JPS6154266B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 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。

例えば特開昭55―16228号公報に示される如
く、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ヤル成長させたエピタ
キシヤル成長層３が形成されている。このエピタ
キシヤル３の一部にはIC化された増幅器４が形
成されている。このエピタキシヤル成長層３の上
面には透明なパイレツクスガラスによつて構成さ
れる絶縁キヤツプ５が陽極接をされている。この
絶縁キヤツプ５のエピタキシヤル成長層３側増幅
器４の上部に空隙６が設けられており、絶縁キヤ
ツプ５のエピタキシヤル成長層３側上記絶縁体半
導基盤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。この空隙６のキヤツプ５側
にはアルミニウムによつて形成されるノイズ除去
のシールド用のAl膜８が蒸着されている。ま
た、凹欠部７の絶縁キヤツプ５側にアルミニウム
のAl膜９が蒸着されており、このAl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。これによつて凹欠部７にはキヤパシタが形成
されている。また、絶縁キヤツプ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，１１Ｂが接続されている。このリード
層１１Ａ，１１Ｂは半導前基盤１上を引き回し、
このリード層１１Ａ，１１Ｂの端部には外部端子
１２Ａ，１２Ｂがそれぞれ接続されている。

この様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ヤル成長層３とAl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、所定の電圧に変換した後リード層１１
Ａ，１１Ｂを通じて外部端子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、このエピタキシヤル成
長層３とAl膜９の２つの電極によつて形成され
るキヤパシタは圧力導入孔から導入される圧力の
変動によつて変化し、この圧力導入孔２から導入
される圧力の変動によつて変化した変化量を増幅
器４によつて電気信号に変換して出力し、圧力を
検出するものである。

この様な従来の半導体容量式圧力センサは、エ
ピキシヤル成長層３と増幅器４との間に、また、
Al膜９と増幅器４とを接続する接続層１０とエ
ピタキシヤル成長層３との間に絶縁をとられなけ
ればならない為例えばエピタキシヤル成長層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
縁を計つている。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型との間に空乏層
を生じこの空乏層がキヤパシタを形成する為、実
際にはAl膜９とエピキシヤル成長層３とによつ
て形成されるキヤパシタにエピタキシヤル成長層
３と接続層とによつて形成されるキヤパシタとが
重畳されて検出されている訳である。ところがこ
のエキタキシヤル成長層３と続層１０とによつて
形成されるpn接合間の静電容量はエピタキシヤ
ル成長層３とAl膜９とによつて形成される静電
容量よりも大きく、このpn接合間の静電容量の
変化がエピタキシヤル成長層３とAl膜９とによ
つて形成される静電容量に大きく影響を与えてい
る。このpn接合間の静電容量は周囲温度の変化
によつ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
ヤツプ側を加工して凹欠部７を設けキヤパシタを
形成しているため、間隙を大きくするためには深
い加工が難しく、従つて、加工精度が悪く特に高
い圧力を測定する場合に正確な圧力を検出できな
いという欠点を有していた。

本発明の目的は、周囲温度の変化の影響が少な
い半導体容量式圧力センサを提供するところにあ
る。

本発明は、半導体基板の一部に増幅器を拡散し
て形成し、該半導体基板の上面を絶縁膜によつて
被覆すると共に半導体基板の他の一部に圧力を検
知する凹欠部を形成し、該凹欠部内絶縁キヤツプ
側に二個の容量電極を設け、この二個の容量電極
間の容量の変化を前記増幅器によつて電圧等の電
気信号に変換して外部に取り出して圧力を検出す
ることにより周囲温度の変化の影響を少なくしよ
うというものである。

以下、本発明の実施例について説明する。

第３図，第４図には本発明に係る半導体容量式
圧力センサの一実施例が示されている。

半導体基板２０の上面一部にはボロン等の拡散
によつて形成されるIC増幅器２１が第３図に示
す如く接続リード２１Ａ，２１Ｂを形成して設け
られている。また、この半導体基板２０の表面他
の部分にはアルカリエツチング法等によりくぼみ
状の凹欠部２２が形成されている。この半導体基
板２０はシリコン単結晶などから構成されてお
り、この半導体基板２０の上面には凹欠部２２を
除き増幅回路の動作安定性を計るため酸化シリコ
ンなどの保護膜である絶縁膜２３が熱酸化して形
成されている。このパツシベーシヨン膜である絶
縁膜２３の上には増幅器２１が形成されている部
分及び凹欠部２２の部分を除きポリシリコン膜で
ある多結晶半導体膜２４が形成されている。この
多結晶半導体膜２４の上には透明なパイレツクス
ガラスで構成される絶縁キヤツプ２５が陽極接合
されている。この絶縁キヤツプ２５の半導体基板
２０側増幅器２１が形成されている部位にフツ酸
でエツチングする等適宜方法によつて空隙が形成
されておりこの空隙によつて基準圧室２６が構成
されている。またこの絶縁キヤツプ２５の凹欠部
２２面には第３図に示す如くアルミニウムの容量
電極２７，２８がスペース２９を設けて蒸着され
ている。この容量電極２７，２８にはそれぞれリ
ード線上の接続部３０，３１が設けられており、
この接続部３０，３１は接続パツト３２，３３に
よつて増幅器２１のリード部２１Ａ，２１Ｂと接
続されている。

