JPH02133968A - 半導体圧力センサ - Google Patents

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、差圧／圧力伝送器などに用いられ測定流体と
内部の封入流体とを隔離するシールダイアフラムを介し
て差圧／圧力を検出する半導体圧力センサに係り、特に
測定圧力を精度良く伝達することが出来ると共に機能の
拡大を図った半導体圧力センサの改良に関する。

〈従来の技術〉 第４図は従来の差圧／圧力センサに用いられているシー
ルダイアフラムの要部の構成を示す部分縦断面図である
。

１０は周囲が円形の金属製の本体であり、その中央部に
は封入流体１１を流通させる貫通孔１２が穿設され、さ
らにその一方の面には波形のダイヤフラムネスト１３が
形成されている。

１４は円板状の金属製のシールダイアフラムであり、そ
の面はダイヤフラムネスト１３と同一の波形に形成され
、このダイヤフラムネストの波形と一致するように所定
の間隔ｄを保って本体１０に固定されている。

この固定に当たっては、このシールダイアフラム１４の
周縁はリング状のシールリング１５で押圧され、その外
周面Ａで溶接などにより本体１０の周縁に接合されてい
る。

測定流体はシールダイアフラム１４で受圧されその圧力
は非圧縮性のシリコンオイルなどの封入流体１１を介し
て図示しない圧力センサに伝達され、測定流体の圧力に
対応する圧力を検知する。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、この様な従来のシールリングを用いた差
圧／圧力センサはそのシールリングが金属製であるので
大きく且つ重く、また材料自体の持つ特性から塑性変形
を起こして忠実に測定圧力を封入流体に伝達することが
出来ないという問題があり、またこのような金属製のシ
ールリングは波形のダイヤフラムネストと同一の波形の
シールダイアフラムとしなければならない上に、本体と
シールダイアフラムとの溶接についてもこの波形同志が
ずれないように溶接する必要があるなどその製造も面倒
である。さらに測定流体に対する環境条件の変化あるい
はシールダイアフラムに関する異常などを検知する機能
を付加しにくいという問題がある。

く課題を解決するための手段〉 この発明は、以上の問題点を解決するために、一方の面
に波形のバックアップネストが形成されると共に圧力導
入孔が貫通して開けられたシリコン基板とこのバックア
ップネストの波形とほぼ同一の波形がこのバックアップ
ネストにその周囲を除き所定の間隔で対向して形成され
ると共に機能素子が一体に形成されたシリコン膜とを有
するシールダイアフラムと、シリコン基板がその周囲を
除き所定の空間を保持して固定され測定圧力を検知する
圧力検知素子が形成されたセンサ本体と、空間とシリコ
ン膜との間に充填された非圧縮性の封入流体とを具備し
、機能素子と圧力検知素子がらの信号を出力するように
したものである。

く作　用〉 シールダイアフラムをシリコンで形成しこのシールダイ
アプラムに測定流体の温度を検知して温度信号を出力す
る温度センサ、あるいは腐蝕、破壊などの異常を検知し
て機能出力を出す機能素子などを一体に形成して、測定
圧力と共に各種の信号を出力する。この様な多機能の半
導体圧力センサを用いるとこれから出力される各種の信
号を変換器に入力させて温度補償、事故予知等の機能を
持たせることが容易となる。

〈実施例〉 以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。

第１図は本発明の１実施例の構成を示す縦断面図である
。

１６は例えば矩形状で伝導形がＮ形のシリコン基板であ
り、その一方の結晶面（１００）の表面１７に波形１８
が形成されている。その中央部には圧力導入孔１９が、
さらに端部には高濃度の伝導部２０がシリコン基板１６
を上下に貫通してそれぞれ形成されている。

さらに、波形１８とは周縁部２１を除いて所定の間隔を
保持した波形空間２２を介してシリコンＩＩ！２３の内
面が波形１８と同一の波形に形成されてシリコン基板１
６の波形１８に対向して固定されている０周縁部２１に
はシリコン基板１６の伝導部２０と電気的に接続される
高濃度の伝導部２４が上下を貫通して形成されている。

