JP2001059788A

JP2001059788A - 半導体圧力センサ

Info

Publication number: JP2001059788A
Application number: JP11237025A
Authority: JP
Inventors: Yasutaka Arii; 康孝有井; Takuji Keno; 拓治毛野; Nobuyuki Takakura; 信之高倉; Noriyuki Yasuike; 則之安池
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1999-08-24
Filing date: 1999-08-24
Publication date: 2001-03-06

Abstract

(57)【要約】【課題】高い破壊圧力を有し、信頼性の高い半導体圧
力センサを提供すること。【解決手段】変形量を検出するピエゾ抵抗２４を形成
したダイヤフラム３を有する半導体基板１に、貫通孔２
５を有する支持基板２を、前記貫通孔２５がダイヤフラ
ム３内部に連通するように接合し、圧力を導入する圧力
導入路７を有するステム９を、前記圧力導入路７と貫通
孔２５が連通するように支持基板２に接合してなる半導
体圧力センサにおいて、半導体基板１の上面縁部を支持
する固定部材１０を設け、前記固定部材１０をステム９
に固着して、ステム９と固定部材１０の間の半導体基板
１及び支持基板２を挟持するようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ピエゾ抵抗を付設
したダイヤフラムを有する半導体基板を備え、圧力を検
出する半導体圧力センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の半導体圧力センサにおいては、
図５に示すように、変形量を検出するピエゾ抵抗２４を
形成したダイヤフラム３を有する半導体基板１に、貫通
孔２５を有する支持基板２を、前記貫通孔２５がダイヤ
フラム３内部に連通するように接合し、圧力を導入する
圧力導入路７を有するステム９を、前記圧力導入路７と
貫通孔２５が連通するように支持基板２に接合したもの
で、圧力導入路７からの圧力によりダイヤフラム３に発
生する応力を、ピエゾ抵抗２４のピエゾ抵抗２４効果に
よる抵抗値の変化として検出し、圧力を検出するもので
ある。上記半導体圧力センサは、量産性に優れているこ
と、小型化及び微細加工が容易で検出感度が高いという
利点があり、また、特性の再現性が良く信頼性も高いと
いう利点を有している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術においては、圧力導入路７からの圧力が上昇し
たとき、半導体基板１と支持基板２との接合部分が破壊
するが、使用される圧力が高い場合（例えば、車載用な
ど）には、前記接合部分の破壊圧力は、要求される破壊
圧力をわずかに上回る程度で信頼性が低いという問題が
あった。

【０００４】例えば、２．６ｍｍ角の半導体基板１を備
えた半導体圧力センサの場合、半導体基板１と支持基板
２との接合部分の破壊圧力が１４０〜１８０ｋｇｆ／ｃ
ｍ²であるのに対し、車載用圧力センサの定格圧力は６
０ｋｇｆ／ｃｍ²で、要求される破壊圧力は、定格圧力
の２〜３倍とすることが一般的で、１２０〜１８０ｋｇ
ｆ／ｃｍ²である。

【０００５】本発明は、上記事由に鑑みてなしたもの
で、その目的とするところは、高い破壊圧力を有し、信
頼性の高い半導体圧力センサを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の半導体圧力センサは、変形量を検出
するピエゾ抵抗を形成したダイヤフラムを有する半導体
基板に、貫通孔を有する支持基板を、前記貫通孔がダイ
ヤフラム内部に連通するように接合し、圧力を導入する
圧力導入路を有するステムを、前記圧力導入路と貫通孔
が連通するように支持基板に接合してなる半導体圧力セ
ンサにおいて、半導体基板の上面縁部を支持する固定部
材を設け、前記固定部材をステムに固着して、ステムと
固定部材の間の半導体基板及び支持基板を挟持するよう
になしたことを特徴とする。

【０００７】したがって、固定部材により半導体基板及
び支持基板がステム方向に押し付けられるため、圧力導
入路からの圧力により半導体基板と支持基板との接合部
分が引き剥がされるのを防止し、圧力導入路からの圧力
による破壊圧力を向上させることができる。

【０００８】また、請求項２記載の半導体圧力センサ
は、請求項１記載の固定部材が、半導体基板の材質に近
い熱膨張係数を有する材質であることを特徴とする。

【０００９】したがって、半導体基板及び固定部材まわ
りの温度による熱歪みが略同等となるため、半導体基板
及び固定部材の熱歪みの違いより、半導体基板と固定部
材の間に発生する力が半導体基板、つまり、ダイヤフラ
ムにかかり、圧力導入路からの圧力測定の精度を低下さ
せることを防止することができる。

