KR100486322B1 - 반도체압력센서 - Google Patents

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KR100486322B1
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사토시 시마다
마사히로 마츠모토
데루미 나카자와
노리오 이치가와
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가부시키 가이샤 히다치 카 엔지니어링
가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼
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Abstract

정전 용량을 활용한 반도체 압력 센서는 복수의 압력 감지 정전 용량와 실리콘 칩의 두 대향측 중 하나에 형성된 기준 용량을 구비한다. 압력 감지 정전 용량는 각각 중앙부와 이 중앙부에 비해 더 변형되는 둘레부로 구성된 변위부를 가질 수 있는 이동 전극으로서의 다이아프램을 구비한다.

Description

반도체 압력센서
본 발명은 정전용량의 변화로서 압력을 검출하는 반도체형 센서에 관한 것으로서, 특히 실리콘 칩의 동일 표면상에 센서들을 갖는 표면소자형 복합센서에 관한 것이다.
JP A No.1-256177에 개시된 바와 같이, 종래의 복합센서는 차동압력센서, 정압센서 및 온도센서가 단일 기판상에 형성되고 이 기판은 후면측으로부터 다이아프램으로 작용되는 벌크형의 피에조저항형 복합센서이다.
종래의 벌크형 복합센서에 있어서, 실리콘기판이 후면측으로부터 다이아프램으로 작용되기 때문에, 이 다이아프램의 위치는 상기 실리콘기판의 전면에 형성된 감지소자로부터 약간 벗어나는 경향이 있다. 상대위치에 있어서 약간 벗어난다 할지라도 이 센서의 감지도는 실질적으로 저하된다. 따라서 이 문제를 피하기 위하여 다이아프램을 소정의 정도로 크게 설계하는 것이 필요하다. 이것은 실리콘웨이퍼의 양측 표면상의 위치선정 정확도가 일측 표면상의 위치선정 정확도 보다 낮기 때문이다.
또한, 종래의 복합센서는 사용된 실시콘웨이퍼가 양측면상에서 경면식 마무리되는 것이 필요하기 때문에 제조비용이 높다는 단점을 갖는다. 또한, 피에조저항형 센서는 이 센서의 특성이 비선형성을 갖고 따라서 주변온도의 변화에 따라 크게 변화한다는 단점을 갖는다. 따라서 이센서는 특성보상이 복합적이되고 비용이 높게 된다.
JP A 4-143628은 각각 실리콘 팁을 사용하는 정전용량형 압력센서를 개시하고 있으나 다중기능 센서부가 한 면에만 형성된 압력센서는 개시하고 있지 않다.
JP A 5-187947은 또한 각각 실리콘 팁을 사용하는 정전용량형 압력센서를 개시하고 있으나, 각각 압력부가 한 면에만 형성된 압력센서는 개시하고 있지 않다.
또한 평탄형 부재의 가동전극, 고정 전극, 절연막 및 가동전극을 지지하여 가동전극과 고정전극사이에 갭을 제공하는 지지대를 포함하는 종래의 정전용량 또는 센서가 공지되어 있다. 압력이 가동전극에 인가된 경우, 가동전극은 빗나가서 이 가동전극의 전이가 중심에서 최대로 되고 주변으로 갈수록 작아진다. 따라서 정전용량은 압력에 대해 비선형이고 이 비선형성은 출력에러를 발생시킨다.
본 발명의 목적은 소형이고 비용이 저가이며, 구조 및 제조방법이 간단하고, 대량생산에 적합하고 경제적인 복합센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 단일칩상에 복수의 센서 및 복수의 신호처리회로를 갖는 다기능 압력센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 고도로 민감하고 주변온도에 영향을 덜 받는 IC압력센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 높은 내압성을 갖는 복합센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 비선형성이 감소된 고정밀 센서를 제공하는 것이다.
소형 및 저비용의 목적은 표면소자의 처리기술을 통하여 실리콘웨이퍼의 한쪽 면에만 다층막을 형성함으로써 제조되는, 구조 및 제조방법에 있어서 간단한 정전용량형 센서에 의해 달성될 수 있다. 먼저 센서 다이아프램으로 작용하는 도전성 막과 절연막(희생막)이 형성되고, 그 후 이 희생막은 공간형성을 위하여 제거되고, 이것에 의해 정전용량이 상기 다이아프램과 실리콘 웨이퍼의 기판측에 형성된 고정전극 사이에 형성된다. 대량생산이라는 목적을 달성하기 위하여, LSI에 대한 표준사양의 실리콘웨이퍼가 사용되고, 센서 및 신호처리회로가 반도체 공정을 통하여 실리콘웨이퍼의 한쪽 표면에 형성된다.
다중기능의 목적은 단일칩상에 절대압력기준의 구조를 갖는 2개의 압력감지 정전용량을 복합적으로 형성함으로써 제조되는 다중기능 압력센서를 제공함으로써, 이 압력감지 정전용량 중 하나를 절대압력 측정용 센서로 사용하고 다른 것을 대기압력 측정용 센서로 사용함으로써 달성될 수 있고, 또한 상대압력센서로서 작용하도록 양자의 차를 구함으로써 달성될 수 있다.
