(57)【要約】【課題】ピエゾ電気型（抵抗型、圧電型）の圧力センサを、圧力検知の感度を高く、特に微小な圧力変化の検知すること。【解決手段】圧電膜４に印加される圧力により圧電膜４が撓むことで、圧電膜４の内部に発生する電界の変化を、複数の圧電容量、つまり中心電極５３と下部電極５１との間の圧電容量、および外部電極５４と下部電極５１と間の圧電容量を基にした圧電膜４内部の電圧の変位をそれぞれ検知し、検知回路（差動増幅回路）９により増幅信号を導き出すことができる。このため、圧電膜４が撓むことによる電圧の変位に含まれる不要なノイズ、および電源電圧のばらつきなどのノイズを差し引いて相殺することができ、圧電膜４に印加された圧力をこれらのノイズによる影響を受けることなく高感度で検知することができる。【選択図】図１
2010107417.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
肉薄部と該肉薄部に隣接する肉厚部とを有する基板と、
前記肉薄部上に配置された可撓性を有する圧電膜と、
前記圧電膜上に形成され、平面視で前記肉薄部の略中心に形成された中心電極、および該中心電極に離間して形成され該中心電極を囲むように形成された外部電極、を有する上部電極と、
前記肉薄部と前記圧電膜との間に形成され、前記上部電極に対向して配置された下部電極と、
前記中心電極と前記外部電極とに電気的に接続する差動回路を有する検知回路と、を備え、
前記圧電膜が撓むことにより、前記中心電極と前記下部電極との間に発生する電圧と前記外部電極と前記下部電極との間に発生する電圧との差分を、前記検知回路により検知することを特徴とする圧力センサ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の圧力センサ装置において、
前記圧電膜が撓むことで前記中心電極および前記外部電極のそれぞれに発生する電荷の極性が、前記中心電極と前記外部電極とで互いに異なることを特徴とする圧力センサ装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の圧力センサ装置において、
前記圧電膜が撓むことにより生ずる電束密度が負となる領域に前記中心電極と前記外部電極の一方を配置し、前記電束密度が正となる領域に前記中心電極と前記外部電極の他方を配置したことを特徴とする圧力センサ装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧力センサ装置において、
前記下部電極に、参照電位を印加していることを特徴とする圧力センサ装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧力センサ装置において、
前記圧電膜および前記外部電極が、前記肉厚部と前記肉薄部の境界を跨いで配置されていることを特徴とする圧力センサ装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧力センサ装置において、
前記基板は、半導体材料からなることを特徴とする圧力センサ装置。
【請求項７】
請求項６に記載の圧力センサ装置において、
一つの半導体基板に前記基板と前記検知回路を設けたことを特徴とする圧力センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体業界において、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）とＩＣとの融合が進み、複合化された種々の半導体装置が開発されている。このようなものとして、特に、加速度センサ、ジャイロセンサ、あるいはタイミングデバイスとしてのリゾネータ等の開発が精力的に行なわれるようになっている。また、ＭＥＭＳデバイスとＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）と融合や集積化については、まだ課題が多く残されており、様々な技術開発が進められている。
【０００３】
従来、圧力を検知するための圧力センサとしては、一般的に、静電容量型、ピエゾ抵抗型、ピエゾ圧電型などのものが用いられており、特に、ピエゾ抵抗型と呼ばれるものが主流となっている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−２７６４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、静電容量型の圧力センサは、たとえば図１５（ａ）に示す圧力センサ１００のように、一定のギャップを有するダイアフラム１０１が圧力差によって可動とされており、その容量変化を検出する構成とされていることから、作動に要する消費電力が小さい。このため、特に、低消費電力が必要とされる用途に用いられている。しかしながら、このような静電容量型の圧力センサは感度が低いため、一定以上の感度を確保するためにはダイアフラム１０１を大面積とする必要があるとともに構造が複雑になる。このため、例えば、上述したようなＭＥＭＳの分野において、図１５（ａ）に示すような静電容量型の圧力センサ１００を適用しようとしても、静電容量型の圧力センサと、圧力センサに印加された圧力を検知するためのＣＭＯＳ回路などとを一体に形成することが困難であるという問題がある。
【０００６】
また、ピエゾ抵抗型の圧力センサは、たとえば図１５（ｂ）および図１５（ｃ）に示す圧力センサ１１０，１２０のように、半導体薄膜１１１，１２１上のブリッジ抵抗１１２が圧力を受けて歪を生じ、この際の抵抗値の変化を電圧変換して検出する構成とされており、高い感度を有するとともに、上述のＭＥＭＳの分野に適用する場合においても、圧力センサとＣＭＯＳ回路などを容易に一体化させることが可能である。しかしながら、このようなピエゾ抵抗型の圧力センサ１１０，１２０では、ブリッジ抵抗１１２に常時、定電流を流し続ける必要があるため、低消費電力を要する用途には不向きであるという問題がある。特に、高温域における動作精度を確実に向上させるためには、さらに定電流回路などを付加する必要があるため、一層の消費電流の増大を招くという問題がある。
