JPH08500902A - 基台装着式容量型圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 基台に取付けられた容量型圧カセンサ（１０）はハウジング（１１）内に支持され、流体の圧力を感知して航空機の性能に関係する空気圧力データを提供するのに用いられる。容量型センサは厚い基板（４０）を使用し、その上にダイアフラム（４８）が取付けられる。コンデンサ電極（５２）がダイアフラムに配置され、圧力がダイアフラムを偏向させて出力を発生させる。圧力センサ（１０）は応力遮断基台（２０）を用いて外部ハウジング（１１）に装備される。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 基台装着式容量型圧力センサ 発明の詳細な説明 発明の背景 本発明は、航空機操作時の空気圧力感知に主として用いられ、長期間の安定性 を有し、温度による誤差を低減され、堅固で精密な圧力センサ組立体を提供する ように構成された基台装着式容量型圧力センサに関する。 容量型の固体圧力センサはこの技術分野では既知であり、また小形化が可能で あり、製造コストを低廉にできるバッチ製法で製造できるという理由で、広く用 いられている。このような従来技術のセンサは、ガラスまたは半導体の基板およ び、陽極結合、ガラスフリット層、金属拡散および類似の結合技術を用いてダイ アフラムのリムの周縁に一体に結合された成形済みの（formed）ダイアフラム層 を用いてきた。 ホウケイ酸ガラス（パイレックス）層をメタライズしてコンデンサ電極を形成 し、偏向する半導体ダイアフラムと共に用いることも、当該技術において既知で あった。航空機に用いられる圧力センサにとっては、それらが広範囲かつ極めて 急激な温度変化にさらされるために、その温度安定性が問題となる。異なる温度 係数を有する材料によってもたらされる温度依存性応力は依然として問題であり 、また外部ハウジングとセンサダイ・パッケージとの間の応力遮断もまた必要で ある。 発明の要約 本発明は、広い温度範囲にわたって流体圧力の変化を感知するのに使用される 容量型圧力センサに関する。センサ組立体全体としての温度係数が低減される。 容量型センサは、取付け部ならびに、金属ハウジングとセンサ部材との間に温度 によって誘起される応力の両者からの遮断を実現するために、外部ハウジング内 に固定されたガラス筒基台上に取付けられる。 センサ組立体は、大きなｇ力および衝撃負荷に耐えるように、結合およびろう 付技術によってハウジングに固定される。 センサは基板となる受け板、そのリムの周縁で受け板に結合されるダイアフラ ム、およびダイアフラムの上を覆う電極板を含む。ダイアフラムおよび電極板が 容量型センサを構成し、その出力はダイアフラムが電極板に対して相対的に偏向 するにつれて変化する。 ダイアフラムの厚みおよびダイアフラムに結合された電極板の厚みに対する基 板支持体すなわち受け板の厚みの比は、低い温度係数を保証し、かつ広い温度変 化に遭遇しても高い安定性を与えるように選択される。したがって、時間経過時 の薄膜の応力緩和（stress relaxation）の影響が最小になって連続した精密性 が得られるような方法で、ダイアフラムと共に用いられる電極板上に薄いメタラ イズ層が形成される。 圧力センサ組立体用のハウジングには２つのセンサが組込まれ、その内の１つ が能動的であり、他方は基準センサとして機能する。２つのセンサは同じように 構成され、隣り合って配置されるので、それらの容量性出力は、電気的に比を取 られると、加速、機械的応力、熱的応力、および回路に依存した現象によって発 生するような共通モードの誤差が打消されたものとなる。 図面の簡単な説明 図１は、本発明の容量型圧力センサに関連する代表的なハウジングの斜視図で ある。 図２は、ハウジング内での能動圧力センサと基準圧力センサとの配置を概略的 に示す、図１のハウジング内の縦断面図である。 図３は、図１および２に示したハウジング内で使用される代表的センサの第１ の態様を示す縦断面図である。 図４は、図１および２に示したハウジング内で使用されるセンサの変形例を示 す縦断面図である。 図５は、図１および２に示したハウジング内で使用されるセンサのさらに好ま しい変形例を示す図であり、図６の５−５線に沿う縦断面図である。 図６は、図３〜５に示したセンサの代表的構成を示す上面図である。 図７は、図３〜５に示したセンサの電極用メタライズ部の拡大破断断面図であ る。 第８図は、ガラス−ガラス陽極結合工程の概要を説明するための図である。 好ましい実施例の詳細な説明 図１には、主に航空機に組込んで使用される圧力感知用の圧力センサ組立体が 包括的に符号１０で示され、前記組立体は外カバー１２で封止された外部ハウジ ング１１を具備する。