JPH08226860A - 高圧センサ構造物とその製造方法 - Google Patents

高圧センサ構造物とその製造方法

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JPH08226860A
JPH08226860A JP7298852A JP29885295A JPH08226860A JP H08226860 A JPH08226860 A JP H08226860A JP 7298852 A JP7298852 A JP 7298852A JP 29885295 A JP29885295 A JP 29885295A JP H08226860 A JPH08226860 A JP H08226860A
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cavity
high pressure
diaphragm
thickness
membrane
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Mahesh Shah
マーエシュ・シャー
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高圧センサ構造物とその製造方法が提供され
る。 【解決手段】 高圧センサ構造物１１，１１１，２１１
は、上部空洞部分１３，１１３，２１３と下部空洞部分
１６，１１６，２１６を有するハウジング１２，１１
２，２１２を含む。隔膜１８，１１８，２１８は、上部
空洞部分１３，１１３，２１３を下部空洞部分１６，１
１６，２１６から分離する。半導体チップ２６，１２
６，２２６は、上部空洞部分１３，１１３，２１３内の
隔膜１８，１１８，２１８の上部表面に付着される。隔
膜１８，１１８，２１８は、厚さ２１，１２１，２２１
と露出幅２３，１２３，２２３を有して、隔膜１８，１
１８，２１８の下部表面が高圧環境に露出される時に、
半導体チップ２６，１２６，２２６が、測定可能な出力
信号を生成するようにする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は個体圧力センサに関し、
さらに詳しくは高圧を検出する構造物に関する。
【０００２】
【従来の技術】個体圧力検出装置は周知のものであり、
今日では、シリコンのピエゾ抵抗特性に基づき、多くの
用途で使用されている。高圧検出装置、すなわち、約１
４，０００キロパスカル（ｋＰａ）（約２０００ポンド
／平方インチ（ｐｓｉ））までの圧力を検出できる装置
は通常、隔膜を形成するために、空洞蝕刻（cavity etc
hed ）シリコン・ダイによって構成される。シリコン・
ダイは、シリコン・ダイを高圧環境から分離する金属障
壁を含むパッケージ内に収納される。この金属障壁は、
シリコン・ダイから一定の距離を開けて配置されて、チ
ャンバを形成する。このチャンバは、シリコン・オイル
で満たされ、これは、金属障壁とともに、トランスファ
（transfer）媒体の働きをする。
【０００３】高圧検出装置が高圧環境に暴露される場合
には、金属障壁はシリコン・ダイ方向に変位して、シリ
コン・オイルの変位、ひいては、隔膜内の変位を引き起
こす。隔膜が変位すると、電気的出力信号が生成され、
この信号の大きさは、ピエゾ抵抗材料の応力の量の関数
となる。
【０００４】既存の高圧検出装置にはいくつかの不利な
点がある。第１に、これらは、空洞蝕刻シリコン・ダイ
を使用しており、これはエッチングされた隔膜の脆い性
質のために、応力関連の障害を被りやすい。また、シリ
コン・ダイに空洞を形成するのに高価な加工工程が必要
とされる。加えて、既存の高圧検出装置は、シリコン・
オイルの熱膨張特性のために、動作温度の範囲が限定さ
れる。昇温では、シリコン・オイルが膨張して金属障壁
に圧力をかけ、金属障壁に加わった外圧のために、シリ
コン・ダイは、不正確な外圧を検出する。また、シリコ
