JPH09138173A - 半導体圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】複数の圧力が同時に検出でき、構造が簡単で部
品点数の少ない半導体圧力センサを提供する。 【解決手段】ダイカストにより略函形に形成した基台３
の内部底面には被圧力検出流体を導入するための導入孔
６が複数個設けてある。また、この底面には配線パター
ンが形成された配線基板２が固着してある。配線基板２
には上記導入孔６に対応して複数の挿通孔２ａが設けて
あり、その内部には上面にセンサチップ１が取り付けら
れた台座５が挿入してある。台座５上のセンサチップ１
はワイヤ７がボンディングされて配線基板２のパターン
に接続してある。被圧力検出流体は基台３の導入孔６及
び台座５の挿通孔５ａを通してセンサチップ１に導か
れ、各センサチップ１にて複数箇所の圧力を同時に検出
することができ、部品点数も従来例に比較して削減する
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体圧力センサ
に関し、特に複数箇所の圧力を同時に検出することがで
きる半導体圧力センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、シリコンの優れた弾性体とし
ての性質を利用し、マイクロマシニング技術によりダイ
ヤフラム部と呼ばれる薄膜部をシリコン基板に形成して
圧力の変化を電気信号に変換するようにした半導体圧力
センサが提供されている。そして、このような半導体圧
力センサは大きく分けてピエゾ抵抗型と容量型に分類さ
れる。図８及び図９は、シリコンのピエゾ抵抗効果を利
用しダイヤフラム部の歪みを拡散抵抗の抵抗値変化とし
て検出するピエゾ抵抗型（あるいは歪ゲージ型）の例を
示すものである。これらの半導体圧力センサは、シリコ
ン基板にダイヤフラム部及び拡散抵抗（ピエゾ抵抗）を
形成したセンサチップ１を台座５の上に取り付け、被圧
力検出流体をセンサチップ１へ導くための圧力管を上記
台座５に取着し、センサチップ１をハウジングの内部に
納装して構成してある。

【０００３】例えば、図８に示す半導体圧力センサで
は、合成樹脂によりハウジング３０と一体に形成された
圧力管３１を備え、ハウジング３０に設けられた連通孔
３０ａと連通する気室３２と圧力管３１とをセンサチッ
プ１のダイヤフラム部によって隔てる構造とし、気室３
２内の大気圧（あるいは所定の圧力）を基準として圧力
管３１から導入される流体圧力との差を検出するように
なっている。

【０００４】一方、図９に示す半導体圧力センサは、一
端部にセンサチップ１を取り付けた台座５が固着された
金属製の圧力管３３を、ワイヤボンディング等によりセ
ンサチップ１と電気的に接続された端子ピン３４ととも
にステム３５に固定し、金属製のキャン３６をステム３
５に気密に被着せしめることで内部を略真空とし、圧力
管３３から導入される流体の絶対圧力を検出するように
なっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、同時に他箇
所の圧力変化を検出しようとした場合に、従来は以下の
ような２つの方法が採られていた。第１の方法は、図１
０に示すように複数個の半導体圧力センサ（以下、個々
の半導体圧力センサを「センサエレメント」と呼ぶこと
にする。）ＰＳ…をプリント基板３７に実装して各端子
ピン３４をプリント基板３７に半田付けするとともに、
函形に形成された基台３８の内部に収めることで複数個
のセンサエレメントＰＳ…をユニット化して見かけ上１
つのセンサとするものであった。しかし、このように複
数個のセンサエレメントＰＳ…を単にユニット化しただ
けでは検出箇所が増えるに伴ってセンサエレメントＰＳ
…の個数が増えるから部品点数が増加し、コスト高とな
るとともに小型化が困難になるという問題があった。ま
た、既にセンサチップ１を端子ピン３４にワイヤボンド
して構成されたセンサエレメントＰＳ…を更にプリント
基板３７に半田実装するために工数が増えてしまうとい
う問題や、使用環境の温度範囲が広くなると半田割れ等
の危険が生じるといった問題があった。

