JP2013040891A - Pressure sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は水晶振動子を用いた、ダイヤフラム方式の圧力センサに関する。 The present invention relates to a diaphragm type pressure sensor using a crystal resonator.
自動車のタイヤの空気圧を常時モニタリングし、設定された空気圧以下になると警報を発するTPMS(タイヤ・プレッシャー・モニタリング・システム)においては、当該空気圧を測定するために水晶振動子を用いた圧力センサを用いることが検討されている。 In a TPMS (tire pressure monitoring system) that constantly monitors the tire pressure of a car and issues an alarm when the pressure falls below a set pressure, a pressure sensor using a crystal oscillator is used to measure the pressure. It is being considered.
ダイヤフラム式の圧力センサは、ダイヤフラムに支持された圧力感応素子、例えば水晶振動子が外部からの応力を受けることによって生じる共振周波数の変化を検出するセンサである。 The diaphragm type pressure sensor is a sensor that detects a change in resonance frequency caused by a pressure sensitive element supported by the diaphragm, for example, a crystal resonator, when receiving stress from the outside.
ダイヤフラム式の圧力センサは、ダイヤフラムの変形を検出する感度が極めて高く、高感度な圧力センサである。しかしながら、その感度の高さのため、圧力以外の外乱により、ダイヤフラムがわずかに変形した場合でも、変形を検出するおそれがある。外乱としては例えば環境の温度が変化したときに、容器と圧力感応素子の熱膨張係数の差により、圧力感応素子に応力が生じる場合が挙げられる。 The diaphragm type pressure sensor is a highly sensitive pressure sensor with extremely high sensitivity for detecting the deformation of the diaphragm. However, due to the high sensitivity, even if the diaphragm is slightly deformed due to disturbances other than pressure, deformation may be detected. Examples of the disturbance include a case where stress is generated in the pressure sensitive element due to a difference in thermal expansion coefficient between the container and the pressure sensitive element when the temperature of the environment changes.
特許文献1は、容器と圧力感応素子を熱膨張率の近い材料で構成することにより、例えば容器及び圧力感応素子を夫々シリコン及び水晶で構成するか、あるいは両者を共に水晶で構成することで、温度変化による感度低下を減らす技術が記載されている。しかしながら圧力感応素子の接合は接着剤でなされており、容器及び水晶振動子と接合材料(接着剤)の間の熱膨張係数差により、温度変化による感度低下が生じていた。また容器に水晶が用いられるため、応力が低く圧力耐性が低い圧力センサであった。
In
本発明はこのような事情の下になされたものであり、ダイヤフラム式圧力センサにおいて、容器及び感圧素子の材料の熱膨張係数差に起因する感度低下を抑制することのできる圧力センサを提供することにある。 The present invention has been made under such circumstances, and provides a pressure sensor that can suppress a decrease in sensitivity due to a difference in thermal expansion coefficient between materials of a container and a pressure sensitive element in a diaphragm pressure sensor. There is.
本発明の圧力センサは外部からの圧力により撓むダイヤフラムを構成し、下面側に凹部が形成されたシリコンからなる上側部材と、
上面側に凹部が形成され、前記上側部材と共に容器をなすシリコンからなる下側部材と、
前記上側部材の周縁部と下側部材の周縁部との間にその周縁部が全周に亘って挟まれ、前記凹部により形成される空間に感圧素子である水晶振動子が形成された水晶板と、
この水晶板の周縁部と前記上側部材の周縁部との間、及び前記水晶板の周縁部と前記下側部材の周縁部との間の各々に水晶板側からこの順番に形成された二酸化シリコンからなるエピタキシャルSiO2層及び炭化シリコン層と、を備え、
前記上側部材、水晶板及び下側部材が前記エピタキシャルSiO2層及び炭化シリコン層を介して互に接合されていることを特徴とする。
The pressure sensor of the present invention constitutes a diaphragm that bends due to pressure from the outside, an upper member made of silicon with a recess formed on the lower surface side,
A concave member is formed on the upper surface side, and a lower member made of silicon that forms a container together with the upper member;
A quartz crystal in which a peripheral portion of the upper member is sandwiched between the peripheral portion of the upper member and the peripheral portion of the lower member, and a crystal resonator serving as a pressure sensitive element is formed in a space formed by the concave portion. The board,
Silicon dioxide formed in this order from the crystal plate side between the peripheral portion of the crystal plate and the peripheral portion of the upper member and between the peripheral portion of the crystal plate and the peripheral portion of the lower member An epitaxial SiO 2 layer and a silicon carbide layer comprising:
The upper member, the crystal plate, and the lower member are bonded to each other through the epitaxial SiO 2 layer and the silicon carbide layer.
