KR101222746B1 - 압력 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 소형의 고성능 압력 센서를 제공하는 것을 과제로 한다.
센서 칩(10)과, 센서 칩(10)의 중앙부에 설치된 차압용 다이어프램(4)과, 차압용 다이어프램(4)에 설치된 차압용 게이지(5)와, 차압용 다이어프램(4)의 외측 둘레부에 설치된 정압용 다이어프램(17)과, 정압용 다이어프램(17)의 단부에 형성된 제1 정압용 게이지(16d)와, 정압용 다이어프램(17)의 중앙부에 형성된 제2 정압용 게이지(15b)를 포함한 압력 센서이다.

Description

압력 센서{PRESSURE SENSOR}
본 발명은 압력 센서에 관한 것이며, 특히 상세하게는 다이어프램을 갖는 압력 센서에 관한 것이다.
반도체의 피에조 저항 효과를 이용한 압력 센서는 소형, 경량, 고감도이기 때문에, 공업 계측, 의료 등의 분야에서 널리 이용되고 있다. 이러한 압력 센서에서는, 반도체 기판 상에 다이어프램이 형성되어 있다. 그리고, 다이어프램에 왜곡 게이지가 형성되어 있다. 다이어프램에 가해지는 압력에 따라 왜곡 게이지가 변형된다. 이에, 피에조 저항 효과에 의한 왜곡 게이지의 저항 변화를 검출하여 압력을 측정한다.
또, 크로스토크를 저감하기 위해, 정압 검출용 게이지가 최적 위치에 설치된 압력 센서가 개시되어 있다(특허문헌 1). 특허문헌 1의 압력 센서에서는, 센서 칩과 대좌의 접합부의 외측에, 정압 검출용 게이지가 설치된다. 구체적으로는, 센서 칩의 중앙에, 정방형의 차압용 다이어프램을 형성한다. 그리고, 차압용 다이어프램의 둘레 가장자리부 또는 중심부에 차압 검출용 게이지를 설치한다. 차압용 다이어프램의 외측에 정압 검출용 게이지를 설치한다.
또한, 반도체 기판 상에, 정압 검출용 다이어프램이 설치된 것이 개시되어 있다(특허문헌 2). 특허문헌 2의 압력 센서에서는, 원형의 차압용 다이어프램의 외측 둘레에 원륜형의 정압용 다이어프램이 형성된다. 그리고, 정압용 다이어프램에는 4개의 정압용 게이지가 형성된다. 둘레 방향에서, 4개의 정압용 게이지는 등간격으로 배치된다. 즉, 2개의 정압용 게이지가 차압용 다이어프램을 사이에 두고 대향하도록 배치된다. 정압용 다이어프램을 형성함으로써, 정압의 감도를 향상시킬 수 있다.
상기와 같이, 왜곡에 따라 저항이 변화하는 피에조 저항 소자가 게이지로서 이용된다. 즉, 압력에 의해 생긴 반도체 기판의 왜곡에 따라서, 피에조 저항 소자의 저항이 변화한다. 브릿지 회로에 의해 저항의 변화량을 검출함으로써 압력을 측정할 수 있다.
일본 특허 공개 제2002-277337호 공보 일본 특허 공개 평6-213746호 공보
그런데, 게이지로서 이용되고 있는 피에조 저항 소자는 측정 분위기 온도에 따라 영향을 받는다. 예를 들어, 반도체 기판과 유리 대좌 등의 열팽창 계수의 차이에 의해 열응력이 발생한다. 이 열응력에 의해, 반도체 기판 상의 게이지에 왜곡이 생긴다. 따라서, 측정 분위기 온도가 상이한 경우, 측정 오차의 원인이 된다.
또, 압력 센서에 있어서 소형화를 도모하기 위해서는, 다이어프램을 작게 해야 한다. 그러나, 다이어프램을 작게 하면, 측정 감도가 저하된다. 예를 들어, 정압 검출용 다이어프램의 애스펙트비(길이와 두께의 비)를 일정하게 하면, 응력의 피크값은 일정해진다. 그러나, 애스펙트비를 일정하게 해도, 다이어프램을 작게 하면, 응력의 피크폭이 작아진다. 이 때문에, 감도를 충분히 취하는 것이 어려워진다. 환언하면, 측정 감도를 높게 하기 위해 다이어프램을 크게 하면, 압력 센서의 소형화를 도모하는 것이 어려워진다.
이와 같이, 소형이며 고성능인 압력 센서를 실현하는 것은 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 소형이며 고성능인 압력 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 제1 압력 센서는, 기판과, 이 기판의 중앙부에 설치된 차압용 다이어프램과, 이 차압용 다이어프램에 설치된 차압용 게이지와, 차압용 다이어프램의 외측 둘레부에 설치된 2개의 정압용 다이어프램과, 2개의 정압용 다이어프램 중 제1 정압용 다이어프램의 단부에 형성된 제1 정압용 게이지와, 2개의 정압용 다이어프램 중 제2 정압용 다이어프램의 중앙부에 형성된 제2 정압용 게이지를 포함하는 것이다. 여기서, 차압용 다이어프램의 중심과 제1 정압용 다이어프램의 중심을 연결하는 직선과, 차압용 다이어프램의 중심과 제2 정압용 다이어프램의 중심을 연결하는 직선을 직교시킬 수 있다.
또, 본 발명에 따른 제2 압력 센서는, 기판과, 이 기판의 중앙부에 설치된 차압용 다이어프램과, 이 차압용 다이어프램에 설치된 차압용 게이지와, 차압용 다이어프램의 외측 둘레부에 설치된 1개의 정압용 다이어프램과, 정압용 다이어프램의 단부에 형성된 제1 정압용 게이지와, 정압용 다이어프램의 중앙부에 형성된 제2 정압용 게이지를 포함하는 것이다. 여기서, 정압용 다이어프램의 기판 중심측의 단부 또는 기판단(端)측의 단부에 제1 정압용 게이지를 형성할 수 있다.
이러한 구성을 채택하면, 압력 센서를 소형화한 경우라도 측정 감도의 저하를 억제할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 압력 센서에서는, 제1 정압용 게이지가 정압용 다이어프램의 단부에, 제2 정압용 게이지가 정압용 다이어프램의 중앙부에, 각각 형성되기 때문에, 압력 인가로 생긴 왜곡에 기인하는 저항 변동이 이들 2개의 정압용 게이지의 한쪽에서 플러스가 되고, 다른 한쪽에서 마이너스가 된다. 이 때문에, 정압에 대한 측정 감도의 저하를 억제할 수 있다. 그리고, 이들 2개의 정압용 게이지는, 1개의 정압용 다이어프램의 단부와 중앙부에 배치될 수 있고, 많아도 2개의 정압용 다이어프램이 있으면 충분하기 때문에, 정압용 다이어프램의 개수를 1개 또는 2개까지 저감시킬 수 있다. 이 때문에, 압력 센서의 소형화를 달성할 수 있다.
또, 이러한 구성을 채택하면, 온도 변화에 따른 측정 오차를 억제할 수도 있다. 즉, 본 발명에 따른 압력 센서에서는, 제1 정압용 게이지가 정압용 다이어프램의 단부에, 제2 정압용 게이지가 정압용 다이어프램의 중앙부에, 각각 형성되기 때문에, 온도 변화 시에 생긴 응력에 기인하는 저항 변동이 이들 2개의 정압용 게이지의 쌍방에서 동일한 방향이 된다. 이 때문에, 온도 변화에 따른 출력 변동을 억제할 수 있다.
