JP7080372B1 - 半導体圧力センサ及び圧力センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水素ガスの圧力測定を高精度化した半導体圧力センサを得ること。【解決手段】第１の半導体基板と、第１の半導体基板の一方の面に酸化膜を介して接合された第２の半導体基板と、第２の半導体基板の一方の面に設けられた第１のピエゾ抵抗素子及び第２のピエゾ抵抗素子とを備え、第１の半導体基板の一方の面に第１の凹部及び第１の凹部を取り囲んだ第２の凹部が形成され、第１の凹部と第２の半導体基板とにより囲まれた第１のキャビティ、第２の凹部と第２の半導体基板とにより囲まれた第２のキャビティが形成され、第１のピエゾ抵抗素子は第１のキャビティの外周に重複する位置または第１のキャビティの外周よりも内側の位置に形成され、第２のピエゾ抵抗素子は第２のキャビティの外周に重複する位置、または第２のキャビティの内周に重複する位置、または第２のキャビティの外周よりも内側で内周よりも外側の位置に形成されている。【選択図】図１

Description

本願は、半導体圧力センサ及び圧力センサ装置に関するものである。

燃料電池車等に搭載されるタイプの燃料電池システムにおいては、高電圧の発生が可能な燃料電池スタックが用いられている。燃料電池スタックは、燃料電池セル積層体を、絶縁板、集電板、エンドプレート等で挟み込むように構成される。燃料電池セル積層体は、燃料電池セルを多数積層したものである。１組の燃料電池セルは、一般的には、アノード側電極、電解質膜、カソード側電極から成る膜電極アセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）とセパレータから構成される。

燃料電池スタックにおいては、アノード側に燃料ガス（例えば水素ガス）を、カソード側に酸素ガス（例えば空気）を供給することによって、電池反応が起こり、起電力が発生して、カソード側に水が生成される。この発電を効率的に行うためには、燃料電池スタックに供給される水素ガス、及び空気の量を的確に測定し、過不足なく制御した上で供給する必要がある。水素ガスの制御には、圧力センサが利用されている。

しかしながら、燃料電池スタックに供給される水素ガスの圧力を測定する圧力センサには、改善すべき課題が多い。水素ガスの分子径は、共有結合半径が約３７ｐｍ、ファンデルワールス半径が約１２０ｐｍであり、非常に小さい。水素ガスはガス分子のまま、あるいはイオン化して圧力センサに浸入した後に再結合する等するため、容易に種々の材料を透過するという特性がある。この特性が、高精度な圧力測定を困難にしている。

また、燃料電池システムを構成する各種部品は、仕様、価格とも未だ適正化が十分になされておらず、燃料電池車の普及の上で低価格化が喫緊の課題である。そのため、大量生産が可能で安価な半導体圧力センサを燃料電池システムに用いることが望ましい。測定媒体が空気であることを想定した従来の半導体圧力センサは、例えば、ダイヤフラムを単結晶シリコン基板で形成し、キャビティを封止する台座にはガラス基板が用いられている。そのため、従来の半導体圧力センサは、安価、高精度、高信頼性という特徴を有している。しかしながら、従来の半導体圧力センサは燃料電池システムでの使用を想定していないため、半導体圧力センサにおける水素透過の課題に対して十分な対策が取られていない。

従来の半導体圧力センサを燃料電池システムにおける水素ガスの圧力測定に用いた場合、水素ガスがシリコン酸化膜及びガラス基板を容易に透過してしまうため、高精度な圧力測定は行えない。多くの材料の水素拡散係数は、室温の大気圧下に比べて、燃料電池システムのような高温高圧下において指数関数的に増大する。そのため、このような現象は水素ガスの温度、圧力が高くなれば一層顕著になる。さらに、キャビティは絶対圧の測定を行うために内部を真空にしていることから、キャビティ内部と外部には圧力差があるため水素ガスはキャビティに浸入し易い。キャビティの内部に水素が浸入すると、キャビティの内部の圧力が上昇し、圧力センサの出力が変動する。そのため、従来の半導体圧力センサでは、水素ガスの圧力を高精度に測定することは困難である。また、近年の半導体圧力センサの高精細化、高集積化に伴い、キャビティの容積も一層小型化している。そのため、キャビティへ浸入した水素ガスの量が極めてわずかであっても、キャビティの圧力上昇は著しく大きなものとなってしまうので、水素透過の影響がより一層深刻となっている。

半導体基板を接合して作製された半導体圧力センサにおいて、半導体基板の接合時に発生する水素、酸素等のガスをトラップする構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。開示された半導体圧力センサでは、ダイヤフラムを有する第１の半導体基板と、第２の半導体基板とを真空中で接合することによってキャビティが形成される。半導体圧力センサは、第１の半導体基板と第２の半導体基板との接合界面にトラップ室を備えている。このトラップ室において、第１の半導体基板と第２の半導体基板との接合時に発生する水素、酸素等のガスをトラップする。

特開２０００－１３３８１７号公報

上記特許文献１における半導体圧力センサの構造では、第１の半導体基板と第２の半導体基板との接合界面にトラップ室を備えているため、熱処理工程において発生した水素ガスが双方の基板の界面を伝わることによる水素ガスのキャビティ内への浸入を防ぐことはできる。しかしながら、開示された単結晶シリコン材で構成された半導体圧力センサを燃料電池システムにおける水素ガスの圧力測定に用いた場合、水素透過現象を完全になくせるものではないため、キャビティ内への水素の浸入を防ぐことは難しい。以下、その理由を述べる。

開示された半導体圧力センサにおいて、第１の半導体基板と第２の半導体基板とが接合されることで生じた接合部は、半導体圧力センサの側面で外部に露出している。単結晶シリコン基板であるウエハに複数の半導体圧力センサが製造され、ダイシングによって半導体圧力センサは個片化される。半導体プロセスを利用した半導体圧力センサの製造においては、接合部の外部への露出は避けられない。２枚のウエハの接合を促進させるために接合部に形成されるシリコン酸化膜は、シリコンと比較して水素ガスを透過し易い材料である。そのため、半導体圧力センサの接合部は、分子径の小さい水素ガスが側面からキャビティの内部に浸入する透過経路になる。

開示された半導体圧力センサは、透過経路における水素透過に対して対策がなされていない。絶対圧を測定するために真空状態を維持すべきキャビティ内に透過経路から水素ガスが浸入してキャビティの真空度が低下すると、半導体圧力センサは高精度に水素ガスの圧力を測定することができなくなるという課題があった。高精度に圧力を測定できないので、測定の信頼性は低下することになる。

そこで、本願は、水素ガスの圧力測定を高精度化した半導体圧力センサを得ることを目的とする。

本願に開示される半導体圧力センサは、第１の半導体基板と、第１の半導体基板の一方の面に、酸化膜を介して接合された第２の半導体基板と、第１の半導体基板とは反対側の第２の半導体基板の一方の面に設けられた第１のピエゾ抵抗素子及び第２のピエゾ抵抗素子とを備え、第１の半導体基板の一方の面に、第１の凹部、及び第１の凹部を取り囲んだ第２の凹部が形成され、第１の凹部と第２の半導体基板の他方の面とにより囲まれた空間である第１のキャビティが形成され、第２の凹部と第２の半導体基板の他方の面とにより囲まれた空間である第２のキャビティが形成され、第１のピエゾ抵抗素子は、第２の半導体基板の一方の面に垂直な方向に見て、第２の半導体基板の一方の面における、第１のキャビティの外周に重複する位置または第１のキャビティの外周よりも内側の位置に形成され、第２のピエゾ抵抗素子は、第２の半導体基板の一方の面に垂直な方向に見て、第２の半導体基板の一方の面における、第２のキャビティの外周に重複する位置、または第２のキャビティの内周に重複する位置、または第２のキャビティの外周よりも内側で内周よりも外側の位置に形成されているものである。

