(57)【要約】【課題】ハウジングを細径化しつつ、半導体基板の温度上昇を抑制することのできる圧力検出装置を提供する。【解決手段】厚さ方向への印加圧力に応じて電気信号を出力する半導体基板３０と圧力伝達部材２０とがハウジング１０に収納されてなる圧力検出装置Ｓ１において、ハウジングは第１の部分１１と第１の部分１１よりも熱伝導率の小さい第２の部分１２と両部分１１、１２を仕切る導電性の仕切部１３とからなる。第１の部分１１に収納された半導体基板３０は、表面には仕切部１３と導通する第１の電極、裏面にはリード部材４０と導通する第２の電極を有し、圧力が印加されたときに電気信号が第１の電極および第２の電極によって出力される。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表裏両面を隔てる方向に印加される圧力に応じて電気信号を出力する半導体基板（３０）と、
前記半導体基板の表面側に設けられ前記半導体基板に圧力を伝達する圧力伝達部材（２０）と、
前記半導体基板および前記圧力伝達部材を収納するハウジング（１０）とを備える圧力検出装置において、
前記ハウジングは、第１の部分（１１）と前記第１の部分よりも熱伝導率の小さい第２の部分（１２）と前記第１の部分および前記第２の部分を仕切る導電性の仕切部（１３）とからなり、
前記半導体基板は、前記ハウジングの前記第１の部分に収納され、
前記圧力伝達部材は、前記ハウジングの前記第２の部分に収納されるとともに前記仕切部を介して前記半導体基板の表面に圧力を伝達するようになっており、
前記半導体基板は、表面に第１の電極（３６ａ）、裏面に第２の電極（３６ｂ）を有し、圧力が印加されたときに前記電気信号が前記第１の電極および前記第２の電極によって出力されるものであり、
前記半導体基板の前記第１の電極は、前記ハウジングの前記仕切部と電気的に接続されており、
前記ハウジングとは電気的に独立したリード部材（４０）が前記半導体基板の裏面側にて前記ハウジングに収納されており、このリード部材と前記半導体基板の前記第２の電極とが電気的に接続されていることを特徴とする圧力検出装置。
【請求項２】
前記ハウジング（１０）における前記第１の部分（１１）は金属からなり、前記第２の部分（１２）はセラミックからなることを特徴とする請求項１に記載の圧力検出装置。
【請求項３】
前記圧力伝達部材（２０）も、前記ハウジング（１０）の前記第１の部分（１１）よりも熱伝導率の小さいものであることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力検出装置。
【請求項４】
前記圧力伝達部材（２０）は、前記ハウジング（１０）の前記第２の部分（１２）と同一の材質からなることを特徴とする請求項３に記載の圧力検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力検出素子としてピエゾ効果を有する半導体基板を有し、この半導体基板およびこの半導体基板に圧力を伝達する圧力伝達部材をハウジングに収納してなる圧力検出装置に関し、例えばエンジンの燃焼室内の燃焼圧を検出する圧力検出装置に適用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
ピエゾ効果を有する半導体基板は、表裏両面を隔てる方向すなわち厚さ方向に印加される圧力に応じて電気信号を出力するもので、圧力印加による歪みに応じた抵抗値変化等を利用したものである。
【０００３】
このような半導体基板を圧力検出素子として有する圧力検出装置としては、この半導体基板およびこの半導体基板に圧力を伝達する圧力伝達部材を金属製のハウジングに収納してなるものが提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【０００４】
このような圧力検出装置においては、半導体基板の表面側に検出用の電極を設けるとともに、半導体基板の外周にリード部材を設け、当該電極とリード部材とをワイヤボンディングすることにより、信号の取り出しを行っている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−２５３３６４号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開平７−１９９８１号公報
