CN100437066C - 压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种压力传感器(1)，该压力传感器(1)具有：检测压力的传感器芯片(30)；支承传感器芯片(30)的底座板(20(21、22))；以及接合在底座板(20(21、22))上，支承该底座板(20(21、22))的支承隔膜(50)，并且具有以下结构，即：支承隔膜(50)接合在壳体(10)上，仅通过该支承隔膜(50)将传感器芯片(30)、底座板(20(21、22))支承在壳体内，由此提供可以始终进行高精度的压力检测、而且不会受到因来自外部的热量而造成的热应力影响的压力传感器。

Description

压力传感器

技术领域

本发明涉及例如具有把与被测定压力对应的静电电容检测为压力的隔膜(diaphragm)结构的压力传感器，特别涉及适合于测定接近真空的压力的压力传感器。

背景技术

以往已经广为人知的压力传感器具有把被测定压力的变化检测为静电电容的变化的隔膜结构。作为这种压力传感器的一例，具有下述的压力传感器，即：在隔膜的真空室侧将可动板接合在变形区域附近，在可动板的外周部和隔膜的固定部的对置面上分别形成可动电极和固定电极，把这种电极间的静电电容的变化检测为压力变化(例如，参照作为专利文献1的日本特开2002-267559号公报)。

另外，还考虑了下述结构的压力传感器，即：为了把传感器芯片牢靠地支承在壳体上，通过金属板、罩板和缓冲部件将传感器芯片支承在壳体的金属制壳体上，并且利用金属板和基座夹持约束罩板。

【专利文献1】日本特开2002-267559号公报

另一方面，在特别是像真空计那样测定微压的高精度的压力传感器中，在将压力传感器元件(传感器芯片)固定在壳体上时，具有应该解决的特有的课题。具体讲存在以下问题，即：由于压力传感器自身是高精度，壳体和固定材料的温度变化引起的热应力传递给固定在壳体上的传感器元件，传感器元件检测该热应力，从而产生测定误差。

为了解决这种问题，也可以考虑以下对策，即：使壳体和压力传感器元件分离，并夹入线膨胀系数为两者的中间值的材料，由此缓解应力。但是，这些部件是在将各个构成要素层叠的状态下对它们进行接合的，所以应力在其结构上的刚体之间传递是不会改变的，即使一定程度上能够缓解热应力的影响，但在测定微压时也会受到这种热应力的影响，产生测定误差。

特别是在把微压测定用压力传感器用于半导体制造工艺时，必须测定接近真空的高温处理气体的压力。因此，不能解决以压力传感器的壳体和收容在该壳体内的各个构成要素的热膨胀率的差异所引起的热应力作用的问题。

另一方面，为了缓解这种热应力的影响，也考虑到将传感器元件和壳体远远分离开的结构的对策。具体讲采用下述结构等，即：在壳体内具有例如pyrex(注册商标)制玻璃等底座，在该底座上面，在距壳体有一定距离的状态下配置传感器芯片。但是，在这种结构中，压力传感器整体为大型化，违背了压力传感器自身小型化的要求。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种可以始终进行高精度的压力检测，而且不容易受到因来自外部的热量而引起的热应力的影响的压力传感器。

为了解决上述问题，本发明的压力传感器的特征在于，具有：检测压力的传感器芯片；支承传感器芯片的底座板；以及接合在底座板上，支承该底座板的支承隔膜，支承隔膜的一部分接合在壳体上，仅通过该支承隔膜将传感器芯片、底座板支承在壳体内，底座板由利用相同材料形成的第1底座板和第2底座板构成，支承隔膜在被该第1底座板和第2底座板夹持的状态下接合。

在壳体的内部空间中，传感器芯片、底座板仅通过支承隔膜支承着，以便不会直接接触壳体的内壁。由此，可以利用支承隔膜相对于热应力的灵活性，缓解因作用于压力传感器自身的急剧的热变化而产生的热应力。结果，测定精度不容易因施加给压力传感器的热量影响而降低。

另外，通过将支承隔膜和底座板接合成所谓的层状，来缓解因双金属效应导致的热应力的产生，去除施加给压力传感器的热量影响，使测定精度不容易降低。

并且，本发明之二的压力传感器的特征在于，在本发明之一的压力传感器中，在传感器芯片上形成有与该传感器芯片的电极部导通连接的接触焊盘，并且在壳体上设有电极引线，利用保护传感器芯片用的具有柔性的弹性体，使该接触焊盘和电极引线导通接触。

