JPH10111198A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体チップを装着する台座とステムとの接
合を含む前記圧力センサの部品の組立・装着が容易で、
かつ、温度変化があっても、装着・接合した部品に離脱
・剥離等を発生しない圧力センサを提供する。 【解決手段】 ハウジングと、該ハウジングの内部に配
置されている圧力を検出する半導体チップとを備え、前
記半導体チップは、金属材料のステムと台座を介して前
記ハウジング内に溶接固定され、前記ステムの材料がＦ
ｅ−Ｎｉ合金であり、前記台座がシリコン又はシリコン
合金であり、更に、前記台座の前記半導体チップとの接
合面に絶縁膜を形成してなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体チップを備
えた圧力センサに係り、特に、冷凍・冷房装置の冷媒等
の流体の圧力を検出するのに好適な半導体チップを備え
た圧力センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の半導体チップを備えた圧
力センサとしては、例えば、該圧力センサがハウジング
と該ハウジングの下部に固定され半導体チップ収納室を
有するステムとを備え、該収納室の凹部内にガラス台座
を接合すると共に、該ガラス台座上に半導体チップを気
密接合し、前記ステムの圧力導入孔と前記ガラス台座の
圧力導入孔とを通じて導入された検出冷媒の圧力を前記
半導体チップで測定するようにしたものがある（特開平
３−２２６６３８号公報参照）。

【０００３】前記圧力センサは、前記ガラス台座と前記
ステムとの材料として、ホウ珪酸ガラスとＦｅ−Ｎｉ系
合金との性質の異なる材料が使用されることから、温度
変化が生じた時、その熱膨張係数が大きく相違すること
により、接合部が離脱・剥離等が生じるとの不具合が発
生する傾向がある。前記不具合を防止するべく、前記ガ
ラス台座の外周部と前記ステムの凹部内壁との接合を、
前記ガラス台座と前記ステムとの各々の熱膨張係数の中
間の熱膨張係数を備えた低融点ガラスで行うことで、前
記材料の熱膨張係数の違いに基づく前記不具合いに対処
し、前記圧力センサの長期使用過程で、前記ガラス台座
と前記ステム部分に繰り返し温度変化が生じても、その
接合部が離脱・剥離等が発生せず、前記ステム上に前記
ガラス台座を確実に接合できるようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記従来の
技術の半導体を備えた圧力センサは、前記ガラス台座と
前記ステムとの接合方法として、前記ガラス台座を前記
ステムの凹部に配置し、前記ガラス台座の外周部にステ
ムの前記凹部との間の間隙に低融点ガラス材を置き、該
低融点ガラス材を溶融して前記ステムとガラス台座とを
気密状態に接合するものであるので、前記ガラス台座と
前記ステムとの接合をワンタッチで行うことができず、
手間と時間を要するとの問題があった。

【０００５】また、前記従来の技術は、前記ガラス台座
と前記ステムとの接合を、前記両部材の各熱膨張係数の
間の中間の熱膨張係数を備えた低融点ガラスで行うべ
く、特定の熱膨張係数のガラス素材を選定しなければな
らないと云う限られたガラス材料しか使用できない不都
合が生じるものである。更に、接合のために特定のガラ
ス素材を選定することによって、前記膨張係数の相違に
基づく弊害を是正してしているが、前記ガラス台座と前
記ステムとは、その素材の相違により熱膨張係数が大き
く異なるものであるから、接合材として両者の中間の熱
膨張係数の低融点ガラスを使用したとしても、その接合
が圧力センサの長期の使用において、完全なものとは云
えない。

【０００６】本発明は、前記の如き問題に鑑みてなされ
たものであって、その目的とするところは、特に、半導
体チップを装着する台座とステムとの接合を含む前記圧
力センサの部品の組立・装着が容易で、かつ、温度変化
があっても、装着・接合した部品に離脱・剥離等を発生
しない圧力センサを提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成すべく、
本発明の第一の圧力センサは、金属材料のハウジング
と、該ハウジングの内部に配置されている圧力を検出す
る半導体チップとを備え、前記半導体チップは、金属材
料のステムと台座を介して前記ハウジング内に溶接固定
され、前記ステムの材料がＦｅ−Ｎｉ合金であり、前記
台座の材料がシリコン又はシリコン合金であり、更に、
前記台座が前記半導体チップとの接合面に絶縁膜を形成
していることを特徴としている。

