(57)【要約】【課題】小型で高性能な圧力センサを提供する。【解決手段】センサチップ１０と、センサチップ１０の中央部に設けられた差圧用ダイアフラム４と、差圧用ダイアフラム４に設けられた差圧用ゲージ５と、差圧用ダイアフラム４の外周部に設けられた静圧用ダイアフラム１７と、静圧用ダイアフラム１７の端部に形成された第１の静圧用ゲージ１６ｄと、静圧用ダイアフラム１７の中央部に形成された第２の静圧用ゲージ１５ｂと、を備えた圧力センサである。【選択図】図１
2011220927.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の中央部に設けられた差圧用ダイアフラムと、
前記差圧用ダイアフラムに設けられた差圧用ゲージと、
前記差圧用ダイアフラムの外周部に設けられた２つの静圧用ダイアフラムと、
前記２つの静圧用ダイアフラムのうち第１の静圧用ダイアフラムの端部に形成された第１の静圧用ゲージと、
前記２つの静圧用ダイアフラムのうち第２の静圧用ダイアフラムの中央部に形成された第２の静圧用ゲージと、を備えた、
圧力センサ。
【請求項２】
前記差圧用ダイアフラムの中心と前記第１の静圧用ダイアフラムの中心とを結ぶ直線と、前記差圧用ダイアフラムの中心と前記第２の静圧用ダイアフラムの中心とを結ぶ直線と、が直交するように構成される、
請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
基板と、
前記基板の中央部に設けられた差圧用ダイアフラムと、
前記差圧用ダイアフラムに設けられた差圧用ゲージと、
前記差圧用ダイアフラムの外周部に設けられた１つの静圧用ダイアフラムと、
前記静圧用ダイアフラムの端部に形成された第１の静圧用ゲージと、
前記静圧用ダイアフラムの中央部に形成された第２の静圧用ゲージと、を備えた、
圧力センサ。
【請求項４】
前記第１の静圧用ゲージは、前記静圧用ダイアフラムの基板中心側の端部又は基板端側の端部に形成されている、
請求項３に記載の圧力センサ。
【請求項５】
前記差圧用ダイアフラムの中心に対する径方向に沿って前記静圧用ダイアフラムの短手方向が配置され、
前記第１及び第２の静圧用ゲージは、前記静圧用ダイアフラムの短手方向と垂直な方向に沿って形成されている、
請求項１から４の何れか一項に記載の圧力センサ。
【請求項６】
前記静圧用ダイアフラムは、長方形状に形成されている、
請求項１から５の何れか一項に記載の圧力センサ。
【請求項７】
前記静圧用ダイアフラムは、前記差圧用ダイアフラムを囲むような円輪状に形成されている、
請求項１から４の何れか一項に記載の圧力センサ。
【請求項８】
前記静圧用ダイアフラムは、円形状又は多角形状に形成されている、
請求項７に記載の圧力センサ。
【請求項９】
円輪状の前記静圧用ダイアフラムと円形状又は多角形状の前記差圧用ダイアフラムとが同心円状に配置されている、
請求項７に記載の圧力センサ。
【請求項１０】
前記基板は、円形状又は多角形状に形成されている、
請求項１から９の何れか一項に記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力センサに関し、特に詳しくは、ダイアフラムを有する圧力センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体のピエゾ抵抗効果を利用した圧力センサは、小型、軽量、高感度であることから、工業計測、医療などの分野で広く利用されている。このような圧力センサでは、半導体基板上にダイアフラムが形成されている。そして、ダイアフラムに歪ゲージが形成されている。ダイアフラムに加わる圧力によって、歪ゲージが変形する。ピエゾ抵抗効果による歪ゲージの抵抗変化を検出して、圧力を測定している。
【０００３】
また、クロストークを低減するために、静圧検出用のゲージを最適位置に設けた圧力センサが開示されている（特許文献１）。特許文献１の圧力センサでは、センサチップと台座との接合部の外側に、静圧検出用ゲージを設けている。具体的には、センサチップの中央に、正方形の差圧用ダイアフラムを形成している。そして、差圧用ダイアフラムの周縁部又は中心部に差圧検出用ゲージを設けている。差圧用ダイアフラムの外側に静圧検出用ゲージを設けている。
【０００４】
さらに、半導体基板上に、静圧検出用のダイアフラムを設けたものが開示されている（特許文献２）。特許文献２の圧力センサでは、円形の差圧用ダイアフラムの外周に、円輪状の静圧用ダイアフラムが形成されている。そして、静圧用ダイアフラムには、４つの静圧用ゲージが形成されている。周方向において、４つの静圧用ゲージは等間隔に配置されている。すなわち、２つの静圧用ゲージが差圧用ダイアフラムを挟んで対向するように配置されている。静圧用ダイアフラムを形成することで、静圧の感度を向上することができる。
【０００５】
上記のように、歪によって抵抗が変化するピエゾ抵抗素子がゲージとして用いられている。すなわち、圧力によって生じた半導体基板の歪に応じて、ピエゾ抵抗素子の抵抗が変化する。ブリッジ回路によって抵抗の変化量を検出することで、圧力を測定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２―２７７３３７号公報
【特許文献２】特開平６−２１３７４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、ゲージとして用いられているピエゾ抵抗素子は、測定雰囲気温度によって影響を受けてしまう。例えば、半導体基板とガラス台座などの熱膨張係数の違いによって、熱応力が発生する。この熱応力によって、半導体基板上のゲージに歪が生じる。従って、測定雰囲気温度が異なる場合、測定誤差の原因となってしまう。
