JPH01172718A - 半導体圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は自動車などの内燃機関の吸入空気や大気圧また
はエキゾースト圧などを検出するのに用いる半導体圧力
センせに関する。

従来の技術 近年、自動車などの燃゛目の節約や排気対策など社会的
要請に伴い、マイクロコンピュータにょるエンジンの電
子式燃料噴射、点火時期および排ガス還流量の制御など
を種々なセンサを用いて行なうようになってきた。

このエンジンの電子制御において、大気およびマニホー
ルド内の絶対圧を正確に検出することは極めて重要なこ
とで、信頼性の高い圧力センサが要求される。これに伴
い種々改良された圧力センサが提案されている。

以下、従来における圧力センナの一例を図面を用いて説
明する。

第７図は従来の半導体圧カヤンサの概略構成図である。

第７図において１０１はステム、１０２は台座で接合剤
１０３を用いてステム１０１上に固定している。１０４
はダイヤフラム１０６を有したシリコンダイヤフラムチ
ップで、ダイヤフラム１０６に圧力検出用ホイーストン
ブリッジ抵抗を設けて台座１０２上に取９付けている。

１０５はステム１０１からの熱応力を緩和するため台座
１０２に設けた切り欠き溝である。１０７は台座１０２
を貫通して設けたり−ドピンで、台座１０２との隙間は
ガラス１１５でハーメチック封止状態にしている。１０
８はシリコンダイヤフラムチップ１０４のブリッジ電極
とリードピン１０７とを接続した導電性のワイヤである
。１０９はステム１０１上に取り付けたシリコンダイヤ
フラムチップ１０４と台座１０２とを外側から覆って真
空チャンバー１１３を形成するキャップで、封止穴１１
１を上部に設けている。１１４はステム１０１および台
座１０２内を通ってシリコンダイヤフラムチップ１０４
の下面に流体を導く圧力導入用のパイプで、ステム１０
１の下面にロク付けなどの手段で固定している。また台
座１０２はシリコンダイヤフラムチップ１０・ｔと近似
する熱膨張係数を有した材質で形成し、切り欠き演１０
５とともにステム１０１からの熱応力を緩和している。

そして上記従来の半導体圧力センナは組み立てる場合、
ステム１０１にキャップ１０９を取り付ける前に、まず
ステム１０１側に台座１０２．シリコンダイヤフラムチ
ップ１０４．取付用リードピン１０７．ワイヤ１０８お
よび圧力導入パイプ１１４などを取り付けておく。次に
封止穴１１１を封止していない状態でキャップ１０９を
ステム１０１に取り付け、圧接または溶接などの手段で
ステム１０１の外周部１１０に封着接合する。この接合
後、真空中においてキャップ１０９内の空気を抜くと同
時に封止穴１１１をハンダ１１２で密閉封着する。する
とキャップ１０９内に真空チャンバー１１３が形成され
て組み立てられる。

したがって、この半導体圧カヤンせではシリコンダイヤ
フラムチップ１０４のダイヤフラム１０６を真空チャン
バー１１３の中に収納しているので、この真空圧を基準
圧として圧力導入パイプ１１４から導入する流体を絶対
圧で測定できる。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら上記従来の半導体圧力センサを用いた圧力
変換器では、基本的に一個のセンサで一つの絶対圧しか
測定できない。

またステム１０１や、台座１０２とステム１０１間の接
合剤１０３からシリコンダイヤフラムチップ１０４に及
ぼす熱応力の影響が大きく、この熱応力がシリコンダイ
ヤフラムチップ１０４に歪みを与える。このためダイヤ
フラム１０６に形成したホイーストンブリッジ抵抗の値
が温度によってばらつき、これに伴い圧力検出、特性も
大きくばらつく欠点があった。この問題は主にシリコン
ダイヤフラムチップ１０４．ステム１０１．　台座１０
２および接合剤１０３の熱膨張係数の違いに起因するも
のである。

