(57)【要約】【課題】半導体ダイアフラム式圧力センサにおいて、高温で用いた場合でも、測定環境とセンサとの間に断熱性の中間材を介することなく圧力を測定できるようにする。【解決手段】圧力の印加により変形可能な半導体からなるダイアフラム１１と、ダイアフラム１１の一面と密閉された空間部４０を有して対向配置され、ダイアフラム１１の外周部側から中央部側に向かって突出する互いに突出長さの異なる棒状の複数個の突出部２１とを備え、これら複数個の突出部２１はダイアフラム１１の変位方向へ変形可能であり、圧力が印加されたときに、ダイアフラム１１が変形してダイアフラム１１と少なくとも一つの突出部２１の先端部とが接触し、この接触した突出部２１とダイアフラム１１との間に流れる電流に基づいて印加圧力が検出されるようになっている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力の印加により変形可能な半導体からなるダイアフラム（１１）と、
前記ダイアフラムの一面と密閉された空間部（４０）を有して対向配置され、前記ダイアフラムの外周部側から前記ダイアフラムの中央部側に向かって突出する互いに突出長さの異なる棒状の複数個の突出部（２１）とを備え、
前記複数個の突出部は、前記ダイアフラムの変位方向へ変形可能であり、
圧力が印加されたときに、前記ダイアフラムが変形して前記ダイアフラムと少なくとも一つの前記突出部の先端部とが接触し、この接触した前記突出部と前記ダイアフラムとの間に流れる電流に基づいて印加圧力が検出されるようになっていることを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
圧力の印加により変形可能な半導体からなるダイアフラム（１１）を有する第１の基板（１０）と、
前記第１の基板に対向し、前記ダイアフラムとの間に密閉された空間部（４０）を有して配置された第２の基板（２０）とを備え、
前記第２の基板のうち前記ダイアフラムに対向する部位には、前記ダイアフラムの外周部側から前記ダイアフラムの中央部側に向かって突出する互いに突出長さの異なる棒状の複数個の突出部（２１）が形成されており、
前記複数個の突出部は、前記ダイアフラムの変位方向へ変形可能であり、
圧力が印加されたときに、前記ダイアフラムが変形して前記ダイアフラムと少なくとも一つの前記突出部の先端部とが接触し、この接触した前記突出部と前記ダイアフラムとの間に流れる電流に基づいて印加圧力が検出されるようになっていることを特徴とする圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ダイアフラム式の圧力センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の圧力センサは、シリコン基板等の半導体基板にエッチング等にて薄肉部としてのダイアフラムを形成するとともに、ダイアフラムに拡散抵抗を形成し、ダイアフラムの圧力印加に伴う変形を電気信号に変換することにより圧力検出を行うものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この圧力センサの一般的な構成を図４に示す。図４において、（ａ）は圧力センサの一部断面を含む斜視構成図、（ｂ）は圧力センサの電気回路構成図である。
【０００４】
図４（ａ）に示すように、ダイアフラム１１が形成されたシリコン半導体基板１０が、ガラス等の台座３０に接合され支持されている。ダイアフラム上には、歪みゲージとしての拡散抵抗１２およびこれら拡散抵抗１２と電気的に接続された信号取出用の電極１３が形成されている。
【０００５】
各々の拡散抵抗１２は、図４（ｂ）に示す配線状態で結線され、ホイートストンブリッジを構成しており、このブリッジ回路によって、圧力印加時におけるダイアフラム１１の歪みに基づく電気信号が発生し、印加された圧力の検出が可能となっている。
【０００６】
具体的に、上記圧力センサにおいて、圧力の検出は次のように行われる。図４（ａ）に示す白抜き矢印Ｙ方向へダイアフラム１１に対して圧力が印加されると、ダイアフラム１１が歪み変形する。
【０００７】
このとき、図４（ｂ）に示すホイートストンブリッジの入力端子ＩａとＩｂとの間に直流定電圧Ｖを与えた状態では、この変形が拡散抵抗１２の抵抗値変化として現れ、出力端子ＰａとＰｂとの間から被検出圧力に応じたレベルの電圧Ｖｏｕｔが出力され、圧力検出がなされる。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−３９８８８号公報（第１−４図）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の圧力センサにおいて、拡散抵抗１２は、半導体基板１０とは導電型の異なるものであり、拡散抵抗１２と半導体基板１０との間にはＰＮ接合が存在する。
