| 【発明の名称】 |
圧力検出器及びその製造方法 |
| 【発明者】 |
【氏名】坂井 一則
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| 【要約】 |
【課題】ケース体の設計を複雑にしたり、構成部品を増やしたりすることなく、圧力伝達媒体の熱膨張によるオフセット電圧温度特性の温度補償を可能とする圧力検出器及びその製造方法を提供する。
【解決手段】シリコンオイル（圧力伝達媒体）８の熱膨張によって発生する凹部１ａ内の圧力変化によるオフセット電圧誤差を、圧力センサ４の半導体圧力チップ３とガラス台座２との間に形成される圧力基準室Ｒにおける内気の熱膨張により抑制する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 半導体圧力チップをガラス台座上に配設してなる圧力センサを凹部内に配設し、前記凹部内を満たすように圧力伝達媒体を充填するとともに、前記凹部上をダイアフラムによって覆う圧力検出器であって、前記圧力伝達媒体の熱膨張によって発生する前記凹部内の圧力変化によるオフセット電圧誤差を、前記圧力センサの前記半導体圧力チップと前記ガラス台座との間に形成される圧力基準室における内気の熱膨張により抑制してなることを特徴とする圧力検出器。
【請求項２】 前記圧力伝達媒体はシリコンオイルからなることを特徴とする請求項１に記載の圧力検出器。
【請求項３】 前記圧力基準室内の内気は、非爆発性気体によって満たされていることを特徴とする請求項１もしくは請求項２に記載の圧力検出器。
【請求項４】 半導体圧力チップをガラス台座上に配設してなる圧力センサを凹部内に配設し、前記凹部内を満たすように圧力伝達媒体を充填するとともに、前記凹部上をダイアフラムによって覆う圧力検出器の製造方法であって、前記圧力伝達媒体の熱膨張によるオフセット電圧温度特性に基づき、前記半導体圧力チップと前記ガラス台座との間に形成される圧力基準室の内圧と、前記半導体圧力チップと前記ガラス台座とを接合する際の接合温度との前記圧力センサを形成する際の生産条件を決定し、前記生産条件によって前記圧力センサを形成することで、前記圧力伝達媒体の熱膨張によって発生する前記凹部内の圧力変化によるオフセット電圧誤差を、前記圧力基準室における内気の熱膨張によって抑制することを特徴とする圧力検出器の製造方法。
【請求項５】 前記圧力伝達媒体はシリコンオイルからなることを特徴とする請求項４に記載の圧力検出器の製造方法。
【請求項６】 前記圧力基準室内の内気は、非爆発性気体によって満たされていることを特徴とする請求項４もしくは請求項５に記載の圧力検出器の製造方法。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、気体や液体等の流体の圧力をダイアフラムから圧力伝達媒体を介し半導体式圧力センサに伝達する２重ダイアフラム式の圧力検出器及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】圧力を検出する場合にピエゾ抵抗素子が形成された薄肉のダイアフラムを有する半導体圧力チップをガラス台座上に配設した半導体式圧力センサが多く用いられている。この圧力センサが用いられた圧力検出器としては、特開平５−１７２６７０号公報に開示されるものがある。
【０００３】このような圧力検出器は、略凹部形状の金属製ケース体の底面に、ガラス台座上に半導体圧力チップが陽極接合により固着された絶対圧型圧力センサがエポキシ系接着剤を介し配設され、前記圧力センサの電極部と、前記ケース体の前記圧力センサの配設箇所近傍に封着用ガラスにより気密的に固着されたリードピンとが金等の接続部材によりワイヤボンディングされるとともに、前記ケース体内にシリコンオイル（圧力伝達媒体）が充填され、ステンレス等の金属製のダイアフラムにより前記ケース体１の開口部を塞ぐものである。
