JP3432780B2 - 半導体圧力センサ - Google Patents
半導体圧力センサInfo
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-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/84—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of applied mechanical force, e.g. of pressure
-
- G—PHYSICS
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- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
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-
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は容量変化により力学
量を計測するセンサ、特に半導体式圧力センサに関す
る。
量を計測するセンサ、特に半導体式圧力センサに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】本発明の感圧容量素子に係わる従来技術
が、例えば図２０に示すような特表平８−５０１１５６
号公報に記載されている。この従来技術においては、犠
牲層エッチングの手法を用いて製作された静電容量式圧
力ゲージについての記述がなされている。圧力ゲージは
圧力に応じて容量値が変化する感圧容量素子２と、感圧
容量素子２と同程度の容量値ながら圧力に対して容量値
が不変な参照容量素子３から成り立っている。以下、そ
の構造および動作原理について述べる。
が、例えば図２０に示すような特表平８−５０１１５６
号公報に記載されている。この従来技術においては、犠
牲層エッチングの手法を用いて製作された静電容量式圧
力ゲージについての記述がなされている。圧力ゲージは
圧力に応じて容量値が変化する感圧容量素子２と、感圧
容量素子２と同程度の容量値ながら圧力に対して容量値
が不変な参照容量素子３から成り立っている。以下、そ
の構造および動作原理について述べる。
【０００３】シリコン基板１の表面に固定電極６が形成
されており、その上面には空隙７を挟んでポリシリコン
膜からなる可動電極５が形成されている。なお空隙７
は、この領域に形成済みであった犠牲層を、可動電極５
の一部に設けられたエッチチャンネル１２を通じて、エ
ッチング除去することにより生成される空隙である。こ
の空隙７を真空封止するため、エッチチャンネル１２を
塞ぐ様にシリコン酸化膜からなる封止膜９が形成されて
いる。この結果、空隙７は真空封止された圧力基準室と
なり、圧力基準室内の基板に設けられた固定電極６と、
前記ポリシリコン膜からなる可動電極５との間でコンデ
ンサを形成している。感圧容量素子２と参照容量素子３
は、ほぼ同構造であるが、参照容量素子３は可動電極５
上の封止膜９を除去しておらず、ダイアフラムの膜剛性
を高めている。
されており、その上面には空隙７を挟んでポリシリコン
膜からなる可動電極５が形成されている。なお空隙７
は、この領域に形成済みであった犠牲層を、可動電極５
の一部に設けられたエッチチャンネル１２を通じて、エ
ッチング除去することにより生成される空隙である。こ
の空隙７を真空封止するため、エッチチャンネル１２を
塞ぐ様にシリコン酸化膜からなる封止膜９が形成されて
いる。この結果、空隙７は真空封止された圧力基準室と
なり、圧力基準室内の基板に設けられた固定電極６と、
前記ポリシリコン膜からなる可動電極５との間でコンデ
ンサを形成している。感圧容量素子２と参照容量素子３
は、ほぼ同構造であるが、参照容量素子３は可動電極５
上の封止膜９を除去しておらず、ダイアフラムの膜剛性
を高めている。
【０００４】外圧が変化すると、感圧容量素子２につい
ては、可動電極５が圧力基準室内との差圧によって変位
するとともに、可動電極５と固定電極６との間のギャッ
プが変化してコンデンサに容量変化が生じる。一方、参
照容量素子３では膜剛性が高いために圧力によって可動
電極５が変化せず、容量が変化しない。
ては、可動電極５が圧力基準室内との差圧によって変位
するとともに、可動電極５と固定電極６との間のギャッ
プが変化してコンデンサに容量変化が生じる。一方、参
照容量素子３では膜剛性が高いために圧力によって可動
電極５が変化せず、容量が変化しない。
【０００５】ここで感圧容量素子２の容量値を定量的に
示す。ギャップ間部材の誘電率をε、電極面積をＳｓ、
電極ギャップ初期値をｄ０とすると感圧容量素子２の容
量初期値をＣｓ０は、 Ｃｓ０＝εＳｓ／ｄ０ …（１） である。一方、圧力Ｐにより感圧容量素子２の電極ギャ
ップが、初期値ｄ０よりΔｄ変化し、Δｄ＝ｋＰ （ｋ
はダイアフラムバネ定数）が成り立つとすると、 Ｃｓ＝εＳｓ／（ｄ０−Δｄ）＝εＳｓ／（ｄ０−ｋＰ） …（２） となる。
示す。ギャップ間部材の誘電率をε、電極面積をＳｓ、
電極ギャップ初期値をｄ０とすると感圧容量素子２の容
量初期値をＣｓ０は、 Ｃｓ０＝εＳｓ／ｄ０ …（１） である。一方、圧力Ｐにより感圧容量素子２の電極ギャ
