(57)【要約】【課題】特性が安定で、ローコスト化が可能な圧力センサを実現する。【解決手段】測定ダイアフラムに歪センサが形成されている圧力センサにおいて、第１の半導体基板の一方の面に形成された半導体歪ゲージと、第１の半導体基板の一方の面に一方の面が接合された第２の半導体基板と、半導体歪ゲージを挟んで第１の半導体基板と第２の半導体基板の一方の面に直交して互いに対向して設けられ半導体歪ゲージを含む測定ダイアフラムを形成する第１，第２の測定室と、第１の半導体基板の他方の面に一面が接して設けられた支持基板と、支持基板の他方の面に低融点ガラスを介して一面が接する金属よりなる支持台と、一端が第１の測定室に連通し一端側が支持基板に設けられ他端側が支持台に設けられた他端が外部に開口する第１の導圧孔と、一端が第２の測定室に連通し一端側が支持基板に設けられ他端側が支持台に設けられた他端が外部に開口する第２の導圧孔とを具備したことを特徴とする圧力センサである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定ダイアフラムに歪センサが形成されている圧力センサにおいて、
第１の半導体基板の一方の面に形成された半導体歪ゲージと、
前記第１の半導体基板の一方の面に一方の面が接合された第２の半導体基板と、
前記半導体歪ゲージを挟んで前記第１の半導体基板と前記第２の半導体基板の一方の面に直交して互いに対向して設けられ前記半導体歪ゲージを含む測定ダイアフラムを形成する第１，第２の測定室と、
前記第１の半導体基板の他方の面に一面が接して設けられた支持基板と、
この支持基板の他方の面に低融点ガラスを介して一面が接する金属よりなる支持台と、
一端が前記第１の測定室に連通し一端側が前記支持基板に設けられ他端側が前記支持台に設けられた他端が外部に開口する第１の導圧孔と、
一端が前記第２の測定室に連通し一端側が前記支持基板に設けられ他端側が前記支持台に設けられた他端が外部に開口する第２の導圧孔と、
を具備したことを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
前記測定ダイアフラムと前記第１の測定室との第１の隙間と前記測定ダイアフラムと前記第２の測定室との第２の隙間とが前記測定ダイアフラムに過大圧が印加された場合に前記測定ダイアフラムが前記測定室に当たり保護されるような隙間に調節されたこと
を特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記第１の半導体基板の一方の面に設けられ前記歪ゲージに一端がそれぞれ接続された第１，第２の半導体電気配線と、
前記第1の半導体基板に設けられ一端が前記第１，第２の半導体電気配線に電気的に接続され他方端が外部に取り出される複数の電極パッドと、
を具備したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記複数の電極パッドは、前記第２の半導体基板の端部が切り欠かれて露出した前記第１の半導体基板の一方の面に設けられたこと
を特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の圧力センサ。
【請求項５】
前記第１，第２の測定室は、ＩＰＣエッチングにより形成されたこと
を特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか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、圧力センサに関するものである。
更に詳述すれば、特性が安定で、ローコスト化が可能な圧力センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１２は従来より一般に使用されている従来例の要部構成説明図である。
図において、１は本体ボディで、円柱状の首部１Ａと、首部１Ａの端部外周縁部１Ｃにおいて溶接接続されたブロック状の受圧部１Ｂとよりなる。首部１Ａと受圧部１Ｂとは、この場合は、ステンレス材よりなる。
本体ボディ１の両側に、高圧側フランジ２、低圧側フランジ３が溶接等によって固定されており、両フランジ２，３には測定せんとする高圧側圧力ＰＨの高圧流体の導入口４、低圧側圧力ＰＬの低圧流体の導入口５が設けられている。
【０００３】
本体ボディ１内に圧力測定室６が形成されており、この圧力測定室６内にセンタダイアフラム７とシリコンダイアフラム８が設けられている。
センタダイアフラム７とシリコンダイアフラム８は、それぞれ別個に圧力測定室６の壁に固定されており、センタダイアフラム７とシリコンダイアフラム８の両者でもって圧力測定室６を２分している。
