JPH0812931B2 - 半導体圧力センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、差圧／圧力伝送器などに用いられ測定流体
と内部の封入流体とを隔離するシールダイヤフラムを介
して差圧／圧力を検出する半導体圧力センサに係り、特
に測定圧力を精度良く伝達することが出来ると共に機能
の拡大を図った半導体圧力センサの改良に関する。

＜従来の技術＞ 第４図は従来の差圧／圧力センサに用いられているシ
ールダイヤフラムの要部の構成を示す部分縦断面図であ
る。

10は周囲が円形の金属製の本体であり、その中央部に
は封入流体11を流通させる貫通孔12が穿設され、さらに
その一方の面には波形のダイヤフラムネスト13が形成さ
れている。

14は円板状の金属製のシールダイヤフラムであり、そ
の面はダイヤフラムネスト13と同一の波形に形成され、
このダイヤフラムネストの波形と一致するように所定の
間隔ｄを保って本体10に固定されている。

この固定に当たっては、このシールダイヤフラム14の
周縁はリング状のシールリング15で押圧され、その外周
面Ａで溶接などにより本体10の周縁に接合されている。

測定流体はシールダイヤフラム14で受圧されその圧力
は非圧縮性のシリコンオイルなどの封入流体11を介して
図示しない圧力センサに伝達され、測定流体の圧力に対
応する圧力を検知する。

＜発明が解決しようとする課題＞ しかしながら、この様な従来のシールリングを用いた
差圧／圧力センサはそのシールリングが金属製であるの
で大きく且つ重く、また材料自体の持つ特性から塑性変
形を起こして忠実に測定圧力を封入流体に伝達すること
が出来ないという問題があり、またこのような金属製の
シールリングは波形のダイヤフラムネストと同一の波形
のシールダイヤフラムとしなければならない上に、本体
とシールダイヤフラムとの溶接についてもこの波形同志
がずれないように溶接する必要があるなどその製造も面
倒である。さらに測定流体に対する環境条件の変化ある
いはシールダイヤフラムに関する異常などを検知する機
能を付加しにくいという問題がある。

＜課題を解決するための手段＞ この発明は、以上の問題点を解決するために、一方の
面に波形のバックアップネストが形成されると共に圧力
導入孔が貫通して開けられたシリコン基板とこのバック
アップネストの波形とほぼ同一の波形がこのバックアッ
プネストにその周囲を除き所定の間隔で対向して形成さ
れると共に機能素子が一体に形成されたシリコン膜とを
有するシールダイアフラムと、シリコン基板がその周囲
を除き所定の空間を保持して固定され測定圧力を検知す
る圧力検知素子が形成されたセンサチップを有する圧力
検出部と空間とシリコン膜との間に充填された非圧縮性
の封入流体とを具備し、機能素子と圧力検知素子からの
信号を出力するようにしたものである。

＜作 用＞ シールダイアフラムをシリコンで形成しこのシールダ
イアフラムに測定流体の温度を検知して温度信号を出力
する温度センサ、あるいは腐蝕、破壊などの異常を検知
して機能出力を出す機能素子などを一体に形成して、測
定圧力と共に各種の信号を出力する。この様な多機能の
半導体圧力センサを用いるとこれから出力される各種の
信号を変換器に入力させて温度補償、事故予知等の機能
を持たせることが容易となる。

＜実施例＞ 以下、図面を用いて本発明の実施例について説明す
る。第１図は本発明の１実施例の構成を示す縦断面図で
ある。

16は例えば矩形状で伝導形がＮ形のシリコン基板であ
り、その一方の結晶面（100）の表面17に波形18が形成
されている。その中央部には圧力導入孔19が、さらに端
部には高濃度の伝導部20がシリコン基板16を上下に貫通
してそれぞれ形成されている。

さらに、波形18とは周縁部21を除いて所定の間隔を保
持した波形空間22を介してシリコン膜23の内面が波形18
と同一の波形に形成されてシリコン基板16の波形18に対
向して固定されている。周縁部21にはシリコン基板16の
伝導部20と電気的に接続される高濃度の伝導部24が上下
を貫通して形成されている。

またシリコン膜23の波形空間22とは反対の表面に温度
センサ25が半導体技術により形成されている。これ等の
上には温度センサ25と伝導部24などと接続するため、或
いはこの上に形成される絶縁性のパシベーション膜26の
腐蝕などによる破壊を検知するためにAlのパターン27が
形成されている。

これ等のシリコン膜23、パターン27、パシベーション
膜26、およびシリコン基板16などでシールダイアフラム
28が形成される。

29はガラスなどで作られた矩形状の基台でありその中
央部には開放孔30が穿設されその周囲に所定の平坦部31
をおいて溝32が形成されている。溝32の外側は平坦部33
をおいて立上り固定部34が形成されている。

固定部34にはその上下に貫通して孔が開けられここに
リード線35が伝導部20と接続して通されている。また、
平坦部33にもその上下に貫通して孔が開けられここにそ
れぞれリード36、37が通されている。

