特開 2024-138847 差圧計

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024138847

(43)【公開日】2024-10-09

(54)【発明の名称】差圧計

(51)【国際特許分類】

   G01L 13/00 20060101AFI20241002BHJP

   H01L 29/84 20060101ALI20241002BHJP

【ＦＩ】

G01L13/00 A

H01L29/84 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023049553

(22)【出願日】2023-03-27

(71)【出願人】

【識別番号】000006666

【氏名又は名称】アズビル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(72)【発明者】

【氏名】東條 博史

【テーマコード（参考）】

2F055

4M112

【Ｆターム（参考）】

2F055AA40

2F055BB05

2F055CC02

2F055DD05

2F055EE13

2F055FF04

2F055GG22

2F055GG25

2F055GG33

4M112AA01

4M112BA01

4M112CA02

4M112CA08

4M112CA12

4M112DA02

4M112DA18

4M112EA02

4M112EA13

4M112FA03

(57)【要約】

【課題】半導体による基体の上にガラス板を介して配置されるセンサチップに組み込まれた差圧計における出力のゼロ点シフトを抑制する。
【解決手段】第１半導体層１０３とガラス板１０２とを接合する第１接合領域１１１の周囲に第１未接合領域１１２が設けられ、ガラス板１０２と基体１０１とを接合する第２接合領域１２１の周囲に、第２未接合領域１２２が設けられている。第１接合領域１１１は、第１圧力室１０５の領域を囲って配置され、第２接合領域１２１は、第１導圧路１０９の領域を囲って配置されている。
【選択図】 図１Ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体から構成された基体と、
前記基体の上に接合された耐熱ガラスからなるガラス板と、
前記ガラス板の上面に配置された第１圧力室を備える第１半導体層と、
前記第１半導体層の上に配置された第２圧力室を備える第２半導体層と、
前記第１圧力室と前記第２圧力室との間を隔てる状態に形成されたダイアフラムと、
前記ガラス板および前記基体を貫通して形成され、前記第１圧力室と連通する導圧路と、
前記ダイアフラムの周端部近傍に設けられ、前記ダイアフラムの歪みを測定する歪計測部と、
前記第１半導体層と前記ガラス板との間で、前記第１圧力室を囲い平面視で前記第１圧力室の周方向に均一な幅とされた前記第１半導体層と前記ガラス板とを接合する第１接合領域と、
前記第１接合領域の周囲に設けられた第１未接合領域と、
前記ガラス板と前記基体との間で、前記導圧路の領域を囲い平面視で前記導圧路の領域の周方向に均一な幅とされて、前記ガラス板と前記基体とを接合する第２接合領域と、
前記第２接合領域の周囲に設けられた第２未接合領域と
を備え、
前記第２接合領域は、前記第１未接合領域の内側に設けられ、
前記第２未接合領域は、前記第１接合領域から前記第１未接合領域にかけて形成されている差圧計。

【請求項2】

請求項１記載の差圧計において、
前記ガラス板と前記基体との間で、前記第２未接合領域の周囲に、少なくとも１か所、設けられて、前記ガラス板と前記基体とを接合する第３接合領域をさらに備える差圧計。

【請求項3】

請求項１または２記載の差圧計において、
前記基体、前記第１半導体層、および前記第２半導体層はシリコンから構成され、
前記ガラス板はテンパックスガラスから構成されている
差圧計。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、差圧計に関する。

【背景技術】

【0002】

工業用の差圧計は、小型化や耐食性などの要望により、センサチップ本体をシリコンなどの半導体やサファイアなどから構成している。例えば、ピエゾ抵抗素子などによる歪計測部が形成された半導体（シリコン）の膜から構成されたダイアフラムの一方の面および他方の面の各々に、第１圧力室および第２圧力室を設けた差圧計がある。この差圧計では、第１圧力室および第２圧力室の２方向から受ける圧力の差を測定している。第１圧力室、第２圧力室、およびこれらの圧力室の各々に接続する圧力伝達のための導管には、オイルなどの圧力伝達物質が充填され、圧力は、圧力伝達物質を介してダイアフラムに作用する。

【0003】

一方で、上述したダイアフラムおよび圧力室が形成されたセンサチップは、パッケージに収容されて用いられている。センサチップを半導体から構成する場合、主に金属から構成されるパッケージとの間を電気的に分離するために、耐熱ガラスによるガラス板を挟んでパッケージに固定している。

