JP7492040B2 - 圧力センサアセンブリ - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、工業プロセス送信機に関し、より詳細には、そのような送信機で使用するための圧力センサアセンブリに関する。

プロセス送信機などの工業プロセスフィールド装置は、工業プロセス制御および監視システムで使用され、工業プロセス変数を監視し、プロセス変数の測定値を、例えば、化学、石油、ガス、医薬品、または別の流体処理プラントの制御室に伝達する。用語「プロセス変数」は、物質の物理的または化学的状態、またはエネルギの変換を指す。プロセス変数の例には、圧力、温度、流量、導電率、ｐＨ、及び他の特性が含まれる。

圧力送信機、および他の圧力感知フィールド装置または機器は、プロセス流体の圧力などの圧力を感知する圧力センサを含む。圧力センサは、検知された圧力を示す電気出力を提供する。感知された圧力は、圧力送信機の回路によって処理され、かつ／または外部制御ユニットに伝達されてもよい。

いくつかのタイプの圧力センサは、送信機の本体からの電気的絶縁を必要とする。また、プロセス圧力を圧力センサに伝達するオイル充填隔離ユニットを確実に封止する必要がある場合がある。

本発明の実施形態は、概して、圧力センサアセンブリ、および圧力センサアセンブリを製造する方法に関する。

圧力センサアセンブリの一実施形態は、圧力センサと、ペデスタルと、ヘッダキャビティを有する導電性ヘッダとを含む。圧力センサは、周辺支持領域の間に延在するセンサダイアフラムを有する導電性感知層を含み、センサダイアフラムは、周辺支持領域に対して厚さが低減されている。また、圧力センサは、感知層の上面に接合された底面を有する導電性裏打ち層と、裏打ち層の上面に接合された底面を有する電気絶縁層と、センサダイアフラムの第１の側の第１の圧力と、第１の側とは反対側のセンサダイアフラムの第２の側の第２の圧力との間の圧力差に応答してセンサダイアフラムの撓みに基づいて変化する電気パラメータを有するセンサ素子と、を含む。ペデスタルは、電気絶縁層の上面に接合された底面を含む。ペデスタルは、ヘッダキャビティ内のヘッダに取り付けられ、電気絶縁層は、感知層をペデスタル及びヘッダから電気的に絶縁する。

圧力センサアセンブリを製造する方法の一例では、圧力センサは、導電性裏打ち層の上面を電気絶縁層の底面に接合することによって形成される。周辺支持領域の間に延在するセンサダイアフラムを含む導電性感知層が提供される。センサダイアフラムは、周辺支持領域と比べて厚さが薄い。感知層の上面は、裏打ち層の底面に接合される。センサダイアフラムの第１の側の第１の圧力と、第１の側とは反対側のセンサダイアフラムの第２の側の第２の圧力との間の圧力差に応答してセンサダイアフラムの撓みに基づいて変化する電気パラメータを有するセンサ素子が形成される。圧力センサは、ペデスタルの底面を電気絶縁層の上面に接合することによってペデスタルに取り付けられる。ペデスタルは、ヘッダキャビティ内の導電性ヘッダに取り付けられる。電気絶縁層は、圧力センサをペデスタル及びヘッダから電気的に絶縁する。

圧力センサアセンブリの別の実施形態は、圧力センサと、ペデスタルと、ヘッダキャビティを有する導電性ヘッダとを含む。圧力センサは、周辺支持領域の間に延在するセンサダイアフラムを含む導電性感知層を含む。センサダイアフラムは、周辺支持領域と比べて厚さが薄い。また、圧力センサは、第１の電気絶縁接合を介して感知層の上面に接合された底面を有する第１の裏打ち層と、センサダイアフラムの第１の側の第１の圧力と、第１の側とは反対側のセンサダイアフラムの第２の側の第２の圧力との間の圧力差に応答してセンサダイアフラムの撓みに基づいて変化する電気パラメータを有するセンサ素子と、を含む１以上の導電性裏打ち層を有する裏打ち層アセンブリを含む。切り欠きが、感知層及び裏打ち層アセンブリのうちの少なくとも１つの露出した非絶縁側に形成される。切り欠きは、圧力センサの導電性側縁の間にギャップを画定し、このギャップは、導電性側縁の間の電圧アーク放電からの電気絶縁を提供する。ペデスタルは、裏打ち層アセンブリの上面に接合された底面を含む。第１の電気絶縁層は、感知層をペデスタル及びヘッダから電気的に絶縁する。

この概要は、以下の「発明を実施するための形態」でさらに説明する概念の選択肢を簡略化した形で紹介するために提供される。この「発明の概要」は、特許請求される主題の主要な特徴又は本質的な特徴を識別することを意図するものではなく、特許請求される主題の範囲を決定する際の助けとして使用されることを意図するものでもない。特許請求される主題は、「背景技術」で言及された任意のまたはすべての欠点を解決する実装形態に限定されない。

本発明の実施形態に係るプロセス制御又は測定システムにおける圧力送信機の一例を示す部分断面図である。 本発明の実施形態による、図１の圧力送信機の一部の断面図である。 本発明の実施形態による、圧力センサアセンブリの一部の単純化した断面図である。 本発明の実施形態による、圧力センサおよび圧力センサアセンブリを製造する方法のステップを示す単純化された側面断面図である。 本発明の実施形態による、圧力センサおよび圧力センサアセンブリを製造する方法のステップを示す単純化された側面断面図である。 本発明の実施形態による、圧力センサおよび圧力センサアセンブリを製造する方法のステップを示す単純化された側面断面図である。 本発明の実施形態による、圧力センサおよび圧力センサアセンブリを製造する方法のステップを示す単純化された側面断面図である。 本発明の実施形態による、圧力センサ及び圧力センサアセンブリの一例の単純化された断面図である。 本発明の実施形態による電気絶縁接合の一例を示す、図５の一部の拡大図である。 本発明の実施形態による、圧力センサアセンブリおよび圧力センサの単純化された断面図である。 本発明の実施形態による、圧力センサアセンブリおよび圧力センサの単純化された断面図である。 本発明の実施形態による、圧力センサアセンブリおよび圧力センサの単純化された断面図である。 本発明の実施形態による、圧力センサアセンブリおよび圧力センサの単純化された断面図である。 本発明の実施形態による、圧力センサアセンブリおよび圧力センサの単純化された断面図である。 本発明の実施形態によるセンサアセンブリの断面図である。 本発明の実施形態による、図１２のセンサアセンブリの裏打ち層の底面図である。 本発明の実施形態による、図１２の圧力センサアセンブリの断面図である。 本発明の実施形態による、図１２の圧力センサアセンブリの裏打ち層の底面図である。 本発明の実施形態によるセンサアセンブリの単純化された断面図である。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態をより詳細に説明する。また、同一又は類似の符号を用いて識別される要素は、同一又は類似の要素を示すものとする。また、図示を分かり易くするために、各図に示す構成要素の一部を省略している場合がある。

