JP2008185460A - Pressure sensor and manufacturing method therefor - Google Patents
Pressure sensor and manufacturing method therefor Download PDFInfo
- Publication number
- JP2008185460A JP2008185460A JP2007019316A JP2007019316A JP2008185460A JP 2008185460 A JP2008185460 A JP 2008185460A JP 2007019316 A JP2007019316 A JP 2007019316A JP 2007019316 A JP2007019316 A JP 2007019316A JP 2008185460 A JP2008185460 A JP 2008185460A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- pressure
- diaphragm
- sensor chip
- metal stem
- back surface
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
- Pressure Sensors (AREA)
Abstract
Description
本発明は、メタルダイアフラムが形成されたステムの上に歪ゲージが形成されたセンサチップを搭載した圧力センサおよびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a pressure sensor including a sensor chip in which a strain gauge is formed on a stem in which a metal diaphragm is formed, and a manufacturing method thereof.
従来、圧力センサとして、例えば、特許文献1において、ダイアフラムが形成された金属ステム上に歪みゲージを形成したシリコンチップからなるセンサチップを低融点ガラスで接合し、圧力センサを検出できるようにしたものがある。この圧力センサでは、ダイアフラムを金属で構成することにより、高い耐圧力を実現している。
しかしながら、上記圧力センサでは、熱応力抑制のために、センサチップに用いられるシリコンチップと熱膨張係数が近いコバールなどの材料を用いる必要がある。このようなコバールなどの材料は、一般的なSUSなどと比べて加工性が悪いし、高価である。さらに、金属ステムが収容されるハウジングを構成する金属と異種材料となるため、金属ステムをハウジングに溶接により接合することができなかった。 However, in the pressure sensor, it is necessary to use a material such as Kovar having a thermal expansion coefficient close to that of the silicon chip used for the sensor chip in order to suppress thermal stress. Such a material such as Kovar is poor in workability and expensive compared with general SUS and the like. Further, since the metal stem is made of a different material from the metal constituting the housing in which the metal stem is accommodated, the metal stem cannot be joined to the housing by welding.
また、センサチップをダイアフラムに接合する接合工程における焼結時に、溶融した低融点ガラスが流動するため、その上に搭載したセンサチップが動いてしまう。このため、圧力検出の精度を確保するために、ダイアフラム径を大きくしなければならず、金属ステムの小型化を阻害するという問題もある。 Further, during the sintering in the joining process for joining the sensor chip to the diaphragm, the molten low melting point glass flows, so that the sensor chip mounted thereon moves. For this reason, in order to ensure the accuracy of pressure detection, the diameter of the diaphragm must be increased, and there is a problem that the metal stem is prevented from being miniaturized.
本発明は上記点に鑑みて、金属ステムとセンサチップとを低融点ガラスを用いないで接合できるようにし、金属ステムをコバールではない材料で構成できるようにすることを第1の目的とする。また、金属ステムをハウジングと同じ材料の金属で構成できるようにすることを第2の目的とする。 In view of the above points, the first object of the present invention is to enable a metal stem and a sensor chip to be joined without using low-melting glass, and to allow the metal stem to be made of a material other than Kovar. A second object is to allow the metal stem to be made of the same material as the housing.
上記目的を達成するため、本発明では、金属ステムにおけるダイアフラムの表面とセンサチップの裏面とが直接接合されていることを特徴としている。 In order to achieve the above object, the present invention is characterized in that the surface of the diaphragm in the metal stem and the back surface of the sensor chip are directly joined.
このように、センサチップの裏面をダイアフラムの表面に直接接合している。このため、センサチップをダイアフラムに対して低融点ガラスを用いて接合しなくても済み、低融点ガラスを用いる従来の構造のように、金属ステムをコバール等で構成する必要が無くなる。このため、コバール等と比べて加工が容易で、かつ、安価な材料、例えばSUS等により金属ステムを構成することが可能となる。 Thus, the back surface of the sensor chip is directly joined to the surface of the diaphragm. For this reason, it is not necessary to bond the sensor chip to the diaphragm using the low melting point glass, and there is no need to configure the metal stem with Kovar or the like as in the conventional structure using the low melting point glass. For this reason, it is easy to process compared to Kovar or the like, and it is possible to configure the metal stem with an inexpensive material such as SUS.
例えば、ダイアフラムの表面およびセンサチップの裏面を活性化することで直接接合することが可能となる。 For example, it becomes possible to directly bond the surface of the diaphragm and the back surface of the sensor chip by activating them.
また、この場合、金属ステムにおけるダイアフラムの厚み(L1)とセンサチップの厚み(L2)とが同じとなるようにすると好ましい。センサチップやダイアフラムが製造時や圧力印加時などにおいて熱膨張・熱収縮する際に、これらの一方に圧縮応力が掛かり、他方に引っ張り応力が掛かることになるが、センサチップの厚みをダイアフラムの厚みと同じにすると、Siのヤング率と金属ステムを構成する材料のヤング率とがほぼ同等であれば、これらの境界部が応力中立点となる。したがって、センサチップとダイアフラムの境界部に加わる応力を軽減することが可能となり、センサチップとダイアフラムとの接合面の耐久性・信頼性を向上させることができる。 In this case, it is preferable that the thickness (L1) of the diaphragm in the metal stem and the thickness (L2) of the sensor chip are the same. When a sensor chip or diaphragm undergoes thermal expansion or contraction during manufacturing or when pressure is applied, one of these will be subject to compressive stress and the other will be subject to tensile stress. The sensor chip thickness is the thickness of the diaphragm. If the Si Young's modulus and the Young's modulus of the material constituting the metal stem are substantially equal, these boundary portions become stress neutral points. Therefore, the stress applied to the boundary between the sensor chip and the diaphragm can be reduced, and the durability and reliability of the joint surface between the sensor chip and the diaphragm can be improved.
