專利名稱：壓力傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種適用于測量絕對壓力、片(gauge)壓力或差壓的 壓力傳感器。
背景技術：
現在，以下這樣的壓力傳感器已被廣泛地使用，該壓力傳感器，例 如通過在半導體芯片上的一部分上形成膜片，在該膜片上將壓電電阻元 件配置成橋狀，將膜片隨被測量介質的壓力而產生的位移變換為壓電電 阻元件的電阻值的變化，來測量出被測量介質的壓力(例如，參照專利 文獻l)。另外，與以下這樣的壓力傳感器的制造工藝相關的發明也已為人們 所知，該制造工藝嚴格地控制以上那樣的膜片的厚度來在半導體芯片上 形成上述膜片(例如，參照專利文獻2)。專利文獻l:日本特開2002-277337號7>報(第2頁、圖2)專利文獻2:日本特開2000- 171318號公報(第3-4頁、圖l)但是，壓力傳感器的半導體芯片一般使用硅，在將硅這樣的半導員 為一個塊體的情況下，作為該半導體的物性，對外力的變形程度(應變)、 即應力-應變特性表現為大致線性，幾乎沒有表現出非線性。即，這是將 半導體材料視為塊體的情況下成立的物性。但是，定性地可知在將精密 地控制了結晶狀態的硅等半導體材料加工得薄于或等于某種程度的情況 下，其非線性會增大。但是，歸根結底僅是定性地知道該非線性增大這樣的性質，在由這樣 的半導體構成的芯片的一部分上形成膜片，對隨作用在該膜片上的壓力產生的位移進行電變換iM企測壓力的壓力傳感器中，使膜片的厚度具體地薄到何種尺寸范圍，可以擴大膜片的應力一應變特性的非線性區域，滿足具有高靈氣復同時又做到高耐壓這樣的矛盾要求，至今為止尚不知道。換而言之，在以膜片作為感壓部的壓力傳感器中，因為膜片上產生的 應力成為傳感器靈敏度，所以為了使壓力傳感器具有高靈敏度的同時做到 高耐壓，需要對壓力傳感器的膜片的尺寸參數進行特別地控制，使得該非 線性區域盡量擴大，以滿足矛盾的要求，迫切需要具體地找到這樣的尺寸 參數，來滿足矛盾的要求、即高靈敏度和高耐壓，并擴大壓力傳感器的界 限范圍。發明內容本發明的目的在于，提供一種高靈敏度且高耐壓的壓力傳感器。本發明的技術方案一所涉及的壓力傳感器，在由半導體制成的芯片 的一部分上形成膜片，對隨作用在上述膜片上的壓力所產生的位移進行 電變換來檢測該壓力，其特征在于，上述膜片具有上述壓力傳感器的容許耐壓特性曲線的微分值大致 為零的縱橫比，該容許耐壓特性曲線是通過將上述膜片的一邊長度除以 該膜片的厚度所得到的縱橫比作為橫軸、將上述壓力傳感器的容許耐壓 作為縱軸而規定的。4吏用具備以下半導體膜片的壓力傳感器，該半導體膜片具有滿足這樣 的尺寸范圍的構造，可擴大隨著膜片的變形而產生的應力-應變特性的非 線性區域，該膜片的變形是隨著作用于膜片的壓力而產生的，通過將該非 線性區域充分地用于壓力測量，可以制成高靈敏度且高耐壓的壓力傳感 器。另外，本發明的技術方案二所涉及的壓力傳感器，其特征在于，在技 術方案一所述的壓力傳感器中，從上述壓力作用的一側觀察，上述膜片具 有四邊形形狀。通過例如各向異性蝕刻形成四邊形形狀的膜片，與例如通過各向同性 蝕刻形成圓形形狀的膜片的情況相比，不將膜片的厚度形成得更薄時，不 會出現應力-應變特性的非線性區域。因此，為了利用該非線性區域必須 減小膜片的厚度。但是，減小膜片的厚度，在四邊形形狀的膜片中將特別 容易發生應力集中。