JPH11142269A

JPH11142269A - 半導体圧力センサ及びこれを用いた複合伝送器

Info

Publication number: JPH11142269A
Application number: JP30680297A
Authority: JP
Inventors: Yasunori Shoji; 康則庄司
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-11-10
Filing date: 1997-11-10
Publication date: 1999-05-28

Abstract

(57)【要約】【課題】ピエゾ抵抗とダイアフラムを組み合わせた構造
の半導体圧力センサにおいて、規定の正負両過大圧力に
対して安定に作用する機械的ストッパを備え付けること
で、高精度な差圧検出用圧力センサならびに複合伝送器
を提供すること。【解決手段】ダイアフラム内部に形成された剛体部の先
端に板材を張り付け、アルカリ異方性エッチングでテー
パ状に形成されたダイアフラム支持部側面に形成した段
差表面領域とを組み合わせて過大圧力がかかった時の機
械的ストッパとする。

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、シリコンの機械強度
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、過大圧力がかかっ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。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、伝送器本体に保護機構を設けることは、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。

【０００３】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】圧力センサ自身に過大圧力保護機構とし
て、機械的ストッパを設ければ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】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
においては、圧力センサのダイヤフラム内部に機械的ス
トッパとして作用する部材を追加している場合が多い。
従ってセンサと部材との貼り付け位置が意図したとおり
正確に貼り付けられないと、部材が機械的ストッパとし
て作用する過大圧力に大きなばらつきが生じてしまう。

【０００６】本発明の目的は、ほぼ一定の規定過大圧力
で機械的ストッパが作用する過大圧保護機構を提供する
ものである。この保護機構を用いることで、安定した過
大圧力保護機構付半導体圧力センサ及び複合センサが実
現できる。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する方法
として、ダイアフラムを支持する厚肉部のダイアフラム
側の側面には段差構造を設け、ダイアフラム内部に形成
された剛体部の先端に板材を貼り付ける構造とする。こ
のダイアフラム支持部側面の段差表面領域と板材との接
触を負側過大圧力が加わった際の機械的ストッパとして
利用することで、負側過大圧力に対する保護機構とす
る。通常、単結晶シリコン基板を裏面側からくり抜いて
ダイアフラムを形成する際にはアルカリ異方性エッチン
グ技術が用いられ、ダイアフラムを支持する厚肉部の側
面は、裏面開口側が広く、ダイアフラム形成側が狭くな
るように、テーパ状に形成される。このアルカリ異方性
エッチングを２段に分けて行うことで、側面に段差構造
を形成することができる。単結晶シリコン基板の裏面側
から過大圧力が印加された際に、ダイアフラム内部に形
成された剛体部先端の板材がダイアフラムを支持する厚
肉部側面に形成された段差部の表面領域に当たるように
板材の径を設定することで、機械的なストッパとするこ
とができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１は本発明における一実施例の
概略構造を示す上面図、図２は図１の矢視Ａ−Ｏ−Ｂ断
面図である。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内には側面段
差領域２０を例えばアルカリ異方性エッチング技術を２
段に分けて用いることにより形成する。この側面段差領
域の形状は図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構わない。この時、剛体部
２３も同時に形成することができる。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２
２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の先端には例えばパイレックスガラスか
らなる板材２４が形成されている。

【０００９】この板材２４の形状は図１，図２では円形
であるが、もちろんその他の形状であっても構わない。
２５はパイレックスガラスからなる台、２７は低融点ガ
ラス、２８は圧力導入口２９を有する、例えばＦｅ−Ｎ
ｉからなるポスト材である。上記ダイアフラム２１，２
２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。

【００１０】図３（ａ）〜（ｇ）は上記実施例半導体セ
ンサの製造工程を示す断面図である。以下、製造工程に
ついて説明する。

【００１１】（ａ）まず、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の上面に、ボロ
ンを拡散して、ピエゾ抵抗，ｐ型高濃度不純物層の配線
およびアルミニウムの配線，コンタクトパッドを形成す
る。

