KR20070035498A

KR20070035498A - 압력 센서

Info

Publication number: KR20070035498A
Application number: KR1020067026315A
Authority: KR
Inventors: 마사시 세키네; 히데후미 하라다
Original assignee: 가부시키가이샤 야마다케
Priority date: 2004-06-17
Filing date: 2006-12-14
Publication date: 2007-03-30
Also published as: JP2006003234A; KR100927567B1; WO2005124307A1; US7703329B2; JP4014006B2; CN100437066C; CN1969173A; US20080245154A1

Abstract

압력을 검출하는 센서 칩 (30) 과, 센서 칩 (30) 을 지지하는 대좌 플레이트 (20(21, 22)) 와, 대좌 플레이트 (20(21, 22)) 에 접합되고 해당 대좌 플레이트 (20(21, 22)) 를 지지하는 지지 다이어프램 (50) 을 가지며, 지지 다이어프램 (50) 이 패키지 (10) 에 접합되고, 해당 지지 다이어프램 (50) 만을 개재시켜서 센서 칩 (30), 대좌 플레이트 (20(21, 22)) 를 패키지내에 지지하는 구성을 압력 센서 (1) 가 가짐으로써, 외부로부터의 열로 인한 열응력의 영향을 극소화하고 항상 고정밀도로 압력검출을 실행할 수 있는 압력 센서를 제공한다.

Description

압력 센서 {PRESSURE SENSOR}

본 발명은, 예를 들어 피측정 압력에 따른 정전용량을 압력으로서 검출하는 다이어프램 구조를 갖춘 압력 센서에 관한 것으로, 특히 진공에 가까운 압력을 측정하는데 적합한 압력 센서에 관한 것이다.

종래부터 피측정 압력의 변화를 정전용량의 변화로서 검출하는 다이어프램 구조를 갖춘 압력 센서는 널리 알려져 있다. 이러한 압력 센서의 일예로서 다이어프램의 진공실측에서 변형 발생 영역 (strain generating region) 근방에 가동 플레이트를 접합하고, 가동 플레이트 외주부와 다이어프램 고정부와의 대향면에 각각 가동전극과 고정전극을 형성하여 이들 전극간의 정전용량의 변화를 압력의 변화로서 검출하는 압력 센서가 있다 (예를 들어 특허문헌 1 의 공보 참조).

또한, 센서 칩을 패키지에 확실히 유지하기 위해, 패키지의 금속제 틀에 메탈 플레이트, 커버 플레이트 및 완충부재를 개재시켜서 센서 칩을 유지함과 동시에, 커버 플레이트를 메탈 플레이트와 기대로 끼워서 구속한 구조로 된 압력 센서도 고안되었다.

한편, 특히 진공계와 같이 미압을 측정하기 위한 고정밀도 압력 센서에 있어서는 압력 센서 소자 (센서 칩) 를 패키지에 고정하는데 있어서 해결해야 할 특별 한 과제가 있다. 구체적으로는, 압력 센서 자체가 고정밀도이기 때문에 패키지에 고정된 센서 소자에 패키지와 고정 재료의 온도 변화로 인한 열응력이 가해지고, 그것을 센서 소자가 검출함으로써 측정 오차가 생긴다는 문제이다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 패키지와 압력 센서 소자를 이간시켜, 선팽창계수가 양자의 중간치인 재료를 사이에 끼움으로써 응력을 완화하는 대책도 생각할 수 있다. 그러나, 이들은 각각의 구성요소들이 겹쳐진 상태로 접합되고 있으므로 구조상 강체간에 응력이 전달된다는 사실에는 차이가 없으며, 열응력의 영향을 어느정도 완화시킬 수 있으나, 미압 측정에 있어서는 이들 열응력의 영향을 받아서 측정 오차가 발생하게 된다.

특히, 미압 측정용 압력 센서를 반도체 제조과정에 사용한 경우, 진공에 가까운 고온의 프로세스 가스의 압력을 측정하지 않으면 안된다. 따라서, 압력 센서의 패키지와 이 패키지내에 수용되는 각 구성 요소의 열팽창률의 차이로 인한 열응력의 작용 문제를 해소할 수 없었다.

