JPS6148794B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は絶対圧型圧力センサー、特に、半導体
単結晶よりなるダイアフラムの一方の側に基準圧
室を有する絶対圧型圧力センサーに関するもので
ある。

この種の絶対圧型圧力センサーには、例えば特
公開52−55392号公報に提案されているように、
圧力導入用の孔を有する台と、この圧力導入用の
孔を貫通する圧力導入管と、この圧力導入管の口
を塞ぐように台に固定されたシリコン・ダイヤフ
ラムと、台およびシリコン・ダイアフラムととも
に真空室を形成する真空容器と、シリコン・ダイ
ヤフラム上の真空室側に設けられた半導体ストレ
ン・ゲージと、真空容器と電気的に絶縁され、か
つ気密に貫通する前記半導体ストレン・ゲージの
出力を取り出すための導電体と、半導体ストレ
ン・ゲージの電極部と導電体を接続するリード・
ワイヤーとからなり、所謂キヤンタイプと言われ
るものがあるが、量産性、小形化の点で問題があ
つた。

そのため、本件出願人は、例えばシリコン単結
晶からなり一面にひずみゲージが形成された有底
孔を有するダイアフラムと、これと類似の熱膨張
係数を有するガラス、例えば硼硅酸ガラスからな
り基準圧室を形成する有底孔と電極孔を有するキ
ヤツプとを一体化して形成される絶対圧型圧力セ
ンサーの開発を行なつた。第１図ａおよびｂはそ
れぞれ試作したキヤツプ、ダイアフラムの構造を
示すもので、１０はキヤツプ１に設けられ基準圧
室を形成する有底穴、１１はダイアフラムの電極
から信号を取出すための貫通孔、２０はダイヤフ
ラム２に起歪部を構成するために加工された有底
穴、２８は有底穴２０の反対側の表面に異種不純
物の拡散により形成されたひずみゲージ２２はひ
ずみゲージ２８に一端が接続し、他端に電極２７
が取付けられる半導体単結晶表面に不純物拡散に
より形成された電極領域である。これらのダイア
フラム２とキヤツプ１との取付けは第１図ｃに示
す如く、加熱台３上にダイアフラム２を載置し、
その上にキヤツプ１を重ね、ヒーター３１で約
400℃に加熱した状態で、ダイアフラム２側をプ
ラスにして電源３２により約1000Vの直流電圧を
印加していわゆる静電接合法により接合される。
従つて、ひずみゲージ２８の出力は電極領域２２
からキヤツプ１に設けられた貫通孔１１を介して
導出されることになる。

ここで用いられる静電接合法は熱歪が生ぜず、
かつ、気密に接合できるものとされているが、こ
の方法を用いてダイアフラムとキヤツプとを接合
した絶対圧型圧力センサーも必ずしも気密性が良
くなく長期間使用した場合あるい周囲環境の変化
に対して十分な気密が得られておらず、その対策
が問題となつていた。

本発明は、これらの問題点を解決し、量産性、
小形化が可能で、基準圧を長期にわたつて安定に
保持することができる絶対圧型圧力センサーを提
供することを目的とするもので、半導体単結晶よ
りなり、一面にひずみゲージが形成され、他面か
らの圧力により変形するダイアフラムと、該ダイ
アフラムの前記ひずみゲージの形成された側に設
置された基準圧室とを有する絶対圧型圧力センサ
ーにおいて、前記基準圧室が前記半導体単結晶と
類似の熱膨張係数をもつガラスよりなり有底孔の
穿設されたキヤツプと前記ダイアフラムとを静電
接合して形成される空間よりなり、前記ひずみゲ
ージの出力を該ひずみゲージに接続し前記半導体
単結晶表面に拡散形成された電極領域から前記キ
ヤツプに設けられた貫通孔を介して導出するよう
に構成され、前記キヤツプに設けられた貫通孔の
前記ダイアフラム側の開口端が、前記電極領域内
の前記静電接合時該電極領域周辺部に形成される
空隙領域より内側に位置していることを特徴とす
るものである。

本発明は、本発明者等による静電接合されたダ
イアフラムとキヤツプとの接合部の構造の検討に
より、気密性阻害の原因がダイアフラム中に形成
される電極領域の構造に基因するものであること
を解明した結果得られたものである。

次に、検討結果について説明する。第２図ａ，
ｂ，ｃ，ｄ，ｅおよびｆはダイアフラム２中に電
極領域を形成する工程を示したもので、以下の各
工程からなつている。

(1) まず、第２図ａに示す如く、例えばＮ型シリ
コン単結晶よりなるダイヤフラム２の有底穴２
０の設けられた面と反対の面上に例えば酸化硅
素（SiO₂）のような酸化膜２１を被着させる。
この場合には、約1000℃の高温中でSiO₂を約
１μｍ形成させた。

