JPH03200035A

JPH03200035A - 半導体圧力センサ

Info

Publication number: JPH03200035A
Application number: JP1338755A
Authority: JP
Inventors: Shogo Asano; 浅野　勝吾; Takashi Morikawa; 森川　貴志
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1989-12-28
Filing date: 1989-12-28
Publication date: 1991-09-02

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）本発明は自動車などに搭載する内燃機関の吸入空気圧や
大気圧又は排気圧などを検出するのに用いる半導体圧力
センサに関するものである。

（従来の技術）近年、自動車などの燃料の節約や排出ガス規制などの社
会的要請に伴い、マイクロコンピュータによるエンジン
の電子式燃料噴射、点火時期および排ガス還流量の制御
などを種々なセンサを用いて行うようになってきた。

このエンジンの電子制御では、大気およびマニホールド
内の絶対圧を正確に検出することが極めて重要なことで
、信頼性の高い圧力センサが要求され、これに伴い種々
改良された圧力センサが提案されている。

従来のこの種の圧力センサについて第２図により説明す
る。

同図は従来の半導体圧力センサの断面図で１周縁に段部
１ａを設けたステム１は、下面にろう付けなどにより固
着した圧力導入用パイプ２に連通ずる貫通孔１ｂと、リ
ードピン３を挿通する２個の小貫通孔１ｃが設けられて
いる。なお、上記の小貫通孔１ｃに挿通したリードピン
３は、小貫通孔１ｃとの隙間をガラス４を用いてハーメ
チック封止して固定されている。

表面に圧力検出用のホイートストンブリッジ抵抗を形成
したダイアフラム５ａを設けたシリコンダイアフラムチ
ップ５は、上記のステム１の上面中央に接着剤６で固定
した貫通孔７ａを有する台座７の上に固着されている。

なお、上記の台座７は、上記のシリコンダイアフラムチ
ップ５と近似の熱膨張係数を有する材料を用い、上記の
ステム１からの熱応力を緩和するための円周溝７ｂが設
けられている。また、上記のホイートストンブリッジ抵
抗のブリッジ電極（図示せず）は、上記のリードピン３
と導電性のワイヤ８で接続されている。

上記のステム１の段部１ａに固着した有底円筒状のキャ
ップ９は、上記のシリコンダイアフラムチップ５と台座
７を覆って、真空室を形成するもので、上面中央にはん
だ１０で密封される封止孔９ａが設けられている。

このように構成された半導体圧力センサの組立法につい
て説明する。

まず、ステム１に圧力導入用パイプ２をろう付けした後
、小貫通孔１ｃにリードピン３を挿入し、ガラス４で固
着する。一方、台座７の上にシリコンダイアフラムチッ
プ５を固着する。次に、ステム１の上面中央に、接着剤
６を用いて、上記の台座７を取り付け、続いて、ブリッ
ジ電極とリードピン３の先端とをワイヤ８で接続する。

次に、封止孔９ａをそのままにして、キャップ９を圧接
又は溶接によってステム１の段部１ａに封着する。

次に、真空中に置き、キャップ９の中の空気を抜くと同
時に、はんだ１０を用いて封止孔９ａを密閉し、真空室
１１を形成する。

このようにして組立てられた半導体圧力センサは、シリ
コンダイアフラムチップ５のダイアフラム５ａが真空室
１１の中に収納されているので、この真空圧を基準圧と
して、圧力導入用パイプ２が導入する流体の絶対圧を測
定できる。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、上記の構成では、基本的に一個のセンサ
で一つの絶対圧しか測定できず、また、ステム１から台
座７を介してシリコンダイアフラムチップ５に及ぼす熱
応力の影響が大きく、これがシリコンダイアフラムチッ
プ５を歪ませるためダイアフラム５ａに形成されたホイ
ートストンブリッジ抵抗の値が温度によってばらつき、
従って圧力検出特性が安定しないという問題があった。

なおこの問題は、主にシリコンダイアフラムチップ５．
ステム１９台座７および接着剤６の熱膨張係数の違いに
起因するものである。

このため上述のように台座７は、シリコンダイアフラム
チップ５と近似の熱膨張係数を有した材質を用い、台座
７の厚さを厚くしたり、あるいは円周溝７ｂを設けてい
るが、これは台座７の加工性を低下し、製造コストを高
くするばかりでなく、信頼性を低下するという問題があ
った。

