JP2000155062A

JP2000155062A - 圧力検出器

Info

Publication number: JP2000155062A
Application number: JP10328902A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Nakahara; 剛中原; Yutaka Shimotori; 裕霜鳥; Yoshiyuki Kawabe; 義之川辺
Original assignee: Nippon Seiki Co Ltd
Current assignee: Nippon Seiki Co Ltd
Priority date: 1998-11-19
Filing date: 1998-11-19
Publication date: 2000-06-06

Abstract

(57)【要約】【課題】金属ダイアフラム上に半導体チップが配設さ
れた高圧流体測定用の圧力検出器において、生産性を向
上させるとともに、正確な圧力を検出できる圧力検出器
を提供する。【解決手段】金属製の圧力導入部１は被測定媒体を導
入する。金属製のステム３は前記被測定媒体によって変
位するダイアフラム部（受圧部）１５を一体に形成し、
圧力導入部１上に配設される。半導体チップ４はダイア
フラム部１５上に低融点ガラス１９を介して配設され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定媒体の圧力
を歪みゲージが形成された半導体チップにより検出する
圧力検出器に関し、特に、中圧から高圧測定用の圧力検
出器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】被測定媒体の圧力を検出する圧力検出器
としては、特開昭６２−２９４９３０号公報に開示され
るものがある。この圧力検出器は、高圧流体の圧力を検
出するものであり、金属製の下部ハウジングに、媒体圧
力を受ける受圧面を有する筒状のセンシングボディーが
溶接によって配設固定されている。このセンシングボデ
ィーは、熱膨張係数の小さいＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金で
構成され、前記受圧面の略中央に凹部を形成すること
で、薄肉とした受圧用ダイアフラムが形成される。この
受圧用ダイアフラム上には、低融点ガラス層を介して半
導体歪みゲージが形成された半導体チップが配設されて
おり、前記受圧用ダイアフラムの前記媒体圧力による変
位を前記半導体チップによって良好に検出する構成であ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記センシングボディ
ーは、前記受圧用ダイアフラムを一体に形成するととも
に、被測定媒体を導入する圧力導入孔としての役割を果
たすことから、形状としては大型化してしまう。従っ
て、前記センシングボディーが大きいために比熱が大き
くなり、前記半導体チップと前記受圧用ダイアフラムを
接合する際に用いられる電気炉による温度制御が難しく
なるといった問題点を有している。また、比熱が大きい
ことから、前記センシングボディーと一体に形成される
前記受圧用ダイアフラムが低温になりにくく、前記半導
体チップを固定するための溶解した前記低融点ガラス層
が固まりにくいことから、前記半導体チップが前記受圧
用ダイアフラム部の適正位置に対して、ずれた状態で固
定されてしまう恐れがあり、このような状態で圧力を検
出した場合に正確な圧力を検出できないといった問題点
がある。また、前記センシングボディーは、所定の長さ
を有する圧力導入部でもあり、この圧力導入部の底面に
前記受圧用ダイアフラムを形成することは、製造工程が
煩雑となり、生産性を向上させることができないといっ
た問題点も有している。

【０００４】そこで、本発明は前記問題点に着目し、金
属ダイアフラム上に半導体チップが配設された高圧流体
測定用の圧力検出器において、生産性を向上させるとと
もに、正確な圧力を検出できる圧力検出器を提供するも
のである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するため、被測定媒体の圧力を歪みケージが形成され
た半導体チップにより検出する圧力検出器であって、前
記被測定媒体を導入する金属製の圧力導入部と、前記被
測定媒体によって変位する受圧部を一体に形成し、前記
圧力導入部上に配設される金属製のステムと、前記受圧
部上に配設される前記半導体チップと、を備えてなるも
のである。

