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JP2583137B2 - 半導体圧力センサ - Google Patents

半導体圧力センサ

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JP2583137B2
JP2583137B2 JP1343078A JP34307889A JP2583137B2 JP 2583137 B2 JP2583137 B2 JP 2583137B2 JP 1343078 A JP1343078 A JP 1343078A JP 34307889 A JP34307889 A JP 34307889A JP 2583137 B2 JP2583137 B2 JP 2583137B2
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JP
Japan
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pressure
stem
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勝吾 浅野
貴志 森川
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、自動車などに搭載する内燃機関の吸入空気
圧や大気圧又は排気などを検出するのに用いる半導体圧
力センサに関するものである。
(従来の技術) 近年、自動車などの燃料の節約や排出ガス規制などの
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
御などを種々のセンサを用いて行うようになってきた。
このエンジンの電子制御では、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が極めて重要なこと
で、信頼性の高い圧力センサが要求され、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。
従来のこの種の圧力センサについて第2図により説明
する。
同図は従来の半導体圧力センサの断面図で、周縁に段
部1aを設けたステム1は、下面にろう付けなどにより固
着した圧力導入用パイプに連通する貫通孔1bと、リード
ピン3を挿通する2個の小貫通孔1cが設けられている。
なお、上記の小貫通孔1cに挿通したリードピン3は、小
貫通孔1cとの隙間をガラス4を用いてハーメチック封止
して固定されている。
表面に圧力検出用のホィートストンブリッジ抵抗を形
成したダイアフラム5aを設けたシリコンダイアフラムチ
ップ5は、上記のステム1の上面中央に接着剤6で固定
した、中央に上記のダイアフラム5aに連通する貫通孔7a
が形成された台座7の上に固着されている。なお、上記
の台座7は、上記のシリコンダイアフラムチップ5と近
似の熱膨張係数を有する材料を用い、上記のステム1か
らの熱応力を緩和するための円周溝7bが設けられてい
る。また、上記のホィートストンブリッジ抵抗のブリッ
ジ電極(図示せず)は、上記のリードピン3と導電性の
ワイヤ8で接続されている。
上記のステム1の段部1aに固着した有底円筒状のキャ
ップ9は、上記のシリコンダイアフラムチップ5と台座
7を覆って、真空室11を形成するもので、上面中央には
んだ10で密封されている封止孔9aが設けられている。
このように構成された半導体圧力センサの組立法につ
いて説明する。
まず、ステム1に圧力導入用パイプ2をろう付けした
後、小貫通孔1cにリードピン3を挿通し、ガラス4で固
着する。一方、台座7の上にシリコンダイアフラムチッ
プ5を固着する。次に、ステム1の上面中央に、接着剤
6を用いて、上記の台座7を取り付け、続いて、ブリッ
ジ電極とリードピン3の先端とをワイヤ8で接続する。
次に、封止孔9aをそのままにして、キャップ9を圧接又
は溶接によってステム1の段部1aに封着する。次に、真
空中に置き、キャップ9の中の空気を抜くと同時に、は
んだ10を用い封止孔9aを密封し、真空室11を形成する。
このようにして組み立てられた半導体圧力センサは、
シリコンダイアフラムチップ5のダイアフラム5aが真空
室11の中に収納されているので、この真空圧を基準圧と
して、圧力導入用パイプ2が導入する流体の絶対圧を測
定できる。
(発明が解決しようとする課題) しかしながら、上記の構成では、基本的に1個のセン
サで1つの絶対圧しか測定できず、また、ステム1から
台座7を介してシリコンダイアフラムチップ5に及ぼす
熱応力の影響が大きく、これがシリコンダイアフラムチ
