JPH01284727A

JPH01284727A - 半導体圧力センサ

Info

Publication number: JPH01284727A
Application number: JP11375688A
Authority: JP
Inventors: Makoto Miwa; 誠三輪
Original assignee: Toyoda Automatic Loom Works Ltd
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 1988-05-11
Filing date: 1988-05-11
Publication date: 1989-11-16

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】〔概　　要〕本発明は半導体圧力センサに関し、応答性及び感度の向
上を図ると共に小型且つ軽量化を実現するために、半導
体圧力素子の感圧部に保護膜を設けることにより、感圧
部がほぼ直接に圧力媒体に接するようにし、更に半導体
圧力素子の電極部を圧力隔壁を貫いて外部に配設するこ
とにより、電極を圧力媒体から保護する必要性をなくし
たものである。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、ピエゾ抵抗効果を利用した半導体圧力センサ
に関する。この種の圧力センサは、例えば油圧空圧機器
、自動車、ロボット等を始めとする各種分野に利用され
ている。

〔従来の技術〕

従来の半導体圧力センサの一例を第７図に示す。

同図において、円筒状のケース１内には、第８図に示す
ようなシール部材のベローズ２がその筒状段部２ａをケ
ース１の内壁に密着させた状態で嵌合され、更に上記筒
状段部２ａ内には絶縁基盤３が密着嵌合されている。こ
の絶縁基盤３の中央部には基準圧力導入口３ａが形成さ
れると共に、その上面には第９図に示すような半導体圧
力素子４が設けられ、更にこの半導体圧力素子４の各金
属電極４ａに電気的に接続された複数本のリード線５が
ベローズ２の内部から外部へ向けて延設されている。ま
た、ベローズ２内には圧力伝達用のシリコーンオイル６
が充填されている。

上記構成において、ケース１の上部に形成された圧力導
入口１ａを介して外部から圧力媒体が流入すると、その
圧力の大きさに応じてベローズ２が変位するので、上記
圧力はシリコーンオイル６を介して半導体圧力素子４に
伝達される。よって、半導体圧力素子４の圧力ゲージ（
拡散ゲージ）４ｂの抵抗値変化をリード線５を介して計
測することにより、圧力値を検出することができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

一般に、半導体圧力素子の圧力ゲージ側から加圧する方
式の半導体圧力センサでは、半導体圧力素子の電極が圧
力媒体によって腐食されるのを防止する必要がある。そ
のための手段として、上記従来の半導体圧力センサでは
、第７図に示したように半導体圧力素子４上をシリコー
ンオイル６で覆い、このシリコーンオイル６を介して圧
力の伝達を行うようにしている。

ところが、このように圧力素子４と圧力媒体との間にシ
リコーンオイル６が存在すると、電極４ａの腐食は防止
されるが、その反面、圧力変動に対する応答性及び感度
が圧力素子自体のそれと比べて低下してしまうという問
題が生じる。また、シリコーンオイル６を封入するため
のベローズ２が必要となり、この中に圧力素子４の全体
を収容するので、センサ全体が大型かつ大ｆｆ１Ｅｔ化
してしまうという問題も生じる。

本発明は、上記従来の問題点に鑑み、応答性及び感度の
向上を図ると共に、小型かつ軽量化を可能にする半導体
圧力センサを提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段〕中空ケースと、圧力隔壁と、半導体圧力素子とにより、
半導体圧力センサを構成する。

上記中空ケースには、その一端に開放部を形成し、他端
には外部から圧力媒体を導入するための圧力導入口を設
ける。

上記圧力隔壁は、中空ケース内の圧力雰囲気とその外部
の非圧力雰囲気とを隔てるためのものであり、これを中
空ケースの上記開放部に密着固定する。

上記半導体圧力素子は、圧力ゲージの形成された感圧部
と、圧力ゲージに電気的に接続された電極の形成された
電極部とからなる。この半導体圧力素子を上記圧力隔壁
に対し貫通した状態で固定し、しかも感圧部を中空ケー
スの内部に、電極部を中空ケースの外部に配置させる。

