(57)【要約】【課題】半導体基板と台座基板との剥離、及びダイアフラム部の破損を防止して、高圧環境下でも使用可能な半導体圧力センサを提供する。【解決手段】本発明に係る半導体圧力センサ１は、半導体基板２と、前記半導体基板の一面から前記半導体基板に配された凹部３と、前記半導体基板のうち前記凹部の底面側をなし、薄板化された領域からなるダイアフラム部４と、前記半導体基板の一面に接合された台座基板１０と、前記台座基板に配され、前記ダイアフラム部へ被測定圧力を導入するための圧力導入口１１と、を備えた半導体圧力センサであって、前記凹部の側面と、前記半導体基板の一面に接合された台座基板の一面とがなす角度θが８０°以上であり、かつ、前記半導体基板の厚みをＴ、前記ダイアフラム部の面積をＳとした場合に、（Ｓ１／２  ／Ｔ）として表記される比率が２．５以下であることを特徴とする。【選択図】図１
2010091414.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、前記半導体基板の一面から前記半導体基板に配された凹部と、
前記半導体基板のうち前記凹部の底面側をなし、薄板化された領域からなるダイアフラム部と、
前記半導体基板の一面と接合された台座基板と、
前記台座基板に配され、前記ダイアフラム部へ被測定圧力を導入するための圧力導入口と、を備えた半導体圧力センサであって、
前記凹部の側面と、前記半導体基板の一面に接合された台座基板の一面とがなす角度θが８０°以上であり、かつ、
前記半導体基板の厚みをＴ、前記ダイアフラム部の面積をＳとした場合に、（Ｓ１／２  ／Ｔ）として表記される比率が２．５以下であることを特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体圧力センサを少なくとも搭載したことを特徴とする電子デバイス。
【請求項３】
請求項２に記載の電子デバイスを少なくとも搭載したことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体からなる基板を利用した半導体圧力センサ、該半導体圧力センサを備えた電子デバイス及び電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
小型で高精度な圧カセンサとして、例えば、シリコンウエハなどの半導体基板の一部を薄板化したダイアフラム部を形成し、このダイアフラム部に歪ゲージなどの感圧素子を配して、感圧素子の変化を測定することによって、ダイアフラム部に加わった圧力を検出する半導体圧力センサが知られている。
【０００３】
このような半導体圧力センサは、ダイアフラム部を有する半導体基板をガラスなどの台座基板（支持基板）に接合したものであるが、この半導体基板と台座基板とが剥離しやすく、使用環境によってダイアフラム部に強い圧力が加わると、半導体基板と台座基板とが剥離し、圧力センサが破損しやすいという問題があった。
【０００４】
このような、過度の圧力による半導体基板と台座基板との剥離という課題に対して、例えば特許文献１に記載された発明では、半導体基板の凹部における側面と、ダイアフラム部をなす頂面との境界部を丸めるとともに、凹部の側面と台座基板との接合部の角度を８０°以上とした半導体圧力センサが記載されている。
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載された構造の半導体圧力センサでは、半導体基板と台座基板との接合部に加わる応力の抑制効果は限定的であり、接合郎の破壊耐圧は１０ＭＰａに満たないものであった。このため、半導体圧力センサの使用可能な環境が限定されており、一層の高圧環境下での圧力検出にも耐えうる半導体圧力センサが望まれている。
【特許文献１】特開２００１−３４３２９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、このような従来の実情に鑑みて考案されたものであり、半導体基板と台座基板との剥離、及びダイアフラム部の破損を防止して、高圧環境下でも使用可能な半導体圧力センサを提供することを第一の目的とする。
また、本発明は、高圧環境下でも使用可能な半導体圧力センサを搭載した電子デバイスを提供することを第二の目的とする。
また、本発明は、高圧環境下でも使用可能な半導体圧力センサを搭載した電子機器を提供することを第三の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の請求項１に記載の半導体圧力センサは、半導体基板と、前記半導体基板の一面から前記半導体基板に配された凹部と、前記半導体基板のうち前記凹部の底面側をなし、薄板化された領域からなるダイアフラム部と、前記半導体基板の一面に接合された台座基板と、前記台座基板に配され、前記ダイアフラム部へ被測定圧力を導入するための圧力導入口と、を備えた半導体圧力センサであって、前記凹部の側面と、前記半導体基板の一面に接合された台座基板の一面とがなす角度θが８０°以上であり、かつ、前記半導体基板の厚みをＴ、前記ダイアフラム部の面積をＳとした場合に、（Ｓ１／２  ／Ｔ）として表記される比率が２．５以下であることを特徴とする。
本発明の請求項２に記載の電子デバイスは、請求項１に記載の半導体圧力センサを少なくとも搭載したことを特徴とする。
