JP2006220592A - Pressure sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体ダイアフラム式のセンサチップに圧力導入孔を有するガラス台座を接合してなる圧力センサに関し、特に、圧力導入孔が保護用のゲル部材により封止されてなる圧力センサに関する。 The present invention relates to a pressure sensor in which a glass pedestal having a pressure introduction hole is bonded to a semiconductor diaphragm type sensor chip, and more particularly to a pressure sensor in which the pressure introduction hole is sealed with a protective gel member.
図５は、ピエゾ式圧力センサデバイスとしてのこの種の圧力センサの一般的な概略断面構成を示す図である。このような圧力センサとしては、特許文献１に記載のものが提案されている。 FIG. 5 is a diagram showing a general schematic cross-sectional configuration of this type of pressure sensor as a piezoelectric pressure sensor device. As such a pressure sensor, the thing of patent document 1 is proposed.
図５に示されるように、この種の圧力センサは、シリコン半導体基板などからなる半導体ダイアフラム式のセンサチップ１０を備えている。
As shown in FIG. 5, this type of pressure sensor includes a semiconductor
このセンサチップ１０は、裏面１２に凹部１３が形成され凹部１３に対応した表面１１側の薄肉部がダイアフラム１４として構成されるとともに、表面１１にピエゾ抵抗１５を有して構成されている。
The
そして、センサチップ１０の裏面１２には、ガラス台座２０が陽極接合などにより接合されている。このガラス台座２０は、センサチップ１０の裏面１２の凹部１３からダイアフラム１４へ通じる圧力導入孔としての貫通穴２１を有している。
A
また、ガラス台座２０の貫通穴２１およびセンサチップ１０の凹部１３には、シリコーンゲルなどからなるゲル部材３０が充填されており、このゲル部材３０によってセンサチップ１０が封止され保護されている。
The through
そして、この圧力センサにおいては、貫通穴２１からゲル部材３０を介してセンサチップ１０の裏面１２側にてダイアフラム１４に圧力が導入さるとれ、センサチップ１０からはピエゾ抵抗効果によって、当該印加された圧力に応じた信号が出力されるようになっている。
In this pressure sensor, pressure is introduced to the
ここで、この種の圧力センサは、たとえば、腐食性を有する液体やガスなどの圧力媒体の圧力を測定する場合に適用され、そのような腐食性の圧力媒体からセンサチップ１０を保護するために、上記のようにゲル部材３０による保護がなされている。
Here, this type of pressure sensor is applied, for example, when measuring the pressure of a pressure medium such as a corrosive liquid or gas, in order to protect the
具体的には、このような圧力センサは、ディーゼルエンジン車両の排気管内に設けられた排気清浄フィルタとしてのＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）の前後の差圧を測定したり、ＥＧＲ雰囲気中の圧力などを測定するセンサなどに適用されるものである。
ところで、上記図５に示されるように、従来の圧力センサにおいては、圧力導入孔である貫通穴２１にゲル部材３０が注入され充填されるが、本発明者の検討によれば、この充填されたゲル部材３０において内部に気泡が生じたり、充填不足が生じたりすることなどにより、センサ特性に異常が発生する可能性があることがわかった。
Incidentally, as shown in FIG. 5 above, in the conventional pressure sensor, the
具体的には、上記図５に示されるように、ガラス台座２０の貫通穴２１におけるセンサチップ１０側の開口部２１ａの径が、センサチップ１０における凹部１３の開口径よりも小さくなっているため、センサチップ１０の凹部１３の内側に張り出したガラス台座２０の肩部２２が存在する。
Specifically, as shown in FIG. 5, the diameter of the
ここで、ゲル部材３０は、当然ながら、センサチップ１０とガラス台座２０とを接合した後に、貫通穴２１におけるセンサチップ１０とは反対側の開口部２１ｂから充填される。すると、この肩部２２に覆われた凹部１３の空間には、ゲル部材３０が入り込みにくくなり、当該空間に、上記した気泡や充填不足の部分が発生しやすくなる。
Here, the
特に、圧力センサの小型化が要望されている現状において、センサチップ１０とガラス台座２０との接着代を確保しつつセンサの小型化を進めていった場合、感度確保の観点からダイアフラム１４の面積の確保も必要であることから、上記した肩部２２の張り出しは、より大きくなり、ゲル部材３０の注入性の悪化は、より顕著になる恐れがある。
In particular, in the current situation where the pressure sensor is required to be downsized, when the sensor is downsized while securing the bonding allowance between the
一方、図６は、従来の圧力センサの他の例を示す概略断面図であり、ここではピエゾ抵抗は省略してある。 On the other hand, FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing another example of a conventional pressure sensor, in which piezoresistors are omitted.
