特許 7707966 圧力センサ

(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】

(24)【登録日】2025-07-07

(45)【発行日】2025-07-15

(54)【発明の名称】圧力センサ

(51)【国際特許分類】

   G01L 19/00 20060101AFI20250708BHJP

   H10N 30/30 20230101ALI20250708BHJP

   B81B 3/00 20060101ALI20250708BHJP

   B01D 39/20 20060101ALI20250708BHJP

【ＦＩ】

G01L19/00 Z

G01L19/00 A

H10N30/30

B81B3/00

B01D39/20 Z

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2022031295

(22)【出願日】2022-03-01

(65)【公開番号】P2023127477

(43)【公開日】2023-09-13

【審査請求日】2024-04-01

(73)【特許権者】

【識別番号】000006507

【氏名又は名称】横河電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100149249

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 達也

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 哲也

(72)【発明者】

【氏名】武藤 哲

【審査官】細見 斉子

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－１６５６５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２９６９６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－００４４７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－２０１２５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－２８８６２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０５６７１１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｌ ７／００－２３／３２

Ｇ０１Ｌ ２７／００－２７／０２

Ｈ１０Ｎ ３０／３０

Ｂ８１Ｂ ３／００

Ｂ０１Ｄ ３９／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

フィルタと、半導体圧力センサチップと、を有し、
前記フィルタは、積層される２つの層部材を有し、
各々の前記層部材が、前記２つの層部材の界面と前記界面の反対側の面とに開口する貫通穴を有し、
２つの前記貫通穴が、前記界面において重ならず、
少なくとも一方の前記層部材が、前記２つの貫通穴を連通させる凹状通路を前記界面に有し、
一方の前記層部材が、他方の前記層部材の前記貫通穴に対応して複数組の前記貫通穴と前記凹状通路を有し、
前記半導体圧力センサチップは、前記複数組の貫通穴と凹状通路を有する前記層部材に積層され、
前記半導体圧力センサチップは、前記複数組の貫通穴と凹状通路を有する前記層部材との界面に、ダイアフラム及び凹空間を形成する凹部を有し、
積層方向に沿って前記複数組の貫通穴と凹状通路を有する前記層部材から前記半導体圧力センサチップに向かう方向を上方としたとき、前記層部材の各々の前記貫通穴の上端は、前記凹空間の下端に連通する、圧力センサ。

【請求項2】

一方の前記層部材が半導体シリコンによって形成され、他方の前記層部材がガラスによって形成される、請求項１に記載の圧力センサ。

【請求項3】

前記凹状通路を有する前記層部材が半導体シリコンによって形成される、請求項１又は２に記載の圧力センサ。

【請求項4】

請求項１～３の何れか１項に記載の圧力センサの製造方法であって、
前記凹状通路を有する前記層部材を半導体プロセスによって形成する層部材形成工程を有する、圧力センサの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示はフィルタに関する。

【背景技術】

【0002】

半導体圧力センサチップを有する圧力センサの導圧路（例えば特許文献１参照）や、ガスクロマトグラフ、インクジェットヘッドなどの流路など、微細な通路を有するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）などの構造が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１３－１３０４５３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

異物が、導圧路や流路を移動してセンサチップなどに到達する場合があるので、微細な通路で、異物の移動を抑制できるフィルタ機能を容易に実現できれば望ましい。

【0005】

そこで本開示の目的は、微細な通路でのフィルタ機能を実現し易いフィルタを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

幾つかの実施形態において、フィルタは、積層される２つの層部材を有し、各々の前記層部材が、前記２つの層部材の界面と前記界面の反対側の面とに開口する貫通穴を有し、２つの前記貫通穴が、前記界面において重ならず、少なくとも一方の前記層部材が、前記２つの貫通穴を連通させる凹状通路を前記界面に有する、フィルタである。このような構成によれば、凹状通路を設けることで簡単にフィルタ機能を実現できるので、微細な通路でのフィルタ機能を実現し易いフィルタを実現できる。

