JP5033421B2 - 超純粋環境および高腐食環境において使用可能なセンサーとその製造方法 - Google Patents
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-
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Description
本発明は一般にセンサーに関し、より詳しくは、200℃まで優れた安定性を有し、700℃まで有効に動作可能な圧力/温度センサーに関する。本発明の圧力センサーは、流体で充填することなく動作し、外部に露出した金属部品を有さない。この圧力センサーは、超純粋環境の中で流体と直接接触した位置に配置することができる非多孔性で不浸透性の表面を備える。本発明の一実施態様においては、非多孔性表面は化学攻撃に強い単一結晶サファイア層から構成されている。この方法においては、時間が経つにつれて化学製品または汚染物質がセンサーからプロセス流へ溶出することはない。これに限定されるわけではないが、本発明の圧力センサーは、プロセス流体における圧力を検出するための化学的不活性な圧力変換器モジュールまたは流量計における使用に適しており、それらの高温プラスチックハウジング内に直接成形することができる。
者にとって明らかである。この方法において、非多孔性ダイアフラムはバッキングプレートの内面と係合する。バッキングプレートと非多孔性ダイアフラムは、広い温度範囲にわたって不必要な応力を避けるために同じような熱膨張率を有する材料で形成されることは当業者にとって明らかである。以下に更に詳細に述べるように、圧力センサーは検出素子が絶対圧またはゲージ圧を検出できるように構成することができる。
通り抜けられると、ろう34はシリコンと合金となり、その結果、膜の破壊を生じることが知られている。グラッシングおよびろう付けの間、石英ガラス16は、ピンから結合パッド26金属がシリコンパターン20に重なっている領域へのろう34の流れを抑制するのに役立つことができる。ろう34はシリコンパターン20に重なってはならない。
ンウエハー上にある任意のフィーチャを隔離する。シリコン基板上のホイートストーンブリッジを容易に形成するめに、ブリッジを基板半導体から隔離するためのPN接合を必要とする。PN接合は大変有用であるけれども、400℃以上ですぐに劣化する。ほとんどのプロセスに対して、装置を30分以上450℃で放置することは可能ではなく、そうでなければそれは破壊される。高い安定性のボンドを形成するために、900〜1100℃のような高温で2〜6時間にわたって継続するプロセスを有することは不可能であることは明らかである。本発明のホイートストーンブリッジはサファイアダイアフラムの上に直接形成されるので、それらの間には高溶融温度(400℃以上)による不良を生じるPN接合はない。更に、PN接合はダイアフラムおよびバックプレートのガラスボンドの破壊を生じる可能性がある。抵抗表面が必要とされないところではシリコンは完全にエッチング除去される。
の好ましい材料であるが、コバールも同様に作用する。
0254mm(0.01から0.0001インチ)の間にあり、間隔はダイアフラム14の厚みにより5.08〜0.00508mm(0.2から0.0002インチ)の間とすることができる。隙間の大きさの程度はダイアフラム14の厚みの2倍であるのが好ましい。ダイアフラムの能動検知領域は、0.0508〜1.27mm(0.002から0.050インチ)の範囲の厚みを有するダイアフラムに対して1.91〜50.8mm(0.075から2インチ)の範囲にあることができる。実際的な制約が、ウエハー製造の間、単結晶サファイアウエハーの厚みを制限する。しかしながら、単結晶シリコンとは異なり、化学プロセスによって薄いサファイアダイアフラムを形成する簡単な方法はない。薄いサファイアウエハーからのダイアフラムの製造は徐々に点に達するが、センサー形成プロセスの間に誘導される高い熱応力は自壊内部応力を生じる。あるいは、ダイアフラムの検出領域の直径を増やせば、圧力装置の感度が増える。しかしながら、ダイアフラムの直径が増大するにつれコストも増大する。
