(57)【要約】【課題】  外部からの熱による熱応力の影響を受けることなく、常に高精度の圧力検出を行うことのできる圧力センサを提供する。【解決手段】  圧力を検出するセンサチップ３０と、センサチップ３０を支持する台座プレート２０（２１，２２）と、台座プレート２０（２１，２２）に接合され、当該台座プレート２０（２１，２２）を支持する支持ダイアフラム５０とを有し、支持ダイアフラム５０がパッケージ１０に接合され、当該支持ダイアフラム５０のみを介してセンサチップ３０、台座プレート２０（２１，２２）をパッケージ内に支持する構成を圧力センサ１が有している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力を検出するセンサチップと、前記センサチップを支持する台座プレートと、前記台座プレートに接合され、当該台座プレートを支持する支持ダイアフラムとを有し、前記支持ダイアフラムの一部がパッケージに接合され、当該支持ダイアフラムのみを介して前記センサチップ、台座プレートをパッケージ内に支持していることを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
前記台座プレートが同一材料からなる第１の台座プレートと第２の台座プレートとからなり、前記支持ダイアフラムが当該第１の台座プレートと第２の台座プレートによって挟まれた状態で接合されていることを特徴とする、請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記センサチップには当該センサチップの電極部と導通接続するコンタクトパッドが形成されるとともに、前記パッケージには電極リードが備わり、当該コンタクトパッドと電極リードとをセンサチップ保護用の柔軟性を有した弾性体によって導通接触させていることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば被測定圧力に応じた静電容量を圧力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】
従来から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は広く知られている。かかる圧力センサの一例として、ダイアフラムの真空室側であって起歪領域近傍に可動プレートを接合し、可動プレートの外周部とダイアフラムの固定部との対向面にそれぞれ可動電極と固定電極を形成してかかる電極間の静電容量の変化を圧力の変化として検出する圧力センサがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、センサチップをパッケージにしっかりと支持するために、パッケージの金属製の枠体にメタルプレート、カバープレート、及び緩衝部材を介してセンサチップを支持するとともに、カバープレートをメタルプレートと基台で挟み込んで拘束した構造の圧力センサも考えられている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２６７５５９（７頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方、特に真空計のように微圧を測定するような高精度の圧力センサにおいては、圧力センサ素子（センサチップ）をパッケージに固定するに際して解決すべき特有の課題がある。具体的には、圧力センサ自体が高精度であるために、パッケージに固定されたセンサ素子に、パッケージや固定材料の温度の変化に起因する熱応力が伝わり、それをセンサ素子が検出することにより測定誤差を生ずるという問題である。
【０００６】
かかる問題を解決するために、パッケージと圧力センサ素子とを離間させ、線膨張係数が両者の中間値の材料を挟み込み、これによって応力を緩和する対策も考えられる。しかしながら、これらは各構成要素を積み重ねた状態でそれぞれを接合しているので、その構造上剛体間を応力が伝わることには変わりなく、熱応力の影響はある程度は緩和できても、微圧測定に際してはかかる熱応力の影響を受けて測定誤差となっている。
【０００７】
特に、微圧測定用の圧力センサを半導体製造プロセスに用いた場合、真空に近い高温のプロセスガスの圧力を測定しなければならない。従って、圧力センサのパッケージとこのパッケージ内に収容される各構成要素の熱膨張率の違いに起因する熱応力の作用の問題が解消できなかった。
【０００８】
一方、このような熱応力の影響を緩和するために、センサ素子とパッケージをかなり離す構造とする対策も考えられる。具体的には、パッケージ内に例えばパイレックス（登録商標）製ガラスなどの台座を備え、当該台座上面にパッケージからある程度の距離をとった状態でセンサチップを配置する構造などである。しかしながら、このような構造では圧力センサ全体が大型化してしまい、圧力センサ自体の小型化の要請に反する。
【０００９】
本発明の目的は、外部からの熱による熱応力の影響を受けにくく、常に高精度の圧力検出を行うことのできる圧力センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決するために、本発明にかかる圧力センサは、圧力を検出するセンサチップと、センサチップを支持する台座プレートと、台座プレートに接合され、当該台座プレートを支持する支持ダイアフラムとを有し、支持ダイアフラムの一部がパッケージに接合され、当該支持ダイアフラムのみを介してセンサチップ、台座プレートをパッケージ内に支持していることを特徴としている。