本発明は、圧力センサの容器を形成する上側部材及び下側部材としてシリコンを材料に用い、非晶質の炭化シリコン層とエピタキシャルSiO2層とを介して上側部材、水晶振動子を含む水晶板及び下側部材を接合している。前記炭化シリコン層は弾性が大きく、緩衝層の役割を果たすため、環境温度の変化が起こった場合に、シリコンと水晶との熱膨張率の違いを当該緩衝層が吸収するため応力の発生が少なく、検出感度の低下が抑えられる。また炭化シリコン層はシリコン及び水晶と強固に面接合することから容器と水晶板との結合力が大きい。更にまた容器としてシリコンを用いることにより圧力センサの耐圧性が大きい。 The present invention uses a silicon as a material for an upper member and a lower member forming a container of a pressure sensor, and a quartz plate including an upper member and a crystal resonator via an amorphous silicon carbide layer and an epitaxial SiO 2 layer And the lower member is joined. Since the silicon carbide layer has high elasticity and plays a role as a buffer layer, when the environmental temperature changes, the buffer layer absorbs the difference in thermal expansion coefficient between silicon and quartz, so that the generation of stress is small. , A decrease in detection sensitivity is suppressed. Further, since the silicon carbide layer is firmly surface-bonded to silicon and quartz, the bonding force between the container and the quartz plate is large. Furthermore, the pressure resistance of the pressure sensor is high by using silicon as the container.
先ず本発明の実施の形態における圧力センサの構造について説明する。図1に示すように、圧力センサは容器を構成するための上側部材1及び下側部材3と、上側部材1及び下側部材3の間に設けられる感圧素子である水晶振動子2が形成された水晶板25と、を備えている。上側部材1及び下側部材3は各々シリコンにより作られている。上側部材1は扁平な円柱形の上面側に円形の凹部13が形成されると共に、下面側に前記凹部13よりも口径の小さい円形の凹部14が形成され、これら凹部13、14の間の薄肉部分(底部分)をダイヤフラム15として構成したものである。そのダイヤフラム15は直径が例えばおよそ10mmに設定されている。その厚さが例えば1.4mmであり、押圧されると撓む弾性板として構成されている。
First, the structure of the pressure sensor in the embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 1, the pressure sensor includes an
ダイヤフラム15は上面が例えば車両に設けられたタイヤの内部空間などの測定雰囲気に面し、測定雰囲気の圧力に応じて変形する。即ち、ダイヤフラム15は測定雰囲気の圧力が容器内の圧力よりも大きくなったときに容器の内側へ撓み、小さくなったときに容器の外側へ撓む。
The upper surface of the
水晶板25は例えばATカットの水晶からなり、後述のようにエッチングによりくり抜かれて、環状枠部23で囲まれる領域にその両端が当該環状枠部23に連結されて直径方向に伸びる短冊形状の水晶片24が形成された構成になっている。
The
環状枠部23は上側部材1の環状壁16と下側部材3の環状壁38との間にその周縁部が全周に亘って挟みこまれており、上側部材1及び下側部材3により囲まれた気密空間内に置かれることとなる。水晶片24と上側部材1及び下側部材3との接合面は、水晶片24側より、夫々厚さ1〜10μmの二酸化シリコンからなるエピタキシャルSiO2層12、32、厚さ50〜100μmの炭化シリコンの炭化シリコン層11、31の順に構成されている。当該水晶振動子2はダイヤフラム15と平行に、つまりダイヤフラム15と対向して配置されていることになり、両端を支えられた両梁支えの構造となっている。
The peripheral edge of the
短冊形状の水晶片24の両面には例えばCrを下地層とし、その上にAuを積層した励振電極21、22が形成され、電極21、22は下側部材3の環状壁36の上面側からの下面側へ貫通する貫通孔34内を通る導電路39を介して、容器外部へと引き回され、外部端子36に接続されている。
次に本発明に係る圧力センサの製造方法について説明する。先ず上側部材用ウエハ10、水晶振動子用ウエハ20、下側部材用ウエハ30を用意する。上側部材用及び、下側部材用ウエハ10、30は、例えばシリコンを材料とする。水晶振動子用ウエハ20は前述のようにATカットされた水晶を用いる。各ウエハ10、20、30はフォトリソグラフィ工程によるマスクの形成及びエッチング工程により、それぞれ上側部材1、水晶板25、下側部材3の外形が作製される。
Next, the manufacturing method of the pressure sensor according to the present invention will be described. First, an upper member wafer 10, a crystal resonator wafer 20, and a
