JPH02196938A

JPH02196938A - 圧力センサ

Info

Publication number: JPH02196938A
Application number: JP1659089A
Authority: JP
Inventors: Tetsuji Inoue; 鉄治井上
Original assignee: Aisan Industry Co Ltd
Current assignee: Aisan Industry Co Ltd
Priority date: 1989-01-26
Filing date: 1989-01-26
Publication date: 1990-08-03

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］本発明は流体圧力を測定する圧力センサに関し、特に半
導体単結晶基板内に形成した歪ゲージを用いた圧力セン
サに係る。

［従来の技術］近年、小型、軽量で高感度な圧力センサとして、半導体
結晶に外力を加えたとき半導体結晶の比抵抗が変化する
ピエゾ抵抗効果を利用した半導体圧力センサが自動車を
含む種々の分野で活用されている。この種半導体圧力セ
ンサとして、シリコン等の半導体単結晶の基板の中央部
に薄膜のダイヤフラムを加工形成し、このダイヤフラム
部に拡散抵抗層を形成して歪ゲージを構成した拡散型半
導体圧力センサが知られており、特にシリコン単結晶基
板のダイヤフラムを用いたシリコン圧力センサが活用さ
れている。而して、上記ダイヤフラムに加えられた流体
圧力による歪に応じた拡散抵抗の変化を検出して流体圧
力を測定することとし、通常、流体圧力に対して抵抗値
が増加、減少する歪ゲージ一対を一組として、これら二
組でホイートストンブリッジを構成し、定電流あるいは
定電圧電源と接続して電気信号に変換し流体圧力を測定
することとしている。

上記半導体圧力センサにおいては、外部の熱や機械的な
歪に対し鋭敏に反応するため、これらに影響されないよ
うに構成されている０例えば実開昭５１３−１１０８３
２号公報においては、圧力センサを構成する半導体ダイ
ヤフラムをその線膨張係数・と同等の線膨張係数を有す
るパッケージに取り付けるように構成し、パッケージか
らの熱応力の影響を低減する技術が開示されている。

また、特開昭６２−２３８６７１号公報においては、半
導体単結晶基板、台座部及び両者を接合する低融点ガラ
スの熱膨張係数の相違に起因するダイヤフラム部への不
都合な応力を緩和するため、同等の熱膨張係数をもつ部
材で構成しあるいは低融点ガラス層の面積及び厚さを調
整するという技術を従来技術とした上で、低融点ガラス
層の接合面形状に特徴を有する圧力変換器即ち圧力セン
サの製造方法が提案されている。

［発明が解決しようとする！！題］然し乍ら、上記の従来技術においては、パッケージが所
定の線膨張係数を有する材料に限定され、あるいは接合
部材たる低融点ガラス層を所定形状に形成するといった
製造工程上の制約が多くなる等、新たな問題が生ずる。

しかも、特開昭６２−２３８６７１号公報に記載の圧力
センサのように台座部をハウジングに固着する構成にあ
っては、ハウジングと台座部との間の線膨張係数の相違
によって生ずる熱応力が半導体単結晶基板に与える影響
を阻止することはできない。

そこで、本発明は半導体単結晶基板とこれを支持する部
材との間に生ずる熱膨張差を確実に吸収することにより
ダイヤフラム部が被測定流体の圧力変化のみに感応する
ように構成することを目的とする。

［ａ題を解決するための手段］上記の目的を達成するため、本発明は、被測定流体源に
連通接続したハウジングと、該ハウジング内に収容する
と共に、一方の面を基準圧の受圧面とし他方の面を前記
被測定流体源に連通し被測定流体の圧力の受圧面とし、
前記被測定流体の圧力変動に応じて変形するダイヤフラ
ム部を形成した半導体単結晶基板と、該半導体単結晶基
板の前記ダイヤフラム部に形成した歪ゲージと、該歪ゲ
ージに接続したリードとを備え、前記ダイヤフラム部に
生ずる歪を電気信号に変換して前記被測定流体の圧力を
検出する圧力センサにおいて、少くとも前記半導体単結
晶基板のダイヤフラム部の板面に平行な方向の変位を吸
収する緩衝部材を介して、前記半導体単結晶基板を前記
ハウジングに吊着することとしたものである。

