JP3134828B2 - 差圧センサの組立て方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は二つの流体間の圧力
差を計測するのに好適な差圧センサ、更には静圧及び温
度をも計測し得る複合機能形差圧センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】差圧を計測する差圧センサにおいて、ワ
ンチップ上に差圧，静圧，温度の各センサを設け、差
圧，静圧，温度を同時に検出できる複合機能形のセンサ
には多くの例があり、例えば特開昭61−240134号，特公
平2−9704号，特開平3−194432号などがある。いずれの
開示例においても、主センサである差圧センサ部には感
圧ダイアフラムと呼ばれる薄肉部上に差圧に感応する半
導体の抵抗体を４個有する構成になっている。また、い
ずれも感圧ダイアフラム以外の厚肉部には静圧（ライン
圧力）に感応する半導体の抵抗体が、また特開昭61−24
0134号，特公平2−9704号には温度に感応する半導体の
抵抗体が数本あり、これらは半導体製造プロセスにおい
て熱拡散法、あるいはイオン注入法により、半導体の基
板上に前記半導体抵抗と同時に形成され、この前記半導
体基板は固定台に固着され、そしてハウジングに取り付
けられている。上述したこの種の複合機能形センサはプ
ロセスのライン圧力変化，温度変化により生じる差圧セ
ンサのゼロ点変化を、同センサ上に具備させた補助セン
サ（静圧，温度センサ）の信号を利用することにより補
償して、精度の高い差圧信号を得るものであった。

【０００３】しかし、上記開示例において、特に特公平
2−9704 号における静圧信号は、静圧印加時に半導体基
板と固定台の縦弾性係数の相違から生じる曲げ歪を利用
しているため、出力が非常に小さく、ＳＮ比の低い補償
信号しか得ることができない。また、この静圧信号を得
るために曲げ歪を発生させているので、この曲げ歪が主
センサの差圧感圧ダイアフラムに影響を与えており、差
圧信号と静圧信号が干渉してしまう。このため、高精度
の差圧信号を得るには補償のデータとして温度，静圧を
変化させながら差圧センサの入出力特性を細かく収集す
る必要がある。一方、特開昭61−240134号における開示
例によると、被検出圧力である差圧と静圧を、それぞれ
の感圧部を形成して検出しているため、静圧信号は前述
の開示例と比較するとかなり大きく取れる。しかし、こ
の例では、ＳＮ比の高い信号を得るため、静圧信号用感
圧部の裏面に基準圧を導入する導入管路部を設ける必要
があり、このようなセンサ構成は基本的には、別個の静
圧センサ(圧力センサ)を新たに設けることと同等であ
る。このため、センサ構成法，製造プロセスが複雑にな
り信頼性，経済性に欠けてしまう。できるなら前者の例
の如く、各種のセンサはワンチップ上に集約させた方が
各種の観点で望ましい。

【０００４】また、特開平3−194432 号においては、静
圧信号は上記の特開昭61−240134号と同様に独自に感圧
部を形成して検出しているため、大きな信号を得ること
ができ、さらには基準圧を導入する導入管路部は設けて
いないため、製造プロセスの面から言えば、特開昭61−
240134号の構成よりも容易になっている。また更に、通
常と異なり、固定台とハーメチックシール端子を有する
ハウジングとを台座として一体構成としているため、固
定台とハウジングを接合するという工程も有さない。し
かしながら、この特開平3−194432 号の構成では、配線
や台座との接合などを一通り行い、最終的に組上げてか
らでないとセンサとしての特性試験が行えないため、セ
ンサ部である半導体単結晶基板に不具合があったとして
も、基板のみを取り替える、というような最小限の不具
合箇所のみを変更するという対処はできず、全ての構成
が不良となってしまい、歩留まりが悪かった。更に、固
定台を有さないので、測定精度の高精度化を行うには限
界があった。

【０００５】以上、上記の例における複合機能形センサ
においては、主に、主歪センサである差圧センサの静圧
印加時のゼロ点変化に着目しており、このゼロ点変化を
静圧センサの出力信号をパラメータとして用いて補償さ
せるものであった。一方、差圧センサの静圧印加時に
は、前記で示したゼロ点の変化のみならず、必然的にス
パンの変化も生じる。このスパン変化の補償方法として
前記ゼロ点変化の補償方法を用いると、静圧状態と差圧
状態をそれぞれ変えた補償データを収集しなければなら
ず、結果としてこのデータ量は膨大なものになってしま
い、補償は困難であった。このため、従来の差圧センサ
においては、前記ゼロ点変化とスパン変化比較すると、
測定精度を上げるためにはゼロ点変化よりもスパン変化
を重要視すべきであるにもかかわらず、スパン変化に関
しては補償をしないか、又は簡易的な補償法を実施して
いるのみであった。