그 결과, 소형이며 고성능인 압력 센서를 얻는 것이 가능해진다.
본 발명에 따른 압력 센서에 있어서, 차압용 다이어프램의 중심에 대한 직경 방향을 따라서 정압용 다이어프램의 짧은 방향을 배치하고, 정압용 다이어프램의 짧은 방향과 수직인 방향을 따라서 제1 및 제2 정압용 게이지를 형성할 수 있다.
또, 본 발명에 따른 압력 센서에 있어서, 정압용 다이어프램을 직사각형으로 형성하는 것이 바람직하다.
또, 본 발명에 따른 압력 센서에 있어서, 정압용 다이어프램을, 차압용 다이어프램을 둘러싸는 원륜형으로 형성할 수도 있다. 이러한 경우에, 정압용 다이어프램을 원형 또는 다각형으로 형성할 수 있고, 또한 원륜형의 정압용 다이어프램과 원형 또는 다각형의 차압용 다이어프램을 동심원형으로 배치해도 좋다.
또, 본 발명에 따른 압력 센서에 있어서, 기판을 원형 또는 다각형으로 형성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 소형이며 고성능인 압력 센서를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 압력 센서의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 2는 도 1의 II-II 단면도이다.
도 3은 도 1의 III-III 단면도이다.
도 4는 정압용 게이지에 의해 구성되는 브릿지 회로와, 그 압력 인가 시의 저항 변동을 나타내는 개념도이다.
도 5는 압력 인가 시에 센서 칩의 중심으로부터의 응력 분포도이다.
도 6은 정압용 게이지에 의해 구성되는 브릿지 회로와, 그 온도 인가 시의 저항 변동을 나타내는 개념도이다.
도 7은 온도 인가 시에 센서 칩의 중심으로부터의 응력 분포도이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 압력 센서의 다른 구성예를 나타내는 평면도이다.
도 9는 압력 센서의 제조 공정을 나타내는 도면이다.
도 10은 압력 센서의 제조 공정을 나타내는 공정 단면도이다.
도 11은 압력 센서의 다른 제조 공정을 나타내는 도면이다.
도 12는 압력 센서의 다른 제조 공정을 나타내는 공정 단면도이다.
도 13은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 압력 센서의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 14는 본 발명의 제3 실시형태에 따른 압력 센서의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 15는 본 발명의 제3 실시형태에 따른 압력 센서의 다른 구성을 나타내는 평면도이다.
도 16은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 압력 센서의 다른 구성을 나타내는 평면도이다.
이하에서는, 본 발명을 적용한 구체적인 실시형태에 관해, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.
<제1 실시형태>
우선, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 압력 센서에 관해 설명한다. 도 1은 본 실시형태에 따른 압력 센서에 이용되고 있는 센서 칩의 구성을 나타내는 평면도이다. 도 2는 도 1의 II-II 단면도이고, 도 3은 III-III 단면도이다. 본 실시형태에 따른 압력 센서는 반도체의 피에조 저항 효과를 이용한 반도체 압력 센서이다.
압력 센서는 반도체 기판을 포함하는 센서 칩(10)을 갖는다. 센서 칩(10)은 정방형으로 되어 있다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 정방형의 센서 칩(10)의 각 꼭지점을 A, B, C, D로 하고, 좌측 위의 모서리를 모서리 A, 우측 아래의 모서리를 모서리 B, 우측 위의 모서리를 모서리 C, 좌측 아래의 모서리를 모서리 D로 한다. 그리고, 모서리 A와 모서리 B를 연결하는 대각선을 대각선 AB로 하고, 모서리 C와 모서리 D를 연결하는 대각선을 대각선 CD로 한다. 센서 칩(10)은 정방형이므로, 대각선 AB와 대각선 CD는 직교한다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 센서 칩(10)은 베이스가 되는 제1 반도체층(1), 절연층(2) 및 제2 반도체층(3)의 3층 구조로 되어 있다. 예를 들어, 센서 칩(10)으로서, 제1 반도체층(1)과, 0.5 ㎛ 정도의 두께의 절연층(2) 및 제2 반도체층(3)을 포함하는 SOI(Silicon On Insulator) 기판을 이용할 수 있다. 제1 반도체층(1) 및 제2 반도체층(3)은, 예를 들어 n형 단결정 실리콘층으로 구성되어 있다. 절연층(2)은, 예를 들어 SiO2층으로 구성되어 있다. 제1 반도체층(1) 상에 절연층(2)이 형성된다. 또, 절연층(2) 상에 제2 반도체층(3)이 형성된다. 따라서, 제1 반도체층(1)과 제2 반도체층(3) 사이에 절연층(2)이 형성된다. 절연층(2)은 제1 반도체층(1)을 에칭할 때 에칭 스토퍼로서 기능한다. 제2 반도체층(3)은 차압용 다이어프램(4)을 구성한다. 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 차압용 다이어프램(4)은 칩의 중앙 부분에 설치된다.
센서 칩(10)의 중앙부에는, 차압을 검출하기 위한 차압용 다이어프램(4)이 설치된다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 제1 반도체층(1)이 제거됨으로써 차압용 다이어프램(4)이 형성된다. 즉, 차압용 다이어프램(4)에서는 센서 칩(10)이 얇아졌다. 여기서는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 차압용 다이어프램(4)은 정방형으로 형성된다. 또, 차압용 다이어프램(4)의 중심과 센서 칩(10)의 중심이 일치한다. 즉, 센서 칩(10)의 중심점은 대각선 AB와 대각선 CD의 교점 상에 있다. 그리고, 차압용 다이어프램(4)은 정방형의 센서 칩(10)에 대하여 45° 비스듬하게 배치된다. 따라서, 대각선 AB는 차압용 다이어프램(4)의 대향하는 2변의 중심을 수직으로 통과한다. 또, 대각선 CD는 차압용 다이어프램(4)의 대향하는 다른 2변의 중심을 수직으로 통과한다.
차압용 다이어프램(4)의 표면에는 차압용 게이지(5aㆍ5c)가 설치된다. 이들 2개의 차압용 게이지(5aㆍ5c)를 통합하여 차압용 게이지(5)로 칭한다. 차압용 게이지(5)가 차압용 다이어프램(4)의 단부에 설치된다. 즉, 차압용 게이지(5)는 차압용 다이어프램(4)의 둘레 가장자리부 상에 형성된다. 여기서, 정방형의 차압용 다이어프램(4)의 2변에 차압용 게이지(5)가 설치된다. 차압용 게이지(5)는 차압용 다이어프램(4)의 2변의 중앙에 설치된다. 차압용 다이어프램(4)의 중심과 모서리 A의 사이에는 차압용 게이지(5a)가 배치되어 있고, 차압용 다이어프램(4)의 중심과 모서리 C의 사이에는 차압용 게이지(5c)가 배치된다.
