JPH01174927A - 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、この二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ナが
広く採用されるようになってきた。これに伴い種々改良
された圧力センナが提案されている。

以下、従来の圧カセ／すのチップ構成の一例を図面を用
いて説明する。

第５図は従来の半導体圧力センナの概略構成図である。

第５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
ブリノ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。また
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、オず
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の外用部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の甲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、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犬きく、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に形成したホィーストンブリッジ
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。

このため従来の半導体圧力センナの構造では、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の厚みを高くしたり、あるいは台座１０２に
切り欠き溝１０５を設けるなどの手段を栴している。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、
圧力検出特性を改善するとともに構造を単純化して信頼
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、ホィーストンブリ
ッジ抵抗を形成した感圧ダイヤフラムを有する単結晶シ
リコン製の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した熱膨張係数を有するガラス材質
で成形し前記感圧ダイヤフラムチップの片側面に陽極接
合封着されて真空チャンバーを形成するキャップと、前
記感圧ダイヤフラムに対応する貫通穴を設けて前記感圧
ダイヤプラムチップと近似した熱膨張係数を有するガラ
ス材質で成形され前記キャップと反対側の前記感圧ダイ
ヤ７ラムチツプ面を陽極封着させる台座とを備え、前記
ホイーストンブリｙジ抵抗の信号取出線を前記感圧ダイ
ヤフラムチップ層内で前記Φヤップの陽極接合面の下を
くぐらせて外部へ導出させ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、台座およびキャップの材質
として感圧ダイヤフラムチップと近似する熱膨張係数を
有したガラス材質を用いるとともに、これらの接合手段
として接合面に異種金属層が介在しない陽極接合を用い
ているので、温度変化時、感圧ダイヤフラムチップに及
ぼされる台座、キャップからの熱応力の影響がなくなる
。したがって感圧ダイヤプラム面に形成されたホィース
トンブリッジ抵抗系の熱応力による変動差がなくなる。

また感圧ダイヤフラム面に形成したホイーストンプリノ
ジ抵抗からの外部への信号取出しが、感圧ダイヤフラム
チップ層内で前記キャップの陽極接合面の下をくぐらせ
ているので、従来構造で必要としていたハーメチック封
着が不要になる。

実施例 第１図乃至第４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４図において、１は平面四角状の
単結晶シリコン材で形成された感圧ダイヤフラムチップ
で、中央に感圧ダイヤフラム２を設けている。そして感
圧ダイヤフラム２には圧力検出用ホィーストンブリッジ
抵抗３を設け、このホィーストンブリッジ抵抗３の信号
取出線４を拡散により感圧ダイヤフラムチップ１のＰ＋
層内をはわせた状態で形成している。また感圧ダイヤフ
ラムチップ１には四隅に各々アルミニウム電極５を上面
に表出させて設け、このアルミニウム電極５に信号取出
線４の他端を接続させている。

６は感圧ダイヤフラムチップ１と近似する熱膨張係数を
有したガラス材質で形成したキャップで、感圧ダイヤフ
ラムチップ１の上面に異種金属層が介在しない陽極接合
などによって真空中で密封封着接合され、感圧ダイヤフ
ラムチップ１の上面に圧力３１１１定時の基準圧となる
真空チャンバー７を形成している。このキャップ４は感
圧ダイヤフラムチップ１のアルミニウム電極５を外側に
出した状態で封着接合されており、また上記信号取出線
４はキャッパ４の下側をくぐった状態になっている。

８は感圧ダイヤフラムチップ１と近似する熱膨張係数を
有したガラス材質で形成した台座で、感圧ダイヤフラム
２に対応する貫通穴９を一体に設けている。そして台座
８の上面に、貫通穴９に感圧ダイヤフラム２を対応させ
てキャップ６を設けた反対側の感圧ダイヤフラムチップ
１の面を異種金属層が介在しない陽極接合などで封着接
合させている。また台座８の下側はシリコングルー１０
によって基板１１に接合されている。この基板１１はア
ルミナなどで形成されているとともに台座８を接合させ
る部分に対応して貫通穴１２を有し、また台座８を接合
させる部分の上面周囲に信号増幅回路および温度補償回
路などを形成している。

