JP2018115944A - オイルレス圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】感度を下げることなく、残留歪みを小さくし、かつ信号取り出し線の切断のリスクを低減する。耐食性に優れたものとする。高温の流体による急激な温度変動を検知し、センサ出力の補正を行えるようにする。
【解決手段】センサチップ１０１を第１の半導体基板１と第２の半導体基板２とで構成する。第１の半導体基板１の一方の面（下側の面（表面））１ａに歪ゲージ１ｃおよび温度検出用のピエゾ抵抗素子（温度センサ）１ｄを形成し、耐食性の保護膜３で覆う。この保護膜３を接液部として露出させた状態でセンサチップ１０１をパッケージ１０２に収容する。温度センサ１ｄが直接検出する被測定流体の温度に基づいて、高温の流体による急激な温度変動を熱衝撃として検知し、センサ出力の補正を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、食品、化粧品、医薬品などの製造現場で用いて好適なオイルレス圧力センサに関する。

図１３にオイル（圧力伝達媒体）を使用した一般的な半導体圧力センサ２００の要部の構成を示す。この半導体圧力センサ２００は、センサチップ２０１と、センサチップ２０１を収容したパッケージ２０２と、金属製ダイアフラム（接液ダイアフラム）２０３とを備え、センサチップ２０１はパッケージ２０２のセンサ室２０２ａに収容されている。また、センサ室２０２ａの開口部２０２ａ１は金属製ダイアフラム２０３で塞がれており、この金属製ダイアフラム２０３で塞がれたセンサ室２０２ａにオイル２０４が封入されている。

センサチップ２０１は、半導体材料としてシリコン（Ｓｉ）を用いた半導体基板とされ、その一方の面（上面）２０１ａの中央部にセンサダイアフラム（応力検知ダイアフラム）２０１ｓが形成されている。センサチップ２０１の他方の面（下面）２０１ｂはセンサ室２０２ａの底面２０２ａ２に接合されている。

センサダイアフラム２０１ｓの上面（表面）２０１ｓ１には、その表層部に拡散抵抗からなる歪ゲージ（ピエゾ抵抗素子）２０１ｃが形成されており、この歪ゲージ２０１ｃの外側には電極パッド２０１ｄが形成されている。歪ゲージ２０１ｃからの信号は、電極パッド２０１ｄを介し、ボンディングワイヤ２０５を通して、リードピン２０６から引き出される。

センサチップ２０１には、センサダイアフラム２０１ｓの下面（裏面）２０１ｓ２に凹部２０１ｅが形成されており、この凹部２０１ｅによってセンサ室２０２ａの底面２０２ａ２とセンサダイアフラム２０１ｓとの間に空洞２０７が形成されている。空洞２０７はパッケージ２０２に形成された導圧路２０２ｂを介して大気と連通している。

この半導体圧力センサ２００では、金属製ダイアフラム２０３の露出面が受圧面２０３ａとして被測定流体に接液され、この受圧面２０３ａに加わる被測定流体の圧力Ｐがセンサ室２０２ａ内のオイル２０４に伝達される。そして、このオイル２０４に伝達された被測定流体の圧力Ｐがセンサチップ２０１のセンサダイアフラム２０１ｓに加わり、センサダイアフラム２０１ｓが撓む。これにより、センサダイアフラム２０１ｓの上面２０１ｓ１に形成されている歪ゲージ２０１ｃから被測定流体の圧力Ｐに応じた信号が取り出される。

この半導体圧力センサ２００において、金属製ダイアフラム２０３は、オイル２０４の収縮分は十分小さいとして無視するものとすれば、センサダイアフラム２０１ｓの撓み分のみ変位する。すなわち、金属製ダイアフラム２０３は、センサ室２０２ａ内のオイル２０４でセンサチップ２０１のセンサダイアフラム２０１ｓと繋がっており、金属製ダイアフラム２０３が被測定流体の圧力Ｐを受けても、撓むことができるのは、センサダイアフラム２０１ｓが撓んだことによるセンサ室２０２ａ内のオイル２０４の移動体積分のみである。また、金属製ダイアフラム２０３の直径は、金属製ダイアフラム２０３での圧損を回避するため、センサダイアフラム２０１ｓの直径よりも大きくされている。このため、被測定流体の圧力Ｐを受けても、金属製ダイアフラム２０３は殆ど撓まず（図１４参照）、金属製ダイアフラム２０３に残留歪みは生じない。

しかしながら、この半導体圧力センサ２００では、金属製ダイアフラム２０３が破損したり、クラックが生じたような場合、センサ室２０２ａに封入されているオイル２０４が被測定流体中に漏出するという問題がある。このため、食品、化粧品、医薬品などの製造現場では、センサ部にオイルを用いないオイルレス圧力センサが用いられる場合がある（例えば、特許文献１，２，３参照）。このオイルレス圧力センサはサニタリ式の圧力センサとも呼ばれる。