차압용 게이지(5)는 피에조 저항 효과를 갖는 왜곡 게이지이다. 따라서, 센서 칩(10)이 왜곡되면, 각 차압용 게이지(5aㆍ5c)의 저항이 변화한다. 센서 칩의 상면에는, 각 차압용 게이지(5aㆍ5c)와 접속되는 배선(도시하지 않음)이 형성된다. 예를 들어, 각 차압용 게이지(5aㆍ5c)의 양단에 배선이 접속되어 있다. 이 배선에 의해, 2개의 차압용 게이지(5)가 브릿지 회로에 결선되어 있다. 차압용 다이어프램(4)에 의해 이격된 공간의 압력차에 의해, 차압용 다이어프램(4)이 변형된다. 차압용 게이지(5)는 차압용 다이어프램(4)의 변형량에 따라서 저항이 변화한다. 이 저항 변화를 검출함으로써 압력을 측정할 수 있다. 차압용 게이지(5)는 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 센서 칩(10)의 표면에 형성된다.
2개의 차압용 게이지(5aㆍ5c)는 서로 평행하게 배치된다. 즉, 2개의 차압용 게이지(5aㆍ5c)의 긴 방향은 대각선 CD를 따라서 형성되어 있다. 그리고 차압용 게이지(5aㆍ5c)의 긴 방향의 양단에 배선(도시하지 않음)이 접속된다. 차압용 게이지(5)는 센서 칩(10)의 결정면 방위 (100)에서, 피에조 저항 계수가 최대가 되는 <110>의 결정축 방향과 평행하게 형성된다.
또한, 센서 칩(10)에는, 2개의 정압용 다이어프램(17bㆍ17d)이 설치된다. 이들 2개의 정압용 다이어프램(17bㆍ17d)을 통합하여 정압용 다이어프램(17)으로 칭한다. 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 제1 반도체층(1)이 제거됨으로써 정압용 다이어프램(17)이 형성된다. 즉, 정압용 다이어프램(17)에서는 센서 칩(10)이 얇아졌다. 정압용 다이어프램(17)은 차압용 다이어프램(4)의 외측 둘레부[즉, 차압용 다이어프램(4)의 외측]에 배치된다.
정압용 다이어프램(17b)은 도 1에 나타낸 바와 같이, 대각선 AB 상에서 센서 칩(10)의 중심점(대각선 AB와 대각선 CD의 교점)과 모서리 B 사이에 배치된다. 즉, 정압용 다이어프램(17b)은 센서 칩(10)의 중심점에서 이격되어 차압용 게이지(5a)와 반대측에 배치된다. 한편, 정압용 다이어프램(17d)은 도 1에 나타낸 바와 같이, 대각선 CD 상에서 센서 칩(10)의 중심점과 모서리 D 사이에 배치된다. 즉, 정압용 다이어프램(17d)은 센서 칩(10)의 중심점에서 이격되어 차압용 게이지(5c)와 반대측에 배치된다. 정압용 다이어프램(17bㆍ17d)은 동일한 크기, 형상으로 되어 있다.
정압용 다이어프램(17)은 직사각형으로 형성된다. 따라서, 정압용 다이어프램(17)의 긴 변과 짧은 변이 직교한다. 즉, 정압용 다이어프램(17)에는 긴 방향과 짧은 방향이 존재한다. 여기서, 센서 칩(10)의 중심점으로부터 외측을 향하여 연장되는 방향을 직경 방향(r방향)으로 한다. 즉, 센서 칩(10)의 중심점으로부터 센서 칩(10)의 단부를 향하는 방향이 직경 방향이 된다. 센서 칩(10)과 차압용 다이어프램(4)의 중심은 일치하기 때문에, 이 직경 방향은 차압용 다이어프램(4)의 중심에 대한 직경 방향이 된다. 그리고, 직경 방향과 직교하는 방향을 둘레 방향(θ 방향)으로 한다. 둘레 방향은 센서 칩(10)의 중심점을 중심으로 하는 원의 접선 방향에 대응한다. 정압용 다이어프램(17)의 짧은 변은 직경 방향과 평행하다. 정압용 다이어프램(17b)의 짧은 변은 대각선 AB와 평행하고, 정압용 다이어프램(17d)의 짧은 변은 대각선 CD와 평행하다. 따라서, 이들 2개의 정압용 다이어프램(17bㆍ17d)의 짧은 방향은 수직으로 되어 있다. 또, 대각선 AB 및 대각선 CD 상에서는, 정압용 다이어프램(17)의 긴 방향과 둘레 방향이 평행하게 되어 있다.
정압용 다이어프램(17b) 상에는 정압용 게이지(15b)가 형성되고, 정압용 다이어프램(17d) 상에는 정압용 게이지(16d)가 형성되어 있다. 정압용 게이지(15bㆍ16d)는 차압용 게이지(5)와 동일한 왜곡 게이지이다. 따라서, 센서 칩(10)이 왜곡되면, 피에조 저항 효과에 의해, 각 정압용 게이지(15bㆍ16d)의 저항이 변화한다. 정압용 게이지(15bㆍ16d)는 차압용 게이지(5)와 마찬가지로 브릿지 회로에 접속된다. 이에 따라, 정압을 측정할 수 있다. 정압용 게이지(15bㆍ16d)는 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 센서 칩(10)의 표면에 형성된다. 정압용 게이지(15bㆍ16d)의 긴 방향의 양단에 배선(도시하지 않음)이 접속된다. 그리고, 차압용 게이지(5)와 마찬가지로, 정압용 게이지(15bㆍ16d)는 브릿지 회로에 결선된다.
정압용 게이지(15b)는 대각선 AB 상에 형성되고, 정압용 게이지(16d)는 대각선 CD 상에 형성된다. 정압용 게이지(15b)는 본 발명에서의 제2 정압용 게이지에 해당하는 것이고, 정압용 다이어프램(17b)의 중앙부에 배치된다. 한편, 정압용 게이지(16d)는 본 발명에서의 제1 정압용 게이지에 해당하는 것이고, 정압용 다이어프램(17d)의 단부에 배치된다. 여기서는, 정압용 게이지(16d)는 정압용 다이어프램(17d)의 센서 칩 단부측의 둘레 가장자리 상(모서리 D측의 긴 변 상)에 형성된다.
센서 칩(10)의 중심점으로부터 정압용 게이지(15b)까지의 거리는 센서 칩(10)의 중심으로부터 정압용 게이지(16d)까지의 거리보다 짧다. 정압용 게이지(16d)를 센서 칩(10)의 중심측의 긴 변 상에 배치해도 좋다. 또, 본 실시형태에서는, 정압용 게이지(16d)를 정압용 다이어프램(17d)의 긴 변 상에 형성했지만, 긴 변 상에 한정되지 않고 정압용 다이어프램(17d)의 칩 중심측 또는 칩 단부측의 단부 근방에서 최대 응력이 발생하는 개소에 형성될 수도 있다.
이와 같이, 정압용 게이지(15b)와 정압용 게이지(16d)에서 정압용 다이어프램(17) 상에서의 정압용 게이지의 배치 위치를 바꾼다. 즉, 정압용 게이지(15b)를 정압용 다이어프램(17b)의 중앙부에 배치하고, 정압용 게이지(16d)를 정압용 다이어프램(17d)의 단부에 배치한다. 이와 같이 함으로써, 센서 칩(10)을 소형화한 경우에도 측정 감도의 저하를 방지할 수 있다. 또한, 측정 환경의 온도 변화에 따른 측정 오차를 억제할 수 있다. 즉, 압력 센서의 온도 특성을 향상시킬 수 있다. 상기 구성에 의해, 소형이며 고성능인 압력 센서를 실현할 수 있다.
