断面図である。 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。 本発明の第５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１９に示す圧力センサーモジュールが有する圧力センサーの断面図である。 図２０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２０に示す圧力センサーの部分拡大断面図である。 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および電子機器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モジュールについて説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る圧力センサーモジュールの断面図である。図２は、図１に示す圧力センサーモジュールが有する圧力センサーの平面図である。図３は、図２に示す圧力センサーが有する本体部の断面図である。図４は、図３に示す本体部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２に示す圧力センサーの断面図である。図７は、図２に示す圧力センサーの製造方法を示す図である。図８ないし図１３は、それぞれ、図２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、圧力センサーモジュール１は、圧力センサー３と、圧力センサー３が配置されているベース２１と、を有している。また、圧力センサー３は、受圧により撓み変形するダイアフラム４１１と、ダイアフラム４１１の下側（一方の面側）に配置されている圧力基準室Ｓ１と、を有する本体部４と、本体部４を支持する支持部５と、本体部４と支持部５とを接続する応力緩和部６と、を有している。そして、このような圧力センサー３は、支持部５においてベース２１に接続（固定）されている。このような構成によれば、応力（例えば、圧力センサー３とベース２１との熱膨張係数の差に起因して発生する熱応力、外部からベース２１に加わる応力等）が応力緩和部によって緩和、吸収される。そのため、ダイアフラム４１１に検出すべき圧力以外の上記応力が伝わり難くなる。したがって、圧力検知精度の低下を抑制することができ、優れた圧力検知精度を発揮することのできる圧力センサーモジュール１が得られる。以下、このような圧力センサーモジュール１について詳細に説明する。

図１に示すように、圧力センサーモジュール１は、パッケージ２と、パッケージ２に収納されている圧力センサー３と、圧力センサー３を覆う充填部９と、を有している。

［パッケージ］
図１に示すように、パッケージ２は、上面に開放する凹部２１１を有するベース２１と、凹部２１１の開口を塞ぐようにベース２１の上面に接合されたリッド２２と、を有している。また、リッド２２には、開口２２１が設けられており、開口２２１を介して、パッケージ２の内部空間Ｓとパッケージ２の外部とが連通している。

これらベース２１およびリッド２２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。

また、ベース２１には、内部空間Ｓ内に位置する複数の内部端子２３と、下面に位置する複数の外部端子２４が設けられている。複数の内部端子２３と複数の外部端子２４は、対応するもの同士が、ベース２１内に形成された図示しない内部配線を介して電気的に接続されている。

以上、パッケージ２について説明したが、パッケージ２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。

［圧力センサー］
図１および図２に示すように、圧力センサー３は、本体部４と、本体部４を支持すると共にベース２１に接続されている支持部５と、本体部４と支持部５とを接続する応力緩和部６と、を有している。

図３に示すように、本体部４は、基板４１と、基板４１に配置されているセンサー部４２と、基板４１に接合されているベース基板４３と、基板４１とベース基板４３との間に形成されている圧力基準室Ｓ１と、を有している。

基板４１は、ＳＯＩ基板（すなわち、第１シリコン層４１ａ、酸化シリコン層４１ｂおよび第２シリコン層４１ｃがこの順で積層されている基板）である。そして、基板４１の上面には、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）で構成されている第１絶縁膜４４１と、シリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）で構成されている第２絶縁膜４４２と、が成膜されている。第１絶縁膜４４１は、センサー部４２が有する後述するピエゾ抵抗素子４２１、４２２、４２３、４２４の界面準位を安定化する機能を有し、第２絶縁膜４４２は、センサー部４２を水分や埃から保護する機能を有する。

なお、基板４１としては、ＳＯＩ基板に替えて、例えば、単層のシリコン基板を用いてもよい。また、第１絶縁膜４４１や第２絶縁膜４４２は、同様の効果を発揮することができれば、異なる材料（例えば、ＳｉＯＮ等）で構成されていてもよい。また、第１絶縁膜４４１および第２絶縁膜４４２は、必要に応じて設ければよく、省略してもよい。