因此，在具備四邊形形狀的以下半導體膜片的壓力傳 感器中，該半導體膜片具有滿足本發明的尺寸范圍的構造，可以擴大隨著4膜片的變形而產生的應力-應變特性的非線性區域，該膜片的變形是隨著 作用于膜片的壓力產生的，可以將該非線性區域充分地用于壓力測量，因 而能制成高靈敏度且高耐壓的壓力傳感器。另外，本發明的技術方案三所涉及的壓力傳感器，其特征在于，在技 術方案一或技術方案二所述的壓力傳感器中，上述膜片是用單晶硅形成 的。在將特別是在塊狀的狀態下不發生塑性變形、應力-應變特性不具有 非線性的單晶硅用作半導體芯片材料的情況下，在形成某種程度的厚度的 膜片時，膜片不會達到^E屈服點，而在應力-應變特性的線性區域內被 破壞。但是，通過制作滿足本發明的尺寸關系的膜片，對于應力-應變特 性，可以積極地使之產生非線性，可以制成滿足高靈敏度且高耐壓這樣的 矛盾要求的壓力傳感器。另外，本發明的技術方案四所涉及的壓力傳感器，其特征在于，在技 術方案一至4支術方案三中任意一項所述的壓力傳感器中，上述膜片的厚度小于15nm,上述縱橫比為135以上。通過特別像這樣來限定膜片的尺寸，可以可靠地利用膜片的應力一應 變特性的非線性區域，制成滿足高靈敏度且高耐壓這樣的矛盾要求的壓力 傳感器。根據本發明，可以擴大隨著膜片的變形而產生的應力-應變特性的非 線性區域，該膜片的變形是隨著作用于膜片的壓力而產生的，可以將該非 線性區域充分地用于壓力測量，從而可以制成高靈敏度且高耐壓的壓力傳 感器。
圖l是表示本發明的一實施方式所涉及的壓力傳感器的概略結構的 剖視圖。圖2是圖1所示的壓力傳感器的俯視圖。圖3是表示本發明的一實施方式所涉及的壓力傳感器的輸出特性和 耐壓特性的特性圖，橫軸表示膜片的縱橫比，左側的縱軸表示壓力傳感 器的耐壓(kPa)，右側的縱軸用跨度電壓(mV)表示壓力傳感器的靈敏度。圖4是表示本發明的一實施方式所涉及的壓力傳感器的應力-應變 特性的圖。圖中符號說明l-壓力傳感器；lO-傳感器芯片；11-膜片；12-厚壁部；13-凹部；15-基座；15a-導壓路徑；210( 211 - 214 )傳感片(sensor gauge)具體實施方式
本發明的一實施方式所涉及的壓力傳感器1，如圖1和圖2所示， 具有由晶面方位為(100)面的單晶硅構成的正方形的傳感器芯片10。 另外，在本實施方式的說明中，僅使用"壓力" 一詞，但是，在這些實 施方式中當然也包括對膜片的兩面施加不同的壓力，測量其差壓的情 況。另外，本發明并不局限于由晶面方位為(100)面的硅構成的傳感 器芯片，也可以適用于由晶面方位為(110)面的硅構成的傳感器芯片。傳感器芯片10由在芯片表面的規定位置所形成的正方形的膜片11 和形成傳感器芯片IO的外周部并圍繞膜片ll的厚壁部12構成。而且， 在傳感器芯片IO的背面中央，由于膜片11的形成而形成了正方形的凹 部13，厚壁部12被陽極接合在底座15上。底座15由派熱克斯(Pyrex， 注冊商標)玻璃或陶瓷等形成為具有與傳感器芯片10大致相同大小的 棱柱體。另外，在底座15中，形成有用于將被測量介質的壓力導入膜 片11的背面側的導壓路徑15a。在圖2所示的俯視圖中，以相對于傳感器芯片10傾斜了大致45。 的狀態，形成有膜片11，使得膜片11的邊緣部與傳感器芯片10的對角 線正交(參照圖2中的虛線所示的膜片ll的邊緣部)。而且，在膜片表 面的周緣部附近，在平行于傳感器芯片10的對角線的位置，形成有發 揮壓電區域的作用來檢測壓力的四個壓力檢測用傳感片210 (211~ 214)。