ハウジング１１の基板１４は、そこから突出し、かつハウ ジングのボア（bore）に対して封止された圧力感知用ダイ（能動圧力センサ）３ ６のためのステンレススチール製圧力結合フ ィッティングすなわちハウジング１６を備える。静圧基準用ダイ（基準圧感知用 ダイ）３６Ａのためのステンレススチール製帽体１８もまたハウジング１０の基 板から突出している。ハウジングの基板１４は、溶接またはろう付けによってハ ウジングの側壁１３に固着されている。１つの側壁１３には、複数本の電気接続 部材１５が封止貫通されている。 これらの接続部材は、圧力感知ダイ３６および静圧基準ダイ３６Ａの間の信号 の伝達授受に使用される。同じ側壁１３上には、１対のねじ付き組立てスタッド １７がハウジング１１の近傍に取り付けられている。これらのスタッド１７は頭 部１７Ａを有し、側壁１３に「スタッド溶接」またはろう付けされることができ 、センサハウジングを取り付けるための適宜の支持を提供する。接続部材１５は 容易にアクセス可能である。圧力コネクタ部材は実質上正常に、好ましくは９０ ゜で、電気接続部材１５から延長するので、それぞれへのアクセスと取り付けが 簡単化される。圧力感知ダイ３６および静圧基準ダイ３６Ａがハウジング１１お よび封止カバーの内部に封止されると、ハウジング内部のチャンバが真空化（減 圧）され、感知ダイが真空基準を持つように封止される。 図２では、ピトー管の空気圧ラインからのフィッティング がその上にはめ込まれるように、圧力コネクタ１６はＯ−リング溝を有する。コ ネクタ１６は、その内部にボア２１を有し、ボアはそれが拡大される部分に形成 された肩部を有する。ニッケル鍍金された金属基台２０が放射状肩部表面２２上 に支持される。前記金属は、なるべくはコバール（Ｋｏｖａｒ：商標）が望まし い。静圧基準ダイの帽体１８もまた、コバール基台２０を受納する内部空所を有 する。基台２０は、帽体１８のボア内で、放射状肩部表面２２Ａ上に支持される 。帽体１８の内部空所はその１端で外気に対して閉塞されるが、基準ダイのダイ アフラムが零差圧を受ける事を保証するように、パッケージ内部の真空基準に内 部で連通される。静圧基準ダイ３６Ａおよび圧力ダイ３６は共通のウエファ積重 ね体（スタック）からバッチ生産され、圧力フィッティングおよび帽体を除けば 同一構成である。 圧力ダイ３６の基台２０は、コネクタ１６内で放射状肩部表面２２上に固定さ れる。同様に、静圧基準ダイ３６Ａは帽体１８内で類似の放射状肩部表面２２Ａ に固定される。 基準および圧力センサのそれぞれにおいて、基台２０は貫通孔すなわちボア２ ６を有し、このボア２６はガラス（パイレックスすなわちホウケイ酸ガラス）基 台３０のボアに連通 する。ここでも圧力ダイ３６について説明されるが、帽体１８を除き、静圧基準 ダイ３６Ａも同じ構成である。図２には、支持ブロック３５も示されている。支 持ブロックは、２つの感知ダイからの容量出力の信号処理を行なう回路基板を支 持するのに利用できる。 図３の、環状縁２９を備えた基台２０はコバールで作られるのが望ましい。ガ ラス対コバール・シール３１はパイレックス基台３０の表面上に設けられた３層 の金属よりなり、接合され、デポジット（被覆）された第１のジルコニウム薄層 ３２を含む（図４参照）。ジルコニウムはガラス上にデポジットすることができ 、ガラスに対して恒久的に結合される。つぎにニッケル層３３が既知の手法でジ ルコニウムの上に被着され、ハンダ付け可能層すなわちハンダに濡れ易い層を形 成する。ニッケル・ジルコニウムの境界面もまた恒久的に結合される。金の外部 被覆３４がニッケル層３３の上に形成され、ニッケルの酸化を防止する。ニッケ ル鍍金コバールもまた、金属基台をガラスにハンダ付けする前に、その上に３層 の金属薄層が形成される。３層金属薄層は、基台２０の表面上にデポジットされ たチタン層、その上のニッケル層および金の被覆層であることができる。３層金 属薄層は、便宜上図 ３の金属基台上にしか図示されていないが、それぞれの金属基台には、図３のガ ラス基台上に示されるように、それがガラス基台を支持し、それにろう付される 箇所に３層金属薄層が形成される。 圧力ダイ３６および静圧基準ダイ３６Ａは、同じ加速度、温度、およびその他 の力を受け、また２つのセンサが同様の反応を呈するために共通の誤差相殺が達 成され、その結果、広い温度範囲および他の条件の範囲内において正確な応答が 保証されるようにすることを目的として、同じように構成される。 図３を参照すると、圧力センサすなわちダイ３６の第１の態様が示されている 。パイレックスの基台３０は圧力センサすなわちダイ３６のための受け板４０を 支持するフランジ３８を有する。