JPH01172724A - 半導体圧力センサの製造方法 - 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 本発明は自動車などの内燃機関の吸入空気圧や大気圧ま
たはエキゾースト圧などを検出するのに用いる半導体圧
力センサに関する。

従来の技術 近年、自動車などの燃料の節約や排気対策など社会的要
請に伴い、マイクロコンピュータによるエンジンの電子
式燃料噴射、点火時期および排ガス還流量の制御などを
種々なセンサを用いて行なうようになってきた。

このエンジンの電子制御において、大気およびマニホー
ルド内の絶対圧を正確に検出することは極めて重要なこ
とで、信頼性の高い圧力センサが要求される。これに伴
い種々改良された圧力センサが提案されている。

以下、従来の圧力センサの一例を図面を用いて説明する
。

第１０図は従来の半導体圧力センサの概略構成図である
。第１０図において１０１はステム、１０２は台座で接
合剤１０３を用いてステム１０１上に固定している。１
０４はダイヤフラム１０６を有したシリコンダイヤフラ
ムチップで、ダイヤフラム１０６に圧力検出用ホイース
トンプリノジ抵抗を設けて台座１０２上に取り付けてい
る。１０５はステム１０１からの熱応力を緩和するため
台座１０２に設けた切り欠き溝である。１０７は台座１
０２を貫通して設けたリードピンで、台座１０２との隙
間はガラス１１５でハーメチック封止状態にしている。

１０８はシリコンダイヤフラムチップ１０４のブリッジ
電極とリードピン１０７とを接続した導電性のワイヤで
ある。１０９はステム１０１上に取り付けたシリコンダ
イヤフラムチップ１０４と台座１０２とを外側から覆っ
て真空チャンバー１１３を形成するキャップで、封止穴
１１１を上部に設けている。１１４はステム１０１およ
び台座１０２内を通ってシリコンダイヤフラムチップ１
０４の下面に流体を導く圧力導入用のパイプで、ステム
１０１の下面にロウ付けなどの手段で固定している。ま
た台座１０２はシリコンダイヤフラムチップ１０４と近
似する熱膨張係数を有した材質で形成し、切り欠き溝１
０５とともにステム１０１からの熱応力を緩和している
。

そして上記従来の半導体圧力センサは組み立てる場合、
ステム１０１にキャップ１０９を取り付ける前に、まず
ステム１０１側に台座１０２、シリコンダイヤフラムチ
ップ１０４、取付用リードピン１０７、ワイヤ１０８お
よび圧力導入パイプ１１４などを取り付けておく。次に
封止穴１１１を封止していない状態でキャップ１０９を
ステム１０１に取り付け、圧接または溶接などの手段で
ステム１０１の外周部１１０に封着接合する。この接合
後、真空中においてキャップ１０９内の空気を抜くと同
時に封止穴１１１をハンダ１１２で密閉封着する。する
とキャップ１０９内に真空チャンバー１１３が形成され
て組み立てられる。

したがって、この半導体圧力センサではシリコンダイヤ
フラムチップ１０４のダイヤフラム１０６を真空チャン
バー１１３の中に収納しているので、この真空圧を基準
圧として圧力導入パイプ１１４から導入する流体を絶対
圧で測定できる。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら上記従来の半導体圧力センナを用いだ圧力
変換器では、一つのセンサで一つの絶対圧しか測定でき
ない。さらにステム１旧や、台座１０２とステム１０１
間の接合剤１０３からシリコンダイヤフラムチップ１０
４に及ぼす熱応力の影響が犬きく、この熱応力がシリコ
ンダイヤフラムチップ１０４に歪みを与える。このため
ダイヤフラム１０６に形成したホイーストンブリッジ抵
抗の値が温度によってばらつき、これに伴い圧力検出特
性も大きくばらつく欠点があった。この問題は主にシリ
コンダイヤフラムチップ１０４、ステム１０１、台座１
０２および接合剤１０３の熱膨張係数の違いに起因する
ものである。

このため従来の半導体圧力センサの構造では、上述した
ように台座１０２にシリコンダイヤフラムチップ１０４
とできるだけ近似する熱膨張係数を有した材質を用いる
とともに、ステム１０１からの熱応力を緩和する目的で
台座１０２の厚みを高くしたり、あるいは台座１０２に
切り欠き溝１０５を設けるなどの手段を施している。こ
の結果、台座１０２の加工性が悪く、また接合する箇所
が多くなるため作業性も悪くコスト高になるばかりか信
頼性も低下していた。