【０００６】また、センサの組立て方法に関して、特に
測定精度の高精度化を行いつつ、固定台とハウジングを
との接合を容易にするための、工程の簡略化や作業性の
向上を考慮したものはなかった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記問題点を
鑑みてなされたもので、その目的は、高精度の圧力信号
を得るのに適し、かつ製作容易な差圧センサの構造、お
よびこの差圧センサの組み立て方法を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
の本発明の特徴は、両面に印加される圧力の差に感応す
る圧力感応部を有する半導体チップと、当該半導体チッ
プ以下の厚みを有し、且つ前記半導体チップとの接合面
側に屈曲した外縁部を有する固定台と、当該固定台が嵌
合された際の位置決めを行い、且つ嵌合後は固定台下に
前記半導体チップ以上の面積を有する空隙を生じるよう
に形成された案内ガイド部を備えた凹部と、当該凹部に
連通するように形成された圧力導入孔と、前記半導体チ
ップからの信号を外部へ導く端子とを有するハウジング
とを備えた差圧センサの組立て方法であって、前記半導
体チップと前記固定台を接合して組合体とすること、該
組合体の前記固定台側を前記凹部の案内ガイド部に合わ
せて組み込むこと、前記組合体を組み込んだ方向から、
前記固定台の外縁部と前記ハウジングとを溶接して接合
すること、である。

【０００９】半導体チップを固定台に接合し、この結合
体をさらにハウジングに組み込んで差圧センサを構成す
る時に、固定台の終端部が組合体を組み込んだ方向に現
われるようにしたことで、組み込んだ方向と同一方向か
ら容易に固定台とハウジングとの接合が行えるようにし
たものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図によ
り説明する。

【００１１】尚、差圧センサは複合機能形差圧センサの
一態様なので、以下、複合機能形差圧センサを説明する
ことで、本発明を差圧センサの構成についても適用でき
ると考える。

【００１２】図１は本発明の複合機能形差圧センサの一
実施例を示す断面図であり、図２及び図３は図１の複合
機能形差圧センサ部の半導体チップ部分の平面図とその
回路図である。

【００１３】図１において、単結晶シリコンからなる複
合機能形差圧センサチップ１は中空の固定台２を介して
ハウジング４に取り付けられている。固定台２は複合機
能形差圧センサチップ１のハウジング４との電気絶縁お
よびハウジング４との線膨張係数の相違による熱歪の低
減を考慮して、前記シリコンと線膨張係数の近似したセ
ラミックス（例えばＳｉＣ，ＳｉＮ）あるいはＦｅ−Ｎ
ｉ合金を使用することが望ましい。しかし、前記単結晶
シリコンと線膨張係数が異なる材料を使用しても実用的
精度は達成できる。固定台２のセンサチップ１との接合
面側には接合層２０を有する。接合層２０は固定台２の
接合表面を低融点ガラス等の酸化物ソルダーでグレイズ
化して形成するか、あるいは金属ソルダー、あるいはＡ
ｕ−Ｓｎ，Ａｕ−Ｓｉ合金層又はＡｕの薄膜をスパッタ
法、あるいは蒸着法により形成することができる。また
は、有機質あるいは無機質のバインダーでも形成可能で
ある。かかる接合層２０を固定台２のセンサチップ１の
接合面側に設けることにより、センサチップ１を低温で
容易に接合することができる。またその接合層は薄いの
で接合歪の影響を極力低減できる。

【００１４】複合機能形差圧センサチップ１からの差
圧，静圧，温度の各信号はリード線１７および配線板５
を介して、ハウジング４に設けられたハーメチックシー
ル部４１の端子４２により外部にそれぞれ取り出され
る。複合機能形差圧センサチップ１は（１００）面のｎ
形単結晶シリコンであり、その一方の面のほぼ中央に、
円形又は多角形の差圧感圧ダイアフラムとして機能する
薄肉部１１を有する。一方、センサチップ１の他方の面
には中央に孔２９を有する固定台２とで形成される凹部
１３を形成する。この凹部１３に検出すべき差圧の一方
を前記孔２９を介して導入する。これにより、前記薄肉
部１１は差圧に感応する起歪体となり、差圧検出用の感
圧ダイアフラムとして動作する。薄肉部１１の上面には
（１００）面におけるピエゾ抵抗係数が最大となる〈１
１０〉軸方向に、Ｐ形抵抗体（ゲージ抵抗）からなる差
圧抵抗体１１１〜１１４がそれぞれ結晶軸に対して平行
又は直角方向に熱拡散法あるいはイオン注入法により形
成される。前記各差圧抵抗体１１１〜１１４の配置位置
は、差圧印加時に薄肉部１１上に発生する半径方向，周
方向の歪が最大になる位置に配置する。また、これらの
抵抗の配置方向としては、１１１と１１３を半径方向と
し、１１２と１１４を接線方向とし、図３に示すブリッ
ジ回路に結線することにより大きな差圧信号を得ること
ができる。薄肉部１１の形状と肉厚は異方性ウェットエ
ッチング、あるいはドライエッチングにより、感応する
差圧に応じて所定の形状と肉厚に設定される。

【００１５】センサチップ１に圧力が加わった時薄肉部
１１上の抵抗体１１１〜１１４はダイアフラムの上面と
凹部１３の差圧により発生する歪を受け、ピエゾ抵抗効
果により抵抗が変化する。従って、図３に示したような
回路方式を採用すればｄ〜ｇの端子から差圧に応じた信
号を取り出すことができる。

