JP2004077428A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】従来の熱式圧力センサでは外部の温度が変化すると、センサ素子と金属ダイヤフラム筒体の熱膨張係数の差によりセンサ素子が変形し感熱ヒーターとダイヤフラムとの距離が変化して出力が変動する問題点があった。
【解決手段】この発明に係る圧力センサにおいては、圧力検出用ヒーターとリファレンス用ヒーターが形成されている基板において各ヒーターの中心を結ぶ軸の両側で中心軸と略平行な領域に基板の裏面の一部が除去された１本もしくは複数本の溝もしくは複数個の穴列が形成されている。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力を計測する圧力センサに係わり、熱式圧力検出素子に含まれる発熱体あるいは発熱体によって加熱された部分から、一定距離を離して対向配置されている圧力を受けるダイヤフラムによって奪われる熱量を、熱式圧力検出素子を用いて計測する圧力センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
計測流体の圧力と、該流体から圧力を受ける筒体上のダイヤフラムのたわみ量との間に成立するほぼ一義的な関数関係を利用して、ダイヤフラム上に成膜技術、写真製版技術等を用いて作製した歪ゲージを用いてダイヤフラムのたわみ量を計測し、このダイヤフラムのたわみ量に比例した流体の圧力を得るようにした歪みゲージ式圧力センサとしては、例えば実開昭６１−１３７２４２号（実願昭６０−１９５７２号マイクロフィルム）公報に開示されている圧力センサがある。この歪みゲージ式圧力センサは内燃機関の吸入空気量の検出、車両のブレーキ油圧の検出等に広く用いられている。他の方式の圧力センサとして、圧力を受けるダイヤフラムと一定距離離れたシリコン検出素子の発熱体からダイヤフラムの変位に伴って奪われる熱量の変化をシリコン検出素子で計測する熱式圧力センサがＷＯ　００／３９５５１公報に開示されている。熱式圧力センサは、従来からのシリコン基板に適用される製造技術および装置を用いて、シリコン基板上に測定素子を一括大量生産することができ、筒体上のダイヤフラムを受圧体として用いるが、ダイヤフラムに加工を施す必要がないため、信頼性が高い、安価な圧力センサが得られる特徴がある。
【０００３】
図１８は、例えばＷＯ　００／３９５５１公報に開示されている従来の熱式圧力センサの構造を示す断面図、図１９は図１８の方向の断面図である。また図２０は例えば、ＷＯ　０２／１０７０３公報に開示されている読み出し回路の概略構成図である。
図において、１０１は例えばシリコンウェハから切り出されたセンサ素子１０００の平板状基材で、１０５は例えばＳＵＳやコバールなどの金属の筒体でその上に圧力を受けるダイヤフラム１０６が形成されている。１０２は平板状基材１０１の一方の面に形成された絶縁性の支持膜で、例えば窒化シリコン膜からなり、この上に感熱抵抗体膜のヒーター１０３が形成される。この感熱抵抗体膜は、発熱抵抗、測温抵抗、比較抵抗に利用される発熱部に相当するもので、例えば白金からなる。また、リファレンス出力用第２の感熱抵抗体膜のヒーター１０８が形成される。ヒーター１０３はダイヤフラム１０６の中心に対向するように配置されるのに対し、第２のヒーター１０８はダイヤフラム１０６のうち圧力に対して変位の小さい周辺部に対向して配置されている。これらのヒーター１０３，１０８を覆うように保護膜１０４が形成されている。またヒーター１０３，１０８で発生した熱がシリコン基材１０１に逃げずにＳＵＳダイヤフラム１０６やＳＵＳ筒体１０５に流れて効率良く利用されるようにヒーター１０３，１０８の周囲のシリコン基材１０１が除去されていて窒化シリコン膜１０２，１０４からなるダイヤフラム１０９，１１０が形成されている。またダイヤフラム１０６とヒーター１０３，１０８の計測部とが所定距離をおいて対向配置するようにスペーサ１０７が配設され、センサ素子１０００と金属筒体１０５の距離はスペーサ１０７で規定される。なお、１０３ａ，１０８ａはそれぞれヒーター１０３，１０８のパッド部（配線取り出し口）を示す。圧力測定用のヒーター１０３とリファレンス出力用のヒーター１０８は同じ構造で同じ抵抗値を持つように設計されている。
【０００４】
