JP2002214057A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 センサチップが台座を介してパッケージに固
定された圧力センサにおいて、パッケージと台座間に生
じる熱応力が、センサチップへ伝達するのを抑える。 【解決手段】 台座３を、センサチップ１と同等の熱膨
張係数を有しセンサチップ１が接合される第１層３１
と、センサチップ１と同等の熱膨張係数を有しかつ第１
層３１よりも高い弾性係数を有する第２層３２とを含む
多層構造にする。パッケージ２と第２層３２間に生じる
熱応力は第２層３２により緩衝されるので、第１層およ
びセンサチップ１への熱応力の伝達は抑えられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はセンサチップが台座
を介してパッケージに固着された構造をもつ圧力センサ
に関するものであって、特にパッケージと台座間に生じ
る熱応力がセンサチップへ伝達するのを防止するための
台座に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】産業界において圧力の測定を必要とする
個所は非常に多く、様々な分野で、圧力をその大きさに
応じた電気信号に変換する圧力センサが用いられてい
る。そして圧力センサの信頼性の向上およびコストの削
減、小型軽量化は重要な課題となっている。

【０００３】図４は従来の圧力センサの構成図である。
図４において、１はセンサチップであり、それに加わる
圧力により生じるひずみを電気信号に変換する。３はセ
ンサチップ１が接合される台座であり、４はセンサチッ
プ１と台座３とで囲まれ形成される真空室である。真空
室４は圧力測定の際のリファレンス圧力として用いられ
る。また、台座３はセンサチップ１が接合された面とは
異なる面においてパッケージ２に接合される。５はセン
サチップと外部リードを電気的に接続するワイヤであ
り、センサチップ１からの電気信号を外部リードに伝達
する。

【０００４】ここで、接合の方法として、センサチップ
１と台座３とは陽極接合されており、パッケージ２と台
座３とは接着剤により接着されている。

【０００５】次に図４に示した従来の圧力センサの動作
を説明する。まず、パッケージ２内に測定圧力が印加さ
れると、その測定圧力はセンサチップ１の表面に印加さ
れ、センサチップ１には測定圧力の大きさ応じたひずみ
が生じる。センサチップ１はそのひずみを電気信号に変
換し、ワイヤ５を介して外部リードへと電気信号を出力
する。以上のようにして、測定圧力の大きさに応じた電
気信号を得ることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来はパッケージ２の
材質として金属が使用されることが多かったが、コスト
の問題や、小型化が困難であることなどの理由から、エ
ポキシ、プラスチック、液晶ポリマー等を材質とする樹
脂へと移行しつつある。

【０００７】ところで、パッケージ２と台座３との熱膨
張係数が異なる場合、温度変化に伴いパッケージ２と台
座３との間に熱応力が生じ、それによって台座３が変形
してしまう。さらに台座３の変形がセンサチップ１に伝
わり、センサチップ１も変形してしまう。前述したよう
に、センサチップ１は自身のひずみを電気信号に変換す
るものであるので、センサチップ１の変形は測定結果に
反映してしまい、その結果、圧力センサの温度特性が悪
化することになる。

【０００８】当然、パッケージ２に使用される材質とし
て、台座３と同等の熱膨張係数を有するものが選択され
るが、特にパッケージ２の材質に樹脂が用いられる場
合、形状効果のパッケージごとのばらつきが大きいため
に、現実にはそれだけでは熱応力を抑えることは困難で
ある。

【０００９】よって、センサチップ１とパッケージ２と
の間に存在する台座３は、パッケージ２と台座３間に生
じる熱応力をセンサチップ１に伝えないように緩衝する
緩衝材としての役割も果たす必要がある。

【００１０】通常、この台座３の応力緩衝は、台座３の
高さが高いほどより効果がある。しかし、台座３を高く
することは圧力センサの形状が大きくなることにつなが
り、製品の小型化の流れに反することになってしまう。