また、センサチップは、シリコン層(36a)と支持基板(36b)とが絶縁膜(36c)を介して貼り合わされたSOI基板(36)により構成することができ、シリコン層に形成された歪みゲージ(32)にてセンシング部を構成し、支持基板の裏面を活性化することで、ダイアフラムの表面に直接接合することが可能となる。この場合、センサチップを構成するSOI基板は、歪みゲージを絶縁膜(36d)にて囲み、シリコン層のうち歪みゲージを除く部分を除去したメサ構造とされても良い。 The sensor chip can be constituted by an SOI substrate (36) in which a silicon layer (36a) and a support substrate (36b) are bonded together via an insulating film (36c), and a strain gauge formed on the silicon layer. By configuring the sensing unit at (32) and activating the back surface of the support substrate, it is possible to directly bond to the surface of the diaphragm. In this case, the SOI substrate constituting the sensor chip may have a mesa structure in which a strain gauge is surrounded by an insulating film (36d) and a portion of the silicon layer excluding the strain gauge is removed.
また、支持基板を構成する材料は、その熱膨張係数が金属ステムを構成する材料の熱膨張係数とシリコンの熱膨張係数との間に位置する材料であると好ましい。 The material constituting the support substrate is preferably a material whose thermal expansion coefficient is located between the thermal expansion coefficient of the material constituting the metal stem and the thermal expansion coefficient of silicon.
このように、支持基板の熱膨張係数がSiの熱膨張係数と金属ステムの材料の熱膨張係数の間となるようにすると、支持基板を介することで、発生する応力がダイアフラムと支持基板の接合面の間や支持基板とSi層の間に段階的に分散される。したがって、よりセンサチップとダイアフラムとの接合面の耐久性・信頼性を向上させることが可能となる。 As described above, when the thermal expansion coefficient of the support substrate is between the thermal expansion coefficient of Si and the material of the metal stem, the stress generated by the support substrate is bonded to the diaphragm and the support substrate. It is dispersed stepwise between the surfaces and between the support substrate and the Si layer. Therefore, it is possible to further improve the durability and reliability of the joint surface between the sensor chip and the diaphragm.
また、支持基板を絶縁体で構成すれば、センサチップと金属ステムの間に電位差を発生させることで、センサチップの裏面およびダイアフラムの表面の間に静電引力を発生させることができ、表面の活性化に加えて静電引力を利用した接合にできる。したがって、よりセンサチップとダイアフラムとの接合面の接合時の安定性(歩留まり)を向上させることが可能となる。 Further, if the support substrate is made of an insulator, an electrostatic potential can be generated between the back surface of the sensor chip and the surface of the diaphragm by generating a potential difference between the sensor chip and the metal stem. In addition to activation, bonding using electrostatic attraction can be achieved. Therefore, the stability (yield) at the time of joining of the joint surfaces of the sensor chip and the diaphragm can be further improved.
また、センサチップの裏面の角部をテーパ状の鈍角にすると好ましい。このような形状にすると、センサチップの裏面の角部で集中し易い応力を分散することが可能となる。したがって、センサチップとダイアフラムとの接合面の耐久性・信頼性を向上させることができる。 Moreover, it is preferable to make the corner | angular part of the back surface of a sensor chip into a taper obtuse angle. With such a shape, it is possible to disperse stress that tends to concentrate at the corners on the back surface of the sensor chip. Therefore, the durability and reliability of the joint surface between the sensor chip and the diaphragm can be improved.
また、センサチップを単結晶シリコン(31)にて構成する場合、単結晶シリコンの裏面とダイアフラムの表面との間に絶縁膜(24、37)を配置することができる。この場合にも、センサチップと金属ステムの間に電位差を発生させることで、センサチップの裏面およびダイアフラムの表面の間に静電引力を発生させることができ、表面の活性化に加えて静電引力を利用した接合にできる。したがって、よりセンサチップとダイアフラムとの接合面の接合時の安定性(歩留まり)を向上させることが可能となる。 When the sensor chip is composed of single crystal silicon (31), insulating films (24, 37) can be disposed between the back surface of the single crystal silicon and the surface of the diaphragm. In this case as well, by generating a potential difference between the sensor chip and the metal stem, an electrostatic attractive force can be generated between the back surface of the sensor chip and the surface of the diaphragm. Can be joined using attractive force. Therefore, the stability (yield) at the time of joining of the joint surfaces of the sensor chip and the diaphragm can be further improved.
なお、ここでは、本発明を物の発明として把握した場合を示したが、本発明を方法の発明として把握することも可能である。 In addition, although the case where this invention was grasped | ascertained as a product invention was shown here, this invention can also be grasped | ascertained as a method invention.
また、上記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ものである。 Moreover, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
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、図中、同一符号を付してある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, the same or equivalent parts are denoted by the same reference numerals in the drawings.
