JP2012207986A

JP2012207986A - Pressure sensor

Info

Publication number: JP2012207986A
Application number: JP2011072980A
Authority: JP
Inventors: Masashi Sekine; 正志関根; Yuichiro Sumiyoshi; 雄一朗住吉
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2011-03-29
Publication date: 2012-10-25
Anticipated expiration: 2031-03-29
Also published as: JP5889540B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To significantly reduce stress acted on a hermetic seal part for hermetically sealing a lead pin to the package of a pressure sensor having a diaphragm structure for detecting changes in a pressure to be measured as changes in electrostatic capacitance.SOLUTION: A pressure sensor 10 includes: a package 10 having a cylindrical housing 12 and a tabular cover 13 that is joined with the edge of the housing 12; a pressure detection sensor chip 30 for isolating a reference vacuum chamber 10B and a pressure introduction part 10A, which are formed in the package 10, from each other; a lead pin 41 that is electrically connected with the sensor chip 30 and is exposed outside of the package 10 via an insertion hole 13a of the cover 13; and hermetic seal parts 43 and 60 that are configured by sealing glass for hermetically sealing between the insertion hole 13a and lead pin 41. A thin wall part 13c for absorbing stress is formed by forming a recess 13b on the internal face of the cover 13.

Description

本発明は、圧力センサに関し、特に、真空に近い圧力を測定するのに適した圧力センサに関する。 The present invention relates to a pressure sensor, and more particularly to a pressure sensor suitable for measuring a pressure close to a vacuum.

従来より、被測定圧力の変化を静電容量の変化として検出するダイアフラム構造を備えた圧力センサが広く知られている。例えば、現在においては、基準真空室と圧力導入部とを隔絶するセンサダイアフラムを有するセンサチップと、このセンサチップを収容するハウジング及びカバーからなるパッケージと、を備えた圧力センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような圧力センサにおいては、基準真空室内の圧力と、圧力導入部を介して印加される測定対象ガスの圧力と、の差により基準真空室側にセンサダイアフラムの中央部が撓み、センサチップの固定電極と可動電極との間隔が変化する。これにより、固定電極と可動電極との間の静電容量が変化し、この静電容量の変化を電極リード部によって圧力センサのカバーを貫通して外部に取り出すことにより、測定対象ガスの圧力を測定するようになっている。 2. Description of the Related Art Conventionally, pressure sensors having a diaphragm structure that detects a change in pressure to be measured as a change in capacitance have been widely known. For example, at present, a pressure sensor including a sensor chip having a sensor diaphragm that isolates a reference vacuum chamber and a pressure introducing portion, and a package including a housing and a cover for housing the sensor chip has been proposed ( For example, see Patent Document 1). In such a pressure sensor, the center portion of the sensor diaphragm is bent toward the reference vacuum chamber due to the difference between the pressure in the reference vacuum chamber and the pressure of the measurement target gas applied via the pressure introducing portion, and the sensor chip The interval between the fixed electrode and the movable electrode changes. As a result, the capacitance between the fixed electrode and the movable electrode changes, and the change in the capacitance is taken out through the cover of the pressure sensor by the electrode lead portion, thereby reducing the pressure of the gas to be measured. It comes to measure.

ここで、前記した従来の圧力センサの電極リード部近傍の構成について、図３を用いて説明する。従来の圧力センサ１００の電極リード部４００は、リードピン４１０及び金属製のシールド４２０を備えている。リードピン４１０は、ガラス等の絶縁性材料からなるハーメチックシール部４３０によってその中央部分が金属製のシールド４２０に埋設され、これにより、リードピン４１０の両端部間で気密状態が維持される。そして、リードピン４１０の一端はパッケージ１１０を構成するカバー１３０の外部に露出し、配線によって圧力センサ１００の出力を外部の信号処理部に伝達するようになっている。なお、シールド４２０とカバー１３０との間にもハーメチックシール部６００が介在しており、カバー１３０はアッパハウジング１２０の周壁の上端面と溶接等により接合されてパッケージ１１０を形成している。 Here, the configuration in the vicinity of the electrode lead portion of the above-described conventional pressure sensor will be described with reference to FIG. The electrode lead part 400 of the conventional pressure sensor 100 includes a lead pin 410 and a metal shield 420. The center portion of the lead pin 410 is embedded in a metal shield 420 by a hermetic seal portion 430 made of an insulating material such as glass, and thereby, an airtight state is maintained between both end portions of the lead pin 410. One end of the lead pin 410 is exposed to the outside of the cover 130 constituting the package 110, and the output of the pressure sensor 100 is transmitted to an external signal processing unit by wiring. A hermetic seal portion 600 is also interposed between the shield 420 and the cover 130, and the cover 130 is joined to the upper end surface of the peripheral wall of the upper housing 120 by welding or the like to form the package 110.