在由于壳体和支承隔膜的热膨胀系数差异而产生热应力、或因施加给压力传感器的压力急剧上升使得支承隔膜移位时，位于电极引线和接触焊盘之间的具有导通性的弹性体充分挠曲，所以不会过度地对传感器芯片施加应力，不会给测定精度带来不良影响。

并且，本发明之三的压力传感器的特征在于，在本发明之一的压力传感器中，支承隔膜由利用因科镍合金形成的薄板构成，第1底座板和第2底座板相对于支承隔膜的厚度要厚得多并且由蓝宝石形成。

通过形成这种结构，可以防止支承隔膜和底座板的一部分因它们的热膨胀系数差异产生的热应力而翘起。

优选在本发明之三的压力传感器中，传感器芯片利用蓝宝石形成，在接合于支承传感器芯片的底座板上之后，通过变为与该底座板相同材料的氧化铝基片的接合部件进行接合。

并且，优选在本发明之一的压力传感器中，传感器芯片具有：利用薄板构成的垫块；接合在垫块上并根据压力的施加而产生变形的传感器隔膜；以及接合在传感器隔膜上并形成真空的基准室的传感器底座。

并且，优选在本发明之五的压力传感器中，垫块、传感器隔膜和传感器底座通过直接接合而相互接合，并构成一体化的传感器芯片。

并且，优选在本发明之二的压力传感器中，电极引线部具有电极引线销和金属制的护套，电极引线销通过真空密封部将其中央部分嵌设在金属制护套内，以便在电极引线销的两端部之间保持气密状态，而且在护套和壳体之间也设有真空密封部。

并且，优选在本发明之二的压力传感器中，所述弹性体利用具有导电性的接触弹簧构成。

并且，优选在本发明之八的压力传感器中，所述接触弹簧利用具有导电性的卷簧或板簧构成。

另外，在本发明之二的压力传感器中，所述弹性体也可以利用具有充足柔软度的导电线构成。

并且，在本发明之一的压力传感器中，支承隔膜也可以利用不锈钢或科瓦铁镍钴合金中的任一方构成。

并且，在本发明之一的压力传感器中，底座板和传感器芯片也可以利用由硅、氧化铝、碳化硅和石英构成的组中的任一方形成。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式涉及的压力传感器的剖面图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的一个实施方式涉及的压力传感器。

本发明的一个实施方式涉及的压力传感器1如图1所示，具有：壳体10；收容在壳体内的底座板20；同样收容在壳体内，并接合在底座板20上的传感器芯片30；直接安装在壳体10上，使壳体内外导通连接的电极引线部40。并且，底座板20离开壳体10，仅通过支承隔膜50支承在壳体10上。

壳体10由下部壳体11、上部壳体12和罩体13构成。另外，下部壳体11、上部壳体12和罩体13由耐蚀性金属即因科镍合金(Inconel)构成，分别通过焊接而接合。

下部壳体11具有连接了直径不同的圆筒体的形状，其大径部11a具有与支承隔膜50的接合部，其小径部11b形成用于流入被测定流体的压力导入部10A。另外，在大径部11a和小径部11b的接合部形成有挡板11c，并且该挡板11c在其周围，以圆周方向的规定间隔形成有压力导入孔11d。

挡板11c发挥使处理气体等被测定流体从压力导入部10A迂回到达而不是直接到达后述的传感器芯片30的作用，防止处理气体的成分和处理气体中的不纯物堆积在传感器芯片30上。

上部壳体12具有大致圆筒体形状，通过后述的罩体13、支承隔膜50、底座板20和传感器芯片30，在壳体内形成与导入工艺气体的区域独立的真空的基准真空室10B。另外，在密闭空间B中具有被称为所谓吸气剂(未图示)的气体吸附物质，以保持真空度。

并且，在上部壳体12的支承隔膜安装侧，在圆周方向的合适部位突出形成有挡块12a。另外，该挡块12a发挥限制底座板20因被测定流体的急剧的压力上升而过度移位的作用。

并且，罩体13利用圆形的板构成，在罩体13的规定位置上形成有电极引线插通孔13a，电极引线部40通过真空密封部60嵌入到该电极插通孔13a中，以确保该部分的密封性。

