JPH01284726A - 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】 〔概　　要〕 本発明は半導体圧力センサに関し、応答性及び感度の向
上を図ると共に小型かつ軽量化を実現するために、圧力
素子の感圧部に保護膜を設けることにより、感圧部がほ
ぼ直接に圧力媒体に接するようにし、更に圧力隔壁を貫
いて配設された導体パターン付の基板に半導体圧力素子
を固定し、その電極及び導体パターンを密封して圧力媒
体から保護することにより、センサ全体の構造の簡単化
を図ったものであ。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、ピエゾ抵抗効果を利用した半導体圧力センサ
に関する。この種の圧力センサは、例えば油圧空圧機器
、自動車、ロボット等を初めとする各種分野に利用され
ている。

〔従来の技術〕

従来の半導体圧力センサの一例を第８図に示す。

同図において、円筒状のケース１内には、第９図に示す
ようなシール部材のベローズ２がその筒状段部２ａをケ
ース１の内壁に密着させた状態で嵌合され、更に上記筒
状段部２ａ内には絶縁基盤３が密着嵌合されている。こ
の絶縁基Ｎ３の中央部には基準圧力導入口３ａが形成さ
れると共に、その上面には第１０図に示すような半導体
圧力素子４が設けられ、更にこの半導体圧力素子４の各
金属電極４ａに電気的に接続された複数本のリード線５
がベローズ２の内部から外部へ向けて延設されている。

また、ベローズ２内には圧力伝達用のシリコーンオイル
６が充填されている。

上記構成において、ケース１の上部に形成された圧力導
入口１ａを介して外部から圧力媒体が流入すると、その
圧力の大きさに応じてベローズ２が変位するので、上記
圧力はシリコーンオイル６を介して半導体圧力素子４に
伝達される。よって、半導体圧力素子４の圧力ゲージ（
拡散ゲージ）４ｂの抵抗値変化をリード線５を介して計
測することにより、圧力値を検出することができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

一般に、半導体圧力素子の圧力ゲージ側から加圧する方
式の半導体圧力センサでは、半導体圧力素子の電極が圧
力媒体によって腐食されるのを防止する必要がある。そ
のための手段として、上記従来の半導体圧力センサでは
、第８図に示したように半導体圧力素子４上をシリコー
ンオイル６で覆い、このシリコーンオイル６を介して圧
力の伝達を行うようにしている。

ところが、このように圧力素子４と圧力媒体との間にシ
リコーンオイル６が存在すると、電極４ａの腐食は防止
されるが、その反面、圧力変動に対する応答性及び感度
が圧力素子自体のそれと比べて低下してしまうという問
題が生じる。また、シリコーンオイル６を封入するため
のベローズ２が必要となり、この中に圧力素子４の全体
を収容するので、センサ全体が大型かつ大重量化してし
まうと０う問題も生じる。

本発明は、上記従来の問題点に鑑み、応答性及び感度の
向上を図ると共に、小型かつ軽量化を可能にする半導体
圧力センサを提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

中空ケースと、圧力隔壁と、半導体圧力素子と、絶縁性
の基板とにより、半導体圧力センサを構成する。

上記中空ケースには、その一端に開放部を形成し、他端
には外部から圧力媒体を導入するための圧力導入口を設
ける。

上記圧力隔壁は、中空ケース内の圧力雰囲気とその外部
の非圧力雰囲気とを隔てるためのものであり、これを中
空ケースの上記開放部に密着固定する。

上記半導体圧力素子は、圧力ゲージの形成された感圧部
と、圧力ゲージに電気的に接続された電極の形成された
電極部とからなり、感圧部の表面をＳｉＯ２膜等の保護
膜によって被覆する。

このような半導体圧力素子を中空ケース内で導体パター
ンが形成された上記絶縁性の基板に固定すると共に、絶
縁性基板上に形成された電極と半導体圧力素子上に形成
された上記電極とを電気的に接続し、かつ電極周辺を圧
力媒体と隔離密封する。さらに、この基板を圧力隔壁を
貫いて配設する。絶縁性基板上に形成された導体パター
ンは、圧力隔壁の外まで延設されており、外部回路との
電気的接続を行う。

