JP5051039B2

JP5051039B2 - Pressure sensor

Info

Publication number: JP5051039B2
Application number: JP2008189595A
Authority: JP
Inventors: 喬干古市; 哲夫藤井
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2008-07-23
Filing date: 2008-07-23
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2028-07-23
Also published as: JP2010025843A

Description

本発明は、耐腐蝕性に優れる安価な圧力センサであって、圧力検出範囲の拡大や圧力以外の検出機能を付加することのできる、新規な圧力センサに関する。 The present invention relates to a novel pressure sensor that is an inexpensive pressure sensor that is excellent in corrosion resistance and that can add a detection function other than the expansion of the pressure detection range and pressure.

自動車におけるエンジン吸気圧等の圧力を検出する圧力センサが、例えば、特開２００１−３３０５３０号公報（特許文献１）と特開２００５−１８１０６５号公報（特許文献２）に開示されている。 For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-330530 (Patent Document 1) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-181655 (Patent Document 2) disclose pressure sensors for detecting pressure such as engine intake pressure in an automobile.

図７は、特許文献２に開示された従来の半導体圧力センサ装置１００を要部で切断した状態の縦断面図である。 FIG. 7 is a vertical cross-sectional view of the conventional semiconductor pressure sensor device 100 disclosed in Patent Document 2 in a state where it is cut at the main part.

図７に示す半導体圧力センサ装置１００において、樹脂パッケージ１は、例えばフィラーが充填されたエポキシ樹脂等よりなるもので、その上面には、センサチップ２をマウントするための凹部３が形成されている。樹脂パッケージ１には、銅などの導電材料よりなる複数本のインサートピン４がインサート成形により一体的に設けられている。 In the semiconductor pressure sensor device 100 shown in FIG. 7, the resin package 1 is made of, for example, an epoxy resin filled with a filler, and a concave portion 3 for mounting the sensor chip 2 is formed on the upper surface thereof. . The resin package 1 is integrally provided with a plurality of insert pins 4 made of a conductive material such as copper by insert molding.

センサチップ２は、周知の半導体ダイヤフラム式の構成を有するものであり、たとえば単結晶シリコンなどのピエゾ抵抗効果を有した材料よりなるダイヤフラム２ａ上に、図示しない複数個の拡散抵抗を形成して、これら拡散抵抗をブリッジ接続した構成となっている。そして、センサチップ２においては、このダイヤフラム２ａの変形に応じた拡散抵抗の抵抗値変化を上記ブリッジ回路から電気信号として取り出すようになっている。このセンサチップ２は、上記凹部３の底面にガラス台座５を介して、例えばフロロシリコーン系の接着剤５ａによりダイボンディングされるとともに、インサートピン４のボンディングパッド４ａに対し金（Ａｕ）からなるボンディングワイヤ６を介して電気的に接続されている。 The sensor chip 2 has a known semiconductor diaphragm type configuration. For example, a plurality of diffusion resistors (not shown) are formed on a diaphragm 2a made of a material having a piezoresistance effect such as single crystal silicon, These diffused resistors are bridge-connected. In the sensor chip 2, the change in the resistance value of the diffused resistor according to the deformation of the diaphragm 2a is extracted from the bridge circuit as an electrical signal. The sensor chip 2 is die-bonded to the bottom surface of the recess 3 via a glass pedestal 5 with, for example, a fluorosilicone adhesive 5a and bonded to the bonding pad 4a of the insert pin 4 with gold (Au). It is electrically connected via a wire 6.

凹部３内には、センサチップ２およびボンディングワイヤ６の保護、電気的な絶縁性の確保、並びに防食などを図るための絶縁材料製の保護部材７が、センサチップ２およびボンディングワイヤ６を埋めるように充填されている。この保護部材７は、電気的な絶縁性且つ柔軟性を有するもので、この保護部材７により、センサチップ２、ボンディングワイヤ６、センサチップ２とボンディングワイヤ６との接続部、および、インサートピン４とボンディングワイヤ６との接続部が、被覆され保護されている。このような保護部材７は、柔軟性を有するフッ素系樹脂材料（例えばフッ素ゲルまたはフロロシリコーンゲル）を用いて、塗布およびその後の熱硬化処理（たとえば、１２５〜１５０℃で１時間加熱）を行うことで、凹部３へ充填される。
特開２００１−３３０５３０号公報特開２００５−１８１０６５号公報 A protection member 7 made of an insulating material for protecting the sensor chip 2 and the bonding wire 6, ensuring electrical insulation and preventing corrosion, etc. fills the sensor chip 2 and the bonding wire 6 in the recess 3. Is filled. The protection member 7 has electrical insulation and flexibility. The protection member 7 allows the sensor chip 2, the bonding wire 6, the connection between the sensor chip 2 and the bonding wire 6, and the insert pin 4. And the connecting portion of the bonding wire 6 are covered and protected. Such a protective member 7 performs application | coating and subsequent thermosetting (for example, heating at 125-150 degreeC for 1 hour) using the fluorine-type resin material (for example, fluorine gel or fluorosilicone gel) which has a softness | flexibility. Thus, the recess 3 is filled.
JP 2001-330530 A JP 2005-181065 A

上記したように、図７の半導体圧力センサ装置１００では、受圧面であるダイヤフラム２ａにピエゾ抵抗素子を配置し、圧力をモニタしている。また、該ピエゾ抵抗素子からなるブリッジ回路の電圧変化を検知するための電極は、センサチップ２の上面に配置され、
該電極やボンディングワイヤ６等を酸性や腐蝕性の圧力媒体
から保護するため、フッ素系ゲルからなる保護部材７を凹部３内に充填して保護している。 As described above, in the semiconductor pressure sensor device 100 of FIG. 7, the piezoresistive element is arranged on the diaphragm 2a which is the pressure receiving surface, and the pressure is monitored. In addition, an electrode for detecting a voltage change of the bridge circuit made of the piezoresistive element is disposed on the upper surface of the sensor chip 2,
In order to protect the electrode, the bonding wire 6 and the like from an acidic or corrosive pressure medium, a protective member 7 made of a fluorine-based gel is filled in the recess 3 for protection.