【0004】

しかしながら、金属から構成されるパッケージと耐熱性ガラスとの間には線膨張係数差があり、また、耐熱性ガラスは強度があまり高くない。このため、パッケージにガラス板を直接接合した場合、熱応力によりガラス板が割れるなどの問題が起き場合がある。このため、ガラス板とパッケージとの間にシリコン板を挟んで接合している。この構成では、パッケージの上に、シリコン板、ガラス板、センサチップの順に積層されたものとなる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０２１－０６０３３３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上述したような構成の圧力センサにおいて、ゼロ点シフトの発生が確認され、問題となっている。このゼロ点シフトを防止するために、ガラス板と半導体からなるセンサチップとの接合面の一部に、接合していない空洞を設ける技術がある（特許文献１）。しかしながら、特許文献１の技術では、センサチップを搭載するガラス板を、さらにシリコンなどの半導体による基体の上に配置する構成については考慮されていない。

【0007】

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、半導体による基体の上にガラス板を介して配置されるセンサチップに組み込まれた差圧計における出力のゼロ点シフトの抑制を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る差圧計は、半導体から構成された基体と、基体の上に接合された耐熱ガラスからなるガラス板と、ガラス板の上面に配置された第１圧力室を備える第１半導体層と、第１半導体層の上に配置された第２圧力室を備える第２半導体層と、第１圧力室と第２圧力室との間を隔てる状態に形成されたダイアフラムと、ガラス板および基体を貫通して形成され、第１圧力室と連通する導圧路と、ダイアフラムの周端部近傍に設けられ、ダイアフラムの歪みを測定する歪計測部と、第１半導体層とガラス板との間で、第１圧力室を囲い平面視で第１圧力室の周方向に均一な幅とされた第１半導体層とガラス板とを接合する第１接合領域と、第１接合領域の周囲に設けられた第１未接合領域と、ガラス板と基体との間で、導圧路の領域を囲い平面視で導圧路の領域の周方向に均一な幅とされて、ガラス板と基体とを接合する第２接合領域と、第２接合領域の周囲に設けられた第２未接合領域とを備え、第２接合領域は、第１未接合領域の内側に設けられ、第２未接合領域は、第１接合領域から第１未接合領域にかけて形成されている。

【0009】

上記差圧計の一構成例において、ガラス板と基体との間で、第２未接合領域の周囲に、少なくとも１か所、設けられて、ガラス板と基体とを接合する第３接合領域をさらに備える。

【0010】

上記差圧計の一構成例において、基体、第１半導体層、および第２半導体層はシリコンから構成され、ガラス板はテンパックスガラスから構成されている。

【発明の効果】

【0011】

以上説明したように、本発明によれば、ガラス板と基体とを接合する第２接合領域の周囲に第２未接合領域を設けたので、半導体による基体の上にガラス板を介して配置されるセンサチップに組み込まれた差圧計における出力のゼロ点シフトが抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1A】図１Ａは、本発明の実施の形態に係る差圧計の構成を示す断面図である。

【図1B】図１Ｂは、本発明の実施の形態に係る差圧計の一部構成を示す平面図である。

【図1C】図１Ｃは、本発明の実施の形態に係る差圧計の一部構成を示す平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施の形態に係る差圧計について図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃを参照して説明する。この差圧計は、基体１０１、ガラス板１０２、第１半導体層１０３、第２半導体層１０４を備える。基体１０１、ガラス板１０２、第１半導体層１０３、第２半導体層１０４は、これらの順に積層されている。この差圧計は、基体１０１、ガラス板１０２、第１半導体層１０３、第２半導体層１０４によるセンサチップに組み込まれている。

【0014】

基体１０１は、半導体から構成されている。基体１０１は、例えば、シリコンから構成することができる。ガラス板１０２は、基体１０１の上に接合して配置されている。また、ガラス板１０２は、テンパックスガラスなどの耐熱ガラスから構成されている。

【0015】

第１半導体層１０３は、ガラス板１０２の上面に配置され、第１領域１４１に第１圧力室１０５を備える。第１圧力室１０５は、例えば、平面視の形状が正方形とされている。第１圧力室１０５は、第１半導体層１０３に形成された凹部であり、この凹部は、ガラス板１０２の側に開口している。第１半導体層１０３は、例えばシリコンから構成することができる。

