JP5186725B2

JP5186725B2 - 圧力センサ

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Publication number: JP5186725B2
Application number: JP2006071300A
Authority: JP
Inventors: 寛内ヶ島; 澄大塚; 治伊藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-03-15
Filing date: 2006-03-15
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2026-03-15
Also published as: US20070220989A1; JP2007248232A; US7404330B2; DE102007012106B4; DE102007012106A1

Description

本発明は、金属ダイアフラムにゲージ抵抗を形成した圧力センサに関する。

従来より、この種の圧力センサとしては、特許文献１に記載の圧力センサが提案されている。この圧力センサは、圧力導入孔を有する金属製のハウジングと外部との信号のやりとりを行うためのターミナルピンを有する樹脂製のコネクタケースとが一体に接合されてなるパッケージを備えている。

パッケージには、圧力導入孔から導入される圧力に応じた電気信号を生成する検出部が備えられている。この検出部は、半導体チップに例えばＰ型不純物をドーピングして形成した歪ゲージを備えた構成とされ、金属製のステムの一部を薄肉にすることで構成した金属製のダイヤフラムの表面にガラスペースト（低融点ガラス）を介して接合されている。

このような構造の圧力センサにおいては、半導体チップとステムとの熱膨張係数の相違による応力のために半導体チップがステムから剥離してしまわないように、ステムの熱膨張係数ができるだけ半導体チップの熱膨張係数と近似するようにステムの材料が選定されており、従来では、ステムをコバール等で構成している。

このようにステムをコバール等で構成しているが、圧力センサが取り付けられる部材の材質によっては腐食の問題などからコバール等が好ましくない場合もあり、また、コバール等が高価であるため、金属製のハウジングの部分に関してはステムと同じ材料にはせず、ＳＵＳやアルミニウムもしくは鉄等で構成している。
特開２０００−２９８０７１号公報

しかしながら、ステムとハウジングを異なる種類の金属で構成する場合には、これらを２部品で構成することになり、部品点数の増加を招くと共に、構造が複雑になるという問題がある。また、２部品とするために、圧力センサの体格の大型化を招くし、ステムとハウジングとの結合部分から測定対象となる流体が漏れないようにシールを設けなければならない。そして、シールを設けなければならないために、そのシールの不具合等によって圧力センサが正常に作動しなくなるなどの問題も発生させることになる。

本発明は上記点に鑑みて、ハウジングにダイアフラムが一体的に構成することができる圧力センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、半導体チップ（２１）の外縁に該半導体チップ（２１）の表裏を貫通する複数個の溝（２１ｅ、２１ｆ）を形成することを第１の特徴としている。

このように、半導体チップ（２１）に複数個の溝（２１ｅ、２１ｆ）を備えることによっても、熱膨張もしくは熱収縮に起因する応力を緩和することができる。このため、ハウジング（１０）にダイアフラム（２０）を一体的に形成した構造とすることが可能となり、ダイアフラム（２０）をハウジング（１０）と別部材で構成することにより発生する不具合を無くすことが可能となる。

なお、この場合、複数個の溝（２１ｅ、２１ｆ）を半導体チップ（２１）の中心に対して点対称に配置されるようにすると応力分布が均一となるため、好ましい。

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ものである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本実施形態の圧力センサ全体の概略断面構成を示す図である。また、図２（ａ）は、図１の部分拡大図、図２（ｂ）は、図２（ａ）の上面図である。

図１に示すように、金属製のハウジング１０とターミナルピン５０を有する樹脂製のコネクタケース６０とが一体に接合されてなるパッケージ１が構成されている。

ハウジング１０は、金属製の中空状の円柱部材であり、その一端側の外周面には、被測定体にネジ結合可能なネジ部１１が形成されている。このハウジング１０の一端側からハウジング１０の中心軸に沿って延設されるように、外部からの圧力を開口部１２を介して圧力センサ１００内へ導入するための圧力導入孔１３が形成されている。

