JP2980440B2 - 半導体圧力センサおよびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧力を検出する半導体圧
力センサに係わり、特に静圧下ならびに差圧下で生じる
信号を検出し、静圧および差圧を極めて精度よく検出し
得るようにした半導体圧力センサおよびその製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】圧力の検出を行なうためのセンサの１つ
として、従来、半導体圧力センサが知られている。

【０００３】この半導体圧力センサは単結晶半導体（例
えば、シリコン等）の優れた弾性を利用し、薄膜シリコ
ンダイヤフラムの両端にかかる圧力差に応答する応力を
検出する。

【０００４】図６はこのような半導体圧力センサの一例
を示す断面図である。

【０００５】この図に示す半導体圧力センサ１００はｎ
形面からなるシリコン単結晶基板１０１の一面に凹部１
０２を形成して薄肉部のダイヤフラム部１０３とし、前
記凹部１０２側の面と反対側の表面にｐ形不純物を拡散
して図７に示す如く差圧センサ（ストレインゲージ抵
抗）１０４〜１０６を形成した後、これら差圧センサ１
０４〜１０６を形成した単結晶基板１０１の表面に酸化
膜１０７を形成して前記各差圧センサ１０４〜１０６を
被膜し、さらにこの酸化膜１０７に貫通して設けられた
孔１０８を介して前記各差圧センサ１０４〜１０６の両
端に各々電極層１０９を接続して形成したものであり、
円筒状に形成された台座管１１２に固定されるととも
に、金線等によって構成されるワイヤ１１０によって前
記電極層１０９と外部端子（図示は省略する）とが接続
されて使用される。

【０００６】なお、図７においては、右側の差圧センサ
１０４〜１０６部分にのみに電極層１０９を設けている
が、実際には各差圧センサ１０４〜１０６毎に各々電極
層１０９が設けられている。

【０００７】そして、このように構成された半導体圧力
センサ１００においては、ダイヤフラム部１０３が圧力
によって応力を受けると、ダイヤフラム部１０３の表面
に形成された差圧センサ１０４〜１０６のうち、予め決
められた結晶軸方向に配置されたものの抵抗値が増加す
るとともに、他の決められた結晶軸方向に配置されたも
のの抵抗値が減少して、これら各差圧センサ１０４〜１
０６によって構成されているホィートストンブリッジ回
路（図示は省略する）の出力電圧が変化し、この変化分
に対応した検出信号が出力される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな半導体圧力センサ１００においては、静圧（ダイヤ
フラムの両面にかかる共通な圧力）下でも、ゼロシフト
と呼ばれる誤信号を生じる。

【０００９】そこで、このような問題を解決する方法と
して、半導体圧力センサ１００と別個の圧力センサを用
いて静圧を検出し、この検出結果に基づいて半導体圧力
センサ１００の出力を補正する方法が試みられている。

【００１０】しかしながら、このような方法では、２つ
の素子を使用しなければならないため、なるべくなら
ば、シングルタイプの素子を用いて、２つの信号から単
純な補正で２つの信号を生成するようにすることが望ま
しい。

【００１１】そこで、このような要求を満たす方法とし
て、シリコン単結晶基板１０１の表面（前記台座管１１
２と接合する面と反対側の面）に、差圧センサ１０４〜
１０６と同様な配置で静圧によって生じる歪みを検出す
るセンサ（静圧センサ）を設け、この静圧センサの出力
に基づいて前記差圧センサ１０４〜１０６の出力を補正
することも行われている。

【００１２】しかしながら、このような半導体圧力セン
サで用いられる静圧センサは、温度に対する影響を共通
化するために、差圧センサ１０４〜１０６と同一基板上
で、同じ配置位置関係となるように静圧センサを配置し
ているので、静圧センサにも差圧歪みによる影響が出て
しまい、その応答特性が一義的な信号にならないことが
多いばかりか、このような静圧センサに対しても、差圧
センサの出力に基づいて補正を行なう必要があるため、
極めて厄介補正関係が必要であった。