しかしながら、例えば前記電極が金（Ａｕ）からなる場合には上記構造で問題ないものの、コストダウンのため前記電極をアルミニウム（Ａｌ）とする場合には、フッ素系ゲルからなる保護部材７が逆にアルミニウム電極を腐食させてしまう。従って、コストダウンを図るため電極材料としてアルミニウムを採用する場合には、図７に示した半導体圧力センサ装置１００の構造を採用することはできない。また、図７の半導体圧力センサ装置１００の構造は、受圧面であるダイヤフラム２ａが弾性率の決まった単結晶シリコンからなるため、検出できる圧力範囲が限定され、圧力以外の検出機能を付加することも困難である。 However, for example, when the electrode is made of gold (Au), there is no problem with the above structure. However, when the electrode is made of aluminum (Al) for cost reduction, the protective member 7 made of fluorine-based gel is reversed. Corrodes the aluminum electrode. Therefore, when aluminum is employed as the electrode material in order to reduce costs, the structure of the semiconductor pressure sensor device 100 shown in FIG. 7 cannot be employed. Further, in the structure of the semiconductor pressure sensor device 100 of FIG. 7, the diaphragm 2a as the pressure receiving surface is made of single crystal silicon having a predetermined elastic modulus, so that the detectable pressure range is limited, and a detection function other than pressure is added. It is also difficult.

そこで本発明は、耐腐蝕性に優れる安価な圧力センサであって、圧力検出範囲の拡大や圧力以外の検出機能を付加することのできる、新規な圧力センサを提供することを目的としている。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a novel pressure sensor that is an inexpensive pressure sensor that is excellent in corrosion resistance and that can add a detection function other than the expansion of the pressure detection range and pressure.

請求項１に記載の圧力センサは、シリコン基板の一方の表面に、平坦な底面を有する凹部が形成され、圧力によって変形可能なダイヤフラムが、前記凹部を蓋するようにして配置され、前記凹部と前記ダイヤフラムとで密閉空間が形成され、前記密閉空間内にガスが封入されてなり、前記凹部の底面側に、加熱素子と測温素子とが配置され、前記シリコン基板のもう一方の表面に、前記加熱素子および前記測温素子に接続する電極が配置されてなり、前記加熱素子と前記測温素子は、前記シリコン基板における前記凹部の底面側の部分において、前記電極の配置面から前記底面にわたって形成され、前記ダイヤフラムに印加される圧力を、前記加熱素子により熱せられた前記ガスを媒体として、前記測温素子の温度変化から検知することを特徴としている。 The pressure sensor according to claim 1, wherein a concave portion having a flat bottom surface is formed on one surface of a silicon substrate, and a diaphragm that can be deformed by pressure is disposed so as to cover the concave portion, A sealed space is formed with the diaphragm, gas is sealed in the sealed space, a heating element and a temperature measuring element are disposed on the bottom surface side of the concave portion, and on the other surface of the silicon substrate, The heating element and an electrode connected to the temperature measuring element are arranged, and the heating element and the temperature measuring element extend from the electrode arrangement surface to the bottom surface in the bottom surface side portion of the recess in the silicon substrate. is formed, especially to detect the pressure applied to the diaphragm, as a medium the gas heated by the heating element, the temperature change of the temperature measuring device It is set to.

上記圧力センサは、単結晶シリコンのピエゾ抵抗効果を利用した従来の圧力センサと異なり、密閉空間内に封入されたガスを媒体とする、新規な圧力センサである。上記圧力センサにおいては、加熱素子で密閉空間内に封入されているガスを加熱し、密閉空間内に所定の初期温度分布を形成することで、圧力測定の準備ができる。受圧面であるダイヤフラムに圧力が印加されると、ダイヤフラムが変形し、密閉空間の体積変化に伴って、密閉空間内のガスの温度分布も変化する。この温度分布の変化を測温素子により検知することで、ダイヤフラムに印加された圧力の測定が可能となる。 The pressure sensor is a novel pressure sensor using a gas sealed in a sealed space as a medium, unlike a conventional pressure sensor using the piezoresistance effect of single crystal silicon. In the pressure sensor, the gas sealed in the sealed space is heated by the heating element, and a predetermined initial temperature distribution is formed in the sealed space, thereby preparing for pressure measurement. When a pressure is applied to the diaphragm which is the pressure receiving surface, the diaphragm is deformed, and the temperature distribution of the gas in the sealed space also changes as the volume of the sealed space changes. By detecting this change in temperature distribution with the temperature measuring element, it is possible to measure the pressure applied to the diaphragm.

また、上記圧力センサにおいては、圧力検出のための加熱素子と測温素子とが、シリコン基板の一方の表面に形成された凹部の底面側に配置されるとともに、シリコン基板における凹部の底面側の部分において、電極の配置面から底面にわたって形成されている。また、電極が、シリコン基板のもう一方の表面に配置されている。すなわち、受圧面であるダイヤフラムのある側をシリコン基板の主面側とすると、前記電極は、シリコン基板の裏面側に配置される。従って、被測定圧力媒体が酸やアルカリ等の腐蝕性のある圧力媒体である場合やダイヤフラム周りの保護部材に腐蝕性の成分が含まれている場合であっても、腐食に対して最も弱い電極を前記腐食成分から十分に離間させることができ、電極を確実に保護することができる。 In the above pressure sensor, and the heating element and the temperature measuring element for pressure detection, are disposed on the bottom surface side of the recess formed on one surface of the silicon substrate Rutotomoni, the bottom side of the recess in the silicon substrate In the part, it is formed from the electrode arrangement surface to the bottom surface. An electrode is disposed on the other surface of the silicon substrate. That is, if the side having the diaphragm which is the pressure receiving surface is the main surface side of the silicon substrate, the electrode is disposed on the back surface side of the silicon substrate. Therefore, even when the pressure medium to be measured is a corrosive pressure medium such as acid or alkali, or even when the protective member around the diaphragm contains a corrosive component, the electrode that is the most vulnerable to corrosion. Can be sufficiently separated from the corrosive component, and the electrode can be reliably protected.

