JPH0269630A - 半導体圧力センサ - Google Patents
半導体圧力センサInfo
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- JPH0269630A JPH0269630A JP22177188A JP22177188A JPH0269630A JP H0269630 A JPH0269630 A JP H0269630A JP 22177188 A JP22177188 A JP 22177188A JP 22177188 A JP22177188 A JP 22177188A JP H0269630 A JPH0269630 A JP H0269630A
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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。
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、圧力を検出して電気信号に変換する半導体圧
力センサに関するものである。
力センサに関するものである。
従来、半導体圧力センサにおいては、半導体圧力変換素
子を支持する台座として、シリコンダイヤフラムと同一
もしくは類似した線膨張率を有するシリコンや、パイレ
ックスガラス＃７７４０（商品名）等が用いられている
。
子を支持する台座として、シリコンダイヤフラムと同一
もしくは類似した線膨張率を有するシリコンや、パイレ
ックスガラス＃７７４０（商品名）等が用いられている
。
台座をシリコンで構成した場合、同一材料のため線膨張
率差はないが、ダイヤフラムとの気密接着に通常はんだ
、Ａｕ−３ｉ共品、低融点ガラス等の接着剤を用いるた
め、この接着剤による熱応力がセンサの精度低下の原因
となる。また、パイレックスガラスを台座に使用した場
合、気密接着に陽極接合を用いれば、接着剤がないため
、これによる精度低下はないが、シリコンとの線膨張率
差（約Ｉ Ｘ １０−’／’Ｃ）から生じる１０μスト
レイン／１００°Ｃ程度の熱応力により精度低下を生じ
るという問題点を有していた。第５図に、台座にパイレ
ックスガラスを使用した従来の半導体圧力センサを示す
。５０は半導体圧力変換素子、５２はパイレックスガラ
ス、５４ははんだ、５６はアルミより成るボンディング
ワイヤ、５８はコバールより成るステム、６０は鉄製の
キャップである。
率差はないが、ダイヤフラムとの気密接着に通常はんだ
、Ａｕ−３ｉ共品、低融点ガラス等の接着剤を用いるた
め、この接着剤による熱応力がセンサの精度低下の原因
となる。また、パイレックスガラスを台座に使用した場
合、気密接着に陽極接合を用いれば、接着剤がないため
、これによる精度低下はないが、シリコンとの線膨張率
差（約Ｉ Ｘ １０−’／’Ｃ）から生じる１０μスト
レイン／１００°Ｃ程度の熱応力により精度低下を生じ
るという問題点を有していた。第５図に、台座にパイレ
ックスガラスを使用した従来の半導体圧力センサを示す
。５０は半導体圧力変換素子、５２はパイレックスガラ
ス、５４ははんだ、５６はアルミより成るボンディング
ワイヤ、５８はコバールより成るステム、６０は鉄製の
キャップである。
本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、半導体圧
力変換素子とパイレックスガラスとの線膨張率差に基づ
く熱応力を緩和す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している。
力変換素子とパイレックスガラスとの線膨張率差に基づ
く熱応力を緩和す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している。
上記目的を達成するために、本発明においては、厚肉部
、および薄肉のダイヤフラム部を有したシリコンより成
り、該ダイヤフラム部にピエゾ抵抗素子を形成した半導
体圧力変換素子と、該半導体圧力変換素子の一主面を前
記厚肉部に接合した硼珪酸ガラスと、 前記硼珪酸ガラスの他主面に接合するシリコン板と を備える構成としている。
、および薄肉のダイヤフラム部を有したシリコンより成
り、該ダイヤフラム部にピエゾ抵抗素子を形成した半導
体圧力変換素子と、該半導体圧力変換素子の一主面を前