このような基板４１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４１１が設けられている。基板４１には、下方に開放する有底の凹部４１２が形成されており、この凹部４１２の上側がダイアフラム４１１となっている。そして、ダイアフラム４１１の上面が受圧面４１１ａとなる。なお、本実施形態では、ダイアフラム４１１の平面視形状は、略正方形であるが、ダイアフラム４１１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。

ここで、本実施形態では、凹部４１２は、シリコンディープエッチング装置を用いたドライエッチングで形成されている。具体的には、基板４１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４１ａを掘ることで凹部４１２を形成する。この工程を繰り返し、エッチングが酸化シリコン層４１ｂまで達すると酸化シリコン層４１ｂがエッチングストッパーとなってエッチングが終了し、凹部４１２が得られる。なお、図示しないが、前述した工程の繰り返しによって、凹部４１２の内壁側面には掘り方向に周期的な凹凸が形成される。なお、凹部４１２の形成方法としては、上記の方法に限定されず、例えば、ウェットエッチングによって形成してもよい。

このようなダイアフラム４１１の厚さとしては、特に限定されず、ダイアフラム４１１の大きさ等によっても異なるが、例えば、１μｍ以上、１０μｍ以下であることが好ましい。このような厚さとすることで機械的な強度を保ちつつ、十分に薄く、受圧により撓み変形し易いダイアフラム４１１が得られる。

センサー部４２は、図４に示すように、ダイアフラム４１１に設けられた４つのピエゾ抵抗素子４２１、４２２、４２３、４２４を有している。また、ピエゾ抵抗素子４２１、４２２、４２３、４２４は、配線４２５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４２０（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４２０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４２０は、ダイアフラム４１１の撓みに基づくピエゾ抵抗素子４２１、４２２、４２３、４２４の抵抗値変化に応じた検出信号（電圧）を出力する。そのため、この出力された検出信号に基づいてダイアフラム４１１が受けた圧力を検出することができる。

特に、ピエゾ抵抗素子４２１、４２２、４２３、４２４は、ダイアフラム４１１の外縁部に配置されている。前述したように、受圧によりダイアフラム４１１が撓み変形すると、ダイアフラム４１１の外縁部に大きな応力が加わるため、外縁部にピエゾ抵抗素子４２１、４２２、４２３、４２４を配置することで、前述した検出信号を大きくすることができ、圧力検知の感度が向上する。なお、ピエゾ抵抗素子４２１、４２２、４２３、４２４の配置としては、特に限定されず、例えば、ピエゾ抵抗素子４２１、４２２、４２３、４２４がダイアフラム４１１の外縁を跨いで配置されていてもよい。

配線４２５は、端子４２６と電気的に接続されており、さらに、端子４２６は、ボンディングワイヤーＢＷを介して内部端子２３と電気的に接続されている。これにより、外部端子２４とセンサー部４２とが電気的に接続された状態となる。なお、端子４２６の配置としては、特に限定されず、本実施形態のように本体部４に配置されていてもよいし、支持部５や応力緩和部６に配置されていてもよい。

ピエゾ抵抗素子４２１、４２２、４２３、４２４は、それぞれ、例えば、基板４１の第２シリコン層４１ｃ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４２５は、例えば、基板４１の第２シリコン層４１ｃに、ピエゾ抵抗素子４２１、４２２、４２３、４２４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。

ベース基板４３は、ダイアフラム４１１との間に圧力基準室Ｓ１を形成するように、ダイアフラム４１１と対向して配置されている。具体的には、ベース基板４３は、凹部４１２の開口を塞ぐように、基板４１の下面に接合されている。このようなベース基板４３としては、例えば、シリコン基板、ガラス基板、セラミックス基板等を用いることができる。