次に、図１８、図１９に示されるセンサ素子１０００の主要部の製造方法について説明する。板状基材である厚さ約４００μｍのシリコンウエハ１０１上に、例えば厚さ約１μｍの窒化シリコン膜をスパッタ法等の方法により形成し、さらにその上に例えば厚さ０．２μｍの白金等よりなる感熱抵抗体膜１０３を蒸着法やスパッタ法等により形成する。その後、安定化のために約６００℃で数時間アニールする。この白金膜１０３は写真製版法、ウェットエッチング法あるいはドライエッチング法等を用いてパターニングが行われ、ヒーター１０３，１０８が形成される。ヒーターとパッド部１０３ａ，１０８ａとそれらを結ぶ配線も同時に形成される。パターニングされた、白金膜１０３ないし窒化シリコン膜１０２の上に、保護膜１０４として、厚さ約０．８μｍの窒化シリコン膜をスパッタ法等により形成する。表面保護膜１０４を形成した後にスペーサを形成する。スペーサをポリイミド樹脂などの有機絶縁膜とする場合は、例えば以下のように形成される。まず表面保護膜１０４を形成した後にポリイミドコーティング剤をスピンコートなどの手段でシリコン基板上に均一に塗布する。次に感光性のレジストを塗布し写真製版技術によりポリイミド樹脂を所望のパターンに加工する。感光性のポリイミドコーティング剤を使用すればレジストなしで直接パターンが形成されさらに簡便になる。パターン加工後３００℃程度のベークにより焼き締められて、ポリイミド樹脂となる。このようにポリイミドコーティング剤を用いれば簡便なプロセスでスペーサを精度よく形成できる。最後に、平板状基材１０１の支持膜１０２が配置されている方の表面とは反対側の面に写真製版法等を用いて所望のパターニングを行い、例えばアルカリエッチング等を施すことによりヒーター１０３，１０８の周囲の平板状基材１０１の一部が除去されて窒化シリコン膜１０２，１０４からなるダイヤフラム１０９，１１０が形成される。
【０００５】
次に、読み出し回路と動作について図２０を用いて説明する。
圧力測定用のヒーター（抵抗値Ｒ１）１０３とリファレンス出力用のヒーター（抵抗値Ｒ２）１０８は外部電源１３０（電圧Ｖｃ）から通電され、定電流源１３１，１３２（電流Ｉ１，　Ｉ２）にそれぞれ接続されて定電流が流れ発熱している。定電流源１３１，１３２との接続部に圧力信号電圧Ｖ１とリファレンス出力電圧Ｖ２が発生する。これらの圧力信号電圧Ｖ１とリファレンス出力電圧Ｖ２の差をとり増幅する差動増幅器１３３が接続されている。筒体１０５の内部が流体により圧力Ｐを受けると、ダイヤフラム１０６が変位してヒーター１０３に近づきダイヤフラム１０６への熱の流れが増加する。そのため、圧力測定用のヒーター１０３の温度が低下し、抵抗値Ｒ１が低下し圧力信号電圧Ｖ１は増加する。
一方、リファレンス出力用のヒーター１０８はダイヤフラム１０６の周辺部の圧力による変位が少ない位置に形成されているので圧力が印加されても抵抗値Ｒ２の変化は少ない。つまりリファレンス出力電圧Ｖ２の変化は少ない。抵抗値Ｒ１は雰囲気温度によっても変化するので、雰囲気温度が変化すると圧力信号電圧Ｖ１が大きく変化する。しかしながら、圧力測定用のヒーター１０３とリファレンス出力用のヒーター１０８は同じ構造で同じ抵抗値を持つように設計されていて、抵抗値Ｒ１とＲ２は同じ温度依存性を持つため、圧力信号電圧Ｖ１とリファレンス出力電圧Ｖ２の差をとって増幅する差動増幅器を用いれば温度によって大きく変化するオフセット成分を除去し圧力信号成分を増幅して読み出すことができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように構成された従来の熱式圧力センサでは、圧力センサの晒されている雰囲気温度が変化すると、センサ素子１００と金属ダイヤフラム筒体１０５の熱膨張係数の差によりセンサ素子１００が変形する。例えば筒体１０５がＳＵＳでセンサ素子１００がシリコンの場合、シリコンの熱膨張係数の方が小さいので雰囲気温度が上昇してセンサの温度が上昇するとセンサ素子はヒーター１０３、１０８がダイヤフラム１０６に近づくように凹状に変形する。
図１９中円内には、その変形の様子を拡大して示す。この変形のため圧力測定用のヒーター１０３及びリファレンス出力用のヒーター１０６と金属ダイヤフラムとの距離が近づき初期値と異なってしまい、図２０の回路でリファレンスとの差分出力を出力しても、その出力に上記距離変動分の誤差を生じてしまうという問題点があった。
【０００７】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、温度変化があってもセンサ出力の変動が少ない圧力センサを得ることを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による圧力センサは、圧力を受ける第１の面を有するダイヤフラム構造と、該ダイヤフラム構造の第２の面の中央部に対向配置された発熱手段を有する第１の熱式検知部とを備え、圧力の変化による上記ダイヤフラムの変位量を上記第１の熱式検知部で熱的に検知する圧力センサであって、上記ダイヤフラムの第２の面の端部に対向して配置された発熱手段を有する第２の熱式検知部を有し、上記第１の熱式検知部と上記第２の熱式検知部が同一基板の第１の面に形成され、上記第１の熱式検知部と上記第２の熱式検知部の中心部を結ぶ軸と略平行な領域の上記基板に、該基板の第２の面から基板の少なくとも一部が除去された溝もしくは穴列が形成されているものである。
