JP2016095270A - 物理量センサー、圧力センサー、高度計、電子機器および移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】検出感度を向上させることができる物理量センサーを提供すること、また、かかる物理量センサーを備える圧力センサー、高度計、電子機器および移動体を提供すること。
【解決手段】本発明の物理量センサー１は、受圧により撓み変形するダイヤフラム部２０を有する基板２と、ダイヤフラム部２０の一方の面側に配置されていて歪みにより電気信号を出力するピエゾ抵抗素子５と、基板２の一方の面側に基板２の平面視でピエゾ抵抗素子５を囲んで配置されている壁部と、壁部に対して基板２とは反対側に配置されていて空洞部Ｓを壁部とともに構成している被覆層６４１と、を備え、ダイヤフラム部２０は、空洞部Ｓとは反対側に厚さ方向に突出している凸部２６を有し、ピエゾ抵抗素子５は、平面視で、凸部２６と並んでいる。
【選択図】図１

Description

本発明は、物理量センサー、圧力センサー、高度計、電子機器および移動体に関するものである。

受圧により撓み変形するダイヤフラムを備えた圧力センサーが広く用いられている（例えば、特許文献１参照）。このような圧力センサーは、一般に、ダイヤフラムが壁部の一部を構成する空洞部を備えており、ダイヤフラム上に配置されたセンサー素子でダイヤフラムの撓みを検出することにより、ダイヤフラムに加わった圧力を検出する。

例えば、特許文献１に係る圧力センサーは、ダイヤフラムを有する基板と、基板の主面に形成された共振子と、基板の主面上に形成されていて共振子を収容する空間を形成する空間壁部と、を有する。そして、受圧によるダイヤフラムの撓みに伴う共振子の周波数特性の変化に基づいて、圧力を検出する。

ところで、このような圧力センサーでは、一般に、ダイヤフラムの厚さを薄くするほど、感度が向上する。

しかし、特許文献１に係るＭＥＭＳ素子では、ダイヤフラムの厚さを薄くすると、受圧に伴うダイヤフラムの変位量も大きくなってしまい、その結果、ダイヤフラムと空間壁部の天井部とが接触してしまうという問題があった。

特開２０１４−１１５２０８号公報

本発明の目的は、検出感度を向上させることができる物理量センサーを提供すること、また、かかる物理量センサーを備える圧力センサー、高度計、電子機器および移動体を提供することにある。

このような目的は、下記の本発明により達成される。
［適用例１］
本発明の物理量センサーは、受圧により撓み変形するダイヤフラム部を有する基板と、
前記ダイヤフラム部の一方の面側に配置されていて歪みにより電気信号を出力するセンサー素子と、
前記基板の前記一方の面側に前記基板の平面視で前記センサー素子を囲んで配置されている壁部と、
前記壁部に対して前記基板とは反対側に配置されていて内部空間を前記壁部とともに構成している天井部と、
を備え、
前記ダイヤフラム部は、前記内部空間とは反対側に厚さ方向に突出していて前記平面視で前記センサー素子と並んでいる凸部を有することを特徴とする。

このような物理量センサーによれば、ダイヤフラム部の剛性を凸部により局所的に高めることによりダイヤフラム部の変位量を抑えることができる。そのため、ダイヤフラム部の凸部の周囲の部分の薄肉化を図ることにより、感度を向上させることができる。また、凸部がダイヤフラム部の内部空間とは反対側（外側）にあるため、天井部とダイヤフラム部との接触を低減することができる。

［適用例２］
本発明の物理量センサーでは、前記基板の厚さが前記凸部の高さよりも大きいことが好ましい。

これにより、基板に必要な強度を確保したり、凸部の高さを低く抑えて、凸部に作用する加速度等の外力によるダイヤフラム部の不要な振動を低減したりすることができる。

［適用例３］
本発明の物理量センサーでは、前記平面視で前記凸部が前記ダイヤフラム部の中央部にあることが好ましい。

これにより、ダイヤフラム部の外周部側にセンサー素子を配置して高感度化を図ることができる。

［適用例４］
本発明の物理量センサーでは、前記平面視で前記ダイヤフラム部の外形形状と前記凸部の外形形状が相似であることが好ましい。

これにより、比較的簡単に、凸部を有するダイヤフラム部の外形を高精度に形成することができる。

［適用例５］
本発明の物理量センサーでは、前記平面視で前記凸部の幅が前記ダイヤフラム部の幅に対して２５％以上５０％以下の範囲内にあることが好ましい。
これにより、高感度化を効率的に図ることができる。

