JP3432780B2 - 半導体圧力センサ - Google Patents
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Description
量を計測するセンサ、特に半導体式圧力センサに関す
る。
が、例えば図20に示すような特表平8−501156
号公報に記載されている。この従来技術においては、犠
牲層エッチングの手法を用いて製作された静電容量式圧
力ゲージについての記述がなされている。圧力ゲージは
圧力に応じて容量値が変化する感圧容量素子2と、感圧
容量素子2と同程度の容量値ながら圧力に対して容量値
が不変な参照容量素子3から成り立っている。以下、そ
の構造および動作原理について述べる。
されており、その上面には空隙7を挟んでポリシリコン
膜からなる可動電極5が形成されている。なお空隙7
は、この領域に形成済みであった犠牲層を、可動電極5
の一部に設けられたエッチチャンネル12を通じて、エ
ッチング除去することにより生成される空隙である。こ
の空隙7を真空封止するため、エッチチャンネル12を
塞ぐ様にシリコン酸化膜からなる封止膜9が形成されて
いる。この結果、空隙7は真空封止された圧力基準室と
なり、圧力基準室内の基板に設けられた固定電極6と、
前記ポリシリコン膜からなる可動電極5との間でコンデ
ンサを形成している。感圧容量素子2と参照容量素子3
は、ほぼ同構造であるが、参照容量素子3は可動電極5
上の封止膜9を除去しておらず、ダイアフラムの膜剛性
を高めている。
ては、可動電極5が圧力基準室内との差圧によって変位
するとともに、可動電極5と固定電極6との間のギャッ
プが変化してコンデンサに容量変化が生じる。一方、参
照容量素子3では膜剛性が高いために圧力によって可動
電極5が変化せず、容量が変化しない。
示す。ギャップ間部材の誘電率をε、電極面積をSs、
電極ギャップ初期値をd0とすると感圧容量素子2の容
量初期値をCs0は、 Cs0=εSs/d0 …(1) である。一方、圧力Pにより感圧容量素子2の電極ギャ
ップが、初期値d0よりΔd変化し、Δd=kP (k
はダイアフラムバネ定数)が成り立つとすると、 Cs=εSs/(d0−Δd)=εSs/(d0−kP) …(2) となる。
をε、電極面積をSr、電極ギャップ初期値をd0とす
ると参照容量素子2の容量値Crは、 Cr=Cr0=εSr/d0 …(3) 差動の容量式圧力センサでは一般に、これら両素子の容
量値の差分ΔCをC−V変換回路によって電圧ΔVに変
換し、アンプにより増幅して出力する。
開平5−231973号公報に記載されており、その回
路図を図21に示す。この回路は一般に知れらたスイッ
チドキャパシタ回路をベースとしたものであり、その出
力は、 Vout={(Cs−Cr)/Ci}Vcc …(4) となり、出力は感圧容量素子2と参照容量素子3の容量
差に依存する。本回路の問題としては、(2)式及び
(4)式より明らかなように出力電圧Voutが圧力P
に対して非線形であり、線形な出力を得るには出力補正
が必要である。
る第2の公知例として、sensors and ac
tuators A60(1997)P32〜36、に
記載の回路がある。これは、圧力によって静電容量が変
化する感圧容量素子がオペアンプの積分容量になってお
り、この素子にチャージされる電荷量を電圧信号に変換
する構成になっている。図22に回路構成を示し、その
回路構成の出力は(5)式で表される。
変化するよう構成されているため、圧力検出精度を高め
ることができる。
のアプリケーションの中でも、自動車のエンジン制御に
用いられる圧力センサは、高い圧力検出精度および耐ノ
イズ性が要求される。従って、前記C−V変換回路に関
する第2の公知例のような高精度の容量比型C−V変換
回路の採用が望ましい。また、耐ノイズ性向上には、S
/N比の観点から圧力ゲージの出力信号ΔVを大きくし
てアンプの増幅率を下げることが有効である。
式に示すように感圧容量と参照容量の初期値の比によっ
てC−V変換効率が決まるが、従来はその比をほぼ1と
設定し、感度調整用パラメータとしては用いられていな
かった。したがって圧力ゲージの出力を増大させるに
は、ダイアフラム剛性を下げて変位量を増やす、あるい
は電極ギャップを狭くする等により容量変化ΔC自体を
増大させる必要があった。しかしながら、過度にダイア
フラム剛性を下げる、あるいは電極ギャップを狭くする
ことは、計測範囲圧力においてダイアフラムが基板に接
触する不具合につながるため、その設計の自由度は限ら
れていた。