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態について説明する。図1は、本発明の第1実施形態に係る圧力センサ100の全体断面構成を示した図である。図2は、図1中の丸で囲んだA部、具体的には金属ステム20およびセンサチップ30の拡大断面図である。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a diagram showing an overall cross-sectional configuration of a
圧力センサ100は、例えば、自動車の燃料噴射系(例えばコモンレール)における燃料パイプ(図示せず)に取り付けられ、この燃料パイプ内の圧力媒体としての燃料の圧力を検出するために用いられる。
The
図1に示されるように、圧力センサ100には、ハウジング10が備えられている。このハウジング10は、上記燃料パイプに直接取り付けられるもので、その外周面には取付用のネジ11が形成されている。また、ハウジング10の内部には、圧力導入通路12が形成されている。圧力導入通路12は、ハウジング10が上記燃料パイプに取り付けられた状態で上記燃料パイプ内と連通し、一端側(図1中の下方側)から検出対象となる圧力媒体が導入されるようになっている。
As shown in FIG. 1, the
ここで、ハウジング10の材質としては、耐食性を有するSUS(例えば、SUS430、SUS304、SUS630等)を採用することができる。その他、耐食性と高強度を合わせもつ炭素鋼(例えばS15C等)に耐食性を上げるZnめっきを施したものや、耐食性を有するXM7等をハウジング10の材質として用いることもできる。
Here, as a material of the
ハウジング10の圧力導入通路12内には、中空段付円筒形状を成す金属ステム20が配置されている。金属ステム20は、一端側に薄肉状をなす圧力検出用のダイアフラム(本発明でいう検出部)21を有し、他端側にこのダイアフラム21へ圧力を導くための開口部22を有している。また、金属ステム20の外周面のうち軸方向の途中部位には、テーパ状に拡径した段部23が形成されている。
A
一方、上記ハウジング10の圧力導入通路12は、金属ステム20の外形に対応した形状を有する段付内孔として構成されており、その一端側(圧力導入側)の内径よりも他端側の内径の方が縮小されている。これにより、圧力導入通路12の内面において、金属ステム20の段部23に対応したテーパ形状の座面13が形成されている。
On the other hand, the
さらに、圧力導入通路12のうち座面13よりも圧力導入側において、金属ステム20の外径と同等の径とされ、かつ、圧力導入通路12における圧力導入側の内径よりも縮径されたステム配置部14が構成されている。ステム配置部14における圧力導入側の端部14aは、金属ステム20における開口部22側の端部と面一とされており、ステム配置部14の端部14aと金属ステム20の端部が全域溶接された溶接部15とされることで、金属ステム20がステム配置部14に固定されている。金属ステム20は、段部23が座面13側に押し付けられた状態で溶接されているため、溶接後にも段部23を座面13側に押し付ける力が作用している。
Further, the
このように、互いに密着する段部23と座面13とによりシール部Kを形成し、金属ステム20とハウジング10との間、具体的には金属ステム20の外周面と圧力導入通路12の内面の間をシールしている。そして、このシールは、金属ステム20の段部23が、ハウジング10における圧力導入通路12内の座面13に対して、金属ステム20の他端側から一端側へ向かって押し付けられることで為されている。このため、金属ステム20の外周面をハウジング10に押し付ける力、即ち段部23を座面13に押し付ける力の向きと、圧力が圧力導入通路12へ導入されたときに金属ステム20に加わる圧力の向きとが同じになる。そのため、印加圧力によって押し付け力が増加する構成となる。
In this way, the seal portion K is formed by the stepped
従って、金属ステム20の外周面(段部23)をハウジング10(座面13)に当接して押し付けることにより形成されたシール部Kの面圧が、圧力検出時には上昇することにより、当該シール部Kの面圧の低下を防止することができる。そして、検出する圧力が高くなるほど、シール部Kの面圧が上昇し、シール性が向上するという好ましい作用を発揮する。
Accordingly, the surface pressure of the seal portion K formed by abutting and pressing the outer peripheral surface (step portion 23) of the
また、金属ステム20のダイアフラム21の表面には、単結晶Si(シリコン)からなるセンサチップ30が直接接合により接合されている。このように、金属ステム20にはSiを主材料とするセンサチップ30が接合されるため、金属ステム20の材料は、Siと近いヤング率であることを考慮して選定してある。さらに、金属ステム20の材料には、超高圧を受けることから高強度であること、加工が容易であること、ハウジング10との溶接が行えるようにハウジング10と同じ材料であること等を考慮する必要もある。このため、本実施形態では、金属ステム20の材料として、ハウジング10の材料と同じSUSを用いている。
A
センサチップ30は、開口部22から金属ステム20内部に導入された圧力をダイアフラム21へ導き、当該圧力によってダイアフラム21が変形したときに発生する歪みを検出する歪みゲージとして機能するものである。
The
図2に示すように、センサチップ30は、単結晶Si31と、歪みゲージ32と、絶縁膜33と、配線部34および配線部34を覆う保護膜35を有して構成されている。歪みゲージ32は、センシング部を構成するもので、単結晶Si31の表層部に形成され、例えばホイートストンブリッジ状に並べられた不純物層にて構成されている。絶縁膜33は、単結晶Si31を覆いつつ、コンタクトホール33aを通じて歪みゲージ32の所望位置を露出させる。配線部34は、歪みゲージ32の所望位置と電気的に接続される。保護膜35は、配線部34を覆い、パッド部となる領域において配線部34を露出させている。このように構成されたセンサチップ30が、その裏面側、つまり歪みゲージ32等が形成された表面とは反対側において、ダイアフラム21に接合されている。
As shown in FIG. 2, the