另一方面，支承隔膜50利用外形形状符合壳体10的形状的因科镍合金薄板构成，周围缘部被夹在上述的上部壳体11和下部壳体12的缘部上，并通过焊接等接合在其上。另外，支承隔膜50的厚度例如在本实施方式中为几十微米，为比各个底座板21、22薄得多的厚度。并且，在支承隔膜50的中央部分形成有用于向传感器芯片30引导压力的压力导入孔50a。

在支承隔膜50的两面，在从支承隔膜50和壳体10的接合部起沿着整个圆周方向相隔一定程度的位置上，接合有利用作为氧化铝的单晶体的蓝宝石构成的薄环状的下部底座板(第1底座板)21和上部底座板(第2底座板)22。

另外，各个底座板21、22如上所述相对于支承隔膜50的厚度要厚得多，而且具有利用两个底座板21、22将支承隔膜50夹持为所谓的层状的结构。由此，可以防止该部分因由于支承隔膜50和底座板20的热膨胀率的差异产生的热应力而翘起。

并且，在上部底座板22上接合了利用作为氧化铝的单晶体的蓝宝石形成的、俯视时呈矩形状的传感器芯片30后，通过变为与垫块31和上部底座板22相同的材料的氧化铝基片的接合部件进行接合。另外，关于该接合方法，在日本特开2002-111011号公报中有详细记载。传感器芯片30在俯视时具有1cm见方以下的大小，具有：由四方形薄板构成的垫块31、接合在垫块31上而且根据压力的施加而产生变形的传感器隔膜32、和接合在传感器隔膜32上以形成真空的电容室(基准室)30A的传感器底座33。另外，真空的电容室30A和基准真空室10B通过穿设于传感器底座33的适当部位的未图示的连通孔，保持相同的真空度。

另外，垫块31、传感器隔膜32和传感器底座33通过所谓的直接接合而相互接合，构成一体化的传感器芯片30。

并且，在传感器芯片30的电容室30A中，在传感器底座33的凹部33a处形成有利用金或白金等导体形成的固定电极33b、33c，并且在与其对置的传感器隔膜32的表面上形成有利用金或白金等导体形成的可动电极32b、32c。并且，在传感器芯片30的上表面形成有利用金或白金构成的接触焊盘35、36，这些固定电极33b、33c和可动电极32b、32c通过未图示的布线与接触焊盘35、36连接。

另一方面，电极引线部40具有电极引线销41和金属制护套42，电极引线销41通过由玻璃等绝缘性材料构成的真空密封部43，将其中央部分嵌设在金属制护套42内，以便在电极引线销41的两端部之间保持气密状态。而且，电极引线销41的一端露出于壳体10的外部，通过未图示的布线将压力传感器1的输出传递给外部的信号处理部。另外，在护套42和罩体13之间也设有上述的真空密封部60。并且，在电极引线销41的另一个端部连接着具有导电性的接触弹簧45、46。

接触弹簧45、46具有充足的柔软度，即使由于处理气体等被测定流体从压力导入部10A急速流入而产生的急剧的压力上升，使得支承隔膜50略微移位时，接触弹簧45、46的施力也不会影响传感器芯片30的测定精度。

下面，说明具有这种结构的压力传感器1的作用。另外，在本实施方式中，将压力传感器1安装在例如半导体制造装置的合适部位上，例如在CVD(Chemical Vapor Deposition：化学气相沉积法设备)等半导体制造工艺中，测定处理气体的接近真空的微小压力(以下称为“微压”)。以下，说明处理气体的微压测定方法。

处理气体从压力传感器1的压力导入部10A通过压力导入孔11d流入壳体内。此时，即使产生处理气体的急速流入，由于使处理气体通过挡板11c和压力导入孔11d迂回流入壳体内，所以处理气体不会直接接触传感器隔膜32。因此，可以防止处理气体的成分和处理气体中包含的不纯物再次堆积在传感器隔膜32上。

另外，即使处理气体是微压，由于传感器芯片30的电容室内是真空，所以传感器隔膜32挠曲，传感器芯片30的固定电极33b、33c和可动电极32b、32c的间隔变化。由此，利用固定电极33b、33c和可动电极32b、32c构成的电容器的电容值变化。通过利用电极引线部40将这种电容值的变化取出到压力传感器1的外部，可以测定处理气体的微压。

