JP3403294B2 - 圧力検出器 - Google Patents

圧力検出器

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JP3403294B2 JP23870696A JP23870696A JP3403294B2 JP 3403294 B2 JP3403294 B2 JP 3403294B2 JP 23870696 A JP23870696 A JP 23870696A JP 23870696 A JP23870696 A JP 23870696A JP 3403294 B2 JP3403294 B2 JP 3403294B2
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    • G01L19/14Housings
    • G01L19/142Multiple part housings
    • G01L19/143Two part housings

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術的分野】本発明はセンサーチップ
(感圧素子)やストレンゲージを利用した圧力検出器の
改良に係り、主として半導体製造プロセスに於ける強腐
食性ガスライン等の圧力検出に利用されるものである。 【0002】 【従来の技術】配管路内等の流体圧の検出には、従前か
らセンサーチップ(感圧素子)やストレンゲージを利用
した圧力検出器が広く利用されている。図7はこの種圧
力検出器Aの一例を示すものであり、ステンレス鋼(S
US316L)製のセンサーベース1、センサーチップ
(感圧素子若しくは半導体ストレンゲージ)2、ダイヤ
フラム(SUS316L)3、シリコンオイル5、ボー
ル6及びリードピン7等より圧力検出器が構成されてい
る。 【0003】即ち、図7の圧力検出器Aに於いては、厚
さ約50μmのステンレス鋼(SUS316L)より成
るダイヤフラム3の外周縁部が、レーザー溶接によりセ
ンサーベース1の下端面へ溶接されており、このダイヤ
フラム3の接ガス面3aに加わる流体圧Bがシリコンオ
イル5を介してセンサーチップ2へ加わることによりセ
ンサーチップ2に形成された4個の歪抵抗の値が変化
し、4個の歪抵抗からなるブリッジ回路の出力端に受圧
力に比例した信号が出力される。尚、図6に於いて16
はダイヤフラムの溶接部、10はボール4の溶接部であ
る。 【0004】上記図7の圧力検出器は配管路内の流体圧
を比較的高感度で精度良く検出することができ、優れた
実用的効用を有するものである。しかし、当該圧力検出
器にも解決すべき多くの問題が残されており、その中で
も最も重要な問題は、ダイヤフラム3の接ガス面3aの
腐食や触媒活性等の問題である。即ち、図7の圧力検出
器では、ダイヤフラム3がステンレス鋼(SUS316
L)により形成されており、且つ電解研磨されたその接
ガス面3aの外表層部には厚さ約30ÅのFeとCrと
の混合酸化皮膜が形成されている。しかし、半導体製造
プロセスに於いて使用される塩化水素(HCl)や臭化
水素(HBr)等のハロゲン系ガスや、弗素ガス
(F2 )や弗化水素(HF)等の弗素系ガスのような強
腐食性ガスの場合には、ガス自身に含まれる水分等によ
って著しく腐食が進行し、所謂金属コンタミネーション
が起生する原因となる。 【0005】また、半導体製造プロセスの配管路に於い
ては、上記ダイヤフラムの接ガス面3aの腐食性のみな
らず、接ガス面3aからのアウトガスや触媒活性も重要
な問題となり、所謂アウトガスフリーで且つ非触媒性の
接ガス面3aであることが要求される。 【0006】しかし、前記ダイヤフラム3の接ガス面3
aの外表層に形成されているFeとCrとの混合酸化皮
膜は、アウトガスの防止機能が不十分であって多量のア
ウトガスが生ずるうえ、その触媒作用によって半導体製
造用特殊ガスの自己分解が促進されることになり、製品