〔作　　　用〕

中空ケース内にその圧力導入口から圧力媒体が導入され
ると、その圧力はただ保護膜のみを介して半導体圧力素
子の感圧部に加わる。この感圧部の圧力ゲージには、ピ
エゾ抵抗効果により、圧力に応じた抵抗値変化が生じる
。この抵抗値変化は、導体パターンを介して、容易に外
部に取り出される。

この場合、上記保護膜は非常に薄くても十分であるため
、感圧部はほぼ直接に圧力媒体に接触することになり、
よって応答性及び感度が著しく向上する。更に、半導体
圧力素子の電極と基板上の導体パターンを密封して圧力
媒体から保護したために、従来のようなシリコ、−ンオ
イルやベローズが不要になり、しかも基板及びその上の
導体パターンを圧力隔壁外まで延設したためにリード線
も不要となり、よってセンサ全体の小型かつ軽量化が可
能になる。

〔実　　施　　例〕

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説
明する。

第１図は、本発明の第１の実施例の断面図である。

同図において、円筒状の中空ケース１１は、その一端に
開放部１１ａが形成され、他端には外部から圧力媒体を
導入するための圧力導入口１１ｂが形成されている。そ
して、中空ケース１１の上記開放部１１ａには、中空ケ
ース１１内の圧力雰囲気とその外部の非圧力雰囲気とを
隔てるための圧力隔壁１２が、溶接もしくは締付は等に
よって密着固定されている。

上記中空ケース１１内には、半導体圧力素子１３が配置
されている。この半導体圧力素子１３は例えばガラス基
ＦｉＡ及びこれに密着形成されたＮ型のシリコン単結晶
Ｂ等でできており、第２図に示すように、空洞部（基準
圧室）１４及び圧力ゲージ１５の形成された感圧部１３
ａと、複数の電極（例えばアルミニウムパッド）１６の
形成された電極部１３ｂとからなっている。上記空洞部
１４は例えば厚さ数十μｍ程度の薄い部分（ダイアフラ
ム）を残してエツチング等により削り取られたものであ
り、その表面にはホウ素等を選択拡散することにより例
えばＰ型の抵抗層が形成され、これが上記圧力ゲージ１
５として使用される。この圧力ゲージ１５は、第３図に
拡大して示すように４つの個々の圧力ゲージ１５ａ、１
５ｂ。

１５Ｇ、１５ｄからなり、その中の２つの圧力ゲージ１
５ａ及び１５ｄは空洞部１４の周辺領域上に形成され、
他の２つの圧力ゲージ１５ｂ及び１５Ｃは空洞部１４の
中央領域上に形成されている。これら圧力ゲージ１５ａ
、１５ｂ、１５ｃ。

１５ｄからはそれぞれ配線１７が延びており、上述した
複数の電極１６に接続されている。なお、第３図中にお
いて、圧力ゲージ１５ａ〜１５ｄ及び配線１７は模式的
に描いである。

また、圧力隔壁１２の中央部にはＭ通孔１２ａが開けら
れており、この貫通孔１２ａにセラミックもしくはガラ
ス等でできた絶縁性の基板１８及び１９が低融点ガラス
等の封止剤２０によって互いに密着された状態で挿入さ
れ、固定されている。

ここで、上記貫通孔１２ａは２つの基［１Ｂ及び１９の
合計断面よりも−回り大きく開けられており、それらの
隙間が低融点ガラス等の封止剤２１によって密着封止さ
れている。

更に、第４図に明らかなように、上記基板１８の端部に
は、半導体圧力素子１３の複数の電極１６全体が納まる
だけの大きさの孔ｔｅａが形成されており、この孔１８
ａ内に電極１６が位置合わせされた状態で、基板１８及
び半導体圧力素子１３が低融点ガラス等の封止剤２２に
よって互いに密着接合されている。基板１８上には、半
導体圧力素子１３の複数の電極１６にポンディングワイ
ヤ２３によっ′ζそれぞれ接続された複数の電極２４が
形成され、この電極２４から圧力隔壁１２の外へ向けて
導体パターン２５が延設されている（第１図参照）。こ
のような導体パターン２５は、印刷、蒸着もしくはスパ
ッタ等により容易に形成できる。また、上記基板１９の
端部には、基板１８の孔１８ａ及び複数の電極２４の全
体が納まるだけの大きさの孔１９ａが形成されており、
この孔１９ａ内に上記の孔１８ａ及び電極２４が位置合
わせされた状態で、基板１８及び１９が封止剤２０によ
って互いに密着接合されている。更に、基板１９上には
、孔１９ａよりも−回り大きな面積を持つセラミックも
しくはガラス等の絶縁性の基板２６が、上記孔１９ａを
塞ぐ位置に低融点ガラス等の封止剤２７によって密着接
合されている。

