JP3160796B2 - 半導体圧力検出器 - Google Patents
半導体圧力検出器Info
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
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- G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
- G01L19/14—Housings
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- G01L19/0645—Protection against aggressive medium in general using isolation membranes, specially adapted for protection
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- G—PHYSICS
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- G01L19/148—Details about the circuit board integration, e.g. integrated with the diaphragm surface or encapsulation
-
- G—PHYSICS
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- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
- G01L9/0051—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
- G01L9/0052—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements
- G01L9/0054—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements integral with a semiconducting diaphragm
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体圧力検出器に係
り、特にガラス台又はセラミックス台と金属台とをガラ
ス接合した半導体圧力検出器に関する。
り、特にガラス台又はセラミックス台と金属台とをガラ
ス接合した半導体圧力検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】インテリジェント差圧・圧力伝送器など
に使われる半導体圧力検出器は感歪素子を有するシリコ
ンダイヤフラムを用いて気体、液体等の圧力の変化を電
気信号に変換するものである。従来技術として特開昭57
-23830号公報に示された半導体圧力変換器用ポスト材と
その製造法がある。この公報に記載された半導体圧力検
出器はシリコンダイヤフラムとガラス台とポスト材で構
成されており、各部材間の接合は接合剤を用いないで直
接、接合する陽極接合法によって接合されている。 ま
たポスト材に用いているＦｅ-Ｎｉ-Ｃｏ合金はオ−ステ
ナイト組織で加工マルテンサイト組織が生じない量の冷
間加工30％〜90％を行った後200℃〜600℃間で応力除
去、焼鈍を行った材料を用いているとしている。
に使われる半導体圧力検出器は感歪素子を有するシリコ
ンダイヤフラムを用いて気体、液体等の圧力の変化を電
気信号に変換するものである。従来技術として特開昭57
-23830号公報に示された半導体圧力変換器用ポスト材と
その製造法がある。この公報に記載された半導体圧力検
出器はシリコンダイヤフラムとガラス台とポスト材で構
成されており、各部材間の接合は接合剤を用いないで直
接、接合する陽極接合法によって接合されている。 ま
たポスト材に用いているＦｅ-Ｎｉ-Ｃｏ合金はオ−ステ
ナイト組織で加工マルテンサイト組織が生じない量の冷
間加工30％〜90％を行った後200℃〜600℃間で応力除
去、焼鈍を行った材料を用いているとしている。
【０００３】また、従来技術として特開昭55-122125号
公報に記載の半導体圧力検出器があるが、これは検出器
の構成がシリコンダイヤフラムと第一ガラス台及び第二
ガラス台と金属台の４層構造のもので、いずれの接合部
も接着剤を用いないで直接接合する陽極接合によって接
合している。また金属台については組成の明記がなく、
単にコバ−ルを用いるとしている。
公報に記載の半導体圧力検出器があるが、これは検出器
の構成がシリコンダイヤフラムと第一ガラス台及び第二
ガラス台と金属台の４層構造のもので、いずれの接合部
も接着剤を用いないで直接接合する陽極接合によって接
合している。また金属台については組成の明記がなく、
単にコバ−ルを用いるとしている。
【０００４】更に、従来技術として特開平4-320938号公
報に記載の差圧センサ及び複合機能形差圧センサがあ
る。これらのセンサは半導体チップと固定台とハウジン
グで構成され、半導体チップと固定台の接合は、固定台
がセラミックスのときには、低融点ガラス等の酸化物ソ
