JP5227730B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、圧力センサに関し、特に詳しくは、ダイアフラムを有する圧力センサに関するものである。

半導体のピエゾ抵抗効果を利用した圧力センサが、小型、軽量、高感度であることから、工業計測、医療などの分野で広く利用されている。このような圧力センサでは、半導体基板上にダイアフラムが形成されている。そして、ダイアフラムに歪ゲージが形成されている。ダイアフラムに加わる圧力によって、歪ゲージが変形する。ピエゾ抵抗効果による歪ゲージの抵抗変化を検出して、圧力を測定している。

差圧用ダイアフラムと静圧用ダイアフラムを同一基板上に備えたワンチップ型の圧力センサが開示されている（特許文献１）。この文献では、差圧用の歪ゲージと、静圧用の歪ゲージとの間に、歪み分離帯を形成している。歪み分離帯を形成することにより、静圧印加時に、静圧用ダイアフラムに発生する応力が差圧用ダイアフラムに波及し、印加圧力によって差圧計測値に影響が及ぶのを防いでいる。例えば、差圧印加時において、差圧用ダイアフラムの変化によってセンサチップに余分な応力が発生する。この応力によって静圧用ゲージが影響を受ける。また、静圧印加時において、静圧用ダイアフラムの変化によってセンサチップに余分な応力が発生する。この応力によって差圧ゲージが影響を受ける。これらの影響が、歪み分離帯によって低減されている。

また、別の構成の圧力センサが開示されている（特許文献２）。この圧力センサでは、センサチップと台座との接合面の角部に適切な非接合領域を設ける構造が採用されている。具体的には、センサチップの中央部に、差圧用のダイアフラムを形成するとともに、センサチップの角部に非接合領域を形成している。これにより、温度によるゼロシフトと、そのばらつきを最小にし、良好な温度特性を持たせることができる。

特開平５―７２０６９号公報 特開第３３５９４９３号公報

しかしながら、特許文献１では、センサチップを小型にする場合、歪み分離帯を設けるために十分なスペースを確保することが困難になってしまう。すなわち、歪み分離帯の分だけ、センサチップが大きくなってしまう。また、特許文献２の構成を、ワンチップ型の圧力センサに適用する場合、センサチップの角部に、非接合領域を形成するスペースを確保するのが困難になってしまう。

このように、小型で高性能な圧力センサを実現することが困難であるという問題点がある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、小型で高性能な圧力センサを提供することを目的とする。

本発明の第１の態様にかかる圧力センサは、基板と、前記基板の中央部に設けられた差圧用ダイアフラムと、前記差圧用ダイアフラムの周縁部に設けられ、前記差圧用ダイアフラムの中心に対する径方向に沿って形成された第１の差圧用ゲージと、前記第１の差圧用ゲージと前記差圧用ダイアフラムを挟んで対向する位置に配置され、前記差圧用ダイアフラムの周縁部において前記径方向と垂直な周方向に沿って形成された第２の差圧用ゲージと、前記差圧用ダイアフラムの周縁部において前記第１の差圧用ゲージの近傍に設けられ、前記周方向に沿って設けられた第３の差圧用ゲージと、前記第３の前記差圧用ダイアフラムを挟んで対向する位置に配置され、前記差圧用ダイアフラムの周縁部において前記径方向に沿って形成された第４の差圧用ゲージと、前記差圧用ダイアフラムの外側に設けられ、周方向における位置が前記第３の差圧用ゲージと前記第４の差圧用ゲージとの間にある第１の静圧用ダイアフラムと、前記差圧用ダイアフラムの外側に設けられ、前記差圧用ダイアフラムを挟んで対向する位置に配置された第２の静圧用ダイアフラムと、を備えるものである。これにより、静圧と差圧の干渉によるクロストークを抑制することができる。よって、小型で高性能な圧力センサを実現することができる。

本発明の第２の態様にかかる圧力センサは、上記の圧力センサであって、前記基板と接合された台座をさらに備え、前記差圧用ダイアフラムの前記差圧用ゲージが形成された対向する２辺の外側において、前記基板と前記台座との非接合領域が設けられているものである。これにより、温度特性を向上することができる。よって、より高性能で小型の圧力センサを実現することができる。

本発明の第３の態様にかかる圧力センサは、上記の圧力センサであって、記第１及び第２の静圧用ダイアフラムは、前記径方向に配置する端辺が前記周方向に配置する端辺より短い形状であり、前記第１及び第２の静圧用ダイアフラムの中央部と前記周方向に配置する端部に、それぞれ前記差圧用ダイアフラムを挟んで対向して形成された静圧用ゲージを備えることを特徴とするものである。これにより、温度特性を向上することができる。よって、より高性能で小型の圧力センサを実現することができる。

本発明の第４の態様にかかる圧力センサは、上記の圧力センサであって、前記静圧用ダイアフラムが長方形状に形成されているものである。これにより、簡便に圧力センサを製造することができる。

本発明の第４の態様にかかる圧力センサは、上記の圧力センサであって、前記第１及び第２の静圧用ダイアフラムは、正方形状であり、前記第１及び第２の静圧用ダイアフラムの隣接する２つの端部に、前記静圧用ダイアフラム毎に配列方向を揃えて形成された静圧用ゲージを備えることを特徴とするものである。これにより、温度特性を向上することができる。よって、より高性能で小型の圧力センサを実現することができる。

本発明によれば、小型で高性能な圧力センサを提供することができる。

発明の実施の形態１．
以下では、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本実施の形態にかかる圧力センサに用いられているセンサチップの構成を示す上面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ断面図であり、図３は、ＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。本実施の形態にかかる圧力センサは、半導体のピエゾ抵抗効果を利用した半導体圧力センサである。