높은 감지도 및 온도영향의 감소의 목적을 달성하기 위하여, 신호리드선에 의해 생성된 유동용량은 신호처리회로를 형성함으로써 극도로 감소되어 센서용량 바로 근처의 복합센서의 출력신호를 연산한다. 또한 실리콘기판의 한쪽 표면상에 밀접하게 그리고 복합적으로 형성된 절대압력형의 2개의 정전용량형 센서와 동시에 형성된 기준용량은 이들 센서와 거의 동일한 값의 온도계수를 갖기 때문에, 양 신호의 차를 구함으로써 온도영향을 덜 받는 압력센서를 얻는 것이 가능하다. 또한 기준용량의 신호가 압력변화에 따라 변하지 않기 때문에, 기준용량은 그자체로서 온도센서로서 기능할 수 있다.
높은 내압성의 목적을 달성하기 위하여, 실리콘웨이퍼의 기판표면상의 다중층막과 표면층 아래에 수 마이크로미터의 갭을 형성함으로써, 다이아프램은 변형되고 실리콘웨이퍼의 기판표면과 접촉하게 되어 다이아프램의 과도한 변형을 제한하고 과도하게 부과된 압력이 인가된 경우의 다이아프램의 파열을 방지한다. 따라서 이 센서는 측정범위의 압력의 수십배의 압력을 견디어 낼 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 압력센서를 이하에 설명한다.
실리콘 칩의 일측 표면에 형성된 다이아프램은 가동막으로서 작용하는 도전성 막이고 이 다이아프램상에 부과된 압력에 따라 이동된다. 절연막(희생막)을 제거함으로써 형성된 공간은 다이아프램과 웨이퍼의 기판측에 형성된 고정전극 사이에 압력감지 정전용량을 형성한다. 이 공간은 밀봉되어 진공으로되고 기준압력챔버로서 기능한다. 즉, 이 공간은 절대압력에 기초한 압력을 감지하는 정전용량형 압력센서를 구성한다. 따라서 다이아프램은 아래쪽을 향하여 배치되고 대기압력에 노출되는 경우 오목하게 되고, 이 다이아프램은 부과된 압력이 진공압력에 접근함에 따라 평탄한 형상으로 복귀된다. 부과된 압력이 대기압에 대해 정압인 경우, 다이아프램은 더욱 아래쪽을 향하여 배치되고 따라서 다이아프램과 고정전극 사이의 공간의 갭은 더 작아진다. 상술된 바와 같이, 고정전극으로 형성된 정전용량은 부과된 압력에 의해 변화된다. 이 정전용량 변화는 신호처리회로를 사용하여 예를들어 1V 내지 5V의 범위 내의 표준화된 출력신호로 변환되고, 그후 이 부과된 압력은 이 값으로부터 검출된다.
절대압력기준의 구조를 갖는 2개의 압력감지 정전용량은 단일 칩상에 복합적으로 형성되고, 측정될 압력은 절대압력 측정용 센서로서 사용되는 압력감지 정전용량 중의 하나로 도입되고, 대기압력은 대기압 측정용 센서로서 사용되는 다른 압력감지 정전용량으로 도입된다. 또한 신호처리회로를 사용하여 양자의 차를 구함으로써 이 차가 상대압력신호로서 출력된다. 2개의 압력감지용량과 기준용량의 차를 구함으로써, 이 차는 절대압력센서와 대기압력센서의 신호로서 출력된다.
수 마이크로미터의 갭이 표면층 아래에 형성되고, 다이아프램은 변형되고 실리콘웨이퍼의 기판표면과 접촉하게 되어 다이아프램의 과도한 변형을 제한하고 과도한 압력이 부과된 경우의 다이아프램의 파열을 방지한다. 따라서 이 센서는 측정범위의 압력의 수십배의 높이의 압력을 견디어 낼 수 있다.
본 발명의 실시예가 아래에 설명된다.
먼저, 도 1a 내지 도 1c를 참조하여, 본 발명의 실시예가 아래에 설명된다.
도 1a는 본 발명에 따른 반도체 압력센서의 일실시예를 도시한 블록 회로도이다.
도 1a에 있어서, 압력센서는 센서 기판상에 복합적으로 형성된 3개의 용량(11,12,13) 및 신호처리회로(15)를 포함한다. 3개의 용량 중 2개는 정전용량변화 및 출력신호로서 압력을 검출하는 압력감지용량(11,12)이고, 나머지 하나는 정전용량변화 및 출력신호로서 온도를 검출할 수 있는 기준 또는 온도감지용량(13)이다. 압력감지용량(11,12)으로부터의 신호는 조정가능한 저항(152,153)을 구비한 신호증폭기(151)를 포함한 신호처리회로(15)에 의해 처리되어 절대압력에 기초한 신호를 단자(142)로부터 출력하고 상대압력의 신호를 단자(143)로부터 출력한다.
상술된 바와 같이 온도를 검출할 수 있는 온도감지용량(13)은 압력감지용량(11,12)상의 온도의 영향을 제거하기 위하여 기준용량으로서 사용될 수 있다.
압력감지용량(12)은 측정될 압력을 절대압력으로서 감지하는 구성을 갖는다. 압력감지용량(12)으로부터의 신호(용량변화값)는 스위칭소자(155)를 온상태로 함으로써 상기 신호와 기준용량(13)으로부터의 신호 사이의 차를 연산하게 한다. 이 차는 처리되어 단자(142)로부터 절대압력으로서 출력된다.
