JP2000162069A - 半導体圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱的なストレスに対する耐圧力性および高い
圧力に対する破壊耐圧が高く、かつ高い圧力検出精度を
有する半導体圧力センサを提供することである。 【解決手段】 圧力媒体の圧力が印加されるセンサチッ
プ１と台座２とからなるセンサエレメント３を有してい
る。該センサエレメント３は、その台座２にてサブプレ
ート４に接合し、該サブプレート４は主プレート５に接
合している。センサエレメント３の台座２は、第１シリ
コン、ガラス，第２シリコンをこの順に陽極接合するこ
とにより形成している。センサチップ１は、台座２の第
１シリコンとＡｕＳｉの共晶結合により接合している。
台座２の第２シリコンも同様に、ＡｕＳｉの共晶結合に
よりサブプレート４に接合している。主プレート５に
は、その厚み方向に沿う側壁に形成された溝１６にＯ
（オー）リング１８が装着され、主プレート５とシステ
ム側の本体１９との間の気密性を確保している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧力媒体の検出信
号に基づき制御される例えば自動車用トランスミッショ
ンの制御システム等に用いられる半導体圧力センサに関
する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、半導体圧力センサは半導体の歪
みゲージにより圧力媒体の圧力を検出するものであり、
この種の半導体圧力センサとしては、例えば特開昭６０
−７３３２５号公報や特開昭６２−２６６４２９号公報
に開示されたもの、またその製造コストの低減を図った
特開平６−３２１１号公報に開示されたもの等、種々の
ものが周知である。図４および図５に、本発明に関連す
る従来のこの種の半導体圧力センサの一例を示す。該半
導体圧力センサ５０は、シリコンの単結晶からなるセン
サチップ５１と該センサチップ５１が接合された台座５
２とからなるセンサエレメント５３を備え、該センサエ
レメント５３をその上記台座５２にてプレート５４に接
合してなるものである。

【０００３】上記センサエレメント５３は、陽極接合に
より接合されたシリコン−ガラス−シリコンの三層構造
を有している。また、上記センサチップ５１には、シリ
コンの異方性エッチングにより形成された正方形状のダ
イヤフラム部（図示せず。）が形成されており、該ダイ
ヤフラム部には、プレート５４、台座５２を貫通して形
成された導圧口５５を通して圧力媒体の圧力が印加され
る。

【０００４】上記センサチップ５１により検出された圧
力の検出信号は、システム側での処理に適したレベルま
で増幅する等の処理を行うため、調整回路基板５６に伝
送される。該調整回路基板５６は上記プレート５４の上
面に装着されており、該調整回路基板５６と上記センサ
チップ５１とはワイヤ５７により接続されている。

【０００５】上記半導体圧力センサ５０は、システム側
の本体５８の圧力検出部位に設けられた装着部５９に次
のように装着される。すなわち、上記半導体圧力センサ
５０は、そのプレート５４を上記装着部５９に嵌合さ
せ、該装着部５９の周縁部に設けられたかしめ部６１を
上記プレート５４の上にかしめることにより、上記装着
部５９に固定している。上記調整回路基板５６とシステ
ム側の上記本体５８の上面に実装されているシステム回
路基板６２とは、ワイヤ６３により接続されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の半導体圧力
センサ５０では、センサエレメント５３が直接、プレー
ト５４に接合されているので、システムの本体５８側か
ら上記エレメント５３に加わる熱的なストレスが上記プ
レート５４を通して直接、上記エレメント５３の台座５
２に印加される。このため、上記従来の半導体圧力セン
サ５０では、システムの本体５８側からセンサエレメン
ト５３に印加される熱的なストレスが大きい。また、セ
ンサチップ５１のダイヤフラム部は異方性エッチングに
より形成されているので、ダイヤフラム部をその外周縁
で支持する支持部の内壁面は、センサチップ５１と台座
５２との接合面に対して傾斜して形成されている。この
ような従来の半導体圧力センサ５０に、システムの本体
５８側から熱的なストレスが繰り返し加えられると、セ
ンサチップ５１を構成している正方形状のダイヤフラム
の各辺の中央部分やセンサチップ５１と台座５２との接
合部等の特定部位に応力集中が繰り返して発生する。こ
の応力集中により、上記センサチップ５１の強度が低下
し、耐圧力性が低くなるという問題があった。