【０００７】
また、ピエゾ圧電型の圧力センサは、たとえばシリコン基板が薄膜化されてなるダイアフラム上の圧電膜が圧力を受けて歪を生じ、この際の電圧変位を検出する構成とされており、消費電力が小さく、また、上述のＭＥＭＳの分野に適用する場合においても、圧力センサとＣＭＯＳ回路等を容易に一体化させることが可能である。しかしながら、従来のピエゾ圧電型の圧力センサは、圧力検知の感度が低く、特に微小な圧力変化の検知が必要な用途に用いることが困難であるという問題があった。
このため、ＣＭＯＳ回路などの半導体回路との一体形成が容易であるとともに、消費電力が小さく、また、圧力検知の感度に優れる圧力センサ（圧力センサ装置）が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題の少なくとも一部を解決するためになされたものである。以下の形態または適用例により実現することが可能である。
【０００９】
［適用例１］本適用例にかかる圧力センサ装置は、肉薄部と該肉薄部に隣接する肉厚部とを有する基板と、前記肉薄部上に配置された可撓性を有する圧電膜と、前記圧電膜上に形成され、平面視で前記肉薄部の略中心に形成された中心電極、および該中心電極に離間して形成され該中心電極を囲むように形成された外部電極、を有する上部電極と、前記肉薄部と前記圧電膜との間に形成され、前記上部電極に対向して配置された下部電極と、前記中心電極と前記外部電極とに電気的に接続する差動回路を有する検知回路と、を備え、前記圧電膜が撓むことにより、前記中心電極と前記下部電極との間に発生する電圧と前記外部電極と前記下部電極との間に発生する電圧との差分を、前記検知回路により検知することを要旨とする。
【００１０】
これによれば、圧電膜に印加される圧力により圧電膜が撓むことで、圧電膜の内部に発生する電界の変化を、複数の圧電容量、つまり中心電極と下部電極との間の圧電容量、および外部電極と下部電極と間の圧電容量を基にした圧電膜内部の電圧の変位をそれぞれ検知し、検知回路（差動増幅回路）により電圧差を増幅信号として導き出すことができる。このため、圧電膜が撓むことによる電圧の変位に含まれる不要なノイズ、および電源電圧のばらつきなどのノイズを差し引いて相殺することができ、圧電膜に印加された圧力をこれらのノイズによる影響を受けることなく高感度で検知することができる。
【００１１】
［適用例２］上記適用例にかかる圧力センサ装置において、前記圧電膜が撓むことで前記中心電極および前記外部電極のそれぞれに発生する電荷の極性が、前記中心電極と前記外部電極とで互いに異なることが好ましい。
【００１２】
これによれば、圧電膜に印加される圧力により圧電膜が撓むことによる、中心電極と下部電極との間の圧電容量、および外部電極と下部電極と間の圧電容量を基にした圧電膜内部の電圧の変位が微小であっても、中心電極と外部電極とで発生する電荷の極性が異なるため、その差動出力電圧を大きくすることができる。そして、中心電極と外部電極とからなる差動出力電極を差動回路を有する検知回路へ接続することで、検出感度検出感度が高く、上述と同様にノイズによる影響を受けることのない、高感度な圧力センサ装置を実現ことができる。
【００１３】
［適用例３］上記適用例にかかる圧力センサ装置において、前記圧電膜が撓むことにより生ずる電束密度が負となる領域に前記中心電極と前記外部電極の一方を配置し、前記電束密度が正となる領域に前記中心電極と前記外部電極の他方を配置したことが好ましい。
【００１４】
これによれば、圧電膜に印加される圧力により圧電膜が撓むことによる、中心電極と下部電極との間の圧電容量、および外部電極と下部電極と間の圧電容量を基にした圧電膜内部の電圧の変位が微小であっても、電束密度が負となる領域に中心電極と外部電極との一方を配置し、電束密度Ｄ3が正となる領域に中心電極と外部電極との他方を配置するため、中心電極と外部電極とで発生する電荷の極性が異なるため、その差動出力電圧を大きくすることができる。そして、中心電極と外部電極とからなる差動出力電極を差動回路を有する検知回路へ接続することで、検出感度が高く、上述と同様にノイズによる影響を受けることのない、高感度な圧力センサ装置を実現することができる。
【００１５】
［適用例４］上記適用例にかかる圧力センサ装置において、前記下部電極に、参照電位を印加していることが好ましい。
【００１６】
これによれば、差動増幅回路などの検出器に入力する電圧レベルを、参照電圧Ｖrefを用いて制御することが出来るため、検出器の性能（増幅率など）を最適な値に設定することができる。従って、圧電膜内部の電圧の変位を検知でき高感度で検知することができる。
【００１７】
［適用例５］上記適用例にかかる圧力センサ装置において、前記圧電膜および前記外部電極が、前記肉厚部と前記肉薄部の境界を跨いで配置されていることが好ましい。
【００１８】
これによれば、圧電膜に印加される圧力により圧電膜が撓むことで、圧電膜内部において圧縮応力や引張り応力が集中するダイアフラム周辺部の境界（肉厚部と前記肉薄部の境界）でより多くの電荷が発生するため、圧電膜に印加された圧力を効率よく検知することができる。
【００１９】
［適用例６］上記適用例にかかる圧力センサ装置において、前記基板は、半導体材料からなることが好ましい。
【００２０】
これによれば、基板上に半導体材料からなる検知回路を形成することができ、肉薄部（センシング領域）と検知回路とを一体化することができる。
【００２１】
［適用例７］上記適用例にかかる圧力センサ装置において、一つの半導体基板に前記基板と前記検知回路を設けたことが好ましい。
【００２２】
これによれば、一つの半導体基板において、肉厚部の上に検知回路を形成することができ、肉薄部をセンシング領域として形成した一体化された圧力センサ装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下の実施形態では、圧力センサ装置を一例に挙げて説明する。
【００２４】
