JPS6222467B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は圧力−電気変換素子に関するものであ
る。通常シリコン、ゲルマニウム等の半導体圧力
変換素子においては機械的応力を加える事によつ
てピエゾ抵抗効果によりその抵抗値が変化する。
このような物理現象を利用して単結晶シリコン板
よりなる圧力−電気変換素子では半導体ダイアフ
ラム上に歪ゲージを拡散層等で形成し、ダイアフ
ラムに加わる応力により歪ゲージを変形させピエ
ゾ抵抗効果による抵抗値の変化を検出して圧力を
測定している。

このような圧力−電気変換素子の従来構造の一
例を第１図に示す。図においが、１０はシリコン
結晶薄板のダイヤフラム１１と、このダイアフラ
ム１１を固定する支持部１３からなる圧力−電気
変換素子。ダイアフラム１１と支持部１３はシリ
コン結晶基板から一体的に形成されており、ダイ
アフラム１１上には歪ゲージとなる拡散層１２が
形成されており、さらに支持部１３の下面は接着
剤２３により取り付け台２１上に固着されてい
る。２２は取り付け台２１を貫通する孔で測定ガ
スの導入口（圧力導入口）である。

このような構成における圧力−電気変換素子に
おいて大切なのはダイアフラム１１が周囲の物
体、例えば取り付け台２１から余計な力を受けな
い事である。ダイアフラム１１は非常に肉厚が薄
くなつている。例えば径３mmφのダイアフラム１
１で０〜１気圧の圧力変化を検出するには50μ以
下の厚さが望まれる。このようにダイアフラム１
１は非常に薄いため外部から伝わつてくる力によ
り変形されやすく歪ゲージに好ましくない応力が
作用し易い。第１図の圧力−電気変換素子におい
てダイアフラム１１はダイアフラム１１よりも肉
厚の厚い支持部１３を介して取り付け台２１上に
固着されているので、外部から伝わる力は支持部
１３で吸収され弱められる。

しかし第１図に示した従来構造の圧力−電気変
換素子には問題がある。圧力−電気変換素子１０
は１枚のシリコン結晶基板より同時に多数個製造
される。まず第２図ａに示すようにシリコン結晶
基板１に通常の拡散プロセスによつて歪ゲージ１
２を形成する。次に図では省略したが歪ゲージに
接続する電極を形成する。最後に裏面側より選択
的にエツチングして肉薄のダイアフラム１１を形
成する。エツチングされず残つた部分は肉厚の厚
い支持部１３となる（第２図ｂ）。１点鎖線は素
子分離線を示す。

ところで圧力−電気変換素子の特性はダイアフ
ラム１１の厚さ及びその均一性に強く依存する。
同一の圧力に対して歪ゲージはダイアフラム１１
の肉厚の２乗に逆比例する応答を示すのでダイア
フラム１１の厚さがばらつくと特性は大きくばら
つく。またダイアフラム１１が不均一であるとダ
イアフラム１１面上に生ずるひずみは異常な分布
を示す。

ところが実際上述のような工程で得られるダイ
アフラム１１は第２図ｂに示すごとく、各素子に
より厚さがばらつく、また１素子のダイアフラム
も決して均一な厚さではなくエツチングむらが生
じており、特にダイアフラム１１周辺ではエツチ
ングだれが生ずる。普通このダイアフラム１１周
辺部には歪ゲージが配設されるのでこのエツチン
グだれは特性に大きな影響を及ぼす。そこで厚さ
の揃つたダイアフラム１１を得るためエツチング
むらやエツチングだれの無いエツチングを行なう
方法が色々と提案されてきた。しかし本質的な改
善にまでは到つていない。というのは最初の結晶
基板１は取り扱い上厚さが300μ程度のものを使
用するがこれを選択的にエツチングして50μ以下
のダイアフラムを作ろうとするからである。即ち
250μ以上もの深さの溝を同じ深さでしかもエツ
チングむらやエツチングだれなく掘ろうとするか
らである。通常結晶基板１に対してエツチングを
行なう場合には結晶基板面内の各場所で均一なエ
ツチング条件を作るため、エツチング液を撹乱し
ながら行なう。しかし面内に溝が存在すると液の
流れが乱され、溝内に熱が留まりエツチングむら
が生じ、また深さ方向ばかりではなく横方向にも
エツチングが進行してエツチングだれを生ずる。

