JPH10132682A

JPH10132682A - 半導体圧力センサとその製造方法及びこれを用いた複合伝送器

Info

Publication number: JPH10132682A
Application number: JP29278796A
Authority: JP
Inventors: Yasunori Shoji; 康則庄司; Seiichi Ukai; 征一鵜飼
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-11-05
Filing date: 1996-11-05
Publication date: 1998-05-22

Abstract

(57)【要約】【課題】製造容易でありダイアフラムへの残留歪が抑制
され単一の剛体部を有するものにも適用可能な過大圧力
保護機構を備える半導体圧力センサを実現する。【解決手段】基板51はn型面単結晶シリコンであり差圧
検出用ダイアフラム21内には剛体部23を八角形に加工す
る。剛体部23の先端にはSiNの膜25を介してシリコンp型
高濃度不純物層からなる板材24が形成されている。圧力
導入口29の穴径は板材24の最大径よりも小さい。ダイア
フラム21の上下面の間で圧力差が生じ、上面側から過大
圧力が印加した場合は板材24とポスト材28とが接触しス
トッパとして作用する。ダイアフラム21の下面側から過
大圧力が印加すると、板材24の径をダイアフラム21を支
持する厚肉部の下面側開口部の最小径より小さく、ダイ
アフラム21の最大径より大とすることでダイアフラム21
の支持厚肉部に板材24が当たり板材24をストッパとして
作用させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各種プラントで圧
力などを測定する際に使用される半導体圧力センサとそ
の製造方法及びこれを用いた複合伝送器に関する。

【０００２】

【従来の技術】被測定物の圧力を受けて変位するシリコ
ンダイアフラム上に感歪ゲージとしてピエゾ抵抗を使用
し、圧力センサを構成することは広く知られている。こ
の圧力センサに過大圧力が加わり、シリコンの破壊強度
を超えると、ダイアフラムが破損し圧力センサが壊れて
しまうため、過大圧力が印加された場合に備えて何らか
の保護機構を備え付ける必要がある。

【０００３】圧力伝送器においては、圧力センサに過大
圧力が加わらないように、圧力センサを組み込む伝送器
本体に保護機構を設ける場合が多い。しかし、圧力伝送
器本体に保護機構を設けることは、圧力伝送器自体の大
きさが大きくなるばかりでなく、保護機構を組み込むこ
とによって生じる機械的歪が伝送器出力のドリフトやヒ
ステリシスの主原因となり、特性に悪影響を及ぼす。し
たがって、過大圧力に対する保護機構は圧力センサ自身
に備え付けることが望ましい。

【０００４】過大圧力に対する保護機構を圧力センサ自
身に備えた例としては、特公平６−２９８１９号公報に
記載された半導体圧力センサがある。この半導体圧力セ
ンサにおいては、ダイアフラムの表面側にキャップを有
し、下面側には突起部を有する台をシリコン基板に固着
することで、ダイアフラム表面側から印加される正側過
大圧力と、ダイアフラム下面側から印加される負側過大
圧力の正負両過大圧力に対するストッパが形成されてい
る。このように、圧力センサ自身に過大圧力保護機構を
備え付けることで、圧力伝送器の大きさを小さくするこ
とができ、伝送器の出力特性の悪化を防ぐことができ
る。

【０００５】また、過大圧力に対する保護機構を圧力セ
ンサ自身に備えた例としては、特開平６−３１３７４３
号公報に記載された半導体圧力センサがある。この半導
体圧力センサにおいては、半導体チップのダイアフラム
に下方に向かって突出する２つのボスが相互に隔離して
設けられている。また、半導体チップに対向して配置さ
れる台座には、上記２つボスの間に突出する第１の突出
部と、上記２つのボスを挟んで対向する一対の第２の突
出部とが形成されている。

【０００６】そして、ダイアフラム側から台座側に過大
圧力が印加された場合には、ダイアフラムが変形して、
２つのボスは一対の第２の突出部に接触し、それ以上の
ダイアフラムの変形が阻止される。また、台座側からダ
イアフラム側に過大圧力が印加された場合には、ダイア
フラムが変形して、２つのボスは、第１の突出部に接触
し、それ以上のダイアフラムの変形が阻止される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記特公平６
−２９８１９号公報に記載された半導体圧力センサにお
いては、負側からの過大圧力に対する保護機構として機
能するキャップが、ダイアフラムが形成された基板に固
着されており、固着によって生じる残留歪、つまり、固
着による熱膨張等による残留する歪がダイアフラムに直
接伝わり、ダイアフラムが変形し、無負荷時における圧
力センサの出力信号オフセットが大きくなるという問題
があった。

【０００８】また、上記特開平６−３１３７４３号公報
に記載された半導体圧力センサにおいては、台座に複数
のボスを形成しなければならず、製造工程が複雑となっ
てしまうという問題があった。さらに、この公報記載の
半導体圧力センサにあっては、ダイアフラムに２個以上
のボスが形成されるもののみ適用可能であり、ダイアフ
ラムの中央部には、単一の突出部（ボス）のみしか形成
されていないものには適用できないという問題もあっ
た。

【０００９】本発明の目的は、製造容易であり、かつ、
ダイアフラムへの残留歪が抑制され、単一の突出部又は
剛体部を有するものにも適用可能な過大圧力保護機構を
備える半導体圧力センサとその製造方法及びこれを用い
た複合伝送器を実現することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】

（１）上記目的を達成するため、本発明は次のように構
成される。すなわち、単結晶シリコン基板を裏面側から
くり抜いてこの裏面側に開口部を形成するとともに、表
面側にダイアフラム薄肉部ならびにそれを支持する厚肉
部を形成し、上記ダイアフラムの表面上に受圧素子とし
てピエゾ抵抗を配置し、上記ダイアフラム薄肉部に隣接
する領域に上記薄肉部よりも板厚の厚い剛体部と、上記
基板に圧力導入口を有する金属製の基体とを有し、上記
ダイアフラムに印加される圧力を検出する半導体圧力セ
ンサにおいて、上記剛体部のダイアフラム薄肉部側とは
反対側の面に板材を接着した構成とされる。