図１５に従来のオイルレス圧力センサ３００の要部を示す。このオイルレス圧力センサ３００は、金属製ダイアフラム（接液兼応力検知用ダイアフラム）３０１と、金属製ダイアフラム３０１の受圧面３０１ａとは反対側の面（裏面）３０１ｂに貼り付けられた歪ゲージ３０２と、歪ゲージ３０２からの信号取り出し線３０３とを備え、金属製ダイアフラム３０１はパッケージの支持部３０４に接合されている。

このオイルレス圧力センサ３００では、金属製ダイアフラム３０１の受圧面３０１ａが被測定流体に接液され、この受圧面３０１ａに加わる被測定流体の圧力Ｐによって金属製ダイアフラム３０１が撓み（図１６参照）、この金属製ダイアフラム３０１の裏面３０１ｂに貼り付けられている歪ゲージ３０２から被測定流体の圧力Ｐに応じた信号が取り出される。

このオイルレス圧力センサ３００は、マイクロコンピュータ（図示せず）を備えており、歪ゲージ３０２から取り出された被測定流体の圧力Ｐに応じた信号をマイクロコンピュータで処理することによって、被測定流体の圧力Ｐの値を示すセンサ出力が得られる。

このオイルレス圧力センサ３００において、金属製ダイアフラム３０１としては耐食性に優れた延性材料（例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ））が用いられる。また、金属製ダイアフラム３０１は、殺菌洗浄性を確保するために液だまりになる窪みがない形状とされる。このオイルレス圧力センサ３００では、金属製ダイアフラム３０１を接液兼応力検知用ダイアフラムとすることによって、オイルを使用しない構造とすることができる。これにより、オイルレスとなり、センサ破壊時にオイルが流出するという問題そのものをなくすことができる。

特開２００２−１１６１０４号公報 特開２００５−１４８００２号公報 特開２００４−４５１４０号公報

しかしながら、このようなオイルレス圧力センサ３００では、金属製のダイアフラム３０１を接液兼応力検知用ダイアフラムとして用いているため、感度を確保するためには、この金属製のダイアフラム３０１を被測定流体の圧力Ｐに応じて大きく撓ませる必要があり、下記の(1)〜(3)のような問題が生じる。

(1)金属製ダイアフラム３０１の撓みにより残留歪みが生じ、出力が経時変化する。
(2)金属製ダイアフラム３０１が変形する領域に信号取り出し線３０３を接合するため、頻繁な圧力変化で信号取り出し線３０３が切れてしまうというリスクがある。
(3)(1)，(2)の問題を回避するために、金属製のダイアフラム３０１の撓み量を小さくすると、感度が下がる。

また、このようなオイルレス圧力センサ３００では、オイルレス圧力センサ３００が取り付けられた配管（図示せず）に高温の流体を流すことによって、その配管内の殺菌が行われる。この時、高温の流体を配管内に一気に流すため、オイルレス圧力センサ３００のボディ（パッケージ）が温度分布を持ち、このボディの温度分布で金属製ダイアフラム３０１が変形し、センサ出力に誤差が生じてしまう。

なお、このオイルレス圧力センサ３００には、センサ出力の温度補償などを目的として、歪ゲージ３０２の近傍に温度センサが設けられている。例えば、図１７に示すように、温度センサ３０５が歪ゲージ３０２の近傍に設けられている。この温度センサ３０５は、歪みゲージ３０２と同じ面（金属製ダイアフラム３０１の受圧面３０１ａとは反対側の面３０１ｂ）に設けられているので、周囲温度の影響で温度上昇がなまってしまい、高温の流体による急激な温度変動を検知することができない。このため、温度センサ３０５によって高温の流体による急激な温度変動（熱衝撃）を検知し、センサ出力の補正を行うようにすることは困難である。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、感度を下げることなく、残留歪みを小さくし、かつ信号取り出し線の切断のリスクを低減することができる、耐食性に優れたオイルレス圧力センサを提供することにある。
また、高温の流体による急激な温度変動を検知し、センサ出力の補正を行うようにすることが可能なオイルレス圧力センサを提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明のオイルレス圧力センサは、一方の面（１ａ）に形成された圧力検出部（１ｃ）および温度検出部（１ｄ）を有する第１の半導体基板（１）と、一方の面（２ｅ）に形成された凹部（２ａ）を有し、この凹部（２ａ）が形成された一方の面（２ｅ）が第１の半導体基板（１）の他方の面（１ｂ）に接合されて、第１の半導体基板（１）の圧力検出部（１ｃ）が形成されている領域に対応する第１の半導体基板（１）の他方の面（１ｂ）の領域とともに空洞（４）を形成する第２の半導体基板（２）と、第１の半導体基板（１）の一方の面（１ａ）を覆う耐食性の保護膜（３）とを備えたセンサチップ（１０１）と、保護膜（３）を接液部として露出させた状態でセンサチップ（１０１）を収容するパッケージ（１０２）と、圧力検出部（１ｃ）によって検出された圧力に応じた信号を処理しセンサ出力として出力するように構成されたセンサ出力部（８１）と、温度検出部（１ｄ）によって検出された温度に基づいてセンサチップ（１０１）に熱衝撃が加わったか否かを判定するように構成された熱衝撃判定部（８２）とを備えることを特徴とする。