【００１２】（ｂ）単結晶シリコン基板の裏面側に、例
えばＣＶＤによってＳｉＯ₂膜２６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。この際、フォトリ
ソ，エッチングは２回行い、ＳｉＯ₂膜厚を２段に形成
する。

【００１３】（ｃ）次に、例えばＫＯＨにより、アルカ
リ異方性エッチングを行う。

【００１４】（ｄ）この後、ＳｉＯ₂のエッチングを行
う。先程形成した２段のＳｉＯ₂膜の内、膜厚の薄い方
は無くなり、膜厚の厚い方は残るようにする。

【００１５】（ｅ）次に、もう一度ＫＯＨによるアルカ
リ異方性エッチングを行い、側面段差領域２０，ダイア
フラム２１，２２、剛体部２３の形成を行う。

【００１６】（ｆ）もう一度ＳｉＯ₂のエッチングを行
い、すべてのＳｉＯ₂膜をエッチング除去する。

【００１７】（ｇ）パイレックスガラスからなる板材２
４を陽極接合によって接合する。最後にダイアフラムの
支持する厚肉部にパイレックスガラス台２５を陽極接合
し、低融点ガラス２７を介して、Ｆｅ−Ｎｉ等からなる
ポスト材２８を固着する。この時、圧力導入口２９がつ
ながるダイアフラム２１は差圧検出用ダイアフラムとな
り、圧力導入口２９がつながらないダイアフラム２２は
静圧検出用ダイアフラムとなる。

【００１８】剛体部２３の板厚と板材２４の板厚の和
が、ダイアフラムを支持する厚膜部の板厚とパイレック
スガラス台の板厚の和とほぼ同じか、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３０を形成することで、ダイアフラムに圧力が印加さ
れた時のダイアフラム変位領域を確保することができ
る。

【００１９】もし、剛体部２３の板厚と板材２４の板厚
の和が、ダイアフラムを支持する厚膜部の板厚とパイレ
ックスガラス台の板厚の和よりも小さく、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
の板材に対向する面側を平らな形状とすることができ
る。いずれの場合にも、圧力導入口の穴径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が接触するため、機
械的なストッパが形成できる。

【００２０】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。また、横手方向に引張応力が働いた場合抵抗値が減
少する。この方向に配列したゲージをＴゲージと呼ぶ。

【００２１】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４個をすべてダイアフラム支持部近傍に
配置し、長手方向がダイアフラム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
ラムの接線方向と平行となる２個のＴゲージ３１ｂ，３
１ｄを配置している。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。

【００２２】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を構成す
る。ここで、差圧検出用ダイアフラム２１と３１ａ〜３
１ｄのブリッジで構成される部分を差圧センサ、静圧検
出用ダイアフラム２２と３２ａ〜３２ｄのブリッジで構
成される部分を静圧センサと呼ぶ。

【００２３】ダイアフラムに圧力が印加されると、それ
ぞれのダイアフラムがたわみ、ダイアフラム上に形成さ
れたピエゾ抵抗で構成される各ブリッジが上面と下面の
圧力差にほぼ比例したセンサ出力Ｖ₁，Ｖ₂を発生する。
ここで、差圧センサはダイアフラムの上面と下面の圧力
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。

【００２４】一方、ダイアフラム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
ブリッジと結線される。

【００２５】ピエゾ抵抗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を併用する。本実施例ではダイアフラムの
外側やピエゾ抵抗から離れた場所等、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。

