JPH051962A - 半導体圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は２重ダイヤフラム方式による半導体
圧力センサに関するものであり、小型かつ軽量で優れた
特性を有す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。 【構成】 本発明は、表面部の所定の位置に複数の電極
２４を配置して成る感圧素子２１と、この感圧素子２１
の表面部に配置された複数の電極２４の位置とそれぞれ
対応する位置に複数の外部リード２８を配置して成るハ
ーメチックシール端子２６とを有しており、感圧素子２
１の表面部における複数の電極２４とハーメチックシー
ル端子２６における複数の外部リード２８のそれぞれの
上端部とを両者の対応を図りながらそれぞれ接合して成
ることを特徴とするものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体圧力センサに関
するものであり、詳しくは、２重構造のダイヤフラムに
よって圧力を検出する半導体圧力センサに係わるもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】一般に、半導体から成る高感度の感圧素
子によって半導体圧力センサを構成する場合、感圧素子
自身の電気的及び機械的な特性を長期にわたって良好な
状態に維持する必要から、その感圧素子を所定のケース
に収め、そのケースの内部に絶縁性を有する不活性液体
を充填する手法が採られている。こうすることにより、
感圧素子は不活性液体によって外気と遮断されて常に正
常な状態に保たれるようになり、さらに、ケースに加え
られた圧力は不活性液体を媒介として感圧素子に伝えら
れるようになる。そして、この種の半導体圧力センサの
形態は、それが感圧素子とケースとを以て２重構造のダ
イヤフラムを形作っていることから、一般に２重ダイヤ
フラム方式と呼ばれている。

【０００３】図２は、２重ダイヤフラム方式による従来
の半導体圧力センサの構造を模式的に示す図である。た
だし、同図（ａ）は、半導体圧力センサの内部構造を示
す断面図であり、同図（ｂ）は、半導体圧力センサの内
部に設置される感圧素子の構造を示す上面図である。

【０００４】まず、同図（ａ）に示すように、半導体か
ら成る感圧素子１は、その底面部に台座２が接合された
ものとなっており、その台座２が接合された状態の感圧
素子１は、台座２の底面部に接着剤３を介してハーメチ
ックシール端子４の上面部のほぼ中央に固定されてい
る。ここで、ハーメチックシール端子４は、封止材５で
それぞれ保持されながら外部に引き出された複数（実際
には５本）の外部リード６を具備しており、さらに、そ
れら複数の外部リード６のそれぞれの上端部と感圧素子
１とは、金線ワイヤー７によってそれぞれ電気的に接続
されている。そして、感圧素子１が固定されて成るハー
メチックシール端子４の上方には、金属ダイヤフラム８
を有して成る金属ケース９が金線ワイヤー７との絶縁を
保ちながら接合されており、それらハーメチックシール
端子４と金属ケース９とで包囲される領域には、不活性
液体としてのシリコン・オイル１０が充填されている。

【０００５】なお、同図（ｂ）に示すように、感圧素子
１には、その中央に、圧力を実際に感知する領域として
の薄い受圧ダイヤフラム１１（図の点線で囲まれた領
域）が形成されており、その受圧ダイヤフラム１１の表
層部には、抵抗領域から成る４個のゲージ１２（図のそ
れぞれの太線）が形成されている。そして、感圧素子１
の表面部には、例えば、それら４個のゲージ１２による
フル・ブリッジ回路の構成が可能となるように複数のリ
ード線１３（図のそれぞれの細線）が配線されており、
さらに、これらリード線１３の末端には、上述した金線
ワイヤー７が実際に接続される５個の電極１４が配置さ
れている。

