JP2625225B2

JP2625225B2 - 半導体圧力センサ

Info

Publication number: JP2625225B2
Application number: JP1333450A
Authority: JP
Inventors: 朋之飛田; 昭佐瀬; 芳己山本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-12-22
Filing date: 1989-12-22
Publication date: 1997-07-02
Anticipated expiration: 2012-07-02
Also published as: JPH03194432A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、差圧，静圧の少なくとも１つを検知して、
電気信号に変換する半導体圧力センサに関する。

〔従来の技術〕

半導体圧力センサは、周知のように半導体単結晶基板
の一部を薄肉部としてダイアフラムを形成し、このダイ
アフラムの表面に拡散法により抵抗群（拡散抵抗部）を
形成して、圧力−電気信号変換型の感圧素子を形成して
いる。

このような感圧素子（拡散抵抗付き半導体単結晶基
板）は、ダイアフラムの両面に、外部から導入した圧力
を加えてその差圧を検知したり、ダイアフラムの一面を
基準圧に保ち、他面に外部から導入した圧力をかけて、
その静圧を検知するものがある。

従来の半導体圧力センサの構造は、例えば特開昭61−
206268号、特開昭62−238671号公報等に開示されるよう
に、感圧素子となる半導体単結晶基板を台座に接合搭載
し、さらにこれらの要素を金属ベースに搭載し、またベ
ースには、ハーメチックシールを施した端子を絶縁しつ
つ配設し、この端子と感圧素子とをボンディングワイヤ
等の配線を介して電気的に接続している。

半導体単結晶基板・ベース間に介在させる台座は、半
導体単結晶基板とベースの線膨張係数の差を緩衝する役
割をなすもので、半導体単結晶基板及びベース双方の線
膨張係数に近い素材が使用される。例えば最近では、強
度が大きく無孔性（気密性）及び絶縁性に優れたガラス
セラミックスが台座として使用されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

前述したように、従来の半導体圧力センサは、感圧素
子、これを支持する台座、ハーメチックシール端子付き
ベースを備え、更には温度補償用の配線，抵抗，サーミ
スタ等を有する配線板を付属品として装着してある。

ところで、これらの部品点数が増すほどに、小形化を
図る上で支障となり、組立も複雑化する。

特に組立に関しては接合の問題がある。すなわち、各
部材同士の接合は、異種部材同士の接合であり、その接
合強度及び気密性保持を図る上で高度の接合技術（例え
ば低融点ガラス等の接合剤を用いた高度の接合技術）が
要求されるので、このような接合箇所をできるだけ少な
くすることが望まれる。

また、センサの信頼性を図るためには、温度補償用の
配線，素子等をできるだけ感圧素子と接近させて配設す
ること、換言すれば感圧素子と同一の温度環境に置くこ
とが望まれるが、従来はスペースの制約から、センサ外
部に温度補償用配線板等を備え付けたりし、感圧素子と
温度補償素子の温度環境が必ずしも一致していなかっ
た。

本発明は以上の点に鑑みてなされたもので、その目的
とするところは、部品点数の削減及び構造の合理化を図
ることで、小形化，組立性の向上を図り、しかも性能の
面で信頼性の高い半導体圧力センサを提供することにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記目的を達成するために、基本的には次
のような課題解決手段を提案する。

すなわち、ダイヤフラムが形成された半導体の感圧素
子が台座上に接合される半導体圧力センサにおいて、前記台座は、前記感圧素子に対して線膨張係数が同一
或いは熱歪を無視できる程度に近似した線膨張係数を有
し、且つ組成分を部分的に変えて一部を導電性物質化さ
せたセラミックス主体の傾斜材料より成り、前記傾斜材料の導電性物質化させた部分を介して前記
感圧素子の信号を外部に取り出し可能に設定したことを
特徴とする。

〔作用〕

上記構成によれば、感圧素子を搭載する台座をセラミ
ックス主体の傾斜材料で形成するために、傾斜材料の組
成分を変えることにより、台座そのもので一部を導電性
物質化しつつ残りの部分を高絶縁性とすることができ、
この高絶縁性の部分に半導体の感圧素子を搭載して絶縁
性を保証できると共に、台座の一部（導電性物質化した
部分）によって例えばハーメチックシール端子のように
感圧素子の信号を外部に取り出すための配線の一部を構
成することが可能となる。

また、台座に感圧素子を接合搭載する場合には、接合
層が極めて薄く、また、台座が感圧素子となる半導体基
板（チップ）と線膨張係数が同一か、或いはこれに近似
したものを選定するので、接合部にかかる材質相異によ
る熱歪は無視でき、センサの気密性ひいては特性を良好
に維持できる。

