JP4337656B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、圧力検出用のダイアフラムを有する金属ステムの該ダイアフラムの表面に、歪みゲージを有する半導体基板を固定してなり、歪みゲージにより該ダイアフラムの歪みを電気信号に変換することにより圧力を検出するようにした圧力センサに関し、たとえば、自動車等のエンジン制御等、燃料圧、ブレーキ圧等に用いることができる。

従来より、この種の圧力センサとしては、圧力検出用のダイアフラムを有する金属ステムと、金属ステムにおけるダイアフラムの表面に取り付けられた半導体基板と、半導体基板に形成されダイアフラムの歪みを電気信号に変換するための歪みゲージとを備えるものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

より具体的に、このものは、金属ステムにおけるダイアフラムの表面に酸化層を形成し、この酸化層上にガラス層を介して、半導体歪みゲージを形成した単結晶半導体基板（単結晶半導体チップ）を接合したものである。
特公平７−１１４６１号公報

しかしながら、上記従来の圧力センサにおいては、金属ステムにおけるダイアフラムの厚さと半導体基板の厚さとを足し合わせた厚さ分を撓ませる構造となっているため、感度を上げるためには、ダイアフラムの厚さおよび、半導体基板の厚さを薄くしていく必要がある。

しかし、半導体基板は、たとえばウェハ状態におけるハンドリング性や強度などを考慮すると、余り薄くすることはできない。そのため、従来では、半導体基板の厚さを薄くすることで感度を向上させようとしても制約があった。

また、従来では、歪みゲージは、一般に、半導体基板に対して注入や拡散といった半導体プロセスを用いて形成された拡散抵抗ゲージとして構成されている。すると、ゲージの電気的な絶縁分離は、ＰＮ接合によって行われているため、高温ではＰＮ接合部でリークが発生し、高温環境での高精度にな圧力検出に適さない。

本発明は上記問題に鑑み、圧力検出用のダイアフラムを有する金属ステムの該ダイアフラムの表面に、歪みゲージを有する半導体基板を固定してなる圧力センサにおいて、感度の向上および精度の向上に適した構成を実現することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、圧力検出用のダイアフラム（１１）を有する金属ステム（１０）と、金属ステム（１０）におけるダイアフラム（１１）の表面に取り付けられた半導体基板（２０）と、半導体基板（２０）に形成されダイアフラム（１１）の歪みを電気信号に変換するための歪みゲージ（２４）とを備える圧力センサにおいて、次のような特徴点を有している。

・半導体基板（２０）は、絶縁層（２３）を第１の半導体層（２１）と第２の半導体層（２２）とで挟み込んでなる積層構造を有するものであること。

・半導体基板（２０）における第１の半導体層（２１）に歪みゲージ（２４）が形成されており、歪みゲージ（２４）は、第１の半導体層（２１）の表面から絶縁層（２３）にまで到達するトレンチ（２５）により絶縁分離されたパターン形状を有するものであること。

・半導体基板（２０）における第２の半導体層（２２）のうち歪みゲージ（２４）に対応する部位には、絶縁層（２３）にまで達する凹部（２８）が形成されており、ダイアフラム（１１）は凹部（２８）内に入り込んでおり、凹部（２８）の底面を構成する絶縁層（２３）がダイアフラム（１１）の表面に取り付けられていること。本発明はこれらの点を特徴としている。

それによれば、金属ステム（１０）のダイアフラム（１１）とともに、半導体基板（２０）においては絶縁層（２３）の厚さ分をたわませる構成となる。そして、ダイアフラム（１１）とともにたわむ絶縁層（２３）上に形成された歪みゲージ（２４）により、圧力検出が可能となる。

このような構成とすることで、本発明では、半導体基板（２０）における撓み部分の厚さが、実質的に絶縁層（２３）のみの厚さまで薄くできる。そのため、感度を上げるのに有利な構成となっている。

ここで、歪みゲージ（２４）は、第１の半導体層（２１）により構成されピエゾ抵抗効果を利用したものとなるが、この歪みゲージ（２４）は、トレンチ（２５）によって区画することで絶縁層（２３）により絶縁分離されたものである。

そのため、本発明の歪みゲージ（２４）は、従来の半導体層中に形成した拡散抵抗ゲージのように、ＰＮ接合によって絶縁分離されたものではないため、高温でのリークが発生せず、高精度な検出が可能になる。

