JP3596199B2 - 半導体式圧力センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体式圧力センサに関し、例えば自動車用の吸気圧センサ等に用いることができる。
【０００２】
【従来の技術】
図７に従来の半導体式圧力センサの構成を示す。シリコン基板（センサチップ）１には、圧力を受けて変位するダイヤフラム１ａが形成され、その表面にはダイヤフラム１ａの変位に応じて抵抗値が変化する拡散ゲージ（歪みゲージ）２が形成されている。シリコン基板１は、ガラス台座３に陽極接合されている。そして、シリコン基板１とガラス台座３の間には真空室４が形成され、ダイヤフラム１ａは、表面にかかる圧力と真空室４の圧力の差圧に応じて変位する。ここで、シリコン基板１から台座３の部分にてセンシング部５を構成しており、ガラス台座３が金属ステム等の基台６に半田付けされることにより、センシング部５が基台６上に載置される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の構成において、基台６を例えば樹脂材料により構成すると、基台６が変形しやすくなる。ここで、例えば、図の左右の面（Ａ、Ａ’面）を拘束し、紙面に対し表裏の面（Ｂ面および図８に示すＢ’面）を拘束しないフリーな状態とした場合、基台６は、その熱膨張によって、図８に示すように変形する。すなわち、図のＹ方向に比べてＸ方向に大きく歪む。この歪みは、台座３を介してシリコン基板１に伝達され、シリコン基板１の表面においてＹ方向に比べＸ方向に大きな応力を発生させる。そして、シリコン基板１の表面に形成された拡散ゲージ２が、そのような偏った方向の応力を検出すると、検出誤差が生じる。
【０００４】
本発明は上記問題に鑑みたもので、基台の歪みによりシリコン基板の表面に偏った方向の応力が発生しても、それによる検出誤差を小さくすることができる半導体式圧力センサを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１乃至４に記載の発明においては、（１１０）の面方位を有するシリコン基板の表面に複数の拡散ゲージを形成し、その拡散ゲージの各々を、基台の歪みにより応力が大きく発生する方向と直交する＜１１０＞方向に主電流が流れるように形成したことを特徴としている。
【０００６】
従って、基台の歪みによりシリコン基板の表面に偏った応力が発生しても、その応力発生方向と拡散ゲージに主電流が流れる＜１１０＞方向とが直交しているため、拡散ゲージでの抵抗値変化はほとんどなく、基台の歪みによる検出誤差を小さくすることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１乃至図４に本発明の一実施形態に係る半導体式圧力センサの構造を示す。図１は平面図、図２は図１中のＩＩ−ＩＩ 断面図、図３は図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ 断面図、図４は裏面図である。
本実施形態に係る半導体式圧力センサは、自動車用の吸気圧センサとして用いられるもので、図７に示すものと同様のセンシング部５を有しており、全体がモールドＩＣとして構成されている。そして、センシング部５が載置される基台は、モールドＩＣを構成するモールド部材（パッケージ材）７の一部として構成されている。すなわち、リードフレーム８をエポキシ樹脂によりモールドし、そのモールド部材７の一部をなす基台７ａ上にセンシング部５が載置されている。ここで、センシング部５におけるガラス台座３は、シリコン系の樹脂接着材９にて基台７ａに接着されている。
【０００８】
また、シリコン基板１の表面に形成された拡散ゲージ２は、シリコン基板１上に形成された図示しないＡｌ薄膜による配線パターンおよびボンディングワイヤ１０により、リードフレーム８に電気的に接続されている。
ここで、拡散ゲージ２は、シリコン基板１の表面でダイヤフラム１ａ上に４箇所形成されており、それらの拡散ゲージを２ａ〜２ｄとすると、拡散ゲージ２ａ〜２ｄは、図５に示すブリッジ回路を構成するように電気結線されている。拡散ゲージ２ａ、２ｄはダイヤフラム１ａの中央部分に形成され、拡散ゲージ２ｂ、２ｃは周辺部分に形成されており（後述する図６参照）、中央部分と周辺部分ではダイヤフラム１ａの変位が異なるため、拡散ゲージ２ａ、２ｄと拡散ゲージ２ｂ、２ｃは、図５中の矢印で示すように互いに異なる方向に抵抗値が増減変化する。
【０００９】
そして、端子２１から拡散ゲージ２ａ〜２ｄに電流を流したとき、ダイヤフラム１ａにかかる圧力に応じた電位差が端子２２、２３間に発生する。この電位差は、リードフレーム上に設けられた図示しない信号処理回路にて増幅され、センサ信号として出力される。また、信号処理回路は、電源端子、接地端子、およびセンサ信号の出力端子としての、３つの外部端子１２、１３、１４と電気的に接続されている。
【００１０】
ここで、モールドＩＣを構成する場合、リードフレーム８を上型、下型のモールド成形品で押さえてエポキシ樹脂によりモールドするため、モールド部材７には、リードフレーム８の下側に、型押さえのための開口部１１が形成される。この開口部１１の形成により、基台７ａのＸ方向（図２参照）は、モールド部材７の他の部分によって拘束され、Ｙ方向（図３参照）は拘束されないフリーの状態になる。このため、熱膨張によって基台７ａに歪みが生じたとき、その歪みは、図８に示したように、Ｘ方向に大きな歪みとなり、シリコン基板１の表面においてＸ方向に大きな応力を発生させる。
【００１１】
そこで、本実施形態においては、シリコン基板１として（１１０）の面方位を有するものを用い、拡散ゲージ２ａ〜２ｄの全てを、図６に示すように、＜１１０＞方向に主電流が流れる（拡散ゲージ２ａ〜２ｄは櫛歯状に形成されているため、拡散ゲージ２ａ〜２ｄの長手方向に主電流が流れる）ように形成している。また、その＜１１０＞方向を、基台７ａの歪みにより大きな応力が発生するＸ方向と直交する方向、すなわちＹ方向としている。
【００１２】
ここで、（１１０）の面方位を有するシリコン基板１を用いた場合、拡散ゲージ２ａ〜２ｄを＜１１０＞方向に配置したとき、＜１１０＞方向（Ｙ方向）の応力変化に対してはピエゾ抵抗効果によって拡散ゲージ２ａ〜２ｄの抵抗値が変化するが、＜１００＞方向（Ｘ方向）の応力変化に対しては拡散ゲージ２ａ〜２ｄの抵抗値は変化しない。
【００１３】
従って、ダイヤフラム１ａが変位したときそのＹ方向の変位に対して拡散ゲージ２ａ〜２ｄの抵抗値が変化し、圧力検出を行うことができる。一方、基台７ａの歪みによりＸ方向に大きな応力が発生した場合には、拡散ゲージ２ａ〜２ｄの抵抗値はほとんど変化しないため、基台７ａの歪みによる検出誤差を小さくすることができる。
【００１４】
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものでなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で適宜変更が可能である。例えば、センシング部が載置される基台としては、上記した実施形態のようにＸ方向、Ｙ方向のいずれか一方のみが拘束されたものに限らず、Ｘ方向、Ｙ方向の両方が拘束されていても、一方が他方に比べて緩やかに拘束されていれば基台は一方向に歪むため、そのような拘束状態にあるものも含む。
【００１５】
また、そのような拘束に限らず、基台を構成する材料によっては、Ｘ方向とＹ方向とで歪みが異なる場合がある。例えば、基台を構成する材料として、単一材料中に機械的強度向上のためにガラス繊維などを混入したものを用いた場合、成形時の型内で材料の流れ方向に平行方向と垂直方向とで熱膨張係数が異なり、それによって歪み方向に差が生じる。この場合、熱膨張係数が小さい方向に、主電流が流れるように拡散ゲージを配置すれば、それによる検出誤差を小さくすることができる。
【００１６】
また、センシング部５としては、台座３を貫通してダイヤフラム１ａに測定媒体の圧力を導入するタイプのものでもよく、また台座３としてはガラス台座に限らずシリコン台座でもよい。また、場合によっては、台座３を設けないように構成してもよい。さらに基台の材料、および台座を基台に固定する固定部材についても、上記した実施形態以外の材料を用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す半導体式圧力センサの平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ 断面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ 断面図である。
【図４】本発明の一実施形態を示す半導体式圧力センサの裏面図である。
【図５】拡散ゲージ２ａ〜２ｄによるブリッジ回路の構成を示す図である。
【図６】シリコン基板１を上から見た平面図である。
【図７】従来の半導体式圧力センサの構成を示す断面図である。
【図８】本発明の課題を説明するための図である。
【符号の説明】
１…シリコン基板、１ａ…ダイヤフラム、２、２ａ〜２ｄ…拡散ゲージ、
３…ガラス台座、５…センシング部、７…モールド部材、７ａ…基台、
８…リードフレーム、９…樹脂接着剤。

