JP3375533B2 - 半導体圧力変換器 - Google Patents
半導体圧力変換器Info
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- JP3375533B2 JP3375533B2 JP31966897A JP31966897A JP3375533B2 JP 3375533 B2 JP3375533 B2 JP 3375533B2 JP 31966897 A JP31966897 A JP 31966897A JP 31966897 A JP31966897 A JP 31966897A JP 3375533 B2 JP3375533 B2 JP 3375533B2
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体圧力センサ
が静電接合された基台と、この基台が半田材によって接
合されたキャリアとを備えた半導体圧力変換器に関する
ものである。
が静電接合された基台と、この基台が半田材によって接
合されたキャリアとを備えた半導体圧力変換器に関する
ものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、圧力あるいは差圧を検出する圧力
センサとしては、半導体圧力センサを利用した半導体圧
力変換器が知られている（例：実開昭５９−１３５６５
４号公報等）。
センサとしては、半導体圧力センサを利用した半導体圧
力変換器が知られている（例：実開昭５９−１３５６５
４号公報等）。
【０００３】図２はこのような半導体圧力センサを備え
た半導体圧力変換器の従来例を示す。この半導体圧力変
換器は、キャリア１上に基台２を設置し、さらにその上
に半導体圧力センサ３を設置して構成したものである。
た半導体圧力変換器の従来例を示す。この半導体圧力変
換器は、キャリア１上に基台２を設置し、さらにその上
に半導体圧力センサ３を設置して構成したものである。
【０００４】キャリア１は４２−アロイ、コバール等に
よって板厚が０．５〜３ｍｍ程度の板状に形成されて中
央に圧力導入孔４を有し、また外周寄りには導電ピン６
が挿通されガラス等のシール材５によってハーメチック
シールされている。
よって板厚が０．５〜３ｍｍ程度の板状に形成されて中
央に圧力導入孔４を有し、また外周寄りには導電ピン６
が挿通されガラス等のシール材５によってハーメチック
シールされている。
【０００５】基台２としては、半導体圧力センサ３を接
合するときの熱歪みが半導体圧力センサ３に伝わると変
換器の温度特性を低下させ零点シフトの原因となるた
め、半導体圧力センサ３と線膨張係数が近似した絶縁材
料、例えばパイレックスガラス（商品名）、セラミック
ス等によって高さが１〜５ｍｍ程度の筒状体に形成され
ることにより、前記圧力導入孔４に連通する挿通孔８を
有している。そして、基台２２をキャリア１に半田付け
により接合するには、キャリア１の材質が４２−アロイ
やコバールであるので、直接半田付けは可能である。し
かし、通常半田付け性を向上させるために、Ｎｉめっき
単体か、そのＮｉめっき上にＡｕめっき等を施した後、
キャリア１と基台２を半田材７によって接合する。
合するときの熱歪みが半導体圧力センサ３に伝わると変
換器の温度特性を低下させ零点シフトの原因となるた
め、半導体圧力センサ３と線膨張係数が近似した絶縁材
料、例えばパイレックスガラス（商品名）、セラミック
ス等によって高さが１〜５ｍｍ程度の筒状体に形成され
ることにより、前記圧力導入孔４に連通する挿通孔８を
有している。そして、基台２２をキャリア１に半田付け
により接合するには、キャリア１の材質が４２−アロイ
やコバールであるので、直接半田付けは可能である。し
かし、通常半田付け性を向上させるために、Ｎｉめっき
単体か、そのＮｉめっき上にＡｕめっき等を施した後、
キャリア１と基台２を半田材７によって接合する。
【０００６】基台２をキャリア１上に接合するには、例
えば基台２の接合面２ａにＭｏ，Ｍｎ等を焼き付けた上
にＮｉ，Ａｕのメッキ層を重ねるという従来周知の方法
でメタライズした後、キャリア１と基台２の接合面１
ａ，２ａ間に半田材（ろう材）７を挟み込んで接合治具
で加熱し、半田材７を溶かして接合する。半田材７とし
ては、Ｓｎ−Ａｇ、Ｐｂ−Ｓｎ等が用いられ、厚さは１
０〜５０μｍ程度とされる。
えば基台２の接合面２ａにＭｏ，Ｍｎ等を焼き付けた上
にＮｉ，Ａｕのメッキ層を重ねるという従来周知の方法
でメタライズした後、キャリア１と基台２の接合面１
ａ，２ａ間に半田材（ろう材）７を挟み込んで接合治具
で加熱し、半田材７を溶かして接合する。半田材７とし