本発明の請求項３に記載の電子機器は、請求項２に記載の電子デバイスを少なくとも搭載したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明では、半導体基板に配された前記凹部の側面と、前記半導体基板の一面に接合された台座基板の一面とがなす角度θを８０°以上とし、かつ、半導体基板の厚みをＴ、ダイアフラム部の面積をＳとした場合に、（Ｓ１／２  ／Ｔ）として表記される比率を２．５以下としている。このように半導体基板の厚みＴと、ダイアフラム部の面積Ｓとの比率を規定することで、半導体基板と台座基板との接合強度を向上させることができる。その結果、本発明では、半導体基板と台座基板との剥離、及びダイアフラム部の破損を防止して、高圧環境下でも使用可能な半導体圧力センサを提供することができる。
また、本発明では、半導体基板と台座基板の接合強度が向上した半導体圧力センサを搭載しているので、高圧環境下でも使用可能な電子デバイスを提供することができる。
また、本発明では、半導体基板と台座基板の接合強度が向上した半導体圧力センサを搭載しているので、高圧環境下でも使用可能な電子機器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】
【０００９】
以下、本発明に係る半導体圧力センサの一実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１０】
図１は、本発明の半導体圧力センサの一構成例を模式的に示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。図１（ａ）は、図１（ｂ）のＡ−Ａ部分の断面に相当する。
この半導体圧力センサ１は、例えばシリコン基板等からなる半導体基板２と、前記半導体基板２の一面２ａから前記半導体基板２に配された凹部３と、前記半導体基板２のうち前記凹部３の底面側をなし、薄板化された領域からなるダイアフラム部４（感圧部とも言う。）と、前記ダイアフラム部４と隣接して配され、例えばワイヤ等を介して外部と電気的に接続されるパッド部５と、ダイアフラム部４の表面に配された感圧素子である４つのｐ型抵抗体（ピエゾ抵抗素子）Ｒ１〜Ｒ４と、前記半導体基板２の一面２ａに接合された台座基板１０と、前記台座基板１０に配され、前記ダイアフラム部４へ被測定圧力を導入するための圧力導入口１１と、から構成されている。
【００１１】
そして本発明の半導体圧力センサ１は、前記凹部３の側面３ａと、前記半導体基板２の一面２ａに接合された台座基板１０の一面１０ａとがなす角度θが８０°以上であり、かつ、前記半導体基板２の厚みをＴ、前記ダイアフラム部４の面積をＳとした場合に、（Ｓ１／２  ／Ｔ）として表記される比率が２．５以下であることを特徴とする。
【００１２】
本発明では、半導体基板２に配された前記凹部３の側面３ａと、前記半導体基板２の一面２ａに接合された台座基板１０の一面１０ａとがなす角度θを８０°以上とし、かつ、半導体基板２の厚みをＴ、ダイアフラム部４の面積をＳとした場合に、（Ｓ１／２  ／Ｔ）として表記される比率を２．５以下としている。このように半導体基板２の厚みＴと、ダイアフラム部４の面積Ｓとの比率を規定することで、圧力印加［ダイアフラム部に圧力が印加した］時に半導体基板２と台座基板１０との接合部で発生する応力集中を緩和することができ、破壊耐圧を向上させることができる。その結果、本発明の半導体圧力センサ１は、半導体基板２と台座基板１０との剥離、及びダイアフラム部４の破損を防止して、高圧環境下でも使用可能となる。
【００１３】
図１に示すように、この半導体圧力センサ１は、平板状の半導体基板を基材とし、この半導体基板の一面２ａにおいて、その中央域に位置する前記凹部３の底面側をなし、薄板化された領域をダイアフラム部４（感圧部）とする。このダイアフラム部４には感圧素子である抵抗体Ｒ１〜Ｒ４が配されている。このようなダイアフラム部４は、半導体基板２の一面２ａ側から例えばドライエッチング技術により異方性垂直エッチングを行い、凹部３を形成することで設けられる。
【００１４】
また、前記半導体基板の他面２ｂ（凹部３が形成された面２ａと反対側の面）において、前記ダイアフラム部４を除いた外縁域には、前記抵抗体Ｒ１〜Ｒ４ごとに電気的に接続されたパッド部５が配されている。
【００１５】
また、半導体圧力センサ１において、パッド部５を除く外縁域は、絶縁部（図示せず）によって覆われる形態が好ましい。絶縁部を設けることにより、抵抗体Ｒ１〜Ｒ４が絶縁部によって被覆した構成が得られる。また、絶縁部は、抵抗体Ｒ１〜Ｒ４の外気との接触を遮断するため抵抗体Ｒ１〜Ｒ４を汚染物質から保護する効果も有する。
【００１６】
感圧素子として機能するｐ型抵抗体（ピエゾ抵抗素子）Ｒ１〜Ｒ４は、ダイアフラム部４の圧力変動を検出する検出回路を構成するものであり、リード配線６を介して、いわゆるホイートストンブリッジ回路を構成するよう互いが接続されている。それぞれの抵抗体Ｒ１〜Ｒ４は外縁域のパッド部５までを配線部７によって電気配線接続されている。
【００１７】
このような抵抗体Ｒ１〜Ｒ４は、ダイアフラム部４の表面に配されており、例えば半導体基板中にボロンなどの拡散源を注入することによって形成することができる。
