JP2008064526A - 圧力センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属製のダイアフラムを有するステムの当該ダイアフラム上に半導体よりなるセンサチップを固定してなる圧力センサにおいて、ガラス接合を用いることなく、適切にセンサチップをダイアフラムに固定する。
【解決手段】センサチップ２０におけるダイアフラム１１と対向する面に、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕなどの金属を蒸着やメッキにて成膜してなる金属膜３０を設け、この金属膜３０およびダイアフラム１１を構成する金属同士の接合により、センサチップ２０とダイアフラム１１とを固定している。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属製のダイアフラムを有するステムの当該ダイアフラム上にセンサチップを固定してなる圧力センサおよびその製造方法に関する。

従来より、この種の圧力センサとしては、圧力の印加により歪む金属製のダイアフラムを有するステムと、このステムのダイアフラム上に固定されダイアフラムの歪みに応じた電気信号を出力する半導体よりなるセンサチップとを備えるものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

このような圧力センサは、一般的に次のようにして製造される。すなわち、ステムのダイアフラム上に、低融点ガラスを印刷により配置し、この低融点ガラスの上にセンサチップを搭載した後、当該ガラスを焼成して硬化させる。それによって、センサチップとダイアフラムとが当該ガラスを介したガラス接合によって固定される。こうして、圧力センサができあがる。
特開２００１−３４３３００号公報

しかしながら、従来の圧力センサでは、体格の小型化の要請に伴い、センサチップがますます小型化されていく（たとえば□１．７ｍｍ）のに対して、センサチップを接合する低融点ガラスは印刷により配置しているため、センサチップと同程度まで小型化することが困難になっている。現状では、低融点ガラスの面積としては、φ３．１ｍｍ程度が小型化の限界である。

そのため、低融点ガラスとその上に配置されるセンサチップとの大きさの差が広がり、センサチップを低融点ガラス上に搭載したときに、未硬化の低融点ガラスの持つ流動性によってセンサチップの位置がずれてしまい、センサチップを低融点ガラスの中心に配置することが難しくなっている。

また、低融点ガラスを用いてダイアフラム上にセンサチップを貼り付ける工程では、当該ガラスを焼成して硬化させることが必要であり、工程に要する時間が長くなるという問題もある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、金属製のダイアフラムを有するステムの当該ダイアフラム上にセンサチップを固定してなる圧力センサにおいて、ガラス接合を用いることなく、適切にセンサチップをダイアフラムに固定できるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、半導体よりなるセンサチップ（２０）におけるダイアフラム（１１）と対向する面に、金属よりなる金属膜（３０）を設け、この金属膜（３０）およびダイアフラム（１１）を構成する金属同士の接合により、センサチップ（２０）とダイアフラム（１１）とを固定したことを、第１の特徴とする。

それによれば、ガラス接合を用いることなく、適切にセンサチップ（２０）をダイアフラム（１１）に固定できる。

この場合、金属膜（３０）は、センサチップ（２０）に蒸着により形成されたものにできる。また、金属膜（３０）は、センサチップ（２０）にメッキにより形成されたものにできる。また、金属膜（３０）は、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕから選択されたものにできる。

また、金属膜（３０）をセンサチップ（２０）よりも薄いものにすれば、センサチップ（２０）の感度を良好に確保する上で好ましい。

また、金属膜（３０）の端面およびセンサチップ（２０）の端面を、電気絶縁性材料よりなる絶縁部材（４０）で被覆すれば、センサチップ（２０）の端面での応力集中を緩和することができる。

また、本発明は、センサチップ（２０）におけるダイアフラム（１１）と対向する面に金属よりなる金属膜（３０）を形成し、金属膜（３０）を介して、センサチップ（２０）をダイアフラム（１１）上に搭載し、続いて、金属膜（３０）とダイアフラム（１１）とを超音波接合することにより、センサチップ（２０）とダイアフラム（１１）とを固定することを、第２の特徴とする。この圧力センサの製造方法によれば、上記第１の特徴を有する圧力センサを適切に製造することができる。

