(57)【要約】【課題】高圧測定に耐えうる圧力センサを得ることが可能であるとともに、製造工程が簡素化し、安価な圧力センサを得ることが可能な圧力センサの製造方法及びその圧力センサを提供する。【解決手段】接合工程は、薄肉のダイアフラム部にピエゾ抵抗効果を有する複数の歪みゲージをブリッジ回路状に形成してなる検出部４ａを複数備えるシリコン基板（半導体基板）２０をガラス基板２１上に配設し、シリコン基板２１及びガラス基板２１を陽極接合法によって接合する。金属膜形成工程は、前記接合工程の終了後に、ガラス基板２１のシリコン基板２０との非接合面にメタライズ層（金属層）２４を形成する。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄肉のダイアフラム部にピエゾ抵抗効果を有する複数の歪みゲージをブリッジ回路状に形成してなる検出部を複数備える半導体基板をガラス基板上に配設し、前記半導体基板及び前記ガラス基板を陽極接合法によって接合する接合工程と、
前記接合工程の終了後に、前記ガラス基板の前記半導体基板との非接合面に金属膜を形成する金属膜形成工程と、
を含むことを特徴とする圧力センサの製造方法。
【請求項２】
前記金属膜形成工程は、前記ガラス基板の前記非接合面に少なくともクロムを第１の金属薄膜として複数の金属薄膜を順次形成し、前記金属膜を形成してなることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサの製造方法。
【請求項３】
前記半導体基板と前記ガラス基板とが重ねられてなる重合基板の所定部位を切断して個々の前記検出部を有する検出素子を得るための切断工程を前記金属膜形成後に設けてなることを特徴とする請求項１もしくは請求項２に記載の圧力センサの製造方法。
【請求項４】
前記検出素子に形成される前記金属膜と金属製のベース板上とを半田を介して固定する配設工程を前記切断工程以降に設けてなることを特徴とする請求項３に記載の圧力センサの製造方法。
【請求項５】
前記接合工程は、前記ガラス基板の前記半導体基板との非接合面に接触するガラス膜を有する導電性基板を用いて前記陽極接合してなることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサの製造方法。
【請求項６】
薄肉のダイアフラム部にピエゾ抵抗効果を有する複数の歪みゲージをブリッジ回路状に形成してなる検出部を有するセンサ素子をガラス台座上に配設し、前記センサ素子と前記ガラス基板とを陽極接合法によって接合して検出素子を構成し、前記ガラス台座の前記センサ素子との非接合面に金属膜を形成し、前記金属膜と金属製のベース板とを半田によって接合する圧力センサであって、
前記検出素子は、前記陽極接合法によって生じるアルカリ金属イオン成分の偏析による材料強度の低下がない前記ガラス台座を有してなることを特徴とする圧力センサ。
【請求項７】
前記金属膜は、前記ガラス台座の前記非接合面に、少なくともクロムを第１の金属薄膜として複数の金属薄膜を順次形成してなることを特徴とする請求項６に記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体材料を用いて形成される薄肉のダイアフラム部に複数の歪みゲージをブリッジ回路状に形成し、前記ダイアフラム部が受ける圧力を電気信号として出力することで圧力を検出する半導体式の圧力センサ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の圧力センサにあっては、例えば肉薄のダイアフラム部と、このダイアフラム部の外側周囲に形成される肉厚の支持部とを半導体材料（例えば、シリコン）によって一体に形成し、前記ダイアフラム部にピエゾ抵抗効果を有する複数の歪みゲージをブリッジ回路状に配設し、前記ダイアフラム部が受ける圧力によって前記歪みゲージに歪みを発生させ、その歪みゲージのピエゾ抵抗効果による抵抗値の変化を前記ブリッジ回路の電圧変化と取り出して圧力の値を検出するセンサ素子を有するものが知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
