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JP4069770B2 - Pressure detection device - Google Patents

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JP4069770B2
JP4069770B2 JP2003069380A JP2003069380A JP4069770B2 JP 4069770 B2 JP4069770 B2 JP 4069770B2 JP 2003069380 A JP2003069380 A JP 2003069380A JP 2003069380 A JP2003069380 A JP 2003069380A JP 4069770 B2 JP4069770 B2 JP 4069770B2
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JP
Japan
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semiconductor substrate
housing
pressure
electrode
detection device
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宏明 田中
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Denso Corp
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力検出素子としてピエゾ効果を有する半導体基板を有し、この半導体基板およびこの半導体基板に圧力を伝達する圧力伝達部材をハウジングに収納してなる圧力検出装置に関し、例えばエンジンの燃焼室内の燃焼圧を検出する圧力検出装置に適用することができる。
【0002】
【従来の技術】
ピエゾ効果を有する半導体基板は、表裏両面を隔てる方向すなわち厚さ方向に印加される圧力に応じて電気信号を出力するもので、圧力印加による歪みに応じた抵抗値変化等を利用したものである。
【0003】
このような半導体基板を圧力検出素子として有する圧力検出装置としては、この半導体基板およびこの半導体基板に圧力を伝達する圧力伝達部材を金属製のハウジングに収納してなるものが提案されている(例えば、特許文献1〜3参照)。
【0004】
このような圧力検出装置においては、半導体基板の表面側に検出用の電極を設けるとともに、半導体基板の外周にリード部材を設け、当該電極とリード部材とをワイヤボンディングすることにより、信号の取り出しを行っている。
【0005】
【特許文献1】
特開平7−253364号公報
【0006】
【特許文献2】
特開平7-19981号公報
【0007】
【特許文献3】
特許第3166015号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、例えば、このような圧力検出装置をエンジンの燃焼圧センサに適用する場合、ハウジングにおける圧力伝達部材の収納部をエンジンブロックの穴に挿入し、燃焼室内の圧力を圧力伝達部材で受圧して、半導体基板へ伝えることにより圧力の検出を行う。
【0009】
ここで、エンジンに対しては、小型化や軽量化の要望があり、圧力検出装置の搭載スペースも小さくする必要がある。そのため、圧力検出装置においては細径化すなわちハウジングの細径化が望まれている。
【0010】
しかしながら、上述したように従来の圧力検出装置においては、半導体基板とリード部材とのワイヤボンディングを行うために、リード部材は半導体基板の外周に位置することになる。
【0011】
そのため、リード部材を含めたワイヤボンディング部の大きさは、半導体基板のサイズよりも大きくなり、ハウジングの径は、ハウジング収納部品のなかで最も大きなワイヤボンディング部のサイズによって決められる。言い換えれば、ハウジングの径は、半導体基板よりも大きいワイヤボンディング部の大きさに規定され、圧力検出装置の細径化にとって制約が生じてしまうことになる。
【0012】
このような問題に対して、本発明者は、半導体基板の表裏両面に電極を設け、金属製のハウジングの一部およびリード部材によって半導体基板を挟むように構成すれば、当該表裏両面の電極の取り出しにおいてワイヤボンディングが不要となり、その結果、ハウジングの細径化が図られると考えた。
【0013】
この場合、導通を採るために、半導体基板の表面側すなわち圧力が印加される側のハウジングが金属製であることが必要となる。つまり、単純には、従来と同様、ハウジング全体が金属製であれば、上記した半導体基板を挟み込む形の電極取り出し構成が可能となる。
【0014】
しかしながら、ハウジング全体が金属製であると、上記した燃焼圧センサ等の場合では、ハウジングの一端側が燃焼室等の高温の測定環境にさらされ、その高熱がハウジングを介してハウジングの一部に接続された半導体基板に伝わってくる。そのため、半導体基板が高温となってしまい、半導体基板の使用が困難となる恐れがある。
【0015】
そこで、本発明は上記問題に鑑み、ハウジングを細径化しつつ、半導体基板の温度上昇を抑制することのできる圧力検出装置を提供することを目的とする。
【0016】
【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に記載の発明では、表裏両面を隔てる方向に印加される圧力に応じて電気信号を出力する半導体基板(30)と、半導体基板の表面側に設けられ半導体基板に圧力を伝達する圧力伝達部材(20)と、半導体基板および圧力伝達部材を収納するハウジング(10)とを備える圧力検出装置において、以下の特徴を有する。
【0017】
まず、ハウジングは、第1の部分(11)と第1の部分よりも熱伝導率の小さい第2の部分(12)と第1の部分および第2の部分を仕切る導電性の仕切部(13)とからなること。
【0018】
半導体基板は、ハウジングの第1の部分に収納され、圧力伝達部材は、ハウジングの第2の部分に収納されるとともに仕切部を介して半導体基板の表面に圧力を伝達するようになっていること。
