(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
差圧センサのための圧力センサダイアセンブリであって、
第１の表面を有し、前記第１の表面上に第１の過剰圧停止構造を含むベース基板と、
前記第１の表面に結合されたダイアフラム構造であって、
第１の空洞および前記第１の空洞を囲む第２の空洞を含む空洞区画を有する第１の側、ならびに前記第１の側の反対側にある第２の側と、
第１の厚さを有し、前記第１の空洞によって画定された感圧ダイアフラム部分であって、前記第１の過剰圧停止構造が前記第１の空洞の一部分中に突出するように前記第１の過剰圧停止構造上方にあって前記第１の過剰圧停止構造から離間された、感圧ダイアフラム部分と、
第２の厚さを有し、前記第２の空洞によって画定された過剰圧ダイアフラム部分であって、前記第２の厚さは、前記感圧ダイアフラム部分の第１の厚さよりも大きい、過剰圧ダイアフラム部分と、を備え、
前記感圧ダイアフラム部分は、前記ダイアフラム構造の前記第１の側の反対側にある前記第２の側に感圧面を有する、ダイアフラム構造と、
前記ダイアフラム構造の前記第２の側に結合され、下面を有する最上部キャップであって、前記下面に第２の過剰圧停止構造を含み、過剰圧が作用する前には、前記感圧面と前記第２の過剰圧停止構造との間に間隙がある、最上部キャップと、を備え、
過剰圧が前記ダイアフラム構造の前記第１の側に作用するとき、前記感圧ダイアフラム部分の少なくとも一部の領域は、前記感圧面の少なくとも一部分が前記第２の過剰圧停止構造と接触するように撓まされ、
過剰圧が前記ダイアフラム構造の前記第２の側に作用するとき、前記感圧ダイアフラム部分の少なくとも一部の領域は、前記第１の過剰圧停止構造によって撓まされて支持され、
前記第１および第２の過剰圧停止構造は、前記ダイアフラム構造の前記第１または第２の側で過剰圧が増加した際に前記感圧ダイアフラム部分の歪み領域の概ね全てを支持するようにそれぞれ寸法設定される、圧力センサダイアセンブリ。
【請求項２】
前記ベース基板、前記ダイアフラム構造、および前記最上部キャップが、それぞれ、シリコン、ゲルマニウム、サファイヤ、ガラス、金属、またはセラミックを含む材料を含む、請求項１に記載の圧力センサダイアセンブリ。
【請求項３】
前記過剰圧ダイアフラム部分が、前記感圧ダイアフラム部分の剛性よりも大きい剛性を有する、請求項１に記載の圧力センサダイアセンブリ。
【請求項４】
前記第１の空洞が第１の深さを有し、そして前記第２の空洞が前記第１の深さよりも小さい第２の深さを有する、請求項１に記載の圧力センサダイアセンブリ。
【請求項５】
前記第１の空洞と前記第２の空洞とは、前記過剰圧力ダイアフラム部分が前記感圧ダイアフラム部分の外側周囲よりも大きい外側周囲を有するように同心の円形空洞である、請求項４に記載の圧力センサダイアセンブリ。
【請求項６】
前記第１の空洞および前記第２の空洞が、矩形空洞である、請求項４に記載の圧力センサダイアセンブリ。
【請求項７】
前記第１の過剰圧停止構造は、過剰圧が前記ダイアフラム構造に作用する前には、前記第１の過剰圧停止構造と前記感圧ダイアフラム部分との間に間隙が維持されるように、第１の空洞の一部分中に突出する、請求項１に記載の圧力センサダイアセンブリ。
【請求項８】
前記感圧面に結合された複数の圧電性ブリッジ抵抗器を更に備え、前記圧電性ブリッジ抵抗器は、前記ダイアフラム構造上の複数の結合パッドに電気的に接続される、請求項１に記載の圧力センサダイアセンブリ。
【請求項９】
前記最上部キャップの前記下面が、前記第２の過剰圧停止構造に隣接する複数の陥凹領域と、前記最上部キャップの下側周辺部付近の複数のアンダーカット部分と、を含む、請求項８に記載の圧力センサダイアセンブリ。
【請求項１０】
前記複数の陥凹領域が、過剰圧が前記ダイアフラム構造の前記第１の側に作用するとき、クリアランスを前記圧電性ブリッジ抵抗器に提供するよう構成される、請求項９に記載の圧力センサダイアセンブリ。
【請求項１１】
前記最上部キャップは、前記ダイアフラム構造上の前記結合パッドが前記最上部キャップの周辺部外側にあるように、面積が前記ダイアフラム構造よりも小さい、請求項１０に記載の圧力センサダイアセンブリ。
【請求項１２】
前記圧電性ブリッジ抵抗器から前記結合パッドへの相互接続が、前記アンダーカット部分を通る、請求項１１に記載の圧力センサダイアセンブリ。
【請求項１３】
前記圧力センサダイアセンブリは、最大測定限界の最大約１００倍の過剰圧への曝露に対して構成される、請求項１に記載の圧力センサダイアセンブリ。
【請求項１４】
差圧センサであって、
ベース基板の第１の表面上に第１の過剰圧停止構造を含むベース基板と、
前記第１の表面に結合されたダイアフラム構造であって、
第１の空洞および前記第１の空洞を囲む第２の空洞を含む空洞区画を有する第１の側、ならびに前記第１の側の反対側にある第２の側と、
第１の厚さを有し、前記第１の空洞によって画定された感圧ダイアフラム部分であって、前記第１の過剰圧停止構造が前記第１の空洞の一部分中に突出するように前記第１の過剰圧停止構造上方にあって前記第１の過剰圧停止構造から離間された、感圧ダイアフラム部分と、