【００１１】ダイアフラム表面側から過大圧力が印加さ
れた場合は、板材と基体とが接触するため、板材を機械
的なストッパとして作用させることができる。ダイアフ
ラムの裏面側から過大圧力が印加されたとき、ダイアフ
ラムの変形により、板材が、上記厚肉部及び剛体部に接
触するため、板材を機械的なストッパとして作用させる
ことができる（２）好ましくは、上記（１）において、上記ダイアフ
ラムの中央部に上記剛体部が形成され、上記板材の形状
は上記ダイアフラムの形状と相似形である。（３）また、好ましくは、上記（２）において、上記ダ
イアフラムの径は、上記裏面側に形成された開口部の径
よりも小さく、この開口部の径は、上記裏面側からダイ
アフラムに向かうにつれて、徐々に小さくなっていく。

【００１２】（４）また、好ましくは、上記（３）にお
いて、上記板材の最大径は、上記開口部の上記裏面にお
ける最小径よりも小さい。（５）また、好ましくは、上記（３）において、上記板
材の最小径は、上記ダイアフラム薄肉部の最大径よりも
大きい。

【００１３】（６）また、好ましくは、上記（１）〜
（５）において、上記ダイアフラムを支持する厚肉部は
圧力導入口を有するポスト材に固着され、このポスト材
の圧力導入口の径は、上記ダイアフラム薄肉部に対向す
る面では上記板材の最大径よりも大きく、上記ダイアフ
ラム薄肉部に対向する面とは反対側の面では上記板材の
最大径よりも小さい。

【００１４】（７）また、好ましくは、上記（１）〜
（５）において、上記ダイアフラムを支持する厚肉部は
圧力導入口を有するポスト材に固着され、上記剛体部の
板厚と、上記板材の板厚と、これらの接着層の厚みとを
加えた板厚が上記ダイアフラムを支持する厚肉部の板厚
よりも薄く、かつ上記板材の最大径が上記ポスト材の圧
力導入口の穴径よりも大きい。

【００１５】（８）また、好ましくは、上記（１）〜
（７）において、上記板材の剛体部への接着面とは反対
面に電極が形成され、上記ダイアフラムを支持する厚肉
部が固着され、圧力導入口を有するポスト材には、上記
板材の電極に対向する面に電極が形成され、これら２つ
の電極間でコンデンサを構成する。

【００１６】（９）また、好ましくは、上記（８）にお
いて、上記コンデンサの容量変化が検出され、この容量
変化に基づいて、上記ダイアフラムに印加される圧力を
検出する差圧検出手段として用いられる。ダイアフラム
の変形に応じて、２つの電極間の距離が変動してコンデ
ンサの容量値も変化するため、この容量値の変化を検出
すれば、コンデンサを差圧検出手段として使用すること
ができる。

【００１７】（１０）また、好ましくは、上記（８）に
おいて、上記コンデンサの容量変化が検出され、この容
量変化に基づいて、この半導体圧力センサに印加される
加速度を検出する加速度検出手段として用いられる。半
導体圧力センサに印加される加速度に応じてダイアフラ
ムは変形し、ダイアフラムの変形に応じて、２つの電極
間の距離が変動してコンデンサの容量値も変化するた
め、この容量値の変化を検出すれば、コンデンサを加速
度検出手段として使用することができる。

【００１８】（１１）また、好ましくは、上記（１）〜
（１０）において、上記ダイアフラム薄肉部と同一基板
上に温度センサが形成される。

【００１９】（１２）また、好ましくは、上記（１）〜
（１１）において、上記ダイアフラム薄肉部と同一基板
上に、上記ダイアフラムとは別個の他のダイアフラムを
設け、この他のダイアフラム上に静圧検出用のピエゾ抵
抗を配置して静圧センサを形成する。

【００２０】（１３）また、複合伝送器において、上記
（１）〜（１０）の半導体圧力センサと、温度検出手段
と、静圧検出手段と、上記静圧検出手段の出力信号を温
度検出手段の出力信号を用いて補正し、上記半導体圧力
センサにより検出された差圧出力信号を上記補正された
静圧検出手段及び温度検出手段の出力信号を用いて補正
する信号処理手段とを備える。

【００２１】（１４）好ましくは、上記（１３）におい
て、上記信号処理手段は、メモリとマイクロプロセッサ
とで構成され、上記メモリに、温度変化に対する静圧検
出手段の出力信号及び差圧出力信号の関係と、静圧変化
に対する差圧出力信号の関係とを格納しておき、上記半
導体圧力センサからの検出信号を上記マイクロプロセッ
サを用いて上記メモリに格納されたデータに基づき補正
する。

【００２２】（１５）また、好ましくは、上記（１３）
において、上記信号処理手段は、メモリとマイクロプロ
セッサとで構成され、上記メモリに、温度変化に対する
静圧検出手段の出力信号及び差圧出力信号の関係と、加
速度の影響による静圧検出手段の出力信号及び差圧出力
信号の関係と、静圧変化に対する差圧出力信号の関係と
を格納しておき、上記半導体圧力センサからの検出信号
を上記マイクロプロセッサを用いて上記メモリに格納さ
れたデータに基づき補正する。

【００２３】（１６）また、複合伝送器において、上記
（９）の半導体圧力センサと、温度検出手段と、静圧検
出手段と、信号処理手段とを備え、この信号処理手段
は、メモリとマイクロプロセッサとで構成され、上記メ
モリに、温度変化に対する静圧検出手段の出力信号及び
差圧出力信号の関係と、静圧変化に対する差圧出力信号
の関係とを格納しておき、上記半導体圧力センサからの
検出信号を上記マイクロプロセッサを用いて上記メモリ
に格納されたデータに基づき補正するとともに、上記メ
モリには所定の差圧しきい値が格納され、上記差圧出力
信号が、上記差圧しきい値以下であるときは、ピエゾ抵
抗による差圧出力信号を選択し、上記差圧出力信号が、
上記差圧しきい値を超えるときは、コンデンサによる差
圧検出手段を選択して出力する。