この図６に示されるものでは、ガラス台座２０の貫通穴２１におけるセンサチップ１０側の開口部２１ａの径が、センサチップ１０における凹部１３の開口径よりも大きくなっている。
6, the diameter of the opening 21a on the
この図６に示されるものでは、上記図５に示されるような肩部２２は存在しないため、ゲル部材３０の注入性は良いように考えられるが、小型化を考慮し限られたサイズの中で、ガラス台座２０の貫通穴２１の穴径を大きくする必要があるため、その分、ガラス台座２０の強度を確保することが困難になる。
In the case shown in FIG. 6, since the
さらに、上記図６に示される構造は、小型化を考慮し限られたサイズの中で、センサチップ１０における凹部１３の開口径をより小さくすることにより実現できるが、その場合、ダイアフラム１４の面積が小さくなってしまい、感度の低下につながるため、好ましくない。
Further, the structure shown in FIG. 6 can be realized by reducing the opening diameter of the
このような観点から、ガラス台座２０の貫通穴２１へゲル部材３０を注入するにあたり、センサの小型化、ガラス台座の強度や感度の確保などに対して不具合を生じさせることなく、確実な注入を適切に実現することが望まれるが、上記特許文献１をはじめ、従来では、ゲル部材の注入性の改善について記載されたものはなかった。
From this point of view, when injecting the
本発明は、上記したような問題に鑑みてなされたものであり、半導体ダイアフラム式のセンサチップに対して貫通穴を有するガラス台座が接合され、当該貫通穴がゲル部材により封止されてなる圧力センサにおいて、ゲル部材の注入性を適切に向上させることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and is a pressure in which a glass pedestal having a through hole is bonded to a semiconductor diaphragm sensor chip, and the through hole is sealed with a gel member. In a sensor, it aims at improving the injection nature of a gel member appropriately.
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、裏面（１２）に凹部（１３）が形成され凹部（１３）に対応した表面（１１）側の薄肉部がダイアフラム（１４）として構成されるとともに、表面（１１）にピエゾ抵抗（１５）を有するセンサチップ（１０）と、センサチップ（１０）の裏面（１２）に接合され凹部（１３）からダイアフラム（１４）へ通じる貫通穴（２１）を有するガラス台座（２０）と、貫通穴（２１）および凹部（１３）に充填されてセンサチップ（１０）を保護するゲル部材（３０）とを備え、貫通穴（２１）からゲル部材（３０）を介してダイアフラム（１４）に圧力が導入され、センサチップ（１０）からはピエゾ抵抗効果によって印加された圧力に応じた信号が出力されるようになっている圧力センサにおいて、次のような点を特徴としている。 In order to achieve the above object, in the first aspect of the present invention, the concave portion (13) is formed on the back surface (12), and the thin portion on the front surface (11) side corresponding to the concave portion (13) is configured as a diaphragm (14). And a sensor chip (10) having a piezoresistor (15) on the front surface (11), and a through-hole (bonded to the back surface (12) of the sensor chip (10) from the recess (13) to the diaphragm (14) ( 21) and a gel member (30) that fills the through hole (21) and the recess (13) and protects the sensor chip (10), the gel member from the through hole (21). Pressure is introduced into the diaphragm (14) via (30), and a signal corresponding to the pressure applied by the piezoresistive effect is output from the sensor chip (10). Oite, it is characterized in the following points.
すなわち、本発明の圧力センサにおいては、貫通穴（２１）におけるセンサチップ（１０）側の開口部（２１ａ）の径は、センサチップ（１０）における凹部（１３）の径よりも小さいものであり、貫通穴（２１）は、センサチップ（１０）とは反対側の開口部（２１ｂ）からセンサチップ（１０）側の開口部（２１ａ）へ行くにつれてテーパ状に径が拡がった穴として構成されていることを特徴としている。 That is, in the pressure sensor of the present invention, the diameter of the opening (21a) on the sensor chip (10) side in the through hole (21) is smaller than the diameter of the recess (13) in the sensor chip (10). The through hole (21) is configured as a hole whose diameter increases in a taper shape from the opening (21b) on the side opposite to the sensor chip (10) to the opening (21a) on the sensor chip (10) side. It is characterized by having.
本発明の圧力センサにおいては、貫通穴（２１）におけるセンサチップ（１０）側の開口部（２１ａ）の径を、センサチップ（１０）における凹部（１３）の径よりも小さいものとしているため、そもそも、上記図６に示される圧力センサのように、ダイアフラム（１４）の面積が小さくなることによる感度の低下という問題は発生せず、回避することができる。 In the pressure sensor of the present invention, the diameter of the opening (21a) on the sensor chip (10) side in the through hole (21) is smaller than the diameter of the recess (13) in the sensor chip (10). In the first place, unlike the pressure sensor shown in FIG. 6, the problem that the sensitivity is reduced due to the decrease in the area of the diaphragm (14) does not occur and can be avoided.
ただし、本発明の圧力センサにおいては、上記図５に示される従来の圧力センサと同様に、センサチップ（１０）の凹部（１３）の内側に張り出したガラス台座（２０）の肩部（２２）が存在する。 However, in the pressure sensor of the present invention, as in the conventional pressure sensor shown in FIG. 5, the shoulder (22) of the glass pedestal (20) projecting inside the recess (13) of the sensor chip (10). Exists.
ここで、本発明の貫通穴（２１）は、従来のような全体の穴径が均一なストレートな穴ではなく、センサチップ（１０）とは反対側からセンサチップ（１０）側へ向かうにつれて拡径したテーパ形状の穴となっている。 Here, the through hole (21) of the present invention is not a straight hole having a uniform overall hole diameter as in the prior art, but expands from the side opposite to the sensor chip (10) toward the sensor chip (10) side. It is a tapered hole with a diameter.
