JPH0814518B2 - 半導体圧力センサの製造方法 - Google Patents

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の内撚機関の吸入空気圧や大気圧
またはエキゾースト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。

従来の技術 近年、自動車などの燃料の節約や排気対策など社会的
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なうようになってきた。

このエンジンの電子制御において、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は極めて重要な
ことで、信頼性の高い圧力センサが要求される。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。

以下、従来の圧力センサの一例を図面を用いて説明す
る。

第10図は従来の半導体圧力センサの概略構成図であ
る。第10図において101はステム、102は台座で接合剤10
3を用いてステム101上に固定している。104はダイヤフ
ラム106を有したシリコンダイヤフラムチップで、ダイ
ヤフラム106に圧力検出用ホィーストンブリッジ抵抗を
設けて台座102上に取り付けている。105はステム101か
らの熱応力を緩和するため台座102に設けた切り欠き溝
である。107は台座102を貫通して設けたリードピンで、
台座102との隙間はガラス115でハーメチック封止状態に
している。108はシリコンダイヤフラムチップ104のブリ
ッジ電極とリードピン107とを接続した導電性のワイヤ
である。109はステム101上に取り付けたシリコンダイヤ
フラムチップ104と台座102とを外側から覆って真空チャ
ンバー113を形成するキャップで、封止穴111を上部に設
けている。114はステム101および台座102内を通ってシ
リコンダイヤフラムチップ104の下面に流体を導く圧力
導入用のパイプで、ステム101の下面にロウ付けなどの
手段で固定している。また台座102はシリコンダイヤフ
ラムチップ104と近似する熱膨張係数を有した材質で形
成し、切り欠き溝105とともにステム101からの熱応力を
緩和している。

そして上記従来の半導体圧力センサは組み立てる場
合、ステム101にキャップ109を取り付ける前に、まずス
テム101側に台座102、シリコンダイヤフラムチップ10
4、取付用リードピン107、ワイヤ108および圧力導入パ
イプ114などを取り付けておく。次に封止穴111を封止し
ていない状態でキャップ109をステム101に取り付け、圧
接または溶接などの手段でステム101の外周部110に封着
接合する。この接合後、真空中においてキャップ109内
の空気を抜くと同時に封止穴111をハンダ112で密閉封着
する。するとキャップ109内に真空チャンバー113が形成
されて組み立てられる。

したがって、この半導体圧力センサではシリコンダイ
ヤフラムチップ104のダイヤフラム106を真空チャンバー
113の中に収納しているので、この真空圧を基準圧とし
て圧力導入パイプ114から導入する流体を絶対圧で測定
できる。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら上記従来の半導体圧力センサを用いた圧
力変換器では、一つのセンサで一つの絶対圧しか測定で
きない。さらにステム101や、台座102とステム101間の
接合剤103からシリコンダイヤフラムチップ104に及ぼす
熱応力の影響が大きく、この熱応力がシリコンダイヤフ
ラムチップ104に歪みを与える。このためダイヤフラム1
06に形成したホィーストンブリッジ抵抗の値が温度によ
ってばらつき、これに伴い圧力検出特性も大きくばらつ
く欠点があった。この問題は主にシリコンダイヤフラム
チップ104、ステム101、台座102および接合剤103の熱膨
張係数の違いに起因するものである。

このため従来の半導体圧力センサの構造では、上述し
たように台座102にシリコンダイヤフラムチップ104とで
きるだけ近似する熱膨張係数を有した材質を用いるとと
もに、ステム101からの熱応力を緩和する目的で台座102
の厚みを高くしたり、あるいは台座102に切り欠き溝105
を設けるなどの手段を施している。この結果、台座102
の加工性が悪く、また接合する箇所が多くなるため作業
性も悪くコスト高になるばかりか信頼性も低下してい
た。

本発明はこのような従来の問題を解決するものであ
り、一個の半導体圧力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、圧力検出特性
を改善し、さらに構造を単純化して信頼性の向上と品質
の安定化およびコスト低減を図ることのできる半導体圧
力センサの製造方法を提供することを目的とするもので
ある。