【0019】
半導体基板は、表面に第1の電極(36a)、裏面に第2の電極(36b)を有し、圧力が印加されたときに電気信号が第1の電極および第2の電極によって出力されるものであること。
【0020】
半導体基板の第1の電極は、ハウジングの仕切部と電気的に接続されており、ハウジングとは電気的に独立したリード部材(40)が半導体基板の裏面側にてハウジングに収納されており、このリード部材と半導体基板の第2の電極とが電気的に接続されていること。
【0021】
上記特徴を有する本発明によれば、半導体基板をその表裏両面に電極を設け、当該表裏両面を挟むように仕切部およびリード部材を設けた構成とすることにより、半導体基板の表裏各面の電極の取り出しには、ワイヤボンディングが不要となる。そのため、ハウジングの細径化が図られる。
【0022】
また、測定環境が高温となっても、測定環境側に位置するハウジングの第2の部分は、第1の部分よりも熱伝導率の小さいものであるから、測定環境からの熱が半導体基板へ伝導されるのを抑制することができる。
【0023】
よって、本発明によれば、ハウジングを細径化しつつ、半導体基板の温度上昇を抑制することのできる圧力検出装置を提供することができる。
【0024】
ここで、請求項2に記載の発明のように、ハウジング(10)における第1の部分(11)は金属からなり、第2の部分(12)はセラミックからなるものにできる。
【0025】
また、請求項3に記載の発明のように、圧力伝達部材(20)も、ハウジング(10)の第1の部分(11)よりも熱伝導率の小さいものであることが好ましい。測定環境からの熱が半導体基板へ伝導されるのを抑制するという効果を、より顕著なものにすることができる。
【0026】
この場合、請求項4に記載の発明のように、圧力伝達部材(20)は、ハウジング(10)の第2の部分(12)と同一の材質からなるものにできる。
【0027】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図1は本発明の実施形態に係る圧力検出装置S1の全体を示す概略断面図である。この圧力検出装置S1は、例えばエンジンの燃焼室内の燃焼圧を検出する燃焼圧センサとして適用することができる。
【0029】
ハウジング10は、全体として略円筒形状をなすものであり、一端(図1中の下端)側に位置する第1の部分11と、他端(図1中の上端)側に位置し第1の部分11よりも熱伝導率の小さい第2の部分12と、第1の部分11および第2の部分12を仕切る導電性の仕切部13とからなる。
【0030】
例えば、第1の部分11および仕切部13はステンレス等の金属からなり、第2の部分12はアルミナ等のセラミックからなる。この場合、第1の部分11と仕切部13とは接着や溶接等により接合固定され、第2の部分12と仕切部13とは接着等により接合固定される。
【0031】
また、第2の部分12におけるハウジング10の一端には、圧力Pの印加により歪み変位を発生するダイアフラム14が設けられている。このダイアフラム14は、アルミナ等のセラミックからなり、第2の部分12とは接着等により接合されている。
【0032】
また、第2の部分12の内部には、半導体基板30に圧力Pを伝達するための圧力伝達部材20が設けられている。本実施形態では、この圧力伝達部材20も、ハウジング10の第1の部分11よりも熱伝導率の小さいものであり、具体的には、ハウジング10の第2の部分12と同一の材質、例えばセラミック等からなるものにできる。
【0033】
本例では、圧力伝達部材20は円柱状をなしており、その一端がダイアフラム14に接し、他端が仕切部13に接した形で、ハウジング10の第2の部分12の内部に収納されている。この仕切部13は、その中央部の上下面に突起を有する円板状のものであり、当該突起と圧力伝達部材20とが接している。
【0034】
また、ハウジング10の第1の部分の一端(仕切部13側の端部)側の内部には、半導体基板30が収納されている。ここで、半導体基板30における仕切部13側の面(図1中の上面)が表面であり、当該表面とは反対側の面(図1中の下面)が裏面である。そして、半導体基板30は、表裏両面を隔てる方向つまり厚さ方向に印加される圧力に応じて電気信号を出力するものである。
【0035】
半導体基板30の表面は、仕切部13の突起に接している。また、ハウジング10の第1の部分11の内部において、半導体基板30の裏面側には、ハウジング10とは電気的に独立したリード部材40が収納されている。
【0036】
このリード部材40は銅等の金属製棒状をなすものであり、このリード部材40は、電気絶縁性のアルミナ等のセラミックからなる円柱状のリード保持部材41に挿入され保持されている。リード保持部材41とリード部材40との間は、ハーメチックガラス等によりシールされている。
【0037】
そして、リード部材40の半導体基板30側の端部は、リード保持部材41から突出しており、半導体基板30の裏面に接している。また、この半導体基板30の裏面と接しているリード部材40の端部には、セラミック等からなる電気絶縁性のリング42が挿入されており、このリング42によっても半導体基板30が支持されている。
【0038】
一方、リード部材40における半導体基板30とは反対側の端部は、リード保持部材41から突出して、図示しない外部配線部材と電気的に接続可能となっている。
【0039】
ここで、リード保持部材41は、ハウジング10の第1の部分11の内面に設けられた突起部15、16によって、ハウジング10の長手方向および短手方向へずれないように支持されている。
【0040】
このような圧力検出装置S1においては、ダイアフラム14で受圧された圧力Pは、半導体基板30の表面(図1中の上面)側に位置する圧力伝達部材20から仕切部13を介して、半導体基板30の表面に伝達される。
【0041】
ここで、半導体基板30には、その表裏両面を隔てる方向に圧力が印加されており、上記圧力Pの変化により、半導体基板30から出力される電気信号が変化する。本実施形態における半導体基板30の詳細構成について、図2を参照して述べる。
【0042】
