JP2005201818A

JP2005201818A - 圧力センサ

Info

Publication number: JP2005201818A
Application number: JP2004009710A
Authority: JP
Inventors: Shigefumi Sakai; 重史酒井; Munemitsu Abe; 宗光阿部
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2004-01-16
Filing date: 2004-01-16
Publication date: 2005-07-28
Also published as: EP1555517A2; TW200525766A; US7135749B2; EP1555517A3; US20050156241A1; TWI245428B

Abstract

【課題】長期間の信頼性に優れ、高圧化に伴う耐性も備え、しかも量産性に優れたプロセスで製造できる圧力センサを提供する。また、小型で特性のばらつきが少ない圧力センサを提供する。
【解決手段】ＳＯＩ基板とガラス基板を陽極接合で接合し、シリコン層の一部に周囲をＳＯＩ基板の絶縁層まで達する溝で囲まれたシリコンアイランドを形成し、さらに、ガラス基板を貫通して貫通孔を形成し、該貫通孔内部に導電性材料からなる取り出し電極を有し、かつ、前記ガラス基板に形成した電極と取出電極とが、前記シリコンアイランドを介して電気的に接合されている圧力センサ。
【選択図】図２

Description

本発明は、気密封止を必要とする静電容量型圧力センサの構造に関するものである。

絶対圧を測定する容量型圧力センサとしては、シリコン基板にガラス基板を接合し、該シリコン基板とガラス基板との間の微小ギャップを密封して基準圧室を形成するとともに、該シリコン基板には被測定圧力を受ける感圧ダイヤフラム部が形成されている静電容量型圧力センサが知られている。
その感圧ダイヤフラム部表面に半導体製造技術を使用して不純物を拡散させた電極が形成され、他方のガラス基板には蒸着又はスパッタリング等により金属薄膜による電極が形成されている。両電極からのリードは、拡散リード及び金属リードを利用して外部に引き出される。その際拡散リード及び金属リードはシリコン基板とガラス基板の接合面を通過して、容量検出用ＩＣチップの対応する各電極に金（Ａｕ）線をウエッジボンディングして接続されている。
拡散リード及び金属リードが通過するシリコン基板とガラス基板の接合面の封止構造としては、例えば封止部分にポリイミド等の樹脂材を圧着して封止する構造（例えば、特許文献１参照。）や、引出部分に局所的に金属膜を形成して封止する構造（例えば、特許文献２参照。）や、真空空間を形成後ＬＰＣＶＤを用いて酸化シリコン膜を形成して封止する構造（例えば、特許文献３参照。）等が知られている。
また、電極引出部分の貫通孔に別途封止のためのシリコン製の蓋をする構造（例えば、特許文献４参照。）も知られている。
特開平０７−２０９１１７号公報特開平０８−０９７４３８号公報特開平０４−００９７２７号公報特開平０４−００９７２７号公報

図１０に特許文献４に開示された従来の容量型圧力センサ３０の断面構造の一例を示す。
図１０において３１は被測定圧力を受ける感圧ダイヤフラム部３３を有するシリコン基板である。３２はそのシリコン基板３１と接合され、微小ギャップの基準圧室４０を形成するガラス基板である。ガラス基板３２の基準圧室４０側には、蒸着又はスパッタリングにより金属薄膜から成る第１の電極３５が形成されている。又、ガラス基板３２には第１の穴部３８がガラス基板３２を貫通して穴加工されている。その穴部３８の基準圧室４０側にはシリコン板で形成された蓋板３６が接合され穴部３８を密閉している。その蓋板３６の穴部３８に面する面及び穴部３８の内面には、蒸着又はスパッタリングによる金属薄膜から成るリード部３７が形成されている。従って、電極３５は蓋板３６を介してリード部３７と電気的に接続されている。
一方、シリコン基板３１は全面に不純物が拡散され、その感圧ダイヤフラム部３３の基準圧室４０側には第２の電極３４が形成されている。ここで、シリコン基板３１とガラス基板３２との接合面に形成されたシリコン基板３１の表面の拡散面５１は、ガラス基板３２に形成された図示省略の第２の穴部に形成されたリード部と電気的に接続されている。

そして、ガラス基板３２の表面にはインタフェース回路である容量検出用ＩＣチップ３９が接着されている。その容量検出用ＩＣチップ３９の対応する各電極と第１のリード部及び第２のリード部とがそれぞれ金（Ａｕ）線をウエッジボンディングして接続されている。
なお、ガラス基板３２に接合された蓋板３６に対向したシリコン基板３１部分はその蓋板３６の突出に合わせて逃がしてあり、ガラス基板３２の第１の電極３５とシリコン基板３１の第２の電極３４とは電気的に絶縁されている。

従来の特許文献１に示されたような樹脂を使用した圧着構造や、特許文献２や特許文献３に開示された金属膜や酸化膜を使用して封止する方法では、長期間にわたる信頼性に乏しく、高圧化に伴う耐久性に問題がある上、特許文献１や特許文献２の封止構造では引出部分の一部分を成膜する工程を有しているので、工程が煩雑で量産性にそぐわないといった問題がある。
また、特許文献４に開示されたシリコン板で形成された蓋板を使用して封止する構造では、貫通穴に蓋を形成する工程が増えてしまうほか、蓋板を取り付けるためのスペースを必要とするので、デバイスの小型化に難点がある。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、真空封止面全面をシリコン基板とガラス基板の陽極接合で封止することによって、長期間の信頼性に優れ、高圧化に伴う耐性も備え、しかも量産性に優れたプロセスで製造できる圧力センサを提供しようとするものである。また、小型でダイアフラムの膜厚を正確に制御し、特性のばらつきが少ない圧力センサを提供しようとするものである。

上記課題を解決するため、本発明では、電極間の容量の変化により圧力を測定する容量型の圧力センサであって、被測定圧力を受けて変位する感圧ダイヤフラム部の形成されたＳＯＩ基板と、そのＳＯＩ基板と陽極接合されたガラス基板と、前記両基板の接合面の内部であって前記感圧ダイヤフラム部の形成された位置に対応する位置に密封されて形成され、測定圧の基準値を与える微小ギャップの基準圧室とを備え、前記ＳＯＩ基板のシリコン層表面に形成された第１の電極を具備し、該基準圧室の前記感圧ダイヤフラム部に対向する前記ガラス基板表面には導電性材料により形成された第２の電極が設けられ、前記ガラス基板と接合するＳＯＩ基板のシリコン層の一部に、周囲をＳＯＩ基板の絶縁層まで達する溝で囲まれたシリコンアイランドを有し、さらに、前記ガラス基板の前記基準圧室の近傍に、前記ガラス基板を貫通して明けられた第２の貫通孔と、前記第２の貫通孔内部には導電性材料からなる第２の取り出し電極を有しており、かつ、前記第２の電極と第２の取り出し電極とが、前記シリコンアイランドを介して電気的に接合されている圧力センサとした。

本発明においては、前記ガラス基板の前記基準圧室の近傍に、前記ガラス基板を貫通して明けられた第１の貫通孔を有し、前記第１の貫通孔内部には導電性材料からなる第１の取り出し電極を有しており、前記第１の電極と第１の取り出し電極とが、前記第１の貫通孔の先端で電気的に接合されている圧力センサとすることもできる。
また、本発明の圧力センサでは、前記シリコンアイランドの平面形状が、円形又は四角形であっても良い。

上記構造の圧力センサとすれば、真空封止面全面をシリコン基板とガラス基板の陽極接合で封止しているので、封止効果が長期間安定しており、また、高圧化しても封止が破られないだけの耐性も備え、しかも量産性に優れたプロセスで製造することができる。また、小型でダイアフラムの膜厚を正確に制御できるので特性のばらつきが少ない圧力センサを得ることができる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる圧力センサの平面図である。図２は、図１に示す圧力センサの線Ａ−Ａ’に沿った断面図である。
図１に示す圧力センサ１０は中央部にシリコン基板から形成された感圧ダイヤフラム部３が形成されており、感圧ダイヤフラム部３のシリコン基板には第１の電極４が形成されている。感圧ダイヤフラム部３を挟んで対角線上には第２の電極用の引出電極７と第１の電極用の引出電極８が形成されている。第２の電極用の引出電極７の周囲にはシリコンアイランド６が設けられている。感圧ダイヤフラム部３とシリコンアイランド６を除く部分はＳＯＩ基板１とガラス基板２とが公知の陽極接合により接合されていて、感圧ダイヤフラム部３を密封している。

断面構造を見ると、本発明の第１の実施形態に係わる圧力センサ１０は、図２に示すようにガラス基板２の上にＳＯＩ基板１が接合されて構成されている。ガラス基板２のＳＯＩ基板１側には、蒸着又はスパッタリングにより形成された金属薄膜からなる第２の電極（検出用電極）５が形成されている。また、ガラス基板２には貫通孔を通して第１の電極用の引出電極８及び第２の電極用の引出電極７が形成されており、ガラス基板２の裏面で外部接続端子１８，１７に接続されている。

一方、ＳＯＩ基板１の中央部にはエッチングにより薄片化されたシリコン基板からなる感圧ダイヤフラム部３が形成されている。この感圧ダイヤフラム部３を含むシリコン基板のガラス基板２側は、全面に不純物を拡散させて導電体とし、中心部の感圧ダイヤフラム部３には第１の電極（ダイアフラム電極）４が形成されている。また、感圧ダイヤフラム部３を除くシリコン基板は第１の電極４用のリード部となっている。
感圧ダイヤフラム部３は、後出のシリコン基板１３と絶縁膜１２とがエッチングにより除去され、残った反対側のシリコン基板１１も一部が除去されて薄膜状となっている。
さらに、ＳＯＩ基板１の感圧ダイヤフラム部３近傍には、周囲を溝１５で囲まれたシリコンアイランド６が形成されている。シリコンアイランド６を取り巻く溝１５は、後出のＳＯＩ基板１のガラス基板２側のシリコン基板１１及び絶縁膜１２を切り抜いて形成されている。このためシリコンアイランド６は、感圧ダイヤフラム部３に形成された第１の電極４やそれに続くリード部からは、電気的に絶縁されている。

上記のように構成されたＳＯＩ基板１とガラス基板２とは、図２に示すように重ね合わせて陽極接合により接合されている。ＳＯＩ基板１の感圧ダイヤフラム部３は、エッチングされて窪んでいるので、ガラス基板２との間に僅かな間隙が生じ、周囲は陽極接合により密封されているので基準圧室２０を形成する。また、接合の際、ＳＯＩ基板１のシリコンアイランド６の一部をガラス基板２に形成された第２の電極５用のリード部に重ねて接合する。このように構成することにより、カラス基板２に形成された第２の電極５は、シリコンアイランド６を介して第２の電極用の引出電極７や第２の電極用の外部接続端子１７と電気的に接続させることになる。

圧力センサを上記のように構成することにより、被測定環境と基準圧室２０との圧力変化を、感圧ダイヤフラム部３のダイアフラム電極と検知電極との間の静電容量の変化として高感度で検知することができる。
上記のような構造の圧力センサとすれば、ガラス基板２に形成された第２の電極５用のリード部は、シリコンアイランド６を介して第２の電極用の引出電極７や第２の電極用の外部接続端子１７と電気的に接続されており、シリコンアイランド６を含むＳＯＩ基板１とガラス基板２とが、感圧ダイヤフラム部３を除く全面で陽極接合されるので、気密性が良く、優れた耐久性を有したセンサとなる。また、余分な部品を用いる必要がないので全体を小型にすることが可能で、エッチングを始め通常の半導体形成技術のみで製造できるので、工程が簡単で、大量生産も容易である。

（第２の実施形態）
図３に本発明の第２の実施形態に係わる圧力センサの平面図を示す。また、図４には図３に示す圧力センサの線Ａ−Ａ’に沿った断面図を示す。
図３及び図４に示す本発明の第２の実施形態に係わる圧力センサ５０が、先の図１，図２に示す第１の実施形態に係わる圧力センサ１０と異なる点は、感圧ダイヤフラム部３が方形である点と、シリコンアイランド６が方形に形成されている点及びガラス基板２に形成された引出電極７，８が断面円錐形に形成されている点である。各部の構成や機能は第１の実施形態の場合と全く同様であるので、詳しい説明は省略する。
引出電極７，８を断面円錐形にすれば、サンドブラストすることにより深い貫通孔でも容易に形成することができる利点がある。
感圧ダイヤフラム部の形状は円形でも方形でも問題はない。

次に、本発明の圧力センサの製造方法について説明する。
図５から図８は本発明の第２の実施形態に係わる圧力センサの製造方法を説明する工程断面図である。
このうち図５はＳＯＩ基板１の加工工程を示す工程図、図６はガラス基板２の加工工程を示す工程図、図７はＳＯＩ基板１とガラス基板２とを接合する工程を説明する図であり、図８は引出電極７，８及び外部接続電極１７，１８を形成する工程を説明する図である。

先ず、図５に沿ってＳＯＩ基板１の加工工程について説明する。
ＳＯＩ（ Silicon On Insulator ）基板１は、２枚のシリコン基板１１，１３を二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）や酸化アルミニウム等の絶縁膜１２を介して接合した構造を有し、絶縁膜１２上のシリコン基板１１にトランジスタを形成し、寄生容量成分を極力小さくして高速性のみならず、低消費電力化に貢献できる技術として開発されたものである。ＳＯＩ基板を使用すれば、熱拡散やエッチングや等の様々な半導体製造技術を駆使して、比較的簡単に多様な機能を付加することが可能となる。

本発明においてもＳＯＩ基板を使用して圧力検知用のダイヤフラムを形成する。
先ず、基準圧室となる微小空間の形成を行う。フォトリソグラフィーを利用してＳＯＩ基板１のシリコン基板１１の表面に所定の形状のパッターンを形成し、反応性イオンエッチング（ Reactive Ion Etching：ＲＩＥ）によりシリコン基板１１をエッチングして、窪み１４を形成する（図５（ａ）、（ｂ）参照）。
次いで、ＳＯＩ基板１の両面に例えば熱酸化膜等の保護膜２９，２９を形成し、シリコンアイランド６の周囲を取り巻く溝１５を形成する部分の保護膜２９のみをフォトリソグラフィーを利用してエッチング除去し、その他の領域にマスクを形成する。マスク形成後図５（ｃ）に示すように、誘導結合プラズマエッチング（ Induction Coupled Plasma Etching ：ＩＣＰ）によりエッチングを行い、溝１５を形成して周囲のシリコン層から孤立したシリコンアイランド６を形成する。

次に、ＳＯＩ基板１のもう一方の面に形成した保護膜２９に、先の手順と同様にフォトリソグラフィーを利用してダイアフラムのパターンをくり抜いたパターンを形成した後、ＫＯＨを使用した異方性エッチングを行ってシリコン基板１３を絶縁層１２までエッチング除去して凹部１９を形成し、薄くなったシリコン基板１１と絶縁膜１２からなるダイヤフラムとする（図５（ｄ）参照）。

次に、ガラス基板２の加工工程について説明する。
使用するガラス基板は、例えばパイレックス（登録商標）ガラスのようなアルカリ元素を含んだアルカリガラスを使用する。先ず、図６（ａ），図６（ｂ）に示すように、ガラス基板２の所定の位置に、例えばサンドブラストを使用して第１の電極及び第２の電極からの導体を引き出すための貫通孔２１，２１を形成する。
次に、ガラス基板２の表面に第２の電極５をステンシルマスクを用いたスパッタ法もしくは真空蒸着法によって形成する（図６（ｃ）参照）。

次に、上記のように加工したＳＯＩ基板１とガラス基板２を図７のように重ねて真空中で接合する。この際、ガラス基板２表面の第２の電極の端部に、ＳＯＩ基板１に形成したシリコンアイランド６の一部が重なるように配置する。
ＳＯＩ基板１とガラス基板２の接合は、公知の陽極接合によって行う。陽極接合は、ＳＯＩ基板１とガラス基板２を重ね合わせて３００℃〜４００℃に加熱して、５００Ｖ〜１ｋＶの電圧を印加する方法である。これによりＳＯＩ基板１とガラス基板２に大きな静電引力が発生して、両者の接合界面９で化学結合が行われ、両者は特別なバインダーを使用することなしに接合される。陽極接合を使用すれば、大気中又は真空中で高精度のアライメントが可能となり、必要部分だけ加熱すればよいので歪みが少なく接合できる利点がある。また、異種の接合材を使用しなくても強固な接合が得られるので、耐久性にも優れた接合面が得られる。さらに、ロッド間のバラツキも少なく、歩留まりも良好で、操作が自動化できるので省力化が計れる利点もある。
接合の結果、ＳＯＩ基板１とガラス基板２の間には、その中心部に微小間隙が保持され、基準圧室２０が形成される。

