JP3371829B2 - 半導体圧力センサ - Google Patents
半導体圧力センサInfo
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体基板の主表
面に形成されたホイーストンブリッジを構成するひずみ
ゲージにより、圧力を測定する半導体圧力センサに関す
る。 【０００２】 【背景技術及び発明が解決しようとする課題】半導体圧
力センサは、多様な分野（例えば、エンジンのシリンダ
内の燃焼圧力の測定）に応用されており、半導体圧力セ
ンサの測定精度の向上という強い要請がある。 【０００３】本発明の目的は、正確な圧力の測定が可能
な半導体圧力センサを提供することである。 【０００４】 【課題を解決するための手段】（１）本発明は、主表面
を有する半導体基板と、主表面に形成されたホイースト
ンブリッジを構成するひずみゲージと、主表面に形成さ
れ、ひずみゲージと電気的に接続された電極と、ひずみ
ゲージに接合された台座部材と、を備えた半導体圧力セ
ンサであって、主表面に形成され、かつ台座部材と接合
された枠部材を備え、主表面、枠部材及び台座部材によ
って空間部が規定され、ひずみゲージ及び電極は、空間
部に配置されている。 【０００５】（ａ）本発明は、主表面、枠部材及び台座
部材によって空間部を形成し、ひずみゲージ及び電極を
空間部に配置したことを特徴としている。よって、ひず
みゲージは、測定環境から隔離されることになる。した
がって、静電気等の電気的リークが、測定環境を介して
ひずみゲージに加わり、圧力測定の精度が劣化するのを
防ぐことができる。 【０００６】（ｂ）また、本発明によれば、電極も測定
環境から隔離されることになる。よって、水蒸気や水分
の含まれる測定環境でも、長期間安定に測定することが
できる。 【０００７】なお、測定圧力が小さく、このためひずみ
ゲージのひずみが小さく、台座部材が電極に接触するの
を避けることができる場合、電極の高さはひずみゲージ
の高さより小さいのが好ましい。台座部材が電極に接触
しないほうが、ひずみゲージに作用する圧力が大きくな
り、ひずみゲージの出力感度を高くすることができるか
らである。 【０００８】一方、測定圧力が大きく、このためひずみ
ゲージのひずみが大きくなり、台座部材が電極に接触す
るのを避けることができない場合、電極の高さとひずみ
ゲージの高さとは等しいのが好ましい。電極の高さがひ
ずみゲージの高さより小さいと、測定圧力が低い段階で
は、電極が台座部材と接触せず、測定圧力が高い段階
で、電極が台座部材と接触するということになる。これ
では、測定圧力が高い段階と低い段階とでは条件が異な
り、正確な圧力の変化を測定できないからである。 電
極の高さとひずみゲージの高さとが等しい態様の場合、
電極の圧縮剛性は、ひずみゲージの圧縮剛性と等しい
か、又は小さくするのが好ましい。測定圧力による電極
の変形量が小さいと、ひずみゲージが分担する圧縮応力
が減少し、出力感度が低下するからである。 【０００９】電極の圧縮剛性を、ひずみゲージの圧縮剛
性と等しいか、又は小さくする方法としては、電極とひ
ずみゲージとを同一材質とし、かつ電極の受圧面積をひ
ずみゲージの受圧面積と同じ、又は小さくするのが実用
的である。 【００１０】また、電極の高さとひずみゲージの高さと
が等しい態様の場合、枠部材の高さもこれらの高さと等
しいのが好ましい。この構造だと、枠部材と電極とひず
みゲージとで、台座部材から伝達される圧力を受けるこ
とになる。したがって、圧力を受ける際のひずみゲージ
の水平方向の応力の負担が軽減され、ひずみゲージがせ
ん断破壊する可能性を小さくできる。 【００１１】（ｃ）電極の配置の一態様としては、ひず
みゲージの内側に配置する態様がある。この態様によれ
ば、電極が測定雰囲気から完全に隔離され、半導体圧力
センサの耐久性が向上する。 【００１２】電極の配置の他の態様としては、ひずみゲ
ージと枠部材との間に配置する態様がある。この態様に
よれば、ひずみゲージを半導体基板の主表面の中心近傍
に配置できるので、ひずみゲージを小さくできる。この
ため、ひずみゲージの抵抗を小さくできる。よって、対
電気ノイズ対策として有効である。 【００１３】（ｄ）枠部材、ひずみゲージ及び電極は、
半導体基板の主表面をサーフェイスマイクロマシン技術
によるメサエッチングすることにより形成されるのが好
ましい。 【００１４】（ｅ）枠部材の形状は、ひずみゲージの形
状の相似形が好ましい。枠部材で囲まれる領域の面積を
小さくでき、半導体圧力センサの微細化を図れるからで
ある。枠部材で囲まれる領域の面積が問題とならないな
らば、円、楕円等の閉じた形状であればよい。 【００１５】（ｆ）本発明に係る半導体圧力センサを利
用できる分野として、例えば、自動車のブレーキ油圧の
