JPH08181329A - 圧力センサ及び圧力センサの製造方法 - Google Patents

圧力センサ及び圧力センサの製造方法

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JPH08181329A
JPH08181329A JP31979894A JP31979894A JPH08181329A JP H08181329 A JPH08181329 A JP H08181329A JP 31979894 A JP31979894 A JP 31979894A JP 31979894 A JP31979894 A JP 31979894A JP H08181329 A JPH08181329 A JP H08181329A
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JP
Japan
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film
thermal expansion
polyimide film
low thermal
pressure sensor
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JP31979894A
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Atsushi Sakai
淳 阪井
Takashi Hatai
崇 幡井
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Panasonic Electric Works Co Ltd
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Matsushita Electric Works Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 薄膜型歪みゲージの感度及び機械的耐久性の
向上を図る。 【構成】 シリコン基板1上に形成されたダイアフラム
8を構成する、上部ポリイミド膜6と下部ポリイミド膜
3との間に、薄膜型歪みゲージ4、及び、配線部5を形
成した。 【効果】 ダイアフラム8を低熱膨張性のポリイミド膜
で構成したことで、歪み量を大きくすることができ、感
度向上が図れる。また、容易に製造でき、信号処理回路
との一体化が可能である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、シリコン微細加工プロ
セスを応用して形成される、主に、流体の圧力を検出す
る小型の圧力センサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来より、シリコン基板上に拡散型ピエ
ゾ抵抗を形成し、シリコン基板の裏面から異方性エッチ
ングによって、拡散型ピエゾ抵抗の下方のシリコン基板
を途中まで除去して、ダイアフラム化した圧力センサが
既に実用化されており、その改良型が各種報告されてい
る。特に、拡散型歪みゲージの欠点である温度依存性が
大きい、または、抵抗値のばらつきが大きい等の問題点
に対して、Si,Ge薄膜等による薄膜型歪みゲージを用い
た圧力センサの開発が試みられている。代表的な先行技
術としては、特開昭59-97031に記載された圧力センサが
あるが、その圧力センサは、温度特性に優れるアモルフ
ァス半導体歪みゲージを応用したものである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このような薄
膜型歪みゲージのゲージ率は、最高で30〜40と、結晶Si
拡散型歪みゲージの 120に対して、約1/3 以下と、いく
ら導電型を考慮して配置の工夫を施しても感度が拡散型
歪みゲージより劣るという問題点があった。また、結晶
Siをダイアフラム材料として用いた場合、靱性が低いた
め繰り返し使用試験における寿命が不十分であったり、
衝撃試験、振動試験等に対する、機械的耐久性が不十分
であるという問題点があった。
【0004】一方、数十〜数百μm 厚のポリイミドフィ
ルム、金属箔等の可撓性基板に歪みゲージを形成した圧
力センサが知られているが、その用途は、変形する被測
定物に張りつけて、その変形量を計測する方式で、何ら
かの基板に張りつける作業が必要で取扱が複雑であっ
た。また、これでは、圧力センサの出力を処理する信号
処理回路を一体化できず、小型にすると取り扱いが困難
になるという問題点があった。
【0005】本発明は上記課題に鑑みなされたもので、
その目的とするところは、温度依存性が少ない、抵抗ば
らつきが少ない等の薄膜型歪みゲージの利点を生かしつ
つ、感度及び機械的耐久性において、従来の結晶Si圧力
センサを上回り、信号処理回路との一体化が可能でSiプ
ロセスとの整合性のよい、小型の圧力センサの構造及び
その製造方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1記載の圧力センサは、周辺部分が基板に固
定されたダイアフラム上に薄膜型歪みゲージが配置され
てなる圧力センサにおいて、前記ダイアフラムが、連続
する2層である上部低熱膨張性ポリイミド膜と下部低熱