またシリコン膜２３の波形空間２２とは反対の表面に温
度センサ２５が半導体技術により形成されている。これ
等の上には温度センサ２５と伝導部２４などと接続する
ため、或いはこの上に形成される絶縁性のパシベーショ
ン膜２６の腐蝕などによる破壊を検知するためにＡＩの
パターン２７か形成されている。

これ等のシリコン膜２３、パターン２７、パシベーショ
ン膜２６、およびシリコン基板１６などでシールダイア
フラム２８が形成される。

２９はガラスなどで作られた矩形状の基台でありその中
央部には開放孔３０か穿設されその周囲に所定の平坦部
３１をおいて清３２が形成されている。溝３２の外側は
平坦部３３をおいて立上り固定部３４が形成されている
。

固定部３４にはその上下に貫通して孔が開けられここに
リード線３５が伝導部２０と接続して通されている。ま
た、平坦部３３にもその上下に貫通して孔が開けられこ
こにそれぞれリード３６．３７が通されている。

センサチップ３８は開放孔３０に対向するダイアフラム
３９がエツチングで薄く形成されその周囲の厚い固定部
４０が平坦部３１と接合されている。ダイアフラム３９
には圧力を感知するゲージ４１が拡散などにより形成さ
れている。ゲージ４１から出力される圧力信号はリード
線３６．３７などで外部に引き出される。

基台２９とこれに取り付けられたセンサチップ３８など
で圧力検出部４２が形成されている。

第２図は第１図に示した実施例を用いた変換部を有する
圧力変換器のブロック図である。

第１図に示す半導体圧力センサはシールダイアフラム２
８と圧力検出部４２とで構成されるが、シールダイアフ
ラム２８からは温度センサ２５から温度信号ＴＳを、パ
ターン２７からはこのパターンの断線などを検出するこ
とにより測定流体による腐蝕の程度を出力する腐蝕信号
Ｃ８とが圧力検出部４２を介してそれぞれ出力され、ま
た圧力検出部４２からはゲージ４１により圧力信号ＰＳ
が出力される。

これ等の温度信号ＴＳ、腐蝕信号Ｃ８、圧力信号ＰＳは
いずれも圧力変換部４３に出力され、温度信号ＴＳを用
いて圧力信号ＰＳに対して温度補償をする温度補償機能
、あるいは腐蝕信号Ｃ８を用いて腐蝕による故障の予知
をする自己診断機能を圧力変換部４３に持たせることが
できる。

圧力変換部４３からは必要に応じてシールダイアフラム
からの腐蝕信号などを上位のコントロールステーション
に通信するようにすることができる。

第３図は第１図に示す半導体圧力センサを製造する製造
工程を示す工程図である。

第３図（イ）は波形の原型をなす段差を形成するエツチ
ング工程を示している。

４４は、例えば矩形状で伝導形がＮ形のシリコン基板で
あり、その一方の結晶面（１００）の表面４５にヒドラ
ジンなどで異方性エツチングをして波形の原型である段
差４６が形成される。

第３図（ロ）は第３図（イ）で加工されたシリコン基板
にＰ＋を形成する工程を示している。

シリコン基板４４の段差４６が形成された表面の外端に
酸化膜（ＳｔＯ２）４７を形成し、この後に選択エピタ
キシャル成長、或いは拡散などにより伝導形がＰ形で第
１１度のＰ＋のシリコン膜４８を形成する。

第３図（ハ）は第３図（ロ）で形成されたシリコン膜の
上にさらにエピタキシャル成長を形成させるエピタキシ
ャル成長工程を示す。

まず、第３図（ロ）で形成された酸化膜４７を除去する
。この後、シリコン基板４４の上に第１濃度より高い濃
度のＰ＋十を持つ第２濃度のシリコン膜４９をエピタキ
シャル成長させる。