【００１０】
そのため、エンジン燃焼圧等の圧力センサに適用した場合、高温（例えば４００℃以上）条件下にてＰＮ接合に生じるリーク電流が増大する。すると、このリーク電流の増大によって、測定精度が悪化するなど、高温条件下での測定が困難になる。
【００１１】
そこで、このような高温条件での測定が困難な半導体ダイアフラム式圧力センサを、燃焼圧センサ等の高温条件下で使用する場合、熱絶縁性が高く高強度のセラミックからなる力伝達ロッドを介して断熱することが考えられる。それによれば、圧力センサ自体は高温環境に直接さらされずに済む。
【００１２】
しかしながら、このような力伝達ロッドを用いた構成では、測定圧と圧力センサとの間に中間材として力伝達ロッドが介在するため、圧力伝達のロスによる測定精度の悪化や部品点数の増加による低コスト化の阻害等の問題を招くことになる。
【００１３】
そこで、本発明は上記問題に鑑み、半導体ダイアフラム式圧力センサにおいて、高温で用いた場合でも、中間材を介することなく圧力を測定できるようにすることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、圧力の印加により変形可能な半導体からなるダイアフラム（１１）と、ダイアフラムの一面と密閉された空間部（４０）を有して対向配置され、ダイアフラムの外周部側からダイアフラムの中央部側に向かって突出する互いに突出長さの異なる棒状の複数個の突出部（２１）とを備え、複数個の突出部は、ダイアフラムの変位方向へ変形可能であり、圧力が印加されたときに、ダイアフラムが変形してダイアフラムと少なくとも一つの突出部の先端部とが接触し、この接触した突出部とダイアフラムとの間に流れる電流に基づいて印加圧力が検出されるようになっていることを特徴とする。
【００１５】
それによれば、複数個の棒状突出部の突出長さが異なるので、各突出部の先端部は、ダイアフラムの中央部から周辺部まで様々な位置に存在するものとなる。一方、ダイアフラムは、その性質上、中央部の変形が最大となるように、印加圧力の大きさに応じて変形する。
【００１６】
このとき、複数個の突出部はダイアフラムの変位方向へ変形可能であるため、ダイアフラムの変形が大きくなっていっても、ダイアフラムとすでに接触している突出部は、ダイアフラムとともに変形し、ダイアフラムの変形は阻害されない。そして、ダイアフラムがさらに大きく変形すると、ダイアフラムは、すでに接触している突出部以外の突出部の先端部にも接触する。
【００１７】
このように、印加圧力の大きさに応じて、変形したダイアフラムと接触する突出部の数が多くなっていく。そして、その接触数の変化に応じて、接触した突出部とダイアフラムとの間に流れる電流の大きさも変化するので、この電流の大きさに基づいて印加圧力の変化を検出することが可能になる。
【００１８】
このように、本発明の半導体ダイアフラム式圧力センサは、ダイアフラムと突出部との接触数に応じて変化する電流に基づいて圧力検出を行う接触式のものであるため、ダイアフラムに拡散抵抗を形成することが不要となる。
【００１９】
そのため、従来の半導体ダイアフラム式圧力センサに存在していたＰＮ接合が、本発明の圧力センサでは存在しないので、高温条件下での測定に問題はない。つまり、測定圧力をダイアフラムに直接印加するような構成を採用することができる。
【００２０】
よって、本発明によれば、半導体ダイアフラム式圧力センサにおいて、高温で用いた場合でも、中間材を介することなく圧力を測定することができる。そして、中間材が省略できるからコスト的に有利であり、且つ、上記した電流変化に基づいて圧力変化を検出することができるから、精度の良い圧力検出が可能となる。
【００２１】
請求項２に記載の発明では、圧力の印加により変形可能な半導体からなるダイアフラム（１１）を有する第１の基板（１０）と、第１の基板に対向し、ダイアフラムとの間に密閉された空間部（４０）を有して配置された第２の基板（２０）とを備え、第２の基板のうちダイアフラムに対向する部位には、ダイアフラムの外周部側からダイアフラムの中央部側に向かって突出する互いに突出長さの異なる棒状の複数個の突出部（２１）が形成されており、複数個の突出部は、ダイアフラムの変位方向へ変形可能であり、圧力が印加されたときに、ダイアフラムが変形してダイアフラムと少なくとも一つの突出部の先端部とが接触し、この接触した突出部とダイアフラムとの間に流れる電流に基づいて印加圧力が検出されるようになっていることを特徴とする。