１３は中央に圧力導入孔１４を設けた圧力導入パイプで
、基板１１に接合されている台座８の下面に貫通穴１２
を通って封着接合されている。１５はアルミニウム電極
５と基板１１上の回路間を電気接続させたボンディング
ワイヤである。そしてセンサの温度特性の調整はトリミ
ングなどの手段によって感圧ダイヤフラムチップ１の実
装後、基板ｌｌ上で行なっている。１６は基板ｌｌ上に
台座８を介して実装された感圧ダイヤフラムチップ１、
キャップ６、ワイヤ１５の全体を覆って保護する状態で
基板ｌｌ上に設けたシリコンポツティング剤でなる比較
的柔らかいシリコンゲルでアル。

なお、基板１１は各半導体圧力センナに対応する部分を
複数連続して設けてウェハ状に形成され、上記各部品を
組み込んだ後で個々に分割されて各半導体圧力センナ個
々で必要とする基板１１が形成される。また感圧ダイヤ
フラムチップ１、キャップ６、台座８も各々ウェハ状に
複数連続した状態で形成され、互いに接合された後で一
体に分割されて基板ｌｌ上に実装させるようにしている
。

次に主起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１３の地端を吸気マニホー
ルドの吸気孔に接続し、マニホールド吸気孔からの流体
が孔１４、貫通穴９を通して感圧ダイヤフラム２で得ら
れるようにする。すると圧力導入パイプ１３を通って導
入された流体が感圧ダイヤフラム２に歪を与える。この
歪は感圧ダイヤフラム２に形成した圧力検出用ホィース
トンブリッジ抵抗の値を変化させ、この信号が信号取出
線４、アルミニウム電極５、ワイヤ１５を介して基板１
１上の回路に取り出される。そして、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を測定することか
で゛き、しかも真空チャンバー７の形成で基準圧が０で
あることから絶対圧として測定することができる。

したがって上記実施例の半導体圧力センナでは、台座８
およびキャップ６の材質として感圧ダイヤフラムチップ
１と近似する熱膨張係数を有したがラス材質を用いると
ともに、これらの接合手段として接合面に異種金属層が
介在しない陽極接合を用いているので、温度変化時、感
圧ダイヤフラムチップｌに及ぼされる台座８、キャップ
６からの熱応力の影響がなくなる。この結果、感圧ダイ
ヤフラム２に形成したホィ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、半導体圧力センサとして
の特性が安定する。

また感圧ダイヤフラム２に形成したホィーストンブリッ
ジ抵抗３からの外部への信号取り出しが、感圧ダイヤフ
ラムチップｌの層内でキャップ６の陽極接合面の下をく
ぐらせているので、従来構造で必要としていたハーメチ
ック封着が不要になる。

この結果、真空封着の信頼性が向上するとともに小形化
が可能になり、またコスト低減を図ることができる。

さらに台座８を介して感圧ダイヤフラムチップ１を基板
１１上に直接実装し、感圧ダイヤフラムチップ上に形成
したアルミニウム電極５と基板１１上に形成したハイブ
リッド集積回路の電極とをワイヤ１５で直接ボンディン
グした後、柔らかいシリコンポッティング剤で覆う構造
にしているので、従来構造におけるステムが不要になり
、またキャップをも省略することが可能になる。この結
果、小形化およびコスト低減がさらに向上する。

また、さらに感圧ダイヤフラムチップ１、台座８および
キャップ６はウェハ状態でまとめて真空中で陽極接合後
、ウェハを個々に切断して分割するようにして形成して
いるので、真空村上作業が簡単になるとともに組立作業
の効率化が図れる。