圧力センサは、半導体基板からなるセンサチップ１０を有している。センサチップ１０は、正方形状になっている。図１に示すように、正方形状のセンサチップ１０の各頂点をＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄとする。図１に示すように、左上の角を角Ａ、右下の角を角Ｂ、右上の角を角Ｃ、左下の角を角Ｄとする。角Ａと角Ｂとを結ぶ対角線を対角線ＡＢとする。角Ｃと角Ｄとを結ぶ対角線を対角線ＣＤとする。センサチップ１０は、正方形であるため、対角線ＡＢと対角線ＣＤは直交する。更に、センサチップ１０の中心を中心Ｏとする。中心Ｏは、対角線ＡＢと対角線ＣＤの交点と一致する。

図２に示すように、センサチップ１０は、基台となる第１半導体層１、絶縁層２、及び第２半導体層３の３層構造になっている。例えば、センサチップ１０として、第１半導体層１と、０．５μｍ程度の厚さの絶縁層２、及び第２半導体層３からなるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いることができる。第１半導体層１及び第２半導体層３は、例えば、ｎ型単結晶シリコン層から構成されている。絶縁層２は、例えば、ＳｉＯ_２層から構成されている。第１半導体層１の上に、絶縁層２が形成されている。また、絶縁層２の上に、第２半導体層３が形成されている。従って、第１半導体層１と第２半導体層３の間に、絶縁層２が配設されている。絶縁層２は、第１半導体層１をエッチングする際に、エッチングストッパとして機能する。第２半導体層３は、差圧用ダイアフラム４を構成している。図２に示すように、差圧用ダイアフラム４はチップの中央部分に配設されている。

センサチップ１０の中央部には、差圧を検出するための差圧用ダイアフラム４が設けられている。図２に示すように、第１半導体層１が除去されることで、差圧用ダイアフラム４が形成される。すなわち、差圧用ダイアフラム４では、センサチップ１０が薄くなっている。ここでは、図１に示すように、差圧用ダイアフラム４は、正方形状に形成されている。また、差圧用ダイアフラム４の中心と、センサチップ１０の中心Ｏは一致している。すなわち、差圧用ダイアフラム４の中心点は、対角線ＡＢと対角線ＣＤの交点上にある。そして、差圧用ダイアフラム４は、正方形状のセンサチップ１０に対して、４５°傾いて配置されている。従って、対角線ＡＢは、差圧用ダイアフラム４の対向する２辺の中心を垂直に通る。また、対角線ＣＤは、差圧用ダイアフラム４の対向する他の２辺の中心を垂直に通る。差圧用ダイアフラム４の対角線が対角線ＡＢ及び対角線ＣＤの間の角度になっている。

差圧用ダイアフラム４の表面には、差圧用ゲージ５ａ〜５ｄが設けられている。これらの４つの差圧用ゲージ５ａ〜５ｄをまとめて差圧用ゲージ５と称する。差圧用ゲージ５が、差圧用ダイアフラム４の端部に設けられている。すなわち、差圧用ゲージ５は差圧用ダイアフラム４の周縁部上に形成されている。

４つの差圧用ゲージは、差圧用ダイアフラム４の対角線ＣＤと平行な辺上に形成されている。すなわち、差圧用ダイアフラム４の対向する２辺のみに、差圧用ゲージ５が形成され、残りの２辺には、差圧用ゲージが形成されていない。ここでは、角Ａ側の辺に差圧用ゲージ５ａ、５ｃが形成され、角Ｂ側の辺に差圧用ゲージ５ｂ、５ｄが形成されている。このように、対向する２辺には、それぞれ２つの差圧用ゲージ５が形成されている。従って、差圧用ゲージ５ａの近傍に差圧用ゲージ５ｃが形成されている。また、差圧用ゲージ５ｂの近傍に、差圧用ゲージ５ｄが形成されている。換言すると、差圧用ゲージ５ａは、差圧用ゲージ５ｂ、５ｄよりも差圧用ゲージ５ｃの近くにあり、差圧用ゲージ５ｂは、差圧用ゲージ５ａ、５ｃよりも差圧用ゲージ５ｄの近くにある。従って、差圧用ゲージ５ａ〜５ｄは、周方向において等間隔とはなっていない。

差圧用ゲージ５ａと差圧用ゲージ５ｂとは、中心Ｏを挟んで対向配置されている。差圧用ゲージ５ａと差圧用ゲージ５ｂとは、中心Ｏに対して点対称に配置されている。また、差圧用ゲージ５ｃと差圧用ゲージ５ｄとは、中心Ｏを挟んで対向配置されている。差圧用ゲージ５ｃと差圧用ゲージ５ｄとは、中心Ｏに対して点対称に配置されている。差圧用ゲージ５ａと差圧用ゲージ５ｄは、差圧用ダイアフラム４を挟んで対向する位置に配置されている。差圧用ゲージ５ｂと差圧用ゲージ５ｃは、差圧用ダイアフラム４を挟んで対向する位置に配置されている。差圧用ゲージ５ａ、５ｂの長手方向は、対角線ＣＤと垂直になっている。すなわち、差圧用ゲージ５ａ、５ｂは、その差圧用ゲージ５ａ、５ｂが形成されている差圧用ダイアフラム４の１辺と垂直に形成されている。一方、差圧用ゲージ５ｃ、５ｄの長手方向は、対角線ＣＤと平行に形成されている。すなわち、差圧用ゲージ５ｃ、５ｄは、その差圧用ゲージ５ｃ、５ｄが形成されている差圧用ダイアフラム４の１辺と平行に形成されている。従って、近接配置された静圧用ゲージ１５ａと静圧用ゲージ１５ｃとは、直交する方向に設けられている。また、近接配置された静圧用ゲージ１５ｂと静圧用ゲージ１５ｄとは、直交する方向に設けられている。

