JP3410095B2 - 基台装着式容量型圧力センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、航空機操作時の空気圧力感知に主として用
いられ、長期間の安定性を有し、温度による誤差を低減
され、堅固で精密な圧力センサ組立体を提供するように
構成された基台装着式容量型圧力センサに関する。

容量型の固体圧力センサはこの技術分野では既知であ
り、また小形化が可能であり、製造コストを低廉にでき
るバッチ製法で製造できるという理由で、広く用いられ
ている。このような従来技術のセンサは、ガラスまたは
半導体の基板および、陽極結合、ガラスフリット層、金
属拡散および類似の結合技術を用いてダイアフラムのリ
ムの周縁に一体に結合された成形済みの（formed）ダイ
アフラム層を用いてきた。

ホウケイ酸ガラス（パイレックス）層をメタライズし
てコンデンサ電極を形成し、偏向する半導体ダイアフラ
ムと共に用いることも、当該技術において既知であっ
た。航空機に用いられる圧力センサにとっては、それら
が広範囲かつ極めて急激な温度変化にさらされるため
に、その温度安定性が問題となる。異なる温度係数を有
する材料によってもたらされる温度依存性応力は依然と
して問題であり、また外部ハウジングとセンサダイ・パ
ッケージとの間の応力遮断もまた必要である。

発明の要約 本発明は、広い温度範囲にわたって流体圧力の変化を
感知するのに使用される容量型圧力センサに関する。セ
ンサ組立体全体としての温度係数が低減される。容量型
センサは、取付け部ならびに、金属ハウジングとセンサ
部材との間に温度によって誘起される応力の両者からの
遮断を実現するために、外部ハウジング内に固定された
ガラス筒基台上に取付けられる。

センサ組立体は、大きなｇ力および衝撃負荷に耐える
ように、結合およびろう付技術によってハウジングに固
定される。

センサは基板となる受け板、そのリムの周縁で受け板
に結合されるダイアフラム、およびダイアフラムの上を
覆う電極板を含む。ダイアフラムおよび電極板が容量型
センサを構成し、その出力はダイアフラムが電極板に対
して相対的に偏向するにつれて変化する。

ダイアフラムの厚みおよびダイアフラムに結合された
電極板の厚みに対する基板支持体すなわち受け板の厚み
の比は、低い温度係数を保証し、かつ広い温度変化に遭
遇しても高い安定性を与えるように選択される。したが
って、時間経過時の薄膜の応力緩和（stress relaxatio
n）の影響が最小になって連続した精密性が得られるよ
うな方法で、ダイアフラムと共に用いられる電極板上に
薄いメタライズ層が形成される。

圧力センサ組立体用のハウジングには２つのセンサが
組込まれ、その内の１つが能動的であり、他方は基準セ
ンサとして機能する。２つのセンサは同じように構成さ
れ、隣り合って配置されるので、それらの容量性出力
は、電気的に比を取られると、加速、機械的応力、熱的
応力、および回路に依存した現象によって発生するよう
な共通モードの誤差が打消されたものとなる。

