JPH02138776A - Semiconductor pressure sensor - Google Patents

Semiconductor pressure sensor

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JPH02138776A
JPH02138776A JP15871589A JP15871589A JPH02138776A JP H02138776 A JPH02138776 A JP H02138776A JP 15871589 A JP15871589 A JP 15871589A JP 15871589 A JP15871589 A JP 15871589A JP H02138776 A JPH02138776 A JP H02138776A
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housing
sensing
glass
section
measured
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之啓 加藤
Eiji Kawasaki
栄嗣 川崎
Masato Mizukoshi
正人 水越
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NipponDenso Co Ltd
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Abstract

PURPOSE:To enable the detection of pressure of a high pressure medium which is to be measured by a method wherein a sensing section provided with a diaphragm section is composed of a silicon substrate and a pedestal glass, and a gap between the sensing section and the metal section of a housing is hermetically sealed up with low melting point glass. CONSTITUTION:When a sensing section 2 is exposed to a high pressure medium to be measured, the pressure of the high pressure medium acts on a diaphragm section 3. Then, the diaphragm section 3 is displaced, the stress caused by the displacement acts on a strain gauge 5, and the gauge 5 generates an electric signal corresponding to the pressure. The electric signal is outputted to the amplifying circuit of a substrate 19 through the intermediary of a bonding wire 17. The strain gauge 5 and the sensing section 2 provided with the diaphragm section 3 are fixed to the metal section of a housing 9 with a low melting point glass 11, so that a semiconductor pressure sensor of this design can detect the pressure of a high pressure medium to be measured retaining a pressure blocking property.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、被測定媒体の圧力を検出する半導体圧力セン
サに関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a semiconductor pressure sensor that detects the pressure of a medium to be measured.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来、被測定媒体の圧力を検出する装置として、特開昭
58〜63826号公報に見られるように、半導体の抵
抗変化を利用したダイヤフラム型圧力変換装置が知られ
ている。しかしながら、高圧の被測定媒体を対象として
、このものを用いると、ダイヤフラム部に高圧が加わっ
た場合、ダイヤフラム部が台座から離れたり、ダイヤフ
ラム部が損傷してしまうという問題がある。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a device for detecting the pressure of a medium to be measured, a diaphragm type pressure transducer that utilizes a change in the resistance of a semiconductor is known, as seen in Japanese Patent Laid-Open No. 58-63826. However, when this device is used for a high-pressure medium to be measured, there is a problem that when high pressure is applied to the diaphragm portion, the diaphragm portion may separate from the pedestal or the diaphragm portion may be damaged.

そこで、上記のように高圧の被測定媒体を対象としたも
のに、特開昭62−293131号公報に示される圧力
検出器がある。このものは、第14図に示されるように
、筒状の金属ハウジング51の中に棒状のセンシング部
52を設け、このセンシング部52と筒状ハウジング5
1の間をシール板53によりシールするようにしたもの
である。
Therefore, there is a pressure detector disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-293131, which is intended for the high-pressure medium to be measured as described above. As shown in FIG. 14, a rod-shaped sensing part 52 is provided in a cylindrical metal housing 51, and this sensing part 52 and the cylindrical housing 5
1 is sealed by a seal plate 53.

なお、このセンシング部52の先端部に圧力検出を行う
ためのダイヤフラム部54が形成されている。
Note that a diaphragm portion 54 for detecting pressure is formed at the tip of the sensing portion 52.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

しかしながら、このもののセンシング部52は、セラミ
ック材で構成されており、近年の傾向として圧力センサ
のセンシング部をシリコンとガラスで形成するというこ
とからすれば、実用的ではない。そこで、シリコンとガ
ラスで形成されたセンシング部を上記セラミック材のセ
ンシング部52の代わりに用いようとしても、シリコン
とガラスで構成されたセンシング部を金属ハウジングに
対して気密に保持するのに難点がある。
However, the sensing portion 52 of this device is made of a ceramic material, which is not practical considering the recent trend of forming sensing portions of pressure sensors from silicon and glass. Therefore, even if an attempt is made to use a sensing part made of silicon and glass in place of the sensing part 52 made of ceramic material, there is a problem in keeping the sensing part made of silicon and glass airtight against the metal housing. be.

本発明は、ダイヤフラム部を有するセンシング部をシリ
コンとガラスで構成し、そのセンシング部をハウジング
の金属部との間で気密に保持できるようにした半導体圧
力センサを提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor pressure sensor in which a sensing part including a diaphragm part is made of silicon and glass, and the sensing part can be held airtight with a metal part of a housing.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

本発明は上記目的を達成するため、 台座用ガラスの上にシリコン基板を設けて構成され、前
記シリコン基板の前記被測定媒体と接触する部位に前記
被測定媒体の圧力に応じて変位するダイヤフラム部を形
成してなるセンシング部、このセンシング部内に設けら
れ、前記ダイヤフラム部の変位を検出する検出手段、 前記センシング部を収納する収納部を含む空間を内部に
有し、少なくともこの収納部の前記センシング部に対向
する所定部分が金属にて構成されたハウジング、および このハウジングにおける前記所定部分と前記センシング
部の所定部分との間に設けられ、前記被測定媒体に対し
て前記ハウジング内空間を気密封着する低融点ガラス を備えたことを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention is configured by providing a silicon substrate on a pedestal glass, and a diaphragm portion that is displaceable in accordance with the pressure of the medium to be measured is provided at a portion of the silicon substrate that comes into contact with the medium to be measured. a sensing unit formed in the sensing unit, a detection means provided in the sensing unit to detect the displacement of the diaphragm unit, and a space therein including a storage unit that stores the sensing unit, and at least the sensing unit of the storage unit A housing is provided between the predetermined portion of the housing and the predetermined portion of the sensing portion, and the inner space of the housing is hermetically sealed against the medium to be measured. It is characterized by being equipped with low melting point glass.

〔実施例〕〔Example〕

以下、図面を用いて本発明を説明する。 The present invention will be explained below using the drawings.

