JP3991850B2

JP3991850B2 - Pressure sensor

Info

Publication number: JP3991850B2
Application number: JP2002350790A
Authority: JP
Inventors: ユミ丸山; 誠一郎石王
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-12-03
Filing date: 2002-12-03
Publication date: 2007-10-17
Anticipated expiration: 2022-12-03
Also published as: JP2004184201A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ダイアフラム式の圧力センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の圧力センサは、シリコン基板等の半導体基板にエッチング等にて薄肉部としてのダイアフラムを形成するとともに、ダイアフラムに拡散抵抗を形成し、ダイアフラムの圧力印加に伴う変形を電気信号に変換することにより圧力検出を行うものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この圧力センサの一般的な構成を図４に示す。図４において、（ａ）は圧力センサの一部断面を含む斜視構成図、（ｂ）は圧力センサの電気回路構成図である。
【０００４】
図４（ａ）に示すように、ダイアフラム１１が形成されたシリコン半導体基板１０が、ガラス等の台座３０に接合され支持されている。ダイアフラム上には、歪みゲージとしての拡散抵抗１２およびこれら拡散抵抗１２と電気的に接続された信号取出用の電極１３が形成されている。
【０００５】
各々の拡散抵抗１２は、図４（ｂ）に示す配線状態で結線され、ホイートストンブリッジを構成しており、このブリッジ回路によって、圧力印加時におけるダイアフラム１１の歪みに基づく電気信号が発生し、印加された圧力の検出が可能となっている。
【０００６】
具体的に、上記圧力センサにおいて、圧力の検出は次のように行われる。図４（ａ）に示す白抜き矢印Ｙ方向へダイアフラム１１に対して圧力が印加されると、ダイアフラム１１が歪み変形する。
【０００７】
このとき、図４（ｂ）に示すホイートストンブリッジの入力端子ＩａとＩｂとの間に直流定電圧Ｖを与えた状態では、この変形が拡散抵抗１２の抵抗値変化として現れ、出力端子ＰａとＰｂとの間から被検出圧力に応じたレベルの電圧Ｖｏｕｔが出力され、圧力検出がなされる。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−３９８８８号公報（第１−４図）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の圧力センサにおいて、拡散抵抗１２は、半導体基板１０とは導電型の異なるものであり、拡散抵抗１２と半導体基板１０との間にはＰＮ接合が存在する。
【００１０】
そのため、エンジン燃焼圧等の圧力センサに適用した場合、高温（例えば４００℃以上）条件下にてＰＮ接合に生じるリーク電流が増大する。すると、このリーク電流の増大によって、測定精度が悪化するなど、高温条件下での測定が困難になる。
【００１１】
そこで、このような高温条件での測定が困難な半導体ダイアフラム式圧力センサを、燃焼圧センサ等の高温条件下で使用する場合、熱絶縁性が高く高強度のセラミックからなる力伝達ロッドを介して断熱することが考えられる。それによれば、圧力センサ自体は高温環境に直接さらされずに済む。
【００１２】
しかしながら、このような力伝達ロッドを用いた構成では、測定圧と圧力センサとの間に中間材として力伝達ロッドが介在するため、圧力伝達のロスによる測定精度の悪化や部品点数の増加による低コスト化の阻害等の問題を招くことになる。
【００１３】
そこで、本発明は上記問題に鑑み、半導体ダイアフラム式圧力センサにおいて、高温で用いた場合でも、中間材を介することなく圧力を測定できるようにすることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、圧力の印加により変形可能な半導体からなるダイアフラム（１１）と、ダイアフラムの一面と密閉された空間部（４０）を有して対向配置され、ダイアフラムの外周部側からダイアフラムの中央部側に向かって突出する互いに突出長さの異なる棒状の第１、第２の突出部（２１）とを備え、第１、第２の突出部は、ダイアフラムの変位方向へ変形可能であり、第１の圧力が印加されたときに、ダイアフラムが変形してダイアフラムと第１の突出部の先端部とが接触し、この接触した第１の突出部とダイアフラムとの間に流れる電流に基づいて第１の圧力が検出され、さらに第１の圧力より大きい第２の圧力が印加されると、ダイアフラムとすでに接触している第１の突出部はダイアフラムとともに変形し、ダイアフラムは第１の突出部以外に第２の突出部にも接触し、この接触した第１、第２の突出部とダイアフラムとの間に流れる電流に基づいて第２の圧力が検出されるようになっていることを特徴とする。
【００１５】
それによれば、第１、第２の棒状突出部の突出長さが異なるので、各突出部の先端部は、ダイアフラムの中央部から周辺部まで様々な位置に存在するものとなる。一方、ダイアフラムは、その性質上、中央部の変形が最大となるように、印加圧力の大きさに応じて変形する。
【００１６】
このとき、第１、第２の突出部はダイアフラムの変位方向へ変形可能であるため、ダイアフラムの変形が大きくなっていっても、ダイアフラムとすでに接触している第１の突出部は、ダイアフラムとともに変形し、ダイアフラムの変形は阻害されない。そして、ダイアフラムがさらに大きく変形すると、ダイアフラムは、すでに接触している第１の突出部以外の第２の突出部の先端部にも接触する。
【００１７】
このように、印加圧力の大きさに応じて、変形したダイアフラムと接触する突出部の数が多くなっていく。そして、その接触数の変化に応じて、接触した突出部とダイアフラムとの間に流れる電流の大きさも変化するので、この電流の大きさに基づいて印加圧力の変化を検出することが可能になる。
