JPH04350530A - 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】本発明は半導体圧力センサに関し
更に詳しくは，差圧伝送器における過大圧保護機構の改
善に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１９は従来より一般に使用されている
従来例の構成説明図で，例えば，実開昭６０―１８１６
４２号に示されている。図において，ハウジング５０の
両側に高圧側フランジ５１，低圧側フランジ５２が溶接
等によって固定されており，両フランジ５１，５２には
測定すべき圧力ＰＨ　の高圧流体の導入口５３，圧力Ｐ
Ｌ　の低圧流体の導入口５４が設けられている。ハウジ
ング５０内に圧力測定室５５が形成されており，この圧
力測定室５５内にセンタダイアフラム５６とシリコンダ
イアフラム５７が設けられている。センタダイアフラム
５６とシリコンダイアフラム５７はそれぞれ別個に圧力
測定室５５の壁に固定されており，センタダイアフラム
５６とシリコンダイアフラム５７の両者でもって圧力測
定室５５を２分している。センタダイアフラム５６と対
向する圧力測定室５５の壁には，バックプレ―ト５８ａ
，５８ｂが形成されている。

【０００３】センタダイアフラム５６は周縁部をハウジ
ング５０に溶接されている。シリコンダイアフラム５７
は全体が単結晶のシリコン基板から形成されて，基板の
一方の面にボロン等の不純物を選択拡散して感圧素子（
図示せず）を形成し，他方の面を機械加工，エッチング
し，全体が凹形のダイアフラムを形成する。感圧素子は
，シリコンダイアフラム５７が差圧ΔＰを受けてたわむ
時，抵抗変化が差圧ΔＰの変化として検出される。５９
は，感圧素子に一端が取付けられたリ―ド，６０はリ―
ド５９の他端が接続されたハ―メチック端子である。 ６１はハ―メチック端子を支持体で，支持体６１には圧
力測定室５５側端面に低融点ガラス接続等の方法でシリ
コンダイアフラム５７が接着固定されている。

【０００４】ハウジング５０と高圧側フランジ５２，お
よび低圧側フランジ５１との間に，圧力導入室６２，６
３が形成されている。この圧力導入室６２，６３内に金
属ダイアフラム６４，６５を設け，この金属ダイアフラ
ム６４，６５と対向するハウジング５０の壁に金属ダイ
アフラム６４，６５と類似の形状のバックプレ―ト６６
，６７が形成されている。金属ダイアフラム６４，６５
とバックプレ―ト６６，６７とで形成される空間と，圧
力測定室５５は，連通孔６８，６９を介して導通してい
る。そして，金属ダイアフラム６４，６５間にシリコン
オイル等の封入液が満たされ，この封入液が連通孔７１
，７２を介してシリコンダイアフラム５７の上下面にま
で至っている，封入液はセンタダイアフラム５６とシリ
コンダイアフラム５７とによって２分されているが，そ
の量が，ほぼ均等になるように配慮されている。

【０００５】以上の構成において，高圧側から圧力が作
用した場合，金属ダイアフラム６５に作用する圧力が封
入液によってシリコンダイアフラム５７に伝達される。 一方，低圧側から圧力が作用した場合，金属ダイアフラ
ム６４に作用する圧力が封入液によってシリコンダイア
フラム５７に伝達される。この結果，高圧側と低圧側と
の圧力差に応じてシリコンダイアフラム５７が歪み，こ
の歪み量が感圧素子によって電気的に取出され，差圧の
測定が行なわれる。

【０００６】上記の構成において，金属ダイアフラム６
４または６５に過大圧が加えられた場合，これらの金属
ダイアフラムは対向するバックプレ―ト６６，６７に着
座し，一定以上の圧力がシリコンダイアフラムに加わら
ないようにしている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら，この様
な従来の構成によれば，金属が伸縮することから，■　
　過大圧前後に出力のヒステリシスが発生し，精度劣化
を招く。 ■　　寸法的に大きくなり，小形化が難しい。 等の問題がある。本発明は上記従来技術の問題を解決す
るためになされたもので，その目的は，それ自体に過大
圧保護機構および温度補償機構が設けられた，構造が簡
単で小形化が可能な半導体圧力センサを提供することに
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する為に
本発明は，一方の面に第１ダイアフラムおよび感圧素子
が形成され，前記シリコン接合体の他方の面から前記ダ
イアフラムの裏面に連通する第１の穴を有する第１シリ
コン接合体と，接合体中に前記第１ダイアフラムよりも
薄い厚さの第２ダイアフラムが形成され，前記第２ダイ
アフラムに両面から連通する第２，第３の穴を有する第
２シリコン接合体とを有し，前記第１シリコン接合体の
第１の穴と第２シリコン接合体の第２の穴が連通する様
に気密に固定するとともに前記第１，第２の連通穴に封
液を封入したことを特徴とするものである。