【０００４】このような構成の圧力検出器は、気体や液体等の流体の圧力を金属製の前記ダイアフラムで受けると、前記シリコンオイルを媒体として前記圧力センサに圧力を印加する２重ダイアフラム式圧力検出器である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】かかる圧力検出器は、前記シリコンオイルの充填量が多いと前記シリコンオイルの熱膨張によってオフセット電圧温度特性の傾きが大きくなり、このオフセット電圧温度特性を補正するための温度補償回路の構成が複雑になることから、前記シリコンオイルの充填量を少なくし、前記オフセット電圧温度特性の傾きを小さく抑える必要がある。そのため前記ケース体内に前記シリコンオイルの充填量を調整するスペーサを配設したり、前記ケース体の形状によって前記充填量を調整することになるが、圧力検出器の構成部品が増えることによってコストが高くなったり、圧力検出器の前記ケース体設計を煩雑にしてしまうといった問題点を有している。
【０００６】そこで、本発明は前記問題点に着目し、ケース体の設計を複雑にしたり、構成部品を増やしたりすることなく、圧力伝達媒体の熱膨張によるオフセット電圧温度特性の温度補償を可能とする圧力検出器及びその製造方法を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解決するため、半導体圧力チップをガラス台座上に配設してなる圧力センサを凹部内に配設し、前記凹部内を満たすように圧力伝達媒体を充填するとともに、前記凹部上をダイアフラムによって覆う圧力検出器であって、前記圧力伝達媒体の熱膨張によって発生する前記凹部内の圧力変化によるオフセット電圧誤差を、前記圧力センサの前記半導体圧力チップと前記ガラス台座との間に形成される圧力基準室における内気の熱膨張により抑制してなるものである。
【０００８】また、前記圧力伝達媒体はシリコンオイルからなるものである。
【０００９】また、前記圧力基準室内の内気は、非爆発性気体によって満たされているものである。
【００１０】また、半導体圧力チップをガラス台座上に配設してなる圧力センサを凹部内に配設し、前記凹部内を満たすように圧力伝達媒体を充填するとともに、前記凹部上をダイアフラムによって覆う圧力検出器の製造方法であって、前記圧力伝達媒体の熱膨張によるオフセット電圧温度特性に基づき、前記半導体圧力チップと前記ガラス台座との間に形成される圧力基準室の内圧と、前記半導体圧力チップと前記ガラス台座とを接合する際の接合温度との前記圧力センサを形成する際の生産条件を決定し、前記生産条件によって前記圧力センサを形成することで、前記圧力伝達媒体の熱膨張によって発生する前記凹部内の圧力変化によるオフセット電圧誤差を、前記圧力基準室における内気の熱膨張により抑制するものである。
【００１１】また、前記圧力伝達媒体はシリコンオイルからなるものである。
【００１２】また、前記圧力基準室内の内気は、非爆発性気体によって満たされているものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づき説明する。図１は本発明の実施の形態を示す圧力検出器の要部断面図、図２は圧力検出器の製造方法を示す流れ図である。
【００１４】図１において、圧力検出器は、ＳＵＳ３０４等の金属製材料からなるケース体１の凹部１ａの底面に、ガラス台座２上にシリコン等の半導体材料からなり薄肉のダイアフラム３ａを有する半導体圧力チップ３が陽極接合により固着された絶対圧型圧力センサ４がエポキシ系接着剤を介し配設されている。また、圧力検出器は、圧力センサ４が半導体圧力チップ３上に形成される電極部（図示しない）と、ケース体１の圧力センサ４の配設箇所近傍に封着用ガラス５により気密的に固着されたリードピン６とが金等の接続部材７によりワイヤボンディングされとともに、ケース体１の凹部１ａ内を満たすように圧力伝達媒体であるシリコンオイル８が充填され、ステンレス製のダイアフラム９によりケース体１の開口部を塞ぐものである。
【００１５】このような構成の圧力検出器は、気体や液体等の圧力をダイアフラム９で受けると、シリコンオイル８を媒体として圧力センサ４に圧力を印加する、所謂２重ダイアフラム式圧力検出器である。
【００１６】次に、図２を用いて本発明の特徴となる圧力検出器の製造方法を説明するが、本発明の要旨とするところは、２重ダイアフラム式圧力検出器において、圧力伝達媒体であるシリコンオイル８の熱膨張によるオフセット電圧温度特性の温度補償を温度補償回路によって電気的に補正するものではなく、シリコンオイル８の凹部１ａ内の熱膨張によって発生する圧力変化によるオフセット電圧誤差を、圧力センサ４の半導体圧力チップ３とガラス台座２との間に形成される圧力基準室Ｒにおける内気により略キャンセルすることにある。
