JP3137252U

JP3137252U - 密封容器用圧力センサ及び密封容器

Info

Publication number: JP3137252U
Application number: JP2007006947U
Authority: JP
Inventors: 謙一小嶋
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2007-09-07
Filing date: 2007-09-07
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2017-09-07

Abstract

【課題】デバイスの動作に支障をきたすおそれがなく、デバイスを封止する密封容器の内部の圧力を簡便に直接測定できる圧力センサを提供する。
【解決手段】電極１０８が設けられた蓋１０４と、該蓋１０４の電極（貫通電極）１０８に接続されると共に、該蓋１０４の表面に形成された圧力センサ１１０と、該蓋１０４によって密封可能であると共に、前記圧力センサ１１０を密封対象のデバイス１０６と一緒に収納可能な容器１０２と、を有する。
【選択図】図１

Description

本考案は、密封容器用圧力センサ及び密封容器に係り、特に、ＭＥＭＳデバイスを収納する密封容器の内部の圧力を簡便に直接測定するのに好適な圧力センサ、及び、この圧力センサを備えた密封容器に関する。

振動を利用する、或いは熱を利用するデバイス、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイス（一般には、半導体微細加工技術を応用して作製され、例えばシリコンウェーハ上に機械・電子・光・化学などの複合機能を一体化した微小構造体を有する微小デバイスであり、代表的には、圧力センサ、温度センサ、加速度センサ（例えば特許文献１）、角加速度センサ等がある）では、気体による振動や熱伝導を減少させてその動作特性を保つために、真空雰囲気での動作を必要とすることがある。このためには、密封容器を用いて真空封止を行うこととなるが、このときの封止性能が前記ＭＥＭＳデバイスの検出信号の信頼性に大きく影響する。すなわち、封止部のリークレートや密封容器内部の真空度の測定が重要となる。

封止部のリークレートの評価にはＨｅリークテストの適用が考えられる。又、ＭＥＭＳデバイスのそのものの動作特性から内部圧力を評価することも行われている。

なお、特許文献２には、密封容器に適用可能とも考えられる微小な真空計測装置などの提案がされている。更には、特許文献３に示す如く、具体的に密封容器内部に放電端子を設けて、パッシェンの法則を利用して、その放電開始電圧から直接圧力測定することも提案されている。

特開２００７−１８７４９４号公報特開２００７−１４７３４４号公報特開２０００−７４７７０号公報

しかしながら、ＨｅリークテストをＭＥＭＳデバイスが封止されるような小型の密封容器に個別に使用するには高価なものとなる。また、ＭＥＭＳデバイスに使用される密封容器の内部の体積は非常に小さいため、リークレートの測定結果から真空封止性能を評価することが困難である。

又、ＭＥＭＳデバイス自身による内部圧力を評価するとしても、ＭＥＭＳデバイスにおける動作域での検証となるので間接的な評価でしかなく、評価方法として考えた場合に必要とする広い範囲での直接的な圧力検出は困難である。

更に、特許文献２においては、その微小な真空計測装置の構成が複雑であり、真空計測装置部分だけで高価になると考えられる。又、特許文献３においては放電を起こさせるほどの高電圧（数１００Ｖ）を印加をする必要があるため、一緒に封止したＭＥＭＳデバイスの動作に支障をきたすおそれがある。そして、高い電圧の発生と制御がＭＥＭＳデバイスに比べて回路的に大掛かりになってしまうという問題を有している。

本考案は、前記従来の問題を解消するべくなされたもので、デバイスの動作に支障をきたすおそれがなく、デバイスを封止する密封容器の内部の圧力を簡便に直接測定できる圧力センサを提供することを課題とする。

本願の請求項１に係る考案は、電極が設けられた蓋と、該蓋の電極（貫通電極と称する）に接続されると共に、該蓋の表面に形成された圧力センサと、該蓋によって密封可能であると共に、前記圧力センサを密封対象のデバイスと一緒に収納可能な容器と、を有することにより、前記課題を解決したものである。

本願の請求項２に係る考案は、前記圧力センサが、金属製の薄膜細線から構成される抵抗体であると共に、前記蓋の表面との間に一定空隙を設けて配置されるようにしたものである。

又、本願の請求項３に係る考案は、前記デバイスが、少なくとも振動、又は、熱のいずれか一方の物理現象を利用するＭＥＭＳデバイス（半導体微細加工技術を応用して作製された微小構造体を有する微小デバイス）としたものである。