【０００６】一方、第２の方法は、図１１に示すように
個々のセンサエレメントＰＳ…が実装された基板４０を
それぞれ別個の基台３９…の内部に収めて検出箇所毎に
設置するというものであり、この場合にも、センサエレ
メントＰＳ…の構成部品と各センサエレメントＰＳ…ご
とに基台３９や基板４０などの部品が必要となるため、
さらにコスト高になり、各センサエレメントＰＳ…ごと
に被検出箇所へ気密に取り付ける工数が必要となるとい
う問題や、あるいはセンサエレメントＰＳ…の検出出力
を外部へ取り出すための各リード線４１の結線部の保護
が必要となって部品点数が増加するという問題があっ
た。

【０００７】本発明は上記問題に鑑みて為されたもので
あり、その目的とするところは、複数の圧力が同時に検
出でき、構造が簡単で部品点数の少ない半導体圧力セン
サを提供するにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、上記
目的を達成するために、少なくとも一方の面に配線パタ
ーンを形成した単独の基板に半導体基板を微細加工して
形成した圧力検出用のセンサチップを複数個配設すると
ともにこれらのセンサチップと基板の配線パターンとを
ワイヤボディングにより電気的に接続して成るものであ
り、複数の異なる対象の圧力を個別に且つ同時に検出す
ることができるとともに、各圧力を検出するための複数
個のセンサチップを単独の基板上に配置して半導体圧力
センサを構成しているから、複数個の対象ごとに半導体
圧力センサを用いて検出する場合に比較して部品点数を
削減して構成の簡素化が図れる。

【０００９】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、複数個のセンサチップ出力の各々のオフセット出力
及び出力温度特性を補償するための補償用抵抗を基板上
に設けて成るものであり、複数個のセンサチップに個別
に対応する補償用抵抗を単独の基板上に集約できるた
め、補償用抵抗の抵抗値の調整作業を一度に行うことが
でき、調整作業の簡略化が図れる。

【００１０】請求項３の発明は、請求項１又は２の発明
において、基板に配設した各センサチップへ被圧力検出
流体を導くための圧力導入管を備え、この圧力導入管の
導入口の周部にフランジを設けて成るものであり、半導
体圧力センサを設置する場合に圧力導入管の導入口と被
取付面との間に介装されるＯリングを圧力導入管のフラ
ンジにて押えつけることにより、半導体圧力センサを気
密に設置することができる。

【００１１】請求項４の発明は、請求項３の発明におい
て、シリコンの熱膨張率に略等しい熱膨張率を有する材
料にて圧力導入管を形成して成るものであり、圧力導入
管以外の他の部分を他の材料にて形成することができ、
コストダウンが図れる。

【００１２】

【発明の実施の形態】

（実施形態１）本発明の第１の実施形態を図１乃至図３
を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態にて用い
るセンサチップ１はピエゾ抵抗型のものであって、従来
例とほぼ共通の構造を有するからセンサチップ１に関す
る説明は省略する。

【００１３】図１及び図２に示すように、金属ダイカス
トにより略函形に形成された基台３の内部底面には、配
線パターンが形成された１枚の配線基板２が接着剤を用
いて固着してある。ここで、基台３を形成する金属材料
には、シリコンの熱膨張率に近い熱膨張率を有する材料
（例えば、４２アロイあるいはコバールなど）が用いら
れる。但し、基台３は金属ダイカストに限らず、例えば
合成樹脂の成形品によって形成してもよい。

【００１４】一方、配線基板２はガラスエポキシ樹脂や
セラミックなどから成るプリント配線基板であって、後
述するように複数個（本実施形態では５個）のセンサチ
ップ１を配設するための５つの矩形孔２ａが設けてあ
る。なお、本実施形態では配線基板２を基台３に固着す
るのに接着剤を用いているが、ねじ止め等によって固定
するようにしてもよい。また、金属薄板にエッチングや
プレス等の方法で配線パターンを形成して成るリードフ
レームを配線基板２の代わりに用いたり、あるいは、こ
のようなリードフレームを基台３に同時成形して一体化
することも可能である。