これに対してピエゾ抵抗効果を利用した従来の圧力センサでは、ダイヤフラム部のシリコン表面の不純物濃度を調整してピエゾ素子を形成し、該ピエゾ素子からの出力信号でダイヤフラム部に印加される圧力を検知している。従って、従来の圧力センサでは、ピエゾ素子に接続する電極がダイヤフラムのあるシリコン基板の主面側に配置されるため、一般的に前記腐食成分に晒され易い構造となってしまう。 On the other hand, in the conventional pressure sensor using the piezoresistive effect, the piezo element is formed by adjusting the impurity concentration on the silicon surface of the diaphragm part, and the pressure applied to the diaphragm part by the output signal from the piezo element is adjusted. Detected. Therefore, in the conventional pressure sensor, since the electrode connected to the piezoelectric element is disposed on the main surface side of the silicon substrate having the diaphragm, the structure is generally easily exposed to the corrosive component.

以上のようにして、上記圧力センサは、従来と異なる方法で圧力検出する新規な圧力センサであって、耐腐蝕性に優れる圧力センサとすることができる。 As described above, the pressure sensor is a novel pressure sensor that detects pressure by a method different from the conventional one, and can be a pressure sensor having excellent corrosion resistance.

上記圧力センサにおけるダイヤフラムは、任意の材料であってよく、例えば、シリコン、金属およびポリイミド等を採用することができる。中でも、請求項２に記載のように、前記ダイヤフラムの構成材料として、ポリイミドが好適である。ポリイミドはシリコンに較べてヤング率が低く、ポリイミドを構成材料としたダイヤフラムは、低い圧力範囲まで（変形）対応することができる。また、ポリイミドは、耐腐食性の高い材料でもある。このように、上記圧力センサは、ダイヤフラムの材料を適宜選択することにより、従来のピエゾ抵抗効果を利用した圧力センサに較べて、圧力検出範囲を拡大することが可能である。 The diaphragm in the pressure sensor may be any material, and for example, silicon, metal, polyimide and the like can be employed. Among these, as described in claim 2, polyimide is suitable as a constituent material of the diaphragm. Polyimide has a lower Young's modulus than silicon, and a diaphragm using polyimide as a constituent material can handle (deform) up to a low pressure range. Polyimide is also a material with high corrosion resistance. As described above, the pressure sensor can expand the pressure detection range by appropriately selecting the material of the diaphragm as compared with the pressure sensor using the conventional piezoresistance effect.

上記圧力センサにおいて、密閉空間内に封入されるガスは任意のガスであってよいが、請求項３に記載のように、熱伝導性の良いヘリウムが好適である。 In the pressure sensor, the gas sealed in the sealed space may be any gas, but helium having good thermal conductivity is suitable as described in claim 3.

上記圧力センサにおける加熱素子は、請求項４に記載のように、安価に製造できる前記シリコン基板に形成された不純物拡散領域とすることが好ましい。 The heating element in the pressure sensor is preferably an impurity diffusion region formed in the silicon substrate that can be manufactured at a low cost.

また、上記圧力センサにおける測温素子は、例えば熱電対、サーミスタ、ショットキー接合等を採用することができ、中でも請求項５に記載のように、一般的に用いられている熱電対が好ましい。 The temperature measuring element in the pressure sensor may employ, for example, a thermocouple, thermistor, Schottky junction, etc., and the thermocouple generally used is preferable as described in claim 5.

前述したように、上記圧力センサは、腐食に対して電極を確実に保護する構造となっている。従って、請求項６に記載のように、上記圧力センサの電極には腐食には弱いが安価なアルミニウムを採用することができ、これによって製造コストを低減することができる。 As described above, the pressure sensor has a structure that reliably protects the electrode against corrosion. Accordingly, as described in claim 6, the electrode of the pressure sensor can be made of aluminum which is weak against corrosion but inexpensive, thereby reducing the manufacturing cost.

また、上記圧力センサは、請求項７に記載のように、前記電極を除いて、ゲル中に封入されてなる構造であってよい。これによって、受圧面であるダイヤフラム周りを、酸やアルカリ等の腐蝕性のある被測定圧力媒体から保護することができる。 Further, as described in claim 7, the pressure sensor may have a structure in which it is enclosed in a gel except for the electrodes. Thus, the periphery of the diaphragm, which is the pressure receiving surface, can be protected from a pressure medium to be measured such as acid or alkali.

上記圧力センサにおいては、請求項８に記載のように、前記測温素子が、前記凹部の底面側に、複数個配置されてなることが好ましい。またこの場合、複数個の測温素子は任意の配置であってよいが、特に請求項９に記載のように、前記測温素子が、前記加熱素子に対して、対称的に配置されてなることが好ましい。これによって、密閉空間内のガス移動による温度分布変化をより精密に測定することができ、ダイヤフラムに印加される圧力の検出精度をより高めることができる。 In the pressure sensor, as described in claim 8, it is preferable that a plurality of the temperature measuring elements are arranged on the bottom surface side of the recess. Further, in this case, the plurality of temperature measuring elements may be arranged in an arbitrary manner. In particular, as described in claim 9, the temperature measuring elements are arranged symmetrically with respect to the heating element. It is preferable. Thereby, the temperature distribution change due to gas movement in the sealed space can be measured more precisely, and the detection accuracy of the pressure applied to the diaphragm can be further increased.