第２の厚さを有し、前記第２の空洞によって画定された過剰圧ダイアフラム部分であって、前記第２の厚さは、前記感圧ダイアフラム部分の前記第１の厚さよりも大きい、過剰圧ダイアフラム部分と、を備える、ダイアフラム構造と、
前記ダイアフラム構造の前記第２の側に結合され、下面を有する最上部キャップであって、前記下面に第２の過剰圧停止構造を含み、過剰圧が作用する前には、前記感圧ダイアフラム部分と前記第２の過剰圧停止構造との間に間隙がある、最上部キャップと、
を備え、
前記第１および第２の過剰圧停止構造は、前記ダイアフラム構造の前記第１または第２の側で過剰圧が増加した際に前記感圧ダイアフラム部分の歪み領域の概ね全てを支持するようにそれぞれ寸法設定される、差圧センサ。
【請求項１５】
前記過剰圧ダイアフラム部分が、前記感圧ダイアフラム部分の剛性よりも大きい剛性を有する、請求項１４に記載の差圧センサ。
【請求項１６】
前記第１の空洞が第１の深さを有し、そして前記第２の空洞が前記第１の深さよりも小さい第２の深さを有する、請求項１４に記載の差圧センサ。
【請求項１７】
前記第１の過剰圧停止構造は、過剰圧が前記ダイアフラム構造に作用する前には、前記第１の過剰圧停止構造と前記感圧ダイアフラム部分との間に間隙が維持されるように、前記第１の空洞の一部分中に突出する、請求項１４に記載の差圧センサ。
【請求項１８】
前記感圧面に結合された複数の圧電性ブリッジ抵抗器を更に備え、前記圧電性ブリッジ抵抗器は、前記ダイアフラム構造上の複数の結合パッドに電気的に接続される、請求項１４に記載の差圧センサ。
【請求項１９】
前記最上部キャップの前記下面が、前記第２の過剰圧停止構造に隣接する複数の陥凹領域と、前記最上部キャップの下側周辺部付近の複数のアンダーカット部分と、を含む、請求項１８に記載の差圧センサ。
【請求項２０】
前記複数の陥凹領域が、過剰圧が前記ダイアフラム構造の前記第１の側に作用するとき、クリアランスを前記圧電性ブリッジ抵抗器に提供するよう構成される、請求項１９に記載の差圧センサ。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
[0001]様々なシステムおよび機器において圧力を測定するために使用されるシリコン圧力センサは、しばしば、センサの最大測定限界圧定格を超える過剰圧を受ける。圧力を測定するための撓み可能なオンチップダイアフラムを利用する典型的なシリコンセンサは、最大測定限界圧の３〜４倍の過剰圧に耐えることができる。このレベルの過剰圧定格を超えると、ダイアフラムが破断して圧力センサを破壊させることになる。多くの用途は、最大測定限界の１０倍以上の過剰圧を処理できる過剰圧能力を必要とする。
【０００２】
[0002]従来のシリコン圧力センサは、しばしば、外部の過剰圧保護機構によって過剰圧破壊から保護される。このような機構は、甚大なコスト、複雑性、および寸法を圧力センサ機能に付加する。
【０００３】
[0003]センサ保護のための別のアプローチでは、シリコン感圧ダイアフラム下にある撓み停止部が利用されて、撓みが最大測定限界過剰圧の２倍〜３倍を受けた後に停止される。これは、最大測定限界の約５倍未満の過剰圧に対して有効であるが、このレベルを超えると、たとえ中央部が、せん断破壊がダイアフラムの外側縁部に沿って生じるように支持されても、過剰圧がダイアフラムの外側縁部に負荷をかけて、結果としてダイアフラム破壊をもたらす。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
[0004]差圧センサのための圧力センサダイアセンブリは、第１の表面を有し、第１の表面上に第１の過剰圧停止構造を含むベース基板と、第１の表面に結合されたダイアフラム構造と、を備える。ダイアフラム構造は、第１の空洞および第１の空洞を囲む第２の空洞を含む空洞区画を有する第１の側、ならびに第１の側の反対側にある第２の側と、第１の厚さを有し、第１の空洞によって画定された感圧ダイアフラム部分であって、感圧ダイアフラム部分は、第１の過剰圧停止構造が第１の空洞の一部分中に突出するように第１の過剰圧停止構造上方にあって第１の過剰圧停止構造から離間された、感圧ダイアフラム部分と、第２の厚さを有し、第２の空洞によって画定された過剰圧ダイアフラム部分であって、第２の厚さは、感圧ダイアフラム部分の第１の厚さよりも大きい、過剰圧ダイアフラム部分と、を備える。感圧ダイアフラム部分は、ダイアフラム構造の第１の側の反対側にある第２の側に感圧面を有する。最上部キャップは、ダイアフラム構造の第２の側に結合され、下面を有するとともに、最上部キャップは、第２の過剰圧停止構造を下面に含む。過剰圧が作用する前には、感圧面と第２の過剰圧停止構造との間に間隙がある。過剰圧がダイアフラム構造の第１の側に作用するとき、感圧ダイアフラム部分の少なくとも一部の領域は、感圧面の少なくとも一部分が第２の過剰圧停止構造と接触するように撓まされる。過剰圧がダイアフラム構造の第２の側に作用するとき、感圧ダイアフラム部分の少なくとも一部の領域は、第１の過剰圧停止構造によって撓まされて支持される。第１および第２の過剰圧停止構造は、ダイアフラム構造の第１または第２の側で過剰圧が増加した際に感圧ダイアフラム部分の歪み領域の概ね全てを支持するようにそれぞれ寸法設定される。