압력감지용량(11)은 대기압력을 감지하는 구성을 갖는다. 상대압력이 출력되도록 요구되는 경우, 압력감지용량(11)과 압력감지용량(12) 사이의 용량에 있어서의 차는 스위칭소자(155)를 스위칭함으로써 얻어지고, 그 차는 신호처리회로에 의해 처리되어 단자(143)로부터 상대압력으로서 출력된다.
도 1b는 도 1a의 수정을 나타낸다. 즉, 스위칭소자(155)는 용량(11,12,13)으로부터의 신호가 연산되어 상기 신호가 신호처리회로에 의해 처리된 후의 차를 얻도록 배치된다.
필요하다면, 도 1c에 도시된 바와 같이 센서를 구성함으로써, 대기압력신호는 압력감지용량(11) 및 기준용량(13')으로부터 감지된 값 사이의 차를 연산함으로써 단자(144)로부터 출력된다. 또한 필요하다면 온도신호는 기준용량(13)의 온도에 기인한 용량변화의 신호처리에 의하여 단자(141)로부터 출력된다.
이 경우, 2개의 압력감지용량(11,12)과 기준용량(13)은 서로에 인접한 단일 기판상에서 동일한 공정으로 형성되기 때문에 거의 동일한 온도특성을 갖는다. 따라서 비록 주변온도가 변하여도 온도변화에 기인한 에러는 신호처리회로를 사용하여 그들사이의 차를 연산함으로써 보상될 수 있다. 본 발명의 용량형 압력센서의 온도계수가 종래의 피에조저항형 압력센서의 온도계수보다 작다할지라도 이러한 연산처리에 의하여 온도의 영향은 더욱 감소할 수 있다.
도 1c는 2개의 압력감지용량(11,12)와 2개의 기준용량(13,13')을 갖는 실시예이다. 온도신호는 기준용량(13)으로부터 얻어질 수 있고, 절대압력신호는 압력감지용량(12)과 기준용량(13) 사이의 용량에 있어서의 차로부터 얻어질 수 있고, 상대압력신호는 압력감지용량(11)과 압력감지용량(12) 사이의 용량에 있어서의 차로부터 얻어질 수 있으며, 대기압력신호는 압력감지용량(11)과 기준용량(13') 사이의 용량에 있어서의 차로부터 얻어질 수 있다. 이 실시예는 주변온도변화에 영향을 받지 않는 온도신호와 절대압력신호, 상대압력신호 및 대기압력신호가 단일 칩상에 형성된 4개의 정전용량 및 신호처리회로(15)에 의해 정확히 얻어질 수 있는 것을 특징으로 한다. 도 2a는 도 2b의 구조를 사용한 센서를 나타내며, 도 2b의 일부 구조가 단순화를 위해 생략된다.
도 1a 내지 도 1c에 도시된 센서부의 일 실시예의 구성이, 조립된 독립형(stand-alone type)센서를 나타내는 단면도인 도 2a, 센서부를 나타내는 확대단면도인 2b 및 블록회로도인 도 1a 내지 도 1c를 참조하여 이하에 상세히 설명된다.
센서 기판(1)은 실리콘으로 만들어지고 2개의 주측면(도 2b의 상부 및 하부측면)을 갖는다. 플라스틱 등으로 만들어진 케이싱(2)은 센서 기판(1)을 지지하고 둘러싼다. 단일 리드 콘넥터(3)는 케이싱(2)에 접속된다. 유기 접착제(4)는 센서 기판(1)을 케이싱(2)에 기밀상태로 접착시키기 위하여 제공된다. 구멍(21)은 케이싱(2)의 일부에 형성되어 대기 압력을 도입한다. 압력도입관(5)은 구멍(21)에 대해 반대측에서 케이싱(2)에 연결되어 측정될 압력을 도입한다. 접속와이어(7)는 센서부 및 콘넥터(31) 사이를 접속한다. 실리콘 겔(6)은 케이싱(2)에 형성된 공간에 채워져 센서 기판(1)과 접속와이어(7)를 보호한다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 2개의 압력감지용량(11,12)과 기준용량 또는 온도감지용량(13)은 단일 칩 또는 센서판(1)상에 복합적으로 형성된다. 압력감지용량(11,12) 중 하나(12)는 측정될 압력을 그것에 도입함으로써 절대압력 기준센서로서 사용되고, 다른 압력감지용량(11)은 그것에 대기압력을 도입함으로써 대기압력의 변화를 검출하는 센서로서 사용된다. 절대압력은 압력감지용량(12)과 기준용량(13) 사이의 용량에 있어서의 차로부터 얻어진다. 또한 도 1a 내지 도 1c에 도시된 바와 같이, 상대압력센서로서의 출력은 신호처리회로(15)를 사용하여 상기 양자의 용량의 차를 구함으로서 출력된다.
센서부의 구조는 도 2b를 참조하여 이하에 상세히 설명한다. 압력이 절대압력에 의거하여 감지되는 절대압력 기준구조를 각각 갖는 2개의 압력감지용량(11,12)과, 기준용량(13) 및 신호처리회로(15)는 센서 기판(1)상에 복합적으로 형성된다. 2개의 압력감지용량(11,12)은 완전히 동일한 구조를 갖고 후술될 표면소자공정에서 동시에 형성된다.
