(57)【要約】【課題】  本発明は、測定値の再現性に優れ、正確な圧力測定が可能な隔膜型圧力センサ及び環境温度変化の影響を抑えた、測定精度の高い隔膜型圧力センサを提供することを目的とする。【解決手段】  第１の絶縁性基板とダイヤフラムを形成したシリコン基板とを、及び該シリコン基板と通気口を形成した第２の絶縁性基板とを接合して作製する隔膜型圧力センサにおいて、前記一方の絶縁性基板は接合温度において前記シリコン基板の熱膨張率よりも小さい熱膨張率を有し、前記他方の絶縁性基板は環境温度において前記一方の絶縁性基板よりシリコン基板に近い熱膨張率を有することを特徴とする。また、前記一方の絶縁性基板の厚さは、前記他方の絶縁性基板の厚さより薄くしたことを特徴とする。  【選択図】  図１
2006275702.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の絶縁性基板、ダイヤフラムを形成したシリコン基板、及び通気口を形成した第２の絶縁性基板を接合して、前記ダイヤフラムと前記第１の絶縁性基板及び前記通気口との間にそれぞれ圧力基準室及び圧力測定室を形成し、外部から前記通気口を通して前記圧力測定室に加わる圧力に応じて変位するダイヤフラムの変位量を計測して前記圧力を求める隔膜型圧力センサにおいて、
前記第１及び第２の絶縁性基板のうち一方の絶縁性基板は、環境温度において前記シリコン基板に引張り応力の第１の応力を加え、他方の絶縁性基板は、前記環境温度において前記シリコン基板に前記第１の応力よりも小さい引張り応力又は圧縮応力の第２の応力を加えて、前記ダイヤフラムに常に引張り応力が作用するようにし、さらに前記第２の応力の温度に対する変化量は、前記第１の応力の温度に対する変化量よりも小さくなるように構成したことを特徴とする隔膜型圧力センサ。
【請求項２】
第１の絶縁性基板、ダイヤフラムを形成したシリコン基板、及び通気口を形成した第２の絶縁性基板を接合して、前記ダイヤフラムと前記第１の絶縁性基板及び前記通気口との間にそれぞれ圧力基準室及び圧力測定室を形成し、外部から前記通気口を通して前記圧力測定室に加わる圧力に応じて変位するダイヤフラムの変位量を計測して前記圧力を求める隔膜型圧力センサにおいて、
前記第１及び第２の絶縁性基板のうち一方の絶縁性基板は、接合温度において、前記シリコン基板の熱膨張率よりも小さい熱膨張率を有し、他方の絶縁性基板は、環境温度において、前記一方の絶縁性基板よりシリコン基板に近い熱膨張率を有することを特徴とする隔膜型圧力センサ。
【請求項３】
前記一方の絶縁性基板の厚さは、前記他方の絶縁性基板の厚さより薄くしたことを特徴とする請求項２に記載の隔膜型圧力センサ。
【請求項４】
前記環境温度において、前記他方の絶縁性基板と前記シリコン基板との熱膨張率差の温度に対する変化量を、前記一方の絶縁性基板と前記シリコンとの熱膨張率差の温度に対する変化量よりも小さくしたことを特徴とする請求項２又は３に記載の隔膜型圧力センサ。
【請求項５】
前記他方の絶縁性基板と前記シリコン基板との１０〜５０℃における熱膨張率の差は５ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の隔膜型圧力センサ。
【請求項６】
前記一方の絶縁性基板と前記シリコン基板との接合は、前記他方の絶縁性基板と前記シリコン基板との接合よりも、高温であって、かつ先に行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の隔膜型圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は隔膜型圧力センサに係り、特に、圧力測定の安定性に優れ、しかも環境温度変化の影響を受けにくい隔膜型圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の隔膜型圧力センサとして、静電容量型圧力センサを例に挙げて説明する。静電容量型圧力センサは、例えば図４の模式的断面図に示すように、測定電極１１が形成された第１のガラス基板１０と、ダイヤフラム２１が形成されたシリコン基板２０と、通気口３１が形成された第２のガラス基板３０とが、接合された構造を有し、ダイヤフラム２１の両側に圧力基準室１と圧力測定室２とが形成されている。圧力基準室１には、例えば非蒸発型ゲッタ３が配置され、内部を真空に保持している。