【０００５】
[0005]本発明の特徴が、図面の参照とともに以下の説明から当業者に明らかになるであろう。図面は典型的な実施形態だけを表し、したがって、範囲の限定と考えられるべきでないことを理解するならば、本発明が次の添付図面を用いることにより更なる特性および詳細について説明されることになる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１Ａ】[0006]図１Ａは、一実施形態に従う、過剰圧保護を有する差圧センサダイアセンブリの上面図である。
【図１Ｂ】[0007]図１Ｂは、図１Ａの差圧センサダイアセンブリの側面断面図である。
【図２】[0008]図２Ａは、増加する下側過剰圧を受ける、図１Ａおよび１Ｂの差圧センサダイアセンブリの動作を示す側面断面図である。図２Ｂは、増加する下側過剰圧を受ける、図１Ａおよび１Ｂの差圧センサダイアセンブリの動作を示す側面断面図である。
【図３】[0009]図３Ａは、増加する上側過剰圧を受ける、図１Ａおよび１Ｂの差圧センサダイアセンブリの動作を示す側面断面図である。図３Ｂは、増加する上側過剰圧を受ける、図１Ａおよび１Ｂの差圧センサダイアセンブリの動作を示す側面断面図である。
【図４Ａ】[0010]過剰圧保護を有する差圧センサダイアセンブリを組み立てる方法を示す側面断面図である。
【図４Ｂ】過剰圧保護を有する差圧センサダイアセンブリを組み立てる方法を示す側面断面図である。
【図４Ｃ】過剰圧保護を有する差圧センサダイアセンブリを組み立てる方法を示す側面断面図である。
【図４Ｄ】過剰圧保護を有する差圧センサダイアセンブリを組み立てる方法を示す側面断面図である。
【図４Ｅ】過剰圧保護を有する差圧センサダイアセンブリを組み立てる方法を示す側面断面図である。
【図４Ｆ】過剰圧保護を有する差圧センサダイアセンブリを組み立てる方法を示す側面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
[0011]以下の詳細な説明では、実施形態は、当業者が本発明を実施することができるよう十分詳細に記載される。別の実施形態が、本発明の範囲から逸脱することなく利用されてもよいことが理解されるべきである。以下の詳細な説明は、したがって、限定の意味でとらえるべきではない。
【０００８】
[0012]圧力センサのための差圧センサダイアセンブリが、過剰圧保護を備えることにより、圧力センサの感知ダイアフラムは、上側または下側いずれの圧力源からの反復過剰圧サイクルにも耐えることができる。このアプローチは、センサダイに一体的な過剰圧停止構造、例えばシリコンダイ構造を提供し、この構造は、最大測定限界の１０倍以上の反復過剰圧サイクルでも破壊することなく動作することができる。
【０００９】
[0013]差圧センサダイアセンブリは、上側過剰圧停止構造を有するベース基板と、ベース基板に結合されたダイアフラム構造と、下側過剰圧停止構造を有する最上部キャップと、を全体として備え、最上部キャップは、ダイアフラム構造上に結合される。ダイアフラム構造は、感圧ダイアフラムと同心の外側過剰圧ダイアフラムを含む。外側過剰圧ダイアフラムは、感圧ダイアフラムよりも剛性であるよう寸法設定される。
【００１０】
[0014]差圧センサの場合、感圧ダイアフラムの両側（上側および下側）は、圧力源に曝される。差圧センサは、これらの圧力源相互間の圧力の差を測定し、感圧ダイアフラムのいずれの側も過剰圧の作用を受けることがある。過剰圧停止構造は、過剰圧保護を上側および下側両方の過剰圧事象に対して提供する。支持構造による支持面積は、過剰圧の増加とともに増加して、薄い感圧ダイアフラムでのせん断負荷を大いに低減する。
【００１１】
[0015]差圧センサダイアセンブリを含む圧力センサの動作中、過剰圧が最大測定限界の約２〜３倍を超えるまで増加すると、外側過剰圧ダイアフラムは、感圧ダイアフラムのより大きい面積が停止構造のうちの１つによって支持されるように撓む。これが生じると、感圧ダイアフラムの圧力負荷面積が低減されることにより、感圧ダイアフラムの外側周辺部に沿ってポンド／平方インチ（ｐｓｉ）単位のせん断負荷を低減する。
【００１２】
[0016]過剰圧が増加し続けると、感圧ダイアフラムは、停止構造によって完全に支持され、そして、非常に高い過剰圧に対して、感圧ダイアフラムが外側過剰圧ダイアフラムの連続する撓みに起因して停止構造によってそれ自体の中立位置より上方に撓まされるので、応力は圧縮になる。過剰圧の最大測定限界のおよそ１０倍では、外側過剰圧ダイアフラムは、ベース基板または最上部キャップに接触し、また、撓みを制限される。
【００１３】
[0017]差圧センサダイアセンブリのための過剰圧保護は、様々な航空宇宙およびダウンホール削岩機の用途で使用される圧力センサに使用される場合、最大破壊圧力を改善する。この差圧センサダイアセンブリを使用することによって、シリコン圧力センサを最大測定限界の最大約１００倍の過剰圧に破壊することなく曝すことが可能である。
【００１４】
[0018]様々な実施形態の更なる詳細が、図面を参照して下記で説明される。
