JPH0749279A - 差圧測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ヒステリシス特性が良好で、小型安価で高性
能な差圧測定装置を提供する。 【構成】 シリコン基板の一面に設けられ高圧側測定圧
を受圧する凹状の高圧側受圧室と、シリコン基板内に高
圧側受圧室に対向して設けられ高圧側受圧室と第１シリ
コンダイアフラムをシリコン基板に形成し且つシリコン
基板内に薄膜状の隙間を構成する第１バックアップ室
と、シリコン基板の一面に設けられ一面の開口部より広
い拡大部を有し低圧測定圧を受圧する凹状の低圧側受圧
室と、シリコン基板内に低圧側受圧室に対向して設けら
れシリコン基板に低圧側受圧室と第２シリコンダイアフ
ラムを形成し且つシリコン基板内に薄膜状の隙間を構成
する第２バックアップ室と、シリコン基板内に設けられ
第２バックアップ室と第１バックアップ室とを連通する
連通孔とを具備したことを特徴とする差圧測定装置であ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ヒステリシス特性が良
好で、小型安価で高性能な差圧測定装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】図１１は従来より一般に使用されている
従来例の構成説明図で、例えば、特開昭５９―５６１３
７号の第１図に示されている。図において、ハウジング
１の両側にフランジ２、フランジ３が嵌合い組み立てら
れ溶接等によって固定されており、両フランジ２，３に
は測定せんとする圧力Ｐ_Hの高圧流体の導入口５、圧力
Ｐ_Lの低圧流体の導入口４が設けられている。ハウジン
グ１内に圧力測定室６が形成されており、この圧力測定
室６内にセンタダイアフラム７とシリコンダイアフラム
８が設けられている。

【０００３】センタダイアフラム７とシリコンダイアフ
ラム８はそれぞれ別個に圧力測定室６の壁に固定されて
おり、センタダイアフラム７とシリコンダイアフラム８
の両者でもって圧力測定室６を２分している。センタダ
イアフラム７と対向する圧力測定室６の壁には、バック
プレ―ト６Ａ，６Ｂが形成されている。センタダイアフ
ラム７は周縁部をハウジング１に溶接されている。シリ
コンダイアフラム８は全体が単結晶のシリコン基板から
形成されている。

【０００４】シリコン基板の一方の面にボロン等の不純
物を選択拡散して４個のストレンゲ―ジ８０を形成し、
他方の面を機械加工、エッチングし、全体が凹形のダイ
アフラムを形成する。

【０００５】４個のストレインゲ―ジ８０は、シリコン
ダイアフラム８が差圧ΔＰを受けてたわむ時、２個が引
張り、２個が圧縮を受けるようになっており、これらが
ホイ―トストン・ブリッジ回路に接続され、抵抗変化が
差圧ΔＰの変化として検出される。８１は、ストレイン
ゲ―ジ８０に一端が取付けられたリ―ドである。８２
は、リ―ド８１の他端が接続されたハ―メチック端子で
ある。

【０００６】支持体９は、ハ―メチック端子を備えてお
り、支持体９の圧力測定室６側端面に低融点ガラス接続
等の方法でシリコンダイアフラム８が接着固定されてい
る。ハウジング１とフランジ２、およびフランジ３との
間に、圧力導入室１０，１１が形成されている。この圧
力導入室１０，１１内に金属製の隔液ダイアフラム１
２，１３を設け、この隔液ダイアフラム１２，１３と対
向するハウジング１の壁１０Ａ，１１Ａに隔液ダイアフ
ラム１２，１３と類似の形状のバックプレ―トが形成さ
れている。

【０００７】隔液ダイアフラム１２，１３とバックプレ
―ト１０Ａ，１１Ａとで形成される空間と、圧力測定室
６は、連通孔１４，１５を介して導通している。そし
て、隔液ダイアフラム１２，１３間にシリコンオイル等
の封入液１０１，１０２が満たされ、この封入液が連通
孔１６，１７を介してシリコンダイアフラム８の上下面
にまで至っている、封入液１０１，１０２はセンタダイ
アフラム７とシリコンダイアフラム８とによって２分さ
れているが、その量が、ほぼ均等になるように配慮され
ている。