また、増幅器２１にはリード線３４，３５が拡
散して形成されており、このリード線３４，３５
の先端には外部端子３６，３７が接続されてい
る。

なお、図において示されていないが多結晶半導
体膜２４に所定電圧を印加することによつてノイ
ズを除去することができる。

このように構成されるものであるから、今、圧
力が第４図図示Ａに示す如く導入される半導体基
板２０の凹欠部２２が形成されている部分が圧力
Ａによつて変形し半導体基板２０と容量電極２
７，２８との間隔が変化しこれにより容量電極２
７と容量電極２８間に存在していたキヤパシタン
スが変動する。この容量電極２７と容量電極２８
との間の変化したキヤパシタンスによつてこれに
対応した電気信号が増幅器２１によつて外部端子
３６，３７より外部に出力される。

従つて本実施例を用いた場合には第１図，第２
図図示従来例によると第５図Ａに示す如くpn接
合の特性から縦軸静電容量に対し圧力Ｐが変化す
ると温度T₁，T₂，T₃によつてこのように異つた
静電容量を示す。これに対し本実施例は第５図Ｂ
に示す如く圧力と静電容量との関係が温度の変化
によつてもほとんど変わることがない。従つて本
実施例が温度の影響を受けることがないことがわ
かる。

従つて本実施例によれば静電容量変化をパイレ
ツクスガラスで構成される絶縁キヤツプ上に設け
た二つの容量電極により検出するため静電容量の
変化をpn接合を介することなく増幅器２１に接
続することができる。従つてpn接合の静電容量
が介在せず、圧力によるセンサ部の静電容量変化
だけを出力として得ることができ周囲温度によつ
て静電容量がほとんど変化しない（第５図Ｂ参
照）。

また、本実施例によれば出力信号は電圧（また
は電流）変換後に外部端子に取り出すため外部端
子取り出し時の静電容量変化は大きい問題とはな
らない。

さらに本実施例によればセンサを構成する凹欠
部２２のスペースはシリコン側をアルカリエツチ
ングなどの方法により高精度に加工することがで
き製品にばらつきを生じることがない。

さらにまた本実施例によれば、基準圧室の気密
がシリコン単結晶による半導体基板とパイレツク
スガラスで構成される絶縁キヤツプとの間に多結
晶シリコン膜を介在させた陽極接合となつている
ため良く、洩れを生じることがなく長期的に安定
を計ることができる。

また、本実施例によれば増幅器２１の上は回路
の特性安定化のため酸化膜などの絶縁膜で被膜し
てあるため長期安定性を計ることができる。

また、本実施例によれば、酸化膜などの絶縁膜
の上が多結晶シリコン膜で被膜されておりこの多
結晶シリコン膜を所定の電位に保持することによ
つて外部ノイズの影響を防止することができる。

また、本実施例によれば、凹欠部をアルカリエ
ツチングなどの方法によつて形成するため深い加
工が可能となり測定レンジを広く取ることができ
るようになる。

第６図には本発明に係る半導体容量式圧力セン
サの他の実施例が示されている。

図において第４図図示実施例と同一の符号のさ
れているものは同一の部品・同一の機能を有する
ものである。本実施例が第３図，第４図図示実施
例と異なる点は半導体基板２０の下面側に半導体
基板２０の上面側に設けられている凹欠部２２に
対応した位置に第２の凹欠部１００を形成しこの
第２の凹欠部１００に圧力を導入するための圧力
導入孔２０１を有する筒状に形成されている導圧
管２００が取り付けられている点である。

本実施例によつて前記第３図，第４図図示実施
例と同一の効果を得ることはできるのはもちろん
の他本実施例によれば、絶縁キヤツプ側と反対側
に導圧管２００が設けられているため測定対象物
に直付けすることができコンパクトな構造を提供
することができる。