本開示の様々な実施形態は、多くの異なる形態で実施されてもよく、本明細書で説明される特定の実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、この開示が完全かつ完全となり、本開示の範囲を当業者に完全に伝えるように提供される。

図１は、本発明の実施形態による、圧力送信機１０２を含むプロセス制御又は測定システム１００の一例の部分断面図である。図２は、図１の送信機１０２の一部の断面図である。システム１００は、材料（例えば、プロセス媒体）の処理に使用されて、材料をより価値の低い状態から、石油、化学品、紙、食品などのより価値があり有用な製品に変換することができる。例えば、システム１００は、原油をガソリン、燃料油、及び他の石油化学製品に加工することができる工業プロセスを実施する石油精製所で使用することができる。

圧力送信機１０２は、プロセスカップリング１０８を介して産業プロセス１０６に結合され得るハウジング１０４を含み得る。ハウジング１０４及びプロセスカップリング１０８は、ステンレス鋼又は他の適切な材料で形成することができる。送信機１０２は、ハウジング１０４に取り付けられ、かつ／またはハウジング１０４内に収納された圧力センサアセンブリ１１０を含む。アセンブリ１１０は、プロセスの圧力を測定するために、本明細書で説明する１つまたは複数の実施形態に従って形成された圧力センサまたは圧力センサダイ１１２（以下、「圧力センサ」）を含む。圧力センサアセンブリ１１０は、図２に最もよく示されるように、ヘッダ１１４と、圧力センサ１１２をヘッダ１１４に接続するペデスタル１１６とを含むことができる。

プロセスカップリング１０８は、プロセス１０６に接続され、圧力センサ１１２によって測定されるべき圧力Ｐのプロセス材料（例えば、流体）を含むパイプ１１８に接続することができる。プロセスカップリング１０８は、図１に示されるように、圧力センサ１１２をプロセス材料に曝すことなく圧力Ｐを圧力センサ１１２に伝達する際に使用するための隔離ダイアフラム１２０を含むことができる。隔離ダイアフラム１２０は、ヘッダ１１４を通って圧力センサ１１２を含むキャビティ１４４まで延びる流体経路１２２の端部をシールする。圧力Ｐがプロセス材料から印加されると、隔離ダイアフラム１２０は、流体経路１２２に含まれる充填流体に対して圧力を及ぼし、その結果、圧力Ｐは、充填流体を通じて測定のために圧力センサ１１２に伝達される。

圧力センサ１１２は、印加された圧力Ｐを示す電気パラメータを有するセンサ素子を含む。測定回路１２４は、適切な電気接続１２６を通じてセンサ素子の電気パラメータを検知し、処理して、検知された圧力Ｐの値を確立することができる。測定回路１２４は、図１に示されるように、プロセス制御ループ１３２を通じて、検知された圧力Ｐの値など、検知された圧力Ｐに関する情報を外部のコンピュータ化された制御ユニット１３０に通信するための通信回路１２８を有する送信機１０２の端子ブロック１２７に接続することができる。

圧力送信機１０２は、図２に示されるように、ハウジング１０４内の通気口１３５などを通じて、センサ１１２を周囲圧力又は空気に接続するための経路１３４を含むことができる。この経路は、ペデスタル１１６を通って延びることができる。

いくつかの実施形態では、プロセス制御ループ１３２は、図１に示されるように、２線式制御ループなどの物理通信リンク、および／または無線通信リンクを含む。制御ユニット１３０、または別の外部コンピューティング装置と圧力送信機１０２との間の通信は、従来のアナログおよび／またはデジタル通信プロトコルに従って、制御ループ１３２を介して実行され得る。いくつかの実施形態では、２線式制御ループ１３２は、４～２０ミリアンペアの制御ループを含み、測定された圧力値は、２線式制御ループ１３２を通って流れるループ電流のレベルによって表すことができる。例示的なデジタル通信プロトコルは、ＨＡＲＴ（登録商標）通信規格などに従った、２線式制御ループ１３２のアナログ電流レベルへのデジタル信号の変調を含む。ＦｉｅｌｄＢｕｓおよびＰｒｏｆｉｂｕｓ通信プロトコルを含む他の純粋にデジタルの技法を使用することもできる。

プロセス制御ループ１３２の例示的なワイヤレスバージョンは、例えば、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ（登録商標）（ＩＥＣ ６２５９１）もしくはＩＳＡ １００．１１ａ（ＩＥＣ ６２７３４）などのワイヤレスメッシュネットワークプロトコル、またはＷｉＦｉ、ＬｏＲａ、Ｓｉｇｆｏｘ、ＢＬＥ、もしくは任意の他の適切なプロトコルなどの別のワイヤレス通信プロトコルを含む。

電力は、任意の適切な電源から圧力送信機１０２に供給することができる。例えば、圧力送信機１０２は、制御ループ１３２を流れる電流によって完全に電力供給されてもよい。また、１つまたは複数の電源を利用して、内部バッテリまたは外部バッテリなどの圧力送信機１０２に電力を供給することができる。また、発電機（例えば、ソーラーパネル、風力発電機など）を用いて圧力送信機に電力を供給したり、圧力送信機１０２が用いる電源を充電したりすることもできる。