【０００６】以上のように構成された半導体圧力センサ
において、金属ケース９における金属ダイヤフラム８に
対して実際に圧力が加えられた場合、まず、その加えら
れた圧力の大きさに応じて金属ダイヤフラム８が金属ケ
ース９の内側の方向（図の下方）に変位し、内部に充填
されているシリコン・オイル１０の圧力が金属ダイヤフ
ラム８の変位量に比例して上昇する。そして、このシリ
コン・オイル１０の圧力が上昇すると、その上昇分に応
じた圧力が感圧素子１における受圧ダイヤフラム１１の
表面部に作用し、これに伴い、受圧ダイヤフラム１１の
表層部におけるゲージ１２がピエゾ抵抗効果を受けて抵
抗値の変化を生じるようになる。以上の結果、金属ケー
ス９の金属ダイヤフラム８に加えられた圧力は、シリコ
ン・オイル１０を媒介として感圧素子１の受圧ダイヤフ
ラム１１に間接的に伝えられ、その受圧ダイヤフラム１
１に伝えられた圧力の大きさに応じ、例えば、ゲージ１
２の抵抗値の変化に伴う電圧の変化が金線ワイヤー７を
介して所定の外部リード６に得られるようになる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した２
重ダイヤフラム方式による従来の半導体圧力センサは、
高感度の感圧素子によって圧力を効率よく検出できるも
のではあるが、その形態や特性等に関して未だいくつか
の問題点を有している。

【０００８】すなわち、従来の半導体圧力センサにおい
ては、感圧素子１を中央に設置できるよう複数の外部リ
ード６を周辺部に配置して成るハーメチックシール端子
４を用いており、しかも、感圧素子１と外部リード６と
を接続する金線ワイヤー７との絶縁を確実に保つことの
できるような金属ケース９を用いていることから、従来
の半導体圧力センサは全体が大型化する傾向にあり、特
に、ハーメチックシール端子４の横方向に対する大きさ
が感圧素子１の横方向に対する大きさよりも数倍も大き
くなっている。

【０００９】また、この大型化により、内部へのシリコ
ン・オイル１０の充填量が必然的に多くなって全体が重
量化する傾向にもあり、それに加え、シリコン・オイル
１０は、周囲の温度変化に応じて容易に膨張又は収縮す
るものであることから、このようにシリコン・オイル１
０の充填量が多い従来の半導体圧力センサは、概して温
度特性に劣ったものとなっている。

【００１０】さらに、従来の半導体圧力センサにおいて
は、上述のように横方向の大きさがかなり大きいハーメ
チックシール端子４を用いていることから、金属ダイヤ
フラム８に加えられた圧力が変化してシリコン・オイル
１０の圧力が変化するごとにハーメチックシール端子４
に歪み（ひずみ）が生じてしまう。しかも、従来の半導
体圧力センサにおいては、台座２の底面部に接着剤３を
介することで感圧素子１をハーメチックシール端子４の
上面部に固定していることから、ハーメチックシール端
子４に歪みが生じるごとにその歪みが接着剤３及び台座
２を介して確実に感圧素子１に伝えられてしまい、従来
の半導体圧力センサは、こうした現象に伴うヒステリシ
スが既に無視できない状態となっている。

【００１１】本発明は、こうした実情に鑑みて為された
ものであり、その目的は、小型かつ軽量で優れた特性を
有する半導体圧力センサを提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、表面部の所定
の位置に複数の電極を配置して成る感圧素子と、この感
圧素子の表面部に配置された複数の電極の位置とそれぞ
れ対応する位置に複数の外部リードを配置して成るハー
メチックシール端子とを有しており、感圧素子の表面部
における複数の電極とハーメチックシール端子における
複数の外部リードのそれぞれの上端部とを両者の対応を
図りながらそれぞれ接合して成ることを特徴としてい
る。