【０００８】本発明の第一の圧力センサのハウジング内
に配置される部材の具体的装着固定の態様としては、前
記ステムの全周が金メッキされていると共に前記台座の
上下の接合面が金メッキされ、かつ、前記ステム、前記
台座、及び、前記半導体チップの各部材が、該部材間を
金のロー付け溶接で接合固定され、前記ステムが前記ハ
ウジングに電気抵抗溶接、ロー付け溶接、もしくは、レ
ーザー溶接のいずれか一つの溶接で接合固定されてるこ
とを特徴としている。

【０００９】本発明の第二の圧力センサは、金属材料の
ハウジングと、該ハウジングの内部に配置されている圧
力を検出する半導体チップとを備え、前記半導体チップ
が絶縁性のステム、金属材料の接合キャップ、及び、電
気絶縁性の金属材料の台座を介して前記ハウジング内に
溶接固定され、前記接合キャップの材料がＦｅ−Ｎｉ合
金であり、前記台座の材料がシリコン又はシリコン合金
であり、前記ステムが前記ハウジングと前記接合キャッ
プとの接合部分のみに金メッキしていると共に前記台座
と前記接合キヤップの上下の接合面が金メッキされ、か
つ、前記ステム、前記接合キャップ、前記台座、及び、
前記半導体チップの各部材が該部材間を金のロー付け溶
接で接合固定していることを特徴としている。

【００１０】前記の如く構成された本発明の第一の圧力
センサは、台座とステムとが、シリコン合金とＦｅ−Ｎ
ｉ合金との金属材料であるので熱膨張係数が近似し、温
度変化が生じても接合部分にクラック、亀裂等が生じに
くく、長期に使用できる。また、各部材の間もしくは部
材の周囲を金メッキをして、該部材間を金のロー付け溶
接で接合固定しているので、前記部材間をしっかりと接
合固定することができる。

【００１１】更に、ステムをハウジング内に装着し、該
ハウジング内で溶接によって装着固定したので、種々の
溶接手段で前記ステムを前記ハウジングに装着固定する
ことができると共に、前記半導体チップ等の検出部材の
組み付けが容易になる。

【００１２】更にまた、前記半導体チップの台座の材料
をシリコン合金の電気絶縁材料で形成すると共に、該台
座の半導体チップとの接合面に絶縁膜を形成したので、
十分な電気絶縁を行うことができる。

【００１３】一方、本発明の第二の圧力センサは、ステ
ムがセラミック材であるので電気絶縁が十分に行え、前
記ステムが接合部分のみに金メッキを施し、他の部分は
メッキをしないので、メッキ部を介して電気が前記ハウ
ジングに伝わることがない。また、シリコン台座とステ
ムとの間にＦｅ−Ｎｉ合金の接合キャップを介在させて
前記シリコン台座と前記ステムとを接合固定させたの
で、前記ステムがセラミック材であっても、前記シリコ
ン台座と前記ステムとの接合を強固にする。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の圧力センサの一実
施形態を図面に沿って詳細に説明する。図１は、本実施
形態の圧力センサ１０の縦断面図である。該圧力センサ
１０は、その外装部分が金属材料のハウジング１１と該
ハウジング１１に嵌合結合される電気コネクタ１２とで
構成され、前記ハウジング１１と前記電気コネクタ１２
とで構成される内部空間には、圧力を計測する半導体チ
ップ１３と電気回路基板（プリント基板）１４とが配置
される。

【００１５】前記ハウジング１１は、ＦｅもしくはＳＵ
Ｓ等の金属で形成され、下部に冷媒の流体導入孔１１ｄ
を有する筒状ネジ部１１ｃを備え、上部に嵌合開口筒部
１１ａを備えると共に、中間部内部に濾斗状支持部１１
ｂを備え、該濾斗状支持部１１ｂは下部に平面の底部１
１ｅを有している。