고정전극(124)은 센서 기판(1)상에 형성되고, 에칭스톱퍼막(123)은 고정전극(124)상에 형성되어 공간(122)의 갭을 제한한다. 다이아프램(121)은 센서 기판상에 형성된 절연막(125)상에 지지되어 에칭스톱퍼막(123)과 다이아프램(121) 사이에 적당한 갭을 구비하도록 한다. 시일(126)은 다이아프램(121)에 형성된 구멍에 제공되어 공간부(122)가 진공이되도록 밀봉한다.
또한 이 실시예의 감지부의 구성은 다음을 포함한다. 즉, 다이아프램(121)상에 유리판(20)이 탑재되고 보강판(50)이 그위에 탑재된다. 유리판(20) 및 보강판(50)은 측정될 압력을 압력감지용량(12)로 도입하는 구멍(22,52)을 갖는다. 측정될 압력은 압력도입관(5), 홀(52,22)을 통하여 다이아프램(121)상으로 도입된다.
유리판(20) 및 보강판(50)은 각각 구멍(23,51)을 갖고, 실리콘 겔이 이 구멍(23,51)에 채워진다. 구멍(23,51)은 케이싱(2)의 구멍(21)과 연통하고, 대기압력은 구멍(21,51,23)을 통하여 압력감지용량(11)의 다이아프램상으로 도입된다.
기준 용량(13)는 다이아프램(121) 및 유리판(20)에 의해 형성된 진공공간(132)이 제공되는 것을 제외하고 압력 감지 용량(12)와 동일한 구성 및 크기를 갖는다.
이러한 각 센서로부터의 전극은 최단 거리의 인접 신호처리회로(15)와 접속되어 유동 용량을 가능한한 작게 줄인다. 용량는 예를 들면 신호처리회로(15)에 의해 1V 내지 5V의 범위 내로 표준화된 신호로 변환되고, 접합 패드 혹은 외측 단자(14)로 도입된다. 신호처리회로(15)는 유리판(20)을 구비한 둘레부(127)에 기밀하게 접합되고, 진공 또는 건조가스 환경하에 있는 공간(150)을 밀봉 및 유지함으로써 외부로부터의 습기와 오염으로부터 보호된다.
기준 용량(13)는 기준 용량(13)의 공간(132)이 진공이고 유리판(20)으로 기밀히게 밀봉되기 때문에 측정될 압력 및 대기압력을 검출하지 않는다. 즉, 기준 용량(13)는 주변 온도의 변화에 의한 용량의 변화만을 검출한다. 따라서, 기준 용량(13)의 기능은 온도 센서와 유사하다. 온도 변화로 인한 용량 변화는 재료의 유전상수의 변화와 열 변형에 의한 갭의 변화 등에 의해 초래된다.
센서 기판(1) 및 보강판(50)의 재료는 실리콘 수지이고, 유리판(20)은 실리콘 수지와 열팽창 계수가 비슷한 보론-실리콘 유리로 만들어진다. 센서 기판(1)과 유리판(20), 그리고 보강판(50)과 유리판(20)은 접착제를 사용하지 않고 정전기적인 방법에 의해 서로 접합된다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 보강판(50)이 플라스틱 재료로 만들어진 케이싱(2)에 접착되고 고정되기 때문에, 두 재료의 열팽창 계수의 차이에 의한 불가피한 열변형의 발생을 피하기 위해 고강성을 갖는 것이 필요하므로 실리콘 수지 보강판(50)의 두께는 유리판(20)의 두게 보다 더 두껍다.
압력 도입 파이프(5)를 통해 도입되는 측정될 압력은 센서판(1) 상의 압력 감지 용량(12)로 도입된다. 압력 감지 용량(12)의 다이아프램(121)은 압력에 응답하여 이동되고 공간의 갭은 정전 용량을 변화시키도록 변화된다. 신호처리회로(15)를 사용하여 정전 용량을 처리함으로써, 주변온도 변화에 의한 특성 변화는 기준 용량(13)를 사용하여 교정되고 정전 용량 변화가 예를 들면 1V 내지 5V 의 범위 내의 표준화된 전기 신호로 변환된 후, 측정될 압력에 비례하는 신호는 커넥터(3)를 통해 외부로 출력된다.
케이싱(2) 내에 형성된 구멍(21)을 통해 도입되는 대기 압력은 보강판(50) 및 유리판(20) 내의 구멍(21)을 통해 다이아프램(121) 상에 수용된다. 실리콘 겔(6)이 대기 압력을 도입하는 통로의 중간에서 점성과 탄성을 가지더라도, 압력 감지 용량(11)는 실리콘 겔이 압력을 전달할 만큼 충분히 부드럽기 때문에 절대압력에 대한 대기압을 측정할 수 있다.
상기 설명은 처리 연산이 정전 용량 단계에서 수행되는 경우에 있어서 설명되었지만, 상기 연산은 용량 변화가 도 1b에 도시된 바와 같이 전압 신호로 변환된 이후의 단계에서도 수행될 수 있다. 연산 단계의 선택은 신호 변화의 양, SN비 등의 센서의 설계에 따라 결정된다.