いて圧力を検出するために、非多孔性の化学的不活性圧力センサーを有利に使用することができる。単結晶サファイアから構成された検出ダイアフラムを有するセンサーは、化学的攻撃からの優れた防御を行う。センサー10は、一次シール52と二次シール54を有する圧力変換器ハウジング50(図13参照)内に置くことができる。一次シールがサファイアダイアフラムの外面に係合している場合には、プロセス流体はそのシールとサファイアのみを濡らす。既知の適当な構成のシールはプロセス流体に対して浸透性があるので、一次シールを越えるプロセス流体もある。最初の一次シールを過ぎて浸透するフッ化水素酸などの非常に攻撃的なプロセス流体は、サファイアダイアフラム14とセラミックバッキングプレート12との間の接合部を攻撃することがあり得る。接合部の腐食による汚染物質は、そのときプロセス流体へ逆浸透することがあり得る。本発明は、接合部を囲むセンサー10の縁に適用される、耐酸エポキシ、例えば、これに限定されるわけではないが、Hackensack, N.J.のMaster Bond, Inc. から入手可能な耐酸エポキシEP21ARなどの化学的に耐性のあるポリマーを含むことができる。あるいは、例えば、これに限定されるわけではないが、TEFLON(登録商標)製のガスケット型シール、または、例えば、これに限定されるわけではないが、KALREZ(登録商標)製のエラストマー型シール84を、図18に示すようにセンサーの接合部に対して押し付けることができる。シール84はL型断面を有し、センサー10の側面の周囲およびダイアフラム14検出外面を覆い得る。ガスケットシール84はハウジング50の一部として形成することができることは当業者にとって明らかである。また、電気的遮蔽を強化するために、炭素粉末を混ぜ合わせることによって材料を導電性にすることができる。導電性エポキシを、電気グラウンドに接続された導電性インク58によって電気グランドに接続することができる。もう一つの実施態様においては、センサーが使用中のときに、サファイアからの化学的溶出とプロセス流体への化学的溶出を制限するように、(サファイア表面を含む)センサーにパラリン(Paralyne)を塗布することができる。別の実施態様においては、サファイアダイアフラムからの化学的溶出をも制限するようにセンサーにPFA を塗布することもできる。
することができる。
ここで、係数axx は、当業者にとって既知の最小二乗フィッティング手順によって得られる。データフィッティング手順と共に上記記述を使用することにより、歪効果に対して校正された校正温度出力を有するセンサーが得られる。従って、単一センサーによる圧力と温度の同時測定が、速い応答時間で達成される。あるいは、温度出力だけが望まれる場合は、抵抗器の足を、歪を感知しない軸線に向けることによって圧力記述を避けることができる。例えば、サファイア上のR面シリコンの最大歪感度は、抵抗素子を投影C軸に対して45度に向けることによって達成される。ここで、R面とC軸は結晶幾何学的配置のミラー指数によって決定される。投影C軸に平行または垂直に並んだ抵抗素子に対し、ピエゾ抵抗はゼロである。抵抗器の軸を回転して圧力感度を除去することができる。この方法において、センサー10は、圧力感度を除去し、従ってセンサー10に近接した温度だけを測定するように作ることができる。
、リード18Aがそこから突出するバッキングプレートの側面に置くことが好ましい。この実施態様においては、アセンブリ全体をベルト加熱炉にかけるような単一加熱/溶融操作によって、ガラスボンドが形成され、リードがろう付けされる。関連実施態様においては、最初にバッキングプレートとダイアフラムとが一緒にガラス結合される。次に、ろう材がリードと共に開口部内に置かれ、アセンブリが約925℃のろう付け温度にさらされた後、基板破損を避けるために徐々に冷却(毎分約7〜10℃)され、この操作全体は約2時間続く。処理時間は製造されるセンサーの熱質量に応じて変化する(例えば、センサーが大きければ大きいほど冷却時間は長くなる)。
Claims (12)
- 非多孔性の外面を有するように単結晶サファイアまたは単結晶ダイアモンドから構成される平面状のダイアフラム(14,14A)と;
前記ダイアフラム(14,14A)の一方の面に配置された検出素子(22)と;
前記ダイアフラム(14,14A)の前記一方の面に結合するガラス層(16,16A)であって、前記ガラス層(16,16A)の溶融温度は、700℃以上であることと;
前記ガラス層(16,16A)に結合するバッキングプレート(12,12A)であって、前記バッキングプレート(12,12A)は、厚み方向に貫通する開口部(36,36A)を有することと;
前記開口部(36,36A)を通って延びる電気リード(18)であって、前記電気リード(18)は、ろう合金(34,34A)を介して前記検出素子(22)に接続されるコイルヘッド(19A,254)を有することと
を備えるセンサー(10)であって、
溶融状態の前記ろう合金(34,34A)が凝固する際に前記ろう合金(34,34A)が前記検出素子(22)に与える引張応力は、前記ガラス層(16,16A)への前記ろう合金(34,34A)の結合によって低減されるように構成され、
