JP4186209B2

JP4186209B2 - Pressure sensor and manufacturing method thereof

Info

Publication number: JP4186209B2
Application number: JP2003071274A
Authority: JP
Inventors: 剛中原
Original assignee: Nippon Seiki Co Ltd
Current assignee: Nippon Seiki Co Ltd
Priority date: 2003-03-17
Filing date: 2003-03-17
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2023-03-17
Also published as: JP2004279220A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体材料を用いて形成される薄肉のダイアフラム部に複数の歪みゲージをブリッジ回路状に形成し、前記ダイアフラム部が受ける圧力を電気信号として出力することで圧力を検出する半導体式の圧力センサ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の圧力センサにあっては、例えば肉薄のダイアフラム部と、このダイアフラム部の外側周囲に形成される肉厚の支持部とを半導体材料（例えば、シリコン）によって一体に形成し、前記ダイアフラム部にピエゾ抵抗効果を有する複数の歪みゲージをブリッジ回路状に配設し、前記ダイアフラム部が受ける圧力によって前記歪みゲージに歪みを発生させ、その歪みゲージのピエゾ抵抗効果による抵抗値の変化を前記ブリッジ回路の電圧変化と取り出して圧力の値を検出するセンサ素子を有するものが知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
このような圧力センサは、前記センサ素子を、材料自体が強固な結晶化ガラスからなるガラス台座上に配設し、前記センサ素子及び前記ガラス台座を陽極接合法によって接合するとともに、前記ガラス台座を圧力導入部を備えたベース板に低融点ガラスを用いて接合することで被測定媒体の高い圧力や前記圧力の脈動にも耐えうる圧力検出装置に用いることが可能となる（特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−３８７２６号公報
【特許文献２】
特開平５−９０３９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
かかる圧力センサの前記ガラス台座と前記ベース板とを前記低融点ガラスを用いて接合すると接合強度は確保できるものの、還元雰囲気中での加熱処理が必要となり製造工程が煩雑であり、また設備費が高価になり製品コストを高くしてしまうといった問題点を有している。
【０００６】
本発明は前述の問題点に着目してなされたもので、高圧測定に耐えうる圧力センサを得ることが可能であるとともに、製造工程が簡素化し、安価な圧力センサを得ることが可能な圧力センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するため、請求項１に記載の圧力センサの製造方法のように、薄肉のダイアフラム部にピエゾ抵抗効果を有する複数の歪みゲージをブリッジ回路状に形成してなる検出部を複数備える半導体基板をガラス基板上に配設して重合基板とし、この重合基板をガラス膜を有する導電性基板を備えた加熱プレート上に前記ガラス基板と前記ガラス膜とを接触する状態で配設して、前記半導体基板及び前記ガラス基板を陽極接合法によって接合する接合工程と、前記接合工程の終了後に、前記ガラス基板の前記半導体基板との非接合面に金属膜を形成する金属膜形成工程と、を含むことを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明は、請求項１に記載の圧力センサの製造方法において、前記金属膜形成工程は、前記ガラス基板の前記非接合面に少なくともクロムを第１の金属薄膜として複数の金属薄膜を順次形成し、前記金属膜を形成してなることを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明は、請求項１もしくは請求項２に記載の圧力センサの製造方法において、前記半導体基板と前記ガラス基板とが重ねられてなる重合基板の所定部位を切断して個々の前記検出部を有する検出素子を得るための切断工程を前記金属膜形成後に設けてなることを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明は、請求項３に記載の圧力センサの製造方法において、前記検出素子に形成される前記金属膜と金属製のベース板上とを半田を介して固定する配設工程を前記切断工程以降に設けてなることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明は、請求項５に記載の圧力センサのように、薄肉のダイアフラム部にピエゾ抵抗効果を有する複数の歪みゲージをブリッジ回路状に形成してなる検出部を有するセンサ素子をガラス台座上に配設