【０００４】
センタダイアフラム７と対向する圧力測定室６の壁には、バックプレ―ト６Ａ，６Ｂが形成されている。センタダイアフラム７は周縁部を本体ボディ１に溶接されている。
シリコンダイアフラム８は全体が単結晶のシリコン基板から形成されている。
シリコン基板の一方の面にボロン等の不純物を選択拡散して４個のストレインゲ―ジ８０を形成し、他方の面を機械加工、エッチングし、全体が凹形のダイアフラム８を形成する。
【０００５】
４個のストレインゲ―ジ８０は、シリコンダイアフラム８が差圧ΔＰを受けてたわむ時、２個が引張り、２個が圧縮を受けるようになっており、これらがホイ―トストン・ブリッジ回路に接続され、抵抗変化が差圧ΔＰの変化として検出される。
シリコンダイアフラム８は、首部１Ａを２個のセンサ室８１，８２に分ける。
支持体９の圧力測定室６側端面に、低融点ガラス接続等の方法でシリコンダイアフラム８が接着固定されている。
【０００６】
本体ボディ１と高圧側フランジ２、および低圧側フランジ３との間に、圧力導入室１０，１１が形成されている。
この圧力導入室１０，１１内に高圧側，低圧側シールダイアフラム１２，１３を設け、このシールダイアフラム１２，１３と対向する本体ボディ１の壁にシールダイアフラム１２，１３と類似の形状のバックプレ―ト１０Ａ，１１Ａが形成されている。
シールダイアフラム１２，１３と高圧側，低圧側バックプレ―ト１０Ａ，１１Ａとにより、高圧側，低圧側シールダイアフラム室１２Ａ，１３Ａが構成される。
【０００７】
シールダイアフラム１２，１３は、受圧部１Ｂに、シールリング１２１，１３１により周縁部が溶接されている。
この場合は、シールダイアフラム１２，１３と、シールリング１２１，１３１とは、ステンレス材よりなる。
シールダイアフラム室１２Ａ，１３Ａと圧力測定室６とは、連通孔１４，１５を介して導通されている。
【０００８】
そして、シールダイアフラム室１２Ａ，１３Ａにシリコンオイル等の封入液１０１，１０２が満たされ、この封入液１０１，１０２が高圧側，低圧側伝導穴１６，１７を介してシリコンダイアフラム８の上下面にまで至っている。
封入液１０１，１０２は、センタダイアフラム７とシリコンダイアフラム８とによって２分されているが、その量が、ほぼ均等になるように配慮されている。
【０００９】
以上の構成において、高圧側から圧力が作用した場合、高圧側シールダイアフラム１２に作用する圧力が封入液１０１によってシリコンダイアフラム８に伝達される。
一方、低圧側から圧力が作用した場合、低圧側シールダイアフラム１３に作用する圧力が封入液１０２によってシリコンダイアフラム８に伝達される。
この結果、高圧側と低圧側との圧力差に応じてシリコンダイアフラム８が歪み、この歪み量がストレインゲ―ジ８０によって電気的に取出され、差圧の測定が行なわれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平０５−１７２６７６号公報
【特許文献２】特開２００５−０４９２４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
このような装置においては、以下の問題点がある。
このような半導体圧力センサを使った伝送器では、高圧側と低圧側のオイルが封入されている伝導穴構造、特に，圧力センサ周辺部の構造が違うため配管抵抗や封入されているオイル量が異なる。
温度変化によるオイルの膨張、収縮で圧力が変化するが、オイル量が若干違うと圧力も異なるため、センサ特性へ影響を与える。
【００１２】
過大圧保護をするためのセンターダイアフラムが必要で部品が多くなるためコストがかかる。
更に、圧力、特に、静圧(両側にかかる圧力)下でプロセスラインでの水衝撃(ウォータハンマー)等によって急激に圧力が変化する場合がある。この際に，高圧側及び低圧側の配管抵抗とオイル量が異なるため，オイル収縮の影響で高圧側と低圧側の圧力に時間のズレが発生するため，過大圧保護の動作点がずれてしまう場合がある。その時に，センサ部に大きな差圧が発生して圧力センサのダイアフラムに大きな差圧が加わりダイアフラムが破壊してしまう場合がある。
【００１３】
本発明の目的は、上記の課題を解決するもので、特性が安定で、ローコスト化が可能な
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】
【００１４】
このような課題を達成するために、本発明では、請求項１の圧力センサにおいては、
