JP3756734B2

JP3756734B2 - 容量式圧力センサ

Info

Publication number: JP3756734B2
Application number: JP2000212307A
Authority: JP
Inventors: 義之石倉
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2000-07-13
Filing date: 2000-07-13
Publication date: 2006-03-15
Anticipated expiration: 2020-07-13
Also published as: JP2002022584A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、容量式圧力センサに関し、特にダイアフラムおよび基台がサファイアで作製された容量式圧力センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、耐食性等が優れているため、ダイアフラムや基台にサファイアを使った容量式圧力センサがしばしば用いられている。このセンサは、ダイアフラムを形成するサファイア・ウエハに可動電極を形成するとともに、別のサファイア・ウエハの凹部内に固定電極を形成し、両ウエハを張り合わせることによって作られる。また、固定電極側のサファイア・ウエハにスルーホールを開口することにより、各電極に接続されたリード線を引き出す。
【０００３】
図４（ａ）は従来の容量式圧力センサを示す平面図、図４（ｂ）はそのＢ−Ｂ’線断面図である。これらの図に示すように圧力センサ１１０は、凹部内に固定電極１０１ａの設けられた基台１０１と、可動電極１０２ａ、参照電極１０２ｂおよびパッド１０２ｃ，１０２ｄ，１０２ｅ，１０２ｆの設けられたダイアフラム１０２と、各パッドにはんだ付けされたリードピンとで構成されている。なお、図４（ｂ）には、はんだ１０３ｃ、１０３ｄによって接続されたリードピン１０３ａ，１０３ｂのみが記載されている。これらのリードピン１０３ａ，１０３ｂは、それぞれ参照電極１０２ｂ、固定電極１０１ａに電気的に接続され、電極間の容量検出に用いられる。ここで、何れの電極とも接続されていないパッド１０２ｅ直下のリードピンは中空ピンとなっており、基準圧を容量室内に導入するために用いられる。
【０００４】
このように構成された圧力センサ１１０は、センサ外部と容量室１０１ｃ内との圧力差に応じてダイアフラム１０２が撓み、それに伴う可動電極１０２ａと固定電極１０１ａとの距離の変化によって容量が変化し、圧力が測定される。
【０００５】
ここで、圧力センサ１１０の製造工程について説明する。
基台１０１およびダイアフラム１０２は、サファイア・ウエハを加工することによって作製される。すなわち、サファイア・ウエハを機械加工、レーザ加工または超音波加工することにより、リードピン１０３ａ，１０３ｂ等を挿入するためのスルーホールを開口し、ドライエッチングにより凹部を形成してから、蒸着等により固定電極１０１ａを形成する。これらのスルーホール、および凹部内の固定電極１０１ａは同一サファイア・ウエハに複数形成される。
【０００６】
一方、別のサファイア・ウエハに蒸着等により可動電極１０２ａ、参照電極１０２ｂおよびパッド１０２ｃ〜１０２ｆを形成する。上記同様にこれら可動電極１０２ａおよびパッド１０２ｃ〜１０２ｆは同一サファイア・ウエハに複数形成される。その後、以上のようにして加工された２枚のウエハを、固定電極１０１ａと可動電極１０２ａとが対向するように位置合わせをし、所定の加熱雰囲気下で直接接合する。次いで、サファイア・ウエハをダイシングすることにより、チップができる。最後に基台１０１側のチップを上面にしてから、スルーホール内にリードピンを落とし込み、粒状またはリング状の固形はんだ（Ｓｎ−Ａｇはんだ）をスルーホールとリードピンとの隙間に載置し、これを加熱して溶融させ、スルーホール内に流れ込んだ溶融はんだによってリードピンとパッドとを接続し、センサ・チップが完成する。
【０００７】
以上の工程により、従来においては、耐食性に優れたサファイア製の容量式圧力センサを容易に大量生産することができた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、リードピンを裏側から落とし込んだ後にはんだ付けした場合、溶融はんだが凝固する際に、ダイアフラムに歪みが生じることが知られている。このような歪みは、例えば図４（ｂ）に示すようなものであり、パッド形成室１０１ｂ付近に発生してから容量室１０１ｃの中央部まで拡大し、ダイアフラム１０２全体に歪みを生じさせる。その結果、圧力センサのオフセットがばらつき、測定可能な圧力レンジを狭めてしまうという問題が生ずる。なお、この現象の詳細な発生原因については、現状では明らかになっていないが、上述の製造工程により間違いなく再現される。
【０００９】
本発明は、このような課題を解決するためのものであり、リードピンのはんだ付け時に生じるダイアフラムの歪みが、ダイアフラム中央まで拡大するのを防止し、従来よりも測定精度を向上させた容量式圧力センサを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明に係る容量式圧力センサは、基台と、この基台上に配設された固定電極と、前記基台上に形成されて前記固定電極を取り囲む側壁部と、前記基台と対向して前記側壁部に接合され、前記基台と前記側壁部とともに容量室を形成するダイアフラムと、このダイアフラム上に配設され前記固定電極と対向する可動電極と、前記側壁部内に形成されて前記基台と前記ダイアフラムとの間に延在する第１および第２のパッド形成室と、前記第１および第２のパッド形成室と前記容量室とをそれぞれ連通する第１および第２のスリットと、前記第１のパッド形成室内の前記基台上に配設され、前記第１のスリットを通じて前記固定電極と接続された第１のパッドと、前記第２のパッド形成室内の前記ダイアフラム上に配設され、前記第２のスリットを通じて前記可動電極と接続された第２のパッドと、前記基台に形成され前記第１および第２のパッド形成室にそれぞれ連通する第１および第２のスルーホールと、前記第１および第２のスルーホールを通じて前記第１および第２のパッド形成室に挿入されそれぞれ前記第１および第２のパッドに接続された第１および第２のリード部とを備えた容量式圧力センサにおいて、前記第１および第２のパッド形成室の径よりも前記第１および第２のスリットの幅を小さくしたものである。
【００１１】
また、本発明はその他の態様として、次のような構成を含むものである。すなわち、前記ダイアフラムおよび前記基台は、サファイア、シリコン、ガラスまたはダイヤモンドからなる。また、前記ダイアフラム側に設けられた参照電極をさらに備える。
【００１２】
