JP2015175833A - 物理量センサー、高度計、電子機器および移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた検出精度を有する物理量センサー、この物理量センサーを備えた信頼性の高い高度計、電子機器および移動体を提供する。
【解決手段】物理量センサー１は、撓み変形可能なダイアフラム２４と、ダイアフラム２４の周囲に配置され、厚さがダイアフラム２４から離間する方向に増加する周囲壁部２６と、ダイアフラム２４の撓み量を検出する撓み量センサー３と、周囲壁部２６に配置されている温度センサー６とを有している。また、周囲壁部２６は、その厚さがダイアフラム２４から遠ざかる方向に漸増するテーパー状をなしている。
【選択図】図１

Description

本発明は、物理量センサー、高度計、電子機器および移動体に関するものである。

従来から、圧力センサーとして、受圧によって撓み変形するダイアフラムと、ダイアフラムに配置された４つのピエゾ抵抗素子を備える圧力検出用のブリッジ回路と、ダイアフラムの周囲に配置された４つのピエゾ抵抗素子を備える温度検知用のブリッジ回路と、を有する構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような圧力センサーによれば、圧力検出用のブリッジ回路からの出力を、温度検出用のブリッジ回路からの出力に応じて補正することができ、圧力の検出精度が向上する。

しかしながら、引用文献１の圧力センサーでは、圧力検出用のブリッジ回路が備えるピエゾ抵抗素子と、温度検知用のブリッジ回路が備えるピエゾ抵抗素子とを接近して配置することができない。加えて、温度検知用のブリッジ回路が備えるピエゾ抵抗素子は、ダイアフラムの周囲に位置しダイアフラムよりも厚さが非常に厚い部分に配置されているため、圧力検出用のブリッジ回路が備えるピエゾ抵抗素子と比較して、外部からの熱が伝わり難い。そのため、温度検知用のブリッジ回路では、圧力検出用のブリッジ回路が備えるピエゾ抵抗素子の温度を精度よく検知することができない。

したがって、特許文献１の圧力センサーでは、温度検出用のブリッジ回路からの出力に応じた圧力検出用のブリッジ回路からの出力の補正を高精度に行うことができず、優れた圧力検出精度を発揮することができないという問題がある。

特開２００７−２７１３７９号公報

本発明の目的は、優れた検出精度を有する物理量センサー、この物理量センサーを備えた信頼性の高い高度計、電子機器および移動体を提供することにある。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
本適用例の物理量センサーは、撓み変形可能なダイアフラムと、
前記ダイアフラムの周囲に配置され、前記ダイアフラムから遠ざかる方向に厚さが増加する周囲壁部と、
前記ダイアフラムに配置され、前記ダイアフラムの撓み量を検出する撓み量検出素子と、
前記周囲壁部に配置されている温度検知素子と、
を有することを特徴とする。

これにより、ダイアフラムの変形によって発生する応力が温度検知素子へ伝わってしまうことを低減ししつつ、温度検知素子と撓み量検出素子の離間距離を短くすることができる。そのため、優れた検出精度を有する物理量センサーが得られる。

［適用例２］
本適用例の物理量センサーでは、前記周囲壁部の厚さは、前記ダイアフラムから遠ざかる方向に連続的に増加していることが好ましい。

これにより、ダイアフラムが撓み変形した際の応力集中を低減することができる。すなわち、応力を効果的に分散させることができる。

［適用例３］
本適用例の物理量センサーでは、前記温度検知素子は、前記ダイアフラムの周囲に沿って配置されていることが好ましい。
これにより、温度検知素子と撓み量検出素子との離間距離をより短くすることができる。また、物理量センサーの小型化を図ることができる。

［適用例４］
本適用例の物理量センサーでは、前記ダイアフラムは、平面視で矩形状をなし、
前記温度検知素子は、平面視で前記ダイアフラムの対角線の延長線上に配置されていることが好ましい。

このような場所は、他の部位と比較して剛性が高く撓み難い場所であるため、温度検知素子が変形し難く、温度検知素子による温度検知精度が向上する。

［適用例５］
本適用例の物理量センサーでは、前記温度検知素子は、前記ダイアフラムの周囲に沿って曲がっている部分を有していることが好ましい。

これにより、矩形をなすダイアフラムの周囲に沿って温度検知素子を配置することができるので、温度検知素子と撓み量検出素子との離間距離をより短くすることができる。また、物理量センサーの小型化を図ることができる。

［適用例６］
本適用例の物理量センサーでは、前記温度検知素子は、複数配置されていることが好ましい。
これより、温度検知精度が向上する。

［適用例７］
本適用例の物理量センサーでは、平面視で、前記ダイアフラム、前記温度検知素子、および圧力基準室が重なっていることが好ましい。

これにより、撓み量検出素子と温度検知素子とを圧力基準室に配置することができるので、撓み量検出素子を温度検知素子とほぼ同じ環境に置くことができる。そのため、温度検知素子による温度検知精度が向上する。

［適用例８］
本適用例の物理量センサーでは、平面視で、前記ダイアフラムと圧力基準室とが重なっていて、前記温度検知素子と前記圧力基準室とはずれていることが好ましい。

これにより、温度検知素子をより剛性の高い位置に設けることができるので、温度検知素子が変形し難く、温度検知素子による温度検知精度が向上する。

［適用例９］
本適用例の物理量センサーでは、前記撓み量検出素子は、ピエゾ抵抗素子であることが好ましい。
これにより、撓み量検出素子の構成が簡単となる。

［適用例１０］
本適用例の物理量センサーでは、前記温度検知素子は、ピエゾ抵抗素子であることが好ましい。
これにより、温度検知素子の構成が簡単となる。

［適用例１１］
本適用例の物理量センサーでは、圧力を検出する圧力センサーであることが好ましい。
これにより、ダイアフラムが受けた圧力を検出することができる。

［適用例１２］
本適用例の高度計は、上記適用例の物理量センサーを備えることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い高度計が得られる。

［適用例１３］
本適用例の電子機器は、上記適用例の物理量センサーを備えることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い電子機器が得られる。