【0016】

第２半導体層１０４は、第１半導体層１０３の上に配置（接合）されている。また、第２半導体層１０４は、第２圧力室１０６を備える。第２圧力室１０６は、第２半導体層１０４に形成された凹部であり、この凹部は、第１半導体層１０３の側に開口している。また、第２圧力室１０６は、平面視の形状が、第１圧力室１０５より広い形状、例えば、正方形とされている。また、第２圧力室１０６は、平面視で第１圧力室１０５が形成された領域を含んで形成されている。第２半導体層１０４は、例えばシリコンから構成することができる。ただし、第１圧力室１０５および第２圧力室１０６の平面視の形状は正方形以外であってもよい。

【0017】

上述した第１圧力室１０５と第２圧力室１０６との間には、これらを隔てる状態に形成されたダイアフラム１０７が配置されている。ダイアフラム１０７は、第１圧力室１０５を形成することで薄くされた第１半導体層１０３の部分から構成することができる。ダイアフラム１０７の平面視の形状は、第１圧力室１０５の平面視の形状により規定され、第１圧力室１０５の平面視の形状が正方形であれば、ダイアフラム１０７の平面視の形状は正方形となる。

【0018】

また、この差圧計は、ダイアフラム１０７の周端部近傍に、ダイアフラム１０７の歪みを測定する第１歪計測部１０８ａ、第２歪計測部１０８ｂ、第３歪計測部１０８ｃ、第４歪計測部１０８ｄを備える。第１歪計測部１０８ａ、第２歪計測部１０８ｂ、第３歪計測部１０８ｃ、第４歪計測部１０８ｄにより、ダイアフラム１０７の歪みを計測する。第１歪計測部１０８ａ、第２歪計測部１０８ｂ、第３歪計測部１０８ｃ、第４歪計測部１０８ｄの各々は、例えば、複数のピエゾ抵抗素子から構成することができる。

【0019】

また、第１歪計測部１０８ａ、第２歪計測部１０８ｂ、第３歪計測部１０８ｃ、第４歪計測部１０８ｄは、ブリッジ回路を構成している。このブリッジ回路は、一定の電流が流れている、もしくは一定の電圧が印加されている状態においてダイアフラム１０７に応力が発生したとき、発生した応力による各ピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化を電圧の変化として出力する差圧検出部として機能する。このブリッジ回路の各ノードは、ダイアフラム１０７の図示しない領域の面に形成された配線パターンを介し、図示しない電極に接続されている。

【0020】

また、基体１０１、ガラス板１０２、第１半導体層１０３、第２半導体層１０４による積層構造は、平面視の形状が長方形とされ、平面視長方形の長辺方向の一端側の第１領域１４１と平面視長方形の長辺方向の他端側の第２領域１４２とを備えることができる。第１領域１４１に第１圧力室１０５，第２圧力室１０６が配置されている。

【0021】

また、第１領域１４１には、ガラス板１０２および基体１０１を貫通して形成され、第１圧力室１０５と連通する第１導圧路１０９が設けられている。第１導圧路１０９は、例えば、平面視で第１圧力室１０５の中央に配置することができる。一方、第２領域１４２には、第１半導体層１０３、ガラス板１０２、および基体１０１を貫通して形成され、第２圧力室１０６と連通する第２導圧路１１０が設けられている。

【0022】

さらに、この差圧計は、第１接合領域１１１、第１未接合領域１１２，第２接合領域１２１、第２未接合領域１２２を備えている。

【0023】

第１接合領域１１１は、第１半導体層１０３とガラス板１０２とを接合する。また、第１接合領域１１１は、第１半導体層１０３とガラス板１０２との間で第１圧力室１０５を囲って配置され、平面視で第１圧力室１０５の周方向に均一な幅とされている。第１未接合領域１１２は、第１接合領域１１１の周囲に設けられている。第１未接合領域１１２は、第１半導体層１０３とガラス板１０２とが接合されていない領域である。