도 3은 본 발명에 따른 센서의 다른 실시예의 탑재 구조를 도시한다. 센서 기판(1)의 구조는 상술된 것과 동일하다. 차이점은 센서 기판(1)을 탑재하는 케이싱(2)과 신호인출부의 구조이다. 신호 인출부가 땜납(8)을 사용하여 탑재 보오드(9)상의 배선 패턴(91)에 연결되는 소위 표면 탑재에 대처하기 위하여, 센서 기판(1)은 도금된 배선(31)을 갖는 커넥터(3)내에 접착제(4)로 고정되고, 배선(31)과 센서 기판(1)의 패드는 접속와이어(7)로 연결된다. 측정될 압력은 케이싱에 고정된 압력 도입관(50')을 통해 도입되어 센서 기판(1)상의 절대 압력 기본 또는 기준의 압력 감지 용량(12)(도 3에 도시되지 않음)에 가해지고, 대기압력은 대기압력 도입부(21)를 거쳐 압력 감지 용량(11)(도 3에 도시되지 않음)에 가해진다. 신호처리회로(15)는 도 1a, 1b, 1c 에 기술된 연산을 수행하고, 필요에 따라 절대 압력에 비례하는 신호와 상대 압력에 비례하는 감지 신호를 출력한다.
도 4는 본 발명에 따른 대기압 센서의 실시예를 도시한 것이다.
이 실시예에서, 대기압 센서는 앞의 실시예와 기준 용량(13)에서 말한 것과 마찬가지로 압력 감지 용량(11)를 포함한다. 상기 기준 용량(13)는 기준 용량이 대기압에 의해 변하지 않도록 다이아프램의 중앙부에 도 2b의 진공 공간(132) 대신에 지지대(139)가 형성되는 것을 제외하고는 도 2b에 도시되어 있는 것과 동일한 구조를 갖는다. 대기압을 검출하는 압력 감지 용량(11)의 신호와 기준 용량(13)와의 차를 계산함으로써, 대기압에 비례하는 신호를 출력한다. 측정될 압력이 센서(1)에 직접적으로 가해기지 때문에, 케이싱(2)과 케이싱에 고정된 압력 도입관(50')이 제거될 수 있으므로 구조가 매우 단순하게 된다.
도 2b에 도시된 바와 같은 감지부 제조 공정을 도 5a 내지 5f를 참조하여 아래에 설명한다.
도 5a는 예를 들어 기준 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 회로 형성 공정을 사용하여 신호처리회로(15)를 형성하는 신호처리회로 형성 공정을 보여준다.
도 5b는 나중에 제거될 희생막(122')를 형성하는 공정을 보여준다. 이 공정에서 예를 들어 SiO2로 된 막(122')이 센서의 정전 용량의 원하는 값을 위해 필요한 두께를 갖도록 형성된다.
도 5c는 측정된 압력 범위에 따라 형성된 다이아프램(121)이 될 폴리실리콘막을 형성하는 공정을 보여준다. 절연시킨 홈(129) 각각은 인접한 다이아프램의 원주부에 있는 폴리실리콘막의 일부분을 제거함으로써 형성된다. 또한, 다이아프램의 원주부와 신호처리회로(15)의 주변부에 형성된 폴리실리콘막(127)은 후에 부착될 유리 기판을 위한 접착제로서 작용한다.
도 5d는 공간(122)를 형성하는 폴리실리콘막의 일부분에서 뚫어져 있는 각각의 구멍을 통하여 불소산을 도입함으로써 SiO2를 제거하여 희생막(122')을 에칭-제거하는 공정을 보여준다. Si3N4 막은 처리(A)에서 고정 전극에 형성되어지기 때문에, 전극(124)은 에칭되지 않고, 희생막인 산화막(122')의 두께와 같은 간극을 갖는 공간(122)이 정밀하게 형성되어진다.
다이아프램의 직경과 공간의 갭은 주변부에 형성된 두꺼운 산화막(125)과 희생막으로서의 산화막(122')에 의해 결정되고, 따라서 정전 용량, 즉 감도가 결정된다.
도 5e는 폴리실리콘과 SiO2와 같은 막을 형성함으로써 시일(126)이 형성되는 폴리실리콘막(121)의 구멍(1211)을 봉하는 공정을 보여준다.
도 5f는 회로(15)와 접합 패드의 알루미늄 단자(14)를 형성하는 공정을 보여준다.
본 발명에 따르면, 단일칩 상에 절대 압력 센서, 상대 압력 센서, 대기압 센서를 복합적으로 형성함으로써 온도의 영향을 적게 받고 크기가 작으며 비용이 저렴한 고감도의 압력 센서를 제공하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명에 따르면, 측정 범위를 초과하는 과부하 압력이 다이아프램에 가해지면, 다이아프램은 갭에 걸쳐 변형되나 과도한 변형을 방지하도록 기판 표면과 접하도록 한다. 따라서, 센서는 측정 범위의 압력의 수십배의 압력을 견디어 낼 수 있다.
또, 다른 실시예를 도 6내지 10을 참조로 하여 아래에 기술한다.
실시예의 설명에 앞서, 종래의 반도체 압력 센서를 도 11 내지 15를 참조로 하여 설명한다.
종래의 센서의 예는 도 11에 도시되어 있다. 종래의 센서는 반경(a)과 균일한 두께(h)를 가지는 가동 전극(201), 폭(d)의 갭을 제공하도록 가동 전극(201)을 지지하는 지지대(202), 기판(206) 및 절연막(204)의 내부 또는 표면에 배치된 고정 전극(203)을 포함한다. 센서에 압력이 작용할 때, 가동 전극(201)은 고정 전극(203)에 가까워지도록 변형되는데, 이것에 의해 그들간의 정전 용량이 변화한다. 이 변화를 검출함으로써 압력을 검출한다.