問題点を解決するための手段 本発明は上記目的を達成するために、ウエハ状ステム
に二つの貫通穴と複数のリードピン取付穴を有するステ
ムを略等間隔で連続して形成し、前記ステムと近似する
熱膨脹係数を有する板状部材に検出用ホイーストンブリ
ッジ抵抗を有する二つのダイヤフラムが形成された半導
体単結晶チップ部を略等間隔で連続して形成し、前記ウ
エハ状ステムの上面に前記板状部材を前記二つの貫通穴
と前記二つのダイヤフラムとが対向する位置に配置して
陽極接合により封着接合し、前記二つの貫通穴のいずれ
か一方の貫通穴の前記ウエハ状ステムの裏面側端部に圧
力導入パイプを接合し、前記複数のリードピン取付穴に
リードピンをハーメチック封着し、前記ダイヤフラムと
前記リードピンとの間をワイヤーボンディングし、前記
ステムと近似する熱膨脹係数を有し略等間隔に仕切り部
が設けられたウエハ状キャップを前記ウエハ状ステムの
上面に真空中にて封着接合し、前記仕切り部により個々
に仕切られた真空チャンバーを形成し、前記仕切り部に
て前記ウエハ状ステムを個々のステムに分割して半導体
圧力センサを形成するように構成したものである。

作用 したがって本発明によれば、ステムの表面側、すなわ
ち二つのダイヤフラムの反対側に真空チャンバーを形成
しているので、各ダイヤフラム部で測定される圧力はい
ずれも絶対圧になる。しかも一方のダイヤフラムで大気
圧を、他方のダイヤフラムで例えば吸気マニホールド圧
などを絶対圧でそれぞれ同時に測定できる。

また半導体単結晶チップ部と台座部とを一体に板状部
材で成形し、しかも板状部材とステムとを近似する熱膨
張係数を有した部材で形成しているので、感圧ダイヤフ
ラムに形成したホィーストンブリッジ抵抗系の熱応力に
よる変動差がなくなる。

さらに、ウエハ状ステム上面にて半導体圧力センサの
組立接合及び真空チャンバーの形成までを一括して行い
その後に個々の半導体圧力センサに分割する構成として
いることにより、組立効率が向上するとともに、ウエハ
状態で半導体圧力センサとして完成させことにより温度
等の作業環境が変動することなく、機能性能を均一化す
ることができるため、歩留まり、信頼性並びに特性を向
上することができる。

実施例 第１図乃至第２図は本発明の一実施例の構成を示すも
のである。

第１図乃至第２図において、１は中央部分に二つの貫
通穴2a、2bを設けたステムで、貫通穴2a、2bを囲んだ外
周部分に10個のリードピン取付穴３を設けてガラスまた
はシリコン材などで一体に成形されている。４は中央に
圧力導入孔５を設けた圧力導入パイプで、貫通穴2aに圧
力導入孔５を対応させてステム１の下面にガラスハンダ
で封着接合させている。６は取付穴３に取り付けている
リードピンで、一端がステム１の上面から突出し他端が
下面から突出した状態で10個の取付穴３に対し個々にハ
ーメチック封着されている。33はステム１と近似する熱
膨張係数を有した材質で形成した板状部材で、一対の感
圧ダイヤフラムチップ7a、7bを有した半導体単結晶チッ
プ部８とサンドイッチ台座部９とを同一部材で一体に成
形した状態にしている。さらに各感圧ダイヤフラムチッ
プ7a、7bは同一ウエハの隣接した部分に形成され、また
圧力印加部となる各ダイヤフラム面に圧力検出用ホィー
ストンブリッジ抵抗（不図示）を形成している。そして
板状部材33は感圧ダイヤフラムチップ7aを貫通穴2aに対
応させるとともに感圧ダイヤフラムチップ7bを貫通穴2b
に対応させてステム１の上面にAl-Si（アルミニューム
−シリコン）共晶結合などの手段によって封着接合され
ている。10は各感圧ダイヤフラムチップ7a、7bの各ダイ
ヤフラム面上に形成した圧力検出用ホィーストンブリッ
ジ抵抗とリードピン６とを電気接合した金線などのワイ
ヤである。11は板状部材33を介してステム１上に真空中
でガラスハンダされたキャップで、感圧ダイヤフラム7
a、7bの上面に真空チャンバー12を形成しており、また
板状部材33と近似する熱膨張係数を有したガラスまたは
シリコン材などで形成されている。