ところで、前記した従来の圧力センサ１００のカバー１３０は、ハーメチックシール部４３０・６００への熱応力の影響が大きくならないように、ガラスに近い熱膨張率を有するコバール（Kovar）で構成されるのが一般的である。一方、このような圧力センサ１００のアッパハウジング１２０は、耐蝕性材料であるインコネル（Inconel）で構成される。この理由は、（図示されていない）ロアハウジングは内側に測定対象ガスを導く圧力導入部を有するために測定対象ガスが腐食性のガスであっても耐えられるようにする必要があり、かつ、圧力センサ１００の温度特性を考慮するとアッパハウジング１２０とロアハウジングとを異種材料で構成するのは避けるべきだからである。このような構造においては、カバー１３０を構成するコバールの耐蝕性が低く、また、コバールとインコネルとでは熱膨張率が大きく異なるので、両者間に熱応力が発生し、その熱応力によってカバー１３０の中央部が図３に示すように大きく内側に撓み、それによってハーメチックシール部４３０・６００に応力が作用して破損する虞がある。 By the way, the cover 130 of the conventional pressure sensor 100 described above is composed of Kovar having a thermal expansion coefficient close to that of glass so that the influence of thermal stress on the hermetic seal portions 430 and 600 does not increase. It is common. On the other hand, the upper housing 120 of the pressure sensor 100 is made of Inconel, which is a corrosion-resistant material. This is because the lower housing (not shown) has a pressure introducing portion for guiding the measurement target gas inside, so that the measurement target gas must be able to withstand even a corrosive gas, and This is because, considering the temperature characteristics of the pressure sensor 100, it should be avoided that the upper housing 120 and the lower housing are made of different materials. In such a structure, the corrosion resistance of the Kovar constituting the cover 130 is low, and the coefficient of thermal expansion is significantly different between Kovar and Inconel. Therefore, thermal stress is generated between the two, and the thermal stress of the cover 130 is caused by the thermal stress. As shown in FIG. 3, the center portion is greatly bent inward, which may cause damage to the hermetic seal portions 430 and 600 due to stress.

このような問題を解決するために、ケースの外側（リードピンが露出する側）に環状の溝部を設け、熱応力をこの溝部に吸収させて、ケースにリードピンを気密封止する封着用ガラスで構成されたハーメチックシール部に与える応力を緩和させるような構造を有する圧力検出器が提案されている（特許文献２参照）。 In order to solve such problems, an annular groove is provided on the outside of the case (the side where the lead pin is exposed), and heat stress is absorbed into the groove, and the case is made of sealing glass that hermetically seals the lead pin. There has been proposed a pressure detector having a structure that relieves stress applied to the hermetic seal portion (see Patent Document 2).

特開２００６―３２３４号公報JP 2006-3234 A 特開平１１−３０５６１号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-30561

ところが、特許文献２に記載されたような構造（ケースの外側に溝部を形成する構造）を採用しても、ハーメチックシール部に作用する応力を十分に低減することができないことが最近の実験結果により判明した。 However, recent experimental results show that the stress acting on the hermetic seal portion cannot be sufficiently reduced even if a structure as described in Patent Document 2 (a structure in which a groove is formed outside the case) is employed. Was found out.

本発明は、かかる状況に鑑みてなされたものであり、被測定圧力の変化を静電容量の変化として検出するダイアフラム構造を備えた圧力センサにおいて、圧力センサのパッケージにリードピンを気密封止するハーメチックシール部に作用する応力を大幅に低減することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a situation, and in a pressure sensor having a diaphragm structure for detecting a change in measured pressure as a change in capacitance, a hermetic that hermetically seals a lead pin in a package of the pressure sensor. The object is to greatly reduce the stress acting on the seal part.

本発明に係る圧力センサは、筒状のハウジング及びこのハウジングの端部に接合される板状のカバーを有するパッケージと、パッケージの内部に形成される基準真空室と圧力導入部とを隔絶する圧力検出用のセンサチップと、センサチップに電気的に接続されるとともにカバーの挿通孔を介してパッケージの外部に露出するリードピンと、挿通孔とリードピンとの間を気密的に封止する封着用ガラスで構成されるハーメチックシール部と、を備える圧力センサであって、カバーの内側面に凹部が形成されることにより応力吸収用の薄肉部が形成されるものである。 The pressure sensor according to the present invention includes a cylindrical housing and a package having a plate-like cover joined to an end of the housing, and a pressure that isolates a reference vacuum chamber formed in the package and a pressure introducing portion. Sensor chip for detection, lead pin that is electrically connected to the sensor chip and exposed to the outside of the package through the insertion hole of the cover, and sealing glass that hermetically seals between the insertion hole and the lead pin A pressure sensor including a hermetic seal portion, and a thin portion for absorbing stress is formed by forming a recess on the inner side surface of the cover.

かかる構成を採用すると、圧力センサのパッケージを構成する板状のカバーの内側面（パッケージ内部側の面）に凹部が形成されることにより応力吸収用の薄肉部が形成されるため、この薄肉部に応力を集中させることができる。従って、カバーのハーメチックシール部に作用する応力を大幅に低減させることができる。 By adopting such a configuration, a thin portion for stress absorption is formed by forming a recess on the inner surface (surface inside the package) of the plate-like cover that constitutes the package of the pressure sensor. Stress can be concentrated on the surface. Therefore, the stress acting on the hermetic seal portion of the cover can be greatly reduced.

前記圧力センサにおいて、カバーの中央にハーメチックシール部を複数形成し、これら複数のハーメチックシール部を取り囲む環状溝によって薄肉部を形成することができる。 In the pressure sensor, a plurality of hermetic seal portions can be formed at the center of the cover, and a thin portion can be formed by an annular groove surrounding the plurality of hermetic seal portions.

かかる構成を採用すると、カバー中央の複数のハーメチックシール部を取り囲む環状溝によって形成された薄肉部に応力を集中させることができる。従って、複数のハーメチックシール部に作用する応力を大幅に低減させることができる。 When such a configuration is adopted, stress can be concentrated on the thin wall portion formed by the annular groove surrounding the plurality of hermetic seal portions in the center of the cover. Therefore, the stress acting on the plurality of hermetic seal portions can be greatly reduced.

