JPH1114484A - 圧力センサ及びその製造方法並びに差伝送器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】半導体圧力センサの圧力感度の複数化を図る。 【解決手段】差圧用ダイアフラム６５上に、その中央領
域の外周に沿って剛体５８を環状に形成し、ｐ型拡散層
５１ｂ側にも、差圧用ダイアフラム６５の中央領域の外
周に沿って突起５７を環状に形成する。所定値以上の正
圧ΔＰを印加すると、差圧用ダイアフラム６５の中央領
域６５ａの外周が突起５７と剛体５８とによって拘束さ
れ、差圧用ダイアフラム６５上の応力分布には、中央領
域５６ａ内の外縁部付近と周辺領域５６ｂ内の外縁部付
近の双方に、それぞれ、引張応力のピークσ₂,σ₁が現
れる。そこで、差圧用ダイアフラム６５上には、周辺領
域５６ｂ内の外縁部付近と中央領域５６ａ内の外縁部付
近の双方に、それぞれ、ピエゾ抵抗を４本づつ配置す
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、ダイアフラム構造
のシリコンペレットに形成された拡散抵抗層のピエゾ抵
抗効果を利用する拡散型圧力センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】ダイアフラム構造のシリコンペレットに
形成された拡散抵抗層のピエゾ抵抗効果を利用する拡散
型圧力センサの１つとして、特開平８−２９５０８５号
公報記載の差圧用の半導体圧力センサが知られている。
この半導体圧力センサ(以下、従来の圧力センサと呼ぶ)
には、非直線誤差の抑制を図るための構造上の２つの工
夫、即ち、(ａ)ダイアフラム上の中央領域へのボスの形
成、(ｂ)の拡散層が形成されているリムを除く周辺領域
の薄肉化がなされている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の
圧力センサは、圧力感度が一定であるために、低圧から
高圧に到る広範な圧力レンジをカバーすることができな
いという欠点を有していた。

【０００４】この欠点を解消するためには、互いに受圧
面積の異なる複数のダイアフラム、即ち、互いに圧力感
度の異なる複数の圧力センサをワンチップ上に搭載すれ
ばよいが、そのようにすることによって、今度は、チッ
プ大型化という新たな問題が発生することになる。

【０００５】そこで、本発明は、複数の圧力感度を有す
る小型の圧力センサを提供することを目的とする。そし
て、本圧力センサを差圧伝送器の検出端として利用する
ことによって、差圧伝送器の測定圧力範囲の拡大を図ら
んとするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、基板上に固定された差圧用ダイアフラム
に配置された複数の歪みゲージによって、前記差圧用ダ
イアフラムに印加された差圧に応じて変位した当該差圧
ダイアフラムの歪みを検出する差圧用センサであって、
前記基板は、当該基板側に前記差圧用ダイアフラムが所
定の変位量だけ変位した時点から前記差圧用ダイアフラ
ムの裏面の中央領域を囲む領域で当該差圧用ダイアフラ
ムを支持する支持端を有し、前記複数の歪みゲージの内
の一部の歪みゲージは、前記差圧用ダイアフラムの表面
の周辺領域の歪みを検出するように、当該周辺領域に配
置され、前記複数の歪みゲージの内の一部の歪みゲージ
は、前記差圧用ダイアフラムの表面の中央領域の歪みを
検出するように、当該中央領域に配置されていることを
特徴とする差圧用センサを提供する。

【０００７】こうした構造によれば、差圧用ダイアフラ
ムに印加される差圧が所定値を超えると、差圧用ダイア
フラムの中央領域が単純支持されることになる。従っ
て、差圧用ダイアフラムに印加される差圧が所定値を超
えた場合、この差圧用ダイアフラム上の応力分布には、
その中央領域と周辺領域の双方に引張応力のピーク値σ
₁,σ₂が現れる（図４(ｂ)参照）。このことは、差圧用
ダイアフラムの中央領域と周辺領域が、それぞれ、独立
のダイアフラムとして機能し得ることを意味する。より
具体的に説明すると、大きな方のピーク値σ₁が現れる
周辺領域は、印加される差圧の変化に敏感な低圧用ダイ
アフラムとして機能し、小さい方のピーク値σ₂が現れ
る中央領域は、印加される差圧の変化に鈍感な高圧用ダ
イアフラムとして機能する。

【０００８】従って、差圧用ダイアフラムが一枚しか搭
載されていないにもかかわらず、複数の差圧用ダイアフ
ラムが搭載されている場合と同様に、圧力感度の複数化
を図ることが出来る。即ち、チップ大型化という不利益
を伴うことなく、低圧から高圧に到る広範な圧力レンジ
のカバーを可能とすることができる。

【０００９】例えば、こうした差圧用センサを差圧伝送
器の検出端として実装することとすれば、差圧伝送器の
測定圧力範囲が拡大するのは明らかである。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照しなが
ら、本発明に係る実施の一形態について説明する。