したがって、本発明によれば、圧力検出用のダイアフラム（１１）を有する金属ステム（１０）の該ダイアフラム（１１）の表面に、歪みゲージ（２４）を有する半導体基板（２０）を固定してなる圧力センサにおいて、感度の向上および精度の向上に適した構成を実現することができる。

ここで、請求項２に記載の発明のように、請求項１に記載の圧力センサにおいては、半導体基板（２０）は、第１の半導体層（２１）および第２の半導体層（２２）がシリコンからなり、絶縁層（２３）がシリコン酸化膜からなるＳＯＩ基板であるものにできる。

また、請求項３に記載の発明のように、請求項１または請求項２に記載の圧力センサにおいては、凹部（２８）の底面を構成する絶縁層（２３）とダイアフラム（１１）の表面とは、ガラス（３０）を介して接合されているものにできる。

また、請求項４に記載の発明では、請求項１〜請求項３に記載の圧力センサにおいて、金属ステム（１０）におけるダイアフラム（１１）の表面は、半導体基板（２０）における凹部（２８）に対応した凸形状をなす凸部（１１ａ）を有しており、ダイアフラム（１１）のうち凸部（１１ａ）が凹部（２８）に入り込んで、絶縁層（２３）に取り付けられていることを特徴としている。

このように、ダイアフラム（１１）の表面に、半導体基板（２０）における凹部（２８）に対応した凸形状をなす凸部（１１ａ）を設けることにより、ダイアフラム（１１）の表面に半導体基板（２０）を適切な形態で取り付けることができる。

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。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る圧力センサ１００の全体概略断面構成を示す図であり、図２は、同圧力センサ１００における半導体基板２０の概略平面図である。なお、この図２は、図１中の半導体基板２０の上視平面図でもあり、また、図１に示される断面は、図２中のＡ−Ａ一点鎖線に沿った断面に対応している。

本実施形態では、限定するものではないが、圧力センサＳ１は、自動車の燃料噴射系（例えばコモンレ−ル）における燃料パイプ（図示せず）に取り付けられ、この燃料パイプ内の圧力媒体としての液体または気液混合気の圧力を検出するものとして説明する。

この圧力センサ１００は、大きくは、圧力検出用のダイアフラム１１を有する金属ステム１０と、金属ステム１０におけるダイアフラム１１の表面に取り付けられた半導体基板２０と、半導体基板２０に形成されダイアフラム１１の歪みを電気信号に変換するための歪みゲージ２４とを備えて構成されている。

金属ステム１０は、たとえばコバールなど、熱膨張率の小さいＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金などよりなるもので、中空円筒状をなす。金属ステム１０は、上端側に閉塞部としての薄肉状のダイアフラム１１を有し、他端側に開口部１２を有する。

また、金属ステム１０の材料について、さらに言うならば、高圧を受けることから高強度であること、及び、Ｓｉなどの半導体からなる半導体基板１０をガラス３０により接合するため低熱膨張係数であることが求められ、具体的には、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏまたはＦｅ、Ｎｉを主体とし、析出強化材料としてＴｉ、Ｎｂ、Ａｌまたは、Ｔｉ、Ｎｂが加えられた材料を選定し、プレス、切削や冷間鍛造等により形成できる。

半導体基板２０は、金属ステム１０におけるダイアフラム１１の表面に取り付けられている。具体的には、電気絶縁性の接合材を介して取り付けられている。本例では、半導体基板２０は、低融点ガラスなどのガラス３０を介してダイアフラム１１の表面に固定されている。

本実施形態では、半導体基板２０は、絶縁層２３を第１の半導体層２１と第２の半導体層２２とで挟み込んでなる積層構造を有するものである。本例では、半導体基板２０は、第１の半導体層２１および第２の半導体層２２がシリコンからなり、絶縁層２３がシリコン酸化膜からなるＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）基板２０である。

このＳＯＩ基板としての本例の半導体基板２０においては、たとえば、表面シリコン層としての第１の半導体層２１は、表面がＰ型で厚さ１０μｍ程度であり、基板シリコン層としての第２の半導体層２２は厚さ５００μｍ程度であり、これら両シリコン層２１、２２を絶縁層２３としてのシリコン酸化膜で接合したものとなっている。

そして、図１、図２に示されるように、半導体基板２０における第１の半導体層２１に歪みゲージ２４が形成されている。この歪みゲージ２４は、第１の半導体層２１の表面から絶縁層２３にまで到達するトレンチ２５により絶縁分離されたパターン形状を有するものである。

この歪みゲージ２４は、図２に示されるように、互いに電気的に接続されることにより、ダイアフラム１１の変形に応じた抵抗値変化を電気信号に変換するためのブリッジ回路を構成している。