測定、自動車のエンジンオイル油圧の測定等がある。 【００１６】（２）本発明は、主表面を有する半導体基
板と、主表面に形成されたホイーストンブリッジを構成
するひずみゲージと、主表面に形成され、ひずみゲージ
と電気的に接続された電極と、ひずみゲージに接合され
た台座部材と、を備えた半導体圧力センサであって、主
表面、ひずみゲージ及び台座部材によって空間部が規定
され、電極は、空間部に配置されている。 【００１７】本発明は、上記（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）の
効果を有する。 【００１８】 【発明の実施の形態】［構造の説明］図１は、本発明の
一実施の形態に係る半導体圧力センサの平面図である。
図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。図１及び図２に示
すように、半導体圧力センサ１５は、シリコン単結晶基
板３６の主表面１０、外側メサ部１２及び台座４２で空
間部５６を形成し、この空間部５６に内側メサ部１４及
び電極部１６、１８、２０、２２を配置したことを特徴
としている。以下に詳細に説明する。 【００１９】図１に示すように、シリコン単結晶基板の
主表面１０は、（１１０）面である。主表面１０には、
“口”の字状をした外側メサ部１２が形成されている。
外側メサ部１２は、主表面１０をメサエッチングするこ
とにより形成される。外側メサ部１２の高さは３μｍ程
度である。外側メサ部１２は、枠部材の一例である。 【００２０】外側メサ部１２の内側の主表面１０には、
“口”の字状をした内側メサ部１４が形成されている。
内側メサ部１４は、主表面１０をメサエッチングするこ
とにより形成される。内側メサ部１４の高さは、同じく
３μｍ程度である。内側メサ部１４は、フルブリッジ構
成の“口”の字状のひずみゲージである。すなわち、ひ
ずみゲージ１１ａとひずみゲージ１１ｂとが向かい合っ
て配置され、かつひずみゲージ１３ａとひずみゲージ１
３ｂとが向かい合って配置されることにより、“口”の
字状が形成されている。ひずみゲージ１１ａ、１１ｂの
長手方向が〈１１０〉方向を向いている。ひずみゲージ
１３ａ、１３ｂの長手方向が〈１００〉方向を向いてい
る。 【００２１】内側メサ部１４の内側の主表面１０には、
４個の電極部１６、１８、２０、２２が形成されてい
る。電極部１６は、凹部を有する電極メサ部２６と、凹
部に形成された電極２４と、を備える。電極部１８も同
じ構成であり、凹部を有する電極メサ部２１と、凹部に
形成された電極１９と、を備える。電極部２０も同じ構
成であり、凹部を有する電極メサ部２５と、凹部に形成
された電極２３と、を備える。電極部２２も同じ構成で
あり、凹部を有する電極メサ部２９と、凹部に形成され
た電極２７と、を備える。電極メサ部２１、２５、２
６、２９は、主表面１０をメサエッチングすることによ
り形成される。電極メサ部２１、２５、２６、２９の高
さは３μｍ程度である。 【００２２】内側メサ部１４の内側の主表面１０には、
４個の配線部２８、３０、３２、３４が形成されてい
る。配線部２８、３０、３２、３４は、主表面１０をメ
サエッチングすることにより形成される。配線部２８、
３０、３２、３４の高さは１〜２μｍである。 【００２３】配線部２８は、ひずみゲージ１１ａとひず
みゲージ１３ｂとの結合部と、電極部１６とを電気的に
接続する。配線部３０は、ひずみゲージ１１ｂとひずみ
ゲージ１３ｂとの結合部と、電極部１８とを電気的に接
続する。配線部３２は、ひずみゲージ１１ｂとひずみゲ
ージ１３ａとの結合部と、電極部２０とを電気的に接続
する。配線部３４は、ひずみゲージ１１ａとひずみゲー
ジ１３ａとの結合部と、電極部２２とを電気的に接続す
る。例えば、拡散層を用いた拡散リードや、アルミニウ
ム、タングステン等の金属配線により、これらの電気的
接続をすることができる。 【００２４】この実施の形態は、ひずみゲージ１１ａ、
１１ｂ、１３ａ、１３ｂに作用した応力を、シリコン単
結晶基板のピエゾ抵抗効果（ピエゾ抵抗係数π13）を用
いて電気信号に変換し、応力を測定する。ピエゾ抵抗係
数π13とは、電圧検出の方向と電流を流す方向が同じ
で、上記方向と垂直に一軸応力が作用する場合のピエゾ
抵抗係数を指している。ピエゾ抵抗係数π13は、シリコ
ン単結晶の（１１０）面上で〈１１０〉方向に最大の感
度を有し、〈１００〉方向には感度０である。 【００２５】図２に示すように、シリコン単結晶基板３
６の主表面には、シリコン酸化膜からなる埋め込み絶縁
層３８が形成されている。埋め込み絶縁層３８上であっ
て、かつ埋め込み絶縁層３８の縁部近傍には、外側メサ
部１２が形成されている。埋め込み絶縁層３８上であっ
て、かつ外側メサ部１２の内側には、内側メサ部１４が