測定ダイアフラムに歪センサが形成されている圧力センサにおいて、第１の半導体基板の一方の面に形成された半導体歪ゲージと、前記第１の半導体基板の一方の面に一方の面が接合された第２の半導体基板と、前記半導体歪ゲージを挟んで前記第１の半導体基板と前記第２の半導体基板の一方の面に直交して互いに対向して設けられ前記半導体歪ゲージを含む測定ダイアフラムを形成する第１，第２の測定室と、前記第１の半導体基板の他方の面に一面が接して設けられた支持基板と、この支持基板の他方の面に低融点ガラスを介して一面が接する金属よりなる支持台と、一端が前記第１の測定室に連通し一端側が前記支持基板に設けられ他端側が前記支持台に設けられた他端が外部に開口する第１の導圧孔と、一端が前記第２の測定室に連通し一端側が前記支持基板に設けられ他端側が前記支持台に設けられた他端が外部に開口する第２の導圧孔と、を具備したことを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項２の圧力センサにおいては、請求項１記載の圧力センサにおいて、
前記測定ダイアフラムと前記第１の測定室との第１の隙間と前記測定ダイアフラムと前記第２の測定室との第２の隙間とが前記測定ダイアフラムに過大圧が印加された場合に前記測定ダイアフラムが前記測定室に当たり保護されるような隙間に調節されたことを特徴とする。
【００１６】
本発明の請求項３の圧力センサにおいては、請求項１又は請求項２記載の圧力センサにおいて、
前記第１の半導体基板の一方の面に設けられ前記歪ゲージに一端がそれぞれ接続された第１，第２の半導体電気配線と、前記第1の半導体基板に設けられ一端が前記第１，第２の半導体電気配線に電気的に接続され他方端が外部に取り出される複数の電極パッドと、を具備したことを特徴とする。
【００１７】
本発明の請求項４の圧力センサにおいては、請求項１乃至請求項３の何れかに記載の圧力センサにおいて、
前記複数の電極パッドは、前記第２の半導体基板の端部が切り欠かれて露出した前記第１の半導体基板の一方の面に設けられたことを特徴とする。
【００１８】
本発明の請求項５の圧力センサにおいては、請求項１乃至請求項４の何れかに記載の圧力センサにおいて、
前記第１，第２の測定室は、ＩＰＣエッチングにより形成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の請求項１によれば、次のような効果がある。
圧力センサの低圧側、高圧側の構造を対称にすることで、圧力，特に静圧(両側にかかる圧力)化で急激に圧力が変化した場合でも，高圧側及び低圧側の配管抵抗とオイル量が同じであるため，オイルが収縮しても高圧側と低圧側の圧力も同じになる。そのため、プロセスラインでの水衝撃(ウォータハンマー)による急激な圧力変化でも差圧が発生しないため、ダイアフラムに過大な差圧が加わることがない。そのためセンサは破壊しない。
【００２０】
また、温度変化によるオイルの膨張、収縮で発生する圧力も等しくなるため、温度特性が安定になる圧力センサが得られる。
第１の導圧孔と第２の導圧孔の開口部が支持台に設けられたので、支持台側から全ての測定圧の入力が出来、測定圧の入力の取り扱いが容易な圧力センサが得られる。
【００２１】
本発明の請求項２によれば、次のような効果がある。
請求項１の効果以外にギャップを調整することで過大圧が加わった場合にダイアフラムが対面にぶつかることでダイアフラム破壊を防止する設計が可能になる。そのため、過大圧保護構造であるセンタダイアフラムも不要にすることができ、低コストな圧力センサが得られる。
【００２２】
本発明の請求項３によれば、次のような効果がある。
第１の半導体基板の一方の面に設けられ、歪ゲージに一端がそれぞれ接続された第１，第２の半導体電気配線と、第1の半導体基板に設けられ一端が、第１，第２の半導体電気配線に電気的に接続され他方端が外部に取り出される複数の電極パッドとが設けられたので、構成が簡潔に出来、更に、低コストな圧力センサが得られる。
【００２３】
本発明の請求項４によれば、次のような効果がある。
電極パッドは、第２の半導体基板の端部が切り欠かれて露出した第１の半導体基板の一方の面に設けられたので、第１の半導体基板の一方の面に対向する方向から全ての信号取出しが出来、信号取出の接続が容易な圧力センサが得られる。
【００２４】
本発明の請求項５によれば、次のような効果がある。
第１，第２の測定室は、ＩＰＣエッチングにより形成されたので、横方向にエッチングが広がらないため穴の側面を垂直に加工できる。そのため、穴を小さく出来るため、センサが小型化できる圧力センサが得られる。
また、サイドエッチングしないため、寸法再現性が良く、形状が安定になる。その結果、小型で形状再現性が良い圧力センサが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施例の要部構成説明図である。
