JP2616952B2 - 半導体圧力センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体圧力センサに係り、特に半導体圧力セ
ンサを構成するダイヤフラム型半導体チップのレーザト
リミング（回路調整）に関する。

〔従来の技術〕

ダイヤフラム型半導体圧力センサ（例えばシリコン圧
力センサ）は、ダイヤフラムの変形に伴う応力によつて
抵抗素子の抵抗値が変化する、いわゆるピエゾ抵抗効果
を利用した圧力センサで、近年、半導体技術の進歩に伴
い、工業計測，医療，自動車等の分野で広く利用されつ
つある。この種の圧力センサの従来例としては、月刊誌
「センサ技術」（1985年５月号，発行社 情報調査会）
の第32頁〜第35頁に記載されたものや、特開昭62−7217
8号公報等に開示されたものがある。

第４図に、この半導体圧力センサの第１の従来例とし
て絶対圧型のセンサを例示する。

第４図において、１′はシリコンチップで、裏面に凹
加工を施してダイヤフラム１′ａが形成される。ダイヤ
フラム１′ａには、拡散抵抗による歪ゲージ（図示せ
ず）が配設される。シリコンチップ１′は、シリコンチ
ップと熱膨脹係数が一致するか又は近似する台座２（例
えばパイレックスガラス＃7740）にアノデイックボンデ
イングにより接合される。台座２には、被測定圧力を導
入するための通路2aが形成される。シリコンチップ１′
は、そのダイヤフラムの圧力検知面が通路2aの開口に対
向するようにして、台座２上に固定支持される。

５は基盤で、被測定圧力導入孔5aを有する。基盤５の
上面には、シリコンチップ１′付の台座２がメタライズ
層３を介した半田により接合される。このメタライズ層
３は、第１層が台座２の材質と接合強度の強いTiもしく
はCr,Ni−Crなどの接着層よりなり、第２層が多層構造
材料の層間拡散を防止するNiもしくはW,Mo,Ptなどの拡
散防止層よりなり、第３層が表面の酸化を保護するAuも
しくはPtなどの表面酸化保護層よりなる、３層で構成さ
れている。また、基盤５の下面には、圧力導入パイプ６
がろう剤（例えば、銀ろう，銅ろう）を用いて接合され
る。また基盤５の中心から半円周上に４個の外部との電
気的接続を得るためのリードピン７がハーメチックシー
ルガラス８で封着される。

９は金属製のキヤップで、基盤５上にプロジエクシヨ
ン溶接により接合され、キヤップ内は基準圧（例えば真
空圧）の状態に保たれ、基準圧室11を形成する。基準圧
室11中にシリコンチップ１′付の台座２が配置される。

このような圧力センサは、パイプ6,圧力導入孔5a,圧
力導入通路2aを介してダイヤフラム1aの圧力検知面に被
測定圧力を導入する。ダイヤフラム1aは基準圧と被測定
圧力との差圧により変形し、その時の歪ゲージの出力が
リード線10及びリードピン７を介して外付のハイブリッ
トIC（増幅回路，温度補償回路）に送られ、被測定圧力
が検出される。この圧力センサは、基準圧を真空圧とす
れば絶対圧型のセンサとなる。

この種の半導体圧力センサは、同一設計で製造されて
も、回路特性にばらつきが生じるため、通常は、増幅回
路等に組込まれる回路調整素子（抵抗）にレーザ等を照
射して抵抗の一部を削り取り、このようにして回路トリ
ミング（特性調整）を行つている。

また、最近では半導体技術の進歩により、シリコンチ
ップに歪ゲージ付ダイヤフラムを形成する他に、従来外
付けされていた増幅回路，温度補償回路もダイヤフラム
型のシリコンチップに一体に形成するものが実用化され
ている。

ところで、このようなダイヤフラム・増幅回路・温度
補償回路一体型のシリコンチップを、絶対圧センサとし
て用いた場合、このシリコンチップに形成される回路を
相対圧センサと同様に大気中でトリミングすると、次の
ような不具合が生じる。すなわち、大気圧で回路トリミ
ングを行つた後に、これを圧力センサのキヤップ内に基
準圧（真空圧）の下で組込んだ場合、ダイヤフラムの圧
力検知面側に大気がかかり、反圧力検知面側が真空圧と
なる。その結果、センサが被測定圧を検出する前からダ
イヤフラムに多少の変形が生じ出力のずれが生じ、せつ
かくトリミングを行つても回路特性の精度が低下する。
従来は、このような問題に対し充分な配慮がされていな
かつた。