また、ハウジング10における圧力導入通路12の他端側からは、金属ステム20のダイアフラム21が突出しており、このダイアフラム21の外周には、セラミック基板50がハウジング10に接着等により配設されている。該基板50には、センサチップ30の出力を増幅するアンプICチップや特性調整ICチップ等のICチップ52が接着剤にて固定されている。
Further, a
これらICチップ52は、ワイヤボンディングにより形成されたアルミニウムの細線54によって、セラミック基板50の導体(配線部)と接続されている。また、コネクタターミナル60へ電気的接続するためのピン56が銀ろうにてセラミック基板50の上記導体と接合されている。
These IC chips 52 are connected to conductors (wiring portions) of the
コネクタターミナル60は、ターミナル62が樹脂64にインサート成形により構成されたアッシーである。ターミナル62とセラミック基板50とはピン56にレーザ溶接により接合されている。また、コネクタターミナル60は、コネクタケース70とハウジング10との間に固定保持され、ターミナル62は自動車のECU等へ配線部材を介して電気的に接続可能となっている。
The
コネクタケース70は、コネクタターミナル60の外形を成すもので、Oリング80を介して組付けられたハウジング10と一体化してパッケージを構成し、該パッケージ内部のセンサチップ30、各種IC、電気的接続部を湿気・機械的外力より保護するものである。コネクタケース70の材質は、加水分解性の高いPPS(ポリフェニレンサルファイド)等を採用できる。
The
かかる構成を有する圧力センサ100の組付方法について、図3および図4を参照して説明する。図3は、上記図1に対応した断面にて、組付前の各部品の分解状態を示す図であり、基本的には、各部品が図3中の一点鎖線に沿って組み付けられるようになっている。図4は、センサチップ30を金属ステム20に直接接合する様子を示した図である。
A method for assembling the
まず、センサチップ30を金属ステム20に直接接合する。具体的には、図4に示すように、センサチップ30の裏面と金属ステム20のダイアフラム21の表面を必要に応じて洗浄したのち、真空チャンバ101内において、挟持装置102にてセンサチップ30を挟持する。そして、バキュームポンプ103にて真空引きしたのち、センサチップ30の裏面と金属ステム20のダイアフラム21の表面に対してビーム照射器104にてアルゴン高速ビームを照射する。これにより、センサチップ30の裏面とダイアフラム21の表面が活性化され、他の原子と反応し易い結合手が露出した状態となる。その後、挟持装置102を移動させ、センサチップ30の裏面をダイアフラム21の表面に接合する。
First, the
通常、表面が活性化されてもセンサチップ30の裏面やダイアフラム21の表面は酸化膜や水分子などによって覆われてしまうため、センサチップ30の裏面とダイアフラム21の表面とを接合しようとしても、高い結合力は望めない。しかしながら、真空チャンバ101内においては、表面を活性化したときにセンサチップ30の裏面やダイアフラム21の表面を覆う分子が存在しないため、表面が活性化されることで他の原子と反応し易い結合手が露出したままの状態を維持でき、センサチップ30の裏面をダイアフラム21の表面を接合するとき、原子間の化学反応を促進して高い結合力を発揮させることが可能となる。このような直接接合は、常温(低温)直接接合と呼ばれるもので、加熱工程を行わなくても良く、例えば室温のままセンサチップ30をダイアフラム21に接合することが可能となる。
Normally, even if the surface is activated, the back surface of the
なお、ここではアルゴン高速ビームを用いる場合について説明したが、センサチップ30の裏面やダイアフラム21の表面の表層部を除去できればよく、アルゴンとは異なるイオンビーム、さらにはプラズマ(O2プラズマやN2プラズマ)などによるスパッタエッチングを用いることができる。
Although the case where an argon high-speed beam is used has been described here, it is only necessary to remove the surface layer portion of the back surface of the
このようにセンサチップ30を結合した金属ステム20を、その一端側(ダイアフラム21側)から、ハウジング10の圧力導入通路12の一端側(圧力導入側)へ挿入する。そして、金属ステム20を圧力導入通路12におけるステム配置部14まで挿入したら、段部23を座面13側に押し付けたまま、ステム配置部14のうち圧力導入側の端部14aと金属ステム20の境界部に沿ってレーザを照射することにより溶接を行い、溶接部15を形成する。これにより、金属ステム20の段部23とハウジング10の座面13とが密着してシールされ、金属ステム20の開口部22とハウジング10の圧力導入通路12との連通部のシール性が確保されると共に、図1に示したように金属ステム20が溶接部15において固定される。
Thus, the
次に、チップ52及びピン56が搭載されたセラミック基板50を、接着剤等にて、ハウジング10における圧力導入通路12の他端側の部位に固定する。そして、ワイヤボンディングを行うことにより、センサチップ30とセラミック基板50の導体(配線部)とを上記細線54にて電気的に接続する。
Next, the
次に、コネクタターミナル60とピン56とをレーザ溶接(YAGレーザ溶接等)にて接合する。次に、Oリング80を介して、コネクタケース70をハウジング10に組み付け、ハウジング10の端部をかしめることにより、コネクタケース70とハウジング10とを固定する。こうして、上記図1に示す圧力センサ100が完成する。
Next, the
かかる圧力センサ100は、ハウジング10のネジ11を上記図示しない燃料パイプに形成されたネジ部に直接結合し取り付けることによって、該燃料パイプに接続固定される。そして、燃料パイプ内の燃料圧(圧力媒体)が、圧力導入通路12の一端側から導入され、金属ステム20の開口部22から金属ステム20の内部(中空部)へ導かれたときに、その圧力によってダイアフラム21が変形する。
The
このダイアフラム21の変形をセンサチップ30により電気信号に変換し、この信号をセンサの処理回路を構成するセラミック基板50等にて処理し、圧力検出を行う。そして、検出された圧力(燃料圧)に基づいて、上記ECU等により燃料噴射制御がなされるのである。なお、処理回路をセラミック基板50に作りこんでいるが、セラミック基板50を別途設けることなく、センサチップ30に一体化して作り込むようにしても良い。このように処理回路をセンサチップに集積化すると、上記部品が廃止でき部品点数の削減および装置小型化を実現できる。