ベース基板４３によって凹部４１２を気密的に封止することで、圧力基準室Ｓ１が形成されている。圧力基準室Ｓ１は、真空（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３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る。そのため、利便性の高い圧力センサー３となる。ただし、圧力基準室Ｓ１は、真空状態でなくてもよい。また、本発明は、ベース基板４３に圧力導入口を形成して、凹部４１２を外部と連通させた差圧又はゲージ圧センサーにも適用できる。

次に、本体部４を支持する支持部５について説明する。支持部５は、圧力センサー３の厚さ方向から見た平面視で、枠状をなしており、本体部４を囲むように配置されている。言い換えると、枠状の支持部５の内側に本体部４が位置している。そして、このような支持部５の下面５ａ（ベース２１側の面）が、接着剤を介してベース２１に接合されている。これにより、圧力センサー３がベース２１に固定された状態となる。

ここで、図６に示すように、圧力センサー３がベース２１に固定された状態では、本体部４は、ベース２１に対して浮遊している。すなわち、本体部４とベース２１との間には、空隙Ｇが設けられている。本体部４をこのように配置することで、ベース２１から本体部４へ、応力が直接（すなわち、応力緩和部６を通らずに）伝わってしまうことを抑制することができる。そのため、圧力センサー３の圧力検知精度の低下をより効果的に抑制することができる。

特に、図１に示すように、本実施形態では、支持部５のベース２１側の端部（下面５ａ）は、本体部４のベース２１側の端部（下面４ａ）よりもベース２１側に位置している。そのため、支持部５の下面５ａをベース２１に接合することで、より簡単な構成で、本体部４をベース２１に対して浮遊させることができる。

なお、支持部５の形状としては、本実施形態のような枠状に限定されない。例えば、支持部５は、第１バネ部６１が接続している部分と、第１バネ部６２が接続している部分と、第２バネ部６３が接続している部分と、第２バネ部６４が接続している部分と、で分割されていてもよい。このように、支持部５をバネ部との接続部ごとに分割することで、支持部５に応力が生じ難くなる。

次に、本体部４と支持部５とを接続する応力緩和部６について説明する。応力緩和部６は、例えば、圧力センサー３とベース２１との熱膨張係数の差に起因して圧力センサー３に生じる熱応力（圧縮応力、引張応力）を緩和、吸収し、当該応力が本体部４のダイアフラム４１１に伝わることを抑制する機能を有している。このような応力緩和部６を有することで、ダイアフラム４１１に検出すべき圧力以外の応力が加わり難くなるため、圧力センサー３の圧力検知精度の低下を抑制することができる。なお、熱応力以外にも、例えば、圧力センサーモジュール１に内在する残留応力、振動、衝撃等によってパッケージ２に加わる外力等についても、応力緩和部６で緩和、吸収することができる。以下、これらを総称して単に応力とも言う。

応力緩和部６は、弾性変形可能である。そのため、応力緩和部６が弾性変形することで、効果的に応力を緩和、吸収することができる。このような応力緩和部６は、少なくとも１つのバネ部を有している。これにより、簡単な構成で、弾性変形可能な応力緩和部６が得られる。

図２に示すように、ダイアフラム４１１の厚さ方向から見た平面視で、互いに交差（本実施形態では直交）する方向を第１方向Ｘおよび第２方向Ｙとしたとき、応力緩和部６は、バネ部として、本体部４の第１方向Ｘの両側に配置されている一対の第１バネ部６１、６２と、本体部４の第２方向Ｙの両側に配置されている一対の第２バネ部６３、６４と、を有している。そして、本体部４は、一対の第１バネ部６１、６２によって、第１方向Ｘの両側から両持ち支持され、一対の第２バネ部６３、６４によって、第２方向Ｙの両側から両持ち支持されている。そのため、第１バネ部６１、６２および第２バネ部６３、６４によって、本体部４を安定した姿勢で支持することができる。

