JPH06347353A - 半導体圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 過大な圧力の負荷によるダイヤフラムの破損
を防止することができる半導体圧力センサを提供する。 【構成】 ダイヤフラム４には、下方に向けて突出する
１対のボス２が相互に離隔して設けられている。このボ
ス２の側壁は、ダイヤフラム４の表面に対し実質的に垂
直に形成されている。また、台座５には、１対のボス２
の間に突出する第１の突出部８と、１対のボス２の外側
に突出する１対の第２の突出部７とが設けられている。
ダイヤフラム４に過大な圧力が加えられると、ダイヤフ
ラム４が円弧状に変形し、ボス２の端部が第１の突出部
８又は第２の突出部７に当接して、それ以上のダイヤフ
ラム４の変形を阻止することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体ウエハをエッチ
ングして形成されその表面に感歪素子が設けられたダイ
ヤフラムを備えた半導体圧力センサに関し、特に微小な
圧力の測定に好適の半導体圧力センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】図４（ａ），（ｂ）は、夫々従来の半導
体圧力センサを示す断面図及び上面図である。半導体チ
ップ１１は、Ｓｉ単結晶ウエハ又はＳＯＩ（Silicon On
Insulator）ウエハの所定領域を選択的に異方性エッチ
ングして薄肉化することにより形成されたダイヤフラム
１４を備えており、このダイヤフラム１４の裏面側には
１対のボス１２が下方に延出して設けられている。通
常、ダイヤフラム１４の表面には複数個のピエゾ抵抗素
子（感歪素子）１３が設けられており、これらのピエゾ
抵抗素子１３によりホイートストンブリッジ回路が構成
されている。微小な圧力を測定するための圧力センサに
おいては、ダイヤフラム１４の厚さは例えば数μｍ乃至
十数μｍと極めて薄く設定されている。

【０００３】半導体チップ１１は、その下面周縁部が台
座１５に接着されて固定されている。この台座１５は熱
膨張係数が半導体チップ１１と略等しい材料により形成
されており、温度変化に起因する半導体チップ１１の熱
歪を緩和するという作用がある。また、この台座１５に
は、ダイヤフラム１４と台座１５とに囲まれた空間に測
定すべき圧力を導入するための圧力導入孔１６が設けら
れている。

【０００４】このように構成された半導体圧力センサに
おいて、圧力導入孔１６を介してダイヤフラム１４に圧
力が加えられると、ダイヤフラム１４が変形してピエゾ
抵抗素子１３の抵抗値が変化する。この抵抗値の変化を
外部の検出装置で検出することにより圧力を検出するこ
とができる。

【０００５】ところで、ダイヤフラム１４に過大な圧力
が負荷されると、ダイヤフラム１４が破損する虞れがあ
る。そこで、図５に示すように、その下側に凹部が設け
られたストッパ１７を半導体チップ１１の上側に配設し
た半導体圧力センサが提案されている（特開平3-2535
号）。この半導体圧力センサにおいては、ダイヤフラム
１４に過大な圧力が負荷されると、ダイヤフラム１４が
ストッパ１７に当接して、ダイヤフラム１４の破損が回
避される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図５に
示す従来の半導体圧力センサには、ストッパ１７を形成
し、半導体チップ１１の上側に接合する必要があり、製
造工程が増加して、製造が煩雑であるという問題点があ
る。また、ダイヤフラムの表面に形成されたピエゾ抵抗
素子がストッパ１７に接触して、ピエゾ抵抗素子が損傷
を受ける虞れもある。

【０００７】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、ストッパ等の部品を個別的に形成する必要
がなく製造が容易であると共に、過大な圧力が加えられ
てもダイヤフラムの破損を回避できる半導体圧力センサ
を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体圧力
センサは、その表面に感歪素子が設けられたダイヤフラ
ムを備えた半導体チップと、この半導体チップを支持す
る台座とを有する半導体圧力センサにおいて、前記ダイ
ヤフラムから前記台座に向けて突出し相互に離隔して設
けられた少なくとも１対のボスと、前記台座から前記ボ
ス間に突出して設けられた第１の突出部と、前記台座か
ら前記ボス群の外側に突出して設けられた第２の突出部
と、を有し、前記ボスの側壁は前記ダイヤフラムの表面
に対し実質的に垂直に形成されていることを特徴とす
る。

【０００９】

【作用】本発明においては、ダイヤフラムから台座に向
けて少なくとも１対のボスが突出して設けられている。
また、台座には、前記ボス間に突出する第１の突出部
と、前記ボス群の外側に突出する第２の突出部とが設け
られている。例えば、ダイヤフラムと台座とに囲まれた
空間の圧力が大気圧に比して大きい場合（以下、正圧と
いう）、ダイヤフラムは円弧状に膨出し、各ボスの端部
間の距離が短くなる。ダイヤフラムに過度の正圧が負荷
されると、各ボスの端部間の距離が更に短くなり、ボス
の端部が前記第１の突出部に当接してそれ以上のダイヤ
フラムの変形が防止される。