ては、Ｓｎ−Ａｇ、Ｐｂ−Ｓｎ等が用いられ、厚さは１
０〜５０μｍ程度とされる。
【０００７】半導体圧力センサ３は、ｎ型単結晶Ｓｉ
（シリコン）等からなり前記基台２の上面に静電接合さ
れた半導体基板９を備えている。この半導体基板９は、
裏面中央部をエッチングによって除去することにより厚
さ２０μｍ〜５０μｍ程度の起歪部、すなわち円板状の
受圧ダイアフラム１１を形成し、このダイアフラム１１
の表面側には不純物の拡散もしくはイオン打ち込み技術
によりピエゾ抵抗領域として作用する４つのゲージ１２
が形成されてホイートストーンブリッジを構成し、リー
ド線１３によって前記導電ピン６に接続されている。
（シリコン）等からなり前記基台２の上面に静電接合さ
れた半導体基板９を備えている。この半導体基板９は、
裏面中央部をエッチングによって除去することにより厚
さ２０μｍ〜５０μｍ程度の起歪部、すなわち円板状の
受圧ダイアフラム１１を形成し、このダイアフラム１１
の表面側には不純物の拡散もしくはイオン打ち込み技術
によりピエゾ抵抗領域として作用する４つのゲージ１２
が形成されてホイートストーンブリッジを構成し、リー
ド線１３によって前記導電ピン６に接続されている。
【０００８】このような構成において、受圧ダイアフラ
ム１１の表裏面に測定圧力Ｐ1 ，Ｐ2 をそれぞれ加える
と、その差圧ΔＰ（＝Ｐ1 −Ｐ2 ）に応じて受圧ダイア
フラム１１が変形してゲージ１２の比抵抗が変化するた
め、この時の抵抗変化に伴う出力電圧を検出することに
より差圧ΔＰを測定することができる。なお、圧力の検
出に用いる際には、圧力導入孔４を大気に開放させ、測
定圧力Ｐ1 をダイアフラム１１に加える。
ム１１の表裏面に測定圧力Ｐ1 ，Ｐ2 をそれぞれ加える
と、その差圧ΔＰ（＝Ｐ1 −Ｐ2 ）に応じて受圧ダイア
フラム１１が変形してゲージ１２の比抵抗が変化するた
め、この時の抵抗変化に伴う出力電圧を検出することに
より差圧ΔＰを測定することができる。なお、圧力の検
出に用いる際には、圧力導入孔４を大気に開放させ、測
定圧力Ｐ1 をダイアフラム１１に加える。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】上記した従来の半導体
圧力変換器において、キャリア１上に基台２を半田付け
するときおよび基台２上に半導体圧力センサ３を静電接
合するときに発生する熱応力が問題になる。そのため、
キャリア１と基台２として、半導体圧力センサ３の熱膨
張係数に近似した熱膨張係数を有する材料を用い、熱応
力の発生を極力軽減するようにしている。
圧力変換器において、キャリア１上に基台２を半田付け
するときおよび基台２上に半導体圧力センサ３を静電接
合するときに発生する熱応力が問題になる。そのため、
キャリア１と基台２として、半導体圧力センサ３の熱膨
張係数に近似した熱膨張係数を有する材料を用い、熱応
力の発生を極力軽減するようにしている。
【００１０】半導体圧力センサ３の基板材料として用い
られるＳｉの線膨張係数は、０°Ｃ〜１００°Ｃの範囲
において２４〜３０×１０-7／°Ｃである。キャリア１
としては、線膨張係数が４７×１０-7／°Ｃのコバール
または４３×１０-7／°Ｃの４２−アロイを用い、基台
２としては線膨張係数が２５〜３２×１０-7／°Ｃのパ
イレックスガラスを用いている。そのため、キャリア１
の線膨張係数は基台３の線膨張係数より大きい。これ
は、導電ピン６が挿通される挿通孔８のシール性を高め
るためキャリア１の収縮を利用してガラスハーメチック
シールするためである。
られるＳｉの線膨張係数は、０°Ｃ〜１００°Ｃの範囲
において２４〜３０×１０-7／°Ｃである。キャリア１
としては、線膨張係数が４７×１０-7／°Ｃのコバール
または４３×１０-7／°Ｃの４２−アロイを用い、基台
２としては線膨張係数が２５〜３２×１０-7／°Ｃのパ
イレックスガラスを用いている。そのため、キャリア１
の線膨張係数は基台３の線膨張係数より大きい。これ
は、導電ピン６が挿通される挿通孔８のシール性を高め
るためキャリア１の収縮を利用してガラスハーメチック
シールするためである。
【００１１】ところが、キャリア１と基台２の接合に用
いられる半田材７の線膨張係数は、Ｓｎ−Ａｇの場合：
１５０〜１６０×１０-7／°Ｃ、Ｐｂ−Ｓｎの場合：２
００〜２５０×１０-7／°Ｃで、キャリア１と基台２の
線膨張係数に較べて非常に大きいにも拘らず、従来は半
田材７が固化するときにキャリア１と基台２に対して収
縮力が働くことについてあまり検討されていなかった。
この場合、従来の構造では基台２の線膨張係数がキャリ
ア１の線膨張係数より小さいので、基台２に対して半田
材７の熱応力がそのまま働き、半導体圧力センサ３に悪