【００２４】（１７）また、好ましくは、上記（１３）
〜（１６）において、第１ダイアフラムを有し、半導体
圧力センサのダイアフラムの一方面側に圧力を直接に伝
達する第１圧力伝達流体が封入された第１受圧室と、第
２ダイアフラムを有し、上記ダイアフラムの他方面側に
直接に圧力を伝達する第２圧力伝達流体が封入された第
２受圧室とを備え、上記第１ダイアフラムに第１測定圧
力が印加され、上記第２ダイアフラムに第２測定圧力が
印加され、これら第１及び第２測定圧力の差を半導体圧
力センサで検出する。

【００２５】（１８）また、半導体圧力センサの製造方
法において、単結晶シリコンからなるダイアフラム支持
基板の表面に、ピエゾ抵抗を形成する工程と、上記ダイ
アフラム支持基板の裏面側に、エッチングのマスクとな
る所定のパターンを形成する工程と、上記ダイアフラム
支持基板の裏面側に、エッチングによって所定のパター
ンを形成する工程と、上記ダイアフラム支持基板の裏面
側に板材を接続した後に、エッチングによって所定のパ
ターンを形成する工程と、上記ダイアフラム支持基板の
裏面側に開口部を形成し、表面側にダイアフラム薄肉部
ならびにそれを支持する厚肉部であって、この厚肉部の
側面が、上記ダイアフラム支持基板の裏面側開口部が広
く、上記ダイアフラムが形成されている側が狭くなるよ
うにテーパ状に形成を形成し、上記ダイアフラム薄肉部
に隣接する領域に上記薄肉部よりも板厚の厚い剛体部を
形成し、上記板材を所定の形状に形成する工程と、上記
開口部と連通する圧力導入口を有する金属製の基体と、
上記ダイアフラム支持基板の裏面に固着する工程と備え
る。

【００２６】（１９）好ましくは、上記（１８）におい
て、上記板材の上記基体に対向する面に電極を形成する
工程と、上記板材に形成された電極に対向する電極を上
記基体に形成する工程とを、さらに備える。

【００２７】

【発明の実施の形態】図１は、本発明における第１の実
施形態である半導体圧力センサの概略上面図であり、図
２は、図１のＡ−Ｏ−Ｂ線に沿った概略断面図である。
図１及び図２において、基板５１はｎ型（１００）面単
結晶シリコンからなり、差圧検出用ダイアフラム２１内
には、剛体部（突起部）２３を例えばアルカリ異方性エ
ッチング技術を用いることにより、八角形に加工する。
あるいは等方性のエッチングによって円形に加工しても
よい。

【００２８】差圧検出用ダイアフラム２１の外側には４
個の静圧検出用ダイアフラム２２をアルカリ異方性エッ
チングによって同時に形成する。剛体部２３の先端には
ＳｉＮの膜２５を介してシリコンｐ型高濃度不純物層か
らなる板材２４が形成されている。

【００２９】この板材２４の形状は図１、図２では八角
形であるが、もちろん円形、その他の形状であっても良
く、ダイアフラムの形状と相似形とすることがより適切
である。２７は低融点ガラス、２８は圧力導入口２９を
有する、例えばＦｅ−Ｎｉからなるポスト材（基体）で
ある。上記ダイアフラム２１、２２上には圧力を受けて
ダイアフラムが変形した際の応力を検知するピエゾ抵抗
３１ａ〜３１ｄ、３２ａ〜３２ｄおよび温度センサ３３
が形成されている。３４はｐ型高濃度不純物層の配線、
３５はアルミニウムの配線、１〜１２はアルミニウムの
コンタクトパッドである。

【００３０】ここで、剛体部２３は、図示するように、
差圧検出用ダイアフラム２１に接する面積は、ポスト材
２８の圧力導入口２９に対向する面の面積より大であ
り、ポスト材２８に向かうに従って細くなる形状となっ
ている。また、差圧検出用ダイアフラム２１の径は、ポ
スト材２８の圧力導入口２９に対向する基板５１の開口
部の径より小となっている。つまり、上記開口部は、差
圧検出用ダイアフラム２１からポスト材２８に向かうに
従ってその径が大となっている。

【００３１】図３は、図１及び図２に示した半導体圧力
センサの製造工程を示す図である。以下、この図３を参
照して、製造工程について説明する。まず、図３の
（ａ）において、ｎ型（１００）面単結晶シリコンから
なるダイアフラム支持基板５１の上面（表面）に、ボロ
ンを拡散して、ピエゾ抵抗３１ａ〜３１ｄ、ｐ型高濃度
不純物層の配線３４及びアルミニウムの配線３５、コン
タクトパッド１〜１２を形成する。

【００３２】次に、図３の（ｂ）において、単結晶シリ
コン基板５１の下面（裏面）側に、例えばＣＶＤによっ
てＳｉＮ膜２５を堆積し、アルカリ異方性エッチングの
際にマスクとなるパターンをフォトリソ、エッチングに
よって形成する。

【００３３】続いて、図３の（ｃ）において、単結晶シ
リコン基板５１の下面側に、例えばＣＶＤによってＳｉ
Ｏ2膜２６を堆積し、フォトリソ、エッチングによって
パターンを形成する。

【００３４】次に、図３の（ｄ）において、上述した工
程（ａ）〜（ｃ）の後、単結晶シリコン基板５１の下面
側に、例えばＣＶＤによってシリコンｐ型高濃度不純物
層を堆積させ、板材２４を基板５１の下面に接続した後
に、フォトリソ、エッチングによってパターンを形成す
る。