上記圧力センサは、前述したように、ダイヤフラムの変形に伴う密閉空間内に封入された加熱ガスの移動による温度分布変化を測定して、ダイヤフラムに印加される圧力を検出するものである。一方、加熱ガスの移動による温度分布変化は、ダイヤフラムに圧力が印加される場合だけでなく、上記圧力センサに加速度が加わった場合にも起り得る。従って、複数個の測温素子を適宜配置することで、請求項１０に記載のように、上記圧力センサは、加速度検出にも用いることが可能である。このように、上記圧力センサは、圧力以外の検出機能を付加することも可能である。 As described above, the pressure sensor detects a pressure applied to the diaphragm by measuring a change in temperature distribution due to the movement of the heated gas enclosed in the sealed space accompanying the deformation of the diaphragm. On the other hand, the temperature distribution change due to the movement of the heated gas can occur not only when pressure is applied to the diaphragm but also when acceleration is applied to the pressure sensor. Accordingly, by appropriately arranging a plurality of temperature measuring elements, as described in claim 10, the pressure sensor can also be used for acceleration detection. Thus, the pressure sensor can be added with a detection function other than pressure.

以上のようにして、上記圧力センサは、耐腐蝕性に優れる安価な圧力センサであって、圧力検出範囲の拡大や圧力以外の検出機能を付加することのできる、新規な圧力センサとなっている。 As described above, the pressure sensor is an inexpensive pressure sensor with excellent corrosion resistance, and is a novel pressure sensor that can be expanded in the pressure detection range and added with a detection function other than pressure. .

従って、上記圧力センサは、請求項１１に記載のように、腐食環境に晒され易い車載用の圧力センサとして好適で、特に請求項１２に記載のように、インテークマニホールドの吸気圧測定に用いられて好適である。 Therefore, the pressure sensor is suitable as a vehicle-mounted pressure sensor that is easily exposed to a corrosive environment as described in claim 11, and is particularly used for measuring intake air pressure of an intake manifold as described in claim 12. It is preferable.

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図に基づいて説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.

図１は、本発明の圧力センサの一例で、図１（ａ）は、圧力センサ１０の模式的な断面図であり、図１（ｂ）は、圧力センサ１０の下面図である。図１（ａ）は、図１（ｂ）における一点鎖線Ａ−Ａでの断面を示した図である。 FIG. 1 is an example of a pressure sensor according to the present invention. FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of the pressure sensor 10, and FIG. 1B is a bottom view of the pressure sensor 10. FIG. 1A is a diagram showing a cross section taken along the alternate long and short dash line AA in FIG.

図２は、図１に示した圧力センサ１０の圧力検出方法を説明する図である。図２（ａ）は、圧力が印加されていない状態を示した図であり、図２（ｂ）は、正の圧力が印加された状態を示した図である。 FIG. 2 is a diagram for explaining a pressure detection method of the pressure sensor 10 shown in FIG. FIG. 2A is a diagram illustrating a state in which no pressure is applied, and FIG. 2B is a diagram illustrating a state in which a positive pressure is applied.

また、図３は、図１の圧力センサ１０をパッケージした、圧力センサ装置１１０の模式的な断面図である。尚、図３の圧力センサ装置１１０において、図７に示した半導体圧力センサ装置１００と同様の部分については、同じ符号を付した。 FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the pressure sensor device 110 in which the pressure sensor 10 of FIG. 1 is packaged. In the pressure sensor device 110 of FIG. 3, the same components as those of the semiconductor pressure sensor device 100 shown in FIG.

図１に示す圧力センサ１０は、図７に示した単結晶シリコンのピエゾ抵抗効果を利用する従来の圧力センサ（センサチップ２）と異なり、密閉空間Ｖｃ内に封入されたガスを媒体とする新規な圧力センサである。 Unlike the conventional pressure sensor (sensor chip 2) that uses the piezoresistive effect of single crystal silicon shown in FIG. 7, the pressure sensor 10 shown in FIG. 1 is a new sensor that uses a gas enclosed in a sealed space Vc as a medium. Pressure sensor.

図１の圧力センサ１０においては、シリコン基板１１の一方の表面Ｓａに、平坦な底面を有する凹部１１ｔが形成されている。また、圧力によって変形可能なダイヤフラム１２が、凹部１１ｔを蓋するようにして配置され、凹部１１ｔとダイヤフラム１２とで、密閉空間Ｖｃが形成されている。この密閉空間Ｖｃ内には、ガスが封入される。 In the pressure sensor 10 of FIG. 1, a concave portion 11 t having a flat bottom surface is formed on one surface Sa of the silicon substrate 11. In addition, a diaphragm 12 that can be deformed by pressure is arranged so as to cover the recess 11t, and the recess 11t and the diaphragm 12 form a sealed space Vc. Gas is sealed in the sealed space Vc.

圧力センサ１０におけるダイヤフラム１２は、任意の材料であってよく、例えば、シリコン、金属およびポリイミド等を採用することができる。中でも、ダイヤフラム１２の構成材料として、ポリイミドが好適である。ポリイミドはシリコンに較べてヤング率が低く、ポリイミドを構成材料としたダイヤフラム１２は、低い圧力範囲まで（変形）対応することができる。また、ポリイミドは、耐腐食性の高い材料でもある。このように、図１の圧力センサ１０は、ダイヤフラム１２の材料を適宜選択することにより、図７に示した従来のピエゾ抵抗効果を利用した圧力センサ（センサチップ２）に較べて、圧力検出範囲を拡大することが可能である。 The diaphragm 12 in the pressure sensor 10 may be any material, and for example, silicon, metal, polyimide, and the like can be employed. Among these, polyimide is suitable as a constituent material of the diaphragm 12. Polyimide has a lower Young's modulus than silicon, and the diaphragm 12 using polyimide as a constituent material can handle (deform) up to a low pressure range. Polyimide is also a material with high corrosion resistance. As described above, the pressure sensor 10 shown in FIG. 1 has a pressure detection range as compared with the conventional pressure sensor (sensor chip 2) using the piezoresistance effect shown in FIG. 7 by appropriately selecting the material of the diaphragm 12. Can be expanded.

