JP2005337970A - 半導体圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 圧力室に微小な隙間が生じないような構造とすることを目的とする。
【解決手段】 ステム３１の圧力室３６側の前面と貫通穴２２に設けたスペーサリング２６とを封着接合したことにより、ステム３１に形成された素子収納凹部３３のみがスペーサリング２６の開口部２７を介して圧力室３６に露出する構造となる。これによって、ステム３１と貫通穴２２との間に形成される隙間は、圧力室３６の外部に位置することとなり、圧力室に微小な隙間が生じないため、シリコンオイルを圧力室３６内に空気等を残留させることなく密封することが可能になる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧力室内に圧力伝達媒体を充填し、ダイヤフラムに作用する圧力を前記圧力伝達媒体を介して半導体圧力検出素子で検出する半導体圧力センサに関する。

従来から、この種の半導体圧力センサとして、ハウジングとダイヤフラムで区画された圧力室内に圧力伝達媒体を充填し、ダイヤフラムに作用する圧力を圧力伝達媒体を介して半導体圧力検出素子で検出する装置が知られている。

ところで、圧力伝達媒体に用いられるシリコンオイルは、非圧縮性が高い反面、熱膨張係数が高い特性がある。このため、圧力室内に充填される圧力伝達媒体の量を少なくすることができれば、半導体圧力センサの温度特性に対する圧力の検出精度を向上させることができると考えられていた。

圧力室内に充填される圧力伝達媒体の量を少なくするように構成された半導体圧力センサに、例えば図５に示すようなものがある。この図５に示された半導体圧力センサは、半導体圧力検出素子１を保持するステム２を設け、このステム２の半導体圧力検出素子１を保持する面に円筒状のセラミックスペーサ３、４を設けるとともに、この半導体圧力検出素子１を保持する面と逆側の面の外周に円盤状のフランジ部２ａを形成し、このフランジ部２ａとハウジング５を溶接し、ハウジング３、ダイヤフラム６およびステム２によって区画される圧力室７を形成し、この圧力室７内にセラミックスペーサ３、４およびステム２を埋没させることにより、圧力室７内に充填される圧力伝達媒体の充填量を減少させている。

また、特許文献１に記載されるような装置がある。この特許文献１に記載された半導体圧力センサは、特許文献１の図１に示される如く、半導体圧力検出素子（１７）およびガラス台座（１８）を収納する凹部（収納部：１２ａ）を形成したセラミックスのステム（１２）を備え、このステム（１２）を覆うようにハウジング（収納部：１１）を配置し、このハウジング（１１）の開口にダイヤフラム（２２）によって密着封止し、このハウジング（１１）の内部に圧力伝達媒体であるシリコンオイルを充填することにより、シリコンオイルが充填された圧力室に半導体圧力検出素子（１７）およびガラス台座（１８）が突出してシリコンオイルの容量が増加することを防止している。
特開平８−３３４４２６号公報（段落番号［００１２］から段落番号［００１８］、図１）

図５に示す構成の半導体圧力センサでは、円筒状のセラミックスペーサ３、４およびステム２が圧力室７内に埋没した構成であることから、ステム２の外周とハウジング５の内周面の間やセラミックスペーサ３、４の間に微小な隙間が形成されることになる。

一般に圧力室内に圧力伝達媒体を注入する場合には、半導体圧力センサ全体を真空雰囲気中に配置して圧力室内を真空にして圧力伝達媒体を注入する真空引きが用いられる。

ところが、この真空引きを用いたとしても圧力室７内に微小な隙間があると空気等が残留する場合があった。従って、図５に示すような構成の半導体圧力センサでは、微小な隙間に空気が残留し、空気の圧縮性のため、検出精度が低下する問題があった。