【０００９】

【作用】第１，第２ダイアフラムは圧力差に応じて撓み
第１ダイアフラム側から過大圧が印加された場合は第１
ダイアフラムに形成された感圧素子がその差圧を電気信
号に変換する。そして，過大圧が印加されると第１ダイ
アフラムは対向する第１の穴に着座して過大圧力による
破損を防止する。また，第２ダイアフラム側から過大圧
が印加された場合は第２ダイアフラムが対向する第１の
穴に着座して過大圧力による破損を防止する。更に，周
囲温度の変化により封液が膨脹した場合は薄く形成され
た第２ダイアフラムのみが撓んで第１ダイアフラムが撓
むのを防止する。

【００１０】

【実施例】図１は本発明の半導体圧力センサの一実施例
を示す全体構成図である。図において１は第１シリコン
基板であり，その一方の表面に第１ダイアフラム２が形
成され，そのダイアフラム上に感圧素子２５が形成され
ている。３は第１ダイアフラムを形成する為の空洞，４
は第１空洞に連通する第１連通穴である。５は第２シリ
コン基板であり，この第２シリコン基板５にはその中心
付近に第２ダイアフラム６が形成されている。７は第２
ダイアフラムの一方の側に形成された第２空洞，８は他
方の側に形成された第３空洞であり，第２空洞７に連通
する第２連通穴９，第３空洞８に連通する第３連通穴１
０が形成されている。

【００１１】上記第１，第２シリコン基板は第１連通穴
と第２連通穴を対向して気密に固定されるとともに例え
ばシリコンオイル等の第１封液１１が封入されている。 １２は一方の面に第１金属ダイアフラム１３が形成され
，他方の側に第２シリコン基板５の第３連通穴が形成さ
れた側が気密に固定された第１ボディであり，この第１
ボディの金属ダイアフラム１３と前記第３連通穴１０の
間には第２封液１４が封入されている。１５は第１ボデ
ィ１２の外周付近にねじおよびＯリング１６により気密
に固定され，一端にフランジ部１７を有する筒状の第２
ボディ，１８は第２ボディ１５の外周近傍にねじおよび
Ｏリング１６ａにより気密に固定された第２金属ダイア
フラム１９を有する第３ボディである。なお，第１，第
２，第３ボディでかこまれた空間には第３封液２０が封
入されている。２１は感圧素子２５からの電気信号を中
継する電極，２２はその電気信号を伝送するリ―ド線，
２３はリ―ド線からの信号を外部へ導くハ―メチック端
子，２６は封液１１を封じきる為のＡｕパッドである。

【００１２】図２〜図１７は上記半導体圧力センサの概
略製作工程を示す断面図である。工程に従って説明する
。 工程１（図２ａ〜図２ｄ参照） 厚さ０．５ｍｍ程度のシリコン基板１ａに直径０．５〜
２ｍｍ，深さ１．５μｍ程度の穴２ａをエッチングによ
り形成し，続いて穴２ａの中央付近に直径２０μｍ程度
の第１連通穴４を形成する（この第１連通穴４は基板１
ａをＫＯＨ液中に浸しておきＹＡＧレ―ザを照射して形
成する）。次に基板を１１００℃の水蒸気中で加熱して
全面に酸化膜４ａを形成し，先に形成した穴２ａに酸化
膜４ａが埋め込まれた状態になるように両面研磨を行う
。この基板１ａは１つのセンサ当たり２枚用意する。

【００１３】工程２（図３ａ〜図３ｃ参照）同じく厚さ
０．５ｍｍ程度のシリコン基板１ｂに直径０．５〜２ｍ
ｍ，深さ１．５μｍ程度の穴２ｂをエッチングにより形
成し，続いて基板１ｂを１１００℃の水蒸気中で加熱し
て全面に酸化膜４ｂを形成し，先に形成した穴２ｂに酸
化膜４ｂが埋め込まれた状態になるように研磨を行う。 この基板１ｂは１つのセンサ当たり１枚用意する。 工程３（図４参照） 両方の基板を洗浄後穴２ａ，２ｂが形成された部分を対
向して密着させＮ２雰囲気中で１０００℃程度に加熱し
て接合し，第１シリコン接合体１を形成する。

