JPH01244325A - 圧力センサユニット - 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、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センサユニットの構造に
間するものである。

［従来の技術］ 近年ＩＣｌ１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ひずみゲージとして
利用するダイヤフラム型半導体圧力センサチップを有す
る圧力センサユニットが作られるようになった。前記圧
力センサユニットは、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を電気抵抗変化に変換し、
更にこれをブリッジ型回路の電圧変化として捕えようと
するもので、その性能が従来の圧力計あるいは、圧力変
換器に比べ、非常に優れているために、工業計測用、民
生用と需要が増えて来ている。

第８図は、以上のような圧力センサユニットの構造を示
す断面図であって、従来の圧力センサユニットの構造を
示している。

３１は半導体拡散抵抗のピエゾ抵抗効果を利用して圧力
を！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、３２は台座、例えば＃７７４０ホウ硅酸塩ガラ
スで、前記圧力センサチップ３１と台座３２は気密的に
固着されている。

３４は気密端子体、３５は前記圧力センサチップ３１の
電Ｒ’４子および出力端子となるステムで、ステム３５
は封止ガラス３６を使って気密端子体３４に気密に固着
されている。

以上の様なステム３５が固着された気密端子体３４と、
圧力センサチップ３１が固着された台座３２は気密に固
着され、さらに圧力センサチップ３１とステム３５間は
ワイヤボンドにより電気的に接続されている。

３７は硬化後ゲルの状態となるボッティング樹脂で、圧
力センサチップ３１上で硬化されてゲル状となり、圧力
センサチップ３１の電気的、機械的保護を行なっている
。

３３は圧力センサチップ３１や内部実装部分を機械的に
保護するための、圧力導入バイブ３３ａ付きのケースで
、圧力センサチップ３１とステム３５間がワイヤボンド
により電気的に接続され、さらにゲル状のボッティング
樹脂３７で圧力センサチップ３１を覆った後、気密端子
体３４に気密に固着され、こうして相対圧（差圧）型の
圧力センサユニット３０が構成されている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来の圧力センサユニット３０の場合、
圧力センサチップ３１のブリッジ型回路を構成している
ゲージ抵抗のバランスや不純物濃度、およびダイヤフラ
ム厚を一定の値にコントロールすることは製造能力土建
しい為、−船釣に、圧力センサユニット３０のオフセラ
）！圧、インピーダンス、及び感度はバラツキの大きい
ものとなってしまい、圧力センサユニット３０の駆動回
路に大きな負担がかかるという欠点を有していた。

さらに、圧力センサユニットは定電流駆動した場合に、
オフセット電圧の値に比例して温度特性が悪くなるとい
う特徴を持っている為、温度特性の良い圧力センサユニ
ットが必要な時には、オフセット電圧の小さい圧力セン
サユニットを選別して使わなければならないという欠点
があった。

最近、オフセット電圧の小さい圧力センサユニットの要
求も強まり、ダイヤプラム面外に拡散抵抗を設け、ワイ
ヤーオプションによってオフセット電圧を調整するタイ
プの圧力センサチップも作られるようになってきた。し
かしながら、オフセット電圧の測定にあたって、圧力セ
ンサチップと台座で囲まれたダイヤフラム内の空間を真
空に引いたタイプの絶対圧型の圧力センサユニットでは
、ウェハー状の圧力センサチップとウェハー状の台座が
接合された後、雰囲気を真空の状態にすると前記両ウェ
ハーのチャックができない為、台座が接合される前のウ
ェハー状態での圧力センサチップのオフセラ）！圧でオ
フセット調整用のオプション端子を選別しなければなら
ず、圧力センサチップと台座の接合歪みや台座と気密端
子体との接合歪みといった様な接合によるオフセット電
圧の変動までは考慮できず、思ったほどオフセット調整
ができないという欠点があった。又、仮にウェハー状の
圧力センサチップとウェハー状の台座が接合された後、
雰囲気を真空の状態にして前記両ウェハーのチャックが
できたとしても装置が大型で複雑になるという欠点があ
った。

