JPH01503084A - 差圧センサならびに膜部材およびこれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 差圧センサ 発明の背景 １、発明の分野 本発明は、もろい材料から構成され、過大圧保護を施された膜を持ち、大幅な静 的ライン圧の範囲で、適切な動作を保障するために、ハウジング内に取り付けら れた、バッチ製造の差圧セルに関するものである。

２、先行技術の説明 米国特許第４．５７２，０００号は、過圧時に、平面支持プレートに対して平ら になる、もろい膜を持った圧力センサを示している。この特許においては、その 膜は、初期圧をかけられたとき、その支持プレートから外側に膨出されており、 また最大圧の時には、その支持プレートにぶつつかって静止し、実質的に平坦に なるように作られている。

エッヂ支持リムを持った、もろい材料の膜を使用したもう一つの先行技術の装置 もまた知られており、この場合には、検知は容量形検知によって、または膜自身 の上に取り付けられたひずみ計を使用することによって実行される。

発明の概要 本発明は、単一シリコン作動膜（ダイアフラム）を使用した圧力検知セルに関す るものである。前記作動膜は、その膜が、平らな支持プレートまたは部材間に支 持され、零差圧の下では、それぞれが支持部材の一つと向い合った凹面を持つ形 状となるように構成されている。

凹面は、膜の静止状態において、正確に、その膜の偏向時の形状になるように形 成されるので、検知されている圧力が作用して膜が支持面の方へ移動するとき、 その支持部に面した膜表面が平坦になって、その支持部に対して完全に支持され るであろう。そのような完全な膜の支持が、膜のもろい材料を破損したり、また はクラックを生じさせたりする可能性のある過大応力を防止する。膜はシリコン 、サファイア、ゲルマニウム、またはその他の半導体、あるいは適当なセラミッ ク材料のような材料から作られるのが望ましい。

本発明の製造法は、支持部に面したシリコン膜の表面に、適切な形状で空洞を形 成する問題を解決しており、また支持層の表面を形成したり、整形したりするこ とを必要としない。

支持層は、望ましくは、ガラスからできており、容量形検知が採用される時には 、そのガラス支持層は、その上に付着された金属コンデンサプレートを有してい る。

凹形の膜表面はバッチプロセスで形成されるのが望ましく、その場合は、その上 に支持ディスクが結合されるウェーハ上に幾つかの膜が形成される。形成した後 に、そのウェーハおよび支持ディスクは、個々のセルに切断される。

膜表面は、製造工程中に、その膜を圧力によって偏向させ、前記膜に圧力がかけ られている間に、その反対側の表面をラッピングしたり、研摩したりすることに よって形成することができる。圧力が取除かれたとき、正確に所望の形状をもっ た空洞が、ラッピングまたは研摩された表面上に作り出される。

凹形状を持っている部分とは反対側の膜の面は、その後で、その膜上に第二の凹 形表面が形成されるように、同様な方法で、処理されることができる。

膜はまた、各々が一つの凹形表面を持った、二つの膜部分すなわち膜ハーフを使 用して構成することができる。二つの部分は、完成したアセンブリが二つの外側 に向いた凹面を持ち、その上を覆って二つの支持層が結合できるように、それら の境界面部分で一体に結合される。開口部が支持層内に設けられ、検知しようと する圧力が導入される。

代りの製造法は、圧力をかけて曲げられる膜ハーフを持つ二個のウェーハを使用 し、膜ハーフが圧力を加えられて曲っている間に、これらのウェーハの外側表面 を一体に結合することである。結合材料は固まることができ、それが固まった後 では、前記の圧力が取去られた後でさえも、結合材料が、膜をそれらの圧力下に おける形状に保持する。その後で、支持ディスクがウェーハの両側に結合される 。

各形状の膜が差圧を検知するために使用されており、圧力が膜の片側にかけられ ると、それは準備されている支持プレート面の方向へ移動し、膜の面は、それが 支持面と接触した時に平面状になり、それによって、過度な過圧に対して完全に 支持される。

検出セルは、セルを一体に保持し、セルの周縁部に圧縮力を維持するように、そ の圧力検出セルのそれと整合した熱膨張係数を持った材料で作られた重量構造物 を含むハウジング内に組込まれて挾持される。その挟持構造物もまた、アセンブ リへの圧力印加を可能にする通路を持っている。また、適切な選択をすることに よって、挟持構造物すなわちハウジング構成は、検知される圧力の異なった静圧 条件のもとで生じる膜の間隙変動に対する機械的補償を実現することができる。

この補償技術は、容量形センサであるセンサに対して有用である。

静圧は、膜の両側での平均圧力であるから、検出される差圧は毎平方インチ当り １ポンドというように小さくても、大抵の例においては、毎平方インチ当り数百 ポンド、場合によっては数千ポンドにも上る静圧が、差圧センサに通ずるライン 内に存在し得る。

センサは、低圧から高圧まで変動する静的ライン圧で作動することが要求される 。

センサセルが一体に締付けて組込まれる領域を適切に決定すること、およびセン サの偏向（変形）に影響を与える密封（封止）領域を適切に制御することは、膜 上での半径方向の張力を制御して変動させ、これによってさらに膜のスティフネ スに影響を与え、したがって、膜に作用するように与えられる差圧に対する膜の 偏向応答に影響を与えることによって得られる、異なった静的ライン圧に対する 補償を可能にする。