そのため、ガラス台座（２０）の肩部（２２）の張り出しを小さくするために、貫通穴（２１）におけるセンサチップ（１０）側の開口部（２１ａ）の径を大きくしても、貫通穴（２１）におけるセンサチップ（１０）とは反対側の開口部（２１ｂ）は、さほど大きくしなくてもよくなる。 Therefore, even if the diameter of the opening (21a) on the sensor chip (10) side in the through hole (21) is increased in order to reduce the overhang of the shoulder (22) of the glass pedestal (20), the through hole ( The opening (21b) on the side opposite to the sensor chip (10) in 21) does not have to be so large.
言い換えれば、本発明では、貫通穴（２１）におけるセンサチップ（１０）側の開口部（２１ａ）の径を大きくして、ガラス台座（２０）の肩部（２２）の張り出しを小さくしても、従来よりも、ガラス台座（２０）の強度を大きいものにできる。 In other words, in the present invention, even if the diameter of the opening (21a) on the sensor chip (10) side in the through hole (21) is increased and the protrusion of the shoulder (22) of the glass pedestal (20) is reduced. And the intensity | strength of a glass base (20) can be made larger than before.
つまり、本発明によれば、ガラス台座（２０）の肩部（２２）の張り出しを適切に小さくすることができるため、肩部（２２）に覆われた凹部（１３）の空間にゲル部材（３０）が入りやすくなり、上記したゲル部材（３０）における気泡や充填不足の発生を極力抑制することができるようになる。 That is, according to the present invention, since the overhang of the shoulder (22) of the glass pedestal (20) can be appropriately reduced, the gel member (in the space of the recess (13) covered by the shoulder (22) ( 30) can easily enter, and the occurrence of bubbles and insufficient filling in the gel member (30) can be suppressed as much as possible.
また、ガラス台座（２０）の貫通穴（２１）は、センサチップ（１０）のダイアフラム（１４）側において大きく膨らんだ形となるため、ダイアフラム（１４）およびピエゾ抵抗（１５）の近傍でのゲル部材（３０）の膨張を和らげる効果があり、センサ特性上、好ましい。 Moreover, since the through hole (21) of the glass pedestal (20) is greatly expanded on the diaphragm (14) side of the sensor chip (10), the gel in the vicinity of the diaphragm (14) and the piezoresistor (15). There is an effect of reducing expansion of the member (30), which is preferable in terms of sensor characteristics.
以上のように、本発明によれば、半導体ダイアフラム式のセンサチップ（１０）に対して貫通穴（２１）を有するガラス台座（２０）が接合され、貫通穴（２１）がゲル部材（３０）により封止されてなる圧力センサにおいて、ゲル部材（３０）の注入性を適切に向上させることができる。 As described above, according to the present invention, the glass pedestal (20) having the through hole (21) is joined to the semiconductor diaphragm sensor chip (10), and the through hole (21) is the gel member (30). In the pressure sensor sealed by the above, the injection property of the gel member (30) can be improved appropriately.
ここで、請求項２に記載の発明のように、請求項１に記載の圧力センサにおいては、ピエゾ抵抗（１５）は、前記貫通穴（２１）における前記センサチップ（１０）側の開口部（２１ａ）の径の内側に位置していることが好ましい。 Here, as in the invention described in claim 2, in the pressure sensor described in claim 1, the piezoresistor (15) is an opening on the sensor chip (10) side in the through hole (21). 21a) is preferably located inside the diameter.
それによれば、ピエゾ抵抗（１５）は、センサチップ（１０）の凹部（１３）においてガラス台座（２０）の肩部（２２）よりも、さらに内側に位置することになるため、肩部（２２）に覆われた凹部（１３）の空間に充填されたゲル部材（３０）が熱などにより膨張したときの応力を、ピエゾ抵抗（１５）が受けにくくなり、好ましい。 According to this, since the piezoresistor (15) is positioned further inside than the shoulder (22) of the glass pedestal (20) in the recess (13) of the sensor chip (10), the shoulder (22 The piezoresistance (15) is less susceptible to stress when the gel member (30) filled in the space of the recess (13) covered with) expands due to heat or the like.
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means is an example which shows a corresponding relationship with the specific means as described in embodiment mentioned later.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, parts that are the same or equivalent to each other are given the same reference numerals in the drawings for the sake of simplicity.
本実施形態に係る圧力センサは、たとえば、腐食性を有する液体やガスなどの圧力媒体の圧力を測定する場合に適用され、具体的には、ディーゼルエンジン車両の排気管内に設けられた排気清浄フィルタとしてのＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）の前後の差圧を測定したり、ＥＧＲ雰囲気中の圧力などを測定するセンサなどに適用されるものである。 The pressure sensor according to the present embodiment is applied, for example, when measuring the pressure of a pressure medium such as corrosive liquid or gas, and specifically, an exhaust purification filter provided in an exhaust pipe of a diesel engine vehicle. It is applied to a sensor or the like for measuring a differential pressure before and after a DPF (diesel particulate filter) or measuring a pressure in an EGR atmosphere.
［構成等］
図１は、本発明の実施形態に係るピエゾ式圧力センサデバイスとしての圧力センサ１００の概略断面構成を示す図である。
[Configuration]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic cross-sectional configuration of a pressure sensor 100 as a piezo-type pressure sensor device according to an embodiment of the present invention.