한편, 이러한 열응력의 영향을 완화시키기 위해, 센서 소자와 패키지 사이에 상당히 큰 간격을 두는 구조로 하는 대책도 생각할 수 있다. 구체적으로는, 패키지내에 예를 들어 파이렉스(등록상표)제 유리 등의 대좌 (臺座) 를 구비하고, 해당 대좌 상면에 패키지로부터 어느정도 거리를 둔 상태로 센서 칩을 배치하는 구조 등이다. 그러나, 이러한 구조에 있어서는 압력 센서 전체가 대형화되고 압력 센서 자체의 소형화란 요구에 위배되는 결과가 되고 만다.

(특허문헌 1) 일본특허공개 제 2002-267559 호

본 발명의 목적은, 외부로부터의 열로 인한 열응력 영향이 적고 항상 고정밀도로 압력검출을 실행할 수 있는 압력 센서를 제공하는 것이다.

상기한 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 압력 센서는 압력을 검출하는 센서 칩과, 센서 칩을 지지하는 대좌 플레이트와, 대좌 플레이트에 접합되고 해당 대좌 플레이트를 지지하는 지지 다이어프램을 가지며, 지지 다이어프램의 일부가 패키지에 접합되고, 해당 지지 다이어프램만을 개재시켜서 센서 칩, 대좌 플레이트를 패키지내에 지지하고 있는 것을 특징으로 하고 있다.

패키지의 내부공간에 있어서, 센서 칩, 대좌 플레이트가 패키지 내벽에 직접 접촉하지 않도록 지지 다이어프램만을 개재시켜서 지지되어 있다. 이로 인해 압력 센서 자체에 작용하는 급격한 열적 변화에 의해 생기는 열응력를 지지 다이어프램의 열응력에 대한 유연성으로 완화할 수 있다. 그 결과, 압력 센서에 가해지는 열의 영향으로 인한 측정정밀도 저하를 피할 수 있다.

또한, 본 발명의 청구항 2 에 기재한 압력 센서는, 청구항 1 에 기재한 압력 센서에 있어서, 대좌 플레이트가 동일 재료로 된 제 1 대좌 플레이트와 제 2 대좌 플레이트로 이루어지며, 지지 다이어프램이 해당 제 1 대좌 플레이트와 제 2 대좌 플레이트에 의해 끼워진 상태로 접합되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

지지 다이어프램과 대좌 플레이트를 이른바 샌드위치 상태로 접합함으로써 바이메탈 효과에 의한 열응력 발생을 완화하고, 압력 센서에 가해지는 열의 영향을 제거하여 측정 정밀도의 저하를 극소화한다.

또한, 본 발명의 청구항 3 에 기재한 압력 센서는, 청구항 1 또는 청구항 2 에 기재한 압력 센서에 있어서, 센서 칩에는 해당 센서 칩의 전극부와 도통접속되는 접촉 패드가 형성됨과 동시에, 패키지에는 전극 리드가 구비되고, 해당 접촉 패드와 전극 리드를 센서 칩 보호용의 유연성을 갖는 탄성체로 도통접촉시키고 있는 것을 특징으로 하고 있다.

패키지와 지지 다이어프램과의 선팽창계수의 차이로 인해 열응력이 발생하거나 압력 센서에 가해지는 압력이 급격하게 상승됨으로써 지지 다이어프램이 변위된 경우에도, 전극 리드와 접촉 패드 사이에 개재된 도통성을 갖는 탄성체가 충분히 휘어짐으로써 센서 칩에 과도한 응력이 가해지는 일이 없으며 측정 정밀도에 나쁜 영향을 주는 일도 없다.

또한, 본 발명의 청구항 4 에 기재한 압력 센서는, 청구항 2 에 기재한 압력 센서에 있어서, 지지 다이어프램이 인코넬로 된 박판이며, 제 1 대좌 플레이트와 제 2 대좌 플레이트는 지지 다이어프램의 두께에 대하여 충분한 두께를 가지며 사파이어로 되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

이러한 구조를 가짐으로써, 지지 다이어프램과 대좌 플레이트의 열팽창률의 차이로 인해 발생하는 열응력으로 이들 부분이 휘어지는 일을 방지하고 있다.