【００１６】前記電気コネクタ１２は、ガラスで補強さ
れたポリブチレンテレフタレート等の合成樹脂製の電気
絶縁材料で形成され、上部に接続コネクタの嵌合・離脱
のためのガイド筒部１２ｂを備え、下部に拡大嵌合筒部
１２ａを備えている。前記電気コネクタ１２の内部に
は、前記ガイド筒部１２ｂの内部空間から前記拡大嵌合
筒部１２ａの内部空間に渡って貫通した三本のコネクタ
端子１７（三本の内、二本の図示省略）が固定されてい
る。

【００１７】前記ハウジング１１の前記嵌合開口筒部１
１ａの内部の環状部１１ｆには、前記電気回路基板１４
が嵌合載置され、該電気回路基板１４の上には、防水及
び前記基板１４の支持のために環状Ｏリング１５が位置
し、前記環状部１１ｆに嵌合配置されている。前記電気
コネクタ１２の嵌合筒部１２ａは、前記ハウジング１１
の前記嵌合開口筒部１１ａの上端に嵌合しており、前記
電気コネクタ１２の前記嵌合筒部１２ａの下端傾斜部１
２ｃで前記Ｏリング１５を介して前記電気回路基板１４
を押圧した状態で、前記ハウジング１１の嵌合開口筒部
１１ａの端部の開口縁部１１ａ´を前記電気コネクタ１
２の前記拡大筒部１２ａの肩部１２ｄに対してカシメ等
を行うことによって、前記ハウジング１１と前記電気コ
ネクタ１２とを嵌合結合すると共に、該両者の内部に前
記電気回路基板１４をしっかりと嵌合挟持固定してい
る。

【００１８】前記コネクタ端子１７の下端屈曲端部１７
ａには接続導電スリーブ１８がスポット溶接等で接続固
定されており、該接続導電スリーブ１８には、ピン端子
１９の上部１９ｂが挿入係合し、該ピン端子１９の下部
１９ａは、前記電気回路基板１４にハンダ付け等で固定
されている。前記ピン端子１９は、前記電気回路基板１
４から前記コネクタ端子１７に電気信号を伝達してい
る。

【００１９】前記ハウジング１１の中間部内部の濾斗状
支持部１１ｂには、４２アロイなどのＦｅ−Ｎｉ合金の
ステム２０が装着固定されている。前記ステム２０は、
前記ハウジング１１の流体導入孔１１ｄに嵌合する下部
筒部２０ａと前記濾斗状支持部１１ｂの平面１１ｅに載
置される突出鍔部２０ｂと台座２１を載置する上部載置
部２０ｃとを有すると共に、流体の通路として上下方向
に貫通孔２０ｄを備えており、少なくとも台座２１と接
する部分の面が１μm程度の厚さにＡｕ（金）メッキさ
れている。前記ステム２０は、前記突出鍔部２０ｂの下
面Ａで、前記ハウジング１１と抵抗溶接によって前記ハ
ウジング１１の前記平面１１ｅにしっかりと溶着固定さ
れている。

【００２０】前記ステム２０の前記上部載置部２０ｃ上
には、シリコン製の台座２１が載置固定されている。該
台座２１は、前記ステム２０と同様に、上下に流体を通
す貫通孔２１ａを前記ステム２０の貫通孔２０ｄと同心
に備えている。前記台座２１は、その上面を電気絶縁の
ために１μm程度の厚さのＳｉＯ₂の絶縁膜を形成すると
共に、該絶縁膜の上に更に１μm程度の厚さのＡｕ
（金）メッキをして金属層を形成している。また、前記
台座２１の下面にも１μm程度の厚さのＡｕ（金）メッ
キをして金属層を形成し、前記ステム２０の上部載置部
２０ｃにＡｕのロー付けで溶接固定されている。