【００２６】次に図７を用いてダイアフラムに圧力が印
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（ａ）に示すようにダイアフラ
ムが変形する。ダイアフラム変形時に、ピエゾ抵抗が作
り込まれているダイアフラム表面付近に発生する応力は
図７（ｂ）に示すようになる。ダイアフラム上では、ダ
イアフラム支持部近傍で最大の引張応力σ₁、剛体部近
傍で最大の圧縮応力が発生する。図７（ａ）に示すよう
に、ダイアフラムの外径をＸ、剛体部の外径をＹ、ダイ
アフラムの厚さをｈとすれば、差圧ΔＰが印加された時
σ₁は次の式で表わされる。

【００２７】

【数１】σ₁＝３・（Ｘ²−Ｙ²）・ΔＰ／（１６・ｈ²）図１に示すように、ダイアフラム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は次の式で表わされる。

【００２８】

【数２】Ｖ₁＝（１／２）・π₄₄・（１−ν）・σ₁・Ｖここで、νはポワソン比、π₄₄は剪断のピエゾ抵抗係
数、Ｖは励起電圧である。

【００２９】次に、ダイアフラム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。ダイアフラムの
下面側から過大圧力が印加された時、ダイアフラムは図
８のように変形する。この時、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段差部
分に形成される表面領域の最大径よりも小さく、かつダ
イアフラム２１を支持する厚肉部の段差部分に形成され
る表面領域の最小径よりも大きくしておくことで、側面
段差領域２０に板材２４が当り、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。

【００３０】半導体圧力センサはこの後、図９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
いは接着し、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をリードワイヤ７７で接続する。こ
の金具はハーメチックシールによって気密構造となって
いる。

【００３１】本発明の複合センサを用いた複合伝送器の
一実施例を図１０に示す。シール金具に組み込まれた圧
力センサを差圧伝送器受圧部８１に組み込む。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に伝達す
る。過大圧に対する機械的ストッパをセンサチップ自体
にもたない従来の差圧伝送器では、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。このような構造を伝送器本体に設ける
ことは、製作工程が複雑になるだけでなく、伝送器出力
のドリフトやヒステリシスの主原因となってしまう。

【００３２】本発明の圧力センサは、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を形成できてい
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。センサ出力は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する。本発
明の複合センサの場合、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。

【００３３】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
でデジタル信号に変換、ＭＰＵ（マイクロプロセッサ）
８９に送信する。ＭＰＵ８９は、差圧，静圧，温度セン
サの各特性が格納された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，温度のそれぞれ
の値を算出する。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、Ｖ／Ｉ変換器９２を介し
て高精度なアナログ信号，デジタル信号あるいはアナロ
グ，デジタル信号が重畳した信号を出力する。

【００３４】以上のように、本発明の構造を用いれば、
規定の正負両過大圧に対して機械的ストッパを形成する
ことができ、さらに、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。

【００３５】

【発明の効果】本発明は、規定の正負両過大圧力に対し
て機械的ストッパが作用する保護機構を提供するもので
ある。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、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】本発明の一実施例を示す複合センサの平面図。