即，這些傳感片211~214，在傳感器芯片10的(100)面中，形 成在壓電電阻系數最大的<110>方向上。這樣的傳感片210 (211~214)，通過擴散法或離子注入法形成，通過未圖示的引線進行連接，構成惠斯頓橋式電路，在對膜片11的正反 面分別施加不同的壓力時，膜片11隨著其差壓而產生變形，各個傳感片210的電阻隨著該變形而發生變化，差動地輸出用于求得測量壓力的 差壓信號。另外，在本實施方式的情況下，壓力傳感器1的傳感器芯片10的 大小，在壓力的作用方向只見察，正方形形狀的一邊為4.0mm左右，厚 度為250nm左右，同樣，在壓力的作用方向觀察，正方形形狀的膜片 11的大小是一邊為2.0mm左右，厚度為13fim左右。即，本實施方式 所涉及的壓力傳感器1的傳感器芯片10由作為半導體的單晶硅制成， 且膜片11的厚度小于15jrni，將膜片11的一邊長度除以該膜片11的厚 度而得到的縱橫比為135以上。另外，將上述的縱橫比作為橫軸，將壓力傳感器l的容許壓力作為 縱軸，由此規定壓力傳感器1的容許耐壓特性曲線，在后面對該容許耐 壓特性曲線進行詳細說明。本實施方式所涉及的壓力傳感器1的膜片 11,具有容許耐壓特性曲線的微分值大致為零的縱橫比。另外，根據例如日本特開平6-85287號公報所記載，具有上述結 構的壓力傳感器1的制造工藝是公知的，根據日本特開2000- 171318 號公報所記載，準確地控制膜片11的厚度的制造工藝也是公知的，因 此，這里，省略了對該制造工藝的詳細i兌明。另外，日本特開2000 -171318號公報所記載的壓力傳感器的傳感器芯片，具有二氧化硅層介于 兩個硅層之間的結構，在本發明所示的圖1中，沒有畫出這樣的二氧化 硅層，該圖是為了容易理解本發明而概略畫出的結構圖，本發明的范圍 當然也包括具有上述公報中所記載的二氧化硅層的傳感器芯片。具有以上結構的壓力傳感器1，可以成為跨度電壓為5.0KPa (60mV)、具有高靈敏度、耐壓達350kPa的高耐壓的壓力傳感器。這 是由于半導體芯片是用單晶硅制成、且膜片11具有上述尺寸形狀，從 而可充分利用圖4所示的膜片11的應力-應變特性的非線性區域的緣 故。另外，在像本發明這樣制造滿足高靈敏度且高耐壓這樣的矛盾要求 的壓力傳感器時，不必局限于上述實施方式的傳感器芯片10的材質和膜片11的尺寸關系，只要膜片具有容許耐壓特性曲線的微分值大致為 零的縱橫比即可，該容許耐壓特性曲線是將縱橫比作為橫軸、將壓力傳 感器的容許壓力作為縱軸而規定的壓力傳感器的容許耐壓特性曲線，該縱橫比是將在傳感器芯片的一部分上形成的膜片的一邊長度除以該膜 片的厚度而得到的。另外，并不局限于通過各向異性蝕刻來制造膜片， 使膜片從壓力作用的方向觀察，具有四邊形形狀。通過各向同性蝕刻制 造膜片，使膜片具有圓形形狀，也可以適用本發明。但是，為了充分發揮本發明中的上述作用，優選，從壓力作用的一 側觀察，膜片具有四邊形形狀，膜片由單晶硅形成，膜片的厚度小于15nm，縱橫比為135以上。優選從壓力作用的一側觀察，膜片具有四邊形形狀的理由如下通 過各向異性蝕刻形成膜片，使得膜片具有四邊形形狀時，與例如通過各 向同性蝕刻將膜片形成為圓形形狀的情況相比，在不使厚度更薄時不會 出現非線性區域，因此，為了利用該非線性區域，必須減少膜片的厚度。 但是，減少膜片的厚度，會使得在四邊形形狀的膜片中特別容易發生應 力集中。