静圧が増加すると、一つの検知コンデンサプレートを形成する膜表面と、その上 に他のコンデンサプレートを持つ関連支持面との間の間隔は、静圧が増加するに 従って、それらの表面が分離する傾向にあるために、変化する。そのようにセル をハウジング内に締付けることによって、膜の半径方向の張力が減少し、これと 同時に補償が可能になる。

すべてのセンサは、コスト低減のために、バッチ工程で作ることができる。

バッチ工程では、一般に、半導体ウェーへの利用が想定される。そして、半導体 ウェーハは、゛処理工程の期間中に、その上に幾つかの膜を形成され、支持プレ ートを形成するガラスのウェーハまたはディスクを結合され、それから処理工程 が完了した時に、ウェーハは個々のセンサセルに切断される。

図面の簡単な説明 第１図は、本発明に従って製造したセンサセルの斜視図であり、規定位置にある センサセル用の構造を示している。

第２図は、ハウジング内に組込まれた第１図のデバイスおよび、圧力をセンサセ ルへ伝える分離膜の構造を示す図である。

第３図は、代表的な膜および支持プレートを通した断面図であり、バッチ工程で の製造の初期段階を、一つのセルのみについて例示した図である。

第４図は、さらに進んだ製造工程での第３図と実質的に同様の断面図である。

第５図は、本発明に従って形成した膜表面を持った、完成した個々のセンサ部す なわちセンサ・ハーフを示す断面図である。

第６図は、第５図に示すセンサ・ハーフの二つを使用することによって製造した 圧力センサセル・アセンブリの断面図である。

第７図は、本発明の第２形態に従って製造された検知セルの半分を形成している 、膜および支持プレートの断面図である。

第８図は、第７図の膜および支持プレート・アセンブリの２つを、１つの圧力検 知セルに組込んだ状態を示す断面図である。

第９図は、変形工程によって、本発明に従って検知セルを製造するための、代表 的なバッチ工程配置の断面図である。

第１０図は、圧力検知セルを製造する、さらに進んだ工程での第９図の装置を示 す断面図である。

第１１図は、部分的に形成した膜を支持プレート上に取り付ける工程を示す断面 図である。

第１２図は、本発明の変形態様に従って膜を形成する、さらに進んだ工程での断 面図である。

第１３図は、第１２図の工程を実行した後に形成された膜を持つウニーハを示す 断面図である。

第１４図は、本発明の変形態様に従って、第２支持プレートを定位置に結合した 後の、１組の完成したセンサセルの断面図である。

第１５図は、ここに開示したセンサセルをハウジング内に取り付けるための、好 ましい配置を示す、センサ・アセンブリを通る断面図である。

第１６図は、ハウジングへの取り付は配置の変形例を示す断面図である。

好ましい実施例の詳細な説明 第１図は、第一のハウジング支持シリンダ構成部材１１と第二のハウジング支持 シリンダ構成部材１２との間に配置された、符号１０で全体的に示している単一 膜（ダイアフラム）差圧センサを例示している。

各シリンダは、パイレックスのようなガラス、またはその他の適当な材料から作 られており、矢印１４で示したＰｌおよび矢印１５で示したＰ２のような二つの 圧力を、そのセルに加えることを可能にする、中実軸に沿って延びた開口部また は通路を持っている。

センサセル１０は、第２図に示されているように、一般的に、シリンダ１１と１ ２の間にクランプまたは挾持される。

クランプ具（挟持部材）は、センサセル１０にシリンダ１１及び１２を締め付け るために、ボルト２２で一体的に保持されたエンドキャップまたはフレーム２０ を持つことができる。

第２図においてはまた、センサセル膜を検知されようとしている圧力媒体にさら すことなしに、シリンダ１１および１２のそれぞれの通路を通してセンサセル１ ０へ、既知の方法で、圧力を伝達するために使用される第一および第二のアイソ レータ２４および３０が、概略的に示されている。

圧力分離はよく知られている技術であり、図示されているように、アイソレータ ２４は、シリンダ１１の中央部にある通路へ、したがってまた、後で示されるよ うに、セル１０の膜の片側へ、パイピング２７を通して圧力を伝達する、シリコ ーン油のような非圧縮性流体を含む空洞２６を囲む分離膜２５を含んでいる。分 離膜２５は、第２図にも矢印１４によって示した直接の圧力Ｐ１を受ける。

図示されているように、アイソレータ３０は分離膜３１を持っており、この分離 膜３１は、センサセル１０の、シリンダ１１とは反対側に取り付けられたシリン ダ１２内の中央部の縦方向開口部へ連通するライン３４に充満する非圧縮性流体 で充填された室（チャンバ）３３を形成するように、適切な支持部材またはブロ ック３２上に取り付けられている。

したがって、矢印１５によって示されている圧力Ｐ２もまた膜３１に作用してい る。

圧力Ｐ１とＰ２の差圧が、センサセル１０によって検出される。

膜用として、シリコンまたはその他の半導体のようなもろい材料を使用した単− 偏向圧力検知膜を備えたセンサセルを製造する一つの方法が、第３〜６図に示さ れている。完成したセンサセル１０が、誇張した詳細図で、第６図に示されてい る。

これらの図面は、実際の装置の寸法を示すものでも、縮図を示すものでもない点 に注意すべきである。種々の層の厚さ、空洞および凹部の深さなどは、図示を明 確にするために、非常に誇張されている。