【００１４】工程４（図５参照） 基板１ｂ側の表面を研磨してその基板の厚さが１００μ
ｍ程度の厚さになるまで除去し，前記穴２ｂが形成され
た上方の所定の位置に例えばｐ形の不純物を選択的に拡
散して感圧素子（例えばピエゾ抵抗）２５を形成する。 工程５（図６参照） 次に基板１を弗酸（ＨＦ）溶液に浸漬し，穴２ａ，２ｂ
および３ａに残った酸化膜（ＳｉＯ２　）を除去して酸
化膜４ｃを全面に形成し，次にプラズマＣＶＤ装置を用
いて基板１ａ側の表面に窒化膜（ＳｉＮ）５ａを形成す
る。

【００１５】工程６（図７参照） 次にＳｉＮをマスクとしてＨＦ溶液でＳｉＯ２　を選択
的に除去した後に熱燐酸の溶液でＳｉＮも除去する（基
板１ａの表面にはＳｉＯ２　４ｃが部分的に残る）。　
　以上で第１図に示す第１シリコン接合体１の部分が完
成する。 工程７（図８参照） 次に工程１で作製しておいたもう１枚のシリコン基板１
ｂに穴２ａと端部を連通する溝２６を形成する（この溝
は例えば深さ２μｍ，幅５μｍ程度とし，ウエット，ド
ライいずれのエッチングでも可能である。なお，ここで
は基板を貫通する穴を第２連通穴９という）。

【００１６】工程８（図９参照） 平行に研磨されたシリコン基板１ｃを用意し，工程７で
作製した１ｂの両方の基板を洗浄後，溝２６が形成され
た面に基板１ｃを密着させＮ２　雰囲気中で１０００℃
程度に加熱して接合してシリコン基板１ｄを形成する。 工程９（図１０参照） 基板１ｃ側の表面を研磨してその基板の厚さが１０μｍ
程度の厚さになるまで除去する。 工程１０（図１１参照） 平行に研磨されたシリコン基板１ｅを用意し，工程１の
（ａ），（ｂ）で示す工程と同様の加工を行って深さ１
０μｍ程度の深さの穴２ｂ，および直径１００μｍ程度
の第３連通穴１０を形成する。

【００１７】工程１１（図１２参照） 基板１ｅと基板１ｄの穴２ａ，２ｂが形成された面を対
向させて密着し，Ｎ２　雰囲気中で１０００℃程度に加
熱して接合して第２シリコン接合体５を形成する。 工程１２（図１３参照） ＨＦ溶液でＳｉＯ２　を選択的に除去する。 工程１３（図１４参照） 工程６（図７）で作製した第１シリコン基板と工程１２
（図１３）で作製した第２シリコン基板５の第１連通穴
４と第２連通穴９を対向させて密着し，Ｎ２雰囲気中で
１０００℃程度に加熱して接合し，センサチップ３０を
形成する。次に，感圧素子２５からの電気信号を中継す
る為のＡｌ電極２１を形成し，溝２６が露出したセンサ
チップ３０の側面を平坦に研磨するとともに露出した溝
２６の周りにＡｌを蒸着する。

【００１８】工程１４（図１５参照） 一面に第１金属ダイアフラム１３が形成された第１ボデ
ィ（この材質は例えばシリコンと熱膨脹係数が同程度の
コバ−ル等が望ましい）１２の一面にセンサチップ３０
の第３連通穴１０を対向させて固定する（この固定はボ
ディとセンサチップの間にＡｕの薄膜を挟んで加熱する
ことにより形成されるＡｕ−Ｓｉの共晶層を用いて形成
する）。次にセンサチップを固定した第１ボディを真空
層にいれ，溝２６を介して第１空洞３，第２空洞７およ
び第１第２連通穴４，９に第１封液（例えばシリコンオ
イル）を封入する。次に常温・常圧において超音波を印
加しながらＡｕのボンディングを行って封入穴（溝２６
）を封止する。

【００１９】工程１５（図１６参照） フランジ部１７を有する第２ボディ１５を第１ボディに
ねじ込んで下方をＯリング１６で密封しフランジ部に形
成した穴にハ―メチック端子をガラス等により封着し，
Ａｌ電極とハ―メチック端子の間をリ―ド線２２で接続
する。 工程１６（図１参照） 第２金属ダイアフラム１９が形成された第３ボディ１８
を第２ボディ１５にねじ込んでＯリング１６ａにより密
封し，第２封液および第３封液を封入する。

【００２０】上記の工程により形成した半導体圧力セン
サは次の様に作用する。図１７は上方から過大圧が印加
された状態を示す図である。即ち，第２金属ダイアフラ
ム１９が通常状態より多く歪むと第３封液２０の内圧が
上昇し，第１ダイアフラム２および第２ダイアフラム６
も通常よりも下方に多く歪むが，第１ダイアフラムを形
成する第１空洞の深さは１．５μｍ，第２ダイアフラム
が歪む下方の第３空洞８の深さは１０μｍなので，第１
ダイアフラム２が第１連通穴４に着座する。この着座に
より第１封液１１の移動が止まり破壊が防止される。

