JPH04162779A - 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、半導体圧力センサに関する。

［従来技術］ 従来の半導体式圧力センサとして、半導体ピエゾ部を半
導体基板の表面部の反対導電型領域として形成したバル
ク型、及び、それを半導体基板表面に薄い絶縁膜を介し
て搭載したＳＯＩ型のものが知られている。

このような半導体圧力センサは、液体、気体の圧力測定
に広く用いられている。

「発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来の液体圧力、特に導電性液体（例え
ば水）の測定において、原因不明のノイズがセンサ出力
に重畳していた。

本発明者らは、種々検討の結果、ある場合にはこのノイ
ズ電圧が被測定液体を通じてセンサ外部から誘導され、
またある場合には被測定液体自身から発生することに気
がついた。

例えばバルク型を例として説明する。従来のバルク型半
導体圧力センサでは、基板は、ピエゾ抵抗部の最低電位
から、基板、ピエゾ抵抗部間のＰＮ接合の電位差だけシ
フトした電位となっている。

この半導体基板が導電性液体に接触すると、この導電性
液体を通じてセンサ外部のノイズ源に接続された状態に
なり、このノイズ源の電位変動や電流変動の影響は液体
、半導体基板、ＰＮ接合を介してピエゾ抵抗部に影響す
る。また、ノイズ源の電位、電流が一定と仮定しても、
液体抵抗やＰＮ接合の抵抗が熱雑音電圧を発生する。ま
た、ＰＮ接合の抵抗を通じてピエゾ抵抗部から液体側に
流れるリーク電流に基づく雑音電圧もその一因となる。

これらの雑音電圧は、低消費電力化を図るためピエゾ抵
抗部を高抵抗化するとより顕著となった。

同様の問題がＳＯＩ型の半導体圧力センサでも発生する
。

すなわち、外部ノイズ源の電位変動の影響は、液体、半
導体基板、半導体基板とピエゾ抵抗部との間の絶縁膜の
容量を介して交流的に影響する。

本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、導電性
流体圧力の測定精度を向上させた半導体圧力センサを提
供することを、その目的としている。

［課題を解決するための手段］ 本発明の半導体圧力センサは、被測定導電性媒体に接す
る半導体基板の表面部及び該半導体基板表面の絶縁１上
の少なくとも一方に設けられる半導体ピエゾ抵抗部を有
する半導体圧力センサにおいて、 前記半導体基板に所定の固定電位を付与する固定電位電
極が前記半導体基板に接続されていることを特徴として
いる。

［作用及び発明の効果］ 本発明では、半導体基板に所定の固定電位を付与する固
定電位電極を接続している。

したがって、たとえ導電性液体の圧力を測定する場合で
おっても、外部ノイズ源により又は各種熱雑音電圧によ
り半導体基板電位が変動することがなく、半導体基板電
位の変動によりピエゾ抵抗部の電位が直流的に又は交流
的に変動するのを防止することができる。

このように本発明では、半導体基板電位を積極的に固定
しているので、ピエゾ抵抗部からの出力電圧に外部ノイ
ズ源などからのノイズ電圧の混入を大幅に低減でき、感
度改善に優れた効果を奏することができる。

［実施例］ （第１実施例） 本発明の一実施例を第１図に示す。

この半導体圧力センサは、単結晶シリコンからなる台座
１、台座１に下地絶縁膜２を介してウェハを直接接合ま
たは静電接合された単結晶シリコンからなる基板（本発
明でいう半導体基板）３、基板３表面の絶縁膜４上に形
成された４個のピエゾ抵抗部５、ピエゾ抵抗部５を保護
する表面絶縁膜６、表面絶縁膜６の開孔部に配設されピ
エゾ抵抗部５の端部に接続される八９からなる信号電極
７、下地絶縁ｌＩ２及び表面絶縁膜６の開孔部に配設さ
れ基板３に接続されるＡｌ１からなる固定電位電極８と
を有している。