図面の簡単な説明 図１は、本発明の容量型圧力センサに関連する代表的
なハウジングの斜視図である。

図２は、ハウジング内での能動圧力センサと基準圧力
センサとの配置を概略的に示す、図１のハウジング内の
縦断面図である。

図３は、図１および２に示したハウジング内で使用さ
れる代表的センサの第１の態様を示す縦断面図である。

図４は、図１および２に示したハウジング内で使用さ
れるセンサの変形例を示す縦断面図である。

図５は、図１および２に示したハウジング内で使用さ
れるセンサのさらに好ましい変形例を示す図であり、図
６の５−５線に沿う縦断面図である。

図６は、図３〜５に示したセンサの代表的構成を示す
上面図である。

図７は、図３〜５に示したセンサの電極用メタライズ
部の拡大破断断面図である。

第８図は、ガラス−ガラス陽極結合工程の概要を説明
するための図である。

好ましい実施例の詳細な説明 図１には、主に航空機に組込んで使用される圧力感知
用の圧力センサ組立体が包括的に符号10で示され、前記
組立体は外カバー12で封止された外部ハウジング11を具
備する。ハウジング11の基板14は、そこから突出し、か
つハウジングのボア（bore）に対して封止された圧力感
知用ダイ（能動圧力センサ）36のためのステンレススチ
ール製圧力結合フィッティングすなわちハウジング16を
備える。静圧基準用ダイ（基準圧感知用ダイ）36Aのた
めのステンレススチール製帽体18もまたハウジング10の
基板から突出している。ハウジングの基板14は、溶接ま
たはろう付けによってハウジングの側壁13に固着されて
いる。１つの側壁13には、複数本の電気接続部材15が封
止貫通されている。

これらの接続部材は、圧力感知ダイ36および静圧基準
ダイ36Aの間の信号の伝達授受に使用される。同じ側壁1
3上には、１対のねじ付き組立てスタッド17がハウジン
グ11の近傍に取り付けられている。これらのスタッド17
は頭部17Aを有し、側壁13に「スタッド溶接」またはろ
う付けされることができ、センサハウジングを取り付け
るための適宜の支持を提供する。接続部材15は容易にア
クセス可能である。圧力コネクタ部材は実質上正常に、
好ましくは90゜で、電気接続部材15から延長するので、
それぞれへのアクセスと取り付けが簡単化される。圧力
感知ダイ36および静圧基準ダイ36Aがハウジング11およ
び封止カバーの内部に封止されると、ハウジング内部の
チャンバが真空化（減圧）され、感知ダイが真空基準を
持つように封止される。

図２では、ピトー管の空気圧ラインからのフィッティ
ングがその上にはめ込まれるように、圧力コネクタ16は
Ｏ−リング溝を有する。コネクタ16は、その内部にボア
21を有し、ボアはそれが拡大される部分に形成された肩
部を有する。ニッケル鍍金された金属基台20が放射状肩
部表面22上に支持される。前記金属は、なるべくはコバ
ール（Kovar:商標）が望ましい。静圧基準ダイの帽体18
もまた、コバール基台20を受納する内部空所を有する。
基台20は、帽体18のボア内で、放射状肩部表面22A上に
支持される。帽体18の内部空所はその１端で外気に対し
て閉塞されるが、基準ダイのダイアフラムが零差圧を受
ける事を保証するように、パッケージ内部の真空基準に
内部で連通される。静圧基準ダイ36Aおよび圧力ダイ36
は共通のウエファ積重ね体（スタック）からバッチ生産
され、圧力フィッティングおよび帽体を除けば同一構成
である。

圧力ダイ36の基台20は、コネクタ16内で放射状肩部表
面22上に固定される。同様に、静圧基準ダイ36Aは帽体1
8内で類似の放射状肩部表面22Aに固定される。

基準および圧力センサのそれぞれにおいて、基台20は
貫通孔すなわちボア26を有し、このボア26はガラス（パ
イレックスおよびホウケイ酸ガラス）基台30のボアに連
通する。ここでも圧力ダイ36について説明されるが、帽
体18を除き、静圧基準ダイ36Aも同じ構成である。図２
には、支持ブロック35も示されている。支持ブロック
は、２つの感知ダイからの容量出力の信号処理を行なう
回路基板を支持するのに利用できる。