本発明において、被測定流体の圧力は第１の半導体基板（１）の耐食性の保護膜（３）で覆われた面（１０１ａ）に加わり、第１の半導体基板（１）の圧力検出部（１ｃ）が形成されている領域（保護膜（３）＋半導体基板（１））がセンサダイアフラム（６）として撓む。すなわち、本発明では、センサダイアフラム（６）が接液兼応力検知用ダイアフラムとされる。この場合、センサダイアフラム（６）の厚みは、第１の半導体基板（１）の厚みと保護膜（３）の厚みとを足し合わされたものとなり、保護膜（３）が仮に延性材料であっても、弾性体である半導体にアシストされるため、残留歪みが小さくなる。

また、本発明では、圧力検出部（１ｃ）および温度検出部（１ｄ）からの信号取り出し線（５）を第１の半導体基板（１）と第２の半導体基板（２）との接合部など、全く撓まない箇所に配置することも可能となる。このため、センサダイアフラム（６）の撓み量を小さくする必要がなくなり、感度を下げることなく、残留歪みを小さくし、かつ信号取り出し線（５）の切断のリスクを低減することができるようになる。また、第１の半導体基板（１）の被測定流体の圧力が加わる面に凹部はなく、その全面をフラットな面として耐食性の保護膜（３）で覆うようにすることができる。これにより、被測定流体と半導体基板（１，２）との接触を避け、耐食性に優れたものとすることが可能となる。

また、本発明において、温度検出部（１ｄ）は第１の半導体基板（１）の一方の面（１ａ）に形成されており、この温度検出部（１ｄ）が形成されている第１の半導体基板（１）の一方の面（１ａ）は耐食性の保護膜（３）で覆われている。すなわち、本発明において、温度検出部（１ｄ）は、第１の半導体基板（１）の一方の面（１ａ）と耐食性の保護膜（３）との間に位置しており、耐食性の保護膜（３）を通して伝わってくる被測定流体の温度を直接検出する。これにより、本発明では、高温の流体による急激な温度変動を熱衝撃として検知し、センサ出力の補正を行うようにすることが可能となる。

なお、本発明において、熱衝撃を検知した場合、必ずしもセンサ出力の補正を行うようにしなくてもよい。例えば、熱衝撃を検知した場合、メンテナンス中（高温の流体を流しての配管内の殺菌中）であることを報知するようにしてもよい。
また、本発明において、保護膜（３）の露出面（１０１ａ）とパッケージ（１０２）の露出面（１０２ａ）とを同一平面上に位置させ、この同一平面上に位置する保護膜（３）の露出面（１０１ａ）とパッケージ（１０２）の露出面（１０２ａ）との間の環状の隙間（ｈ）に、充填材（１０３）を埋め込むようにしてもよい。

また、第１および第２の半導体基板（１，２）を貫通し、第１の半導体基板の一方の面（１ａ）に形成されている圧力検出部（１ｃ）および温度検出部（１ｄ）からの信号を第２の半導体基板（２）の他方の面（２ｄ）側に導出する貫通配線（７）を形成するようにしてもよい。この場合、第１の半導体基板の一方の面（１ａ）に拡散抵抗配線（１ｅ）を形成し、貫通配線（７）と圧力検出部（１ｃ）および温度検出部（１ｄ）とを接続するようにするとよい。

また、第２の半導体基板（２）の凹部（２ａ）によって形成される空洞（４）は、大気に連通させるようにしてもよく、真空としてもよい。また、第２の半導体基板（２）の凹部（２ａ）の内側の面（第１の半導体基板（１）の他方の面（１ｂ）に対向する面）を非球面としてもよい。また、本発明において、保護膜（３）は、１層もしくは多層の中間層（例えば、ニオブ（Ｎｂ））の上に白金（Ｐｔ）を重ねた多層の金属保護膜（３）としてもよく、サファイアよりなる１層の非金属保護膜（３）としてもよい。

なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の構成要素を、括弧を付した参照符号によって示している。