このように従来の圧力−電気変換素子では一枚
の結晶基板から製造される各素子の特性がばらつ
き、歩留りが悪く、コスト高であつた。このよう
な点に鑑みて、特性ばらつきの少ない歩留りの良
い、しかもコストの安い圧力−電気変換素子を提
供する方法が提案されている。以下この方法につ
いて実施例を挙げて詳細に説明する。

第３図はこの方法による圧力−電気変換素子の
１実施例の構造を示したものである。図中第１図
と同一符号は同一または相当部分を示す。１１は
シリコンダイアフラムで、１３′は同じくシリコ
ン結晶からなる筒状の支持体である。シリコンダ
イアフラム１１は接着剤１４をもつて支持体１
３′上に固定されている。取り付け台２１からダ
イアフラム１１へ伝わる力は支持体１３′により
吸収され弱められる。

さてこの方法による圧力−電気変換素子１０′
は以下のようにして形成される。第４図ａに示す
ごとくまずシリコン結晶基板１に周知の拡散技術
によつて歪ゲージとなる拡散層１２を形成し、次
に図では省略したが上記歪ゲージに接続する電極
の形成を行なう。しかる後シリコン結晶基板１の
裏面側よりエツチングを行ない所望の厚さのダイ
アフラム１１を形成する（第４図ｂ）。一点鎖線
は素子分離線である。最後にダイアフラム１１を
支持体１３′に接着して圧力−電気変換素子１
０′を完成する（第４図ｃ）。

ところで歪ゲージ１２を形成したシリコン結晶
基板１を肉薄にしてダイアフラム１１を形成する
際のエツチングはシリコン結晶基板１の裏面全体
に対して行なわれる。エツチング液を十分に撹乱
しながらエツチングを行えば第２図の場合のよう
に溝を掘る時とは異なりエツチング液は基板表面
を一様に流れシリコン結晶基板１裏面全体でエツ
チング条件が均一となる。従つてシリコン結晶基
板全体に亘り一定の速さでエツチングされ、溝が
ないのでエツチングむらもほとんどなく、もちろ
ん溝を掘るのでないからエツチングだれなども存
在しない。

このようにこの方法による圧力−電気変換素子
ではダイアフラム厚の揃つた、またダイアフラム
の均一な素子が得られる。換言すれば特性のばら
つきが小さく、歩留りが高く、コストが安くな
る。しかしながら第３図に示した圧力−電気変換
素子では別の問題がある。ダイアフラム１１と支
持体１３′はどちらも同じシリコン結晶で形成さ
れているが接着剤１４によつて接着されており、
この接着部に残留ひずみ応力が存在する。この残
留ひずみ応力が肉薄のダイアフラム１１に作用
し、圧力−電気変換素子１０′の特性に悪い影響
を与える。この影響は特にダイアフラム１１の厚
さを薄くした場合に顕著となる。ダイアフラム１
１の厚さを薄くした場合接着部１４の厚さもそれ
に見合つただけ薄くしてやれば接着部の残留ひず
み応力の影響をおさえる事が出来るが、一般には
接着部１４の厚さを薄くすればするほど接着力が
弱まり、接着はがれが起こつたり、気密漏れが発
生したりする。