【００１１】最初に、本実施の形態に係る半導体圧力セ
ンサの基本構造について説明する。

【００１２】本半導体圧力センサは、ＳｉＯＮその他の
絶縁膜とｎ型シリコン単結晶膜との２層構造を有するダ
イアフラムに形成されたｐ型拡散抵抗層(以下、ピエゾ
抵抗と呼ぶ)のピエゾ抵抗効果を利用して、差圧と静圧
の双方を検出する拡散型圧力センサ、即ち、複合センサ
である。その基本構造は、図１に示すように、差圧に感
応する差圧用ダイアフラム６５と静圧に感応する静圧用
ダイアフラム６６とを有するセンサチップ１００、圧力
導入口６８を有するポスト５９(通常、Ｆｅ−Ｎｉ合金
その他の金属製)、接着層６０(通常、低融点ガラス、パ
イレックスガラスその他のガラス製)等から成る。

【００１３】但し、本実施の形態では、必要上、差圧用
ダイアフラム６５の表面上に拘束用部材５８が形成され
ているため、差圧測定中に差圧用ダイアフラム６５の変
形がポスト５９の端面５９ａによって妨げられないよう
に、ポスト５９の端面５９ａと拘束用部材５８の先端と
の間には、μｍオーダーの初期間隙Δｔ₀が設けてあ
る。

【００１４】尚、工業上の理由等から、そのような初期
間隙Δｔ₀を設けるために十分な高さを有する接着層６
０の形成が困難であるような場合には、図２に示すよう
に、ポスト５９の端面５９ａ側に、その外縁に沿って、
適当な高さの凸部７３を形成しておけばよい。

【００１５】さて、センサチップ１００は、図３に示す
ように、ｎ型シリコン単結晶基板５１ａ上にボロンその
他の不純物の拡散によってｐ型高濃度不純物拡散層５１
ｂ(ｐ型拡散層５１ｂと呼ぶ)を形成したものである。そ
して、このセンサチップ１００の各コーナに位置する静
圧用ダイアフラム６６ａ,６６ｂ,６６ｃ,６６ｄは、ｐ
型拡散層５１ｂ側に形成された空洞６２内部の基準圧
と、自身の表面に印加された圧力との差(静圧)によって
変形する。また、このセンサチップ１００の中央に位置
する差圧用ダイアフラム６５は、ｐ型拡散層５１ｂに形
成された圧力導入口６３から導入された圧力と、自身の
表面に印加された圧力との差(差圧)によって変形する。
但し、本実施の形態では、非直線誤差の抑制と圧力感度
の向上とを狙って、この差圧用ダイアフラム６５の厚さ
を均一とはせずに、ピエゾ抵抗３１ａ,３１ｂ,３１ｃ,
３１ｄが形成されているリブ領域６７ａを除く周辺領域
６７ｂだけを薄肉化してある。

【００１６】ところで、差圧用ダイアフラム６５の表面
上には、その中央領域の外周に沿って、絶縁層３７を介
して、剛性を有する拘束用部材５８が環状に形成してあ
る。尚、この拘束用部材５８の形状に関する特別な制約
はない。従って、この拘束用部材５８の形状として、図
３に示したような環状以外の形状(例えば、多角形等)を
採用しても一向に構わない。また、途中で分断されてい
ても構わない。

【００１７】そして、ｐ型拡散層５１ｂ側にも、同様
に、差圧用ダイアフラム６５の中央領域６５ａの外周に
沿って環状に突起５７が形成してある。但し、この突起
５７の先端と差圧用ダイアフラム６５の裏面との間に、
μｍオーダーの初期間隙Δｔ₁を設けることによって、
初期の無負荷状態において突起５７の先端が差圧用ダイ
アフラム６５の裏面に接触しないようにしておく必要が
ある。尚、この突起５７の形状に関しても特別な制約は
ない。

【００１８】従って、この差圧用ダイアフラム６５の表
面に所定値以上の正圧ΔＰが印加されると、図４(ａ)に
示すように、この差圧用ダイアフラム６５の中央領域６
５ａの外周の上下移動が突起５７と拘束用部材５８とに
よって完全に阻止される。力の釣合い条件に従って、こ
のときの差圧用ダイアフラム６５の表面上における応力
分布には、図４(ｂ)に示すように、その中央領域６５ａ
内の外縁部付近と周辺領域６５ｂ内の外縁部付近の双方
に、以下に示す数式(１)(２)により与えられる引張応力
のピークσ₂,σ₁が現れる。

【００１９】 σ₁＝３×(Ｘ²−Ｚ²)×ΔＰ／(１６×ｈ²) ……(１) σ₂＝３×Ｙ²×ΔＰ／(１６×ｈ²) ……(２) ここで、Ｘは、差圧用ダイアフラム６５の外径であり、
Ｙ及びＺは、拘束用部材５８の内径及び外径であり、ｈ
は、差圧用ダイアフラム６５の肉厚である。