【0007】

一実施形態において、フィルタは、一方の前記層部材が半導体シリコンによって形成され、他方の前記層部材がガラスによって形成される、フィルタである。このような構成によれば、例えば陽極接合によって２つの層部材を精度良く容易に接合できる。

【0008】

一実施形態において、フィルタは、前記凹状通路を有する前記層部材が半導体シリコンによって形成される、フィルタである。このような構成によれば、凹状通路を半導体プロセスによって容易に設けることができる。

【0009】

一実施形態において、フィルタは、一方の前記層部材が、他方の前記層部材の前記貫通穴に対応して複数組の前記貫通穴と前記凹状通路を有する、フィルタである。このような構成によれば、フィルタの目詰まりを抑制できる。

【0010】

一実施形態において、フィルタは、前記少なくとも一方の層部材が前記貫通穴と、前記貫通穴に対応する複数の前記凹状通路と、を有する、フィルタである。このような構成によれば、フィルタの目詰まりを抑制できる。

【0011】

一実施形態において、フィルタの製造方法は、前記凹状通路を有する前記層部材を半導体プロセスによって形成する層部材形成工程を有する、前記フィルタの製造方法である。このような構成によれば、凹状通路を容易に設けることができる。

【0012】

一実施形態において、フィルタの製造方法は、前記層部材形成工程において前記凹状通路がエッチングによって形成される、前記フィルタの製造方法である。このような構成によれば、凹状通路を容易に、特に複数の凹状通路を容易に設けることができる。

【0013】

一実施形態において、フィルタの製造方法は、前記層部材形成工程において前記凹状通路を有する前記層部材の前記貫通穴がエッチングによって形成される、前記フィルタの製造方法である。このような構成によれば、貫通穴を容易に、特に複数の貫通穴を容易に設けることができる。

【0014】

一実施形態において、フィルタの製造方法は、前記２つの層部材を陽極接合する接合工程を有する、前記フィルタの製造方法である。このような構成によれば、例えば一方の層部材を半導体シリコンで形成し他方の層部材をガラスで形成することにより、２つの層部材を精度良く容易に接合できる。

【0015】

一実施形態において、フィルタの製造方法は、半導体シリコンウエハに複数の一方の前記層部材のための前記貫通穴と前記凹状通路を形成する層部材形成工程と、前記半導体シリコンウエハを複数の他方の前記層部材を形成するための部材に接合して接合体を形成する接合工程と、前記接合体を切断することで複数のフィルタを形成する切断工程と、を有する、前記フィルタの製造方法である。このような構成によれば、複数のフィルタを効率的に製造できる。

【0016】

一実施形態において、圧力センサは、前記フィルタと、一方の前記層部材に積層される半導体圧力センサチップと、を有する、圧力センサである。このような構成によれば、微細な通路でのフィルタ機能を実現し易い圧力センサを実現できる。

【0017】

一実施形態において、圧力センサの製造方法は、前記フィルタの製造方法による、前記圧力センサの製造方法である。このような構成によれば、圧力センサを有利に製造できる。

【発明の効果】

【0018】

本開示によれば、微細な通路でのフィルタ機能を実現し易いフィルタを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】比較例に係る圧力測定器を示す端面図である。