接着剤１４としては樹脂や低融点ガラス、合金
ハンダ等が考えられるが、圧力−電気変換素子の
特性に悪影響を与える事のないように接着部の厚
さを十分に薄くした場合でも、接着強度が十分に
強く、気密漏れが生じない接着剤としてはダイア
フラム１１や支持体１３′を構成するシリコン結
晶と共晶反応を起すAu（金）等の金属が適当で
ある。実際我々は接着剤にAu（金）を用いて、
ダイアフラム１１及び支持体１３′を構成するSi
（シリコン）とでAuSi共晶合金反応を行なわせて
ダイアフラム１１と支持体１３′を接着させたと
ころ、接着部１４の厚さを３μとしても実用的に
十分強固な、気密漏れの無い接着が可能であつ
た。さらにこの場合にはダイアフラム１１の厚さ
を20μまで薄くしても圧力−電気変換素子の特性
は通常の動作範囲で影響を受けなかつた。しかし
ながら、、第３図に示した従来の圧力−電気変換
素子で絶対圧力の測定を行なうには、孔２２から
真空引きしてダイアフラム１１の下面側を真空に
し、ダイアフラム１１上面に被測定圧を加える
か、または何らかの他の手段により、ダイアフラ
ム上面を真空にして孔２２から被測定圧を加えな
ければならなかつた。また第３図においては、一
般にシリコン結晶とは異なる熱膨脹係数を有する
取付台２１上に支持体１３′が固着されるため、
接着時、取付台からの応力は支持体１３′を介し
て直接ダイアフラム１１上の歪ゲージ１２へ影響
を及ぼす構造となつていた。本発明は従来の欠点
に鑑み、絶対圧の測定が可能で、しかも取付台か
らの歪応力力の影響を受けにくい構造を有する圧
力−電気変換素子を提供するものである。

第５図は本発明による圧力−電気変換素子の他
の実施例を示したものであり、絶対圧力検出用の
圧力−電気変換素子である。図中第３図と同一符
号は同一または相当部分を示す。この実施例では
シリコンダイアフラム１１は凹部１５を有するシ
リコン結晶からなる支持体１３′に接着されてい
る。凹部１５内は真空に保たれている。従つてダ
イアフラム１１は歪ゲージ１２が形成された面側
からのみ圧力を受け絶対圧を検出できる。尚図に
おいて、支持部１３′をその下面の中央部分にて
取付台に接着し、その接着部２３の面積を支持体
１３′の下面の面積よりも小さくしているのは取
り付け台２１から支持体１３′へ伝わる力を弱め
るためである。

なお上述の実施例の説明において接着剤１４と
してAu（金）をとりあげたがAg（銀）やAl（ア
ルミニウム）、さらにSi（シリコン）と共晶反応
する他の金属、もしくはSi（シリコン）と共晶反
応する金属を含む合金であつてもよいことは勿論
である。

以上のようにこの発明によれば、支持体と取付
台との接着部面積を小さくしたので、取付台から
の歪応力の影響を受けにくい、絶対圧検出用の圧
力−電気変換素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の圧力−電気変換素子を示す断面
図、第２図は従来の圧力−電気変換装置の製造方
法を説明するための図、第３図はこの発明の圧力
−電気変換装置の一実施例を示す断面図、第４図
はこの発明による圧力−電気変換装置の製造方法
を説明するための図、第５図はこの発明の他の実
施例を示す断面図である。 図において、１はシリコン結晶基板、１０′は
圧力−電気変換素子、１１はダイアフラム、１２
は歪ゲージ、１３′は支持体、１４は接着剤であ
る。なお、図中同一符号は同一または相当部分を
示す。又、第１図、第３図及び第５図における矢
印は取付台２１から歪ゲージ１２へ歪応力が伝達
する経路を示すものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ シリコン結晶薄板の所定位置に歪ゲージが配
   設されたダイアフラムと、このダイアフラムを支
   持するシリコン結晶で形成された支持体とを備え
   た圧力−電気変換素子であつて、 上記支持体は上記ダイアフラムとの相対面部に
   凹部を有し、該凹部内が真空に保たれるように該
   支持体と上記ダイアフラムとを気密に固着し、該
   支持体のダイアフラム固着側と反対側の面を該面
   の中央部分にて取付台に接着し、該支持体と上記
   取付台との接着部の面積を該支持体の上記取付台
   側面積よりも小さくしたことを特徴とする圧力−
   電気変換素子。