【0024】

第２接合領域１２１は、ガラス板１０２と基体１０１とを接合する。また、第２接合領域１２１は、ガラス板１０２と基体１０１との間で第１導圧路１０９の領域を囲って配置され、平面視で第１導圧路１０９の領域の周方向に均一な幅とされている。また、平面視で重ねて見た状態において、第２接合領域１２１は、第１未接合領域１１２の内側に設けられている。

【0025】

第２未接合領域１２２は、第２接合領域１２１の周囲に設けられている。第２未接合領域１２２は、ガラス板１０２と基体１０１とが接合されていない領域である。また、平面視で重ねて見た状態において、第２未接合領域１２２は、第１接合領域１１１から第１未接合領域１１２にかけて形成されている。

【0026】

また、実施の形態では、ガラス板１０２と基体１０１との間で、第２未接合領域１２２の周囲に設けられた第３接合領域１２３を備える。ただし、第３接合領域１２３は、第２未接合領域１２２の周囲全周を囲む必要はなく一部囲まれていない部分があってもよい。言い換えると、第３接合領域１２３は第２未接合領域の周囲の少なくとも１か所を囲めばよい。また、第３接合領域１２３は、ガラス板１０２と基体１０１とを接合する領域である。また、第１半導体層１０３とガラス板１０２との間で、第２導圧路１１０が形成されている箇所の周囲には、第４接合領域１１３を備える。第４接合領域１１３は、第１半導体層１０３とガラス板１０２とを接合する領域であり、第２領域１４２において、第１未接合領域１１２より外周側に形成されている。

【0027】

特許文献１に示されているように、第１半導体層１０３とガラス板１０２との間に第１未接合領域１１２を設けることで、第１歪計測部１０８ａ、第２歪計測部１０８ｂ、第３歪計測部１０８ｃ、第４歪計測部１０８ｄに発生する応力を調整して、ゼロ点シフトの調整が可能である。

【0028】

しかしながら、ガラス板１０２を介して第１半導体層１０３、第２半導体層１０４が配置されるガラス板１０２を、半導体からなる基体１０１の上に形成する構成では、第１未接合領域１１２を設けても、ゼロ点シフトが残る場合がある。これは、基体１０１、ガラス板１０２、第１半導体層１０３、第２半導体層１０４の積層構造からなるセンサチップは剛性が高くなるため、第１未接合領域１１２だけでは調整が十分にできないためと考えられる。

【0029】

これに対し、上述した実施の形態によれば、第１半導体層１０３とガラス板１０２との間の第１未接合領域１１２に加え、ガラス板１０２と基体１０１との間の第２未接合領域１２２を備えるので、温度によるゼロ点シフトを抑制することが可能となる。なお、ダイアフラム１０７の一方の面および他方の面に加わる圧力の差がゼロのときに、第１歪計測部１０８ａ、第２歪計測部１０８ｂ、第３歪計測部１０８ｃ、第４歪計測部１０８ｄによるブリッジ回路の出力電圧がゼロとなるように、第１未接合領域１１２、第２未接合領域１２２を設ける。

【0030】

例えば、未接合領域は、対応する領域の第１半導体層１０３や基体１０１の接合面を、エッチング処理により数μｍ薄くすることで形成することができる。また、未接合領域は、例えば、対応する領域のガラス板１０２の接合面を、エッチング処理により数μｍ薄くすることで形成することができる。

【0031】

以上に説明したように、本発明によれば、ガラス板と基体とを接合する第２接合領域の周囲に第２未接合領域を設けたので、半導体による基体の上にガラス板を介して配置されるセンサチップに組み込まれた差圧計における出力のゼロ点シフトが抑制できるようになる。

【0032】

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

【符号の説明】

【0033】

１０１…基体、１０２…ガラス板、１０３…第１半導体層、１０４…第２半導体層、１０５…第１圧力室、１０６…第２圧力室、１０７…ダイアフラム、１０８ａ…第１歪計測部、１０８ｂ…第２歪計測部、１０８ｃ…第３歪計測部、１０８ｄ…第４歪計測部、１０９…第１導圧路、１１０…第２導圧路、１１１…第１接合領域、１１２…第１未接合領域、１１３…第４接合領域、１２１…第２接合領域、１２２…第２未接合領域、１２３…第３接合領域、１４１…第１領域、１４２…第２領域。

【図1A】

【図1B】

【図1C】