【００１８】
このように、本発明の半導体ダイアフラム式圧力センサは、ダイアフラムと突出部との接触数に応じて変化する電流に基づいて圧力検出を行う接触式のものであるため、ダイアフラムに拡散抵抗を形成することが不要となる。
【００１９】
そのため、従来の半導体ダイアフラム式圧力センサに存在していたＰＮ接合が、本発明の圧力センサでは存在しないので、高温条件下での測定に問題はない。つまり、測定圧力をダイアフラムに直接印加するような構成を採用することができる。
【００２０】
よって、本発明によれば、半導体ダイアフラム式圧力センサにおいて、高温で用いた場合でも、中間材を介することなく圧力を測定することができる。そして、中間材が省略できるからコスト的に有利であり、且つ、上記した電流変化に基づいて圧力変化を検出することができるから、精度の良い圧力検出が可能となる。
【００２１】
請求項２に記載の発明では、圧力の印加により変形可能な半導体からなるダイアフラム（１１）を有する第１の基板（１０）と、第１の基板に対向し、ダイアフラムとの間に密閉された空間部（４０）を有して配置された第２の基板（２０）とを備え、第２の基板のうちダイアフラムに対向する部位には、ダイアフラムの外周部側からダイアフラムの中央部側に向かって突出する互いに突出長さの異なる棒状の第１、第２の突出部（２１）が形成されており、第１、第２の突出部は、ダイアフラムの変位方向へ変形可能であり、第１の圧力が印加されたときに、ダイアフラムが変形してダイアフラムと第１の突出部の先端部とが接触し、この接触した第１の突出部とダイアフラムとの間に流れる電流に基づいて第１の圧力が検出され、さらに第１の圧力より大きい第２の圧力が印加されると、ダイアフラムとすでに接触している第１の突出部はダイアフラムとともに変形し、ダイアフラムは第１の突出部以外に第２の突出部にも接触し、この接触した第１、第２の突出部とダイアフラムとの間に流れる電流に基づいて第２の圧力が検出されるようになっていることを特徴とする。
【００２２】
それによれば、請求項１に記載の発明と同様の作用効果を奏する半導体ダイアフラム式圧力センサが提供される。
【００２３】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図１は本発明の実施形態に係る半導体ダイアフラム式圧力センサＳ１の構成図であり、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。なお、（ａ）は（ｂ）の上視図である。
【００２５】
この圧力センサＳ１は、ダイアフラム１１を有する第１の基板１０と突出部２１を有する第２の基板２０とが積層され、この積層体が台座３０に支持されたものとなっている。なお、図１（ａ）では、第２の基板２０の平面形状を示してあり、第１の基板１０は省略するがダイアフラム１１は破線にて示してある。
【００２６】
第１の基板１０は、半導体基板としての第１のシリコン基板１０であり、この第１のシリコン基板１０の一面側から、アルカリエッチング液用いた異方性エッチングやドライエッチング等を施すことにより、薄肉部としてのダイアフラム１１が形成されている。本例では、ダイアフラム１１の平面形状は略円形状に示されているが、特に限定されるものではない。
【００２７】
このダイアフラム１１は、図１（ｂ）中の矢印Ｙ方向からの圧力の印加により、図１（ｂ）中の下方へ向かってダイアフラム１１の中央部の変位が最大となるように、湾曲状に変形する。そして、このダイアフラム１１には、従来形成していた拡散抵抗が形成されていない。
【００２８】
第２の基板２０は、特に材質を限定しないが、本例では、半導体基板としての第２のシリコン基板２０である。この第２のシリコン基板２０は、ダイアフラム１１との間に密閉された空間部４０を有した形で第１の基板に対向して配置されている。
【００２９】
そして、図１（ｂ）に示すように、第２のシリコン基板２０におけるダイアフラム１１との対向面側には、ダイアフラム１１の外周部側からダイアフラム１１の中央部側に向かって突出する棒状の複数個の突出部２１が形成されている。この突出部２１はカンチレバーとして構成されるものであり、図１（ｂ）では、円形状のダイアフラム１１の外周部に沿って略円形に、各突出部２１が配置されている。
【００３０】
これら各突出部２１は、互いに突出長さが異なるものであるが、すべての突出部２１の長さが互いに異なっていなくてもよく、一部に同一の突出長さのものが存在していても良い。そして、複数個の突出部は、ダイアフラム１１の変位方向へ変形可能な薄板形状をなしている。
【００３１】
また、図１（ａ）に示すように、各突出部２１は、その先端部から第２のシリコン基板２０の周辺部に渡って、第２のシリコン基板２０の表面に配線２２、２３、２４が形成されたものとなっている。
【００３２】
これら配線２２〜２４は、突出部２１の先端部側に位置する先端部側配線２２、第２のシリコン基板２０の周辺部側に位置する周辺部側配線２３、これら先端部配線２２と周辺部側配線２３との間に位置する抵抗２４からなる。
【００３３】
ここで、抵抗２４は先端部配線２２および周辺部側配線２３よりも、配線抵抗が十分に大きいものであり、各突出部２１毎に抵抗２４の抵抗値は略一定であるる。つまり、各突出部２１の配線抵抗は抵抗２４の抵抗値Ｒで決まり、各突出部２１の抵抗値Ｒは互いに略一定のものとなっている。
【００３４】
このような各突出部２１における配線の構成としては、例えば、先端部配線２２および周辺部側配線２３を成膜されたＡｌからなり、抵抗２４を成膜されたＣｒ−Ｓｉからなるものにできる。または、抵抗２４の配線幅を配線２２、２３よりも十分に細くする等の構成としても良い。
【００３５】
そして、第２のシリコン基板２０の周辺部において、各突出部２１について形成されている周辺部側配線２３は、接続配線２５によって電気的に接続されている。この接続配線２５は、先端部配線２２および周辺部側配線２３と同様のもの、例えば成膜されたＡｌからなるものにできる。
【００３６】