し、ガラス膜を有する導電性基板を備えた加熱プレート上に前記ガラス台座と前記ガラス膜とを接触する状態で配設して、前記センサ素子と前記ガラス台座とを陽極接合法によって接合して検出素子を構成し、前記ガラス台座の前記センサ素子との非接合面に金属膜を形成し、前記金属膜と金属製のベース板とを半田によって接合する圧力センサであって、前記検出素子は、前記陽極接合法によって生じるアルカリ金属イオン成分の偏析による材料強度の低下がない前記ガラス台座を有してなることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明は、請求項５に記載の圧力センサにおいて、前記金属膜は、前記ガラス台座の前記非接合面に、少なくともクロムを第１の金属薄膜として複数の金属薄膜を順次形成してなることを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づき説明する。
【００１５】
図１において、圧力センサＡは、下ケース１と、上ケース２と、ベース板３と、検出素子４と、回路基板５と、シールド板６と、グロメット７とから主に構成されている。
【００１６】
下ケース１は、ＳＵＭ等の金属材料からなる取付ねじ部を有する六角部材である圧力導入部１ａと、この圧力導入部１ａと一体に形成され、ベース部３，検出素子４，回路基板５等の各部を収納する収納部１ｂとを備えている。圧力導入部１ａの略中央には、圧力導入孔（導入孔）１ｃが形成され、また圧力導入部１ａの上端部にはベース板３が部分的に埋まるように配設するための段差形状の配設部１ｄが形成されている。
【００１７】
上ケース２は、ＰＢＴ等の樹脂材料から形成されるもので、下ケース１の収納部１ｂの開口端部に配設され、収納部１ｂの開口端が加締められることで、上ケース２が下ケース１に対して配設固定される。また、上ケース２は、電源供給及び信号出力を行うための後述する電気コードを外部に引き出すため凹部形状のリード引き出し部２ａを備えている。
【００１８】
ベース板３は、コバール（Fe−Ni−Ｃｏ合金）等の金属材料に金（Au）メッキが施されてなるもので、下ケース１における圧力導入部１ａの配設部１ｄに抵抗溶接によって配設固定するためのフランジ部３ａが設けられ、このフランジ部３ａから一段高くなった位置には、圧力センサ４を配設するための載置部３ｂが設けられている。また載置部３ｂの略中央には、検出素子４に被測定物の圧力及び温度を伝達するための孔部３ｃが設けられている。ベース板３は、圧力導入部１ａの配設部１ｄに抵抗溶接によって配設固定されることで、圧力導入孔１ｃの一端を塞ぐ状態で下ケース１に配設されることになる（図２参照）。
【００１９】
検出素子４は、薄肉部となるダイアフラム部と、このダイアフラム部の外側周囲に形成される肉厚の支持部とをシリコン等の半導体材料に一体に形成し、前記ダイアフラム部にピエゾ抵抗効果を有する複数の歪みゲージをブリッジ回路状に形成してなる検出部を有するセンサ素子４ａを圧力導入孔部４ｂ１を備えたガラス台座４ｂ上に配設し、センサ素子４ａとガラス台座４ｂとを陽極接合法によって接合してなるものである。検出素子４は、前記ダイアフラム部に対応する部位にボロン等の不純物を拡散処理することによって、ピエゾ抵抗効果を有する４つの感圧素子（歪みゲージ）となる抵抗を形成し、この各抵抗をアルミ等の導電性材料を用いた配線パターンによって接続することでブリッジ回路が構成され、前記ブリッジ回路の中間電圧によって圧力を検出するものである（図２参照）。
【００２０】
尚、検出素子４は、ガラス基板４ｂの裏面側（半導体チップ４との非接合面）に、後で詳述するメタライズ層が形成され、半田を介してベース板３の載置部３ｂ上に固定されるもので、検出素子４は、ベース板３の孔部及びガラス台座４ｂの圧力導入孔部４ｂ１を介して前記ダイアフラム部の裏面側から圧力が印加される構成である。
【００２１】
回路基板５は、紙フェノール，ガラス繊維入り樹脂及びセラミック等の絶縁材料を支持材とし、所定の配線パターンが表裏に形成されてなる両面印刷回路基板であり、ベース板３上に位置するように下ケース１の収納部１ｂ内に設けられる載置部１ｅに配設される。回路基板５は、検出素子４の出力電圧を増幅するための増幅回路やノイズを除去するためのコンデンサ等の各種電子部品が実装される。
【００２２】
また、回路基板５の略中央には、ベース板３の載置部３ｂに配設される検出素子４の上方から回路基板５を下ケース１の載置部１ｅに配設した際に、回路基板５が検出素子４を取り巻くように配設するための収納孔部５ａが形成されている。また、回路基板５の表面の収納孔部５ａの周辺には、複数の電極部が形成され、この電極部と検出素子４に形成される電極パッドとは金等の導電材料からなるワイヤ９によって電気的に接続される。また、回路基板５のワイヤ９との接続個所である前記電極パッド及び検出素子４上には、検出素子４及び回路基板５の電極パッド及びワイヤ９の腐食を防止するためのシリコンゲル等のゲル状部材１０が配設される（図２参照）。
【００２３】
また、回路基板５は、上ケース２のリード引き出し部２ａにグロメット７を介して配設される電気コード１１とリードピン付き貫通コンデンサ１２を介し電気的に接続するリードピン１３が実装されている。
【００２４】