また、第１バネ部６１、６２は、それぞれ、第２方向Ｙに往復するように蛇行している。そのため、第２方向Ｙに弾性（伸縮性）を有している。一方、第２バネ部６３、６４は、第１方向Ｘに往復するように蛇行している。そのため、第１方向Ｘに弾性（伸縮性）を有している。このように、第１バネ部６１、６２と第２バネ部６３、６４が異なる方向に弾性を有していることで、応力をより効果的に緩和、吸収することができる。

また、第１バネ部６１、６２の第２方向Ｙに沿う長さＬ１（幅）は、本体部４の第２方向Ｙに沿う長さＬｙよりも長く、第２バネ部６３、６４の第１方向Ｘに沿う長さＬ２（幅）は、本体部４の第１方向Ｘに沿う長さＬｘよりも長い。これにより、第１バネ部６１、６２および第２バネ部６３、６４がよりしなやかに弾性変形し易くなり、応力をより効果的に緩和、吸収することができる。

以上、応力緩和部６について説明した。このような応力緩和部６は、支持部５および本体部４の少なくとも一方と一体である。特に、本実施形態では、応力緩和部６は、支持部５および本体部４の両方と一体である。すなわち、本体部４、支持部５および応力緩和部６は、一体形成されている。具体的には、前述したように、本体部４は、基板４１とベース基板４３とが積層した構成となっているが、図６に示すように、支持部５および応力緩和部６も、基板４１とベース基板４３とが積層した構成となっている。このように、応力緩和部６を、支持部５および本体部４の少なくとも一方（好ましくは両方）と一体とすることで、圧力センサー３の構成や製造が簡単なものとなる。

ここで、本実施形態では、ベース基板４３に、その下面に開口する凹部４３１を形成することで、本体部４および応力緩和部６を支持部５よりも薄肉化している。そのため、前述したように、支持部５の下面５ａが本体部４の下面４ａよりもベース２１側に位置することとなり、圧力センサー３をベース２１に接合した状態で、本体部４をベース２１から浮遊させることができる。また、凹部４３１を形成することで、応力緩和部６の厚さを薄くすることもでき、第１バネ部６１、６２および第２バネ部６３、６４をより弾性変形させ易くすることができる。なお、本実施形態では、応力緩和部６（第１バネ部６１、６２および第２バネ部６３、６４）の厚さが本体部４の厚さと等しいが、応力緩和部６の厚さとしては、これに限定されず、本体部４よりも薄くてもよいし、厚くてもよい。また、本実施形態では、支持部５および応力緩和部６の上面にも第１絶縁膜４４１と第２絶縁膜４４２とが設けられているが、これらは、省略してもよい。

［充填部］
図１に示すように、充填部９は、内部空間Ｓ内に充填されており、圧力センサー３を覆っている。このような充填部９により、圧力センサー３を保護（防塵および防水）すると共に、圧力センサーモジュール１に作用した外部応力（例えば、落下衝撃などの圧力以外の応力）が圧力センサー３に伝わり難くなる。

このような充填部９は、液状またはゲル状の充填材で構成することができ、圧力センサー３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９によれば、圧力センサー３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３へ伝達することができる。このような充填部９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。なお、このような充填部９は、十分に軟質であるため、応力緩和部６による前述した応力緩和効果には悪影響を与えない。

次に、圧力センサー３の製造方法について簡単に説明する。図７に示すように、圧力センサー３の製造方法は、基板４１にセンサー部４２を形成するセンサー部形成工程と、基板４１にベース基板４３を接合して圧力基準室Ｓ１を形成する圧力基準室形成工程と、支持部５を形成する支持部形成工程と、応力緩和部６を形成する応力緩和部形成工程と、を有している。