第1図は本発明の第1実施例の概略を示す断面図、第2
図は本発明の第1実施例の要部断面図であり、第1図及
び第2図を用いて本発明の第1実施例を説明する。第1
図において、1は単結晶シリコン(Si)基板であり、
ダイヤフラム部3、歪ゲージ5を有し、歪ゲージ面側を
はさむようにホウ珪酸ガラス(商品名:パイレックスガ
ラス)の如く単結晶シリコン基板1の熱膨張係数と近似
した特性の台座用ガラス7と接合されて断面4角の棒状
センシング部2を形成し、フェイスダウン構造になって
いる。9はF e −N i −Co系合金(商品名:
コバール)またはNi−Fe系合金(商品名=4270
イ)からなる金属製のハウジングであり、センシング部
2はその外周面とこのハウジング9の被測定圧力媒体導
入用の収納部としての筒部9Aの内周壁面との間に低融
点ガラス11による気密封着(いわゆるハーメチックシ
ール)した形体にて固定されている。17は基板1より
引出したボンディングワイヤであり、基板l中の歪ゲー
ジ5において発生した電気信号を、アルミニウムよりな
るチップターミナル18を介して増幅回路(本実施例に
おいてはハイブリッドIC)を有する基板19に伝える
。この基板19はハウジング9の他端に形成した室部9
Bに収納され、増幅回路にて増幅された電気信号はピン
21、及びコネクタ部のターミナル23によってセンサ
外部に出力される。コネクタケース25は樹脂製で、そ
の底部外周面25Aがハウジング9の他端に設けたかし
め部9Cによりかしめ固定されており、樹脂製のふた2
7はコネクタケース25に接着固定されている。ピン2
1とターミナル23ははんだ付けされている。また、基
板19はハウジング9の室部9B内に接着固定されてい
る。9Dはねじ部で、被測定側のハウジングにねし固定
可能とするものである。
FIG. 1 is a sectional view schematically showing the first embodiment of the present invention;
The figure is a sectional view of a main part of a first embodiment of the present invention, and the first embodiment of the present invention will be explained using FIGS. 1 and 2. FIG. 1st
In the figure, 1 is a single crystal silicon (Si) substrate,
It has a diaphragm part 3 and a strain gauge 5, and a pedestal glass 7 having a thermal expansion coefficient similar to that of the single crystal silicon substrate 1, such as borosilicate glass (product name: Pyrex glass), is sandwiched between the strain gauge surface side. They are joined to form a rod-shaped sensing section 2 with a square cross section, and have a face-down structure. 9 is Fe-Ni-Co alloy (product name:
Kovar) or Ni-Fe alloy (product name = 4270
The sensing part 2 has a low melting point glass 11 between its outer peripheral surface and the inner peripheral wall surface of the cylindrical part 9A, which serves as a storage part for introducing the pressure medium to be measured, of the housing 9. It is fixed in an airtight seal (so-called hermetic seal). 17 is a bonding wire drawn out from the substrate 1, and the electric signal generated in the strain gauge 5 in the substrate 1 is transferred to the substrate 19 having an amplification circuit (hybrid IC in this embodiment) via a chip terminal 18 made of aluminum. tell to. This board 19 has a chamber 9 formed at the other end of the housing 9.
The electric signal stored in B and amplified by the amplifier circuit is outputted to the outside of the sensor through the pin 21 and the terminal 23 of the connector section. The connector case 25 is made of resin, and its bottom outer peripheral surface 25A is caulked and fixed by a caulking part 9C provided at the other end of the housing 9, and the resin lid 2
7 is adhesively fixed to the connector case 25. pin 2
1 and terminal 23 are soldered. Further, the substrate 19 is adhesively fixed within the chamber 9B of the housing 9. 9D is a threaded portion that can be screwed and fixed to the housing on the side to be measured.

第2図は第1実施例の要部(センシング部2)の断面図
であり、8.10は絶I!層としてのSiO□層、12
は歪ゲージ5とAfクランド5を電気的に接続する導電
部をなす低抵抗Po1y−3i層、13は台座用ガラス
7とSi基板1とを接合するための高抵抗Po1y−3
i層、14は絶縁のための高抵抗Po1y−3iii、
15はAI!、ランド、16は高抵抗Po1y−Si層
13を工・ノチングして形成した基準圧力室となる真空
室、17はボンディングワイヤである。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the main part (sensing section 2) of the first embodiment, and 8.10 is an absolute! SiO□ layer as layer, 12
13 is a low-resistance Po1y-3i layer forming a conductive part that electrically connects the strain gauge 5 and the Af gland 5, and 13 is a high-resistance Po1y-3 for bonding the pedestal glass 7 and the Si substrate 1.
i layer, 14 is high resistance Po1y-3iii for insulation,
15 is AI! , a land, 16 a vacuum chamber which becomes a reference pressure chamber formed by machining and notching the high resistance Po1y-Si layer 13, and 17 a bonding wire.

次に、上記低融点ガラス11によるハーメチッチシール
について説明する。
Next, a hermetic seal using the low melting point glass 11 will be explained.

センシング部2を構成するSi基板1と台座用ガラス7
を金属性ハウジング9に、いかにしてノλ−メチックシ
ールするかが本件実施例において特に問題となったとこ
ろであり、この点に・ついて種々検討したところ、St
O熱膨張係数が31×10−’/’C1台座用ガラス7
として用いるパイレックスガラスの熱膨張係数が32.
5 X I O−’/”Cであることに着目し、ハウジ
ング9をセンシング部2の熱膨張係数と整合性のよいコ
バール(熱膨張係数は52〜54 X 10−’/”C
)または4270イ(熱膨張係数はコバールとほぼ同じ
)を用いて構成するとともに、その間をハーメチックシ
ールするために低融点ガラスを用いることとした。
Si substrate 1 and pedestal glass 7 constituting sensing section 2
A particular problem in this embodiment was how to seal the metal housing 9 with the St.
O Coefficient of thermal expansion is 31 x 10-'/' C1 Glass for pedestal 7
The coefficient of thermal expansion of the Pyrex glass used as the glass is 32.
5 X I O-'/"C, the housing 9 is made of Kovar which has good consistency with the coefficient of thermal expansion of the sensing part 2 (the coefficient of thermal expansion is 52 to 54 X 10-'/"C).
) or 4270i (its coefficient of thermal expansion is almost the same as Kovar), and low melting point glass was used to form a hermetic seal between them.