［適用例６］
本発明の物理量センサーでは、前記凸部の側面は、前記ダイヤフラム部の厚さ方向に沿っていることが好ましい。

これにより、ダイヤフラム部の凸部とその周囲の部分との間の剛性差を大きくすることができる。その結果、高感度化を効率的に図ることができる。

［適用例７］
本発明の物理量センサーでは、前記内部空間が密閉されていることが好ましい。

これにより、内部空間を圧力基準室として用いて、絶対圧センサーを実現することができる。

［適用例８］
本発明の物理量センサーでは、前記センサー素子がピエゾ抵抗素子であることが好ましい。
これにより、高感度化を図ることができる。

［適用例９］
本発明の圧力センサーは、本発明の物理量センサーを備えることを特徴とする。
これにより、高感度な圧力センサーを提供することができる。

［適用例１０］
本発明の高度計は、本発明の物理量センサーを備えることを特徴とする。
これにより、高感度な高度計を提供することができる。

［適用例１１］
本発明の電子機器は、本発明の物理量センサーを備えることを特徴とする。
これにより、高感度な物理量センサーを備える電子機器を提供することができる。

［適用例１２］
本発明の移動体は、本発明の物理量センサーを備えることを特徴とする。
これにより、高感度な物理量センサーを備える移動体を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る物理量センサーを示す断面図である。 図１に示す物理量センサーのピエゾ抵抗素子（センサー素子）およびダイヤフラム部の凸部の配置を示す平面図である。 図１に示す物理量センサーの作用を説明するための図であって、（ａ）は加圧状態を示す断面図、（ｂ）は加圧状態を示す平面図である。 （ａ）は、ダイヤフラム部の位置と気圧感度比との関係を示すグラフ、（ｂ）は、ダイヤフラム部の位置と変位感度比との関係を示すグラフである。 図１に示す物理量センサーの製造工程を示す図である。 図１に示す物理量センサーの製造工程を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る物理量センサーのピエゾ抵抗素子（センサー素子）およびダイヤフラム部の凸部の配置を示す平面図である。 図７に示すピエゾ抵抗素子を含むブリッジ回路を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る物理量センサーを示す断面図である。 本発明の圧力センサーの一例を示す断面図である。 本発明の高度計の一例を示す斜視図である。 本発明の電子機器の一例を示す正面図である。 本発明の移動体の一例を示す斜視図である。

以下、本発明の物理量センサー、圧力センサー、高度計、電子機器および移動体を添付図面に示す各実施形態に基づいて詳細に説明する。

１．物理量センサー
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る物理量センサーを示す断面図、図２は、図１に示す物理量センサーのピエゾ抵抗素子（センサー素子）および壁部の配置を示す平面図である。図３は、図１に示す物理量センサーの作用を説明するための図であって、図３（ａ）は加圧状態を示す断面図、図３（ｂ）は加圧状態を示す平面図である。なお、以下では、説明の便宜上、図１中の上側を「上」、下側を「下」という。

図１に示す物理量センサー１は、ダイヤフラム部２０を有する基板２と、ダイヤフラム部２０に配置されている機能素子である複数のピエゾ抵抗素子５（センサー素子）と、基板２とともに空洞部Ｓ（圧力基準室）を形成している積層構造体６と、基板２と積層構造体６との間に配置されている中間層３と、を備えている。

以下、物理量センサー１を構成する各部を順次説明する。
−基板−
基板２は、半導体基板２１と、半導体基板２１の一方の面上に設けられた絶縁膜２２と、絶縁膜２２の半導体基板２１とは反対側の面上に設けられた絶縁膜２３と、を有している。

半導体基板２１は、単結晶シリコンで構成されているシリコン層２１１（ハンドル層）と、シリコン酸化膜で構成されている酸化シリコン層２１２（ボックス層）と、単結晶シリコンで構成されているシリコン層２１３（デバイス層）とがこの順で積層されたＳＯＩ基板である。なお、半導体基板２１は、ＳＯＩ基板に限定されず、例えば、単結晶シリコン基板等の他の半導体基板であってもよい。

絶縁膜２２は、例えば、シリコン酸化膜であり、絶縁性を有する。また、絶縁膜２３は、例えば、シリコン窒化膜であり、絶縁性を有するとともに、フッ酸を含むエッチング液に対する耐性をも有する。ここで、半導体基板２１（シリコン層２１３）と絶縁膜２３（シリコン窒化膜）との間に絶縁膜２２（シリコン酸化膜）が介在していることにより、絶縁膜２３の成膜時に生じた応力が半導体基板２１に伝わるのを絶縁膜２２により緩和することができる。また、絶縁膜２２は、半導体基板２１およびその上方に半導体回路を形成する場合、素子間分離膜として用いることもできる。なお、絶縁膜２２、２３は、前述した構成材料に限定されず、また、必要に応じて、絶縁膜２２、２３のうちのいずれか一方を省略してもよい。

このような基板２の絶縁膜２３上には、パターニングされた中間層３が配置されている。この中間層３は、平面視でダイヤフラム部２０の周囲を囲むように形成されており、中間層３の上面と基板２の上面との間であって、ダイヤフラム部２０の中心側（内側）に中間層３の厚さ分の段差部を形成する。これにより、ダイヤフラム部２０が受圧により撓み変形したとき、ダイヤフラム部２０の段差部との間の境界部分に応力を集中させることができる。そのため、かかる境界部分（またはその付近）にピエゾ抵抗素子５を配置することにより、検出感度を向上させることができる。

この中間層３は、例えば、単結晶シリコン、多結晶シリコン（ポリシリコン）またはアモルファスシリコンで構成されている。また、中間層３は、例えば、単結晶シリコン、多結晶シリコン（ポリシリコン）またはアモルファスシリコンにリン、ボロン等の不純物をドープ（拡散または注入）して構成されていてもよい。この場合、中間層３は、導電性を有するため、例えば、空洞部Ｓの外側において基板２上にＭＯＳトランジスタを形成する場合、中間層３の一部をＭＯＳトランジスタのゲート電極として用いることができる。また、中間層３の一部を配線として用いることもできる。