セル１０は、バッチ工程で製造される。全体的に符号４０で示されているシリコ ンウェーハは、複数の膜を製造するために処理されるが、ここでは一つの膜のみ を詳細に示している。

ウェーハ４０は、図示するように、所望の位置に凹部４２を形成するようにエツ チングされる。凹部は、リム４４によって支持された、より薄い偏向膜４３を形 成し、それらは、バッチ工程が完了した時にウェーハから切断され、個々のセル １０が分離される。セルハーフに対する個々のセル輪郭が、第３図では、点線で 示されている。

ウェーハ４０は、パイレックスのような硼硅酸ガラスから作られたガラスディス ク４５の上部に配置される。ガラスディスク４５は、ウェーハ４０の凹部４２と 整列されるような位置で貫通する、複数の通路または開口部４６を備えている。

ガラスディスク４５は、凹部４２の周辺内に、薄い金属層を形成するために、既 知の方法で金属化される。金属層は、膜偏向の容量形検知のためのコンデンサプ レート４７を形成する。

開口部４６は、個々のセンサセルが形成された時に、コンデンサプレート４７へ の電気的リードを接続するために使用できる、ガラスディスクの反対側にある金 属層４８へ貫通して延びた金属化層４６Ａを持っている。開口部内の金属化層４ ６Ａが、符号４９で示すような適当なリードを接続するために使用できるそれぞ れの層４８へ、コンデンサプレート４７からの電気信号を伝達する。このように 、膜アセンブリは、ガラスでできたディスク４５から形成された剛体ベース支持 層５０と整列関係に配置される。

ウェーハおよびガラスディスクは、陽極結合または、その他の結合技術を用いて 一体に結合されており、凹部すなわち空洞４２を囲むように、膜のリム４４およ びガラスディスクの下にボンド（結合部）があるように構成され、開口部４６を 通してのみ連通するような空所が形成されている。

第４図には、センサセルを製造する次の工程が示されており、ここでは、開口部 ４６の各々に、矢印５１で示されているように圧力がかけられ（ガラスディスク 内の幾つかの開口部に、一度に圧力がかけられる）、この方法で、凹部４２と整 列関係にある原の膜部分すなわち薄い部分４３を弓形に膨出させている。

膜は、一般的に、膜が外側へ弓形に膨出して形成される、点線４３Ｂおよび曲線 ４３Ａによって示されているような、偏向（屈曲）した形状になると想定される 。

圧力は、その加圧によって生じた弓形形状に、前記の膜４３を保持するように保 持される。そうして、膜に圧力がかかったままの状態で、点線４３Ｂによって概 略が示されている外部凸形部分が、そのウェーハ全体にわたって平面４３Ｃが形 成されるように、ラップ仕上げまたは研摩される。

矢印５１によって示されている圧力が解放されると、偏向していた膜４３がゆる み、第５図に示すような構造になる。

すなわち、その場合、表面４３Ｃは凹形を形成していると想定される。一方、表 面４３Ａは、元どおりの実質的に平面な構造を保っている。点線４３Ｂによって 示されているウェーハ部分が、除去されるので、偏向膜の中央部の表面４３Ｃの 膜部分は、圧力がかかった時に、膜の外側への弓形膨出形状の逆（対称）のイメ ージになる。

符号１０Ａで示した複数のセルハーフが、このようにして、単一ウェーハおよび 結合されたガラスディスク上に形成される。第二の全く同一に形成されたウェー ハおよびガラスディスクもまた作られる。

センサセルの製造を完成させるためには、同一のセルハーフＩＯＡおよびＩＯＢ を持つ二つのウェーハが、第６図に示されているように、各セルハーフＩＯＡお よびＩＯＢの表面４３Ｃが相互に向き合うように、−緒に対向配置される。符号 ５６で示されているガラスフリットまたは、その他の適当な結合材料の層が、セ ンサセルＩＯＡとＩＯＢを支えるウェーハの向い合った面の間に配設される。

表面４３Ｃは、二つのセルハーフのためのベースを形成するガラスディスク内の それぞれの開口部４６を通して、等しい圧力をかけることによって、第４図に示 したような平面形状に、それらが戻るようにされる。第６図に示すように、表面 ４３Ｃは平らに保持され、これら表面間のガラスフリット材料５６と共に平行に なっている。二つのウェーハ４０は、符号Ｆで示された力によって、また、その 表面間のガラスフリット材料によって、所定位置にウェーハを組込むために、（ 図示されていない）適切な固定装置内に、−緒に保持することができる。

圧力が、開口部４６の上を覆う、ある適当なハウジングを用いて膜に加えられ、 圧力ソース５７および５８からの等しい、制御された圧力が膜部分を偏向（変形 ）するように準備されている。そのため、向い合っている外側表面４３Ｃは、結 合が実行される前に、ウニーハ上のすべての膜上で平坦になる。ガラスフリット は、これらの表面４３Ｃが平坦に保たれている時に、向い合った表面を一体に結 合するために使用される。したがって、ソース５７および５８（望む場合には、 一つのソースでもよい）からの圧力の制御は、結合が行なわれている間は重要で ある。

結合材料が固化してしまった後、ソース５７および５８からの圧力が、膜４３上 から放出される。

結合材料５６は、符号６３で示されている単一の（一体化）膜が各セルに対して 形成されるように、各ウェーハの膜４３を保持しており、各表面４３Ａを、それ ぞれの平面支持層５０に面した凹形に保持させる。前記凹形部分は、膜６３の偏 向（変形）された形状に対応している。