【０００９】
さらに、第１の熱式検知部と第２の熱式検知部との中心部を結ぶ軸に直交する軸と略平行な領域の基板に、該基板の第２の面から基板の少なくとも一部が除去された溝もしくは穴列が形成されているものである。
【００１０】
また、基板の第２の面から基板の一部が除去された溝もしくは穴列が圧力を受けるダイヤフラム構造と上記基板との固定部を囲むように形成されていること規定するものである。
【００１１】
また、第１の熱式検知部と第２の熱式検知部との略中心を結ぶ軸上に基板の第２の面から基板の少なくとも一部が除去された溝もしくは穴列が形成されていることを規定するものである。
【００１２】
上記それぞれの圧力センサにおいて、基板の第２の面から基板の一部が除去された溝もしくは穴列の一部の領域を介して、上記基板の第１の面に形成された配線層と上記基板の第２の面に形成された入出力配線とが接続されていることを規定するものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。図１は、この発明を実施するための実施の形態１による圧力センサの構成を説明するための概略分解斜視図、図２は図１中Ｙ’−Ｙ’断面図、図３は第１図中Ｘ’−Ｘ’断面図である。図４はセンサ素子の平面概略図で、構成要素のレイアウトを示しており、配置されるＳＵＳ筒体５とＳＵＳダイヤフラムの位置を破線で挿入した図である。図において、Ｘ，ＹはそれぞれＸ軸、Ｙ軸を示す。１は例えばシリコンウェハから切り出されたセンサ素子１００の平板状基材で、５は例えばＳＵＳやコバールなどの金属の筒体でその上に圧力を受けるダイヤフラム６が形成されている。２は平板状基材１の一方の面に形成された例えば窒化シリコン膜からなる絶縁性の支持膜で、この上に感熱抵抗体膜のヒーター３が形成される。この感熱抵抗体膜は、発熱抵抗、測温抵抗、比較抵抗に利用される発熱部に相当するもので、例えば白金からなる。また、リファレンス出力用に第２の感熱抵抗体膜のヒーター８が形成される。ヒーター３はダイヤフラム６の中心に対向するように配置されるのに対し、第２のヒーター８はダイヤフラム６のうち圧力に対して変位の小さい周辺部に対向して配置されている。これらのヒーター３，８を覆うように保護膜４が形成されている。またヒーター３，８で発生した熱がシリコン基材１に逃げずにＳＵＳダイヤフラム６やＳＵＳ筒体５に流れて効率良く利用されるようにヒーター３，８の周囲のシリコン基材１が除去されていて窒化シリコン膜２，４からなるダイヤフラム９，１０が形成されている。ダイヤフラム９，１０の両側にＹ方向に長いスリット状にシリコン基材１が除去された開口部４０が形成されている。７はダイヤフラム６とヒーター３，８の計測部とが所定距離をおいて対向配置するように配設されたスペーサ、１１は金属筒体５にセンサ素子１００を固定するための接着剤で、センサ素子１００と金属筒体５の距離はスペーサ７で規定され、図４中に示された固定部１２の領域でセンサ素子１００は金属筒体５に固定される。なお、３ａ，８ａはそれぞれヒーター３，８のパッド部（配線取り出し口）を示す。圧力測定用のヒーター３とリファレンス出力用のヒーター８は同じ構造で同じ抵抗値を持つように設計されている。また２０はセンサ素子１００の出力を外部へ取り出すための配線板で例えばエポキシ樹脂などで形成される。配線板２０とセンサ素子１００は接着剤２１で接着されている。センサ素子１００の出力パッド３ａ，８ａと配線板の外部出力リード２２は例えば２５μｍ径のＡｕ線からなるワイヤー２３により電気的に接続されている。
【００１４】
次に、センサ素子１００の主要部の製造方法について説明する。板状基材である厚さ約４００μｍのシリコンウエハ１上に、例えば厚さ約１μｍの窒化シリコン膜をスパッタ法等の方法により形成し、さらにその上に例えば厚さ０．２μｍの白金等よりなる感熱抵抗体膜３を蒸着法やスパッタ法等により形成する。その後、安定化のために約６００℃で数時間アニールする。この白金膜３は写真製版法、ウェットエッチング法あるいはドライエッチング法等を用いてパターニングが行われ、これにより図４のようなパターンのヒーター３，　８が形成される。パターニングされた、白金膜３ないし窒化シリコン膜２の上に、保護膜４として、厚さ約０．８μｍの窒化シリコン膜をスパッタ法等により形成する。表面保護膜４を形成した後にスペーサを形成する。スペーサをポリイミド樹脂などの有機絶縁膜とする場合は、例えば以下のように形成される。まず表面保護膜４を形成した後にポリイミドコーティング剤をスピンコートなどの手段でシリコン基板上に均一に塗布する。次に感光性のレジストを塗布し写真製版技術によりポリイミド樹脂を所望のパターンに加工する。感光性のポリイミドコーティング剤を使用すればレジストなしで直接パターンが形成されさらに簡便になる。パターン加工後３００℃程度のベークにより焼き締められて、ポリイミド樹脂となる。このようにポリイミドコーティング剤を用いれば簡便なプロセスでスペーサを精度よく形成できる。最後に、平板状基材１の支持膜２が配置されている方の表面とは反対側の面に写真製版法等を用いて所望のパターニングを行い、例えばアルカリエッチング等を施すことによりヒーター３，８の周囲の平板状基材１の一部が除去されて窒化シリコン膜２，４からなるダイヤフラム９，１０が形成される。この時同時にダイヤフラム９，１０と同じ構造のスリット状の開口部４０を形成する。
