JPH04285833A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧力を検出する半導体
圧力センサに係り、特に静圧下ならびに差圧下で生ずる
信号を補償し、静圧および差圧を同一半導体基板上でし
かも極めて精度よく検出し得るようにした半導体圧力セ
ンサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、圧力の検出を行なうためのセ
ンサとしては種々のものが知られているが、その一つと
して半導体圧力センサが多く用いられてきている。この
半導体圧力センサは、単結晶半導体（例えば、シリコン
等）の優れた弾性を利用し、薄膜シリコンダイアフラム
の両面にかかる圧力差に応答する応力を検出するもので
ある。

【０００３】すなわち、このダイアフラムは、その一方
の表面に配置された応力センサを有する単結晶半導体チ
ップにより構成される。そして、かかる目的に広く使用
される応力センサは、ピエゾ抵抗特性を表わし、それに
よってセンサの抵抗は、チップ内の応力が変化するとき
、センサにかかる応力によって変化する。また、ダイア
フラムを形作るために、チップの他方の表面内に円形の
空洞が形成される。そして、この空洞に検出すべき圧力
を導入する円筒状の導圧路を有する台座管の一端が、当
該空洞を取り囲むようにチップの他方の表面に接合して
設けられている。さらに、通常、少なくとも１対の半径
方向歪みセンサと一対の接線方向歪みセンサが、ダイア
フラムに形成される。これらのセンサは、ブリッジ回路
を構成するように電気的に相互に接続され、ダイアフラ
ムにかかる差圧を表わす信号を出力するようにしている
。

【０００４】一方、静圧（ダイアフラムの両面にかかる
共通な圧力）下でも、ゼロシフトと呼ばれる誤信号を生
ずる。そこで、この静圧によって生ずる歪みを検出する
センサを、上記台座管と接合した反対側の面に、差圧を
検出するセンサと同様な配置で設け、静圧を表わす信号
を出力させて補正するようにしている。

【０００５】しかしながら、この静圧を検出するセンサ
は、温度の影響を共通にするため、差圧を検出するセン
サと同じ配置位置関係にあることから、差圧の歪みをも
検出し、その応答特性は、一般に一義的な信号を得られ
ない場合がある。このような場合、静圧センサによって
差圧センサの信号を補正する手段では、極めて大きな誤
差を与える危険がある。従って、従来では、静圧センサ
もまた差圧センサの補正を必要とするという、極めて厄
介な補正関係が必要であった。

【０００６】一方、半導体圧力センサを製造する手段と
しては、円形ダイアフラムよりも矩形ダイアフラムを用
いた半導体圧力センサチップと四角柱状の台座管とを用
いた圧力センサが、バッチ処理の容易性の点から用いら
れている。しかし、この矩形ダイアフラムと四角柱状の
台座管との構成では、差圧センサの静圧によるゼロシフ
ト量が大きく、補正が必須であった。また、一般に、差
圧の精度よりも圧力つまり静圧の精度の向上が求められ
ており、従来の半導体圧力センサでは、別個の圧力セン
サを用いて圧力補正を実施している。しかしながら、シ
ングルタイプの素子を用いて、２つの信号を単純な補正
で、２つの信号を出力できるようにすることが望ましい
。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
半導体圧力センサにおいては、静圧下ならびに差圧下で
生ずる信号を補償することができず、静圧および差圧を
同一基板上で精度よく検出することができないという問
題があった。

