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Diese
Erfindung bezieht sich auf einen Drucksensor und insbesondere auf
einen kostengünstigen
und einfachen Drucksensor mit guten statischen Druckeigenschaften.
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Ein
herkömmlicher
Drucksensor hat eine Siliziumbasis
9 und einen Vorsprung
10 (siehe
beispielsweise
JP-UM-A-50335 ).
Der herkömmliche Drucksensor
wird nun ausführlich
mit Bezug auf
1 beschrieben.
1 ist
eine Schnittansicht des herkömmlichen
Drucksensors.
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In 1 hat
ein Metall 5, das eine Metallbasis ist, ein Loch 6,
auf das ein Druck angewendet wird. Ein Glas 4, das eine
Basis ist, umfasst ebenfalls ein Loch 6, auf das ein Druck
angewendet wird. Das Glas 4 und das Metall 5 sind
aneinander durch eine eutektische Au-Bindung oder dergleichen befestigt. Das
Glas 4 dient zur elektrischen und mechanischen Isolierung.
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Die
Siliziumbasis 9 umfasst ebenfalls das Loch 6,
auf das ein Druck angewendet wird. Die Siliziumbasis 9 und
das Glas 4 sind aneinander befestigt. Der Vorsprung 10 wird
zwischen der Siliziumbasis 9 und dem Glas 4 bereitgestellt.
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Ein
Siliziumsensor 1 weist eine mit dem Loch 6 verbundene
Membran 2 auf. Der Siliziumsensor 1 umfasst einen
Dehnungsmessstreifen 3 zum Umwandeln einer in der Membran 2 auftretenden
Dehnung (Strain) in ein elektrisches Signal. Eine Seite des Siliziumsensors 1 ist
an der Siliziumbasis 9 befestigt.
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Die
andere Seite des Siliziumsensors 1 kontaktiert einen Raum
B. Das Loch 6 und die Membran 2 bilden einen Raum
A.
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Ein
statischer Druck wird auf den Siliziumsensor 1, die Siliziumbasis 9,
das Glas 4 und die anderen Teile bei dem herkömmlichen
Beispiel von 1 angewendet.
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Bei
dem herkömmlichen
Beispiel von 1, das wie oben beschrieben
aufgebaut ist, wird der auf das Loch 6 angewendete Druck
in ein elektrisches Signal umgewandelt. Der Dehnungsmessstreifen 3 bei dem
herkömmlichen
Beispiel von 1 erzeugt ein elektrisches Signal
basierend auf dem Differenzialdruck zwischen dem Raum A und dem
Raum B und dem statischen Druck.
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Wenn
der statische Druck angewendet wird, werden der Siliziumsensor 1,
die Siliziumbasis 9 bzw. das Glas 4 verformt.
Da der Siliziumsensor 1 und die Siliziumbasis 9 ein
großes
Elastizitätsmodul
aufweisen, werden sie gering verformt. Da das Glas ein kleines Elastizitätsmodul
aufweist, wird es erheblich verformt.
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Die
Siliziumbasis 9 und der Vorsprung 10 bei dem herkömmlichen
Beispiel von 1 hemmen die Übertragung
des Einflusses der Verformung des Glases 4 auf den Dehnungsmessstreifen 3 des
Siliziumsensors 1. Der Vorsprung 10 verringert
die Bindungsfläche
zwischen der Siliziumbasis 9 und dem Glas 4.
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Außerdem weisen
einige herkömmliche Drucksensoren
(Halbleiterdruckumwandlungsvorrichtung) von einander getrennt eine
Struktur zum Erfassen eines Differenzialdrucks und eine Struktur zum
Erfassen eines statischen Drucks auf, und weisen ebenfalls eine
Struktur zum Verringern der Beeinflussung eines Differenzialdrucksignals
auf, wenn die Ausgabe eines statischen Drucksignals steigt (siehe
beispielsweise das
japanische
Patent Nr. 2 656 566 ).