前記リードは前記半導体単結晶基板のダイヤフラム部の
板面に略垂直な方向に屈曲した屈曲部を有するものとし
、前記リードの一端を前記半導体単結晶基板に固着する
と共に他端を前記ハウジングに植設し、前記リードを以
って前記＆ｌｌ郡部材構成することができる。

また、前記リードは、前記半導体単結晶基板に固着した
第１のリードと、前記ハウジングに植設した第２のリー
ドを備えたものとし、該第２のリードと前記第１のリー
ドとを前記半導体単結晶基板のダイヤフラム部の板面に
平行な方向に摺動自在に結合し、前記リードを以って前
記緩衝部材を構成することもできる。

そして、前記半導体単結晶基板は中空部を有するものと
し、該中空部を郭成する一方の板面部が前記ダイヤフラ
ム部を構成し、前記ダイヤフラム部の外面が前記被測定
流体の受圧面を構成すると共に前記ダイヤフラム部の前
記中空部内面が前記基準圧の受圧面を構成するようにし
てもよい。

［作用］上記のように構成された圧力センサにおいては、半導体
単結晶基板の一方の受圧面に基準圧が付与され、他方の
受圧面に被測定流体源からの被測定温体圧力が付与され
る。これらの圧力差により歪ゲージを含む半導体単結晶
基板に歪が生じ、この歪が歪ゲージにより電気信号に変
換される。

上記圧力センサにおいて、半導体単結晶基板は緩衝部材
を介してハウジングに吊着されている。

即ち、半導体単結晶基板はｍｓ部材によりハウジングか
ら離隔した状態で支持されている。従って、例えば外部
環境の温度変化によりハウジングと半導体単結晶基板と
の間で熱膨張の差が生じても緩衝部材によって少くとも
ダイヤフラム部の板面に平行な方向の変位が吸収され、
ダイヤフラム部に形成された歪ゲージに熱応力が加えら
れることはない、而して、歪ゲージは圧力変化にのみ対
応して所定の電気信号を出力する。

［実施例］以下、本発明の圧力センサの望ましい実施例を図面を参
照して説明する。

第１図は本発明の圧力センサの一実施例を示すもので、
ハウジング３０にセンナエレメント１０が収容されてい
る０本発明にいう半導体単結晶基板としてシリコン単結
晶基板を用い、正方形のシリコンチップ１１及びシリコ
ンキャップ１２によリセンサエレメント１０が構成され
ている。

シリコンチップ１１の中央部には厚さ数十μｍに薄膜加
工されダイヤフラム部１１ａが形成されている。このダ
イヤフラム部１１ａにボロン等の拡散により拡散抵抗層
の歪ゲージが四個形成されている。即ち、第２図に示す
ようにダイヤフラム部１１ａの中央部に拡散抵抗、即ち
ゲージ抵抗Ｒ１乃至Ｒ４が形成されている。

これらゲージ抵抗Ｒ１乃至Ｒ４は高ゲージ率を有し、ゲ
ージ抵抗Ｒ１，Ｒ３とゲージ抵抗Ｒ２゜Ｒ４は相互に対
向して配置され、ダイヤフラム部１１ａに圧力が加わっ
たときゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３に正の抵抗値変化（Ｒ＋Δ
Ｒ）が生じ、ゲージ抵抗Ｒ２，Ｒ４には負の抵抗値変化
（Ｒ−ΔＲ）が生ずる位置に夫々配置されている。そし
て、ゲージ抵抗Ｒ１乃至Ｒ４は、シリコンチップ１１の
表面に金属の蒸着等により形成された導電パターン１４
を介して電気的に接続され、後述するホイートストンブ
リッジが形成されている。尚、これらのゲージ抵抗Ｒ１
乃至Ｒ４は四個でなく必要に応じ所望の数としてもよい
。

上記の構成になるシリコンチップ１１は、これと同様の
材質即ちシリコンで形成された板体のシリコンキャップ
１２と、真空雰囲気下で金と錫の共晶結合等により気密
接合され、両者間に基準圧室１３が郭成されている。

上記構成になるセンサエレメント１０はリードフレーム
２１及びリードピン２３から成るリードを介して金属製
板体のステム３１に支持されている。尚、リードフレー
ム２１及びリードピ・ン２３は夫々４本づつ存在するが
、リードフレーム２１及び・リードピン２３を以ってこ
れらを代表して示すこととする。