本願に開示される半導体圧力センサによれば、第１の半導体基板の一方の面に、第１の凹部、及び第１の凹部を取り囲んだ第２の凹部が形成され、第１の凹部と酸化膜を介して接合された第２の半導体基板の他方の面とにより囲まれた空間である第１のキャビティが形成され、第２の凹部と第２の半導体基板の他方の面とにより囲まれた空間である第２のキャビティが形成され、第１のピエゾ抵抗素子が第２の半導体基板の一方の面に垂直な方向に見て、第２の半導体基板の一方の面における、第１のキャビティの外周に重複する位置または第１のキャビティの外周よりも内側の位置に形成され、第２のピエゾ抵抗素子が第２の半導体基板の一方の面に垂直な方向に見て、第２の半導体基板の一方の面における、第２のキャビティの外周に重複する位置、または第２のキャビティの内周に重複する位置、または第２のキャビティの外周よりも内側で内周よりも外側の位置に形成されているため、酸化膜から透過した水素ガスにより、第１のキャビティと第２のキャビティの内部の圧力に差が生じ、第１のピエゾ抵抗素子と第２のピエゾ抵抗素子の出力から第１のキャビティと第２のキャビティの内部の圧力差が検出できるので、水素ガスの圧力測定を高精度化することができる。

実施の形態１に係る半導体圧力センサを模式的に示す平面図である。 図１のＡ－Ａ断面位置で切断した半導体圧力センサの概略を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体圧力センサを模式的に示す平面図である。 実施の形態１に係る別の半導体圧力センサを模式的に示す平面図である。 実施の形態１に係る別の半導体圧力センサを模式的に示す平面図である。 実施の形態１に係る半導体圧力センサの出力変動量を示す図である。 実施の形態１に係る半導体圧力センサの第１のキャビティ及び第２のキャビティの内圧変化の関係を示す図である。 実施の形態１に係る半導体圧力センサの補正の処理について説明する図である。 実施の形態１に係る圧力センサ装置の構成を示す図である。 圧力センサ装置のハードウエアの一例を示す構成図である。 実施の形態１に係る半導体圧力センサの製造工程を示す図である。 実施の形態２に係る半導体圧力センサを模式的に示す平面図である。

以下、本願の実施の形態による半導体圧力センサを図に基づいて説明する。なお、各図において同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る半導体圧力センサ１を模式的に示す平面図で、配線を省略して示した図、図２は図１のＡ－Ａ断面位置で切断した半導体圧力センサの概略を示す断面図、図３は半導体圧力センサ１を模式的に示す平面図で、配線を説明する図、図４は実施の形態１に係る別の半導体圧力センサ１を模式的に示す平面図で、配線を説明する図、図５は実施の形態１に係る別の半導体圧力センサ１を模式的に示す平面図で、配線を説明する図、図６は半導体圧力センサ１の出力変動量を示す図、図７は半導体圧力センサ１の第１のキャビティ５及び第２のキャビティ７の内圧変化の関係を示す図、図８は半導体圧力センサ１の補正の処理について説明する図、図９は圧力センサ装置１００の構成を示す図、図１０は圧力センサ装置１００のハードウエアの一例を示す構成図、図１１は半導体圧力センサ１の製造工程を示す図である。半導体圧力センサ１は、半導体プロセスで作製され、水素ガス、または水素ガスを含む気体の圧力を測定するセンサである。

＜半導体圧力センサ１＞
半導体圧力センサ１は、第１の半導体基板である第１のシリコン基板２と、第１のシリコン基板２の一方の面である主面２ａに、シリコン酸化膜４を介して接合された第２の半導体基板である第２のシリコン基板３と、第１のシリコン基板２とは反対側の第２のシリコン基板３の一方の面である主面３ａに設けられた第１のピエゾ抵抗素子６及び第２のピエゾ抵抗素子８とを備える。第１のシリコン基板２の主面２ａに、第１の凹部２ｂ、及び第１の凹部２ｂを取り囲んだ第２の凹部２ｃが形成される。第１の凹部２ｂ及び第２の凹部２ｃは、第１のシリコン基板２の厚さ方向に形成される。第２のシリコン基板３は、第１の凹部２ｂ及び第２の凹部２ｃを覆って接合される。本実施の形態では、第１の凹部２ｂは、第２のシリコン基板３の主面３ａに垂直な方向に見て、矩形状に形成される。また、第２の凹部２ｃは、第２のシリコン基板３の主面３ａに垂直な方向に見て、矩形環状に形成される。第１の凹部２ｂ及び第２の凹部２ｃの形状はこれに限るものではなく、例えば円形及び円環状であっても構わない。第１の凹部２ｂ及び第２の凹部２ｃを矩形状及び矩形環状に形成した場合、第１の凹部２ｂ及び第２の凹部２ｃを半導体プロセスで容易に精度よく形成することができる。

第２のシリコン基板３の主面３ａは、半導体圧力センサ１の圧力を受ける面である。第１のシリコン基板２及び第２のシリコン基板３には単結晶シリコン基板を用い、第２のシリコン基板３は変形可能な厚みが薄い基板である。第１のキャビティ５は、第１の凹部２ｂと第２のシリコン基板３の他方の面である主面３ｂとにより囲まれた空間により形成される。第２のキャビティ７は、第２の凹部２ｃと第２のシリコン基板３の主面３ｂとにより囲まれた空間により形成される。図１において、第１のキャビティ５は中央の破線で囲まれた部分に形成され、第２のキャビティ７は斜線で示された部分に形成される。半導体圧力センサ１がこのような２つのキャビティを備えることで、水素ガスの圧力測定を高精度化することができる。水素ガスの圧力測定の高精度化についての詳細は後述する。

第１のピエゾ抵抗素子６は、第２のシリコン基板３の主面３ａに垂直な方向に見て、第２のシリコン基板３の主面３ａにおける、第１のキャビティ５の外周に重複する位置または第１のキャビティ５の外周よりも内側の位置に形成される。第２のピエゾ抵抗素子８は、第２のシリコン基板３の主面３ａに垂直な方向に見て、第２のシリコン基板の主面３ａにおける、第２のキャビティ７の外周に重複する位置、または第２のキャビティ７の内周に重複する位置、または第２のキャビティ７の外周よりも内側で内周よりも外側の位置に形成される。

本実施の形態では、第１のピエゾ抵抗素子６は、第２のシリコン基板３の主面３ａに垂直な方向に見て、第２のシリコン基板３の主面３ａにおける、第１のキャビティ５の外周よりも内側で、第１のキャビティ５の外周に隣接した位置に形成される。第２のピエゾ抵抗素子８は、第２のシリコン基板３の主面３ａに垂直な方向に見て、第２のシリコン基板３の主面３ａにおける、第２のキャビティ７の外周よりも内側で、第２のキャビティ７の外周に隣接した位置に形成される。図１に示すように、第１のピエゾ抵抗素子６は、第２のシリコン基板３の主面３ａに垂直な方向に見て、矩形状の第１のキャビティ５の外周の各辺のそれぞれの上述した位置に第１のピエゾ抵抗素子６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄが設けられる。第２の凹部２ｃは、第１の凹部２ｂの各辺の外側に位置し、第１の凹部２ｂの各辺と対応する長さを有する第２の凹部２ｃの４つの領域部分２ｃ１を有する。図１において、一点鎖線で囲まれた部分が領域部分２ｃ１である。４つの領域部分２ｃ１は、互いに同じ幅（図１において矢印で示した幅）である。第２のピエゾ抵抗素子８は、第２のシリコン基板３の主面３ａに垂直な方向に見て、第２のシリコン基板３の主面３ａにおける、４つの領域部分２ｃ１のそれぞれの外周よりも内側で、４つの領域部分２ｃ１のそれぞれの外周に隣接した位置に第２のピエゾ抵抗素子８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄが設けられる。