上記の半導体圧力素子１３、基板１Ｂ、１９゜２６及び
封止剤２０，２２．２７による組立構造により、中空ケ
ース１１内にある電極１６．２４゜ボンディングワイヤ
２３及び導体パターン２５はいずれも密封され、これら
に圧力媒体が直接接触しないようになっている。また、
中空ケース１１内にある半導体圧力素子１３の感圧部１
３ａの表面は、第１図に示すように、ＳｉＯ２もしくは
Ｓ　ｔ　３　Ｎ　ｍ等からなる厚さ１μｍ程度の保護膜
２８で被覆され、圧力媒体から保護されるようになって
いる。このよな保護膜２８は、通常のシリコン半導体プ
ロセスにより容易に成膜できる。

以上の構成からなる本実施例の半導体圧力センサにおい
て、中空ケース１１内に圧力導入口１１ｂから圧力媒体
（例えば油圧ピストン用の作動油等）が流入すると、そ
の圧力が保護膜２８のみを介して半導体圧力素子１３の
感圧部１３ａに伝達される。このように感圧部１３ａに
圧力が伝達されると、圧力ゲージ１５（１５ａ〜１５ｄ
）の抵抗値がピエゾ抵抗効果により変化する。この際、
４つの圧力ゲージ１５ａ−１５ｄのうち、中央部に配置
された２つの圧力ゲージ１５ｂ及び１５ｃが圧縮応力を
受けるのに対し、周辺部に配置された２つの圧力ゲージ
１５ａ及び１５ｄが引張り応力を検知することから、前
者と後者では抵抗値変化が逆になる。これらのゲージを
第５図に示すようなブリッジ回路を構成するように接続
する。この場合、抵抗値が同じ側に変化するもの同志（
圧力ゲージ１５ａと１５ｄ、圧力ゲージ１５ｂと１５０
）を互いに対向する位置に配置させる。これにより、接
続点ａ、ｂ間の電圧値に基づき圧力を検出できる。

本実施例によれば、感圧部１３ａの表面に形成された保
護膜２８は、その厚さが約１μｍもしくはそれ以下で十
分であるため、感圧部１３ａはほぼ直接に圧力媒体に接
触することになる。よって、従来のようにシリコーンオ
イルを圧力伝達用として用いたものと比べ、圧力変動に
対する応答性及び感度が著しく向上する。

また、上記のように感圧部１３ａを保護膜２８で被覆す
ると共に、電極１６，２４、ボンディングワイヤ２３及
び導体パターン２５を密封して圧力媒体から保護したた
め、従来のようなシリコーンオイルやベローズが不要に
なる。しかも、基板１８及びその上の導体パターン２５
を圧力隔壁１２の外まで延設したため、従来のようなリ
ード線も不要になる。従って、センサ全体の構造が簡単
になり、小型化及び軽量化が可能になる。

しかも、本実施例のような、圧力センサでは３５間の電
圧値は例えば数１００ｍＶ程度と小さいため、増幅回路
を併用する場合があるが、同増幅回路を基板１８の外部
に延設された端部にＨＩＣ等で形成することができ、小
型、軽量化と共に感度を向上することができる。

第６図は、本発明の第２の実施例の断面図である。

曲記第１の実施例では、基板１８上の電極２４と半導体
圧力素子１３の電極１６とをワイヤボンディングによっ
て接続したが、第２の実施例はボンディングワイヤ不要
のフリップチップボンディングによって接続するように
したものである。即ち、第６図において、基Ｆｉ１８　
（ただし第２図に示したような孔１８ａは開いていない
）はその導体パターン２５形成側に電極２４上を除いて
低融点ガラス等の封止剤３０が塗布され、この状態で圧
力隔壁１２の貫通孔１２ａ内に挿入されて、その隙間が
低融点ガラス等の封止剤３１で密着封止されている。更
に、半導体圧力素子１３は、第７図に示すように電極１
６の周囲を取り囲むように塗布された低融点ガラス等の
封止剤３２により、基板１８に対し互いの電極１６．２
４が対向した状態で密着固定され、しかも上記電極　１
６．２４間がハンダボール３３によって接続されている
。