因此，使用具備四邊形形狀的以下半導體膜片的壓力傳感器， 該半導體膜片具有滿足本發明的尺寸范圍的構造，可以擴大隨著膜片的變形所產生的應力-應變特性的非線性區域，該膜片的變形是隨著作用 于半導體膜片的壓力而產生的，可以將該非線性區域充分用于壓力測 量，因而可以制成高靈敏度且高耐壓的壓力傳感器。另外，優選，膜片用單晶硅形成的理由如下在將特別是在塊狀的 狀態下不發生塑性變形、應力-應變特性不具備非線性的單晶硅用作半 導體芯片材料的情況下，在形成具有某種程度厚度的膜片時，膜片不會 達到本征屈服點，而在應力-應變特性的線性區域內被破壞，但是，通 過制成滿足本發明的尺寸關系的膜片，對于應力-應變特性，可以積極 地使之產生非線性，可以制成滿足高靈敏度和高耐壓這樣的矛盾要求的 壓力傳感器。另外，由于本發明的發明者實際進行了驗證試驗，因此，關于優選 膜片的厚度為小于15jim,縱橫比為135以上的理由，以下將試驗結果 作為實施例來一起進行說明。實施例
使用具備利用上述一般的半導體工藝制造的各種厚度的膜片的、由 單晶硅制成的壓力傳感器進行試驗，研究各壓力傳感器對壓力的輸出特 性和膜片的應力-應變特性。另外，各個壓力傳感器的尺寸關系以及半 導體芯片的大小和厚度、膜片的一邊長度，為與上述實施例同樣的尺寸 關系。而且，控制將膜片的一邊長度除以膜片的厚度得到的縱橫比，使 其分別為特定的縱橫比，由此制造成各種壓力傳感器。
即，在試驗中改變縱橫比時，將膜片的一邊長度固定，而改變膜片 的厚度。而且，使用具有該縱橫比不同的、各種厚度的膜片的壓力傳感
器，測量各壓力傳感器的輸出和作用在膜片上的壓力、即耐壓(kPa), 壓力傳感器的輸出用表示靈敏度的跨度電壓(kPa (mV))表示。
圖3是表示該測量結果的壓力傳感器的輸出特性圖，橫軸表示膜片 的縱橫比，左側的縱軸表示壓力傳感器的耐壓(kPa)，右側的縱軸用輸 出電壓(mV)表示壓力傳感器的靈敏度。
該特性圖中所示的多個小塊，表示實際對與壓力傳感器的各個縱橫 比對應的耐壓進行測量而得到的測量結果，在圖中左側的縱向排列的多 個小塊表示具備厚度為30jim的膜片的壓力傳感器的測量結果，圖中中 央部分分散較廣的多個小塊表示具備厚度為23pm的膜片的壓力傳感器 的測量結果，圖中右側分散較窄的多個小塊表示具備厚度為13nm的膜 片的壓力傳感器的測量結果。
另外，圖3中向右側下降的、在膜片的厚度大約為15nm、縱橫比 大約為135的附近有極小值(微分值大致為零)的曲線，是耐壓特性， 該耐壓特性表示根據該測量結果求出的、對膜片的縱橫比的壓力傳感器 的耐壓。另一方面，圖中向右上上升的直線是表示壓力傳感器的靈敏度 的輸出特性，該壓力傳感器的靈敏度是通過測量對膜片的各個縱橫比的 上述輸出電壓而求得的。
本來，上述耐壓特性和輸出特性應該是壓力傳感器的輸出電壓越高 其耐壓越低，但是，根據該輸出特性圖可知使用具有本實驗這樣的尺 寸的壓力傳感器，通過控制縱橫比，可以積極地產生壓力傳感器的容許
9耐壓特性曲線的微分值大致為零(為最小值)的點。根據該實驗結果可
知特別是膜片的縱橫比為135以上、膜片厚度小于15pm的壓力傳感 器，即上述實施方式中的壓力傳感器成為滿足了高靈敏度和高耐壓這樣 的矛盾要求的壓力傳感器。
這是由于使用具有以下半導體膜片的壓力傳感器，該半導體膜具有滿 足這樣的尺寸范圍的構造，如圖4所示，擴大了隨著膜片的變形而產生的 應力-應變特性的非線性區域，該膜片的變形是隨著作用于半導體膜片的 壓力而產生的，通過將該非線性區域充分地用于壓力測量，滿足了高靈敏 度、高耐壓這樣的矛盾要求。
