JP5743199B2 - 振動式圧力トランスデューサ - Google Patents

Description

本発明は、振動式圧力トランスデューサに関し、特に、振動式圧力センサの圧力計測範囲を拡大させる技術に関する。

真空室内に微細な振動子を形成し、この振動子に加えられる歪を高精度に測定する振動式トランスデューサは、振動式センサチップとして圧力センサ等に用いられている。

図１１は、振動式トランスデューサを圧力センサに適用した振動式圧力センサチップの構成例を示す図である。本図に示すように振動式圧力センサチップ５０は、裏面にダイアフラム５０５が形成されたシリコン基板５００に４本の振動子５０１（便宜的に１つの振動子のみ符号を付している）が形成され、２本の振動子を組として２つのシェル５０２で覆われている（便宜的に１つのシェルのみ符号を付している）。

シリコン基板５００上には、端子として、それぞれの振動子５０１に接続するためのボンディングパッド５０３ａ、ボンディングパッド５０３ｂ、ボンディングパッド５０３ｃ、ボンディングパッド５０３ｄと、それぞれのシェル５０２に接続するためのボンディングパッド５０３ｅ、ボンディングパッド５０３ｆと、シリコン基板５００の電位を定めるためのボンディングパッド５０３ｇが形成されている。

振動式圧力センサチップ５０は、ボンディングパッド５０３から与えられる電圧による静電力等によって、シリコンで形成され、両端がシリコン基板５００に固定された振動子５０１を励振し、ダイアフラム５０５を介して振動子５０１に印加された歪を振動子５０１の共振周波数の変化として検出することで圧力の測定を行なう。共振周波数の変化は、ボンディングパッド５０３から取り出される電気信号に基づいて検出することができる。

また、図１２は、振動式トランスデューサを圧力センサに適用した場合の別構成例である。本図に示すように振動式圧力センサチップ３００は、ダイアフラム３０２が形成されたシリコン基板３０１に振動子３１０が形成され、シェル３２０により覆われている。シェル３２０内は、振動子３１０の機械的Ｑ値を高くするために真空度の高い真空室となっており、封止材３３０によって封止されている。

図１１、図１２に示した振動式圧力センサチップ５０、振動式圧力センサチップ３００は、静圧、差圧両方を測定するためのセンサとなっており、差圧も測定するために、ダイアフラム５０５、ダイアフラム３０２を備え、ダイアフラムの上面側と下面側とを隔てる構造となっている。また、図１２に示すように、シリコン基板３０１、５００の下面にガラス台座３４０を接合し、ガラス台座３４０を介して伝送器等に固定される。

ガラス台座３４０は、シリコンとガラスとの熱膨張係数を合わせることによって、ダイアフラムへの熱応力を抑え、陽極接合可能なガラスが使用されている。ガラスは、いろいろな種類が用いられるが、いずれの場合もシリコンよりもヤング率が小さく、高圧力による歪が生じやすい。

特開２００５−３４７６７６号公報

振動式圧力センサチップでは、振動子の歪の変化を検出して計測を行なう。このため、振動子には張力を与えておく必要がある。しかしながら、超高圧の静圧圧力の計測の際には、振動子の両端を固定するシリコン基板に縮みが生じ、計測に必要な振動子の張力を保てなくなる。このため、従来の振動式圧力センサチップでは超高圧の静圧圧力の計測が困難であり、圧力計測範囲にシリコンの物性による制限が生じていた。

そこで、本発明は、振動式圧力トランスデューサにおいて、圧力計測範囲を拡大することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の振動式圧力トランスデューサは、振動子と、前記振動子を覆うシェルとを備えたシリコン基板と、シリコンよりもヤング率の大きい材料で形成され、前記シリコン基板に接合された補助基板と、を備えたことを特徴とする。

