JPH0711461B2 - 圧力検出器 - Google Patents
圧力検出器Info
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- JPH0711461B2 JPH0711461B2 JP61138731A JP13873186A JPH0711461B2 JP H0711461 B2 JPH0711461 B2 JP H0711461B2 JP 61138731 A JP61138731 A JP 61138731A JP 13873186 A JP13873186 A JP 13873186A JP H0711461 B2 JPH0711461 B2 JP H0711461B2
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- Japan
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- pressure
- semiconductor chip
- diaphragm
- oxide layer
- pressure detector
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
- G01L19/0061—Electrical connection means
- G01L19/0084—Electrical connection means to the outside of the housing
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
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- G01L19/14—Housings
- G01L19/147—Details about the mounting of the sensor to support or covering means
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
- G01L9/0051—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
- G01L9/0052—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements
- G01L9/0055—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements bonded on a diaphragm
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- Physics & Mathematics (AREA)
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- Chemical & Material Sciences (AREA)
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- Measuring Fluid Pressure (AREA)
- Pressure Sensors (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は圧力検出器に関し、特に高圧流体の圧力を検出
するのに適した精度の良い圧力検出器に関する。
するのに適した精度の良い圧力検出器に関する。
[従来の技術] 圧力検出器としては、測定圧に応じて歪変形する受圧ダ
イヤフラムを有し該ダイヤフラムの歪量を歪ゲージで検
出するものが多用されている。
イヤフラムを有し該ダイヤフラムの歪量を歪ゲージで検
出するものが多用されている。
特に高圧を測定するには、受圧ダイアフラムに耐圧性の
ある金属ダイヤフラムを使用するのが良く、例えば特公
昭58−5372号には金属ダイヤフラム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開示されている。
ある金属ダイヤフラムを使用するのが良く、例えば特公
昭58−5372号には金属ダイヤフラム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開示されている。
[発明が解決しようとする問題点] しかしながら、上記金属歪ゲージは出力感度が低いとい
う難点があり、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。
う難点があり、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。
一方、リニヤかつ高感度の出力が得られる半導体歪ゲー
ジを使用した圧力検出器が注目されているが、これらは
いずれも半導体チップ自身で受圧ダイアフラムを構成し
ているため(例えば米国特許第3,858,150号)低圧用の
ものしか得られないのが現状である。