[0019]図１Ａおよび１Ｂは、一実施形態に従う、上側および下側の過剰圧保護を含む差圧センサダイアセンブリ１００を示す。差圧センサダイアセンブリ１００は、上側過剰圧停止構造１０６を有するベース基板１０２と、ベース基板１０２に結合されたダイアフラム構造１１０と、下側過剰圧停止構造１２２を有する最上部キャップ１２０と、を全体として備え、最上部キャップ１２０は、ダイアフラム構造１１０に結合される。
【００１５】
[0020]圧力センサダイアセンブリ１００は、複数ウェハによるバッチ組立て技術を使用して形成されることができ、これについては下記で更に説明される。ベース基板１０２、ダイアフラム構造１１０、および最上部キャップ１２０のそれぞれは、シリコン、ゲルマニウム、ガラス、サファイヤ、金属、炭化ケイ素のようなセラミックなどから選択される材料を含んでもよい。最上部キャップ１２０は、下にある構造を示し易くするために、図１Ａでは透明であるように示される。
【００１６】
[0021]図１Ｂに示すように、ベース基板１０２は、第１の表面１０４を有し、過剰圧停止構造１０６が第１の表面１０４から突出する。圧力信号を感知ダイアフラムに接続するためのチャネル１０７が、ベース基板１０２および過剰圧停止構造１０６の中心部分を貫通する。
【００１７】
[0022]ダイアフラム構造１１０は、感圧ダイアフラム部分１１２と、感圧ダイアフラム部分１１２と同心であってそれを囲む過剰圧ダイアフラム部分１１４と、を含む。このように、過剰圧ダイアフラム部分１１４は、感圧ダイアフラム部分１１２の外側周囲１１７よりも大きい外側周囲１１５を有する。（図１Ａ）。
【００１８】
[0023]ダイアフラム構造１１０は、第１の表面１０４の一部分に結合された第１の側を有する。ダイアフラム構造１１０の第１の側は、第１の深さを有する第１の空洞１１６と、第１の深さよりも小さい第２の深さを有し、そして第１の空洞１１６を囲む第２の空洞１１８と、を含む同心空洞区画を有する。一実施形態では、第１の空洞１１６と第２の空洞１１８とは、同心の円形空洞である。代替的な実施形態では、第１の空洞１１６と第２の空洞１１８とは、矩形空洞であってもよく、それにより、感圧ダイアフラム部分１１２が、矩形形状を有し、また、矩形形状を有する過剰圧ダイアフラム分部１１４によって囲まれる。
【００１９】
[0024]感圧ダイアフラム部分１１２は、ダイアフラム構造１１０の第１の側の反対側にある第２の側に感圧面１１３を有する。感圧ダイアフラム部分１１２は、第１の厚さを有し、そして、第１の空洞１１６によって画定される。感圧ダイアフラム部分１１２は、過剰圧停止構造１０６の上方にあってそれから離間されており、そして、過剰圧停止構造１０６が第１の空洞１１６の一部分中に突出する。感圧ダイアフラム部分１１２は、第１の空洞１１６の間隙１１９によって過剰圧停止構造１０６から分離される。過剰圧停止構造１０６は、圧力が感圧ダイアフラム部分１１２に作用しないときに間隙１１９が維持されるように、第１の空洞１１６中に突出する。
【００２０】
[0025]過剰圧ダイアフラム部分１１４は、図１Ｂに表すように、感圧ダイアフラム部分１１２の第１の厚さよりも大きい第２の厚さを有する。過剰圧ダイアフラム部分１１４は、第２の空洞１１８によって画定される。
【００２１】
[0026]複数の圧電性ブリッジ抵抗器１３０が、図１Ａに示すように、感圧面１１３付近に結合されてもよい。一実施形態では、圧電性ブリッジ抵抗器１３０のそれぞれが、圧力センサパッケージ内に電気接続を提供するために、ダイアフラム構造１１０上の複数のワイヤ結合パッド１３２に電気的に接続される。
【００２２】
[0027]図１Ｂに示すように、最上部キャップ１２０は、下面１２４を有し、下側過剰圧停止構造１２２が下面１２４にある。下面１２４は、また、過剰圧停止構造１２２に隣接する複数の陥凹領域１２６と、下側周辺部付近の複数のアンダーカット部分１２８と、を含む。最上部キャップ１２０は、ダイアフラム構造１１０に結合されるとき、下側過剰圧が作用する前では、間隙１３４が感圧面１１３と過剰圧停止構造１２２との間にあるよう構築される。
【００２３】
[0028]下記で更に説明するように、過剰圧停止構造１０６および１２２は、上側または下側の過剰圧事象に起因する感圧ダイアフラム部分１１２の移動に抵抗するよう構成される。更に、過剰圧停止構造１０６は、上側過剰圧が増加されるときに感圧ダイアフラム部分１１２の歪み領域の概ね全てを支持するよう寸法設定されてもよい。同様に、過剰圧停止構造１２２は、下側過剰圧が増加されるときに感圧ダイアフラム部分１１２の歪み領域の概ね全てを支持するよう寸法設定されてもよい。
【００２４】
[0029]最上部キャップ１２０における陥凹領域１２６がクリアランスを圧電性ブリッジ抵抗器１３０に提供することにより、それらは下側過剰圧事象中に損傷を受けない。最上部キャップ１２０は、面積がダイアフラム構造１１０よりも小さいことにより、ワイヤ結合パッド１３２が最上部キャップ１２０の周辺部外側に形成されることができる。圧電性ブリッジ抵抗器１３０からワイヤ結合パッド１３２への相互接続は、アンダーカット部分１２８を通されることができる。アンダーカット部分１２８は、また、圧力媒体が、下側媒体圧力を感知する感圧ダイアフラム部分１１２に到達することを可能にする。
【００２５】
