JPS60230028A - 半導体圧力変換器 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は半導体圧力変換器、特に基台上に低融点ガラス
層を介してシリコン歪みゲージを接着固定してなる半導
体圧力変換器の改良に関する。

［背景技術］ 従来より、半導体圧力変換器として、基台上にシリコン
歪みゲージを、例えば有機質接着剤、金属ハンダ、金−
シリコン共晶あるいは低融点ガラス層等の接着材料を用
いて接着固定した乙のが周知であり、特にその接着材料
としては周囲温度の変化に伴う影響の比較的少なく、強
固に接着できる低融点ガラスが多く用いられている。

そして、接着材料として低融点ガラスを用いた半導体圧
力変換器は、その製造に際し、まず、その周囲温度を低
融点ガラスの軟、ｉｂ温度以上に設定し、該温度雰囲気
中において基台上に低融点ガラス層をプリメルトする。

そして、このようにしてプリメルトされた低融点ガラス
層を接＠層として、シリコン歪みゲージを基台上に接着
固定して形成される。

このように、半導体圧力変換器は、その製造時に少なく
とも低融点ガラスの軟化温度以上の高い処理温度を必要
とし、製造時におけるその雰囲気温度の変化が極めて激
しいため、このような雰囲気温度の変化に伴う歪みを防
止するため、低融点ガラス層の熱膨張係数どこれをサン
ドイッヂ状に挟んで接着固定されるシリコン歪みゲージ
及び基台の熱膨張係数とを等しく設定づることか望まし
い。

しかし、従来の半導体圧力変換器では、その製造時の処
理温度上の制約から低融点ガラス層の熱膨張係数を基台
及びシリコン歪みゲージど等しいらのとすることができ
ず、その結果、周囲温度の変化に伴う熱歪みの発生を有
効に防止りることができないという問題があった。

ずなわち、このＪ：うな半導体圧力変換器の製造に際し
ては、シリコン歪みゲージの特性を劣化さｌることがな
いように処理温度の上限値が定められ−Ｃいる。

しかし、一般低融点ガラス層の軟化温度はその熱膨張係
数と相反りる関係を右しているため、低テ １　融点ガラス層としてその熱膨張係数がシリコン歪み
ゲージ及び基台ど等しいものを使用すると、その軟化温
度が前記製造時に処Ｆｌｕ温度の上限値を大ぎく上回っ
てしＪ、うこととなり、この結果従来の半導体圧力変換
器においでは、その低融点ガラス層どしてその熱ｖＪｒ
ＦＲ係数がシリコン歪みゲージ及び基台の熱膨張係数に
比し極めて大きなものを使用さけざるをＩないという欠
点があった。

この結果、従来の半導体圧力変換器においては、基台上
に低融点ガラス層をプルメルトした後あるいはシリコン
歪みゲージを基台上に接着固定した後の、周囲湿度の大
きな変化により、該低融点ガラス層に大きな熱歪みをが
発」−シ、また、この熱歪みにより低融点ガラス層にク
ランク等を発生することになる。

そしＣ１このようにクラックが発生ずると、シリコン歪
みゲージの基準圧室から圧力漏れが発生し、゛該基準室
内の基準圧が粁時時に変化して半導体圧力変換器自体の
特性が劣化し、安定した圧力検出特性を得ることはでき
ないという問題が生じる。

更に、半導体圧力変換器を圧力検出器どして使用する場
合に、周囲温度や湿度によりその検出特性が大きく変化
し、しかもイの零点や感度が経時的に変化し正確な測定
がＣきないという問題が−［する。　− また、従来の半導体圧力変換器のように、低融点ガラス
層どして熱膨張係数の大さ゛なものを用いると、その耐
水性及び耐湿性が極めて低いものどなり、耐久性の侵れ
た半導体圧）〕変換器を得ることがで０″ないという問
題があった。