【０００８】以上の構成において、高圧側から圧力が作
用した場合、隔液ダイアフラム１３に作用する圧力が封
入液１０２によってシリコンダイアフラム８に伝達され
る。一方、低圧側から圧力が作用した場合、隔液ダイア
フラム１２に作用する圧力が封入液１０１によってシリ
コンダイアフラム８に伝達される。

【０００９】この結果、高圧側と低圧側との圧力差に応
じてシリコンダイアフラム８が歪み、この歪み量がスト
レインゲ―ジ８０に因って電気的に取出され、差圧の測
定が行なわれる。而して、過大圧が印加された場合に
は、隔液ダイアフラム１２，１３が、バックプレート１
０Ａ，１１Ａに密着して、過大圧がシリコンダイアフラ
ム８に直接加わり、シリコンダイアフラム８が破壊され
るのを防止する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この様
な装置においては、 （１）過大圧保護機構をセンサチップ内に内臓していな
いために、ハウジング１の両側面に、金属製の隔液ダイ
アフラム１２，１３が設けられ、過大圧が印加された場
合には、隔液ダイアフラム１２，１３が、バックプレー
ト１０Ａ，１１Ａに密着して、過大圧がシリコンダイア
フラム８に直接加わり、シリコンダイアフラム８が破壊
されるのを防止する。しかし、金属製の隔液ダイアフラ
ム１２，１３が使用されているため、金属の有するヒス
テリシス等により、測定精度を高くすることが出来な
い。

【００１１】（２）金属製の隔液ダイアフラム１２，１
３等が使用されているので、重く、大きくなり、小型軽
量化が困難である。 （３）従って、製造コストの低減も困難である。

【００１２】本発明は、この問題点を、解決するもので
ある。本発明の目的は、ヒステリシス特性が良好で、小
型安価で高性能な差圧測定装置を提供するにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明は、差圧を検出する差圧測定装置において、
シリコン基板の一面に設けられ高圧側測定圧を受圧する
凹状の高圧側受圧室と、前記シリコン基板内に該高圧側
受圧室に対向して設けられ該高圧側受圧室と第１シリコ
ンダイアフラムを該シリコン基板に形成し且つ該シリコ
ン基板内に薄膜状の隙間を構成する第１バックアップ室
と、前記シリコン基板の前記一面に設けられ該一面の開
口部より広い拡大部を有し低圧測定圧を受圧する凹状の
低圧側受圧室と、前記シリコン基板内に該低圧側受圧室
に対向して設けられ該シリコン基板に該低圧側受圧室と
第２シリコンダイアフラムを形成し且つ該シリコン基板
内に薄膜状の隙間を構成する第２バックアップ室と、前
記シリコン基板内に設けられ該第２バックアップ室と前
記第１バックアップ室とを連通する連通孔と、前記シリ
コン基板の前記一面に一面が接して設けられ前記低圧側
受圧室の開口部を閉鎖するブロック状の導圧部と、該導
圧部に設けられ前記低圧側受圧室と外部とを連通する導
圧孔と該導圧孔と前記第１バックアップ室と前記第２バ
ックアップ室とに封入された封入液と、前記第１シリコ
ンダイアフラム或いは前記第２シリコンダイアフラムに
設けられた歪センサとを具備したことを特徴とする差圧
測定装置を構成したものである。

【００１４】

【作用】以上の構成において、高圧側測定圧力が高圧側
受圧室に印加され、低圧側測定圧力が低圧側受圧室に印
加される。この高圧側と低圧側との圧力差に応じて第
１，第２シリコンダイアフラムが歪み、この歪み量が歪
検出素子に因って電気的に検出され、差圧の測定が行な
われる。

