JPS61245036A - 半導体圧力検出装置 - Google Patents

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］ この発明は、例えば自動車のエンジン制御用として効果
的に使用され、例えば吸気圧力等の気体圧力状態を検出
する半導体圧力検出装置に関する。

［背景技術］ 例えば、自動車用のエンジンを電子的に制御する場合、
このエンジンの運転状態に対応する種々の情報が要求さ
れるものであり、例えば大気圧または基準圧力と、エン
ジン吸入空気圧力との差を電気信号に変換検出し、この
吸気圧検出信号をエンジンに供給する燃料量の演算制御
のために使用することが行われている。そして、このた
めに半導体圧力検出装置が使用されるものであるが、こ
の圧力検出装置はシリコン等の半導体材料によって構成
したダイヤフラムを備え、このダイヤフラムに対して作
用した圧力をこのダイヤフラムに対して形成した歪ゲー
ジによって検出するようにして、検出圧力に対応した電
気的な信号が発生されるようにしている。

上記歪ゲージによって発生された電気的な信号は、温度
補償増幅を行う増幅回路部分に対して供給され、この増
幅回路から圧力検出信号が出力されるようになっている
。そして、この増幅回路部分は、通常厚膜基板に対して
抵抗素子とオペアンプ部分とを形成するようにして構成
されているもので、上記ダイヤフラム部分と上記増幅回
路部分とをプリント基板によって結合し、ざらに樹脂ケ
ース等に対してパッケージするようにしている。

しかし、このように構成したのでは、形状が必然的に大
きくなるものであり、また部品点数も増加して低廉化が
困難となる傾向にあるものである。

［発明が解決しようとする問題点コ この発明は上記のような点に鑑みなされたもので、充分
に小型化した構成が可能となり、例えば自動車用のエン
ジン制御用の吸気圧検出装置として効果的に使用される
ように簡易化して構成し、測定精度も充分信頼性が得ら
れるように設定できるようにする半導体圧力検出装置を
提供しようとするものである。

［問題点を解決するための手段］ すなわち、この発明に係る半導体圧力検出装置にあって
は、半導体ダイヤフラムの圧力感知領域に歪ケージを形
成すると共に、このダイヤラフラムの非圧力感知部分に
上記歪ゲージ部分から発生される信号を処理する回路を
、半導体回路製造技術によって形成するものであり、こ
の半導体ダイヤフラムは、このダイヤフラムと線膨脹率
が近似した材料によって構成した台座を介して基板に取
付は設定する。またこの基板上には、上記処理回路の少
なくともファンクショントリム抵抗を形成した抵抗アレ
イ素子が、上記ダイヤフラム面と上面が略一致するよう
な状態で取付けられ、この抵抗アレイ素子と上記ダイヤ
フラムに形成した処理回路部分とがワイヤによって接続
されるようにしている。

［作用］ 上記のように構成される圧力検出装置にあっては、圧力
を検出する半導体ダイヤフラムに対して、圧力が作用す
ることによるダイヤフラムの変形を検出する歪ゲージを
形成すると共に、このゲージ部分からの検出信号を処理
する処理回路が形成されているものであり、この処理回
路の少なくともファンクショントリム抵抗部分が独立し
た状態で形成され、上記ダイヤフラムと共通の基板に対
して取付は設定されるようになっている。したがって、
非常に小型化して簡単に構成できるようになるものであ
り、上記トリム抵抗の調節も簡易化して実行されるよう
になる。また、上記ダイヤフラムがこのダイヤフラムと
線膨脹率の近似した材料によって構成した台座上に支持
設定されるものであるため、このダイヤフラムに対して
熱歪みが加わらない状態にすることができるものであり
、このダイヤフラム面と上記トリム抵抗アレイ素子との
面を略一致させるようにすることによって、この両者間
のワイヤ接続状態の信頼性も著しく向上されるようにな
る。