図３は、本発明の実施形態による、ゲージ圧力アセンブリなどの圧力センサアセンブリ１１０の一部の単純化した断面図である。圧力センサアセンブリ１１０は、本発明の実施形態に従って形成された圧力センサ１１２を含み、この圧力センサ１１２は、ペデスタル１１６を通じて導電性ヘッダ１１４（例えば、ステンレス鋼）に取り付けられる。圧力センサ１１２の上面１３６は、ペデスタル１１６の底面１３８に取り付けられ、ペデスタル１１６の上面１４０は、ヘッダ１１４のキャビティ１４４内などのヘッダ１１４の表面１４２に取り付けられる。

圧力センサ１１２を保護し、適切な動作を確保するために、導電性であってもよいヘッダ１１４、ハウジング１４０、及びプロセスカップリング１０８から圧力センサ１１２を電気的に絶縁する必要がある。圧力センサ１１２をこのように電気的に絶縁する従来の技術では、一般に、ヘッダ１１４からの電荷及び電流が圧力センサ１１２に到達するのを阻止する電気絶縁ペデスタル１１６を使用する必要がある。例えば、ペデスタル１１６は、圧力センサ１１２をヘッダ１１４から電気的に絶縁するセラミック又は別の電気絶縁材料で形成された少なくとも一部を含むことができる。しかし、このような構成では、材料の熱膨張係数が実質的に不整合であるため、電気絶縁性ペデスタル１１６と圧力センサ１１２の接合部に高い応力が生じる可能性がある。

本発明のいくつかの実施形態は、一体化された電気的絶縁特徴を有する改善された圧力センサ設計に関する。電気的絶縁特徴のいくつかは、ウェハスタックアセンブリステージで実装されてもよく、その結果、コストおよび複雑さが大幅に削減され、一方で品質が改善される。いくつかの実施形態のさらなる利点は、高められた応力隔離を提供する圧力センサ形状、および他の利点を含む。

圧力センサ１１２の一実施形態は、図３に示されるように、導電性感知層１５０、導電性裏打ち層１５２、及び電気絶縁層１５４を含む。いくつかの実施形態では、導電性感知層１５０および導電性裏打ち層１５２は、それぞれ結晶シリコンを含み、別々のウェハ内に形成することができる。電気絶縁層１５４は、感知層１５０をペデスタル１１６及びヘッダ１１４から電気的に絶縁する。電気絶縁層１５４は、例えば、ガラス、セラミック、ホウケイ酸ガラス、窒化ケイ素、二酸化ケイ素、又は窒化アルミニウムセラミックから形成されてもよいし、これらを含んでもよく、また、ウェハ内に形成されてもよい。いくつかの実施形態では、層１５０、１５２、および１５４のそれぞれは、１２．５ミルなど、２０ミル未満とすることができる圧力センサの軸１５６に沿って測定される厚さを有する。

圧力センサ１１２に組み込まれた電気的絶縁のために、ペデスタル１１６が従来のペデスタル１１６に従って電気的絶縁機能を提供する必要はない。いくつかの実施形態は、これを利用して、ペデスタル１１６とヘッダ１１４との間の接合部、及びペデスタル１１６と圧力センサ１１２との間の接合部における応力を低減する。いくつかの実施形態では、ペデスタル１１６は、Ｋｏｖａｒ（登録商標）または他の適切な導電性材料などの導電性材料で形成され、図３に示されるように、電気絶縁層１５４の実質的に平坦な表面１３６に接合される実質的に平坦な表面１３８を含む。好ましくは、電気絶縁層１５４は、ペデスタル１１６を形成する材料と同様の熱膨張係数を有する上述のような材料で形成され、それらの接合部で顕著な応力が発生する可能性をさらに低減する。いくつかの実施形態では、電気絶縁層１５４の表面１３６とペデスタル１１６の表面１３８との間の接合１５７は、はんだ接合または別の適切な接合によって形成することができる。ペデスタル１１６とヘッダ１１４との間の接合部１５８は、ろう付け接合部、又は別の適切な接合部を含むことができる。

導電性裏打ち層１５２は、接合１６４によって感知層１５０の上面１６２に接合された底面１６０を有し、電気絶縁層１５４は、接合１７０によって裏打ち層１５２の上面１６８に接合された底面１６６を有する。接合１６４及び１７０は、ガラスフリット接合を含むことができ、ガラスフリット接合は、接合される表面上に電気絶縁材料（例えば、熱成長二酸化シリコン）を含むことができ、ペデスタル１１６及びヘッダ１１４からの感知層１５０の電気的絶縁を高めることができる。あるいは、接合部１６４および１７０は、熱圧縮接合部、融着接合部、陽極接合部、または別の適切な接合部を含んでもよい。

いくつかの実施形態では、裏打ち層１５２と電気絶縁層１５４との間の接合部１７０は、電気絶縁層１５４と裏打ち層１５２の経路１７４を通る経路１７２の接合部を封止（例えば、密封）する。さらに、電気絶縁層１５４とペデスタル１１６との間の接合部１５７（例えば、はんだ接合部）は、ペデスタル１１６を通る流体経路１３４と、電気絶縁層１５４を通る流体経路１７２との接合部も封止（例えば、気密封止）する。

感知層１５０は、周辺支持領域１７８の間に延在するセンサダイアフラム１７６を使用して圧力Ｐを感知するように構成される。センサダイアフラム１７６は、周辺支持領域１７８に対してセンサ１１２の軸１５６に沿って測定した厚さが薄い。キャビティ１８０が、周辺支持領域１７８とセンサダイアフラム１７６との間の感知層１５０に形成されている。裏打ち層１５２と感知層１５０との間の接合部１６４は、経路１７４をキャビティ１８０に封止（例えば、気密封止）する。したがって、キャビティ１８０は、経路１３４を通じて周囲圧力に曝され、一方、センサダイアフラム１７６の反対側のキャビティ１４４は、流体経路１２２を通じて充填流体によって連通されるプロセス圧力Ｐに曝される（図１）。