【００１５】而して、過大圧が高圧側受圧室に印加され
ると、第１バックアップ室は薄膜状の隙間であるので、
第１シリコンダイアフラムが僅か変位して、第１バック
アップ室の壁に密着し、第１，第２シリコンダイアフラ
ムが破壊されるのを防止する。

【００１６】過大圧が低圧側受圧室に印加されると、第
２バックアップ室は薄膜状の隙間であるので、第２シリ
コンダイアフラムが僅か変位して、第２バックアップ室
の壁に密着し、第１，第２シリコンダイアフラムが破壊
されるのを防止する。以下、実施例に基づき詳細に説明
する。

【００１７】

【実施例】図１は本発明の一実施例の要部構成説明図、
図２は図１の平面図である。図において、図１１と同一
記号の構成は同一機能を表わす。以下、図１１と相違部
分のみ説明する。

【００１８】２１は、シリコン基板である。２２は，シ
リコン基板２１の一面２３に設けられ，高圧側測定圧を
受圧する凹状の高圧側受圧室である。２３は，シリコン
基板２１内に、高圧側受圧室２２に対向して設けられ、
高圧側受圧室２２と第１シリコンダイアフラム２５をシ
リコン基板２１に形成し、且つシリコン基板２１内に薄
膜状の隙間を構成する第１バックアップ室である。

【００１９】２６は、シリコン基板２１の一面に設けら
れ、一面２３の開口部２７より広い拡大部２８を有し、
低圧測定圧を受圧する凹状の低圧側受圧室である。２９
は、シリコン基板２１内に、低圧側受圧室２６に対向し
て設けられ、シリコン基板２１に低圧側受圧室２６と第
２シリコンダイアフラム３１を形成し、且つシリコン基
板２１内に薄膜状の隙間を構成する第２バックアップ室
である。

【００２０】３２は、シリコン基板２１内に設けられ、
第２バックアップ室２９と第１バックアップ室２４とを
連通する連通孔である。３３は、シリコン基板２１の一
面２３に一面が接して設けられ、低圧側受圧室２６の開
口部２７を閉鎖するブロック状の導圧部である。この場
合は、パイレックスガラスが使用されている。

【００２１】３４は、導圧部３３に設けられ、低圧側受
圧室２６と外部とを連通する導圧孔である。３５は、導
圧孔３４と第１バックアップ室２４と第２バックアップ
室２９とに封入された封入液である。この場合は、シリ
コンオイルが使用されている。

【００２２】３６は、第１シリコンダイアフラム２５或
いは第２シリコンダイアフラムに設けられた歪センサで
ある。この場合は、ピエゾ抵抗素子が使用されている。
３７は、封入液３５を封止するためのワイヤボンドの金
線である。３８は、ボンディングパッドである。

【００２３】以上の構成において、高圧側測定圧力が高
圧側受圧室２２に印加され、低圧側測定圧力が低圧側受
圧室２６に印加される。この高圧側と低圧側との圧力差
に応じて第１，第２シリコンダイアフラム２５，３１が
歪み、この歪み量が歪検出素子３６によって電気的に検
出され、差圧の測定が行なわれる。

【００２４】而して、過大圧が高圧側受圧室２２に印加
されると、第１バックアップ室２４は薄膜状の隙間であ
るので、第１シリコンダイアフラム２５が僅か変位し
て、第１バックアップ室２４の壁に密着し、第１，第２
シリコンダイアフラム２５，３１が破壊されるのを防止
する。

【００２５】過大圧が低圧側受圧室２６に印加される
と、第２バックアップ室２９は薄膜状の隙間であるの
で、第２シリコンダイアフラム３１が僅か変位して、第
２バックアップ室２９の壁に密着し、第１，第２シリコ
ンダイアフラム２５，３１が破壊されるのを防止する。

【００２６】なお、拡大部２８は、過大圧が低圧側受圧
室２６に印加された場合に、シリコン基板２１と導圧部
３３の接合部に大きな剥離する力が作用するのを防止す
るためのものである。