ルダ−、またはＡｕの薄膜、Ａｕ-Ｓｉ合金の金属ソル
ダ−を用い、固定台をＦｅ-Ｎｉ系合金にしたものは酸
化物ソルダ−を用い、固定台を硼珪酸ガラスにしたもの
は接合剤を用いないで直接接合する陽極接合法によって
それぞれ接合している。この技術による半導体圧力検出
器の構成の一例はシリコンダイヤフラムをガラス台にア
ノデックボンデングで接合し、更に金属台に接合用ガラ
スで接合固定してセンサ部を形成する。ガラス台にはシ
リコンダイヤフラムと熱膨張係数が近似しているガラス
台（例えばパイレックスガラス）を用い、金属台には同
様に熱膨張係数の小さいＦｅ-40重量％Ｎｉ合金を用い
る。接合用ガラスには低融点、低熱膨張の歪点が310
℃、接着作業温度が440℃のヒラー入り硼珪酸ガラスを
用いる。ガラス台と金属台の接合条件は接合時の残留歪
のシリコンダイヤフラムへの影響をできるだけ小さくす
るために接着温度を410℃、20min保持で部材の酸化と接
合性を考慮してＡｒ-10％O2雰囲気で接合する。
報に記載の差圧センサ及び複合機能形差圧センサがあ
る。これらのセンサは半導体チップと固定台とハウジン
グで構成され、半導体チップと固定台の接合は、固定台
がセラミックスのときには、低融点ガラス等の酸化物ソ
ルダ−、またはＡｕの薄膜、Ａｕ-Ｓｉ合金の金属ソル
ダ−を用い、固定台をＦｅ-Ｎｉ系合金にしたものは酸
化物ソルダ−を用い、固定台を硼珪酸ガラスにしたもの
は接合剤を用いないで直接接合する陽極接合法によって
それぞれ接合している。この技術による半導体圧力検出
器の構成の一例はシリコンダイヤフラムをガラス台にア
ノデックボンデングで接合し、更に金属台に接合用ガラ
スで接合固定してセンサ部を形成する。ガラス台にはシ
リコンダイヤフラムと熱膨張係数が近似しているガラス
台（例えばパイレックスガラス）を用い、金属台には同
様に熱膨張係数の小さいＦｅ-40重量％Ｎｉ合金を用い
る。接合用ガラスには低融点、低熱膨張の歪点が310
℃、接着作業温度が440℃のヒラー入り硼珪酸ガラスを
用いる。ガラス台と金属台の接合条件は接合時の残留歪
のシリコンダイヤフラムへの影響をできるだけ小さくす
るために接着温度を410℃、20min保持で部材の酸化と接
合性を考慮してＡｒ-10％O2雰囲気で接合する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】半導体圧力検出器は、
シリコンダイヤフラムとガラス台と金属台とからなり、
ガラス台と金属台とが接合用ガラス３によって接合さ
れ、センサ部を形成している。
シリコンダイヤフラムとガラス台と金属台とからなり、
ガラス台と金属台とが接合用ガラス３によって接合さ
れ、センサ部を形成している。
【０００６】低熱膨張、低軟化温度の特性を必要とする
接合用がラスには、一般にＰｂＯ系ガラスが用いられて
いる。しかし、ＰｂＯ系ガラス単体では熱膨張係数が大
きいために、熱膨張係数の小さなヒラ−を添加して熱膨
張係数を小さくしている。
接合用がラスには、一般にＰｂＯ系ガラスが用いられて
いる。しかし、ＰｂＯ系ガラス単体では熱膨張係数が大
きいために、熱膨張係数の小さなヒラ−を添加して熱膨
張係数を小さくしている。
【０００７】しかしながら半導体圧力検出器に用いるガ
ラス台と同等の熱膨張の小さい接合用ガラスを得るには
ヒラー量を多くしなければならない。しかし、ヒラー量
を多くすると母材ガラスとヒラーの熱膨張係数の違いに
より微細なクラックが発生し、封止を兼ねた接合用ガラ
スにはリーク漏れなどの問題があり適用できない。した
がって熱膨張係数を小さくするには限度があり、ガラス
台と同等な熱膨張係数をもつ接合用ガラスが無く、ガラ
ス台よりも熱膨張係数が大きいのが現状である。 それ
故にシリコンダイヤフラムに与える歪の影響が大きい、
という問題があった。
ラス台と同等の熱膨張の小さい接合用ガラスを得るには
ヒラー量を多くしなければならない。しかし、ヒラー量
を多くすると母材ガラスとヒラーの熱膨張係数の違いに
より微細なクラックが発生し、封止を兼ねた接合用ガラ
スにはリーク漏れなどの問題があり適用できない。した
がって熱膨張係数を小さくするには限度があり、ガラス
台と同等な熱膨張係数をもつ接合用ガラスが無く、ガラ
ス台よりも熱膨張係数が大きいのが現状である。 それ
故にシリコンダイヤフラムに与える歪の影響が大きい、
という問題があった。
【０００８】ガラス接合はガラスのもつ歪点よりも高い
温度（接着温度）に加熱してガラス台と金属台を封着す
る。ここに歪点とはガラスの粘度が4×1014Poise（log
η＝14.5）のときの温度である。この温度はガラスが完
全に固化する温度で、粘性流動は事実上、生じない。
温度（接着温度）に加熱してガラス台と金属台を封着す
る。ここに歪点とはガラスの粘度が4×1014Poise（log
η＝14.5）のときの温度である。この温度はガラスが完
全に固化する温度で、粘性流動は事実上、生じない。
【０００９】歪点の測定方法としてはbeam-bending法が
ある。この測定方法は、棒状試料を２点で水平に支持
し、試料中央に荷重を加えたまま加熱し、試料のたわみ
の変形速度から粘度を求めるものである。
ある。この測定方法は、棒状試料を２点で水平に支持
し、試料中央に荷重を加えたまま加熱し、試料のたわみ
の変形速度から粘度を求めるものである。
【００１０】ガラス台と金属台を封着した後の冷却過程