品質の低下を招く等の様々な不都合が起生する。 【0007】そのため、前記ハロゲン系や弗素系の強腐
食性ガスを取り扱う配管路の圧力検出に図7の如き構成
の圧力検出器を使用する場合には、ダイヤフラム3の接
ガス面3aに数100Åの厚さを有するFeを含まない
Crのみから成る所謂酸化クロム不働態膜(Cr2 3
・ハロゲン系ガスの場合)や弗化不働態膜(CrF2
CrF3 、FeF2 、FeF3 等・弗素系ガスの場
合)、主としてアルミニウム酸化物とクロム酸化物の混
合酸化不働態膜(Al2 3 /Cr2 3 ・オゾンガ
ス)を形成し、接ガス面3aの保護を図る必要がある。
何故なら、上記酸化クロム不働態膜はハロゲン系強腐食
性ガスに対する耐食性やアウトガスの防止、非触媒性等
に優れているからであり、また、弗化不働態膜は弗素系
の強腐食性ガスやオゾンに対する耐食性が高いうえ、ア
ウトガスの防止や非触媒性にも優れており、さらに主と
してアルミニウム酸化物とクロム酸化物の混合酸化不働
態膜は非常に酸化力の強いオゾンガスに対する耐食性が
優れているからである。 【0008】而して、上記100%酸化クロムから成る
不働態膜を形成するためには、オーステナイト系ステン
レス鋼(例えばSUS316L)製のダイヤフラム3の
場合には、ダイヤフラム3をラッピング研磨法等によ
り研磨してその外表面を微結晶構造(所謂ベイルビ層)
とすると共に、強還元性雰囲気中の極微量の水分を含
む酸化種による熱処理(400°〜500℃、1〜10
時間)を必要とする。同様に、弗化不働態膜を形成する
ためには、弗素ガス雰囲気に於ける200〜250℃
・1〜10時間の不働態膜形成処理と、350°〜4
00℃・1〜10時間の不働態膜のアニール処理を夫々
必要とする。また、アルミニウム酸化物とクロム酸化物
の混合酸化不働態膜を形成するためには、アルミニウム
を約4%程度含むステンレス鋼を用いて、強還元性雰囲
気中の極微量の水分を含む酸化種による熱処理(400
°〜600℃、1〜10時間)を必要とする。 【0009】ところが、センサーチップ(感圧素子)は
その耐熱温度が約150℃位であるため、図7の如き従
前の圧力検出器では、これを望ましい高温度下で熱処理
をすることができない。また、従来の圧力検出器ではセ
ンサーベース1とダイヤフラム3が既に溶接されている
ため、ダイヤフラム3の接ガス面3aを最大突起値が
0.7μm以下位いの表面粗さに均一に研磨することが
困難となり、ダイヤフラム3の接ガス面3aの研磨度が
均一になり難い。更に、従来の圧力検出器では、ダイヤ
フラム3の接ガス面3aに溶接部9が位置しているた
め、溶接部9の研磨が非溶接部の研磨と異なった状態と
なり、溶接部16の均一な研磨仕上げが困難となる。 【0010】その結果、従前の圧力検出器では、ダイヤ
フラム3の接ガス面3aに100%酸化クロムから成る
不働態膜や弗化不働態膜を形成することが困難となり、
半導体の集積度が上るにつれて、圧力検出器の接ガス面
3aの腐食に起因する金属パーティクルやダイヤフラム
面からの水分放出、ダイヤフラム面の触媒作用による様
々な不都合が顕著になり、製品品質の向上を図ることが
困難となる。 【0011】 【発明が解決しようとする課題】本発明は従前の圧力検
出器に於ける上述の如き問題、即ち圧力検出器のダイ
ヤフラムの接ガス面に不働態膜を形成することができな
いため、ダイヤフラムの接ガス面の腐食や接ガス面の触
媒作用、接ガス面からの水分放出を防止することができ
ないと云う問題を解決せんとするものであり、圧力検出
器のダイヤフラムを、接ガス面に酸化クロム不働態膜又
は弗化不働態膜若しくは主としてアルミニウム酸化物と
クロム酸化物の混合酸化不働態膜を備えたダイヤフラム
とすることにより、半導体製造プロセスに適用しても製
品品質の低下を招く虞れの全くない圧力検出器を提供せ
んとするものである。 【0012】 【課題を解決するための手段】請求項1に記載の発明は