したがって、このように構成することにより本発明は、パッド形成室と容量室の連通部分における幅が従来よりも狭くなり、はんだ付けの際にパッド形成室に生じたダイアフラムの歪みが容量室内まで広がることはなくなり、従来よりも平坦なダイアフラムを得ることができる。そのため、圧力センサのオフセットのばらつきを防止することができ、測定可能な圧力レンジを狭めることがないという利点が得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の一つの実施の形態について図を用いて説明する。
図１（ａ）は本発明の一つの実施の形態を示す平面図、図１（ｂ）はそのＡ−Ａ’線断面図である。これらの図に示すように圧力センサ１０は、凹部内に固定電極１ａの設けられた基台１と、可動電極２ａ、参照電極２ｂおよびパッド２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆの設けられたダイアフラム２と、各パッドにはんだ付けされたリードピン（図１（ｂ）には、はんだ３ｃ、３ｄによって接続されたリードピン３ａ，３ｂのみを記載）とで構成されている。
【００１４】
このように構成された圧力センサ１０は、センサ外部と容量室１ｃ内との圧力差に応じてダイアフラム２が撓み、それに伴う可動電極２ａと固定電極１ａとの距離の変化によって容量が変化し、圧力が測定される。
【００１５】
ここで、圧力センサ１０の製造工程について説明する。
基台１およびダイアフラム２は、サファイア・ウエハを加工することによって作製される。すなわち、サファイア・ウエハを機械加工、レーザ加工または超音波加工することにより、リードピン３ａ，３ｂ等を挿入するためのスルーホールを開口し、Ａｒ原子を使ったドライエッチングにより凹部を形成してから、蒸着等により固定電極１ａを形成する。これらの構成は同一サファイア・ウエハに複数形成される。
【００１６】
一方、別のサファイア・ウエハに蒸着等により可動電極２ａ、参照電極２ｂおよびパッド２ｃ〜２ｆを形成する。上記同様にこれらの構成は同一サファイア・ウエハに複数形成される。その後、以上のようにして加工された２枚のウエハを、固定電極１ａと可動電極２ａとが対向するように位置合わせをし、所定の加熱雰囲気下（例えば４００〜１３００℃）で直接接合する。次いで、サファイア・ウエハをダイシングすることにより、チップができる。最後に基台１側のチップを上面にしてから、スルーホール内にリードピンを落とし込み、粒状またはリング状の固形はんだ（Ｓｎ−Ａｇはんだ）をスルーホールとリードピンとの隙間に載置し、加熱（例えば３００℃）により溶融させ、スルーホール内に流れ込んだ溶融はんだによってリードピンとパッドとを接続し、センサ・チップが完成する。
【００１７】
なお、固定電極１ａ，可動電極２ａおよび参照電極２ｂは、例えばＰｔ／密着増強膜で形成される。密着増強膜としては、Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｎｂ，Ｚｒ，ＨｆまたはＴａ等が用いられる。また、パッド２ｃ〜２ｆは、例えばＡｕ／バリア膜／密着増強膜で形成される。バリア膜としてはＰｔ等が用いられ、密着増強膜としてはＮｂ等が用いられる。
【００１８】
ここで、本実施の形態の特徴について述べる。
本実施の形態においては、パッド形成室１ｂと容量室１ｃとの連通部分（スリット）の幅を狭めることにより、パッド形成室１ｂで生じたダイアフラム２の歪みが容量室１ｃまで拡大するのを防止することができる。
【００１９】
図２は、図１に係るパッド形成室を拡大した平面図である。同図に示すように本実施の形態においては、パッド形成室１ｂと容量室１ｃとの連通部分（スリット）における幅Ｘを、パッド形成室１ｂの径よりも小さくしている（すなわち、Ｘ＜Ｙ）。そのため、連通部分におけるダイアフラム２と基台１との接合面積が従来よりも大きくなり、はんだ付けの際に生じたダイアフラム２の歪みが容量室１ｃまで拡大するのを防ぐことができる。なお、パッド形成室１ｂの形状が多角形等の場合は、内接する円の直径を上述のＹとして、連通部分（スリット）の幅Ｘと比較すればよい。また、以上のＸ，Ｙの関係は、各パッド形成室と容量室との間に成り立つ。また、Ｘ，Ｙの具体的な値としては（０．３，１．０）等が用いられる。なお、各数値の単位はｍｍ（ミリメートル）である。
【００２０】
ここで、本実施の形態による実験結果について説明する。
図３は、本実施の形態および従来例におけるダイアフラムの平坦度を比較したグラフである。縦軸はウエハ面に直交する方向の撓み量を示し、横軸はパッドエッジからダイアフラムエッジにかけての一点鎖線上の位置を示す。
同図（ａ）に示すように、従来例ではパッドエッジにおける撓みがほぼ０μｍであるのに対して、ダイアフラムエッジにおける撓みが約１．２μｍとなっている。それに対して同図（ｂ）に示すように本実施の形態においては、パッドエッジにおける撓みがほぼ０μｍであるとともに、ダイアフラムエッジにおける撓みも０．１μｍ未満の非常に小さな値となっている。したがって、本実施の形態を用いることにより、パッド形成室で生じた撓みが容量室まで拡大することを防止できることがわかる。
【００２１】
以上においては、ダイアフラムおよび基台の材料として、サファイアを用いた場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。例えばシリコン、ガラスまたはダイヤモンド等の単結晶材料を用いてもよい。また、参照電極は必須の構成でなく、必要に応じて付加すればよい。したがって、本発明には可動電極および固定電極のみを用いた構成も含まれる。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したとおり本発明においては、パッド形成室と容量室の連通部分（スリット）における幅をパッド形成室の径よりも狭くしているため、従来構造よりもダイアフラムと基台との接合面積が増加し、両者が強力に固定される。そのため、はんだ付けの際にパッド形成室に生じたダイアフラムの歪みが容量室内まで広がることはなくなり、従来よりも平坦なダイアフラムを得ることができる。また、圧力センサのオフセットのばらつきを防止することができ、測定可能な圧力レンジを狭めることがないという利点が得られる。また、ダイアフラムが平坦となることにより、圧力測定時の誤差となる温度ヒステリシスを減じることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の一つの実施の形態を示す平面図、（ｂ）Ａ−Ａ’線断面図である。
【図２】図１に係るパッド形成室を示す平面図である。
【図３】本実施の形態および従来例におけるダイアフラムの平坦度を比較したグラフである。
【図４】（ａ）従来例を示す平面図、（ｂ）Ｂ−Ｂ’線断面図である。
【符号の説明】
１…基台、１ａ…固定電極、１ｂ…パッド形成室、１ｃ…容量室、２…ダイアフラム、２ａ…可動電極、２ｂ…参照電極、２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ…パッド、３ａ，３ｂ…リードピン、３ｃ，３ｄ…はんだ、１０…圧力センサ、Ｘ…連通部分の幅、Ｙ…パッド形成室の径。