【００３５】次に、図３の（ｅ）において、ＳｉＯ2膜
２６のエッチングを行なった後、ヒドラジンによるアル
カリ異方性エッチングにより、ダイアフラム２１、２
２、剛体部２３、板材２４の形成を行なう。ヒドラジン
はｎ型シリコンに対するｐ型高濃度不純物シリコン、Ｓ
ｉＮの選択比が大きく、ｎ型シリコンの選択的なエッチ
ング除去が可能である。

【００３６】この時、ダイアフラム２１を支持する厚肉
部の側面は、シリコン基板５１の下面側開口部が広く、
ダイアフラム２１が形成されている側が狭くなるように
テーパ状に形成される。最後に、低融点ガラス２７を介
して、Ｆｅ−Ｎｉ等からなるポスト材２８をシリコン基
板５１に固着する。この時、圧力導入口２９と連通され
るダイアフラム２１は、差圧検出用ダイアフラムとな
り、圧力導入口２９が連通されないダイアフラム２２は
静圧検出用ダイアフラムとなる。

【００３７】突起部２３の板厚と、ＳｉＮ膜厚ならびに
板材２４の板厚との和がダイアフラム２１を支持する厚
膜部の板厚とほぼ同じか、もしくは大きいならば、図４
に示すようにポスト材２８の板材２４に対向する面側
に、板材２４の最大径Ｄよりも大きい径Ｅをもつ穴部３
０を形成することで、ダイアフラム２１に圧力が印加さ
れた時のダイアフラム２１の変位領域を確保することが
できる。

【００３８】もし、突起部２３の板厚と、ＳｉＮ膜厚な
らびに板材２４の板厚との和がダイアフラム２１を支持
する厚膜部の板厚よりも小さく、ダイアフラム上面側か
ら圧力が印加された時のダイアフラム変位領域を十分確
保できるならば、図５に示すように、ポスト材２８の板
材２４に対向する面側を平らな形状とすることができ
る。

【００３９】いづれの場合にも、圧力導入口２９の穴径
ｄは、板材２４の最大径Ｄよりも小さくしておく。図
４、図５のような構造とすれば、ダイアフラム上面側か
ら過大圧力がかかった場合に板材２４とポスト材２８と
が接触するため、機械的なストッパが形成できる。な
お、穴部３０の深さ方向の寸法の例としては、１０ミク
ロン〜５０ミクロンである。

【００４０】差圧検出用ダイアフラム２１ならびに４個
の静圧検出用ダイアフラム２２のそれぞれの表面付近に
形成されたｐ型のピエゾ抵抗３１ａ〜３１ｄ、３２ａ〜
３２ｄは、ボロン等を拡散して応力に対して最も敏感な
＜１１０＞方向に作り込まれる。ピエゾ抵抗は、長手方
向に引張応力が働いた場合抵抗値が増加する。この方向
に配列したゲージをＬゲージと呼ぶ。

【００４１】また、ピエゾ抵抗は、横手方向に引張応力
が働いた場合は抵抗値が減少する。この方向に配列した
ゲージをＴゲージと呼ぶ。図１の例では差圧検出用ダイ
アフラム２１上のピエゾ抵抗３１ａ〜３１ｄの４個をす
べてダイアフラム２１の支持部近傍に配置し、長手方向
がダイアフラム２１の半径方向と平行となる２個のＬゲ
ージ３１ａ、３１ｃ、長手方向がダイアフラム２１の接
線方向と平行となる２個のＴゲージ３１ｂ、３１ｄを配
置している。

【００４２】静圧検出用ダイアフラム２２上にはＬゲー
ジ３２ａ、３２ｃ、Ｔゲージ３２ｂ、３２ｄを配置して
いる。ピエゾ抵抗の配置方法は、図１の例の他、Ｌゲー
ジ２個とＴゲージ２個をすべてを剛体部近傍に配置する
方法、Ｌゲージをダイアフラム支持部近傍に２個、剛体
部近傍に２個配置する方法、Ｔゲージをダイアフラム支
持部近傍に２個、剛体部近傍に２個配置する方法があ
る。３１ａ〜３１ｄ、３２ａ〜３２ｄのピエゾ抵抗は図
６に示すように２組のホイートストンブリッジ回路を構
成する。

【００４３】ここで、差圧検出用ダイアフラム２１とピ
エゾ抵抗３１ａ〜３１ｄとのブリッジ回路で構成される
部分を差圧センサと呼び、静圧検出用ダイアフラム２２
とピエゾ抵抗３２ａ〜３２ｄとのブリッジ回路で構成さ
れる部分を静圧センサと呼ぶ。ダイアフラム２１又は２
２に圧力が印加されると、それぞれのダイアフラム２
１、２２が撓み、ダイアフラム２１、２２上に形成され
たピエゾ抵抗で構成される各ブリッジ回路が、ダイアフ
ラム２１、２２の上面と下面との圧力差にほぼ比例した
センサ出力Ｖ１、Ｖ２を発生する。

【００４４】ここで、差圧センサはダイアフラム２１の
上面と下面との圧力差（差圧）を測定するのに対し、静
圧センサはダイアフラム２２の上面と密閉された一定圧
力部分との圧力差（静圧）を測定することになる。

【００４５】一方、ダイアフラム２１、２２と同一基板
上に集積化される温度センサ３３も同様にボロン等を拡
散することで形成されるが、応力変化に対してほとんど
抵抗変化を示さない＜１００＞方向に配列することで、
温度に対してのみ感度をもたせるようにする。温度セン
サ３３は、図６に示したように差圧センサ、静圧センサ
のピエゾ抵抗ブリッジ回路と接続される。