シールド板６は、ＳＰＴＥ等の金属材料からなり、ホルダ部６ａと、遮蔽部６ｂとを有し、ホルダ部６ａは遮蔽部６ｂに対して折り曲げ形成されている。シールド板６は遮蔽部６ｂの周縁を下ケース１と上ケース２との間に狭持状態にて配設される。ホルダ部６ａは、遮蔽部６ｂに対して直交するように折り曲げられるとともに、貫通コンデンサ１２を配設するための孔部が形成されるとともに、この孔部に各貫通コンデンサ１２が半田を介し配設固定される。（図３参照）
【００２５】
グロメット７は、ニトリルゴム等の弾性部材によって構成され、電気コード１１を上ケース２のリード引き出し部２ａに取り付けるためのものである。グロメット７は、上ケース２のコード引き出し部２ａの内壁に設けられる突出部２ｂに対してグロメット７の上部が圧入されることでに配設固定される。また、グロメット７は、リード引き出し部２ａにエポキシ等の充填部材１４が充填されることによって、上ケース２との気密性が確保された状態で配設される。
【００２６】
以上の各部によって圧力センサＡが構成される。次に図４及び図５を用いて圧力センサＡの製造方法を詳述する。図４及び図５は、圧力センサＡの製造方法の一部分を示している。
【００２７】
図４（ａ）は、陽極接合工程を示している。薄肉のダイアフラム部にピエゾ抵抗効果を有する複数の歪みゲージをブリッジ回路状に形成してなる検出部２０ａを有する後のセンサ素子４ａを複数備えるシリコン基板からなる半導体基板２０を、各検出部２０ａに対応する孔部２１ａ（前述の圧力導入孔４１ｂに対応する）を備えたガラス基板２１上に配設して重合基板２２を得る。そして、アルミナやホウ酸等のガラス成分を含んだガラス膜（二酸化珪素）２３ａを有し、シリコン基板からなる導電性基板２３ｂを備えた加熱プレート２３上に重合基板２２を配設する。重合基板２２は、重合基板２２のガラス基板２１がガラス膜２３ａと接触する状態で加熱プレート２３上に配設され、重合基板２２は、加熱プレート２３上において、半導体基板２０を陽極側とし、導電性基板２３を陰極側として、所定値の直流電圧を印加することで陽極接合が行われる。
【００２８】
図４（ｂ）は、メタライズ層形成工程を示している。メタライズ層形成工程は、陽極接合工程後に設けられるもので、陽極接合工程によって得られた重合基板２２におけるガラス基板２１のシリコン基板２０との非接合面に、スパッタリング法や真空蒸着法等の手法によりメタライズ層（金属膜）２４を形成するものである。
【００２９】
メタライズ層２４は、図５に示すように、ガラス基板２１側からクロム（Cr）からなる第１の金属膜（第１の金属薄膜）２４ａと、白金（Pt）やチタン（Ti）あるいはニッケル（Ni）からなる第２の金属膜（第２の金属薄膜）２４ｂと、金（Au）からなる第３の金属膜（第３の金属薄膜）２４ｃとがガラス基板２１の前記非接合面に順次積層形成されてなるものである。
【００３０】
図４（ｃ）は、切断工程を示している。切断工程は、重合基板２２における所定部位をダイシング法により切断することで、個々のセンサ素子４ａ（検出部２０ａ）を有する検出素子４を得る。
【００３１】
図４（ｄ）は、検出素子４のベース板への配設工程を示しいる。検出素子４は、ベース板３の孔部３ｃと検出素子４の圧力導入孔部４ｂ１とが対向する状態でＳｎ−Ｓｂ合金のリング状の半田２５を介してベース板３上に配設され、リフロー炉や共晶ダイボンダー等にて半田２５を溶融，固化させることでベース板３上に配設固定される。これにより圧力センサＡの一部分が完成する。
【００３２】
前述した製造工程により完成した検出素子４は、ガラス台座４ｂを材料解析装置を用いて解析した結果、ガラス台座４ｂのベース板３との接合部（接合面）において材料強度が低下するようなガラス台座４ｂ中のカリウム（Ｋａ）やナトリウム（Ｎａ）等のアルカリ金属イオン成分の偏析は認められなかった。
【００３３】
かかる圧力センサの製造方法は、薄肉のダイアフラム部にピエゾ抵抗効果を有する複数の歪みゲージをブリッジ回路状に形成してなる複数の検出部２０ａを有し、後のセンサ素子４ａとなるシリコン基板２０を、後のガラス台座４ｂとなるガラス基板２１上に配設して重合基板２２を得るとともに、ガラス基板２１との接合面にガラス膜２３ａを有する導電性基板２３ｂを備えた加熱プレート２３上に重合基板２２を配設し、シリコン基板２０側を陽極とし、導電性基板２３側を陰極とした陽極接合法によって両基板２０，２１を接合する陽極接合工程を備え、前記陽極接合工程の終了後に、ガラス基板２１のシリコン基板２０との非接合面にメタライズ層２３を形成する金属膜形成工程と、前記金属膜形成後に、重合基板２２の所定部位を切断し、個々の検出部２０ａを有する検出素子４を得るための切断工程とを備えるものである。
【００３４】
また、この製造方法により得られる圧力センサＡは、薄肉のダイアフラム部にピエゾ抵抗効果を有する複数の歪みゲージをブリッジ回路状に形成してなる検出部を有するセンサ素子４ａをガラス台座４ｂ上に配設し、センサ素子４ａとガラス台座４ｂとを陽極接合法によって接合して検出素子４を構成し、ガラス台座４ｂのセンサ素子４ａとの非接合面にメタライズ層２３を形成し、メタライズ層２３と金属製のベース板３とを半田２５によって接合するものに関し、検出素子４は、前記陽極接合法によって生じるカリウム（Ｋａ）やナトリウム（Ｎａ）等のアルカリ金属イオン成分の偏析による材料強度の低下がないガラス台座４ｂを有してなるものである。