図３の、環状縁29を備えた基台20はコバールで作られ
るのが望ましい。ガラス対コバール・シール31はパイレ
ックス基台30の表面上に設けられた３層の金属よりな
り、接合され、デポジット（被覆）された第１のジルコ
ニウム薄層32を含む（図４参照）。ジルコニウムはガラ
ス上にデポジットすることができ、ガラスに対して恒久
的に結合される。つぎにニッケル層33が既知の手法でジ
ルコニウムの上に被着され、ハンダ付け可能層すなわち
ハンダに濡れ易い層を形成する。ニッケル・ジルコニウ
ムの境界面もまた恒久的に結合される。金の外部被覆34
がニッケル層33の上に形成され、ニッケルの酸化を防止
する。ニッケル鍍金コバールもまた、金属基台をガラス
にハンダ付けする前に、その上に３層の金属薄層が形成
される。３層金属薄層は、基台20の表面上にデポジット
されたチタン層、その上のニッケル層および金の被覆層
であることができる。３層金属薄層は、便宜上図３の金
属基台上にしか図示されていないが、それぞれの金属基
台には、図３のガラス基台上に示されるように、それが
ガラス基台を支持し、それにろう付けされる箇所に３層
金属薄層が形成される。

圧力ダイ36および静圧基準ダイ36Aは、同じ加速度、
温度、およびその他の力を受け、また２つのセンサが同
様の反応を呈するために共通の誤差相殺が達成され、そ
の結果、広い温度範囲および他の条件の範囲内において
正確な応答が保証されるようにすることを目的として、
同じように構成される。

図３を参照すると、圧力センサすなわちダイ36の第１
の態様が示されている。パイレックスの基台30は圧力セ
ンサすなわちダイ36のための受け板40を支持するフラン
ジ38を有する。受け板40は図３に示す形状であり、パイ
レックスで作られる。基台30の表面と受け板40との境界
面の新規なガラス／ガラスの陽極結合すなわち結合工程
によって、圧力ダイ36は基台30に確実に保持される。陽
極結合部は符号42で表される。この態様の圧力センサで
は、受け板40が開口44を有し、この開口はパイレックス
基台30から、シリコンまたは他の適当な半導体材料で構
成されたダイアフラム48によって受け板40に対して相対
的に形成された圧力チャンバ46まで通じている。シリコ
ンウエファの１方の面に空所をエッチングすることによ
って、薄いダイアフラムウェブ部分49が形成され、チャ
ンバ46が構成される。ダイアフラムウェブ部分49にはま
た、エッチングされた浅い凹部50が当該ダイアフラムの
活性面すなわち上面の一部に形成される。ダイアフラム
の上面には、その導電率を増強してコンデンサ電極とし
て利用するためにドープ層51が形成される。上側の凹部
はパイレックスガラス電極板52で包囲される。

パイレックス電極板52は、被覆金属層54でメタライズ
された後、シリコンダイアフラムの縁部に結合される。
被覆金属層54は上側層54Aを有し、また開口56を輪郭付
ける壁表面に沿って延びている。開口56はダイアフラム
の上面に基準圧（密封ハウジングからの）を与える。メ
ラタイズ層54は、大きさおよび厚さの点で上部層54Aと
整合された下部分54Bを有し、この下部分は開口56内の
メタライズ層によって上側層54Aに電気的に接続され
る。上側層54Aは、電極板の表面にデポジットされて前
記層54Aから延びる小寸法の適当なリード線路またはタ
ブ（tab）を有する。適当なリード線を層54に接続する
ためのデポジッション・タブにはアルミ・ボンディング
パッドが採用される。これは、図６に概略が示されてい
る。図６に示されるように、電極板には２つの開口があ
り、メタライズ層はこれら開口の近傍では、より狭い寸
法となっている。電極板を通る断面は開口部を示す。

リード線接続用のボンディングパッドはまたダイアフ
ラムの周辺に近いドープ層51にも設けられ、それは電極
板52の外側に位置される。図６に、代表的な例が示して
ある。

本発明のこの態様においては、ガラス基台の軸方向長
さ62は約0.275インチ、受け板40の厚み63は約18ミル（m
ils）であり、一方ダイアフラムの縁部（リム部）での
厚み64は約12.5ミル、電極の厚み65は18ミルである。こ
れらの厚みは、特に本発明の変形態様において、センサ
の所望の精密性、長期間の安定性および広い温度範囲に
わたる温度係数特性を得るように選択されたものであ
る。