［適用例１４］
本適用例の移動体は、上記適用例の物理量センサーを備えることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い移動体が得られる。

本発明の物理量センサーの第１実施形態を示す断面図である。 図１に示す物理量センサーが有する撓み量センサーおよび温度センサーを示す平面図である。 図２に示す撓み量センサーを含んだ回路を説明する図である。 図１に示す物理量センサーの製造方法を説明する断面図である。 図１に示す物理量センサーの製造方法を説明する断面図である。 図１に示す物理量センサーの製造方法を説明する断面図である。 図１に示す物理量センサーの製造方法を説明する断面図である。 図１に示す物理量センサーの製造方法を説明する断面図である。 図１に示す物理量センサーの製造方法を説明する断面図である。 図１に示す物理量センサーの製造方法を説明する断面図である。 図１に示す物理量センサーの製造方法を説明する断面図である。 本発明の物理量センサーの第２実施形態を示す平面図である。 図１２に示す温度センサーを含んだ回路を説明する図である。 本発明の物理量センサーの第３実施形態を示す断面図である。 本発明の物理量センサーの第４実施形態を示す断面図である。 本発明の高度計の一例を示す斜視図である。 本発明の電子機器の一例を示す正面図である。 本発明の移動体の一例を示す斜視図である。

以下、本発明の物理量センサー、高度計、電子機器および移動体を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。

１．物理量センサー
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の物理量センサーの第１実施形態を示す断面図である。図２は、図１に示す物理量センサーが有する撓み量センサーおよび温度センサーを示す平面図である。図３は、図２に示す撓み量センサーを含んだ回路を説明する図である。図４ないし図１１は、それぞれ、図１に示す物理量センサーの製造方法を説明する断面図である。なお、以下の説明では、図１中の上側を「上」、下側を「下」と言う。

物理量センサー１は、圧力を検出することのできる圧力センサーである。物理量センサー１を圧力センサーとすることで、例えば、高度を計測する用途として種々の電子機器に搭載することができる。

図１に示すように、物理量センサー１は、基板２と、撓み量センサー（圧力検出センサー）３と、温度センサー６と、素子周囲構造体４と、空洞部７と、半導体回路９と、を有している。以下、これら各部について順に説明する。

≪基板≫
基板２は、板状をなし、ＳＯＩ基板（第１のＳｉ層２１１、ＳｉＯ_２層２１２、第２のＳｉ層２１３がこの順で積層している基板）で構成された半導体基板２１上に、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）で構成された第１絶縁膜２２と、シリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）で構成された第２絶縁膜２３と、をこの順に積層することで構成されている。ただし、半導体基板２１としては、ＳＯＩ基板に限定されず、例えば、シリコン基板を用いることができる。また、第１絶縁膜２２および第２絶縁膜２３の材料としては、製造時に半導体基板２１を保護することと、半導体基板２１、撓み量センサー３および温度センサー６の間を絶縁することができれば、特に限定されない。また、基板２の平面視形状は、特に限定されず、例えば、略正方形または略長方形等の矩形や、円形とすることができ、本実施形態では、略正方形となっている。

また、半導体基板２１には、周囲の部分よりも薄肉であり、受圧によって撓み変形するダイアフラム２４が設けられている。このダイアフラム２４は、半導体基板２１の下面（第２のＳｉ層２１３）に有底の凹部２５を設けることで形成され、その下面（凹部２５の底面）が受圧面２４ａとなっている。このようなダイアフラム２４の平面視形状は、特に限定されず、例えば略正方形または略長方形等の矩形や、円形とすることができるが、本実施形態では略正方形となっている。また、ダイアフラム２４の幅は、特に限定されないが、例えば、４００μｍ以上６００μｍ以下の範囲内とすることができる。また、ダイアフラム２４の厚さは、特に限定されないが、例えば、１０μｍ以上５０μｍ以下の範囲内であるのが好ましく、１５μｍ以上２５μｍ以下の範囲内であるのがより好ましい。これにより、ダイアフラム２４を十分に柔らかくすることでき、十分に撓み変形することができる。

また、半導体基板２１は、ダイアフラム２４の周囲に沿って配置されており、その厚さがダイアフラム２４から遠ざかる方向に沿って増加している枠状の周囲壁部２６と、周囲壁部２６の周囲に沿って配置されており、その厚さがダイアフラム２４よりも厚い枠状の厚肉部２７とを有している。

周囲壁部２６の下面（すなわち、凹部２５の内周面）２６１は、ダイアフラム２４の厚さ方向に対して傾斜している傾斜面となっており、そのため、周囲壁部２６は、ダイアフラム２４側から厚肉部２７側に向けて（すなわち、ダイアフラム２４から遠ざかる方向に）厚さが漸増（連続的に増加）するテーパー状となっている。このように、周囲壁部２６をテーパー状とすることで、周囲壁部２６への応力集中を低減でき、周囲壁部２６のより撓み難くすることができる。また、例えば、凹部２５をウェットエッチングで形成すると、自然に凹部２５の内周面が傾斜面となるため、周囲壁部２６を簡単に形成することができるという利点もある。

このような半導体基板２１上およびその上方には半導体回路（回路）９が作り込まれている。この半導体回路９には、必要に応じて形成されたＭＯＳトランジスタ９１等の能動素子、キャパシタ、インダクタ、抵抗、ダイオードおよび配線等の回路要素が含まれている。このように、基板２に半導体回路９を作り込むことで、半導体回路９を基板２と別体として設ける場合と比較して、物理量センサー１の小型化を図ることができる。なお、図１では、説明の便宜上、ＭＯＳトランジスタ９１のみを図示している。

≪撓み量センサー≫
撓み量センサー３は、図２に示すように、ダイアフラム２４に配置されている４つのピエゾ抵抗素子（撓み量検出素子）３１、３２、３３、３４を有している。このうち、ピエゾ抵抗素子３１、３２は、平面視で四角形をなすダイアフラム２４の互いに対向する１対の辺２４１、２４２に対応して配置され、ピエゾ抵抗素子３３、３４は、平面視で四角形をなすダイアフラム２４の他の互いに対向する１対の辺２４３、２４４に対応して配置されている。

