JPH08334426A

JPH08334426A - 圧力センサ

Info

Publication number: JPH08334426A
Application number: JP14091095A
Authority: JP
Inventors: Shunji Ichida; 俊司市田; Homare Masuda; 誉増田; Takashi Yanada; 貴簗田; Yasuhide Yoshikawa; 康秀吉川
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 1995-06-07
Filing date: 1995-06-07
Publication date: 1996-12-17
Anticipated expiration: 2016-03-12
Also published as: JP3145274B2

Abstract

(57)【要約】【目的】圧力検出素子と金属ダイヤフラムとの間の封
入液の量が少なくできて温度が変化しても圧力の検出誤
差を小さくすることができるとともに、圧力検出素子と
電極ピンとのワイヤーボンディング作業が歩留りよく確
実に行なえる圧力センサを提供することを目的とする。【構成】ガラスチューブ１とガラス台座１８との間に
介在しているセラミックステム１２には、シリコン圧力
素子１７の表面が底面と同一平面となるような収納部１
２ａが形成されている。従って、セラミックステム１２
の底面と金属ダイヤフラム２２との距離を従来に比して
狭くすることができ、シリコンオイル２０の量も少なく
することができる。また、セラミックステム１２の底面
に形成された電極パッドに対してワイヤーボンディング
作業を行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、シリコンを母材とする
半導体素子を圧力検出素子として用いる圧力センサに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】図３は、例えば特開昭５９−１５９５７
３号公報に示された従来の圧力センサの構成を示す断面
図である。

【０００３】この圧力センサは、圧力導入用のガラスチ
ューブ１をセラミック基盤２に設けられた凹部に同軸状
にろう付けしたものであり、セラミック基盤２およびガ
ラスチューブ１の通気孔を塞ぐようにシリコンを母材と
する圧力検出素子３が固着されている。また、４は導電
用端子、５はろう材、６はリード線、７，７′は金属ハ
ウジングである。

【０００４】以上のように構成された圧力センサは、第
１の圧力Ｐ_Aと第２の圧力Ｐ_Bとの差圧を電気信号とし
て導電用端子４から出力する。そして、このような圧力
センサを用いて第１の圧力Ｐ_Aを検出する場合には、通
常、図示しない金属ダイヤフラムを用いて空間８を密閉
状態にし、その密閉された空間には、シリコンオイルや
フッ素化オイルが満たされた状態で圧力Ｐ_Aの検出が行
なわれている。

【０００５】ここで、ガラスチューブ１と金属ハウジン
グ７′との間に、ガラスに対して同系で熱膨張係数の近
いセラミック基盤２が設けられている理由は、金属ハウ
ジング７，７′のプロジェクション溶接に係る残留歪、
ガラスチューブ１と金属ハウジング７′との熱膨張差に
より発生する応力、さらにサーマルヒステリシス等によ
り圧力検出素子３が影響を受けないようにするためであ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の圧力センサは上
記のように構成されているので、以下のような問題点が
あった。セラミック基盤２の上面から圧力検出素子３が
突出している構成となっているため、圧力検出素子３の
高さによって規制されているために、空間８の厚さをこ
れ以上薄くすることはできない。すなわち、金属ダイヤ
フラムによって密閉空間とされる空間８に満たされる封
入液の量をこれ以上少なくすることができない。ここ
で、封入液は膨張係数が大きいために、温度が高くなる
と、密閉空間８内の圧力が高まってしまう。従って、温
度が高くなると、検出すべき圧力Ｐ_Aに対する誤差が大
きくなる。以上から、従来の圧力センサでは、温度が変
化した場合には検出精度が悪くなるという問題点があっ
た。

【０００７】また、圧力検出素子３はその構成上、導電
用端子４の高さにその表面の高さを一致させる必要があ
る。従って、従来の圧力センサでは導電用端子４がセラ
ミック基盤２から突出した構成となっている。このよう
な構成では、リード線６を接続するワイヤーボンディン
グ時の超音波溶接や圧接により導電用端子４が振動して
しまい、ワイヤーボンディングが不良になる虞れがあっ
た。