また、ハウジング１０の圧力導入孔１３の先端位置において、ハウジング１０が薄肉化されており、この薄肉化された部分によって圧力により変形可能なダイアフラム２０が構成されている。そして、被測定体の圧力が開口部１２から圧力導入孔１３を通じてダイアフラム２０に伝えられるようになっている。

ハウジング１０の一端側の表面のうちダイアフラム２０の位置において、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、ダイアフラム２０の変形に応じた電気信号を出力する検出部としての半導体チップ２１が備えられている。そして、半導体チップ２１が低融点ガラス２３を介してハウジング１０の一端側の表面に接合されている。

半導体チップ２１は、例えばシリコン基板を用いて形成されており、シリコン基板の表面にＰ型不純物をドーピングして形成したホイートストンブリッジ状の歪ゲージ２２が備えられている。この歪ゲージ２２が圧力導入孔１３からダイアフラム２０に導入された圧力によってダイアフラム２０が変形したときに、この変形に応じた抵抗値の変化を電気信号に変換して出力するため、半導体チップ２１は、検出部として機能する。

具体的には、ハウジング１０の開口部１２から圧力導入孔１３を通じて導入された圧力によりダイアフラム２０が変形すると、これに応じてダイアフラム２０上においてホイートストンブリッジ状に設置された歪ゲージ２２が変形する。このとき、この変形によるピエゾ抵抗効果により、歪ゲージ２２の抵抗値が変化する。

したがって、歪ゲージ２２に対して電圧を加え、歪ゲージ２２から抵抗値の変化に応じた電気信号を出力させることで、歪ゲージ２２に加えられた応力、すなわちハウジング１０の開口部１２から圧力導入孔１３を通じてダイアフラム２０に加えられた圧力を検出することができる。

また、この半導体チップ２１のサイズ（縦×横のサイズ）および厚さは、以下のように設定されている。図３に、半導体チップ２１のサイズおよび厚みに対する半導体チップ２１のダイアフラム２０からの剥離の発生の有無のパラメータＫの大きさについて調べた結果を示し、この図を参照して説明する。なお、この図において、パラメータＫが約１７以上になると、半導体チップ２１のダイアフラム２０からの剥離が発生することを表している。なお、パラメータＫは、半導体チップ２１のダイアフラム２０からの剥離の発生の有無を表したものであり、以下のようにして求めている。

まず、歪ゲージ２２が形成された半導体チップ２１および低融点ガラス２３とダイアフラム２０との界面における界面と平行な方向へのせん断応力τをＦＥＭ解析によって求める。そして、せん断応力τと半導体チップ２１のチップ端からの距離の関係を両対数表示すると、その結果を結ぶ線がτ＝ＫＸλに近似できる。この近似式におけるＫが上述したパラメータＫであり、λは近似式の傾き、Ｘは半導体チップ２１のチップ端からの距離（ｍｍ）である。なお、λは破壊のメカニズムが同じであれば、類似の値となり、解析結果によれば総じて０．４となった。

このように、剥離の割合がτ＝ＫＸ^0.4によって示され、実験によると、Ｋ＝１７を超えると、半導体チップ２１がダイアフラム２０から剥離するため、Ｋ＝１７以下の領域となるように、半導体チップ２１のサイズおよび厚みを設定する必要がある。

具体的には、図３に示すように、半導体チップ２１のサイズが小さくなるほど、半導体チップ２１のダイアフラム２０からの剥離の割合が小さくなり、また、半導体チップ２１の厚さが薄くなるほど、半導体チップ２１のダイアフラム２０からの剥離の割合が小さくなっている。これは、半導体チップ２１のサイズが小さくなるほど、半導体チップ２１の熱膨張を小さく抑えられるため、応力の影響を抑制できるためと、半導体チップ２１の厚みが薄くなるほど、応力を小さくすることができるためである。

したがって、本実施形態では、この実験結果に基づきパラメータＫ＝１７以下になる範囲、つまりサイズが３．０ｍｍ□かつ厚みが３０μｍ以下、サイズが１．５ｍｍ□かつ厚みが４０μｍ以下、もしくは、サイズが１．０ｍｍ□かつ厚みが５０μｍ以下のいずれかとなるように、半導体チップ２１のサイズおよび厚さを設定している。このため、半導体チップ２１のダイアフラム２０からの剥離が発生することを防止できる構造となっている。