【００１６】従来では、これらの抵抗体１１１〜１１４
は薄肉部１１の両面にかかる圧力が等しいとき（静圧状
態）、または温度が変化したときにも感応し出力が変化
する。これらの変化のうち前者の出力変化を静圧による
ゼロ点変化と呼び、後者の出力変化を温度変化によるゼ
ロ点変化と呼んでいる。このうち温度変化時のゼロ点変
化は主に抵抗体１１１〜１１４の各抵抗値のバラツキ
と、抵抗体の抵抗値は温度に影響される関数となってい
るため、差圧センサの出力と温度との関係は明確に関係
づけられるので補償も容易に行うことができる。静圧印
加時のゼロ点変化については、主に静圧印加時に発生す
る固定台２やハウジング４などのセンサチップ１以外の
構成体に生じる歪によって生じる。このゼロ点変化も温
度変化時のゼロ点変化と同様に、静圧印加時の差圧セン
サのゼロ点変化と静圧センサの出力との関係を情報とし
て格納しておけば、この情報に基づいて比較的容易に補
償することができる。

【００１７】また、静圧印加時には前述のゼロ点変化以
外に、その差圧感度にも変化が現われる。この変化をス
パン変化と呼んでおり、この原因を以下説明する。通
常、センサチップ１は図１に示すように、厚肉部１２を
有し、この厚肉部１２を介して固定台２等に固着され、
かつハウジング４に取り付けられている。このとき、こ
の厚肉部１２には静圧印加時に厚肉部の外径と内径の相
違による歪が発生する。この歪は前記薄肉部１１に伝搬
するので、差圧抵抗体１１１〜１１４の抵抗値を変化さ
せる。また、この歪の大きさは差圧測定時に薄肉部１１
に発生する最大歪の５％〜５０％にも達する。かかる高
歪の状態において、薄肉部１１の両面に差圧を印加する
と、薄肉部１１は差圧にも感応して変形し、差圧抵抗体
１１１〜１１４には大きな抵抗変化が発生する。このと
きの変形過程において、前記の均一な大きな静圧歪が付
加されている状態なので、差圧感圧ダイアフラムの歪分
布は大気圧下（静圧＝０）での歪分布とは異なってしま
う。すなわち、大気圧下での差圧センサの出力と静圧下
での差圧センサの出力特性が相違してしまう現象であ
る。この出力変化（スパン変化）は前述の如く、センサ
チップ１の単独状態でも生じるものと推定される。ま
た、センサチップ１の実装上は図１に示すように、必ず
固定台２等の付加物を具備させる必要があるため、これ
らの付加物による静圧印加時の歪の影響を受けるのでス
パン変化はさらに大きくなる。

【００１８】上述した複合機能形センサの主歪センサで
ある差圧センサのゼロ点変化，スパン変化は差圧計測に
おいて問題であり、特にスパン変化に関しては重要な問
題になっている。何故ならスパン変化は差圧計測の精度
に最も関連しており、プラントの制御精度を大きく左右
するからである。また、最近の低差圧領域の差圧計測計
装で採用される差圧センサとしては、薄肉部１１をより
薄肉化して感度を高める必要があるが、反面スパン変化
が大きくなるため、差圧感度を容易に向上させることは
できなかった。

【００１９】これらの問題を解決するため、従来とし
て、静圧を感知する静圧センサを補助センサとして同チ
ップ上に具備させ、この信号を利用して差圧センサのゼ
ロ点変化，スパン変化を補償する方法が使われてきた
が、この方法に対してはいくつかの問題が存在する。特
に、静圧信号を得るために、固定台２との縦弾性係数の
差を利用してなる複合機能形センサでは、静圧信号を得
るためにその厚肉部１２に過大な曲げ歪が発生してしま
う。この曲げ歪は薄肉部１１に伝搬し、差圧センサの出
力に大きく干渉する。このため、精度が高い差圧センサ
を得るためには、各温度，各静圧，各差圧点での差圧セ
ンサの入出力関係を明確にする必要がある。この入出力
関係の情報を得るためには、温度，静圧を変化させなが
ら、差圧センサの入出力特性の情報を採集する必要があ
るが、この情報量は膨大なため、従来この情報採集を行
い補正を行うことは困難であった。

【００２０】すなわち、複合機能形差圧センサの主歪セ
ンサである差圧センサの静圧印加時のゼロ点変化および
スパン変化を補償するために設けた静圧センサはそれな
りの効果はあるものの、その反面、主歪センサである差
圧センサの感圧ダイアフラムに過大な歪を与えるため、
より複雑な製造工程、および補償方法を必要としてい
た。

【００２１】本発明では、これらの種々の問題を解決す
るために、固定台の形状を工夫し、構造的に差圧センサ
のゼロ点変化，スパン変化を削減し、無補償でその特性
を向上させるようにした。これにより、ゼロ点変化，ス
パン変化を削減して静圧センサをライン圧センサとして
活用することが可能となった。