ピエゾ抵抗素子３１は、ダイアフラム２４の外縁部（辺２４１近傍）に配置されたピエゾ抵抗部３１１を有している。ピエゾ抵抗部３１１は、辺２４１に平行な方向に沿って延びている長手形状をなしている。また、このピエゾ抵抗部３１１の両端部にはそれぞれ配線３１３が接続されている。

同様に、ピエゾ抵抗素子３２は、ダイアフラム２４の外縁部（辺２４２近傍）に配置されたピエゾ抵抗部３２１を有している。ピエゾ抵抗部３２１は、辺２４２に平行な方向に沿って延びている長手形状をなしている。また、このピエゾ抵抗部３２１の両端部にはそれぞれ配線３２３が接続されている。

一方、ピエゾ抵抗素子３３は、ダイアフラム２４の外縁部（辺２４３近傍）に配置された１対のピエゾ抵抗部３３１と、１対のピエゾ抵抗部３３１同士を接続している接続部３３２とを有している。１対のピエゾ抵抗部３３１は、互いに平行であり、かつ、辺２４３に対して垂直な方向（ピエゾ抵抗部３１１、３２１と同じ方向）に沿って延びている長手形状をなしている。このような１対のピエゾ抵抗部３３１の一端部同士は、接続部３３２を介して接続されており、１対のピエゾ抵抗部３３１の他端部にはそれぞれ配線３３３が接続されている。

同様に、ピエゾ抵抗素子３４は、ダイアフラム２４の外縁部（辺２４４近傍）に配置された１対のピエゾ抵抗部３４１と、１対のピエゾ抵抗部３４１同士を接続している接続部３４２とを有している。１対のピエゾ抵抗部３４１は、互いに平行であり、かつ、辺２４４に対して垂直な方向（ピエゾ抵抗部３１１、３２１と同じ方向）に沿って延びている長手形状をなしている。このような１対のピエゾ抵抗部３４１の一端部同士は、接続部３４２を介して接続されており、１対のピエゾ抵抗部３４１の他端部にはそれぞれ配線３４３が接続されている。

以上のようなピエゾ抵抗部３１１、３２１、３３１、３４１は、それぞれ、例えば、半導体基板２１の第１のＳｉ層２１１にリン、ボロン等の不純物をドープ（拡散または注入）することで構成されている。また、配線３１３、３２３、３３３、３４３および接続部３３２、３４２は、それぞれ、例えば、第１のＳｉ層２１１に、ピエゾ抵抗部３１１、３２１、３３１、３４１よりも高濃度でリン、ボロン等の不純物をドープ（拡散または注入）することで構成されている。

ただし、ピエゾ抵抗部３１１、３２１、３３１、３４１は、この他、例えば、ダイアフラム２４上に多結晶シリコン膜をスパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成し、その多結晶シリコン膜をエッチングによりパターンニングし、そこにリン、ボロン等の不純物をドープ（拡散または注入）することで構成されていてもよい。配線３１３、３２３、３３３、３４３および接続部３３２、３４２についても同様である。

また、ピエゾ抵抗素子３１、３２、３３、３４は、自然状態における抵抗値が互いに等しくなるように構成されている。そして、これらのピエゾ抵抗素子３１、３２、３３、３４は、配線３１３、３２３、３３３、３４３等を介して、互いに電気的に接続され、図３に示すように、ブリッジ回路３０（ホイートストンブリッジ回路）を構成している。このブリッジ回路３０には、駆動電圧ＡＶＤＣを供給する駆動回路（図示せず）が接続されている。そして、ブリッジ回路３０は、ピエゾ抵抗素子３１、３２、３３、３４の抵抗値に応じた信号（電圧）を出力する。

このような撓み量センサー３は、極めて薄いダイアフラム２４を用いても、共振子のような振動素子をセンサー素子として用いた場合のようにダイアフラム２４への振動漏れによってＱ値が低下するという問題がない。また、第１のＳｉ層２１１にリン、ボロン等の不純物をドープしてピエゾ抵抗素子３１、３２、３３、３４を構成するとで、例えば、ピエゾ抵抗素子３１、３２、３３、３４をダイアフラム２４の上面に重ねて設ける場合に比較して、物理量センサー１の低背化（薄型化）を図ることができる。

≪温度センサー≫
温度センサー６は、図２に示すように、ピエゾ抵抗素子（温度検知素子）６１を有している。ピエゾ抵抗素子６１は、ピエゾ抵抗部６１１を有し、ピエゾ抵抗部６１１の両端部にはそれぞれ配線６１３が接続されている。ピエゾ抵抗部６１１は、周囲壁部２６に配置されている。また、ピエゾ抵抗部６１１は、ダイアフラム２４の周囲に沿って配置されている。これにより、ピエゾ抵抗部６１１の外側への過度な広がりを防止でき、その分、物理量センサー１の小型化を図ることができる。

特に、本実施形態では、ピエゾ抵抗部６１１は、平面視で、ダイアフラムの角部２４５近傍（すなわち、ダイアフラム２４の対角線の延長線Ｌ上）に配置され、角部２４５に繋がる辺２４１、２４３（ダイアフラム２４の周囲）に沿って、途中でほぼ直角に曲がって延在している。すなわち、ピエゾ抵抗部６１１は、辺２４１に沿って延在する第１の部分と、第１の部分の一端から延出し、辺２４３に沿って延在する第２の部分とを有していると言える。このように、ピエゾ抵抗部６１１を角部２４５近傍に屈曲させて配置することで、撓み量センサー３の配置スペースを犠牲にすることなく（若しくは小さく抑えつつ）、ピエゾ抵抗部６１１をより長く配置することができる。すなわち、撓み量センサー３を配置した後の残りのスペースを有効活用して温度センサー６を配置することができる。そのため、撓み量センサー３の検出感度を損なうことなく、より精度の高い温度センサー６とすることができる。

このようなピエゾ抵抗素子６１は、温度によって抵抗値が変化する性質を有しているため、ピエゾ抵抗素子６１の抵抗値変化に基づいて、その近傍に位置する撓み量センサー３の温度を検知することができる。