［センサー部形成工程］
まず、図８に示すように、第１シリコン層４１ａ、酸化シリコン層４１ｂおよび第２シリコン層４１ｃが積層してなるＳＯＩ基板である基板４１を準備する。次に、図９に示すように、基板４１の上面にセンサー部４２を形成し、基板４１上に第１絶縁膜４４１、第２絶縁膜４４２を成膜する。

［圧力基準室形成工程］
次に、図１０に示すように、基板４１の下面に開放する凹部４１２を形成し、ダイアフラム４１１を得る。凹部４１２の形成方法としては、特に限定されないが、前述したように、シリコンディープエッチング装置を用いたドライエッチングで形成することが好ましい。次に、図１１に示すように、凹部４１２内を真空にしつつ、ベース基板４３を凹部４１２の開口を塞ぐように基板４１の下面に接合する。これにより、真空状態の圧力基準室Ｓ１が得られる。

［支持部形成工程］
次に、図１２に示すように、ベース基板４３の下面に開放する凹部４３１を形成し、支持部５および本体部４を得る。なお、凹部４３１の形成方法としては、特に限定されないが、凹部４１２の形成方法と同様に、シリコンディープエッチング装置を用いたドライエッチングで形成することが好ましい。

［応力緩和部形成工程］
次に、図１３に示すように、基板４１およびベース基板４３の積層体に貫通孔を形成し、応力緩和部６を形成する。なお、貫通孔の形成方法としては、特に限定されないが、凹部４１２の形成方法と同様に、シリコンディープエッチング装置を用いたドライエッチングで形成することが好ましい。

以上によって、圧力センサー３が得られる。このような製造方法によれば、簡単に圧力センサー３を製造することができる。

＜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モジュールについて説明する。
図１４は、本発明の第２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。

以下、第２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。

本発明の第２実施形態に係る圧力センサーモジュールは、支持部の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態とほぼ同様である。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１４に示すように、本実施形態の圧力センサーモジュール１では、圧力センサー３の支持部５の厚さが、本体部４の厚さと等しい。すなわち、本体部４の下面４ａと、支持部５の下面５ａとが面一となっている。一方、ベース２１には、凹部２１１の底面に対して段差のある段差部２１３が設けられており、この段差部２１３に圧力センサー３の支持部５が接続されている。このような構成によっても、空隙Ｇが形成され、本体部４をベース２１から浮遊した状態とすることができ、前記と同様の効果が得られる。

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モジュールについて説明する。

図１５は、本発明の第３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１６は、図１５に示す圧力センサーモジュールが有する圧力センサーの平面図である。図１７は、図１６に示す圧力センサーの断面図である。

以下、第３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。

本発明の第３実施形態に係る圧力センサーモジュールは、応力緩和部の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態とほぼ同様である。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１５に示すように、本実施形態の圧力センサーモジュール１では、圧力センサー３の応力緩和部６が、厚さ方向に弾性変形可能な薄肉部６５で構成されている。図１６に示すように、薄肉部６５は、ダイアフラム４１１の厚さ方向から見た平面視で、枠状をなしており、内周が本体部４の外周の全周と接続されており、外周が支持部５の内周の全周と接続されている。このような薄肉部６５は、その厚さ方向に撓むように弾性変形することで、応力を緩和、吸収することができる。

なお、薄肉部６５の厚さとしては、特に限定されないが、本体部４よりも薄いことが好ましい。本実施形態では、図１７に示すように、薄肉部６５は、基板４１の第２シリコン層４１ｃおよび酸化シリコン層４１ｂの積層体で構成され、本体部４よりも十分に薄くなっている。ただし、薄肉部６５の構成としては、特に限定されず、例えば、第１シリコン層４１ａで構成されていてもよい。また、例えば、薄肉部６５に複数の貫通孔（肉抜き部）が形成されていてもよい。

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１８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。

