JPH08500903A - 高耐圧、低レンジ圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 開示の概要低レンジ圧力センサ（１０）は、脆性材質の基板（１２）と、基板（１２）に搭載され、かつ周囲（１６）を基板（１２）に密閉したダイアフラム板アッセンブリ（１４）とを含む。中央ダイアフラム部（１８）を基板（１２）の方向に偏向させるように、圧力導人される。そして、ダイアフラム（１８）の偏向は、ストレンゲージ（３２）によって検知され、圧力の表示が提供される。ダイアフラム（１８）には、基板と対向する側に多数の独立した支持ポスト（３６）が設けられているので、高い過大圧力下において、ダイアフラム（１８）が基板（１２）の方向に偏向された時に、支持ポスト（３６）は、移動しないようにダイアフラム（１８）を支持し、ダイアフラム（１８）の故障や損傷を避ける。支持ポスト（３６）の数は所望により変更可能である。発明の好適な形態においては、基板には、非常に薄い２酸化シリコン層が設けられている。これは良好な電気的絶縁体であり、かつ基板（１２）の表面に接触した時に支持ポスト（３６）の僅かな移動を許容し、過大圧力が増加した時にダイアフラム（１８）内の応力の蓄積を減少させる。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 高耐圧、低レンジ圧力センサ 発明の技術的背景 この発明は、基板に対する圧力によって偏向し、かつ通常のセンサレンジに較 べて高い過大圧力下においても損傷しないように支持される、脆性材質のダイア フラムを用いた偏向ダイアフラムに関する。 従来技術においては、裏板および圧力によって偏向するダイアフラムを使用し た半導体圧力センサが知られている。従来技術のセンサにおいては、静電容量検 出、およびダイアフラム上に搭載されたストレンゲージの使用を含む多数の方法 によって、偏向が計測される。ダイアフラムとしてシリコン、ガラス、水晶など の脆性材料の使用も知られていた。 過大圧力を受けた場合の脆性材質のダイアフラムの保護の必要性が認識されて いた。一般に、このような支持は、偏向したダイアフラムの形状に合った形に形 成された、対向する基板の表面にダイアフラム表面が乗る（静止される）ことに よって得られていた。従って、ダイアフラムがその最高設計圧力測定レンジを僅 かに超えた場合には、ダイアフラムは基 板上に支持される。なるべくなら、ダイアフラムの相当な部分が基板の対向面に 乗るようにする。凹みが、ダイアフラムの偏向部分全体に渡って、最大の連続過 大圧力の支持を保証するために基板およびダイアフラムにおいて使用されていた 。 発明の要約 本発明は、基板と、圧力下において基板に対して偏向するダイアフラムとを使 用した圧力センサに関する。ダイアフラムは脆性材料によって作成され、適当な 検出手段をその上に有しており、ダイアフラムに加えられた圧力を表示する出力 を提供する。 過大圧力保護が、過大圧力を受けて偏向したダイアフラムを、ダイアフラム上 の多数の位置において支持する、ダイアフラム上あるいはもし必要であれば基板 上に形成された多数の短いポスト（柱）あるいは突起（バンプ）により提供され 、過大圧力に対抗する保護と支持が与えられる。多数の短いポストを使用するこ とによって、ダイアフラムは硬くならず、従って、過剰な圧力が加えられるまで はポストが存在しないかのように振る舞う。そして、それは製造工程も容易にす る。従って、硬さの少ないダイアフラムはより多く移動出来るので、硬さの大き い中央部を持つものよりも過大圧力停止ギャ ップの拡張が可能である。 図示の実施態様では、シリコンウェファはエッチングされ、ダイアフラムの偏 向ウェブを形成する薄い部分を提供する。そしてそれは、ダイアフラムが形成さ れようとしているウェファの元の厚さと等しい高さを有する多数のポストを残す ようにマスクされる。多数のポストを囲むリム（縁）が基板への取り付けのため に残される。 エッチング処理の間に、支持ポストは実質的にピラミッドの形状になる。 