（実施形態）
図１は本実施形態の圧力センサ装置の一例を示す断面模式図である。図２は圧力センサ装置に印加される圧力を検出するための半導体回路（差動増幅回路）の一例を示す概略図である。図３は圧力センサ装置と半導体回路とを接続した場合の等価回路を示す概略図である。図４は本実施形態の圧力センサ装置を示す断面模式図である。図５は圧力センサ装置の他例を示す断面模式図である。
【００２５】
図１に示すように圧力センサ装置１は、第１基板２１と、埋め込み酸化膜（埋め込み絶縁膜）３と、第２基板２２と、圧電膜４と、電極５と、被覆層８とを備えている。
第１基板上２１上に埋め込み酸化膜３が積層され、埋め込み酸化膜３上に第２基板２２が積層して形成されている。そして、第２基板２２上に圧電膜４および電極５が積層して形成されている。第２基板２２上において、圧電膜４および電極５が配置される領域に対応する第１基板２１の少なくとも一部が除去されてセンシング領域Ａ（図４参照）が形成されている。即ち、第１基板２１と、埋め込み酸化膜３と、第２基板２２とで、肉薄部とそれに隣接する肉厚部を有する基板２を構成している。電極５は、第２基板２２上で圧電膜４との間に形成された下部電極５１と、圧電膜４上に形成された上部電極５２とからなる。下部電極５１と上部電極５２とは、圧電膜４を挟んで対向して配置されている。上部電極５２は、少なくとも２個以上設けられ、中心電極５３および外部電極５４を構成している。また、被覆層８は、第２基板２２、圧電膜４、および電極５を覆うように、形成されている。
【００２６】
第１基板２１および第２基板２２は、単結晶シリコンからなる半導体支持基板である。第１基板２１上に積層された埋め込み酸化膜３上に、第２基板２２が積層して設けられることで、いわゆるＳＯＩ（Silicon On Insulator）構造を有する基板２が構成される。また、第１基板２１および第２基板２２は、シリコンと同等の半導体材料からなる構成とすることも可能である。そして、第１基板２１の厚さは３００μｍ程度とし、第２基板２２厚さは１μｍ〜４０μｍとする。埋め込み酸化膜３の厚さは、１μｍ〜５μｍとする。
第２基板２２の表面２２ａには、下部電極５１、圧電膜４、および上部電極５２が順番に積層されている。また、第１基板２１は、第２基板２２上において圧電膜４および下部電極５１が配置された領域に対応する部分の、ほぼ全体に相当する領域が深堀りＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）によって除去され、第１基板２１の裏面２１ａ側から埋め込み酸化膜３が露出している。これにより、第１基板２１の除去部分に対応する部分（肉薄部）の埋め込み酸化膜３および第２基板２２がダイアフラム６とされている。
なお、基板２は半導体材料を用いたものの他に、水晶などの圧電基板を用いることができる。また、基板２は必ずしも積層構造である必要はなく、例えば水晶などの圧電基板の中央部をエッチングすることで肉薄部とそれに隣接する肉厚部を形成した基板であっても良い。
【００２７】
埋め込み酸化膜３の材料としては、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜、あるいはこれらと同等の半導体酸化膜など、従来公知の材料を用いることができ、熱酸化法やＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などを用いて第１基板２１上に形成することができる。ここで、ＣＶＤ法を用いる場合には、第２基板２２は、多結晶シリコン膜からなる。
【００２８】
圧力センサ装置１は、ＳＯＩ構造を有する基板２が備えられてなるので、上述のように、第１基板２１の一部を深堀りＲＩＥによって除去する際、埋め込み酸化膜３がエッチングストッパとして作用する。これにより、第１基板２１においてエッチングで除去された部分に対応し、第２基板２２および埋め込み酸化膜３からなる薄膜とされたダイアフラム６の膜厚の制御をより向上させることが可能となる。
【００２９】
圧電膜４は、可撓性を有し、圧力センサ装置１を用いて圧力を検知する際、印加された圧力によって生じる歪に応じて電荷量が変化するものであり、第２基板２２の表面２２ａに形成された下部電極５１上に積層されている。そして、圧電膜４は、略円形に形成されている。
【００３０】
圧電膜４の材料としては、圧電作用を有する従来公知の圧電材料を何ら制限無く用いることができるが、中でも、Ｃ軸方向に配向しやすいＩＩＩ−Ｖ族またはＩＩＩ―ＶＩ族元素からなる六方晶ウルツ鉱型のものを好適に用いることができる。たとえば、ウルツ結晶構造を有するＡｌＮ（窒化アルミニウム）もしくはＺｎＯ（酸化亜鉛）、またはペロブスカイト構造を有するＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などを用いることが好ましい。また、Ｌｉ2Ｂ4Ｏ7（四ホウ酸リチウム）あるいはＬｉＮｂＯ3（ニオブ酸リチウム）など圧電材料を用いてもよい。本実施形態では、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）を、反応性スパッタ法を用いて堆積させることにより、所望の配向および圧電定数を有する圧電膜４を形成する。ここで、反応性スパッタ法は、スパッタ装置のチャンバ内を減圧雰囲気の状態にし、このチャンバ内においてＡｒガスとＮ2ガスとの流量比を１：１として、純Ａｌのターゲットに対してプラズマを放電させるという成膜方法である。また、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）の替わりに、ＺｎＯ（酸化亜鉛）を堆積させて圧電膜４を形成する場合は、純Ｚｎのターゲットを用い、チャンバ内においてＮ2ガスの替わりにＯ2ガスを供給することにより、所望の配向および圧電定数を有する圧電膜４を形成するとしてもよい。
【００３１】
電極５は、圧電膜４で生じる電圧変位を検出するための電極である。そして、上述したように、電極５は、下部電極５１と、上部電極５２とからなり、上部電極５２は、中心電極５３および外部電極５４とからなる。