우선, 측정 감도의 저하를 방지할 수 있는 이유에 관해, 도 4 및 도 5를 이용하여 설명한다. 도 4는 정압용 게이지(15bㆍ16d)에 의해 구성되는 브릿지 회로와 그 저항 변동을 나타내는 개념도이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 2개의 정압용 게이지(15bㆍ16d)와 2개의 외부 고정 저항이 저항 소자가 되어, 예를 들어 휘트스톤 브릿지 회로를 구성한다. 도 5는 3.5 MPa를 인가했을 때, 센서 칩(10)의 중심점으로부터의 응력 분포를 나타내는 도면이다. 도 5는 대각선 CD상에서의 응력의 시뮬레이션 결과를 나타내고 있다. 시뮬레이션에 의한 해석에는, 유한 요소법(Finite Element Method : FEM)을 이용하고 있다. 도 5에서, 횡축은 센서 칩(10)의 중심으로부터의 거리를 나타내고, 종축은 응력을 나타내고 있다. 도 5에서, 좌측의 화살표가 정압용 다이어프램(17)의 중앙 위치에 대응하고, 우측의 화살표가 정압용 다이어프램(17)의 외측 엣지에 대응한다.
정압용 다이어프램(17)의 중앙부와 단부에서는, 압력 인가 시에 발생하는 응력의 방향이 반대가 된다. 예를 들어, 3.5 MPa를 인가했을 때에는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 정압용 다이어프램(17)의 중앙부(좌측 화살표)에서 응력이 마이너스가 되고, 단부(우측 화살표)에서 응력이 플러스가 된다. 즉, 정압용 다이어프램(17)의 중앙부에서 응력이 마이너스의 피크가 되고, 단부에서 플러스의 피크가 된다.
여기서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 규정이 되는 압력에서의 정압용 게이지(15bㆍ16d)의 저항치를 외부 고정 저항의 저항치와 동일한 값 R로 한다. 압력 인가로 생긴 왜곡에 기인하는 정압용 게이지(16d)의 저항 변동의 절대치를 ΔR1로 하고, 정압용 게이지(15b)의 저항 변동의 절대치를 ΔR2로 한다. 그렇게 하면, 정압용 다이어프램(17)의 단부에 배치된 정압용 게이지(16d)에서는, 저항치가 R-ΔR1이 된다. 한편, 정압용 다이어프램(17)의 중앙부에 배치된 정압용 게이지(15b)에서는, 저항치가 R+ΔR2가 된다. ΔR1 및 ΔR2는 각각 플러스의 값이 되었다. 즉, 압력을 인가하면, 제1 정압용 게이지에 해당하는 정압용 게이지(16d)에서는 저항치가 내려가고, 제2 정압용 게이지에 해당하는 정압용 게이지(15b)에서는 저항치가 올라간다.
이와 같이, 규정 압력에서 변화하면 브릿지 회로의 저항 밸런스가 깨어져, 정압용 게이지(15b) 및 정압용 게이지(16d)에서, 저항 변동치의 부호가 반대가 된다. 즉, 2개의 정압용 게이지(15bㆍ16d)의 한쪽에서 저항 변동이 플러스가 되고, 다른 한쪽에서 저항 변동이 마이너스가 된다. 이에 따라, 브릿지 출력이 커져, 정압에 대한 측정 감도를 향상시킬 수 있다. 또한, 정압용 게이지(15bㆍ16d)가 정압용 다이어프램(17)의 긴 변을 따라서 형성되어 있다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 정압용 다이어프램(17)의 엣지 및 중앙에서 발생 응력이 피크가 된다. 그리고, 이 엣지 또는 중앙에, 정압용 다이어프램(17)의 긴 방향을 따른 정압용 게이지(15bㆍ16d)가 형성되어 있다. 브릿지 회로에서 검출되는 저항치 변화는 이 긴 방향을 따라서 적분된 값이 된다. 따라서, 발생 응력을 효율적으로 저항치 변화로 변환할 수 있다. 따라서, 측정 감도를 높게 할 수 있다.
다음으로, 측정 환경의 온도 변화에 따른 측정 오차를 억제할 수 있는 이유에 관해, 도 6 및 도 7을 이용하여 설명한다. 도 6은 도 4와 마찬가지로, 정압용 게이지(15bㆍ16d)에 의해 구성되는 브릿지 회로와 그 저항 변동을 나타내는 개념도이다. 도 7은 -40℃를 인가했을 때, 센서 칩(10)의 중심점으로부터의 응력 분포를 나타내는 도면이다. 도 7은 대각선 CD 상에서의 응력의 시뮬레이션 결과를 나타내고 있다. 시뮬레이션에 의한 해석에는, FEM(Finite Element Method)를 이용하였다. 도 7에서, 횡축은 센서 칩(10)의 중심점으로부터의 거리를 나타내고, 종축은 응력을 나타내고 있다. 도 7에서, 좌측의 화살표가 정압용 다이어프램(17)의 중앙 위치에 대응하고, 우측의 화살표가 정압용 다이어프램(17)의 외측 엣지에 대응한다.
온도 변화 시에 발생하는 응력에 기인하는 저항치 변화가 동일한 방향이 된다. 즉, 도 7에 나타낸 바와 같이, 정압용 다이어프램(17)의 엣지와 중앙에서, 응력이 동일한 방향으로 발생한다. 예를 들어, 온도 변화에 의해 정압용 다이어프램(17)의 엣지에 압축 응력이 발생한 경우, 정압용 다이어프램(17)의 중앙에도 압축 응력이 발생한다. 온도 변화에 의해 정압용 다이어프램(17)의 엣지에 인장 응력이 발생한 경우, 정압용 다이어프램(17)의 중앙에도 인장 응력이 발생한다. 따라서, 정압용 게이지(16d)의 저항치는 R+ΔR1이 되고, 정압용 게이지(15b)의 저항치는 R+ΔR2이 된다. ΔR1과 ΔR2는 양의 수이다. 따라서, 온도가 변화된 경우에도 브릿지 출력이 작아진다. 즉, 온도 변화에 의한 출력 변동이 억제된다. 따라서, 온도 변화에 따른 측정 오차를 억제할 수 있다. 이에 따라, 온도 특성을 향상시킬 수 있다.
정압용 게이지(15bㆍ16d) 및 정압용 다이어프램(17)을 상기와 같이 배치함으로써, 소형이며 고성능인 압력 센서를 실현할 수 있다. 또, 상기 설명에서는, 정압용 다이어프램(17)을 직사각형으로서 설명했지만, 정압용 다이어프램(17)의 형상은 직사각형에 한정되지 않는다. 예를 들어, 정압용 다이어프램을 타원형 등으로 해도 좋다. 또한, 상기 설명에서는, 정압용 다이어프램(17)을 센서 칩(10)의 2개의 모서리의 근방[정압용 게이지(15bㆍ16d)에 대응하는 개소]에 설치했지만, 둘레 방향으로 연속하도록 원륜형이나 다각형 등으로 형성해도 좋다.