ガラス基台の下側表面に３層の金属層を形成した後、
その表面が、パイレックス基台の場合と同じ手法で、３
層の金属層によって被覆されたニッケル鍍金・コバール
金属基台20に、金／錫共晶ハンダを用いてハンダ付けさ
れ、非常に強固に固定される。

本発明装置の特徴は、ガラスとニッケル層間の接着剤
としてジルコニウムを使用することができ、ハンダ付属
材（solder atachment material）が提供される事であ
る。ジルコニウムは強力で、熱力学的に安定な酸化物を
形成し、この酸化物がガラス基台の端部の金属基台20へ
のハンダ付け上へのデポジッションの間中、ガラス基台
に対する結合を維持する。ジルコニウムのメタライズ
は、金属をガラスに結合するために普通に使用されるチ
タンの代りになる。

注意すべきことは、コバール基台20はその表面が機械
仕上げされ、この表面がステンレススチール圧力フィッ
ティング16のボア21の部分との非常に精密な整列、およ
びその案内（pilot）を提供するということである。図
２に示したように、典型的なステンレススチール圧力フ
ィッティング16は大きな直径の圧力ボア部66を有し、前
記直径は通路66Aに向かって寸法を減じ、それから内径
が精密に加工されることのできる凹部66Bに拡大され
る。このようにして、前記凹部はコバール基台のパイロ
ットボアすなわちつば（collar）20Aを受入れ、つばは
このボア66Bにきっちりと嵌合する。

事実上、パイロットボア20Aの外径は非常に精密な許
容差以内に加工でき、肩面20Cも中心ボア26に関して精
密に加工できる。さらに、放射状肩面22とメタライズ層
31の端部を支持する面との間の距離は精密に制御でき、
これらの面はボア21の軸に対しては垂直は、かつ相互に
は平行に保持することができる。

基台20を所定位置に先導する円筒状表面と、基台20を
支持するための圧力フィッティング16内の支持平面に平
行な平坦面とが、圧力ダイ36および静圧基準ダイ36Aを
支持するための非常に安定で、かつ適正に整列された基
台30を提供する。また、基台20の上端は筒体を取り巻く
フランジ29を有し、パイレックス基台30が当該フランジ
内に支持される。

遮断用コバール基台20は、フィッティング16に使用さ
れるような、ステンレススチールの比較的高い熱膨張係
数とそれより大幅に低い熱膨張係数の筒状パイレックス
基台30との間の、第１のストレス遮断遷移部材を構成す
る。パイレックス筒体は圧力ダイ36、36Aに、より一層
の応力遮断（分離）を提供する。コバールフィッティン
グは中間の熱膨張係数を有するので、実質的に熱膨張係
数を異にする２つの部材間の熱応力遷移を提供する。

パイレックス基台30はまた、圧力感知ダイが取り付け
られるパッケージすなわちハウジングによって発生され
る応力に対する遮断機能をも有する。

ジルコニウムはニッケル（または他の適当な金属）を
パイレックスに結合するための層を形成するのに望まし
い金属であるが、ハフニューム、ニオブ、タンタル、バ
ナジューム、クロム、モリブデン、タングステンなども
またこの目的に有用である。

図３に示された本発明の態様においては、基板層40と
フランジ38を含む基台30の上面30Aとの間のガラス・ガ
ラス陽極結合が存在する。

図４に示した本発明の変形実施態様においても前述と
同様のガラス基台30が含まれるが、この例では、基台の
上面30Aが圧力ダイ71のためのシリコン受け板すなわち
基板70に結合される。シリコン受け板70は陽極結合を介
して基台30の端部に支持される。シリコンは周知の陽極
結合工程を用いてパイレックスに強固に結合されるであ
ろう。受け板70は、この受け板70に対して直接シリコン
／シリコン溶融結合されているシリコン・ダイアフラム
72に比較して厚い（板の面に垂直に測って）。ダイアフ
ラム72は周縁リム73および薄いダイアフラム・ウェブ部
74よりなり、ウェブ部はリムの厚みを有するウエファの
両面から内方へ凹んだ薄い部分である。凹部75はより大
きい（深い）窪みであり、受け板層70の真上にあって圧
力チャンバ84を形成する。ダイアフラムの反対側面には
非常に浅い凹部76が形成され、圧力を受けて偏向する容
量型ウェブのための隙間（逃げ）を構成する。ダイアフ
ラム72の上面を覆うようにパイレックスの電極板78が配
置され、ダイアフラムのリム73に結合される。