センサチップ38は開放孔30に対向するダイヤフラム39
がエッチングで薄く形成されその周囲の厚い固定部40が
平坦部31と接合されている。ダイアフラム39には圧力を
感知するゲージ41が拡散などにより形成されている。ゲ
ージ41から出力される圧力信号はリード線36、37などで
外部に引き出される。

基台29とこれに取り付けられたセンサチップ38などで
圧力検出部42が形成されている。

第２図は第１図に示した実施例を用いた変換部を有す
る圧力変換器のブロック図である。

第１図に示す半導体圧力センサはシールダイアフラム
28と圧力検出部42とで構成されるが、シールダイアフラ
ム28からは温度センサ25から温度信号TSを、パターン27
からはこのパターンの断線などを検出することにより測
定流体による腐蝕の程度を出力する腐蝕信号CSとが圧力
検出部42を介してそれぞれ出力され、また圧力検出部42
からはゲージ41により圧力信号PSが出力される。

これ等の温度信号TS、腐蝕信号CS、圧力信号PSはいず
れも圧力変換部43に出力され、温度信号TSを用いて圧力
信号PSに対して温度補償をする温度補償機能、あるいは
腐蝕信号CSを用いて腐蝕による故障の予知をする自己診
断機能を圧力変換部43に持たせることができる。

圧力変換部43からは必要に応じてシールダイアフラム
からの腐蝕信号などを上位のコントロールステーション
に通信するようにすることができる。

第３図は第１図に示す半導体圧力センサを製造する製
造工程を示す工程図である。

第３図（イ）は波形の原型をなす段差を形成するエッ
チング工程を示している。

44は、例えば矩形状で伝導形がＮ形のシリコン基板で
あり、その一方の結晶面（100）の表面45にヒドラジン
などで異方性エッチングをして波形の原型である段差46
が形成される。

第３図（ロ）は第３図（イ）で加工されたシリコン基
板にP⁺を形成する工程を示している。

シリコン基板44の段差46が形成された表面の外端に酸
化膜（S_iO₂）47を形成し、この後に選択エピタキシャル
成長、或いは拡散などにより伝導形がＰ形で第１濃度の
P⁺のシリコン膜48を形成する。

第３図（ハ）は第３図（ロ）で形成されたシリコン膜
の上にさらにエピタキシャル成長を形成させるエピタキ
シャル成長工程を示す。

まず、第３図（ロ）で形成された酸化膜47を除去す
る。この後、シリコン基板44の上に第１濃度より高い濃
度のP⁺⁺を持つ第２濃度のシリコン膜49をエピタキシャ
ル成長させる。

第３図（ニ）は第３図（ハ）で加工されたシリコン基
板に異方性エッチングをする異方性エッチング工程を示
す。

まず、シリコン基板44の裏側の表面50を圧力導入孔19
に対応する部分を開口した状態のS_i3N₄などのマスク材5
2でマスクをする。この後、異方性エッチングをして圧
力導入孔19を形成させる。

第３図（ホ）は第３図（ニ）で圧力導入孔が形成され
たシリコン基板に電解エッチングをする電解エッチング
工程を示す。

まず、第３図（ニ）で加工されたシリコン基板44のマ
スク材52を除去し、この後、ヒドラジンなどの異方性エ
ッチング液53が満たされた容器54の中に浸積する。そし
て、P⁺⁺層であるシリコン膜49とＮ形のシリコン基板44
とに逆バイアスの電圧Ｅを印加して、シリコン基板44に
エッチストップをかけながら異方性エッチング液53の中
でP⁺層であるシリコン膜48を電解エッチングする。この
ようにして、シリコン膜48が除去され段差46に対応する
波形を両面に持つ所定間隙の波形空間22が形成される。
この場合、シリコ基板44の表面45に形成された波形はバ
ックアップネストとして機能する。

以上のようにして、シリコン基板44に形成された波形
と同一の波形のシールダイヤフラム原形56が第３図
（ヘ）に示すようにシリコン基板44の波形とは所定の間
隔を保ってシリコン基板44にその周囲が固定されて一体
的に同時に既存の半導体プロセスで製造できる。

第３図（ト）はシールダイアフラム原形に対して伝導
部を形成する工程を示す。

シリコン基板44の周縁部にその上面と下面とを連通す
る伝導部20がイオン注入などにより不純物が高濃度で形
成され、シリコン基板16とされる。さらにシリコン膜49
の周縁部にもイオン注入等により高濃度の伝導部24が伝
導部20と一体となって形成されている。

第３図（チ）は温度センサを形成する工程を示してい
る。

この工程では、シリコン膜49の上面に不純物の拡散に
より温度センサ25が形成されてシリコン膜23とされる。

この後、第３図（リ）に示すAlのパターンを形成する
工程に移行する。

この工程では、温度センサ25の出力を伝導部24に取り
出すためのAlの配線パターン、或いはこのシリコン膜23
の上に適当に分布された腐蝕検知用のAlのパターンを別
に形成して測定流体による腐蝕の有無を検知する。