【００２２】図１，図２において、複合機能形差圧セン
サチップ１の薄肉部１１以外の厚肉部１２には少なくと
も１個の感温抵抗１１５が形成される。この感温抵抗は
（１００）面におけるピエゾ抵抗係数の最小感度を示す
〈１００〉軸方向に配置されたＰ形の抵抗体であり、差
圧又は静圧にはほとんど感応しない。この抵抗は差圧抵
抗体１１１〜１１４と同様のプロセスにて、所定の抵抗
値で形成される。一方、もう１つの補助センサである静
圧センサは、前記感温抵抗体１１５と同様に、センサチ
ップ１の厚肉部１２に、前記差圧抵抗体と同じ結晶軸方
向に、それぞれ平行に又は直角方向に、抵抗体１５１〜
１５４が形成される。静圧抵抗体１５１〜１５４のう
ち、抵抗体１５１，１５４は前記センサチップ１の厚肉
部１２の一部に静圧感圧ダイアフラムとして機能する薄
肉部１５を有する面上に形成される。この薄肉部１５の
もう一方の面は前記固定台２の一方の面との接合部分
に、凹部１２１を形成する。この凹部１２１は静圧印加
時に、基準室（大気圧又は真空室）として動作し、前記
薄肉部１５は静圧感圧ダイアフラムとして動作する。こ
のため、この薄肉部１５上の抵抗体１５１，１５４は前
記薄肉部１１上の抵抗体と同様に大きな抵抗変化を得る
ことができる。一方、別の２個の抵抗体１５２，１５３
は前記センサチップ１の厚肉部１２に形成してあり、静
圧印加時にはほとんど抵抗が変化しない。これらの抵抗
体１５１〜１５４を図３に示すようなブリッジ回路状に
結線し、図２の端子ｈ〜ｋよりその出力が取り出せる。
本実施例においては、前述の如く、ブリッジ方式を２ア
クティブゲージ方式としているのでその出力は差圧セン
サの出力と比較すれば小さいが、ライン圧力センサとし
ては十分な出力である。

【００２３】複合機能形差圧センサチップ１の上面には
前記差圧，静圧，温度の各抵抗体を保護する保護膜１８
と、各抵抗体を図３の如く結線するためのアルミ配線１
６とボンディングパッドａ〜ｋが形成される。前記保護
膜１８は各抵抗体とセンサチップ１の厚肉部のみに形成
し、薄肉部１１上には形成しない。これは、温度変化時
に保護膜１８とセンサチップ１の材質相違により生じる
熱歪の影響を削除するためである。また薄肉部１１が薄
くなればなる程（低差圧用センサ）この効果は大きくな
る。

【００２４】図４は本発明のゼロ点変化，スパン変化を
低減する原理を、模式的に表わした図である。同図
（ａ）は図１の複合機能形差圧センサチップ１を表わし
たもので、無負荷状態の場合である。同図（ｂ）は前記
センサチップ１に静圧が印加された状態の形状を表わし
たものである。静圧印加時には、センサチップ１の厚肉
部１２のパイプ形状部（外径２Ａ，内径２Ｂ）により、
センサチップは内側に変形すると共に、上面からの静圧
により、下方に変形する。変形状態は同図（ｂ）の実線
で示される。このとき、差圧センサの薄肉部１１には前
記歪の差により、静圧相当分の歪が発生する。この歪状
態において、差圧が印加されると、差圧感圧ダイアフラ
ムは前記静圧歪が起きた状態で差圧歪を受けることにな
る。この静圧歪は差圧歪の発生時に大きな影響を与える
ため、大気圧下(静圧＝０)での差圧のみによる発生歪と
相違する。このため、静圧下ではスパンが変化する。し
かし、同図（ｂ）の状態（静圧＝Ｐｓ，差圧＝０）で
は、薄肉部１１と厚肉部１２においては均一な静圧歪が
発生しているので、ゼロ点の変化は起らない。

【００２５】したがって、静圧下でのゼロ点変化，スパ
ン変化をなくするには、同図（ｂ）に示す如く、センサ
チップ１の厚肉部１２に均一な引張り力Ｆを作用させ
て、同図（ｃ）に示す如く、平行に一点鎖線の形状（元
の形状（ａ））に戻せば良い。そうすればゼロ点変化，
スパン変化を押さえることができる。この力Ｆ同図(ｃ)
に示すＰｓ′に相当する静圧を前記センサチップ１の厚
肉部１２の固定台２との接合面に作用すれば、ポアソン
効果により発生させることができる。一般に、このＰ
ｓ′は静圧Ｐｓの大きさと等しいので、換言すれば前記
センサチップ１の厚肉部１２を静水圧状態にしているこ
とと同等の効果がある。そこで本実施例では、固定台が
センサチップ１と接合している面の他方の面２１に静圧
Ｐｓが作用する面が形成されるので（同図（ｄ）参
照）、センサチップ１の厚肉部１２を静水圧状態に保持
することができる。この静水圧の状態を確保する範囲は
前記センサチップ１の厚肉部の面積を確保するだけで十
分であり、その固定台の厚さはできる限り薄い方が良い
が、強度の観点からは所定の肉厚が必要である。