図１に示されるように、本実施形態の圧力センサ１００は、大きくは、半導体ダイアフラム式のセンサチップ１０と、このセンサチップ１０に接合された圧力導入孔としての貫通穴２１を有するガラス台座２０と、貫通穴２１に充填されたゲル部材３０とを備えて構成されている。
As shown in FIG. 1, the pressure sensor 100 of the present embodiment is roughly composed of a
センサチップ１０は、シリコン半導体基板などの半導体基板からなるものであり、その裏面１２に化学的エッチングなどにより作成された凹部１３が形成されている。そして、センサチップ１０においては、凹部１３に対応した表面１１側の薄肉部がダイアフラム１４として構成されている。
The
また、センサチップ１０の表面１１において、ダイアフラム１４の部分には、拡散抵抗からなるピエゾ抵抗１５が設けられている。このピエゾ抵抗１５は複数個設けられており、後述する図４に示されるようにブリッジ回路を構成している。
Further, on the
そして、センサチップ１０においては、ピエゾ抵抗効果によって印加された圧力に応じた信号が出力されるようになっている。具体的には、ダイアフラム１４にて圧力を受け、その圧力によってダイアフラム１４が歪み、ダイアフラム１４に形成された上記ブリッジ回路によって、このダイアフラム１４の歪みに基づく信号、すなわち、印加された圧力値に応じたレベルの信号が出力されるようになっている。
And in the
また、本実施形態では、センサチップ１０は、その裏面１２側において、薄肉部であるダイアフラム１４の周囲部すなわち厚肉部１６にて、ガラス台座２０に対して陽極接合などにより固定されている。
Further, in the present embodiment, the
ここで、センサチップ１０の裏面１２に接合されているガラス台座２０において、圧力導入孔としての貫通穴２１は、センサチップ１０側の面からその反対側の面へ貫通する穴である。
Here, in the
そして、センサチップ２０は、その裏面１２側にてダイアフラム１４をガラス台座２０の貫通穴２１対向した状態で配置されている。つまり、ガラス台座２０の貫通穴２１は、センサチップ１０の凹部１３からダイアフラム１４へ通じている。
The
また、ガラス台座２０の貫通穴２１におけるセンサチップ１０側の開口部２１ａの径は、センサチップ１０における凹部１３の径よりも小さいものとなっている。そのため、図１に示されるように、ガラス台座２０においては、センサチップ１０の凹部１３の内側に張り出しているの肩部２２が存在する。
Further, the diameter of the opening 21 a on the
そして、図１に示されるように、本実施形態の圧力センサ１００においては、独自の構成として、ガラス台座２０の貫通穴２１を、センサチップ１０とは反対側の開口部２１ｂからセンサチップ１０側の開口部２１ａへ行くにつれてテーパ状に径が拡がった穴とした構成を採用している。
As shown in FIG. 1, in the pressure sensor 100 of this embodiment, as a unique configuration, the through
このようなテーパ形状を有するガラス台座２０の貫通穴２１は、たとえば超音波振動を用いた切削やサンドブラストなどの加工方法を採用することにより、作成することができる。
The through
ここで、図１に示されるように、センサチップ１０のピエゾ抵抗１５は、感度を大きくするために、ダイアフラム１４の歪みの大きい部位、図示例ではダイアフラム１４の周辺部に設けられている。
Here, as shown in FIG. 1, the
さらに、ピエゾ抵抗１５は、ガラス台座２０の貫通穴２１におけるセンサチップ１０側の開口部２１ａの径の内側に位置している。このことは、図１においては、ピエゾ抵抗１５と貫通穴２１におけるセンサチップ１０側の開口部２１ａとの間の距離Ｋによって示されている。
Further, the
また、ガラス台座２０の貫通穴２１およびセンサチップ１０の凹部１３には、ゲル部材３０が充填されており、このゲル部材３０によって、センサチップ１０特にダイアフラム１４の部分が封止され保護されている。
The through
このゲル部材３０としては、たとえばシリコーンゲル、フッ素ゲル、フロロシリコーンゲルなどのゲル材料を用いることができ、このようなゲル材料を貫通穴２１に注入・硬化させることで、ゲル部材３０の充填がなされる。
As the
上述したように、本圧力センサ１００は、ディーゼルエンジンの排気ガス圧など、腐食性を有する液体やガスなどの圧力媒体の圧力を測定する場合に適用されるものであり、そのような腐食性の圧力媒体からセンサチップ１０を保護するために、ゲル部材３０による保護がなされている。
As described above, the present pressure sensor 100 is applied when measuring the pressure of a pressure medium such as corrosive liquid or gas such as exhaust gas pressure of a diesel engine. In order to protect the
また、本実施形態の圧力センサ１００は、図示しないケースなどの基材に接着され支持される。このような基材としては、外部と電気的に接続可能な端子を有するものであり、たとえば、ターミナルなどの端子がインサート成形された樹脂製のケースなどを採用することができる。 The pressure sensor 100 of the present embodiment is supported by being bonded to a base material such as a case (not shown). As such a base material, it has a terminal which can be electrically connected to the outside. For example, a resin case in which a terminal such as a terminal is insert-molded can be adopted.