本例では、歪みゲージ２４は、図２に示されるように、折り返し形状をなすものが４個形成されており、これら４個の歪みゲージ４１が互いに電気的に接続されることにより、ホイートストンブリッジ）を構成している。

また、第１の半導体層２１には、上記トレンチ２５によって区画された配線部２６が形成されている。この配線部２６は各歪みゲージ２４に電気的に接続されたものであり、各配線部２６上には、外部との接続用のパッド２７が形成されている。

このパッド２７は、たとえばアルミニウムをスパッタリングするなどにより形成したものとでき、たとえば、ボンディングワイヤが接続されるパッドとして構成されるものである。

また、半導体基板２０の裏面側すなわち第２の半導体層２２側において、第２の半導体層２２のうち歪みゲージ２４に対応する部位には、第２の半導体層２２の表面から絶縁層２３にまで達する凹部２８が形成されている。言い換えれば、半導体基板２０の表面側すなわち第１の半導体層２１側において、この凹部２８の上に位置する部位に歪みゲージ２４が設けられた形となっている。

そして、図１に示されるように、金属ステム１０のダイアフラム１１は凹部２８内に入り込んでおり、凹部２８の底面を構成する絶縁層２３がダイアフラム１１の表面に取り付けられている。

ここで、凹部２８の底面を構成する絶縁層２３とダイアフラム１１の表面とは、上記ガラス３０を介して接合されている。それにより、ダイアフラム１１の変形に伴い、半導体基板２０においては、この絶縁層２３のうち凹部２８の底面を構成する部位が、たわむようになっている。

また、ここでは、図１に示されるように、金属ステム１０におけるダイアフラム１１の表面は、半導体基板２０における凹部２８に対応した凸形状をなす凸部１１ａを有したものとなっている。そして、ダイアフラム１１のうち、この凸部１１ａが凹部２８に入り込んで、絶縁層２３に取り付けられている。

かかる圧力センサ１００の製造方法の一例は、次の通りである。図３は、半導体基板２０の製造方法を半導体基板２０の断面構成に基づいて示す工程図である。

まず、半導体基板２０の製造方法について述べる。この半導体基板２０は、半導体プロセスを用いてウェハ状態で製造され、最終的にダイシングカットなどによりチップ単位に分断されることにより製造される。

なお、図３では、このウェハ状態で製造される工程を示しているが、図中の符号は、図１、図２に示される半導体基板２０の構成要素と同じものとして示してある。

図３（ａ）に示されるように、表面シリコン層としての第１の半導体層２１と基板シリコン層としての第２の半導体層２２とを絶縁層２３としてのシリコン酸化膜で接合したＳＯＩ基板としての半導体ウェハとしての半導体基板２０を用意する。

次に、図３（ｂ）に示されるように、半導体基板２０における第１の半導体層２１の表面に、外部の電気的接続を行なうためにワイヤボンディング等を行なう上記パッド２７を、スパッタリングなどの成膜方法を用いて形成する。

続いて、図３（ｃ）に示されるように、第１の半導体層２１に対してドライエッチングなどを施すことにより、第１の半導体層２１の表面から絶縁層２３にまで到達するトレンチ２５を形成する。それにより、第１の半導体層２１には、このトレンチ２５によって区画されたパターンを有する上記歪みゲージ２４や配線部２６が形成される。

次に、図３（ｄ）に示されるように、半導体基板２０における第２の半導体層２２に対して、ＫＯＨ（水酸化カリウム）などを用いた異方性エッチングやドライエッチングなどにより、第２の半導体層２２の表面から絶縁層２３にまで達する凹部２８を形成する。

なお、図２に示されるように、ここでは、ＫＯＨを用いた異方性エッチングにより凹部２８の平面形状は四角形状となっているが、ドライエッチングなどにより平面円形の凹部２８としてもよい。

こうして、ウェハ状態の半導体基板２０において、図１、図２に示される構成のものができあがり、この半導体基板２０をチップ単位にカットすることにより、本圧力センサ１００を構成する半導体基板２０ができあがる。

この半導体基板２０は、プレス、切削や冷間鍛造等により形成された金属ステム１０のダイアフラム１１の表面にガラス３０を介して搭載され、ガラス接合により固定され、取り付けられる。ここで、半導体基板２０における金属ステム１０との接合部は、ＳＯＩ基板のシリコン酸化膜部となるため、ガラス３０との良い接合が得られる。