【００１０】一方、ダイヤフラムと台座との間の空間の
圧力が大気圧に比して小さい場合（以下、負圧とい
う）、ダイヤフラムは円弧状に窪み、各ボスの端部間の
距離が大きくなる。ダイヤフラムに過度の負圧が負荷さ
れると、これらのボス端部が第２の突出部に当接してそ
れ以上のダイヤフラムの変形が防止される。このよう
に、本発明においては、ダイヤフラムから台座側に突出
して設けられた少なくとも１対のボスの端部が台座に設
けられた第１又は第２の突出部に当接することによりダ
イヤフラムの過度の変形を阻止し、ダイヤフラムの破損
を防止する。このように、本願によれば、ストッパ等の
部品を個別的に形成する必要がなく、製造が比較的容易
である。また、ダイヤフラムの表面が他の部品等に接触
する虞れがないので、ダイヤフラムの表面に形成された
ピエゾ抵抗素子等の感歪素子が破損する虞れもない。な
お、通常、ボスの数は２個で足りるが、３個以上設けて
もよい。例えば、４個のボスを設けた場合には、前記第
１の突出部は３個、第２の突出部は２個になる。

【００１１】ところで、通常、半導体圧力センサのダイ
ヤフラム及びボスは、半導体ウエハを異方性エッチング
することにより形成するが、表面の結晶方位が（１１
０）面のＳｉ結晶を用いた場合、図６に示すように、ボ
ス１２の側壁の角度θはダイヤフラム１４の表面に対し
５４．７°になる（佐藤，単結晶Ｓｉの異方性エッチン
グ技術，精密工学会誌，53/6 ，1887年発行）。ボスの
側壁の角度がこのように小さいと、この図６に示すよう
に、ボス１２の先端部と台座に設けられた突出部１８と
の間の距離が大きくなるため、ダイヤフラムが大きく変
形しないとボス１２の先端部が突出部１８に当接しな
い。このため、ダイヤフラムの破損を回避する効果が得
られない虞れがある。また、ボスの形状が台形である
と、チップと台座とを接合する際にボスと突出部とが当
接しやすく、組立作業が煩雑になる。一方、ボスの側壁
をダイヤフラムの表面に対し垂直とすることにより、ボ
スの先端と突出部との距離を短縮することができて、ダ
イヤフラムの破損を確実に防止することができる。ま
た、隣接するボスの側壁間の間隔が大きくなるため、チ
ップと台座とを接合する際にボスと突出部とが当接しに
くくなり、組立作業が容易になる。従って、ボスの側壁
はダイヤフラムの表面に対し実質的に垂直であることが
必要である。例えば、ウエハを選択的に等方性エッチン
グすることによりダイヤフラム及びボスを形成すると、
ボスの側壁はダイヤフラム表面に対し略垂直になる。ま
た、異方性エッチングであっても、ドライエッチングの
場合は、ウエハ表面に対し垂直方向のエッチングが可能
である（江刺，マイクロマシーニングによる機械的機能
部品，J.IEE Japan,Vol.107,No.7,1987年発行）。

【００１２】

【実施例】次に、本発明の実施例について添付の図面を
参照して説明する。

【００１３】図１は本発明の実施例に係る半導体圧力セ
ンサを示す断面図である。半導体チップ１は、Ｓｉ単結
晶ウエハ又はＳＯＩウエハの裏面を選択的に等方性エッ
チングして薄肉化することにより形成されたダイヤフラ
ム４を備えている。このダイヤフラム４の裏面側には、
下方に突出する１対のボス２が相互に離隔して設けられ
ている。等方性エッチングにおいては、ウエハはその表
面に対し略垂直方向にエッチングされる。従って、ボス
２の側壁はダイヤフラム４の表面に対して略垂直に形成
されている。また、ダイヤフラム４の表面には、例えば
４個のピエゾ抵抗素子（図示せず）が形成されており、
これらのピエゾ抵抗素子によりホイートストンブリッジ
回路が構成されている。

【００１４】一方、台座５には、１対のボス２間に突出
して設けられた第１の突出部８と、１対のボス２の外側
に突出して設けられた１対の第２の突出部７とが設けら
れている。また、外部の圧力をダイヤフラム４と台座５
との間の空間に導入するための圧力導入孔６は、第１の
突出部８の上面から台座５の下面に貫通して設けられて
いる。