【００４６】ピエゾ抵抗３１ａ〜３１ｄ、３２ａ〜３２
ｄの配列間ならびにアルミニウムのコンタクトパッド１
〜１２への配線には、より高濃度にボロン等を拡散した
ｐ型不純物拡散層３４とアルミニウム配線３５とを併用
する。この実施形態においては、ダイアフラム２１、２
２の外側やピエゾ抵抗３１ａ〜３１ｄ、３２ａ〜３２ｄ
から離れた場所等、温度ヒステリシスの影響が比較的小
さい所については、抵抗値の小さいアルミニウム配線を
使用しているが、この他、コンタクトパッドを除くすべ
ての配線を高濃度不純物層とする配線方法も可能であ
る。

【００４７】次に、図７及び図８を用いてダイアフラム
２１に圧力が印加された場合のセンサの動作について説
明する。ダイアフラム２１の上面と下面の間で圧力差が
生じた場合、上面側がより高圧力ならば、図７の（ａ）
に示すようにダイアフラム２１が変形する。そして、ダ
イアフラム２１の変形時に、ピエゾ抵抗が作り込まれて
いるダイアフラム２１の表面付近に発生する応力は図７
（ｂ）に示すようになる。つまり、ダイアフラム２１上
では、ダイアフラム２１の支持部近傍で最大の引張応力
σ1が発生し、剛体部近傍で最大の圧縮応力が発生す
る。

【００４８】図７の（ａ）に示すように、ダイアフラム
２１の外径をＸ、剛体部２３の外径をＹ、ダイアフラム
の厚さをｈとすれば、差圧ΔＰが印加されたとき、最大
の引張応力σ1は、次の式（１）で表される。 σ1＝３（Ｘ²-Ｙ²）ΔＰ／（１６ｈ²） −−−（１）図１に示すように、ダイアフラム２１の支持部近傍にそ
れぞれＬゲージ、Ｔゲージを２個ずつ配置した場合に
は、差圧センサの出力Ｖ１は次の式（２）で表される。Ｖ1＝（１／２）・π₄₄（１−ν）σ1・Ｖ −−−（２）ここで、νはポワソン比、π₄₄は剪断のピエゾ抵抗係数
であり、Ｖは励起電圧である。

【００４９】次に、ダイアフラム２１の下面側から過大
圧力が印加された時の動作について説明する。ダイアフ
ラム２１の下面側から過大圧力が印加されたとき、ダイ
アフラム２１は図８のように変形する。このとき、板材
２４の径を、図１に示すようにダイアフラム２１を支持
する厚肉部の裏面側開口部の最小径よりも小さく、かつ
ダイアフラム２１の最大径よりも大きくしておくこと
で、アルカリ異方性エッチングの際に形成されたダイア
フラム２１を支持する厚肉部のテーパ部分に板材２４が
当たり、板材２４を機械的なストッパとして作用させる
ことができる。

【００５０】以上のように、本発明の第１の実施形態に
よれば、剛体部２３のポスト材２８に対向する先端面に
板材２４を接続したので、単一の突起部又は剛体部２３
を有するものにも適用可能な過大圧力保護機構を備える
半導体圧力センサを実現することができる。

【００５１】また、図３の工程（ｄ）において、基板５
１に板材２４を接合したことによって生じる基台５１へ
の残留歪は、工程（ｅ）において、剛体部２３の先端面
との接続部分を除いて、板材２３と基板５１との接続部
分が、除去されることにより、大部分は開放される。こ
れにより、残留歪によるダイアフラム２１の変形がな
く、出力オフセットを小さく抑えることができる。

【００５２】また、図３を用いて説明したように、製造
工程には、板材２４の剛体部２３への先端面への接続等
の簡単な工程の追加のみで、過大圧力保護機構を備えた
半導体圧力センサを製造することができる。

【００５３】したがって、本発明の第１の実施形態によ
れば、製造容易であり、かつ、ダイアフラムへの残留歪
が抑制され、単一の突出部又は剛体部を有するものにも
適用可能な過大圧力保護機構を備える半導体圧力センサ
とその製造方法を実現することができる。

【００５４】図９は、本発明の第２の実施形態である半
導体圧力センサの概略断面図であり、上面は図１に示し
た例と同等となるので、図示は省略する。そして、この
図９の例は、図１の上面図のＡ−Ｏ−Ｂ線に沿った断面
に相当する。

【００５５】図９に示すように、この第２の実施形態に
おいては、板材２４のポスト材２８に対向する面側に電
極４１、ならびにポスト材２８の板材２４に対向する面
側に電極４２を形成し、両電極４１と４２との間でコン
デンサを形成する構成となっている。

【００５６】コンデンサからの配線は、ｎ型シリコン基
板５１にｎ型高濃度不純物層４３、４４を形成すること
で行なう。その他の構成は図２に示した例と同様となっ
ているので、説明は省略する。

【００５７】図１０は、図９に示した第２の実施形態で
ある半導体圧力センサの製造工程を示す図である。以
下、図１０を参照して、製造工程について説明する。図
１０の（ａ）において、ダイアフラム支持基板５１に、
ピエゾ抵抗３１ａ〜３１ｄ、３２ａ〜３２ｄ、ｐ型高濃
度不純物層の配線３４およびアルミニウムの配線３５、
コンタクトパッド１〜１２、ｎ型高濃度不純物層４３、
４４を形成する。

【００５８】次に、図１０の（ｂ）において、単結晶シ
リコン基板５１の下面側に、ＳｉＮ膜２５を堆積し、ア
ルカリ異方性エッチングの際にマスクとなるパターン
と、電極取り出し用のコンタクト穴をフォトリソ、エッ
チングによって形成する。

【００５９】続いて、図１０の（ｃ）において、単結晶
シリコン基板５１の下面側に、ＳｉＯ2膜２６を堆積
し、フォトリソ、エッチングによってパターンを形成す
る。

【００６０】次に、図１０の（ｄ）において、上述した
工程（ａ）〜（ｃ）の後、単結晶シリコン基板５１の下
面側に、板材２４を接合し、シリコンｐ型高濃度不純物
層を堆積させ、パターンを形成した後、例えばＰｔ／Ｃ
ｒの電極４１を蒸着によって板材２４の表面に形成す
る。