【００１０】また、請求項３記載の半導体圧力センサ
は、請求項２記載の半導体基板の材質がシリコンで、前
記固定部材の材質が４．２アロイであることを特徴とす
る。

【００１１】したがって、半導体基板及び固定部材まわ
りの温度による熱歪みが略同等となるため、半導体基板
及び固定部材の熱歪みの違いより、半導体基板と固定部
材の間に発生する力が半導体基板、つまり、ダイヤフラ
ムにかかり、圧力導入路からの圧力測定の精度を低下さ
せることを防止することができる。

【００１２】また、請求項４記載の半導体圧力センサ
は、請求項２記載の半導体基板の材質がシリコンで、前
記固定部材の材質がコパールであることを特徴とする。

【００１３】したがって、半導体基板及び固定部材まわ
りの温度による熱歪みが略同等となるため、半導体基板
及び固定部材の熱歪みの違いより、半導体基板と固定部
材の間に発生する力が半導体基板、つまり、ダイヤフラ
ムにかかり、圧力導入路からの圧力測定の精度を低下さ
せることを防止することができる。

【００１４】また、請求項５記載の半導体圧力センサ
は、請求項２記載の半導体基板の材質がシリコンで、前
記固定部材の材質がガラスであることを特徴とする。

【００１５】したがって、半導体基板及び固定部材まわ
りの温度による熱歪みが略同等となるため、半導体基板
及び固定部材の熱歪みの違いより、半導体基板と固定部
材の間に発生する力が半導体基板、つまり、ダイヤフラ
ムにかかり、圧力導入路からの圧力測定の精度を低下さ
せることを防止することができる。

【００１６】また、請求項６記載の半導体圧力センサ
は、請求項１又は請求項２記載の固定部材の上面が、先
端に向かって半導体基板の上面に近接する傾斜面を有す
るものであることを特徴とする。

【００１７】したがって、半導体基板上面にピエゾ抵抗
の出力を取り出すための電極部を設け、前記電極部にワ
イヤの一端を接続し、前記ワイヤを固定部材の上面近傍
を通過するように電極部から引き出す場合には、ワイヤ
が固定部材に接触することが少なくなるため、製造時及
び使用時に、ワイヤが固定部材に接触して損傷すること
を防止することができる。

【００１８】また、請求項７記載の半導体圧力センサ
は、請求項１又は請求項２記載の固定部材が、先端を櫛
状としたものであることを特徴とする。

【００１９】したがって、半導体基板上面にピエゾ抵抗
の出力を取り出すための電極部を設け、前記電極部にワ
イヤの一端を接続し、前記ワイヤを固定部材の上面近傍
を通過するように電極部から引き出す場合には、ワイヤ
が固定部材の櫛状の空間部分を通って引き出されて、固
定部材に接触することがないため、製造時及び使用時
に、ワイヤが固定部材に接触して損傷することを防止す
ることができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】図１乃至図２は、本発明の第１の
実施の形態を示し、図３は、本発明の第２の実施の形態
を示し、図４は、本発明の第３の実施の形態を示してい
る。

【００２１】［第１の実施の形態］図１は、第１の実施
の形態の概略構成を示す断面図である。図２は、同実施
の形態の半導体基板近傍を拡大した断面図である。

【００２２】この実施の形態の半導体圧力センサは、変
形量を検出するピエゾ抵抗２４を形成したダイヤフラム
３を有する半導体基板１に、貫通孔２５を有する支持基
板２を、前記貫通孔２５がダイヤフラム３内部に連通す
るように接合し、圧力を導入する圧力導入路７を有する
ステム９を、前記圧力導入路７と貫通孔２５が連通する
ように支持基板２に接合してなる半導体圧力センサにお
いて、半導体基板１の上面縁部を支持する固定部材１０
を設け、前記固定部材１０をステム９に固着して、ステ
ム９と固定部材１０の間の半導体基板１及び支持基板２
を挟持するようにしている。また、この実施の形態の固
定部材１０においては、半導体基板１の材質に近い熱膨
張係数を有する材質としている。