【００３５】
かかる圧力センサＡは、メタライズ層２３の形成工程を検出素子４における陽極接合工程の後工程に設け、また、シリコン基板２０とガラス基板２１とを接合する陽極接合工程においてガラス膜２３ａを有する導電性基板２３ｂを用いることで、陽極接合時にガラス基板２０（ガラス台座４ｂ）中の前記アルカリ金属イオン成分がガラス膜２３ａに拡散し、ガラス台座４ｂのベース板３との接合面に前記アルカリ金属イオン成分による偏析が生じないことから、ガラス基板２１（ガラス台座４ｂ）の材料強度の低下がないガラス台座４ｂを得ることができる。従って、ガラス台座４ｂとベース板３との接合強度を確保することが出来ることから高圧測定に耐えうる圧力センサを得ることができる。また、低融点ガラスを用いてベース板とガラス台座を接合する従来の製造工程に比べ還元雰囲気を必要としないため、製造工程を簡素化することが可能となる。また製造工程の簡素化に伴い圧力センサＡの製造コストを低く抑えることが可能となる。
【００３６】
また、メタライズ層２４は、ガラス基板２１（ガラス台座４ｂ）のシリコン基板２０（センサ素子４ａ）との非接合面に、少なくともクロムを第１の金属膜２４ａとして複数の金属膜を順次形成してなるものであり、ガラス基板２１とメタライズ層２４、及びメタライズ層２４とベース板３との密着性を双方において良好に確保することが可能となる。
【００３７】
尚、本発明の実施の形態では、陽極接合工程において、導電性基板２３ｂとしてシリコン基板が用いられるものであったが、導電性で熱伝導率の良いものであればこの限りでない。
【００３８】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、初期の目的である、高圧測定に耐えうる圧力センサを得ることが可能であるとともに、製造工程が簡素化し、安価な圧力センサを得ることが可能な圧力センサの製造方法及びその圧力センサを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の圧力センサを示す要部断面図。
【図２】同圧力センサの要部拡大断面図。
【図３】同圧力センサの平面図。
【図４】同圧力センサのメタライズ層を示す断面図。
【図５】同圧力センサの製造方法を示す図。
【符号の説明】
Ａ圧力センサ
３ベース板
４検出素子
４ａセンサ素子
４ｂガラス台座
２０シリコン基板（半導体基板）
２０ａ検出部
２１ガラス基板
２２重合基板
２３加熱プレート
２３ａガラス膜
２３ｂシリコン基板（導電性基板）
２４メタライズ層（金属膜）
２４ａ第１の金属薄膜
２４ｂ第２の金属薄膜
２４ｃ第３の金属薄膜
２５半田[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is a semiconductor type in which a plurality of strain gauges are formed in a bridge circuit shape in a thin diaphragm portion formed using a semiconductor material, and the pressure received by the diaphragm portion is output as an electrical signal to detect the pressure. The present invention relates to a pressure sensor and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in this type of pressure sensor, for example, a thin diaphragm portion and a thick support portion formed around the outer periphery of the diaphragm portion are integrally formed of a semiconductor material (for example, silicon), A plurality of strain gauges having a piezoresistive effect are arranged in a bridge circuit shape in the diaphragm part, and the strain gauge is distorted by the pressure received by the diaphragm part, and the resistance value change due to the piezoresistive effect of the strain gauge is changed. One having a sensor element that detects the pressure change by taking out the voltage change of the bridge circuit is known (see Patent Document 1).