【０００３】
この圧力センサは、例えば金属製のアダプタ４上にＯ−リング５を介して取り付けられ、押さえ板６により固定される。アダプタは真空チャンバのゲージポートに接続される。真空チャンバ内の圧力は、通気口３１を通してセンサの圧力測定室２に加わり、圧力測定室２と圧力基準室１との圧力差に応じて、ダイヤフラム２１が撓むことになる。従って、ダイヤフラム２１と測定電極１１間の静電容量を端子ピン１２，１３で測定することにより、ダイヤフラムの撓み量、即ち真空チャンバの圧力を測定することができる。
【０００４】
このような圧力センサの製造には、マイクロマシン技術が用いられる。また、第１及び第２のガラス基板とシリコン基板との接合には、通常、陽極接合法が用いられ、３００〜４５０℃に加熱した状態で、シリコン基板とガラス基板間に数１００Ｖ〜１ｋＶ程度の電圧を印加することにより、接着剤を用いずに両基板を強固に接合することができる。しかし、このように高温で接合すると室温に戻したときにシリコン基板、特にダイヤフラムに大きな応力が発生し、測定値に再現性がなくなり、又はセンサ周辺の環境温度の変動により測定値が変化するため、ガラス基板としては接合温度での熱膨張量がシリコンに近い材質のガラス（例えば、パイレックス（登録商標）ガラス）が一般に用いられている。
【特許文献１】特開２００１−２５５２２５
【特許文献２】特開平６−６６６５８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、半導体デバイスや電子部品の高機能化、高密度化に伴い、製造プロセスはより一層高度な制御が必要となり、圧力センサも種々のプロセス条件において一層高い測定精度のものが要求されるようになった。しかし、図４に示した従来の静電容量型圧力センサでは、これらの高度の要求には、十分対応しきれなくなり、センサ間のばらつき、圧力測定値の再現性及び環境温度の変動に伴う測定誤差等が顕著な問題となってきた。また、温度補償のため測定電極の周辺に参照電極を配置し、温度変化に起因する静電容量の変動値を補償する構成のものが提案されているが、参照電極を配置した構成だけでは十分とはいえず、温度依存性のより小さな圧力センサが求められている。
【０００６】
そこで、本発明者らは、種々のガラス基板を用い、様々な製造条件で圧力センサを試作し、上記問題を解消する検討を行った。ここで、例えば、応力を低減するために、熱膨張率特性がシリコンに非常近いガラス（旭テクノグラス株式会社ＳＷ−Ｙ等）を用いた場合は、予想に反し、特に１００Ｐａ以下の低い圧力域で測定値に再現性がなく安定した測定ができず、さらに環境温度依存性も特に改善されないことが分かった。即ち、ガラス基板として、単に、接合温度での熱膨張率の近い材質のものを用いるだけでは、高精度の測定が可能な圧力センサを作製することは困難であることが分かった。さらに、シリコン基板に圧縮応力がかかるような材質及び接合条件を選択すると、同様に、測定値に再現性がなくなった。また、引張り応力が加わる場合も、引張り応力が大きくなると圧力に対する感度が低下し、環境温度に対する測定値の変動が大きくなる傾向を示した。
【０００７】
これらの知見を基に、シリコンダイヤフラムの引張り応力を適正化すべく、第１及び第２のガラス基板の材質や厚さ、接合条件等に関する検討をさらに進め、その結果として測定値が安定化し、温度の影響を低減できるセンサ構造を見出し、これにより本発明の完成に至ったものである。