ン・オイルは多くのダイ付着材料と適合性が悪く、その
結果信頼性に問題がある。さらに、既存の高圧検出装置
では、製造業者は、装置間のばらつきを最低限に抑え
て、量産ベースで信頼性のある装置を製造するために、
金属障壁，シリコン・オイル，およびシリコン・ダイの
許容差を制御する必要がある。このため、製造コストが
大幅に上昇する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】したがって、１４，０
００ｋＰａレンジまでの範囲の圧力を正確に測定でき、
空洞蝕刻半導体ダイを利用せず、また金属障壁／シリコ
ン・オイルのトランスファ媒体の必要性を排除し、コス
ト効果の高い、高圧検出装置に対する必要性が存在す
る。
【０００６】
【実施例】本発明による高圧センサ構造物は、図１から
図３を参照してより良く把握できる。図１は、約１４，
０００ｋＰａ（約２０００ｐｓｉ）までの高圧を検出す
る高圧センサ構造物または装置１１の断面図を示す。セ
ンサ構造物１１は、ハウジング、または空洞を含む構造
物１２によって構成される。ハウジング１２は、射出成
形モールド・プラスチックによって構成されるのが望ま
しく、周知の加工技術を用いて形成される。ガラス繊維
入りプラスチック，液晶ポリマー（ＬＣＰ），またはガ
ラス繊維入りポリフェニレン・スルフィド（ＰＰＳ）な
どの高強度のエンジニアリング・プラスチックが使用さ
れる。
【０００７】ハウジング１２は、上部空洞または部分１
３および下部空洞または部分１６を含む。圧力導入部分
または隔膜１８は、ハウジング１２の内部にあって、上
部空洞１３を下部空洞１６から分離している。下部空洞
部分１６は、円形もしくは円筒形の形状を有することが
望ましい。下部空洞１６の外側表面１７は、たとえば、
３／４”National Pipe Thread（ＮＰＴ）などのねじ付
き形状で示されている。外側表面１７は、個々の用途の
要求条件に応じて変化する。
【０００８】図１に示すように、隔膜１８はプラスチッ
クによって構成され、射出成形工程の間に、ハウジング
１２と共に一体的に形成される。隔膜１８は厚さ２１を
有し、この厚さは、隔膜１８の下部表面の露出部分の、
隔膜１８の露出幅またはフリー・スパン（free span ）
２３にわたって実質的に一様であることが望ましい。セ
ンサ構造物１１はさらに、上部空洞１３内の隔膜１８の
上部表面に付着された半導体チップまたは検出チップ２
６によって構成される。半導体チップ２６は、接合層２
７の上部表面に付着されるのが望ましい。接合層２７
は、熱プラスチック，エポキシ，またはポリイミドなど
のダイ接着剤によって構成されるのが望ましい。接合層
２７は、約０．１ｍｍ（約４ｍｉｌｓ）のオーダーの厚
さを有することが望ましい。半導体チップ２６は、上部
表面に対して実質的に中央に付着されるのが望ましい。
【０００９】半導体チップ２６は、シリコン・トランス
デューサ（transducer）によって構成されるのが望まし
く、これは、非補償形（検出出力専用），補償形（検出
出力と温度および／またはオフセット補償）または集積
形（信号処理を提供）である。半導体チップ２６は、技
術上周知の従来の加工技術を用いて形成される。半導体
チップ２６は、空洞蝕刻隔膜を含まず、約０．３から
０．５ｍｍ（約１２から１８ｍｉｌｓ）の範囲のダイの
厚さを有することが望ましい。接合パッド３８は、半導
体チップ２６の上に形成される。以下に詳細に説明する
ように、隔膜１８の厚さ２１と露出幅２３は、半導体チ
ップ２６が、過度の応力，ひび割れを生じず、または半
導体チップ２６，ハウジング１２，および／または隔膜
１８に障害を与えない特定の高圧範囲内で、測定可能な
電気信号を生成するように選択される。
【００１０】センサ構造物１１はさらに、半導体チップ
２６を外部の測定システムと電気的に結合するために、
導電結合構造物を含む。導電結合構造物は、ワイヤ・ボ
ンドまたは導電ワイヤ３１と、導線３２を含むことが望
ましい。導線３２の少なくとも一部分はハウジング１２
