JPH07280679A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡単な構成で、測定精度が高く、しかも安価
な圧力センサを提供すること。 【構成】 シリコン等の半導体のセンサ素子１０のダイ
ヤフラム１０ａの周囲に、厚肉部１３を介して、このダ
イヤフラム１０ａを囲むように薄肉部１５を一体に形成
する。薄肉部１５の外側に、センサ素子１０の脚部１１
が形成され、このセンサ素子１０が取り付けられる取付
面１２ａに，脚部１１が接合されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、流体圧力を半導体ダ
イヤフラムに導いてその歪を電気的に検出し、圧力の値
を電気的出力として得る圧力センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体圧力センサとして、ピエゾ
抵抗効果を利用したシリコンダイヤフラムがた圧力セン
サがある。この半導体圧力センサは、図８に示すよう
に、半導体のセンサ素子１０の脚部１１が、センサケー
ス１２の取付面１２ａに、シリコン樹脂等の接着剤１４
により固定されている。この取付面１２ａは平面状に形
成され、接着剤１４は、センサ素子１０を取り付ける際
の摺り合わせ作業及び表面張力により、図示するよう
に、脚部１１の側面に摺り上がって固化する。また、セ
ンサケース１２には、圧力導入孔１６が形成され、この
圧力導入孔１６から被測定ガスの圧力が導入されれる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の技術の場
合、高感度な圧力センサはセンサ素子１０のダイヤフラ
ム１０ａの厚さが１０μｍ程度であり、接着剤１４が硬
化した際の残留応力がこの薄いダイヤフラム１０ａに歪
を与え、センサ素子１０とセンサケース１２との熱膨張
係数の差により、測定特性を損なわせるという問題があ
った。また、この出力特性の補正を回路的に行うには、
回路が複雑となり、センサの価格の上昇につながるとい
う問題がある。

【０００４】一方、このようにセンサ素子１０の取付に
よる誤差の発生を避けるために、図９に示すように、セ
ンサケース１２に特別の台座１８を介してセンサ素子１
０を固定したものもある。この台座１８は、ガラスや、
鉄−ニッケル系合金に金メッキしたもの等である。この
台座１８とセンサ素子との接合は、金メッキを溶融し、
シリコンと鉄−ニッケル系合金の台座１８とを共晶結合
させたり、陽極接合するものである。しかしながら、こ
の図９に示す圧力センサの場合、測定値の温度特性は良
くなるが、製造工数及びコストがより高いものとなると
いう欠点がある上、接着剤１４の硬化による歪や、温度
変化による特性の変動は、十分には抑えられないもので
あった。

【０００５】この発明は、上記従来の技術の問題点に鑑
みて成されたもので、簡単な構成で、測定精度が高く、
しかも安価な圧力センサを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は、シリコン等
の半導体のセンサ素子のダイヤフラムの周囲に、厚肉部
を介して、このダイヤフラムを囲むように薄肉部を一体
に形成し、この薄肉部の外側に、センサ素子の脚部が形
成され、このセンサ素子が取り付けられる取付面に上記
脚部が、シリコン樹脂やエポキシ樹脂等の接着剤により
接合されている圧力センサである。上記薄肉部は、上記
ダイヤフラムとほぼ等しい厚さまたはダイヤフラムより
厚い厚みで、上記ダイヤフラムを囲む連続した溝の底部
により形成されたものである。また、上記ダイヤフラム
及び薄肉部の周縁部は、上記センサ素子の外周縁部に対
して４５度傾いた状態で形成されたものである。

【０００７】

【作用】この発明の圧力センサは、そのダイヤフラムと
脚部との間に薄肉部が形成され、脚部がセンサケース等
の取付面に接合された状態で、接着剤の硬化歪等による
応力がセンサ素子に生じたとしても、その応力は、薄肉
部で吸収され、ダイヤフラムに歪を生じさせることがな
いものである。

【０００８】

【実施例】以下この発明の実施例について図面に基づい
て説明する。図１〜図３はこの発明の第一実施例を示す
もので、この実施例の圧力センサは、シリコン半導体の
センサ素子１０を有し、センサ素子１０は、圧力を検知
するダイヤフラム１０ａと、脚部１１とから成る。ダイ
ヤフラム１０ａは、例えば１０μｍ程度の厚さに形成さ
れ、表面に圧力検知用の歪ゲージである拡散抵抗部が形
成されている。そして、センサ素子１０の脚部１１は、
エポキシ樹脂等の樹脂製のセンサケース１２に直接、ま
たはセンサケース１２に固定された取り付け台座の取付
面１２ａに、シリコンゴムやシリコン樹脂、エポキシ樹
脂等の接着剤１４によって、周囲に対して気密状態で接
合固定されている。この取付面１２ａの中央部には、被
測定ガスの圧力をセンサ素子１０の内側へ導く圧力導入
孔１６が形成されている。