The deformation of the
以上説明した本実施形態の圧力センサ100では、センサチップ30の裏面をダイアフラム21の表面に直接接合している。このため、センサチップ30をダイアフラム21に対して低融点ガラスを用いて接合しなくても済み、低融点ガラスを用いる従来の構造のように、金属ステム20をコバール等で構成する必要が無くなる。このため、コバール等と比べて加工が容易で、かつ、安価なSUS等により金属ステム20を構成することが可能となる。
In the
また、このように金属ステム20をコバール等と異なる材料で構成できれば、金属ステム20をハウジング10と同じ材料の金属で構成することが可能となる。これにより、金属ステム20とハウジング10、具体的にはステム配置部14とを溶接部15にて固定することが可能となる。
Further, if the
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態の圧力センサ100は、第1実施形態に対してセンサチップ30の厚みを変更したものであり、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described. The
図5は、本実施形態の圧力センサ100における金属ステム20およびセンサチップ30の関係を示した拡大断面図である。図5に示すように、本実施形態では、ダイアフラム21の厚みをL1とすると、センサチップ30の厚みL2もダイアフラム21の厚みL1と同じにしている。具体的には、センサチップ30を構成する単結晶Si31に歪ゲージ32や絶縁膜33などを作り込んだ後、単結晶Si31の裏面を研削、研磨することにより、センサチップ30の厚みL2をダイアフラム21の厚みL1と同じにする。
FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view showing the relationship between the
このような構成とすると、次の効果を得ることができる。すなわち、センサチップ30やダイアフラム21が製造時や圧力印加時において熱膨張・熱収縮する際に、これらの一方に圧縮応力が掛かり、他方に引っ張り応力が掛かることになるが、センサチップ30の厚みL2をダイアフラム21の厚みL1と同等にすると、Siのヤング率が170GPa、SUSのヤング率が190GPaとほぼ同等であるため、これらの境界部が応力中立点となる。したがって、センサチップ30とダイアフラム21の境界部に加わる応力を軽減することが可能となり、センサチップ30とダイアフラム21との接合面の耐久性・信頼性を向上させることができる。
With such a configuration, the following effects can be obtained. That is, when the
(第3実施形態)
本発明の第3実施形態について説明する。上記第1、第2実施形態では、単結晶Si31を用いてセンサチップ30を構成したが、本実施形態ではSOI基板を用いてセンサチップ30を構成する。その他に関しては第1実施形態と同様である。
(Third embodiment)
A third embodiment of the present invention will be described. In the first and second embodiments, the
図6は、本実施形態の圧力センサ100のセンサチップ30の断面図である。この図に示されるように、SOI基板36に歪ゲージ32、絶縁膜33、配線部34および保護膜35が形成されている。SOI基板36は、Si層36aと支持基板36bとが絶縁膜36cを介して接合されて構成されたものであり、支持基板36bにシリコン基板を貼り合わせたのち、シリコン基板を研削・研磨してSi層36aを形成する手法や、支持基板36bにシリコン薄膜を蒸着させたり、固相成長させたのちレーザアニール等により結晶化させてSi層36aを形成する手法により形成される。歪ゲージ32はSi層36aに作り込まれ、歪ゲージ32を絶縁膜36dで囲むことで各歪ゲージ32同士が絶縁分離されている。
FIG. 6 is a cross-sectional view of the
このようなSOI基板36を用いることにおり、センサチップ30に作りこまれた歪ゲージ32により構成されるセンシング部の高温動作が可能となる。その結果、エンジン燃焼室におけるエンジン燃焼圧測定などに圧力センサ100を適用することが可能となる。
By using such an
(第3実施形態の変形例1)
図7は、第3実施形態で示したセンサチップ30の変形例を示した図であり、SOI基板36を用いてセンサチップ30を構成しているが、Si層36aのうち歪ゲージ32以外の部分を除去することにより、歪ゲージ32をメサ構造としたものである。このように、歪ゲージ32を絶縁膜36dで囲んで絶縁した場合には、歪ゲージ32をメサ構造としても良い。
(Modification 1 of 3rd Embodiment)
FIG. 7 is a view showing a modified example of the
(第3実施形態の変形例2)
上記第3実施形態で示したSOI基板36の支持基板36bには、一般的に用いられている様々な基板を適用することが可能であるが、その熱膨張係数がSiの熱膨張係数(〜33×10−7/℃)から金属ステム20の材料の熱膨張係数(例えば、金属ステム20をSUS304で構成する場合の熱膨張係数(〜170×10−7/℃)の間に位置する材料にて支持基板36bを構成すると好ましい。
(Modification 2 of 3rd Embodiment)
Although various commonly used substrates can be applied to the
センサチップ30の裏面、つまり支持基板36bをダイアフラム21の表面に接合する際に、直接接合により行っているため、これらを室温で接合することが可能となり、接合時に支持基板36bとダイアフラム21との接合面に発生する応力をゼロにすることが可能となる。しかしながら、圧力センサ100の使用時の温度変化により、その温度変化に伴って支持基板36bとダイアフラム21との接合面に応力が発生する。
Since the back surface of the
このとき、第1実施形態のように支持基板36bを介さないで単結晶Si31を直接ダイアフラム21の表面に接合する場合には、これらの熱膨張係数の差に応じた応力が発生することになるが、第3実施形態では、これらの間に支持基板36bが挟まれた構造となる。このため、支持基板36bの熱膨張係数がSiの熱膨張係数と金属ステム20の材料の熱膨張係数の間となるようにすると、第1実施形態の構造では、単結晶Si31とダイアフラム21の間に大きな応力が発生してしまうのに対し、支持基板36bを介することで、ダイアフラム21と支持基板36bの接合面の間と支持基板36bとSi層36aの間とに、発生する応力を段階的に分散することが可能となる。したがって、よりセンサチップ30とダイアフラム21との接合面の耐久性・信頼性を向上させることが可能となる。