【０００８】本発明の目的は、静圧下ならびに差圧下で
生ずる信号を補償し、静圧および差圧を同一半導体基板
上でしかも極めて精度よく検出することが可能な極めて
信頼性の高い半導体圧力センサを提供することにある。 本発明の他の目的は互いのゼロシフト特性を補正するた
めの手段を具備する半導体圧力センサを提供することで
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明の半導体圧力センサは、第１および第２の面
を有し、第１の面に空洞が形成された単結晶半導体材料
からなる所定形状の半導体基板と、半導体基板の第１の
面に空洞を取り囲むように一端が接合され、かつ検出す
べき圧力を空洞に導入する導圧路を有する所定形状の台
座管と、半導体基板の第２の面で、空洞の反対側の面に
形成された少なくとも１個の垂直方向の差圧歪みセンサ
および少なくとも１個の平行方向の差圧歪みセンサと、
半導体基板の第２の面で、台座管に接合された一端の反
対側に形成された少なくとも１個の垂直方向の静圧歪み
センサおよび少なくとも１個の平行方向の静圧歪みセン
サと、各差圧歪みセンサと各静圧歪みセンサとの間にそ
れぞれ形成された歪み分離帯である溝とを備えて構成し
ている。

【００１０】特に、請求項２に記載の半導体圧力センサ
は、方形の半導体基板の第１の面に矩形の空洞を形成し
、また四角柱状の台座管に断面円形の導圧路を形成する
ようにしている。

【００１１】

【作用】従って、本発明の半導体圧力センサにおいては
、差圧を検出する差圧歪みセンサと静圧を検出する静圧
歪みセンサとの間には、歪み分離帯であるが存在するこ
とにより、差圧を主として検出する差圧歪みセンサには
台座管と半導体基板との接合部から静圧歪みが伝達しづ
らくなるため、静圧誤差信号が小さくなる。また、主と
して静圧を検出する静圧歪みセンサには、差圧によるダ
イアフラムの変形が伝わり難くなるため、差圧誤差信号
成分が少なくなる。これにより、差圧誤差成分の信号は
、比較的線形な信号誤差として重畳し、静圧歪みセンサ
から容易な補正で静圧信号を取り出すことができる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の一実施例について図面を参照
して詳細に説明する。

【００１３】図１は本発明による半導体圧力センサの構
成例を示す平面図、図２は図１における断面図である。 図１および図２において、１は薄い方形の半導体基板で
あり、例えばシリコンのような単結晶半導体材料からな
る。また、２は矩形の空洞であり、半導体基板１の一方
の面である下部面、すなわち第１の面に形成される。さ
らに、３は四角柱状の台座管であり、空洞２を取り囲む
ように半導体基板１の第１の面に接合されている。この
台座管３は、例えばパイレックスガラスからなり、空洞
２に検出すべき圧力を導入する断面円形の導圧路４を有
している。これにより、空洞２を覆う半導体基板１の部
分はダイアフラムを形成し、ダイアフラムに発生する歪
みは台座管３によって導かれた圧力と半導体基板１の他
方の面である上部面、すなわち第２の面にかかる圧力と
の差に依存する。

【００１４】一方、空洞２上の半導体基板１の第２の面
には、方形基板の垂直方向の差圧歪みセンサ５，６が形
成される。また、空洞２上の半導体基板１の第２の面に
は、平行方向の差圧歪みセンサ７，８も形成される。こ
こで、これらの差圧歪みセンサ５，６，７，８は、不純
物、例えばボロンを空洞２上の表面領域において半導体
基板１の表面に、例えば拡散により注入して半導体基板
１と一体に形成され、その形状はセンサの所望の形状に
よって決められる。このようにして形成された差圧歪み
センサ５，６，７，８は、ピエゾ抵抗特性を有し、その
抵抗値がセンサが歪みを受けるにしたがって変化する。

【００１５】一方、これらの差圧歪みセンサ５，６，７
，８は、ダイアフラムの両面にかかる圧力差の大きさの
結果として、ダイアフラム内に誘起する歪みに主として
感応するが、また両面にかかる圧力差が等しい時でさえ
、ダイアフラムに生ずる歪み（静圧）にも感応する。 この静圧による歪み発生の重要な原因は、半導体基板１
と台座管３との材料の違うもの同士の接合にある。そし
て、この歪みを主として感応するセンサが静圧歪みセン
サであり、本実施例では、垂直方向の静圧歪みセンサ９
，１０および平行方向の静圧歪みセンサ１１，１２は、
半導体基板１と台座管３との接合面１３上の半導体基板
１の第２の面の上にそれぞれ形成される。このようにし
て形成された静圧歪みセンサ９，１０，１１，１２は、
ピエゾ抵抗特性を有している。さらに、各差圧歪みセン
サ５，６，７，８と各静圧歪みセンサ９，１０，１１，
１２との間には、歪み分離帯であるＶ溝細長いＶ溝１４
，１５，１６，１７がそれぞれ形成されている。