【００２１】前記台座２１の上には、冷媒流体の圧力を
計測する半導体チップ１３が載置固定されている。該半
導体チップ１３には、ダイヤフラムが形成されていると
共に、該ダイヤフラムには半導体歪ゲージ（いずれも図
示省略）が配置されおり、前記ステム２０の貫通孔２０
ｄと前記台座２１の貫通孔２１ａとを介して導入される
冷媒の圧力が、前記ダイヤフラムに印加され、該冷媒の
圧力の度合いに基づき前記半導体歪ゲージから電気信号
が出力される。

【００２２】前記半導体チップ１３の下面にも１μm程
度の厚さのＡｕ（金）メッキによる金属層が形成され、
前記台座２１と前記半導体チップ１３とが、Ａｕ（金）
ロー付け溶接で気密接合固定されている。前記電気回路
基板１４の上部には、増幅回路等の電気回路の実装部１
４ａが載置されていると共に、該実装部１４ａと前記半
導体チップ１３の歪ゲージとは、ボンディングワイヤ１
４ｂで電気的に接続され、前記半導体チップ１３の歪ゲ
ージからの電気信号が、前記ボンディングワイヤ１４ｂ
を介して前記電気回路基板１４の増幅回路に伝達されて
増幅等され、更に、前記ピン端子１９を介して前記コネ
クタ端子１７に出力される。

【００２３】前記ハウジング１１と前記ステム２０との
接合は、該ステム２０の突出鍔部２０ｂの下面と前記ハ
ウジング１１とを電気抵抗溶接することで溶着固定した
ものとして説明したが、図２〜４に示されているよう
に、他の溶接手段で接合することもできる。図２は、レ
ーザ溶接により接合するものであり、ステム２０を突出
鍔部２０ｂと上部載置部２０ｃとで形成し、前記突出鍔
部２０ｂを前記ハウジング１１内の環状凹部１１ｇに嵌
合する構造とし、その嵌合上部部分Ｂをレーザ溶接す
る。

【００２４】図３は、銀あるいは銅等のロー付け溶接に
より接合するものであり、ステム２０の下部を円筒状部
２０ｅに形成し、該円筒状部２０ｅの下部を前記ハウジ
ング１１の環状凹部１１ｈ内に嵌合する構造とし、その
嵌合上部の周辺部分Ｃを銀もしくは銅等のロー付け溶接
で接合する。

【００２５】図４は、通常のロー付け溶接により接合す
るものであり、ステム２０の下部を前記ハウジング１１
の流体導入孔１１ｄに嵌合する円筒状部２０ｆに形成す
ると共に、上部に前記円筒状部２０ｆより大径の上部載
置部２０ｃを形成した構造とし、前記円筒状部２０ｆを
前記ハウジング１１の流体導入孔１１ｄに嵌合すると共
に、前記上部載置部２０ｃを前記ハウジング１１のくぼ
み１１ｉに載置してその周辺部分Ｄをロー付け溶接して
接合する。なお、台座２１はシリコン製の例を示した
が、例えば、金シリコン（Ａｕ−Ｓｉ）などのシリコン
合金製としてもよい。また、ロー付けは金ロー付けの他
に金シリコンのロー付けも適用できる。

【００２６】次に、前記の如く構成された本実施形態の
圧力センサ１０の組立・作動について説明する。組立に
当たって、まず、前記ステム２０に前記台座２１をＡｕ
のロー付けで溶接接合して固定し、該台座２１の上に前
記半導体チップ１３をＡｕのロー付け溶接で接合固定す
る。前記ステム２０、前記台座２１、及び、前記半導体
チップ１３から成る一体となった三部材を、前記ハウジ
ング１１に組み付け、前記ステム２０を前記種々の溶接
手段で前記ハウジング１１に溶接固定する。

【００２７】その後、前記電気回路基板１４を前記ハウ
ジング１１に載置して接着剤等で前記ハウジングに仮止
めし、次いで、前記半導体チップ１３と前記電気回路基
板１４とを前記ボンディングワイヤ１４ｂで電気接続
し、前記環状Ｏリング１５を前記電気回路基板１４上に
載置して前記コネクタ端子１７が装着されている前記電
気コネクタ１２の下部を載置して、前記電気コネクタ１
２の前記嵌合筒部１２ａの下端傾斜部１２ｃで前記環状
Ｏリング１５を介して前記電気回路基板１４を押圧した
状態で、前記ハウジング１１の嵌合開口筒部１１ａの端
部の開口縁部１１ａ´を、前記電気コネクタ１２の前記
拡大筒部１２ａの肩部１２ｄに対してカシメ等を行うこ
とによって、前記ハウジング１１と前記電気コネクタ１
２とを嵌合結合して組立を完了する。

