JPS6055672A - 圧力電気変換器の構造 - 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】 本発明は、半導体拡散抵抗のピエゾ抵抗効果を利用して
圧力を電気信号に変換する圧力電気変換器の構造に関す
るものである。

近年、ＩＣ製造技術の発達とあいまって、単結晶シリコ
ンチップの表面に半導体拡散抵抗を形成し、該半導体拡
散抵抗をひずみゲージとして利用する圧力電気変換器が
作られる様になった。

前記圧力電気変換器は、導体又は半導体に加えられた外
力の応力によって電気抵抗が変化するというピエゾ抵抗
効果を利用したもので、前記ひずみゲージをブリッジ型
回路に構成することにより。

圧力変化を電気抵抗変化に変換し、さらにこれをブリッ
ジ型回路の電圧変化としてとらえようとするもので、そ
の性能が従来の圧力計あるいは圧力電気変換器に比べ、
非常にすぐれているために、主に工業計測用として、開
発、製造され、利用されてきた。

最近では、ＩＣ製造技術を駆使することにより量産が可
能なことから、自動車用をはじめとし。

民生用としても需要が増えてきている。

第１図は１以上の様な需要から開発された従来のピエゾ
抵抗型圧力電気変換器の構造を示す断面図である。

１は半導体拡散抵抗のピエゾ抵抗効果を利用して圧力を
電気信号に変換するダイヤフラム型半導体圧力センサチ
ップ、２は台座であり、例えば＃７７４０ホウ硅酸塩ガ
ラスで、圧力センサチップ１と台座２は気密に固着され
ている。４は気密端子体、５は前記圧力センサチップ１
の電源端子および出力端子となるステムで、ステム５は
封止ガラス６を使って気密端子体４に気密に固着されて
いる。

以上の様なステム５が固着された気密端子体４と、圧力
センサチップ１が固着された台座２は気密に固着され、
さらに圧力センサチップ１とステム５間はワイヤボンド
により電気的に接続されている。

６は圧力導入孔つきのキャップで、圧力センサチップ１
とステム５間がワイヤボンドにより電気的に接続された
後、気密端子体４に対して気密に固着され、こうして相
対圧（差圧）型の圧力電気変換器１０が構成される。

以上の様に構成される圧力電気変換器１０の製造工程に
おいて、一番重要な工程は圧力センサチップ１と台座２
の固着であり、次に重要な工程は台座２と気密端子体４
との固着である。

すなわち、圧力センサチップ１は、シリコン。

ゲルマニムなどのダイヤモンドキー−ビック構造の単結
晶の各結晶軸方向に対するピエゾ抵抗効果の異方性を利
用してゲージ率の非常に大きな値（金属ひずみゲージが
２であるのに対し１００以上）を持つひずみゲージをそ
のチップ表面に形成したものであるから、ひずみに対し
て非常に敏感となっており、圧力変位以外の応力の影響
１例えば、圧力センサチップ１を固着する時の機械的ひ
ずみ、あるいは圧力センサチップ１と台座２の熱膨張係
数の差に起因する熱歪等−を排除してやらなければなら
ない。

このため、台座２の材料としては前述のごとく圧力セン
サチップ１の熱膨張係数と比較して差の小さい：＃７７
４０ホウ硅酸塩ガラスや、圧力センサチップ１と同じ材
質であるシリコン単結晶等が選択されているのである。

又、圧力センサチップ１が台座２を介して気密端子体４
に固着されるのは、気密端子体４からの熱ひずみ、ある
いは圧力電気変換器１０の取付けや、外力等に起因する
気密端子体４そのもののひずみの影響を取り除くためで
、最近では電子計算機を駆使し、有限要素法等を用いて
その必要最低限の厚さがめられている。

以上の様な台座２の材料や厚さをうまく選んでやること
によりかなり余分なひずみの要素を取り除くことが可能
となるが、圧力センサチップ１と台座２．あるいは台座
２と気密端子体４との固着方法が悪いと、どんなに良い
台座２を使ってもすべてがむだになってしまう。このた
め、いろいろな固着方法が検討され、要求される精度や
コストに見合った固着方法が採用されている。固着方法
を数例あげると。

■　静電気力で固着する方法・・・・・・金属とガラス
を気密封止する時に利用できる方法で、金属とガラスを
温め、直流電圧を金属−ガラス間に印加すると金属とガ
ラスの界面に静電気力が発生し、その静電気力で金属と
ガラスが気密封止される。