【００１６】次に、以上のように構成した本実施例の半
導体圧力センサにおいては、ダイアフラムにかかる差圧
がゼロで、静圧が印加されたときは、半導体基板１と台
座管３との接合面１３の直上の半導体基板１の第２の面
（上部面）に誘起される歪みは、ダイアフラムに誘起さ
れる歪みよりもずっと大きい。これは、台座管３が方形
形状でかつ中に断面円形の導圧路４が開いているため、
静圧による歪みが隅ではなく中央に大きく発生し、かつ
その接合面１３には異種材料の半導体基板１が接合して
いるため、台座管３の歪みが伝わり易い。さらに、Ｖ溝
１４，１５，１６，１７がダイアフラムへの歪みの伝達
を緩和しているため、その差は大きくなる。

【００１７】一方、ダイアフラムの両端にかかる差圧に
よってダイアフラム面に誘起される歪みは、Ｖ溝１４，
１５，１６，１７によって、半導体基板１と台座管３と
の接合面１３の半導体基板１の上部面には伝わり難くな
っている。従って、静圧を主として検出する静圧歪みセ
ンサ９，１０，１１，１２は、差圧による誤差が小さく
なり、かつ差圧の測定範囲内では一義的な誤差特性を有
するセンサにすることができる。

【００１８】すなわち、一つの組になった４個の差圧歪
みセンサ５，６，７，８は、主としてダイアフラムにか
かる差圧を表わす信号を出力する。また、別の組の４個
の静圧歪みセンサ９，１０，１１，１２は、半導体基板
１と台座管３とにかかる静圧の変化によって生ずる信号
を出力する。そして、後者は、前者の信号に含まれる静
圧誤差信号成分を補正するのに用いることができる。ま
た、前者は、後者の信号に含まれる差圧誤差信号成分を
補正するのに用いることができる。

【００１９】上述したように、本実施例の半導体圧力セ
ンサは、第１および第２の面を有し、第１の面に矩形の
空洞２が形成された単結晶半導体材料からなる方形の半
導体基板１と、半導体基板１の第１の面に空洞２を取り
囲むように一端が接合され、かつ検出すべき圧力を空洞
２に導入する断面円形の導圧路４を有する四角柱状の台
座管３と、半導体基板１の第２の面で、空洞２の反対側
の面に形成された２個の垂直方向の差圧歪みセンサ５，
６および２個の平行方向の差圧歪みセンサ７，８と、半
導体基板１の第２の面で、台座管３に接合された一端の
反対側に形成された２個の垂直方向の静圧歪みセンサ９
，１０および２個の平行方向の静圧歪みセンサ１１，１
２と、各差圧歪みセンサ５，６，７，８と各静圧歪みセ
ンサ９，１０，１１，１２との間にそれぞれ形成された
歪み分離帯であるＶ溝１４，１５，１６，１７とから構
成するようにしたものである。

【００２０】従って、Ｖ溝１４，１５，１６，１７によ
って差圧による歪みを緩和された静圧歪みセンサ９，１
０，１１，１２は、差圧の印加によって生ずる差圧誤差
が極めて小さくなり、かつ従来構成で差圧によって発生
した複雑な応答信号の発生を抑えることができ、圧力検
出の精度を著しく向上させることが可能となる。また、
差圧と静圧を同一半導体基板で取り出すことが可能とな
る。

【００２１】尚、上記実施例では、半導体基板１の形状
を方形としてその第１の面に矩形の空洞２を形成し、ま
たこれと接合される台座管３の形状を四角柱状として断
面円形の導圧路４を形成する場合について説明したが、
何らこれらに限定されるものではない。