【００１５】
次に読み出し回路と動作について説明する。図５は読み出し回路の概略構成図で、図において３０は外部電源、３１、３２は定電流源、３３は差動増幅器である。
以下、動作を説明する。圧力測定用のヒーター（抵抗値Ｒ１）３とリファレンス出力用のヒーター（抵抗値Ｒ２）８は外部電源３０（電圧Ｖｃ）から通電され、定電流源３１，３２（電流Ｉ１，　Ｉ２）にそれぞれ接続されて定電流が流れ発熱している。定電流源３１，３２との接続部に圧力信号電圧Ｖ１とリファレンス出力電圧Ｖ２が発生する。これらの圧力信号電圧Ｖ１とリファレンス出力電圧Ｖ２の差をとり増幅する差動増幅器３３が接続されている。筒体５の内部が流体により圧力Ｐを受けると、ダイヤフラム６が変位してヒーター３に近づきダイヤフラム６への熱の流れが増加する。そのため、圧力測定用のヒーター３の温度が低下し、抵抗値Ｒ１が低下し圧力信号電圧Ｖ１は増加する。一方リファレンス出力用のヒーター８はダイヤフラム６の周辺部の圧力による変位が少ない位置に形成されているので圧力が印加されても抵抗値Ｒ２の変化は少ない。つまりリファレンス出力電圧Ｖ２の変化は少ない。抵抗値Ｒ１は雰囲気温度によっても変化するので、雰囲気温度が変化すると圧力信号電圧Ｖ１が大きく変化する。しかしながら、圧力測定用のヒーター３とリファレンス出力用のヒーター８は同じ構造で同じ抵抗値を持つように設計されていて、抵抗値Ｒ１とＲ２は同じ温度依存性を持つため、圧力信号電圧Ｖ１とリファレンス出力電圧Ｖ２の差をとって増幅する差動増幅器３３を用いれば温度によって大きく変化するオフセット成分を除去し圧力信号成分を増幅して読み出すことができる。
【００１６】
従来の圧力センサは、固定部１２で拘束されていたために図１９中円内のようにＸ’―Ｘ’方向にみたときに凹部状に変形していたが、本実施の形態のように、ヒーターのダイヤフラム９，１０の両側にスリット状の開口部４０を設けると、このＸ軸方向の変形が緩和される。また、センサ素子はＸ軸よりもＹ軸に沿って変形しやすくなる。したがって、センサ素子と金属ダイヤフラムの熱膨張係数の差による熱歪みは、センサ素子がスリット開口部４０でＹ軸に沿って変形することにより緩和されてＸ軸に沿っての変形は少なくなる。そのため、センサ温度が変化するとＹ軸に沿った変形によりヒーター３とダイヤフラム６の距離は多少変化するがリファレンスのヒーター８とダイヤフラム６の距離もほぼ同じだけ変化するので圧力信号出力とリファレンス出力の差分出力の熱歪による変化は問題にならないレベルに小さくできる。
【００１７】
この、従来発生していた変形量は接着剤１１にやわらかい接着剤を使用したり金属ダイヤフラム筒体５にシリコンと熱膨張係数の近いコバールを使用したりして小さくすることは可能であるが、完全になくすことはできない。またセンサ素子の固定方法としてはセンサ素子１００を金属筒体５へバネなどで加圧固定して接着剤１１を用いない場合もあり、この場合でもセンサ素子１００は固定部１２で金属ダイヤフラム筒体５に拘束されるので同様に変形してしまう。これに対し、本実施の形態にように開口部４０を形成すれば、変形に対して十分な効果があることは明白である。
【００１８】
なお、スリット状の開口部４０がダイヤフラム９，１０の開口部と同じ構造で同時に形成したものを示したが、開口部４０はダイヤフラム構造である必要はなく完全に貫通した穴でもよい。
図６、図７、図８には開口部４０の形状が異なる場合のセンサの断面図を示すが、図６に示すようにプラズマガスによるドライエッチングで形成した溝状の穴でもよいし、図７に示すように基板１を途中まで掘った溝でもよいし、図８に示すよう開口部が複数本あってもよい。
【００１９】
また、図４では開口部４０の長さがヒーターのダイヤフラム９の開口部の上端からダイヤフラム１０の開口部の下端まで伸びた例について示したが、この長さは更に長くてもよいし、ダイヤフラム９，１０の開口部に対して対称な配置や形状でなくてもよい。またこの長さは図４に示したものより短くてもよい。ただし短いほどセンサ素子の機械的強度は向上し組み立て時の破損の危険性は低減されるが、熱歪み緩和の効果は小さくなるので、強度が維持できる程度に長く形成する方がよい。
図４では開口部４０がＹ軸に対し平行であるものを示したが、これは略Ｙ軸に平行であれば、傾いていてもよい。固定部１２の配置によっては傾けたほうがＸ軸方向の変形を抑えることができる場合もある。その場合、固定部の設計に応じて開口部４０のＸ軸方向の成分、Ｙ軸方向の成分を決めればよい。