また、特許文献１に記載されるような半導体圧力センサでも、ステム（１２）の底面とハウジング（１１）の内周底面とを溶接等によって密閉し、ステム（１２）全体が圧力室内に位置するように形成されている。このようなステム（１２）を圧力室内に配置する構成の場合、ステム（１２）とハウジング（１１）の内周面に微小な隙間が形成されることになり、空気が残留し、空気の圧縮性のため、半導体圧力センサの検出精度が低下する問題があった。

本発明は、上記課題を解決するために成されるものであって、圧力室に微小な隙間が生じないような構造とすることを目的とする。

上記の課題を解決するための請求項１に記載の発明の構成上の特徴は、金属ハウジングに貫通穴を形成し、この貫通穴の一端を覆うようにダイヤフラムを封着し、貫通穴にセラミックスのステムを挿入して前記ダイヤフラムとステムとの間に圧力室を形成し、圧力室が形成された側のステムの表面に半導体圧力検出素子を配置し、圧力室内に圧力伝達媒体を充填し、ダイヤフラムに作用する圧力を圧力伝達媒体を介して半導体圧力検出素子で検出する半導体圧力センサにおいて、ステムの圧力室側の前面周縁に当接する突部を貫通穴の途中に設け、ステムの圧力室側の前面周縁と突部を封着接合したことである。

請求項２に記載の発明の構成上の特徴は、請求項１において、突部は、貫通穴を段付き穴に形成し、中央に半導体圧力検出素子を圧力室内に露出させるための導入路を成形したスペーサリングを段付き穴の段部に封着して形成することである。

請求項３に記載の発明の構成上の特徴は、請求項１または請求項２において、ステムの圧力室側の表面に凹部を形成し、凹部の底面に半導体圧力検出素子を配置したことである。

請求項４に記載の発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項において、ステムを貫通穴の軸線方向に所定の厚みに分割した複数のセラミック板で成形し、これら分割した複数のセラミック板を積層して接合してステムを形成し、ステムの外周に接続ピンを接続し、積層した複数のセラミック板うちで中間に位置するセラミック板の表面に前記半導体圧力検出素子と接続ピンとを電気的に接続する配線パターンを形成したことである。

請求項５に記載の発明の構成上の特徴は、請求項４において、積層セラミックの表面に複数の電気素子を配置し、これら電気素子を配線パターンにて接合して電気回路を形成したことである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、ステムの圧力室側の前面と貫通穴に設けた突部とを封着接合したことにより、ステムに形成された凹部のみが圧力室に露出する構造となる。これによって、ステムと貫通穴との間に形成される隙間は、圧力室の外部に位置することとなり、圧力伝達媒体の充填作業時に圧力室内に空気等を残留させることなく密封することが可能になる。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、スペーサリングとハウシングを個々に製作し、組付けるようにしたので、スペーサリングとハウシングを単純化した形状にして製作できるため、半導体圧力センサの製作を容易にすることができる。

上記のように構成した請求項３に係る発明においては、半導体圧力検出素子がダイヤフラム側に突出し、その突出した高さ分だけ圧力室の容積が大きくなることを防止でき、シリコンオイルの容量を少なくできる。

上記のように構成した請求項４に係る発明においては、積層したセラミック板の間に配線パターンを通し、半導体圧力検出素子と接続ピンを電気的に接続することができるので、接続ピンをステムを貫通して圧力室に突設することなく、半導体圧力検出素子と接続ピンの電気的接続が可能になり、圧力室の気密性を保持することが容易になる。

上記のように構成した請求項５に係る発明においては、セラミック板の裏面に電気回路５５を形成したことにより、別途配線基板を用いて電気回路を形成する場合と比較して、電気回路を配置するスペースを小さくでき、半導体圧力センサの大きさを小さくすることができる

以下、本発明を具現化した半導体圧力センサの一実施形態について図１および図２に基づいて説明する。なお、以下の説明においては、図１の紙面の上側を先端側、下側を基端側として表現する。

図１および図２に第１の実施の形態の半導体圧力センサ１１を示す。この半導体圧力センサ１１は、金属製のセンサハウジング２１、セラミック製のステム３１および、金属製のダイヤグラム４０とを備えている。