【０００８】
また、圧力センサにおいて、小型化を図るためには、ダイアフラムを小さくする必要がある。しかしながら、ダイアフラムを小さくすると、測定感度が低下してしまう。例えば、静圧検出用ダイアフラムのアスペクト比（長さと厚さとの比）を一定にすれば、応力のピーク値は一定となる。しかしながら、アスペクト比を一定としても、ダイアフラムを小さくすると、応力のピーク幅が小さくなる。このため、感度を十分に取ることが困難になってしまう。換言すると、測定感度を高くするためにダイアフラムを大きくすると、圧力センサの小型化を図ることが困難になってしまう。
【０００９】
このように、小型で高性能な圧力センサを実現することが困難であるという問題点がある。
【００１０】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、小型で高性能な圧力センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る第１の圧力センサは、基板と、この基板の中央部に設けられた差圧用ダイアフラムと、この差圧用ダイアフラムに設けられた差圧用ゲージと、差圧用ダイアフラムの外周部に設けられた２つの静圧用ダイアフラムと、２つの静圧用ダイアフラムのうち第１の静圧用ダイアフラムの端部に形成された第１の静圧用ゲージと、２つの静圧用ダイアフラムのうち第２の静圧用ダイアフラムの中央部に形成された第２の静圧用ゲージと、を備えたものである。ここで、差圧用ダイアフラムの中心と第１の静圧用ダイアフラムの中心とを結ぶ直線と、差圧用ダイアフラムの中心と第２の静圧用ダイアフラムの中心とを結ぶ直線と、を直交させることができる。
【００１２】
また、本発明に係る第２の圧力センサは、基板と、この基板の中央部に設けられた差圧用ダイアフラムと、この差圧用ダイアフラムに設けられた差圧用ゲージと、差圧用ダイアフラムの外周部に設けられた１つの静圧用ダイアフラムと、静圧用ダイアフラムの端部に形成された第１の静圧用ゲージと、静圧用ダイアフラムの中央部に形成された第２の静圧用ゲージと、を備えたものである。ここで、静圧用ダイアフラムの基板中心側の端部又は基板端側の端部に第１の静圧用ゲージを形成することができる。
【００１３】
かかる構成を採用すると、圧力センサを小型化した場合でも測定感度の低下を抑制することができる。すなわち、本発明に係る圧力センサにおいては、第１の静圧用ゲージが静圧用ダイアフラムの端部に、第２の静圧用ゲージが静圧用ダイアフラムの中央部に、各々形成されているため、圧力印加で生じた歪みに起因する抵抗変動がこれら２つの静圧用ゲージの一方で正になり、他方で負になる。このため、静圧に対する測定感度の低下を抑制することができる。そして、これら２つの静圧用ゲージは、１つの静圧用ダイアフラムの端部と中央部に配置されることができ、多くても２つの静圧用ダイアフラムがあれば足りることから、静圧用ダイアフラムの個数を１つ又は２つまで低減させることができる。このため、圧力センサの小型化を達成することができる。
【００１４】
また、かかる構成を採用すると、温度変化による測定誤差を抑制することもできる。すなわち、本発明に係る圧力センサにおいては、第１の静圧用ゲージが静圧用ダイアフラムの端部に、第２の静圧用ゲージが静圧用ダイアフラムの中央部に、各々形成されているため、温度変化時に生じた応力に起因する抵抗変動がこれら２つの静圧用ゲージの双方で同じ方向になる。このため、温度変化による出力変動を抑制することができる。
【００１５】
この結果、小型で高性能な圧力センサを得ることが可能となる。
【００１６】
本発明に係る圧力センサにおいて、差圧用ダイアフラムの中心に対する径方向に沿って静圧用ダイアフラムの短手方向を配置するとともに、静圧用ダイアフラムの短手方向と垂直な方向に沿って第１及び第２の静圧用ゲージを形成することができる。
【００１７】
また、本発明に係る圧力センサにおいて、静圧用ダイアフラムを長方形状に形成することが好ましい。
【００１８】
また、本発明に係る圧力センサにおいて、静圧用ダイアフラムを、差圧用ダイアフラムを囲むような円輪状に形成することもできる。かかる場合において、静圧用ダイアフラムを円形状又は多角形状に形成することができ、さらに、円輪状の静圧用ダイアフラムと円形状又は多角形状の差圧用ダイアフラムとを同心円状に配置してもよい。
【００１９】
また、本発明に係る圧力センサにおいて、基板を円形状又は多角形状に形成することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、小型で高性能な圧力センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る圧力センサの構成を示す上面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。
【図４】静圧用ゲージによって構成されるブリッジ回路と、その圧力印加時における抵抗変動と、を示す概念図である。
【図５】圧力印加時におけるセンサチップの中心からの応力分布図である。
【図６】静圧用ゲージによって構成されるブリッジ回路と、その温度印加時における抵抗変動と、を示す概念図である。
【図７】温度印加時におけるセンサチップの中心からの応力分布図である。
【図８】本発明の第１実施形態に係る圧力センサの別の構成例を示す上面図である。
【図９】圧力センサの製造工程を示す図である。
【図１０】圧力センサの製造工程を示す工程断面図である。
【図１１】圧力センサの他の製造工程を示す図である。