【図２】図１の上面図である。
【図３】図２のＢ−Ｂ断面図である。
【図４】図２のＣ−Ｃ断面図である。
【図５】図１の製作工程説明図である。
【図６】図１の製作工程説明図である。
【図７】図１の製作工程説明図である。
【図８】図１の製作工程説明図である。
【図９】図１の製作工程説明図である。
【図１０】図１の製作工程説明図である。
【図１１】図１の製作工程説明図である。
【図１２】従来より一般に使用されている従来例の要部構成説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例の要部構成説明図で図２のＡ−Ａ断面図、図２は図１の上面図、図３は図２のＢ−Ｂ断面図、図４は図２のＣ−Ｃ断面図である。
図５から図１１は図１の製作工程説明図である。
図において、図１２と同一記号の構成は同一機能を表す。
以下、図１２との相違部分のみ説明する。
【００２７】
図１において、半導体歪ゲージ２２は、第１の半導体基板２１の一方の面に形成されている。この場合は、第１の半導体基板２１はシリコン基板が使用されている。
第２の半導体基板２３は、第１の半導体基板２１の一方の面に一方の面が接合されている。この場合は、第２の半導体基板２３はシリコン基板が使用されている。
第１，第２の測定室２４，２５は、半導体歪ゲージ２２を挟んで、第１の半導体基板２１と第２の半導体基板２３の一方の面に直交して、互いに対向して設けられ、半導体歪ゲージ２２を含む測定ダイアフラム２６を形成する。
【００２８】
この場合は、測定ダイアフラム２６と第１の測定室２４との第１の隙間２４ａと、測定ダイアフラム２６と第２の測定室２５との第２の隙間２５ａとが、測定ダイアフラム２６に過大圧が印加された場合に、測定ダイアフラム２６が測定室２４，２５に当たり保護されるような隙間に調節されている。
【００２９】
支持基板２７は、第１の半導体基板２１の他方の面に一面が接して設けられている。
この場合は、ガラスが用いられている。
支持台２８は、この支持基板２７の他方の面に、低融点ガラス２９を介して一面が接し、金属よりなる。
【００３０】
第１の導圧孔３１は、一端が第１の測定室２４に連通し、一端側が支持基板２７に設けられ、他端側が支持台２８に設けられ、他端が外部に開口する。
第２の導圧孔３２は、一端が第２の測定室２５に連通し、一端側が支持基板２７に設けられ、他端側が支持台２８に設けられ、他端が外部に開口する。
【００３１】
第１，第２の半導体電気配線３３，３４は、第１の半導体基板２１の一方の面に設けられ、歪ゲージ２２に一端がそれぞれ接続されている。
図２に示す如く、複数の電極パッド３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ，３５ｅは、第1の半導体基板２１に設けられ、一端が第１，第２の半導体電気配線３３，３４に電気的に接続され、他方端が外部に取り出される。
【００３２】
この場合は、電極パッド３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ，３５ｅは、第２の半導体基板２３の端部が切り欠かれて露出した、第１の半導体基板２１の一方の面に設けられている。
なお、第１，第２の測定室２４，２５は、ＩＰＣエッチング（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ-Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）により形成されている。
【００３３】
以上の構成において、図５に示す如く、第１のシリコン基板１０１に拡散抵抗などの振動式半導体歪ゲージ１０２と、振動式半導体歪ゲージ１０２に一端が接続された第１，第２の半導体電気配線１０３，１０４を形成する。
ここで、図５において、（ａ）は図２のＡ−Ａ断面図における制作工程、（ｂ）は図２のＢ−Ｂ断面図における制作工程を示す。以下、図５から図１１において同じ。
【００３４】
図6に示す如く、第２のシリコン基板１０５の両端をカットして、第１のシリコン基板１０１の一方の面に、後に示す電極用のパットが形成できるようにする。
図7に示す如く、第１のシリコン基板１０１に、第２のシリコン基板１０５を接合する。
図８に示す如く、ＩＰＣエッチングにより、第１の測定室１０６と第２の測定室１０７とを形成し、同時に、測定ダイアフラム１０８を形成する。
【００３５】
そして、パット部の電極１０９ａ，１０９ｂ，１０９ｃ、１０９ｄ，１０９ｅをスパッタ等で形成する。
図９に示す如く、ガラス材よりなる支持基板１１０に、第１の導圧孔１１１と第２の導圧孔１１２を形成する。
