CN118730381A - 差压计 - Google Patents

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CN118730381A CN202410219334.1A CN202410219334A CN118730381A CN 118730381 A CN118730381 A CN 118730381A CN 202410219334 A CN202410219334 A CN 202410219334A CN 118730381 A CN118730381 A CN 118730381A
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东条博史
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    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L13/00Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values
    • G01L13/02Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values using elastically-deformable members or pistons as sensing elements
    • G01L13/025Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values using elastically-deformable members or pistons as sensing elements using diaphragms

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Abstract

[课题]抑制组装在俯视呈长方形的传感器芯片中的差压计的输出的漂移。[解决手段]一种差压计,其在第一区域(141)中设置未接合区域(112),在玻璃板(102)的第一接合区域(111)和第二区域(142)之间的第一区域(141)中设置槽,将第一接合区域(111)形成为在第一区域(141)中的第一半导体层(103)和玻璃板(102)之间,包围第一压力室(105),并设为在俯视时在第一压力室(105)的周向上一致的宽度。

Description

差压计
技术领域
本发明涉及差压计。
背景技术
工业用差压计根据小型化和耐腐蚀性等的要求,由硅等半导体和蓝宝石等构成传感器芯片主体。例如,存在一种差压计,该差压计在由形成有基于压电电阻元件等的应变测量部的半导体(硅)的膜构成的膜片的一个面及另一个面上分别设置有第一压力室及第二压力室(专利文献1)。在该差压计中,测定从第一压力室和第二压力室这两个方向受到的压力的差。在第一压力室、第二压力室和连接到每个压力室的用于压力传递的导管中填充有油等的压力传递物质,压力通过压力传递物质作用在膜片上。
在这种压力计中使用的膜片以可动区域的俯视时的形状为圆形或四边形的构成为代表,但由于四边形的输出线性比圆形高,因此设为正方形的情况较多。组装有像这样设为正方形的膜片和与各压力室连接的导管的传感器芯片的俯视时的形状为长方形。
另一方面,形成有上述膜片和压力室的传感器芯片被收容在封装中被使用。在传感器芯片由半导体构成的情况下,为了将传感器芯片与主要由金属构成的封装体之间电气隔离,隔着由耐热玻璃构成的玻璃板而固定在封装体上。设置在俯视呈长方形的传感器芯片上的玻璃板的俯视时的形状也为长方形。
在这样的构成中,在耐热性玻璃上形成成为传感器芯片的一部分的第一半导体层,在第一半导体层上形成一方的压力室(第一压力室),在该第一压力室上配置膜片。例如,通过利用在上述第一半导体层上形成的凹部而构成第一压力室,能够将凹部的部分变薄的第一半导体层的部分作为膜片。通过该第一压力室的俯视时的形状来规定膜片的形状,通过使第一压力室的俯视时的形状为正方形,从而膜片的可动区域成为正方形。
另外,耐热性玻璃具有蠕变、应力缓和等粘弹性。由于耐热性玻璃与半导体材料接合,因此产生由线膨胀系数差引起的热应力。因此,热应力也传递到与接合在玻璃板上的第一半导体层的玻璃板之间形成的第一压力室,因此,在俯视时正方形的各边因上述的粘弹性而产生应力的(经时)变化。相对于俯视呈长方形的玻璃板,由于第一压力室俯视呈正方形,因此正方形的各边的应力不一致,每个边的变化量不同。用于测定膜片的位移的应变测量部配置在设为正方形的膜片的各边的周缘部。
现有技术文献
专利文献
[专利文献1]日本专利特开2021-092490号公报
发明内容
发明要解决的问题