厚さが50〜200μmの平板状のダイヤフラム3を短
円筒体の底面に一体的に形成すると共に、前記ダイヤフ
ラム3の接ガス面3aに不働態膜3bを形成して成るス
テンレス鋼製のダイヤフラムベース4と、センサーチッ
プ2を内部に収納固着したセンサーベース1とを対向状
に組み合せて両者をその側壁面に於いて溶接8し、更に
前記センサーベース1とダイヤフラムベース4との空隙
内へ圧力伝達用媒体5を密封する構成としたことを発明
の基本構成とするものである。 【0013】 【0014】 【0015】 【0016】 【0017】 【0018】本発明に係る圧力検出器では、ダイヤフラ
ムの接ガス面に予かじめ所望の不働態膜を形成すると共
に、接ガス面に不働態膜を形成したダイヤフラムを有す
るダイヤフラムベースと、内部にセンサーチップを収納
固定したセンサーベースとを組み合せ固定するようにし
ているため、両者を側壁面で溶接固定するような場合で
も、センサーチップやストレンゲージのストレンゲージ
部に加熱による悪影響を与えることなしにダイヤフラム
の接ガス面に所望の不働態膜を形成することができる。
その結果、接ガス面の腐食や接ガス面からの水分放出、
接ガス面の触媒作用が押えられ、半導体製造プロセスに
於ける製品品質の大幅な向上が可能となる。 【0019】 【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の各
実施の形態を説明する。尚、図1乃至図6に於いて、前
記図7で示した部材と同じ部材にはこれと同じ参照番号
が付されている。図1は本発明の第1実施形態に係る圧
力検出器Aの平面図であり、図2はその縦断面図であ
る。図に於いて1はセンサーベース、2はセンサーチッ
プ(感圧素子)、3はダイヤフラム、4はダイヤフラム
ベース、5は圧力伝達用媒体であるシリコンオイル、6
は封止体であるボール、7はリードピン、8はセンサー
ベースとダイヤフラムベースとの溶接部である。 【0020】前記センサーベース1はステンレス鋼から
形成されており、下面中央にはチップ収納部1aが形成
されており、更にオイル注入孔1b及びリードピン貫挿
孔1c等が穿孔されている。 【0021】また、前記センサーチップ(感圧素子)に
は、公知の拡散形半導体圧力トランスジューサが使用さ
れており、圧力を受けると抵抗値が変化する半導体のピ
エゾ抵抗効果が利用されている。即ち、センサーチップ
2は、圧力を受けると変形をするダイヤフラム構造を有
しており、これにICと同じ製法で4本の抵抗体が形成
されていて、ブリッジ状に接続された4本の抵抗の抵抗
値が加圧によって変化することにより、圧力に比例した
電圧信号がブリッジの出力端に出力されることになる。
尚、本実施形態ではセンサーチップ2として拡散形半導
体圧力トランスジューサを利用しているが、その他の構
造の圧力検出用センサーチップ2であってもよいことは
勿論である。 【0022】前記ダイヤフラム3はダイヤフラムベース
4と一体的に形成されており、ステンレス鋼を用いて厚
さ約50μm、内径約10mmφに形成されている。
尚、ダイヤフラム3の厚さは検出器の検出圧力範囲に応
じて適宜に変るものであり、数torrから11kgf
/cm2 の絶対圧力値の測定を目的とする本実施形態の
圧力検出器では、φ=10mmのダイヤフラム3の厚さ
を50μm程度とするのが望ましい。 【0023】また、当該ダイヤフラム3の接ガス面3a
には、公知の方法により所謂不働態膜の形成処理が施さ
れており、接ガス面3aの外表層部には厚さ約200Å
の略100%酸化クロムから成る不働態膜3b又は厚さ
約1000〜3000Åの弗化不働態膜3b若しくは厚
さ約200Åの主としてアルミニウム酸化物とクロム酸
化物の混合酸化不働態膜が形成されている。 【0024】即ち、酸化クロム不働態膜3bを形成する
場合には、先ずダイヤフラム接ガス面3aをラッピング
研磨し、その外表面を微結晶構造にすることにより内層