図２（ａ）に示すように、下部電極５１は、基板２の第２基板２２と圧電膜４との間に形成され、上部電極５２に対向して配置されている。
図２（ｂ）に示すように、下部電極５１は、圧電膜４と同様に略円形に形成されている。そして、下部電極５１には、略円形の圧電膜４の外周からはみ出て露出する端子部５１ｂが形成されている。また、上部電極５２は、圧電膜４上の略中心に設けられ略円形に形成される中心電極５３と、中心電極５３と離間して設けられるとともに、中心電極５３を囲むように環状に形成される外部電極５４とからなる構成とされている。
【００３２】
電極５の材料は、下部電極５１にＰｔ（白金）を用い、上部電極５２（中心電極５３および外部電極５４）にＡｌ（アルミニウム）を用いる。ここで、電極５の材料としては、Ｐｔ（白金）およびＡｌ（アルミニウム）、に限ることなく、従来公知の金属からなる電極材料を用いることができる。たとえば、Ａｕ（金）、Ｎｉ（ニッケル）などのＦＣＣ構造金属膜、Ｍｏ（モリブデン）、Ｃｒ（クロム）、Ｗ（タングステン）などのＢＣＣ構造金属膜、Ｚｒ（ジルコニア）、Ｃｏ（コバルト）、Ｔｉ（チタン）などのＨｅｘａ構造金属膜、ＴｉＮ（窒化チタン）、Ｒｕ（ルテニウム）などを好適に用いることができる。下部電極５１は、単結晶シリコンからなる第２基板２２の表面２２ａに形成されるとしたが、これに限るものではなく、下部電極５１と第２基板２２との密着性を向上させるため、第２基板２２の表面２２ａに、Ｔｉ（チタン）、Ｍｏ（モリブデン）などの金属層を成膜し、その金属層の上に下部電極５１を形成するとしてもよい。
【００３３】
下部電極５１は、純Ｐｔのターゲットを用いてスパッタリングによりＰｔを堆積させる。そして、フォトリソグラフィ法により、レジストを用いて下部電極５１のパターニングを行なうことで、堆積されたＰｔのうち、パターニングから露出したＰｔをエッチングにより除去する。これにより、Ｐｔからなる下部電極５１を形成する。ここで、Ｐｔのエッチング方法としては、王水（塩酸と硝酸を３：１で混合した混酸）を用いたウェットエッチング法、またはＨＢｒとＣｌ2の混合ガスを用いたドライエッチング法などが用いられる。
また、圧電膜４のパターニングは、前述の反応性スパッタリング法により基板全面にＡｌＮを形成したのち、フォトリソグラフィ法によりレジストパターニングを施し、アルカリ溶液（水酸化テトラメチルアンモニウム溶液：１％〜２５％）を用いたウェットエッチング法により行なう。
【００３４】
上部電極５２は、純Ａｌのターゲットを用いて、上述と同様にスパッタリングによりＡｌを堆積させる。そして、上述と同様にパターニングおよびエッチングにより、Ａｌからなる上部電極５２を形成する。ここで、スパッタリングは、上述の圧電膜４の形成における反応性スパッタ法とほぼ同様であるが、Ｎ2ガスを用いないことが相違する点である。
このため、圧電膜４と上部電極５２とを、連続的に同一のチャンバ内で形成することができる。つまり、ＡｌＮからなる圧電膜４を形成した後、引続きＡｒを供給しつつもＮ2の供給を停止することで、Ａｌからなる上部電極５２を形成する。但し、この場合は上部電極５２と圧電膜４のエッチングも連続的に行なう必要がある。また、圧電膜４の材料としてＡｌＮを用い、上部電極５２の材料として純Ａｌを用い、圧電膜４および上部電極５２を反応性スパッタ法で成膜する例を説明したが、これには限定されない。たとえば、ターゲットにＺｎ（亜鉛）を用い、チャンバ内にＡｒガスとＯ2ガスとを供給し、Ｏ2ガスの供給および停止を行なうことにより、ＺｎＯからなる圧電膜４およびＺｎからなる上部電極５２を連続して形成するとしてよい。また、圧電膜４と上部電極５２との材料の組合せは、上述の組合せに限られることなく、適宜選択することができる。
【００３５】
圧力センサ装置１は、上述のように、上部電極５２が中心電極５３および外部電極５４からなる構成である。このため、下部電極５１と中心電極５３との間の圧電膜４で得られる圧電容量と、下部電極５１と外部電極５４との間の圧電膜４で得られる圧電容量とがそれぞれ異なる。これにより、圧力センサ装置１は、２つの異なる圧電容量を有するものとなる。
そして、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、圧力センサ装置１に印加される圧力を検出するための半導体回路（差動増幅回路）である検知回路９に、下部電極５１および上部電極５２（中心電極５３および外部電極５４）が電気的に接続されている。これにより、図３の等価回路に示すように、２つの異なる圧電容量を生成する回路が並列に接続された状態となる。圧電膜４に定電圧を印加した状態で、圧電膜４に圧力が印加された際に、圧電膜４内部の電界に変化が生じる。この際、下部電極５１と中心電極５３との間、ならびに下部電極５１と外部電極５４との間の、２つの異なる圧電容量を基にした圧電膜４内部の電圧の変位を検知し、この電圧の変位差を導き出すことにより、圧電膜４内部における微小な電圧変位を検知することが可能となる。
【００３６】
圧力センサ装置１を用いて圧力検知を行なう際は、たとえば図２（ａ）に示すカレントミラー回路と差動回路によって構成される検知回路（差動増幅回路）９を用いることができる。この検知回路９は、ｐＭＯＳとｎＭＯＳとを直列に接続したものを２対備え、この２対を対称に配置した構成である。この２対のうち一方は、ｐＭＯＳとｎＭＯＳとの間に、出力端子Ｖoutに接続されている。ｐＭＯＳは、ドレイン電源電圧Ｖddに接続されている。中心電極５３および外部電極５４は、それぞれのｎＭＯＳのゲート電極に接続されている。下部電極５１は、参照電圧Ｖrefに接続されている。ｎＭＯＳは、間欠動作スイッチＶenを介して、ソース電源電圧Ｖssに接続されている。これにより、下部電極５１と中心電極５３との間、ならびに下部電極５１と外部電極５４との間の、２つの異なる圧電容量を基にした圧電膜４内部の電圧の変位差を導き出す。そして、同相ノイズを差し引いて、電源からのノイズを無くすことができるので、高感度で圧力を検知することが可能となる。そして、電圧の変位差を導き出した電圧値をＶoutから圧力検知信号として出力する。