本発明はこのような従来の問題を解決するものであり、
−個の半導体圧力センサで少なくとも二つの絶対圧を同
時に検出することができるとともに、圧力検出特性を改
善し、さらに構造を単純化して信頼性の向上と品質の安
定化およびコスト低減を図ることのできる半導体圧力セ
ンサを提供することを目的とするものである。

問題点を解決するための手段 本発明は上記目的を達成するために、変形を検出して電
気信号を出力する手段を有する少なくとも二つのダイヤ
フラムを設けた半導体単結晶チップ部と前記チップ部と
一体に成形した台座部とからなる板状部材と、圧力導入
パイプと、複数のリードピンと、前記板状部材と近似す
る熱膨張係数を有した部材で形成されるとともに前記各
ダイヤフラムを対応させて設けた二つの貫通穴と前記リ
ードピンをそれぞれ取り付ける取付穴とを設けたステム
と、ガラスまたはシリコンからなるキャップとを備え、
前記ステムの前記取付穴に前記リードピンをハーメチッ
ク封着するとともに、前記ステムの表面側に前記板状部
材を封着接合させ、かつ前記ダイヤフラムと前記リード
ピンとのワイヤボンディング後、前記キャンプを封着さ
せて前記ステム表面側に真空チャンバーを形成し、さら
に前記ステムの裏面側で前記一方の貫通穴に前記圧力導
入パイプを接合させるとともに他方の貫通穴を開放させ
てなる構成にしたものである。

作用 したがって本発明によれば、ステムの表面側、すなわち
二つのダイヤフラムの反対側に真空チャンバーを形成し
ているので、各ダイヤフラム部で測定される圧力はいず
れも絶対圧になる。しかも一方のダイヤフラムで大気圧
を、他方のダイヤフラムで例えば吸気マニホールド圧な
どを絶対圧でそれぞれ同時に測定できる。

また半導体単結晶チップ部と台座部とを一体に板状部材
で成形し、しかも板状部材とステムとを近似する熱膨張
係数を有した部材で形成しているので、感圧ダイヤフラ
ムに形成したホイーストンプリノジ抵抗系の熱応力によ
る変動差がなくなる。

実施例 第１図乃至第２図は本発明の一実施例の構成を示すもの
である。

第１図乃至第２図において、１は中央部分に二つの貫通
穴２ａ、　２ｂを設けたステムで、貫通穴２ａ。

２ｂを囲んだ外周部分に１０個のリードピン取付穴３を
設けてガラスまたはシリコン材などで一体に成形されて
いる。４は中央に圧力導入孔５を設けた圧力導入パイプ
で、貫通穴２ａに圧力導入孔５を対応させてステム１の
下面にガラスハンダで封着接合させている。６は取付穴
３に取り付けているリードピンで、一端がステム１の上
面から突出し他端が下面から突出した状態で１０個の取
付穴３に対し個々にハーメチック封着されている。３３
はステム１と近似する熱膨張係数を有した材質で形成し
た板状部材で、一対の感圧ダイヤフラムチップ７ａ。

７ｂを有した半導体単結晶チップ部８とサンドイッチ台
座部９とを同一部材で一体に成形した状態にしている。

さらに各感圧ダイヤフラムチップ７ａ。

７ｂは同一ウェハの隣接した部分に形成され、また圧力
印加部となる各ダイヤフラム面に圧力検出用ホイースト
ンプリノジ抵抗（不図示）を形成している。そして板状
部材３３は感圧ダイヤフラムチップ７ａを貫通穴２ａに
対応させるとともに感圧ダイヤフラムチップ７ｂを貫通
穴２ｂに対応させてステム１の上面にＡｌ−３ｉ（アル
ミニューム−シリコン）共晶結合などの手段によって封
着接合されている。

１０は各感圧ダイヤフラムチップ７ａ、　７ｂの各ダイ
ヤスラム面上に形成した圧力検出用ホイーストンプリノ
ジ抵抗とリードピン６とを電気接合した金線などのワイ
ヤである。１１は板状部材３３を介してステム１上に真
空中でガラスハンダされたキャップで、感圧ダイヤフラ
ム７ａ１７ｂの上面に真空チャンバー１２を形成してお
り、また板状部材３３と近似する熱膨張係数を有したガ
ラスまだはシリコン材などで形成されている。