と一体になっているのが望ましい。１個のワイヤ・ボン
ドと１個の導線のみが示される。導線３２はそれぞれ外
部接続端部３６と、接合ポスト端部３７を有する。ワイ
ヤ・ボンド３１はそれぞれ、一方の端部は半導体チップ
２６上の接合パッド３８の中の１つと結合され、反対側
の端部は接合ポスト端部３７と結合される。ハウジング
１２は、選択的（optional）コネクタ３９と共に示さ
れ、これは、ハウジング１２と一体的に形成されるのが
望ましい。コネクタ３９は、標準のはめ込み式電気ケー
ブル・コネクタがはまるように設計される。
【００１１】保護層４１は、少なくとも半導体チップ２
６とワイヤ・ボンド３１をカバーするのが望ましい。保
護層４１は、有機もしくは無機パッシベーション材料に
よって構成されるのが望ましい。例としては、シリコン
・ゲル，Parylene（コネチカット州ダンバリーのUnion
Carbide Co. から入手可能），窒化シリコン，または炭
化シリコンが含まれる。エンクロージャまたは蓋４３は
上部空洞１３をカバーし、接着層４４を用いて、ハウジ
ング１２に付着される。接着層４４は、一方または両方
がエポキシによって構成されるのが望ましい。エンクロ
ージャ４３は、プラスチック，金属，セラミックまたは
複合材料によって構成される。エンクロージャ４３は、
製品の識別マーキングに対応して固定できる材料によっ
て構成されるのが望ましい。エンクロージャ４３は、レ
ーザーによるマーキング方式が使用される場合には、金
属またはプラスチックによって構成されるのが望まし
い。センサ構造物１１は、自動車のブレーキ・ライン・
システムなどの高圧環境または高圧媒体内に配置される
場合には、下部空洞１６は、下部空洞１６内の開口部４
７が、高圧環境に暴露される形で配置される。高圧媒体
が隔膜１８の下部表面と接触し、これにより矢印４９の
方向に隔膜１８を変位させる。この変位によって半導体
チップ２６は応力を受ける。この応力によって、半導体
チップ２６は、加えられた圧力の関数である出力信号を
生み出す。出力信号は、出力信号を処理するために設計
された、電子エンジン制御モジュールなどの外部測定も
しくはモニタリング・システムに送られる。
【００１２】センサ構造物１１に過度の応力を与えず
に、０から３，４００ｋＰａ（０から５００ｐｓｉ）の
範囲の圧力を測定するセンサ構造物１１の好適な実施例
では、隔膜１８の厚さ２１は約１．０ｍｍ（約４０ｍｉ
ｌ）、露出幅２３は約７．５ｍｍ（約３００ｍｉｌ）で
ある。０から６，８００ｋＰａ（０から１０００ｐｓ
ｉ）の範囲の圧力を検出するセンサ構造物１１の場合に
は、厚さ２１は約１．５ｍｍ（約６０ｍｉｌｓ）、露出
幅２３は約７．５ｍｍ（約３００ｍｉｌｓ）である。０
から１４，００ｋＰａ（０から２０００ｐｓｉ）の範囲
の圧力を検出するセンサ構造物１１の場合には、厚さ２
１は約１．５ｍｍ（約６０ｍｉｌｓ）、露出幅２３は約
６．０ｍｍ（約２４０ｍｉｌｓ）である。
【００１３】センサ構造物１１は隔膜１８を利用し、こ
れは半導体チップ２６の外部に位置するので、半導体チ
ップ２６は、空洞蝕刻隔膜を必要としない。これは、高
圧でのダイ関連の応力障害が減少するので、センサ構造
物１１の信頼性を向上する。加えて、高価な加工工程が
排除されるので、半導体チップの製造コストが削減す
る。センサ構造物１１は、金属障壁／シリコン・オイル
のトランスファ媒体の必要性を排除し、これによりコス
トを節減し、広い温度範囲にわたる検出性を向上させ、
デバイス間のばらつきを大幅に減らす。
【００１４】図２は、高圧センサ構造物の別の実施例１
１１を示したものである。センサ構造物１１１は、セン
サ構造物１１と同様、ハウジング１１２によって構成さ
れ、これは上部空洞部分または上部部分１１３と、下部
空洞部分または下部部分１１６を有する。ハウジング１
１２はプラスチックで構成されるのが望ましく、周知の
射出成形技術を用いて形成されるのが望ましい。下部空
洞部分１１６の外側表面１１７はねじ付き形状で示され