一般的には、絶対圧センサとして用いる場合には、セ
ンサにキヤップを被着する前に、予め基準圧の雰囲気の
下でシリコンチップの回路トリミングを行い、その後で
キヤップの被着を行う手法が採用されていた。

しかしながら、このような手法によれば、トリミング
後にキヤップを被着するので、トリミング前後に基準圧
が変動すると、トリミング時の基準圧とキヤップ取付後
のセンサ内の基準圧にずれが生じ、回路特性のトリミン
グ精度を必ずしも充分に満足させるものではなかつた。

以上の問題を解消するために、近年では、センサ部
材，出力調整用抵抗および動作表示素子を密閉封止する
外装ケースを光透過部材で構成して、この外装ケースで
センサ部材，出力調整用抵抗及び動作表示素子を密閉封
止し、ケース内を絶対圧にした後に、この外装ケースを
介して出力調整用抵抗にレーザ光を照射して回路トリミ
ングを行う手法が提案されている。第５図にその一例を
示す。図中、第４図と同一符号は同一部分を示す。

第５図に示すように、シリコンチップ１の回路出力側
は、基盤５上にシリコンチップ１及び台座２を搭載後
に、Au細線10（φ30μｍ）を介してリードピン７と接続
される。その後、基準圧に設定された雰囲気中で後述す
るキヤップ9aが基盤５上に気密状態で被着される。

キヤップ9aは、例えば石英ガラス，サフアイアガラス
等のように良好なレーザ透過性を有する材料で形成さ
れ、キヤップ9aは、基盤５に、例えばアノデイックボン
デイング又は符号３で示したものと同様の３層のメタラ
イズ層13を介し半田付けを行うことで被着され、シリコ
ンチップ１及び台座２の周りに基準圧室11が形成され
る。

しかして、このような圧力センサにおいてレーザトリ
ミングを行う場合には、矢印に示す如く、大気中からレ
ーザ透過性キヤップ9aを介して、レーザを透過させ、基
準圧中のシリコンチップ１に形成された回路調整素子に
照射して、トリミングが行われる（これを第２の従来例
とする）。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記第２の従来例は、第１の従来例のような不具合を
なくし、高精度の回路トリミングを保証する。

本発明の目的は、上記第２の従来例の如く、絶対圧セ
ンサにおいても高精度の回路トリミングを可能にし、ひ
いてはセンサの検出精度を高めることのできるほかに、
さらに、小形化及び圧力センサの部品を種々の実装態様
を採用し得る半導体圧力センサを提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、圧力センサを構造的見地からとらえれば
次のような手段を施すことで達成される。

すなわち、圧力を検出するためのダイヤフラム，増幅
回路，温度補償回路を形成した半導体チップと、 被測定圧力を導入する通路を有し、この被測定圧力導
入通路の開口に前記ダイヤフラムの圧力検知面を対向さ
せて前記半導体チップを固定支持する台座とを備えてな
る半導体圧力センサにおいて、 前記ダイヤフラムの反圧力検知面側の半導体チップ面
上を、設定の基準圧に保ちつつキヤップで気密に囲み、
且つ前記キヤップは、レーザを透過させる材料で前記半
導体チップ上に直接搭載可能な形状に形成されて、前記
半導体チップ面上に、前記ダイヤフラム面の反圧力検知
面及び前記増幅回路，温度補償回路を囲むようにして被
着して成る。

〔作用〕

上記構成によれば、いずれもダイヤフラム型半導体チ
ップの反圧力検知面がキヤップにより基準圧に保たれる
ので、絶対圧センサとして使用できる。

また、キヤップの被着後に圧力センサの基準圧を一定
に保ち、この安定した基準圧雰囲気にダイヤフラム型半
導体チップをセットした後に、この半導体チップの回路
調整素子をレーザトリミングを行うので、外部からのア
クシデントがない限り、トリミング前後に基準圧変動が
発生しない。その結果、高精度で安定した回路トリミン
グが可能となり、ひいては、絶対圧センサとしての検出
精度を高める。