センサダイアフラム１７６は、キャビティ１４４内の圧力Ｐとキャビティ１８０内の圧力との圧力差に応答して収縮する又は撓む。圧力Ｐの測定には、ダイアフラム１７６の撓みと圧力Ｐとの既知の関係が用いられる。

一実施形態では、センサ素子１８２は、センサダイアフラム１７６の撓みを検知し、それによって圧力Ｐを検知するために使用される。図３に示されるように、センサ素子１８２は、感知層１５０の表面１８４上など、センサダイアフラム１７６内又はセンサダイアフラム１７６上に搭載されてもよく、センサダイアフラム１７６のたわみに基づいて変化する電気パラメータを有する。測定回路１２４は、電気接続１２６を通じてセンサ素子１８２の電気パラメータの測定値を検出又は受信することができる。

いくつかの実施形態では、センサ素子１８２は、１つまたは複数の歪みゲージを含むことができる。センサダイアフラム１７６がキャビティ１８０内のプロセス圧力Ｐに応答して撓むと、歪みゲージの電気パラメータ（例えば、抵抗）が変化し、プロセス圧力Ｐを表す。

図４Ａ～図４Ｄは、本発明の実施形態による、圧力センサ１１２及び圧力センサアセンブリ１１０を製造する方法の一例を示す単純化された側面断面図である。いくつかの実施形態では、感知層１５０、裏打ち層１５２、および電気絶縁層１５４は、仮想線で示されるように、それぞれのウェハ内にそれぞれ形成されてもよい。さらに、センサの大量生産を可能にするために、感知層１５０、裏打ち層１５２、および電気絶縁層１５４の複数の形成を各ウェハに形成することができる。層１５０、１５２、１５４の特徴は、従来のエッチング、または他の適切な技法を使用してウェハに形成することができる。

図４Ａに示されるように、裏打ち層１５２及び電気絶縁層１５４は、裏打ち層１５２の経路１７４を電気絶縁層１５４の経路１７２と整列させて設けることができる。次いで、裏打ち層１５２の表面１６８は、図４Ｂに示されるように、接合部１７０によって電気絶縁層１５４の表面１６６に接合される。上述したように、接合１７０は、裏打ち層１５２の経路１７４と電気絶縁層１５４の経路１７２との間の接合部を封止する。

感知層１５０は、図４Ｃに示されるように、キャビティ１８０が裏打ち層１５２の経路１７４と位置合わせされるように配置されてもよい。次いで、接着剤１６４を使用して、感知層１５０の表面１６２を裏打ち層１５２の表面１６０に接着して、図４Ｄに示される圧力センサ１１２を形成する。いくつかの実施形態では、接合部１６４は、裏打ち層１５２の経路１７４とキャビティ１８０との間の接合部を封止する。

本方法の実施形態は、上記の特定の順序に限定されない。例えば、感知層１５０は、裏打ち層１５２を電気絶縁層１５４に接合する前に、裏打ち層１５２に接合することができる。他の調整を行ってもよい。

本方法のいくつかの実施形態では、図４Ｄに示されるように、金属層１８６が電気絶縁層１５４の表面１３６上に形成される。金属層１８６は、図３に示されるように、電気絶縁層１５４の表面１３６をペデスタル１１６の表面１３８に取り付けるためのはんだを含むことができる。次いで、圧力センサアセンブリ１１０（図３）は、ペデスタル１１６の表面１４０とヘッダ１１４の表面１４２との間に接合（例えば、ろう付け接合）１５８を形成することなどによって、ペデスタル１１６をヘッダ１１４に接続することによって完了することができる。

図４Ｄに示される圧力センサ１１２が、ウェハのスタックに形成された複数の圧力センサのうちの１つである場合、圧力センサ１１２の各々は、ライン１８８に沿って切断して個々の圧力センサ１１２をウェハのスタックから分離する適切なダイ切断プロセスを使用して、ウェハのスタックから切断することができる。

図５は、本発明の実施形態による、圧力センサ１１２と圧力センサアセンブリ１１０の別の例の単純化した断面図である。圧力センサ１１２は、上記の１つ以上の特徴を含み得る導電性感知層１５０と、裏打ち層１５２Ａ及び１５２Ｂなどの１つ以上の導電性裏打ち層１５２を含む裏打ち層アセンブリ１９０を含む。上記で論じたように、これらの層は結晶シリコンを含むことができ、別々のウェハ内に形成することができる。さらに、上述のように、ウェハの積み重ね及び接合を通じて複数の圧力センサ１１２を同時に形成することができる。

経路１９２は、裏打ち層アセンブリ１９０を通って延在し、キャビティ１８０と接続する。図５の例において， 裏打ち層アセンブリを通る経路１９２は、導電性裏打ち層１５２Ａを通る経路１９２Ａと、導電性裏打ち層１５２Ｂの経路１９２Ｂとを含む。経路１９２に沿った接合部は、層を互いに接続する接合部１９４及び１９６によって封止することができる。

導電性裏打ち層１５２Ａの上面などの裏打ち層アセンブリ１９０の表面１９８は、任意の適切な技法を使用してペデスタル１１６に接続するように構成することができる。一実施形態では、はんだの層などの金属層１８６が、裏打ち層アセンブリ１９０の表面１９８上に形成され、図５に示されるように、圧力センサ１１２をペデスタル１１６に取り付けるために使用される。次いで、圧力センサ１１２に関して説明したように、ペデスタル１１６をヘッダ１１４（図３）に取り付けることができる。