部からのCrの移動を容易にする。その後、H2O・約
100ppmとH2 ・約3%とArとの混合ガス内で、
ダイヤフラム接ガス面3aを400°〜500℃の温度
下で数時間加熱処理する。これにより、厚さ約200Å
のほぼ100%酸化クロムから成る不働態膜3bが形成
されることになる。尚、ダイヤフラム3を形成するステ
ンレス鋼がCr含有量の高いフエライト系ステンレス鋼
の場合には、前記研磨処理を省略する場合もある。フエ
ライト系ステンレス鋼の場合には、内層部からのクロム
の移動が比較的容易に行なわれるからである。 【0025】また、弗化不働態膜3bをダイヤフラム接
ガス面3aに形成する場合には、先ず希弗素ガス雰囲気
内で且つ200°〜250℃の温度下で数時間加熱処理
をすることにより弗化不働態膜を形成する。次に、35
0°〜400℃の温度下で数時間前記弗化不働態膜をア
ニール処理することにより、弗化不働態膜を安定化させ
る。 【0026】前記圧力伝達用媒体であるシリコンオイル
5はダイヤフラム3に加わった圧力Bをセンサーチップ
2へ伝達する。尚、ここでは温度膨張係数や圧縮係数が
小さく且つ化学的にも安定したシリコンオイルが使用さ
れているが、その他の圧力伝達媒体であってもよいこと
は勿論である。 【0027】前記封止体であるボール6は、オイル注入
孔1b内のシリコンオイル5を密封するためのものであ
り、ここでは軸受鋼のボール6が使用されている。 【0028】図6は、センサーチップ(感圧素子若しく
は半導体ストレンゲージ)2に代えて所謂金属ストレン
ゲージ16を使用した圧力検出器を示すものである。即
ち、厚さ約200μmのダイヤフラム3の内側外表面に
は、金属細線若しくは金属箔の抵抗線を絶縁物で覆って
フィルム状に形成したストレンゲージ部16aが固着さ
れており、また、センサーベース1の内方には抵抗変化
を検出するブリッジ回路部(変換器)16bが取り付け
されている。 【0029】尚、図6の圧力検出器では、ダイヤフラム
ベース4等の内部空間にはシリコンオイル等が充填され
ていない。また、図6の圧力検出器ではストレンゲージ
部16aと変換器16bを別体とした金属ストレンゲー
ジ16が使用されているが、両者を合体せしめた構成の
ストレンゲージ16をダイヤフラム3の内側外表面へ固
着するようにしてもよい。 【0030】次に、図1及び図2に記載の実施態様に係
る圧力検出器の組立について説明する。先ず、ダイヤフ
ラム3をダイヤフラムベース4と一体に形成し、その後
ダイヤフラム3の接ガス面3aに酸化クロム不働態膜又
は弗化不働態膜若しくは主としてアルミニウム酸化物と
クロム酸化物の混合酸化不働態膜を形成する。同様に、
センサーベース1を形成し、そのチップ挿入孔1a内へ
センサーチップ2を挿入固着する。 【0031】次に、接ガス面3aに不働態膜3bを形成
したダイヤフラムベース4とセンサーベース1とを図2
のように対接せしめ、その側壁面の全周をTIG溶接法
により溶接8する。また、前記溶接8が完了すると、オ
イル注入孔1b内へ圧力伝達媒体(シリコンオイル)5
を充填し、その後封止体(ボール)6をセンサーベース
1へ溶接10することにより、オイル5を密封する。 【0032】本実施態様の圧力検出器Aに於いては、溶
接部8がダイヤフラム3の接ガス面3aに無いため、接
ガス面3aの研磨を極めて均一に行なうことができ、そ
の結果、クロム100%の酸化不働態膜の形成が可能と
なる。また、ダイヤフラム3とダイヤフラムベース4と
を一体的に形成しているため、溶接部8が1ケ所のみと
なり、圧力検出器Aの組立てが極めて容易なものにな
る。 【0033】図3は、本発明の第2実施形態に係る圧力
検出器Aの縦断面図であり、ダイヤフラム3とダイヤフ
ラムベース4とが別体となっている点が、第1実施態様
の場合と異なっている。即ち、ダイヤフラム3は厚さ約
50μmのステンレス鋼(SUS316L)によって皿
形に形成されており、圧力検出器の組立てに際しては、