【０００７】また、上記従来の半導体圧力センサ５０
は、そのプレート５４をシステム側の本体５８の装着部
５９に嵌合させ、該装着部５９に設けられたかしめ部６
１を上記プレート５４の上にかしめることにより、上記
装着部５９に装着している。このため、上記従来の半導
体圧力センサ５０ではプレート５４とかしめ部６１との
気密性を保持することが困難で、センサエレメント５３
のセンサチップ５１に印加されるべき圧力が一部、上記
かしめ部６１からシステム側の本体５８とプレート５４
との間を通して逃げ、センサエレメント５３により検出
される圧力の精度が低下するという問題もあった。

【０００８】本発明の目的は、熱的なストレスに対する
耐圧力性および高い圧力に対する破壊耐圧が高く、かつ
高い圧力検出精度を有する半導体圧力センサを提供する
ことにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に係る発明は、圧力媒体の圧力が印加され
るセンサチップと該センサチップを支持する台座とから
なるセンサエレメントを、サブプレートを介して主プレ
ートに接合し、かつ、該主プレートと上記圧力媒体の圧
力検出部位に設けられたセンサ装着部との間に、気密保
持手段を介装して主プレートとセンサ装着部との間の気
密性を保持するようにしたものである。上記サブプレー
トは、センサ装着部からセンサチップに加えられる熱的
なストレスを緩衝する。また、前記気密保持手段は、主
プレートとセンサ装着部との間から圧力媒体がリークす
るのを阻止する。

【００１０】また、請求項２に係る発明は、上記主プレ
ートの厚み方向に沿う外側壁と該外側壁に対向する上記
センサ装着部の壁面との間に、上記気密性保持手段とし
てＯ（オー）リングを装填するようにしたものである。
該オーリングは上記主プレートとセンサ装着部との間を
シールして気密性を保持するとともに、センサ装着部か
ら上記主プレート、サブプレートを通してセンサエレメ
ントに印加される外力を吸収する。

【００１１】さらに、請求項３に係る発明は、上記台座
をＳｉ（シリコン）−ガラス−Ｓｉ（シリコン）の三層
構造を陽極接合で形成し、上記センサチップに等方性エ
ッチングにより円形のダイヤフラムを形成し、上記台座
とセンサチップおよびサブプレートとをＡｕＳｉ共晶で
接合するようにしたものである。上記ダイヤフラムをそ
の周縁で支持する支持部の内壁面は上記センサチップと
台座との接合面に対して垂直に形成される。

【００１２】さらにまた、請求項４に係る発明は、上記
センサチップのダイヤフラムが検出した圧力信号を処理
する信号処理回路をセンサチップに集積するようにした
ものである。該センサチップには圧力を検出するための
ダイヤフラムとともに信号処理回路が形成され、上記セ
ンサチップからは検出した圧力信号が処理に適したレベ
ルまで増幅等の処理がなされた信号が取り出される。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明に係
る半導体圧力センサの実施の形態を説明する。

【００１４】実施の形態１．本発明に係る半導体圧力セ
ンサの一つの実施の形態の構成を図１に示す。該半導体
圧力センサ１０は、圧力媒体の圧力が印加されるセンサ
チップ１と該センサチップ１が接合された台座２とから
なるセンサエレメント３を有している。該センサエレメ
ント３は、その上記台座２にてサブプレート４に接合
し、該サブプレート４は円板形状を有する主プレート５
に接合している。

【００１５】上記センサエレメント３のセンサチップ１
は、図２の（Ａ）および（Ｂ）に示すような円形のダイ
ヤフラム部１１を有している。上記センサエレメント３
はシリコン単結晶からなり、その上記ダイヤフラム部１
１は等方性エッチングにより形成されている。

【００１６】また、上記センサエレメント３の台座２
は、第１シリコン１２、ガラス１３，第２シリコン１４
をこの順に陽極接合することにより形成している。そし
て、上記センサチップ１は、台座２の上記第１シリコン
１２とＡｕＳｉの共晶結合により接合している。台座２
の上記第２シリコン１４も同様に、ＡｕＳｉの共晶結合
により上記サブプレート４に接合している。