【００１１】また、台座３が熱応力が加わっても変形し
にくい、つまり弾性係数が高いものであれば、応力緩衝
の効果を大きくできる。しかし、台座３の材質としては
高絶縁性を有することと、さらに、センサチップ１と同
等の熱膨張係数であるものを選択する必要があり、材質
がある程度限定されてしまう。例えば、センサチップ１
の材質がシリコンである場合、一般的に台座３の材質は
高絶縁性を有し、シリコン同等の熱膨張係数をもつパイ
レックスガラスが用いられる。その理由としては、ガラ
スとシリコンを陽極接合する際は３００〜４００度に加
熱するため、このとき熱膨張係数が互いに異なる材質を
陽極接合した場合、接合後にその界面に熱応力が残留
し、圧力センサの特性に影響を与えるためである。さら
に最悪の場合、素材にクラックが発生するなど、センサ
素子の破壊の原因となることもある。

【００１２】本発明は以上のような問題を解決するため
になされたものであり、台座の形状を大きくすること無
く、パッケージからの熱応力を緩衝する性能に優れた台
座を提供し、圧力センサの形状の小型化および温度特性
の向上に寄与することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る圧
力センサは、センサチップと、前記センサチップが接合
される台座と、前記台座が固定されるパッケージと、を
有する圧力センサであって、前記台座が、前記センサチ
ップと同等の熱膨張係数を有し、前記センサチップが接
合される第１層と、前記センサチップと同等の熱膨張係
数を有し、かつ前記第１層よりも高い弾性係数を有する
第２層と、を含む多層構造であることを特徴とする。

【００１４】請求項２の発明に係る圧力センサは、請求
項１に記載の圧力センサであって、前記多層構造におけ
る所定の層間が、互いに対面する面の一部を介して接合
される、ことを特徴とする。

【００１５】請求項３の発明に係る圧力センサは、請求
項１に記載の圧力センサであって、前記台座と前記パッ
ケージとが、前記台座の前記パッケージに対面する面の
一部であってかつ少なくとも周辺部を介して接合される
ことを特徴とする。

【００１６】請求項４の発明に係る圧力センサは、請求
項１から請求項３のいずれかに記載の圧力センサであっ
て、前記センサチップの材質がシリコンであり、前記第
１層の材質がパイレックスガラスであり、前記第２層の
材質がシリコンであり、前記第１層は前記第２層に接合
されることを特徴とする。

【００１７】請求項５の発明に係る圧力センサは、セン
サチップと、前記センサチップが接合される台座と、前
記台座が固定されるパッケージと、を有する圧力センサ
であって、前記台座が、くびれをもつ構造を有すること
を特徴とする。

【００１８】請求項６の発明に係る圧力センサは、セン
サチップと、前記センサチップが接合される台座と、前
記台座が固定されるパッケージと、を有する圧力センサ
であって、前記台座と前記パッケージとが、前記台座の
前記パッケージに対面する面の一部であってかつ少なく
とも周辺部を介して接合されることを特徴とする。

【００１９】

【発明の実施の形態】＜実施の形態１＞図１は本発明の
実施の形態１に係る圧力センサの構成図である。図１に
おいて、センサチップ１、パッケージ２、真空室４、ワ
イヤ５は図４に示したものと同様であるのでここでの詳
細な説明は省略する。図１に示すように、実施の形態１
では台座３は第１層３１および第２層３２により構成さ
れる２層構造となっている。ここで、第１層３１はセン
サチップ１と同等の熱膨張係数を有する材質であり、第
２層３２はセンサチップ１と同等の熱膨張係数を有しか
つ第１層よりも高い弾性係数を有する材質である。セン
サチップ１は台座３の第１層３１側に接合され、同時に
真空室４が形成される。また、台座３の第２層３２側は
パッケージ２に接合される。なお、接合の方法として
は、センサチップ１と第１層３１は陽極接合されてお
り、第１層３１と第２層３２との接合は陽極接合でもよ
いし、接着剤による接着でもよい。また、台座３はパッ
ケージ２に接着剤により接着される。