ップが、初期値ｄ０よりΔｄ変化し、Δｄ＝ｋＰ （ｋ
はダイアフラムバネ定数）が成り立つとすると、 Ｃｓ＝εＳｓ／（ｄ０−Δｄ）＝εＳｓ／（ｄ０−ｋＰ） …（２） となる。
【０００６】参照容量素子３のギャップ間部材の誘電率
をε、電極面積をＳｒ、電極ギャップ初期値をｄ０とす
ると参照容量素子２の容量値Ｃｒは、 Ｃｒ＝Ｃｒ０＝εＳｒ／ｄ０ …（３） 差動の容量式圧力センサでは一般に、これら両素子の容
量値の差分ΔＣをＣ−Ｖ変換回路によって電圧ΔＶに変
換し、アンプにより増幅して出力する。
をε、電極面積をＳｒ、電極ギャップ初期値をｄ０とす
ると参照容量素子２の容量値Ｃｒは、 Ｃｒ＝Ｃｒ０＝εＳｒ／ｄ０ …（３） 差動の容量式圧力センサでは一般に、これら両素子の容
量値の差分ΔＣをＣ−Ｖ変換回路によって電圧ΔＶに変
換し、アンプにより増幅して出力する。
【０００７】Ｃ−Ｖ変換回路に関する第１の公知例が特
開平５−２３１９７３号公報に記載されており、その回
路図を図２１に示す。この回路は一般に知れらたスイッ
チドキャパシタ回路をベースとしたものであり、その出
力は、 Ｖｏｕｔ＝｛（Ｃｓ−Ｃｒ）／Ｃｉ｝Ｖｃｃ …（４） となり、出力は感圧容量素子２と参照容量素子３の容量
差に依存する。本回路の問題としては、（２）式及び
（４）式より明らかなように出力電圧Ｖｏｕｔが圧力Ｐ
に対して非線形であり、線形な出力を得るには出力補正
が必要である。
開平５−２３１９７３号公報に記載されており、その回
路図を図２１に示す。この回路は一般に知れらたスイッ
チドキャパシタ回路をベースとしたものであり、その出
力は、 Ｖｏｕｔ＝｛（Ｃｓ−Ｃｒ）／Ｃｉ｝Ｖｃｃ …（４） となり、出力は感圧容量素子２と参照容量素子３の容量
差に依存する。本回路の問題としては、（２）式及び
（４）式より明らかなように出力電圧Ｖｏｕｔが圧力Ｐ
に対して非線形であり、線形な出力を得るには出力補正
が必要である。
【０００８】この課題を解決したＣ−Ｖ変換回路に関す
る第２の公知例として、ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ ａｃ
ｔｕａｔｏｒｓ Ａ６０（１９９７）Ｐ３２〜３６、に
記載の回路がある。これは、圧力によって静電容量が変
化する感圧容量素子がオペアンプの積分容量になってお
り、この素子にチャージされる電荷量を電圧信号に変換
する構成になっている。図２２に回路構成を示し、その
回路構成の出力は（５）式で表される。
る第２の公知例として、ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ ａｃ
ｔｕａｔｏｒｓ Ａ６０（１９９７）Ｐ３２〜３６、に
記載の回路がある。これは、圧力によって静電容量が変
化する感圧容量素子がオペアンプの積分容量になってお
り、この素子にチャージされる電荷量を電圧信号に変換
する構成になっている。図２２に回路構成を示し、その
回路構成の出力は（５）式で表される。
【０００９】
Ｖｏｕｔ＝−（Ｃｒ／Ｃｓ）ＶＢ …（５）
（５）式はさらに（１）（２）（３）式を用いて、
Ｖｏｕｔ＝（Ｃｒ０／Ｃｓ０）・｛（ｋＰ／ｄ０）−１｝・ＶＢ …（６）
（６）式となる。従って、圧力Ｐに比例して出力電圧が
変化するよう構成されているため、圧力検出精度を高め
ることができる。
変化するよう構成されているため、圧力検出精度を高め
ることができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】多種多様な圧力センサ
のアプリケーションの中でも、自動車のエンジン制御に
用いられる圧力センサは、高い圧力検出精度および耐ノ
イズ性が要求される。従って、前記Ｃ−Ｖ変換回路に関
する第２の公知例のような高精度の容量比型Ｃ−Ｖ変換
回路の採用が望ましい。また、耐ノイズ性向上には、Ｓ
／Ｎ比の観点から圧力ゲージの出力信号ΔＶを大きくし
てアンプの増幅率を下げることが有効である。
のアプリケーションの中でも、自動車のエンジン制御に
用いられる圧力センサは、高い圧力検出精度および耐ノ
イズ性が要求される。従って、前記Ｃ−Ｖ変換回路に関
する第２の公知例のような高精度の容量比型Ｃ−Ｖ変換
回路の採用が望ましい。また、耐ノイズ性向上には、Ｓ
／Ｎ比の観点から圧力ゲージの出力信号ΔＶを大きくし
てアンプの増幅率を下げることが有効である。
【００１１】前記容量比型Ｃ−Ｖ変換回路では、（６）
式に示すように感圧容量と参照容量の初期値の比によっ
てＣ−Ｖ変換効率が決まるが、従来はその比をほぼ１と
設定し、感度調整用パラメータとしては用いられていな
かった。したがって圧力ゲージの出力を増大させるに
は、ダイアフラム剛性を下げて変位量を増やす、あるい
は電極ギャップを狭くする等により容量変化ΔＣ自体を
増大させる必要があった。しかしながら、過度にダイア
フラム剛性を下げる、あるいは電極ギャップを狭くする
ことは、計測範囲圧力においてダイアフラムが基板に接
触する不具合につながるため、その設計の自由度は限ら
れていた。
式に示すように感圧容量と参照容量の初期値の比によっ
てＣ−Ｖ変換効率が決まるが、従来はその比をほぼ１と
設定し、感度調整用パラメータとしては用いられていな
かった。したがって圧力ゲージの出力を増大させるに
は、ダイアフラム剛性を下げて変位量を増やす、あるい
は電極ギャップを狭くする等により容量変化ΔＣ自体を
