JP6258185B2 - 油充填パッケージングにおける表面電荷耐性のためのｍｅｍｓ圧力センサフィールドシールドレイアウト - Google Patents

Description

本出願は、「油充填パッケージングにおける表面電荷耐性のためのＭＥＭＳ圧力センサフィールドシールドレイアウト」という表題で、２０１３年１１月１８日に出願された米国特許出願第１４／０８２，５６２号について、３７ＣＦＲ１．５３（ｂ）の下で一部継続出願として出願され、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．１２０の下でその利益を主張する。

本明細書で開示する技術は、圧力センサに関し、詳細には、油入パッケージにおける表面電荷の蓄積の影響（感受性）を制限する圧力センサの設計に関する。

表面電荷の蓄積によるオフセットドリフトはよく知られた現象であり、様々な半導体装置において生じる一般的な故障モードである。この故障メカニズムは、電荷反転層を形成させる、装置の表面電荷の蓄積に関係する。反転層は、その他の場合は、電気的に絶縁した接合状態を損なわせる。電荷反転層が成長すると、エピ層を介して寄生電流の漏洩が可能となり、この結果、感知素子のオフセットドリフトとなる。多くのその他のタイプの装置と同様に、圧力感知素子は、この現象の影響を受ける。

フィールドシールドを含む圧力感知素子のための今日の設計は、表面電荷の蓄積の影響を受けやすく、感知素子の電荷により、深刻なオフセットドリフトを示す。これは、特に、オイルを封入したパッケージアッセンブリおよび用途で実施される場合である。

多くのパッケージ構成において、圧力感知素子は絶縁性のオイルによって封入される。オイルは、外部の絶対圧または差圧入力の結合を感知素子に提供する。残念ながら、これは、パッケージ上またはその他の所にある外部の静電荷を圧力感知素子の感知表面に結合させる働きもする。通常、電荷の結合は、外部のフィールドに応答したオイル内の分子の極性整列、および、感知素子とオイルとの界面での関連する空間電荷の蓄積によって生じる。従って、比較的大きな外部の静電荷が、オイルの分子の分極によって感知素子に結合され得る。このような電荷は、例えば、感知素子をパッケージするのに使用されるプラスチックハウジングアセンブリ上にあることがあり、または、プラスチックパッケージへの静電気放電（ＥＳＤ）によってハウジングにもたらされることがある。この高い静電荷は、深刻な出力シフトを引き起こすのに十分である。

それゆえ、オイルを含むパッケージ内に封入される圧力センサの性能を改善する方法および装置が必要とされる。

一実施形態では、圧力センサ素子が提供される。圧力センサ素子は、ダイヤフラム上に配置された感知副素子（感知サブ素子）を含み、当該圧力感知素子は、副素子上に配置されたシールドと、ダイヤフラムの基板およびフィールドシールドに電位を印加することにより、動作中に副素子上の外部電荷の影響を実質的に取り除くように構成されるフィールドシールド回路とを含む。

副素子は、少なくとも１つのピエゾ抵抗素子を含むことができる。副素子は、ダイヤフラムにインプラントすることができる。フィールドシールドと副素子の間には、層を配置することができ、この層はパッシベーション層を含むことができる。フィールドシールドは、感知素子内の信号漏洩を実質的になくすように構成可能であり得る。フィールドシールドは、デポジションおよびフォトリソグラフィにより副素子上に配置することができる。外部電荷の源（ソース）は、感知素子が少なくとも部分的に浸漬されるオイル、および感知素子を取り囲むその他の構成要素のうちの少なくとも１つのオイルを含むことができる。

別の実施形態では、圧力感知素子を製造する方法が提供される。方法は、ダイヤフラム上に配置された副素子を含む圧力感知素子を選択すること、ならびに、副素子、コンタクトビア、および副素子とコンタクトビアの間に配置された相互接続部の上に、フィールドシールドを配置することを含み、当該フィールドシールドは、ダイヤフラムの基板およびフィールドシールドに電位を印加するように構成されたフィールドシールド回路の動作により、動作中に、副素子上の外部の電荷の影響を実質的になくすように構成される。

方法は、フィールドシールドと副素子の間に層を配置することを含むことができる。実施形態の中には、外部の電荷の影響を制限するために、構成が、相互接続部、コンタクトビアおよび副素子を、金属製の（または導電性の）組成物で覆うことを含むものもある。