【００２０】例えば、センサチップの材質がシリコンで
ある場合、上記した条件に適合する第１層３１の材質と
してはパイレックスガラス、第２層３２の材質としては
シリコンが挙げられる。

【００２１】前述したように、弾性係数が高い物質は応
力により変形しにくいため、弾性係数が高い物質は応力
を伝達しにくい、つまり応力緩衝の性能に優れている。
よって、図１のように第１層３１とパッケージ２との間
に、第１層３１よりも弾性係数の高い第２層３２が存在
することにより、パッケージ２と第２層３２との間に生
じる熱応力は第２層３２によって緩衝され、第１層３１
への伝達は抑えられる。よって、第１層３１に接合され
たセンサチップ１が、パッケージ２と台座３との間に生
じる熱応力の影響で変形することを抑えることができ
る。

【００２２】なお、第１層３１はセンサチップ１と陽極
接合されるので、前述したようにセンサチップ１と同等
の熱膨張係数を有するものが使用される。また、第２層
３２にもセンサチップ１と同等の熱膨張係数を有するも
のを使用している。それにより、センサチップ１と第１
層３１間、および第１層３１と第２層３２間での熱応力
の発生は共に抑えられている。

【００２３】よって本実施の形態に係る圧力センサに用
いられる台座は、従来の圧力センサに用いられていた台
座に比べて、パッケージとの間に生じる熱応力を緩衝す
る性能に優れている。つまり、台座の高さを高くするこ
と無く、圧力センサの温度特性を向上することができ
る。言い換えれば、その分台座の高さを低くしても圧力
センサの温度特性の悪化は抑えられるので、圧力センサ
の形状の小型化に寄与できる。

【００２４】また、ここでは便宜上、リファレンス圧力
としての真空室を有する構造の圧力センサを示したが、
例えば台座およびパッケージに貫通孔を設けて大気圧を
リファレンス圧力とするゲージタイプの圧力センサ等に
も適応可能であることは言うまでもない。

【００２５】さらに、ここでは第２層３２が直接パッケ
ージ２および第１層３１に接合された２層構造の台座を
示したが、第１層３１と第２層３２との間ないし第２層
３２とパッケージ２との間にさらに別の層を備える多層
構造であっても、パッケージ２と台座３との間に生じる
熱応力の緩衝の効果は得られる。ただし、多層構造の台
座においては、各層間での熱応力の発生も抑える必要が
あるので、全ての層、なかでも第１層３１と第２層３２
間の層は特に、センサチップ１と同等の熱膨張係数を有
する材質でなければならない。

【００２６】しかし台座の層の数が増えると、それだけ
それら各層間の熱応力のバランスをとることが困難にな
るので、現実的には第１層３１が第２層３２に接合され
る構造が実用的であるといえる。

【００２７】ところで、前述したようにパイレックスガ
ラスは絶縁性に優れ、シリコンと同等の熱膨張係数を持
つことが知られているが、それでも僅かな熱膨張係数の
違いにより、微妙に圧力センサの温度特性に影響を与え
ている。そこで、上記したセンサチップ１の材質がシリ
コン、第１層３１にパイレックスガラス、第２層３２に
シリコンが用いられ、第１層３１が直接第２層３２に接
合される構造の例においては、第１層のパイレックスガ
ラスが熱膨張係数の等しいセンサチップおよび第２層３
２のシリコンで挟み込まれるので、パイレックスガラス
の歪みは抑えられ、結果としてパイレックスガラスの第
１層３１とシリコンのセンサチップ１間に生じる微小な
熱応力をさらに緩和するという効果が得られる。