【図１２】圧力センサの他の製造工程を示す工程断面図である。
【図１３】本発明の第２実施形態に係る圧力センサの構成を示す上面図である。
【図１４】本発明の第３実施形態に係る圧力センサの構成を示す上面図である。
【図１５】本発明の第３実施形態に係る圧力センサの他の構成を示す上面図である。
【図１６】本発明の第３実施形態に係る圧力センサの他の構成を示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下では、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２３】
＜第１実施形態＞
まず、本発明の第１実施形態に係る圧力センサについて説明する。図１は、本実施形態に係る圧力センサに用いられているセンサチップの構成を示す上面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ断面図であり、図３は、ＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。本実施形態に係る圧力センサは、半導体のピエゾ抵抗効果を利用した半導体圧力センサである。
【００２４】
圧力センサは、半導体基板からなるセンサチップ１０を有している。センサチップ１０は、正方形状になっている。図1に示すように、正方形状のセンサチップ１０の各頂点をＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄとし、左上の角を角Ａ、右下の角を角Ｂ、右上の角を角Ｃ、左下の角を角Ｄとする。そして、角Ａと角Ｂとを結ぶ対角線を対角線ＡＢとし、角Ｃと角Ｄとを結ぶ対角線を対角線ＣＤとする。センサチップ１０は、正方形であるため、対角線ＡＢと対角線ＣＤは直交する。
【００２５】
図２に示すように、センサチップ１０は、基台となる第１半導体層１、絶縁層２及び第２半導体層３の３層構造になっている。例えば、センサチップ１０として、第１半導体層１と、０．５μｍ程度の厚さの絶縁層２及び第２半導体層３からなるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いることができる。第１半導体層１及び第２半導体層３は、例えば、ｎ型単結晶シリコン層から構成されている。絶縁層２は、例えば、ＳｉＯ２層から構成されている。第１半導体層１の上に絶縁層２が形成されている。また、絶縁層２の上に第２半導体層３が形成されている。従って、第１半導体層１と第２半導体層３の間に絶縁層２が配設されている。絶縁層２は、第１半導体層１をエッチングする際に、エッチングストッパとして機能する。第２半導体層３は、差圧用ダイアフラム４を構成している。図１及び図２に示すように、差圧用ダイアフラム４はチップの中央部分に配設されている。
【００２６】
センサチップ１０の中央部には、差圧を検出するための差圧用ダイアフラム４が設けられている。図２に示すように、第１半導体層１が除去されることで差圧用ダイアフラム４が形成される。すなわち、差圧用ダイアフラム４では、センサチップ１０が薄くなっている。ここでは、図１に示すように、差圧用ダイアフラム４は、正方形状に形成されている。また、差圧用ダイアフラム４の中心と、センサチップ１０の中心と、が一致している。すなわち、センサチップ１０の中心点は、対角線ＡＢと対角線ＣＤの交点上にある。そして、差圧用ダイアフラム４は、正方形状のセンサチップ１０に対して、４５°傾いて配置されている。従って、対角線ＡＢは、差圧用ダイアフラム４の対向する２辺の中心を垂直に通る。また、対角線ＣＤは、差圧用ダイアフラム４の対向する他の２辺の中心を垂直に通る。
【００２７】
差圧用ダイアフラム４の表面には、差圧用ゲージ５ａ・５ｃが設けられている。これらの２つの差圧用ゲージ５ａ・５ｃをまとめて差圧用ゲージ５と称する。差圧用ゲージ５が、差圧用ダイアフラム４の端部に設けられている。すなわち、差圧用ゲージ５は差圧用ダイアフラム４の周縁部上に形成されている。ここで、正方形の差圧用ダイアフラム４の２辺に差圧用ゲージ５が設けられている。差圧用ゲージ５は、差圧用ダイアフラム４の２辺の中央に設けられている。差圧用ダイアフラム４の中心と角Ａの間には、差圧用ゲージ５ａが配置されており、差圧用ダイアフラム４の中心と角Ｃの間には、差圧用ゲージ５ｃが配置されている。
【００２８】
差圧用ゲージ５はピエゾ抵抗効果を有する歪ゲージである。従って、センサチップ１０が歪むと、各差圧用ゲージ５ａ・５ｃの抵抗が変化する。なお、センサチップの上面には、各差圧用ゲージ５ａ・５ｃと接続される配線（不図示）が形成される。例えば、各差圧用ゲージ５ａ・５ｃの両端に配線が接続されている。この配線によって、２つの差圧用ゲージ５がブリッジ回路に結線されている。差圧用ダイアフラム４によって隔てられた空間の圧力差によって、差圧用ダイアフラム４が変形する。差圧用ゲージ５は、差圧用ダイアフラム４の変形量に応じて抵抗が変化する。この抵抗変化を検出することで、圧力を測定することができる。差圧用ゲージ５は、図２及び図３に示すように、センサチップ１０の表面に形成されている。
【００２９】
２つの差圧用ゲージ５ａ・５ｃは、互いに平行に配置されている。すなわち、２つの差圧用ゲージ５ａ・５ｃの長手方向は対角線ＣＤに沿って設けられている。そして差圧用ゲージ５ａ・５ｃの長手方向の両端に、配線（不図示）が接続される。差圧用ゲージ５は、センサチップ１０の結晶面方位（１００）において、ピエゾ抵抗係数が最大となる＜１１０＞の結晶軸方向と平行に形成される。
【００３０】