また、この第２の特徴を有する製造方法においては、金属膜（３０）を蒸着により形成してもよいし、金属膜（３０）をメッキにより形成してもよいし、金属膜（３０）の材料としてＡｕ、Ａｌ、Ｃｕから選択されたものを用いてもよい。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る圧力センサ１００の概略断面構成を示す図であり、また、図２は、図１中の圧力センサ１００を上方からみたときの概略平面構成を示す図である。

ステム１０は、圧力の印加により歪む金属製のダイアフラム１１を有する。本実施形態においては、ステム１０は、内部に中空部を有する有底筒状をなしている。そして、このステム１０の一端側の閉塞部は、薄肉部であるダイアフラム１１として構成されており、一方、ステム１０の他端側は、ステム１０の中空部へ圧力を導入するための開口部１２として構成されている。

このようなステム１０は、鉄系金属よりなるものであるが、より具体的にはＦｅ、Ｎｉ、ＣｏまたはＦｅ、Ｎｉを主体とし、析出強化材料としてＴｉ、Ｎｂ、Ａｌまたは、Ｔｉ、Ｎｂが加えられた金属材料よりなる。そして、ステム１０は、これらの金属材料を用いて、プレス加工、切削加工や冷間鍛造等を行うことにより形成されている。

このようなステム１０においては、被測定物からの圧力すなわち被測定圧力は、ステム１０の開口部１２からステム１０の中空部に導入されダイアフラム１１の裏面に印加される。すると、導入された被測定圧力の大きさに応じて、ダイアフラム１１が歪むようになっている。

そして、ステム１０におけるダイアフラム１１の表面には、センサチップ２０が固定されている。このセンサチップ２０は、半導体よりなる板状のものであり、ダイアフラム１１の歪みに応じた電気信号を出力するものである。

具体的には、センサチップ２０は、上記した圧力印加によるダイアフラム１１の変形に応じてセンサチップ２０も歪み、その歪みに応じた電気信号を出力する歪みゲージとして機能するものである。

たとえば、センサチップ２０としては、単結晶Ｓｉ（シリコン）等の半導体チップからなるものであって、ブリッジ回路を有し、ステム１０の開口部１２から導入された圧力によってダイアフラム１１が変形したとき、この変形に応じた抵抗値変化を電気信号に変換して出力するものにできる。そして、これらダイアフラム１１およびセンサチップ２０が、圧力センサ１００の基本性能を左右する。

ここで、本実施形態では、センサチップ２０におけるダイアフラム１１と対向する面に金属よりなる金属膜３０が設けられている。この金属膜３０は、その平面形状はセンサチップ２０と同一形状であり、図２では、金属膜３０はセンサチップ２０と重なった形となるため、符号を省略してある。

そして、この金属膜３０とダイアフラム１１とが接触するとともに、これら金属膜３０およびダイアフラム１１を構成する金属同士の接合により、センサチップ２０とダイアフラム１１とが固定されている。本実施形態では、金属膜３０およびダイアフラム１１を構成する金属同士の接合は、超音波接合により行われている。

この金属膜３０は、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕなどから選択されたものであり、これらの材質を用いてＣＶＤなどの一般的な蒸着法や電気メッキ、無電解メッキなどの一般的なメッキ法により、センサチップ２０に成膜されたものである。なお、金属膜３０を形成する方法としては、スパッタでもよいが、このスパッタの成膜によるセンサチップ２０へのダメージを極力防止することを考慮した場合、蒸着やメッキにより金属膜３０を形成することが望ましい。

また、本実施形態では、金属膜３０の膜厚をセンサチップ２０の板厚よりも小さいものとしている。上述したように、センサチップ２０はダイアフラム１１からの歪みを受け、ダイアフラム１１の歪みに応じた電気信号を出力するが、金属膜３０があまり厚いとセンサチップ２０の感度が低下する。

その点、金属膜３０をセンサチップ２０よりも薄いものとすれば、センサチップ２０の感度を良好に確保する上で好ましい。ここで、限定するものではないが、各部寸法の具体的な一例を挙げると、センサチップ２０の厚さは３００μｍ程度であり、金属膜３０の膜厚は数μｍ程度である。なお、ダイアフラム１１の厚さは３００μｍ〜５００μｍ程度である。