ジを使用した圧力検出器が注目されているが、これらは
いずれも半導体チップ自身で受圧ダイアフラムを構成し
ているため(例えば米国特許第3,858,150号)低圧用の
ものしか得られないのが現状である。
そこで、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わせることにより、高圧の使用に耐
えかつ出力感度も良い圧力検出器を得ることを考えた
が、金属ダイヤフラムに上記半導体チップを充分な強度
で接合する構造が見い出し得なかった。
半導体チップを組合わせることにより、高圧の使用に耐
えかつ出力感度も良い圧力検出器を得ることを考えた
が、金属ダイヤフラムに上記半導体チップを充分な強度
で接合する構造が見い出し得なかった。
発明者らはかかる現状に鑑みて種々実験を繰り返した結
果、金属ダイヤフラムに歪ゲージ半導体チップが強固か
つ確実に接合された性能良好な圧力検出器を実現した。
果、金属ダイヤフラムに歪ゲージ半導体チップが強固か
つ確実に接合された性能良好な圧力検出器を実現した。
[問題点を解決するための手段] 本発明の構成を第1図で説明すると、受圧用金属ダイヤ
フラム11のダイヤフラム面はこれを酸化して酸化層2と
してあり、該酸化層2上にガラス層3を介して単結晶半
導体からなる半導体チップ4が接合してある。
フラム11のダイヤフラム面はこれを酸化して酸化層2と
してあり、該酸化層2上にガラス層3を介して単結晶半
導体からなる半導体チップ4が接合してある。
[作用] 上記接合構造を有する圧力検出器では、半導体チップ4
は強固かつ確実に金属ダイヤフラム11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。
は強固かつ確実に金属ダイヤフラム11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。
[実施例] 第2図には圧力検出器の構造を示す。図において、検出
器ハウジング501は筒体であり、大径の上半部外周を六
角面となすとともに下半部外周には取付用ネジ部501aが
形成してある。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は上端閉鎖の筒
体であって下端開口周縁をハウジング501の開口縁に溶
接固定してある。センシングボデー1は熱膨脹率の小さ
いFe−Ni−Co系合金で構成され、その上端面は中心部を
薄肉として受圧用ダイヤフラム11としてある。
器ハウジング501は筒体であり、大径の上半部外周を六
角面となすとともに下半部外周には取付用ネジ部501aが
形成してある。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は上端閉鎖の筒
体であって下端開口周縁をハウジング501の開口縁に溶
接固定してある。センシングボデー1は熱膨脹率の小さ
いFe−Ni−Co系合金で構成され、その上端面は中心部を
薄肉として受圧用ダイヤフラム11としてある。
ダイヤフラム11の上面には後述する接合構造によって半
導体チップ4が接合してあり、該半導体チップ4は、こ
れを囲むようにハウジング501の上面に設けたリング状
セラミック基板502上の電極にワイヤ503で接続してあ
る。半導体チップ4の上方には信号処理用のIC回路を形
成したセラミック基板504が配設され、信号処理回路は
基板504を支持するピン505を介して上記基板502上の電
極に接続されている。
導体チップ4が接合してあり、該半導体チップ4は、こ
れを囲むようにハウジング501の上面に設けたリング状
セラミック基板502上の電極にワイヤ503で接続してあ
る。半導体チップ4の上方には信号処理用のIC回路を形
成したセラミック基板504が配設され、信号処理回路は
基板504を支持するピン505を介して上記基板502上の電
極に接続されている。
ハウジング501の上面外周縁には筒状カバー506が接合さ
れ、該カバー506の上方開口にはリードホルダ507が密嵌
してある。そして、上記基板504より延出するリード線5
08が上記リードホルダ507を貫通して検出器外へ延びて
いる。なお、図中509はシールリングであり、510、511
はシール樹脂である。
れ、該カバー506の上方開口にはリードホルダ507が密嵌
してある。そして、上記基板504より延出するリード線5
08が上記リードホルダ507を貫通して検出器外へ延びて
いる。なお、図中509はシールリングであり、510、511
はシール樹脂である。
半導体チップ4はSi基板面の4ケ所にボロン(B)をド
ープして、第3図に示す如く、P型半導体歪ゲージ素子
41、42、43、44を形成したものであり、素子41、43は上
記ダイヤフラム11の中心部直上に位置し、素子42、44は
ダイヤフラム11の周縁部直上に位置している。そして、
これら素子41〜44はSi基板上に形成した電極リード(図
略)により互いに接続されて、第4図に示す如きフルブ
リッジを構成している。
ープして、第3図に示す如く、P型半導体歪ゲージ素子
