KR20110114462A - 압력 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 소형이며 고성능인 압력 센서를 제공하는 것을 과제로 한다.
센서 칩(10)과, 센서 칩(10)의 중앙부에 설치된 차압용 다이어프램(4)과, 차압용 다이어프램(4)의 제1 단부변 상에 설치되고 차압용 다이어프램(4)의 중심에 대한 직경 방향을 따라서 형성된 제1 차압용 게이지(5c)와, 차압용 다이어프램(4)의 제1 단부변 상에서 제1 차압용 게이지(5c)의 근방에 설치되고 직경 방향과 수직인 둘레 방향을 따라서 형성된 제2 차압용 게이지(5a)와, 차압용 다이어프램(4)의 외측에 설치되고 차압용 다이어프램(4)의 제1 단부변을 제외한 다른 단부변 중 어느 하나와 센서 칩(10)의 단부와의 사이에 배치된 정압용 다이어프램(17)을 포함하는 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, 고감도라는 점에서, 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.
차압용 다이어프램과 정압용 다이어프램을 동일 기판 상에 구비한 원칩형의 압력 센서가 개시되어 있다(특허문헌 1). 이 문헌에서는, 차압용 왜곡 게이지와 정압용 왜곡 게이지 사이에 왜곡 분리대(分離帶)를 형성하고 있다. 왜곡 분리대를 형성함으로써, 정압 인가 시에 정압용 다이어프램에 발생하는 응력이 차압용 다이어프램에 파급되는 것을 방지하고, 이에 따라, 인가 압력에 의해 차압 계측치에 영향이 미치는 것을 방지하고 있다. 예를 들어, 차압 인가 시에, 차압용 다이어프램의 변화에 따라 센서 칩에 여분의 응력이 발생한다. 이 응력에 의해 정압용 게이지가 영향을 받는다. 또, 정압 인가 시에, 정압용 다이어프램의 변화에 따라 센서 칩에 여분의 응력이 발생한다. 이 응력에 의해 차압 게이지가 영향을 받는다. 이러한 영향이 왜곡 분리대에 의해 저감된다.
또, 다른 구성의 압력 센서가 개시되어 있다(특허문헌 2). 이 압력 센서에는, 센서 칩과 대좌의 접합면의 모서리부에 적절한 비접합 영역을 형성하는 구조가 채택되고 있다. 구체적으로는, 센서 칩의 중앙부에 차압용 다이어프램을 형성하고, 센서 칩의 모서리부에 비접합 영역을 형성한다. 이에 따라, 온도에 따른 제로시프트와 그 변동을 최소로 하여, 양호한 온도 특성을 부여할 수 있다.
일본 특허 공개 평5-72069호 공보 일본 특허 제3359493호 공보
그러나, 특허문헌 1에서는, 센서 칩을 소형으로 할 경우, 왜곡 분리대를 설치하기 위해 충분한 공간을 확보하는 것이 어렵다. 즉, 왜곡 분리대분만큼 센서 칩이 커진다. 또, 특허문헌 2의 구성을 원칩형의 압력 센서에 적용할 경우, 센서 칩의 모서리부에, 비접합 영역을 형성하기 위한 공간을 확보하는 것이 어렵다.
이와 같이, 소형이며 고성능인 압력 센서를 실현하는 것이 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 소형이며 고성능인 압력 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 압력 센서는, 기판과, 이 기판의 중앙부에 설치된 차압용 다이어프램과, 이 차압용 다이어프램의 제1 단부변 상에 설치되고 차압용 다이어프램의 중심에 대한 직경 방향을 따라서 형성된 제1 차압용 게이지와, 차압용 다이어프램의 제1 단부변 상에서 제1 차압용 게이지의 근방에 설치되고 직경 방향과 수직인 둘레 방향을 따라서 형성된 제2 차압용 게이지와, 차압용 다이어프램의 외측에 설치되고 차압용 다이어프램의 제1 단부변을 제외한 다른 단부변 중 어느 하나와 기판의 단부와의 사이에 배치된 정압용 다이어프램을 포함하는 것이다.
이러한 구성을 채택하면, 2종류의 차압용 게이지가 차압용 다이어프램의 하나의 단부변(제1 단부변) 상에 배치되고, 정압용 다이어프램이 차압용 다이어프램의 차압용 게이지가 형성되지 않은 단부변(제1 단부변을 제외한 다른 단부변)의 외측에 형성된다. 이 때문에, 차압용 게이지를 차압용 다이어프램의 각 단부변에 배치한 구성과 비교해서, 차압용 게이지와 정압용 다이어프램 사이의 거리를 길게 잡을 수 있기 때문에, 정압 인가 시의 차압용 게이지에 대한 영향을 저감시킬 수 있다. 또, 정압용 다이어프램을 차압용 다이어프램의 외측에 4개 설치한 구성과 비교해서, 동일 사이즈의 기판을 채택한 경우에는, 정압용 다이어프램과 차압용 다이어프램 사이의 거리를 길게 잡을 수 있기 때문에, 차압 인가 시의 정압용 게이지에 대한 영향 및 정압 인가 시의 차압용 게이지에 대한 영향을 저감시킬 수 있다. 그리고, 반대로, 정압용 다이어프램과 차압용 다이어프램 사이의 거리를 동일하게 한 경우에는, 기판의 소형화가 가능해진다. 그 결과, 정압과 차압의 간섭에 의한 크로스토크를 억제하는 것이 가능한 소형이며 고성능인 압력 센서를 얻는 것이 가능해진다.
본 발명에 따른 압력 센서에 있어서, 기판과 접합된 대좌를 더 포함하고, 차압용 다이어프램의 제1 단부변으로부터 기판의 단부까지의 사이에, 대좌와 기판의 비접합 영역을 형성하는 것이 바람직하다.
이러한 구성을 채택하면, 비접합 영역의 주변에 정압용 다이어프램이 배치되지 않기 때문에, 비접합 영역을 형성하기 위한 공간을 확보할 수 있다. 그리고, 비접합 영역과 접합 영역의 치수를 조정함으로써, 온도에 따른 제로시프트와 그 변동을 최소로 하여 양호한 온도 특성을 실현할 수 있다. 따라서, 더욱 고성능이며 소형의 압력 센서를 실현할 수 있다.
또, 본 발명에 따른 압력 센서에 있어서, 직경 방향으로 배치되는 단부변이 둘레 방향으로 배치되는 단부변보다 짧은 형상이 되는 정압용 다이어프램을 채택할 수 있다. 이러한 경우에, 정압용 다이어프램의 중앙부와 둘레 방향으로 배치되는 단부에, 각각 정압용 게이지를 설치하는 것이 바람직하다.
이러한 구성을 채택하면, 한쪽의 정압용 게이지가 정압용 다이어프램의 단부에 형성되고, 다른 한쪽의 정압용 게이지가 정압용 다이어프램의 중앙부에 형성되어, 온도 변화 시에 생긴 응력에 기인하는 저항 변동이 이들 2개의 정압용 게이지의 쌍방에서 동일한 방향이 되기 때문에, 온도 변화에 따른 출력 변동을 억제할 수 있다.
또, 본 발명에 따른 압력 센서에 있어서, 정압용 다이어프램을 직사각형으로 형성할 수 있다.
이러한 구성을 채택하면, 간편하게 압력 센서를 제작하는 것이 가능해진다.
또, 본 발명에 따른 압력 센서에 있어서, 정압용 다이어프램을 정방형으로 형성할 수도 있다. 이러한 경우에, 정압용 다이어프램의 인접하는 2개의 단부변 상에, 각각 배열 방향을 맞춰 정압용 게이지를 설치할 수 있다.
이러한 구성을 채택하면, 온도 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 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 압력 센서의 센서 칩의 제조 공정을 나타내는 도면이다.
도 5는 압력 센서의 센서 칩의 제조 공정을 나타내는 공정 단면도이고, 도 4의 VV 단면도이다.
도 6은 압력 센서의 대좌의 제조 공정을 나타내는 도면이다.
도 7은 압력 센서의 대좌의 제조 공정을 나타내는 공정 단면도이고, 도 6의 VII-VII 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 압력 센서의 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 이용되는 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 한다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 좌측 위의 모서리를 모서리 A, 우측 아래의 모서리를 모서리 B, 우측 위의 모서리를 모서리 C, 좌측 아래의 모서리를 모서리 D로 한다. 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. 또한, 센서 칩(10)의 중심을 중심 O로 한다. 중심 O는 대각선 AB와 대각선 CD의 교점과 일치한다.
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)과, 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 2에 나타낸 바와 같이, 차압용 다이어프램(4)은 칩의 중앙 부분에 형성된다.
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 중심 O는 일치한다. 즉, 차압용 다이어프램(4)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(5bㆍ5c)가 설치된다. 이들 2개의 차압용 게이지(5bㆍ5c)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.
2개의 차압용 게이지는 차압용 다이어프램(4)의 대각선 AB와 평행한 하나의 단부변(제1 단부변) 상에 형성된다. 즉, 차압용 다이어프램(4)의 1변에만 차압용 게이지(5)가 형성되고, 나머지 3변에는 차압용 게이지가 형성되지 않는다. 여기서는, 모서리 C측의 변에 차압용 게이지(5bㆍ5c)가 형성된다. 이와 같이, 차압용 다이어프램(4)의 1변에 2개의 차압용 게이지(5)가 형성되고, 한쪽의 차압용 게이지(5b)의 근방에 다른 한쪽의 차압용 게이지(5c)가 형성된다.
차압용 게이지(5b)의 긴 방향은 대각선 CD와 수직으로 되어 있다. 즉, 차압용 게이지(5b)는 그 차압용 게이지(5b)가 형성되어 있는 차압용 다이어프램(4)의 1변과 평행하게 형성된다. 한편, 차압용 게이지(5c)의 긴 방향은 대각선 CD와 평행하게 형성된다. 즉, 차압용 게이지(5c)는 그 차압용 게이지(5c)가 형성되는 차압용 다이어프램(4)의 1변과 수직으로 형성된다. 따라서, 근접 배치된 차압용 게이지(5b)와 차압용 게이지(5c)는 직교하는 방향으로 설치된다.
차압용 게이지(5)는 피에조 저항 효과를 갖는 왜곡 게이지이다. 따라서, 센서 칩(10)이 왜곡되면, 각 차압용 게이지(5bㆍ5c)의 저항이 변화한다. 센서 칩의 상면에는, 각 차압용 게이지(5bㆍ5c)와 접속되는 배선(도시하지 않음)이 형성된다. 예를 들어, 각 차압용 게이지(5bㆍ5c)의 양단에 배선이 접속된다. 이 배선에 의해, 2개의 차압용 게이지(5)가 브릿지 회로에 결선된다. 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 3에 나타낸 바와 같이, 센서 칩(10)의 표면에 형성된다. 그리고 차압용 게이지(5bㆍ5c)의 긴 방향의 양단에 배선(도시하지 않음)이 접속된다. 예를 들어, 차압용 게이지(5b)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, 1개의 정압용 다이어프램(17)이 설치된다. 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 둘레부에 배치된다. 즉, 차압용 다이어프램(4)의 외측에 정압용 다이어프램(17)이 배치된다. 정압용 다이어프램(17)은 대각선 CD 상에 배치된다. 정압용 다이어프램(17)은 차압용 다이어프램(4)보다 작다.
중심 O와 모서리 D 사이에 정압용 다이어프램(17)이 배치된다. 즉, 차압용 다이어프램(4)의 모서리 D측의 1변과 모서리 D 사이에 정압용 다이어프램(17)이 배치된다. 여기서, 차압용 다이어프램(4)의 모서리 D측의 1변은 차압용 게이지(5)가 형성되지 않은 변이다.
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 중심으로부터 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 중심을 중심으로 하는 원의 접선 방향에 대응한다. 정압용 다이어프램(17)의 짧은 변은 직경 방향과 평행하게 된다.
정압용 다이어프램(17)의 짧은 변은 대각선 CD와 평행하게 된다. 또, 대각선 CD 상에서는, 정압용 다이어프램(17)의 긴 방향과 둘레 방향이 평행하게 된다. 정압용 다이어프램(17)에는 정압용 게이지(15bㆍ15d)가 형성된다. 정압용 게이지(15b)는 정압용 다이어프램(17)의 단부에 형성된다. 정압용 게이지(15b)는 정압용 다이어프램(17)의 모서리 D측의 변 위에 형성되고, 정압용 다이어프램(17)의 긴 변 위에, 그 긴 변을 따라서 형성된다. 한편, 정압용 게이지(15d)는 정압용 다이어프램(17)의 중앙부에 형성된다. 즉, 정압용 게이지(15d)는 정압용 다이어프램(17)의 둘레 가장자리부의 내측에 형성된다.