さらに、センサチップ１０には、２つの静圧用ダイアフラム１７ｂ・１７ｄが設けられている。これら２つの静圧用ダイアフラム１７ｂ・１７ｄをまとめて静圧用ダイアフラム１７と称する。図２及び図３に示すように、第１半導体層１が除去されることで、静圧用ダイアフラム１７が形成される。すなわち、静圧用ダイアフラム１７では、センサチップ１０が薄くなっている。静圧用ダイアフラム１７は、差圧用ダイアフラム４の外周部（すなわち差圧用ダイアフラム４の外側）に、静圧用ダイアフラム１７が配置されている。
【００３１】
静圧用ダイアフラム１７ｂは、図１に示すように、対角線ＡＢ上であってセンサチップ１０の中心点（対角線ＡＢと対角線ＣＤの交点）と角Ｂとの間に配置されている。すなわち、静圧用ダイアフラム１７ｂは、センサチップ１０の中心点を隔てて差圧用ゲージ５ａと反対側に配置されている。一方、静圧用ダイアフラム１７ｄは、図１に示すように、対角線ＣＤ上であってセンサ１０の中心点と角Ｄとの間に配置されている。すなわち、静圧用ダイアフラム１７ｄは、センサチップ１０の中心点を隔てて差圧用ゲージ５ｃと反対側に配置されている。静圧用ダイアフラム１７ｂ・１７ｄは同じ大きさ、形状になっている。
【００３２】
静圧用ダイアフラム１７は長方形状に形成されている。従って、静圧用ダイアフラム１７の長辺と短辺とが直交している。すなわち、静圧用ダイアフラム１７には、長手方向と短手方向が存在する。ここで、センサチップ１０の中心点から外側に向かって延びる方向を径方向（ｒ方向）とする。すなわち、センサチップ１０の中心点からセンサチップ１０の端に向かう方向が径方向となる。センサチップ１０と差圧用ダイアフラム４の中心は一致しているため、この径方向は、差圧用ダイアフラム４の中心に対する径方向となる。そして、径方向と直交する方向を周方向（θ方向）とする。周方向は、センサチップ１０の中心点を中心とする円の接線方向に対応する。静圧用ダイアフラム１７の短辺は径方向と平行になっている。静圧用ダイアフラム１７ｂの短辺は、対角線ＡＢと平行になっており、静圧用ダイアフラム１７ｄの短辺は、対角線ＣＤと平行になっている。従って、これら２つの静圧用ダイアフラム１７ｂ・１７ｄの短手方向は垂直になっている。また、対角線ＡＢ及び対角線ＣＤ上では、静圧用ダイアフラム１７の長手方向と周方向が平行になっている。
【００３３】
静圧用ダイアフラム１７ｂ上には、静圧用ゲージ１５ｂが形成され、静圧用ダイアフラム１７ｄ上には、静圧用ゲージ１６ｄが形成されている。静圧用ゲージ１５ｂ・１６ｄは、差圧用ゲージ５と同様の歪ゲージである。従って、センサチップ１０が歪むと、ピエゾ抵抗効果によって、各静圧用ゲージ１５ｂ・１６ｄの抵抗が変化する。静圧用ゲージ１５ｂ・１６ｄは、差圧用ゲージ５と同様にブリッジ回路に接続されている。これにより、静圧を測定することができる。なお、静圧用ゲージ１５ｂ・１６ｄは、図２、及び図３に示すように、センサチップ１０の表面に形成されている。静圧用ゲージ１５ｂ・１６ｄの長手方向の両端に、配線（不図示）が接続される。そして、差圧用ゲージ５と同様に、静圧用ゲージ１５ｂ・１６ｄは、ブリッジ回路に結線される。
【００３４】
静圧用ゲージ１５ｂは対角線ＡＢ上に形成されており、静圧用ゲージ１６ｄは対角線ＣＤ上に形成されている。静圧用ゲージ１５ｂは、本発明における第２の静圧用ゲージに相当するものであり、静圧用ダイアフラム１７ｂの中央部に配置されている。一方、静圧用ゲージ１６ｄは、本発明における第１の静圧用ゲージに相当するものであり、静圧用ダイアフラム１７ｄの端部に配置されている。ここでは、静圧用ゲージ１６ｄは、静圧用ダイアフラム１７ｄのセンサチップ端側の周縁上（角Ｄ側の長辺上）に形成されている。
【００３５】
センサチップ１０の中心点から静圧用ゲージ１５ｂまでの距離は、センサチップ１０の中心から静圧用ゲージ１６ｄまでの距離よりも短くなっている。なお、静圧用ゲージ１６ｄをセンサチップ１０の中心側の長辺上に配置してもよい。また、本実施形態では、静圧用ゲージ１６ｄを静圧用ダイアフラム１７ｄの長辺上に形成したが、長辺上に限らず静圧用ダイアフラム１７ｄのチップ中心側又はチップ端側の端部近傍で最大応力が発生する箇所に形成されていればよい。
【００３６】
このように、静圧用ゲージ１５ｂと静圧用ゲージ１６ｄとで、静圧用ダイアフラム１７上における静圧用ゲージの配置位置を変える。すなわち、静圧用ゲージ１５ｂを静圧用ダイアフラム１７ｂの中央部に配置し、静圧用ゲージ１６ｄを静圧用ダイアフラム１７ｄの端部に配置する。このようにすることで、センサチップ１０を小型化した場合でも、測定感度の低下を防ぐことができる。さらに、測定環境の温度変化による測定誤差を抑制することができる。すなわち、圧力センサの温度特性を向上することができる。上記の構成によって、小型で高性能な圧力センサを実現することができる。
【００３７】
まず、測定感度の低下を防ぐことができる理由について、図４及び図５を用いて説明する。図４は、静圧用ゲージ１５ｂ・１６ｄによって構成されるブリッジ回路とその抵抗変動を示す概念図である。図４に示すように、２つの静圧用ゲージ１５ｂ・１６ｄと２つの外部固定抵抗とが抵抗素子となって、例えば、ホイートストーンブリッジ回路を構成する。図５は、３．５ＭＰａを印加した時の、センサチップ１０の中心点からの応力分布を示す図である。なお、図５は、対角線ＣＤ上における応力のシミュレーション結果を示している。シミュレーションによる解析には、有限要素法（Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ：ＦＥＭ）を用いている。図５において、横軸はセンサチップ１０の中心からの距離を示し、縦軸は応力を示している。図５において、左側の矢印が、静圧用ダイアフラム１７の中央の位置に対応し、右側の矢印が静圧用ダイアフラム１７の外側のエッジに対応している。
