JPS6128235B2 - - Google Patents
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- JPS6128235B2 JPS6128235B2 JP51140218A JP14021876A JPS6128235B2 JP S6128235 B2 JPS6128235 B2 JP S6128235B2 JP 51140218 A JP51140218 A JP 51140218A JP 14021876 A JP14021876 A JP 14021876A JP S6128235 B2 JPS6128235 B2 JP S6128235B2
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
- G01L19/0061—Electrical connection means
- G01L19/0084—Electrical connection means to the outside of the housing
-
- G—PHYSICS
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- G01L19/14—Housings
- G01L19/147—Details about the mounting of the sensor to support or covering means
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
- Pressure Sensors (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は圧力変化を電気信号に変換する圧力変
換器、特にその構成主要部にSi、Geなどの半導
体材料を使用した半導体圧力変換器に関するもの
である。
換器、特にその構成主要部にSi、Geなどの半導
体材料を使用した半導体圧力変換器に関するもの
である。
Si、Geなどの半導体の圧力効果として、ピエ
ゾ抵抗現象、ダイオード、トランジスタの応力効
果を利用するものなど種々のものがあるが、感圧
素子をプレーナ状に形成する構造であれば、いづ
れの現象を用いた圧力変換器にも適用できる。
ゾ抵抗現象、ダイオード、トランジスタの応力効
果を利用するものなど種々のものがあるが、感圧
素子をプレーナ状に形成する構造であれば、いづ
れの現象を用いた圧力変換器にも適用できる。
従来この種の半導体圧力変換器は第１図に示す
ように構成されている。この第１図で１は中央部
にｐ形抵抗層２を設け、裏面中央に感圧ダイヤフ
ラム３、周辺部４で肉厚としたｎ形シリコン単結
晶板、５は周辺部にハーメチツクシール等７で端
子６を埋め込んだ感圧素子パツケージである。該
パツケージの中央部には一端にフランジ状平端部
８を有し、貫通した圧力導入口９を有する圧力導
入部材１０が、前記パツケージ５と１１部でネジ
止めされ気密保持されている。なお感圧ペレツト
の出力はボンデイングワイヤ１３によつてハーメ
チツクシール端子から取り出す。該圧力導入部材
１０は前述したように、圧力の測定を行う温度範
囲、例えば−20℃〜＋85℃でシリコンとほぼ同じ
熱膨張係数を有するメタル、例えばNiが36％、
Coが数％、残りがFeから成る合金（以下INLメ
タルと称す）で形成される。従来の方式では前記
INLメタルからなる圧力導入部材のフランジ面８
に感圧ペレツトの周辺肉厚部の先端面をエポキシ
接着、ガラス接着又はAu―Si共晶合金接着１２
を以つて気密封じを行つていた。従来のこの手法
においては、パツケージ部材５やパツケージ部材
が固定される筐体（図示せず）からの熱歪や機械
的歪は前記INL部材のくびれ部１３によつて感圧
ペレツト４には直接影響しない構造になつてい
る。しかし、使用温度域を極めて広く要求される
分野、たとえば極度の寒冷地や熱帯における工業
プラント、あるいは一般のプラントと異なる原子
力プラント等では−40℃〜＋100℃以上の使用温
度域を保障しなければならず、従来法では精度が
低下する欠点があつた。この主な理由は、感圧ペ
レツトに対する周辺パツケージ部材と、圧力伝送
筐体からくる熱歪の影響を前記INLメタルのくび
れ部で逃げ切れないためであつた。
ように構成されている。この第１図で１は中央部
にｐ形抵抗層２を設け、裏面中央に感圧ダイヤフ
ラム３、周辺部４で肉厚としたｎ形シリコン単結
晶板、５は周辺部にハーメチツクシール等７で端
