(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状のハウジング及び前記ハウジングよりも熱膨張率が小さい材質からなり前記ハウジングの端部に接合される板状のカバーを有するパッケージと、前記パッケージの内部に形成される基準真空室と圧力導入部とを隔絶する圧力検出用のセンサチップと、前記センサチップに電気的に接続されるとともに前記カバーの挿通孔を介して前記パッケージの外部に露出するリードピンと、前記挿通孔と前記リードピンとの間を気密的に封止する封着用ガラスで構成されるハーメチックシール部と、を備える圧力センサであって、
前記カバーの内側面に凹部が形成されることにより、前記ハウジングと前記カバーの熱膨張率の差により前記ハウジングが変形することに伴い前記カバーの中央部が内側に撓むときに前記ハーメチックシール部に作用する応力を低減させる薄肉部が形成され、
前記ハーメチックシール部は、前記カバーの中央に複数形成されており、
前記凹部は、前記複数のハーメチックシール部を取り囲む環状溝である、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、真空に近い圧力を測定するのに適した圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、被測定圧力の変化を静電容量の変化として検出するダイアフラム構造を備えた圧力センサが広く知られている。例えば、現在においては、基準真空室と圧力導入部とを隔絶するセンサダイアフラムを有するセンサチップと、このセンサチップを収容するハウジング及びカバーからなるパッケージと、を備えた圧力センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような圧力センサにおいては、基準真空室内の圧力と、圧力導入部を介して印加される測定対象ガスの圧力と、の差により基準真空室側にセンサダイアフラムの中央部が撓み、センサチップの固定電極と可動電極との間隔が変化する。これにより、固定電極と可動電極との間の静電容量が変化し、この静電容量の変化を電極リード部によって圧力センサのカバーを貫通して外部に取り出すことにより、測定対象ガスの圧力を測定するようになっている。
【０００３】
ここで、前記した従来の圧力センサの電極リード部近傍の構成について、図３を用いて説明する。従来の圧力センサ１００の電極リード部４００は、リードピン４１０及び金属製のシールド４２０を備えている。リードピン４１０は、ガラス等の絶縁性材料からなるハーメチックシール部４３０によってその中央部分が金属製のシールド４２０に埋設され、これにより、リードピン４１０の両端部間で気密状態が維持される。そして、リードピン４１０の一端はパッケージ１１０を構成するカバー１３０の外部に露出し、配線によって圧力センサ１００の出力を外部の信号処理部に伝達するようになっている。なお、シールド４２０とカバー１３０との間にもハーメチックシール部６００が介在しており、カバー１３０はアッパハウジング１２０の周壁の上端面と溶接等により接合されてパッケージ１１０を形成している。
【０００４】
ところで、前記した従来の圧力センサ１００のカバー１３０は、ハーメチックシール部４３０・６００への熱応力の影響が大きくならないように、ガラスに近い熱膨張率を有するコバール（Kovar）で構成されるのが一般的である。一方、このような圧力センサ１００のアッパハウジング１２０は、耐蝕性材料であるインコネル（Inconel）で構成される。この理由は、（図示されていない）ロアハウジングは内側に測定対象ガスを導く圧力導入部を有するために測定対象ガスが腐食性のガスであっても耐えられるようにする必要があり、かつ、圧力センサ１００の温度特性を考慮するとアッパハウジング１２０とロアハウジングとを異種材料で構成するのは避けるべきだからである。このような構造においては、カバー１３０を構成するコバールの耐蝕性が低く、また、コバールとインコネルとでは熱膨張率が大きく異なるので、両者間に熱応力が発生し、その熱応力によってカバー１３０の中央部が図３に示すように大きく内側に撓み、それによってハーメチックシール部４３０・６００に応力が作用して破損する虞がある。
【０００５】
このような問題を解決するために、ケースの外側（リードピンが露出する側）に環状の溝部を設け、熱応力をこの溝部に吸収させて、ケースにリードピンを気密封止する封着用ガラスで構成されたハーメチックシール部に与える応力を緩和させるような構造を有する圧力検出器が提案されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６―３２３４号公報