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Das
herkömmliche
Beispiel von 1 weist jedoch ein Problem auf,
dass ein Fehler bei der Anwendung des statischen Drucks (statische
Druckeigenschaften) auftritt.
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Genauer
gesagt unterscheidet sich, da das Elastizitätsmodul von Silizium sich von
dem Elastizitätsmodul
von Glas unterscheidet, wenn der statische Druck angewendet wird,
die Verformung des Siliziumsensors 1 und der Siliziumbasis 9 von
der Verformung des Glases 4, und eine Dehnung bzw. mechanische
Spannung (strain) basierend auf der Verformung des Glases wird in
dem Dehnungsmessstreifen 3 erzeugt.
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Da
das Glas 4 außerdem
Eigenschaften aufweist, wie beispielsweise verzögerte Elastizität und Viskoelastizität, verursacht
es eine Dehnung in der Membran 2 und somit eine Dehnung
in den Dehnungsmessstreifen 3. Dies verursacht einen Fehler bei
dem Beispiel von 1.
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Die
Siliziumbasis 9 und der Vorsprung 10 bei dem Beispiel
von 1 weisen ebenfalls Probleme eines Anstiegs in
der Anzahl von Bauteilen, eines Anstiegs in der Anzahl von Verarbeitungsschritten
und hohe Kosten auf.
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Außerdem weist
die Bildung des Vorsprungs 10 ein Problem der Verschlechterung
der Bindungsausbeute auf. Die Bildung des Vorsprungs 10 weist ebenfalls
ein Problem eines Absenkens des Bruchdrucks auf, da die Verbindungsfläche verringert
ist.
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Andererseits
weist das Beispiel des
japanischen
Patents Nr. 2 656 566 ein Problem auf, dass es das Auftreten
eines Fehlers in den statischen Druckeigenschaften nicht verhindert
und somit keine guten statischen Druckeigenschaften erzielt werden
können.
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Es
ist eine Aufgabe dieser Erfindung, die oben beschriebenen Probleme
zu lösen
und einen kostengünstigen
und einfachen Drucksensor mit guten statischen Druckeigenschaften
bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Drucksensor nach Anspruch 1 und ein Verfahren
nach Anspruch 6 gelöst.
Die abhängigen
Ansprüche
betreffen weitere vorteilhafte Aspekte der Erfindung.
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1 ist
eine Schnittansicht eines herkömmlichen
Drucksensors;
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2 ist
eine Schnittansicht einer Ausführungsform
dieser Erfindung;
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3 ist
eine Schnittansicht zur Zeit des Anwendens eines statischen Drucks
bei der Ausführungsform
von 2;
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4 ist
eine graphische Darstellung, die die Dehnung (–εSi – ΔεGlas1 + ΔεGlas2)
mit Bezug auf (εGlas × tGlas)/(ESi × tSi) bei der Ausführungsform von 2 zeigt;
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5 ist
eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform; und
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6 ist
eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform.
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Hier
wird nachstehend diese Erfindung ausführlich mit Bezug auf 2 beschrieben. 2 ist eine
Schnittansicht einer Ausführungsform
dieser Erfindung. Die gleichen Elemente wie die bei dem herkömmlichen
Beispiel von 1 werden durch die gleichen
Ziffern bezeichnet.
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Die
Ausführungsform
von 2 ist durch die Dicke tGlas eines
Glases 4, die eine Basis ist, gekennzeichnet.
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In 2 hat
ein Metall 5, das eine Metallbasis ist, ein Loch 6,
auf das ein Druck angewendet wird. Das Glas 4, das eine
Basis ist, hat ebenfalls ein Loch 6, auf das Druck angewendet
wird. Das Glas 4 und das Metall 5 sind beispielsweise
durch eine eutektische Au-Bindung oder dergleichen aneinander befestigt.