根據以上的說明可知使用具有以下半導體膜片的壓力傳感器，該 半導體膜片具有滿足本發明的尺寸范圍的構造，如圖4所示，可以擴大隨 著膜片的變形而產生的應力-應變特性的非線性區域，該膜片的變形是隨 著作用于膜片的壓力而產生的，通過將該非線性區域充分地用于壓力測 量，可以提供高靈敏度、高耐壓的壓力傳感器。
此時，優選壓力傳感器的膜片從壓力作用的一側觀察，具有四邊形 形狀。其理由是在例如通過各向異性蝕刻形成四邊形形狀的膜片的情 況下，與例如通過各向同性蝕刻形成圓形形狀的膜片的情況相比，不使 厚度更薄，將不會出現非線性區域，因此為了利用該非線性區域，必須 減小膜片的厚度.但是，減少膜片的厚度，將使得在四邊形形狀的膜片 中特別容易發生應力集中。因此，使用具備四邊形形狀的以下半導體膜 片的壓力傳感器，該半導體膜片具有滿足本發明的尺寸范圍的構造，可 以擴大隨著膜片的變形所產生的應力-應變特性的非線性區域，該膜片 的變形是隨著作用于半導體膜片的壓力而產生的，可以將該非線性區域 充分地用于壓力測量，從而制成高靈敏度且高耐壓的壓力傳感器。
另外，此時，特別優選膜片用單晶硅形成。其理由是在將特別是 在塊狀的狀態下不發生塑性變形、應力-應變特性不具備非線性的單晶
硅用作半導體芯片材料的情況下，在形成膜片時，對于具有某種程度的 厚度的膜片，膜片不會達到本征屈服點，而將在應力-應變特性的線性 區域內被破壞，通過制成滿足本發明的尺寸關系的膜片，對于應力-應 變特性，可以積極地使之產生圖4所示的非線性，可以制成滿足了高靈 敏度和高耐壓這樣的矛盾要求的壓力傳感器.另外，此時，優選膜片的厚度小于15pm，縱橫比為135以上。其 理由是通過特別像這樣來限定膜片的尺寸，可以可靠地利用膜片的應力 一應變特性的非線性區域，制成滿足高靈敏度和高耐壓這樣的矛盾要求的 壓力傳感器。
權利要求
1.一種壓力傳感器，在由半導體制成的芯片的一部分上形成膜片，對隨著作用在上述膜片上的壓力所產生的位移進行電變換，來檢測該壓力，其特征在于，上述膜片具有大于等于以下大小的縱橫比，在該大小下，上述壓力傳感器的容許耐壓特性曲線的微分值大致為零，該容許耐壓特性曲線是通過將上述膜片的一邊長度除以該膜片的厚度而得到的縱橫比作為橫軸、將上述壓力傳感器的容許耐壓作為縱軸而規定的。
2. 根據權利要求l所述的壓力傳感器，其特征在于， 從上述壓力作用的一側觀察，上述膜片具有四邊形形狀。
3. 根據權利要求1或2所述的壓力傳感器，其特征在于， 上述膜片由單晶硅形成。
4. 根據權利要求1 ~ 3中的任意一項所述的壓力傳感器，其特征在于， 上述膜片的厚度小于15jun，上述縱橫比為135以上。
全文摘要
本發明提供一種高靈敏度、高耐壓的壓力傳感器，在由半導體制成的芯片(10)的一部分上形成膜片(11)，對膜片(11)的隨著壓力所產生的位移進行電變換來檢測該壓力，通過使膜片(11)具有大于等于以下大小的縱橫比，可以得到高靈敏度且高耐壓的壓力傳感器，在該大小下，傳感器(1)的容許耐壓特性曲線的微分值大致為零，該容許耐壓特性曲線是將膜片(11)的一邊長度除以該膜片(11)的厚度所得到的縱橫比作為橫軸、將壓力傳感器(1)的容許耐壓作為縱軸而規定的。
文檔編號G01L13/06GK101256101SQ200810006320
公開日2008年9月3日 申請日期2008年2月26日 優先權日2007年2月28日
發明者東條博史, 德田智久, 米田雅之 申請人:株式會社山武