受け板４０は図３に示す形状であり、パイレッ クスで作られる。基台３０の表面と受け板４０との境界面の新規なガラス／ガラ スの陽極結合すなわち結合工程によって、圧力ダイ３６は基台３０に確実に保持 される。陽極結合部は符号４２で表される。この態様の圧力センサでは、受け板 ４０が開口４４を有し、この開口はパイレックス基台３０から、シリコンまたは 他の適当な半導体材料で構成されたダ イアフラム４８によって受け板４０に対して相対的に形成された圧力チャンバ４ ６まで通じている。シリコンウエファの１方の面に空所をエッチングすることに よって、薄いダイアフラムウェブ部分４９が形成され、チャンバ４６が構成され る。ダイアフラムウェブ部分４９にはまた、エッチングされた浅い凹部５０が当 該ダイアフラムの活性面すなわち上面の一部に形成される。ダイアフラムの上面 には、その導電率を増強してコンデンサ電極として利用するためにドープ層５１ が形成される。上側の凹部はパイレックスガラス電極板５２で包囲される。 パイレックス電極板５２は、被覆金属層５４でメタライズされた後、シリコン ダイアフラムの縁部に結合される。被覆金属層５４は上側層５４Ａを有し、また 開口５６を輪郭付ける壁表面に沿って延びている。開口５６はダイアフラムの上 面に基準圧（密封ハウジングからの）を与える。メタライズ層５４は、大きさお よび厚さの点で上部層５４Ａと整合された下部分５４Ｂを有し、この下部分は開 口５６内のメタライズ層によって上側層５４Ａに電気的に接続される。上側層５ ４Ａは、電極板の表面にデポジットされて前記層５４Ａから延びる小寸法の適当 なリード線路またはタブ（tab）を有する。 適当なリード線を層５４に接続するためのデポジッション・タブにはアルミ・ボ ンディングパッドが採用される。これは、図６に概略が示されている。図６に示 されるように、電極板には２つの開口があり、メタライズ層はこれら開口の近傍 では、より狭い寸法となっている。電極板を通る断面は開口部を示す。 リード線接続用のボンディングパッドはまたダイアフラムの周辺に近いドープ 層５１にも設けられ、それは電極板５２の外側に位置される。図６に、代表的な 例が示してある。 本発明のこの態様においては、ガラス基台の軸方向長さ６２は約０．２７５イ ンチ、受け板４０の厚み６３は約１８ミル（mils）であり、一方ダイアフラムの 縁部（リム部）での厚み６４は約１２．５ミル、電極の厚み６５は１８ミルであ る。これらの厚みは、特に本発明の変形態様において、センサの所望の精密性、 長期間の安定性および広い温度範囲にわたる温度係数特性を得るように選択され たものである。 ガラス基台の下側表面に３層の金属層を形成した後、その表面が、パイレック ス基台の場合と同じ手法で、３層の金属層によって被覆されたニッケル鍍金・コ バール金属基台２０に、金／錫共晶ハンダを用いてハンダ付けされ、非常に強固 に固定される。 本発明装置の特徴は、ガラスとニッケル層間の接着剤としてジルコニウムを使 用することができ、ハンダ付属材（solder atachment material）が提供される 事である。ジルコニウムは強力で、熱力学的に安定な酸化物を形成し、この酸化 物がガラス基台の端部の金属基台２０へのハンダ付け上へのデポジッションの間 中、ガラス基台に対する結合を維持する。ジルコニウムのメタライズは、金属を ガラスに結合するために普通に使用されるチタンの代りになる。 注意すべきことは、コバール基台２０はその表面が機械仕上げされ、この表面 がステンレススチール圧力フィッティング１６のボア２１の部分との非常に精密 な整列、およびその案内（pilot）を提供するということである。図２に示した ように、典型的なステンレススチール圧力フィッティング１６は大きな直径の圧 力ボア部６６を有し、前記直径は通路６６Ａに向かって寸法を減じ、それから内 径が精密に加工されることのできる凹部６６Ｂに拡大される。このようにして、 前記凹部はコバール基台のパイロットボアすなわちつば（collar）２０Ａを受入 れ、つばはこのボア６６Ｂにきっちりと嵌合する。 事実上、パイロットボア２０Ａの外径は非常に精密な許容差以内に加工でき、 肩面２０Ｃも中心ボア２６に関して精密に加工できる。さらに、放射状肩面２２ とメタライズ層３１の端部を支持する面との間の距離は精密に制御でき、これら の面はボア２１の軸に対しては垂直に、かつ相互には平行に保持することができ る。 基台２０を所定位置に先導する円筒状表面と、基台２０を支持するための圧力 フィッティング１６内の支持平面に平行な平坦面とが、圧力ダイ３６および静圧 基準ダイ３６Ａを支持するための非常に安定で、かつ適正に整列された基台３０ を提供する。また、基台２０の上端は筒体を取り巻くフランジ２９を有し、パイ レックス基台３０が当該フランジ内に支持される。 