影響を及ぼすという問題があった。
いられる半田材７の線膨張係数は、Ｓｎ−Ａｇの場合：
１５０〜１６０×１０-7／°Ｃ、Ｐｂ−Ｓｎの場合：２
００〜２５０×１０-7／°Ｃで、キャリア１と基台２の
線膨張係数に較べて非常に大きいにも拘らず、従来は半
田材７が固化するときにキャリア１と基台２に対して収
縮力が働くことについてあまり検討されていなかった。
この場合、従来の構造では基台２の線膨張係数がキャリ
ア１の線膨張係数より小さいので、基台２に対して半田
材７の熱応力がそのまま働き、半導体圧力センサ３に悪
影響を及ぼすという問題があった。
【００１２】本発明は上記した従来の問題を解決するた
めになされたもので、その目的とするところは、キャリ
アと基台の接合に際して半田材が固化するときの基台に
及ぼす熱応力を軽減し、半導体圧力センサへの影響を低
減することができるようにした半導体圧力変換器を提供
することにある。
めになされたもので、その目的とするところは、キャリ
アと基台の接合に際して半田材が固化するときの基台に
及ぼす熱応力を軽減し、半導体圧力センサへの影響を低
減することができるようにした半導体圧力変換器を提供
することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に第１の発明は、半導体圧力センサと、この半導体圧力
センサが接合された絶縁材料からなる基台と、この基台
が半田材によって接合された金属製のキャリアとを備え
た半導体圧力変換器において、前記基台の線膨張係数が
２０〜４０×１０ -7 ／°Ｃで、前記キャリアの線膨張係
数が５〜２０×１０ -7 ／°Ｃであることを特徴とする。
に第１の発明は、半導体圧力センサと、この半導体圧力
センサが接合された絶縁材料からなる基台と、この基台
が半田材によって接合された金属製のキャリアとを備え
た半導体圧力変換器において、前記基台の線膨張係数が
２０〜４０×１０ -7 ／°Ｃで、前記キャリアの線膨張係
数が５〜２０×１０ -7 ／°Ｃであることを特徴とする。
【００１４】また、第２の発明は、上記第１の発明にお
いて、基台がパイレックスガラスと窒化珪素のうちのい
ずれかで、キャリアがインバーとスーパーインバーのう
ちのいずれかであることを特徴とする。
いて、基台がパイレックスガラスと窒化珪素のうちのい
ずれかで、キャリアがインバーとスーパーインバーのう
ちのいずれかであることを特徴とする。
【００１５】第１の発明において、半田材によるキャリ
アと基台の接合に際して、半田材が固化するときにキャ
リアと基台に対して収縮力が働く。キャリアを基台より
線膨張係数が小さい材料で形成すると、キャリアの収縮
は基台より小さいので、キャリアが相対的に外側に突っ
張り半田材の収縮を軽減する。その結果、半田材が固化
したときの基台に及ぼす熱応力を緩和することができ
る。
アと基台の接合に際して、半田材が固化するときにキャ
リアと基台に対して収縮力が働く。キャリアを基台より
線膨張係数が小さい材料で形成すると、キャリアの収縮
は基台より小さいので、キャリアが相対的に外側に突っ
張り半田材の収縮を軽減する。その結果、半田材が固化
したときの基台に及ぼす熱応力を緩和することができ
る。
【００１６】第２の発明において、線膨張係数が２０〜
４０×１０-7／°Ｃの基台としては、パイレックスガラ
スまたは窒化珪素が用いられる。線膨張係数が５〜２０
×１０-7／°Ｃのキャリアとしてはインバーまたはスー
パーインバーが用いられる。
４０×１０-7／°Ｃの基台としては、パイレックスガラ
スまたは窒化珪素が用いられる。線膨張係数が５〜２０
×１０-7／°Ｃのキャリアとしてはインバーまたはスー
パーインバーが用いられる。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に示す実施の
形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る半
導体圧力変換器の一実施の形態を示す断面図である。な
お、従来技術の欄で示した構成部材等と同一のものにつ
いては同一符号をもって示し、その説明を適宜省略す
る。本実施の形態においては、キャリア１をその線膨張
係数が基台２の線膨張係数より小さい材料で形成してい
る。キャリア１の材料としては、Ｆｅ−Ｎｉ合金（イン
バーまたはスーパーインバー）が用いられ、基台２とし
てはパイレックスガラスまたは窒化珪素等のセラミック
スが用いられる。インバーの線膨張係数は、０〜１００
°Ｃの範囲で１０×１０-7／°Ｃ、スーパーインバーの
線膨張係数は２×１０-7／°Ｃで、パイレックスガラ
ス、窒化珪素の線膨張係数より十分小さい。半導体圧力
