JP2013011478A - 圧力測定器及び半導体圧力センサの台座 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力を正確に測定可能な圧力測定器を提供する。
【解決手段】ガラス台座２０１と、ガラス台座１上に配置された半導体台座２と、半導体台座２上に配置された半導体圧力センサ３と、を備え、ガラス台座２０１の高さｈ₁及び半導体台座２の高さｈ₂の和に対する、ガラス台座２０１の高さｈ₁の比が、０．５乃至０．９である、圧力測定器。
【選択図】図４

Description

本発明は圧力測定技術に係り、圧力測定器及び半導体圧力センサの台座に関する。

半導体のピエゾ抵抗効果を利用した圧力測定器が、小型、軽量、及び高感度であることから、プラント等で広く利用されている（例えば、特許文献１、２参照。）。このような圧力測定器においては、半導体からなるダイアフラムに、歪ゲージが設けられている。ダイアフラムに加わる圧力によって歪ゲージが変形すると、ピエゾ抵抗効果によって歪ゲージの抵抗値が変化する。したがって、歪ゲージの抵抗値を測定することにより、圧力を測定することが可能となる。

特許第３３０７２８１号公報 特開２００６−１７０８２３号公報

圧力測定器においては、構成部品の接合面において生じた応力が、圧力測定に誤差を与える場合がある。そこで、本発明は、圧力を正確に測定可能な圧力測定器及び半導体圧力センサの台座を提供することを目的の一つとする。

本発明の態様によれば、（イ）ガラス台座と、（ロ）ガラス台座上に配置された半導体台座と、（ハ）半導体台座上に配置された半導体圧力センサと、を備え、（ニ）ガラス台座の高さ及び半導体台座の高さの和に対する、ガラス台座の高さの比が、０．５乃至０．９である、圧力測定器が提供される。

また、本発明の態様によれば、（イ）ガラス台座と、（ロ）ガラス台座上に配置された半導体台座と、を備え、（ハ）ガラス台座の高さ及び半導体台座の高さの和に対する、ガラス台座の高さの比が、０．５乃至０．９である、半導体圧力センサの台座が提供される。

本発明によれば、圧力を正確に測定可能な圧力測定器及び半導体圧力センサの台座を提供可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る圧力測定器の上面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る圧力測定器の図１のＩＩ−ＩＩ方向から見た断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る圧力測定器の断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る圧力測定器の断面図である。 本発明の第１の実施例に係るガラス台座の高さ及び半導体台座の高さの和に対するガラス台座の高さの比と、応力と、の関係を示す実証データである。 本発明の第２の実施例に係るガラス台座の直径ｘに対する段の奥行きｙの比と、応力と、の関係を示すグラフである。 本発明の第３の実施例に係るガラス台座の第１の円柱部の直径ｘに対する第２の円柱部の直径（ｘ−２ｙ）の比と、応力と、の関係を示すグラフである。

以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

（第１の実施の形態）
第１の実施の形態に係る圧力測定器は、図１、及びＩＩ−ＩＩ方向から見た断面図である図２に示すように、貫通孔１１が設けられたガラス台座１と、ガラス台座１上に配置され、貫通孔２１が設けられた半導体台座２と、貫通孔１１、２１の上方に位置するダイアフラム３０を有する、半導体台座２上に配置された半導体圧力センサ３と、を備える。

半導体圧力センサ３は、例えば、ケイ素（Ｓｉ）等の半導体からなる第１の半導体基板３１、第１の半導体基板３１上に配置された酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）等からなる酸化膜３２、及び酸化膜３２上に配置されたケイ素（Ｓｉ）等の半導体からなる第２の半導体基板３３を含むＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板から製造される。第１の半導体基板３１及び第２の半導体基板３３の材料は、半導体であれば特に限定されず、ゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、又は炭化ケイ素（ＳｉＣ）でもよい。第１の半導体基板３１、酸化膜３２、及び第２の半導体基板３３には、第１の半導体基板３１の底面から、第２の半導体基板３３に到達する凹部３４が設けられている。凹部３４は、ウェットエッチング又はドライエッチングにより形成される。

半導体圧力センサ３の凹部３４は、ガラス台座１及び半導体台座２の貫通孔１１、２１の上方に位置する。半導体圧力センサ３の凹部３４上の第２の半導体基板３３の薄膜の部分が、ダイアフラム３０として機能する。（１００）面を主面とするダイアフラム３０は、上面に加わる圧力と、底面に加わる圧力と、の差圧に従って撓む。

図１に示すように、上方から見て円形のダイアフラム３０には、９０°間隔で＜１１０＞方向に４つの歪み抵抗ゲージ３０１，３０２，３０３，３０４が設けられている。差圧によってダイアフラム３０が撓むことにより、歪み抵抗ゲージ３０１，３０２，３０３，３０４の電気抵抗値が変化する。歪み抵抗ゲージ３０１，３０２，３０３，３０４のそれぞれの電気抵抗値は、歪み抵抗ゲージ３０１，３０２，３０３，３０４をホイートストーンブリッジに接続することにより計測可能である。したがって、歪み抵抗ゲージ３０１，３０２，３０３，３０４の電気抵抗値を計測することにより、差圧の測定が可能となる。歪み抵抗ゲージ３０１，３０２，３０３，３０４は、例えば、シリコンからなるダイアフラム３０に不純物イオンを注入することにより形成される。