上側部材用ウエハ10はRCA洗浄により表面に親水化処理が施された後、図3に示すように片面に、非結晶質である炭化シリコン(SiC)層11が形成される。炭化シリコン層11はシリコン上に格子定数差の大きいヘテロエピタキシャルSiO2層を成長させるために設けられる層であり、規則的な原子配列を持たない非晶層を設けることで、例えばシリコン等の基板の上にエピタキシャルSiO2層のような格子定数の異なる層を成長させることができる。炭化シリコン層11は、図3に示すように、水晶板25と接合する面の表面全体に形成される。炭化シリコン層11は、例えば光CVD装置により、反応ガスとして、シラン(SiH4と酸素(O2)、キャリアガスとして水素(H2)を用いて基板加熱温度200℃の低温で、シリコン基板上に成膜される。
After the surface of the
次に図3に示すように、上側部材用ウエハ10における前記炭化シリコン層11の上にエピタキシャルSiO2層12が成長される。エピタキシャルSiO2層12は例えば光CVD装置を用いて、反応ガスとして、シラン(SiH4)と酸素(O2)500〜570℃の温度で成長される。
Next, as shown in FIG. 3, an epitaxial SiO 2 layer 12 is grown on the
エピタキシャルSiO2層12が形成された、しかる後、上側部材1は上面部側及び接合面側に図3に示すように凹部13、14が形成される。具体的な加工については上側部材1の両面にスパッタリングにより金属膜が形成され、フォトリソグラフィにより、金属マスクパターンが形成される。その後上側部材1の上面部側には例えば、RIE(Reactive Ion Etching)加工により凹部13が形成されると共に、接合部側は、例えばケミカルエッチング加工により凹部14が形成されることで、例えば厚さ1.4mm程度のダイヤフラム15が形成される。
After the epitaxial SiO 2 layer 12 is formed, the
一方下側部材用ウエハ30は上面部側が接合面になる。この接合面には、上側部材1と同様にRCA洗浄が施された後に、図5に示すように、炭化シリコン層31が低温成長され、その後図5に示すように、当該炭化シリコン層31上に一面を覆うようにエピタキシャルSiO2層32が形成される。
On the other hand, the
次に図5に示すように下側部材3に凹部33が設けられると共に、配線35を通す貫通孔34が下側部材3の環状壁38の上面部から、下面部側へ垂直に貫通するように設けられ、水晶振動子2に設けられた電極21、22を接続するための導電路39が形成される。貫通孔34は、例えばサンドブラストによって形成される。
Next, as shown in FIG. 5, the
次に前記貫通孔34に配線35が形成され、下側部材3の下面部に外部端子部36が形成される。貫通孔34に設けられる配線35は、例えばペースト状のAu等の導電材料を貫通孔34に充填することで形成され、前記外部端子部36と接合される。当該配線の下側部材3の上面部側には、後述する水晶振動子2に設けられた電極21、22に接続するための接合部37が設けられる。
Next, a
水晶片24の両面には図6、7に示すように、電極21,22が形成される。電極21は、励振電極に相当する水晶片24上面部側中央部位から一端側を介して環状部材23の下面側へ引き回され、下側部材3に設けられた一方の接続部37に対応する位置まで伸ばされる。電極22は他方の接続部37に対応する位置より水晶片24の下面部に沿って中央部まで引き回され、両面に形成された電極21、22で水晶片24を挟み込むように形成される。
続いて図8に示すように、上側部材1、水晶板25及び下側部材3を平面方向の互いの位置を合わせた状態で、この順に重ね合わせ互いに接合させる。この結果、上側部材1及び下側部材3の夫々に設けられたエピタキシャルSiO2層12、32により水晶板25を上下から挟み込むように接合される。上側部材1と水晶板25とは、例えばアルゴンビームを用いた表面活性化接合により常温下で接合される。一方下側部材3と水晶板25とは酸素プラズマを用いた表面活性化接合により常温下で接合されると共に前記電極21、22及び、配線の接合部37が電気的に接続される。その後ダイシングを行うことにより、個々の圧力センサに切り分けられる。
Subsequently, as shown in FIG. 8, the
次に上述実施の形態に係る圧力センサの作用を説明する。本発明の圧力センサの上側部材1を例えばタイヤのバルブに取り付ける。このときタイヤの内部は加圧状態(大気圧以上の雰囲気)であり、その圧力に応じてダイヤフラム15の円板部が容器の内側に撓む。この撓み量に応じて、上側部材の環状壁16は外側に押し広げられるため、上側部材1の環状壁16を介して接合された水晶振動子2の両端部に水晶振動子の長さ方向の引っ張り応力が加わり、図9に示すように、当該水晶振動子2が撓む。この撓みにより水晶振動子2の共振周波数が変化し、その周波数信号が外部端子36を介し、図示しない外部導電路及び発振回路を介して計測回路部により計測され、これにより圧力値が検出される。
Next, the operation of the pressure sensor according to the above embodiment will be described. The
上述実施の形態によれば、圧力センサの容器を形成する上側部材1及び下側部材3としてシリコンを材料に用い、非晶質の炭化シリコン層11、31とエピタキシャルSiO2層12、32とを介して上側部材1、水晶振動子2を含む水晶板25及び下側部材3を互いに接合している。前記炭化シリコン層11、31は弾性が大きく、緩衝層の役割を果たすため、環境温度の変化が起こった場合に、シリコン容器1、3と水晶片24との熱膨張率の違いを当該炭化シリコン層11、31が吸収するため応力の発生が少なく、検出感度の低下が少なく抑えられる。
According to the above-described embodiment, silicon is used for the