パイレックス電極板78は前述のようにして形成され、
メタライズ層80を有する。メタライズ層80は、前述した
のと同様に、上面部80Aと，同じ形状に形成された下側
電極部80Bとで構成される。圧力ポート82が受け板層70
に設けられ、これによって凹部75によって形成されたチ
ャンバ84に圧力が伝達される。外部ハウジングからの基
準圧は、電極板内の開口を通じて作用する。

前に説明し、図６に示した一方の側では、電極のメタ
ライズ層80から延びるタブ上にアルミのボンディングパ
ッドが形成される。また図６に示すように、電極板に面
するダイアフラムの活性表面への電気的接続を与えるた
めのボンディングパッドも用いられる。

本発明のこの実施態様においても、電極板78の厚さ86
は同様に18ミル、ダイアフラムのリムの厚さ87は12.5ミ
ルであり、図３のものと実質上同じに構成される。しか
しながら、シリコン受け板はずっと厚く、パイレックス
電極のほぼ２倍で、ダイアフラム・リムの約３倍であ
り、その厚み88は35ミル程度に図示されている。基台30
の長さのような他の寸法は、上記または従来と同じであ
る。この種センサの受け板70またはガラス受け板40の外
部寸法および幅寸法は、典型的には0.45インチ平方程度
である。その平面図が図６に示されている。

重いシリコン受け板70は、センサ全体としての温度係
数を減少させる。これはさらに、高性能航空機が砂漠の
滑走路から離陸して一気に４万フィートまたはそれ以上
の高度にまで上昇する時に遭遇するような、高温環境条
件から低温への急激な温度変化にセンサがさらされると
きの、センサの性能を改善する。加えて、シリコンダイ
アフラムとシリコン基板との間の溶融結合は、２つの部
材が同じ材料で作られているという事実に鑑みると、非
常に安定で、温度シフト（shift）のほとんど無い結合
を実現する。溶融結合は、それらが共に実際に溶融する
点まで対向表面を加熱する事によって達成される。

太線77で示すように、シリコンダイアフラムの、パイ
レックス電極に面する表面に「ドープ」層が設けられる
点は注意すべきである。凹部76は、パイレックス電極78
上のメタライズ層を有するチャンバ79内にコンデンサ空
隙を形成する。空隙の間隔は８ミクロンの範囲にある。
ダイアフラムの凹部は適当な化学的エッチング技術で作
られ、これはバッチ処理で実行される。シリコン受け板
70はＰ型シリコンが望ましいが、当該技術では周知のよ
うにＮ型シリコンを用いても良い。

Ｐ型シリコンが用いられる場合、層77は容量感知面と
して使用されるダイアフラム表面の導電度を増加するよ
うに、ボロンまたはその他の不純物を添加される。Ｎ型
の場合は、選択される不純物は燐である。不純物添加
は、もしも十分に管理されない場合にはセンサの較正に
ずれを生じさせるような表面空乏層効果を防止する。

本発明のすべての実施態様で採用されたパイレックス
電極の両側表面上にあるメタライズ層は、ニッケル・ク
ロム・メタライズ層であり、ガラスやパイレックス層上
に抵抗を形成する技術として現存するものである。

ダイアフラムの厚みに対するシリコン受け板の厚みの
比は、少なくとも１対2.5であり、電極板に対するシリ
コン板の厚みの比は約１対２である。受け板が厚いこと
は、受け板がダイアフラムと同じ材料で作られ、したが
ってこれらがその間にフリットや結合剤の層を介在しな
いで相互に溶融接合されるようなときの、温度安定性を
助長する。パイレックス電極板もまた、受け板に比して
十分に薄い。