また台座８を介して感圧ダイヤフラムチップｌを基板１
１上に実装する手段としてシリコングルーを用いている
ので、基板１１からの感圧ダイヤフラム２への熱応力が
緩和される。この結果、ホイーストンブリソジ抵抗系の
熱応力になる変動差がなくなり、圧力センサとしての特
性がさらに向上する。

発明の効果 本発明は上記実症例より明らかのように、台座およびキ
ャップの材質として感圧ダイヤフラムチップと近似する
熱膨張係数を有したガラス材質を用いるとともに、これ
らの接合手段として接合面に異種金属層が介在しない陽
極接合を用いているので、温度変化時、感圧ダイヤフラ
ムチップに及ぼされる台座、キャップからの熱応力の影
響がなくなる。この結果、感圧ダイヤフラムに形成した
ホィ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、半導体圧力センサとしての特性が安定する。

また感圧ダイヤフラムに形成したホィーストンブリッジ
抵抗からの外部への信号取り出しが、感圧ダイヤフラム
チップの層内でキャップの陽極接合面の下をくぐらせて
いるので、従来構造で必要としていたハーメチック封着
が不要になる。この結果、真空封着の信頼性が向上する
とともに小形化が可能になり、またコスト低減を図るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実櫂例に係る半導体圧力センサの平
面図、第２図は第１図のＡ−Ａ線に清う断面図、第３図
は第１図のＢ−Ｂ＠に沿う断面図、第４図は同上センサ
の要部を拡大して示した断面図、第５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・・・感圧ダイヤフラムチップ、２・・・感圧ダイヤ
７２ム、３・・・圧力検出用ホィーストンブリッジ抵抗
、４・・・信号取出線、５・・・アルミニウム電極、６
・・・キャップ、７・・・真空チャンバー、８・・・台
座、９．１２・・・貫通穴、１０・・・シリコングルー
、１１・・・基板、１３・・・圧力導入パイプ、１５・
・・ワイヤ、１６・・・シリコンゲル。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第３
図 第４図 第５図 ／／４

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）　ホィーストンブリッジ抵抗を形成した感圧ダイ
   ヤフラムを有する単結晶シリコン製の感圧ダイヤフラム
   チップと、前記感圧ダイヤフラムチップと近似した熱膨
   張係数を有するガラス材質で成形し前記感圧ダイヤフラ
   ムチップの片側面に陽極接合封着されて真空チャンバー
   を形成するキャップと、前記感圧ダイヤフラムに対応す
   る貫通穴を設けて前記感圧ダイヤフラムチップと近似す
   る熱膨張係数を有したガラス材質で成形され、前記キャ
   ップと反対側の前記感圧ダイヤフラムチップ面を陽極封
   着させる台座とを備え、前記ホィーストンブリッジ抵抗
   の信号取出線を前記感圧ダイヤフラムチップ層内で前記
   キャップの陽極接合面の下をくぐらせて外部へ導出させ
   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は四角板形状をな
   しているとともに、前記信号取出線の端部を前記感圧ダ
   イヤフラムチップの四隅に各々形成したアルミニウム電
   極に接続させてい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）　前記台座を前記半導体圧力センサの増巾回路お
   よび温度補償回路を構成するハイブリッド集積回路上に
   シリコングルーで直接接合実装させているとともに、前
   記感圧ダイヤフラム上のアルミ電極と前記ハイブリッド
   集積回路上に形成した電極との配線を直接ワイヤボンデ
   ィングした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。
4. （４）　前記ワイヤボンディングした部分と前記感圧ダ
   イヤフラムチップ部をシリコンポッティング剤で覆った
   ことを特徴とする特許請求の範囲第（３）項記載の半導
   体圧力センサ。
5. （５）　前記感圧ダイヤフラムチップを複数の前記感圧
   ダイヤフラムチップ部を連続して形成したウエハ状に形
   取し、このウエハ状感圧ダイヤフラムチップ状態で複数
   同時に前記感圧ダイヤフラムチップ部を一体に形成して
   、その後個々にカッティングしてな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。