At this time, when the
なお、このように支持基板36bの熱膨張係数がSiの熱膨張係数と金属ステム20の材料の熱膨張係数の間となる材料としては、例えば、7059ガラス(フォトマスクやTFT基板にしようされるコーニング社製のガラスで、熱膨張係数α=〜46×10−7/℃)やアルミナ(熱膨張係数α=〜70×10−7/℃)を適用することができる。
As a material in which the thermal expansion coefficient of the
(第4実施形態)
本発明の第4実施形態について説明する。本実施形態の圧力センサ100は、第1実施形態に対してセンサチップ30の裏面側の角部の形状を変更したものであり、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。
(Fourth embodiment)
A fourth embodiment of the present invention will be described. The
図8は、本実施形態の圧力センサ100における金属ステム20およびセンサチップ30を示した拡大断面図である。図8に示すように、本実施形態では、センサチップ30の裏面(単結晶Si31の裏面)の角部を除去し、ダイアフラム21の表面に対するセンサチップ30の接触面の角部をテーパ状とし、鈍角となるようにしている。
FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view showing the
このように、センサチップ30の裏面の角部をテーパ状にすると、次の効果を得ることができる。具体的には、センサチップ30やダイアフラム21が熱膨張・熱収縮する際に、これらの接触面に応力が発生すると、センサチップ30とダイアフラム21の接触面の端部、すなわちセンサチップ30の裏面の角部に応力が集中し易くなる。集中した応力は、センサチップ30の裏面の角部で分散できるほど緩和できる。このため、センサチップ30の裏面の角部の角度が大きいほど、応力を分散することが可能となる。したがって、本実施形態のようにセンサチップ30の裏面の角部をテーパ状にすることで、センサチップ30とダイアフラム21との接合面の耐久性・信頼性を向上させることができる。
Thus, when the corners on the back surface of the
(第5実施形態)
本発明の第5実施形態について説明する。本実施形態の圧力センサ100は、第1実施形態に対してセンサチップ30の裏面側の角部の形状を変更したものであり、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。
(Fifth embodiment)
A fifth embodiment of the present invention will be described. The
図9は、本実施形態の圧力センサ100における金属ステム20およびセンサチップ30を示した拡大断面図である。図9に示すように、本実施形態では、センサチップ30の裏面(単結晶Si31の裏面)に絶縁膜37を配置している。
FIG. 9 is an enlarged cross-sectional view showing the
このように、センサチップ30の裏面の絶縁膜37を配置した場合、絶縁膜37の表面とダイアフラム21の表面とを直接接合することになるが、直接接合時に例えば配線部34を通じて単結晶Si31に電圧を印加し、単結晶Si31と金属ステム20との間に電位差に基づく静電引力を発生させながら、絶縁膜37の表面とダイアフラム21の表面とを直接接合することができる。これにより、接合面の表面活性化に加えて静電引力を用いた接合が行え、より接合歩留まりを向上させることが可能となる。
As described above, when the insulating
なお、上記第3実施形態において、SOI基板36の支持基板36bを絶縁体で構成した場合にも、Si層36aと金属ステム20との間に電位差を発生させることで、静電引力を発生させることができる。したがって、この場合にも静電引力を用いて接合歩留まりを向上させることが可能となる。
In the third embodiment, even when the
(第6実施形態)
本発明の第6実施形態について説明する。上記第5実施形態では、センサチップ30に絶縁膜37を配置したが、本実施形態では、ダイアフラム21側に絶縁膜の圧力センサ100は、第1実施形態に対してセンサチップ30の裏面側の角部の形状を変更したものであり、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。
(Sixth embodiment)
A sixth embodiment of the present invention will be described. In the fifth embodiment, the insulating
図10は、本実施形態の圧力センサ100における金属ステム20およびセンサチップ30を示した拡大断面図である。図10に示すように、本実施形態では、ダイアフラム21の表面に絶縁膜24を配置している。
FIG. 10 is an enlarged cross-sectional view showing the
このように、ダイアフラム21の表面の絶縁膜24を配置した場合にも、第5実施形態と同様、直接接合時に例えば配線部34を通じて単結晶Si31に電圧を印加し、単結晶Si31と金属ステム20との間に電位差に基づく静電引力を発生させながら、絶縁膜24の表面とセンサチップ30の裏面とを直接接合することができる。これにより、接合面の表面活性化に加えて静電引力を用いた接合が行え、より接合歩留まりを向上させることが可能となる。
As described above, even when the insulating
(他の実施形態)
上記実施形態では、直接接合の一例として表面活性化による場合を例に挙げたが、その他の手法による直接接合であっても構わない。
(Other embodiments)
In the above embodiment, the case of surface activation is taken as an example of direct bonding, but direct bonding by other methods may be used.