リードフレーム２１はコパール等の金属製薄板かあ成り
、その中央部に第１図に示すようにダイヤフラム部１１
ａの板面に略垂直な方向に屈曲した屈曲部２１ａが形成
されており、このリードフレーム２１が本発明にいう緩
衝部材を構成している。リードフレーム２１の各々の一
端はシリコンチップｌｌ上の導電パターン１４に連続し
て形成された半田付用ランド（図示せず）に半田接合さ
れ、各々の他端はリードピン２３に夫々半田接合されて
いる。

リードピン２３はステム３１に穿設された孔を貫通し略
中間部がハーメチックシール３４によって気密固定され
ている。従って、センサニレメン）１０はリードフレー
ム２１及びリードピン２３を介してステム３１に吊着さ
れた状態となり、センサエレメント１０はステム３１か
ら離隔した状態で支持されている。また、ダイヤフラム
部１１ａ上に形成されたゲージ抵抗Ｒ１乃至Ｒ４を含む
ホイートストンブリッジはリードフレーム２１及びリー
ドピン２３を介して外部回路に接続される。即ち、上記
ホイートストンブリッジに対してリードピン２３の一本
を介して定電圧が印加されており、他の一本が接地され
、ゲージ抵抗Ｒ１乃至Ｒ４の抵抗率の変化に応じた電圧
がリードピン２３の残余の二本を介して出力されるよう
に構成されている。

第３図は上記圧力センサの電気回路図を示し、上述のゲ
ージ抵抗Ｒ１乃至Ｒ４で構成されるホイートストンブリ
ッジに抵抗Ｒ５乃至Ｒ８及びオペアンプＯＰ１及びＯＦ
２から成る差動増幅回路が接続され、定電圧電源ＶＣＣ
に接続されている。

これにより上記ホイートストンブリッジの出力が増幅さ
れて出力ｖ０となる。尚、上記電気回路を構成するオペ
アンプＯＰ１乃至ＯＰ３を含む回路素子は厚膜抵抗基板
（図示せず）に実装され、第１図に記載の圧力センサと
共にプリント配線基板（図示せず）に配設されてセンサ
ユニットが構成される。そして、このセンサユニットが
例えば内燃機関の吸気管圧力測定用に供される。

第１図に示すようにステム３１の周囲とカップ状の金属
製ケース３２のフランジ部とが抵抗溶接等によって気密
接合されてハウジング３０が形成され、このハウジング
３０内に流体圧力室３３が郭成される。そして、ステム
３１の略中央部に形成された圧力ボート３１ａが図示し
ない被測定流体源に連通接続され、流体圧力室３３内に
被測定流体圧力が導入されるように構成されている。而
して、シリコンチップ１１のダイヤフラム部１１８の一
方の面、即ち表面は流体圧力室３３内の被測定流体圧力
の受圧面となり、他方の面、即ち裏面は基準圧室２５内
の基準圧力の受圧面となる。

上記圧力センサの作動を説明すると、圧力ボート３１ａ
は被測定流体源、例えば内燃機関の吸気管に接続され、
被測定流体圧力たる吸気管圧力即ち吸気負圧がシリコン
チップ１１のダイヤフラム部１１ａに伝達される。ダイ
ヤフラム部１１ａの表面に吸気負圧が伝達されると、ダ
イヤフラム部１１ａ上のゲージ抵抗Ｒ１乃至Ｒ４に基準
圧室１３内の圧力との圧力差に応じた応力が生ずる。

本実施例では基準圧室１３内を真空としているので吸気
管圧力の絶対値に対応した応力となる。この応力に従っ
てゲージ抵抗Ｒ１乃至Ｒ４の抵抗率がピエゾ抵抗効果に
より変化し、第３図に示した電気回路にて出力ｖ０が得
られる。

上記圧力センサの雰囲気温度が変化し、例えばステム３
１とセンサエレメント１０との間で熱膨張に差が生じた
場合には、リードフレーム２１の屈曲部２１ａの変位に
よって吸収されセンサエレメント１０に熱応力が加わる
ことはない、即ち、仮令センサエレメント１０とステム
３１との間で線膨張係数が異なっていても、従来装置の
ように両者間に生ずる熱応力によってセンサエレメント
１０の出力に誤差が生ずるといったおそれはなく、安定
した被測定流体圧力特性を確保することができる。