第３図（ニ）は第３図（ハ）で加工されたシリコン基板
に異方性エツチングをする異方性エツチング工程を示す
。

まず、シリコン基板４４の裏側の表面５０を圧力導入孔
１９に対応する部分を開口した状態のＳ、　コＮｄなと
のマスク材５２でマスクをする。この後、異方性エツチ
ングをして圧力導入孔１９を形成させる。

第３図（ホ）は第３図（ニ）で圧力導入孔が形成された
シリコン基板に電解エツチングをする電解エツチング工
程を示す。

まず、第３図（ニ）で加工されたシリコン基板４４のマ
スク材５２を除去し、この後、ヒドラジンなどの異方性
エツチング液５３が満たされた容器５４の中に浸種する
。そして、Ｐ＋十層であるシリコン膜４９とＮ形のシリ
コン基板４４とに逆バイアスの電圧Ｅを印加して、シリ
コン基板４４にエッチストップをかけながら異方性エツ
チング液５３の中でＰ＋層であるシリコン膜４８を電解
エツチングする。このようにして、シリコンＩｆ！４８
が除去され段差４６に対応する波形を両面に持つ所定間
隙の波形空間２２が形成される。この場合、シリコン基
板４４の表面４５に形成された波形はバックアップネス
トとして機能する。

以上のようにして、シリコン基板４４に形成された波形
と同一の波形のシールダイアフラム原形５６が第３図（
へ）に示すようにシリコン基板４４の波形とは所定の間
隔を保ってシリコン基板４４にその周囲が固定されて一
体的に同時に既存の半導体プロセスで製造できる。

第３図（ト）はシールダイアフラム原形に対して伝導部
を形成する工程を示す。

シリコン基板４４の周縁部にその上面と下面とを連通ず
る伝導部２０がイオン注入などにより不純物が高濃度で
形成され、シリコン基板１６とされる。さらにシリコン
膜４９の周縁部にもイオン注入等により高濃度の伝導部
２４が伝導部２０と一体となって形成されている。

第３図（チ）は温度センサを形成する工程を示している
。

この工程では、シリコン膜４９の上面に不純物の拡散に
より温度センサ２５が形成されてシリコン膜２３とされ
る。

この後、第３図（す）に示すＡＩのパターンを形成する
工程に移行する。

この工程では、温度センサ２５の出力を伝導部２４に取
り出すためのＡＩの配線パターン、或いはこのシリコン
膜２３の上に適当に分布された腐蝕検知用のＡＩのパタ
ーンを別に形成して測定流体による＋ｇ　ＩＩ！Ｉ！の
有無を検知する。

このようにしてシールダイアフラム２８が形成される。

次に、第３図（ヌ）はセンサチップを形成するに程を示
している。

この工程では、シリコン基板をエツチングして周囲の厚
肉の固定部４０に対して薄肉のダイアフラム３９を形成
し、さらにこのダイアフラム３９の上面に圧力を測定す
るゲージ４１が不純物の拡散などにより形成されてセン
サチップ３８が形成される。

第３図（ル）は圧力検出部の組み付は工程を示している
。

ガラスなどで作られた矩形状の基台２９の中央部には開
放孔３０が穿設されその周囲に所定の平坦部３１をおい
て泊３２が形成されている。溝３２の外側は平坦部３３
をおいて立上り固定部３４が形成されている。

固定部３４にはその上下に貫通して孔が開けられここに
リード線３５が通されている。また、平坦部３３にもそ
の上下に貫通して孔が開けられここにそれぞれリード３
６．３７が通されている。

また、オイル封入孔５７が固定部３４を上下に貫通して
開けられている。

センサチップ３８は開放孔３０に対向する位置にダイア
フラム３９の外形が一致するように固定されている。ゲ
ージ４１から出力される圧力信号はリード線３６．３７
に接続されている。