【０００７】
【特許文献３】
特許第３１６６０１５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、例えば、このような圧力検出装置をエンジンの燃焼圧センサに適用する場合、ハウジングにおける圧力伝達部材の収納部をエンジンブロックの穴に挿入し、燃焼室内の圧力を圧力伝達部材で受圧して、半導体基板へ伝えることにより圧力の検出を行う。
【０００９】
ここで、エンジンに対しては、小型化や軽量化の要望があり、圧力検出装置の搭載スペースも小さくする必要がある。そのため、圧力検出装置においては細径化すなわちハウジングの細径化が望まれている。
【００１０】
しかしながら、上述したように従来の圧力検出装置においては、半導体基板とリード部材とのワイヤボンディングを行うために、リード部材は半導体基板の外周に位置することになる。
【００１１】
そのため、リード部材を含めたワイヤボンディング部の大きさは、半導体基板のサイズよりも大きくなり、ハウジングの径は、ハウジング収納部品のなかで最も大きなワイヤボンディング部のサイズによって決められる。言い換えれば、ハウジングの径は、半導体基板よりも大きいワイヤボンディング部の大きさに規定され、圧力検出装置の細径化にとって制約が生じてしまうことになる。
【００１２】
このような問題に対して、本発明者は、半導体基板の表裏両面に電極を設け、金属製のハウジングの一部およびリード部材によって半導体基板を挟むように構成すれば、当該表裏両面の電極の取り出しにおいてワイヤボンディングが不要となり、その結果、ハウジングの細径化が図られると考えた。
【００１３】
この場合、導通を採るために、半導体基板の表面側すなわち圧力が印加される側のハウジングが金属製であることが必要となる。つまり、単純には、従来と同様、ハウジング全体が金属製であれば、上記した半導体基板を挟み込む形の電極取り出し構成が可能となる。
【００１４】
しかしながら、ハウジング全体が金属製であると、上記した燃焼圧センサ等の場合では、ハウジングの一端側が燃焼室等の高温の測定環境にさらされ、その高熱がハウジングを介してハウジングの一部に接続された半導体基板に伝わってくる。そのため、半導体基板が高温となってしまい、半導体基板の使用が困難となる恐れがある。
【００１５】
そこで、本発明は上記問題に鑑み、ハウジングを細径化しつつ、半導体基板の温度上昇を抑制することのできる圧力検出装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、表裏両面を隔てる方向に印加される圧力に応じて電気信号を出力する半導体基板（３０）と、半導体基板の表面側に設けられ半導体基板に圧力を伝達する圧力伝達部材（２０）と、半導体基板および圧力伝達部材を収納するハウジング（１０）とを備える圧力検出装置において、以下の特徴を有する。
【００１７】
まず、ハウジングは、第１の部分（１１）と第１の部分よりも熱伝導率の小さい第２の部分（１２）と第１の部分および第２の部分を仕切る導電性の仕切部（１３）とからなること。
【００１８】
半導体基板は、ハウジングの第１の部分に収納され、圧力伝達部材は、ハウジングの第２の部分に収納されるとともに仕切部を介して半導体基板の表面に圧力を伝達するようになっていること。
【００１９】
半導体基板は、表面に第１の電極（３６ａ）、裏面に第２の電極（３６ｂ）を有し、圧力が印加されたときに電気信号が第１の電極および第２の電極によって出力されるものであること。
【００２０】
半導体基板の第１の電極は、ハウジングの仕切部と電気的に接続されており、ハウジングとは電気的に独立したリード部材（４０）が半導体基板の裏面側にてハウジングに収納されており、このリード部材と半導体基板の第２の電極とが電気的に接続されていること。
【００２１】
上記特徴を有する本発明によれば、半導体基板をその表裏両面に電極を設け、当該表裏両面を挟むように仕切部およびリード部材を設けた構成とすることにより、半導体基板の表裏各面の電極の取り出しには、ワイヤボンディングが不要となる。そのため、ハウジングの細径化が図られる。
【００２２】
