JPH0547393Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本考案は、半導体ダイヤフラム素子を用いた圧
力センサに関するものである。

［従来例］ 第５図は従来の半導体ダイヤフラム型圧力セン
サである。図示するように半導体ダイヤフラム素
子１、台座部２、金属ステム３、リード４、ガラ
ス封止体５、リード細線６、金属キヤツプ７とを
有する。

半導体ダイヤフラム素子１はシリコン半導体チ
ツプから成り、平面形状が略正方形状となつてお
り、底面には平面形状が円形の凹部が形成されて
いる。このため、第５図に示すように中心部は層
厚の薄い部分（ダイヤフラム部１１）が形成され
ている。なお、ピエゾ抵抗効果を得るためのブリ
ツジ回路はこのダイヤフラム部に不純物拡散して
形成される。

台座部２は半導体ダイヤフラム素子１と同材の
シリコン単結晶から成り、その形状は四角柱とな
つている。台座部２は中心部分に上面から底面へ
と貫通する空気孔８を有している。台座部２は
Au系の合金半田（図示省略）にて金属ステム３
に固着されている。

台座部２の空気孔８は金属ステム３に設けられ
た空気導入孔９に通じている。台座部２の上面に
は半導体ダイヤフラム素子１がAu系の合金半田
（図示省略）にて固着されており、空気孔８の上
部は半導体ダイヤフラム素子１にて封止されてい
る。

金属ステム３の上面にはカツプ形状の金属キヤ
ツプ７が固着されており、半導体ダイヤフラム素
子１は金属キヤツプ７および金属ステム３から成
るパツケージ１０の内部に収容される。ここでパ
ツケージ１０の内部は低圧雰囲気（１×10^-5torr
程度）となつている。これにより、半導体ダイヤ
フラム素子１は上面がパツケージ１０の内部の低
圧雰囲気に接しており、下面は空気孔８および空
気導入孔９を通じて外気雰囲気に接している。

金属ステム３にはリード挿入用孔１４が設けら
れており、リード挿入用孔１４にはガラス封止体
５を介してリード４が貫通している。リード４と
半導体ダイヤフラム素子１の上面の電極（図示せ
ず）とはリード細線６にて電気的に接続されてい
る。被測定圧力はパイプ５０を通じてダイヤフラ
ム部１１の下面に加えられる。

［解決すべき問題点］ この種の圧力センサは半導体ダイヤフラム素子
１の固着された台座部２を330℃程度に加熱した
金属ステム３にAu系合金半田（図示せず）を介
して固着する製造方法をとつている。上記の金属
ステム３と半導体ダイヤフラム素子１の固着され
た台座部２から成る形成体は固着後に周囲雰囲気
に置かれるため、その際の温度低下により、台座
部２と金属ステム３の熱膨張係数の差異による熱
応力が台座部２と金属ステム３の間に生じる。こ
の熱応力が台座部２を通じて半導体ダイヤフラム
素子１に加わるとダイヤフラム部１１に歪みが生
じる。これは出力電圧に誤差を与える原因となり
望ましくない。

そこで、上述の問題を解決するため、例えば特
開昭57−161528号公報では台座部２の高さ方向の
一部に部分的にその断面積が小さくなる部分を形
成した圧力センサが開示されている。この構造に
よると台座部２を高く形成することなく熱応力の
緩和に効果が得られる。

この種の圧力センサでは、第５図に示すように
台座部２の外周部に凹部１２を形成して小断面積
部分を形成したものがある。上記のような構造と
することで熱応力の緩和の効果は得ることができ
た。しかし、特性及び信頼性の点では問題があつ
た。

即ち、半導体ダイヤフラム素子１のリード細線
６接続用の電極は肉薄のダイヤフラム部１１の外
周の肉厚部分１３の上面に設けられているのが一
般的である。ところが、第５図より明らかなよう
に肉厚部１３の下方にはちようど凹部１２が位置
している。このため、ワイヤボンデイング時の押
圧力（特に肉厚部の上部から下方へと加わる力）
にて、ダイヤフラム部１１に歪みが加わり易いと
考えられる。これは、出力電圧に誤差を与える原
因となり望ましくない。以上のように従来の圧力
センサでは特性、信頼性の点で問題があつた。