本発明は上記の問題を解決するもので、−個のセンサで
少なくとも二つの絶対圧を同時に検出することができる
とともに構造が惜純で、信頼性が高く特性の安定した半
導体圧力センサを提供するものである。

（課題を解決するための手段）上記の課題を解決するため５本発明は、シリコンダイヤ
フラムチップと近似の熱膨張係数を有するステムに、シ
リコンダイアフラムチップを固着した少なくとも２個の
台座をそれぞれ収納して気密接合する凹部と、複数のリ
ードピンをガラスを用いてハーメチック封止する凹部と
を設け、また、上記のステムと圧力導入用パイプの間に
フィルタを装着し、さらに、ステムに気密接合して形成
した気密室内を真空又は基準圧とし、その中に絶対圧潰
算用の回路基板を内蔵するとともに、上記のリードピン
に挿通する貫通コンデンサを装着するものである。

（作　用）上記の構成により、１個の半導体圧力センサで２箇所以
」二の絶対圧を同時に測定することが可能となるばかり
でなく、シリコンダイアフラムチップと近似の熱膨張係
数を有する台座とステムの併用によって、ステムからの
熱応力の影響がなくなり、安定した特性を有する半導体
圧力センサが得られる。また、圧力導入用パイプにフィ
ルタが装備されているので、内燃機関の吸気孔などに直
接取り付けることが可能となり、さらに、絶対圧を算出
する演算回路を形成した回路基板を内蔵しているので、
圧カドランスデューサとして使用できる。

（実施例）本発明の一実施例を第１図により説明する。第１図（ａ
）、　（ｂ）、　（ｃ）および（ｄ）は１本発明による
半導体圧力センサの平面断面図、正面断面図、左側から
見た側面断面図および右側から見た側面断面図である。

同図において、表面にホイートストンブリッジ抵抗（図
示せず）が形成されたダイアフラムＬ２ａおよび１３ａ
を有するシリコンダイアフラムチップ１２および１３は
、これと近似の熱膨張係数を有する２個の円筒状の台座
１４および１５の上端面にそれぞれ固着され、その中心
に設けられたそれぞれの貫通孔＋４ａおよび１５ａが、
固着された上記のシリコンダイアフラムチップ１２およ
び１３のダイアフラム１２ａおよび１３ａに連通してい
る。上記のシリコンダイアフラムチップ１２および１３
と近似の熱膨張係数を有する金属板をプレス成形したス
テム１６は、上記の２個の台座１４および１５を気密固
定する、中心にそれぞれ貫通孔１６ａおよび１．６ｂを
設けた円形の凹部１６ｃおよび１６ｄと、４本のリード
ピン１７．１８．１９および２０をそれぞれガラス２１
で封着する４個の開口円筒部１６ｅ、　１６ｆ、　１６
ｇおよび１６ｈが形成された長方形の四部１６ｉが設け
られている。

なお、リードピン１７はｉ１１！源供給用、リードピン
１８および１９は出力用、リードピン２０はアース用で
、それぞれに挿通した貫通コンデンサ２２．２３．２４
および２５が、その外径部を上記のステム１６の開口円
筒部］、６ｅ、　１６ｆ、　１．６ｇおよび１６ｈの先
端部に嵌合するように取り付けられ、その内径側電極部
および外径側電極部（共に図示せず）をはんだ付けによ
って。

それぞれリードピン１７．１８．１９および２０と、ス
テム１６の開口円筒部１６ｅ、　１６ｆ、　１６ｇおよ
び］、６ｈに接続されている。

さらに、ステム１６の円形凹部１６ｃおよび１６ｄの底
面に、それぞれの貫通孔１６ａおよび１６ｂと、２個の
台座１４および１５のそれぞれの貫通孔１４ａおよび１
５ａがそれぞれ導通するように、台座１４およびＩ５が
気密固着され、さらに、その下面に２本の圧力導入用パ
イプ２６および２７が、それぞれフィルタ２８および２
９を挾んで、溶接などによって気密接合されている。こ
れにより、２本の圧力導入用パイプ２６および２７から
導入された流体は、フィルタ２８および２９を介してそ
れぞれシリコンダイアフラムチップ１２および１３のダ
イアフラム１２ａおよび１３ａに流体圧を印加できる。