る。この形状は、個々の用途の要求条件に応じて変化す
る。
【００１５】隔膜１１８は、上部空洞部分１１３を下部
空洞部分１１６から分離する。この実施例では、隔膜１
１８は、金属挿入物によって構成され、これは、射出成
形中にハウジング１１２内に埋め込まれるのが望まし
い。隔膜１１８は、リード・フレーム構成で導線１３２
と一体になっている。オプションとして、隔膜１１８
は、導線１３２を含むリード・フレームに付着される。
また、隔膜１１８は、独立した部材でもよい。隔膜１１
８は、Alloy ４２（ペンシルバニア州リーディングのCa
rpenter Technology Co.から入手可能），またはKovar
などの鉄／ニッケル合金によって構成されるのが望まし
い。隔膜１１８は、隔膜１１８の下部空洞１１６側の隔
膜１１８の露出幅またはフリー・スパン１２３にわたっ
て、実質的に一様な厚さ１２１を有する。
【００１６】センサ構造物１１１はまた、隔膜１１８の
上部表面に付着された半導体チップまたはトランスデュ
ーサ１２６によって構成される。半導体チップ１２６は
有機結合層，無機ガラス層，ガラス・フリット（glass
frit）層，半田層などで隔膜１１８と接合されるのが望
ましい。半導体チップ１２６は半導体チップ２６と同様
である。隔膜１１８の厚さ１２１と露出幅１２３は、半
導体チップ１２６が、過渡の応力を半導体チップ１２
６，ハウジング１２１，および／または隔膜１１８にか
けずに、所望の圧力の範囲内で検出可能な出力信号を作
るように選択される。図２の素子番号１３１から１４９
は、図１の素子番号３１から４９に対応し、冗長性を避
けるためにここでは説明しない。
【００１７】過度の応力をセンサ構造物１１１に加えず
に、０から３，４００ｋＰａ（０から５００ｐｓｉ）の
範囲の温度を測定するセンサ構造物１１１の好適な実施
例では、隔膜１１８の厚さ１２１は約０．５ｍｍ（約２
０ｍｉｌｓ）、露出幅１２３は約７．５ｍｍ（約３００
ｍｉｌｓ）が望ましい。０から６，８００ｋＰａ（０か
ら１０００ｐｓｉ）の範囲の圧力を検出するセンサ構造
物１１１の場合には、厚さ１２１は約０．８ｍｍ（約３
０ｍｉｌｓ）、露出幅１２３は約６．０ｍｍ（約２４０
ｍｉｌｓ）である。０から１４，０００ｋＰａ（０から
２０００ｐｓｉ）の範囲の圧力を検出するセンサ構造物
１１１の場合には、厚さ１２１は約１．０ｍｍ（約４０
ｍｉｌｓ）、露出幅１２３は約６．０ｍｍ（約２４０ｍ
ｉｌｓ）である。
【００１８】図３は、本発明による高圧センサ構造物２
１１のさらなる実施例を断面図で示したものである。セ
ンサ構造物２１１は、上部空洞２１３と下部空洞２１６
を有するハウジング２１２によって構成される。この実
施例では、ハウジング２１２は、セラミック材料によっ
て構成され、プレス加工，焼成加工，機械加工（必要が
あれば）工程などの周知の加工を用いて形成される。下
部空洞２１６の外側表面２１７はねじ付き形状で示され
る。この形状は、個々の用途の要求条件に応じて変化す
る。
【００１９】隔膜２１８は上部空洞部分２１３を下部空
洞部分２１６から分離する。この実施例では、隔膜２１
８は、Alloy ４２またはKovar などの鉄／ニッケル合金
によって構成され、上部空洞部分２１３と下部空洞部分
２１６の間に、接合層２１９を用いてハウジング２１２
と接合されるのが望ましい。接合層２１９は、シーリン
グ・ガラス（sealing glass ），ガラス・フリット，シ
ルバー・ガラス（silver-glass），または有機材料によ
って構成されるのが望ましい。図に示した実施例では、
接合層２１９は、下部空洞部分２１６と同じ側にある。
別の実施例では、接合層２１９は、上部空洞部分２１３
と同じ側にある。この別の実施例では、下部空洞部分２
１６が高圧環境に暴露された時に、圧縮応力が接合層２
１９に加えられる。隔膜２１８は、隔膜２１８の下部空
洞部分２１６側の隔膜２１８の露出幅またはフリー・ス
パン２２３にわたって実質的に一様の厚さ２２１を有す