【００３７】
被覆層８は、上述したように、第２基板２２、圧電膜４、および電極５を覆うように設けられた保護被覆膜である。被覆層８は、ＣＶＤ法を用いて、たとえば酸化シリコンあるいは窒化シリコンから形成することができる。
【００３８】
このようにして、圧力センサ装置１の下部電極５１および上部電極５２に、検知回路９を電気的に接続した半導体装置３０（図４参照）を得る。ここでは、半導体装置３０についての説明は省略し、以下の圧力検知の原理を説明した後に、説明を行なう。
【００３９】
以下に、圧力センサ装置１および検知回路（差動増幅回路）９を用いて圧力検知を行なう際の原理について詳細に説明する。
まず、中心電極５３および外部電極５４を参照電圧Ｖrefに接続し、外部電極５４にソース電源電圧Ｖssとドレイン電源電圧Ｖddとの間に接続した状態で、第１基板２１の裏面２１ａ側からダイアフラム６に圧力が印加されると、ダイアフラム６が変形し、圧電膜４に応力が加わる。この際、圧電膜４の内部において、印加される応力に応じて内部電界が変化し、圧電膜４の内部に電圧変位が生じる。ここで、下部電極５１と中心電極５３との間と、下部電極５１と外部電極５４との間とでは発生する応力が異なるため、それぞれの応力に応じた電荷が発生し、それぞれの電圧の変位が生じる。これらを検知回路９のｎＭＯＳにそれぞれ入力する。検知回路９は、それぞれの電圧の変位差を導き出した電圧値をＶoutから圧力検知信号として出力する。
ここで、本実施形態の圧力センサ装置１は、上述したように、下部電極５１、中心電極５３及び外部電極５４を備え、圧電膜４の内部において、下部電極５１と中心電極５３間、および下部電極５１と外部電極５４との間がそれぞれ異なる圧電容量として構成されていることから、圧電膜４の内部から２つの異なる圧電容量を基にした圧電膜４内部の電圧の変位を検知し、高感度の圧力検知が可能となる。
【００４０】
ここで、図１および図２に示す圧力センサ装置１は、圧電膜４上に形成される上部電極５２が、一対の中心電極５３および外部電極５４から構成されているが、これに限定されるものではない。たとえば、中心電極５３を囲むように複数の外部電極５４が設けられた構成とすることも可能である。
【００４１】
また、本実施形態の圧力センサ装置１は、図１に示したＳＯＩ構造を有する基板２が用いられた構成に限定されるものではない。たとえば、図５に示す例の圧力センサ装置１０のように、シリコン単層からなる基板１２上に、圧電膜４および各電極が形成された構成とすることも可能である。また、シリコン単層からなる基板１２上に、埋め込み酸化膜３を形成し、埋め込み酸化膜３上に圧電膜４および各電極が形成された構成とすることも可能である。
【００４２】
以下、内部に２個以上の異なる圧電容量を有する圧電膜４について説明する。
本実施形態の圧力センサ装置１は、上述したように、圧電膜４の下側に配置される下部電極５１と、圧電膜４上に配置される複数の上部電極５とを備え、実質的に、圧電膜４の内部に２個以上の異なる圧電容量を有した構成とされることにより、高感度の圧力検知を可能としている。以下に、図６〜図１４を参照し、その原理について詳述する。図６〜図１４は、本実施形態の圧力センサ装置１に備えられる圧電膜４、下部電極５１、および上部電極５２と、これらによって得られる複数の圧電容量との関係を説明するための模式図である。
【００４３】
図６（ａ）、（ｂ）に示すように、ここでは、センシング領域Ａが円形にエッチング除去された基板Ｓｕｂ１上に、センシング領域Ａを覆うようにして下部電極５１が配置され、下部電極５１上に圧電膜４が積層されている。そして、圧電膜４上に上部電極５２が形成されている。上部電極５２は、圧電膜４上の中心の位置に中心電極５３を配置し、中心電極５３を囲むように環状に形成された外部電極５４を配置してなる圧力センサ装置Ｃを例に挙げて説明する。
中心電極５３の中心５３ａから外周部５３ｂまでが距離ｒ1、中心電極５３の中心５３ａから外部電極５４の内周部５４ａまでが距離ｒ2、中心電極５３の中心５３ａから外部電極５４の外周部５４ｂまでが距離ｒ3とする。
【００４４】
図６（ａ）、（ｂ）に示す圧力センサ装置Ｃにおいては、下部電極５１、圧電膜４、中心電極５３、および外部電極５４からなる積層体が円形のダイアフラム６をなす。このようなダイアフラム６に対して差圧（ゲージ圧）ΔＰが印加された際、ダイアフラム６の下面に発生する応力は、図７に示すような形で表されるとともに、以下に示す一般式（１）、（２）、および（３）で解析的に与えられる（参考文献：“The MEMS Handbook”Mohamed Gad-el-Hak，CRC Press，p.25-2）。
【００４５】
【数１】
2010107417.tif 000003
【００４６】
【数２】
2010107417.tif 000004
【００４７】
【数３】
2010107417.tif 000005
【００４８】
ここで、一般式（１）から（３）において、ｈは圧電膜４の厚さ、ａはダイアフラム６の半径、νは圧電膜４のポアソン比、σr、σtは、それぞれダイアフラム中心から外周側へ距離ｒの位置における法線方向の応力と接線方向の応力であり、以下の各一般式においても同様である。
ここで、σr（ｒ）、σt（ｒ）は、中心からの距離ｒにより、tensile/compressiveが変化する。また、この際のポアソン比νと応力ｆr、ｆtの関係は、以下に示す一般式（４）、（５）、（６）、および（７）によって表される。
【００４９】
【数４】
2010107417.tif 000006
【００５０】
【数５】
2010107417.tif 000007
【００５１】
【数６】
2010107417.tif 000008
【００５２】
【数７】
2010107417.tif 000009
【００５３】
一般式（４）、（５）、（６）、および（７）において、ポアソン比νは、通常は−１より大きく０．５未満の範囲となる。
【００５４】