図2は図1中の半導体基板30の近傍部を示す拡大図である。半導体基板30は、例えばN−型のシリコン基板31からなり、そのシリコン基板31の表裏両面の面内に〈110〉結晶軸を有するものである。なお、シリコン基板31の表面および裏面と半導体基板30の表面および裏面とは一致する。
【0043】
シリコン基板31の表面には、リン等の不純物注入や拡散等にて形成された第1のN+層32が形成されるとともに、ボロン等の不純物注入や拡散等にて形成されたP+層33が、第1のN+層32に隣接し且つ〈110〉結晶軸方向に沿って延びるように形成されている。また、シリコン基板31の裏面には、ボロン等の不純物注入や拡散等にて形成された第2のN+層34が形成されている。
【0044】
そして、シリコン基板31の表面および裏面を覆うように、熱酸化等にて形成されたシリコン酸化膜35a、35bが形成され、さらに、これらシリコン酸化膜35a、35bを覆うように、スパッタや蒸着等にて成膜されたアルミ等からなる導電性膜36a、36b、36cが形成されている。
【0045】
ここで、シリコン基板31の表面側のシリコン酸化膜35aには、第1のN+層32とP+層33との接合界面に対応した位置にコンタクトホールが形成されており、当該接合界面と導電性膜36cとが電気的に接続されている。この導電性膜36cは中継電極36cとして構成されている。
【0046】
また、シリコン基板31の表面側のシリコン酸化膜35aには、P+層33のうち第1のN+層32とP+層33との接合界面とは反対側の端部に対応した位置にコンタクトホールが形成されており、当該P+層33の端部と導電性膜36aとが電気的に接続されている。この導電性膜36aは第1の電極36aとして構成されている。
【0047】
また、シリコン基板31の裏面側のシリコン酸化膜35bには、第2のN+層34に対応した位置にコンタクトホールが形成されており、この第2のN+層34と導電性膜36bとが電気的に接続されている。この導電性膜36bは第2の電極36bして構成されている。
【0048】
このように、半導体基板30は、表面に第1の電極36a、裏面に第2の電極36bを有しているが、このような半導体基板30は、周知の半導体製造技術を用いて製造することができる。
【0049】
そして、図2に示すように、半導体基板30の表面側に第1の電極36aは、上記したハウジング10の仕切部13の突起と接して電気的に接続されており、一方、半導体基板30の裏面側の第2の電極36bは、リード部材40と接して電気的に接続されている。
【0050】
ここで、各第1および第2の電極36a、36bと仕切部13およびリード部材40とは、直に接して導通が採られていても良いが、図示しない導電性接着剤や銀ペースト等を介して接した形としても良い。特に、第1の電極36aは圧力を受ける側であるため、圧力の逃げがないように、仕切部13と第1の電極36aとは硬い導電性接着剤を介して固定されていることが好ましい。
【0051】
そして、このような半導体基板30においては、第1の電極36aがGND電位、第2の電極36bが正電位となるように、それぞれ仕切部13、リード部材40を介して電圧が印加される。この電圧印加の状態は図1に示される。
【0052】
なお、この電圧印加の状態は、図1中におけるハウジング10の一端(図1中の下端)に、コネクタ等の外部配線部材を結合することにより、リード部材40が正電位、仕切部13と導通するハウジング10の第1の部分11がGND電位とされることで実現される。
【0053】
そして、この電圧印加状態においては、図2中の矢印に示すように電流が流れる。すなわち、電流は、裏面側の第2の電極36a、第2のN+層34から、シリコン基板31の内部を通って表面側の第1のN+層32、中継電極36c、P+層33へ流れる。そして、P+層33では、〈110〉結晶軸方向に沿って第1の電極36aへと電流が流れる。
【0054】
ここにおいて、上述したように、ダイアフラム14で受圧された圧力Pが、圧力伝達部材20、仕切部13を介して、半導体基板30の表面に伝達されると、半導体基板30には、その表裏両面を隔てる方向に圧力が印加され、歪みが生じる。
【0055】
すると、この歪みに基づいて半導体基板30におけるP+層33の抵抗値が変化し、この抵抗値の変化により、半導体基板30を流れる電流も変化する。この電流変化を、第1および第2の電極36a、36b間から電気信号として検出することにより、印加圧力が求められるようになっている。
【0056】
このように、本実施形態では、上記特許文献3に記載されている表裏両面を隔てる方向に印加される圧力に応じて電気信号を出力する半導体基板30に対して、さらに、表面に第1の電極36a、裏面に第2の電極36bを形成し、電気信号を第1の電極36aおよび第2の電極36bによって出力するようにしている。
【0057】
そして、本実施形態の圧力検出装置S1では、半導体基板30の表裏両面に電極36a、36bを設け、当該表裏両面を挟むようにハウジング10の仕切部13およびリード部材40を設けた構成とすることにより、半導体基板30の表裏各面の電極36a、36bの取り出しには、ワイヤボンディングが不要となっている。
【0058】
そのため、従来のように、半導体基板30の外周にワイヤボンディング用のリード部材を配置することが不要となり、より半導体基板30のサイズに近いサイズにまでハウジング10を細径化することができる。
【0059】
また、本圧力検出装置S1を燃焼圧センサとして適用する場合、ハウジング10における圧力伝達部材20の収納部である第2の部分12をエンジンブロックの穴に挿入することになる。そして、ハウジング10の第2の部分12は高温の測定環境にさらされることになる。
【0060】
ここで、本実施形態では、高温の測定環境側に位置するハウジング10の第2の部分12は、第1の部分11よりも熱伝導率の小さいものであるから、測定環境からの熱が半導体基板30へ伝導されるのを抑制することができる。
【0061】
このように、本実施形態によれば、従来に比べて、ハウジング10を細径化しつつ、半導体基板30の温度上昇を抑制することのできる圧力検出装置S1を提供することができる。
【0062】
また、圧力伝達部材20はステンレス等の金属製であっても良いが、本実施形態のように、圧力伝達部材20も、ハウジング10の第1の部分11よりも熱伝導率の小さいものとすれば、測定環境からの熱が半導体基板30へ伝導されるのを抑制するという効果がより顕著になることは明らかである。