【００２０】そこで、差圧用ダイアフラム６５の表面の
周辺領域６５ｂ内の外縁部付近に、４本のピエゾ抵抗３
１ａ,３１ｃ,３２ａ,３２ｃを、その長手方向が(１０
０)結晶面上の結晶軸＜１１０＞方向Ａ₁に向かうように
配置してある。また、差圧用ダイアフラム６５の表面の
中央領域６５ａ内の外縁部付近には、４本のピエゾ抵抗
３１ｂ,３１ｄ,３２ｂ,３２ｄを、その長手方向が(１０
０)結晶面上の結晶軸＜１１０＞方向Ａ₂に向かうように
配置してある。そして、差圧用ダイアフラム６５の周辺
領域６５ｂ内の外縁部付近に配置された４本のピエゾ抵
抗３１ａ,３１ｂ,３１ｃ,３１ｄによって、以下に示す
数式(３)により与えられる電圧Ｖ₁を出力するホイート
ストンブリッジ４０ａを構成し、これとは別に、差圧用
ダイアフラム６５の中央領域６５ａ内の外縁部付近に配
置された４本のピエゾ抵抗３２ａ,３２ｂ,３２ｃ,３２
ｄによって、以下に示す数式(４)により与えられる電圧
Ｖ₂を出力するホイートストンブリッジ４０ｂを構成し
てある(図５参照)。

【００２１】 Ｖ₁＝(１／２)×π₄₄×(１−ν)×σ₁×Ｖ ……(３) Ｖ₂＝(１／２)×π₄₄×(１−ν)×σ₂×Ｖ ……(４) ここで、νは、差圧用ダイアフラム６５のポワソン比で
あり、π₄₄は、各ピエゾ抵抗３１ａ,３１ｂ,３１ｃ,３
１ｄ,３２ａ,３２ｂ,３２ｃ,３２ｄの剪断のピエゾ抵抗
係数である。

【００２２】以上の数式(１)(２)(３)(４)より導出され
る数式(５)より、３つの形状パラメータＸ,Ｙ,Ｚを調整
することによって、２つのホイートストンブリッジ４０
ａ,４０ｂの出力電圧比Ｖ₁:Ｖ₂を自在に変更することが
できることが判る。即ち、本半導体圧力センサは、差圧
用ダイアフラム６５を１枚しか備えていないにも関わら
ず、図６に示すように、互いに異なる２つの圧力感度で
差圧を検出することができることが判る。

【００２３】例えば、所定の圧力感度Ｓとその４倍の圧
力感度４×Ｓとによる差圧の同時検出を可能とするため
には、２つのホイートストンブリッジ４０ａ,４０ｂの
出力電圧比Ｖ₁:Ｖ₂が４:１になるように、３つの形状パ
ラメータ比Ｘ:Ｙ:Ｚを５:２:３に設定すればよい。

【００２４】 Ｖ₁／Ｖ₂＝(Ｘ²−Ｚ²)／Ｙ² ……(５) また、各静圧用ダイアフラム６６ａ,６６ｂ,６６ｃ,６
６ｄの表面上にも、１本づつピエゾ抵抗３３ａ,３３ｂ,
３３ｃ,３３ｄをそれぞれ配置してある。但し、ピエゾ
抵抗３３ａ,３３ｃは、その長手方向が(１００)結晶面
上の結晶軸＜１１０＞方向Ａ₁に向かうように配置して
あり、ピエゾ抵抗３３ｂ,３３ｄは、その長手方向が(１
００)結晶面上の結晶軸＜０１１＞方向Ａ₂に向かうよう
に配置してある。そして、各静圧用ダイアフラム６６
ａ,６６ｂ,６６ｃ,６６ｄの表面上に配置されたピエゾ
抵抗３３ａ,３３ｂ,３３ｃ,３３ｄによって、静圧に応
じた電圧Ｖ₃を出力するホイートストンブリッジ４０ｃ
を構成してある(図５参照)。

【００２５】また、シリコンチップ１００上にはピエゾ
抵抗３４が更にもう１本、その長手方向が(１００)結晶
面上の結晶軸＜１００＞方向Ａ₃に向かうように、即
ち、周囲の温度変化にのみ感応するように配置されてい
るため、このピエゾ抵抗３４(以下、温度センサ３４と
呼ぶ)にも電源から励起電圧Ｖが供給されるようにして
おく(図５参照)。

【００２６】尚、５４ａ,５４ｂ,５４ｃ,５４ｄは、各
静圧用ダイアフラム６６ａ,６６ｂ,６６ｃ,６６ｄを形
成する際に利用した不要な犠牲層(後述)をエッチングす
るために開けた貫通穴６４を塞ぐ厚膜である。また、３
５,３６は、ホイートストンブリッジ等を構成するため
に各ピエゾ抵抗から引き出した引出線であり、１,２,
３,４,５,６,７,８,９,１０,１１,１２,１３,１４,１
５,１６は、これらの引出線３５,３６を相互に接続する
ためのコンタクトパッド(アルミニウム)である。そし
て、これらの引出線３５,３６の内、少なくとも、差圧
用ダイアフラム６５の表面上、ピエゾ抵抗の近傍その他
の温度ヒステリシスによる影響が大きな領域に敷設され
る引出線３５は、ボロンその他の不純物の拡散によって
形成されていることが望ましいが、接着層７４の外側そ
の他の温度ヒステリシスによる影響が小さな領域に敷設
されてる引出線３６は、アルミニウムその他の低抵抗の
導体によって形成されていても一向に差し支えない。