しかしながら、センシング部2と低融点ガラス11およ
びハウジング9との間の熱膨張係数のマツチングが悪い
と、センシング部2に過大な応力が働き、センシング部
2が折れるという問題が発生した。
However, if the thermal expansion coefficients of the sensing part 2, the low melting point glass 11, and the housing 9 are poorly matched, excessive stress is applied to the sensing part 2, causing a problem that the sensing part 2 may break.

この点に関し、ハウジング9をコバール、台座用ガラス
7をパイレックスガラスとした場合に、低融点ガラス1
1の最大せん断部力についてFEM(有限要素法)応力
分析を行ったところ、第3図に示す結果が得られた。こ
の解析結果より、パイレックスガラスの破壊強度が40
0kgf/c+flであることから、低融点ガラス11
の熱膨張係数は40〜50 x 10−7/’c程度で
あることが必要であることがわかる。本実施例において
は、その間の値として、例えば41 X 10−’/”
Cのものを用いることとした。
Regarding this point, when the housing 9 is made of Kovar and the pedestal glass 7 is made of Pyrex glass, the low melting point glass 1
When FEM (finite element method) stress analysis was performed on the maximum shear force of No. 1, the results shown in FIG. 3 were obtained. From this analysis result, the breaking strength of Pyrex glass is 40
Since it is 0 kgf/c+fl, low melting point glass 11
It can be seen that the thermal expansion coefficient of is required to be about 40 to 50 x 10-7/'c. In this example, the value in between is, for example, 41 x 10-'/''
I decided to use C.

次に、この第1実施例の作動を説明する。今、センシン
グ部2が被測定圧力媒体中にさらされると、圧力媒体に
よる圧力がダイヤフラム部3に加わる。すると、このダ
イヤフラム部3が変位し、この変位に基づく応力が歪ゲ
ージ5に加わって、その圧力に応じた電気信号が発生す
る。その電気信号は低抵抗Po1y−3i層12、A!
クランド5、ボンディングワイヤ17を介して、基板1
9における増幅回路へ出力される。この増幅回路にて増
幅された電気信号はビン21、ターミナル23を介して
図示しない外部の装置(例えばコンピュータ)へ出力さ
れる。
Next, the operation of this first embodiment will be explained. Now, when the sensing part 2 is exposed to the pressure medium to be measured, pressure by the pressure medium is applied to the diaphragm part 3. Then, this diaphragm portion 3 is displaced, stress based on this displacement is applied to the strain gauge 5, and an electric signal corresponding to the pressure is generated. The electrical signal is the low resistance Po1y-3i layer 12, A!
The board 1 is connected via the gland 5 and the bonding wire 17.
The signal is output to the amplifier circuit at 9. The electrical signal amplified by this amplifier circuit is outputted to an external device (for example, a computer) (not shown) via a bin 21 and a terminal 23.

以上説明したように、上記第1実施例によれば歪ゲージ
5とダイヤフラム部3を含むセンシング部2自身を低融
点ガラス11によりハウジング9に固定し、センシング
部2上の電気信号を取り出す部分(Afクランド5)を
圧力媒体と遮断しているため、低融点ガラス11による
気密シール部分はハウジング9の筒部9Aに対して十分
長い距離を確保でき、被測定圧力媒体側と室部9B側と
の遮断性能が格段に高められる。また、圧力媒体と電気
信号を取り出す部分を遮断する気密封上部には低融点ガ
ラス11を用いているため、はとんどの圧力媒体に対し
て使用でき、又、高い気密性を要する部分にも使用可能
である。更には万−歪ゲージ5等を含むダイヤフラム部
が破壊されても、センシング部自身がシール部材の役目
をしているので、電気信号を取り出す側(A42ランド
15、ボンディングワイヤ17が設けられている側)に
圧力媒体が漏れることがないという優れた効果もある。
As explained above, according to the first embodiment, the sensing section 2 itself, including the strain gauge 5 and the diaphragm section 3, is fixed to the housing 9 with the low melting point glass 11, and the section on the sensing section 2 for extracting the electric signal ( Since the Af gland 5) is isolated from the pressure medium, the airtight sealing part by the low melting point glass 11 can secure a sufficiently long distance with respect to the cylindrical part 9A of the housing 9, and the distance between the pressure medium side to be measured and the chamber part 9B side can be secured. The interrupting performance of is greatly improved. In addition, low melting point glass 11 is used for the airtight upper part that blocks the pressure medium and the part from which electrical signals are taken out, so it can be used with most pressure media, and can also be used in areas that require high airtightness. Available for use. Furthermore, even if the diaphragm section containing the strain gauge 5 etc. is destroyed, the sensing section itself acts as a sealing member, so the electrical signal extraction side (A42 land 15, bonding wire 17 is provided) Another advantage is that the pressure medium does not leak to the outside (side).

また、基板19における増幅回路等をSi基板】側に一
体的に形成し、ワンチップIC化することも可能である
It is also possible to integrally form the amplifier circuit and the like on the Si substrate side of the substrate 19 to form a one-chip IC.

尚、本実施例においては歪ゲージ面側を台座用ガラス7
に接合したフェイスダウン構造のものを示したが、これ
に限らず第4図に示すように、歪ゲージ面と反対の面を
台座用ガラス7と接合したものでもよい。
In this embodiment, the strain gauge surface side is the pedestal glass 7.
Although a face-down structure is shown in which the strain gauge surface is bonded to the pedestal glass 7, the present invention is not limited to this, and as shown in FIG. 4, the surface opposite to the strain gauge surface may be bonded to the pedestal glass 7.

