特許 5656070 振動式絶対圧トランスデューサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5656070

(24)【登録日】2014年12月5日

(45)【発行日】2015年1月21日

(54)【発明の名称】振動式絶対圧トランスデューサ

(51)【国際特許分類】

   G01L 9/00 20060101AFI20141225BHJP

【ＦＩ】

   G01L9/00 307

【請求項の数】4

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2010-285721(P2010-285721)

(22)【出願日】2010年12月22日

(65)【公開番号】特開2012-132806(P2012-132806A)

(43)【公開日】2012年7月12日

【審査請求日】2013年9月24日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006507

【氏名又は名称】横河電機株式会社

(72)【発明者】

【氏名】関森 幸満

【審査官】 山下 雅人

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０１−０１０１４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２８１５７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−０３３３７１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｌ ９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体基板と、
両端が前記半導体基板に固定された振動子と、
前記振動子を励振するための電圧を入力または前記振動子の周波数に応じた電気信号を取り出すための複数の端子とを備え、
前記半導体基板は、ダイアフラムを有さず、
前記複数の端子のすべてが、前記半導体基板上において、前記振動子の一方の固定端を通り、前記振動子の長手方向と直交する固定端線よりも外側の領域に配置されており、
前記半導体基板の前記振動子固定面の裏面の、最も前記固定端線側の端子と前記固定端線との間に対応する領域に、前記複数の端子毎に凹部が形成されていることを特徴とする振動式絶対圧トランスデューサ。

【請求項2】

前記凹部は、エッチングにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載の振動式絶対圧トランスデューサ。

【請求項3】

前記複数の端子には、バンプ構造が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の振動式絶対圧トランスデューサ。

【請求項4】

前記複数の端子は、配置されている半導体基板面で最も高い位置に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の振動式絶対圧トランスデューサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、振動式絶対圧トランスデューサに係り、特に、振動子の長手方向の歪を検出して静圧を測定する振動式絶対圧トランスデューサにおいて測定精度を向上させる技術に関する。

【背景技術】

【0002】

シリコン基板上に振動子を形成し、歪による振動子の共振周波数の変化を検出することにより印加された物理量を測定する振動式トランスデューサが伝送器等において広く用いられている。

【0003】

図１２は、振動式トランスデューサを振動式圧力センサチップに適用した場合の構造を示している。本図に示すように振動式圧力センサチップ５０は、裏面にダイアフラム５０５が形成されたシリコン基板５００に４本の振動子５０１（便宜的に１つの振動子のみ符号を付している）が形成され、２本の振動子を組として２つのシェル５０２で覆われている（便宜的に１つのシェルのみ符号を付している）。

【0004】

シリコン基板５００上には、端子として、それぞれの振動子５０１に接続するためのボンディングパッド５０３ａ、ボンディングパッド５０３ｂ、ボンディングパッド５０３ｃ、ボンディングパッド５０３ｄと、それぞれのシェル５０２に接続するためのボンディングパッド５０３ｅ、ボンディングパッド５０３ｆと、シリコン基板５００の電位を定めるためのボンディングパッド５０３ｇが形成されている。

【0005】

振動式圧力センサチップ５０は、ボンディングパッド５０３から与えられる電圧による静電力等によって振動子５０１を励振し、ダイアフラム５０５を介して振動子５０１に印加された歪を振動子５０１の共振周波数の変化として検出することで圧力の測定を行なう。共振周波数の変化は、ボンディングパッド５０３から取り出される電気信号に基づいて検出することができる。

【0006】

振動式圧力センサチップ５０は、例えば、図１３に示すように静圧、差圧両方の圧力を測定する圧力センサ６００として用いられる。本図おいて、振動式圧力センサチップ５０は、ダイアフラム５０５の下面側に支持部材６２が接合されており、ダイアフラム５０５の上面側と下面側とが隔てられている。ダイアフラム５０５の上面側は、キャップ６１が取り付けられ、ダイアフラム５０５の下面側は、圧力導入経路６３が形成されている。

【0007】

また、振動式圧力センサチップ５０の各ボンディングパッド５０３は、ハーメチック構造６５で取り付けられたリードピン６４と、ワイヤ６６によりボンディングされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開平１０−７０２８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