そして、センサチップ１０は、これに一体化されたガラス台座２０を介して接着剤などにより、上記基材に接合され固定される。このような接着剤としては、たとえば、塗布して硬化させることで接着機能を発揮する樹脂などからなる接着剤、具体的にはシリコーン系接着剤やフロロシリコーン系接着剤などを採用することができる。
And the
また、上記基材の端子とセンサチップ１０とが図示しない金やアルミニウムなどからなるボンディングワイヤなどにより電気的に接続されたものにできる。それにより、センサチップ１０と外部との電気的なやり取りが可能となる。
Further, the terminal of the base material and the
そして、この圧力センサ１００においては、貫通穴２１からゲル部材３０を介してセンサチップ１０の裏面１２すなわちダイアフラム１４の裏面１２に圧力が導入され、センサチップ１０からは、上記したピエゾ抵抗効果によって、印加された圧力に応じた信号が出力されるようになっている。具体的な検出方法については、後述する。
In the pressure sensor 100, pressure is introduced from the through
［製造方法・作動等］
次に、本実施形態の圧力センサ１００の製造方法について、図２、図３を参照して述べる。図２（ａ）〜（ｄ）、図３（ａ）〜（ｄ）は、本製造方法をワークの概略断面にて示す工程図であり、主としてセンサチップ１０の製造方法を示すものである。
[Manufacturing method, operation, etc.]
Next, a method for manufacturing the pressure sensor 100 of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 2 (a) to 2 (d) and FIGS. 3 (a) to 3 (d) are process diagrams showing this manufacturing method in a schematic cross section of a workpiece, and mainly show a method for manufacturing the
本圧力センサ１００におけるセンサチップ１０についての、より具体的な断面構成の一例は、図３（ｃ）、（ｄ）に示される。
An example of a more specific cross-sectional configuration of the
図３（ｃ）、（ｄ）に示される例では、センサチップ１０は、裏面１２側から表面１１側に向かって、Ｐ型層（ＰＳｕｂ層）、Ｎ-層（Ｎ型エピタキシャル層）が積層されたシリコン半導体基板２００よりなり、Ｎ-層は、上記Ｐ型層とは異なる不純物濃度を持つＰ型領域を介して、ピエゾ抵抗１５の形成領域とその周囲領域とに分離されアイソレーションを確保している。
In the example shown in FIGS. 3C and 3D, the
ピエゾ抵抗１５は、Ｐ型領域としてＮ-層内に形成されている。このピエゾ抵抗１５は、実際には、少なくとも４個形成されており、後述するブリッジ回路（図４参照）を構成している。
The
また、シリコン半導体基板２００の上面すなわちセンサチップ本体の表面１１側は、酸化膜１６にて被覆され、酸化膜１７の上にはＡｌ薄膜よりなる配線１８が形成されている。そして、この配線１８および酸化膜１７に形成されたコンタクトホールを介して、ピエゾ抵抗１５同士の接続等がなされている。
Further, the upper surface of the
そして、配線１８を除く酸化膜１７の上には、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等よりなる保護膜１９が形成され、センサチップ１０の保護が図られている。このセンサチップ１０は、周知の半導体製造技術を用いて製造することができる。次に、その製造方法の一例について、図２、図３を参照して説明する。
A
まず、図２（ａ）に示されるように、Ｐ型のシリコン基板２０１の一面側の所定領域にイオン注入等により、不純物濃度の異なるＰ型層２０２を形成するとともに、当該シリコン基板２０１の一面側に、リン（Ｐ）等の不純物雰囲気にて、Ｎ-層２０３を成長させ形成する。
First, as shown in FIG. 2A, a P-
次に、図２（ｂ）に示されるように、Ｎ-層２０３の表面からホウ素（Ｂ）イオン等を注入し、拡散させるとともに、上記Ｐ型層２０２をＮ-層２０３の表面側へ拡散させることにより、上記Ｐ型層、Ｎ-層が積層され且つアイソレーションが形成されたシリコン半導体基板２００を形成する。
Next, as shown in FIG. 2B, boron (B) ions or the like are implanted from the surface of the N − layer 203 and diffused, and the P-
次に、図２（ｃ）に示されるように、シリコン半導体基板２００の上面に、スパッタや蒸着法、加熱処理などの方法により、酸化膜１７を形成し、この酸化膜１７により上記Ｎ-層およびアイソレーション上を被覆する。
Next, as shown in FIG. 2C, an
次に、図２（ｄ）に示されるように、酸化膜１７を介してホウ素（Ｂ）イオン等によるイオン注入や拡散法により、シリコン半導体基板２００の表面に、ピエゾ抵抗１５を形成する。
Next, as shown in FIG. 2D, a
次に、図３（ａ）に示されるように、フォトリソグラフ法等を用いて、酸化膜１７の所望の部位にコンタクトホールを形成し、その上に蒸着法などによりＡｌ薄膜よりなる配線１８を形成し、配線１８とピエゾ抵抗１５とを導通させる。
Next, as shown in FIG. 3A, a contact hole is formed in a desired portion of the
次に図３（ｂ）に示されるように、ＣＶＤ法等により、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等よりなる保護膜１９を形成する。
Next, as shown in FIG. 3B, a
しかる後、シリコン半導体基板２００の上面側をマスクした状態で、ＫＯＨなどのエッチング液を用いて、シリコン半導体基板２００の下面側の一部を異方性エッチングにより除去する。それにより、図３（ｃ）に示されるように、上記凹部１３が形成されるのに伴いダイアフラム１４が形成され、上記センサチップ１０ができあがる。
Thereafter, a part of the lower surface side of the
そして、上述したように、超音波振動を用いた切削やサンドブラストなどの加工方法によりテーパ形状の貫通穴２１が設けられたガラス台座２０を用意し、このガラス台座２０とセンサチップ１０とを陽極接合する。
Then, as described above, the
それにより、図３（ｄ）に示されるように、センサチップ１０とガラス台座２０とが一体化する。そして、貫通穴２１におけるセンサチップ１０とは反対側の開口部２１ｂからゲル部材３０を注入し、加熱などによりこれを硬化させれば、本実施形態の圧力センサ１００が完成する。
Thereby, as shown in FIG. 3D, the
さらに、本圧力センサ１００は、上述したように、図示しない基材に取り付けられワイヤボンディングなどにより、基材の端子に電気的に接続されることにより、実際の圧力測定に供される。 Furthermore, as described above, the pressure sensor 100 is attached to a base material (not shown) and is electrically connected to a terminal of the base material by wire bonding or the like, thereby being used for actual pressure measurement.