また、本実施例においては歪ゲージ5と、電気信号出力
手段としてのA℃ランド15及びポンデイングワイヤ1
7との電気的接合は第2図に示したように低抵抗Po1
y−3i層12によって行ったが、これに限らず電気的
接続を行えるものなら低抵抗Po1y−3i層の代わり
に用いることができ、例えば第5図に示すように、高抵
抗POIy−3i層13をエツチングして真空室16を
形成する際に同時に金属配線形成部もエツチングした後
、5iOz層10の所定の位置をエツチングしてコンタ
クトホールを形成し、高抵抗Po1y−3i層13の厚
さより薄い厚さのAffi等の金属配線15を形成して
ボンディングワイヤ17を形成するようにしてもよい。
Further, in this embodiment, a strain gauge 5, an A°C land 15 as an electric signal output means, and a ponding wire 1 are used.
The electrical connection with 7 is a low resistance Po1 as shown in Figure 2.
Although this is done using the POIy-3i layer 12, it is not limited to this, and any material that can provide electrical connection can be used instead of the low-resistance POIy-3i layer. For example, as shown in FIG. 5, the high-resistance POIy-3i layer When etching 13 to form the vacuum chamber 16, the metal wiring forming portion is also etched at the same time, and then a predetermined position of the 5iOz layer 10 is etched to form a contact hole, and the thickness is lower than the thickness of the high resistance Po1y-3i layer 13. The bonding wire 17 may be formed by forming a thin metal wiring 15 such as Affi.

このように低抵抗の金属配線15を用いることによって
、印加電圧のロスによる感度の低下を減少できる。第6
図は第5図のA−A線断面図で、第7図は第5図におい
てガラス7を除いたものの平面図である。
By using the low-resistance metal wiring 15 in this way, it is possible to reduce the decrease in sensitivity due to loss of applied voltage. 6th
The figure is a sectional view taken along the line A--A in FIG. 5, and FIG. 7 is a plan view of FIG. 5 with the glass 7 removed.

さらに、ハウジング9において、その全てをコバールま
たは4270イで構成するものを示したが、第8図に示
すように、低融点ガラス11との接触部分のみにカラー
28(ハウジング9の一部)としてコバールまたは42
70イで構成し、その他の部分は鉄(例えば炭素鋼)で
構成するようにしてもよい。
Furthermore, although the housing 9 is shown to be entirely made of Kovar or 4270I, as shown in FIG. Kobar or 42
It may be made of 70 yen, and the other parts may be made of iron (for example, carbon steel).

次に、本発明を自動車用エアコンにおける冷凍サイクル
の冷媒圧力および冷媒温度を検出するものに適用した実
施例について説明する。
Next, a description will be given of an embodiment in which the present invention is applied to detecting refrigerant pressure and refrigerant temperature of a refrigeration cycle in an automobile air conditioner.

第9図は自動車用エアコンにおける冷凍サイクルを示す
もので、31はコンプレッサ、33はコンデンサ、35
はレシーバ、37は膨張弁、39はエバポレータである
。この冷凍サイクルにおいて、本冷凍サイクル装置に係
る半導体圧力センサ100はエバポレータ39とコンプ
レッサ31の間の低圧側の冷媒配管に設けられ、冷媒の
圧力および温度を検出する。また、この半導体圧力セン
サ100は制御必要に応じてレシーバ35と膨張弁37
の間の高圧側の冷媒配管に設けることもできる。
Figure 9 shows the refrigeration cycle in an automobile air conditioner, where 31 is a compressor, 33 is a condenser, and 35 is a refrigeration cycle.
is a receiver, 37 is an expansion valve, and 39 is an evaporator. In this refrigeration cycle, the semiconductor pressure sensor 100 according to the present refrigeration cycle device is provided in the refrigerant pipe on the low pressure side between the evaporator 39 and the compressor 31, and detects the pressure and temperature of the refrigerant. Additionally, this semiconductor pressure sensor 100 is equipped with a receiver 35 and an expansion valve 37 as required for control.
It can also be provided in the refrigerant piping on the high pressure side between.

第10図は半導体圧力センサ100を冷媒配管41に取
り付けた状態を示す部分断面図である。
FIG. 10 is a partial sectional view showing a state in which the semiconductor pressure sensor 100 is attached to the refrigerant pipe 41.

半導体圧力センサ100は、そのハウジング9が○リン
グ43を介し、ねじ45にて冷媒配管41に取り付けら
れることにより、冷媒配管41に固定保持される。この
半導体圧力センサ100のセンシング部2は、2枚のパ
イレックスガラス7a。
The semiconductor pressure sensor 100 is fixedly held on the refrigerant pipe 41 by attaching the housing 9 to the refrigerant pipe 41 with screws 45 via the circle ring 43 . The sensing portion 2 of this semiconductor pressure sensor 100 is made of two pieces of Pyrex glass 7a.

7b間にSi基板1を挟み込んだサンドイッチ構造とな
っている。このセンシング部2は、ハウジング9の筒部
9Aの内周面に設けたコバールからなる円筒状のカラー
28(ハウジングの一部であり筒部9Aと溶接にて接合
されている)との間で低融点ガラス11にてハーメチッ
クシールされるとともに、冷媒の圧力および温度が直接
測定できるようカラー28の先端部より突出されている
It has a sandwich structure in which the Si substrate 1 is sandwiched between 7b. The sensing portion 2 is connected to a cylindrical collar 28 made of Kovar provided on the inner peripheral surface of the cylindrical portion 9A of the housing 9 (which is a part of the housing and is joined to the cylindrical portion 9A by welding). It is hermetically sealed with low melting point glass 11 and protrudes from the tip of collar 28 so that the pressure and temperature of the refrigerant can be directly measured.

また、カラー28には、センシング部2を保護するため
の金y447が取り付けられている。従って、この金y
447を介した冷媒の圧力および温度をセンシング部2
が検出する。センシング部2におけるSi基板1に設け
たダイヤフラム部3は、図中の矢印にて示す冷媒の流れ
に対し、その動圧の影響を受けない面に形成されている
。従って、上記構成により金網47を介した冷媒がセン
シング部2のダイヤフラム部3に直接接触し、しかも冷
媒の動圧を受けない位置にダイヤプラム部3が形成され
ているため、冷媒の圧力を良好に検出することができる
。しかも、センシング部2がハウジング9およびカラー
28から突出した構造となっているため、ハウジング9
およびカラー28からの熱伝導の影響を受けずに冷媒の
温度を精度よく検出することができる。
Furthermore, gold Y447 is attached to the collar 28 to protect the sensing section 2. Therefore, this money y
Sensing unit 2 detects the pressure and temperature of the refrigerant via 447.
is detected. The diaphragm section 3 provided on the Si substrate 1 in the sensing section 2 is formed on a surface that is not affected by the dynamic pressure of the flow of the refrigerant shown by the arrow in the figure. Therefore, with the above configuration, the refrigerant passing through the wire mesh 47 comes into direct contact with the diaphragm part 3 of the sensing part 2, and the diaphragm part 3 is formed at a position that is not subjected to the dynamic pressure of the refrigerant, so that the pressure of the refrigerant can be maintained at a good level. can be detected. Moreover, since the sensing part 2 is structured to protrude from the housing 9 and the collar 28, the housing 9
Furthermore, the temperature of the refrigerant can be detected with high accuracy without being affected by heat conduction from the collar 28.

