JPS6155789B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は流体の圧力を電気量に変換し、標準の
電気信号を作り出す圧力・差圧伝送器に係り、特
に圧力変換部に半導体単結晶からなる起歪板を使
用した半導体圧力・差圧伝送器に関する。

一般に半導体圧力・差圧伝送器は第１図及び第
２図に示す如く構成されている。そしてこの第１
図は半導体圧力・差圧センサ部のうちダイヤフラ
ム型のもので縦型の断面図、第２図は第１図の半
導体ダイヤフラム型圧力・差力センサを圧力導入
部材に接着固定し、さらに圧力伝送器に装填した
部分断面図である。

ここで１は中央部に流体の圧力によつて歪を生
ずる起歪ダイヤフラム２が中央部に設けられてい
る圧力変換ペレツトであり、通常は数Ωcmのｎ型
シリコン単結板が用いられている。該ペレツトは
同じ熱膨張係数を有するシリコン台座３と接着面
４においてエポキシ接着又はガラス接着によつて
固定されている。該シリコン台座３には配線用パ
ツケージ端子板５が配設され、前記シリコンダイ
ヤフラム上に拡散形成された歪抵抗層６にはAl
等の金属配線層７を通してボンデインワイヤ８に
よつて結線されている。

次に第２図を説明する。第１図のシリコンダイ
ヤフラム型圧力センサは圧力導入部材２１に面２
２でエポキシ又はガラス接着により固定されてい
る。該圧力導入部材は圧力センサの動作温度であ
る−30℃〜＋150℃の範囲で上記圧力変換ペレツ
ト１及びシリコン台座３の熱膨張係数と等しい金
属、例えばINL（Fe―Ni合金）メタルから形成さ
れている。

該圧力導入部材２１は他端に形成されたねじ部
２３で圧力伝送器本体２４と気密にねじ止めされ
る。測定する流体圧力は、該伝送器の導入結合部
の一端に設けられた薄い金属の可撓性ダイヤフラ
ム２５に伝えられ、該ダイヤフラム２５と前記圧
力変換ペレツト１間に真空封入されたシリコンオ
イル２６を介して伝えられる。一方、流体圧力に
よる前記圧力変換ペレツトの電気的変化は、前記
パツケージ端子５に結続されたコネクタ２７によ
つて補償回路系（図示せず）へ伝達される。ここ
で、圧力伝送器本体２４は測定用流体および外部
の腐蝕性雰囲気でも侵されないステンレス系統の
金属材料が用いられ、圧力変換ペレツト１および
圧力導入部材２１とは熱膨張係数が大きく異つて
いるが、該圧力導入部材の中間部に設けられた括
れ部２８によつて本体２４の影響から保護されて
いる。

以上、第１図、第２図で説明したシリコンダイ
ヤフラム型圧力センサには大きな利点があるが、
１つの欠点を持つている。まず利点は圧力変換ペ
レツト、シリコン台座および圧力導入部材が素子
の使用温度範囲で全て熱膨張係数が等しくそろえ
られている点にある。従来のこの種のセンサで
は、センサ単体と圧力を実際に導入するための結
合部で熱膨張係数が異つていること、機械的結合
時に歪をセンサに与えてしまうという欠点があつ
た。第２図の実施例では、圧力変換素子と同じ熱
膨張係数の圧力導入部材を用いてあり、さらに中
間部に括れ部を有しているので、この部分で機械
的、熱的歪が遮断され圧力変換素子には取付け筐
体や伝送器本体の影響が伝わらない。唯一の大き
な欠点は圧力変換素子とシリコン台座の接着およ
びシリコン台座と圧力導入部材との接着にガラス
接着又はエポキシ接着を用いなければならないこ
とにある。接着は流体圧力を圧力変換素子に正し
く加えるための気密保持と圧力変換ペレツトと圧
力導入部材の電気的絶縁を保つための２つの目的
をはたさなければならない、エポキシ接着もガラ
ス接着もシリコンダイヤフラム型圧力センサを固
定する接着剤としては種々の問題点を持つてい
る。例えばエポキシ接着は長期間におよぶ耐蝕性
に難点があると言われている。又ガラス接着で
は、一般に溶融、接着温度が600℃〜700℃と非常
に高温であるため、圧力変換ペレツト上の金属配
線層が侵される欠点があり、作業上に難点があ
る。

エポキシ系、ガラス系を問わず一般に接着剤の
材料は低温接着のものほど耐蝕性が弱く、高温の
ものほど耐蝕性が優れている。この点でエポキシ
接着には、センサの最高使用温度よりあまり高温
のものはなく、高温下でセンサを使用する場合、
長期的信頼性に欠ける難点があつた。