【００２７】このような装置は、図３から図１０に示す
如くして制作する。 （１）図３に示す如く、ＳＯＩウエハー１０１の所要個
所１０２をＲＩＥエッチングによりエッチングして、酸
化シリコン１０３とシリコン１０４をエッチングする。

【００２８】（２）図４に示す如く、ＳＯＩウエハー１
０１の表面にエピタキシャル成長層１０５を成長させ
る。 （３）図５に示す如く、エピタキシャル成長層１０５の
表面に拡大部２８を形成するためのＰ⁺拡散部１０６を
形成する。（後工程の光ポーラス化でＰ⁺層がエッチン
グされる。

【００２９】（４）図６に示す如く、エピタキシャル成
長層１０５の表面にエピタキシャル成長層１０７を成長
させる。エピタキシャル成長層１０７の表面を研摩す
る。 （５）図７に示す如く、高圧側受圧室２２と低圧側受圧
室２６を形成すると共に、第１，第２シリコンダイアフ
ラム２５，３１を形成するため、エピタキシャル成長層
１０７，１０５，１０４のシリコンをエッチングする。

【００３０】（６）図８に示す如く、酸化シリコン１０
３ををエッチングして、バックアップ室２４，２９と連
通孔３２とを形成する。 （７）図９に示す如く、第１シリコンダイアフラム２５
に歪センサ３６を形成する。Ｐ⁺拡散部１０６を光ポー
ラス化し、その領域を酸化して、エッチング除去する。

【００３１】（８）図１０に示す如く、導圧孔３４が設
けられているパイレックスガラスの導圧部３３の一面
を、シリコン基板２１の一面２３に陽極接合する。封入
液３５を封入して、金線３７で封止する。

【００３２】この結果、 （１）過大圧保護機構をシリコン基板２１内に内蔵出来
たので、１１図従来例の如く、ハウジング１の両側面
に、金属製の隔液ダイアフラム１２，１３を設ける必要
がなく、ダイアフラム２５，３１はシリコンで構成でき
たので、金属が有する大きなヒステリシス等が生ぜず、
再現性が良好で、測定精度が高い差圧測定装置が得られ
る。

【００３３】（２）過大圧保護機構をシリコン基板２１
内に内蔵出来たので、極めて小さく出来、軽く出来るの
で、小型軽量化が図れる。 （３）プレーナ構造を採用したので、通常の半導体製造
プロセスを利用できるので、製造コストの低減が図れ
る。 （４）センサ自身に過大圧保護機構を有しているので、
別に過大圧保護機構が必要でなくなる。

【００３４】なお、製造方法に於いて、ＳＯＩ基板の代
わりに、シリコン基板に酸化シリコン膜がパターニング
され、その上に、ポリシリコンを成長させても良い事は
勿論である。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、差圧を
検出する差圧測定装置において、シリコン基板の一面に
設けられ高圧側測定圧を受圧する凹状の高圧側受圧室
と、前記シリコン基板内に該高圧側受圧室に対向して設
けられ該高圧側受圧室と第１シリコンダイアフラムを該
シリコン基板に形成し且つ該シリコン基板内に薄膜状の
隙間を構成する第１バックアップ室と、前記シリコン基
板の前記一面に設けられ該一面の開口部より広い拡大部
を有し低圧測定圧を受圧する凹状の低圧側受圧室と、前
記シリコン基板内に該低圧側受圧室に対向して設けられ
該シリコン基板に該低圧側受圧室と第２シリコンダイア
フラムを形成し且つ該シリコン基板内に薄膜状の隙間を
構成する第２バックアップ室と、前記シリコン基板内に
設けられ該第２バックアップ室と前記第１バックアップ
室とを連通する連通孔と、前記シリコン基板の前記一面
に一面が接して設けられ前記低圧側受圧室の開口部を閉
鎖するブロック状の導圧部と、該導圧部に設けられ前記
低圧側受圧室と外部とを連通する導圧孔と該導圧孔と前
記第１バックアップ室と前記第２バックアップ室とに封
入された封入液と、前記第１シリコンダイアフラム或い
は前記第２シリコンダイアフラムに設けられた歪センサ
とを具備したことを特徴とする差圧測定装置を構成し
た。

