JPS63196081A - 半導体式圧力検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は媒体の圧力を検出する圧力検出器に関するもの
であり、より特定的には、流体の高い圧力を金属受圧ダ
イヤフラムおよび半導体歪ゲージを用いて検出する半導
体式圧力検出器に関する。

本発明の半導体式圧力検出器は、例えば、自動車のサス
ペンション制御用油圧センサ、ブレーキ制御用油圧セン
サ等に用いられる。

〔従来の技術、および、発明が解決しようとする問題点〕

圧力検出器としては種々の形式のものが知られている。

一般に、圧力検出器は測定圧力により歪変形する受圧ダ
イヤフラムと歪変形を電気信号として取り出す歪（スト
シン）ゲージとを有する。高圧測定用の圧力検出器の受
圧ダイヤフラムとしては耐圧性のある金属ダイヤフラム
を用い、金属ダイヤフラムの被測定流体と対向する側（
ダイヤフラム面）に金属歪ゲージを接合して測定部を構
成した圧力検出器が知られている。さらに、内燃機関等
の気筒内圧を検出する圧力検出器については、熱機関に
おける熱変動に伴う歪が加重されることを防止すべく、
受圧ダイヤフラムに近接し気筒内圧作用側に位置する蓄
熱部材を設けたものが知られている（例えば、特公昭５
８−５３７２号公報）、シかしながら、上記金属歪ゲー
ジを用いた圧力検出器は金属歪ゲージの出力感度が低い
ため、多段増幅やこれに伴なうノイズ除去等で測定回路
が複雑になるという問題がある。

一方、上記金属歪ゲージの問題を解決すべく、リニヤ且
つ高感度の出力が得られる半導体歪ゲージを用いた圧力
検出器が知られている（例えば、米国特許第３，８５８
，１５０号）、シかしながら、この圧力検出器は、半導
体チップ自体を受圧ダイヤフラムとしているため、高圧
測定用には用いにくいという問題がある。

そこで高圧測定且つ高精度測定用の圧力検出器としては
、金属ダイヤフラムと半導体歪ゲージを形成した半導体
チップを組合せるものが種々考案されている。しかしな
がら、金属ダイヤフラムに半導体チップを充分な強度で
接合することは難しい、また受圧ダイヤフラムと半導体
チップとの線膨張の差により半導体チップが破損すると
いう問題が生じる。

このため、金属ダイヤフラムと半導体チップとの間に半
導体チップの線膨張係数に近似した熱膨張係数を有する
中間材を介在させた圧力検出器が考案されている（例え
ば、特開昭５０−１０５２８５号公報）、シかしながら
、この圧力検出器は、中間材を受圧部材に固着するため
中間材と受圧部材との間にガラス薄膜を形成させ、さら
に中間材と半導体チップを固着するため中間材と半導体
チップとの間にガラス薄膜を形成させており、構造およ
び製造プロセスが複雑であるという問題がある。

また金属ダイヤフラムに絶縁層を形成させ、絶縁層全面
に感歪抵抗体を被着させ、温度条件の厳しい環境におい
ても繰返し使用可能とした歪（圧力）検出器が知られて
いる（例えば、特開昭６０−１５７２６４号公報）、シ
かしながらこの検出器の製造には、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法
等が必要であり、製造価格が高くなるという問題がある
。

上述の問題を解決すべく本願の出願人は、第８図に示さ
れるように、受圧用金属ダイヤフラム１１０のダイヤフ
ラム面に低融点ガラス層１１１を介して板ガラス１１２
を接合させ、該板ガラス１１２に感歪抵抗体を有する半
導体チップ１１３を載置して上記板ガラス１１２と半導
体チップ１１３を陽極接合させた圧力検出器を考案した
（例えば、特願昭６１−１３５２５８号）、これによれ
ば、半導体チップ１１３は強固かつ確実に金属ダイヤフ
ラム１１０上に接合され、高圧を充分な感度で精度良く
測定することができる。

しかしながらこの圧力検出器においても、（イ）低融点
ガラス層の接合歪・熱応力がゲージに加わりセンサの精
度低下の原因となるという性能面の問題、および（ロ）
低融点ガラス接着は一般的に工数が大なため製造コスト
が高くなり、板ガラスはダイヤフラム作用するので高度
な寸法精度が必要であり表面粗さもＲａ≦０．０５μｍ
とかなりきびしい精度が要求されるので部品コストが相
当高くなるという価格面の問題が予想される。