さらに、図９、図１０にはセンサ素子の別のレイアウトを示す平面概略図を示す。図４では開口部４０はＹ軸方向に伸びたスリット状の長方形の例を示したが、図９に示すように複数個の開口部が連なったものでもよい。また開口部４０がダイヤフラム９，１０の開口部の両側に形成されたものについて説明したが、原理的にはＹ軸に沿って変形しやすくすればよいので例えば、図１０に示すように片側のみ開口部４０が形成されていてもよい。
【００２０】
実施の形態２．
以下、本発明の別実施の形態について図を用いて説明する。図１１は、この発明を実施するための実施の形態２による圧力センサの構成を説明するためのセンサ素子の平面概略図で、構成要素のレイアウトを示した図である。図１２は、別のセンサ素子の平面概略図で、構成要素のレイアウトを示した図である。図中４０ａは開口部４０のうちＸ軸方向の成分（Ｘ軸方向に伸びた開口部）である。
【００２１】
上記実施の形態１中に示した図４では開口部４０がＹ軸方向に伸びた長方形のスリット開口であるものを示したが、本実施の形態では開口部はＸ軸方向に伸びた成分も有する。図４で示すように、固定部１２のＹ軸方向の配置の長さ（Ｌ１）がヒーターのダイヤフラム９，１０の開口のＹ方向の配置の長さ（Ｌ２）と同等の時には、開口部４０によりＸ軸に沿っての熱歪み変形は無視できるほど小さくできる。しかし、センサ素子と金属ダイヤフラムの接着をより強固にする等の目的で固定部１２の領域をＹ軸方向に伸ばす（Ｌ１＞Ｌ２）と、図４に示したＹ軸方向の長方形開口ではＸ軸に沿っての熱歪み変形を緩和しきれなくなる場合がある。
これに対し、本実施の形態のように、図１１、１２で示すＸ軸方向に伸びた開口部４０ａを付加することによってＸ軸に沿っての熱歪み変形を緩和することが可能になる。図１１，１２ではＹ軸方向へのスリットとＸ軸方向へのスリットがつながったものを示しているが、これらは実施の形態１中図９で示したような分割された開口列であってもよい。また開口部４０がダイヤフラム９，１０の開口部の両側に対称で同形状に形成したものについて説明したが、片側のみ開口部４０が形成されていてもよいし対称でなくても形状が異なっていてもよい。
【００２２】
実施の形態３．
以下、本発明の別実施の形態について図を用いて説明する。図１３は、この発明を実施するための実施の形態３による圧力センサの構成を説明するためのセンサ素子の平面概略図で、構成要素のレイアウトを示した図である。
本実施の形態では熱歪み緩和のための開口部４０は圧力検出用ヒーター３とリファレンス出力用の第２のヒーター８の中心を結ぶ中心線Ａ−Ａ上にＹ方向に沿って形成されている。
【００２３】
以上のように構成された熱式圧力センサでは外部の温度が変化すると、センサ素子１００と金属ダイヤフラム筒体５の熱膨張係数の差によりセンサ素子が変形する。例えば筒体５がＳＵＳでセンサ素子がシリコンの場合、シリコンの熱膨張係数の方が小さいので外部環境温度が上昇してセンサの温度が上昇するとセンサ素子はヒーター３の部分がダイヤフラム６に近づくように凹状に変形する。しかしながら各感熱抵抗膜の中心線上つまりセンサ素子のＹ軸中心軸上にスリット状の開口部４０を設けるとセンサ素子はＸ軸よりもＹ軸に沿って変形しやすくなる。したがってセンサ素子と金属ダイヤフラムの熱膨張係数の差による熱歪みは、センサ素子がスリット開口部４０でＹ軸に沿って変形することにより緩和されてＸ軸に沿っての変形は少なくなる。そのためセンサ温度が変化するとＹ軸に沿った変形によりヒーター３とダイヤフラム６の距離は多少変化するがリファレンスのヒーター８とダイヤフラム６の距離もほぼ同じだけ変化するので圧力信号出力とリファレンス出力の差分出力の熱歪による変化は問題にならないレベルに小さくできる。
【００２４】
なお、図１３では各ヒーター３，８のダイヤフラム形成のための開口部９，１０の中間と上下に３個の開口部４０を形成した構造を示したが、開口部４０は図９で示したような分割された開口列であってもよい。またダイヤフラム９，１０の開口部と開口部４０が接していないものを示したが、これらの開口部がつながっていてもよい。また、熱歪みが出力にあたえる影響が問題ないレベルであればヒーター３とヒーター８の中心を結ぶ中心線上から多少ずれて開口部４０が形成されてもよい。
【００２５】
実施の形態４．
以下、本発明の別実施の形態について図を用いて説明する。図１４、図１５は、この発明を実施するための実施の形態４による圧力センサの構成を説明するためのセンサ素子の平面概略図で、構成要素のレイアウトを示した図である。
本実施の形態では熱歪み緩和のための開口部４０は固定部１２を囲むように形成されている。例えば図１４ではセンサ素子の左右の固定部の３方向を囲むように開口部４０が形成されている。また、図１５のように接着部が４ヶ所に分割されている場合はおのおのの固定部を囲むように開口部４０が形成されている。センサ素子１００の製造方法と圧力センサとしての動作は実施例の形態１と同じである。