[0003]
In such a pressure sensor, the sensor element is disposed on a glass pedestal made of crystallized glass whose material itself is strong, and the sensor element and the glass pedestal are bonded by an anodic bonding method, and the glass pedestal is bonded. By joining to a base plate provided with a pressure introducing portion using a low melting point glass, it can be used for a pressure detecting device that can withstand the high pressure of the medium to be measured and the pulsation of the pressure (see Patent Document 2). .
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-38726 [Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 5-9039
[Problems to be solved by the invention]
When the glass base of the pressure sensor and the base plate are bonded using the low-melting glass, the bonding strength can be ensured, but the heat treatment in a reducing atmosphere is required, the manufacturing process is complicated, and the equipment cost is high. There is a problem that it becomes expensive and increases the product cost.
[0006]
The present invention has been made by paying attention to the above-mentioned problems, and it is possible to obtain a pressure sensor that can withstand high pressure measurement, simplify the manufacturing process, and obtain an inexpensive pressure sensor. And it aims at providing the manufacturing method.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the present invention provides a detection in which a plurality of strain gauges having a piezoresistance effect are formed in a bridge circuit shape on a thin diaphragm portion as in the method of manufacturing a pressure sensor according to claim 1. A semiconductor substrate having a plurality of parts is arranged on a glass substrate to form a polymerization substrate, and the polymerization substrate is in contact with the glass substrate and the glass film on a heating plate provided with a conductive substrate having a glass film. A metal film that is disposed and bonded to the semiconductor substrate and the glass substrate by an anodic bonding method, and a metal film is formed on a non-bonding surface of the glass substrate with the semiconductor substrate after completion of the bonding process. And a forming step.
[0008]
Further, the present invention provides the pressure sensor manufacturing method according to claim 1, wherein the metal film forming step sequentially forms a plurality of metal thin films using at least chromium as a first metal thin film on the non-bonding surface of the glass substrate. And forming the metal film.
[0009]
Further, the present invention provides the pressure sensor manufacturing method according to claim 1 or 2, wherein each of the detection units is cut by cutting a predetermined portion of a superposed substrate in which the semiconductor substrate and the glass substrate are overlapped. A cutting step for obtaining a detection element having a metal layer is provided after the metal film is formed.
[0010]
Further, the present invention provides the method for manufacturing a pressure sensor according to claim 3, wherein the disposing step of fixing the metal film formed on the detection element and the metal base plate via solder is performed. It is provided after the process.
[0012]
According to the present invention, as in the pressure sensor according to claim 5 , a sensor element having a detection part formed by forming a plurality of strain gauges having a piezoresistance effect in a bridge circuit shape on a thin diaphragm part is provided with a glass pedestal. Disposing the glass pedestal and the glass film in contact with each other on a heating plate provided with a conductive substrate having a glass film, and anodic bonding the sensor element and the glass pedestal A pressure sensor that forms a metal film on a non-bonding surface of the glass pedestal with the sensor element, and bonds the metal film and a metal base plate with solder; The detection element includes the glass pedestal that does not have a decrease in material strength due to segregation of alkali metal ion components generated by the anodic bonding method.
[0013]
Further, the present invention provides the pressure sensor according to claim 5 , wherein the metal film is formed by sequentially forming a plurality of metal thin films on the non-joint surface of the glass pedestal using at least chromium as a first metal thin film. It is characterized by this.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0015]
In FIG. 1, the pressure sensor A mainly includes a lower case 1, an upper case 2, a base plate 3, a detection element 4, a circuit board 5, a shield plate 6, and a grommet 7.
[0016]
The lower case 1 is formed integrally with the pressure introducing portion 1a, which is a hexagonal member having a mounting screw portion made of a metal material such as SUM, and the base portion 3, the detecting element 4, the circuit board 5, etc. And a storage portion 1b for storing the respective portions. A pressure introducing hole (introducing hole) 1c is formed in the approximate center of the pressure introducing portion 1a, and a step shape for arranging the base plate 3 so as to be partially buried in the upper end portion of the pressure introducing portion 1a. An arrangement portion 1d is formed.
[0017]
The upper case 2 is formed of a resin material such as PBT, and is disposed at the opening end of the storage portion 1b of the lower case 1, and the upper end of the storage portion 1b is crimped, Arranged and fixed to the lower case 1. Further, the upper case 2 includes a lead-out portion 2a having a concave shape for pulling out an electric cord, which will be described later, for supplying power and outputting signals.