第11図はセンシング部2の断面図である。この第11
図において、Si基板1とパイレックスガラス7aとの
間は第5図に示すものと同様に、Si基板1に形成した
絶縁膜としてのS i Ozとパイレックスガラス7a
との間に設けた接合用Po1y−3i層13により真空
室16が形成されている。Si基板1の一方の面にはダ
イヤフラム部3が形成され、他方の面には歪ゲージ5が
形成(後述する回路に示される4個の歪ゲージ5a〜5
dが形成)されるとともに、歪ゲージ5とアルミ電極1
5との間が拡散リード5′により接続されるように構成
されている。
FIG. 11 is a sectional view of the sensing section 2. This 11th
In the figure, the space between the Si substrate 1 and the Pyrex glass 7a is similar to that shown in FIG.
A vacuum chamber 16 is formed by the bonding Po1y-3i layer 13 provided between the two. A diaphragm portion 3 is formed on one surface of the Si substrate 1, and a strain gauge 5 is formed on the other surface (four strain gauges 5a to 5 shown in the circuit described later).
d) is formed, and the strain gauge 5 and aluminum electrode 1 are
5 are connected to each other by a diffusion lead 5'.

次に、この半導体圧力センサ100を用いて冷媒の圧力
と温度を検出する回路について説明する。
Next, a circuit for detecting refrigerant pressure and temperature using this semiconductor pressure sensor 100 will be explained.

第12図ではその回路を示す回路図である。FIG. 12 is a circuit diagram showing the circuit.

この第12図において、歪ゲージ5a〜5dのそれぞれ
の抵抗値は、第10図に示されるセンシング部2に作用
する冷媒の圧力状態に対応して変化し、同時にセンシン
グ部2の温度に対応してその抵抗値が可変となるよう設
定されている。そして、一方の対角位置に設定される歪
ゲージ5bおよび5dは、圧力が作用することによって
、その抵抗値が増加するように設定され、他方の対角位
置に設定される歪ゲージ5aおよび5Cは、圧力が作用
することによって、その抵抗値が減少するように設定さ
れている。その結果、A点とD点の間の抵抗値は圧力に
依存しない。
In FIG. 12, the resistance values of each of the strain gauges 5a to 5d change in accordance with the pressure state of the refrigerant acting on the sensing section 2 shown in FIG. The resistance value is set to be variable. Strain gauges 5b and 5d set at one diagonal position are set so that their resistance values increase when pressure is applied, and strain gauges 5a and 5C set at the other diagonal position. is set so that its resistance value decreases when pressure is applied. As a result, the resistance value between points A and D is independent of pressure.

電源■。、と接地点GNDとの間には、抵抗RO1、R
O2およびRO3の直列回路が形成され、その各抵抗の
接続点におよびMの定電位■、およびV、4を分圧によ
り設定している。電源VCCは、さらに抵抗RO5を介
してホイートストンブリッジの歪ゲージ5aと5dの接
続点であるA点に与えられ、このA点の電位は点にの電
位■、と共にオペアンプ0P−1に与えられている。そ
して、このオペアンプ0P−1からの出力は、それぞれ
抵抗RO7および抵抗RO8を介して、歪ゲージ5aと
5bの接続点B1および歪ゲージ5Cとの接続点Cにそ
れぞれ供給される。すなわち、オペアンプ0P−1およ
び抵抗RO5は、歪ゲージによるブリッジ回路の定電流
源として作用するようになり、抵抗RO7およびRO8
はこのブリッジ回路のオフセット出力電圧を粗調整する
ための回路を構成するようになる。
Power ■. , and the ground point GND, there are resistors RO1 and R
A series circuit of O2 and RO3 is formed, and a constant potential of M and V, 4 are set by voltage division at the connection point of each resistor. The power supply VCC is further applied to a point A, which is the connection point between the strain gauges 5a and 5d of the Wheatstone bridge, via a resistor RO5, and the potential of this point A is applied to the operational amplifier 0P-1 together with the potential ■ at the point. There is. The output from the operational amplifier 0P-1 is supplied to the connection point B1 between the strain gauges 5a and 5b and the connection point C between the strain gauge 5C via the resistor RO7 and the resistor RO8, respectively. That is, the operational amplifier 0P-1 and the resistor RO5 come to act as a constant current source of the bridge circuit using the strain gauge, and the resistors RO7 and RO8
constitutes a circuit for roughly adjusting the offset output voltage of this bridge circuit.

歪ゲージのホイートストンブリッジの出力点Cの出力電
圧■。は、オペアンプ0P−2に供給される。このオペ
アンプ0P−2は、回路側電流がブリッジ回路に流れ込
み、あるいはその逆の流れを防止するために設定される
もので、このオペアンプ0P−2からの出力信号は、抵
抗RO9を介して、ブリッジ回路のB点からの出力電圧
■。と共にオペアンプ0P−3に供給される。そして、
このオペアンプ0P−3からの出力によってトランジス
タTr、を制御するもので、オペアンプ0P−3、抵抗
RO9およびトランジスタTr、は、ホイートストンブ
リッジの出力電圧“V、−V。
Output voltage at output point C of the Wheatstone bridge of the strain gauge■. is supplied to operational amplifier 0P-2. This operational amplifier 0P-2 is set to prevent the circuit side current from flowing into the bridge circuit or vice versa, and the output signal from this operational amplifier 0P-2 is sent to the bridge circuit via the resistor RO9. Output voltage from point B of the circuit■. It is also supplied to the operational amplifier 0P-3. and,
The transistor Tr is controlled by the output from the operational amplifier 0P-3, and the operational amplifier 0P-3, the resistor RO9, and the transistor Tr output voltages "V, -V" of the Wheatstone bridge.