いくつかの実施形態では、圧力センサ１１２は、感知層１５０及び／又はセンサ素子１８２の電気的絶縁のために、圧力センサ１１２の層１５４（図３）などの電気絶縁層に依存しない。 むしろ、感知層１５０又はセンサ素子１８２の電気的絶縁は、感知層１５０と裏打ち層アセンブリ１９０との間に形成された接合１９４、及び／又は裏打ち層１５２Ａと裏打ち層１５２Ｂとの間の接合１９６などの裏打ち層アセンブリ１９０の層間の接合によってもたらされる。

図６は、図５の部分２００の拡大図であり、本発明の実施形態による電気絶縁接合１９４の一例を示す。一実施形態では、電気絶縁性接合１９４は、感知層１５０の表面１６２及び裏打ち層１５２Ｂの表面２０６上の熱成長二酸化ケイ素などの電気絶縁材料の層又はコーティング２０２と、コーティング２０２と表面１６２及び２０６との接合（例えば、ガラスフリット接合）を形成するためのコーティング２０２間のガラス層２０８と、を含む。ガラスフリット接合１９４を使用して、ガラス層２０８をコーティング２０２に融着し、経路１９２Ｂとキャビティ１８０の接合部を封止することができる。同様の技法を使用して、裏打ち層１５２Ａと１５２Ｂの間に接合部１９６を形成することができる。

いくつかの実施形態では、コーティング２０２は、それぞれ、圧力センサ１１２の軸１５６に沿って測定された約０．１ミルの厚さ２１０を有し、ガラス層２０８は、約０．６ミルの厚さ２１２を有することができる。したがって、電気絶縁接合１９４または１９６の厚さは、約０．８ミルとすることができる。

１つまたは複数の電気絶縁接合は、電荷がペデスタル１１６から感知層１５０またはセンサ素子１８２に伝導されるのを阻止することができるが、各電気絶縁接合１９４、１９６の厚さは、図５の矢印２１６によって示されるように、センサ１１２がウェハスタックからダイカットされた後などに、圧力センサ１１２の非絶縁側面２１４と露出側面２１４の間に十分なギャップを提供しないことで、接合の周りの電気アーク放電（高電位故障）を防止することができる。ヘッダ１１４及びペデスタル１１６から圧力センサ１１２に印加することができる典型的な電圧では、このような電気的アーク放電を防止するために、導電性表面２１４の間に約５ミルのギャップが必要である。したがって、電気絶縁接合１９４および１９６は、高電位故障からの感知層１５０またはセンサ素子１８２の十分な保護を提供しない可能性がある。

図７～図１１は、本発明の実施形態による、圧力センサ１１２の非絶縁側部２１４間の電気アーク放電を防止するための特徴を含む圧力センサアセンブリ１１０および圧力センサ１１２の単純化された断面図である。いくつかの実施形態では、溝又は切り欠き２２０が、感知層１５０及び／又は裏打ち層アセンブリ１９０の露出及び非絶縁側面又は表面２１４に形成される。切り欠き２２０は、圧力センサ１１２の周囲を取り囲んで延在し、導電性側面２１４間の電気アーク放電を防止するのに十分な軸１５６に沿って延在するギャップ２２２を画定する。例えば、ギャップ２２２は、図８～１２に示されるように、８ミル又は１０ミルなど、５ミルよりも長い距離だけ軸に沿って延びることができる。

切り欠き２２０は、水酸化カリウム（ＫＯＨ）ウェットエッチングプロセスなどの任意の適切な技法を使用して、感知層１５０、および／または裏打ち層アセンブリ１９０の裏打ち層１５２の１つまたは複数に形成することができる。例えば、切り欠き２２０は、図７に示されるように、裏打ち層アセンブリの隣接する裏打ち層１５２Ａ及び１５２Ｂに形成することができる。これは、裏打ち層１５２が、例えば、１２．５ミルなどの２０ミル未満の厚さを有するウェハなどの比較的薄いウェハで形成される場合、切り欠きの好ましい位置となり得る。

図８～図１０は、切り欠き２２０が裏打ち層アセンブリ１９０の単一の裏打ち層１５２Ａ又は１５２Ｂに形成される圧力センサ１１２の例を示す。いくつかの実施形態では、切り欠き２２０を含む裏打ち層１５０は、例えば２０ミル又は３５ミルなど、１２．５ミルを超える厚さを有する。図９、１０に示されるように、ペデスタル１１６に付着した下裏打ち層１５２Ａに切り欠きが形成され、図１１に示されるように、 切り欠き２２０が、感知層１５０に付着する上側裏打ち層１５２Ｂに形成される。

いくつかの実施形態では、裏打ち層１５２Ａと１５２Ｂの間の絶縁接合１９６は、図８に示されるように、裏打ち層１５２Ｂの底面２２４などの隣接面のうちのより大きい方を横切って延在してもよい。あるいは、接合部１９６は、隣接する表面のうちの短い方を横切って延在してもよく、隣接する表面のうちの大きい方を超えて延在しない。例えば、接合部１９６は、図９に示されるように、裏打ち層１５２Ａの表面２２６、又は図１０に示されるように、裏打ち層１５２Ｂの表面２２４を覆って延在してもよい。

図１１は、感知層１５０と裏打ち層アセンブリ１９０との間に延在する切り欠き２２０を有する圧力センサ１１２を含む圧力センサアセンブリ１１０の単純化した断面図である。ここで、裏打ち層アセンブリ１９０は、単一の導電性裏打ち層１５２を含む。電気絶縁接合１９４が、感知層１５０の底面１６２を裏打ち層１５２の表面２０６に接合する。感知層１５０の厚さ、及び軸１５６に沿って測定される裏打ち層１５２の厚さは、例えば、１２．５ミルなどの約１０～１５ミルとすることができる。

本発明のさらなる実施形態は、電気絶縁層（例えば、図３の圧力センサの層１５４）、または導電性裏打ち層（例えば、層１５２Ａまたは１５２Ｂ）など、圧力センサ１１２の１つまたは複数の層内のペデスタル構造に関する。ペデスタル構造は、圧力センサ１１２の隣接する層間の接触面積を縮小することによって、感知層１５０に応力絶縁をもたらす。これにより、感知層１５０の動作に悪影響を及ぼす可能性のある有害な応力が感知層１５０に到達する可能性が低減される。また、各ペデスタル構造は、ウェットエッチング法などを用いて形成してもよい。