また、前記圧力センサにおいて、カバーの中央にハーメチックシール部を複数形成し、これら複数のハーメチックシール部を取り囲むカバーの周縁部に薄肉部を形成することもできる。そして、この薄肉部に、波状の凹凸（コルゲーション）を形成してもよい。 In the pressure sensor, a plurality of hermetic seal portions may be formed at the center of the cover, and a thin wall portion may be formed at the peripheral portion of the cover surrounding the plurality of hermetic seal portions. And you may form a wavy uneven | corrugated (corrugation) in this thin part.

かかる構成を採用すると、複数のハーメチックシール部を取り囲むカバー周縁部に形成された薄肉部に応力を集中させることができる。従って、複数のハーメチックシール部に作用する応力を大幅に低減させることができる。 When such a configuration is adopted, stress can be concentrated on the thin wall portion formed on the peripheral edge portion of the cover surrounding the plurality of hermetic seal portions. Therefore, the stress acting on the plurality of hermetic seal portions can be greatly reduced.

本発明によれば、被測定圧力の変化を静電容量の変化として検出するダイアフラム構造を備えた圧力センサにおいて、圧力センサのパッケージにリードピンを気密封止するハーメチックシール部に作用する応力を大幅に低減することが可能となる。 According to the present invention, in a pressure sensor having a diaphragm structure that detects a change in measured pressure as a change in capacitance, the stress acting on the hermetic seal portion that hermetically seals the lead pin in the pressure sensor package is greatly increased. It becomes possible to reduce.

本発明の第一実施形態に係る圧力センサの断面図である。It is sectional drawing of the pressure sensor which concerns on 1st embodiment of this invention. 図１に示す圧力センサに熱応力を作用させた場合の変形状態図である。It is a deformation | transformation state figure at the time of making a thermal stress act on the pressure sensor shown in FIG. 従来の圧力センサに熱応力を作用させた場合の変形状態図である。It is a deformation | transformation state figure at the time of applying a thermal stress to the conventional pressure sensor. 本発明の第二実施形態に係る圧力センサの断面図である。It is sectional drawing of the pressure sensor which concerns on 2nd embodiment of this invention. 本発明の第二実施形態に係る圧力センサの変形例の断面図である。It is sectional drawing of the modification of the pressure sensor which concerns on 2nd embodiment of this invention.

以下では、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.

＜第一実施形態＞
まず、図１及び図２等を用いて、本発明の第一実施形態に係る圧力センサ１について説明する。本実施形態に係る圧力センサ１は、図１に示すように、パッケージ１０と、パッケージ１０内に収容された台座プレート２０と、同じくパッケージ１０内に収容され台座プレート２０に接合されたセンサチップ３０と、パッケージ１０に直接取付けられパッケージ１０内外を導通接続する複数の電極リード部４０と、を備えている。また、台座プレート２０は、パッケージ１０の内壁から離隔しており、支持ダイアフラム５０のみを介してパッケージ１０に支持されている。 <First embodiment>
First, the pressure sensor 1 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 1, the pressure sensor 1 according to this embodiment includes a package 10, a pedestal plate 20 accommodated in the package 10, and a sensor chip 30 that is also accommodated in the package 10 and joined to the pedestal plate 20. And a plurality of electrode lead portions 40 that are directly attached to the package 10 and electrically connect the inside and outside of the package 10. Further, the pedestal plate 20 is separated from the inner wall of the package 10 and is supported by the package 10 only through the support diaphragm 50.

パッケージ１０は、ロアハウジング１１、アッパハウジング１２及びカバー１３から構成されている。ロアハウジング１１及びアッパハウジング１２は耐食性の金属であるインコネルから構成され、カバー１３はガラスに近い熱膨張率を有するコバールで構成されており、それぞれ溶接により接合されている。 The package 10 includes a lower housing 11, an upper housing 12 and a cover 13. The lower housing 11 and the upper housing 12 are made of Inconel, which is a corrosion-resistant metal, and the cover 13 is made of Kovar having a thermal expansion coefficient close to that of glass, and is joined by welding.

ロアハウジング１１は、径の異なる円筒体を連結した形状を備える部材であり、その大径部１１ａは支持ダイアフラム５０との接合部を有し、その小径部１１ｂは被測定流体が流入する圧力導入部１０Ａを形成している。なお、大径部１１ａと小径部１１ｂとの結合部にはバッフル１１ｃが形成され、バッフル１１ｃの周囲には周方向所定の間隔で圧力導入孔１１ｄが形成されている。バッフル１１ｃは、圧力導入部１０Ａからプロセスガスなどの被測定流体を後述するセンサチップ３０に直接到達させずに迂回させる役目を果たすものであり、センサチップ３０にプロセスガスの成分やプロセスガス中の不純物が堆積するのを防止するようになっている。 The lower housing 11 is a member having a shape in which cylindrical bodies having different diameters are connected. The large-diameter portion 11a has a joint portion with the support diaphragm 50, and the small-diameter portion 11b introduces pressure into which the fluid to be measured flows. Part 10A is formed. A baffle 11c is formed at the joint between the large diameter portion 11a and the small diameter portion 11b, and pressure introduction holes 11d are formed around the baffle 11c at predetermined intervals in the circumferential direction. The baffle 11c serves to bypass the measured fluid such as the process gas from the pressure introduction unit 10A without directly reaching the sensor chip 30 described later, and causes the sensor chip 30 to include a component of the process gas and the process gas. Impurities are prevented from being deposited.