以上の静電容量型圧力センサに関する問題やその他の事情は、ダイヤフラムを利用した他の圧力センサ、例えば、ダイヤフラム上にピエゾ抵抗素子を形成した半導体抵抗素子型、ダイヤフラムの共振周波数を利用した振動型等のセンサについても同様である。
【０００８】
このような状況に鑑み、本発明は、測定値の再現性に優れ、正確な圧力測定が可能な隔膜型圧力センサを提供することを目的とする。さらに、環境温度変化の影響を抑えた、測定精度の高い隔膜型圧力センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の隔膜型圧力センサは、第１の絶縁性基板、ダイヤフラムを形成したシリコン基板、及び通気口を形成した第２の絶縁性基板を接合して、前記ダイヤフラムと前記第１の絶縁性基板及び前記通気口との間にそれぞれ圧力基準室及び圧力測定室を形成し、外部から前記通気口を通して前記圧力測定室に加わる圧力に応じて変位するダイヤフラムの変位量を計測して前記圧力を求める隔膜型圧力センサにおいて、前記第１及び第２の絶縁性基板のうち一方の絶縁性基板は、環境温度において前記シリコン基板に引張り応力の第１の応力を加え、他方の絶縁性基板は、前記環境温度において前記シリコン基板に前記第１の応力よりも小さい引張り応力又は圧縮応力の第２の応力を加えて、前記ダイヤフラムに常に引張り応力が作用するようにし、さらに前記第２の応力の温度に対する変化量は、前記第１の応力の温度に対する変化量よりも小さくなるように構成したことを特徴とする。
このように一方の絶縁性基板が、圧力測定の環境温度領域でシリコン基板に引張り応力（第１の応力）を加えるべく、例えば、材料、接合温度を選択することにより、環境温度領域で、シリコンダイヤフラムに常に引張り応力を作用させることができ、かつ、他方の絶縁性基板が環境温度領域でシリコン基板にほとんど応力（第２の応力）を加えないように、例えば材料を選択することにより、環境温度でシリコンダイヤフラムに加わる引張り応力の温度依存性を小さくすることが可能となる。かかる構成とすることにより、再現性のある安定した圧力測定が可能となり、環境温度の変動に伴う測定値のばらつきも低減して、より高精度の測定が可能となる。なお、第２の応力は、全体としてダイヤフラムに加わる応力が引張り応力であれば、引張り応力に限らず圧縮応力であっても良い。
【００１０】
より具体的には、第１の絶縁性基板、ダイヤフラムを形成したシリコン基板、及び通気口を形成した第２の絶縁性基板を接合して、前記ダイヤフラムと前記第１の絶縁性基板及び前記通気口との間にそれぞれ圧力基準室及び圧力測定室を形成し、外部から前記通気口を通して前記圧力測定室に加わる圧力に応じて変位するダイヤフラムの変位量を計測して前記圧力を求める隔膜型圧力センサにおいて、前記第１及び第２の絶縁性基板のうち一方の絶縁性基板は、接合温度において、前記シリコン基板の熱膨張率よりも小さい熱膨張率を有し、他方の絶縁性基板は、環境温度において、前記一方の絶縁性基板よりシリコン基板に近い熱膨張率を有することを特徴とする。
即ち、第１及び第２の絶縁性基板の熱膨張率について、以上の関係を備えたセンサ構造とすることにより、圧力測定の環境温度域において、シリコンダイヤフラムに適度の引張り応力を常に作用させることができ、その結果、再現性のある安定した測定が可能となる。さらに、また、環境温度域において、環境温度の変動に伴う引張り応力の変化を小さく抑えることができ、その結果、環境温度の変動に伴う測定値のばらつきも低減して、より高精度な測定が可能となる。
【００１１】
さらに、前記一方の絶縁性基板の厚さは、前記他方の絶縁性基板の厚さより薄くしたことを特徴とする。
このように、第１及び第２の絶縁性基板の厚さについて、以上の関係を備えたセンサ構造とすることにより、主に、薄い絶縁性基板は、シリコン基板に適度の引張り応力を加え、厚い絶縁性基板はシリコン基板に引張り応力をほとんど加えず、環境温度の変動に伴うシリコン基板の引張り応力の変化を小さく抑えるように作用し、より制御性良くシリコンダイヤフラムに適度の引張り応力を作用させ、かつ環境温度の変動に伴うシリコンダイヤフラムの引張り応力の変化を小さく抑えることが可能となる。その結果、環境温度の変動に伴う測定値のばらつきがより低減してより高精度な測定を再現性良く、安定して行うことが可能となる。
