JPS62268168A - 薄膜圧力センサ - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、薄膜圧力センサに係り、特にそのダイヤフラ
ムの構造に関する。

（従来技術およびその問題点） 半導体技術の進歩に伴い、シリコンやゲルマニウム等の
半導体のもつピエゾ抵抗効果を利用した半導体圧力セン
４ノが近年注目されてきている。

なかでも、感圧層としてアモルファスシリコン（ａ−ｓ
ｉ）層等の半導体薄膜をステンレスダイヤフラム上に形
成してなる薄膜センサの研究が進められている。

従来の薄膜圧力センサでは、圧力伝達媒体が腐触性の液
体あるいは気体である場合を考慮して、ダイヤフラムに
は、ステンレス（ＳＵＳ３１６゜６３０等）を用いるの
が通常であった。

従って、ダイヤフラムが導体であるため、感圧層どして
の半導体簿膜の形成に先立ち酸化シリコン層等の絶縁層
をダイヤフラム表面に形成し、この絶縁層上に半導体薄
膜を形成する必要がある。

この絶縁層は通常１０μｍ程度の膜厚が必要とされるた
め、製造時間が長くなりコストの高騰をＩＲ＜原因とな
っていた。

また、１３［えばステンレスと、アモルファスシリコン
層との熱膨張率は夫々１２Ｘ１０’／”Ｃ。

３．５Ｘ１０’／”Ｃと互いに大きく異なり、熱歪によ
り半導体薄膜が剥離したり、セン→）−の精度あるいは
温度特性が低下する等の問題があった。

更に、このようなステンレスをダイヤフラムとした圧力
センサは耐久性が悪く、無負荷から定格負荷の、操り返
しを１０６サイクル程度行なうと劣化が生じてし沫う上
、ヒステリシス特性および再現性が良くないという不都
合があった。

また、このような薄膜圧力センサには、ダイヤフラム上
に前記感圧層のパターンと、これに給電するための電極
配線パターンとからなるゲージ部が形成されると共に、
このゲージ部に信号増幅処理等を行なうアンプが接続さ
れているが、このようなアンプ部を構成するアンプ基板
は通常、ゲージ部とは離間して配設され、ワイヤボンデ
ィング等により、リード線を介して接続されている。

ワイヤボンディング工程は、高精度の位置合わせを必要
とするため、作業性が悪く、コストだかの原因となって
いた。

また、アンプ部とゲージ部とが離間して配設されている
ため、ゲージ部とアンプ部の温度差が大きく、センサの
温度補償を精度良く行なうことができないという欠点も
あった。

そこで、本発明者は、上述の問題を解消ずべくダイヤフ
ラム上に、ゲージ部とアンプ部の両方をＩ！置したｊＩ
４造を提案している。

このとき、アンプ部の配線パターン等の回路を厚膜回路
として直接（ダイヤフラム上の）絶縁層の上に形成する
と、製造工程が大幅に簡略化され、製造コストの低減を
はかることができるが、厚膜工程は高温焼成工程を伴う
ため、ステンレスのダイヤフラムを用いた場合、ダイヤ
フラム自体が焼成温度に耐えられないという問題が新た
な問題となっている。

すなわち、例えば絶縁膜を酸化シリコン膜で構成した場
合５００℃以上になるとステンレスと絶縁層としての酸
化シリコン膜が反応し、シリサイド化し抵抗が小さくな
る等の問題が発生する。

本弁明は前記実情に鑑みてなされたもので、製造が容易
でかつ信頼性の高い７ａＩＩＷ圧カセンサを提供するこ
とを目的とする。

〔問題点を解決するための手段］ そこで、本弁明では、ダイヤフラムをセラミックで構成
し、このダイヤフラム表面に直接感圧層としての半導体
薄膜パターンと電極とからなるゲージ部を形成している
。

また、本弁明では、ダイヤフラムをセラミックで構成し
、このダイヤフラム表面に直接感圧層としての半導体薄
膜パターンと電極とからなるゲージ部およびアンプ部を
配設すると共に少なくともアンプ部の１部を厚膜回路パ
ターンで構成するようにしている。

〔作用〕

ダイヤフラムをセラミックで構成することにより、絶縁
膜が不要となり、構造が簡単となる。また、製造工程も
簡略化される上、セラミックはシリコンと同程度の熱膨
張率（７×１０−６７℃）を有するため熱歪が軽減され
て温度特性も向上し、従来のステンレスダイヤフラムを
用いた場合のように絶縁膜とステンレスダイヤフラムあ
るいは、絶縁膜と半導体薄膜の界面におけるクリープ現
象の発生もなく、長期にわたって、高精度のセンサ特性
を維持することができる。

