JPS5855732A - 静電容量型圧力センサ - 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】 一本発明は容量式圧力センサに係わり、特に半導体単結
晶上にセンサ部と信号変換部とを具備した半導体容量式
圧力センサに関する。

従来の半導体容量式圧力センサは第１図及び第２図に示
す如き構成を有している。すなわち、Ｐ型シリコン単結
晶の半導体基板１にはその下面側一部に圧力を導入する
圧力導入孔２が形成されており、この半導体基板１の上
面側にはＮ型シリコン単結晶膜とエピタキシャル成長さ
せたエピタキシャル成長層３が形成されている。このエ
ピタキシャル成長層３の一部にはＩＣ化された増幅器４
が形成されている。このエピタキシャル成長層３の上面
には透明なパイレックスガラスによって構成される絶縁
キャップ５が陽極接合されている。

この絶縁キャップ５のエピタキシャル成長層３側増幅器
４の上部に空隙６が設けられており、絶縁キャップ５の
エピタキシャル成長層３側における上記半導体基板１の
圧力導入孔２に対応する位置に凹欠部７が設けられてい
る。前記空隙６の絶縁キャップ５側にはアルミニウムに
よって形成されるノイズ除去のシールド用のＡＡＡｓ２
蒸着されている。また、凹欠部７の絶縁キャップ５側に
アルミニウムのＡ！膜９が蒸着されており、このＡ！膜
９の一端が接続層１０を介して増幅器４に接続されてい
る。これによって凹欠部７にはキャパシタが形成されて
いる。また、絶縁キャップ５は第２図に示す如く基板１
よりも小さく、増幅器４にはリード層１１Ａ、ＩＩＢが
接続されている。

このリード層１１Ａ、ＩＩＢは半導体基板１上を引き回
し、このリード層１１Ａ、ＩＩＢの端部には上部端子１
２Ａ、１２Ｂがそれぞれ接続されている。

このように構成されるものであるから、Ｎ型シリコン層
であるエピタキシャル成長層３とＡ、、ｅ膜９との間の
静電容量を接続層１０を通じて増幅器４に導き、所定の
電圧に変換に後リード層１１Ａ。

１１８ｔ−通じて外部端子１２Ａ、１２Ｂに供給され、
この外部端子１２Ａ、１２Ｂより外部に取り出される。

すなわち、このエピタキシャル成長層３とＡ−ｅ膜９の
２つの電極によって形成されるキャパシタは圧力導入孔
から導入される圧力の変動によって変化し、この圧力導
入孔２から導入される圧力の変動によって変化した変化
量を増幅器４によって電気信号によって出力し、圧力を
検出するものである。

このような従来の半導体容量式圧力センサは、エピタキ
シャル成長層３と増幅器４との間に、また、ＡＡＡｓ２
増幅器４とを接続する接続層１０とエピタキシャル成長
層３との間に絶縁をとらなければならない為例えばエピ
タキシャル成長層３をＮ型シリコン層とし増幅器４と接
続層１０とをＰ型シリコン層とすることによりｐｎ接合
による絶縁を計っている。しかしながらこのようにｐｎ
接合による絶縁をとるとＰ型とＮ型との間に空欠層を生
じこの空欠層がキャパシタを形成する為、実際にはＡ１
膜９とエピタキシャル成長層３とによって形成されるキ
ャパシタにエピタキシャル成長層３と接続層１０とによ
って形成されるキャパシタとが重畳されて検出されてい
る訳である。ところがこのエピタキシャル成長層３と接
続層１０とによって形成されるｐｎ接合間の静電容量は
エピタキシャル成長層３とＡ２膜９とによって形成され
る静電容量よりも大きく、このｐｎ接合間の静電容量の
変化がエピタキシャル成長層３とＡ２膜９とによって形
成される静電容量に大きく影響を与えている。こＯｐｎ
接合間の静電容量は周囲温度の変化によって変化してし
まう為正確な圧力の測定ができないという欠点を有して
いた。

また、従来の半導体容量式圧力センサは絶縁キャップ側
を加工して凹欠部７を設はキャパシタを形成しているた
め、間隙を大きくするための深い加工が難しく、また、
加工精度が悪く特に圧力を測定する場合にレンジを定め
る間隙のばらつきが“大きく正確な圧力を検出できなか
った。

さらに、増幅器を形成するエビタキンヤル層と圧力で変
形するダイヤフラム薄肉部が同一部分に形成されている
ため板厚コントロールも難しく、感度上の制約が強く、
また増幅器とセンサ容量が半導体基板１面に並列的に形
成されているため面積的に大きくなるという欠点を有し
ていた。