結合が実行されている間に、膜部分４３を弓形に曲げるために使用される圧力は 、単一の膜６３が、組立てる時には二倍の厚さになっていることを考慮して選択 される。膜の凹形部分は、膜の中央部では、エッヂまたは空洞４２にある浅い切 込みによって囲まれている。

ウェーハおよびガラスディスクは、それから、個々のセンサセル１０を形成する ために切断される。

支持ベースすなわちプレート部材５０から隔離されている膜は、第６図のセンサ セルでは、誇張して示されているが、センサセルの一方の側に加わる圧力が過度 に高いときは、その反対側の面４３Ａは、支持ベース５０および、その上に形成 されたコンデンサプレート４７に対してぶっつかる（着床する）ように、関連す る支持ベースの方へ移動するであろう。

膜６３は、このようにして、定格過大圧のもとでは、支持ベースの平坦面によっ て支持されており、表面４３は平面になっている。膜６３の応力は許容応力を超 えず、膜６３は、その表面全体にわたって完全に保持されるであろう。

第３〜６図では、膜の形状および偏向量は、例示目的のために、非常に誇張され ているが、図示のように構成されるので、この膜は、所望の圧力下における膜の 偏向形状と同一であり、膜に対する２つの支持ベース５０に向いた凹形面を持っ ている。したがって、前記の圧力が、膜６３の反対面にかけられた状態では、そ れが支持ベースと接触した時に、それぞれの支持ベース５０に向いている表面４ ３Ｃは、支持ベースに対して実質的に平行であり、かつこれに対して平坦にぶっ つかる。膜は、過大圧のもとで、膜６３に過度な応力が生ずるのを防ぐように、 その支持ベースと接触する。

矢印５１、ソース５７および５８によって示されている圧力は、センサ膜６３の 最大の使用可能圧力範囲よりもわずかに大きい圧力に対して、膜６３にぴったり 適合するような値に選定される。次に、表面４３Ｃの凹形形状は、膜６３が圧力 の所望範囲で作動するが、応力が過大になる前に実質的に平面になり、それぞれ の支持ベース部材５０と接触するのに適当な形になっている。同様に、支持ベー スからの膜面の間隔は、図面では誇張して示されている。コンデンサプレート４ ７および、膜の中央部分は、容量形検知を可能にするために、十分に電気的な導 電性がある。

第７図および第８図には、変形例のセンサセルが例示されている。セルハーフが 第７図に示されており、このセルハーフは、第３図に関連して記述されたように して形成されたシリコンウェーハ４０およびガラスディスク４５を使用して、バ ッチ工程で形成される。

セルハーフは、適当なガラスからできた支持プレートすなわちベース７５と、ウ ェーハ４０から作られた検知膜アセンブリ７６とを含んでいる。膜アセンブリ７ ６は、エツチングのような既知の技術を用いて、凹部７８を形成することによっ て作られた、偏向する圧力検知膜部材７７を含んでいる。

周辺リム７９は、そのエッチ部で、偏向膜を支持するように形成されている。

支持ベース７５は、その上に付着されたコンデンサプレート８２を持っており、 通路８３は、偏向膜７７の下で、空洞７８に開口している。通路８３は金属で被 覆され、金属８４の層が、そのガラスディスク７５のコンデンサプレート８２と は反対の側に形成されている。

本発明のこの形態においては、ガラス支持プレートすなわちベース７５、および シリコン膜７６は、リム７９で一体に結合されており、第７図に示されているよ うな個々のセルハーフ部に分割する前に、シリコンウェーハは、第７図の点線部 分８５で示されている材料をラッピングまたは研摩で除去される。それにより、 膜部分７７は、所望の厚さにまでうすくされる。

各々が、第７図に示したように形成された複数のセルハーフを持っている、二つ のシリコンウェーハおよびガラスディスクのアセンブリが、それらの間に結合材 料の層を挟んでζ整列して積層配置される。それから、個々の、同一のセルハー フが第８図に符号８７Ａおよび８７Ｂで示すように整列して配置される。

ウェーハおよびガラスディスクは適当な固定具内に保持され、セルハーフ８７Ａ および８７Ｂが、それぞれセルハーフの開口部８３を通して、符号８９および９ ０で示されているソースからの圧力を受け、偏向膜部７７を弓なりに外側へ膨出 させて結合材層９１を圧縮する。結合材層は、図示の例では、溶融ガラスフリッ トのような弾性または流動性物質または、固まって、硬化後に剛体になるような 弾性材料である。

保持力Ｆを加えた状態で取付けを行なうことは、二つのセルハーフ８７Ａと８７ Ｂの間の結合材料９１と共に、ウェーハとガラスディスクのアセンブリを取付け るのに適している。

ソース８９および９０からの圧力（これらは等しく保持される）は、所望のレベ ルに維持される。

各偏向膜部分７７は、互いに向い合っている他方の偏向膜部分７７から独立して いるので、前記膜部分は、お互いの方へ弓形屈曲する。材料９１は、この弓形変 形すなわち偏向を吸収するように流動した後に固まって硬化し、単−検知膜９３ を形成するように、第８図に示すように、それらを変形（偏向）状態に保持した まま、変形膜部分７７と一体に、膜アセンブリ７６を結合させる。