[0018]
The base plate 3 is formed by applying gold (Au) plating to a metal material such as Kovar (Fe—Ni—Co alloy), and is arranged by resistance welding on the disposing portion 1 d of the pressure introducing portion 1 a in the lower case 1. A flange portion 3a for installation and fixing is provided, and a placement portion 3b for disposing the pressure sensor 4 is provided at a position one step higher than the flange portion 3a. In addition, a hole 3c for transmitting the pressure and temperature of the object to be measured to the detection element 4 is provided in the approximate center of the mounting portion 3b. The base plate 3 is disposed and fixed to the disposition portion 1d of the pressure introduction portion 1a by resistance welding, so that the base plate 3 is disposed in the lower case 1 in a state of closing one end of the pressure introduction hole 1c (FIG. 2). reference).
[0019]
The detection element 4 is formed by integrally forming a diaphragm portion as a thin portion and a thick support portion formed around the outside of the diaphragm portion in a semiconductor material such as silicon, and has a piezoresistive effect on the diaphragm portion. A sensor element 4a having a detection part formed by forming a plurality of strain gauges in a bridge circuit shape is disposed on a glass pedestal 4b provided with a pressure introduction hole 4b1, and the sensor element 4a and the glass pedestal 4b are anodic bonded. It is formed by joining. The detecting element 4 diffuses impurities such as boron in a portion corresponding to the diaphragm portion to form four pressure-sensitive elements (strain gauges) having a piezoresistive effect. A bridge circuit is configured by connecting with a wiring pattern using a conductive material such as the like, and pressure is detected by an intermediate voltage of the bridge circuit (see FIG. 2).
[0020]
The detection element 4 has a metallized layer, which will be described in detail later, formed on the back side of the glass substrate 4b (non-joint surface with the semiconductor chip 4), and is placed on the mounting portion 3b of the base plate 3 via solder. The detection element 4 is configured to be applied with pressure from the back side of the diaphragm portion through the hole portion of the base plate 3 and the pressure introduction hole portion 4b1 of the glass pedestal 4b.
[0021]
The circuit board 5 is a double-sided printed circuit board in which an insulating material such as paper phenol, glass fiber-containing resin, and ceramic is used as a support material, and a predetermined wiring pattern is formed on the front and back sides, and is positioned on the base plate 3. It is disposed on a mounting portion 1 e provided in the storage portion 1 b of the lower case 1. Various electronic components such as an amplifier circuit for amplifying the output voltage of the detection element 4 and a capacitor for removing noise are mounted on the circuit board 5.
[0022]
In addition, in the approximate center of the circuit board 5, when the circuit board 5 is disposed on the mounting portion 1 e of the lower case 1 from above the detection element 4 disposed on the mounting portion 3 b of the base plate 3, An accommodation hole 5 a is formed for disposing the substrate 5 so as to surround the detection element 4. In addition, a plurality of electrode portions are formed around the accommodation hole portion 5a on the surface of the circuit board 5, and the electrode portions and the electrode pads formed on the detection element 4 are formed by wires 9 made of a conductive material such as gold. Electrically connected. Further, a gel such as silicon gel for preventing corrosion of the electrode pads and the wires 9 of the detection element 4 and the circuit board 5 is provided on the electrode pads and the detection elements 4 which are connection portions with the wires 9 of the circuit board 5. A shaped member 10 is disposed (see FIG. 2).
[0023]
The circuit board 5 is mounted with lead pins 13 that are electrically connected to lead lead portions 2a of the upper case 2 via a grommet 7 and through lead-through capacitors 12 with lead pins.
[0024]
The shield plate 6 is made of a metal material such as SPTE, and includes a holder portion 6a and a shielding portion 6b. The holder portion 6a is bent with respect to the shielding portion 6b. The shield plate 6 is disposed in a state where the periphery of the shielding portion 6 b is sandwiched between the lower case 1 and the upper case 2. The holder portion 6a is bent so as to be orthogonal to the shielding portion 6b, and a hole portion for disposing the through capacitor 12 is formed, and each through capacitor 12 is disposed in the hole portion via solder. Fixed. (See Figure 3)
[0025]
The grommet 7 is configured by an elastic member such as nitrile rubber, and is for attaching the electric cord 11 to the lead lead-out portion 2 a of the upper case 2. The grommet 7 is disposed and fixed by the upper part of the grommet 7 being press-fitted into the protruding portion 2b provided on the inner wall of the cord lead portion 2a of the upper case 2. Further, the grommet 7 is disposed in a state in which airtightness with the upper case 2 is ensured by filling the lead drawing portion 2a with a filling member 14 such as epoxy.
[0026]
The pressure sensor A is configured by the above-described units. Next, the manufacturing method of the pressure sensor A will be described in detail with reference to FIGS. 4 and 5 show a part of the manufacturing method of the pressure sensor A. FIG.