Das Glas 4 dient zur elektrischen und mechanischen Isolierung.
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Ein
Siliziumsensor 1 hat eine mit dem Loch 6 verbundene
Membran 2. Der Siliziumsensor 1 umfasst einen Dehnungsmessstreifen 3 zum
Umwandeln der Verformung der Membran 2 in ein elektrisches
Signal. Der Siliziumsensor 1 und das Glas 4 werden
beispielsweise durch eine anodische Bindung oder dergleichen aneinander
befestigt.
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Das
Glas 4 weist eine Dicke tGlas und
der Siliziumsensor 1 eine Dicke tSi auf.
Die Dicke tGlas des Glases 4 ist,
sodass sich eine in dem Dehnungsmessstreifen 3 zur Zeit
des Anwendens eines statischen Drucks auftretende Dehnung nicht
verändert.
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Genauer
gesagt ist die Dicke tGlas des Glases 4 von
einem Wert, der die folgende Gleichung (1) erfüllt: EGlas × tGlas ~
ESi × tSi
(1)
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Der
Dehnungsmessstreifen 3 wird an einer Position ausgebildet,
der in eine Richtung x von der Mitte der Membran 2 verschoben
ist, wie es in 2 gezeigt ist.
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Bei
der Ausführungsform
von 2, die wie oben beschrieben aufgebaut ist, wird
der auf das Loch 6 angewendete Druck in ein elektrisches
Signal umgewandelt, wie bei dem herkömmlichen Beispiel von 1.
Der Dehnungsmessstreifen 3 bei der Ausführungsform von 2 erzeugt
ein elektrisches Signal basierend auf dem Differenzialdruck und
dem statischen Druck, ähnlich
dem Dehnungsmessstreifen 3 bei dem herkömmlichen Beispiel von 1.
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Zuerst
werden Eigenschaften zur Zeit des Anwendens eines statischen Drucks
bei der Ausführungsform
von 2 ausführlich
mit Bezug auf 3 erläutert. 3 ist eine
Schnittansicht zur Zeit des Anwendens eines statischen Drucks bei
der Ausführungsform
von 2. Die Form bei der Schnittansicht von 3 ist übertrieben
gezeigt. Die Beschreibung des Metalls 5 wird weggelassen.
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Bei
einer Struktur, die durch Eliminieren des Glases 4 von
der Ausführungsform
von 2 und 3 gebildet wird (die nur den
Siliziumsensor und den Dehnungsmessstreifen aufweist), wird der
Siliziumsensor 1 durch den statischen Druck in einer solchen
Richtung verformt, dass sein Volumen abnimmt. In diesem Fall tritt
eine Dehnung –εSi in
der Richtung x in dem Dehnungsmessstreifen 3 auf. Die Dehnung –εSi ist äquivalent
zu einer Dehnung, die in der Membran des Siliziumsensors auftritt,
die nicht an dem Glas 4 befestigt ist.
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Andererseits
wird bei einer Struktur, die durch Eliminieren des Siliziumsensors 1 von
der Ausführungsform
von 2 und 3 (die nur das Glas und den
Dehnungsmessstreifen aufweist) gebildet wird, das Glas 4 durch
den statischen Druck in einer solchen Richtung verformt, dass sein
Volumen abnimmt. Da das Glas ein kleineres Elastizitätsmodul als
das Silizium aufweist, wird das Glas erheblicher verformt. In diesem
Fall tritt eine Dehnung –ΔεGlas1 in der
Richtung x in dem Dehnungsmessstreifen 3 auf.
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Bei
der Ausführungsform
von 2 und 3 verziehen und verformen sich
der Siliziumsensor 1 und das Glas 4 in eine konvexe
Form, wie es in 3 gezeigt ist. Dann tritt eine
Zugverformung –ΔεGlas2 in
der Richtung x basierend auf dieser konvexen Verformung in dem Dehnungsmessstreifen 3 auf.