センサ３としては、ｎ型単結晶Ｓｉ（シリコン）等から
なる半導体基板９が用いられる。
形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る半
導体圧力変換器の一実施の形態を示す断面図である。な
お、従来技術の欄で示した構成部材等と同一のものにつ
いては同一符号をもって示し、その説明を適宜省略す
る。本実施の形態においては、キャリア１をその線膨張
係数が基台２の線膨張係数より小さい材料で形成してい
る。キャリア１の材料としては、Ｆｅ−Ｎｉ合金（イン
バーまたはスーパーインバー）が用いられ、基台２とし
てはパイレックスガラスまたは窒化珪素等のセラミック
スが用いられる。インバーの線膨張係数は、０〜１００
°Ｃの範囲で１０×１０-7／°Ｃ、スーパーインバーの
線膨張係数は２×１０-7／°Ｃで、パイレックスガラ
ス、窒化珪素の線膨張係数より十分小さい。半導体圧力
センサ３としては、ｎ型単結晶Ｓｉ（シリコン）等から
なる半導体基板９が用いられる。
【００１８】前記キャリア１はステム２０の凹部２１内
に収納され半田付けによって接合されている。ステム２
０は通常アルミナ等のセラミックスによって形成され、
厚肉の外周部に設けたピン用孔２２に導電ピン６を貫通
し半田付けによってシールしている。
に収納され半田付けによって接合されている。ステム２
０は通常アルミナ等のセラミックスによって形成され、
厚肉の外周部に設けたピン用孔２２に導電ピン６を貫通
し半田付けによってシールしている。
【００１９】ステム２０に導電ピン６を設けた理由は、
キャリア１の熱膨張係数が小さいためキャリア１の導通
孔に導電ピン６を挿通してハーメチックシールしてもキ
ャリア１の収縮を利用してハーメチックシールすること
ができず、高いシール性が得られないためである。ステ
ム２０の場合は、キャリア１と異なり絶縁材であるた
め、ガラスハーメチックシールによって絶縁する必要が
なく、半田でピン用孔２２をシールしている。なお、そ
の他の構成は図２に示した従来の半導体圧力変換器と同
一である。
キャリア１の熱膨張係数が小さいためキャリア１の導通
孔に導電ピン６を挿通してハーメチックシールしてもキ
ャリア１の収縮を利用してハーメチックシールすること
ができず、高いシール性が得られないためである。ステ
ム２０の場合は、キャリア１と異なり絶縁材であるた
め、ガラスハーメチックシールによって絶縁する必要が
なく、半田でピン用孔２２をシールしている。なお、そ
の他の構成は図２に示した従来の半導体圧力変換器と同
一である。
【００２０】このような構成からなる半導体圧力変換器
においては、キャリア１をその線膨張係数が基台２の線
膨張係数より小さい材料で形成しているので、キャリア
１と基台２の接合時における半田材７の基台２に及ぼす
熱応力を軽減することができる。すなわち、半田材７に
よりキャリア１と基台２を接合する際、半田材７が固化
するときにキャリア１と基台２に対して収縮力が働く。
キャリア１を基台２より線膨張係数が小さい材料で形成
すると、キャリア１の収縮は基台２より小さいので、キ
ャリア１が相対的に外側に突っ張り半田材７の収縮を軽
減する。その結果、半田材７が固化したときの基台２に
及ぼす熱応力は緩和される。また、基台２に対する熱応
力が緩和されれば、半導体圧力センサ３に対する応力も
低減するので変換器の検出精度を向上させることができ
る。
においては、キャリア１をその線膨張係数が基台２の線
膨張係数より小さい材料で形成しているので、キャリア
１と基台２の接合時における半田材７の基台２に及ぼす
熱応力を軽減することができる。すなわち、半田材７に
よりキャリア１と基台２を接合する際、半田材７が固化
するときにキャリア１と基台２に対して収縮力が働く。
キャリア１を基台２より線膨張係数が小さい材料で形成
すると、キャリア１の収縮は基台２より小さいので、キ
ャリア１が相対的に外側に突っ張り半田材７の収縮を軽
減する。その結果、半田材７が固化したときの基台２に
及ぼす熱応力は緩和される。また、基台２に対する熱応
力が緩和されれば、半導体圧力センサ３に対する応力も
低減するので変換器の検出精度を向上させることができ
る。
【００２１】
【発明の効果】以上説明したように本発明に係る半導体
圧力変換器は、基台の線膨張係数を２０〜４０×１０ -7
／°Ｃ、キャリアの線膨張係数を５〜２０×１０ -7 ／°
Ｃとしたので、キャリアと基台の接合時における半田材
の基台に及ぼす熱応力が軽減され、半導体圧力センサへ
の影響を低減することができる。したがって、半導体圧
力変換器の検出精度を向上させることができる。
圧力変換器は、基台の線膨張係数を２０〜４０×１０ -7