바람직하게는, 청구항 4 에 기재한 압력 센서에 있어서, 센서 칩은 사파이어로 되어 있고, 센서 칩을 지지하는 대좌 플레이트에 대하여 접합후에 해당 대좌 플레이트와 동일한 재료로 변화되는 산화 알루미늄 베이스의 접합 재료를 개재시켜서 접합되어 있도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 바람직하게는, 청구항 1 에 기재한 압력 센서에 있어서, 센서 칩은, 박판으로 된 스페이서와, 스페이서에 접합되면서 압력의 인가에 따라 왜곡이 생기는 센서 다이어프램과, 센서 다이어프램에 접합되고 진공 상태의 레퍼런스실을 형성하는 센서 대좌를 구비하도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 바람직하게는, 청구항 6 에 기재한 압력 센서에 있어서, 스페이서, 센서 다이어프램, 및 센서 대좌는 직접 접합에 의해 서로 접합되어, 일체화된 센서 칩을 구성하도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 바람직하게는, 청구항 3 에 기재한 압력 센서에 있어서, 전극 리드부는 전극 리드핀과 금속제 실드를 구비하며, 전극 리드핀은 전극 리드핀의 양단부간에서 기밀상태를 유지하도록 금속제의 실드에 기밀한 시일 (hermetic seal) 에 의해 중앙부분이 매설됨과 동시에 실드와 패키지와 사이에도 기밀한 시일이 개재되어 있도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 바람직하게는, 청구항 3 에 기재한 압력 센서에 있어서, 상기 탄성체는 전기 전도성을 갖는 접촉 스프링으로 구성되어 있도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 바람직하게는, 청구항 9 에 기재한 압력 센서에 있어서, 상기 접촉 스프링은 전기 전도성을 갖는 코일 스프링 또는 판 스프링으로 구성되도록 하는 것이 바람직하다.

한편, 청구항 3 에 기재한 압력 센서에 있어서, 상기 탄성체는 충분한 유연성을 갖는 전기 전도 와이어로 구성되도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 청구항 1 에 기재한 압력 센서에 있어서, 지지 다이어프램은 스테인리스 또는 코발(Koval) 중 어떤 하나로 하는 것이 바람직하다.

또한, 청구항 1 에 기재한 압력 센서에 있어서, 대좌 플레이트 및 센서 칩은 실리콘, 알루미나, 실리콘 카바이드 및 석영으로 이루어지는 군 중 어떤 하나로 할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 일실시형태인 압력 센서의 단면도.

이하, 본 발명의 일실시형태인 압력 센서에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.

본 발명의 일실시형태인 압력 센서 (1) 는, 도 1 에 나타낸 바와 같이 패키지 (10) 와, 패키지내에 수용된 대좌 플레이트 (20) 와, 역시 패키지내에 수용되고 대좌 플레이트 (20) 에 접합된 센서 칩 (30) 과, 패키지 (10) 에 직접 설치되고 패키지 내외를 도통 접속하는 전극 리드부 (40) 를 구비하고 있다. 또한, 대좌 플레이트 (20) 는, 패키지 (10) 에 대하여 이격되어 있으며, 지지 다이어프램 (50) 만을 개재시켜서 패키지 (10) 에 지지되어 있다.

패키지 (10) 는, 하부 하우징 (11), 상부 하우징 (12), 및 커버 (13) 로 구성되어 있다. 그리고, 하부 하우징 (11), 상부 하우징 (12) 및 커버 (13) 는 내식성 금속인 인코넬로 되어 있으며, 각각이 용접에 의해 접합하고 있다.

하부 하우징 (11) 은, 지름이 다른 원통체를 연결한 형상으로, 그 대경부 (11a) 는 지지 다이어프램 (50) 과의 접합부를 가지며, 그 소경부 (11b) 는 피측정 유체가 유입되는 압력도입부 (10A) 를 이루고 있다. 그리고, 대경부 (11a) 와 소경부 (11b) 와의 결합부에는 배플 (11c) 이 형성됨과 동시에, 해당 배플 (11c) 은 주위에 주위 방향으로 소정된 간격으로 압력도입용 구멍 (11d) 이 형성되어 있다.

배플 (11c) 은, 압력 도입부 (10A) 에서 프로세스 가스 등 피측정 유체가 후술하는 센서 칩 (30) 에 직접 도달하지 않도록 우회시키는 역할을 하는 것으로, 센서 칩 (30) 에 프로세스 가스 성분이나 프로세스 가스 중의 불순물이 퇴적되는 것을 방지하도록 되어 있다.

상부 하우징 (12) 은 대략 원통체 형상을 가지며, 후술하는 커버 (13), 지지 다이어프램 (50), 대좌 플레이트 (20) 및 센서 칩 (30) 을 개재시켜 패키지내에 프로세스 가스의 도입 영역과 독립된 진공 상태인 기준진공실 (10B) 을 형성하고 있다. 다만, 밀폐공간 (B) 중에는 이른바 게터 (getter; 도시하지 않음) 라고 불리는 기체흡착 물질이 갖추어져 진공도를 유지하고 있다.