また、本実施形態の圧力センサ１００においては、図示しないけれども、センサチップ２０は、ワイヤボンディングなどの接続手段によって外部の回路などと電気的に接続された形となっている。それによって、センサチップ２０からの電気信号は、外部に取り出されるようになっている。

かかる圧力センサ１００の製造方法について、図３を参照して述べる。図３は、本製造方法を示す工程図であり、各工程におけるワークを断面的に示したものである。まず、図３（ａ）に示されるように、ダイアフラム１１および開口部１２が形成されたステム１０を用意する。

一方で、センサチップ２０におけるダイアフラム１１と対向する面に金属膜３０を形成しておく。この金属膜３０の形成は、上記したＡｕ、Ａｌ、Ｃｕなどを用いた蒸着やメッキなどにより行うことができる。

そして、図３（ｂ）に示されるように、金属膜３０を介してセンサチップ２０をダイアフラム１１上に搭載する。このとき、本実施形態においては、従来の低融点ガラスの場合のように、未硬化の低融点ガラスの流動性によってセンサチップ２０の位置ずれが起こるというような不具合は、発生せず、ダイアフラム１１に対して位置精度に優れた搭載が可能となる。

続いて、図３（ｃ）に示されるように、金属膜３０およびダイアフラム１１を構成する金属同士の接合を行わせることにより、センサチップ２０とダイアフラム１１とを固定する。ここでは、金属膜３０とダイアフラム１１とを超音波接合することにより、上記金属同士の接合を実現する。

この超音波接合は、一般的な超音波接合装置により行える。具体的には、図３（ｃ）に示されるように、超音波接合装置のボンディングツールＫによって、センサチップ２０を、金属膜３０を介してダイアフラム１１に押しつける。

この状態で、センサチップ２０を加圧しながらセンサチップ２０に超音波を印加することにより、金属膜３０とダイアフラム１１とが接合される。この接合の終了後、必要に応じて、センサチップ２０と外部回路とのワイヤボンディングなどによる電気的な接続を行う。このようにして、図３（ｄ）に示されるように、本実施形態の圧力センサ１００ができあがる。

ところで、本実施形態によれば、センサチップ２０におけるダイアフラム１１と対向する面に金属膜３０を設け、この金属膜３０およびダイアフラム１１を構成する金属同士（たとえば鉄と金）を超音波接合させているため、従来のようなガラス接合を用いることなく、適切にセンサチップ２０をダイアフラム１１に固定できる。

その結果、上記製造方法においても述べたように、従来のガラス接合により発生していたセンサチップ２０の位置ずれと言った問題を回避することができ、センサチップ２０の搭載における位置精度が向上する。また、従来のガラス接合の場合に比べて、工程時間の短縮も図れる。

（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態に係る圧力センサ２００の概略断面構成を示す図であり、図５は、図４中の圧力センサ２００を上方からみたときの概略平面図である。ここでは、上記第１実施形態との相違点を中心に述べる。

本実施形態の圧力センサ２００においては、図４、図５に示されるように、金属膜３０の端面およびセンサチップ２０の端面が、電気絶縁性材料よりなる絶縁部材４０で被覆されている。

この絶縁部材４０は、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂などの樹脂や絶縁性のガラスなどよりなる。そして、絶縁部材４０は、センサチップ２０をダイアフラム１１へ接合した後に、上記したような材料を用いて、ポッティングや印刷法などの手法により塗布されて配置される。

なお、図示例では、絶縁部材４０は、センサチップ２０の端部の全周に連続して設けられているが、センサチップ２０の端部の一部に設けたり、当該端部の周囲に断続的に設けたりするなどの配置構成としてもよい。

この絶縁部材４０を設けることにより、センサチップ２０の端部において、センサチップ２０の端面とダイアフラム１１とのなす角部が、絶縁部材４０によって見かけ上、無くなった状態となる。そして、センサチップ２０の端部において、テーパ状もしくフィレット状のなだらかな形状が実現されている（図４参照）。