このような基板２には、周囲の部分よりも薄肉であり、受圧によって撓み変形するダイヤフラム部２０が設けられている。ダイヤフラム部２０は、半導体基板２１の下面に有底の凹部２４を設けることで形成されている。すなわち、ダイヤフラム部２０は、基板２の一方の面に開口している凹部２４の底部を含んで構成されている。このダイヤフラム部２０は、その下面が受圧面２５となっている。本実施形態では、図２に示すように、ダイヤフラム部２０は、正方形（矩形）の平面視形状である。

本実施形態の基板２では、凹部２４がシリコン層２１１を貫通しており、ダイヤフラム部２０が酸化シリコン層２１２、シリコン層２１３、絶縁膜２２および絶縁膜２３の４層で構成されている。ここで、酸化シリコン層２１２は、後述するように、物理量センサー１の製造工程において凹部２４をエッチングにより形成する際にエッチングストップ層として利用することができ、ダイヤフラム部２０の厚さの製品ごとのバラツキを少なくすることができる。

また、基板２では、凹部２４内において、シリコン層２１１の一部が残存している。これにより、ダイヤフラム部２０には、受圧面２５側に突出している凸部２６が設けられている。なお、この凸部２６およびそれに関連する事項については、後に詳述する。

なお、凹部２４がシリコン層２１１を貫通せず、ダイヤフラム部２０がシリコン層２１１の薄肉部、酸化シリコン層２１２、シリコン層２１３、絶縁膜２２および絶縁膜２３の５層で構成されていてもよい。

−ピエゾ抵抗素子（機能素子）−
複数のピエゾ抵抗素子５は、図１に示すように、それぞれ、ダイヤフラム部２０の空洞部Ｓ側に形成されている。ここで、ピエゾ抵抗素子５は、半導体基板２１のシリコン層２１３に形成されている。

図２に示すように、複数のピエゾ抵抗素子５は、ダイヤフラム部２０の外周部に配置されている複数のピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄで構成されている。

基板２の厚さ方向から見た平面視（以下、単に「平面視」という）で四角形をなすダイヤフラム部２０の４つの辺にそれぞれ対応して、ピエゾ抵抗素子５ａ、ピエゾ抵抗素子５ｂ、ピエゾ抵抗素子５ｃ、ピエゾ抵抗素子５ｄが配置されている。

ピエゾ抵抗素子５ａは、ダイヤフラム部２０の対応する辺に対して垂直な方向に沿って延びている。そして、ピエゾ抵抗素子５ａの両端部には、１対の配線２１４ａが電気的に接続されている。同様に、ピエゾ抵抗素子５ｂは、ダイヤフラム部２０の対応する辺に対して垂直な方向に沿って延びている。そして、ピエゾ抵抗素子５ｂの両端部には、１対の配線２１４ｂが電気的に接続されている。

一方、ピエゾ抵抗素子５ｃは、ダイヤフラム部２０の対応する辺に対して平行な方向に沿って延びている。そして、ピエゾ抵抗素子５ｃの両端部には、１対の配線２１４ｃが電気的に接続されている。同様に、ピエゾ抵抗素子５ｄは、ダイヤフラム部２０の対応する辺に対して平行な方向に沿って延びている。そして、ピエゾ抵抗素子５ｄの両端部には、１対の配線２１４ｄが電気的に接続されている。

なお、以下では、配線２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄをまとめて「配線２１４」ともいう。

このようなピエゾ抵抗素子５および配線２１４は、それぞれ、例えば、リン、ボロン等の不純物をドープ（拡散または注入）したシリコン（単結晶シリコン）で構成されている。ここで、配線２１４における不純物のドープ濃度は、ピエゾ抵抗素子５における不純物のドープ濃度よりも高い。なお、配線２１４は、金属で構成されていてもよい。

また、複数のピエゾ抵抗素子５は、例えば、自然状態における抵抗値が互いに等しくなるように構成されている。

以上説明したようなピエゾ抵抗素子５は、配線２１４等を介して、ブリッジ回路（ホイートストンブリッジ回路）を構成している。このブリッジ回路には、駆動電圧を供給する駆動回路（図示せず）が接続されている。そして、このブリッジ回路では、ピエゾ抵抗素子５の抵抗値に応じた信号（電圧）として出力される。これにより、センサー素子として共振子を用いた場合に比べて、高感度化を図ることができる。

−積層構造体−
積層構造体６は、前述した基板２との間に空洞部Ｓを画成するように形成されている。ここで、積層構造体６は、ダイヤフラム部２０のピエゾ抵抗素子５側に配置されていてダイヤフラム部２０（または基板２）とともに空洞部Ｓ（内部空間）を区画形成（構成）している。

この積層構造体６は、基板２上に平面視でピエゾ抵抗素子５を取り囲むように形成された層間絶縁膜６１と、層間絶縁膜６１上に形成された配線層６２と、配線層６２および層間絶縁膜６１上に形成された層間絶縁膜６３と、層間絶縁膜６３上に形成され、複数の細孔６４２（開孔）を備えた被覆層６４１を有する配線層６４と、配線層６４および層間絶縁膜６３上に形成された表面保護膜６５と、被覆層６４１上に設けられた封止層６６とを有している。

層間絶縁膜６１、６３は、それぞれ、例えば、シリコン酸化膜で構成されている。また、配線層６２、６４および封止層６６は、それぞれ、アルミニウム等の金属で構成されている。また、封止層６６は、被覆層６４１が有する細孔６４２を封止している。また、表面保護膜６５は、例えば、シリコン窒化膜である。