従って、高圧力を高精度で測定可能であり、低価格且つ
高信頼性の圧力検出器が要望されている。

〔問題を解決するための手段〕

本発明の圧力検出器は、第１図に図示の如く、半導体歪
ゲージチップ２、該半導体歪ゲージチップの底面に陽極
接合に適し、そのチップの熱膨張係数に近似した適当な
熱膨張係数を有するガラス材３を中間材としてスパッタ
リングにより薄く積層させ、薄いガラス材３が積層され
た半導体歪ゲージチップ２を半導体歪ゲージチップとは
り同様の線膨張率を有し充分な耐圧力を有する金属ダイ
ヤフラム１１の被検出媒体と対向する側（ダイヤフラム
面）に陽極接合させた構造を有する。

〔作　用〕

上記構造の製造過程において、ガラス薄膜はその熱膨張
係数が適当な値でありスパッタリング及び接合に伴う接
合歪、熱応力は小さくでき、強固且つ確実に半導体歪ゲ
ージチップ２を金属ダイヤフラム１１に接合することが
でき、検出精度を高くすることができる。

中間材としてのガラススパッタ膜３は相当薄く、ダイヤ
フラム作用に悪影響を及ぼさず、検出精度を高めること
ができる。

半導体歪ゲージチップ２と金属ダイヤフラム１１の膨張
率がほり同じであることから、膨張率の差に伴う精度低
下が防止でき、半導体歪ゲージチップの接合剥離、破損
が生ぜず、信頼性の高い動作が可能である。

〔実施例〕

先ず第２図に圧力検出器の全体構造の断面図を示す０図
において、検出器ハウジング５０１は異径の筒体であり
、小径の上端部外周には取付用ネジ部５０１ａが形成さ
れ、中間部外周は回転操作用の六角面としである。上記
ハウジング５０１内にはセンシングボデー１が挿通配設
してあり、該ボデー１は上端開鎖の筒体であって大径の
上端部をハウジング５０１内壁の段付部に当接せしめ、
下端開口の周縁を上記ハウジング５０１の開口縁に溶接
固定しである。センシングボデー１の上端面中心部は薄
肉として受圧用ダイヤフラム１１としである。

金属ダイヤフラム１１の上面には後述する接合構造によ
って感歪抵抗を有する半導体歪ゲージチップ（以下半導
体チップ）２が接合してあり、該半導体チップ２はこれ
を囲むようにセンシングボデー１の上面外周部に設けた
リング状セラミック基板５０２上の電極（温時）にワイ
ヤ５０３で接続しである。セラミック基板５０２の上記
電極形成部にはビン５０４が立設され、これらビン５０
４はリード線５０５により、ハウジング５０１の上端開
口に密嵌されたコネクタ５０６のコネクタビン５０７に
接続しである。

第３図に金属ダイヤフラム１１と感歪抵抗を有する半導
体チップ２との接合構造を示す、金属ダイヤフラム１１
の材質は、高耐圧性を有し、半導体、例えばシリコン（
Ｓｉ）チップ２と近似する線膨張率を有するもの、例え
ば、４２％Ｎｉ−Ｆｅ合金、コバール（商品名）等であ
る。金属ダイヤフラム１１は温室圧力により異なるが、
例えば、直径数ｍｍ、厚さ５０〜１５０μ瞳程度である
。半導体チップ２の裏面にはスパッタリングにより陽極
接合に適し熱膨張係数が半導体チップ２（本実施例の場
合、Ｓｉ）の熱膨張係数に近似した材料、例えばＮａｚ
ｏ−ＢｚＯ＊　　ＳｉＯ□系ガラス、より特定的には「
バイレックス＃７７４０（商品名）」を３〜１０μ醜積
層し、ガラス薄膜３１を形成し、金属ダイヤフラム１１
に陽極接合しである。即ち、半導体チップ２は中間材と
してのガラス薄膜３１を介して金属ダイヤフラム１１と
陽極接合されている。尚、パイレックスガラスの熱膨張
係数はａｚｘｔｏ−ツ℃である。又、半導体チップ２と
ガラス薄ＷＡ３１との熱膨張係数の差は５Ｘ１０−’／
”Ｃ以下が望ましい。