【００２８】＜実施の形態２＞図２は本発明の実施の形
態２に係る圧力センサの構成図である。図２において
も、センサチップ１、パッケージ２、真空室４、ワイヤ
５は図４に示したものと同様であるのでここでの詳細な
説明は省略する。図２に示すように、本実施の形態にお
いても台座３は、センサチップ１と同等の熱膨張係数を
有する第１層３１と、センサチップ１と同等の熱膨張係
数を有しかつ第１層よりも高い弾性係数を有する第２層
３２を接合した２層構造からなる。ただしここでは図２
に示すように、第２層３２に凸部を設け、その凸部を介
して第１層３１と第２層３２とは接合されている。ここ
でも接合の方法としては、センサチップ１と第１層３１
は陽極接合されており、第１層３１と第２層３２との接
合は陽極接合でもよいし、接着剤による接着でもよい。
また、台座３はパッケージ２に接着剤により接着され
る。

【００２９】従って、第１層３１と第２層３２との接合
面積が小さくなるために、パッケージ２と台座３間に生
じた熱応力は、第１層へとさらに伝わりにくくなる。

【００３０】ところで、接合面積を小さくすることで、
熱応力の影響を小さくできるのであれば、第２層３２の
形状自体を小さくして、パッケージ２と台座３との接合
面積も小さくすることが考えられる。しかし、台座３を
そのような形状にすると、振動等によって台座３とパッ
ケージ２との接合面に掛かる力が大きくなってしまう。
一般に、接着剤による接着は陽極接合による接合に比べ
て、強度および信頼性に劣り、特に樹脂接着は強度、耐
久性に難がある。よって、パッケージ２と第２層３２と
の接合面積を小さくすることは、パッケージ２から台座
３をはがれやすくし、圧力センサの強度および信頼性を
低下させることにつながる。

【００３１】本実施の形態における第２層３２は、パッ
ケージ２と台座３との接合面積を保ったまま、第１層と
の接合面積のみを小さくしている。よって、パッケージ
２と台座３間の接合強度を低下させること無く、さらに
台座３の応力緩衝の性能を高めることができる。

【００３２】したがって本実施の形態に係る圧力センサ
は、台座３の高さを高くすること無く、圧力センサの温
度特性をさらに向上することができるので、圧力センサ
の形状の小型化に寄与できる。

【００３３】ここで、図２においては第２層３２に凸部
を設けた構造を示したが、第１層３１と第２層３２との
接合面積が小さくなる構造であれば第１層３１に凸部を
設けてもよいし、さらにその凸部の個数、配置、形状等
に係わらず同様の効果が得られる。

【００３４】さらに、３層以上の多層構造の台座におい
ても、任意の層間の接合面積を小さくすることによる熱
応力緩衝の効果が得られる。

【００３５】また、台座が多層構造でない、即ち単一の
層からなる場合においても、この台座３に断面積の小さ
くなる部位を設けることにより、同様の形状効果を得る
ことができる。しかし、特に単一の層からなる台座の場
合は加工の容易さから、台座にくびれを持たせる構造が
実用的である。

【００３６】＜実施の形態３＞図３は本発明の実施の形
態３に係る圧力センサの構成図である。図３においても
センサチップ１、パッケージ２、真空室４、ワイヤ５は
図４に示したものと同様であるのでここでの詳細な説明
は省略する。本実施の形態においても台座３は、センサ
チップ１と同等の熱膨張係数を有する第１層３１と、セ
ンサチップ１と同等の熱膨張係数を有しかつ第１層より
も高い弾性係数を有する第２層３２を接合した２層構造
からなる。ただし図３に示すように、第２層３２のパッ
ケージ２と接合される面の少なくとも周辺部に突起を設
け、パッケージ２と台座３はその突起を介して接合され
る。ここでも各接合の方法としては、センサチップ１と
第１層３１は陽極接合されており、第１層３１と第２層
３２との接合は陽極接合でもよいし、接着剤による接着
でもよい。また、台座３はパッケージ２に接着剤により
接着される。