【００２６】
以上のように構成された熱式圧力センサでは外部の温度が変化すると、センサ素子１００と金属ダイヤフラム筒体５の熱膨張係数の差によりセンサ素子にストレスがかかる。例えば筒体５がＳＵＳでセンサ素子がシリコンの場合、シリコンの熱膨張係数の方が小さいので外部環境温度が上昇してセンサの温度が上昇するとセンサ素子は固定部から素子の外側向きの歪み力を受けるが、固定部の周囲には開口部４０があるので固定部周辺のみが変形することにより熱歪みは緩和されてヒーター３とヒーター８の部分への歪みは問題にならないレベルに小さくできる。
【００２７】
なお、図１４、図１５では各固定部の上下と左右いずれかの１辺の周辺３方向に開口部４０を設けた構造を示したが、１方向や２方向に開口部が形成されていてもよい。この場合は、歪み緩和の効果は落ちるが固定部周辺の機械的強度が増すので組み立ては容易になる。また開口部の一部がとぎれていれば固定部４方向を囲むように開口部が形成されていてもよい。また開口部４０が基板を貫通していなければ固定部周辺を完全に囲むように開口部４０を形成することも可能である。また、開口部４０は図９で示したような分割された開口列であってもよい。またセンサ素子の固定方法としてはセンサ素子１００を金属筒体５へバネなどで加圧固定して接着剤１１がない場合でもスペーサーが金属ダイヤフラム筒体５に接する部分で拘束されるのでスペーサー周辺の固定部に同様に開口部を形成すれば同様な効果がある。
【００２８】
実施の形態５．
以下、更に別の実施の形態について図を用いて説明する。図１６は、この発明の実施の形態５による圧力センサの構成を説明するための概略分解斜視図、図１７は図１６中Ｘ’’−Ｘ’’断面図である。
本実施の形態は、上記実施の形態１〜４に記載の圧力センサ素子に示された開口部４０を入出力配線の取り出しに利用するものである。
【００２９】
図において、センサ素子１００の表面に形成されたヒーター３と８の表面配線は、開口部４０を利用した貫通配線によってセンサ素子の裏面の開口部近傍に形成されたパッド５０ａ，５０ｂと５１ａ，５１ｂから取り出せるようになっている。５２は外部出力リード、５３は例えば２５μｍ径のＡｕ線からなるワイヤーで、外部出力リード５２とパッド５０ａ，５０ｂ，５１ａ，５１ｂはワイヤ５３により電気的に接続されている。図１７において５４は例えば窒化シリコン膜からなる絶縁膜、５５例えばＡｌＳｉ金属よりなる裏面配線である。裏面配線５５と表面配線３，８は開口部４０内の絶縁膜５４と絶縁膜２に開けられたスルーホール５６によって電気的に接続されている。裏面配線５５はスルーホール５６から開口部４０の斜面上に配設されセンサ素子裏面のパッド５０ａ，５０ｂ，５１ａ，５１ｂと電気的に接続されている。パッド５０ａ，５０ｂ，５１ａ，５１ｂは裏面配線５５と同一層の金属膜で形成してもよいし、別の金属膜で形成してもよい。
【００３０】
次に、図１６、図１７に示される熱式センサ素子の主要部の製造方法について説明する。
板状基材である厚さ約４００μｍのシリコンウエハ１上に、例えば厚さ約１μｍの窒化シリコン膜をスパッタ法等の方法により形成し、さらにその上に例えば厚さ０．２μｍの白金等よりなる感熱抵抗体膜３を蒸着法やスパッタ法等により形成する。その後、安定化のために約６００℃で数時間アニールする。この白金膜３は写真製版法、ウェットエッチング法あるいはドライエッチング法等を用いてパターニングが行われ、図１６に示されるようなパターンのヒーター３，　８が形成される。パターニングされた、白金膜３ないし窒化シリコン膜２の上に、保護膜４として、厚さ約０．８μｍの窒化シリコン膜をスパッタ法等により形成する。表面保護膜４を形成した後にスペーサを形成する。
スペーサをポリイミド樹脂などの有機絶縁膜とする場合は、例えば以下のように形成される。まず表面保護膜４を形成した後にポリイミドコーティング剤をスピンコートなどの手段でシリコン基板上に均一に塗布する。次に感光性のレジストを塗布し写真製版技術によりポリイミド樹脂を所望のパターンに加工する。感光性のポリイミドコーティング剤を使用すればレジストなしで直接パターンが形成されさらに簡便になる。パターン加工後３００℃程度のベークにより焼き締められて、ポリイミド樹脂となる。このようにポリイミドコーティング剤を用いれば簡便なプロセスでスペーサを精度よく形成できる。
次に、平板状基材１の支持膜２が配置されている方の表面とは反対側の面に写真製版法等を用いて所望のパターニングを行い、例えばアルカリエッチング等を施すことによりヒーター３，８の周囲の平板状基材１の一部が除去されて窒化シリコン膜２，４からなるダイヤフラム９，　１０が形成される。この時同時にダイヤフラム９，１０と同じ構造のスリット状の開口部４０を形成する。次に裏面に厚さ約０．５μｍの窒化シリコン膜５４をスパッタ法等により形成する。裏面側から写真製版法等を用いて所望のパターニングをおこない絶縁膜５４，２をエッチングしてスルーホール５６を形成する。スルーホール５６では表面配線３が露出する。