(2) 拡散層（電極領域）を形成する部分の酸化膜
２１をエツチングで除去し、Ｐ型の不純物であ
るボロンを約900℃で拡散し、拡散層２２を形
成する。この過程で、同図ｂに示す如く、表面
にボロンガラスと呼ばれる表皮層２３ができ
る。

(3) 拡散層２２の形成に用いた酸化膜２１および
表皮層２３をエツチングすると、同図ｃに示す
如く拡散層２２に形成された表皮層２３が除去
されるため、ダイアフラム２面と拡散層２２面
との間には段差Ｓができる。

(4) 同図ｄに示す如く、新しい酸化膜２４を約１
μ被着させる。この際酸化膜２４は等しい厚さ
でつくので段差Ｓはそのまま残つており、拡散
層２２上には凹部２５が形成される。

(5) 拡散層２２上の酸化膜２４に同図ｅに示す如
く、電極窓２６をあけ、同図ｆに示す如く、例
えばアルミニウムを約１μｍ蒸着して拡散層２
２とオーミツク接触を確保して、電極２７を形
成する。

従つて、このような工程で製作された電極領域
（拡散層２２）にはダイヤフラム面との間に段差
Ｓが存在し、凹部が存在することになる。

このようにして形成されたダイアフラム２に基
準圧室を形成する有底孔１０と電極孔１１の設け
られているキヤツプ１を静電接合した状態を示し
たのが第３図ａおよびｂで、それぞれ接合面およ
び同図ａのＡ−Ａ断面を示しており、第１図およ
び第２図と同一部分には同一符号が付してある。

このダイヤフラム２と朋硅酸ガラスよりなるキ
ヤツプ１との静電接合においては、両者の間隙、
すなわちダイアフラム２の凹部２５の深さが１μ
ｍ以内の場合にはダイヤフラム２の平面部の酸化
膜２４とキヤツプ１とは接合部４を形成し、ダイ
ヤフラム２の凹部２５もシール部５が形成されて
シールが完全に行われる。

しかし、本発明者等の検討の結果、ダイアフラ
ム２の凹部２５の周辺部においては、ダイアフラ
ム２とキヤツプ１との間隙が１μｍ以内であつて
も完全なシール部が形成されていないことが明ら
かになつた。このことはダイアフラム２の凹部２
５に全面的に朋硅酸ガラスを静電接合した場合に
おいても、凹部２５の周辺部には第３図ａに示す
如く連続した空隙領域６を生じ、拡散により形成
された電極領域２２はキヤツプ１の有底穴１０内
に位置するひずみゲージ２８に接続しているた
め、凹部２５の周辺部はキヤツプ１内と連続して
いることになる。

従つて、キヤツプ１に設けられている電極穴１
１がダイアフラム２の凹部２５をおおつている状
態、あるいは第３図に示す如くダイアフラム２の
凹部２５を横断する状態になつている場合には、
大気はキヤツプ１の電極穴１１からダイアフラム
２の凹部２５外周部の空隙領域６を通り、キヤツ
プ１の有底孔１０内と通じることになる。

すなわち、従来はこのようなダイアフラムの凹
部の周辺部にそつて生じる空隙領域の存在が明ら
かとなつておらず、主として製作作業上の観点か
ら、ダイアフラム凹部の大きさに対して比較的大
きな電極孔の設けられたキヤツプを用いていたた
め、静電接合を行つても初期の目的を達成できな
かつたことが明らかとなつた。この原因究明の結
果、本発明はキヤツプの電極穴をダイアフラムの
凹部周辺部に静電接合時発生する空隙領域と相交
らないように形成するものである。

以下、実施例について説明する。

第４図ａおよびｂは一実施例のそれぞれ接合面
および同図ａのＢ−Ｂ断面を示しており、第５図
ａおよびｂはそれぞれ、第４図のＣ部の接合面お
よび第５図ａのＤ−Ｄ断面を示しており、第３図
と同一部分には同一符号が付してある。第３図と
異なるところは、キヤツプ１の電極穴１１のダイ
アフラム側の開口端がダイアフラム２の凹部２５
周辺部の空隙領域６以内に位置している点であ
る。すなわち、このような位置に電極穴１１の設
けられているキヤツプ１をダイヤフラム２に静電
接合した場合には、凹部２５の周辺部には空隙領
域６を生じ、これはキヤツプ１の有底穴１０と通
じているが、キヤツプ１の電極穴１１には通じて
いない。