また、ハウジング１０の一端側の表面には、基板３０も配置されている。基板３０は、半導体チップ２１（歪ゲージ２２）から出力された電気信号を受け取り、この電気信号に応じた出力信号を作成するものであり、具体的には、信号変換機能などを有するＩＣチップ３１や、半導体チップ２１の出力する電気信号の処理を行うと共にそれに応じた出力信号を発生させる信号処理回路、配線パターンなどを備えたものである。

半導体チップ２１と基板３０とは、ボンディングワイヤ３２で結線されて電気的に接続されている。それによって、半導体チップ２１の信号が、基板３０に配置された回路およびＩＣチップ３１に入力されるようになっている。

また、バネ部材としてのバネターミナル４０は、基板３０内の上記回路とターミナルピン５０とを電気的に接続するものであり、一枚の金属板の両側が折り曲げられることでバネ状とされている。このバネターミナル４０は、導電接着剤などを介して基板３０に直接接着されるとともに、バネターミナル４０のバネとされる部分がターミナルピン５０の下端部に当接されており、基板３０とターミナルピン５０との間における電気的な接続が行えるようにしている。

ここで、ターミナルピン５０とコネクタケース６０とは、インサート成形などにより一体に固定されている。そして、ターミナルピン５０の上端部が図示しない外部コネクタなどに接続されることで、圧力センサ１００の外部にある相手側回路等へ配線部材を介して電気的に接続されるようになっている。

コネクタケース６０は、圧力センサ１００で検出された圧力値の信号を外部に出力するためのコネクタ、いわゆるケースプラグを為すものである。このコネクタケース６０は、樹脂により成形されている。

そして、図１に示されるように、この圧力センサおいては、ハウジング１０の他端側（図５中の上端側）の端部が、コネクタケース６０の段差部に対してかしめ固定されている。それにより、コネクタケース６０とハウジング１０とは一体化して接合され上記パッケージ１を構成しており、該パッケージ１内部の半導体チップ２１、基板３０、電気的接続部等が湿気・機械的外力より保護されるようになっている。

なお、コネクタケース６０の外周部とハウジング１０の内周部との間にはＯリング８０が配置され、これらの間のシールが確保されている。

以上のように本実施形態の圧力センサ１００が構成されている。このように構成された圧力センサ１００によれば、半導体チップ２１のサイズおよび厚みを上記のような関係、すなわち、サイズが３．０ｍｍ□かつ厚みが３０μｍ以下、サイズが１．５ｍｍ□かつ厚みが４０μｍ以下、もしくは、サイズが１．０ｍｍ□かつ厚みが５０μｍ以下のいずれかとなるようにしている。

このように、半導体チップ２１のサイズと厚みの関係から、半導体チップ２１の熱膨張を小さく抑えることで応力の影響を抑制しつつ、半導体チップ２１の厚みを薄くすることで応力を小さくできる。このため、半導体チップ２１のダイアフラム２０からの剥離を防止することが可能となる。

そして、このように半導体チップ２１のサイズおよび厚みの関係のみによって半導体チップ２１のダイアフラム２０からの剥離を防止できるため、半導体チップ２１を固定するダイアフラム２０を半導体チップ２１の熱膨張係数に近似した熱膨張係数となる材料で構成する必要が無くなり、材料の自由度を向上させることが可能となる。このため、上述したように、ダイアフラム２０をハウジング１０と同じ材質、例えばＳＵＳやアルミニウムもしくは鉄系の金属で構成することができ、ハウジング１０にダイアフラム２０を一体的に形成した構造とすることが可能となる。これにより、ダイアフラム２０をハウジング１０と別部材で構成することにより発生する不具合、すなわち部品点数の増加や、構造が複雑になるという問題、さらには、ハウジング１０とダイアフラム２０を構成する部品（ステム）の結合部分から測定対象となる流体が漏れないようにシールを設けなければならなかったり、そのシールの不具合等によって圧力センサが正常に作動しなくなるなどの問題を無くすことが可能となる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態の圧力センサ１００は、第１実施形態に対して半導体チップ２１の構造を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図４（ａ）は、本実施形態の圧力センサ１００における半導体チップ２１の近傍の上面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ断面である。図４（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態では、半導体チップ２１の形状が第１実施形態と異なる。