【００２６】前記力Ｆは固定台２とセンサチップ１に使
用する材料を変えた場合でも、前述の静水圧時のポアソ
ン効果と同様に発生させることができる。例えば固定台
２をセンサチップ１の縦弾性係数より小さい材料を使用
し、その厚みを前記チップと同程度の肉厚とすると、静
圧印加時のセンサチップ１の厚肉部１２と固定台２の前
記センサチップ１との接合部分とでは歪差が発生し、こ
の歪差はさらに前記厚肉部１２の上面に正の曲げ歪を発
生させる。この曲げ歪はセンサチップ１の薄肉部１１を
外側に引張る力として機能する。また、前述とは逆に、
固定台２にセンサチップ１の縦弾性係数より大きい材料
を使用した場合でも、前者に比べてその肉厚をさらに薄
くすると、前記センサチップ１の薄肉部１１を外側に引
張る力を発生させることができる。

【００２７】また、図１に示した実施例の固定台２のも
う一方の面はハウジング４にセンサチップ１を固定する
ための接合部として機能し、一方、前記接合部と前記セ
ンサチップ１との厚肉部１２との接合面を有する部分
（前記センサチップを静水圧状態にする部分）との間に
は、少なくとも１つ以上の薄肉部２２を設けている。ま
た、この薄肉部２２と前記接合部２１の境界にはもう１
つの薄肉部２３を設けて、薄肉部２２を形状的に隔離し
ている。この薄肉部２２は、その位置を前記センサチッ
プ１の厚肉部径より外側に、すなわち前記センサチップ
１の外径以上の領域に位置している。このとき、この薄
肉部２２はハウジング４からの熱歪又は静圧印加時の圧
力歪を吸収する部分として機能するので、前記センサチ
ップ１の厚肉部１２と前記固定台の接合部分２１とで形
成されている静水圧の状態を乱すことは一切ない。

【００２８】図５は、前述の原理に基づいて製作した複
合機能形差圧センサの構成と特性を示したものであり、
同図（ｂ）は本願の原理に基づいて構成した複合機能形
差圧センサの断面図である。同図（ｂ）において、セン
サチップ１の厚肉部１２に均一な引張り力を作用させる
ため、前記センサチップ１の厚肉部１２に固定台２の接
合部分２１を介して圧力Ｐ（静圧）を作用させている。
この圧力Ｐにより、センサチップ１の厚肉部１２にはポ
アソン効果により外側に引張る力が発生し、図４（ｂ）
に示すような一点鎖線の形状に戻るようになる。換言す
れば、この圧力Ｐを用いて前記センサチップ１の厚肉部
１２を静水圧の状態にしていることと等しい。したがっ
て、効率よくこの効果を得る方法としては、前記センサ
チップ１の厚肉部１２の固定台との接合面方向に直接こ
の圧力を印加させる構成を取ることである。しかしこの
ような構成では、高圧側圧力（Ｐ＋△Ｐ）と低圧側圧力
（Ｐ）を分離できないので実現性がないとともに、ハウ
ジングに固定することが不可能になる。このため、固定
台２は必然的に設ける必要があるが、設けたことにより
前述した効果を損わないようにしなければならない。一
般には、固定台２の厚さは薄ければ薄い程、圧力Ｐによ
る力が減衰することなく前記センサチップ１の厚肉部に
伝達される。一方、強度の点から所定の肉厚を有しない
こと耐圧性がなくなる。

【００２９】このような観点から、図５（ｃ）に固定台
２の厚さ（ｔｇ＋ｔｓ）とセンサチップ１の厚肉部１２
の厚さ（ｔｓ）との関係を求めた結果を示す。また、本
発明とは異なる一般的な構成を採用した場合（同図
（ａ）の構成）の結果も示す。

【００３０】これらの図から明らかなように、ゼロ点，
スパン変化とも、本発明の構成においては、センサチッ
プ１の厚さに比べて、固定台２の厚さをある程度以下に
すると、その変化が非常に小さいことが判る。一方、従
来のセンサ構造においては、その変化は非常に大きい。
したがって、本発明によれば、前記センサチップ１の厚
肉部１２の厚さに比して、特に固定台２の厚さを同等
（≒１.０倍)か、それ以下にすればゼロ点変化，スパン
変化を、実用上、問題のない影響範囲に押さえることが
できる。

【００３１】以上説明したように、静圧印加時に、差圧
センサのゼロ点変化，スパン変化を皆無または非常に小
さくするには、固定台２に接合部分２１を設け、その形
状としては前記センサチップ１の厚肉部を完全に囲むよ
うな面積を有する形状とし、その肉厚を薄くすること、
特に前記センサチップ１の厚肉部１２と比較して同等か
それ以下の肉厚とすることにより、前記センサチップ１
の厚肉部１２を静水圧状態に保持することができるの
で、ゼロ点変化，スパン変化を皆無又は非常に小さくす
ることができる。

【００３２】さらに、固定台２において前記接合部分以
外に、前記センサチップ１の外径以上の領域に薄肉部２
２を少なくとも１つ設けることにより、前述の静水圧状
態をより確実に実施できると共に、熱歪あるいは静圧印
加時の圧力歪を吸収できる部分として動作させることが
できる。この作用により、差圧センサチップ１の差圧薄
肉部１１には外部環境に起因する温度歪，圧力歪の影響
を受けることはない。したがって、かかる構成における
複合機能形差圧センサでは、ゼロ変化，スパン変化を皆
無又は非常に小さくできることはもちろんのこと、補助
センサである静圧センサには一切の負担をかけることが
なくなるので、静圧センサをライン圧力用センサとして
有効に活用することが可能になる。