子６を埋め込んだ感圧素子パツケージである。該
パツケージの中央部には一端にフランジ状平端部
８を有し、貫通した圧力導入口９を有する圧力導
入部材１０が、前記パツケージ５と１１部でネジ
止めされ気密保持されている。なお感圧ペレツト
の出力はボンデイングワイヤ１３によつてハーメ
チツクシール端子から取り出す。該圧力導入部材
１０は前述したように、圧力の測定を行う温度範
囲、例えば−20℃〜＋85℃でシリコンとほぼ同じ
熱膨張係数を有するメタル、例えばNiが36％、
Coが数％、残りがFeから成る合金（以下INLメ
タルと称す）で形成される。従来の方式では前記
INLメタルからなる圧力導入部材のフランジ面８
に感圧ペレツトの周辺肉厚部の先端面をエポキシ
接着、ガラス接着又はAu―Si共晶合金接着１２
を以つて気密封じを行つていた。従来のこの手法
においては、パツケージ部材５やパツケージ部材
が固定される筐体（図示せず）からの熱歪や機械
的歪は前記INL部材のくびれ部１３によつて感圧
ペレツト４には直接影響しない構造になつてい
る。しかし、使用温度域を極めて広く要求される
分野、たとえば極度の寒冷地や熱帯における工業
プラント、あるいは一般のプラントと異なる原子
力プラント等では−40℃〜＋100℃以上の使用温
度域を保障しなければならず、従来法では精度が
低下する欠点があつた。この主な理由は、感圧ペ
レツトに対する周辺パツケージ部材と、圧力伝送
筐体からくる熱歪の影響を前記INLメタルのくび
れ部で逃げ切れないためであつた。
本発明は従来の欠点に鑑みてなされたもので、
極めて広範囲の周囲温度変化に対して安定に動作
する半導体圧力伝送器を提供するものである。
極めて広範囲の周囲温度変化に対して安定に動作
する半導体圧力伝送器を提供するものである。
以下第２図を用いて本発明の一実施例を説明す
る。この第２図において、２１は中央部にｐ形抵
抗層２２を設け、裏面中央部に感圧ダイヤフラム
２３、周辺部２４で肉厚としたｎ形シリコン単結
晶板、２５は周辺部にハーメチツクシール２６で
端子２７を埋め込んだ感圧素子パツケージであ
る。該パツケージの中央部には外部からの流体圧
力ｐを導入する圧力導入パイプ２８がガラス又は
セラミツク等の絶縁材料２９によつてハーメチツ
ク封入されている。一方感圧ペレツトの周辺肉厚
部は該ペレツトと同じくシリコンから成り、前記
感圧ペレツトの周辺肉厚部と相対する端面に50Å
〜200μｍ厚で例えばニツケル、銅等の金属層３
０で被覆されたシリコン台３１にAu―Si共晶合
金３２で接着される。さらに該シリコン台３１は
該シリコン台より外径が小さくかつシリコン台を
ほぼ同じ熱膨張係数を有するINLから成る結合パ
イプ３３と中央の穴部３４で接着され、該パイプ
の他端で前記圧力導入パイプ２８とも嵌入接着又
は気密接着がほどこされる。感圧ペレツト上に設
けられたｐ形拡散層２２は、ハーメチツクシール
端子２７に通常の半導体、IC素子と同じ手法を
用いて熱ボンデイング又は超音波ボンデイング法
による配線３４によつて端子２７に接続される。
る。この第２図において、２１は中央部にｐ形抵
抗層２２を設け、裏面中央部に感圧ダイヤフラム
２３、周辺部２４で肉厚としたｎ形シリコン単結
晶板、２５は周辺部にハーメチツクシール２６で
端子２７を埋め込んだ感圧素子パツケージであ
る。該パツケージの中央部には外部からの流体圧
力ｐを導入する圧力導入パイプ２８がガラス又は
セラミツク等の絶縁材料２９によつてハーメチツ
ク封入されている。一方感圧ペレツトの周辺肉厚
部は該ペレツトと同じくシリコンから成り、前記
感圧ペレツトの周辺肉厚部と相対する端面に50Å
〜200μｍ厚で例えばニツケル、銅等の金属層３
０で被覆されたシリコン台３１にAu―Si共晶合
金３２で接着される。さらに該シリコン台３１は
該シリコン台より外径が小さくかつシリコン台を
ほぼ同じ熱膨張係数を有するINLから成る結合パ
イプ３３と中央の穴部３４で接着され、該パイプ
の他端で前記圧力導入パイプ２８とも嵌入接着又
は気密接着がほどこされる。感圧ペレツト上に設
けられたｐ形拡散層２２は、ハーメチツクシール
端子２７に通常の半導体、IC素子と同じ手法を
用いて熱ボンデイング又は超音波ボンデイング法
による配線３４によつて端子２７に接続される。
半導体式圧力伝送器の信頼性は広範な周囲温度
においても安定していること、長期的使用によつ
ても特性変化の少ないことの２つに要約される。
第１番目の周囲温度に対する安定性を確保するた