이 때, 가동 전극(201)의 원주는 고정단이어서 변형되지 않으며, 그 중앙부는 자유단으로 변형된다. 따라서, 가동 전극(201)은 도 12에 도시된 바와 같이 휜다. 가동 전극(201)의 중앙부의 변위를 δ, 상기 변위가 0일 때 가동 전극과 고정 전극 사이의 정전 용량을 C0, 특정 변위를 α(=δ/d)할 때, 정전 용량 C(δ)는 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.
C(δ)=C0alnaa
정전 용량 C(δ)는 방정식에서 보여진 바와 같이 변위 δ 또는 α에 대해 비선형이기 때문에, 정전 용량 C(δ)는 도 13에 도시된 바와 같이 압력에 대해서도 비선형이다. 이러한 비선형성은 출력 에러를 발생시키는 요인이 된다. 한편, 센서는 전극(201,203)간에 지지대(202)가 삽입된 구조로 되어 있기 때문에, 기생 용량는 이 부분에서 만들어진다. 또, 이 기생 용량는 비선형성을 증가시키는 동시에 센서의 감도를 감소시킨다.
정전 용량형의 물리적 센서에 관한 이 실시예는 상기 문제를 해결하기 위한 것으로 아래에 설명된다.
도 6에서, 센서는 기판의 내부나 기판의 위쪽에 배치된 고정 전극(1240), 고정 전극(1240)에 대향하고 주위를 지지대(1250)가 지지하고 외력을 수용함으로써 변형되는 가동 전극(1210), 정전 용량의 역수를 계산하기 위한 신호 처리 수단(도 6에 도시되지는 않았으나 도 1a 내지 도 1c에 형성된 것과 같은 신호처리회로에 결합시킬 수 있음)을 포함한다.
가동 전극(1210)은 중앙부(1210A)로 구성된 변위부와 중앙부보다 더 변형가능한 주변부를 갖는다. 중앙부(1210A)는 주변부에 비해 더 큰 탄성 또는 더 두꺼운 두께를 갖고, 고정 전극이 가동 전극에 대해 법선 방향으로부터 보여질 때 고정전극(1240)은 전극 리드부를 포함하는 가동 전극(1210)의 고탄성 중앙부(1210A) 범위보다 크지 않은 치수를 갖는다.
주변부에 비해 더 큰 탄성 또는 더 두꺼운 두께를 갖도록 중앙부(1210A)를 형성함으로써, 중앙부는 압력이 가해질 때 뒤틀림이 억제되고 변형 없이 평평하게 유지된다. 따라서, 가동 전극(1210)은 이 가동 전극에 평행한 고정 전극(1240)에 원근방향으로 이동된다. 한편, 가동 전극(1210)의 평탄부(1210A)내로 고정 전극(1240)의 치수를 제한함으로써, 정전 용량는 수학식 2에 따라 변화한다. 정정 용량의 역수를 계산함으로써, 출력은 수학식 3에 표현된 바와 같이 가동 전극(210)의 변위 δ에 대해 선형이다.
C(δ)=C0δ
=0(1-δ)
또한, 고도로 정확한 정전 용량형의 물리 센서는 센서 주변에 만들어지는 기생 정전 용량의 감지부에 대한 평행 성분의 정전 용량의 크기를 감지부의 기본 용량보다 크지 않게 만듦으로써 제공될 수 있다.
가동 전극(1210)은 고탄성부(1210A) 또는 중앙부에 배치된 더 두꺼운 부분을 갖는다. 고탄성부는 다결정 실리콘이나 SiC를 증착시키거나 전극 자체의 원재료로 두껍게 만듦으로써 제조될 수 있다. 화학적 증착법이나 기상 에피텍셜 성장법으로 고탄성부를 형성한 후 에칭을 통해 모양을 잡음으로써, 가동 전극(1210)은 사용된 재료의 특성에 의해 제한됨이 없이 원하는 모양으로 제조될 수 있다. 단결정 실리콘의 비등방성 에칭의 종래 제조 방법에 의하면, 사각형을 제외한 원하는 모양으로 가동 전극을 형성하는 것은 어렵다. 또한, 두께와 면적간에 상관이 있기 때문에 두께와 면적을 독립적으로 결정하는 것도 어렵다. 한편, 가동 전극의 중앙부(1210A)의 면적은 가동 전극의 총변위 영역의 15%이상 70%이하인 것이 바람직하며, 70%인 것이 바람직하다. 가동 전극의 수용 가능한 평면 모양은 사각형, 원 및 다각형일 수 있다.
고정 전극(1240)은 가동 전극에 법선 방향으로부터 보여질 때 전극 리드부를 제외한 고탄성 중앙부의 범위보다 크지 않은 치수를 갖도록 제한된다. 고정 전극의 모양은 가동 전극의 고탄성 중앙부의 모양에 따른다. 고정 전극에 이러한 제한을 가함으로서, 수학식 1을 보다 충실하게 따르는 정전 용량을 얻을 수 있다. 고정 전극(1240)상에 절연막(1211)이 있기 때문에 지지대(1250)는 소정의 전도율을 가질 수 있다. 그러나, 기생 용량을 작은 값으로 억제하기 위하여 지지대가 절연체로 이루어지는 것이 바람직하데, 이에 대해서는 후에 설명한다.