上述のような関係とされたダイアフラム６の様子を図示すると、図８に示すグラフおよび図９に示す模式図のような状態で表される。図９で、記号（Ｔ）はtensileを表し、記号（Ｃ）はcompressiveを表す。また、ダイアフラム６中心からの距離ｒとσr、σtとの関係によって変化するtensile/compressiveは、以下に示す表１に示す関係で表される。
【００５５】
【表１】
2010107417.tif 000010
【００５６】
また、図８、図９、および表１において示すｒ1、ｒ2は、ポアソン比νと以下に示す一般式（８）、（９）とで求まるｒ１´、ｒ２´にセンシング領域Ａの半径を乗ずることで決定される。
【００５７】
【数８】
2010107417.tif 000011
【００５８】
【数９】
2010107417.tif 000012
【００５９】
一方、圧電膜４として、ＺｎＯ、ＡｌＮなどの六方晶ウルツ鉱型の材料（class６mm）を適用した場合、応力によって発生する電圧変位Ｄ（電束密度）は、以下に示す一般式（１０）で表される。
【００６０】
【数１０】
2010107417.tif 000013
【００６１】
ここで、一般式（１０）は、電界圧＝０とした場合であり、また、Ｔ１およびＴ２はσtに相当し、Ｔ３は−σrに相当する。
【００６２】
ここで、本実施形態では、図１０（ａ）、（ｂ）に示す模式図における結晶軸方向のうち、結晶軸Ｚの電束密度Ｄ3のみを捉えれば良いので、以下に示す一般式（１１）で示す関係が成り立つ。
【００６３】
【数１１】
2010107417.tif 000014
【００６４】
ここで、一般式（１１）において、ｄ33＞０、ｄ31＜０である場合には、σr、σt及びＤ3と、薄膜ダイアフラム中心からの距離ｒとは、以下に示す表２に示すような関係となる。そして、ｄ33＞０、ｄ31＞０である場合には、以下に示す表３に示す関係となる。ここで、ｄ31は、上部電極５２の厚み方向（圧力が印加される方向）の圧電定数、ｄ33は、上部電極５２の半径ｒ方向（圧力が印加される方向と直交する方向）の圧電定数である。
【００６５】
【表２】
2010107417.tif 000015
【００６６】
【表３】
2010107417.tif 000016
【００６７】
したがって、上述したようなＡｌＮまたはＺｎＯなど、ｄ33＞０、ｄ31＜０である材料を圧電膜４に用いた場合には、図１１に示すように、中心電極５３を、中心５３ａからの距離がｒ1以内となる範囲で形成し、外部電極５４を、中心５３ａからの距離がｒ2以上となる範囲で形成すれば、圧電膜４内部における微小な電圧変位を検知することができ、圧力検知感度を向上させることが可能となる。
このとき、図６に示す外部電極５４の外周部５４ｂまでが距離ｒ3は、ダイアフラム６の半径ａ以上でもよく、センシング領域Ａの外側へ跨いで形成されていてもよく、圧電膜４の外周まで形成されていてもよい。
【００６８】
また、Ｌｉ2Ｂ4Ｏ7やＬｉＮｂＯ3など、ｄ33＞０、ｄ31＞０である材料を圧電膜４に用いた場合には、図１２に示すように、中心電極５３を、中心５３ａからの距離がｒ1以内となる範囲で形成し、外部電極５４を、中心５３ａからの距離がｒ1以上ｒ2以下となる範囲で形成すれば、圧電膜４内部における微小な電圧変位を検知することができ、圧力検知感度を向上させることが可能となる。
【００６９】
また、図１３に示すように、複数の外部電極５４が設けられた構成とすることも可能であり、図示例では２つの外部電極５４，５５が設けられている。このような場合には、例えば、中心電極５３を、中心５３ａからの距離がｒ1以内となる範囲で形成し、その外側の外部電極５４を、中心５３ａからの距離がｒ1以上ｒ2以下となる範囲で形成し、その外側の外部電極５５を、中心５３ａからの距離がｒ2以上となる範囲で形成する。これにより、圧電膜４内部における微小な電圧変位を検知することができ、圧力検知感度を向上させることが可能となる。
【００７０】
ここで、図６（ａ）、（ｂ）では、センシング領域Ａにおいて、基板Ｓｕｂ１が貫通するように除去された圧力センサ装置Ｃを用いて説明したが、図１および図５などに示すように、第１基板２１の一部が薄膜化されてなり、この領域に下部電極５１、圧電膜４、中心電極５３、および外部電極５４が積層されてなる圧力センサ装置１についても同様に適用することができる。
ここで、例えば、図１４に示すように、シリコンからなる基板Ｓｕｂ２上に下部電極５１が形成され、この上に積層された圧電膜４の上に、上部電極５２として、中心電極５３下部電極５１、および外部電極５４が設けられてなる圧力センサ装置Ｇとした場合、ポアソン比は以下に示す一般式（１２）を用いて概算で算出できる。
【００７１】
【数１２】
2010107417.tif 000017
【００７２】
ここで、一般式（１２）において、ｔ1は基板Ｓｕｂ２の薄膜部厚さ、ｔ2は圧電膜４の厚さ、ν1は基板Ｓｕｂ２のポアソン比、ν2は圧電膜４のポアソン比である。
一般式（１２）を用いることにより、図１４に示す圧力センサ装置Ｇにおいて、中心電極５３の中心５３ａからの距離ｒ1，ｒ2の最適値を算出することが可能である。
【００７３】
以下に、図６（ａ）、（ｂ）の模式図に示す例の圧力センサ装置Ｃにおいて、圧電膜４の材料としてＺｎＯまたはＡｌＮを用いた場合の距離ｒ1，ｒ2について、以下に示す表４に示す実際の物性値を基に算出する。
【００７４】
【表４】
2010107417.tif 000018
【００７５】
圧電膜４にＡｌＮを用いた場合、表４に示すｄ31、ｄ33、ｄ15、およびνの各物性値から、各距離ｒ1、ｒ2が、以下に示す一般式（１３）、（１４）で求まるｒ１´、ｒ２´にセンシング領域Ａの半径を乗ずることで決定される。
【００７６】
【数１３】
2010107417.tif 000019
【００７７】
【数１４】
2010107417.tif 000020
【００７８】
これにより、圧電膜４にＡｌＮを用い、センシング領域Ａの半径を１００μｍとした場合には、ｒ1が約６２μｍ、ｒ2が約８４μｍとなる。