さらに、絶対圧（基準圧）を保持するキャップは直接
半導体チップに搭載されるので、キャップの小形化を図
ることができ、また、それにより、半導体チップ上のダ
イヤフラム，増幅回路・温度補償回路（回路調整素子
付）を覆うので、これらの圧力センサ構成要素が外部か
ら遮蔽されて有効に保護される。しかも、キャップ付の
ダイヤフラム型半導体チップとリード端子とは、従来の
キャップ（例えば第４図，第５図のキャップ）のように
台座搭載用の基盤上に半導体チップとリード端子を一括
して覆うようにして被着する必要がなく、半導体チップ
とリード端子をそれぞれを独立配置できるので、センサ
の種々の実装形態を採用することができる。

〔実施例〕

本発明の実施例を第１図ないし第３図に基づき説明す
る。なお、これらの図面中、既述した第４図，第５図の
従来例と同一符号は同一或いは共通する要素を示す。

第１図は本発明の一実施例を示す縦断面図である。

本実施例の半導体チップ（シリコンチップ）１は、シ
リコン単結晶の裏面に凹部を施してダイヤフラム1aを形
成し、且つ表面にダイヤフラム1aに対応する歪ゲージ
（拡散抵抗）及び集積化された増幅回路・温度補償回路
（回路調整素子付）が形成される。

本実施例のキヤップ9bは、レーザ透過性を有する材料
で形成されるが、キヤップ9bがシリコンチップ１上に直
接，接合搭載（接合は、アノデイックボンデイング等で
行われる）される点に特徴を有する。このキヤップ9b
は、シリコンチップ１のダイヤフラム1aの反圧力検知面
側，増幅回路及び温度補償回路を囲むようにして、基準
圧雰囲気の下でシリコンチップ１上に被着される。この
場合にも、キヤップ9b内は基準圧室11が形成され、ダイ
ヤフラムの１面は基準圧となり、他面（圧力検知面）は
被測定圧力がかかるので、絶対圧センサを構成し得る。

また、シリコンチップ１の回路トリミングを行う場合
には、レーザを大気中からガラスキヤップ9bを介して基
準圧中（キヤップ内）の回路調整素子に照射する。この
場合にも、キヤップ被着後の基準圧中でレーザトリミン
グを行うので、トリミングの前後で基準圧の変化をもた
らす事態が生ぜず、安定で高精度な半導体圧力センサが
得られると共に、キヤップ9bの小形化を図り得る。また
キヤップ9bの小形化により、センサの種々の実装形態を
採用することができる。

第２図，第３図は、第１図に示した半導体圧力変換部
の実装例を示すものである。

このうち、第２図は、シリコンチップ１及びキヤップ
9bを備えた台座２をモールドケース（基盤）５′に接着
剤15を介して固定収納後、モールドケース５′にモール
ドキヤップ５′ａを大気中で被着したものである。

第３図は、シリコンチップ１付きの台座２にキヤップ
9bを接合した圧力変換部を基盤５に搭載した後、金属製
キヤップ９を大気中の雰囲気で被着したものである。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、キヤップを被着して基
準圧を一定に保つた後にレーザトリミングを行うので、
トリミング調整を高精度に行い、ひいては、絶対圧セン
サとしての検出精度を高めることができる。また、この
種半導体圧力センサの小形化及び圧力センサの部品を対
して種々の実装態様を採用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す縦断面図、第２図，第
３図はその実装態様を示す断面図、第４図及び第５図
は、絶対圧センサの従来例を示す縦断面図である。 １……半導体チップ、1a……ダイヤフラム、２……台
座、2a……被測定圧力導入通路、５……基盤、9a,9b…
…レーザ透過性キヤップ、9c……キヤップ、11……基準
圧室。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧力を検出するためのダイヤフラム，増幅
   回路，温度補償回路を形成した半導体チップと、 被測定圧力を導入する通路を有し、この被測定圧力導入
   通路の開口に前記ダイヤフラムの圧力検知面を対向させ
   て前記半導体チップを固定支持する台座とを備えてなる
   半導体圧力センサにおいて、 前記ダイヤフラムの反圧力検知面側の半導体チップ面上
   を、設定の基準圧に保ちつつキヤップで気密に囲み、且
   つ前記キヤップは、レーザを透過させる材料で前記半導
   体チップ上に直接搭載可能な形状に形成されて、前記半
   導体チップ面上に、前記ダイヤフラム面の反圧力検知面
   及び前記増幅回路，温度補償回路を囲むようにして被着
   して成ることを特徴とする半導体圧力センサ。