基板表面上に、純粋なシリコンほど壊れやすくはない２酸化シリコンの層が存 在することにより、過大圧力の増加に従って、ポストが支持層に最初に接触した 後に、２酸化シリコンの薄い層の内部に僅かに移動できるようになることも発見 された。偏向したダイアフラムが曲がったりあるいは弓なりになることは、ポス トが基板に最初に接触する時に、ポストが僅かに角度をもつ原因となる。圧力が 増加した時に、ポストの外側端部の支持層に対する僅かなシフトが起こる。２酸 化シリコン層は、それが搭載される表面から基板を電気的に絶縁する。２酸化シ リコン層は、支持ポストが位置を調整できるようにすることにより、ダイアフラ ム内において応力 （ストレス）レベルがより高く上昇することを回避し、センサの耐圧能力も高め る。２酸化シリコン層のない基板層の硬いシリコン表面は、過大圧力が増加した 時にポストがシフトする能力を減少させる。 図面の簡単な説明 図１は、本発明に従って作成された、圧力の測定に使用される代表的なセンサ の断面図である。 図１Ａは、ダイアフラム層を取り除いた基板表面を示す図である。 図２は、図１の２−２線におけるダイアフラム部分の支持ポストを示す図であ る。 図３は、支持ポストが最初に基板層に接触してから、最大過大圧力状態になる までの支持ポストの移動を示す、大幅に細部が強調された図である。 図４は、隣接するポストなしで、その形状がエッチングされる時の、個々のポ ストのエッチング表面の細部を示した１つの支持ポストの拡大詳細図である。 図５は、図４の５−５線における断面図である。 好適な実施例の詳細な説明 図１を参照すると、本発明によって製作された圧力センサ は１０で示されている。この圧力センサは、例えばゲージ圧あるいは絶対圧で３ ０ｐｓｉのレンジの低レンジ圧力センサであるが、実質的にそのようなレンジの 何倍もの過大圧力に耐える能力を有している。ゲージ圧センサは基板を通してダ イアフラム領域に開いた開口部を有している。本発明の圧力センサは静電容量検 出ユニットであってもよい。従来の類似の圧力センサは一般に、破損せずに３倍 から８倍の圧力に耐えることができる。本発明の圧力センサは、ポストのない類 似のダイアフラムに較べて５倍から１０倍の過大圧力に耐えることができる。 圧力センサ１０は脆性材質でできた基板あるいは層１２を含む。このような材 質は、好適な材料であるシリコンのような半導体であってもよいが、ガラス、サ ファイヤ、水晶などの他の脆性材料でもよい。基板は、偏向するダイアフラムで あるウェブ部１８と境を接する周辺のリム部１６を含むダイアフラム板アッセン ブリ１４を支持している。圧力に対するダイアフラムウェブ部１８の偏向は、図 １および図２にダイアフラムウェブの縁上に２０で示されている、リム１６に隣 接する境界領域のダイアフラムウェブの厚さ、およびポストの間の厚さによって も決定される。ダイアフラムウェブの偏 向の総量は作動レンジ内においては非常に小さく、もし過大な偏向が起こるとダ イアフラムは破損する。 リム１６の表面は基板１２上に適当に接着されている。例えば、境界面領域２ ４内のガラスフリット（溶融ガラス）が基板の上部表面２８にダイアフラムを接 着するために使用でき、あるいは基板とダイアフラムはリム部において、陽極ボ ンディング、あるいは溶着技術を用いて接着することができる。基板へのダイア フラムリムの接着は、基板１２の上部表面２８の上部と、ダイアフラムウェブ部 １８の下部との間に空洞２６を残す。ダイがガラスフリット２４によって基板２ ８上に密閉される時に真空状態が生成される。測定すべき圧力あるいは力は、ダ イアフラムウェブ１８の上部表面３０に対して、矢印２２によって示されるよう にかかる。これにより、ダイアフラムウェブは基板１２の方に曲がり、ダイアフ ラムウェブの上部表面３０上の適当なストレンゲージ３２により、ダイアフラム ウェブの偏向の総量が計測でき、偏向の関数としてかかった圧力あるいは力の総 量の表示を提供する。 好適な実施例においては、ダイアフラムウェブ１８が下方に曲がった時にダイ アフラムウェブ１８の支持を提供し、か つダイアフラムの割れ、損傷、その他の破壊を防止するために、力あるいは圧力 がかかる面と反対側のダイアフラムウェブ１８の面に、ダイアフラムウェブ１８ と一体化した多数の支持ポスト３６が形成される。