アッパハウジング１２は、略円筒体形状を有する部材であり、カバー１３、支持ダイアフラム５０、台座プレート２０及びセンサチップ３０とともに、パッケージ１０内に真空の基準真空室１０Ｂを形成している。基準真空室１０Ｂは、センサチップ３０によって、プロセスガスが導入される領域（圧力導入部１０Ａ）と隔てられている。基準真空室１０Ｂには、いわゆる（図示されていない）ゲッターと呼ばれる気体吸着物質が設けられており、真空度を維持している。また、アッパハウジング１２の支持ダイアフラム取付け側には、周方向適所にストッパ１２ａが突出形成されている。ストッパ１２ａは、被測定流体の急激な圧力上昇により台座プレート２０が過度に変移するのを規制する役目を果たしている。 The upper housing 12 is a member having a substantially cylindrical shape, and forms a vacuum reference vacuum chamber 10 </ b> B in the package 10 together with the cover 13, the support diaphragm 50, the base plate 20 and the sensor chip 30. The reference vacuum chamber 10B is separated by a sensor chip 30 from a region (pressure introduction unit 10A) into which process gas is introduced. In the reference vacuum chamber 10B, a gas adsorbing material called a getter (not shown) is provided, and the degree of vacuum is maintained. Further, on the support diaphragm mounting side of the upper housing 12, a stopper 12a is protruded and formed at an appropriate position in the circumferential direction. The stopper 12a plays a role of restricting the pedestal plate 20 from excessively changing due to a rapid increase in pressure of the fluid to be measured.

カバー１３は、所定厚さを有する上面視円形状の板状部材であり、その中央部には複数の電極リード挿通孔１３ａが形成されている。電極リード挿通孔１３ａには電極リード部４０が埋め込まれており、電極リード部４０と電極リード挿通孔１３ａとの間は、封着用ガラスで構成されるハーメチックシール部６０によって気密的に封止されている。また、本実施形態においては、カバー１３の内側面に、ハーメチックシール部６０を取り囲むような平面視で円環状の溝（凹部）１３ｂが形成されている。これにより、カバー１３の周縁部には、応力吸収用の薄肉部１３ｃが形成されることとなる。円環状の溝１３ｂの深さや幅は、カバー１３の厚さや直径のほか電極リード部４０の個数や位置に応じて適宜設定することができる。また、本実施形態においてはカバー１３の内側面に平面視で円環状の溝１３ｂを形成した例を示したが、このような円環状の溝（円を描くように繋がっている溝）を形成する代わりに、平面視で円弧状の溝を複数形成してもよい。 The cover 13 is a plate-like member having a predetermined thickness and a circular shape when viewed from above, and a plurality of electrode lead insertion holes 13a are formed at the center thereof. An electrode lead portion 40 is embedded in the electrode lead insertion hole 13a, and the electrode lead portion 40 and the electrode lead insertion hole 13a are hermetically sealed by a hermetic seal portion 60 made of sealing glass. ing. Further, in the present embodiment, an annular groove (concave portion) 13 b is formed on the inner side surface of the cover 13 in plan view so as to surround the hermetic seal portion 60. As a result, a thin portion 13c for absorbing stress is formed at the peripheral portion of the cover 13. The depth and width of the annular groove 13b can be appropriately set according to the number and position of the electrode lead portions 40 in addition to the thickness and diameter of the cover 13. Moreover, in this embodiment, although the example which formed the annular groove | channel 13b by planar view was formed in the inner surface of the cover 13, such an annular groove | channel (groove connected so that a circle might be drawn) was formed. Instead of this, a plurality of arc-shaped grooves may be formed in plan view.

支持ダイアフラム５０は、パッケージ１０の形状に合わせた外形形状を有するインコネルの薄板からなり、周囲縁部は上述したロアハウジング１１とアッパハウジング１２の縁部に挟まれて溶接等により接合されている。支持ダイアフラム５０の厚さは、例えば本実施形態の場合数十ミクロンであって、各台座プレート２１・２２より充分薄い厚さとなっている。また、支持ダイアフラム５０の中央部分には、センサチップ３０に圧力を導くための圧力導入孔５０ａが形成されている。支持ダイアフラム５０の両面には、支持ダイアフラム５０とパッケージ１０の接合部から周方向全体にわたってある程度隔間した位置に酸化アルミニウムの単結晶体であるサファイアからなる薄いリング状のロア台座プレート（第１の台座プレート）２１と、アッパ台座プレート（第２の台座プレート）２２と、が接合されている。 The support diaphragm 50 is made of an Inconel thin plate having an outer shape matched to the shape of the package 10, and the peripheral edge is sandwiched between the lower housing 11 and the upper housing 12 and joined by welding or the like. The thickness of the support diaphragm 50 is, for example, several tens of microns in the case of the present embodiment, and is sufficiently thinner than the pedestal plates 21 and 22. Further, a pressure introduction hole 50 a for guiding pressure to the sensor chip 30 is formed in the central portion of the support diaphragm 50. On both surfaces of the support diaphragm 50, a thin ring-shaped lower pedestal plate made of sapphire, which is a single crystal of aluminum oxide, is provided at a certain distance from the joint between the support diaphragm 50 and the package 10 over the entire circumferential direction (first A base plate 21 and an upper base plate (second base plate) 22 are joined together.