【００３７】つまり、パッケージ２と台座３との接合面
積が小さくなる。よってパッケージ２と台座３間に生じ
る熱応力の発生が抑えられる。

【００３８】ところが上述したように、パッケージ２と
台座３の接着面積が小さくなると、パッケージ２と台座
３間の接着強度が落ちることが問題となる。しかし、第
２層３２のパッケージ２と接合される突起は少なくとも
その面の周辺部に設けられているので、振動等によりパ
ッケージ２と台座３の突起との接合面に、局部的に大き
な力がかかるのを抑えるという形状効果が得られる。つ
まり、本実施の形態における第２層３２は、パッケージ
２と台座３との接合面積が小さくなることによる接合強
度の低下を、突起をパッケージ２対面する面の周辺部に
配置して接合面にかかる力を広い領域に分散させること
で補っている。

【００３９】よって、図３に示した第２層３２は、パッ
ケージ２と台座３間の接合強度の問題を抑えつつ、台座
３の熱応力緩衝の性能をさらに高めることができる。

【００４０】したがって本実施の形態に係る圧力センサ
は、台座３の高さを高くすること無く、圧力センサの温
度特性をさらに向上することができ、圧力センサの形状
の小型化に寄与できる。

【００４１】さらに、台座が多層構造でない、即ち単一
の層からなる場合においても、パッケージ２と台座３と
の接合面積を小さくすれば熱応力の緩衝の効果は得ら
れ、かつその接合個所を台座３のパッケージに対面する
面の周辺部に設けることによって、パッケージ２と台座
３との接合面積が小さくなることによる接合強度の低下
を補うことがきる。また３層以上の多層構造の台座にお
いても同様のことがいえる。

【００４２】つまり、台座３の層の数に係わらず、台座
３のパッケージ２に対面する面の少なくとも周辺部を介
してパッケージ２と台座３とを接合することによって、
パッケージ２と台座３との間に生じる熱応力の発生を抑
え、さらにパッケージ２と台座３との接合面積が小さく
なることによるパッケージ２と台座３との接合強度の低
下の問題を解決することができる。

【００４３】

【発明の効果】以上示したように、本発明における請求
項１記載の圧力センサによれば、台座はセンサチップと
同等の熱膨張係数を有しセンサチップが接合される第１
層と、センサチップと同等の熱膨張係数を有し、かつ第
１層よりも高い弾性係数を有する第２層とを含む多層構
造であるので、パッケージと台座との間に生じる熱応力
は第２層により緩衝され、第１層およびセンサチップへ
の熱応力の伝達は抑えられる。

【００４４】よって、台座の高さを高くすること無く、
圧力センサの温度特性を向上することができる。また台
座の高さを低くしても圧力センサの温度特性の悪化は抑
えられるので、圧力センサの形状の小型化に寄与でき
る。

【００４５】請求項２記載の圧力センサによれば、台座
の多層構造における所定の層間が、互いに対面する面の
一部を介して接合されるので、その層間における接合面
積が小さくなる。よって、パッケージと台座との間で生
じた熱応力は、さらに第１層およびセンサチップへと伝
わりにくくなる。また、パッケージと台座との接合面積
は保たれるので、パッケージと台座との接合強度の低下
を伴わない。

【００４６】よって、台座の高さを高くすること無く、
圧力センサの温度特性を向上することができる。また台
座の高さを低くしても圧力センサの温度特性の悪化は抑
えられるので、圧力センサの形状の小型化に寄与でき
る。

【００４７】請求項３記載の圧力センサによれば、台座
とパッケージとは、台座のパッケージに対面する面の一
部であってかつ少なくとも周辺部を介して接合されるの
で、パッケージと台座との間に生じる熱応力の発生を抑
え、さらにパッケージと台座との接合面積が小さくなる
ことによる、パッケージと台座との接合強度の低下の問
題を解決することができる。

【００４８】よって、台座の高さを高くすること無く、
圧力センサの温度特性を向上することができる。また台
座の高さを低くしても圧力センサの温度特性の悪化は抑
えられるので、圧力センサの形状の小型化に寄与でき
る。

