JPS6356935B2

JPS6356935B2 -

Info

Publication number: JPS6356935B2
Application number: JP56153611A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Shimada; Kazuji Yamada; Kyomitsu Suzuki; Motohisa Nishihara
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1981-09-30
Filing date: 1981-09-30
Publication date: 1988-11-09
Also published as: JPS5855732A; US4495820A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕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。

〔従来の技術〕

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が陽極接合されている。
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は半導体基板１上を引
き回し、このリード層１１Ａ，１１Ｂの端部には
上部端子１２Ａ，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、所定の電圧に変換に後リード層１１
Ａ，１１Ｂを通じて上部端子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よつて出力し、圧力を検
出するものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

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型との間に空欠
層を生じこの空欠層がキヤパシタを形成する為、
実際にはAl膜９とエピタキシヤル成長層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１０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
ころがこのエピタキシヤル成長層３と接続層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つた。

さらに、増幅器を形成するエピタキシヤル層と
圧力で変形するダイア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。

〔課題を解決するための手段〕

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半導体基板面に形成
された増幅器と、この増幅器の入力部に接続され
た該増幅器の上面に保護膜を介して設けられた固
定電極と、この固定電極を被いかつ所定の間隔を
有して前記第１半導体基板上に設けられた第２半
導体基板とを有し、前記第２半導体基板は前記第
１半導体基板と対抗する面でガラス層を介して陽
極結合で溶着され、これと反対側の面に凹陥部が
形成されることによりダイアフラムを兼ねた移動
電極を構成するようにさせたものである。

〔作用〕

このように構成された静電容量型圧力センサ
は、その検出回路をなす増幅器がダイアフラム領
域内に位置づけられ、かつ、その入力部は保護膜
を介して直上にあるため従来のようにこの入力部
における空乏層発生によるキヤパシタが原因とな
る検出誤差が生じることがなくなることはもちろ
んのこと、温度変化による変動をもなくすことが
できる。

また、ダイアフラムは、一方の固定電極との間
隙を、スペーサとなるガラス層の層厚のみで設定
することができる。従来のように凹陥部の深さに
よつて設定されるものでないので、精度よい間隙
を形成することができる。本発明の場合の凹陥部
形成はダイアフラムの厚さを設定する機能として
作用するにすぎないものである。

特に本発明の場合、ダイアフラムの固定は陽極
結合で成されるため、この固定手段が特に前記間
隙を精度よく設定できる一助となるものである。

さらに、検出回路をなす増幅器は、上述したよ
うにダイアフラム領域内に位置づけられ、これら
は重畳された構成をなすことから、面積的に小さ
くでき小型化を図ることができる。

〔実施例〕

以下実施例を用いて本発明を詳細に説明する。

第３図ａ，ｂは本発明による静電容量型センサ
ー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_b―_b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ヤル
成長層２３が形成されている。

このエピタキシヤル成長層２３面には拡散層が
形成され、IC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
たエピタキシヤル成長層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９
２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９１，９
２とで静電容量を構成している。半導体基板２２
と電極９１間において印加圧力に対し可変容量が
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つている。

前記半導体基板２２の上面には凹陥部２５が形
成され、この凹陥部２５は、前記半導体基板２２
における方位面を１００に選びアルカリ液による
異方性エツチング加工によつて形成されている。
これにより、凹陥部２５域における半導体基板２
２は薄板となり上部圧力Ｐによつて、圧力方向に
感度よく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２０を介して前
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ツタガラスが用
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６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４１，４
２，３１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り、半導体基板２２と電
極９１、および半導体基板２２と電極９２間に生
ずる容量差に原因するオフセツトや感度を調整で
きるようになつている。

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
された状態した場合、絶対圧センサとして作動
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。
第３図ｃは第３図ｂをモデル化した説明図で、理
解を助けるために厚さ方向の寸法関係は正確では
ない。また増幅器２４の詳細構造は省略して記号
で示し、固定電極９１，９２及び外部の電極４１
への接続を明示している。この部分の接続図は第
３図ｄに示す通りである。