いくつかの実施形態では、層内のペデスタル構造は、圧力センサ１１２の軸１５６と、層を通って延在する経路の開口部とを取り囲み、経路の空洞を画定する壁を含む。この壁は、圧力センサ１１２の隣接する層の間の接触面積を縮小し、感知層１５０への応力分離の提供を助ける。

この壁の特徴の一例が、図８、図９の圧力センサ１１２に示されている。図８、９では、裏打ち層１５２Ａは、軸１５６に沿って上面１９８から裏打ち層１５２Ａの底面２２６まで垂直に延在する壁２３０を含む。壁２３０は軸１５６を取り囲み、裏打ち層１５２Ａを通る経路１９２Ａのキャビティ２３４の境界を画定する内面２３２を含む。壁２３０の外面２３６は、切り欠き２２０の内面を画定することができる。

いくつかの実施形態では、表面２３８は、壁２３０から経路１９２Ａの開口部２４０まで延在する。壁２３０には接触領域２４２が形成されており、この接触領域２４２は、この例では裏打ち層１５２Ｂである圧力センサ１１２の隣接層と、対応する接合部１９６を介して係合又は接合されている。接合１９６を介した裏打ち層１５２Ａと裏打ち層１５２Ｂとの間の小さな接触領域２４２は、ペデスタル１１６への取り付けによって裏打ち層１５２Ａに生じ得る応力を隔離し、感知層１５０へのそれらの応力の伝達を低減する。

壁特徴のさらなる例を図１０に示す。図１０では、壁２３０は裏打ち層１５２Ｂに形成され、小接触面２４２は表面２２４に形成される。

図１２及び図１３は、それぞれ、本発明の実施形態による、圧力センサアセンブリ１１０の断面図と、図１２のアセンブリ１１０の裏打ち層１５２Ａの底面図である。 ここで、切り欠き２３０は、図７に示される例よりも、軸１５６側へ向かう距離だけ裏打ち層１５２Ａの側面２１４を貫通している。その結果、上述した壁と同様に作動する壁２３０が形成される。例えば、壁２３０は、表面１９８から裏打ち層１５２Ａの表面１９６まで延在し、表面１９６は、図８に示される例と比べて、電気的に絶縁性の接合であってもよい接合１９６を通じて、隣接する裏打ち層１５２Ｂの表面２２４との接触面積が縮小されている。

図１４及び図１５は、それぞれ、本発明の実施形態による、圧力センサアセンブリ１１０の断面図、及び図１４のアセンブリ１１０の裏打ち層１５２Ａの底面図である。 この例では、裏打ち層１５２Ａは、壁２３０Ａ及び２３０Ｂなどの複数の壁２３０を含む。壁２３０の各々は、裏打ち層１５２Ａを通じて軸１５６及び流体キャビティ１９２Ａを取り囲み、壁２３０Ａは壁２３０Ｂを取り囲む。壁２３０Ａおよび２３０Ｂは、図７に示される例と比べて、隣接する裏打ち層１５２Ｂとの接触面積を縮小し、感知層１５０を裏打ち層１５２Ａ内の応力から隔離する。壁２３０Ａは、接合１９６を通じて裏打ち層１５２Ｂの表面２２４と接触するか又は取り付けられる表面２２６の接触領域２４２Ａを有し、壁２３０Ｂは、接合１９６を通じて裏打ち層１５２Ｂの表面２２４と接触するか又は取り付けられる上面２２６の接触領域２４２Ｂを有する。上述したように、接合１９６は、電気的に絶縁性の接合とすることができる。壁２３０Ａの外面２３６Ａは、切り欠き２２０の内面を形成することができ、壁２３０Ａの内面２３２Ａは、内部空洞２４４の境界を画定することができる。内部キャビティ２４４は、経路１９２とセンサ外部の両方からシールすることができ、これにより、裏打ち層１５２Ａの剛性を低下させることによって、センサマウントからダイアフラム１７６に引き起こされる応力を低減又は最小限に抑えることができる。壁２３０Ｂの外面２３６Ｂは、キャビティ２４４の境界を画定することができ、壁２３０Ｂの内面２３２Ｂは、裏打ち層１５２Ａを通る経路１９２Ａのキャビティ２３４の境界を画定することができる。

図１６は、本発明の実施形態による圧力センサアセンブリ１１０の単純化した断面図である。図１６に示す圧力センサアセンブリ１１０の例では、圧力センサ１１２の層２５６は、例えば図３の圧力センサアセンブリ１１０に対して短いペデスタル１１６を可能にする。ここで、圧力センサ１１２の層２５６は、図３の圧力センサ１１２の層１５４などの電気絶縁層、又は図５の層１５２のような導電性裏打ち層の形態をとってもよい。

図１６に示されるように、層２５６は、層２５６とヘッダ１１４との間にギャップ２５８を維持するようにそのウェハ形状（破線）に対して成形され、一方、層２５６の表面２６０は、図３に示されるように、ヘッダ１１４の肩部２６２の下ではなく、ヘッダ１１４の肩部２６２の上で軸１５６に沿って配置されることを可能にする。これにより、ヘッダ１１４の肩部２６２から軸１５６に沿って測定される圧力センサ１１２の高さ２６４を、図３に示されるような他の構成と比べて縮小することができる。さらに、ペデスタル１１６をより短く形成し、ペデスタルの表面１３８をヘッダ１１４の肩部２６２の上方に位置させることができる。その結果、圧力センサアセンブリ１１０は、図３に示されるような他の圧力センサアセンブリ設計よりもコンパクトに形成することができる。さらに、ヘッダ１１４のベース１４２（図３）からキャビティ１８０への短い流体経路１２２は、圧力センサアセンブリ１１０によって使用される充填流体容積の減少を可能にする。