【００６１】そして、図１０の（ｅ）において、ＳｉＯ
2のエッチングを行なった後、ヒドラジンによるアルカ
リ異方性エッチングにより、ダイアフラム２１、２２、
剛体部２３、板材２４の形成を行なう。最後に、低融点
ガラス２７を介して電極４２を有するポスト材２８を基
板５１に固着する。

【００６２】以上のようにして形成された電極４１及び
４２からなるコンデンサにより、容量型圧力センサとし
て使用することができる。つまり、図１１に示すよう
に、圧力を受けた際に生じるダイアフラム２１の変形に
応じて突起部２３が変位し、同時に板材２４が平行に変
位する。図１２に示す曲線Ｐのように、ピエゾ抵抗のブ
リッジ回路の出力Ｖ1は、ダイアフラムの変位が大きく
なると非線形性が大きくなり、感度も小さくなるが、曲
線Ｃにようにコンデンサの容量Ｃは電極間の距離に反比
例するため、ダイアフラムの変位量が大きくなるほど感
度が高くなる。

【００６３】したがって、差圧△Ｐが、差圧△Ｐ1を超
えると、ピエゾ抵抗のブリッジ回路の出力Ｖ1の非線形
性が大となるとすると、差圧ΔＰが、０≦ΔＰ≦ΔＰ１
までの範囲をピエゾ抵抗型圧力センサで測定し、差圧△
Ｐが、ΔＰ１＜ΔＰ≦ΔＰ２までの範囲を容量型圧力セ
ンサで測定することで、広い圧力レンジを高精度に測定
することが可能となる。

【００６４】また、圧力センサが、例えば、自動車等の
動的な場所で使用される場合、ピエゾ抵抗を利用した差
圧センサとしてのみでは無く、上述したコンデンサを利
用した容量型加速度センサとしても使用することができ
る。つまり、図１３に示すように、正側の差圧ΔＰに加
えて正側の加速度Ｇがセンサに印加されたとき、板材２
４は圧力を受けた際に生じるダイアフラム２１の変形に
応じた平行の変位に加えて、加速度を受けたことによる
変形を生じる。この加速度による板材の変形は、コンデ
ンサの容量値の増加をもたらす。

【００６５】したがって、図１３に示すように正側の差
圧及び加速度を受けた場合には、１４に示すように、加
速度を受けなかった場合に比べてコンデンサの容量値が
大きくなるため、この容量変化を読み取ることで圧力成
分と加速度成分の分離をすることが可能となる。

【００６６】このように、板材２４に電極４１を形成
し、ポスト材２８に電極４２を形成することで、容量型
圧力センサと容量型加速度センサとを構成することがで
き、ピエゾ抵抗型圧力センサと組み合わせることで、よ
り高精度な圧力測定が可能となる。

【００６７】なお、加速度としては、図１３に示すよう
に正側の加速度のみならず、負側の加速度も受ける可能
性があるが、正側の加速か負側の加速かを判別すること
が可能である。つまり、図１３に示すように、正側の差
圧を受け、正側の加速を受けた場合には、板材２４はポ
スト材２８方向に変形するので、板材２４が変形を受け
ていない状態に比較して容量値は大となる。

【００６８】一方、図１５に示すように、正側の差圧を
受け、負側の加速を受けた場合には、板材２４はポスト
材２８から離間する方向に変形するので、板材２４が変
形を受けていない状態に比較して、容量値は小となる。

【００６９】したがって、板材２４が変形していない状
態、つまり、加速を受けていない状態における、正側の
差圧と容量値との関係が予め分かっていれば、その容量
値より、どれだけ小の容量値か、又は大の容量値かを算
出すれば、どの位の正側の加速を受けたか、負側の加速
を受けたかを検出することができる。

【００７０】また、図１６に示すように、負側の差圧を
受け、正側の加速を受けた場合には、板材２４はポスト
材２８方向に変形するので、板材２４が変形を受けてい
ない状態に比較して容量値は大となる。

【００７１】一方、図１７に示すように、負側の差圧を
受け、負側の加速を受けた場合には、板材２４はポスト
材２８から離間する方向に変形するので、板材２４が変
形を受けていない状態に比較して、容量値は小となる。

【００７２】したがって、板材２４が変形していない状
態、つまり、加速を受けていない状態における、負側の
差圧と容量値との関係が予め分かっていれば、その容量
値より、どれだけ小の容量値か、又は大の容量値かを算
出すると、どの位の正側の加速をうけたか、負側の加速
を受けたかを検出することができる。このように、正側
及び負側の差圧を受け、かつ、加速を受けた場合におい
ても、正側の加速を受けたか、負側の加速を受けたかを
判断することが可能である。

【００７３】なお、半導体圧力センサは、図１０の工程
（ｅ）の後、図１８に示すように出力取り出し用金具
（シール金具）７５に溶接あるいは接着され、センサの
コンタクトパッド１〜１２と出力取り出し用端子７６と
がリードワイヤ７７で接続される。この金具７５は、ハ
ーメチックシールによって気密構造となっている。

【００７４】以上のように、本発明の第２の実施形態に
よれば、第１の実施形態の効果を有する他、次のような
効果を有する。すなわち、板材２４のポスト材２８に対
向する面側に電極４１、ならびにポスト材２８の板材２
４に対向する面側に電極４２を形成し、両電極４１と４
２との間でコンデンサを形成する構成としたので、ピエ
ゾ抵抗のブリッジ回路の出力の線形性が良好な差圧範囲
をピエゾ抵抗型圧力センサで測定し、ピエゾ抵抗のブリ
ッジ回路の出力の非線形性が大となる差圧範囲をを容量
型圧力センサで測定することで、広い圧力レンジを高精
度に測定することが可能となる。

【００７５】さらに、半導体圧力センサが、例えば、自
動車等の動的な場所で使用される場合、ピエゾ抵抗を利
用した差圧センサとしてのみでは無く、上述したコンデ
ンサを容量型加速度センサとして使用することができ
る。