このような、突出部２１や配線２２〜２５を有する第２のシリコン基板２０は、例えば、次のようにして形成することができる。第２のシリコン基板２０の一面から厚さ方向の途中部まで、ドライエッチング等によりトレンチエッチングを行って、突出部２１のパターンを形成する。また、スパッタや蒸着等により、第２のシリコン基板２０の一面に各配線２２〜２５を形成する。
【００３７】
そして、第２のシリコン基板２０の他面側から、アルカリエッチング液用いた異方性エッチングやドライエッチング等を施すことにより突出部２１に対応した部位を除去することにより、突出部２１を片持ち状態に開放する。こうして、図１に示される第２のシリコン基板２０の構成が形成される。
【００３８】
また、第１のシリコン基板１０と第２のシリコン基板２０とは、接着等により接合されているが、その接合部には、絶縁膜５０が介在されており、第１および第２のシリコン基板１０、２０間を電気的に絶縁している。この絶縁膜５０は、第１のシリコン基板１０の厚肉部の面に、熱酸化やスパッタ、蒸着等により形成された酸化膜や窒化膜とすることができる。
【００３９】
さらに、第２のシリコン基板２０は、ガラス等からなる台座３０に、陽極接合や接着等により接合されており、両シリコン基板１０、２０は台座３０上に支持されている。そして、このような両シリコン基板１０、２０および台座３０の接合部は全周に形成されることにより、その接合部の内周側の空間部４０は密閉空間となっている。
【００４０】
このように、本実施形態の圧力センサＳ１は、圧力の印加により変形可能な半導体からなるダイアフラム１１と、ダイアフラム１１の一面と密閉された空間部４０を有して対向配置されダイアフラム１１の外周部側から中央部側に向かって突出する互いに突出長さの異なる棒状の複数個の突出部２１とを備え、これら突出部２１は、ダイアフラム１１の変位方向へ変形可能なものである。
【００４１】
そのため、圧力が印加されたときに、ダイアフラム１１が変形してダイアフラム１１と少なくとも一つの突出部２１の先端部とが接触する、すなわちダイアフラム１１と少なくとも一つの先端部側配線部２２とが接触すると、接触した突出部２１とダイアフラム１１との間に電流が流れるようになっている。
【００４２】
ここで、図２に本圧力センサＳ１の電気回路を示す。各突出部２１とダイアフラム１１とがスイッチを構成しており、各突出部２１が並列に接続された定電圧回路を構成している。なお、この回路における電圧源６０や電流計６１は、上記した両シリコン基板１０、２０または図示しない外部回路基板等に設けることができる。
【００４３】
そして、この回路においては、ダイアフラム１１と突出部２１とが接触した場合に、スイッチがオンして電流が流れるようにするために、ダイアフラムはＧＮＤ、突出部２１は正または負の電位となるように、電圧源６０を設定する。図２の例では、突出部２１が正となっている。また、上述したように、各突出部２１の配線抵抗は、抵抗２４の抵抗値Ｒにて略一定のものとなっている。
【００４４】
このような図２に示す電気回路において、電気回路を流れるトータル電流Ｉは、電圧をＶ、オンしたスイッチの数をｎとすると、Ｉ＝Ｖ・ｎ／Ｒにて表すことができる。つまり、オンしたスイッチ数ｎつまりダイアフラム１１と接触する突出部２１の数が多いほど電流Ｉが増える。このトータル電流Ｉは上記電流計６１にて測定される。
【００４５】
このような圧力センサＳ１における検出動作について、図３も参照して説明する。図３において、（ａ）は圧力を受けておらずダイアフラムが変形していない定常状態、（ｂ）は圧力を受けた状態、（ｃ）は（ｂ）よりもさらに強い圧力をうけた状態を示す。
【００４６】
図３（ａ）に示すように、複数個の棒状の突出部２１の突出長さが異なるので、各突出部２１の先端部は、ダイアフラム１１の中央部から周辺部まで様々な位置に存在する。一方、ダイアフラム１１は、その性質上、中央部の変形が最大となるように、印加圧力の大きさに応じて変形する。
【００４７】
まず、図３（ａ）に示すように、第１のシリコン基板１０に形成されたパッド等を介して、ダイアフラム１１をＧＮＤ、突出部２１を正電位とするように電圧源６０により電圧差を作る。この定常状態では、上記図２に示す各スイッチはオープンであり、電流は流れていない。
【００４８】
そして、図３（ｂ）に示すように、ある大きさの圧力がダイアフラム１１に印加され、変形したダイアフラム１１は、その中央部にて一つの突出部２１の先端部に接触し、接触した両者の間で電流が流れる。
【００４９】
なお、各突出部２１は、密閉された空間部４０内に位置しているので、外部圧力の影響によって変形することはない。つまり、突出部２１は、ダイアフラム１１が接触するまで、変位することはなく、ダイアフラム１１と突出部２１との安定した接触を確保することができる。
【００５０】
次に、図３（ｃ）に示すように、さらに大きい圧力が印加されるとダイアフラム１１の変形がより大きくなるが、このとき、各突出部２１はダイアフラム１１の変位方向へ変形可能であるため、ダイアフラム１１とすでに接触している突出部２１は、ダイアフラム１１とともに変形する。
【００５１】
そのため、ダイアフラム１１のさらなる変形は阻害されず、ダイアフラム１１はさらに大きく変形していき、すでに接触している中央部寄りの突出部２１以外の周辺部寄りの突出部２１の先端部にも接触する。このようにして、印加圧力の大きさに応じて、変形したダイアフラム１１と接触する突出部２１の数が多くなっていく。
【００５２】
そして、その接触数の変化に応じて、すなわち上記図２に示したオンしたスイッチ数ｎが変化するにつれて、接触した突出部２１とダイアフラム１１との間に流れる電流（つまりトータル電流Ｉ）の大きさも変化するので、この電流の大きさに基づいて印加圧力の変化を検出することが可能になる。つまり、印加圧力が大きいほど大きなトータル電流Ｉが流れることになる。
【００５３】
なお、このトータル電流Ｉに基づいて印加圧力の信号が検出されるが、その検出信号を調整する回路や信号を増幅する増幅回路が、図示しないけれども、別途、両シリコン基板１０、２０または外部回路基板に設けられていても良い。そして、検出信号の信号処理がなされ、目的の圧力の大きさが求められるようになっている。
【００５４】