別の実施形態では、圧力センサが開示される。圧力センサは、ダイヤフラム上に配置された感知副素子を含む圧力感知素子であって、当該圧力感知素子が、副素子、コンタクトビア、および、副素子とコンタクトビアの間に配置された相互接続部の上に配置されたシールドを含み、フィールドシールドが、ダイヤフラムの基板およびフィールドシールドに電位を印加するように構成されたフィールドシールド回路の動作により、動作中に、副素子上の外部の電荷の影響を実質的に取り除くように構成さる、圧力感知素子と、感知素子を圧力環境に露出させるポートとを含む。少なくとも別の圧力感知素子を、圧力センサ内に含むことができる。

圧力センサは、別のポートおよび別の圧力感知素子を含むことができる。ダイヤフラムの上側およびポートの裏側は、オイルの貯留槽によって連結することができる。差圧の測定は、約０．２バールから１バールの間の範囲に及ぶことができる。センサは、ベンチュリ流管を介して差圧を測定するように構成することができる。センサは、空気流量を測定するように構成することができる。

本発明の特徴及び利点が、添付の図面と共に下記の説明から明らかとなろう。

本明細書における教示による、例示的な圧力感知素子の態様を描く等角図である。

図１の圧力感知素子のための台座の態様を描く等角図である。

図１の圧力感知素子のためのシリコンダイの態様を描く等角図である。 図１の圧力感知素子のためのシリコンダイの態様を描く等角図である。

図１の圧力感知素子の切欠き等角図である。

先行技術の感知素子の複合の破断図である。

図６の先行技術の感知素子の上面図である。

図６および図７の先行技術のセンサの電荷収集現象を示す図である。

図１のセンサの複合の破断図である。

図１の圧力感知素子の上面図である。

図１の圧力感知素子の電気回路の概略図である。

図１０に示した上面図の一部の破断図である。

図６および図７の先行技術のセンサの電荷収集現象に対する図１のセンサの耐性を描く図である。

図１に示した圧力感知素子を含む圧力センサの等角図である。

図１４に示した圧力センサの破断図である。

図１に示した圧力センサの適用例を表す等角図である。

感知素子の性能の比較を示すグラフである。

圧力センサにおいて信号オフセットを引き起こすことのある表面電荷または大きな静電荷の蓄積の影響を制限する方法および装置を、本明細書において開示する。外部からの電荷の源は、感知素子のパッケージングを含むことがある。これは、センサからの出力データのドリフトに対する耐性をもたらすことに概ね有効である。

ここで図１を参照すると、本明細書における教示による圧力感知素子１０が示されている。この実施形態では、圧力感知素子１０は、圧力感知素子１０のベースとしての台座１１を含む。台座１１は、ガラスなどの適切な材料から形成することができる。台座１１の上部に配置されるのは、シリコンダイ１２である。シリコンダイ１２は、当技術分野で知られた技法を用いて、台座１１に接着することができる。シリコンダイ１２は、回路１４を受け取る。回路１４に含まれるのは、複数のボンドパッド１５である。ボンドパッド１５は、圧力感知素子１０と外部の構成要素とのための回路１４の電気的な接続を提供する。一般に、外部の構成要素は、電力を供給し、かつ、圧力感知素子１０からデータを受け取り、当該データを処理することを提供する。

図２を参照すると、台座１１の実施形態の斜視図が示されている。この例では、圧力感知素子１０の他の構成要素は、台座１１の特徴をよく表すことができるように省略されている。この例では、台座１１は、圧力をサンプルするための圧力ポートを提供する中央通路２１を含む。従って、通路２１は、本明細書において「ポート」２１とも呼ばれる。ポート２１は、様々な形状で提供することができる。例えば、通路２１が、図示するような台座１１の中央を通る単一の円筒状の貫通として提供される必要はない。一実施形態では、通路２１は、台座１１の厚みを通り抜ける複数のより小さな穿孔を含む。別の実施形態では（図示せず）、中央通路２１は、ガラス内である深さで省略または終端されて、シリコンダイ１２と関連するキャビティを形成することができる。この実施形態では、キャビティ（空洞）は、規定の基準圧力に真空引きまたは戻され、絶対圧力を感知するための感知素子１０を構成することができる。

ここで図３を参照すると、シリコンダイ１２の一実施形態の斜視図が示されている。この例では、圧力感知素子１０の他の構成要素は、シリコンダイ１２の特徴をよく表すことができるように省略されている。この例では、シリコンダイ１２は、任意のフランジ３２を含む。フランジ３２は、圧力感知素子１０の組立てに有用である。例えば、組立て中、機械的な圧力がフランジ３２に印加され、その結果、下にある接着剤が台座１１上に均等に分散および加圧される。シリコンダイ１２は上部３１を含む。一般に、上部３１は、実質的に平坦な表面を含む。上面３１の中央部分内にあるのは、ダイヤフラム３４である。一般に、ダイヤフラム３４は、圧力感知素子１０による圧力に応じて撓む。

