JPH04204226A - 半導体圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

この発明は、半導体圧力センサに関し、とくに非常に微
小な圧力を検出するのに好適な半導体圧カセ〉すに関す
る。

【従来の技術】

半導体圧力センサはシリコンのピエゾ抵抗効果を利用し
たもので、自動車、家電等の分野でさまざまな圧力を検
出するのに使用されている。この半導体圧力センサを用
いて非常に微小な圧力を測定しようとする場合、ダイア
フラム部を薄く形成して小さな圧力によってもこのダイ
アフラム部が変形するよう構成している９また、単に薄
くするたけてはダイアフラム部の変形を抵抗ケージの部
分に集中させることができないため、ダイアフラム部の
中央を厚肉部（ボス部）としてそのボス部では変形しな
いようにし、抵抗ゲージの部分で大きな歪が生じるよう
にする。

【発明が解決しようとする課題】

しかしながら、このように薄いダイアフラム部にボス部
を設けた半導体圧力センサでは、振動などのわずかな加
速度が加わっても誤出力を生じるという問題がある。す
なわち、わずがな加速度でも、質量のあるボス部が移動
することになり、その結果、ダイアフラム部の変形をも
たらし、圧力によってダイアフラム部が変形したときと
同じ出力か生じてしまうからである。 この発明は上記に鑑み、加速度が加わっても誤出力を生
じることがないように改善した、半導体圧力センサを提
供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

上記Ｊ１的を達成するため、この発明による半導体圧力
センサにおいては、一つのシリコン基板に設けられた、
それらの間の圧力差を測定する２つの圧力がその両面に
加えられている第１のダイアフラム部と、該第１のダイ
アフラム部の中央部に設けられた第１の厚肉部と、該第
１のダイアフラム部の周辺部に設けられた第１の拡散抵
抗ゲージと、上記のシリコン基板に設けられた、その両
面に同一の圧力か加えられる、上記第１のダイアプラム
部に対応する第２のダイアフラム部と、該第２のダイア
フラム部の中央部に設けられた、上記第１の厚肉部に対
応する第２の厚肉部と、該第２のダイアフラム部の周辺
部に設けられた第２の拡散抵抗ゲージとが備えられてい
る。

【作　　用】

第１のダイアフラム部、厚肉部、拡散抵抗ゲージにより
第１の圧力センサ素子構造が形成される。 また、第２のダイアフラム部、厚肉部、拡散抵抗ゲージ
によって、第２の圧力センサ素子構造が形成される。 ところが、第１のダイアフラム部の両面には、圧力差を
測定りようとする２つの圧力がそれぞれ加えられていて
、この圧力センサ素子は圧力センサ素子として機能する
ようにされているが、第２のダイアフラム部の両面には
同じ圧力が加えられているから、この第２の圧力センサ
素子構造では圧力によってダイアフラム部が変形すると
いうことはなく、圧力センサ素子としては働かないこと
になる。 この第２のダイアフラム部は、第２の厚肉部が動いたと
き、つまり加速度がこ、の厚肉部の質量に作用してこの
第２の厚肉部が動いたときのみ、変形する。したがって
、この第２の圧力センサ素子構造は加速度センサ素子と
して働くことになる。 一方、第１の圧力センサ素子構造も厚肉部を有し、第１
、第２の圧力センサ素子構造は同一のシリコン基板に設
けられているため、加速度が加われは第２の厚肉部のみ
ならず第１の厚肉部も同じに動いて第１のダイアフラム
部の変形を引き起こし、この第１の圧力センサ素子構造
から圧力差が生じたときと同じ出力を生じることになる
。 第１、第２のダイアフラム部は対応しており、また、第
１、第２の厚肉部も対応している。そのため、加速度は
両厚肉部に同じに加わって、加速度が加わったときの出
力は両正カセンサ素子構造で同じに生じる。したかって
、これら両川力を減算するようにすれば、第１、第２の
圧力センサ素子構造から同じに生しる加速度による出力
を相殺することができる。これに対して、圧力差は第１
のダイアフラム部にしか与えられないので、第１の圧力
センサ素子構造から生じる圧力差に応じた出力は、両川
力の減算によってはなんら影響を受けない。