【００７６】図１９は、本発明の第３の実施形態である
複合伝送器の概略断面図である。図１９において、シー
ル金具７５に組み込まれた、図４、図５又は図９に示し
た構成の半導体圧力センサを複合伝送器の受圧部８１に
組み込む。

【００７７】高圧力側のシールダイアフラム８２ａと低
圧力側のシールダイアフラム８２ｂに印加された圧力
は、シリコーンオイル等の圧力伝達流体８３を通してセ
ンサチップ８４に伝達される。

【００７８】半導体センサの出力は、ＦＰＣ（フレキシ
ブルプリント回路）８５を通して信号処理部へ伝達され
る。本発明の複合伝送器の場合、差圧、静圧、温度の３
種類の出力信号をＭＰＸ（マルチプレクサ）８６を介し
て選択的に取り込む。

【００７９】次に、ＰＧＡ（プログラマブルゲインアン
プ）８７によって出力信号を増幅し、Ａ／Ｄ変換器８８
でディジタル信号に変換して、ＭＰＵ（マイクロプロセ
ッサ）８９に送信する。ＭＰＵ（信号処理手段）８９
は、差圧、静圧、温度センサの各特性および容量型圧力
センサの特性、差圧しきい値、加速度の特性が格納され
たＲＯＭ９０のデータに基づいてセンサ出力を補正演算
し、差圧、静圧、温度、加速度のそれぞれの値を算出す
る。

【００８０】このときに、センサに印加された差圧が、
差圧しきい値ΔＰ1以下であるかΔＰ1より大きいのかを
判断して、差圧がΔＰ1以下の場合には、ピエゾ抵抗型
圧力センサの出力を、差圧がΔＰ1より大きい場合に
は、容量型圧力センサの出力を用いる。このようにすれ
ば、広い圧力レンジにわたって高感度なセンサ出力を得
ることができる。

【００８１】こうして得られた値は、再びＤ／Ａ変換器
９１でアナログ信号に変換し、Ｖ／Ｉ変換器９２を介し
て高精度なアナログ信号、ディジタル信号あるいはアナ
ログ、ディジタル信号が重畳した信号を出力する。

【００８２】ところで、過大圧に対する機械的ストッパ
をセンサチップ自体に有してはいない従来の複合伝送器
においては、伝送器本体に機械的ストッパとなるセンタ
ダイアフラムを形成する等の対策が必要であった。つま
り、シールダイアフラム８２ａ、８２ｂに印加された過
大圧力が、圧力伝達流体を介してセンサチップに直接伝
達された場合には、センサチップが破損する可能性があ
るため、シールダイアフラム８２ａ、８２ｂとセンサチ
ップとの間に、センターダイアフラムを配置し、シール
ダイアフラム８２ａ、８２ｂに印加された圧力が、セン
ターダイアフラムを介して、センサチップに伝達される
ように構成する必要があった。

【００８３】このようなセンターダイアフラムを伝送器
本体に設ける構成とすることは、製作工程が複雑になる
だけでなく、伝送器出力のドリフトや温度ヒステリシス
等の主原因となってしまっていた。

【００８４】これに対して、本発明による半導体圧力セ
ンサは、圧力センサ自体に正負両過大圧に対する機械的
なストッパが形成されているため、過大圧力がかかった
場合にセンサチップを保護するセンターダイアフラム等
の特別な構造を伝送器本体に設ける必要がなく、製作が
容易になり、伝送器としての出力特性をより安定にする
ことができる。

【００８５】以上のように、本発明の一実施形態におけ
る複合伝送器によれば、図４、図５又は図９に示した構
成の半導体圧力センサを備えているので、センサチップ
を保護するセンターダイアフラム等の特別な構造を伝送
器本体に設ける必要がなく、製作が容易になり、伝送器
としての出力特性をより安定にすることができる。

【００８６】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているため、次のような効果がある。製造容易であり、
かつ、ダイアフラムへの残留歪が抑制され、単一の突出
部又は剛体部を有するものにも適用可能な過大圧力保護
機構を備える半導体圧力センサとその製造方法及びこれ
を用いた複合伝送器を実現することができる。

【００８７】また、この保護機構を用いることで、高精
度な過大圧力保護機構付半導体圧力センサが実現でき
る。また、この保護機構を用いて互いに対向する２つの
電極を形成して、容量型センサを構成することで、広い
圧力レンジを高精度に測定できる他、圧力成分と加速度
成分の分離を行なうことも可能となる。

【００８８】また、圧力センサ自身に正負両過大圧に対
する機械的ストッパを設けることができたため、伝送器
本体の構造が簡素化でき、出力特性の安定した高精度な
複合伝送器を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における第１の実施形態である半導体圧
力センサの概略上面図である。

【図２】図１のＡ−Ｏ−Ｂ線に沿った概略断面図であ
る。

【図３】図１及び図２に示した半導体圧力センサの製造
工程を示す図である。

【図４】ポスト材の形状の一例を示す概略断面図であ
る。

【図５】ポスト材の形状の他の例を示す概略断面図であ
る。

【図６】ピエゾ抵抗の結線図である。

【図７】圧力が印加された時のダイアフラムの変形及び
応力分布を示す図である。

【図８】ダイアフラム下面側から過大圧力が印加した時
のダイアフラムの変形を示す図である。

【図９】本発明における第２の実施形態である半導体圧
力センサの概略断面図である。

【図１０】図９に示した半導体圧力センサの製造工程を
示す図である。

【図１１】図９に示した半導体圧力センサに圧力が印加
した時のダイアフラムの変形を示す図である。

【図１２】図９に示した半導体圧力センサにおける差圧
に対する、ブリッジ出力と容量変化との関係を示すグラ
フである。

【図１３】図９に示した半導体圧力センサに正側の差圧
と加速とが同時に印加した時の変形を示す図である。

【図１４】図９に示した半導体圧力センサに差圧のみが
印加された場合と、差圧と加速とが同時に印加した場合
とにおける、差圧と容量値変化との関係を示すグラフで
ある。