【図2】一実施形態に係るフィルタを有する圧力センサを有する圧力測定器を示す端面図である。

【図3】図２に示す圧力センサの上面図である。

【図4A】半導体シリコンウエハを示す端面図である。

【図4B】図４Ａに示す半導体シリコンウエハを熱酸化した時の状態を示す。

【図4C】図４Ｂに示す熱酸化膜をエッチングした時の状態を示す。

【図4D】図４Ｃに示す半導体シリコンウエハをエッチングした時の状態を示す。

【図4E】図４Ｄに示す熱酸化膜をエッチングした時の状態を示す。

【図4F】図４Ｅに示す半導体シリコンウエハを熱酸化した時の状態を示す。

【図4G】図４Ｆに示す熱酸化膜をエッチングした時の状態を示す。

【図4H】図４Ｇに示す半導体シリコンウエハをエッチングした時の状態を示す。

【図4I】図４Ｈに示す熱酸化膜をエッチングした時の状態を示す。

【図4J】図４Ｉに示す半導体シリコンウエハを、ダイアフラムを形成した半導体シリコンウエハに接合した時の状態を示す。

【図4K】図４Ｊに示す凹状通路と貫通穴を形成した半導体シリコンウエハを、貫通穴を形成したガラス部材に接合した時の状態を示す。

【図4L】図４Ｋに示す接合体を切断して複数の圧力センサを形成した時の状態を示す。

【図5】図２に示す圧力センサの変形例を示す上面図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、図面を参照して本開示の実施形態を詳細に例示説明する。

【0021】

図１に示す比較例に係る圧力測定器１は、圧力センサ２と通路部材３を有し、圧力センサ２は半導体圧力センサチップ４（以下、センサチップ４ともいう）とガラス台座５を有する。センサチップ４、ガラス台座５及び通路部材３はこの順に並べて積層され一体化される。

【0022】

センサチップ４は半導体シリコンなどによって形成される。またセンサチップ４は、ガラス台座５との界面に凹部６を有し、凹部６によってセンサチップ４のダイアフラム７と凹空間８が形成される。ガラス台座５は、通路部材３との界面と当該界面の反対側の面とに開口する貫通路９を有する。通路部材３は金属などによって形成される。また通路部材３は、ガラス台座５との界面に開口する通路１０を有する。

【0023】

通路１０、貫通路９及び凹空間８は、圧力測定器１によって測定される被測定部の圧力をダイアフラム７に伝える圧力伝達路として機能する。凹空間８の圧力とダイアフラム７の外側空間１１の圧力との差圧がダイアフラム７に印加され、ダイアフラム７の歪みに応じて生じる電気的信号などを検出することで、被測定部の圧力を測定することができる。圧力伝達路には適宜、シリコーンオイルなどの圧力伝達媒体が封入される場合もある。

【0024】

圧力伝達路には、例えば通路１０や貫通路９を切削加工して形成する時に生じた切粉などの異物１２が存在する場合がある。圧力伝達媒体の封入時などに異物１２が凹空間８に移動してダイアフラム７に付着すると、センサの特性不良を生じてしまう虞がある。

【0025】

このようなセンサの特性不良を抑制するために、図２～図３に示す一実施形態において、圧力センサ２はフィルタ１３を有する。

【0026】

本実施形態において、圧力測定器１は圧力センサ２と通路部材３を有し、圧力センサ２はセンサチップ４とフィルタ１３を有し、フィルタ１３は２つの層部材１４として、第１層部材１４ａと第２層部材１４ｂを有する。センサチップ４、第１層部材１４ａ、第２層部材１４ｂ及び通路部材３はこの順に並べて積層され一体化される。センサチップ４と通路部材３は比較例の場合と同様に構成される。第１層部材１４ａは半導体シリコンなどによって形成され、第２層部材１４ｂはガラスなどによって形成される。本実施形態の圧力センサ２はＭＥＭＳを構成する。

【0027】

各々の層部材１４は、２つの層部材１４の界面（以下、中間界面１５ともいう）と中間界面１５の反対側の面とに開口する貫通穴１６を有する。より具体的には、第１層部材１４ａは、中間界面１５と当該界面の反対側の面とにそれぞれ開口する４つの第１貫通穴１６ａを有し、第２層部材１４ｂは、中間界面１５と当該界面の反対側の面とに開口する１つの第２貫通穴１６ｂを有する。４つの第１貫通穴１６ａは、積層方向（図３における紙面に垂直な方向）に垂直な第１方向（図３における横方向）に並べて設けられる２つの第１貫通穴１６ａと、積層方向と第１方向に垂直な第２方向（図３における縦方向）に並べて設けられる２つの第１貫通穴１６ａとからなる。