差圧用ゲージ５はピエゾ抵抗効果を有する歪ゲージである。従って、センサチップ１０が歪むと、各差圧用ゲージ５ａ〜５ｄの抵抗が変化する。なお、センサチップの上面には、各差圧用ゲージ５ａ〜５ｄと接続される配線（不図示）が形成される。例えば、各差圧用ゲージ５ａ〜５ｄの両端に配線が接続されている。この配線によって、４つの差圧用ゲージ５がブリッジ回路に結線されている。差圧用ダイアフラム４によって隔てられた空間の圧力差によって、差圧用ダイアフラム４が変形する。差圧用ゲージ５は、差圧用ダイアフラム４の変形量に応じて抵抗が変化する。この抵抗変化を検出することで、圧力を測定することができる。差圧用ゲージ５は、図２、及び図３に示すように、センサチップ１０の表面に形成されている。そして差圧用ゲージ５ａ〜５ｄの長手方向の両端に、配線（不図示）が接続される。例えば、差圧用ゲージ５ａ、５ｂは、センサチップ１０の結晶面方位（１００）において、ピエゾ抵抗係数が最大となる＜１１０＞の結晶軸方向と平行に形成される。

さらに、センサチップ１０には、２つの静圧用ダイアフラム１７ｃ、１７ｄが設けられている。これら２つの静圧用ダイアフラム１７ｃ、１７ｄをまとめて静圧用ダイアフラム１７と称する。図３に示すように、第１半導体層１が除去されることで、静圧用ダイアフラム１７が形成される。すなわち、静圧用ダイアフラム１７では、センサチップ１０が薄くなっている。静圧用ダイアフラム１７は、差圧用ダイアフラム４の外周部に配置されている。すなわち、差圧用ダイアフラム４の外側に、静圧用ダイアフラム１７が配置されている。２つの静圧用ダイアフラム１７ｃ、１７ｄは、中心Ｏに対して点対称に配置されている。

従って、静圧用ダイアフラム１７ｃと静圧用ダイアフラム１７ｄは、差圧用ダイアフラム４を挟んで対向するように配置されている。静圧用ダイアフラム１７ｃと静圧用ダイアフラム１７ｄは、対角線ＣＤ上に配置されている。そして、中心Ｏから各静圧用ダイアフラム１７ｃの距離と、中心Ｏから静圧用ダイアフラム１７ｄまでの距離が等しくなっている。静圧用ダイアフラム１７ｃと、静圧用ダイアフラム１７ｄは同じ大きさ、形状になっている。静圧用ダイアフラム１７は差圧用ダイアフラム４よりも小さくなっている。

中心Ｏと角Ｃとの間に、静圧用ダイアフラム１７ｃが配置される。すなわち、差圧用ダイアフラム４の角Ｃ側の１辺と角Ｃとの間に、静圧用ダイアフラム１７ｃが配置されている。ここで、差圧用ダイアフラム４の角Ｃ側の１辺は、差圧用ゲージ５が形成されていない辺である。また、中心Ｏと角Ｄとの間に、静圧用ダイアフラム１７ｄが配置される。すなわち、差圧用ダイアフラム４の角Ｄ側の１辺と角Ｄとの間に、静圧用ダイアフラム１７ｄが配置されている。差圧用ダイアフラム４の角Ｄ側の１辺は、差圧用ゲージ５が形成されていない辺であり、差圧用ダイアフラム４の角Ｃ側の１辺と対向する辺である。

静圧用ダイアフラム１７は長方形状に形成されている。従って、静圧用ダイアフラム１７の長辺と短辺とが直交している。すなわち、静圧用ダイアフラム１７には、長手方向と短手方向が存在する。ここで、センサチップ１０の中心から外側に向かって延びる方向を径方向（ｒ方向）とする。すなわち、センサチップ１０の中心点からセンサチップ１０の端に向かう方向が径方向となる。センサチップ１０と差圧用ダイアフラム４の中心は一致しているため、この径方向は、差圧用ダイアフラム４の中心に対する径方向となる。そして、径方向と直交する方向を周方向（θ方向）とする。周方向は、センサチップ１０の中心を中心とする円の接線方向に対応する。静圧用ダイアフラム１７の短辺は径方向と平行なっている。

静圧用ダイアフラム１７ｃ、１７ｄの短辺は、対角線ＣＤと平行になっている。このように、対向する２つの静圧用ダイアフラム１７ｃ、ｄでは、短手方向が平行になっている。また、対角線ＣＤ上では、静圧用ダイアフラム１７の長手方向と周方向が平行になっている。静圧用ダイアフラム１７ｃには、静圧用ゲージ１５ａ、１５ｃが形成されている。静圧用ダイアフラム１７ｄには、静圧用ゲージ１５ｂ、１５ｄが形成されている。

静圧用ゲージ１５ａ、１５ｂは、静圧用ダイアフラム１７の端部に形成されている。すなわち、静圧用ゲージ１５ａは、静圧用ダイアフラム１７ｃの周縁と重複している。静圧用ゲージ１５ａは、静圧用ダイアフラム１７ｃの角Ｃ側の辺上に形成されている。静圧用ゲージ１５ａは、静圧用ダイアフラム１７ｃの長辺上に、その長辺に沿って形成されている。静圧用ゲージ１５ｂは、静圧用ダイアフラム１７ｄの周縁と重複している。静圧用ゲージ１５ｂは、静圧用ダイアフラム１７ｄの角Ｄ側の辺上に形成されている。静圧用ゲージ１５ｂは、静圧用ダイアフラム１７ｄの長辺上に、その長辺に沿って形成されている。