第４図及び第５図は本発明の圧力センサの他の実施例を
示すもので、第１図及び第２図に示した実施例に比し、
リードフレーム２２及びリードピン２・４が異なり、そ
の余の構成は同じである０本実施例はリードピン２４の
先端に支持具２４ａを例えば半田接合により固着し、こ
の支持具２４ａによりリードフレーム２２の一端をダイ
ヤフラム部１１ａの板面に平行に摺動自在に支持したも
ので、リードフレーム２２が本考案にいう第１のリード
を構成し、リードピン２４が第２のリードを構成してい
る。即ち、第４図及び第５図に明らかなように四本のリ
ードピン２４の各々に設けられた支持部材２４ａにダイ
ヤフラム部１１ａの板面に平行なスリットが形成されて
おり、このスリットに夫々リードフレーム２２の一端が
嵌合されている。而して、センサエレメント１０とステ
ム３１との間の熱膨張の差は支持部材２４ａに対するリ
ードフレーム２２の摺動作用によって吸収することがで
き、雰囲気温度が変化しても出力誤差が生ずることはな
い。

第６図及び第７図は本発明の圧力センサの更に他の実施
例を示すもので、第４図及び第５図に記載の実施例に比
し異なる点は、リードビン２４及びこれに摺動自在に接
続されたリードフレーム２２から成るリードはセンサエ
レメント１０に対して一方側の一対のみとし、他方側の
一対のリードは板状のリードフレーム２５及びリードビ
ン２３が半田接合されたものとした点である。このよう
に構成した場合においても、リードフレーム２２及びリ
ードビン２４間の摺動作用によりセンサエレメント１０
とステム３１との間の熱膨張の差を吸収することができ
る。

ところで、上述の実施例においてはダイヤフラム部１１
ａが流体圧力室３３内に露呈しており、圧力ボート３１
ａから導入される被測定流体にゲージ抵抗Ｒ１乃至Ｒ４
が直接接触するため、表面にコーティングを施し、腐食
等から保護することが好ましい、これに対し、ゲージ抵
抗Ｒ１乃至Ｒ４をシリコンチップ１１の裏面、即ち基準
圧室１３側の面に形成すればコーティングの必要はない
、しかし、この場合にはリードフレーム２１と接続する
ためシリコンチップ１１の表面側に至る配線が必要とな
る。尚、リードフレーム２１はシリコ゛ンキャップ１２
側に設けることとしてもよいが、この場合にも別途配線
が必要となる。

そこで、例えば１図及び２図の実施例に対してシリコン
チップ１１のダイヤフラム部１１ａを被測定流体と接触
しないように構成した実施例を第８図に示す０本、実施
例においては、ハウジング３６は金属性板体のステム３
７、これに気密接合されたポデー３８及びキャップ３９
によって構成され、ポデー３８とキャップ３９との間に
ゴム等の弾性部材で形成された弾性膜４０が介装されて
いる。キャップ３９には圧力ボート３９ａが設けられ、
図示しない被測定流体源に連通接続されている。従って
、キャップ３９と弾性ｌｌ１４０により流体圧力室３３
が郭成され、ステム３７、ポデー３８及び弾性膜４０に
より測定圧力室３５が郭成されており、この測定圧力室
３５内にセンサエレメント１０が収容され窒素等の非腐
食性ガスが封入されている。尚、センサエレメント１０
等のその余の構成は第１図及び第２図に記載の実施例と
同様であるので説明は省略する。

而して、圧力ボート３９ａを介してキャップ３９内に伝
達された被測定流体の圧力は弾性膜４０を介して測定圧
力室３５に伝達され、測定圧力室３５内の圧力が被測定
流体の圧力と略同−圧力となる。そして、この圧力によ
りセンサエレメント１０が前述と同様に作動し圧力値が
検出される。この場合において、センサエレメント１０
のダイヤフラム部１１ａは非腐食性ガス中にあって被測
定流体に接触することはないので、ゲージ抵抗Ｒ１乃至
Ｒ４の腐食、劣化等のおそれがない。

尚、第９図に示したようにセンサエレメント１５をシリ
コンチップ１１と台座１６によって構成し両者間に基準
圧室１３を郭成し、台座１６を接合部材１７によりステ
ム３７に固着する構成とした場合においても、ハウジン
グ３６を第８図と同様に構成すれば、センサエレメント
１５が被測定流体に接触することなく圧力測定を行なう
ことができる。而して、シリコンチップ１１にコーティ
ング等の処理を施すことなく耐食性のある圧力センサを
構成することができる。