上記構造を第４図（ａ）〜（ｄ）を参照して述べる。

（イ）第４図（ａ） Ｎ型又はＰ型不純物を有するＳ１単結晶を基板とするウ
ェハー２１にピエゾ拡散抵抗材を拡散し、感歪抵抗体２
２．〜２２．とする。この拡散は半導体プロセスの通常
の拡散処理でよい。

この拡散による感歪抵抗体の配置は、第４図（ｃ）の平
面図に示すように行う。感歪抵抗体２２．〜２２゜を第
６図の如くブリッジ接続し、歪を電気信号としてとり出
せるようにするためである。

上記Ｓｉ基板２１に保護膜２３および信号取出電極２４
を形成させる。

（ロ）第４図（ｂ） Ｓｉ基板２１の裏面に中間材として、スパッタリングに
より陽極接合に適するＮａｚＯ−８２０３−ＳｉＯ□系
ガラス、例えば、「パイレックスガラス（＃７７４０）
　Ｊを３〜１０μ１１積層させる。

（ハ）第４図（ｃ） ダイシングによりガラス薄膜３１が付着された半導体ウ
ェハーを各Ｓｉチップに切断する。

（ニ）第４図（ｄ） カットされた半導体チップ２をガラス薄膜３１が金属ダ
イヤフラム１１のダイヤフラム面に当接するように載置
し、不活性ガス雰囲気中、又は真空中で、温度１００〜
２００℃下において陽極接合を行う、印加電圧は１００
〜２００Ｖである。

これにより、半導体チップ２が中間材としてのガラス薄
膜３１を介して金属ダイヤフラム１１に接着される。

以上の如く、中間材として、スパッタリングによりＮａ
、０−Ｂ２Ｏ３５ｉｆｔ系のガラス薄膜３１を形成させ
るので、従来のような溶融に伴う熱応力および接合歪を
小さく抑えることができる。これにより圧力検出器とし
て用いた場合、精度の低下が防止できる。また、スパッ
タ膜形成は通常の半導体製造技術を適用することができ
、半導体チップ形成工程にスパッタ膜形成工程を付加す
るのみでよい、一方、従来の低融点ガラス接着法におけ
る接着工程および板ガラス準備が不要となり、製造工程
が簡単化し、低価格となる。

また上記ガラス薄膜を付着させた半導体チップ２の金属
ダイヤフラム１１への接着は、従来の板ガラスを接着さ
せる場合、例えば約３００℃および５００℃程度で行な
うが、本実施例によると比較的低温度で行うことができ
、半導体チップの特性劣化が防止でき、製造価格も低下
する。

更に、中間材としてのガラス薄膜は３〜１０μ哨程度と
充分に薄いので、金属ダイヤフラムの歪みを半導体チッ
プ１の歪として伝達する上で悪影響を及ぼすことが少な
い。これにより検出精度が向上する。

上述の実施例は感歪抵抗としてピエゾ拡散抵抗とした。

この場合、基板２１と拡散層２２とのＰ−Ｎ接合により
耐電圧を確保し漏れ電流を防止するようにしている反面
、Ｐ−Ｎ接合の使用温度が通常１５０℃程度に制限され
るという面がある。そこで高温用としての他実施例を第
６図（ａ）〜（ｃ）を参照して述べる。

第６図（ａ）において、Ｓｉ基板２１の表面に熱酸化に
よりＳｉＯ□膜２６を０．３〜１μｍ積層させる。

５ｉ０２膜上にＰ又はＮ導電型多結晶ＳｉをＣＶＤによ
り形成させる。第６図（ｂ）において、フォトリソグラ
フィにより感歪抵抗２７１〜２７４を配置させる。

更に電極２８を形成させ、感歪抵抗を有する半導体チッ
プを形成する。第６図（ｃ）において、その後のスパッ
タ膜３１の形成および金属ダイヤフラム１１への陽極接
合は前述の実施例と同様である。

第７図に第６図（Ｃ）の変形例を示す、第７図において
、第６図（ｃ）のＳｉＯ□膜の代わりにのスパッタリン
グによりＳ！Ｊ−膜２９を０．３〜１μ輪積層させてい
る。他は第６図（ａ）〜（ｃ）を参照して述べたものと
同様である。

上述の実施例においては、感歪抵抗を第４図（ｃ）に図
示の如く配設する場合について述べたが、種々の配置を
とることができる。また半導体チップの基材としてＳｉ
を用いる場合について述べたが、これに限定されるもの
ではない、他の材料についても同様である。