【0063】
さらに、本実施形態では、測定環境にさらされるダイアフラム14もセラミックからなるものとしたことにより、半導体基板30への熱伝導抑制の効果を高めている。なお、ダイアフラム14をステンレス等の金属製としても良く、その場合、従来に比べて、本実施形態の優位性は変わらない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る圧力検出装置の全体概略断面図である。
【図2】図1中の半導体基板の近傍部を示す拡大図である。
【符号の説明】
10…ハウジング、11…ハウジングの第1の部分、
12…ハウジングの第2の部分、13…ハウジングの仕切部、
20…圧力伝達部材、30…半導体基板、36a…第1の電極、
36b…第2の電極、40…リード部材。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a pressure detection device having a semiconductor substrate having a piezo effect as a pressure detection element, and housing a semiconductor substrate and a pressure transmission member for transmitting pressure to the semiconductor substrate, for example, in a combustion chamber of an engine. The present invention can be applied to a pressure detection device that detects the combustion pressure.
[0002]
[Prior art]
A semiconductor substrate having a piezo effect outputs an electrical signal in accordance with the pressure applied in the direction separating the front and back surfaces, that is, in the thickness direction, and utilizes a change in resistance value according to the strain caused by the pressure application. .
[0003]
As a pressure detection device having such a semiconductor substrate as a pressure detection element, a device in which the semiconductor substrate and a pressure transmission member for transmitting pressure to the semiconductor substrate are housed in a metal housing has been proposed (for example, Patent Documents 1 to 3).
[0004]
In such a pressure detection device, an electrode for detection is provided on the surface side of the semiconductor substrate, a lead member is provided on the outer periphery of the semiconductor substrate, and a signal is extracted by wire bonding the electrode and the lead member. Is going.
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 7-253364 [0006]
[Patent Document 2]
JP-A-7-19981 [0007]
[Patent Document 3]
Japanese Patent No. 3166015 [0008]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, for example, when such a pressure detection device is applied to an engine combustion pressure sensor, a housing portion of the pressure transmission member in the housing is inserted into a hole of the engine block, and the pressure in the combustion chamber is received by the pressure transmission member. The pressure is detected by transmitting to the semiconductor substrate.
[0009]
Here, there is a demand for miniaturization and weight reduction for the engine, and it is necessary to reduce the mounting space of the pressure detection device. Therefore, it is desired to reduce the diameter of the pressure detection device, that is, to reduce the diameter of the housing.