ここで、前記補助基板は、前記ヤング率の大きい材料のヤング率が最大となる結晶方位が、前記振動子の長さ方向と平行となるように接合されたことが望ましい。

また、前記補助基板は、前記シリコン基板よりも厚いことが望ましい。また、前記補助基板は、前記シリコン基板の振動子形成面の裏面に接合することができる。このとき、前記補助基板は、前記裏面の全面に接合することができる。

あるいは、前記補助基板は、前記シリコン基板の振動子形成面に接合するようにしてもよい。あるいは、前記補助基板は、前記振動子を覆うシェルとして接合するようにしてもよい。前記補助基板にダイアフラムを形成してもよいし、ダイアフラムを形成せずに絶対圧センサとして機能させるようにしてもよい。

本発明によれば、振動式圧力トランスデューサにおいて、圧力計測範囲を拡大することができる。

本発明の実施形態である振動式圧力センサチップの構成例を示す断面図である。 本発明の実施形態である振動式圧力センサチップの構成例を示す上面図である。 振動式圧力センサチップの製造工程例を説明する図である。 振動子を形成したシリコン基板と同じ厚さのシリコン基板を、サファイア基板を挟むように接合した構造を示す図である。 ヤング率の大きい材料をシェルとした構造を示す断面図である。 ヤング率の大きい材料をシェルとした構造を示す上面図である。 ヤング率の大きい材料をシェルの近傍に配置した構造を示す図である。 シリコン基板の裏面の一部にヤング率の大きい材料基板を接合した構造を示す図である。 差圧センサ構造に適用した場合の構造を示す図である。 振動式圧力センサチップの別構成例を示す図である。 振動式トランスデューサを圧力センサに適用した場合の従来の構成例である。 振動式トランスデューサを圧力センサに適用した場合の従来の別構成例である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態である振動式圧力センサチップの構成例を示す側面図であり、図２は、上面図である。

本実施形態において、振動式圧力センサチップ１０は、振動子１０１、シェル１０２、配線１０３、ボンディングパッド１０４が形成されたシリコン基板１００の裏面全面に補助基板として機能するサファイア基板２００が接合された構造となっている。シリコン基板１００表面の構造は従来と同様とすることができる。

本構成例では、シリコン基板１００にダイアフラム等を形成せず、ダイアフラム等に歪が吸収されない構造となっている。このため、シリコン基板１００とサファイア基板２００の合成された静圧歪が振動子１０１に伝わるようになっている。

すなわち、本構成例の振動式圧力センサチップ１０は、ダイアフラムを持たない構造の絶対圧センサである。振動式圧力センサでは、絶対圧を計測する場合、ダイアフラム等の湾曲歪を必ずしも必要としないので、振動式圧力センサチップ１０は、ダイアフラムを形成せずに、振動子１０１の長さ方向に掛かる静圧によって発生する歪の変化を計測する。

本構成例では、シリコン基板１００と、ヤング率の大きなサファイアで形成したサファイア基板２００とが接合されるため、双方の基板厚さの比によって、静圧が印加されたときの歪量が決まってくる。サファイア基板２００の方を厚くすることによって、サファイアよりもヤング率の小さいシリコンの影響を小さくし、単位圧力当たりの歪量を小さくできる。このため、超高圧下でも振動子１０１の張力を保つことができ、シリコン基板とガラス台座とを接合して構成される従来の振動式圧力センサチップよりも高圧力の計測が可能となる。

本構成例の振動式圧力センサチップ１０は、例えば、図３（ａ）に示すようなシリコン振動子１０１を形成したシリコン基板１００ａに対して、図３（ｂ）に示すように、素子面と反対面側の基板部分１００ｂ（図中破線部）を研削加工して、薄肉化することでシリコン基板１００を形成し、シリコン基板１００よりも厚いサファイア基板２００を接合した構造となっている。

サファイア基板２００は、ヤング率が最大となる結晶方位が、振動子１０１の長さ方向と平行となるように接合することが望ましい。ウェーハ接合後は、ダイシングを行なうことにより、チップ化することができる。