また、測定環境が高温となっても、測定環境側に位置するハウジングの第２の部分は、第１の部分よりも熱伝導率の小さいものであるから、測定環境からの熱が半導体基板へ伝導されるのを抑制することができる。
【００２３】
よって、本発明によれば、ハウジングを細径化しつつ、半導体基板の温度上昇を抑制することのできる圧力検出装置を提供することができる。
【００２４】
ここで、請求項２に記載の発明のように、ハウジング（１０）における第１の部分（１１）は金属からなり、第２の部分（１２）はセラミックからなるものにできる。
【００２５】
また、請求項３に記載の発明のように、圧力伝達部材（２０）も、ハウジング（１０）の第１の部分（１１）よりも熱伝導率の小さいものであることが好ましい。測定環境からの熱が半導体基板へ伝導されるのを抑制するという効果を、より顕著なものにすることができる。
【００２６】
この場合、請求項４に記載の発明のように、圧力伝達部材（２０）は、ハウジング（１０）の第２の部分（１２）と同一の材質からなるものにできる。
【００２７】
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一例である。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図１は本発明の実施形態に係る圧力検出装置Ｓ１の全体を示す概略断面図である。この圧力検出装置Ｓ１は、例えばエンジンの燃焼室内の燃焼圧を検出する燃焼圧センサとして適用することができる。
【００２９】
ハウジング１０は、全体として略円筒形状をなすものであり、一端（図１中の下端）側に位置する第１の部分１１と、他端（図１中の上端）側に位置し第１の部分１１よりも熱伝導率の小さい第２の部分１２と、第１の部分１１および第２の部分１２を仕切る導電性の仕切部１３とからなる。
【００３０】
例えば、第１の部分１１および仕切部１３はステンレス等の金属からなり、第２の部分１２はアルミナ等のセラミックからなる。この場合、第１の部分１１と仕切部１３とは接着や溶接等により接合固定され、第２の部分１２と仕切部１３とは接着等により接合固定される。
【００３１】
また、第２の部分１２におけるハウジング１０の一端には、圧力Ｐの印加により歪み変位を発生するダイアフラム１４が設けられている。このダイアフラム１４は、アルミナ等のセラミックからなり、第２の部分１２とは接着等により接合されている。
【００３２】
また、第２の部分１２の内部には、半導体基板３０に圧力Ｐを伝達するための圧力伝達部材２０が設けられている。本実施形態では、この圧力伝達部材２０も、ハウジング１０の第１の部分１１よりも熱伝導率の小さいものであり、具体的には、ハウジング１０の第２の部分１２と同一の材質、例えばセラミック等からなるものにできる。
【００３３】
本例では、圧力伝達部材２０は円柱状をなしており、その一端がダイアフラム１４に接し、他端が仕切部１３に接した形で、ハウジング１０の第２の部分１２の内部に収納されている。この仕切部１３は、その中央部の上下面に突起を有する円板状のものであり、当該突起と圧力伝達部材２０とが接している。
【００３４】
また、ハウジング１０の第１の部分の一端（仕切部１３側の端部）側の内部には、半導体基板３０が収納されている。ここで、半導体基板３０における仕切部１３側の面（図１中の上面）が表面であり、当該表面とは反対側の面（図１中の下面）が裏面である。そして、半導体基板３０は、表裏両面を隔てる方向つまり厚さ方向に印加される圧力に応じて電気信号を出力するものである。
【００３５】
半導体基板３０の表面は、仕切部１３の突起に接している。また、ハウジング１０の第１の部分１１の内部において、半導体基板３０の裏面側には、ハウジング１０とは電気的に独立したリード部材４０が収納されている。
【００３６】
このリード部材４０は銅等の金属製棒状をなすものであり、このリード部材４０は、電気絶縁性のアルミナ等のセラミックからなる円柱状のリード保持部材４１に挿入され保持されている。リード保持部材４１とリード部材４０との間は、ハーメチックガラス等によりシールされている。
【００３７】
そして、リード部材４０の半導体基板３０側の端部は、リード保持部材４１から突出しており、半導体基板３０の裏面に接している。また、この半導体基板３０の裏面と接しているリード部材４０の端部には、セラミック等からなる電気絶縁性のリング４２が挿入されており、このリング４２によっても半導体基板３０が支持されている。