[0010]
However, as described above, in the conventional pressure detection device, the lead member is positioned on the outer periphery of the semiconductor substrate in order to perform wire bonding between the semiconductor substrate and the lead member.
[0011]
Therefore, the size of the wire bonding part including the lead member is larger than the size of the semiconductor substrate, and the diameter of the housing is determined by the size of the largest wire bonding part among the housing housing components. In other words, the diameter of the housing is defined by the size of the wire bonding part larger than that of the semiconductor substrate, and there is a restriction on the reduction of the diameter of the pressure detection device.
[0012]
With respect to such a problem, the present inventor can provide electrodes on both the front and back sides of the semiconductor substrate, and sandwich the semiconductor substrate between a part of the metal housing and the lead member. It was considered that wire bonding is not necessary in the take-out, and as a result, the diameter of the housing can be reduced.
[0013]
In this case, in order to obtain electrical continuity, the housing on the surface side of the semiconductor substrate, that is, the side to which pressure is applied, needs to be made of metal. That is, as in the conventional case, if the entire housing is made of metal, an electrode extraction configuration in which the semiconductor substrate is sandwiched is possible.
[0014]
However, if the entire housing is made of metal, in the case of the combustion pressure sensor described above, one end of the housing is exposed to a high-temperature measurement environment such as a combustion chamber, and the high heat is connected to a part of the housing via the housing. Is transmitted to the semiconductor substrate. For this reason, the semiconductor substrate becomes high temperature, which may make it difficult to use the semiconductor substrate.
[0015]
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a pressure detection device capable of suppressing a temperature rise of a semiconductor substrate while reducing the diameter of a housing.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor substrate (30) for outputting an electric signal in accordance with a pressure applied in a direction separating both the front and back surfaces, and a semiconductor provided on the surface side of the semiconductor substrate. A pressure detection device including a pressure transmission member (20) that transmits pressure to a substrate and a housing (10) that houses the semiconductor substrate and the pressure transmission member has the following characteristics.
[0017]
First, the housing includes a first partition (11), a second partition (12) having a lower thermal conductivity than the first partition, and a conductive partition (13) that partitions the first and second sections. ).
[0018]
The semiconductor substrate is accommodated in the first portion of the housing, and the pressure transmission member is accommodated in the second portion of the housing and transmits pressure to the surface of the semiconductor substrate via the partition. .
[0019]
The semiconductor substrate has a first electrode (36a) on the front surface and a second electrode (36b) on the back surface, and an electrical signal is output by the first electrode and the second electrode when pressure is applied. It must be a thing.
[0020]
The first electrode of the semiconductor substrate is electrically connected to the partition portion of the housing, and a lead member (40) electrically independent from the housing is accommodated in the housing on the back side of the semiconductor substrate, The lead member and the second electrode of the semiconductor substrate are electrically connected.
[0021]
According to the present invention having the above characteristics, the electrodes on the front and back surfaces of the semiconductor substrate are provided by providing electrodes on both the front and back surfaces of the semiconductor substrate, and providing the partition portion and the lead member so as to sandwich the front and back surfaces. No wire bonding is required for the removal. Therefore, the housing can be reduced in diameter.
[0022]
Even when the measurement environment becomes high temperature, the second part of the housing located on the measurement environment side has a lower thermal conductivity than the first part, so that heat from the measurement environment is transferred to the semiconductor substrate. Conduction can be suppressed.
[0023]
Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a pressure detection device capable of suppressing the temperature rise of the semiconductor substrate while reducing the diameter of the housing.
[0024]
Here, as in the invention described in claim 2, the first portion (11) of the housing (10) can be made of metal, and the second portion (12) can be made of ceramic.
[0025]
Further, as in the invention described in claim 3, it is preferable that the pressure transmission member (20) also has a smaller thermal conductivity than the first portion (11) of the housing (10). The effect of suppressing the heat from the measurement environment from being conducted to the semiconductor substrate can be made more remarkable.
[0026]
In this case, the pressure transmission member (20) can be made of the same material as that of the second portion (12) of the housing (10).
[0027]
In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means is an example which shows a corresponding relationship with the specific means as described in embodiment mentioned later.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments shown in the drawings will be described below. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the entire pressure detection device S1 according to an embodiment of the present invention. This pressure detection device S1 can be applied as, for example, a combustion pressure sensor that detects the combustion pressure in the combustion chamber of the engine.
[0029]
The housing 10 has a substantially cylindrical shape as a whole, and includes a first portion 11 located on one end (lower end in FIG. 1) and a first portion 11 located on the other end (upper end in FIG. 1). The second portion 12 has a lower thermal conductivity than the portion 11 and a conductive partition 13 that partitions the first portion 11 and the second portion 12.