また、表面絶縁膜６上に配設されたＡ！Ｊ配線（図示せ
ず）により、各信号電極７はブリッジ接続され、そして
、固定電位電極８はブリッジの最低電位端ＶＬに接続さ
れている。

基板３のダイヤフラム部３０の台座１側の表面は非測定
媒体としての水９に接触しており、水９は図示しない導
路を通じて外部に連通している。

この実施例では、抵抗ｒ及び容量Ｃを通じて外部ノイズ
電源ｙｎが最低電位端■［に接続されている。抵抗ｒは
外部ノイズ電源Ｖｎの内部抵抗、水の抵抗などで構成さ
れ、容量Ｃは下地絶縁膜２により構成される。

なお、台座１の周縁はさらにパッケージとの熱膨張差に
よる応力を緩和するため、例えばシリコンの台座２をは
さみパッケージ（図示せず）に組みつける。ダイヤフラ
ム部３０のピエゾ抵抗部側の表面には密封ガスまたは真
空により基準圧力が与えられている。

圧力測定に際して、ブリッジの最低電位端ＶＬと最高電
位端とは直流電源Ｖｄｃの両端に接続される。

このようにすれば、基板３の電位が直流電源Ｖｄ′Ｃに
より固定されるので、基板３が水９を通じて外部ノイズ
電源Ｖｎに接続されても基板３の電位が変動することが
ない。

次に、基板３の電位変動によりブリッジ出力にノイズが
発生する点を説明する。

ブリッジ出力であるので、４個のピエゾ抵抗部５と基板
３との間の静電容量が等しければノイズ電圧はブリッジ
出力に混入しない。

しかし実際には、各ピエゾ抵抗部５の形状（大きざ）は
ばらつきをもつので、各ピエゾ抵抗部５と基板３との間
の静電容量はばらつき、そのために各ピエゾ抵抗部５に
誘導されるノイズ電圧の大きさは異なる。基板３の表面
の不純物濃度のばらつきや、絶縁膜４．６の厚さのばら
つきなどにより各ピエゾ抵抗部５と基板３との間の静電
容量がばらつく場合も同じである。

第２に、図示しない配線路（特に、ブリッジの出力配線
）と絶縁膜４．６との間の静電容量によりブリッジの出
力端にはノイズ電圧が誘導される。

本発明は、まさに上述した原因により、たとえブリッジ
構成を採用してもノイズが混入すること、そして、従来
、電極固定されていなかった基板３の電位を固定するこ
とにより、上記ノイズ混入を防止できる点に着目してな
されたものである。

次に、この半導体圧力センサの製造方法を簡単に説明す
る。

ミラー研磨した比抵抗が１〜１０Ω・ｃｍで面方位が（
１００）でＮ型シリコンからなる台座用の基板（図示せ
ず）に熱酸化により絶縁膜２として酸化膜を０．５〜１
．０ｕｍの厚さで形成する。

一方、ミラー研磨した同質の基板用の基板（図示せず）
を用意し、上記両基板を例えば過酸化水素水と濃硫酸の
混合液中での親水性化処理を行い、洗浄、乾燥後、張合
わせ、炉中１１００℃で約０゜５〜２時間のウェハ接合
を窒素雰囲気下でおこない一体化した。

次に、図示しない基板用の基板を圧力センサのダイアフ
ラムに適当な所定の厚さにラッピング（あらけずり〉し
、ミラー研磨した。つづいて、ミラー研磨した表面に熱
酸化により絶縁膜４として酸化膜を０．５〜１．０μｍ
で形成した。つづいてこの絶縁膜４としての酸化膜上に
ＬＰＶＤ法により５０〜３００ｎｍの厚さのポリシリコ
ン層く図示せず）、を形成し、このポリシリコン層に所
定の濃度の不純物（たとえばボロン、リン、ヒ素等）を
イオン注入法で導入し、８００〜１０００℃の熱処理で
活性化した。

