JP2006506653A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

圧力センサエレメント（１０）を備えた圧力センサであって、圧力センサエレメント（１０）がダイヤフラム領域（１２）と第１の固定領域（１４）とを有しており、測定しようとする圧力がダイヤフラム領域（１２）に力作用（１１）を及ぼすようになっており、圧力センサエレメント（１０）を固定するために、第１の固定領域（１４）が固定部材（２０）の第２の固定領域（２２）と結合されている形式のものにおいて、第１の固定領域（１４）と第２の固定領域（２２）とが、前記力作用（１１）によって圧力負荷されるようになっている。

Description

背景技術
本発明は、請求項１の上位概念に記載の形式の圧力センサから出発する。マイクロメカニカルシリコン圧力センサは既に公知であり、シリコンチップにキャビティを設けることによってダイヤフラムが形成される。このようなシリコンセンサは、例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第１９９５７５５６号明細書に開示されている。この場合、キャビティは例えば異方性のＫＯＨエッチングによって形成される。

発明の利点
これに対して請求項１の特徴部に記載の構成を有する本発明による圧力センサは、圧力センサの製作に関して簡単且つ廉価な構成を提案するという利点を有している。特に、本発明による圧力センサは高圧測定に役立ち、しかも、本発明による圧力センサは更に、高い過負荷安全性を有している。更に本発明では、圧力センサを低圧に関して使用することも可能である。これにより、本発明による圧力センサは、低圧から高圧（最高１０００ｂａｒ若しくは１０００ｂａｒ超）用のマイクロメカニカルセンサの廉価な製作が可能であるという利点を有している。これにより、大きな帯域幅の様々な圧力に関して使用可能な圧力センサを廉価に供給することが可能である。これにより、生産個数を増大させ且つコストを大幅に低下させることができる。更に、本発明による配置形式により、圧力媒体と評価回路との分離を生ぜしめることが可能である。特に有利には、第１の固定領域と第２の固定領域との間の結合部は圧力負荷しかされない。このことは、圧力を測定するためのダイヤフラム領域に作用する力作用が、第１の固定領域が第２の固定領域に向かって押圧されるという作用を有していることを意味する。

従属請求項に記載の手段によって、請求項１記載の圧力センサの有利な改良が可能である。

特に有利には、圧力センサエレメントは半導体から及び／又はバルクマイクロマシーニング法で製作されて設けられている。これにより、圧力センサエレメント延いては圧力センサを特に廉価に且つ確実に作動するように製作することが可能である。更に有利には、当該圧力センサは最高約１０００ｂａｒの高圧若しくは１０００ｂａｒ超の高圧用に規定されている。これにより、圧力センサは特に廉価に製作可能であり且つ広い圧力範囲において使用可能であるために、大量生産個数で製作可能である。更に有利には、固定部材はその温度膨張係数に関してセンサエレメントに適合されて設けられている。これにより、温度変動によっては僅かな応力しかセンサエレメントにもたらされないか、若しくは当該圧力センサは広い圧力範囲内で使用可能であるだけでなく、広範な温度においても使用することができるということが可能である。更に有利には、第１の固定領域と第２の固定領域との間に結合材料が設けられており、この結合材料は特に比較的柔らかに規定されている。これにより、温度変動に基づく機械的な応力もやはり良好に補償され得る。更に有利には、ダイヤフラム領域に抵抗素子が設けられている。これにより、簡単な手段によって廉価に広い圧力範囲の圧力を測定することが可能である。更に有利には、第１の固定領域と第２の固定領域との間の結合面が、ダイヤフラム平面に対して平行に、又は斜めに若しくは鋭角で設けられている。これにより、本発明による圧力センサの多様なバリエーションの可能性が得られる。更に有利には、固定部材の横断面が第２の固定領域に向かってテーパしている。これにより、センサチップを簡単にセンタリングして組み込むことが可能である。

実施例の説明
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。

図１には一般に汎用のマイクロメカニカルシリコン圧力センサの構成が示されている。シリコン基板１１０にはキャビティ１５２が設けられており、このキャビティ１５２にダイヤフラム（符号無し）が設けられている。シリコン基板１１０は、孔の設けられたガラス１５０と結合されており、このガラス１５０ははんだ１６０によってベース１２０にはんだ付けされている。ベース１２０は圧力接続管と一体に結合されている。更に、シリコン基板１１０の上面に位置する複数の測定抵抗（符号無し）が、１本又は複数本のボンディングワイヤ１３２を介してコネクタピン１３０に接続されており、これらのコネクタピン１３０はガラス化部材１３１によってベース１２０から電気的に分離されている。シリコン基板１１０のキャビティ１５２は、ほぼ載頭円錐形に成形された典型的なエッチング斜面を有している。これにより、台形の横断面が得られる。センサダイヤフラムの下位の前記の載頭円錐形の切欠きは、（１００）‐配向を有するシリコン基板を使用した場合に得られる。なぜならば、ＫＯＨエッチングは異なる結晶方向においてそれぞれ異なるエッチング率を有しているからである。公知の圧力センサの場合、圧力作用面として載頭円錐形の切欠きの最大横断面、即ちシリコン基板の裏面が基準となるということが欠点であると判った。これにより、大きな引張り力がガラス１５０及びはんだ１６０に作用する。これにより、従来技術におけるシリコンセンサは比較的低い破裂圧しか有していない。圧力センサは、しばしばバルクマイクロマシーニング法で製作され且つガラスに陽極接合される。裏面圧力負荷のために、センサは穿孔されたベースにはんだ付けされる。圧力負荷に際して、ガラス並びにシリコン‐ガラスの結合箇所及びガラス‐はんだ‐ベースの結合箇所が著しく引張り負荷されるので、１００ｂａｒ超の圧力負荷を実現することは難しい。比較的高い圧力に関しては、部分的に金属ダイヤフラムを使用する高価な構成コンセプト（例えば金属ダイヤフラムに設けられた薄膜、オイル供給部を備えたマイクロメカニカル圧力センサ等）が用いられる。