図２において、第１のキャビティ５と対向した第２のシリコン基板３の部分（図２において破線で囲まれた部分）は、ダイヤフラム９ａの断面を構成する。第２のキャビティ７と対向した第２のシリコン基板３の部分（図２において一点鎖線で囲まれた部分）は、ダイヤフラム９ｂの断面を構成する。ダイヤフラム９ａ、９ｂは変形可能な受圧部であり、受けた圧力に応じて撓み、特に第１のピエゾ抵抗素子６及び第２のピエゾ抵抗素子８が配置された箇所において歪が生じる。ダイヤフラム９ａ、９ｂの大きさ、厚さで歪の程度、すなわち感圧特性が決定される。ダイヤフラム９ａ、９ｂは、主に第２のシリコン基板３の厚さが、ダイヤフラム９ａ、９ｂの厚さとなる。図１において、第１のキャビティ５の形成された部分がダイヤフラム９ａになり、第２のキャビティ７が形成された部分がダイヤフラム９ｂになる。

第２のシリコン基板３の主面３ａに圧力が印加されると、ダイヤフラム９ａは第１のキャビティ５と外部の圧力の差圧に応じて撓む。同様に、ダイヤフラム９ｂは第２のキャビティ７と外部の圧力の差圧に応じて撓む。それに伴い、第１のピエゾ抵抗素子６及び第２のピエゾ抵抗素子８の配置された箇所に歪が生じる。生じた歪の程度に応じて、第１のピエゾ抵抗素子６及び第２のピエゾ抵抗素子８のそれぞれの抵抗値が変化する。この抵抗値は電気信号に変換して出力され、出力された電気信号は拡散抵抗である拡散配線層１０及び金属である金属配線層１１ａを介して電極パッドである金属パッド１１ｂから外部に取り出される。図１に示した第１のピエゾ抵抗素子６及び第２のピエゾ抵抗素子８の位置は、大きい歪が得られる位置である。

＜半導体圧力センサ１の配線構成＞
図３を用いて、半導体圧力センサ１の配線について説明する。半導体圧力センサ１は、第２のシリコン基板３の主面３ａに複数の金属パッド１１ｂを備える。金属パッド１１ｂは、半導体圧力センサ１が備えた配線と外部とを接続する部分である。第１のピエゾ抵抗素子６と金属パッド１１ｂとは、拡散配線層１０からなる第１の配線で接続される。第２のピエゾ抵抗素子８と金属パッド１１ｂとは、拡散配線層１０または金属配線層１１ａからなる第２の配線で接続される。図３において、拡散配線層１０からなる配線を破線で示し、金属配線層１１ａからなる配線を実線で示した。本実施の形態では、第２のピエゾ抵抗素子８と金属パッド１１ｂとを金属配線層１１ａからなる第２の配線で接続したがこれに限るものではない。図４に示すように、第２のピエゾ抵抗素子８と金属パッド１１ｂとの間を部分的に拡散配線層１０からなる第２の配線で接続しても構わない。金属配線層１１ａで配線を形成した場合、半導体プロセスで配線を容易に形成することができる。

半導体圧力センサ１のサイズを小さくする観点から、ダイヤフラム９ａとダイヤフラム９ｂとの間の領域に金属パッド１１ｂを設けることができない場合、ダイヤフラム９ｂの領域に第１のピエゾ抵抗素子６と金属パッド１１ｂとを接続する配線層を形成することになる。配線層の種類を任意に選択して、半導体圧力センサ１の配線を設計することは可能である。ダイヤフラム９ｂの領域に金属配線層１１ａを設けた場合、ダイヤフラム９ｂの変形により金属配線層１１ａに応力がかかるため、配線にダメージを与えることが懸念される。配線へのダメージを回避するためには、応力の影響を受けにくい拡散配線層１０で配線を形成することが好適である。

図４に示した配線は、第１のピエゾ抵抗素子６と金属パッド１１ｂとの間は拡散配線層１０で、第２のピエゾ抵抗素子８と金属パッド１１ｂとの間は拡散配線層１０と金属配線層１１ａである。拡散配線層１０で配線を設けた場合、ダイヤフラム９ａ、９ｂの変形に起因した応力の影響を受けにくくすることができる。配線が応力の影響を受けにくいため、配線の耐久性を向上させ、配線の経年劣化を抑制することができる。

図３に示した金属パッド１１ｂ及び配線のレイアウトは一例であり、ワイヤボンディング等の製造工程の簡易化等を考慮して、これらは自由に配置できる。図４に示すように、第１のピエゾ抵抗素子６及び第２のピエゾ抵抗素子８の電源とＧＮＤについての金属パッド１１ｂを共通化しても構わない。第１のピエゾ抵抗素子６及び第２のピエゾ抵抗素子８の電源とＧＮＤを共通化することにより、金属パッド１１ｂの数を減らすことできる。金属パッド１１ｂの数が減るため、設計の自由度が向上し、製造工数を削減することが可能になる。

第１の配線である拡散配線層１０と第２の配線である金属配線層１１ａの少なくとも一部が、絶縁膜を介して積層される構成でも構わない。図５において、絶縁膜を介して積層された箇所は積層部１２である。絶縁膜を介してそれぞれの配線は積層されているため、一方の配線が他方の配線から電気的な影響を受けることはない。また、積層して配線しているため、半導体圧力センサ１のサイズをより小さくすることができる。

＜圧力センサ装置１００＞
圧力センサ装置１００は、図９に示すように、上述した構成の半導体圧力センサ１と、信号処理回路５０とを備える。信号処理回路５０は、第１のピエゾ抵抗素子６の出力と第２のピエゾ抵抗素子８の出力に基づいて、第１のピエゾ抵抗素子６の出力を処理する。信号処理回路５０が、予め定められたプログラムに基づいて第１のピエゾ抵抗素子６の出力を補正する処理を行うことで、水素ガスの圧力測定を高精度化することができる。処理の詳細については後述する。

信号処理回路５０は、ハードウエアの一例を図１０に示すように、プロセッサ１１１と記憶装置１１２から構成される。記憶装置１１２は、図示していないが、ランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを具備する。また、フラッシュメモリの代わりにハードディスクの補助記憶装置を具備してもよい。プロセッサ１１１は、記憶装置１１２から入力されたプログラムを実行する。この場合、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプロセッサ１１１にプログラムが入力される。また、プロセッサ１１１は、演算結果等のデータを記憶装置１１２の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。

＜補正処理の概要＞
水素ガスの圧力測定を高精度化するための補正処理の概要について説明する。第１のシリコン基板２と第２のシリコン基板３との接合部であるシリコン酸化膜４は、半導体圧力センサ１の側面で露出している。そのため、半導体圧力センサ１を用いて水素ガスまたは水素ガスを含む気体の圧力測定を行うと、測定時間が長くなるに従い、水素が透過経路であるシリコン酸化膜４を透過して第２のキャビティ７の内部に浸入する。続いて第２のキャビティ７の内部の水素が第１の凹部２ｂと第２の凹部２ｃとの間の接合部のシリコン酸化膜４を通って第１のキャビティ５の内部に浸入する。水素の浸入に伴い、圧力測定の基準となるキャビティ内の真空度が低下すると、第１のピエゾ抵抗素子６及び第２のピエゾ抵抗素子８の出力にオフセットがかかり、測定精度が低下する。補正の処理は、水素の透過により、第１のキャビティ５と第２のキャビティ７の内部の圧力に差が生じることを利用する。圧力差を検出して補正することで、水素ガスの絶対圧を高精度に測定することが可能となる。