ップ5を歪ませるため、ダイアフラム5aに形成されたホ
ィートストンブリッジ抵抗の値が温度によってばらつ
き、従って、圧力検出特性が安定しないという問題があ
った。なお、この問題は、主にシリコンダイアフラムチ
ップ5,ステム1,台座7および接着剤6の熱膨張係数の違
いに起因するものである。
このため上述のように、台座7は、シリコンダイアフ
ラムチップ5と近似の熱膨張係数を有する材質を用い、
台座7の厚さを厚くしたり、あるいは円周溝7bを設けて
いるが、これは台座7の加工性を低下し、製造コストを
高くするばかりでなく、信頼性を低下するという問題が
あった。
本発明は上記の問題を解決するもので、1個のセンサ
で少なくとも2つの絶対圧を同時に検出することができ
るとともに構造が単純で、信頼性が高く特性の安定した
半導体圧力センサを提供するものである。
(課題を解決するための手段) 上記の課題を解決するため、本発明は、それぞれにシ
リコンダイアフラムチップを固着した少なくとも2個の
台座を取り付ける凹みを形成した、シリコンダイアフラ
ムチップと近似の熱膨張係数を有するスペーサと、上記
のスペーサが接着される凹みおよび複数本のリードピン
がガラス封着される凹みを一体成形したステムと、上記
のシリコンダイアフラムチップのダイアフラムに連通す
る上記のステムの貫通孔に、フィルタを介して接続され
た圧力導入用パイプと、検出した抵抗値を処理する回路
基板とからなり、ステムに密封接着したキャップにより
上記のシリコンダイアフラムおよび回路基板を覆う密閉
室を形成し、密閉室を真空あるいはガス封入による基準
圧力部とするものである。
(作用) 上記の構成により、大気圧と吸気マニホールド圧など
少なくとも2箇所の圧力が同時に測定でき、真空の場合
には絶対圧が直接に、また、ガス封入の場合には回路に
より補正されて絶対圧値として出力される。また、台座
およびスペーサは、シリコンダイアフラムチップと近似
の熱膨張係数を有するので、ステムからの熱応力の影響
がなくなり、熱応力に起因する抵抗値のばらつきがなく
なる。また、圧力導入用パイプの上部にフィルタを内蔵
しているため、圧力導入ホースに直接接着できる圧力ト
ランスデューサとして使用することができる。
(実施例) 本発明の一実施例を第1図(a),(b),(c),
(d)および(e)により説明する。
第1図(a),(b),(c),(d)および(e)
は、それぞれ本発明による半導体圧力センサの平面断面
図,正面断面図、左から見た側面断面図、右から見た側
面断面図および要部正面断面図である。同図において、
金属板をプレス成形した方形のステム12は、底部に2個
の貫通孔12aおよび12bが形成された凹部12cと4本のリ
ードピン13,14,15および16がガラス17によって、気密固
定される凹部12dが設けられている。なお、凹部12dは、
第1図(d)の如く1個ではなく、各リードピン13,14,
15および16ごとに独立した4個の凹みにしてもよい。リ
ードピン13は電源供給用、リードピン14および15は出力
用、リードピン16はアース用で、それぞれに貫通コンデ
ンサ18,19,20および21の内径電極部(図示せず)とはん
だ付けなどによって接続されている。また、貫通コンデ
ンサ18,19,20および21の外径電極部(図示せず)は、接
続バンド22とはんだ付けで接続され、さらにステム12に
固定され電気的に接続されている。ステム12の凹部12c
の下面に、貫通孔12aおよび12bに連通するように、圧力
導入用パイプ23および24が、それぞれフィルタ25および
26を介して溶接などの手段によって、気密接合されてい
る。
上記のステム12の凹部12cに気密に接合されたスペー
サ27は、上記の貫通孔12aおよび12bに対応する箇所に、
それぞれシリコンダイアフラムチップ28および29を固着
した台座30および31が気密に固着される収納凹み27aお
よび27bが形成され、その底面中央に上記の貫通孔12aお
よび12bに連通する貫通孔27cおよび27dが設けられてい
る。なお、上記のシリコンダイアフラムチップ28および
29の中央には、表面にホィートストンブリッジ抵抗(図
示せず)が形成されたダイアフラム28aおよび29aがそれ
ぞれ形成されている。また、上記の台座30および31はそ
れぞれ上記のステム12およびスペーサ27の貫通孔12aと2
7c、および12bと27dにそれぞれ連通する貫通孔30aおよ
び31aが設けられており、圧力導入用パイプ23および24
の導入する流体の圧力を、ダイアフラム28aおよび29aに
印加できるように構成されている。
ホィートストーンブリッジの出力する抵抗値から絶対