【０００６】また、前記圧力導入部と前記ステムとは溶
接によって固定されてなるものである。

【０００７】また、前記圧力導入部と前記ステムとは、
前記半導体チップの熱膨張係数に近似する金属材料によ
って形成されてなるものである。

【０００８】また、前記ステムに金メッキを施してなる
ものである。

【０００９】また、前記圧力導入部と溶接するための鍔
部と、前記鍔部及び前記受圧部の間を結び、前記溶接に
より発生する応力を抑制する応力吸収部とを、前記ステ
ムに備えてなるものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明は、被測定媒体の圧力を歪
みケージが形成された半導体チップにより検出する圧力
検出器に関するものである。本発明は、被測定媒体を導
入する金属製の圧力導入部１上に、被測定媒体によって
変位するダイアフラム部（受圧部）１５を一体に形成す
る金属製のステム３を配設し、ダイアフラム部１５上
に、例えば低融点ガラス１９を介して配設される半導体
チップ４により被測定媒体によるダイアフラム部１５の
変位を検出する高圧流体測定用の圧力検出器である。従
って、ダイアフラム部１５上に半導体チップ４を低融点
ガラス１９を介して配設する際の製造工程において、ス
テム３が小型であることから比熱が小さく、高温炉によ
る温度制御も容易になり、適正な条件の基で半導体チッ
プ４をダイアフラム部１５上に貼り付けることが可能と
なることから、半導体チップ４をダイアフラム部１５の
適正位置に精度良く貼り付けることができ、正確に圧力
を検出することが可能となる。

【００１１】また、圧力導入部１とステム３とを溶接に
よって固定することから、気密性を良好に確保すること
ができる。

【００１２】また、圧力導入部１及びステム３は、半導
体チップ４の熱膨張係数に近似する金属材料によって形
成されることから、熱応力による歪みが低減し、周囲温
度の影響を受けることなく、正確な圧力を検出すること
が可能となる。

【００１３】また、ステム３に金メッキを施すことから
耐腐食性を向上させることができる。また、金メッキを
施すことによって、ダイアフラム部１５の酸化を防ぐこ
とからダイアフラム部１５の信頼性が向上する。

【００１４】また、ステム３は、圧力導入部１と溶接す
るための厚肉のフランジ部（鍔部）１７と、フランジ部
１７及びダイアフラム部１５の間を結び、溶接により発
生する応力を抑制する応力吸収部１６とを備えることか
ら、圧力導入部１上に強固に接合されるとともに、接合
による応力を応力吸収部１６によって緩和できるため、
前記歪みの影響を受けることなく正確な圧力検出が可能
となる。

【００１５】

【実施例】以下、添付図面に基づき本発明の実施例を説
明する。図１は本発明の圧力検出器の全体構成を示す要
部断面図、図２は圧力導入部とステムとの接合部分を示
す拡大断面図である。

【００１６】本実施例における圧力検出器は、図１及び
図２に示すように、被測定媒体の圧力を導入する圧力導
入部１を備える下部ハウジング２と、圧力導入部１上に
配設され、本発明の特徴となるステム３と、ステム３に
配設される半導体チップ４と、半導体チップ４と電気的
に接続し、半導体チップ４への電源供給及び半導体チッ
プ４の入出力保護を行う回路基板５と、下部ハウジング
１に接合してステム３及び半導体チップ４、回路基板５
を収納する収納室６を形成する上部ハウジング７と、上
部ハウジング７上に配設される蓋体８と、回路基板５に
コネクタ９を介し接続するとともに、半導体チップ４へ
の電源供給や半導体チップ４からの出力を外部に伝達す
るための電気コード１０とから構成されている。

【００１７】下部ハウジング２は、半導体チップ４の熱
膨張係数に近似する、コバール金属（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ
系合金）や４２合金（Ｆｅ−Ｎｉ系合金）、あるいはＳ
ＵＳ６３０等の金属材料からなる。下部ハウジング２
は、略中央に被測定媒体の圧力を導入する圧力導入部１
となる圧力導入孔１１と、上部外周に上部ハウジング７
を配設するための載置部１２とを備えている。また、下
部ハウジング２の大径部外周は六角体１３をなすととも
に、小径部外周には取付用ねじ部１４が形成されてい
る。

【００１８】ステム３は、半導体チップ４の熱膨張係数
に近似する、コバール金属（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金）
や４２合金（Ｆｅ−Ｎｉ系合金）、あるいはＳＵＳ６３
０等の金属材料からなる。ステム３は、略筒状形状から
なり、例えばステム３の材料を４２合金とし、測定圧が
１０kgf／cm²とした場合に、被測定媒体を受ける受圧面
が０．４２ｍｍから０．５２ｍｍ程度の厚さＷ１を有す
る薄肉のダイアフラム部（受圧部）１５を形成する。ま
た、このダイアフラム部１５の外周端部には、圧力導入
部１との接合時に発生する応力を緩和する応力吸収部１
６が備えられており、この応力吸収部１６の下端側に
は、圧力導入部１と接合するための厚肉のフランジ部
（鍔部）１７を備えている。尚、本実施例における応力
吸収部１６のＷ２は略１ｍｍ程度、フランジ部１７の厚
さＷ３は略３mm程度に設定される。ステム３は以上の各
部１４，１６，１７を一体に形成する。またステム３
は、被測定媒体に対する耐腐食性を向上させるために、
金メッキが施される。