また、圧電膜４にＺｎＯを用いた場合、表４に示すｄ31、ｄ33、ｄ15、およびνの各物性値から、各距離ｒ1、ｒ2が、以下に示す一般式（１５）、（１６）で求まるｒ１´、ｒ２´にセンシング領域Ａの半径を乗ずることで決定される。
【００７９】
【数１５】
2010107417.tif 000021
【００８０】
【数１６】
2010107417.tif 000022
【００８１】
一般式（１５）、（１６）より、圧電膜４の材料にＡｌＮを用いた場合と、ＺｎＯを用いた場合とでは、各距離ｒ1、ｒ2が近似していることから、中心電極５３と外部電極５４を、同様の寸法関係で配置可能であることがわかる。
【００８２】
本実施形態の圧力センサ装置は、各一般式を用いて説明した原理により、圧電膜４の内部で発生した微小な電圧変位を検知することが可能であり、圧力検知感度に優れたものとなる。
【００８３】
以上説明した本実施形態の圧力センサ装置によれば、第１基板２１と、第１基板上２１に積層される埋め込み酸化膜３と、埋め込み酸化膜３上に積層される第２基板２２とを備え、第２基板２２上に圧電膜４及び電極５が積層して形成されており、第２基板２２上において圧電膜４及び電極５が配置される領域に対応する第１基板２１の少なくとも一部が除去され、電極５は、第２基板２２上に形成される下部電極５１と、下部電極５１上に積層された圧電膜４上に形成される上部電極５２とからなり、上部電極５２が中心電極５３及び外部電極５４からなるものなので、圧電膜４における電位の変化を、複数の圧電容量を基にして検出することができ、低消費電力であるとともに優れた圧力検知感度を有し、また、半導体回路との一体形成が容易な圧力センサ装置が実現できる。
【００８４】
以下に、本実施形態の半導体装置について、図４（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。
本実施形態の半導体装置３０は、第１基板２１と、埋め込み酸化膜（埋め込み絶縁膜）３と、第２基板２２とを備えている。そして、第２基板２２上に圧電膜４および電極５が積層して形成されている。第２基板２２上において、圧電膜４および電極５が配置される領域に対応する第１基板２１の少なくとも一部が除去されることによってなるセンシング領域Ａが備えられており、電極５は、第２基板２２上に形成される下部電極５１と、下部電極５１上に積層された圧電膜４上に形成される上部電極５２とからなり、この上部電極５２が、少なくとも２個以上設けられており、埋め込み酸化膜３上に、電極５の各々と電気的に接続され、圧電膜４に印加された圧力を検知して圧力検知信号を出力する差動増幅回路を用いた検知回路（ＣＭＯＳ回路）９が形成され、概略構成されている。
また、図示例の半導体装置３０は、上部電極５２が、圧電膜４上の略中心に設けられる中心電極５３と、中心電極５３と離間して設けられ、且つ、中心電極５３を囲むように環状に形成される外部電極５４とから構成されている。
【００８５】
半導体装置３０は、上記構成のように、圧電膜４および電極５が第２基板２２上に配置され、これら圧電膜４および電極５が配置される領域に対応する第１基板２１の少なくとも一部、圧電膜４および第２基板２２全体に対応する位置で第１基板２１が除去され、この部分が埋め込み酸化膜３及び第２基板２２からなる薄膜のダイアフラム６として形成されることにより、上述した圧力センサ装置１と同様のセンシング領域Ａが含まれる構成とされている。
また、半導体装置３０に備えられるセンシング領域Ａは、センシング領域Ａを構成する第１基板２１、第２基板２２、埋め込み酸化膜３、圧電膜４、および電極５の各々を、上述した本実施形態の圧力センサ装置１と同様の材料を用い、同様の方法で得ることができる。
【００８６】
さらに、半導体装置３０は、埋め込み酸化膜３上に検知回路（差動増幅回路）９が備えられている。この検知回路９は、図２に例示した検知回路９と同様の回路を内蔵するものであり、各電極との間で、図示略の配線手段によって電気的に接続されている。
また、半導体装置３０は、埋め込み酸化膜３上において、検知回路９、第２基板２２およびその上の各層が配されている領域を除き、表面に、図４では図示省略したが、酸化シリコンあるいは窒化シリコンからなる被覆層８が、図１に示すように形成されている。
【００８７】
本実施形態の半導体装置３０によれば、第２基板２２上に圧電膜４および電極５が積層して形成されるとともに、第２基板２２上において圧電膜４および電極５が配置される領域に対応する第１基板２１の少なくとも一部が除去され、電極５が、第２基板２２上に形成される下部電極５１と、下部電極５１上の圧電膜４の上に形成される中心電極５３および外部電極５４とからなる構成のセンシング領域Ａが備えられたものなので、圧電膜４における電位の変化を、２つの異なる圧電容量を基にして検出することができることから、低消費電力であるとともに圧力検知感度に優れたものとなる。
【００８８】
なお、図４（ａ）、（ｂ）に示す半導体装置３０は、圧電膜４および下部電極５１が配された領域において、第１基板２１のみがエッチングによって除去された構成とされているが、これには限定されない。例えば、圧電膜４および下部電極５１が配された領域において、少なくとも埋め込み酸化膜３および第２基板２２の一部が除去されてなる構成とすることも可能である。
また、半導体装置３０においては、圧電膜４上において、中心電極５３を囲むように、環状の外部電極５４を１箇所に設けた構成としているが、これには限定されず、たとえば中心電極５３を囲むように複数の外部電極５４が備えられた構成としても良い。
【００８９】
したがって、本実施形態によれば、圧電膜４に印加される圧力Ｐにより圧電膜４が撓むことで、圧電膜４の内部に発生する電界の変化を、複数の圧電容量、つまり中心電極５３と下部電極５１との間の圧電容量、および外部電極５４と下部電極５１と間の圧電容量を基にした圧電膜４内部の電圧の変位をそれぞれ検知し、検知回路（差動増幅回路）９により電圧差を増幅信号として導き出すことができる。このため、圧電膜４が撓むことによる電圧の変位に含まれる不要なノイズ、および電源電圧（ドレイン電源電圧）Ｖddのばらつきなどのノイズを差し引いて相殺することができ、圧電膜４に印加された圧力Ｐをこれらのノイズによる影響を受けることなく高感度で検知することができる。
