JPH0510839A - 半導体圧力センサ - Google Patents

半導体圧力センサ

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JPH0510839A
JPH0510839A JP16187091A JP16187091A JPH0510839A JP H0510839 A JPH0510839 A JP H0510839A JP 16187091 A JP16187091 A JP 16187091A JP 16187091 A JP16187091 A JP 16187091A JP H0510839 A JPH0510839 A JP H0510839A
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JP
Japan
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diaphragm
pressure sensor
substrate
semiconductor pressure
diaphragms
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Application number
JP16187091A
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English (en)
Inventor
Chikako Takeo
知香子 竹尾
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Yokogawa Electric Corp
Original Assignee
Yokogawa Electric Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡単な構成で広い測定レンジを有し小形化が
可能な半導体圧力センサを提供する。 【構成】 Si基板に形成されたダイアフラムに歪み検
出素子が設けられ,前記ダイアフラムに印加される流体
の圧力を前記歪み検出素子で検出する様にした半導体圧
力センサにおいて,前記Si基板上に感圧度の異なる複
数のダイアフラムを形成するとともに各ダイアフラムに
歪み検出素子を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は,測定レンジの異なる複
数の圧力を測定する為の半導体圧力センサに関し,小形
化をはかった圧力センサに関する。
【0002】
【従来の技術】図7は従来の半導体圧力センサの構造を
示す縦断面図である。図において10はn形のシリコン
単結晶で作られたセンサチップであり,凹部11を有
し,更に凹部11の形成により厚さの薄くなった起歪部
(ダイアフラム)12とその周辺の固定部13を有して
いる。ダイアフラム12は単結晶の(100)面とさ
れ,その上にはその中心を通る結晶軸<100>方向で
固定部13との境界付近に例えば歪みゲ―ジ14が不純
物の拡散により伝導型がp形として形成されている。歪
みゲ―ジ14はその長手方向に一対の電源端(図では省
略)を持ち,その電源端に電源電圧が印加され,その長
手方向のほぼ中央部に一対の出力端が形成され,この出
力端により出力電圧を得ている。センサチップ10は,
その固定部13が例えば中央部に導圧穴15を持つパイ
レックスガラス等のガラス基板16に固定され,このガ
ラス基板16は中央に導圧孔17を持つ金属の支持台1
8に固定されている。センサチップ10,ガラス基板1
6および金属の支持台18の相互間はガラス基板16に
対してセンサチップ10を電源(図示せず)により正電
位に保持し,かつ,ガラス基板16に対して負電位に保
持して陽極接合する。また,ガラス基板16と支持台1
8は低融点ガラスを挟んで470℃程度に加熱して接着
する。上記の構成において,測定圧力pがダイアフラム
12に印加されると,これによってゲ―ジ14に歪みが
発生し,これに対応する電気信号を出力端に得ることが
できる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら,上述の
圧力センサは測定レンジが決められているので広い範囲
にわたる圧力測定ができないという問題があった。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,簡単な構成で広い測定レンジを有し小形化が可能な
半導体圧力センサを提供することを目的とする。
【0004】
【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,請求項1においては,Si基板に形成された
ダイアフラムに歪み検出素子が設けられ,前記ダイアフ
ラムに印加される流体の圧力を前記歪み検出素子で検出
する様にした半導体圧力センサにおいて,前記Si基板
上に膜厚が同一で面積の異なる複数のダイアフラムを形
成するとともに各ダイアフラムに歪み検出素子を設けた
ことを特徴とするものであり,請求項2,3において
は,前記Si基板上に厚さの異なる複数のダイアフラム