또한, 상부 하우징 (12) 의 지지 다이어프램 설치 측에는 주위 방향의 적절한 곳에 스토퍼 (12a) 가 돌출 형성되어 있다. 다만, 이 스토퍼 (12a) 는 피측정 유체의 급격한 압력 상승으로 인해 대좌 플레이트 (20) 가 과도하게 변이되는 것을 통제하는 역할을 하고 있다.

또한, 커버 (13) 는 원형 플레이트로 되어 있으며, 커버 (13) 의 소정 위치에는 전극 리드 삽입 구멍 (13a) 이 형성되어 있고, 기밀한 시일 (60) 을 경유하여 전극 리드부 (40) 가 매설되어 이 부분의 밀폐성을 확보하고 있다.

한편, 지지 다이어프램 (50) 은 케이싱 (10) 의 형상에 맞춘 외형 형상을 갖는 인코넬의 박판으로 되어 있으며, 주위의 가장자리 부분은 상기 상부 하우징 (11) 과 하부 하우징 (12) 의 가장자리 부분으로 끼워져 용접 등 방법으로 접합되어 있다. 다만, 지지 다이어프램 (50) 의 두께는, 예를 들어 본 실시형태의 경우 수십 미크론이며, 각 대좌 플레이트 (21, 22) 보다 충분히 얇다. 또한, 지지 다이어프램 (50) 의 중앙부분에는 센서 칩 (30) 에 압력을 도입하기 위한 압력도입 구멍 (50a) 이 형성되어 있다.

지지 다이어프램 (50) 의 양면에는, 지지 다이어프램 (50) 과 케이싱 (10) 의 접합부에서 주위 방향 전체에 걸쳐서 어느 정도 이격된 위치에 산화 알루미늄의 단결정체인 사파이어로 된 얇은 링 모양의 하부 대좌 플레이트 (제 1 대좌 플레이트; 21) 와 상부 대좌 플레이트 (제 2 대좌 플레이트; 22) 가 접합되어 있다.

그리고, 각 대좌 플레이트 (21, 22) 는, 지지 다이어프램 (50) 의 두께에 대하여 상기한 바와 같이 충분한 두께를 가지고 있으며, 동시에 지지 다이어프램 (50) 을 양쪽 대좌 플레이트 (21, 22) 로 이른바 샌드위치 상태로 끼우는 구조를 가지고 있다. 이에 의해 지지 다이어프램 (50) 과 대좌 플레이트 (20) 의 열팽창률의 차이로 인해 발생되는 열응력으로 이 부분이 휘어지는 것을 방지하고 있다.

또한, 상부 대좌 플레이트 (22) 에는 산화 알루미늄의 단결정체인 사파이어로 된 상면에서 보고 구형 모양의 센서 칩 (30) 이, 접합후에 스페이서 (31) 나 상부 대좌 플레이트 (22) 와 동일한 재료로 변화되는 산화 알루미늄 베이스의 접합 재료를 개재시켜서 접합되어 있다. 다만, 이 접합 방법에 대해서는, 특허공개 제 2002-111011 호 공보에 자세히 기재되어 있다. 센서 칩 (30) 은 상면에서 보고 1cm×1cm 이하의 크기를 가지며, 사각형의 박판으로 된 스페이서 (31) 와, 스페이서 (31) 에 접합되고 동시에 압력 인가에 따라서 왜곡이 생기는 센서 다이어프램 (32) 과, 센서 다이어프램 (32) 에 접합되고 진공상태의 용량실 (레퍼런스실; 30A) 을 형성하는 센서 대좌 (33) 를 가지고 있다. 또한, 진공 상태인 용량실 (30A) 과 기준진공실 (10B) 과는 센서 대좌 (33) 의 적절한 곳에 만들어진 연통 구멍 (도시하지 않음) 을 개재시켜서 동일한 진공도를 유지하고 있다.

그리고, 스페이서 (31), 센서 다이어프램 (32) 및 센서 대좌 (33) 는 이른바 직접 접합에 의해 서로 접합되고, 일체화된 센서 칩 (30) 을 구성하고 있다.