第７図には本発明に係る半導体容量式圧力セン
サの別な実施例が示されている。

図において第４図図示実施例と同一の符号のさ
れているものは同一の部品・同一の機能を有する
ものである。本実施例が第４図図示実施例と異な
る点は凹欠部２２を絶縁キヤツプ２５側に形成し
容量電極２７，２８を半導体基板２０の上面に形
成されている絶縁膜２３の上に形成されている点
である。なお図示されていないが多結晶半導体膜
２４に所定電圧を印加することによつてノイズを
除去することができるようになる。

このように構成されるものであるから、本実施
例によれば、絶縁膜２３の上に設けた２つの容量
電極により静電容量変化を検出するので静電容量
の変化をpn接合を介することなく増幅器２１に
接続することができる。従つてpn接合の静電容
量が介在せず、圧力によるセンサ部の静電容量変
化だけを出力として利用することができ周囲温度
によつて静電容量がほとんど変化することがな
い。

また本実施例によれば、基準圧室の気密は半導
体基板２０と絶縁キヤツプとの間が多結晶シリコ
ン膜を介在させた陽極接合となつているため気密
洩れを生ずることがなく長期的に安定を保つこと
ができる。

また、本実施例によれば、増幅器２１の上面が
多結晶シリコン膜で被膜されておりこの多結晶シ
リコン膜を所定の電位に保持してあるため外部ノ
イズの影響を防止することができる。

さらに本実施例によれば増幅器２１の上面が回
路の安定化のため酸化膜型の絶縁膜で被膜してあ
るため長期安定性を計ることができる。

第８図には本発明に係る半導体容量式圧力セン
サのさらに他の実施例が示されている。

図において第７図図示実施例と同一の符号のさ
れているものは同一の部品・同一の機能を有する
ものである。本実施例が第７図図示実施例と異な
る点は半導体基板２０の下面に半導体基板２０の
上面に設けられている凹欠部に対応する位置に第
２の凹欠部１５０を形成し、この第２の凹欠部１
５０に圧力を導入する為の圧力導入孔３０１を有
する筒状の導圧管３０が取り付けられている点で
ある。

このように構成されるものであるから、本実施
例によれば第７図図示実施例と同様の効果を得る
ことができることはもちろん本実施例によれば絶
縁キヤツプ側と反対側に導圧管が設けられている
ため測定対象物に直付けができるのでコンパクト
な構造を得ることができる。