シリコンとサファイアとは、熱膨張係数に開きがあるため、加工プロセスは高温のプロセスとしないようにする必要がある。このため、シリコン基板１００上に形成されるシリコン振動子１０１などにおいて高温プロセスとなるプロセスを終えた後、サファイア基板２００の接合を行なうようにする。シリコン基板１００とサファイア基板２００との接合は、プラズマを利用して表面を活性化する接合方法によって行なうことができる。

本構成例では、補助基板としてサファイア基板２００を接合しているが、シリコンよりもヤング率の大きいLiTaO₃、LiNbO₃、SiC、AlN、窒化珪素、アルミナ、ジルコニア、サーメットなどの材料（以下、「ヤング率の大きい材料」と総称する）に変更しても同様の効果を得ることができる。これらの材料は、絶縁体であることが望ましいが、絶縁体に限定されるものではない。シリコン基板１００と接合する材料のヤング率とシリコンのヤング率との比を考慮して材料を選択することで、計測する圧力レンジ毎のセンサの最適感度を得ることができる。

また、本構成例では、シリコン基板１００にサファイア基板２００を接合した２層構造としているが、３層以上の積層構造となってもよい。例えば、図４に示す振動式圧力センサチップ１０ａのように、振動子１０１を形成したシリコン基板１００と同じ厚さのシリコン基板２２０を、サファイア基板２００を挟むように接合するようにしてもよい。このような構造とすることで、振動式圧力センサチップ１０ｂが反るように発生する応力を緩和することができる。

また、シリコン基板１００の裏面に代えて、あるいは裏面に加え、振動子形成面側に補助基板としてヤング率の大きい材料を貼り付けるようにしてもよい。少なくとも振動子１０１の固定端からもう一方の固定端まで伸びるように貼り付けることによって、振動式圧力センサチップが反るように発生する応力が振動子１０１に与える影響を緩和することができる。

例えば、図５、図６に示す振動式圧力センサチップ１０ｂのように、ヤング率の大きい材料をシェル１０２ｂとした構造としてもよい。この場合、ヤング率の大きい材料に挟み込まれるように振動子１０１が配置されるため、ヤング率の大きい材料の影響を得やすい構造となる。また、通常であれば、シェルの耐圧を得るためにシェルの厚さを厚くする必要があるが、ヤング率の大きい材料をシェルの構成部材とすることで、従来よりも薄い厚さでシェルの強度を確保できる。このため、シリコンの物性影響を小さくして、ヤング率の大きい材料の物性影響を大きくできるメリットもある。このとき、図６のように、振動式圧力センサチップ１０ｂの横幅までシェル１０２ｂの幅を広げると、圧力による発生歪が均等に掛かるようになるため、性能を向上させることができる。

また、図７に示す振動式圧力センサチップ１０ｃのように、ヤング率の大きい材料１０５をシェル１０２の近傍に配置した構造としてもよい。この場合、ヤング率の大きい材料１０５を、シェル１０２を挟み込むように配置し、振動子１０１の両固定端よりも外側からヤング率の大きい材料１０５がつながるようにすると、圧力による発生歪が均等に掛かるようになるため、性能を向上させることができる。

シリコン基板１００とサファイア基板２００等との接合については、ダイレクトボンディングを例示しているが、シリコン基板１００側、サファイア基板２００側、またはその両方の接合面に接合の相性がよい膜を成膜しておくことで、十分な接合強度を得る接合方法を用いてもよい。

例えば、シリコン基板１００側に酸化膜を形成し、酸化膜とサファイア基板２００とを接合する組み合わせ、サファイア基板２００側にシリコンを成膜し、シリコン基板１００とシリコンとの接合をする接合する組み合わせ、シリコン基板１００とサファイア基板２００双方に酸化膜成膜する組み合わせなどがある。また、金属膜を介しての金属接合や、共晶接合などを行なうようにしてもよい。