圧力値を算出する演算回路が形成された回路基板32は、
スペーサ27に形成された位置決め用突起27eと、これに
嵌合する回路基板32の位置決め用孔32aで位置決めされ
て、スペーサ27に装着され、上記の演算回路の入力端子
部と、前記のシリコンダイアフラムチップ28および29上
のホィートストンブリッジ抵抗のブリッジ電極とが、導
電性のワイヤ33で接続され、さらに、電源入力端子部、
出力端子部および接地端子部と、前記のリードピン13,1
4,15および16とが電気的に接続されている。
ステム12の周縁部12eに溶接などにより気密に固着さ
れた帽子状のキャップ34は、シリコンダイアフラムチッ
プ28および29と、回路基板32を覆う気密室35を形成す
る。さらに、上記のステム12の隅にはガス封入用パイプ
36が装着されている。
このように構成された半導体圧力センサの組立方法に
ついて説明する。
まず、ステム12の凹部12cにスペーサ27を気密に接合
し、さらに凹部12dに4本のリードピン13,14,15および1
6を挿通しガラス17で気密固定する。次に、ステム12の
凹部12cの下面に、貫通孔12aおよび12bをそれぞれフィ
ルタ25および26で蓋をするように装着して、圧力導入用
パイプ23および24を溶接などによって固定し、続いて、
上記のリードピン13,14,15および16にそれぞれ貫通コン
デンサ18,19,20および21を挿通し、接続バンド22で固定
した後、その内周および外周電極(共に図示せず)と、
上記のリードピン13と、14,15,16および接続バンド22と
をはんだ付けによって接続する。一方、2個の台座30お
よび31の上面に、それぞれシリコンダイアフラムチップ
28および29を固着する。
次に、シリコンダイアフラムチップ28および29が接合
された台座30および31をスペーサ27の収納凹み27aおよ
び27bに気密接合した後、回路基板32を位置決めしてや
はりスペーサ27に装着し、ワイヤ33で電気的に接続す
る。
次に、ステム12の周縁部12eに圧接又は溶接などの手
段でキャップ34を気密接合する。その際、真空中で気密
接合すればキャップ34の内側の気密室35は、真空チャン
バが形成されて基準圧0となりその後、ガス封入パイプ
36から基準圧用のガスが封入されればある一定の基準圧
が形成されることになる。
真空チャンバから形成されれば測定圧は絶対圧とな
り、ガス封入による基準圧が形成されれば回路基板32で
絶対圧に補正されるので、いずれの場合も絶対圧として
出力される。
次にこのように構成された半導体圧力センサにより、
例えば、内燃機関の吸入空気圧を測定する場合を例とし
て圧力測定法と動作について説明する。
内燃機関の吸気マニホールドの吸気孔に、一方の圧力
導入用パイプ23を接続する。その際、他方の圧力導入パ
イプ24は、そのまま開放状態としておく。内燃機関が運
転を開始すると、マニホールド吸気孔からの流体圧が圧
力導入パイプ23,ステム12の貫通孔12aスペーサ27の貫通
孔27cおよび台座30の貫通孔30aを通ってダイヤフラム28
aに印加される。一方、大気圧は、圧力導入用パイプ24,
ステム12,スペーサ27および台座31の貫通孔12b,27dおよ
び31aを通ってダイヤフラム29aに印加される。
従って、圧力導入用パイプ23および24を通って導入さ
れた流体圧および大気圧が、それぞれダイアフラム28a
および29aを歪ませ、この歪みがダイアフラム28aおよび
29aの表面に形成された圧力検出用ホィートストンブリ
ッジ抵抗の抵抗値を変化させる。上記のブリッジ抵抗値
の変化は、回路基板32の演算回路で処理され、リードピ
ン14および15から、絶対圧で表わされた流体圧および大
気圧が同時に出力される。
なお、スペーサ27と台座30および31は、シリコンダイ
アフラムチップ28および29と近似の熱膨張係数を有する
材質からなるので、温度変化時にステム12とスペーサ27
間に生ずる熱応力は、シリコンダイアフラムチップ28お
よび29に影響を及ぼすことがないので、ダイアフラム28
aおよび29aに形成したホィートストンブリッジ抵抗系の
熱応力による変動差がなくなり、半導体圧力センサの特
性が安定する。また、圧力導入用パイプ23にはフィルタ
25が装着されているため、直接内燃機関の吸気孔に接続
できしかも回路基板32を内蔵して圧力トランスデューサ
として働くため、部品点数が削減され、取付けが簡単と
なりコストが低減されると同時に、信頼性が向上する。
(発明の効果) 以上説明したように、本発明によれば、2つの圧力を
絶対圧で同時に測定することができる。
また、シリコンダイアフラムチップと近似の熱膨張係
数を有するスペーサを使用し、さらに台座収納凹みの形