半導体圧力センサ１を用いた水素ガスの圧力測定において、第１のピエゾ抵抗素子６の出力結果を第１のピエゾ抵抗素子６及び第２のピエゾ抵抗素子８の出力結果に基づいて補正した場合と補正しない場合について、図６を用いて説明する。図６は半導体圧力センサ１の出力について初期からの変動量を示す図であり、外部環境の水素圧力が６００ｋＰａ、水素濃度１００％、温度１００℃のときの結果である。図６に示した圧力測定において、許容できるセンサ出力の変動量の範囲を破線で示す。水素ガスがキャビティの内部に浸入してセンサ出力の変動量が許容範囲を超えるほどキャビティの内部の圧力が上昇した場合、センサ出力の補正が必要になる。図６の補正なしの場合において、半導体圧力センサ１の側面から透過経路を通って水素ガスが透過することにより、第１のキャビティ５の内部の圧力が上昇して、センサ出力である第１のピエゾ抵抗素子６の出力の変動量が時間の経過とともに大きくなっていく。一方、信号処理回路５０において、第１のピエゾ抵抗素子６及び第２のピエゾ抵抗素子８の出力結果を用いて第１のキャビティ５の内部の圧力変化量を見積もることができる。図６の補正ありの場合のように、第１のキャビティ５の内部の圧力変化量を見積もることでセンサ出力を補正して、センサ出力の変動を抑制した結果を得ることができる。

＜第１の凹部２ｂと第２の凹部２ｃ＞
本実施の形態では、図１に示すように、第２のシリコン基板３の主面３ａに垂直な方向に見て、第１の凹部２ｂは各辺の長さが等しい矩形状に形成され、第２の凹部２ｃは外周と内周のそれぞれの各辺の長さが等しい矩形環状に形成される。ダイヤフラム９ａ、９ｂを形成する第２のシリコン基板３の厚さが２０μｍの場合、例えば、第１の凹部２ｂは一辺の長さが４００μｍ、第２の凹部２ｃの領域部分２ｃ１の幅（図１に示した矢印の幅）が３００μｍで形成される。つまり４つの領域部分２ｃ１のそれぞれの幅は、第１の凹部の一辺の長さの０．７５倍である。このとき、第１のピエゾ抵抗素子６が形成された領域のダイヤフラム９ａと第２のピエゾ抵抗素子８が形成された領域のダイヤフラム９ｂは、第１のピエゾ抵抗素子６及び第２のピエゾ抵抗素子８のそれぞれの抵抗値変化が同じ程度に利用できる十分な歪を得ることができる。そのため、第１のピエゾ抵抗素子６及び第２のピエゾ抵抗素子８による出力電圧を検出し易くなる。

第２の凹部２ｃの領域部分２ｃ１の幅を半分にすると、０．７５倍の場合と比較して、第２のピエゾ抵抗素子８が配置された箇所のダイヤフラム９ｂの歪の程度は約１／１０になる。領域部分２ｃ１の幅を第１の凹部２ｂの一辺の長さと同じにすると、０．７５倍の場合と比較して、第２のピエゾ抵抗素子８が配置された箇所のダイヤフラム９ｂの歪の程度は約２倍になる。第２の凹部２ｃの領域部分２ｃ１の幅が大きいほど、ダイヤフラム９ｂの感圧性を大きくすることができる。しかしながら、半導体圧力センサ１のサイズを小さくする観点から、領域部分２ｃ１の幅は第１の凹部２ｂの各辺の長さ（例えば４００μｍ）以下で形成することが適している。

第２のピエゾ抵抗素子８の抵抗値変化が第１のピエゾ抵抗素子６と同じ程度以上に利用できる十分な歪を得るためには、４つの領域部分２ｃ１のそれぞれの幅が第１の凹部の一辺の長さの０．７５倍より大きいことが望ましい。このように構成することで、第２のシリコン基板３の主面３ａが外部の圧力を受けた場合において、第２のシリコン基板３の主面３ａにおける第２のピエゾ抵抗素子８が形成された部分の歪み量は、第１のピエゾ抵抗素子６が形成された部分の歪み量よりも大きくすることができる。第２のピエゾ抵抗素子８が形成された部分の歪み量を大きくすることで、水素ガスが透過経路から半導体圧力センサ１の内部で最初に浸入する第２のキャビティ７の内部の圧力を高精度に検出することができる。第２のキャビティ７の内部の圧力を高精度に検出することで、水素ガスの絶対圧を高精度に測定することができる。

ダイヤフラム９ｂの歪の大きさは、領域部分２ｃ１の幅によりおおよそ決まるが、第１の凹部２ｂと第２の凹部２ｃとの間の距離が小さすぎるとダイヤフラム９ａとダイヤフラム９ｂの歪が干渉する。本実施の形態において用いた第１の凹部２ｂと第２の凹部２ｃの寸法では、第１の凹部２ｂと第２の凹部２ｃとの間の距離を１０μｍ以上開けることで、ダイヤフラム９ａとダイヤフラム９ｂの歪の干渉を抑制することができた。

＜水素ガスの透過＞
水素ガスの透過と半導体圧力センサ１の各部位との関係について説明する。図７は水素ガスの透過による第１のキャビティ５及び第２のキャビティ７の内圧の変化の関係を示す図であり、外部環境の水素圧力が６００ｋＰａ、水素濃度１００％、温度１００℃のときの結果である。図７の縦軸の左側は、第１のキャビティ５に隣接して設けた第１のピエゾ抵抗素子６の出力から換算した第１のキャビティ５の内圧の値を示している。図７の横軸は、第２のキャビティ７に隣接して設けた第２のピエゾ抵抗素子８の出力から換算した第２のキャビティ７の内圧の値を示している。図７の縦軸の右側は、第１のキャビティ５と第２のキャビティ７の内圧の比を示している。

水素ガスが半導体圧力センサ１の側面から透過経路を通って、第２のキャビティ７、そして第１のキャビティ５の順に半導体圧力センサ１の内部に浸入する。水素ガスの浸入により、第２のキャビティ７の内圧の変化量が大きくなるに従い、それに遅れて第１のキャビティ５の内圧が変化していく関係が図７から得られる。図７の関係は、キャビティの容積、第１のシリコン基板２と第２のシリコン基板３との接合面積、シリコン酸化膜４の厚さ等の各パラメータを変えることで任意に調整することができる。これらの関係は使用される外部の環境及び測定する圧力範囲に応じて適切に設定する必要がある。各パラメータについて説明する。

キャビティの容積においては、水素ガスの浸入によるキャビティの内圧の変化を小さく抑えるという観点からは、第１のキャビティ５及び第２のキャビティ７の容積は大きい方が好ましい。さらに第２のキャビティ７の容積を大きくすることで、外部環境からの水素透過に対して第２のキャビティ７の内部の水素濃度の変化が小さくなるため、第１のキャビティ５への水素透過量を低減できる。一方、キャビティ内への水素透過量が少ない場合は、例えば、第２のキャビティ７の容積を小さくすることで、水素透過量に対する第２のキャビティ７の内圧の変化の感度を向上させることができる。第２のキャビティ７の内圧の変化の感度が向上するので、より少ない水素ガスの透過を精度よく検出することができる。そのため、少量の水素ガスの透過でも、より高精度にセンサ出力の変動を補正することが可能になる。容積を小さくするには、キャビティの深さ、または第２のシリコン基板３の主面３ａに垂直な方向に見たキャビティの外形を小さくする必要がある。なお、キャビティの大きさはダイヤフラムの歪の大きさに影響するため、極端にキャビティの大きさを小さくすることはできない。