また、本発明は、自動車の燃料噴射系の燃料の圧力を検出するもの以外にも、種々の圧力センサに適用可能であることは勿論である。 In addition, the present invention can be applied to various pressure sensors other than the one that detects the fuel pressure of the fuel injection system of the automobile.
10…ハウジング、12…圧力導入通路、13…座面、14…ステム配置部、15…溶接部、20…金属ステム、21…ダイアフラム、22…開口部、23…段部、24…絶縁膜、30…センサチップ、31…単結晶Si、32…歪みゲージ、33…絶縁膜、34…配線層、35…保護膜、36…SOI基板、36a…Si層、36b…支持基板、37…絶縁膜、60…コネクタターミナル、70…コネクタケース、100…圧力センサ。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
一端側に圧力検出用のダイアフラム(21)を有すると共に、他端側に前記ダイアフラムへ前記圧力を導くための開口部(22)を有し、前記ダイアフラムの表面にセンシング部が形成されたセンサチップ(30)が配置された金属ステム(20)とを備え、
前記金属ステムは、前記圧力導入通路内において、該金属ステムの他端側が前記圧力導入通路の圧力導入側に位置するように配置され、
前記金属ステムにおける前記ダイアフラムの表面と前記センサチップの裏面とが直接接合されていることを特徴とする圧力センサ。 A housing (10) having a pressure introduction passage (12) whose one end side is a pressure introduction side into which a pressure measurement medium is introduced;
A sensor chip having a pressure detecting diaphragm (21) on one end side, an opening (22) for guiding the pressure to the diaphragm on the other end side, and a sensing part formed on the surface of the diaphragm A metal stem (20) in which (30) is disposed,
The metal stem is arranged in the pressure introduction passage so that the other end side of the metal stem is located on the pressure introduction side of the pressure introduction passage,
The pressure sensor, wherein a surface of the diaphragm in the metal stem and a back surface of the sensor chip are directly joined.
一端側に圧力検出用のダイアフラム(21)を有すると共に、他端側に前記ダイアフラムへ前記圧力を導くための開口部(22)を有し、前記ダイアフラムの表面にセンシング部が形成されたセンサチップ(30)が配置された金属ステム(20)とを備え、
前記金属ステムは、前記圧力導入通路内において、該金属ステムの他端側が前記圧力導入通路の圧力導入側に位置するように配置される圧力センサの製造方法であって、
前記金属ステムにおける前記ダイアフラムの表面と前記センサチップの裏面とを表面活性化した状態で貼り合わせ、これら前記ダイアフラムの表面および前記センサチップの裏面を静電引力により直接接合することを特徴とする圧力センサの製造方法。 A housing (10) having a pressure introduction passage (12) whose one end side is a pressure introduction side into which a pressure measurement medium is introduced;
A sensor chip having a pressure detecting diaphragm (21) on one end side, an opening (22) for guiding the pressure to the diaphragm on the other end side, and a sensing part formed on the surface of the diaphragm A metal stem (20) in which (30) is disposed,
The metal stem is a method of manufacturing a pressure sensor in which the other end side of the metal stem is positioned on the pressure introduction side of the pressure introduction passage in the pressure introduction passage,
The pressure in which the surface of the diaphragm and the back surface of the sensor chip in the metal stem are bonded together in a surface activated state, and the surface of the diaphragm and the back surface of the sensor chip are directly joined by electrostatic attraction. Sensor manufacturing method.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007019316A JP4353251B2 (en) | 2007-01-30 | 2007-01-30 | Pressure sensor |
DE102008000128A DE102008000128B4 (en) | 2007-01-30 | 2008-01-22 | Semiconductor sensor device and its manufacturing method |
US12/010,758 US7644623B2 (en) | 2007-01-30 | 2008-01-29 | Semiconductor sensor for measuring a physical quantity and method of manufacturing the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007019316A JP4353251B2 (en) | 2007-01-30 | 2007-01-30 | Pressure sensor |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2008185460A true JP2008185460A (en) | 2008-08-14 |
JP4353251B2 JP4353251B2 (en) | 2009-10-28 |
Family
ID=39728614
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2007019316A Expired - Fee Related JP4353251B2 (en) | 2007-01-30 | 2007-01-30 | Pressure sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4353251B2 (en) |
Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010151468A (en) * | 2008-12-24 | 2010-07-08 | Denso Corp | Pressure sensor |
DE102010001128A1 (en) | 2009-01-26 | 2010-12-02 | Denso Corporation, Kariya-City | Acoustic surface wave pressure sensor |
JP2012088192A (en) * | 2010-10-20 | 2012-05-10 | Denso Corp | Sensor device and its manufacturing method |
JP2013234955A (en) * | 2012-05-10 | 2013-11-21 | Nippon Soken Inc | Pressure sensor and method for manufacturing the same |
JP2015114278A (en) * | 2013-12-13 | 2015-06-22 | 株式会社デンソー | Pressure sensor |