最後に、図８に示すように、ステンシルマスクを用いてスパッタ法もしくは真空蒸着法により、貫通孔２１内に第１の電極用及び第２の電極用の引出電極７，８と、外部接続端子１７，１８を形成すれば、圧力センサーが完成する。
図９に本発明の圧力センサのシリコンアイランド近傍を拡大して示す。ガラス基板２の基準圧室２０側に形成された第２の電極５は、ＳＯＩ基板のシリコン基板１１に形成されたシリコンアイランド６の下部に一部潜り込んでおり、電気的に接続されている。さらにシリコンアイランド６はガラス基板２に形成された第２の電極用の引出電極７と電気的に接続されている。一方、シリコンアイランド６は溝１５と絶縁膜１２によって周囲から電気的に隔離されている。したがって、第２の電極５はシリコンアイランド６を介して第２の電極用の引出電極７と電気的に接続されており、ＳＯＩ基板のシリコン基板１１とガラス基板２とは接合面９を介して陽極接合により密着して強固に接合されている。したがって、接合部の気密性が破られることはない。

本発明の第１の実施形態に係わる圧力センサの平面図である。図１に示す圧力センサの線Ａ−Ａ’に沿った断面図である。本発明の第２のの実施形態に係わる圧力センサの平面図である。図３に示す圧力センサの線Ａ−Ａ’に沿った断面図である。本発明の圧力センサのＳＯＩ基板の加工工程を示す断面工程図である。本発明の圧力センサのガラス基板の加工工程を示す断面工程図である。本発明の圧力センサの接合工程を説明する図である。本発明の圧力センサの外部接続端子の加工工程を示す断面工程図である。本発明の圧力センサのシリコンアイランド近傍を拡大して示す図である。従来の圧力センサの一例を示す断面構造を示す図である。

符号の説明

１・・・・・・ＳＯＩ基板、２・・・・・・ガラス基板、３・・・・・・感圧ダイヤフラム部、４・・・・・・第１の電極、５・・・・・・第２の電極、６・・・・・・シリコンアイランド、７，８・・・・・・引出電極、９・・・・・・接合界面、１０・・・・・・圧力センサ、１１，１３・・・・・・シリコン基板、１２・・・・・・絶縁膜、１４・・・・・・窪み、１５・・・・・・溝、１７，１８・・・・・・外部接続端子、１９・・・・・・凹部、２０・・・・・・基準圧室、２１・・・・・・貫通孔、３０・・・・・・圧力センサ、３１・・・・・・シリコン基板、３２・・・・・・ガラス基板、３３・・・・・・感圧ダイヤフラム部、３４・・・・・・第２の電極、３５・・・・・・第１の電極、３６・・・・・・蓋板、３７・・・・・・リード部、３８・・・・・・穴部、３９・・・・・・ＩＣチップ、４０・・・・・・基準圧室、５０・・・・・・圧力センサ

Claims

電極間の容量の変化により圧力を測定する容量型の圧力センサであって、被測定圧力を受けて変位する感圧ダイヤフラム部の形成されたＳＯＩ基板と、そのＳＯＩ基板と陽極接合されたガラス基板と、前記両基板の接合面の内部であって前記感圧ダイヤフラム部の形成された位置に対応する位置に密封されて形成され、測定圧の基準値を与える微小ギャップの基準圧室とを備え、前記ＳＯＩ基板のシリコン層表面に形成された第１の電極を具備し、該基準圧室の前記感圧ダイヤフラム部に対向する前記ガラス基板表面には導電性材料により形成された第２の電極が設けられ、前記ガラス基板と接合するＳＯＩ基板のシリコン層の一部に、周囲をＳＯＩ基板の絶縁層まで達する溝で囲まれたシリコンアイランドを有し、さらに、前記ガラス基板の前記基準圧室の近傍に、前記ガラス基板を貫通して明けられた第２の貫通孔と、前記第２の貫通孔内部には導電性材料からなる第２の取り出し電極を有しており、かつ、前記第２の電極と第２の取り出し電極とが、前記シリコンアイランドを介して電気的に接合されていることを特徴とする圧力センサ。
前記ガラス基板の前記基準圧室の近傍に、前記ガラス基板を貫通して明けられた第１の貫通孔を有し、前記第１の貫通孔内部には導電性材料からなる第１の取り出し電極を有しており、前記第１の電極と第１の取り出し電極とが、前記第１の貫通孔の先端で電気的に接合されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
前記シリコンアイランドの平面形状が、円形又は四角形であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の圧力センサ。