本発明は温度特性に優れ、かつ小型で量産性に優れた高
感度の静電容量型圧力センサを提供することを目的とす
る。

このような目的を達成するために本発明は、第１半導体
基板と、この第１半導体基板の主表面に形成された増幅
器と、この増幅器を被いかつ周辺においてガラス層を介
して前記第１半導体基板と固着される第２半導体基板と
、全備え前記ガラス層は半導体基板の融点より低い温度
に加熱して高電圧を印加する陽極結合で形成され、前記
第２半導体基板は第１半導体基板と対向する面と反対側
の面にて凹陥部を形成することによりダイアフラムとな
っていることを特徴とするものである。

以下実施例を用いて本発明の詳細な説明する。

第３図（ａ）、Φ）は本発明による静電容量型センサの
一実施例を示す構成図である。第３図（ａ）は平面図、
第３図（ｂ）は第３図（ａ）のｎ、−ｎｂにおける断面
図である。

同図において、シリコン単結晶からなる半導体基板２１
があり、この半導体基板２１上にはこの半導体基板２１
と異なる導電型のエピタキシャル成長層２３が形成され
ている。

このエピタキシャル成長層２３面には拡散層が形成され
、■Ｃ化された増幅器２４が形成されている。この増幅
器２４は、静電容量を電圧あるいは電流信号、あるいは
周波数信号等に変換増幅する回路である。このような増
幅器２４が形成されたエピタキシャル成長層２３の表面
には、たとえばシリコン酸化膜等からなる保護膜３２が
形成されている。

前記保護膜３２面における前記増幅器２４上には円形状
の電極９１が形成され、この電極９１は前記保護膜３２
のスルホールを通して前記増幅器２４の一拡散層に接続
されている。また前記保護膜３２面には、前記円形状の
電極９１を囲むようにして円環状の電極９２が形成され
、この電極９２においても前記保護膜３２のスルホール
を通して前記増幅器２４の一拡散層に接続されている。

一方、導電性の半導体基板２２があり、この半導体基板
２２はガラス膜２０を介して前記保護膜３２上に載置さ
れ、前記電極９１．９２上に位置づけられている。前記
半導体基板２２の下面と前記電極９１．９２との間には
、若干の間隙部７１が形成され、前記半導体基板２２と
電極９１゜９２とで可変容量を構成している。半導体基
板２２と電極９１間において可変容量が形成され、また
半導体基板２２と電極９２間において不変容・量が形成
されるようになっている。

前記半導体基板２２の上面には凹陥部２５が形成され、
との凹陥部２５は、前記半導体基板２２における方位面
’ｋ　（１００）に選びアルカリ液による異方性エツチ
ング加工によって形成されている。

これにより、凹陥部２５域における半導体基板２２は薄
板となり上部圧力Ｐによって、圧力方向に変位し得るダ
イアフラムとなる。

また、凹陥部２５が形成されていない領域における半導
体基板２２はその厚さが比較的大きくこの領域部におい
て、前記ガラス膜２０ｉ介して前記保護膜３２上に固定
されている。前記ガラス膜２０は微小膜厚制御の可能な
スパッタガラスが用いられ、陽極接合法を用いて接着さ
れている。

なお、前記半導体基板２２には電極２６が形成されてい
るとともに、前記保護膜２０面の前記半導体基板２２載
置領域以外の領域には電極４１゜４２が形成され、この
電極４１．４２間に抵抗網を形成することによシ、半導
体基板２２と電極９１、および半導体基板２２と電極９
２間に生ずる容量差に原因するオフセットや感度全調整
できるようになっている。

このような実施例からなる静電容量型圧力センサは、容
量を形成する室を真空として外部と遮断された状態にし
、圧力Ｐが図中矢印の方向から加わるとダイアフラムと
なる半導体基板２２の中央部が撓み電極９１との間隙を
狭くする。このために静電容量が増加する。電極９２と
半導体基板２２間においては、前記電極９２はダイアフ
ラムの固定部近傍に設けられているため、圧力によりそ
の静電容量はほとんど不変となる。これら２つの容量変
化は増幅器２４を介して電圧信号として取り出される。

このような構成においてｔダイアフラムとなる半導体基
板２２と対向する電極９１．９２は半導体基板２１面の
増幅器２４の電極を兼ねたものとなる。このため、前記
電極９１．９２は増幅器２４とエピタキシャル成長層２
３との絶縁をとるだめのｐｎ接合を股がるようなことは
なくなり、したがって、検出される静電容量は半導体基
板２２と電極９１．９２間の容量のみとなる。このため
周囲温度の変化に拘わらず、正確な静電容量を検出する
ことができるようになる。そして半導体基板２１および
半導体基板２２は同一材料で構成され、かつ接着剤であ
るガラス膜はこれと近似する熱膨張係数を有するパイレ
ックスガラスを用いていることから、その膜厚を数μｍ
と極めて薄くしており、熱歪みが生ずることがなく温度
変化に対する容量変化をほとんどなくすことができる。

