JPH07294354A - 半導体圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 氷結による感圧用シリコンチップのダイヤフ
ラムの破壊を防止することができる半導体圧力センサを
提供することにある。 【構成】 台座１は上下に２層構造となっている。上側
の層はガラス層２よりなり、下側の層はシリコン層３よ
りなる。ガラスの熱伝導率は、約１Ｗ／ｍＫであり、シ
リコンの熱伝導率は、約１６０Ｗ／ｍＫである。ガラス
層２の厚さは０．８ｍｍ以下となっている。台座１には
上下に貫通する圧力導入孔４が設けられている。台座１
上には感圧用シリコンチップ５が接合され、感圧用シリ
コンチップ５には凹部６が形成され、凹部６により形成
された薄肉部がダイヤフラム７となっている。又、凹部
６内は受圧室８となっており、台座１上に感圧用シリコ
ンチップ５が接合された状態において凹部６内の受圧室
８と台座１の圧力導入孔４とが連通している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体圧力センサに
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の一般的な半導体圧力センサを図５
に示す。枠体１１とポートケース１２と蓋材１３とが気
密状態で接着され、これら部材によりハウジング１４が
構成されている。ハウジング１４の内部にはステム載置
用突部１５が形成され、ステム載置用突部１５には金属
製（例えば４２アロイ）のステム１６が接着されてい
る。ステム１６上にはガラス台座１７がダイボンドさ
れ、そのガラス台座１７上には感圧用シリコンチップ１
８が接合されている。より詳細には、図６に示すよう
に、ガラス台座１７には圧力導入孔１９が形成されてい
る。又、感圧用シリコンチップ１８には凹部２０が形成
され、この凹部２０により形成された薄肉部がダイヤフ
ラム２１となっている。さらに、感圧用シリコンチップ
１８の凹部２０内の受圧室２２とガラス台座１７の圧力
導入孔１９とが連通している。感圧用シリコンチップ１
８のダイヤフラム２１の表面にピエゾ抵抗層が形成され
ている。図５において、ステム１６上には感圧用シリコ
ンチップ１８を囲むようにシェル２３が溶接され、感圧
用シリコンチップ１８を外部環境から保護している。こ
こで、絶対圧センサの場合、シェル２３内を真空とし圧
力基準室としている。

【０００３】又、感圧用シリコンチップ１８がボンディ
ングワイヤ２４にてステム１６を貫通するステムリード
２５と電気的に接続されるとともに、ステムリード２５
が、ハウジング１４を貫通するハウジングリード２６と
電気的に接続されている。ポートケース１２にはバキュ
ームホース２７が接続されている。

【０００４】そして、検出圧力がバキュームホース２７
からステム１６の圧力導入孔２８とガラス台座１７の圧
力導入孔１９を介して感圧用シリコンチップ１８のダイ
ヤフラム２１に伝えられ、その圧力に応じてダイヤフラ
ム２１が変形し、その変形に応じてピエゾ抵抗層の抵抗
値が変化し、その抵抗値変化を電気信号として取り出す
ようになっている。

【０００５】このような構造の半導体圧力センサ１０が
測定器用や自動車等幅広い分野に利用されている。自動
車用の半導体圧力センサの一例を図７に示す。車両のエ
ンジンルーム２９にエンジン３０が配置されるとともに
エンジン３０には吸気系としてインテークマニホールド
３１、サージタンク３２、スロットルボディ３３、エア
クリーナ３４が順に接続されている。又、エンジン３０
にはその排気系として排気管３５が接続されている。
又、排気管３５とエンジン３０の吸気系とがＥＧＲバル
ブ３６を介して連通され、排ガスの一部を吸気側へ還流
することにより排ガスを浄化するＥＧＲシステムが採用
されている。サージタンク３２にはバキュームホース２
７により半導体圧力センサ１０が設けられ、同センサ１
０により吸気圧力を検出し、燃料噴射制御や点火時期制
御等に反映させるようになっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このように
して用いられる自動車用半導体圧力センサにおいては、
ＥＧＲシステムを採用しているため吸気の湿度が高くな
り結露しやすい。その結果、サージタンク３２内で水滴
となり圧力取り出し口から半導体圧力センサ１０側に水
分が侵入したり、バキュームホース２７や半導体圧力セ
ンサ自身が外気により冷却され結露して半導体圧力セン
サ１０側に水分が侵入する。又、吸気に雨水や雪等をま
きこみ湿度が高くなり結露し、水分が半導体圧力センサ
１０側に侵入してくる。このような結露水は圧力の脈動
（圧力差）により図６に示す半導体圧力センサ１０の受
圧室２２にまで侵入してくる。そして、一度侵入した水
は表面張力によりエンジン停止後も抜けず、外気温度の
低下により氷結する。この際、図８に示すように、ステ
ム１６側からの低温の伝達がガラス台座１７の熱伝導率
が低いためガラス台座１７の圧力導入孔１９の下側開口
部でとどこおり、この部分で氷結が始まり、圧力導入孔
１９を閉塞する。その後、ガラス台座１７の圧力導入孔
１９と受圧室２２に閉じ込められた水が徐々に氷結し、
その際、体積膨張してダイヤフラム２１を破壊してしま
う。

