JPH03200034A - 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に塔載する内燃機関の吸入空気圧や
大気圧又は排気圧などを検出するのに用いる半導体圧力
センサに関するものである。

（従来の技術） 近年、自動車などの燃料の節約や排出ガス規制などの社
会的要請に伴い、マイクロコンピュータによるエンジン
の電子式燃料噴射、点火時期および排ガス還流量の制御
などを種々なセンサを用いて行うようになってきた。

このエンジンの電子制御では、大気およびマニホールド
内の絶対圧を正確に検出することが極めて重要なことで
、信頼性の高い圧力センサが要求され、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、従来のこの種の圧力センサについて、第２図によ
り説明する。

同図は従来の半導体圧力センサの断面図で、周縁に段部
１ａを設けたステム１は、下面にろう付けなどにより固
着した圧力導入用パイプ２に連通ずる貫通孔１ｂと、リ
ードピン３を挿通する２個の小貫通孔ＩＣが設けられて
いる。なお、上記の小貫通孔ＩＣに挿通したり−ドピン
３は、小貫通孔１ｃとの隙間をガラス４を用いてハーメ
チック封止して固定されている。

表面に圧力検出用のホイートストンブリッジ抵抗を形成
したダイアフラム５ａを設けたシリコンダイアフラムチ
ップ５は、上記のステム１の上面中央に接着剤６で固定
した。中央に上記のダイアフラム５ａに連通する貫通孔
７ａが形成された台座７の上に固着されている。なお、
上記の台座７は、上記のシリコンダイアフラムチップ５
と近似の熱膨張係数を有する材料を用い、上記のステム
１からの熱応力を緩和するための円周溝７ｂが設けられ
ている。また、上記のホイートストンブリッジ抵抗のブ
リッジ電極（図示せず）は、上記のリードピン３と導電
性のワイヤ８で接続されている。

上記のステム１の段部１ａに固着した有底円筒状のキャ
ップ９は、上記のシリコンダイアフラムチップ５と台座
７を覆って、真空室１１を形成するもので、上面中央に
はんだ１０で密封される封止孔９ａが設けられている。

このように構成された半導体圧力センサの組立法につい
て説明する。

まず、ステムｌに圧力導入用パイプ２をろう付けした後
、小貫通孔ＩＣにリードピン３を挿入し。

ガラス４で固着する。一方、台座７の上にシリコンダイ
アフラムチップ５を固着する。次に、ステム１の上面中
央に、接着剤６を舟いて、上記の台座７を取り付け、続
いて、ブリッジ電極とリードピン３の先端とをワイヤ８
が接続する。次に、封止孔９ａをそのままにして、キャ
ップ９を圧接又は溶接によってステム１の段部１ａに封
着する。

次に、真空中に置き、キャップ９の中の空気を抜くと同
時に、はんだ１０を用い封止孔９ａを密閉し、真空室１
１を形成する。

このようにして組立てられた半導体圧力センサは、シリ
コンダイアフラムチップ５のダイアフラム５ａが真空室
１１の中に収納されているので、この真空圧を基準圧と
して、圧力導入用パイプ２から導入する流体の絶対圧を
測定できる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記の構成では、基本的に１個のセンサ
で一つの絶対圧しか測定できず、また。

ステム１から台座７を介してシリコンダイアフラムチッ
プ５に及ぼす熱応力の影響が大きく、これがシリコンダ
イアフラムチップ５を歪ませるためダイアフラム５ａに
形成されたホイートストンブリッジ抵抗の値が温度によ
ってばらつき、従って圧力検出特性が安定しないという
問題があった。

この問題は主にシリコンダイアフラムチップ５゜ステム
１２台座７および接着剤６の熱膨張係数の違いに起因す
るものである。

このため上述のように台座７は、シリコンダイアフラム
チップ５と近似の熱膨張係数を有した材質を用い、台座
７の厚さを厚くしたり、あるいは円周溝７ｂを設けてい
るが、これは台座７の加工性を低下し製造コストを高く
するばかりでなく、信頼性を低下するという問題があっ
た。

本発明は上記の問題を解決するもので、１個のセンサで
少なくとも二つの絶対圧を同時に検出することができる
とともに構造が単純で信頼性が高く特性の安定した半導
体圧力センサを提供するものである。

（課題を解決するための手段） 上記の課題を解決するため、本発明は、シリコンダイア
フラムチップと近似の熱膨張係数を有する金属板をプレ
ス成形したステムに、シリコンダイアフラムチップを固
着した少なくとも２個の台座を収納し、底面で気密接合
する収納凹みを有する環状突起を表面に、複数本のリー
ドピンをガラスを用いてハーメチック封止する円筒状凹
みを裏面にそれぞれ設け、また、ステムの裏面に気密接
合する圧力導入用パイプとステムの間にそれぞれフィル
タを装着し、さらに、ステムに気密接合して形成した気
密室内を真空又は基準圧とし、その中に絶対圧算出用の
回路基板を内蔵するとともに、上記のリードピンに挿通
する貫通コンデンサを装着するものである。