増大させる必要があった。しかしながら、過度にダイア
フラム剛性を下げる、あるいは電極ギャップを狭くする
ことは、計測範囲圧力においてダイアフラムが基板に接
触する不具合につながるため、その設計の自由度は限ら
れていた。
【００１２】本発明は、上述した課題に鑑みてなされた
もので、感圧容量と参照容量の比を用いて出力する方式
の圧力ゲージにおいて、簡便な方法でＣ−Ｖ変換率を高
めてセンサ出力のＳ／Ｎ比を向上させることを目的とす
る。
もので、感圧容量と参照容量の比を用いて出力する方式
の圧力ゲージにおいて、簡便な方法でＣ−Ｖ変換率を高
めてセンサ出力のＳ／Ｎ比を向上させることを目的とす
る。
【００１３】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明は主として次のような構成を採用する。
に、本発明は主として次のような構成を採用する。
【００１４】検出すべき圧力に応じて静電容量の変化す
る感圧容量Ｃｓを有する感圧容量素子と、検出すべき圧
力に対して静電容量の不変な参照容量Ｃｒを有する参照
容量素子と、前記感圧容量Ｃｓと前記参照容量Ｃｒの比
に対応する信号を出力して圧力を検出する手段と、を備
えた半導体圧力センサであって、前記参照容量Ｃｒの初
期値Ｃｒ０と前記感圧容量Ｃｓの初期値Ｃｓ０の関係
が、１．２＜Ｃｒ０／Ｃｓ０ ＜１．８、である半導体
圧力センサ。
る感圧容量Ｃｓを有する感圧容量素子と、検出すべき圧
力に対して静電容量の不変な参照容量Ｃｒを有する参照
容量素子と、前記感圧容量Ｃｓと前記参照容量Ｃｒの比
に対応する信号を出力して圧力を検出する手段と、を備
えた半導体圧力センサであって、前記参照容量Ｃｒの初
期値Ｃｒ０と前記感圧容量Ｃｓの初期値Ｃｓ０の関係
が、１．２＜Ｃｒ０／Ｃｓ０ ＜１．８、である半導体
圧力センサ。
【００１５】
【発明の実施の形態】本発明の実施形態に係る半導体圧
力センサについて、図面を用いて以下説明する。図１は
本発明の第１の実施形態に係る半導体圧力センサゲージ
を示す面図、図２はその平面図である。図１と図２を用
いてその構造について説明する。
力センサについて、図面を用いて以下説明する。図１は
本発明の第１の実施形態に係る半導体圧力センサゲージ
を示す面図、図２はその平面図である。図１と図２を用
いてその構造について説明する。
【００１６】シリコン基板１上に、感圧容量素子２、参
照容量素子３、Ｃ−ＭＯＳからなる容量―電圧変換回路
４（以下、Ｃ−Ｖ変換回路４と称する）が形成されてい
る。
照容量素子３、Ｃ−ＭＯＳからなる容量―電圧変換回路
４（以下、Ｃ−Ｖ変換回路４と称する）が形成されてい
る。
【００１７】感圧容量素子２は、基板上部に埋め込まれ
た固定電極６、可動電極５を有し、これらの電極が微小
空隙７を介して対向しており容量素子構造となってい
る。可動電極５の上部には、微小空隙７内部を真空封止
するための封止膜９、その上部にはシールド兼表面保護
膜１０が形成されている。参照容量素子３の構造は、感
圧容量素子２にほぼ準じているが、可動電極５の代わり
に支柱付き固定電極８が設けられ、圧力に対して不変の
容量素子となる。また、参照容量素子３の固定電極径は
感圧容量素子２の固定電極径よりも大きくなっている。
た固定電極６、可動電極５を有し、これらの電極が微小
空隙７を介して対向しており容量素子構造となってい
る。可動電極５の上部には、微小空隙７内部を真空封止
するための封止膜９、その上部にはシールド兼表面保護
膜１０が形成されている。参照容量素子３の構造は、感
圧容量素子２にほぼ準じているが、可動電極５の代わり
に支柱付き固定電極８が設けられ、圧力に対して不変の
容量素子となる。また、参照容量素子３の固定電極径は
感圧容量素子２の固定電極径よりも大きくなっている。
【００１８】次に、動作原理について図３を用いて説明
する。微小空隙７内部は真空封止されていることから、
感圧容量素子２に圧力が印加されると可動電極５は基板
側にたわむ。よって、固定電極６と可動電極５の間のギ
ャップが小さくなり、圧力に依存した容量変化が起き
る。一方、参照容量素子３は前述のように支柱付き固定
電極８であるため、圧力に対して容量変化は起こらな
い。この感圧容量素子２と参照容量素子３の容量変化の
差分をＣ−Ｖ変換回路４により電圧ΔＶとして出力す
る。
する。微小空隙７内部は真空封止されていることから、
感圧容量素子２に圧力が印加されると可動電極５は基板
側にたわむ。よって、固定電極６と可動電極５の間のギ
ャップが小さくなり、圧力に依存した容量変化が起き
る。一方、参照容量素子３は前述のように支柱付き固定
電極８であるため、圧力に対して容量変化は起こらな
い。この感圧容量素子２と参照容量素子３の容量変化の
差分をＣ−Ｖ変換回路４により電圧ΔＶとして出力す
る。
【００１９】次に、本発明の静電容量式力学量センサの
Ｃ−Ｖ変換回路４の回路構成を図４に示す。また、本実
施形態の動作を説明する動作波形を図５に示す。本実施
形態は感圧容量素子２、参照容量素子３、定電圧源１１
１、１１２、スイッチ１２１、１２２、１２３、１２
４、１３１、１３２、コンデンサ１０６、オペアンプ１
０７、反転器１８１、出力端子１０９で構成される。
Ｃ−Ｖ変換回路４の回路構成を図４に示す。また、本実
施形態の動作を説明する動作波形を図５に示す。本実施
形態は感圧容量素子２、参照容量素子３、定電圧源１１