こうして、本圧力センサ１００が製造される。このようにして製造された圧力センサ１００は、金属ステム１０の開口部１２側が、上記した燃料パイプ内部と連通するように、当該燃料パイプに取り付けられる。

そして、燃料パイプ内の圧力は、金属ステム１０の開口部１２から金属ステム１０内へ導入され、ダイアフラム１１の裏面に印加される。すると、ダイアフラム１１およびその上の絶縁層２３が歪み、その上の歪みゲージ２４にも歪みが発生する。

歪みゲージ２４は、この歪みに応じてピエゾ抵抗効果によって抵抗値が変化するため、この抵抗値を電気信号として検出することによって、圧力を測定できる。

たとえば、歪みゲージ２４によって構成される上記ブリッジ回路に対して所定の電圧を印加しておき、この状態で、ダイアフラム１１の歪みに伴ってブリッジ回路の抵抗バランスが変化することにより、ブリッジ回路からの出力電圧が変化する。この出力電圧の変化が電気信号として検出される。

ところで、本実施形態によれば、圧力検出用のダイアフラム１１を有する金属ステム１０と、金属ステム１０におけるダイアフラム１１の表面に取り付けられた半導体基板２０と、半導体基板２０に形成されダイアフラム１１の歪みを電気信号に変換するための歪みゲージ２４とを備える圧力センサにおいて、次のような特徴点を有する圧力センサ１００が提供される。

・半導体基板２０は、絶縁層２３を第１の半導体層２１と第２の半導体層２２とで挟み込んでなる積層構造を有するものであること。

・半導体基板２０における第１の半導体層２１に歪みゲージ２４が形成されており、歪みゲージ２４は、第１の半導体層２１の表面から絶縁層２３にまで到達するトレンチ２５により絶縁分離されたパターン形状を有するものであること。

・半導体基板２０における第２の半導体層２２のうち歪みゲージ２４に対応する部位には、絶縁層２３にまで達する凹部２８が形成されており、ダイアフラム１１は凹部２８内に入り込んでおり、凹部２８の底面を構成する絶縁層２３がダイアフラム１１の表面に取り付けられていること。

これらの点を特徴とする本実施形態の圧力センサ１００によれば、金属ステム１０のダイアフラム１１とともに、半導体基板２０においては絶縁層２３の厚さ分をたわませる構成となる。そして、ダイアフラム１１とともにたわむ絶縁層２３上に形成された歪みゲージ２４により、上述したように、圧力検出が可能となる。

このような構成とすることで、本実施形態の圧力センサ１００においては、半導体基板２０における撓み部分の厚さが、実質的に絶縁層２３のみの厚さまで薄くできる。そのため、感度を上げるのに有利な構成とできる。

ここで、歪みゲージ２４は、第１の半導体層２１により構成されピエゾ抵抗効果を利用したものとなるが、本実施形態では、この歪みゲージ２４は、トレンチ２５によって区画することで絶縁層２３により絶縁分離されたものである。

そのため、本実施形態の圧力センサ１００における歪みゲージ２４は、従来の半導体層中に形成した拡散抵抗ゲージのように、ＰＮ接合によって絶縁分離されたものではないため、高温でのリークが発生せず、高精度な検出が可能になる。

したがって、本実施形態によれば、圧力検出用のダイアフラム１１を有する金属ステム１０の該ダイアフラム１１の表面に、歪みゲージ２４を有する半導体基板２０を固定してなる圧力センサ１００において、感度の向上および精度の向上に適した構成を実現することができる。

上述したように、本例では、半導体基板２０は、第１の半導体層２１および第２の半導体層２２がシリコンからなり、絶縁層２３がシリコン酸化膜からなるＳＯＩ基板であるものにしているが、絶縁層２３を第１の半導体層２１と第２の半導体層２２とで挟み込んでなる積層構造を有するものであれば、これに限定されない。

また、本例では、凹部２８の底面を構成する絶縁層２３とダイアフラム１１の表面との取付形態は、ガラス３０を介して接合された形態としているが、これに限定されるものではない。

また、本実施形態の圧力センサ１００においては、金属ステム１０におけるダイアフラム１１の表面は、半導体基板２０における凹部２８に対応した凸形状をなす凸部１１ａを有しており、ダイアフラム１１のうち凸部１１ａが凹部２８に入り込んで、絶縁層２３に取り付けられている。

このように、ダイアフラム１１の表面に、半導体基板２０における凹部２８に対応した凸形状をなす凸部１１ａを設けることにより、ダイアフラム１１の表面に半導体基板２０を適切な形態で取り付けることができる。