【００１５】そして、配線基板２の各矩形孔２ａ内に
は、上面にセンサチップ１が接合されたガラス製の矩形
筒状の台座５がそれぞれ挿入され、台座５の下面を半田
付け、接着剤若しくは低融点ガラスなどによって基台３
の底面に気密接合してある。ここで、基台３には、矩形
筒状に形成された台座５の挿通孔５ａと連通する導入孔
６が各センサチップ１に対応して設けてあり、この導入
孔６を通して外部より被圧力検出流体を導入し、センサ
チップ１が有するダイアフラム部に歪みを生じさせて圧
力を検出するようになっている。さらに、センサチップ
１への駆動電源の供給およびセンサチップ１から検出出
力を取り出すために、配線基板２の配線パターンと、セ
ンサチップ１に設けてあるパッドのような接続端子部
（図示せず）とをワイヤ７をボンディングすることによ
って電気的に接続してある。

【００１６】ところで、各センサチップ１のオフセット
出力及び出力温度特性はそれぞれチップ毎に異なってい
るため、５個のセンサチップ１の各出力のオフセット及
び温度特性を補償するための補償用抵抗が配線基板２の
反固着面に設けてある。例えば、配線基板２をセラミッ
ク基板により形成した場合には、配線基板２の反固着面
上に集積した厚膜抵抗４を補償用抵抗とし、図３に示す
ようにレーザトリミングによって各センサチップ１毎に
必要となる抵抗値を調整するようにすればよい。また、
配線基板２をガラスエポキシ樹脂やリードフレームによ
り形成した場合には、各センサチップ１に対応する可変
抵抗を実装するようにすればよい。このように、配線基
板２上にセンサチップ１の補償用可変抵抗を設けること
で検出出力の精度を向上させることができ、また、複数
のセンサチップ１に各別に対応する補償用抵抗を１枚の
配線基板２上に集約できるため、１つの半導体圧力セン
サに対しては１回の抵抗値調整によって補償が可能とな
るという利点がある。しかも、上述のように配線基板２
をセラミックにより形成した場合には、レーザトリミン
グによって一度に調整することができ、調整作業をさら
に簡略化することができる。

【００１７】そして、配線基板２が収められる基台３の
内部が真空あるいは所定の圧力に保たれるように、基台
３の開口部は矩形平板状のカバー８にて気密に封止さ
れ、本実施形態の半導体圧力センサが完成する。なお、
図示は省略しているが、配線基板２にはセンサチップ１
への駆動電源の供給やセンサチップ１からの検出出力の
取り出しのためのリード線が取り付けてあり、これらの
リード線が基台３の内部の気密性を損なわないようにし
て外部へ引き出してある。

【００１８】最後に上述のようにして構成される半導体
圧力センサは以下のようにして被取付面に取り付けてあ
る。すなわち、図１に示すように、被圧力検出流体を半
導体圧力センサへ導くために被取付体Ａに設けてある導
出孔９と、基台３に設けてある各導入孔６とを位置合わ
せし、基台３の周部に設けてあるねじ挿通孔３ａに挿通
した固定ねじ１０を被取付体Ａに設けてあるボス部１１
のねじ孔１１ａに螺合することで半導体圧力センサを被
取付体Ａに取付固定するようになっている。その際、被
取付体Ａに設けてある導出孔９の導出口と基台３の外側
底面の導入孔６の導入口との間にＯリング１２を介装さ
せることによって、半導体圧力センサを被取付体Ａに気
密に取り付けることができる。

【００１９】本実施形態によれば、複数個のセンサチッ
プ１を１枚の配線基板２に配設するようにしたため、複
数の異なる対象の圧力（本実施形態では最大５つ）を個
別に且つ同時に検出することができるとともに、従来例
のように複数個の対象ごとに半導体圧力センサを用いて
検出する場合に比較して部品点数を削減することがで
き、また、部品点数の削減に伴って組立工数も削減する
ことができる。また、部品点数の削減によって半田付け
箇所も削減することができ、高温下における使用や熱衝
撃に対する信頼性を向上させることができる。さらに、
配線基板２には、少なくとも複数個のセンサチップ１と
各センサチップ１のワイヤボンドのみのスペースがあれ
ば足りるため、半導体圧力センサの省スペース化、小型
化が可能である。