先ずダイヤフラムベース4とダイヤフラム3とを図3の
ように組み合せ、その後ダイヤフラムベース4の側部に
於ける両者の接合面をレーザー溶接等によって溶接9す
る。その後、ダイヤフラムベース4へ溶接したダイヤフ
ラム3の接ガス面3aに不働態膜3bを形成する。尚、
その後の組立順序は、第1実施態様の場合と同様であ
る。 【0034】また、第2実施形態ではダイヤフラムベー
ス4へダイヤフラム3を溶接した後に、その接ガス面3
aへ不働態膜3bを形成するようにしているが、先にダ
イヤフラム3の接ガス面3aへ不働態膜3bを形成し、
その後にこれをダイヤフラムベース4へ溶接9するよう
にしてもよい。 【0035】第2実施形態に於いては、ダイヤフラム3
を別体として形成する構成としているため、溶接部が2
ケ所になると云う不利はあるものの、ダイヤフラムの形
成が比較的容易なものになる。 【0036】図4は本発明の第3実施形態に係る圧力検
出器の縦断面図であり、ダイヤフラム3の外周縁部とダ
イヤフラムベース4との対接面にろう材11を介在せし
め、両者をろう付けにより固着するようにした点のみが
前記第2実施形態の場合と異なっており、その他の構成
は第2実施形態の場合と同じである。 【0037】即ち、前記図3の第2実施形態の場合に
は、ダイヤフラムベース4とダイヤフラム3の間隙内へ
シリコンオイル5が侵入する場合がある。その結果、オ
イル5の侵入量の変化によって、圧力検出器の初期校正
値が狂うことになり、様々な不都合が起生する。そのた
め、第3実施形態に於いては、ダイヤフラム3とダイヤ
フラムベース4を組み合せる際に、両者の間にろう材1
1を予かじめ介存せしめておき、ろう材11を加熱して
これを溶融せしめ、ダイヤフラム3の外周縁部をベース
4へろう付けする。 【0038】当該第3実施形態に於いては、ダイヤフラ
ム3の外周縁部がダイヤフラムベース4へろう付けされ
ているため、両者の間隙内へオイル5が侵入せず、従っ
てセンサーチップ2への加圧力に変動(狂い)を生ずる
ことが皆無となる。 【0039】図5は、本発明に係る圧力検出器をガスラ
インへ組み付けて流体圧の検出を行なっている状態を示
すものであり、圧力検出器Aは、固定具14をボデイー
15へ締込むことにより、押え部材12及びベアリング
13を介してボデイー15の取付孔15a内へ気密状に
固着されている。尚、17は接ガス面をクロム不働態処
理又はフッ化不働態処理若しくは主としてアルミニウム
酸化物とクロム酸化物の混合酸化不働態処理されたメタ
ルガスケットである。 【0040】而して、流通孔15b内の流体圧Bは孔1
5cを通してダイヤフラム3の接ガス面3aへ加えら
れ、シリコンオイル5を介してセンサーチップ2へ伝え
られて行く。 【0041】図6に示した金属ストレンゲージ16を用
いた圧力検出器の組立に際しては、ダイヤフラムベース
4に設けたダイヤフラム3の接ガス面3aに不働態膜3
bを形成したあと、ダイヤフラム3の内側外表面にスト
レンゲージ部16aを固着し、次に当該ダイヤフラムベ
ース4とセンサーベース1とを組み合せて両者をその側
壁面に於いて溶接8する。 【0042】尚、ダイヤフラムベース4にダイヤフラム
3を溶接固定する場合でも同様であり、先ずダイヤフラ
ム3の接ガス面3aに不働態膜3bを形成し、次にダイ
ヤフラム3の内側外表面にストレンゲージ部16aを固
着し、最後にダイヤフラムベース4とセンサーベース1
とを組み合せ固定する。 【0043】 【発明の効果】請求項1及び請求項2の発明では、ダイ
ヤフラムベースに設けたダイヤフラムの接ガス面に酸化
クロム不働態膜又は弗化不働態膜若しくは主としてアル
ミニウム酸化物とクロム酸化物の混合酸化不働態膜を形
成したあと、ダイヤフラムベースとセンサーベースとを
組み合せ固定する構成としている。その結果、センサー
ベース側に固定したセンサーチップに高温による悪影響
を全く与えることなしに、ダイヤフラムの接ガス面によ