遮断用コバール基台２０は、フィッティング１６に使用されるような、ステン レススチールの比較的高い熱膨張係数とそれより大幅に低い熱膨張係数の筒状パ イレックス基台３０との間の、第１のストレス遮断遷移部材を構成する。パイレ ックス筒体は圧力ダイ３６、３６Ａに、より一層の応力遮断（分離）を提供する 。コバールフィッティングは中間の熱膨張係数を有するので、実質的に熱膨張係 数を異にする２つの 部材間の熱応力遷移を提供する。 パイレックス基台３０はまた、圧力感知ダイが取り付けられるパッケージすな わちハウジングによって発生される応力に対する遮断機能をも有する。 ジルコニウムはニッケル（または他の適当な金属）をパイレックスに結合する ための層を形成するのに望ましい金属であるが、ハフニューム、ニオブ、タンタ ル、バナジューム、クロム、モリブデン、タングステンなどもまたこの目的に有 用である。 図３に示された本発明の態様においては、基板層４０とフランジ３８を含む基 台３０の上面３０Ａとの間のガラス・ガラス陽極結合が存在する。 図４に示した本発明の変形実施態様においても前述と同様のガラス基台３０が 含まれるが、この例では、基台の上面３０Ａが圧力ダイ７１のためのシリコン受 け板すなわち基板７０に結合される。シリコン受け板７０は陽極結合を介して基 台３０の端部に支持される。シリコンは周知の陽極結合工程を用いてパイレック スに強固に結合されるであろう。受け板７０は、この受け板７０に対して直接シ リコン／シリコン溶融結合されているシリコン・ダイアフラム７２に比較して 厚い（板の面に垂直に測って）。ダイアフラム７２は周縁リム７３および薄いダ イアフラム・ウェブ部７４よりなり、ウェブ部はリムの厚みを有するウエファの 両面から内方へ凹んだ薄い部分である。凹部７５はより大きい（深い）窪みであ り、受け板層７０の真上にあって圧力チャンバ８４を形成する。ダイアフラムの 反対側面には非常に浅い凹部７６が形成され、圧力を受けて偏向する容量型ウェ ブのための隙間（逃げ）を構成する。ダイアフラム７２の上面を覆うようにパイ レックスの電極板７８が配置され、ダイアフラムのリム７３に結合される。 パイレックス電極板７８は前述のようにして形成され、メタライズ層８０を有 する。メタライズ層８０は、前述したのと同様に、上面部８０Ａと，同じ形状に 形成された下側電極部８０Ｂとで構成される。圧力ポート８２が受け板層７０に 設けられ、これによって凹部７５によって形成されたチャンバ８４に圧力が伝達 される。外部ハウジングからの基準圧は、電極板内の開口を通じて作用する。 前に説明し、図６に示した一方の側では、電極のメタライズ層８０から延びる タブ上にアルミのボンディングパッドが形成される。また図６に示すように、電 極板に面するダイア フラムの活性表面への電気的接続を与えるためのボンディングパッドも用いられ る。 本発明のこの実施態様においても、電極板７８の厚さ８６は同様に１８ミル、 ダイアフラムのリムの厚さ８７は１２．５ミルであり、図３のものと実質上同じ に構成される。しかしながら、シリコン受け板はずっと厚く、パイレックス電極 のほぼ２倍で、ダイアフラム・リムの約３倍であり、その厚み８８は３５ミル程 度に図示されている。基台３０の長さのような他の寸法は、上記または従来と同 じである。この種センサの受け板７０またはガラス受け板４０の外部寸法および 幅寸法は、典型的には０．４５インチ平方程度である。その平面図が図６に示さ れている。 重いシリコン受け板７０は、センサ全体としての温度係数を減少させる。これ はさらに、高性能航空機が砂漠の滑走路から離陸して一気に４万フィートまたは それ以上の高度にまで上昇する時に遭遇するような、高温環境条件から低温への 急激な温度変化にセンサがさらされるときの、センサの性能を改善する。加えて 、シリコンダイアフラムとシリコン基板との間の溶融結合は、２つの部材が同じ 材料で作られているという事実に鑑みると、非常に安定で、温度シフト（shift ） のほとんど無い結合を実現する。溶融結合は、それらが共に実際に溶融する点ま で対向表面を加熱する事によって達成される。 太線７７で示すように、シリコンダイアフラムの、パイレックス電極に面する 表面に「ドープ」層が設けられる点は注意すべきである。凹部７６は、パイレッ クス電極７８上のメタライズ層を有するチャンバ７９内にコンデンサ空隙を形成 する。空隙の間隔は８ミクロンの範囲にある。ダイアフラムの凹部は適当な化学 的エッチング技術で作られ、これはバッチ処理で実行される。シリコン受け板７ ０はＰ型シリコンが望ましいが、当該技術では周知のようにＮ型シリコンを用い ても良い。 