さらに台座はセラミックス主体の材料で構成されるの
で、高温域まで機械的特性の劣化がなく絶縁性を確保で
き、この台座に温度補償用の配線，素子等を配設しても
高信頼性を維持できる。

すなわち、以上のような利点を有することで、感圧素
子の支持機能をなす台座自身でハーメチックシール端子
や信号取り出し用の配線の一部を構成して配線板として
も機能することもでき、部品点数及び構造の合理化，ひ
いては形状の小型化，組立性の容易性を達成する。

〔実施例〕

本発明の実施例を図面に基づき説明する。

第１図は本発明の一実施例たる半導体圧力センサの縦
断面図、第２図はその内部を表す平面図である。

これらの図において、１は感圧素子で、半導体単結晶
基板（例えば、シリコン単結晶体）10を本体とする。半
導体単結晶基板10は、厚さが200〜500μｍ程度で四角形
状を呈し、面方位は＜100＞である。

半導体単結晶基板10の中央裏面に凹み10aを設けて、
この中央を薄肉部（ダイヤフラム）11とし、その周囲に
厚肉部12を形成すると共に、基板10の中央を外れた位置
に、もう１つの薄肉部（ダイヤフラム）17が設けてあ
る。ダイヤフラム11は差圧検知用、ダイヤフラム17は静
圧検知用としてある。すなわち、本実施例の感圧素子
は、ダイヤフラム11,17の存在で、差圧／静圧の複合型
圧力センサを構成する。それぞれのダイヤフラム11,17
は、半導体単結晶基板10の面方位に依存する異方性エッ
チングにより所要の板厚に形成される。ここで、所要の
板厚とは、計測される差圧や圧力等に応じて決められ
る。

なお、ダイヤフラム11は、一方の面を基準圧に固定し
て、静圧に感応するダイヤフラムとして使用することも
可能である。

ダイヤフラム11の表面には、それぞれ圧力を電気信号
に変換するための抵抗群13〜16及び抵抗群18〜21が拡散
法により形成される。

拡散抵抗群13〜16及び18〜21は、それぞれ＜110＞方
向に配置され、自身のダイヤフラムに圧力がかかると、
ピエゾ効果により抵抗値が変化する。この抵抗変化をブ
リッジ回路にて取出し、後述する端子５を介して外部に
電気信号として送出する。このとき、差圧または静圧検
出の温度補償をするための配線，固定抵抗又はサーミス
タ等の部品要素30,31,32,33を後述の台座２における外
側区域2Bに薄膜，厚膜印刷技術により付加される。

２は感圧素子１を搭載するための台座で、半導体単結
晶基板10とほゞ同じ線膨張係数を有するセラミックスを
主体とした傾斜材料により構成される。この台座２は、
セラミックスの組成分を部分的に変える（換言すれば傾
斜材料とする）ことで、その一部を導電性物質化しつつ
残りの部分を高絶縁性とし、この高絶縁性の部分に半導
体の感圧素子２を搭載し、また、台座の一部（導電性物
質化した部分）によって例えばハーメチックシール端子
５を構成して感圧素子の信号を外部に取り出し可能にし
ている。

台座２の表面には、台座表面を内側区域2Aと外側区域
2Bとに区分する環状の区分溝３が設けてある。区分溝３
は、輪郭が四角形の環状を呈し、内側区域2Aは半導体単
結晶基板10の各辺と寸法をほゞ同一とし、且つ内側区域
2Aの高さを外側区域2Bより低くして、この内側区域2Aに
感圧素子１が低融点ガラス層４を介して接合・搭載され
る。搭載された感圧素子１と外側区域2Bの高さは同レベ
ルにある。

低融点ガラス層４は、例えばハーメチックソルダーガ
ラス等の低温接合可能な薄いフィルム状とする。前記感
圧素子１・台座２間の接合は、このガラス層４を溶融さ
せて、台座の内側区域2A上面に半導体単結晶基板10の厚
肉部12の底面を接合して行われる。接合対象の材質相異
によるガラス接合層４の熱歪は、その接合層が極めて薄
く、台座２と半導体単結晶基板10との線膨張係数をほゞ
同じ（同一或いは近似）としているので、無視できるほ
どのものとなり、センサの特性を損なうことはない。

台座２の中央には、ダイヤフラム11の裏面（凹み10
a）に圧力を導入するための圧力導入孔６が貫通形成さ
れる。

台座２の外側区域2Bには、上記したように台座２が傾
斜材料であることを利用して、その一部（導電性物質化
された部分）を利用して、外部に電気信号（圧力検知信
号）を送出するための端子５が形成してある。