【００１１】
パッケージの内部空間においてセンサチップ、台座プレートがパッケージの内壁に直接接触しないように支持ダイアフラムのみを介して支持されている。これによって、圧力センサ自体に作用する急激な熱的変化によって生じる熱応力を支持ダイアフラムの熱応力に対する柔軟性で緩和できる。その結果、圧力センサに加わる熱の影響によって測定精度が低下しにくくなる。
【００１２】
また、本発明の請求項２に記載の圧力センサは、請求項１に記載の圧力センサにおいて、台座プレートが同一材料からなる第１の台座プレートと第２の台座プレートとからなり、支持ダイアフラムが当該第１の台座プレートと第２の台座プレートによって挟まれた状態で接合されていることを特徴としている。
【００１３】
支持ダイアフラムと台座プレートをいわゆるサンドイッチ状に接合することによってバイメタル効果による熱応力の発生を緩和し、圧力センサに加わる熱の影響を取り除いて測定精度が低下しにくくする。
【００１４】
また、本発明の請求項３に記載の圧力センサは、請求項１又は請求項２に記載の圧力センサにおいて、センサチップには当該センサチップの電極部と導通接続するコンタクトパッドが形成されるとともに、パッケージには電極リードが備わり、当該コンタクトパッドと電極リードとをセンサチップ保護用の柔軟性を有した弾性体によって導通接触させていることを特徴としている。
【００１５】
パッケージと支持ダイアフラムとの線膨張係数の違いによって熱応力が発生したり圧力センサにかかる圧力が急激に上昇することで支持ダイアフラムが変位しても、電極リードとコンタクトパッドとの間に介在する導通性を有する弾性体が十分に撓んで、センサチップに過度の応力を加えることがなく、測定精度に悪影響を与えることはない。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の圧力センサによると、外部からの熱による熱応力の影響を受けにくく、常に高精度の圧力検出を行うことのできる圧力センサを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施形態にかかる圧力センサについて図面に基づいて説明する。
【００１８】
本発明の一実施形態にかかる圧力センサ１は、図１に示すように、パッケージ１０と、パッケージ内に収容された台座プレート２０と、同じくパッケージ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内外を導通接続する電極リード部４０とを備えている。また、台座プレート２０は、パッケージ１０に対して隔間しており、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、アッパーハウジング１２、及びカバー１３から構成されている。なお、ロアハウジング１１、アッパーハウジング１２、及びカバー１３は、耐食性の金属であるインコネルからなり、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、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をなしている。なお、大径部１１ａと小径部１１ｂとの結合部にはバッフル１１ｃが形成されるとともに、当該バッフル１１ｃはその周囲に周方向所定の間隔で圧力導入孔１１ｄが形成されている。
【００２１】
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。
【００２２】
アッパーハウジング１２は略円筒体形状を有し、後述するカバー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を介してパッケージ内にプロセスガスの導入する領域と独立した真空の基準真空室１０Ｂを形成している。なお、密閉空間中Ｂにはいわゆるゲッター（図示せず）と呼ばれる気体吸着物質が備わり、真空度を維持している。
【００２３】
また、アッパーハウジング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。なお、このストッパ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。
【００２４】
また、カバー１３は円形のプレートからなり、カバー１３の所定位置には電極リード挿通孔１３ａが形成されており、ハーメチックシール６０を介して電極リード部４０が埋め込まれ、この部分のシール性が確保されている。
【００２５】
一方、支持ダイアフラム５０はケーシング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アッパーハウジング１１とロアハウジング１２の縁部に挟まれて溶接等により接合されている。なお、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。
【００２６】