センサハウジング２１は、円筒状であり、中央に貫通穴２２が形成され、基端側に円盤状のフランジ部２３が突設された構成となっている。貫通穴２２は、小径部２２ａと大径部２２ｂの径の異なる段付き穴から構成され、先端側に大径部２２ｂが形成され、小径部２２ａと大径部２２ｂの間には段部２５が形成される。貫通穴２２の先端には段差状の係止部２４が設けられ、この係止部２４に、ステンレス製のダイヤフラム４０が図示しない金属製の押さえ部材とともにレーザ溶接等で気密に接合されている。

ステム３１は、円柱状に形成され、焼結によって焼成される。ステム３１は、その先端面に下方開口した方形状の素子収容凹部３３が凹設されているとともに、この素子収容凹部３３の外周に５つの接合ピン３４を通すための連通穴３２が形成され、この連通穴３２に接合ピン３４が挿通されている。この接合ピン３４は、後述する半導体圧力検出素子４５との間で電源供給および検出信号伝達を行うためのもので、その先端部に、それぞれ接点部３４ａを有する。そして、各接合ピン３４は、ステム３１の連通穴３２に前記素子収納凹部３３側から挿通され、ステム３１を貫通して基端側に突出している。ステム３１はスペーサリング２６を介してセンサハウジング２１の段部２５に固定される。

スペーサリング２６は環状に形成され、周縁が段部２５にレーザ溶接やガラス接合等によって気密に封止されている。スペーサリング２６の中央には、ステム３１の表面に形成された素子収容凹部３３および５つの接合ピン３４が挿通される略楕円形の開口部２７が形成され、この開口部２７の外周とステム３１がロー付けやガラス接合等によって接合され、貫通穴２２内にダイヤフラム４０、スペーサリング２６およびステム３１で密閉封止された圧力室３６が形成される。

素子収容凹部３３の底面略中央には、圧力を検出する半導体圧力検出素子としてのセンサチップ４５がガラス台座４６を介して固設されている。このセンサチップ４５は、５本のアルミニウム製のボンディングワイヤＷを介して、前記接合ピン３４の接点部３４ａと電気的に接続されている。これにより、センサチップ４５に動作電源電圧が供給されるとともに、同センサチップ４５が検出した検出信号が図示しない外部装置に出力可能となっている。センサチップ４５はガラス台座４６と陽極接合によって結合され、ガラス台座４６は、ステム３１に半田、接着材等を用いて密封接合されている。ガラス台座４６およびステム３１には、センサチップ４５の圧力室３６に露出した表面とは逆側の裏面に大気圧を導入する導入穴４７が形成されている。

スペーサリング２６には、圧力室３６と連通する連通穴４８が形成されている。この連通穴４８は圧力伝達媒体であるシリコンオイルを圧力室３６に注入するために用いられ、シリコンオイル注入後は、ボール４９を開口に圧着溶接したり圧入することによって密閉される。なお、このシリコンオイルを圧力室３６に注入するには、一般的には、半導体圧力センサ１１を真空室等に置いて、圧力室３６内の空気を抜いた状態でシリコンオイルを注入する。

上記のように構成される半導体圧力センサ１１は、ダイヤフラム４０に被測定流体の圧力が作用してダイヤフラム４０が撓むと、圧力室３６内に封入されたシリコンオイルに圧力が伝達される。また、導入穴４７からはセンサチップ４５の裏面に大気圧が作用する。このため、センサチップ４１は、被測定流体の圧力と大気圧の差圧に応じて撓み、この撓みに応じた電気信号を検出信号として検出信号伝達用のボンディングワイヤＷを介して外部に出力し、被測定流体の流体圧力が測定される。