ここで、厚い絶縁性基板による応力は、圧縮応力であってもその値は小さく、センサ全体として、ダイヤフラムに加わる応力が引張り応力であればよい。
【００１２】
また、圧力測定の環境温度における厚い絶縁性基板の熱膨張率をシリコン基板の熱膨張率により近いものを選択することにより、測定値の温度依存性が改善される理由の詳細は現在のところ明らかではないが次のように考えられる。即ち、厚い絶縁性基板とシリコン基板とで熱膨張率が近いため、熱膨張率の小さな薄い基板に対して両者は熱的に一体の厚い基板と考えることができる。ここで、シリコン基板に熱膨張率の小さな薄い絶縁性基板が接合されても、厚い絶縁性基板とシリコン基板とからなる一体の厚い基板の熱膨張特性が支配的となり、環境温度が変動してもシリコンの受ける応力はほとんど変化せず、結果として圧力の測定値のばらつきが抑えられるためと考えられる。
【００１３】
前記環境温度において、前記他方の絶縁性基板と前記シリコン基板との熱膨張率差の温度に対する変化量を、前記一方の絶縁性基板と前記シリコンとの熱膨張率差の温度に対する変化量よりも小さくするのが好ましい。
このような構成とすることにより、例えば、環境温度が変動したときでも、他方の基板（例えば厚い絶縁性基板）がシリコン基板と同様に伸縮することから、引張り応力を残しながら、温度依存性を小さくでき、結果として環境温度の影響の少ない高精度の温度測定が可能となる。
さらに、前記他方の絶縁性基板と前記シリコン基板との１０〜５０℃における熱膨張率の差は５ｐｐｍ以下とするのが好ましい。これにより、圧力測定値の温度依存性をさらに低減させることができる。
【００１４】
また、本発明において、前記一方の絶縁性基板と前記シリコン基板との接合は、前記他方の絶縁性基板と前記シリコン基板との接合よりも、高温であって、かつ先に行うのが好ましい。これにより、シリコンダイヤフラムへの引張り応力の制御をより高度に行うことができ、例えば、２枚の絶縁性基板とも同じ材質を用いた場合であっても、シリコンダイヤフラムに適切な引張り応力を加えることが可能となる。
【００１５】
なお、本発明において、環境温度とは、圧力センサを使用する環境の温度である。従って、センサの使用目的に応じて異なり、必ずしも室温近傍に限定されるものではない。また、所定の温度における熱膨張率とは０℃における基準値Ｌ０と該所定の温度における熱膨張量ΔＬ（＝Ｌ−Ｌ０）との比（ΔＬ／Ｌ０）をいう。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、即ち、シリコンダイヤフラムに最小限の引張り応力を加える構成とすることにより、測定の再現性の高い圧力センサを歩留まり良く製造することができ、高精度圧力センサの生産性を大幅に向上させることができる。
【００１７】
また、圧力測定温度域における厚い絶縁性基板の熱膨張率をシリコン基板と略同一とすることにより、測定値の温度依存性を大幅に低減することができ、例えば真空容器内でヒータ等を使用しセンサ周辺の環境温度が変動する系であっても、高精度かつ安定した圧力測定が可能となり、高機能デバイス等の生産に対応した圧力センサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。
【実施例１】
【００１９】
本発明の静電容量型センサの一構成例を図１の模式的断面図に示す。本実施例の静電容量型圧力センサは、図に示すように、測定電極１１が形成された第１の絶縁性基板１０と、ダイヤフラム２１が形成されたシリコン基板２０と、通気口３１が形成された第２の絶縁性基板３０と、からなる三層構造を有し、ダイヤフラム２１の両側に圧力基準室１と圧力測定室２とが形成されている。圧力基準室１には、例えば非蒸発型ゲッタ３が配置され、内部を真空に保持している。