41、42、43、44を形成したものであり、素子41、43は上
記ダイヤフラム11の中心部直上に位置し、素子42、44は
ダイヤフラム11の周縁部直上に位置している。そして、
これら素子41〜44はSi基板上に形成した電極リード(図
略)により互いに接続されて、第4図に示す如きフルブ
リッジを構成している。
上記半導体チップ4とセンシングボデー1の接合構造を
第1図に示す。図は第2図のA部を拡大したものであ
り、センシングボデー1の上面は全面を酸化して酸化層
2が形成してある。そして、該酸化層2上に低融点ガラ
ス層3を介して上記半導体チップ4を接合する。
第1図に示す。図は第2図のA部を拡大したものであ
り、センシングボデー1の上面は全面を酸化して酸化層
2が形成してある。そして、該酸化層2上に低融点ガラ
ス層3を介して上記半導体チップ4を接合する。
かかる接合構造において、センシングボデー1の表面粗
さは0.5μm〜3μmとすると引張強度150kg/cm2以上の
良好な強度が得られ(第5図)、また酸化層2の深さは
約1.5μm〜5.5μmとすると接合強度150kg/cm2以上の
充分な強度が得られる。ガラス層3としては酸化鉛を主
成分とする非晶質の低融点ガラスを使用し、ガラス層の
厚さは40μm〜60μm(別紙表1)、フィラー粒径は平
均約2.0μmで最大でも約20μmとするのが良い(別紙
表2)。なお、上記ガラス層3の厚さを60μm以上とす
ると感度低下が大きくなるので40μm〜60μmが望まし
い。上記各表中の冷熱衝撃試験は−40℃と120℃を一時
間毎に200回繰り返し、また高圧作動試験は200kg/cm2の
圧力負荷を4回/秒で100万回印加するもので、上記構
造によればこれら試験によっても半導体チップ4の出力
信号のドリフトは生じない。
さは0.5μm〜3μmとすると引張強度150kg/cm2以上の
良好な強度が得られ(第5図)、また酸化層2の深さは
約1.5μm〜5.5μmとすると接合強度150kg/cm2以上の
充分な強度が得られる。ガラス層3としては酸化鉛を主
成分とする非晶質の低融点ガラスを使用し、ガラス層の
厚さは40μm〜60μm(別紙表1)、フィラー粒径は平
均約2.0μmで最大でも約20μmとするのが良い(別紙
表2)。なお、上記ガラス層3の厚さを60μm以上とす
ると感度低下が大きくなるので40μm〜60μmが望まし
い。上記各表中の冷熱衝撃試験は−40℃と120℃を一時
間毎に200回繰り返し、また高圧作動試験は200kg/cm2の
圧力負荷を4回/秒で100万回印加するもので、上記構
造によればこれら試験によっても半導体チップ4の出力
信号のドリフトは生じない。
上記接合構造を形成する手順は大略第7図に示す如きも
のであり、酸化層2を形成する酸化処理に先立ってセン
シングボデー1表面の酸洗浄と脱炭処理を行なう。酸洗
浄は王水を使用し、上記表面の油分を除去する。脱炭処
理はH2とN2を混合した還元性ないし弱還元性雰囲気中に
水蒸気を供給して行ない、800℃〜1100℃で1時間程度
行なう(別紙表3H、I、M)。
のであり、酸化層2を形成する酸化処理に先立ってセン
シングボデー1表面の酸洗浄と脱炭処理を行なう。酸洗
浄は王水を使用し、上記表面の油分を除去する。脱炭処
理はH2とN2を混合した還元性ないし弱還元性雰囲気中に
水蒸気を供給して行ない、800℃〜1100℃で1時間程度
行なう(別紙表3H、I、M)。
酸化処理はO2雰囲気に800℃で10分間、ないし1000℃で
0.5分間晒し(上表H、I、M)、上述の如く1.5μm〜
5.5μmの深さで酸化層2を形成する。
0.5分間晒し(上表H、I、M)、上述の如く1.5μm〜
5.5μmの深さで酸化層2を形成する。
ガラス層3の形成は上記酸化層2上にガラスペーストを
印刷し、これを仮焼(約400℃)することにより行ない
ガラスの厚みを仕上りで40μm〜60μmとする。上記ガ
ラスペーストはガラス粉を有機溶剤中に混入して得る。
仮焼した上記ガラス層3に半導体チップ4を載せ、本焼
成(約500℃)すると上記半導体チップ4はセンシング
ボデー1上に強固に接合される。
印刷し、これを仮焼(約400℃)することにより行ない
ガラスの厚みを仕上りで40μm〜60μmとする。上記ガ
ラスペーストはガラス粉を有機溶剤中に混入して得る。
仮焼した上記ガラス層3に半導体チップ4を載せ、本焼
成(約500℃)すると上記半導体チップ4はセンシング
ボデー1上に強固に接合される。
かかる構造の圧力検出器によれば、導入圧によりダイヤ
フラム11が変形するとこれに一体に接合された半導体チ
ップ4に歪応力を生じ、該チップ4上の歪ゲージ素子4
1、43の抵抗値が大きく変化して測定圧力に応じたリニ
ヤかつ高感度の出力信号が得られる。
フラム11が変形するとこれに一体に接合された半導体チ
ップ4に歪応力を生じ、該チップ4上の歪ゲージ素子4
1、43の抵抗値が大きく変化して測定圧力に応じたリニ
ヤかつ高感度の出力信号が得られる。
なお、圧力導入口を構成するセンシングボデー1の内周
面に酸化処理を施すと耐蝕性に優れたものとなる。
面に酸化処理を施すと耐蝕性に優れたものとなる。