このような圧力センサ１００は、たとえば、センサチップ１０の表面１１側からダイアフラム１４に印加される圧力と、センサチップ１０の裏面１２側からダイアフラム１４に印加される圧力との差圧により、ダイアフラム１４が歪み、このダイアフラム１４の歪みに基づいて圧力検出を行う相対圧型の圧力センサとすることができる。
Such a pressure sensor 100 includes, for example, a
限定するものではないが、具体的には、このような相対圧検出型の圧力センサ１００は、たとえば上述したディーゼルエンジンのＤＰＦの前後の差圧を測定するものとして適用できる。 Although not limited, specifically, such a relative pressure detection type pressure sensor 100 can be applied to measure the differential pressure before and after the DPF of the diesel engine described above, for example.
この差圧センサとして適用した場合、本圧力センサ１００においては、たとえば、排気管内のＤＰＦ上流側の排気ガス圧が、センサチップ１０の表面１１側へ導入され、ＤＰＦ下流側の排気ガス圧が、センサチップ１０の裏面１２側にてゲル部材３０を介してダイアフラム１４へ導入される。
When applied as this differential pressure sensor, in the present pressure sensor 100, for example, the exhaust gas pressure upstream of the DPF in the exhaust pipe is introduced to the
このとき、センサチップ１０のダイアフラム１４の表面と裏面とで各圧力が受圧され、ダイアフラム１４の歪みに基づいて、これら両面の差圧が検出され、ピエゾ抵抗効果に基づくセンサチップ１０からの信号が、上記ボンディングワイヤ等から上記端子を経て、外部に出力されるようになっている。
At this time, each pressure is received by the front surface and the back surface of the
この圧力センサ１００におけるより具体的な検出動作について、図４を参照して述べることにする。 A more specific detection operation in the pressure sensor 100 will be described with reference to FIG.
図４は、ピエゾ抵抗１５により構成される上記ブリッジ回路の結線図を示すものである。４個のピエゾ抵抗１５（１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ）によりホイートストンブリッジが構成されている。
FIG. 4 shows a connection diagram of the bridge circuit constituted by the
上記圧力の印加によりダイアフラム１４が歪み変形するが、このとき、図４に示されるホイートストンブリッジの入力端子ＩａとＩｂとの間に直流定電圧Ｖを与えた状態では、このダイアフラム１４の変形がピエゾ抵抗１５ａ〜１５ｄの抵抗値変化として現れ、出力端子ＰａとＰｂとの間から被検出圧力に応じたレベルの電圧（センサ信号）Ｖｏｕｔが出力される。
When the pressure is applied, the
そして、このセンサ信号Ｖｏｕｔが、ピエゾ抵抗効果に基づくセンサチップ１０からの信号として外部に出力される。このようにして、圧力センサ１００において圧力検出がなされる。
The sensor signal Vout is output to the outside as a signal from the
［効果等］
ところで、本実施形態の圧力センサ１００は、裏面１２に凹部１３が形成され凹部１３に対応した表面１１側の薄肉部がダイアフラム１４として構成されるとともに、表面１１にピエゾ抵抗１５を有するセンサチップ１０と、センサチップ１０の裏面１２に接合され凹部１３からダイアフラム１４へ通じる貫通穴２１を有するガラス台座２０と、貫通穴２１および凹部１３に充填されてセンサチップ１０を保護するゲル部材３０とを備え、貫通穴２１からゲル部材３０を介してダイアフラム１４に圧力が導入され、センサチップ１０からはピエゾ抵抗効果によって印加された圧力に応じた信号が出力されるようになっていることを基本構成としている。
[Effects]
By the way, the pressure sensor 100 of the present embodiment includes a
そして、本実施形態の圧力センサ１００は、上記基本構成において、さらに、次のような独自の構成を採用したことを特徴とするものである。 And the pressure sensor 100 of this embodiment is characterized by further adopting the following unique configuration in the above basic configuration.