【００２０】
この圧力センサは、例えば次のようにして作製する。測定電極１１を形成した第１の絶縁性基板１０と、圧力基準室用の凹部を形成したシリコン基板２０と、を重ね合わせ、真空中で、３００〜４５０℃程度に加熱した状態で、数１００Ｖ〜１ｋＶの電圧を印加して、両者を陽極接合法により接合する。これにより圧力基準室１が形成される。続いて、シリコン基板の圧力基準室１と反対側からエッチングしてダイヤフラム２１を形成した後、通気口３１を形成した第２の絶縁性基板３０と重ね合わせ、同様に陽極接合法により接合する。最後に、端子ピン１２，１３を取り付けて圧力センサを完成する。
【００２１】
本実施例においては、第１の絶縁性基板は、第２の絶縁性基板よりも板厚を薄くする。また、第１の絶縁性基板の接合温度での熱膨張率（ΔＬ／Ｌ０）は、シリコン基板よりも小さいものを選択する。さらに、圧力測定を行う環境温度域での第２の絶縁性基板の熱膨張率が、第１の絶縁性基板に比べ、シリコン基板の熱膨張率により近い値となるように選択する。このような材質、板厚の絶縁性基板を選択することにより、例えば室温に戻ったときのダイヤフラムに加わる応力を常に小さな引張り応力とすることができ、測定の再現性が得られ、安定した測定が可能となる。また、環境温度の変動に起因する測定値のばらつきも抑えることができる。ここで、環境温度において、第２の絶縁性基板とシリコン基板との熱膨張率差の温度に対する変化量を、第１の絶縁性基板とシリコンとの熱膨張率差の温度に対する変化量よりも小さくすることにより、環境温度の影響のより一層低減したより高精度の温度測定が可能となる。
【００２２】
具体的な各基板の板厚としては、シリコン基板は例えば  ０．２  〜０．５ｍｍ、第１の絶縁性基板は、０．５〜０．８ｍｍ、第２の絶縁性基板は、１〜３ｍｍのものが好適に用いられる。また、絶縁性基板の材質としては、シリコンダイヤフラムに適正な引張り応力を加える観点から、シリコン基板と熱膨張特性の近似するガラス、例えばパイレックス（登録商標）、旭テクノグラス製ＳＷ−Ｙガラス及びＳＷ−ＹＹガラス、ＨＯＹＡ製ＳＤ−１ガラス及びＳＤ−２ガラスが好適に用いられ、上記熱膨張率の大小関係を満たすように選ばれる。
【００２３】
以上の熱膨張率の関係を満たすガラスの組み合わせとして、例えば、第１の絶縁性基板としてパイレックスガラス、第２の絶縁性基板としてＳＷ−Ｙガラスの組み合わせが挙げられる。これらのガラス基板及びシリコン基板の熱膨張率特性を図２及び３に示し、これらガラス基板を用いて作製したセンサの動作を以下に説明する。
図２及び３には、接合温度域及び圧力測定温度（環境温度）域における熱膨張率の一例として、それぞれ３００〜４５０℃及び０〜５０℃の熱膨張率特性を示している。
【００２４】
図２が示すように、接合温度におけるパイレックスガラスの熱膨張率はＳＷ−Ｙガラスに比べて小さく、またＳＷ−Ｙガラスの熱膨張率はシリコンとほぼ同じである。ここで、パイレックス、シリコン基板及びＳＷ−Ｙの板厚をそれぞれ例えば０．７ｍｍ、０．５ｍｍ及び２．０ｍｍとすると、シリコンとパイレックスガラスを陽極接合した後、室温に戻すとシリコンには引張り応力が加わることになる。一方、ＳＷ−Ｙガラスとシリコン基板の熱膨張率は非常に近いため、室温に戻してもシリコンとＳＷ−Ｙガラス間にはほとんど応力が発生しない。このため全体として、ダイヤフラムに適度の引張り応力を作用させることができる。
【００２５】
また、図３が示すように、環境温度域においても、ＳＷ−Ｙガラスの熱膨張率はパイレックスガラスよりもシリコンの値に近く、シリコンとの熱膨張率の差は５ｐｐｍ以下である。従って、厚いＳＷ−Ｙガラスとシリコン基板とは熱的に一体として機能すると考えられることから薄いパイレックス基板の影響は小さくなり、環境温度が変化しても引張り応力をほぼ一定に保つことができる。即ち、環境温度の変動があっても、ダイヤフラムの歪みは抑えられ、測定値のばらつきを抑えることができる。
【００２６】