その後、裏面の配線膜として例えばＡｌＳｉ膜をスパッタ法等により形成する。写真製版法等を用いて裏面配線膜に所望のパターニングをおこないエッチングして裏面配線５５を形成する。これで表面配線３と裏面配線５５はスルーホール５６で電気的に接続される。次にセンサ素子１００の接着部１１に接着剤を塗布し金属ダイヤフラム筒体５に接着して固定する。最後に熱式センサ素子入出力パッド５０ａ，５０ｂ，５１ａ，５１ｂと外部入出力リード５２をワイヤーボンド５３で接続する。
【００３１】
本実施の形態においても実施の形態１と同様に外部の温度が変化した時にセンサ素子１００と金属ダイヤフラム筒体５の熱膨張係数の差による熱歪みは生じる。しかし、センサ素子がスリット開口部４０でＹ軸に沿って変形することにより緩和されてＸ軸に沿っての変形は少なくなり圧力信号出力とリファレンス出力の差分出力の熱歪による変化は問題にならないレベルに小さくできる。
【００３２】
さらに、本実施の形態ではセンサ素子裏面から表面にかけての開口部４０を用いて表面配線と裏面配線を接続するので製造工程の大幅な増加なしにセンサ素子裏面より出力が取り出せるようになる。その結果本実施の形態では実施の形態１に比べ図１中の配線板２０が不要となり、実装構造が簡略化され、実装工程を削減できる。さらに図１の構造では金属ダイヤフラム筒体５の外側でワイヤ出力を取り出す必要があるため、センサ素子の出力パッド部が金属ダイヤフラム筒体５の外側に配置できるようにセンサ素子をＹ方向に長く設計する必要があったが、本実施の形態のように裏面から出力を取り出せるようにすると、その制約がなくなりセンサ素子のＹ方向はヒーター３，８が配置できる最小値に設計することが可能になりセンサ素子のチップサイズを小さくすることができる。
【００３３】
なお、裏面配線は数十ミクロンの幅で形成することができるので開口部の一部の微小な領域に表面配線と裏面配線の貫通配線を形成できる。したがって本実施例では開口部４０の長さがヒーターのダイヤフラム９の開口部の上端からダイヤフラム１０の開口部の下端までであるように示されているが、開口部の形状や配置は貫通配線に影響はないので、例えば開口部の長さは図１６に示したものよりも更に長くてもよいし、短くてもよい。
また、ダイヤフラム９，１０の開口部に対して対称な配置でなくてもよいしＹ軸方向に傾いていてもよい。また第８図に示すように複数個の開口部が連なったものでもよい。この場合ヒーター３とヒーター８の裏面配線は別々の小さな開口部より取り出すこともありうるが裏面配線は数十ミクロンの幅で形成することができるので問題ない。
【００３４】
上記実施の形態５ではセンサ素子して実施の形態１で示した開口部の位置、形状を有するものについて例示したが、実施の形態２〜４に示した図９〜１５に示したような配置や形状のものでもよい。
【００３５】
なお、上記実施の形態１〜５において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものである。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、本発明による圧力センサは、圧力を受ける第１の面を有するダイヤフラム構造と、該ダイヤフラム構造の第２の面の中央部に対向配置された発熱手段を有する第１の熱式検知部とを備え、圧力の変化による上記ダイヤフラムの変位量を上記第１の熱式検知部で熱的に検知する圧力センサであって、上記ダイヤフラムの第２の面の端部に対向して配置された発熱手段を有する第２の熱式検知部を有し、上記第１の熱式検知部と上記第２の熱式検知部が同一基板の第１の面に形成され、上記第１の熱式検知部と上記第２の熱式検知部の中心部を結ぶ軸と略平行な領域の上記基板に、該基板の第２の面から基板の少なくとも一部が除去された溝もしくは穴列が形成されているので、雰囲気温度が変化しても、温度変化によるセンサ素子の変形がこの溝もしくは穴列により緩和され、センサ出力の変動が少ない高精度な圧力センサを得ることができる。
【００３７】
さらに、第１の熱式検知部と第２の熱式検知部との中心部を結ぶ軸に直交する軸と略平行な領域の基板にも、該基板の第２の面から基板の少なくとも一部が除去された溝もしくは穴列が形成されるので、雰囲気温度が変化しても、よりセンサ出力の変動が少ない高精度な圧力センサを得ることができる。
また、上記溝もしくは穴列を圧力を受けるダイヤフラム構造と基板とを固定する固定部を囲むように形成したので、固定部周辺の基板のみが変形することにより全体の熱歪は緩和されやすくなる。
【００３８】