【００１７】上記サブプレート４が接合される主プレー
ト５は、一方の面から他方の面に向かってその厚み方向
に窪む上記センサエレメント３の収容凹部６を有する。
該収容凹部６内にはセンサエレメント３が収容され、該
センサエレメント３を支持する上記サブプレート４が上
記収容凹部６の底面から突出させたリング状の突条７の
上に溶接している。上記センサチップ１のダイヤフラム
部１１には、台座２、サブプレート４および主プレート
５を貫通して形成された導圧口８を通して圧力媒体の圧
力が印加される。

【００１８】上記主プレート５には調整回路基板９が装
着されており、該調整回路基板９と上記センサチップ１
とはワイヤ１５により接続されている。上記調整回路基
板９には、センサチップ１により検出されて上記ワイヤ
１５を通して供給される圧力の検出信号をシステム側で
の処理に適したレベルまで増幅する等の処理を行うため
の回路が構成されている。

【００１９】上記主プレート５にはまた、その厚み方向
に沿う側壁に溝部１６およびフランジ部１７が形成され
ている。上記溝部１６にはＯ（オー）リング１８が装着
されている。上記主プレート５は、システム側の本体１
９の圧力媒体の圧力検出部位に形成された装着部２１に
内嵌され、該装着部２１に形成された段部２２に上記フ
ランジ部１７を当接させ、上記該装着部２１に設けられ
たかしめ部２３を上記フランジ部１７の上にかしめて上
記装着部２１に固定している。これにより、上記Ｏ（オ
ー）リング１８は弾性変形し、主プレート５とシステム
側の本体１９の装着部２１の壁面に圧接し、主プレート
５とシステム側の本体１９との間の気密性が確保され
る。なお、上記調整回路基板９とシステム側の上記本体
１９の上面に実装されているシステム回路基板２４と
は、ワイヤ２５により接続されている。

【００２０】本実施形態によれば、センサエレメント３
の台座２がサブプレート４を介して主プレート５に接合
されており、サブプレート４はシステム側の本体１９か
ら加わる熱ストレスを緩衝するので、センサエレメント
３のセンサチップ１に加わる熱ストレスが緩和される。

【００２１】また、上記センサチップ１のダイヤフラム
部１１は、従来のような異方性エッチングとは異なり、
等方性エッチングにより形成されているので、図２の
（Ａ）にも示されているように、上記ダイヤフラム部１
１をその周縁で支える支持部２６の内壁面は、センサチ
ップ１と第１シリコン１２との接合面に対して垂直とな
るように形成され、異方性エッチングで形成したときの
ように、支持部２６の内壁面が上記接合面に対して傾斜
（図２の（Ａ）二点差線参照）して形成されることはな
い。これにより、圧力印加時のセンサチップ１と第１シ
リコン１２との界面に発生する引き剥がし応力に対する
耐性が向上する。加えて、上記ダイヤフラム部１１は円
形の形状を有しているので、センサチップ１には、特定
の箇所に応力が集中することがない。これにより、破壊
耐圧が大幅に向上する。加えて、本実施形態では、セン
サチップ１と台座２の第１シリコン１２との接合、第２
シリコン１４とサブプレート４との接合に、接合強度の
高いＡｕＳｉの共晶結合を用いているので、より一層破
壊耐圧が向上する。

【００２２】本実施形態によればまた、主プレート５は
通常、本実施形態の半導体圧力センサ１０が装着される
自動車のトランスミッション等の機器のシャーシに電気
的に接続されて接地されるが、台座２は第１シリコン１
２、ガラス１３，第２シリコン１４をこの順に陽極接合
した、シリコン−ガラス−シリコンの構成を有し、ガラ
ス１３によりセンサチップ１と主プレート５とが電気的
に絶縁されるので、グランド側から上記センサチップ１
に侵入するノイズも低減される。