【００１３】

【作用】本発明においては、表面部の所定の位置に複数
の電極を配置して成る既存の感圧素子と、この感圧素子
の表面部に配置された複数の電極の位置とそれぞれ対応
する位置に複数の外部リードを配置して成る新たなハー
メチックシール端子とを用いることにより、感圧素子の
表面部における複数の電極とハーメチックシール端子に
おける複数の外部リードのそれぞれの上端部との両者の
対応が図られるようになり、例えば、バンプ等を用いた
フリップチップ・ボンディングによる両者間の接合が可
能となる。この結果、感圧素子の複数の電極とハーメチ
ックシール端子の複数の外部リードとが電気的かつ機械
的に確実に接続されるようになり、今まで必要とされて
いた横方向に対する大きさが大きいハーメチックシール
端子や配線用の金線ワイヤー等が一切不要となる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
ながら詳細に説明する。図１は、本発明の一実施例に係
る半導体圧力センサの内部構造を模式的に示す断面図で
ある。

【００１５】まず、同図に示すように、半導体から成る
感圧素子２１の表面部（図では下向き）の中央には、圧
力を実際に感知する領域としての薄い受圧ダイヤフラム
２２が形成されており、その受圧ダイヤフラム２２の表
層部（図では下向き）には、抵抗領域から成る複数のゲ
ージ２３が形成されている。そして、感圧素子２１の表
面部には、例えば、それら複数のゲージ２３によるフル
・ブリッジ回路の構成が可能となるように複数のリード
線（図示せず）が配線されており、さらに、これら複数
のリード線の末端には、この感圧素子２１の入出力端子
を成す複数の電極２４が配置されている。また、感圧素
子２１の底面部（図では上向き）には、その受圧ダイヤ
フラム２２の裏面部（図では上向き）から圧力が加えら
れるのを防止し、さらに、その感圧素子２１の全体に対
して充分な強度を付与するための台座２５が接合されて
いる。

【００１６】一方、このように形成された感圧素子２１
に対し、この感圧素子２１が実際に設置される六四黄銅
やコバール等の材質から成るハーメチックシール端子２
６には、ガラス等の材質から成る封止材２７によってそ
れぞれ保持されながら外部に引き出された複数の外部リ
ード２８が配置されている。ただし、このハーメチック
シール端子２６における複数の外部リード２８の配置の
形態は、それぞれの位置が感圧素子２１の表面部に配置
された複数の電極２４の位置とそれぞれ対応するよう設
定されており、かつ、それら複数の外部リード２８のそ
れぞれの上端部のみ（上面部のみでよい）がハーメチッ
クシール端子２６の上面部から露出するよう設定されて
いる。

【００１７】ここで、このように形成された感圧素子２
１とハーメチックシール端子２６とは、その複数の電極
２４とこれに対応する複数の外部リード２８の上端部と
が、それぞれ、ハンダ等の材質から成るバンプ２９を用
いたフリップチップ・ボンディングによって接合されて
おり、この構造により、両者間が電気的及び機械的に確
実に接続されるようになる。なお、このバンプ２９によ
る感圧素子２１の複数の電極２４とハーメチックシール
端子２６の複数の外部リード２８との実際の接合に際し
ては、例えば、前もって感圧素子２１の複数の電極２４
に対してバンプ２９をそれぞれ溶着させておき、この溶
着させた状態にあるバンプ２９をハーメチックシール端
子２６の複数の外部リード２８の上端部にそれぞれ同時
に接触させ、さらに、この接触させた状態にあるバンプ
２９に対してハンダ・リフローを施すなどすればよい。

【００１８】そして、感圧素子２１とハーメチックシー
ル端子２６との接合が完了すると、上面部に金属ダイヤ
フラム３０を有して成る金属ケース３１をその周縁部を
以てハーメチックシール端子２６の上面周縁部に溶接や
カシメ等の手法を用いて機械的に接合する。さらに、ハ
ーメチックシール端子２６の一部に透孔（図示せず）を
開口して内部の真空引きを行った後に、その内部に不活
性液体としてのシリコン・オイル３２を充填し、最後
に、そのシリコン・オイル３２の内部への充填が完了し
た時点でハーメチックシール端子２６に開口した先の透
孔を溶接等の手法を用いて封止するとよい。