Claims (4)

1. 圧力を受けて変位するダイヤフラム（１ａ）が形成され、このダイヤフラムの変位に応じて抵抗値が変化する複数の拡散ゲージ（２ａ〜２ｄ）が表面に形成されたシリコン基板（１）を有するセンシング部（５）を備え、前記複数の拡散ゲージに電流を流したときのそれぞれの抵抗値に基づいて前記圧力を検出するようにした半導体式圧力センサにおいて、
   前記センシング部は基台（７ａ）上に載置されており、この基台は、歪みが生じたときに、前記シリコン基板の表面においてＸ方向とＹ方向のうちの一方に他方よりも大きな応力を発生させるように構成されており、
   前記シリコン基板は（１１０）の面方位を有し、前記複数の拡散ゲージの各々は、前記大きな応力が発生する方向と直交する＜１１０＞方向に主電流が流れるように形成されていることを特徴とする半導体式圧力センサ。
2. 前記センシング部はシリコン基板を固定する台座（３）を備え、前記基台は樹脂材料にて構成されており、前記台座は樹脂接着剤（９）によって前記基台に接着されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体式圧力センサ。
3. 前記基台は、そのＸ方向とＹ方向の一方が他方に比べて強く拘束されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体式圧力センサ。
4. 前記基台は、そのＸ方向とＹ方向において熱膨張係数が異なる材料にて構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体式圧力センサ。

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