また、図１の圧力センサ１０において、密閉空間Ｖｃ内に封入されるガスは任意のガスであってよいが、熱伝導性の良いヘリウムが好適である。 In the pressure sensor 10 of FIG. 1, the gas enclosed in the sealed space Vc may be any gas, but helium having good thermal conductivity is preferable.

図１の圧力センサ１０においては、凹部１１ｔの底面側に、加熱素子Ｈと測温素子Ｍ１，Ｍ２とが配置されている。そして、シリコン基板１１のもう一方の表面Ｓｂに、加熱素子Ｈおよび測温素子Ｍ１，Ｍ２に接続する電極１３が配置されている。圧力センサ１０においては、２個の測温素子Ｍ１，Ｍ２は、加熱素子Ｈを中心として対称的に配置されている。尚、図１（ａ）の符号６は、ボンディングワイヤである。 In the pressure sensor 10 of FIG. 1, a heating element H and temperature measuring elements M1 and M2 are disposed on the bottom surface side of the recess 11t. An electrode 13 connected to the heating element H and the temperature measuring elements M1, M2 is disposed on the other surface Sb of the silicon substrate 11. In the pressure sensor 10, the two temperature measuring elements M <b> 1 and M <b> 2 are arranged symmetrically with the heating element H as the center. In addition, the code | symbol 6 of Fig.1 (a) is a bonding wire.

圧力センサ１０における加熱素子Ｈは、安価に製造できるシリコン基板１１に形成された不純物拡散領域とすることが好ましい。圧力センサ１０における測温素子Ｍ１，Ｍ２は、例えば熱電対、サーミスタ、ショットキー接合等を採用することができ、中でも一般的に用いられている熱電対が好ましい。また、後述するように、図１の圧力センサ１０は、腐食に対して電極１３を確実に保護することのできる構造となっている。従って、圧力センサ１０の電極１３には、腐食には弱いが安価なアルミニウムを採用することができ、これによって製造コストを低減することができる。 The heating element H in the pressure sensor 10 is preferably an impurity diffusion region formed in the silicon substrate 11 that can be manufactured at low cost. As the temperature measuring elements M1 and M2 in the pressure sensor 10, for example, a thermocouple, a thermistor, a Schottky junction, or the like can be employed, and among them, a thermocouple that is generally used is preferable. Further, as will be described later, the pressure sensor 10 in FIG. 1 has a structure that can reliably protect the electrode 13 against corrosion. Therefore, the electrode 13 of the pressure sensor 10 can be made of aluminum which is weak against corrosion but is inexpensive, thereby reducing the manufacturing cost.

図１に示す圧力センサ１０は、ダイヤフラム１２に印加される圧力を、加熱素子Ｈにより熱せられたガスを媒体として、測温素子Ｍ１，Ｍ２の温度変化から検知する。 The pressure sensor 10 shown in FIG. 1 detects the pressure applied to the diaphragm 12 from the temperature change of the temperature measuring elements M1 and M2 using the gas heated by the heating element H as a medium.

図２（ａ）に示すように、圧力センサ１０においては、加熱素子Ｈで密閉空間Ｖｃ内に封入されているガスを加熱し、密閉空間Ｖｃ内に所定の初期温度分布を形成することで、圧力測定の準備ができる。次に、図２（ｂ）に示すように、受圧面であるダイヤフラム１２に圧力が印加されると、ダイヤフラム１２が変形し、密閉空間Ｖｃの体積変化に伴って、密閉空間Ｖｃ内のガスの温度分布も変化する。例えば、図２（ｂ）に示す圧力Ｐ（＞０）が印加される場合には、測温素子Ｍ１，Ｍ２の周りの温度Ｔ１，Ｔ２が等しく上昇する。この温度分布の変化を測温素子Ｍ１，Ｍ２により検知することで、ダイヤフラム１２に印加された圧力の測定が可能となる。 As shown in FIG. 2A, in the pressure sensor 10, the heating element H heats the gas sealed in the sealed space Vc, thereby forming a predetermined initial temperature distribution in the sealed space Vc. Ready for pressure measurement. Next, as shown in FIG. 2B, when pressure is applied to the diaphragm 12 which is the pressure receiving surface, the diaphragm 12 is deformed, and the gas in the sealed space Vc is changed along with the volume change of the sealed space Vc. The temperature distribution also changes. For example, when the pressure P (> 0) shown in FIG. 2B is applied, the temperatures T1 and T2 around the temperature measuring elements M1 and M2 rise equally. By detecting this change in temperature distribution by the temperature measuring elements M1, M2, the pressure applied to the diaphragm 12 can be measured.

このように、図１に示す圧力センサ１０は、図７に示した単結晶シリコンのピエゾ抵抗効果を利用する従来の圧力センサ（センサチップ２）と異なり、密閉空間Ｖｃ内に封入されたガスを媒体とする新規な圧力センサとなっている。尚、圧力センサ１０の感度を上げるためには、図１（ａ）に示した凹部１１ｔの底面の厚さｄは、できるだけ薄いほうが望ましい。 As described above, the pressure sensor 10 shown in FIG. 1 differs from the conventional pressure sensor (sensor chip 2) using the piezoresistance effect of single crystal silicon shown in FIG. It is a new pressure sensor used as a medium. In order to increase the sensitivity of the pressure sensor 10, it is desirable that the thickness d of the bottom surface of the recess 11t shown in FIG.