１、１１２、スイッチ１２１、１２２、１２３、１２
４、１３１、１３２、コンデンサ１０６、オペアンプ１
０７、反転器１８１、出力端子１０９で構成される。
【００２０】スイッチ１２１、１２３、１３１は駆動信
号φ１で、スイッチ１２２、１２４、１３２は逆位相
（φ１Ｂ）で駆動される。また、反転器１８１は入力信
号を−１倍して出力させるもので、オペアンプを使った
簡単な反転増幅器又はスイッチドキャパシタ回路などで
容易に実現できる。
号φ１で、スイッチ１２２、１２４、１３２は逆位相
（φ１Ｂ）で駆動される。また、反転器１８１は入力信
号を−１倍して出力させるもので、オペアンプを使った
簡単な反転増幅器又はスイッチドキャパシタ回路などで
容易に実現できる。
【００２１】仮に初期値としてＶｏｕｔ＝０Ｖと考える
と、スイッチ１２１、１２３、１３１がオンしていると
きはＣｓ、Ｃｒともに電荷が充電されていないが、スイ
ッチ１２２、１２４、１３２がオンした瞬間にＣｓとＣ
ｒに電荷ＱｓとＱｒがそれぞれ充電される。もし、Ｑｓ
とＱｒが等しければ、積分用コンデンサＣＦには電流が
流れ込まず、従って出力Ｖｏ、Ｖｏｕｔともに０Ｖのま
まとなる。ここで圧力等の力が加わりＣｓが増加した場
合、ＱｓがＱｒよりも大きくなるため、Ｃｓに充電され
る電荷量ＱｓとＣｒに充電される電荷量Ｑｒの差分がコ
ンデンサＣＦ（その容量値Ｃｆ）に積分される。このと
きの電圧Ｖｏは（７）式に従う。
と、スイッチ１２１、１２３、１３１がオンしていると
きはＣｓ、Ｃｒともに電荷が充電されていないが、スイ
ッチ１２２、１２４、１３２がオンした瞬間にＣｓとＣ
ｒに電荷ＱｓとＱｒがそれぞれ充電される。もし、Ｑｓ
とＱｒが等しければ、積分用コンデンサＣＦには電流が
流れ込まず、従って出力Ｖｏ、Ｖｏｕｔともに０Ｖのま
まとなる。ここで圧力等の力が加わりＣｓが増加した場
合、ＱｓがＱｒよりも大きくなるため、Ｃｓに充電され
る電荷量ＱｓとＣｒに充電される電荷量Ｑｒの差分がコ
ンデンサＣＦ（その容量値Ｃｆ）に積分される。このと
きの電圧Ｖｏは（７）式に従う。
【００２２】
Ｖｏ＝｛（Ｃｒ−Ｃｓ）／Ｃｆ｝Ｖｃｃ …（７）
出力電圧ＶｏｕｔはＶｏの−１倍の出力になるため、セ
ンサ出力Ｖｏｕｔは（８）式に従う。
ンサ出力Ｖｏｕｔは（８）式に従う。
【００２３】
Ｖｏｕｔ＝｛（Ｃｓ−Ｃｒ）／Ｃｆ｝Ｖｃｃ …（８）
従って、次のスイッチ動作ステップではＣｓへは（Ｖｃ
ｃ−Ｖｏｕｔ）分の電圧が加わるようになる。最終的に
はＣｓに充電される電荷量とＣｒへ充電される電荷量が
等しくなるところまで出力電圧Ｖｏｕｔは変化し、安定
する。その最終出力電圧は、 Ｖｏｕｔ＝｛１−（Ｃｒ／Ｃｓ）｝Ｖｃｃ …（９） となる。このような回路構成とすることによって圧力Ｐ
に対しリニアな出力電圧が得られる。また、パルス電圧
駆動でありながらＶｏｕｔは直流電圧として得られるた
め、サンプルホールド回路が不要となるメリットがあ
る。なお（９）式は（１）（２）（３）式より、 Ｖｏｕｔ ＝｛（Ｃｒ０／Ｃｓ０）（ｋ／ｄ０）Ｐ＋１−（Ｃｒ０／Ｃｓ０）｝Ｖｃｃ …（１０） となることから、Ｓ／Ｎ比を向上させる目的でゲージ出
力電圧ΔＶを向上させるには、ＣｓとＣｒの初期値の比
Ｃｒ０／Ｃｓ０を調整すれば良いことが分かる。しか
し、従来の差動式Ｃ−Ｖ変換回路では、Ｃｒ０／Ｃｓ０
≒１としており、容量初期値の比Ｃｒ０／Ｃｓ０を変え
ることにより感度を調整する手法は採られていない。
ｃ−Ｖｏｕｔ）分の電圧が加わるようになる。最終的に
はＣｓに充電される電荷量とＣｒへ充電される電荷量が
等しくなるところまで出力電圧Ｖｏｕｔは変化し、安定
する。その最終出力電圧は、 Ｖｏｕｔ＝｛１−（Ｃｒ／Ｃｓ）｝Ｖｃｃ …（９） となる。このような回路構成とすることによって圧力Ｐ
に対しリニアな出力電圧が得られる。また、パルス電圧
駆動でありながらＶｏｕｔは直流電圧として得られるた
め、サンプルホールド回路が不要となるメリットがあ
る。なお（９）式は（１）（２）（３）式より、 Ｖｏｕｔ ＝｛（Ｃｒ０／Ｃｓ０）（ｋ／ｄ０）Ｐ＋１−（Ｃｒ０／Ｃｓ０）｝Ｖｃｃ …（１０） となることから、Ｓ／Ｎ比を向上させる目的でゲージ出
力電圧ΔＶを向上させるには、ＣｓとＣｒの初期値の比
Ｃｒ０／Ｃｓ０を調整すれば良いことが分かる。しか
し、従来の差動式Ｃ−Ｖ変換回路では、Ｃｒ０／Ｃｓ０
≒１としており、容量初期値の比Ｃｒ０／Ｃｓ０を変え
ることにより感度を調整する手法は採られていない。
【００２４】感圧容量素子の他に参照容量素子を用いて
差動出力する本来の目的は、温度変化や製作バラツキ、
電磁ノイズ等のキャンセルであり、従来は外乱の影響度
を均一にすることを狙いとし、両者の絶対値を等しくし
ていた。
差動出力する本来の目的は、温度変化や製作バラツキ、
電磁ノイズ等のキャンセルであり、従来は外乱の影響度
を均一にすることを狙いとし、両者の絶対値を等しくし
ていた。
【００２５】しかし、図６に示すように（実線は耐久変
化、破線はオフセット電圧）、Ｃｒ ０／Ｃｓ０比を０．
８〜１．８の範囲で変えた数種のサンプルを用い、過酷
な環境下で耐久試験を行った結果、Ｃｒ０／Ｃｓ０比が
１．２を越える付近より耐久後の出力変化が小さくなり
始め、Ｃｒ０／Ｃｓ０比が大きいほど良好な結果が得ら
れた。これは、Ｃｒ０／Ｃｓ０≠１としてもＣｒ０／Ｃ
ｓ０比が０．８〜１．８の範囲では、ノイズのキャンセ