センサ71の全体が、フリットまたは他の接合剤を用い
ることなしに製造できる。

図５には、本発明の圧力ダイ（および基準ダイ）のさ
らに他の変形例が示される。図５のセンサは、電極板の
厚みを減少できるという付加的な利点はもちろん、より
優れた温度安定性をもたらすことができ、またダイアフ
ラムの偏向ウェブの厚みに対して予め決められたダイア
フラムのリム厚みを採用できる点で、最も好ましいもの
である。

図５の実施態様では、前述したのと同じパイレックス
基台30が、中央に圧力通路91を有する圧力センサすなわ
ちダイ89の厚いシリコン受け板90に陽極結合される。シ
リコン受け板90はさらに、ダイアフラムのリム部93でシ
リコンダイアフラム92の周辺に溶融結合される。ダイア
フラムは薄いウェブ部分95を有する。ダイアフラムのウ
ェブ部分95は所望の厚みを有し、圧力チャンバ凹部97お
よび容量感知チャンバ凹部99のエッチングによって形成
される。シリコン受け板90の反対側に向いたダイアフラ
ムウェブの表面は、その導電性を増すための不純物添加
層101を有し、パイレックス電極104の外周部で、前記不
純物添加層にアルミ・ボンディングパッド103（図６）
が接続される。パイレックス電極104は、図３に関して
前述したようにして形成され、１または複数の開口（図
６では、２つの開口が示される）を通して金属化された
メタライズ層105を有するので、前記メタライズ層は事
実上対称な２つの部分105A、105Bを含む。層105Bはコン
デンサ電極を形成する感知層であり、ダイアフラム92上
の不純物添加層101に対向する。もし所望ならば、ガラ
ス電極内の開口は電極板104の下のチャンバ内に内部真
空をもたらすように封止したり、省略したりする事がで
きる。

図６には、メタライズ層105に結合されたボンディン
グパッド107が、パイレックス層の端部に設けられた状
態が図示されている。前記層の上には、ボンディングパ
ッド107用の金属タブが設けられている。

図５に戻って、この実施態様では、ダイアフラム支持
用エッジすなわちリム93の厚みが減ぜられている。容量
型感知凹部すなわちチャンバ99を形成するエッチングの
深さと相関関係にあるダイアフラム中心部すなわちウェ
ブ部95の厚さの関数であることは特に望ましい。リム93
の厚みは、ダイアフラムの中央ウェブ部分95の厚みと容
量型感知チャンバ99のエッチング深さ（ほぼ８ミクロン
が望ましい）の２倍との和になるようにされる。したが
って、ダイアフラムリムの厚み110は中央ウェブ部分の
厚みに16ミクロンを加算した値であり、この例では6.5
ミルである。

パイレックス電極の厚み112は12ミルにまで減ぜら
れ、シリコン受け板の厚み114は50ミルに増加されてい
る。

ガラスフリットのように熱的な不安定性をもたらすよ
うな材料を必要としないように、例えばパイレックス／
シリコン結合が形成される場合の陽極結合、あるいはダ
イアフラムと受け板との間のシリコン／シリコン界面に
適用される溶融結合のいずれかによって、すべての部材
は相互に結合される。

有限要素モデル法（finite element modeling）によ
り、温度係数が実際に低減され、図４に示したセンサの
例の約半分であり、また図３の装置の温度係数の約４分
の１であることが証明された。

パイレックスガラス電極板を受け板90の厚みの約４分
の１にし、ダイアフラムリムをダイアフラムウェブ部95
の厚みおよび容量型チャンバ99の深さに基づいてガラス
電極の厚みの約２分の１にしたとき、温度安定性の非常
に良いセンサが得られた。

図５に示したセンサが図２のように組立てられ、この
ように構成された静圧基準ダイが36Aで示したように使
用されるとき、非常に安定した性能が得られた。パッケ
ージ全体としてみると、適当な長期の安定性を確保する
ためには、追加の工程が採用される。本発明に採用され
る１つの改善は、パイレックス電極板上に配置される薄
いニッケル・クロムメタライズ層に関連して、時間経過
に対する薄膜の応力緩和の影響を最小にすることであ
る。

