JPH04178533A

JPH04178533A - 半導体圧力センサ

Info

Publication number: JPH04178533A
Application number: JP30756190A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Nishimura; 仁西村
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1990-11-14
Filing date: 1990-11-14
Publication date: 1992-06-25

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］この発明は、自動車、航空機、家電製品等に用いられる
圧力検出用の半導体圧力センサに関するものである。

［従来の技術］従来、圧力検出に用いられるセンサの一種として、シリ
コン結晶基板の上面に不純物を拡散することにより複数
対のピエゾ抵抗を形成し、これらのピエゾ抵抗を感圧部
とした半導体圧力センサが知られている。

この半導体圧力センサは、用いるシリコン結晶基板が格
子欠陥か極めて少ないために理想的な弾性体となり、半
導体プロセス技術をそのまま転用することができるとい
うことと、ヒステリシス、クリープ、疲労等がなく、構
造が簡単で、電圧感度が極めて大きく、簡単に増幅可能
等、使い勝手の面においても非常に優れていることから
、自動車、家電製品、その能様々な分野で広く用いられ
ている圧力センサである。

上記の半導体圧力センサを用いて複数の圧力範囲の圧力
を測定しようとする場合には、測定しようとするそれぞ
れの圧力範囲に合った複数の種類の圧力センサを用意す
るのか一般的であるが、同一基板上に複数の感圧部を形
成した半導体圧力センサも開発され実用に供されている
。

この半導体圧力センサの一例としては、第８図及び第９
図に示すように、シリコン結晶基板（半導体基板）１に
低圧用の薄肉のダイアフラム部（弾性部）２と、このダ
イアフラム部２よりやや肉厚の高圧用のダイアフラム部
（弾性部）３とを形成し、ダイアフラム部２の上面２ａ
に不純物拡散により複数対のピエゾ抵抗４，４．・・・
を互いに平行になる様に形成し、またダイアフラム部３
の上面３ａに不純物拡散により複数対のピエゾ抵抗５，
５゜・・・を互いに平行になる様に形成した構造の半導
体圧力センサＡが知られている。

この半導体圧力センサＡにおいては、ダイアフラム部２
．３が加わる圧力に応じて弾性的に変位する時の変位差
をダイアフラム部２．３にそれぞれ形成されたピエゾ抵
抗４，４．・・・及びピエゾ抵抗５，５．・・・の抵抗
値の変化に変換することで圧力の大きさを検出している
。

［発明が解決しようとする課題］ところで、測定すべき複数の圧力範囲に応じてｉｔの種
類の圧力センサを用いる場合、これらの圧力センサの精
度や感度を調整したり、検出位置を正確に位置決めする
手間が煩わしいという欠点があった。また、非常に狭い
領域の圧力を検出したい場合には、これらの複数の圧力
センサを順次交換しながら測定するほかなく、特に圧力
が短時間に広範囲に渡って変化する場合には即座に対応
出来ない等の欠点があった。また、複数の種類の圧力セ
ンサを用意することから当然コストアップになるという
欠点もあった。

また、半導体圧力センサＡの場合、１つの圧力センサで
２種類の圧力範囲を測定できるという長所はあるものの
、半導体基板ｌに２つの感圧部を形成しているために小
型化することが難しくコストアップになるという欠点が
あった。また、高圧力を測定する場合に低圧用のダイア
フラム部２が破壊してしまうという欠点もあった。これ
は、高圧力を測定する場合ダイアフラム部２にも高圧が
かかるために、圧力か上昇してダイアフラム部２の許容
値に近付くにつれてダイアフラム部２の検出感度が低下
し、さらに圧力か上昇するとダイアフラム部２が弾性限
界を越えて破壊してしまうためである。

この発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、
以上の欠点を有効に解決するとともに、複数の圧力範囲
の′圧力を測定することができる半導体圧力センサを提
供することにある。

［課題を解決するための手段］上記課題を解決するために、この発明は次の様な半導体
圧力センサを採用した。即ち、半導体基板の中央肉厚部
の周囲に設けられ前記半導体基板を薄肉化してなる弾性
部と、該弾性部の上面側に設けられた複数対のピエゾ抵
抗とを具備してなる半導体圧力センサにおいて、前記半
導体基板の下面側に、前記弾性部の弾性限界内で前記中
央肉厚部を支持する台座を設け、前記中央肉厚部に、該
中央肉厚部の中央部を該中央部の周囲より薄肉化してな
る第２弾性部を設け、該第２弾性部の上面側に複数対の
ピエゾ抵抗を設け、前記第２弾性部は、前記弾性部より
大きな弾性限界を有することを特徴としている。