정압용 게이지(15bㆍ15d)는 차압용 게이지(5)와 동일한 왜곡 게이지이다. 따라서, 센서 칩(10)이 왜곡되면, 피에조 저항 효과에 의해, 각 정압용 게이지(15bㆍ15d) 저항이 변화한다. 정압용 게이지(15bㆍ15d)는 차압용 게이지(5)와 마찬가지로 브릿지 회로에 접속된다. 이에 따라, 정압을 측정할 수 있다. 정압용 게이지(15bㆍ15d)는 도 3에 나타낸 바와 같이, 센서 칩(10)의 표면에 형성된다. 정압용 게이지(15bㆍ15d)의 긴 방향의 양단에 배선(도시하지 않음)이 접속된다. 그리고, 차압용 게이지(5)와 마찬가지로, 정압용 게이지(15bㆍ15d)는 브릿지 회로에 결선된다.
여기서, 정압용 다이어프램(17)은 차압용 다이어프램(4)의 차압용 게이지(5)가 형성되지 않은 변의 외측에 형성된다. 즉, 차압용 다이어프램(4)에서, 모서리 C측의 변에 차압용 게이지(5)가 형성되기 때문에, 모서리 C와 차압용 다이어프램(4)의 사이에는, 정압용 다이어프램(17)이 형성되지 않는다. 차압용 게이지(5)가 형성된 차압용 다이어프램(4)의 1변(모서리 C측의 변)과 상이한 변(모서리 D측의 변)으로부터 센서 칩(10)의 단부까지의 사이에, 정압용 다이어프램(17)이 배치된다.
이에 따라, 정압 인가 시에 차압용 게이지(5)에 대한 영향이 저감된다. 차압용 게이지(5)를 차압용 다이어프램(4)의 각 변에 배치한 구성에서도, 차압용 게이지(5)와 정압용 다이어프램(17) 사이의 거리를 잡을 수 있다. 따라서, 차압을 더욱 정확하게 측정할 수 있다. 또, 정압용 다이어프램(17)을 차압용 다이어프램(4)의 외측 둘레부에 4개 설치한 구성에서도, 정압용 게이지(15)와 차압용 다이어프램(4) 사이의 거리를 잡을 수 있다. 따라서, 차압 인가 시에 정압용 게이지(15bㆍ15d)에 대한 영향을 저감시킬 수 있다. 이에 따라, 정압을 더욱 정확하게 측정할 수 있다. 이와 같이, 정압 및 차압을 정확하게 측정할 수 있게 된다. 차압용 다이어프램(4)과 정압용 게이지(15bㆍ15d)의 간격을 넓게 할 수 있다. 따라서, 인접하는 다이어프램에서 발생하는 응력의 영향을 작게 할 수 있다. 즉, 정압과 차압의 간섭에 의해 발생하는 크로스토크의 영향을 억제할 수 있다.
차압용 다이어프램(4)의 1변 위에, 본 발명에서의 제1 차압용 게이지에 해당하는 직경 방향의 차압용 게이지(5c)와, 본 발명에서의 제2 차압용 게이지에 해당하는 둘레 방향의 차압용 게이지(5b)를 형성한다. 즉, 직교하는 방향으로 형성된 2개의 차압용 게이지(5bㆍ5c)가 차압용 다이어프램(4)의 동일변 위에 형성된다. 그리고, 이 1변에 설치된 2개의 차압용 게이지(5bㆍ5c)(및 도시되지 않은 2개의 외부 고정 저항)로 브릿지 회로를 형성한다. 또한, 정압용 다이어프램(17)을 차압용 게이지(5)가 설치되지 않는 방향으로 배치한다. 즉, 차압용 게이지(5)가 설치되지 않는 변의 외측에, 정압용 다이어프램(17)을 형성한다. 이러한 구성을 채택함으로써 정압 및 차압을 정확하게 측정할 수 있다. 즉, 소형이며 고성능인 압력 센서를 실현할 수 있다. 본 실시형태에서는, 차압용 게이지(5bㆍ5c)를 차압용 다이어프램(4)의 변 위에 형성했지만, 차압용 다이어프램의 단부 근방에서 최대 응력이 발생하는 개소에 형성되어 있으면 된다.