【００１７】まず、シリコンオイル８の熱膨張によるオフセット電圧温度特性を測定する（ステップＳ１）。
【００１８】次に、前記オフセット電圧温度特性に基づき、圧力センサ４の半導体圧力チップ３とガラス台座２とを陽極接合する際の接合温度Ｔと、半導体圧力チップ３とガラス台座２との間に形成される圧力基準室Ｒの内圧Ｐとの圧力センサ４を形成する際の生産条件を決定する（ステップＳ２，Ｓ３）。
【００１９】次に、半導体圧力チップ３を複数有する半導体基板（例えば、シリコンウエハ）と、ガラス台座２を複数有するガラス基板とを減圧容器内に投入し、前記減圧容器の内圧を前記生産条件に基づいた内圧Ｐに設定するとともに、前記減圧容器内の温度を前記生産条件に基づいた温度Ｔに設定し、前記半導体基板と前記ガラス基板とを前記減圧容器内にて陽極接合を行い圧力センサ４を複数有するセンサ素子を形成する。尚、半導体圧力チップ３とガラス台座２との間に形成される圧力基準室Ｒの内気は大気（非爆発性気体）によって満たされていることになる。
【００２０】次に、前記センサ素子をダイシングすることによって絶対圧型圧力センサ４を得る（ステップＳ４）。
【００２１】次に、リードピン６がハーメチックシールされたケース体１を用意し、圧力センサ４をエポキシ系接着剤を介し凹部１ａの底面に配設固定するとともに、圧力センサ４の電極部とリードピン６とを接続部材７によってワイヤボンディングする。そして、凹部１ａを満たすようにシリコンオイル８を充填し、減圧容器にてシリコンオイル８内の気泡を脱泡した後、ケース体１の開口部にダイアフラム９を溶接等の手段によって配設固定することによって、圧力検出器が完成する（ステップＳ５）。
【００２２】次に、シリコンオイル８の熱膨張によって発生する凹部１ａ内の圧力変化によるオフセット電圧誤差を、圧力センサ４の半導体圧力チップ３とガラス台座２との間に形成される圧力基準室Ｒにおける内気によりキャンセルできることを以下に説明する。
【００２３】例えば、定格圧１kgf／ｃｍ↑２用の圧力検出器の圧力センサ４において、シリコンオイル８の熱膨張によるオフセット電圧温度特性が、例えば０．０８６％FULL SCALE（以下、ＦＳと略す）／℃であるとすると、以下に示す圧力センサ４の生産条件によって、前記オフセット電圧温度特性に対する温度補償を行うことが可能となる。
【００２４】前記オフセット電圧温度特性を基に、圧力基準室Ｒの内圧を０．５５９気圧（atm）、接合温度Ｔを４００℃と設定する。尚、この生産条件は気体の状態方程式によって求まるものである。
【００２５】半導体圧力チップ３とガラス台座２との接合後の２５℃における常温時の圧力基準室Ｒの内圧Ｐ１は、略体積変化を無視すると、 Ｐ１＝０．５５９atm×（２５＋２７３）℃／（４００＋２７３）℃ ＝０．２４７５atmであり、また、１５０℃における圧力基準室Ｒの内圧Ｐ２は、 Ｐ２＝０．５５９atm×（１５０＋２７３）℃／（４００＋２７３）℃ ＝０．３５１３atmである。従って、２５℃から１５０℃時における圧力基準室Ｒの内圧Ｐ１，Ｐ２の気圧変化Ｐ３（Ｐ１−Ｐ２）は、Ｐ３＝（０．２４７５−０．３５１３）atm＝−０．１０３８atm＝−０．１０７２kgf／ｃｍ↑２となる。本発明の実施の形態の圧力検出器は、定格圧１kgf／ｃｍ↑２であることから、１５０℃でのオフセット電圧温度特性は、−０．１０７２kgf／ｃｍ↑２／１kgf／ｃｍ↑２＝−０．１０７２＝−１０．７２％ＦＳとなり、２５℃と１５０℃との特性より算出するオフセット電圧温度特性は、−１０．７２％ＦＳ／（１５０−２５）℃＝−０．０８５７８４％ＦＳ／℃＝−０．０８６％ＦＳ／℃であり、マイナスのオフセット電圧温度特性となり、シリコンオイル８の熱膨張によるオフセット電圧温度特性０．０８６％ＦＳ／℃を略キャンセルすることが可能となるものである。
【００２６】従って、前述した圧力検出器は、シリコンオイル８の熱膨張によるオフセット電圧温度特性に基づき、半導体圧力チップ３とガラス台座２との間に形成される圧力基準室Ｒの内圧Ｐと、半導体圧力チップ３とガラス台座２とを陽極接合する際の接合温度Ｔとの圧力センサ４を形成する際の生産条件を決定し、前記生産条件によって圧力センサ４を形成することで、シリコンオイル８が充填される凹部１ａ内の熱膨張によって発生する圧力変化によるオフセット電圧誤差を、圧力基準室Ｒにおける内気の熱膨張により略キャンセルすることが可能となる。従って、従来のようにケース体の構造を複雑にしたり、またスペーサ等の専用部品を用いてシリコンオイル８の充填量を調整し、かつシリコンオイル８の熱膨張によるオフセット電圧温度特性を温度補償回路を用いて温度補償する必要がなくなるため、圧力検出器の構成を簡素化し、かつ圧力検出器の製造工程も簡素化できるものである。