特に、ゲージ部に加えてアンプ部をもセラミックダイヤ
フラム上に配設する構造では、セラミックダイヤフラム
は高温工程に耐えることができるためアンプ部の少なく
とも１部の回路パターンを厚膜回路パターンとして、直
接ダイヤフラム−トに形成することができワイヤボンデ
ィングも不要となり製造工程が大幅に簡略化され、低コ
ストで信頼性の高い薄膜圧力センサを得ることができる
。

（実施例） 以下、本光明の実施例について、図面を参照しつつ詳細
に説明する。

第１図（ａ）およびｆｂ）は、本発明実施例の７ａ膜圧
力センサを示す図である。（第１図ｆｂ）は第１図ｆａ
）のＡ−Ａ断面図である。） この薄膜圧力センサは、アルミナセラミックから構成さ
れたダイヤフラム１と、該ダイヤフラム上に形成された
ｎ型の多結晶シリコン層からなる感圧層２と該感圧層に
給電するためのアルミニウム製からなる電極配線パター
ン３とからなるゲージ部４と、このゲージ部４の周囲に
配設された厚膜配線パターン５とごれに接着された素子
チップ６とによって構成されたハイブリッドＩＣからな
るアンプ部ヱとから構成されており、ゲージ部ユの電庵
配腺パターン３とアンプ部りの厚膜配線パターン５は所
定の位置で接続されている。８は酸化シリコン層からな
る保護膜である。

また、ゲージ部ユの感圧層２は４つの感圧層パターンＲ
１〜Ｒ４から構成されており、これらに給電するための
６つの電極配線パターンＥ１〜Ｅ６を有しており、この
ゲージ部を笠何回路で示すと第３図に示す如くブリッジ
回路を構成している。

次に、この薄膜圧力セン４ノの製造工程について説明す
る。

まず、第２図（ａ）に示す如く、アルミナセラミックを
成型加工して、形成したダイヤフラム１の表面に、スク
リーン印刷法により銅パターンを形成した後これを焼成
し、アンプ回路の配線パターン５を形成する。

次いで、プラズマＣＶＤ方によりｎ型のポリシリコン層
２を形成し、これを通常のフォトリソ方によってパタニ
ングし感圧層パターンＲ１〜Ｒ４を形成する。そして更
に、エレクトロンビーム（ＥＢ）蒸着法によってアルミ
ニウム層３を形成し、これらをバターニングし電極配線
パターンＥ１〜Ｅ６を形成すると共に保護膜８を形成し
て、第２図（ｂ）に示す如くゲージ部６を形成する。

この後、導電性接着剤を用いて、所定の芸能素子チップ
６を前記配線パターン５上に接着せしめることにより、
第１図（ａ）および（ｂ）に示した薄膜圧力センυが完
成せしめられる。

次にこの薄膜圧力センサの動作について述べる。

各感圧層パターンＲ１〜Ｒ４は無負荷時ずなわち歪のな
いとき抵抗値がすべて等しくＲである。

第４図に示す如く圧力Ｐがダイヤフラム１に作用すると
感圧層パターンＲ１〜Ｒ３がダイヤフラムの周辺部に、
感圧層パターンＲ２とＲ４とが中央部に配される構造と
なっているため、感圧層パターンＲ１とＲ３は圧５縮応
力を受け、Ｒ＋△Ｒとなる一方、感圧層パターンＲ２と
Ｒ４は引っ張り応力を受けてＲ−ΔＲとなる。

ここで電極配線パターンＥ１，２６間にＶｉｎを印加す
るものとすると、無負荷時には４つの感圧層パターンＲ
１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４はサベて等しい故、電ｌｆ！配線
パターンＥ２．Ｅ５間の電位は等しくこれらの間の電圧
はＶ−Ｏである。

従って第４図に示す如き圧力Ｐがかかったとき、感ｆｆ
：層パターンＲ１，Ｒ３はＲ＋ΔＲ，感圧層パターンＲ
２，Ｒ４はＲ−ΔＲとなり、電極配線パターンＥ２．Ｅ
５間の電圧Ｖ＝２（△Ｒ／Ｒ）・Ｖｉｎとなる。

