特開 2024-139980 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】P2024139980

(43)【公開日】2024-10-10

(54)【発明の名称】差圧計

(51)【国際特許分類】

   G01L 13/00 20060101AFI20241003BHJP

   H01L 29/84 20060101ALI20241003BHJP

【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 2023050950

(22)【出願日】2023-03-28

(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）】

2F055BB05

2F055CC02

2F055DD05

2F055EE13

2F055FF04

2F055GG15

2F055GG22

2F055GG33

4M112AA02

4M112BA01

4M112CA01

4M112CA03

4M112CA04

4M112CA08

4M112CA12

4M112DA02

4M112DA18

4M112EA02

4M112EA13

4M112FA06

(57)【要約】

【課題】平面視で長方形のセンサチップに組み込まれた差圧計の出力のドリフトを抑制する。
【解決手段】第１領域１４１において未接合領域１１２を設け、ガラス板１０２の第１接合領域１１１と第２領域１４２との間の第１領域１４１に溝を設け、第１接合領域１１１を、第１領域１４１において、第１半導体層１０３とガラス板１０２との間で、第１圧力室１０５を囲い平面視で第１圧力室１０５の周方向に均一な幅とする。
【選択図】 図１Ｂ

【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り、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領域と平面視長方形の長辺方向の他端側の第２領域とを備えるガラス板と、
前記ガラス板の上面に配置され、前記第１領域に平面視の形状が正方形とされた第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、前記第１領域において、平面視で前記第１圧力室が形成された領域を含み、平面視の形状が前記第１圧力室より広い正方形の第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領域において、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圧力室と連通する第１導圧路と、
前記第２領域において、前記第１半導体層、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２圧力室と連通する第２導圧路と、
前記第１領域において、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、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領域において、前記第１接合領域の周囲で、前記第１領域の前記ガラス板の平面視長方形の長辺方向の一端側の短辺の側、および前記ガラス板の平面視長方形の２つの長辺の側に至る未接合領域と、
前記第２領域において、前記第１半導体層と前記ガラス板と接合する第２接合領域と、
前記ガラス板の前記第１接合領域と前記第２領域との間の前記第１領域に、平面視長方形の短辺方向に延在して形成された溝と
を備える差圧計。

【請求項2】

請求項１記載の差圧計において、
前記溝は、前記ガラス板の平面視長方形の一方の長辺から他方の長辺にかけて形成されている差圧計。

【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（特許文献１）。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】

この種の圧力計で用いられるダイアフラムは、可動領域の平面視の形状を円形または四角形とする構成が代表的であるが、四角形の方が円形より出力の線形性が高いことから、正方形とすることが多い。このように正方形としたダイアフラムや各圧力室につながる導管を組み込んだセンサチップは、平面視の形状が長方形となる。

【0004】

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。平面視長方形のセンサチップに設けるガラス板も、平面視の形状は長方形となる。

【0005】

このような構成においては、耐熱性ガラスの上にセンサチップの一部となる第１半導体層を形成し、第１半導体層に一方の圧力室（第１圧力室）を形成し、この第１圧力室の上にダイアフラムを配置している。例えば、上述した第１半導体層に形成した凹部により第１圧力室を構成することで、凹部の部分の薄くされた第１半導体層の部分をダイアフラムとすることができる。この第１圧力室の平面視の形状によりダイアフラムの形状が規定され、第１圧力室の平面視の形状を正方形とすることでダイアフラムの可動領域が正方形となる。

【0006】

ところで、耐熱性ガラスは、クリープ、応力緩和などの粘弾性を持つ。耐熱性ガラスは半導体材料と接合されているため、線膨張係数差による熱応力が発生している。このため、ガラス板に接合されている第１半導体層のガラス板との間に形成されている第１圧力室にも熱応力が伝わっている、よって、平面視で正方形の各辺には上述した粘弾性により、応力の（経時）変化が発生する。平面視長方形のガラス板に対し、第１圧力室は平面視正方形としているため、正方形の各辺での応力は一様ではなく変化量は辺毎に異なる。ダイアフラムの変位を測定するための歪計測部は、正方形とされているダイアフラムの各辺の周縁部に配置される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０２１－０９２４９０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