【０００７】そこで、この発明の目的は、氷結による感
圧用シリコンチップのダイヤフラムの破壊を防止するこ
とができる半導体圧力センサを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、圧力導入孔を有する台座と、前記台座上に接合さ
れ、凹部により形成された薄肉部をダイヤフラムとする
とともに前記凹部内を前記圧力導入孔に連通する受圧室
とした感圧用シリコンチップとを備えた半導体圧力セン
サであって、前記台座を上下の２層構造とし、下側をシ
リコン層とするとともに、上側を厚さが０．８ｍｍ以下
のガラス層とした半導体圧力センサをその要旨とするも
のである。

【０００９】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の発明における前記台座を、シリコン層となるシリコン
板とガラス層となるガラス板とを陽極接合することによ
り形成した半導体圧力センサをその要旨とする。

【００１０】

【作用】請求項１に記載の発明は、台座の圧力導入孔お
よび受圧室に水が入っている状態において、外部温度が
低下すると、低温が台座の下側から台座に伝わってく
る。そして、台座におけるシリコン層は熱をよく伝えガ
ラス層は熱を溜めるため、まず、ガラス層の圧力導入孔
にて氷結が開始され、圧力導入孔を閉塞する。その後、
閉塞箇所よりもダイヤフラム側の圧力導入孔および受圧
室の水も氷結しこの際に体積膨張する。又、台座におけ
るシリコン層の圧力導入孔の水もやがて氷結するが、既
に台座における圧力導入孔の水の一部が氷結し壁となっ
ているので体積膨張の影響は感圧用シリコンチップには
伝わらない。このようなメカニズムにおいて、ガラス層
の厚さを０．８ｍｍ以下とすることにより、感圧用シリ
コンチップのダイヤフラムに加わる応力、即ち、氷結に
伴う体積膨張による応力が極力減らされてダイヤフラム
の破壊が回避される。

【００１１】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の発明の作用に加え、シリコン層となるシリコン板とガ
ラス層となるガラス板とが陽極接合されて２層構造の台
座が形成される。

【００１２】

【実施例】以下、この発明を具体化した一実施例を図面
に従って説明する。本実施例の半導体圧力センサを図１
に示す。台座１は上下に２層構造となっている。上側の
層はガラス層２よりなり、下側の層はシリコン層３より
なる。ガラスの熱伝導率は、約１Ｗ／ｍＫであり、シリ
コンの熱伝導率は、約１６０Ｗ／ｍＫである。つまり、
シリコン層３の熱伝導率は高く、ガラス層２の熱伝導率
は低い。又、台座１の厚さｔ１は２ｍｍ以上必要であ
る。これは、台座１は図５で示すように金属製のステム
１６上に接合されるが、熱の変化に伴う接合歪みが後述
する感圧用シリコンチップ５に伝わらない、もしくは、
伝わっても測定誤差要因として許容し得る範囲とするた
めである。

【００１３】ガラス層２の厚さｔ２は０．８ｍｍ以下と
なっている。ここで、例えば、０．１ｍｍ程度の薄いガ
ラス層２を設ける時はシリコン層３となるシリコン板上
にガラス層２をスパッタ法により成膜させる。又、０．
１ｍｍ以上の厚いガラス層２を設ける場合には、予めガ
ラス層２となるガラス板とシリコン層３となるシリコン
板とを用意し、シリコン層３となるシリコン板上にガラ
ス層２となるガラス板を陽極接合させる。

【００１４】台座１には上下に貫通する圧力導入孔４が
設けられている。つまり、ガラス層２には圧力導入孔４
ａが設けられるとともにシリコン層３には圧力導入孔４
ｂが設けられ、圧力導入孔４ａと４ｂとは同じ寸法とな
っている。