特に、物理量センサー１ではピエゾ抵抗素子６１を周囲壁部２６に設けているため、次のような効果を発揮することができる。

第１に、周囲壁部２６は、ダイアフラム２４よりも厚肉であり、ダイアフラム２４よりも撓み難い。このように、ピエゾ抵抗素子６１をダイアフラム２４も撓み難い周囲壁部２６に配置することで、ピエゾ抵抗素子６１の撓みに起因する抵抗値変化を低減することができ、温度センサー６によって撓み量センサー３の温度を精度よく検知することができる。また、周囲壁部２６は、ダイアフラム２４の周囲に配置されているため、ピエゾ抵抗素子６１を撓み量センサー３の近傍に配置することができる。この点からも、温度センサー６によって撓み量センサー３の温度を精度よく検知することができる。

第２に、周囲壁部２６は、テーパー状とすること（言い換えると厚肉部２７よりも薄肉化すること）で熱容量が低減されているため、周囲壁部２６の熱容量をダイアフラム２４の熱容量に近づけることができる。そのため、例えば、基板２の下面側からの熱によって、ピエゾ抵抗素子３１、３２、３３、３４およびピエゾ抵抗素子６１が昇温した場合、ピエゾ抵抗素子６１の温度変化と、ピエゾ抵抗素子３１、３２、３３、３４の温度変化との差を小さくすることができる。したがって、この点からも、温度センサー６によって撓み量センサー３の温度を精度よく検知することができる。

このようなピエゾ抵抗部６１１は、例えば、第１のＳｉ層２１１にリン、ボロン等の不純物をドープ（拡散または注入）することで構成されている。また、配線６１３は、例えば、第１のＳｉ層２１１に、ピエゾ抵抗部６１１よりも高濃度でリン、ボロン等の不純物をドープ（拡散または注入）することで構成されている。第１のＳｉ層２１１にリン、ボロン等の不純物をドープしてピエゾ抵抗素子６１を構成するとで、温度センサー６を簡単に設けることができるとともに、例えば、熱伝対などの別部材をダイアフラム２４の上面に重ねて設ける場合に比較して、物理量センサー１の低背化（薄型化）を図ることができる。

ただし、ピエゾ抵抗部６１１、６２１、６３１、６４１は、この他、例えば、周囲壁部２６上に多結晶シリコン膜をスパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成し、その多結晶シリコン膜をエッチングによりパターンニングし、そこにリン、ボロン等の不純物をドープ（拡散または注入）することで構成されていてもよい。配線３１３、３２３、３３３、３４３および接続部３３２、３４２についても同様である。

≪素子周囲構造体４≫
素子周囲構造体４は、空洞部７を画成するように形成されている。この素子周囲構造体４は、基板２上に撓み量センサー３および温度センサー６を取り囲むように形成された環状の壁部５１と、壁部５１の内壁に囲まれている空洞部７の開口を塞ぐ被覆部５２とを有している。

このような素子周囲構造体４は、層間絶縁膜４１と、層間絶縁膜４１上に形成された配線層４２と、配線層４２および層間絶縁膜４１上に形成された層間絶縁膜４３と、層間絶縁膜４３上に形成された配線層４４と、配線層４４および層間絶縁膜４３上に形成された表面保護膜４５と、封止層４６とを有している。配線層４４は、空洞部７の内外を連通する複数の細孔４４２を備えた被覆層４４１を有しており、被覆層４４１上に配置されている封止層４６が細孔４４２を封止している。このような素子周囲構造体４では、層間絶縁膜４１、配線層４２、層間絶縁膜４３、配線層４４（ただし被覆層４４１を除く部分）および表面保護膜４５で前述した壁部５１が構成され、被覆層４４１および封止層４６で前述した被覆部５２が構成されている。

なお、配線層４２、４４は、空洞部７を囲むように形成されている配線層４２ａ、４４ａと、半導体回路９の配線を構成する配線層４２ｂ、４４ｂと、を含んでいる。したがって、半導体回路９は、配線層４２ｂ、４４ｂによって物理量センサー１の上面に引き出されている。また、配線層４２ａと第２絶縁膜２３との間には、例えば、多結晶シリコン膜からなる膜４９が設けられている。

層間絶縁膜４１、４３としては、特に限定されないが、例えば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）等の絶縁膜を用いることができる。また、配線層４２、４４としては、特に限定されないが、例えば、アルミニウム膜等の金属膜を用いることができる。また、封止層４６としては、特に限定されないが、Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ、Ｔｉ、ＴｉＮ等の金属膜を用いることができる。また、表面保護膜４５としは、特に限定されないが、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、ポリイミド膜、エポキシ樹脂膜など、素子を水分、ゴミ、傷などから保護するための耐性を有するものを用いることができる。

≪空洞部≫
基板２と素子周囲構造体４とで画成された空洞部７は、密閉された空間であり、物理量センサー１が検出する圧力の基準値となる圧力基準室として機能する。空洞部７は、ダイアフラム２４と重なるように配置されており、ダイアフラム２４が空洞部７を画成する壁部の一部を構成している。空洞部７内の状態は、特に限定されないが、真空状態（例えば１０Ｐａ以下）であることが好ましい。これにより、物理量センサー１を、真空状態を基準として圧力を検出する「絶対圧センサー」として用いることができる。そのため、物理量センサー１の利便性が向上する。ただし、空洞部７内の状態は、真空状態でなくてもよく、例えば、大気圧状態であってもよいし、大気圧よりも気圧が低い減圧状態であってもよいし、大気圧よりも気圧が高い加圧状態であってもよい。また、空洞部７内には窒素ガス、希ガス等の不活性ガスが封入されていてもよい。