【００２７】次に、図７により、本半導体圧力センサの
製造方法について説明する。

【００２８】まず、(ａ)に示すように、ｎ型シリコン単
結晶５１ａにボロンその他の不純物を高濃度に拡散させ
ることによって、その表面にｐ型拡散層５１ｂを形成す
る。更に、このｐ型拡散層５１ｂに部分的にリンその他
のイオンを注入することによって、その表面に５つのｎ
型高濃度不純物拡散層５５ａ,５５ｂ、即ち、差圧用ダ
イアフラム６５の下地となるべきｎ型高濃度不純物拡散
層５５ａ(以下、第一犠牲層５５ａと呼ぶ)、及び、各静
圧用ダイアフラム６６ａ,６６ｂ,６６ｃ,６６ｄ５５ｂ
の下地となるべきｎ型高濃度不純物拡散層５５ｂ(以
下、第二犠牲層５５ｂと呼ぶ)を形成する。但し、前述
の圧力導入口６３及び突起５７(図１参照)を形成する関
係上、位置に応じて厚さが異なる第一犠牲層５５ａを形
成するための工夫、例えば、ｐ型拡散層５１ｂへのイオ
ン注入過程において加速器の加速電圧の切替等の工夫が
必要となる。

【００２９】このようにして第一犠牲層５５ａと第二犠
牲層５５ｂの形成が終了したら、その後、ＣＶＤ法を用
いて、ＳｉＯＮ、ＳｉＯ₂、ＳｉＮ、Ａｌ₂Ｏ₃その他の
絶縁物を堆積させることによって、これら２つの拡散層
５１ｂ,５５上に適当な厚さの絶縁膜５２を形成する。
更に、この絶縁膜５２上にｎ型シリコン単結晶基板を貼
り合わた後、グラインディングによって適当な厚さのｎ
型シリコン単結晶膜５３に仕上げる。或るいは、ｎ型シ
リコン単結晶のエピタキシャル成長、ｎ型シリコン単結
晶の堆積等によって、絶縁膜５２上にｎ型シリコン単結
晶膜５３を形成するようにしても構わない。

【００３０】その後、(ｂ)に示すように、ｎ型シリコン
単結晶膜５３にボロンその他の不純物を高濃度に拡散さ
せることによって、このｎ型シリコン単結晶膜５３の表
面上の所定の位置にピエゾ抵抗３１ａ,３１ｂ,３１ｃ,
３１ｄ,３２ａ,３２ｂ,３２ｃ,３２ｄ,３３ａ,３３ｂ,
３３ｃ,３３ｄ,３４を形成する。具体的には、静圧用ダ
イアフラム６６ａ,６６ｂ,６６ｃ,６６ｄとなるべき領
域のそれぞれにピエゾ抵抗３３ａ,３３ｂ,３３ｃ,３３
ｄを１本づつ形成する。また、差圧用ダイアフラム６５
の中央領域６５ａとなるべき領域の外縁部付近と、周辺
領域６５ｂとなるべき領域の外縁部付近とに、それぞ
れ、４つのピエゾ抵抗３１ａ,３１ｂ,３１ｃ,３１ｄ,３
２ａ,３２ｂ,３２ｃ,３２ｄを形成する。また、ダイア
フラムが形成されていないセンサチップ１００上の肉厚
領域に、温度センサとなるべきピエゾ抵抗３４を形成す
る。周囲の温度変化に対してのみゲージ抵抗値Ｒの変化
を示すようにするためである。

【００３１】更に、図６に示した各ホイートストーンブ
リッジが形成されるように、温度ヒステリシスによる影
響が大きな領域には、ｎ型シリコン単結晶膜５３にボロ
ンその他の不純物を高濃度に拡散させることによって引
出線３５を形成し、それ以外の領域には、アルミニウム
その他の低抵抗導体を蒸着させることによって引出線３
６を形成する。或るいは、ボロンその他の不純物の拡散
によって、全ての引出線を形成するようにしても構わな
い。

【００３２】その後、(ｃ)に示すように、ホトレジスト
を用いて、ｎ型シリコン単結晶膜５３の表面上にレジス
トパターン５６を形成した後、このレジストパターン５
６をマスクとして、ｎ型シリコン単結晶膜５３と絶縁膜
５２をエッチングする。これにより、静圧の検出精度に
悪影響を与えない箇所に、外部と第二犠牲層５５ｂをつ
なぐ貫通穴６４が形成される。そして、圧力導入口６３
となるべき部位６３ａと貫通穴６４とから、ＳｉＯＮや
ｐ型拡散層よりもｎ型シリコン単結晶に対するエッチン
グ速度が速いエッチング液(例えば、ヒドラジン)を導入
することによって、第一犠牲層５５ａと第二犠牲層５５
ｂとを完全に除去する。そして、不要なエッチング液を
回収すれば、前述の突起５７と圧力導入口６３とが完成
する。

【００３３】その後、(ｄ)に示すように、不要なレジス
トパターン５６を洗浄によって除去した後、差圧用ダイ
アフラム６５の中央領域６５ａとなるべき領域の外周に
沿って帯状にＳｉＯ₂その他の絶縁層３７を形成する。
そして、貫通穴６４の内部に、アルミニウムその他の厚
膜５４ａ,５４ｂ,５４ｃ,５４ｄを詰め込むことによ
り、第二犠牲層５５ｂ除去後の空洞６２を気密封止す
る。これによって、前述の静圧用ダイアフラム６６ａ,
６６ｂ,６６ｃ,６６ｄが完成する。また、これと同一工
程において、絶縁膜３７の表面上にも厚膜５８を形成す
ることによって、前述の拘束用部材５８を完成させる。
より厚い拘束用部材５８が必要である場合には、この拘
束用部材５８だけを形成する工程を別途設けることが望
ましい。