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。

本発明の第４実施形態に係る圧力センサーモジュールは、回路素子を有すること以外は、前述した第１実施形態とほぼ同様である。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１８に示すように、本実施形態の圧力センサーモジュール１は、回路素子１０を有している。回路素子１０は、例えば、接着剤（ダイアタッチ剤）等を介して凹部２１１の底面に固定されている。そして、このような回路素子１０の上面に、圧力センサー３が固定されている。すなわち、圧力センサー３は、回路素子１０を介してベース２１に接続されている。このように、回路素子１０と圧力センサー３とを、圧力センサーモジュール１の厚さ方向に重ねて配置することで、圧力センサーモジュール１の平面的な広がりを抑えることができ、圧力センサーモジュール１の小型化を図ることができる。

なお、回路素子１０は、ボンディングワイヤーＢＷ１を介して圧力センサー３と電気的に接続されており、ボンディングワイヤーＢＷ２を介して内部端子２３と電気的に接続されている。また、このような回路素子１０は、ブリッジ回路４２０に電圧を供給するための駆動回路、ブリッジ回路４２０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。

このような第４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５実施形態＞
次に、本発明の第５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１９は、本発明の第５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２０は、図１９に示す圧力センサーモジュールが有する圧力センサーの断面図である。図２１は、図２０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２２は、図２０に示す圧力センサーの部分拡大断面図である。

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。

本発明の第４実施形態に係る圧力センサーモジュールは、本体部の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態とほぼ同様である。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１９に示すように、本実施形態の圧力センサーモジュール１では、圧力センサー３は、本体部７と、本体部７を支持すると共にベース２１に接続されている支持部５と、本体部７と支持部５とを接続する応力緩和部６と、を有し、本体部７におけるダイアフラム７１５の位置が、前述した各実施形態に比べ、上下逆となっている。なお、支持部５および応力緩和部６の構成は、前述した第１実施形態と同様である。

図２０に示すように、本体部７は、受圧により撓み変形するダイアフラム７１５を有する基板７１と、ダイアフラム７１５の上側（一方の面側）に配置されている圧力基準室Ｓ１と、基板７１と共に圧力基準室Ｓ１を形成する周囲構造体７２と、ダイアフラム７１５に配置されているセンサー部７３と、を有している。

基板７１は、ＳＯＩ基板（すなわち、第１シリコン層７１ａ、酸化シリコン層７１ｂおよび第２シリコン層７１ｃがこの順で積層されている基板）である。ただし、基板７１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を用いることもできる。

基板７１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７１５が設けられている。本実施形態では、基板７１にその下面に開放する有底の凹部７１６が形成されており、凹部７１６の底部でダイアフラム７１５が構成されている。そして、ダイアフラム７１５の下面が圧力を受ける受圧面７１５ａとなっている。

ここで、本実施形態では、ダイアフラム７１５は、第２シリコン層７１ｃからなる単層構造となっている。このように、ダイアフラム７１５を単層構造とすることで、ダイアフラム７１５をより薄くすることができる。また、ダイアフラム７１５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７１５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７１５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７１５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７１５は、単層構造に限定されず、複数の層が積層した積層構造（例えば、第２シリコン層７１ｃと酸化シリコン層７１ｂとの積層構造）となっていてもよい。また、第１実施形態のようにダイアフラム７１５の上側に絶縁層が設けられた構成であってもよい。

以上、基板７１について説明した。なお、このような基板７１にはセンサー部７３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２０に示すように、基板７１の上面にはダイアフラム７１５と重ならないように、かつ、ダイアフラム７１５の周囲を囲むように中間層７９が配置されている。中間層７９は、基板７１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７９１と、第１中間層７９１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７９２と、第２中間層７９２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７９３と、を有している。なお、各中間層７９１、７９２、７９３の材料としては特に限定されない。また、中間層７９１、７９２、７９３は、それぞれ、必要に応じて設ければよく、省略してもよい。