そして、この実施例による半導体圧力センサは第３図乃
至第９図に示す製造方法に従って作られている。第３図
乃至第９図において第１図乃至第２図と同一符号を付し
たものは第１図乃至第２図と同一のものを示している。

１３はステム１が形成されるウェハ状ステムで、第３図
に示すような板状ガラスまたはシリコン材から貫通穴２
ａ、　２ｂとリードピン取付穴３を有したステム１に相
当する部分が第４図に示すように略等間隔で連続して形
成されている。１４はウェハ状感圧ダイヤフラムで、板
状部材３３に相当する部分を略等間隔で連続して設けて
いる。

そしてウェハ状ステムエ３上にウェハ状感圧ダイヤフラ
ム１４を第５図に示すよ゛うに載置させ、このとき両者
を陽極接合などで封着接合させる。次いでウェハ状ステ
ム１３のリードピン取付穴３にリードピン６を挿入させ
るとともに、貫通穴２ａに対応させて圧力導入パイプ４
を配置し、第６図に示すようにリードピン６と圧力導入
パイプ４をウェハ状ステム１３上にガラスハンダで封着
接合させる。

次に感圧ダイヤフラムチップ７ａ、　７ｂのダイヤフラ
ム面に形成した圧力検出用ホイーストンプリソジ抵抗の
電極とり−ドピン６とにワイヤ１０を第７図に示すよう
にボンディングする。そして、この状態まで組み付けた
ウェハ状ステム１３を真空中に配置させる。この時、同
じくキャップ１１に相当する部分を連続して設けたウェ
ハ状キャンプ１５が用意され、真空中でウェハ状キャッ
プ１５をウェハ状ステム１３上に被せるとともにガラス
ハンダでウェハ状ステム１３とウェハ状キャップ１５と
を封着接合し、各ステム１に対応する部分の表面側に真
空チャンバー１２を第８図に示すように形成する。なお
ウェハ状ステム１３とウェハ状キャンプエ５とを封着接
合するときのガラスハンダは、圧力導入パイプ４および
リードピン６を封着接合するのに使用したガラスハンダ
の材質よりも融点が低いものが使用される。そして、こ
の状態まで組み立てだ後、各半導体圧力センサに対応す
る部分毎に、第９図に示すようにカッター１６でスライ
スすると、第１図乃至第２図に示す半導体圧力センサ単
体が完成する。

次に、このようにして作られた半導体圧力センサの圧力
測定方法と動作について説明する。

上記実施例において例えば内熱機関の吸入空気圧を測定
する場合は、圧力導入パイプ４の下端を吸気マニホール
ドの吸気孔に接続し、貫通孔２ｂは大気中に開口させる
。

すると感圧ダイヤフラムチップ７ａには圧力導入パイプ
４および貫通穴２ａを通ってマニホールド吸気孔からの
流体が導入されて歪が与えられる。−方、感圧ダイヤ７
ラムチノプ７ｂには貫通穴２ｂを通って大気圧が導入さ
れ、この大気圧で歪が与えられる。また、この感圧ダイ
ヤフラムチップ７ａと感圧ダイヤフラムチップ７ｂに各
々与えられた歪は、各ダイヤフラム面に形成した圧力検
出用ホイーストンプリソジの抵抗値をそれぞれ変化させ
、この信号がリードピン６を通して外部へ取り出される
。

そして、との堆り出された信号を知ることによシ感圧ダ
イヤフラムチップ７ａ側では吸気マニホールド内の圧力
を絶対圧で測定でき、また感圧ダイヤフラムチップ７ｂ
側では大気圧を絶対圧で測定できる０ したがって、この半導体圧力センサでは一つの半導体圧
力センサで二つの圧力を同時に測定することができる。

また各圧力センサを組み立てる場合、各半導体圧力セン
サを個々に組み立てて行かなくても、複数の半導体圧力
センサにおける導入パイプ４、リードピン６、感圧ダイ
ヤフラムチップ７ａ、　７ｂ、サンドイッチ台座部９、
ワイヤ１０、キャップ１１などをそれぞれ同一のウェハ
状ステム１３の上に一括して組み付け、この後各半導体
圧カセンサ毎にスライスして分割することにより個々の
半導体圧力センサを作ることができる。この結果、組立
の効率が向上する。