このような圧力センサは、前記センサ素子を、材料自体が強固な結晶化ガラスからなるガラス台座上に配設し、前記センサ素子及び前記ガラス台座を陽極接合法によって接合するとともに、前記ガラス台座を圧力導入部を備えたベース板に低融点ガラスを用いて接合することで被測定媒体の高い圧力や前記圧力の脈動にも耐えうる圧力検出装置に用いることが可能となる（特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−３８７２６号公報
【特許文献２】
特開平５−９０３９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
かかる圧力センサの前記ガラス台座と前記ベース板とを前記低融点ガラスを用いて接合すると接合強度は確保できるものの、還元雰囲気中での加熱処理が必要となり製造工程が煩雑であり、また設備費が高価になり製品コストを高くしてしまうといった問題点を有している。
【０００６】
本発明は前述の問題点に着目してなされたもので、高圧測定に耐えうる圧力センサを得ることが可能であるとともに、製造工程が簡素化し、安価な圧力センサを得ることが可能な圧力センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するため、請求項１に記載の圧力センサの製造方法のように、薄肉のダイアフラム部にピエゾ抵抗効果を有する複数の歪みゲージをブリッジ回路状に形成してなる検出部を複数備える半導体基板をガラス基板上に配設し、前記半導体基板及び前記ガラス基板を陽極接合法によって接合する接合工程と、前記接合工程の終了後に、前記ガラス基板の前記半導体基板との非接合面に金属膜を形成する金属膜形成工程と、を含むことを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明は、請求項１に記載の圧力センサの製造方法において、前記金属膜形成工程は、前記ガラス基板の前記非接合面に少なくともクロムを第１の金属薄膜として複数の金属薄膜を順次形成し、前記金属膜を形成してなることを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明は、請求項１もしくは請求項２に記載の圧力センサの製造方法において、前記半導体基板と前記ガラス基板とが重ねられてなる重合基板の所定部位を切断して個々の前記検出部を有する検出素子を得るための切断工程を前記金属膜形成後に設けてなることを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明は、請求項３に記載の圧力センサの製造方法において、前記検出素子に形成される前記金属膜と金属製のベース板上とを半田を介して固定する配設工程を前記切断工程以降に設けてなることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明は、請求項１に記載の圧力センサの製造方法において、前記接合工程は、前記ガラス基板の前記半導体基板との非接合面に接触するガラス膜を有する導電性基板を用いて前記陽極接合してなることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明は、請求項６に記載の圧力センサのように、薄肉のダイアフラム部にピエゾ抵抗効果を有する複数の歪みゲージをブリッジ回路状に形成してなる検出部を有するセンサ素子をガラス台座上に配設し、前記センサ素子と前記ガラス基板とを陽極接合法によって接合して検出素子を構成し、前記ガラス台座の前記センサ素子との非接合面に金属膜を形成し、前記金属膜と金属製のベース板とを半田によって接合する圧力センサであって、前記検出素子は、前記陽極接合法によってアルカリ金属イオン成分の偏析による材料強度の低下がない前記ガラス台座を有してなることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明は、請求項６に記載の圧力センサにおいて、前記金属膜は、前記ガラス台座の前記非接合面に、少なくともクロムを第１の金属薄膜として複数の金属薄膜を順次形成してなることを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づき説明する。
【００１５】