Ｐ型シリコンが用いられる場合、層７７は容量感知面として使用されるダイア フラム表面の導電度を増加するように、ボロンまたはその他の不純物を添加され る。Ｎ型の場合は、選択される不純物は燐である。不純物添加は、もしも十分に 管理されない場合にはセンサの較正にずれを生じさせるような表面空乏層効果を 防止する。 本発明のすべての実施態様で採用されたパイレックス電極の両側表面上にある メタライズ層は、ニッケル・クロム・メ タライズ層であり、ガラスやパイレックス層上に抵抗を形成する技術として現存 するものである。 ダイアフラムの厚みに対するシリコン受け板の厚みの比は、少なくとも１対２ ．５であり、電極板に対するシリコン板の厚みの比は約１対２である。受け板が 厚いことは、受け板がダイアフラムと同じ材料で作られ、したがってこれらがそ の間にフリットや結合剤の層を介在しないで相互に溶融接合されるようなときの 、温度安定性を助長する。パイレックス電極板もまた、受け板に比して十分に薄 い。 センサ７１の全体が、フリットまたは他の接合剤を用いることなしに製造でき る。 図５には、本発明の圧力ダイ（および基準ダイ）のさらに他の変形例が示され る。図５のセンサは、電極板の厚みを減少できるという付加的な利点はもちろん 、より優れた温度安定性をもたらすことができ、またダイアフラムの偏向ウェブ の厚みに対して予め決められたダイアフラムのリム厚みを採用できる点で、最も 好ましいものである。 図５の実施態様では、前述したのと同じパイレックス基台３０が、中央に圧力 通路９１を有する圧力センサすなわちダイ８９の厚いシリコン受け板９０に陽極 結合される。シリコ ン受け板９０はさらに、ダイアフラムのリム部９３でシリコンダイアフラム９２ の周辺に溶融結合される。ダイアフラムは薄いウェブ部分９５を有する。ダイア フラムのウェブ部分９５は所望の厚みを有し、圧力チャンバ凹部９７および容量 感知チャンバ凹部９９のエッチングによって形成される。シリコン受け板９０の 反対側に向いたダイアフラムウェブの表面は、その導電性を増すための不純物添 加層１０１を有し、パイレックス電極１０４の外周部で、前記不純物添加層にア ルミ・ボンディングパッド１０３（図６）が接続される。パイレックス電極１０ ４は、図３に関して前述したようにして形成され、１または複数の開口（図６で は、２つの開口が示される）を通して金属化されたメタライズ層１０５を有する ので、前記メタライズ層は事実上対称な２つの部分１０５Ａ、１０５Ｂを含む。 層１０５Ｂはコンデンサ電極を形成する感知層であり、ダイアフラム９２上の不 純物添加層１０１に対向する。もし所望ならば、ガラス電極内の開口は電極板１ ０４の下のチャンバ内に内部真空をもたらすように封止したり、省略したりする 事ができる。 図６には、メタライズ層１０５に結合されたボンディングパッド１０７が、パ イレックス層の端部に設けられた状態が 図示されている。前記層の上には、ボンディングパッド１０７用の金属タブが設 けられている。 図５に戻って、この実施態様では、ダイアフラム支持用エッジすなわちリム９ ３の厚みが減ぜられている。容量型感知凹部すなわちチャンバ９９を形成するエ ッチングの深さと相関関係にあるダイアフラム中心部すなわちウェブ部９５の厚 さの関数であることは特に望ましい。リム９３の厚みは、ダイアフラムの中央ウ ェブ部分９５の厚みと容量型感知チャンバ９９のエッチング深さ（ほぼ８ミクロ ンが望ましい）の２倍との和になるようにされる。したがって、ダイアフラムリ ムの厚み１１０は中央ウェブ部分の厚みに１６ミクロンを加算した値であり、こ の例では６．５ミルである。 パイレックス電極の厚み１１２は１２ミルにまで減ぜられ、シリコン受け板の 厚み１１４は５０ミルに増加されている。 ガラスフリットのように熱的な不安定性をもたらすような材料を必要としない ように、例えばパイレックス／シリコン結合が形成される場合の陽極結合、ある いはダイアフラムと受け板との間のシリコン／シリコン界面に適用される溶融結 合のいずれかによって、すべての部材は相互に結合される。 有限要素モデル法（finite element modeling）により、温 度係数が実際に低減され、図４に示したセンサの例の約半分であり、また図３の 装置の温度係数の約４分の１であることが証明された。 パイレックスガラス電極板を受け板９０の厚みの約４分の１にし、ダイアフラ ムリムをダイアフラムウェブ部９５の厚みおよび容量型チャンバ９９の深さに基 づいてガラス電極の厚みの約２分の１にしたとき、温度安定性の非常に良いセン サが得られた。 図５に示したセンサが図２のように組立てられ、このように構成された静圧基 準ダイが３６Ａで示したように使用されるとき、非常に安定した性能が得られた 。パッケージ全体としてみると、適当な長期の安定性を確保するためには、追加 の工程が採用される。