を形成するとともに各ダイアフラムに歪み検出素子を設
けたものであり,その各ダイアフラムの膜厚は基板上に
形成したエピタキシャル成長層と高濃度層の組み合わせ
とエッチング時間を調整して形成したものである。
【0005】
【作用】請求項1において,面積の大きなダイアフラム
は流体圧力が低いレンジの際に機能し,面積の小さなダ
イアフラムは流体圧力が高いレンジの際に機能する。請
求項2において,板厚の薄いダイアフラムは流体圧力が
低いレンジの際に機能し,板厚の厚いダイアフラムは流
体圧力が高いレンジの際に機能する。そして各ダイアフ
ラムは同一基板上に形成されているので全体として圧力
センサを小形化することができる。
【0006】
【実施例】図1は本発明の請求項1に関する一実施例を
示す構成断面図である。図において1は単結晶Si基
板,2,2´はダイアフラムで,基板の一面から所定の
異方性エッチング液によりエッチングを行い,液の濃度
と時間を制御することにより穴3を開けて所定の膜厚に
形成する。14はダイアフラムの歪みを最も感じる部分
に形成された剪断ゲ―ジである。なお,ダイアフラムの
一面の長さa,bはマスク(図では省略)の開口面積を
調整することにより任意に形成することができる。図2
は本発明の請求項2に関する一実施例を示す構成断面図
である。前記請求項1で示すダイアフラム2,2´は厚
さが同一の為製造工程上は簡素化されるが,高レンジの
膜厚に合せると低レンジのダイアフラムは面積が大きく
なってしまうという問題がある。
【0007】請求項2においては同一基板上に高レンジ
用と低レンジ用の厚さの異なるダイアフラム4,4´を
形成することにより例えば一辺の長さaを同じにして低
レンジから高レンジまでの測定を可能としている。ここ
で,図3(a)〜(e)を用いて請求項2のダイアフラ
ムの製作方法を概略工程に従って説明する。 工程1(a図参照) 不純物濃度1×1015cm-3程度のp形単結晶基板1の
(100)面にレジスト20を塗布し,高圧レンジ用ダ
イアフラムを形成すべき位置に窓21を形成して基板1
の表面を露出させる。 工程2(b図参照) レジスト20をマスクとしてボロンイオンの注入を行い
不純物濃度1×1020cm-3程度のp++層22を形成す
る。 工程3(c図参照) 前記ボロンを注入した箇所を含む基板1の表面にエピタ
キシャル成長を行い不純物濃度1×1015cm-3程度のn
形Si単結晶層23を形成する。
【0008】工程4(d図参照) n形Si単結晶層23の表面に剪断ゲ―ジ,配線Al等
を形成し,基板1の裏面に異方性エッチングのマスクと
なるSiO2 膜24およびSi3 N4 膜25を形成し,
穴を開ける部分のエッチングを行って基板1を露出させ
る。 工程5(e図参照) 例えば80℃のKOH(イソプロピルアルコ―ル)混合
水溶液中に基板1を浸して異方性エッチングを行いダイ
アフラム形成の為の穴を開ける。この場合エッチング時
間は低レンジ用ダイアフラムが目標膜厚になるようにエ
ッングレ―トを勘案して決定する。また,この場合,高
レンジ用ダイアフラムのp++層22は低レンジ側に比較
してエッチングレ―トが1桁以上おそくなる。このp++
層は工程2で形成するが,その不純物濃度と膜厚はレン
ジの要求膜厚によって決定しておくものとする。
【0009】図4(a)〜(e)は膜厚の異なるダイア
フラムを形成する別の方法を示す概略工程図である。工
程に従って説明する。 工程1(a図参照) 不純物濃度1×1015cm-3程度のp形単結晶基板1の
(100)面に酸化膜30を形成し,高圧レンジ用のダ
イアフラムを形成する位置にエッチングにより窓を31
開けて基板1の表面を露出させる。 工程2(b図参照) 選択エピタキシャル成長法により工程1で窓31を開け
た部分にボロン濃度1×1020cm-3程度のSi単結晶3
2を所定の厚さに成長させ,酸化膜30を除去する。
【0010】工程3(c図参照) 成長させたSi単結晶31を含む基板全面に1×1015
cm-3程度のn形Si単結晶を所定の厚さに形成する。 工程4(d図参照) n形Si単結晶層23の表面に剪断ゲ―ジ,配線Al等
を形成し,基板1の裏面に異方性エッチングのマスクと
なるSiO2 膜およびSi3 N4を形成し,穴を開ける
部分のエッチングを行って基板1を露出させる。 工程5(e図参照) 例えば80℃のKOHとイソプロピルアルコ―ルの混合
溶液中に基板1を浸して異方性エッチングを行いダイア
フラム形成の為の穴3を開ける。この場合もエッチング
時間は低レンジ用ダイアフラムが目標膜厚になるように
エッングレ―トを勘案して決定する。なお,上記実施例
においては同一基板にダイアフラムを2個形成した場合
について図示したが,面積や膜厚の異なるダイアフラム
は測定レンジに合わせて2個以上形成してもよい。ま
た,図では省略するがSi基板1上には歪みゲ―ジから
の信号を取出す為の電子素子や配線が公知の半導体技術
により形成されているものとする。
【0011】図5は上記により形成した半導体圧力セン
サを圧力検出装置として組込んだ場合の一実施例を示す
構成断面図である。図において40はケ―ス,41は貫
通孔42,43を有する底板である。44は貫通孔4
5,46を有するパイレックスガラスであり,このパイ