以上詳述したように、第１の実施の形態によれば、ステム３１の圧力室３６側の前面周縁をスペーサリング２６を介してハウジング２１の段部２５に封着接合したので、接合ピン３４およびセンサチップ４５が配置されたステム３１の表面の一部が圧力伝達媒体であるシリコンオイルを封入する圧力室３６に露出する構成とすることができる。これによって、圧力室３６の容積を小さくして、シリコンオイルの容量を少なくすることができ、シリコンオイルの熱膨張による圧力検出の誤差を小さくして検出精度を向上できる。また、貫通穴をステム３１の前面で封着して圧力室３６を形成したことから、圧力室３６を単純な略筒状の空間にできるうえ、ステム３１と貫通穴２２との間に形成される隙間は、圧力室３６の外部に位置することとなり、シリコンオイルを圧力室３６の細部にまで満遍なく注入することができる。このため、圧力室２６内に空気が残留しなくなり、空気の圧縮性による圧力検出精度の低下を防止できる。そのうえ、シリコンオイルの注入作業を簡単にすることができる。

さらに、ステム３１に素子収容凹部３３を形成してセンサチップ４５を収納した場合は、センサチップ４５がダイヤフラム４０側に突出し、その突出した高さ分だけ圧力室３６の容積が大きくなることを防止でき、シリコンオイルの容量を少なくできる。

なお、上記実施の形態では、ハウジング２１を製造しやすくするために、ハウジング２１とスペーサリング２６を製作し、スペーサリング２６をハウジング２１の段部２５に溶接する構成としたが、ハウジング２１の貫通穴２４内にスペーサリング２６に相当する突部として一体成形するようにしてもよい。

次に、本発明を具現化した第２の実施の形態について、図３および図４に基づいて説明する。

本例の半導体圧力センサ１１は、図３，図４に示す如く、第１の実施の形態と比較して接合ピン３４を圧力室３６内に突設させることなく、接合ピン３４とセンサチップ４５を電気的に接続するステム５０の構造に特徴があり、それ以外は第１の実施形態と同じである。このため以下の説明では、符号を同一として構造の異なるステム５０の周辺部分についてのみ説明する。

ステム５０の外周には複数の接続ピン５１が接合されている。ステム５０は、貫通穴２２の軸線方向に所定の厚みを持った複数のセラミックス板を積層した積層セラミックスから構成されている。この複数のセラミックス板は、予めシート状に焼成されたセラミックスシートを打ち抜きもしは切断等の機械加工し、導入穴の形成されたシート状の基体セラミック板５０ａを形成し、同様に機械加工によって素子収容凹部３３となる開口を形成した枠状セラミック板５０ｂ、５０ｃ、５０ｄを形成する。そして、これら基体セラミック板５０ａおよび枠状セラミック板５０ｂ、５０ｃ、５０ｄを積層した後に一体焼成して素子収容凹部３３が形成されたステム５０が完成する。

枠セラミック板５０ｃの表面には、素子収容凹部３３と接続ピン５１とを電気的に接続する配線パターン５２が形成され、配線パターン５２の一端が接続ピン５１の数本と電気的に接続され、他方がセンサチップ４５にボンディングワイヤＷによってワイヤボンディングされている。また、基体セラミック板５０ａには、コンデンサや圧膜抵抗体等の複数の電気素子５３が接着され、これら電気素子５３間を接続する配線パターン５４が基体セラミック板５０ａの裏面に形成され、これら電気素子５３および配線パターン５４によって電気回路５５が構成されている。この電気回路は５５は接続ピン５１の数本と接続されている。

上記のように構成される第２の実施の形態における半導体圧力センサ１１は、ダイヤフラム４０に被測定流体の圧力が作用してダイヤフラム４０が撓むと、圧力室３６内に封入されたシリコンオイルに圧力が伝達される。また、導入穴４７からはセンサチップ４５の裏面に大気圧が作用する。このため、センサチップ４１は、被測定流体の圧力と大気圧の差圧に応じて撓み、この撓みに応じた電気信号が検出信号として検出信号伝達用のボンディングワイヤＷを介して配線パターン５２から接続ピン５１に出力される。また、接続ピン５１に伝達された電気信号は、電気回路５５によって増幅および温度補償された後に外部に出力され、被測定流体の流体圧力が測定される。