静圧用ゲージ１５ａは、差圧用ダイアフラム４を挟んで、静圧用ゲージ１５ｂと対向配置されている。静圧用ゲージ１５ａと静圧用ゲージ１５ｂは、中心Ｏに対して対称に配置されている。センサチップ１０の中心Ｏから静圧用ゲージ１５ａまでの距離は、センサチップ１０の中心Ｏから静圧用ゲージ１５ｂまでの距離と等しくなっている。

一方、静圧用ゲージ１５ｃ、１５ｄは、静圧用ダイアフラム１７の中央部に形成されている。すなわち、静圧用ゲージ１５ｃは、静圧用ダイアフラム１７ｃの周縁の内側に形成されている。静圧用ゲージ１５ｄは、静圧用ダイアフラム１７ｄの周縁の内側に形成されている。従って、静圧用ゲージ１５ｃ、１５ｄは、静圧用ゲージ１５ａと静圧用ゲージ１５ｂの間に配置されている。すなわち、角Ｃから角Ｄに向かう方向において、静圧用ゲージ１５ａ、静圧用ゲージ１５ｃ、静圧用ゲージ１５ｄ、静圧用ゲージ１５ｂの順番で配置されている。そして、静圧用ゲージ１５ｃと静圧用ゲージ１５ｄの間に、差圧用ダイアフラム４が配置されている。

静圧用ゲージ１５ｃは、差圧用ダイアフラム４を挟んで、静圧用ゲージ１５ｄと対向配置されている。静圧用ゲージ１５ｃと静圧用ゲージ１５ｄは、中心Ｏに対して対称に配置されている。従って、センサチップ１０の中心Ｏから静圧用ゲージ１５ｃまでの距離は、センサチップ１０の中心Ｏから静圧用ゲージ１５ｄまでの距離と等しくなっている。また、中心Ｏから静圧用ゲージ１５ａまでの距離は、中心Ｏから静圧用ゲージ１５ｃまでの距離よりも長くなっている。中心Ｏよりも角Ｃ側に、静圧用ゲージ１５ａ、１５ｃが形成されている。中心Ｏよりも角Ｄ側に、静圧用ゲージ１５ｂ、１５ｄが形成されている。

静圧用ゲージ１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄは、差圧用ゲージ５と同様の歪ゲージである。従って、センサチップ１０が歪むと、ピエゾ抵抗効果によって、各静圧用ゲージ１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ抵抗が変化する。静圧用ゲージ１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄは、差圧用ゲージ５と同様にブリッジ回路に接続されている。これにより、静圧を測定することができる。なお、静圧用ゲージ１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄは、図２、及び図３に示すように、センサチップ１０の表面に形成されている。静圧用ゲージ１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄの長手方向の両端に、配線（不図示）が接続される。そして、差圧用ゲージ５と同様に、静圧用ゲージ１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄは、ブリッジ回路に結線される。

ここで、静圧用ダイアフラム１７ｃ、１７ｄは、差圧用ダイアフラム４の差圧用ゲージ５が形成されていない辺の外側に形成されている。すなわち、差圧用ダイアフラム４において、角Ｃ側の辺と角Ｄ側の辺に差圧用ゲージ５が形成されているため、角Ａと差圧用ダイアフラム４の間、及び角Ｂと差圧用ダイアフラム４の間には、静圧用ダイアフラム１７ｃ、１７ｄが形成されていない。差圧用ゲージ５が形成された差圧用ダイアフラム４の２辺（対角線ＣＤと平行な辺）と異なる辺（対角線ＣＤと垂直な辺）からセンサチップ１０の端までの間に、静圧用ダイアフラム１７が配置されている。

これにより、静圧印加時における差圧用ゲージ５に対する影響が低減される。差圧用ゲージ５を差圧用ダイアフラム４の各辺に配置した構成よりも、差圧用ゲージ５と静圧用ダイアフラム１７の距離を取ることができる。よって、差圧をより正確に測定することができる。また、静圧用ダイアフラム１７を差圧用ダイアフラム４の外周部に４つ設けた構成よりも、静圧用ゲージ１５と差圧用ダイアフラム４の距離を取ることができる。よって、差圧印加時における、静圧用ゲージ１５への影響を低減することができる。これにより、静圧をより正確に測定することができる。このように、静圧、及び差圧を正確に測定することができるようになる。差圧用ダイアフラム４と静圧用ゲージ１５ａ〜１５ｄとの間隔を広くすることができる。このため、隣接するダイアフラムで発生する応力の影響を小さくすることができる。すなわち、静圧と差圧との干渉によって発生するクロストークの影響を抑制することができる。

静圧用ダイアフラム１７を設ける方向が差圧用ゲージ５を設ける方向と異なっている。すなわち、静圧用ゲージ１５ａ、１５ｃは中心Ｏと角Ａとの間に配置され、静圧用ゲージ１５ｂ、１５ｄは中心Ｏと角Ｂとの間に配置され、静圧用ダイアフラム１７ｃは中心Ｏと角Ｃとの間に配置され、静圧用ダイアフラム１７ｄは、中心Ｏと角Ｄとの間に配置されている。周方向における配置が、差圧用ゲージ５ｃ、差圧用ゲージ５ａ、静圧用ダイアフラム１７ｄ、差圧用ゲージ５ｄ、差圧用ゲージ５ｂ、静圧用ダイアフラム１７ｃの順番となる。そして、静圧用ダイアフラム１７ｃと静圧用ダイアフラム１７ｄの間には、差圧用ゲージ５が存在していない。換言すると、静圧用ダイアフラム１７ｃと静圧用ダイアフラム１７ｄの間の領域外に、４つ差圧用ゲージ５ａ〜５ｄが配置されている。周方向における静圧用ダイアフラム１７ｃの位置は、差圧用ゲージ５ｃと差圧用ゲージ５ｂの間になる。また、周方向における静圧用ダイアフラム１７ｄの位置は、差圧用ゲージ５ａと差圧用ゲージ５ｄの間になる。

