JPH0979928A - 半導体圧力センサ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ダイヤフラムを有する半導体基板上にＳＯＩ
型の歪ゲージを形成してなる半導体圧力センサチップを
パッケージした半導体圧力センサ装置において、湿った
気体や液体についても正確な測定ができるようにし、装
置構成も比較的単純にする。 【解決手段】 測定室に導入された流体の圧力を測定す
るための半導体圧力センサ装置は、一方の面に所定形状
の凹部が形成された半導体基板と、該半導体基板の他方
の面上に形成された電気絶縁層と、該電気絶縁層上にお
いて凹部に対向する位置に形成された半導体感圧式の歪
ゲージとを有し、凹部が測定室の壁の一部として配置さ
れる圧力センサチップを備える。半導体圧力センサ装置
は更に、歪ゲージに電気的接続されたボンディング線
と、歪ゲージ及び配線手段を囲むように圧力センサチッ
プの歪ゲージが形成された側の表面に接合されており、
圧力センサチップを測定室に対して保持すると共に歪ゲ
ージ及びボンディング線を測定室から隔離する絶縁性の
台座とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体圧力センサ
装置の技術分野に属し、特に、ダイヤフラムを有する半
導体基板上にＳＯＩ型の歪ゲージを形成してなる半導体
圧力センサをパッケージした半導体圧力センサ装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体圧力センサとしては、半導
体ピエゾ抵抗素子などの半導体感圧素子を半導体基板の
表面部に反対導電型領域として形成した拡散型圧力セン
サや、シリコン基板上に絶縁膜を形成してから半導体ピ
エゾ抵抗部を形成したＳＯＩ（Silicon On Insulator）
型圧力センサが知られている。

【０００３】拡散型圧力センサは、半導体基板の一部を
肉薄とすることで凹部からなるダイヤフラムを形成し、
該凹部の裏に位置する半導体基板部分に、拡散抵抗とし
て半導体ピエゾ抵抗素子を形成し、更に所定の配線パタ
ーンを形成することにより、ホイートストンブリッジの
原理に基づく歪ゲージ等を作成して、流体の圧力変化に
よるダイヤフラムの歪を電気的信号として取り出すもの
であり、小型・高感度な圧力センサとして知られてい
る。

【０００４】しかしながら、半導体ピエゾ抵抗素子等か
らなる歪ゲージとダイヤフラムが設けられた半導体基板
との電気的分離が、Ｐ型又はＮ型基板上に反対導電型領
域を形成してのＰＮ分離によるため、高温（例えば、１
５０度Ｃ以上）でＰＮ分離が成立しなくなるにつれて漏
れ電流が生じ、歪ゲージの絶縁が保てなくなる。更に、
ＰＮ分離の耐電圧は低いため、導電性の流体について測
定する場合に、導電性液体によりダイヤフラム部分の電
位が揺らぐと、歪ゲージに電流が漏れる。これらの結
果、拡散型圧力センサによれば、湿った気体や液体につ
いての正確な測定は困難である。

【０００５】これに対し、ＳＯＩ型圧力センサでは、半
導体ピエゾ抵抗素子等からなる歪ゲージとダイヤフラム
が設けられた半導体基板との電気的分離が、半導体基板
上に形成された絶縁層によるため、歪ゲージに電流が漏
れることはなく、湿った気体や液体についても、拡散型
圧力センサよりも正確な測定が可能となる。この結果、
ＳＯＩ型圧力センサは、高温の流体や導電性の液体の圧
力測定に向いている。

【０００６】一方、ダイヤフラムを利用した半導体圧力
センサは、測定対象たる流体（以下、測定体という）の
圧力と基準となる大気圧との差や２つの測定体間の差を
測定するものである。従って、半導体圧力センサを構成
する圧力センサチップと測定体との関係でどのようにパ
ッケージするかは、センサの圧力応答特性や機械的強度
を定める上で極めて重要である。従来、図７（ａ）〜
（ｄ）に示すような大気減圧型（ａ）、大気加圧型
（ｂ）、２差圧型（ｃ）及び絶対圧型（ｄ）のパッケー
ジなどがある。

【０００７】図７（ａ）において、大気減圧型のパッケ
ージでは、圧力センサチップ１００の歪ゲージが形成さ
れた側の面は、開放口１０２ａから導入される大気に面
し、凹部が形成された側の面は、圧力導入口１０３ａか
ら導入される測定体に面するように、圧力センサチップ
１００はパッケージ板１０４上に接合されている。

【０００８】図７（ｂ）において、大気加圧型のパッケ
ージでは、圧力センサチップ１００の歪ゲージが形成さ
れた側の面は、圧力導入口１０３ｂから導入される測定
体に面し、凹部が形成された側の面は、開放口１０２ｂ
から導入される大気に面するように、圧力センサチップ
１００はパッケージ板１０４上に接合されている。

【０００９】図７（ｃ）において、２差型のパッケージ
では、圧力センサチップ１００の歪ゲージが形成された
側の面及び凹部が形成された面は夫々、圧力導入口１０
２ｃ及び１０３ｃから導入される測定体に面するよう
に、圧力センサチップ１００はパッケージ板１０４上に
接合されている。