ル効率のさほど低下せず、むしろゲージ出力ΔＶが増大
したことによるＳ／Ｎ比向上の効果が大きいためと考え
られる。
化、破線はオフセット電圧）、Ｃｒ ０／Ｃｓ０比を０．
８〜１．８の範囲で変えた数種のサンプルを用い、過酷
な環境下で耐久試験を行った結果、Ｃｒ０／Ｃｓ０比が
１．２を越える付近より耐久後の出力変化が小さくなり
始め、Ｃｒ０／Ｃｓ０比が大きいほど良好な結果が得ら
れた。これは、Ｃｒ０／Ｃｓ０≠１としてもＣｒ０／Ｃ
ｓ０比が０．８〜１．８の範囲では、ノイズのキャンセ
ル効率のさほど低下せず、むしろゲージ出力ΔＶが増大
したことによるＳ／Ｎ比向上の効果が大きいためと考え
られる。
【００２６】ここで、Ｃｒ０／Ｃｓ０≠１の弊害として
オフセット出力が増大する問題があるが（図６の破線参
照）、Ｃ−Ｖ変換回路にオフセット電圧調整回路を付加
することにより対応できる。しかし、その調整範囲に限
界があるため、本実施形態ではＣｒ０／Ｃｓ０＝１．８
と設定している。結局、本発明では、Ｃｒ０／Ｃｓ０比
が１．２を超え且つ１．８までのものである。
オフセット出力が増大する問題があるが（図６の破線参
照）、Ｃ−Ｖ変換回路にオフセット電圧調整回路を付加
することにより対応できる。しかし、その調整範囲に限
界があるため、本実施形態ではＣｒ０／Ｃｓ０＝１．８
と設定している。結局、本発明では、Ｃｒ０／Ｃｓ０比
が１．２を超え且つ１．８までのものである。
【００２７】また、式（２）（３）に示したように、容
量Ｃは比誘電率、電極面積、電極ギャップで決まるた
め、Ｃｒ０／Ｃｓ０比を調整するにはこれらのパラメー
タのいずれかを調整すれば良い。製作プロセスを考慮す
ると、最も容易な調整パラメータは、固定電極の径を変
える方法であり、本実施形態では参照容量素子の固定電
極径を、感圧容量の√１．８倍とすることでＣｒ０／Ｃ
ｓ０＝１．８と設定している。なお、他の調整方法とし
て、図７に示すように参照容量素子の微小空隙７内に誘
電体２０を挿入する方法、図８に示すように微小空隙７
のギャップを小さくする方法などが考えられる。
量Ｃは比誘電率、電極面積、電極ギャップで決まるた
め、Ｃｒ０／Ｃｓ０比を調整するにはこれらのパラメー
タのいずれかを調整すれば良い。製作プロセスを考慮す
ると、最も容易な調整パラメータは、固定電極の径を変
える方法であり、本実施形態では参照容量素子の固定電
極径を、感圧容量の√１．８倍とすることでＣｒ０／Ｃ
ｓ０＝１．８と設定している。なお、他の調整方法とし
て、図７に示すように参照容量素子の微小空隙７内に誘
電体２０を挿入する方法、図８に示すように微小空隙７
のギャップを小さくする方法などが考えられる。
【００２８】このようにＣｒ０／Ｃｓ０比を調整するこ
とによってゲージ出力ΔＶを増すことができるため、ア
ンプの増幅率を下げてＳ／Ｎ比を向上させ、センサの高
精度化を図ることができる。
とによってゲージ出力ΔＶを増すことができるため、ア
ンプの増幅率を下げてＳ／Ｎ比を向上させ、センサの高
精度化を図ることができる。
【００２９】次に、本実施形態の半導体圧力センサの製
作方法について説明する。前記センサの製作プロセス
は、ＬＳＩ製作プロセスに準じている。
作方法について説明する。前記センサの製作プロセス
は、ＬＳＩ製作プロセスに準じている。
【００３０】まず図９に示すように単結晶シリコン基板
２０１を熱酸化し、基板上面に絶縁層となるシリコン酸
化膜２０２を形成する。次に、図１０に示すようにその
表面にポリシリコン膜２０３をＣＶＤ法で形成し、リン
等の不純物を拡散して導電化した後、ホトエッチング技
術で所望の固定電極形状を得る。
２０１を熱酸化し、基板上面に絶縁層となるシリコン酸
化膜２０２を形成する。次に、図１０に示すようにその
表面にポリシリコン膜２０３をＣＶＤ法で形成し、リン
等の不純物を拡散して導電化した後、ホトエッチング技
術で所望の固定電極形状を得る。
【００３１】次に、図１１に示すように基板表面にバリ
ア層としてＣＶＤ法によりシリコン酸化膜２０４、シリ
コン窒化膜２０５を順次形成する。その後、図１２に示
すようにＣＶＤ法によりリンガラス（ＰＳＧ）からなる
犠牲層２０６を形成する。この犠牲層厚は、後に形成さ
れる所望の空隙高さ（電極ギャップ）とする。この犠牲
層２０６を、ホトエッチング技術により加工し、一括し
て所望の空隙７形状、ダイアフラム基板固定部形状、エ
ッチチャンネル形状を得る。
ア層としてＣＶＤ法によりシリコン酸化膜２０４、シリ
コン窒化膜２０５を順次形成する。その後、図１２に示
すようにＣＶＤ法によりリンガラス（ＰＳＧ）からなる
犠牲層２０６を形成する。この犠牲層厚は、後に形成さ
れる所望の空隙高さ（電極ギャップ）とする。この犠牲
層２０６を、ホトエッチング技術により加工し、一括し
て所望の空隙７形状、ダイアフラム基板固定部形状、エ
ッチチャンネル形状を得る。
【００３２】次に、図１３に示すように犠牲層２０６を
覆うようにＣＶＤ法によりポリシリコン膜２０７を形成
し、リン等の不純物を拡散して導電化した後、所望のダ
イアフラム形状となるようにホトエッチング技術により
加工する。ここでエッチチャンネルより犠牲層２０６の
一部が外部に露出する。
覆うようにＣＶＤ法によりポリシリコン膜２０７を形成
し、リン等の不純物を拡散して導電化した後、所望のダ
イアフラム形状となるようにホトエッチング技術により