差圧用ダイアフラム４の1辺上に、径方向の差圧用ゲージ５ａ及び周方向の差圧用ゲージ５ｂを形成する。すなわち、直交する方向に形成された２つの差圧用ゲージ５ａ、５ｃが差圧用ダイアフラム４の同一辺上に形成される。また、その辺と対向する辺には、直交する方向に形成された２つの差圧用ゲージ５ｂ、５ｄが形成される。差圧用ゲージ５ａ、５ｂは、径方向に沿って設けられ、差圧用ゲージ５ｃ、５ｄは、周方向に沿って設けられている。そして、対向する２辺のみでブリッジ回路を形成する。さらに、静圧用ダイアフラム１７を差圧用ゲージ５が設けられていない方向に配置する。すなわち、差圧用ゲージ５が設けられていない辺の外側に、静圧用ダイアフラム１７を形成する。図１では、対角線ＡＢ上に静圧用ダイアフラム１７を形成しない構成となる。このような構成とすることで、静圧、及び差圧を正確に測定することができる。すなわち、小型で高性能な圧力センサを実現することができる。なお、本実施例では差圧用ゲージ５ａ〜５ｄを差圧用ダイアフラム４の辺上に形成したが、差圧用ダイアフラムの端部近傍で最大応力が発生する箇所に形成されていればよい。

また、センサチップ１０は、台座１１と接合されている。台座１１とセンサチップ１０が接合されている領域を接合領域１３Ａとする。また、台座１１とセンサチップ１０とが接合されていない領域を非接合領域１３とする。すなわち、図２に示すように、台座１１の端部には薄肉部が形成され、中央部には厚肉部が形成されている。薄肉部では厚肉部よりも高さが低くなっている。この厚肉部がセンサチップ１０と接合される。一方、薄肉部では、台座１１とセンサチップ１０が接合されていない。従って、接合領域１３Ａの外側に非接合領域１３が配置されている。

ここで、非接合領域１３は、角Ａ側、及び角Ｂ側にそれぞれ形成されている。そして、それぞれの非接合領域１３は、三角形状になっている。すなわち、一方の非接合領域１３は角Ａを頂点とする直角二等辺三角形となっており、他方の非接合領域１３は、角Ｂを頂点とする直角二等辺三角形になっている。三角形状の非接合領域１３は、接合領域１３Ａを挟んで対向配置されている。すなわち、２つの非接合領域１３が対角線ＣＤに対して対称に形成されている。２つの非接合領域１３の間に、接合領域１３Ａが配置されている。この接合領域１３Ａの中央に、貫通孔１８が形成されている。台座１１に設けられた貫通孔１８は、差圧用ダイアフラム４まで連通している。これにより、貫通孔１８が導入ポートとなり、差圧用ダイアフラム４まで、気体を導入することができる。なお、接合領域１３Ａは、６角形状になっている。接合領域１３Ａと非接合領域１３との境界線は、対角線ＣＤと平行になっている。

このように、非接合領域１３を設ける方向が、静圧用ダイアフラム１７を設ける方向と異なっている。すなわち、中心Ｏと角Ａとの間の領域、及び中心Ｏと角Ｂとの間の領域には、非接合領域１３が設けられ、中心Ｏと角Ｃとの間の領域、及び中心Ｏと角Ｄとの間の領域には、静圧用ダイアフラム１７が設けられている。換言すると、対角線ＣＤ方向において、静圧用ダイアフラム１７の外側、及び内側には非接合領域１３が設けられていない構成となる。差圧用ダイアフラム４の差圧用ゲージ５が形成された２辺と異なる辺からセンサチップ１０の端までの間に、非接合領域１３が形成されている。

対角線ＡＢ方向に生じる応力と、それと垂直な対角線ＣＤ方向に生じる応力が等しくなるように、非接合領域１３及び接合領域１３Ａの寸法を調整する。このような構成とすることによって、温度特性を向上することができる。すなわち、特許第３３５９４９３号公報に示すように、温度によるゼロシフトとそのばらつきを最小にし、良好な温度特性を持たせることができる。さらに、非接合領域１３の周辺に静圧用ダイアフラム１７が配置されない構成とすることができる。よって、非接合領域１３を形成するスペースを確保することができる。これにより、小型で高性能な圧力センサを実現することができる。

次に、本実施の形態にかかる圧力センサの製造方法について説明する。まず、圧力センサに用いられているセンサチップ１０の製造工程について、図４、及び図５を用いて説明する。図４は、センサチップ１０の製造方法を示す図であり、センサチップ１０を上から見た構成を示している。図５は、センサチップ１０の製造工程を示す工程断面図であり、図４のＶ−Ｖ断面の構成を示している。

まず、第１半導体層１と、０．５μｍ程度の厚さの絶縁層２、及び第２半導体層３からなるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハを用意する。このＳＯＩウエハを作製するには、Ｓｉ基板中に酸素を注入してＳｉＯ₂ 層を形成するＳＩＭＯＸ（Separation by IMplanted OXygen）技術を用いてもよいし、２枚のＳｉ基板を貼り合わせるＳＤＢ（Silicon Direct Bonding）技術を用いてもよいし、その他の方法を用いてもよい。なお、第２半導体層３を、平坦化及び薄膜化してもよい。例えば、ＣＣＰ（Computer Controlled Polishing ）と呼ばれる研磨法等により、所定の厚さまで、第２半導体層３を研磨する。