めには、感圧ペレツトからパツケージや筐体の熱
歪、これに伴つて生ずる機械的歪を保護すること
である。２番目の長期的安定性は圧力の変化によ
つて感圧ペレツトが繰り返し変形を受けても、感
圧ペレツトの接着部が安定していることである。
しかも感圧ペレツトの接着は強固であると同時に
接着剤による接着歪を感圧ペレツトに及ぼしては
ならない。この条件を満足させるために、構造的
には第２図の構成要素をとり、感圧ペレツトとSi
台の接着にはAu―Si共晶合金接着法を用いてい
る。Si単結晶の共晶合金接着法自体は従来から公
知であるが、従来法での目的はIC又はトランジ
スタの電極の取り出しが主なる目的で、Siペレツ
トとシリコン台等の気密接着法はまだ確立されて
いなかつた。シリコンとAuの共晶合金は極めて
不安定なもので、例えば単にシリコンとシリコン
間に薄いAu箔等をはさんで共晶温度の360℃に上
昇せしめただけでは、局部的に合金化が生ずるだ
けで面状の接着は不可能である。これはシリコン
に対してAuが共晶合金化する特性を有すると同
時に、シリコンにAuが非常に早く浸透してゆく
という２つの相反する特性を有するためである。
したがつて、共晶合金接着は部分的に起つても、
他の部分ではAuがシリコン母体に拡散して接着
層を作らないというアンバランスが生じ易い。そ
こでAu―Si共晶合金がシリコンの母体に対して
比較的高い表面張力を有しかつ、金属に対して非
常に低い表面張力を有するという特徴を生かし
て、第２図に示した実施例では金以外の金属層と
Au―Si共晶合金層との積層構造を用いて感圧ペ
レツトとシリコン台との接着を行つている。すな
わち例えば第２図に示したシリコン台３１の一端
面に50Å〜200μｍ厚のNiメツキ層を設ける。該
メツキ層３０と感圧ペレツトの周辺肉厚部２４と
を対向させ両者間に10〜50μｍ厚のAu箔をはさ
んで全体に100〜500g／cm2の鍾しをかけてH2環元
性雰囲気又はAr，H2等の不活性雰囲気中で全体
を360℃〜400℃に加熱することによつて前記感圧
ペレツトの周辺肉厚部と前記シリコン台のNiメ
ツキ層面はAu―Si共晶合金３２によつて気密接
着される。前記シリコン台３１の中央穴部とINL
からなる結合パイプ３３及び該結合パイプとパツ
ケージ部材に設けた圧力導入パイプ２８との気密
接着は、すでに述べた感圧ペレツトとシリコン台
とのAn―シリコン接着の工程と同時にAu―Si接
着法を採用することも可能である。しかし、上記
した本発明の構造を採用すれば、感圧ペレツトと
シリコン台の接着以外には他の接着法、例えば
Au―Sn接着法、ハンダ接着法等の封止効果の高
い接着法を採用することが可能である。それは言
うまでもなく、感圧ペレツト２１に対して、シリ
コン台３１が外部歪の緩衝効果を持ち、更にシリ
コン台よりも細いINLパイプが２重に外部歪の緩
衝効果を有する構造を持つているからである。更
にパツケージ部材の中央部に設けたハーメチツク
シールの圧力導入パイプはパツケージ部材と感圧
ペレツト間の電気的高絶縁性を確保するためのも
ので、２線式圧力伝送器等では必要であるが、一
般の圧力測定では特に必要は無い。また第２図に
おいては、パツケージ部材２５の中央部に貫通す
る圧力導入パイプ２８の材料は特に明示していな
いが、この材質をINLメタルとすれば、前記結合
パイプ３３が不要になり、圧力導入パイプ２８の
先端にシリコン台３１を直接嵌入封着することが
できる。
においても安定していること、長期的使用によつ
ても特性変化の少ないことの２つに要約される。
第１番目の周囲温度に対する安定性を確保するた
めには、感圧ペレツトからパツケージや筐体の熱
歪、これに伴つて生ずる機械的歪を保護すること
である。２番目の長期的安定性は圧力の変化によ
つて感圧ペレツトが繰り返し変形を受けても、感
圧ペレツトの接着部が安定していることである。
しかも感圧ペレツトの接着は強固であると同時に
接着剤による接着歪を感圧ペレツトに及ぼしては
ならない。この条件を満足させるために、構造的
には第２図の構成要素をとり、感圧ペレツトとSi
台の接着にはAu―Si共晶合金接着法を用いてい
る。Si単結晶の共晶合金接着法自体は従来から公
知であるが、従来法での目的はIC又はトランジ
スタの電極の取り出しが主なる目的で、Siペレツ
トとシリコン台等の気密接着法はまだ確立されて
いなかつた。シリコンとAuの共晶合金は極めて
不安定なもので、例えば単にシリコンとシリコン
間に薄いAu箔等をはさんで共晶温度の360℃に上
昇せしめただけでは、局部的に合金化が生ずるだ