［実施例］ 以下、図面を参照してこの発明の一実施例を説明する。

第１図はその構成を示すものであって、圧力検出素子と
なる半導体ダイヤフラム１１は、＜１００＞結晶軸を有
するＰ型シリコン基板によって構成される。このダイヤ
フラム１１は、第２図に取出して示すようにその裏面部
分には異方性エツチング等によって凹部を形成し、受圧
面１２が構成されるようになっている。またこの受圧面
と反対方向の表面部分には、その中央部分に対応してピ
エゾ拡散抵抗素子をブリッジ回路が構成されるように形
成し、抵抗歪ゲージ１３が形成される。すなわち、上記
ダイヤフラム１１を構成するＰ型シリコン基板上にエピ
タキシャル成長によってＮ型単結晶層を成長させた、い
わゆるバイポーラＩＣ用埋め込みエビウェファを母材と
し、この片面にピエゾ抵抗を形成させてブリッジ回路を
構成する抵抗歪ゲージ１３を形成させるようにしている
。

すなわち、上記半導体ダイヤフラム１１の受圧面１２に
対して圧力が加わり、このダイヤフラムが変形すると、
上記圧力の大きざに比例して受圧面１２の表面側に応力
が生じ、ピエゾ抵抗素子に抵抗値変化が起り、作用した
圧力値に対応した電気的な検出信号が、上記抵抗歪ゲー
ジ１３から得られるようになり高精度の圧力検出動作が
実行されるようになるものである。

ここで、半導体ダイヤフラム１１のピエゾ抵抗素子の配
置、受圧面１２の形状等は、一般的なディスクリート型
シリコンダイヤフラムと同じ構造でよい。

また、このようなピエゾ抵抗素子による抵抗歪ゲージ１
３からの上記圧力検出信号の処理回路は、通常第３図に
示すように構成されている。すなわち、この処理回路に
あっては、固定抵抗素子を含むオペアンプ（ＯＰ１〜０
Ｐ３）回路と、ファンクショントリム抵抗Ｒ１およびＲ
２によって構成されるものであるが、このように信号処
理回路の中で少なくとも上記ファンクショントリム抵抗
Ｒ１およびＲ２を除いた受動素子および能動素子部分は
、バイポーラＩＣ技術を用いて、上記半導体ダイヤフラ
ム１１の圧力感知領域にある抵抗歪ゲージ１３の外周部
分、すなわち非圧力感知領域に相当するダイヤフラムの
固定部分において、検出回路１４を形成させるようにす
る。

上記信号処理回路を構成する少なくともファンクション
トリム抵抗Ｒ１およびＲ２は、独立した抵抗アレイ素子
１５として第４図に取り出して示すように構成される。

すなわち、厚さ０．３５〜０．４５ｍ１ｌｌのシリコン
単結晶基板１５１上にＳｉＯ２膜、Ｓｉ　３　Ｎ４膜等
による絶縁膜１５２を、熱酸化、ＣＶＤ法等によって成
長させる。そして、この絶縁膜１５２上に薄膜蒸着技術
によってＴａ　−Ｎ、Ｎ＋−ｃｒ等の薄膜抵抗体１５３
を形成し、ホトリソによって所定の形状にパターニング
し、さらにアルミニウム蒸着膜等によって配線および電
極１５４を形成させて構成されるものである。

このように構成される抵抗アレイ素子１５は、上記半導
体ダイヤフラム１１の取付は設定される例えば金属製の
基板１６に対して接着剤１７によって取付は設定される
ものであり、この基板１６に対しては上記ダイヤフラム
１１の取付は穴が形成されている。

そして、この取付は大部分には、第５図に取り出して示
すように圧力導入パイプ１８が上記取付は穴を塞ぐよう
な状態で基板１６に対して取付けられているもので、こ
の導入パイプ１８に対して台座１９が設けられ、この台
座１９に対して上記半導体ダイヤフラム１１が取付けら
れ、支持設定されているものである。