／°Ｃ、キャリアの線膨張係数を５〜２０×１０ -7 ／°
Ｃとしたので、キャリアと基台の接合時における半田材
の基台に及ぼす熱応力が軽減され、半導体圧力センサへ
の影響を低減することができる。したがって、半導体圧
力変換器の検出精度を向上させることができる。
【図１】 本発明に係る半導体圧力変換器の一実施の形
態を示す断面図である。
態を示す断面図である。
【図２】 半導体圧力変換器の従来例を示す断面図であ
る。
る。
１…キャリア、２…基台、３…半導体圧力センサ、４…
圧力導入孔、５…シール材、６…導電ピン、７…半田
材、８…挿通孔、９…半導体基板、１１…受圧ダイアフ
ラム、１２…ゲージ、２０…ステム。
圧力導入孔、５…シール材、６…導電ピン、７…半田
材、８…挿通孔、９…半導体基板、１１…受圧ダイアフ
ラム、１２…ゲージ、２０…ステム。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01L 9/00 303
H01L 29/84
G01B 7/00
G01D 5/00
G01P 15/00
Claims (2)
- 【請求項１】 半導体圧力センサと、この半導体圧力セ
ンサが接合された絶縁材料からなる基台と、この基台が
半田材によって接合された金属製のキャリアとを備えた
半導体圧力変換器において、前記基台の線膨張係数が２０〜４０×１０ -7 ／°Ｃで、
前記キャリアの線膨張係数が５〜２０×１０ -7 ／°Ｃで
ある ことを特徴とする半導体圧力変換器。 - 【請求項２】 請求項１記載の半導体圧力変換器におい
て、基台がパイレックスガラスと窒化珪素のうちのいずれか
で、キャリアがインバーとスーパーインバーのうちのい
ずれかである ことを特徴とする半導体圧力変換器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31966897A JP3375533B2 (ja) | 1997-11-20 | 1997-11-20 | 半導体圧力変換器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31966897A JP3375533B2 (ja) | 1997-11-20 | 1997-11-20 | 半導体圧力変換器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11153501A JPH11153501A (ja) | 1999-06-08 |
| JP3375533B2 true JP3375533B2 (ja) | 2003-02-10 |
Family
ID=18112870
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP31966897A Expired - Fee Related JP3375533B2 (ja) | 1997-11-20 | 1997-11-20 | 半導体圧力変換器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3375533B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5321111B2 (ja) * | 2009-02-13 | 2013-10-23 | 船井電機株式会社 | マイクロホンユニット |
| JP6294083B2 (ja) * | 2014-01-09 | 2018-03-14 | セイコーインスツル株式会社 | 電子機器 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS57186136A (en) * | 1981-05-13 | 1982-11-16 | Hitachi Ltd | Semiconductor pressure transducer |
| JPS59135654U (ja) * | 1983-03-02 | 1984-09-10 | 株式会社山武 | 半導体圧力変換器 |
| JPH09264800A (ja) * | 1996-03-27 | 1997-10-07 | Omron Corp | 半導体式力学量センサ |
-
1997
- 1997-11-20 JP JP31966897A patent/JP3375533B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH11153501A (ja) | 1999-06-08 |
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