〔発明の効果〕

以上に述べたように本発明によれば、半導体歪ゲージチ
ップと受圧用金属ダイヤフラムとの接合用中間材として
スパッタリング形成された陽極接合に適したガラスを薄
層材して用いるので、接合が強固に行なわれ、耐久性に
すぐれ、しかも低価格で製造できるという効果を奏する
圧力検出器が得られる。またガラス薄層はダイヤフラム
作用に悪影響を及ぼす程度が低いので、精度が向上する
。

さらに上記ガラス薄層の形成および陽極接合には余り高
い温度を必要としないので、半導体歪ゲージの劣化、破
損が防止できる。

さらに本発明によれば直接圧力を受けるダイヤフラムの
部分が耐久性が良好で強度が大きい金属を用いることで
高圧に耐え、しかも半導体歪ゲージと線膨張率かはダ同
じ材料を用いるので、安定した圧力検出器を提供できる
という優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の圧力検出器の圧力検出部の要部構成を
示す断面図、 第２図は第１図の圧力検出部を収容した圧力検出器の断
面図、 第３図は本発明の実施例の圧力検出部の断面図、第４図
（ａ）〜（ｄ）は第３図の圧力検出部の形成を図解した
図、 第５図は第３図の圧力検出部の感歪抵抗をブリッジ接続
した回路図、 第６図（ａ）〜（ｃ）は本発明の他の実施例の圧力検出
部の形成を図解した図、 第７図は本発明のさらに他の実施例の圧力検出部の断面
図、 第８図は従来の圧力検出部の断面図、である。 （符号の説明） ２・・・半導体歪ゲージチップ、 ３・・・ガラス薄層中間材、 １１・・・金属ダイヤフラム、　２１・・・Ｓｉ基板、
２２・・・感歪抵抗拡散層、　　２３・・・保護層、２
４　、２８・・・電極、　　　　　　２６・・・５ｉ（
ｈ膜、２７・・・多結晶シリコン層、　２９・・・５ｉ
Ｊ４ＪＷ、３１・・・ガラス薄層。 第１図 １１・・・金属ダイヤプラム 第２図 第３図 ２１・・・Ｓｉ基板 ３１・・・ガラス薄層 第５図 （ａ） （ｄ） 第４図 （ａ） （ｂ） 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、歪ゲージ半導体チップの裏面に陽極接合に適したガ
   ラス中間材をスパッタリングにて薄層化させ、該ガラス
   薄層中間材を受圧用金属ダイヤフラムのダイヤフラム面
   に陽極接合して成る圧力検出部を有する、圧力検出器。 ２、前記ガラス材料がＮａ＿２Ｏ−Ｂ＿２Ｏ＿３−Ｓｉ
   Ｏ＿２系ガラスである、特許請求の範囲第１項に記載の
   圧力検出器。 ３、前記ガラス薄層中間材がガラス材料をスパッタリン
   グにより０．３〜１．０μｍ形成されて成る、特許請求
   の範囲第２項に記載の圧力検出器。 ４、前記受圧用金属ダイヤフラムが前記歪ゲージ半導体
   チップとほゞ同じ線膨張率を有する、特許請求の範囲第
   １項〜第３項のいずれかに記載の圧力検出器。 ５、前記受圧用金属ダイヤフラムが、鉄・ニッケル合金
   で製造されている、特許請求の範囲第４項に記載の圧力
   検出器。 ６、前記歪ゲージ半導体チップが、半導体基材、および
   該基材に拡散された感歪抵抗体を具備する、特許請求の
   範囲第１項〜第５項のいずれかに記載の圧力検出器。 ７、前記歪ゲージ半導体チップが、半導体基材、該基材
   面に形成された絶縁層、および該絶縁層に形成された感
   歪抵抗体を具備する、特許請求の範囲第１項〜第５項の
   いずれかに記載の圧力検出器。 ８、前記絶縁層がＳｉＯ＿２である、特許請求の範囲第
   ７項に記載の圧力検出器。 ９、前記絶縁層がＳｉ＿３Ｎ＿４である、特許請求の範
   囲第７項に記載の圧力検出器。 １０、前記感歪抵抗体が多結晶シリコンにより形成され
   て成る、特許請求の範囲第７項〜第９項のいずれかに記
   載の圧力検出器。 １１、前記歪ゲージ半導体チップの半導体基材がシリコ
   ンにより形成されて成る、特許請求の範囲第６項〜第１
   ０項のいずれかに記載の圧力検出器。