【００１３】このため、静圧センサによって差圧センサ
の信号を補正する方法では、極めて大きな誤差を与える
危険がある。

【００１４】本発明は上記の事情に鑑み、静圧下ならび
に差圧下で生じる信号を補償することができるととも
に、静圧および差圧を同一半導体基板上で、しかも極め
て精度良く、かつ高い信頼性で検出することができる半
導体圧力センサおよびその製造方法を提供することを目
的としている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の第１の特徴は、第１面および第２面を有
し、その第１面に空洞が形成される単結晶半導体材料か
らなる第１半導体基板と、第１面および第２面を有し、
第１半導体基板の周囲に配置される複数の単結晶半導体
材料からなる第２半導体基板と、一端が第１半導体基板
の第１面に形成された空洞を取り囲むように第１および
第２半導体基板の各第１面に接合され、かつ検出すべき
圧力をその空洞に導入する導圧路を有する所定形状の台
座管と、第１半導体基板の第２面で空洞の反対側に形成
される複数の差圧センサであって、少なくとも１つが空
洞の中心と差圧センサとを結ぶ第１の直線に対して垂直
に配置され、少なくとも他の１つが第１の直線に対して
平行に配置される差圧センサと、第２半導体基板の第２
面で台座管に接合された一端の反対側に形成される複数
の静圧センサであって、少なくとも一つが空洞の中心と
静圧センサとを結ぶ第２の直線に対して垂直に配置さ
れ、少なくとも他の１つが第２の直線に対して平行に配
置される静圧センサとを備えた半導体圧力センサである
ことである。本発明の第２の特徴は、第１の特徴で述べ
た半導体圧力センサの製造方法に係る。すなわち、本発
明の第２の特徴は、複数の同一回路構成を持つ半導体基
板を形成する工程と、多数孔からなる台座管と半導体基
板とを接合する工程と、半導体基板を切断し、その回路
構成すべてについてそれぞれに含まれる差圧センサと静
圧センサとを分離する工程と、半導体基板および台座管
を共に切断し、回路構成ごとに半導体基板および台座管
を分離する工程とを少なくとも有する半導体圧力センサ
の製造方法であることである。

【００１６】

【作用】上記の構成において、１つの台座管の一端側中
央部分に第１半導体基板を接合して前記台座管に形成さ
れた導圧路を介して前記第１半導体基板の下面側に形成
された空洞に圧力を導いて差圧センサ部として使用し、
かつ前記第１半導体基板と完全に分離された複数の半導
体基板から構成される第２半導体基板を前記台座管の前
記一端側周辺部分に接合して前記第２半導体基板を静圧
センサ部として使用することにより、静圧下ならびに差
圧下で生じる信号を補償するとともに、静圧および差圧
を同一半導体基板上で、しかも極めて精度良く、かつ高
い信頼性で検出する。

【００１７】

【実施例】図１は本発明による半導体圧力センサの一実
施例を示す断面図である。

【００１８】この図に示す半導体圧力センサ１は薄い方
形の半導体基板２と、前記半導体基板２の周囲にこの半
導体基板２と分離して配置される長板状の半導体基板３
ａ〜３ｄ（図２参照）と、これらの各半導体基板２、３
ａ〜３ｄの一面に接合される台座管４とによって構成さ
れている。

【００１９】半導体基板２はシリコンのような単結晶材
料によって構成される矩形状の基板５によって構成され
ており、この半導体基板２の中央部分下側（図１におい
て下側）に矩形状の凹部６を形成して作った薄肉のダイ
ヤフラム部７が形成されるとともに、図２に示す如く前
記ダイヤフラム部７の上側（図１において上側）にボロ
ン等の不純物を拡散により注入して前記基板５と一体に
形成したピエゾ特性を有する所望形状の差圧センサ８〜
１１が形成されている。

【００２０】この場合、前記各差圧センサ８〜１１は差
圧センサ８、９が一方の結晶軸方向に配置され、他方の
各差圧センサ１０、１１が前記結晶軸方向と直交する方
向に配置されている。

【００２１】そして、前記ダイヤフラム部７の上面側
と、下面側との差圧によって前記ダイヤフラム部７が歪
んだとき、この歪みに応じて前記各差圧センサ８〜１１
の抵抗値が変化してこれが差圧検出信号として外部に出
力される。

【００２２】また、各半導体基板３ａ〜３ｄは各々、溝
１９によって前記半導体基板２と分離されるシリコンの
ような単結晶材料によって構成されており、図２に示す
如くこれら半導体基板３ａ〜３ｄの上側（図１において
上側）にボロン等の不純物を拡散注入して前記半導体基
板３ａ〜３ｄと一体に形成したピエゾ特性を所望形状の
有する静圧センサ１３〜１６が形成されている。