ここで、振動式トランスデューサを、静圧によってセンサチップ自身に生じた歪を検出することで絶対圧を測定する振動式絶対圧センサチップに適用する場合を考える。この場合、センサチップ自身に生じた歪は、両端部がシリコン基板に固定された振動子の長手方向の歪を振動子の共振周波数の変化によって検出することで測ることができる。

【0010】

静圧による振動子の長手方向の歪を検出するため、センサチップが、振動子の長手方向に、静圧以外の外部から応力を受けると、測定精度が悪化することになる。外部からの応力は、主としてボンディングパッド等の端子やセンサ本体との固定部分において受ける。この応力による歪はダイアフラムに集中しやすい。このため、振動式絶対圧センサチップを振動子の長手方向の歪を考慮していない従来の振動式圧力センサチップと同様の端子配置とすると、ワイヤとの接続歪や材質の違いによる静圧歪の差、センサ本体に取り付けたときの接合歪等による応力が振動子の長手方向の歪に影響を与え、測定精度の悪化を招くことになる。

【0011】

そこで、本発明は、振動子の長手方向の歪を検出して静圧を測定する振動式絶対圧トランスデューサにおいて測定精度を向上させることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

上記課題を解決するため、本発明の振動式絶対圧トランスデューサは、半導体基板と、両端が前記半導体基板に固定された振動子と、前記振動子を励振するための電圧を入力または前記振動子の周波数に応じた電気信号を取り出すための複数の端子とを備え、前記半導体基板は、ダイアフラムを有さないことを特徴とする。

【0013】

ここで、前記複数の端子のすべてが、前記半導体基板上において、前記振動子の一方の固定端を通り、前記振動子の長手方向と直交する固定端線よりも外側の領域に配置されていることが望ましい。

【0014】

また、前記半導体基板の前記振動子固定面の裏面の、最も前記固定端線側の端子と前記固定端線との間に対応する領域に凹部を形成することができる。前記凹部は、エッチングまたは切削により形成することができる。

【0015】

また、前記複数の端子には、バンプ構造を形成することができ、前記複数の端子は、配置されている半導体基板面で最も高い位置に設けることができる。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、振動子の長手方向の歪を検出して静圧を測定する振動式絶対圧トランスデューサにおいて測定精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】、本発明の振動式絶対圧トランスデューサを振動式絶対圧センサチップに適用した場合の構造を示す図である。

【図2】振動式絶対圧センサチップが検出する静圧を説明する図である。

【図3】振動式絶対圧センサチップの端子の配置について説明する図である。

【図4】振動式絶対圧センサチップを、バンプを用いて圧力センサに取り付けたときの図である。

【図5】バンプ構造を示す図である。

【図6】振動式絶対圧センサチップを、ワイヤボンディングにより圧力センサに取り付けたときの図である。

【図7】拡散を防ぐバリアメタル層を積層した例を示す図である。

【図8】シリコン基板の裏面に、凹部を形成した例を示す図である。

【図9】シリコン基板の裏面に、凹部を形成した他例を示す図である。

【図10】端子を複数列に配置した例を示す図である。

【図11】端子の凸構造を示す図である。

【図12】振動式トランスデューサを振動式圧力センサチップに適用した場合の構造を示す図である。

【図13】静圧、差圧両方の圧力を測定する圧力センサの構造を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の振動式絶対圧トランスデューサを振動式絶対圧センサチップに適用した場合の構造を示している。

【0019】

本図に示すように、振動式絶対圧センサチップ１０は、半導体基板であるシリコン基板１００に両端が固定された振動子１１０ａ、振動子１１０ｂが平行に形成されており、振動子１１０ａ、振動子１１０ｂは、シェル１２０に覆われている。ここで、振動子１１０ａ、振動子１１０ｂの両固定端の長手方向と直交する線を、振動子固定端１４０、振動子固定端１４２と称するものとする。以下では、振動子１１０ａ、振動子１１０ｂを区別する必要がない場合には、振動子１１０と総称する。

【0020】

振動式絶対圧センサチップ１０には、配線１１２ａを介して振動子１１０ａと接続する端子１３０ａ、配線１１２ｂを介して振動子１１０ｂと接続する端子１３０ｂ、配線１２２を介してシェル１２０と接続する端子１３０ｃ、シリコン基板１００の電位を定めるための端子１３０ｄが、シリコン基板１００の片側端部に配置されている。各端子についても、区別する必要がない場合には、端子１３０と総称する。