【００１０】図７（ｄ）において、絶対圧型のパッケー
ジでは、圧力センサチップ１００の歪ゲージが形成され
た側の面は、圧力導入口１０３ｄから導入される測定体
に面し、凹部が形成された側の面は、真空空間１０２ｄ
に面するように、圧力センサチップ１００はパッケージ
板１０４上に接合されている。

【００１１】これらのパッケージの中では、差圧が圧力
センサチップ１００に作用する方向と、圧力センサチッ
プ１００がパッケージ板１０４へ接合された方向との関
係から、図７（ａ）の大気減圧型のパッケージよりも、
図７（ｂ）の大気加圧型や図７（ｄ）の絶対圧型のパッ
ケージの方がセンサの圧力応答特性における直線性が良
く、更に接合面１０５における気密性が良い。即ち、測
定体の圧力がダイヤフラムの凹部が形成された方向に作
用するため、図７（ｂ）の大気加圧型や図７（ｄ）の絶
対圧型のパッケージでは、ダイヤフラムが比較的自由に
撓むので、良好な直線性を示すセンサ特性が得られる。
更に、これらのパッケージでは、測定体の圧力が接合面
１０５を圧する方向に作用するため、接合面１０５にお
ける気密性が高まり、良好な接合特性が得られる。

【００１２】なお、図７（ｃ）の２差圧型の場合には、
圧力導入口１０２ｃから導入される測定体の圧力よりも
及び圧力導入口１０３ｃから導入される測定体の圧力の
方が高くなるように使用すれば図７（ｂ）の大気加圧型
と同じ様に、直線性と接合面１０５における気密性とが
良くなる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、ＳＯＩ
型の半導体圧力センサは、高温の流体や導電性の液体の
圧力測定に向いている。しかしながら、ＳＯＩ型のセン
サを、上述のようにパッケージした際の直線性や接合特
性が良好な図７（ｂ）の大気加圧型や図７（ｄ）の絶対
圧型のパッケージを用いてパッケージしようとすれば、
圧力センサチップの歪ゲージを形成した側に測定体が直
接接触してしまうため、湿った気体や液体の圧力測定は
不可能となり、ＳＯＩ型の利点が何等生かされないこと
になってしまう。

【００１４】一方、ＳＯＩ型の圧力センサチップを、測
定体に接しないようにパッケージしようとすれば、上述
のようにパッケージした際の直線性や接合特性が良好で
ない図７（ａ）の大気減圧型のパッケージを用いねばな
らない。この結果、良好な直線性を得ることは出来なく
なり、特に、高い圧力の流体を測定しようとすれば接合
面１０５を引き離そうとする方向に圧力が加わって、接
合面１０５における気密性が悪化し、結局、歪ゲージを
形成した側への流体の侵入や接合面の破壊を招き、ＳＯ
Ｉ型のセンサの特性が生かされないばかりか、センサが
破壊されかねない。また、この構成において良好な電気
絶縁特性を得るためには、センサを構成するピエゾ抵抗
素子や電極から半導体基板の表面に沿った半導体基板の
側面までの距離を一定距離以上に保つ必要があり、その
結果、半導体基板を小さくする際の基本的な制限とな
り、圧力センサチップの小型・軽量化が図れない。

【００１５】ここに、図８に示したように、図７（ｃ）
に示したと同様の構成において、圧力センサチップ１０
０の歪ゲージを形成した側を、シリコンオイルの如き電
気絶縁性の液体１０６の中に沈めて、かかる電気絶縁性
の液体面と測定体との間に金属ダイヤフラム１０７を設
けることにより、金属ダイヤフラム１０７及び電気絶縁
性の液体１０６を介して、測定体の圧力を測定するよう
にしたパッケージも提案されている。しかしながら、こ
の場合、金属ダイヤフラム１０７の接合や電気絶縁性の
液体１０６の封入などが必要となり、装置の複雑・大型
・重量化、高コスト化等につながると共に、液体漏れの
恐れも高い使いづらいものである。

【００１６】そこで、本発明は、湿った気体や液体につ
いても正確な測定ができ、装置構成が比較的単純である
半導体圧力センサ装置を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、第１発明の半導体圧力センサ装置は、測定室に導入
された流体の圧力を測定するための半導体圧力センサ装
置であって、一方の面に所定形状の凹部が形成された半
導体基板と、該半導体基板の他方の面上に形成された電
気絶縁層と、該電気絶縁層上において凹部に対向する位
置に形成された半導体感圧式の歪ゲージとを有し、凹部
が測定室の壁の一部として配置される圧力センサチップ
を備える。半導体圧力センサ装置は更に、歪ゲージに電
気的接続された配線手段と、歪ゲージ及び配線手段を囲
むように圧力センサチップの歪ゲージが形成された側の
表面に接合されており、圧力センサチップを測定室に対
して保持すると共に歪ゲージ及び配線手段を測定室から
隔離する電気絶縁性の保持手段とを備えたことを特徴と
する。