本発明によれば、被測定流体の圧力が第１の半導体基板の耐食性の保護膜で覆われた面に加わり、第１の半導体基板の圧力検出部が形成されている領域（保護膜＋半導体基板）がセンサダイアフラムとして撓むので、感度を下げることなく、残留歪みを小さくし、信号取り出し線の切断のリスクを低減することが可能となる。また、第１の半導体基板の被測定流体の圧力が加わる面は耐食性の保護膜で覆われているので、被測定流体と半導体基板との接触を避け、耐食性に優れたものとすることが可能となる。

また、本発明によれば、温度検出部が第１の半導体基板の一方の面に形成されており、この温度検出部が形成されている第１の半導体基板の一方の面が耐食性の保護膜で覆われているので、耐食性の保護膜を通して伝わってくる被測定流体の温度が直接検出されるものとなる。これにより、高温の流体による急激な温度変動を熱衝撃として検知し、センサ出力の補正を行うようにすることが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態に係るオイルレス圧力センサ（サニタリ式の圧力センサ）の要部を示す構成図である。 図２は、パッケージに収容する前のセンサチップの構成を示す図である。 図３は、ニオブ（Ｎｂ）の上に白金（Ｐｔ）を重ねた２層の金属保護膜を示す図である。 図４は、ＳＯＩウエハを使用する例を説明する図である。 図５は、ＳＯＳウエハを使用する例を説明する図である。 図６は、本発明の実施の形態に係るオイルレス圧力センサにおけるマイクロコンピュータのハードウェア構成の概略を示す図である。 図７は、マイクロコンピュータの要部の機能ブロック図（第１例）である。 図８は、マイクロコンピュータの要部の機能ブロック図（第２例）である。 図９は、センサチップ内の凹部の底面を非球面とした例を示す図である。 図１０は、センサチップ内の空洞を真空の基準圧室とした例を示す図である。 図１１は、第２の半導体基板を貫通する配線をなくしたセンサチップの第１例を示す図である。 図１２は、第２の半導体基板を貫通する配線をなくしたセンサチップの第２例を示す図である。 図１３は、一般的な半導体圧力センサの要部の構成を示す図である。 図１４は、一般的な半導体圧力センサの金属製ダイアフラム（接液ダイアフラム）に被測定流体の圧力が加えられた状態を示す図である。 図１５は、従来のオイルレス圧力センサの要部の構成を示す図である。 図１６は、従来のオイルレス圧力センサの金属製ダイアフラム（接液兼応力検知用ダイアフラム）に被測定流体の圧力が加えられた状態を示す図である。 図１７は、従来のオイルレス圧力センサにおける温度センサの設置位置を例示する図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の実施の形態に係るオイルレス圧力センサ（サニタリ式の圧力センサ）１００の要部の構成を示す図である。

このオイルレス圧力センサ１００は、センサチップ１０１と、センサチップ１０１を収容したパッケージ１０２とを備え、センサチップ１０１は受圧面１０１ａを露出させた状態でパッケージ１０２に収容されている。

センサチップ１０１の受圧面（露出面）１０１ａはパッケージ１０２の露出面１０２ａと面一とされており、センサチップ１０１の受圧面（露出面）１０１ａとパッケージ１０２の露出面１０２ａとの間の周囲の隙間ｈには充填材１０３が埋め込まれている。

本実施の形態において、充填材１０３はアルミナなどの耐熱性・耐食性の高い材料からなり、溶融固化した状態で隙間ｈに埋め込まれている。

センサチップ１０１は、半導体材料としてシリコン（Ｓｉ）を用いた第１の半導体基板１と第２の半導体基板２とから構成され、第１の半導体基板１を下側としてパッケージ１０２に収容されている。図２にパッケージ１０２に収容する前のセンサチップ１０１の構成を示す。

センサチップ１０１において、第１の半導体基板１は両面がフラットな１枚の基板とされ、その一方の面（下側の面（表面））１ａの中央部には、その表層部に拡散抵抗からなる歪ゲージ（ピエゾ抵抗素子）１ｃが圧力検出部として形成されている。

また、第１の半導体基板１の一方の面１ａには、歪ゲージ１ｃの近傍（後述するセンサダイアフラム６の外側の領域）に、温度検出用のピエゾ抵抗素子（温度センサ）１ｄが温度検出部として形成されている。また、第１の半導体基板１の一方の面１ａは、耐食性の保護膜３で覆われている。

この実施の形態において、保護膜３は、図３に示すように、ニオブ（Ｎｂ）などの中間層（この例では、中間層をニオブ（Ｎｂ）（１層の中間層）としているが、多層の中間層としてもよい。）の上に白金（Ｐｔ）を重ねた２層の金属保護膜とされている。この保護膜３は、第１の半導体基板１の表面１ａを研磨した後、この研磨された第１の半導体基板１の表面１ａに成膜されている。