またステム１、感圧ダイヤフラムチップ７ａ、　７ｂ。

サンドイッチ台座９およびキャンプ１１を互いに熱膨張
係数が近似するガラスまたはシリコン材で形成している
ので、各封着接合部分において温度に対する熱応力が低
減できる。これにより封着接合部分において温度に対す
る熱応力が低減できる。

これにより封着接合部分の信頼性が向上する。

まだ、さらにステム１の上面に異種金属を有しない陽極
拡散接合または極薄層のＡｌ−８ｉ（アルミニー−ムー
シリコン）共晶結合などの手段によって感圧ダイヤフラ
ムチップ７ａ、　７ｂを有した板状部材３３を直接封着
接合しているので、温度変化時にステム１から感圧ダイ
ヤフラムチップ７ａ、　７ｂに及ぼされる影響がなくな
る。これによりダイヤフラム面に形成したホイーストン
プリノジ抵抗系に熱応力による歪の差がなくなり、圧力
センサとしての特性が向上する。

また、さらに半導体単結晶チップ部は同一板状部材の隣
接した部分から形成しているので、二つの感圧ダイヤフ
ラムチップ７ａ、　７ｂの特性をはソ同一にでき、電気
回路部でのトリミングなどによる温度保償のための調整
が二つのダイヤフラムでほぼ同一にできる。

発明の効果 本発明は上記実施例により明らかのように、一つの半導
体圧力センサで二つの圧力を絶対圧で同時に測定するこ
とができるので、機能性が向上する。また半導体単結晶
チップ部とサンドイッチ台座とを一体成形するとともに
ステム、キャップと近似する熱膨張係数を有した材質で
形成しているので、信頼性並びに特性を向上させること
ができ、さらに組立の効率化が図れコストも低減する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る半導体圧力センサの一
例を示した平面図、第２図は第１図のＡ−Ａ線に沿う断
面図、第３図乃至第９図は同上半導体圧力センサの製造
工程の一例を示した工程図、第１０図は従来の半導体圧
力センサの断面図である。 １・・・ステム、２・・・貫通穴、３・・・リードピン
取付穴、４・・・圧力導入パイプ、５・・圧力導入孔、
６・・・リードピン、７ａ１７ｂ・・・感圧ダイヤフラ
ムチップ、９・・サンドイッチ台座部、１０・・・ワイ
ヤ、１１・・・キャップ、１２・・真空チャンバー、１
３・ウェハ状ステム、１４・・ウェハ状感圧ダイヤフラ
ム、１５・・・ウェハ状キャンプ、３３・・・板状部材
。 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　ほか１名第１図 β 第２図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）変形を検出して電気信号を出力する手段を有する
   少なくとも二つのダイヤフラムを設けた半導体単結晶チ
   ップ部と前記チップ部と一体に成形した台座部とからな
   る板状部材と、圧力導入パイプと、複数のリードピンと
   、前記板状部材と近似する熱膨張係数を有した部材で形
   成されるとともに前記各ダイヤフラムに対応させて設け
   た二つの貫通穴と前記リードピンをそれぞれ取り付ける
   取付穴とを設けたステムと、前記板状部材と近似する熱
   膨張係数を有したガラスまたはシリコン材質からなるキ
   ャップとを備え、前記ステムの前記取付穴に前記リード
   ピンをハーメチック封着するとともに、前記ステムの表
   面側に前記板状部材を封着接合させ、かつ前記ダイヤフ
   ラムと前記リードピンとのワイヤボンディング後、前記
   キャップを封着させて前記ステム表面側に真空チャンバ
   ーを形成し、さらに前記ステムの裏面側で前記一方の貫
   通穴に前記圧力導入パイプを接合させるとともに他方の
   貫通穴を開放させてなる構成にした半導体圧力センサ。
2. （２）前記ステム、前記板状部材、および前記キャップ
   はそれぞれ各半導体センサ部に相当する部分を連続的に
   設けたウエハ状に形成され、このウエハ状態で前記各封
   着接合と前記リードピンの前記ハーメチック封着および
   前記ダイヤフラムと前記リードピンとのワイヤボンディ
   ングを行ない、この後個々に分割して形成したことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の半導体圧力センサ
   。
3. （３）前記二つのダイヤフラムを有する前記半導体単結
   晶チップ部は同一ウエハの隣接した部分から形成されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項
   記載の半導体圧力センサ。