第１のシリコン基板２と第２のシリコン基板３との接合面積においては、接合面積が大きいほど、水素が透過する透過経路の経路長が長くなるため、キャビティの内圧の変化は小さくなる。一方、第２のキャビティ７より外側の第１のシリコン基板２と第２のシリコン基板３との接合部の面積を小さくすることにより、上述したキャビティの容積の場合と同様に、水素透過量に対する第２のキャビティ７の内圧の変化の感度を向上させることができる。第２のキャビティ７の内圧の変化の感度が向上するので、より少ない水素ガスの透過を精度よく検出することができる。そのため、少量の水素ガスの透過でも、より高精度にセンサ出力の変動を補正することが可能になる。

シリコン酸化膜４の厚さにおいては、第１のシリコン基板２と第２のシリコン基板３の接合の信頼性の観点から、１μｍ程度の厚さが用いられる。接合された部分の面内均一性が損なわれない範囲で、シリコン酸化膜４の厚さを薄くすることにより、水素透過量を低減することができる。

以上のように、キャビティの容積、または第１のシリコン基板２と第２のシリコン基板３との接合面積、またはシリコン酸化膜４の厚さといった各パラメータを変化させることにより、水素ガスの透過に起因したキャビティの内圧変化は調整可能である。各パラメータは、ダイヤフラムの厚さ、半導体圧力センサ１の使用される外部の環境、及び測定する圧力範囲を考慮して、適切に設計することが好ましい。

＜補正処理＞
水素ガスが透過経路から浸入した場合の第１のピエゾ抵抗素子６の出力の補正について説明する。まず、第１のピエゾ抵抗素子６及び第２のピエゾ抵抗素子８のそれぞれの出力が、予め定めた出力初期値となるように基準圧力を用いてトリミングする。トリミングにより、第１のピエゾ抵抗素子６及び第２のピエゾ抵抗素子８のそれぞれの出力は一致する。トリミングは、例えば、信号処理回路５０において電気的に行われるがこれに限るものではない。トリミングは、レーザを用いて第１のピエゾ抵抗素子６及び第２のピエゾ抵抗素子８の抵抗値を調整するレーザトリミングで行っても構わない。

半導体圧力センサ１を水素雰囲気に置いた場合、水素ガスの拡散係数（透過レート）は、第１のシリコン基板２と第２のシリコン基板３との接合部及びダイヤフラム等の材料及び形状に依存する。水素ガスの透過は、第２のキャビティ７から始まる。続いて第２のキャビティ７の内部の水素ガスが第１のキャビティ５の内部に浸入することで、第１のキャビティ５と第２のキャビティ７のそれぞれの内圧が変化する。本実施の形態においては、シリコン酸化膜４が主たる水素ガスの透過経路であることから、第２のキャビティ７の水素ガスの透過量が第１のキャビティ５の水素ガスの透過量より常に多くなる。その結果、第１のピエゾ抵抗素子６及び第２のピエゾ抵抗素子８のそれぞれは、図７に示したように、水素ガスの透過量に起因して異なる内圧に対応した値を出力する。

第１のピエゾ抵抗素子６と第２のピエゾ抵抗素子８の出力の比、及び第１のピエゾ抵抗素子６の出力から換算した第１のキャビティ５の内圧の値から、第１のキャビティ５における水素ガスに起因した内圧の変動量を見積もることができる。見積もった内圧の変動量を用いて圧力の測定値を補正することで、透過した水素ガスによる内圧の変動を打ち消すことができる。水素ガスによる内圧の変動を打ち消すことで、水素ガスの圧力測定を高精度化することができる。

以下、補正の具体例を説明する。図８は、図７を基にして、第１のキャビティ５と第２のキャビティ７の内圧の比に対して第１のキャビティ５の内圧の変動量をプロットした図であり、外部環境の水素圧力が６００ｋＰａ、水素濃度１００％、温度１００℃のときの結果である。半導体圧力センサ１を上記の水素雰囲気に１００００時間置いた場合、第１のキャビティ５に隣接して設けた第１のピエゾ抵抗素子６の出力から換算した第１のキャビティ５の内圧の値は６００．６５ｋＰａ、第２のキャビティ７に隣接して設けた第２のピエゾ抵抗素子８の出力から換算した第２のキャビティ７の内圧の値は６０６．１ｋＰａであった。第１のピエゾ抵抗素子６と第２のピエゾ抵抗素子８の出力の比は１．００９であった。図８より出力の比が１．００９のときの第１のキャビティ５の内圧の変動量を０．６５ｋＰａと見積もることができるため、圧力測定における真の圧力の値は６００ｋＰａであると算出できる。

外部環境の水素圧力が６００ｋＰａの一定の場合の例について示したが、水素圧力が変動する場合においても、第１のキャビティ５の内圧の変動量を図８の縦軸から同様に見積もることができる。ここで示した第１のピエゾ抵抗素子６と第２のピエゾ抵抗素子８の出力の比は一例である。キャビティの容積、または第１のシリコン基板２と第２のシリコン基板３との接合面積等を任意に設定して、目標とする圧力の測定精度（変動量）に対して、出力の比の変化量を最大化することで補正の精度をさらに高めることができる。本実施の形態の構成によれば、半導体圧力センサの従来の設計を流用できるため、材料及び製造に係るコストの増大を抑制することができる。さらにダイヤフラム及びピエゾ抵抗素子を用いた簡素な構成で、センサ出力の補正が可能となり、水素ガス等の圧力を高精度に測定する半導体圧力センサ１を得ることができる。

＜半導体圧力センサ１の製造方法＞
半導体圧力センサ１の製造方法の概略について、図１１を用いて説明する。なお単結晶シリコン基板であるウエハに複数の半導体圧力センサ１が同時に製造されるが、ここでは、一つの半導体圧力センサ１の製造について説明する。半導体圧力センサ１は、平面視で１辺が１～１．６ｍｍ程度の正方形である。ダイヤフラム９ａは、１辺が４００μｍ程度の正方形である。半導体圧力センサ１の製造方法は、凹部形成工程（Ｓ１１）、酸化膜形成工程（Ｓ１２）、基板接合工程（Ｓ１３）、ダイヤフラム形成工程（Ｓ１４）、抵抗形成工程（Ｓ１５）、配線形成工程（Ｓ１６）、及びダイシング工程（Ｓ１７）を備える。

凹部形成工程は、第１のシリコン基板２の主面２ａに、エッチングにより第１の凹部２ｂ及び第２の凹部２ｃを形成する工程である。第１のキャビティ５及び第２のキャビティ７の形状、つまりはダイヤフラム９ａ、９ｂの形状を精度よく形成するためには、ボッシュプロセスを利用した誘導結合型の反応性イオンエッチング（ＩＣＰ－ＲＩＥ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ－Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いることが好ましい。ただし、エッチング方法はこれに限定されるものではなく、水酸化カリウム（ＫＯＨ）またはテトラメチル水酸化アンモニウム（ＴＭＡＨ）等のエッチング液を用いたウェット異方性エッチングによって形成しても構わない。