【００１９】前述したステム３は、圧力導入部１となる
圧力導入孔１１と、ステム３のダイアフラム部１５とが
対向するように、圧力導入部１上にステム３のフランジ
部１７を配設し、フランジ部１７の周縁を抵抗加熱溶接
やレーザー溶接、ＴＩＧ溶接、電子ビーム溶接等によっ
て、圧力導入部１上に気密的に固定される。

【００２０】半導体チップ４は、半導体材料からなる
（例えばボロン）歪みゲージ（図示しない）を拡散によ
りブリッジ状に形成したシリコン基板１８から構成され
る。半導体チップ４は、例えば低融点ガラス１９を介し
て、ダイアフラム１５の所定位置に配設固定され、ダイ
アフラム部１７の被測定媒体による変位を検出する。

【００２１】回路基板５は、半導体チップ４とワイヤボ
ンディングによって電気的に接続するとともに、図示し
ない電子部品が実装され、半導体チップ４への電源供給
及び半導体チップ４の入出力保護を行う。

【００２２】上部ハウジング７は、ステンレス等の金属
材料によって形成され、略円筒形状からなる。上部ハウ
ジング７は、下部ハウジング２の載置部１２上に配設す
るための配設部２０と、回路基板５を配設するための第
１の段差部２１と、蓋体８を配設するための第２の段差
部２２とを備え、下部ハウジング２と接合することによ
って、ステム３及び半導体チップ４、回路基板５を収納
する収納室６を構成する。上部ハウジング７は、配設部
２０を下部ハウジング２の載置部１２上に配設し、両部
材１２，２０の周縁を例えばＴＩＧ溶接することによっ
て配設固定される。

【００２３】蓋体８は、ポリブチレンテレフタレート
（ＰＢＴ）等の樹脂材料からなる。蓋体８には電気コー
ド１０を配設するための凹部２３が形成され、また蓋体
８の外周には、外方に突出する突出部２４が形成されい
る。突出部２４を上部ハウジング７の第２の段差部２２
上に配設し、上部ハウジング７の上端部が加締められる
ことによって、蓋体８が上部ハウジング７上に配設固定
される。

【００２４】電気コード１０は、半導体チップ４への電
源供給や半導体チップ４からの出力を外部に伝達するた
めのものであり、蓋体８の凹部２３内に充填される熱硬
化性樹脂（例えばエポキシ）２５によって蓋体８に配設
固定される。

【００２５】前述した各部によって圧力検出器が構成さ
れる。かかる圧力検出器は、圧力導入部１上にステム３
を配設することに特徴を有するものである。ステム３の
ダイアフラム部１５に半導体チップ４を低融点ガラス１
９を介して配設する場合に高温炉を使用するが、ステム
３が小型であるため比熱も小さく、そのため高温炉によ
る温度制御も容易になり、適正な条件の基で半導体チッ
プ４をダイアフラム部１５上に貼り付けることが可能と
なる。従って、半導体チップ４をダイアフラム部１５の
適正位置に精度良く貼り付けることができることから、
正確に圧力を検出することが可能となる。

【００２６】また、ステム３は、溶接によって圧力導入
部１上に固定されるため、接合が強固で気密性の確保の
点で信頼性が向上する。また、ステム３は、厚肉のフラ
ンジ部１５によって圧力導入部１上に強固に接合される
とともに、溶接時によって発生する溶接歪みを、ダイア
フラム部１５とフランジ部１７との間を結び、フランジ
部１７より薄く形成される応力吸収部１６によって吸収
するものである。従って、このような構成によるステム
３は、圧力導入部１上に強固に接合されるとともに、接
合による応力を応力吸収部１６によって緩和できるた
め、前記歪みの影響を受けることなく正確な圧力検出が
可能となる。

