JPH01172721A - 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圧や大気圧ま
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
力センサに関する。

従来の技術 近年、自動車などの燃料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よるエンジンの電子
式燃料噴射、点火時間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、従来の圧力センサの一例を図面を用いて説明する
。

第４図は従来の半導体圧力センサの概略構成図である。

第４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
は感圧ダイヤフラム１０６を有したシリコン感圧ダイヤ
フラムチップで、感圧ダイヤフラム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上に取り
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に設けた切シ欠き溝である。

１０７は台座１０２を貫通して設けたリードビンで、台
座１０２との隙間はガラス１）５でハーメチック封止状
態になっている。１０８はシリコン感圧ダイヤフラムチ
ップ１０４のブリッジ電極とリードビン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
収り付けたシリコン感圧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１）３を形
成するキャップで、封止穴１）１を上部に設けている。

１）４はステム１０１および台座１０２内を通ってシリ
コン感圧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１０１の下面にロウ付け
などの手段で固定している。また台座１０２はシリコン
感圧ダイヤフラムチップ１０４と近似する熱膨張係数を
有した材質で形成し、切り欠き溝１０５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サは組み立てる場合、
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．シリコン感圧ダイヤフラ
ムチップ１０４．取付用リードビン１０７．ワイヤ１０
８および圧力導入パイプ１）４などを取シ付けておく。

次に封止穴１）１を封止していない状態でキャップ１０
９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１）０に封着接合する。この
接合後、真空中においてキャップ１０９内の電気を抜く
と同時に封止穴１）１をハンダ１）２で密閉封着する。

するとキャップ１０９内に真空チャンバー１）３が形成
されて組み立てられる。

したがって、この半導体圧力センサではシリコン感圧ダ
イヤフラムチップ１０４の感圧ダイヤフラム１０６を真
空チャンバー１）３の中に収納しているので、この真空
圧を基■圧として圧力導入パイプ１）４から導入する流
体を絶体圧で測定できる。

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−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からシリコン感圧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
感圧ダイヤフラムチップ１０４に歪みを与える。このた
め感圧ダイヤフラム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、これに作い圧力
検出特性も大きくばらつく欠点があった。この問題は主
にシリコン感圧ダイヤフラムチップ１ｏ４．ステム１ｏ
１゜台座１０２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力センチの構造では、上述した
ように台座１０２にシリコン感圧ダイヤフラムチップ１
０４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の厚みを高くしたり、あるいは台座１０
２に切り欠き溝１０５を設けるなどの手段を施している
。この結果、台座１．０２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、
−個のセンサで少なくとも二つの絶対圧まだは税対圧と
相対圧と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、少なくとも第１と
第２の感圧ダイヤフラムを並置して設けた半導体単結晶
感圧ダイヤフラムチップと、前記感圧ダイヤフラムチッ
プと近似の熱膨張係数を有した材質で形成されて前記第
１の感圧ダイヤフラムと対応した第１の貫通穴を有する
とともに前記第２の感圧ダイヤフラムとの間に真空チャ
ンバーを形成して前記感圧ダイヤフラムチップをＡｌ−
Ｓｉ（アルミニューム−シリコン）共晶結合などの手段
で封着接合したシリコンサポートウニハト、前記感圧ダ
イヤフラムチップと近似の熱膨張係数を有した材質で形
成され前記第１の貫通穴と対応した第２の貫通穴および
前記第２の感圧ダイヤフラムと対応した第３の貫通穴と
を設けて前記感圧ダイヤフラムチップと反対側で前記シ
リコンサポートウェハを陽極結合などの手段で封着接合
した台座と、前記感圧ダイヤフラムチップと近似の熱台
張係数を有した材質で形成され前記第２の貫通穴と対応
した第４の貫通穴と前記第３の貫通穴と対応する第５の
貫通穴とを設けて前記シリコンサポートウェハと反対側
で前記台座を封着接合したプレートと、前記第４の貫通
穴と対応する流体導入孔を設けた圧力導入パイプを一体
に形成し前記プレートを前記台座と反対側で封着接合し
たプラスチック製のパッケージとを備え、前記第１の感
圧ダイヤフラムと前記第２の感圧ダイヤフラムの一方の
面に同一圧力を付与させるとともに、前記第１の感圧グ
イヤフラムの他方の面に前記流体導入孔から流入した圧
力を付与す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、少なくとも第１と第２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
ムチップを用いて、第１の感圧ダイヤフラムをシリコン
サポートウェハと台座にそれぞれ形成した第１と第２と
第４の貫通穴を介して圧力導入パイプの流体導入孔に開
口させるとともに、第２の感圧ダイヤフラムとサポート
クエハとの間に真空チャンバーを形成し、第１と第２の
感圧ダイヤフラムの一方の面に同一圧力を付与させ、か
つ第２の感圧ダイヤフラムの他方の面に真空圧を、また
第１の感圧ダイヤフラムの他方の面に流体導入孔から流
入した圧力を付与させる構成としているので、測定され
る圧力は絶対圧と相対圧の両方を同時に測定することが
可能で、まだ出力信号処理回路により両川力の差をとる
ことにより、例えば大気圧と吸気マニホールド圧とを同
時に絶対圧で測定することも可能になる。