【００２０】（実施形態２）図４は本発明の第２の実施
形態を示す側面断面図であり、アルミダイカストにて形
成された基台２０にリードフレームの配線基板（図示せ
ず）を一体に設けるとともに、図５に示すように圧力導
入孔２２ａが貫通され且つ一端に円板状のフランジ２２
ｂを有する略筒状の圧力導入管２２を、基台２０に設け
た複数個の挿通孔２１にそれぞれ圧入して取り付けてあ
る点に本実施形態の特徴があり、他の構成等については
実施形態１とほぼ共通するため、共通する部分について
は図示および説明は省略する。

【００２１】ところで、図６は実施形態１と同様に基台
３’の全体をシリコンとほぼ同じ熱膨張率を有する４２
アロイなどの合金にて形成し、基台３’の導入孔６’の
導入口と被取付体Ａの導出口との間にＯリング１２を介
装することで、半導体圧力センサを被取付体Ａに気密に
取付固定した場合を示している。このような固定方法
（以下、「平面固定方式」と呼ぶ。）では、基台３’の
熱膨張率をセンサチップ１を構成するシリコン基板の熱
膨張率に略等しくするために４２アロイやコバールなど
の高価な合金にて基台３’の全体を形成しなければなら
ず、非常にコストが高くなってしまう。

【００２２】一方、図７に示すように基台３’の外側底
面より突設した導入管３ｃ’を被取付体Ａの導出孔９内
に挿入し、両者の側面間にＯリング１２’を介在させる
ことで半導体圧力センサを被取付体Ａに気密に取付固定
する方法（以下、「円筒面固定方式」と呼ぶ。）では、
被取付体Ａの導出孔９間のピッチあるいは基台３’から
突設された各導入管３ｃ’間のピッチがばらついた場合
に、Ｏリング１２’の片側のみが潰れてしまい、気密な
取付固定が不可能となって高圧の被圧力検出流体がリー
クしてしまうおそれがある。

【００２３】そこで、本実施形態においては、一端にフ
ランジ２２ｂを有する略筒状の圧力導入管２２を基台２
０と別個に形成することにより、高価な４２アロイなど
の合金を使用する箇所を圧力導入管２２のみとし、基台
２０にはアルミダイカストなどの比較的に安価な金属を
用いてコストダウンを図っている。しかも、図４に示す
ように被取付体Ａに取付固定する際に、圧力導入管２２
のフランジ２２ｂと被取付体Ａの導出口との間に介装し
たＯリング１２を上記フランジ２２ｂにて押し潰し、半
導体圧力センサを被取付体Ａに気密に取付固定すること
ができるようになっている。

【００２４】図５に示すように、圧力導入管２２は４２
アロイやコバールなどの熱膨張率がシリコンのそれに近
い合金を冷間鍛造にて加工することにより、一端に略円
板状のフランジ２２ｂを有する略筒状に形成してあり、
内部に被圧力検出流体が通る圧力導入孔２２ａが貫通さ
せてある。なお、この圧力導入管２２のフランジ２２ｂ
と反対側の端面にはセンサチップ１が取着された台座５
を取り付けるようになっている。そして、基台２０の挿
通孔２１にそれぞれ仮圧入された圧力導入管２２は、基
台２０を固定ねじ１０によって被取付体Ａに締め付け固
定する際に、そのフランジ２２ｂがＯリング１２に押さ
えつけられて挿通孔２１内に圧入されるとともに、フラ
ンジ２２ｂがＯリング１２を押し潰して圧力導入孔２２
ａと被取付体Ａの導出孔９の導出口とを気密に連通させ
ることができる。