具体的には、半導体チップ２１に複数の穴２１ａ〜２１ｄが形成してあり、この穴２１ａ〜２１ｄによって熱膨張や熱収縮を抑制し、半導体チップ２１とダイアフラム２０の熱膨張係数の相違による応力が低減できるようにしている。これらの穴２１ａ〜２１ｄの配置場所は半導体チップ２１中のどこであっても構わないが、半導体チップ２１の中心に対して点対称となる位置に配置されるようにすると、半導体チップ２１における応力分布が均一となるため、好ましい。

このような構造としても、半導体チップ２１の形状のみによって半導体チップ２１のダイアフラム２０からの剥離を防止できるため、半導体チップ２１を固定するダイアフラム２０を半導体チップ２１の熱膨張係数に近似した熱膨張係数となる材料で構成する必要が無くなり、材料の自由度を向上させることが可能となる。したがって、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態の圧力センサ１００も、第１実施形態に対して半導体チップ２１の構造を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図５は、本実施形態の圧力センサ１００における半導体チップ２１の近傍の上面図である。この図に示すように、本実施形態も第２実施形態と同様に、半導体チップ２１の形状が第１実施形態と異なる。

具体的には、半導体チップ２１の外縁に複数の溝２１ｅ、２１ｆが形成してあり、この溝２１ｅ、２１ｆによって熱膨張や熱収縮を抑制し、半導体チップ２１とダイアフラム２０の熱膨張係数の相違による応力が低減できるようにしている。これらの溝２１ｅ、２１ｆの配置場所は半導体チップ２１中のどこであっても構わないが、半導体チップ２１の中心に対して点対称となる位置に配置されるようにすると、半導体チップ２１における応力分布が均一となるため、好ましい。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態の圧力センサ１００も、第１実施形態に対して半導体チップ２１の構造を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図６は、本実施形態の圧力センサ１００における半導体チップ２１の近傍の上面図である。この図に示すように、本実施形態も第２実施形態と同様に、半導体チップ２１の形状が第１実施形態と異なる。

具体的には、四角形状であった半導体チップ２１の４隅を面取りし、八角形状としてある。つまり、半導体チップ２１の外形を円形に近づけている。このような構造とした場合、半導体チップ２１の外形形状が熱膨張もしくは熱収縮により発生する応力を緩和することが可能となる。

このように、半導体チップ２１の形状のみによって半導体チップ２１のダイアフラム２０からの剥離を防止できるため、半導体チップ２１を固定するダイアフラム２０を半導体チップ２１の熱膨張係数に近似した熱膨張係数となる材料で構成する必要が無くなり、材料の自由度を向上させることが可能となる。したがって、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、ここでは半導体チップ２１の外形を八角形状としたが、四角形以上の多角形（好ましくは正多角形）であれば、半導体チップ２１を四角形状とした場合と比べて、応力を緩和する効果を得ることができる。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態の圧力センサ１００も、第１実施形態に対して半導体チップ２１の構造を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図７は、本実施形態の圧力センサ１００における半導体チップ２１の近傍の断面図である。この図に示すように、本実施形態も第２実施形態と同様に、半導体チップ２１の形状が第１実施形態と異なる。

具体的には、四角形状であった半導体チップ２１の中央部に凹部２１ｇを設けることで薄肉化している。凹部２１ｇは例えば上面形状が正方形等の正多角形や円形などで構成され、半導体チップ２１の中心に対して点対称となる形状とされている。そして、この凹部２１ｇ内にすべての歪ゲージ２２が形成されるようにしている。このような構造とした場合、薄肉化された凹部２１ｇによって半導体チップ２１の熱膨張もしくは熱収縮により発生する応力を緩和することが可能となる。また、ダイアフラム２０が変形したときに歪ゲージ２２に加わる力が不均一になることが防止できる。