各台座プレート２１・２２は、支持ダイアフラム５０の厚さに対して上述の通り十分に厚くなっており、かつ支持ダイアフラム５０を両台座プレート２１・２２でいわゆるサンドイッチ状に挟み込む構造を有している。これによって、支持ダイアフラム５０と台座プレート２０の熱膨張率の違いによって発生する熱応力でこの部分が反るのを防止している。また、アッパ台座プレート２２には、酸化アルミニウムの単結晶体であるサファイアでできた上面視矩形状のセンサチップ３０が、酸化アルミニウムベースの接合材を介して接合されている。 Each of the pedestal plates 21 and 22 is sufficiently thick as described above with respect to the thickness of the support diaphragm 50, and has a structure in which the support diaphragm 50 is sandwiched between the pedestal plates 21 and 22 in a so-called sandwich shape. . This prevents this portion from warping due to thermal stress generated by the difference in thermal expansion coefficient between the support diaphragm 50 and the base plate 20. Further, a sensor chip 30 having a rectangular shape in a top view made of sapphire, which is a single crystal of aluminum oxide, is bonded to the upper pedestal plate 22 via an aluminum oxide-based bonding material.

センサチップ３０は、上面視で１ｃｍ角以下の大きさを有し四角角型の薄板からなるスペーサ３１と、スペーサ３１に接合されかつ圧力の印加に応じてひずみが生じるセンサダイアフラム３２と、センサダイアフラム３２に接合して真空の容量室（リファレンス室）３０Ａを形成するセンサ台座３３と、を有している。また、真空の容量室３０Ａと基準真空室１０Ｂとは、センサ台座３３の適所に穿設された図示しない連通孔を介して、略同一の真空度を保っている。なお、スペーサ３１、センサダイアフラム３２及びセンサ台座３３はいわゆる直接接合によって互いに接合され、一体化したセンサチップ３０を構成している。 The sensor chip 30 includes a spacer 31 made of a rectangular thin plate having a size of 1 cm square or less when viewed from above, a sensor diaphragm 32 bonded to the spacer 31 and causing distortion in response to application of pressure, and a sensor diaphragm. And a sensor base 33 that forms a vacuum capacity chamber (reference chamber) 30A. Further, the vacuum capacity chamber 30A and the reference vacuum chamber 10B maintain substantially the same degree of vacuum through communication holes (not shown) drilled at appropriate positions of the sensor base 33. The spacer 31, the sensor diaphragm 32, and the sensor base 33 are joined to each other by so-called direct joining to constitute an integrated sensor chip 30.

また、センサチップ３０の容量室３０Ａには、センサ台座３３の凹み部３３ａに金又は白金等の導体でできた固定電極３３ｂ・３３ｃが形成されているとともに、これと対向するセンサダイアフラム３２の表面上に金又は白金等の導体でできた可動電極３２ｂ・３２ｃが形成されている。また、センサチップ３０の上面には、金又は白金からなるコンタクトパッド３５・３６が形成され、これらの固定電極３３ｂ・３３ｃと可動電極３２ｂ・３２ｃはコンタクトパッド３５・３６と図示しない配線によって接続されている。 Further, in the capacity chamber 30A of the sensor chip 30, fixed electrodes 33b and 33c made of a conductor such as gold or platinum are formed in the recess 33a of the sensor pedestal 33, and the surface of the sensor diaphragm 32 facing this is formed. The movable electrodes 32b and 32c made of a conductor such as gold or platinum are formed thereon. Further, contact pads 35 and 36 made of gold or platinum are formed on the upper surface of the sensor chip 30, and the fixed electrodes 33b and 33c and the movable electrodes 32b and 32c are connected to the contact pads 35 and 36 by wiring (not shown). ing.

電極リード部４０は、電極リードピン４１と、金属製のシールド４２と、を備えている。電極リードピン４１は、金属製のシールド４２にガラスなどの絶縁性材料からなるハーメチックシール部４３によってその中央部分が埋設され、電極リードピン４１の両端部間で気密状態を保っている。そして、電極リードピン４１の一端は、パッケージ１０の外部に露出して、図示しない配線によって圧力センサ１の出力を外部の信号処理部に伝達するようになっている。なお、シールド４２とカバー１３との間にも、上述の通りハーメチックシール部６０が介在している。また、電極リードピン４１の他方の端部には導電性を有するコンタクトバネ４５・４６が接続されている。コンタクトバネ４５・４６は、圧力導入部１０Ａからプロセスガスなどの被測定流体が急に流れ込むことで発生する急激な圧力上昇により支持ダイアフラム５０が若干変移しても、コンタクトバネ４５・４６の付勢力がセンサチップ３０の測定精度に影響を与えない程度の十分な柔らかさを有している。 The electrode lead portion 40 includes an electrode lead pin 41 and a metal shield 42. The center portion of the electrode lead pin 41 is embedded in a metal shield 42 by a hermetic seal portion 43 made of an insulating material such as glass, and an airtight state is maintained between both end portions of the electrode lead pin 41. One end of the electrode lead pin 41 is exposed to the outside of the package 10, and the output of the pressure sensor 1 is transmitted to an external signal processing unit by a wiring (not shown). The hermetic seal portion 60 is also interposed between the shield 42 and the cover 13 as described above. Further, conductive contact springs 45 and 46 are connected to the other end of the electrode lead pin 41. The contact springs 45 and 46 are biased by the contact springs 45 and 46 even if the support diaphragm 50 slightly changes due to a sudden increase in pressure caused by a sudden flow of measured fluid such as process gas from the pressure introduction part 10A. However, it has sufficient softness not to affect the measurement accuracy of the sensor chip 30.