図１において、圧力センサＡは、下ケース１と、上ケース２と、ベース板３と、検出素子４と、回路基板５と、シールド板６と、グロメット７とから主に構成されている。
【００１６】
下ケース１は、ＳＵＭ等の金属材料からなる取付ねじ部を有する六角部材である圧力導入部１ａと、この圧力導入部１ａと一体に形成され、ベース板３，検出素子４，回路基板５等の各部を収納する収納部１ｂとを備えている。圧力導入部１ａの略中央には、圧力導入孔（導入孔）１ｃが形成され、また圧力導入孔１ａの上端部にはベース板３が部分的に埋まるように配設するための段差形状の配設部１ｄが形成されている。
【００１７】
上ケース２は、ＰＢＴ等の樹脂材料から形成されるもので、下ケース１の収納部１ｂの開口端部に配設され、収納部１ｂの開口端が加締められることで、上ケース２が下ケース１に対して配設固定される。また、上ケース２は、電源供給及び信号出力を行うための後述する電気コードを外部に引き出すため凹部形状のリード引き出し部２ａを備えている。
【００１８】
ベース板３は、コバール（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金）等の金属材料に金（Ａｕ）メッキが施されてなるもので、下ケース１における圧力導入部１ａの配設部１ｄに抵抗溶接によって配設固定するためのフランジ部３ａが設けられ、このフランジ部３ａから一段高くなった位置には、圧力センサ４を配設するための載置部３ｂが設けられている。また載置部３ｂの略中央には、検出素子４に被測定物の圧力及び温度を伝達するための孔部３ｃが設けられている。ベース板３は、圧力導入部１ａの配設部１ｄに抵抗溶接によって配設固定されることで、圧力導入孔１ｃの一端を塞ぐ状態で下ケース１に配設されることになる（図２参照）。
【００１９】
検出素子４は、薄肉部となるダイアフラム部と、このダイアフラム部の外側周囲に形成される肉厚の支持部とをシリコン等の半導体材料に一体に形成し、前記ダイアフラム部にピエゾ抵抗効果を有する複数の歪みゲージをブリッジ回路状に形成してなる検出部を有するセンサ素子４ａを圧力導入孔部４ｂ１を備えたガラス台座４ｂ上に配設し、センサ素子４ａとガラス台座４ｂとを陽極接合法によって接合してなるものである。検出素子４は、前記ダイアフラム部に対応する部位にボロン等の不純物を拡散処理することによって、ピエゾ抵抗効果を有する４つの感圧素子（歪みゲージ）となる抵抗を形成し、この各抵抗をアルミ等の導電性材料を用いた配線パターンによって接続することでブリッジ回路が構成され、前記ブリッジ回路の中間電圧によって圧力を検出するものである（図２参照）。
【００２０】
尚、検出素子４は、ガラス基板４ｂの裏面側（半導体チップ４との非接合面）に、後で詳述するメタライズ層が形成され、半田を介してベース板３の載置部３ｂ上に固定されるもので、検出素子４は、ベース板３の孔部及びガラス台座４ｂの圧力導入孔部４ｂ１を介して前記ダイアフラム部の裏面側から圧力が印加される構成である。
【００２１】
回路基板５は、紙フェノール，ガラス繊維入り樹脂及びセラミック等の絶縁材料を支持材とし、所定の配線パターンが表裏に形成されてなる両面印刷回路基板であり、ベース板３上に位置するように下ケース１の収納部１ｂ内に設けられる載置部１ｅに配設される。回路基板５は、検出素子４の出力電圧を増幅するための増幅回路やノイズを除去するためのコンデンサ等の各種電子部品が実装される。
【００２２】
また、回路基板５の略中央には、ベース板３の載置部３ｂに配設される検出素子４の上方から回路基板５を下ケース１の載置部１ｅに配設した際に、回路基板５が検出素子４を取り巻くように配設するための収納孔部５ａが形成されている。また、回路基板５の表面の収納孔部５ａの周辺には、複数の電極部が形成され、この電極部と検出素子４に形成される電極パッドとは金等の導電材料からなるワイヤ９によって電気的に接続される。また、回路基板５のワイヤ９との接続個所である前記電極パッド及び検出素子４上には、検出素子４及び回路基板５の電極パッド及びワイヤ９の腐食を防止するためのシリコンゲル等のゲル状部材１０が配設される（図２参照）。
【００２３】
また、回路基板５は、上ケース２のリード引き出し部２ａにグロメット７を介して配設される電気コード１１とリードピン付き貫通コンデンサ１２を介し電気的に接続するリードピン１３が実装されている。