加工する。ここでエッチチャンネルより犠牲層２０６の
一部が外部に露出する。
【００３３】この基板をＨＦ系エッチング液に浸すと、
図１４に示すように前記エッチチャンネルを介して犠牲
層２０６のみが除去され、基板とポリシリコン膜２０７
に挟まれた微小空隙７が形成される。次に、図１５に示
すようにＣＶＤ法により基板とポリシリコン膜２０７を
覆うようにシリコン酸化膜２０８を形成し、ホトエッチ
ング技術により所望の形状に加工する。なおＣＶＤはほ
ぼ真空状態で行われるため、空隙は真空封止され絶対圧
センサとして機能する際の圧力基準室となる。
図１４に示すように前記エッチチャンネルを介して犠牲
層２０６のみが除去され、基板とポリシリコン膜２０７
に挟まれた微小空隙７が形成される。次に、図１５に示
すようにＣＶＤ法により基板とポリシリコン膜２０７を
覆うようにシリコン酸化膜２０８を形成し、ホトエッチ
ング技術により所望の形状に加工する。なおＣＶＤはほ
ぼ真空状態で行われるため、空隙は真空封止され絶対圧
センサとして機能する際の圧力基準室となる。
【００３４】その後、図１６に示すようにシールド兼表
面保護膜としてポリシリコン膜２０９をＣＶＤ法により
酸化膜２０８表面に形成し、ホトエッチング技術によっ
て所望の形状に加工しゲージ構造が完成する。
面保護膜としてポリシリコン膜２０９をＣＶＤ法により
酸化膜２０８表面に形成し、ホトエッチング技術によっ
て所望の形状に加工しゲージ構造が完成する。
【００３５】次に、増幅回路と圧力ゲージを一体化して
１チップとした圧力センサの第２の実施形態を図１７に
示す。圧力ゲージの出力は一般に温度誤差や非線形性誤
差を有し、単純にアンプで増幅した場合、圧力検出精度
が低下する。そこで、非直線誤差や温度誤差等の出力誤
差を予めＲＯＭ内に書き込み、デジタル処理により出力
を補正して精度を向上させる方式としている。本実施形
態のセンサは、感圧容量素子２、参照容量素子３、発振
器３０３、容量検出回路４、出力調整用演算回路３０
５、ＲＯＭ３０６、電極パッド３０７より構成されてい
る。
１チップとした圧力センサの第２の実施形態を図１７に
示す。圧力ゲージの出力は一般に温度誤差や非線形性誤
差を有し、単純にアンプで増幅した場合、圧力検出精度
が低下する。そこで、非直線誤差や温度誤差等の出力誤
差を予めＲＯＭ内に書き込み、デジタル処理により出力
を補正して精度を向上させる方式としている。本実施形
態のセンサは、感圧容量素子２、参照容量素子３、発振
器３０３、容量検出回路４、出力調整用演算回路３０
５、ＲＯＭ３０６、電極パッド３０７より構成されてい
る。
【００３６】本実施形態のセンサの場合、予め圧力ゲー
ジの温度誤差および非直線誤差を測定し、出力補正デー
タとしてＲＯＭ３０６内に書き込む。動作時には、圧力
ゲージの出力は出力調整用演算回路３０５内でデジタル
化され、出力補正データとの演算を行った後、再びアナ
ログ変換され出力される。本実施形態のように圧力ゲー
ジと出力調整用演算回路付き増幅回路を集積化すること
によって、圧力ゲージの高精度化および小型化、低コス
ト化を図ることができる。
ジの温度誤差および非直線誤差を測定し、出力補正デー
タとしてＲＯＭ３０６内に書き込む。動作時には、圧力
ゲージの出力は出力調整用演算回路３０５内でデジタル
化され、出力補正データとの演算を行った後、再びアナ
ログ変換され出力される。本実施形態のように圧力ゲー
ジと出力調整用演算回路付き増幅回路を集積化すること
によって、圧力ゲージの高精度化および小型化、低コス
ト化を図ることができる。
【００３７】次に、本発明の圧力ゲージを実装し、自動
車エンジン制御用吸気圧センサとした実装例を図１８に
示す。圧力センサは、圧力ゲージチップ４０１および増
幅回路チップ４０２、それらを接着するベースとなるリ
ードフレーム４０３、圧力導入孔付きカバー４０４、コ
ネクタ部４０５から成り立つ。圧力ゲージチップ４０１
および増幅回路チップ４０２をリードフレーム４０３に
接着した後、チップの端子とフレーム間のワイヤボンデ
ィングを行う。その後、その上面をゲル４０６で覆った
後、圧力導入孔付きカバー４０４を接着し完成する。
車エンジン制御用吸気圧センサとした実装例を図１８に
示す。圧力センサは、圧力ゲージチップ４０１および増
幅回路チップ４０２、それらを接着するベースとなるリ
ードフレーム４０３、圧力導入孔付きカバー４０４、コ
ネクタ部４０５から成り立つ。圧力ゲージチップ４０１
および増幅回路チップ４０２をリードフレーム４０３に
接着した後、チップの端子とフレーム間のワイヤボンデ
ィングを行う。その後、その上面をゲル４０６で覆った
後、圧力導入孔付きカバー４０４を接着し完成する。
【００３８】次に、本発明に基づき製作された圧力セン
サを、自動車のエンジン制御システム用吸気圧センサと
して用いた例を図１９示す。外気はエアクリーナ５０１
を通過後、吸気管５０２内に導入され、スロットルバル
ブ５０３によって流量が調整された後に吸気マニホール
ド５０４内に導入される。吸気マニホールド５０４内に
は本発明の圧力センサ５０５が設置されており、吸気マ
ニホールド５０４内の圧力を検出する。エンジンコント
ロールユニット５０９は、この圧力センサ５０５の信号
とエンジン回転数の信号をもとに吸気量を算出し、その
吸気量に最適な燃料噴射量を算出してインジェクター５
０６に噴射信号を送る。インジェクター５０６より噴射
