(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘッダに固定したダイヤフラムに作用する圧力を、封入液体を介して該ダイヤフラムに対向して配置したステム上に固定してなる圧力検知ユニットの圧力検知部に伝達し、ヘッダに内装したステムを貫通して延びるリード端子から検出出力を得るように構成してなる絶対圧型半導体圧力センサにおいて、該ステムをリード端子と一体化したガラスの一体形成部材とし、ヘッダの孔内に直接固定すると共に、前記ヘッダに対し、前記リード端子の導入方向と同方向に、一端が液体封入室に開口し、他端が大気側に開口し、内部に鋼球を圧入してなる液体封入通路を備えたことを特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項２】
該ステムが軟質ガラスパウダの溶融物からなる請求項１記載の半導体圧力センサ。
【請求項３】
該ステムを、ヘッダの孔内にリード線を立設した状態でガラスパウダを入れ、加熱して溶融し一体化してなる請求項１または請求項２記載の半導体圧力センサ。
【請求項４】
ヘッダの孔内に金属製筒状ステムを介してガラス溶融物からなるステムを備えてなる請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の半導体圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高圧状態での使用に適する半導体圧力センサに関し、特に圧力センサの圧力検知部の取り付け部分の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体圧力センサは、シリコン等の半導体チップで形成されたダイヤフラムの表面にピエゾ抵抗層を設け、ダイヤフラムに加わる圧力をピエゾ抵抗層の比抵抗の変化を利用して電気信号に変換するもので、コンプレッサを利用するエアコン、あるいは冷蔵庫等の家電用、車両用エアコンの冷媒圧力検出用として、また、ブレーキオイル圧力検知用として、さらには、医療用、工業計測用等、広い分野で使用されている。
【０００３】
このような半導体圧力センサとしては、図４に示すように、中央に検出圧力流体の導入通路３１を設けた継手３２の先端に、中央の空所３３に圧力検知ユニット３４を備え、この空所３３を覆うように固定されたダイヤフラム３５を設けたヘッダ３６の周囲に対し、蓋体３７により接続し、半導体圧力センサ３０を形成している。ヘッダ３６の中央の空所３３内には、図中下端に円環状のフランジ３９を備えた円筒状の金属ステム３８を介してセラミックからなるステム４０が嵌入固定されており、このフランジ３９をステム４０の下端面間で挟むようにして受け板４１を設け、三者の接合部として外部に現れている外周部４２を溶接により液密に固定している。
【０００４】
ヘッダ３６の上部には、前記空所３３に一端が連通し、且つヘッダ３６の外周面４３に他端が連通するするように通孔４４を設けており、この通孔４４に鋼球４５を圧入している。それにより、空所３３内に液体を液密に封入している。継ぎ手３２を固定している蓋体３７の内周はヘッダー３６の外周に嵌合しており、下端のフランジ部４６でヘッダ３６のフランジ部に重合して両者を気密に溶接固定している。空所３３内への液体の封入は、蓋体３７を固定する前に、かつ、鋼球４５を通孔４４に圧入する前に、ヘッダー３６の外周面に開口している通孔４４の開口部から液体を供給し、その後、鋼球４５を通孔４４に図示するように圧入し、次いで蓋体３７をヘッダ３６に対して、そのフランジ部で溶接固定している。
【０００５】
上記半導体圧力センサにおける圧力検知ユニットは、従来から各種のものが提案されているが、例えば図５に示すように、セラミックからなるステム４０の中央に形成した圧力導入通路４７の開口４８部分に、シリコンダイヤフラム上に半導体圧力チップを固定してなる圧力検知部５０を、前記開口４８が気密になるように固定している。この半導体圧力チップから導出されるリード線５１は、ステム４０を貫通する端子挿通孔を貫通しているリード端子５２の端部に接続される。端子挿通孔の内径はリード端子５２の外形より充分大きく設定され、この端子挿通孔にリード端子５２を挿通後、ガラス粉をその間隙に入れ、加熱して溶融し、ハーメチックシール５３を形成して絶縁部を構成している。
【０００６】
また、そのほかに、図６に示すように、ステム４０の上端面における開口４８の周囲に、台座５４を嵌合固定し、その上に前記と同様に圧力検知部５０を気密に固定するものもある。この場合もハーメチックシール５３の形成部分は同様である。更に、図７に示すように、前記のような大気圧との相対圧を検出するケージタイプではなく、圧力導入通路を設けることなく絶対圧を検出する形式としたものもある。この形式においては、金属製のステム５４を用い、端子挿通孔を充分に大きいものとし、リード端子５２との間隙を大きくし、その間隙に前記と同様にハーメチックシール５８を形成し、ハーメチックシールによる絶縁性を向上させており、このステム上に圧力検知部５０を固定している。