それぞれの支持ベース７５の平坦面に面した表面７７Ｃは、凹形形状を呈してい るが、それは、所望の形状を実現するように選択された圧力のもとての、変形（ 偏向）された膜形状である。

使用時に、セルハーフにかかる圧力が等しくない場合、例えば、セルハーフ８７ Ｂにかかるソース９０からの圧力が減少され、ソース８９の圧力が所定の圧力を 超えた場合には、差圧は、膜アセンブリ９３が変形し、セルハーフ８７Ｂの表面 ？７Ｃが、セルハーフ８７Ｂに対する支持ベース７５の表面にぶっつかるまで偏 向させられるようなレベルになる。表面７７Ｃは支持ベース７５の向い合った表 面上に支持され、このように、支持ベース上に着床している時には、実質的に平 坦になっている。したがって、検知膜９３は、その膜表面が図示のような形状に されている時は、過大圧のもとで、その表面全体にわたって完全に支持される。

膜アセンブリ９３は、一体に結合された二つの膜部分７７から構成されているの で、それらを一体に結合する前に、膜部分７７を偏向させるための圧力８９およ び９０を選定する時には、そのアセンブリのスティフネス（ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ 　）の増加が、考慮されなければならない。

留意すべきことは、膜上で検知される差圧は比較的低い範囲であるかも知れない が、第１および第２図のＰＩおよびＰ２で示されているような、分離膜を通して 加えられる全体の静的ライン圧は非常に高く、実際に数千ｐｓｉの範囲のことも あり得る、ということである。

第８図に示すように、単一の（しかし複合の）膜を持ったセルアセンブリ８７は 、それぞれコンデンサプレート８２および偏向膜部分７７に接続されたリード９ ４および９５を持っている。変形膜は、十分に導電性であるか、または少なくと も、偏向の容量検知を可能にするのに十分な導電性部分を持っている。

プレートおよび膜部分は、プレート８２および近接膜部分の表面の間の間隔を示 す容量性信号を発生する。適当な既知の囲路が使用できる。２つのセルハーフの 膜部分７７が、絶縁性結合層によって分離される時には、リード９５が、膜部分 ７７の下側にあるコンデンサプレート８２に対応したそれぞれのセルハーフの、 個々の容量を示すために使用できる。

同様に、膜部分は、対向する両表面に作用する圧力差を検知するための単一膜ア センブリ９３を形成する。支持ベース７５に面した表面は、所望の圧力のときに 、その表面が検知膜アセンブリ９３の偏向（変形）された形状に合致するように 形成される。

膜９３が、過大な圧力の下で支持されている時には、それぞれの支持ベース７５ で支持されている表面は、その支持ベース７５の表面に対して実質的に平坦であ る。

符号１０で示しているような、変形例のセンサセルを、第９〜１４図に基づいて 、以下に説明する。本発明のこの形態においても同様に、バッチ工程が使用され ているが、その製造工程はいくらか異なっている。

第９図を参照すると、符号１００で全体的に示されているシリコンウェーハが所 望の位置に凹部すなわち空洞１０１を形成することによって準備され、これらの 凹部と整列関係にある、より薄い膜部分１０２が実現される。凹部はまた、膜部 の各々の周囲にリム部分１０３を形成している。個々のセンサセル・ハーフが、 点線１０４によって全体的に示されているように、ウェーハから切り出される時 に、リム部分１０３は、分割される。鎖線１０４に沿って分割した時に、それら のエツジ部で、偏向膜部分１０２を支持するリムを備えた膜アセンブリ１０５が 形成される。膜部分は、平面図で、実質的に方形か丸形かである。

シリコンウェーハ１００は、そこに形成された幾つかの膜部分１０２を持ち、そ れは、その中に、複数のかなり大きな開口部１１１を持つ、１１０で示された金 属ツールプレート（ｔｏｏｌ　ｐｌａｔｅ）に取付けられる。各開口部１１１は 、シリコンウェーハ上の膜部分１０２の下に形成されたそれぞれの空洞１０１の 一つと一列に配置される。ワックス層が、密封を実現するために、シリコンの表 面と金属との間に配置される。

それから、符号１１６で構成が示されているマニホルドが、金属ツールプレート の表面１１５上に配置されてシール１１６Ａで密封され、開口部１１１を通して 、各空洞１０１内へソース１１６Ｂからの圧力が供給される。それによって、第 ９図の点線１０２Ｂで示されているように、膜部分を外側に弓形に屈曲させる。

金属ツールプレートおよびウェーハは、適当な取付は具を用いて、マニホルドと 一体に保持される。

シリコンウェーハ１００の外側表面は、圧力が空洞１０１内に維持されている間 に、平らにラッピング（または研摩）される。矢印１１７で示されているシリコ ンウェーハの厚さは、約１２．５Ｅルである。ソース１１６Ｂからの圧力が放出 された時に、その膜部分１０２は第１０図に示す形状になると想定され、上側表 面は、各々がより薄い膜部分を形成している凹形表面部分１０２Ａを有する。

表面１０２Ｄは、空洞１０２Ａの深さを小さくするために、そしてまた、ガラス が陽極結合できるような研摩表面を生成するためにみがかれる。次に、凹形部分 の形状が、実質的に、前のラッピング工程中に加えられていた圧力の下での、膜 の偏向形状に一致させられる。圧力ソース１１６Ｂからの圧力範囲は、一般に、 １０ｐｓｉ差圧センサに対しては５０ｐｓｉの範囲にある。