形成されている。 【００２６】埋め込み絶縁層３８上であって、かつ内側
メサ部１４の内側には、電極メサ部２５、２６が形成さ
れている。電極メサ部２５の凹部には、電極２３が形成
されている。電極メサ部２６の凹部には、電極２４が形
成されている。内側メサ部１４と電極メサ部２５とは、
配線部３２によって接続されている。内側メサ部１４と
電極メサ部２６とは、配線部２８によって接続されてい
る。 【００２７】台座４２は、シリコン単結晶基板３６の主
表面上に配置されている。台座４２は、外側メサ部１
２、内側メサ部１４、電極メサ部２１、２５、２６、２
９（電極メサ部２１、２９は図示されず）と陽極接合に
よって接合されている。接合方法としては、他にガラス
半田接合がある。 【００２８】台座４２には貫通孔４４、４６が設けられ
ている。電極２３に接続されたリード線５０は、貫通孔
４６をとおり、外部に引き出されている。また、電極２
４に接続されたリード線４８は、貫通孔４４をとおり、
外部に引き出されている。図２で示す断面には図示され
ていないが、電極１９、２７にも、それぞれ、リード線
が接続され、図示しない貫通孔を通して外部に引き出さ
れている。 【００２９】［電極部とリード線との接続部の構造の説
明］電極部とリード線との接続部の構造としては、例え
ば、以下の３態様がある。 【００３０】図３は、第１の態様を示している。電極メ
サ部２５及び配線部３２を覆うように、シリコン酸化膜
５４が形成されている。また、電極メサ部２６及び配線
部２８を覆うように、シリコン酸化膜５２が形成されて
いる。電極メサ部２５、２６には、それぞれ、凹部５
８、６０が形成されている。凹部５８、６０において
は、シリコン酸化膜５２、５４が除去されている。凹部
５８、６０には、ニッケルからなる電極２３、２４が形
成されている。リード線４８、５０は、白金、ニッケル
又はニッケル合金からなる。リード線４８、５０と電極
２３、２４とは、エレクトロパーカッション溶接（通電
溶接）により接続されている。 【００３１】第１の態様によれば、台座４２とシリコン
単結晶基板３６との接合後、リード線４８、５０を溶接
することができる。よって、半導体圧力センサを量産す
ることが可能となる。 【００３２】図４は、第２の態様を示している。凹部５
８、６０には、アルミニウムからなる電極２３、２４が
形成されている。リード線４８、５０は、金又は銅から
なる。リード線４８、５０と電極２３、２４とは、超音
波ボンディングにより接続されている。その他の構成
は、第１の態様と同じである。第２の態様によれば、確
実に電気的導通をすることができ、よって、生産の歩留
まりが向上する。 【００３３】図５は、第３の態様を示している。電極メ
サ部２５、２６には、凹部が形成されていない。そのか
わりに台座４２に凹部６２、６４が形成され、凹部６
２、６４に電極２３、２４が位置している。その他の構
成は、第２の態様と同じである。第３の態様によれば、
凹部内に電極を作製するという、高度なマイクロマシン
技術を用いることなく、第２の態様と同様な効果が得ら
れる。 【００３４】［半導体圧力センサの使用形態の説明］図
６は、ハウジングに本発明の一実施の形態に係る半導体
圧力センサを組み込んだ状態を示す断面図である。ハウ
ジング６６には、貫通穴７０が形成されている。貫通穴
７０には、保持器７２がはめ込まれている。保持器７２
は、プロジュクション溶接によりハウジング６６に固定
されている。保持器７２には凹部７４が形成されてい
る。凹部７４は、貫通穴７０の一方の開口部側に配置さ
れ、凹部７４が外部雰囲気と接するようにされている。 【００３５】凹部７４には、この実施の形態に係る半導
体圧力センサ１５が配置されている。台座４２の一方の
面が、凹部７４の底に接着されている。台座４２の他方
の面には、シリコン単結晶基板３６が接合されている。
凹部７４は、金網７６で蓋をされている。これにより、
半導体圧力センサ１５を測定雰囲気に含まれるゴミ（特
に硬いゴミ）から保護している。 【００３６】保持器７２には、貫通孔７８、８０が形成
されている。上記したように、台座４２の一方の面が、
凹部７４の底に接着されている。このため、貫通孔７
８、８０は気密の状態となる。図２に示すリード線４
８、５０は、貫通孔７８、８０を通され、さらに貫通穴
７０を通され、貫通穴７０の他方の開口部から外部に引
き出されている。貫通穴７０のうち、貫通穴７０の他方
の開口部から保持器７２までの部分には、樹脂からなる
充填材８２が充填されている。なお、ハウジング６６の
外周面には、テーパ状のねじ部６８が形成されている。 【００３７】ハウジング６６の装着は、ねじ部６８を用
いて行われる。ハウジング６６内の半導体圧力センサ１