図６は、本発明に用いられるある小形（miniature）
センサの代表的平面図を示すもので、具体的には図５の
平面図である。最上面にはメタライズ層105Aが示されて
おり、それは大きな中央部と狭くなった両端部を有す
る。両端部には、図示のように、圧力開口（通路）105C
が形成される。通路すなわち開口105Cも図示されてい
る。金属層105の１端部には短いタブ107Aが形成され、
その上にアルミのボンディングパッド107が設けられ
る。金属層部105Aは、図７に拡大して示すように、パイ
レックス電極板の上面および下面で寸法および形状が同
じであり、かつ互いに対向する（重なり合う）ように形
成される。

金属のデポジット・パターンは、アルミ・ボンディン
グパッド107のための小さいタブ部を除き、電極板104の
上面および下面で同一である。金属パターンをパイレッ
クス電極板の一方の面から他方の面に折り返して同形に
することにより、もしそれらが事実上同じ条件でデポジ
ットされ、かつ同じ厚みであるならば、薄膜の応力が相
殺される。金属のデポジット工程は、電極板104の上下
両面に形成されるメタライズ層が同じになるように注意
深く実施される。このことは、電極板がそれから切り出
される大寸法のパイレックスウェファの両面に対して、
同じデポジット技術を用いて、かつ適当なマスク手法で
のバッチ製造工程の間に、ウエファレベルで行なわれ
る。このような方法で、１つのウエファの上に複数の電
極板が作られた後、個々の圧力感知ダイに分離される。

ガラス電極板の両面にメタライズ層を有するという応
力補償の特徴的構成が、メタライズ層とパイレックスガ
ラスの熱膨張係数の差によってもたらされる影響を低減
する。換言すれば、温度係数の違いに起因する応力はパ
イレックス電極板の両面で平衡させられるであろう。電
極板は、その一方側のみにメタライズされるという理由
で、当該メタライズに起因して、その基準位置から曲っ
たり、変形したりすることはなくなるであろう。

本発明においては、圧力感知ダイおよび基準ダイのダ
イアフラムは同じシリコンウエファ上で、同時にエッチ
ングされ、しかも全処理工程の間互いに隣接した位置に
配置されるので、ダイアフラムウエファが電極や受け板
ウエファに結合されるときでも、隣り合うダイは温度お
よび他の環境条件に対して同じように反応するであろ
う。ウエファから分離されるとき、隣り合うダイは対に
したままでセンサパッケージに組込まれ、一方が感知ダ
イとされ、他方が基準ダイとされる。

堅い基板を具備すること、およびダイアフラムの厚み
と使用した被覆ガラス電極の厚みとの比を、温度の影響
を最小にするような好ましい値に選定することの原理を
採用することによって、非常に安定な圧力感知ダイが提
供される。

図８には、パイレックスガラスをパイレックスガラス
に陽極結合する手順が示される。これは、図３のセンサ
において、基板層をガラス基台に結合するのに用いられ
る。

図８においては、一体に陽極結合されようとしている
第１のパイレックスガラス150と第２のパイレックスガ
ラス151が示されている。１つのパイレックス層または
ウエファの表面に約375オングストローム（なるべく
は、±50オングストローム）厚さのチタン層が被覆さ
れ、空気中で酸化されて２酸化チタン（TiO₂）にされ
る。続いて、約3200オングストローム（なるべくは、±
250オングストローム）厚さのSi₃N₄の層が、なるべく結
合温度に近い温度でプラズマ成膜される。これらの層は
パイレックスガラス151上のイオンバリア153となる。つ
ぎに、上側層として図示されている他のパイレックス層
150がTiO₂/Si₃N₄層と接触して配置され、これらの２層
が金箔層156の上に載置される。代案として、250オング
ストロームの金層が金箔の代わりに層153の反対側に被
覆されても良い。その後、２つのウエファの積重ね体
は、約375℃の温度に達するようなホットプレート（hot
plate）またはヒータ158の上に載置される。