上述したように、正方形としたダイアフラムの各辺に加わる応力が辺毎に変わっていると、各々の歪計測部の測定値が異なることになり、正確な測定を阻害することになる。例えば、歪計測部としてピエゾ抵抗素子を用い、４つのピエゾ抵抗素子によりブリッジ回路を構成し、このブリッジ回路に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に変位が発生すると、発生した変位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ことができる。このような構成において、上述したように接合しているガラス板の粘弾性影響が辺毎に変わると、各ピエゾ抵抗素子に異なる抵抗値の変化を引き起こし、図２に示す４つのＲ（ピエゾ抵抗素子）の粘弾性による経時変化分ΔＲ１，ΔＲ２，ΔＲ３，ΔＲ４が異なることになり、上述した電圧出力が経時変化する、すなわち、センサ出力Ｖoutがドリフトすることになる。なお、図２において、Ｒは初期状態の抵抗値、ΔＲｐは圧力印加による抵抗値の変化、ΔＲ１～ΔＲ４は粘弾性による経時変化分の抵抗値変化を示す。

【0009】

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、平面視で長方形のセンサチップに組み込まれた差圧計の出力のドリフト抑制を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

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り、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領域と平面視長方形の長辺方向の他端側の第２領域とを備えるガラス板と、ガラス板の上面に配置され、第１領域に平面視の形状が正方形とされた第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、第１領域において、平面視で第１圧力室が形成された領域を含み、平面視の形状が第１圧力室より広い正方形の第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、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領域において、ガラス板および基体を貫通して形成され、第１圧力室と連通する第１導圧路と、第２領域において、第１半導体層、ガラス板、および基体を貫通して形成され、第２圧力室と連通する第２導圧路と、第１領域において、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、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領域において、第１接合領域の周囲で、第１領域のガラス板の平面視長方形の長辺方向の一端側の短辺の側、およびガラス板の平面視長方形の２つの長辺の側に至る未接合領域と、第２領域において、第１半導体層とガラス板と接合する第２接合領域と、ガラス板の第１接合領域と第２領域との間の第１領域に、平面視長方形の短辺方向に延在して形成された溝とを備える。

【0011】

上記差圧計の一構成例において、溝は、ガラス板の平面視長方形の一方の長辺から他方の長辺にかけて形成されている。

【0012】

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】

【0013】

以上説明したように、本発明によれば、第１領域において未接合領域を設け、ガラス板の第１接合領域と第２領域との間の第１領域に溝を設けたので、平面視で長方形のセンサチップに組み込まれた差圧計の出力のドリフトが抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【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。

【図2】図２は、ガラス板の粘弾性影響によるセンサ出力Ｖoutのドリフトを説明するための説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

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。

【0016】

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、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。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。

【0017】

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に平面視の形状が正方形とされた第１圧力室１０５を備える。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。

【0018】

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、平面視の形状が、第１圧力室１０５より広い正方形の第２圧力室１０６を備える。第２圧力室１０６は、第１領域１４１において、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。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。

【0019】

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、正方形となる。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

また、この差圧計は、第１導圧路１０９、第２導圧路１１０、第１接合領域１１１、未接合領域１１２、第２接合領域１１３、および溝１１４を備える。

【0023】

第１導圧路１０９は、第１領域１４１において、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２導圧路１１０は、第２領域１４２において、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。

【0024】

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。第１接合領域１１１は、第１領域１４１において、第１半導体層１０３とガラス板１０２との間で、第１圧力室１０５を囲い平面視で第１圧力室１０５の周方向に均一な幅とされている。第２接合領域１１３は、第２領域１４２において、第１半導体層１０３とガラス板１０２と接合している。