［発明の目的］ 本発明は、このようｔ↑従来の課題に鑑み為されたもの
であり、その目的は、低融点ガラス層の熱膨張係数とシ
リコン歪みゲージ及び基台の熱膨張係数との差に起因す
る熱歪みの発生を有効に防止しかつ耐久性に優れた半導
体圧力変換器を提供することにある。

［発明の構成］ 前記目的を達成するために、本発明は、接着面側に厚さ
０１・〜２０μｍのシリコン酸化膜が形成されたシリ」
ン歪みゲージを、熱ＩｋＩｉ服係数２８〜３５ｘ　１０
’　／　℃の基台上に、厚さ００５へ・５μｍ熱膨張係
数９０・〜１３０ｘ　１０’　／　℃の低融点ガラス層
を介して接着固定して形成されたことを特徴と覆る。

［実施例］ 次に本発明の好適な実施例を図面に基づき説明する。

本発明に係る半導体圧力変換器は、基台上に低融点ガラ
ス層を介してシリコン歪みゲージを接ル固定して形成さ
れている。

そして、この基台へのシリコン歪みゲージの接着固定は
次のようにして行われる。

まず、基台上に低融点ガラスの粉末を均一に堆積させこ
れを所定の温度例えば４００〜７００℃の温度まで加熱
し、基台上に低融点ガラス層をプルメルトする。その後
、この低融点ガラス層４接着層として、所定の１１１、
例えば３００−５００℃の温度でシリコン歪みゲージを
基台上に接着固定づる。

本発明の特徴的事項は、このようにして形成される半導
体圧力変換器において、低融点ガラス層の熱膨張係数と
シリコン歪みゲージ及び基台の熱膨張係数どの相違に起
因して前記変換器製造時の熱処］！ｒ！後の温度変化に
よって生じる熱歪みの発η−を有効に防止し、かつ使用
する低融点ガラスの耐久性、耐湿性を優れたものと覆る
ことにある。

このため、本発明の半導体圧力変換器では、基台として
熱膨張係数が２８〜３５Ｘ１（１′□？／℃のものを用
い、低融点ガラス層として熱膨張係数が９０〜１３０×
１０−ン／℃のものを用いている。このような熱膨張係
数が９０〜１３０ｘ　１Ｆ’　／　℃の低融点ガラス層
を基台とシリコン歪みゲージとの接着層としで用いた場
合には、該低融点ガラス層の厚さが５μｍ以上どなるど
、該低融点ガラス層の熱膨駅係数とシリコン歪みゲージ
及び基台の熱膨張係数どの差によって変換器製造時に発
／ｉ−づる熱ｆカが極めて人ぎ＜ｉムのとなり、この結
果該ＩＩ！融点ガラス層　−テ にクラックが発生し、しがも長年の使用にＪ：り変換器
の特性が変化することが避けられない１．また、この低
融点ガラス層の厚さを０．０５μｍ以下とするど、該低
融点ガラス層は辞くなり過ぎ基台上に不均一な島状に被
覆され、シリコン歪みゲージ接む固定部に接着層に気泡
が発生づることが多い。

更に、このように該低融点ガラス層を０．０５／１ｍ以
下ど薄く形成した場合には、製造時に付着するゴミや基
板のそり等により基台とシリコン歪みゲージとを確実に
接着することができないことがある。

このため、本発明においては、基台上にプルメルトされ
る低融点ガラス層の膜厚を、０．０５〜５／ｌ　ｍの範
囲に設定している。これにより、低融点ガラスの熱膨張
係数とシリコン歪みゲージ及び基台の熱Ｖ、服係数どの
差に起因して引起される熱歪みを小さなものとし、しか
もシリ」ン歪みゲージを基台上に確実に接着固定覆るこ
とが可能となる。

なお、本発明において、この低融点ガラスの膜厚は０１
〜３μｍの範囲で設定プることが更に好ましくこのよう
にすることにより発生する熱歪みを一層小さなものどし
クラック等の発生のない優れた接着層として機能させる
ことが可能どなる。