上記台座１９は、半導体ダイヤフラム１１と圧力導入パ
イプ１８との線膨脹率の違いにより生ずる熱応力を、ダ
イヤフラム１１に形成した抵抗歪ゲージ１３に対して伝
達されないように、シリコシ、パイレックスガラス等の
ダイヤフラム１１と線膨脹率の近似（この場合、同一も
含めて近似と呼んでいる）した厚さ３ｍｍ程度の材料に
よって構成されているもので、この台座１９とダイヤフ
ラム１１とはガラス接着、半田接着、陽極接合等によっ
て接合封止されているものである。

上記金属製の基板１６は、例えば鉄または鉄合金によっ
て構成され、上記圧力検出素子となるダイヤフラム１１
、抵抗アレイ素子１５等を収納するパッケージの一部と
なるものであり、この基板１６の一部には第１図で示さ
れるようにハーメチックシール端子２４が埋設され、こ
のハーメチック端子２４と素子のパッド部とがワイヤボ
ンディングされている。そして、これによって電源入力
、検出信号等が外部に対して入出力されるようになる。

また、圧力導入パイプ１８はシリコンと近似した線膨脹
率を有するコバール、４−２アロイ等の金属材料で構成
される。ただし、基板１６と導入パイプ１８との接合封
止はロウ付けまたは抵抗溶接により行うようにする。そ
して、台座１９と導入パイプ１８とは、ガラス接着、半
田接着、陽極接合等によって接合封止する。

ここで基板１６の肉厚は、半導体ダイヤフラム１１の上
面と抵抗アレイ素子１５の上面のそれぞれポンディング
パッドが同一平面上に、若しくは０〜００５ｍｍ以内の
段差になるように設定するものであり、ダイヤフラム１
１の面上の検出回路１４と抵抗アレイ素子１５とをボン
ディングワイヤ２０あるいはリード線による結線が容易
にされるようにする。

このボンディングワイヤ２０は、アルミニウムもしくは
金線によって構成する。

上記基板１６に対しては、上記半導体ダイヤフラム１１
および抵抗アレイ素子１５部分を覆うように例えば鉄ま
たは鉄台金製のキャップ２１が設定されているものであ
り、このキャップ２１の内部領域２２が圧力基準卒とし
て設定されるようにする。絶対圧センサとして使用する
場合には、キャップ２１に形成される封止穴２３および
封止半田を用いて、上記内部領域２２をｉＱ’Ｔｏｒｒ
前後の真空室状態に設定する。

すなわち、圧力導入パイプ１８に対して圧力が作用する
と、ダイヤフラム１１に対して応力が発生し、抵抗歪ゲ
ージ１３において上記応力に応じた電気信号が発生され
る。この電気信号は、上記歪ゲージ１３の周辺部分の固
定部に配置形成したＩＣ回路による検出回路１４および
抵抗アレイ素子１５によって構成される増幅、温度補償
回路によって、圧力検出信号としてハーメチックシール
端子２４より出力されるようになる。

ここで、上記のような信号処理回路を構成するファンク
ショントリム抵抗Ｒ１およびＲ２は、抵抗アレイ素子１
５として独立して設定されるものであるため、通常レー
ザビームによって行われるこの各抵抗素子のトリミング
時に、このトリミング動作に対応して発生する電気的ノ
イズによるＩＣ回路部の誤動作を効果的に防止すること
ができる。

したがって、高精度の半導体圧力検出装置を量産する場
合に特に大きな効果を発揮するようになる。

この場合、−３０〜＋１００℃の温度範囲で、総合精度
１％Ｆ３以下が達成可能となる。

さらに、圧力導入パイプ１８の端面と半導体ダイヤフラ
ム１１との間に、同一か若しくは極めて近い状態の線膨
脹率を有する台座１９が設定されているものであるため
、熱応力による特性誤差が低減できるようになるもので
あるが、ダイヤフラム１１の面上と抵抗アレイ素子１５
の面上とに大きな段差が存在する場合には、この両者間
のワイヤボンディングの信頼性に問題がある。しかしな
がら、上記実施例で示したように上記両者間の段差を略
一致するような状態にすることによって、ワイヤボンデ
ィングの信頼性が確実に向上され、この検出装置の信頼
性が向上されるものである。