なお、前に、第１及び第２の絶縁性基板の両者にシリコンと熱膨張特性が非常に近いＳＷ−Ｙガラスを用いると、特に低圧域の測定値の再現性が低下したり、素子間のばらつきが増加しやすくなると述べた。これは、接合温度における熱膨張率が非常に近いため、接合時にシリコン基板とＳＷ−Ｙガラスに温度分布があると、その分布に応じてシリコンとガラスとの膨張量の大小が逆転し、室温に戻したときに、部分的に圧縮応力が生じ、これが原因となって測定値の再現性が低下したものと考えられる。
【００２７】
本実施例の圧力センサは、第１の絶縁性基板を第２の絶縁性基板より薄くし、かつ、接合温度での熱膨張率（ΔＬ／Ｌ０）をシリコンよりも小さくした構成であるが、逆に第２の絶縁性基板の板厚を薄く、熱膨張率をシリコンよりも小さくする構成であっても良い。
【実施例２】
【００２８】
実施例１では、第１及び第２の絶縁性基板の熱膨張率を選択して、ダイヤフラムの引張り応力を調節したが、本実施例ではシリコン基板との接合温度を変えて応力を調節した圧力センサを説明する。
本実施例では、第１及び第２の絶縁性基板のいずれもパイレックスガラスを用いた場合について説明する。第１のガラス基板（例えば０．７ｍｍ厚）とシリコン基板（例えば、０．５ｍｍ）は例えば４００℃で接合し、シリコン基板と第２のガラス基板（例えば２ｍｍ板）は例えば３００℃で接合して、圧力センサを作製する。
【００２９】
図２より明らかなようにパイレックスガラスの熱膨張率は、低温になるほどシリコンに熱膨張率が近くなる傾向がある。従って、圧力測定の環境温度（通常は２００℃以下）シリコン基板には、４００℃で接合した第１のガラス基板側で引張り応力を生じ、３００℃で接合した第２のガラス基板側では相対的にそれよりも小さな応力が生じる。即ち、厚い基板である第２のガラス基板がシリコン基板に与える応力が小さいことから、シリコン基板は引張り応力を保ったまま圧力センサ全体としては歪みを小さくすることができ、センサの測定再現性及び温度依存性を向上させることができる。
なお、本実施例では、第１と第２のガラス基板は同じ材質としたが、異なる材質のものを用いてもよいことは言うまでもない。この場合、引張り応力の制御をより精密に行うことができ、センサ設計の自由度が増大する。
【００３０】
以上の実施例では静電容量型センサの場合について説明してきたが、ダイヤフラムを利用した他の圧力センサ、例えば、ダイヤフラム上に半導体ピエゾ抵抗素子の抵抗がダイヤフラムの歪み（即ち、圧力）により変化することと利用した半導体抵抗素子型、ダイヤフラムの共振周波数が圧力による歪みで変化することを利用した振動型等の圧力センサについても同様に適用できることは言うまでもない。また、接合法も陽極接合に限らず、接合時に加熱するものであればどのような接合法であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の隔膜型圧力センサの一例を示す模式的断面図である。
【図２】接合温度域における熱膨張率特性を示すグラフである。
【図３】圧力測定の環境温度域における熱膨張率特性を示すグラフである。
【図４】従来の隔膜型圧力センサの一例を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  基準圧力室、
２  圧力測定室、
３  非蒸発型ゲッタ、
４  アダプタ、
５  Ｏ−リング、
６  押さえ板、
１０  第１の絶縁性基板、
１１  測定電極、
１２，１３  端子ピン
２０  シリコン基板、
２１  ダイヤフラム、
３０  第２の絶縁性基板、
３１  通気口。
【図１】
2006275702.tif 000003
【図２】
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【図３】
2006275702.tif 000005
【図４】
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