レックスガラス44の上方に本発明の半導体圧力センサ
48が固定されている。50は半導体圧力センサ48の
上方に固定された支持板であり,この支持板50は低圧
用ダイアフラムと高圧用ダイアフラムを気密に仕切る仕
切り部材51を有しており,仕切り部材によって仕切ら
れた室52,53が形成されている。54,55は支持
板50の上方に固定された過大圧防止膜で,この過大圧
防止膜54,55と室52,53とは貫通孔56,57
によって連結され,封液58が封入されている。60は
圧力導入孔61を有する上板で,この上板60と支持板
50の間に被測定流体62が導入される。なお,半導体
圧力センサ48の表面には剪断ゲ―ジの出力を取出す為
のリ―ド線63が接続されておりケ―ス40の側面から
ハ―メチックシ―ル孔64を介して取出される。
【0012】信号変換部65は2つのダイアフラムから
の出力のうちいずれかの出力を選択して出力する。即
ち,例えば低圧用ダイアフラムの測定レンジが0〜2k
gf/cm2 ,高圧用ダイアフラムの測定レンジが0〜
20kgf/cm2 とした場合,0〜2kgf/cm2
の圧力の範囲では低圧用ダイアフラムからの信号を出力
し,2.1〜20kgf/cm2 の範囲の場合は高圧用
ダイアフラムからの信号を出力する。上記の構成におい
て,圧力導入孔61から被測定流体61が導入される
と,その圧力は過大圧防止膜54,55を撓ませる。そ
の撓みは封液58を介してそれぞれのダイアフラムを撓
ませ,そのダイアフラム上に形成した歪みゲ―ジにより
圧力に関連したから出力されるが,流体圧力が2kgf
/cm2 を越えた場合は低圧側の過大圧防止膜54が図
6に示すように撓んで貫通孔57を封止する。そのた
め,低圧用ダイアフラムには2kgf/cm2 以上の圧
力が印加されることがない。更に流体圧力が20kgf
/cm2 を越えた場合には過大圧防止膜55が同様に撓
んで貫通孔56を同様に封止する。
【0013】
【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によれば,測定レンジの
異なる圧力センサを同一基板上に複数個設けたので,そ
の出力を選択して使用することにより広いレンジの測定
が可能となるとともに,小形化をはかった半導体センサ
を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体圧力センサの請求項1に関する
一実施例を示す断面図である。
【図2】本発明の半導体圧力センサの請求項2に関する
一実施例を示す断面図である。
【図3】本発明の半導体圧力センサの請求項3に関する
一製作例を示す工程断面図である。
【図4】本発明の半導体圧力センサの請求項3に関する
他の製作例を示す工程断面図である。
【図5】本発明の半導体圧力センサの使用例を示す断面
図である。
【図6】図5における過大圧防止膜の動作例を示す説明
図である。
【図7】従来の半導体センサの構成を示す縦断面図であ
る。
【符号の説明】
1 Si単結晶基板 2,2´,4,4´ ダイアフラム 3 穴 14 歪みゲ―ジ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Si基板に形成されたダイアフラムに歪
    み検出素子が設けられ,前記ダイアフラムに印加される
    流体の圧力を前記歪み検出素子で検出する様にした半導
    体圧力センサにおいて,前記Si基板上に膜厚が同一で
    面積の異なる複数のダイアフラムを形成するとともに各
    ダイアフラムに歪み検出素子を設けたことを特徴とする
    半導体圧力センサ。
  2. 【請求項2】 Si基板に形成されたダイアフラムに歪
    み検出素子が設けられ,前記ダイアフラムに印加される
    流体の圧力を前記歪み検出素子で検出する様にした半導
    体圧力センサにおいて,前記Si基板上に厚さの異なる
    複数のダイアフラムを形成するとともに各ダイアフラム
    に歪み検出素子を設けたことを特徴とする半導体圧力セ
    ンサ。
  3. 【請求項3】ダイアフラムの膜厚は基板上に形成したエ
    ピタキシャル成長層と高濃度層の組み合わせとエッチン
    グ時間を調整して形成したことを特徴とする請求項2記
    載の半導体圧力センサの製造方法。
JP16187091A 1991-07-02 1991-07-02 半導体圧力センサ Pending JPH0510839A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1306655A1 (en) * 2000-07-31 2003-05-02 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Pressure sensor
US7341243B2 (en) 2002-11-29 2008-03-11 Toyo Tire & Rubber Co., Ltd. Liquid-sealed vibration control device

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