【０００９】この実施例のセンサ素子１０のダイヤフラ
ム１０ａの周囲には、ダイヤフラムを囲むように厚肉部
１３が形成され、この厚肉部１３の周囲に、さらに、こ
れを囲むように、薄肉部１５が一体に形成されている。
そして、この薄肉部１５の外側に、センサ素子１０の脚
部１１が形成されている。薄肉部１５は、上記ダイヤフ
ラム１０ａとほぼ等しい厚さ、またはダイヤフラム１０
ａより厚い厚みで、ダイヤフラム１０ａを囲む連続した
溝の底部により形成されたものある。

【００１０】このセンサ素子１０のダイヤフラム１０ａ
及び薄肉部１５の形成は、従来のダイヤフラムの形成と
同様に、エッチングにより行うものである。従って、エ
ッチングされる方向がシリコンの結晶構造に依存し、所
定の方向にのみエッチング可能なものである。この実施
例では、例えば、図２のように、ダイヤフラム１０ａの
周囲に同心的に薄肉部１５を形成するものである。

【００１１】このセンサ素子１０が取り付けられたセン
サケース１２は、図３に示すように、リードフレームの
リード端子２４がインサート成型されて設けられ、セン
サケース１２の両側から３本づつのリード端子２４が延
び出ている。リード端子２４の基端部は、センサケース
１２内でボンディングパッド２５として形成され、セン
サ素子１０の電極部と金線２７によりワイヤボンディン
グされている。また、センサケース１２には、圧力導入
孔１６を有した圧力導入筒２６が一体に形成され、セン
サ素子１０の裏面側と圧力を導入する。さらに、この実
施例では、センサケース１２の底面開口部は、６６ナイ
ロン等の樹脂製の蓋体３０が接着されて覆われ、この蓋
体３０には、センサ素子１０の一方の側の空間を大気圧
と等しくする大気圧導入口３２が形成されている。

【００１２】この実施例の圧力センサのセンサ素子１０
の取り付け方法は、先ず、センサケース１２の取付面１
２ａ上に、接着剤１４を塗布する。そして、この接着剤
１４上にセンサチップ１０の脚部１１の裏面を当接さ
せ、センサチップ１０を取付面１２ａに沿ってわずかに
縦横に移動させ、接着剤を脚部１１の裏面と取付面１２
ａの表面とに馴染ませ、硬化させる。る。この時、厚肉
部１３の裏面側には接着剤１４が付着しないようにす
る。

【００１３】この実施例の圧力センサを、上記従来の圧
力センサと比較した結果を表１に示す。この実施例で
は、センサケース１２にＳＵＳ３０４で形成された台座
を介して、センサ素子１０が固定されたものである。Ｓ
ＵＳ３０４の熱膨張係数は、１．１×１０^-5／℃、シリ
コンウエハの熱膨張係数は、３．０×１０^-6／℃であ
る。また、接着剤１４は、シリコン系接着剤を用いた。

【００１４】そして、圧力センサの特性の変動を、温度
ドリフト、熱ヒステリシス、温度曲がりの観点で各々測
定した。ここで、温度ドリフトは、温度−３０℃と６０
℃の出力電圧の変動量で、以下の式に示すように求めた
ものである。 温度ドリフト＝Ｖ（６０℃）−Ｖ（−３０℃） 式（１） ここで、Ｖ（６０℃）は、６０℃での出力電圧、Ｖ（−
３０℃）は、−３０℃での圧力センサの出力電圧であ
る。熱ヒステリシスは、下限−３０℃上限６０℃、基準
温度２５℃としたときに、２５℃，−３０℃，２５℃，
６０℃，２５℃の順に温度を変えたときの、２５℃での
出力電圧の最大値と最小値の差である。また、温度曲が
りは、−３０℃，２５℃，６０で測定したこの圧力セン
サの各出力値を以下の式に入れ計算して求めた電圧値の
差である。 温度曲がり＝Ｖ（２５℃）−［｛Ｖ（−３０℃）−Ｖ（６０℃）｝／（−３０ −６０）×｛２５−（−３０）｝＋Ｖ（−３０℃）］ 式（２） 各センサの印加電圧は３Ｖ、サンプル数は、１０個であ
りその平均値を求めた。また、表１において、各値の単
位はｍＶである。