次に、このドープしたポリシリコン層をドライエツチン
グ等で所定のパターンに形成しピエゾ抵抗部５を絶縁膜
４上に形成した。つづいて、絶縁膜６としてＣＶＤ法に
よりシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜を形成し、そ
れを開孔してピエゾ抵抗部用のコンタクト孔を開孔し、
更に絶縁膜４．６の両方を貫通して基板３に達するコン
タクト孔を開孔する。た。この場合、基板３ヤピ工ゾ抵
抗部５の濃度が低く、つづいて形成する電極とオーミッ
クコンタクトがとれない場合は、このコンタクト部に高
濃度領域を形成しておく。つづいてＡｐ等を蒸着等によ
り形成、所定の配線バタン（図示せず）、信号電極７及
び固定電位電極８を形成した。

次に、レジスト、又はその他のマスク材を所定の領域に
被覆して、ＫＯＨ液、ＡＰＷ液、弗硝酸系のエツチング
液で溝部１００を酸化膜２の表面までエツチングした。

筆者らの実測によれば工場内での工業用水には商用周波
数６０Ｈ２で数１０〜数１００ｍｖ程度のノイズ電圧が
乗っていた。そして、基板電位を固定しない場合、数１
０ｍＶ以上の交流ノイズか観測された。本実施例の回路
構成とすると、出力電圧にあけるノイズは、０．０３ｍ
ｖ以下に激減し、実用上差しつかえない程度とすること
ができた。例えばフルスケール出力３Ｑｍｖのときノイ
ズレベルは０．１％ＦＳ以下となる。

なお、この実施例において、当然固定電位電極８を他の
一定電位の点に接続してもよい。

（第２実施例） 本発明の他の実施例を第３図に示す。

この実施例は、バルク型の半導体圧力センサに適用した
ものであって、パイレックスガラス（商品名）でできた
台座１ａ、台座１に接合されたＮ型のＳｉ基板（本発明
でいう半導体基板）３ａ、Ｓｉ基板３ａ表面にポロンを
ドープして形成された４個のピエゾ抵抗部５ａ、Ｓｉ基
板３ａ表面に形成された絶縁膜６ａ、信号電極７ａ、固
定電位電極８ａを有し、更に、絶縁膜６ａ上には信号電
極７ａ及び固定電位電極８ａと電極ビン（図示せず）と
を接続するためのＡｆＪ配線層（図示せず）か形成され
ている。各ピエゾ抵抗部５ａはブリッジ接続され、そし
て、固定電位電極８ａとブリッジの最高電位端ＶＬとの
間にＰＮ接合を逆バイアスするバイアス電圧ｖｂが印加
されている。

第４図にこの半導体圧力センサの等価回路を示す。

この実施例でも、ノイズ源からＰＮ接合空乏層の容量１
２を通じて交流ノイズが混入するのを防止することがで
きる。

また、このＰＮ接合を通じての直流ノイズの混入を防止
することもできる。

特にこの実施例では、基板３ａをブリッジの最高電位端
ＶＬに対して正バイアスしているので、ＰＮ接合空乏層
を拡大してブリッジの奇生容量を低減し、それによりこ
のＰＮ接合空乏層を通じてピエゾ抵抗部５ａへの交流ノ
イズの混入を更に低減している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す断面図、第２図はその
等価値回路図、第３図は第２実施例の断面図、第４図は
その等価回路図である。 ３・・・基板 ５・・・ピエゾ抵抗部 ８・・・固定電位電極

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　被測定導電性媒体に接する半導体基板の表面部及び該
   半導体基板表面の絶縁層上の少なくとも一方に設けられ
   る半導体ピエゾ抵抗部を有する半導体圧力センサにおい
   て、 前記半導体基板に所定の固定電位を付与する固定電位電
   極が前記半導体基板に接続されていることを特徴とする
   半導体圧力センサ。