【００２３】この場合、前記各静圧センサ１３〜１６は
静圧センサ１３、１４が一方の結晶軸方向に配置され、
他方の各静圧センサ１５、１６が前記結晶軸方向と直交
する方向に配置されている。

【００２４】そして、前記半導体基板３ａ〜３ｄが収め
られている部分の静圧によって前記半導体基板３ａ〜３
ｄが歪んだとき、この歪みに応じて前記各静圧センサ１
３〜１６の抵抗値が変化してこれが静圧検出信号として
出力される。

【００２５】また、台座管４はパイレックガラス等によ
って構成され、その外径が前記半導体基板３ａ〜３ｄの
外縁と接する同じ長さに形成されるとともに、その内径
が前記凹部６の径よりもかなり短く形成される断面円形
の筒部材１７によって構成されており、その上端（図１
において上端）が前記各半導体基板２、３ａ〜３ｄの下
面に接合され、その内部に形成された断面円形の導圧路
１８によって前記半導体基板２の凹部６に検出対象とな
る圧力媒体を導く。

【００２６】次に、図１および図２を参照しながらこの
実施例の構造と効果と関係を説明する。

【００２７】まず、ダイヤフラム部７が形成されている
半導体基板２の周囲に配置されている半導体基板３ａ〜
３ｄに対して異種材料となるパイレックガラス等の台座
管４を接合しているため、ダイヤフラム部７にかかる差
圧がゼロで、静圧のみが加えられたときには、圧縮率の
大きい台座管４側から圧縮率の小さい半導体基板２、３
ａ〜３ｄにより大きな歪みが伝わり易い。

【００２８】このため、半導体基板３ａ〜３ｄと台座管
４との接合面直上の半導体基板３ａ〜３ｄの上面（図１
において上面）側に誘起される歪みはダイヤフラム部７
に誘起される歪みよりもかなり大きい。

【００２９】一方、差圧センサ８〜１１が形成されてい
る半導体基板２と、静圧センサ１３〜１６が形成されて
いる半導体基板３ａ〜３ｄとが完全に分離されているの
で、ダイヤフラム部７の両面にかかる差圧によってダイ
ヤフラム面に誘起される歪みは、このダイヤフラム部７
が形成されている半導体基板２と完全に分離された半導
体基板３ａ〜３ｄ側の上面に極めて伝わり難くい。

【００３０】これによって、静圧を主として検出する静
圧センサ１３〜１６は差圧による誤差が小さくなり、か
つ差圧の測定範囲内では一義的な誤差特性を表わす。

【００３１】この結果、１つの組になった４個の差圧セ
ンサ８〜１１は主としてダイヤフラム部７にかかる差圧
を検出し、別の組になった４個の静圧センサ１３〜１６
は半導体基板３ａ〜３ｄと台座管４とにかかる静圧変化
によってのみ生じる信号を出力するので、静圧センサ１
３〜１６から出力される信号によって差圧センサ８〜１
１から出力される信号を補正することにより、前記差圧
センサ８〜１１の出力に含まれる静圧誤差信号成分を除
去することができる。

【００３２】次に、図３〜図５を参照しながら図１およ
び図２に示す半導体圧力センサの製造方法について説明
する。

【００３３】まず、ウエハ２５を加工して図３（ａ）、
（ｂ）に示す如くこのウエハ２５上に各半導体圧力セン
サ１のパターンを形成するとともに、これら各半導体圧
力センサ１のパターンの下になる部分に凹部６を各々、
形成する。

【００３４】また、この作業と並行して、図４（ａ）、
（ｂ）に示す如く円板状のパイレックガラス２６に前記
ウエハ２５に形成されている各半導体圧力センサ１のパ
ターン下面に対応する部分に導圧路１８を形成する。

【００３５】次いで、図５（ａ）に示す如く前記ウエハ
２５と前記パイレックガラス２６とを陽極接合等によっ
て接合した後、図５（ｂ）に示す如くダイシングによっ
て各半導体圧力センサ１毎に半導体基板２と、各半導体
基板３ａ〜３ｄとの間に溝１９を形成してこれらを分離
する。