このようにしてシールダイヤフラム28が形成される。

次に、第３図（ヌ）はセンサチップを形成する工程を
示している。

この工程では、シリコン基板をエッチングして周囲の
厚肉の固定部40に対して薄肉のダイアフラム39を形成
し、さらにこのダイアフラム39の上面に圧力を測定する
ゲージ41が不純物の拡散などにより形成されてセンサチ
ップ38が形成される。

第３図（ル）は圧力検出部の組み付け工程を示してい
る。

ガラスなどで作られた矩形状の基台29の中央部には開
放孔30が穿設されその周囲に所定の平坦部31をおいて溝
32が形成されている。溝32の外側は平坦部33をおいて立
上り固定部34が形成されている。

固定部34にはその上下に貫通して孔が開けられここに
リード線35が通されている。また、平坦部33にもその上
下に貫通して孔が開けられここにそれぞれリード36、37
が通されている。また、オイル封入孔57が固定部34を上
下に貫通して開けられている。

センサチップ38は開放孔30に対向する位置にダイアフ
ラム39の外形が一致するように固定されている。ゲージ
41から出力される圧力信号はリード線36、37に接続され
ている。

そして、基台29とセンサチップ38などで圧力検出部42
が形成されている。

第３図（オ）はシールダイアフラムと圧力検出部とを
接合する接合工程を示している。

シールダイアフラム28のシリコン基板16と圧力検出部
42の固定部34とは例えば陽極接合などにより接合され、
接合によってできた圧力導入孔19、波形空間22、センサ
チップ38の上部空間等にオイル封入孔57からシリコンオ
イル等の非圧縮性のオイル58を封入し閉じる。

以上のようにして形成された半導体圧力センサは、測
定圧力Ｐがシールダイヤフラム28に印加されると、これ
に対応してシリコン膜23が弾性的に変形し、これに伴な
いオイル58が移動して内圧を上昇させこの内圧が圧力検
出部42に作用して、例えばゲージ41などの感圧素子の出
力を変化させる。したがって、この感圧素子の出力から
逆に測定圧力を正確に知ることができる。

以上の構成によれば、シリコン膜23の波形の形状とシ
リコン基板16の波形の形状とが全く同一であるので、過
大な測定圧力Ｐが入力されてシリコン膜23がシリコン基
板16に当たってもシリコン膜23が破損することはない。

また、この波形の寸法、個数に制限はなく、シリコン
の伝導形・濃度は第１図に示す伝導形・濃度と異なった
層で形成しても良い。例えば、P⁺ではなく、Ｐであって
も良い。シリコンの面方位も制限がない。

なお、第３図（ハ）に示すエピタキシャル成長の工程
はこの代わりにポリシリコンを堆積する工程によっても
実現することができる。

また、シリコン膜23にはAlパターンを形成して腐蝕検
知をする例に付いて説明したが、このAlパターンの代わ
りに抵抗を拡散してもよく、ガスセンサ等を埋め込んで
も良い。更に抵抗発熱体と温度センサからなるホットワ
イヤ式の流量センサを組み込んでも良い。

パシベーション膜26の上に金、白金などの腐蝕に強い
金属を蒸着するとさらに耐食性を向上させることができ
る。

以上の説明では、主として圧力を測定する場合につい
て説明したが、差圧を測定する場合も同様に適用するこ
とができる。

＜発明の効果＞ 以上、実施例と共に具体的に説明したように本発明に
よれば、シールダイヤフラムをシリコンの単結晶で構成
するので、塑性変形のない理想的な弾性力が得られ、し
かもバックアップネストを持つ構造のため過大な印加圧
力に対して強く、またシールダイアフラム上で測定流体
の温度等の特性を測定できかつ事故発生の予測の出来る
診断機能を持つ多機能のセンサが容易に実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例を示す縦断面図、第２図は第
１図に示した実施例を用いた変換部を有する圧力変換器
のブロック図、第３図は第１図に示す半導体圧力センサ
を製造する製造工程を示す工程図、第４図は従来のシー
ルダイヤフラムの構成を示す要部断面図である。 10……本体、11……封入流体、12……貫通孔、13……ダ
イヤフラムネスト、14……シールダイヤフラム、15……
シールリング、16……シリコン基板、18……波形、19…
…圧力導入孔、20、24……伝導部、25……温度センサ、
26……パシベーション膜、27……パターン、28……シー
ルダイアフラム、29……基台、34……固定部、38……セ
ンサチップ、39……ダイアフラム、41……ゲージ、42…
…圧力検出部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一方の面に波形のバックアップネストが形
   成されると共に圧力導入孔が貫通して開けられたシリコ
   ン基板とこのバックアップネストの波形とほぼ同一の波
   形がこのバックアップネストにその周囲を除き所定の間
   隔で対向して形成されると共に機能素子が一体に形成さ
   れたシリコン膜とを有するシールダイアフラムと、前記
   シリコン基板がその周囲を除き所定の空間を保持して固
   定され測定圧力を検知する圧力検知素子が形成されたセ
   ンサチップを有する圧力検出部と、前記空間と前記シリ
   コン膜との間に充填された非圧縮性の封入流体とを具備
   し、前記機能素子と前記圧力検出素子からの信号を出力
   することを特徴とする半導体圧力センサ。