【００３８】
一方、リード部材４０における半導体基板３０とは反対側の端部は、リード保持部材４１から突出して、図示しない外部配線部材と電気的に接続可能となっている。
【００３９】
ここで、リード保持部材４１は、ハウジング１０の第１の部分１１の内面に設けられた突起部１５、１６によって、ハウジング１０の長手方向および短手方向へずれないように支持されている。
【００４０】
このような圧力検出装置Ｓ１においては、ダイアフラム１４で受圧された圧力Ｐは、半導体基板３０の表面（図１中の上面）側に位置する圧力伝達部材２０から仕切部１３を介して、半導体基板３０の表面に伝達される。
【００４１】
ここで、半導体基板３０には、その表裏両面を隔てる方向に圧力が印加されており、上記圧力Ｐの変化により、半導体基板３０から出力される電気信号が変化する。本実施形態における半導体基板３０の詳細構成について、図２を参照して述べる。
【００４２】
図２は図１中の半導体基板３０の近傍部を示す拡大図である。半導体基板３０は、例えばＮ−型のシリコン基板３１からなり、そのシリコン基板３１の表裏両面の面内に〈１１０〉結晶軸を有するものである。なお、シリコン基板３１の表面および裏面と半導体基板３０の表面および裏面とは一致する。
【００４３】
シリコン基板３１の表面には、リン等の不純物注入や拡散等にて形成された第１のＮ＋層３２が形成されるとともに、ボロン等の不純物注入や拡散等にて形成されたＰ＋層３３が、第１のＮ＋層３２に隣接し且つ〈１１０〉結晶軸方向に沿って延びるように形成されている。また、シリコン基板３１の裏面には、ボロン等の不純物注入や拡散等にて形成された第２のＮ＋層３４が形成されている。
【００４４】
そして、シリコン基板３１の表面および裏面を覆うように、熱酸化等にて形成されたシリコン酸化膜３５ａ、３５ｂが形成され、さらに、これらシリコン酸化膜３５ａ、３５ｂを覆うように、スパッタや蒸着等にて成膜されたアルミ等からなる導電性膜３６ａ、３６ｂ、３６ｃが形成されている。
【００４５】
ここで、シリコン基板３１の表面側のシリコン酸化膜３５ａには、第１のＮ＋層３２とＰ＋層３３との接合界面に対応した位置にコンタクトホールが形成されており、当該接合界面と導電性膜３６ｃとが電気的に接続されている。この導電性膜３６ｃは中継電極３６ｃとして構成されている。
【００４６】
また、シリコン基板３１の表面側のシリコン酸化膜３５ａには、Ｐ＋層３３のうち第１のＮ＋層３２とＰ＋層３３との接合界面とは反対側の端部に対応した位置にコンタクトホールが形成されており、当該Ｐ＋層３３の端部と導電性膜３６ａとが電気的に接続されている。この導電性膜３６ａは第１の電極３６ａとして構成されている。
【００４７】
また、シリコン基板３１の裏面側のシリコン酸化膜３５ｂには、第２のＮ＋層３４に対応した位置にコンタクトホールが形成されており、この第２のＮ＋層３４と導電性膜３６ｂとが電気的に接続されている。この導電性膜３６ｂは第２の電極３６ｂして構成されている。
【００４８】
このように、半導体基板３０は、表面に第１の電極３６ａ、裏面に第２の電極３６ｂを有しているが、このような半導体基板３０は、周知の半導体製造技術を用いて製造することができる。
【００４９】
そして、図２に示すように、半導体基板３０の表面側に第１の電極３６ａは、上記したハウジング１０の仕切部１３の突起と接して電気的に接続されており、一方、半導体基板３０の裏面側の第２の電極３６ｂは、リード部材４０と接して電気的に接続されている。
【００５０】
ここで、各第１および第２の電極３６ａ、３６ｂと仕切部１３およびリード部材４０とは、直に接して導通が採られていても良いが、図示しない導電性接着剤や銀ペースト等を介して接した形としても良い。特に、第１の電極３６ａは圧力を受ける側であるため、圧力の逃げがないように、仕切部１３と第１の電極３６ａとは硬い導電性接着剤を介して固定されていることが好ましい。
【００５１】
そして、このような半導体基板３０においては、第１の電極３６ａがＧＮＤ電位、第２の電極３６ｂが正電位となるように、それぞれ仕切部１３、リード部材４０を介して電圧が印加される。この電圧印加の状態は図１に示される。