도 7은 가동 전극이 배치된 센서의 상태를 도시한 것이다. A지역은 가동 전극의 고탄성 중앙부(1210A)에 의해 배치된 후에도 평평함을 유지할 수 있는 중앙부이고, 가동 전극(1210)은 그와 평행한 고정 전극(1240)에 대해 전진, 후퇴한다. 이 범위 내로 고정 전극(1240)의 영역을 제한함으로서, 비선형성을 만드는 가동 전극(1210)의 변형부(B)의 영향을 감소시키는 것이 가능하다.
이 실시예의 센서는 전체규모 압력이 1 kPa인 실리콘 웨이퍼 상에 형성된 원형 압력 센서이고, 가동 전극(1210)은 다결정 실리콘으로 이루어지며, 가동 전극(1210)의 반경(a)은 85㎛이고, 가동 전극(1210)의 두께(h)는 5㎛이고, 가동 전극(1210)과 고정 전극(1240)간의 거리(d)는 0.5㎛이다. 가동 전극(212)이 전위되지 않은 경우의 용량(기본 용량 C0)는 0.468 pF이다. 이동 전극의 탄성 중앙부(1210A)의 반경은 68㎛이다.
도 9는 본 발명에 따른 도 8의 센서의 비선형성(220)과 도 14의 종래 센서의 비선형성(221)을 도시한 것이다. 종래 센서의 최대 비선형성은 0.505 kPa의 압력에서 0.12%인 반면에, 본 발명에 따른 센서의 비선형성은 0.510 kPa의 압력에서 0.12%이다. 따라서, 비선형성은 종래 센서의 비선형성의 1/5만큼 낮게 감소시킬 수 있다.
한편, 가동 전극(210)에 대해 접선 방향으로부터 보여질 때 탄성 리드부를 제외한 고탄성 중앙부의 범위보다 크지 않은 치수를 갖도록 고정 전극(212)을 제한함으로써, 기생 용량의 평행 성분을 감소시킬 수 있다. 평행 기생 용량 Cp는 감지 신호의 강도를 감소시키고 따라서 감도는 감소된다. 도 15에 도시된 종래 센서의 구조에 있어서, 고정 전극(203) 또한 지지대(202) 아래에 있기 때문에, 평행 기생 용량는 지지부에서 만들어진다. 상기 지지대는 실리콘 디옥사이드로 만들어지고 50㎛의 폭(207), 0.5㎛의 두께(208)를 갖기 때문에 기생 용량 Cp는 센서의 기본 용량의 478%에 등가인 2.33 pF이 된다. 한편, 본 발명에 따른 센서에서는, 도 6에 도시된 바와 같이 지지부가 고정 전극의 리드선부와 겹쳐 있는 부분(1243)에서만 평행 용량이 만들어진다. 리드선(1241)의 폭은 2㎛, 지지체의 폭(1242)은 50㎛이고, 따라서 생성된 기생 용량 Cp는 센서 기본 용량 C0의 1.4%에 등가인 6.7 fF으로 제한될 수 있다.
도 10은 가동 전극의 특정 변위 δ/d 하에서의 평행 용량 Cp/C0 = 0.7에 대한 비선형성 NL의 변화를 도시한 것이다. NL(C)은 역수 처리를 하지 않았을 때의 비선형성을 지시하고, NL(1/C)은 역수 처리를 했을 때의 비선형성을 지시한다. 기생 용량는 역수 처리를 함으로써 감소하고, 그것에 의하여 비선형성이 감소되고 고도의 정확도를 이룰 수 있음을 이해할 수 있다. 특정 평행 용량 Cp/C0가 1이하인 범위에서, 비선형성은 10%보다 작아지고 고도의 정확도를 이룰 수 있다.
본 발명은 센서에 작용하는 외력을 압력으로만 제한하지 않으며 가동 전극을 옮겨놓는 어떠한 외력에도 적용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 출력의 비선형성이 감소된 고정확 정전 용량형의 물리적 센서를 제공할 수 있다. 상기 센서에 있어서, 가동 전극은 주변부와 주변부보다 더 큰 탄성이나 더 두꺼운 두께를 갖는 중앙부로 구성되고, 고정 전극은 이것을 가동 전극에 대해 법선 방향으로부터 볼 때 전극 리드부를 제외한 가동전극의 고탄성 중앙부의 범위보다 크지 않은 치수를 갖는다. 또한, 센서 주변에 생성된 기생 용량의 감지부에 대해 평행한 성분의 정전 용량의 크기는 감지부의 기본 용량보다 크지 않게 만들어진다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 따른 여러 가지 센서의 실시예를 도시한 블록 회로도,
도 2a는 본 발명에 따른 압력센서의 일실시예를 도시한 단면도,
도 2b는 도 2a의 일부를 나타낸 확대도,
도 3은 본 발명에 따른 센서의 다른 실시예의 탑재구조를 도시한 단면도,
도 4는 본 발명에 따른 센서의 또다른 실시예의 탑재구조를 도시한 단면도,
도 5a 내지 도 5f는 본 발명에 따른 센서부의 제조공정을 도시한 단면도,
도 6은 본 발명의 감지용량의 다른 실시예인 정전용량형 센서를 나타낸 도면,
도 7은 가동전극이 변형된 도 6의 센서를 도시한 단면도,
도 8은 도 6의 센서의 확대 측면도,
도 9는 본 발명에 따른 정전용량형 센서의 비선형특성 및 종래의 정전용량형 센서의 비선형특성을 도시한 그래프,
도 10은 비선형특성을 갖는 기생용량종속성을 도시한 그래프,
도 11은 종래의 반도체 압력센서를 도시한 단면도,
도 12는 인가된 압력에 의해 가동전극이 변형될 경우의 종래의 센서를 도시한 단면도,
도 13은 종래의 반도체 압력센서에 있어서 가동전극의 압력과 용량변화사이의 관계를 도시한 그래프,
도 14는 종래의 다른 반도체 압력센서를 나타내는 단면도,
도 15는 종래의 다른 정전용량형 센서를 나타내는 단면도이다.