【0021】

振動式絶対圧センサチップ１０は、図２に示すように、静圧を、振動子１１０の長手方向に発生する歪によって絶対圧として検出する構造となっている。このため、シリコン基板１００には、ダイアフラムは形成されない。振動子１１０の長手方向に発生する歪は、振動子１１０の共振周波数の変化によって検出される。

【0022】

すなわち、振動式絶対圧センサチップ１０は、端子１３０から与えられる電圧による静電力等によって振動子１１０を励振し、振動子１１０の長手方向に発生した歪を振動子１１０の共振周波数の変化として検出することで絶対圧の測定を行なう。共振周波数の変化は、端子１３０から取り出される電気信号に基づいて検出することができる。

【0023】

なお、振動子１１０の励振方法、共振周波数を用いた歪検出方法は種々の手法を用いることができる。したがって、シリコン基板１００に設けられる端子の数は４つに限られない。また、振動子１１０の数も２本に限られない。

【0024】

上述のように、本実施形態の振動式絶対圧センサチップ１０は、シリコン基板１００にダイアフラムが形成されていない。すなわち、従来の振動式圧力センサチップ５０のように、ダイアフラム５０５を有し、ダイアフラム５０５の歪も計測する構造の場合、接合などによる歪が、ダイアフラム５０５に集中しやすい。

【0025】

仮に、振動式絶対圧センサチップ１０のシリコン基板１００にダイアフラムを形成したとすると、ダイアフラムに集中した歪は、ダイアフラムが撓むような歪を発生させるため、振動子１１０の長手方向と直交する歪が、振動子１１０の長手方向への歪も発生させることになってしまう。

【0026】

そこで、本実施形態の振動式絶対圧センサチップ１０は、シリコン基板１００にダイアフラムを形成しないことによって、歪の影響を受けづらくし、測定精度を向上させている。

【0027】

また、本実施形態では、すべての端子１３０がシリコン基板１００の片側端部に配置されている。これにより、振動式絶対圧センサチップ１０が、振動子１１０の長手方向に、測定に影響与えるような外部からの応力を受けないようにしている。

【0028】

すなわち、複数の端子１３０が、振動子１１０を両端から挟むような配置や振動子１１０の長手方向に並ぶような配置とすると、接続歪や材質の違いによる静圧歪の差、センサ本体に取り付けたときの接合歪等による応力が振動子１１０の長手方向の歪に影響を与えることになってしまう。これは、特にバンプによって外部回路と固定状態で接続した場合に顕著となる。

【0029】

これに対して、本実施形態では、振動子１１０の固定端の片側だけにすべての端子１３０が配置されているため、外部の応力が振動子１１０の長手方向の歪に影響を与えることを防いでいる。

【0030】

本実施形態の端子１３０の配置箇所についてより一般化すると、図３に示すように、振動子固定端１４０よりも外側の領域Ａにすべての端子を配置すればよいことになる。もちろん、もう一方の振動子固定端１４２よりも外側の領域Ｂにすべての端子を配置してもよい。ただし、領域Ａ、領域Ｂの両方に分散させて端子を設けることは、端子で振動子１１０を両側から挟むことになるため、不可である。

【0031】

振動式絶対圧センサチップ１０は、例えば、図４に示すような圧力センサ２００に取り付けられて用いられる。振動式絶対圧センサチップ１０は、圧力センサ２００のダイアフラム２１が受けた圧力を静圧として計測する。振動式絶対圧センサチップ１０の各端子１３０は、ハーメチック構造２４により取り付けられたリードピン２３とバンプ２５により接続され、これにより、振動式絶対圧センサチップ１０が固定される。振動式絶対圧センサチップ１０は、外部からの応力を受けないようにするために、バンプ２５以外の箇所では、外部回路や圧力センサ２００本体に接触しないようにする。なお、圧力センサ２００の振動式絶対圧センサチップ１０に対向する面には絶縁抵抗体２２が形成されている。

【0032】

振動式絶対圧センサチップ１０の端子１３０がバンプ２５で固定されることにより、端子１３０間は、接続対象の材料特性に応じた静圧歪の影響を受けるが、本実施形態では、端子１３０が振動子１１０を挟まない配置となっているため、測定への影響を排除することができる。