【特許文献２】特開平１１−３０５６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、特許文献２に記載されたような構造（ケースの外側に溝部を形成する構造）を採用しても、ハーメチックシール部に作用する応力を十分に低減することができないことが最近の実験結果により判明した。
【０００８】
本発明は、かかる状況に鑑みてなされたものであり、被測定圧力の変化を静電容量の変化として検出するダイアフラム構造を備えた圧力センサにおいて、圧力センサのパッケージにリードピンを気密封止するハーメチックシール部に作用する応力を大幅に低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る圧力センサは、筒状のハウジング及びこのハウジングの端部に接合される板状のカバーを有するパッケージと、パッケージの内部に形成される基準真空室と圧力導入部とを隔絶する圧力検出用のセンサチップと、センサチップに電気的に接続されるとともにカバーの挿通孔を介してパッケージの外部に露出するリードピンと、挿通孔とリードピンとの間を気密的に封止する封着用ガラスで構成されるハーメチックシール部と、を備える圧力センサであって、カバーの内側面に凹部が形成されることにより応力吸収用の薄肉部が形成されるものである。
【００１０】
かかる構成を採用すると、圧力センサのパッケージを構成する板状のカバーの内側面（パッケージ内部側の面）に凹部が形成されることにより応力吸収用の薄肉部が形成されるため、この薄肉部に応力を集中させることができる。従って、カバーのハーメチックシール部に作用する応力を大幅に低減させることができる。
【００１１】
前記圧力センサにおいて、カバーの中央にハーメチックシール部を複数形成し、これら複数のハーメチックシール部を取り囲む環状溝によって薄肉部を形成することができる。
【００１２】
かかる構成を採用すると、カバー中央の複数のハーメチックシール部を取り囲む環状溝によって形成された薄肉部に応力を集中させることができる。従って、複数のハーメチックシール部に作用する応力を大幅に低減させることができる。
【００１３】
また、前記圧力センサにおいて、カバーの中央にハーメチックシール部を複数形成し、これら複数のハーメチックシール部を取り囲むカバーの周縁部に薄肉部を形成することもできる。そして、この薄肉部に、波状の凹凸（コルゲーション）を形成してもよい。
【００１４】
かかる構成を採用すると、複数のハーメチックシール部を取り囲むカバー周縁部に形成された薄肉部に応力を集中させることができる。従って、複数のハーメチックシール部に作用する応力を大幅に低減させることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、被測定圧力の変化を静電容量の変化として検出するダイアフラム構造を備えた圧力センサにおいて、圧力センサのパッケージにリードピンを気密封止するハーメチックシール部に作用する応力を大幅に低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第一実施形態に係る圧力センサの断面図である。
【図２】図１に示す圧力センサに熱応力を作用させた場合の変形状態図である。
【図３】従来の圧力センサに熱応力を作用させた場合の変形状態図である。
【図４】本発明の第二実施形態に係る圧力センサの断面図である。
【図５】本発明の第二実施形態に係る圧力センサの変形例の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
＜第一実施形態＞
まず、図１及び図２等を用いて、本発明の第一実施形態に係る圧力センサ１について説明する。本実施形態に係る圧力センサ１は、図１に示すように、パッケージ１０と、パッケージ１０内に収容された台座プレート２０と、同じくパッケージ１０内に収容され台座プレート２０に接合されたセンサチップ３０と、パッケージ１０に直接取付けられパッケージ１０内外を導通接続する複数の電極リード部４０と、を備えている。また、台座プレート２０は、パッケージ１０の内壁から離隔しており、支持ダイアフラム５０のみを介してパッケージ１０に支持されている。
【００１９】
パッケージ１０は、ロアハウジング１１、アッパハウジング１２及びカバー１３から構成されている。ロアハウジング１１及びアッパハウジング１２は耐食性の金属であるインコネルから構成され、カバー１３はガラスに近い熱膨張率を有するコバールで構成されており、それぞれ溶接により接合されている。
【００２０】