このように、本実施形態の半導体ダイアフラム式圧力センサＳ１は、ダイアフラム１１と突出部２１との接触数に応じて変化する電流に基づいて圧力検出を行う接触式のものであるため、ダイアフラム１１に従来では形成していた拡散抵抗を形成することが不要となる。
【００５５】
そのため、従来の半導体ダイアフラム式圧力センサに存在していたＰＮ接合が、本実施形態の圧力センサＳ１では存在しないので、高温条件下での測定においてＰＮ接合におけるリーク電流の問題は、そもそも発生しない。つまり、測定圧力をダイアフラム１１に直接印加するような構成を採用することができる。
【００５６】
よって、本実施形態によれば、半導体ダイアフラム式圧力センサにおいて、高温で用いた場合でも、中間材を介することなく圧力を測定することができる。そして、中間材が省略できるからコスト的に有利であり、且つ、上記した電流変化に基づいて圧力変化を検出することができるから、精度の良い圧力検出が可能となる。
【００５７】
なお、突出部２１の数は、大きさの異なる圧力を検出するセンサとして機能させるためにも、突出長さの異なるものが複数個必要であるが、その数は少なくとも２個以上であればよい。そして、その突出部２１の配置形態も、上記図１（ａ）のように円形状以外にも、多角形状等任意のものにできる。
【００５８】
また、突出部２１の突出長さや厚さを変えることで突出部２１の剛性を変えることが可能なことは明らかである。突出部２１の剛性を高くすれば、ダイアフラム１１も低圧では変形しにくくなって高圧測定に適した圧力センサとなり、突出部２１の剛性を低くすれば、逆に低圧測定に適した圧力センサとすることができる。
【００５９】
また、各突出部２１の配線２２〜２４は、各突出部２１とダイアフラム１１との接触時における導通が確保できれば、無くてもかまわない。また、各突出部２１の配線抵抗を一定にするための抵抗２４は、印加圧力の大きさに応じたトータル電流を得ることができるならば、無くしてもかまわない。
【００６０】
（他の実施形態）
なお、各突出部は、上記実施形態のように、一つの基板に一体に形成されていなくてもよく、別々の部材であっても良い。その場合、各突出部を台座に接合して台座上で一体化するとともに隣り合う各突出部の間を絶縁性の接着剤等で封止し、ダイアフラムとの間の空間部を密閉構造とすることが必要である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体ダイアフラム式圧力センサの構成図である。
【図２】図１に示す圧力センサの電気回路図である。
【図３】図１に示す圧力センサの検出動作を示す図である。
【図４】従来の一般的な半導体ダイアフラム式圧力センサの構成図であり、（ａ）は一部断面を含む斜視構成図、（ｂ）は電気回路構成図である。
【符号の説明】
１０…第１の基板としての第１のシリコン基板、１１…ダイアフラム、
１２…拡散抵抗、１３…電極、
２０…第２の基板としての第２のシリコン基板、２１…突出部、
２２…先端部側配線、２３…周辺部側配線、２４…抵抗、２５…接続配線、
３０…台座、４０…空間部、５０…絶縁膜、６０…電圧源、６１…電流計、
Ｙ…圧力印加方向。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor diaphragm type pressure sensor.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, this type of pressure sensor forms a diaphragm as a thin-walled part by etching or the like on a semiconductor substrate such as a silicon substrate, and forms a diffusion resistance in the diaphragm, and converts deformation caused by the application of pressure to the diaphragm into an electrical signal Thus, pressure detection is performed (see, for example, Patent Document 1).
[0003]
A general configuration of this pressure sensor is shown in FIG. 4A is a perspective configuration diagram including a partial cross section of the pressure sensor, and FIG. 4B is an electrical circuit configuration diagram of the pressure sensor.
[0004]
As shown in FIG. 4A, the silicon semiconductor substrate 10 on which the diaphragm 11 is formed is bonded to and supported by a pedestal 30 such as glass. On the diaphragm, a diffusion resistor 12 as a strain gauge and a signal extraction electrode 13 electrically connected to the diffusion resistor 12 are formed.
[0005]
Each diffused resistor 12 is connected in the wiring state shown in FIG. 4B and constitutes a Wheatstone bridge. This bridge circuit generates an electrical signal based on the distortion of the diaphragm 11 when pressure is applied. The detected pressure can be detected.