【００３３】図６，図７は上述の原理に基づいて製作し
た複合機能形差圧センサの特性図であり、薄肉部１１を
非常に薄く（低差圧領域の差圧センサでそのダイアフラ
ム板厚は約１０μｍ、ダイアフラム径は約４mm程度）し
たときの、固定台の前述のそれぞれの機能部分を確認し
た結果である。

【００３４】図６は固定台を２層構造とし、すなわち、
接合部分２１を第一の接合部分211と第二の接合部分２
１２に分離形成し、センサチップ１の厚肉部１２の厚さ
ｔｓを一定にした時の第一の接合部分２１１の板厚ｔｆ
と第二の接合部分２１２の板厚ｔｇを変化させた時のゼ
ロ点変化，スパン変化を調べた結果である。図から明ら
かなように、ゼロ点変化，スパン変化とも、第一の接合
部分２１１の板厚ｔｆと第二の接合部分２１２の板厚ｔ
ｇにより大きく変化するが、センサチップ１の厚肉部の
肉厚ｔｓに比べて各固定台の接合部分の肉厚ｔｆ，ｔｇ
を薄くすることにより非常に小さくなっていることが判
る。なお使用材料としては、接合部分２１にはセンサチ
ップ１の縦弾性係数よりかなり小さい材料を使用した。

【００３５】図７はセンサチップ１と固定台２のみで構
成し、固定台２の厚さｔｇをセンサチップ１の厚さｔｓ
よりも薄くし（ｔｇ＝＜ｔｓ）た場合に、固定台２の縦
弾性係数を０.５×１０⁵〜４×１０⁵ ＭＰａの範囲で変
化させたことによるゼロ点変化とスパン変化を調べた結
果である。この図から明らかなように、縦弾性係数の変
化に対してそのゼロ変化，スパン変化は、非常に鈍感で
あり、その絶対値も非常に小さい。したがって、前述の
原理に基づいて構成する複合機能形差圧センサにおいて
は、センサチップを固定するための固定台の材料の選択
範囲を広げることが可能であり、かつゼロ変化，スパン
変化を低減することができる。

【００３６】また、図１に示した実施例固定台２は前述
の原理に基づいた構成になっているのはもちろんのこ
と、さらにハウジング４との接合性ならびに特性向上を
考慮した形状となっている。すなわちハウジング４と、
接合層３と、固定台２の材質が異なると、その接合時な
らびに温度変化時さらには、静圧印加時には各種の歪が
（接合歪，温度変化歪，静圧歪）発生する。そのため、
接合層３は、図１にも示されるように、特に低融点ガラ
スなどの接合材を用いるものではなく、片方からの溶接
によって接合しており、さらにこの固定台２はこの各種
の歪を吸収して前記センサチップ１に各種歪の影響をな
くするように、固定台２のハウジング４との接合部近傍
にもう一つの薄肉部２３を設けている。この薄肉部２３
も前記各種歪の吸収体あるいは隔離部として機能する。

【００３７】さらに本実施例では、前記センサチップア
ッセイ（１と２の部組）をハウジング４に挿入し固着す
る工程において、前記薄肉部２２の一部に挿入ガイド部
２８を設け、この挿入ガイド部２８を前記ハウジング４
に設けられている案内ガイド部４４に挿入することによ
り、容易にセンサチップアッセイの位置決めと固着が可
能となっている。また、薄肉部２２の終端部はセンサチ
ップ１の表面方向にあるので、位置決め後の固着工程で
も一連して作業を継続して行うことができると共に、形
状的にも簡単であり、容易に製作することができる。

【００３８】図８はその他の実施例を示した図であり、
前述した本発明の構成を持つ固定台２の材質を前記複合
機能形センサチップ１と縦弾性係数と線膨張係数とが近
似したＦｅ−Ｎｉ合金を使用し、前記固定台の接合部分
２１と薄肉部２２との間に波形形状の圧力歪，接合歪を
吸収する薄肉部２４を単一形状内に設けたものである。
接合層２０は高絶縁性の低融点ガラス等の酸化物ソルダ
ーあるいはセラミックス系の接合層である。ハウジング
４と固定台２の接合は薄肉部２４を介して、前記ハウジ
ング４に設けられている案内ガイド部４４に、前記薄肉
部２４の一部に設けられた挿入ガイド部を介して、アル
ゴンアーク溶接またはプラズマ溶接にて容易に接合され
る。これにより、前述した本発明の効果を損わず、さら
に外部圧力歪に対してより耐力のある構成となり、信頼
性が向上する。

