JPH01272165A

JPH01272165A - 半導体圧力センサ

Info

Publication number: JPH01272165A
Application number: JP10176988A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Fukuhara; 聡福原
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1988-04-25
Filing date: 1988-04-25
Publication date: 1989-10-31
Anticipated expiration: 2011-02-21
Also published as: JPH0817243B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〈産業上の利用分野〉本発明は、シリコンなどの半導体結晶を利用して圧力（
差圧も含む）を電気信号に変換する半導体圧力センサに
係り、特にその分解能或いは信号対雑音の比率を向上さ
せた半導体圧力センサに関する。

〈従来の技術〉第５図は従来の半導体圧力センナの構成を示す構成図で
ある。

第５図（イ）は半導体圧力センサの平面図、１（ロ）は
半導体圧力センサの横断面図を示す、１はｎ形のシリコ
ン単結晶で作られたダイヤフラムであり、四部２を有し
更に凹部２の形成により単結晶の厚さの薄くなった起歪
部３とその周辺の固定部４とを有している。

固定部４は連通孔５を有する基板６にガラス薄膜７を介
して陽極接合などにより固定されている。

起歪部３は単結晶の（Ｚｏｏ）面とされ、その上にはそ
の中心を通る結晶軸＜ｏｏｉ＞方向で起歪部３と固定部
４との境界付近に例えば剪断形ゲージなどの感圧素子８
が不純物の拡散により伝導形がＰ形として矩形状に形成
されている。

この感圧素子８はその長手方向に電源端（図示せず）が
形成され、ここに電圧或いは電流が印加される。

以上の構成において、印加圧力Ｐがダイヤフラム１に与
えられると、これによって生じた例えば剪断応力τに対
応した電圧が感圧素子８の長手方向のほぼ中央に形成さ
れた出力端（図示せず）に得られる。

これによって、印加圧力Ｐに対応した電圧が出力端に得
られるようになっている。

〈発明が解決しようとする課題〉しかしながら、この様な従来の半導体圧力センサは、こ
の剪断応力に対してのみ感度があるのではなく、例えば
温度の変化、外部から混入したイオン、或いは剪断形ゲ
ージの抵抗などのバラツキに対しても感度がありこれ等
により雑音（ノイズ）を発生させるので、印加圧力に対
する出力の分解能或いは信号対雑音比を低下させるとい
う、問題がある。

く課題を解決するための手段〉この発明は、以上の課題を解決するために、半導体で作
られ測定圧力によって変位する薄肉の起歪部と、この起
歪部と一体になって周辺に形成される厚肉の固定部と、
起歪部に一体となって形成されな電極と、この起歪部を
覆い電極と儀かな間隙をもって針状に対向する導電性の
アームとを有し、電極とアームとの間に電圧を印加する
ことにより生じるトンネル電流の変化から測定圧力を検
出するようにしたものである。

く作　用〉起歪部に形成された電極とこれに針状に対向して配置さ
れた導電性のアームとの間隔を、例えば数十へに近付け
てこれ等の間に電圧を印加すると、この間隔に対応して
量子力学的効果によりトンネル電流が流れる。

従って、測定圧力を起歪部に印加するとこの測定圧力に
対応して電極とアームとの間の距離が変化し、これに対
応してトンネル電流が流れる。そこで、このトンネル電
流を検出することにより測定圧力を検出する。

〈実施例〉以下、本発明の実施例について図面に基づいて説明する
。第１図は本発明の１実施例の構成を示す構成図である
。（イ）はその縦断面図、（ロ）は射視図である。

１０はＮ形のシリコンの単結晶で形成された矩形状のダ
イヤフラムであり、その中央にはエツチング技術で凹部
１１が形成されて薄肉とされた起歪部１２を有し、さら
にその周辺は厚肉の固定部１３を有している。

また、起歪部１２から固定部１３にかけて電極１４とし
て機能するＰ形不純物が高濃度Ｐ＋十で拡散された拡散
層で形成され、その端部にはアルミニウムのバッド１５
が形成されている。

このダイヤフラム１０の上部にはアーム１６として機能
するＰ形不純物のシリコン半導体が高濃度Ｐ＋４で十文
字状に形成され、その各端部１７、〜２０は固定部１３
に固定されている。そして、端部１７にはアルミニウム
のバッド２１が形成されている。

この十文字状のアーム１６のクロス部分には電極１４に
対向して針状に電極２２が電極１４に対向して形成され
ている。この電極１４と２２との間隔は数１０八〜数μ
ｍ程度である。

第２図はこのようにして構成された半導体圧力センサを
動作させるときの装置の構成を示す説明図である。

一端が共通電位点ＣＯＭに接続された直流電源Ｅの他端
が電ｌ／ｆ１１４に接続され、この電極１４に対向して
間隙ｄだけ離れて電極２２が配置されている。この電極
２２に直列に電流を増幅する増幅器２３の一端が接続さ
れ、その他端は共通電位点ＣＯＭに接続されている。

以上のような接続により、電極１４と２２の間に直流電
圧Ｅが印加されるので、この間隙ｄが小さいときはこれ
等の電極の間に間隙ｄに対応して量子力学的効果により
トンネル電流１が流れ、これを増幅器２３が検出してそ
の出力端２４に出力電圧Ｖとして出力する。