【００３４】その後、(ｅ)に示すように、エッチングに
よって、差圧用ダイアフラム６５の周辺領域６５ｂとな
るべき領域を部分的に薄肉化するれば、前述の差圧用ダ
イアフラム６５、即ち、リブ領域６７ａを除く周辺領域
６７ｂだけが薄肉化された差圧用ダイアフラム６５が完
成する。尚、このときのエッチングによって貫通穴さえ
空かなければ、図８(ａ)に示すように、ｎ型シリコン単
結晶膜５３の一部が完全に除去されてしまっても構わな
いし、図８(ｂ)に示すように、絶縁膜５２にまでエッチ
ングが及んでしまっていても一向に構わない。

【００３５】以上の一連の処理から判るように、本実施
の形態に係る半導体圧力センサを製造するためには、既
に確立されたマイクロマシニング技術だけを活用すれば
十分である。

【００３６】ところで、本半導体圧力センサにとって、
差圧用ダイアフラム６５上の拘束用部材５８は必須のも
のという訳ではない。例えば、図９に示すように、差圧
用ダイアフラム６５上に拘束用部材５８が形成されてい
なくても、差圧用ダイアフラム６５の支持端となるべき
突起５７さえｐ型拡散層５１ｂに形成されていれば、差
圧用ダイアフラム６５上における応力分布には、その中
央領域６５ａの外縁部付近と周辺領域６５ｂの外縁部付
近の双方に引張応力のピークが現れるからである。但
し、このようにした場合には、差圧用ダイアフラム６５
上に拘束用部材が形成されている場合ほどは急峻な応力
分布を得ることができないため、ある程度の圧力感度の
低下や非直線誤差の増加を来すのは止むを得ない。

【００３７】また、差圧用ダイアフラム６５上における
ピエゾ抵抗の配置には、幾通りかの代替案がある。

【００３８】例えば、図１０に示すように、差圧用ダイ
アフラム６５の周辺領域５６ｂ内には、圧縮応力のピー
ク(図４中のσ₃)が現れている内縁部付近に、２本のピ
エゾ抵抗３１ａ,３１ｃを、その長手方向が(１００)結
晶面上の結晶軸＜１１０＞方向Ａ₁に向かうように配置
するようにし、２本の抵抗３１ｂ,３１ｄを、その長手
方向が(１００)結晶面上の結晶軸＜０１１＞方向Ａ₂に
向かうように配置するようにしても構わない。

【００３９】或るいは、図１１に示すように、差圧用ダ
イアフラム６５の周辺領域６５ｂ内には、圧縮応力のピ
ークσ₃が現れている内縁部付近に、その長手方向が(１
００)結晶面上の結晶軸＜１１０＞方向Ａ₁に向かう２本
のピエゾ抵抗３１ｂ,３１ｄを対称に配置して、引張応
力のピークσ₁が現れている外縁部付近にも、その長手
方向が(１００)結晶面上の結晶軸＜１１０＞方向Ａ₁に
向かう２本のピエゾ抵抗３１ａ,３１ｃを対称に配置す
るようにしても構わない。

【００４０】或るいは、図１２に示すように、差圧用ダ
イアフラム６５の周辺領域６５ｂ内には、圧縮応力のピ
ークσ₃が現れている内縁部付近に、その長手方向が(１
００)結晶面上の他方の結晶軸＜０１１＞方向Ａ₂に向か
う２本のピエゾ抵抗３１ｂ,３１ｄを対称に配置して、
引張応力のピークσ₁が現れている外縁部付近にも、そ
の長手方向が(１００)結晶面上の結晶軸＜０１１＞方向
Ａ₂に向かう２本のピエゾ抵抗３１ａ,３１ｃを配置する
ようにしても構わない。

【００４１】最後に、本半導体圧力センサの代表的な用
途を挙げておく。

【００４２】本半導体圧力センサは、ダイアフラム型差
圧伝送器の検出端として使用することができる。そのた
めには、まず、図１３に示すように、本半導体圧力セン
サをハーメチックシール容器７５に組み込んでおく必要
がある。具体的には、溶接若しくは接着によって、ハー
メチックシール容器７５の高圧側プロセス接続口１２０
に本半導体圧力センサのポスト５９を固定した後、ハー
メチックシール容器７５に設けられた出力端子７６と本
半導体圧力センサのコンタクトパッドとの間をリードワ
イヤ７７で接続しておく必要がある。