第１の凹部２ｂ及び第２の凹部２ｃの深さは、第１のキャビティ５及び第２のキャビティ７の容積に係る。万一、水素等何らかのガスがキャビティに浸入することがあってもキャビティの内圧の変化を小さく抑えるという観点からは、キャビティの容積は大きい方が好ましく、可能な限り第１の凹部２ｂ及び第２の凹部２ｃを深くエッチングする方が良い。キャビティを深くすることにより、キャビティの容積が増え、水素ガスの浸入によるキャビティの内圧の変化とそれに伴う第１のピエゾ抵抗素子６及び第２のピエゾ抵抗素子８の出力の変動を小さくすることができる。しかし深いエッチングはウエハの加工負荷が増大すると共に、第１のシリコン基板２の機械的強度が低下する。一方、キャビティを浅くするとウエハの加工負荷は低減し、第１のシリコン基板２の機械的強度の低下の程度は小さくなる。しかしながら、水素透過に対するキャビティの内圧の変化は相対的に大きくなる。本実施の形態においては、第１の凹部２ｂ及び第２の凹部２ｃの深さを５０μｍとした。なお、上述したメリットとデメリットを考慮して、第１の凹部２ｂ及び第２の凹部２ｃの深さは自由に設定することができる。

酸化膜形成工程は、第１のシリコン基板２の主面２ａに、熱酸化よってシリコン酸化膜４を形成する工程である。シリコン酸化膜４は、第１の凹部２ｂ及び第２の凹部２ｃの表面にも形成される。一般的にＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハではウエハ接合面に０．１μｍ～１μｍの酸化膜が用いられる。シリコン酸化膜４の厚さが厚いほど水素等のガスの透過経路の透過断面積が増大するため、第２のキャビティ７及び第１のキャビティ５の内部にガスが浸入し易くなる。一方、シリコン酸化膜４の厚さが薄い場合、第１のシリコン基板２と第２のシリコン基板３の接合部分の面内均一性が損なわれる可能性がある。本願の構成はシリコン酸化膜４の厚さに制約を受ける構成ではないため、一般的なＳＯＩウエハで用いられる厚さとして構わない。本実施の形態においては、シリコン酸化膜４の厚さを０．５μｍとした。なお、本実施の形態においてはシリコン酸化膜４を第１のシリコン基板２の主面２ａに形成する例を示したが、第２のシリコン基板３の主面３ｂに形成しても構わない。

基板接合工程は、第１のシリコン基板２の主面２ａと第２のシリコン基板３の主面３ｂとを接合する工程である。接合は、シリコン酸化膜４を介して真空中で行われる。接合により、第１のキャビティ５及び第２のキャビティ７が形成される。接合は、１１００℃程度の高温下で酸化雰囲気中において行うのが好ましい。なお、第１の凹部２ｂ及び第２の凹部２ｃが形成されたウエハの面に垂直な方向に見て、第１の凹部２ｂ及び第２の凹部２ｃを足し合わせた面積がウエハ全体の面積に占める割合によっては、１２００℃程度まで接合の温度を上げることにより、さらに接合強度を向上させてもよい。

ダイヤフラム形成工程は、第２のシリコン基板３の厚みを調整してダイヤフラム９ａ、９ｂを形成する工程である。第２のシリコン基板３の一部の第１の凹部２ｂ及び第２の凹部２ｃを覆う領域は、ダイヤフラム９ａ、９ｂとなる。そのため、第１のシリコン基板２と第２のシリコン基板３とを接合した後、測定する圧力の範囲に応じて第２のシリコン基板３の厚みを調整する。具体的には、第２のシリコン基板３の主面３ａの全体を研削、及び研磨することにより、所定の厚さ、例えば２０μｍ程度とする。接合時に２０μｍ程度の薄い厚さの第２のシリコン基板３を取り扱うことが困難なため、ダイヤフラム形成工程が必要になる。本工程により、予め定めた厚さを有した、ダイヤフラム９ａ、９ｂが形成される。

抵抗形成工程は、第１のピエゾ抵抗素子６及び第２のピエゾ抵抗素子８を第２のシリコン基板３の主面３ａに形成する工程である。第１のピエゾ抵抗素子６及び第２のピエゾ抵抗素子８は、ダイヤフラム９ａ、９ｂの外周部にそれぞれ形成される。本実施の形態では、第１のピエゾ抵抗素子６は、第２のシリコン基板３の主面３ａに垂直な方向に見て、矩形状の第１のキャビティ５の外周の各辺のそれぞれに第１のピエゾ抵抗素子６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄが形成される。第２のピエゾ抵抗素子８は、第２のシリコン基板３の主面３ａに垂直な方向に見て、第２のシリコン基板３の主面３ａにおける、４つの領域部分２ｃ１のそれぞれの外周よりも内側で、４つの領域部分２ｃ１のそれぞれの外周に隣接した位置に第２のピエゾ抵抗素子８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄが形成される。第１のピエゾ抵抗素子６及び第２のピエゾ抵抗素子８は、第２のシリコン基板３の主面３ａの上述した位置にボロンなどの不純物がイオン注入され、その後の熱処理等を経て形成される。

配線形成工程は、拡散配線層１０、金属配線層１１ａ、及び金属パッド１１ｂを第２のシリコン基板３の主面３ａに形成する工程である。拡散配線層１０は、イオン注入及びその後の熱処理によって形成される。金属配線層１１ａ及び金属パッド１１ｂは、スパッタリングまたは電子ビーム蒸着等の方法により、Ａｌ、Ａｌ－Ｓｉ、Ａｌ－Ｓｉ－Ｃｕ等を成膜することで形成される。

ダイシング工程は、半導体圧力センサ１を個片化する工程である。配線形成工程までで、図１に示した半導体圧力センサ１を得ることができる。半導体圧力センサ１はウエハに複数製造されるため、ダイシングにより個片化される。

なお、本願の半導体圧力センサ１の用途は、燃料電池システムを搭載した車両に限定されるものではない。従来のエンジンを搭載した自動車においても、燃料改質等の手法を用いて吸入空気に微量の水素ガスを混入させる等の方法によって燃焼効率を改善する取り組みが図られているため、このような水素ガスを含む空気の圧力を測定する用途にも適している。

以上のように、実施の形態１による半導体圧力センサ１において、第１のシリコン基板２の主面２ａに、第１の凹部２ｂ、及び第１の凹部２ｂを取り囲んだ第２の凹部２ｃが形成され、第１の凹部２ｂと第２のシリコン基板３の主面３ｂとにより囲まれた空間である第１のキャビティ５が形成され、第２の凹部２ｃと第２のシリコン基板３の主面３ｂとにより囲まれた空間である第２のキャビティ７が形成され、第１のピエゾ抵抗素子６が第１のキャビティ５の外周に重複する位置または第１のキャビティ５の外周よりも内側の位置に形成され、第２のピエゾ抵抗素子８が第２のキャビティ７の外周に重複する位置、または第２のキャビティ７の内周に重複する位置、または第２のキャビティ７の外周よりも内側で内周よりも外側の位置に形成されているため、シリコン酸化膜４から透過した水素ガスにより、第１のキャビティ５と第２のキャビティ７の内部の圧力に差が生じ、第１のピエゾ抵抗素子６と第２のピエゾ抵抗素子８の出力から第１のキャビティ５と第２のキャビティ７の内部の圧力差が検出できるので、水素ガスの圧力測定を高精度化することができる。また、キャビティ、ダイヤフラム、及び配線層等の構成について、従来の構成から大きく変更することがなく、材料及び製造のコストが増加することがないため、安価で高い信頼性を維持した半導体圧力センサ１を得ることができる。