【００１８】第１発明の半導体圧力センサ装置によれ
ば、半導体基板の一方の面には、所定形状の凹部が形成
されている。凹部の形状は、圧力センサチップの肉薄部
が測定すべき圧力レンジにおいて適度に撓むダイヤフラ
ムとして機能するように規定される。該半導体基板の他
方の面上には、電気絶縁層が形成されている。該電気絶
縁層上において凹部に対向する位置に半導体感圧式の歪
ゲージが形成されている。歪みゲージは、ダイヤフラム
として機能する圧力センサチップの肉薄部の歪を測定す
るための半導体感圧式のものである。即ち、圧力センサ
チップによれば、ＳＯＩ型の半導体歪ゲージがダイヤフ
ラム上に構成され、ダイヤフラムは測定室の壁の一部と
して配置される。

【００１９】ここで、保持手段は、歪ゲージ及び配線手
段を囲むように圧力センサチップの歪ゲージが形成され
た側の表面に接合されており、圧力センサチップを測定
室に対して保持するので、測定体の圧力が凹部に加えら
れると、凹部の形成方向に作用するため、センサの圧力
応答特性における直線性は良くなり、更に圧力センサチ
ップと保持手段との接合面を圧する方向に作用するた
め、接合面における気密性が上がる。更に、保持手段
は、電気絶縁性であり、歪ゲージ及び配線手段を測定室
から隔離するので、たとえ測定体が湿気のある気体や液
体であっても、歪ゲージ及び配線手段の絶縁を保つこと
ができるため、正確に歪みを測定することができる。以
上の結果、高温や導電性の流体であっても、正確に圧力
を測定できる。

【００２０】上記課題を解決するために、第２発明の半
導体圧力センサ装置は、第１発明の半導体圧力センサ装
置において、保持手段は、一端が歪ゲージ及び配線手段
を囲むように圧力センサチップの歪ゲージが形成された
側の表面に接合された筒状の部材を備えたことを特徴と
する。

【００２１】第２発明の半導体圧力センサ装置によれ
ば、保持手段は、構造が単純な筒状の部材により構成で
き便利である。上記課題を解決するために、第３発明の
半導体圧力センサ装置は、第１発明の半導体圧力センサ
装置において、保持手段は、凹部が歪ゲージが形成され
た側に撓むと凹部に対向する位置において圧力センサチ
ップに当接するように圧力センサチップの歪ゲージが形
成された側の表面から所定距離を隔てて対面する端面を
有し、配線手段は保持手段を貫くスルーホールを備えた
ことを特徴とする。

【００２２】第３発明の半導体圧力センサ装置によれ
ば、保持手段の端面は、例えば、ダイヤフラムとして機
能する圧力センサチップの肉薄部が定格圧力により撓む
量の２倍から５倍の量に対応する所定距離を隔てて、圧
力センサチップに対面する。従って、定格圧力により撓
む量の２倍から５倍の量だけ撓むまで圧力がかかると、
撓んだ圧力センサチップには、この保持手段の端面が当
接する。よって、過度の圧力がかかった場合にも、圧力
センサチップの撓みが規制されて、その損傷を防ぐこと
ができる。従って、この所定距離としては、半導体基
板、歪ゲージ、配線手段等が撓みにより損傷を受けない
で済む限界、安全率等を考慮して定めれば良い。このよ
うに、圧力センサチップの表面に近接して保持手段の端
面が存在するため、歪ゲージの電気的な接続が困難とな
るが、配線手段は、保持手段を貫くスルーホールを備え
ているので、保持手段の形状や配置によらず、配線手段
の配設は極めて容易である。

【００２３】上記課題を解決するために、第４発明の半
導体圧力センサ装置は、第１から第３発明の半導体圧力
センサ装置において、圧力センサチップの歪ゲージ及び
配線手段の周囲は、電気絶縁性の接着剤を介して保持手
段に埋め込まれていることを特徴とする。

【００２４】第４発明の半導体圧力センサ装置によれ
ば、圧力センサチップは電気絶縁性の接着剤を介して保
持手段に埋め込まれているので、圧力センサチップの歪
ゲージが形成された側の表面のみならず、圧力センサチ
ップの側面をも保持手段に接着させることができ、圧力
センサチップと保持手段との接合強度を効率的に高める
ことができる。

【００２５】上記課題を解決するために、第５発明の半
導体圧力センサ装置は、第１から第３発明の半導体圧力
センサ装置において、圧力センサチップは、歪ゲージの
周辺部において、電気絶縁性の接着剤により保持手段に
接合されていることを特徴とする。

【００２６】第５発明の半導体圧力センサ装置によれ
ば、圧力センサチップは、電気絶縁性の接着剤により保
持手段に接合されているので、歪ゲージの流体及び半導
体基板に対する絶縁性を高めることができる。

【００２７】上記課題を解決するために、第６発明の半
導体圧力センサ装置は、第１から第３発明の半導体圧力
センサ装置において、圧力センサチップは、歪ゲージの
周辺部において、保持手段に陽極接合されていることを
特徴とする。