表面１０２Ｄをラッピングしたり、研摩したりした後では、シリコンウェーハ１ ００は約１１．５ミルの寸法１１８を持っている。ウェーハは、金属ツールプレ ート１１０から取りはずされ、前もって研摩しておいたウェーハ１００の表面１ ０２Ｄがパイレックスディスク１２０に陽極結合される。

このディスク１２０は、第１１図の点線１０４で示されているように、層が、個 々のセンサセルに切断される時に、個々のセンサの支持ベースを形成する。各々 のセンサセルは、符号１２１で示されている。

凹形表面１０２Ａは、ガラスディスク１２０内に形成されている開口部１２２の 上に重ねられる。開口部１２２は、シリコンウェーハに面したガラスディスクの 表面上にある浅い凹部１２２Ａによって囲れている。凹部は、膜が形成される領 域において、ウェーハが、ガラスディスクに結合されないことを保証している。

しかしながら、陽極結合が、ガラスディスク１２０にリム部１０３の表面を結合 させるので、表面１０２Ａの各々の下にあって符号１２４で示された空洞が、耐 圧力性の空洞を形成する。

次の段階において、ウェーハ１００の中に最初に形成されていた凹部１００が、 空洞１０１の間のリム１０３の部分を削り取ることによって除去される。ウェー ハ１００およびガラスディスク１２０のアセンブリが、シリコンウェーハ１００ 上で平坦な外側表面１２６を持つように、第１２図に示されている。したがって 、シリコンウェーハは、寸法１２５によって示されているように、実質的にその 厚みが薄くなっており、例えば、全体の厚さが５．３ミルの範囲で、空洞１２４ の上の膜部分１０２における最小の厚さが約４．８ミルである。

シリコンウェーハ１００およびパイレックスすなわちガラスディスク１２０の結 合アセンブリは、開口部１２１の各々に、圧力をかける（マニホルド１１６のよ うなマニホルドを使用して）ことによってさらに処理し、より薄い膜部分１０２ を、第１２図に点線１０２Ｅで示したように、外側に弓形に膨出させる。圧力が 空洞１２４に保持されている間に、表面１２６が平らにラッピングまたは研摩さ れる。

ガラスディスク１２０内の開口部に圧力を加える前に、所望の厚さにまでラッピ ング、研摩してしまった後では、膜部分がより薄くなっているので、この場合の 圧力は、最初の段階で使用された圧力よりも低くなるであろう。

圧力が、その後で開口部１２２および空洞１２４から除去されると、偏向してい た膜部分１０２は、それらの原の位置へ戻る。このことにより１、表面１０２Ａ に対して膜部分１０２の反対側に、凹部表面１０２Ｃが残る。表面１０２Ｃもま た、その偏向膜が圧力を受けた時に偏向される膜の形状と実質的に合致している 。第１３図に寸法１２８によって示すように、約４．９ミルの厚さになるまで、 表面１２６が研摩される。アルミニウム酸化物が、みがき剤または研摩剤として 使用できる。

このように、偏向膜部分１０２は、薄くなった厚さの中央部を形成するように、 その両側に曲面を持っている。

この形式のバッチ工程において、センサセルを形成する最終段階では、第二のガ ラスディスク１３０が、ウェーハ１００の表面１２６に陽極結合される。この第 二のガラスディスク１３０もまた、表面１０２Ｃの各々に連通された開口部１３ ２を持っており、ディスク１３０が所定位置に結合されたとき、シリコンウェー ハの空洞１２４とは反対側に空洞１３４が形成されることは明らかである。表面 １０２ｃがガラスディスク１３０に結合しないことを保証するために、開口部１ ３２の周囲に浅い凹部１３２Ａが設けられる。

それからセンサセルは、個々のガラスペース１３１および１２１、ならびにそれ らの間にサンドイッチ状に挟まれた膜アセンブリ１０５を形成するために、１３ ５で示した点線に沿って切断される。膜アセンブリ１０５は、リム部分１０３で 支持された偏向部分１０２を持っている。

弓形の表面をラッピングしたり、研摩したりするために使用される圧力は、その 弓形表面がただ単に平らに押付けられるだけにならないように制御されなければ ならない。ラッピング力は、その膜に作用する圧力に対応して、その正味の力が 適切になるように制御される。膜に作用する圧力媒体が液体であって、適切な圧 力で所定の（密封された）位置にトラップされる場合には、その液体が膜を平ら にさせないので、ラッピング力に関する懸念はもはや必要でない。

線１３５に沿って切断されると、個々のセンサセル１３６は方形断面に形成され るので、これらのセンサセルはセル１０に類似したものとなる。セル１３６は、 差圧を検知するために、第１図に示されているように、支持またはハウジングシ リンダ１１および１２の間にサンドイッチ状に挟まれることができる。

この場合もまた、整形された膜の表面１０２Ａおよび１０２Ｃは、それぞれの支 持ベース１２１または１３１に面する偏向膜が実質的に凹形部分を持つようなも のであるので、差圧が、例えば空洞１３４に加えられて、それが最大の所定過大 圧に達した時に、表面１０２Ａは、それぞれの支持ベース１２１の対向面にぶっ つかって静止するように、事実上平面になるであろう。

