JPH01172723A - 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、自動車などの排気ガス規制の強化に伴い、自動車
用エンジンなどにおいては、その運転状態のいかんを問
わず常に最良の燃焼状態が得られるように制御してやる
必要がある。そこで、この−環として圧力変換器を用い
、エンジンの吸気圧力を検出して電気信号に変換し、こ
の信号で燃料の供給量を電子的に制御したり、点火時期
を制御してエンジンの燃焼状態を最適な状態に維持する
方法や、大気圧の変化を検知して高度補正を行なう方法
などが採用されるようになってきた。

ところで、このような自動車用として使用される圧力変
換器は耐熱性、耐震性などに優れたものが要求され、こ
れに応するものとして半導体歪ゲージ形の圧力センサが
広く採用されるようになってきた。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チップ構成の一例を図面を用
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。１０
４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
ンプリソ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に設けた切り欠き溝である。１０７は台座１０
２を貫通して設けたリードピンで、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。１
０８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上に取り付けだシリコンダイ
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１
１１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１０
４の下面に流体を導く圧力導入用のパイプで、ステム１
０１の下面にロウ付けなどの手段で固定している。まだ
台座１０２はシリコン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。

しだがって、この半導体圧力センサ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、１個のセンサで１つの絶対圧しか測定する
ことができない。また１個のセンサの部品を、他のタイ
プのセンサに転用できる構造にはなっておらず、タイプ
が異なる毎に各部品を個々に用意しなければならないと
ともに、部品管理も複雑化しコスト高になっている問題
があった。

また、さらにステム１０１や、台座１０２とステム１０
１間の接合剤１０３からシリコンダイヤフラムチップ１
０４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
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０ このため従来の半導体圧力センサの構造では、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、す、あるいは台座１０２
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、
同一部品をタイプの異なる他の半導体圧力センサとして
も使用できるとともに、圧力検出特性を向上させ、かつ
信頼性の向上と品質の安定化およびコスト低減を図るこ
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。

問題点を解決するための手段 本発明は上記目的を達成するために、変形を検出して電
気信号を出力する手段を有する半導体単結晶感圧ダイヤ
フラムチップと、圧力導入パイプと、複数のリードピン
と、前記感圧ダイヤフラムチップと近似しだ熱膨張係数
を有するとともに前記ダイヤフラムチップに対応した貫
通穴を設けて前記貫通穴に前記感圧ダイヤフラムチップ
を封着接合してなる台座と、前記台座の前記貫通穴と対
応した貫通穴と前記リードピンをそれぞれ取シ付ける取
付穴とを設けたステムと、キャップとを備え、前記ステ
ムの前記取付穴に前記リードピンをハーメチック封着す
るとともに、前記ステムの表面側に前記台座を封着接合
させ、かつ前記感圧ダイヤフラムチップと前記リードピ
ンとのワイヤボンディング後、前記キャップを封着させ
て前記ステム表面に真空チャンバーを形成し、さらに前
記ステムの裏面側で前記貫通穴に前記圧力導入パイプを
接合させてなるとともに、前記台座に前記感圧ダイヤフ
ラムチップを二つ並設できるスペースを設けてなる構成
にしたものである。

作用 したがって本発明によれば、感圧ダイヤフラムチップを
二つ並設できるスペースを設けているので、必要に応じ
て感圧ダイヤフラムチップを二つ並設して一個のセンサ
で二つの絶対圧を同時に検出できるツインダイヤフラム
タイプの半導体圧力センサを形成することができる。ま
た感圧ダイヤフラムチップと台座とを互いに近似した熱
膨張係数を有する材質で形成しているので、温度変化時
の感圧ダイヤフラムチップに及ぼされるステムや台座か
らの熱応力がなくなる。この結果、感圧ダイヤフラムチ
ップのダイヤフラム面に形成され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は中央部分に二つの貫通
穴２ａ、　２ｂを形成可能なスペースを設けてガラスま
たはシリコン材などで一体に成形されているステムで、
実施例では貫通穴２ａを形成して貫通穴２ｂは形成して
いない状態で示している。またステム１には貫通穴２ａ
、　２ｂを形成するスペースを囲んだ外周部分に１０個
のり−ドピン取付穴３を設けている。４は中央に圧力導
入孔５を設けた圧力導入パイプで、貫通穴２ａに圧力導
入孔５を対応させてステム１の下面にガラスハンダで封
着接合させている。６は取付穴３に取り付けているリー
ドピンで、一端がステム１の上面から突出し他端が下面
から突出した状態で１０個の取付穴３に対し個個にハー
メチック封着されている。７ａ、　７ｂは同一面上に配
置される一対の半導体単結晶感圧ダイヤフラムチップで
、各感圧ダイヤフラムチップ７ａ。