如上所述,若施加在正方形膜片的各边上的应力针对每个边而不同时,则各应变测量部的测定值不同,从而妨碍准确的测定。例如,使用压电电阻元件作为应变测量部,通过4个压电电阻元件构成电桥电路,当在该电桥电路中流过一定的电流或施加一定的电压的状态下在膜片中产生位移时,可以将由产生的位移引起的各压电电阻元件的电阻值的变化作为电压的变化来输出。在这样的构成中,当如上述接合的玻璃板的粘弹性影响针对每个边而改变时,引起各压电电阻元件的不同电阻值的变化,如图2所示的4个R(压电电阻元件)的粘弹性引起的经时变化量ΔR1,ΔR2、ΔR3、ΔR4不同,上述电压输出随时间变化,即,传感器输出Vout会漂移。此外,在图2中,R表示初始状态的电阻值,ΔRp表示由施加压力引起的电阻值的变化,ΔR1~ΔR4表示由粘弹性引起的经时变化量的电阻值变化。
本发明是为了解决上述问题而完成的,其目的在于抑制组装在俯视呈长方形的传感器芯片中的差压计的输出的漂移。
解决问题的技术手段
本发明的差压计具备:基体,其由半导体构成;玻璃板,其由接合在基体上的耐热玻璃构成,俯视时的形状为长方形,并且具有俯视呈长方形的长边方向的一端侧的第一区域和俯视呈长方形的长边方向的另一端侧的第二区域;第一半导体层,其配置在玻璃板的上表面,并且具有在第一区域中俯视时的形状呈正方形的第一压力室;第二半导体层,其配置在第一半导体层上,在第一区域中具有第二压力室,所述第二压力室俯视时包括形成有第一压力室的区域,并且俯视时的形状是比第一压力室宽的正方形;膜片,其形成为将第一压力室和第二压力室之间隔开的状态;应变测量部,其设置在膜片的周端部附近,测定膜片的应变;第一导压路,其在第一区域中贯通玻璃板和基体而形成,并与第一压力室连通;第二导压路,其在第二区域中,贯通第一半导体层、玻璃板及基体而形成,并与第二压力室连通;第一接合区域,其在第一区域中的第一半导体层与玻璃板之间,包围第一压力室,在俯视时在第一压力室的周向上形成为一致的宽度,并接合第一半导体层和玻璃板;未接合区域,其在第一区域中的第一接合区域的周围,延伸至第一区域的玻璃板的俯视呈长方形的长边方向的一端侧的短边侧、以及玻璃板的俯视呈长方形的两个长边侧;第二接合区域,其在第二区域中,接合第一半导体层和玻璃板;以及槽,其在玻璃板的第一接合区域和第二区域之间的第一区域中沿俯视呈长方形的短边方向延伸而形成。
在上述差压计的一个构成例中,槽从玻璃板的俯视呈长方形的一个长边形成至另一个长边。
在上述差压计的一个构成例中,基体、第一半导体层和第二半导体层由硅构成,玻璃板由硼硅酸盐浮法玻璃构成。
发明的效果
如以上说明的那样,根据本发明,由于在第一区域设置未接合区域,在玻璃板的第一接合区域和第二区域之间的第一区域设置槽,因此能够抑制组装在俯视呈长方形的传感器芯片中的差压计的输出的漂移。
附图说明
图1A是表示本发明的实施方式的差压计的构成的截面图。
图1B是表示本发明的实施方式的差压计的一部分构成的俯视图。
图1C是表示本发明的实施方式的差压计的一部分构成的俯视图。
图2是用于说明由玻璃板的粘弹性影响引起的传感器输出Vout的漂移的说明图。
具体实施方式
以下,参照图1A、图1B、图1C对本发明的实施方式的差压计进行说明。该差压计具备基体101、玻璃板102、第一半导体层103、以及第二半导体层104。基体101、玻璃板102、第一半导体层103、第二半导体层104按照这些顺序层叠。
基体101由半导体构成。基体101例如可以由硅构成。玻璃板102的俯视时的形状为长方形,具有俯视呈长方形的长边方向的一端侧的第一区域141和俯视呈长方形的长边方向的另一端侧的第二区域142。玻璃板102接合配置在基体101上。另外,玻璃板102由硼硅酸盐浮法玻璃等耐热玻璃构成。
第一半导体层103配置于玻璃板102的上表面,并且在第一区域141中具有俯视时的形状呈正方形的第一压力室105。第一压力室105是形成在第一半导体层103上的凹部,该凹部向玻璃板102侧开口。第一半导体层103例如可以由硅构成。
第二半导体层104配置(接合)在第一半导体层103上。另外,第二半导体层104具有俯视时的形状比第一压力室105宽的正方形的第二压力室106。第二压力室106在第一区域141中俯视时包括形成有第一压力室105的区域而形成。第二压力室106是形成在第二半导体层104上的凹部,该凹部向第一半导体层103侧开口。第二半导体层104例如可以由硅构成。
在上述第一压力室105和第二压力室106之间配置有膜片107,所述膜片107形成为将第一压力室105和第二压力室106隔开的状态。膜片107可以由通过形成第一压力室105而变薄的第一半导体层103的部分构成。膜片107的俯视时的形状由第一压力室105的俯视时的形状规定,成为正方形。
另外,该差压计在膜片107的周端部附近具备测定膜片107的应变的第一应变测量部108a、第二应变测量部108b、第三应变测量部108c以及第四应变测量部108d。通过第一应变测量部108a、第二应变测量部108b、第三应变测量部108c以及第四应变测量部108d测量膜片107的应变。第一应变测量部108a、第二应变测量部108b、第三应变测量部108c以及第四应变测量部108d例如分别能够由多个压电电阻元件构成。