図８の分解図に示すように、諸部材を載置され、積重
ねられたホットプレート158は、約375℃の最高温度にま
で上昇させられる。ホットプレートの温度が250℃に達
した時から、約800ボルトの電圧が図示の極性でウエフ
ァ積重ね体に印加される。すなわち、正極性電圧が金箔
側に、また負極性電圧が上側層150にそれぞれ印加され
る。前記電圧が印加されると、２つのウエファ150、151
間に気密シールが生成し始め、約15分でシールは完成す
る。

その動作原理は次のとおりである。すなわち、TiO₂お
よびSi₃N₄の２層が、下側のパイレックスウエファ151か
らカソードに向って上向きに移動しようとする正のアル
カリイオンに対するバリアとして作用する。これによ
り、上側ウエファの下面に空乏層を形成することが可能
になる。TiO₂およびSi₃N₄以外の層でも、アルカリイオ
ンを阻止できれるものであれば利用可能である。金箔層
や金のデポジッション薄層は下面での結合の生成を防止
する。パイレックスとTiO₂/Si₃N₄層との境界面における
結合メカニズムは、文献でも既知のシリコン−パイレッ
クス陽極結合プロセスと類似である。

上記の説明では最も好ましい層の厚みや他のパラメー
タが例示されたが、TiO₂層は約250〜500オングストロー
ムのデポジットされたチタン層を基礎とする。デポジッ
ションの後でチタンが酸化され、TiO₂層が生長する。Si
₃N₄層は2000〜4000オングストローム厚さでよい。約250
〜500℃の結合温度、および500〜1000ボルトの直流電圧
が使用可能である。Si₃N₄のプラズマ成膜温度は、使用
される結合温度になるべく近い値にされる。

ガラス／ガラス陽極結合処理は、ホウケイ酸ガラスま
たはアルカリイオン・ガラスモディファイア（modifie
r）を有する他の形のガラスにも適用可能である。

好ましい実施例を参照して本発明が説明されたが、当
該技術の熟達者は、本発明の精神および範囲から逸脱す
ることなしに形式および詳細において変更可能であるこ
とを理解するであろう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ペターセン，エリック ピー. アメリカ合衆国 55345 ミネソタ州、 ミネトンカ、バーチ ロード 5028 (72)発明者 ペイターセン，ラリー エー. アメリカ合衆国 55318 ミネソタ州、 チャスカ、フォン ヘルツェン サーク ル 110906 (56)参考文献 特開 昭64−12238（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−46830（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−48136（ＪＰ，Ｕ) 特表 平１−503001（ＪＰ，Ａ) 特表 平１−503002（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01L 13/00 - 13/06

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板、前記基板から延びる垂直側壁および
   前記基板を覆う蓋板よりなり、ほぼ直方体をなす外部ハ
   ウジングと、 前記基板に気密に取付けられたハウジングから外方に向
   って延びる圧力フィッティングを有する圧力感知ダイ
   と、 圧力感知ダイと実質上同一に構成され、前記基板に気密
   に取付けられ、かつ前記感知ダイとほぼ平行に位置決め
   された基準圧ダイと、 前記側壁の１つを気密貫通する電気接続手段と、 前記１つの側壁の両端部近傍に設けられ、それらの間に
   電気接続手段が配置されており、前記ハウジングを使用
   可能な位置に支持するための１対の取付けスタッドとを
   具備した圧力センサ。
2. 【請求項２】圧力感知ダイはハウジングの基板から突出
   した圧力フィッティング部を有し、前記基準圧力ダイも
   また、圧力検知ダイと事実上同じような熱的、機械的
   力、加速力、および応力に対する反応を示す基準圧力セ
   ンサを提供するように、前記基板から突出した部分を有
   する請求項１に記載の圧力センサ。