【0025】

未接合領域１１２は、第１領域１４１において、第１接合領域１１１の周囲に設けられている。また、未接合領域１１２は、第１領域１４１のガラス板１０２の平面視長方形の長辺方向の一端側の短辺の側、およびガラス板１０２の平面視長方形の２つの長辺の側に至る箇所に設けられている。未接合領域１１２は、例えば、対応する領域の第１半導体層１０３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１１２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。

【0026】

溝１１４は、ガラス板１０２の第１接合領域１１１と第２領域１４２との間の第１領域１４１に、平面視長方形の短辺方向に延在して形成されている。溝１１４は、ガラス板１０２の平面視長方形の一方の長辺から他方の長辺にかけて形成することができる。また、溝１１４は、ガラス板１０２を貫通して形成することができる。

【0027】

平面視の形状が正方形とされているダイアフラムの各辺に、例えば、ピエゾ抵抗素子による歪計測部を配置し、ダイアフラムを挾んで２つの第１圧力室，第２圧力室を設ける構成において、２つの圧力室に連通する２つの導圧路を同一の側に取り出す構成では、センサチップの平面視の形状が長方形となる。

【0028】

上述した差圧センサにおいて、ガラス板１０２と第１半導体層１０３とをこれらの全域で接合すると、ダイアフラム１０７の平面視の形状を規定する第１圧力室１０５の周囲の接合領域は、周方向に均一な幅とならない。また、接合領域のガラス板１０２端部までの距離が、例えば、第１歪計測部１０８ａと、第２歪計測部１０８ｂとで異なるものとなる。

【0029】

耐熱ガラスから構成されているガラス板１０２は、クリープ、応力緩和に代表される粘弾性を持つため、第１半導体層１０３との接合時の強制変位や、線膨張係数差による熱応力が経時変化する。この強制変位や熱応力が、各歪計測部に与える影響は、各歪計測部のガラス板１０２端部までの距離によって変化する。平面視正方形のガラス板に対し、第１圧力室は平面視正方形の場合、これらの距離が均一とすることで変化量は各辺で均一となる、一方、これらの距離が均一ではない場合、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が受ける影響が、歪計測部毎に異なり、４つの歪計測部毎で構成するブリッジ回路の出力が経時変化することになる、特に平面視長方形のガラス板の場合、経時変化が顕著になる。この経時変化は、差圧計の出力のドリフトと検知されることになるため、差圧計の安定性を低下させることになる。

【0030】

これに対し、実施の形態によれば、未接合領域１１２および溝１１４を設けることで、第１領域１４１において、第１圧力室１０５を囲う第１接合領域１１１を、周方向に均一な幅としている。また、溝１１４を未接合領域１１２より深くする、もしくは、基台まで掘り込み第一領域と第二領域を分割することで、平面視長方形のガラス板の場合でも上述したようなガラス板１０２による強制変位や熱応力などの影響が、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に対して均一となる。この結果、４つの歪計測部毎で構成するブリッジ回路の出力の経時変化が抑制され、差圧計の安定性が確保できるようになる。

【0031】

また、溝１１４を設けることで、第２導圧路１１０が配置される第２領域１４２では、第２導圧路１１０の部分以外の全域を第２接合領域１１３とすることができ、ガラス板１０２と第１半導体層１０３との境界において、第２導圧路１１０を封止することができる。

【0032】

以上に説明したように、本発明によれば、第１領域において未接合領域を設け、ガラス板の第１接合領域と第２領域との間の第１領域に溝を設けたので、平面視で長方形のセンサチップに組み込まれた差圧計の出力のドリフトが抑制できるようになる。

【0033】

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】

【0034】

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…未接合領域、１１３…第２接合領域、１１４…溝、１４１…第１領域、１４２…第２領域。

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2】