そこで、本考案は熱応力の緩和効果およびワイ
ヤボンデイング時の応力緩和効果がともに得ら
れ、特性、信頼性のいずれにも優れた圧力センサ
を提供することを目的とする。

［問題解決のための手段］ 本考案の圧力センサは、凹部によりダイヤフラ
ム部が略円形又は略正多角形に形成された略正方
形の主面を有する半導体ダイヤフラム素子と、半
導体ダイヤフラム素子の主面に固着され且つ半導
体ダイヤフラム素子と略熱膨張係数の等しい材質
から成る台座部とを備えている。台座部の外周部
に形成された略環状の溝部の底部は主面と並行な
平面上で凹部と略相似形状を成す。凹部の周縁部
と半導体ダイヤフラム素子の外周部との最短距離
をｌとすると、凹部の周縁部の下方延長部と溝部
の底部との最短距離が（2/5）ｌ〜（3/5）ｌで表
される位置に溝部の底部が形成される。半導体ダ
イヤフラム素子の４つの角部の各々に形成され且
つリード細線が接続される電極のダイヤフラム部
側の端部は、溝部の底部の上方又は底部よりダイ
ヤフラム部側で且つ凹部の周縁部より外側に配置
される。ワイアボンデイングされる電極を溝部の
底部の上方近傍からダイヤフラム部側に配置する
ので、ワイアボンデイング時にダイヤフラム部に
加わる応力を緩和することができ、特性の劣化を
防止できる。

［作用］ 凹部の周縁部と半導体ダイヤフラム素子の外縁
部との最短距離をｌとしたとき、凹部の周縁部の
直下にあたる位置と溝部の底部との距離が（2/5）
ｌ〜（3/5）ｌに設定されることで、熱応力によ
る歪み及びワイヤボンデイング時の応力の発生が
緩和され、特性、信頼性ともに優れた圧力センサ
が得られる。

ワイヤボンデイングされる電極を溝部の底部の上
方近傍からダイヤフラム部側に配置するので、ワ
イヤボンデイング時にダイヤフラム部に加わる応
力を緩和することができ、特性の劣化を防止でき
る。

［実施例］ 第１図は本考案の一実施例である圧力センサを
示すものである。本実施例の従来例と異なる点は
半導体ダイヤフラム素子２１と台座部２２から成
る組立体２３の構造にある。以下、本実施例につ
いて詳述するが、従来例と同一の箇所については
同一の符号を付しその説明を省略する。

半導体ダイヤフラム素子２１はシリコン半導体
基板に基づいて形成されており、その平面形状は
正四角形となつている。底面の中央部にはエツチ
ングにより形成された平面形状が円形の凹部２４
が設けられており、これにより平面形状が円形状
の肉薄部（ダイヤフラム部）２５が得られてい
る。ダイヤフラム部２５の外周には肉厚部２６が
形成されており、肉厚部２６の底面は台座部２２
への固着部２７として作用する。（第２図参照） 台座部２２は角柱形状であり、その中心部には
ダイヤフラム部２５より小さい径の円形状の空気
孔２８が設けられている。空気孔２８は台座部２
２の上面から底面へと貫通している。台座部２２
は平面形状が正四角形となつており、その大きさ
は半導体ダイヤフラム素子２１と略一致してい
る。

台座部２２の外周には溝部２９が環状に設けら
れている。溝部２９は台座部２２の高さ方向の中
央部分に形成されている。本実施例では台座部２
２の高さｈは2.5mm、溝部２９の幅Ｗ１は0.6mm、
溝部２９の上側及び下側の台座部２２の厚さＷ
２，Ｗ３は0.95mmとなつている。

半導体ダイヤフラム素子２１は台座部２２の上
面と固着部２７において固着される。なお、固着
にはAu系合金半田が使用されるが図示は省略す
る。このとき、半導体ダイヤフラム素子２１の外
周面は台座部２２の外周面の略延長線上に位置す
るように固着される。

第３図に組立体２３の平面図を示す。また第２
図は第３図の−断面図である。これらの図よ
り明らかなように、台座部２２の溝部２９の底部
３０は固着部２７の中央の下部に位置している。
つまり−断面における固着部２７の長さ（固
着部２７のダイヤフラム部２５側の端部と半導体
ダイヤフラム素子２１の外周側の端部とを結ぶ最
短距離となる長さ）をｌとすると、底部３０はダ
イヤフラム部２５側の端部の下部にあたる位置よ
りも1/2lだけ台座部２２の外周側に偏在してい
る。