また、本発明の半導体圧力変換器においては、低融点ガ
ラス層の熱１１Ｉｉ［係数どシリコン歪みゲージ及び基
台の熱膨張係数との差に起因１）で発生する熱歪みを更
に小ざなものとするため、シリコン歪みゲージの接着面
側に厚さ０．１〜２μｍのシリコン酸化膜を形成してい
る。

このようにすることにより、低融点ガラス層を介してシ
リ−１ン歪みゲージと基台とを接着固定Ｊ゛る際、該シ
リコン歪みゲージのシリ−１ン酸化膜中に○まれるＳｉ
Ｏ；＋が低融点ガラス層内に拡散侵入することになる。

低融点ガラス層は、一般に５ｉ０２の含有量が増大する
のに従いその軟化温度が１胃し、その熱膨張係数が低下
するため、このように低融点ガラス内に５ｉｎ２が拡散
侵入することにより該低融点ガラス層の軟化温度が上昇
しかつその熱膨張係数は低下することとなる。

従って、本発明によれば、製造時の処理温度上の制約か
ら軟化温度の低いかつ熱膨張係数の大きな低融点ガラス
層を基台１−にプルメル］・シても、該低融点ガラス層
はシリコン歪みゲージの接着固定時に該シリコン歪みゲ
ージの接着面側に形成されたシリコン酸化膜から拡散侵
入づるＳｉＯ＋によりその軟化温度が上昇しかつ熱膨張
係数が基台及び低融点ガラスに近い値まで低下すること
になる。

このように、本発明によれば、低融点ガラス層の熱膨張
係数とシリコン歪みゲージ及び基台の熱膨張係数とを極
めて近いものとづ゛ることが可能となり、この結果、半
導体圧力変換器製造時における雰囲気温度の変化に伴う
熱歪みの発生を有効に抑制し、しかもその後該半導体圧
力変換器を圧力検出′ｔ？置どして使用する場合に周囲
温度の影響を極めて小さなものとすることが可能となる
。

また、低融点ガラスは３ｉＣｈの含有量が多い程その耐
水性、耐湿性が向上づるため、本発明のごとくシリコン
歪みゲージのシリコン酸化膜から５ｉ０２が低融点ガラ
ス層に拡散侵入することにより、該低融点ガラス層の耐
水性及び耐湿性を優れたものとすることが可能となる。

この結果、本発明の半導体圧力変換器によれば、低融点
ガラス層の経時劣化が小さく圧力８！どて安定した測定
特性を発揮づることが可能となる。

次に本発明のり！体向な実施例を図面に基づき説明する
。

第１実施例　・ 第１図に１３１木発１１１Ｊに係る半導体圧力変換器の
好適な第１実施例が示されており、実施例においで、こ
の半導体圧力変換器は次の手順により作成される。すな
わち、実施例の半導体圧力変換器は熱膨張係数が２５・
〜３５ｘ　１０−？／　℃のガラス材料を用いて形成さ
れた基台１０上に、遠心器を利用づるｈ法等により低融
点ガラスの粉末を均一に堆積させ、これを４００〜７０
０℃の温度で、加熱し、該基台１０点ガラス層１２を積
層被覆する。

１　その後、接着面側に厚さ０，１・〜２．０μｍのシ
リコン酸化膜１４が形成されしかもその中央に基準圧室
１８が座ぐり加工して形成されたシリコン歪みゲージ１
６を、雰囲気が２　Ｔｏｒｒ以下の大気中で温度が３０
０〜５５０℃の状態の下、低融点ガラス層１２を介して
基台１０上に１０−６０分かり−Ｃ接着固定する。

この接着固定時に、シリコン歪みゲージ１６のシリ」ン
酸化膜１４からＳｆＯノが低融点ガラス層１２内に拡散
侵入し、低融点ガラス層１２の熱膨張係数をシリコン歪
みゲージ１Ｇ及び基台１０熱膨張係数に近い値まで引下
げ周囲湿度の変化に伴う残留歪みの発生を極めて小さな
らのとする。