本実施形態では、平面視で、温度センサー６が有するピエゾ抵抗素子６１が、空洞部７の内側に位置している。すなわち、ダイアフラム２４、ピエゾ抵抗素子６１および空洞部７が重なって位置している。これにより、撓み量センサー３が有するピエゾ抵抗素子３１、３２、３３、３４と温度センサー６が有するピエゾ抵抗素子６１とが、それぞれ、平面視で、空洞部７の内側に位置することとなるため、ピエゾ抵抗素子３１、３２、３３、３４とピエゾ抵抗素子６１との熱的な環境（より具体的には、例えば、物理量センサー１の上面側から伝わる熱の量）をほぼ同じにすることができる。そのため、温度センサー６によって撓み量センサー３の温度を精度よく検知することができる。
以上、物理量センサー１の構成について簡単に説明した。

このような物理量センサー１は、ダイアフラム２４の受圧面２４ａが受ける圧力に応じてダイアフラム２４が撓み変形し、これにより、ピエゾ抵抗素子３１、３２、３３、３４が歪み、その撓み量に応じてピエゾ抵抗素子３１、３２、３３、３４の抵抗値が変化する。それに伴って、ブリッジ回路３０の出力が変化する。ここで、ピエゾ抵抗素子３１、３２、３３、３４は、自身の撓みのほかにも、自身の温度（環境温度）によっても抵抗値が変化する性質（抵抗値の温度依存性）を有している。そのため、ブリッジ回路３０の出力の変化は、ピエゾ抵抗素子３１、３２、３３、３４の撓みとピエゾ抵抗素子３１、３２、３３、３４の温度とに起因したものとなり、このような出力（信号）からは、受圧面２４ａで受けた圧力（絶対圧）の大きさを精度よく求めることができない。そこで、物理量センサー１では、温度センサー６で撓み量センサー３の温度を検知し、検知した温度に基づいて、ブリッジ回路３０から得られる信号を補正（ピエゾ抵抗素子３１、３２、３３、３４の温度に起因する変化分を除去）し、補正後の信号に基づいて、受圧面２４ａで受けた圧力（絶対圧）の大きさを求める。これにより、受圧面２４ａで受けた圧力を精度よく求めることができる。

以上のような物理量センサー１では、空洞部７および半導体回路９が半導体基板２１の同じ面側に設けられているため、空洞部７を形成している素子周囲構造体４が半導体基板２１の半導体回路９とは反対側から張り出すことがなく、低背化を図ることができる。その上で、素子周囲構造体４は、層間絶縁膜４１、４３および配線層４２、４４のうちの少なくとも一方と同一の成膜により形成されている。これにより、ＣＭＯＳプロセス（特に、層間絶縁膜４１、４３や配線層４２、４４を形成する工程）を利用して、素子周囲構造体４を半導体回路９と一括して形成することができる。そのため、物理量センサー１の製造工程が簡略化され、その結果、物理量センサー１の低コスト化を図ることができる。また、本実施形態のように空洞部７を封止する場合であっても、成膜法を用いて空洞部７を封止することができ、従来のような基板を貼り合わせてキャビティを封止する必要がなく、この点でも、物理量センサー１の製造工程が簡略化され、その結果、物理量センサー１の低コスト化を図ることができる。

また、前述したように撓み量センサー３がピエゾ抵抗素子３１、３２、３３、３４を含み、温度センサー６がピエゾ抵抗素子６１を含み、かつ、撓み量センサー３、温度センサー６および半導体回路９が半導体基板２１の同じ面側にあるため、ＣＭＯＳプロセスを利用して、撓み量センサー３および温度センサー６を半導体回路９と一括して形成することができる。そのため、この点でも、物理量センサー１の製造工程をより簡略化することができる。

また、撓み量センサー３および温度センサー６がダイアフラム２４の素子周囲構造体４側に配置されているため、撓み量センサー３および温度センサー６を空洞部７内に収納することができ、そのため、撓み量センサー３および温度センサー６の劣化を防止したり、撓み量センサー３および温度センサー６の特性低下を低減したりすることができる。

次に、物理量センサー１の製造方法を簡単に説明する。
図４ないし図１１は、それぞれ、図１に示す物理量センサー１の製造工程を示す図である。以下、これらの図に基づいて説明する。

［撓み量センサー・温度センサー形成工程］
まず、図４に示すように、ＳＯＩ基板（第１のＳｉ層２１１、ＳｉＯ_２層２１２、第２のＳｉ層２１３がこの順で積層している基板）からなる半導体基板２１を用意し、表面を熱酸化して第１絶縁膜（シリコン酸化膜）２２を形成する。次に、図５に示すように、図示しないマスクを介して第１のＳｉ層２１１にリン、ボロン等の不純物をドープ（イオン注入）することで撓み量センサー３（ピエゾ抵抗素子３１〜３４）および温度センサー６（ピエゾ抵抗素子６１）や、ＭＯＳトランジスタ９１のソース電極およびドレイン電極を形成する。このイオン注入では、ピエゾ抵抗部３１１、３２１、３３１、３４１、６１１への不純物のドープ量が接続部３３２、３４２および配線３１３、３２３、３３３、３４３、６１３よりも多くなるようにイオン注入条件等を調整する。

次に、図６に示すように、第１絶縁膜２２上に第２絶縁膜（シリコン窒化膜）２３をスパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成する。第２絶縁膜２３は、後に行われる空洞部形成工程において実施されるエッチングに対する耐性を有しており、いわゆるエッチングストップ層として機能する。次に、図７に示すように、基板２の上面に、多結晶シリコン膜（またはアモルファスシリコン膜）をスパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成し、その多結晶シリコン膜をエッチングによりパターンニングすることで、ＭＯＳトランジスタ９１のゲート電極９１１および膜４９を形成する。

［層間絶縁膜・配線層形成工程］
図８に示すように、基板２の上面に、層間絶縁膜４１、４３および配線層４２、４４を形成する。これにより、撓み量センサー３、温度センサー６およびＭＯＳトランジスタ９１等が層間絶縁膜４１、４３および配線層４２、４４で覆われた状態となる。層間絶縁膜４１、４３の形成は、シリコン酸化膜をスパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成し、そのシリコン酸化膜をエッチングによりパターンニングすることにより行う。層間絶縁膜４１、４３のそれぞれの厚さは、特に限定されないが、例えば、１５００ｎｍ以上５０００ｎｍ以下程度とされる。また、配線層４２、４４の形成は、層間絶縁膜４１、４３上に、例えばアルミニウムよりなる層をスパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成した後、パターニング処理することにより行う。ここで、配線層４２、４４のそれぞれの厚さは、特に限定されないが、例えば、３００ｎｍ以上９００ｎｍ以下程度とされる。

