JP3704590B2 - 半導体圧力センサ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、高圧状態での使用に適する半導体圧力センサに関し、特に圧力センサの圧力検知部の取り付け部分の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体圧力センサは、シリコン等の半導体チップで形成されたダイヤフラムの表面にピエゾ抵抗層を設け、ダイヤフラムに加わる圧力をピエゾ抵抗層の比抵抗の変化を利用して電気信号に変換するもので、コンプレッサを利用するエアコン、あるいは冷蔵庫等の家電用、車両用エアコンの冷媒圧力検出用として、また、ブレーキオイル圧力検知用として、さらには、医療用、工業計測用等、広い分野で使用されている。
【0003】
このような半導体圧力センサとしては、図4に示すように、中央に検出圧力流体の導入通路31を設けた継手32の先端に、中央の空所33に圧力検知ユニット34を備え、この空所33を覆うように固定されたダイヤフラム35を設けたヘッダ36の周囲に対し、蓋体37により接続し、半導体圧力センサ30を形成している。ヘッダ36の中央の空所33内には、図中下端に円環状のフランジ39を備えた円筒状の金属ステム38を介してセラミックからなるステム40が嵌入固定されており、このフランジ39をステム40の下端面間で挟むようにして受け板41を設け、三者の接合部として外部に現れている外周部42を溶接により液密に固定している。
【0004】
ヘッダ36の上部には、前記空所33に一端が連通し、且つヘッダ36の外周面43に他端が連通するするように通孔44を設けており、この通孔44に鋼球45を圧入している。それにより、空所33内に液体を液密に封入している。継ぎ手32を固定している蓋体37の内周はヘッダー36の外周に嵌合しており、下端のフランジ部46でヘッダ36のフランジ部に重合して両者を気密に溶接固定している。空所33内への液体の封入は、蓋体37を固定する前に、かつ、鋼球45を通孔44に圧入する前に、ヘッダー36の外周面に開口している通孔44の開口部から液体を供給し、その後、鋼球45を通孔44に図示するように圧入し、次いで蓋体37をヘッダ36に対して、そのフランジ部で溶接固定している。
【0005】
上記半導体圧力センサにおける圧力検知ユニットは、従来から各種のものが提案されているが、例えば図5に示すように、セラミックからなるステム40の中央に形成した圧力導入通路47の開口48部分に、シリコンダイヤフラム上に半導体圧力チップを固定してなる圧力検知部50を、前記開口48が気密になるように固定している。この半導体圧力チップから導出されるリード線51は、ステム40を貫通する端子挿通孔を貫通しているリード端子52の端部に接続される。端子挿通孔の内径はリード端子52の外形より充分大きく設定され、この端子挿通孔にリード端子52を挿通後、ガラス粉をその間隙に入れ、加熱して溶融し、ハーメチックシール53を形成して絶縁部を構成している。
【0006】
また、そのほかに、図6に示すように、ステム40の上端面における開口48の周囲に、台座54を嵌合固定し、その上に前記と同様に圧力検知部50を気密に固定するものもある。この場合もハーメチックシール53の形成部分は同様である。更に、図7に示すように、前記のような大気圧との相対圧を検出するケージタイプではなく、圧力導入通路を設けることなく絶対圧を検出する形式としたものもある。この形式においては、金属製のステム54を用い、端子挿通孔を充分に大きいものとし、リード端子52との間隙を大きくし、その間隙に前記と同様にハーメチックシール58を形成し、ハーメチックシールによる絶縁性を向上させており、このステム上に圧力検知部50を固定している。
【0007】
同様に、絶対圧を検出する形式の半導体圧力センサにおいて、図8に示すように、前記図5及び図6に示すものと同様に、金属ステム38を用い、中央部にコバール等からなるプレート55を配置し、圧力検知部50と熱膨張係数の近い物質を選択し、さらに端子挿通孔を充分大きなものとして、リード端子52間にハーメチックシール58を形成するようにし、このプレート55上に圧力検知部50を固定したものもある。更に、絶対圧を検出する形式の半導体圧力センサとして、図9に示すように、前記図7に示した従来のものの圧力検知部50をステンレス鋼製のステム56の中央上面にコバール又はガラス製の台座57を設け、その上に圧力検知部50を載置固定したものもある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のものにおいて、例えば図5及び図6に示す大気圧との相対圧を検出するものにおいては、ステム40の中央に形成する圧力導入通路47部分が大気圧と接触させておく必要があり、加工性が悪いという欠点がある。