또, 센서 칩(10)은 대좌(11)와 접합된다. 대좌(11)와 센서 칩(10)이 접합되는 영역을 접합 영역(13A)으로 한다. 또, 대좌(11)와 센서 칩(10)이 접합되어 있지 않은 영역을 비접합 영역(13)으로 한다. 즉, 도 3에 나타낸 바와 같이, 대좌(11)의 모서리 C측의 단부에는 박육부가 형성되고, 그 밖의 부분에는 후육부가 형성된다. 박육부에서는 후육부보다 높이가 낮게 되어 있다. 이 후육부가 센서 칩(10)과 접합된다. 한편, 박육부에서는 대좌(11)와 센서 칩(10)이 접합되지 않는다.
여기서, 비접합 영역(13)은 모서리 C측에 형성된다. 그리고, 비접합 영역(13)은 삼각형으로 되어 있다. 즉, 비접합 영역(13)은 모서리 C를 꼭지점으로 하는 직각이등변 삼각형으로 되어 있다. 비접합 영역(13)을 제외한 영역이 접합 영역(13A)이 되고, 이 접합 영역(13A)의 중앙에 관통 구멍(18)이 형성되어 있다. 대좌(11)에 형성된 관통 구멍(18)은 차압용 다이어프램(4)까지 연통해 있다. 이에 따라, 관통 구멍(18)이 도입 포트가 되어, 차압용 다이어프램(4)까지 기체를 도입할 수 있다. 접합 영역(13A)과 비접합 영역(13)의 경계선은 대각선 AB와 평행하다. 이와 같이, 비접합 영역(13)이 형성되는 방향은 정압용 다이어프램(17)이 설치되는 방향과 상이하다. 즉, 중심 O와 모서리 C 사이의 영역에는 비접합 영역(13)이 형성되고, 중심 O와 모서리 D 사이의 영역에는 정압용 다이어프램(17)이 설치된다.
대각선 AB 방향으로 생기는 응력과, 그것과 수직인 대각선 CD 방향으로 생기는 응력이 같아지도록, 비접합 영역(13) 및 접합 영역(13A)의 치수를 조정한다. 이러한 구성을 채택함으로써 온도 특성을 향상시킬 수 있다. 즉, 일본 특허 제3359493호 공보에 개시된 바와 같이, 온도에 따른 제로시프트와 그 변동을 최소로 하여, 양호한 온도 특성을 부여할 수 있다. 또한, 비접합 영역(13)의 주변에 정압용 다이어프램(17)이 배치되지 않는 구성으로 할 수 있다. 따라서, 비접합 영역(13)을 형성하기 위한 공간을 확보할 수 있다. 이에 따라, 소형이며 고성능인 압력 센서를 실현할 수 있다.
다음으로, 본 실시형태에 따른 압력 센서의 제조 방법에 관해 설명한다. 우선, 압력 센서에 이용되는 센서 칩(10)의 제조 공정에 관해, 도 4 및 도 5를 이용하여 설명한다. 도 4는 센서 칩(10)의 제조 방법을 나타내는 도면이며, 센서 칩(10)을 위에서 본 구성을 나타내고 있다. 도 5는 센서 칩(10)의 제조 공정을 나타내는 공정 단면도이며, 도 4의 V-V 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)로 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 정압용 게이지(15bㆍ15d)를 형성한다. 이에 따라, 도 4의 (a) 및 도 5의 (a)에 나타내는 구성이 된다. 물론, 이 공정에서 차압용 게이지(5bㆍ5c)를 형성할 수도 있다. 각 게이지는 도 1 등에 나타낸 바와 같이, 각 다이어프램이 되는 개소의 정해진 위치에 형성된다. 차압용 게이지(5bㆍ5c), 정압용 게이지(15bㆍ15d)를 하기에 나타내는 다이어프램의 형성 공정 후에 형성해도 좋다. 물론, 차압용 게이지(5)를 정압용 게이지(15bㆍ15d)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 5의 (b)에 나타내는 구성이 된다.
그리고, 레지스트(9)를 마스크로 하여 제1 반도체층(1)을 에칭한다. 이에 따라, 도 5의 (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 개구부에는 절연층(2)이 노출되어 있다.
그리고, 레지스트(9)를 제거하면, 도 4의 (b) 및 도 5의 (d)에 나타내는 구성이 된다. 그 후, 정압용 게이지(15bㆍ15d) 및 차압용 게이지(5)와 전기적 접속을 얻기 위한 배선(도시하지 않음)을 형성한다. 이에 따라, 브릿지 회로가 형성되어 센서 칩(10)이 완성된다. 배선을 형성하는 공정은 도 5의 (d) 이전에 실시될 수도 있다. 예를 들어, 도 5의 (a) 전에 배선을 작성해도 좋고, 도 5의 (a)∼(c) 사이에 배선을 작성해도 좋다. 또, 상기와 같이, 정압용 게이지(15bㆍ15d) 및 차압용 게이지(5)를 도 5의 (d) 후에 형성해도 좋고, 도 5의 (a)∼(d) 사이에 형성해도 좋다. 즉, 배선의 형성 공정과 왜곡 게이지의 형성 공정의 순서는 특별히 한정되지 않는다.
또, 차압용 다이어프램(4)과 정압용 다이어프램(17)의 에칭 공정을 각각 실시해도 좋다. 예를 들어, 상이한 2종류의 레지스트 패턴을 이용하여, 차압용 다이어프램(4)과 정압용 다이어프램(17)의 에칭을 각각 실시한다. 즉, 차압용 다이어프램(4)을 설치하기 위한 레지스트 패턴을 형성한 후 에칭한다. 차압용 다이어프램(4)을 형성한 후 레지스트를 제거한다. 그 후, 정압용 다이어프램(17)을 설치하기 위한 레지스트 패턴을 형성한다. 이 레지스트 패턴을 마스크로서 이용하여 에칭하면, 정압용 다이어프램(17)이 형성된다. 이와 같이, 상이한 에칭 공정에서 차압용 다이어프램(4)과 정압용 다이어프램(17)을 설치함으로써, 차압용 다이어프램(4)과 정압용 다이어프램(17)을 상이한 두께로 할 수 있다. 물론, 정압용 다이어프램(17)을 형성한 후 차압용 다이어프램(4)을 형성해도 좋다.
다음으로, 대좌(11)의 제조 공정에 관해, 도 6 및 도 7을 이용하여 설명한다. 도 6은 대좌(11)의 제조 방법을 나타내는 도면이고, 대좌(11)를 위에서 본 구성을 나타내고 있다. 도 7은 대좌(11)의 제조 공정을 나타내는 공정 단면도이고, 도 6의 VII-VII 단면의 구성을 나타내고 있다.
우선, 도 6의 (a) 및 도 7의 (a)에 나타낸 바와 같이, 대좌(11)가 되는 기판을 준비한다. 기판으로는, 파이렉스(등록상표) 유리나 세라믹 등의 평탄한 기판이 이용된다. 그리고, 대좌(11) 위에 마스크가 되는 레지스트(19)를 형성한다. 이에 따라, 도 7의 (b)에 나타내는 구성이 된다. 레지스트(19)는 공지된 노광, 현상 처리에 의해 패터닝된다. 이 레지스트(19)는 비접합 영역(13)이 되는 부분에서 제거된다. 즉, 비접합 영역(13)이 되는 부분은 대좌(11)로부터 노출되고, 접합 영역(13A)이 되는 부분에서는 대좌(11)가 레지스트(19)로 덮여 있다.
그리고, 레지스트(19)를 마스크로 하여 에칭하면, 도 6의 (b) 및 도 7의 (c)에 나타내는 구성이 된다. 대좌(11)의 모서리 C에 해당하는 단부에는 오목부가 형성되고, 나머지 부분은 볼록부가 된다. 즉, 대좌(11)가 부분적으로 얇아져, 대좌(11)에 후육부와 박육부가 형성된다. 박육부는 후육부보다 얇다. 이 박육부는 비접합 영역(13)에 형성된다. 여기서는, HF 등을 이용한 웨트 에칭에 의해, 대좌(11)에 박육부를 형성한다. 또는, 샌드블라스트 등으로 박육부를 형성해도 좋다.
그리고, 레지스트(19)를 제거하여 관통 구멍(18)을 형성한다. 즉, 대좌(11)의 중앙에 원형의 관통 구멍(18)을 형성한다. 이에 따라, 도 6의 (c)에 나타내는 구성이 된다. 관통 구멍(18)은, 예를 들어 도 7의 (d)의 상측에 나타낸 바와 같이, 드릴 구멍 가공으로 형성할 수 있다. 또는, 도 7의 (d)의 하측에 나타낸 바와 같이, 양면 샌드블라스트 가공으로 형성해도 좋다. 양면 샌드블라스트 가공으로 형성하는 경우에는, 대좌(11)의 양면에 마스크(29)를 형성한다. 이와 같이 하여 대좌(11)가 완성된다.
그리고, 센서 칩(10)과 대좌(11)를 접합한다. 예를 들어, 양극 접합에 의해 대좌(11)가 센서 칩(10)의 제1 반도체층(1)에 접합된다. 대좌(11)의 중심에는, 차압용 다이어프램(4)에 도달하는 관통 구멍(18)이 형성되어 있다. 관통 구멍(18)이 차압용 다이어프램(4)에 연통해 있다. 또, 모서리 C의 주변에는 비접합 영역(13)이 형성되어 있다. 이렇게 하여 압력 센서의 제작이 끝난다. 이와 같이 작성된 압력 센서는 소형이며 고성능인 것이 된다.
상기 설명에서는, 센서 칩(10)과 차압용 다이어프램(4)의 형상을 45° 비스듬하게 정방형으로 했지만, 이들 형상은 정방형에 한정되지 않는다. 예를 들어, 센서 칩(10)과 차압용 다이어프램(4)의 형상을 다각형으로 해도 좋다. 차압용 다이어프램(4)의 1변 위에 차압용 게이지(5bㆍ5c)를 배치하고, 그 1변과 대향하는 1변의 외측에 정압용 다이어프램(17) 및 정압용 게이지(15bㆍ15d)를 배치한다. 이에 따라, 온도 특성이 높고, 크로스토크가 저감된 압력 센서를 용이하게 실현할 수 있다. 또는, 센서 칩(10)과 차압용 다이어프램(4)을 원형으로 해도 좋다. 이 경우에도, 차압용 게이지(5b)를 차압용 게이지(5c)의 근방에 배치한다. 이와 같이 하면, 크로스토크가 저감된 압력 센서를 용이하게 실현할 수 있다.
또, 상기 설명에서는, 정압용 다이어프램(17)을 직사각형으로 하여 설명했지만, 정압용 다이어프램(17)의 형상은 직사각형에 한정되지 않는다. 예를 들어, 정압용 다이어프램을 타원형 등으로 해도 좋다. 바꾸어 말하면, 정압용 다이어프램(17)은 긴 방향과 짧은 방향을 갖는 형상이면 된다. 그리고, 긴 방향과 직교하는 짧은 방향을 직경 방향을 따라서 배치하면 된다. 정압용 게이지(15bㆍ15d)의 긴 방향을 정압용 다이어프램의 긴 방향을 따라서 배치한다. 즉, 정압용 게이지(15bㆍ15d)의 긴 방향이 둘레 방향을 따라서 배치된다. 또, 정압용 게이지(15bㆍ15d)를 정압용 다이어프램(17)의 기판단(端)측의 단부에 형성했지만, 기판 중심측의 단부에 형성해도 좋다. 또한, 정압용 게이지(15bㆍ15d)를 정압용 다이어프램(17)의 변 위에 형성했지만, 정압용 다이어프램의 단부 근방에서 최대 응력이 발생하는 개소에 형성하면 된다.
<제2 실시형태>
다음으로, 본 발명의 제2 실시형태에 따른 압력 센서의 구성에 관해, 도 8을 이용하여 설명한다. 도 8은 압력 센서에 이용되는 센서 칩의 구성을 나타내는 평면도이다. 본 실시형태에서는, 정압용 게이지(15bㆍ15d)의 배치가 제1 실시형태와 상이하다. 또, 정압용 다이어프램(17)이 정방형으로 된 구성을 갖고 있다. 이러한 배치 이외의 구성에 관해서는, 제1 실시형태와 동일하기 때문에 설명을 생략한다. 그리고, 도 8의 (a) 및 (b)에서는, 정압용 게이지(15bㆍ15d)가 각각 상이한 배치로 되어 있다.
우선, 도 8의 (a)에 나타내는 센서 칩의 구성에 관해 설명한다. 하나의 정방형의 정압용 다이어프램(17)이 형성된다. 도 8의 (a)에서는, 2개의 정압용 게이지(15bㆍ15d)가 대각선 CD와 평행하다. 본 실시형태에서는, 2개의 정압용 게이지(15bㆍ15d)가 정압용 다이어프램(17)의 단부에 배치된다. 그리고, 정압용 다이어프램(17)의 인접하는 2변에 정압용 게이지(15bㆍ15d)가 배치된다. 정압용 게이지(15b)는 정압용 다이어프램(17)의 대각선 AB와 평행한 변 위에 배치되고, 그것이 배치된 정압용 다이어프램(17)의 1변과 수직으로 된다. 한편, 정압용 게이지(15d)는 정압용 다이어프램(17)의 대각선 CD와 평행한 변 위에 배치되고, 그것이 배치된 정압용 다이어프램(17)의 1변과 평행하게 된다. 이러한 구성으로 하더라도 제1 실시형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
다음으로, 도 8의 (b)에 나타내는 센서 칩의 구성에 관해 설명한다. 도 8의 (b)에 나타내는 구성에서는, 도 8의 (a)의 구성에 대하여 정압용 게이지(15bㆍ15d)의 방향이 상이하다. 그 이외의 구성에 관해서는, 제1 실시형태 및 도 8의 (a)에 나타낸 구성과 동일하기 때문에 설명을 생략한다. 도 8의 (b)에 나타낸 바와 같이, 정압용 게이지(15bㆍ15d)는 대각선 AB에 평행하게 된다. 그리고, 2개의 정압용 게이지(15bㆍ15d)가 정압용 다이어프램(17)의 단부에 배치되고, 정압용 다이어프램(17)의 인접하는 2변에 정압용 게이지(15bㆍ15d)가 배치된다. 정압용 게이지(15b)는 정압용 다이어프램(17)의 모서리 D측의 1변에 배치되고, 그 1변과 평행하게 된다. 한편, 정압용 게이지(15d)는 그것이 배치된 정압용 다이어프램(17)의 1변과 수직으로 된다. 이러한 구성에서도 제1 실시형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
이와 같이 본 실시형태에서는, 정압용 다이어프램(17)의 인접하는 2변 위에 각각 정압용 게이지가 배치된다. 그리고, 한쪽의 변 위에서는, 정압용 게이지가 그 변과 수직이 되고, 다른 한쪽의 변 위에서는 정압 게이지가 그 변과 평행하게 된다. 물론, 도 8의 (a)와 (b) 이외의 구성으로 해도 좋다.
1 : 제1 반도체층 2 : 절연층
3 : 제2 반도체층 4 : 차압용 다이어프램
5 : 차압용 게이지 5a : 차압용 게이지(제2 차압용 게이지)
5c : 차압용 게이지(제1 차압용 게이지)
9 : 레지스트 10 : 센서 칩
11 : 대좌 15(15bㆍ15d) : 정압용 게이지
17 : 정압용 다이어프램 18 : 관통 구멍
19 : 레지스트 29 : 마스크

Claims (5)

  1. 기판과,
    상기 기판의 중앙부에 설치된 차압용 다이어프램과,
    상기 차압용 다이어프램의 제1 단부변 상에 설치되고, 상기 차압용 다이어프램의 중심에 대한 직경 방향을 따라서 형성된 제1 차압용 게이지와,
    상기 차압용 다이어프램의 상기 제1 단부변 상에서 상기 제1 차압용 게이지의 근방에 설치되고, 상기 직경 방향과 수직인 둘레 방향을 따라서 형성된 제2 차압용 게이지와,
    상기 차압용 다이어프램의 외측에 설치되고, 상기 차압용 다이어프램의 상기 제1 단부변을 제외한 다른 단부변 중 어느 하나와 상기 기판의 단부와의 사이에 배치된 정압용 다이어프램
    을 포함하는 압력 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기판과 접합된 대좌를 더 포함하고,
    상기 차압용 다이어프램의 상기 제1 단부변으로부터 상기 기판의 단부까지의 사이에, 상기 대좌와 상기 기판의 비접합 영역이 형성되는 것인 압력 센서.
  3. 제2항에 있어서, 상기 정압용 다이어프램은 상기 직경 방향으로 배치되는 단부변이 상기 둘레 방향으로 배치되는 단부변보다 짧은 형상이고,
    상기 정압용 다이어프램의 중앙부와 상기 둘레 방향으로 배치되는 단부에, 각각 정압용 게이지가 설치되는 것인 압력 센서.
  4. 제3항에 있어서, 상기 정압용 다이어프램은 직사각형으로 형성되는 것인 압력 센서.
  5. 제2항에 있어서, 상기 정압용 다이어프램은 정방형으로 형성되고,
    상기 정압용 다이어프램의 인접하는 2개의 단부변 상에, 각각 배열 방향을 맞춰 정압용 게이지가 설치되는 것인 압력 센서.
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