零発、明の目的は、以上のような問題点を解消させ、オ
フセット電圧が小さく、しかも感度、インピーダンスの
バラツキの少ない圧力センサユニットを提供することに
ある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明は次のような構成と
している。すなわち、ダイヤフラム面上に半導体拡散抵
抗のピエゾ抵抗効果を利用したゲージ抵抗を設け、ダイ
ヤプラム面外にオフセット電圧調整用の拡散抵抗を設け
たダイヤフラム型半導体圧力センサチップと、該圧力セ
ンサチップを実装するための基板と、圧力センサチップ
を機械的に保護する為のケースとを有する圧力センサユ
ニットにおいて、該圧力センサチップの人出力端子及び
オフセット調整端子をすべてキャップ外部の基板上に引
き出すと共に、基板上で各端子を選択的に電気的接続す
ることによりオフセット電圧調整を可能とし、又、圧力
センサチップの入力電流を制限する抵抗を前記基板上に
設けている。

［実施例コ 第１図は本発明の一実施例を示す圧力センサユニットの
断面図であって、圧力センサユニットを圧力測定装置に
装着した状態を示している。第２図は第１図の圧力セン
サユニットの上面図、第３図は第１図の圧力センサユニ
ットの下面図、第４１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で、第４図の如くダイヤプラム
面１ａにゲージ抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、ダイヤフ
ラム面外１ｂにオフセット電圧調整用の拡散抵抗ｒ１、
ｒ２が設けられている。該圧力センサチップ１は、端子
Ａと端子Ｃｌ−０３のいずれか１つあるいは２つの間に
電圧又は電流を印加すると端子Ｂと端子り間に出力を取
り出せるようにな）ており、端子Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３の選
び方によりオフセット電圧が調整できるようになってい
る。

２は台座、例えば＃７７４０ホウ硅酸塩ガラスで、前記
圧力センサチップｌと台座２は気密的に固着されている
。なお、本実施例では圧力センサチップ１と台座２で囲
まれた空間は真空となっている絶対圧の測定例を示した
が、相対圧を測定するときには穴の空いた台座２が使用
される。

４ａは封止枠、４ｂは圧力導入パイプ付のキャップであ
って、封止枠４ａ、キャップ４ｂより圧力センサチップ
ｌを機械的に保護する為のケース４が構成されている。

３は圧力センサチップ１を実装するための基板であって
、例えばガラス入りエポキシ樹脂、あるいはセラミック
スから構成されており、圧カセンサチツブｌの固着され
た台座が基板３上にシリコーンゴム等の接着剤を使フて
固着された後、圧力センサチップｌの入出力端子Ａ、Ｂ
、Ｄ及びオフセット調整端子Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３はすべて
ワイヤーボンドにより、基板３に形成された回路パター
ンと電気的に接続される。

３ａ、３ｂ、３Ｃは半田付けによって前記圧力センサチ
ップ１のオフセット電圧の調整端子ＣＩ、Ｃ２、Ｃ３の
出力と圧力センサユニツ）１０の（−）の電源端子Ｍと
を接続する為のキャップ外部に設けられた基板３のパタ
ーンであって、圧力センサチップ１のオフセット電圧が
最小となるように最終行程で選択的に半田付けされ、電
気的接続が行なわれる。

６は硬化後ゲルの状態となるボッティング樹脂で、圧力
センサチップ１上で硬化されてゲル状となり、圧力セン
サチップ１の電気的、機械的保護を行なうと同時に圧力
媒体としての働きをする。

一般に前記ボッティング樹脂５を圧力媒体として使用す
る場合、ボッティング樹脂６内部に気泡があると、圧力
が気泡の影響で正しく伝達されなくなる。従って、前記
ボッティング樹脂６を充填するときには、気泡が樹脂内
部に残らないように、ボッティング樹脂６を充填した後
、雰囲気を真空として脱泡する必要がある。本発明の実
施例では圧力センサチップｌと基板３とがワイヤーボン
ドによって電気的に接続された後、まず封止枠４ａを基
板３上に固着し、その後でボッティング樹脂５を封止枠
４ａ内部に充填し、ボッティング樹脂５内部の気泡が抜
けやすい状態にしてから雰囲気を真空として脱泡し、そ
の後でキャップ４ｂを封止枠４ａの上に固着するように
している。