【実　施　例】

以下、この発明の一実施例について図７面を参照しなか
ら詳細に説明する。この発明の一実施例にかかる半導体
圧力センサは第１図にその断面を示す通りであって、シ
リコン基板１と台座３との組立体を、上下に開口４１．
４２を有するハウジング４中に納めてなる。シリコン基
板１には２つの対応する圧カセンサ素子横遣５．６が形
成されており、それらのダイアフラム部２１．２２の中
央部か厚内のボス部２３．２４となっている。ボス部２
３．２４はダイアフラム部２１．２２の変形を、後述の
ように抵抗ゲージとなる拡散層１３が形成されている薄
い部分に集中させるためであり、またダイアフラム部２
１．２２が過大に変形して破壊に至るのを防止する保護
機能も持つ。 台座３には凹部３１．３２と圧力導入孔３３．３４とか
形成されている。凹部３１．３２は数μ―の深さに形成
されており、ボス部２３．２４が上下に動くことを許容
するとともに、過大に動いたときに二のボス部２３．２
４が凹部３１．３２の部分で台座３に突き当るようにな
っている。こうして、台座３はなんらかの理由（たとえ
ば過大圧力や大きな加速度）でダイアフラム部２１．２
２か大きく動いて破壊されることを防止するストッパと
しても機能する。 ハウジング４の上下の開口４１．４２に加わる圧力はそ
れぞれ、一方の圧力センサ素子構造５のダイアフラム部
２１の画面に加えられ、それらの圧力差に応じて３つの
ダイアフラム部２１が変形するよう構成される。すなわ
ち、ダイアフラム部２１の上に設けられた拡散層１３（
後述）の抵抗値か変化することによってその圧力差が検
出される。これに対して、他方の圧カセンサ素子ｍ遣６
のダイアファム部２２には開口４１側の圧力がダイアフ
ラム部２２の両面に加わるようにされている。そのため
、一方の圧力センサ素子構造５は文字どうり圧力センサ
素子として機能するが、他方の圧力センサ素子構造６で
は加速度でボス部２４が移動した場合にだけダイアフラ
ム部２２が変形オることになり、加速度を検出する加速
度センサとして機能する。すなわち、圧力センサ素子構
造６ではダイアフラム部２２の上に設けられた拡散層１
３（後述）の抵抗値が変化することによってそれに加わ
った加速度が検出される。 そして、２つの圧力センサ素子構造５．６のサイズ等は
まったく同じものに形成されているため、このシリコン
基板１（あるいはハウジング４）の全体に加速度が加わ
ったとき、その加速度はボス部２３．２４に同じに作用
し、ダイアフラム部２１．２２を同じだけ変形させ、そ
の結果、加速度によっては同じ圧力を生じる。そのため
、これらの出力を減算するよう構成しておけば、加速度
による出力は相殺されてしまい、圧カセンサ素子横遣５
から生しる圧力差に応じた出力のみを取り出すことがで
きる。そのため、微小な圧力差でもダイアフラム部２１
か変形するようにダイアフラム部２１を薄くした場合、
加速度でもこのダイアフラム部２１が変形し易くなって
誤出力を生じるようになるが、他方のダイアフラム部２
２を同じに薄くすることで、他方の圧力センサ素子構造
６から加速度に対応した出力のみを取り出して、その誤
出力をキャンセルし、小さな圧力差に対応した出力のみ
を得ることが可能となる。 つきに、このような構造の半導体圧力センサを製造工程
をも含めて詳しく説明する。まず、表面の結晶方位が（
’１００）となっているｎ型シリコン基板１を酸化して
第２図に示すようにその表裏両面に酸化シリコン膜１１
を形成する。つぎにフォトリソグラフィにより第３図の
ように表面側の酸化シリコン膜１１に窓１２を設ける。 これらの窓１２は拡散用の窓で、これらの窓１２を通し
てボロンなどを拡散することにより、第４図に示すよう
に拡散層（２層）１３を形成する。この拡散層１３は抵
抗ゲージとなるものである。 つぎに、酸化シリコンＷＡ１１を除去した後、再び酸化
して第５図に示すように酸化シリコン膜１４を設け、さ
らに窒化して窒化シリコン膜１５を形成する（なお、こ
の窒化シリコン膜１５は場合によっては形成しなくても
よい）、そして、裏面においてフォトリソグラフィによ
り窒化シリコンの工・・Ｉチングと酸化シリコンのエン
チングとを順次行って、第６図に示すように裏面の酸化
シリコン膜１４と窒化シリコン膜１５に窓１６を設ける
。 この窓１６はダイアフラム部を形成するための四部を選
択的に設けるのに用いる選択工・・ｌチンク用の窓であ
る。この窓１６を通してシリコンエツチングを行って第
７図のように２つの凹部１７を同時に形成する。この２
つの凹部１７はそれぞれ四角形のリング型となっており
く第１０図臀照）、そのりンク型凹部１７に囲まれた中
央部がボス部２３．２４として残されている。凹部１７
が形成されることにより薄くなった部分かダイアフラム
部２１．２２となり、その部分は厚さか薄くなっている
ので、容易に変形することになる。このダイアフラム部
２１．２２の部分に、抵抗ケージとなる拡散１１１３が
位置するよう凹部１７、つまりエツチング用窓１６が位
置決めされる。 さらに表面側では、フォトリソグラフィにより窒化シリ
コンのエツチングと酸ｆヒシリコンのエツチングとを順
次行って、第８図のように表面の酸化シリコン１Ｉｔ１
４と窒化シリコン膜１５に窓２６を設ける。この窓２６
は電極形成のためのコンタクトホールとなるものである
。そして、表面の全面にアルミニウム（あるいはＡｕ−
Ｃｒ、Ａｕ−Ｔｉ等）を蒸着した後、フォトリソグラフ
ィによりアルミニウムをコンタクトホール窓２６の近辺
のみ残してエツチングして除去し、第９図のような電極
２７を設ける。 二のような加工の施されたシリコン基板１は上から見る
と、第１０図のようになっている。なお、この第１０図
ではシリコン基板１の表面の電８ｉ！２７等は省略して
いる。ダイアフラム部２１．２２は四角形となっており
、それに囲まれるようにボス部２３．２４か形成されて
いる。ここではダイアフラム部２１．２２は角形となっ
ているが、丸形等信の形状も可能である。 こうして加工されたシリコン基板１の裏面に、第１１図
に示すように台座３を接合する。この台座３はガラスま
たはシリコンの基板を加工することにより、ダイアフラ
ム部２１．２２のそれぞれに対応した凹部３１．３２と
圧力導入孔３３．３４が形成されたものである。凹部３
１．３２は凹部１７に対応した４角形となっていてそれ
ぞれ独立している。この台座３としてシリコン基板を用
いると、これらの加工をエツチングで行うことができて
加工が容易である。 最後に、シリコン基板ｌと台座３との組立体を第１図の
ようにハウジング４内に固定して半導体圧力センサが完
成する。 こうして微小な圧力を検出するための半導体圧力センサ
を製造する場合、一つのシリコン基板１に２つの圧力セ
ンサ素子構造５．６をまったく同じ条件の工程でかつ同
時に形成することができ、非常に簡単に製造できるとと
もに、小型化も容易である。また、同じ工程で作るため
、２つの圧力センサ素子構造５．６を同じに作ることが
容易であり、加速度による誤出力の相殺精度を高めるこ
とが簡単である。