また、本実施形態の圧力センサ１００においては、半導体基板２０における撓み部分すなわち凹部２８の底部に対応する部分の厚さが、実質的に絶縁層２３のみの厚さまで薄くできるが、この凹部２８の周囲は、厚いままであるため、ウェハ状態におけるハンドリング性や強度の点でも、問題ない。

（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態に係る圧力センサ２００の全体概略断面構成を示す図である。上記実施形態との相違点を中心に述べる。

上記実施形態の圧力センサ１００においては、金属ステム１０におけるダイアフラム１１の表面は、半導体基板２０における凹部２８に対応した凸形状をなす凸部１１ａを有しており、ダイアフラム１１のうち凸部１１ａが凹部２８に入り込んで、絶縁層２３に取り付けられていた。

それに対して、本実施形態では、図４に示されるように、金属ステム１０におけるダイアフラム１１の外径を、半導体基板２０における凹部２８の底部の径よりも小さいものとしている。

具体的に、本例では、金属ステム１０の外径自体を細くすることにより、上記構成を実現している。それによって、ダイアフラム１１全体を凹部２８に入り込ませ、絶縁層２３に取り付けている。

このように、本実施形態によれば、ダイアフラム１１の径を小さくすることにより、ダイアフラム１１の表面に半導体基板２０を適切な形態で取り付けることができる。また、本実施形態によれば、上記第１実施形態に比べて金属ステム２０の形状を簡素化したものにできる。

（他の実施形態）
なお、上記図２に示される歪みゲージ２４のパターン形状は、あくまで一例であり、これに限定されるものではないことはもちろんである。

また、上記図２に示される例では、半導体基板２０には、圧力検出用の歪みゲージ２４のみが設けられているが、それ以外にも、同一基板上に温度測定用の抵抗素子を設け、圧力検出媒体の温度を同素子で検出するようにしてもよい。

本発明の第１実施形態に係る圧力センサの全体概略断面図である。 図１に示される圧力センサにおける半導体基板の概略平面図である。 半導体基板の製造方法を示す工程図である。 本発明の第２実施形態に係る圧力センサの全体概略断面図である。

符号の説明

１０…金属ステム、１１…金属ステムのダイアフラム、
１１ａ…ダイアフラムの凸部、２０…半導体基板、２１…第１の半導体層、
２２…第２の半導体層、２３…絶縁層、２４…歪みゲージ、２５…トレンチ、
２８…凹部。

Claims (4)

1. 圧力検出用のダイアフラム（１１）を有する金属ステム（１０）と、
   前記金属ステム（１０）における前記ダイアフラム（１１）の表面に取り付けられた半導体基板（２０）と、
   前記半導体基板（２０）に形成され前記ダイアフラム（１１）の歪みを電気信号に変換するための歪みゲージ（２４）とを備える圧力センサにおいて、
   前記半導体基板（２０）は、絶縁層（２３）を第１の半導体層（２１）と第２の半導体層（２２）とで挟み込んでなる積層構造を有するものであり、
   前記半導体基板（２０）における前記第１の半導体層（２１）に前記歪みゲージ（２４）が形成されており、
   前記歪みゲージ（２４）は、前記第１の半導体層（２１）の表面から前記絶縁層（２３）にまで到達するトレンチ（２５）により絶縁分離されたパターン形状を有するものであり、
   前記半導体基板（２０）における前記第２の半導体層（２２）のうち前記歪みゲージ（２４）に対応する部位には、前記絶縁層（２３）にまで達する凹部（２８）が形成されており、
   前記ダイアフラム（１１）は前記凹部（２８）内に入り込んでおり、前記凹部（２８）の底面を構成する前記絶縁層（２３）が前記ダイアフラム（１１）の表面に取り付けられていることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記半導体基板（２０）は、前記第１の半導体層（２１）および前記第２の半導体層（２２）がシリコンからなり、前記絶縁層（２３）がシリコン酸化膜からなるＳＯＩ基板であることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記凹部（２８）の底面を構成する前記絶縁層（２３）と前記ダイアフラム（１１）の表面とは、ガラス（３０）を介して接合されていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力センサ。
4. 前記金属ステム（１０）における前記ダイアフラム（１１）の表面は、前記半導体基板（２０）における前記凹部（２８）に対応した凸形状をなす凸部（１１ａ）を有しており、
   前記ダイアフラム（１１）のうち前記凸部（１１ａ）が前記凹部（２８）に入り込んで、前記絶縁層（２３）に取り付けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の圧力センサ。
   

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