また、図7〜図9に示す従来のものは、ハーメチックシールを大きくとる必要があり、この部分を形成するのに多くの手数を必要とし、生産性が悪いという欠点がある。特に図7に示すものは、ステムの材質を圧力検知部の熱膨張係数の近いものを選択しなければならず、材質の選択が制限される他、組立上の工夫を必要とし、全体として構造が複雑となる欠点がある。また、図8に示すものにおいては、ハーメチックシールするものは、ステム38とできる限り熱膨張係数の近いものを選択する必要があり、また、図9に示すものは、圧力検知部50を載置固定する台座57は、コバール又はガラスの台座を必要とし、その製造工程が複雑化する欠点があった。
【0009】
更に、従来のものは前記図4に示すように、ダイヤフラム35の下面の空所33に液体を封入するに際して、ヘッダ36の上部に空所33に一端が連通し、且つヘッダー36の外周面43に他端が連通するするように通孔44を設けており、この通孔44からシリコン油等の液体を封入した後、鋼球45を圧入しなければならない。その後、継ぎ手32を固定している蓋体37の内周をヘッダー36の外周に嵌合させつつ、下端のフランジ部46でヘッダー36のフランジ部に重合して両者を気密に溶接固定する必要がある。
【0010】
したがって、本発明は、小型、且つ簡単な構造で容易に製造でき、安価な半導体圧力センサとすることができると共に、耐圧強度に優れ長期間安定した作動をなす半導体圧力センサを提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、ヘッダに固定したダイヤフラムに作用する圧力を、封入液体を介して該ダイヤフラムに対向して配置したステム上に固定してなる圧力検知ユニットの圧力検知部に伝達し、ヘッダに内装したステムを貫通して延びるリード端子から検出出力を得るように構成してなる絶対圧型半導体圧力センサにおいて、該ステムをリード端子と一体化したガラスの一体形成部材とし、ヘッダの孔内に直接固定したものであり、また、該ヘッダに対し、リード端子の導入方向と同方向に、一端が液体封入室に開口し他端が大気側に開口すると共に、内部に鋼球を圧入してなる液体封入通路を備えたものである。
【0012】
本発明は、上記のように構成したので、ダイヤフラムに作用する流体圧力は、ダイヤフラムの他面側に封入された封入液体を介して圧力検知ユニットの半導体圧力センサに伝達され、その検出出力をリード端子を介して外部に導出する。この半導体圧力センサにおいては、圧力検出ステムがリード端子を一体化したガラスの一体形成部材とされ、ヘッダの孔内に直接固定されるため、小型、且つ簡単な構造で容易に製造でき、耐圧強度に優れ長期間安定した作動をなす。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図面に沿って説明する。図1は本発明を適用した半導体圧力センサの全体構成図であり、その概略構成は前記従来の図4に示すものと同様であり、中央に検出圧力流体の導入通路1を備えた継手2の先端に、中央の空所3に圧力検知ユニット4を設け、この空所3を覆うように固定されたダイヤフラム5を備えたヘッダ6の周囲に対し、蓋体7により接続し、半導体圧力センサ8を形成している。
【0014】
圧力検知ユニット4の詳細は図2に示すように、円筒状のステンレス鋼材からなる金属ステム10内には、後に詳述するように、内部に複数本のリード端子11を一体的に備えた軟質ガラスでハーメチックされたステム12を設け、このガラス製ステム12の平坦な上面13の中央部に、1mm角程度の半導体チップにストレインゲージであるシリコンウエーハを接合してなる圧力検知部14を固定する。この圧力検知部14の基板15と、その上に載置される上記圧力検知部分をなす可撓性部分16との間には空隙17を有し、内部は真空で−1気圧になっている。
【0015】
ヘッダ6には、一端部がその下端面に開口し、他端がダイヤフラム5の下面に形成される液体封入室18に開口する液体封入通路20を形成しており、この液体封入通路20には、液体封入室内に液体を封入後、この通路を閉鎖する鋼球21を圧入している。
【0016】
このような圧力検知ユニット4を備えた図1に示す半導体圧力センサ8は、その使用に際して、圧力を測定する流体を導入通路1から導入し、ダイヤフラム5と液体封入室18内の液体を介して前記導入された流体の圧力を、圧力検出部分が検知する。この検知圧力は、圧力検知部分の空隙17内に封入された圧力に基づき絶対圧力を示す。その信号は、リード端子11から制御機器に導出される。
【0017】