예를 들어, 도 8의 (a)에 나타낸 바와 같이, 정압용 다이어프램(17)을 사각형의 액자형으로 할 수 있다. 또, 도 8의 (b)에 나타낸 바와 같이, 차압용 다이어프램(4)을 원형으로 하고, 정압용 다이어프램(17)을 원륜형으로 하여, 정압용 다이어프램(17)이 차압용 다이어프램(4)의 둘레를 둘러싸도록 할 수도 있다. 즉, 차압용 다이어프램(4)을 둘러싸는 홈을 형성하여 정압용 다이어프램(17)으로 할 수 있다. 바꾸어 말하면, 정압용 다이어프램(17)은 긴 방향과 짧은 방향을 갖고 있는 형상이면 된다. 그리고, 긴 방향과 직교하는 짧은 방향을 직경 방향을 따라서 배치하면 된다. 정압용 게이지(15bㆍ16d)의 긴 방향을 정압용 다이어프램의 긴 방향을 따라서 배치한다. 즉, 정압용 게이지(15bㆍ16d)의 긴 방향이 둘레 방향을 따라서 배치된다.
또, 상기 설명에서는, 기판 및 차압용 다이어프램(4)을 정방형으로 했지만, 이것에 한정되지 않고, 원형 등으로 해도 좋다. 또, 상기 설명에서는, 차압용 다이어프램(4)의 중심[센서 칩(10)의 중심]과 정압용 다이어프램(17b)의 중심을 연결하는 직선과, 차압용 다이어프램(4)의 중심과 정압용 다이어프램(17d)의 중심을 연결하는 직선이 직교하도록 정압용 다이어프램(17)을 배치했지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 차압용 다이어프램(4)을 사이에 두고 정압용 다이어프램(17b)과 정압용 다이어프램(17d)을 대향시켜, 정압용 다이어프램(17b)의 중심과, 차압용 다이어프램(4)의 중심과, 차압용 다이어프램(17d)의 중심이 동일 직선 상에 있도록 배치해도 좋다.
다음으로, 압력 센서의 제조 방법에 관해, 도 9 및 도 10을 이용하여 설명한다. 도 9는 압력 센서의 제조 방법을 나타내는 도면이며, 센서 칩(10)을 위에서 본 구성을 나타내고 있다. 도 10은 압력 센서의 제조 방법을 나타내는 공정 단면도이며, 도 9의 X-X 단면의 구성을 나타내고 있다.
우선, 제1 반도체층(1)과, 0.5 ㎛ 정도의 두께의 절연층(2)과, 제2 반도체층(3)을 포함하는 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼를 준비한다. 이 SOI 웨이퍼를 제작하기 위해서는, Si 기판 내에 산소를 주입하여 SiO2층을 형성하는 SIMOX(Separation by IMplanted OXygen) 기술을 이용해도 좋고, 2장의 Si 기판을 접합하는 SDB(Silicon Direct Bonding) 기술을 이용해도 좋으며, 그 밖의 방법을 이용해도 좋다. 제2 반도체층(3)을 평탄화 및 박막화해도 좋다. 예를 들어, CCP(Computer Controlled Polishing)으로 불리는 연마법 등에 의해, 정해진 두께까지 제2 반도체층(3)을 연마할 수 있다.
제2 반도체층(3)의 상면에, 불순물 확산 또는 이온 주입법에 의해 p형 Si로 이루어진 차압용 게이지(5aㆍ5c), 정압용 게이지(15bㆍ16d)를 형성한다. 이에 따라, 도 9의 (a) 및 도 10의 (a)에 나타내는 구성이 된다. 각 게이지는, 도 1 등에 나타낸 바와 같이, 각 다이어프램이 되는 개소의 정해진 위치에 형성된다. 차압용 게이지(5aㆍ5c) 및 정압용 게이지(15bㆍ16d)는 하기에 나타내는 다이어프램의 형성 공정 후에 형성되어도 좋다. 물론, 차압용 게이지(5)를 정압용 게이지(15bㆍ16d)와 상이한 특성으로 해도 좋다.
이와 같이 하여 형성된 SOI 웨이퍼의 하면에 레지스트(9)를 형성한다. 레지스트(9)의 패턴은 공지된 포토리소그래피 공정에 의해, 제1 반도체층(1) 상에 형성된다. 즉, 감광성 수지막을 도포하고, 노광, 현상함으로써 레지스트(9)의 패턴이 형성된다. 레지스트(9)는 감압 영역(다이어프램이 형성되는 영역)에 해당하는 부분에 개구부를 갖고 있다. 즉, 다이어프램이 형성되는 부분에는 제1 반도체층(1)이 노출되어 있다. 이에 따라, 도 10의 (b)에 나타내는 구성이 된다.
그리고, 레지스트(9)를 마스크로 하여 제1 반도체층(1)을 에칭한다. 이에 따라, 도 9의 (b) 및 도 10의 (c)에 나타내는 구성이 된다. 예를 들어, 공지된 ICP 에칭 등의 드라이 에칭을 이용하여, 제1 반도체층(1)을 에칭할 수 있다. 물론, KOH나 TMAH 등의 용액을 이용한 웨트 에칭에 의해 제1 반도체층(1)을 에칭해도 좋다. 제1 반도체층(1)을 에칭하면, 차압용 다이어프램(4) 및 정압용 다이어프램(17)이 형성된다. 여기서, 절연층(2)이 에칭 스토퍼로서 기능한다. 따라서, 레지스트(9)의 개구부에서는 절연층(2)이 노출되어 있다.
그리고, 레지스트(9)를 제거하면, 도 10의 (d)에 나타내는 구성이 된다. 그 후, 정압용 게이지(15bㆍ16d) 및 차압용 게이지(5)와 전기적 접속을 얻기 위한 배선(도시하지 않음)을 증착한다. 이에 따라, 센서 칩(10)이 완성된다. 배선을 형성하는 공정은 도 10의 (d) 이전에 실시되어도 좋다. 예를 들어, 도 10의 (a)의 전에 배선을 작성해도 좋고, 도 10의 (a)～(c) 사이에 배선을 작성해도 좋다. 또, 상기와 같이, 정압용 게이지(15bㆍ16d) 및 차압용 게이지(5)를 도 10의 (d) 후에 형성해도 좋고, 도 10의 (a)～(d) 사이에 형성해도 좋다. 즉, 배선의 형성 공정과 왜곡 게이지의 형성 공정의 순서는 특별히 한정되지 않는다.
이 센서 칩(10)을 대좌에 접합한다. 이 때문에, 대좌는 파이렉스(등록상표) 유리나 세라믹으로 형성된다. 예를 들어, 양극 접합에 의해 대좌가 센서 칩(10)의 제1 반도체층(1)에 접합된다. 대좌의 중심에는, 차압용 다이어프램(4)에 도달하는 관통 구멍이 형성되어 있다. 관통 구멍이 차압용 다이어프램(4)에 연통해 있다. 또, 정압용 다이어프램(17)이 형성되는 개소가 비접합부가 되도록, 대좌의 중앙부에는 볼록부가 형성되고, 외측 둘레부에는 오목부가 형성되어 있다. 따라서, 대좌의 볼록부와 오목부의 경계는 차압용 다이어프램(4)과 정압용 다이어프램(17)의 사이에 배치된다. 이렇게 하여 압력 센서의 제작이 끝난다. 이와 같이 작성된 압력 센서는 소형이며 고성능이다.
상기 설명에서는, 정압용 다이어프램(17)과 차압용 다이어프램(4)을 동시에 형성했지만, 이들을 따로따로 형성할 수도 있다. 즉, 상이한 에칭 공정에서, 차압용 다이어프램(4)과 정압용 다이어프램(17)을 형성해도 좋다. 이 제조 공정에 관해, 도 11 및 도 12를 이용하여 설명한다.