上記のように、いくつかの実施形態では、金属層１８６（図４Ｄ、図５）、例えばはんだなど、が圧力センサ１１２の頂部に塗布され、圧力センサ１１２のペデスタル１１６への取り付けを容易にする。本発明のいくつかの実施形態は、金属層１８６が適用されると、適用された金属で圧力センサ１１２及びキャビティ１８０を通る経路が汚染される可能性を低減する特徴を含む。

一例では、１つまたは複数の制限２７０が、図４Ｄ，図５に示されるように、圧力センサ１１２の経路内に生成される。一実施形態では、各制限部２７０は、図４Ｄに示される圧力センサ１１２の層１５２や、図４Ｄに示される圧力センサ１１２の層１５２Ａ、１５２Ｂに設けられるような、経路のテーパ状セクションによって形成される。各制限部２７０は、裏打ち層１５２Ａの表面１９８への金属層１８６の適用中に、圧力センサ１１２及びキャビティ１８０を通る経路の潜在的な汚染に対する部分的なブロックを提供する。このような制限部２７０は、図４Ｄの圧力センサ１１２の電気絶縁層１５４に形成されていてもよい。

本発明の実施形態を好ましい実施形態を参照して説明したが、当業者は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、形態及び詳細において変更を行うことができることを認識するであろう。本開示の実施形態は、本明細書で説明される実施形態のうちの１つまたは複数の組み合わせを含む。例えば、センサ素子は、容量性電極と基準電極との間で測定され、プロセス圧力Ｐを示すキャパシタンスを有する容量性電極を備えてもよい。

Claims (33)