このため従来の半導体圧カヤンサの構造では、上述した
ように台座１０２にシリコンダイヤフラムチップ１０４
とできるだけ近似する熱膨張係数を有した材質を用いる
とともに、ステム１０１からの熱応力を緩和する目的で
台座１０２の厚みを高くしたシ、あるいは台座１０２に
切シ欠き溝１０５を設けるなどの手段を施している。こ
の結果、台座１０２の加工性が悪く、また接合する箇所
が多くなるため作業性も悪くコスト高になるばかりか信
頼性も低下していた。

本発明はこのような従来の問題を解決するものであり、
−個のセンせで少なくとも二つの絶体圧を同時に検出す
ることができるとともに圧力検出特性を改善して信頼性
の向上を図ることのできる半導体圧力センサを提供する
ことを目的とするものである。

問題点を解決するだめの手段 本発明は上記目的を達成するために、少なくとも二つの
感圧ダイヤフラムを形成した半導体単結晶感圧ダイヤフ
ラムチップと、前記半導体単結晶感圧ダイヤフラムチッ
プの各ダイヤプラムに対応した二つの貫通穴を有すると
ともに前記半導体単結晶感圧ダイヤフラムチップと近似
の熱膨張係数を有する材質で形成し、かつ前記感圧ダイ
ヤフラムと電気接続する複数のリードピンを上下面に貫
通させてバーメチｙり封着してなるステムとを備え、前
記ステム上に前記半導体単結晶感圧ダイヤフラムチップ
を封着接合して前記二つの感圧ダイヤフラムで異なる前
記貫通穴の上部開口端をそれぞれ密閉し前記各貫通穴内
を各々圧力印加部にするとともに前記圧力印加部と反対
側に真空チャンバーを形成し、かつ前記各貫通穴の下部
開口端にそれぞれ圧力導入パイプを接続してなる構成に
したものである。

作　　　　用 したがって本発明によれば、それぞれ異なる圧力導入パ
イプを介して被測定流体が流入される二つの圧力印加部
の反対側に真空チャンバーを形成しているので、各圧力
印加部で測定される圧力はいずれも絶対圧になる。しか
も一方の圧力印加部で大気圧を、他方の圧力印加部で例
えば吸気マニホールド圧など絶対圧をそれぞれ同時に測
定できる。

またステムと半導体単結晶感圧ダイヤフラムチップとを
互いに熱膨張係数が近似する材質で形成しているので、
ダイヤフラムに形成したホイースンブリッジ抵抗系の熱
応力による変動差がなくなる。

実施例 第１図乃至第３図は本発明の一実施例の構成を示すもの
である。第１図乃至第３図において１は外周にフランジ
部１８を設けた円板状のステムであり、中央に一対の貫
通穴１７ａ、１７ｂを有し、また周縁に８つの貫通穴１
９を有している。７はステム１の上下面にそれぞれ突出
した状態で各貫通穴１９に取り付けたリードピンであり
、貫通穴１９とリードピン７の隙間は封着ガラス１４で
ハーメチック封着している。２は孔５を有した第１の圧
力導入パイプであり、貫通穴１７ａの下部開口端と孔５
とが連通した状態で一端をステム１の下面にロウ１５で
固定している。２２は孔２５を有した第２の圧力導入パ
イプであり、貫通穴１７ｂの下部開口端と孔２５とが連
通した状態で一端をステム１の下面に同じくロウ１５で
固定している。３はステム１の中央に接合剤を用いて固
定した台座であシ、貫通穴１７ａ、１７ｂと対応した貫
通穴１６ａ、１６ｂを設けている。この貫通穴１６ａ、
１６ｂはステム１上に台座３を取り付けると、それぞれ
貫通穴１７ａ、１７ｂと連通した一体の貫通穴になる。

４はシリコン感圧ダイヤフラムチップなどの半導体単結
晶感圧ダイヤフラムチップで、同一クエバ上の隣接した
部分から各々検出用ホイーストンブリソジ抵抗を形成し
た二つの感圧ダイヤフラム６ａ、６ｂを一体に設けてい
る。そして、この半導体単結晶感圧ダイヤフラムチップ
４は貫通穴１６ａ、１７ａに感圧ダイヤフラム６ａを、
また貫通穴１６ｂ、１７ｂに感圧ダイヤフラム６ｂをそ
れぞれ対応させて台座３上に取り付け、各感圧ダイヤフ
ラム６ａ、６ｂで各貫通穴１６ａ、１６ｂの上部開口端
を封止した状態にし、この封止した各感圧ダイヤフラム
６ａ、６ｂの部分をそれぞれ圧力印加部にしている。８
は半導体単結晶感圧ダイヤフラムチップ４のブリッジ電
極とリードピン７とを接続した導電性のワイヤである。