すなわち、本圧力センサ１００においては、貫通穴２１におけるセンサチップ１０側の開口部２１ａの径は、センサチップ１０における凹部１３の開口径よりも小さいものであり、貫通穴２１は、センサチップ１０とは反対側の開口部２１ｂからセンサチップ１０側の開口部２１ａへ行くにつれてテーパ状に径が拡がった穴として構成されていることを特徴としている。
That is, in this pressure sensor 100, the diameter of the opening 21 a on the
本実施形態の圧力センサ１００においては、貫通穴２１におけるセンサチップ１０側の開口部２１ａの径を、センサチップ１０における凹部１３の径よりも小さいものとしているため、上記図５に示される従来の圧力センサと同様に、センサチップ１０の凹部１３の内側に張り出したガラス台座２０の肩部２２が存在する。
In the pressure sensor 100 of the present embodiment, since the diameter of the
そのため、センサチップ１０とガラス台座２０との接着代を十分に確保できるとともに、そもそも、上記図６に示されるガラス台座の肩部を持たない圧力センサのように、ダイアフラム１４の面積が小さくなることによる感度の低下という問題は発生せず、回避することができる。
Therefore, it is possible to sufficiently secure the bonding allowance between the
そして、本実施形態の圧力センサ１００においては、ガラス台座２０の肩部２２を持つことによるゲル部材３０の注入性の問題については、貫通穴２１の構成により対応を図っている。
In the pressure sensor 100 according to the present embodiment, the problem of injectability of the
すなわち、本実施形態の貫通穴２１は、従来のような全体の穴径が均一なストレートな穴ではなく、センサチップ１０とは反対側からセンサチップ１０側へ向かうにつれて拡径したテーパ形状の穴となっている。
That is, the through
そのため、ガラス台座２０の肩部２２の張り出しを小さくするために、貫通穴２１におけるセンサチップ１０側の開口部２１ａの径を大きくしても、貫通穴２１におけるセンサチップ１０とは反対側の開口部２１ｂは、さほど大きくしなくてもよくなる。
Therefore, even if the diameter of the opening 21 a on the
言い換えれば、本実施形態では、貫通穴２１におけるセンサチップ１０側の開口部２１ａの径を大きくして、ガラス台座２０の肩部２２の張り出しを小さくした場合であっても、従来のようなストレートな貫通穴の構成に比べて、ガラス台座２０の強度を大きいものにできる。
In other words, in this embodiment, even when the diameter of the
つまり、本実施形態の圧力センサ１００によれば、ガラス台座２０の肩部２２の張り出しを適切に小さくすることができるため、肩部２２に覆われた凹部１３の空間にゲル部材３０が入りやすくなり、課題の欄にて述べたようなゲル部材３０における気泡や充填不足の発生を極力抑制することができるようになる。
That is, according to the pressure sensor 100 of the present embodiment, since the overhang of the
また、ガラス台座２０の貫通穴２１は、センサチップ１０のダイアフラム１４側において大きく膨らんだ形となるため、ダイアフラム１４およびピエゾ抵抗１５の近傍で熱などによりゲル部材３０が膨張した場合でも、その膨張を和らげる効果があり、センサ特性上、好ましい。
Further, since the through
以上のように、本実施形態によれば、半導体ダイアフラム式のセンサチップ１０に対して貫通穴２１を有するガラス台座２０が接合され、当該貫通穴２１がゲル部材３０により封止されてなる圧力センサにおいて、ゲル部材３０の注入性を適切に向上させることができる。
As described above, according to this embodiment, the pressure sensor in which the
ここで、本実施形態の圧力センサ１００においては、上記図１に示したように、ピエゾ抵抗１５は、ガラス台座２０の貫通穴２１におけるセンサチップ１０側の開口部２１ａの径の内側に位置していることが好ましい。
Here, in the pressure sensor 100 of this embodiment, as shown in FIG. 1, the
それによれば、ピエゾ抵抗１５は、センサチップ１０の凹部１３においてガラス台座２０の肩部２２よりも、さらに内側に位置することになるため、肩部２２に覆われた凹部１３の空間に充填されたゲル部材３０が熱などにより膨張したときの応力を、ピエゾ抵抗１５が受けにくくなり、好ましい。
According to this, since the
（他の実施形態）
なお、上述したように、ガラス台座２０の貫通穴２１は切削などにより形成されるが、通常は、貫通穴２１の内面の仕上げとしてフッ酸処理を行い、貫通穴２１の内面を平滑化する。
(Other embodiments)
As described above, the through
ここにおいて、このフッ酸処理を行わないようにしたり、あるいは、貫通穴２１の内面に研磨を施したりすることで、貫通穴２１の内面を荒らすことにより、ゲル部材３０の流出を極力防止するようにしてもよい。
Here, the hydrofluoric acid treatment is not performed, or the inner surface of the through
また、上記実施形態では、圧力センサ１００を端子を有する基材に取り付けることにより、測定動作に供されるものとしたが、これに限定されるものではないことはもちろんである。 In the above embodiment, the pressure sensor 100 is attached to a base material having a terminal to be used for the measurement operation. However, the present invention is not limited to this.