このような積層構造体６において、被覆層６４１を除く配線層６２および配線層６４からなる構造体は、基板２の一方の面側に平面視でピエゾ抵抗素子５を囲んで配置されている「壁部」を構成している。また、被覆層６４１は、この壁部に対して基板２とは反対側に配置されていて空洞部Ｓ（内部空間）を壁部とともに構成している「天井部」を構成している。

また、このような積層構造体６は、ＣＭＯＳプロセスのような半導体製造プロセスを用いて形成することができる。なお、シリコン層２１３上およびその上方には、半導体回路が作り込まれていてもよい。この半導体回路は、ＭＯＳトランジスタ等の能動素子、その他必要に応じて形成されたコンデンサ、インダクタ、抵抗、ダイオード、配線（ピエゾ抵抗素子５に接続されている配線を含む）等の回路要素を有している。

基板２と積層構造体６とによって画成された空洞部Ｓは、密閉された空間である。この空洞部Ｓは、物理量センサー１が検出する圧力の基準値となる圧力基準室として機能する。本実施形態では、空洞部Ｓが真空状態（３００Ｐａ以下）となっている。空洞部Ｓを真空状態とすることによって、物理量センサー１を、真空状態を基準として圧力を検出する「絶対圧センサー」として用いることができ、その利便性が向上する。

ただし、空洞部Ｓは、真空状態でなくてもよく、大気圧であってもよいし、大気圧よりも気圧が低い減圧状態であってもよいし、大気圧よりも気圧が高い加圧状態であってもよい。また、空洞部Ｓには、窒素ガス、希ガス等の不活性ガスが封入されていてもよい。
以上、物理量センサー１の構成について簡単に説明した。

このような構成の物理量センサー１は、図３（ａ）に示すように、ダイヤフラム部２０の受圧面２５が受ける圧力Ｐに応じて、ダイヤフラム部２０が変形し、これにより、図３（ｂ）に示すように、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄが歪み、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの抵抗値が変化する。それに伴って、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄが構成するブリッジ回路の出力が変化し、その出力に基づいて、受圧面２５で受けた圧力の大きさを求めることができる。

より具体的に説明すると、前述したようなダイヤフラム部２０の変形が生じる前の自然状態では、例えば、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの抵抗値が互いに等しい場合、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂの抵抗値の積とピエゾ抵抗素子５ｃ、５ｄの抵抗値の積とが等しく、ブリッジ回路の出力（電位差）はゼロとなる。

一方、前述したようなダイヤフラム部２０の変形が生じると、図３（ｂ）に示すように、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂにその長手方向に沿った圧縮歪みおよび幅方向に沿った引張歪みが生じるとともに、ピエゾ抵抗素子５ｃ、５ｄにその長手方向に沿った引張歪みおよびその幅方向に沿った圧縮歪みが生じる。したがって、前述したようなダイヤフラム部２０の変形が生じたとき、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂの抵抗値とピエゾ抵抗素子５ｃ、５ｄの抵抗値とのうち、一方の抵抗値が増加し、他方の抵抗値が減少する。

このようなピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの歪みにより、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂの抵抗値の積とピエゾ抵抗素子５ｃ、５ｄの抵抗値の積との差が生じ、その差（電位差）に応じた出力（電気信号）がブリッジ回路から出力される。このブリッジ回路からの出力に基づいて、受圧面２５で受けた圧力の大きさ（絶対圧）を求めることができる。

ここで、前述したようなダイヤフラム部２０の変形が生じたとき、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂの抵抗値とピエゾ抵抗素子５ｃ、５ｄの抵抗値とのうち、一方の抵抗値が増加し、他方の抵抗値が減少するため、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂの抵抗値の積とピエゾ抵抗素子５ｃ、５ｄの抵抗値の積との差の変化を大きくすることができ、それに伴って、ブリッジ回路からの出力を大きくすることができる。その結果、圧力の検出感度を高めることができる。

（ダイヤフラム部の凸部）
以下、ダイヤフラム部２０に形成された凸部２６およびそれに関連する事項について詳述する。

図４（ａ）は、ダイヤフラム部の位置と気圧感度比との関係を示すグラフ、図４（ｂ）は、ダイヤフラム部の位置と変位感度比との関係を示すグラフである。なお、図４（ａ）における「気圧感度比」は、気圧に対する応力値の比（応力値／気圧）であり、図４（ｂ）における「変位感度比」は、気圧に対する変位量の比（変位量／気圧）である。

前述したように、ダイヤフラム部２０は、受圧面２５側すなわち空洞部Ｓとは反対側に厚さ方向に突出している凸部２６を有する。これにより、ダイヤフラム部２０の剛性を凸部２６により局所的に高めることによりダイヤフラム部２０の変位量を抑えることができる。図４に示すように、凸部２６を有するダイヤフラム部２０は、凸部２６を有しないダイヤフラム部と同じ最大変位量となるように凸部２６以外の部分の厚さを設定（０．７８倍の厚さに設定）したとき、凸部２６を有しないダイヤフラム部と比べて、外周部での応力値が向上するとともに、凸部２６と他の部分との境界部付近において局所的に応力を生じさせることができる。このように、ダイヤフラム部２０の凸部２６の周囲の部分の薄肉化を図ることにより、感度を向上させることができる。しかも、凸部２６がダイヤフラム部２０の空洞部Ｓとは反対側（外側）にあるため、凸部２６を設けても、被覆層６４１とダイヤフラム部２０との接触を低減することができる。なお、図４では、凸部２６の幅Ｗ２がダイヤフラム部２０の幅Ｗ１に対して１／３である場合を示している。

ここで、図１および図２に示すように、ピエゾ抵抗素子５は、平面視で凸部２６と並んでいる。これにより、前述したようなダイヤフラム部２０の応力値変化をピエゾ抵抗素子５により効率的に検出することができる。

また、凸部２６は、平面視でダイヤフラム部２０の中央部にある。これにより、ダイヤフラム部２０の外周部側にピエゾ抵抗素子５を配置して高感度化を図ることができる。

また、平面視でダイヤフラム部２０の外形形状と凸部２６の外形形状が相似である。これにより、比較的簡単に、凸部２６を有するダイヤフラム部２０の外形を高精度に形成することができる。本実施形態では、ダイヤフラム部２０および凸部２６の平面視における外形形状が矩形であるが、矩形に限定されず、例えば、円形、楕円形、五角形、六角形等の他の多角形や、これらの形状の一部を欠損させたような形状（例えば多角形の各角部をＣ面取りやＲ面取りのように面取りしたり矩形に欠損させたりした形状）等であってもよい。なお、平面視でダイヤフラム部２０の外形形状と凸部２６の外形形状とが異なっていてもよい。

また、凸部２６は、図１に示すように、基板２の厚さ方向に沿った断面で見たときに、矩形をなしている。したがって、凸部２６の側面は、ダイヤフラム部２０の厚さ方向に沿っている。これにより、凸部２６の基端側に直角な角部が形成されるため、ダイヤフラム部２０の凸部２６とその周囲の部分との間の剛性差を大きくすることができる。その結果、高感度化を効率的に図ることができる。

また、凸部２６の高さｈは、基板２の厚さＴよりも小さい。すなわち、基板２の厚さＴが凸部２６の高さｈよりも大きい。これにより、基板２に必要な強度を確保したり、凸部２６の高さを低く抑えて、凸部２６に作用する加速度等の外力によるダイヤフラム部２０の不要な振動を低減したりすることができる。

また、凸部２６の高さｈは、ダイヤフラム部２０の厚さｔよりも大きいことが好ましい。これにより、ダイヤフラム部２０の凸部２６とその周囲の部分との間の剛性差を効果的に大きくすることができる。

また、凸部２６の具体的な高さｈは、特に限定されないが、３μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましく、５μｍ以上１５μｍ以下であることがより好ましい。これにより、前述したような凸部２６に必要な剛性を確保しつつ、凸部２６に作用する加速度等の外力によるダイヤフラム部２０の不要な振動を低減することができる。これに対し、高さｈが小さすぎると、ダイヤフラム部２０の厚さや凸部２６の構成材料等によっては、凸部２６に必要な構成を確保することができない場合がある。一方、高さｈが大きすぎると、ダイヤフラム部２０の厚さや幅等によっては、凸部２６に作用する加速度等の外力によるダイヤフラム部２０の不要な振動が生じやすくなる傾向を示す。

また、平面視で、凸部２６の幅Ｗ２は、ダイヤフラム部２０の幅Ｗ１に対して、２５％以上５０％以下であることが好ましい。これにより、高感度化を効率的に図ることができる。

（物理量センサーの製造方法）
次に、物理量センサー１の製造方法を簡単に説明する。

図５および図６は、図１に示す物理量センサーの製造工程を示す図である。以下、物理量センサー１の製造方法を、これらの図に基づいて説明する。

［素子形成工程］
まず、図５（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板である半導体基板２１を用意する。

そして、半導体基板２１のシリコン層２１３にリン（ｎ型）またはボロン（ｐ型）等の不純物をドープ（イオン注入）することにより、図５（ｂ）に示すように、複数のピエゾ抵抗素子５および配線２１４を形成する。

例えば、ボロンを＋８０ｋｅＶでイオン注入を行う場合、ピエゾ抵抗素子５へのイオン注入濃度を１×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２程度とする。また、配線２１４へのイオン注入濃をピエゾ抵抗素子５よりも多くする。例えば、ボロンを１０ｋｅＶでイオン注入を行う場合、配線２１４へのイオン注入濃度を５×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２程度とする。また、前述したようなイオン注入の後、例えば、１０００℃程度で２０分程度のアニールを行う。

［絶縁膜等形成工程］
次に、図５（ｃ）に示すように、シリコン層２１３上に絶縁膜２２、絶縁膜２３および中間層３をこの順で形成する。

絶縁膜２２、２３の形成は、それぞれ、例えば、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により行うことができる。中間層３は、例えば、多結晶シリコンをスパッタリング法、ＣＶＤ法等により成膜した後、その膜に必要に応じてリン、ボロン等の不純物をドープ（イオン注入）し、その後、エッチングによりパターニングすることで形成することができる。

［層間絶縁膜・配線層形成工程］
次に、図５（ｄ）に示すように、絶縁膜２３上に、犠牲層４１、配線層６２、犠牲層４２および配線層６４をこの順で形成する。

この犠牲層４１、４２は、それぞれ、後述する空洞部形成工程により一部が除去され、残部が層間絶縁膜６１、６３となるものである。犠牲層４１、４２の形成は、それぞれ、シリコン酸化膜をスパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成し、そのシリコン酸化膜をエッチングによりパターニングすることにより行う。

また、犠牲層４１、４２の厚さは、それぞれ、特に限定されないが、例えば、１５００ｎｍ以上５０００ｎｍ以下程度とされる。

また、配線層６２、６４の形成は、それぞれ、例えばアルミニウムよりなる層をスパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成した後、パターニング処理することにより行う。

ここで、配線層６２、６４の厚さは、それぞれ、特に限定されないが、例えば、３００ｎｍ以上９００ｎｍ以下程度とされる。

このような犠牲層４１、４２および配線層６２、６４からなる積層構造は、通常のＣＭＯＳプロセスを用いて形成され、その積層数は、必要に応じて適宜に設定される。すなわち、必要に応じてさらに多くの犠牲層や配線層が積層される場合もある。

［空洞部形成工程］
次に、犠牲層４１、４２の一部を除去することにより、図６（ｅ）に示すように、絶縁膜２３と被覆層６４１との間に空洞部Ｓ（キャビティ）を形成する。これにより、層間絶縁膜６１、６３が形成される。

空洞部Ｓの形成は、被覆層６４１に形成された複数の細孔６４２を通じたエッチングにより、犠牲層４１、４２の一部を除去することにより行う。ここで、かかるエッチングとしてウェットエッチングを用いる場合、複数の細孔６４２からフッ酸、緩衝フッ酸等のエッチング液を供給し、ドライエッチングを用いる場合、複数の細孔６４２からフッ化水素酸ガス等のエッチングガスを供給する。このようなエッチングの際、絶縁膜２３がエッチングストップ層として機能する。また、絶縁膜２３は、エッチング液に対する耐性を有することから、絶縁膜２３に対して下側の構成部（例えば、絶縁膜２２、ピエゾ抵抗素子５、配線２１４等）をエッチング液から保護する機能をも有する。

ここで、かかるエッチングの前に、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により表面保護膜６５を形成する。これにより、かかるエッチングの際、犠牲層４１、４２の層間絶縁膜６１、６２となる部分を保護することができる。表面保護膜６５の構成材料としては、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、ポリイミド膜、エポキシ樹脂膜など、素子を水分、ゴミ、傷などから保護するための耐性を有するが挙げられ、特に、シリコン窒化膜が好適である。表面保護膜６５の厚さは、特に限定されないが、例えば、５００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下程度とされる。

［封止工程］
次に、図６（ｆ）に示すように、被覆層６４１上に、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ、Ｔｉ、ＴｉＮ等の金属膜等からなる封止層６６をスパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成し、各細孔６４２を封止する。これより、空洞部Ｓが封止層６６により封止され、積層構造体６を得る。

ここで、封止層６６の厚さは、特に限定されないが、例えば、１０００ｎｍ以上５０００ｎｍ以下程度とされる。

［ダイヤフラム形成工程］
次に、シリコン層２１１の下面を必要に応じて研削した後、シリコン層２１１の下面の一部をエッチングにより除去（加工）することにより、図６（ｇ）に示すように、凹部２４を形成する。これにより、空洞部Ｓを介して被覆層６４１に対向するダイヤフラム部２０が形成される。

前述したような凸部２６を有するダイヤフラム部２０を形成するには、例えば、凸部２６の頂面となる部分に達する深さまで、ダイヤフラム部２０の平面視形状に対応する平面視形状で一様にエッチングした後、凸部２６となる部分を除くように環状をなす平面視形状で酸化シリコン層２１２が露出するまでエッチングをすればよい。

ここで、シリコン層２１１の下面の一部を除去する際、酸化シリコン層２１２がエッチングストップ層として機能する。これにより、ダイヤフラム部２０の厚さを高精度に規定することができる。

なお、シリコン層２１１の下面の一部を除去する方法としては、ドライエッチングであっても、ウェットエッチング等であってもよい。
以上のような工程により、物理量センサー１を製造することができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。

図７は、本発明の第２実施形態に係る物理量センサーのピエゾ抵抗素子（センサー素子）およびダイヤフラム部の凸部の配置を示す平面図である。図８は、図７に示すピエゾ抵抗素子を含むブリッジ回路を示す図である。

以下、本発明の第２実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。

本実施形態は、センサー素子の配置および数が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。

図７に示す物理量センサー１Ａは、ダイヤフラム部２０に配置されている機能素子である複数のピエゾ抵抗素子５Ａ（センサー素子）を備えている。複数のピエゾ抵抗素子５Ａは、ダイヤフラム部２０の外周部に配置されている複数のピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄと、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄよりもダイヤフラム部２０の内側に配置されている複数のピエゾ抵抗素子５ｅ、５ｆ、５ｇ、５ｆと、で構成されている。

ここで、ピエゾ抵抗素子５ｅ、５ｆ、５ｇ、５ｆは、平面視で、矩形をなす凸部２６の各辺に対応して配置されている。前述したように、凸部２６と他の部分との境界部付近において局所的に応力を生じさせることができる（図４（ａ）参照）。この応力は、ダイヤフラム部２０の外周部に生じる応力と反対方向である。したがって、ピエゾ抵抗素子５ｅ、５ｆは、平面視で、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂの延びている方向に対して垂直な方向に沿って延びている。同様に、ピエゾ抵抗素子５ｇ、５ｈは、平面視で、ピエゾ抵抗素子５ｃ、５ｄの延びている方向に対して垂直な方向に沿って延びている。

このように配置されたピエゾ抵抗素子５ｅ、５ｆ、５ｇ、５ｆは、ピエゾ抵抗素子５ａとピエゾ抵抗素子５ｅとが互いに長手方向の一端部同士が、図示しない配線を介して直列に電気的に接続されている。同様に、ピエゾ抵抗素子５ｂとピエゾ抵抗素子５ｆとが直列に電気的に接続され、ピエゾ抵抗素子５ｃとピエゾ抵抗素子５ｇとが直列に電気的に接続され、ピエゾ抵抗素子５ｄとピエゾ抵抗素子５ｈとが直列に電気的に接続されている。

そして、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ、５ｇ、５ｈは、図８に示すように、ブリッジ回路７０（ホイートストンブリッジ回路）を構成している。

以上のような物理量センサー１Ａによれば、ダイヤフラム部２０に配置されているピエゾ抵抗素子５Ａの数が多いため、検出感度を向上させることができる。

以上説明したような第２実施形態によっても、天井部とダイヤフラム部２０との接触を低減しつつ、検出感度を向上させることができる。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について説明する。

図９は、本発明の第３実施形態に係る物理量センサーを示す断面図である。
以下、本発明の第３実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。

本実施形態は、ダイヤフラム部の凸部の断面形状および基板の断面形状が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。

図９に示す物理量センサー１Ｂは、ダイヤフラム部２０Ｂを有する基板２Ｂを備えている。この基板２Ｂには、開口側に向けて幅が拡がる凹部２４Ｂが形成されており、これにより、薄肉化されたダイヤフラム部２０Ｂが形成されている。

また、ダイヤフラム部２０Ｂは、受圧面２５側に突出している凸部２６Ｂを有している。この凸部２６Ｂは、先端側に向けて幅が狭くなる形状をなしている。

このように構成された基板２Ｂは、異方性エッチングを用いて簡単かつ高精度に形成することができる。

以上説明したような第３実施形態によっても、天井部とダイヤフラム部２０Ｂとの接触を低減しつつ、検出感度を向上させることができる。

２．圧力センサー
次に、本発明の物理量センサーを備える圧力センサー（本発明の圧力センサー）ついて説明する。図１０は、本発明の圧力センサーの一例を示す断面図である。

図１０に示すように、本発明の圧力センサー１００は、物理量センサー１と、物理量センサー１を収納する筐体１０１と、物理量センサー１から得た信号を圧力データに演算する演算部１０２とを備えている。物理量センサー１は、配線１０３を介して演算部１０２と電気的に接続されている。

物理量センサー１は、筐体１０１の内側に、図示しない固定手段により固定されている。また、筐体１０１には、物理量センサー１のダイヤフラム部２０が、例えば大気（筐体１０１の外側）と連通するための貫通孔１０４を有している。

このような圧力センサー１００によれば、貫通孔１０４を介してダイヤフラム部２０が圧力を受ける。この受圧した信号を配線１０３を介して演算部に送信し、圧力データに演算する。この演算された圧力データは、図示しない表示部（例えば、パーソナルコンピューターのモニター等）を介して表示することができる。

３．高度計
次に、本発明の物理量センサーを備える高度計（本発明の高度計）の一例について説明する。図１１は、本発明の高度計の一例を示す斜視図である。

高度計２００は、腕時計のように、手首に装着することができる。また、高度計２００の内部には、物理量センサー１（圧力センサー１００）が搭載されており、表示部２０１に現在地の海抜からの高度、または、現在地の気圧等を表示することができる。

なお、この表示部２０１には、現在時刻、使用者の心拍数、天候等、様々な情報を表示することができる。

４．電子機器
次に、本発明の物理量センサーを備える電子機器を適用したナビゲーションシステムについて説明する。図１２は、本発明の電子機器の一例を示す正面図である。

ナビゲーションシステム３００には、図示しない地図情報と、ＧＰＳ（全地球測位システム：Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）からの位置情報取得手段と、ジャイロセンサーおよび加速度センサーと車速データとによる自立航法手段と、物理量センサー１と、所定の位置情報または進路情報を表示する表示部３０１とを備えている。

このナビゲーションシステムによれば、取得した位置情報に加えて高度情報を取得することができる。高度情報を得ることにより、例えば、一般道路と位置情報上は略同一の位置を示す高架道路を走行する場合、高度情報を持たない場合には、一般道路を走行しているのか高架道路を走行しているのかナビゲーションシステムでは判断できず、優先情報として一般道路の情報を使用者に提供してしまっていた。そこで、本実施形態に係るナビゲーションシステム３００では、高度情報を物理量センサー１によって取得することができ、一般道路から高架道路へ進入することによる高度変化を検出し、高架道路の走行状態におけるナビゲーション情報を使用者に提供することができる。

なお、表示部３０１は、例えば液晶パネルディスプレイや、有機ＥＬ（Organic Electro-Luminescence）ディスプレイなど、小型かつ薄型化が可能な構成となっている。

なお、本発明の物理量センサーを備える電子機器は、上記のものに限定されず、例えば、パーソナルコンピューター、携帯電話、医療機器（例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡）、各種測定機器、計器類（例えば、車両、航空機、船舶の計器類）、フライトシミュレーター等に適用することができる。

５．移動体
次いで、本発明の物理量センサーを適用した移動体（本発明の移動体）について説明する。図１３は、本発明の移動体の一例を示す斜視図である。

図１３に示すように、移動体４００は、車体４０１と、４つの車輪４０２とを有しており、車体４０１に設けられた図示しない動力源（エンジン）によって車輪４０２を回転させるように構成されている。このような移動体４００には、ナビゲーションシステム３００（物理量センサー１）が内蔵されている。

以上、本発明の物理量センサー、圧力センサー、高度計、電子機器および移動体を図示の各実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、他の任意の構成物が付加されていてもよい。

また、１つのダイヤフラム部に設けられるピエゾ抵抗素子（機能素子）の数は、前述した実施形態では４つまたは８つである場合を例に説明したが、これに限定されず、例えば、１つ以上３つ以下、５つ以上７つ以下、または、９つ以上であってもよい。また、ピエゾ抵抗素子の配置や形状等も前述した実施形態に限定されず、例えば、前述した実施形態において、ダイヤフラム部の中央部にもピエゾ抵抗素子を配置してもよい。

また、前述した実施形態では、ダイヤフラム部の撓みを検出するセンサー素子としてピエゾ抵抗素子を用いた場合を例に説明したが、かかる素子としては、これに限定されず、例えば、共振子であってもよい。

また、前述した実施形態では、ＳＯＩ基板のシリコン層を用いてダイヤフラム部２０の凸部を形成した場合を例に説明したが、シリコンの単結晶基板を用いて、凸部を有するダイヤフラム部を形成してもよい。また、ダイヤフラム部の凸部は、基板を加工して形成された平坦なダイヤフラム部に別体として接合したものであってもよい。

１‥‥物理量センサー
１Ａ‥‥物理量センサー
１Ｂ‥‥物理量センサー
２‥‥基板
２Ｂ‥‥基板
３‥‥中間層
５‥‥ピエゾ抵抗素子
５Ａ‥‥ピエゾ抵抗素子
５ａ‥‥ピエゾ抵抗素子
５ｂ‥‥ピエゾ抵抗素子
５ｃ‥‥ピエゾ抵抗素子
５ｄ‥‥ピエゾ抵抗素子
５ｅ‥‥ピエゾ抵抗素子
５ｆ‥‥ピエゾ抵抗素子
５ｇ‥‥ピエゾ抵抗素子
５ｈ‥‥ピエゾ抵抗素子
６‥‥積層構造体
２０‥‥ダイヤフラム部
２０Ｂ‥‥ダイヤフラム部
２１‥‥半導体基板
２２‥‥絶縁膜
２３‥‥絶縁膜
２４‥‥凹部
２４Ｂ‥‥凹部
２５‥‥受圧面
２６‥‥凸部
２６Ｂ‥‥凸部
４１‥‥犠牲層
４２‥‥犠牲層
６１‥‥層間絶縁膜
６２‥‥配線層
６３‥‥層間絶縁膜
６４‥‥配線層
６５‥‥表面保護膜
６６‥‥封止層
７０‥‥ブリッジ回路
１００‥‥圧力センサー
１０１‥‥筐体
１０２‥‥演算部
１０３‥‥配線
１０４‥‥貫通孔
２００‥‥高度計
２０１‥‥表示部
２１１‥‥シリコン層
２１１Ｂ‥‥シリコン層
２１２‥‥酸化シリコン層
２１３‥‥シリコン層
２１４‥‥配線
２１４ａ‥‥配線
２１４ｂ‥‥配線
２１４ｃ‥‥配線
２１４ｄ‥‥配線
３００‥‥ナビゲーションシステム
３０１‥‥表示部
４００‥‥移動体
４０１‥‥車体
４０２‥‥車輪
６４１‥‥被覆層
６４２‥‥細孔
ｈ‥‥高さ
Ｐ‥‥圧力
Ｓ‥‥空洞部
Ｔ‥‥厚さ
ｔ‥‥厚さ
Ｗ１‥‥幅
Ｗ２‥‥幅

Claims (12)

1. 受圧により撓み変形するダイヤフラム部を有する基板と、
   前記ダイヤフラム部の一方の面側に配置されていて歪みにより電気信号を出力するセンサー素子と、
   前記基板の前記一方の面側に前記基板の平面視で前記センサー素子を囲んで配置されている壁部と、
   前記壁部に対して前記基板とは反対側に配置されていて内部空間を前記壁部とともに構成している天井部と、
   を備え、
   前記ダイヤフラム部は、前記内部空間とは反対側に厚さ方向に突出していて前記平面視で前記センサー素子と並んでいる凸部を有することを特徴とする物理量センサー。
2. 前記基板の厚さが前記凸部の高さよりも大きい請求項１に記載の物理量センサー。
3. 前記平面視で前記凸部が前記ダイヤフラム部の中央部にある請求項１または２に記載の物理量センサー。
4. 前記平面視で前記ダイヤフラム部の外形形状と前記凸部の外形形状が相似である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の物理量センサー。
5. 前記平面視で前記凸部の幅が前記ダイヤフラム部の幅に対して２５％以上５０％以下の範囲内にある請求項１ないし４のいずれか１項に記載の物理量センサー。
6. 前記凸部の側面は、前記ダイヤフラム部の厚さ方向に沿っている請求項１ないし５のいずれか１項に記載の物理量センサー。
7. 前記内部空間が密閉されている請求項１ないし６のいずれか１項に記載の物理量センサー。
8. 前記センサー素子がピエゾ抵抗素子である請求項１ないし７のいずれか１項に記載の物理量センサー。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の物理量センサーを備えることを特徴とする圧力センサー。
10. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の物理量センサーを備えることを特徴とする高度計。
11. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の物理量センサーを備えることを特徴とする電子機器。
12. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の物理量センサーを備えることを特徴とする移動体。

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