【発明の効果】

二の発明の半導体圧力センサによれは、同一シリコン基
板に２つの圧力センサ素子構造を設け、一方を加速度の
みに悪巧するよう精成したため、加速度か加わったとき
両圧カセンサ素子構造から同一の出力を得ることができ
、これらを差し引いて相殺することが可能となる。その
ため、ダイアフラム部の中央部を厚肉部としたボス構造
の微小圧力検出用半導体圧力センサの出力の信頼性を高
め、振動などの環境下でも使用可能とすることができる
、

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例にかかる半導体圧力センサ
の断面図、第２図、第３図、第４図、第５図、第６図、
第７図、第８図、第９図は上記一実施例の製造工程の各
段階での断面図、第１０図及び第１１図はさらにその次
の工程を示すもので、第１０図は平面図、第１１図は第
１０図のＡ−Ａ線矢視断面図である。 １・・・シリコン基板、１１．１４・・・酸化シリコン
膜、１２・・拡散窓、１３・・・拡散層、１５・・・窒
化シリコン膜、１６・・・エツチング窓、１７・・凹部
、２１．２２・ダイアフラム部、２３．２４・・・ボス
部、２６・・コンタクトホール窓、２７・・電極、３・
・・台座、３１．３２・・凹部、３３．３４・・圧力導
入孔、４・・ハウジング、４１．４２・開口、５．６・
・・圧力センサ素子構造。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）一つのシリコン基板に設けられた、それらの間の
   圧力差を測定する２つの圧力がその両面に加えられてい
   る第１のダイアフラム部と、該第１のダイアフラム部の
   中央部に設けられた第１の厚肉部と、該第１のダイアフ
   ラム部の周辺部に設けられた第１の拡散抵抗ゲージと、
   上記のシリコン基板に設けられた、その両面に同一の圧
   力が加えられる、上記第１のダイアフラム部に対応する
   第２のダイアフラム部と、該第２のダイアフラム部の中
   央部に設けられた、上記第１の厚肉部に対応する第２の
   厚肉部と、該第２のダイアフラム部の周辺部に設けられ
   た第２の拡散抵抗ゲージとを備えることを特徴とする半
   導体圧力センサ。