【００２２】
それによれば、請求項１に記載の発明と同様の作用効果を奏する半導体ダイアフラム式圧力センサが提供される。
【００２３】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図１は本発明の実施形態に係る半導体ダイアフラム式圧力センサＳ１の構成図であり、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。なお、（ａ）は（ｂ）の上視図である。
【００２５】
この圧力センサＳ１は、ダイアフラム１１を有する第１の基板１０と突出部２１を有する第２の基板２０とが積層され、この積層体が台座３０に支持されたものとなっている。なお、図１（ａ）では、第２の基板２０の平面形状を示してあり、第１の基板１０は省略するがダイアフラム１１は破線にて示してある。
【００２６】
第１の基板１０は、半導体基板としての第１のシリコン基板１０であり、この第１のシリコン基板１０の一面側から、アルカリエッチング液用いた異方性エッチングやドライエッチング等を施すことにより、薄肉部としてのダイアフラム１１が形成されている。本例では、ダイアフラム１１の平面形状は略円形状に示されているが、特に限定されるものではない。
【００２７】
このダイアフラム１１は、図１（ｂ）中の矢印Ｙ方向からの圧力の印加により、図１（ｂ）中の下方へ向かってダイアフラム１１の中央部の変位が最大となるように、湾曲状に変形する。そして、このダイアフラム１１には、従来形成していた拡散抵抗が形成されていない。
【００２８】
第２の基板２０は、特に材質を限定しないが、本例では、半導体基板としての第２のシリコン基板２０である。この第２のシリコン基板２０は、ダイアフラム１１との間に密閉された空間部４０を有した形で第１の基板に対向して配置されている。
【００２９】
そして、図１（ｂ）に示すように、第２のシリコン基板２０におけるダイアフラム１１との対向面側には、ダイアフラム１１の外周部側からダイアフラム１１の中央部側に向かって突出する棒状の複数個の突出部２１が形成されている。この突出部２１はカンチレバーとして構成されるものであり、図１（ｂ）では、円形状のダイアフラム１１の外周部に沿って略円形に、各突出部２１が配置されている。
【００３０】
これら各突出部２１は、互いに突出長さが異なるものであるが、すべての突出部２１の長さが互いに異なっていなくてもよく、一部に同一の突出長さのものが存在していても良い。そして、複数個の突出部は、ダイアフラム１１の変位方向へ変形可能な薄板形状をなしている。
【００３１】
また、図１（ａ）に示すように、各突出部２１は、その先端部から第２のシリコン基板２０の周辺部に渡って、第２のシリコン基板２０の表面に配線２２、２３、２４が形成されたものとなっている。
【００３２】
これら配線２２〜２４は、突出部２１の先端部側に位置する先端部側配線２２、第２のシリコン基板２０の周辺部側に位置する周辺部側配線２３、これら先端部配線２２と周辺部側配線２３との間に位置する抵抗２４からなる。
【００３３】
ここで、抵抗２４は先端部配線２２および周辺部側配線２３よりも、配線抵抗が十分に大きいものであり、各突出部２１毎に抵抗２４の抵抗値は略一定であるる。つまり、各突出部２１の配線抵抗は抵抗２４の抵抗値Ｒで決まり、各突出部２１の抵抗値Ｒは互いに略一定のものとなっている。
【００３４】
このような各突出部２１における配線の構成としては、例えば、先端部配線２２および周辺部側配線２３を成膜されたＡｌからなり、抵抗２４を成膜されたＣｒ−Ｓｉからなるものにできる。または、抵抗２４の配線幅を配線２２、２３よりも十分に細くする等の構成としても良い。
【００３５】
そして、第２のシリコン基板２０の周辺部において、各突出部２１について形成されている周辺部側配線２３は、接続配線２５によって電気的に接続されている。この接続配線２５は、先端部配線２２および周辺部側配線２３と同様のもの、例えば成膜されたＡｌからなるものにできる。
【００３６】
このような、突出部２１や配線２２〜２５を有する第２のシリコン基板２０は、例えば、次のようにして形成することができる。第２のシリコン基板２０の一面から厚さ方向の途中部まで、ドライエッチング等によりトレンチエッチングを行って、突出部２１のパターンを形成する。また、スパッタや蒸着等により、第２のシリコン基板２０の一面に各配線２２〜２５を形成する。
【００３７】