従つて、ダイヤフラム２とキヤツプ１の静電接
合を真空容器内で作業して、キヤツプ１内の有底
穴１０により構成される基準圧室（便宜上符号１
０で表す）を真空とした場合、前述の理由によ
り、基準圧室１０は完全に外部からの気密洩れは
なく、基準圧室１０の真空は十分保持されるの
で、ダイヤフラム２上に配置したひずみゲージ２
８は有底穴２０側から作用する圧力Ｐに対応し
て、いわゆる絶対圧基準形の圧力センサーとして
作用し、その電気出力はガラスキヤツプ１に設け
られた電極穴１１を通じて取出すことができる。
このように基準圧室の気密洩れがなくなつたた
め、気密洩れによるダイアフラムの変形により、
生ずる出力零点電圧のドリフトのような重大な欠
点を生ぜず、また長期間の周囲温度変化や衝撃な
どによる漏れの加速により、基準圧室に大気が注
入され、絶対圧基準としての機能を果さなくなる
欠点も除去できる。

この実施例記載の絶対圧型圧力センサーは、ダ
イアフラムとガラスキヤツプの熱膨張がほぼ同じ
で、界面には何等接着剤の存在しない構造となつ
ているため、両者の熱歪は極めて小さく長期の使
用にわたつても接合部のシール部が破損すること
がなく、基準圧室の真空が完全に保持されるため
零点ドリフトのない長期安定性に優れた絶対圧型
圧力センサーを提供することができる。

このような絶対圧型圧力センサーにおいては、
ダイアフラムと同一寸法で有底孔及び電極穴を有
するキヤツプとを合せることによつて基準圧室を
つくることができる。従つて、量産に当つては、
数百個のセンサーチツプを形成したシリコンウエ
ハと、同数の基準圧室用の有底孔の設けられたガ
ラスウエハとを静電接合すれば、一回の静電接合
で同時に数百の絶対圧型圧力センサーの基準圧室
を作成することができ、その後ダイシングして切
離したものをそれぞれ台上に固定し、チツプサイ
ズ内に形成されたボンデングパツトからキヤツプ
の電極穴を介してリード線を取り出し、台上に固
定したのち、チツプ及びリード線の周囲を保護用
ゲルで被覆して製造することができる。

このように、本発明の絶対圧型圧力センサー
は、従来のこの種装置の如くチツプ単位で基準圧
室を形成する構造に比して1/3〜1/5の小形化が可
能であり、前述の如くシリコンウエハとガラスウ
エハの段階で静電接着できるのでキヤツプ接着時
間は1/200〜1/500とすることができ著しい量産効
果を得ることができる。

以上の如く、本発明は、量産性、小形化が可能
で、基準圧を長期にわたつて安定に保持すること
ができる絶対圧型圧力センサーを提供可能とする
もので、産業上の効果の大なるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂおよびｃは本件出願人が開発した
絶対圧型圧力センサーの製作方法を説明するため
の要部断面斜視図、第２図ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅお
よびｆは同じく絶対圧型圧力センサーのダイアフ
ラムの製作工程を示す断面図、第３図ａおよびｂ
は同じく絶対圧型圧力センサーの構造を示すもの
で、同図ａはダイヤフラムとキヤツプとの接合部
の平面図、同図ｂは同図ａのＡ−Ａ断面図、第４
図は本発明の絶対圧型圧力センサーの一実施例の
構造を示すもので、同図ａはダイアフラムとキヤ
ツプとの接合部の平面図、同図ｂは同図ａのＢ−
Ｂ断面図、第５図ａおよびｂはそれぞれ第４図Ｃ
の接合部の平面図および同図ａのＤ−Ｄ断面図で
ある。 １……キヤツプ、１０……基準圧室（有底
穴）、１１……電極穴、２……ダイアフラム、２
０……有底穴、２２……電極領域（拡散層）、２
４……酸化膜、２５……凹部、２７……電極、２
８……ひずみゲージ、４……接合部、５……シー
ル部、６……空隙領域。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 半導体単結晶よりなり、一面にひずみゲージ
   が形成され、他面からの圧力により変形するダイ
   アフラムと、該ダイアフラムの前記ひずみゲージ
   の形成された側に設置された基準圧室とを有する
   絶対圧型圧力センサーにおいて、前記基準圧室が
   前記半導体単結晶と類似の熱膨張係数をもつガラ
   スよりなり有底孔の穿設されたキヤツプと前記ダ
   イアフラムとを静電接合して形成される空間より
   なり、前記ひずみゲージの出力を該ひずみゲージ
   に接続し前記半導体単結晶表面に拡散形成された
   電極領域から前記キヤツプに設けられた貫通孔を
   介して導出するように構成され、前記キヤツプに
   設けられた貫通孔の前記ダイアフラム側の開口端
   が、前記電極領域内の前記静電接合時該電極領域
   周辺部に形成される空隙領域より内側に位置して
   いることを特徴とする絶対圧型圧力センサー。