第２半導体層３の上面に、不純物拡散あるいはイオン打ち込み法によってｐ型Ｓｉからなる静圧用ゲージ１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄを形成する。これにより、図４（ａ）、及び図５（ａ）に示す構成となる。もちろん、この工程で、差圧用ゲージ５ａ〜５ｄを形成することもできる。各ゲージは、図１等で示したように、各ダイアフラムとなる箇所の所定の位置に形成されている。なお、差圧用ゲージ５ａ〜５ｄ、静圧用ゲージ１５ａ〜１５ｄを、下記に示すダイアフラムの形成工程の後に形成してもよい。もちろん、差圧用ゲージ５を静圧用ゲージ１５ａ〜１５ｄと違う特性にしてもよい。

このようにして形成されたＳＯＩウエハの下面にレジスト９を形成する。レジスト９のパターンは、公知のフォトリソグラフィー工程によって、第１半導体層１上に形成される。すなわち、感光性樹脂膜を塗布し、露光、現像することで、レジスト９のパターンが形成される。レジスト９は、感圧領域（ダイアフラムが形成される領域）に相当する部分に開口部を有している。すなわち、ダイアフラムを形成する部分では、第１半導体層１が露出している。これにより、図５（ｂ）に示す構成となる。

そして、レジスト９をマスクとして、第１半導体層１をエッチングする。これにより、図５（ｃ）に示す構成となる。例えば、公知のＩＣＰエッチングなどのドライエッチングを用いて、第１半導体層１をエッチングすることができる。もちろん、ＫＯＨやＴＭＡＨ等の溶液を用いたウェットエッチングにより、第１半導体層１をエッチングしてもよい。第１半導体層１をエッチングすると、差圧用ダイアフラム４、及び静圧用ダイアフラム１７が形成される。ここで、絶縁層２がエッチングストッパとして機能している。従って、レジスト９の開口部からは、絶縁層２が露出している。

そして、レジスト９を除去すると、図４（ｂ）、及び図５（ｄ）に示す構成となる。この後、静圧用ゲージ１５ａ〜１５ｄ、並びに、差圧用ゲージ５と電気的接続を得るための配線（不図示）を形成する。これにより、ブリッジ回路が形成され、センサチップ１０が完成する。なお、配線を形成する工程は、図５（ｄ）よりも前に行われてもよい。例えば、図５（ａ）の前に、配線を作成してもよく、図５（ａ）〜図５（ｃ）の間に、配線を作成してもよい。また、上記のように、静圧用ゲージ１５ａ〜１５ｄ、及び差圧用ゲージ５の形成を図５（ｄ）の後に行ってもよく、図５（ａ）〜図５（ｄ）の間に行ってもよい。すなわち、配線の形成工程と、歪ゲージの形成工程の順番は特に限定されるものではない。

また、差圧用ダイアフラム４と静圧用ダイアフラム１７のエッチング工程を別々に行ってもよい。例えば、異なる２種類のレジストパターンを用いて、差圧用ダイアフラム４と静圧用ダイアフラム１７のエッチングをそれぞれ実施する。すなわち、差圧用ダイアフラム４を設けるためのレジストパターンを形成した後、エッチングする。差圧用ダイアフラム４を形成した後、レジストを除去する。その後、静圧用ダイアフラム１７を設けるためのレジストパターンを形成する。このレジストパターンをマスクとして用いてエッチングを行うと、静圧用ダイアフラム１７が形成される。このように、異なるエッチング工程で差圧用ダイアフラム４と静圧用ダイアフラム１７を設けることによって、差圧用ダイアフラム４と静圧用ダイアフラム１７を違う厚さにすることができる。もちろん、静圧用ダイアフラム１７を形成した後、差圧用ダイアフラム４を形成してもよい。

次に、台座１１の製造工程について、図６、及び図７を用いて説明する。図６は、台座１１の製造方法を示す図であり、台座１１を上から見た構成を示している。図７は、台座１１の製造工程を示す工程断面図であり、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ断面の構成を示している。

まず、図６（ａ）、及び図７（ａ）に示すように、台座１１となる基板を用意する。基板としては、パイレックス（登録商標）ガラスやセラミックなどの平坦な基板が用いられる。そして、台座１１の上に、マスクとなるレジスト１９を形成する。これにより、図７（ｂ）に示す構成となる。レジスト１９は、公知の露光、現像処理によってパターニングされている。このレジスト１９は、非接合領域１３となる部分で除去されている。すなわち、非接合領域１３となる部分は台座１１から露出し、接合領域１３Ａとなる部分では台座１１がレジスト１９で覆われている。

そして、レジスト１９をマスクとして、エッチングを行うと図６（ｂ）、及び図７（ｃ）に示す構成となる。台座１１の中央部には凸部が形成され、外周部には凹部が形成されている。すなわち、台座１１が部分的に薄くなって、台座１１に厚肉部と薄肉部が形成される。薄肉部は、厚肉部よりも薄くなっている。この薄肉部は非接合領域１３に形成される。ここでは、ＨＦなどを用いたウェットエッチングによって、台座１１に薄肉部を形成している。あるいは、サンドブラストなどで、薄肉部を形成してもよい。

そして、レジスト１９を除去して、貫通孔１８を形成する。すなわち、台座１１の中央に、円形の貫通孔１８を形成する。これにより、図６（ｃ）に示す構成となる。貫通孔１８は、例えば、図７（ｄ）の上側に示すように、ドリル穴加工で形成される。あるいは、図７（ｄ）の下側に示すように、両面サンドブラスト加工で形成してもよい。なお、両面サンドブラスト加工で形成する場合は、台座１１の両面に、マスク２９を形成する。このようにして台座１１が完成する。

そして、センサチップ１０と台座１１とを接合する。例えば、陽極接合によって台座１１がセンサチップ１０の第１半導体層１に接合される。台座１１の中心には、差圧用ダイアフラム４に到達する貫通孔１８が形成されている。貫通孔１８が差圧用ダイアフラム４に連通している。また、角Ａ及び角Ｂの周辺には、非接合領域１３が形成されている。こうして圧力センサの作製が終了する。このように作成された圧力センサは、小型で高性能のものとなる。