図２には本発明による圧力センサが示されている。特に半導体材料、この場合は特にシリコンから成る圧力センサエレメント１０は、表側にダイヤフラム領域１２を有している。このダイヤフラム領域１２の裏側では、圧力センサエレメント１０にエッチングされたキャビティ５２が形成されており、このキャビティ５２は、特にトレンチエッチング法によって裏側から圧力センサエレメント１０に設けられた。図２には符号１６で圧力センサエレメント１０のダイヤフラム領域１２に設けられた測定抵抗が示されている。但し、これらの測定抵抗は別の図面には簡略化のために図示していないが、一緒に考えられる。圧力センサエレメント１０は、図２では裏側に固定領域１４を有しており、この固定領域１４は、以下第１の固定領域１４と呼ぶ。圧力センサチップ１０、つまり圧力センサエレメント１０は、図２に示した実施例では特に側方の張出し部１７を有しているように製作され、この張出し部１７によって、圧力センサエレメント１０はベース２０内に若しくはベース２０に接して固定され得る。この固定形式の場合は、圧力負荷に際して圧縮応力しか発生しない。圧力負荷によって圧力センサエレメント１０に加えられる力は、図２に矢印と符号１１とで図示されている。

本発明による圧力センサを製作するためには、圧力センサエレメント１０がベース２０と結合される。このベース２０は、以下固定部材２０とも呼ぶ。固定部材２０もやはり、固定領域２２を特に上で述べた張出し部１７の領域に有している。固定領域２２は、以下第２の固定領域２２と呼ぶ。第１の固定領域１４と第２の固定領域２２との間には結合材料１５が設けられている。結合材料１５としては、例えばはんだ（金属、ガラス）又は接着剤が使用可能である。有利には、ベース２０はコバール材料から成っており、延いてはその熱膨張率は、圧力センサエレメント１０の材料の熱膨張率、つまりシリコンに適合されている。有利なベース材料のコバールは加工し難いので、ベース２０は有利には「メタルインジェクションモールディング」技術によって製作される。温度変動時の機械的な応力を吸収するために、結合材料１５は有利には比較的柔らかい。

図２では、本発明による圧力センサの１実施例が絶対圧センサとして示されている。この場合、真空密なキャップ４０が、圧力センサエレメント１０の表側を取り囲んで設けられている。ベース２０は、下側部分にやはり圧力接続管（符号無し）を有している。更に、圧力センサエレメント１０の上面に位置する測定抵抗１２は、１本又は複数本のボンディングワイヤ３２を介して１本又は複数本のコネクタピン３０と接続されており、これらのコネクタピン３０は、ガラス化部材３１によってベース２０から電気的に分離されている。キャップ４０は基準体積４１を包囲しており、この基準体積４１は例えば真空にされて設けられている。これにより、圧力センサエレメント１０の裏側、つまり圧力センサエレメント１０の基準体積４１とは反対の側に対する絶対圧が測定され得る。

図３には、本発明による圧力センサが相対圧センサとして示されている。圧力センサエレメント１０は、やはり第１の固定領域１４及びダイヤフラム領域１２を備えて図示されている。更に、ベース２０もやはり第２の固定領域２２を備えて図示されている。更に、第１の固定領域１４と第２の固定領域２２との間の結合材料１５及び圧力センサエレメント１０に加えられる押圧力１１若しくは力作用１１も図示されている。図３には符号４２によってプリント配線板が示されている。このプリント配線板４２と圧力センサエレメント１０との間の電気的な供給は、やはりボンディングワイヤ３２を介して実現されている。プリント配線板４２は、本発明ではハイブリッド４２として設けられていてもよい。