【0028】

なお本実施形態において、説明の便宜上、積層方向を上下方向ともいい、上下方向に沿って第２層部材１４ｂから第１層部材１４ａに向かう方向を上方ともいい、その反対方向を下方ともいう。

【0029】

図３に示すように、各々の第１貫通穴１６ａと第２貫通穴１６ｂとは中間界面１５において重ならない。上面視において、第１方向に並ぶ２つの第１貫通穴１６ａの間に第２貫通穴１６ｂが位置し、第２方向に並ぶ２つの第１貫通穴１６ａの間に第２貫通穴１６ｂが位置する。各々の第１貫通穴１６ａの横断面形状は、第１方向に延びる２辺と第２方向に延びる２辺とからなる矩形であり、第２貫通穴１６ｂの横断面形状は円形である。なお、これらの横断面形状は適宜変更が可能である。

【0030】

図２～図３に示すように、第１層部材１４ａは、４つの第１貫通穴１６ａを第２貫通穴１６ｂに連通させる４つの溝状の凹状通路１７を中間界面１５に有する。各々の凹状通路１７は、対応する第１貫通穴１６ａを第２貫通穴１６ｂに連通させるように、対応する第１貫通穴１６ａと第２貫通穴１６ｂの間で延びる。このように本実施形態では、１つの第２貫通穴１６ｂに対応して４組の第１貫通穴１６ａと凹状通路１７が設けられる。また本実施形態では、１つの第１貫通穴１６ａに対応して１つの凹状通路１７が設けられる。

【0031】

第２貫通穴１６ｂの下端は、通路１０の上端に連通する。また各々の第１貫通穴１６ａの上端は、凹空間８の下端に連通する。センサチップ４の下面は第１層部材１４ａの上面に接合され、第１層部材１４ａの下面は第２層部材１４ｂの上面に接合され、第２層部材１４ｂの下面は通路部材３の上面に接合される。

【0032】

第２層部材１４ｂの第２貫通穴１６ｂから放射方向に延びる各々の凹状通路１７の内径（横断面における最小幅）は、第２貫通穴１６ｂの内径よりも小さい。したがって、各々の凹状通路１７は、凹状通路１７よりも下方から第２貫通穴１６ｂを通って移動してくる凹状通路１７よりも大きい異物１２を凹状通路１７によって堰き止めることができる。したがって、凹状通路１７の横断面での形状と大きさなどを適宜設定することにより、異物１２が凹空間８に侵入することを抑制し、その結果、センサの特性不良の発生を抑制することができる。また、本実施形態では、複数組の第１貫通穴１６ａと凹状通路１７を有することにより、異物１２による目詰まりを抑制し、もって、圧力伝達路としての良好な圧力伝達機能を維持できる。なお、凹状通路１７は、図３に示すような上面視で第２貫通穴１６ｂから放射方向に細長く延びる形状に限らず、放射方向の長さよりも周方向の長さの方が大きい形状を有する構成としてもよい。

【0033】

また本実施形態によれば、圧力伝達路を伝わりダイアフラム７を破壊する原因となり得る衝撃圧を減衰させる絞りとして凹状通路１７を利用することも可能である。つまり、凹状通路１７の横断面での形状と大きさなどを適宜設定することにより、圧力センサとして検出すべき圧力変化の時定数よりも著しく短いパルス幅を有するパルス状の圧力波の波高値を抑制できる。