を電流出力に変換するようになる。will be converted to current output.

このオペアンプ0P−3からの出力信号によって制御さ
れるトランジスタTr、は、そのコレクタに抵抗R11
を介して電源■。、が接続されるので、このトランジス
タTr+ のコレクタ回路の信号は、オペアンプ0P−
4に供給される。そして、このオペアンプ0P−4は、
抵抗R11,R12゜R13と共に増幅回路を構成し、
オペアンプOP3からの電流出力を増幅して圧力検出信
号■。
The transistor Tr, which is controlled by the output signal from the operational amplifier 0P-3, has a resistor R11 at its collector.
■ Power supply through. , is connected, the signal of the collector circuit of this transistor Tr+ is connected to the operational amplifier 0P-
4. And this operational amplifier 0P-4 is
Configures an amplifier circuit together with resistors R11, R12゜R13,
Pressure detection signal ■ by amplifying the current output from operational amplifier OP3.

が得られるようにしている。ここで、このオペアンプ0
P−4による回路の増幅率は、抵抗R12と抵抗RO9
の比によって決まる。
I'm trying to get that. Here, this operational amplifier 0
The amplification factor of the circuit using P-4 is the resistance R12 and the resistance RO9.
It is determined by the ratio of

また、歪ゲージ5bと50との接続点である点りの信号
■。は、点Mで設定される基準電圧■。と共にオペアン
プ0P−5に供給される。このオペアンプ0P−5は、
抵抗R21と共に点りの温度に対応して変化する電圧V
。の変化を検出し、これを電流出力に変換するもので、
このオペアンプ0P−5からの出力信号によってトラン
ジスタTrzを制御する。このトランジスタTrzのコ
レクタ回路の信号は、点にの基準電圧vKと共にオペア
ンプ0P−6に供給されるもので、このオペアンプ0P
−6は抵抗R22,R23,R24と共に増幅回路を形
成し、オペアンプ0P−5からの出力信号を増幅する。
Also, there is a signal ■ at the connection point between the strain gauges 5b and 50. is the reference voltage set at point M. It is also supplied to the operational amplifier 0P-5. This operational amplifier 0P-5 is
Voltage V that changes in accordance with the temperature of the spot along with resistor R21
. It detects changes in the current and converts them into current output.
The transistor Trz is controlled by the output signal from this operational amplifier 0P-5. The signal of the collector circuit of this transistor Trz is supplied to the operational amplifier 0P-6 together with the reference voltage vK at the point.
-6 forms an amplifier circuit together with resistors R22, R23, and R24, and amplifies the output signal from operational amplifier 0P-5.

そして、温度検出出力■7を得る。Then, temperature detection output (7) is obtained.

従って、センシング部2に作用する圧力が変化した場合
、歪ゲージによるホイートストンブリ・ンジの出力端C
の電位vcが、この圧力変化に対応して変化し、この圧
力検出信号V2が出力されるようになる。また、D点の
電位■、は、第13図で示すように温度に対してほぼ直
線的に変化するため、D点の電位■。を接地電圧(GN
D)近くから電源電位(Vcc)の近くまで変化する信
号に変換する回路とされるオペアンプ0P−5の回路を
用いることにより、温度検出信号■アが得られる。
Therefore, when the pressure acting on the sensing part 2 changes, the output end C of the Wheatstone bridge by the strain gauge
The potential vc changes in response to this pressure change, and this pressure detection signal V2 is output. Further, the potential ■ at point D changes almost linearly with temperature as shown in FIG. 13, so the potential ■ at point D changes. to ground voltage (GN
D) By using the operational amplifier 0P-5 circuit, which is a circuit that converts into a signal that changes from near to near the power supply potential (Vcc), temperature detection signal ①A can be obtained.

なお、上記実施例において、歪ゲージ5a〜5dを用い
て圧力および温度を検出するものを示したが、Si基板
lの歪ゲージ5a〜5dの近傍に温度検出素子を形成し
て、これにより冷媒の温度検出を行うようにしてもよい
In the above embodiment, the strain gauges 5a to 5d are used to detect pressure and temperature, but a temperature detection element is formed near the strain gauges 5a to 5d on the Si substrate l, thereby detecting the refrigerant. Temperature detection may also be performed.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上述べたように、本発明によれば、ダイヤフラム部を
有するセンシング部をシリコン基板と台座用ガラスで構
成し、そのセンシング部とハウジングの金属部との間を
低融点ガラスで気密封着することにより、台座用ガラス
を有するセンシング部とハウジングの金属部に対して気
密封着することができ、その結果、シリコン基板と台座
用ガラスを用いたセンシング部にて高圧の被測定媒体の
圧力を検出することができるという優れた効果がある。
As described above, according to the present invention, the sensing section having the diaphragm section is constructed of a silicon substrate and pedestal glass, and the sensing section and the metal section of the housing are hermetically sealed with low melting point glass. As a result, the sensing part with the pedestal glass can be hermetically sealed to the metal part of the housing, and as a result, the pressure of the high-pressure medium to be measured can be detected by the sensing part using the silicon substrate and the pedestal glass. It has the excellent effect of being able to

また、ハウジングの金属部分を、その熱膨張係数がシリ
コン基板と台座用ガラスの熱膨張係数と近似したものと
し、低融点ガラスの熱膨張係数を台座用ガラスとハウジ
ングの金属部分の熱膨張係数の間の値となるようにする
ことによって、センシング部にかかる応力を低減してそ
の折れを防止することができるという優れた効果がある
In addition, the thermal expansion coefficient of the metal part of the housing is similar to that of the silicon substrate and the pedestal glass, and the thermal expansion coefficient of the low melting point glass is the thermal expansion coefficient of the pedestal glass and the metal part of the housing. By setting the value between the two, there is an excellent effect that stress applied to the sensing portion can be reduced and bending can be prevented.