【００２８】第６発明の半導体圧力センサ装置によれ
ば、圧力センサチップは、歪ゲージの周辺部において、
保持手段に陽極接合されているので、歪ゲージの流体及
び半導体基板に対する絶縁性を高めることができる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、添付図面に基づき、本発明
の好適な実施の形態について説明する。図１において、
第１の実施の形態である半導体圧力センサ装置１は、ダ
イヤフラム２ａと歪ゲージとを備えた圧力センサチップ
２と、圧力センサチップ２を保持する保持手段の一例と
しての台座３と、台座３が接着層４により固着されたケ
ース５と、測定体を導入するための圧力導入口６ａを有
する蓋６と、当該半導体圧力センサ装置１を実装するた
めのリードピン７とを備えている。

【００３０】圧力センサチップ２には、図１の下面側に
凹部を形成することで圧力センサチップ２の肉薄部とし
てダイヤフラム２ａが形成されており、上面側には絶縁
層が形成されている。この絶縁層上においてダイヤフラ
ム２ａに対向する位置に、ダイヤフラム２ａの歪を測定
するための半導体感圧式の歪ゲージが形成されている。
歪ゲージのリード線取り出し電極とリードピン７とは、
配線手段の一例を構成するボンディング線８により接続
されている。ダイヤフラム２ａ及び歪ゲージの構成につ
いては、後に図２〜図４を参照して詳述する。図１から
分かるように、ダイヤフラム２ａが形成された圧力セン
サチップ２の下面は、ケース５及び蓋６からなる測定体
が導入される測定室９の壁の一部をなしている。従っ
て、測定室９に導入された測定体の圧力が圧力センサチ
ップ２に対して作用する方向（以下、加圧方向という）
は、図中矢印で示したように上向きになる。

【００３１】台座３は、図中圧力導入口６ａと同軸的に
配置された筒の形状を有しており、例えばガラスなどの
電気絶縁性の材料からなる。圧力センサチップ２の上面
の周囲は、歪ゲージを囲むように全周にわたって台座３
の下側の端面に陽極接合されている。これにより、台座
３は圧力センサチップ２を上面の側から測定室９に対し
て保持する。従って、台座３は、凹部が形成された方向
から圧力が作用するのでセンサの圧力応答特性における
直線性が良くなり、更に、圧力センサチップ２について
加圧方向とは反対の側から圧力センサチップ２を保持す
るので、接合における気密性が良い。即ち、凹部が形成
された方向から圧力が作用するので圧力センサチップの
肉薄部は反対方向から圧力が作用する場合と比べてより
自然に撓むことができるため、センサの圧力応答特性に
おける直線性が良くなる。更に、測定体の圧力が接合面
を圧する方向に作用するため、圧力が高いほど接合面に
おける気密性が高まり、良好な接合特性が得られる。台
座３は、圧力センサチップ２の上面側に形成された歪ゲ
ージ及びボンディング線８を測定室から隔離する。従っ
て、測定体が歪ゲージやボンディング線８に接触するこ
とはない。更に、歪ゲージはＳＯＩ技術により圧力セン
サチップ２のシリコンチップ上に絶縁層を介して作成さ
れており、台座３は絶縁性の材料からなり、圧力センサ
チップ２と台座３との接合も圧力センサチップ２の上面
全周にわって陽極接合されているため、歪ゲージ、ボン
ディング線８及びリードピン７の測定体に対する絶縁性
は、非常に高くなる。この結果、測定体が湿った気体や
液体であっても、圧力センサチップ２の上面が腐食等に
より損傷を受けたり、漏れ電流により歪ゲージの測定精
度が落ちることはない。

【００３２】なお、圧力センサチップ２と台座３との接
合は、ガラスを介して陽極接合しても良いし、低融点ガ
ラスで接合しても良い。陽極接合では、台座３の材料と
してシリコンより若干熱膨張係数が大きいガラスを用い
ることにより、高温での接着から冷却すると、シリコン
からなるダイヤフラム２ａを均一に張る効果も得られ
る。

【００３３】接着層４、ケース５及び蓋６は電気絶縁性
の材料からなり、圧力センサチップ２の上面に測定体か
らの漏れ電流が生じることはない。ケース５には、圧力
センサチップ２のダイヤフラム２ａに対向する部分が面
する空間１０に大気を導入するための開放口５ａが設け
られている。一方、蓋６に設けられた圧力導入口６ａ
は、所定の径を有しており、この径よりも大きい異物が
測定体に混入した場合にも、その測定室９内への侵入を
防ぎ、よって圧力センサチップ２に損傷を与えることを
防ぐように構成されている。

【００３４】ここで、圧力センサチップ２に形成された
ダイヤフラム２ａ及び歪ゲージの構成の、より具体的な
一例を図２〜４を参照して説明する。図２に示すよう
に、圧力センサチップ２は、半導体基板の一例を構成す
るシリコンチップ２１と、シリコンチップ２上に形成さ
れたＳＯＩ型の半導体ピエゾ抵抗素子を有する半導体感
圧式の歪ゲージとを備えている。シリコンチップ２１
は、Ｎ型又はＰ型の単結晶シリコンウェハから所定形状
にカットされた後、下面側の中央部に、例えば、異方性
エッチングにより凹部を形成することで肉薄部からなる
ダイアフラム２ａが形成されている。