【００２３】本実施形態によればさらに、オーリング１
８が主プレート５の厚み方向に沿う外側壁と該外側壁に
対向する装着部２１の壁面との間に装填されているの
で、上記主プレート５とシステム側の本体１９との間か
ら圧力媒体がリークするのが防止されるばかりでなく、
熱膨張等によるシステム側の本体１９の変形等による外
力も上記オーリング１３により吸収され、センサチップ
１には伝達されない。これにより、上記センサチップ１
は、外力の影響や圧力媒体のリーク等の影響を受けるこ
となく、高い精度で圧力を検出することができる。

【００２４】実施の形態２．本発明に係る半導体圧力セ
ンサのいま一つの実施の形態を図３に示す。該半導体圧
力センサ３０は、図１および図２で説明した半導体圧力
センサ１０のセンサチップ１に代えて、調整回路基板９
の機能を有する回路を集積したセンサチップ３１を用い
たもので、その他の構成は実施の形態１の半導体圧力セ
ンサと全く同じである。

【００２５】すなわち、上記半導体圧力センサ３０は、
圧力媒体の圧力が印加されるセンサチップ３１と該セン
サチップ３１が接合された台座２とからなるセンサエレ
メント３３を有している。該センサエレメント３３は、
その上記台座２にてサブプレート４に接合し、該サブプ
レート４は主プレート５に接合している。

【００２６】上記センサチップ３１は、実施の形態１で
説明したものと同様に、等方性エッチングにより形成さ
れた円形のダイヤフラム部１１を有するとともに、上記
したように、実施の形態１の調整回路基板９の機能を有
する回路が集積されている。

【００２７】上記センサエレメント３３の台座２は、陽
極接合により形成されたシリコン−ガラス−シリコンの
三層構造を有している。そして、上記センサチップ３１
は、台座２とＡｕＳｉの共晶結合により接合している。
台座２も同様に、ＡｕＳｉの共晶結合により上記サブプ
レート４に接合している。

【００２８】上記サブプレート４が接合される主プレー
ト５の収容凹部６内にはセンサエレメント３３が収容さ
れ、該センサエレメント３３を支持する上記サブプレー
ト４を上記収容凹部６の底面から突出させたリング状の
突条７の上に溶接している。上記センサチップ３１のダ
イヤフラム部１１には、台座２、サブプレート４および
主プレート５を貫通して形成された導圧口８を通して、
圧力媒体の圧力が印加される。

【００２９】上記主プレート５の厚み方向に沿う側壁に
形成された溝部１６にはＯ（オー）リング１８が装着さ
れており、該Ｏ（オー）リング１８は主プレート５とシ
ステム側の本体１９の装着部２１の壁面に圧接して弾性
変形し、主プレート５とシステム側の本体１９との間の
気密性を保持している。そして、上記主プレート５は装
着部２１に収容し、かしめ部２３をフランジ部１７の上
にかしめて上記装着部２１に固定している。上記センサ
チップ３１とシステム回路基板２４とは、ワイヤ２５に
より接続されている。

【００３０】本実施形態によれば、実施の形態１が奏す
る効果に加えて、センサチップ３１に、実施形態１の調
整回路基板９（図１参照）の機能を有する回路が集積さ
れているので、調整回路基板９が削減され、半導体圧力
センサ３０が小型化されるとともにコストが低減され、
接地されたシステム側の本体から主プレート５を通して
ノイズがセンサチップ３１に侵入し難くなり、高いＳ／
Ｎ比を有する圧力信号を取り出すことができる。

【００３１】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
センサエレメントの台座がサブプレートを介して主プレ
ートに接合しているので、サブプレートによりシステム
側の本体から加わる熱ストレスが緩衝され、センサエレ
メントのセンサチップに加わる熱ストレスが緩和され、
破壊耐圧の高い半導体圧力センサを得ることができる。
また、主プレートの厚み方向に沿う外側壁と該外側壁に
対向するセンサ装着部の壁面との間に装填されたオーリ
ングにより、主プレートとシステム側の本体との間から
圧力媒体がリークするのが防止されるとともに、熱膨張
等によるシステム側の本体の変形等による外力も吸収さ
れるので、センサチップは、外力の影響や圧力媒体のリ
ーク等の影響を受けることなく、高い精度で圧力を検出
することができる。