【００４３】このようにした状態で、図１４に示すよう
に、ダイアフラム型差圧伝送器のハウジング８０の内部
に組み込む。但し、組込状態において、ダイアフラム型
差圧伝送器のハウジング８０の高圧側プロセス接続口８
１ｂには、ハーメチックシール容器７５の高圧側プロセ
ス接続口１２０に連結され、ダイアフラム型差圧伝送器
のハウジング８０の低圧用プロセス接続口８１ａには、
本半導体圧力センサの圧力導入口６３が連結されるよう
になっている。即ち、高圧側シールダイアフラム８２ｂ
に印加された圧力が、シリコーンオイルその他の封入液
８３ｂによって、本半導体圧力センサの差圧用ダイアフ
ラム６５と静圧用ダイアフラム６６ａ,６６ｂ,６６ｃ,
６６ｄの各表面に伝達され、高圧側シールダイアフラム
８２ａに印加された圧力が、シリコーンオイルその他の
封入液８３ａによって、本半導体圧力センサの差圧用ダ
イアフラム６５の裏面に伝達されるようになっている。

【００４４】そして、ハーメチックシール容器７５の出
力端子７６の出力電圧、即ち、ホイートストンブリッジ
４０ａの出力電圧Ｖ₁、ホイートストンブリッジ４０ｂ
の出力電圧Ｖ₂、ホイートストンブリッジ４０ｃの出力
電圧Ｖ₃、温度センサ３４の出力電圧Ｖ₄が、フレキシブ
ルプリント回路８５上の配線パターンを通じて信号処理
部９３へと入力されると、この信号処理部９３では、ま
ず、マルチプレクサ８６が、これら複数の入力電圧Ｖ₁,
Ｖ₂,Ｖ₃,Ｖ₄を切り替えながら、プログラマブルゲイン
アンプ８７へと入力する。そして、プログラマブルゲイ
ンアンプ８７が増幅した各入力電圧Ｖ₁,Ｖ₂,Ｖ₃,Ｖ
₄は、Ａ／Ｄ変換器８８によってデジタル変換された
後、マイクロプロセッサ８９へと入力される。

【００４５】そして、マイクロプロセッサ８９は、ＲＯ
Ｍ９０に格納されている静圧補正用マップを参照して、
温度センサ３４の出力電圧Ｖ₄とホイートストンブリッ
ジ４０ｃの出力電圧Ｖ₃の双方に対応する静圧データＤ₃
を算出する。そして、この静圧データをバッファメモリ
(不図示)に格納しておく。尚、ここでいう静圧補正用マ
ップとは、温度毎に、ホイートストンブリッジ４０ｃの
実出力電圧Ｖ₃と、これに温度補償を施した静圧データ
とを対応付けて格納させておいた補正処理用のマップの
ことである。

【００４６】また、マイクロプロセッサ８９は、ＲＯＭ
９０に格納されている差圧補正用マップを参照して、温
度センサ３４の出力電圧Ｖ₄とホイートストンブリッジ
４０ａの出力電圧Ｖ₁の双方に対応する差圧データＤ₁を
算出すると共に、温度センサ３４の出力電圧Ｖ₄とホイ
ートストンブリッジ４０ｂの出力電圧Ｖ₂の双方に対応
する差圧データＤ₂を算出する。尚、ここでいう差圧補
正用マップとは、温度毎に、ホイートストンブリッジ４
０ａ,４０ｂの実出力電圧Ｖ₁,Ｖ₂と、これに温度補償を
施した差圧データとを対応付けて格納させておいた補正
処理用のマップのことである。

【００４７】そして、マイクロプロセッサ８９は、ＲＯ
Ｍ９０に格納されているレンジ閾値データΔＰ₁を参照
し、これら２つの差圧データＤ₁,Ｄ₂とレンジ閾値デー
タΔＰ₁との大小関係に応じて、これら２つの差圧デー
タＤ₁,Ｄ₂の内から正規の差圧データを選択する。具体
的には、これら２つの差圧データＤ₁,Ｄ₂がレンジ閾値
データΔＰ₁よりも大きい場合には、ホイートストンブ
リッジ４０ｂの出力電圧Ｖ₂から算出した差圧データＤ₂
を選択し、これを正規の差圧データとしてバッファメモ
リ(不図示)に格納しておく。それ以外の場合には、ホイ
ートストンブリッジ４０ａの出力電圧Ｖ₁から算出した
差圧データＤ₁を選択し、これを正規の差圧データとし
てバッファメモリ(不図示)に格納しておく。つまり、Δ
Ｐ₁＜ΔＰ＜ΔＰ₂の高圧レンジにおいては、直線性は良
好であるが圧力感度の低い出力電圧Ｖ₂から差圧データ
を算出し、０≦ΔＰ≦ΔＰ₁の低圧レンジにおいては、
直線性は劣るが圧力感度の高い出力電圧Ｖ₁から差圧デ
ータを算出するのである。換言すれば、圧力レンジ毎に
圧力感度を自動的に切り替えるのである。

【００４８】最終的に、マイクロプロセッサ８９は、バ
ッファメモリ(不図示)に格納されている静圧データ及び
差圧データをＤ／Ａ変換器９１に入力する。そして、Ｄ
／Ａ変換器９１でデジタル変換された両データは、後段
のＶ／Ｉ変換器９２により発信信号(アナログ信号、デ
ジタル信号、アナログとデジタル信号との重畳信号等)
に変換された後、発信部に向けて出力される。

【００４９】このように、本半導体圧力センサを検出端
として採用し、更に、圧力レンジ毎に圧力感度が自動的
に切り換わるようにすれば、低圧レンジから高圧レンジ
に到る圧力測定に対応可能となる。即ち、ダイアフラム
型伝送器のレンジアビリティを向上させることができ
る。