[0030]図１Ｂは、感圧ダイアフラム部分１１２に作用する過剰圧がない状態での圧力センサダイアセンブリ１００の構成を示す。この構成では、過剰圧事象前には、過剰圧停止構造１２２と感圧ダイアフラム部分１１２との間に間隙１３４が維持される。
【００２６】
[0031]図２Ａおよび２Ｂは、下側過剰圧事象中の圧力センサダイアセンブリ１００の動作を示す。中程度の下側過剰圧（ＰＬ）が作用するとき、図２Ａに表すように、感圧ダイアフラム部分１１２の少なくとも一部の領域は撓まされて過剰圧停止構造１２２に接する。例えば、最大測定限界の約３〜６倍の過剰圧は、図２Ａに示す構成をもたらす。
【００２７】
[0032]下側過剰圧（ＰＬｉ）が増加させられると、過剰圧ダイアフラム部分１１４は、図２Ｂに表すように、最上部キャップ１２０の下面１２４の下面に向かって撓み、それにより、感圧ダイアフラム部分１１２の更なる領域が過剰圧停止構造１２２に接触して撓まされる。例えば、最大測定限界の最大約１００倍の下側過剰圧は、図２Ｂに示す構成をもたらし、この状態では、感圧ダイアフラム部分１１２の歪み領域の概ね全てが、過剰圧停止構造１２２によって支持される。せん断負荷のより好ましい低減は、過剰圧停止構造１２２の領域のうちのより多くが感圧ダイアフラム部分１１２によって接触されるときに生じる。
【００２８】
[0033]図３Ａおよび３Ｂは、上側過剰圧事象中の圧力センサダイアセンブリ１００の動作を示す。中程度の上側過剰圧（ＰＨ）が作用するとき、図３Ａに表すように、感圧ダイアフラム部分１１２の少なくとも一部の領域は、ベース基板１０２上の過剰圧停止構造１０６によって撓まされおよび支持される。例えば、最大測定限界の約３倍の過剰圧は、図３Ａに示す構成をもたらす。この構成では、感圧ダイアフラム部分１１２は、感圧ダイアフラム部分１１２の下面領域の部分が過剰圧停止構造１０６によって支持されるように撓まされるが、一方、過剰圧ダイアフラム部分１１４は、ベース基板１０２とは未だ係合していない。
【００２９】
[0034]上側過剰圧（ＰＨｉ）が増加されると、図３Ｂに表すように、過剰圧ダイアフラム部分１１４は、感圧ダイアフラム部分１１２の更なる領域が過剰圧停止構造１０６によって撓まされおよび支持されるように撓む。例えば、最大測定限界の約６倍を超える過剰圧は、図３Ｂに示す構成をもたらす。この構成では、過剰圧ダイアフラム部分１１４は、感圧ダイアフラム部分１１２の更なる下面領域が過剰圧停止構造１０６によって支持されるように撓む。過剰圧が増加し続けると、過剰圧ダイアフラム部分１１４は、ベース基板１０２によって完全に係合されて停止され、感圧ダイアフラム部分１１２の歪み領域の概ね全てが過剰圧停止構造１０６によって支持される。
【００３０】
[0035]図４Ａ〜４Ｆは、過剰圧保護を有する圧力センサダイアセンブリ、例えば圧力センサダイアセンブリ１００を組み立てる方法を示す。２つの圧力センサダイアセンブリの組立てを図４Ａ〜４Ｆに示すが、更なる圧力センサダイアセンブリが、示されるパターン形成された構造を繰り返すことによって、プロセス中に使用される１つまたは複数のウェハにわたって組み立てられることができることが理解されよう。
【００３１】
[0036]図４Ａに表すように、シリコンウェハなどのベースウェハ２０２が提供され、このウェハは、圧力センサダイアセンブリのための複数のベース基板２０２ａ、２０２ｂを形成するよう構成される。それぞれの圧力センサダイアセンブリのための上側過剰圧停止構造を形成することになる複数の突出構造２０６によってパターン形成された停止ウェハ２０４が、また提供される。停止ウェハ２０４が、例えば低温ウェハ間接合技術によって、ベースウェハ２０２に取り付けられることにより、突出構造２０６が、ベース基板２０２ａ、２０２ｂの上面２０３ａ、２０３ｂにそれぞれ結合される。
【００３２】
[0037]次に、例えばエッチングまたはレーザトリミングによって、停止ウェハ２０４の選択された部分が除去され、その結果、図４Ｂに示すように、突出構造２０６が、上面２０３ａ、２０３ｂに結合された状態で残ることにより、上側過剰圧停止構造２０６ａ、２０６ｂを形成する。チャネル２０７ａ、２０７ｂが、次いで、ベース基板２０２ａ、２０２ｂおよび停止構造２０６ａ、２０６ｂのそれぞれの中心部分を通ってそれぞれ形成される。チャネル２０７ａ、２０７ｂは、例えば、エッチングプロセスによって形成されてもよい。
【００３３】
[0038]図４Ｃに示すように、パターン形成されたダイアフラムウェハ２１０が提供され、このウェハは、圧力センサダイアセンブリのための複数のダイアフラム構造２１０ａ、２１０ｂを形成するよう構成される。ダイアフラム構造２１０ａ、２１０ｂは、２つのステップによってそれぞれパターン形成された、第１の深さを有する第１の空洞２１２と、第１の深さより小さい第２の深さを有し、そして第１の空洞２１２を囲む第２の空洞２１４と、を含む空洞区画である。精密エッチングプロセスが、空洞２１２および２１４を形成するために使用されてもよい。空洞区画は、ダイアフラム構造２１０ａ、２１０ｂのそれぞれのための感圧ダイアフラム部分２１６および周囲の過剰圧ダイアフラム部分２１８を画定する。感圧ダイアフラム部分２１６は、第１の空洞２１２によって画定され、そして、過剰圧ダイアフラム部分２１８は、第２の空洞２１４によって画定される。