膨張性ポリイミド膜とを含む、多層の膜からなり、前記
薄膜型歪みゲージが、前記上部低熱膨張性ポリイミド膜
と前記下部低熱膨張性ポリイミド膜の間に形成されてい
ることを特徴とするものである。
【0007】また、請求項2記載の圧力センサの製造方
法は、シリコン基板上に、酸化シリコン膜または窒化シ
リコン膜と、下部低熱膨張性ポリイミド膜を順次形成す
る工程と、前記下部低熱膨張性ポリイミド膜上に、薄膜
型歪みゲージ及び配線部を形成する工程と、前記薄膜型
歪みゲージ及び前記配線部を形成した後に、前記下部低
熱膨張性ポリイミド膜上に、上部低熱膨張性ポリイミド
膜を形成する工程と、前記薄膜型歪みゲージの下方のシ
リコンを局所的にエッチング除去する工程と、シリコン
を除去した後に、ドライエッチングによって、前記薄膜
型歪みゲージの下方の、前記酸化シリコン膜または前記
窒化シリコン膜を除去する工程とを備えたことを特徴と
するものである。
【0008】
【作用】本発明では、圧力センサの高感度化を達成する
ために、ダイアフラム材料として半導体デバイスの保護
膜または層間絶縁膜として用いられており、パターニン
グが可能な低熱膨張性ポリイミド膜を用いたことを特徴
とするものである。この材料は、結晶Siに比べ、ヤング
率が低く、ポアソン比が高いため、同じサイズで同じ外
圧が印加された場合、結晶Si製のダイアフラムより歪み
が大きくなる。また、Siに近い熱膨張率(約 3×10-6/
℃)を持つため、シリコン基板とダイアフラムの熱膨張
率の差による熱歪みが発生しない。また、標準的なSiプ
ロセス装置を用いて形成が可能、信号処理回路との一体
化が可能等、Siプロセスとの整合性もよい。
【0009】Si製ダイアフラムとポリイミド製ダイアフ
ラムの感度について考察する。例えば、ダイアフラム
が、周辺部分が基板に固定された、平面視略円形のもの
である場合、一様な分布荷重P を受けた時の径方向の任
意の点(中心からの距離がr である点)における歪みε
r は以下の式で表される。 εr=3P(1- ν2)(a2-3r2)/8h2E ここで、a:ダイアフラム半径、h:ダイアフラム厚、E:ヤ
ング率、ν: ポアソン比 シリコン、ポリイミドのヤング率、ポアソン比の代表的
な値を以下に示す。
【0010】
【表1】
【0011】表1の値を上式に代入し、A=3P(a2-3r2)/8
h2とおくと、歪みεr は次のようになる。
【0012】
【表2】
【0013】表2に示すように、ポリイミド製のダイア
フラムを用いることによって、シリコンの場合の約80倍
の歪みが得られる。これは接線方向の歪みについても同
様である。
【0014】本発明の圧力センサでは、シリコン基板上
に最初に酸化シリコンまたは窒化シリコンの膜を形成す
るが、この膜は、2層のポリイミド膜(上部低熱膨張性
ポリイミド膜及び下部低熱膨張性ポリイミド膜)に挟ま
れた、薄膜型歪みゲージの下方のシリコンをエッチング
除去する場合のエッチングストップ層の役目を果たすも
のである。
【0015】
【実施例】以下、本発明の圧力センサの一実施例を図1
及び図2に基づいて説明する。図1は、圧力センサのA
−A断面図、図2は平面図である。図で、1は平面視略
正方形状のシリコン基板、2は、シリコン基板1上に形
成された酸化シリコン膜、3は酸化シリコン膜2上に形
成された、下部低熱膨張性ポリイミド膜である、感光性
の下部ポリイミド膜、4は下部ポリイミド膜3上に平面
視略I字状に4個形成された薄膜型歪みゲージ、5は薄
膜型歪みゲージ4の抵抗値を外部に取り出すために薄膜
型歪みゲージ4に接続された配線部で、図に示す実施例
では、配線部5によって4つの薄膜型歪みゲージ4はフ
ルブリッジ状に接続されている。また、6は上部低熱膨
張性ポリイミド膜である、感光性の上部ポリイミド膜、
7は配線部5の端部上に形成されたコンタクトホールで
ある。
【0016】薄膜型歪みゲージ4の下方のシリコンは除
去されており、シリコン基板1の、シリコンが除去され
た部分には、空洞部1aが形成されている。これによ
り、空洞部1aの上方には、周辺部分がシリコン基板1
に固定された、下部ポリイミド膜3及び上部ポリイミド
膜6によって構成される多層膜構造の、ダイアフラム8
が形成される。但し、図2の平面図では、上部低熱膨張
性ポリイミド膜である上部ポリイミド膜6の図示を省略
している。
【0017】次に、図1及び図2に示した圧力センサの
製造方法の一実施例について説明する。まず、熱酸化に
よりシリコン基板1上に酸化シリコン膜2を略 0.5μm
形成する。次に、感光性ポリイミド(例えば、東レ製の
フォトニース(登録商標))を、スピナ塗布方法により
塗布して、酸化シリコン膜2上に下部ポリイミド膜3を
略10μm 形成する。熱処理条件は、感光性ポリイミド材
料の推奨条件を採用した。
【0018】次に、薄膜型歪みゲージ4及び配線部5を
図2に示すパターンに形成する。図に示す実施例の場
合、薄膜型歪みゲージ4を、圧縮方向の歪みを受ける、
ダイアフラム8の中心部に2個、引っ張り方向の歪みを
受ける、ダイアフラム8の周辺部に2個配置しフルブリ
ッジに構成した。薄膜型歪みゲージ4としては、RFプラ
ズマCVD 法によって形成される微結晶Si薄膜を用いた。
使用ガスは水素希釈シランガス(SiH4/H2;1%)と水素希