（作　用） 上記の構成により、１個の半導体圧力センサで２ＷＩ所
以上の絶対圧を同時に測定することが可能となるばかり
でなく、シリコンダイアフラムチップと近似の熱膨張係
数を有する台座とステムの併用によって、ステムからの
熱応力の影響がなくなり、安定した特性を有する半導体
圧力センサが得られる。また、収納凹みを有する環状突
起や円筒状突起となる裏面の円筒状凹みの形成により剛
性の高いステムが形成されるので、シリコンダイアフラ
ムチップと近似の熱膨張係数を有する高価な金属板の使
用量が少なくてすむ。また、圧力導入用パイプは、フィ
ルタを装着しているので、直接内燃機関の吸気孔などに
取り付けることが可能となり、さらに、絶対圧算出用の
回路基板を内蔵しているので、圧カドランスデューサと
して使用することができる。

（実施例） 本発明の一実施例を第１図により説明する。第１図（ａ
）、　（ｂ）　、（ｃ）、　（ｄ）および（ｅ）は１本
発明による半導体圧力センサの平面断面図、正面断面図
、左側から見た側面断面図、右側から見た側面断面図お
よび要部を拡大して示した正面断面図である。

同図において、表面にホイートス１−ンブリッジ抵抗（
図示せず）が形成されたダイアフラム］２ａおよび１３
ａを有するシリコンダイアフラムチップ１２および１３
は、これと近似の熱膨張係数を有する２個の円筒状の台
座１４および工５の上端面にそれぞれ固着され、その中
心に設けられたそれぞれの貫通孔１．ｌＩａおよび１５
ａが、固着された上記のシリコンダイアフラムチップ１
２および１３のダイアフラム１２ａおよび１３ａに連通
している。上記のシリコンダイアフラムチップＩ２およ
び工３と近似の熱膨張係数を有する薄い金属板をプレス
成形したステムｌＧは、上記の２個の台座１４および１
５を収納しその下端面で気密固定する。中心にそれぞれ
貫通孔１６ａおよび１６ｂを設けた円筒状の収納凹み１
６ｃおよび１６ｄを形成した２個の円環状突起１６ｅお
よび１６ｆと、４本のリードピン１７．１８．１９およ
び２０がそれぞれ挿通する貫通孔１６＜、　１６ｈ、　
１６ｉおよび１６ｊを設け、ガラス２１でハーメチック
封止する下面から成形した円筒状封止用凹み１６に、　
１６Ｑ、　１６ｍおよび１６ｎとが設けられている。な
お、上記の下面から成形された円筒状封止用凹み１．６
に、　１６Ｑ、　１６ｍおよび１６ｎは、ステム１６の
上面では、上記の円環状突起１６ｓおよび１６ｆと同じ
高さの円筒状突起となっている。なお、リードピン１７
は電源供給用、リードピン１８および１９は出力用、リ
ードピン２０はアース用で、それぞれに挿通した貫通コ
ンデンサ２２．２３．２４および２５が、その外径部を
上記の円筒状封止用凹み１６ｋ。

１６（１，１６ｍおよび１６ｎに嵌合して取り付けられ
その内径側電極２２ａ、　２３ａ、　２４ａおよび２５
ａと上記のり−ドピン１７．１８．１９および２０を、
また、それぞれの外径側電ｔＪｉＡ２２ｂ、　２３ｂ、
　２４ｂおよび２５ｂと上記の円筒状封止用凹み］、６
に、　１６（１，１６ｍおよび１６ｎの端面を、それぞ
れはんだ付けして電気的に接続され、且つ機械的に固定
されている。

さらに、ステム１６の円筒状収納凹み１６ｃおよび１６
ｄの底面に、それぞれの貫通孔Ｊ６ａおよび１６ｂと、
２個の台座１４および１５のそれぞれの貫通孔１４ａお
よび１５ａがそれぞれ導通するように台座１４および１
５が気密固着され、その下面に２本の圧力導入用パイプ
２６および２７をそれぞれフィルタ２８および２９を挾
んで、溶接などによって、気密接合されている。これに
より、２本の圧力導入用パイプ２６および２７から導入
された流体は、フィルタ２８および２９を介し、それぞ
れシリコンダイアフラムチップ１２および１３のダイア
フラム１２ａおよび１３ａに流体圧を印加できる。

表面に絶対圧を算出する演算回路（図示せず）を形成し
、上記の２個の台座１４および１５と、４本のリードピ
ン１７．１８．１．９および２０がそれぞれ挿通する貫
通孔を設けた回路基板３０は、上記の円環状突起］、６
ｅおよび１６ｆと、上記の円筒状封止用凹み１６ｋ。