またサポートクエハと台座およびプレートを、半導体単
結晶感圧ダイヤフラムチップと近似した熱膨張係数を有
する材質で形成し、これらの部材を介して半導体単結晶
感圧ダイヤフラムチップをプラスチック製のパッケージ
に封着接合しているので、温度変化時の各感圧ダイヤフ
ラムに及ぼすグラスチック製パッケージ、プレート、台
座、サポートウェハなどからの熱応力の影響がなくなる
。

このため各感圧ダイヤフラム面に形成しているホイース
トンブリッジ抵抗における抵抗値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。

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は上面に凹部２
を設けたプラスチック製のパッケージであり、成形時に
上面側に凹部２を、また下面側に圧力導入パイプ３をそ
れぞれ一体に形成しているとともに、それぞれ５本づつ
左右側面から突出した状態でリードビン４をインサート
して取り付けている。また圧力導入パイプ３には凹部２
内へ通じた流体導入孔５を設けている。６は第４の貫通
穴と第５の貫通穴８とを有したプレートで、第４の貫通
穴７を流体導入孔５に対応させて凹部２の底面上に封着
接合され、第５の貫通穴８の下端は凹部２の底面で封止
されている。９はパイレックスガラスで成形した台座で
、プレート６の第４の貫通穴７に対応した第２の貫通穴
１）とプレート６の第５の貫通穴に対応した第３の貫通
穴１２とを有し、各穴位置を一致させてプレート６上に
封着接合している。１３はシリコンで形成したサポート
ウェハで、台座９の第２貫通穴１）に対応した第１の貫
通穴１４を有し、第２の貫通穴１）と第１の貫通穴１４
との穴位置を一致させて台座９上に陽極結合のような手
段を用いて封着接合されている。１０は凹部２内に注入
固化したシリコングルーで、凹部２内に配置したプレー
ト６と台座９とを固定している。１５は互いに隣接した
部分から各々圧力検出用ホイーストンブリッジ抵抗を形
成した第１の感圧ダイヤフラム１６と第２の感圧ダイヤ
フラム１７とを有する半導体単結晶感圧ダイヤフラムチ
ップであり、第１の感圧ダイヤフラム１６を第１の貫通
穴１４に対応させるとともに第２の感圧ダイヤフラム１
７を第３の貫通穴１２に対応させた状態でサポートウェ
ハ１３上にＡｌ−Ｓｉ（フルミニュームーシリコン）共
晶結合などの手段で封着接合している。また第１と第２
の感圧ダイヤフラム１６，１７は同一クエバの隣接した
部分から作られ、第１と第２の感圧ダイヤフラム１６，
１７の出力差を測定し、オフセット電圧のドリフトを相
殺することができるようにしている。そしてサポートウ
ェハ１３上に封着接合する際に第２の感圧ダイヤフラム
１７の下面とサポートウェハ１３との間に真空チャンバ
ー１８を形成している。この真空チャンバー１８は圧力
測定時の基準圧になるもので、基準圧が０であることか
ら圧力は絶対圧で測定できる。１９は第１と第２の感圧
ダイヤフラム１６，１７上にそれぞれ形成している圧力
検出用ホイーストンブリソジ抵抗の電極とリードピン４
とを電気接続している導電性のワイヤである。２０はパ
ッケージ１の上面を閉じた上蓋で、大気開放穴２１を有
している。