センサー部７３は、図２１に示すように、ダイアフラム７１５の上面に配置された４つのピエゾ抵抗素子７３１、７３２、７３３、７３４を有している。そして、ピエゾ抵抗素子７３１、７３２、７３３、７３４は、配線７３５等を介して、互いに電気的に接続され、前述した第１実施形態と同様のブリッジ回路（ホイートストンブリッジ回路）を構成している（図４参照）。

図２０に示すように、圧力基準室Ｓ１は、ダイアフラム７１５の上側に位置しており、基板７１と周囲構造体７２とに囲まれることで形成されている。このような圧力基準室Ｓ１は、真空状態（例えば、１０Ｐａ以下）であることが好ましい。

周囲構造体７２は、基板７１との間に圧力基準室Ｓ１を形成している。このような周囲構造体７２は、基板７１上に配置された層間絶縁膜７２１と、層間絶縁膜７２１上に配置された配線層７２２と、配線層７２２および層間絶縁膜７２１上に配置された層間絶縁膜７２３と、層間絶縁膜７２３上に配置された配線層７２４と、配線層７２４および層間絶縁膜７２３上に配置された表面保護膜７２５と、配線層７２４および表面保護膜７２５上に配置された封止層７２６と、を有している。

配線層７２２は、圧力基準室Ｓ１を囲んで配置された枠状のガードリング７２２１と、センサー部７３の配線７３５と接続された配線部７２２９と、を有している。同様に、配線層７２４は、圧力基準室Ｓ１を囲んで配置された枠状のガードリング７２４１と、配線７３５と接続された配線部７２４９と、を有している。そして、センサー部７３は、これら配線部７２２９、７２４９によって周囲構造体７２の上面に引き出されている。

また、配線層７２４は、圧力基準室Ｓ１の天井に位置し、ガードリング７２４１と一体形成された被覆層７２４４を有している。また、この被覆層７２４４には圧力基準室Ｓ１の内外を連通する複数の貫通孔７２４５が配置されている。複数の貫通孔７２４５は、製造途中まで圧力基準室Ｓ１を埋めている犠牲層を除去する際のリリースエッチング用の孔である。また、ガードリング７２２１、７２４１は、前記リリースエッチング時のエッチングストッパーとして機能する。

そして、被覆層７２４４上には封止層７２６が配置されており、この封止層７２６によって貫通孔７２４５が封止され、気密的な圧力基準室Ｓ１が形成されている。

表面保護膜７２５は、周囲構造体７２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７２５は、被覆層７２４４の貫通孔７２４５を塞がないように、層間絶縁膜７２３および配線層７２４上に配置されている。

また、表面保護膜７２５上には配線部７２２９、７２４９を介してセンサー部７３と電気的に接続されている複数の端子７５が設けられている。そして、これら端子７５は、図１９に示すように、ボンディングワイヤーＢＷを介して内部端子２３と電気的に接続されている。

このような周囲構造体７２のうち、層間絶縁膜７２１、７２３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７２２、７２４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７２６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７２５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、本体部７について説明した。なお、図２２に示すように、支持部５および応力緩和部６は、基板７１から形成されている。

このような第５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２３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２３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３（圧力センサーモジュール１）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。

このような高度計２００は、圧力センサー３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３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７実施形態＞
次に、本発明の第７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ナビゲーションシステムを示す正面図である。

図２４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３（圧力センサーモジュール１）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３を搭載し、高度情報を圧力センサー３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。

このようなナビゲーションシステム３００は、圧力センサー３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３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）、フライトシュミレーター等に適用することができる。

＜第８実施形態＞
次に、本発明の第８実施形態に係る移動体について説明する。
図２５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２５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３（圧力センサーモジュール１）が搭載されている。