尚、上記抵抗アレイ素子１５を構成する基板１５１とし
て、ガラス板、セラミック板等の絶縁体を用いるように
してもよい。この場合、実施例で示したシリコン単結晶
板の場合と同一の手段によって抵抗アレイが形成できる
ものであり、特に絶縁膜を形成させることなく直接的に
薄膜抵抗を蒸着できるようになる。

また、キャップ２１の内部領域２２が大気圧でおる場合
、いわゆるゲージ圧センサに限定されるような状態とな
るが、このような場合には上記キャップ２１をＰＢＴ、
ＰＰＳ等の樹脂によって構成することが可能となる。こ
の場合、基板１６と圧力導入パイプ１８との接合は、超
音波溶着あるいは接着剤によって行えばよい。また、基
板１６とパイプ１８とはインサートモールドによって一
体化して構成してもよい。このようにすれば、コスト面
で有利にできる。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明に係る半導体圧力検出装置におっ
ては、半導体ダイヤフラムを信号処理回路と共に構成さ
れるようになるものであるため、充分小型化して構成で
きるものでおる。この場合、上記処理回路の少なくとも
ファンクショントリム抵抗は独立して抵抗アレイ素子と
して設定されるものであるため、その抵抗値のトリミン
グ作業が上記ＩＣ回路によって構成されるようになる処
理回路に対して影響を与えることなく実行されるように
なり、検出装置の信号処理においてその信頼性が大きく
向上されるようになる。さらに、このトリム抵抗とＩＣ
回路部分とを接続するワイヤ接続状態の信頼性も向上さ
れるようになっているものであり、この圧力検出装置は
例えば自動車用のエンジン制御システムにおいて効果的
に使用できるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る半導体圧力検出装置
を示すもので、（Ａ＞は内部構成を平面から見た図、（
Ｂ）は側面図、（Ｃ）は側面から見た断面図、第２図は
上記検出装置を構成する半導体ダイヤフラムを取り出し
て示すもので、（Ａ＞は平面図、（Ｂ）は断面図、第３
図は上記検出装置における信号処理回路を示す図、第４
図および第５図はそれぞれ上記実施例の抵抗アレイ素子
部分およびダイヤフラム部分の取付は構造を拡大して示
す図である。 １１・・・半導体ダイヤフラム、１２・・・受圧面、１
３・・・抵抗歪ゲージ、１４・・・検出回路（信号処理
回路の能動素子、受動素子）、１５・・・抵抗アレイ素
子、１６・・・基板、１８・・・圧力導入パイプ、１９
・・・台座、２０・・・ボンディングワイヤ、２４・・
・ハーメチック端子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　圧力感知領域に歪ゲージが形成され、非圧力感知領域
   に圧力検出処理回路の能動素子および受動素子が形成さ
   れた半導体ダイヤフラムと、この半導体ダイヤフラムに
   近似した線膨脹率を有し上記半導体ダイヤフラムを支持
   する台座と、この台座を介して上記半導体ダイヤフラム
   を支持する基板と、 上記圧力検出処理回路を構成する少なくともフアンクシ
   ヨントリム抵抗が形成され、上記基板に対して上記半導
   体ダイヤフラムの上面と略一致するような状態に取付け
   設定された抵抗アレイ素子と、 上記半導体ダイヤフラムの一部分に形成された上記処理
   回路部分と上記抵抗アレイ素子とを接続設定するワイヤ
   と、 を具備したことを特徴とする半導体圧力検出装置。