另一方面，在本实施方式中，压力传感器1在半导体制造工艺中设置，由于处理气体为高温，所以在处理气体流入半导体制造装置之前和之后，在安装了压力传感器1的部分产生较大的热变化。并且，传感器自身也是加热使用，所以产生热变化。

此处，壳体10是金属制品，底座板20和传感器芯片30利用蓝宝石形成，所以这些部件之间的热膨胀率不同。因此，如果像以往那样壳体和底座板产生面接触，则各个部件的热膨胀量的差异通过该接触区域作为热应力起作用，该热应力传递给设于底座板上的传感器芯片，给高精度的微压测定带来不良影响。

但是，在本实施方式的压力传感器1的情况下，底座板20和壳体10仅通过厚度较薄的支承隔膜50支承着，底座板20和壳体10不会直接接触。因此，即使像上述那样由于底座板20和壳体10的材质差异使得热膨胀程度不同时，厚度较薄的支承隔膜50在被壳体10和底座板20夹持的区域中以伸长或挠曲的方式变形，由此不易向底座板20和传感器芯片30的接合部传递热应力。因此，即使压力传感器1产生急剧的热变化时，传感器芯片30也不易产生因该热变化而引起的热应力。

并且，底座板20的厚度较厚，支承隔膜50与底座板20相比，厚度非常薄。另外，支承隔膜50被下部底座板21和上部底座板22夹持成层状结构。由此，例如像利用蓝宝石形成的底座板20和例如利用不锈钢形成的支承隔膜50那样，即使部件之间存在热膨胀率的差异，也不会像所谓的双金属那样产生两者的翘起。所以，在该部分也能够抑制给传感器芯片30带来不良影响的热应力的产生。

另外，在传感器芯片30上形成有接触焊盘35、36，具有充足挠性的接触弹簧45、46与该接触焊盘35、36接触并导通。并且，接触弹簧45、46的挠性程度充分柔软，即使支承隔膜50伴随处理气体的急速的压力上升和压力传感器整体的热变化而变形，并且传感器芯片30在壳体内略微移动时，接触弹簧45、46的施力也不会影响传感器芯片30的检测灵敏度。因此，接触弹簧45、46不会因压力传感器1的急速的热变化，给传感器芯片30的压力检测带来不良影响。

另外，在上述实施方式中，壳体10或支承隔膜50利用因科镍合金形成，但不限于此，也可以利用不锈钢和科瓦铁镍钴合金等耐蚀性金属形成。

并且，底座板20和传感器芯片30利用蓝宝石形成，但不限于该材质，也可以利用硅和氧化铝、碳化硅、或石英等形成。

并且，接触焊盘35、36和电极引线部40的连接部以所谓的接触弹簧45、46的方式构成，但只要具有上述的充足挠性，则不限于此，也可以采取板簧方式。另外，还可以利用充分柔软的导电线连接电极引线部40和接触焊盘35、36。

另外，未必一定像本实施方式这样，在压力导入部10A上设置挡板11c，但为了防止气体成分和不纯物随着处理气体的急速流入而堆积在传感器隔膜32上，设置挡板11c最有效。

并且，未必一定像本实施方式这样，形成利用下部底座板21和上部底座板22两方将支承隔膜50夹持成层状的结构。即，如果使支承隔膜50的厚度相对底座板21、22的厚度足够薄，例如即使仅将底座板接合在支承隔膜50的一个表面上，在压力传感器1产生急速的热量时也不会像所谓的双金属那样翘起，不易产生影响传感器芯片30的检测特性的热应力。

但是，像本实施方式这样，通过形成利用各个底座板21、22夹持支承隔膜50两侧的所谓层状结构，使两个底座板21、22通过支承隔膜50接合在支承隔膜50上并且形成对称形状，由此抑制由于产生于支承隔膜50和各个底座板21、22的热应力造成的翘起，可以更加有效地防止因支承隔膜50和底座板20的热膨胀率不同造成的热应力的产生。

实际上本发明者将在支承隔膜两面接合底座板的情况和仅在支承隔膜一面接合底座板的情况进行了对比，确认接合在两面时的接合部的残留应力进一步减轻。

另外，上述实施方式说明了使用静电电容式传感器芯片的情况，但也可以取代该传感器芯片，是例如具有利用硅形成的压电电阻式传感器芯片的压力传感器，通过具有上述结构，也可以有效防止由于对压力传感器施加热量而产生的热应力传递给传感器芯片，可以实现高精度的压力测定。