また、図１に示す圧力センサ１０においては、圧力検出のための加熱素子Ｈと測温素子Ｍ１，Ｍ２とがシリコン基板１１の一方の表面Ｓａに形成された凹部１１ｔの底面側に配置されており、加熱素子Ｈと測温素子Ｍ１，Ｍ２に接続する電極１３が、シリコン基板１１のもう一方の表面Ｓｂに配置されている。すなわち、受圧面であるダイヤフラム１２のある側をシリコン基板１１の主面側とすると、電極１３は、シリコン基板１１の裏面側に配置される。 In the pressure sensor 10 shown in FIG. 1, the heating element H for pressure detection and the temperature measuring elements M1 and M2 are arranged on the bottom surface side of the recess 11t formed on one surface Sa of the silicon substrate 11. The electrode 13 connected to the heating element H and the temperature measuring elements M1 and M2 is disposed on the other surface Sb of the silicon substrate 11. That is, assuming that the side having the diaphragm 12 that is the pressure receiving surface is the main surface side of the silicon substrate 11, the electrode 13 is disposed on the back surface side of the silicon substrate 11.

上記構造によって、圧力センサ１０は、図３の圧力センサ装置１１０に示すように、半田バンプ１４を用いて、リードフレームのインサートピン４にフリップチップ型の搭載が可能である。尚、図３の圧力センサ装置１１０においては、シリコン基板１１の裏面側における電極１３の周りが、接着剤１５で覆われている。そして、圧力センサ１０は、電極１３の周りを除いて、ゲルからなる保護部材７中に封入された構造となっている。これによって、受圧面であるダイヤフラム１２周りを、酸やアルカリ等の腐蝕性のある被測定圧力媒体から保護することができる。 With the above structure, the pressure sensor 10 can be mounted in a flip chip type on the insert pin 4 of the lead frame using the solder bump 14 as shown in the pressure sensor device 110 of FIG. In the pressure sensor device 110 of FIG. 3, the periphery of the electrode 13 on the back side of the silicon substrate 11 is covered with the adhesive 15. The pressure sensor 10 has a structure enclosed in a protective member 7 made of gel except for the periphery of the electrode 13. As a result, the periphery of the diaphragm 12, which is the pressure receiving surface, can be protected from a pressure medium to be measured such as acid or alkali.

また、上記電極１３をシリコン基板１１の裏面側に配置した構造によって、圧力センサ１０は、図３の圧力センサ装置１１０に示すように、被測定圧力媒体が酸やアルカリ等の腐蝕性のある圧力媒体である場合や、ダイヤフラム１２周りのゲルからなる保護部材７に腐蝕性の成分が含まれている場合であっても、腐食に対して最も弱い電極１３を前記腐食成分から十分に離間させることができる。これによって、圧力センサ１０では、電極１３を確実に保護することができる。 Further, due to the structure in which the electrode 13 is arranged on the back side of the silicon substrate 11, the pressure sensor 10 has a corrosive pressure such as acid or alkali as the pressure medium to be measured, as shown in the pressure sensor device 110 of FIG. Even when it is a medium or when the protective member 7 made of the gel around the diaphragm 12 contains a corrosive component, the electrode 13 that is most susceptible to corrosion is sufficiently separated from the corrosive component. Can do. Thereby, in the pressure sensor 10, the electrode 13 can be reliably protected.

これに対して、図７のピエゾ抵抗効果を利用した従来の圧力センサ（センサチップ２）では、ダイヤフラム２ａのシリコン表面の不純物濃度を調整してピエゾ素子を形成し、該ピエゾ素子からの出力信号でダイヤフラム２ａに印加される圧力を検知している。従って、従来の圧力センサでは、ピエゾ素子に接続する電極がダイヤフラム２ａのあるシリコン基板の主面側に配置されるため、一般的に前記腐食成分に晒され易い構造となってしまう。 On the other hand, in the conventional pressure sensor (sensor chip 2) using the piezoresistive effect of FIG. 7, the piezo element is formed by adjusting the impurity concentration on the silicon surface of the diaphragm 2a, and the output signal from the piezo element Thus, the pressure applied to the diaphragm 2a is detected. Therefore, in the conventional pressure sensor, since the electrode connected to the piezo element is disposed on the main surface side of the silicon substrate having the diaphragm 2a, the structure is generally easily exposed to the corrosive component.

以上のようにして、図１に示す圧力センサ１０は、従来と異なる方法で圧力検出する新規な圧力センサであって、耐腐蝕性に優れる圧力センサとなっている。 As described above, the pressure sensor 10 shown in FIG. 1 is a novel pressure sensor that detects pressure by a method different from the conventional one, and is a pressure sensor that is excellent in corrosion resistance.

次に、図１に示した圧力センサ１０の製造方法について、簡単に説明する。 Next, a method for manufacturing the pressure sensor 10 shown in FIG. 1 will be briefly described.

図４は、圧力センサ１０の製造方法の一例を示す図で、（ａ）〜（ｄ）は、製造工程別の断面図である。 FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a manufacturing method of the pressure sensor 10, and (a) to (d) are cross-sectional views for each manufacturing process.

最初に、図４（ａ）に示すように、圧力センサ１０の裏面側となるシリコン基板１１の第１面Ｓｂに、加熱素子Ｈと測温素子Ｍ１，Ｍ２を形成する。次に、図４（ｂ）に示すように、加熱素子Ｈと測温素子Ｍ１，Ｍ２に接続する電極１３を形成する。加熱素子Ｈと測温素子Ｍ１，Ｍ２および電極１３の形成には、半導体装置の製造において一般的に用いられている方法を採用することができる。 First, as shown in FIG. 4A, the heating element H and the temperature measuring elements M <b> 1 and M <b> 2 are formed on the first surface Sb of the silicon substrate 11 which is the back side of the pressure sensor 10. Next, as shown in FIG. 4B, the electrode 13 connected to the heating element H and the temperature measuring elements M1 and M2 is formed. For forming the heating element H, the temperature measuring elements M1 and M2, and the electrode 13, a method generally used in the manufacture of semiconductor devices can be employed.