【００１９】以上により、これまで必要とされていた横
方向に対する大きさが大きいハーメチックシール端子や
配線用の金線ワイヤー等が一切不要となって小型の半導
体圧力センサが得られるようになる。また、必然的に、
この小型化に伴ってシリコン・オイル３２の充填量が少
なくて済むようになって軽量の半導体圧力センサが得ら
れるようになり、この結果、その半導体圧力センサの温
度特性が従来のそれよりも飛躍的に向上するようにな
る。

【００２０】ここで、以上のように構成された半導体圧
力センサにおいて、金属ケース３１における金属ダイヤ
フラム３０に実際に圧力を加えて金属ダイヤフラム３０
を金属ケース３１の内側の方向（図の下方）に変位させ
ると、従来と同様、その内部に充填されているシリコン
・オイル３２の圧力が金属ダイヤフラム３０の変位量に
比例して上昇する。そして、このシリコン・オイル３２
の圧力が上昇すると、その上昇分に応じた圧力が感圧素
子２１の受圧ダイヤフラム２２の表面部を含む半導体圧
力センサの内部の全ての部位に対して均等に作用する。

【００２１】このとき、この半導体圧力センサにおいて
は、ハーメチックシール端子２６の横方向に対する大き
さが最小限に抑制されたものとなっているので、上述の
シリコン・オイル３２の圧力がハーメチックシール端子
２６の上面部に作用しても、そのハーメチックシール端
子２６の形態に起因して生じる歪みは極めて小さいもの
となる。また、この半導体圧力センサでは、感圧素子２
１とハーメチックシール端子２６との接続に際し、互い
の接触面が極めて小さいバンプ２９を用いていることか
ら、仮にハーメチックシール端子２６に若干の歪みが生
じたとしても、その歪みは感圧素子２１には伝えられに
くくなっている。従って、この半導体圧力センサによれ
ば、ハーメチックシール端子２６の歪みに伴うヒステリ
シスは、殆ど問題とならない程度にまで抑制されるよう
になる。

【００２２】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、感圧素子の表面部に配置された複数の電極の位
置とそれぞれ対応する位置に複数の外部リードを配置し
て成るハーメチックシール端子とを用い、感圧素子の表
面部における複数の電極とハーメチックシール端子にお
ける複数の外部リードのそれぞれの上端部とを対応させ
ながら両者を接合するようにしたことから、これまで必
要とされていた横方向に対する大きさが大きいハーメチ
ックシール端子や配線用の金線ワイヤー等が一切不要と
なり、極めて小型の半導体圧力センサが得られるように
なる。また、この小型化に伴い、内部へのシリコン・オ
イルの充填量が少なくて済むようになることから、極め
て軽量で優れた温度特性を有する半導体圧力センサが得
られるようになる。さらに、上述したように、横方向の
大きさが大きいハーメチックシール端子を用いる必要が
なく、かつ、ハーメチックシール端子と感圧素子とは極
めて小さい接触面で接合されていることから、そのハー
メチックシール端子の歪みに起因して生じるヒステリシ
スが効果的に抑制されるようになり、この結果、優れた
電気的特性を有する半導体圧力センサが確実に得られる
ようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る半導体圧力センサの内
部構造を模式的に示す断面図である。

【図２】２重ダイヤフラム方式による従来の半導体圧力
センサの構造を模式的に示す図であり、（ａ）は半導体
圧力センサの内部構造を示す断面図、（ｂ）は半導体圧
力センサの内部に設置される感圧素子の構造を示す上面
図である。

【符号の説明】

２１ 感圧素子 ２４ 電極 ２６ ハーメチックシール端子 ２８ 外部リード

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 表面部の所定の位置に複数の電極を配置
   して成る感圧素子と、該感圧素子の表面部に配置された
   複数の電極の位置とそれぞれ対応する位置に複数の外部
   リードを配置して成るハーメチックシール端子とを有し
   ており、前記感圧素子の表面部における複数の電極と前
   記ハーメチックシール端子における複数の外部リードの
   それぞれの上端部とを両者の対応を図りながらそれぞれ
   接合して成ることを特徴とする半導体圧力センサ。