【００２１】図１９は下方から過大圧が印加された状態
を示す図である。即ち，第１金属ダイアフラム１３が通
常状態より多く歪むと第２封液１４の内圧が上昇し，第
２ダイアフラム６および第１ダイアフラム２も通常より
も上方に多く歪むが，第２ダイアフラム６を形成する第
２空洞７の深さは１．５μｍなので，第２ダイアフラム
２が第２連通穴９に着座する。この着座により第２封液
１４の移動が止まり破壊が防止される。なお，第２ダイ
アフラム６の厚さは１０μｍ程度であるが，直径が０．
５〜１ｍｍ程度なので１０００ｋｇｆ／ｃｍ２　の圧力
に対しても破壊することはない。

【００２２】更に本発明においては第２ダイアフラム６
の厚さが第１ダイアフラム２の厚さに比較して１／１０
程度に形成されているため周囲温度が変化して第１封液
１１の体積が膨脹した場合，第２ダイアフラム６側は大
きく歪むが，感圧素子２５が形成された第１ダイアフラ
ム２の剛性が高いので変位はわずかである。従ってこの
センサは温度補償機能も有している。

【００２３】

【発明の効果】以上実施例とともに具体的に説明した様
に，本発明の半導体圧力センサはそれ自体にシリコン微
細加工による過大圧保護機構および温度補償機構が設け
られた構造なので，差圧系全体の構造が簡単になり，小
形化が可能となる。また，過大圧保護機構がシリコンの
みで構成されているので，金属ダイアフラムによる過大
圧保護機構に比較してヒステリシスが小さくなる。更に
半導体圧力センサは，集積回路の製造工程と同様，大量
生産に適しており，機械部品の小形化とあわせて低価格
の差圧計を実現することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係かる半導体圧力センサを用いた一実
施例の全体構成図を示す断面図である。

【図２】本発明の半導体圧力センサを製造する第１工程
を示す断面図である。

【図３】本発明の半導体圧力センサを製造する第２工程
を示す断面図である。

【図４】本発明の半導体圧力センサを製造する第３工程
を示す断面図である。

【図５】本発明の半導体圧力センサを製造する第４工程
を示す断面図である。

【図６】本発明の半導体圧力センサを製造する第５工程
を示す断面図である。

【図７】本発明の半導体圧力センサを製造する第６工程
を示す断面図である。

【図８】本発明の半導体圧力センサを製造する第７工程
を示す断面図である。

【図９】本発明の半導体圧力センサを製造する第８工程
を示す断面図である。

【図１０】本発明の半導体圧力センサを製造する第９工
程を示す断面図である。

【図１１】本発明の半導体圧力センサを製造する第１０
工程を示す断面図である。

【図１２】本発明の半導体圧力センサを製造する第１１
工程を示す断面図である。

【図１３】本発明の半導体圧力センサを製造する第１２
工程を示す断面図である。

【図１４】本発明の半導体圧力センサを製造する第１３
工程を示す断面図である。

【図１５】本発明の半導体圧力センサを製造する第１４
工程を示す断面図である。

【図１６】本発明の半導体圧力センサを製造する第１５
工程を示す断面図である。

【図１７】本発明の半導体圧力センサに過大圧を印加し
た状態を示す断面図である。

【図１８】本発明の半導体圧力センサに過大圧を印加し
た状態を示す断面図である。

【図１９】従来の半導体圧力センサの一例を示す構成説
明図である。

【符号の説明】

１　　　　第１シリコン結合体 ２　　　　第１ダイアフラム ３　　　　第１空洞 ４　　　　第１連通穴 ５　　　　第２シリコン結合体 ６　　　　第２ダイアフラム ７　　　　第２空洞 ８　　　　第３空洞 ９　　　　第２連通穴 １０　　第３連通穴

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　一方の面に第１ダイアフラムおよび感
   圧素子が形成され，他方の面から前記ダイアフラムの裏
   面に連通する第１の穴を有する第１シリコン接合体と，
   接合体中に前記第１ダイアフラムよりも薄い厚さの第２
   ダイアフラムが形成され，前記第２ダイアフラムに両面
   から連通する第２，第３の穴を有する第２シリコン接合
   体とを有し，前記第１シリコン接合体の第１の穴と第２
   シリコン接合体の第２の穴が連通する様に気密に固定す
   るとともに前記第１，第２の連通穴に封液を封入したこ
   とを特徴とする半導体圧力センサ。