【００３８】
静圧用ダイアフラム１７の中央部と端部では、圧力印加時に発生する応力の向きが反対になる。例えば、３．５ＭＰａを印加したときは、図５に示すように、静圧用ダイアフラム１７の中央部（左側矢印）で応力が負になり、端部（右側矢印）で応力が正になる。すなわち、静圧用ダイアフラム１７の中央部で、応力が負のピークとなり、端部で、正のピークとなる。
【００３９】
ここで、図４に示すように、規定となる圧力における静圧用ゲージ１５ｂ・１６ｄの抵抗値を外部固定抵抗の抵抗値と同一の値Ｒとする。圧力印加で生じた歪みに起因する静圧用ゲージ１６ｄの抵抗変動の絶対値をΔＲ１とし、静圧用ゲージ１５ｂの抵抗変動の絶対値をΔＲ２とする。すると、静圧用ダイアフラム１７の端部に配置された静圧用ゲージ１６ｄでは、抵抗値がＲ−ΔＲ１となる。一方、静圧用ダイアフラム１７の中央部に配置された静圧用ゲージ１５ｂでは、抵抗値がＲ＋ΔＲ２となる。なお、ΔＲ１及びΔＲ２はそれぞれ正の値になっている。すなわち、圧力を印加すると、第１の静圧用ゲージに相当する静圧用ゲージ１６ｄでは抵抗値が下がり、第２の静圧用ゲージに相当する静圧用ゲージ１５ｂでは抵抗値が上がる。
【００４０】
このように、規定の圧力から変化するとブリッジ回路の抵抗バランスがくずれ、静圧用ゲージ１５ｂ及び静圧用ゲージ１６ｄで、抵抗変動値の符号が反対になる。すなわち、２つの静圧用ゲージ１５ｂ・１６ｄの一方で抵抗変動が正になり、他方で抵抗変動が負になる。これにより、ブリッジ出力が大きくなり、静圧に対する測定感度を向上することができる。さらに、静圧用ゲージ１５ｂ・１６ｄが静圧用ダイアフラム１７の長辺に沿って形成されている。図５に示すように、静圧用ダイアフラム１７のエッジ、及び中央で、発生応力がピークとなる。そして、このエッジ又は中央において、静圧用ダイアフラム１７の長手方向に沿った静圧用ゲージ１５ｂ・１６ｄが形成されている。ブリッジ回路で検出される抵抗値変化は、この長手方向に沿って積分された値となる。従って、発生応力を効率よく抵抗値変化に変換することができる。よって、測定感度を高くすることができる。
【００４１】
次に、測定環境の温度変化による測定誤差を抑制することができる理由について、図６及び図７を用いて説明する。図６は、図４と同様に、静圧用ゲージ１５ｂ・１６ｄによって構成されるブリッジ回路とその抵抗変動を示す概念図である。図７は、−４０℃を印加した時の、センサチップ１０の中心点からの応力分布を示す図である。なお、図７は、対角線ＣＤ上における応力のシミュレーション結果を示している。シミュレーションによる解析には、ＦＥＭ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ）を用いている。図７において、横軸は、センサチップ１０の中心点からの距離を示し、縦軸は応力を示している。図７において、左側の矢印が、静圧用ダイアフラム１７の中央の位置に対応し、右側の矢印が静圧用ダイアフラム１７の外側のエッジに対応している。
【００４２】
温度変化時に発生する応力に起因する抵抗値変化が同じ方向になる。すなわち、図７に示すように、静圧用ダイアフラム１７のエッジと中央で、応力が同じ方向に発生する。例えば、温度変化によって、静圧用ダイアフラム１７のエッジに圧縮応力が発生した場合、静圧用ダイアフラム１７の中央にも圧縮応力が発生する。温度変化によって静圧用ダイアフラム１７のエッジに引っ張り応力が発生した場合、静圧用ダイアフラム１７の中央にも引っ張り応力が発生する。従って、静圧用ゲージ１６ｄの抵抗値はＲ＋ΔＲ１となり、静圧用ゲージ１５ｂの抵抗値はＲ＋ΔＲ２となる。なお、ΔＲ１とΔＲ２は正の数である。従って、温度が変化した場合でも、ブリッジ出力が小さくなる。すなわち、温度変化による出力の変動が抑制される。よって、温度変化による測定誤差を抑制することができる。これにより、温度特性を向上することができる。
【００４３】
静圧用ゲージ１５ｂ・１６ｄ及び静圧用ダイアフラム１７を上記のように配置することによって、小型で、高性能な圧力センサを実現することができる。また、上記の説明では、静圧用ダイアフラム１７を長方形として説明したが、静圧用ダイアフラム１７の形状は長方形に限られるものではない。例えば、静圧用ダイアフラムを楕円形などにしてもよい。さらに、上記の説明では、静圧用ダイアフラム１７をセンサチップ１０の２つの角の近傍（静圧用ゲージ１５ｂ・１６ｄに対応する箇所）に設けたが、周方向に連続するように円輪状や多角形状などで形成してもよい。
【００４４】
例えば、図８（ａ）に示すように、静圧用ダイアフラム１７を四角形の額縁状にすることができる。また、図８（ｂ）に示すように、差圧用ダイアフラム４を円形とし、静圧用ダイアフラム１７を円輪状として、静圧用ダイアフラム１７が差圧用ダイアフラム４の周りを囲むようにすることもできる。すなわち、差圧用ダイアフラム１４を囲む溝を形成して静圧用ダイアフラム１７とすることができる。換言すれば、静圧用ダイアフラム１７は、長手方向と短手方向を有している形状であればよい。そして、長手方向と直交する短手方向を径方向に沿って配置すればよい。静圧用ゲージ１５ｂ・１６ｄの長手方向を静圧用ダイアフラムの長手方向に沿って配置する。すなわち、静圧用ゲージ１５ｂ・１６ｄの長手方向が周方向に沿って配置される。
【００４５】