こうしてキャップ４ｂを封止枠４ａの上に固着した後、
圧力導入バイブ付のキャップ４ｂから圧力が印加され、
圧力センサの基本特性である感度、オフセット、及びイ
ンピーダンスが測定される。

６は感度及びインピーダンスの測定結果に基づき選択さ
れた抵抗であって、圧力センサユニット１０の（＋）の
電源端子Ｐと電源端子ＶＤＤの間に半田実装され、圧力
センサチップ１の入力電流の制限を行ない、感度及びイ
ンピーダンスのバラツキを吸収する役目をしている。又
、オフセットの測定結果に基づき基板３に形成されたパ
ターン３ａ、３ｂ、３ｃは圧力センサユニット１０の（
＝）の電源端子Ｍと半田付けによって最終行程で電気的
に接続される。こうして圧力センサユニット１０が形成
されている。

第５図は本発明の他の実施例を示す圧力センサユニット
の断面図であって、圧力センサユニットを圧力測定装置
に装着した状態を示している。第６図は第５図の圧力セ
ンサユニットの上面図、第７図は第５図の圧力センサユ
ニットの下面図を示している。

１１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
チップで、第１図の実施例と同様に、第４図の如くダイ
ヤフラム面１ａにゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、
ダイヤフラム面外１ｂにオフセット電圧ＳＩｌ整用の拡
散抵抗ｒ１、ｒ２が設けられた圧力センサチップが使用
されている。

すなわち、第１図の実施例と同様に圧力センサチップ１
１は、端子Ａと端子Ｃ１〜Ｃ３間に電圧又は電流を印加
すると端子Ｂと端子り間に出力を取り出せるようになっ
ており、端子ＣＩ、Ｃ２、Ｃ３の選び方によりオフセッ
ト電圧が調整できるようになっている。

１２は台座、例えば＃７７４０ホウ硅酸塩ガラスで、圧
力センサチップ１１と台ｍ１２は気密的に固着されてい
る。なお、本実施例では圧力センサチップ１１と台座１
２で囲まれた空間は真空となっている絶対圧の測定例を
示したが、相対圧を測定するときには穴の空いた台座１
２が使用される。

１３は圧力センサチップ１１を実装するための基板であ
って、本実施例ではセラミックスから構成されており、
圧力センサチップ１１を機械的に保護する為のケースを
兼用した例を示した。前記圧力センサチップ１１の固着
された台座１２が基板１３にシリコーンゴム等の接着剤
を使って固着された後、圧力センサチップ１１の入出力
端子Ａ、ＢＳＤ及びオフセット調整端子ＣＩ、Ｃ２、Ｃ
３はすべてワイヤーボンドにより、基板１３に形成され
た回路パターンと電気的に接続される。

１３ａ、１３ｂ、１３ｃはワイヤーボンドによって前記
圧力センサチップ１１のオフセット電圧の調整端子Ｃ１
、Ｃ２、Ｃ３の出力と圧力センサユニット２０の（−）
の電源端子Ｍとを接続する為の基板１３に設けられたパ
ターンであって、圧力センサチップ１１のオフセット電
圧が最小となるように最終行程でワイヤーボンドにより
電気的に接続される。

１５は硬化後ゲルの状態となるボッティング樹脂で、圧
力センサチップ１１上で硬化されてゲル状となり、圧力
センサチップ１１の電気的、機械的保護を行なうと同時
に圧力媒体としての働きをする。ボッティング樹脂１５
は、圧力センサチップ１１と基板１３とがワイヤーボン
ドによって電気的に接続された後、基板１３内部に充填
され、雰囲気を真空として脱泡される。