【００２２】すなわち、例えば、半導体基板１の形状を
方形とし、これと接合される台座管３の形状を円柱状と
したり、あるいは半導体基板１の形状を円形とし、これ
と接合される台座管３の形状を円柱状とするようにして
も、前述と同様の作用効果が得られるものである。

【００２３】また、上記実施例では、歪み分離帯として
Ｖ溝を形成する場合について説明したが、この歪み分離
帯である溝は何らＶ溝に限定されるものではなく、他の
形状の溝とするようにしてもよい。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、第
１および第２の面を有し、第１の面に空洞が形成された
単結晶半導体材料からなる所定形状の半導体基板と、半
導体基板の第１の面に空洞を取り囲むように一端が接合
され、かつ検出すべき圧力を空洞に導入する導圧路を有
する所定形状の台座管と、半導体基板の第２の面で、空
洞の反対側の面に形成された少なくとも１個の垂直方向
の差圧歪みセンサおよび少なくとも１個の平行方向の差
圧歪みセンサと、半導体基板の第２の面で、台座管に接
合された一端の反対側に形成された少なくとも１個の垂
直方向の静圧歪みセンサおよび少なくとも１個の平行方
向の静圧歪みセンサと、各差圧歪みセンサと各静圧歪み
センサとの間にそれぞれ形成された歪み分離帯である溝
とから構成するようにしたので、静圧下ならびに差圧下
で生ずる信号を補償し、静圧および差圧を同一半導体基
板上でしかも極めて精度よく検出することが可能な極め
て信頼性の高い半導体圧力センサが提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体圧力センサの一実施例を示
す平面図、

【図２】本発明による半導体圧力センサの一実施例を示
す断面図。

【符号の説明】

１…半導体基板、２…空洞、３…台座管、４…導圧路、
５，６，７，８…差圧歪みセンサ、９，１０，１１，１
２…静圧歪みセンサ、１３…接合面、１４，１５，１６
，１７…Ｖ溝。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　第１および第２の面を有し、前記第１
   の面に空洞が形成された単結晶半導体材料からなる所定
   形状の半導体基板と、前記半導体基板の第１の面に前記
   空洞を取り囲むように一端が接合され、かつ検出すべき
   圧力を前記空洞に導入する導圧路を有する所定形状の台
   座管と、前記半導体基板の第２の面で、前記空洞の反対
   側の面に形成された少なくとも１個の垂直方向の差圧歪
   みセンサおよび少なくとも１個の平行方向の差圧歪みセ
   ンサと、前記半導体基板の第２の面で、前記台座管に接
   合された一端の反対側に形成された少なくとも１個の垂
   直方向の静圧歪みセンサおよび少なくとも１個の平行方
   向の静圧歪みセンサと、前記各差圧歪みセンサと前記各
   静圧歪みセンサとの間にそれぞれ形成された歪み分離帯
   である溝と、を備えて成ることを特徴とする半導体圧力
   センサ。
2. 【請求項２】　　第１および第２の面を有し、前記第１
   の面に矩形の空洞が形成された単結晶半導体材料からな
   る方形の半導体基板と、前記半導体基板の第１の面に前
   記空洞を取り囲むように一端が接合され、かつ検出すべ
   き圧力を前記空洞に導入する断面円形の導圧路を有する
   四角柱状の台座管と、前記半導体基板の第２の面で、前
   記空洞の反対側の面に形成された少なくとも１個の垂直
   方向の差圧歪みセンサおよび少なくとも１個の平行方向
   の差圧歪みセンサと、前記半導体基板の第２の面で、前
   記台座管に接合された一端の反対側に形成された少なく
   とも１個の垂直方向の静圧歪みセンサおよび少なくとも
   １個の平行方向の静圧歪みセンサと、前記各差圧歪みセ
   ンサと前記各静圧歪みセンサとの間にそれぞれ形成され
   た歪み分離帯であるＶ溝と、を備えて成ることを特徴と
   する半導体圧力センサ。