次に、図４（ｃ）に示すように、シリコン基板１１を反転し、圧力センサ１０の主面側となるシリコン基板１１の第２面Ｓａに、平坦な底面を有する凹部１１ｔを形成する。凹部１１ｔの形成は、ドライエッチングとウエットエッチングのいずれであってもよい。次に、図４（ｄ）に示すように、所定の雰囲気ガス中で、凹部１１ｔを蓋するようにしてダイヤフラム１２を配置し、ダイヤフラム１２をシリコン基板１１の第２面Ｓａに接着する。これによって、所定のガスが封入された密閉空間Ｖｃが形成される。尚、ダイヤフラム１２がポリイミドである場合には、上記接着に例えば接着剤を使用し、ダイヤフラム１２がシリコンである場合には、上記接着に例えば陽極接合を使用することができる。 Next, as shown in FIG. 4C, the silicon substrate 11 is inverted, and a recess 11 t having a flat bottom surface is formed on the second surface Sa of the silicon substrate 11 which is the main surface side of the pressure sensor 10. The formation of the recess 11t may be either dry etching or wet etching. Next, as shown in FIG. 4D, the diaphragm 12 is arranged in a predetermined atmosphere gas so as to cover the recess 11t, and the diaphragm 12 is bonded to the second surface Sa of the silicon substrate 11. As a result, a sealed space Vc filled with a predetermined gas is formed. When the diaphragm 12 is polyimide, for example, an adhesive can be used for the bonding, and when the diaphragm 12 is silicon, for example, anodic bonding can be used for the bonding.

以上で、図１に示した圧力センサ１０の製造が完了する。 Thus, the manufacture of the pressure sensor 10 shown in FIG. 1 is completed.

図１の圧力センサ１０においては、２個の測温素子Ｍ１，Ｍ２が、凹部１１ｔの底面側に加熱素子Ｈを中心として対称的に配置されていた。これに限らず、測温素子は、１個であっても、非対称な配置であってもよい。 In the pressure sensor 10 of FIG. 1, the two temperature measuring elements M1 and M2 are symmetrically arranged around the heating element H on the bottom surface side of the recess 11t. Not limited to this, the number of temperature measuring elements may be one or an asymmetrical arrangement.

しかしながら、高精度な圧力測定のためには、図１の圧力センサ１０のように、測温素子が、凹部１１ｔの底面側に複数個配置されていることが好ましい。また、この場合、複数個の測温素子は、図１の圧力センサ１０のように、加熱素子Ｈに対して、対称的に配置されていることが好ましい。これによって、密閉空間Ｖｃ内のガス移動による温度分布変化をより精密に測定することができ、ダイヤフラム１２に印加される圧力の検出精度をより高めることができる。 However, for high-precision pressure measurement, it is preferable that a plurality of temperature measuring elements are arranged on the bottom surface side of the recess 11t as in the pressure sensor 10 of FIG. In this case, the plurality of temperature measuring elements are preferably arranged symmetrically with respect to the heating element H as in the pressure sensor 10 of FIG. Thereby, the temperature distribution change due to the gas movement in the sealed space Vc can be measured more precisely, and the detection accuracy of the pressure applied to the diaphragm 12 can be further increased.

図５は、別の圧力センサの例で、圧力センサ２０の模式的な下面図である。 FIG. 5 is a schematic bottom view of the pressure sensor 20 as another example of the pressure sensor.

図５に示す圧力センサ２０においては、４個の測温素子Ｍ１〜Ｍ４が、凹部１１ｔの底面側に、加熱素子Ｈを中心として９０°対称に配置されている。 In the pressure sensor 20 shown in FIG. 5, four temperature measuring elements M1 to M4 are arranged 90 ° symmetrically about the heating element H on the bottom surface side of the recess 11t.

図１や図５に示した圧力センサ１０，２０は、前述したように、ダイヤフラム１２の変形に伴う密閉空間Ｖｃ内に封入された加熱ガスの移動による温度分布変化を測定して、ダイヤフラム１２に印加される圧力を検出するものである。一方、加熱ガスの移動による温度分布変化は、ダイヤフラム１２に圧力が印加される場合だけでなく、圧力センサ１０，２０に加速度が加わった場合にも起り得る。 As described above, the pressure sensors 10 and 20 shown in FIGS. 1 and 5 measure the temperature distribution change due to the movement of the heated gas enclosed in the sealed space Vc accompanying the deformation of the diaphragm 12, and It detects the applied pressure. On the other hand, the temperature distribution change due to the movement of the heated gas can occur not only when pressure is applied to the diaphragm 12 but also when acceleration is applied to the pressure sensors 10 and 20.

図６は、図１に示した圧力センサ１０を用いて、加速度の検出が可能であることを説明する図である。図中の太線矢印が、加速度方向である。 FIG. 6 is a diagram for explaining that acceleration can be detected using the pressure sensor 10 shown in FIG. The bold arrow in the figure is the acceleration direction.

図２（ｂ）において説明したように、圧力センサ１０に圧力Ｐ（＞０）が印加された場合には、測温素子Ｍ１，Ｍ２の周りの温度Ｔ１，Ｔ２が等しく上昇した。 As described in FIG. 2B, when the pressure P (> 0) is applied to the pressure sensor 10, the temperatures T1 and T2 around the temperature measuring elements M1 and M2 are equally increased.

これに対して、図６のように圧力センサ１０に加速度Ｇが加わる場合には、加熱素子Ｈで加熱されたガスが加速度方向に移動する。従って、この場合には、加速度方向にある測温素子Ｍ１の周りの温度Ｔ１が上昇し、加速度方向の反対にある測温素子Ｍ２の周りの温度Ｔ２は低下する。 On the other hand, when acceleration G is applied to the pressure sensor 10 as shown in FIG. 6, the gas heated by the heating element H moves in the acceleration direction. Accordingly, in this case, the temperature T1 around the temperature measuring element M1 in the acceleration direction increases, and the temperature T2 around the temperature measuring element M2 opposite to the acceleration direction decreases.