また、半導体基板２１と半導体基板２２はスパッタリン
グ法で形成されたガラス層２０をたとえば陽極接合法に
より溶融させることなく介在させることによシ固定させ
たものである。また、半導体基板２１と半導体基板２２
との間隙長を精度よくかつ極めて小さくすることができ
る。そして前記半導体基板２２の上面をシリコン単結晶
の異方性エツチングによって凹陥部を形成し、ダイアフ
ラムを形成していることから、このダイアフラムの膜厚
を極めて薄くすることができる。

一般に容量は Ａ Ｃ−ε−・・・・・・・・・（１） （ここでＣは容量、Ａは電極面積、Ｘは間隙、εは誘電
率である。）で表わされ、したかつてを得る。

このことから明らかに間隙長が小さい程感度が良好にな
る。

７従来、この種の容量式圧力センサについて感度向上を
図る目的で第４図（ａ）のように２枚のダイアフラム５
２，５２’の周辺部を接着剤５０で接着固定し、中央部
に微少空間を形成する構造が採用されている。ダイアフ
ラムは通常、水晶板やセラミクス板で作られ、接着剤は
７リツト人ガラスなどが用いられている。実際の構造は
ダイアフラム内面に金属薄膜の電極が蒸着され、フリッ
トガラスを通じて外部に取出される（図示せず）。

この２つの電極間の容量が圧力Ｐを受けて変化するのを
検出するのが原理である。圧力センサは従来から周囲温
度の変化にその特性が不感のものを作ることが難しく、
伺らかの形で温度による特性変動を補償する必要がある
。このセンサ構造においてもダイアフラムの材料５２．
５２’　と接着剤として用いるフリットガラス５０の熱
膨張係数を一致させることが難しい。この理由はガラス
の一般的性質として熱膨張と融点とが逆比例の関係にあ
り、ガラスの特性の作業プロセスの整合性を得にくいこ
とによる。故に両者の熱歪によって、容量変化が発生し
、圧力センサに対する誤差を生じる。これを低減させる
には第４図中）のように接着剤の厚みに対し、ダイアフ
ラムを厚くシ、剛性を上げれば熱歪の影響は小さくなる
。しかし、この対策は圧力センサとしての感度を小さく
するという犠牲を伴うもので良好な対策とは言えない。

そこで、第４図（Ｃ）に示すようにダイアフラム周辺部
を厚くして残して基板中央を凹形に加工し、中央の可動
部２１．２１’を薄くした構造とした。

第４図（ａ）、Φ）、（＜における各構造の温度影響に
対する感度を示すと第５図に示すようになる。第４図（
ａ）の構造に対応するのを■、第４図０：１）の構造に
対応するものをＯ１第４図（Ｃ）の構造に対応するのを
■で示している。

さらに、ダイアフラムである半導体基板２と増幅器４を
内蔵する半導体基板１とは積層された構成となっている
ことから、装置の小型化を図ることができ、第６図に示
すように、それぞれの各基板は別面の工程で形成できる
ことから、両者のプロセス整合をとる必要がないという
効果を奏する。

また、シリコンの異方性に基づくアルカリエツチング法
により高精度の微細加工をウェハー状態で行い、同様に
陽極結合もウエノ・−状態で行った後ペレタイズする為
数百〜数４個のセンサチップが一度に生産できる。

以上述べたことから明らかなように本発明による静電容
量圧力センサによれば温度特性にすぐれ、かつ小型で量
産性にすぐれた高感度のものが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は従来の静電容量圧力センサの一例
を示す構成図、第３図（ａ）、Φ）は本発明による静電
容量圧力センサの一実施例を示す構成図で、第３図（ａ
）は平面図、第３図（′ｂ）は第３図（ａ）における］
Ｉｂ−ｎｂの断面図、第４図（ａ）、　（ｂ）、　（Ｃ
’）ｄ本発明の詳細な説明するだめの図、第５図は本発
明の温度特性を示すグラフ、第６図は本発明による静電
容蓋圧カセンサの製造工程の一実施例を示すフローチャ
ートである。 ２１．２２・・・半導体基板、２３・・・エピタキシャ
ル層、２４・・・増幅器、２０・・・ガラス膜、２５・
・・凹陥奮１図 １０ 第２０ （ｂ）◇Ｐ ￥４−　口 Ｐ ２１／１ −ｇ　　′５１２１ 盛　度

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、第１半導体基板と、この第１半導体基板の主表面に
   形成された増幅器と、この増幅器を被いかつ周辺におい
   てガラス層を介して前記第１半導体基板と固着される第
   ２半導体基板と、を備え、前記ガラス層は半導体基板の
   融点より低い温度に加熱して高電圧を印加する陽極結合
   で形成され、前記第２半導体基板は第１半導体基板と対
   向する面と反対側の面にて凹陥部を形成することにより
   ダイアフラムとなっていることを特徴とする静電容量型
   圧力センサ。