これらのポスト３６は、基板 あるいは層１２の上部表面２８と向かい合っている。図２に示すように、このよ うなポストが１６個存在するが、異なる数のものも使用することができる。例え ば、ダイアフラムの大きさに一部は関連して、ダイアフラムウェブ１８を支持す る４、８、あるいは９個のポストが過大圧力保護のために使用可能である。 ダイアフラムが作られるシリコンあるいは他の材料のウェファのエッチングに よってポスト３６が形成される。図示するように、表面３０から基板１２に接触 するリム１６の表面までと同じ高さの平らな先端３８を有し、かつ実質的にピラ ミッド状をなすポストを形成するため、適当なマスクを使用するバッチ処理によ って、ダイアフラムウェブ１８が適当な厚さにエッチングされる。 ポストは、もし必要ならば、圧力下においてはダイアフラムが湾曲形状になる ことを考慮にいれて、ダイアフラムが全体的に平らな面になり、基板と実質的に 均一の接触を達成す るために、異なる高さにすることも可能である。 図１Ａに示されているように、基板１２の上部表面２８の特定の領域は、がダ イアフラムリムが接着されている縁の部分の面より凹んでいる。１６本のポスト 構造においては、セクション２８Ａは２つの辺に沿い、隣り合う２つのコーナー セクション２８Ｃの間にある。コーナーセクション２８Ｃは他の部分よりも深く ない。セクション２８Ａはセクション２８Ｃよりも凹んでいるが、センターセク ション２８Ｂ（最も深く凹んでいる）よりはポストに近い。凹みの深さの違いは 偏向における差に適応させるためのものである。なぜならば、ダイアフラムウェ ブ１８は、リム１６に隣接する部分より、中央においてより多く偏向するからで あり、基板１２の表面２８における段差は、コーナーおよび外側の列にあるポス ト３６と表面部２８Ｃおよび２８Ａとの間、ならびにダイアフラムウェブ１８の 中心近傍に配置されたポストと表面部２８Ｂとの間の実質的な同時接触を提供す る。繰り返すが、前述のように、基板１２の平らな表面と、ダイアフラムウェブ １８の中央近傍のポスト３６が最も短いような、異なる高さのポスト３６とによ っても同様の効果が得られる。 ダイアフラムウェブ１８が偏向する時に、複数のポスト ３６の先端３８はそれぞれの対応する表面部２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃに接触し、 そして、圧力の増加により更に偏向しないように保持される。線２２に沿って加 えられる過大圧力は、ダイアフラムウェブ１８の損傷を生じることなしに、通常 の動作圧力の何倍も超過することが可能である。 基板としてシリコンが使用される場合には、表面に電気的絶縁層を有するのが 望ましいことも分かった。そして、図１および３に示されているように、点線（ 斜線）によって示された層４０（約３ミクロン厚）が、シリコン基板の表面上に 成長された２酸化シリコンである。しかし、ダイアフラムウェブ１８が基板方向 に湾曲するときに、複数のポスト３６は僅かに傾く。従って、ポスト３６の平ら な表面３８がその全幅に渡って層４０と接触するよりも、最初に平らな先端３８ の角あるいは縁４２が基板１２の上部表面２８に接触する。より過大な圧力によ ってダイアフラムウェブ１８が更に偏向すると、端表面３８に完全に接触するの でダイアフラムの曲りが減少し、これらのポスト３６は矢印４４で示すように概 ね回転する傾向があることがわかった。もし、ダイアフラムウェブ１８が最初の 接触後に僅かに移動すると、ポストの角が２酸化シリコン層に突き当たり、そこ に小さな溝を作る傾 向があり、もし処理されないシリコン表面が突き当たった場合には、滑りが悪く なり、ダイアフラムは張力を受けるようになる。 図１、２および４において、各ポスト３６の基部は当然、エッチング物質およ びポストのマスクとの相互作用をおこし、複雑な表面形状４８が形成される点に ついても注目すべきである。