【００３６】
図１０に示す如く、支持基板１１０に第１のシリコン基板１０１と第２のシリコン基板１０５とを接合する。
図１１に示す如く、支持台１１３を、低融点ガラス１１４を介して、支持基板１０９に接続する。
そして、支持台１１３に、第１の導圧孔１１１と第２の導圧孔１１２とにそれぞれ連通する連通孔１１５，１１６を設ける。
【００３７】
この結果、
圧力センサの低圧側、高圧側の構造を対称にすることで、圧力，特に静圧(両側にかかる圧力)化で急激に圧力が変化した場合でも，高圧側及び低圧側の配管抵抗とオイル量が同じであるため，オイルが収縮しても高圧側と低圧側の圧力も同じになる。そのため、プロセスラインでの水衝撃(ウォータハンマー)による急激な圧力変化でも差圧が発生しないため、ダイアフラムに過大な差圧が加わることがない。そのためセンサは破壊しない。
【００３８】
また、温度変化によるオイルの膨張、収縮で発生する圧力も等しくなるため、温度特性が安定になる圧力センサが得られる。
第１の導圧孔３１と第２の導圧孔３２の開口部が支持台２８に設けられたので、支持台２８側から全ての測定圧の入力が出来、測定圧の入力の取り扱いが容易な圧力センサが得られる。
【００３９】
請求項１の効果以外にギャップ２４ａ、２４ｂを調整することで、過大圧が加わった場合にダイアフラム２６が対面にぶつかることで、ダイアフラム破壊を防止する設計が可能になる。そのため、過大圧保護構造であるセンタダイアフラムも不要にすることができ、低コストな圧力センサが得られる。
【００４０】
第１の半導体基板２１の一方の面に設けられ、歪ゲージ２２に一端がそれぞれ接続された第１，第２の半導体電気配線３３，３４と、第1の半導体基板２１に設けられ一端が、第１，第２の半導体電気配線３３，３４に電気的に接続され、他方端が外部に取り出される複数の電極パッド３５とが設けられたので、構成が簡潔に出来、更に、低コストな圧力センサが得られる。
【００４１】
電極パッド３５は、第２の半導体基板２３の端部が切り欠かれて露出した、第１の半導体基板２１の一方の面に設けられたので、第１の半導体基板２１の一方の面に対向する方向から全ての信号取出しが出来、信号取出の接続が容易な圧力センサが得られる。
【００４２】
第１，第２の測定室２４，２５は、ＩＰＣエッチングにより形成されたので、横方向にエッチングが広がらないため穴の側面を垂直に加工できる。そのため、穴を小さく出来るため、センサが小型化できる圧力センサが得られる。
また、サイドエッチングしないため、寸法再現性が良く、形状が安定になる。その結果、小型で形状再現性が良い圧力センサが得られる。
【００４３】
なお、前述の実施例においては、支持基板２７に付いて、ガラスが使用されていると説明したが、これに限ることはなく、例えば、サファイアであっても良い。
【００４４】
また、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。
したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。
【符号の説明】
【００４５】
２１      第１の半導体基板
２２      半導体歪ゲージ
２３      第２の半導体基板
２４      第１の測定室
２４ａ    第１の隙間
２５      第２の測定室
２５ａ    第２の隙間
２６      測定ダイアフラム
２７      支持基板
２８      支持台
２９      低融点ガラス
３１      第１の導圧孔
３２      第２の導圧孔
３３      第１の半導体電気配線
３４      第２の半導体電気配線
３５ａ    電極パッド
３５ｂ    電極パッド
３５ｃ    電極パッド
３５ｄ    電極パッド
３５ｅ    電極パッド
３５ｆ    電極パッド
３５ｇ    電極パッド
１０１    第１のシリコン基板
１０２    振動式半導体歪ゲージ
１０３    第１の半導体電気配線
１０４    第２の半導体電気配線
１０５    第２のシリコン基板
１０６    第１の測定室
１０７    第２の測定室
１０８    測定ダイアフラム
１０９ａ  電極
１０９ｂ  電極
１０９ｃ  電極
１０９ｄ  電極
１０９ｅ  電極
１１０  支持基板
１１１  第１の導圧孔
１１２  第２の導圧孔
１１３  支持台
１１４  低融点ガラス
１１５  連通孔
１１６  連通孔
【図１２】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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