成により、ステムとの接触面積を減少したことにより、
温度変化時にも安定した特性を有する信頼性の高い半導
体圧力センサが得られる。また、シリコンダイアフラム
チップと近似の熱膨張係数を有するスペーサを用いるこ
とにより、シリコンダイアフラムチップと近似の熱膨張
係数を有する高価な材質でステムを構成する必要がなく
なり、さらにリードピンとの気密接合部に凹部を形成し
たことによってガラスハーメチック封止部をステムと一
体で構成でき、ステムを大幅にコストダウンすることが
できる。スペーサは、プレス成形できるため、極めて安
価で製造できる。また、回路基板は、広い接合面積で装
着できるため、落下による衝撃などで回路基板が割れる
ことがない。また、接続バンドの使用により、熱容量差
の大きい貫通コンデンサとステムとのハンダ付けを容易
にしている。さらに、回路基板を内蔵しているので、圧
力トランスデューサとして使用でき、内燃機関の吸気圧
孔に直接接続できるため、部品点数が削減され、組立が
簡単でコストが低減すると同時に信頼性も向上する。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)は本発明による半導体圧力センサの平面断
面図、第1図(b),(c)および(d)は、(a)図
のX−X線,Y−Y線およびZ−Z線で切断し、三角画法
で描いた正面および側面断面図、(e)図は要部正面断
面図、第2図は、従来の半導体圧力センサの断面図であ
る。 1,12…ステム、1a…段部、1b,7a,12a,12b,27c,27d,30a,
31a…貫通孔、1c…小貫通孔、2,23,24…圧力導入用パイ
プ、3,13,14,15,16…リードピン、4,17…ガラス、5,28,
29…シリコンダイアフラムチップ、5a,28a,29a…ダイア
フラム、6…接着剤、7,30,31…台座、7b…円周溝、8,3
3…ワイヤ、9,34…キャップ、9a…封止孔、10…はん
だ、11…真空室、12c,12d…凹部、12e…周縁部、18,19,
20,21…貫通コンデンサ、22…接続バンド、25,26…フィ
ルタ、27e…スペーサ、27a,27b…収納凹み、27e…位置
決め用突起、32…回路基板、32a…位置決め用孔、35…
気密室、36…ガス封入用パイプ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−432(JP,A) 特開 昭64−61638(JP,A) 特開 昭54−123077(JP,A) 実開 昭59−122537(JP,U) 実開 昭63−97833(JP,U) 実開 昭62−192234(JP,U)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】感圧ダイアフラムを形成した半導体単結晶
    チップを固着した、上記の感圧ダイアフラムに連通する
    貫通孔を設け、上記の半導体単結晶チップと近似の熱膨
    張係数を有する台座と、上記の台座を気密接合し、上記
    の貫通孔に連通する貫通孔を設け、且つ、上記の感圧ダ
    イアフラムに入出力する複数のリードピンをハーメチッ
    ク封着したステムと、ステムの上記貫通孔に連通するよ
    うに気密接着した圧力導入用パイプと、上記のステムに
    気密接合し、上記の半導体単結晶チップを覆う気密室を
    形成し、この気密室を真空室又は基準圧室とするキャッ
    プとからなる半導体圧力センサにおいて、上記の半導体
    単結晶チップをそれぞれに固着した、少なくとも2個の
    台座をスペーサを介してステムに気密接合し、さらに、
    ステムと圧力導入用パイプの間にそれぞれフィルタを装
    着するとともに、上記の気密室に絶対圧算出用の演算回
    路を形成した回路基板を内蔵させ、且つ、上記リードピ
    ンにそれぞれ貫通コンデンサを取り付けたことを特徴と
    する半導体圧力センサ。
  2. 【請求項2】上記の台座およびスペーサを半導体単結晶
    チップと近似の熱膨張係数を有する材質で形成したこと
    を特徴とする請求項(1)記載の半導体圧力センサ。
  3. 【請求項3】上記の回路基板を、半導体単結晶チップと
    近似の熱膨張係数を有するスペーサに取り付けたことを
    特徴とする請求項(1)記載の半導体圧力センサ。
  4. 【請求項4】上記の貫通コンデンサの一方の電極を接続
    バンドを介してステムに接続することを特徴とする請求
    項(1)記載の半導体圧力センサ。
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