JPH1164137A

JPH1164137A - 半導体圧力センサ

Info

Publication number: JPH1164137A
Application number: JP9227751A
Authority: JP
Inventors: Shinya Sato; 真也佐藤; Kiyomitsu Suzuki; 清光鈴木; Shinichi Yamaguchi; 真市山口; Yoshiyuki Sasada; 義幸笹田; Masayuki Miki; 政之三木; Masanori Kubota; 正則久保田; Atsushi Miyazaki; 敦史宮崎
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 1997-08-25
Filing date: 1997-08-25
Publication date: 1999-03-05
Also published as: US6122974A

Abstract

(57)【要約】【課題】耐圧性に優れ、低圧域から高圧域まで高精度に
測定できる圧力センサを供給すること。【解決手段】シリコン板上に外枠部と、ダイアフラム
部，歪みゲージ部，電極部等からなる圧力検出部を、高
圧用と低圧用の複数個形成する。歪みゲージ部が形成さ
れたシリコン板側と、電極取り出し部をもつ絶縁基板
を、歪みゲージ部が密閉され、且つシリコン板の電極部
と絶縁基板の電極取り出し部が電気的に接続するように
接合し、感圧素子を形成する。感圧素子，低融点ガラ
ス，ステムを、リードピンが絶縁基板の電極取り出し部
を介してシリコン板の電極部に半田で電気的に接合する
ように積層し、低融点ガラスを溶融することによって感
圧素子とステムを接合する。

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、特には、高圧の液体，気体測定用の圧力センサに
関する。

【０００２】

【従来の技術】本発明に係わる従来技術としては、例え
ば特開平5−273063 号公報がある。このセンサの主要な
構成は、本公報の図１に示すように、圧力導入のための
貫通孔を有するステムと、同じく貫通孔を有し、前記ス
テムと貫通孔を連通させて溶接等で接合されるガラス台
座と、ガラス台座の貫通孔の外周に陽極接合等で接合さ
れるシリコン感圧素子から成り立っている。前記圧力導
入孔から圧力が導入されると、前記感圧素子に形成され
たダイアフラム部が変形し、ダイアフラム上に形成され
た歪みゲージの抵抗値が変化し、圧力に応じた電気信号
が出力される。しかし本構造の場合、圧力印加時には各
部に引っ張り応力がかかるため、高圧時には接合部の剥
がれなどによって破損し易いという問題がある。

【０００３】高圧に対応した半導体圧力センサの構造例
として特開平2−138776 号公報がある。これは本公報の
図１に示すように、シリコンチップとガラス台座からな
る感圧素子を、ハウジングにおける筒状の金属製圧力導
入管の空間部に配置し、ダイアフラム部以外を低融点ガ
ラスによって導入管内に気密封止するものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、特開平2−138
776 号公報の構造においても、被測定媒体に対するセン
サ内部の気密保持を低融点ガラスのみでおこなっている
ため、高圧印加時に低融点ガラスに亀裂などが生じた場
合、被測定媒体がセンサ内部に入り込む可能性が高く、
被測定媒体がガソリン等の可燃物の場合には極めて危険
である。

【０００５】また従来の感圧素子構造の問題として、耐
圧や出力特性を考慮してダイアフラムを設計する際、測
定する圧力レンジによって最適形状が異なるため、高圧
用として設計された圧力センサにおいては低圧領域の精
度を確保することが難しいという問題があった。

【０００６】本発明は以上の問題に鑑みてなされたもの
で、耐圧性に優れ、低圧域から高圧域まで高精度に測定
できる圧力センサを、安価に供給することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】感圧素子を以下の構成と
する。シリコン板上に外枠部と、ダイアフラム部，歪み
ゲージ部，電極部等からなる圧力検出部を、高圧用と低
圧用の複数個形成する。次に前記歪みゲージ部が形成さ
れたシリコン板側と、電極取り出し部をもつ絶縁基板
を、前記歪みゲージ部が密閉され、且つ前記シリコン板
の電極部と前記絶縁基板の電極取り出し部が電気的に接
続するように接合し、感圧素子を形成する。