【００４９】請求項４記載の圧力センサによれば、セン
サチップの材質がシリコンであり、第１層の材質がパイ
レックスガラスであり、第２層の材質がシリコンであ
り、第１層は第２層に接合されているので、パッケージ
と台座との間に生じる熱応力は第２層により緩衝され、
第１層およびセンサチップへの熱応力の伝達は抑えられ
る。さらに、第１層とセンサチップとの間の熱応力の発
生も抑えることができる。

【００５０】よって、台座の高さを高くすること無く、
圧力センサの温度特性を向上することができる。また台
座の高さを低くしても圧力センサの温度特性の悪化は抑
えられるので、圧力センサの形状の小型化に寄与でき
る。

【００５１】請求項５記載の圧力センサによれば、台座
がくびれをもつ構造を有するので、パッケージと台座と
の間に生じる熱応力のセンサチップへ伝達は抑えられ
る。

【００５２】よって、台座の高さを高くすること無く、
圧力センサの温度特性を向上することができる。また台
座の高さを低くしても圧力センサの温度特性の悪化は抑
えられるので、圧力センサの形状の小型化に寄与でき
る。

【００５３】請求項６記載の圧力センサによれば、台座
とパッケージとは、台座のパッケージに対面する面の一
部であってかつ少なくとも周辺部を介して接合されるの
で、パッケージと台座との間に生じる熱応力の発生を抑
え、さらにパッケージと台座との接合面積が小さくなる
ことによる、パッケージと台座との接合強度の低下の問
題を解決することができる。

【００５４】よって、台座の高さを高くすること無く、
圧力センサの温度特性を向上することができる。また台
座の高さを低くしても圧力センサの温度特性の悪化は抑
えられるので、圧力センサの形状の小型化に寄与でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施の形態１に係る圧力センサの構成図であ
る。

【図２】 実施の形態２に係る圧力センサの構成図であ
る。

【図３】 実施の形態３に係る圧力センサの構成図であ
る。

【図４】 従来の圧力センサの構成図である。

【符号の説明】

１ センサチップ、２ パッケージ、３ 台座、４ 真
空室、５ ワイヤ、３１ 第１層、３２ 第２層。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 センサチップと、 前記センサチップが接合される台座と、 前記台座が固定されるパッケージと、を有する圧力セン
   サであって、 前記台座が、 前記センサチップと同等の熱膨張係数を有し、前記セン
   サチップが接合される第１層と、 前記センサチップと同等の熱膨張係数を有し、かつ前記
   第１層よりも高い弾性係数を有する第２層と、を含む多
   層構造である、ことを特徴とする圧力センサ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の圧力センサであって、 前記多層構造における所定の層間が、 互いに対面する面の一部を介して接合される、ことを特
   徴とする圧力センサ。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の圧力センサであって、 前記台座と前記パッケージとが、 前記台座の前記パッケージに対面する面の一部であって
   かつ少なくとも周辺部を介して接合される、ことを特徴
   とする圧力センサ。
4. 【請求項４】 請求項１から請求項３のいずれかに記載
   の圧力センサであって、 前記センサチップの材質がシリコンであり、 前記第１層の材質がパイレックス（登録商標）ガラスで
   あり、 前記第２層の材質がシリコンであり、 前記第１層は前記第２層に接合される、 ことを特徴とする圧力センサ。
5. 【請求項５】 センサチップと、 前記センサチップが接合される台座と、 前記台座が固定されるパッケージと、を有する圧力セン
   サであって、 前記台座が、くびれをもつ構造を有する、ことを特徴と
   する圧力センサ。
6. 【請求項６】 センサチップと、 前記センサチップが接合される台座と、 前記台座が固定されるパッケージと、を有する圧力セン
   サであって、 前記台座と前記パッケージとが、 前記台座の前記パッケージに対面する面の一部であって
   かつ少なくとも周辺部を介して接合される、ことを特徴
   とする圧力センサ。