続いて、図２及び図３を用いて、本実施形態に係る圧力センサ１の作用について説明する。なお、本実施形態においては、圧力センサ１を例えば半導体製造装置の適当な場所に取付け、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）などの半導体製造プロセス中において、プロセスガスの真空に近い微小圧力（以下、「微圧」とする）を測定する際における圧力センサ１の作用について説明することとする。 Then, the effect | action of the pressure sensor 1 which concerns on this embodiment is demonstrated using FIG.2 and FIG.3. In the present embodiment, the pressure sensor 1 is attached to an appropriate location of a semiconductor manufacturing apparatus, for example, and a micro pressure close to a process gas vacuum (hereinafter referred to as “a process gas vacuum” during a semiconductor manufacturing process such as CVD (Chemical Vapor Deposition)). The action of the pressure sensor 1 when measuring “low pressure” will be described.

プロセスガスは、圧力センサ１の圧力導入部１０Ａから圧力導入孔１１ｄを介してパッケージ内に流入する。この際、プロセスガスの急激な流入が生じても、バッフル１１ｃと圧力導入孔１１ｄを介してプロセスガスを迂回させてパッケージ１０内に流入させるので、センサダイアフラム３２にプロセスガスが直接当たることがない。そのため、センサダイアフラム３２にプロセスガスの成分やプロセスガスに含まれる不純物の再堆積を防止できる。 The process gas flows into the package from the pressure introduction portion 10A of the pressure sensor 1 through the pressure introduction hole 11d. At this time, even if the process gas suddenly flows in, the process gas bypasses the baffle 11c and the pressure introducing hole 11d and flows into the package 10, so that the process gas does not directly hit the sensor diaphragm 32. . Therefore, redeposition of the components of the process gas and impurities contained in the process gas can be prevented in the sensor diaphragm 32.

なお、プロセスガスが微圧であっても、センサチップ３０の容量室内は真空のため、センサダイアフラム３２が撓んで、センサチップ３０の固定電極３３ｂ・３３ｃと可動電極３２ｂ・３２ｃとの間隔が変化する。これによって、固定電極３３ｂ・３３ｃと可動電極３２ｂ・３２ｃで構成されたコンデンサの容量値が変化する。かかる容量値の変化を電極リード部４０によって圧力センサ１の外部に取り出すことにより、プロセスガスの微圧を測定することができる。 Even if the process gas is at a low pressure, the sensor chamber 32 is bent due to a vacuum in the capacity chamber of the sensor chip 30, and the distance between the fixed electrodes 33b and 33c and the movable electrodes 32b and 32c of the sensor chip 30 changes. To do. As a result, the capacitance value of the capacitor formed by the fixed electrodes 33b and 33c and the movable electrodes 32b and 32c changes. By taking out the change in the capacitance value to the outside of the pressure sensor 1 by the electrode lead part 40, the fine pressure of the process gas can be measured.

一方、本実施形態においては、圧力センサ１は半導体製造プロセスに設置されており、プロセスガスは高温であるため、半導体製造装置へのプロセスガスの流入前と流入後とで圧力センサ１が取付けられた部分に大きな熱的変化が生じる。また、センサ自身も（例えば最大２００℃程度まで）加熱して使うので熱的変化が生じる。さらに、圧力センサ１製作時の受圧部製作工程（最終封止工程）においては約３００℃の加熱が必要となるため、圧力センサ１を構成する部品には大きな熱的変化が生じる。 On the other hand, in the present embodiment, the pressure sensor 1 is installed in the semiconductor manufacturing process, and the process gas is at a high temperature. Therefore, the pressure sensor 1 is attached before and after the process gas flows into the semiconductor manufacturing apparatus. A large thermal change occurs in the area. Further, since the sensor itself is heated and used (for example, up to about 200 ° C.), a thermal change occurs. Furthermore, in the pressure receiving part manufacturing process (final sealing process) at the time of manufacturing the pressure sensor 1, heating at about 300 ° C. is required, so that a large thermal change occurs in the components constituting the pressure sensor 1.

ここで、パッケージ１０を構成するロアプレート１１及びアッパプレート１２はインコネルで構成されるのに対し、カバー１３はコバールから構成されており、これら部材間の熱膨張率が異なる。このため、図３に示すような従来のパッケージ１１０を採用すると、熱膨張率差による熱応力が発生し、この熱応力によってカバー１３０の中央部が大きく内側に撓み、それによってハーメチックシール部４３０・６００に大きな応力が作用する。 Here, the lower plate 11 and the upper plate 12 constituting the package 10 are made of Inconel, whereas the cover 13 is made of Kovar, and the coefficient of thermal expansion between these members is different. For this reason, when the conventional package 110 as shown in FIG. 3 is adopted, a thermal stress due to a difference in thermal expansion coefficient is generated, and the central portion of the cover 130 is greatly bent inward by this thermal stress, and thereby the hermetic seal portion 430. A large stress acts on 600.