【００３６】次いで、図５（ｃ）に示す如くダイシング
によって各半導体圧力センサ１毎にウエハ２５およびパ
イレックガラス２６に溝２７を形成して各半導体圧力セ
ンサ１毎にウエハ２５およびパイレックガラス２６を互
いに切り離して図１および図２に示す半導体圧力センサ
１を作る。

【００３７】このようにこの実施例においては、半導体
基板２の中央部分下面にパイレックガラス等によつて構
成される台座管４を接合して前記半導体基板２を差圧セ
ンサ部７として使用し、前記半導体基板２の周辺部に前
記半導体基板２と完全に分離した半導体基板３ａ〜３ｄ
を配置するとともに、この半導体基板３ａ〜３ｄの下面
を前記台座管４に接合して前記半導体基板３ａ〜３ｄを
静圧センサ部として使用するようにしたので、静圧下な
らびに差圧下で生じる信号を補償することができるとと
もに、静圧および差圧を同一半導体基板上で、しかも極
めて精度良く、かつ高い信頼性で検出することができ
る。

【００３８】また、上述した実施例においては、半導体
基板２と、半導体基板３ａ〜３ｄとを分離する工程と、
各半導体圧力センサ１を分離する工程とを同一工程で行
なうことができるので、半導体圧力センサ１の製造工程
を少なくして製造コストを低減させることができる。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、静
圧下ならびに差圧下で生じる信号を補償することができ
るとともに、静圧および差圧を同一半導体基板上で、し
かも極めて精度良く、かつ高い信頼性で検出することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体圧力センサの一実施例を示
す断面図である。

【図２】図１に示す半導体圧力センサの平面図である。

【図３】図１に示す半導体圧力センサを製造するときの
ウエハを示す平面図および断面図である。

【図４】図１に示す半導体圧力センサを製造するときの
パイレックガラスを示す平面図および断面図である。

【図５】図１に示す半導体圧力センサを製造するときの
工程例を示す断面図である。

【図６】従来から知られている半導体圧力センサの一例
を示す断面図である。

【図７】図６に示す半導体圧力センサの平面図である。

【符号の説明】

２ 半導体基板（第１半導体基板） ３ａ〜３ｄ 半導体基板（第２半導体基板） ４ 台座管 ６ 空洞 ８、９ 垂直方向の差圧センサ １０、１１ 平行方向の差圧センサ １３、１４ 垂直方向の静圧センサ １５、１６ 平行方向の静圧センサ １８ 導圧路 １９ 溝

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１面および第２面を有し、前記第１面
   に空洞が形成される単結晶半導体材料からなる第１半導
   体基板と、 第１面および第２面を有し、前記第１半導体基板の周囲
   に配置される複数の単結晶半導体材料からなる第２半導
   体基板と、 その一端が前記第１半導体基板の前記第１面に形成され
   た前記空洞を取り囲むように前記第１、第２半導体基板
   の各第１面に接合され、かつ検出すべき圧力を前記空洞
   に導入する導圧路を有する所定形状の台座管と、前記第１半導体基板の前記第２面で前記空洞の反対側に
   形成される複数の差圧センサであって、少なくとも１つ
   が前記空洞の中心と前記差圧センサとを結ぶ第１の直線
   に対して垂直に配置され、少なくとも他の１つが前記第
   １の直線に対して平行に配置される差圧センサと、 前記第２半導体基板の前記第２面で前記台座管に接合さ
   れた一端の反対側に形成される複数の静圧センサであっ
   て、少なくとも一つが前記空洞の中心と前記静圧センサ
   とを結ぶ第２の直線に対して垂直に配置され、少なくと
   も他の１つが前記第２の直線に対して平行に配置される
   静圧センサと を備えたことを特徴とする半導体圧力セン
   サ。
2. 【請求項２】 複数の同一回路構成を持つ半導体基板を
   形成する工程と、 多数孔からなる台座管と前記半導体基板とを接合する工
   程と、 前記半導体基板を切断し、前記回路構成すべてについて
   前記回路構成それぞれに含まれる差圧センサと静圧セン
   サとを分離する工程と、 前記半導体基板および台座管を切断し、前記回路構成ご
   とに前記半導体基板および台座管を分離する工程とを有
   する ことを特徴とする半導体圧力センサの製造方法。