なお、本実施形態では、半導体チップ２１の中央部に凹部２１ｇを設けるようにしたが、半導体チップ２１の外縁部分を薄肉化し、凹部２１ｇの内側の形状（凹部２１ｇによって囲まれる形状）が正方形等の正多角形もしくは円形などであっても良い。また、凹部２１内にすべての歪ゲージ２２が形成されるようにしたが、逆に、すべての歪ゲージ２２が凹部２１ｇに形成されないようにしても良い。

（他の実施形態）
上記第１実施形態では、半導体チップ２１のサイズが３．０ｍｍ□かつ厚みが３０μｍ以下、サイズが１．５ｍｍ□かつ厚みが４０μｍ以下、もしくは、サイズが１．０ｍｍ□かつ厚みが５０μｍ以下となるようにしているが、これらは単なる一例を示したものであり、サイズと厚みとの関係に関して、上述した各厚みに対して上述したサイズ以下としても良い。すなわち、半導体チップ２１の厚みが３０μｍ以下の場合にはサイズが３．０ｍｍ□以下、厚みが４０μｍ以下の場合にはサイズが１．５ｍｍ□以下、もしくは、厚みが５０μｍ以下の場合にはサイズが１．０ｍｍ□以下とすることができる。

また、上記実施形態では、半導体チップ２１と基板３０に備えられた信号処理回路などを別々に構成したが、半導体チップ２１に信号処理回路などを作りこんだ構成としても良い。この場合、例えば、図８に示す半導体チップ２１の上面図に示したように、歪ゲージ２２を半導体チップ２１の四辺のそれぞれに配置し、それ以外の領域に信号処理回路などの回路部２４が配置されるような形態とすることができる。

なお、上記各実施形態では、半導体チップ２１のサイズや厚み、もしくは形状に基づいて熱膨張もしくは熱収縮に起因する応力を緩和するようにしているが、ここで示した各実施形態の構造はそれぞれ単独で採用しても良いが、組み合わせて採用すれば、より上記効果を得ることができるため、有効である。

本発明の第１実施形態に係る圧力センサ１００の概略断面構成を示す図である。（ａ）は、図１の部分拡大図、（ｂ）は、（ａ）の上面図である。半導体チップ２１のサイズおよび厚みに対する半導体チップ２１のダイアフラム２０からの剥離の発生の有無のパラメータＫの大きさについて調べた結果を示した図である。（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る圧力センサ１００における半導体チップ２１の近傍の上面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面である。本発明の第３実施形態に係る圧力センサ１００に備えられた半導体チップ２１の近傍の断面図である。本発明の第４実施形態に係る圧力センサ１００に備えられた半導体チップ２１の近傍の断面図である。本発明の第５実施形態に係る圧力センサ１００に備えられた半導体チップ２１の近傍の断面図である。他の実施形態に係る圧力センサ１００に備えられた半導体チップ２１の上面図である。

符号の説明

１…パッケージ、１０…ハウジング、１３…圧力導入孔、２０…ダイアフラム、２１…半導体チップ、２１ａ〜２１ｄ…穴、２１ｅ…溝、２１ｇ…凹部、２３…低融点ガラス、３０…基板、１００…圧力センサ。

Claims

測定対象となる圧力が導入される圧力導入孔（１３）を有し、該圧力導入孔（１３）の先端位置においてダイアフラム（２０）が備えられ一部品によって構成された金属製のハウジング（１０）と、
前記ハウジング（１０）のうち前記ダイアフラム（２０）の位置に固定され、前記圧力導入孔（１３）から導入される圧力によって前記ダイアフラム（２０）の変形に応じた電気信号を出力する歪ゲージ（２２）を備えた半導体チップ（２１）と、を備え、
前記半導体チップ（２１）の外縁には該半導体チップ（２１）の表裏を貫通する複数個の溝（２１ｅ、２１ｆ）が形成されていることを特徴とする圧力センサ。
前記複数個の溝（２１ｅ、２１ｆ）は、前記半導体チップ（２１）の中心に対して点対称に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。