図４には、センサエレメント１０を製作するための様々な中間ステップが示されている。基板５０、特にセンサエレメント１０のための有利な材料としての半導体基板５０は、公知の方法に基づいて処理される。この場合、特にキャビティ５２が後の圧力センサエレメント１０の裏側にエッチングされる（図４ａ参照）。本発明では、特にトレンチエッチング法又は図１に関連して述べたようにＫＯＨエッチング法が用いられる。キャビティ５２をエッチングすることにより、後の圧力センサエレメント１０の表側の領域にダイヤフラム領域１２が生ぜしめられる。本発明の有利な構成では、キャビティ５２をエッチングする前に後の圧力センサエレメント１０の表側に圧電抵抗がダイヤフラムに形成され、場合によっては付加的に評価集積回路がダイヤフラムに隣接して基板５０に形成される。但し、図４には抵抗も評価回路も図示されていない。図４ｂには圧力センサエレメント１０を製作するための別のステップが示されている。表側からノッチ５４が実現される。図４ａ及び図４ｂは、それぞれダイヤフラム領域１２の断面に沿った本発明による圧力センサエレメント１０の側面図である。ノッチ５４は、本発明では特に高率トレンチエッチング等のエッチング技術によって、又は広幅のソーブレードによるソーイングによって製作される。ノッチの形状は、例えば正方形、丸形等であり、自由に選択可能である。図４ｃには、このようにして準備された若干数の後の圧力センサエレメント１０が示されており、この場合、ダイヤフラム領域１２が特に強調されている。

これらの準備段階に引き続いて、未だつながっている（図４ａ〜図４ｃ）圧力センサエレメント１０がそれぞれ個別化される。このことは、有利には極めて細いソーブレードを用いたソーイングによって行われる。このようにして得られた圧力センサエレメント１０（以下、圧力センサチップ１０若しくはセンサチップ１０とも呼ぶ）が、図２及び図３に示したベース２０に組み込まれる。

図５及び図６には、本発明による圧力センサの変化実施例が示されている。図５に示した第１の変化実施例として、センサチップ１０はノッチ無しで、つまり、図２に示した張出し部１７無しで組み込まれてよい。この場合、第１の固定領域１４は、センサチップ１０の表側でダイヤフラム領域１２に隣接した、当該センサチップ１０の縁部に位置している。この場合、ベースは有利には斜めに延びるガイドを有しており、このガイドは圧力センサチップ１０の中心組込みを容易にする。

図６に示した本発明による圧力センサの第２の変化実施例では、特別なソーブレードによって、傾斜したソーイング縁部を有するセンサチップが製作される。これにより、チップはセルフセンタリング式で組込み可能である。その結果、第１の固定領域１４と第２の固定領域２２との間の結合面は、センサチップ１０のダイヤフラム平面に対して傾斜されている、つまり鋭角を形成している。図２、図３及び図５では、前記結合面はセンサチップ１０のダイヤフラム平面に対して平行である。

本発明による圧力センサの両変化実施例では、ベース２０はそれぞれ裏側から見て、当該ベース２０の横断面が第２の固定領域２２に向かって先細になるように規定されている。これにより、前記の圧力センサチップ１０の中心組込みが可能になる。

従来技術に基づく公知のマイクロメカニカルシリコン圧力センサを示した図である。 絶対圧センサとしての本発明による圧力センサを示した図である。 相対圧センサとしての本発明による圧力センサを示した図である。 センサ素子を製作するための様々な中間ステップを示した図である。 本発明によるセンサの第１実施例を示した図である。 本発明によるセンサの第２実施例を示した図である。

Claims (10)

1. 圧力センサエレメント（１０）を備えた圧力センサであって、圧力センサエレメント（１０）がダイヤフラム領域（１２）と第１の固定領域（１４）とを有しており、測定しようとする圧力がダイヤフラム領域（１２）に力作用（１１）を及ぼすようになっており、圧力センサエレメント（１０）を固定するために、第１の固定領域（１４）が固定部材（２０）の第２の固定領域（２２）と結合されている形式のものにおいて、
   第１の固定領域（１４）と第２の固定領域（２２）とが、前記力作用（１１）によって圧力負荷されるようになっていることを特徴とする、圧力センサ。
2. 圧力センサエレメント（１０）が半導体材料（５０）から且つ／又はバルクマイクロマシーニング技術で製作されて設けられている、請求項１記載の圧力センサ。
3. 圧力センサが高圧、特に約１０００ｂａｒまでの圧力用に規定されている、請求項１又は２記載の圧力センサ。
4. 圧力センサが１０００ｂａｒ超の圧力用に規定されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の圧力センサ。
5. 固定部材（２０）が、温度膨張係数に関してセンサエレメント（１０）に適合されて設けられている、請求項１から４までのいずれか１項記載の圧力センサ。
6. 第１の固定領域（１４）と第２の固定領域との間に結合材料（１５）が設けられており、該結合材料（１５）が特に比較的柔らかく規定されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の圧力センサ。
7. ダイヤフラム領域（１２）に抵抗素子（１６）が設けられている、請求項１から６までのいずれか１項記載の圧力センサ。
8. 第１の固定領域（１４）と第２の固定領域（２２）との間の結合面が、ダイヤフラム平面に対して平行に設けられている、請求項１から７までのいずれか１項記載の圧力センサ。
9. 第１の固定領域（１４）と第２の固定領域（２２）との間の結合面が、ダイヤフラム平面に対して鋭角で設けられている、請求項１から８までのいずれか１項記載の圧力センサ。
10. 固定部材（２０）の横断面が第２の固定領域（２２）に向かってテーパしている、請求項１から９までのいずれか１項記載の圧力センサ。

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