また、上記の説明では、基板及び差圧用ダイアフラム４を正方形としたが、これに限られるものではなく、円形などにしてもよい。また、上記の説明では、差圧用ダイアフラム４の中心（センサチップ１０の中心）と静圧用ダイアフラム１７ｂの中心とを結ぶ直線と、差圧用ダイアフラム４の中心と静圧用ダイアフラム１７ｄの中心とを結ぶ直線と、が直交するように静圧用ダイアフラム１７を配置したが、これに限定されるものではない。例えば、差圧用ダイアフラム４を挟んで静圧用ダイアフラム１７ｂと静圧用ダイアフラム１７ｄとを対向させ、静圧用ダイアフラム１７ｂの中心と、差圧用ダイアフラム４の中心と、差圧用ダイアフラム１７ｄの中心と、が同一直線上にあるように配置してもよい。
【００４６】
次に、圧力センサの製造方法について、図９及び図１０を用いて説明する。図９は圧力センサの製造方法を示す図であり、センサチップ１０を上から見た構成を示している。図１０は圧力センサの製造方法を示す工程断面図であり、図９のＸ−Ｘ断面の構成を示している。
【００４７】
まず、第１半導体層１と、０．５μｍ程度の厚さの絶縁層２と、第２半導体層３と、からなるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハを用意する。このＳＯＩウエハを作製するには、Ｓｉ基板中に酸素を注入してＳｉＯ2 層を形成するＳＩＭＯＸ（Separation by IMplanted OXygen）技術を用いてもよいし、２枚のＳｉ基板を貼り合わせるＳＤＢ（Silicon Direct Bonding）技術を用いてもよいし、その他の方法を用いてもよい。なお、第２半導体層３を、平坦化及び薄膜化してもよい。例えば、ＣＣＰ（Computer Controlled Polishing ）と呼ばれる研磨法等により、所定の厚さまで第２半導体層３を研磨することができる。
【００４８】
第２半導体層３の上面に、不純物拡散あるいはイオン打ち込み法によってｐ型Ｓｉからなる差圧用ゲージ５ａ・５ｃ、静圧用ゲージ１５ｂ・１６ｄを形成する。これにより、図９（ａ）及び図１０（ａ）に示す構成となる。各ゲージは、図１等で示したように、各ダイアフラムとなる箇所の所定の位置に形成されている。なお、差圧用ゲージ５ａ・５ｃ及び静圧用ゲージ１５ｂ・１６ｄを、下記に示すダイアフラムの形成工程の後に形成してもよい。もちろん、差圧用ゲージ５を静圧用ゲージ１５ｂ・１６ｄと違う特性にしてもよい。
【００４９】
このようにして形成されたＳＯＩウエハの下面にレジスト９を形成する。レジスト９のパターンは、公知のフォトリソグラフィー工程によって、第１半導体層１上に形成される。すなわち、感光性樹脂膜を塗布し、露光、現像することで、レジスト９のパターンが形成される。レジスト９は、感圧領域（ダイアフラムが形成される領域）に相当する部分に開口部を有している。すなわち、ダイアフラムを形成する部分では、第１半導体層１が露出している。これにより、図１０（ｂ）に示す構成となる。
【００５０】
そして、レジスト９をマスクとして、第１半導体層１をエッチングする。これにより、図９（ｂ）及び図１０（ｃ）に示す構成となる。例えば、公知のＩＣＰエッチングなどのドライエッチングを用いて、第１半導体層１をエッチングすることができる。もちろん、ＫＯＨやＴＭＡＨ等の溶液を用いたウェットエッチングにより、第１半導体層１をエッチングしてもよい。第１半導体層１をエッチングすると、差圧用ダイアフラム４及び静圧用ダイアフラム１７が形成される。ここで、絶縁層２がエッチングストッパとして機能している。従って、レジスト９の開口部からは、絶縁層２が露出している。
【００５１】
そして、レジスト９を除去すると、図１０（ｄ）に示す構成となる。この後、静圧用ゲージ１５ｂ・１６ｄ及び差圧用ゲージ５と電気的接続を得るための配線（不図示）を蒸着する。これにより、センサチップ１０が完成する。なお、配線を形成する工程は、図１０（ｄ）よりも前に行われてもよい。例えば、図１０（ａ）の前に、配線を作成してもよく、図１０（ａ）〜図１０（ｃ）の間に、配線を作成してもよい。また、上記のように、静圧用ゲージ１５ｂ・１６ｄ及び差圧用ゲージ５の形成を図１０（ｄ）の後に行ってもよく、図１０（ａ）〜図１０（ｄ）の間に行ってもよい。すなわち、配線の形成工程と、歪ゲージの形成工程の順番は特に限定されるものではない。
【００５２】
このセンサチップ１０を台座に接合する。これにより、台座は、パイレックス（登録商標）ガラスやセラミックで形成されている。例えば、陽極接合によって台座がセンサチップ１０の第１半導体層１に接合される。台座の中心には、差圧用ダイアフラム４に到達する貫通孔が形成されている。貫通孔が差圧用ダイアフラム４に連通している。また、静圧用ダイアフラム１７が形成される箇所が非接合部となるように、台座の中央部には凸部が形成され、外周部には凹部が形成されている。従って、台座の凸部と凹部の境界は、差圧用ダイアフラム４と静圧用ダイアフラム１７の間に配置される。こうして圧力センサの作製が終了する。このように作成された圧力センサは、小型で高性能のものとなる。
【００５３】
なお、上記の説明では、静圧用ダイアフラム１７と差圧用ダイアフラム４の形成を同時に行ったが、これらを別々に行ってもよい。すなわち、異なるエッチング工程で、差圧用ダイアフラム４と静圧用ダイアフラム１７とを形成してもよい。この製造工程について、図１１及び図１２を用いて説明する。
【００５４】
図１１は、圧力センサの他の製造方法を示す図であり、センサチップ１０を上から見た構成を示している。図１２は、圧力センサの他の製造方法を示す工程断面図であり、図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ断面の構成を示している。なお、図９及び図１０を用いて説明した内容と同様の内容については、説明を省略する。
【００５５】