釈ホスフィンガス(PH3/H2;0.5% )を流量比40:1の混合
ガスで用いた。その他の形成条件は、基板温度 250℃、
導入ガス圧力 1torrでゲージ率11の薄膜型歪みゲージ
4が得られた。その後、Alを用いて薄膜型歪みゲージ4
間を接続する配線部5を形成する。
【0019】さらに、感光性ポリイミドを、再度、略10
μm 、下部ポリイミド膜3及び薄膜型歪みゲージ4及び
配線部5上に塗布して、上部低熱膨張性ポリイミド膜で
ある上部ポリイミド膜6を形成する。次に、ワイヤボン
ドを行うためのコンタクトホール7をフォトリソグラフ
ィによって、4つの配線部5それぞれの端部上に開け
る。
【0020】そして、シリコン基板1の表面側を保護す
る治具を用いて表面を保護しながら、シリコン基板1の
裏面中央部分のシリコンを水酸化カリウム等によって、
略四角台状にエッチング除去する。最後に、エッチング
ストップ層である酸化シリコン膜2をドライエッチング
によって除去して圧力センサを完成する。
【0021】以上のように構成した圧力センサの電圧出
力e は次式で表される。 e=VG( ε1-ε2)/2 ここで、V:フルブリッジの電源端子に印加する電圧、G:
ゲージ率、ε1:ダイアフラム8の中心部の歪みの平均
値、ε2:ダイアフラム8の周辺部の歪みの平均値であ
る。これにより、ゲージ率が結晶Siの約1/10であって
も、80倍の歪み量が得られるため、8倍の感度向上が可
能である。
【0022】なお、下部ポリイミド膜上に形成する薄膜
型歪みゲージは、下部ポリイミド膜を構成するポリイミ
ドのガラス転移点が約 300℃であるため、それ以下の温
度で形成可能なものでなければならないが、実施例に限
定されず、真空蒸着、プラズマCVD 等により形成するこ
とができる、Si、Ge薄膜等で構成してもよい。また、薄
膜型歪みゲージの形状及び数及び配置位置、ダイアフラ
ムの形状、下部ポリイミド膜及び上部ポリイミド膜の材
料も実施例に限定されるものではない。
【0023】
【発明の効果】以上に説明したように、請求項1記載の
圧力センサによれば、温度特性、抵抗ばらつきに優れる
薄膜型歪みゲージの感度向上を図ることができる。ま
た、請求項1記載の圧力センサは、機械的耐久性に優
れ、製造容易で、信号処理回路との一体化が可能であ
る。
【0024】請求項2記載の圧力センサの製造方法によ
れば、請求項1記載の圧力センサを容易に実現すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の圧力センサの一実施例を示すA−A断
面図である。
【図2】本発明の圧力センサの一実施例を示す平面図で
ある。
【符号の説明】
1 シリコン基板(基板) 2 酸化シリコン膜 3 下部ポリイミド膜(下部低熱膨張性
ポリイミド膜) 4 薄膜型歪みゲージ 5 配線部 6 上部ポリイミド膜(上部低熱膨張性
ポリイミド膜) 8 ダイアフラム

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 周辺部分が基板に固定されたダイアフラ
    ム上に薄膜型歪みゲージが配置されてなる圧力センサに
    おいて、前記ダイアフラムが、連続する2層である上部
    低熱膨張性ポリイミド膜と下部低熱膨張性ポリイミド膜
    とを含む、多層の膜からなり、前記薄膜型歪みゲージ
    が、前記上部低熱膨張性ポリイミド膜と前記下部低熱膨
    張性ポリイミド膜の間に形成されていることを特徴とす
    る圧力センサ。
  2. 【請求項2】 シリコン基板上に、酸化シリコン膜また
    は窒化シリコン膜と、下部低熱膨張性ポリイミド膜を順
    次形成する工程と、前記下部低熱膨張性ポリイミド膜上
    に、薄膜型歪みゲージ及び配線部を形成する工程と、前
    記薄膜型歪みゲージ及び前記配線部を形成した後に、前
    記下部低熱膨張性ポリイミド膜上に、上部低熱膨張性ポ
    リイミド膜を形成する工程と、前記薄膜型歪みゲージの
    下方のシリコンを局所的にエッチング除去する工程と、
    シリコンを除去した後に、ドライエッチングによって、
    前記薄膜型歪みゲージの下方の、前記酸化シリコン膜ま
    たは前記窒化シリコン膜を除去する工程とを備えたこと
    を特徴とする、圧力センサの製造方法。
JP31979894A 1994-12-22 1994-12-22 圧力センサ及び圧力センサの製造方法 Withdrawn JPH08181329A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006317181A (ja) * 2005-05-10 2006-11-24 Matsushita Electric Works Ltd 加速度センサ
KR100914026B1 (ko) * 2007-06-12 2009-08-28 한국세라믹기술원 압전 박막형 지문 센서 제조방법
JP2013024808A (ja) * 2011-07-25 2013-02-04 Japan Aerospace Exploration Agency 計測装置および計測方法

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Effective date: 20020305