另外,第一应变测量部108a、第二应变测量部108b、第三应变测量部108c以及第四应变测量部108d构成电桥电路。该电桥电路作为差压检测部起作用,该差压检测部在流过一定的电流或施加一定的电压的状态下在膜片107上产生应力时,将由产生的应力引起的各压电电阻元件的电阻值的变化作为电压的变化输出。该电桥电路的各节点经由在膜片107的未图示的区域的面上形成的布线图案,与未图示的电极连接。
另外,该差压计具备第一导压路109、第二导压路110、第一接合区域111、未接合区域112、第二接合区域113以及槽114。
第一导压路109在第一区域141中贯通玻璃板102及基体101而形成,与第一压力室105连通。第二导压路110在第二区域142中贯通第一半导体层103、玻璃板102及基体101而形成,与第二压力室106连通。
第一接合区域111接合第一半导体层103和玻璃板102。第一接合区域111在第一区域141中的第一半导体层103和玻璃板102之间,包围第一压力室105,在俯视时在第一压力室105的周向上形成为一致的宽度。第二接合区域113在第二区域142中与第一半导体层103和玻璃板102接合。
未接合区域112在第一区域141中设置在第一接合区域111的周围。另外,未接合区域112设置在第一区域141的至玻璃板102的俯视呈长方形的长边方向的一端侧的短边侧、以及至玻璃板102的俯视呈长方形的两个长边侧的部位。未接合区域112例如可以通过利用蚀刻处理使对应区域的第一半导体层103的接合面变薄数μm来形成。另外,未接合区域112例如可以通过利用蚀刻处理使对应区域的玻璃板102的接合面变薄数μm来形成。
槽114在玻璃板102的第一接合区域111和第二区域142之间的第一区域141中以在俯视呈长方形的短边方向上延伸的方式形成。槽114可以形成为从玻璃板102的俯视呈长方形的一个长边到另一个长边。另外,槽114可以贯穿玻璃板102而形成。
若采用在俯视时的形状为正方形的膜片的各边上,例如配置由压电电阻元件形成的应变测量部,在隔着膜片设置两个第一压力室、第二压力室的构成中,将与两个压力室连通的两个导压路在同一侧取出的构成,则传感器芯片的俯视时的形状为长方形。
在上述的差压传感器中,当玻璃板102和第一半导体层103在它们的整个区域接合时,规定膜片107的俯视时的形状的第一压力室105的周围的接合区域在周向上不成为一致的宽度。另外,接合区域到玻璃板102端部的距离例如在第一应变测量部108a和第二应变测量部108b处不同。
由耐热玻璃构成形成的玻璃板102具有以蠕变、应力缓和为代表的粘弹性,因此与第一半导体层103接合时的强制位移、线膨胀系数差引起的热应力随时间变化。该强制位移或热应力对各应变测量部的影响,根据从各应变测量部到玻璃板102端部的距离而变化。对于俯视呈正方形的玻璃板,在第一压力室为俯视呈正方形的情况下,通过使它们的距离一致从而变化量在各边一致,另一方面,在它们的距离不一致的情况下,第一应变测量部108a、第二应变测量部108b、第三应变测量部108c以及第四应变测量部108d受到的影响因每个应变测量部而不同,在每4个应变测量部构成的电桥电路的输出随时间变化,特别是在俯视呈长方形的玻璃板的情况下,经时变化变得显著。由于该经时变化被检测为差压计的输出的漂移,因此使差压计的稳定性降低。
与此相对,根据实施方式,通过设置未接合区域112和槽114,在第一区域141中,将包围第一压力室105的第一接合区域111设为在周向上一致的宽度。另外,通过使槽114比未接合区域112深,或者使槽114凹陷至基座而分割第一区域和第二区域,即使在俯视呈长方形的玻璃板的情况下,由上述玻璃板102引起的强制位移和热应力等的影响对于第一应变测量部108a、第二应变测量部108b、第三应变测量部108c以及第四应变测量部108d而言变得一致。其结果,能够抑制由每4个应变测量部构成的电桥电路的输出的经时变化,从而能够确保差压计的稳定性。
另外,通过设置槽114,在配置有第二导压路110的第二区域142中,能够将第二导压路110的部分以外的整个区域作为第二接合区域113,能够在玻璃板102与第一半导体层103的边界密封第二导压路110。
如以上说明的那样,根据本发明,由于在第一区域设置未接合区域,在玻璃板的第一接合区域和第二区域之间的第一区域设置槽,因此能够抑制组装在俯视呈长方形的传感器芯片中的差压计的输出的漂移。
此外,本发明不限定于以上说明的实施方式,在本发明的技术思想内,显然可以由本领域中具有普通知识的人员实施多种变形和组合。
符号说明
101…基体,102…玻璃板,103…第一半导体层,104…第二半导体层,105…第一压力室,106…第二压力室,107…膜片,108a…第一应变测量部,108b…第二应变测量部,108c…第三应变测量部,108d…第四应变测量部,109…第一导压路,110…第二导压路,111…第一接合区域,112…未接合区域,113…第二接合区域,114…槽,141…第一区域,142…第二区域。