圧力センサ、歪センサでは感圧、感歪素子を固
定するために接着という作業は不可避である。感
圧、感歪素子に半導体、とりわけシリコンを用い
る場合には、接着に金―シリコン合金法を用いる
ことができれば、長期間の高温使用にも特性の安
定化をはかることができる。この方法は370℃で
シリコンと金の合金化によつて接着層を形成させ
るため、エポキシ接着よりはるかに優れた耐久
性、耐クリープ性を有している。しかしこの接着
法の大きな欠点は、シリコン感圧素子の基板と合
金接着される相手の金属との間が電気的導通状態
になつてしまうことである。例えば第１図で示し
た、シリコンダイヤフラム型圧力センサを金―シ
リコン合金接着させると仮定する。ここで、感圧
ペレツト１とシリコン台座３の接着において、接
着部分からはあらかじめシリコン酸化膜８を除去
しておかなければ、強力な金―シリコン接着は得
られない。そのために、感圧ペレツトのシリコン
基板１とシリコン台座３間は金―シリコン合金層
を介して電気的導通状態になつてしまう。さらに
第２図で示した金属製の圧力導入部材２１とシリ
コン台座３間にも同じように金―シリコン合金層
を介して電気的導通が生じてしまう。シリコンダ
イヤフラム型圧力センサでは、一般にシリコン基
板にｎ型を用い、拡散抵抗層にはｐ型を用いるの
でこの間にはpn接合が形成されている。実際の
圧力測定においては、このpn接合に逆バイアス
電圧を加え、ｐ型拡散層を電気的にｎ型基板から
絶縁させなければならない。また金属製の圧力導
入部材はこれが取りつけられる筐体とともにアー
ス電位にしなければならない。感圧ペレツトのｎ
型基板が該圧力導入部材と導通状態にあると、
pn接合に順方向電位が加わつてしまう場合も生
じてしまう。又センサ部で筐体とともに回路系の
一部がアース電位になることを、２点アースと称
して工業用圧力伝送器のように２線式に統一され
た計測器では、使用することができない。

本発明は上記かかる接着技術に関する欠点を改
善し、高性能、高信頼性並びに特性の長期安定性
を確立した半導体圧力・差圧伝送器を提供するも
のである。

以下、第３図を参照し、本発明を詳細に説明す
る。

第３図において、３１は中央部にｐ型抵抗層３
２を設け、中央部に感圧ダイヤフラム３３、周辺
部３４で肉厚としたｎ型シリコン単結晶基板、３
５は周辺部にハーメチツクシール等３６で端子３
７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３
８を有し、貫通した圧力導入口３９を有する圧力
導入部材４０が、前記パツケージ３５と４１部で
ネジ止めされ気密保持されている。該圧力導入部
材４０は前述したように、圧力の測定を実際に行
う温度範囲、例えば−30℃〜＋120℃でシリコン
と同じ熱膨張係数を有するメタル、例えばINLメ
タルで形成される。しかし、パツケージ３５の材
料としては特に指定する必要はない。通常の半導
体パツケージ材として用いられている鉄、コバー
ルメタル等で周辺部にハーメチツクシールで端子
が取出せるものであれば良い。

一方上記INLメタルからなる圧力導入部材４０
のフランジ面には一様に20〜500μ厚のガラスコ
ーテイング４２が施されている。ガラスコーテイ
ング層上には約３〜５μの金メツキ層４３が設け
られている。この金メツキ層を介して感圧ペレツ
トの周辺肉厚部の先端面で該ガラスコーテイング
層と金―シリコン接合され、圧力導入部材に接着
固定される。この手法を用いることによつて、該
感圧ペレツト３１は前記ガラスコーテイング層４
２によつて圧力導入部材４０およびメタルパツケ
ージ３５とは電気的に完全に絶縁される。このパ
ツケージ法を用いれば、感圧ペレツト上に設けら
れたｐ型拡散層３２と外部への取出し用ハーメチ
ツク端子３７とは同じ高さに揃えることができ、
通常の半導体、IC素子のパツケージング法と同
じように、熱ボンデイング法又は超音波ボンデイ
ング法によつて感圧ペレツトの配線を行うことが
できる。上記本発明の一実施例の技術を用いるこ
とによつて、前述した半導体圧力センサの使用上
の難点は全て除去できる。第１にシリコン感圧ペ
レツトと圧力導入部材との接着にAu―シリコン
合金接合を用いてあるため、耐蝕性の向上がはか
れる。これは前述したクリープ特性、耐蝕性の向
上の他に、真空をリフアレンスとして微圧を測定
する場合にも有効である。真空をリフアレンスと
する場合、感圧ペレツトの片側を真空にする必要
があり、真空容器の排気には300℃以上の高温排
気処理を施さねば、長期的真空の保持は不可能で
ある。この気密保持にエポキシを用いれば、高温
排気処理ができず、長期間の真空保持はできなか
つた。第２に本発明の特徴であるINLメタルへの
ガラスコーテイングによつて、シリコン感圧ペレ
ツトとパツケージとが電気的に絶縁されたことで
ある。第３に圧力導入部材にセンサ動作温度域で
シリコン感圧ペレツトと同じ熱膨張係数を有する
INLメタルを用い、しかも該ペレツトを接着する
フランジ底部以外は肉薄となつていることであ
る。この手法によつて、パツケージの材料を問わ
ず、感圧ペレツトには熱歪の影響と取付時の機械
的歪の影響から遮断される。