７ｂにおける圧力印加部となる各ダイヤフラム面８に圧
力検出用ホイーストンブリッジ抵抗（不図示）を形成し
ている。そして一対の感圧ダイヤフラムチップ７ａ、　
７ｂは一方の感圧ダイヤフラムチップ７ｂだけで使用さ
れる場合と、二つの感圧ダイヤフラムチップ７ａ、　７
ｂと同時に使用される場合とがあり、一方の感圧ダイヤ
フラムチップ７ａだけで使用する場合には他方の感圧ダ
イヤフラムチップ７ｂは組み込まれない。なお実施例で
は他方の感圧ダイヤフラムチップ７ｂは組み込んでいな
い状態で示している。まだ逆に両方の感圧ダイヤフラム
チップ７ａ。

７ｂを同時に使用する場合は、同一ウェハ上に二つ並設
した状態で設けられる。３３は感圧ダイヤフラムチップ
７ａ、　７ｂを並設した状態で封着接合させるスペース
を有したサポートウェハで、感圧ダイヤフラムチップ７
ａ、７ｂと近似する熱膨張係数を有した材質で形成され
ている。そしてサポートウェハ３３には二つの感圧ダイ
ヤフラムチップ７ａ、　７ｂを封着接合させて使用する
場合には二つの感圧ダイヤフラムチップ７ａ、　７ｂの
各ダイヤフラム面８と対応した位置に貫通穴３３ａ、　
３３ｂがそれぞれ設けられる。なお実施例では貫通穴３
３ａだけを設けている。

９はサポートウェハ３３が封着接合される台座で、感圧
ダイヤフラムチップ７ａ、　７ｂと近似する熱膨張係数
を有した材質で形成されている。そして台座９は感圧ダ
イヤフラムチップ７ａ、　７ｂを並設したサポートウェ
ハ３３が封着接合されるに十分なスペースを有している
。さらに台座９はサポートウェハ３３の各貫通穴３３ａ
、　３３ｂと対応した位置に貫通穴９ａ、　９ｂを形成
可能で、実施例では貫通穴９ａを形成し貫通穴９ｂは設
けていない。１０は感圧ダイヤフラムチップ７ａ、　７
ｂのダイヤフラム面上に形成した圧力検出用ホイースト
ンブリッジ抵抗とリードピン６とを電気接合した金線な
どのワイヤである。１１はステム１上に真空中でガラス
ノ・ノダされたキャップで、感圧ダイヤフラムチップ７
ａ、　７ｂの上面に真空チャンバー１２を形成するもの
であり、まだ感圧ダイヤフラムチップ７ａ、　７ｂと近
似する熱膨張係数を有したガラスまたはシリコン材など
で形成されている。

そして、この半導体圧力センサはシングルダイヤフラム
構造にすることも、またツインダイヤフラム構造にする
ことも可能で、上記実施例ではシングルダイヤフラム構
造にしている。すなわちシングルダイヤフラム構造の場
合は、感圧ダイヤフラムチップ７ａだけがサポートウェ
ハ３３の貫通穴３３ａを密封した状態で取り付けられ、
感圧ダイヤフラムチップ７ｂは取り付けない。またサポ
ートウェハ・３３の貫通穴３３ｂ１台座９の貫通穴９ｂ
、ステム１の貫通穴２ｂも設けられない。そして感圧ダ
イヤフラムチップ７ａだけが貫通穴３３ａ１貫通穴９ａ
、貫通穴２ａを通して圧力導入バイブ４と接合された状
態になる。