또한, 센서 칩 (30) 의 용량실 (30A) 에는, 센서 대좌 (33) 의 요면부 (33a) 에 금 또는 백금등 도전체로 된 고정전극 (33b, 33c) 이 형성되어 있으며, 동시에 이들과 대향하는 센서 다이어프램 (32) 의 표면상에 금 또는 백금 등 도전체로 된 가동전극 (32b, 32c) 이 형성되어 있다. 또한, 센서 칩 (30) 의 표면에는 금 또는 백금으로 된 접촉 패드 (35, 36) 가 형성되며, 이들 고정전극 (33b, 33c) 과 가동전극 (32b, 32c) 은 접촉 패드 (35, 36) 와 배선 (도시하지 않음) 에 의해 접속되어 있다.

한편, 전극 리드부 (40) 는 전극 리드핀 (41) 과 금속제 실드 (42) 를 구비하며, 전극 리드 핀 (41) 은 금속제 실드 (42) 에 유리 등 절연성 재료로 된 기밀한 시일 (43) 에 의해 그 중앙부분이 매설되고, 전극 리드핀 (41) 의 양단부간에서 기밀상태를 유지하고 있다. 그리고, 전극 리드핀 (41) 의 일단은 패키지 (10) 의 외부에 노출되어 배선 (도시하지 않음) 에 의해 압력 센서 (1) 의 출력을 외부의 신호 처리부에 전달하도록 되어 있다. 다만, 실드 (42) 와 커버 (13) 와의 사이에도 상기한 바와 같이 기밀한 시일 (60) 이 개재되어 있다. 또한, 전극 리드핀 (41) 의 다른 단부에는 전기 전도성을 갖는 접촉 스프링 (45, 46) 이 접속되어 있다.

접촉 스프링 (45, 46) 은, 압력 도입부 (10A) 에서 프로세스 가스 등 피측정 유체가 갑자기 유입됨으로써 발생되는 급격한 압력 상승으로 인해 지지 다이어프램 (50) 이 약간 변이된 경우에도, 접촉 스프링 (45, 46) 의 부세력 (biasing force) 이 센서 칩 (30) 의 측정 정밀도에 영향을 미치지 않는 정도의 충분한 유연성을 가지고 있다.

다음에, 이들 구성을 갖는 압력 센서 (1) 의 작용에 대해 설명한다. 그리고, 본 실시형태에 있어서는, 압력 센서 (1) 를, 예를 들어 반도체 제조장치의 적절한 곳에 설치하고, 예를 들어 CVD (Chemical Vapor Deposition) 등 반도체 제조 과정에 있어서, 프로세스 가스의 진공에 가까운 미소압력 (이하, '미압' 으로 칭함) 을 측정한다. 이하, 프로세스 가스의 미압 측정방법에 대해 설명한다.

프로세스 가스는 압력 센서 (1) 의 압력 도입부 (10A) 에서 압력도입 구멍 (11d) 을 경유해서 패키지내에 유입한다. 이 때, 프로세스 가스의 급격한 유입이 발생한 경우에도 배플 (11C) 과 압력도입 구멍 (11d) 을 개재시켜 프로세스 가스를 우회시켜서 패키지내에 유입하도록 되어 있으므로, 센서 다이어프램 (32) 에 프로세스 가스가 직접 부딪치는 일은 없다. 따라서, 센서 다이어프램 (32) 에 프로세스 가스의 성분이나 프로세스 가스에 포함되는 불순물의 재퇴적을 방지할 수 있다.

그리고, 프로세스 가스가 미압일 때도, 센서 칩 (30) 의 용량실내는 진공 상태이므로 센서 다이어프램 (32) 이 휘어져서 센서 칩 (30) 의 고정전극 (33b, 33c) 과 가동전극 (32b, 32c) 과 사이의 간격이 변화된다. 이로 인해 고정전극 (33b, 33c) 과 가동전극 (32b, 32c) 으로 구성된 콘덴서의 용량치가 변화된다. 이들 용량치의 변화를 전극 리드부 (40) 에 의해 압력 센서 (1) 의 외부로 인출함으로써 프로세스 가스의 미압을 측정할 수 있다.

한편, 본 실시형태에 있어서는, 압력 센서 (1) 는 반도체 제조 프로세스에 설치되어 있으며, 프로세스 가스는 고온이기 때문에 반도체 제조장치에 대한 프로세스 가스의 유입전후에 있어서 압력 센서 (1) 가 설치된 부분에 커다란 열적 변화가 생긴다. 또한, 센서 자체도 가열되면서 사용되므로 열적 변화가 생긴다.