도 11은 압력 센서의 다른 제조 방법을 나타내는 도면이며, 센서 칩(10)을 위에서 본 구성을 나타내고 있다. 도 12는 압력 센서의 다른 제조 방법을 나타내는 공정 단면도이며, 도 11의 XII-XII 단면의 구성을 나타내고 있다. 도 9 및 도 10을 이용하여 설명한 내용과 동일한 내용에 관해서는 설명을 생략한다.
도 11의 (a) 및 도 12의 (a)에 나타낸 바와 같이 센서 칩이 되는 웨이퍼를 준비한다. 이 웨이퍼는 도 9의 (a)의 것과 동일하다. 그리고, 레지스트(9)의 패턴을 제1 반도체층(1) 상에 형성한다. 이에 따라 도 12의 (b)에 나타내는 구성이 된다. 여기서, 레지스트(9)는 차압용 다이어프램(4)이 형성되는 부분이 노출되도록 개구부를 갖고 있다. 즉, 정압용 다이어프램(17)이 형성되는 개소는 레지스트(9)로 덮여 있다.
그리고, 레지스트(9)를 마스크로 하여 제1 반도체층(1)을 에칭한다. 이에 따라, 도 12의 (c)에 나타내는 구성이 된다. 여기서는, 상기와 같이, 절연층(2)이 에칭 스토퍼가 되었다. 그리고, 레지스트(9)를 제거하면, 도 12의 (d) 및 도 11의 (b)에 나타내는 구성이 된다. 여기서는, 차압용 다이어프램(4)이 형성된다. 이 단계에서는, 정압용 다이어프램(17)이 되는 개소는 레지스트(9)로 덮여 있다. 따라서, 정압용 다이어프램(17)은 형성되어 있지 않다. 그리고, 레지스트(9)를 제거하면, 도 11의 (b) 및 도 12의 (d)에 나타내는 구성이 된다.
다음으로, 레지스트(19)의 패턴을 제1 반도체층(1) 상에 형성한다. 이에 따라, 도 12의 (e)에 나타내는 구성이 된다. 이 레지스트(19)는, 정압용 다이어프램(17)이 되는 개소에 개구부를 갖고 있다. 즉, 정압용 다이어프램(17)이 형성되는 영역에는 제1 반도체층(1)이 노출되어 있다. 한편, 차압용 다이어프램(4)이 형성된 영역에서는 절연층(2)이 레지스트(19)로 덮여 있다. 이 레지스트(19)를 마스크로 하여 제1 반도체층(1)을 에칭한다. 이에 따라, 정압용 다이어프램(17)이 형성되어, 도 12의 (f)에 나타내는 구성이 된다. 여기서는, 절연층(2)이 에칭 스토퍼로서 이용된다.
그리고, 레지스트(19)를 제거하면, 도 11의 (c) 및 도 12의 (g)에 나타내는 구성이 된다. 이에 따라, 센서 칩(10)이 완성된다.
이와 같이, 정압용 다이어프램(17)과 차압용 다이어프램(4)을 각각의 에칭 공정에서 형성해도 좋다. 이에 따라, 정압용 다이어프램(17)의 두께와 차압용 다이어프램(4)의 두께를 바꿀 수 있다. 즉, 정압용 다이어프램(17)의 두께와 차압용 다이어프램(4)의 두께를 용이하게 제어할 수 있다. 예를 들어, 차압용 다이어프램(4)과 정압용 다이어프램(17)의 두께를 각각 최적화할 수 있다. 따라서, 각각의 다이어프램의 두께가 최적화된 압력 센서를 용이하게 제조할 수 있다. 즉, 차압용 다이어프램(4)과 정압용 다이어프램(17)에서, 두께가 상이한 압력 센서를 제조할 수 있다. 이 경우, 적어도 한쪽의 에칭 공정에서는, 절연층(2)이 노출되기 전에 에칭을 종료한다.
<제2 실시형태>
다음으로, 본 발명의 제2 실시형태에 따른 압력 센서의 구성에 관해, 도 13을 이용하여 설명한다. 도 13은 본 실시형태에 따른 압력 센서에 이용되는 센서 칩(10)의 평면도이다. 본 실시형태에서는, 도 13의 (a)에 나타낸 바와 같이, 정압용 게이지가 2점 배치되어 있다. 즉, 센서 칩(10)의 모서리 D의 근방에 2개의 정압용 게이지가 배치되어 있다. 이들 이외의 구성에 관해서는, 제1 실시형태와 동일하기 때문에 설명을 생략한다.
도 13의 (a)에 나타낸 바와 같이, 1개의 정압용 다이어프램(17d)에 정압용 게이지(15bㆍ16d)가 형성된다. 그리고, 정압용 게이지(15b)가 정압용 다이어프램(17d)의 중앙부에 배치되고, 정압용 게이지(16d)가 정압용 다이어프램(17d)의 단부에 배치된다. 도 13의 (a)에 나타내는 구성에서는, 정압용 다이어프램(17b)이 불필요해지기 때문에, 센서 칩(10)(나아가서는 압력 센서)을 한층 더 소형화하는 것이 가능해진다. 이러한 구성이라 하더라도, 제1 실시형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 도 13의 (b)에 나타낸 바와 같이, 정압용 다이어프램(17)을 원륜형으로 하는 것도 가능하다. 도 13의 (b)에서는, 도 8의 (b)의 차압용 다이어프램(4)이 정방형인 구성을 갖고 있다. 그 밖의 구성에 관해서는, 제1 실시형태와 동일하기 때문에 설명을 생략한다.
본 실시형태에서도, 직경 방향에서, 정압용 게이지(16d)는 정압용 다이어프램(17)의 단부에 배치되고, 정압용 게이지(15b)는 정압용 다이어프램(17)의 중앙부에 배치된다. 따라서, 정압용 게이지(16d)로부터 센서 칩의 중심까지의 거리가 정압용 게이지(15b)로부터 센서 칩의 중심까지의 거리보다 길어졌다. 이러한 구성이라 하더라도, 제1 실시형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
<제3 실시형태>
계속해서, 본 발명의 제3 실시형태에 따른 압력 센서의 구성에 관해, 도 14를 이용하여 설명한다. 도 14는 압력 센서에 이용되는 센서 칩(10)의 평면도이다. 본 실시형태에 따른 압력 센서는 제1 실시형태에서 나타낸 압력 센서의 센서 칩 형상 및 다이어프램 형상이 상이하다. 구체적으로는, 센서 칩(10) 및 차압용 다이어프램(4)을 원형으로 하고, 정압용 다이어프램(17)을 원륜형으로 한다. 이들 이외의 기본적 구성은 제1 실시형태에서 나타낸 센서 칩(10)과 동일하기 때문에 설명을 생략한다. 즉, 특별히 설명이 없는 개소에 관해서는, 제1 실시형태와 동일하게 되어 있다. 또, 제조 공정에 관해서도, 제1 실시형태와 동일하기 때문에 설명을 생략한다.
본 실시형태에서는, 센서 칩(10)이 원형으로 되어 있다. 원형의 센서 칩(10)의 중심을 통과하는 직선을 선 EF 및 선 GH로 한다. 이 선 EF 및 선 GH는 서로 직교한다. 선 EF 및 선 GH는 제1 실시형태에서 나타낸 대각선 AB 및 대각선 CD에 대응한다. 그리고, 이 센서 칩(10)의 중앙부에 차압용 다이어프램(4)이 형성된다.