このトンネル電流１は電極１４と２２の間隙ｄの変化に
応じて大きく変化する０例えば、トンネル電流ｌの１０
％の変化が０．１Å以下の変位に相当する。

従って、ダイヤフラムが変位することにより変化する間
隙ｄをトンネル電流の変化で取り出すことができる。

次に、以上のような半導体圧力センサを製造する製造方
法について第３図を参照して説明する。

第３図は半導体圧力センサの製造方法を示す工程を示す
工程図である。

第３図（イ）は拡散工程を示す、２５はＮ形のシリコン
基板であり、この上に拡散により高濃度Ｐ＋十の拡散層
２６を形成する次に、第３図く口）の選択エピタキシャル成長の工程に
移る。この工程は第３図（イ）の工程で拡散層２６が形
成された上にＰ＋の選択エピタキシャル成長か或いはエ
ピタキシャルバターニングによりＰ十層２７を形成させ
る。

この後、第３図（ハ）の異方性エツチング工程に移行す
る。この工程では、Ｐ”Ｗ２７に異方性エツチングをし
てその中央をエツチングし、最終的には電極２２となる
下に凸の凹部２８を形成する。

第３図く二）の選択エピタキシャル工程では、第３図（
ハ）で加工されたシリコン基板の上に例えばＰ＋十の選
択エピタキシャル成長をして最終的にはアーム１６とな
るエピタキシャル層２９を十文字状に形成する。

この後、第３図（ポ）のエツチング工程に移り、シリコ
ン基板２５とエピタキシャル層２９との間に直流電圧Ｅ
１を印加し、例えばヒドラジンなどのエツチング液の中
に浸種してＰ十層２７をバイアスエツチングして除去す
ることにより突起３０を形成する。

次に、第３図（へ）のドライエツチング工程に移行する
。この工程では、エピタキシャル層２９の中央部に形成
された突起３０の拡散層２６と接合している部分をドラ
イエツチングによりエツチングして血かに離して電極２
２となし、これにより間隙ｄを形成する。

最後に、第３図（ト）の異方性エツチングの工程に移り
、この工程でシリコン基板２５の中央に異方性エツチン
グで凹部１１を形成してこれにより起歪部１２が、その
残りの周辺は肉厚の固定部１３がそれぞれ形成される。

そして、第３図（へ）の拡散Ｍ２６は第１図の電［ｉ１
４に、エピタキシャル層２９は第１図のアーム１６にそ
れぞれ対応する。

第４図は本発明の他の実施例の構成を示す縦断面図であ
る。

この実施例はアームが凹部側に形成された場合を示して
いる。

ダイヤフラム３１の中央はエツチングなどによりエツチ
ングされて凹部３２が形成されて薄肉の起歪部３３が形
成され、その周辺は厚内の固定部３４とされている。こ
の起歪部３３には電極３５が形成されている。この凹部
３２に固定部３４から、例えば十文字状にアーム３６が
形成されその中央に電極３７が電極３５に対向して突出
されて形成されている。

このように形成されたダイヤフラム３１で第１図に示す
場合と同様に動作する。

また、半導体の伝導形は第１図に示した実施例に限定さ
れず、他の伝導形でも良い、さらに、アームについては
必ずしも単結晶で構成しなくてもい。

〈発明の効果〉以上、実施例と共に具体的に説明したように本発明によ
れば、トンネル電流の変化により測定圧力を検出するよ
うにしたので、不純物イオンによる汚染などに強く、ま
たイオンや抵抗変化のバラツキによるノイズの影響を受
は難い、さらに、全てシリコンなどの半導体で構成でき
るので、材料の持つ特性が良好であり、ヒステリシス誤
差が少ない、また、測定圧力による変位が数オングスト
ロームの分解能を持つので、高分解能を持つ。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例の構成を示す構成図、第２図
は第１図における半導体圧力センサを動作させるときの
装置の構成を示す説明図、第３図は第１図に示す半導体
圧力センサを製造するときの工程を示す工程図、第４図
は本発明の他の実施例の構成を示すｍｔｉ面図、第５図
は従来の半導体圧力センサの構成を示す構成図である。１．１０．３１・・・ダイヤフラム、３．３３・・・起
歪部、４．１３．３４・・・固定部、１１．３２・・・
凹部、１２・・・起歪部、１４．２２．３５．３７・・
・電極、１６．３６・・・アーム、２３・・・増幅器、
２５・・・シリコン基板、２６・・・拡散層、２７・・
・Ｐ＋層、２９・・・エピタキシャル層。第５図第　３

Claims

【特許請求の範囲】

　半導体で作られ測定圧力によって変位する薄肉の起歪
部と、この起歪部と一体になって周辺に形成される厚肉
の固定部と、前記起歪部に一体となって形成された電極
と、この起歪部を覆い前記電極と僅かな間隙をもって針
状に対向する導電性のアームとを有し、前記電極と前記
アームとの間に電圧を印加することにより生じるトンネ
ル電流の変化から前記測定圧力を検出することを特徴と
する半導体圧力センサ。