【００３５】ダイヤフラム２ａは、図１の測定室９に面
しており、測定体の圧力が印加される。シリコンチップ
２の上面には、熱酸化法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Dep
osition ）法、スパッタリング法などで形成されたシリ
コン酸化膜、シリコン窒化膜又はアルミナ（Ａｌ
₂ Ｏ₃ ）膜等よりなる絶縁層２３が形成される。絶縁層
２３により、シリコンチップ２１と歪ゲージを構成する
回路とは電気的に絶縁される。

【００３６】絶縁層２３上には、歪ゲージを構成する回
路に対し固定電位を与えるための基板となる導電性の半
導体層２４が形成されている。半導体層２４上には、熱
酸化法、ＣＶＤ法、スパッタリング法などで形成された
シリコン酸化膜からなる絶縁層２５が更に形成されてい
る。絶縁層２５上には、結晶性シリコン薄膜をフォトリ
ソグラフィー、ドライエッチング等によってパターン形
成を行なうことにより、半導体ピエゾ抵抗素子２６が設
けられている。半導体層２４に接続される固定電位電極
２７は、絶縁層２５にドライエッチング等により孔開け
加工した後、真空蒸着、スパッタリングなどの方法によ
り電極膜を成膜することにより得られる。

【００３７】半導体層２４には、半導体層２４を圧力検
出用ブリッジ回路（ホイートストーンブリッジ）の最低
電位端に接続する固定電位電極２７が接続されている。
絶縁層２５の上面側には半導体ピエゾ抵抗素子２６及び
固定電位電極２７（端子接続部を除く）を覆うように、
ＣＶＤ法により形成されたシリコン酸化膜あるいはシリ
コン窒化膜からなる表面絶縁層２８が形成されている。

【００３８】更に半導体ピエゾ抵抗素子２６の上側の表
面絶縁層２８上には半導体基板２４と同電位のガード電
極２９が形成されている。上記構成において、絶縁層２
３は半導体ピエゾ抵抗素子２６からの電流リークを高温
時においても抑制し、半導体基板２４及びガード電極２
９は外部ノイズ等から半導体ピエゾ抵抗素子２６を保護
する。なお本構成において、半導体層２４、絶縁層２
５、固定電位電極２７及びガード電極２９を除外すれ
ば、回路及び薄膜形成工程の簡素化を図ることができる
一方、歪ゲージを形成する回路とシリコンチップ２との
絶縁性は、なお絶縁層２３により維持できる。

【００３９】図３に示すように、本実施の形態では、半
導体ピエゾ抵抗素子２６は、４つ形成されており、これ
ら４つの半導体ピエゾ抵抗素子２６は、図４に等価回路
を示すようにＲ１〜Ｒ４としてホイートストンブリッジ
を形成している。図３に示すようにボンディング線８及
びリード線引き出し電極３０を介して、図４において電
圧Ｖｅが印加され、電圧Ｖｏが出力としてモニタされる
ように構成されている。

【００４０】次に以上のように構成された第１の実施の
形態の動作について図１〜図４を用いて説明する。図１
において、圧力導入口６ａから導入された測定体の圧力
が、ダイアフラム２ａに印加されると、ダイヤフラム２
ａは、圧力に応じて歪む。すると、この歪量に応じて、
図２に示した半導体ピエゾ抵抗素子２６の抵抗率が変化
する。この結果、ダイヤフラム２ａに印加された圧力に
応じた電圧信号が、図４の等価回路で示した圧力検出用
ブリッジ回路により得られる。即ち、図４で電気抵抗Ｒ
１〜Ｒ４の変化比率が電圧Ｖｏの変化として現れる。

【００４１】この場合において、半導体ピエゾ抵抗素子
２６とダイアフラム２ａとは、測定体から絶縁されてお
り、半導体ピエゾ抵抗素子２６の上下両面を含む周囲に
は、絶縁層２５及び表面絶縁層２８により電気的シール
ド層が形成されていることとなり、電磁波ノイズに対し
ても電気的にガードされている。よって、測定体の電位
変化や高温雰囲気中においても、半導体ピエゾ抵抗素子
２６に流れる電流が外部にリークすることはなく、出力
される電圧信号が変動することがない。以上の結果、正
確な圧力検出が可能となっている。

【００４２】この場合において、シリコンチップ２１と
半導体ピエゾ抵抗素子２６は、絶縁層２３及び絶縁層２
５によって絶縁され、固定電位電極２７を介して半導体
層２４の電位を半導体ピエゾ抵抗素子２６の電位に対し
て適当な固定電位に固定することにより、半導体基板２
４が外部ノイズを遮断して半導体ピエゾ抵抗素子２６に
交流的なノイズ電圧は誘導されないようにできる。

【００４３】また、ガード電極２９を適当な電位に固定
することにより、表面絶縁層２８上に生ずる種々の電位
変化から半導体ピエゾ抵抗素子２６を保護することとな
り、より正確な圧力測定が可能となる。