并且，传感器芯片30、底座板20、电极引线部40、壳体10的形状当然不限于上述实施方式。

如以上说明的那样，本发明涉及的压力传感器1仅利用较薄的支承隔膜50连接具有传感器芯片30的底座板20和壳体10之间。即，在壳体10的空间内，传感器芯片30、底座板20仅通过支承隔膜50支承在壳体内，并且不直接接触壳体10的内壁。由此，可以利用支承隔膜50相对于热应力的灵活性，缓解因施加给压力传感器自身的急剧的热变化所产生的热应力。此时，通过将支承隔膜50和底座板20接合成所谓的层状，可以进一步缓和因双金属效应造成的热应力的产生。

并且，在壳体10内设有电极，在传感器芯片上表面形成从该电极导通连接的接触焊盘35、36，而且利用具有充足挠性的接触弹簧45、46使电极引线部40和接触焊盘35、36导通接触。由此，即使产生因壳体10和支承隔膜50之间的热膨胀率差异而造成的热应力，该部分也不会根据该热应力的产生而给传感器芯片30带来不良影响。

另一方面，在把压力传感器1用作真空计时，来自测定氛围的污染颗粒和测定氛围的气体成分附着在传感器隔膜上，产生给传感器隔膜的挠曲带来不良影响并成为误差原因的问题。但是，在本发明涉及的压力传感器1中，利用挡板11c使这种污染物质和气体成分飞散到支承隔膜侧，所以能够减轻因气体成分在传感器芯片30上的堆积及污染物质的附着而造成的压力测定上的不良影响。

如以上说明的那样，根据本发明，可以获得不易接受因外部热量造成的热应力的影响、并且能够始终进行高精度的压力检测的压力传感器。

Claims (12)

1.一种压力传感器，其特征在于，该压力传感器具有：检测压力的传感器芯片；支承所述传感器芯片的底座板；以及接合在所述底座板上，支承该底座板的支承隔膜，所述支承隔膜的一部分接合在壳体上，仅通过该支承隔膜将所述传感器芯片、底座板支承在壳体内，

所述底座板由利用相同材料形成的第1底座板和第2底座板构成，所述支承隔膜在被该第1底座板和第2底座板夹持的状态下接合。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，在所述传感器芯片上形成有与该传感器芯片的电极部导通连接的接触焊盘，并且在所述壳体上设有电极引线，利用弹性体使该接触焊盘和电极引线导通接触。

3.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，支承隔膜由利用因科镍合金形成的薄板构成，第1底座板和第2底座板利用蓝宝石形成。

4.根据权利要求3所述的压力传感器，其特征在于，传感器芯片利用蓝宝石形成，在接合于支承传感器芯片的底座板上之后，通过变为与该底座板相同材料的氧化铝基片的接合部件进行接合。

5.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，传感器芯片具有：利用薄板构成的垫块；接合在垫块上并根据压力的施加而产生变形的传感器隔膜；以及接合在传感器隔膜上并形成真空的基准室的传感器底座。

6.根据权利要求5所述的压力传感器，其特征在于，垫块、传感器隔膜和传感器底座通过直接接合而相互接合，并构成一体化的传感器芯片。

7.根据权利要求2所述的压力传感器，其特征在于，电极引线部具有电极引线销和金属制的护套，电极引线销通过真空密封部将其中央部分嵌设在金属制护套内，以便在电极引线销的两端部之间保持气密状态，而且在护套和壳体之间也设有真空密封部。

8.根据权利要求2所述的压力传感器，其特征在于，所述弹性体利用具有导电性的接触弹簧构成。

9.根据权利要求8所述的压力传感器，其特征在于，所述接触弹簧利用具有导电性的卷簧或板簧构成。

10.根据权利要求2所述的压力传感器，其特征在于，所述弹性体利用具有充足柔软度的导电线构成。

11.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，支承隔膜利用不锈钢或科瓦铁镍钴合金中的任一方构成。

12.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，底座板和传感器芯片利用由硅、氧化铝、碳化硅和石英构成的组中的任一方形成。

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