【図２】図１の複合センサの断面図。

【図３】図２の複合センサの製造工程を示す図。

【図４】板材よりも大きな径をもつ穴部を設けたポスト
材の形状を示す図。

【図５】板材よりも大きな径をもつ穴部を設けないポス
ト材の形状を示す図。

【図６】ピエゾ抵抗の結線図。

【図７】（ａ）及び（ｂ）は圧力が印加された時のダイ
アフラムの変形図及び応力分布図。

【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図。

【図９】出力取り出し用金具（シール金具）に本発明の
圧力センサを組み込んだ図。

【図１０】本発明の圧力センサを用いた複合伝送器の構
成図。

【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、２０…側面段差領域、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…パイレックスガラス台、２６…
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、３４…ｐ型高
濃度不純物層配線、３５…アルミニウム配線、５１…ｎ
型単結晶シリコン基板、７５…ハーメチックシール、７
６…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、８８…Ａ／Ｄ変換器、８９…マイク
ロプロセッサ、９０…ＲＯＭ、９１…Ｄ／Ａ変換器、９
２…Ｖ／Ｉ変換器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単結晶シリコンを裏面側からくり抜いて、
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、前記ダイアフラム表面上に受圧素子とし
てピエゾ抵抗を配置し、前記ダイアフラム薄肉部の部分
領域に前記薄肉部よりも板厚の厚い剛体部を有する半導
体圧力センサにおいて、前記ダイアフラムを支持する厚
肉部のダイアフラム側の側面は段差構造を有し、前記剛
体部のダイアフラム薄肉部側とは反対側の面に板材を形
成した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、前記ダイアフラムを支持する厚肉部の段差部分に形
成される表面領域と、前記板材のダイアフラムに対抗す
る面との間に、ダイアフラムが変形しない初期状態にお
いてクリアランスを有することを特徴とする半導体圧力
センサ。
【請求項３】請求項１，２記載の半導体圧力センサにお
いて、前記ダイアフラムの形状と、前記ダイアフラムを
支持する厚肉部の段差部分に形成される表面領域と、前
記板材の形状とが相似形であることを特徴とする半導体
圧力センサ。
【請求項４】請求項１〜３記載の半導体圧力センサにお
いて、前記板材の最大径は、前記ダイアフラムを支持す
る厚肉部の段差部分に形成される表面領域の最大径より
も小さい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記載の半導体圧力センサにお
いて、前記板材の最小径は、前記ダイアフラムを支持す
る厚肉部の段差部分に形成される表面領域の最小径より
も大きいことを特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項６】前記ダイアフラムを支持する厚肉部が圧力
導入口を有するポスト材に固着された請求項１〜５記載
の半導体圧力センサにおいて、前記ポスト材の圧力導入
口穴径はダイアフラム薄肉部に対向する面で前記板材の
最大径よりも大きく、これとは反対の面で前記板材の最
大径よりも小さく形成されたことを特徴とする半導体圧
力センサ。
【請求項７】前記ダイアフラムを支持する厚肉部が圧力
導入口を有するポスト材に固着された請求項１〜５記載
の半導体圧力センサにおいて、前記剛体部の板厚に前記
板材の板厚を加えた板厚が前記ダイアフラムを支持する
厚肉部の板厚に厚肉部を支持する台の板厚を加えた板厚
よりも薄く、かつ前記板材の最大径が前記ポスト材の圧
力導入口穴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８】請求項１〜７記載の半導体圧力センサにお
いて、前記ダイアフラム薄肉部と同一基板上に温度セン
サを形成することを特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項９】請求項１〜８記載の半導体圧力センサにお
いて、前記ダイアフラム薄肉部と同一基板上に、これと
は別にダイアフラムを設け、この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ことを特徴とす
る半導体圧力センサ。
【請求項１０】請求項１〜９記載の半導体圧力センサの
出力信号は、静圧検出手段の出力を温度検出手段を用い
て補正し、差圧検出手段の出力を前記補正された静圧出
力、さらに温度検出手段を用いて補正することを特徴と
する複合伝送器。
【請求項１１】請求項１０において、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、前記メモリに
温度変化に対する静圧センサ出力，差圧センサの出力の
関係と、静圧変化に対する差圧センサ出力の関係を記録
しておき、検出されたセンサ出力を前記マイクロプロセ
ッサを用いて前記メモリに記録されたデータに基づき補
正することを特徴とする複合伝送器。
【請求項１２】第１ダイアフラムと、第１圧力伝達流体
が封入された第１受圧室と、第２ダイアフラムと、第２
圧力伝達流体が封入された第２受圧室とを備え、前記第
１ダイアフラムに第１測定圧力、前記第２ダイアフラム
に第２測定圧力を印加して、両圧力の差を半導体圧力セ
ンサで検出する請求項１０，１１記載の複合伝送器にお
いて、第１，第２受圧室の圧力が前記半導体圧力センサ
の受圧ダイアフラムに直接伝達することを特徴とする複
合伝送器。