【００２３】半導体基板１は、シリコン製の基板に対し
て異方性エッチングを行うことにより形成されたダイヤ
フラム３と、ダイヤフラム３の薄肉部に設けられたピエ
ゾ抵抗２４がブリッジを構成した形となっている。ピエ
ゾ抵抗２４の形成方法としては、例えば、低濃度のボロ
ンをイオン注入し、その後、熱拡散処理を行うことによ
り形成する。前記ブリッジを構成した部分からは、ワイ
ヤ４が引き出されており、センサーパッケージ５の金属
端子６に電気的に接続されている。

【００２４】支持基板２は、一方の表面に金属薄膜を、
他方の表面にろう材８と容易に共晶結合する材料からな
る金属薄膜層を形成している。

【００２５】ステム９は、表面にろう材８と容易に共晶
結合する材料からなるメッキ層を形成している。

【００２６】半導体基板１、支持基板２、ステム９は、
支持基板２の金属薄膜を形成した表面を半導体基板１に
陽極接合等により接合し、他方の金属薄膜層を形成した
表面ををステム９のメッキ層を形成した表面をろう材８
により接合する。ろう材８としては、半田などが挙げら
れる。

【００２７】圧力測定については、圧力導入路７からの
圧力によるダイヤフラム３の変形を、ピエゾ抵抗２４が
ブリッジを構成した部分で検出する。詳細には、外部か
ら所定の電力をブリッジを構成する部分に供給し、圧力
変化をブリッジの両端の電圧変化として取り出すもので
ある。

【００２８】本実施の形態によれば、固定部材１０によ
り半導体基板１及び支持基板２がステム９方向に押し付
けられるため、圧力導入路７からの圧力により半導体基
板１と支持基板２との接合部分が引き剥がされるのを防
止し、圧力導入路７からの圧力による破壊圧力を向上さ
せることができる。また、半導体基板１及び固定部材１
０まわりの温度による熱歪みが略同等となるため、半導
体基板１及び固定部材１０の熱歪みの違いより、半導体
基板１と固定部材１０の間に発生する力が半導体基板
１、つまり、ダイヤフラム３にかかり、圧力導入路７か
らの圧力測定の精度を低下させることを防止することが
できる。

【００２９】半導体基板１の材質をシリコン（熱膨張係
数２．９×１０^-6／℃）とした場合には、前記固定部
材１０の材質を４．２アロイ（熱膨張係数４．５×１
０^-6／℃）、コパール（熱膨張係数４．６×１０^-6／
℃）とすれば、半導体基板１及び固定部材１０まわりの
温度による熱歪みが略同等となり、同様の効果を奏す
る。固定部材１０の材質がガラスである場合について
も、ガラスとシリコンは近い熱膨張係数を有するため同
様の効果が得られる。ガラスとしては、アルミ珪酸塩系
ガラス（熱膨張係数２．９×１０^-6／℃）が挙げられ
る。

【００３０】［第２の実施の形態］図３は、第２の実施
の形態の概略構成を示す図で、（ａ）は断面図、（ｂ）
は半導体基板１を上面から見たときの平面図を示す。

【００３１】この実施の形態は、固定部材１０の構成の
みが第１の実施の形態と異なるもので、他の構成部材は
第１の実施の形態のものと同一である。

【００３２】このものの固定部材１０は、上面が先端に
向かって半導体基板１の上面に近接する傾斜面を有する
ものとしている。

【００３３】したがって、半導体基板１上面にピエゾ抵
抗２４の出力を取り出すための電極部を設け、前記電極
部にワイヤ４の一端を接続し、前記ワイヤ４を固定部材
１０の上面近傍を通過するように電極部から引き出す場
合には、ワイヤ４が固定部材１０に接触することが少な
くなるため、製造時及び使用時に、ワイヤ４が固定部材
１０に接触して損傷することを防止することができる。

【００３４】［第３の実施の形態］図４は、第３の実施
の形態の半導体基板１を上面から見たときの平面図を示
す。

【００３５】この実施の形態は、固定部材１０の構成の
みが第１の実施の形態と異なるもので、他の構成部材は
第１の実施の形態のものと同一である。

【００３６】このものの固定部材１０は、先端を櫛状と
している。

【００３７】したがって、半導体基板１上面にピエゾ抵
抗２４の出力を取り出すための電極部を設け、前記電極
部にワイヤ４の一端を接続し、前記ワイヤ４を固定部材
１０の上面近傍を通過するように電極部から引き出す場
合には、ワイヤ４が固定部材１０の櫛状の空間部分を通
って引き出されて、固定部材１０に接触することがない
ため、製造時及び使用時に、ワイヤ４が固定部材１０に
接触して損傷することを防止することができる。