【０００７】
同様に、絶対圧を検出する形式の半導体圧力センサにおいて、図８に示すように、前記図５及び図６に示すものと同様に、金属ステム３８を用い、中央部にコバール等からなるプレート５５を配置し、圧力検知部５０と熱膨張係数の近い物質を選択し、さらに端子挿通孔を充分大きなものとして、リード端子５２間にハーメチックシール５８を形成するようにし、このプレート５５上に圧力検知部５０を固定したものもある。更に、絶対圧を検出する形式の半導体圧力センサとして、図９に示すように、前記図７に示した従来のものの圧力検知部５０をステンレス鋼製のステム５６の中央上面にコバール又はガラス製の台座５７を設け、その上に圧力検知部５０を載置固定したものもある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のものにおいて、例えば図５及び図６に示す大気圧との相対圧を検出するものにおいては、ステム４０の中央に形成する圧力導入通路４７部分が大気圧と接触させておく必要があり、加工性が悪いという欠点がある。また、図７〜図９に示す従来のものは、ハーメチックシールを大きくとる必要があり、この部分を形成するのに多くの手数を必要とし、生産性が悪いという欠点がある。特に図７に示すものは、ステムの材質を圧力検知部の熱膨張係数の近いものを選択しなければならず、材質の選択が制限される他、組立上の工夫を必要とし、全体として構造が複雑となる欠点がある。また、図８に示すものにおいては、ハーメチックシールするものは、ステム３８とできる限り熱膨張係数の近いものを選択する必要があり、また、図９に示すものは、圧力検知部５０を載置固定する台座５７は、コバール又はガラスの台座を必要とし、その製造工程が複雑化する欠点があった。
【０００９】
更に、従来のものは前記図４に示すように、ダイヤフラム３５の下面の空所３３に液体を封入するに際して、ヘッダ３６の上部に空所３３に一端が連通し、且つヘッダー３６の外周面４３に他端が連通するするように通孔４４を設けており、この通孔４４からシリコン油等の液体を封入した後、鋼球４５を圧入しなければならない。その後、継ぎ手３２を固定している蓋体３７の内周をヘッダー３６の外周に嵌合させつつ、下端のフランジ部４６でヘッダー３６のフランジ部に重合して両者を気密に溶接固定する必要がある。
【００１０】
したがって、本発明は、小型、且つ簡単な構造で容易に製造でき、安価な半導体圧力センサとすることができると共に、耐圧強度に優れ長期間安定した作動をなす半導体圧力センサを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、ヘッダに固定したダイヤフラムに作用する圧力を、封入液体を介して該ダイヤフラムに対向して配置したステム上に固定してなる圧力検知ユニットの圧力検知部に伝達し、ヘッダに内装したステムを貫通して延びるリード端子から検出出力を得るように構成してなる絶対圧型半導体圧力センサにおいて、該ステムをリード端子と一体化したガラスの一体形成部材とし、ヘッダの孔内に直接固定したものであり、また、該ヘッダに対し、リード端子の導入方向と同方向に、一端が液体封入室に開口し他端が大気側に開口すると共に、内部に鋼球を圧入してなる液体封入通路を備えたものである。
【００１２】
本発明は、上記のように構成したので、ダイヤフラムに作用する流体圧力は、ダイヤフラムの他面側に封入された封入液体を介して圧力検知ユニットの半導体圧力センサに伝達され、その検出出力をリード端子を介して外部に導出する。この半導体圧力センサにおいては、圧力検出ステムがリード端子を一体化したガラスの一体形成部材とされ、ヘッダの孔内に直接固定されるため、小型、且つ簡単な構造で容易に製造でき、耐圧強度に優れ長期間安定した作動をなす。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図面に沿って説明する。図１は本発明を適用した半導体圧力センサの全体構成図であり、その概略構成は前記従来の図４に示すものと同様であり、中央に検出圧力流体の導入通路１を備えた継手２の先端に、中央の空所３に圧力検知ユニット４を設け、この空所３を覆うように固定されたダイヤフラム５を備えたヘッダ６の周囲に対し、蓋体７により接続し、半導体圧力センサ８を形成している。
【００１４】
圧力検知ユニット４の詳細は図２に示すように、円筒状のステンレス鋼材からなる金属ステム１０内には、後に詳述するように、内部に複数本のリード端子１１を一体的に備えた軟質ガラスでハーメチックされたステム１２を設け、このガラス製ステム１２の平坦な上面１３の中央部に、１ｍｍ角程度の半導体チップにストレインゲージであるシリコンウエーハを接合してなる圧力検知部１４を固定する。この圧力検知部１４の基板１５と、その上に載置される上記圧力検知部分をなす可撓性部分１６との間には空隙１７を有し、内部は真空で−１気圧になっている。
