JP3327553B2 - 高耐圧、低レンジ圧力センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 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30psi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24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28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。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−203233（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−145940（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−204227（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−7046（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭60−7044（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01L 9/12 G01L 7/08

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項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、 偏向可能なダイアフラムウェブ部が予定量だけ基板方向
   に偏向された時に、前記ウェブ部を停止させる、形状お
   よび大きさがほぼ同じの多数のポストであって、前記多
   数のポストが前記ダイアフラムの前記偏向可能な前記ウ
   ェブ部と一体に形成され、停止のために基板の対向表面
   に当たる外側端部を有し、さらに前記外側端部の表面が
   実質上平坦であり、前記外側端部から基板方向に延びる
   表面がテーパー状である圧力センサ。
2. 【請求項２】基板と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
   を有する請求項１のセンサ。
3. 【請求項３】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、その表面を
   横切るように偏向可能なダイアフラム中央ウェブ部を含
   む圧力センサにおいて、 偏向可能な中央のウェブ部と一体に形成され、基板に係
   合するための端部を有し、かつ偏向可能なウェブ部が予
   定量だけ基板方向に偏向された時に、少なくともその中
   の複数個が基板に係合してウェブ部を停止させる多数の
   ポストを含み、前記多数のポストは、形状および大きさ
   がほぼ同じであり、基板方向に延びる表面がテーパー状
   であることを特徴とする圧力センサ。
4. 【請求項４】ダイアフラム中央ウェブ部上に、少なくと
   も４個のポストがある請求項３のセンサ。
5. 【請求項５】ダイアフラム中央ウェブ部上に、16個の等
   間隔に配置したポストがある請求項４のセンサ。