なお、上記の説明では、センサチップ１０と差圧用ダイアフラム４の形状を４５°傾いた正方形したが、これらの形状は、正方形に限られるものではない。例えば、センサチップ１０と差圧用ダイアフラム４の形状を多角形状にしてもよい。そして、センサチップ１０に対して差圧用ダイアフラム４を傾けた構成とする。差圧用ダイアフラム４の１辺上の差圧用ゲージ５ａ、５ｃを配置し、その１辺と対向する１辺に差圧用ゲージ５ｂ、５ｄを配置する。これにより、温度特性が高く、クロストークが低減された圧力センサを容易に実現することができる。センサチップ１０と差圧用ダイアフラム４の形状を正多角形とした場合、それらの傾き角度は、角の数に応じて決定される。あるいは、センサチップ１０と差圧用ダイアフラム４を円形としてもよい。この場合、差圧用ゲージ５ａを差圧用ゲージ５ｃの近傍に配置し、差圧用ゲージ５ｂを差圧用ゲージ５ｄの近傍に配置する。このようにすれば、クロストークが低減された圧力センサを容易に実現することができる。

また、上記の説明では、静圧用ダイアフラム１７を長方形として説明したが、静圧用ダイアフラム１７の形状は長方形に限られるものではない。例えば、静圧用ダイアフラムを楕円形などにしてもよい。換言すれば、静圧用ダイアフラム１７は、長手方向と短手方向を有している形状であればよい。そして、長手方向と直交する短手方向を径方向に沿って配置すればよい。静圧用ゲージ１５ａ〜１５ｄの長手方向を静圧用ダイアフラムの長手方向に沿って配置する。すなわち、静圧用ゲージ１５ａ〜１５ｄの長手方向が周方向に沿って配置される。また静圧用ゲージ１５ａ、１５ｂを静圧用ダイアフラム１７の基板端側の端部に形成したが、基板中心側の端部に形成してもよい。さらに静圧用ゲージ１５ａ〜１５ｄを静圧用ダイアフラム１７の辺上に形成したが、静圧用ダイアフラムの端部近傍で最大応力が発生する箇所に形成されていればよい。

発明の実施の形態２．
本実施の形態にかかる圧力センサについて図８を用いて説明する。図８は、圧力センサに用いられるセンサチップの構成を示す上面図である。本実施の形態では、静圧用ゲージ１５ａ〜１５ｄの配置が実施の形態１と異なっている。また静圧用ダイアフラム１７ｃ、１７ｄが正方形状となった構成を有している。これらの配置以外の構成については、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。そして、図８（ａ）〜図８（ｃ）では、静圧用ゲージ１５ａ〜１５ｄがそれぞれ異なる配置になっている。

まず、図８（ａ）に示すセンサチップの構成について説明する。２つの正方形状の静圧用ダイアフラム１７ｃ、１７ｄが形成されている。図８（ａ）では、４つの静圧用ゲージ１５ａ〜１５ｄが対角線ＡＢと平行になっている。本実施の形態では、４つの静圧用ゲージ１５ａ〜１５ｄが静圧用ダイアフラム１７ｃ、１７ｄの端部に配置されている。そして、静圧用ダイアフラム１７ｃの隣接する２辺に静圧用ゲージ１５ａ、１５ｃが配置され、静圧用ダイアフラム１７ｄの隣接する２辺に静圧用ゲージ１５ｂ、１５ｄが配置されている。したがって、静圧用ゲージ１５ｃ、１５ｄが、静圧用ダイアフラム１７ｃ、１７ｄの対角線ＣＤと平行な辺上に配置されている。したがって、静圧用ゲージ１５ｃは、それが配置された静圧用ダイアフラム１７ｃの１辺と垂直になっている。同様に、静圧用ゲージ１５ｄは、それが配置された静圧用ダイアフラム１７ｄの１辺と垂直になっている。

一方、静圧用ゲージ１５ａ、１５ｂは、静圧用ダイアフラム１７ｃ、１７ｄの対角線ＡＢと平行な辺上に配置されている。ここでは、静圧用ゲージ１５ａは、静圧用ダイアフラム１７ｃの角Ｃ側の１辺に配置されている。静圧用ゲージ１５ａは、それが配置された静圧用ダイアフラム１７ｃの１辺と平行になっている。同様に、静圧用ゲージ１５ｂは、静圧用ダイアフラム１７ｄの角Ｄ側の１辺に配置されている。静圧用ゲージ１５ｂは、それが配置された静圧用ダイアフラム１７ｄの１辺と平行になっている。

このように、静圧用ダイアフラム１７ｃの周縁上に配置された２つの静圧用ゲージ１５ａ、１５ｃのうち、一方は径方向に沿って配置し、他方は周方向に沿って配置する。同様に、静圧用ダイアフラム１７ｄの周縁上に配置された２つの静圧用ゲージ１５ｂ、１５ｄのうち、一方は径方向に沿って配置し、他方は周方向に沿って配置する。このような構成であっても実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