そして、基台２９とセンサチ・ノブ３８などで圧力検出
部４２が形成されている。

第３図（オ）はシールダイアフラムと圧力検出部とを接
合する接合工程を示している。

シールダイアフラム２８のシリコン基板１６と圧力検出
部４２の固定部３４とは例えば陽極接合などにより接合
され、接合によってできた圧力導入孔１９、波形空間２
２、センサチ・ンプ３８の上部空間等にオイル封入孔５
７からシリコンオイル等の非圧縮性のオイル５８を封入
し閉じる。

以上のようにして形成された半導体圧力センサは、測定
圧力Ｐがシールタイヤフラム２８に印加されると、これ
に対応してシリコン膜２３が弾性的に変形し、これに伴
ないオイル５８か移動して内圧を上昇させこの内圧か圧
力検出部４２に作用して、例えばゲージ４１などの感圧
素子の出力を変化させる。したがって、この感圧素子の
出力から逆に測定圧力を正確に知ることができる。

以上の構成によれば、シリコン膜２３の波形の形状とシ
リコン基板１６の波形の形状とが全く同一であるので、
過大な測定圧力Ｐが入力されてシリコンｌｌＡ２３がシ
リコン基板１６に当たってもシリコン［２３が破損する
ことはない。

また、この波形の寸法、個数に制限はなく、シリコンの
伝導形・濃度は第１図に示す伝導形・濃度と異なった層
で形成しても良い６例えば、Ｐ＋ではなく、Ｐであって
も良い、シリコンの面方位も制限がない。

なお、第３図（ハ）に示すエピタキシャル成長の工程は
この代わりにポリシリコンを堆積する工程によっても実
現することができる。

また、シリコン膜２３にはＡＩパターンを形成して膚蝕
検知をする例に付いて説明したが、このＡＩパターンの
代わりに抵抗を拡散してもよく、ガスセンサ等を埋め込
んでも良い。更に抵抗発熱体と温度センサからなるホッ
トワイヤ式の流量センサを組み込んでも良い。

パシベーション［２６の上に金、白金などの腐蝕に強い
金属を蒸着するとさらに耐食性を向上させることができ
る。

以上の説明では、主として圧力を測定する場合について
説明したが、差圧を測定する場合も同様に適用すること
ができる。

〈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、シールダイアフラムをシリコンの単結晶で構成す
るので、塑性変形のない理想的な弾性力が得られ、しか
もバックアップネストを持つ構造のため過大な印加圧力
に対して強く、まなシールダイアフラム上で測定流体の
温度等の特性を測定できかつ事故発生の予測の出来る診
断機能を持つ多機能のセンサが容易に実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例を示す縦断面図、第２図は第
１図に示した実施例を用いた変換部を有する圧力変換器
のフロック図、第３図は第１図に示す半導体圧力センサ
を製造する製造工程を示す工程図、第４図は従来のシー
ルダイアフラムの構成を示す要部断面図である。 １０・・・本体、１１・・・封入流体、１２・・・貫通
孔、１３・・・ダイアフラムネスト、１４・・・シール
ダイアフラム、１５・・・シールリング、１６・・・シ
リコン基板、１８・・・波形、１９・・・圧力導入孔、
２０．２４・・・伝導部、２５・・・温度センサ、２６
・・・パシベーション膜、２７・・・パターン、２８・
・・シールダイアフラム、２９・・・基台、３４・・・
固定部、３８・・・センサチップ、３９・・・ダイアフ
ラム、４１・・・ゲージ、４厳 と

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 一方の面に波形のバックアップネストが形成されると共
   に圧力導入孔が貫通して開けられたシリコン基板とこの
   バックアップネストの波形とほぼ同一の波形がこのバッ
   クアップネストにその周囲を除き所定の間隔で対向して
   形成されると共に機能素子が一体に形成されたシリコン
   膜とを有するシールダイアフラムと、前記シリコン基板
   がその周囲を除き所定の空間を保持して固定され測定圧
   力を検知する圧力検知素子が形成されたセンサ本体と、
   前記空間と前記シリコン膜との間に充填された非圧縮性
   の封入流体とを具備し、前記機能素子と前記圧力検知素
   子からの信号を出力することを特徴とする半導体圧力セ
   ンサ。