又、本願の請求項４に係る考案は、前記容器が、真空雰囲気で密封されるようにしたものである。

又、本願の請求項５に係る考案は、請求項１乃至４のいずれかに記載の圧力センサを備えた密封容器としたものである。

本考案によれば、密封容器の内部を簡便に直接測定することができる。

以下、図面を参照して本考案の実施形態の一例を詳細に説明する。

本考案に係る密封容器用圧力センサの実施形態を、図１から図３に示す。図１は本実施形態に係る密封容器の容器と蓋の斜視図、図２は同じく図１のII−IIに沿う、蓋に形成した圧力センサの断面図、図３は同じく圧力センサを駆動する回路図の一例、をそれぞれ示している。

最初に、本実施形態の構成について、図１と図２を用いて、詳細に説明する。なお、図１（ａ）は容器１０２、図１（ｂ）は蓋１０４の外側（封止されない面）、図１（ｃ）は蓋１０４の内側（封止される面）、をそれぞれ示している。

密封容器１００は、例えば直方体形状の容器１０２と平板状の蓋１０４とを有し、それらを接合することで密封封止がなされる。なお、密封容器１００の封止は、封止される圧力雰囲気中で、蓋１０４と容器１０２の当接面１０２ａとを接合することでなされる。接合に接合材を使用する場合には、例えば、紫外線硬化型の接着剤を使用することができ、紫外線照射により接合することが可能である。

前記容器１０２は、例えば、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を主成分としたセラミックでできており、大きさは幅が約５ｍｍ、長さが約８ｍｍ、高さが約４ｍｍである。図１（ａ）に示す如く、容器１０２には、デバイス１０６が実装されている。デバイス１０６は、例えば、振動の物理現象を利用するＭＥＭＳデバイスである加速度センサである。加速度センサは、例えば、シリコン基板を２枚のガラス板で挟む３層構造からなる。シリコン基板には電極が着けられた錘が形成され、錘の電極と対向するガラス板表面にも電極が設けられている。加速度により前記錘が変位すると、両電極間の距離が変化するので、電気容量が変化し、その変化を計測することで加速度を検出することができる。このデバイス１０６は、空気の分子が密封容器１００内に存在すると、周囲温度の変化や空気振動によって応答特性の変化を生じる。このため、本実施形態では密封容器１００内を真空雰囲気としている。

なお、デバイス１０６は、例えば、容器１０２に接合剤で固定され、接合剤が固まった段階で、デバイス１０６の外表面に設けられた電極１０６ａと容器１０２の内側に設けられた電極１０２ｂとを電気的接続するためにＡｕ（金）線でワイヤボンド接続されている。

前記蓋１０４は、例えば、ガラスでできており、厚みは約１ｍｍである。図１（ｂ）に示す如く、蓋１０４には、蓋１０４を貫通して導通を行う貫通電極１０８が設けられ、真空封止される蓋１０４の内側に形成された圧力センサ１１０の信号を密封容器１００の外部に取り出すことができる。貫通電極１０８の材質は、例えば、Ｎｉ（ニッケル）であり、その表面はＡｕ薄膜で覆われている。このような構造をとるのは、はんだによる接合、又はワイヤボンドによる接合を容易にするためである。

圧力センサ１１０は、例えば、ピラニ真空計であり、図１（ｃ）に示す如く、貫通電極１０８の位置に相当する電極パターン１１２とその間を電気的に接続している複数回平面的に蛇行している金属製の薄膜細線１１４の抵抗体とから構成されている。圧力センサ１１０は、すなわち、薄膜細線１１４周囲のガス圧力の違いで熱伝導が変化することから、電流を流したときの薄膜細線１１４の温度変化を電気抵抗の変化として計測することで圧力を計測するものである。電極パターン１１２と金属製の薄膜細線１１４には、例えば、Ｐｔ（白金）を用いることができ、その厚みは数μｍである。薄膜細線１１４は、例えば、その線幅が数十μｍ以下であるが、蓋１０４の大きさの制限や薄膜細線１１４で得られる目標抵抗値（数Ω〜数十Ωの範囲）により適宜、その長さと幅、厚みを定めることができる。

圧力センサ１１０は、図２に示す如く、台座１１６上に設けられ、台座１１６を介して貫通電極１０８と接続している。台座１１６には、例えばシリコンを用いることができ、その厚みは２００μｍである。すなわち、薄膜細線１１４は、蓋１０４の表面から約２００μｍの一定空隙が設けられて配置され、圧力センサ１１０の突出厚みは、２００μｍ程度なので、一緒に真空封止されるデバイス１０６に干渉しない構成となっている。なお、貫通電極１０８から圧力センサ１１０の電極パターン１１２への導通は、例えば、台座１１６の電気伝導性を利用することができる。