【００１８】
また、半導体基板２には、配線部７が設けられている。この配線部７は、例えばアルミニウムなどで形成される。そして、この配線部７の一端部は、リード配線６と電気的に接続され、他端部は、半導体基板２上に例えばアルミニウムなどによって形成されたパッド部５と電気的に接続されている。
【００１９】
このような半導体基板２は、抵抗体Ｒ１〜Ｒ４が配された面２ｂを上にして、反対側の面２ａを、例えばガラス板よりなる台座基板１０と、例えば陽極接合などの技術により接合されている。台座基板１０は例えばシリコン基板などでもよい。この台座基板１０には水や空気などの圧力媒体がダイアフラム部４に到達できるよう圧力導入口１１が形成されている。
【００２０】
ここで、本発明の半導体圧力センサ１では、前記凹部３の側面３ａと、前記半導体基板２の一面２ａに接合された台座基板１０の一面１０ａとのなす角度θが８０°以上となされている。これにより、圧力印加時の接合部での応力集中が緩和され、破壊耐圧を向上することができる。
【００２１】
さらに、本発明の半導体圧力センサ１では、前記半導体基板２の厚みをＴ、前記ダイアフラム部４の面積をＳとした場合に、（Ｓ１／２  ／Ｔ）として表記される比率が２．５以下となされている。
この比率（Ｓ１／２  ／Ｔ）と、半導体基板２と台座基板１０との接合部に発生する接合部歪みとの関係を、有限要素法によりシミュレーションした結果を図２に示す。ただし、図２はθを９０°とした場合である。
図２から明らかなように、比率（Ｓ１／２  ／Ｔ）が小さくなるにつれて接合部の歪みは低下していき、比率（Ｓ１／２  ／Ｔ）が２．５に達するあたりからその減少幅が少なくなり飽和領域に近づいている。
【００２２】
また、比率（Ｓ１／２  ／Ｔ）と、半導体基板２と台座基板１０との接合部の破壊耐圧について解析した結果を図３に示す。ただし、図３はθを９０°とした場合である。
図３から明らかなように、比率（Ｓ１／２  ／Ｔ）が２．５以下になると、接合部において１０ＭＰａ以上の耐圧性が確保できることが分かる。また比率（Ｓ１／２  ／Ｔ）を２．０以下まで下げることにより、１０ＭＰａ以上の破壊耐圧を安定して有する半導体圧力センサ１を実現することが可能となる。
【００２３】
このような半導体圧力センサ１において、半導体基板のダイアフラム部４（感圧部）に外力がかかると、ダイアフラム部４に歪みが発生し、ダイアフラム部４の表面に形成された個々のゲージ抵抗が変化する。この、ホイートストンブリッジ回路における抵抗の変化を用いてセンサ出力の変動をモニタし、圧力に換算する。
【００２４】
特に本発明の半導体圧力センサ１では、半導体基板２の厚みＴと、ダイアフラム部４の面積Ｓとの比率（Ｓ１／２  ／Ｔ）を規定することで、半導体基板２と台座基板１０の接合強度を向上させることができる。その結果、本発明の半導体圧力センサ１は、半導体基板２と台座基板１０との剥離、及びダイアフラム部４の破損を防止して、高圧環境下でも使用可能となる。例えばエアコンの冷媒圧制御用などに適用することができる。また、半導体圧力センサの形状制御のみで高圧環境下でも使用可能となるため、特別なパッケージングを必要とせず、優れた半導体圧力センサを安価に提供することができる。
【００２５】
本発明は、各種用途の圧力センサとして機能する半導体圧力センサに適用可能である。
また、本発明は、上述したような半導体圧力センサを搭載した電子デバイス及び電子機器にも及ぶ。本発明の電子デバイス及び電子機器は、半導体基板と台座基板の接合強度が向上した半導体圧力センサを搭載しているので、高圧環境下でも使用可能となる。このような電子デバイス及び電子機器としては、例えば一般工業用計測機器、電子血圧計、高度・気圧・水深計測機能付き電子機器、携帯機器、自動車などが挙げられる。
【００２６】
以上、本発明の半導体圧力センサ、電子デバイス及び電子機器について説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。
例えば、感圧素子として機能するｐ型抵抗体の配置および数に関しては、種々の変形例が考えられ、要は、ダイアフラム部（感圧部）の圧力歪を検出できれば、その配置や数はいかなるものでも構わない。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、各種用途の圧力センサとして機能する半導体圧力センサ、及びそのような半導体圧力センサを搭載した電子デバイス及び電子機器に広く適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る半導体圧力センサの一例を模式的に示す図。
【図２】比率（Ｓ１／２  ／Ｔ）と接合部歪みとの関係を示す図。
【図３】比率（Ｓ１／２  ／Ｔ）と接合部の破壊耐圧との関係を示す図。
【符号の説明】
【００２９】
Ｒ１〜Ｒ４  ｐ型抵抗体、１  半導体圧力センサ、２  半導体基板、３  凹部、４  ダイアフラム部（感圧部）、５  パッド部、６  リード配線、７  配線部、１０  台座基板、１１  圧力導入口。
【図１】
2010091414.tif 000003
【図２】
2010091414.tif 000004
【図３】
2010091414.tif 000005