JPH08293615A - 振動型圧力センサ - Google Patents

振動型圧力センサ

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JPH08293615A
JPH08293615A JP9732295A JP9732295A JPH08293615A JP H08293615 A JPH08293615 A JP H08293615A JP 9732295 A JP9732295 A JP 9732295A JP 9732295 A JP9732295 A JP 9732295A JP H08293615 A JPH08293615 A JP H08293615A
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JP
Japan
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thin film
thermal expansion
pressure sensor
low thermal
diaphragm
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Pending
Application number
JP9732295A
Other languages
English (en)
Inventor
Atsushi Sakai
淳 阪井
Takashi Hatai
崇 幡井
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Panasonic Electric Works Co Ltd
Original Assignee
Matsushita Electric Works Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 振動型圧力センサの高感度化及び機械的耐久
性向上を図る。 【構成】 ダイアフラム9上に、薄膜型歪みゲージ5及
び加熱励振用薄膜抵抗体7を備えた振動型圧力センサで
あって、ダイアフラム9が、下部低熱膨張性ポリイミド
薄膜3と上部低熱膨張性ポリイミド薄膜6とで構成さ
れ、薄膜型歪みゲージ5及び加熱励振用薄膜抵抗体7
が、下部低熱膨張性ポリイミド薄膜3と上部低熱膨張性
ポリイミド薄膜6間に形成されている。 【効果】 シリコン微細加工プロセスにより容易に製造
することができるので生産性の向上が図れ、分解能、温
度特性に優れるという利点を生かしつつ、機械的耐久性
向上及び感度向上が図れる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、シリコン微細加工プロ
セスを応用して形成され、振動させているダイアフラム
に圧力が加わった場合に、その圧力によるダイアフラム
の歪みによって、ダイアフラムの振動数が変動すること
を利用して圧力を測定する振動型圧力センサに関するも
のである。
【0002】
【従来の技術】シリコン基板に拡散型ピエゾ抵抗を用い
て歪みゲージを形成し、異方性エッチングによって歪み
ゲージ形成箇所の下方のシリコンをシリコン基板の裏側
から途中まで除去して、ダイアフラム化した圧力センサ
がすでに実用化されている。また、より高性能化を図る
ため、ダイアフラムを、圧電体または静電力または抵抗
加熱等によって振動させておき、ダイアフラムに圧力が
加わった場合の歪みによる、ダイアフラムの振動数の変
化を捉えて、圧力を測定する振動型圧力センサの開発が
なされている。振動型圧力センサは、分解能、温度特性
に優れ、出力信号が交流で、圧力に応じてその周波数が
変動するのでデジタル信号処理が容易であるという特徴
を有している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このように、
結晶シリコンを振動子材料として用いた場合、振動子の
靱性が低くなるため、繰り返し使用試験における寿命が
不十分であったり、衝撃試験、振動試験等の機械的耐久
性が不十分であるという問題点があった。また、感度
は、ダイアフラム上に拡散型歪みゲージを形成した圧力
センサの感度を上回るものの、さらなる高感度化の要望
が強かった。