【００３４】
[0039]一実施形態では、第１の空洞２１２が、最初に、感圧ダイアフラム部分２１６を画定する領域内を除いて、ホトレジストをダイアフラムウェハ２１０の第１の側に塗布することによって部分的に形成される。第１の空洞２１２が、次いでエッチングされて、第２の空洞２１４のための深さよりも小さい所望の全体深さにおよそなる。第２の空洞２１４が、次いで、過剰圧ダイアフラム部分２１８を画定することになる領域上を除く、第１の側の全ての所にホトレジストを塗布することによって、ダイアフラムウェハ２１０上に形成される。ウェハ材料が、この領域においてエッチングで除去されて、過剰圧ダイアフラム部分２１８を画定する、所望の深さの第２の空洞２１４を形成し、そして、同時に第１の空洞２１２が所望の全体深さまで更にエッチングされる。従来のエッチング停止方式が、空洞エッチング深さを制御するために使用されてもよい。
【００３５】
[0040]感圧ダイアフラム部分２１６および過剰圧ダイアフラム部分２１８が、応力、歪みおよび撓みを求めるための標準変形体式または有限要素解析のいずれかを使用して寸法設定されてもよい。一実施形態では、過剰圧ダイアフラム部分２１８が、感圧ダイアフラム部分２１６の剛性よりも大きい剛性を有するよう形成および寸法設定される。
【００３６】
[0041]図４Ｄに示すように、パターン形成された最上部キャップウェハ２２０が提供され、このウェハは、下面２２４にそれぞれの下側過剰圧停止構造２２２ａ、２２２ｂを有する複数の最上部キャップ２２０ａ、２２０ｂを形成するよう構成される。複数の陥凹領域２２６ａ、２２６ｂおよびアンダーカット部分２２８ａ、２２８ｂは、クリアランスをダイアフラム構造２１０ａ、２１０ｂ上の圧電性ブリッジ抵抗器および金属相互接続に提供するために下面２２４がエッチングされる。エッチングは、最上部キャップ２２０ａ、２２０ｂをダイアフラム構造２１０ａ、２１０ｂよりも小さい寸法にソーイングするための高さクリアランスを提供するようソーイング通路内の同じ表面上で行われる。
【００３７】
[0042]一実施形態では、上側過剰圧停止構造２０６ａ、２０６ｂは、上側過剰圧が増加した際に感圧ダイアフラム部分２１６の歪み領域の概ね全てを支持するよう寸法設定される。同様に、下側過剰圧停止構造２２２ａ、２２２ｂは、下側過剰圧が増加した際に感圧ダイアフラム部分２１６の歪み領域の概ね全てを支持するよう寸法設定される。
【００３８】
[0043]図４Ｅに表すように、パターン形成されたダイアフラムウェハ２１０は、例えば低温ウェハ間接合技術によって、停止構造２０６ａ、２０６ｂ（図４Ｂ）を有するベースウェハ２０２に取り付けられる。この接合技術は、感圧圧電性ブリッジ抵抗器がウェハ間接合の前にダイアフラムウェハ２１０上で組み立てられることを可能にする。この構成では、停止構造２０６ａ、２０６ｂが、それぞれのダイアフラム構造２１０ａ、２１０ｂの第１の空洞２１２中にそれぞれ突出することにより、通常圧において、停止構造と感圧ダイアフラム部分２１６との間に間隙が維持される。更に、それぞれのダイアフラム構造２１０ａ、２１０ｂの第２の空洞２１４（図４Ｃ）が、ベース基板２０２ａ、２０２ｂの上面と過剰圧ダイアフラム部分２１８との間に間隙を提供する。
【００３９】
[0044]次に、図４Ｆに示すように、パターン形成された最上部キャップウェハ２２０は、例えば低温ウェハ間接合技術によって、パターン形成されたダイアフラムウェハ２１０に結合される。最上部キャップ２２０ａ、２２０ｂは、次いで、２３０で示すような、ダイアフラム構造２１０ａ、２１０ｂよりも小さい寸法にソーイングされる。接合されたウェハ２０２、２１０および２２０は、次いで、様々な圧力センサ機器に組み込まれてもよい別個の圧力センサダイアセンブリを生成するために分割される。
例示の実施形態
[0045]実施例１は、差圧センサのための圧力センサダイアセンブリを含み、この圧力センサダイアセンブリは、第１の表面を有し、第１の表面上に第１の過剰圧停止構造を含むベース基板と、第１の表面に結合されたダイアフラム構造であって、第１の空洞および第１の空洞を囲む第２の空洞を含む空洞区画を有する第１の側と、第１の側の反対側にある第２の側と、を含む、ダイアフラム構造と、第１の厚さを有し、第１の空洞によって画定された感圧ダイアフラム部分であって、第１の過剰圧停止構造が第１の空洞の一部分中に突出するように第１の過剰圧停止構造上方にあって第１の過剰圧停止構造から離間された、感圧ダイアフラム部分と、第２の厚さを有し、第２の空洞によって画定された過剰圧ダイアフラム部分であって、第２の厚さは、感圧ダイアフラム部分の第１の厚さよりも大きい、過剰圧ダイアフラム部分と、を備える。感圧ダイアフラム部分は、ダイアフラム構造の第１の側の反対側にある第２の側に感圧面を有する。最上部キャップは、ダイアフラム構造の第２の側に結合され、下面を有するとともに、最上部キャップは、下面に第２の過剰圧停止構造を含み、過剰圧が作用する前には、感圧面と第２の過剰圧停止構造との間に間隙がある。過剰圧がダイアフラム構造の第１の側に作用するとき、感圧ダイアフラム部分の少なくとも一部の領域は、感圧面の少なくとも一部分が第２の過剰圧停止構造と接触するように撓まされる。過剰圧がダイアフラム構造の第２の側に作用するとき、感圧ダイアフラム部分の少なくとも一部の領域は、第１の過剰圧停止構造によって撓まされて支持される。第１および第２の過剰圧停止構造は、ダイアフラム構造の第１または第２の側で過剰圧が増加した際に感圧ダイアフラム部分の歪み領域の概ね全てを支持するようにそれぞれ寸法設定される。