【０００８】さらに、従来の圧力センサでは、ガラスチ
ューブ１と金属ハウジング７′との熱膨張差により発生
する応力等の圧力検出素子３に対する影響をセラミック
基盤２を設けることによって緩和しているが、ガラスチ
ューブ１の底面および側面はセラミック基盤２にろう付
けされているために、このガラスチューブ１自体は、こ
の応力等の緩和にはほとんど寄与していない。

【０００９】本発明は上記のような従来の問題点を解消
するためになされたもので、圧力検出素子が周囲に発生
する応力等による影響を受けにくく、封入液の量を少な
くすることができて温度が変化した場合にも検出誤差を
小さくすることができ、リード線のワイヤーボンディン
グ作業を歩留りよく確実に行なうことができる圧力セン
サを提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る圧力センサ
は、下面に圧力検出素子が固着しているガラス台座の側
面と接触せず、かつ前記圧力検出素子の表面が底面と一
致するように前記ガラス台座および前記圧力検出素子を
収納する収納部が底部に形成されたハウジングと、前記
セラミックステムの底面との間に密閉された空間が形成
されるように前記ハウジングの底部に固着された金属ダ
イヤフラムとを備え、前記空間に封入液を満たしたもの
である。

【００１１】

【作用】本発明における圧力センサは、圧力検出素子が
セラミックステムの底面から突出しておらず、セラミッ
クステムの底面と同一の平面に圧力検出素子の表面が位
置しているために、金属ダイヤフラムを用いて形成され
る密閉空間の体積を小さくすることができて封入液の量
を少なくすることができると共に、前記図３に示す従来
例の導電端子の上に接続するのではなく、安定している
セラミックステムの底面に作成された金メッキ等のメタ
ライジングされた固定電極にリード線のワイヤーボンデ
ィングを行なうことができる。さらに、ガラス台座はそ
の上面及び上面近くのわずかな範囲の側面のみがセラミ
ックステムと固着しているので、その上面に生じる応力
の圧力検出素子に対する影響は、ガラス台座自体によっ
て緩和される。

【００１２】

【実施例】

実施例１．以下、図面を参照して本発明の一実施例を説
明する。図１は本発明の実施例１の構成を示す断面図で
ある。図１において、ステンレスまたは鋼鉄製のボディ
（ハウジング）１１には、セラミックステム１２を収納
する収納部１１ａと開口部１１ｂとが形成されている。
アルミナまたはＭｇＯやＳｉＯ₂等が混合されたアルミ
ナ系セラミックからなるセラミックステム１２には、バ
ックサイドパイプ１３、オイル封止パイプ１４および電
極ピン１５が銀ろう、半田、ガラス、接着材等で密封さ
れて組み付けられている。

【００１３】このセラミックステム１２の底部には、圧
力検出素子であるシリコン圧力素子１７およびガラス台
座１８を収納する収納部１２ａが設けられている。ここ
で、この収納部１２ａは、シリコン圧力素子１７の表面
がセラミックステム１２の底面とほぼ同一平面となるよ
うに設けられている。このように、シリコン圧力素子１
７の表面とセラミックステム１２の底面とがほぼ同一平
面となっているので、セラミックステム１２の底面と金
属ダイヤフラム２２との幅を従来に比して狭くすること
ができ、シリコンオイル２０の量を少なくすることがで
きる。

【００１４】ガラス台座１８には、上面から下面に至る
貫通孔１８ａが設けられている。そして、ガラス台座１
８の下面には、貫通孔１８ａを塞ぐようにシリコン圧力
素子１７が陽極接合やガラスなどによって固着してい
る。また、このガラス台座１８の上面はセラミックステ
ム１２に固着している。さらに、このガラス台座１８の
側面とセラミックステム１２との間には隙間が存在して
いる。以後、シリコン圧力素子１７およびガラス台座１
８をシリコンチップと呼ぶ。