において、歪点以上の温度域においては、ガラス台と金
属台及び接合用ガラスとの熱膨張差に基づく応力は、ガ
ラスの粘性流動によって緩和される。しかし歪点以下の
温度域においては、熱膨張差に基づく応力が緩和され
ず、この応力が大きいとガラス台の破壊あるいはガラス
台と接合用ガラス、金属台と接合用ガラスとの界面にて
剥離が生じ、接合強度が低下したり、気密が保てなくな
る。そのため、接合される各部材間の熱膨張特性は近似
していることが必要である。
において、歪点以上の温度域においては、ガラス台と金
属台及び接合用ガラスとの熱膨張差に基づく応力は、ガ
ラスの粘性流動によって緩和される。しかし歪点以下の
温度域においては、熱膨張差に基づく応力が緩和され
ず、この応力が大きいとガラス台の破壊あるいはガラス
台と接合用ガラス、金属台と接合用ガラスとの界面にて
剥離が生じ、接合強度が低下したり、気密が保てなくな
る。そのため、接合される各部材間の熱膨張特性は近似
していることが必要である。
【００１１】この構造の圧力検出器は機能上、各接合部
には気密もれがないこと、接着強度が大きいこと、接合
後の残留歪量が小さいことが必要である。しかしながら
図２にガラス台と金属台と接合用ガラスの熱膨張特性を
示すように（本発明にかかる半導体圧力検出器の金属台
の熱膨張特性も記してあるが後述する）、従来技術であ
る特開平4-320938号公報に示されるような金属台に用い
ているＦｅ-40％Ｎｉ合金の熱膨張特性は250℃付近まで
はガラス台よりも小さい熱膨張率で直線的な伸びを示し
ているが、280℃付近から急激に伸びはじめ接合用ガラ
スが完全に固化する温度である歪点（310℃)ではガラス
台よりも大きな熱膨張率をもつようになる。そのため前
述したように接合後に部材の熱膨張差に基づく応力がシ
リコンダイヤフラムを形成するガラス台に引張応力とし
て作用し、それに伴って大きな歪がシリコンダイヤフラ
ムに加わり、圧力検出器としての特性が得られないばか
りか、残留歪がガラス台に引張応力として作用しガラス
台が割れる問題があり、高精度を要求する半導体圧力検
出器の金属台には高信頼性をもって使用することができ
なかった。
には気密もれがないこと、接着強度が大きいこと、接合
後の残留歪量が小さいことが必要である。しかしながら
図２にガラス台と金属台と接合用ガラスの熱膨張特性を
示すように（本発明にかかる半導体圧力検出器の金属台
の熱膨張特性も記してあるが後述する）、従来技術であ
る特開平4-320938号公報に示されるような金属台に用い
ているＦｅ-40％Ｎｉ合金の熱膨張特性は250℃付近まで
はガラス台よりも小さい熱膨張率で直線的な伸びを示し
ているが、280℃付近から急激に伸びはじめ接合用ガラ
スが完全に固化する温度である歪点（310℃)ではガラス
台よりも大きな熱膨張率をもつようになる。そのため前
述したように接合後に部材の熱膨張差に基づく応力がシ
リコンダイヤフラムを形成するガラス台に引張応力とし
て作用し、それに伴って大きな歪がシリコンダイヤフラ
ムに加わり、圧力検出器としての特性が得られないばか
りか、残留歪がガラス台に引張応力として作用しガラス
台が割れる問題があり、高精度を要求する半導体圧力検
出器の金属台には高信頼性をもって使用することができ
なかった。
【００１２】上記のほかの従来技術において、特開昭57
-23830号公報に示されたオ−ステナイト組織をもつＦｅ
-Ｎｉ-Ｃｏ合金のポスト材はガラス台よりも熱膨張が大
きく、更に、冷間加工度を大きくすると熱膨張率が大き
くなると共に、Ｆｅ-Ｎｉ-Ｃｏ合金特有の屈曲点が低温
側に移行してガラス接合後に接着界面から剥離してしま
うなどの問題があり、ガラス接合構造の半導体圧力検出
器用金属台には適用することができなかった。
-23830号公報に示されたオ−ステナイト組織をもつＦｅ
-Ｎｉ-Ｃｏ合金のポスト材はガラス台よりも熱膨張が大
きく、更に、冷間加工度を大きくすると熱膨張率が大き
くなると共に、Ｆｅ-Ｎｉ-Ｃｏ合金特有の屈曲点が低温
側に移行してガラス接合後に接着界面から剥離してしま
うなどの問題があり、ガラス接合構造の半導体圧力検出
器用金属台には適用することができなかった。
【００１３】また特開昭55-122125号公報に記載された
半導体圧力検出器において、一般的なコバ−ルの組成で
あるＦｅ-29Ｎｉ-17Ｃｏ合金は後述するように熱膨張が
大きくガラス接合後にガラス台が破壊するなど半導体圧
力検出器用金属台として用いることができなかった。
半導体圧力検出器において、一般的なコバ−ルの組成で
あるＦｅ-29Ｎｉ-17Ｃｏ合金は後述するように熱膨張が
大きくガラス接合後にガラス台が破壊するなど半導体圧
力検出器用金属台として用いることができなかった。
【００１４】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、ガラス台またはセラミック台と金属台との
接合時におけるシリコンダイヤフラムへの残留歪の影響
を無くし、かつ、接合時の不良を解消することができる
半導体圧力検出器並びにそれを用いたインテリジェント
差圧・圧力伝送器を提供することを目的とする。
ものであり、ガラス台またはセラミック台と金属台との
接合時におけるシリコンダイヤフラムへの残留歪の影響
を無くし、かつ、接合時の不良を解消することができる