また炭化シリコン層11、31は非晶質であり、特定の原子配置を持たないため、接合面の原子の配置を一致させることができ、シリコン及び水晶と強固に面接合することから容器と水晶板25との結合力が大きい。
Further, since the silicon carbide layers 11 and 31 are amorphous and do not have a specific atomic arrangement, the arrangement of atoms on the bonding surface can be matched, and the container and the quartz crystal are firmly bonded to silicon and the quartz crystal. The bonding force with the
更にまた容器としてシリコンを用い、シリコンの基板で水晶を挟むことにより大きな強度の圧力センサが得られる。 In addition, a pressure sensor with high strength can be obtained by using silicon as a container and holding a crystal between silicon substrates.
1 上側部材
11、31 炭化シリコン層
12、32 エピタキシャルSiO2層
15 ダイヤフラム
2 水晶振動子
21、22 電極
3 下側部材
35 配線
36 外部端子
1
Claims (1)
上面側に凹部が形成され、前記上側部材と共に容器をなすシリコンからなる下側部材と、
前記上側部材の周縁部と下側部材の周縁部との間にその周縁部が全周に亘って挟まれ、前記凹部により形成される空間に感圧素子である水晶振動子が形成された水晶板と、
この水晶板の周縁部と前記上側部材の周縁部との間、及び前記水晶板の周縁部と前記下側部材の周縁部との間の各々に水晶板側からこの順番に形成された二酸化シリコンからなるエピタキシャルSiO2層及び非晶質の炭化シリコン層と、を備え、
前記上側部材、水晶板及び下側部材が前記エピタキシャルSiO2層及び炭化シリコン層を介して互に接合されていることを特徴とする圧力センサ。 An upper member made of silicon that forms a diaphragm that bends due to pressure from the outside and that has a recess formed on the lower surface side;
A concave member is formed on the upper surface side, and a lower member made of silicon that forms a container together with the upper member;
A quartz crystal in which a peripheral portion of the upper member is sandwiched between the peripheral portion of the upper member and the peripheral portion of the lower member, and a crystal resonator serving as a pressure sensitive element is formed in a space formed by the concave portion. The board,
Silicon dioxide formed in this order from the crystal plate side between the peripheral portion of the crystal plate and the peripheral portion of the upper member and between the peripheral portion of the crystal plate and the peripheral portion of the lower member An epitaxial SiO 2 layer and an amorphous silicon carbide layer comprising:
The pressure sensor, wherein the upper member, the crystal plate, and the lower member are bonded to each other through the epitaxial SiO 2 layer and the silicon carbide layer.
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---|---|---|---|---|
KR20150131990A (en) * | 2014-05-16 | 2015-11-25 | 아즈빌주식회사 | Differential pressure sensor and method for manufacturing differential pressure sensor |
CN113278922A (en) * | 2021-05-25 | 2021-08-20 | 东莞市长益光电有限公司 | Frequency hopping prevention coating process for crystal oscillator wafer |
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KR101630128B1 (en) | 2014-05-16 | 2016-06-13 | 아즈빌주식회사 | Differential pressure sensor and method for manufacturing differential pressure sensor |
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