そして、第２のシリコン基板２０の他面側から、アルカリエッチング液用いた異方性エッチングやドライエッチング等を施すことにより突出部２１に対応した部位を除去することにより、突出部２１を片持ち状態に開放する。こうして、図１に示される第２のシリコン基板２０の構成が形成される。
【００３８】
また、第１のシリコン基板１０と第２のシリコン基板２０とは、接着等により接合されているが、その接合部には、絶縁膜５０が介在されており、第１および第２のシリコン基板１０、２０間を電気的に絶縁している。この絶縁膜５０は、第１のシリコン基板１０の厚肉部の面に、熱酸化やスパッタ、蒸着等により形成された酸化膜や窒化膜とすることができる。
【００３９】
さらに、第２のシリコン基板２０は、ガラス等からなる台座３０に、陽極接合や接着等により接合されており、両シリコン基板１０、２０は台座３０上に支持されている。そして、このような両シリコン基板１０、２０および台座３０の接合部は全周に形成されることにより、その接合部の内周側の空間部４０は密閉空間となっている。
【００４０】
このように、本実施形態の圧力センサＳ１は、圧力の印加により変形可能な半導体からなるダイアフラム１１と、ダイアフラム１１の一面と密閉された空間部４０を有して対向配置されダイアフラム１１の外周部側から中央部側に向かって突出する互いに突出長さの異なる棒状の複数個の突出部２１とを備え、これら突出部２１は、ダイアフラム１１の変位方向へ変形可能なものである。
【００４１】
そのため、圧力が印加されたときに、ダイアフラム１１が変形してダイアフラム１１と少なくとも一つの突出部２１の先端部とが接触する、すなわちダイアフラム１１と少なくとも一つの先端部側配線部２２とが接触すると、接触した突出部２１とダイアフラム１１との間に電流が流れるようになっている。
【００４２】
ここで、図２に本圧力センサＳ１の電気回路を示す。各突出部２１とダイアフラム１１とがスイッチを構成しており、各突出部２１が並列に接続された定電圧回路を構成している。なお、この回路における電圧源６０や電流計６１は、上記した両シリコン基板１０、２０または図示しない外部回路基板等に設けることができる。
【００４３】
そして、この回路においては、ダイアフラム１１と突出部２１とが接触した場合に、スイッチがオンして電流が流れるようにするために、ダイアフラムはＧＮＤ、突出部２１は正または負の電位となるように、電圧源６０を設定する。図２の例では、突出部２１が正となっている。また、上述したように、各突出部２１の配線抵抗は、抵抗２４の抵抗値Ｒにて略一定のものとなっている。
【００４４】
このような図２に示す電気回路において、電気回路を流れるトータル電流Ｉは、電圧をＶ、オンしたスイッチの数をｎとすると、Ｉ＝Ｖ・ｎ／Ｒにて表すことができる。つまり、オンしたスイッチ数ｎつまりダイアフラム１１と接触する突出部２１の数が多いほど電流Ｉが増える。このトータル電流Ｉは上記電流計６１にて測定される。
【００４５】
このような圧力センサＳ１における検出動作について、図３も参照して説明する。図３において、（ａ）は圧力を受けておらずダイアフラムが変形していない定常状態、（ｂ）は圧力を受けた状態、（ｃ）は（ｂ）よりもさらに強い圧力をうけた状態を示す。
【００４６】
図３（ａ）に示すように、複数個の棒状の突出部２１の突出長さが異なるので、各突出部２１の先端部は、ダイアフラム１１の中央部から周辺部まで様々な位置に存在する。一方、ダイアフラム１１は、その性質上、中央部の変形が最大となるように、印加圧力の大きさに応じて変形する。
【００４７】
まず、図３（ａ）に示すように、第１のシリコン基板１０に形成されたパッド等を介して、ダイアフラム１１をＧＮＤ、突出部２１を正電位とするように電圧源６０により電圧差を作る。この定常状態では、上記図２に示す各スイッチはオープンであり、電流は流れていない。
【００４８】
そして、図３（ｂ）に示すように、ある大きさの圧力がダイアフラム１１に印加され、変形したダイアフラム１１は、その中央部にて一つの突出部２１の先端部に接触し、接触した両者の間で電流が流れる。
【００４９】
なお、各突出部２１は、密閉された空間部４０内に位置しているので、外部圧力の影響によって変形することはない。つまり、突出部２１は、ダイアフラム１１が接触するまで、変位することはなく、ダイアフラム１１と突出部２１との安定した接触を確保することができる。
【００５０】
次に、図３（ｃ）に示すように、さらに大きい圧力が印加されるとダイアフラム１１の変形がより大きくなるが、このとき、各突出部２１はダイアフラム１１の変位方向へ変形可能であるため、ダイアフラム１１とすでに接触している突出部２１は、ダイアフラム１１とともに変形する。