여기서, 패키지 (10) 는 금속제이며, 대좌 플레이트 (20) 나 센서 칩 (30) 은 사파이어로 되어 있으므로, 이들 부재간의 열팽창률이 서로 다르다. 따라서, 종전과 같이 패키지와 대좌 플레이트가 면접촉되어 있으면, 각 부재의 열팽창량의 차이가 이 접촉 영역을 개재시켜서 열응력으로서 작용하고, 이 열응력이 대좌 플레이트에 설치된 센서 칩에 전달되면서 고정밀도의 미압 측정에 악영향을 미친다.

그러나, 본 실시형태의 압력 센서 (1) 의 경우, 대좌 플레이트 (20) 와 패키지 (10) 가, 얇은 지지 다이어프램 (50) 만을 개재시켜서 지지되며, 대좌 플레이트 (20) 와 패키지 (10) 가 직접 접촉하지 않고 있다. 따라서, 상기한 바와 같은 대좌 플레이트 (20) 와 패키지 (10) 의 재질 차이로 인해 열팽창의 정도가 달라져도, 얇은 지지 다이어프램 (50) 이 패키지 (10) 와 대좌 플레이트 (20) 로 끼워진 영역에서 휘어지거나 신장되면서 대좌 플레이트 (20) 와 센서 칩 (30) 과의 접합부에서의 열응력 전달을 억제해 준다. 따라서, 압력 센서 (1) 에 급격한 열적 변화가 생긴 경우에도 이 열적 변화로 인한 열응력이 센서 칩 (30) 에서 생기는 일이 적다.

또한, 대좌 플레이트 (20) 는 두께가 두껍고, 지지 다이어프램 (50) 은 대좌 플레이트 (20) 와 비교하여 두께가 충분히 얇다. 게다가, 지지 다이어프램 (50) 은 하부 대좌 플레이트 (21) 와 상부 대좌 플레이트 (22) 로 샌드위치 구조로 끼워져 있다. 이로 인해, 예를 들어 사파이어로 된 대좌 플레이트 (20) 와 예를 들어 스테인리스로 된 지지 다이어프램 (50) 처럼 부재료간에 열팽창률의 차이가 있는 경우에도, 소위 바이메탈과 같이 양자가 휘어지는 일은 없다. 따라서, 이 부분에서도 센서 칩 (30) 에 악영향을 주는 열응력의 발생을 억제할 수 있다.

더구나, 센서 칩 (30) 에는 접촉 패드 (35, 36) 가 형성되며, 이 접촉 패드 (35, 36) 에는 충분한 가요성을 갖는 접촉 스프링 (45, 46) 이 도통 접촉되고 있다. 그리고, 접촉 스프링 (45, 46) 의 가요성은, 프로세스 가스의 급격한 압력 상승이나 압력 센서 전체의 열적 변화에 따라 지지 다이어프램 (50) 이 변형되고 센서 칩 (30) 이 패키지내에서 약간 이동한 경우에도 접촉 스프링 (45, 46) 의 부세력이 센서 칩 (30) 의 검출 감도에 영향을 주지 않는 만큼 충분히 유연하다. 따라서, 압력 센서 (1) 의 급격한 열적 변화로 인해 접촉 스프링 (45, 46) 이 센서 칩 (30) 의 압력 검출에 악영향을 주는 일은 없다.

한편, 상기한 실시형태에 있어서는, 패키지 (10) 또는 지지 다이어프램 (50) 은 인코넬로 되어 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 스테인리스나 코발 등의 내식성 금속으로 되어 있어도 바람직하다.

또한, 대좌 플레이트 (20) 나 센서 칩 (30) 은 사파이어로 되어 있지만, 반드시 이 재질에 한정되는 것은 아니며, 실리콘이나 산화 알루미늄, 실리콘 카바이드 또는 석영 등으로 되어 있어도 바람직하다.

또한, 접촉 패드 (35, 36) 와 전극 리드부 (40) 와의 접속부는 이른바 접촉 스프링 (45, 46) 의 형태로 구성되어 있지만, 상기한 충분한 가요성을 가지고 있다면 반드시 이에 한정되는 것이 아니며, 판 스프링과 같은 형태일 수도 있다. 또한, 전극 리드부 (40) 와 접촉 패드 (35, 36) 를 충분히 유연한 전기 전도 와이어로 연결할 수도 있다.