【００１５】台座１上には感圧用シリコンチップ５が接
合され、感圧用シリコンチップ５には凹部６が形成さ
れ、その凹部６により形成された薄肉部がダイヤフラム
７となっている。又、凹部６内が受圧室８となり、台座
１上に感圧用シリコンチップ５が接合された状態におい
て受圧室８と台座１の圧力導入孔４とが連通している。

【００１６】感圧用シリコンチップ５のダイヤフラム７
における表面の所定箇所にはピエゾ抵抗層（半導体歪み
ゲージ）が形成されている。より詳細には、例えば、ｎ
型の単結晶シリコンよりなる感圧用シリコンチップ５に
対しｐ型不純物を拡散することによりピエゾ抵抗層が形
成されている。そして、検出圧力がガラス台座１の圧力
導入孔４を介して感圧用シリコンチップ５のダイヤフラ
ム７に伝えられ、その圧力に応じてダイヤフラム７が変
形する。そのダイヤフラム７の変形に応じてピエゾ抵抗
層の抵抗値が変化し、その抵抗値変化が電気信号として
取り出されるようになっている。

【００１７】このように構成した台座１および感圧用シ
リコンチップ５が、図５に示したように、ハウジング１
４内に配置されている。即ち、図５におけるガラス台座
１７および感圧用シリコンチップ１８の代わりに、台座
１および感圧用シリコンチップ５がステム１６上に配置
されている。

【００１８】次に、このように構成した半導体圧力セン
サを図７に示すように自動車に搭載した場合の作用につ
いて説明する。吸気の結露により結露水が台座１の圧力
導入孔４および受圧室８を満たす。その状態で外気温度
が低下する。

【００１９】すると、低温は図５のハウジング１４から
ステム載置用突起１５を経てステム１６に伝達され、さ
らに、ステム１６から台座１に伝達される。そして、台
座１においてガラス層２の熱伝導率が低くシリコン層３
の熱伝導率が高いので、低温はシリコン層３を通過して
ガラス層２に溜まる。その結果、図２に示すように、ガ
ラス層２の圧力導入孔４ａの部分から氷結が開始され
る。さらに、圧力導入孔４（圧力導入経路）を閉塞する
までは氷結による水の体積膨張応力はステム１６の圧力
導入孔２８の外へ伝わり、ダイヤフラム７側へ伝わらな
い。そして、氷は圧力導入孔４（圧力導入経路）を閉塞
する。

【００２０】尚、図２には台座１のガラス層２が０．４
ｍｍと厚い場合を示し、図３には台座１のガラス層２が
０．１３ｍｍと薄い場合を示す。そして、シリコン層３
の圧力導入孔４ｂの水もやがて氷結するが、既に圧力導
入孔４の水の一部が氷結し、壁となっているため、体積
膨張の影響はダイヤフラム７には伝わらない。

【００２１】図４には、台座１のガラス層２の厚さを変
更した場合におけるダイヤフラムの破壊につながるファ
クタとしての凍結応力発生水量比を示す。この凍結応力
発生水量比とは以下に述べるものである。図６のガラス
台座１７として厚さが２ｍｍのものを用いてガラス台座
１７の圧力導入孔１９および受圧室２２が水で満たされ
た状態から凍結によりダイヤフラム２１の破壊に至っ
た。この場合の氷結により圧力導入孔１９が閉塞された
時の閉塞箇所よりもダイヤフラム２１側における圧力導
入孔１９および受圧室２２での合計の水量が２．５ｍｍ
³ である。この水量２．５ｍｍ³ に対する、図２，３に
示すようにガラス層２の厚さを変えた場合において氷結
により圧力導入孔４が閉塞された時の閉塞箇所よりもダ
イヤフラム７側における圧力導入孔４および受圧室８で
の合計の水量の比率を、凍結応力発生水量比としてい
る。尚、この図４は、氷結過程をモデル化し、シュミレ
ーションにより求めたものである。

【００２２】そして、図４において、氷結により圧力導
入孔４が閉塞された時の閉塞箇所よりもダイヤフラム７
側における圧力導入孔４および受圧室８での合計の水量
が１．５ｍｍ³ 以上であるとダイヤフラムが破壊してし
まうことが分かっている。この１．５ｍｍ³ 以上、即
ち、凍結応力発生水量比０．６（＝１．５／２．５）以
上がダイヤフラムの破壊領域となる。ダイヤフラムの破
壊領域を外すべく凍結応力発生水量比０．６以下にする
ためには、ガラス層２の厚さを０．８ｍｍ以下にする必
要がある。換言すれば、ガラス層２の厚さを０．８ｍｍ
以下にすることにより、図２，３に示す部位で圧力導入
孔４（圧力導入系）を閉塞するので、図８に示す台座１
７に対しダイヤフラムの破壊に寄与する水の量を４０〜
６０％減らすことができ、ダイヤフラムの破壊が防止さ
れる。