表面に絶対圧を算出する演算回路（図示せず）を形成し
、上記の２個の台座】４および１５と、４本のリートピ
ン１７．１．８．１９および２０がそれぞれ挿通する貫
通孔を設けた回路基板３０は、上記のステム１６の棚状
部に装着され、上記の演算回路と、ダイアフラム１２ａ
および１３ａの上のホイートストンブリッジ抵抗の出力
端およびリードピン］、７．１８．１９および２０の末
端とをそれぞれ導電性ワイヤ３１で電気的に接続してい
る。

上記のステム１６の周縁部１６ｊに溶接などによって気
密接着された方形状のキャップ３２は、シリコンダイア
フラムチップ１２および１３と、上記の回路基板３０を
覆い気密室３３を形成し、真空室あるいはガスを封入し
た基準圧室とする。上記のステム１６の隅に設けたガス
封入パイプ３４は、気密室３３の空気を抜いたり、基準
圧のガスを挿入するものである。

このように構成された半導体圧力センサを組立るには、
まず、ステム１６にリードピン１７．１８．１９および
２０をガラス２１で封着した後、フィルタ２８および２
９を装着しながら圧力導入用バイブ２６およびｚ７を溶
接などの手段で固定し、Ｎｆ１コンデンサ２２゜２３、
２４および２５をリードピン１７．１８．１９および２
０に挿通し、その内径電極および外径電極（共に図示せ
ず）をそれぞれリードピン１７．１８．１９および２０
とステム１６の開１］円筒部１６ｅ、　１６ｆ、　１６
ｇおよび＋６ｈにそれぞれはんだ付けなどの手段によっ
て接続する。

次に、シリコンダイアフラムチップ１２および１３がそ
れぞれ固着された台座１４および１５をステム１６の円
形凹部１６ｃおよび１６ｄの底面に気密接合し、続いて
の回路基板３０を装着した後、ワイヤ３１で電気的に接
続する。

次に、ステム１６の周縁部１６ｊに圧接又は溶接などの
手段でキャップ３２を気密接合する。その際、真空中で
キャップ３２を気密接合すれば気密室３３は基準圧０の
真空室が形成され、その後ガス封入バイブ３４から基準
圧のガスを封入すればある一定の基準圧の気密室３３が
形成される。真空室が形成されれば測定圧は絶対圧とな
り、ガス封入による基準圧が形成されれば、回路基板３
０で絶対圧に換算され、いずれの場合も出力は絶対圧と
なる。

次にこのように構成された半導体圧力センサにより、例
えば、内燃機関の吸入空気圧をｉｌｌ’ｌ定する場合を
例として、圧力測定法と動作について説明する。

内燃ｇ？　１１ｓ！＋の吸気マニホールドの吸気孔に、
半導体圧力センサの一方の圧力導入用パイプ２６を直接
接続して取り付ける。その際、他方の圧力導入用パイプ
２７は、そのまま開放状態として置く。内燃機関が運転
を開始すると、マニホールドの吸気孔からの流体圧が圧
力導入用パイプ２６．ステム１６の貫通穴１６ａ＊台座
１４の貫通孔１４ａを通ってダイヤフラム１２ａに印加
される。一方、大気圧は圧力導入用パイプ２７．ステム
１６および台座１５の貫通孔１６ｂおよび１５ａを通っ
てダイヤフラム１３ａに印加される。

従って５圧力導入用パイプ２６および２７を通って導入
された流体圧および大気圧は、それぞれダイアフラム１
２ａおよび１３ａを歪ませ、この歪みがダイアフラム１
２ａおよび１３ａの表面に形成された圧力検出用のホイ
ートストンブリッジ抵抗の抵抗値を変化させる。

ｌ−記のブリッジ抵抗値の変化は、回路基板３０の演算
１【！？路で処理され、リードピン１８および１９から
絶対圧で表わされた流体圧および大気圧が同時に出力さ
れる。