ロアハウジング１１は、径の異なる円筒体を連結した形状を備える部材であり、その大径部１１ａは支持ダイアフラム５０との接合部を有し、その小径部１１ｂは被測定流体が流入する圧力導入部１０Ａを形成している。なお、大径部１１ａと小径部１１ｂとの結合部にはバッフル１１ｃが形成され、バッフル１１ｃの周囲には周方向所定の間隔で圧力導入孔１１ｄが形成されている。バッフル１１ｃは、圧力導入部１０Ａからプロセスガスなどの被測定流体を後述するセンサチップ３０に直接到達させずに迂回させる役目を果たすものであり、センサチップ３０にプロセスガスの成分やプロセスガス中の不純物が堆積するのを防止するようになっている。
【００２１】
アッパハウジング１２は、略円筒体形状を有する部材であり、カバー１３、支持ダイアフラム５０、台座プレート２０及びセンサチップ３０とともに、パッケージ１０内に真空の基準真空室１０Ｂを形成している。基準真空室１０Ｂは、センサチップ３０によって、プロセスガスが導入される領域（圧力導入部１０Ａ）と隔てられている。基準真空室１０Ｂには、いわゆる（図示されていない）ゲッターと呼ばれる気体吸着物質が設けられており、真空度を維持している。また、アッパハウジング１２の支持ダイアフラム取付け側には、周方向適所にストッパ１２ａが突出形成されている。ストッパ１２ａは、被測定流体の急激な圧力上昇により台座プレート２０が過度に変移するのを規制する役目を果たしている。
【００２２】
カバー１３は、所定厚さを有する上面視円形状の板状部材であり、その中央部には複数の電極リード挿通孔１３ａが形成されている。電極リード挿通孔１３ａには電極リード部４０が埋め込まれており、電極リード部４０と電極リード挿通孔１３ａとの間は、封着用ガラスで構成されるハーメチックシール部６０によって気密的に封止されている。また、本実施形態においては、カバー１３の内側面に、ハーメチックシール部６０を取り囲むような平面視で円環状の溝（凹部）１３ｂが形成されている。これにより、カバー１３の周縁部には、応力吸収用の薄肉部１３ｃが形成されることとなる。円環状の溝１３ｂの深さや幅は、カバー１３の厚さや直径のほか電極リード部４０の個数や位置に応じて適宜設定することができる。また、本実施形態においてはカバー１３の内側面に平面視で円環状の溝１３ｂを形成した例を示したが、このような円環状の溝（円を描くように繋がっている溝）を形成する代わりに、平面視で円弧状の溝を複数形成してもよい。
【００２３】
支持ダイアフラム５０は、パッケージ１０の形状に合わせた外形形状を有するインコネルの薄板からなり、周囲縁部は上述したロアハウジング１１とアッパハウジング１２の縁部に挟まれて溶接等により接合されている。支持ダイアフラム５０の厚さは、例えば本実施形態の場合数十ミクロンであって、各台座プレート２１・２２より充分薄い厚さとなっている。また、支持ダイアフラム５０の中央部分には、センサチップ３０に圧力を導くための圧力導入孔５０ａが形成されている。支持ダイアフラム５０の両面には、支持ダイアフラム５０とパッケージ１０の接合部から周方向全体にわたってある程度隔間した位置に酸化アルミニウムの単結晶体であるサファイアからなる薄いリング状のロア台座プレート（第１の台座プレート）２１と、アッパ台座プレート（第２の台座プレート）２２と、が接合されている。
【００２４】
各台座プレート２１・２２は、支持ダイアフラム５０の厚さに対して上述の通り十分に厚くなっており、かつ支持ダイアフラム５０を両台座プレート２１・２２でいわゆるサンドイッチ状に挟み込む構造を有している。これによって、支持ダイアフラム５０と台座プレート２０の熱膨張率の違いによって発生する熱応力でこの部分が反るのを防止している。また、アッパ台座プレート２２には、酸化アルミニウムの単結晶体であるサファイアでできた上面視矩形状のセンサチップ３０が、酸化アルミニウムベースの接合材を介して接合されている。
【００２５】
センサチップ３０は、上面視で１ｃｍ角以下の大きさを有し四角角型の薄板からなるスペーサ３１と、スペーサ３１に接合されかつ圧力の印加に応じてひずみが生じるセンサダイアフラム３２と、センサダイアフラム３２に接合して真空の容量室（リファレンス室）３０Ａを形成するセンサ台座３３と、を有している。また、真空の容量室３０Ａと基準真空室１０Ｂとは、センサ台座３３の適所に穿設された図示しない連通孔を介して、略同一の真空度を保っている。なお、スペーサ３１、センサダイアフラム３２及びセンサ台座３３はいわゆる直接接合によって互いに接合され、一体化したセンサチップ３０を構成している。
【００２６】