[0030]
For example, the 1st part 11 and the partition part 13 consist of metals, such as stainless steel, and the 2nd part 12 consists of ceramics, such as an alumina. In this case, the 1st part 11 and the partition part 13 are joined and fixed by adhesion | attachment, welding, etc., and the 2nd part 12 and the partition part 13 are joined and fixed by adhesion | attachment etc.
[0031]
A diaphragm 14 is provided at one end of the housing 10 in the second portion 12 to generate a strain displacement when a pressure P is applied. The diaphragm 14 is made of a ceramic such as alumina, and is joined to the second portion 12 by bonding or the like.
[0032]
In addition, a pressure transmission member 20 for transmitting the pressure P to the semiconductor substrate 30 is provided inside the second portion 12. In the present embodiment, the pressure transmission member 20 also has a lower thermal conductivity than the first portion 11 of the housing 10, and specifically, the same material as the second portion 12 of the housing 10, for example, It can be made of ceramic.
[0033]
In this example, the pressure transmission member 20 has a cylindrical shape, and is housed inside the second portion 12 of the housing 10 such that one end thereof is in contact with the diaphragm 14 and the other end is in contact with the partition portion 13. Yes. This partition part 13 is a disk-shaped thing which has a processus | protrusion on the upper and lower surfaces of the center part, and the said processus | protrusion and the pressure transmission member 20 are contacting.
[0034]
In addition, the semiconductor substrate 30 is accommodated inside one end (end portion on the partitioning portion 13 side) of the first portion of the housing 10. Here, the surface (upper surface in FIG. 1) on the side of the partition portion 13 in the semiconductor substrate 30 is the front surface, and the surface opposite to the front surface (the lower surface in FIG. 1) is the back surface. The semiconductor substrate 30 outputs an electrical signal according to the pressure applied in the direction separating the front and back surfaces, that is, in the thickness direction.
[0035]
The surface of the semiconductor substrate 30 is in contact with the projection of the partition part 13. In addition, in the first portion 11 of the housing 10, a lead member 40 that is electrically independent from the housing 10 is accommodated on the back side of the semiconductor substrate 30.
[0036]
The lead member 40 is in the form of a metal rod such as copper, and the lead member 40 is inserted and held in a columnar lead holding member 41 made of ceramic such as electrically insulating alumina. The space between the lead holding member 41 and the lead member 40 is sealed with hermetic glass or the like.
[0037]
The end portion of the lead member 40 on the semiconductor substrate 30 side protrudes from the lead holding member 41 and is in contact with the back surface of the semiconductor substrate 30. In addition, an electrically insulating ring 42 made of ceramic or the like is inserted into the end of the lead member 40 in contact with the back surface of the semiconductor substrate 30, and the semiconductor substrate 30 is also supported by the ring 42. .
[0038]
On the other hand, the end of the lead member 40 opposite to the semiconductor substrate 30 protrudes from the lead holding member 41 and can be electrically connected to an external wiring member (not shown).
[0039]
Here, the lead holding member 41 is supported by projections 15 and 16 provided on the inner surface of the first portion 11 of the housing 10 so as not to be displaced in the longitudinal direction and the short direction of the housing 10.
[0040]
In such a pressure detection device S1, the pressure P received by the diaphragm 14 is transmitted from the pressure transmission member 20 located on the surface (upper surface in FIG. 1) side of the semiconductor substrate 30 via the partitioning portion 13 to the semiconductor substrate. Transmitted to 30 surfaces.
[0041]
Here, a pressure is applied to the semiconductor substrate 30 in a direction separating both the front and back surfaces, and an electric signal output from the semiconductor substrate 30 is changed by the change in the pressure P. A detailed configuration of the semiconductor substrate 30 in the present embodiment will be described with reference to FIG.
[0042]
FIG. 2 is an enlarged view showing the vicinity of the semiconductor substrate 30 in FIG. The semiconductor substrate 30 is made of, for example, an N-type silicon substrate 31 and has <110> crystal axes in both the front and back surfaces of the silicon substrate 31. Note that the front and back surfaces of the silicon substrate 31 and the front and back surfaces of the semiconductor substrate 30 coincide.
[0043]
On the surface of the silicon substrate 31, a first N + layer 32 formed by impurity implantation or diffusion of phosphorus or the like is formed, and a P + layer 33 formed by impurity implantation or diffusion of boron or the like is formed. , Adjacent to the first N + layer 32 and extending along the <110> crystal axis direction. A second N + layer 34 formed by impurity implantation such as boron or diffusion is formed on the back surface of the silicon substrate 31.
[0044]
Then, silicon oxide films 35a and 35b formed by thermal oxidation or the like are formed so as to cover the front and back surfaces of the silicon substrate 31, and further, sputtering, vapor deposition or the like is performed so as to cover these silicon oxide films 35a and 35b. Conductive films 36a, 36b and 36c made of aluminum or the like are formed.