本実施形態によれば、上記第１実施形態と同様の作用効果を奏することに加えて、絶縁部材４０がセンサチップ２０の端面で応力を拡散するため、当該端面の応力集中を緩和することができる。

（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、ステム１０はダイアフラム１１が一体に成形されたものであったが、ステム１０としては、たとえば本体とダイアフラムとが溶接などで接合された別体のものであってもよい。また、ステム１０はダイアフラム１１を備えていればよく、その構成などは上記図示例のものに限定されるものではない。また、センサチップ２０も、上記したブリッジ回路を有するものに限定されるものではない。

また、金属膜３０およびダイアフラム１１を構成する金属同士の接合については、当該金属同士の接合がなされるものであればよく、上記した超音波接合に以外の接合方法で行ってもよい。

また、上記各図に示した例では、金属膜３０はセンサチップ２０におけるダイアフラム１１と対向する面の全域に設けられていたが、この金属膜３０を介したセンサチップ２０とダイアフラム１１との固定が確保されるならば、金属膜３０は、当該センサチップ２０の面の一部に設けられたものでもよい。

本発明の第１実施形態に係る圧力センサの概略断面図である。 図１中の圧力センサの上視概略平面図である。 第１実施形態に係る圧力センサの製造方法を示す工程図である。 本発明の第２実施形態に係る圧力センサの概略断面図である。 図４中の圧力センサの上視概略平面図である。

符号の説明

１０…ステム、１１…ダイアフラム、２０…センサチップ、３０…金属膜、
４０…絶縁部材。

Claims (10)

1. 圧力の印加により歪む金属製のダイアフラム（１１）を有するステム（１０）と、
   前記ダイアフラム（１１）上に固定され前記ダイアフラム（１１）の歪みに応じた電気信号を出力する半導体よりなるセンサチップ（２０）とを備える圧力センサにおいて、
   前記センサチップ（２０）における前記ダイアフラム（１１）と対向する面に金属よりなる金属膜（３０）が設けられており、この金属膜（３０）および前記ダイアフラム（１１）を構成する金属同士の接合により、前記センサチップ（２０）と前記ダイアフラム（１１）とが固定されていることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記金属膜（３０）は前記センサチップ（２０）に蒸着により形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記金属膜（３０）は前記センサチップ（２０）にメッキにより形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
4. 前記金属膜（３０）は前記センサチップ（２０）よりも薄いものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の圧力センサ。
5. 前記金属膜（３０）の端面および前記センサチップ（２０）の端面は、電気絶縁性材料よりなる絶縁部材（４０）で被覆されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の圧力センサ。
6. 前記金属膜（３０）はＡｕ、Ａｌ、Ｃｕから選択されたものであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の圧力センサ。
7. 圧力の印加により歪む金属製のダイアフラム（１１）を有するステム（１０）における前記ダイアフラム（１１）上に、前記ダイアフラム（１１）の歪みに応じた電気信号を出力する半導体よりなるセンサチップ（２０）を固定する圧力センサの製造方法において、
   前記センサチップ（２０）における前記ダイアフラム（１１）と対向する面に金属よりなる金属膜（３０）を形成し、
   前記金属膜（３０）を介して、前記センサチップ（２０）を前記ダイアフラム（１１）上に搭載し、
   続いて、前記金属膜（３０）と前記ダイアフラム（１１）とを超音波接合することにより、前記センサチップ（２０）と前記ダイアフラム（１１）とを固定することを特徴とする圧力センサの製造方法。
8. 前記金属膜（３０）を蒸着により形成することを特徴とする請求項７に記載の圧力センサの製造方法。
9. 前記金属膜（３０）をメッキにより形成することを特徴とする請求項７に記載の圧力センサの製造方法。
10. 前記金属膜（３０）の材料としてＡｕ、Ａｌ、Ｃｕから選択されたものを用いることを特徴とする請求項７ないし９のいずれか１つに記載の圧力センサの製造方法。

Images