■　低融点ガラスで固着する方法 ■　有機接着剤で固着する方法 等がある。

■の静電、気力で気密封止する方法は、金属とガラス間
に接着材等の介在物が何も存在しないため。

理想的な固着方法であるが、固着技術そのものがまだ一
般的なものでなく、理論面と合わせて完全に掌握されて
いないため、非常にむずかしい技術である。

■の低融点ガラスで固着する方法は、第１図の様な圧力
電気変換器１０では良く使われる方法であるが、低融点
ガラスと言ってもその作業温度を４００℃前後に押さえ
るとなると圧力センサチップ１との熱膨張係数の差はぬ
ぐいきれず、どうしても熱ひずみの問題が残ってしまう
。又、低融点ガラスは、印刷するために使用した溶液（
バインダー）を、仮焼結という工程を設けて分解しなけ
ればならず、固着するのに非常に時間がかかってしまう
面をもっている。

■の有機接着剤で固着する方法は、手軽に、短時間に固
着できるが、有機接着剤の剛性が小さいために安定した
特性が得られず、接着剤そのものの経時変化、気密性等
信頼性の問題が残っている。

その他半田で気密封止する方法等、いろいろな方法で圧
力センサチップ１と台座２．あるいは台座２と気密端子
体４との固着が行なわれているが。

それぞれ一長一短があり、圧力電気変換器の製造メーカ
ー各社の長期にわたる自主研究開発によるノウハウの蓄
積により製品化されているのが現状である。

台座２の加工に関して言えば、相対圧型の圧力電気変換
器を構成する場合は、台座２に穴あけ加工をする必要が
あり１台座２の厚さが前述の如くある程度の厚さが必要
となるとその加工に時間がかかり１部品単価を引き上げ
る結果となっている。

以上の様に、圧力センサチップ１の熱膨張係数と比較し
て差の小さいホウ硅酸塩ガラスやシリコン単結晶等の台
座２を用いて構成される従来の圧力電気変換器１０では
、圧力センサチップ１と台座２、あるいは台座２と気密
端子体４との固着に関して十分な技術ノウノ・つの蓄積
が必要であるため、その製造がむすかしく・ばかりでな
く、製造メーカも限定されてしまうため、これが台座２
の加工コストがらみで製品単価を引き上げる原因となっ
ていた。

本発明は１以上の様な欠点を除去するために。

あらかじめシリコーンゴムを硬化させて形成した台座を
用意し、前記台座の上にさらにシリコーンゴムを塗布す
ることにより、前記台座と圧力センサチップとを気密に
封止しようとしたもので、その目的は圧力センサチップ
の実装の簡素化にあり。

以下図面に基づいて詳細に説明する。

第２図は、本発明の一実施例を示す圧力電気変換器の断
面図、第３図は１本発明の他の実施例を示す圧力電気変
換器の断面図であって、第２図は相対圧（差圧）型の圧
力電気変換器、第３図は絶対圧型の圧力電気変換器を示
している。第４図は第２図の圧力電気変換器の製造方法
を説明するために示した圧力電気変換器の要部の斜視図
であり。

第１図と同番号は同じ部材を示す。

８は第４図（Ａ）の例で示した様に、一定の厚さを確保
するために成形型等を使ってシリコーンゴムを硬化させ
て形成した台座で、該台座８はシリコーンゴム、有機接
着剤等により気密端子体４に気密に固着される。この状
態が第４図（Ｂ）であるが、もちろん気密端子体４の上
で直接シリコーンゴムを成形、硬化させ台座８を形成し
ても良い。第４図ＣＢ）に於いて１６はシリコーンゴム
が注入さねているカー）　ＩＪッジ、９は台座８の上に
均一に塗布されるシリコーンゴムで、第４図（Ｂ）では
、工程を示す意味でシリコーンゴム９がカートリッジ１
６から絞り出されている状態を示しておいた。

こうしてシリコーンゴム９が台座８の上に均一に塗布さ
れた後、シリコーンゴム９が硬化する前に１次の工程で
圧力センサチップ１がシリコーンゴム９の上にのせられ
る。その結果、圧力センサチップ１と台座８はシリコー
ンゴム９により気密に固着され、封止される様になって
いる。

又第３図に於いて７は気密端子体１４にロウ付。

接着剤による接着等の手段を使って気密に固着される圧
力導入パイプ、１６は封止管、１５はステムである。

以上の様な工程を経て構成されたものが、第２図の相対
圧型の圧力電気変換器１１であり、又第３図の絶対圧型
の圧力電気変換器１２である。第３図の絶対圧型の圧力
電気変換器１２は、真空中において封止管１３を気密端
子体１４にハンダ付は等により気密に固着することによ
り、封止管１６と気密端子体１４および圧力センサチッ
プ１で囲まれた空間を真空にし、基準となる圧力を絶対
圧としたものである。