以上詳述したように、第２の実施の形態によれば、ステム５０をセラミック板５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄを積層してステム５０を構成し、セラミック板５０ｂ、５０ｄに挟まれたセラミック板５０ｃの表面に、素子収容凹部３３と接続ピン５１とを電気的に接続する配線パターン５２を形成したことにより、ステム５０に接続ピン５１を突設することなくセンサチップ４５と接続でき、第１の実施の形態の如く、連通孔３２を形成して接続ピン３４を突設して連通孔３２と接続ピン３４の間を密閉封止する必要がなくなり、圧力室３６の気密性を保持することが容易になる。

また、セラミック板５０ａの裏面に電気回路５５を形成したことにより、別途配線基板を用いて電気回路５５を形成する場合と比較して、電気回路５５を配置するスペースを小さくでき、半導体圧力センサ１１の大きさを小さくすることができる。

本発明に係る第１の実施の形態における半導体圧力センサを示した断面図。 図１におけるＩ−Ｉ矢視断面図。 本発明に係る第２の実施の形態における半導体圧力センサを示した断面図。 図３におけるＩＩ−ＩＩ矢視断面図。 従来の半導体圧力センサの一例を示す断面図。

符号の説明

１１…半導体圧力センサ、２１…センサハウジング、２２…貫通穴、２６…スペーサリング、３１、５０…ステム、３３…素子収納凹部、３４、５１…接合ピン、３６…圧力室、４０…ダイヤフラム、４５…センサチップ、４６…ガラス台座、５０ａ…基体セラミック板、５０ｂ〜５０ｃ…枠体セラミック板、５２、５４…配線パターン、５５…電気回路、ｗ…ボンディングワイヤ。

Claims (5)

1. 金属ハウジングに貫通穴を形成し、この貫通穴の一端を覆うようにダイヤフラムを封着し、前記貫通穴にセラミックスのステムを挿入して前記ダイヤフラムと前記ステムとの間に圧力室を形成し、前記圧力室が形成された側の前記ステムの表面に半導体圧力検出素子を配置し、前記圧力室内に圧力伝達媒体を充填し、前記ダイヤフラムに作用する圧力を前記圧力伝達媒体を介して半導体圧力検出素子で検出する半導体圧力センサにおいて、前記ステムの圧力室側の前面周縁に当接する突部を前記貫通穴の途中に設け、前記ステムの圧力室側の前面周縁と前記突部を封着接合したことを特徴とする半導体圧力センサ。
2. 請求項１において、
   前記突部は、貫通穴を段付き穴に形成し、中央に前記半導体圧力検出素子を前記圧力室内に露出させるための開口部を成形したスペーサリングを前記段付き穴の段部に封着して形成することを特徴とする半導体圧力センサ。
3. 請求項１または請求項２において、
   前記ステムの圧力室側の表面に凹部を形成し、前記凹部の底面に半導体圧力検出素子を配置したことを特徴とする半導体圧力センサ。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項において、前記ステムを前記貫通穴の軸線方向に所定の厚みに分割した複数のセラミック板で成形し、これら分割した複数のセラミック板を積層して接合してステムを形成し、該ステムの外周に接続ピンを接続し、前記積層した複数のセラミック板のうちで中間に位置するセラミック板の表面に前記半導体圧力検出素子と接続ピンとを電気的に接続する配線パターンを形成したことを特徴とする半導体圧力センサ。
5. 請求項４において、
   前記積層したセラミック板で形成された前記ステムの圧力室側と逆側の裏面に複数の電気素子を配置し、これら電気素子を配線パターンにて接合して電気回路を形成したことを特徴とする半導体圧力センサ。

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