【図１５】図９に示した半導体圧力センサに正側の差圧
と負側の加速とが同時に印加した時の変形を示す図であ
る。

【図１６】図９に示した半導体圧力センサに負側の差圧
と正側の加速とが同時に印加した時の変形を示す図であ
る。

【図１７】図９に示した半導体圧力センサに負側の差圧
と加速とが同時に印加した時の変形を示す図である。

【図１８】第２の実施形態における半導体圧力センサを
出力取り出し用金具（シール金具）に組み込んだ状態の
概略断面図である。

【図１９】本発明の第３の実施形態である複合伝送器の
概略断面図である。

【符号の説明】

１〜１２複合センサ出力取り出し用アルミコンタクト
パッド２１差圧検出用ダイアフラム２２静圧検出用ダイアフラム２３剛体部２４板材２５剛体部と板材の接着層２６エッチング時の犠牲層として用いられる酸化膜２７低融点ガラス２８ポスト材２９圧力導入口３０板材の最大径よりも大きな径を有する穴部３１ａ〜３１ｄ差圧検出用ダイアフラム上ピエゾ抵抗３２ａ〜３２ｄ静圧検出用ダイアフラム上ピエゾ抵抗３３温度センサ用ゲージ３４ｐ型高濃度不純物層配線３５アルミニウム配線４１板材側電極４２ポスト材側電極４３板材側シリコンｎ型高濃度不純物層４４基板表面側シリコンｎ型高濃度不純物層５１ｎ型単結晶シリコン基板７５ハーメチックシール７６出力取り出し用端子７７リードワイヤ８１差圧伝送器受圧部８２ａ高圧力側シールダイアフラム８２ｂ低圧力側シールダイアフラム８３圧力伝達流体８４センサチップ８５フレキシブルプリント回路８６マルチプレクサ８７プログラマブルゲインアンプ８８Ａ／Ｄ変換器８９マイクロプロセッサ９０ＲＯＭ９１Ｄ／Ａ変換器９２Ｖ／Ｉ変換器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単結晶シリコン基板を裏面側からくり抜い
てこの裏面側に開口部を形成するとともに、表面側にダ
イアフラム薄肉部ならびにそれを支持する厚肉部を形成
し、上記ダイアフラムの表面上に受圧素子としてピエゾ
抵抗を配置し、上記ダイアフラム薄肉部に隣接する領域
に上記薄肉部よりも板厚の厚い剛体部と、上記基板に圧
力導入口を有する金属製の基体とを有し、上記ダイアフ
ラムに印加される圧力を検出する半導体圧力センサにお
いて、上記剛体部のダイアフラム薄肉部側とは反対側の
面に接着された板材を備え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記載の半導体圧力センサにおい
て、上記ダイアフラムの中央部に上記剛体部が形成さ
れ、上記板材の形状は上記ダイアフラムの形状と相似形
であり、上記ダイアフラムの径は、上記裏面側に形成さ
れた開口部の径よりも小さく、この開口部の径は、上記
裏面側からダイアフラムに向かうにつれて、徐々に小さ
くなっていくことを特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項３】請求項２記載の半導体圧力センサにおい
て、上記板材の最大径は、上記開口部の上記裏面におけ
る最小径よりも小さく、上記板材の最小径は、上記ダイ
アフラム薄肉部の最大径よりも大きいことを特徴とする
半導体圧力センサ。
【請求項４】請求項１〜３のうちのいずれか一項記載の
半導体圧力センサにおいて、上記板材の剛体部への接着
面とは反対面に電極が形成され、上記ダイアフラムを支
持する厚肉部が固着され、圧力導入口を有するポスト材
には、上記板材の電極に対向する面に電極が形成され、
これら２つの電極間でコンデンサを構成することを特徴
とする半導体圧力センサ。
【請求項５】請求項１〜４記載のうちのいずれか一項記
載の半導体圧力センサと、温度検出手段と、静圧検出手
段と、上記静圧検出手段の出力信号を温度検出手段の出
力信号を用いて補正し、上記半導体圧力センサにより検
出された差圧出力信号を上記補正された静圧検出手段及
び温度検出手段の出力信号を用いて補正する信号処理手
段とを備えることを特徴とする複合伝送器。
【請求項６】半導体圧力センサの製造方法において、単結晶シリコンからなるダイアフラム支持基板の表面
に、ピエゾ抵抗を形成する工程と、上記ダイアフラム支持基板の裏面側に、エッチングのマ
スクとなる所定のパターンを形成する工程と、上記ダイアフラム支持基板の裏面側に、エッチングによ
って所定のパターンを形成する工程と、上記ダイアフラム支持基板の裏面側に板材を接続した後
に、エッチングによって所定のパターンを形成する工程
と、上記ダイアフラム支持基板の裏面側に開口部を形成し、
表面側にダイアフラム薄肉部ならびにそれを支持する厚
肉部であって、この厚肉部の側面が、上記ダイアフラム
支持基板の裏面側開口部が広く、上記ダイアフラムが形
成されている側が狭くなるようにテーパ状に形成を形成
し、上記ダイアフラム薄肉部に隣接する領域に上記薄肉
部よりも板厚の厚い剛体部を形成し、上記板材を所定の
形状に形成する工程と、上記開口部と連通する圧力導入口を有する金属製の基体
と、上記ダイアフラム支持基板の裏面に固着する工程と
備えることを特徴とする半導体圧力センサの製造方法。
【請求項７】請求項６記載の半導体圧力センサの製造方
法において、上記板材の上記基体に対向する面に電極を
形成する工程と、上記板材に形成された電極に対向する
電極を上記基体に形成する工程とを、さらに備えること
を特徴とする半導体圧力センサの製造方法。