【００４４】特に、本実施の形態の半導体圧力センサ装
置によれば、台座３は、圧力センサチップ２を上側から
測定室９に対して保持するので、測定体の圧力がダイヤ
フラム２ａに加えられると、その加圧方向は接合面を圧
する方向となるため、接合面における気密性が上がる。
更に、台座３は、電気絶縁性であり、測定体が湿気のあ
る気体や液体であっても、大気圧の空間１０に面する歪
ゲージ及びボンディング線８の絶縁を保つことができる
ため、正確に歪みを測定することができる。

【００４５】次に、本発明の第２の実施の形態について
図５を参照して説明する。図５において、図１の第１の
実施の形態と同じ構成要素については同じ参照符号を付
し、その詳細な説明は省略する。

【００４６】図５において、第２の実施の形態である半
導体圧力センサ装置３１は、ダイヤフラム２ａと歪ゲー
ジとを備えた圧力センサチップ２と、圧力センサチップ
２を保持する保持手段の他の一例としての台座３３と、
台座３３が接着層３４により固着された絶縁性のケース
３５と、測定体を導入するための二つの圧力導入口３６
ａを有する蓋３６と、当該半導体圧力センサ３１を実装
するためのリードピン７と、配線手段の他の一例を構成
するスルーホール４１とを備えている。

【００４７】台座３３は、例えばガラスなどの電気絶縁
性の材料からなる。圧力センサチップ２の上面の周囲
は、全周にわたって台座３３の下側の端面に陽極接合さ
れている。これにより、台座３３は圧力センサチップ２
を上面の側から測定室３９に対して保持する。従って、
台座３３は、凹部が形成された方向から圧力が作用する
のでセンサの圧力応答特性における直線性が良くなり、
更に、圧力センサチップ２について加圧方向とは反対の
側から圧力センサチップ２を保持するので、接合におけ
る気密性が良い。台座３３は、圧力センサチップ２の上
面の側に形成された歪ゲージ及びスルーホール４１を測
定室３９から隔離する。従って、測定体が歪ゲージやス
ルーホール４１に接触することはない。更に、歪ゲージ
はＳＯＩ技術により圧力センサチップ２のシリコンチッ
プ上に絶縁層を介して作成されており、台座３３は絶縁
性の材料からなり、圧力センサチップ２と台座３３との
接合も圧力センサチップ２の上面全周にわって陽極接合
されているため、歪ゲージ、スルーホール４１及びリー
ドピン７の測定体に対する絶縁性は、非常に高くなる。
この結果、測定体が湿った気体や液体であっても、圧力
センサチップ２の上面が腐食等により損傷を受けたり、
漏れ電流により歪ゲージの測定精度が落ちることはな
い。なお、圧力センサチップ２と台座３３との接合は、
ガラスを介して陽極接合しても良いし、低融点ガラスで
接合しても良い。

【００４８】本第２の実施の形態では特に、台座３３
は、ダイヤフラム２ａが歪ゲージの形成された側に撓む
と圧力センサチップ２の上面に当接するように、圧力セ
ンサチップ２の上面に所定距離を隔てて対面する端面３
３ａを有する。この所定距離としては、例えば、ダイヤ
フラムが定格圧力により撓む量の２倍から５倍の量に対
応する距離が採用される。端面３３ａの面積は、ダイヤ
フラム２ａよりも僅かに大きいように構成されている。
従って、ダイヤフラム２ａは所定のレンジ内では端面３
３ａに邪魔されること無く自由に撓むことができる。一
方、例えば定格圧力により撓む量の２倍から５倍の量だ
け撓むまで圧力がかかると、撓んだ圧力センサチップ２
の上面には、この端面３３ａが当接する。よって、過度
の圧力がかかった場合にも、圧力センサチップ２の撓み
が規制されて、その損傷を防ぐことができる。従って、
この所定距離としては、シリコンチップ、歪ゲージ、ス
ルーホール等が撓みにより損傷を受けないで済む限界、
安全率等を考慮して定めれば良い。

【００４９】シリコンの単結晶ウエハは、通常高い耐過
圧性を持つ弾性体であるが、本実施の形態によれば、過
大圧力がダイヤフラム２ａにかかっても、台座３３がス
トッパーの役目を果たすので、更に耐圧を上げることが
できる。例えば、定格圧力１ＭＰａの圧力センサチップ
の場合、台座３３によるストッパがないと、耐圧は５Ｍ
Ｐａ程度であるが、台座３３のストッパとしての存在に
より、約１０ＭＰａ以上に耐圧を上げることができる。

【００５０】接着層３４、ケース３５及び蓋３６は電気
絶縁性の材料からなり、圧力センサチップ２の上面側に
測定体からの漏れ電流が生じることはない。ケース３５
には、圧力センサチップ２の歪ゲージが位置する側の空
間４０に大気を導入するための開放口３５ａが設けられ
ている。開放口３５ａから例えばシリコンオイルなどの
絶縁性のオイルが、空間４０に注入されている。この場
合、空間４０内で結露が発生することを有効に防ぐこと
ができ有利である。但し、このようにオイルを入れなく
ても、本実施の形態の装置は有効に機能するので、結露
が発生する可能性のない環境で使用するのであれば、か
かるオイルの注入は不要である。