また、配線層４２ａ、４４ａは、平面視で撓み量センサー３および温度センサー６を囲むように環状をなしている。また、配線層４２ｂ、４４ｂは、半導体基板２１上およびその上方に形成された配線（例えば、半導体回路９の一部を構成する配線）に電気的に接続される。

このような層間絶縁膜４１、４３と配線層４２、４４との積層構造は、通常のＣＭＯＳプロセスにより形成され、その積層数は、必要に応じて適宜に設定される。すなわち、必要に応じてさらに多くの配線層が層間絶縁膜を介して積層される場合もある。

［空洞部形成工程］
図９に示すように、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により表面保護膜４５を形成した後、エッチングにより空洞部７を形成する。表面保護膜４５は、一種類以上の材料を含む複数の膜層で構成され、被覆層４４１の細孔４４２を封止してしまわないように形成する。なお、表面保護膜４５の構成材料としては、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、ポリイミド膜、エポキシ樹脂膜など、素子を水分、ゴミ、傷などから保護するための耐性を有するもので形成される。表面保護膜４５の厚さは、特に限定されないが、例えば、５００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下程度とされる。

また、空洞部７の形成は、被覆層４４１に形成された複数の細孔４４２を通じたエッチングにより、層間絶縁膜４１、４３の一部を除去することにより行う。ここで、かかるエッチングとしてウェットエッチングを用いる場合、複数の細孔４４２からフッ酸、緩衝フッ酸等のエッチング液を供給し、ドライエッチングを用いる場合、複数の細孔４４２からフッ化水素酸ガス等のエッチングガスを供給する。

［封止工程］
次に、図１０に示すように、被覆層４４１上に、Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ、Ｔｉ、ＴｉＮ等の金属膜等からなる封止層４６をスパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成し、各細孔４４２を封止する。これより、空洞部７が封止層４６により封止され、また、被覆部５２が形成される。封止層４６の厚さは、特に限定されないが、例えば、１０００ｎｍ以上５０００ｎｍ以下程度とされる。

［ダイアフラム形成工程］
最後に、図１１に示すように、半導体基板２１の下面（第２のＳｉ層２１３）の一部をウェットエッチングによって除去する。これにより、ダイアフラム２４、周囲壁部２６および厚肉部２７が形成される。なお、ウェットエッチングの際、ＳｉＯ_２層２１２がエッチングストップ層として機能する。そのため、ダイアフラム２４の厚さを高精度に制御することができる。これにより、物理量センサー１を得る。

以上のような工程により、物理量センサー１を製造することができる。なお、半導体回路が有するＭＯＳトランジスタ以外の能動素子、コンデンサ、インダクタ、抵抗、ダイオード、配線等の回路要素は、上述した適宜の工程中（例えば、振動素子形成工程、絶縁膜形成工程、被覆層形成工程、封止層形成工程）途中において作り込んでおくことができる。

＜第２実施形態＞
次に本発明の物理量センサーの第２実施形態について説明する。

図１２は、本発明の物理量センサーの第２実施形態を示す平面図である。図１３は、図１２に示す温度センサーを含んだ回路を説明する図である。

以下、本発明の物理量センサーの第２実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。

第２実施形態は、温度センサーの構成が異なること意外は、前述した第１実施形態と同様である。

図１２に示すように、本実施形態の温度センサー６は、４つのピエゾ抵抗素子（温度検知素子）６１、６２、６３、６４を有している。また、これらピエゾ抵抗素子６１は、ピエゾ抵抗部６１１、６２１、６３１、６４１を有し、ピエゾ抵抗部６１１、６２１、６３１、６４１の両端部にはそれぞれ配線６１３、６２３、６３３、６４３が接続されている。

ピエゾ抵抗部６１１、６２１、６３１、６４１は、平面視でダイアフラム２４の外側に位置し、かつ、周囲壁部２６に配置されている。また、ピエゾ抵抗部６１１、６２１、６３１、６４１は、平面視でダイアフラム２４の周囲に沿って配置されている。具体的には、ピエゾ抵抗部６１１は、ダイアフラムの角部２４５近傍に配置され、角部２４５に繋がる辺２４１、２４３に沿って、途中でほぼ直角に屈曲して延在している。また、ピエゾ抵抗部６２１は、ダイアフラムの角部２４６近傍に配置され、角部２４６に繋がる辺２４２、２４４に沿って、途中でほぼ直角に屈曲して延在している。また、ピエゾ抵抗部６３１は、ダイアフラムの角部２４７近傍に配置され、角部２４７に繋がる辺２４２、２４３に沿って、途中でほぼ直角に屈曲して延在している。また、ピエゾ抵抗部６４１は、ダイアフラムの角部２４８近傍に配置され、角部２４８に繋がる辺２４１、２４４に沿って、途中でほぼ直角に屈曲して延在している。

このようなピエゾ抵抗部６１１、６２１、６３１、６４１は、それぞれ、例えば、第１のＳｉ層２１１にリン、ボロン等の不純物をドープ（拡散または注入）することで構成されている。また、配線６１３、６２３、６３３、６４３は、それぞれ、例えば、第１のＳｉ層２１１に、ピエゾ抵抗部６１１、６２１、６３１、６４１よりも高濃度でリン、ボロン等の不純物をドープ（拡散または注入）することで構成されている。

また、ピエゾ抵抗素子６１、６２、６３、６４は、自然状態における抵抗値が互いに等しくなるように構成されている。そして、これらのピエゾ抵抗素子６１、６２、６３、６４は、配線６１３、６２３、６３３、６４３等を介して、互いに電気的に接続され、図１３に示すように、ブリッジ回路６０（ホイートストンブリッジ回路）を構成している。このブリッジ回路６０には、駆動電圧ＡＶＤＣを供給する駆動回路（図示せず）が接続されている。そして、ブリッジ回路６０は、ピエゾ抵抗素子６１、６２、６３、６４の抵抗値に応じた信号（電圧）を出力する。このような温度センサー６によれば、より精度よく温度を検知することができる。