なお、第１の半導体基板１としてＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウエハを使用し、このＳＯＩウエハの酸化膜層（ＳｉＯ₂）を除去するようにし、この酸化膜層（ＳｉＯ₂）を除去した面に保護膜３を成膜するようにしてもよい。

ＳＯＩウエハは、図４に示すように、酸化膜層（ＳｉＯ₂）をシリコン（Ｓｉ）で挟んだサンドイッチ構造とされており、エッチングなどによって一方側のシリコン（Ｓｉ）の層から酸化膜層（ＳｉＯ₂）を除去すると、他方側のシリコン（Ｓｉ）の層のきれいな面が表れる。このきれいな面に保護膜３を形成すれば、研磨する手間を省くことができる。

また、本実施の形態において、保護膜３はニオブ（Ｎｂ）と白金（Ｐｔ）の２層の金属保護膜に限られるものではなく、サファイアよりなる１層の非金属保護膜とするなどしてもよい。

保護膜３をサファイアとする場合、ＳＯＳ（Silicon on Sapphire）ウエハを利用するとよい。ＳＯＳウエハは、図５に示すように、サファイアをシリコン（Ｓｉ）で挟んだサンドイッチ構造とされており、一方側のシリコン（Ｓｉ）の層をエッチングなどによって除去すると、サファイアが表れる。このサファイアを保護膜３として利用することにより、成膜する手間を省くことができる。

第２の半導体基板２は、その一方の面（下面）２ｅの周縁が第１の半導体基板１の他方の面（裏面）１ｂに直接接合されており、その中央部には、第１の半導体基板１の圧力検出部１ｃが形成されている領域Ｄに対応する第１の半導体基板１の他方の面１ｂの領域とともに空洞４を形成する凹部２ａが形成されている。凹部２ａの中央部には空洞４を大気に連通させる貫通孔２ｂが形成されている。

また、第１の半導体基板１および第２の半導体基板２には、第１の半導体基板１と第２の半導体基板２との接合部に厚み方向に延びた貫通配線７が形成されている。貫通配線７の上側の端部は第２の半導体基板２の他方の面（上面）２ｄに露出する電極パッド２ｆに接続されている。貫通配線７の下側の端部は第１の半導体基板１の一方の面１ａに形成された拡散抵抗配線１ｅを介して歪みゲージ１ｃや温度センサ１ｄに接続されている。

なお、歪みゲージ１ｃや温度センサ１ｄからの信号は別々に取り出されるが、図２にはその信号の取り出し用の貫通配線の１つとして、歪みゲージ１ｃに接続された貫通配線７を示している。すなわち、図２は示していないが、温度センサ１ｄに接続された貫通配線７も存在する。

図１に示したオイルレス圧力センサ１００では、このように構成されたセンサチップ１０１を、第１の半導体基板１の保護膜３で覆われた面を受圧面１０１ａとし、この受圧面１０１ａを露出させた状態でパッケージ１０２に収容している。また、センサチップ１０１の受圧面（露出面）１０１ａとパッケージ１０２の露出面１０２ａとを同一平面上に位置させ、この同一平面上に位置する保護膜３の露出面１０１ａとパッケージ１０２の露出面１０２ａとの間の環状の隙間ｈに、充填材１０３を埋め込んでいる。

なお、パッケージ１０２には、センサチップ１０１内の空洞４を第２の半導体基板２に形成されている貫通孔２ｂを通して大気に連通させる導通孔１０２ｂが形成されている。また、第２の半導体基板２の電極パッド２ｆには、信号取り出し線５が接続されている。

また、このオイルレス圧力センサ１００において、信号取り出し線５から取り出された信号はマイクロコンピュータ８（図６参照）へ送られるものとされている。すなわち、このオイルレス圧力センサ１００では、歪みゲージ１ｃが検出する圧力に応じた信号が圧力検出信号Ｓｐとして取り出され、また温度センサ１ｄが検出する温度に応じた信号が温度検出信号Ｓｔとして取り出され、マイクロコンピュータ（以下、マイコンと略す。）８へ送られるものとされている。

マイコン８は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）８−１と、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）８−２と、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）８−３と、インタフェース８−４，８−５と、これらを接続する母線８−６とを備えている。また、このマイコン８には、本実施の形態特有のプログラムとして、センサ出力補正プログラムがインストールされている。

マイコン８において、ＣＰＵ８−１は、インタフェース８−４を介して入力される圧力検出信号Ｓｐおよびインタフェース８−５を介して入力される温度検出信号Ｓｔを処理することで、ＲＡＭ８−２やＲＯＭ８−３にアクセスしながら、インストールされているセンサ出力補正プログラムに従って動作する。