５は、ブレーキ油の圧力を測定するのに使用される。 【００３８】［内側メサ部等の形成方法の説明］本発明
の一実施の形態に係る半導体圧力センサの内側メサ部１
４等の形成方法を説明する。内側メサ部１４等は、サー
フェイスマイクロマシン技術を利用して形成される。 【００３９】図７に示すように、ｎ型のシリコン単結晶
基板３６の主表面の全面に酸素原子をイオン注入する。
注入された酸素原子を熱処理により活性化させ、シリコ
ン単結晶基板３６中にシリコン酸化膜からなる埋め込み
絶縁層３８を形成する。これにより、シリコン単結晶基
板３６はＳＯＩ構造となる。なお、シリコン単結晶基板
と酸化膜付けシリコン単結晶基板とを、酸化膜が間に位
置するように直接接合し、片方の基板を研磨することに
よってもＳＯＩ構造を作製することができる。 【００４０】図８に示すように、シリコン単結晶基板３
６の主表面の全面にボロンをイオン注入し、埋め込み絶
縁層３８上に高濃度のｐ型層８４を形成する。 【００４１】図９に示すように、ｐ型層８４をメサエッ
チングし、外側メサ部１２、内側メサ部１４、電極メサ
部２５、２６、配線部２８、３２を形成する。以上の工
程により、内側メサ部１４等が完成する。 【００４２】［効果の説明］ （１）図１及び図２に示すように、この実施の形態に係
る半導体圧力センサは、シリコン単結晶基板３６の主表
面１０、外側メサ部１２及び台座４２によって空間部５
６を形成し、内側メサ部１４（ひずみゲージ１１ａ、１
１ｂ、１３ａ、１３ｂ）及び電極部１６、１８、２０、
２２を空間部に配置したことを特徴としている。よっ
て、ひずみゲージ１１ａ、１１ｂ、１３ａ、１３ｂは、
測定環境から隔離されることになる。したがって、電気
的ノイズが、測定環境を介してひずみゲージ１１ａ、１
１ｂ、１３ａ、１３ｂに加わり、圧力測定の精度が劣化
するのを防ぐことができる。 【００４３】電極部１６、１８、２０、２２も測定環境
から隔離されることになる。よって、湿気による電極の
腐食を防止することができる。 【００４４】（２）図２に示すように、この実施の形態
に係る半導体圧力センサは、外側メサ部１２及び電極メ
サ部２１、２５、２６、２９は、内側メサ部１４と同じ
高さである。よって、外側メサ部１２と電極メサ部２
１、２５、２６、２９と内側メサ部１４とで、台座４２
から伝達される圧縮力を受けることになる。したがっ
て、圧縮力を受ける際の内側メサ部１４の負担が軽減さ
れ、内側メサ部１４が破壊する可能性を小さくできる。 【００４５】
面に形成されたホイーストンブリッジを構成するひずみ
ゲージにより、圧力を測定する半導体圧力センサに関す
る。 【０００２】 【背景技術及び発明が解決しようとする課題】半導体圧
力センサは、多様な分野（例えば、エンジンのシリンダ
内の燃焼圧力の測定）に応用されており、半導体圧力セ
ンサの測定精度の向上という強い要請がある。 【０００３】本発明の目的は、正確な圧力の測定が可能
な半導体圧力センサを提供することである。 【０００４】 【課題を解決するための手段】（１）本発明は、主表面
を有する半導体基板と、主表面に形成されたホイースト
ンブリッジを構成するひずみゲージと、主表面に形成さ
れ、ひずみゲージと電気的に接続された電極と、ひずみ
ゲージに接合された台座部材と、を備えた半導体圧力セ
ンサであって、主表面に形成され、かつ台座部材と接合
された枠部材を備え、主表面、枠部材及び台座部材によ
って空間部が規定され、ひずみゲージ及び電極は、空間
部に配置されている。 【０００５】（ａ）本発明は、主表面、枠部材及び台座
部材によって空間部を形成し、ひずみゲージ及び電極を
空間部に配置したことを特徴としている。よって、ひず
みゲージは、測定環境から隔離されることになる。した
がって、静電気等の電気的リークが、測定環境を介して
ひずみゲージに加わり、圧力測定の精度が劣化するのを
防ぐことができる。 【０００６】（ｂ）また、本発明によれば、電極も測定
環境から隔離されることになる。よって、水蒸気や水分
の含まれる測定環境でも、長期間安定に測定することが
できる。 【０００７】なお、測定圧力が小さく、このためひずみ
ゲージのひずみが小さく、台座部材が電極に接触するの
を避けることができる場合、電極の高さはひずみゲージ
の高さより小さいのが好ましい。台座部材が電極に接触
しないほうが、ひずみゲージに作用する圧力が大きくな
り、ひずみゲージの出力感度を高くすることができるか
らである。 【０００８】一方、測定圧力が大きく、このためひずみ
ゲージのひずみが大きくなり、台座部材が電極に接触す
るのを避けることができない場合、電極の高さとひずみ
ゲージの高さとは等しいのが好ましい。電極の高さがひ
ずみゲージの高さより小さいと、測定圧力が低い段階で
は、電極が台座部材と接触せず、測定圧力が高い段階
で、電極が台座部材と接触するということになる。これ