Claims (10)

  1. 정전용량을 활용한 반도체 압력 센서에 있어서,
    제1 압력감지 정전용량, 제2 압력감지 정전용량, 기준 정전용량은 실리콘 칩의 두개의 대향측면 중 하나에 형성되고, 절대압력은 상기 제1 압력감지 정전용량의 용량 변화로부터 검출되며, 대기압력은 상기 제2 압력감지 정전용량의 용량 변화로부터 검출되고, 온도는 상기 기준 정전용량의 용량 변화로부터 검출되는 것을 특징으로 하는 반도체 압력 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 압력감지 정전용량, 제2 압력감지 정전용량 및 상기 기준 정전용량으로부터의 신호를 처리하는 신호처리회로는 상기 복수의 용량이 형성된 면과 동일한 측면에 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 압력 센서.
  3. 제 1항에 있어서,
    대기압력에 대한 상대압력은 상기 제1 압력감지 정전용량의 용량 변화와 상기 제2 압력감지 정전용량의 용량 변화 사이의 차로부터 검출되는 것을 특징으로 하는 반도체 압력 센서.
  4. 제 1항에 있어서,
    압력에 응답하여 가동되는 가동 전극으로 작동하는 다이아프램과, 상기 다이아프램과 고정전극 사이에 형성되는 공간을 통해 상기 다이아프램에 대향하여 형성되고, 상기 다이아프램으로부터 절연되는 상기 고정전극으로 구성된 각각의 정전용량 쌍;
    압력 도입 구멍을 구비한 기판을 포함하고,
    상기 다이아프램과 상기 압력 도입 구멍을 구비한 기판의 둘레가 접합막을 통해 기밀하게 접합됨으로써, 상기 제1 압력감지 정전용량, 상기 제2 압력감지 정전용량 및 상기 기준 정전용량이 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 압력 센서.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 접합막은 도전성 막 재료로 만들어지고, 막과 유리로 만들어진 기판 중 어느 하나를 통해 압력 도입 구멍을 구비한 보강 실리콘판에 정전기적으로 접합되는 것을 특징으로 하는 반도체 압력 센서.
  6. 제 3항에 있어서,
    신호처리회로는 상기 복수의 용량이 형성된 실리콘 칩의 주요측면 또는 동일한 표면에 일체로 형성되고, 상기 신호처리 회로의 둘레에 형성된 전도성 접합 막 및 유리 막과 유리 기판 중 어느 하나에 의해 기밀하게 정전기적으로 접합되는 것을 특징으로 하는 반도체 압력 센서.
  7. 제 6항에 있어서,
    실리콘 칩의 동일 표면 상에 형성된 상기 제1 압력감지 정전용량, 상기 제2 압력감지 정전용량의 정전 용량 변화는 전압 신호로 변환되고 그 후 대기압력에 대한 상대압력이 상기 전압 신호들 사이의 차로부터 검출되는 것을 특징으로 하는 반도체 압력 센서.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 압력감지 정전용량 및 상기 제2 압력감지 정전용량은 기판 상의 고정 전극과, 상기 고정 전극에 대향하여 배치되고 둘레에서 지지대에 의해 지지되는 가동 전극을 포함하고,
    상기 가동 전극은 중앙부와 상기 중앙부 보다 더 많이 변형가능한 주변부로 구성되는 변위부를 구비하고, 상기 고정 부분은 상기 가동 전극의 상기 중앙부의 범위보다 크지 않은 치수를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 압력 센서.
  9. 정전 커패시턴서형 반도체 압력 센서에 있어서,
    기판 상의 고정 전극, 및
    상기 고정 전극에 대향하여 배치되고, 둘레에서 지지대에 의해 지지되는 가동 전극을 포함하고,
    상기 가동 전극은 중앙부와 상기 중앙부 보다 더 많이 변형가능한 주변부로 구성되는 변위부를 구비하고, 상기 고정 전극은 상기 가동 전극의 상기 중앙부의 범위보다 크지 않은 치수를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 압력 센서.
  10. 정전 용량형 센서에 있어서,
    기판 상의 고정된 전극,
    외력을 받아 변형되는 가동 전극을 포함하고,
    상기 가동 전극은 중앙부와 상기 중앙부 보다 더 많이 변형가능한 주변부로 구성되는 변위부를 구비하고, 상기 고정 전극은 상기 가동 전극의 상기 중앙부의 범위 보다 크지 않은 치수를 갖으며,
    상기 센서의 주변에서 발생하는 기생 전극 용량의 센서부에 대하여 평행 성분의 정전 용량의 크기가 상기 센서부의 기본용량 보다 더 작은 것을 특징으로 하는 반도체 압력 센서.
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