Claims

基台と、
この基台上に配設された固定電極と、
前記基台上に形成されて前記固定電極を取り囲む側壁部と、
前記基台と対向して前記側壁部に接合され、前記基台と前記側壁部とともに容量室を形成するダイアフラムと、
このダイアフラム上に配設され前記固定電極と対向する可動電極と、
前記側壁部内に形成されて前記基台と前記ダイアフラムとの間に延在する第１および第２のパッド形成室と、
前記第１および第２のパッド形成室と前記容量室とをそれぞれ連通する第１および第２のスリットと、
前記第１のパッド形成室内の前記基台上に配設され、前記第１のスリットを通じて前記固定電極と接続された第１のパッドと、
前記第２のパッド形成室内の前記ダイアフラム上に配設され、前記第２のスリットを通じて前記可動電極と接続された第２のパッドと、
前記基台に形成され前記第１および第２のパッド形成室にそれぞれ連通する第１および第２のスルーホールと、
前記第１および第２のスルーホールを通じて前記第１および第２のパッド形成室に挿入されそれぞれ前記第１および第２のパッドに接続された第１および第２のリード部とを備えた容量式圧力センサにおいて、
前記第１および第２のパッド形成室の径よりも前記第１および第２のスリットの幅を小さくしたことを特徴とする容量式圧力センサ。
請求項１において、
前記ダイアフラムおよび前記基台は、サファイア、シリコン、ガラスまたはダイヤモンドからなることを特徴とする容量式圧力センサ。
請求項１において、
前記ダイアフラム側に設けられた参照電極をさらに備えたことを特徴とする容量式圧力センサ。