한편, 본 실시형태와 같이 배플 (11c) 을 압력 도입부 (10A) 에 반드시 구비할 필요는 없지만, 프로세스 가스의 급격한 유입에 따라 가스 성분이나 불순물이 센서 다이어프램 (32) 에 퇴적되는 일을 방지하기 위해서는 배플 (11C) 을 설치해 두는 것이 가장 효과적이다.

또한, 본 실시형태와 같이 지지 다이어프램 (50) 을 하부 대좌 플레이트 (21) 와 상부 대좌 플레이트 (22) 의 양자로 반드시 샌드위치 상태로 끼우는 구성으로 할 필요는 없다. 즉, 지지 다이어프램 (50) 의 두께를 대좌 플레이트 (21, 22) 의 두께에 대하여 충분히 얇게 하면, 예를 들어 지지 다이어프램 (50) 의 한쪽 면에만 대좌 플레이트를 접합한 경우에도 압력 센서 (1) 에 급격한 열적 변화가 생겨도 바이메탈과 같이 휘어지는 일은 없으며, 센서 칩 (30) 의 검출 특성에 영향을 미치는 열응력의 발생을 억제할 수 있다.

그러나, 본 실시형태와 같이, 지지 다이어프램 (50) 의 양측을 각 대좌 플레이트 (21, 22) 로 끼우는, 이른바 샌드위치 구조로 함으로써, 지지 다이어프램 (50) 을 개재시켜서 2 개의 대좌 플레이트 (21, 22) 가 대칭형상을 이루도록 지지 다이어그램 (50) 에 접합되고, 이를 통해 지지 다이어프램 (50) 과 각 대좌 플레이트 (21, 22) 에 발생하는 열응력으로 인한 휘어짐을 억제하고, 지지 다이어프램 (50) 과 대좌 플레이트 (20) 의 열팽창률의 차이로 인한 열응력 발생을 보다 효과적으로 방지할 수 있다.

실제로, 본 발명자는 지지 다이어프램의 양면에 대좌 플레이트를 접합한 경우가 지지 다이어프램의 한쪽에만 대좌 플레이트를 접합한 경우에 비해, 이 접합부에 있어서의 잔류응력이 더욱 경감됨을 확인했다.

그리고, 상기 실시형태는, 정전용량식 센서 칩을 사용한 경우에 대해 설명했지만, 이 센서 칩 대신에 예를 들어 실리콘으로 된 피에조 저항식 센서 칩을 구비한 압력 센서도, 상기한 구성을 구비함으로써 압력 센서에 열이 가해짐으로 인해 발생한 열응력이 센서 칩에 전달되는 일을 효과적으로 방지할 수 있고, 고정밀도의 압력측정을 가능케 해준다.

또한, 센서 칩 (30), 대좌 플레이트 (20), 전극 리드부 (40), 케이싱 (10) 의 형상은 상기한 실시형태에 한정되는 것이 아님은 다시 말할 필요가 없다.

상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 압력 센서 (1) 는, 센서 칩 (30) 을 구비한 대좌 플레이트 (20) 와 패키지 (10) 의 사이를 얇은 지지 다이어프램 (50) 만으로 연결하고 있다. 다시 말하여, 패키지 (10) 의 공간내에 있어서 센서 칩 (30), 대좌 플레이트 (20) 가 패키지 (10) 의 내벽에 직접 접촉하지 않도록 지지 다이어프램 (50) 만을 개재시켜서 패키지내에 지지되어 있다. 이로 인해, 압력 센서 자체에 가해지는 급격한 열적 변화로 인해 발생하는 열응력을 지지 다이어프램 (50) 의 열응력에 대한 유연성으로 완화할 수 있다. 또한, 그 때, 지지 다이어프램 (50) 과 대좌 플레이트 (20) 를 이른바 샌드위치 상태로 접합함으로써 바이메탈 효과로 인한 열응력 발생을 더욱 완화할 수 있다.

또한, 패키지 (10) 에는 전극이 설치되고, 이 전극에서 도통접속된 접촉 패드 (35, 36) 를 센서 칩 상면에 형성하고, 동시에 전극 리드부 (40) 와 접촉 패드 (35, 36) 를 충분한 가요성을 갖는 접촉 스프링 (45, 46) 으로 도통접촉시키고 있다. 이로 인해, 패키지 (10) 와 지지 다이어프램 (50) 과의 사이의 열팽창률의 차이로 인한 열응력이 발생한 경우에도, 그 발생으로 인해 그 부분이 센서 칩 (30) 에 악영향을 주는 일은 없다.