【００５１】
そのため、ダイアフラム１１のさらなる変形は阻害されず、ダイアフラム１１はさらに大きく変形していき、すでに接触している中央部寄りの突出部２１以外の周辺部寄りの突出部２１の先端部にも接触する。このようにして、印加圧力の大きさに応じて、変形したダイアフラム１１と接触する突出部２１の数が多くなっていく。
【００５２】
そして、その接触数の変化に応じて、すなわち上記図２に示したオンしたスイッチ数ｎが変化するにつれて、接触した突出部２１とダイアフラム１１との間に流れる電流（つまりトータル電流Ｉ）の大きさも変化するので、この電流の大きさに基づいて印加圧力の変化を検出することが可能になる。つまり、印加圧力が大きいほど大きなトータル電流Ｉが流れることになる。
【００５３】
なお、このトータル電流Ｉに基づいて印加圧力の信号が検出されるが、その検出信号を調整する回路や信号を増幅する増幅回路が、図示しないけれども、別途、両シリコン基板１０、２０または外部回路基板に設けられていても良い。そして、検出信号の信号処理がなされ、目的の圧力の大きさが求められるようになっている。
【００５４】
このように、本実施形態の半導体ダイアフラム式圧力センサＳ１は、ダイアフラム１１と突出部２１との接触数に応じて変化する電流に基づいて圧力検出を行う接触式のものであるため、ダイアフラム１１に従来では形成していた拡散抵抗を形成することが不要となる。
【００５５】
そのため、従来の半導体ダイアフラム式圧力センサに存在していたＰＮ接合が、本実施形態の圧力センサＳ１では存在しないので、高温条件下での測定においてＰＮ接合におけるリーク電流の問題は、そもそも発生しない。つまり、測定圧力をダイアフラム１１に直接印加するような構成を採用することができる。
【００５６】
よって、本実施形態によれば、半導体ダイアフラム式圧力センサにおいて、高温で用いた場合でも、中間材を介することなく圧力を測定することができる。そして、中間材が省略できるからコスト的に有利であり、且つ、上記した電流変化に基づいて圧力変化を検出することができるから、精度の良い圧力検出が可能となる。
【００５７】
なお、突出部２１の数は、大きさの異なる圧力を検出するセンサとして機能させるためにも、突出長さの異なるものが複数個必要であるが、その数は少なくとも２個以上であればよい。そして、その突出部２１の配置形態も、上記図１（ａ）のように円形状以外にも、多角形状等任意のものにできる。
【００５８】
また、突出部２１の突出長さや厚さを変えることで突出部２１の剛性を変えることが可能なことは明らかである。突出部２１の剛性を高くすれば、ダイアフラム１１も低圧では変形しにくくなって高圧測定に適した圧力センサとなり、突出部２１の剛性を低くすれば、逆に低圧測定に適した圧力センサとすることができる。
【００５９】
また、各突出部２１の配線２２〜２４は、各突出部２１とダイアフラム１１との接触時における導通が確保できれば、無くてもかまわない。また、各突出部２１の配線抵抗を一定にするための抵抗２４は、印加圧力の大きさに応じたトータル電流を得ることができるならば、無くしてもかまわない。
【００６０】
（他の実施形態）
なお、各突出部は、上記実施形態のように、一つの基板に一体に形成されていなくてもよく、別々の部材であっても良い。その場合、各突出部を台座に接合して台座上で一体化するとともに隣り合う各突出部の間を絶縁性の接着剤等で封止し、ダイアフラムとの間の空間部を密閉構造とすることが必要である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体ダイアフラム式圧力センサの構成図である。
【図２】図１に示す圧力センサの電気回路図である。
【図３】図１に示す圧力センサの検出動作を示す図である。
【図４】従来の一般的な半導体ダイアフラム式圧力センサの構成図であり、（ａ）は一部断面を含む斜視構成図、（ｂ）は電気回路構成図である。
【符号の説明】
１０…第１の基板としての第１のシリコン基板、１１…ダイアフラム、
１２…拡散抵抗、１３…電極、
２０…第２の基板としての第２のシリコン基板、２１…突出部、
２２…先端部側配線、２３…周辺部側配線、２４…抵抗、２５…接続配線、
３０…台座、４０…空間部、５０…絶縁膜、６０…電圧源、６１…電流計、
Ｙ…圧力印加方向。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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