[0006]
Specifically, in the pressure sensor, the pressure is detected as follows. When pressure is applied to the diaphragm 11 in the direction of the hollow arrow Y shown in FIG. 4A, the diaphragm 11 is deformed and deformed.
[0007]
At this time, in the state where the DC constant voltage V is applied between the input terminals Ia and Ib of the Wheatstone bridge shown in FIG. 4B, this deformation appears as a change in the resistance value of the diffused resistor 12, and the output terminals Pa and Pb The voltage Vout at a level corresponding to the detected pressure is output between the two and the pressure is detected.
[0008]
[Patent Document 1]
JP 2002-39888 A (Fig. 1-4)
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In the pressure sensor described above, the diffusion resistor 12 has a conductivity type different from that of the semiconductor substrate 10, and a PN junction exists between the diffusion resistor 12 and the semiconductor substrate 10.
[0010]
Therefore, when applied to a pressure sensor such as an engine combustion pressure, a leakage current generated in the PN junction increases under a high temperature (for example, 400 ° C. or higher) condition. Then, the measurement under high temperature conditions becomes difficult, for example, the measurement accuracy deteriorates due to the increase in leakage current.
[0011]
Therefore, when a semiconductor diaphragm type pressure sensor that is difficult to measure under such high temperature conditions is used under high temperature conditions such as a combustion pressure sensor, it is necessary to use a force transmission rod made of ceramic with high thermal insulation and high strength. It is possible to insulate. According to this, the pressure sensor itself is not directly exposed to a high temperature environment.
[0012]
However, in the configuration using such a force transmission rod, since the force transmission rod is interposed as an intermediate material between the measurement pressure and the pressure sensor, the measurement accuracy is deteriorated due to pressure transmission loss and the number of parts is reduced. This will cause problems such as cost hindrance.
[0013]
In view of the above problems, an object of the present invention is to enable a semiconductor diaphragm pressure sensor to measure a pressure without using an intermediate material even when used at a high temperature.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a diaphragm (11) made of a semiconductor that can be deformed by application of pressure, and a space (40) hermetically sealed with one surface of the diaphragm are arranged opposite to each other. is, first mutually different protruding length rod-like protruding toward the outer peripheral side of the diaphragm central portion of the diaphragm, the second projecting portion and a (21), first, second protrusions The diaphragm can be deformed in the displacement direction, and when the first pressure is applied, the diaphragm is deformed so that the diaphragm and the tip of the first protrusion come into contact with each other . a first pressure is detected on the basis of the current flowing between the diaphragm and further when the first pressure is greater than the second pressure is applied, the first protrusion already in contact with the diaphragm Daiafura The diaphragm comes into contact with the second protrusion in addition to the first protrusion, and the second pressure is applied based on the current flowing between the contacted first and second protrusions and the diaphragm. characterized that it is so that the detected.
[0015]
According to this, since the projecting lengths of the first and second rod-shaped projecting portions are different, the tip portions of the projecting portions are present at various positions from the central portion to the peripheral portion of the diaphragm. On the other hand, the diaphragm is deformed according to the magnitude of the applied pressure so that the deformation of the central portion is maximized due to its property.
[0016]
At this time, since the first and second projecting portions can be deformed in the displacement direction of the diaphragm, even if the deformation of the diaphragm is increased, the first projecting portion that is already in contact with the diaphragm is in contact with the diaphragm. It is deformed and the deformation of the diaphragm is not hindered. And if a diaphragm deform | transforms further largely, a diaphragm will also contact the front-end | tip part of 2nd protrusion parts other than the 1st protrusion part which has already contacted.
[0017]
Thus, the number of protrusions that come into contact with the deformed diaphragm increases in accordance with the magnitude of the applied pressure. Since the magnitude of the current flowing between the projecting portion and the diaphragm that are in contact with each other changes according to the change in the number of contacts, the change in the applied pressure can be detected based on the magnitude of the current. .
[0018]
As described above, the semiconductor diaphragm type pressure sensor of the present invention is a contact type that performs pressure detection based on a current that changes in accordance with the number of contacts between the diaphragm and the protrusion, and thus forms a diffusion resistance in the diaphragm. Is no longer necessary.
[0019]
For this reason, the PN junction that existed in the conventional semiconductor diaphragm type pressure sensor does not exist in the pressure sensor of the present invention, so there is no problem in measurement under high temperature conditions. That is, a configuration in which the measurement pressure is directly applied to the diaphragm can be employed.
[0020]
Therefore, according to the present invention, in the semiconductor diaphragm type pressure sensor, even when used at a high temperature, the pressure can be measured without using an intermediate material. Since the intermediate material can be omitted, it is advantageous in terms of cost, and the pressure change can be detected based on the above-described current change, so that the pressure can be detected with high accuracy.
[0021]
In the invention according to claim 2, the first substrate (10) having a diaphragm (11) made of a semiconductor that can be deformed by application of pressure, and the first substrate is opposed to and sealed between the diaphragms. A second substrate (20) arranged with a space (40), and the portion of the second substrate facing the diaphragm is directed from the outer peripheral side of the diaphragm toward the central side of the diaphragm. Rod-shaped first and second projecting portions (21) projecting from each other with different projecting lengths are formed, and the first and second projecting portions are deformable in the displacement direction of the diaphragm . When the pressure is applied, the diaphragm is deformed so that the diaphragm and the tip of the first protrusion come into contact with each other, and a first current is generated based on the current flowing between the contacted first protrusion and the diaphragm . the pressure of the detection, further When a second pressure greater than 1 is applied, the first protrusion already in contact with the diaphragm is deformed together with the diaphragm, and the diaphragm contacts the second protrusion in addition to the first protrusion. and, wherein the first and the contacts, the second pressure on the basis of the current flowing between the second projection and the diaphragm is in so that the detected.