【００５１】このように第２の実施の形態によれば、圧
力センサチップ２の上面に近接して台座３３の端面３３
ａが存在するが、配線手段の他の一例としてのスルーホ
ール４１が台座３３に設けられており、台座３３はリー
ドピン７が立設されたケースに接着層３４を介して接着
されているので、歪ゲージのリード取り出し電極とリー
ドピン７との配線はスルーホール４１を介して容易にな
される。

【００５２】また第２の実施の形態においては、蓋３６
には、複数の圧力導入口３６ａが設けられている。この
結果、第１の実施の形態の場合と比較して、圧力導入口
の径を小さくすることが可能となり、より小さい径を持
つ異物が測定体に混入した場合にも、測定室３９への異
物の侵入を防ぎ、よって圧力センサチップ２に損傷を与
えることを防ぐことができる。なお、圧力導入口３６ａ
の径を小さくすることにより生じ得る測定室３９内での
測定体の流れの乱れがダイヤフラム２ａに作用しないよ
うに、複数の圧力導入口３６ａはダイヤフラム２ａから
離れた位置に設けられている。

【００５３】以上のように、第２の実施の形態によれ
ば、第１の実施の形態と同様に高絶縁性という長所があ
り、更にワイヤボンディングによる電気的接合を行わな
くてもよいので、より安価で測定精度の高い半導体圧力
センサ装置を提供可能となり有利である。

【００５４】次に、本発明の第３の実施の形態について
図６を参照して説明する。図６において、図１の第１の
実施の形態と同じ構成要素については同じ参照符号を付
し、その詳細な説明は省略する。

【００５５】図６において、第３の実施の形態である半
導体圧力センサ装置５１は、ダイヤフラム２ａと歪ゲー
ジとを備えた圧力センサチップ２と、圧力センサチップ
２が接着層５４を介して埋め込まれて固着された保持手
段の他の一例を構成する台座５３と、測定体を導入する
ための圧力導入口６ａを有する蓋６と、当該半導体圧力
センサ５１を実装するためのリードピン７とを備えてい
る。

【００５６】台座５３は、第１及び第２の実施の形態に
おけるケースの機能をも備えており、例えばガラスなど
の電気絶縁性の材料からなり、圧力センサチップ２を上
側から覆うケース形状とされている。台座５２には、圧
力センサチップ２のダイヤフラム２ａに対向する部分が
面する空間６０に大気を導入するための開放口５３ａが
設けられている。圧力センサチップ２は、歪ゲージが形
成された上面の側から台座５３の下面に埋め込まれてい
る。圧力センサチップ２の上面の周囲及び側面は、全周
にわたって埋め込まれた台座５３の下面に電気絶縁性の
接着層５４により接合されている。このように第３の実
施の形態によれば、圧力センサチップ２と台座５３との
接合強度が極めて高められている。

【００５７】台座５３は圧力センサチップ２を上面の側
から測定室５９に対して保持する。従って、台座５３
は、圧力センサチップ２について加圧方向とは反対の側
から圧力センサチップ２を保持するので、センサの直線
性が良好であり、接合における気密性が良い。台座５３
は、圧力センサチップ２の上面の側に形成された歪ゲー
ジ及びボンディング線８を測定室５９から隔離する。従
って、測定体が歪ゲージやボンディング線８に接触する
ことはない。更に、歪ゲージはＳＯＩ技術により圧力セ
ンサチップ２のシリコンチップ上に絶縁層を介して作成
されており、台座５３は絶縁性の材料からなり、圧力セ
ンサチップ２と台座５３との接合も圧力センサチップ２
の上面全周にわって絶縁性の接着剤で接合されているた
め、歪ゲージ、ボンディング線８及びリードピン７の測
定体に対する絶縁性は、非常に高くなる。この結果、測
定体が湿った気体や液体であっても、圧力センサチップ
２の上面が腐食等により損傷を受けたり、漏れ電流によ
り歪ゲージの測定精度が落ちることはない。

【００５８】以上のように、第３の実施の形態によれ
ば、第１の実施の形態と同様に高絶縁性という長所があ
り、特に圧力センサチップ２と台座３との接合強度の高
い導体圧力センサ装置を提供可能となり有利である。

【００５９】以上詳細に説明した本発明の実施の形態に
よれば、シリコンチップ上に形成された歪ゲージやその
配線部分は、ＳＯＩ構造における絶縁層と絶縁性接着剤
と絶縁性台座により覆われているので、歪ゲージやその
配線部分は測定体に直接接触しない。更に、ダイヤフラ
ムの周辺部に絶縁性の台座が接合されているので、測定
体から歪ゲージやその配線部分への沿面距離を長くとる
ことができ、絶縁耐圧を効果的に高めることができる。
この結果、耐電圧が高く精度も高い半導体圧力センサ装
置が得られる。また、シリコンチップが小さくても、高
耐電圧の圧力センサとして構成できるため、製造コスト
を低めることができ有利である。

【００６０】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、第１発明に
よれば、半導体基板の凹部を形成した側と反対側の面に
は、ＳＯＩ型の歪ゲージが形成されており、絶縁性の保
持手段は、歪ゲージ及び配線手段を囲むように圧力セン
サチップの歪ゲージが形成された側の表面に接合されて
おり、圧力センサチップを測定室に対して保持するの
で、たとえ測定体が湿気のある気体や液体であっても、
歪ゲージ及び配線手段の絶縁を保つことにより、正確に
圧力を測定できる。