る。
【００２０】半導体チップまたはトランスデューサ２２
６は、好適には接合層２２７を用いて、隔膜２１８の上
部表面に付着される。半導体チップ２２６は、半導体チ
ップ２６，１２６と同様である。接合層２２７は、接合
層１２７と同様である。隔膜２１８の厚さ２２１と露出
幅２２３は、半導体チップ２２６が、半導体チップ２２
６，ハウジング２１２，および／または隔膜２１８に過
度の応力を与えないで、特定の圧力範囲内で、モニタ可
能な出力応答を生み出すように選択される。厚さ２２１
および露出幅２２３は、センサ構造物１１１に対して前
述のように設定されたのと同じであることが望ましい。
図３の素子番号２３１から２４９は図１の素子番号３１
から４９に対応しており、冗長性を避けるために説明し
ない。センサ構造物１１１より高価ではあるが、センサ
構造物２１１は、一定の危険媒体の圧力検出または高い
動作温度での圧力検出を必要とする用途には好適であ
る。以上から、約１４，０００ｋＰａ（約２０００ｐｓ
ｉ）までの圧力を検出する高圧センサ構造物が提供され
ることが認められよう。この高圧構造物は、内部に、上
部と下部の空洞、圧力導入部分を有するハウジングを含
む。圧力導入部分は、上部空洞と下部空洞とを分離す
る。個体トランスデューサは、上部空洞内の圧力導入部
分の上部表面に付着される。この圧力導入部分の厚さと
露出幅は、トランスデューサが、特定の圧力範囲内で測
定可能な出力信号を生成するように選択される。圧力導
入部分は個体トランスデューサの外部にあるので、空洞
蝕刻トランスデューサの必要性は排除される。これによ
って、製造コストが節減される。加えて、この高圧セン
サ構造物は、金属障壁／シリコン・オイルのトランスフ
ァ媒体の必要性を排除する。
【００２１】これは、温度に対する感度が低く、より費
用効果が高く、装置間のばらつきを削減する高圧センサ
を提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による高圧センサ構造物の一実施例の
断面図を示す。
【図２】 本発明による高圧センサ構造物の別の実施例
の断面図を示す。
【図３】 本発明による高圧センサ構造物のさらに別の
実施例の断面図を示す。
【符号の説明】
１１，１１１，２１１ センサ構造物 １２，１２１，２１２ ハウジング １３，１１３，２１３ 上部空洞 １６，１１６，２１６ 下部空洞 １７，１１７，２１７ 外側表面 ２１，１２１，２２１ 厚さ ２３，１２３，２２３ 露出幅 ２６，１２６，２２６ 半導体チップ ２７，１２７，２２７ 接合層 ３１，１３１，２３１ ワイヤ・ボンド ３２，１３２，２３２ 導線 ３６，１３６，２３６ 外部接続端部 ３７，１３７，２３７ 接合ポスト端部 ３９，１３９，２３９ コネクタ ４１，１４１，２４１ 保護層 ４３，１４３，２４３ エンクロージャ ４４，１４４，２４４ 接着層 ４７，１４７，２４７ 開口部 ４９，１４９，２４９ 矢印 ２１９ 接合層

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 高圧センサ構造物であって：上部空洞
    （１３，１１３，２１３）および下部空洞（１６，１１
    ６，２１６）を有するハウジング（１２，１１２，２１
    ２）；前記上部空洞（１３，１１３，２１３）を前記下
    部空洞（１６，１１６，２１６）から分離する圧力導入
    部分（１８，１１８，２１８）であって、前記圧力導入
    部分（１８，１１８，２１８）は、厚さ（２１，１２
    １，２２１），露出幅（２３，１２３，２２３），上部
    表面および下部表面を有し、前記下部空洞（１６，１１
    ６，２１６）は、前記圧力導入部分（１８，１１８，２
    １８）の前記下部表面を高圧環境に露出する、圧力導入
    部分（１８，１１８，２１８）；前記上部空洞（１３，
    １１３，２１３）内で前記圧力導入部分（１８，１１
    ８，２１８）の前記上部表面に付着された検出チップ