けで面状の接着は不可能である。これはシリコン
に対してAuが共晶合金化する特性を有すると同
時に、シリコンにAuが非常に早く浸透してゆく
という２つの相反する特性を有するためである。
したがつて、共晶合金接着は部分的に起つても、
他の部分ではAuがシリコン母体に拡散して接着
層を作らないというアンバランスが生じ易い。そ
こでAu―Si共晶合金がシリコンの母体に対して
比較的高い表面張力を有しかつ、金属に対して非
常に低い表面張力を有するという特徴を生かし
て、第２図に示した実施例では金以外の金属層と
Au―Si共晶合金層との積層構造を用いて感圧ペ
レツトとシリコン台との接着を行つている。すな
わち例えば第２図に示したシリコン台３１の一端
面に50Å〜200μｍ厚のNiメツキ層を設ける。該
メツキ層３０と感圧ペレツトの周辺肉厚部２４と
を対向させ両者間に10〜50μｍ厚のAu箔をはさ
んで全体に100〜500g／cm2の鍾しをかけてH2環元
性雰囲気又はAr，H2等の不活性雰囲気中で全体
を360℃〜400℃に加熱することによつて前記感圧
ペレツトの周辺肉厚部と前記シリコン台のNiメ
ツキ層面はAu―Si共晶合金３２によつて気密接
着される。前記シリコン台３１の中央穴部とINL
からなる結合パイプ３３及び該結合パイプとパツ
ケージ部材に設けた圧力導入パイプ２８との気密
接着は、すでに述べた感圧ペレツトとシリコン台
とのAn―シリコン接着の工程と同時にAu―Si接
着法を採用することも可能である。しかし、上記
した本発明の構造を採用すれば、感圧ペレツトと
シリコン台の接着以外には他の接着法、例えば
Au―Sn接着法、ハンダ接着法等の封止効果の高
い接着法を採用することが可能である。それは言
うまでもなく、感圧ペレツト２１に対して、シリ
コン台３１が外部歪の緩衝効果を持ち、更にシリ
コン台よりも細いINLパイプが２重に外部歪の緩
衝効果を有する構造を持つているからである。更
にパツケージ部材の中央部に設けたハーメチツク
シールの圧力導入パイプはパツケージ部材と感圧
ペレツト間の電気的高絶縁性を確保するためのも
ので、２線式圧力伝送器等では必要であるが、一
般の圧力測定では特に必要は無い。また第２図に
おいては、パツケージ部材２５の中央部に貫通す
る圧力導入パイプ２８の材料は特に明示していな
いが、この材質をINLメタルとすれば、前記結合
パイプ３３が不要になり、圧力導入パイプ２８の
先端にシリコン台３１を直接嵌入封着することが
できる。
以上述べたように本発明によれば感圧ペレツト
２１の支承にシリコン台３１を用い、さらにこの
シリコン台３１に、これより外径の小さくかつシ
リコン台とほぼ同じ熱膨張係数を有する金属性の
パイプを封着した構造をとつているため、シリコ
ン台３１が外部歪の緩衝効果を持ち、さらにシリ
コン台より細い金属パイプも外部歪に対して緩衝
効果を持つため、周辺パツケージ部材や圧力伝送
器筐体からくる熱歪、機械的歪をこれら２重の緩
衝効果によつて有効的に吸収することができる。
２１の支承にシリコン台３１を用い、さらにこの
シリコン台３１に、これより外径の小さくかつシ
リコン台とほぼ同じ熱膨張係数を有する金属性の
パイプを封着した構造をとつているため、シリコ
ン台３１が外部歪の緩衝効果を持ち、さらにシリ
コン台より細い金属パイプも外部歪に対して緩衝
効果を持つため、周辺パツケージ部材や圧力伝送
器筐体からくる熱歪、機械的歪をこれら２重の緩
衝効果によつて有効的に吸収することができる。
さらに本発明によれば感圧ペレツト２１に圧力
を導びくパイプとして金属性のパイプを用いてい
るため、この金属性パイプとシリコン台３１との
封止にAu―Sn接着法やハンダ接着法等のいわゆ
る金属接合による封止が可能であり、また金属性
パイプとパツケージ２５との封止に、パツケージ
２５が金属であつてもまたセラミツクであつて
も、ガラス付けが可能となるため、十分に高い封
止効果を得ることができる。
を導びくパイプとして金属性のパイプを用いてい
るため、この金属性パイプとシリコン台３１との
封止にAu―Sn接着法やハンダ接着法等のいわゆ
る金属接合による封止が可能であり、また金属性
パイプとパツケージ２５との封止に、パツケージ
２５が金属であつてもまたセラミツクであつて
も、ガラス付けが可能となるため、十分に高い封
止効果を得ることができる。
第１図は従来の半導体ダイヤフラム形圧力変換
器の構成を示す断面図、第２図は本発明一実施例
の半導体ダイヤフラム形圧力変換器の構成を示す