されたガソリンは吸気と混合して混合気となり、吸気バ
ルブ５０８開時に燃焼室５０９内に導入され、ピストン
５１０により圧縮された後に点火プラグ５０７によって
爆発燃焼する。
サを、自動車のエンジン制御システム用吸気圧センサと
して用いた例を図１９示す。外気はエアクリーナ５０１
を通過後、吸気管５０２内に導入され、スロットルバル
ブ５０３によって流量が調整された後に吸気マニホール
ド５０４内に導入される。吸気マニホールド５０４内に
は本発明の圧力センサ５０５が設置されており、吸気マ
ニホールド５０４内の圧力を検出する。エンジンコント
ロールユニット５０９は、この圧力センサ５０５の信号
とエンジン回転数の信号をもとに吸気量を算出し、その
吸気量に最適な燃料噴射量を算出してインジェクター５
０６に噴射信号を送る。インジェクター５０６より噴射
されたガソリンは吸気と混合して混合気となり、吸気バ
ルブ５０８開時に燃焼室５０９内に導入され、ピストン
５１０により圧縮された後に点火プラグ５０７によって
爆発燃焼する。
【００３９】本実施形態のように、圧力センサを自動車
のエンジン制御システムの吸気流量計測に用いる場合、
非常に高い測定精度が要求され、かつ装着されるエンジ
ンルーム内は、高温、ダスト、点火プラグのスパークノ
イズ等が様々な外乱要因が存在し、圧力センサにとって
過酷な環境である。しかし、本発明を用いてＣｒ０／Ｃ
ｓ０比を高めてゲージ出力電圧ΔＶを増大させ、Ｓ／Ｎ
比を高めた圧力センサにおいては、耐ノイズ性に優れ、
高い要求精度を満足することができる。
のエンジン制御システムの吸気流量計測に用いる場合、
非常に高い測定精度が要求され、かつ装着されるエンジ
ンルーム内は、高温、ダスト、点火プラグのスパークノ
イズ等が様々な外乱要因が存在し、圧力センサにとって
過酷な環境である。しかし、本発明を用いてＣｒ０／Ｃ
ｓ０比を高めてゲージ出力電圧ΔＶを増大させ、Ｓ／Ｎ
比を高めた圧力センサにおいては、耐ノイズ性に優れ、
高い要求精度を満足することができる。
【００４０】なお、本発明のゲージ構造およびＣ−Ｖ変
換回路は、容量変化により力学量を検出する他のセン
サ、例えば加速度センサ、触覚センサ、ジャイロ赤外セ
ンサなどに応用が可能である。
換回路は、容量変化により力学量を検出する他のセン
サ、例えば加速度センサ、触覚センサ、ジャイロ赤外セ
ンサなどに応用が可能である。
【００４１】以上説明したように、本発明の主旨は、感
圧容量と参照容量の比を用いて出力する方式の圧力ゲー
ジにおいて、感圧容量素子と参照容量素子の電極面積を
調整する等の手段によって、Ｃｒ０／Ｃｓ０＞１と設定
し、両素子の容量値の差分ΔＣを電圧ΔＶに変換する、
いわゆる（ΔＣ→ΔＶ）変換効率を増加させるものであ
る。
圧容量と参照容量の比を用いて出力する方式の圧力ゲー
ジにおいて、感圧容量素子と参照容量素子の電極面積を
調整する等の手段によって、Ｃｒ０／Ｃｓ０＞１と設定
し、両素子の容量値の差分ΔＣを電圧ΔＶに変換する、
いわゆる（ΔＣ→ΔＶ）変換効率を増加させるものであ
る。
【００４２】
【発明の効果】感圧容量と参照容量の比を用いて出力す
る方式の圧力ゲージにおいて、Ｃｒ０／Ｃｓ０比を調整
することにより、ゲージ出力ΔＶを増し、アンプの増幅
率を下げてＳ／Ｎ比を向上させ、センサの高精度化を図
ることができる。
る方式の圧力ゲージにおいて、Ｃｒ０／Ｃｓ０比を調整
することにより、ゲージ出力ΔＶを増し、アンプの増幅
率を下げてＳ／Ｎ比を向上させ、センサの高精度化を図
ることができる。
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体圧力センサ
の断面図である。
の断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る半導体圧力センサ
の平面図である。
の平面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る半導体圧力センサ
の動作原理を示した図である。
の動作原理を示した図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る半導体圧力センサ
を用いた容量−電圧変換回路を示した図である。
を用いた容量−電圧変換回路を示した図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る半導体圧力センサ
を用いた容量−電圧変換回路の動作を示した図である。
を用いた容量−電圧変換回路の動作を示した図である。
【図６】Ｃｒ０／Ｃｓ０比と耐久変化及びオフセット電
圧との関係を示した図である。
圧との関係を示した図である。
【図７】本発明の第１実施形態に係る半導体圧力センサ
の参照容量素子の構成例を示した図である。
の参照容量素子の構成例を示した図である。
【図８】本発明の第１実施形態に係る半導体圧力センサ
の参照容量素子の他の構成例を示した図である。
の参照容量素子の他の構成例を示した図である。
【図９】本発明の第１実施形態に係る半導体圧力センサ
の製作工程の一部を示した図である。
の製作工程の一部を示した図である。
【図１０】本発明の第１実施形態に係る半導体圧力セン
サの製作工程の一部を示した図である。
サの製作工程の一部を示した図である。
【図１１】本発明の第１実施形態に係る半導体圧力セン