即ち、固定電極９１，９２が増幅器２４の入力
部に接続され、寄動電極となる第２の基板２２は
励起電極Exに接続されている。図中Ｒは増幅器
のバイアス点を決める抵抗である。同図７１は圧
力に対して可動なダイアフラムとして作用する第
２基板の中央部と固定電極９１との間隙ｘであ
り、圧力に応動して静電容量の変化を生じる。ま
た図中７２は第２基板の周辺厚肉部と環状固定電
極９２間の間隙であり、圧力に応動しないように
なつている。しかし、固定電極９１，９２の面積
は同じ値になつているため相対圧センサとして用
いる場合、つまり第１基板と第２基板に大気が導
入される場合には２つの静電容量C₁，C₂は同じ
変化をする故、センサ出力に変動を与えない。増
幅器２４のオフセツト等を調整する抵抗３１は第
３図ｄの破線より右側、つまり外付されるのでセ
ンサを組立た後、出力をモニターしながら調整す
ることができる。

このような構成において、ダイアフラムとなる
半導体基板２２と対抗する電極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２
４とエピタキシヤル成長層２３との絶縁をとるた
めのpn接合を股がるようなことはなくなり、し
たがつて、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、もう一つ
の理由は半導体基板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計数を有するパイレツク
スガラスを用いていることらから、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
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
ツタリング法で形成されたガラス層２０を介在さ
せることにより陽極接合法により溶融させること
なく固着させたものである。また、半導体基板２
１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。

一般に容量はＣ＝εＡ／ｘ ……(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、したがつて dC／dx＝−εＡ／x² ……(2) 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。

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５２，５２′の周辺部を接着剤５０で接着
固定し、中央部に微小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
ミツクス板で作られ、接着剤は溶融性のフリツト
入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
リツ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。

しかし、この構造ではダイアフラム５２，５
２′を接着する時に一度フリツトガラス５０が溶
融するため、感度を決める間隙ｘをばらつきなく
製造することが難しい。この点本発明によるセン
サは前述のようにガラスを溶融させない陽極接合
法を用いるため、間隙ｘの微小化とばらつきを小
さくでき、高感度のセンサをばらつきなく製造す
ることができる。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、何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
リツトガラス５０の熱膨張計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つて、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ｂのように接着剤の厚みに対
し、ダイアフラムを厚くし、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。

これにより、従来のセンサの欠点を除去するこ
とができる。すなわち、熱歪に対しては鈍感で温
度影響が小さく、圧力に対しては敏感で高感度な
センサを実現することができる。

第４図ａ，ｂ，ｃ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ａ、第４図ｂの構造
に対応するものをｂ、第４図ｃの構造に対応する
のをｃで示している。

さらに、ダイアフラムである半導体基板２２と
増幅器４を内蔵する半導体基板１とは積層された
構成となつていることから、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
基板は別固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エハー状
態で行い、同様に陽極結合もウエハー状態で行つ
た後ペレタイズする為数百〜数千個のセンサチツ
プが一度に生産できる。

〔発明の効果〕

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，ｂ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_b―_bの断面図、第３図ｃ，ｄは本発明の
増幅回路の説明図、第４図ａ，ｂ，ｃは本発明の
効果を説明するための図、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
量圧力センサの製造工程の一実施例を示すフロー
チヤートである。２１，２２…半導体基板、２３…エピタキシヤ
ル層、２４…増幅器、２０…ガラス膜、２５…凹
陥部。

Claims

【特許請求の範囲】

１第１半導体基板と、この第１半導体基板面に
形成された増幅器と、この増幅器の入力部に接続
され該増幅器の上面に保護膜を介して設けられた
固定電極と、この固定電極を被いかつ所定の間隔
を有して前記第１半導体基板上に設けられた第２
半導体基板とを有し、前記第２半導体基板は前記
第１半導体基板と対抗する面でガラス層を介して
陽極結合で溶着され、これと反対側の面に凹陥部
が形成されることによりダイアフラムを兼ねた移
動電極を構成するようにした静電容量型圧力セン
サ。