このオイルレス圧力センサ１００において、被測定流体の圧力Ｐはセンサチップ１０１の受圧面１０１ａ（第１の半導体基板１の耐食性の保護膜３で覆われた面）に加わる。これにより、第１の半導体基板１の歪ゲージ１ｃが形成されている領域（保護膜＋半導体基板）Ｄがセンサダイアフラム６として撓む。すなわち、このオイルレス圧力センサ１００では、センサダイアフラム６が接液兼応力検知用ダイアフラムとされている。温度センサ１ｄはこのセンサダイアフラム６の外側の領域に形成されている。

この場合、センサダイアフラム６の厚みｔは、第１の半導体基板１の厚みｔ１と保護膜３の厚みｔ２とを足し合わされたものとなり、保護膜３が金属保護膜とされてはいるが、すなわち保護膜３が延性材料とされてはいるが、弾性体である半導体にアシストされるため、残留歪みが小さくなる。また、第１の半導体基板１と第２の半導体基板２との接合部に貫通配線７を形成することにより、信号取り出し線５を全く撓まない箇所に配置することができている。このため、センサダイアフラム６の撓み量を小さくする必要がなくなり、感度を下げることなく、残留歪みを小さくし、かつ信号取り出し線５の切断のリスクを低減することができる。なお、センサダイアフラム６に生じる残留歪みは、必要ならば、第１の半導体基板１の厚みｔ１と保護膜３の厚み（延性材料の厚み）ｔ２との比で調整することも可能である。

また、このオイルレス圧力センサ１００において、第１の半導体基板１の被測定流体の圧力Ｐが加わる面には凹部はなく、その全面をフラットな面として耐食性の保護膜３で覆っている。また、この保護膜３の露出面（受圧面１０１ａ）はパッケージ１０２の露出面１０２ａと面一とされている。また、センサチップ１０１の受圧面（露出面）１０１ａとパッケージ１０２の露出面１０２ａとの間の周囲の隙間ｈには充填材１０３が埋め込まれている。これにより、被測定流体と半導体基板１，２との接触が避けられ、耐食性に優れたものとなる。

また、このオイルレス圧力センサ１００において、温度センサ１ｄは第１の半導体基板１の一方の面１ａに形成されており、この温度センサ１ｄが形成されている第１の半導体基板１の一方の面１ａは耐食性の保護膜３で覆われている。すなわち、温度センサ１ｄは、第１の半導体基板１の一方の面１ａと耐食性の保護膜３との間に位置しており、耐食性の保護膜３を通して伝わってくる被測定流体の温度を直接検出する。

このオイルレス圧力センサ１００において、マイコン８には、歪みゲージ１ｃからの圧力検出信号Ｓｐだけではなく、温度センサ１ｄが直接検出する被測定流体の温度に応じた信号が温度検出信号Ｓｔとして入力される。マイコン８は、この歪みゲージ１ｃからの圧力検出信号Ｓｐと温度センサ１ｄからの温度検出信号Ｓｔを入力とし、センサ出力補正プログラムに従う処理動作を実行する。

図７にマイコン８の要部の機能ブロック図を示す。マイコン８は、ＣＰＵ８−１の処理機能として、センサ出力部８１と熱衝撃判定部８２とセンサ出力補正部８３とを備えている。

センサ出力部８１は、歪みゲージ１ｃからの圧力検出信号Ｓｐを処理することによって被測定流体の圧力Ｐを求め、この被測定流体の圧力Ｐの値を示すセンサ出力ＳＰを出力する。

熱衝撃判定部８２は、温度センサ１ｄからの温度検出信号Ｓｔを処理することによって被測定流体の温度ｔを求め、この被測定流体の温度ｔに基づいてセンサチップ１０１に熱衝撃（急激な温度変動）が加わったか否かを判定する。具体的には、被測定流体の温度ｔの上昇速度を求め、この上昇速度が予め定められている閾値以上となった場合に、センサチップ１０１に熱衝撃が加わったと判定する。

センサ出力補正部８３は、センサ出力部８１からのセンサ出力ＳＰと、熱衝撃判定部８２からの判定結果とを入力とし、熱衝撃判定部８２から熱衝撃が加わったとする判定結果（熱衝撃有り）が送られてきた場合、センサ出力部８１からのセンサ出力ＳＰを補正する。この補正されたセンサ出力ＳＰはＳＰ’として出力される。

この例では、センサ出力補正部８３に、熱衝撃時の補正関数を定めている。また、熱衝撃判定部８２から、熱衝撃の判定結果だけではなく、熱衝撃の度合いをセンサ出力補正部８３に送るものとしている。この例において、センサ出力補正部８３は、熱衝撃有りの判定結果が送られてくると、熱衝撃時の補正関数からその時の熱衝撃の度合いに応じた補正量を求め、センサ出力部８１からのセンサ出力ＳＰを補正する。