記厚肉部に接合した硼珪酸ガラスと、 前記硼珪酸ガラスの他主面に接合するシリコン板と を備える構成としている。
第１図は本発明の第１実施例を示す断面図である。１は
シリコン単結晶からなる半導体圧力変換素子であり、薄
肉のダイヤフラム部３の所定の位置に拡散ピエゾ抵抗が
第７図に示すように４個配置されてフルブリッジ結線さ
れたものである。この拡散ピエゾ抵抗は、アルミより成
るボンディングワイヤ５によりハーメチックシール端子
７の端面と電気接続されている。半導体圧力変換素子１
の厚肉部は台座９のパイレックスガラス＃７７４０（商
品名）９Ｂと陽極接合により気密接着されている。台座
９は、３〜５価の厚さのシリコン板９Ａと０．０５〜０
．２Ｍの厚さのパイレックスガラス＃７７４０（商品名
）９Ｂとを陽極接合により気密接着したクラッド構造と
なっている。シリコン板９Ａの、パイレックスガラス４
７７４０９Ｂとの接着面と反対の面は、めっき又は真空
蒸着法等によりメタライズ層が形成されており、圧力導
入パイプ１１とハーメチックシール部１３を有するコバ
ール製のステム１５の所定の位置にはんだ１７により接
合されている。鉄製のキャップ１９はステム１５の外周
部２１においてプロジェクション溶接により気密接続さ
れ、ステム１５とキャップ１９によって囲まれた領域が
圧力基準室となる。
シリコン単結晶からなる半導体圧力変換素子であり、薄
肉のダイヤフラム部３の所定の位置に拡散ピエゾ抵抗が
第７図に示すように４個配置されてフルブリッジ結線さ
れたものである。この拡散ピエゾ抵抗は、アルミより成
るボンディングワイヤ５によりハーメチックシール端子
７の端面と電気接続されている。半導体圧力変換素子１
の厚肉部は台座９のパイレックスガラス＃７７４０（商
品名）９Ｂと陽極接合により気密接着されている。台座
９は、３〜５価の厚さのシリコン板９Ａと０．０５〜０
．２Ｍの厚さのパイレックスガラス＃７７４０（商品名
）９Ｂとを陽極接合により気密接着したクラッド構造と
なっている。シリコン板９Ａの、パイレックスガラス４
７７４０９Ｂとの接着面と反対の面は、めっき又は真空
蒸着法等によりメタライズ層が形成されており、圧力導
入パイプ１１とハーメチックシール部１３を有するコバ
ール製のステム１５の所定の位置にはんだ１７により接
合されている。鉄製のキャップ１９はステム１５の外周
部２１においてプロジェクション溶接により気密接続さ
れ、ステム１５とキャップ１９によって囲まれた領域が
圧力基準室となる。
以上の構成とした半導体圧力センサにおいて、図の矢印
の方から圧力を加えると、ダイヤフラム部３が変形し、
その歪により拡散ピエゾ抵抗の抵抗値が変化し、それに
基づく電気信号がハーメチックシール端子７を介して外
部へ取出される。
の方から圧力を加えると、ダイヤフラム部３が変形し、
その歪により拡散ピエゾ抵抗の抵抗値が変化し、それに
基づく電気信号がハーメチックシール端子７を介して外
部へ取出される。
次に本実施例の解析データを以下に示す。半導体圧力セ
ンサの主要特性の１つにブリッジ零点温度変動（ΔＶＯ
ｒｒ）があり、第２図はこのΔ■。、ｆを示すグラフで
ある。この第２図において、実線は従来の半導体圧力セ
ンサの特性を示し、破線は本実施例に示す半導体圧力セ
ンサにおいてパイレックスガラス９Ｂの厚さＬｏを０．
１５ ｍｍとした時の特性を示している。従来のものに
おいては、＝３０°Ｃ〜１００°Ｃの温度範囲において
、３％ＦＳ程度の温度変動がある。本来、ブリッジ零点
は温度変動がないことが望ましいが、従来の半導体圧力
センサを示す第５図において半導体圧力変換素子５０と
パイレックスガラスを台座５２とのわずかな線膨張率差
により生じる熱応力や、拡散ピエゾ抵抗のＴＣＲのバラ
ツキ等によって、ブリッジ零点の温度変動が生じる。各
種要因のうち、半導体圧力変換素子５０とパイレックス
ガラス台座５２とのわずかな線膨張率差により生じる熱
応力の寄与が支配的であり、これをＦＥＭ解析により求
めた解析例が第３図（ｂ）で、第３図（ａ）に示すよう
な半径ａ ＝ １．３ ｍｍ、厚さ３０μｍのダイヤフ
ラムの場合で、温度Ｔ−２５°ＣからＴ＝ １２５°Ｃ
の範囲の解析例である。第３図Ｑ））において、縦軸は
ダイヤフラム表面熱応力σ、横軸はダイヤフラムにおけ
る位置χ／ａを示す。ここで、χは第３図（ａ）に示す
ように、ダイヤフラムの中心からの距離を表す。また、
σ、は半径方向の応力、σ、は接線方向の応力である。
ンサの主要特性の１つにブリッジ零点温度変動（ΔＶＯ