圧力センサ１１０は、例えば、以下に述べる如く、半導体微細加工技術にて作成される。まず、台座１１６となる２００μｍ厚のシリコン基板上に、スパッタ法（ＣＶＤ法でもかまわない）で、数μｍの厚みのＰｔ薄膜を形成する。次にフォトレジストの塗布を行い、乾燥後、フォトレジストを露光し、図１（ｃ）に示す電極パターン１１２と薄膜細線１１４とに相当するマスクキング部分を残してフォトレジストを剥離する。次に、マスキングしていないＰｔ膜部分を、エッチング液（例えば、王水；濃塩酸と濃硝酸とを体積比で３対１で混合した液）でエッチングする。そのあと、上記と同様のマスク処理を行い、異方性エッチング処理により、シリコン基板を所定の台座１１６の形状とする。台座１１６の成形後、貫通電極１０８の所定場所に台座１１６を接合する。接合には、台座１１６の背面に予めＮｉ薄膜とＡｕ薄膜を付けておき、はんだによって接合しても良いし、導電性接着剤で接合しても良い。

次に、本実施形態における圧力センサ１１０の駆動方法について説明する。

図３に示す如く、圧力センサ１１０の駆動回路は、例えば、抵抗Ｒ１、Ｒ２、補償管Ｒ３、電流計Ａ１、Ａ２、可変抵抗器ＶＲ、直流電源Ｅを有するブリッジ回路で構成されている。圧力センサ１１０の抵抗をＲ４とすると、Ｒ３とＲ４との抵抗比と、Ｒ２とＲ１の抵抗比が等しくなるようにそれぞれの抵抗値を定めておく。なお、補償管Ｒ３は、熱のふく射、気温、回路配線による損失を相殺する目的で用いられている。

圧力センサ１１０は密封容器１００中に入れられて、直流電源Ｅ（十数Ｖ以下を印加）に接続された可変抵抗ＶＲで回路に流れる電流が調整されて、電流計Ａ２で電流がモニタされる。そして、圧力センサ１１０に電流が流れると、Ｒ４に応じたジュール熱が発生する。このとき、密封容器１００中の真空度が低いときには、その密封容器１００中の多数の気体分子を介して、発生した熱は密封容器１００に容易に伝わるので、圧力センサ１１０の温度はそれほど上昇しない。すなわち、真空度が低いと抵抗値Ｒ４がそれほど上昇せず、圧力センサ１１０にかかる電圧は大きくは増えず、電流計Ａ１にはわずかな電流しか流れない。

逆に、密封容器１００中の真空度が高く、気体分子の量が少ないと、圧力センサ１１０で発生した熱は、気体分子が少なく、伝わりにくくなる。このため、圧力センサ１１０の温度が上昇し、それに伴い抵抗値Ｒ４が上がる。したがって、圧力センサ１１０にかかる電圧が増えて、電流計Ａ１に流れる電流は大きなものとなる。このとき、予め電流計Ａ１で得られる電流値と密閉容器１００内の圧力との相関を測定しておくことで、電流計Ａ１の測定値から簡易的に圧力を求めることができる。

このようにして、本実施形態においては、密封容器１００の蓋１０４に圧力センサ１１０を形成するので、デバイス１０６の実装を複雑にしない。そして、半導体微細加工技術を適用するので圧力センサ１１０は薄く形成できるので、デバイス１０６とは干渉しにくくなりので、圧力センサ１１０を密封容器１００に内蔵可能として、圧力センサ１１０のついた小型の密封容器１００を容易に実現することができる。

又、圧力センサ１１０は、密封容器１００に内蔵されるので、密封容器１００の内部の圧力を直接に、且つ、簡易的に計測することができる。

又、圧力センサ１１０は、ピラニ真空計の原理を用いることで、測定のための制御が大掛かりとならない。そして、圧力が上がると圧力センサ１１０の温度は下がるため、圧力が大気圧近傍でも壊れるおそれはない。更に、圧力センサ１１０に大電圧（数１００Ｖ）を印加することもないのでデバイス１０６に悪影響を与えるおそれもなく、回路構成を容易にすることが可能である。又、圧力センサ１１０は、金属製の薄膜細線１１４の抵抗体であるので、少ない工程によって成形され、密封容器１００に密封される部分を簡易的な構成にすることが可能である。

又、圧力センサ１１０は、蓋１０４の表面から一定空隙を開けて配置されているので、蓋１０４との直接的な熱伝導がなく、良好な圧力を測定可能としている。

又、デバイス１０６は、ＭＥＭＳデバイスであり、真空封止されているので、密封容器１００内を真空度の評価を行うことで、ＭＥＭＳデバイスの動作特性の良否の容易な判断と、真空度に応じたＭＥＭＳデバイスの特性校正を行うことができる。