〔メンテナンス（高温の流体を流しての配管内の殺菌）〕
今、このオイルレス圧力センサ１００が取り付けられている配管（図示せず）に高温の流体を流すことによって、その配管内の殺菌が行われたとする。この時、高温の流体を配管内に一気に流すため、オイルレス圧力センサ１００のボディ（パッケージ１０２）が温度分布を持ち、このボディの温度分布でセンサダイアフラム６が変形し、センサ出力ＳＰに誤差が生じる。

この場合、本実施の形態のオイルレス圧力センサ１００では、被測定流体の温度を温度センサ１ｄが直接検出する。そして、この温度センサ１ｄが直接検出する被測定流体の温度に基づいて、高温の流体による急激な温度変動が熱衝撃として検知され、センサ出力ＳＰの補正が行われる。

すなわち、熱衝撃判定部８２において熱衝撃有りと判定され、センサ出力補正部８３でセンサ出力ＳＰの補正が行われるものとなる。これにより、高温の流体を流しての配管内の殺菌中（メンテナンス中）、補正されたセンサ出力ＳＰ’が出力されるものとなり、誤差が生じるという問題が解決されるものとなる。

なお、図７に示した例では、センサ出力補正部８３でセンサ出力ＳＰを補正するようにしたが、必ずしもセンサ出力ＳＰを補正するようにしなくてもよい。例えば、図８に示すように、報知部８４を設け、熱衝撃判定部８２で熱衝撃有りと判定された場合、メンテナンス中であることを報知するようにしてもよい。この例において、報知部８４は、熱衝撃判定部８２で熱衝撃有りと判定された場合、メンテナンスモード中の信号ＳＭを出力する。

また、上述した例では、熱衝撃判定部８２において、被測定流体の温度ｔの上昇速度を求め、この上昇速度が予め定められている閾値以上となった場合に熱衝撃有りと判定するようにしたが、被測定流体の温度ｔに対して上限温度を定め、この上限温度を超えた場合に熱衝撃有りと判定するようにしてもよい。

また、被測定流体の温度ｔの上昇速度だけではなく、下降速度も求め、すなわち被測定流体の温度ｔの変化速度を求め、この変化速度が閾値以上となった場合に熱衝撃有りと判定するようにしてもよい。このようにすると、配管に高温の流体が流された場合だけではなく、低温の流体が流されたような場合にも、熱衝撃有りと判定されるものとなる。

なお、上述した実施の形態では、第２の半導体基板２の凹部２ａの底面を平坦な面としているが、すなわち第１の半導体基板１の他方の面１ｂに対向する面（内側の面）を平坦な面としているが、図９に示すように非球面とするようにしてもよい。第２の半導体基板２の凹部２ａの底面を非球面とすると、過大圧が印加された時のセンサダイアフラム６の過度な変位が阻止される。

また、上述した実施の形態では、センサチップ１０１の空洞４を大気に連通させるようにしたが、すなわち大気圧を基準とするゲージ圧を測定するようにしたが、図１０に示すように、空洞４を真空の基準圧室（真空に保った密閉空間）とし、絶対圧を測定するようにしてもよい。

また、上述した実施の形態では、第１の半導体基板１と第２の半導体基板２の両方を貫通する配線として貫通配線７を形成するようにしたが、必ずしも第２の半導体基板２を貫通させた配線とする必要はなく、構造上強度が不足するような場合に、第２の半導体基板２を貫通させた配線とするようにするとよい。

例えば、図１１に示すように、第１の半導体基板１の第２の半導体基板２を避けた位置に電極パッド１ｆを形成し、この電極パッド１ｆに第１の半導体基板１を貫通させた貫通配線７の上側の端部を接続し、この電極パッド１ｆに信号取り出し線５を接続するようにしたり、図１２に示すように、第２の半導体基板２に貫通孔２ｈを設け、この貫通孔２ｈを通して電極パッド１ｆに接続された信号取り出し線５を引き出すようにしたりしてもよい。

また、上述した実施の形態では、第１の半導体基板１および第２の半導体基板２の半導体材料としてシリコン（Ｓｉ）を使用するものとしたが、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）を使用するようにしてもよい。半導体材料としてＳｉを使用した場合、高温対応が困難になるが、ＳｉＣを使用すると高温化も可能（上限温度が向上）となり、殺菌洗浄時の温度にも耐えることが可能となる。

また、上述した実施の形態では、センサチップ１０１の受圧面（露出面）１０１ａとパッケージ１０２の露出面１０２ａとの間の周囲の隙間ｈに充填材１０３を埋め込むようにしたが、必ずしも充填材１０３を埋め込まなくてもよい。