なおサポートウェハ１３と台座９およびプレート６の熱
膨張係数は、いずれも半導体単結晶感圧ダイヤフラムチ
ップ１５の熱膨張係数と近似する材質で形成している。

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
定する場合に圧力導入パイプ３の他端を被測定還流とな
る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３の圧力導入孔５およ
び第４．第２．第１の貫通穴７，１）．１４を通して第
１の感圧ダイヤフラム１６で得られるようにする。

したがって、この構造において第１の感圧ダイヤフラム
１６は被測定還流側からの流体と大気開放穴２１から導
入された大気で歪かを与えられる。

この歪みは第１の感圧ダイヤフラム１６に形成した圧力
検出用ホイーストンブリッｅの抵抗値を変化させるが、
この信号は圧力導入パイプ３から導入された被測定還流
側からの流体圧力と大気との差圧として測定されてリー
ドビン４全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圧力と大
気中の圧力との相対圧を測定することができる。

一方、第２の感圧ダイヤフラム１７は大気開放穴２１を
通って導入された大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
ードピン４を通して外部へ取り出され絶対圧として検出
することができる。

したがって上記実施例によれば、少なくとも第１と第２
の感圧ダイヤフラム１６，１７を形成した半導体単結晶
感圧ダイヤフラムチップ１５を用いて、第１の感圧ダイ
ヤフラム１６をサポートウェハ１３と台座９およびプレ
ート６に形成した第１、第２．第４の貫通穴７，１）．
１４を介して圧力導入パイプ３の流体導入孔５に開口さ
せ、第２の感圧ダイヤフラム１７はサポートウェハ１３
との間で真空チャンバー１８を形成する構成としている
ので、測定される圧力は絶対圧と相対圧の両方が同時に
測定可能になる。したがって出力信号処理回路を用いて
両出力の差をとることによシ、例えば大気圧と吸気マニ
ホールド圧とを絶対圧で、しかも同時に測定可能になる
。

また大気開放穴２１から導入される流体の圧力は第２の
感圧ダイヤフラム１７の被測定圧力となるばかりでなく
、圧力導入パイプ３から導入される流体の圧力を第１の
感圧ダイヤフラム１６で相対圧から絶対圧に変換するた
めのリファレンス圧力にすることができる。

またパフケ１月とプレート６と台座９とサポートウェハ
１３とを半導体単結晶感圧ダイヤフラムチップ１５と近
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１５に及
ぼすパッケージｌ側からの熱応力の影響がなくなる。こ
のため第１゜第２の感圧ダイヤフラム１６，１７に形成
したホイーストンブリッ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１５には第１
と第２の感圧ダイヤフラム１６，１７を同一ウェハの隣
接した部分から作っているので、電気回路部でのトリミ
ングなどによる温度補償のための調整を二つの感圧ダイ
ヤフラム１６，１７ではソ同一にできる。したがって信
号処理部で出力の差をとるとオフセット電圧の温度ドリ
フトが相殺できる。

発明の効果 本発明は上記実施例により明らかのように、少なくとも
第１と第２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を用いて、第１の感圧ダイヤフ
ラムをシリコンサポートウェハと台座およびプレートに
形成した第１．第２゜第４の貫通穴を介して圧力導入パ
イプの流体導入孔に開口させ、第２の感圧ダイヤフラム
はサポートウェハとの間で真空チャンバーを形成する構
成としているので、測定される圧力は絶対圧と相対圧の
両方が同時に測定可能になる。したがって出力信号処理
回路を用いて両出力の差をとることにより、例えば大気
圧と吸気マニホールド圧とを絶対圧で、しかも同時に測
定可能になる。