これに対し、本実施形態における圧力センサ１の場合、図１及び図２に示すように、カバー１３の内側面に、ハーメチックシール部６０を取り囲む環状溝（凹部）１３ｂが形成され、これにより、カバー１３の周縁部に応力吸収用の薄肉部１３ｃが形成される。このため、図２に示すように、カバー１３の薄肉部１３ｃに応力を集中させることができるので、複数のハーメチックシール部４３・６０に作用する応力を大幅に低減させることができる。 On the other hand, in the case of the pressure sensor 1 in the present embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2, an annular groove (concave portion) 13 b surrounding the hermetic seal portion 60 is formed on the inner side surface of the cover 13, thereby A thin portion 13c for absorbing stress is formed at the peripheral edge of the cover 13. For this reason, as shown in FIG. 2, since stress can be concentrated on the thin part 13c of the cover 13, the stress which acts on the several hermetic seal parts 43 and 60 can be reduced significantly.

以上説明した実施形態に係る圧力センサ１においては、パッケージ１０を構成する板状のカバー１３の内側面（パッケージ内部側の面）に、カバー１３中央の複数のハーメチックシール部４３・６０を取り囲む環状溝（凹部）１３ｂが形成され、これにより応力吸収用の薄肉部１３ｃが形成されるため、薄肉部１３ｃに応力を集中させることができる。従って、複数のハーメチックシール部４３・６０に作用する応力を大幅に低減させることができる。特に、本実施形態に係る圧力センサ１においては、３００〜４５０℃程度の高温で加熱した場合にハーメチックシール部４３・６０に作用する応力を大幅に低減させることができるので、製造工程でのリークの発生を低減させることができる。 In the pressure sensor 1 according to the embodiment described above, the inner surface (surface inside the package) of the plate-like cover 13 constituting the package 10 has an annular shape surrounding the plurality of hermetic seal portions 43 and 60 at the center of the cover 13. Since the groove (concave portion) 13b is formed and thereby the thin portion 13c for absorbing stress is formed, the stress can be concentrated on the thin portion 13c. Therefore, the stress acting on the plurality of hermetic seal portions 43 and 60 can be greatly reduced. In particular, in the pressure sensor 1 according to the present embodiment, the stress acting on the hermetic seal portions 43 and 60 when heated at a high temperature of about 300 to 450 ° C. can be greatly reduced. Can be reduced.

＜第二実施形態＞
次に、図４及び図５を用いて、本発明の第二実施形態に係る圧力センサ１Ａについて説明する。本実施形態に係る圧力センサ１Ａは、第一実施形態に係る圧力センサ１のカバー１３の構成のみを変更したものであり、その他の構成については実質的に第一実施形態と共通である。このため、異なる構成を中心に説明することとし、共通する構成については第一実施形態と同様の符号を付して詳細な説明を省略することとする。 <Second embodiment>
Next, a pressure sensor 1A according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The pressure sensor 1A according to the present embodiment is obtained by changing only the configuration of the cover 13 of the pressure sensor 1 according to the first embodiment, and the other configurations are substantially the same as the first embodiment. For this reason, different configurations will be mainly described, and common configurations will be denoted by the same reference numerals as those in the first embodiment, and detailed description thereof will be omitted.

圧力センサ１Ａのパッケージを構成するカバー１３Ａの中央部には、複数の電極リード挿通孔１３ａが形成されている。電極リード挿通孔１３ａには電極リード部４０が埋め込まれており、電極リード部４０と電極リード挿通孔１３ａとの間は、封着用ガラスで構成されるハーメチックシール部６０によって気密的に封止されている。電極リード部４０の電極リードピン４１は、金属製のシールド４２にガラスなどの絶縁性材料からなるハーメチックシール部４３によってその中央部分が埋設され、電極リードピン４１の両端部間で気密状態を保っている。 A plurality of electrode lead insertion holes 13a are formed at the center of the cover 13A constituting the package of the pressure sensor 1A. An electrode lead portion 40 is embedded in the electrode lead insertion hole 13a, and the electrode lead portion 40 and the electrode lead insertion hole 13a are hermetically sealed by a hermetic seal portion 60 made of sealing glass. ing. The electrode lead pin 41 of the electrode lead portion 40 is embedded in a metal shield 42 by a hermetic seal portion 43 made of an insulating material such as glass, and maintains an airtight state between both ends of the electrode lead pin 41. .

本実施形態においては、図４に示すように、複数のハーメチックシール部４３・６０を取り囲むカバー１３Ａの周縁部の内側面（パッケージ内側の面）に凹部１３ｄを形成するとともに、カバー１３Ａの周縁部の外側面（パッケージ外側の面）にも凹部１３ｅを形成し、これにより、カバー１３の周縁部に応力吸収用の平坦な板状の薄肉部１３ｃＡを形成している。 In the present embodiment, as shown in FIG. 4, a recess 13d is formed on the inner side surface (the inner surface of the package) of the peripheral portion of the cover 13A surrounding the plurality of hermetic seal portions 43 and 60, and the peripheral portion of the cover 13A. A recess 13e is also formed on the outer side surface (surface outside the package), whereby a flat plate-like thin portion 13cA for absorbing stress is formed on the peripheral portion of the cover 13.