断面図である。 図において、２１はｎ形シリコン単結晶板、２
２はｐ形抵抗層、２３は感圧ダイヤフラム、２５
は感圧素子パツケージ、２６はハーメチツクシー
ル、２７は端子、２８は圧力導入パイプ、２９は
絶縁材料、３０は金属層、３１はシリコン台、３
２はAu―Si共晶合金、３３は金属からなる結合
パイプ、３４は配線である。
器の構成を示す断面図、第２図は本発明一実施例
の半導体ダイヤフラム形圧力変換器の構成を示す
断面図である。 図において、２１はｎ形シリコン単結晶板、２
２はｐ形抵抗層、２３は感圧ダイヤフラム、２５
は感圧素子パツケージ、２６はハーメチツクシー
ル、２７は端子、２８は圧力導入パイプ、２９は
絶縁材料、３０は金属層、３１はシリコン台、３
２はAu―Si共晶合金、３３は金属からなる結合
パイプ、３４は配線である。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ シリコン基体の中央部にダイヤフラムを形成
しこのダイヤフラムに対応した前記シリコン基体
の一方の側に少なくとも１個の応力感応領域を備
えたシリコン感応素子と、このシリコン感応素子
の前記シリコン基体の周辺部の一方の側に気密封
止的に設けられ中央部に貫通孔を有しかつ前記感
応素子を支承するシリコン台と、このシリコン台
の外径よりも小さい外径を有しかつ前記シリコン
台とほぼ同じ熱膨張係を有し、前記シリコン台と
気密封止的に接続された金属パイプと、この金属
パイプと前記シリコン台の貫通孔を介して前記ダ
イヤフラムに圧力を導くようにした圧力連通手段
とを具備してなることを特徴とする半導体圧力変
換器。 ２ シリコン感応素子の周辺部とシリコン台とが
金以外の金属層と金―シリコン共晶合金層との積
層構造によつて気密封止されていることを特徴と
する特許請求の範囲第１項記載の半導体圧力変換
器。 ３ 金以外の金属層は50Å乃200μｍ厚のニツケ
ルもしくは銅により形成されてなることを特徴と
する特許請求の範囲第２項記載の半導体圧力変換
器。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14021876A JPS5365089A (en) | 1976-11-24 | 1976-11-24 | Semiconductor pressure transducer |
| US05/853,869 US4168630A (en) | 1976-11-24 | 1977-11-22 | Semiconductor pressure converter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14021876A JPS5365089A (en) | 1976-11-24 | 1976-11-24 | Semiconductor pressure transducer |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5365089A JPS5365089A (en) | 1978-06-10 |
| JPS6128235B2 true JPS6128235B2 (ja) | 1986-06-28 |
Family
ID=15263650
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14021876A Granted JPS5365089A (en) | 1976-11-24 | 1976-11-24 | Semiconductor pressure transducer |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4168630A (ja) |
| JP (1) | JPS5365089A (ja) |
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1977
- 1977-11-22 US US05/853,869 patent/US4168630A/en not_active Expired - Lifetime
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5365089A (en) | 1978-06-10 |
| US4168630A (en) | 1979-09-25 |
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