【００３９】また実施例では図示してないが、前記固定
台２の材質を前記複合機能形センサチップ１と同じ材料
であるシリコンを使用し、あるいは線膨張係数の近似し
た硼珪酸ガラスあるいはＳｉＣ，ＳｉＮ等のセラミック
スを使用した場合でも、前記固定台２の接合部分以外の
領域に、図１、または図８に示したような薄肉部２２を
形成することが可能である。接合層としては機能（絶縁
特性等）に応じて、低融点ガラス等の酸化物ソルダーの
接合層又はＡｕの薄膜、Ａｕ−Ｓｉ，Ａｕ−Ｓｎ合金の
薄膜の金属ソルダー、或いは有機あるいは無機質バイン
ダーの接合層等を選択し用いることができる。かかる構
成においても、図７から明らかなように、材質を変えた
場合の固定台の縦弾性係数の変化に対してそのゼロ変
化，スパン変化は非常に鈍感であり、その絶対値も非常
に小さいので、前述した本発明の効果を損うことはな
い。

【００４０】図９はその他の実施例を示した図であり、
前記固定台２を第一の接合部材２７と第二の接合部材２
３３より構成し、第二の接合部材の接合部分２１の長手
方向（チップ外径の方向でその径以上）に薄肉部２２を
構成したものである。第一の接合部材２７の板厚と第二
の接合部材の接合部分２１の板厚は、センサチップ１の
厚肉部の肉厚に比べて薄くし、特にその厚さを同等かそ
れ以下とし、またはその合計和の肉厚が同等か或いは薄
くなるように設定しているので、ゼロ点変化，スパン変
化とも低減することができる。尚、第一の接合部材２７
の材料としては硼珪酸ガラスを使用し、第二の接合部材
２３３の材料としてはＦｅ−Ｎｉ合金系等の金属材料を
使用したものである。第一の接合部材２７と第二の接合
部材２３３との接合層２０には前述の如く、低融点ガラ
ス等の酸化物ソルダーの接合層又はＡｕの薄膜、Ａｕ−
Ｓｉ，Ａｕ−Ｓｎ合金の薄膜の金属ソルダー、或いは有
機あるいは無機質バインダーの接合層を用いることがで
きる。

【００４１】使用する部材を選択することにより、部材
を接合する接合方法として、さらに前記センサチップ１
と第一の接合部材２７の接合とを陽極接合法により無歪
で接合層を介さないで接着することが可能になる。この
方法によればセンサチップ１と第一の接合部材２７の接
合は基板ベース（ウェハ単位）で一括して陽極接合を行
い、その後の切断工程においても基板ベース（ウェハ単
位）で取扱いができる。また、第一の接合部材２７の中
空の孔２９と第二の接合部材２３３の中空の孔２９２を
有する挿入ガイド部２８を同軸上に設けることにより、
切断後のセンサチップアッセイ（１と２７の部組）を挿
入ガイド部２８に容易に位置決めでき、前記接合層２０
を介して第二の接合部材２３３に固着できる。前記セン
サチップアッセイ（１と２７と第二の接合部材の部組）
をハウジング４に挿入し固着する工程において、前記薄
肉部２２の一部に挿入ガイド部２８を設け、この挿入ガ
イド部２８を前記ハウジング４に設けられている案内ガ
イド部４４に挿入することにより、容易に前記センサチ
ップアッセイの位置決めと固着が可能となっている。さ
らに、薄肉部２２の終端部はセンサチップ１の表面方向
にあるので、前記接合層２０を作る時の流れ止めとなり
より均一な接合層を形成できるとともに、位置決め後の
固着工程でも一連して作業を継続して行うことができ、
そして形状的にも簡単なので容易に製作することができ
る。

【００４２】かかる構成において、前記センサチップ１
と第一の接合部材２７はその縦弾性係数が大いに相違す
るので、静圧印加時にはその歪差により生じる曲げ歪が
センサチップ１の上面に発生する。このため、静圧感圧
ダイアフラムを設けなくとも、静圧信号を得ることがで
きるので、静圧感圧ダイアフラムの強度（最高使用圧
力）を全く考慮しなくても良い。したがって、その最高
使用圧力が非常に高いセンサを提供できるとともに、よ
り小形化が達成できる。一方、前述の如く静圧感圧ダイ
アフラムを具備させた構成にしても良いことは言うまで
もない。

【００４３】また、第二の接合部材の材料にＦｅ−Ｎｉ
合金以外の金属材料を使用しても、前記第二の接合部材
２３３の薄肉部２２とハウジング４の接合界面に接合層
３を柔軟性の低融点ガラス等の酸化物ソルダー、又は有
機あるいは無機質バインダー又は金属ソルダー等で設け
ることにより、容易にハウジング４にも固着できる。し
たがって、第二の接合部材２３３の材料をＦｅ系の金属
材料あるいはその他の非鉄材料とすることもできる。一
方、図５，図６に示したように前述の材料構成と異なる
方法も、各構成部材の肉厚構造を変えることより適用可
能になる。例えば、第一の接合部材２７に適用できる材
料候補としては前記センサチップ１とその線膨張係数が
ほぼ等しいシリコン，セラミックス、或いは、Ｆｅ−Ｎ
ｉ系の合金があり、第二の接合部材２３３に適用できる
材料候補としてはセンサチップとその線膨張係数がほぼ
等しいシリコン，セラミックス、或いは、Ｆｅ系，Ｆｅ
−Ｎｉ系の合金があるので、これらの材料から任意に選
択することができる。