半導体圧力検出器並びにそれを用いたインテリジェント
差圧・圧力伝送器を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明はガラス封着後に
各部材の熱膨張差に基づく残留応力によるシリコンダイ
ヤフラムへの歪の影響を無くすために半導体圧力検出器
を構成する金属台は接合に用いるガラスの歪点以下の温
度においてガラス台あるいはセラミックス台に対して熱
膨張率が同等かそれ以下でなければならない、という新
たな知見に基づいてなされたものである。
各部材の熱膨張差に基づく残留応力によるシリコンダイ
ヤフラムへの歪の影響を無くすために半導体圧力検出器
を構成する金属台は接合に用いるガラスの歪点以下の温
度においてガラス台あるいはセラミックス台に対して熱
膨張率が同等かそれ以下でなければならない、という新
たな知見に基づいてなされたものである。
【００１６】上記の条件を満たす金属台には低熱膨張係
数を有するＦｅ-Ｎｉ-Ｃｏ合金に着目し、種々のＦｅ-
Ｎｉ-Ｃｏ合金について熱膨張特性を測定するととも
に、ガラス台と接合ガラスを用いて接合実験を行った。
その結果Ｆｅ-28.0ｗｔ％〜31.0ｗｔ％Ｎｉ-12.0ｗｔ％
〜14.0ｗｔ％Ｃｏの組成範囲の材料を加工マルテンサイ
トが生ずる程度の5％〜40％の冷間加工を施し、あるい
は冷間加工後、応力除去焼鈍を行うことによって熱膨張
率がガラス台と同等か、それ以下のもので、かつ熱膨張
特性の屈曲点が接合用ガラスの歪点よりも高温側の材料
とすることで目的が達せられることを見出した。熱膨張
率は冷間加工度と応用除去、焼鈍処理温度の組み合わせ
によって自由に選ぶことができる。なお組成的には実用
上は上記組成にＣ含有料が0.1ｗｔ％以下、Ｓｉ含有量
が0.3ｗｔ％以下、Ｍｎ含有量が0.5ｗｔ％以下及び不可
避の不純物元素が含まれても十分に目的を達成する。Ｎ
ｉ含有量が28.0ｗｔ％未満、Ｃｏ含有量が12.0ｗｔ％未
満で、またはＮｉ＋Ｃｏ含有量が41ｗｔ％未満では完全
焼鈍処理の冷却過程でマルテンサイトが生じやすくそれ
に伴って熱膨張率が増大すると共に熱膨張特性の屈曲点
が低温側に移行するために金属台の使用には不適当であ
った。またＮｉ含有量が31.0ｗｔ％、Ｃｏ含有量が14ｗ
ｔ％を越えると熱膨張率が大きくなり、ガラス台と同等
の熱膨張率を得ることができない。
数を有するＦｅ-Ｎｉ-Ｃｏ合金に着目し、種々のＦｅ-
Ｎｉ-Ｃｏ合金について熱膨張特性を測定するととも
に、ガラス台と接合ガラスを用いて接合実験を行った。
その結果Ｆｅ-28.0ｗｔ％〜31.0ｗｔ％Ｎｉ-12.0ｗｔ％
〜14.0ｗｔ％Ｃｏの組成範囲の材料を加工マルテンサイ
トが生ずる程度の5％〜40％の冷間加工を施し、あるい
は冷間加工後、応力除去焼鈍を行うことによって熱膨張
率がガラス台と同等か、それ以下のもので、かつ熱膨張
特性の屈曲点が接合用ガラスの歪点よりも高温側の材料
とすることで目的が達せられることを見出した。熱膨張
率は冷間加工度と応用除去、焼鈍処理温度の組み合わせ
によって自由に選ぶことができる。なお組成的には実用
上は上記組成にＣ含有料が0.1ｗｔ％以下、Ｓｉ含有量
が0.3ｗｔ％以下、Ｍｎ含有量が0.5ｗｔ％以下及び不可
避の不純物元素が含まれても十分に目的を達成する。Ｎ
ｉ含有量が28.0ｗｔ％未満、Ｃｏ含有量が12.0ｗｔ％未
満で、またはＮｉ＋Ｃｏ含有量が41ｗｔ％未満では完全
焼鈍処理の冷却過程でマルテンサイトが生じやすくそれ
に伴って熱膨張率が増大すると共に熱膨張特性の屈曲点
が低温側に移行するために金属台の使用には不適当であ
った。またＮｉ含有量が31.0ｗｔ％、Ｃｏ含有量が14ｗ
ｔ％を越えると熱膨張率が大きくなり、ガラス台と同等
の熱膨張率を得ることができない。
【００１７】一方、加工度については本発明に係る半導
体圧力検出器の金属台（実施例２のもの）Ｆｅ-29.4ｗ
ｔ％Ｎｉ-13.1ｗｔ％Ｃｏの加工度と熱膨張率の関係を
図３に示すように冷間加工（圧延、線引、押出し、スエ
−ジング等での加工可）を50％以上に加工すると熱膨張
率が著しく増大し、金属台としての目的をそこなうこと
になる。好ましくは多少の加工マルテンサイトをもつ程
度の10％〜30％の冷間加工度を与えるのがよい。加工後
の焼鈍は材料の再結晶温度以下で加工歪を完全に除去す
る温度で行うべきで700℃以下の温度で処理することが
好ましい。
体圧力検出器の金属台（実施例２のもの）Ｆｅ-29.4ｗ
ｔ％Ｎｉ-13.1ｗｔ％Ｃｏの加工度と熱膨張率の関係を
図３に示すように冷間加工（圧延、線引、押出し、スエ
−ジング等での加工可）を50％以上に加工すると熱膨張
率が著しく増大し、金属台としての目的をそこなうこと
になる。好ましくは多少の加工マルテンサイトをもつ程
度の10％〜30％の冷間加工度を与えるのがよい。加工後
の焼鈍は材料の再結晶温度以下で加工歪を完全に除去す
る温度で行うべきで700℃以下の温度で処理することが
好ましい。
【００１８】
【作用】本発明に係る半導体圧力検出器の金属台（実施
例２のもの）の熱膨張特性の代表例を図２に示す。同図
には「発明が解決しようとする課題」の項で説明した半導
体圧力検出器用部材の特性も記してある。既述したよう
に従来の半導体圧力検出器の金属台はガラス台よりも熱
膨張率が小さく250℃付近までは直線的な伸びを示して
いるが、285℃の屈曲点をもって急激に伸び、低融点ガ