[0027]
FIG. 4A shows an anodic bonding process. A semiconductor substrate 20 made of a silicon substrate having a plurality of sensor elements 4a having a detection unit 20a formed by forming a plurality of strain gauges having a piezoresistive effect in a bridge circuit shape on a thin diaphragm portion is provided in each detection unit 20a. The superposed substrate 22 is obtained by disposing on the glass substrate 21 provided with the corresponding hole 21a (corresponding to the pressure introducing hole 41b described above). And the superposition | polymerization board | substrate 22 is arrange | positioned on the heating plate 23 which has the glass substrate (silicon dioxide) 23a containing glass components, such as an alumina and boric acid, and was equipped with the electroconductive board | substrate 23b which consists of a silicon substrate. The superposed substrate 22 is disposed on the heating plate 23 in a state in which the glass substrate 21 of the superposed substrate 22 is in contact with the glass film 23a. The superposed substrate 22 is electrically conductive on the heating plate 23 with the semiconductor substrate 20 as the anode side. Anodic bonding is performed by applying a DC voltage of a predetermined value with the conductive substrate 23 as the cathode side.
[0028]
FIG. 4B shows a metallized layer forming step. The metallized layer forming step is provided after the anodic bonding step, and the non-bonding surface of the polymer substrate 22 obtained by the anodic bonding step with the silicon substrate 20 of the glass substrate 21 is formed by a technique such as sputtering or vacuum deposition. A metallized layer (metal film) 24 is formed.
[0029]
As shown in FIG. 5, the metallized layer 24 includes a first metal film (first metal thin film) 24a made of chromium (Cr) from the glass substrate 21 side, platinum (Pt), titanium (Ti), nickel ( A second metal film (second metal thin film) 24 b made of Ni) and a third metal film (third metal thin film) 24 c made of gold (Au) are sequentially formed on the non-joint surface of the glass substrate 21. It is formed by lamination.
[0030]
FIG. 4C shows the cutting process. In the cutting step, the detection element 4 having the individual sensor elements 4a (detection portions 20a) is obtained by cutting a predetermined portion of the superposed substrate 22 by a dicing method.
[0031]
FIG. 4D shows a process of arranging the detection element 4 on the base plate. The detection element 4 is disposed on the base plate 3 via the Sn-Sb alloy ring-shaped solder 25 in a state where the hole 3c of the base plate 3 and the pressure introduction hole 4b1 of the detection element 4 face each other. The solder 25 is melted and solidified by a reflow furnace, a eutectic die bonder, or the like, and arranged and fixed on the base plate 3. Thereby, a part of the pressure sensor A is completed.
[0032]
As a result of analyzing the glass pedestal 4b using the material analysis device, the detection element 4 completed by the manufacturing process described above is a glass whose material strength is reduced at the joint (joint surface) of the glass pedestal 4b with the base plate 3. Segregation of alkali metal ion components such as potassium (Ka) and sodium (Na) in the pedestal 4b was not observed.
[0033]
The pressure sensor manufacturing method includes a plurality of detection portions 20a formed by forming a plurality of strain gauges having a piezoresistance effect in a bridge circuit shape in a thin diaphragm portion, and a silicon substrate 20 to be a later sensor element 4a. Is placed on a glass substrate 21 to be a later glass pedestal 4b to obtain a polymerized substrate 22, and on a heating plate 23 provided with a conductive substrate 23b having a glass film 23a on the bonding surface with the glass substrate 21. A superposed substrate 22 is provided, and an anodic bonding process is performed in which both the substrates 20 and 21 are bonded by an anodic bonding method using the silicon substrate 20 side as an anode and the conductive substrate 23 side as a cathode. A metal film forming step of forming the metallized layer 23 on the non-bonding surface of the glass substrate 21 with the silicon substrate 20, and after forming the metal film, Cross, and in which and a cutting step for obtaining a detecting element 4 having a respective detector 20a.
[0034]
In addition, the pressure sensor A obtained by this manufacturing method has a sensor element 4a having a detection part formed by forming a plurality of strain gauges having a piezoresistance effect in a bridge circuit shape on a thin diaphragm part on a glass pedestal 4b. The sensor element 4a and the glass pedestal 4b are joined by an anodic bonding method to form the detection element 4, and the metallized layer 23 is formed on the non-joint surface of the glass pedestal 4b with the sensor element 4a. With respect to what joins the metal base plate 3 with the solder 25, the detection element 4 has a decrease in material strength due to segregation of alkali metal ion components such as potassium (Ka) and sodium (Na) generated by the anodic bonding method. It has no glass pedestal 4b.