９はステム１上に台座３．半導体単結晶感圧グイヤフラ
ムチノプ４およびワイヤ８を各々取り付けた後に、これ
らの外側から覆った状態でステム１上に取り付けて真空
チャンバー１３を形成するキャンプで、上部に封止穴１
１を設けている。

な２ステム１と台座３は熱膨張係数が半導体単結晶感圧
ダイヤフラムチップ４の熱膨張係数と近似する材質で形
成している。

そして、この半導体圧力センサは組み立てる場合、ステ
ム１にキャップ９を取り付ける前にまず、ステムｌ側に
半導体単結晶感圧ダイヤフラムチップ４．リードビン７
、ワイヤ８および第１．第２の圧力導入パイプ２．２２
などを取り付けておく。

次に封止穴１１を封止していない状態で、ステム１のフ
ムンジ部１８に圧接または溶接などの手段でキャップ９
を封着接合する。この接合後、真空中においてキャンプ
９内の空気を抜くと同時に封止穴１１をハンダ１２で密
閉封着する。するとキャップ９内に真空チャンバー１３
が形成されて組み立てられる。この真空チャンバー１３
は圧力測定時の基準圧になるもので、基準圧がＯである
ことから圧力は絶対圧で測定できる。

次に上記実施例の圧力測定方法と動作について説明する
。

上記実施例において、例えば内燃機関の吸入空気圧を測
定する場合に第１の圧力導入パイプ２の他端を吸気マニ
ホールドの吸気孔に接続し、マニホールド吸気孔からの
流体が圧力導入パイプ２の孔５および貫通穴１７　ａ、
　　１６　ａを通して感圧ダイヤフラム６ａの上記圧力
印加部で得られるようにする。そして貫通穴１７ｂ、１
６ｂにつながる感圧ダイヤフラム６ｂは第２の圧力導入
パイプ２２の他端を大気またはターボ吸気孔に通じた状
態にし、大気圧またはターボ吸気圧が感圧ダイヤフラム
６ｂの上記圧力印加部で得られるようにする。

しだがって、この構造では第１の圧力導入パイプ２を通
って導入された流体が感圧ダイヤフラム６ａに歪みを与
える。この歪みは感圧ダイヤフラム６ａに形成した圧力
検出用水イーストンブリッジの抵抗値を変化させ、この
信号がリードビン７を通して外部へ取り出される。すな
わち、この抵抗値を知ることにより吸気マニホールド内
の絶対圧を測定することができる。

一方感圧ダイヤフラム６ｂは第２の圧力導入パイプ２２
と貫通穴１７ｂ、１６ｂを通って導入された大気圧まだ
はターボ吸気圧で歪みが与えられ、圧力検出用ホイース
トンブリッジの抵抗値が変化し、この信号もリードビン
７を通して外部へ取り出される。すなわち大気圧または
ターボ吸気圧も、この抵抗値を知ることにより絶対圧と
して検出することができる。

したがって上記実施例によれば感圧ダイヤフラム６ａと
６ｂを境に圧力印加側と真空チャンバー１３側とが反対
に位置するため、それぞれ異なる圧力導入パイプ２，２
２を介して流入される２つの被測定流体の圧力を絶対圧
で同時に測定することができる。

またステム１と台座３と半導体単結晶感圧ダイヤプラム
チップ４とを近似の熱膨張係数を有する材質で形成して
いるので、温度変化時の半導体単結晶感圧ダイヤフラム
チップ４に及ぼすステムｌ。

台座３からの熱応力の影響がなくなる。このため感圧ダ
イヤフラム６ａ、６ｂに形成したホイーストンブリソジ
抵抗系の熱応力による変動差がなくなり、圧力センサと
しての特性が安定する。