[0022]
According to this, the semiconductor diaphragm type pressure sensor which has the same effect as the invention according to claim 1 is provided.
[0023]
In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means is an example which shows a corresponding relationship with the specific means as described in embodiment mentioned later.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments shown in the drawings will be described below. FIG. 1 is a configuration diagram of a semiconductor diaphragm type pressure sensor S1 according to an embodiment of the present invention, where (a) is a schematic plan view, and (b) is a schematic cross-sectional view along the line AA in (a). is there. (A) is a top view of (b).
[0025]
In the pressure sensor S 1, the first substrate 10 having the diaphragm 11 and the second substrate 20 having the protruding portion 21 are stacked, and the stacked body is supported by the pedestal 30. In FIG. 1A, the planar shape of the second substrate 20 is shown. The first substrate 10 is omitted, but the diaphragm 11 is indicated by a broken line.
[0026]
The first substrate 10 is a first silicon substrate 10 as a semiconductor substrate, and by performing anisotropic etching, dry etching, or the like using an alkaline etchant from one surface side of the first silicon substrate 10, A diaphragm 11 is formed as a thin portion. In this example, the planar shape of the diaphragm 11 is shown as a substantially circular shape, but is not particularly limited.
[0027]
The diaphragm 11 is curved so that the displacement of the central portion of the diaphragm 11 becomes maximum downward in FIG. 1B by applying pressure from the direction of the arrow Y in FIG. Deform. The diaphragm 11 is not formed with a conventionally formed diffusion resistance.
[0028]
The material of the second substrate 20 is not particularly limited, but in this example, the second substrate 20 is the second silicon substrate 20 as a semiconductor substrate. The second silicon substrate 20 is disposed to face the first substrate in a form having a sealed space 40 between the diaphragm 11 and the diaphragm 11.
[0029]
As shown in FIG. 1B, a plurality of rod-shaped protrusions projecting from the outer peripheral portion side of the diaphragm 11 toward the central portion side of the diaphragm 11 on the surface facing the diaphragm 11 in the second silicon substrate 20. Individual protrusions 21 are formed. The protrusion 21 is configured as a cantilever. In FIG. 1B, the protrusions 21 are arranged in a substantially circular shape along the outer periphery of the circular diaphragm 11.
[0030]
These protrusions 21 have different protrusion lengths, but the lengths of all the protrusions 21 may not be different from each other, and some of them have the same protrusion length. Also good. The plurality of protrusions have a thin plate shape that can be deformed in the displacement direction of the diaphragm 11.
[0031]
Further, as shown in FIG. 1A, each protruding portion 21 has wirings 22, 23, 24 on the surface of the second silicon substrate 20 from the tip portion to the peripheral portion of the second silicon substrate 20. Is formed.
[0032]
These wirings 22 to 24 are a front end side wiring 22 positioned on the front end side of the protrusion 21, a peripheral side wiring 23 positioned on the peripheral side of the second silicon substrate 20, and the front end side wiring 22 and the peripheral portion. The resistor 24 is located between the side wiring 23.
[0033]
Here, the resistance 24 has a sufficiently higher wiring resistance than the tip end wiring 22 and the peripheral portion side wiring 23, and the resistance value of the resistance 24 is substantially constant for each protrusion 21. That is, the wiring resistance of each protrusion 21 is determined by the resistance value R of the resistor 24, and the resistance value R of each protrusion 21 is substantially constant.
[0034]
As the configuration of the wiring in each of the protruding portions 21, for example, the tip end wiring 22 and the peripheral portion side wiring 23 can be made of Al and the resistor 24 can be made of Cr-Si. . Alternatively, a configuration in which the wiring width of the resistor 24 is sufficiently narrower than that of the wirings 22 and 23 may be employed.
[0035]
In the peripheral portion of the second silicon substrate 20, the peripheral portion side wiring 23 formed for each protruding portion 21 is electrically connected by the connection wiring 25. The connection wiring 25 can be the same as the tip end wiring 22 and the peripheral portion side wiring 23, for example, made of deposited Al.
[0036]
The second silicon substrate 20 having the protruding portion 21 and the wirings 22 to 25 can be formed as follows, for example. Trench etching is performed by dry etching or the like from one surface of the second silicon substrate 20 to a middle portion in the thickness direction to form a pattern of the protruding portion 21. Further, the wirings 22 to 25 are formed on one surface of the second silicon substrate 20 by sputtering or vapor deposition.
[0037]
Then, the projecting portion 21 is cantilevered by removing the portion corresponding to the projecting portion 21 from the other surface side of the second silicon substrate 20 by performing anisotropic etching or dry etching using an alkaline etching solution. Open to state. Thus, the configuration of the second silicon substrate 20 shown in FIG. 1 is formed.
[0038]
In addition, the first silicon substrate 10 and the second silicon substrate 20 are bonded together by bonding or the like, and an insulating film 50 is interposed at the bonded portion, so that the first and second silicon substrates. 10 and 20 are electrically insulated. The insulating film 50 can be an oxide film or nitride film formed on the surface of the thick portion of the first silicon substrate 10 by thermal oxidation, sputtering, vapor deposition, or the like.