そして、この実施例による半導体圧力センサは第３図
乃至第９図に示す製造方法に従って作られている。第３
図乃至第９図において第１図乃至第２図と同一符号を付
したものは第１図乃至第２図と同一のものを示してい
る。13はステム１が形成されるウエハ状ステムで、第３
図に示すような板状ガラスまたはシリコン材から貫通穴
2a、2bとリードピン取付穴３を有したステム１に相当す
る部分が第４図に示すように略等間隔で連続して形成さ
れている。14はウエハ状感圧ダイヤフラムで、板状部材
33に相当する部分を略等間隔で連続して設けている。

そしてウエハ状ステム13上にウエハ状感圧ダイヤフラ
ム14を第５図に示すように載置させ、このとき両者を陽
極接合などで封着接合させる。次いでウエハ状ステム13
のリードピン取付穴３にリードピン６を挿入させるとと
もに、貫通穴2aに対応させて圧力導入パイプ４を配置
し、第６図に示すようにリードピン６と圧力導入パイプ
４をウエハ状ステム13上にガラスハンダで封着接合させ
る。次に感圧ダイヤフラムチップ7a、7bのダイヤフラム
面に形成した圧力検出用ホィーストンブリッジ抵抗の電
極とリードピン６とにワイヤ10を第７図に示すようにボ
ンディングする。そして、この状態まで組み付けたウエ
ハ状ステム13を真空中に配置させる。この時、同じくキ
ャップ11に相当する部分を連続して設けたウエハ状キャ
ップ15が用意され、真空中でウエハ状キャップ15をウエ
ハ状ステム13上に被せるとともにガラスハンダでウエハ
状ステム13とウエハ状キャップ15とを封着接合し、各ス
テム１に対応する部分の表面側に真空チャンバー12を第
８図に示すように形成する。なおウエハ状ステム13とウ
エハ状キャップ15とを封着接合するときのガラスハンダ
は、圧力導入パイプ４およびリードピン６を封着接合す
るのに使用したガラスハンダの材質よりも融点が低いも
のが使用される。そして、この状態まで組み立てた後、
各半導体圧力センサに対応する部分毎に、第９図に示す
ようにカッター16でスライスすると、第１図乃至第２図
に示す半導体圧力センサ単体が完成する。

次に、このようにして作られた半導体圧力センサの圧
力測定方法と動作について説明する。

上記実施例において例えば内然機関の吸入空気圧を測
定する場合は、圧力導入パイプ４の下端を吸気マニホー
ルドの吸気孔に接続し、貫通孔2bは大気中に開口させ
る。

すると感圧ダイヤフラムチップ7aには圧力導入パイプ
４および貫通穴2aを通ってマニホールド吸気孔からの流
体が導入されて歪が与えられる。一方、感圧ダイヤフラ
ムチップ7bには貫通穴2bを通って大気圧が導入され、こ
の大気圧で歪が与えられる。また、この感圧ダイヤフラ
ムチップ7aと感圧ダイヤフラムチップ7bに各々与えられ
た歪は、各ダイヤフラム面に形成した圧力検出用ホィー
ストンブリッジの抵抗値をそれぞれ変化させ、この信号
がリードピン６を通して外部へ取り出される。そして、
この取り出された信号を知ることにより感圧ダイヤフラ
ムチップ7a側では吸気マニホールド内の圧力を絶対圧で
測定でき、また感圧ダイヤフラムチップ7b側では大気圧
を絶対圧で測定できる。

したがって、この半導体圧力センサでは一つの半導体
圧力センサで二つの圧力を同時に測定することができ
る。

また各圧力センサを組み立てる場合、各半導体圧力セ
ンサを個々に組み立てて行かなくても、複数の半導体圧
力センサにおける導入パイプ４、リードピン６、感圧ダ
イヤフラムチップ7a、7b、サンドイッチ台座部９、ワイ
ヤ10、キャップ11などをそれぞれ同一のウエハ状ステム
13の上に一括して組み付け、この後各半導体圧力センサ
毎にスライスして分割することにより個々の半導体圧力
センサを作ることができる。この結果、組立の効率が向
上する。