端子５は、導体物質であるという規定を受けるが、そ
れ以外、例えば形状規定のようなものは受けることがな
い。

端子５と拡散抵抗群13〜16及び18〜21は、配線パッド
7,8、配線30、ボンディングワイヤ34,35等を介して電気
的に接続される。

台座２における外側区域2Bの表面には、既述したよう
に温度補償用の配線30,抵抗，サーミスタ部品31,32,33
が薄膜，厚膜印刷技術により付加される。換言すれば、
本実施例では、セラミックス台座２の領域を、感圧素子
搭載（半導体単結晶基板）領域2Aのほかに2Bの領域を拡
張し、この拡張領域2Bに温度補償用の素子31〜33及び配
線30、端子５を配設して、台座２を配線板としても兼用
させている。

感圧素子１付きの台座２は、最終的には圧力検出用の
発信器としてプラントに組込まれるが、一般的には、気
密接合及びプラントへの組込の便宜のために、次に述べ
るようなリング24,上ポート（第１のポート）22,下ポー
ト（第２のポート）23等の金具が使用される。

上ポート22は感圧素子１の上面空間を覆うもので、キ
ャップ形状を呈し、その中央に外部から圧力を導入する
ための圧力導入孔25が配設される。この上ポート22は、
リング24に次のようにして取付けられる。

リング24の上部外周縁には段差24aが全周にわたり形
成され、段差24a外周及び上ポート22内周にねじ溝が切
ってあり、これらのねじ溝を介して上ポート22がリング
24上部に螺合した後、両者が溶接29により気密接合され
る。

リング24の内径は台座２の外径に嵌合され、このリン
グ24・台座２の内外径間が低融点ガラス層27を介して接
合される。

下ポート23は、フランジ23a付きの管状を呈し、その
内部に圧力導入孔６と通じて感圧素子１の裏側10aに圧
力を導入するための導入孔26を有している。一方、台座
２の底部中央には、嵌合溝2Cが形成され、この嵌合溝2C
に下ポート23の一部が嵌合され、この嵌合部及びフラン
ジ23a・台座２底部間が低融点ガラス層28を介して気密
接合される。

このようにして組立られた圧力センサは、例えばプラ
ント等の圧力計測箇所にリング24を介して溶接等による
取付けがなされる。なお、場合によっては、リング24を
用いずに、台座２に上ポート22を被着し、台座２を直接
プラントの所要箇所に固着接合して取付けることも可能
である。

本実施例によれば次のような効果を奏する。

台座２は、傾斜材料の特質を利用して、その絶縁性を
有する箇所に半導体の感圧素子を搭載でき、また、他に
配線板として機能し、且つ端子については、台座自身の
一部（導電性物質化された部分）を利用することで、部
品点数を削減して、組立性の向上を図り得る。また、部
品点数の削減と共に、端子及び温度補償用の部品を感圧
抵抗素子１の近くに配設できるので、実装効率を高め、
装置の小形化を図り得る。

端子及び温度補償用の配線，素子等は、高絶縁性のセ
ラミックス主体の台座に配設されるので、高温域等の厳
しい環境条件においても、電気絶縁を確実に維持でき
る。また、配線，素子等は台座上に薄膜，厚膜印刷等で
容易に形成することができるので装着性に優れている。

台座２と感圧素子１との接合は、低温接合可能な薄膜
ガラス接合層を介して行われ、台座２及び感圧素子１は
ほゞ同一の線膨張係数であるので、接合層の熱歪を無視
できる程度のもので、気密接合の信頼性を高めることが
できる。

台座２上の感圧素子搭載領域（内側区域）2Aの周囲に
環状溝３が形成してあるので、センサの組立工程時や使
用時に外部から何らかの機械的な力が台座２に加わって
も、これを溝３で集中的に吸収し（逃し）、内側区域2A
ひいては感圧素子１に歪が生じるのを防ぎ、センサ測定
精度を高めることができる。

例えば、センサ組立工程時には、上ポート22をリング
24に溶接するため、リング24の熱歪が台座２に伝わる
が、この歪が外側区域2Bから内側区域2Aに伝わる前に溝
３で吸収される。

また、上ポート22をリング24に螺合した時の機械的歪
も溝３で吸収される。

その他、使用時に外的衝撃がセンサ外殻に加わって、
これが上ポート22やリング24を介して台座２の外側区域
2Bに伝わった場合でも、その歪を溝３で吸収する。

また、圧力印加時に台座２に生じる弾性変形に起因す
る歪も溝３に集中させて回避でき、センサとしての特性
を損なうことなく、装置の高精度化と高信頼性を図るこ
とができる。