図１１（ａ）及び図１２（ａ）に示すようにセンサチップとなるウエハを用意する。このウエハは、図９（ａ）のものと同様のものである。そして、レジスト９のパターンを第１半導体層１上に形成する。これにより図１２（ｂ）に示す構成となる。ここで、レジスト９は、差圧用ダイアフラム４が形成される部分が露出するように、開口部を有している。すなわち、静圧用ダイアフラム１７が形成される箇所は、レジスト９で覆われている。
【００５６】
そして、レジスト９をマスクとして、第１半導体層１をエッチングする。これにより、図１２（ｃ）に示す構成となる。ここでは、上記のように、絶縁層２がエッチングストッパとなっている。そして、レジスト９を除去すると、図１２（ｄ）及び図１１（ｂ）に示す構成となる。ここでは、差圧用ダイアフラム４が形成される。なお、この段階では、静圧用ダイアフラム１７となる箇所は、レジスト９で覆われている。従って、静圧用ダイアフラム１７は形成されていない。そして、レジスト９を除去すると、図１１（ｂ）及び図１２（ｄ）に示す構成となる。
【００５７】
次に、レジスト１９のパターンを第１半導体層１上に形成する。これにより、図１２（ｅ）に示す構成となる。このレジスト１９は、静圧用ダイアフラム１７となる箇所に開口部を有している。すなわち、静圧用ダイアフラム１７が形成されている領域では、第１半導体層１が露出している。一方、差圧用ダイアフラム４が形成された領域では、絶縁層２がレジスト１９で覆われている。このレジスト１９をマスクとして、第１半導体層１をエッチングする。これにより、静圧用ダイアフラム１７が形成されて、図１２（ｆ）に示す構成となる。ここでは、絶縁層２がエッチングストッパとして用いられている。
【００５８】
そして、レジスト１９を除去すると、図１１（ｃ）及び図１２（ｇ）に示す構成となる。これにより、センサチップ１０が完成する。
【００５９】
このように、静圧用ダイアフラム１７と差圧用ダイアフラム４とを別々のエッチング工程で形成してもよい。これにより、静圧用ダイアフラム１７の厚さと差圧用ダイアフラム４の厚さを変えることができる。すなわち、静圧用ダイアフラム１７の厚さと差圧用ダイアフラム４の厚さの制御を容易に行うことができる。例えば、差圧用ダイアフラム４と静圧用ダイアフラム１７の厚さをそれぞれ最適化することができる。よって、それぞれのダイアフラムの厚さが最適化された圧力センサを用意に製造することができる。すなわち、差圧用ダイアフラム４と静圧用ダイアフラム１７とで、厚さが異なる圧力センサを製造することができる。この場合、少なくとも一方のエッチング工程では、絶縁層２が露出する前でエッチングを終了する。
【００６０】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る圧力センサの構成について、図１３を用いて説明する。図１３は、本実施の形態に係る圧力センサに用いられるセンサチップ１０の上面図である。本実施の形態では、図１３（ａ）に示すように、静圧用ゲージが２点配置となっている。すなわち、センサチップ１０の角Ｄの近傍に２つの静圧用ゲージが配置されている。なお、これら以外の構成については、第１実施形態と同様であるため説明を省略する。
【００６１】
図１３（ａ）に示すように、１つの静圧用ダイアフラム１７ｄに静圧用ゲージ１５ｂ・１６ｄが形成されている。そして、静圧用ゲージ１５ｂが静圧用ダイアフラム１７ｄの中央部に配置され、静圧用ゲージ１６ｄが静圧用ダイアフラム１７ｄの端部に配置されている。図１３（ａ）に示す構成では、静圧用ダイアフラム１７ｂが不要となるため、センサチップ１０（ひいては圧力センサ）のさらなる小型化を図ることが可能となる。このような構成であっても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６２】
また、図１３（ｂ）に示すように、静圧用ダイアフラム１７を円輪状にすることも可能である。なお、図１３（ｂ）では、図８（ｂ）の差圧用ダイアフラム４が正方形状となった構成を有している。その他の構成については、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【００６３】
本実施の形態においても、径方向において、静圧用ゲージ１６ｄは、静圧用ダイアフラム１７の端部に配置され、静圧用ゲージ１５ｂは、静圧用ダイアフラム１７の中央部に配置される。したがって、静圧用ゲージ１６ｄからセンサチップの中心までの距離が、静圧用ゲージ１５ｂからセンサチップの中心までの距離よりも長くなっている。このような構成であっても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６４】
＜第３実施形態＞
続いて、本発明の第３実施形態に係る圧力センサの構成について、図１４を用いて説明する。図１４は、圧力センサに用いられるセンサチップ１０の上面図である。なお、本実施形態に係る圧力センサは、第１実施形態で示した圧力センサのセンサチップ形状及びダイアフラム形状が異なっている。具体的には、センサチップ１０及び差圧用ダイアフラム４を円形状とし、静圧用ダイアフラム１７を円輪状としている。なお、これら以外の基本的構成は第１実施形態で示したセンサチップ１０と同じであるため、説明を省略する。すなわち、特に説明がない箇所については、第１実施形態と同様になっている。また、製造工程についても、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【００６５】
本実施の形態では、センサチップ１０が円形になっている。円形のセンサチップ１０の中心を通る直線を線ＥＦ及び線ＧＨとする。この線ＥＦ及び線ＧＨは、互いに直交している。線ＥＦ及び線ＧＨは、第１実施形態で示した対角線ＡＢ及び対角線ＣＤに対応する。そして、このセンサチップ１０の中央部に差圧用ダイアフラム４が形成されている。