【0033】

バンプ２５を形成する材料は、接合性の良好な材料としてＡｌ、Ａｕ、Ｓｎなどを含有したＡｕ合金等を使用することが望ましい。バンプ構造は、図５（ａ）に示すように、薄膜に凸形状の段差を付けた構造でもよいし、図５（ｂ）に示すように、ボールボンダでバンプを取り付けてもよい。

【0034】

また、振動式絶対圧センサチップ１０にバンプ構造を形成しない構成としてもよい。この場合、外部回路側にバンプ構造を形成して接続するようにしてもよいし、図６に示すようにワイヤ２６によるワイヤボンディングで接合してもよい。この場合、固定部材２７により圧力センサ２００本体に取り付けるが、取り付け部分からの影響を避けるため、固定部材２７はなるべく柔らかい材料を用い、かつ取り付け面積が小さくなるようにすることが望ましい。

【0035】

ただし、絶対圧センサの場合、固定部材２７は必ずしも必要ではなく、ワイヤ２６によって電気的な結線をするのみでよい。この場合、接合による歪の発生は一層小さくなる。

【0036】

測定媒体を直接的に振動式絶対圧センサチップ１０に導入し、振動式絶対圧センサチップ１０と測定媒体とが接触する使用方法の場合は、腐食性ガスや水分などに対する耐食性を考慮した端子材料とすることが望ましい。さらに、接合性、膜の密着性、シリコン基板１００とのコンタクト抵抗なども考慮した材料構成とする必要がある。表層の材料を例示すると、Ａｕ、Ａｕ合金等が挙げられる。

【0037】

端子材料にＡｕ、ＳｎなどのＳｉと共晶しやすい材料を含み、製作プロセスで高温になる工程が必要となる場合は、図７に示すように、シリコンと当該膜との間に拡散を防ぐバリアメタル層を積層することが望ましい。本図では、下層膜２８、上層膜２９を積層している。シリコンとのコンタクト、接合性、密着性を各層に持たせ、３層以上の積層構造としてもよい。

【0038】

ワイヤボンディングやバンプ接合で、外部回路と振動式絶対圧センサチップ１０とが接続されるとき、端子１３０において接合歪が発生する。この歪の振動子１１０への影響を一層軽減するために、図８に示すようにシリコン基板１００の裏面に、凹部１５０を形成することができる。シリコン基板１００の裏面の、最も振動子固定端１４０側の端子１３０と振動子固定端１４０との間に対応する位置に凹部１５０を形成することにより、接合歪が発生した場合であっても、凹部１５０が歪の影響を吸収し、振動子１１０に歪を伝達させないようにすることができる。

【0039】

凹部１５０は、図９（ａ）、図９（ｂ）のようにエッチングにより形成してもよいし、図９（ｃ）のように、切削により物理的に形成してもよい。

【0040】

各端子１３０は、領域Ａ内に配置されている限り、図１に示したように１直線上に並べて配置してもよいし、図１０に示すように複数列に配置させてもよい。複数列に配置させることで、振動式絶対圧センサチップ１０への歪のかかり具合を調整したり、接続時の安定性を高めたり、接合作業を容易にすることができる。

【0041】

また、振動式絶対圧センサチップ１０が、端子１３０以外の箇所で、外部回路や圧力センサ２００本体に接触しないようにするために、図１１に示すように、端子１３０を凸構造として振動子形成面内で最も高い位置に形成することが望ましい。

【0042】

以上説明したように、本実施形態の振動式絶対圧センサチップは、すべての端子を一方の振動子固定端よりも外側に配置しているため、端子の接続による歪の影響が振動子に伝達されない。したがって、測定精度を向上させることができる。

【符号の説明】

【0043】

１０…振動式絶対圧センサチップ、２１…ダイアフラム、２２…絶縁抵抗体、２３…リードピン、２４…ハーメチック構造、２５…バンプ、２６…ワイヤ、２７…固定部材、２８…下層膜、２９…上層膜、５０…振動式圧力センサチップ、６１…キャップ、６２…支持部材、６３…圧力導入経路、６４…リードピン、６５…ハーメチック構造、６６…ワイヤ、１００…シリコン基板、１１０…振動子、１１２…配線、１２０…シェル、１２２…配線、１３０…端子、１４０…振動子固定端、１４２…振動子固定端、１５０…凹部、２００…圧力センサ、５００…シリコン基板、５０１…振動子、５０２…シェル、５０３…ボンディングパッド、５０５…ダイアフラム、６００…圧力センサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】