サの製作工程の一部を示した図である。
サの製作工程の一部を示した図である。
【図１２】本発明の第１実施形態に係る半導体圧力セン
サの製作工程の一部を示した図である。
サの製作工程の一部を示した図である。
【図１３】本発明の第１実施形態に係る半導体圧力セン
サの製作工程の一部を示した図である。
サの製作工程の一部を示した図である。
【図１４】本発明の第１実施形態に係る半導体圧力セン
サの製作工程の一部を示した図である。
サの製作工程の一部を示した図である。
【図１５】本発明の第１実施形態に係る半導体圧力セン
サの製作工程の一部を示した図である。
サの製作工程の一部を示した図である。
【図１６】本発明の第１実施形態に係る半導体圧力セン
サの製作工程の一部を示した図である。
サの製作工程の一部を示した図である。
【図１７】本発明の第２実施形態に係る圧力ゲージと増
幅回路からなる半導体圧力センサの平面図である。
幅回路からなる半導体圧力センサの平面図である。
【図１８】本発明の実施形態に係る半導体圧力センサの
実装例を示した図である。
実装例を示した図である。
【図１９】本発明の実施形態に係る半導体圧力センサを
用いた自動車のエンジン制御システムを示した図であ
る。
用いた自動車のエンジン制御システムを示した図であ
る。
【図２０】従来技術における感圧容量素子及び参照容量
素子の断面図である。
素子の断面図である。
【図２１】従来技術における容量−電圧変換回路を示し
た図である。
た図である。
【図２２】従来技術における他の容量−電圧変換回路を
示した図である。
示した図である。
１ シリコン基板
２ 感圧容量素子
３ 参照容量素子
４ 容量―電圧変換回路
５ 可動電極
６ 固定電極
７ 微小空隙
８ 支柱付き固定電極
９ 封止膜
１０ シールド兼表面保護膜
１１ エッチチャンネル
２０ 誘電体
１０１ 定電圧源
１０２，１０３ スイッチ
１０６ コンデンサ
１０７ オペアンプ
１０８ 加算器
１０９ 出力端子
１０１，１１１，１１２ 定電圧源
１２１，１２２，１２３，１２４，１３１，１３２ ス
イッチ １８１ 反転器 ２０１ 単結晶シリコン基板 ２０２，２０４ シリコン酸化膜 ２０３，２０７，２０９ ポリシリコン膜 ２０５ シリコン窒化膜 ２０６ 犠牲層 ２０８ シリコン酸化膜 ３０３ 発振器 ３０５ 出力調整用演算回路 ３０６ ＲＯＭ ３０７ 電極パッド ４０１ 圧力ゲージチップ ４０２ 増幅回路チップ ４０３ リードフレーム ４０４ 圧力導入孔付きカバー ４０５ コネクタ部 ５０１ エアクリーナ ５０２ 吸気管 ５０３ スロットル ５０４ 吸気マニホールド ５０５ 圧力センサ ５０６ インジェクタ ５０７ 点火プラグ ５０８ ピストン ５０９ エンジンコントロールユニット
イッチ １８１ 反転器 ２０１ 単結晶シリコン基板 ２０２，２０４ シリコン酸化膜 ２０３，２０７，２０９ ポリシリコン膜 ２０５ シリコン窒化膜 ２０６ 犠牲層 ２０８ シリコン酸化膜 ３０３ 発振器 ３０５ 出力調整用演算回路 ３０６ ＲＯＭ ３０７ 電極パッド ４０１ 圧力ゲージチップ ４０２ 増幅回路チップ ４０３ リードフレーム ４０４ 圧力導入孔付きカバー ４０５ コネクタ部 ５０１ エアクリーナ ５０２ 吸気管 ５０３ スロットル ５０４ 吸気マニホールド ５０５ 圧力センサ ５０６ インジェクタ ５０７ 点火プラグ ５０８ ピストン ５０９ エンジンコントロールユニット
フロントページの続き
(72)発明者 嶋田 智
茨城県日立市大みか町七丁目１番１号
株式会社 日立製作所 日立研究所内
(72)発明者 門馬 直弘
茨城県日立市大みか町七丁目１番１号
株式会社 日立製作所 日立研究所内
(72)発明者 宮崎 敦史
茨城県ひたちなか市高場2520番地 株式
会社 日立製作所 自動車機器グループ
内
(56)参考文献 特開 平５−332867（ＪＰ，Ａ)
特開 平10−22512（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01L 9/00 305
G01L 9/12
Claims (4)
- 【請求項１】 検出すべき圧力に応じて静電容量の変化
する感圧容量Ｃｓを有する感圧容量素子と、検出すべき
圧力に対して静電容量の不変な参照容量Ｃｒを有する参
照容量素子と、前記感圧容量Ｃｓと前記参照容量Ｃｒの
比に対応する信号を出力して圧力を検出する手段と、を
備えた半導体圧力センサであって、 前記参照容量Ｃｒの初期値Ｃｒ０と前記感圧容量Ｃｓの
初期値Ｃｓ０の関係が、１．２＜Ｃｒ０／Ｃｓ０ ＜
１．８、であることを特徴とする半導体圧力センサ。 - 【請求項２】 請求項１に記載の半導体圧力センサにお
いて、 前記Ｃｒ０／Ｃｓ０ 比の調整は、それぞれの素子の電
極面積を異ならせることを特徴とする半導体圧力セン
サ。 - 【請求項３】 請求項１に記載の半導体圧力センサにお
いて、 前記Ｃｒ０／Ｃｓ０ 比の調整は、それぞれの素子の電
極ギャップ長を異ならせることを特徴とする半導体圧力
センサ。 - 【請求項４】 請求項１に記載の半導体圧力センサにお
いて、 前記Ｃｒ０／Ｃｓ０ 比の調整は、それぞれの素子の電
極ギャップ内の誘電率を異ならせることを特徴とする半
導体圧力センサ。
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