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Daher
tritt bei dem Dehnungsmessstreifen 3 bei der Ausführungsform
von 2 und 3 die Dehnung –εSi,
die Dehnung –ΔεGlas1 und
die Dehnung ΔεGlas2 auf.
D. h., dass bei dem Dehnungsmessstreifen 3 bei der Ausführungsform
von 2 und 3 eine Dehnung (–εsi – ΔεGlas1 + ΔεGlas2)
auftritt.
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Wenn
die Dicke tGlas des Glases 4 groß ist, erhöht sich
die auf das Glas 4 angewendete Kraft und daher nimmt der
Absolutwert der Dehnung –ΔεGlas1 zu.
Da die konvexe Verformung abnimmt, nimmt ebenfalls der Absolutwert
der Zugverformung ΔεGlas2 ab.
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Wenn
die Dicke tGlas klein ist, nimmt andererseits
die auf das Glas 4 angewendete Kraft ab, und daher nimmt
der Absolutwert der Dehnung –ΔεGlas1 ab.
Da die konvexe Verformung zunimmt, nimmt der Absolutwert der Zugverformung ΔεGlas2 ebenfalls
zu.
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Daher
sind, wenn die Dicke tGlas des Glases 4 einen
vorbestimmten Wert aufweist, die auf der Verformung des Glases 4 basierende
Dehnung ΔεGlas1 und
die auf der konvexen Verformung basierende Zugverformung ΔεGlas2,
die in dem Dehnungsmessstreifen 3 auftreten, ausgeglichen
und miteinander versetzt.
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Somit
tritt in diesem Fall nur die Dehnung –ΔεSi in
dem Dehnungsmessstreifen 3 bei der Ausführungsform von 2 und 3 auf.
D. h., dass die durch den statischen Druck bei der Ausführungsform
von 2 und 3 erzeugte Dehnung (ΔεSi – ΔεGlas1 + ΔεGlas2)
gleich der Dehnung –εSi ist,
die durch den statischen Druck bei der Struktur erzeugt wird, die
durch Eliminieren des Glases von der Ausführungsform von 2 und 3 gebildet
wird.
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Wie
aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, tritt bei der Ausführungsform
von 2 kein Fehler auf, wenn der statische Druck angewendet
wird.
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Ein
Verfahren zum Herstellen einer derartigen Struktur bei der Ausführungsform
von 2 wird nun beschrieben.
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Zuerst
wird neben der Ausführungsform
von 2 ein Schritt eines Bildens der Struktur der Ausführungsform
von 2, von der das Glas 3 eliminiert wurde,
ausgeführt.
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Zweitens
wird ein Schritt eines Vergleichens der Dehnung (–εSi – ΔεGlas1 + ΔεGlas2),
die in dem Dehnungsmessstreifen 3 in der Ausführungsform
von 2 auftritt, mit der Dehnung –εsi,
die in dem Dehnungsmessstreifen 3 bei der Struktur der
Ausführungsform
von 2 auftritt, von der das Glas 4 eliminiert
wurde, ausgeführt.
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Wenn
die Dehnung (–εSi – ΔεGlas1 + ΔεGlas2) von
der Dehnung –εSi unterschiedlich
ist, wird die Dicke tGlas des Glases 4 geändert.
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Wenn
die Dehnung (–εSi – ΔεGlas1 + ΔεGlas2) größer als
die Dehnung –εSi ist,
wird die Dicke tGlas des Glases 4 erhöht. Wenn
die Dehnung (–εSi – ΔεGlas1 + ΔεGlas2)
kleiner als die Dehnung –εSi ist,
wird die Dicke tGlas des Glases 4 verringert.
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Als
nächstes
werden die Eigenschaften zur Zeit des Anwendens des statischen Drucks
bei der Ausführungsform
von 2 erneut ausführlich
mit Bezug auf 4 beschrieben. 4 ist
eine graphische Darstellung, die die Dehnung (–εSi – ΔεGlas1 + ΔεGlas2)
zeigt, die in dem Dehnungsmessstreifen 3 mit Bezug auf
(EGlas × tGlas)/(ESi × tSi) bei der Ausführungsform von 2 auftritt.