【００２８】前記組み立てられた圧力センサ１０を、該
圧力センサ１０の前記筒状ネジ部１１ｃを冷房サイクル
の冷媒配管（図示省略）の途中に環状Ｏリング２３を介
在して螺合することで、冷房装置等へ装着固定する。冷
房装置等の駆動により冷媒が前記冷媒配管を循環する
と、該冷媒配管内の冷媒が前記冷媒導入孔１１ｄを介し
て、前記ステム２０の貫通孔２０ｄと前記台座２１の貫
通孔２１ａとを更に介して前記半導体チップ１３のダイ
ヤフラムに供給される。前記供給された冷媒の圧力によ
って前記半導体歪ゲージは、そのピエゾ抵抗効果によっ
て抵抗値が変化し、該抵抗値の変化が電気信号に変換さ
れ、前記電気回路基板１４の増幅回路等を介して前記コ
ネクタ端子１７から外部に取り出される。

【００２９】前記の如き構成と作動を行う本実施形態の
圧力センサ１０は、前記半導体チップ１３を支持する台
座２１とステム２０とを、シリコン合金とＦｅ−Ｎｉ合
金とで構成したので、前記両部材の熱膨張係数が近似す
ることで、前記圧力センサ１０に温度変化が生じても、
前記両部材間及び前記ステム２０と前記ハウジング１１
（ハウジング１１も金属材料）との間の接合部分にクラ
ック、亀裂等が生じにくくなり、圧力センサを長期に使
用できる。

【００３０】また、前記半導体チップ１３と前記台座２
１との間、及び、前記ステム２０の周囲を金属メッキを
した後に、該部材間を金のロー付け溶接で接合固定した
ので、前記部材間をしっかりと接合固定することができ
ると共に、接合溶接自体も簡単に行うことができる。

【００３１】更に、ステム２０をハウジング１１の内部
空間に装着すると共に、前記ハウジング１１内で溶接に
よって装着固定する構成としたので、抵抗電気溶接、レ
ーザ溶接、ロー付け溶接等の種々の固定手段で、前記ス
テム２０を前記ハウジング１１に装着固定することが
で、前記半導体チップ１３の前記圧力センサ１０への組
み付けが容易になる。

【００３２】更にまた、前記半導体チップ１３の台座２
０の材料をシリコン又はシリコン合金で形成すると共
に、更に、該台座２０の半導体チップ１３との接合面
に、ＳｉＯ₂の絶縁膜を形成したので、前記ハウジング
１１と前記半導体チップ１３との間に十分な電気絶縁を
行うことができる。

【００３３】本発明の前記実施形態（第一の実施形態）
は、前記ステム２０をＦｅ−Ｎｉ合金の材料で構成した
ものであるが、図５に示すように、ステム２０をセラミ
ック材料とした他の実施形態（第二の実施形態）の圧力
センサ１０’とすることもできる。該実施形態の圧力セ
ンサ１０’は、ステム２０をセラミックの材料とすると
共に、該ステム２０と台座２１との間にＦｅ−Ｎｉ合金
の材料の接合キャップ２２を介在させたものであり、そ
れ以外の構造は、前記第一の実施形態の圧力センサ１０
と同じ構成である。

【００３４】前記第二の実施形態の圧力センサ１０’の
前記ハウジング１１、前記セラミック製のステム２０、
前記接合キャップ２２、及び、台座２１との各部材と部
材間の接合は、各部材の接合部のみに金メッキＥを施し
て金属層を形成し、該金属層の部分ＥをＡｕのロー付け
溶接で接合固定する。前記ステム２０は、セラミック材
であるので電気絶縁が十分に行えると共に、前記ステム
２０は、接合部分のみに金メッキＥを施し、他の部分は
メッキをしないので、メッキ部を介して電気が前記ハウ
ジング１１に伝わることがない。