１６Ｑ、　１６ｍおよび托ｎの成形によって形成された
円筒状突起とに渡すようにステム１６上に装着され、上
記の演算回路と、ダイアフラム１２ａおよび１３ａ上の
ホイートストンブリッジ抵抗の出力端子および上記のリ
ードピン１７．１８．１９および２０の末端とをそれぞ
れ導電性のワイヤ３１で電気的に接続している。

上記のステム１６の周縁部１６ｐに溶接などによって気
密接着された方形のキャップ３２は、シリコンダイアフ
ラムチップ１２および１３と、上記の回路基板３０を覆
い気密室３３を形成し、真空室あるいはガスを封入した
基準圧室とする。上記のステム１６の隅に設けたガス封
入パイプ３４は、気密室３３の空気を抜いたり、基準圧
のガスを封入するものである。

このように構成された半導体圧力センサを組み立てるに
は、まず、ステム１６の貫通孔１６ｇ、　１６ｈ。

１６ｉおよび１６ｊに、それぞれリードピン１７．１８
．１９および２０を挿通し、ガラス２１を用いて円筒状
封止用凹み１６に、　１６１）、　１６ｍおよび１６ｎ
に封着した後、２個のフィルタ２８および２９をそれぞ
れ装着した状態で２本の圧力導入用パイプ２６および２
７のベルマウス状の末端周縁を溶接する１次に４個の貫
通コンデンサ２２．２３．２４および２５をそれぞれ上
記のり−ドビン１７．１８．１９および２０に挿通し、
その外周面で円筒状封止用凹み１６に、　１６１１．１
６ｍおよび１６ｎに嵌合した後、その内径側電極２２ａ
　、　２３ａ　、　２４ａおよび２５ａは、それぞれ挿
通したリードピン１７．１８．１９および２０に、また
外径側電極２２ｂ、　２３ｂ、　２４ｂおよび２５ｂを
円筒状封止用凹み１６に、　１６Ｑ、　１６ｍおよび１
６ｎの縁にそれぞれはんだ付けする。

次に、シリコンダイアフラムチップ１２および１３が接
合された台座１４および１５をステム１６の円筒状収納
凹み１６ｃおよび１６ｄに気密接合し、続いて回路基板
３０を円環状突起１６ｅおよび１６ｆ上に接着した後、
ワイヤ３１で電気的に接続する。

次に、ステム１６の周縁部１６Ｐに圧接又は溶接などの
手段でキャップ３２を気密接合する。その際、真空中で
キャップ３２を気密接合すれば、気密室３３は基準圧０
の真空室が形成され、その後、ガス封入パイプ３４から
基準圧のガスを封入すればある一定の基準圧室が形成さ
れる。真空室が形成されれば測定圧は、絶対圧となり基
準圧室が形成されれば、回路基板３０で絶対圧に換算さ
れ、いずれの場合も出力は絶対圧となる。

次にこのように構成された半導体圧力センサにより、例
えば内燃機関の吸入空気圧を測定する場合を例として圧
力測定法と動作について説明する。

上記実施例において、内燃機関の吸気マニホールドの吸
気孔に、半導体圧力センサの一方の圧力導入用パイプ２
６を直接接続して取り付ける。その際、他方の圧力導入
用パイプ２７は、そのまま開放状態として置く。内燃機
関が運転を開始すると、マニホールドの吸気孔からの流
体圧が圧力導入用パイプ２６．ステム１６の貫通孔１６
ａ１台座１４の貫通孔１４ａを通ってダイアフラム１２
ａに印加される。一方、大気圧は、圧力導入用パイプ２
７．ステム１６および台座１５のそれぞれの貫通孔１６
ｂおよび１５ａを通ってダイアフラム１３ａに印加され
る。

従って、圧力導入用パイプ２６および２７を通って導入
された流体圧および大気圧は、それぞれダイアフラム１
２ａおよび１３ａを歪ませ、この歪みがダイアフラム１
２ａおよび１３ａに形成され圧力検出用のホイートスト
ンブリッジ抵抗の抵抗値を変化させる。

上記のブリッジ抵抗値の変化は１回路基板３０の演算回
路で処理され、リードピン１８および１９から絶対圧で
表わされた流体圧および大気圧が同時に出力される。

なおステム１６と台座１４および１５は、シリコンダイ
アフラムチップ１２および１３と近似の熱膨張係数を有
する材質からなるので、従来例では、温度変化時にシリ
コンダイアフラムチップ１２および１３に及ぼしていた
ステム１と台座７の間で生じた熱応力の影響は除去され
るので、圧力センサの出力特性が安定する。また、圧力
導入用パイプ２６には、フィルタ２８が装着されている
ため、直接、内燃機関の吸気孔に接続でき、しかも１回
路基板３０を内蔵して圧カドランスデューサとして働く
ため部品点数が削減され、取付けが簡単となり、コスト
が低減されると同時に信頼性が向上する。