【０００８】また、感圧素子周辺は以下の構成とする。
感圧素子を固定するステムには貫通穴を設け、リードピ
ンをハーメチックシールによって貫通形成する。そして
前記感圧素子，低融点ガラス，前記ステムを、前記リー
ドピンが前記絶縁基板の電極取り出し部を介して前記シ
リコン板の電極部に半田で電気的に接合するように積層
し、低融点ガラスを溶融することによって感圧素子とス
テムを接合する。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に示す実施例
に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係わる半導
体圧力センサの一実施例を示す断面図、図２は電極およ
びゲージの構造を詳細に表す平面図である。第１のシリ
コン板１，熱酸化膜２，第２のシリコン板３よりなるＳ
ＯＩ基板を、パイレックスガラスよりなるパイレックス
ガラス基板４に陽極接合で気密に接合している。エッチ
ング加工によって第１のシリコン板１に形成された高圧
用，低圧用の２つの薄肉部が圧力を受けて変形するダイ
アフラム５，６となる。なお、高圧，低圧のダイアフラ
ム部５，６の第２のシリコン板上にはそれぞれに歪みゲ
ージ群７，８が形成され、さらに低圧用のダイアフラム
部６には、高圧印加時にダイアフラムの変形量が過大と
なり、ダイアフラムが破損に至るのを防ぐための平板状
の突起（ストッパ）１１が設けられている。ＳＯＩ基板
とパイレックスガラス基板４は、歪みゲージ７，８と電
気的に接続されている電極部９，１０、及び歪みゲージ
７，８とアース電位で電気的に接続されている外枠部１
３で接合されている。そして、高圧用，低圧用２つの歪
みゲージ群７，８はＳＯＩ基板の第１のシリコン板１，
外枠部１３およびパイレックスガラス基板４で気密に密
封されている。また、パイレックスガラス基板４にはス
ルーホール１５が加工されており、外部に露出したＳＯ
Ｉ基板の電極部９，１０とスルーホール１５の壁面にス
パッタ，蒸着，メッキ等によって多層の導電膜１２（Ａ
ｌ／Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ）を形成した後、前記導電膜と電
気的に接続する様にＰｂ−Ｓｎ配線部１４を封入してい
る。コバール等で形成されるステム１７には貫通孔が開
けられており、高融点のガラス１９によってリードピン
１８が８本（高圧４本，低圧４本）ハーメチックに貫通
形成されている。これらのリードピンを介して歪みゲー
ジ群７，８は外部の信号処理回路２２と結線される。ま
た、前記パイレックスガラス基板４と前記ステム１７の
接合には低融点ガラス１６を用いており、接合の際にス
テム１７から突出したリードピン先端は、前記スルーホ
ール１５内に挿入され、低融点ガラス１６を４４０℃，
Ｎ２，１０分の条件で溶融する際、配線部１４も同時に
溶融することによってリードピン１８と電極部９，１０
が電気的に接続される。ハウジング２０には凹状の圧力
導入口が設けられおり、その底部に前記ステム１７をＳ
ＯＩ基板とパイレックスガラス基板４よりなる感圧素子
が、直接被測定媒体に曝されるとともに、感圧素子が接
合されていない面側のリードピン先端が、被測定媒体に
接触しないセンサ内部の空間２３に位置するよう溶接部
２１で溶接している。本構造によって、圧力印加時には
各素子および各接合部に圧縮応力がかかるため、耐圧面
で有利となる。また、仮に高圧によって低融点ガラス１
６が破損した場合においても、ハーメチックされたステ
ム１７の存在によって被測定媒体がセンサ内部の空間２
３へリークすることなく、気密性に関して２重構造とな
っている。

【００１０】ここで検出部の各部の概略寸法について述
べる。第１のシリコン板１の非エッチング部の厚さは約
数百ミクロン、エッチング部の厚さは約百ミクロン、熱
酸化膜２の厚さは約１ミクロン、第２のシリコン板２の
外枠部１２及び電極部９，１０の厚さは約１０ミクロ
ン、また歪みゲージ７，８、配線部を含む薄肉部の厚さ
は数ミクロン、パイレックスガラス基板４の厚さは約１
ミリ、スルーホール１５の径は約数百ミクロン、低融点
ガラス１６の厚さは約数百ミクロン、ステム１７の厚さ
は約２mm、検出部全体の平面寸法は約数ミリ角である。
なお、本図以降の図の同一要素には同一の番号を用いる
ことにした。