[0045]
Here, a contact hole is formed in the silicon oxide film 35a on the surface side of the silicon substrate 31 at a position corresponding to the bonding interface between the first N + layer 32 and the P + layer 33. The film 36c is electrically connected. The conductive film 36c is configured as a relay electrode 36c.
[0046]
Further, a contact hole is formed in the silicon oxide film 35a on the surface side of the silicon substrate 31 at a position corresponding to the end portion of the P + layer 33 opposite to the bonding interface between the first N + layer 32 and the P + layer 33. The end of the P + layer 33 and the conductive film 36a are electrically connected. The conductive film 36a is configured as a first electrode 36a.
[0047]
Further, a contact hole is formed in the silicon oxide film 35b on the back surface side of the silicon substrate 31 at a position corresponding to the second N + layer 34, and the second N + layer 34 and the conductive film 36b are electrically connected. Connected. The conductive film 36b is configured as a second electrode 36b.
[0048]
As described above, the semiconductor substrate 30 has the first electrode 36a on the front surface and the second electrode 36b on the back surface, and such a semiconductor substrate 30 is manufactured using a known semiconductor manufacturing technique. Can do.
[0049]
As shown in FIG. 2, the first electrode 36 a is electrically connected to the surface side of the semiconductor substrate 30 in contact with the protrusions of the partition portion 13 of the housing 10, while The second electrode 36 b on the back surface side is in contact with and electrically connected to the lead member 40.
[0050]
Here, each of the first and second electrodes 36a and 36b, the partition portion 13 and the lead member 40 may be in direct contact with each other, and may be electrically connected. However, a conductive adhesive or silver paste (not shown) may be used. It is good also as the form which touched through. In particular, since the first electrode 36a is on the pressure receiving side, the partition portion 13 and the first electrode 36a are preferably fixed via a hard conductive adhesive so that there is no escape of pressure. .
[0051]
In such a semiconductor substrate 30, a voltage is applied via the partition portion 13 and the lead member 40 so that the first electrode 36 a has a GND potential and the second electrode 36 b has a positive potential. This voltage application state is shown in FIG.
[0052]
This voltage application state is such that the lead member 40 is electrically connected to the partition portion 13 by connecting an external wiring member such as a connector to one end (the lower end in FIG. 1) of the housing 10 in FIG. This is realized by setting the first portion 11 of the housing 10 to the GND potential.
[0053]
In this voltage application state, a current flows as shown by an arrow in FIG. That is, current flows from the second electrode 36a and the second N + layer 34 on the back surface side through the inside of the silicon substrate 31 to the first N + layer 32, the relay electrode 36c, and the P + layer 33 on the front surface side. In the P + layer 33, a current flows to the first electrode 36a along the <110> crystal axis direction.
[0054]
Here, as described above, when the pressure P received by the diaphragm 14 is transmitted to the surface of the semiconductor substrate 30 via the pressure transmission member 20 and the partitioning portion 13, both the front and back surfaces of the semiconductor substrate 30 are transferred to the semiconductor substrate 30. Pressure is applied in the direction separating the two, and distortion occurs.
[0055]
Then, the resistance value of the P + layer 33 in the semiconductor substrate 30 changes based on this strain, and the current flowing through the semiconductor substrate 30 also changes due to the change in resistance value. By detecting this change in current as an electrical signal from between the first and second electrodes 36a, 36b, the applied pressure can be obtained.
[0056]
As described above, in the present embodiment, the surface of the semiconductor substrate 30 that outputs an electric signal according to the pressure applied in the direction separating the front and back surfaces described in Patent Document 3 is further provided on the surface. A second electrode 36b is formed on the back surface of the electrode 36a, and an electric signal is output by the first electrode 36a and the second electrode 36b.
[0057]
In the pressure detection device S1 of the present embodiment, the electrodes 36a and 36b are provided on the front and back surfaces of the semiconductor substrate 30, and the partition portion 13 and the lead member 40 of the housing 10 are provided so as to sandwich the front and back surfaces. Thus, wire bonding is not necessary for taking out the electrodes 36a and 36b on the front and back surfaces of the semiconductor substrate 30.
[0058]
Therefore, unlike the prior art, it is not necessary to arrange lead members for wire bonding on the outer periphery of the semiconductor substrate 30, and the housing 10 can be reduced in size to a size closer to the size of the semiconductor substrate 30.
[0059]
Moreover, when applying this pressure detection apparatus S1 as a combustion pressure sensor, the 2nd part 12 which is the accommodating part of the pressure transmission member 20 in the housing 10 will be inserted in the hole of an engine block. The second portion 12 of the housing 10 is exposed to a high temperature measurement environment.
[0060]
Here, in this embodiment, since the second portion 12 of the housing 10 located on the high temperature measurement environment side has a lower thermal conductivity than the first portion 11, heat from the measurement environment is a semiconductor. Conduction to the substrate 30 can be suppressed.