【００２５】上述のように圧力導入管２２を基台２０と
別体に形成したことにより、高価な４２アロイやコバー
ルなどの合金の使用量を最小限にしてコストダウンを図
ることができる。また、被取付体Ａへの取付固定方法は
平面固定方式であるから、被圧力検出流体が高圧の場合
にもリークが生じることがないものである。

【００２６】

【発明の効果】請求項１の発明は、少なくとも一方の面
に配線パターンを形成した単独の基板に半導体基板を微
細加工して形成した圧力検出用のセンサチップを複数個
配設するとともにこれらのセンサチップと基板の配線パ
ターンとをワイヤボディングにより電気的に接続して成
るので、複数の異なる対象の圧力を個別に且つ同時に検
出することができるとともに、各圧力を検出するための
複数個のセンサチップを単独の基板上に配置して半導体
圧力センサを構成しているから、複数個の対象ごとに半
導体圧力センサを用いて検出する場合に比較して部品点
数を削減して構成の簡素化が図れるという効果がある。

【００２７】請求項２の発明は、複数個のセンサチップ
出力の各々のオフセット出力及び出力温度特性を補償す
るための補償用抵抗を基板上に設けて成るので、複数個
のセンサチップに個別に対応する補償用抵抗を単独の基
板上に集約でき、補償用抵抗の抵抗値の調整作業を一度
に行うことができ、調整作業の簡略化が図れるという効
果がある。

【００２８】請求項３の発明は、基板に配設した各セン
サチップへ被圧力検出流体を導くための圧力導入管を備
え、この圧力導入管の導入口の周部にフランジを設けて
成るので、半導体圧力センサを設置する場合に圧力導入
管の導入口と被取付面との間に介装されるＯリングを圧
力導入管のフランジにて押えつけることにより、半導体
圧力センサを気密に設置することができ、検出圧力が高
圧の場合にもリークすることがないように半導体圧力セ
ンサを設置することができるという効果がある。

【００２９】請求項４の発明は、シリコンの熱膨張率に
略等しい熱膨張率を有する材料にて圧力導入管を形成し
て成るので、圧力導入管以外の他の部分を他の材料にて
形成することができ、コストダウンが図れるという効果
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態１を示す側面断面図である。

【図２】同上の要部を示す平面図である。

【図３】同上の要部を示す斜視図である。

【図４】実施形態２を示す側面断面図である。

【図５】同上における圧力導入管を示す斜視図である。

【図６】同上の取付固定方法を説明するための説明図で
ある。

【図７】同上の他の取付固定方法を説明するための説明
図である。

【図８】従来例を示す側面断面図である。

【図９】他の従来例を示す側面断面図である。

【図１０】他箇所の圧力を同時に検出する場合の従来例
を示す側面断面図である。

【図１１】他箇所の圧力を同時に検出する場合の他の従
来例を示す側面断面図である。

【符号の説明】

１ センサチップ ２ 配線基板 ３ 基台 ５ 台座 ６ 導入孔 ７ ワイヤ ９ 導出孔 Ａ 被取付体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 笠野 文宏 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 (72)発明者 堀 正美 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 (72)発明者 谷口 直博 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも一方の面に配線パターンを形
   成した単独の基板に半導体基板を微細加工して形成した
   圧力検出用のセンサチップを複数個配設するとともにこ
   れらのセンサチップと基板の配線パターンとをワイヤボ
   ディングにより電気的に接続して成ることを特徴とする
   半導体圧力センサ。
2. 【請求項２】 複数個のセンサチップ出力の各々のオフ
   セット出力及び出力温度特性を補償するための補償用抵
   抗を基板上に設けて成ることを特徴とする請求項１記載
   の半導体圧力センサ。
3. 【請求項３】 基板に配設した各センサチップへ被圧力
   検出流体を導くための圧力導入管を備え、この圧力導入
   管の導入口の周部にフランジを設けて成ることを特徴と
   する請求項１又は２記載の半導体圧力センサ。
4. 【請求項４】 シリコンの熱膨張率に略等しい熱膨張率
   を有する材料にて圧力導入管を形成して成ることを特徴
   とする請求項３記載の半導体圧力センサ。