更に、感圧部の表面をＳｉＯ２膜等の保護膜によって被
覆する。

又は、上記半導体圧力素子の少な（とも電極部を外部の
回路基板に密着固定し、この回路基板と半導体圧力素子
とを共に上記圧力隔壁に対し貫通した状態で固定する。

この場合も、半導体圧力素子の感圧部と電極部をそれぞ
れ中空ケースの内部と外部に配置し、しかも感圧部の表
面を保護膜で被覆する。

〔作　　　用〕

中空ケース内にその圧力導入口から圧力媒体が導入され
ると、その圧力はただ保護膜のみを介して半導体圧力素
子の感圧部に加わる。この感圧部の圧力ゲージには、ピ
エゾ抵抗効果により、圧力に応じた抵抗値変化が生じ、
この変化は中空ケース外に配置された電極から容易に取
り出される。

この場合、上記保護膜は非常に薄くて済むため、感圧部
はほぼ直接に圧力媒体に接触することになり、よって応
答性及び感度は著しく向上する。また、電極部を圧力隔
壁の外に配置したことから、従来のようなリード線が不
要になり、しかも電極を圧力媒体から保護する必要がな
くなるために従来のようなシリコーンオイルやベローズ
も不要になり、よってセンサ全体の小型かつ軽量化が可
能になる。

〔実　　施　　例〕

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説
明する。

第１図は本発明の第１の実施例の断面図である。

同図において、円筒状の中空ケース１１は、その一端に
開放部１１ａが形成され、他端には外部から圧力媒体を
導入するための圧力導入口１１ｂが形成されている。そ
して、中空ケース１１の上記開放部１１ａには、中空ケ
ース１１内の圧力雰囲気とその外部の非圧力雰囲気とを
隔てるための圧力隔壁１２が、溶接もしくは締め付は等
によって密着固定されている。

また、半導体圧力素子１３は例えばガラス基板Ａ及びこ
れに密着形成されたＮ型のシリコーン単結晶Ｂ等ででき
ており、第２図に示すように空洞部（基準圧室）１４及
び圧力ゲージ１５の形成された感圧部１３ａと、上記空
洞部１４から少なくとも圧力隔壁１２の厚さ分だけ離れ
た位置に複数の電極（例えばアルミニウムパッド）１６
の形成された電極部１３ｂとからなっている。上記空洞
部１４は例えば厚さ数十μｍ程度の薄い部分（ダイアフ
ラム）を残してエツチング等により削り取られたもので
あり、その表面にはホウ素等を選択拡散することにより
Ｐ型の抵抗層が形成され、これが上記圧力ゲージ１５と
して使用される。この圧力ゲージ１５は、第３図に拡大
して示すように４つの個々の圧力ゲージ１５　ａ、　　
１５　ｂ、　　１５　ｃ。

１５ｄからなり、その中の２つの圧力ゲージ１５ａ及び
１５ｄは空洞部１４の周辺領域上に形成され、他の２つ
の圧力ゲージ１５ｂ及び１５ｃは空洞部１４の中央領域
上に形成されている。これら圧力ゲージ１５ａ、１５ｂ
、１５ｃ、１５ｄからはそれぞれ配線１７が延びており
、上述した複数の電極１６に接続されている。なお、第
３図中において、圧力ゲージ１５ａ〜１５ｄ及び配線１
７は模式的に描いである。

このような構成からなる半導体圧力素子１３は、第１図
に示すように、圧力隔壁１２の中央部に開けられた貫通
孔１２ａに挿入され、感圧部１３ａが中空ケース１１の
内部に、電極部１３ｂが中空ケース１１の外部に配置さ
れた状態で固定されている。ここで、上記貫通孔１２ａ
は半導体圧力素子１３の断面よりも−回り大きく開けら
れており、それらの隙間が低融点ガラス等の封止剤１８
によって密着封止されている。更に、中空ケース１１の
内部に位置する感圧部１３ａの表面は、ＳｉＯ２もしく
はＳ　ｉ　３　Ｎ　ａ等からなる厚さ約１μｍ程度の保
護膜１９で被覆されている。このような保護膜１９は、
通常のシリコン半導体プロセス等により容易に成膜でき
る。