では、測定圧力が高い段階と低い段階とでは条件が異な
り、正確な圧力の変化を測定できないからである。 電
極の高さとひずみゲージの高さとが等しい態様の場合、
電極の圧縮剛性は、ひずみゲージの圧縮剛性と等しい
か、又は小さくするのが好ましい。測定圧力による電極
の変形量が小さいと、ひずみゲージが分担する圧縮応力
が減少し、出力感度が低下するからである。 【０００９】電極の圧縮剛性を、ひずみゲージの圧縮剛
性と等しいか、又は小さくする方法としては、電極とひ
ずみゲージとを同一材質とし、かつ電極の受圧面積をひ
ずみゲージの受圧面積と同じ、又は小さくするのが実用
的である。 【００１０】また、電極の高さとひずみゲージの高さと
が等しい態様の場合、枠部材の高さもこれらの高さと等
しいのが好ましい。この構造だと、枠部材と電極とひず
みゲージとで、台座部材から伝達される圧力を受けるこ
とになる。したがって、圧力を受ける際のひずみゲージ
の水平方向の応力の負担が軽減され、ひずみゲージがせ
ん断破壊する可能性を小さくできる。 【００１１】（ｃ）電極の配置の一態様としては、ひず
みゲージの内側に配置する態様がある。この態様によれ
ば、電極が測定雰囲気から完全に隔離され、半導体圧力
センサの耐久性が向上する。 【００１２】電極の配置の他の態様としては、ひずみゲ
ージと枠部材との間に配置する態様がある。この態様に
よれば、ひずみゲージを半導体基板の主表面の中心近傍
に配置できるので、ひずみゲージを小さくできる。この
ため、ひずみゲージの抵抗を小さくできる。よって、対
電気ノイズ対策として有効である。 【００１３】（ｄ）枠部材、ひずみゲージ及び電極は、
半導体基板の主表面をサーフェイスマイクロマシン技術
によるメサエッチングすることにより形成されるのが好
ましい。 【００１４】（ｅ）枠部材の形状は、ひずみゲージの形
状の相似形が好ましい。枠部材で囲まれる領域の面積を
小さくでき、半導体圧力センサの微細化を図れるからで
ある。枠部材で囲まれる領域の面積が問題とならないな
らば、円、楕円等の閉じた形状であればよい。 【００１５】（ｆ）本発明に係る半導体圧力センサを利
用できる分野として、例えば、自動車のブレーキ油圧の
測定、自動車のエンジンオイル油圧の測定等がある。 【００１６】（２）本発明は、主表面を有する半導体基
板と、主表面に形成されたホイーストンブリッジを構成
するひずみゲージと、主表面に形成され、ひずみゲージ
と電気的に接続された電極と、ひずみゲージに接合され
た台座部材と、を備えた半導体圧力センサであって、主
表面、ひずみゲージ及び台座部材によって空間部が規定
され、電極は、空間部に配置されている。 【００１７】本発明は、上記（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）の
効果を有する。 【００１８】 【発明の実施の形態】［構造の説明］図１は、本発明の
一実施の形態に係る半導体圧力センサの平面図である。
図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。図１及び図２に示
すように、半導体圧力センサ１５は、シリコン単結晶基
板３６の主表面１０、外側メサ部１２及び台座４２で空
間部５６を形成し、この空間部５６に内側メサ部１４及
び電極部１６、１８、２０、２２を配置したことを特徴
としている。以下に詳細に説明する。 【００１９】図１に示すように、シリコン単結晶基板の
主表面１０は、（１１０）面である。主表面１０には、
“口”の字状をした外側メサ部１２が形成されている。
外側メサ部１２は、主表面１０をメサエッチングするこ
とにより形成される。外側メサ部１２の高さは３μｍ程
度である。外側メサ部１２は、枠部材の一例である。 【００２０】外側メサ部１２の内側の主表面１０には、
“口”の字状をした内側メサ部１４が形成されている。
内側メサ部１４は、主表面１０をメサエッチングするこ
とにより形成される。内側メサ部１４の高さは、同じく
３μｍ程度である。内側メサ部１４は、フルブリッジ構
成の“口”の字状のひずみゲージである。すなわち、ひ
ずみゲージ１１ａとひずみゲージ１１ｂとが向かい合っ
て配置され、かつひずみゲージ１３ａとひずみゲージ１
３ｂとが向かい合って配置されることにより、“口”の
字状が形成されている。ひずみゲージ１１ａ、１１ｂの
長手方向が〈１１０〉方向を向いている。ひずみゲージ
１３ａ、１３ｂの長手方向が〈１００〉方向を向いてい
る。 【００２１】内側メサ部１４の内側の主表面１０には、
４個の電極部１６、１８、２０、２２が形成されてい
る。電極部１６は、凹部を有する電極メサ部２６と、凹
部に形成された電極２４と、を備える。電極部１８も同
じ構成であり、凹部を有する電極メサ部２１と、凹部に