JP2016509237A (en) * | 2013-03-05 | 2016-03-24 | メジャメント スペシャリティーズ, インコーポレイテッド | Systems and methods for multiplexed and buffered miniaturized sensor arrays |
JP2016051742A (en) * | 2014-08-29 | 2016-04-11 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | Semiconductor element connection unit and dynamic quantity measuring device equipped with the same |
WO2018038068A1 (en) * | 2016-08-23 | 2018-03-01 | 日本特殊陶業株式会社 | Strain sensor |
CN110646131A (en) * | 2018-06-26 | 2020-01-03 | 长野计器株式会社 | Physical quantity measuring device and method for manufacturing physical quantity measuring device |
JP2023504966A (en) * | 2020-02-27 | 2023-02-08 | ティーディーケイ・エレクトロニクス・アクチェンゲゼルシャフト | SENSOR AND SENSOR MANUFACTURING METHOD |
-
2007
- 2007-01-30 JP JP2007019316A patent/JP4353251B2/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010151468A (en) * | 2008-12-24 | 2010-07-08 | Denso Corp | Pressure sensor |
DE102010001128A1 (en) | 2009-01-26 | 2010-12-02 | Denso Corporation, Kariya-City | Acoustic surface wave pressure sensor |
JP2012088192A (en) * | 2010-10-20 | 2012-05-10 | Denso Corp | Sensor device and its manufacturing method |
JP2013234955A (en) * | 2012-05-10 | 2013-11-21 | Nippon Soken Inc | Pressure sensor and method for manufacturing the same |
JP2016509237A (en) * | 2013-03-05 | 2016-03-24 | メジャメント スペシャリティーズ, インコーポレイテッド | Systems and methods for multiplexed and buffered miniaturized sensor arrays |
US10001428B2 (en) | 2013-03-05 | 2018-06-19 | Measurement Specialties, Inc. | System and method for multiplexed and buffered sensor arrays |
JP2015114278A (en) * | 2013-12-13 | 2015-06-22 | 株式会社デンソー | Pressure sensor |
JP2016051742A (en) * | 2014-08-29 | 2016-04-11 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | Semiconductor element connection unit and dynamic quantity measuring device equipped with the same |
WO2018038068A1 (en) * | 2016-08-23 | 2018-03-01 | 日本特殊陶業株式会社 | Strain sensor |
JPWO2018038068A1 (en) * | 2016-08-23 | 2019-06-20 | 日本特殊陶業株式会社 | Strain sensor |
CN110646131A (en) * | 2018-06-26 | 2020-01-03 | 长野计器株式会社 | Physical quantity measuring device and method for manufacturing physical quantity measuring device |
JP2023504966A (en) * | 2020-02-27 | 2023-02-08 | ティーディーケイ・エレクトロニクス・アクチェンゲゼルシャフト | SENSOR AND SENSOR MANUFACTURING METHOD |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP4353251B2 (en) | 2009-10-28 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4353251B2 (en) | Pressure sensor | |
US7644623B2 (en) | Semiconductor sensor for measuring a physical quantity and method of manufacturing the same | |
JP5064658B2 (en) | Pressure sensor with silicon chip on steel diaphragm | |
JP4548066B2 (en) | Pressure sensor | |
JP4556784B2 (en) | Pressure sensor | |
JP4075776B2 (en) | Physical quantity sensor and pressure sensor | |
JP4281630B2 (en) | Manufacturing method of sensor device | |
EP0890830B1 (en) | Pressure sensor | |
US8794077B2 (en) | Pressure sensor | |
JP2014048072A (en) | Pressure sensor module | |
US11754455B2 (en) | Pressure measuring device with free-standing carrier | |
JP3697862B2 (en) | Pressure detection device | |
JP4281221B2 (en) | Pressure sensor | |
JP5076687B2 (en) | Pressure sensor | |
JP2006194682A (en) | Pressure sensor system with integrated temperature sensor | |
WO2016017290A1 (en) | Pressure sensor | |
JP4407038B2 (en) | Pressure sensor | |
JP2008008829A (en) | Pressure sensor | |
JP2002013994A (en) | Pressure sensor | |
JP2005172761A (en) | Pressure sensor | |
JPH11194060A (en) | Pressure sensor | |
JP4381193B2 (en) | Combustion pressure sensor | |
JP2016001162A (en) | Pressure sensor | |
JP2010190819A (en) | Sensor device | |
JP2002350257A (en) | Pressure sensor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20080513 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20081111 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20081216 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20090421 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20090610 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20090707 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20090720 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120807 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130807 Year of fee payment: 4 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |