JP2695642B2 - 圧力センサユニット - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、半導体拡散抵抗のピエゾ抵抗効果を利用し
て圧力を電気信号に変換する圧力センサユニットの構造
に関するものである。

［従来の技術］ 近年IC製造技術の発達とあいまって、単結晶シリコン
チップの表面に半導体拡散抵抗をひずみゲージとして利
用するダイヤフラム型半導体圧力センサチップを有する
圧力センサユニットが作られるようになった。前記圧力
センサユニットは、導体又は半導体に加えられた外力の
応力によって電気抵抗が変化するというピエゾ抵抗効果
を利用したもので、前記ひずみゲージをブリッジ型回路
に構成することにより圧力を電気抵抗変化に変換し、更
にこれをブリッジ型回路の電圧変化として捕えようとす
るもので、その性能が従来の圧力計あるいは、圧力変換
機に比べ、非常に優れているために、工業計測用、民生
用と需要が増えて来ている。

第８図は、以上のような圧力センサユニットの構造を
示す断面図であって、従来の圧力センサユニットの構造
を示している。

31は半導体拡散抵抗のピエゾ抵抗効果を利用して圧力
を電気信号に変換するダイヤフラム型半導体圧力センサ
チップ、32は台座、例えば＃7740ホウ硅酸塩ガラスで、
前記圧力センサチップ31と台座32は気密的に固着されて
いる。34は気密端子体、35は前記圧力センサチップ31の
電源端子および出力端子となるステムで、ステム35は封
止ガラス36を使って気密端子体34に気密に固着されてい
る。

以上の様なステム35が固着された気密端子体34と、圧
力センサチップ31が固着された台座32は気密に固着さ
れ、さらに圧力センサチップ31とステム35間はワイヤボ
ンドにより電気的に接続されている。

37は硬化後ゲルの状態となるポッティング樹脂で、圧
力センサチップ31上で硬化されてゲル状となり、圧力セ
ンサチップ31の電気的、機械的保護を行なっている。

33は圧力センサチップ31や内部実装部分を機械的に保
護するための、圧力導入パイプ33a付きのケースで、圧
力センサチップ31とステム35間がワイヤボンドにより電
気的に接続され、さらにゲル状のポッティング樹脂37で
圧力センサチップ31を覆った後、気密端子体34に気密に
固着され、こうして相対圧（差圧）型の圧力センサユニ
ット30が構成されている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来の圧力センサユニット30の場合、
圧力センサチップ31のブリッジ型回路を構成しているゲ
ージ抵抗のバランスや不純物濃度、およびダイヤフラム
厚を一定の値にコントロールすることは製造能力上難し
い為、一般的に、圧力センサユニット30のオフセット電
圧、インピーダンス、及び感度はバラツキの大きいもの
となってしまい、圧力センサユニット30の駆動回路に大
きな負担がかかるという欠点を有していた。さらに、圧
力センサユニットは定電流駆動した場合に、オフセット
電圧の値に比例して温度特性が悪くなるという特徴を持
っている為、温度特性の良い圧力センサユニットが必要
な時には、オフセット電圧の小さい圧力センサユニット
を選別して使わなければならないという欠点があった。

最近、オフセット電圧の小さい圧力センサユニットの
要求も強まり、ダイヤフラム面外に拡散抵抗を設け、ワ
イヤーオプションによってオフセット電圧を調整するタ
イプの圧力センサチップも作られるようになってきた。
しかしながら、オフセット電圧の測定にあたって、圧力
センサチップと台座で囲まれたダイヤフラム内の空間を
真空に引いたタイプの絶対圧型の圧力センサユニットで
は、ウエハー状の圧力センサチップとウエハー状の台座
が接合された後、雰囲気を真空の状態にすると前記両ウ
エハーのチャックができない為、台座が接合される前の
ウエハー状態での圧力センサチップのオフセット電圧で
オフセット調整用のオプション端子を選別しなければな
らず、圧力センサチップと台座の接合歪みや台座と気密
端子体との接合歪みといった様な接合によるオフセット
電圧の変動までは考慮できず、思ったほどオフセット調
整ができないという欠点があった。又、仮にウエハー状
の圧力センサチップとウエハー状の台座が接合された
後、雰囲気を真空の状態にして前記両ウエハーのチャッ
クができたとしても装置が大型で複雑になるという欠点
があった。

本発明の目的は、以上のような問題点を解消させ、小
型で、オフセット電圧が小さく、しかも感度、インピー
ダンスのバラツキの少ない圧力センサユニットを提供す
ることにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明は次のような構成
としている。すなわち、ダイヤフラム面上に半導体拡散
抵抗のピエゾ抵抗効果を利用したゲージ抵抗を設け、ダ
イヤフラム面外にオフセット電圧調整用の拡散抵抗を設
けたダイヤフラム型半導体圧力センサチップと、該圧力
センサチップを実装するための基板と、圧力センサチッ
プを機械的に保護する為のケースとを有する圧力センサ
ユニットにおいて、該圧力センサチップの入出力端子及
びオフセット調整端子をすべてキャップ外部の基板上に
引き出すと共に、基板のケース外周の圧力導入部側の面
にオフセット調整用端子と入力電流制限抵抗を設け、圧
力導入部と反対側の基板の面に検査端子を設けている。

［実施例］ 第１図は本発明の一実施例を示す圧力センサユニット
の断面図であって、圧力センサユニットを圧力測定装置
に装着した状態を示している。第２図は第１図の圧力セ
ンサユニットの上面図、第３図は第１図の圧力センサユ
ニットの下面図、第４図は本発明の圧力センサユニット
に使用される圧力センサチップで、（Ａ）図は平面図、
（Ｂ）図は断面図、（Ｃ）図は電気的等価回路図を示し
ている。

１は半導体拡散抵抗のピエゾ抵抗効果を利用して圧力
を電気信号に変換するダイヤフラム型半導体圧力センサ
チップで、第４図の如くダイヤフラム面1aにゲージ抵抗
R1、R2、R3、R4、ダイヤフラム面外1bにオフセット電圧
調整用の拡散抵抗r1、r2が設けられている。該圧力セン
サチップ１は、端子Ａと端子C1〜C3のいずれか１つある
いは２つの間に電圧又は電流を印加すると端子Ｂと端子
Ｄ間に出力を取り出せるようになっており、端子C1、C
2、C3の選び方によりオフセット電圧が調整できるよう
になっている。

２は台座、例えば＃7740ホウ硅酸塩ガラスで、前記圧
力センサチップ１と台座２は気密的に固着されている。
なお、本実施例では圧力センサチップ１と台座２で囲ま
れた空間は真空となっている絶対圧の測定例を示した
が、相対圧を測定するときには穴の空いた台座２が使用
される。

4aは封止枠、4bは圧力導入パイプ付のキャップであっ
て、封止枠4a、キャップ4bより圧力センサチップ１を機
械的に保護する為のケース４が構成されている。３は圧
力センサチップ１を実装するための基板であって、例え
ばガラス入りエポキシ樹脂、あるいはセラミックスから
構成されており、圧力センサチップ１の固着された台座
が基板３上にシリコーンゴム等の接着剤を使って固着さ
れた後、圧力センサチップ１の入出力端子Ａ、Ｂ、Ｄ及
びオフセット調整端子C1、C2、C3はすべてワイヤーボン
ドにより、基板３に形成された回路パターンと電気的に
接続される。

圧力センサ１の抵抗温度係数をα（ppm/℃）、圧力セ
ンサ１のオフセット電圧をVoff（Ｖ）とすると、圧力セ
ンサ１を定電流駆動したときのオフセット電圧の温度変
動（ΔVoff/ΔＴ）は、ほぼ［α×Voff］の式で表わす
ことができる。従って、圧力センサ１のオフセット電圧
［Voff］を０（Ｖ）に近付けることにより、オフセット
電圧温度変動を０（V/℃）に近付けることができ、温度
特性の良い圧力センサユニット10を構成することができ
る。

3a、3b、3cは、温度特性の良い圧力センサユニット10
を構成する為に基板３のキャップ4b外周の圧力導入部側
の面に設けられたオフセット調整用パターンであり、圧
力センサ１のオフセット電圧の調整端子C1、C2、C3の出
力と圧力センサユニット10の（−）の電源端子Ｍとを半
田を使って選択的に接続する事により、オフセット電圧
を最小に設定するもので、オフセット電圧温度変動を０
（V/℃）に近付けるために設けられており、最終工程で
選択的に半田付けされ、電機的接続が行なわれる。

Ｕ、Ｎ、Ｄは、基板３のパターン3a、3b、3cの反対
側、すなわち圧力導入部と反対側の面に設けられた検査
端子であり、オフセット調整用パターン3a、3b、3cの一
端とはスルーホールを使って電気的に接続されている。
又、同一面状には電源端子VDD、Ｐ、Ｍおよび出力端子
Ｈ、Ｌが形成されている。

５は硬化後ゲルの状態となるポッティング樹脂で、圧
力センサチップ１上で硬化されてゲル状となり、圧力セ
ンサチップ１の電気的、機械的保護を行なうと同時に圧
力媒体としての働きをする。

一般に前記ポッティング樹脂５を圧力媒体として使用
する場合、ポッティング樹脂５内部に気泡があると、圧
力が気泡の影響で正しく伝達されなくなる。従って、前
記ポッティング樹脂５を充填するときには、気泡が樹脂
内部に残らないように、ポッティング樹脂５を充填した
後、雰囲気を真空として脱泡する必要がある。本発明の
実施例では圧力センサチップ１と基板３とがワイヤーボ
ンドによって電気的に接続された後、まず封止枠4aを基
板３上に固着し、その後でポッティング樹脂５を封止枠
4a内部に充填し、ポッティング樹脂５内部の気泡が抜け
やすい状態にしてから雰囲気を真空として脱泡し、その
後でキャップ4bを封止枠4aの上に固着するようにしてい
る。

こうしてキャップ4bを封止枠4aの上に固着した後、圧
力導入部と反対側の面に設けられた電源端子VDD、Ｐ、
Ｍ及び出力端子Ｈ、Ｌの各端子をコンタクトプローブ等
を用いて電気的に接続すると共に、圧力導入部と反対側
の面に設けられた検査端子Ｕ、Ｎ、Ｄの各端子をスキャ
ナー等を利用して電気的に切替え接続しながら、圧力導
入パイプ付のキャップ4bから圧力を印加することによ
り、圧力センサの基本特性である感度、オフセット、及
びインピーダンスが測定され、どの検査端子Ｕ、Ｎ、Ｄ
を選別すればオフセットが一番小さくなるかが測定され
る。この結果は、検査端子Ｕ、Ｎ、Ｄと電気的に接続さ
れたオフセット調整用パターン3a、3b、3cの一端と、
（−）の電源端子Ｍと電気的に接続されたオフセット調
整用パターン3a、3b、3cの他端とを選択的に半田付けす
る事により、オフセット電圧を最小に設定する為のオフ
セット調整が行なわれる。

６は感度及びインピーダンスの測定結果に基づき選択
された抵抗であって、定電流駆動した時の感度が、常に
一定の範囲の中に入るように選別された入力電流制限抵
抗であって、圧力センサユニット10の（＋）の電源端子
Ｐと電源端子VDDとの間に半田実装され、感度及びイン
ピーダンスのバラツキを吸収する役目をしている。入力
電流制限抵抗６の半田付けと、オフセット調整用パター
ン3a、3b、3cの半田付けにより、圧力センサユニット10
が形成されている。

第５図は本発明の他の実施例を示す圧力センサユニッ
トの断面図であって、圧力センサユニットを圧力測定装
置に装着した状態を示している。第６図は第５図の圧力
センサユニットの上面図、第７図は第５図の圧力センサ
ユニットの下面図を示している。

11は半導体拡散抵抗のピエゾ抵抗効果を利用して圧力
を電気信号に変換するダイヤフラム型半導体圧力センサ
チップで、第１図の実施例と同様に、第４図の如くダイ
ヤフラム面1aにゲージ抵抗R1、R2、R3、R4、ダイヤフラ
ム面外1bにオフセット電圧調整用の拡散抵抗r1、r2が設
けられた圧力センサチップが使用されている。すなわ
ち、第１図の実施例と同様に圧力センサチップ11は、端
子Ａと端子C1〜C3間に電圧又は電流を印加すると端子Ｂ
と端子Ｄ間に出力を取り出せるようになっており、端子
C1、C2、C3の選び方によりオフセット電圧が調整できる
ようになっている。

12は台座、例えば＃7740ホウ硅酸塩ガラスで、圧力セ
ンサチップ11と台座12は気密的に固着されている。な
お、本実施例では圧力センサチップ11と台座12で囲まれ
た空間は真空となっている絶対圧の測定例を示したが、
相対圧を測定するときには穴の空いた台座12が使用され
る。

13は圧力センサチップ11を実装するための基板であっ
て、本実施例ではセラミックスから構成されており、圧
力センサチップ11を機械的に保護する為のケースを兼用
した例を示した。前記圧力センサチップ11の固着された
台座12が基板13にシリコーンゴム等の接着剤を使って固
着された後、圧力センサチップ11の入出力端子Ａ、Ｂ、
Ｄ及びオフセット調整端子C1、C2、C3はすべてワイヤー
ボンドにより、基板13に形成された回路パターンと電気
的に接続される。

13a、13b、13cはワイヤーボンドによって前記圧力セ
ンサチップ11のオフセット電圧の調整端子C1、C2、C3の
出力と圧力センサユニツト20の（−）の電源端子Ｍとを
接続する為の基板13に設けられたパターンであって、圧
力センサチップ11のオフセット電圧が最小となるように
最終工程でワイヤーボンドにより電気的に接続される。

15は硬化後ゲルの状態となるポッティング樹脂で、圧
力センサチップ11上で硬化されてゲル状となり、圧力セ
ンサチップ11の電気的、機械的保護を行なうと同時に圧
力媒体としての働きをする。ポッティング樹脂15は、圧
力センサチップ11と基板13とがワイヤーボンドによって
電気的に接続された後、基板13内部に充填され、雰囲気
を真空として脱泡される。

14は硬化後ゴムの状態となるポッティング樹脂で、ゲ
ル状のポッティング樹脂15の上で硬化されてゴム状とな
り、ゲル状のポッティング樹脂15の機械的保護と、ダイ
ヤフラム型半導体圧力センサチップ11の機械的保護を行
なうと同時に、圧力媒体としての働きもしている。ポッ
ティング樹脂14も、ポッティング樹脂15が基板13内部に
充填され、真空中で脱泡し、硬化された後で基板13内部
に充填され、やはり真空中で脱泡し、硬化させている。
ポッティング樹脂14が硬化した後、ポッティング樹脂14
側から圧力が印加され、圧力センサの基本特性である感
度、オフセット、及びインピーダンスが測定される。16
は感度及びインピーダンスの測定結果に基づき選択され
た抵抗であって、圧力センサユニット20の（＋）の電源
端子Ｐと電源端子VDDの間に半田実装され、圧力センサ
チップ11の入力電流の制限を行ない、感度及びインピー
ダンスのバラツキを吸収する役目をしている。又、オフ
セットの測定結果に基づき基板13に形成されたパターン
13a、13b、13cは圧力センサユニット20の（−）の電源
端子Ｍとワイヤーボンドによって最終行程で電気的に接
続される。

17はコーティング樹脂でワイヤー及び、抵抗を機械
的、電気的に保護する。こうして圧力センサユニット20
が形成されている。

［発明の効果］ 以上の説明で明らかなように、本発明によれば圧力セ
ンサチップの入出力端子及びオフセット調整端子をすべ
てケース外部の基板上に引き出した後、オフセット調整
端子と圧力センサユニットの電源端子を基板上で半田付
けあるいはワイヤーボンド等により自由に電気的接続を
行なうことができるから、圧力センサチップと台座の接
合歪みや台座と基板との接合歪みといった様な接合歪み
によるオフセット電圧の変動を考慮したオフセット電圧
調整が可能となり、圧力センサユニット状態で圧力セン
サの特性を測定すれば良いから、簡単な装置さえあれば
オフセット電圧の調整ができることになる。

さらに圧力センサチップの入力電流を制限する抵抗を
前記基板上に設けることにより圧力センサユニットの感
度及びインピーダンスのバラツキも吸収できるから、圧
力センサユニットの駆動回路に大きな負担がかかること
もない。

以上のように、本発明によれば、基板のキャップ外周
の圧力導入部側の面にオフセット調整用パターンや入力
電流制限抵抗を設け、圧力導入部と反対側の基板面に検
査端子を設けることにより、調整端子と検査端子を上下
別々に分けることができるため、オフセット調整端子を
有する圧力センサチップを実装した圧力セサユニットを
構成しても、小型化が可能となり、温度特性が良く、且
つ感度やインピーダンスのバラツキが吸収された圧力セ
ンサユニットを構成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す圧力センサユニットの
断面図、第２図は第１図の圧力センサユニットの上面
図、第３図は第１図の圧力センサユニットの下面図、第
４図は本発明の圧力センサユニットに使用される圧力セ
ンサチップで、（Ａ）図は平面図、（Ｂ）図は断面図、
（Ｃ）図は電気的等価回路図、第５図は本発明の他の実
施例を示す圧力センサユニットの断面図、第６図は第５
図の圧力センサユニットの上面図、第７図は第５図の圧
力センサユニットの下面図、第８図は従来の圧力センサ
ユニットのの断面図である。 １、11……圧力センサチップ ３、13……基板 3a、3b、3c、13a、13b、13c……オフセット電圧の調整
端子のパターン 10、20……圧力センサユニット ６、16……抵抗

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ダイヤフラム面上に半導体拡散抵抗のピエ
   ゾ抵抗効果を利用したゲージ抵抗を設け、ダイヤフラム
   面外にオフセット電圧調整用の拡散抵抗を設けたダイヤ
   フラム型半導体圧力センサチップと、該圧力センサチッ
   プを実装するための基板と、圧力センサチップを機械的
   に保護するためのケースとを有する圧力センサユニット
   において、前記圧力センサチップの入出力端子及びオフ
   セット調整端子をすべてケース外部の基板上に引き出す
   と共に、基板のケース外周の圧力導入部側の面にオフセ
   ット調整用端子と入力電流制限抵抗を設け、圧力導入部
   と反対側の基板の面に検査端子を設けることにより、圧
   力センサユニットの状態で圧力センサチップの基本特性
   の測定を可能としたことを特徴とする圧力センサユニッ
   ト。