エッチングは、複数のコーナーから延びたテーパー 状の表面４８、およびテーパー状表面あるいは、ポストから浅い角度で離れた位 置にあるリブから横方向に延びている複数の小さな拍車状突起４８Ａを残し、従 って、複数のポストのテーパー状基部表面が領域５０で交差している。図１の点 線５２はポストの基部の本来の設計された形状であり、複数のポストの間に残さ れたダイアフラムウェブの符号２０で示されている部分と等しい厚さを持ってい る。これらのテーパー状表面は大まかな概要が図２に描かれており、図からわか るように、テーパーはポストの多くの面と直角をなしていない。従って、図１は テーパー状表面領域における断面を示している。ポスト間の表面形状は、性能に 実質的に影響を与えることなく、変更することができる。 ２酸化シリコン層４０は、ポストが僅かにシフトすること を許容し、ダイアフラムの破損を減少させる。過大圧力保護ポスト３６は、セン サの他の構成要素と同様に極めて容易に製作可能である。従って、価格は重要な 要素ではない。 ポスト３６はダイアフラムの一部分として一体に形成されたものが示されてい る。しかし、ポストは過大圧力保護を提供するために、基板から上方に延びるよ うに形成することもできる。 基板表面の凹んだ領域は、ポストの数の変更に従って、複数のポスト全てが実 質的に同時に表面に接触するという利益を提供するように、その形状、大きさ、 配置位置を変更されるであろう。例えば、リムから凹んだ１つの平らな平面には ４つのポストを有するダイアフラムが使用されてもよい。圧力を受けて湾曲した ダイアフラム形状をデジタル的に近似して十分な支持をするために、異なる数の ポストは異なる表面の深さを必要とする。 ダイアフラム上に圧力をかけるために、適当なハウジングあるいは圧力格納プ レートがダイアフラムの上に配置される。このようなハウジングは良く知られて いるので図示しない。 同様の考え方が、ダイアフラムの偏向を検知するための静電容量検知に使用さ れている。ダイアフラムから離して配置 された基板部材上の電導性薄膜を使用することにより、ダイアフラムおよび電導 性薄膜に取り付けられた適当なリード線を有する、ダイアフラムから絶縁された 静電容量板が形成される。 本発明は好適な実施例を参照して記載したが、当業者であれば、本発明の要旨 を逸脱しない範囲において、本発明の任意の変更が可能であることを認識するで あろう。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 を減少させる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．基板、基板に固定されたリムを含むダイアフラム板、および基板方向への力 によって偏向可能な中央のダイアフラムウェブ部を含み、 偏向可能なウェブ部と対応する前記基板およびダイアフラム板のいずれか一方 の上に形成され、偏向可能なウェブ部が予め定められた量だけ基板方向に偏向さ れた時に、ウェブ部を停止させる多数のポストを含む圧力センサ。 ２．前記ポストが、前記ダイアフラムの前記偏向可能なウェブ部と一体に形成さ れ、基板に当たる端部を有する、請求項１に記載の圧力センサ。 ３．前記ポストは、前記ダイアフラム板の偏向可能なウェブ部と一体であり、か つダイアフラムが基板方向に予め定められた量だけ偏向した時に、基板の対向表 面に接触するための外部端部表面を有する、請求項１に記載のセンサ。 ４．基板への接触時にポストの端部のわずかなシフトを許容するように、ポスト と異なる材質からなる薄い層を形成する、前記基板上に形成された酸化物の層を さらに有する、請求項３に記載のセンサ。 ５．前記基板がシリコンでできており、薄い層が２酸化シリ コンで形成される、請求項４に記載のセンサ。 ６．２酸化シリコンが実質的に３ミクロン厚である、請求項５に記載のセンサ。 ７．基板が、リム部の下にある基板の縁でよりも、偏向可能なウェブ部の中央部 分に対応する領域内でより深く凹んでいる、ポストと対向する表面を持つ、請求 項６に記載のセンサ。 ８．ダイアフラムウェブ部上に、少なくとも４個のポストがある、請求項１に記 載のセンサ。 ９．ダイアフラムウェブ部上に、１６個の等間隔に配置したポストがある、請求 項１に記載のセンサ。