[0039]
Further, the second silicon substrate 20 is bonded to a pedestal 30 made of glass or the like by anodic bonding or adhesion, and both the silicon substrates 10 and 20 are supported on the pedestal 30. And since the joint part of such both silicon substrates 10 and 20 and the base 30 is formed in a perimeter, the space part 40 of the inner peripheral side of the joint part becomes sealed space.
[0040]
As described above, the pressure sensor S1 of the present embodiment includes the diaphragm 11 made of a semiconductor that can be deformed by application of pressure, and the outer peripheral portion of the diaphragm 11 that is disposed so as to be opposed to the diaphragm 11 with one surface of the diaphragm 11 sealed. A plurality of rod-like projecting portions 21 projecting from the side toward the center portion and having different projecting lengths are provided, and these projecting portions 21 are deformable in the displacement direction of the diaphragm 11.
[0041]
Therefore, when pressure is applied, when the diaphragm 11 is deformed and the diaphragm 11 and the tip of at least one protrusion 21 come into contact with each other, that is, when the diaphragm 11 and at least one tip wiring portion 22 come into contact with each other. The current flows between the projecting portion 21 and the diaphragm 11 in contact with each other.
[0042]
Here, FIG. 2 shows an electric circuit of the pressure sensor S1. Each protrusion 21 and the diaphragm 11 constitute a switch, and constitute a constant voltage circuit in which each protrusion 21 is connected in parallel. The voltage source 60 and the ammeter 61 in this circuit can be provided on both the silicon substrates 10 and 20 described above or an external circuit substrate (not shown).
[0043]
In this circuit, when the diaphragm 11 and the protruding portion 21 come into contact with each other, the diaphragm is set to GND and the protruding portion 21 has a positive or negative potential so that the switch is turned on and a current flows. The voltage source 60 is set. In the example of FIG. 2, the protrusion 21 is positive. Further, as described above, the wiring resistance of each protrusion 21 is substantially constant at the resistance value R of the resistor 24.
[0044]
In the electric circuit shown in FIG. 2, the total current I flowing through the electric circuit can be expressed as I = V · n / R where V is the voltage and n is the number of switches turned on. That is, the current I increases as the number n of switches that are turned on, that is, the number of protrusions 21 in contact with the diaphragm 11 increases. The total current I is measured by the ammeter 61.
[0045]
Such detection operation in the pressure sensor S1 will be described with reference to FIG. In FIG. 3, (a) shows a steady state in which no pressure is received and the diaphragm is not deformed, (b) shows a state in which pressure is received, and (c) shows a state in which a pressure stronger than (b) is received. Show.
[0046]
As shown in FIG. 3A, the protrusion lengths of the plurality of rod-shaped protrusions 21 are different, and therefore the tip of each protrusion 21 exists at various positions from the center to the periphery of the diaphragm 11. . On the other hand, the diaphragm 11 is deformed in accordance with the magnitude of the applied pressure so that the deformation of the central portion is maximized due to its property.
[0047]
First, as shown in FIG. 3A, a voltage difference is generated by a voltage source 60 through a pad or the like formed on the first silicon substrate 10 so that the diaphragm 11 is set to GND and the protruding portion 21 is set to a positive potential. create. In this steady state, each switch shown in FIG. 2 is open and no current flows.
[0048]
Then, as shown in FIG. 3B, a certain amount of pressure is applied to the diaphragm 11, and the deformed diaphragm 11 comes into contact with the tip of one projecting portion 21 at the center thereof, and both of the contacted Current flows between them.
[0049]
In addition, since each protrusion part 21 is located in the sealed space part 40, it does not deform | transform by the influence of an external pressure. That is, the protruding portion 21 is not displaced until the diaphragm 11 comes into contact, and a stable contact between the diaphragm 11 and the protruding portion 21 can be ensured.
[0050]
Next, as shown in FIG. 3C, when a larger pressure is applied, the deformation of the diaphragm 11 becomes larger. At this time, each protrusion 21 can be deformed in the displacement direction of the diaphragm 11. The protrusion 21 that is already in contact with the diaphragm 11 is deformed together with the diaphragm 11.
[0051]
Therefore, further deformation of the diaphragm 11 is not hindered, and the diaphragm 11 is further greatly deformed, and also contacts the distal end portion of the protruding portion 21 near the peripheral portion other than the protruding portion 21 near the center portion already in contact. . In this way, the number of protrusions 21 that come into contact with the deformed diaphragm 11 increases in accordance with the magnitude of the applied pressure.
[0052]
Then, in accordance with the change in the number of contacts, that is, as the number n of switches turned on shown in FIG. 2 is changed, the current flowing between the projecting portion 21 and the diaphragm 11 in contact (that is, the total current I) is increased. Since this also changes, it becomes possible to detect a change in the applied pressure based on the magnitude of this current. That is, the larger the applied pressure, the larger the total current I flows.
[0053]
Although a signal of the applied pressure is detected based on the total current I, a circuit for adjusting the detection signal and an amplifier circuit for amplifying the signal are not shown, but both the silicon substrates 10 and 20 or an external circuit are separately provided. It may be provided on the substrate. Then, signal processing of the detection signal is performed to obtain the target pressure level.
[0054]
As described above, the semiconductor diaphragm type pressure sensor S1 of the present embodiment is a contact type that detects pressure based on the current that changes in accordance with the number of contacts between the diaphragm 11 and the protruding portion 21, and therefore the diaphragm 11 includes It is not necessary to form a diffusion resistor that has been conventionally formed.