底部３０は半導体ダイヤフラム素子２１の主面
方向から透視したときダイヤフラム部２５と同心
状に、かつ、相似形状に形成される。したがつ
て、半導体ダイヤフラム素子２１の対抗する頂部
を結ぶ断面（第３図−断面）では第４図のよ
うに溝部２９は深く形成されている。

リード細線６の接続される電極３１は第３図の
ように半導体ダイヤフラム素子２１の頂部近傍の
肉厚部２６の上面に形成されており、そのダイヤ
フラム部２５側の端部は溝部２９の底部３０の略
上方にあるか又は底部３０の上方よりもさらにダ
イヤフラム部２５側で且つ凹部２４の周縁部より
外側に配置される。

本実施例の圧力センサは以下のような効果を有
する。

溝部２９の底部３０が半導体ダイヤフラム素子
２１の固着部２７の中心の下方に位置する。この
ため、ワイヤボンデイングされる電極３１を底部
３０の上方の近傍に位置させることができる。こ
のためワイヤボンデイング時にダイヤフラム部２
５に加わる応力を緩和することができる。これに
より、ダイヤフラム部２５に支障をきたすような
応力が加わることなく初期特性（例えばオフセツ
ト電圧等）を良好にすることができた。同時に長
期間の使用後もその特性に低下をきたすことがな
かつた。

また、熱応力緩衝の効果も第５図に示す従来の
圧力センサと同等もしくはそれ以上の効果を得る
ことができた。

本実施例では底部３０の位置をダイヤフラム部
２５側の端部から1/2ｌだけ外周方向に偏在させ
ているが、2/5〜3/5ｌの部分に位置させてもよ
い。ただし、熱応力緩衝の効果は1/2ｌのところ
が最も良好であつた。また、溝部２９は台座部２
２の高さをｈとすると、その底部３０の中心が金
属ステム３との固着面から0.2h〜0.6hのところが
望ましい。但し、ワイヤボンデイング時の応力緩
和の効果を充分に得るため、台座部２２の溝より
上部の厚みＷ２は0.7mm程度、下部の厚みＷ３は
0.2mm程度に保つのが望ましい。

［変形例］ (1) 溝部２９の形状は⊃の字形状、Ｖ字形状であ
つてもよい。

(2) ダイヤフラム部２５の形状は円形のほか、正
四角形、正八角形等の正多角形であつてもよ
い。

［効果］ 上述のように、本考案によれば半導体ダイヤフ
ラム素子に伝達される熱応力を緩和できるととも
に、ワイヤボンデイング時にダイヤフラム部に加
わる機械的衝撃を有効に緩和できる。これによ
り、特性および信頼性に優れた圧力センサを提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例の側断面図、第２図
は第３図の−断面図、第３図は本考案の一実
施例の組立体の平面図、第４図は第３図の−
断面図、第５図は従来例の側断面図である。 ２１……半導体ダイヤフラム素子、２２……台
座部、２３……組立体、２４……凹部、２５……
ダイヤフラム部、２６……肉厚部、２７……固着
部、２８……空気孔、２９……溝部、３０……底
部。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 凹部によりダイヤフラム部が略円形又は略正多
   角形に形成された略正方形の主面を有する半導体
   ダイヤフラム素子と、該半導体ダイヤフラム素子
   の前記主面に固着され且つ前記半導体ダイヤフラ
   ム素子と略熱膨張係数の等しい材質から成る台座
   部とを備え、該台座部の外周部に形成された略環
   状の溝部の底部が、前記主面と並行な平面上で前
   記凹部と略相似形状を成す圧力センサにおいて、 前記凹部の周縁部と前記半導体ダイヤフラム素
   子の外周部との最短距離をｌとすると、前記凹部
   の周縁部の下方延長部と前記溝部の底部との最短
   距離が（2/5）ｌ〜（3/5）ｌで表される位置に前
   記溝部の底部が形成され、 前記半導体ダイヤフラム素子の４つの角部の
   各々に形成され且つリード細線が接続される電極
   の前記ダイヤフラム部側の端部は、前記溝部の底
   部の上方又は該底部より前記ダイヤフラム部側で
   且つ前記凹部の周縁部より外側に配置されること
   を特徴とする圧力センサ。