【0004】本発明は、上記問題点に鑑みなされたもの
で、その目的とするところは、分解能、温度特性に優れ
るという利点を生かしつつ、感度及び機械的耐久性にお
いて従来の振動型圧力センサを上回る、製造が簡単な振
動型圧力センサの構造を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1記載の振動型圧力センサは、その周辺部分
が基板に固定されたダイアフラム上に、薄膜型歪みゲー
ジ及び加熱励振用薄膜抵抗体を備えた振動型圧力センサ
において、前記ダイアフラムが、下部低熱膨張性ポリイ
ミド薄膜とその下部低熱膨張性ポリイミド薄膜上に形成
された上部低熱膨張性ポリイミド薄膜とを含む多層膜で
構成されていると共に、前記薄膜型歪みゲージ及び前記
加熱励振用薄膜抵抗体が、前記下部低熱膨張性ポリイミ
ド薄膜と前記上部低熱膨張性ポリイミド薄膜間に形成さ
れていることを特徴とするものである。
【0006】請求項2記載の振動型圧力センサは、請求
項1記載の振動型圧力センサで、前記薄膜型歪みゲージ
及び前記加熱励振用薄膜抵抗体が、300℃以下の温度
条件で形成できる、同一の材料で構成されていることを
特徴とするものである。
【0007】
【作用】請求項1記載の振動型圧力センサは、その周辺
部分が基板に固定されたダイアフラム上に、薄膜型歪み
ゲージ及び加熱励振用薄膜抵抗体を備えた振動型圧力セ
ンサにおいて、ダイアフラムを、下部低熱膨張性ポリイ
ミド薄膜とその下部低熱膨張性ポリイミド薄膜上に形成
された上部低熱膨張性ポリイミド薄膜とを含む多層膜で
構成すると共に、薄膜型歪みゲージ及び加熱励振用薄膜
抵抗体を、下部低熱膨張性ポリイミド薄膜と上部低熱膨
張性ポリイミド薄膜間に形成して上記課題を解決しよう
とするものである。
【0008】請求項1記載の振動型圧力センサでは、さ
らなる機械的耐久性の向上及び高感度化を達成するため
に、ダイアフラム材料として、半導体デバイスの保護膜
や層間絶縁膜として用いられている、パターニングが可
能な低熱膨張性ポリイミド薄膜を用いる。この材料は、
結晶シリコンに比べ、ヤング率が低く、ポアソン比が高
いため、同じサイズで同じ外圧がかかった場合、結晶シ
リコン製のダイアフラムよりもダイアフラムの歪みを大
きくすることができる。また、この材料は結晶シリコン
に近い熱膨張率を有するため、結晶シリコンで構成され
た基板とダイアフラムの熱膨張率の差による熱歪みの発
生を抑えることができる。さらに、低熱膨張性ポリイミ
ド薄膜は、標準的なシリコンプロセス装置を用いて形成
が可能であるため、基板上に形成する信号処理回路との
一体化が図れる等の利点がありシリコンプロセスとの整
合性も良い。
【0009】以下、周辺部分が基板に固定された円形ダ
イアフラムを例にとって、低熱膨張性ポリイミド薄膜で
ダイアフラムを構成した場合と、結晶シリコンでダイア
フラムを構成した場合の歪みの比較を行って高感度化が
図れるという点について説明する。
【0010】円形ダイアフラムが一様な分布荷重Pを受
けた時の径方向の任意の点r における歪みεr は以下の
式で表される。 εr=3P(1- ν2)(a2-3r2)/8h2E ・・・(1) ここで、a:ダイアフラム半径、h:板厚、E:ヤング率、
ν: ポアソン比である。
【0011】次に、シリコン及び低熱膨張性ポリイミド
の、ヤング率及びポアソン比の代表的な値を以下の表1
に示す。(低熱膨張性ポリイミドの特性値は、感光性ポ
リイミド(東レ製フォトニース(登録商標))の値であ
る。)
【0012】
【表1】
【0013】これらの値を(1)式に代入し、A=3P(a2-
3r2)/8h2とおくと、εr は次の表2に示すように表せ
る。
【0014】
【表2】
【0015】表2に示すように、低熱膨張性ポリイミド
製のダイアフラムを用いると、シリコン製のダイアフラ
ムを用いた場合に比べて約80倍の歪みが得られる。これ
は、接線方向の歪みについても同様である。また、例え
ば、厚さh 、長さl の両端固定の振動子に歪みεが加わ
った時の振動子の固有振動数f は次式((2)式)で表
されることになるので、同じ外力に対して、よりダイア
フラムの歪みが大きくとれる材料でダイアフラムを構成
した方が、ダイアフラムの振動数の変化が大きくなり高