[0061]
Thus, according to the present embodiment, it is possible to provide the pressure detection device S1 that can suppress the temperature rise of the semiconductor substrate 30 while reducing the diameter of the housing 10 as compared with the conventional case.
[0062]
Further, although the pressure transmission member 20 may be made of metal such as stainless steel, the pressure transmission member 20 is also assumed to have a lower thermal conductivity than the first portion 11 of the housing 10 as in the present embodiment. For example, it is clear that the effect of suppressing the heat from the measurement environment from being conducted to the semiconductor substrate 30 becomes more remarkable.
[0063]
Furthermore, in this embodiment, the diaphragm 14 exposed to the measurement environment is also made of ceramic, so that the effect of suppressing heat conduction to the semiconductor substrate 30 is enhanced. The diaphragm 14 may be made of metal such as stainless steel, and in this case, the superiority of the present embodiment does not change compared to the conventional case.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall schematic cross-sectional view of a pressure detection device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged view showing a vicinity of a semiconductor substrate in FIG.
[Explanation of symbols]
10 ... housing, 11 ... first part of housing,
12 ... 2nd part of housing, 13 ... Partition part of housing,
20 ... Pressure transmission member, 30 ... Semiconductor substrate, 36a ... First electrode,
36b ... second electrode, 40 ... lead member.

Claims (4)

表裏両面を隔てる方向に印加される圧力に応じて電気信号を出力する半導体基板(30)と、
前記半導体基板の表面側に設けられ前記半導体基板に圧力を伝達する圧力伝達部材(20)と、
前記半導体基板および前記圧力伝達部材を収納するハウジング(10)とを備える圧力検出装置において、
前記ハウジングは、第1の部分(11)と前記第1の部分よりも熱伝導率の小さい第2の部分(12)と前記第1の部分および前記第2の部分を仕切る導電性の仕切部(13)とからなり、
前記半導体基板は、前記ハウジングの前記第1の部分に収納され、
前記圧力伝達部材は、前記ハウジングの前記第2の部分に収納されるとともに前記仕切部を介して前記半導体基板の表面に圧力を伝達するようになっており、
前記半導体基板は、表面に第1の電極(36a)、裏面に第2の電極(36b)を有し、圧力が印加されたときに前記電気信号が前記第1の電極および前記第2の電極によって出力されるものであり、
前記半導体基板の前記第1の電極は、前記ハウジングの前記仕切部と電気的に接続されており、
前記ハウジングとは電気的に独立したリード部材(40)が前記半導体基板の裏面側にて前記ハウジングに収納されており、このリード部材と前記半導体基板の前記第2の電極とが電気的に接続されていることを特徴とする圧力検出装置。
A semiconductor substrate (30) for outputting an electrical signal in accordance with a pressure applied in a direction separating the front and back surfaces;
A pressure transmission member (20) provided on the surface side of the semiconductor substrate for transmitting pressure to the semiconductor substrate;
In a pressure detection device comprising the semiconductor substrate and a housing (10) for housing the pressure transmission member,
The housing comprises a first part (11), a second part (12) having a lower thermal conductivity than the first part, and a conductive partition part that partitions the first part and the second part. (13)
The semiconductor substrate is housed in the first portion of the housing;
The pressure transmission member is housed in the second portion of the housing and transmits pressure to the surface of the semiconductor substrate through the partition portion.
The semiconductor substrate has a first electrode (36a) on the front surface and a second electrode (36b) on the back surface, and when the pressure is applied, the electrical signal is transmitted to the first electrode and the second electrode. Is output by
The first electrode of the semiconductor substrate is electrically connected to the partition portion of the housing;
A lead member (40) electrically independent of the housing is housed in the housing on the back side of the semiconductor substrate, and the lead member and the second electrode of the semiconductor substrate are electrically connected. A pressure detection device characterized by being provided.
前記ハウジング(10)における前記第1の部分(11)は金属からなり、前記第2の部分(12)はセラミックからなることを特徴とする請求項1に記載の圧力検出装置。The pressure detection device according to claim 1, wherein the first portion (11) of the housing (10) is made of metal, and the second portion (12) is made of ceramic. 前記圧力伝達部材(20)も、前記ハウジング(10)の前記第1の部分(11)よりも熱伝導率の小さいものであることを特徴とする請求項1または2に記載の圧力検出装置。The pressure detection device according to claim 1 or 2, wherein the pressure transmission member (20) also has a lower thermal conductivity than the first portion (11) of the housing (10). 前記圧力伝達部材(20)は、前記ハウジング(10)の前記第2の部分(12)と同一の材質からなることを特徴とする請求項3に記載の圧力検出装置。The pressure detection device according to claim 3, wherein the pressure transmission member (20) is made of the same material as the second portion (12) of the housing (10).
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