また大気開放穴から導入される流体の圧力は第２の感圧
ダイヤフラムの被測定圧力となるばかりでなく、圧力導
入パイプから導入される流体の圧力を第１の感圧ダイヤ
フラムで相対圧から絶対圧に変換するためのリファレン
ス圧力にすることができる。

またパッケージ１とプレートと台座とサポートウェハと
を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パッケージ
側からの熱応力の影響がなくなる。このため第１．第２
の感圧ダイヤフラムに形成したホイーストンブリッジ抵
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。

【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
若を取り外して見た上面図、第２図は第１因のＡ−Ａ線
に沿う同上センサの縦断面図、第３図は第１図のＢ−Ｂ
線に沿う同上センサの縦断面図、第４図は従来の半導体
圧カヤンザの一例を示した断面図である。 １・・・パッケージ、３・・・圧力導入パイプ、５・・
・流体導入孔、６・・・プレート、７・・・第４の貫通
穴、８・・・第５の貫通穴、９・・・台座、１）・・・
第２の貫通穴、１２・・・第３の貫通穴、１３・・・シ
リコンサポートウェハ、１４・・・第１の貫通穴、１５
・・・半導体単結晶感圧ダイヤフラムチップ、１６・・
・第１の感圧ダイヤフラム、１７・・・第２の感圧ダイ
ヤフラム、１８・・・真空チャンバー、１９・・・導電
性ワイヤ、２０・・・上蓋。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名／−
−−パーツゲージ 陣　　　臥１

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも第１と第２の感圧ダイヤフラムを並置
   して設けた半導体単結晶感圧ダイヤフラムチップと、前
   記感圧ダイヤフラムチップと近似の熱膨張係数を有した
   材質で形成されて前記第１の感圧ダイヤフラムと対応し
   た第１の貫通穴を有するとともに前記第２の感圧ダイヤ
   フラムとの間に真空チャンバーを形成して前記感圧ダイ
   ヤフラムチップをＡｌ−Ｓｉ（アルミニウム−シリコン
   ）共晶結合などの手段で封着接合したシリコンサポート
   ウエハと、前記感圧ダイヤフラムチップと近似の熱膨張
   係数を有した材質で形成された前記第１の貫通穴と対応
   した第２の貫通穴および前記第２の感圧ダイヤフラムと
   対応した第３の貫通穴とを設けて前記感圧ダイヤフラム
   チップと反対側で前記シリコンサポートウエハを陽極結
   合などの手段で封着接合した台座と、前記感圧ダイヤフ
   ラムチップと近似の熱膨張係数を有した材質で形成され
   前記第２の貫通穴と対応した第４の貫通穴と前記第３の
   貫通穴と対応する第５の貫通穴とを設けて前記シリコン
   サポートウエハと反対側で前記台座を封着接合したプレ
   ートと、前記第４の貫通穴と対応する流体導入孔を設け
   た圧力導入パイプを一体に形成し前記プレートを前記台
   座と反対側で封着接合したプラスチック製のパッケージ
   とを備え、前記第１の感圧ダイヤフラムと前記第２の感
   圧ダイヤフラムの一方の面に同一圧力を付与させるとと
   もに、前記第１の感圧ダイヤフラムの他方の面に前記流
   体導入孔から流入した圧力を付与する構成にした半導体
   圧力センサ。
2. （２）前記第１と第２の感圧ダイヤフラムからの出力差
   を検出し、二種類の流体圧力を絶対圧で同時に測定する
   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）前記第２の感圧ダイヤフラムは絶対圧を検出し、
   前記第１の感圧ダイヤフラムは相対圧を測定することを
   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。
4. （４）前記第１の感圧ダイヤフラムをリファレンス感圧
   ダイヤフラムにして、前記第２の感圧ダイヤフラムから
   の測定値を絶対圧に変換し出力する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。
5. （５）前記半導体単結晶感圧ダイヤフラムチップは同一
   ウエハの隣接した部分から作られ、前記第１と第２の感
   圧ダイヤフラムの出力差を測定しオフセット電圧のドリ
   フトを相殺する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。