Als ein Parameter wird die Dicke tGlas des
Glases 4 verwendet. 4 zeigt
das Ergebnis der Berechnung mit FEM.
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In 4 nimmt
die Dehnung ab, wenn (EGlas × tGlas)/(ESi × tSi) zunimmt. Wenn (EGlas × tGlas)/(ESi × tSi) ungefähr
1 ist, d. h. an einem Punkt Z in 4, ist der Wert
der Dehnung (–εSi – ΔεGlas1 + ΔεGlas2)
gleich –εSi.
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D.
h., es wird neu herausgefunden, dass, wenn die Dicke tGlas des
Glases 4 klein ist, nicht nur die Dehnung (–εSi – ΔεGlas1 + ΔεGlas2)
abnimmt, sondern ebenfalls der Wert der Dehnung (–εSi – ΔεGlas1 + ΔεGlas2)
gleich –εSi ist.
Daher werden bei der Ausführungsform
von 2, bei der das Glas 4 eine solche Dicke
tGlas aufweist, dass die Dehnung (–εsi – ΔεGlas1 + –ΔεGlas2)
gleich –εSi ist,
bevorzugte Eigenschaften bereitgestellt. Wenn die Dicke tGlas des Glases 4 weiter verringert
wird, nimmt die Dehnung (–εSi – ΔεGlas1 + –ΔεGlas2)
zu.
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Bei
der Ausführungsform
von 2 können, da
die Bindungsfläche
zwischen dem Siliziumsensor 1 und dem Glas 4 groß ist, ein
hoher Bruchdruck und stabile Eigenschaften ebenfalls erzielt werden.
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Außerdem wird
bei der Ausführungsform
von 2 eine kleine Anzahl von Bauteilen verwendet. Bei
der Ausführungsform
von 2 ist die Form der Struktur einfach und der Verarbeitungsschritt
vereinfacht. Somit werden bei der Ausführungsform von 2 niedrige
Kosten erzielt.
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Bei
der Ausführungsform
von 2 werden nicht nur bevorzugte statische Druckeigenschaften sondern
ebenfalls bevorzugte Temperatureigenschaften erzielt.
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5 ist
eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform dieser Erfindung.
Die gleichen Elemente wie die bei der Ausführungsform von 2 werden
durch die gleichen Ziffern bezeichnet und nicht weiter ausführlich beschrieben.
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Die
Ausführungsform
von 5 wird durch einen Vorsprung (boss) 7 gekennzeichnet.
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In 5 ist
der Vorsprung 7 zwischen einem Glas 4 und einem
Siliziumsensor 1 ausgebildet. Der Vorsprung 7 verringert
die Bindungsfläche
zwischen dem Glas 4 und dem Siliziumsensor 1.
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Die
Dicke tGlas des Glases 4 bei der
Ausführungsform
von 5 ist so, dass sich eine in einem Dehnungsmessstreifen 3 zur
Zeit des Anwendens eines statischen Drucks auftretenden Dehnung
nicht verändert,
wie bei dem Fall der Ausführungsform
von 2.
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Bei
der Ausführungsform
von 5, die wie oben beschrieben aufgebaut ist, wird,
wenn die Dicke tGlas des Glases 4 einen
vorbestimmten Wert aufweist, die in dem Dehnungsmessstreifen 3 zur
Zeit des Anwendens des statischen Drucks auftretende Spannung kompensiert,
und daher tritt kein Fehler auf, wie bei der Ausführungsform
von 2.
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Außerdem hemmt
der Vorsprung 7 die Übertragung
der Verformung des Glases 4 auf den Siliziumsensor 1.