以上説明したように本発明によれば、周囲温度
の変化の影響を少なくすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の反動体容量式圧力センサの平面
図、第２図は第１図図示従来例の断面正面図、第
３図は本発明に係る反動体容量式圧力センサの第
一の実施例を示す平面図、第４図は第３図図示実
施例の断面正面図、第５図Ａは従来の半導体容量
式圧力センサによる各温度に対する圧力と静電容
量の関係を示す図、第５図Ｂは第３図図示実施例
による各温度に対する圧力静電容量の関係を示す
図、第６図は本発明に係る半導体容量式圧力セン
サの第二の実施例を示す断面正面図、第７図は本
発明に係る半導体容量式圧力センサの第三の実施
例を示す断面正面図、第８図は半導体容量式圧力
センサの第四の実施例を示す断面正面図である。 ２０……半導体基板、２１……増幅器、２２…
…凹欠部、２３……絶縁膜、２４……多結晶半導
体膜、２５……絶縁キヤツプ、２６……基準圧
室、２７，２８……容量電極、１００，１５０…
…第二の凹欠部、２００，３００……導圧管、２
０１，３０１……圧力導入孔。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体基板と、前記半導体基板の上面一部に
   ボロン等を拡散して形成される増幅器と、前記半
   導体基板の上面の他の一部にくぼみ状に形成され
   る凹欠部と、前記半導体基板の上面に前記凹欠部
   に除いて被膜された絶縁膜と、前記増幅器の形成
   されている部分及び前記凹欠部を除いて前記絶縁
   膜の上に形成される多結晶半導体膜、前記多結晶
   半導体膜上面封止する絶縁キヤツプと、前記絶縁
   キヤツプの前記増幅器の上部にあたる箇所に切欠
   きを設けて形成される基準圧室と、前記絶縁キヤ
   ツプの凹欠部面の２つ並べて配設される容量電極
   とを備え、前記２個の容量電極によつて形成され
   るキヤパシタンスの変化を前記増幅器によつて電
   気信号に変換して外部に出力できるように構成し
   たことを特徴とする半導体容量式圧力センサ。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の発明において、
   上記半導体基板をシリコン単結晶によつて構成
   し、上記絶縁キヤツプをパイレツクスガラス（硼
   珪酸ガラス）によつて構成し、上記絶縁膜を酸化
   シリコンによつて構成し、上記多結晶半導体膜を
   多結晶シリコンによつて形成したことを特徴とす
   る半導体容量式センサ。 ３ 特許請求の範囲第１項または第２項記載の発
   明において、上記多結晶半導体膜状に絶縁キヤツ
   プによる封止は、前記多結晶半導体膜と前記絶縁
   キヤツプとを陽極接合によつて行うことを特徴と
   する半導体容量式圧力センサ。 ４ 特許請求の範囲第２項または第３項記載の発
   明において、上記シリコン単結晶基板の結晶面方
   位を（100）面としたことを特徴とする半動体容
   量式圧力センサ。 ５ 特許請求の範囲第２項ないし第４項のいずれ
   か１項記載の発明において、上記多結晶シリコン
   膜の電位を所定の電位に保持したことを特徴とす
   る半導体容量式圧力センサ。 ６ 特許請求の範囲第１項ないし第５項のいずれ
   か１項記載の発明において、上記半導体基板の下
   面に上面一部に設けられている凹欠部に対応する
   箇所にくぼみ状に形成される第二の凹欠部を形成
   し、前記第二の凹欠部を覆うように筒状の導圧管
   に設けたことを特徴とする半導体容量式圧力セン
   サ。 ７ 特許請求の範囲第６項記載の発明において、
   上記半導体基板をシリコン単結晶によつて構成し
   上記導圧管をパイレツクスガラス（硼珪酸ガラ
   ス）によつて構成し、前記半導体基板と前記導圧
   管を陽極接合したことを特徴とする半導体容量式
   圧力センサ。 ８ 半導体基板と、前記半導体基板の上面一部に
   ボロン等を拡散して形成される増幅器と、前記半
   導体基板の上面に被膜された絶縁膜と、前記絶縁
   膜の上に前記増幅器に接続され適宜間隔にもつて
   並べて配設される二個の容量電極と、前記増幅器
   の形成されている部分及び前記二個の容量電極の
   設けられている部分を除いて前記絶縁膜の上に形
   成される多結晶半導体膜と、前記多結晶半導体膜
   の上面に外部からの影響を遮断封止する絶縁キヤ
   ツプと、前記絶縁キヤツプの前記増幅器の上部に
   あたる箇所に切欠きを設けて形成される基準圧室
   と、前記絶縁キヤツプの前記二個の容量電極の設
   けられている部分にあたる箇所にくぼみ状に形成
   される凹欠部とを備え、前記二個の容量電極によ
   つて形成されるキヤパシタンスの変化を上記増幅
   器によつて電気信号に変換して外部に出力できる
   ように構成したことを特徴とする半導体容量式圧
   力センサ。 ９ 特許請求の範囲第８項記載の発明において、
   上記半導体基板シリコン単結晶によつて構成し、
   上記絶縁キヤツプをパイレツクスガラス（硼珪酸
   ガラス）によつて構成し、上記絶縁膜を酸化シリ
   コンによつて構成し、上記多結晶半導体膜を多結
   晶シリコンによつて形成したことを特徴とする半
   導体容量式圧力センサ。 １０ 特許請求の範囲第８項または第９項記載の
   発明において、上記多結晶半導体膜状の上記絶縁
   キヤツプによる封止は、前記多結晶半導体膜と前
   記絶縁キヤツプとを陽極接合によつて行うことを
   特徴とする半導体容量式圧力センサ。 １１ 特許請求の範囲第９項または第１０項記載
   の発明において、上記シリコン単結晶基板の結晶
   面方位を（100）面としたことを特徴とする半導
   体容量式圧力センサ。 １２ 特許請求の範囲第９ないし第１１項にいず
   れか１項記載に発明において、上記多結晶シリコ
   ン膜の電位を所定の電位に保持したことを特徴と
   する半導体容量式圧力センサ。 １３ 特許請求の範囲第９項ないし第１２項のい
   ずれか１項記載の発明において、上記半導体基板
   の下面に上記絶縁キヤツプに設けられている凹欠
   部に対応する箇所にくぼみ状に形成される第二の
   凹欠部を形成し前記第二の凹欠部を覆うように筒
   状の導圧管を設けたことを特徴とする半導体容量
   式圧力センサ。 １４ 特許請求の範囲第１３項記載の発明におい
   て、上記半導体基板をシリコン単結晶によつて構
   成し、上記導圧管をパイレツクスガラス（硼珪酸
   ガラス）によつて構成し、前記半導体基板と前記
   導圧管を陽極接合したことを特徴とする半動体容
   量式圧力センサ。