また、センサチップ３０の容量室３０Ａには、センサ台座３３の凹み部３３ａに金又は白金等の導体でできた固定電極３３ｂ・３３ｃが形成されているとともに、これと対向するセンサダイアフラム３２の表面上に金又は白金等の導体でできた可動電極３２ｂ・３２ｃが形成されている。また、センサチップ３０の上面には、金又は白金からなるコンタクトパッド３５・３６が形成され、これらの固定電極３３ｂ・３３ｃと可動電極３２ｂ・３２ｃはコンタクトパッド３５・３６と図示しない配線によって接続されている。
【００２７】
電極リード部４０は、電極リードピン４１と、金属製のシールド４２と、を備えている。電極リードピン４１は、金属製のシールド４２にガラスなどの絶縁性材料からなるハーメチックシール部４３によってその中央部分が埋設され、電極リードピン４１の両端部間で気密状態を保っている。そして、電極リードピン４１の一端は、パッケージ１０の外部に露出して、図示しない配線によって圧力センサ１の出力を外部の信号処理部に伝達するようになっている。なお、シールド４２とカバー１３との間にも、上述の通りハーメチックシール部６０が介在している。また、電極リードピン４１の他方の端部には導電性を有するコンタクトバネ４５・４６が接続されている。コンタクトバネ４５・４６は、圧力導入部１０Ａからプロセスガスなどの被測定流体が急に流れ込むことで発生する急激な圧力上昇により支持ダイアフラム５０が若干変移しても、コンタクトバネ４５・４６の付勢力がセンサチップ３０の測定精度に影響を与えない程度の十分な柔らかさを有している。
【００２８】
続いて、図２及び図３を用いて、本実施形態に係る圧力センサ１の作用について説明する。なお、本実施形態においては、圧力センサ１を例えば半導体製造装置の適当な場所に取付け、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）などの半導体製造プロセス中において、プロセスガスの真空に近い微小圧力（以下、「微圧」とする）を測定する際における圧力センサ１の作用について説明することとする。
【００２９】
プロセスガスは、圧力センサ１の圧力導入部１０Ａから圧力導入孔１１ｄを介してパッケージ内に流入する。この際、プロセスガスの急激な流入が生じても、バッフル１１ｃと圧力導入孔１１ｄを介してプロセスガスを迂回させてパッケージ１０内に流入させるので、センサダイアフラム３２にプロセスガスが直接当たることがない。そのため、センサダイアフラム３２にプロセスガスの成分やプロセスガスに含まれる不純物の再堆積を防止できる。
【００３０】
なお、プロセスガスが微圧であっても、センサチップ３０の容量室内は真空のため、センサダイアフラム３２が撓んで、センサチップ３０の固定電極３３ｂ・３３ｃと可動電極３２ｂ・３２ｃとの間隔が変化する。これによって、固定電極３３ｂ・３３ｃと可動電極３２ｂ・３２ｃで構成されたコンデンサの容量値が変化する。かかる容量値の変化を電極リード部４０によって圧力センサ１の外部に取り出すことにより、プロセスガスの微圧を測定することができる。
【００３１】
一方、本実施形態においては、圧力センサ１は半導体製造プロセスに設置されており、プロセスガスは高温であるため、半導体製造装置へのプロセスガスの流入前と流入後とで圧力センサ１が取付けられた部分に大きな熱的変化が生じる。また、センサ自身も（例えば最大２００℃程度まで）加熱して使うので熱的変化が生じる。さらに、圧力センサ１製作時の受圧部製作工程（最終封止工程）においては約３００℃の加熱が必要となるため、圧力センサ１を構成する部品には大きな熱的変化が生じる。
【００３２】
ここで、パッケージ１０を構成するロアプレート１１及びアッパプレート１２はインコネルで構成されるのに対し、カバー１３はコバールから構成されており、これら部材間の熱膨張率が異なる。このため、図３に示すような従来のパッケージ１１０を採用すると、熱膨張率差による熱応力が発生し、この熱応力によってカバー１３０の中央部が大きく内側に撓み、それによってハーメチックシール部４３０・６００に大きな応力が作用する。
【００３３】
これに対し、本実施形態における圧力センサ１の場合、図１及び図２に示すように、カバー１３の内側面に、ハーメチックシール部６０を取り囲む環状溝（凹部）１３ｂが形成され、これにより、カバー１３の周縁部に応力吸収用の薄肉部１３ｃが形成される。このため、図２に示すように、カバー１３の薄肉部１３ｃに応力を集中させることができるので、複数のハーメチックシール部４３・６０に作用する応力を大幅に低減させることができる。
【００３４】