ラスが完全に固化する温度（歪点）の310℃ではガラス
台よりも大きな熱膨張率を持つ材料である。
例２のもの）の熱膨張特性の代表例を図２に示す。同図
には「発明が解決しようとする課題」の項で説明した半導
体圧力検出器用部材の特性も記してある。既述したよう
に従来の半導体圧力検出器の金属台はガラス台よりも熱
膨張率が小さく250℃付近までは直線的な伸びを示して
いるが、285℃の屈曲点をもって急激に伸び、低融点ガ
ラスが完全に固化する温度（歪点）の310℃ではガラス
台よりも大きな熱膨張率を持つ材料である。
【００１９】これに対して本発明に係る半導体圧力検出
器の金属台は、従来の金属台よりも熱膨張率が小さいま
ま345℃の屈曲点付近まで伸びそれ以降も緩やかな伸び
を示しながら約370℃の高温までガラス台と同等な熱膨
張率をもった材料であることが判る。従って、ガラス台
と金属台を接合する接合用ガラスを選択する際にガラス
のもつ歪点の温度範囲が370℃まで高温側のものまで選
択することができるので、より適正なガラスを選ぶこと
ができ、ガラスの接合能力を増加し、強固な接合と信頼
性の高い接合を行うことができる。
器の金属台は、従来の金属台よりも熱膨張率が小さいま
ま345℃の屈曲点付近まで伸びそれ以降も緩やかな伸び
を示しながら約370℃の高温までガラス台と同等な熱膨
張率をもった材料であることが判る。従って、ガラス台
と金属台を接合する接合用ガラスを選択する際にガラス
のもつ歪点の温度範囲が370℃まで高温側のものまで選
択することができるので、より適正なガラスを選ぶこと
ができ、ガラスの接合能力を増加し、強固な接合と信頼
性の高い接合を行うことができる。
【００２０】Ｆｅ-29.4ｗｔ％Ｎｉ-13.1ｗｔ％Ｃｏ材
（実施例２のもの）の熱膨張測定時の350℃における熱
膨張率と加工度との関係を図４に示す。図中には350℃
におけるガラス台（パイレックス）の熱膨張率を示し
た。半導体圧力検出器用の金属台の熱膨張率はガラス台
（パイレックス）の熱膨張率と同等かそれ以下であるこ
とが必要であるため本発明に係る半導体圧力検出器の金
属台の適正な加工度の範囲は図に示すように５％〜40％
が望ましいことが判る。
（実施例２のもの）の熱膨張測定時の350℃における熱
膨張率と加工度との関係を図４に示す。図中には350℃
におけるガラス台（パイレックス）の熱膨張率を示し
た。半導体圧力検出器用の金属台の熱膨張率はガラス台
（パイレックス）の熱膨張率と同等かそれ以下であるこ
とが必要であるため本発明に係る半導体圧力検出器の金
属台の適正な加工度の範囲は図に示すように５％〜40％
が望ましいことが判る。
【００２１】本発明で述べたガラス台の代わりにガラス
接合後のシリコンダイヤフラムに与える歪の影響をでき
るだけ小さくするための手法として、弾性係数が大き
く、熱膨張係数の小さいセラミック（例えばシリコンな
ど）なども良く、本発明の金属台はこれらセラミック台
とも適合することを確認した。
接合後のシリコンダイヤフラムに与える歪の影響をでき
るだけ小さくするための手法として、弾性係数が大き
く、熱膨張係数の小さいセラミック（例えばシリコンな
ど）なども良く、本発明の金属台はこれらセラミック台
とも適合することを確認した。
【００２２】本発明によれば、ガラス接合後の残留歪を
無くすことができ、更に、高い気密性と十分な接着強度
を有し、従来に比べ高精度、高信頼性の半導体圧力検出
器が高い歩溜りで作成できる。従ってこれを用いたイン
テリジェント差圧・圧力伝送器は長時間高信頼性をもっ
て制御稼働させることができる。
無くすことができ、更に、高い気密性と十分な接着強度
を有し、従来に比べ高精度、高信頼性の半導体圧力検出
器が高い歩溜りで作成できる。従ってこれを用いたイン
テリジェント差圧・圧力伝送器は長時間高信頼性をもっ
て制御稼働させることができる。
【００２３】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。本
発明に係る半導体圧力検出器に用いられる金属台の各実
施例（実施例１〜８）及び比較例の１〜６について、そ
の成分及び熱膨張特性を表１に示す。
発明に係る半導体圧力検出器に用いられる金属台の各実
施例（実施例１〜８）及び比較例の１〜６について、そ
の成分及び熱膨張特性を表１に示す。
【００２４】
【表１】
【００２５】表１の実施例１〜８、比較例１〜５に示す
組成の合金になるようにＦｅとＮｉとＣｏを高周波真空
溶解炉で５kg溶製した。溶製材を熱間鍛造後、1000℃、
30minで焼鈍処理をしてから、冷間伸線加工で直径4.5mm
にすることにより加工度10％の線材を作成し、更に600
℃、30minで歪取焼鈍した。この線材について30℃〜500
℃間の線熱膨張を測定した。表１に接合用ガラスの持つ
歪点（310℃）までの30℃〜310℃間の平均熱膨張率と、
熱膨張特性から求めた屈曲点の温度を示す。
組成の合金になるようにＦｅとＮｉとＣｏを高周波真空
溶解炉で５kg溶製した。溶製材を熱間鍛造後、1000℃、
30minで焼鈍処理をしてから、冷間伸線加工で直径4.5mm
にすることにより加工度10％の線材を作成し、更に600
℃、30minで歪取焼鈍した。この線材について30℃〜500
℃間の線熱膨張を測定した。表１に接合用ガラスの持つ
歪点（310℃）までの30℃〜310℃間の平均熱膨張率と、