さらに、センシング部をハウジングから突出して被測定
媒体中に配置することにより、被測定媒体の圧力を精度
よく検出することができるという優れた効果がある。
Furthermore, by arranging the sensing portion protruding from the housing into the medium to be measured, there is an excellent effect that the pressure of the medium to be measured can be detected with high accuracy.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の一実施例を示す半導体圧力センサの全
体構成を示す断面図、第2図は第1図に示す実施例の要
部断面図、第3図は低融点ガラスの熱膨張係数と最大せ
ん断部力の関係を示す図、第4図は本発明の他の実施例
を示す要部断面図、第5図は本発明のさらに他の実施例
を示す要部断面図、第6図は第5図に示す実施例のA−
A断面図、第7図は第5図に示す実施例におけるセンシ
ング部の平面図、第8図は本発明のさらに他の実施例を
示す部分断面図、第9図は本発明を自動車用冷凍サイク
ルに適用した実施例の冷凍サイクルの構成を示す概略構
成図、第10図は第9図に示す実施例における半導体圧
力センサの部分断面図、第11図は第10図に示す半導
体圧力センサのセンシング部を示す断面図、第12図は
第10図に示す半導体圧力センサを用いて冷媒の圧力と
温度を検出する回路の回路図、第13図は第12図に示
す回路における温度検出端子部の出力状態を示す特性図
、第14図は従来の半導体圧力センサを示す断面図であ
る。 1・・・シリコン基板、2・・・センシング部、3・・
・ダイヤフラム部、5・・・歪ゲージ、7・・・台座用
ガラス。 9・・・ハウジング。 代理人弁理士  岡 部   隆 (ほか1名) ↑ 丘カ 第1図 第 図 第 図 第 図 第14 図
Fig. 1 is a sectional view showing the overall structure of a semiconductor pressure sensor according to an embodiment of the present invention, Fig. 2 is a sectional view of main parts of the embodiment shown in Fig. 1, and Fig. 3 is a thermal expansion of low melting point glass. A diagram showing the relationship between the coefficient and the maximum shear force, FIG. 4 is a sectional view of the main part showing another embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a sectional view of the main part showing still another embodiment of the invention. Figure 6 shows A- of the embodiment shown in Figure 5.
A sectional view, FIG. 7 is a plan view of the sensing section in the embodiment shown in FIG. 5, FIG. 8 is a partial sectional view showing still another embodiment of the present invention, and FIG. 10 is a partial sectional view of the semiconductor pressure sensor in the embodiment shown in FIG. 9, and FIG. 12 is a circuit diagram of a circuit that detects the pressure and temperature of refrigerant using the semiconductor pressure sensor shown in FIG. 10, and FIG. 13 is a temperature detection terminal section in the circuit shown in FIG. 12. FIG. 14 is a cross-sectional view showing a conventional semiconductor pressure sensor. 1... Silicon substrate, 2... Sensing section, 3...
・Diaphragm part, 5... Strain gauge, 7... Glass for pedestal. 9...Housing. Representative Patent Attorney Takashi Okabe (and 1 other person) ↑ Okaka Figure 1 Figure 1 Figure 14