ｒｒ）があり、第２図はこのΔ■。、ｆを示すグラフで
ある。この第２図において、実線は従来の半導体圧力セ
ンサの特性を示し、破線は本実施例に示す半導体圧力セ
ンサにおいてパイレックスガラス９Ｂの厚さＬｏを０．
１５ ｍｍとした時の特性を示している。従来のものに
おいては、＝３０°Ｃ〜１００°Ｃの温度範囲において
、３％ＦＳ程度の温度変動がある。本来、ブリッジ零点
は温度変動がないことが望ましいが、従来の半導体圧力
センサを示す第５図において半導体圧力変換素子５０と
パイレックスガラスを台座５２とのわずかな線膨張率差
により生じる熱応力や、拡散ピエゾ抵抗のＴＣＲのバラ
ツキ等によって、ブリッジ零点の温度変動が生じる。各
種要因のうち、半導体圧力変換素子５０とパイレックス
ガラス台座５２とのわずかな線膨張率差により生じる熱
応力の寄与が支配的であり、これをＦＥＭ解析により求
めた解析例が第３図（ｂ）で、第３図（ａ）に示すよう
な半径ａ ＝ １．３ ｍｍ、厚さ３０μｍのダイヤフ
ラムの場合で、温度Ｔ−２５°ＣからＴ＝ １２５°Ｃ
の範囲の解析例である。第３図Ｑ））において、縦軸は
ダイヤフラム表面熱応力σ、横軸はダイヤフラムにおけ
る位置χ／ａを示す。ここで、χは第３図（ａ）に示す
ように、ダイヤフラムの中心からの距離を表す。また、
σ、は半径方向の応力、σ、は接線方向の応力である。
第３図（ｂ）から分かるように、１００°Ｃの温度変化
で５ Ｘ １０−２ｋｇ ／ ｍｊ程度の熱応力が発生
している。
で５ Ｘ １０−２ｋｇ ／ ｍｊ程度の熱応力が発生
している。
本実施例では、この半導体圧力変換素子５０とパイレッ
クスガラス台座５２との線膨張率差により生じる熱応力
を低減するため、台座９を３〜５ｍｍの厚さのシリコン
板９Ａと０．０５〜０．２ｍｍの厚さのパイレックスガ
ラス９Ｂとを陽極接合により気密接着したクラッド構造
とした。第４図（ｂ）は、本実施例において、χ／ａ＝
１の位置におけるパイレックスガラス９Ｂの厚さｔｏと
熱応力との関係をＦＥＭ解析により求めたものであるが
、ｔｏを０．５ ｍｍ以下にすることにより、熱応力低
減効果が現れ、薄くすればする程この効果は大きくなる
。
クスガラス台座５２との線膨張率差により生じる熱応力
を低減するため、台座９を３〜５ｍｍの厚さのシリコン
板９Ａと０．０５〜０．２ｍｍの厚さのパイレックスガ
ラス９Ｂとを陽極接合により気密接着したクラッド構造
とした。第４図（ｂ）は、本実施例において、χ／ａ＝
１の位置におけるパイレックスガラス９Ｂの厚さｔｏと
熱応力との関係をＦＥＭ解析により求めたものであるが
、ｔｏを０．５ ｍｍ以下にすることにより、熱応力低
減効果が現れ、薄くすればする程この効果は大きくなる
。
しかし、この台座９は３〜５［ｌｌｌ１１程度の厚さの
シリコン板９Ａと０．３〜０．５ ｍｍ程度のパイレッ
クスガラス９Ｂとを陽極接合により気密接着した後、パ
イレックスガラス９８表面をランピング及びミラー研磨
により作成するため、ガラスの厚さも。を薄くするには
製造上の制約（加工技術の限界）が生じ、０．０５ ｍ
ｍ位が限度である。第２図にガラス厚り。＝０．１５ｍ
ｍの台座を用いた場合のブリッジ零点温度変動（Δ■。
シリコン板９Ａと０．３〜０．５ ｍｍ程度のパイレッ
クスガラス９Ｂとを陽極接合により気密接着した後、パ
イレックスガラス９８表面をランピング及びミラー研磨
により作成するため、ガラスの厚さも。を薄くするには
製造上の制約（加工技術の限界）が生じ、０．０５ ｍ
ｍ位が限度である。第２図にガラス厚り。＝０．１５ｍ
ｍの台座を用いた場合のブリッジ零点温度変動（Δ■。
ｔｒ ）を破線で示しているが、従来の半導体圧力セン
サの特性と比較して、温度変動は１／３以下である。
サの特性と比較して、温度変動は１／３以下である。
尚、本実施例ではパイレックスガラス＃７７４０（商品
名）を用いたが、これに限らずパイレックスガラス＃７
０７０（商品名）等でもよい。又、陽極接合のためにナ
トリウム、カリウム等を含んだものでもよい。
名）を用いたが、これに限らずパイレックスガラス＃７
０７０（商品名）等でもよい。又、陽極接合のためにナ
トリウム、カリウム等を含んだものでもよい。
また、上記第１実施例において、台座９は３ ｍｍ〜５
鵬の厚さのシリコン板９Ａと０．０５ｍｍ〜０．２瞳の
厚さのパイレックスガラス９Ｂとを陽極接合により気密
接着させたものを用いたが、陽極接合を用いる代わりに