形成された電極１９と、を備える。電極部２０も同じ構
成であり、凹部を有する電極メサ部２５と、凹部に形成
された電極２３と、を備える。電極部２２も同じ構成で
あり、凹部を有する電極メサ部２９と、凹部に形成され
た電極２７と、を備える。電極メサ部２１、２５、２
６、２９は、主表面１０をメサエッチングすることによ
り形成される。電極メサ部２１、２５、２６、２９の高
さは３μｍ程度である。 【００２２】内側メサ部１４の内側の主表面１０には、
４個の配線部２８、３０、３２、３４が形成されてい
る。配線部２８、３０、３２、３４は、主表面１０をメ
サエッチングすることにより形成される。配線部２８、
３０、３２、３４の高さは１〜２μｍである。 【００２３】配線部２８は、ひずみゲージ１１ａとひず
みゲージ１３ｂとの結合部と、電極部１６とを電気的に
接続する。配線部３０は、ひずみゲージ１１ｂとひずみ
ゲージ１３ｂとの結合部と、電極部１８とを電気的に接
続する。配線部３２は、ひずみゲージ１１ｂとひずみゲ
ージ１３ａとの結合部と、電極部２０とを電気的に接続
する。配線部３４は、ひずみゲージ１１ａとひずみゲー
ジ１３ａとの結合部と、電極部２２とを電気的に接続す
る。例えば、拡散層を用いた拡散リードや、アルミニウ
ム、タングステン等の金属配線により、これらの電気的
接続をすることができる。 【００２４】この実施の形態は、ひずみゲージ１１ａ、
１１ｂ、１３ａ、１３ｂに作用した応力を、シリコン単
結晶基板のピエゾ抵抗効果（ピエゾ抵抗係数π13）を用
いて電気信号に変換し、応力を測定する。ピエゾ抵抗係
数π13とは、電圧検出の方向と電流を流す方向が同じ
で、上記方向と垂直に一軸応力が作用する場合のピエゾ
抵抗係数を指している。ピエゾ抵抗係数π13は、シリコ
ン単結晶の（１１０）面上で〈１１０〉方向に最大の感
度を有し、〈１００〉方向には感度０である。 【００２５】図２に示すように、シリコン単結晶基板３
６の主表面には、シリコン酸化膜からなる埋め込み絶縁
層３８が形成されている。埋め込み絶縁層３８上であっ
て、かつ埋め込み絶縁層３８の縁部近傍には、外側メサ
部１２が形成されている。埋め込み絶縁層３８上であっ
て、かつ外側メサ部１２の内側には、内側メサ部１４が
形成されている。 【００２６】埋め込み絶縁層３８上であって、かつ内側
メサ部１４の内側には、電極メサ部２５、２６が形成さ
れている。電極メサ部２５の凹部には、電極２３が形成
されている。電極メサ部２６の凹部には、電極２４が形
成されている。内側メサ部１４と電極メサ部２５とは、
配線部３２によって接続されている。内側メサ部１４と
電極メサ部２６とは、配線部２８によって接続されてい
る。 【００２７】台座４２は、シリコン単結晶基板３６の主
表面上に配置されている。台座４２は、外側メサ部１
２、内側メサ部１４、電極メサ部２１、２５、２６、２
９（電極メサ部２１、２９は図示されず）と陽極接合に
よって接合されている。接合方法としては、他にガラス
半田接合がある。 【００２８】台座４２には貫通孔４４、４６が設けられ
ている。電極２３に接続されたリード線５０は、貫通孔
４６をとおり、外部に引き出されている。また、電極２
４に接続されたリード線４８は、貫通孔４４をとおり、
外部に引き出されている。図２で示す断面には図示され
ていないが、電極１９、２７にも、それぞれ、リード線
が接続され、図示しない貫通孔を通して外部に引き出さ
れている。 【００２９】［電極部とリード線との接続部の構造の説
明］電極部とリード線との接続部の構造としては、例え
ば、以下の３態様がある。 【００３０】図３は、第１の態様を示している。電極メ
サ部２５及び配線部３２を覆うように、シリコン酸化膜
５４が形成されている。また、電極メサ部２６及び配線
部２８を覆うように、シリコン酸化膜５２が形成されて
いる。電極メサ部２５、２６には、それぞれ、凹部５
８、６０が形成されている。凹部５８、６０において
は、シリコン酸化膜５２、５４が除去されている。凹部
５８、６０には、ニッケルからなる電極２３、２４が形
成されている。リード線４８、５０は、白金、ニッケル
又はニッケル合金からなる。リード線４８、５０と電極
２３、２４とは、エレクトロパーカッション溶接（通電
溶接）により接続されている。 【００３１】第１の態様によれば、台座４２とシリコン
単結晶基板３６との接合後、リード線４８、５０を溶接
することができる。よって、半導体圧力センサを量産す
ることが可能となる。 【００３２】図４は、第２の態様を示している。凹部５
８、６０には、アルミニウムからなる電極２３、２４が
形成されている。リード線４８、５０は、金又は銅から
なる。リード線４８、５０と電極２３、２４とは、超音
波ボンディングにより接続されている。その他の構成
は、第１の態様と同じである。第２の態様によれば、確