【００１５】
ヘッダ６には、一端部がその下端面に開口し、他端がダイヤフラム５の下面に形成される液体封入室１８に開口する液体封入通路２０を形成しており、この液体封入通路２０には、液体封入室内に液体を封入後、この通路を閉鎖する鋼球２１を圧入している。
【００１６】
このような圧力検知ユニット４を備えた図１に示す半導体圧力センサ８は、その使用に際して、圧力を測定する流体を導入通路１から導入し、ダイヤフラム５と液体封入室１８内の液体を介して前記導入された流体の圧力を、圧力検出部分が検知する。この検知圧力は、圧力検知部分の空隙１７内に封入された圧力に基づき絶対圧力を示す。その信号は、リード端子１１から制御機器に導出される。
【００１７】
上記圧力検知ユニット４の製造に際しては、図３に示すように、金型２２内に形成された所定の大きさの円筒状空間に円筒状の金属ステム１０を載置し、金型２２の底面２３に形成した、リード端子１１が嵌入することができる内径を有する窪み２４にリード端子１１を立てる。次いで、円筒状の金属ステム１０内に鉛ガラス等の軟質ガラスのガラスパウダを入れ、約１０００度に加熱してガラスパウダを溶融させる。それにより、溶融ガラスによって外側の金属ステム１０と、内部のリード端子１１はすべて一体化する。なお、この際、圧力検知部を載置する側の面にカーボン治具を配置し、ガラス面に接触させることにより、その面を平坦にし、圧力検知部を確実に載置する事ができるようにすることができる。
【００１８】
溶融ガラスの冷却後、この圧力検知ユニット４は金型２２から取り出され、ステムの上面に前記のように圧力検知部分を接着剤等で固定する。なお、このように圧力検知部を接着剤で接着しても、圧力特性及び温度特性ともに不具合は生じなかった。次いで、ステム上に突出しているリード端子１１の端部と圧力検知部分のリード線２５を、ワイヤボンデインマシンによりワイヤ接続する。リード線２５としては直径４０μｍ程度のアルミニウム線を用いるのが好ましい。
【００１９】
上記のように構成された本発明の半導体圧力センサは、コンプレッサを利用するエアコン、あるいは冷蔵庫等の家電用、車両用エアコンの冷媒圧力検出用として、また、プレーキオイル圧力検知用として、さらには、医療用、工業計測用等の他、蒸気や温水のボイラを用いた機器等に、広い分野で使用する事ができる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明は、上記のように構成したので、この半導体圧力センサにおいては、圧力検出ステムがリード端子を一体化したガラスの一体形成部材とされ、ヘッダの孔内に直接固定されるため、小型、且つ簡単な構造で容易に製造でき、耐圧強度に優れ長期間安定した作動をなす。また、この半導体圧力センサの製作に際して封入液体を封入するときは、ヘッダに対し、リード端子の導入方向と同方向に、一端が液体封入室に開口し他端が大気側に開口すると共に、内部に鋼球を圧入してなる液体封入通路から封入するため、半導体圧力センサの作動中に封入通路を閉鎖する鋼球には、常に一方向からの圧力しか受けないので、鋼球が移動する力は少なく、耐圧強度に優れ長期間安定した作動をなす。また、ハーメチックのプレートを除去し、絶縁距離が大きくなるので耐電圧力を向上させることもできる。したがってこの半導体圧力センサは、小型、且つ簡単な構造で容易に製造でき、安価な半導体圧力センサとすることができると共に、耐圧強度に優れ長期間安定した作動をなす。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体圧力センサの実施例の全体構成を示す断面図である。
【図２】同圧力検知ユニット部分の断面図である。
【図３】同圧力検知ユニットの製造時の断面図である。
【図４】従来の半導体圧力センサの全体構成を示す断面図である。
【図５】同圧力検知ユニット部分の断面図である。
【図６】同圧力検知ユニット部分の他の従来例を示す断面図である。
【図７】同更に他の従来例を示す断面図である。
【図８】同更に他の従来例を示す断面図である。
【図９】同更に他の従来例を示す断面図である。
【符号の説明】
１  導入通路
２  継手
３  空所
４  圧力検知ユニット
５  ダイヤフラム
６  ヘッダ
７  蓋体
８  半導体圧力センサ
１０  金属ステム
１１  リード端子
１２  ステム
１３  上面
１４  圧力検知部
１５  基板
１６  可撓性部分
１７  空隙
１８  下端面
２０  液体封入通路
２１  鋼球
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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