さらに溝３が存在することで、台座における内側区域
2Aと感圧素子１との縦，横の寸法をほゞ一致させること
ができ、加えて台座２と感圧素子１との線膨張係数がほ
ゞ一致させてあるので、両者の熱変形度合をほとんど同
じにできる。その結果、内側区域2A・感圧素子１間の熱
歪はほとんど無視し得る程度の微小のものとして、両者
間の接合層の健全性を維持できる。

なお、本実施例では、一つの半導体単結晶基板10に感
圧ダイヤフラム11,17を設けているが、半導体単結晶基
板10を別個に分けて、その一方の基板に差圧検知用の拡
散抵抗付きダイヤフラム11を、他方の基板に静圧検知用
の拡散抵抗付きダイヤフラム17を配し、これらの分離さ
れた基板を一括して台座２上に接合搭載してもよい。こ
のようにすれば、感圧ダイヤフラム11,17の動作に相互
干渉をなくして、それぞれのダイヤフラムの電気信号を
精度良く取り出せるので、精度の面でより一層高信頼性
の半導体圧力センサを提供することができる。

なお、本実施例では、リング24と下ポート23とを別々
の成形品として例示しているが、これらを一体成形して
もよく、さらにセンサの面方位，方向性やダイヤフラム
の形状等についても任意に設定することができる。

第３図は本発明の他の実施例を示す説明図である。な
お、これらの部品の符号のうち既述した第１の実施例と
同一符号は、同一或いは共通する要素を示す。

本実施例では、台座２としてセラミックス主体の傾斜
機能材料を用い、その外部信号を取り出す端子５につい
ては部分的にセラミックスを導電性物質化しているが、
そのほかに、既述の実施例の各接合層4,27,28に対応す
る接合部４′,27′,28′を、セラミックスにより接合性
を有するように物質化した点にある。このような傾斜材
料を用いれば、製作工程の合理化を図り得る利点があ
る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、台座が絶縁性を保持して感圧素子搭
載機能の他に、ハーメチックシール端子や温度補償素子
付きの配線板としての機能もない、また、ハーメチック
シール端子のような外部信号取り出し配線の一部につい
ては台座自身の特質（傾斜材料特質）を利用して形成で
きるので、部品点数を削減し実装効率を高めて、装置の
組立性の向上及び小形化をはかり、しかも、台座が半導
体感圧素子と同一或いは近似の線膨張係数をなすので電
気的絶縁性，気密接合の信頼性を保つことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１実施例を示す縦断面図、第２図
は、その内部を表す平面図、第３図は本発明の第２実施
例を示す要部断面図である。１……感圧素子、２……台座（傾斜材料）、2A……内側
区域、2B……外側区域、３……環状の区分溝、４……接
合層、５……端子、６……圧力導入孔、10……半導体単
結晶基板、10a……凹み部、11……差圧検知用ダイヤフ
ラム（薄肉部）、12……厚肉部、13〜16……拡散抵抗部
（群）、17……静圧検知用ダイヤフラム（薄肉部）、18
〜21……拡散抵抗部、22……第１のポート、23……第２
のポート、24……リング、27,28……接合層、30……配
線、31〜33……温度補償用素子、34,35……配線、36…
…切欠き溝。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭61−110023（ＪＰ，Ａ) 特開平１−301135（ＪＰ，Ａ) 実開昭59−113733（ＪＰ，Ｕ) 実開昭63−88733（ＪＰ，Ｕ) 実開平１−173655（ＪＰ，Ｕ) 実開昭64−10639（ＪＰ，Ｕ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ダイヤフラムが形成された半導体の感圧素
子が台座上に接合される半導体圧力センサにおいて、前記台座は、前記感圧素子に対して線膨張係数が同一或
いは熱歪を無視できる程度に近似した線膨張係数を有
し、且つ組成分を部分的に変えて一部を導電性物質化さ
せたセラミックス主体の傾斜材料より成り、前記傾斜材料の導電性物質化させた部分を介して前記感
圧素子の信号を外部に取り出し可能に設定したことを特
徴とする半導体圧力センサ。
【請求項２】前記台座の表面には、台座表面を内側区域
と外側区域とに区分する環状の溝が設けられ、前記内側
区域に前記感圧素子が接合，搭載され、前記外側区域に
温度補償素子と共に前記傾斜材料の導電性物質化させた
部分で形成したハーメチックシール端子が配設してある
請求項１記載の半導体圧力センサ。
【請求項３】前記台座の外周に金属製のリング部材が接
合嵌装され、このリング部材を介してキャップ形圧力導
入ポートが被着されて、前記台座上を気密保持して成る
請求項１又は請求項２記載の半導体圧力センサ。