支持ダイアフラム５０の両面には、支持ダイアフラム５０とケーシング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とアッパー台座プレート（第２の台座プレート）２２が接合されている。
【００２７】
なお、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。
【００２８】
また、アッパー台座プレート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が接合後にスペーサ３１やアッパー台座プレート２２と同一の材料に変化する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。なお、この接合方法については、特開２００２−１１１０１１号公報において詳しく記載されている。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共に同一の真空度を保っている。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
一方、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、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。
【００３２】
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。
【００３３】
続いて、かかる構成を有する圧力センサ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。以下、プロセスガスの微圧測定方法について説明する。
【００３４】
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。
【００３５】
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で、プロセスガスの微圧を測定することができる。
【００３６】
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、センサ自身も加熱して使うので熱的変化が生じる。
【００３７】
ここで、パッケージ１０は金属製であり、台座プレート２０やセンサチップ３０はサファイアでできているので、これらの部材間の熱膨張率が異なる。そのため、従来のようにパッケージと台座プレートが面接触していると、各部材の熱膨張量の違いがこの接触領域を介して熱応力として作用し、この熱応力が台座プレートに備わったセンサチップに伝わって高精度の微圧測定に悪影響を及ぼす。
【００３８】
しかしながら、本実施形態における圧力センサ１の場合、台座プレート２０とパッケージ１０とが厚さの薄い支持ダイアフラム５０のみを介して支持され、台座プレート２０とパッケージ１０とが直接接触していない。そのため、上述のような台座プレート２０とパッケージ１０との材質の違いによる熱膨張の程度が異なっても、厚さの薄い支持ダイアフラム５０がパッケージ１０と台座プレート２０とで挟まれた領域において伸びたり撓んだりして変形することで台座プレート２０とセンサチップ３０との接合部に熱応力を伝えにくくしている。そのため、圧力センサ１に急激な熱的変化が生じても、この熱的変化に起因する熱応力がセンサチップ３０に生じにくい。
【００３９】
また、台座プレート２０は厚さが厚く、支持ダイアフラム５０は台座プレート２０に比べて厚さが十分に薄くなっている。さらに、支持ダイアフラム５０はロア台座プレート２１とアッパー台座プレート２２によってサンドイッチ構造で挟まれている。これによって、例えばサファイアでできた台座プレート２０と例えばステンレスでできた支持ダイアフラム５０のように部材間に熱膨張率の違いがあっても、いわゆるバイメタルのように両者が反るようなことはない。従って、この部分でもセンサチップ３０に悪影響を与える熱応力の発生を抑えることができる。
【００４０】
さらには、センサチップ３０にはコンタクトパッド３５，３６が形成され、このコンタクトパッド３５，３６には十分な可撓性を有するコンタクトバネ４５，４６が導通接触している。そして、コンタクトバネ４５，４６の可撓性は、プロセスガスの急激な圧力上昇や圧力センサ全体の熱的変化に伴って支持ダイアフラム５０が変形し、センサチップ３０がパッケージ内で若干移動しても、コンタクトバネ４５，４６の付勢力がセンサチップ３０の検出感度に影響を与えない程度に十分に柔らかい。従って、圧力センサ１の急激な熱的変化によって、コンタクトバネ４５，４６がセンサチップ３０の圧力検出に悪影響を与えることはない。
【００４１】
なお、上述の実施形態においては、パッケージ１０又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。
【００４２】
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。
【００４３】
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、上述した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。