図２に示すガラス台座１は、円柱形状を有し、パイレックス（登録商標）又はテンパックスガラス（登録商標）等の耐熱ガラスからなる。耐熱ガラスは、例えば、約３×１０^-6／K等の低い熱膨張率を有する。ガラス台座１に設けられた貫通孔１１の断面は、例えば円形である。ガラス台座１上に陽極接合により固定された半導体台座２は、円柱形状を有し、ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、又は炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の第１の半導体基板３１の材料と同じ半導体からなる。半導体台座２に設けられた貫通孔２１は、ガラス台座１の貫通孔１１に連通している。半導体台座２の貫通孔２１の断面は、例えばガラス台座１の貫通孔１１の断面と同じ円形である。また、半導体台座２の貫通孔２１の断面積は、例えば、ガラス台座１の貫通孔１１の断面積と同じである。ガラス台座１の貫通孔１１及び半導体台座２の貫通孔２１は、ダイアフラム３０の底面に流体を導入するための圧力導入孔として使用される。

圧力測定器は、ガラス台座１の底面を、耐腐食性が高いステンレス鋼等からなるパッケージ４に固定して使用される。ここで、パッケージ４に直接半導体圧力センサ３を固定すると、パッケージ４に加わった外力が、ダイアフラム３０に伝播しうる。ダイアフラム３０に伝播した外力は、測定対象である差圧とは無関係にダイアフラム３０を撓ませるため、正確な差圧測定の妨げとなる。また、ステンレス鋼は、熱膨張係数が高いため、半導体圧力センサ３に大きな応力を与えうる。なお、熱膨張係数が低い材料として、コバール（Ｋｏｖａｒ）があるものの、耐腐食性が低く、耐腐食性を向上させるには高価な金メッキが必要であるという問題がある。

さらに、半導体台座２を用いることなく、半導体圧力センサ３をガラス台座１上に固定すると、半導体圧力センサ３の第１の半導体基板３１の材料のシリコン等の熱膨張係数と、ガラス台座１の材料のガラスの熱膨張係数と、の違いにより、応力が発生しうる。熱膨張係数の違いにより発生する応力も、正確な差圧測定の妨げとなる。

これに対し、第１の実施の形態においては、半導体圧力センサ３の第１の半導体基板３１が、第１の半導体基板３１と同じ材料からなる半導体台座２上に固定される。そのため、第１の半導体基板３１の熱膨張係数と、半導体台座２の熱膨張係数と、が同じであるため、第１の半導体基板３１と、半導体台座２と、の接触面において、熱膨張の違いによる応力が発生しえない。また、仮に半導体台座２の下方で応力が生じても、半導体台座２で応力を緩和することが可能となる。

（第２の実施の形態）
図３に示すように、第２の実施の形態に係る圧力測定器においては、ガラス台座１０１の半導体台座２の底面に接する上面の外縁に、段１２が設けられている。段１２を設けることにより、ガラス台座１０１と、半導体台座２と、の接合面において、熱膨張係数の違いにより生じる応力を効果的に抑制することが可能となる。第２の実施の形態に係る圧力測定器のその他の構成要素は、第１の実施の形態と同様であるので、説明は省略する。

（第３の実施の形態）
図４に示すように、第３の実施の形態に係る圧力測定器においては、ガラス台座２０１のパッケージ４の上面に接する底面の外縁に、段１３が設けられている。段１３を設けることにより、パッケージ４からの応力の影響を緩和することが可能となる。そのため、パッケージ４上面と、半導体圧力センサ３の底面と、の間の距離、換言すれば、ガラス台座２０１の高さｈ₁及び半導体台座２の高さｈ₂の和を短くすることが可能となる。よって、圧力測定器の小型化が可能となる。

（第１の実施例）
図５に示すように、図４を用いて説明した圧力測定器のガラス台座２０１の高さｈ₁及び半導体台座２の高さｈ₂の和に対するガラス台座２０１の高さｈ₁の比と、ガラス台座２０１及び半導体台座２の熱膨張係数の違いにより生じる応力と、の関係は、高さの比を独立変数とする二次関数に近似することができた。ガラス台座２０１の高さｈ₁及び半導体台座２の高さｈ₂の和を変動させても、二次関数は、高さの比が０．５乃至０．９、好ましくは０．６乃至０．８である場合に、応力の最小値を与えた。したがって、圧力測定器においては、ガラス台座２０１の高さｈ₁及び半導体台座２の高さｈ₂の和に対するガラス台座２０１の高さｈ₁の比を、０．５乃至０．９、好ましくは０．６乃至０．８とすることにより、応力が緩和されることが示された。さらに、ガラス台座２０１の高さｈ₁及び半導体台座２の高さｈ₂の和を、３．０ミリメートル以上、好ましくは３．５ミリメートル以上とすることによっても、応力が緩和されることが示された。