感度化が達成されることになる。。
【0016】
【数1】
【0017】ここで、f0: 張力が零の時の固有振動数、
K:振動次数によって決まる定数である。
【0018】また、請求項2記載の振動型圧力センサで
は、請求項1記載の振動型圧力センサで、薄膜型歪みゲ
ージ及び加熱励振用薄膜抵抗体を同一の材料で構成した
ことを特徴とするものである。但し、この場合、その材
料としては300℃以下の温度条件で形成できるものを
用いる必要がある。これは、低熱膨張性ポリイミドのガ
ラス転位点が約300℃であるため、薄膜型歪みゲージ
及び加熱励振用薄膜抵抗体は、それ以下の温度で形成さ
れなければならないからである。このように構成するこ
とによって、同時にパターニング加工が行えるので、工
程削減が図れる。このような条件を満たす材料として
は、真空蒸着、プラズマCVD等によって形成できる、
シリコン薄膜またはゲルマニウム薄膜等が挙げられる
が、300℃以下で形成でき、歪みゲージ及び抵抗体と
して用いることができる材料であれば他の材料を用いて
もよい。
【0019】
【実施例】図1に基づいて本発明の振動型圧力センサの
一実施例について説明する。(a)は断面図、(b)は
平面図である。図で、1は中央部分に、裏面から表面ま
で貫通する空洞部1aを備えたシリコン基板、2はシリ
コン基板1上に形成された酸化膜(酸化シリコン膜)、
3は空洞部1aを塞ぐように、シリコン基板1の表面に
形成された下部低熱膨張性ポリイミド薄膜、4は下部低
熱膨張性ポリイミド薄膜3上に形成された配線、5は下
部低熱膨張性ポリイミド薄膜3上に形成され配線4に接
続された薄膜型歪みゲージ、6は下部低熱膨張性ポリイ
ミド薄膜3上に形成された上部低熱膨張性ポリイミド薄
膜、7は加熱励振用薄膜抵抗体である。加熱励振用薄膜
抵抗体7には配線8が接続されている。空洞部1a上に
は、下部低熱膨張性ポリイミド薄膜3及び上部低熱膨張
性ポリイミド薄膜6で構成されたダイアフラム9が形成
されている。
【0020】次に、図1に示した振動型圧力センサの製
造方法の一実施例について説明する。まず、熱酸化によ
りシリコン基板1上に酸化膜2を0.5 μm の厚さに形成
する。この酸化膜2は、空洞部1aを形成するためにダ
イアフラム9下方のシリコンをエッチング除去する場合
のエッチングストップ層の役目を果たす。エッチングス
トップ層としては窒化シリコン膜を用いてもよい。
【0021】次に、感光性ポリイミド(東レ製フォトニ
ース(登録商標))をスピナ塗布方法により酸化膜2上
に10μm の厚さに塗布して熱処理(150 ℃、300 ℃、35
0 ℃を連続して各30分)を行い、下部低熱膨張性ポリイ
ミド薄膜3を形成する。下部低熱膨張性ポリイミド薄膜
3を構成する低熱膨張性ポリイミドとしては、この感光
性ポリイミドに限定されず、例えば、線膨張係数が4 ×
10-6/ ℃〜2 ×10-4/℃である他の材料を用いてもよ
い。
【0022】次に、薄膜型歪みゲージ5をダイアフラム
9の周辺部付近に2個、中心部付近に2個形成すると共
に、1個の励振用加熱抵抗体7をダイアフラム9の中心
部付近に形成する。また、薄膜型歪みゲージ5、励振用
加熱抵抗体7に、配線4,8が、それぞれ、接続される
ようにAl等で配線4,8を形成しておく。図1に示す実
施例では、ダイアフラム9の中心部付近に1個の励振用
加熱抵抗体7を形成し、圧縮方向の歪みを受けるダイア
フラム9の中心部付近に2個、引っ張り方向の歪みを受
けるダイアフラム9の周辺部付近に2個、薄膜型歪みゲ
ージ5を配置している。これらの薄膜型歪みゲージ5
は、フルブリッジを構成するように外部回路(図示省
略)で接続されている。
【0023】本実施例の場合、薄膜型歪みゲージ5及び
加熱励振用抵抗体7として、RFプラズマCVD法によっ
て形成される微結晶シリコン薄膜を用いた。この場合の
使用ガスとしては、水素希釈シランガス(SiH4/H2:1%)
と水素希釈ホスフィンガス(PH3/H2:0.5% )の流量比が
40:1である混合ガスを用い、基板温度 250℃、導入ガス
圧力 1Torrとした。これによってゲージ率11の薄膜型歪
みゲージ5が得られた。
【0024】次に、シリコン基板1上に感光性ポリイミ
ドを、再度、10μm の厚さに塗布して、上部低熱膨張性