、シリコン板９Ａ’とパイレックスガラス９Ｂとを重ね
合わせ、これを９００°Ｃ〜１０００°の酸化性雰囲気
中又は真空中に放置し、パイレックスガラス９Ｂを軟化
熔融させた後、これを徐々に冷却してクラツド化させる
ようにしてもよい。但し、この場合、安定に気密接着さ
せるため、シリコン板９Ａの表面にあらかじめ０．２μ
ｍ〜０．５μｍの厚さの酸化膜層を熱酸化等により形成
しておく。この溶着ガラスはラッピング、鏡面研磨によ
り０．０５ｍｍ〜０．２ ｍｍ程度に薄くする。
鵬の厚さのシリコン板９Ａと０．０５ｍｍ〜０．２瞳の
厚さのパイレックスガラス９Ｂとを陽極接合により気密
接着させたものを用いたが、陽極接合を用いる代わりに
、シリコン板９Ａ’とパイレックスガラス９Ｂとを重ね
合わせ、これを９００°Ｃ〜１０００°の酸化性雰囲気
中又は真空中に放置し、パイレックスガラス９Ｂを軟化
熔融させた後、これを徐々に冷却してクラツド化させる
ようにしてもよい。但し、この場合、安定に気密接着さ
せるため、シリコン板９Ａの表面にあらかじめ０．２μ
ｍ〜０．５μｍの厚さの酸化膜層を熱酸化等により形成
しておく。この溶着ガラスはラッピング、鏡面研磨によ
り０．０５ｍｍ〜０．２ ｍｍ程度に薄くする。
また、３ ｍｍ〜５ ｍｍの厚さのシリコン板９Ａの表
面にパイレックスガラスフリットをスクリーン印刷又は
沈澱法等により０．１ｍｍ〜０．２ ｍｍ積層させ、１
０００°Ｃ〜１２００°Ｃの酸化性雰囲気中又は真空中
に放置してパイレックスガラスフリットを溶融させ、こ
の後、これを徐々に冷却してクラツド化するようにして
もよく、安定に気密接着させるためシリコン板９への表
面にあらかじめ０．２μｍ〜０．５μｍの厚さの酸化膜
層を熱酸化等により形成しておく。
面にパイレックスガラスフリットをスクリーン印刷又は
沈澱法等により０．１ｍｍ〜０．２ ｍｍ積層させ、１
０００°Ｃ〜１２００°Ｃの酸化性雰囲気中又は真空中
に放置してパイレックスガラスフリットを溶融させ、こ
の後、これを徐々に冷却してクラツド化するようにして
もよく、安定に気密接着させるためシリコン板９への表
面にあらかじめ０．２μｍ〜０．５μｍの厚さの酸化膜
層を熱酸化等により形成しておく。
尚、本実施例の拡散ピエゾ抵抗は、ダイヤフラム内にあ
るものを示したが、代わりにシリコンダイヤフラム上に
絶縁膜を形成し、この絶縁膜上の所定の位置にＰｏ１ｙ
−３ｉを形成し、そこに拡散ピエゾ抵抗を形成するよう
にしてもよい。
るものを示したが、代わりにシリコンダイヤフラム上に
絶縁膜を形成し、この絶縁膜上の所定の位置にＰｏ１ｙ
−３ｉを形成し、そこに拡散ピエゾ抵抗を形成するよう
にしてもよい。
次に、本発明の第２実施例を第６図に示す。図中、２５
は半導体圧力変換素子であり、第１実施例における半導
体圧力変換素子ｌと同じである。
は半導体圧力変換素子であり、第１実施例における半導
体圧力変換素子ｌと同じである。
２７は０．０５〜０．２柵の厚さのパイレックスガラス
、２９は３〜５ ｍｍの厚さのシリコン板、３１ははん
だ、３３はアルミナやガラスエポキシ等から成る配線板
、３５はボンディングワイヤ、３７は配線板３３にはん
だリフローにより接続された金属性のターミナルである
。本実施例においては、圧力基準室が半導体圧力変換素
子２５とパイレックスガラス２７で囲まれた領域となり
、圧力検知をダイヤフラム主表面側（矢印の側）で行う
。
、２９は３〜５ ｍｍの厚さのシリコン板、３１ははん
だ、３３はアルミナやガラスエポキシ等から成る配線板
、３５はボンディングワイヤ、３７は配線板３３にはん
だリフローにより接続された金属性のターミナルである
。本実施例においては、圧力基準室が半導体圧力変換素
子２５とパイレックスガラス２７で囲まれた領域となり
、圧力検知をダイヤフラム主表面側（矢印の側）で行う
。
（発明の効果）
以上説明したように、本発明によれば、半導体圧力変換
素子とパイレックスガラスとの線膨張率差に基づく熱応
力を緩和することのできる半導体圧力センサを提供する
ことができる。
素子とパイレックスガラスとの線膨張率差に基づく熱応
力を緩和することのできる半導体圧力センサを提供する
ことができる。
第１図は本発明の第１実施例を示す断面図、第２図はブ
リッジ零点温度変動（Δ■。１１ ）を示すグラフ、第
３図（ａ）は従来の半導体圧力変換素子とパイレックス
ガラスの構造を示す図面、第３図（ｂ）は従来の半導体
圧力変換素子のダイヤフラム表面、熱応力とダイヤプラ