【００１１】ＳＯＩ基板の第２のシリコン板を絶縁基板
側からみた平面図を図２に示す。外枠部１３に囲まれた
領域内において、左側が高圧用の検出部となり、右側が
低圧用の検出部となる。なお、前述したように低圧用検
出部の中央には前記ストッパ１１が配置される。それぞ
れの検出部にはＶＣＣ端子９ａ，１０ａ、第一出力端子
９ｂ，１０ｂ、第二出力端子９ｄ，１０ｄ、ＧＮＤ端子
９ｃ，１０ｃの４つの電極が形成されており、ＧＮＤ端
子９ｃ，１０ｃは外枠部１３に接続されている。外枠部
１３と４つの電極に囲まれた長方形の領域の上部は、第
１のシリコン板１がエッチング加工により薄くなってお
り、本領域が圧力に感じて変位するダイアフラム部５，
６となる。ダイアフラム部５，６の周辺領域には、熱酸
化膜２上に接合された第２のシリコン板３をエッチング
加工することによって形成された、半径方向のゲージ７
ａ，８ａと接線方向のゲージ７ｂ，８ｂが各２個ずつ配
置され、同じく第２のシリコン板３をエッチング加工す
ることによって形成された薄肉の配線部１４を介して、
電極部９(９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ)，１０（１０ａ，１
０ｂ，１０ｃ，１０ｄ）に電気的に接続されている。第
２のシリコン板３には、（１００）面Ｐ型で比抵抗０.
０１〜１.０Ω・cmの単結晶シリコンウエハが用いられ
ており、歪みゲージ７，８の電気抵抗値は数百Ωから数
ｋΩの値に設定されている。なお、ゲージ部以外の配線
部１４には、アルミスパッタなどによる金属薄膜の形成
あるいはボロン等の打ち込みによって電気抵抗を小さく
している。１２はそれぞれ電極部上に形成された多層の
導電膜(Ａｌ／Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ)である。これらの導電
膜はＳＯＩ基板とパイレックスガラス基板４を接合した
後に、スパッタ，蒸着，めっきなどの手法で形成され
る。

【００１２】次に動作原理を簡単に説明する。ダイアフ
ラムが圧力によってパイレックスガラス基板４側にたわ
むと、接線ゲージ７ｂ，８ｂの電気抵抗値は増加し、半
径ゲージ７ａ，８ａの抵抗値は減少する。したがって、
図２に示すように接線ゲージ７ｂ，８ｂと半径ゲージ７
ａ，８ａを良く知られたブリッジ回路に結線し、電極部
９ａ（１０ａ）と電極部９ｃ（１０ｃ）間に定電圧を供
給すると電極部９ｂ（１０ｂ）と電極部９ｄ（１０ｄ）
間に計測すべき圧力に応じた差電圧が得られる。本セン
サの場合、印加電圧数Ｖに対し数十ｍＶの差電圧が発生
し、リードピン１８と結線された信号処理回路２２と接
続することによって、数Ｖに増幅された出力信号が得ら
れる。本実施例では高圧用と低圧用の出力信号をパラレ
ルに出力しており、低圧用の測定レンジを０〜１Ｍｐ
ａ、高圧用の測定レンジを０〜１０Ｍｐａに設定した場
合の出力信号の例について図３に示す。高圧用と低圧用
の出力ともに圧力に応じて直線的に増加し、低圧用の出
力は１Ｍｐａで、高圧用の出力は１０Ｍｐａで最大電圧
値に到達する。なお、低圧側ダイアフラム６のストッパ
１１は、約２Ｍｐａ付近でパイレックスガラス基板４に
接触し、高圧印加時に過大な変位量によってダイアフラ
ム６が破損するのを防止する。高圧用と低圧用の増幅率
は同程度であることから、高圧用と低圧用の出力値を切
り替えて用いることにより、低圧域から高圧域まで高精
度に圧力を測定できる。

【００１３】次に感圧素子の実装構造を変更した他の実
施例について図４を用いて説明する。先に図１で示した
実施例と異なる点は、低融点ガラス１６との接合面側の
リードピン１８を短くし、先端にバネ２９を取り付けた
ところにある。前記実施例ではリードピン１８の突き出
し量やスルーホール１５の公差が接合の際に問題となる
のに対し、バネ２９は形状の自由度が大きいため接合時
の位置合わせの自由度が向上する。さらに接合後も応力
緩衝部材として働くため、配線部１４とリードピン１８
間に作用する熱応力等に対しても有利である。

【００１４】次にリードピンに替えてリード線を用いた
実施例について図５を用いて説明する。ステムにはリー
ドピンの替わりにリード線３１用の金属ガイド３２がハ
ーメチックシールされている。リード線３１の先端とＳ
ＯＩ基板の電極部を半田３０（Ｐｂ−Ｓｎ半田，Ａｕ−
ＳｎあるいはＡｕ−Ｓｉ共晶接合材料）で接合した後、
感圧素子，低融点ガラス１６，ステム１７を前記リード
線３１が前記ガイド部３２内を通るように積層し、低融
点ガラス１６を溶融させてパイレックスガラス基板４と
ステム１７を接合する。その後、前記ガイド部３２とリ
ード線３１を溶接によって気密に封止する。リード線３
１は細くて柔らかいため、本実施例においても前記実施
例と同様に、接合時の位置合わせが容易となり、接合後
も応力緩衝部材として働くため、熱応力等に対しても有
利である。

【００１５】次に感圧素子の台座としてパイレックスガ
ラスの代わりに、ムライト基板を用いた実施例について
図６を用いて説明する。このムライト基板は、セラミッ
ク基板でも熱膨張係数がシリコンに近い材料である。ム
ライト基板４０には円柱状のタングステン導体４１が埋
め込まれており、ムライト基板４０の両面には金属の薄
膜層４２が第２シリコン板３およびステム１７の接合面
の形状に合わせてスパッタ等の手法により形成されてい
る。また、ムライト基板４０と第２シリコン板３、ムラ
イト基板４０とステム１７はＡｕ−ＳｎあるいはＡｕ−
Ｓｉ共晶接合材料４３によって気密に接合している。本
実施例では、スルーホール内での電極とリードピンとの
接合が不要となることから、作業性が向上する利点があ
る。

【００１６】次にＳＯＩ基板のかわりに一般的なシリコ
ン単結晶基板を用い、不純物拡散によって歪みゲージを
形成した他の実施例について図７を用いて説明する。ｎ
型シリコン基板５４をベースに左半分には高圧用の電極
群と歪みゲージ群が形成され、右半分には低圧用の電極
群と歪みゲージ群およびストッパが形成されている。シ
リコン基板の加工手順としては、表面の酸化膜形成，フ
ォトエッチング，ボロン等の不純物拡散の行程によって
低抵抗の配線部５１（ｐ⁺⁺層）及びゲージ抵抗部５０
（ｐ⁺層）をそれぞれ形成する。次に酸化膜５３の形
成，フォトエッチングによって電極取出口５５を形成
後、全面にドープ多結晶シリコンをＣＶＤ等で形成し、
フォトエッチングによって電極部５２，外枠部５０およ
びストッパ５７を形成する。本実施例では、ｐｎ接合に
発生するリーク電流のため１５０℃以上の高温動作は不
可能であるが、ＩＣプロセスによる製作が可能であるこ
とから、増幅回路と検出部の１チップ化が容易である。

【００１７】次に増幅回路などの信号処理回路部と検出
部を１チップ化した実施例について図８を用いて説明す
る。前記実施例と同様にｎ型シリコン基板をベースとし
ており、酸化，拡散，ホトレジスト，蒸着等の一般的な
ＩＣプロセスによって、左側には高圧用ゲージ部６２、
右側には低圧用ゲージ部６３、中央には信号処理回路部
６０を同時に形成する。更に全面にドープ多結晶シリコ
ンをＣＶＤ等で形成した後、フォトエッチングによって
中央部に４つの電極（ＶＣＣ端子６１ｃ，GND端子６１
ｄ，高圧用出力端子６１ａ，低圧用出力端子６１ｂ）と
外枠部５６およびストッパ５７を形成する。ゲージ部と
信号処理回路の１チップ化によって、前記実施例に比べ
センサ全体の寸法を大幅に小型化することが出来る。同
様に、図１に示したＳＯＩ基板よりなる半導体圧力セン
サへ信号処理回路部を１チップ化することも容易であ
る。

【００１８】

【発明の効果】本発明によって、半導体圧力センサは圧
縮応力を受ける構造となり、かつ感圧素子部とハーメチ
ックシールされたステムの２重シール構造になり、高耐
圧，高信頼性の高圧センサを作ることができる。即ち、
危険な被測定媒体が外部へ漏れる可能性のない半導体圧
力センサを提供できる。また、高圧用と低圧用の独立し
た２つの検出部を１チップに集積化することによって、
高圧領域のみならず低圧領域においても高精度に圧力を
測定することが可能な半導体圧力センサを、安価に提供
することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体圧力センサの実装構造の一
実施例を示した図。

【図２】本発明による半導体圧力センサのゲージ構造の
一実施例を示した図。

【図３】本発明による半導体圧力センサの出力特性の例
を示した図。

【図４】本発明による半導体圧力センサの実装構造の他
の実施例を示した図。

【図５】本発明による半導体圧力センサの実装構造の他
の実施例を示した図。

【図６】本発明による半導体圧力センサの実装構造の他
の実施例を示した図。

【図７】本発明による半導体圧力センサのゲージ構造の
他の実施例を示した図。

【図８】本発明による半導体圧力センサの感圧素子と信
号処理回路を集積した例を示した図。

【符号の説明】

１…第１のシリコン板、２…熱酸化膜、３…第２のシリ
コン板、４…パイレックスガラス基板、５…高圧ダイア
フラム、６…低圧ダイアフラム、７…高圧用歪みゲー
ジ、８…低圧用歪みゲージ、９…高圧用電極、１０…低
圧用電極、１１…ストッパ、１２…導電膜、１３…外枠
部、１４…配線部、１５…スルーホール、１６…低融点
ガラス、１７…ステム、１８…リードピン、１９…高融
点のガラス、２０…ハウジング、２１，３３…溶接部、
２２…信号処理回路部、２３…センサ内部の空間、２９
…バネ、３０…Ａｕ−Ｓｉ共晶半田、３１…リード線、
３２…ガイド、４０…ムライト基板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山口真市茨城県ひたちなか市高場2477番地株式会社日立カーエンジニアリング内 (72)発明者笹田義幸茨城県ひたちなか市大字高場2520番地株式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者三木政之茨城県ひたちなか市大字高場2520番地株式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者久保田正則茨城県ひたちなか市高場2477番地株式会社日立カーエンジニアリング内 (72)発明者宮崎敦史茨城県ひたちなか市大字高場2520番地株式会社日立製作所自動車機器事業部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ダイアフラム部，歪みゲージ部，電極部を
形成したシリコン板と、スルーホールを有する絶縁基板
と、を前記歪みゲージ部を密封するように気密に接合し
てなる感圧素子と、リードピンを気密封止によって貫通形成したステムとを
備え、前記リードピンが前記絶縁基板のスルーホール内に設け
た導電材料によって前記シリコン基板の電極部と電気的
に接続され、前記絶縁基板と前記ステムを気密に接合し
たことを特徴とする半導体式圧力センサ。
【請求項２】請求項１記載の前記シリコン板は、高圧検
出部と低圧検出部を有することを特徴とする半導体式圧
力センサ。
【請求項３】請求項１または２において、ある一定の圧
力値以上で前記絶縁基板に接触する凸部を前記シリコン
板へ設けたことを特徴とする半導体式圧力センサ。
【請求項４】請求項１記載の前記シリコン板は、第１の
シリコン基板，熱酸化膜，第２のシリコン基板の３層積
層構造よりなるＳＯＩ基板であることを特徴とする半導
体式圧力センサ。
【請求項５】請求項１または４記載の前記絶縁基板は、
ガラス板あるいはセラミック板であることを特徴とする
半導体式圧力センサ。
【請求項６】請求項１記載の前記スルーホール内に設け
た前記導電材料は、Ｐｂ−Ａｎ半田またはＡｕ−Ｓｎ，
Ａｕ−Ｓｉ共晶接合材料であることを特徴とする半導体
式圧力センサ。
【請求項７】請求項１において、前記絶縁基板と前記ス
テムとの接合に低融点ガラスまたはＡｕ−Ｓｉなどの共
晶接合材料を用いることを特徴とする半導体式圧力セン
サ。
【請求項８】請求項１において、前記絶縁基板のスルー
ホール下部の前記シリコン板の電極部表面に、複数層の
金属薄膜を形成し、その薄膜上にＰｂ−Ｓｎ半田よりな
る導電材料を設けたことを特徴とする半導体式圧力セン
サ。
【請求項９】請求項１において、前記感圧素子部近傍に
信号処理回路を集積化したことを特徴とする半導体式圧
力センサ。