ここで図４を参照すると、シリコンダイ１２の下側の斜視図が示されている。この例では、シリコンダイ１２は、キャビティ３６を含む。シリコンダイ１２が台座１１と結合すると、キャビティ３６はチャンバとなる。一般に、キャビティ３６は、１つの壁（キャビティ３６が円筒形状である場合など）または複数の壁（図４に示す）によって画定される。ダイヤフラム３４は、キャビティ３６のベースにより画定され、実質的に均一の厚さとすることができる。

ここで図５を参照すると、圧力感知素子１０の半透明の斜視図が示されている。この図において、シリコンダイ１２が台座１１に結合または連結されると、シリコンダイ１２のキャビティ３６はチャンバ４１を形成することが理解できる。

本明細書における教示のいくつかの内容を提供するために、先行技術のセンサの態様を、図６〜図９に関連して紹介および説明する。

ここで図６を参照すると、先行技術のセンサ２１０の複合の断面図が示されている。図７も参照すると、ダイヤフラムの底部付近の破線は、提示した先行技術のセンサ２１０の断面図の一部を示す。

例示的な先行技術センサ２１０は、台座２１１を含む。台座２１１の上部に配置されるのは、シリコンダイ２１２である。シリコンダイ２１２の最上部には、ダイヤフラム２３４がある。この実施形態では、シリコンダイ２１２の底部はＰ型の半導体材料から製造され、ダイヤフラム２３４はＮ型半導体材料から製造される。他の実施形態では、シリコンダイ２１２の底部はＮ型半導体材料から製造され、ダイヤフラム２３４は同一のＮ型半導体材料から製造される。ダイヤフラム２３４内にインプラント（注入）されるのは、相互接続部２６２である。相互接続部２６２はＰ^＋型半導体材料から製造される。Ｐ^＋は、低抵抗（高導電性）を適切に実現するための、アクセプタを高くドープした半導体の領域を呼ぶ。相互接続部２６２は、感知副素子２６１への接続を提供する。この例では、感知副素子２６１は、Ｐ⁻型半導体材料から成る。Ｐ⁻は、所望の抵抗およびピエゾ抵抗係数を実現するために必要な、アクセプタを低くドープした半導体の領域を呼ぶ。センサコンタクトビア２６３は、個々の相互接続２６２のそれぞれに電気的接続を提供する。電気的接続は、センサコンタクト２１８によって達成される。

第１のパッシベーション層２１９は、その他の構成要素からのセンサコンタクトメタル２１８の電気的分離を提供する。各センサコンタクトビア２６３は、ブリッジトレース２１６と電気的に通じる。ブリッジトレース２１６は、少なくとも１つのボンドパッド２１５に接続される。少なくとも１つのボンドパッド２１５は、外部の電気的接続を提供する。バイアスビア２２４は、ダイヤフラム２３４との電気的な接続を提供する。バイアスビア２２４は、バイアスコンタクト２２８に電気的に接続される。上部パッシベーション層２２０は、第１のパッシベーション層２１９と、センサコンタクト２１８と、ブリッジトレース２１６と、バイアスコンタクト２２８の少なくとも一部分との上に配置することができる。

先行技術のセンサ２１０の一部の上に配置されるのは、部分的なフィールドシールド２７０である。一般に、部分的なフィールドシールド２７０は、特定の環境において、表面電荷の蓄積の影響を制限する電位の印加を提供する。例示的な環境は、オイルを充填した環境を含む。

先行技術のセンサ２１０に電流を流すと、電圧Ｖがボンドパッド２１５に印加される。電流Ｉ、は第１のセンサコンタクト２１８に流れて、１組の相互接続部２６２の１つ目に流れる。電流は、感知副素子２６１を通り、１組の相互接続部２６２の２つ目に送られ、第２のセンサコンタクト２１８を通って出る。（便宜上、第１の相互接続部２６２、感知副素子２６１および第２の相互接続部２６２の組立ては、「抵抗性ブリッジ」およびその他の類似の用語で呼ばれる。）ダイヤフラム２３４の可撓性により、感知副素子２６１の抵抗が変化し、それゆえ、第２のセンサコンタクト２１８での信号が変化する。

一般に、各相互接続部２６２は、高くドープされたＰ型材料を含み、感知副素子２６１は低くドープされたＰ型材料を含む。従って、動作中にＰ／Ｎ接合が形成される（ＰＮ接合２７９を示す図８も参照）。Ｐ／Ｎ接合２７９は、Ｎ型半導体材料２３４から抵抗性ブリッジの電気的絶縁を提供する。このように、電流Ｉのリークが減少し、それゆえ信号損失が減少する。