熱膨張特性から求めた屈曲点の温度を示す。
【００２６】表１の比較例６に示す組成の合金になるよ
うにＦｅとＮｉを高周波真空溶解炉で５kg溶製したもの
を、熱間鍛造後、900℃、30minの焼鈍処理をおこない、
60％冷間加工を施した後430℃、30minの歪取焼鈍をおこ
なった。なお、これは従来の金属台に相当する。この金
属台の30℃〜310℃間の熱膨張測定結果が表１に示され
ている。
うにＦｅとＮｉを高周波真空溶解炉で５kg溶製したもの
を、熱間鍛造後、900℃、30minの焼鈍処理をおこない、
60％冷間加工を施した後430℃、30minの歪取焼鈍をおこ
なった。なお、これは従来の金属台に相当する。この金
属台の30℃〜310℃間の熱膨張測定結果が表１に示され
ている。
【００２７】表１により実施例１〜８に示す金属台は半
導体圧力検出器に用いられているガラス台のもつ熱膨張
率の7.61×10~4と同等かそれよりも小さい熱膨張率をも
ち、かつ、屈曲点が接合用ガラスの歪点310℃よりも高
い。
導体圧力検出器に用いられているガラス台のもつ熱膨張
率の7.61×10~4と同等かそれよりも小さい熱膨張率をも
ち、かつ、屈曲点が接合用ガラスの歪点310℃よりも高
い。
【００２８】また、比較例２〜５に示す金属台はガラス
台のもつ熱膨張率よりも大きい。このようにＮｉの含有
量が28.0ｗｔ％〜31.0ｗｔ％、Ｃｏの含有量が12.0ｗｔ
％〜14.0ｗｔ％の範囲から外れると上記熱膨張率が大き
くなることが判る。
台のもつ熱膨張率よりも大きい。このようにＮｉの含有
量が28.0ｗｔ％〜31.0ｗｔ％、Ｃｏの含有量が12.0ｗｔ
％〜14.0ｗｔ％の範囲から外れると上記熱膨張率が大き
くなることが判る。
【００２９】比較例１はＦｅ-Ｎｉ-Ｃｏ系合金に代表さ
れるコバ−ル合金（Ｆｅ-29Ｎｉ-17Ｃｏ）で表に示すよ
うに熱膨張率はガラス台よりも大きかった。
れるコバ−ル合金（Ｆｅ-29Ｎｉ-17Ｃｏ）で表に示すよ
うに熱膨張率はガラス台よりも大きかった。
【００３０】実施例１〜８及び比較例１〜６の金属台を
用いて半導体圧力検出器を作製し、その特性を評価し
た。その結果、比較例に係る金属台はガラス台が割れて
接合不良を生じたり、更には、残留歪が大きいために特
性が悪く圧力検出器用の金属台に用いるには好ましくな
かった。
用いて半導体圧力検出器を作製し、その特性を評価し
た。その結果、比較例に係る金属台はガラス台が割れて
接合不良を生じたり、更には、残留歪が大きいために特
性が悪く圧力検出器用の金属台に用いるには好ましくな
かった。
【００３１】これに対して実施例１〜８に係る金属台は
ガラスが割れること無く、気密性試験における接合部の
漏れ量も1010atm・cc/ｓ以下（ヘリウムリ−ク量）で完
全に気密が保たれており、接合後の歪が無いためにシリ
コンダイヤフラムへの歪の影響が無いことから高精度の
半導体圧力検出器が得られた。
ガラスが割れること無く、気密性試験における接合部の
漏れ量も1010atm・cc/ｓ以下（ヘリウムリ−ク量）で完
全に気密が保たれており、接合後の歪が無いためにシリ
コンダイヤフラムへの歪の影響が無いことから高精度の
半導体圧力検出器が得られた。
【００３２】上記実施例において使用した接合用ガラス
は日電硝子製の低熱膨張、低融点ガラス、商品型番ＬＳ
−1003で組成はＰｂＯ−Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2系ガラスに熱
膨張を小さくするためにＰｂＴｉＯ3のフィラ−が添加
されたものである。
は日電硝子製の低熱膨張、低融点ガラス、商品型番ＬＳ
−1003で組成はＰｂＯ−Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2系ガラスに熱
膨張を小さくするためにＰｂＴｉＯ3のフィラ−が添加
されたものである。
【００３３】またガラス台にはシリコンダイヤフラムと
熱膨張係数が近似しているパイレックスガラスを用い、
5.7mm（角）×2.0mm（厚さ）に機械加工して使用した。
熱膨張係数が近似しているパイレックスガラスを用い、
5.7mm（角）×2.0mm（厚さ）に機械加工して使用した。
【００３４】本発明に係る半導体圧力検出器の断面構造
を図１に示す。同図に示すように半導体圧力検出器は、
シリコンダイヤフラム１とガラス台２と金属台４とから
なり、ガラス台２と金属台４とが接合用ガラス３ニによ
って接合され、センサ部を形成している。ガラス台２と
シリコンウェハ１とはアノーデックボンデングされる。
を図１に示す。同図に示すように半導体圧力検出器は、
シリコンダイヤフラム１とガラス台２と金属台４とから
なり、ガラス台２と金属台４とが接合用ガラス３ニによ
って接合され、センサ部を形成している。ガラス台２と
シリコンウェハ１とはアノーデックボンデングされる。
【００３５】シリコンウェハ１は5.7mm角で0.25〜0.5mm
の厚さを有する。ガラス台２は直径2〜3.5mmの穴が設け
られ、Ｆｅ-Ｎｉ合金からなる金属台４とは0.1〜0.2mm
の厚さでガラス接合される。
の厚さを有する。ガラス台２は直径2〜3.5mmの穴が設け
られ、Ｆｅ-Ｎｉ合金からなる金属台４とは0.1〜0.2mm
の厚さでガラス接合される。
【００３６】金属台４は直径0.3〜0.4mmの外径と内径0.