もので、感圧容量と参照容量の比を用いて出力する方式
の圧力ゲージにおいて、簡便な方法でC−V変換率を高
めてセンサ出力のS/N比を向上させることを目的とす
る。
に、本発明は主として次のような構成を採用する。
る感圧容量Csを有する感圧容量素子と、検出すべき圧
力に対して静電容量の不変な参照容量Crを有する参照
容量素子と、前記感圧容量Csと前記参照容量Crの比
に対応する信号を出力して圧力を検出する手段と、を備
えた半導体圧力センサであって、前記参照容量Crの初
期値Cr0と前記感圧容量Csの初期値Cs0の関係
が、1.2<Cr0/Cs0 <1.8、である半導体
圧力センサ。
力センサについて、図面を用いて以下説明する。図1は
本発明の第1の実施形態に係る半導体圧力センサゲージ
を示す面図、図2はその平面図である。図1と図2を用
いてその構造について説明する。
照容量素子3、C−MOSからなる容量―電圧変換回路
4(以下、C−V変換回路4と称する)が形成されてい
る。
た固定電極6、可動電極5を有し、これらの電極が微小
空隙7を介して対向しており容量素子構造となってい
る。可動電極5の上部には、微小空隙7内部を真空封止
するための封止膜9、その上部にはシールド兼表面保護
膜10が形成されている。参照容量素子3の構造は、感
圧容量素子2にほぼ準じているが、可動電極5の代わり
に支柱付き固定電極8が設けられ、圧力に対して不変の
容量素子となる。また、参照容量素子3の固定電極径は
感圧容量素子2の固定電極径よりも大きくなっている。
する。微小空隙7内部は真空封止されていることから、
感圧容量素子2に圧力が印加されると可動電極5は基板
側にたわむ。よって、固定電極6と可動電極5の間のギ
ャップが小さくなり、圧力に依存した容量変化が起き
る。一方、参照容量素子3は前述のように支柱付き固定
電極8であるため、圧力に対して容量変化は起こらな
い。この感圧容量素子2と参照容量素子3の容量変化の
差分をC−V変換回路4により電圧ΔVとして出力す
る。
C−V変換回路4の回路構成を図4に示す。また、本実
施形態の動作を説明する動作波形を図5に示す。本実施
形態は感圧容量素子2、参照容量素子3、定電圧源11
1、112、スイッチ121、122、123、12
4、131、132、コンデンサ106、オペアンプ1
07、反転器181、出力端子109で構成される。
号φ1で、スイッチ122、124、132は逆位相
(φ1B)で駆動される。また、反転器181は入力信
号を−1倍して出力させるもので、オペアンプを使った
簡単な反転増幅器又はスイッチドキャパシタ回路などで
容易に実現できる。
と、スイッチ121、123、131がオンしていると
きはCs、Crともに電荷が充電されていないが、スイ
ッチ122、124、132がオンした瞬間にCsとC
rに電荷QsとQrがそれぞれ充電される。もし、Qs
とQrが等しければ、積分用コンデンサCFには電流が
流れ込まず、従って出力Vo、Voutともに0Vのま
まとなる。ここで圧力等の力が加わりCsが増加した場
合、QsがQrよりも大きくなるため、Csに充電され
る電荷量QsとCrに充電される電荷量Qrの差分がコ
ンデンサCF(その容量値Cf)に積分される。このと
きの電圧Voは(7)式に従う。
ンサ出力Voutは(8)式に従う。
c−Vout)分の電圧が加わるようになる。最終的に
はCsに充電される電荷量とCrへ充電される電荷量が
等しくなるところまで出力電圧Voutは変化し、安定
する。その最終出力電圧は、 Vout={1−(Cr/Cs)}Vcc …(9) となる。このような回路構成とすることによって圧力P
に対しリニアな出力電圧が得られる。また、パルス電圧
駆動でありながらVoutは直流電圧として得られるた
め、サンプルホールド回路が不要となるメリットがあ
る。なお(9)式は(1)(2)(3)式より、 Vout ={(Cr0/Cs0)(k/d0)P+1−(Cr0/Cs0)}Vcc …(10) となることから、S/N比を向上させる目的でゲージ出
力電圧ΔVを向上させるには、CsとCrの初期値の比
Cr0/Cs0を調整すれば良いことが分かる。しか
し、従来の差動式C−V変換回路では、Cr0/Cs0
≒1としており、容量初期値の比Cr0/Cs0を変え
ることにより感度を調整する手法は採られていない。
差動出力する本来の目的は、温度変化や製作バラツキ、
電磁ノイズ等のキャンセルであり、従来は外乱の影響度
を均一にすることを狙いとし、両者の絶対値を等しくし
ていた。
化、破線はオフセット電圧)、Cr 0/Cs0比を0.