室１２４内の圧力が最大許容過圧よりもより大きく、室１３４内の圧力よりも大 きい場合には、上記とは反対の作用が生じる。なぜならば、その場合には、表面 １０２Ｃが、支持ブロック１３１に対してぶっつかって平坦になっているからで ある。

膜変形の検知手段は、所望にしたがって選択できる。図示しているように、表面 １０２Ａは、その変形を検知するために、その上にドープされたひずみ計抵抗１ ３７を持っている。

なお、所望に応じて、表面１０２Ａと１０２Ｃの両方ともに、そのようなひずみ 計抵抗を設けてもよく、またはガラス支持ベースの上に、容量形検知のためのコ ンデンサプレートを付着させてもよい。

第１５図は、符号１０で示したような個々のセンサセルの各々を取付ける好まし い形態を示している。前の図に示された他のセンサセルには、それぞれ別々の符 号が付されているが、セル１０は、前述されている各センサセルを全般的に代表 するものとして示している。

センサセルは、適切なバッキングＣｂａｃｋｉｎｇ　）を準備することによって 、そのセンサセルの一体性と剛性を維持するように、シリンダ１１と１２の間に 固定されている。後で説明するように、その取付けは、異なった静的ライン圧力 条件のもとで、センサセルの膜上での応力差の補償を実現するように行なうこと ができる。

例えば、第１５および１６図に示されているセンサセルの構造上の寸法比は、他 の図にはあてはまらないが、この寸法無しの図面は例示と説明とを目的としたも のである。

この図は、例示目的のために概略の尺度で示されているが、センサセル１０の寸 法（面積）は、約０．２平方インチ（０，４５ＸＯ，４５インチ平方）であり、 第１５図に示されているセンサアセンブリの全体の長さは、１インチの範囲にあ ることを理解しなければならない。

第１の形式のハウジングにおいては、センサセル１０は、第１図に示されている ように、シリンダまたはブロック１１および１２の間に配置されるように示され ている。第２図の構成もこれと類似している。

入力用圧力チューブ２７および３４は、それぞれエンドキャップ１５０および１ ５２を貫通し、パイレックスまたはガラス製のシリンダー１および１２内の供給 開口部すなわち圧力通路に封止してはめ込まれている。圧力は、パイレックスシ リンダを通して完全に伝達される。入力圧力チューブ用の適当な密封シール部材 が、符号１５１および１５３で示されているように使用できる。

検知されようとしている圧力は、ガラス製の取付はシリンダすなわちブロック１ １および１２を通し、さらに、例えば本発明の第１の実施形態におけるセンサ支 持ベース５０内に設けた開口部４６のような、センサセル内に構成されている開 口部を通してセンサセル１０の両側へ伝達される。

本発明のこの実施形態においては、ガラス製取付はシリンダ１１および１２が、 セル１０の両側から、封止および力伝達用の支持リング１５５，１５５を使用し て、その周辺で前記センサセル１０を締め付け、取付は力Ｆ　を発生させている 。シール１５５は、セル１０の外側表面と取付はシリンダ１１および１２の各端 面との間に、小さくて非常に薄い室１５６および１５７を形成する。

チューブ２７および３４内の圧力は、それぞれ、センサセルの両側にある小室１ ５６および１５７の中にも存在するので、その圧力がセルのガラス支持ベース５ ０上に（または、他の実施形態のセルのガラス支持ベースにも）作用する。支持 ベース５０と、それぞれの取付はブロックとの間の間隙は十分に小さいので、過 度の差圧を受けた時には、ガラスペースは、著しい過大圧力のもとての損傷を防 止するために、隣接の取付はシリンダ１１または１２の端面に支持されるであろ う。

支持またはハウジング・シリンダ１１および１２（パイレックスから作られた） は、ガラス支持ベース５０と同一の熱膨張係数を持っており、これが、異なった 温度条件のもとての安定性の維持に役立つ。

エンドキャップ１５０は、適当なスプリング率のベレビーレ（Ｂｅｌｌｅｖｉｌ ｌｅ　）ばね１６０を介してシリンダ１１のベースに作用する。一方、エンドキ ャップ１５２は、シリンダおよびセル１０を所定位置に保持するように、適当な ガスケット１６２を介して作用することができる。締付けは、使用中にセンサセ ルを圧縮状態に保持できるようなレベルにセットされる。

張力支持ボルト１６３が、エンドキャップ１５０および１５２を一体に保持し、 必要な締付は力を発生させるために使用されている。半導体チップ１６４が、ガ ラス製取付はシリンダの一方に取り付けられ、これは、リード１６５でセンサに 結合される容量形検知回路を含むことができる。

センサアセンブリの変形例が第１６図に示されている。この例においては、エン ドキャップ１５０Ａおよび１５２Ａが使用され、それらは、ぞれぞれの端部の所 定位置で、シール溶＋１１７１によってエンドキャップに溶接されているスリー ブ１７０と一体に保持されている。

スリーブ１７０は、溶接の前に予備荷重をかけるために、引張り状態に置かれて おり、張力荷重のスリーブ１７０が溶接後に解放された時に、取付はシリンダ１ １および１２に対してエンドキャップを、圧縮状態に保つように所定位置に溶接 する時にも、引張り状態に保持される。使用中のセンサセルには圧縮力が加えら れている。気密シール（密封）が、エンドキャップ１５０Ａおよび１５２Ａの周 縁の溶接１７１によって形成されている。