【００９０】
これによれば、圧電膜４に印加される圧力Ｐにより圧電膜４が撓むことによる、中心電極５３と下部電極５１との間の圧電容量、および外部電極５４と下部電極５１と間の圧電容量を基にした圧電膜４内部の電圧の変位が微小であっても、中心電極５３と外部電極５４とで発生する電荷の極性が異なるため、その差動出力電圧を大きくすることができる。そして、中心電極５３と外部電極５４とからなる差動出力電極を差動回路を有する検知回路９へ接続することで、検出感度が高く、上述と同様にノイズによる影響を受けることのない、高感度な圧力センサを実現することができる。
【００９１】
これによれば、圧電膜４に印加される圧力Ｐにより圧電膜４が撓むことによる、中心電極５３と下部電極５１との間の圧電容量、および外部電極５４と下部電極５１と間の圧電容量を基にした圧電膜４内部の電圧の変位が微小であっても、電束密度Ｄ3が負となる領域に中心電極５３と外部電極５４との一方（たとえば中心電極５３）を配置し、電束密度Ｄ3が正となる領域に中心電極５３と外部電極５４との他方（たとえば外部電極５４）を配置するため、中心電極５３と外部電極５４とで発生する電荷の極性が異なるため、その差動出力電圧を大きくすることができる。そして、中心電極５３と外部電極５４とからなる差動出力電極を差動回路を有する検知回路９へ接続することで、検出感度が高く、上述と同様にノイズによる影響を受けることのない、高感度な圧力センサを実現することができる。
【００９２】
これによれば、差動増幅回路などの検出器（検知回路９）に入力する電圧レベルを、参照電圧Ｖrefを用いて制御することが出来るため、検出器（検知回路９）の性能（増幅率など）を最適な値に設定することができる。従って、圧電膜４内部の電圧の変位を検知でき高感度で検知することができる。
【００９３】
これによれば、圧電膜４に印加される圧力Ｐにより圧電膜４が撓むことで、圧電膜４内部において圧縮応力や引張り応力が集中するダイアフラム６周辺部の境界（肉厚部と肉薄部の境界）でより多くの電荷が発生するため、圧電膜４に印加された圧力を効率よく検知することができる。
【００９４】
これによれば、基板２の肉厚部上に半導体材料からなる検知回路９を形成することができ、センシング領域Ａ（肉薄部）と検知回路９とを一体化した半導体装置３０を提供することができる。
【００９５】
これによれば、一つの半導体基板において、肉厚部の上に検知回路９を形成することができ、肉薄部をセンシング領域Ａとして形成した一体化された圧力センサ装置１を提供することができる。
【００９６】
なお、上記課題の少なくとも一部を解決できる範囲での変形、改良などは前述の実施形態に含まれるものである。
【００９７】
たとえば、ＳＯＩ構造を有する基板２を用いたが、本実施形態ではこれには限らず、たとえばシリコン基板に熱酸化膜を形成し、さらに多結晶シリコン層を数μｍ形成した基板を用いても良い。
【００９８】
また、上述の実施形態では半導体装置について、圧力センサ装置を例に挙げて説明下がこれに限るものではなく、応力センサ、ＭＥＭＳマイク（高感度圧力センサ）、加速度センサなどに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】本実施形態の圧力センサ装置の一例を示す断面模式図。
【図２】圧力センサ装置に印加される圧力を検出するための半導体回路（差動増幅回路）の一例を示す概略図。
【図３】圧力センサ装置と半導体回路とを接続した場合の等価回路を示す概略図。
【図４】本実施形態の圧力センサ装置を示す断面模式図。
【図５】圧力センサ装置の他例を示す断面模式図。
【図６】本実施形態の圧力センサ装置によって得られる複数の圧電容量との関係を説明するための模式図。
【図７】本実施形態の圧力センサ装置によって得られる複数の圧電容量との関係を説明するための模式図。
【図８】本実施形態の圧力センサ装置によって得られる複数の圧電容量との関係を説明するための模式図。
【図９】本実施形態の圧力センサ装置によって得られる複数の圧電容量との関係を説明するための模式図。
【図１０】本実施形態の圧力センサ装置によって得られる複数の圧電容量との関係を説明するための模式図。
【図１１】本実施形態の圧力センサ装置によって得られる複数の圧電容量との関係を説明するための模式図。
【図１２】本実施形態の圧力センサ装置によって得られる複数の圧電容量との関係を説明するための模式図。
【図１３】本実施形態の圧力センサ装置によって得られる複数の圧電容量との関係を説明するための模式図。
【図１４】本実施形態の圧力センサ装置によって得られる複数の圧電容量との関係を説明するための模式図。
【図１５】従来例を示す概略図。
【符号の説明】
【０１００】
１…圧力センサ装置、２…基板、４…圧電膜、９…検知回路、３０…半導体装置、５１…下部電極、５２…上部電極、５３…中心電極、５４…外部電極、Ａ…センシング領域、Ｐ…圧力。
【図１】
2010107417.tif 000023
【図２】
2010107417.tif 000024
【図３】
2010107417.tif 000025
【図４】
2010107417.tif 000026
【図５】
2010107417.tif 000027
【図６】
2010107417.tif 000028
【図７】
2010107417.tif 000029
【図８】
2010107417.tif 000030
【図９】
2010107417.tif 000031
【図１０】
2010107417.tif 000032
【図１１】
2010107417.tif 000033
【図１２】
2010107417.tif 000034
【図１３】
2010107417.tif 000035
【図１４】
2010107417.tif 000036
【図１５】
2010107417.tif 000037