一方、ツインダイヤフラム構造の場合は、感圧ダイヤフ
ラムチップ７ａに加えて感圧ダイヤフラムチップ７ｂも
サポートウェハ３３上に封着接合される。

そして感圧ダイヤフラムチップ７ｂと対応するサポート
ウェハ３３の貫通穴３３ａ１台座９の貫通穴９ｂ。

ステム１の貫通穴２ｂも設けられて、感圧ダイヤフラム
チップ７ｂは貫通穴３３ｂ１貫通穴９ｂ、貫通穴２ｂを
通して大気中に開口された状態にされる。

また、この半導体圧力センサを組み立てる場合は、捷ず
ステム１に台座９と圧力導入パイプ４およびリードピン
６をそれぞれ封着接合させた状態にしておく。次に感圧
ダイヤフラムチンプ７ａまたは１および感圧ダイヤフラ
ムチップ７ｂを密封封着接合させたサポートウェハ３３
を台座９上に密封封着接合させる。次いで感圧ダイヤフ
ラム７ａまたは１および感圧ダイヤフラムチップ７ｂと
リードピン６との間にワイヤ１０をポンディングして接
合する。

そして、次いでキャップ１１の封止穴１３を封止してい
ない状態でステム１の外周に圧接または溶着などの手段
でキャップ１１を封着接合する。この接合後、真空中に
おいてキャップ１１内の空気を抜くと同時に封止穴１３
をハンダ１４で密閉封着する。するとキャップｌｌ内に
真空チャンバー１２が形成されて組み立てられる。この
真空チャンバー１２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
。

上記実施例のようにシングルダイヤフラム構造の構成に
おいて、例えば内燃機関の吸入空気圧を測定する場合は
圧力導入パイプ４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バイ
ブ４の孔５およびステム１の貫通穴２ａ、台座９の貫通
穴９ａ、サポートウェハ３３の貫通穴３３ａを通して感
圧ダイヤフラムチップ７ａの圧力印加部となるダイヤフ
ラム面８で得られるようにする。するとマニホールド吸
気孔からの流体が圧力導入パイプ４内を通って導入され
、これによりダイヤフラム面に歪を与える。そして歪が
ダイヤスラム面上に形成した圧力検出用ホイーストンプ
リソジの抵抗値を変化させ、この信号がリードピン６を
通して外部に取り出される。

すなわち、この抵抗値を知ることにより吸気マニホール
ド内の絶対圧を知ることができる。

また第２図中で一点鎖線で示す部分が構造として加えら
れ、ツインダイヤフラム構造の構成として使用する場合
で同じく自然機関の吸入空気圧を測定する場合は、圧力
導入パイプ４の他端を吸気マニホールドの吸気孔に接続
するとともに、感圧ダイヤフラムチップ７ｂのダイヤフ
ラム面８をサポートウェハ３３の貫通穴３３ｂ１台座９
の貫通穴９ｂ。

ステム１の貫通穴２ｂを通して大気中に表出させる。

すると感圧ダイヤフラムチップ７ｂには貫通穴２ｂを通
して大気圧が導入され、この大気圧で歪が与えられる。

そして、この感圧ダイヤフラムチップ７ｂに与えられた
歪も感圧ダイヤフラムチップ７ａと同様に感圧ダイヤフ
ラムテップ７ｂのダイヤフラム面８に形成した圧力検出
用ホイーストンプリノジの抵抗値をそれぞれ変化させ、
この信号がリードビ／６を通して外部へ取り出される。

しだがって、感圧ダイヤフラムチップ７ｂ側から取り出
された信号で大気圧が絶対圧で測定でき、また感圧ダイ
ヤフラムチップ７ａ側から取り出された信号で吸気マニ
ホールド内の圧力を絶対圧で同時に測定できる。

このように上記実施例による半導体圧力センサでは、サ
ポートウェハ３３、台座９およびステム１に二つの感圧
ダイヤフラムチップ７ａ、　７ｂを並設できるスペース
を設けている。そして一つの感圧ダイヤフラムチップ７
ａを配設することによりシングルダイヤフラム構造とし
て使用することができ、まだ二つの感圧ダイヤフラムチ
ップ７ａ、　７ｂを配設することによりツインダイヤフ
ラム構造として使用することができる。しだがって外形
構造をほとんど変えずにシングルダイヤフラム構造とツ
インダイヤフラム構造のいずれにも使用することができ
、部品の共通化が図れコストを低減させることができる
。