サファイア基板２００等の接合は、裏面全面に接合した方が簡易的に構成できるが、必ずしも裏面全面への接合でなくてもよい。例えば、シリコン基板１００をセンサチップに切り出した後、サファイア基板２００等のヤング率の大きい材料基板を接合するようにして、製作するチップ毎に使用する材料基板を変更することで、所望の圧力レンジのセンサチップ製造対応が可能となる。このとき、ヤング率の大きい材料基板の部材面積を少なくできれば、基板の取れ数が多くなることによってコストを低減することが可能となる。例えば、図８に示す振動式圧力センサチップ１０ｄように、振動子１０１の両固定端よりも外側からヤング率の大きい材料基板２１１がつながるようにすると、圧力による発生歪が均等に掛かるようになるため、性能を向上させることができる。

また、本発明は、図９に示す振動式圧力センサチップ１５０のように、差圧センサ構造に適用することもできる。シリコン基板１５１にヤング率の大きい材料基板１５２を接合した後、ヤング率の大きい材料基板１５２に凹部を形成してダイアフラム１５３を形成することで、ダイアフラム１５３の変位を歪で計測する差圧センサとすることができる。

このような構造とすることで、振動式圧力センサチップ１５０は、高圧の静圧下でも差圧の測定が可能となる。また、ヤング率の大きい材料基板１５２としてサファイアのような高耐食性材料を用いると、腐食性の測定媒体であっても計測が可能となるメリットも得ることができる。

また、図１０に示すようなダイアフラム１６３の内部と境界部とに振動子およびシェル１６１、１６２を配置した構成の振動式圧力センサチップ１６０の裏面にサファイア等のヤング率の大きい材料基板を接合させる構造としてもよい。

１０…振動式圧力センサチップ、５０…振動式圧力センサチップ、１００…シリコン基板、１０１…振動子、１０２…シェル、１０３…配線、１０４…ボンディングパッド、１０５…ヤング率の大きい材料、１５０…振動式圧力センサチップ、１５１…シリコン基板、１５２…ヤング率の大きい材料基板、１５３…ダイアフラム、１６０…振動式圧力センサチップ、１６１…振動子およびシェル、１６２…振動子およびシェル、１６３…ダイアフラム、２００…サファイア基板、２１１…ヤング率の大きい材料基板、２２０…シリコン基板、３００…振動式圧力センサチップ、３０１…シリコン基板、３０２…ダイアフラム、３１０…振動子、３２０…シェル、３３０…封止材、３４０…ガラス台座、５００…シリコン基板、５０１…振動子、５０２…シェル、５０３…ボンディングパッド、５０５…ダイアフラム

Claims (9)

1. 振動子と、前記振動子を覆うシェルとを備えたシリコン基板と、
   シリコンよりもヤング率の大きい材料で形成され、前記シリコン基板に接合された補助基板と、を備えたことを特徴とする振動式圧力トランスデューサ。
2. 前記補助基板は、前記ヤング率の大きい材料のヤング率が最大となる結晶方位が、前記振動子の長さ方向と平行となるように接合されたことを特徴とする請求項１に記載の振動式圧力トランスデューサ。
3. 前記補助基板は、前記シリコン基板よりも厚いことを特徴とする請求項１または２に記載の振動式圧力トランスデューサ。
4. 前記補助基板は、前記シリコン基板の振動子形成面の裏面に接合されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動式圧力トランスデューサ。
5. 前記補助基板は、前記裏面の全面に接合されていることを特徴とする請求項４に記載の振動式圧力トランスデューサ。
6. 前記補助基板は、前記シリコン基板の振動子形成面に接合されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動式圧力トランスデューサ。
7. 前記補助基板は、前記振動子を覆うシェルとして接合されていることを特徴とする請求項１〜３、６のいずれか１項に記載の振動式圧力トランスデューサ。
8. 前記補助基板にダイアフラムが形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の振動式圧力トランスデューサ。
9. 絶対圧センサとして機能する請求項１〜７のいずれか１項に記載の振動式圧力トランスデューサ。