【００４４】
なお、本実施形態のようにバッフル１１ｃを圧力導入部１０Ａに備えることは必ずしも必要とはしないが、プロセスガスの急激な流入に伴ってガス成分や不純物がセンサダイアフラム３２に堆積するのを防止するにはバッフル１１ｃを設けておくのが最も効果的である。
【００４５】
また、本実施形態のように支持ダイアフラム５０をロア台座プレート２１とアッパー台座プレート２２の両者でサンドイッチ状に挟み込む構成とすることは必ずしも必要とはしない。すなわち、支持ダイアフラム５０の厚さを台座プレート２１，２２の厚さに対して十分薄くすれば、例えば支持ダイアフラム５０の一方の面だけに台座プレートを接合しただけでも、圧力センサ１に急激な熱的変化が生じてもいわゆるバイメタルのように反ることはなく、センサチップ３０の検出特性に影響を及ぼす熱応力を発生させにくい。
【００４６】
しかしながら、本実施形態のように、支持ダイアフラム５０の両側を各台座プレート２１，２２で挟み込むいわゆるサンドイッチ構造とすることで、支持ダイアフラム５０を介して２つの台座プレート２１，２２が対称形状をなすように支持ダイヤグラム５０に接合され、これによって支持ダイアフラム５０と各台座プレート２１，２２に発生する熱応力による反りを押さえ込み、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る熱応力の発生をより効果的に防止することができる。
【００４７】
実際にも、本発明者は、支持ダイアフラムの両面に台座プレートを接合した場合の方が支持ダイアフラムの片面のみに台座プレートを接合した場合に比べてこの接合部における残留応力がさらに軽減されることを確認した。
【００４８】
なお、上述の実施形態は、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圧力センサに熱が加わることで発生した熱応力をセンサチップに伝わるのを効果的に防止でき、高精度の圧力測定を可能にする。
【００４９】
また、センサチップ３０、台座プレート２０、電極リード部４０、ケーシング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。
【００５０】
以上説明したように、本発明にかかる圧力センサ１は、センサチップ３０の備わった台座プレート２０とパッケージ１０との間を薄い支持ダイアフラム５０のみで接続している。すなわち、パッケージ１０の空間内においてセンサチップ３０、台座プレート２０がパッケージ１０の内壁に直接接触しないように支持ダイアフラム５０のみを介してパッケージ内に支持されている。これによって、圧力センサ自体に加わる急激な熱的変化によって生じる熱応力を支持ダイアフラム５０の熱応力に対する柔軟性で緩和することができる。また、その際、支持ダイアフラム５０と台座プレート２０とをいわゆるサンドイッチ状に接合することでバイメタル効果による熱応力の発生を更に緩和する。
【００５１】
また、パッケージ１０には電極が設けられ、この電極から導通接続されたコンタクトパッド３５，３６をセンサチップ上面に形成し、かつ電極リード部４０とコンタクトパッド３５，３６を十分な可撓性を有するコンタクトバネ４５，４６で導通接触させている。これによって、パッケージ１０と支持ダイアフラム５０との間の熱膨張率の違いによる熱応力が発生しても、その発生に基づいてその部分がセンサチップ３０に悪影響を与えることはない。
【００５２】
一方、圧力センサ１を真空計として用いたとき、測定雰囲気からの汚染粒子や測定雰囲気の気体成分がセンサダイアフラムに付着してセンサダイアフラムの撓みに悪影響を及ぼして誤差の原因となる問題もある。しかしながら、本発明にかかる圧力センサ１では、このような汚染物質や気体成分をバッフル１１ｃによって支持ダイアフラム側に飛散させるようにしているので、センサチップ３０への気体成分の堆積や汚染物質の付着による圧力測定上の悪影響を軽減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の一実施形態にかかる圧力センサの断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１    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
１１ａ    大径部
１１ｂ    小径部
１１ｃ    バッフル
１１ｄ    圧力導入孔
１２    アッパーハウジング
１２ａ    ストッパ
１３    カバー
１３ａ    電極リード挿通孔
２０    台座プレート
２１    ロア台座プレート
２２    アッパー台座プレート
３０    センサチップ
３０Ａ    容量室
３１    スペーサ
３２    センサダイアフラム
３２ｂ，３２ｃ    可動電極
３３    センサ台座
３３ｂ，３３ｃ    固定電極
３５，３６    コンタクトパッド
４０    電極リード部
４１    電極リードピン
４２    シールド
４３    ハーメチックシール
４５，４６    コンタクトバネ
５０    支持ダイアフラム
５０ａ    圧力導入孔
６０    ハーメチックシール
【図１】
2006003234.tif 000003