（第２の実施例）
図６に示すように、図４を用いて説明した圧力測定器の段１３の奥行きを一定にしたまま、ガラス台座２０１の直径ｘに対する、段１２の奥行きｙの比を変化させたところ、比を０．０３以上０．０６以下、好ましくは０．０３以上０．０５以下、より好ましくは０．０３以上０．０４以下とすることにより、ガラス台座２０１と、半導体台座２と、の接合面において、熱膨張係数の違いにより生じる応力が効果的に抑制されることが示された。

（第３の実施例）
図４を用いて説明した圧力測定器は、ガラス台座２０１が、第１の直径ｘを有する第１の円柱部と、第１の直径ｘより小さい第２の直径（ｘ−２ｙ）を有し、第１の円柱部上に配置された第２の円柱部と、第１の直径ｘより小さい第３の直径を有し、第１の円柱部下に配置された第３の円柱部と、を有するとみなしうる。ここで、段１３の奥行きを一定にしたまま、図７に示すように、第１の直径ｘに対する、第２の直径（ｘ−２ｙ）の比を変化させたところ、比を０．８８以上０．９４以下、好ましくは０．９０以上０．９４以下、より好ましくは０．９２以上０．９３以下とすることにより、ガラス台座２０１と、半導体台座２と、の接合面において、熱膨張係数の違いにより生じる応力が効果的に抑制されることが示された。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施の形態及び運用技術が明らかになるはずである。本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。

１、１０１、２０１ ガラス台座
２ 半導体台座
３ 半導体圧力センサ
４ パッケージ
１１、２１ 貫通孔
１２、１３ 段
３０ ダイアフラム
３１ 第１の半導体基板
３２ 酸化膜
３３ 第２の半導体基板
３４ 凹部
３０１、３０２、３０３、３０４ 抵抗ゲージ

Claims (16)

1. ガラス台座と、
   前記ガラス台座上に配置された半導体台座と、
   前記半導体台座上に配置された半導体圧力センサと、
   を備え、
   前記ガラス台座の高さ及び前記半導体台座の高さの和に対する、前記ガラス台座の高さの比が、０．５乃至０．９である、圧力測定器。
2. 前記ガラス台座の高さ及び前記半導体台座の高さの和に対する、前記ガラス台座の高さの比が、０．６乃至０．８である、請求項１に記載の圧力測定器。
3. 前記ガラス台座の高さ及び前記半導体台座の高さの和が、３．０ミリメートル以上である、請求項１又は２に記載の圧力測定器。
4. 前記ガラス台座の高さ及び前記半導体台座の高さの和が、３．５ミリメートル以上である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧力測定器。
5. 前記ガラス台座の前記半導体台座の底面に接する上面の外縁に段が設けられている、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧力測定器。
6. 前記ガラス台座の直径に対する前記段の奥行きの比が、０．０３以上０．０６以下である、請求項５に記載の圧力測定器。
7. 前記ガラス台座が、第１の直径を有する第１の円柱部と、前記第１の直径より小さい第２の直径を有し、前記第１の円柱部上に配置された第２の円柱部と、を有し、前記第１の直径に対する前記第２の直径の比が、０．８８以上０．９４以下である、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の圧力測定器。
8. 前記ガラス台座の底面の外縁に段が設けられている、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の圧力測定器。
9. ガラス台座と、
   前記ガラス台座上に配置された半導体台座と、
   を備え、
   前記ガラス台座の高さ及び前記半導体台座の高さの和に対する、前記ガラス台座の高さの比が、０．５乃至０．９である、
   半導体圧力センサの台座。
10. 前記ガラス台座の高さ及び前記半導体台座の高さの和に対する、前記ガラス台座の高さの比が、０．６乃至０．８である、請求項９に記載の半導体圧力センサの台座。
11. 前記ガラス台座の高さ及び前記半導体台座の高さの和が、３．０ミリメートル以上である、請求項９又は１０に記載の半導体圧力センサの台座。
12. 前記ガラス台座の高さ及び前記半導体台座の高さの和が、３．５ミリメートル以上である、請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の半導体圧力センサの台座。
13. 前記ガラス台座の前記半導体台座の底面に接する上面の外縁に段が設けられている、請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の半導体圧力センサの台座。
14. 前記ガラス台座の直径に対する前記段の奥行きの比が、０．０３以上０．０６以下である、請求項１３に記載の半導体圧力センサの台座。
15. 前記ガラス台座が、第１の直径を有する第１の円柱部と、前記第１の直径より小さい第２の直径を有し、前記第１の円柱部上に配置された第２の円柱部と、を有し、前記第１の直径に対する前記第２の直径の比が、０．８８以上０．９４以下である、請求項９乃至１４のいずれか１項に記載の半導体圧力センサの台座。
16. 前記ガラス台座の底面の外縁に段が設けられている、請求項９乃至１５のいずれか１項に記載の半導体圧力センサの台座。