8〜1.8の範囲で変えた数種のサンプルを用い、過酷
な環境下で耐久試験を行った結果、Cr0/Cs0比が
1.2を越える付近より耐久後の出力変化が小さくなり
始め、Cr0/Cs0比が大きいほど良好な結果が得ら
れた。これは、Cr0/Cs0≠1としてもCr0/C
s0比が0.8〜1.8の範囲では、ノイズのキャンセ
ル効率のさほど低下せず、むしろゲージ出力ΔVが増大
したことによるS/N比向上の効果が大きいためと考え
られる。
オフセット出力が増大する問題があるが(図6の破線参
照)、C−V変換回路にオフセット電圧調整回路を付加
することにより対応できる。しかし、その調整範囲に限
界があるため、本実施形態ではCr0/Cs0=1.8
と設定している。結局、本発明では、Cr0/Cs0比
が1.2を超え且つ1.8までのものである。
量Cは比誘電率、電極面積、電極ギャップで決まるた
め、Cr0/Cs0比を調整するにはこれらのパラメー
タのいずれかを調整すれば良い。製作プロセスを考慮す
ると、最も容易な調整パラメータは、固定電極の径を変
える方法であり、本実施形態では参照容量素子の固定電
極径を、感圧容量の√1.8倍とすることでCr0/C
s0=1.8と設定している。なお、他の調整方法とし
て、図7に示すように参照容量素子の微小空隙7内に誘
電体20を挿入する方法、図8に示すように微小空隙7
のギャップを小さくする方法などが考えられる。
とによってゲージ出力ΔVを増すことができるため、ア
ンプの増幅率を下げてS/N比を向上させ、センサの高
精度化を図ることができる。
作方法について説明する。前記センサの製作プロセス
は、LSI製作プロセスに準じている。
201を熱酸化し、基板上面に絶縁層となるシリコン酸
化膜202を形成する。次に、図10に示すようにその
表面にポリシリコン膜203をCVD法で形成し、リン
等の不純物を拡散して導電化した後、ホトエッチング技
術で所望の固定電極形状を得る。
ア層としてCVD法によりシリコン酸化膜204、シリ
コン窒化膜205を順次形成する。その後、図12に示
すようにCVD法によりリンガラス(PSG)からなる
犠牲層206を形成する。この犠牲層厚は、後に形成さ
れる所望の空隙高さ(電極ギャップ)とする。この犠牲
層206を、ホトエッチング技術により加工し、一括し
て所望の空隙7形状、ダイアフラム基板固定部形状、エ
ッチチャンネル形状を得る。
覆うようにCVD法によりポリシリコン膜207を形成
し、リン等の不純物を拡散して導電化した後、所望のダ
イアフラム形状となるようにホトエッチング技術により
加工する。ここでエッチチャンネルより犠牲層206の
一部が外部に露出する。
図14に示すように前記エッチチャンネルを介して犠牲
層206のみが除去され、基板とポリシリコン膜207
に挟まれた微小空隙7が形成される。次に、図15に示
すようにCVD法により基板とポリシリコン膜207を
覆うようにシリコン酸化膜208を形成し、ホトエッチ
ング技術により所望の形状に加工する。なおCVDはほ
ぼ真空状態で行われるため、空隙は真空封止され絶対圧
センサとして機能する際の圧力基準室となる。
面保護膜としてポリシリコン膜209をCVD法により
酸化膜208表面に形成し、ホトエッチング技術によっ
て所望の形状に加工しゲージ構造が完成する。
1チップとした圧力センサの第2の実施形態を図17に
示す。圧力ゲージの出力は一般に温度誤差や非線形性誤
差を有し、単純にアンプで増幅した場合、圧力検出精度
が低下する。そこで、非直線誤差や温度誤差等の出力誤
差を予めROM内に書き込み、デジタル処理により出力
を補正して精度を向上させる方式としている。本実施形
態のセンサは、感圧容量素子2、参照容量素子3、発振
器303、容量検出回路4、出力調整用演算回路30
5、ROM306、電極パッド307より構成されてい
る。
ジの温度誤差および非直線誤差を測定し、出力補正デー
タとしてROM306内に書き込む。動作時には、圧力
ゲージの出力は出力調整用演算回路305内でデジタル
化され、出力補正データとの演算を行った後、再びアナ
ログ変換され出力される。本実施形態のように圧力ゲー
ジと出力調整用演算回路付き増幅回路を集積化すること
によって、圧力ゲージの高精度化および小型化、低コス
ト化を図ることができる。
車エンジン制御用吸気圧センサとした実装例を図18に
示す。圧力センサは、圧力ゲージチップ401および増
幅回路チップ402、それらを接着するベースとなるリ
ードフレーム403、圧力導入孔付きカバー404、コ
ネクタ部405から成り立つ。圧力ゲージチップ401
および増幅回路チップ402をリードフレーム403に
接着した後、チップの端子とフレーム間のワイヤボンデ
ィングを行う。その後、その上面をゲル406で覆った
後、圧力導入孔付きカバー404を接着し完成する。