【００２７】また、圧力伝達媒体としてシリコンオイル８を用いているが、シリコンオイル８は、シリコンからなる半導体材料によって形成される半導体圧力チップ３を腐食させることがなく、熱安定性良好である。
【００２８】また、圧力基準室Ｒの内気をエアーにより満たし、シリコンオイル８の熱膨張によって発生する凹部１ａ内の圧力変化によるオフセット電圧誤差を、圧力基準室Ｒにおける内気の熱膨張により略キャンセルできることから、専用の設備を用いること無く圧力検出器を得ることができ、安価な圧力検出器を得ることができる。
【００２９】尚、本発明の実施の形態では、半導体圧力チップ３とガラス台座２との間に形成される圧力基準室Ｒの内気はエアーによって満たされていることになるが、例えば減圧容器内に窒素（非爆発性気体）を充満させ前記減圧容器内の内圧を設定するようにすれば、シリコンオイル８の熱膨張によって発生する凹部１ａ内の圧力変化によるオフセット電圧誤差を、圧力基準室Ｒの窒素による内圧により略キャンセルすることができるようになる。
【００３０】また、本発明の実施の形態では、ケース体１自体を凹部形状としたが、例えばベース板と筒部とを組み合わせてなるケース体であっても良く、本発明における圧力検出器においては、凹部を有するものであれば本発明の実施の形態で説明したケース体構造に限定されるものではない。
【００３１】また、本発明の実施の形態では、圧力伝達媒体としてシリコンオイル８を用いたが、例えばフロロシリコンオイルを用いるものであっても良い。
【００３２】
【発明の効果】本発明は、半導体圧力チップをガラス台座上に配設してなる圧力センサを、ケース体体に備えられる凹部内に配設し、前記圧力センサを満たすように前記凹部に圧力伝達媒体を充填し、前記凹部上をダイアフラムによって覆う圧力検出器及びその製造方法に関し、前記圧力伝達媒体の熱膨張によるオフセット電圧温度特性に基づき、前記半導体圧力チップと前記ガラス台座との間に形成される圧力基準室の内圧と、前記半導体圧力チップと前記ガラス台座とを接合する際の接合温度との前記圧力センサを形成する際の生産条件を決定し、前記生産条件によって前記圧力センサを形成することで、前記圧力伝達媒体の熱膨張によって発生する前記凹部内の圧力変化によるオフセット電圧誤差を、前記圧力基準室における内気の熱膨張により抑制してなるものであることから、従来のようにケース体の構造を複雑にしたり、またスペーサ等の専用部品を用いて圧力伝達媒体の充填量を調整し、かつ前記圧力伝達媒体の熱膨張によるオフセット電圧温度特性を温度補償回路を用いて温度補償する必要がなくなるため、圧力検出器の構成を簡素化し、かつ圧力検出器の製造工程も簡素化できるものである。
【００３３】また、前記圧力伝達媒体をシリコンオイルとすることによって、シリコンからなる半導体材料によって形成される前記半導体圧力チップを腐食させることがなく、熱安定性が良好である。
【００３４】また、前記圧力基準室内の内気は非爆発性気体によって満たされていることから、専用の設備を用いること無く圧力検出器を得ることができ、安価な圧力検出器を得ることができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００２３１５１２
【氏名又は名称】日本精機株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年５月２５日（１９９９．５．２５） |
| 【代理人】 |
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| 【公開番号】 |
特開２０００−３３７９８３（Ｐ２０００−３３７９８３Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年１２月８日（２０００．１２．８） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−１４４７５１ |
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