【００１５】

【表１】

【００１６】この実施例の圧力センサによれば、センサ
素子１０のダイヤフラム１０ａが薄肉部１５を介して、
脚部１１と一体に形成され、センサケース１２の取り付
部１２ａに脚部１１が固定された際に、その接着剤１４
等によりセンサ素子１０に歪を生じさせても、その歪を
薄肉部１５が吸収し、ダイヤフラム１０ａに無用な歪や
応力を生じさせないものである。従って、表１に示すよ
うに、温度ドリフト及び熱ヒステリシスについては、従
来のものとあまり変わらないが、温度曲りに関して、大
きな効果が得られたものである。

【００１７】次に、この発明の第二実施例について、図
４を基にして説明する。ここで、上記実施例と同様の部
材は同一符号を付して説明を省略する。この実施例は、
センサ素子１０のダイヤフラム１０ａの四方の各々独立
した薄肉部１５を形成したものである。これによっても
上記実施例と同様の効果を得ることができる。

【００１８】次に、この発明の第三実施例について、図
５を基にして説明する。ここで、上記実施例と同様の部
材は同一符号を付して説明を省略する。この実施例は、
上記第二実施例のセンサ素子１０を４５度回転させた方
向にセンサ素子１０をカットして形成したものである。
従って、ダイヤフラム１０ａ及び薄肉部１５の面方向の
エチング位置が、センサ素子１０の側縁部に対して、４
５度の角度に形成されている。

【００１９】これによっても上記実施例と同様の効果を
得ることができる。また、この実施例のようにセンサ素
子１０をシリコンウエハからカットし、エチングするこ
とにより、ダイヤフラム１０ａの面積を等しく取る場
合、薄肉部１５の形状を小さくすることができ、センサ
素子１０の外形を最も小さくすることが可能なものであ
る。

【００２０】次に、この発明の第四実施例について、図
６を基にして説明する。ここで、上記実施例と同様の部
材は同一符号を付して説明を省略する。この実施例は、
薄肉部１５を、ダイヤフラム１０ａを囲むようにＬ字状
に４個形成したものである。これによっても上記実施例
と同様の効果を得ることができる。

【００２１】次に、この発明の第五実施例について、図
７を基にして説明する。ここで、上記実施例と同様の部
材は同一符号を付して説明を省略する。この実施例は、
矩形の薄肉部１５を、ダイヤフラム１０ａを囲むように
８個形成したものである。これによっても上記実施例と
同様の効果を得ることができる。

【００２２】尚、この発明の圧力センサは、上記の実施
例に限定されるものではなく、薄肉部形状は、任意に設
定可能なものであり、ダイヤフラム１０ａの２側面にの
み形成したものでも良い。

【００２３】

【発明の効果】この発明の圧力センサは、センサ素子の
ダイヤフラムの外周部にセンサ素子と一体に、厚肉部を
介して薄肉部が形成され、センサ素子の脚部を介して加
わる外力をこの薄肉部が吸収し、ダイヤフラムには、歪
が生じないようにしたものである。従って、高精度な測
定が可能であり、温度変化に対しても特性が変わらず、
安定した精密な測定が可能となるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第一実施例の圧力センサの部分拡大
縦断面図である。

【図２】この第一実施例のセンサ素子の底面図である。

【図３】この第一実施例の圧力センサの縦断面図であ
る。

【図４】この発明の第二実施例の圧力センサのセンサ素
子の底面図である。

【図５】この発明の第三実施例の圧力センサのセンサ素
子の底面図である。

【図６】この発明の第四実施例の圧力センサのセンサ素
子の底面図である。

【図７】この発明の第五実施例の圧力センサのセンサ素
子の底面図である。

【図８】従来の圧力センサの部分拡大縦断面図である。

【図９】従来の他の圧力センサの部分拡大縦断面図であ
る。

【符号の説明】

１０ センサ素子 １０ａ ダイヤフラム １１ 脚部 １２ センサケース １２ａ 取付面 １３ 厚肉部 １４ 接着剤 １５ 薄肉部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体のセンサ素子に形成されたダイヤ
   フラムの周囲に、厚肉部を介してこのダイヤフラムを囲
   むように薄肉部を一体に形成し、この薄肉部の外側に、
   センサ素子の脚部が一体に形成され、このセンサ素子が
   取り付けられる部材の取付面に上記脚部が接合される圧
   力センサ。
2. 【請求項２】 上記薄肉部は、上記ダイヤフラムを囲む
   ように形成された溝の底部により形成されたものである
   請求項１記載の圧力センサ。
3. 【請求項３】 上記薄肉部は、上記ダイヤフラムとほぼ
   等しいかわずかに厚い厚みに形成されたものである請求
   項１又は２記載の圧力センサ。
4. 【請求項４】 上記ダイヤフラム及び薄肉部の周縁部
   は、上記センサ素子の外周縁部に対して４５度傾いた状
   態で形成された請求項１，２又は３記載の圧力センサ。