【００３５】また、前記台座２１と前記ステム２０との
間にＦｅ−Ｎｉ合金の接合キャップ２２を介在させて前
記台座２１と前記ステム２０とを接合固定させたので、
前記ステム２０がセラミック材であっても、前記台座２
１と前記ステム２０との接合が強固なものとなる。即
ち、前記台座２１と接合キヤップ２２とはシリコンとＦ
ｅ−Ｎｉ合金であるので溶接による接合固定が強固にな
ると共に、前記ステム２０と前記接合キャップ２２と
は、該キャップ２２が前記ステム２０に嵌合した状態で
接合固定されるので、同様に接合固定が強固になる。

【００３６】

【発明の効果】以上の説明から理解できるように、本発
明の圧力センサは、半導体チップを装着する台座とステ
ムとの接合を含む前記圧力センサの部品の組立・装着が
容易にできると共に、前記圧力センサに温度変化が生じ
ても、装着・接合した部分の部品に離脱・剥離等が発生
しない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧力センサの一実施形態の縦断面図。

【図２】図１の圧力センサの他の変形ステムと該ステム
の溶接手段（レーザ溶接）とを示す部分断面図。

【図３】図１の圧力センサの更に他の変形ステムと該ス
テムの溶接手段（銀あるいは銅ロー溶接）とを示す部分
断面図。

【図４】図１の圧力センサの更に他の変形ステムと該ス
テムの溶接手段（ロー付け溶接）とを示す部分断面図。

【図５】本発明の圧力センサの他の実施形態（ステムの
材料の変更と接合キャップ）の部分縦断面図。

【符号の説明】

１０ 圧力センサ １１ ハウジング １２ 電気コネクタ １３ 半導体チップ １４ 電気回路基板 ２０ ステム ２１ 台座

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属材料のハウジングと、該ハウジング
   の内部に配置されている圧力を検出する半導体チップと
   を備えた圧力センサにおいて、 前記半導体チップは、金属材料のステムと台座を介して
   前記ハウジング内に溶接固定されていることを特徴とす
   る圧力センサ。
2. 【請求項２】 前記ステムの材料がＦｅ−Ｎｉ合金であ
   り、前記台座の材料がシリコン又はシリコン合金である
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 【請求項３】 前記台座は、前記半導体チップとの接合
   面に絶縁膜を形成していることを特徴とする請求項１又
   は２に記載の圧力センサ。
4. 【請求項４】 前記ステムは少なくとも台座と接する部
   分の面が金メッキされ、かつ、前記ステム、前記台座、
   及び、前記半導体チップの各部材が、該部材間を金のロ
   ー付け溶接で接合固定していることを特徴とする請求項
   １乃至３のいずれか一項に記載の圧力センサ。
5. 【請求項５】 前記ステムが、前記ハウジングに電気抵
   抗溶接、ロー付け溶接、もしくは、レーザー溶接のいず
   れか一つの溶接で接合固定されてることを特徴とする請
   求項１乃至４のいずれか一項に記載の圧力センサ。
6. 【請求項６】 金属材料のハウジングと、該ハウジング
   の内部に配置されている圧力を検出する半導体チップと
   を備えた圧力センサにおいて、 前記半導体チップは、絶縁性のステム、金属材料の接合
   キャップ、及び、台座を介して前記ハウジング内に溶接
   固定されていることを特徴とする圧力センサ。
7. 【請求項７】 前記接合キャップの材料がＦｅ−Ｎｉ合
   金であり、前記台座の材料がシリコン又はシリコン合金
   であることを特徴とする請求項６に記載の圧力センサ。
8. 【請求項８】 前記ステムが、前記ハウジングと前記接
   合キャップとの接合部分のみに金メッキしていると共に
   前記台座と前記接合キヤップの上下の接合面が金メッキ
   され、かつ、前記ステム、前記接合キャップ、前記台
   座、及び、前記半導体チップの各部材が、該部材間を金
   のロー付け溶接で接合固定していることを特徴とする請
   求項６又は７に記載の圧力センサ。