以上説明した実施形態に係る圧力センサ１Ａにおいても、複数のハーメチックシール部４３・６０を取り囲むカバー周縁部に形成された薄肉部１３ｃＡに応力を集中させることができる。従って、複数のハーメチックシール部４３・６０に作用する応力を大幅に低減させることができる。また、本実施形態に係る圧力センサ１においても、３００〜４５０℃程度の高温で加熱した場合にハーメチックシール部４３・６０に作用する応力を大幅に低減させることができるので、製造工程でのリークの発生を低減させることができる。 Also in the pressure sensor 1A according to the embodiment described above, stress can be concentrated on the thin portion 13cA formed on the peripheral edge portion of the cover surrounding the plurality of hermetic seal portions 43 and 60. Therefore, the stress acting on the plurality of hermetic seal portions 43 and 60 can be greatly reduced. Also in the pressure sensor 1 according to the present embodiment, the stress acting on the hermetic seal portions 43 and 60 when heated at a high temperature of about 300 to 450 ° C. can be greatly reduced, so that leakage in the manufacturing process can be achieved. Can be reduced.

なお、本実施形態におけるカバー周縁部の薄肉部１３ｃＡの形状は、図４に示すような平坦な板状に限られるものではなく、図５に示すように波状の凹凸（コルゲーション）を形成したものであってもよい。 In addition, the shape of the thin wall portion 13cA at the peripheral edge of the cover in this embodiment is not limited to the flat plate shape as shown in FIG. 4, but is formed with wavy irregularities (corrugation) as shown in FIG. It may be.

また、以上の各実施形態においては、支持ダイアフラム５０はインコネルでできていたが、必ずしもこれに限定されず、ステンレスやコバールなどの耐食性金属でできていても良い。また、台座プレート２０やセンサチップ３０はサファイアできていたが、必ずしもこの材質に限定されず、シリコンやアルミナ、シリコンカーバイド、又は石英などでできていても良い。また、コンタクトパッド３５・３６と電極リード部４０との接続部はいわゆるコンタクトバネ４５・４６の形態で構成されていたが、十分な可撓性を有すれば必ずしもこれに限定されず、板バネのような形態であっても良い。さらには、電極リード部４０とコンタクトパッド３５・３６を十分に柔らかい導電ワイヤで繋いでいても良い。また、センサチップ３０、台座プレート２０、電極リード部４０、パッケージ１０の形状は上述の実施形態に限定されるものでないことは言うまでもない。 Further, in each of the above embodiments, the support diaphragm 50 is made of Inconel, but is not necessarily limited thereto, and may be made of a corrosion-resistant metal such as stainless steel or Kovar. The base plate 20 and the sensor chip 30 are made of sapphire, but are not necessarily limited to this material, and may be made of silicon, alumina, silicon carbide, quartz, or the like. Further, the connection part between the contact pads 35 and 36 and the electrode lead part 40 is configured in the form of so-called contact springs 45 and 46, but is not necessarily limited to this as long as it has sufficient flexibility. The form may be as follows. Furthermore, the electrode lead 40 and the contact pads 35 and 36 may be connected by a sufficiently soft conductive wire. Needless to say, the shapes of the sensor chip 30, the pedestal plate 20, the electrode lead portion 40, and the package 10 are not limited to the above-described embodiments.

また、以上の各実施形態は、静電容量式のセンサチップを用いた場合について説明したが、このセンサチップの代わりに例えばシリコンでできたピエゾ抵抗式センサチップを備えた圧力センサであっても、上述した構成を有することによって、発生した熱応力をハーメチックシール部に伝わるのを効果的に防止できる。 Moreover, although each above embodiment demonstrated the case where an electrostatic capacitance type sensor chip was used, even if it is a pressure sensor provided with the piezoresistive type sensor chip made from silicon instead of this sensor chip, for example. By having the above-described configuration, it is possible to effectively prevent the generated thermal stress from being transmitted to the hermetic seal portion.

１・１Ａ…圧力センサ
１０…パッケージ
１０Ａ…圧力導入部
１０Ｂ…基準真空室
１１…ロアハウジング
１２…アッパハウジング
１３・１３Ａ…カバー
１３ａ…挿通孔
１３ｂ…環状溝（凹部）
１３ｃ・１３ｃＡ…薄肉部
１３ｄ…凹部
３０…センサチップ
４１…リードピン
４３…ハーメチックシール部
６０…ハーメチックシール部 1.1A ... Pressure sensor 10 ... Package 10A ... Pressure introduction part 10B ... Reference vacuum chamber 11 ... Lower housing 12 ... Upper housing 13 / 13A ... Cover 13a ... Insertion hole 13b ... Annular groove (recess)
13c / 13cA: Thin part 13d: Recess 30 ... Sensor chip 41 ... Lead pin 43 ... Hermetic seal part 60 ... Hermetic seal part

Claims

A package having a cylindrical housing and a plate-like cover joined to an end of the housing; a sensor chip for pressure detection that isolates a reference vacuum chamber formed in the package and a pressure introducing portion; A lead pin that is electrically connected to the sensor chip and exposed to the outside of the package through the insertion hole of the cover, and a sealing glass that hermetically seals between the insertion hole and the lead pin A hermetic seal portion, and a pressure sensor comprising:
A thin portion for stress absorption is formed by forming a recess on the inner surface of the cover.
Pressure sensor.

A plurality of the hermetic seal portions are formed in the center of the cover,
The thin-walled portion is formed by an annular groove surrounding the plurality of hermetic seal portions.
The pressure sensor according to claim 1.

A plurality of the hermetic seal portions are formed in the center of the cover,
The thin portion is formed on a peripheral portion of the cover that surrounds the plurality of hermetic seal portions.
The pressure sensor according to claim 1.

Wavy irregularities are formed in the thin portion,
The pressure sensor according to claim 3.