残念ながら、先行技術のセンサ２１０の設計は、部分的なフィールドシールド２７０が感知要素を完全に覆わないものである。特に、先行技術のセンサ２１０の設計は、フィールドシールド２７０によって提供される被覆の増加が、場合によっては、部分的フィールドシールド２７０と抵抗ブリッジとの短絡を引き起こすであろうものであった。

この結果、部分的フィールドシールド２７０は、少なくとも一部分の各抵抗性ブリッジを感知環境に露出したままにしていた。ある実施形態では、結果として制限された干渉であった。しかし、感知環境がオイルによって充填される場合などの別の実施形態においては、信号の漏れが生じるものもある。ここで図７を参照すると、信号の漏れが非シールド領域２９９において生じ得ることが理解されよう。もちろん、図７に示した非シールド領域２９９は、この先行技術のセンサ２１０に示した８つの相互接続部２６２のうちの１つの相互接続部２６２についてのみであることを理解すべきである。従って、いくつかの感知環境において、信号の漏れは、先行技術のセンサ２１０の性能に大きな影響を与えることがある。

ここで、この現象をより良く理解するために図８も参照する。図８は、先行技術のセンサ２１０の一部の複合の断面図を示しており、この図は、図６において提供した複合図の詳細である。

図８には、先行技術のセンサ２１０の上部に生じた負の表面電荷が示してある。一般に、両方がＰ^＋型の半導体材料である各相互接続部２６２は、正のアクセプタ状態の相当数のアクセプタを含む。同様に、Ｎ型半導体材料から成るダイヤフラム２３４は、負のドナー状態の相当数のドナーを含む。先行技術のセンサ２１０に電流が流れると、荷電された少数のイオンがこれらの構成要素の内部で移動するので、空亡領域２７９が各相互接続部２６２とＮ型半導体材料２３４の間のＰＮ接合で生じる。かなり頻繁に、先行技術のセンサ２１０がオイルを充填した環境で動作される場合などで、この環境の極性分子は、先行技術のセンサ２１０の上部に生じた高い負の表面電荷を引き起こすように整列する。その結果、Ｎ型半導体２３４の少数の電荷キャリアが反転層２８９を形成する界面に移動するので、空亡領域２７９が成長し、これにより、Ｐ^＋領域２６２の間に電流漏れ経路が生成される。電流漏れ経路により、装置の出力ドリフトが結果として生じる。

図９〜図１３に目を向けると、（図１〜図５に示した）センサ１０の別の態様が示してある。センサ１０は、特に、フィールドシールド７０を使用することで、先行技術のセンサ２１０の電流漏れ経路に関連する問題を克服する。

図９では、センサ１０の複合の断面図が示してある。図１０も参照すると、ダイヤフラムの底部付近の破線が、提示したセンサ１０の断面図の部分を示している。図１０には、４つの感知素子が示してあることに留意されたい。各感知素子は、Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_３およびＲ_４のうちの１つを示す。集合的に、４つの感知素子、Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_３およびＲ_４はセンサ１０を実現する。センサ１０が追加の感知素子またはより少数の感知素子を含むことができ、選択されたグループは、所望の機能を提供するのに適当と判断された任意の方法で配置できることを理解すべきである。さらに、回路装置は適切と考えられる任意の幾何形状（例えば、形状、外形、幅、厚さ等）とすることができることを理解すべきである。図９は、１つの感知素子、Ｒ_３、の複合の断面図を提供する。

センサ１０の例示的な実施形態では、台座１１が含まれる。台座１１の上部に配置されるのは、シリコンダイ１２である。シリコンダイ１２の最上部には、ダイヤフラム３４がある。この実施形態では、シリコンダイ１２の底部はＰ型半導体材料から製造され、ダイヤフラム３４はＮ型半導体材料から製造される。別の実施形態では、シリコンダイ１２の底部がＮ型半導体材料から製造され、ダイヤフラム３４が同一のＮ型半導体材料から製造されるものもある。ダイヤフラム３４の内部にインプラントされるのは、相互接続部６２である。相互接続部６２は、Ｐ^＋型半導体材料から製造される。相互接続部６２は、感知副素子６１への接続をもたらす。この例では、感知副素子６１はＰ型半導体材料から成る。センサコンタクトビア６３は、個々の相互接続部６２のそれぞれとの電気的な接続を提供する。各相互接続部６２との電気的な接続は、個々のセンサコンタクト１８によって達成される。

感知副素子６１は、ダイヤフラム３４の偏向または歪みの測定を提供する、任意のタイプの構成要素を含むことができる。例えば、感知副素子６１は、正に軽くドープされた（Ｐ⁻）シリコンによって形成されるピエゾ抵抗素子を含むことができる。感知副素子６１は、それぞれ正に高ドープされた（Ｐ^＋）半導体の相互接続部６２により、それぞれの電気的コンタクトビア６３に電気的に結合される。電気的コンタクトビア６３および相互接続部６２は、正のドープされた半導体材料などの半導体材料から製造することができる。回路１４の少なくとも一部分は、フォトリソグラフィなどの技法を介して、デポジションにより、または適切と考えられる任意の技法により、シリコンダイ１２の上部に配置することができる。電気的コンタクトビア６３および相互接続部は、シリコンダイ１２の材料にインプラントすることができ、回路１４の少なくとも一部分がその上に配置される。それぞれのフィールドシールド７０は、感知副素子６１、電気的コンタクトビア６３および相互接続部６２の上に配置される。それぞれのフィールドシールド７０は、副素子６１、電気的コンタクトビア６３および相互接続部６２の上に配置され、適切な材料から成る薄いパッシベーション膜、典型的には、蒸着したＳｉ_３Ｎ_４および／または熱成長ＳｉＯ_２により、それらから電気的に絶縁される。

第１のパッシベーション層１９は、その他の構成要素からのセンサコンタクト１８のそれぞれの電気的分離を提供する。各センサコンタクトビア６３は、ブリッジトレース１６と電気的に通じている。これにより、ブリッジ回路１６は、少なくとも１つのボンドパッド１５に接続される。少なくとも１つのボンドパッド１５は、外部の電気的な接続を提供する。バイアスビア２４は、ダイヤフラム３４との電気的な接続を提供する。バイアスビア２４は、バイアスコンタクト２８と電気的に接続される。上部パッシベーション層２０は、第１のパッシベーション層１９、センサコンタクト１８、ブリッジトレース１６、およびバイアスコンタクト２８の少なくとも一部分の上に配置することができる。

センサ１０内の電気的構成要素の上に配置されるのは、フィールドシールド７０である。概して、フィールドシールド７０は、センサ１０の外部に生じる負の表面電荷の影響からの抵抗性ブリッジ全体の保護を提供する。特に、フィールドシールド７０は、特定の環境において表面電荷の蓄積の影響を制限する電位の印加をもたらす。例示的な実施形態は、オイルを充填した環境を含む。

センサ１０に電流が流れると、電圧Ｖがボンドパッド１５に印加される。電流Ｉは、第１のセンサコンタクト１８に流れ、１組の相互接続部６２の第１の相互接続部６２へ流れる。電流は、感知副素子６１を通過し、第２の相互接続６２を通り、第２のセンサコンタクト１８から出る。（便宜上、第１の相互接続部６２、感知副素子６１、および第２の相互接続部６２の組立ては「抵抗性ブリッジ」およびその他の類似の用語で呼ばれる。）ダイヤフラム３４の可撓性により、感知副素子６１の抵抗が変化し、それゆえ、第２のセンサコンタクト１８での信号が変化する。

一般に、各相互接続部６２は、高くドープしたＰ型材料を含み、感知副素子６１は、より低レベルのＰ型材料を含むことができる。動作中、Ｐ／Ｎ接合が形成される（Ｐ／Ｎ接合７９を示す図１３も参照）。Ｐ／Ｎ接合７９は、Ｎ型の材料３４から抵抗性ブリッジの電気的な絶縁をもたらすのに好都合である。それゆえ、電流Ｉの漏洩およびこれによる信号漏洩が防止される。

図１０および図１２に示すように、フィールドシールド回路トレース１７は、ダイヤフラム３４の一部分に延在する。フィールドシールド回路トレース１７は、第１のフィールドシールド７０と第２のフィールドシールド７０等との電気的接続を提供する。

ここで図１１も参照すると、センサ１０の電気的概略図が示してある。この例では、コンデンサの記号は、感知素子Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_３およびＲ_４のそれぞれのパッシベーション層１９、２０を表す。逆バイアス接合ダイオードは、感知素子Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_３およびＲ_４のそれぞれの空亡領域７９を表す。

図１２に示すように、ブリッジ回路１６およびフィールドシールド回路トレース１７は、それらの間に配置されたパッシベーションで物理的に分離することにより絶縁される。各フィールドシールド７０は、それぞれの感知素子のアクティブ領域全てを計画的にカバーする。すなわち、各フィールドシールド７０は、各センサコンタクトビア６３、各相互接続部６２および各感知副素子６１を完全にカバーする。フィールドシールド７０を使用することにより、先行技術２１０で生じる反転層の形成が防止される。

図１３に示すように、センサ１０の上部に生じた負の表面電荷が、センサ１０の動作を不安定にさせることはない。すなわち、電圧Ｖをフィールドシールド７０およびＮ型層３４に印加することによるフィールドシールド７０の動作が、空亡領域７９を縮小させ、先行技術のセンサ２１０において形成される反転層２８９を実質的に取り除く。

この構成により、感知素子の表面上の非常に高い静電荷の構築の下での堅牢性が実証された。

ここで図１４を参照すると、例示的な圧力センサ１００が示してある。圧力センサ１００は、本明細書で開示される圧力感知素子１０を使用する。

図１５は、図１４の図の破断図である。例示的な圧力センサ１００はボディ１０１を含む。ボディ１０１はポート１０２を含む。一般に、ポート１０２は、電気システムに外部接続を提供するためのコネクタを収容する。ボディ１０１は、少なくとも１つのマウント１０３を含む。少なくとも１つのマウント１０３は、感知素子１００を適所に固定するのに有用である。この例では、圧力センサ１００は、高圧ポート１０４および低圧ポート１０５を含む。圧力は、高圧ポート１０４と低圧ポート１０５の間をチューブ１０６によって伝わる。一般に、チューブ１０６は、オイルで充填される。チューブ１０６の高圧端部に配置されるのは、個々の圧力感知素子１０である。

チューブ１０６は、オイルの貯留槽の実施形態と考えることができる。貯留槽は、圧力感知素子１０の圧力ポート２１の低圧ポート１０５への結合を提供する。この例では、オイルの貯留槽は、延長されたチューブまたは管である。しかし、貯留槽は、環境の圧力を感知素子１０に結合するのに適切と考えられる任意の形状から形成することができる。絶対圧の構成ために、ポート２１は基準キャビティを形成し、圧力が感知素子の上側３１に結合される。相対圧力または差圧を感知するために、貯留槽は中央経路２１に結合する圧力を提供し、少なくとも別の圧力ポートが差圧（すなわち、圧力の結合）を判定するために、必要に応じて、感知素子１０の反対側に結合される。高圧ポート１０４は、本開示で説明した構成のために、感知素子１０の上側のダイヤフラム３４に高圧を結合する。

ここで図１６も参照すると、例示的な圧力センサ１００の一実施形態が搭載された状態で示してある。この例では、圧力センサ１００は、加圧環境１１０に搭載されている。加圧環境１１０は、フロー（流れ）（この図では、左から右へ）を含む。例示的な加圧環境１１０は、排気ガス再循環フローを含む。高圧ポート１０４の圧力および低圧ポート１０５の圧力の測定を可能にすることにより、圧力センサ１００を使用するシステムは、共通の圧力、差圧、フローダイナミクスおよび他の関連する量を判定するために構成することができる。

図１７は、圧力センサの実施例の性能についてのグラフを提供する。本明細書で示した教示に従って設計した実施形態では、センサは、ドリフトを少しも示さなかった。対照的に、先行技術の設計の場合のドリフトは、中程度のものから相当なものにまで及んだ。

より具体的に言うと、非限定的な例として、ベンチュリ流管の圧力降下の測定により、空気流量の計算が可能となる。実施形態の中には、測定することのできる差圧が、約０．２バールから約１バールに及ぶものもある。圧力のコモンモード測定は、約８バールの高さにまで及ぶ。

圧力感知素子１０のいくつかの追加の態様をここで紹介する。

一般に、各フィールドシールドは、それぞれのインプラントされた装置の回路、コンタクトビア、および金属相互接続部領域を完全にカバーするように延在することができ、これはＰ^＋相互接続部間の低抵抗反転チャネルの形成を阻止するのに必要である。典型的な先行技術の設計は、感知素子上のフィールドシールドの被覆を、ピエゾ抵抗性ブリッジおよび高ドープされたＰ^＋相互接続の部分に制限し、これにより、被覆されていないインプラント領域は、電荷、および反転層の形成の影響を依然として受けやすい。従って、回路装置の設計は、ピエゾ抵抗素子を持つようにし、かつ必要に応じて表面帯電に対する完全な耐性のために、Ｐ^＋型のドープされた相互接続部、電気的コンタクトビアおよび金属相互接続部を完全に被覆するように変更することができる。

この革新にとって特に、フィールドシールド金属、レイアウト、およびデポジションの方法は、低圧（約１バールより低い）のダイのより優れたデバイス性能のための低いメンブレン応力の結合を提供する。金属は、元素や合金、化学物混合物を含め、当業界に一般的な任意の種類から製造することができる。実際には、フィールドシールドは、ダイヤフラムへのコンタクトビアを有する、例えば窒化ケイ素などの、パッシベーション層の介在により、第１の金属層から絶縁される。感知副素子、コンタクトビアおよび相互接続部の配向および配置は、ダイヤフラム上の金属のカバー領域が最小となるようにされる。金属の被覆を最小にすると、金属フィールドシールドから低圧ダイの感知素子ダイヤフラムに結合する最小の応力が保証される。膜を十分に薄くデポジットすることは、装置の感度が最大になることを保証する。使用される金属膜の厚みは、約１００ｎｍから約５０ｎｍまたはそれ以下であるのが一般的である。また、より厚みのある金属を使用してもよい。本明細書に記載するフィールドシールドの構成は、任意の圧力範囲（約１バールよりも大きい）のダイの感知素子上に配置することもできる。特に、低圧ダイのダイヤフラムを厚い金属または他の材料で完全にカバーすると、性能が低下する。金属に厚みがあると、中立の応力軸がピエゾ抵抗素子から離れて移動し、それゆえ、感度が低下し、さらにメンブレンにより高い機械的な応力結合がもたらされ、それゆえ、精度および製品寿命中の安定性に影響を及ぼす。動作中、等価な電位が、フィールドシールド層とダイヤフラムである概ねブリッジ電圧Ｖ_ｂの両方に印加され、通常動作中に生じることのある環境条件のために、フィールドシールド金属とダイヤフラムの間に中立のフィールドに保つ。すべてのアクティブ領域にわたり中立のフィールドを維持することにより、表面電荷の蓄積が非常に高くても、長期間にわたる装置の出力安定性を保証する。感知素子の電荷および出力ドリフトを誘導するのに使用されるベンチテストは、本明細書で開示される技法の性能がより優れていることを保証する。

本明細書で説明したように、「電気的分離」に関連する専門用語は、一般に、電気的構成要素間に中立のフィールドを維持するのに適した状況に関する。実施形態の中には、電気的分離が、電気的絶縁とも呼べるものもある。電気的分離は、パッシベーション層などの介在層を適用することにより実現することができる。実施形態の中には、電気的分離が、回路素子をバイアスすることに依存する（または、追加でバイアスを使用する）ものもある。

本明細書で説明したように、「コンタクトメタル」という用語は、高くドープされた半導体材料のコンタクトビア領域に使用される金属に関連する。コンタクトメタルは、当業界に典型的な任意の金属、または使用に適すると考えられるその他の材料とすることができる。「パッシベーション」という用語は、一般に、異種金属層または金属を半導体から分離する電気的絶縁バリアに関する。パッシベーションに使用される材料は、酸化物および／または窒化物または当業界に一般的な他の材料を含むことができる。パッシベーションは、物理的な保護バリアとして提供することもできる。本明細書で説明したように、「ボンドパッド」という用語は、一般に、ワイヤボンドまたはその他の適切な電気接点を装置に提供するのに使用される金属製のボンドパッドに関する。一般に、ボンドパッドは、所望のバイアス電圧Ｖ_ｂで維持され、その他のボンドパッド１５の電位はピエゾ抵抗素子６１の抵抗によって決定される。

実施形態の中には、フィールドシールドが、導電性金属または当業界に一般的なその他の材料からなる膜として提供されるものもある。一般に、Ｐ^＋型の材料は、高い導電性を実現するようにアクセプタを高ドープした半導体の領域に関係しており、Ｎ^＋型の材料は、高い導電性を実現するようにドナーを高ドープした半導体の領域に関係する。Ｎ^＋コンタクトビアは、Ｎ型半導体領域に形成される金属対半導体接触を含み、コンタクトの抵抗は低く、オーミックである。本明細書において提供した実施例において、Ｎ^＋コンタクトビアは所望のバイアス電圧Ｖ_ｂで維持される。本明細書において提供した実施例において、Ｐ^＋コンタクトビアは、Ｐ型半導体領域に形成された金属対半導体接触を含み、そこでのコンタクト抵抗は低く、オーミックである。

本明細書で説明したように、Ｐ⁻型の半導体材料は、半導体材料の中濃度または低濃度にアクセプタをドープした領域に関係する。Ｐ⁻型の半導体材料は、所望の抵抗値のピエゾ抵抗素子を形成するように使用することができる。本明細書で説明したように、Ｎ⁻型の半導体材料は、一般に、圧力センサの可撓性ダイヤフラムを形成する、ドナーをドープしたバルク半導体材料に関係する。本明細書で説明するように、Ｐ⁻型の半導体材料は、一般に、アクセプタをドープしたバルク半導体材料に関係する。実施例の中には、台座がガラスから形成されるものもある。

本明細書で説明したように、「感知素子の外部の電荷の影響を実質的になくすこと」は、一般に、感知素子の出力上の電荷蓄積の影響を減少させることに関係する。例えば、外部の電荷の影響を実質的になくすと、特定の設計にとって、または、設計者、製造者、ユーザまたは他の同様の関係者の観点からすれば許容範囲であるレベルに出力ドリフトが減少する結果となる。あるいは、外部の電荷の影響を「実質的に」なくすと（および他の関連する用語）、競争設計の性能を上回るレベルに出力ドリフトが減少する結果となる。

本明細書に記載された構成要素は、適切と考えられる方法で製造することができる。例えば、半導体材料は、デポジション、除去、パターニングおよび他の同様の技法によって成長することができる。例示的な技法は、これに限定されるのではないが、物理気相成長（ＰＶＤ）、化学気相成長（ＣＶＤ）、電気化学成長（ＥＣＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）および原子相成長（ＡＬＤ）を含む。フォトリソグラフィ、エッチングまたは他の技法を適宜使用してもよい。

様々な他の構成要素が、本明細書における教示の態様を提供するために含むことができ、かつ要求することができる。例えば、追加の材料、材料の組合せおよび／または材料の省略が、本明細書における教示の範囲内にある追加の実施形態を提供するのに使用することができる。

本発明の要素または本発明の実施形態を説明する際の、「ａ」や「ａｎ」、「ｔｈｅ」は、１つまたは複数の要素を意味することを意図している。同様に、要素を説明するのに使用される場合の「別の（ａｎｏｔｈｅｒ）」という形容詞は、１つまたは複数の要素を意味するように意図している。「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、列挙された要素以外の追加の要素があり得るように包括的であることを意図している。

本発明を例示的な実施形態を参照して説明したが、様々な修正をすることができ、本発明の範囲から逸脱することなく、等価物を本発明の要素に代用することができることを、当業者は理解するであろう。さらに、本発明の必須の範囲から逸脱することなく、特定の機器、状況または材料を本発明の教示に適用するために、様々な修正形態が当業者に理解されよう。それゆえ、本発明は、本発明を実施するために考察された最良の形態として開示された特定の実施例に限定されるのではなく、本発明は添付の特許請求の範囲の範囲内にあるすべての実施形態を含むことを意図している。

Claims (14)

1. ダイヤフラム上に配置された感知副素子を含む圧力感知素子であって、
   前記副素子、コンタクトビア、および前記副素子と前記コンタクトビアとの間に配置された相互接続部の上に配置されたフィールドシールドと、
   前記ダイヤフラムの基板および前記フィールドシールドに電位を印加することにより、動作中に、前記副素子上の外部の電荷の影響を実質的に取り除くように構成されたフィールドシールド回路と、
   を含む圧力感知素子。
2. 前記副素子が少なくとも１つのピエゾ抵抗素子を含む、請求項１に記載の感知素子。
3. 前記副素子がダイヤフラムにインプラントされる、請求項１に記載の感知素子。
4. 前記フィールドシールドと前記副素子の間に層が配置される、請求項１に記載の感知素子。
5. 前記層が、パッシベーション層を含む、請求項４に記載の感知素子。
6. 前記フィールドシールドは、感知素子内の信号漏洩を実質的に取り除くように構成可能である、請求項１に記載の感知素子。
7. 前記フィールドシールドが、デポジションおよびフォトリソグラフィにより前記副素子上に配置される、請求項１に記載の感知素子。
8. 前記外部の電荷のソースは、前記感知素子を少なくとも部分的に浸漬するオイル、および前記感知素子を取り囲む他の構成要素のうちの少なくとも１つのオイルを含む、請求項１に記載の感知素子。
9. ダイヤフラム上に配置された感知副素子を含む圧力感知素子であって、前記素子が、前記副素子、コンタクトビアおよび前記副素子と前記コンタクトビアとの間に配置された相互接続部の上に配置されたフィールドシールドを含み、前記フィールドシールドが、前記ダイヤフラムの基板と前記フィールドシールドに電位を印加するように構成されたフィールドシールド回路の動作により、動作中に、前記副素子上の外部の電荷の影響を実質的に取り除くように構成される、圧力感知素子と、
   前記圧力感知素子を圧力環境に露出するためのポートと、
   を含む圧力センサ。
10. 別のポートおよび別の圧力感知素子を含む、請求項９に記載の圧力センサ。
11. 前記ダイヤフラムの上側および前記ポートの裏側が、オイルの貯留槽によって結合される、請求項１０に記載の圧力センサ。
12. 差圧の測定が、約０．２バールから１バールの間の範囲に及ぶ、請求項１０に記載の圧力センサ。
13. ベンチュリ流管の差圧を測定するように構成される、請求項１０に記載の圧力センサ。
14. 空気流量を測定するように構成される、請求項１０に記載の圧力センサ。