【００４０】
[0046]実施例２は、実施例１に記載の圧力センサダイアセンブリを含み、ベース基板、ダイアフラム構造、および最上部キャップが、それぞれ、シリコン、ゲルマニウム、サファイヤ、ガラス、金属、またはセラミックを含む材料を含む。
【００４１】
[0047]実施例３は、実施例１〜２のうちのいずれかに記載の圧力センサダイアセンブリを含み、過剰圧ダイアフラム部分が、感圧ダイアフラム部分の剛性よりも大きい剛性を有する。
【００４２】
[0048]実施例４は、実施例１〜３のうちのいずれかに記載の圧力センサダイアセンブリを含み、第１の空洞が第１の深さを有し、そして第２の空洞が第１の深さよりも小さい第２の深さを有する。
【００４３】
[0049]実施例５は、実施例１〜４のうちのいずれかに記載の圧力センサダイアセンブリを含み、第１の空洞と第２の空洞とは、過剰圧ダイアフラム部分が感圧ダイアフラム部分の外側周囲よりも大きい外側周囲を有するように同心の円形空洞である。
【００４４】
[0050]実施例６は、実施例１〜４のうちのいずれかに記載の圧力センサダイアセンブリを含み、第１の空洞および第２の空洞が、矩形空洞である。
[0051]実施例７は、実施例１〜６のうちのいずれかに記載の圧力センサダイアセンブリを含み、第１の過剰圧停止構造は、過剰圧がダイアフラム構造に作用する前には、第１の過剰圧停止構造と感圧ダイアフラム部分との間に間隙が維持されるように、第１の空洞の一部分中に突出する。
【００４５】
[0052]実施例８は、実施例１〜７のうちのいずれかに記載の圧力センサダイアセンブリを含み、感圧面に結合された複数の圧電性ブリッジ抵抗器を更に備え、圧電性ブリッジ抵抗器は、ダイアフラム構造上の複数の結合パッドに電気的に接続される。
【００４６】
[0053]実施例９は、実施例８に記載の圧力センサダイアセンブリを含み、最上部キャップの下面が、第２の過剰圧停止構造に隣接する複数の陥凹領域と、最上部キャップの下側周辺部付近の複数のアンダーカット部分と、を含む。
【００４７】
[0054]実施例１０は、実施例９に記載の圧力センサダイアセンブリを含み、複数の陥凹領域が、過剰圧がダイアフラム構造の第１の側に作用するとき、クリアランスを圧電性ブリッジ抵抗器に提供するよう構成される。
【００４８】
[0055]実施例１１は、実施例１０に記載の圧力センサダイアセンブリを含み、最上部キャップは、ダイアフラム構造上の結合パッドが最上部キャップの周辺部外側にあるように、面積がダイアフラム構造よりも小さい。
【００４９】
[0056]実施例１２は、実施例１１に記載の圧力センサダイアセンブリを含み、圧電性ブリッジ抵抗器から結合パッドへの相互接続が、アンダーカット部分を通る。
[0057]実施例１３は、実施例１〜１２のうちのいずれかに記載の圧力センサダイアセンブリを含み、圧力センサダイアセンブリは、最大測定限界の最大約１００倍の過剰圧への曝露に対して構成される。
【００５０】
[0058]実施例１４は、１つまたは複数の、過剰圧保護を有する差圧センサダイアセンブリを組み立てる方法を含み、この方法は、１つまたは複数のベース基板によって構成されたベースウェハを提供するステップと、１つまたは複数の突出構造を有する停止ウェハをパターン形成するステップと、１つまたは複数の突出構造が１つまたは複数のベース基板にそれぞれ結合されるように、停止ウェハをベースウェハに取り付けるステップと、第１の過剰圧停止構造をそれぞれのベース基板に形成するために、１つまたは複数の突出構造が１つまたは複数のベース基板に結合された状態で残るように、ベースウェハに取り付けられた停止ウェハの選択された部分を除去するステップと、第１の深さを有する第１の空洞、および第１の深さよりも小さい第２の深さを有し、第１の空洞を囲む第２の空洞を含む２段の空洞区画をそれぞれ有する１つまたは複数のダイアフラム構造を形成するためにダイアフラムウェハをパターン形成するステップであって、１つまたは複数のダイアフラム構造はそれぞれ、第１の空洞によって画定された感圧ダイアフラム部分と、感圧ダイアフラム部分を囲み、第２の空洞によって画定された過剰圧ダイアフラム部分と、を含む、ステップと、それぞれの最上部キャップの下面に第２の過剰圧停止構造をそれぞれ有する１つまたは複数の最上部キャップを形成するために、最上部キャップウェハをパターン形成するステップと、それぞれの第１の過剰圧停止構造がそれぞれ１つまたは複数のダイアフラム構造の第１の空洞中に突出するように、パターン形成されたダイアフラムウェハをベースウェハに取り付けるステップであって、上側過剰圧がダイアフラム構造に作用する前には、第１の過剰圧停止構造と感圧ダイアフラム部分との間に間隙が維持される、ステップと、下側過剰圧がダイアフラム構造に作用する前には、第２の過剰圧停止構造と感圧ダイアフラム部分との間に間隙が維持されるように、パターン形成された最上部キャップウェハをパターン形成されたダイアフラムウェハに取り付けるステップと、を含み、第１および第２の過剰圧停止構造は、それぞれ、上側または下側過剰圧が増加した際に感圧ダイアフラム部分の歪み領域の概ね全てを支持するよう寸法設定される、方法。