このような自動車４００は、圧力センサー３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３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および電子機器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…圧力センサーモジュール、２…パッケージ、２１…ベース、２１１…凹部、２１３…段差部、２２…リッド、２２１…開口、２３…内部端子、２４…外部端子、３…圧力センサー、４…本体部、４ａ…下面、４１…基板、４１ａ…第１シリコン層、４１ｂ…酸化シリコン層、４１ｃ…第２シリコン層、４１１…ダイアフラム、４１１ａ…受圧面、４１２…凹部、４２…センサー部、４２０…ブリッジ回路、４２１、４２２、４２３、４２４…ピエゾ抵抗素子、４２５…配線、４２６…端子、４３…ベース基板、４３１…凹部、４４１…第１絶縁膜、４４２…第２絶縁膜、５…支持部、５ａ…下面、６…応力緩和部、６１、６２…第１バネ部、６３、６４…第２バネ部、６５…薄肉部、７…本体部、７１…基板、７１ａ…第１シリコン層、７１ｂ…酸化シリコン層、７１ｃ…第２シリコン層、７１５…ダイアフラム、７１５ａ…受圧面、７１６…凹部、７２…周囲構造体、７２１…層間絶縁膜、７２２…配線層、７２２１…ガードリング、７２２９…配線部、７２３…層間絶縁膜、７２４…配線層、７２４１…ガードリング、７２４４…被覆層、７２４５…貫通孔、７２４９…配線部、７２５…表面保護膜、７２６…封止層、７３…センサー部、７３１、７３２、７３３、７３４…ピエゾ抵抗素子、７３５…配線、７５…端子、７９…中間層、７９１…第１中間層、７９２…第２中間層、７９３…第３中間層、９…充填部、１０…回路素子、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、ＢＷ１、ＢＷ２…ボンディングワイヤー、Ｇ…空隙、Ｌ１、Ｌ２、Ｌｘ、Ｌｙ…長さ、Ｓ…内部空間、Ｓ１…圧力基準室、Ｘ…第１方向、Ｙ…第２方向

Claims (12)

1. 受圧により撓み変形するダイアフラムと、前記ダイアフラムの一方の面側に配置されている圧力基準室と、を有する本体部と、
   前記本体部を支持する支持部と、
   前記本体部と前記支持部とを接続する応力緩和部と、を有することを特徴とする圧力センサー。
2. 前記応力緩和部は、弾性変形可能である請求項１に記載の圧力センサー。
3. 前記応力緩和部は、少なくとも１つのバネ部を有している請求項１または２に記載の圧力センサー。
4. 前記ダイアフラムの厚さ方向から見た平面視で、互いに交差する方向を第１方向および第２方向としたとき、
   前記応力緩和部は、前記バネ部として、前記本体部の前記第１方向の両側に配置されている一対の第１バネ部と、前記本体部の前記第２方向の両側に配置されている一対の第２バネ部と、を有する請求項３に記載の圧力センサー。
5. 前記第１バネ部は、前記第２方向に往復するように蛇行し、
   前記第１バネ部の前記第２方向に沿う長さは、前記本体部の前記第２方向に沿う長さよりも長く、
   前記第２バネ部は、前記第１方向に往復するように蛇行し、
   前記第２バネ部の前記第１方向に沿う長さは、前記本体部の前記第１方向に沿う長さよりも長い請求項４に記載の圧力センサー。
6. 前記応力緩和部は、前記支持部および前記本体部の少なくとも一方と一体である請求項１ないし５のいずれか１項に記載の圧力センサー。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の圧力センサーと、
   前記圧力センサーが配置されているベースと、を有することを特徴とする圧力センサーモジュール。
8. 前記本体部は、前記ベースに対して浮遊している請求項７に記載の圧力センサーモジュール。
9. 前記支持部の前記ベース側の端部は、前記本体部の前記ベース側の端部よりも前記ベース側に位置している請求項７または８に記載の圧力センサーモジュール。
10. 前記圧力センサーを覆う充填部を有する請求項７ないし９のいずれか１項に記載の圧力センサーモジュール。
11. 回路素子を有する請求項７ないし１０のいずれか１項に記載の圧力センサーモジュール。
12. 請求項１ないし６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。

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