[効果] 以上説明したように本発明によれば直接圧力を受けるダ
イヤフラムの部分は強度の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を配置した半導体チッ
プをガラスにより最適条件で上記ダイヤフラムに強固に
接合しているので感度の良い検出が行なえ、しかも半導
体チップは別個につくり接合するだけなので量産性に富
んだ圧力検出器を提供できるという優れた効果がある。
イヤフラムの部分は強度の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を配置した半導体チッ
プをガラスにより最適条件で上記ダイヤフラムに強固に
接合しているので感度の良い検出が行なえ、しかも半導
体チップは別個につくり接合するだけなので量産性に富
んだ圧力検出器を提供できるという優れた効果がある。
第1図は本発明の要部断面図で第2図のA部拡大断面
図、第2図は圧力検出器の全体断面図、第3図は半導体
チップの平面図、第4図は歪ゲージ素子の接続図、第5
図はセンシングボデーの表面粗さと引張り強度の相関を
示す図、第6図は酸化層厚さと引張り強度の相関を示す
図、第7図は接合工程の概略ブロック図である。 1……センシングボデー 11……金属ダイヤフラム 2……酸化層 3……ガラス層 4……半導体チップ
図、第2図は圧力検出器の全体断面図、第3図は半導体
チップの平面図、第4図は歪ゲージ素子の接続図、第5
図はセンシングボデーの表面粗さと引張り強度の相関を
示す図、第6図は酸化層厚さと引張り強度の相関を示す
図、第7図は接合工程の概略ブロック図である。 1……センシングボデー 11……金属ダイヤフラム 2……酸化層 3……ガラス層 4……半導体チップ
フロントページの続き (72)発明者 藤野 誠二 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 安藤 芳康 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (56)参考文献 特開 昭53−142888(JP,A)
Claims (4)
- 【請求項1】受圧用金属ダイヤフラムのダイヤフラム面
を酸化して酸化層を形成し、該酸化層上にガラス層を介
して、半導体歪みゲージを形成した単結晶半導体チップ
を接合してなる圧力検出器。 - 【請求項2】上記金属ダイヤフラムをFe−Ni−Co系合金
で構成し、上記単結晶半導体チップをSi基板により構成
した特許請求の範囲第1項記載の圧力検出器。 - 【請求項3】上記酸化層を約1.5μm〜5.5μmの厚さで
形成した特許請求の範囲第1項記載の圧力検出器。 - 【請求項4】上記ガラス層を約40μm〜60μmの厚さで
形成し、そのフィラー粒径を平均約2.0μmで最大粒径2
0μm以下とした特許請求の範囲第1項記載の圧力検出
器。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP61138731A JPH0711461B2 (ja) | 1986-06-13 | 1986-06-13 | 圧力検出器 |
US07/050,031 US4840067A (en) | 1986-06-13 | 1987-05-15 | Semiconductor pressure sensor with method diaphragm |
US07/322,561 US4986861A (en) | 1986-06-13 | 1989-03-13 | Semiconductor pressure sensor and method for bonding semiconductor chip to metal diaphragm thereof |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP61138731A JPH0711461B2 (ja) | 1986-06-13 | 1986-06-13 | 圧力検出器 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS62294930A JPS62294930A (ja) | 1987-12-22 |
JPH0711461B2 true JPH0711461B2 (ja) | 1995-02-08 |
Family
ID=15228844
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP61138731A Expired - Lifetime JPH0711461B2 (ja) | 1986-06-13 | 1986-06-13 | 圧力検出器 |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
US (2) | US4840067A (ja) |
JP (1) | JPH0711461B2 (ja) |
Cited By (4)
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