[0055]
For this reason, the PN junction existing in the conventional semiconductor diaphragm type pressure sensor does not exist in the pressure sensor S1 of the present embodiment, so that the problem of leakage current in the PN junction does not occur in the measurement under the high temperature condition. That is, a configuration in which the measurement pressure is directly applied to the diaphragm 11 can be employed.
[0056]
Therefore, according to this embodiment, in the semiconductor diaphragm type pressure sensor, even when used at a high temperature, the pressure can be measured without using an intermediate material. Since the intermediate material can be omitted, it is advantageous in terms of cost, and the pressure change can be detected based on the above-described current change, so that the pressure can be detected with high accuracy.
[0057]
In order to function as a sensor that detects pressures having different sizes, a plurality of protrusions 21 having different protrusion lengths are required, but the number of protrusions 21 may be at least two or more. . And the arrangement | positioning form of the protrusion part 21 can also be made into arbitrary things, such as polygonal shape besides circular shape like the said Fig.1 (a).
[0058]
It is obvious that the rigidity of the protrusion 21 can be changed by changing the protrusion length and thickness of the protrusion 21. If the rigidity of the protruding portion 21 is increased, the diaphragm 11 is also difficult to deform at a low pressure and becomes a pressure sensor suitable for high pressure measurement. If the rigidity of the protruding portion 21 is decreased, the pressure sensor is suitable for low pressure measurement. be able to.
[0059]
Further, the wirings 22 to 24 of each projecting portion 21 may not be provided as long as conduction can be ensured at the time of contact between each projecting portion 21 and the diaphragm 11. Further, the resistor 24 for making the wiring resistance of each protrusion 21 constant may be eliminated if a total current corresponding to the magnitude of the applied pressure can be obtained.
[0060]
(Other embodiments)
In addition, each protrusion part does not need to be integrally formed in one board | substrate like the said embodiment, and a separate member may be sufficient as it. In that case, each protrusion is joined to the pedestal and integrated on the pedestal, and the adjacent protrusions are sealed with an insulating adhesive or the like, and the space between the diaphragm is sealed. It is necessary.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a semiconductor diaphragm type pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
2 is an electric circuit diagram of the pressure sensor shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is a diagram showing a detection operation of the pressure sensor shown in FIG. 1;
4A and 4B are configuration diagrams of a conventional general semiconductor diaphragm type pressure sensor, in which FIG. 4A is a perspective configuration diagram including a partial cross section, and FIG. 4B is an electrical circuit configuration diagram.
[Explanation of symbols]
10 ... 1st silicon substrate as 1st substrate, 11 ... Diaphragm,
12 ... diffusion resistance, 13 ... electrode,
20 ... 2nd silicon substrate as 2nd substrate, 21 ... Projection part,
22 ... tip side wiring, 23 ... peripheral side wiring, 24 ... resistance, 25 ... connection wiring,
30 ... Pedestal, 40 ... Space, 50 ... Insulating film, 60 ... Voltage source, 61 ... Ammeter,
Y: Pressure application direction.

Claims

A diaphragm (11) made of a semiconductor deformable by application of pressure;
The rod-shaped first, which is disposed opposite to one surface of the diaphragm and having a sealed space (40) and protrudes from the outer peripheral side of the diaphragm toward the central side of the diaphragm, and having different protruding lengths . A second protrusion (21),
The first and second protrusions can be deformed in the displacement direction of the diaphragm,
When the first pressure is applied, the diaphragm is deformed so that the diaphragm and the tip of the first projecting portion come into contact with each other, and the first projecting portion and the diaphragm that are in contact with each other are in contact with each other. When the first pressure is detected based on the flowing current and a second pressure greater than the first pressure is applied, the first protrusion already in contact with the diaphragm is combined with the diaphragm. The diaphragm is in contact with the second protrusion in addition to the first protrusion, and based on the current flowing between the contacted first and second protrusions and the diaphragm, the diaphragm pressure sensor second pressure is characterized that it is so that the detected.

A first substrate (10) having a diaphragm (11) made of a semiconductor deformable by application of pressure;
A second substrate (20) disposed opposite to the first substrate and having a sealed space (40) between the diaphragm and the first substrate;
The portion of the second substrate facing the diaphragm has rod-shaped first and second projecting portions projecting from the outer peripheral portion side of the diaphragm toward the central portion side of the diaphragm and having different projecting lengths. (21) is formed,
The first and second protrusions can be deformed in the displacement direction of the diaphragm,
When the first pressure is applied, the diaphragm is deformed so that the diaphragm and the tip of the first projecting portion come into contact with each other, and the first projecting portion and the diaphragm that are in contact with each other are in contact with each other. When the first pressure is detected based on the flowing current and a second pressure greater than the first pressure is applied, the first protrusion already in contact with the diaphragm is combined with the diaphragm. The diaphragm is in contact with the second protrusion in addition to the first protrusion, and based on the current flowing between the contacted first and second protrusions and the diaphragm, the diaphragm pressure sensor second pressure is characterized that it is so that the detected.

The projection part having the same projection length as that of the first projection part is present, and the projection part having the same projection length as that of the second projection part is present. The pressure sensor according to 1 or 2.

Each of the first and second projecting portions is a wiring, and a resistor (24) located between the first and second wirings (22, 23) and the first and second wirings from the front end thereof. The pressure sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the first and second wirings are made of Al, and the resistor is made of Cr-Si. .

The pressure sensor according to claim 4, wherein a wiring width of the resistor is narrower than that of the first and second wirings.