［作用］この発明に係わる半導体圧力センサに圧力が作用すると
、半導体基板全体に上方から圧力が加わり、上記第１弾
性部（弾性部）及び第２弾性部はこの圧力の大きさに比
例して下方に変位し、同時に上記第１弾性部及び第２弾
性部に設けられたそれぞれの複数対のピエゾ抵抗も歪む
。この歪によりピエゾ抵抗の抵抗値が変化するので、こ
れらの複数対のピエゾ抵抗を用いてそれぞれホイートス
トンブリッジを構成すれば圧力の大きさに応じた電圧出
力が得られ、この電圧出力から圧力の大きさを求めるこ
とができる。

低圧の場合には、第１弾性部の変位量の方が第２弾性部
の変位量よりも大きいので、第１弾性部のピエゾ抵抗の
方が高感度の感圧部となる。したがって、これらのピエ
ゾ抵抗の抵抗値の変化量から圧力の大きさを求めること
ができる。

また、高圧の場合には、第１弾性部の変位量か大きくな
りこの第１弾性部の変位により面記中央肉厚部も下方に
移動し前記半導体基板の下面側に設けられた台座に圧接
することとなり、これにより第１弾性部は生じた変形量
を保持した状態で破壊されることなく固定される。した
がって、この状態では第１弾性部のピエゾ抵抗は感圧部
として働かず、第２弾性部のピエゾ抵抗が感圧部として
働くこととなり、これらのピエゾ抵抗の抵抗値の変化量
から圧力の大きさを求ぬることができる。

［実施例］以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第１図ない′し第３図はこの発明の一実施例である半導
体圧力センサＢの構成を示すものである。

この半導体圧力センサＢは、シリコン結晶基板（半導体
基板）１１の中央肉厚部１２の周囲に形成された薄厚の
第１ダイアフラム部（第１弾性部）１３と、中央肉厚部
１２の中央部に形成され上記第１ダイアフラム部１３と
同様の肉厚の第２ダイアフラム部（第２弾性部）１４と
、第１ダイアフラム部１３の上面＋３ａに形成された複
数対のピエゾ抵抗＋５．１５．　　・・と、第２ダイア
フラム部１４の上面＋４ａに形成された複数対のピエゾ
抵抗！６．１６．・・・と、ノリコン結晶基板１１の下
面ｌｌａ側に設けられた台座１７とから構成されている
。そして、第１ダイアフラム部１３と複数対のピエゾ抵
抗１５，１５．・・とにより低圧用の感圧部が構成され
、第２ダイアフラム部１４と複数対のピエゾ抵抗＋６．
１６．・・とにより高圧用の感圧部が構成されている。

シリコン結晶基板１１は、大きさが３　ｍｍＸ　３　ｍ
ｍ。

厚みが３００μｍの正方形の板状のもので、両面鏡面研
磨を施したｎ型（１００）方位のシリコンウェハである
。

第１ダイアフラム部１３は、幅５０μｍ、厚み１０μｍ
の口の字型の薄厚部で、シリコン結晶基板１１の中央肉
厚部１２（大きさｌ　、２　Ｘ　１．２＋ａ＋）の周囲
が下方から口の字型にエツチングされて形成されたもの
である。

第２ダイアフラム部１４は、大きさが０．８ｍｍｘｏ、
８ｍｍ、厚みが１０μｍの正方形の薄厚部で、中央肉厚
部１２の中央部が下方から正方形状にエツチングされて
形成されたものである。

ピエゾ抵抗＋５（１６）、・・・は、ゲージ方向く１１
０＞の横方向のピエゾ抵抗効果を用いたもので、第１ダ
イアフラム部１３（第２ダイアフラム部１４）の上面側
に不純物拡散により形成されたものである。これらのピ
エゾ抵抗１５（＋６）、・・はシリコン結晶基板１１の
平面内で互いに平行になる様にそれぞれ複数個並べられ
ている。

即ち、第１図及び第２図に示す様にダイアフラム部１３
の上面１３ａの一方の側の中心部に、長尺の２本のピエ
ゾ抵抗１５．１５が、また、他方の側の中心部に同様の
２本のピエゾ抵抗１５．１５が、それぞれが互いに平行
になる様に、かつ、上記ダイアフラム部１３の長手方向
と一致するように配置されている。