第１のピエゾ抵抗素子６が第１のキャビティ５の外周よりも内側で、第１のキャビティ５の外周に隣接した位置に形成され、第２のピエゾ抵抗素子８が第２のキャビティ７の外周よりも内側で、第２のキャビティ７の外周に隣接した位置に形成されている場合、大きな歪を得られる位置に第１のピエゾ抵抗素子６及び第２のピエゾ抵抗素子８を配置することができるので、水素ガスの圧力測定を高精度化することができる。第２のシリコン基板３の主面３ａが外部の圧力を受けた場合において、第２のシリコン基板３の主面３ａにおける第２のピエゾ抵抗素子８が形成された部分の歪み量は、第１のピエゾ抵抗素子６が形成された部分の第２のシリコン基板３の歪み量よりも大きい場合、水素ガスが透過経路から半導体圧力センサ１の内部で最初に浸入する第２のキャビティ７の内部の圧力を高精度に検出することができる。

第２のシリコン基板３の主面３ａに垂直な方向に見て、第１の凹部２ｂが矩形状に形成され、第１の凹部２ｂの各辺の外側に位置し、各辺と対応する長さを有する第２の凹部２ｃの４つの領域部分２ｃ１は互いに同じ幅であり、第２のピエゾ抵抗素子８が第２のシリコン基板３の主面３ａに垂直な方向に見て、第２のシリコン基板３の主面３ａにおける、４つの領域部分２ｃ１のそれぞれの外周よりも内側で、４つの領域部分２ｃ１のそれぞれの外周に隣接した位置に形成され、４つの領域部分２ｃ１のそれぞれの幅が第１の凹部２ｂの一辺の長さの０．７５倍より大きい場合、第２のシリコン基板３の主面３ａが外部の圧力を受けた場合において、第２のシリコン基板３の主面３ａにおける第２のピエゾ抵抗素子８が形成された部分の歪み量を、第１のピエゾ抵抗素子６が形成された部分の第２のシリコン基板３の歪み量よりも大きくすることができる。

第２のシリコン基板３の主面３ａに垂直な方向に見て、第２の凹部２ｃが矩形環状に形成されている場合、第２の凹部２ｃを半導体プロセスで容易に精度よく形成することができる。

第１のピエゾ抵抗素子６と金属パッド１１ｂとが拡散配線層１０で接続されている場合、ダイヤフラム９ｂの領域に形成された拡散配線層１０はダイヤフラム９ｂの変形に起因した応力の影響を受けにくいので、第１のピエゾ抵抗素子６と金属パッド１１ｂとの間の配線の耐久性を向上させ、配線の経年劣化を抑制することができる。第２のピエゾ抵抗素子８と金属パッド１１ｂとが金属配線層１１ａで接続されている場合、ダイヤフラム９ｂの領域に形成されない金属配線層１１ａを半導体プロセスで配線を容易に形成することができる。

第２のピエゾ抵抗素子８と金属パッド１１ｂとが拡散配線層１０で接続されている場合、第２のピエゾ抵抗素子８はダイヤフラム９ｂの領域に形成されており、第２のピエゾ抵抗素子８の周囲の配線部分はダイヤフラム９ｂの変形に起因した応力の影響を受けやすいので、第２のピエゾ抵抗素子８と金属パッド１１ｂとの間の配線の耐久性を向上させ、配線の経年劣化を抑制することができる。また、第１の配線である拡散配線層１０と第２の配線である金属配線層１１ａの少なくとも一部が絶縁膜を介して積層されている場合、半導体圧力センサ１のサイズをより小さくすることができる。

圧力センサ装置１００が半導体圧力センサ１と信号処理回路５０とを備え、信号処理回路５０が第１のピエゾ抵抗素子６の出力と第２のピエゾ抵抗素子８の出力に基づいて、第１のピエゾ抵抗素子６の出力を処理する場合、第１のピエゾ抵抗素子６の出力を補正する処理が行えるので、水素ガスの圧力測定を高精度化することができる。

実施の形態２．
実施の形態２に係る半導体圧力センサ１について説明する。図１２は実施の形態２に係る半導体圧力センサ１を模式的に示す平面図である。実施の形態２に係る半導体圧力センサ１は、第２のシリコン基板３の主面３ａに垂直な方向に見て、実施の形態１とは第２の凹部２ｃの形状が異なる構成になっている。

第２のシリコン基板３の主面３ａに垂直な方向に見て、第１の凹部２ｂは矩形状に形成され、第２の凹部２ｃは矩形環状に形成されている。第２の凹部２ｃは、第１の凹部２ｂの各辺のそれぞれの外側に位置し、矩形環状の部分から外側に突出した形状を含む４つの突出部分１３を有する。４つの突出部分１３のそれぞれは、４つの突出部分１３の幅（図１２において矢印で示した幅）と少なくとも同じ長さで形成される。第２のピエゾ抵抗素子８は、第２のシリコン基板３の主面３ａに垂直な方向に見て、第２のシリコン基板３の主面３ａにおける、４つの突出部分１３のそれぞれの外周よりも内側で、４つの突出部分１３のそれぞれの外周に隣接した位置に形成される。４つの突出部分１３のそれぞれの幅は、第１の凹部２ｂの一辺の長さの０．７５倍よりも大きい。本実施の形態では、４つの突出部分１３を除く矩形環状の部分の幅は、第１の凹部２ｂの一辺の長さの０．７５倍以下である。

ダイヤフラム９ｂにおいて十分な大きさの歪を得るべき領域は、第２のピエゾ抵抗素子８が形成される領域及びその周囲の領域である。第２の凹部２ｃの４つの突出部分１３の幅と少なくとも同じ長さの外側部分を矩形環状の部分から外側に突出した形状とすることで、ダイヤフラム９ｂに十分な大きさの歪を得るべき領域を確保することができる。そのため、４つの突出部分１３を除く矩形環状の部分の幅を第２のピエゾ抵抗素子８を設けた４つの突出部分１３の部分の幅よりも小さくすることができる。この構成によれば、矩形環状の部分の幅を狭めた箇所の外側に、金属配線層１１ａ及び金属パッド１１ｂのスペースを十分に確保できる。そのため、柔軟な設計が可能になり、且つ半導体圧力センサ１のサイズを大きくすることなく水素ガスを高精度に測定することができる。

４つの突出部分１３を除く矩形環状の部分の幅を第２のピエゾ抵抗素子８を設けた４つの突出部分１３の幅よりも小さくすることができるので、第１のシリコン基板２と第２のシリコン基板３との接合面積を拡大することができる。第１のシリコン基板２と第２のシリコン基板３との接合面積が拡大するので、第１のシリコン基板２と第２のシリコン基板３との接合強度が向上すると共に、接合部からの水素透過量を低減することができる。

４つの突出部分１３を除く矩形環状の部分の幅を第２のピエゾ抵抗素子８を設けた４つの突出部分１３の幅よりも小さくすることで、第２のキャビティ７の容積を減らすことができる。第２のキャビティ７の容積が減るので、水素透過量に対して第２のキャビティ７の内部の圧力が変化し易くなり、より少ない水素ガスの透過を検出することができる。より少ない水素ガスの透過が検出できるため、水素ガスの測定精度を向上することができる。ただし、第２のピエゾ抵抗素子８が形成された領域の第２のキャビティ７が小さすぎると、ダイヤフラム９ｂで十分な歪の大きさを得ることができなくなるため、少なくとも第２のキャビティ７の幅と同程度以上の長さを設けることが好ましい。本実施の形態において、所望の歪の大きさが得られることが重要であり、特にキャビティ及びダイヤフラムの形状に対称性等の制約はない。また、ピエゾ抵抗素子の位置についても同様に、十分な出力が得られるならば任意の位置に配置することは可能である。