차압용 다이어프램(4)은 원형으로 되어 있다. 차압용 다이어프램(4)은 센서 칩(10)과 동심원으로 되어 있다. 따라서, 차압용 다이어프램(4)의 중심은 선 EF와 선 GH의 교점과 일치한다. 제1 실시형태와 마찬가지로, 차압용 다이어프램(4)의 둘레 가장자리에 차압용 게이지(5)가 형성된다.
또한, 차압용 다이어프램(4)의 외측 둘레부에는, 정압용 다이어프램(17)이 설치된다. 본 실시형태에서는, 원륜형의 정압용 다이어프램(17)이 1개만 설치된다. 즉, 제1 실시형태에서 나타낸 2개의 정압용 다이어프램(17) 대신, 링형의 정압용 다이어프램(17)이 1개만 설치된다. 센서 칩(10)에 원륜형의 홈을 형성함으로써, 정압용 다이어프램(17)이 형성된다. 정압용 다이어프램(17)은 차압용 다이어프램(4)을 둘러싸도록 배치된다. 원륜형의 정압용 다이어프램(17)은 센서 칩(10) 및 차압용 다이어프램(4)과 동심원형으로 되어 있다. 즉, 정압용 다이어프램(17)의 외측 가장자리 및 내측 가장자리가 원형으로 되어 있고, 그 원의 중심이 선 EF와 선 GH의 교점과 일치한다.
그리고, 정압용 다이어프램(17)에는, 정압용 게이지(15f) 및 정압용 게이지(16h)가 설치된다. 정압용 게이지(15f)는 선 EF 상에 배치되고, 정압용 게이지(16h)는 선 GH 상에 배치된다. 정압용 게이지(15f)는 정압용 다이어프램(17)의 중앙부에 형성된다. 정압용 게이지(16h)는 정압용 다이어프램(17)의 중앙부에 형성된다. 여기서는, 정압용 게이지(16h)는 정압용 다이어프램(17)의 외측 가장자리 상에 형성된다. 그리고, 정압용 게이지(15fㆍ16h)는 원륜의 폭방향과 수직인 방향을 따라서 형성된다. 즉, 정압용 게이지(15fㆍ16h)의 긴 방향이 둘레 방향과 일치하고, 정압용 게이지(15fㆍ16h)의 긴 변은 정압용 다이어프램(17)의 직경 방향과 수직으로 되어 있다.
이러한 구성을 채택함으로써, 제1 실시형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 즉, 제1 실시형태에서 설명한 바와 같이, 압력 인가 시에, 정압용 게이지(15f) 및 정압용 게이지(16h)에서 저항 변동치의 부호가 반대가 된다. 즉, 정압용 게이지(15f) 및 정압용 게이지(16h)의 한쪽에서 저항 변동이 플러스가 되고, 다른 한쪽에서 저항 변동이 마이너스가 된다. 이에 따라, 브릿지 출력이 커져, 정압에 대한 측정 감도를 향상시킬 수 있다. 본 실시형태에서는 정압용 게이지(15f)를 선 EF 상에, 정압용 게이지(16h)를 선 GH 상에 배치했지만, 이러한 배치에 한정되지 않고, 정압용 게이지(15f)와 정압용 게이지(16h)를 각각 원륜형의 정압용 다이어프램(17)의 엣지 상에 또는 중심 상에 형성하면 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 온도 변화 시에 발생하는 응력에 기인하는 저항치 변화가 동일한 방향이 된다. 즉, 정압용 다이어프램(17)의 엣지와 중앙에서, 응력이 동일한 방향으로 발생하여, 저항치가 플러스 방향으로 변화한다. 따라서, 온도가 변화한 경우에도 브릿지 출력이 작아진다. 따라서, 온도 변화에 따른 측정 오차를 억제할 수 있다. 이에 따라, 온도 특성을 향상시킬 수 있다.
정압용 게이지(15f), 정압용 게이지(16h) 및 정압용 다이어프램(17)을 상기와 같이 배치함으로써, 소형이며 고성능인 압력 센서를 실현할 수 있다.
도 14에서는, 차압용 다이어프램(4) 및 정압용 다이어프램(17)의 외측 가장자리ㆍ내측 가장자리를 원형으로 했지만, 다각형으로 해도 좋다. 이 경우, 원형에 가까운 정다각형으로 하는 것이 바람직하다. 정다각형의 모서리의 수를 짝수로 하고, 또한 2n(n은 3 이상의 자연수)으로 하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 정팔각형 이상의 정다각형으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 정십육각형 이상의 정다각형으로 하는 것이 보다 바람직하다. 예를 들어, 정십육각형, 정삼십이각형, 정육십사각형 등으로 모서리의 수를 늘려도 좋다. 다각형의 모든 모서리에서, 센서 칩(10)의 중심으로부터의 거리가 똑같다. 물론, 차압용 다이어프램(4)과 정압용 다이어프램(17)의 한쪽을 다각형으로 하고, 다른 한쪽을 원형으로 해도 좋다.
예를 들어, 도 15에 나타낸 바와 같이, 차압용 다이어프램(4)을 정팔각형으로 하고, 정압용 다이어프램(17)을 원형으로 해도 좋다. 즉, 정압용 다이어프램(17)의 내측 가장자리 및 외측 가장자리를 원형으로 한다. 반대로, 차압용 다이어프램(4)을 원형으로 하고, 정압용 다이어프램(17)을 정다각형으로 해도 좋다.
또한, 도 16에 나타낸 바와 같이, 차압용 다이어프램(4) 및 정압용 다이어프램(17) 양쪽을 정다각형으로 해도 좋다. 도 16에서는, 차압용 다이어프램(4) 및 정압용 다이어프램(17) 양쪽을 정십육각형으로 하고 있다. 따라서, 정압용 다이어프램(17)의 내측 가장자리 및 외측 가장자리가 정십육각형으로 되어 있다. 이와 같이, 다이어프램을 다각형으로 하더라도, 거의 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또, 센서 칩(10)을, 차압용 다이어프램(4)이나 정압용 다이어프램(17)과 마찬가지로 정다각형으로 해도 좋다. 각각의 실시형태를 적절하게 조합해도 좋다.
1 : 제1 반도체층 2 : 절연층
3 : 제2 반도체층 4 : 차압용 다이어프램
5(5aㆍ5c) : 차압용 게이지 9ㆍ19 : 레지스트
10 : 센서 칩
15bㆍ15f : 정압용 게이지(제2 정압용 게이지)
16dㆍ16h : 정압용 게이지(제1 정압용 게이지)
17(17bㆍ17d) : 정압용 다이어프램

Claims (10)

  1. 기판과,
    상기 기판의 중앙부에 설치된 차압용 다이어프램과,
    상기 차압용 다이어프램에 설치된 차압용 게이지와,
    상기 차압용 다이어프램의 외측 둘레부에 설치된 2개의 정압용 다이어프램과,
    상기 2개의 정압용 다이어프램 중 제1 정압용 다이어프램의 단부에 형성된 제1 정압용 게이지와,
    상기 2개의 정압용 다이어프램 중 제2 정압용 다이어프램의 중앙부에 형성된 제2 정압용 게이지
    를 포함하고,
    상기 차압용 다이어프램의 중심과 상기 제1 정압용 다이어프램의 중심을 연결하는 직선과, 상기 차압용 다이어프램의 중심과 상기 제2 정압용 다이어프램의 중심을 연결하는 직선이 직교하도록 구성되는 것인 압력 센서.