ポリイミド薄膜6を形成した後、その上部低熱膨張性ポ
リイミド薄膜6上の、配線4,8それぞれの端部上に、
ワイヤボンドを行うためのコンタクトホールをフォトリ
ソグラフィ法によって開ける。そして、治具を用いてシ
リコン基板1の表面側構成を保護しながら、シリコン基
板1の裏面からシリコンを水酸化カリウムによってエッ
チング除去して空洞部1aを形成する。
【0025】最後に、エッチングストップ層である酸化
膜2をドライエッチングにより除去して、周辺部分がシ
リコン基板1に固定されたダイアフラム9の構造を形成
し振動型圧力センサを完成させる。図1に示した振動型
圧力センサのダイアフラム9の大きさは約0.7mm 角であ
った。
【0026】図1に示した振動型圧力センサで、配線8
を介して励振用加熱抵抗体7に共振周波数である2kHz付
近のパルス電流を加えると、それによって、ダイアフラ
ム9は振動するので、その振動による歪みを薄膜型歪み
ゲージ5によって検出することができる。この状態で、
ダイアフラム9に圧力が加わると、その圧力に応じてダ
イアフラム9の振動数が変動するので、その振動数の変
動を捉えることによって圧力を測定することができる。
【0027】なお、ダイアフラムの形状、薄膜型歪みゲ
ージ及び励振用加熱抵抗体の、形状及び数及び配置は実
施例に限定されない。
【0028】
【発明の効果】以上に説明したように、請求項1及び請
求項2記載の振動型圧力センサによれば、シリコン微細
加工プロセスにより容易に製造することができるので生
産性の向上が図れると共に、分解能、温度特性に優れる
という利点を生かしつつ、機械的耐久性及び感度の向上
が図れる。
【0029】請求項2記載の振動型圧力センサによれ
ば、請求項1記載の振動型圧力センサの、薄膜型歪みゲ
ージ及び励振用加熱抵抗体を、同一工程で形成すること
ができるので工程削減が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の振動型圧力センサの一実施例を示す図
で、(a)は断面図、(b)は平面図である。
【符号の説明】
1 シリコン基板(基板) 3 下部低熱膨張性ポリイミド薄膜 5 薄膜型歪みゲージ 6 上部低熱膨張性ポリイミド薄膜 7 加熱励振用薄膜抵抗体 9 ダイアフラム(多層膜)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 その周辺部分が基板に固定されたダイア
    フラム上に、薄膜型歪みゲージ及び加熱励振用薄膜抵抗
    体を備えた振動型圧力センサにおいて、前記ダイアフラ
    ムが、下部低熱膨張性ポリイミド薄膜とその下部低熱膨
    張性ポリイミド薄膜上に形成された上部低熱膨張性ポリ
    イミド薄膜とを含む多層膜で構成されていると共に、前
    記薄膜型歪みゲージ及び前記加熱励振用薄膜抵抗体が、
    前記下部低熱膨張性ポリイミド薄膜と前記上部低熱膨張
    性ポリイミド薄膜間に形成されていることを特徴とする
    振動型圧力センサ。
  2. 【請求項2】 前記薄膜型歪みゲージ及び前記加熱励振
    用薄膜抵抗体が、300℃以下の温度条件で形成でき
    る、同一の材料で構成されていることを特徴とする請求
    項1記載の振動型圧力センサ。
JP9732295A 1995-04-21 1995-04-21 振動型圧力センサ Pending JPH08293615A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100918188B1 (ko) * 2009-07-30 2009-09-22 (주)동방데이타테크놀러지 자가 발전형 진동 센서 및 이를 이용한 진동 센서 모듈
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JP2015503767A (ja) * 2012-01-16 2015-02-02 エイブラム サイエンティフィック,インコーポレーテッド 流体の物理的特性を測定するための方法、デバイス、およびシステム

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Effective date: 20040713