前記電気リード(18)は、前記ろう合金(34,34A)および前記電気リード(18)が単一の高温溶融操作を受けた後に冷却されたときに、前記ダイアフラム(14,14A)に発生する応力を低減するために、前記ダイアフラム(14,14A)と同様の膨張率を有することを特徴とするセンサー。 - 前記ガラス層(16,16A)は、ホウケイ酸ガラスである、
請求項1記載のセンサー。 - 前記ろう合金(34,34A)は、銅、銀およびパラジウムを含有する、
請求項1記載のセンサー。 - 前記センサー(10)は更に、
前記ガラス層(16,16A)と前記ダイアフラム(14,14A)の間に配置された結合パッド(26)と;
前記ガラス層(16,16A)内に形成され、前記結合パッド(26)への前記コイルヘッド(19A,254)の接触を可能にする窓部(28)と
を備え、
前記コイルヘッド(19A,254)は、前記結合パッド(26)にろう付けされる、
請求項1記載のセンサー。 - 前記結合パッド(26)は、チタン層(30)および拡散障壁(32)を備え、
前記ダイアフラム(14,14A)は、サファイアから構成される、
請求項4記載のセンサー。 - 前記電気リード(18)は、ニッケルまたはコバールから構成される、
請求項1記載のセンサー。 - 前記コイルヘッド(19A,254)を、第1コイルヘッド(19A)と称し、
前記第1コイルヘッド(19A)が位置する前記電気リード(18)の端を、第1端と称し、
前記電気リード(18)の他の端を、第2端と称すると、
前記第2端は、コイル状の第2コイルヘッド(19A)からなり、
前記電気リード(18)のうちの前記第1コイルヘッド(19A)と前記第2コイルヘッド(19A)との間の部分を、伸張中央コイル部分(19B)と称すると、
前記伸張中央コイル部分(19B)は、コイル状であり、
前記第1コイルヘッド(19A,254)と前記第2コイルヘッド(19A,254)とは、前記伸張中央コイル部分(19B)よりもコイルの間隔が密である、
請求項1記載のセンサー。 - センサーの製造方法であって、
単結晶サファイアまたは単結晶ダイアモンドから構成される非孔性且つ平面状のダイアフラム(14,14A)を提供するダイアフラム提供ステップと;
検出素子(22)を、前記ダイアフラム(14,14A)の一方の面に配置する素子配置ステップと;
ガラス層(16,16A)を、前記ダイアフラム(14,14A)の前記一方の面に配置するガラス配置ステップと;
厚み方向に延びる開口部(36,36A)を有するバッキングプレート(12,12A)を前記ガラス層に配置するプレート配置ステップと;
コイルヘッド(19A,254)を端部に有する電気リード(18)を提供するリード提供ステップと;
ろう合金(34,34A)を前記検出素子(22)の表面に付与するろう付与ステップと;
前記ろう合金(34,34A)から前記開口部(36,36A)を通って前記リード(18)が延びるように、前記コイルヘッド(19A,254)を前記ろう合金(34,34A)に配置するリード配置ステップと;
前記ろう合金(34,34A)と前記ガラス層(16,16A)を加熱して溶融させる加熱ステップと;
溶融状態の前記ガラス層(16,16A)が固化するグラッシングによって、前記ガラス層(16,16A)が、前記バッキングプレート(12,12A)と前記ダイアフラム(14,14A)とに結合されるガラス結合ステップと;
溶融状態の前記ろう合金(34,34A)が前記コイルヘッド(19A,254)を前記検出素子(22)に結合するために凝固させるろう合金凝固ステップであって、前記凝固の際に前記ろう合金(34,34A)が前記検出素子(22)に与える引張応力は、前記ガラス層(16,16A)への前記ろう合金(34,34A)の結合によって低減されることと
を有し、
前記電気リード(18)は、前記ろう合金(34,34A)および前記電気リード(18)が単一の高温溶融操作を受けた後に冷却されたときに、前記ダイアフラム(14,14A)に発生する応力を低減するために、前記ダイアフラム(14,14A)と同様の膨張率を有することを特徴とする、製造方法。 - 前記ガラス結合ステップは、前記ダイアフラム(14,14A)が前記引張応力によって破損することを回避するために、時間をかけて前記ろう合金(34,34A)を冷却するステップを有する、
請求項8記載の製造方法。 - 前記ガラス層(16,16A)は、ホウケイ酸ガラスである、
請求項8記載の製造方法。 - 前記ろう合金(34,34A)は、銅、銀およびパラジウムを含有する、
請求項8記載の製造方法。 - 前記製造方法は更に、前記ガラス結合ステップの前に前記ダイアフラム(14,14A)の前記一方の面とは反対側の面に重りを置くステップを有する、
請求項8記載の製造方法。
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