更に、このＳｉＯ２の拡散侵入により低融点ガラス層１
２の耐水性、耐湿性が優れたものとなる。

なお、本発明においても低融点ガラスＮ１２の熱１１ｉ
１１［Ｈ係数とシリコン歪みゲージ１６おＪ：び基台１
０の熱膨張係数との間に僅かな違いが虹るが、本発明に
おいては、低融点ガラス層１２のｌ＆！厚を０．５〜５
μｍと適正な厚さに設定しているため、このような熱膨
張係数の差に起因して発生りる残留熱歪みの影響を更に
低減Ｊ゛ることが可能となる。　・′本実施例におい゛
ては、このようにして形成された半導体圧力変換器をコ
バール等のマウン１−に固定し、リード線を介して各種
コネクタに接続することにより使用される。

一般に、このようにして形成された圧力変換器は、その
基本特性としてオフセット、感度、零点温疫特竹、感度
温度特性、非直線特性等が測定される。

本実施例の半導体圧力変換器では、このような基本特性
のを測定した結果、零点と感度の経時変化が非常に少な
いことが確認された。

すなわち、温度サイクル試験を−２０”　−，８０℃の
範囲で３０回往復させ、かつ温湿度試験を温度７５℃湿
度９５％の条件のもと１６８時間行った後、本実施例の
圧力変換器の特性を測定したところ、その零点変化は−
・気圧絶対圧タイプにＡ′３いて圧力換算すると±　１
ｇ／ｃ＃ｌの範囲内に収まり、また、その感度変化ら±
　１ｇ／Ｉｉの範囲内に収まることが確認された。

このように、本実施例の半導体圧力変換器は、その零点
ど感度の経時変化が極めて小さく良好な特性を示すもの
であることが理解される。

なお、前記第１実施例においては、ブリメルト層として
の低融点ガラス層の作成を大気中にて行い、シリコン歪
みゲージ１６の基台１０上への接着固定を２　ＴＯｒｒ
以下の大気リークの雰囲気中で行う場合を例にとり説明
したが、本発明はこれに限らず、該圧力変換器を他の条
件の下で作成することも可能であり、例えば、窒素ある
いはアルゴン雰囲気中においても同様の特性をもつ圧力
変換器を得ることが可能である。

匙２叉１１ 次に、本発明に係る半導体圧力変換器の好適な第２実施
例を説明する。

本実施例の半導体圧力変換器は、基台１０を熱膨張係薮
２８−．３４Ｘ　１０−１／　’Ｃのガラス材料を用い
て形成し、そして該基台１０上に、スクリーン印刷法等
を用い低融点ガラスを塗イ１し、これを大気中におい、
て６００℃に加熱しブリメルト層として１０μｍ以上の
低融点ガラス層１２を形成し、該低融点ガラス層１２を
厚さ１〜３μｍまで研磨覆る。

その後接着面側に厚さ０．１−２．０μｍのシリコンＦ
ｌｉ化膜１４が形成されたシリコン歪みゲージ１６を、
約４００・〜５００℃に加熱し低融点ガラス層１２を介
して基台１０上に接着固定している１、この際の接着固
定は、基準圧室１８内を所定のＶ準圧どするよう２Ｔｏ
ｒｒ以下の大気雰囲気中において行われる。

そして、このようにして形成された本実施例の半導体圧
力変換器の基本特性を測定した結果、前記第１実施例と
同様に良好な特１４を発揮りることが確認された。

第３実施例 本実施例の半導体圧力変換器は、基台１０を熱膨張係数
２８へ・３４Ｘ　１０”　／　℃のガラスなどの材わ１
を用いて形成し、そして、該基台１０上にスパッタリン
グ法等を用いて低融点ガラスを堆Ｖ３（付着）さゼる。

低融点ガラス層のＪ（Ｉ積厚さは０．０５へ・５μｍが
゛　よい。

その後、後者面側に厚さ０．１・〜２．０μｍのシリ」
ン酸化脱１４が形成されたシリコン歪みゲージ１６を約
４００〜５００℃に加熱し、低融点ガラス層１２を介し
て基台１０上に接着固定している。この際の接着固定は
、基準圧室１８内を所定の基準圧とするよう２ＴＯｒｒ
以下の雰囲気中において１′］ねれる。