Eine derartige Wirkung des Vorsprungs 7 ist mit einer Verformungsausgleichswirkung
der Dicke tGlas des Glases 4 kompatibel.
Daher können
bei der Ausführungsform
von 5 bevorzugtere Eigenschaften erzielt werden.
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Da
der Vorsprung 7 bei der Ausführungsform von 5 kleiner
als der Vorsprung 7 bei dem herkömmlichen Beispiel von 1 ausgeführt werden kann,
werden die Ausbeute der Bindung und der Bruchdruck bei der Ausführungsform
von 5 verglichen mit dem herkömmlichen Beispiel von 1 verbessert.
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6 ist
eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform dieser Erfindung.
Die gleichen Elemente wie diejenigen bei der Ausführungsform
von 2 werden durch die gleichen Ziffern bezeichnet und
nicht weiter ausführlich
beschrieben.
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Die
Ausführungsform
von 6 wird durch ein Metall 5 und eine Rille 8 gekennzeichnet.
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In 5 wird
die Rille 8 zwischen einem Glas 4 und dem Metall 5 gebildet.
Die Rille 8 verringert die Bindungsfläche zwischen dem Glas 4 und dem
Metall 5.
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Die
Dicke tGlas des Glases 4 bei der
Ausführungsform
von 6 ist eine Dicke, sodass sich eine in einem Dehnungsmessstreifen 3 zur
Zeit des Anwendens eines statischen Drucks auftretende Dehnung nicht
verändert,
wie in dem Fall der Ausführungsform
von 2.
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Bei
der Ausführungsform
von 6, die wie oben beschrieben und aufgebaut ist,
wird, wenn die Dicke tGlas des Glases 4 von
einem vorbestimmten Wert ist, die in dem Dehnungsmessstreifen 3 zur
Zeit des Anwendens des statischen Drucks auftretende Spannung kompensiert,
und daher tritt kein Fehler auf, wie bei der Ausführungsform
von 2.
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Außerdem hemmt
die Rille 8 die Übertragung
der Verformung des Metalls 5 auf den Siliziumsensor 1.
Eine derartige Wirkung der Rille 8 ist mit einer Verformungsausgleichwirkung
der Dicke tGlas des Glases 4 kompatibel.
Daher können
bei der Ausführungsform
von 6 bevorzugtere Eigenschaften erzielt werden.
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Bei
der Ausführungsform
von 6 können ebenfalls,
wenn die Dicke tGlas des Glases 4 unter
Berücksichtigung
der Verformung des Metalls 5 eingestellt wird, die Verformung
des Siliziumsensors 1, die Verformung des Glases 4 und
die Verformung des Metalls ebenfalls ausgeglichen werden. Bei der
wie oben beschriebenen Ausführungsform
von 6 können
nicht nur der Einfluss der Verformung der Siliziumsensors 1 und
Einfluss der Verformung des Glases 4 sondern ebenfalls
der Einfluss der Verformung des Metalls 5 kompensiert und
daher bevorzugtere Eigenschaften erzielt werden.
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Bei
den oben beschriebenen Ausführungsformen
ist der Sensor aus Silizium und die Basis aus Glas hergestellt. Ähnliche
Wirkungen und Vorteile können
jedoch durch Bilden des Sensors, der aus anderen Materialien als
Silizium hergestellt ist, und Bilden der Basis, die aus anderen
Materialien als Glas hergestellt ist, erzielt werden.
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Wie
es aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, ist diese Erfindung
nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen begrenzt und umfasst
verschiedene Änderungen
und Modifikationen, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
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Diese
Erfindung umfasst die folgenden Wirkungen.
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Gemäß dieser
Erfindung kann ein Drucksensor mit guten statischen Druckeigenschaften
bereitgestellt werden. Ein kostengünstiger Drucksensor kann ebenfalls
bereitgestellt werden. Außerdem kann
ein einfacher Drucksensor bereitgestellt werden.