サを、自動車のエンジン制御システム用吸気圧センサと
して用いた例を図19示す。外気はエアクリーナ501
を通過後、吸気管502内に導入され、スロットルバル
ブ503によって流量が調整された後に吸気マニホール
ド504内に導入される。吸気マニホールド504内に
は本発明の圧力センサ505が設置されており、吸気マ
ニホールド504内の圧力を検出する。エンジンコント
ロールユニット509は、この圧力センサ505の信号
とエンジン回転数の信号をもとに吸気量を算出し、その
吸気量に最適な燃料噴射量を算出してインジェクター5
06に噴射信号を送る。インジェクター506より噴射
されたガソリンは吸気と混合して混合気となり、吸気バ
ルブ508開時に燃焼室509内に導入され、ピストン
510により圧縮された後に点火プラグ507によって
爆発燃焼する。
のエンジン制御システムの吸気流量計測に用いる場合、
非常に高い測定精度が要求され、かつ装着されるエンジ
ンルーム内は、高温、ダスト、点火プラグのスパークノ
イズ等が様々な外乱要因が存在し、圧力センサにとって
過酷な環境である。しかし、本発明を用いてCr0/C
s0比を高めてゲージ出力電圧ΔVを増大させ、S/N
比を高めた圧力センサにおいては、耐ノイズ性に優れ、
高い要求精度を満足することができる。
換回路は、容量変化により力学量を検出する他のセン
サ、例えば加速度センサ、触覚センサ、ジャイロ赤外セ
ンサなどに応用が可能である。
圧容量と参照容量の比を用いて出力する方式の圧力ゲー
ジにおいて、感圧容量素子と参照容量素子の電極面積を
調整する等の手段によって、Cr0/Cs0>1と設定
し、両素子の容量値の差分ΔCを電圧ΔVに変換する、
いわゆる(ΔC→ΔV)変換効率を増加させるものであ
る。
る方式の圧力ゲージにおいて、Cr0/Cs0比を調整
することにより、ゲージ出力ΔVを増し、アンプの増幅
率を下げてS/N比を向上させ、センサの高精度化を図
ることができる。
の断面図である。
の平面図である。
の動作原理を示した図である。
を用いた容量−電圧変換回路を示した図である。
を用いた容量−電圧変換回路の動作を示した図である。
圧との関係を示した図である。
の参照容量素子の構成例を示した図である。
の参照容量素子の他の構成例を示した図である。
の製作工程の一部を示した図である。
サの製作工程の一部を示した図である。
サの製作工程の一部を示した図である。
サの製作工程の一部を示した図である。
サの製作工程の一部を示した図である。
サの製作工程の一部を示した図である。
サの製作工程の一部を示した図である。
サの製作工程の一部を示した図である。
幅回路からなる半導体圧力センサの平面図である。
実装例を示した図である。
用いた自動車のエンジン制御システムを示した図であ
る。
素子の断面図である。
た図である。
示した図である。
イッチ 181 反転器 201 単結晶シリコン基板 202,204 シリコン酸化膜 203,207,209 ポリシリコン膜 205 シリコン窒化膜 206 犠牲層 208 シリコン酸化膜 303 発振器 305 出力調整用演算回路 306 ROM 307 電極パッド 401 圧力ゲージチップ 402 増幅回路チップ 403 リードフレーム 404 圧力導入孔付きカバー 405 コネクタ部 501 エアクリーナ 502 吸気管 503 スロットル 504 吸気マニホールド 505 圧力センサ 506 インジェクタ 507 点火プラグ 508 ピストン 509 エンジンコントロールユニット
Claims (4)
- 【請求項1】 検出すべき圧力に応じて静電容量の変化
する感圧容量Csを有する感圧容量素子と、検出すべき
圧力に対して静電容量の不変な参照容量Crを有する参
照容量素子と、前記感圧容量Csと前記参照容量Crの
比に対応する信号を出力して圧力を検出する手段と、を
備えた半導体圧力センサであって、 前記参照容量Crの初期値Cr0と前記感圧容量Csの
初期値Cs0の関係が、1.2<Cr0/Cs0 <
1.8、であることを特徴とする半導体圧力センサ。 - 【請求項2】 請求項1に記載の半導体圧力センサにお
いて、 前記Cr0/Cs0 比の調整は、それぞれの素子の電
極面積を異ならせることを特徴とする半導体圧力セン
サ。 - 【請求項3】 請求項1に記載の半導体圧力センサにお
いて、 前記Cr0/Cs0 比の調整は、それぞれの素子の電
極ギャップ長を異ならせることを特徴とする半導体圧力
センサ。 - 【請求項4】 請求項1に記載の半導体圧力センサにお
いて、 前記Cr0/Cs0 比の調整は、それぞれの素子の電
極ギャップ内の誘電率を異ならせることを特徴とする半
導体圧力センサ。
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