もちろん、半導体圧力素子１３の感圧部１３ａは保護膜
２８によって覆われている。

本実施例においても、導体パターン２５、電極１６．２
４、及びハンダボール３３がいずれも密封されることに
より、圧力媒体による浸食が防止される。しかも、前記
第１の実施例と比べて構造が簡単になるため、より一層
の小型かつ軽量化が可能になる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、圧力媒体が従来
のようなシリコーンオイルを介さずにほぼ直接に半導体
圧力素子に接触するので、従来のものと比較して応答性
及び感度の著しい向上が可能になる。更に、従来のよう
なシリコーンオイルやベローズが不要になり、また、リ
ード線も不要となるため、センサ全体の小型かつ軽量化
が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の断面図、第２図は第１
図に示した半導体圧力素子１３の右側面図、 第３図は第２図に示した圧力ゲージ１５及びその近傍の
拡大図、 第４図は第１図に示した半導体圧力素子１３及び基板１
８，１９．２６等からなる組立構造の斜視断面図、 第５図は第３図に示した圧力ゲージ１５ａ〜１５ｄを用
いて構成されたブリッジの回・路図、第６図は本発明の
第２の実施例の断面図、第７図（ａ）及び（ｂ）は第６
図に示した半導体圧力素子１３及び封止剤３２の左側面
図及びそのＣ−Ｃ断面図、 第８図は従来の半導体圧力センサの断面図、第９図は第
８図に示したベローズ２の断面図、第１０図は第８図に
示した半導体圧力素子４の拡大平面図である。 １１・・・中空ケース、 １１ａ・・・開放部、 １１ｂ・・・圧力導入口、 １２・・・圧力隔壁、 １２ａ・・・貫通孔、 １３・・・半導体圧力素子、 １３ａ・・・感圧部、 １３ｂ・・・電極部、 １４・・・空洞部、 １５　（１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ）・・・圧力
ゲージ、 １６・・・電極、 １８．１９・・・基板、 ２３・・・ポンディングワイヤ、 ２４・・・電極、 ２５・・・導体パターン、 ２６・・・基板、 ２８・・・保護膜、 ３３・・・ハンダボール。 特許出願人　　株式会社豊田自動織機製作所本発旦月の
８１の大漁ダｉの町面図 第１図 手鼻イ岑圧力素子１３のちイ月面図 ＠２図 、１４９洞祁 丘甲ネル°１５尺Ｔ、Ａ’ｆの近傍の広大口笛３図 第５図 参発唱の第２の大嵐到のｔ面図 （ＣＩ）　　　　　　　　　　　（ｂ）半４４本圧力末
子１３反ひ°釘止斧］３２の万ｆｉ１１面図とそのＣ−
Ｃ炉命図 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　一端に開放部（１１ａ）が形成され、他端には外部か
   ら圧力媒体を導入するための圧力導入口（１１ｂ）が設
   けられた密閉部材（１１）と、前記開放部（１１ａ）に
   密着して固定され、前記中空ケース（１１）内の圧力雰
   囲気とその外部の非圧力雰囲気とを隔てる密閉部材（１
   ２）と、圧力ゲージ（１５）が形成されかつ表面が保護
   膜（２８）によって被覆された感圧部（１３ａ）、及び
   前記圧力ゲージ（１５）に電気的に接続され且つ密封さ
   れた電極（１６）を有する電極部（１３ｂ）からなり、
   前記中空ケース内に配設された半導体圧力素子（１３）
   と、 前記圧力隔壁（１２）を貫いて配設され、その一部に前
   記半導体圧力素子（１３）を支持する絶縁性の基板であ
   って、前記電極（１６）に電気的に接続されかつ密封さ
   れると共に前記圧力隔壁（１２）を貫いて延設された導
   体パターン（２５）を有する基板（１８）とを備えたこ
   とを特徴とする半導体圧力センサ。