実に電気的導通をすることができ、よって、生産の歩留
まりが向上する。 【００３３】図５は、第３の態様を示している。電極メ
サ部２５、２６には、凹部が形成されていない。そのか
わりに台座４２に凹部６２、６４が形成され、凹部６
２、６４に電極２３、２４が位置している。その他の構
成は、第２の態様と同じである。第３の態様によれば、
凹部内に電極を作製するという、高度なマイクロマシン
技術を用いることなく、第２の態様と同様な効果が得ら
れる。 【００３４】［半導体圧力センサの使用形態の説明］図
６は、ハウジングに本発明の一実施の形態に係る半導体
圧力センサを組み込んだ状態を示す断面図である。ハウ
ジング６６には、貫通穴７０が形成されている。貫通穴
７０には、保持器７２がはめ込まれている。保持器７２
は、プロジュクション溶接によりハウジング６６に固定
されている。保持器７２には凹部７４が形成されてい
る。凹部７４は、貫通穴７０の一方の開口部側に配置さ
れ、凹部７４が外部雰囲気と接するようにされている。 【００３５】凹部７４には、この実施の形態に係る半導
体圧力センサ１５が配置されている。台座４２の一方の
面が、凹部７４の底に接着されている。台座４２の他方
の面には、シリコン単結晶基板３６が接合されている。
凹部７４は、金網７６で蓋をされている。これにより、
半導体圧力センサ１５を測定雰囲気に含まれるゴミ（特
に硬いゴミ）から保護している。 【００３６】保持器７２には、貫通孔７８、８０が形成
されている。上記したように、台座４２の一方の面が、
凹部７４の底に接着されている。このため、貫通孔７
８、８０は気密の状態となる。図２に示すリード線４
８、５０は、貫通孔７８、８０を通され、さらに貫通穴
７０を通され、貫通穴７０の他方の開口部から外部に引
き出されている。貫通穴７０のうち、貫通穴７０の他方
の開口部から保持器７２までの部分には、樹脂からなる
充填材８２が充填されている。なお、ハウジング６６の
外周面には、テーパ状のねじ部６８が形成されている。 【００３７】ハウジング６６の装着は、ねじ部６８を用
いて行われる。ハウジング６６内の半導体圧力センサ１
５は、ブレーキ油の圧力を測定するのに使用される。 【００３８】［内側メサ部等の形成方法の説明］本発明
の一実施の形態に係る半導体圧力センサの内側メサ部１
４等の形成方法を説明する。内側メサ部１４等は、サー
フェイスマイクロマシン技術を利用して形成される。 【００３９】図７に示すように、ｎ型のシリコン単結晶
基板３６の主表面の全面に酸素原子をイオン注入する。
注入された酸素原子を熱処理により活性化させ、シリコ
ン単結晶基板３６中にシリコン酸化膜からなる埋め込み
絶縁層３８を形成する。これにより、シリコン単結晶基
板３６はＳＯＩ構造となる。なお、シリコン単結晶基板
と酸化膜付けシリコン単結晶基板とを、酸化膜が間に位
置するように直接接合し、片方の基板を研磨することに
よってもＳＯＩ構造を作製することができる。 【００４０】図８に示すように、シリコン単結晶基板３
６の主表面の全面にボロンをイオン注入し、埋め込み絶
縁層３８上に高濃度のｐ型層８４を形成する。 【００４１】図９に示すように、ｐ型層８４をメサエッ
チングし、外側メサ部１２、内側メサ部１４、電極メサ
部２５、２６、配線部２８、３２を形成する。以上の工
程により、内側メサ部１４等が完成する。 【００４２】［効果の説明］ （１）図１及び図２に示すように、この実施の形態に係
る半導体圧力センサは、シリコン単結晶基板３６の主表
面１０、外側メサ部１２及び台座４２によって空間部５
６を形成し、内側メサ部１４（ひずみゲージ１１ａ、１
１ｂ、１３ａ、１３ｂ）及び電極部１６、１８、２０、
２２を空間部に配置したことを特徴としている。よっ
て、ひずみゲージ１１ａ、１１ｂ、１３ａ、１３ｂは、
測定環境から隔離されることになる。したがって、電気
的ノイズが、測定環境を介してひずみゲージ１１ａ、１
１ｂ、１３ａ、１３ｂに加わり、圧力測定の精度が劣化
するのを防ぐことができる。 【００４３】電極部１６、１８、２０、２２も測定環境
から隔離されることになる。よって、湿気による電極の
腐食を防止することができる。 【００４４】（２）図２に示すように、この実施の形態
に係る半導体圧力センサは、外側メサ部１２及び電極メ
サ部２１、２５、２６、２９は、内側メサ部１４と同じ
高さである。よって、外側メサ部１２と電極メサ部２
１、２５、２６、２９と内側メサ部１４とで、台座４２
から伝達される圧縮力を受けることになる。したがっ
て、圧縮力を受ける際の内側メサ部１４の負担が軽減さ
れ、内側メサ部１４が破壊する可能性を小さくできる。 【００４５】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る半導体圧力センサ