本発明に採用される１つの改善は、パイレックス電極板上 に配置される薄いニッケル・クロムメタライズ層に関連して、時間経過に対する 薄膜の応力緩和の影響を最小にすることである。 図６は、本発明に用いられるある小形（miniature）センサの代表的平面図を 示すもので、具体的には図５の平面図である。最上面にはメタライズ層１０５Ａ が示されており、それは大きな中央部と狭くなった両端部を有する。両端部には 、 図示のように、圧力開口（通路）１０５Ｃが形成される。通路すなわち開口１０ ５Ｃも図示されている。金属層１０５の１端部には短いタブ１０７Ａが形成され 、その上にアルミのボンディングパッド１０７が設けられる。金属層部１０５Ａ は、図７に拡大して示すように、パイレックス電極板の上面および下面で寸法お よび形状が同じであり、かつ互いに対向する（重なり合う）ように形成される。 金属のデポジット・パターンは、アルミ・ボンディングパッド１０７のための 小さいタブ部を除き、電極板１０４の上面および下面で同一である。金属パター ンをパイレックス電極板の一方の面から他方の面に折り返して同形にすることに より、もしそれらが事実上同じ条件でデポジットされ、かつ同じ厚みであるなら ば、薄膜の応力が相殺される。金属のデポジット工程は、電極板１０４の上下両 面に形成されるメタライズ層が同じになるように注意深く実施される。このこと は、電極板がそれから切り出される大寸法のパイレックスウェファの両面に対し て、同じデポジット技術を用いて、かつ適当なマスク手法でのバッチ製造工程の 間に、ウエファレベルで行なわれる。このような方法で、１つのウエファの上に 複数の電極板が作られた後、個々の圧力感知ダイに分離され る。 ガラス電極板の両面にメタライズ層を有するという応力補償の特徴的構成が、 メタライズ層とパイレックスガラスの熱膨張係数の差によってもたらされる影響 を低減する。換言すれば、温度係数の違いに起因する応力はパイレックス電極板 の両面で平衡させられるであろう。電極板は、その一方側のみにメタライズされ るという理由で、当該メタライズに起因して、その基準位置から曲ったり、変形 したりすることはなくなるであろう。 本発明においては、圧力感知ダイおよび基準ダイのダイアフラムは同じシリコ ンウエファ上で、同時にエッチングされ、しかも全処理工程の間互いに隣接した 位置に配置されるので、ダイアフラムウエファが電極や受け板ウエファに結合さ れるときでも、隣り合うダイは温度および他の環境条件に対して同じように反応 するであろう。ウエファから分離されるとき、隣り合うダイは対にしたままでセ ンサパッケージに組込まれ、一方が感知ダイとされ、他方が基準ダイとされる。 堅い基板を具備すること、およびダイアフラムの厚みと使用した被覆ガラス電 極の厚みとの比を、温度の影響を最小にするような好ましい値に選定することの 原理を採用すること によって、非常に安定な圧力感知ダイが提供される。 図８には、パイレックスガラスをパイレックスガラスに陽極結合する手順が示 される。これは、図３のセンサにおいて、基板層をガラス基台に結合するのに用 いられる。 図８においては、一体に陽極結合されようとしている第１のパイレックスガラ ス１５０と第２のパイレックスガラス１５１が示されている。１つのパイレック ス層またはウエファの表面に約３７５オングストローム（なるべくは、±５０オ ングストローム）厚さのチタン層が被覆され、空気中で酸化されて２酸化チタン （ＴｉＯ₂）にされる。続いて、約３２００オングストローム（なるべくは、± ２５０オングストローム）厚さのＳｉ₃Ｎ₄の層が、なるべく結合温度に近い温度 でプラズマ成膜される。これらの層はパイレックスガラス１５１上のイオンバリ ア１５３となる。つぎに、上側層として図示されている他のパイレックス層１５ ０がＴｉＯ₂／Ｓｉ₃Ｎ₄層と接触して配置され、これらの２層が金箔層１５６の 上に載置される。代案として、２５０オングストロームの金層が金箔の代わりに 層１５３の反対側に被覆されても良い。その後、２つのウエファの積重ね体は、 約３７５℃の温度に達するようなホットプレート（hot plate）またはヒ ータ１５８の上に載置される。 図８の分解図に示すように、諸部材を載置され、積重ねられたホットプレート １５８は、約３７５℃の最高温度にまで上昇させられる。ホットプレートの温度 が２５０℃に達した時から、約８００ボルトの電圧が図示の極性でウエファ積重 ね体に印加される。すなわち、正極性電圧が金箔側に、また負極性電圧が上側層 １５０にそれぞれ印加される。前記電圧が印加されると、２つのウエファ１５０ 、１５１間に気密シールが生成し始め、約１５分でシールは完成する。 その動作原理は次のとおりである。