【００３６】この結果、 （１）過大圧保護機構をシリコン基板内に内蔵出来たの
で、従来例の如く、ハウジングの両側面に、金属製の隔
液ダイアフラムを設ける必要がなく、ダイアフラムはシ
リコンで構成できたので、金属の有する大きなヒステリ
シス等が生ぜず、再現性が良好で、測定精度が高い差圧
測定装置が得られる。

【００３７】（２）過大圧保護機構をシリコン基板内に
内蔵出来たので、極めて小さく出来、軽く出来るので、
小型軽量化が図れる。 （３）プレーナ構造を採用したので、通常の半導体製造
プロセスを利用できるので、製造コストの低減が図れ
る。 （４）センサ自身に過大圧保護機構を有しているので、
別に過大圧保護機構が必要でなくなる。

【００３８】従って、本発明によれば、ヒステリシス特
性が良好で、小型安価で高性能な差圧測定装置を実現す
ることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の要部構成説明図である。

【図２】図１の平面図である。

【図３】図１のエッチング工程説明図である。

【図４】図１のエピタキシャル成長工程説明図である。

【図５】図１のＰ⁺拡散層形成工程説明図である。

【図６】図１のエピタキシャル成長工程説明図である。

【図７】図１の受圧室エッチング工程説明図である。

【図８】図１のバックアップ室エッチング工程説明図で
ある。

【図９】図１のＰ⁺拡散部１０６エッチング工程説明図
である。

【図１０】図１の導圧部３３陽極接合工程説明図であ
る。

【図１１】従来より一般に使用されている従来例の構成
説明図である。

【符号の説明】

２１…シリコン基板 ２２…高圧側受圧室 ２３…一面 ２４…第１バックアップ室 ２５…第１シリコンダイアフラム ２６…低圧側受圧室 ２７…開口部 ２８…拡大部 ２９…第２バックアップ室 ３１…第２シリコンダイアフラム ３２…連通孔 ３３…導圧部 ３４…導圧孔 ３５…封入液 ３６…歪センサ ３７…金線 ３８…ボンディグパッド １０１…ＳＯＩウエハー １０２…所要個所 １０３…酸化シリコン １０４…シリコン １０５…エピタキシャル成長層 １０６…Ｐ⁺拡散層 １０７…エピタキシャル成長層

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】差圧を検出する差圧測定装置において、 シリコン基板の一面に設けられ高圧側測定圧を受圧する
   凹状の高圧側受圧室と、 前記シリコン基板内に該高圧側受圧室に対向して設けら
   れ該高圧側受圧室と第１シリコンダイアフラムを該シリ
   コン基板に形成し且つ該シリコン基板内に薄膜状の隙間
   を構成する第１バックアップ室と、 前記シリコン基板の前記一面に設けられ該一面の開口部
   より広い拡大部を有し低圧測定圧を受圧する凹状の低圧
   側受圧室と、 前記シリコン基板内に該低圧側受圧室に対向して設けら
   れ該シリコン基板に該低圧側受圧室と第２シリコンダイ
   アフラムを形成し且つ該シリコン基板内に薄膜状の隙間
   を構成する第２バックアップ室と、 前記シリコン基板内に設けられ該第２バックアップ室と
   前記第１バックアップ室とを連通する連通孔と、 前記シリコン基板の前記一面に一面が接して設けられ前
   記低圧側受圧室の開口部を閉鎖するブロック状の導圧部
   と、 該導圧部に設けられ前記低圧側受圧室と外部とを連通す
   る導圧孔と、 該導圧孔と前記第１バックアップ室と前記第２バックア
   ップ室とに封入された封入液と、 前記第１シリコンダイアフラム或いは前記第２シリコン
   ダイアフラムに設けられた歪センサとを具備したことを
   特徴とする差圧測定装置。