【0034】

圧力センサ２は例えば、図４Ａ～図４Ｌに示す一実施形態に係る製造方法（以下、本製造方法ともいう）によって製造できる。

【0035】

本製造方法は、層部材形成工程（図４Ａ～図４Ｉ）、接合工程（図４Ｊ～図４Ｋ）及び切断工程（図４Ｌ）を有する。層部材形成工程は、第１層構造体１８を形成する工程である。接合工程は、センサチップ構造体２０、第１層構造体１８及び第２層構造体１９を接合してセンサ構造体２１を形成する工程である。切断工程は、センサ構造体２１を切断することで複数の圧力センサ２を形成する工程である。本製造方法によれば、半導体プロセスを用いて複数の圧力センサ２を同時に製造できるため、低コストを実現できる。

【0036】

層部材形成工程では、複数の第１層部材１４ａを形成するための第１半導体シリコンウエハ２２から第１層構造体１８を形成する。第１層構造体１８は、図４Ａ～図４Ｉに示す工程によって形成される。まず、図４Ａに示す第１半導体シリコンウエハ２２を熱酸化することにより、図４Ｂに示すように第１熱酸化膜２３を形成する。次に、図４Ｃに示すように、第１熱酸化膜２３における凹状通路１７に対応する部分をエッチングにより除去する。次に、図４Ｄに示すように、第１熱酸化膜２３の開口部を通して第１半導体シリコンウエハ２２の表面をエッチングにより除去し、凹状通路１７を形成する。次に、図４Ｅに示すように、第１熱酸化膜２３を全てエッチングにより除去する。次に、図４Ｆに示すように、第１半導体シリコンウエハ２２を再び熱酸化することにより、第２熱酸化膜２４を形成する。次に、図４Ｇに示すように、第２熱酸化膜２４における貫通穴１６に対応する部分をエッチングにより除去する。次に、図４Ｈに示すように、KOH水溶液などを用いて第１半導体シリコンウエハ２２を異方性エッチングすることで第１貫通穴１６ａを形成する。そして、図４Ｉに示すように、第２熱酸化膜２４を全てエッチングにより除去することで、第１層構造体１８を形成する。

【0037】

接合工程では、図４Ｊ～図４Ｋに示す工程によってセンサ構造体２１を形成する。まず、図４Ｊに示すように、第１層構造体１８と、ダイアフラム７を形成した第２半導体シリコンウエハからなるセンサチップ構造体２０とを直接接合により接合する。次に、図４Ｋに示すように、第１層構造体１８と、複数の第２層部材１４ｂを形成するためにガラス部材に第２貫通穴１６ｂを形成することで形成される第２層構造体１９とを陽極接合により接合することにより、センサ構造体２１を形成する。

【0038】

切断工程では、図４Ｌに示すように、ダイシングによりセンサ構造体２１を切断することで、複数の圧力センサ２を形成する。

【0039】

前述した実施形態では１つの第１貫通穴１６ａに対応して１つの凹状通路１７が設けられるが、図５に示す変形例のように、１つの第１貫通穴１６ａに対応して、例えば互いに平行に延びる、複数の凹状通路１７を設けてもよい。本実施形態によれば、小さな異物１２に対するフィルタ機能を実現し易くすることができる。また、本実施形態によれば、目詰まり抑制効果と衝撃圧減衰効果を実現し易くすることもできる。

【0040】

本開示は前述した実施形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

【0041】

したがって、前述した実施形態に係るフィルタ１３は、積層される２つの層部材１４を有し、各々の層部材１４が、２つの層部材１４の界面と界面の反対側の面とに開口する貫通穴１６を有し、２つの貫通穴１６が、界面において重ならず、少なくとも一方の層部材１４が、２つの貫通穴１６を連通させる凹状通路１７を界面に有する、フィルタ１３である限り、種々変更可能である。

【0042】

また、前述した実施形態に係る圧力センサ２は、フィルタ１３と、一方の層部材１４に積層される半導体圧力センサチップ４と、を有する、圧力センサ２である限り、種々変更可能である。