このような第２実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。

なお、温度センサー６が有するピエゾ抵抗素子の数は４つに限定されず、例えば、２つや３つであってもよい。また、温度センサー６は、ブリッジ回路６０を構成していなくてもよい。

＜第３実施形態＞
次に本発明の物理量センサーの第３実施形態について説明する。
図１４は、本発明の物理量センサーの第３実施形態を示す断面図である。

以下、本発明の物理量センサーの第３実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。

第３実施形態は、温度センサーの配置が異なること意外は、前述した第１実施形態と同様である。

図１４に示すように、本実施形態の物理量センサー１では、温度センサー６が有するピエゾ抵抗素子６１（ピエゾ抵抗部６１１）は、平面視で、空洞部７の外側に位置している。すなわち、平面視で、ダイアフラム２４と空洞部７とが重なっており、ピエゾ抵抗素子６１と空洞部７とがずれている。また、ピエゾ抵抗素子６１は、素子周囲構造体４の壁部５１と重なる位置に配置されている。言い換えると、壁部５１の内周が、平面視で、ピエゾ抵抗素子６１よりもダイアフラム側に位置しているとも言える。このような構成とすることで、壁部５１によって周囲壁部２６が補強されるため、周囲壁部２６がより撓み難くなる。したがって、ピエゾ抵抗素子６１の変形による抵抗値変化をより効果的に低減することができ、温度センサー６によって撓み量センサー３の温度を精度よく検知することができる。

このような第３実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。

＜第４実施形態＞
次に本発明の物理量センサーの第４実施形態について説明する。
図１５は、本発明の物理量センサーの第４実施形態を示す断面図である。

以下、本発明の物理量センサーの第４実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。

第４実施形態は、周囲壁部の形状が異なること意外は、前述した第１実施形態と同様である。

図１５に示すように、本実施形態の物理量センサー１では、周囲壁部２６が、ダイアフラム２４の外周に接続され、厚さが厚肉部２７に向けて漸増する第１テーパー部２６１と、第１テーパー部２６１の外周に接続され、厚さがほぼ一定の厚さ一定部２６２と、厚さ一定部２６２の外周に接続され、厚さが厚肉部２７に向けて漸増する第２テーパー部２６３と、を有している。そして、平面視で、厚さ一定部２６２と重なるようにして、温度センサー６のピエゾ抵抗素子６１（ピエゾ抵抗部６１１）が位置している。ただし、ピエゾ抵抗素子６１の位置としては、これに限定されず、例えば、第１テーパー部２６１と重なるように位置していてもよいし、第２テーパー部２６３と重なるように位置していてもよい。

このような第４実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。

２．高度計
次に、本発明の物理量センサーを備える高度計の一例について説明する。図１６は、本発明の高度計の一例を示す斜視図である。

高度計２００は、腕時計のように、手首に装着することができる。また、高度計２００の内部には、物理量センサー１が搭載されており、表示部２０１に現在地の海抜からの高度、または、現在地の気圧等を表示することができる。

なお、この表示部２０１には、現在時刻、使用者の心拍数、天候等、様々な情報を表示することができる。

３．電子機器
次に、本発明の物理量センサーを備える電子機器を適用したナビゲーションシステムについて説明する。図１７は、本発明の電子機器の一例を示す正面図である。

ナビゲーションシステム３００には、図示しない地図情報と、ＧＰＳ（全地球測位システム：Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）からの位置情報取得手段と、ジャイロセンサーおよび加速度センサーと車速データとによる自立航法手段と、物理量センサー１と、所定の位置情報または進路情報を表示する表示部３０１とを備えている。

このナビゲーションシステムによれば、取得した位置情報に加えて高度情報を取得することができる。高度情報を得ることにより、例えば、一般道路と位置情報上は略同一の位置を示す高架道路を走行する場合、高度情報を持たない場合には、一般道路を走行しているのか高架道路を走行しているのかナビゲーションシステムでは判断できず、優先情報として一般道路の情報を使用者に提供してしまっていた。そこで、本実施形態に係るナビゲーションシステム３００では、高度情報を物理量センサー１によって取得することができ、一般道路から高架道路へ進入することによる高度変化を検出し、高架道路の走行状態におけるナビゲーション情報を使用者に提供することができる。

なお、表示部３０１は、例えば液晶パネルディスプレイや、有機ＥＬ（Organic Electro-Luminescence）ディスプレイなど、小型かつ薄型化が可能な構成となっている。

なお、本発明の物理量センサーを備える電子機器は、上記のものに限定されず、例えば、パーソナルコンピューター、携帯電話、医療機器（例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡）、各種測定機器、計器類（例えば、車両、航空機、船舶の計器類）、フライトシュミレーター等に適用することができる。

４．移動体
次いで、本発明の物理量センサーを備える移動体について説明する。図１８は、本発明の移動体の一例を示す斜視図である。

図１８に示すように、移動体４００は、車体４０１と、４つの車輪４０２とを有しており、車体４０１に設けられた図示しない動力源（エンジン）によって車輪４０２を回転させるように構成されている。このような移動体４００には、ナビゲーションシステム３００（物理量センサー１）が内蔵されている。

以上、本発明の物理量センサー、高度計、電子機器および移動体を図示の各実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、他の任意の構成物や、工程が付加されていてもよい。

また、前述した実施形態では、撓み量センサーが有する撓み量検出素子としてピエゾ抵抗素子を用いた場合を例に説明したが、本発明は、これに限定されず、例えば、フラップ型の振動子、櫛歯電極等の他のＭＥＭＳ振動子や、水晶振動子等の振動素子を用いることもできる。

また、前述した実施形態では、撓み量センサーが４つのピエゾ抵抗素子を有する場合について説明したが、本発明は、これに限定されず、ピエゾ抵抗素子の数は、１つ以上３つ以下、または、５つ以上であってもよい。