    （２６，１２６，２２６）であって、前記露出幅（２
    ３，１２３，２２３）および前記厚さ（２１，１２１，
    ２２１）は、前記圧力導入部分（１８，１１８，２１
    ８）の前記下部表面が、前記高圧環境に露出された時
    に、前記検出チップ（２６，１２６，２２６）が、測定
    可能な電気信号を生成するように選択される、検出チッ
    プ（２６，１２６，２２６）；前記検出チップ（２６，
    １２６，２２６）と結合された導電結合構造物；および
    前記上部空洞（１３，１１３，２１３）をカバーするエ
    ンクロージャ（４３，１４３，２４３）；によって構成
    されることを特徴とする高圧センサ構造物。
  2. 【請求項２】 半導体チップの外部に位置する隔膜を有
    して、高圧を検出する装置であって：一方の端部が開い
    ていて、外部表面を有する、上部空洞（１３，１１３，
    ２１３）および下部空洞（１６，１１６，２１６）を有
    する空洞を含む構造物（１２，１１２，２１２）；前記
    上部部分（１３，１１３，２１３）を前記下部部分（１
    ６，１１６，２１６）から分離する前記空洞を含む構造
    物（１２，１１２，２１２）内の隔膜（１８，１１８，
    ２１８）であって、前記隔膜（１８，１１８，２１８）
    は、厚さ（２１，１２１，２２１），上部表面，下部表
    面，および露出幅（２３，１２３，２２３）を有し、前
    記厚さ（２１，１２１，２２１）は前記露出幅（２３，
    １２３，２２３）にわたって実質的に一様である隔膜
    （１８，１１８，２１８）；前記上部部分（１３，１１
    ３，２１３）内にあって前記隔膜（１８，１１８，２１
    ８）の前記上部表面に付着された半導体チップ（２６，
    １２６，２２６）であって、前記半導体チップ（２６，
    １２６，２２６）は、複数の接合パッド（３８，１３
    ８，２３８）を有する、半導体チップ（２６，１２６，
    ２２６）；それぞれ接合ポスト端部と外部接続端部を有
    する複数の導線（３６，１３６，２３６）；前記複数の
    接合パッド（３８，１３８，２３８）を前記複数の導線
    （３６，１３６，２３６）と電気的に結合する複数の導
    電ワイヤ（３１，１３１，２３１）；によって構成され
    ることを特徴とする装置。
  3. 【請求項３】 高圧センサ構造物を作る方法であって：
    上部空洞（１３，１１３，２１３），下部空洞（１６，
    １１６，２１６），前記上部空洞（１３，１１３，２１
    ３）を前記下部空洞（１６，１１６，２１６）から分離
    する圧力導入部分（１８，１１８，２１８），および導
    電結合構造物を有するハウジング（１２，１１２，２１
    ２）を設け、前記圧力導入部分（１８，１１８，２１
    ８）は、厚さ（２１，１２１，２２１），露出幅（２
    ３，１２３，２２３），上部表面，および下部表面を有
    し、前記下部空洞（１６，１１６，２１６）は、前記下
    部表面を高圧媒体に露出させる開口部（４７，１４７，
    ２４７）を有する段階；半導体トランスデューサ（２
    ６，１２６，２２６）を前記圧力導入部分（１８，１１
    ８，２１８）の前記上部表面に付着して、前記露出幅
    （２３，１２３，２２３）および前記厚さ（２１，１２
    １，２２１）は、前記下部表面が前記高圧媒体に露出さ
    れる時に、前記半導体トランスデューサ（２６，１２
    ６，２２６）が、出力応答を作るように選択される段
    階；前記半導体トランスデューサ（２６，１２６，２２
    ６）を、前記導電結合構造物と接続する段階；および前
    記上部空洞を封入する段階；によって構成されることを
    特徴とする製造方法。
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