【0043】

例えば、２つの層部材１４の材質は適宜設定できる。第１貫通穴１６ａの数は４つに限らず、第１貫通穴１６ａの数、形状、配置等は適宜設定できる。例えば、フィルタ１３は、第１貫通穴１６ａ、凹状通路１７及び第２貫通穴１６ｂを１つずつ有する構成としてもよい。凹状通路１７は、第１層部材１４ａのみに設ける構成に限らず、例えば、第２層部材１４ｂのみに設けてもよいし、第１層部材１４ａと第２層部材１４ｂの両方に設けてもよい。第１層部材１４ａに設ける凹状通路１７と第２層部材１４ｂに設ける凹状通路１７を合わせて、第２貫通穴１６ｂの内径よりも小さい内径の通路を形成する構成としてもよい。フィルタ１３及び圧力センサ２の製造方法は特に限定されない。フィルタ１３は圧力センサ２に限らず、ガスクロマトグラフ、インクジェットヘッドなどの流路など、様々な通路でのフィルタ機能を実現するために利用できる。

【0044】

なお、前述した実施形態に係るフィルタ１３は、一方の層部材１４が半導体シリコンによって形成され、他方の層部材１４がガラスによって形成される、フィルタ１３であることが好ましい。

【0045】

前述した実施形態に係るフィルタ１３は、凹状通路１７を有する層部材１４が半導体シリコンによって形成される、フィルタ１３であることが好ましい。

【0046】

前述した実施形態に係るフィルタ１３は、一方の層部材１４が、他方の層部材１４の貫通穴１６に対応して複数組の貫通穴１６と凹状通路１７を有する、フィルタ１３であることが好ましい。

【0047】

前述した実施形態に係るフィルタ１３は、少なくとも一方の層部材１４が貫通穴１６と、貫通穴１６に対応する複数の凹状通路１７と、を有する、フィルタ１３であることが好ましい。

【0048】

前述した実施形態に係るフィルタ１３は、凹状通路１７を有する層部材１４を半導体プロセスによって形成する層部材形成工程を有する、方法によって製造することが好ましい。

【0049】

前述した実施形態に係るフィルタ１３は、層部材形成工程において凹状通路１７がエッチングによって形成される、方法によって製造することが好ましい。

【0050】

前述した実施形態に係るフィルタ１３は、層部材形成工程において凹状通路１７を有する層部材１４の貫通穴１６がエッチングによって形成される、方法によって製造することが好ましい。

【0051】

前述した実施形態に係るフィルタ１３は、２つの層部材１４を陽極接合する接合工程を有する、方法によって製造することが好ましい。

【0052】

前述した実施形態に係るフィルタ１３は、半導体シリコンウエハに複数の一方の層部材１４のための貫通穴１６と凹状通路１７を形成する層部材形成工程と、半導体シリコンウエハを複数の他方の層部材１４を形成するための部材に接合して接合体を形成する接合工程と、接合体を切断することで複数のフィルタ１３を形成する切断工程と、を有する、方法によって製造することが好ましい。

【0053】

前述した実施形態に係る圧力センサ２は、前述したフィルタ１３の製造方法によって製造することが好ましい。

【符号の説明】

【0054】

１ 圧力測定器
２ 圧力センサ
３ 通路部材
４ センサチップ
５ ガラス台座
６ 凹部
７ ダイアフラム
８ 凹空間
９ 貫通路
１０ 通路
１１ 外側空間
１２ 異物
１３ フィルタ
１４ 層部材
１４ａ 第１層部材
１４ｂ 第２層部材
１５ 中間界面
１６ 貫通穴
１６ａ 第１貫通穴
１６ｂ 第２貫通穴
１７ 凹状通路
１８ 第１層構造体
１９ 第２層構造体
２０ センサチップ構造体
２１ センサ構造体
２２ 第１半導体シリコンウエハ
２３ 第１熱酸化膜
２４ 第２熱酸化膜

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図4E】

【図4F】

【図4G】

【図4H】

【図4I】

【図4J】

【図4K】

【図4L】

【図5】