圧力センサ１０は、上記したダイヤフラム１２に圧力が印加された場合と圧力センサ１０に加速度Ｇが加わった場合の測温素子Ｍ１，Ｍ２の検出温度Ｔ１，Ｔ２の違いを分析することで、圧力検出だけでなく、加速度検出にも用いることが可能である。尚、図１の圧力センサ１０は、１軸方向（Ｘ軸方向）の加速度検出のみが可能であり、図５の圧力センサ２０は、２軸方向（Ｘ軸方向とＹ軸方向）の加速度検出が可能である。このように、上記した圧力センサ１０，２０は、圧力以外の検出機能を付加することも可能である。 The pressure sensor 10 detects the pressure by analyzing the difference between the detected temperatures T1 and T2 of the temperature measuring elements M1 and M2 when the pressure is applied to the diaphragm 12 and when the acceleration G is applied to the pressure sensor 10. It can be used not only for acceleration detection. The pressure sensor 10 in FIG. 1 can only detect acceleration in one axis direction (X axis direction), and the pressure sensor 20 in FIG. 5 can detect acceleration in two axes direction (X axis direction and Y axis direction). Is possible. Thus, the above-described pressure sensors 10 and 20 can be added with a detection function other than pressure.

以上のようにして、上記圧力センサ１０，２０は、耐腐蝕性に優れる安価な圧力センサであって、圧力検出範囲の拡大や圧力以外の検出機能を付加することのできる、新規な圧力センサとなっている。 As described above, the pressure sensors 10 and 20 are inexpensive pressure sensors that are excellent in corrosion resistance, and are a novel pressure sensor that can expand the pressure detection range and add a detection function other than pressure. It has become.

従って、上記圧力センサ１０，２０は、腐食環境に晒され易い車載用の圧力センサとして好適で、特に、インテークマニホールドの吸気圧測定に用いられて好適である。 Therefore, the pressure sensors 10 and 20 are suitable as in-vehicle pressure sensors that are easily exposed to a corrosive environment, and are particularly suitable for use in measuring intake pressure of an intake manifold.

本発明の圧力センサの一例で、（ａ）は、圧力センサ１０の模式的な断面図であり、（ｂ）は、圧力センサ１０の下面図である。In the example of the pressure sensor of the present invention, (a) is a schematic cross-sectional view of the pressure sensor 10, and (b) is a bottom view of the pressure sensor 10. 圧力センサ１０の圧力検出方法を説明する図で、（ａ）は、圧力が印加されていない状態を示した図であり、（ｂ）は、正の圧力が印加された状態を示した図である。It is a figure explaining the pressure detection method of the pressure sensor 10, (a) is the figure which showed the state in which the pressure is not applied, (b) is the figure which showed the state in which the positive pressure was applied. is there. 圧力センサ１０をパッケージした、圧力センサ装置１１０の模式的な断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a pressure sensor device 110 in which a pressure sensor 10 is packaged. 圧力センサ１０の製造方法の一例を示す図で、（ａ）〜（ｄ）は、製造工程別の断面図である。It is a figure which shows an example of the manufacturing method of the pressure sensor 10, (a)-(d) is sectional drawing according to a manufacturing process. 別の圧力センサの例で、圧力センサ２０の模式的な下面図である。FIG. 6 is a schematic bottom view of the pressure sensor 20 as another pressure sensor example. 圧力センサ１０を用いて、加速度の検出が可能であることを説明する図である。It is a figure explaining that the detection of an acceleration is possible using the pressure sensor. 特許文献２に開示された従来の半導体圧力センサ装置１００を要部で切断した状態の縦断面図である。It is the longitudinal cross-sectional view of the state which cut | disconnected the conventional semiconductor pressure sensor apparatus 100 disclosed by patent document 2 by the principal part.

Explanation of symbols

１０，２０圧力センサ
１１シリコン基板
１１ｔ凹部
１２ダイヤフラム
Ｖｃ密閉空間
Ｈ加熱素子
Ｍ１〜Ｍ４測温素子
１３電極
７保護部材（ゲル）
１１０圧力センサ装置 10, 20 Pressure sensor 11 Silicon substrate 11t Recess 12 Diaphragm Vc Sealed space H Heating element M1 to M4 Temperature measuring element 13 Electrode 7 Protective member (gel)
110 Pressure sensor device

Claims

A recess having a flat bottom surface is formed on one surface of the silicon substrate,
A diaphragm that can be deformed by pressure is disposed so as to cover the recess,
A sealed space is formed by the recess and the diaphragm, and gas is sealed in the sealed space,
On the bottom side of the recess, a heating element and a temperature measuring element are arranged,
An electrode connected to the heating element and the temperature measuring element is disposed on the other surface of the silicon substrate,
The heating element and the temperature measuring element are formed from the arrangement surface of the electrode to the bottom surface in a portion on the bottom surface side of the recess in the silicon substrate,
A pressure sensor, wherein the pressure applied to the diaphragm is detected from a temperature change of the temperature measuring element using the gas heated by the heating element as a medium.

The pressure sensor according to claim 1, wherein the diaphragm is made of polyimide.

The pressure sensor according to claim 1, wherein the gas is helium.

The pressure sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the heating element includes an impurity diffusion region formed in the silicon substrate.

The pressure sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein the temperature measuring element includes a thermocouple.

The pressure sensor according to any one of claims 1 to 5, wherein the electrode is made of aluminum.

The pressure sensor according to any one of claims 1 to 6, wherein the pressure sensor is enclosed in a gel except for the electrodes.

The pressure sensor according to any one of claims 1 to 7, wherein a plurality of the temperature measuring elements are arranged on a bottom surface side of the concave portion.

The pressure sensor according to claim 8, wherein the temperature measuring element is arranged symmetrically with respect to the heating element.

The pressure sensor according to claim 8 or 9, wherein the pressure sensor is also used for acceleration detection.

The pressure sensor according to any one of claims 1 to 10, wherein the pressure sensor is for vehicle use.

The pressure sensor according to claim 11, wherein the pressure sensor is used for measuring an intake pressure of an intake manifold.