次に、図８（ｂ）に示すセンサチップの構成について説明する。図８（ｂ）に示す構成では、図８（ａ）の構成に対して静圧用ゲージ１５ａ〜１５ｄの方向が異なっている。それ以外の構成については、実施の形態１、及び図８（ａ）に示した構成と同様であるため説明を省略する。図８（ｂ）に示すように、静圧用ゲージ１５ａ〜１５ｄは、対角線ＣＤに平行になっている。すなわち、図８（ａ）に示した静圧用ゲージ１５ａ〜１５ｄをそれぞれ中心で９０°回転させた構成となっている。したがって、静圧用ゲージ１５ａは、それが配置された静圧用ダイアフラム１７ｃの１辺と垂直になっている。同様に静圧用ゲージ１５ｂは、それが配置された静圧用ダイアフラム１７ｄの１辺と垂直になっている。一方、静圧用ゲージ１５ｃは、それが配置された静圧用ダイアフラム１７ｃの１辺と平行になっている。静圧用ゲージ１５ｄは、それが配置された静圧用ダイアフラム１７ｄの１辺と平行になっている。このような構成においても実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

図８（ｃ）に示すセンサチップの構成について説明する。図８（ｃ）に示す構成では、図８（ａ）、図８（ｂ）の構成に対して静圧用ゲージ１５ａ〜１５ｄの方向が異なっている。それ以外の構成については、実施の形態１、図８（ａ）、図８（ｂ）に示した構成と同様であるため説明を省略する。

図８（ｃ）に示すように、静圧用ゲージ１５ａ、１５ｃは、対角線ＡＢに平行になっており、静圧用ゲージ１５ｂ、１５ｄは、対角線ＣＤに平行になっている。すなわち、静圧用ダイアフラム１７ｃに設けられている静圧用ゲージ１５ａ、１５ｃと、静圧用ゲージ１７ｄに設けられている静圧用ゲージ１５ｂ、１５ｄとが直交している。

したがって、静圧用ゲージ１５ａは、それが配置された静圧用ダイアフラム１７ｃの１辺と平行になっている。同様に静圧用ゲージ１５ｄは、それが配置された静圧用ダイアフラム１７ｄの１辺と平行になっている。一方、静圧用ゲージ１５ｃは、それが配置された静圧用ダイアフラム１７ｃの１辺と垂直になっている。静圧用ゲージ１５ｂは、それが配置された静圧用ダイアフラム１７ｄの１辺と垂直になっている。

このように本実施の形態では、静圧用ダイアフラム１７ｃ、１７ｄの隣接する２辺上にそれぞれ静圧用ゲージが配置されている。そして、一方の辺上では、静圧用ゲージがその辺と垂直になり、他方の辺上では静圧ゲージがその辺と平行になっている。もちろん、図８（ａ）〜図８（ｃ）以外の構成としてもよい。

本発明の実施の形態１にかかる圧力センサの構成を示す上面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。 圧力センサのセンサチップの製造工程を示す図である。 圧力センサのセンサチップの製造工程を示す工程断面図であり、図４のＶ−Ｖ断面図である。 圧力センサの台座の製造工程を示す図である。 圧力センサの台座の製造工程を示す工程断面図であり、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ断面図である。 実施の形態２にかかる圧力センサの構成を示す上面図である。

符号の説明

１ 第１半導体層
２ 絶縁層
３ 第２半導体層
４ 差圧用ダイアフラム
５ 差圧用ゲージ
５ａ 差圧用ゲージ
５ｂ 差圧用ゲージ
５ｃ 差圧用ゲージ
５ｄ 差圧用ゲージ
９ レジスト
１０ センサチップ
１１ 台座
１５ 静圧用ゲージ
１５ａ 静圧用ゲージ
１５ｂ 静圧用ゲージ
１５ｃ 静圧用ゲージ
１５ｄ 静圧用ゲージ
１７ 静圧用ダイアフラム
１７ｃ 静圧用ダイアフラム
１７ｄ 静圧用ダイアフラム
１８ 貫通孔
１９ レジスト
２９ マスク

Claims (4)

1. 基板と、
   前記基板の中央部に設けられた差圧用ダイアフラムと、
   前記差圧用ダイアフラムの周縁部に設けられ、前記差圧用ダイアフラムの中心に対する径方向に沿って形成された第１の差圧用ゲージと、
   前記第１の差圧用ゲージと前記差圧用ダイアフラムを挟んで対向する位置に配置され、前記差圧用ダイアフラムの周縁部において前記径方向と垂直な周方向に沿って形成された第２の差圧用ゲージと、
   前記差圧用ダイアフラムの周縁部において前記第１の差圧用ゲージの近傍に設けられ、前記周方向に沿って設けられた第３の差圧用ゲージと、
   前記第３の差圧用ゲージと前記差圧用ダイアフラムを挟んで対向する位置に配置され、前記差圧用ダイアフラムの周縁部において前記径方向に沿って形成された第４の差圧用ゲージと、
   前記差圧用ダイアフラムの外側に設けられ、周方向における位置が前記第３の差圧用ゲージと前記第４の差圧用ゲージとの間にある第１の静圧用ダイアフラムと、
   前記差圧用ダイアフラムの外側に設けられ、前記第１の静圧用ダイアフラムと前記差圧用ダイアフラムを挟んで対向する位置に配置された第２の静圧用ダイアフラムと、
   前記基板と接合された台座と、を備え、
   前記差圧用ダイアフラムの前記差圧用ゲージの設けられた対向する２辺から前記基板の端までの間に、前記台座と前記基板との非接合領域が形成されている圧力センサ。
2. 前記第１及び第２の静圧用ダイアフラムは、前記径方向に配置する端辺が前記周方向に配置する端辺より短い形状であり、
   前記第１及び第２の静圧用ダイアフラムの中央部と前記周方向に配置する端部に、それぞれ前記差圧用ダイアフラムを挟んで対向して形成された静圧用ゲージを備えることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記第１及び第２の静圧用ダイアフラムが、長方形であることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
4. 前記第１及び第２の静圧用ダイアフラムは、正方形状であり、
   前記第１及び第２の静圧用ダイアフラムの隣接する２つの端部に、前記静圧用ダイアフラム毎に配列方向を揃えて形成された静圧用ゲージを備えることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。

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