本実施形態では、密封容器１００の容器１０２はアルミナを主成分とするセラミック製としたが、本考案は、他の材料を用いたセラミック製や金属製の容器にも適用可能であることは明らかである。蓋１０４についても、ガラスである必要はなく、セラミック製、或いは、貫通電極１０８の近傍を絶縁処理した金属製であってもよい。

又、密封容器１００は、幅約５ｍｍ、長さ約８ｍｍ、高さ約４ｍｍの直方体形状に限定されるものではない。密封容器１００の形状や大きさは、封入するデバイス１０６の形状や大きさによるものであり、密封容器１００が本実施形態よりも極端に小さくなければ、本考案の圧力センサ１１０は幅広く適用が可能である。又、密封容器１００は、真空に密封される場合だけに限られるわけではない。例えば、不活性ガスである窒素ガスやＡｒ（アルゴン）ガスが減圧されて封止されてもよい。この場合には、窒素やＡｒの熱的特性を予め測定しておくことで、良好な密封ガスの圧力を測定することができる。

又、デバイス１０６はＭＥＭＳデバイスに限られるものではなく、デバイス１０６が密封された雰囲気の圧力を簡便に測定したい場面であれば、小型のデバイスに限らず本考案の適用が可能である。

又、デバイス１０６と容器１０２、容器１０２と蓋１０４の接合は、有機材料を含む接合材で接合されても良いし、はんだによって接合しても良い。容器１０２と蓋１０４の接合部分が金属であれば、溶接をしてもよい。なお、接合材に有機材料を含む場合は、封止した際に有機材料からガスが出るおそれがあるため、接合後に十分なベーキングを行うことを組み合わせて、前記ガスの影響を低減することも可能である。或いは、密封容器１００中、又はデバイス１０６中に、ガスを吸着する機能を有するゲッタを収納してもよい。

又、薄膜細線１１４の材質はＰｔに限定されるものではなく、Ｗ（タングステン）或いは、ＷとＰｔを組み合わせたものを用いても良い。

又、台座１１６の厚みは、２００μｍだけに限定されるものではない。５００μｍ程度までの厚みであれば、本考案を適用することは容易である。加工などの扱いが容易であり、且つ、蓋１０４に圧力センサ１１０を取り付けてもその突出部分が大きくないため、デバイス１０６とは干渉しにくく、密封容器１００を小型に保つことが可能であるからである。

又、台座１１６は、図２に示す如く、２つからなる台形形状である必要はなく、薄膜細線１１４を囲うようにして台座をつなげて、枠形状としてもよい。この場合には、圧力センサ１１０の蓋１０４への取り付けにおいて、薄膜細線１１４のたわみなどを気にせず、容易に実装することができるという利点を有する。

又、台座１１６の抵抗値が高ければ、台座１１６を貫通電極１０８の位置からずらして、台座１１６に沿って、配線を設ける構造であっても良い。

又、蓋１０４への圧力センサ１１０の形成において、圧力センサ１１０を形成後、蓋１０４に取り付けるという手順に限られるものではなく、例えば、蓋１０４に圧力センサ１１０の形成されたシリコン基板を貼り付け、そのあと、台座１１６を形成するということであっても本考案に含まれるものである。

又、台座１１６の材質は、エッチング或いは加工が容易であれば、シリコンに限られず、例えば、ポリシリコンなどを用いてもよい。

本実施形態に係る密封容器の容器と蓋の斜視図同じく図１のII−IIに沿う、蓋に形成した圧力センサの断面図同じく圧力センサを駆動する回路図の一例

符号の説明

１０２…容器
１０４…蓋
１０６…デバイス
１０８…貫通電極
１１０…圧力センサ
１１２…電極パターン
１１４…薄膜細線
１１６…台座

Claims

電極が設けられた蓋と、
該蓋の電極に接続されると共に、該蓋の表面に形成された圧力センサと、
該蓋によって密封可能であると共に、前記圧力センサを密封対象のデバイスと一緒に収納可能な容器と、
を有することを特徴とする密封容器用圧力センサ。
前記圧力センサは、金属製の薄膜細線から構成される抵抗体であると共に、前記蓋の表面との間に一定空隙を設けて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の密封容器用圧力センサ。
前記デバイスは、少なくとも振動、又は、熱のいずれか一方の物理現象を利用するＭＥＭＳデバイスであることを特徴とする請求項１又は２に記載の密封容器用圧力センサ。
前記容器は、真空雰囲気で密封されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の密封容器用圧力センサ。
請求項１乃至４のいずれかに記載の圧力センサを備えたことを特徴とする密封容器。