【００１５】１９はＡｌまたはＡｕからなるリード線、
２０は例えばステンレス製の金属ダイヤフラム２２とセ
ラミックステム１２によって密閉された空間に満たされ
る封入液であるシリコンオイルである。

【００１６】ここで、バックサイドパイプ１３は、シリ
コン圧力素子１７の上面に大気圧を導入するために設け
られた通気パイプであり、もしこの圧力センサを差圧セ
ンサとして用いる場合には、図示しない金属ダイヤフラ
ムを有する受圧部に接続すればよい。また、電極ピン１
５は、セラミックステム１２の底面に形成された電極パ
ッドを介してまたは直接リード線１９と接続されてい
る。そしてこの電極ピン１５は図示しない電気回路に接
続されている。

【００１７】２３は金属コネクタであり、この金属コネ
クタ２３には電気回路等を収納したケースに組付けるた
めの組付ネジ２３ａや圧力導入部の配管を取付けるため
の配管取付ネジ２３ｂが形成されている。なお、本実施
例においては、水や蒸気等の圧力も検出できるようにこ
の金属コネクタ２３の材質はステンレスにしてある。

【００１８】次に上記のように構成された本実施例の製
造方法について説明する。まず、ボディ１１とセラミッ
クステム１２との間を、銀ろう、ガラス、接着材等によ
って密封されるように接合する。この接合を温度の高い
銀ろうで行なう場合には、熱膨張係数の差による歪を吸
収するための銅板や熱膨張の小さいコバール板または両
者を組み合わせた金属板１６などを挟んで接合するとよ
い。このような金属板１６等は、接着材や融点の低いガ
ラス、半田等を用いて接合する場合には必要ない。

【００１９】次に、セラミックステム１２の収納部１２
ａにガラス台座１８の上面を、接着材、半田、ガラス等
を用いて密封接合する。この接合における応力歪みを吸
収するのに十分な長さ（貫通孔１８ａの方向の長さ）を
ガラス台座１８は有している必要がある。なお、半田す
る場合は、ガラス台座１８の上面をスパッタリング手法
でメタライジングしておくことを可とする。このよう
に、弾性が非常に高く、また熱膨張収縮のサイクルによ
るヒステリシスは金属に比してはるかに小さいセラミッ
クステム１２を、ボディ１１とガラス台座１８との間に
介在させることで、圧力センサの精度および信頼性の向
上を図ることができる。

【００２０】次に、セラミックステム１２の底面に露出
した電極ピン１５の端部またはこの端部と導面している
セラミックステム１２の底面に形成された電極パッドと
シリコン圧力素子１７の表面とをワイヤーボンディング
により接続する。ここで、この電極パッドをシリコン圧
力素子１７の方向に延在させるように形成すれば、リー
ド線１９の長さを短くすることができるので、信頼性を
高めることができる。

【００２１】次に、ボディ１１、金属ダイヤフラム２２
および金属コネクタ２３を溶接により同時に接合する。
そして、この溶接およびその他の接合部分のシール性を
チェックするために、オイル封止パイプ１４から真空ポ
ンプなどで空気を抜きながら、Ｈｅガスをこの圧力セン
サに吹きかけてＨｅガスのリークチェックを行なう。

【００２２】以上のようにしてシール性のチェックが終
了した後に、オイル封止パイプ１４からシリコンオイル
２０を注入して内部に充填し、このオイル封止パイプ１
４を圧接、半田付、ろう付、溶接等または、それらの組
み合わせで封止して作業を終了する。

【００２３】以上説明したような本実施例によれば、シ
リコンオイル２０の量を、従来例に比して大幅に減らす
ことができて温度が変化した場合にも圧力の検出誤差を
大幅に減少させることができる。換言すれば、従来例と
同精度であれば、本実施例に係る構成を用いればより小
型化することができる。