【００３２】また、センサチップのダイヤフラム部は、
等方性エッチングにより形成されているので、ダイヤフ
ラム部をその周縁で支える支持部の内壁面がセンサチッ
プと第１シリコンとの接合面に対して垂直となるように
形成され、圧力印加時のセンサチップと台座との界面に
発生する引き剥がし応力に対する耐性が向上する。加え
て、ダイヤフラム部を円形の形状とすることにより、セ
ンサチップには、特定の箇所に応力が集中することがな
い。これにより、破壊耐圧がさらに高い半導体圧力セン
サを得ることができる。さらに、センサチップと台座と
の接合、台座とサブプレートとの接合に、接合強度の高
いＡｕＳｉの共晶結合を用ることにより、より一層破壊
耐圧を向上させることができる。さらにまた、台座をシ
リコン−ガラス−シリコンの構成とすることにより、セ
ンサチップと主プレートとが台座のガラスにより電気的
に絶縁されるので、グランド側からセンサチップに侵入
するノイズが低減され、高いＳ／Ｎ比を有する圧力検出
信号を得ることができる。

【００３３】さらにまた、調整回路基板の機能を有する
回路をセンサチップに集積するようにすれば、調整回路
基板が削減されるので、半導体圧力センサが小型化され
るとともにコストが低減され、接地されたシステム側の
本体から主プレートを通してノイズがセンサチップに侵
入し難くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る半導体圧力センサの一つの実施
の形態の構成を示す断面図である。

【図２】 図１の半導体圧力センサのセンサエレメント
の構成を示し、（Ａ）はセンサエレメントの縦断面図で
あり、（Ｂ）はセンサチップの下面図である。

【図３】 本発明に係る半導体圧力センサのいま一つの
実施の形態の構成を示す断面図である。

【図４】 従来の半導体圧力センサの一例の構成を示す
断面図である。

【図５】 図４の半導体圧力センサの平面図である。

【符号の説明】

１ センサチップ、 ２ 台座、 ３ センサエレメン
ト、 ４ サブプレート、 ５ 主プレート、 １０
半導体圧力センサ、 １１ ダイヤフラム部、１２ 第
１シリコン、 １３ ガラス、 １４ 第２シリコン、
１８ オーリング、 １９ システム側の本体、 ２
１装着部、 ３０ 半導体圧力センサ、 ３１ センサ
チップ、 ３３ センサエレメント

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F055 AA40 BB20 CC02 DD05 DD07 EE13 FF04 FF23 GG12 GG14 3J040 AA02 AA17 BA02 EA16 FA05 HA02 HA15 HA30 4M112 AA01 BA01 CA12 CA15 DA02 DA18 DA20 EA02 EA03 EA11 EA13 FA05 FA07

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧力媒体の圧力が印加されるセンサチッ
   プと該センサチップを支持する台座とからなるセンサエ
   レメントを有し、該センサエレメントが上記台座にてサ
   ブプレートに接合されるとともに、該サブプレートが主
   プレートに接合されており、該主プレートが上記圧力媒
   体の圧力検出部位に設けられたセンサ装着部との間の気
   密性を保持する気密性保持手段を備えていることを特徴
   とする半導体圧力センサ。
2. 【請求項２】 上記気密性保持手段がＯ（オー）リング
   であり、該オーリングが上記主プレートの厚み方向に沿
   う外側壁と該外側壁に対向する上記センサ装着部の壁面
   との間に装填されていることを特徴とする請求項１に記
   載の半導体圧力センサ。
3. 【請求項３】 上記台座はＳｉ（シリコン）−ガラス−
   Ｓｉ（シリコン）の三層構造を陽極接合で形成してな
   り、上記センサチップは等方性エッチングで形成される
   円形ダイヤフラムを有しており、該円形ダイヤフラムを
   その外周縁で支持する支持部の内壁面が上記センサチッ
   プと台座との接合面と垂直をなしており、上記台座とセ
   ンサチップおよびサブプレートとはＡｕＳｉ共晶で接合
   されていることを特徴とする請求項１または２に記載の
   半導体圧力センサ。
4. 【請求項４】 上記センサチップに、検出した圧力信号
   を処理する信号処理回路が集積されていることを特徴と
   する請求項１から３のいずれか一に記載の半導体圧力セ
   ンサ。