以上のように、実施の形態２による半導体圧力センサ１において、第２のシリコン基板３の主面３ａに垂直な方向に見て、第２の凹部２ｃは第１の凹部２ｂの各辺のそれぞれの外側に位置し、矩形環状の部分から外側に突出した形状を含む４つの突出部分１３を有し、４つの突出部分１３のそれぞれは４つの突出部分１３の幅と少なくとも同じ長さで形成され、４つの突出部分１３の幅が第１の凹部の一辺の長さの０．７５倍より大きいため、ダイヤフラム９ｂに十分な大きさの歪を得るべき領域を確保することができるので、４つの突出部分１３を除く矩形環状の部分の幅を第２のピエゾ抵抗素子８を設けた４つの突出部分１３の幅よりも小さくすることができる。４つの突出部分１３を除く矩形環状の部分の幅を第２のピエゾ抵抗素子８を設けた４つの突出部分１３の幅よりも小さくすることができるため、矩形環状の部分の幅を狭めた箇所の外側に金属配線層１１ａ及び金属パッド１１ｂ配置できるので、半導体圧力センサ１のサイズを小型化することができる。

４つの突出部分１３の幅が第１の凹部の一辺の長さの０．７５倍より大きく、４つの突出部分１３を除く矩形環状の部分の幅が第１の凹部の一辺の長さの０．７５倍以下の場合、第２のシリコン基板３の主面３ａにおける第２のピエゾ抵抗素子８が形成された部分の歪み量を第１のピエゾ抵抗素子６が形成された部分の第２のシリコン基板３の歪み量よりも大きくしつつ、半導体圧力センサ１を小型化することができる。

また本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１ 半導体圧力センサ、２ 第１のシリコン基板、２ａ 主面、２ｂ 第１の凹部、２ｃ 第２の凹部、２ｃ１ 領域部分、３ 第２のシリコン基板、３ａ 主面、３ｂ 主面、４ シリコン酸化膜、５ 第１のキャビティ、６ 第１のピエゾ抵抗素子、７ 第２のキャビティ、８ 第２のピエゾ抵抗素子、９ａ ダイヤフラム、９ｂ ダイヤフラム、１０ 拡散配線層、１１ａ 金属配線層、１１ｂ 金属パッド、１２ 積層部、１３ 突出部分、５０ 信号処理回路、１００ 圧力センサ装置

Claims (11)

1. 第１の半導体基板と、
   前記第１の半導体基板の一方の面に、酸化膜を介して接合された第２の半導体基板と、
   前記第１の半導体基板とは反対側の前記第２の半導体基板の一方の面に設けられた第１のピエゾ抵抗素子及び第２のピエゾ抵抗素子と、を備え、
   前記第１の半導体基板の一方の面に、第１の凹部、及び前記第１の凹部を取り囲んだ第２の凹部が形成され、前記第１の凹部と前記第２の半導体基板の他方の面とにより囲まれた空間である第１のキャビティが形成され、前記第２の凹部と前記第２の半導体基板の他方の面とにより囲まれた空間である第２のキャビティが形成され、
   前記第１のピエゾ抵抗素子は、前記第２の半導体基板の一方の面に垂直な方向に見て、前記第２の半導体基板の一方の面における、前記第１のキャビティの外周に重複する位置または前記第１のキャビティの外周よりも内側の位置に形成され、
   前記第２のピエゾ抵抗素子は、前記第２の半導体基板の一方の面に垂直な方向に見て、前記第２の半導体基板の一方の面における、前記第２のキャビティの外周に重複する位置、または前記第２のキャビティの内周に重複する位置、または前記第２のキャビティの外周よりも内側で内周よりも外側の位置に形成されている半導体圧力センサ。
2. 前記第１のピエゾ抵抗素子は、前記第２の半導体基板の一方の面に垂直な方向に見て、前記第２の半導体基板の一方の面における、前記第１のキャビティの外周よりも内側で、前記第１のキャビティの外周に隣接した位置に形成され、
   前記第２のピエゾ抵抗素子は、前記第２の半導体基板の一方の面に垂直な方向に見て、前記第２の半導体基板の一方の面における、前記第２のキャビティの外周よりも内側で、前記第２のキャビティの外周に隣接した位置に形成されている請求項１に記載の半導体圧力センサ。
3. 前記第２の半導体基板の一方の面が外部の圧力を受けた場合において、前記第２の半導体基板の一方の面における前記第２のピエゾ抵抗素子が形成された部分の歪み量は、前記第１のピエゾ抵抗素子が形成された部分の前記第２の半導体基板の歪み量よりも大きい請求項１または２に記載の半導体圧力センサ。
4. 前記第２の半導体基板の一方の面に垂直な方向に見て、
   前記第１の凹部は矩形状に形成され、
   前記第１の凹部の各辺の外側に位置し、前記第１の凹部の各辺と対応する長さを有する前記第２の凹部の４つの領域部分は、互いに同じ幅であり、
   前記第２のピエゾ抵抗素子は、前記第２の半導体基板の一方の面に垂直な方向に見て、前記第２の半導体基板の一方の面における、前記４つの領域部分のそれぞれの外周よりも内側で、前記４つの領域部分のそれぞれの外周に隣接した位置に形成され、
   前記４つの領域部分のそれぞれの幅は、前記第１の凹部の一辺の長さの０．７５倍よりも大きい請求項３に記載の半導体圧力センサ。
5. 前記第２の半導体基板の一方の面に垂直な方向に見て、
   前記第２の凹部は、矩形環状に形成されている請求項４に記載の半導体圧力センサ。
6. 前記第２の半導体基板の一方の面に垂直な方向に見て、
   前記第１の凹部は矩形状に形成され、前記第２の凹部は矩形環状に形成され、
   前記第２の凹部は、前記第１の凹部の各辺のそれぞれの外側に位置し、矩形環状の部分から外側に突出した形状を含む４つの突出部分を有し、
   前記４つの突出部分のそれぞれは、前記４つの突出部分の幅と少なくとも同じ長さで形成され、
   前記第２のピエゾ抵抗素子は、前記第２の半導体基板の一方の面に垂直な方向に見て、前記第２の半導体基板の一方の面における、前記４つの突出部分のそれぞれの外周よりも内側で、前記４つの突出部分のそれぞれの外周に隣接した位置に形成され、
   前記４つの突出部分のそれぞれの幅は、前記第１の凹部の一辺の長さの０．７５倍よりも大きい請求項３に記載の半導体圧力センサ。
7. 前記４つの突出部分を除く矩形環状の部分の幅は、前記第１の凹部の一辺の長さの０．７５倍以下である請求項６に記載の半導体圧力センサ。
8. 前記第２の半導体基板の一方の面に、複数の電極パッドを備え、
   前記第１のピエゾ抵抗素子と前記電極パッドとは、拡散抵抗からなる第１の配線で接続され、
   前記第２のピエゾ抵抗素子と前記電極パッドとは、金属からなる第２の配線で接続されている請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体圧力センサ。
9. 前記第２の半導体基板の一方の面に、複数の電極パッドを備え、
   前記第１のピエゾ抵抗素子と前記電極パッドとは、拡散抵抗からなる第１の配線で接続され、
   前記第２のピエゾ抵抗素子と前記電極パッドとは、拡散抵抗からなる第２の配線で接続されている請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体圧力センサ。
10. 前記第１の配線と前記第２の配線の少なくとも一部は、絶縁膜を介して積層されている請求項８または９に記載の半導体圧力センサ。
11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載した半導体圧力センサと、
    前記第１のピエゾ抵抗素子の出力と前記第２のピエゾ抵抗素子の出力に基づいて、前記第１のピエゾ抵抗素子の出力を処理する信号処理回路と、を備えた圧力センサ装置。

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