また、ダイアフラム部１４の上面１４ａの中心部に、長
尺の４本のピエゾ抵抗１６．１６．・・・が、それぞれ
か互いに平行になる様に、かつ、上記ピエゾ抵抗＋５．
１５．　　　とも平行になる様に配置されている。

台座１７は、シリコン結晶基板１１の下面ｌｌａ側に第
１ダイアフラム部１３の弾性限界内で中央肉厚部１２を
支持する様に設けられたものである。この台座１７の上
面側の中央部には、矩形状に切り欠かれた凹部１８が形
成され、この凹部！８の中央には孔１９が形成されてい
る。

そして、上記の第１ダイアフラム部１３と複数対のピエ
ゾ抵抗１５，１５．　　・とにより低圧用感圧部２１が
構成され、第２ダイアフラム部１４と複数対のピエゾ抵
抗１６，１６．・・・とにより高圧用感圧部２２が構成
されている。

通常、圧力センサの感度はダイアフラムの面積に比例す
る。例えば、上記の低圧用感圧部２１と高圧用感圧部２
２の場合では、［低圧用感圧部２１の感度］：［高圧用感圧部２２の感
度］＝１．２Ｘ１．２：０．８ｘＯ，８＝１．４４：０．６４＝２．２５＋１となり、低圧用感圧部２１の感度は高圧用感圧部２２の
感度の約２倍となる。したがって、これらの比率を変化
させることにより、より高圧用の圧力センサを第２ダイ
アフラム部１４に形成することが可能になる。

次に、第４図を参照して上記の半導体圧力センサＢの製
造方法を説明する。

■［第４図（ａ）参照］ｎ型のンリコン結晶基板（１００）（以下、Ｓｉ基板と
称する）３１を用意し、表裏各々の面に鏡面研磨を施す
。

■［第４図（ｂ）参照］Ｓｉ基板３１を拡散炉内に挿入し、１０００〜１２００
℃の酸化性雰囲気中で熱処理することにより表裏各々の
面にシリコン酸化膜（以下、５ｉＯ１膜と称する）３２
．３３を形成する。

■［第４図（ｃ）参照］ホトリソグラフィにより５ｉＯｚ膜３２に不純物拡散用
窓を形成し、このＳｉ基板３１を拡散炉内に挿入し、ホ
ウ素（ボロン）を供給してｐ型拡散層（以下、ピエゾ抵
抗と称する）３４．３４　、・・　を形成する。さらに
、ドライブイン処理により、ピエゾ抵抗３４上に５ｉＯ
ｙ膜を成長させる。

■［第４図（ｄ）参照］プラズマＣＶＤ法、あるいは常圧ＣＶＤ法や減圧ＣＶＤ
法により、５ｉＯｚ膜３２．３３のそれぞれの面上に窒
化ケイ素（Ｓ１３Ｎ４）膜（以下、窒化膜と称する）３
５．３６を成長させる。

両面の窒化膜３５．３６は、共にダイアフラムエツチン
グ時のマスクとして用い、かつ、表面の窒化膜３５は外
部からの汚染に対するバリアとして用いられる。

■［第４図（ｅ）参照］ホトリソグラフィにより裏面の窒化膜３６の上にダイア
フラムのパターンを形成し、ＣＦ４プラズマエツチング
によりこの窒化膜３６をエツチングし、さらに弗酸系の
エツチング液により５ｉｎｓ膜３３をエツチングする。

このようにして、Ｓｉ基板３１の裏面にダイアフラムエ
ツチング用のマスク３７が形成される。次に、水酸化カ
リウム水溶液（Ｋ　ＯＨ液）、ＥＰＷ（エチレンノアミ
ン、ピロカテコール、水の混合液）、ヒドラジン等のエ
ツチング液を用いてＳｉ基板３１をエツチングし、第１
ダイアフラム部４１及び第２ダイアプラム部４２を形成
する。

■［第４図（ｆ）参照］ホトリソグラレイにより、表面の窒化膜３５の上に電気
配線用コンタクトホールのパターンを形成し、ＣＦ、プ
ラズマエツチングによりこの窒化膜３５をエツチングし
、さらに弗酸系のエツチング液により５ｉＯｚ膜３２を
エツチングする。このとき、同時に裏面の窒化膜３６及
びＳｉＯ＊膜３３もエツチングされ除去される。