［発明の効果］本発明は上述のように構成されているので、以下に記載
する効果を奏する。

即ち、本発明の圧力センサによれば半導体単結晶基板は
Ｍ面部材を介してハウジングに吊、看されているので、
ハウジングとの間に生じ得る熱膨張差は緩衝部材によっ
て吸収されダイヤフラム部に熱応力が伝達されることは
なく、従って外部環境の温度変化に影響されることなく
安定した圧力測定を行なうことができる。

屈曲部を有するリードによって緩衝部材を構成したもの
、あるいは第１のリードと第２のリードを摺動自在に結
合して緩衝部材を構成したものにあっては、ハウジング
との間の熱膨張差は屈曲部あるいは結合部で吸収される
ため、簡単な構成で安定した圧力測定を確保することが
できる。

また、半導体単結晶基板が中空部を有し該中空部内面を
基準圧の受圧面としたものにあっては、半導体単結晶基
板自体でセンサエレメントを構成し、ユニットとしてリ
ードに固着し吊下することができるので、容易に製造す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の圧力センサの一実施例の縦断面図、第
２図は第１図の圧力センサにおけるセンサエレメントの
平面図、第３図は上記実施例の圧力センサの電気回路図
、第４図は本発明の圧力センサの他の実施例の縦断面図
、第５図は第４図の圧力センサにおけるセンサエレメン
トの平面図、第６図は本発明の圧力センサの更に他の実
施例の縦断面図、第７図は第６図の圧力センサにおける
センサエレメントの平面図、第８図は本発明の圧力セン
サの別の実施例を示す縦断面図、第９図は第８図の圧力
センサに対しセンサエレメントを別の構成とした圧力セ
ンサの縦断面図である。０・・・センサエレメント。１・・・シリコンチップ（半導体単結晶基板）。１ａ・・・ダイヤフラム部。２・・・シリコンキャップ。３・・・基準圧室。１・・・・リードフレーム（リード）。ｌａ・・・屈曲部。３・・・リードピン（リード）。０・・・ハウジング、　　３１・・・ステム。１ａ・・・圧力ポート、　　３２・・・ケース。３・・・流体圧力室。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）被測定流体源に連通接続したハウジングと、該ハ
ウジング内に収容すると共に、一方の面を基準圧の受圧
面とし他方の面を前記被測定流体源に連通し被測定流体
の圧力の受圧面とし、前記被測定流体の圧力変動に応じ
て変形するダイヤフラム部を形成した半導体単結晶基板
と、該半導体単結晶基板の前記ダイヤフラム部に形成し
た歪ゲージと、該歪ゲージに接続したリードとを備え、
前記ダイヤフラム部に生ずる歪を電気信号に変換して前
記被測定流体の圧力を検出する圧力センサにおいて、少
くとも前記半導体単結晶基板のダイヤフラム部の板面に
平行な方向の変位を吸収する緩衝部材を介して、前記半
導体単結晶基板を前記ハウジングに吊着したことを特徴
とする圧力センサ。
（２）前記リードは、前記半導体単結晶基板のダイヤフ
ラム部の板面に略垂直な方向に屈曲した屈曲部を有し、
前記リードの一端を前記半導体単結晶基板に固着すると
共に他端を前記ハウジングに植設して成り、前記リード
が前記緩衝部材を構成することを特徴とする請求項１記
載の圧力センサ。
（３）前記リードは、前記半導体単結晶基板に固着した
第１のリードと、前記ハウジングに植設した第２のリー
ドを備え、該第２のリードと前記第１のリードとを前記
半導体単結晶基板のダイヤフラム部の板面に平行な方向
に摺動自在に結合して成り、前記リードが前記緩衝部材
を構成することを特徴とする請求項１記載の圧力センサ
。
（４）前記半導体単結晶基板が中空部を有し、該中空部
を郭成する一方の板面部が前記ダイヤフラム部を構成し
、前記ダイヤフラム部の外面が前記被測定流体の受圧面
を構成すると共に前記ダイヤフラム部の前記中空部内面
が前記基準圧の受圧面を構成することを特徴とする請求
項２又は３記載の圧力センサ。