（発明の効果） 以上説明したように本発明によれば、二つの圧力を絶対
圧で同時に測定することができる。

また、シリコンダイアフラムチップと近似の熱膨張係数
を有する台座およびステムを使用しているので、温度変
化時にも安定した出力特性を有する信頼性の高い半導体
圧力センサが得られる。

また、収納凹みを有する円環状突起や円筒状封止用凹み
の形成によりステムの剛性が向上するので、シリコンダ
イアフラムチップと近似の熱膨張係数を有する金属板を
薄くすることが可能となり安価で、出力特性の安定した
半導体圧力センサが得られる。また、フィルタの装備に
よって、圧力導入用パイプを内燃機関の吸気孔などに直
接接続でき、さらに、回路基板の内蔵により圧カドラン
スデューサとして働くため、部品点数が削減され、装着
が簡単でコストが掛らない半導体圧力センサが得られる
。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明による半導体圧力センサの平面断
面図、第１図（ｂ）、　（Ｃ）および（ｄ）は（ａ）図
のＸ−Ｘ線、Ｙ−Ｙ線およびＺ−Ｚ線で切断し三角画法
で描いた正面断面図および側面断面図、第１図（ｅ）は
（ｃ）図の要部を拡大した正面断面図、第２図は従来の
半導体圧力センサの断面図である。 １．１６・・・ステム、　１ａ・・・段部、　ｌｂ。 ７ａ、　１４ａ、　１５ａ、　１６ａ、　１６ｂ、　１
６ｇ、　１６ｈ。 １６ｉ、　１６ｊ・・・貫通孔、　１ｃ・・・小貫通孔
、２．２６．２７・・・圧力導入用パイプ、　　３゜１
７、１８．１９．２０・・・リードビン、４．２１・・
ガラス、　５．１２．１３・・・シリコンダイアフラム
チップ、　　５ａ、　１２ａ、　１３ａ・・・ダイアフ
ラム、　　６・・・接着剤、　　７．１４．１５・・・
台座、　　　７ｂ・・・円周溝、　８，３１・・・ワイ
ヤ、　　９，３２・・・キャップ、　　９ａ・・・封止
孔、１０・・はんだ、　１．１−・・真空室、　１６ｅ
、　１６ｄ円筒状収納凹み、　１６ｅ、　１６ｆ・・・
円環状突起、　１６に、　１６（１，１６ｍ、　１６ｎ
−円筒状封止用凹み、　１６Ｐ・・・周縁部、　２２．
２３．２４゜２５・・貫通コンデンサ、　２２ａ　、　
２３ａ　、　２４ａ　。 ２５ａ−内径側電極、　２２ｂ、　２３ｂ、　２４ｂ、
　２５ｂ・・外径側電極、　２８．２９・・・フィルタ
、３３・・・気密室、３４・・・ガス封入パイプ。 第１図 （ａ）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）感圧ダイアフラムを形成した半導体単結晶チップ
   を固着した、上記の感圧ダイアフラムに連通する貫通孔
   を設け、上記の半導体単結晶チップと近似の熱膨張係数
   を有する台座と、上記の台座を気密接合し、上記の貫通
   孔に連通する貫通孔を設け、且つ、上記の感圧ダイアフ
   ラムに入出力する複数のリードピンをハーメチック封着
   したステムと、ステムの上記貫通孔に連通するように気
   密接着した圧力導入用パイプと、上記のステムに気密接
   合し、上記の半導体単結晶を覆う気密室を形成し、この
   気密室を真空室又は基準圧室とするキャップとからなる
   半導体圧力センサにおいて、上記の半導体単結晶チップ
   をそれぞれに固着した、少なくとも２個の台座を、上記
   の半導体単結晶チップと近似の熱膨張係数を有する金属
   薄板をプレス成形した円環状突起に設けた収納凹みに気
   密接合し、さらに、ステムと圧力導入用パイプとの間に
   それぞれフィルタを装着するとともに、絶対圧算出用の
   演算回路を形成した回路基板を気密室に内蔵し、且つハ
   ーメチック封着したリードピンに貫通コンデンサを取り
   付けたことを特徴とする半導体圧力センサ。
2. （２）上記の回路基板と近似の熱膨張係数を有するステ
   ムに成形された円環状突起上に取り付けたことを特徴と
   する請求項（１）記載の半導体圧力センサ。
3. （３）上記の複数のリードピンをハーメチック封着し、
   貫通コンデンサを嵌合装着する円筒状封止用凹みをステ
   ムの下面より成形し、上記の円環状突起と同一の高さの
   円筒状突起としたことを特徴とする請求項（１）記載の
   半導体圧力センサ。