Claims (3)

1.一种差压计,其特征在于,具备:
基体,其由半导体构成;
玻璃板,其由接合在所述基体上的耐热玻璃构成,俯视时的形状为长方形,并且具有俯视呈长方形的长边方向的一端侧的第一区域和俯视呈长方形的长边方向的另一端侧的第二区域;
第一半导体层,其配置在所述玻璃板的上表面,并且在所述第一区域中具有俯视时的形状为正方形的第一压力室;
第二半导体层,其配置在所述第一半导体层上,在所述第一区域中具有第二压力室,所述第二压力室在俯视时包括形成有所述第一压力室的区域,并且俯视时的形状是比所述第一压力室宽的正方形;
膜片,其形成为将所述第一压力室和所述第二压力室之间隔开的状态;
应变测量部,其设置在所述膜片的周端部附近,测定所述膜片的应变;
第一导压路,其在所述第一区域中贯通所述玻璃板和所述基体而形成,并与所述第一压力室连通;
第二导压路,其在所述第二区域中,贯通所述第一半导体层、所述玻璃板及所述基体而形成,与所述第二压力室连通;
第一接合区域,其在所述第一区域中的所述第一半导体层和所述玻璃板之间,包围所述第一压力室,在俯视时在所述第一压力室的周向上形成为一致的宽度,并接合所述第一半导体层和所述玻璃板;
未接合区域,其在所述第一区域中,在所述第一接合区域的周围,延伸至所述第一区域的所述玻璃板的俯视呈长方形的长边方向的一端侧的短边侧、以及所述玻璃板的俯视呈长方形的两个长边侧;
第二接合区域,其在所述第二区域中,接合所述第一半导体层和所述玻璃板;以及
槽,其在所述玻璃板的所述第一接合区域和所述第二区域之间的所述第一区域中沿俯视呈长方形的短边方向延伸而形成。
2.根据权利要求1所述的差压计,其特征在于,
所述槽是从所述玻璃板的俯视呈长方形的一个长边形成至另一个长边。
3.根据权利要求1或2所述的差压计,其特征在于,
所述基体、所述第一半导体层和所述第二半导体层由硅构成,
所述玻璃板由硼硅酸盐浮法玻璃构成。
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