【００５２】
なお、この電圧印加の状態は、図１中におけるハウジング１０の一端（図１中の下端）に、コネクタ等の外部配線部材を結合することにより、リード部材４０が正電位、仕切部１３と導通するハウジング１０の第１の部分１１がＧＮＤ電位とされることで実現される。
【００５３】
そして、この電圧印加状態においては、図２中の矢印に示すように電流が流れる。すなわち、電流は、裏面側の第２の電極３６ａ、第２のＮ＋層３４から、シリコン基板３１の内部を通って表面側の第１のＮ＋層３２、中継電極３６ｃ、Ｐ＋層３３へ流れる。そして、Ｐ＋層３３では、〈１１０〉結晶軸方向に沿って第１の電極３６ａへと電流が流れる。
【００５４】
ここにおいて、上述したように、ダイアフラム１４で受圧された圧力Ｐが、圧力伝達部材２０、仕切部１３を介して、半導体基板３０の表面に伝達されると、半導体基板３０には、その表裏両面を隔てる方向に圧力が印加され、歪みが生じる。
【００５５】
すると、この歪みに基づいて半導体基板３０におけるＰ＋層３３の抵抗値が変化し、この抵抗値の変化により、半導体基板３０を流れる電流も変化する。この電流変化を、第１および第２の電極３６ａ、３６ｂ間から電気信号として検出することにより、印加圧力が求められるようになっている。
【００５６】
このように、本実施形態では、上記特許文献３に記載されている表裏両面を隔てる方向に印加される圧力に応じて電気信号を出力する半導体基板３０に対して、さらに、表面に第１の電極３６ａ、裏面に第２の電極３６ｂを形成し、電気信号を第１の電極３６ａおよび第２の電極３６ｂによって出力するようにしている。
【００５７】
そして、本実施形態の圧力検出装置Ｓ１では、半導体基板３０の表裏両面に電極３６ａ、３６ｂを設け、当該表裏両面を挟むようにハウジング１０の仕切部１３およびリード部材４０を設けた構成とすることにより、半導体基板３０の表裏各面の電極３６ａ、３６ｂの取り出しには、ワイヤボンディングが不要となっている。
【００５８】
そのため、従来のように、半導体基板３０の外周にワイヤボンディング用のリード部材を配置することが不要となり、より半導体基板３０のサイズに近いサイズにまでハウジング１０を細径化することができる。
【００５９】
また、本圧力検出装置Ｓ１を燃焼圧センサとして適用する場合、ハウジング１０における圧力伝達部材２０の収納部である第２の部分１２をエンジンブロックの穴に挿入することになる。そして、ハウジング１０の第２の部分１２は高温の測定環境にさらされることになる。
【００６０】
ここで、本実施形態では、高温の測定環境側に位置するハウジング１０の第２の部分１２は、第１の部分１１よりも熱伝導率の小さいものであるから、測定環境からの熱が半導体基板３０へ伝導されるのを抑制することができる。
【００６１】
このように、本実施形態によれば、従来に比べて、ハウジング１０を細径化しつつ、半導体基板３０の温度上昇を抑制することのできる圧力検出装置Ｓ１を提供することができる。
【００６２】
また、圧力伝達部材２０はステンレス等の金属製であっても良いが、本実施形態のように、圧力伝達部材２０も、ハウジング１０の第１の部分１１よりも熱伝導率の小さいものとすれば、測定環境からの熱が半導体基板３０へ伝導されるのを抑制するという効果がより顕著になることは明らかである。
【００６３】
さらに、本実施形態では、測定環境にさらされるダイアフラム１４もセラミックからなるものとしたことにより、半導体基板３０への熱伝導抑制の効果を高めている。なお、ダイアフラム１４をステンレス等の金属製としても良く、その場合、従来に比べて、本実施形態の優位性は変わらない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る圧力検出装置の全体概略断面図である。
【図２】図１中の半導体基板の近傍部を示す拡大図である。
【符号の説明】
１０…ハウジング、１１…ハウジングの第１の部分、
１２…ハウジングの第２の部分、１３…ハウジングの仕切部、
２０…圧力伝達部材、３０…半導体基板、３６ａ…第１の電極、
３６ｂ…第２の電極、４０…リード部材。
【図１】
2004279151.tif 000003
【図２】
2004279151.tif 000004