【００１５】このように構成された本実施例に係る半導
体圧力センサにおいて、圧力導入孔６を介してダイヤフ
ラム４に負圧が負荷されると、圧力に応じてダイヤフラ
ム４が円弧状に窪み、ピエゾ抵抗素子の抵抗値が変化す
る。この抵抗値の変化を外部の検出装置で検出すること
により、圧力を検出することができる。この場合に、ダ
イヤフラム４に過度の負圧が負荷されると、図２に示す
ように、ボス２の先端部分が第２の突出部７の側壁に当
接する。これにより、それ以上のダイヤフラム４の変形
は阻止され、ダイヤフラム４の破損を防止することがで
きる。

【００１６】一方、圧力導入孔６を介してダイヤフラム
４に正圧が負荷されると、ダイヤフラム４は圧力に応じ
て円弧状に膨出し、ピエゾ抵抗素子の抵抗値が変化す
る。この抵抗値の変化により、負荷された圧力を検出す
ることができる。この場合に、ダイヤフラム４に過度の
正圧が負荷されると、図３に示すように、ボス２の下端
部分が突出部８の側壁に当接する。これにより、それ以
上のダイヤフラム４の変形が阻止されダイヤフラム４の
破損を防止することができる。

【００１７】本実施例に係る半導体圧力センサは、ダイ
ヤフラムに負荷される圧力が正圧であるか又は負圧であ
るかに拘らず、過大な圧力によるダイヤフラムの破損を
回避することができる。また、本発明に係る半導体圧力
センサは、ボスの側壁がダイヤフラム４の表面に対して
実質的に垂直に形成されているため、ダイヤフラムの僅
かな変形によりボスの先端部が第１又は第２の突出部
８，７に当接し、ダイヤフラムの破損を確実に回避する
ことができる。更に、ボスの側壁がダイヤフラム４の表
面に対して実質的に垂直に形成されているため、チップ
と台座とを接合する際に、チップと台座との合わせ精度
の自由度が大きく、組立作業が容易である。更にまた、
本実施例に係る半導体圧力センサは、部品数を追加する
必要がなく、図５に示す従来の半導体圧力センサに比し
て製造が容易であると共に、ダイヤフラムの表面に設け
られた感歪素子が損傷を受ける虞れもなくなるため、信
頼性も高くなるという効果もある。

【００１８】なお、上述の実施例においては、ボスが２
個設けられている場合について説明したが、これにより
ボスの数が２個に限定されるものではなく、ボスは３個
以上設けられていてもよい。この場合は、第１及び第２
の突出部の数はボスの数に応じて設定する。また、上述
の実施例においては、ウエハを等方性エッチングしてダ
イヤフラム及びボスを形成した場合について説明した
が、前記等方性エッチングに替えて、ボスの側壁がダイ
ヤフラムの表面に対し垂直になるように異方性エッチン
グを実施してもよい。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る半導体
圧力センサは、ダイヤフラムに少なくとも１対のボスが
設けられていると共に、台座に前記ボス間に突出する第
１の突出部と前記ボス群の外側に突出する第２の突出部
とが設けられているから、過大な圧力により前記ダイヤ
フラムが大きく変形すると、前記ボスの端部が前記第１
の突出部又は前記第２の突出部に当接し、それ以上のダ
イヤフラムの変形を阻止することができるので、ダイヤ
フラムの破損を確実に防止することができる。また、本
発明に係る半導体圧力センサは、ダイヤフラムを保護す
るためのストッパ等の部品を個別的に形成する必要がな
いため、製造が比較的容易であるという効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る半導体圧力センサを示す
断面図である。

【図２】同じくその圧力センサに負圧が負荷された状態
を示す断面図である。

【図３】同じくその圧力センサに正圧が負荷された状態
を示す断面図である。

【図４】（ａ），（ｂ）は、夫々従来の半導体圧力セン
サを示す断面図及び上面図である。

【図５】従来の他の半導体圧力センサを示す断面図であ
る。

【図６】ボスの側壁がダイヤフラムに対し垂直でない場
合の問題点を示す断面図である。

【符号の説明】

１，１１；半導体チップ ２，１２；ボス ４，１４；ダイヤフラム ５，１５；台座 ６，１６；圧力導入孔 ７，８；突出部 １３；ピエゾ抵抗素子 １７；ストッパ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 その表面に感歪素子が設けられたダイヤ
   フラムを備えた半導体チップと、この半導体チップを支
   持する台座とを有する半導体圧力センサにおいて、前記
   ダイヤフラムから前記台座に向けて突出し相互に離隔し
   て設けられた少なくとも１対のボスと、前記台座から前
   記ボス間に突出して設けられた第１の突出部と、前記台
   座から前記ボス群の外側に突出して設けられた第２の突
   出部と、を有し、前記ボスの側壁は前記ダイヤフラムの
   表面に対し実質的に垂直に形成されていることを特徴と
   する半導体圧力センサ。