以上の構成からなる本実施例の半導体圧力センサにおい
て、中空ケース１１内に圧力導入口１１ｂから圧力媒体
（例えば油圧ピストン用の作動油等）が流入すると、そ
の圧力が保護膜１９のみを介して半導体圧力素子１３の
感圧部１３ａに伝達される。このように感圧部１３ａに
圧力が伝達されると、圧力ゲージ１５　（１５ａ　〜１
５ｄ）の抵抗値がピエゾ抵抗効果により変化する。この
際、４つの圧力ゲージ１５ａ〜１５ｄのうち、中央部に
配置された２つの圧力ゲージ１５ｂ及び１５ｃが圧縮応
力を受けるのに対し、周辺部に配置された２つの圧力ゲ
ージ１５ａ及び１５ｄが引張り応力を受けることから、
前者と後者では抵抗値変化が逆になる。よって、実際に
圧力検出を行うには、これらのゲージにてブリッジ回路
を構成するように接続する。この場合、抵抗値が同じ側
に変化するもの同志（圧力ゲージ１５ａと１５ｄ１圧カ
ゲージ１５ｂと１５ｃ）を互いに対向する位置に配置さ
せる。これにより、接続点ａ、ｂ間の電圧値に基づき圧
力を検出できる。本実施例によれば、このような圧力セ
ンサのａ、ｂ間の電圧値は例えば数１００ｍｖ程度と小
さいため、増幅回路を併用する場合があるが、例えば電
極部１３ｂを外部のハイブリッドＩＣ回路基板（不図示
）に固定し、電極１６をワイヤボンディングもしくはフ
リップチップボンディング等により上記基板と結線する
ことにより、増幅回路と検出部を一体的に形成すること
ができ、小型、軽量化と共に、感度を向上することがで
きる。また、感圧部１３ａの表面に形成された保護膜１
９は、その厚さが約１μｍもしくはそれ以下で十分であ
るため、感圧部ｔａａはほぼ直接に圧力媒体に接触する
ことになる。よっ”で、従来のようにシリコーンオイル
を圧力伝達用として用いたものと比べ、圧力変動に対す
る応答性及び感度が著しく向上する。

更に、電極部１３ｂを圧力隔壁１２の外に配置したので
、中空ケース１１の容積を小さくできると共に、従来の
ようなリード線が不要になり、しかも電極１６を圧力媒
体から保護する必要がないことから、従来のようなシリ
コーンオイルやベローズも不要になる。従って、センサ
全体の構造が簡単になり、小型化及び軽量化が可能にな
る。しかも、半導体圧力素子１３から外部の基板に直接
電気信号が伝わるので、ハイブリッドＩＣ化しやすいと
いう利点もある。

第５図は、本発明の第２の実施例の断面図である。

前記第１の実施例では、半導体圧力素子１３のみが圧力
隔壁１２を貫通するようにしたが、第２の実施例は半導
体圧力素子１３と共にハイブリッドＩＣ回路基板２０を
も貫通させるようにしたものである。すなわち、第５図
において、半導体圧力素子１３の少なくとも電極部側が
外部のハイブリッドＩＣ回路基板２０に密着固定されて
おり、これらが共に圧力隔壁１２の貫通孔１２ａに挿入
された状態で固定されている。ここで、上記貫通孔１２
ａは半導体圧力素子１３及びハイブリッドＩＣ回路基板
２０の合計断面よりも−回り大きく開けられており、そ
れらの隙間が低融点ガラス等の封止剤１８によって密着
封止されている。なお、この場合も、半導体圧力素子１
３の感圧部１３ａと電極部１３ｂがそれぞれ中空ケース
１１の内部と外部に配置される。更に、半導体圧力素子
１３とハイブリッドＩＣ回路基板２０とは、ワイヤポン
ディングによって結線され、すなわちそれぞれの電極１
６．２１間がポンディングワイヤ２２によって接続され
ている。