１４は硬化後ゴムの状態となるボッティング樹脂で、ゲ
ル状のボッティング樹脂１５の上で硬化されてゴム状と
なり、ゲル状のボッティング樹脂１５の機械的保護と、
ダイヤフラム型半導体圧力センサチップ１１の機械的保
護を行なうと同時に、圧力媒体としての働きもしている
。ボッティング樹脂１４も、ボッティング樹脂１５が基
板１３内部に充填され、真空中で脱泡し、硬化された後
で基板１３内部に充填され、やはり真空中で脱泡し、硬
化させている。ボッティング樹脂１４が硬化した後、ボ
ッティング樹脂１４側から圧力が印加され、圧力センサ
の基本特性である感度、オフセット、及びインピーダン
スが測定される。　　　１６は感度及びインピーダンス
の測定結果に基づき選択された抵抗であって、圧力セン
サユニット２０の（＋）の電源端子Ｐと電源端子ＶＤＤ
の間に半田実装され、圧力センサチップ１工の入力電流
の制限を行ない、感度及びインピーダンスのバラツキを
吸収する役目をしている。又、オフセットの測定結果に
基づき基板１３に形成されたパターン１３ａ、１３ｂ、
１３ｃは圧力センサユニット２０の（−）の電源端子Ｍ
とワイヤーボンドによって最終行程で電気的に接続され
る。

ｌ７はコーティング樹脂でワイヤー及び、抵抗を機械的
、電気的に保護する。こうして圧力センサユニット２０
が形成されている。

［発明の効果］ 以上の説明で明らかなように、本発明によれば圧力セン
サチップの入出力端子及びオフセット調整端子をすべて
ケース外部の基板上に引き出した後、オフセット調整端
子と圧力センサユニットの電源端子を基板上で半田付け
あるいはワイヤーボンド等により自由に電気的接続を行
なうことができるから、圧力センサチップと台座の接合
歪みや台座と基板との接合歪みといった様な接合歪みに
よるオフセット電圧の変動を考慮したオフセット電圧調
整が可能となり、圧力センサユニット状態で圧力センサ
の特性を測定すれば良いから、簡単な装置さえあればオ
フセット電圧の調整ができることになる。

さらに圧力センサチップの入力端子を制限する抵抗を前
記基板上に設けることにより圧力センサユニットの感度
及びインピーダンスのバラツキも吸収できるから、圧力
センサユニットの駆動回路に大きな負担がかかることも
ない。

以上のように、本発明によれば、オフセット電圧が小さ
く温度特性の良い、しかも感度、インピーダンスのバラ
ツキの少ない圧力センサユニットを提供することができ
るという効果を持っている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す圧力センサユニットの
断面図、第２図は第１図の圧力センサユニットの上面図
、第３図は第１図の圧力センサユ回路図、第５図は本発
明の他の実施例を示す圧力センサユニットの断面図、第
６図は第５図の圧力センサユニットの上面図、第７図は
第５図の圧力センサユニットの下面図、第８図は従来の
圧力センサユニットのの断面図である。 ｌ、１１・・・・・・圧力センサチップ３．１３・・・
・・・基板 ３ａ、　　３ｂ、　　３ｃ、　　１３ａ、　　１３ｂ、
　　１３ｃ　　・・・・・・オフセット電圧の調整端子
のパターン１Ｏ１２０・・・・・・圧力センサユニット
６．１６・・・・・・抵抗 第　１　図 第　２　コ ｂ　　　　］丘７Ｊ【〕ワ子ッフ。 第　３　ロ ；ｉ５　−！　　図 第６図 第５図 １’／　　　］ＺＴｏａ孔　　２−圧力乙アユニット第
７図 ；π　８　図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ダイヤフラム面上に半導体拡散抵抗のピエゾ抵抗
   効果を利用したゲージ抵抗を設け、ダイヤフラム面外に
   オフセット電圧調整用の拡散抵抗を設けたダイヤフラム
   型半導体圧力センサチップと、該圧力センサチップを実
   装するための基板と、圧力センサチップを機械的に保護
   する為のケースとを有する圧力センサユニットにおいて
   、該圧力センサチップの入出力端子及びオフセット調整
   端子をすべてケース外部の基板上に引き出すと共に、基
   板上で各端子を選択的に電気的接続することによりオフ
   セット電圧調整を可能としたことを特徴とする圧力セン
   サユニット
2. （２）圧力センサチップの入力電流を制限する抵抗を前
   記基板上に設けたことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の圧力センサユニット