の平面図である。 【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。 【図３】電極部とリード線との接続部の構造の第１の態
様の断面図である。 【図４】電極部とリード線との接続部の構造の第２の態
様の断面図である。 【図５】電極部とリード線との接続部の構造の第３の態
様の断面図である。 【図６】ハウジングに本発明の一実施の形態に係る半導
体圧力センサを組み込んだ状態を示す断面図である。 【図７】本発明の一実施の形態に係る半導体圧力センサ
の内側メサ部１４等の形成方法の第１工程図である。 【図８】本発明の一実施の形態に係る半導体圧力センサ
の内側メサ部１４等の形成方法の第２工程図である。 【図９】本発明の一実施の形態に係る半導体圧力センサ
の内側メサ部１４等の形成方法の第３工程図である。 【符号の説明】 １０ 主表面 １１ａ、１１ｂ ひずみゲージ １２ 外側メサ部 １３ａ、１３ｂ ひずみゲージ １４ 内側メサ部 １５ 半導体圧力センサ １６、１８、２０、２２ 電極部 ３６ シリコン単結晶基板 ４２ 台座 ５６ 空間部
の平面図である。 【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。 【図３】電極部とリード線との接続部の構造の第１の態
様の断面図である。 【図４】電極部とリード線との接続部の構造の第２の態
様の断面図である。 【図５】電極部とリード線との接続部の構造の第３の態
様の断面図である。 【図６】ハウジングに本発明の一実施の形態に係る半導
体圧力センサを組み込んだ状態を示す断面図である。 【図７】本発明の一実施の形態に係る半導体圧力センサ
の内側メサ部１４等の形成方法の第１工程図である。 【図８】本発明の一実施の形態に係る半導体圧力センサ
の内側メサ部１４等の形成方法の第２工程図である。 【図９】本発明の一実施の形態に係る半導体圧力センサ
の内側メサ部１４等の形成方法の第３工程図である。 【符号の説明】 １０ 主表面 １１ａ、１１ｂ ひずみゲージ １２ 外側メサ部 １３ａ、１３ｂ ひずみゲージ １４ 内側メサ部 １５ 半導体圧力センサ １６、１８、２０、２２ 電極部 ３６ シリコン単結晶基板 ４２ 台座 ５６ 空間部
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フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01L 9/00 303
H01L 29/84
G01L 1/18
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 主表面を有する半導体基板と、前記主表
面に形成されたホイーストンブリッジを構成するひずみ
ゲージと、前記主表面に形成され、前記ひずみゲージと
電気的に接続された電極と、前記ひずみゲージに接合さ
れた台座部材と、を備えた半導体圧力センサであって、 前記主表面、前記ひずみゲージ及び前記台座部材によっ
て空間部が規定され、 前記電極は、前記空間部に配置されている、半導体圧力
センサ。
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|---|---|---|---|
| JP33499798A JP3371829B2 (ja) | 1998-11-10 | 1998-11-10 | 半導体圧力センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33499798A JP3371829B2 (ja) | 1998-11-10 | 1998-11-10 | 半導体圧力センサ |
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|---|---|
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Family
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP33499798A Expired - Fee Related JP3371829B2 (ja) | 1998-11-10 | 1998-11-10 | 半導体圧力センサ |
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-
1998
- 1998-11-10 JP JP33499798A patent/JP3371829B2/ja not_active Expired - Fee Related
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