【００２３】このように本実施例では、台座１を上下の
２層構造とし、下側をシリコン層３とするとともに、上
側を厚さが０．８ｍｍ以下のガラス層２とした。その結
果、台座１の圧力導入孔４および受圧室８に水が入って
いる状態において外部温度が低下すると、低温が台座１
の下側から台座１に伝わってくる。そして、台座１にお
けるシリコン層３は熱をよく伝えガラス層２は熱を溜め
るため、まず、ガラス層２の圧力導入孔４ａにて氷結が
開始され、圧力導入孔４を閉塞する。その後、閉塞箇所
よりもダイヤフラム７側の圧力導入孔４および受圧室８
の水も氷結しこの際に体積膨張する。又、台座１におけ
るシリコン層３の圧力導入孔４ｂの水もやがて氷結する
が、既に台座１における圧力導入孔４の水の一部が氷結
し壁となっているので体積膨張の影響は感圧用シリコン
チップ５には伝わらない。このようなメカニズムにおい
て、ガラス層２の厚さを０．８ｍｍ以下とすることによ
り、感圧用シリコンチップ５のダイヤフラム７に加わる
応力、即ち、氷結に伴う体積膨張による応力を減らして
ダイヤフラム７の破壊が回避される。このようにして、
氷結による感圧用シリコンチップ５のダイヤフラム７の
破壊を防止することができることとなる。

【００２４】又、感圧用シリコンチップ５とガラス層２
とは熱膨張率が近く両者に接合歪みが発生しにくく、感
圧用シリコンチップ５のダイヤフラム７での接合歪みに
よる悪影響を抑制することができる。同様に、ガラス層
２とシリコン層３とは熱膨張率が近く両者に接合歪みが
発生しにくく、感圧用シリコンチップ５のダイヤフラム
７への接合歪みによる悪影響を抑制することができる。

【００２５】さらに、ガラス層２の厚さを０．１ｍｍよ
り厚くする場合には、シリコン層３となるシリコン板と
ガラス層２となるガラス板とを陽極接合することにより
台座１を形成した。よって、容易に、台座１を２層構造
にすることができる。

【００２６】尚、この発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、例えば、上記実施例では自動車用圧力セン
サ（自動車エンジンの吸気圧力を検出する圧力センサ）
として用いたが、これに限ることはなく、自動車用以外
の一般的な測定器用として用いてもよい。

【００２７】

【発明の効果】以上詳述したように請求項１に記載の発
明によれば、氷結による感圧用シリコンチップのダイヤ
フラムの破壊を防止することができる優れた効果を発揮
する。請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載
の発明の効果に加え、容易に、台座を２層構造にするこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の半導体圧力センサにおける台座と感圧
用シリコンチップの断面図である。

【図２】氷結の状態を説明するための断面図である。

【図３】氷結の状態を説明するための断面図である。

【図４】ガラス部厚さと凍結応力発生水量比の関係を示
すグラフである。

【図５】半導体圧力センサの断面図である。

【図６】従来の半導体圧力センサにおける台座と感圧用
シリコンチップの断面図である。

【図７】車両のエンジンルームを示す平面図である。

【図８】従来の半導体圧力センサにおける氷結の状態を
説明するための断面図である。

【符号の説明】

１…台座、２…ガラス層、３…シリコン層、４…圧力導
入孔、４ａ…圧力導入孔、４ｂ…圧力導入孔、５…感圧
用シリコンチップ、６…凹部、７…ダイヤフラム、８…
受圧室

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧力導入孔を有する台座と、 前記台座上に接合され、凹部により形成された薄肉部を
   ダイヤフラムとするとともに前記凹部内を前記圧力導入
   孔に連通する受圧室とした感圧用シリコンチップとを備
   えた半導体圧力センサであって、 前記台座を上下の２層構造とし、下側をシリコン層とす
   るとともに、上側を厚さが０．８ｍｍ以下のガラス層と
   したことを特徴とする半導体圧力センサ。
2. 【請求項２】 前記台座を、シリコン層となるシリコン
   板とガラス層となるガラス板とを陽極接合することによ
   り形成した請求項１に記載の半導体圧力センサ。