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)被測定媒体の圧力を検出する半導体圧力センサで
あって、 台座用ガラスの上にシリコン基板を設けて構成され、前
記シリコン基板の前記被測定媒体と接触する部位に前記
被測定媒体の圧力に応じて変位するダイヤフラム部を形
成してなるセンシング部、このセンシング部内に設けら
れ、前記ダイヤフラム部の変位を検出する検出手段、 前記センシング部を収納する収納部を含む空間を内部に
有し、少なくともこの収納部の前記センシング部に対向
する所定部分が金属にて構成されたハウジング、および このハウジングにおける前記所定部分と前記センシング
部の所定部分との間に設けられ、前記被測定媒体に対し
て前記ハウジング内空間を気密封着する低融点ガラス を備えた半導体圧力センサ。
(1) A semiconductor pressure sensor for detecting the pressure of a medium to be measured, which is configured by providing a silicon substrate on a glass pedestal, and a portion of the silicon substrate that comes into contact with the medium to be measured is A sensing section formed of a diaphragm section that is displaced in response to pressure, a detection means provided within the sensing section for detecting displacement of the diaphragm section, and a space inside that includes a storage section for accommodating the sensing section. , a housing in which at least a predetermined portion of the storage portion facing the sensing portion is made of metal, and a housing provided between the predetermined portion of the housing and a predetermined portion of the sensing portion, and a housing that is provided with respect to the medium to be measured. A semiconductor pressure sensor comprising low melting point glass that hermetically seals the inner space of the housing.
(2)流動する被測定媒体の圧力を検出する半導体圧力
センサであって、 台座用ガラスの上にシリコン基板を設けて構成され、前
記シリコン基板の前記被測定媒体と接触する部位に前記
被測定媒体の圧力に応じて変位するダイヤフラム部を形
成してなるセンシング部、このセンシング部内に設けら
れ、前記ダイヤフラム部の変位を検出する検出手段、 前記センシング部を収納する収納部を含む空間を内部に
有し、少なくともこの収納部の前記センシング部に対向
する所定部分が金属にて構成され、前記センシング部の
前記ダイヤフラム部を前記被測定媒体の流動路中に配置
させるべく、前記センシング部を突出保持するハウジン
グ、およびこのハウジングにおける前記所定部分と前記
センシング部の所定部分との間に設けられ、前記被測定
媒体に対して前記ハウジング内空間を気密封着する低融
点ガラス とを備えた半導体圧力センサ。
(2) A semiconductor pressure sensor for detecting the pressure of a flowing medium to be measured, which is configured by providing a silicon substrate on a glass pedestal, and the part of the silicon substrate that comes into contact with the medium to be measured is A sensing section formed of a diaphragm section that is displaced in accordance with the pressure of a medium, a detection means provided within the sensing section for detecting displacement of the diaphragm section, and a space containing a storage section for accommodating the sensing section inside. at least a predetermined portion of the storage portion facing the sensing portion is made of metal, and the sensing portion is held protrudingly so as to place the diaphragm portion of the sensing portion in the flow path of the medium to be measured. and a low melting point glass that is provided between the predetermined portion of the housing and the predetermined portion of the sensing portion and hermetically seals the inner space of the housing with respect to the medium to be measured. .
(3)エバポレータ、コンプレッサ、コンデンサ、レシ
ーバ、膨張弁を冷媒配管にて連結してなる自動車用の冷
凍サイクルにおける前記冷媒配管内の被測定媒体として
の冷媒圧力を検出する半導体圧力センサであって、 台座用ガラスの上にシリコン基板を設けて構成され、前
記シリコン基板の前記冷媒と接触する部位に前記冷媒の
圧力に応じて変位するダイヤフラム部を形成してなるセ
ンシング部、 このセンシング部内に設けられ、前記ダイヤフラム部の
変位を検出する検出手段、 前記センシング部を収納する収納部を含む空間を内部に
有し、少なくともこの収納部の前記センシング部に対向
する所定部分が金属にて構成され、前記ダイヤフラム部
を前記冷媒の流動路中に配置させるべく、前記センシン
グ部を突出保持するハウジング、 このハウジングにおける前記所定部分と前記センシング
部の所定部分との間に設けられ、前記冷媒に対して前記
ハウジング内空間を気密封着する低融点ガラス、および 前記ハウジングを前記冷媒配管に固定保持する保持手段
と を備えた半導体圧力センサ。
(3) A semiconductor pressure sensor that detects the pressure of a refrigerant as a medium to be measured in the refrigerant pipe in an automotive refrigeration cycle in which an evaporator, a compressor, a condenser, a receiver, and an expansion valve are connected by a refrigerant pipe, A sensing section configured by providing a silicon substrate on a glass pedestal, and forming a diaphragm section displacing in accordance with the pressure of the refrigerant at a portion of the silicon substrate that contacts the refrigerant; , a detection means for detecting displacement of the diaphragm part, having a space therein including a storage part for storing the sensing part, at least a predetermined part of the storage part facing the sensing part is made of metal; A housing that protrudes and holds the sensing portion so that the diaphragm portion is disposed in the flow path of the refrigerant; and a housing that is provided between the predetermined portion of the housing and a predetermined portion of the sensing portion, and that the housing is provided with respect to the refrigerant. A semiconductor pressure sensor comprising: low melting point glass that hermetically seals an inner space; and holding means that securely holds the housing to the refrigerant pipe.
(4)前記センシング部は、少なくとも前記低融点ガラ
スにて気密封着される部分が一対の台座用ガラスの間に
前記シリコン基板を挟み込んで構成され、前記冷媒中に
突出される部分が前記一対の台座用ガラスの一方と前記
シリコン基板とで構成されて前記シリコン基板の前記ダ
イヤフラム部が形成された部分が前記冷媒中に露出され
た構成である請求項(3)記載の半導体圧力センサ。
(4) The sensing portion is configured such that at least a portion hermetically sealed with the low melting point glass is sandwiched between a pair of pedestal glasses, and a portion protruding into the refrigerant is formed by sandwiching the silicon substrate between the pair of pedestal glasses. 4. The semiconductor pressure sensor according to claim 3, wherein the semiconductor pressure sensor is constituted by one of the pedestal glasses and the silicon substrate, and a portion of the silicon substrate in which the diaphragm portion is formed is exposed in the coolant.
(5)前記ダイヤフラム部は前記センシング部における
前記被測定媒体の動圧を受けない面に形成されている請
求項(2)〜(4)記載の半導体圧力センサ。
(5) The semiconductor pressure sensor according to any one of claims (2) to (4), wherein the diaphragm portion is formed on a surface of the sensing portion that does not receive the dynamic pressure of the medium to be measured.
(6)前記検出手段は、前記センシング部の突出部分で
の前記被測定媒体の温度を検出する温度検出手段を含む
請求項(2)〜(5)記載の半導体圧力センサ。
(6) The semiconductor pressure sensor according to any one of claims (2) to (5), wherein the detection means includes temperature detection means for detecting the temperature of the medium to be measured at a protruding portion of the sensing portion.
(7)前記ハウジングに設けられ、前記被測定媒体の通
過を許容し、前記センシング部の突出部分を保護する保
護キャップを有する請求項(2)〜(6)記載の半導体
圧力センサ。
(7) The semiconductor pressure sensor according to any one of claims (2) to (6), further comprising a protective cap provided on the housing, allowing passage of the medium to be measured, and protecting a protruding portion of the sensing portion.
(8)前記ハウジングの前記金属部分の熱膨張係数は、
前記シリコン基板および前記台座用ガラスの熱膨張係数
と近似したものであり、前記低融点ガラスの熱膨張係数
は前記台座用ガラスの熱膨張係数と前記金属部分の熱膨
張係数の間の値のものであって、前記ハウジングの前記
金属は、Fe−Ni−Co系合金であり、前記台座用ガ
ラスはホウ珪酸ガラスである請求項(1)〜(7)記載
の半導体圧力センサ。
(8) The coefficient of thermal expansion of the metal part of the housing is:
The thermal expansion coefficient of the silicon substrate and the pedestal glass is similar to that of the low melting point glass, and the thermal expansion coefficient of the low melting point glass is between the thermal expansion coefficient of the pedestal glass and the metal part. 8. The semiconductor pressure sensor according to claim 1, wherein the metal of the housing is a Fe-Ni-Co alloy, and the pedestal glass is borosilicate glass.
(9)前記ハウジングの前記金属部分の熱膨張係数は、
前記シリコン基板および前記台座用ガラスの熱膨張係数
と近似したものであり、前記低融点ガラスの熱膨張係数
は前記台座用ガラスの熱膨張係数と前記金属部分の熱膨
張係数の間の値のものであって、前記ハウジングの前記
金属は、Ni−Fe系合金であり、前記台座用ガラスは
ホウ珪酸ガラスである請求項(1)〜(7)記載の半導
体圧力センサ。
(9) The coefficient of thermal expansion of the metal part of the housing is:
The thermal expansion coefficient of the silicon substrate and the pedestal glass is similar to that of the low melting point glass, and the thermal expansion coefficient of the low melting point glass is between the thermal expansion coefficient of the pedestal glass and the metal part. 8. The semiconductor pressure sensor according to claim 1, wherein the metal of the housing is a Ni-Fe alloy, and the pedestal glass is borosilicate glass.
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