【００２４】
シールド板６は、ＳＰＴＥ等の金属材料からなり、ホルダ部６ａと、遮蔽部６ｂとを有し、ホルダ部６ａは遮蔽部６ｂに対して折り曲げ形成されている。シールド板６は遮蔽部６ｂの周縁を下ケース１と上ケース２との間に狭持状態にて配設される。ホルダ部６ａは、遮蔽部６ｂに対して直交するように折り曲げられるとともに、貫通コンデンサ１２を配設するための孔部が形成されるとともに、この孔部に各貫通コンデンサ１２が半田を介し配設固定される。（図３参照）
【００２５】
グロメット７は、ニトリルゴム等の弾性部材によって構成され、電気コード１１を上ケース２のリード引き出し部２ａに取り付けるためのものである。グロメット７は、上ケース２のコード引き出し部２ａの内壁に設けられる突出部２ｂに対してグロメット７の上部が圧入されることでに配設固定される。また、グロメット７は、リード引き出し部２ａにエポキシ等の充填部材１４が充填されることによって、上ケース２との気密性が確保された状態で配設される。
【００２６】
以上の各部によって圧力センサＡが構成される。次に図４及び図５を用いて圧力センサＡの製造方法を詳述する。図４及び図５は、圧力センサＡの製造方法の一部分を示している。
【００２７】
図４（ａ）は、陽極接合工程を示している。薄肉のダイアフラム部にピエゾ抵抗効果を有する複数の歪みゲージをブリッジ回路状に形成してなる検出部２０ａを有する後のセンサ素子４ａを複数備えるシリコン基板２０を、各検出部２０ａに対応する孔部２１ａ（前述の圧力導入孔４１ｂに対応する）を備えたガラス基板２１上に配設して重合基板２２を得る。そして、アルミナやホウ酸等のガラス成分を含んだガラス膜（二酸化珪素）２３ａを有し、シリコン基板からなる導電性基板２３ｂを備えた加熱プレート２３上に重合基板２２を配設する。重合基板２２は、重合基板２２のガラス基板２１がガラス膜２３ａと接触する状態で加熱プレート２３上に配設され、重合基板２２は、加熱プレート２３上において、シリコン基板２０を陽極側とし、導電性基板２３を陰極側として、所定値の直流電圧を印加することで陽極接合が行われる。
【００２８】
図４（ｂ）は、メタライズ層形成工程を示している。メタライズ層形成工程は、陽極接合工程後に設けられるもので、陽極接合工程によって得られた重合基板２２におけるガラス基板２１のシリコン基板２０との非接合面に、スパッタリング法や真空蒸着法等の手法によりメタライズ層（金属膜）２４を形成するものである。
【００２９】
メタライズ層２４は、図５に示すように、ガラス基板２１側からクロム（Ｃｒ）からなる第１の金属膜（第１の金属薄膜）２４ａと、白金（Ｐｔ）やチタン（Ｔｉ）あるいはニッケル（Ｎｉ）からなる第２の金属膜（第２の金属薄膜）２４ｂと、金（Ａｕ）からなる第３の金属膜（第３の金属薄膜）２４ｃとがガラス基板２１の前記非接合面に順次積層形成されてなるものである。
【００３０】
図４（ｃ）は、切断工程を示している。切断工程は、重合基板２２における所定部位をダイシング法により切断することで、個々のセンサ素子４ａ（検出部２０ａ）を有する検出素子４を得る。
【００３１】
図４（ｄ）は、検出素子４のベース板への配設工程を示しいる。検出素子４は、ベース板３の孔部３ｃと検出素子４の圧力導入孔部４ｂ１とが対向する状態でＳｎ−Ｓｂ合金のリング状の半田２５を介してベース板３上に配設され、リフロー炉や共晶ダイボンダー等にて半田２５を溶融，固化させることでベース板３上に配設固定される。これにより圧力センサＡの一部分が完成する。
【００３２】
前述した製造工程により完成した検出素子４は、ガラス台座４ｂを材料解析装置を用いて解析した結果、ガラス台座４ｂのベース板３との接合部（接合面）において材料強度が低下するようなガラス台座４ｂ中のカリウム（Ｋａ）やナトリウム（Ｎａ）等のアルカリ金属イオン成分の偏析は認められなかった。
【００３３】