【００５０】尚、図１及び図２に示すように、拘束用部
材５８の外径Ｚが圧力導入口６８の内径Ｄよりも大きく
なるようにしておけば、この拘束用部材５８によって差
圧用ダイアフラム６５の過度の変形が阻止されるので、
過大圧(吸圧)導入時における差圧用ダイアフラム６５の
破壊防止という新たな効果を達成することもできる。同
様に、この突起５７が、過大圧(加圧)導入時における差
圧用ダイアフラム６５の破壊防止に役立つということは
言うまでもない。従って、本半導体圧力センサを検出端
として採用すれば、過大圧導入時におけるダイアフラム
の破壊を防止をするために、わざわざ、発信信号のドリ
フトやヒステリシスの発生原因となるようなセンタダイ
アフラム等をダイアフラム型差圧伝送器のハウジングに
取り付ける必要がなくなる。即ち、本半導体圧力センサ
の採用は、ダイアフラム型差圧伝送器の製造工程の簡略
化対策、及び、ダイアフラム型差圧伝送器の発信信号の
安定化対策としても有用といえる。

【００５１】

【発明の効果】本発明によれば、複数の圧力感度を有す
る小型の半導体圧力センサ、即ち、低圧から高圧に到る
広範な圧力レンジをカバーする小型の半導体圧力センサ
を提供することができる。従って、例えば、本圧力セン
サを差圧伝送器の検出端として実装すれば、ダイアフラ
ム型差圧伝送器の測定圧力範囲の拡大を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る半導体圧力センサの
断面図の一例である。

【図２】本発明の実施の形態に係る半導体圧力センサの
断面図の一例である。

【図３】(ａ)は、本発明の実施の形態に係る半導体圧力
センサのセンサチップの上面図の一例であり、(ｂ)は、
そのＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ断面図である。

【図４】(ａ)は、差圧用ダイアフラムの変形を概念的に
示した断面図であり、(ｂ)は、その際の差圧用ダイアフ
ラム上における応力分布図である。

【図５】ピエゾ抵抗の結線図である。

【図６】本発明の実施の形態に係る半導体圧力センサの
出力特性を示した図である。

【図７】本発明の実施の形態に係る半導体圧力センサの
製造方法を説明するための図である。

【図８】本発明の実施の形態に係る半導体圧力センサの
センサチップのＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ断面図の一例であ
る。

【図９】(ａ)は、本発明の実施の形態に係る半導体圧力
センサのセンサチップの上面図の一例であり、(ｂ)は、
そのＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ断面図である。

【図１０】(ａ)は、本発明の実施の形態に係る半導体圧
力センサのセンサチップの上面図の一例であり、(ｂ)
は、そのＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ断面図である。

【図１１】(ａ)は、本発明の実施の形態に係る半導体圧
力センサのセンサチップの上面図の一例であり、(ｂ)
は、そのＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ断面図である。

【図１２】(ａ)は、本発明の実施の形態に係る半導体圧
力センサのセンサチップの上面図の一例であり、(ｂ)
は、そのＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ断面図である。

【図１３】本発明の実施の形態に係るダイアフラム型伝
送器の検出端の断面図である。

【図１４】本発明の実施の形態に係るダイアフラム型伝
送器の断面図である。

【符号の説明】

1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16…コンタクト
パッド 31a,31b,31c,31d,32a,32b,32c,32d,33a,33b,33c,33d…
ピエゾ抵抗 34…温度センサ用ピエゾ抵抗 35,36…引出線 37…絶縁層 40a…ホイートストーンブリッジ 40b…ホイートストーンブリッジ 40c…ホイートストーンブリッジ 51ａ…ｎ型シリコン単結晶基板 51ｂ…ｐ型拡散層 52…絶縁膜 53…ｎ型シリコン単結晶膜 54a,54b,54c,54d…厚膜 55a,55b…ｎ型拡散層 56…レジストパターン 57…突起部 58…拘束用部材 59…ポスト 60…接着層 62…基準圧の空洞 63…圧力導入口 65…相対圧ダイアフラム 65a…差圧用ダイアフラムの中央領域 65b…差圧用ダイアフラムの周辺領域 66a,66b,66c,66d…静圧用ダイアフラム 67…差圧用ダイアフラムのリブ領域 68…ポストの圧力導入口 75…ハーメチックシール容器 76…端子 77…リードワイヤ 80…ハウジング 81a…低圧側プロセス接続口 81b…高圧側プロセス接続口 82a…低圧側シールダイアフラム 82b…高圧側シールダイアフラム 83a,83b…封入液 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 92…Ｖ／Ｉ変換器 93…信号処理部 100…センサチップ 120…高圧側プロセス接続口