このようにして負荷に応じた電圧が出力され、アンプ部
で増幅等の処理がなされ、外部回路に精度良く出力せし
められる。

この薄膜圧力センサは、ダイヤフラムがセラミックで構
成されているため、絶縁層を形成することなく直接ゲー
ジ部を形成することができ、製造が容易で安価となる上
、セラミックは熱膨張率がポリシリコンと同程度である
ため、熱歪が低減され温度特性も向上する。

また、従来のステンレスダイヤフラムを用いた場合のよ
うに絶縁膜とステンレスダイヤフラム、絶縁膜と半導体
ダイヤフラムとの界面におけるクリープ減少の光生もな
く、長期にわたる高精度のセンサ特性を維持することが
できる。

更に、アンプ部の回路パターンもダイヤフラムが高温工
程に耐え１ｑるセラミックで構成されていることにより
ダイヤフラム上に直接厚膜法で形成可能であり又、ワイ
ヤボンディングも不要となり・安価で信頼性の高いもの
となっている。

更にまた、アンプ部がゲージ部に近接して配置されてお
り、両者の間に温度差がほとんどないため温度補償開度
が高い。

なお、実施例においては、アンプ部をダイヤフラム上に
Ｉ’７１１Ｑ回路として形成したが、ダイヤフラムの裏
面に形成したり、また、厚膜回路に限定されるものでは
なく、また、アンプ部は、別基板上にｉ！ｌｉ！設する
ようにしてもよい。

また、感圧層としては、ポリシリコン層に限定すること
なく、マイクロクリスタルシリコン（μＣ−３ｉ）ＩＷ
をはじめアモルファスシリコン＜ａ−８ｉ　）層等、他
の半導体薄膜を用いてもよい口とはいうまでもない。更
に電極配線パターン等、ゲージ部をも厚膜で構成しても
よい。また、パターンについても実施例に限定されるこ
となく適宜変形可能である。

〔効果） 以上説明してきたように、本弁明によれば、ダイヤフラ
ムをセラミックで構成し、ダイヤフラム表面に半導体ｉ
？！膜からなる感圧層を形成づるようにしているため、
絶縁層が不要となり、製造が容易となる上、クリープ現
象等の発生もなく、安定で信頼性の高いものとなってい
る。

また、更に、アンプ部等の周辺回路をダイヤフラム上に
形成した厚膜配線パターンによって構成した薄膜圧力セ
ンサによれば製造工程が大幅に簡略化される上高性能で
信頼性の高いものとなっている。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）および（ｂ）は本発明実施例の薄膜圧力セ
ンかを示す図、第２図（ａ）および（ｂ）は、同薄膜圧
力センサの製造工程図、第３図は同センサの等価回銘図
、第４図はダイヤフラムが圧力を受けたときの各パター
ンの状態を示す説明図である。 １・・・ダイヤフラム、２・・・ｐ型ポリシリコン層（
感圧層）、３・・・電極配線パターン、ユ・・・ゲージ
部、５・・・膜厚配線パターン、６・・・素子チップ、
７・・・アンプ部、８・・・保護膜。 １−ｉ二・ 出願人代理人　　木　　村　　高　　久　　　　　：′
　　　　ｙ −―ノ 第１図（０） 乙 第１図（ｂ） 第２図（Ｑ） 第２図（ｂ） 印 第４図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）ダイヤフラムと、この表面に形成された感圧層と
   を具え、ダイヤフラムの圧力歪に起因する感圧層の抵抗
   変化によつて圧力を検出するようにした薄膜圧力センサ
   において ダイヤフラムをセラミックで構成すると共に感圧層を感
   圧性の半導体薄膜で構成したことを特徴とする薄膜圧力
   センサ。
2. （２）前記半導体薄膜はｐ型のポリシリコン層であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の薄膜圧
   力センサ。
3. （３）前記半導体薄膜はアモルファスシリコン層である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の薄膜
   圧力センサ。
4. （４）ダイヤフラムとこの表面に形成された感圧図とを
   具え、ダイヤフラムの圧力歪に起因する感圧層の抵抗変
   化によって圧力を検出するようにした薄膜圧力センサに
   おいて、 ダイヤフラムをセラミックで構成すると共に感圧層を感
   圧性の半導体薄膜で構成し、 更に、アンプ部の回路パターンを前記ダイヤフラム上に
   厚膜パターンで構成したことを特徴とする薄膜圧力セン
   サ。