【００５１】
[0059]実施例１５は、実施例１４に記載の方法を含み、ダイアフラムウェハをベースウェハに取り付ける前に、複数の圧電性ブリッジ抵抗器をダイアフラムウェハ上に形成するステップを更に備える。
【００５２】
[0060]実施例１６は、実施例１５に記載の方法を含み、圧電性ブリッジ抵抗器がダイアフラム構造上に形成された複数の結合パッドに電気的に接続される。
[0061]実施例１７は、実施例１６に記載の方法を含み、パターン形成された最上部キャップウェハをパターン形成されたダイアフラムウェハに取り付ける前に、この方法は、第２の過剰圧停止構造に隣接するそれぞれの最上部キャップの下面に複数の陥凹領域を形成するステップと、それぞれの最上部キャップの下側周辺部付近に複数のアンダーカット部分を形成するステップと、を更に含む。
【００５３】
[0062]実施例１８は、実施例１７に記載の方法を含み、下側過剰圧が作用するとき、複数の陥凹領域はクリアランスを圧電性ブリッジ抵抗器に提供するよう寸法設定される。
[0063]実施例１９は、実施例１６〜１８のうちのいずれかに記載の方法を含み、この方法は、それぞれの最上部キャップが、下にあるダイアフラム構造よりも面積がより小さいようパターン形成された最上部キャップウェハをソーイングするステップを更に備え、それにより、ダイアフラム構造上の結合パッドがそれぞれの最上部キャップの周辺部外側にあることを可能にする。
【００５４】
[0064]実施例２０は、第１の表面上の第１の過剰圧停止構造と、第１の表面に結合されたダイアフラム構造と、を含む、ベース基板を備える差圧センサを含み、このダイアフラム構造は、第１の空洞および第１の空洞を囲む第２の空洞を含む空洞区画を有する第１の側、ならびに第１の側の反対側にある第２の側と、第１の空洞によって画定され、第１の過剰圧停止構造上方にある感圧ダイアフラム部分と、第２の空洞によって画定された過剰圧ダイアフラム部分と、を備える。最上部キャップは、ダイアフラム構造の第２の側に結合され、下面を有し、そして、最上部キャップは、下面に第２の過剰圧停止構造を含み、過剰圧が作用する前には、間隙が感圧ダイアフラム部分と第２の過剰圧停止構造との間にある。第１および第２の過剰圧停止構造は、ダイアフラム構造の第１または第２の側で過剰圧が増加した際に感圧ダイアフラム部分の歪み領域の概ね全てを支持するようにそれぞれ寸法設定される。
【００５５】
[0065]本発明は、それ自体の本質的な特徴から逸脱することなく、別の特定の形式で具現化されてもよい。説明された実施形態は、あらゆる点で例示に過ぎず、限定するものではないと見なされるべきである。本発明の範囲は、したがって、上記の説明よりもむしろ添付の請求項によって示される。請求項についての均等の趣旨および範囲内に付随する全ての変更は、それらの適用範囲内に包含されるべきである。
【符号の説明】
【００５６】
１００  差圧センサダイアセンブリ
１０２  ベース基板
１０４  第１の表面
１０６  上側過剰圧停止構造
１０７  チャネル
１１０  ダイアフラム構造
１１２  感圧ダイアフラム部分
１１３  感圧面
１１４  過剰圧ダイアフラム部分
１１５  過剰圧ダイアフラム部分の外側周囲
１１６  第１の空洞
１１７  感圧ダイアフラム部分の外側周囲
１１８  第２の空洞
１２０  最上部キャップ
１２２  下側過剰圧停止構造
１２４  最上部キャップの下面
１２６  多重陥凹領域
１２８  多重アンダーカット部分
１３０  圧電性ブリッジ抵抗器
１３２  ワイヤ結合パッド
１３４  間隙
２０２  ベースウェハ
２０２ａ、２０２ｂ  ベース基板
２０３ａ、２０３ｂ  ベース基板の上面
２０４  停止ウェハ
２０６  突出構造
２０６ａ、２０６ｂ  上側過剰圧停止構造
２０７ａ、２０７ｂ  チャネル
２１０  ダイアフラムウェハ
２１０ａ、２１０ｂ  ダイアフラム構造
２１２  第１の空洞
２１４  第２の空洞
２１６  感圧ダイアフラム部分
２１８  過剰圧ダイアフラム部分
２２０  最上部キャップウェハ
２２０ａ、２２０ｂ  最上部キャップ
２２２ａ、２２２ｂ  下側過剰圧停止構造
２２４  下面
２２６ａ、２２６ｂ  多重陥凹領域
２２８ａ、２２８ｂ  アンダーカット部分
【図１Ａ】
0006586126.tif 000002
【図１Ｂ】
0006586126.tif 000003
【図２】
0006586126.tif 000004
【図３】
0006586126.tif 000005
【図４Ａ】
0006586126.tif 000006
【図４Ｂ】
0006586126.tif 000007
【図４Ｃ】
0006586126.tif 000008
【図４Ｄ】
0006586126.tif 000009
【図４Ｅ】
0006586126.tif 000010
【図４Ｆ】
0006586126.tif 000011