【００２７】また、圧力導入部１（下部ハウジング２）
及びステム３は、半導体チップ４の熱膨張係数に近似す
る金属材料から構成されため、熱応力による歪みが低減
し、周囲温度の影響を受けることなく、正確な圧力を検
出することが可能となる。尚、本実施例で挙げた金属材
料において、コバール金属は４６〜５２×１０^-7、や４
２合金等のＦｅ−Ｎｉ系合金は６７〜７４×１０^-7、Ｓ
ＵＳ６３０は１０８×１０^-7の熱膨張係数をそれぞれ有
する。

【００２８】また、本実施例において、ステム３の耐腐
食性を考慮した場合は、ステム３に金メッキを施すこと
が望ましい。また金メッキを施すことによって、ステム
３に一体に形成されるダイアフラム部１５が酸化するこ
とがなく、ダイアフラム部１５の劣化が抑制されること
からダイアフラム部１５の信頼性が向上する。

【００２９】尚、本発明は、圧力導入部上にステムが配
設される構成であれば、本実施例に記載された圧力検出
器の構成に限定されるものではない。例えば、半導体チ
ップ４からの出力を増幅及び調整する回路部を含む圧力
検出器であったり、また出力特性を補正する補正値を記
憶する記憶部を備える圧力検出器であっても良い。

【００３０】また、本実施例では、ダイアフラム部１５
上に半導体チップ４を低融点ガラス１９によって配設固
定するものであったが、低融点ガラス１９を用いた接合
の他に、例えば、半導体チップ４の裏面側にメタライズ
層を形成し、ダイアフラム部１５と半導体チップ４とを
半田によって接合したり、また、接着剤を用いた接合で
あってもよい。また、他の接合方法としては、共晶接
合、陽極接合が挙げられる。

【００３１】

【発明の効果】本発明は、金属製の圧力導入部上にダイ
アフラム部を一体に備えた金属性のステムを配設する構
成であるため、前記ダイアフラム部と半導体チップとを
接合する製造工程において、前記ステムが小型であるこ
とから比熱が小さく、高温炉による温度制御が容易とな
る。従って、適正な条件の基で前記半導体チップを前記
ダイアフラム部の適正位置に精度良く配設することがで
き、正確に圧力を検出することが可能となる。

【００３２】また、前記ステムは、溶接によって前記圧
力導入部上に固定されるため、気密性を良好に確保する
ことができる。また、前記ステムに応力吸収部を備える
ように構成するため接合による応力を緩和できるため、
正確な圧力検出が可能となる。

【００３３】また、前記圧力導入部及び前記ステムは、
前記半導体チップの熱膨張係数に近似する金属材料から
構成されため、熱応力による歪みが低減し、周囲温度の
影響を受けることなく、正確な圧力を検出することが可
能となる。

【００３４】また、前記ステムに金メッキを施すことに
よって、耐腐食性を向上させることができる。また、前
記ダイアフラム部の信頼性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の圧力検出器を示す要部断面
図。

【図２】同上実施例のステムと圧力導入部との接合部分
における拡大断面図。

【符号の説明】

１圧力導入部３ステム４半導体チップ１５ダイアフラム部（受圧部）１６応力吸収部１７フランジ部（鍔部）１９低融点ガラス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2F055 AA40 BB16 CC02 DD01 DD05 EE14 FF01 FF23 FF38 GG12 GG25

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定媒体の圧力を歪みケージが形成さ
れた半導体チップにより検出する圧力検出器であって、前記被測定媒体を導入する金属製の圧力導入部と、前記被測定媒体によって変位する受圧部を一体に形成
し、前記圧力導入部上に配設される金属製のステムと、前記受圧部上に配設される前記半導体チップと、を備えてなることを特徴とする圧力検出器。
【請求項２】前記圧力導入部と前記ステムとは溶接に
よって固定されてなることを特徴とする請求項１に記載
の圧力検出器。
【請求項３】前記圧力導入部と前記ステムとは、前記
半導体チップの熱膨張係数に近似する金属材料によって
形成されてなることを特徴とする請求項１もしくは請求
項２に記載の圧力検出器。
【請求項４】前記ステムに金メッキを施してなること
を特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の圧
力検出器。
【請求項５】前記圧力導入部と溶接するための鍔部
と、前記鍔部及び前記受圧部の間を結び、前記溶接によ
り発生する応力を抑制する応力吸収部とを、前記ステム
に備えてなることを特徴とする請求項１から請求項４の
何れかに記載の圧力検出器。