第５図は、本発明のさらに他の実施例を示す圧力電気変
換器の断面図とその要部の斜視図である。

２４はジルコン（ＺｒＯ２・５ｉｎ２）系セラミックス
よりなる気密端子体で、その線膨張係数は４０〜４００
℃で３．７　Ｘ　１０−’　／’Ｃ以下に押さえられて
おり、その表面には印刷技術により電極２５が形成され
ている。２８は気密端子体２４の上に印刷技術等により
シリコーンゴムを一定の厚さになる様に直接塗布し、あ
らかじめ硬化させて形成した台座で、この状態で台座２
８は気密端子体２４に気密に固着される。

２１はダイヤフラム型半導体圧力センサチップであり、
第４図（Ｂ）と同様にシリコーンゴム９が台座２８の上
に均一に塗布された後、シリコーンゴム９が硬化する前
に前記圧力センサチップ２１はシリコーンゴム９の上に
のせられる。

その結果、圧力センサチップ２１と台座２８とはシリコ
ーンゴム９により気密に固着され、封止される。そして
この後、ワイヤボンドにより圧力センサチップ２１と電
極２５は電気的に接続される。

２７は圧力導入パイプ、２３はキャップであり。

圧力導入パイプ２７はロウ付、接着剤による接着等によ
りキャップ２３に気密に固着されており。

ワイヤボンドの完了した気密端子体２４とキャンプ２６
はこの状態で低融点ガラス、有機接着剤等で気密に固着
され、圧力電気変換器２ｏが構成されている。

さて１本発明で使用するシリコーンゴムというのは１例
えば、−５０〜＋２５０℃といった広範囲な温度範囲に
わたってゴム弾性を維持する耐熱性・耐寒性にすぐれた
材料で、適度な伸びを有し。

かつ歪復元性にすぐわており、振動や衝撃を吸収してし
まう性質がある。

従って、本発明の実施例で示した様に、シリコーンゴム
を適度な厚さを持つ台座として使用すれば、気密端子体
からの熱ひずみ、あるいは圧力電気変換器の取付けや、
外力等に起因する気密端子体そのものの機械的なひずみ
といった様な圧力セ／サチノブ１あるいは２１に対する
圧力変位以外の応力を、シリコーンゴムからなる台座で
吸収することが可能となる。

もちろん気密端子体として、第５図の実施例の様に線膨
張係数が３．７　Ｘ　１０−’　／’ｃ以下のジルコン
系セラミックス等、圧力センサチップ１あるいは２１０
線膨張係数との差の小さい材料を選択すれば、より余分
な熱ひずみを除去することは明らかである。

同様にして１台座と圧力センサチップとを固着するため
に台座に塗布されるシリコーンゴム９も。

当然上記の通りの性質を有しているため、圧力センサチ
ップとシリコーンゴムの線膨張係数の差に起因する熱ひ
ずみの影響は除去されることになる。

さらに、シリコーンゴムは、従来からの印刷技術を利用
して印刷が可能のため、簡単に、かつ大量に同じ品質の
台座を印刷により形成することができる。

又、＃７７４０ホウ硅酸塩ガラス、シリコン単結晶等か
らなる台座を使用しないですむため１台座の材料費や加
工費が不要となり、実質的なコストダウンが図れるとと
もに、薄型化を図ることができる。

以上の様に１本発明の圧力電気変換器の構造によれば、
圧力センサチップと台座、あるいは台座と気密端子体と
の固着に関する十分な技術ノウハウの蓄積がなくても、
簡単に、かつ大量に生産できるため、製造メーカも限定
されず、製造単価の安い圧力電気変換器を供給すること
ができるという効果をもっている。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の圧力電気変換器の構造を示す断面図、第
２図は本発明の一実施例を示す圧力電気変換器の断面図
、第３図は本発明の他の実施例を示す圧力電気変換器の
断面図、第４図は第２図の圧力電気変換器の要部の斜視
図、第５図は本発明のさらに他の実施例を示す圧力電気
変換器の断面図とその要部斜視図である。 １．２１・・・・・・ダイヤフラム型半導体圧力センサ
チップ。 ８．２８・・・・・・台座。 ９・・・・・・シリコーンゴム。 １１．１２．２０・・・・・・圧力電気変換器。 第１図 第２図 第３図 第４図 （Ａ） 第５図 （Ａ） ソ （Ｂ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体拡散抵抗のピエゾ抵抗効果を利用して圧力を電気
   信号に変換するダイヤフラム型半導体圧力センサチップ
   と、該圧力センサチップを圧力変位以外の歪から保護す
   るための台座を有する圧力電気変換器において、シリコ
   ーンゴムを硬化させて形成した台座を設け、前記圧力セ
   ンサチップと台座とをシリコーンゴム接着剤にて気密封
   止したことを特徴とする圧力電気変換器の構造。