上記それぞれの圧力センサにおいて、基板の第２の面から基板の一部が除去された溝もしくは穴列の一部の領域を介して、上記基板の第１の面に形成された配線層と上記基板の第２の面に形成された入出力配線とが接続されているので、雰囲気温度が変化しても、センサ出力の変動が少ない高精度な圧力センサを得ることができることに加え、製造工程の大幅な増加なしにセンサ素子裏面より出力が取り出せ、小型化が可能になり製造コストの低減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１による圧力センサの構成を説明するための分解斜視図である。
【図２】図１の圧力センサのＹ’−Ｙ’断面図である。
【図３】図１の圧力センサのＸ’−Ｘ’断面図である。
【図４】図１の圧力センサ中センサ素子主要部のレイアウト示すための平面概略図である。
【図５】圧力センサの読み出し方法を説明するための回路構成図である。
【図６】実施の形態１による別のセンサ素子の断面図である。
【図７】実施の形態１による別のセンサ素子の断面図である。
【図８】実施の形態１による別のセンサ素子の上面平面図である。
【図９】実施の形態１によるセンサ素子主要部の別のレイアウトを示すための平面概略図である。
【図１０】実施の形態１によるセンサ素子主要部の別のレイアウトを示すための平面概略図である。
【図１１】実施の形態２によるセンサ素子主要部のレイアウトを示すための平面概略図である。
【図１２】実施の形態２によるセンサ素子主要部の別のレイアウトを示すための平面概略図である。
【図１３】実施の形態３によるセンサ素子主要部のレイアウトを示すための平面概略図である。
【図１４】実施の形態４によるセンサ素子主要部のレイアウトを示すための平面概略図である。
【図１５】実施の形態４によるセンサ素子主要部の別のレイアウトを示すための平面概略図である。
【図１６】実施の形態５による圧力センサの構成を説明するための分解斜視図である。
【図１７】図１６の圧力センサのＸ’’−Ｘ’’断面図である。
【図１８】従来の圧力センサの構成を説明するための断面図である。
【図１９】従来の圧力センサの構成を説明するための断面図で、図１８とは異なる方向の断面図である。
【図２０】圧力センサの読み出し方法を説明するための回路構成図である。
【符号の説明】
１　センサ素子基板、　　２，４　絶縁膜、　３，８　感熱抵抗膜、
３ａ，８ａ　入出力パッド、　５　ダイヤフラム筒体、　６　ダイヤフラム、
７　スペーサ、　９，１０　感熱部のダイヤフラム開口、
１１　接着部、　１２　固定部、　２０　配線板、　２１　接着剤、
２２　出力リード、　２３　ワイヤーボンド材、　３０　電圧源、
３１，３２　電流源、　３３　差動増幅器、　４０　開口部、
５０ａ，５０ｂ，５１ａ，５１ｂ　裏面入出力パッド、　５２　出力リード、
５３　ワイヤーボンド材、　５４　絶縁膜、　５５　裏面配線、
５６　スルーホール、１００　センサ素子。

Claims (5)

1. 圧力を受ける第１の面を有するダイヤフラム構造と、該ダイヤフラム構造の第２の面の中央部に対向配置された発熱手段を有する第１の熱式検知部とを備え、圧力の変化による上記ダイヤフラムの変位量を上記第１の熱式検知部で熱的に検知する圧力センサであって、上記ダイヤフラムの第２の面の端部に対向して配置された発熱手段を有する第２の熱式検知部を有し、上記第１の熱式検知部と上記第２の熱式検知部が同一基板の第１の面に形成され、上記第１の熱式検知部と上記第２の熱式検知部の中心部を結ぶ軸と略平行な領域の上記基板に、該基板の第２の面から基板の少なくとも一部が除去された溝もしくは穴列が形成されていることを特徴とする圧力センサ。
2. さらに、第１の熱式検知部と第２の熱式検知部との中心部を結ぶ軸に直交する軸と略平行な領域の基板に、該基板の第２の面から基板の少なくとも一部が除去された溝もしくは穴列が形成されていることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
3. 基板の第２の面から基板の一部が除去された溝もしくは穴列が圧力を受けるダイヤフラム構造と上記基板との固定部を囲むように形成されていることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
4. 第１の熱式検知部と第２の熱式検知部との略中心を結ぶ軸上に基板の第２の面から基板の少なくとも一部が除去された溝もしくは穴列が形成されていることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
5. 基板の第２の面から基板の一部が除去された溝もしくは穴列の一部の領域を介して、上記基板の第１の面に形成された配線層と上記基板の第２の面に形成された入出力配線とが接続されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の圧力センサ。

Images