7〜1.3mmのパイプによって構成される。
7〜1.3mmのパイプによって構成される。
【００３７】本発明に係る半導体圧力検出器を用いたイ
ンテリジェント差圧伝送器の構成を図５及び図６に示
す。これらの図においてインテリジェント差圧伝送器
は、シールダイアフラム１１、センターダイアフラム１
４及び半導体センサ１３を有する圧力検出部９と、信号
処理部１５と、端子板１６と、表示部１７とから構成さ
れている。
ンテリジェント差圧伝送器の構成を図５及び図６に示
す。これらの図においてインテリジェント差圧伝送器
は、シールダイアフラム１１、センターダイアフラム１
４及び半導体センサ１３を有する圧力検出部９と、信号
処理部１５と、端子板１６と、表示部１７とから構成さ
れている。
【００３８】検出器本体のシールダイアフラム１１、１
１は例えば、プロセスの高圧側、低圧側に連通可能に設
けられており、プロセスの高圧側及び低圧側の差圧がシ
ールダイアフラム１１、１１内の封入液１２、センター
ダイアフラム１４を介して半導体センサの受圧部に加圧
されるようになっている。
１は例えば、プロセスの高圧側、低圧側に連通可能に設
けられており、プロセスの高圧側及び低圧側の差圧がシ
ールダイアフラム１１、１１内の封入液１２、センター
ダイアフラム１４を介して半導体センサの受圧部に加圧
されるようになっている。
【００３９】半導体センサ１３は、ピエゾ抵抗効果によ
り圧力を電気抵抗値に変換する半導体拡散ゲ−ジを含む
ブリッジ回路及びこのブリッジ回路で検出された信号を
増幅する増幅回路を有している。
り圧力を電気抵抗値に変換する半導体拡散ゲ−ジを含む
ブリッジ回路及びこのブリッジ回路で検出された信号を
増幅する増幅回路を有している。
【００４０】また信号処理部１５は、半導体センサ１３
の出力信号をディジタル処理するためのＡ／Ｄ変換器、
マイクロプロセッサ、ＲＯＭ及び出力回路を有してい
る。
の出力信号をディジタル処理するためのＡ／Ｄ変換器、
マイクロプロセッサ、ＲＯＭ及び出力回路を有してい
る。
【００４１】上記構成においてプロセスから差圧導入口
１０に導入された高圧側及び低圧側の各圧力はシ−ルダ
イアフラム１１、１１に加わり、封入液１２及びセンタ
ーダイアフラム１４を介して半導体センサ１３に伝達さ
れ、その結果、ピエゾ抵抗効果により半導体センサ１３
内の半導体拡散ゲ−ジの抵抗値が変化し、この変化をブ
リッジ回路により取り出し、その検出信号を増幅回路に
より増幅して出力信号を得る。この上記高圧側及び低圧
側の圧力の差圧を示す電気信号を信号処理部１５により
ディジタル処理し、所定のフォーマットの伝送データを
作成し、図示してない伝送路に出力すると共に、表示部
１７に検出データをディジタル表示させるための制御信
号を出力する。この結果、表示部１７にプロセスの差圧
に関する検出データがディジタル表示される。
１０に導入された高圧側及び低圧側の各圧力はシ−ルダ
イアフラム１１、１１に加わり、封入液１２及びセンタ
ーダイアフラム１４を介して半導体センサ１３に伝達さ
れ、その結果、ピエゾ抵抗効果により半導体センサ１３
内の半導体拡散ゲ−ジの抵抗値が変化し、この変化をブ
リッジ回路により取り出し、その検出信号を増幅回路に
より増幅して出力信号を得る。この上記高圧側及び低圧
側の圧力の差圧を示す電気信号を信号処理部１５により
ディジタル処理し、所定のフォーマットの伝送データを
作成し、図示してない伝送路に出力すると共に、表示部
１７に検出データをディジタル表示させるための制御信
号を出力する。この結果、表示部１７にプロセスの差圧
に関する検出データがディジタル表示される。
【００４２】本実施例によれば、従来の伝送器に比べて
精度が向上し、高信頼性が得られることを確認した。
精度が向上し、高信頼性が得られることを確認した。
【００４３】本実施例におけるインテリジェント差圧伝
送器は以下の特徴を有する。
送器は以下の特徴を有する。
【００４４】（１）高性能、高信頼電子回路１８が設け
られ、高集積ＡＳＩＣの採用と表面実装化による耐振性
の向上が図られている。
られ、高集積ＡＳＩＣの採用と表面実装化による耐振性
の向上が図られている。
【００４５】（２）インテリジェント表示１７によりカ
スタムＬＣＤによる高精度ディジタル表示とアナログバ
ーグラフ、ステータスが同時表示される。
スタムＬＣＤによる高精度ディジタル表示とアナログバ
ーグラフ、ステータスが同時表示される。
【００４６】（３）１９において既設への対応ができ、
左右いずれからも配線可能でソフトスイッチによるＨ／
Ｌ切替可能になっている。
左右いずれからも配線可能でソフトスイッチによるＨ／
Ｌ切替可能になっている。
【００４７】（４）２０において外部ゼロ調を有し、非
接触、高信頼の磁気式機構装備を有する。
接触、高信頼の磁気式機構装備を有する。
【００４８】（５）２１においてフランジレス構造を有
し、液漏れのない高信頼のシール構造と耐食性に優れた
ハステロイＣ材ダイアフラムになっている。
し、液漏れのない高信頼のシール構造と耐食性に優れた
ハステロイＣ材ダイアフラムになっている。
【００４９】（６）２２においてセンサチェック機能を
有し、センサ異常を測定中検出できるものである。
有し、センサ異常を測定中検出できるものである。
【００５０】（７）新型複合センサ２３を有し、小型高
性能エッチングセンサからなるものである。
性能エッチングセンサからなるものである。
【００５１】図７はシリコンダイヤフラム１の断面図で