1. 周囲支持領域の間に延在し、前記周囲支持領域に対して厚さが薄いセンサダイアフラムを含む導電性の感知層と、
   前記感知層の上面に接合された底面を有する導電性の裏打ち層と、
   前記裏打ち層の上面に接合された底面を有する電気絶縁層と、
   前記センサダイアフラムの第１の側の第１の圧力と、前記第１の側とは反対側の前記センサダイアフラムの第２の側の第２の圧力との間の圧力差に応答して、前記センサダイアフラムの撓みに基づいて変化する電気パラメータを有するセンサ素子と、
   前記電気絶縁層の上面に接合された底面を含むペデスタルと、
   ヘッダキャビティを有する導電性のヘッダと、
   を含む圧力センサを備え、
   前記ペデスタルは、前記ヘッダキャビティ内の前記ヘッダに取り付けられ、前記電気絶縁層は、前記感知層を前記ペデスタル及び前記ヘッダから電気的に絶縁し、
   前記ペデスタルが導電性材料で形成されている、
   圧力センサアセンブリ。
2. 前記センサ素子が歪みゲージを含む、請求項１に記載の圧力センサアセンブリ。
3. 前記センサ素子に結合され、前記電気パラメータに基づいて圧力値を決定するように構成された測定回路をさらに含む、請求項１に記載の圧力センサアセンブリ。
4. 前記圧力センサは、前記電気絶縁層及び導電性の前記裏打ち層を通って、前記センサダイアフラムの第１の面に露出された前記感知層内のセンサキャビティへと延在する第１の経路を含み、
   前記感知層と前記裏打ち層との間の接合、及び前記裏打ち層と前記電気絶縁層との間の接合は、前記電気絶縁層から前記センサキャビティへの前記第１の経路を密閉する、請求項１に記載の圧力センサアセンブリ。
5. 前記接合が、フリット接合、熱圧縮接合、融着、または陽極接合からなる群から選択される、請求項４に記載の圧力センサアセンブリ。
6. 前記圧力センサアセンブリは、周囲空気への通気口を含み、
   前記ペデスタルは、前記第１の経路に接続された第２の経路を含み、
   前記ヘッダは、前記第２の経路と前記通気口に接続された第３の経路を含む、請求項４に記載の圧力センサアセンブリ。
7. 前記電気絶縁層は、導電性の前記裏打ち層の熱膨張係数と実質的に一致する熱膨張係数を有する材料を含む、請求項４に記載の圧力センサアセンブリ。
8. 導電性の前記感知層と導電性の前記裏打ち層は、それぞれ結晶シリコンを含み、
   前記電気絶縁層の材料は、ガラス、セラミック、ホウケイ酸ガラス、窒化ケイ素、及び窒化アルミニウムセラミックからなる群から選択される、請求項７に記載の圧力センサアセンブリ。
9. 前記ペデスタルの底面と前記電気絶縁層の上面が実質的に平坦な表面である、請求項８に記載の圧力センサアセンブリ。
10. 導電性の裏打ち層の上面を電気絶縁層の底面に接合し、
    周辺支持領域の間に延在し、前記周辺支持領域に対して厚さが低減されているセンサダイアフラムを含む導電性の感知層を提供し、
    前記感知層の上面を前記裏打ち層の底面に接合し、
    前記センサダイアフラムの第１の側の第１の圧力と、前記第１の側とは反対側の前記センサダイアフラムの第２の側の第２の圧力との間の圧力差に応答して、前記センサダイアフラムの撓みに基づいて変化する電気パラメータを有するセンサ素子を形成することを含む、圧力センサを形成する工程と、
    ペデスタルの底面を前記電気絶縁層の上面に接合することを含む、前記圧力センサを前記ペデスタルに取り付ける工程と、
    前記ペデスタルをヘッダキャビティ内の導電性のヘッダに取り付ける工程と、を備え、
    前記電気絶縁層は、前記圧力センサを前記ペデスタル及び前記ヘッダから電気的に絶縁し、
    前記ペデスタルが導電性材料で形成されている、圧力センサアセンブリを製造する方法。
11. 前記センサ素子は、前記センサダイアフラムに取り付けられ、ひずみゲージを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記圧力センサは、前記電気絶縁層及び導電性の前記裏打ち層を通って、前記センサダイアフラムの第１の面に露出された前記感知層内のセンサキャビティへと延在する第１の経路を含み、
    前記裏打ち層の前記上面を前記電気絶縁層の前記底面に接合し、前記感知層の前記上面を前記裏打ち層の前記底面に接合することが、前記電気絶縁層からセンサキャビティへの第１の経路を気密封止することを含む、請求項１０に記載の方法。
13. 導電性の前記裏打ち層の上面を前記電気絶縁層の底面に接合し、前記感知層の上面を前記裏打ち層の底面に接合することは、それぞれ、フリット接合、熱圧縮接合、融着接合、または陽極接合からなる群から選択される接合を形成することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記電気絶縁層が、導電性の前記裏打ち層の熱膨張係数と実質的に一致する熱膨張係数を有する材料を含む、請求項１２に記載の方法。
15. 導電性の前記感知層と導電性の前記裏打ち層は、それぞれ結晶シリコンを含み、
    前記電気絶縁層の材料は、ガラス、セラミック、ホウケイ酸ガラス、窒化ケイ素、窒化アルミニウムセラミックからなる群から選択される、請求項１４に記載の方法。
16. 周囲支持領域の間に延在し、前記周囲支持領域に対して厚さが薄いセンサダイアフラムを含む導電性の感知層と、
    第１の電気絶縁接合を通じて前記感知層の上面に接合された底面を有する第１の裏打ち層を含む１つ以上の導電性の裏打ち層を備えた裏打ち層アセンブリと、
    前記センサダイアフラムの第１の側の第１の圧力と、第１の側とは反対側の前記センサダイアフラムの第２の側の第２の圧力との間の圧力差に応答して前記センサダイアフラムの撓みに基づいて変化する電気パラメータを有するセンサ素子と、
    前記感知層と前記裏打ち層アセンブリのうちの少なくとも１つの露出した非絶縁側に形成され、圧力センサの導電性側縁の間の電圧アーク放電からの電気絶縁を提供する、当該導電性側縁の間のギャップを画定する、切り欠きと、
    前記裏打ち層アセンブリの上面に接合された底面を含むペデスタルと、
    ヘッダキャビティを有する導電性のヘッダと、を含む前記圧力センサを備え、
    前記第１の電気絶縁接合は、前記感知層を前記ペデスタル及び前記ヘッダから電気的に絶縁する、圧力センサアセンブリ。
17. 前記第１の電気絶縁接合は、前記第１の裏打ち層の底面と前記感知層の上面との間に電気絶縁材料のコーティングを含む、請求項１６に記載の圧力センサアセンブリ。
18. 前記圧力センサは、電気絶縁層と導電性の前記裏打ち層とを通って、前記センサダイアフラムの第１の面に露出された前記感知層のセンサキャビティへと延在する第１の経路を含み、
    前記ペデスタルは、前記第１の経路に接続された第２の経路を含み、
    導電性の前記ヘッダは、前記第２の経路に接続された第３の経路と、周囲空気への通気口とを含む請求項１７に記載の圧力センサアセンブリ。
19. 前記切り欠きが前記第１の裏打ち層に形成されている、請求項１８に記載の圧力センサアセンブリ。
20. 前記切り欠きは、前記感知層及び前記第１の裏打ち層に形成され、前記第１の電気絶縁接合にまたがる、請求項１８に記載の圧力センサアセンブリ。
21. 前記感知層と前記１つ以上の裏打ち層は、それぞれ結晶シリコンを含む、請求項１８に記載の圧力センサアセンブリ。
22. 前記裏打ち層アセンブリの前記１つ以上の導電性の裏打ち層が、第２の電気絶縁接合を通じて前記第１の裏打ち層の上面に接合された底面を有する第２の裏打ち層を含む、請求項１６に記載の圧力センサアセンブリ。
23. 前記第１及び第２の電気絶縁接合の各々は、前記第１の裏打ち層の上面と前記感知層の下面との間に電気絶縁材料のコーティングを含む、請求項２２に記載の圧力センサアセンブリ。
24. 前記第１の電気絶縁接合及び前記第２の電気絶縁接合の各々は、密閉され、フリット接合、熱圧縮接合、溶融接合、又は陽極接合からなる群から選択される、請求項２３に記載の圧力センサアセンブリ。
25. 前記切り欠きが前記第１の裏打ち層に形成されている、請求項２２に記載の圧力センサアセンブリ。
26. 前記切り欠きは、前記感知層及び前記第１の裏打ち層に形成され、前記第１の電気絶縁接合にまたがる、請求項２２に記載の圧力センサアセンブリ。
27. 前記圧力センサは、前記感知層に応力絶縁を提供する、前記第１の裏打ち層又は前記第２の裏打ち層に形成された１つ以上のペデスタル構造を含み、
    前記１つ以上のペデスタル構造が前記第１の裏打ち層に形成される場合、各ペデスタル構造は前記第１の裏打ち層の上面を含み、
    前記１つ以上のペデスタル構造が前記第２の裏打ち層に形成される場合、各ペデスタル構造は第２の裏打ち層の底面を含む、請求項２２に記載の圧力センサアセンブリ。
28. 前記１つ以上のペデスタル構造が、前記第１の裏打ち層または前記第２の裏打ち層に形成された壁を含み、前記壁が、第１の経路の内部空洞の境界を画定する、請求項２７に記載の圧力センサアセンブリ。
29. 前記１つ以上のペデスタル構造が、第１の経路の開口部を取り囲む第１の壁を含む、請求項２７に記載の圧力センサアセンブリ。
30. 前記１つ以上のペデスタル構造が、前記第１の壁を取り囲む第２の壁を含む、請求項２９に記載の圧力センサアセンブリ。
31. 前記センサ素子が歪みゲージを含む、請求項１６に記載の圧力センサアセンブリ。
32. 前記センサ素子に結合され、前記電気パラメータに基づいて圧力値を決定するように構成された測定回路をさらに含む、請求項１６に記載の圧力センサアセンブリ。
33. 前記ペデスタルが導電性である、請求項１６に記載の圧力センサアセンブリ。