한편, 압력 센서 (1) 를 진공계로서 사용했을 때, 측정 분위기로부터의 오염 입자나 측정 분위기의 기체 성분이 센서 다이어프램에 부착되어서 센서 다이어프램의 휘어짐에 악영향을 미쳐 오차의 원인이 된다는 문제도 있다. 그러나, 본 발명의 압력 센서 (1) 에서는, 이러한 오염물질이나 기체 성분을 배플 (11C) 을 통해 지지 다이어프램측으로 비산시키도록 하고 있으므로, 센서 칩 (30) 에 대한 기체 성분의 퇴적이나 오염물질의 부착으로 인한 압력측정상의 악영향을 경감할 수 있다.

상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 외부로부터의 열로 인한 열응력의 영향을 줄이고, 항상 고정밀도로 압력검출을 실행할 수 있는 압력 센서를 얻을 수가 있다.

Claims

압력을 검출하는 센서 칩과, 상기 센서 칩을 지지하는 대좌 플레이트와, 상기 대좌 플레이트에 접합되고 해당 대좌 플레이트를 지지하는 지지 다이어프램을 구비하며, 상기 지지 다이어프램의 일부가 패키지에 접합되고, 해당 지지 다이어프램만을 개재시켜서 상기 센서 칩, 대좌 플레이트를 패키지내에 지지하고 있는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
제 1 항에 있어서, 상기 대좌 플레이트가 동일 재료로 된 제 1 대좌 플레이트와 제 2 대좌 플레이트로 이루어지며, 상기 지지 다이어프램이 해당 제 1 대좌 플레이트와 제 2 대좌 플레이트에 의해 끼워진 상태로 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 센서 칩에는 해당 센서 칩의 전극부와 도통접속되는 접촉 패드가 형성되며, 동시에 상기 패키지에는 전극 리드가 구비되며, 해당 접촉 패드와 전극 리드를 탄성체로 도통접촉시키고 있는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
제 2 항에 있어서, 지지 다이어프램은 인코넬로 된 얇은 박판으로 이루어지며, 제 1 대좌 플레이트와 제 2 대좌 플레이트는 사파이어로 되어 있는 것을 특징 으로 하는 압력 센서.
제 4 항에 있어서, 센서 칩은 사파이어로 되어 있으며, 센서 칩을 지지하는 대좌 플레이트에 대하여 접합 후에 해당 대좌 플레이트와 동일한 재료로 변화되는 산화 알루미늄 베이스의 접합 재료를 개재시켜서 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
제 1 항에 있어서, 센서 칩은, 박판으로 된 스페이서와, 스페이서에 접합되고 압력 인가에 따라서 왜곡이 생기는 센서 다이어프램과, 센서 다이어프램에 접합되고 진공 상태의 레퍼런스 실을 형성하는 센서 대좌를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
제 6 항에 있어서, 스페이서, 센서 다이어프램 및 센서 대좌는 직접 접합에 의해 서로 접합되고, 일체화된 센서 칩을 구성하고 있는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
제 3 항에 있어서, 전극 리드부는 전극 리드핀과 금속제 실드를 구비하며, 전극 리드핀은 전극 리드핀의 양단부간에서 기밀상태를 유지하도록 금속제 실드에 기밀한 시일에 의해 그 중앙부분이 매설되고, 동시에 실드와 패키지와 사이에도 기밀한 시일이 개재되고 있는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
제 3 항에 있어서, 상기 탄성체는 전기 전도성을 갖는 접촉 스프링으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
제 9 항에 있어서, 상기 접촉 스프링은 전기 전도성을 갖는 코일 스프링 또는 판자 스프링으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
제 3 항에 있어서, 상기 탄성체는 충분한 유연성을 갖는 전기 전도성 와이어로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
제 1 항에 있어서, 지지 다이어프램은, 스테인리스 또는 코발 중 어떤 하나로 되어 있는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
제 1 항에 있어서, 대좌 플레이트 및 센서 칩은, 실리콘, 알루미나, 실리콘 카바이드 및 석영으로 이루어진 군 중 어떤 하나로 되어 있는 것을 특징으로 하는 압력 센서.