１……物理量センサー
２……基板
２１……半導体基板
２１１……第１のＳｉ層
２１２……ＳｉＯ_２層
２１３……第２のＳｉ層
２２……第１絶縁膜
２３……第２絶縁膜
２４……ダイアフラム
２４ａ……受圧面
２４１、２４２、２４３、２４４……辺
２４５、２４６、２４７、２４８……角部
２５……凹部
２６……周囲壁部
２６１……第１テーパー部
２６２……厚さ一定部
２６３……第２テーパー部
２７……厚肉部
３……撓み量センサー
３０……ブリッジ回路
３１、３２、３３、３４……ピエゾ抵抗素子
３１１、３２１、３３１、３４１……ピエゾ抵抗部
３１３、３２３、３３３、３４３……配線
３３２、３４２……接続部
４……素子周囲構造体
４１、４３……層間絶縁膜
４２、４２ａ、４２ｂ、４４、４４ａ、４４ｂ……配線層
４４１……被覆層
４４２……細孔
４５……表面保護膜
４６……封止層
４９……膜
５１……壁部
５２……被覆部
６……温度センサー
６０……ブリッジ回路
６１、６２、６３、６４……ピエゾ抵抗素子
６１１、６２１、６３１、６４１……ピエゾ抵抗部
６１３、６２３、６３３、６４３……配線
７……空洞部
９……半導体回路
９１……ＭＯＳトランジスタ
９１１……ゲート電極
２００……高度計
２０１……表示部
３００……ナビゲーションシステム
３０１……表示部
４００……移動体
４０１……車体
４０２……車輪
Ｌ……延長線

このようなピエゾ抵抗部６１１は、例えば、第１のＳｉ層２１１にリン、ボロン等の不純物をドープ（拡散または注入）することで構成されている。また、配線６１３は、例えば、第１のＳｉ層２１１に、ピエゾ抵抗部６１１よりも高濃度でリン、ボロン等の不純物をドープ（拡散または注入）することで構成されている。第１のＳｉ層２１１にリン、ボロン等の不純物をドープしてピエゾ抵抗素子６１を構成するとで、温度センサー６を簡単に設けることができるとともに、例えば、熱電対などの別部材をダイアフラム２４の上面に重ねて設ける場合に比較して、物理量センサー１の低背化（薄型化）を図ることができる。

ただし、ピエゾ抵抗部６１１は、この他、例えば、周囲壁部２６上に多結晶シリコン膜をスパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成し、その多結晶シリコン膜をエッチングによりパターンニングし、そこにリン、ボロン等の不純物をドープ（拡散または注入）することで構成されていてもよい。配線３１３、３２３、３３３、３４３および接続部３３２、３４２についても同様である。

以上のような工程により、物理量センサー１を製造することができる。なお、半導体回路が有するＭＯＳトランジスタ以外の能動素子、コンデンサ、インダクタ、抵抗、ダイオード、配線等の回路要素は、上述した適宜の工程中（例えば、撓み量センサー・温度センサー形成工程、層間絶縁膜・配線層形成工程、封止工程）途中において作り込んでおくことができる。

図１２に示すように、本実施形態の温度センサー６は、４つのピエゾ抵抗素子（温度検知素子）６１、６２、６３、６４を有している。また、これらピエゾ抵抗素子６１、６２、６３、６４は、ピエゾ抵抗部６１１、６２１、６３１、６４１を有し、ピエゾ抵抗部６１１、６２１、６３１、６４１の両端部にはそれぞれ配線６１３、６２３、６３３、６４３が接続されている。

このナビゲーションシステムによれば、取得した位置情報に加えて高度情報を取得することができる。例えば、一般道路と位置情報上は略同一の位置を示す高架道路を走行する場合、高度情報を持たない場合には、一般道路を走行しているのか高架道路を走行しているのかナビゲーションシステムでは判断できず、優先情報として一般道路の情報を使用者に提供してしまっていた。そこで、本実施形態に係るナビゲーションシステム３００では、高度情報を物理量センサー１によって取得することができ、一般道路から高架道路へ進入することによる高度変化を検出し、高架道路の走行状態におけるナビゲーション情報を使用者に提供することができる。

Claims (14)

1. 撓み変形可能なダイアフラムと、
   前記ダイアフラムの周囲に配置され、前記ダイアフラムから遠ざかる方向に厚さが増加する周囲壁部と、
   前記ダイアフラムに配置され、前記ダイアフラムの撓み量を検出する撓み量検出素子と、
   前記周囲壁部に配置されている温度検知素子と、
   を有することを特徴とする物理量センサー。
2. 前記周囲壁部の厚さは、前記ダイアフラムから遠ざかる方向に連続的に増加している請求項１に記載の物理量センサー。
3. 前記温度検知素子は、前記ダイアフラムの周囲に沿って配置されている請求項１または２に記載の物理量センサー。
4. 前記ダイアフラムは、平面視で矩形状をなし、
   前記温度検知素子は、平面視で前記ダイアフラムの対角線の延長線上に配置されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の物理量センサー。
5. 前記温度検知素子は、前記ダイアフラムの周囲に沿って曲がっている部分を有している請求項４に記載の物理量センサー。
6. 前記温度検知素子は、複数配置されている請求項１ないし５のいずれか１項に記載の物理量センサー。
7. 平面視で、前記ダイアフラム、前記温度検知素子、および圧力基準室が重なっている請求項１ないし６のいずれか１項に記載の物理量センサー。
8. 平面視で、前記ダイアフラムと圧力基準室とが重なっていて、前記温度検知素子と前記圧力基準室とはずれている請求項１ないし６のいずれか１項に記載の物理量センサー。
9. 前記撓み量検出素子は、ピエゾ抵抗素子である請求項１ないし８のいずれか１項に記載の物理量センサー。
10. 前記温度検知素子は、ピエゾ抵抗素子である請求項１ないし９のいずれか１項に記載の物理量センサー。
11. 圧力を検出する圧力センサーである請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の物理量センサー。
12. 請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の物理量センサーを備えることを特徴とする高度計。
13. 請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の物理量センサーを備えることを特徴とする電子機器。
14. 請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の物理量センサーを備えることを特徴とする移動体。

Images