[0035]
In the pressure sensor A, the process of forming the metallized layer 23 is provided after the anodic bonding process in the detection element 4, and the conductive film having the glass film 23 a in the anodic bonding process of bonding the silicon substrate 20 and the glass substrate 21. By using the substrate 23b, the alkali metal ion component in the glass substrate 20 (glass pedestal 4b) diffuses into the glass film 23a at the time of anodic bonding, and the alkali metal ion component is formed on the bonding surface with the base plate 3 of the glass pedestal 4b. Therefore, it is possible to obtain a glass pedestal 4b in which the material strength of the glass substrate 21 (glass pedestal 4b) is not reduced. Therefore, since the bonding strength between the glass pedestal 4b and the base plate 3 can be ensured, a pressure sensor that can withstand high pressure measurement can be obtained. Moreover, since a reducing atmosphere is not required compared with the conventional manufacturing process which joins a base board and a glass base using low melting glass, it becomes possible to simplify a manufacturing process. In addition, with the simplification of the manufacturing process, the manufacturing cost of the pressure sensor A can be kept low.
[0036]
The metallized layer 24 is formed by sequentially forming a plurality of metal films on the non-bonding surface of the glass substrate 21 (glass pedestal 4b) with the silicon substrate 20 (sensor element 4a) using at least chromium as the first metal film 24a. Thus, it is possible to ensure good adhesion between the glass substrate 21 and the metallized layer 24 and between the metallized layer 24 and the base plate 3 in both.
[0037]
In the embodiment of the present invention, a silicon substrate is used as the conductive substrate 23b in the anodic bonding step. However, the conductive substrate 23b is not limited as long as it is conductive and has good thermal conductivity.
[0038]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a pressure sensor that can withstand high-pressure measurement, which is an initial purpose, and manufacture a pressure sensor that can simplify the manufacturing process and obtain an inexpensive pressure sensor. A method and its pressure sensor can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a main part of a pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a main part of the pressure sensor.
FIG. 3 is a plan view of the pressure sensor.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a metallized layer of the pressure sensor.
FIG. 5 is a view showing a manufacturing method of the pressure sensor.
[Explanation of symbols]
A Pressure sensor 3 Base plate 4 Detection element 4a Sensor element 4b Glass base 20 Silicon substrate (semiconductor substrate)
20a detector 21 glass substrate 22 superposed substrate 23 heating plate 23a glass film 23b silicon substrate (conductive substrate)
24 Metallized layer (metal film)
24a First metal thin film 24b Second metal thin film 24c Third metal thin film 25 Solder

Claims

A semiconductor substrate provided with a plurality of detection portions formed by forming a plurality of strain gauges having a piezoresistive effect on a thin-walled diaphragm portion in a bridge circuit shape is disposed on a glass substrate to form a polymerization substrate, and this polymerization substrate is used as a glass film. A bonding step in which the glass substrate and the glass film are arranged in contact with each other on a heating plate provided with a conductive substrate, and the semiconductor substrate and the glass substrate are bonded by an anodic bonding method;
A metal film forming step of forming a metal film on a non-bonding surface of the glass substrate with the semiconductor substrate after the bonding step;
A method for manufacturing a pressure sensor, comprising:

2. The metal film forming step is characterized in that a plurality of metal thin films are sequentially formed on the non-bonding surface of the glass substrate using at least chromium as a first metal thin film to form the metal film. The manufacturing method of the pressure sensor of description.

Pressure according to claim 1 or claim 2, characterized by comprising providing a cutting step to obtain a detection device having said detecting portion each by cutting a predetermined portion of the polymer substrate after the metal film forming Sensor manufacturing method.

4. The pressure sensor according to claim 3, wherein an arrangement step of fixing the metal film formed on the detection element and a metal base plate via solder is provided after the cutting step. Manufacturing method.

A heating plate provided with a conductive substrate having a glass film in which a sensor element having a detection part formed by forming a plurality of strain gauges having a piezoresistance effect on a thin diaphragm part in a bridge circuit shape is disposed on a glass pedestal. The glass pedestal and the glass film are arranged in contact with each other, the sensor element and the glass pedestal are joined by an anodic bonding method to form a detection element, and the sensor element of the glass pedestal A pressure sensor that forms a metal film on the non-bonding surface of the metal film and joins the metal film and a metal base plate with solder,
The pressure sensor according to claim 1, wherein the detection element includes the glass pedestal that does not have a decrease in material strength due to segregation of an alkali metal ion component generated by the anodic bonding method.

The pressure sensor according to claim 5 , wherein the metal film is formed by sequentially forming a plurality of metal thin films on the non-joint surface of the glass pedestal using at least chromium as a first metal thin film .