  2. 삭제
  3. 기판과,
    상기 기판의 중앙부에 설치된 차압용 다이어프램과,
    상기 차압용 다이어프램에 설치된 차압용 게이지와,
    상기 차압용 다이어프램의 외측 둘레부에 설치된 1개의 정압용 다이어프램과,
    상기 정압용 다이어프램의 단부에 형성된 제1 정압용 게이지와,
    상기 정압용 다이어프램의 중앙부에 형성된 제2 정압용 게이지
    를 포함하고,
    상기 제1 정압용 게이지는 상기 정압용 다이어프램의 기판 중심측의 단부 또는 기판단(端)측의 단부에 형성되는 것인 압력 센서.
  4. 삭제
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 차압용 다이어프램의 중심에 대한 직경 방향을 따라서 상기 정압용 다이어프램의 짧은 방향이 배치되고,
    상기 제1 및 제2 정압용 게이지는 상기 정압용 다이어프램의 짧은 방향과 수직인 방향을 따라서 형성되는 것인 압력 센서.
  6. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 정압용 다이어프램은 직사각형으로 형성되는 것인 압력 센서.
  7. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 정압용 다이어프램은 상기 차압용 다이어프램을 둘러싸는 원륜형으로 형성되는 것인 압력 센서.
  8. 제7항에 있어서, 상기 정압용 다이어프램은 원형 또는 다각형으로 형성되는 것인 압력 센서.
  9. 제7항에 있어서, 원륜형의 상기 정압용 다이어프램과 원형 또는 다각형의 상기 차압용 다이어프램은 동심원형으로 배치되는 것인 압력 센서.
  10. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 기판은 원형 또는 다각형으로 형성되는 것인 압력 센서.
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Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5658477B2 (ja) * 2010-04-13 2015-01-28 アズビル株式会社 圧力センサ
JP5454628B2 (ja) * 2012-06-29 2014-03-26 株式会社デンソー 圧力センサ
FI125958B (en) 2013-05-10 2016-04-29 Murata Manufacturing Co Improved safe measuring box
EP2824438A1 (en) * 2013-07-12 2015-01-14 Siemens Aktiengesellschaft Pressure sensor
US10317297B2 (en) * 2013-12-11 2019-06-11 Melexis Technologies Nv Semiconductor pressure sensor
JP5970018B2 (ja) * 2014-03-31 2016-08-17 アズビル株式会社 圧力センサチップ
JP2016095284A (ja) * 2014-11-17 2016-05-26 セイコーエプソン株式会社 電子デバイス、物理量センサー、圧力センサー、高度計、電子機器および移動体
EP3112830B1 (en) 2015-07-01 2018-08-22 Sensata Technologies, Inc. Temperature sensor and method for the production of a temperature sensor
US9638559B1 (en) * 2016-02-10 2017-05-02 Sensata Technologies Inc. System, devices and methods for measuring differential and absolute pressure utilizing two MEMS sense elements
US10428716B2 (en) 2016-12-20 2019-10-01 Sensata Technologies, Inc. High-temperature exhaust sensor
JP6762896B2 (ja) 2017-03-22 2020-09-30 アズビル株式会社 圧力センサチップ、圧力発信器、および圧力センサチップの製造方法
US10502641B2 (en) 2017-05-18 2019-12-10 Sensata Technologies, Inc. Floating conductor housing
JP6820102B2 (ja) * 2017-08-14 2021-01-27 アズビル株式会社 トルク検出器及びトルク検出器の製造方法
US11650110B2 (en) * 2020-11-04 2023-05-16 Honeywell International Inc. Rosette piezo-resistive gauge circuit for thermally compensated measurement of full stress tensor

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06102128A (ja) * 1992-09-18 1994-04-15 Hitachi Ltd 半導体複合機能センサ
US20100083766A1 (en) * 2008-10-07 2010-04-08 Yamatake Corporation Pressure sensor
KR20100039224A (ko) * 2008-10-07 2010-04-15 가부시키가이샤 야마다케 압력 센서

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1540716A (en) * 1975-03-18 1979-02-14 Bell & Howell Ltd Pressure or force transducers
US4320664A (en) * 1980-02-25 1982-03-23 Texas Instruments Incorporated Thermally compensated silicon pressure sensor
US4530244A (en) * 1982-01-04 1985-07-23 Honeywell Inc. Semiconductor pressure transducer
JPS63114048U (ko) * 1987-01-16 1988-07-22
CN1028447C (zh) * 1990-03-19 1995-05-17 株式会社日立制作所 集成复合传感器以及使用该集成复合传感器的静压和差压传送器
US5291788A (en) * 1991-09-24 1994-03-08 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor pressure sensor
JP2783059B2 (ja) * 1992-04-23 1998-08-06 株式会社日立製作所 プロセス状態検出装置、及び半導体センサおよびその状態表示装置
JPH06213746A (ja) * 1993-01-14 1994-08-05 Yamatake Honeywell Co Ltd 半導体圧力センサ
CN1052538C (zh) * 1993-09-10 2000-05-17 横河电机株式会社 半导体式差压测量装置
JP3114453B2 (ja) * 1993-10-05 2000-12-04 株式会社日立製作所 物理量検出センサ及びプロセス状態検出器
JPH07113707A (ja) * 1993-10-20 1995-05-02 Hitachi Ltd 半導体複合機能センサ
JP3238001B2 (ja) * 1994-05-20 2001-12-10 株式会社日立製作所 複合センサ及びこれを用いた複合伝送器
JP3129613B2 (ja) * 1994-11-02 2001-01-31 横河電機株式会社 差圧測定装置
JP3359493B2 (ja) 1996-05-14 2002-12-24 株式会社山武 半導体圧力変換器
US6422088B1 (en) * 1999-09-24 2002-07-23 Denso Corporation Sensor failure or abnormality detecting system incorporated in a physical or dynamic quantity detecting apparatus
JP3895937B2 (ja) * 2001-03-22 2007-03-22 株式会社山武 差圧・圧力センサ
JP3915715B2 (ja) * 2003-03-07 2007-05-16 株式会社デンソー 半導体圧力センサ
JP4511844B2 (ja) 2004-02-05 2010-07-28 横河電機株式会社 圧力センサ及び圧力センサの製造方法
ATE470844T1 (de) * 2004-09-24 2010-06-15 Grundfos As Drucksensor
US7318351B2 (en) * 2005-10-05 2008-01-15 Honeywell International Inc. Pressure sensor
US7856885B1 (en) * 2006-04-19 2010-12-28 University Of South Florida Reinforced piezoresistive pressure sensor
US7694552B2 (en) * 2007-02-12 2010-04-13 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University High quality factor resonators for liquid immersion biological and chemical sensors
US7806001B1 (en) * 2007-06-05 2010-10-05 Orbital Research Inc. Multi-diaphragm pressure sensors

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06102128A (ja) * 1992-09-18 1994-04-15 Hitachi Ltd 半導体複合機能センサ
US20100083766A1 (en) * 2008-10-07 2010-04-08 Yamatake Corporation Pressure sensor
KR20100039224A (ko) * 2008-10-07 2010-04-15 가부시키가이샤 야마다케 압력 센서

Also Published As

Publication number Publication date
US8671765B2 (en) 2014-03-18
JP2011220927A (ja) 2011-11-04
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