上記圧力検知ユニット4の製造に際しては、図3に示すように、金型22内に形成された所定の大きさの円筒状空間に円筒状の金属ステム10を載置し、金型22の底面23に形成した、リード端子11が嵌入することができる内径を有する窪み24にリード端子11を立てる。次いで、円筒状の金属ステム10内に鉛ガラス等の軟質ガラスのガラスパウダを入れ、約1000度に加熱してガラスパウダを溶融させる。それにより、溶融ガラスによって外側の金属ステム10と、内部のリード端子11はすべて一体化する。なお、この際、圧力検知部を載置する側の面にカーボン治具を配置し、ガラス面に接触させることにより、その面を平坦にし、圧力検知部を確実に載置する事ができるようにすることができる。
【0018】
溶融ガラスの冷却後、この圧力検知ユニット4は金型22から取り出され、ステムの上面に前記のように圧力検知部分を接着剤等で固定する。なお、このように圧力検知部を接着剤で接着しても、圧力特性及び温度特性ともに不具合は生じなかった。次いで、ステム上に突出しているリード端子11の端部と圧力検知部分のリード線25を、ワイヤボンデインマシンによりワイヤ接続する。リード線25としては直径40μm程度のアルミニウム線を用いるのが好ましい。
【0019】
上記のように構成された本発明の半導体圧力センサは、コンプレッサを利用するエアコン、あるいは冷蔵庫等の家電用、車両用エアコンの冷媒圧力検出用として、また、プレーキオイル圧力検知用として、さらには、医療用、工業計測用等の他、蒸気や温水のボイラを用いた機器等に、広い分野で使用する事ができる。
【0020】
【発明の効果】
本発明は、上記のように構成したので、この半導体圧力センサにおいては、圧力検出ステムがリード端子を一体化したガラスの一体形成部材とされ、ヘッダの孔内に直接固定されるため、小型、且つ簡単な構造で容易に製造でき、耐圧強度に優れ長期間安定した作動をなす。また、この半導体圧力センサの製作に際して封入液体を封入するときは、ヘッダに対し、リード端子の導入方向と同方向に、一端が液体封入室に開口し他端が大気側に開口すると共に、内部に鋼球を圧入してなる液体封入通路から封入するため、半導体圧力センサの作動中に封入通路を閉鎖する鋼球には、常に一方向からの圧力しか受けないので、鋼球が移動する力は少なく、耐圧強度に優れ長期間安定した作動をなす。また、ハーメチックのプレートを除去し、絶縁距離が大きくなるので耐電圧力を向上させることもできる。したがってこの半導体圧力センサは、小型、且つ簡単な構造で容易に製造でき、安価な半導体圧力センサとすることができると共に、耐圧強度に優れ長期間安定した作動をなす。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体圧力センサの実施例の全体構成を示す断面図である。
【図2】同圧力検知ユニット部分の断面図である。
【図3】同圧力検知ユニットの製造時の断面図である。
【図4】従来の半導体圧力センサの全体構成を示す断面図である。
【図5】同圧力検知ユニット部分の断面図である。
【図6】同圧力検知ユニット部分の他の従来例を示す断面図である。
【図7】同更に他の従来例を示す断面図である。
【図8】同更に他の従来例を示す断面図である。
【図9】同更に他の従来例を示す断面図である。
【符号の説明】
1 導入通路
2 継手
3 空所
4 圧力検知ユニット
5 ダイヤフラム
6 ヘッダ
7 蓋体
8 半導体圧力センサ
10 金属ステム
11 リード端子
12 ステム
13 上面
14 圧力検知部
15 基板
16 可撓性部分
17 空隙
18 下端面
20 液体封入通路
21 鋼球
Claims (4)
- ヘッダに固定したダイヤフラムに作用する圧力を、封入液体を介して該ダイヤフラムに対向して配置したステム上に固定してなる圧力検知ユニットの圧力検知部に伝達し、ヘッダに内装したステムを貫通して延びるリード端子から検出出力を得るように構成してなる絶対圧型半導体圧力センサにおいて、該ステムをリード端子と一体化したガラスの一体形成部材とし、ヘッダの孔内に直接固定すると共に、前記ヘッダに対し、前記リード端子の導入方向と同方向に、一端が液体封入室に開口し、他端が大気側に開口し、内部に鋼球を圧入してなる液体封入通路を備えたことを特徴とする半導体圧力センサ。
- 該ステムが軟質ガラスパウダの溶融物からなる請求項1記載の半導体圧力センサ。
- 該ステムを、ヘッダの孔内にリード線を立設した状態でガラスパウダを入れ、加熱して溶融し一体化してなる請求項1または請求項2記載の半導体圧力センサ。
- ヘッダの孔内に金属製筒状ステムを介してガラス溶融物からなるステムを備えてなる請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の半導体圧力センサ。
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