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板上に固定された差圧用ダイアフラムに
   配置された複数の歪みゲージによって、前記差圧用ダイ
   アフラムに印加された差圧に応じて変位した当該差圧ダ
   イアフラムの歪みを検出する差圧用センサであって、 前記基板は、当該基板側に前記差圧用ダイアフラムが所
   定の変位量だけ変位した時点から前記差圧用ダイアフラ
   ムの裏面の中央領域を囲む領域で当該差圧用ダイアフラ
   ムを支持する支持端を有し、 前記複数の歪みゲージの内の一部の歪みゲージは、前記
   差圧用ダイアフラムの表面の周辺領域の歪みを検出する
   ように、当該周辺領域に配置され、 前記複数の歪みゲージの内の一部の歪みゲージは、前記
   差圧用ダイアフラムの表面の中央領域の歪みを検出する
   ように、当該中央領域に配置されていることを特徴とす
   る差圧用センサ。
2. 【請求項２】基板上に固定された差圧用ダイアフラムに
   配置された複数の歪みゲージによって、前記差圧用ダイ
   アフラムに印加された差圧に応じて変位した当該差圧ダ
   イアフラムの歪みを検出する差圧用センサであって、 前記基板は、当該基板側に前記差圧用ダイアフラムが所
   定の変位量だけ変位した時点から前記差圧用ダイアフラ
   ムの裏面の中央領域を囲む領域で当該差圧用ダイアフラ
   ムを支持する支持端を有し、 前記差圧用ダイアフラムの表面の周辺領域には、長手方
   向がダイアフラムの半径方向に平行である歪みゲージ
   と、長手方向がダイアフラムの接線方向に平行である歪
   みゲージとがそれぞれ２個づつ配置され、 前記差圧用ダイアフラムの表面の中央領域には、長手方
   向がダイアフラムの半径方向に平行である歪みゲージ
   と、長手方向がダイアフラムの接線方向に平行である歪
   みゲージとがそれぞれ２個づつ配置され、 前記差圧用ダイアフラムの表面の中央領域には配置され
   た４個の歪みゲージと、前記差圧用ダイアフラムの表面
   の周辺領域に配置された４個の歪みゲージは、それぞ
   れ、ホイートストーンブリッジを形成してていることを
   特徴とする差圧用センサ。
3. 【請求項３】請求項２記載の差圧用センサであって、 前記差圧用ダイアフラムに前記差圧が印加されていない
   状態において、前記支持単と前記差圧用ダイアフラムと
   の間には所定の空隙が形成されていることを特徴とする
   差圧用センサ。
4. 【請求項４】請求項２または３記載の差圧用センサであ
   って、 前記差圧用ダイアフラムの裏面の中央領域を囲む帯域領
   域で当該差圧用ダイアフラムを支持することを特徴とす
   る差圧用センサ。
5. 【請求項５】請求項２、３及び４の内の何れか１項記載
   の差圧用センサであって、 前記差圧用ダイアフラムの表面の中央領域を囲む帯域領
   域には、前記差圧によって当該差圧用ダイアフラムを前
   記支持端に押し当てる拘束用部材が形成されていること
   を特徴とする差圧用センサ。
6. 【請求項６】請求項２、３、３及び５の内の何れか１項
   記載の差圧用センサであって、 前記差圧用ダイアフラムは、前記歪みゲージが配置され
   た領域を除く周辺領域が前記歪みゲージが配置された領
   域よりも肉薄に形成されていることを特徴とする差圧用
   センサ。
7. 【請求項７】差圧と静圧の双方を検出可能な複合センサ
   であって、 請求項２、３、４、５及び６の何れか１項記載の差圧用
   センサの基板上に、前記静圧の基準圧用空洞を有する静
   圧用ダイアフラムが固定され、 前記静圧用ダイアフラムの表面には４個の歪みゲージが
   配置され、当該４個の歪みゲージは、ホイートストーン
   ブリッジを形成していることを特徴とする複合センサ。
8. 【請求項８】請求項７記載の複合センサであって、 更に、 当該複合センサの温度変化を検出する温度センサを備え
   ることを特徴とする複合センサ。
9. 【請求項９】検端として請求項８記載の複合センサを備
   え、当該複合センサによって検出された差圧を遠隔地に
   伝送する差圧伝送器であって、 前記複合センサの温度毎に当該複合センサの各ホイート
   ストーンブリッジの出力信号値の補正値を記憶した第一
   記憶手段と、 前記複合センサの各ホイートストーンブリッジ毎に、前
   記記憶手段から前記温度センサの検出した温度に対応す
   る補正値をそれぞれ取り出し、当該補正値を用いて前記
   複合センサの各ホイートストーンブリッジの出力信号値
   をそれぞれ補正する補正手段と、 前記複合センサの差圧用ホイートストーンブリッジの補
   正後の出力信号値に応じて、前記複合センサの２つの差
   圧用ホイートストーンブリッジの内の何れか一方の差圧
   用ホイートストーンブリッジを選択する選択手段と、 前記差圧として、前記選択手段に選択された一方の差圧
   用ホイートストーンブリッジの補正後の出力信号値を伝
   送する伝送手段とを備えることを特徴とする差圧伝送
   器。
10. 【請求項１０】請求項９記載の差圧伝送器であって、 第一の圧力が印加される第一シールダイアフラムと、 前記第一シールダイアフラムに印加された圧力を前記複
    合センサの差圧用ダイアフラムの表面に伝達する封入液
    を蓄えた第一室と、 第二の圧力が印加される第二シールダイアフラムと、 前記第二シールダイアフラムに印加された圧力を前記複
    合センサの差圧用ダイアフラムの表面に伝達する封入液
    を蓄えた第二室とを備えることを特徴とする差圧伝送
    器。