ある。同図においてシリコンウェハにｐ＋及びｎ＋の領
域が設けられ、ＳｉＯ2膜、Ａｌ配線及びＡｌＦ膜が各
々設けられている。
ある。同図においてシリコンウェハにｐ＋及びｎ＋の領
域が設けられ、ＳｉＯ2膜、Ａｌ配線及びＡｌＦ膜が各
々設けられている。
【００５２】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明に係る半
導体圧力検出器は、用いる金属台の熱膨張率が小さく、
屈曲点の温度が高いために、接合用ガラスの選択範囲を
拡張できるので接合時のガラス台と金属台との無理な接
合が無くなり、接合性が優れ、かつ、高信頼性が得られ
る。
導体圧力検出器は、用いる金属台の熱膨張率が小さく、
屈曲点の温度が高いために、接合用ガラスの選択範囲を
拡張できるので接合時のガラス台と金属台との無理な接
合が無くなり、接合性が優れ、かつ、高信頼性が得られ
る。
【図１】本発明に係る半導体圧力検出器の構造を示す縦
断面図である。
断面図である。
【図２】本発明に係る半導体圧力検出器に用いられる金
属台の熱膨張率特性の一例を、従来の半導体圧力検出器
に用いられる金属台、ガラス台及び接合用ガラスの熱膨
張率特性と比較して示した図である。
属台の熱膨張率特性の一例を、従来の半導体圧力検出器
に用いられる金属台、ガラス台及び接合用ガラスの熱膨
張率特性と比較して示した図である。
【図３】本発明に係る半導体圧力検出器に用いられる金
属台の加工度をパラメータにした熱膨張率特性の一例を
示す図である。
属台の加工度をパラメータにした熱膨張率特性の一例を
示す図である。
【図４】本発明に係る半導体圧力検出器に用いられる金
属台の加工度と熱膨張率との関係の一例を示す特性図で
ある。
属台の加工度と熱膨張率との関係の一例を示す特性図で
ある。
【図５】本発明に係る半導体圧力検出器を用いたインテ
リジェント差圧伝送器の全体構成を示す斜視図である。
リジェント差圧伝送器の全体構成を示す斜視図である。
【図６】図５に示すインテリジェント差圧伝送器の電気
的構成を示す説明図である。
的構成を示す説明図である。
【図７】図１におけるシリコンダイヤフラムの構造を示
す断面図である。
す断面図である。
１ シリコンダイヤフラム ２ ガラス台 ３ 接合用ガラス ４ 金属台 ９ 圧力検出部 １０ 差圧導入口 １１ シールダイアフラム １２ 封入液 １３ 半導体センサ １４ センタダイアフラム １５ 信号処理部 １６ 端子板 １７ 表示部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 芳巳 茨城県ひたちなか市市毛882番地 株式 会社 日立製作所 計測器事業部内 (72)発明者 青木 賢一 茨城県ひたちなか市市毛882番地 株式 会社 日立製作所 計測器事業部内 (72)発明者 飛田 朋之 茨城県ひたちなか市市毛882番地 株式 会社 日立製作所 計測器事業部内 (56)参考文献 特開 昭57−23830（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−186136（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−109570（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−256715（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−258162（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−61632（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−186136（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01L 13/06 G01L 9/04
Claims (3)
- 【請求項１】 感歪素子を有するシリコンダイヤフラム
と、前記シリコンダイヤフラムに接合されたガラス台ま
たはセラミック台と、前記ガラス台またはセラミック台
に接合用ガラスで接合された金属台とを備えた半導体圧
力検出器において、前記金属台は、Ｎｉ含有量が２８．０〜３１．０重量
％、Ｃｏ含有量が１２．０〜１４．０重量％でかつＮｉ
＋Ｃｏ含有量が４１重量％以上、及びＦｅ含有量が残部
からなるＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金であり、加工マルテンサ
イト組織を有するＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金である ことを特
徴とする半導体圧力検出器。 - 【請求項２】 前記Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金は、加工度５
〜４０％の冷間加工を行なったＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金で
あることを特徴とする請求項１に記載の半導体圧力検出
器。 - 【請求項３】 請求項１に記載の半導体圧力検出器を有
することを特徴とするインテリジェント差圧・圧力伝送
器。
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