【００６１】第２発明によれば、保持手段は、構造が単
純な筒状の部材により構成でき、製造コストを低減しつ
つ小型・軽量の半導体圧力センサ装置を実現できる。第
３発明によれば、保持手段の端面は、所定距離を隔てて
圧力センサチップの歪ゲージが形成された側の表面に対
面するので、過度の圧力がかかった場合にも、圧力セン
サチップの損傷を防ぐことができる。この際、配線手段
は、保持手段を貫くスルーホールを備えているので、保
持手段の形状や配置によらず、配線手段の配設は極めて
容易であり、製造コストを低減することができる。

【００６２】第４発明によれば、圧力センサチップは接
着剤を介して保持手段に埋め込まれているので、半導体
基板と保持手段との接合強度を効率的に高めることがで
きる。

【００６３】第５発明の半導体圧力センサ装置によれ
ば、圧力センサチップは、絶縁性の接着剤により保持手
段に接合されているので、歪ゲージの流体及び半導体基
板に対する絶縁性を高めることができる。

【００６４】第６発明の半導体圧力センサ装置によれ
ば、圧力センサチップは、歪ゲージの周辺部において、
保持手段に陽極接合されているので、歪ゲージの流体及
び半導体基板に対する絶縁性を高めることができる。

【００６５】以上の結果、本願発明により、高温や腐食
性のある液体や湿った気体についても正確な測定がで
き、装置構成が比較的単純である半導体圧力センサ装置
を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態である半導体圧力セ
ンサ装置の概略断面図である。

【図２】図１の実施の形態に用いられる圧力センサチッ
プの概略断面図である。

【図３】図２の圧力センサチップの要部斜視図である。

【図４】図２の圧力センサチップにおける歪ゲージの等
価回路図である。

【図５】本発明の第２の実施の形態である半導体圧力セ
ンサ装置の概略断面図である。

【図６】本発明の第３の実施の形態である半導体圧力セ
ンサ装置の概略断面図である。

【図７】従来の半導体圧力センサのパッケージを示す概
略断面図である。

【図８】従来の半導体圧力センサのパッケージを示す概
略断面図である。

【符号の説明】

１、３１、５１…半導体圧力センサ装置 ２…圧力センサチップ ２ａ…ダイヤフラム ３、３３、５３…台座 ４、３４、５４…接着層 ５、３５…ケース ６、３６…蓋 ７…リードピン ８…ボンディングピン ９、３９、５９…測定室 ２１…シリコンチップ ２３…絶縁層 ２６…半導体ピエゾ抵抗素子 ４１…スルーホール

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定室に導入された流体の圧力を測定す
   るための半導体圧力センサ装置であって、 一方の面に所定形状の凹部が形成された半導体基板と、
   該半導体基板の他方の面上に形成された電気絶縁層と、
   該電気絶縁層上において前記凹部に対向する位置に形成
   された半導体感圧式の歪ゲージとを有し、前記凹部が前
   記測定室の壁の一部として配置される圧力センサチップ
   と、 前記歪ゲージに電気的接続された配線手段と、 前記歪ゲージ及び前記配線手段を囲むように前記圧力セ
   ンサチップの前記歪ゲージが形成された側の表面に接合
   されており、前記圧力センサチップを前記測定室に対し
   て保持すると共に前記歪ゲージ及び前記配線手段を前記
   測定室から隔離する電気絶縁性の保持手段とを備えたこ
   とを特徴とする半導体圧力センサ装置。
2. 【請求項２】 前記保持手段は、一端が前記歪ゲージ及
   び前記配線手段を囲むように前記圧力センサチップの前
   記歪ゲージが形成された側の表面に接合された筒状の部
   材を備えたことを特徴とする請求項１記載の半導体圧力
   センサ装置。
3. 【請求項３】 前記保持手段は、前記凹部が前記歪ゲー
   ジが形成された側に撓むと前記凹部に対向する位置にお
   いて前記圧力センサチップに当接するように前記圧力セ
   ンサチップの前記歪ゲージが形成された側の表面から所
   定距離を隔てて対面する端面を有し、 前記配線手段は、前記保持手段を貫くスルーホールを備
   えたことを特徴とする請求項１記載の半導体圧力センサ
   装置。
4. 【請求項４】 前記圧力センサチップの前記歪ゲージ及
   び前記配線手段の周囲は、電気絶縁性の接着剤を介して
   前記保持手段に埋め込まれていることを特徴とする請求
   項１から３のいずれか一項に記載の半導体圧力センサ装
   置。
5. 【請求項５】 前記圧力センサチップは、前記歪ゲージ
   の周辺部において、電気絶縁性の接着剤により保持手段
   に接合されていることを特徴とする請求項１から３のい
   ずれか一項に記載の半導体圧力センサ装置。
6. 【請求項６】 前記圧力センサチップは、前記歪ゲージ
   の周辺部において、保持手段に陽極接合されていること
   を特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の半
   導体圧力センサ装置。