また、上記実施形態では、差圧検出タイプすなわち相対圧検出タイプの圧力センサであったが、センサチップにおけるダイアフラムの表面側が真空などの基準圧となっており、ダイアフラムの裏面側にゲル部材を介して被測定圧力を受ける絶対圧型の圧力センサに対しても、本発明は適用することが可能である。 In the above embodiment, the pressure sensor is a differential pressure detection type, that is, a relative pressure detection type pressure sensor. However, the surface side of the diaphragm in the sensor chip is a reference pressure such as a vacuum, and a gel member is interposed on the back side of the diaphragm. The present invention can also be applied to an absolute pressure sensor that receives a pressure to be measured.
また、本発明の圧力センサは、上述した排気圧力を検出するセンサに、その用途を限定されるものではないことは上述した通りである。 Further, as described above, the use of the pressure sensor of the present invention is not limited to the above-described sensor for detecting the exhaust pressure.
要するに、本発明は、裏面側の凹部の形成に伴い表面側にダイアフラムが形成された半導体ダイアフラム式のセンサチップに対して、貫通穴を有するガラス台座をセンサチップの裏面側に接合し、当該貫通穴をゲル部材により封止してなる圧力センサにおいて、貫通穴におけるセンサチップ側の開口部の径を、センサチップにおける凹部の開口径よりも小さいものとして上記肩部のあるものとし、貫通穴を、センサチップとは反対側の開口部からセンサチップ側の開口部へ行くにつれて拡径したテーパ状の穴としたことを要部とするものであり、その他の部分については、適宜設計変更が可能である。 In short, the present invention joins a glass pedestal having a through hole to the back surface side of the sensor chip, with respect to the semiconductor diaphragm type sensor chip in which the diaphragm is formed on the front surface side with the formation of the concave portion on the back surface side. In a pressure sensor in which a hole is sealed with a gel member, the diameter of the opening on the sensor chip side in the through hole is smaller than the opening diameter of the recess in the sensor chip, and the shoulder is provided. The main part is a tapered hole whose diameter increases from the opening on the opposite side of the sensor chip to the opening on the sensor chip side, and the design of other parts can be changed as appropriate. It is.
１０…センサチップ、１１…センサチップの表面、１２…センサチップの裏面、
１３…センサチップの凹部、１４…ダイアフラム、１５…ピエゾ抵抗、
２０…ガラス台座、２１…ガラス台座の貫通穴、
２１ａ…貫通穴のセンサチップ側の開口部、
２１ｂ…貫通穴のセンサチップとは反対側の開口部、３０…ゲル部材。
10 ... sensor chip, 11 ... front surface of the sensor chip, 12 ... back surface of the sensor chip,
13 ... recess of sensor chip, 14 ... diaphragm, 15 ... piezoresistor,
20 ... Glass pedestal, 21 ... Through hole in the glass pedestal,
21a: opening on the sensor chip side of the through hole,
21b: Opening of the through hole opposite to the sensor chip, 30: Gel member.
Claims (2)
前記センサチップ（１０）の裏面（１２）に接合され前記凹部（１３）から前記ダイアフラム（１４）へ通じる貫通穴（２１）を有するガラス台座（２０）と、
前記貫通穴（２１）および前記凹部（１３）に充填されて前記センサチップ（１０）を保護するゲル部材（３０）とを備え、
前記貫通穴（２１）から前記ゲル部材（３０）を介して前記ダイアフラム（１４）に圧力が導入され、前記センサチップ（１０）からはピエゾ抵抗効果によって印加された圧力に応じた信号が出力されるようになっている圧力センサにおいて、
前記貫通穴（２１）における前記センサチップ（１０）側の開口部（２１ａ）の径は、前記センサチップ（１０）における前記凹部（１３）の径よりも小さいものであり、
前記貫通穴（２１）は、前記センサチップ（１０）とは反対側の開口部（２１ｂ）から前記センサチップ（１０）側の開口部（２１ａ）へ行くにつれてテーパ状に径が拡がった穴として構成されていることを特徴とする圧力センサ。 A recess (13) is formed on the back surface (12), and a thin portion on the front surface (11) side corresponding to the recess (13) is configured as a diaphragm (14), and a piezoresistive (15) A sensor chip (10) having:
A glass pedestal (20) having a through hole (21) joined to the back surface (12) of the sensor chip (10) from the recess (13) to the diaphragm (14);
A gel member (30) that fills the through hole (21) and the recess (13) to protect the sensor chip (10);
Pressure is introduced from the through hole (21) to the diaphragm (14) through the gel member (30), and a signal corresponding to the pressure applied by the piezoresistance effect is output from the sensor chip (10). In the pressure sensor
The diameter of the opening (21a) on the sensor chip (10) side in the through hole (21) is smaller than the diameter of the recess (13) in the sensor chip (10),
The through hole (21) is a hole whose diameter increases in a taper shape from the opening (21b) on the side opposite to the sensor chip (10) to the opening (21a) on the sensor chip (10) side. A pressure sensor characterized by being configured.
The pressure sensor according to claim 1, wherein the piezoresistor (15) is positioned inside a diameter of the opening (21a) on the sensor chip (10) side in the through hole (21). .
Priority Applications (1)
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010002407A (en) * | 2008-06-20 | 2010-01-07 | Korea Research Inst Of Standards & Science | Tactile sensor having membrane structure and method for manufacturing the same |
| JP2012211892A (en) * | 2011-03-23 | 2012-11-01 | Denso Corp | Pressure sensor |
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