また、このようにして形成された本実施例の半導体圧力
変換器の基本特性を測定した結果、前記第１、第２実施
例と同様に良好な特性を発揮づることが確認された。

スパッタリング法の他には真空前６法、電工ビーム蒸着
法、イオンブレーティング法、さらに、ＣＶＤ法、有機
化合物の熱分解法などによっても行うことかできる。

スパッタリング法などの肋膜作製法にＪ：れば、低融点
ガラスの薄い膜が均一に作製でき、第１、第２実施例の
ようにプリメル１〜の工程を行わなくでもよい。また、
第２実施例のように研磨の必要　１もない。

なお、特に、低融点ガラス層の厚さが１μＩ１１以下と
薄い場合は、それに接着するシリコン歪みゲージの裏面
の仕上げに注意が必要であり、し）わゆる゛′ミラー仕
上げ″されたシリコン歪みゲージを用いるのがよい。こ
れにより、確実な接着固定が行え、良好な気密性が行ら
れる。

肛土末１１ 第２図には本発明の半″ＩｔＪ体圧力変換器に係る好Ｎ
な第４実施例が示されており、実施例の１′、導“圧力
変操器は、基台１０が熱膨張係数２５〜３５×１０−７
　／　℃の材料を用いて形成されており、基台１０の中
央には圧力導入口１８が設けられて０る。

そして、該基台１０上に、前記第１実施例とｒＬ１様の
方法ににリブリメルト層として低融点ガラスＦＪ１２を
形成する。

その後、シリコン歪みゲージの基準圧室１８と基台°１
０の圧力導入口２０とが、一致するよう該シリコン歪み
ゲージ１６を基台１０土に低融点ガラス層１２を介して
接着固定する。

このように、本実施例においては、基台１０にシリ」ン
歪みゲージ１６の基準圧室１８と連通す−ｐ　ｒｒ　−
１，４Ｍ　’１　ｒＩ　Ｑバー１：、＝＾ＩＪ　７１．
＼スｔ−ｋｌｓ　ぐノＩＩ　ｍンφみゲージ１６を基台
１０上に接着固定づる際Ｌ１圧室１８を真空にする必要
がなく、従って該接着固定を大気雰囲気中で行うことが
可能と４【る。

ま／ｊ１このようにして形成された本実施例の半導体圧
力変換器の基本特性を測定しＩＣ結果、前記第１実施例
と同様に優れた性能を有することが確認された。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、低融点ガラス層
の熱膨張係数とシリコン歪みゲージ及び基台の熱膨張係
数との差によって引起こされる熱歪みの発生を有効に抑
制し圧力の検出を優れた特性で長年にわたり行うことが
可能となり、し力＼も低融点ガラス層の耐水性及び耐久
性を改善し、優れた耐久性を有する半導体圧力変換器を
捉供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る半導体圧力変換器の好適な実施例
を示を説明図、 第２図は本発明の他の実施例を示す説明図である。 １０　・・・　基台、 １２　・・・　低融点ガラス層、 １４　・・・　シリ−１ン酸化膜、 １６　・・・　シリ」ン歪１フゲージ。 代理人　弁理士　吉　［［１研二 （外１名） 第１図 旧 第２図 １日 どＵ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）接着面側に厚さ０．１〜２．０μｍのシリコン酸
   化膜が形成されたシリコン歪みゲージを、熱膨張係数２
   ８〜３５Ｘ　１０”、　／　℃の基台上に、厚さ０．０
   ５〜５μｍ熱１１１１ｉ係数９０〜１３０Ｘ　１０−７
   　／　’Ｃ（７）低融点ガラス層を介して接着固定して
   形成されたことを特徴とする半導体圧力変換器。 （２、特許請求の範囲（１）記載の半導体圧ノコ変換器
   において、低融点ガラス層は厚さ０．１〜３μｍの範囲
   に設定されたことを特徴とする半導体圧