また半導体単結晶感圧ダイヤフラムチップ４には二つの
感圧ダイヤフラム６ａ、６ｂを同一ウニへの隣接した部
分から製作しているので、二つの感圧ダイヤフラム６ａ
、６ｂの特性をはソ同一にできる。この結果、電気回路
部でのトリミングなどによる温度補償のだめの調整を二
つの感圧ダイヤフラム６ａ、６ｂではソ同一にできる。

第４図乃至第６図は本発明の他の実施例の構成を示すも
のである。第４図乃至第６因において第１図乃至第３図
と同一符号を付したものは第１図乃至第３図と同一のも
のを示している。そして、この実施例では半導体単結晶
感圧ダイヤフラムチップ４を台座３を介さずに直接ステ
ム１上に接着接合したもので、その他の構造および測定
方法は第１図乃至第３図に示した実施例と同じである。

まだ、この実施例では上記の効果に加えてさらに部品点
数の削減並びに高さ寸法を小さくすることもでき、薄形
化並びに小形化が図れる。

発明の効果 本発明は上記実施例によシ明らかのように、それぞれ圧
力導入パイプを介して被測定流体が流入される二つの感
圧ダイヤフラムを境にして圧力加圧側と真空チャンバー
側とが反対に位置するため、二つの圧力を絶対圧で同時
に測定することができる。

また、ステムと半導体単結晶感圧ダイヤフラムチップと
を近似の熱膨張係数を有する材質で形成しているので、
温度変化時の半導体単結晶感圧ダイヤフラムチップに及
ぼす影響がなくなる。このため感圧ダイヤプラムに各々
形成したホイーストンブリノジ抵抗系の熱応力による変
動差がなくなり、圧力センサとしての特性も改善でき信
頼性が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る半導体圧力センサの上
面断面図、第２図は第１図のＡ−Ａ線に沿う同上センナ
の断面図、第３図は第１図のＢ−Ｂ線に沿う同上センサ
の断面図、第４図は本発明の他の実施例に係る半導体圧
力センサの上面断面図、第５図は第４図のＣ−Ｃ線に沿
う同上センサの断面図、第６図は第４図のＤ−Ｄ線に沿
う同上センナの断面図、第７図は従来の半導体圧力セン
サの一例を示した断面図である。 １・・・ステム、２・・・第１の圧力導入パイプ、３・
・・台座、４・・・半導体単結晶感圧ダイヤフラムチッ
プ、６ａ、６ｂ・・・感圧ダイヤフラム、７・・・リー
ドピン、８・・・導電性ワイヤ、９・・・キャンプ、１
３・・・真空チャンバー、１４−・・封着ガラス、１６
ａ、１６ｂ。 １７ａ、１７ｂ・・・貫通穴、第２の圧力導入パイプ。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名城　
　　　　　　　　！ 二く 第３図 第６図 第　７　図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも二つの感圧ダイヤフラムを形成した半
   導体単結晶感圧ダイヤフラムチップと、前記半導体単結
   晶感圧ダイヤフラムチップの各ダイヤフラムに対応した
   二つの貫通穴を有するとともに前記半導体単結晶感圧ダ
   イヤフラムチップと近似の熱膨張係数を有する材質で形
   成し、かつ前記感圧ダイヤフラムと電気接続する複数の
   リードピンを上下面に貫通させてハーメチック封着して
   なるステムとを備え、前記ステム上に前記半導体単結晶
   感圧ダイヤフラムチップを封着接合して前記二つの感圧
   ダイヤフラムで異なる前記貫通穴の上部開口端をそれぞ
   れ密閉し前記各貫通穴内を各々圧力印加部にするととも
   に前記圧力印加部と反対側に真空チャンバーを形成し、
   かつ前記各貫通穴の下部開口端にそれぞれ圧力導入パイ
   プを接続してなる半導体圧力センサ。
2. （２）前記半導体単結晶感圧ダイヤフラムチップを前記
   半導体単結晶感圧ダイヤフラムチップと近似の熱膨張係
   数を有する材質で形成した台座を介して前記ステム上に
   取り付けたことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項
   記載の半導体圧力センサ。
3. （３）前記半導体単結晶感圧ダイヤフラムチップは前記
   二つのダイヤフラムを同一ウエハの隣接した部分から形
   成したことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項また
   は第（２）項記載の半導体圧力センサ。