第１６図に示されているように、ガラスシリンダ１１および１２は、支持ベース ５０に対して配置されたガラスフリット１７３で、セル１０のガラス支持ベース ５０を、それらの全表面にわたって、支持しており、チューブ１７０（またはそ の他の締め付は構造部材）内の張力に起因する締付は力を、センサセル１０の露 出した両側の表面全体に及ぼしている。

同様に、シリンダ１２を所定位置に保持するために、符号１７４で示したろう付 けを、ガラスシリンダ１２の端面全体にわたって使用することができる。

チューブ１７０は、ガラス製取付はシリンダの一つに取付けられた半導体チップ １７６から電気信号を取出すために、適当な電気的フィードスルー１７５を持つ ことができる。前記チップはまた、容量形検知回路をその上に持つこともできる 。そのチップは、センサセル１０からのリード１７７に接続される。センサセル 上のリードは、従来の方法で、チップ１７６上の回路に接続される。

Ｆ≦乙とｚ−−Ｚ５；” 国際調査報告

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. １．流体の差圧を検知し、これを表わす出力を発生するためのセンサであって、 それぞれが、各入口領域から各支持面へ流体圧を伝達するために、入口領域から 、実質的に平面である支持面まで延びたホールを有する一対の入口手段と、 圧力検知用の膜部材であって、ホールを取囲むように、両方の支持面に封止、結 合された外側リムおよび前記リムによって境界付けられ、圧力によって偏向可能 な領域を有し、前記偏向可能な領域は、偏向可能領域が静止位置にある時に、そ れぞれが凹形状を呈する部分を持っている、外側に向いた一対の表面を持った圧 力検知用の膜部材と、センサ内に配置されて偏向可能領域の偏向を検知し、圧力 の出力表示を発生する検知手段とを具備したセンサ。
2. ２．請求の範囲１に記述されているセンサであって、偏向可能領域は、それが過 大な圧力によって偏向された時に、その支持表面の一つによって支持されるセン サ。
3. ３．請求の範囲１に記述されているセンサであって、検知手段が、膜部材上に配 置されたひずみ計であるセンサ。
4. ４．請求の範囲１に記述されているセンサであって、検知手段が支持表面上に配 設され、偏向可能領域上の導電部分と容量的に結合して圧力の容量形表示を発生 するような固定導電コンデンサプレートを含んでいるセンサ。
5. ５．請求の範囲３に記述しているセンサであって、さらに、流体からセンサ手段 を分離するように、ホールを取囲む入口領域に封止結合された一対の可撓性分離 膜と、分離膜から膜部材へ圧力を伝達するように、その分離膜と膜部材との間の 空所を実質的に充填する、誘電性の実質上非圧縮性流体とを具備したセンサ。
6. ６．請求の範囲１に記述されているセンサであって、センサは一対のセンサセル ハーフを有しており、前記セルハーフの各々は、膜部材の半分および、凹形状を 持った一つの表面を具備しており、二つの前記センサハーフが一体に結合されて 膜部材が形成されているセンサ。
7. ７．請求の範囲６のセンサにおいて、各センサハーフ部の凹形表面が、膜部材を 外側に弓形に曲げて膨出部を形成し、前記膨出部を形成する材料を除去し、その 後で前記膜部材をその通常の位置へ戻すことによって形成されたセンサ。
8. ８．請求の範囲１のセンサにおいて、入口部材は膜部材のための一対の支持ベー スを含んでおり、支持ベースおよび膜部分は、センサセルを構成し、圧力検知の ために前記センサセルを取付ける手段は、前記センサセルの両側にあるそれぞれ の支持ベース上に支持された取付けブロックを含み、前記取付けブロックは、前 記支持ベースと実質的に同じ熱膨張係数を持った材料から作られているセンサ。
9. ９．請求の範囲８のセンサであって、、前記センサセルに前記取付けブロックを 締付けるための手段を含んでおり、前記取付けブロックは、膜部材の外側リムと 実質的に整列された前記支持ベースの周縁付近のみで、支持ベースに締付け力を 伝達する手段を持っているセンサ。
10. １０．圧力検知のための膜構造であって、偏向部分、および偏向部分用のエッヂ 支持を持った膜部材よりなり、 前述の膜は、少なくとも一つの表面が凹形表面を呈しており、前述の凹形表面は 、 前記一つの表面とは反対側の表面に圧力を加えることにより、エッヂ支持部に対 して膜部材を偏向させて、前記偏向部分に弓形変形を生じさせ、膜部材の反対側 の表面に圧力が保持された状態で、前記一つの表面上の弓形膨出部分から層状に 材料を除去して、偏向部材の前記一つの表面上に実質的な平面を形成し、 その後、圧力を除去し、前記一つの表面が、その元の位置に戻った時に、前記一 つの表面が凹形になることができるようにし、 その結果として、前記一つの表面上に凹形が形成されるようにすることによって 形成される圧力検知用の膜構造。
11. １１．請求の範囲１０の膜構造において、凹形の表面の形成期間中に、膜部材の 反対表面に加えられる圧力は、その膜が受けるであろうフルスケール差圧の既知 の関数になるように選択され、その結果、膜部材の前記凹形表面とは反対側の表 面に加えられる負荷が、所定の過大圧条件に達した時に、前記凹形表面が実質的 に平らになるようにされた膜構造。