なお、ステム１６と台ｆｉ１４および１５は、シリコン
ダイアフラムチップ１２および１３と近似の熱膨張係数
を有する材質からなるので、従来例では温度変化時にシ
リコンダイアフラムチップ１２および１３に及ぼしてい
たステム１１台座７の間に生じた熱応力の影響は除かれ
るので、圧力センサの出力特性が安定する。

また、圧力導入用パイプ２６にはフィルタ２８が装着さ
れているため直接、内燃機関の吸気孔に接続できしかも
、回路基板３０を内蔵して圧カドランスデューサとして
働くため、部品点検が削減され。

取付けが簡単となりコストが低減されると同時に、信頼
性が向上する。

（発明の効果）以上説明したように本発明によれば、二つの圧力を絶対
圧で同時に測定することができる。

また、シリコンダイアフラムチップと近似の熱膨張係数
を有する台座およびステムを使用しているので、温度変
化時にも安定した特性を有する信頼性の高い半導体圧力
センサが得られる。

また、圧力導入用パイプにフィルタが内蔵されているの
で、内燃機関の吸気孔に直接接続でき、回路基板を内蔵
しているので、圧カドランスデューサとして働き、圧力
測定時の部品点検が削減され、装着が簡単でコストが掛
らない半導体圧力センサが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は１本発明による半導体圧力センサの平面
断面図、第１図（ｂ）、　（ｃ）および（ｄ）は、（ａ
）図のＸ−Ｘ線、Ｙ−Ｙ＠および２−２ＩＩｉ！で切断
し三角画法で描いた正面断面図および側面断面図、第２
図は、従来の半導体圧力センサ断面図である。１．１６・・・ステム、　１ａ・・・段部、　ｌｂ。７ａ、　１４ａ、　１５ａ、　１．６ａ、　ｉ６ｂ・・
−Ｈ通孔、１ｃ・・・小貫通孔、　　２，２６．２７・
・圧力導入用パイプ、　　３．１７．１８．１９．２０
・・・リートビン、４．２１・・ガラス、　　５，１２
゜１：３・・シリコンダイアフラムチップ、　　５ａ。１．２ｉ、　１３ａ・・ダイアフラム、　６・・・接着
剤、７、　Ｉ／Ｉ、　１５・・・台座、　　７ｂ・・・
円周溝、　８゜３１・・ワイヤ、　　　９．３２・・・
キャップ、　　　９ａ・・封１ヒ孔、　１０・・はんだ
、　１１・・・真空室、１６ｃ、　１６ｄ−円形四部、
　１６ｅ、　１６ｆ、　１６Ｈ。１６ｈ・・・開口円筒部、　１６ｉ・・・長方形凹部、
１６ｊ・・・周縁部、　２２．２３．２４．２５・・・
貫通コンデンサ、　２８．２９・・・フィルタ、　３０
・・・回路基板、　３３・・・気密室、　３４・・・ガ
ス封入パイプ。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）感圧ダイアフラムを形成した半導体単結晶チップ
を固着した、上記の感圧ダイアフラムに連通する貫通孔
を設け、上記の半導体単結晶チップと近似の熱膨張係数
を有する台座と、上記の台座を気密接合し、上記の貫通
孔に連通する貫通孔を設け、且つ、上記の感圧ダイアフ
ラムに入出力する複数のリードピンをハーメチック封着
したステムと、ステムの上記貫通孔に連通するように気
密接着した圧力導入用パイプと、上記のステムに気密接
合し、上記の半導体単結晶チップを覆う気密室を形成し
、気密室を真空室又は基準圧室とするキャップとからな
る半導体圧力センサにおいて、半導体単結晶チップと近
似の熱膨張係数を有するステムを用い、それぞれに感圧
ダイアフラムを形成した少なくとも２個の台座を気密接
合し、ステムとそれぞれの感圧ダイアフラムに連通する
圧力導入用パイプの間にフィルタを装着するとともに、
気密室内に絶対圧算出用の回路基板を内蔵したことを特
徴とする半導体圧力センサ。
（２）上記の回路基板をこれと近似する熱膨張係数を有
する上記のステム上に取り付けたことを特徴とする請求
項（１）記載の半導体圧力センサ。