【００６６】
差圧用ダイアフラム４は、円形になっている。差圧用ダイアフラム４は、センサチップ１０と同心円になっている。従って、差圧用ダイアフラム４の中心は、線ＥＦと線ＧＨの交点と一致している。第１実施形態と同様に、差圧用ダイアフラム４の周縁に差圧用ゲージ５が形成される。
【００６７】
さらに、差圧用ダイアフラム４の外周部には、静圧用ダイアフラム１７が設けられている。本実施の形態では、円輪状の静圧用ダイアフラム１７が１つだけ設けられている。すなわち、第１実施形態で示した２つの静圧用ダイアフラム１７の代わりに、リング状の静圧用ダイアフラム１７が１つだけ設けられている。センサチップ１０に、円輪状の溝を設けることで、静圧用ダイアフラム１７が形成される。静圧用ダイアフラム１７は、差圧用ダイアフラム４を囲むように配置されている。円輪状の静圧用ダイアフラム１７は、センサチップ１０及び差圧用ダイアフラム４と同心円状になっている。すなわち、静圧用ダイアフラム１７の外縁及び内縁が円形となっており、その円の中心が線ＥＦと線ＧＨの交点と一致している。
【００６８】
そして、静圧用ダイアフラム１７には、静圧用ゲージ１５ｆ及び静圧用ゲージ１６ｈが設けられている。静圧用ゲージ１５ｆは線ＥＦ上に配置され、静圧用ゲージ１６ｈは線ＧＨ上に配置されている。静圧用ゲージ１５ｆは、静圧用ダイアフラム１７の中央部に形成されている。静圧用ゲージ１６ｈは、静圧用ダイアフラム１７の中央部に形成されている。ここでは、静圧用ゲージ１６ｈは、静圧用ダイアフラム１７の外縁上に形成されている。そして、静圧用ゲージ１５ｆ・１６ｈは、円輪の幅方向と垂直な方向に沿って形成されている。すなわち、静圧用ゲージ１５ｆ・１６ｈの長手方向が周方向と一致しており、静圧用ゲージ１５ｆ・１６ｈの長辺は、静圧用ダイアフラム１７の径方向と垂直になっている。
【００６９】
このような構成とすることで、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、第１実施形態で説明したように、圧力印加時に、静圧用ゲージ１５ｆ及び静圧用ゲージ１６ｈで、抵抗変動値の符号が反対になる。すなわち、静圧用ゲージ１５ｆ及び静圧用ゲージ１６ｈの一方で抵抗変動が正になり、他方で抵抗変動が負になる。これにより、ブリッジ出力が大きくなり、静圧に対する測定感度を向上することができる。なお、本実施形態では静圧用ゲージ１５ｆを線ＥＦ上に、静圧用ゲージ１６ｈを線ＧＨ上に配置したが、このような配置に限定されることはなく、静圧用ゲージ１５ｆと静圧用ゲージ１６ｈとをそれぞれ円輪状の静圧用ダイアフラム１７のエッジ上又は中心上に形成すれば同様の効果を得ることができる。
【００７０】
また、温度変化時に発生する応力に起因する抵抗値変化が同じ方向になる。すなわち、静圧用ダイアフラム１７のエッジと中央とで、応力が同じ方向に発生し、抵抗値が正方向に変化する。従って、温度が変化した場合でも、ブリッジ出力が小さくなる。よって、温度変化による測定誤差を抑制することができる。これにより、温度特性を向上することができる。
【００７１】
静圧用ゲージ１５ｆ、静圧用ゲージ１６ｈ及び静圧用ダイアフラム１７を上記のように配置することによって、小型で高性能な圧力センサを実現することができる。
【００７２】
なお、図１４では、差圧用ダイアフラム４及び静圧用ダイアフラム１７の外縁・内縁を円形状としたが、多角形状にしてもよい。この場合、円形に近い正多角形とすることが好ましい。正多角形の角の数を偶数とし、さらに２ｎ（ｎは３以上の自然数）とすることが好ましい。具体的には、正８角形以上の正多角形とすることが好ましい。さらに、正１６角形以上の正多角形とすることがより好ましい。例えば、正１６角形、正３２角形、正６４角形などと角の数を増やしてもよい。多角形の全ての角で、センサチップ１０の中心からの距離が等しくなっている。もちろん、差圧用ダイアフラム４と静圧用ダイアフラム１７の一方を多角形状として、他方を円形状としてもよい。
【００７３】
例えば、図１５に示すように、差圧用ダイアフラム４を正８角形状として、静圧用ダイアフラム１７を円形状としてもよい。すなわち、静圧用ダイアフラム１７の内縁及び外縁を円形とする。反対に、差圧用ダイアフラム４を円形状として、静圧用ダイアフラム１７を正多角形状としてもよい。
【００７４】
さらには、図１６に示すように、差圧用ダイアフラム４及び静圧用ダイアフラム１７の両方を正多角形状としてもよい。図１６では、差圧用ダイアフラム４及び静圧用ダイアフラム１７の両方を正１６角形状にしている。従って、静圧用ダイアフラム１７の内縁及び外縁が正１６角形になっている。このように、ダイアフラムを多角形状にしても、ほぼ同様の効果を得ることができる。また、センサチップ１０を、差圧用ダイアフラム４や静圧用ダイアフラム１７と同様に、正多角形状としてもよい。なお、それぞれの実施形態を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００７５】
１… 第１半導体層
２… 絶縁層
３… 第２半導体層
４… 差圧用ダイアフラム
５（５ａ・５ｃ）…差圧用ゲージ
９・１９…レジスト
１０…センサチップ
１５ｂ・１５ｆ…静圧用ゲージ（第２の静圧用ゲージ）
１６ｄ・１６ｈ…静圧用ゲージ（第１の静圧用ゲージ）
１７（１７ｂ・１７ｄ）…静圧用ダイアフラム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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