このようにしてピエゾ抵抗３４，３４．・・・の上に形
成されたコンタクトホールにオーミック特性を有するア
ルミニウム電極４３，４３．・・・を形成する。

■［第４図（ｇ）参照］上記の様に形成されたＳｉ基板３１の下面３１ａに台座
４４を貼着する。

なお、上記のアルミニウム電極４３は、工程上あるいは
動作上において腐食等の恐れかある場合には、クロム（
Ｏｒ）−金（Ａｕ）二層構造または金属の多層構造（Ａ
ｕ−Ｍｏ、Ｃｒ−Ｔｉ−Ｃｕ−Ａｕ等）等を用いてもよ
い。

上記の様に構成された半導体圧力センサＢの作用を図に
基づいて説明する。

第５図は半導体圧力センサＢに低圧が加わった場合の状
態を示す模式図、また、第６図は半導体圧力センサＢに
高圧が加わった場合の状態を示す模式図、第７図は低圧
用感圧部２１と高圧用感圧部２２それぞれの圧力−出力
特性のグラフである。

ここで、半導体圧力センサＢに圧力が作用すると、半導
体基板１１全体に上方から圧力が加わり、第１ダイアフ
ラム部１３及び第２ダイアフラム部１４はこの圧力の大
きさに比例して下方に変位し、同時に第１ダイアフラム
部１３に設けられた複数対のピエゾ抵抗１５，１５．・
・・及び第２ダイアフラム部１４に設けられた複数対の
ピエゾ抵抗１６゜＋６．・　も歪む。この歪によりピエ
ゾ抵抗１５゜１５．・　及びピエゾ抵抗！６．１６．　
　・・の抵抗値が変化するので、これらのピエゾ抵抗を
用いてそれぞれホイートストンブリッジを構成すれば圧
力の大きさに応じた電圧出力が得られ、この電圧出力か
ら圧力の大きさを求めることができる。

低圧の場合には、第５図に示す様に第１ダイアフラム部
１３の変徒量の方が第２ダイアフラム部１４の変位量よ
りも大きいので、第１ダイアフラム部１３のピエゾ抵抗
１５，１５．・・・の抵抗値の変化量の方が大きくなる
。したがって、第７図に示す様に低圧用感圧部２１の出
力の方が高圧用感圧部２２の出力よりも大きく、この低
圧用感圧部２１の出力から圧力の大きさを求めることが
できる。

また、高圧の場合には、第１ダイアフラム部Ｉ３の変位
量が大きなものとなり、この第１ダイアフラム部１３の
変位により中央肉厚部１２も下方に移動し台座１７の凹
部１８の底面に圧接することとなり、これにより第１ダ
イアフラム部１３は生しｒ二変形量を保持した状態で破
壊されることなく固定される。したがって、この状態で
は第１ダイアフラム部１３に設けられた複数対のピエゾ
抵抗＋５．１５．　　・・は感圧部として働かず、第２
ダイアフラムｆｆ１４に設けられた複数対のピエゾ抵抗
１６，１６．・・−が感圧部として働くこととなる。

したがって、この高圧用感圧部２２の出力から圧力の大
きさを求めることかできる。

以上により、複数の圧力測定範囲を有する半導体圧力セ
ンサＢを得ることができる。

以上説明した様に、上記の半導体圧力センサＢは、ソリ
コン結晶基板１１の中央肉厚部１２の周囲に形成された
薄厚の第１ダイアフラム部１３と、中央肉厚部１２の中
央部に形成され上記第１ダイアフラム部１３と同様の肉
厚の第２ダイアフラム部１４と、第１ダイアフラム部１
３の上面１３ａに形成された複数対のピエゾ抵抗１５，
１５．・・・と、第２ダイアフラム部１４の上面１４ａ
に形成された複数対のピエゾ抵抗１６，１６．・・・と
から構成することとしたので、半導体圧力センサＢの低
圧用感圧部２１の中に高圧用感圧部２２を作り込むこと
ができ非常に狭い領域の圧力を検出したい場合にも容易
に対応することができ、小型化が容易になりコストダウ
ンを図ることもてきる。したがって、従来の様に複数の
圧力センサの精度や感度を調整したり、検出位置を正確
に位置決めする手間を省くことができ、また複数の圧力
センサを順次交換しなが゛ら測定したりする必要もなく
なる。