圧力導入部材のフランジ部へガラスコーテイン
グする技術は、通常のホーロ仕上げとして知られ
ている方法が最適である。メタルとガラスとの密
着性は極めて優れている。次にガラスコーデイン
グの上に金メツキ層を形成する手法の一例を述べ
る。単に金層を設けるだけなら無電界メツキ法等
があるがガラス層と金層との密着性、剥離強度の
点で充分とは言えない。充分な密着性と剥離強度
を得るには、金層形成後ガラスの軟化点直前の温
度で焼き付けることが望ましい。これに代わる方
法として、ガラス層の上にネサコーテイング層又
は銀ペースト、金ペースト層などの密着性の優れ
た下地の導電層を設け、これを電極として金メツ
キし２〜５μ厚に金層と形成する手法も考えられ
る。

第４図は本発明に係るシリコンダイヤフラム型
感圧素子を差圧変換器に適用した場合の一実施例
である。以下第４図を用いて説明する。

４１はシリコンダイヤフラム型圧力変換ペレツ
トであり、パツケージ４２には、中間部に括れ部
４３を有し、INLメタルで形成された圧力導入部
材４４を介して固定されている。パツケージ４２
は差圧伝送器筐体４５にネジ４６によつて気密保
持されている。シリコンダイヤフラム型圧力変換
ペレツト４１は上述したように圧力導入部材４４
とは20〜500μ厚のガラス被覆層を介して金―シ
リコン合金接着されていることは言うまでもない
が、第４図では省略した。４７，４８はそれぞれ
圧力導入口４９，５０から導かれた流体圧力をシ
リコンオイル５１を介して、上記圧力変換ペレツ
ト４１に伝達する金属、例えばステンレスの可撓
性ダイヤフラムである。５２は圧力導入口４９側
からの過圧防止装置であり、過圧時にはベローズ
５３とパツキング５４によつてシリコンオイルの
移動が遮断される。一方５５は圧力導入口５０側
からの過圧防止装置である。シリコンダイヤフラ
ム型圧力変換ペレツト４１の出力はパツケージ４
２のハーメチツクシール端子５６から再び差圧伝
送器筐体４５のハーメチツクシール端子５７へ結
線され、外部へ出力として取出される。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の半導体圧力センサの構造断面
図、第２図は第１図の半導体圧力センサを装填し
た圧力伝送器の部分断面図である。第３図は本願
発明を用いた半導体圧力センサパツケージ構成を
示す断面図、第４図は本願発明に係る半導体圧力
センサを圧力、差圧伝送器に適用した場合の構成
を示す一実施例である。 第３図において、３１はｎ型シリコン基板、３
２はｐ型抵抗層、３３は感圧ダイヤフラム、３４
は周辺部、３５は感圧素子パツケージ、３６はハ
ーメチツクシール、３７は端子、３８はフランジ
状平坦部、３９は圧力導入口、４０は圧力導入部
材、４２はガラスコーテイング層、４３は金メツ
キ層である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 中心部に圧力導入窓を有し、周辺部にハーメ
   チツクシールで形成された複数個のリード端子を
   有するパツケージ部材と、該窓部に取付けられ、
   中央部に貫通口を有し他端にフランジ状底部を有
   し、中間部が細く括れ、半導体とほぼ同じ熱膨脹
   係数を示すガラスコーテイング層が被着されたメ
   タルよりなる圧力導入部材と、該圧力導入部材の
   前記フランジ底部の貫通窓を封止するごとく金―
   シリコン合金接合によつて取付けられた半導体ダ
   イヤフラムと、該半導体ダイヤフラムに設けられ
   た該ダイヤフラムと逆導電型の複数個の歪計と、
   該歪計に取付けられた金属配線層と、該配線層と
   前記ハーメチツクシール端子の頭部とをほぼ同じ
   面上で配線する手段とを備えたことを特徴とした
   半導体圧力・差圧伝送器。