またステム１、感圧ダイヤフラムチップ7a、7b、サン
ドイッチ台座９およびキャップ11を互いに熱膨張係数が
近似するガラスまたはシリコン材で形成しているので、
各封着接合部分において温度に対する熱応力が低減でき
る。これにより封着接合部分において温度に対する熱応
力が低減できる。これにより封着接合部分の信頼性が向
上する。

また、さらにステム１の上面に異種金属を有しない陽
極拡散接合または極薄層のAl-Si（アルミニューム−シ
リコン）共晶結合などの手段によって感圧ダイヤフラム
チップ7a、7bを有した板状部材33を直接封着接合してい
るので、温度変化時にステム１から感圧ダイヤフラムチ
ップ7a、7bに及ぼされる影響がなくなる。これによりダ
イヤフラム面に形成したホィーストンブリッジ抵抗系に
熱応力による歪の差がなくなり、圧力センサとしての特
性が向上する。

また、さらに半導体単結晶チップ部は同一板状部材の
隣接した部分から形成しているので、二つの感圧ダイヤ
フラムチップ7a、7bの特性をほゞ同一にでき、電気回路
部でのトリミングなどによる温度保償のための調整が二
つのダイヤフラムでほぼ同一にできる。

発明の効果 本発明は上記実施例により明らかのように、一つの半
導体圧力センサで二つの圧力を絶対圧で同時に測定する
ことができるので、機能性が向上する。また半導体単結
晶チップ部とサンドイッチ台座とを一体成形するととも
にステム、キャップと近似する熱膨張係数を有した材質
で形成しているので、信頼性並びに特性を向上させるこ
とができる。

さらに、ウエハ状ステム上面にて半導体圧力センサの
組立接合及び真空チャンバーの形成までを一括して行い
その後に個々の半導体圧力センサに分割する構成として
いることにより、組立効率が向上するとともに、ウエハ
状態で半導体圧力センサとして完成させことにより温度
等の作業環境が変動することなく、機能性能を均一化す
ることができるため、歩留まり、信頼性並びに特性を向
上することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る半導体圧力センサの一
例を示した平面図、第２図は第１図のＡ−Ａ線に沿う断
面図、第３図乃至第９図は同上半導体圧力センサの製造
工程の一例を示した工程図、第10図は従来の半導体圧力
センサの断面図である。 １……ステム、２……貫通穴、３……リードピン取付
穴、４……圧力導入パイプ、５……圧力導入孔、６……
リードピン、7a、7b……感圧ダイヤフラムチップ、９…
…サンドイッチ台座部、10……ワイヤ、11……キャッ
プ、12……真空チャンバー、13……ウエハ状ステム、14
……ウエハ状感圧ダイヤフラム、15……ウエハ状キャッ
プ、33……板状部材。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−22838（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−54969（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−123077（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−217126（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−36713（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ウエハ状ステムに二つの貫通穴と複数のリ
   ードピン取付穴を有するステムを略等間隔で連続して形
   成し、前記ステムと近似する熱膨脹係数を有する板状部
   材に検出用ホイーストンブリッジ抵抗を有する二つのダ
   イヤフラムが形成された半導体単結晶チップ部を略等間
   隔で連続して形成し、前記ウエハ状ステムの上面に前記
   板状部材を前記二つの貫通穴と前記二つのダイヤフラム
   とが対向する位置に配置して陽極接合により封着接合
   し、前記二つの貫通穴のいずれか一方の貫通穴の前記ウ
   エハ状ステムの裏面側端部に圧力導入パイプを接合し、
   前記複数のリードピン取付穴にリードピンをハーメチッ
   ク封着し、前記ダイヤフラムと前記リードピンとの間を
   ワイヤーボンディングし、前記ステムと近似する熱膨脹
   係数を有し略等間隔に仕切り部が設けられたウエハ状キ
   ャップを前記ウエハ状ステムの上面に真空中にて封着接
   合し、前記仕切り部により個々に仕切られた真空チャン
   バーを形成し、前記仕切り部にて前記ウエハ状ステムを
   個々のステムに分割して半導体圧力センサを形成するこ
   とを特徴とする半導体圧力センサの製造方法。