【００３８】

【発明の効果】上述の如く、本発明の請求項１記載の半
導体圧力センサは、固定部材により半導体基板及び支持
基板がステム方向に押し付けられ、圧力導入路からの圧
力により半導体基板と支持基板との接合部分が引き剥が
されるのを防止し、圧力導入路からの圧力による破壊圧
力を向上させるので、信頼性の高い半導体圧力センサを
提供することができる。

【００３９】また、請求項２乃至請求項５記載の半導体
圧力センサは、請求項１記載のものの効果に加え、半導
体基板及び固定部材まわりの温度による熱歪みが略同等
となり、半導体基板及び固定部材の熱歪みの違いより、
半導体基板と固定部材の間に発生する力が半導体基板、
つまり、ダイヤフラムにかかり、圧力導入路からの圧力
測定の精度を低下させることを防止するので、測定精度
の高い半導体圧力センサを提供することができる。

【００４０】また、請求項６記載の半導体圧力センサ
は、請求項１又は請求項２記載のものの効果に加え、半
導体基板上面にピエゾ抵抗の出力を取り出すための電極
部を設け、前記電極部にワイヤを接続し、前記ワイヤを
固定部材の上面近傍を通過するように電極部から引き出
す場合には、ワイヤが固定部材に接触することが少なく
し、製造時及び使用時に、ワイヤが固定部材に接触して
損傷することを防止するので、信頼性の高い半導体圧力
センサを提供することができる。

【００４１】また、請求項７記載の半導体圧力センサ
は、請求項１又は請求項２記載のものの効果に加え、半
導体基板上面にピエゾ抵抗の出力を取り出すための電極
部を設け、前記電極部にワイヤを接続し、前記ワイヤを
固定部材の上面近傍を通過するように電極部から引き出
す場合には、ワイヤが固定部材の櫛状の空間部分を通っ
て引き出されて、固定部材に接触することがなくし、製
造時及び使用時に、ワイヤが固定部材に接触して損傷す
ることを防止するので、信頼性の高い半導体圧力センサ
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の概略構成を示す断
面図である。

【図２】同実施の形態の要部を示す拡大図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態の概略構成を示す説
明図である。

【図４】本発明の第３の実施の形態の構成を示す平面図
である。

【図５】本発明の従来例の概略構成を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１半導体基板２支持基板３ダイヤフラム７圧力導入路９ステム１０固定部材２４ピエゾ抵抗２５貫通孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高倉信之大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者安池則之大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内Ｆターム(参考） 2F055 AA40 BB20 CC02 DD04 EE23 FF07 FF43 GG13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】変形量を検出するピエゾ抵抗を形成した
ダイヤフラムを有する半導体基板に、貫通孔を有する支
持基板を、前記貫通孔がダイヤフラム内部に連通するよ
うに接合し、圧力を導入する圧力導入路を有するステム
を、前記圧力導入路と貫通孔が連通するように支持基板
に接合してなる半導体圧力センサにおいて、半導体基板
の上面縁部を支持する固定部材を設け、前記固定部材を
ステムに固着して、ステムと固定部材の間の半導体基板
及び支持基板を挟持するようになしたことを特徴とする
半導体圧力センサ。
【請求項２】前記固定部材が、半導体基板の材質に近
い熱膨張係数を有する材質であることを特徴とする請求
項１記載の半導体圧力センサ。
【請求項３】前記半導体基板の材質がシリコンで、前
記固定部材の材質が４．２アロイであることを特徴とす
る請求項２記載の半導体圧力センサ。
【請求項４】前記半導体基板の材質がシリコンで、前
記固定部材の材質がコパールであることを特徴とする請
求項２記載の半導体圧力センサ。
【請求項５】前記半導体基板の材質がシリコンで、前
記固定部材の材質がガラスであることを特徴とする請求
項２記載の半導体圧力センサ。
【請求項６】前記固定部材の上面が、先端に向かって
半導体基板の上面に近接する傾斜面を有するものである
ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の半導体圧
力センサ。
【請求項７】前記固定部材が、先端を櫛状としたもの
であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の半
導体圧力センサ。