本実施例によれば、前記第１の実施例と同様な効果が得
られる他に、上述したようにハイブリッドＩＣ回路基板
２０も圧力隔壁１２に固定されることから、ハイブリッ
ドＩＣ回路基板２０と半導体圧力素子１３との接合強度
を一層増大させることができる。

第６図は、本発明の第３の実施例の断面図である。

前記第２の実施例では半導体圧力素子１３とハイブリッ
ドＩＣ回路基板２０とをワイヤポンディングにより結線
したが、第３の実施例は上記結線をフリップチップポン
ディングによって行ったものである。すなわち、第６図
において、圧力隔壁１２の貫通孔１２ａ中には半導体圧
力素子１３とハイブリッドＩＣ回路基板２０とがそれら
の電極１６．２１を互いに対向させた状態で密着配置さ
れ、上記電極１６．２１間がハンダボール２３によって
接続されている。

本実施例によれば、前記第２の実施例で得られる効果の
他に、センサの組立工程の簡略化を図ることができると
いう効果が得られる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、圧力媒体が従来
のようなシリコーンオイルを介さずにほぼ直接に半導体
圧力素子に接触するので、従来のものと比較して応答性
及び感度の著しい向上が可能になる。更に、半導体圧力
素子の電極部が圧力隔壁の外に配置されるので、電極を
圧力媒体から保護する必要がな（、リード線も不要とな
り、よってセンサ全体の小型かつ軽量化が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の断面図、第２図は第１
図に示した半導体圧力素子１３の右側面図、第３図は第２図に示した圧力ゲージ１５及びその近傍の
拡大図、第４図は圧力ゲージ１５ａ〜１５ｄを用いて構成された
ブリッジの回路図、第５図は本発明の第２の実施例の断面図、第６図は本発
明の第３の実施例の断面図、第７図は従来の半導体圧力
センサの断面図、第８図は第７図に示したベローズ２の
断面図、第９図は第７図に示した半導体圧力素子４の拡
大平面図である。１１・・・中空ケース、１１ａ・・・・開放部、１１ｂ・・・圧力導入口、１２・・・圧力隔壁、１２ａ・・・貫通孔、１３・・・半導体圧力素子、１３ａ・・・感圧部、１３ｂ・・・電極部、１４・・・空洞部、１５　（１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ）・・・圧力
ゲージ、１６・・・電極、１８・・・封止剤、１９・・・保護膜、２０・・・ハイプリ・シトＩＣ回路基板。本発明の第１の寅施伊］の１図第１図第２図１４２　Ｓ＠　６１’ ７／第３図第４図１１に１万はト導入口本発明の第２の実施イタｊのｌ！ｒ′ｒ面図第５図料明の第３の笑彪例のｔ面図第６図

Claims

【特許請求の範囲】１）　一端に開放部（１１ａ）が形成され、他端には外
部から圧力媒体を導入するための圧力導入口（１１ｂ）
が設けられた密閉部材（１１）と、前記開放部（１１ａ
）に密着して固定され、前記中空ケース（１１）内の圧
力雰囲気とその外部の非圧力雰囲気とを隔てる密閉部材
（１２）と、圧力ゲージ（１５）が形成され且つ表面が
保護膜（１９）によって被履された感圧部（１３ａ）、
及び前記圧力ゲージ（１５）に電気的に接続された電極
（１６）の形成された電極部（１３ｂ）からなり、前記
圧力隔壁（１２）を貫いて前記感圧部（１３ａ）と前記
電極部（１３ｂ）がそれぞれ前記中空ケース（１１）の
内部と外部に配設された半導体圧力素子（１３）とを備
えたことを特徴とする半導体圧力センサ。２）　前記半導体圧力素子（１３）の少なくとも電極部
（１３ｂ）が外部の回路基板（２０）に密着固定され、
該回路基板（２０）と前記半導体圧力素子（１３）が共
に前記圧力隔壁（１２）を貫いて配設されたことを特徴
とする請求項１記載の半導体圧力センサ。