【００２４】実施例２．図２は本発明の実施例２の構成
を示す断面図であり、前記図１に示す実施例１と同一部
分には同一符号を付して重複説明を省略する。図２にお
いて、２１はセラミック製のセラミックキャップであ
る。このセラミックキャップ２１は、密閉された空間内
のシリコンオイル２０の量を少なくするために設けられ
たものであり、その上面から下面に亘って貫通孔２１ａ
が形成されている。さらに、このセラミックキャップ２
１の上面には、リード線１９や封入パイプ１４と接触し
ないよう凹面が設けられている。

【００２５】また、このセラミックキャップ２１はセラ
ミックステム１２の底面に接着材を用いて接合し、また
は機械的に組付ける。ここで、セラミックキャップ２１
をメタライジングして半田付けで取付けてもよい。ただ
しこのときの温度は、シリコンチップや接着材の耐熱性
を考慮すると約２００℃が上限である。

【００２６】本実施例２における、シール性のチェック
は、実施例１と同じであるが、このシール性のチェック
時、金属ダイヤフラム２２は非常に薄く柔らかいので、
大気圧によりセラミックキャップ２１側に変形するが、
セラミックキャップ２１がストッパーとなってその変形
が規制されるために、金属ダイヤフラム２２がこのシー
ル性の検査時に破損するのを防止することができる。さ
らに圧力センサの使用時にシリコン圧力素子１７が破損
したような場合にも、このセラミックキャップ２１は金
属ダイヤフラム２２のストッパーとして機能するので、
金属ダイヤフラムの不必要な変形を防止し、該金属ダイ
ヤフラムの耐圧性を高めることになる。

【００２７】また、金属コネクタ２３上面に形成した凹
部２３ｃは、シリコン圧力素子１７の破損により、圧力
導入口に負の圧力が印加された時や防爆圧力センサのケ
ース（図示しない）内部で、可燃性ガスが燃えた時に発
生するケース内部からの圧力（外側に向かっての圧力）
により、金属ダイヤフラム２２がつきあたって破損を防
止するストッパー機能を有している。なお、上記セラミ
ックキャップ２１及びコネクタ上面の凹部２３ｃは、使
用温度範囲内において、温度の低下によるシリコンオイ
ルの収縮に伴う金属ダイヤフラム２２の内側の変形や逆
に温度上昇によるシリコンオイルの膨張に伴う金属ダイ
ヤフラム２２の外側への変形では、接触しないようにし
てある。しかし、できる限りその位置に近いことが望ま
しい。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
圧力検出素子の表面が底面と同一平面上になるように、
シリコンチップの収納凹部をセラミックステムの底部に
設けて構成したので、圧力検出素子が周囲に発生する応
力等による影響を受けにくく、封入液の量を少なくする
ことができて温度が変化しても検出誤差を小さくするこ
とができ、さらにリード線のワイヤーボンディング作業
を歩留りよく確実に行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の構成を示す断面図である。

【図２】本発明の実施例２の構成を示す断面図である。

【図３】従来の圧力センサの構成を示す断面図である。

【符号の説明】

１１ａ収納部１２セラミックステム１２ａ収納部１７シリコン圧力素子１８ガラス台座１８ａ貫通孔２０シリコンオイル２２金属ダイヤフラム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者吉川康秀神奈川県藤沢市川名１丁目12番２号山武ハネウエル株式会社藤沢工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】通気パイプに連通する貫通孔が上面から
下面に亘って設けられたガラス台座と、該ガラス台座の
前記下面に前記貫通孔を塞ぐように固着された圧力検出
素子と、前記ガラス台座の側面と接触せず、かつ前記圧
力検出素子の表面が底面と一致するように前記ガラス台
座および前記圧力検出素子を収納する凹部が底部に形成
され、前記凹部底面に前記ガラス台座の上面を固着して
いるセラミックステムと、該セラミックステムを収納す
る収納部を形成したハウジングと、前記セラミックステ
ムの底面との間に密閉された空間が形成されるように前
記ハウジングの底部に固着された金属ダイヤフラムと、
前記密閉された空間内に満たされた封入液とを具備する
圧力センサ。