り良質の不働態膜を形成することが可能となり、半導体
製造プロセスに於ける製品品質の一層の向上が可能とな
る。 【0044】また、請求項3及び請求項4の発明に於い
ては、ダイヤフラムを皿形に形成し、ダイヤフラムベー
スの側壁面に於いてダイヤフラムをダイヤフラムベース
へ溶接すると共に、ダイヤフラムの接ガス面に不働態膜
を形成したあと、ダイヤフラムベースとセンサーベース
とを組み合せ、ダイヤフラムベースの側壁面に於いて両
者を溶接する構成としている。その結果、ダイヤフラム
の製作が著しく容易になると共に、センサーチップに高
温による悪影響を与えることなしにダイヤフラムの接ガ
ス面に良質の不働態膜を形成することが可能となり、半
導体製造プロセスに於ける製品品質の一層の向上が可能
となる。 【0045】更に、請求項8の発明に於いては、センサ
ーベースとダイヤフラム外周縁との間をろう材によりろ
う付けする構成としているため、オイルの間隙内への侵
入等による圧力検出値の変動が皆無となり、圧力検出器
の校正等の作業が大幅に減少することになる。本発明は
上述の通り優れた実用的効用を奏するものである。
【図面の簡単な説明】 【図1】第1実施形態に係る圧力検出器の平面図であ
る。 【図2】図1のA−A視断面図である。 【図3】第2実施形態に係る圧力検出器の縦断面図であ
る。 【図4】第3実施形態に係る圧力検出器の縦断面図であ
る。 【図5】本発明に係る圧力検出器のガスラインへの取付
状態を示す説明図である。 【図6】本発明の第4実施形態に係る圧力検出器の縦断
面概要図である。 【図7】従前のセンサーチップを利用した圧力検出器の
縦断面図である。 【符号の説明】 Aは圧力検出器、Bは流体圧、1はセンサーベース、1
aはチップ収納孔、1bはオイル注入孔、1cはリード
ピン貫挿孔、2はセンサーチップ(感圧素子)、3はダ
イヤフラム、3aは接ガス面、3bは不働態膜、4はダ
イヤフラムベース、5は圧力伝達用媒体(シリコンオイ
ル)、6は封止体(ボール)、7はリードピン、8はセ
ンサーベースとダイヤフラムベースとの溶接部、9は溶
接部、10は溶接部、11はろう材、12は押え部材、
13はベアリング、14は固定具、15はボデイー、1
5aは取付孔、15bは流通孔、15cは孔、16は金
属ストレンゲージ、16aはストレンゲージ部、16b
はブリッジ回路部(変換器)、17はメタルガスケッ
ト。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西野 功二 大阪府大阪市西区立売堀2丁目3番2号 株式会社フジキン内 (72)発明者 池田 信一 大阪府大阪市西区立売堀2丁目3番2号 株式会社フジキン内 (56)参考文献 特開 平7−72029(JP,A) 特開 平7−260613(JP,A) 実開 昭59−3338(JP,U) 実開 昭50−74380(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01L 9/00 303 G01L 19/00 G01L 19/06

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 厚さが50〜200μmの平板状のダイ
    ヤフラム(3)を短円筒体の底面に一体的に形成すると
    共に、前記ダイヤフラム(3)の接ガス面(3a)に不
    働態膜(3b)を形成して成るステンレス鋼製のダイヤ
    フラムベース(4)と、センサーチップ(2)を内部に
    収納固着したステンレス鋼製のセンサーベース(1)と
    対向状に組み合せて両者をその側壁面に於いて溶接
    (8)し、更に前記センサーベース(1)とダイヤフラ
    ムベース(4)との空隙内へ圧力伝達用媒体(5)を密
    封する構成としたことを特徴とする圧力検出器。
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