まだ感圧ダイヤフラムチップ７ａ、　７ｂと台座９、サ
ポートウェハ３３およびステム１とを互いに近似しだ熱
膨張係数を有する材質で形成しているので、温度変化時
の感圧ダイヤフラムチップ７ａ、　７ｂに及ぼされるス
テム１や台座９などからの熱応力がなくなる。この結果
、感圧ダイヤフラムチップのダイヤフラム面に形成して
いるホイーストンプリノジ抵抗系の熱応力による変動作
がなくなり、圧力検出特性が向上するとともに信頼性の
向上と品質の安定化が図れる。

また、さらにツインダイヤフラム構造にする場合、感圧
ダイヤフラムチップ７ａ、　７ｂを同一のサポートウェ
ハ３３の隣接した部分から形成しているので、二つの感
圧ダイヤフラムチップ７ａ、　７ｂの特性をほぼ同一に
でき、電気回路部でのトリミングなどによる温度保償の
だめの調整が二つの感圧ダイヤフラム７ａ、　７ｂでは
ソ同一にできる。

なお上記実施例では感圧ダイヤフラムチップ７ａ。

７ｂをサポートウェハ３３を介して台座９上に封着接合
させた構造を示したが、サポートウニ／・３３を介さず
直接台座９上に感圧ダイヤフラムチップ７ａ、７ｂを封
着接合させた構造にしても良いものである。

発明の効果 本発明は上記実施例により明らかのように、感圧ダイヤ
フラムチップを二つ並設できるスペースを設けているの
で、必要に応じて感圧ダイヤフラムチノフヲ二つ並設し
て一個のセンサで二つの絶対圧を同時に検出できるツイ
ンダイヤフラムタイプの半導体圧力センサとしても、一
つの絶対圧だけを検出できるシングルダイヤフラムタイ
プの半導体圧力センサとしても使用できる。したがって
外形構造をほとんど変えずに二つのタイプに使用でき、
部品の共通化を図れるのでコストが低減する。

まだ感圧ダイヤフラムチップと台座とを互いに近似した
熱膨張係数を有する材質で形成しているので、温度変化
時の感圧ダイヤフラムチップに及ぼされるステムや台座
からの熱応力がなくなり、信頼性並びに圧力特性が向上
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
面図、第２図は第１図のＡ−Ａ線に沿う断面図、第３図
は第１図のＢ−Ｂ線に沿う断面図、第４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−、ｉテム、２ａ、　２ｂ、　９ａ、　９ｂ、　３３
ａ、　３３ｂ”’貫通穴、３・・・リードピン取付穴、
４・・・圧力導入パイプ、５・・・圧力導入孔、６・・
・リードビン、７ａ、　７ｂ・・・感圧ダイヤフラムチ
ップ、８・・・ダイヤフラム面、９・・台座、１０・・
・ワイヤ、１トキャップ、１２・・・真空チャンバー、
３３・・・サポートウェハ。 代理人の氏名　弁理士　中　尾敏男ほか１名第３図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）変形を検出して電気信号を出力する手段を有する
   半導体単結晶感圧ダイヤフラムチップと、圧力導入パイ
   プと、複数のリードピンと、前記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とともに前記感圧ダイ
   ヤフラムチップに対応した貫通穴を設けて前記貫通穴に
   前記感圧ダイヤフラムチップを封着接合してなる台座と
   、前記台座の前記貫通穴と対応した貫通穴と前記リード
   ピンをそれぞれ取り付ける取付穴とを設けたステムと、
   キャップとを備え、前記ステムの前記取付穴に前記リー
   ドピンをハーメチック封着するとともに、前記ステムの
   表面側に前記台座を封着接合させ、かつ前記感圧ダイヤ
   フラムチツプと前記リードピンとのワイヤボンディング
   後、前記キャップを封着させて前記ステム表面に真空チ
   ャンバーを形成し、さらに前記ステムの裏面側で前記貫
   通穴に前記圧力導入パイプを接合させてなるとともに、
   前記台座に前記感圧ダイヤフラムチップを二つ並設でき
   るスペースを設けてなる構成にした半導体圧力センサ。
2. （２）前記感圧ダイヤフラムチップを前記台座上にサポ
   ートウエハを介して封着接合させ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）前記感圧ダイヤフラムチップは同一ウエハ上に二
   つ並設して前記台座上に設けられるとともに、前記二つ
   の感圧ダイヤフラムチップは隣接した部分から作られて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の半導
   体圧力センサ。