また、上述した実施の形態では、温度センサ１ｄからの温度検出信号Ｓｔに基づいてセンサチップ１０１に加わる熱衝撃を検知するものとしたが、この温度センサ１ｄからの温度検出信号Ｓｔはセンサ出力の温度補償などにも用いられる。この温度検出信号Ｓｔを用いてのセンサ出力の温度補償については省略している。

〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

１…第１の半導体基板、１ａ…一方の面（下側の面（表面））、１ｂ…他方の面（上側の面（裏面））、１ｃ…歪ゲージ（圧力検出部）、１ｄ…温度センサ（温度検出部）、１ｅ…拡散抵抗配線、２…第２の半導体基板、２ａ…凹部、２ｂ…貫通孔、２ｄ…他方の面（上面）、２ｅ…一方の面（下面）、３…保護膜、４…空洞、５…信号取り出し線、６…センサダイアフラム、７…貫通配線、８…マイクロコンピュータ（マイコン）、８１…センサ出力部、８２…熱衝撃判定部、８３…センサ出力補正部、８４…報知部、１００…オイルレス圧力センサ、１０１…センサチップ、１０１ａ…受圧面、１０２…パッケージ、１０２ａ…露出面、１０３…充填材。

Claims (10)

1. 一方の面に形成された圧力検出部および温度検出部を有する第１の半導体基板と、一方の面に形成された凹部を有し、この凹部が形成された一方の面が前記第１の半導体基板の他方の面に接合されて、前記第１の半導体基板の前記圧力検出部が形成されている領域に対応する前記第１の半導体基板の前記他方の面の領域とともに空洞を形成する第２の半導体基板と、前記第１の半導体基板の前記一方の面を覆う耐食性の保護膜とを備えたセンサチップと、
   前記保護膜を接液部として露出させた状態で前記センサチップを収容するパッケージと、
   前記圧力検出部によって検出された圧力に応じた信号を処理しセンサ出力として出力するように構成されたセンサ出力部と、
   前記温度検出部によって検出された温度に基づいて前記センサチップに熱衝撃が加わったか否かを判定するように構成された熱衝撃判定部と
   を備えることを特徴とするオイルレス圧力センサ。
2. 請求項１に記載されたオイルレス圧力センサにおいて、
   前記熱衝撃判定部によって前記センサチップに熱衝撃が加わったと判定された場合、前記センサ出力部から出力されるセンサ出力を補正するように構成されたセンサ出力補正部 をさらに備えることを特徴とするオイルレス圧力センサ。
3. 請求項１に記載されたオイルレス圧力センサにおいて、
   前記熱衝撃判定部によって前記センサチップに熱衝撃が加わったと判定された場合、メンテナンス中であることを報知するように構成された報知部
   をさらに備えることを特徴とするオイルレス圧力センサ。
4. 請求項１に記載されたオイルレス圧力センサにおいて、
   前記パッケージは、
   前記保護膜の露出面と同一平面上に位置する露出面を有し、
   前記保護膜の露出面と前記パッケージの露出面との間に形成された環状の隙間に埋め込まれた充填材をさらに有する
   ことを特徴とするオイルレス圧力センサ。
5. 請求項１に記載されたオイルレス圧力センサにおいて、
   前記第１および第２の半導体基板を貫通し、前記第１の半導体基板の前記一方の面に形成されている前記圧力検出部および前記温度検出部からの信号を前記第２の半導体基板の他方の面側に導出する貫通配線をさらに有する
   ことを特徴とするオイルレス圧力センサ。
6. 請求項１に記載されたオイルレス圧力センサにおいて、
   前記第２の半導体基板は、
   前記空洞を大気に連通させる貫通孔を有する
   ことを特徴とするオイルレス圧力センサ。
7. 請求項１に記載されたオイルレス圧力センサにおいて、
   前記空洞は、真空とされている
   ことを特徴とするオイルレス圧力センサ。
8. 請求項１に記載されたオイルレス圧力センサにおいて、
   前記第２の半導体基板の凹部の内側の面は、
   非球面である
   ことを特徴とするオイルレス圧力センサ。
9. 請求項１に記載されたオイルレス圧力センサにおいて、
   前記保護膜は、
   １層もしくは多層の中間層の上に白金を重ねた多層の金属保護膜とされている
   ことを特徴とするオイルレス圧力センサ。
10. 請求項１に記載されたオイルレス圧力センサにおいて、
    前記第１および第２の半導体基板を貫通し、前記第１の半導体基板の前記一方の面に形成されている前記圧力検出部および前記温度検出部からの信号を前記第２の半導体基板の他方の面側に導出する貫通配線と、
    前記第１の半導体基板の前記一方の面に形成され、前記貫通配線と前記圧力検出部および前記温度検出部とを接続する拡散抵抗配線と
    をさらに有することを特徴とするオイルレス圧力センサ。