また、シリコン結晶基板１１の下面１１ａ側に台座１７
を設けることとしたので、第１ダイアフラム部１３に許
容値以上の過大圧力が加わった場合であっても第１ダイ
アフラム部１３の破壊を防止することができる。

また、従来の半導体圧力センサ等に用いられている半導
体製造プロセスにより作成することができるので、特別
の製造工程を取り入れる必要がなく、また、超小形の半
導体圧力センサを作成することも可能になる。

以上のように、従来の半導体圧力センサの有する欠点を
有効に解決するとともに、複数の圧力範囲の圧力を測定
することができる半導体圧力センサを提供することが可
能になる。

［発明の効果］以上詳細に説明した様に、この発明によれば、半導体基
板の中央肉厚部の周囲に設けられ前記半導体基板を薄肉
化してなる弾性部と、該弾性部の上面側に設けられた複
数対のピエゾ抵抗とを具備してなる半導体圧力センサに
おいて、前記半導体基板の下面側に、前記弾性部の弾性
限界内で前記中央肉厚部を支持する台座を設け、前記中
央肉厚部に、該中央肉厚部の中央部を該中央部の周囲よ
り薄肉化してなる第２弾性部を設け、該第２弾性部の上
面側に複数対のピエゾ抵抗を設け、前記第２弾性部は、
前記弾性部より大きな弾性限界を有することとしたので
、半導体圧力センサの低圧用感圧部の中に高圧用感圧部
を作り込むことができ非常に狭い領域の圧力を検出した
い場合にも容易に対応することができ、小型化が容易に
なりコストダウンを図ることもできる。したがって、従
来の様に複数の圧力センサの精度や感度を調整したり、
検出位置を正確に位置決めする手間を省くことができ、
また複数の圧力センサを順次交換しながら測定したりす
る必要もなくなる。

また、前記半導体基板の下面側に、前記弾性部の弾性限
界内で前記中央肉厚部を支持する台座を設けることとし
たので、前ｇ己弾性部に許容値以上の過大圧力が加わっ
た場合であってもこの弾性部の破壊を防止することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図はこの発明の一実施例を示す図であ
って、第１図は半導体圧力センサの斜視図、第２図は同
平面図、第３図は第１図の■−■線に沿う断面図、第４
図（ａ）〜（ｇ）は半導体圧力センサの製造方法を説明
するための過程図、第５図は半導体圧力センサに低圧が
加わった場合の状態を示す模式図、第６図は半導体圧力
センサに高圧が加わった場合の状態を示す模式図、第７
図は低圧用感圧部と高圧用感圧部それぞれの圧力−出力
特性のグラフ、第８図及び第９図は従来の半導体圧力セ
ンサを示す図であって、第８図は半導体圧力センサの斜
視図、第９図は第８図の■−■線に沿う断面図である。Ｂ　・・・・・・半導体圧力センサ、１ｔ　・・・・・・　シリコン結晶基板、１２　・・・
・・・中央肉厚部、１３　・・・・・・第１ダイアフラム部、１４　・・・
・・・第２ダイアフラム部、１５．１６　　・・・　・
・・　ピエゾ抵抗、１７　・・・・・・台座、　　　　
　１８　・・　・・・凹部１．１９　　・・・・・・孔
、２１　・・・・・・低圧用感圧部、２２　・・　・・・高圧用感圧部、３１　・・・　・・　ノリコン結晶基板（１００）、３
２．３３　　・・　・・・　シリコン酸化膜、３４　・
・・・・・ｐ型拡散層（ピエゾ抵抗）、３５．３６．・
・・・・・窒化ケイ素膜、３７　・・・・・・マス臥４１　・・・・・・第１ダイアフラム部、４２　・・・
・・・第２ダイアフラム部、４３　・・・・・・アルミ
ニウム電極、４４　・・・・・　台座。

Claims

【特許請求の範囲】　半導体基板の中央肉厚部の周囲に設けられ前記半導体
基板を薄肉化してなる弾性部と、該弾性部の上面側に設
けられた複数対のピエゾ抵抗とを具備してなる半導体圧
力センサにおいて、前記半導体基板の下面側に、前記弾性部の弾性限界内で
前記中央肉厚部を支持する台座を設け、前記中央肉厚部
に、該中央肉厚部の中央部を該中央部の周囲より薄肉化
してなる第２弾性部を設け、該第２弾性部の上面側に複
数対のピエゾ抵抗を設け、前記第２弾性部は、前記弾性部より大きな弾性限界を有
することを特徴とする半導体圧力センサ。