かかる圧力センサの製造方法は、薄肉のダイアフラム部にピエゾ抵抗効果を有する複数の歪みゲージをブリッジ回路状に形成してなる複数の検出部２０ａを有し、後のセンサ素子４ａとなるシリコン基板２０を、後のガラス台座４ｂとなるガラス基板２１上に配設して重合基板２２を得るとともに、ガラス基板２１との接合面にガラス膜２３ａを有する導電性基板２３ｂを備えた加熱プレート２３上に重合基板２２を配設し、シリコン基板２０側を陽極とし、導電性基板２３側を陰極とした陽極接合法によって両基板２０，２１を接合する陽極接合工程を備え、前記陽極接合工程の終了後に、ガラス基板２１のシリコン基板２０との非接合面にメタライズ層２３を形成する金属膜形成工程と、前記金属膜形成後に、重合基板２２の所定部位を切断し、個々の検出部２０ａを有する検出素子４を得るための切断工程とを備えるものである。
【００３４】
また、この製造方法により得られる圧力センサＡは、薄肉のダイアフラム部にピエゾ抵抗効果を有する複数の歪みゲージをブリッジ回路状に形成してなる検出部を有するセンサ素子４ａをガラス台座４ｂ上に配設し、センサ素子４ａとガラス台座４ｂとを陽極接合法によって接合して検出素子４を構成し、ガラス台座４ｂのセンサ素子４ａとの非接合面にメタライズ層２３を形成し、メタライズ層２３と金属製のベース板３とを半田２５によって接合するものに関し、検出素子４は、前記陽極接合法によって生じるカリウム（Ｋａ）やナトリウム（Ｎａ）等のアルカリ金属イオン成分の偏析による材料強度の低下がないガラス台座４ｂを有してなるものである。
【００３５】
かかる圧力センサＡは、メタライズ層２３の形成工程を検出素子４における陽極接合工程の後工程に設け、また、シリコン基板２０とガラス基板２１とを接合する陽極接合工程においてガラス膜２３ａを有する導電性基板２３ｂを用いることで、陽極接合時にガラス基板２０（ガラス台座４ｂ）中の前記アルカリ金属イオン成分がガラス膜２３ａに拡散し、ガラス台座４ｂのベース板３との接合面に前記アルカリ金属イオン成分による偏析が生じないことから、ガラス基板２１（ガラス台座４ｂ）の材料強度の低下がないガラス台座４ｂを得ることができる。従って、ガラス台座４ｂとベース板３との接合強度を確保することが出来ることから高圧測定に耐えうる圧力センサを得ることができる。また、低融点ガラスを用いてベース板とガラス台座を接合する従来の製造工程に比べ還元雰囲気を必要としないため、製造工程を簡素化することが可能となる。また製造工程の簡素化に伴い圧力センサＡの製造コストを低く抑えることが可能となる。
【００３６】
また、メタライズ層２４は、ガラス基板２１（ガラス台座４ｂ）のシリコン基板２０（センサ素子４ａ）との非接合面に、少なくともクロムを第１の金属膜２４ａとして複数の金属膜を順次形成してなるものであり、ガラス基板２１とメタライズ層２４、及びメタライズ層２４とベース板３との密着性を双方において良好に確保することが可能となる。
【００３７】
尚、本発明の実施の形態では、陽極接合工程において、導電性基板２３ｂとしてシリコン基板が用いられるものであったが、導電性で熱伝導率の良いものであればこの限りでない。
【００３８】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、初期の目的である、高圧測定に耐えうる圧力センサを得ることが可能であるとともに、製造工程が簡素化し、安価な圧力センサを得ることが可能な圧力センサの製造方法及びその圧力センサを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の圧力センサを示す要部断面図。
【図２】同圧力センサの要部拡大断面図。
【図３】同圧力センサの平面図。
【図４】同圧力センサのメタライズ層を示す断面図。
【図５】同圧力センサの製造方法を示す図。
【符号の説明】
Ａ  圧力センサ
３  ベース板
４  検出素子
４ａ  センサ素子
４ｂ  ガラス台座
２０  シリコン基板（半導体基板）
２０ａ  検出部
２１  ガラス基板
２２  重合基板
２３  加熱プレート
２３ａ  ガラス膜
２３ｂ  導電性基板
２４  メタライズ層（金属膜）
２４ａ  第１の金属薄膜
２４ｂ  第２の金属薄膜
２４ｃ  第３の金属薄膜
２５  半田
【図１】
2004279220.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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