【００４４】

【００４５】

【００４６】

【００４７】

【００４８】以上、複合機能形差圧センサを中心に説明
したが、本発明は単なる差圧センサに適用できることは
勿論のこと、使われる半導体チップの構造も、中央に厚
肉部を有しない通常の半導体チップであっても同様に構
成することが可能である。

【００４９】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、差圧センサ，複合機能形差圧センサの静圧印加時
差圧検出センサのゼロ点変化，スパン変化をハード的に
削除できるので、より高精度の差圧圧力信号を検出する
センサを得ることができる。また、本発明による圧力セ
ンサの静圧信号はプロセス圧用センサとして利用できる
ので、プラントに使用した場合圧力計測器の削減が可能
となり省力化できる。

【００５０】さらに、差圧検出センサの出力を補償する
ための情報量を大幅に低減できるので、センサ製造にお
ける製造管理の工程数、およびセンサ出力信号の処理回
路を大幅に削減できるとともに、製作性，信頼性に富む
という効果がある。

【００５１】また更に、センサの特性試験は、チップ単
体では通常行えず、固定台が必要である。本発明におい
ては、センサチップに不具合があった場合、センサチッ
プアッセイ（固定台と接合した段階）の状態で特性試験
が行えるため、ハウジングとの接合や配線等を行う前に
不具合の発見ができ、歩留まりが向上するという効果が
ある。

【００５２】また、センサの組立工程においては、各部
材の接合や配線作業など、作業面（方向）が全て同一面
で行えるため、簡易な連続工程を達成でき、更に作業時
の取り扱いも容易になることから製作ミス等の不具合が
減少するため、センサの品質も向上するという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る複合機能形差圧センサ
の断面図。

【図２】本発明の一実施例に係る複合機能形センサの平
面図。

【図３】本発明の一実施例に係る圧力センサのセンサ回
路。

【図４】本発明の原理の説明図。

【図５】接合部分の厚さを変えた場合の本発明の特性図
及び断面図。

【図６】二層に成っている接合部分の厚さを変えた場合
の本発明の特性図及び断面図。

【図７】固定台の縦弾性係数を変えた場合の本発明の特
性図及び断面図。

【図８】本発明の他の実施例に係る複合機能形差圧セン
サの断面図。

【図９】本発明の他の実施例に係る複合機能形差圧セン
サの平面図及び断面図。

【符号の説明】

１…差圧センサ又は機能形差圧センサチップ、２…固定
台、３…ハウジングとの接合層（溶接，酸化物ソルダー
あるいは金属ソルダーあるいはバインダー）、４…ハウ
ジング、５…配線板、１１，１５，２２…薄肉部、１２
…センサチップ厚肉部、１３，１２１…凹部、１６…ア
ルミ配線、１７…リード線、１８…保護膜、ａ〜ｋ…端
子またはパッド、２０…センサチップとの接合層（酸化
物ソルダーあるいは金属ソルダーあるいはバインダ
ー）、２３…固定台のもう一つの薄肉部、２４…固定台
の薄肉部、２８…固定台の挿入ガイド部、２９…固定台
の圧力孔、４１…ハーメチックシール部、４２…ハーメ
チックシール端子、４３…圧力導入孔、４４…案内ガイ
ド、１１１〜１１４…差圧抵抗体、１５１〜１５４…静
圧抵抗体、１５５…感温抵抗、２１１…固定台の接合部
分（酸化物ソルダーあるいは金属ソルダーあるいはバイ
ンダーを含む）、２１２…固定台の接合部分と薄肉部分
（酸化物ソルダーあるいは金属ソルダーあるいはバイン
ダーを含む）、２９２…第二固定台の圧力孔、２９３…
固定台の第二流体室。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 青木 賢一 茨城県勝田市市毛882番地 株式会社 日立製作所 計測器事業部内 (56)参考文献 特開 昭59−210338（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−194432（ＪＰ，Ａ) 実開 昭57−112228（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01L 9/04 G01L 13/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】両面に印加される圧力の差に感応する圧力
   感応部を有する半導体チップと、 当該半導体チップ以下の厚みを有し、且つ前記半導体チ
   ップとの接合面側に屈曲した外縁部を有する固定台と、 当該固定台が嵌合された際の位置決めを行い、且つ嵌合
   後は固定台下に前記半導体チップ以上の面積を有する空
   隙を生じるように形成された案内ガイド部を備えた凹部
   と、当該凹部に連通するように形成された圧力導入孔
   と、前記半導体チップからの信号を外部へ導く端子とを
   有するハウジングとを備えた差圧センサの組立て方法で
   あって、 前記半導体チップと前記固定台を接合して組合体とする
   こと、 該組合体の前記固定台側を前記凹部の案内ガイド部に合
   わせて組み込むこと、 前記組合体を組み込んだ方向から、前記固定台の外縁部
   と前記ハウジングとを溶接して接合すること、を特徴と
   する差圧センサの組立て方法。
2. 【請求項２】請求項１において、前記固定台が嵌合される前記凹部の案内ガイド部までの
   深さは、前記固定台の外縁部の高さと同程度であること
   を特徴とする差圧センサの組立て方法。