以上説明した実施形態に係る圧力センサ１においては、パッケージ１０を構成する板状のカバー１３の内側面（パッケージ内部側の面）に、カバー１３中央の複数のハーメチックシール部４３・６０を取り囲む環状溝（凹部）１３ｂが形成され、これにより応力吸収用の薄肉部１３ｃが形成されるため、薄肉部１３ｃに応力を集中させることができる。従って、複数のハーメチックシール部４３・６０に作用する応力を大幅に低減させることができる。特に、本実施形態に係る圧力センサ１においては、３００〜４５０℃程度の高温で加熱した場合にハーメチックシール部４３・６０に作用する応力を大幅に低減させることができるので、製造工程でのリークの発生を低減させることができる。
【００３５】
＜第二実施形態＞
次に、図４及び図５を用いて、本発明の第二実施形態に係る圧力センサ１Ａについて説明する。本実施形態に係る圧力センサ１Ａは、第一実施形態に係る圧力センサ１のカバー１３の構成のみを変更したものであり、その他の構成については実質的に第一実施形態と共通である。このため、異なる構成を中心に説明することとし、共通する構成については第一実施形態と同様の符号を付して詳細な説明を省略することとする。
【００３６】
圧力センサ１Ａのパッケージを構成するカバー１３Ａの中央部には、複数の電極リード挿通孔１３ａが形成されている。電極リード挿通孔１３ａには電極リード部４０が埋め込まれており、電極リード部４０と電極リード挿通孔１３ａとの間は、封着用ガラスで構成されるハーメチックシール部６０によって気密的に封止されている。電極リード部４０の電極リードピン４１は、金属製のシールド４２にガラスなどの絶縁性材料からなるハーメチックシール部４３によってその中央部分が埋設され、電極リードピン４１の両端部間で気密状態を保っている。
【００３７】
本実施形態においては、図４に示すように、複数のハーメチックシール部４３・６０を取り囲むカバー１３Ａの周縁部の内側面（パッケージ内側の面）に凹部１３ｄを形成するとともに、カバー１３Ａの周縁部の外側面（パッケージ外側の面）にも凹部１３ｅを形成し、これにより、カバー１３の周縁部に応力吸収用の平坦な板状の薄肉部１３ｃＡを形成している。
【００３８】
以上説明した実施形態に係る圧力センサ１Ａにおいても、複数のハーメチックシール部４３・６０を取り囲むカバー周縁部に形成された薄肉部１３ｃＡに応力を集中させることができる。従って、複数のハーメチックシール部４３・６０に作用する応力を大幅に低減させることができる。また、本実施形態に係る圧力センサ１においても、３００〜４５０℃程度の高温で加熱した場合にハーメチックシール部４３・６０に作用する応力を大幅に低減させることができるので、製造工程でのリークの発生を低減させることができる。
【００３９】
なお、本実施形態におけるカバー周縁部の薄肉部１３ｃＡの形状は、図４に示すような平坦な板状に限られるものではなく、図５に示すように波状の凹凸（コルゲーション）を形成したものであってもよい。
【００４０】
また、以上の各実施形態においては、支持ダイアフラム５０はインコネルでできていたが、必ずしもこれに限定されず、ステンレスやコバールなどの耐食性金属でできていても良い。また、台座プレート２０やセンサチップ３０はサファイアできていたが、必ずしもこの材質に限定されず、シリコンやアルミナ、シリコンカーバイド、又は石英などでできていても良い。また、コンタクトパッド３５・３６と電極リード部４０との接続部はいわゆるコンタクトバネ４５・４６の形態で構成されていたが、十分な可撓性を有すれば必ずしもこれに限定されず、板バネのような形態であっても良い。さらには、電極リード部４０とコンタクトパッド３５・３６を十分に柔らかい導電ワイヤで繋いでいても良い。また、センサチップ３０、台座プレート２０、電極リード部４０、パッケージ１０の形状は上述の実施形態に限定されるものでないことは言うまでもない。
【００４１】
また、以上の各実施形態は、静電容量式のセンサチップを用いた場合について説明したが、このセンサチップの代わりに例えばシリコンでできたピエゾ抵抗式センサチップを備えた圧力センサであっても、上述した構成を有することによって、発生した熱応力をハーメチックシール部に伝わるのを効果的に防止できる。
【符号の説明】
【００４２】
１・１Ａ…圧力センサ
１０…パッケージ
１０Ａ…圧力導入部
１０Ｂ…基準真空室
１１…ロアハウジング
１２…アッパハウジング
１３・１３Ａ…カバー
１３ａ…挿通孔
１３ｂ…環状溝（凹部）
１３ｃ・１３ｃＡ…薄肉部
１３ｄ…凹部
３０…センサチップ
４１…リードピン
４３…ハーメチックシール部
６０…ハーメチックシール部
【図１】
0005889540.tif 000002
【図２】
0005889540.tif 000003
【図３】
0005889540.tif 000004
【図４】
0005889540.tif 000005
【図５】
0005889540.tif 000006