すなわち、ＴｉＯ₂およびＳｉ₃Ｎ₄の２層 が、下側のパイレックスウエファ１５１からカソードに向って上向きに移動しよ うとする正のアルカリイオンに対するバリアとして作用する。これにより、上側 ウエファの下面に空乏層を形成することが可能になる。ＴｉＯ₂およびＳｉ₃Ｎ₄ 以外の層でも、アルカリイオンを阻止できれるものであれば利用可能である。金 箔層や金のデポジッション薄層は下面での結合の生成を防止する。パイレックス とＴｉＯ₂／Ｓｉ₃Ｎ₄層との境界面における結合メカニズムは、文献でも既知の シリコン−パイレックス陽極結合プロセスと類似である。 上記の説明では最も好ましい層の厚みや他のパラメータが例示されたが、Ｔｉ Ｏ₂層は約２５０〜５００オングストロームのデポジットされたチタン層を基礎 とする。デポジッションの後でチタンが酸化され、ＴｉＯ₂層が生長する。Ｓｉ₃ Ｎ₄層は２０００〜４０００オングストローム厚さでよい。約２５０〜５００℃ の結合温度、および５００〜１０００ボルトの直流電圧が使用可能である。Ｓｉ₃ Ｎ₄のプラズマ成膜温度は、使用される結合温度になるべく近い値にされる。 ガラス／ガラス陽極結合処理は、ホウケイ酸ガラスまたはアルカリイオン・ガ ラスモディファイア（modifier）を有する他の型のガラスにも適用可能である。 好ましい実施例を参照して本発明が説明されたが、当該技術の熟達者は、本発 明の精神および範囲から逸脱することなしに形式および詳細において変更可能で あることを理解するであろう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ペターセン，エリック ピー. アメリカ合衆国 55345 ミネソタ州、ミ ネトンカ、バーチ ロード 5028 (72)発明者 ペイターセン，ラリー エー. アメリカ合衆国 55318 ミネソタ州、チ ャスカ、フォン ヘルツェン サークル 110906

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．脆性材料からなる受け板手段と、 受け板手段に取付けられ、流体圧を受けて受け板手段に対して相対的に偏向す るダイアフラム部分を有する半導体ダイアフラムと、 脆性材料で構成され、その周縁でダイアフラムに取付けられ、ダイアフラムと 組合わされて容量型圧力センサを構成する電極板手段と、 圧力センサをハウジングに取付ける支持手段であって、当該支持手段を保持す るハウジングに対して受け板手段及び電極板手段の応力を遮断するように、受け 板を直接支持するガラス筒体を具備した支持手段と、 前記支持手段および受け板手段を貫通し、流体圧が前記ダイアフラムに作用し てこれを電極板に対して相対的に偏向させ、ダイアフラムと電極板との間の間隔 を変化させることができるようにする流体圧導入手段とを具備した圧力センサ。 ２．前記電極板手段はその上にメタライズ層を有するガラス板よりなり、前記 メタライズ層は前記ダイアフラムに面する電極板の表面にある第１のメタライズ 層部分および、これと事実上同じ寸法および厚さで、しかも前記第１のメタライ ズ層部分と整列され、前記電極板の反対表面にある第２のメタライズ層部分を備 えた請求項１に記載の圧力センサ。 ３．前記メタライズ層はガラス板に被着された金属のデポジッション薄膜層よ りなる請求項２に記載の圧力センサ。 ４．前記受け板手段は相当の厚みを有するシリコン板よりなり、前記ダイアフ ラムはシリコンダイアフラムであって、ダイアフラムのリムの周囲で前記受け板 の表面に融着された請求項１に記載の圧力センサ。 ５．ダイアフラムおよび受け板手段はシリコン製であり、受け板手段はダイア フラムリムの厚みの少なくとも２、５倍の厚みである請求項１に記載の圧力セン サ。 ６．受け板はダイアフラムリムの厚みのほぼ４倍の範囲の厚みを有し、ダイア フラムは前記リムより相当薄い偏向部分を有する請求項４に記載の圧力センサ。 ７．前記ダイアフラムは板状であって１つの平面を規定すると共に、薄い中心 部のウェブと、前記ダイアフラムの平面に垂直に計った場合、その中心ウェブの 厚みと電極板手段に面する中心ウェブの表面から電極板手段までの間隔の２倍と の和に事実上等しい厚さのリムとよりなる請求項１に記載の圧力センサ。 ８．支持手段を保持するハウジングをさらに具備し、このハウジングは中心の 貫通ボアを有するステンレススチールのラジアルフィッティングよりなり、前記 支持手段はホウケイ酸ガラス製であり、前記支持手段とフィッティングとの間の 中間基台は前記フィッティングの前記中心ボアの部分を取り巻く機械仕上げされ た肩表面、第２肩表面によって形成され、前記フィッティングの前記貫通ボアの 一部分にはまり込んだ基台上のパイロットボス、および前記フィッティング上の 第１の肩表面上に定置されて支持手段を位置決めする第２の肩表面よりなり、前 記各肩表面が相互に結合された請求項１に記載の圧力センサ。 ９．基台はコバール製である請求項８に記載の圧力センサ。 １０．コバールはニッケル鍍金されている請求項９に記載の圧力センサ。 １１．前記ガラス筒体が前記基台上に支持されると共に、当該ガラス筒体はこ れと接触し、かつ前記基台に対面するジルコニウムのメタライズ部、および前記 ジルコニウムに結合され、かつコバール基台にハンダ付けされたもう１つの層を 、その１端部に有する請求項８に記載の圧力センサ。 １２．受け板がガラス製である請求項１に記載の圧力セン サ。 １３．支持手段を受け板に結合するガラス／ガラス陽極結合をさらに有する請 求項１２に記載の圧力センサ。 １４．圧力センサに至る圧力感知開口を支持するように半導体ダイに結合され た第１の端部、およびジルコニウム、ハフニューム、ニオブ、タンタル、バナジ ューム、クローム、モリブデンおよびタングステンよりなる群から選択された金 属の層をその上にデポジッションされた第２の端部を有する支持用のガラス筒と 、 前記第１の層の上にデポジッションされ、ハンダとして好適な少なくとも第２ の金属層と、 前記ガラス筒の第２の端面を支持する表面を有し、かつ前記ガラス筒の第２の 端部上のハンダ付け可能な部材にハンダ付けされた第１の金属支持部材と、 前記第１の金属部材を支持する金属で構成され、流体圧を受けて、これを第２ 金属部材内のボアを通し、さらに第１金属部材内のボアを通してガラス筒、およ び圧力センサダイにまで伝達する第２のフィッティング部材と、 半径方向に延びており、前記第１の金属部材の肩表面と組合った肩表面を有す る第２の金属部材とを具備し、 前記第１および第２の金属部材は前記肩表面で互いに結合され、 前記第２金属部材はガラス筒より相当大きい熱膨張係数を有し、前記第１の金 属部材は第２金属部材のそれよりは小さいが、ガラス筒のそれよりは大きい熱膨 張係数を有する、半導体材料製の圧力センサ・ダイを含む圧力センサに用いられ る応力低減支持装置。 １５．前記第１の金属部材はコバール製であり、前記第２の金属部材はステン レススチール製である請求項１４に記載の圧力センサ。 １６．圧力感知ダイはガラス筒に結合されたシリコン基板よりなる請求項１４ に記載の圧力センサ。 １７．基板、前記基板から延びる垂直側壁および前記基板を覆う蓋板よりなり 、ほぼ直方体をなす外部ハウジングと、 前記基板に気密に取付けられたハウジングから外方に向って延びる圧力フィッ ティングを有する圧力感知ダイと、 圧力感知ダイと実質上同一に構成され、前記基板に気密に取付けられ、かつ前 記感知ダイとほぼ平行に位置決めされた基準圧ダイと、 前記側壁の１つを気密貫通する電気接続手段と、 前記１つの側壁の端部近傍に設けられ、それらの間に電気接続手段が配置され た１対の取付けスタッドとを具備し、 前記スタッドはハウジングを使用可能な位置に支持するように前記１つの側壁 に溶接された圧力センサ。 １８．圧力感知ダイはハウジングの基板から突出した圧力フィッティング部を 有し、前記基準圧力ダイセンサもまた、圧力検知ダイと事実上同じような熱的、 機械的力、加速力、および応力に対する反応を示す基準圧力センサを提供するよ うに、前記基板から突出した部分を有する請求項１７に記載の圧力センサ。 １９．圧力感知ダイおよび基準圧力ダイがそれぞれ別個の第１金属フィッティ ングおよび各第１金属フィッティング内のボアに結合された第２金属フィッティ ングによって前記基板に対してそれぞれ支持され、別個のガラス筒が各第２金属 フィッティングに固定的に支持され、圧力感知ダイおよび基準圧力ダイをそれぞ れ直接に支持し、前記第２の金属フィッティングは第１の金属フィッティングお よびガラス筒の熱膨張係数の中間の熱膨張係数を有する請求項１８に記載の圧力 センサ。 ２０．第１および第２のガラス層の一方にアルカリイオン ・バリアを生成する段階と、 他方のガラスを前記アルカリイオン・バリアと接触して配置する段階と、 第１および第２ガラス層を加熱し、同時にこれら各層およびイオンバリアに電 圧を印加してそれらの境界面で陽極結合を生じさせる段階とを具備した、互いに 対向しており、アルカリイオン・モディファイアを有する第１および第２のガラ ス層を陽極結合する方法。 ２１．ＴｉＯ₂層およびその上にプラズマ・デポジッションされたＳｉ₃Ｎ₄よ りなるアルカリイオン・バリアを生成する段階を含む請求項２０に記載の方法。 ２２．ＴｉＯ₂層は約３７５オングストローム程度であり、Ｓｉ₃Ｎ₄の薄膜は 約３２００オングストローム程度であり、少なくとも８００ボルトの電圧を印加 しながら、約２５０℃以上に加熱する請求項２１に記載の方法。