ムの位置との関係を示すグラフ、第４図（ａ）は本発明
の第１実施例の半導体圧力変換素子とパイレックスガラ
スとシリコン板の構造を示す図面、第４図（ｂ）は本発
明の第１実施例の半導体圧力変換素子のダイヤフラム表
面熱応力とガラス板厚との関係を示すグラフ、第５図は
従来の半導体圧力センサを示す断面図、第６図は本発明
の第２実施例を示す断面図、第７図は本発明の第１実施
例の半導体圧力変換素子の上面図である。 １・・・半導体圧力変換素子、９Ａ・・・シリコン板。 ９Ｂ・・・パイレックスガラス、１５・・・ステム。 代理人弁理士 岡 部 隆 （、ｎ） ４ユ、ｉ（Ｘ／ａ） （ｂ） （×１０ｖｌ♂） びう又、堀し！ （ｔＯ） （ｂ） 第４図 第 図 第 図
リッジ零点温度変動（Δ■。１１ ）を示すグラフ、第
３図（ａ）は従来の半導体圧力変換素子とパイレックス
ガラスの構造を示す図面、第３図（ｂ）は従来の半導体
圧力変換素子のダイヤフラム表面、熱応力とダイヤプラ
ムの位置との関係を示すグラフ、第４図（ａ）は本発明
の第１実施例の半導体圧力変換素子とパイレックスガラ
スとシリコン板の構造を示す図面、第４図（ｂ）は本発
明の第１実施例の半導体圧力変換素子のダイヤフラム表
面熱応力とガラス板厚との関係を示すグラフ、第５図は
従来の半導体圧力センサを示す断面図、第６図は本発明
の第２実施例を示す断面図、第７図は本発明の第１実施
例の半導体圧力変換素子の上面図である。 １・・・半導体圧力変換素子、９Ａ・・・シリコン板。 ９Ｂ・・・パイレックスガラス、１５・・・ステム。 代理人弁理士 岡 部 隆 （、ｎ） ４ユ、ｉ（Ｘ／ａ） （ｂ） （×１０ｖｌ♂） びう又、堀し！ （ｔＯ） （ｂ） 第４図 第 図 第 図
Claims (1)
- （１）厚肉部、および薄肉のダイヤフラム部を有したシ
リコンより成り、該ダイヤフラム部にピエゾ抵抗素子を
形成した半導体圧力変換素子と、該半導体圧力変換素子
の一主面を前記厚肉部に接合した硼珪酸ガラスと、 前記硼珪酸ガラスの他主面に接合するシリコン板と を備える半導体圧力センサであって、 前記硼珪酸ガラスの厚みは０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ
以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体圧力
センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22177188A JPH0269630A (ja) | 1988-09-05 | 1988-09-05 | 半導体圧力センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22177188A JPH0269630A (ja) | 1988-09-05 | 1988-09-05 | 半導体圧力センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0269630A true JPH0269630A (ja) | 1990-03-08 |
Family
ID=16771945
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22177188A Pending JPH0269630A (ja) | 1988-09-05 | 1988-09-05 | 半導体圧力センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0269630A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Citations (3)
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| JPS61230382A (ja) * | 1985-04-05 | 1986-10-14 | Yokogawa Electric Corp | 半導体圧力センサ |
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-
1988
- 1988-09-05 JP JP22177188A patent/JPH0269630A/ja active Pending
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