(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
抵抗ブリッジ回路が形成されたダイアフラム部及び前記ダイアフラム部の外周部を支持するダイアフラム支持部が一体に成形されてなる半導体圧力センサ素子と、
表面に前記半導体圧力センサ素子の前記ダイアフラム支持部が接合され且つ前記半導体圧力センサ素子の前記ダイアフラム部に圧力測定の対象となる流体を導くための流体導入孔が形成された壁部を備えたセラミック製のセンサケースと、
前記センサケースの前記壁部の裏面に前記流体導入孔の開口端部の周囲を囲むように形成された半田付けが可能な被半田付け部と、
前記被半田付け部に半田付けにより接続された金属製の筒体とを具備する半導体圧力センサであって、
前記被半田付け部に半田付けされる前記筒体の環状の半田付け端部はフランジ部を備えておらず、前記半田付け端部の端面が前記被半田付け部に半田付け接続されており、
前記被半田付け部は所定の幅寸法を有する円形形状を呈しており、
前記被半田付け部の内接円と外接円との間に仮想した前記内接円及び外接円と同心をなす仮想中心円が、前記ダイアフラム支持部と前記センサケースの前記壁部の接合領域内に前記流体導入孔を囲むように仮想した仮想環状中心線よりも外側に位置するように、前記被半田付け部が形成され、
前記筒体の前記半田付け端部は前記仮想中心円と同じまたはそれよりも大きな中心直径を有しており、前記半田付け端部が前記仮想中心円とほぼ同心的に配置されていることを特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項２】
前記被半田付け部は、前記壁部を間に介して前記接合領域と部分的に対向しており、
前記接合領域と前記被半田付け部との間の前記壁部の厚み寸法は２．５ｍｍ以下であり、
前記筒体の前記半田付け端部の肉厚が、０．２〜０．８ｍｍであることを特徴とする請求項１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、流体圧力を半導体圧力センサ素子により検出して電気信号として出力する半導体圧力センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、出願人の先願に係る特願平１１−９５７号で提案した半導体圧力センサ１００の縦断面図を示したものである。この半導体圧力センサ１００は、シリコン半導体基板を用いて形成されて測定すべき流体の圧力を検出する半導体圧力センサ素子１０１と、この半導体圧力センサ素子１０１を収納するセラミック製のセンサケース１０３と、半導体圧力センサ素子１０１に測定すべき流体を導く金属製の筒体１０５とを備えている。
【０００３】
半導体圧力センサ素子１０１は、抵抗ブリッジ回路（図示せず）が形成されたダイアフラム部１０７と、このダイアフラム部１０７の外周部を支持し且つ抵抗ブリッジ回路に接続された複数の接続用電極（図示せず）が形成されたダイアフラム支持部１０９ａ，１０９ｂとが一体に形成された構造になっている。
【０００４】
セラミック製のセンサケース１０３は、半導体圧力センサ素子１０１のダイアフラム部１０７に圧力測定の対象となる流体を導くための流体導入孔１１１を備え且つ上面に半導体圧力センサ素子１０１のダイアフラム支持部１０９ａ，１０９ｂが流体導入孔１１１の一方の開口端部を囲むようにして固定される壁部１１３と、半導体圧力センサ素子１０１の周囲を囲み壁部１１３に一体化された周壁部１１５とを備えている。この周壁部１１５と壁部１１３とにより囲まれた空間が素子収容凹部１１７を構成している。
【０００５】
筒体１０５は、センサケース１０３側の端部に筒体１０５の径方向外側に向かって延びる環状のフランジ部１１９を備えている。筒体１０５のフランジ部１１９は、壁部１１３の裏面上に流体導入孔１１１の他方の開口端部を囲むように形成された環状の被半田付け部１２１に半田付けにより固定されている。以下、詳細は特願平１１−９５７号に説明されているので省略する。
【０００６】
この半導体圧力センサ１００では、流体導入孔１１１に測定すべき流体が供給されて、その流体の圧力が半導体圧力センサ素子１０１のダイアフラム部１０７に作用すると、大気圧との差によりダイアフラム部１０７に物理的な歪みが生じ、この歪みに応じてダイアフラム部１０７に設けられている抵抗ブリッジ回路の抵抗値が変化し、この抵抗値の変化を電気的な信号として出力する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
先に提案した構造の半導体圧力センサでも、要求される精度によっては、必要十分な性能を発揮している。しかしながらこの半導体圧力センサ１００では、要求される精度によっては、圧力測定の対象である流体の温度変化または周囲の温度変化に伴って出力に現れる出力の変化（温度特性）が問題となってくる。
【０００８】
発明者が研究した結果、温度特性が悪くなる原因の一つが，金属製の筒体１０５をセンサケース１０３の壁部１１３の裏面に形成した被半田付け部に半田付けしていることにあることが分かった。すなわち筒体のフランジ部とセンサケースの外面に形成されている被半田付け部との間に形成される半田付け部には、流体の温度変化により生じる筒体の熱膨張（線膨張係数）とセンサケースを構成しているセラミックの熱膨張（線膨張係数）との差から応力が発生する。そしてこの応力がセラミック製のセンサケースに及び、更にこのセラミック製のセンサケースに固定されている半導体センサ素子に及び、この応力が半導体センサ素子の出力に影響を与えることが分かった。センサケース１０３の壁部１１３の厚みを厚くすれば、このような応力の影響を小さくすることができる。しかしながらこのようにすることはセンサケースの材料費が高くなってセンサの価格を上げるだけでなく、センサの高さ寸法を大きくする原因となる。
【０００９】
本発明の目的は、温度特性が優れた半導体圧力センサを提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、金属性の筒体が半田付け接続されるセンサケースの壁部の厚みを厚くすることなく、温度特性を改善することができる半導体圧力センサを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体圧力センサは、抵抗ブリッジ回路が形成されたダイアフラム部及びダイアフラム部の外周部を支持するダイアフラム支持部が一体に成形されてなる半導体圧力センサ素子と、表面に半導体圧力センサ素子のダイアフラム支持部が接合され且つ半導体圧力センサ素子のダイアフラム部に圧力測定の対象となる流体を導くための流体導入孔が形成された壁部を備えたセラミック製のセンサケースと、センサケースの壁部の裏面に流体導入孔の開口端部の周囲を囲むように形成された半田付けが可能な被半田付け部と、この被半田付け部に半田付けにより接続された金属製の筒体とを具備する半導体圧力センサを改良の対象とする。
【００１２】
本発明では、被半田付け部に半田付けされる金属製の筒体の環状の半田付け端部にフランジ部を設けない。そしてフランジ部の無い半田付け端部の端面を被半田付け部に半田付け接続する。このようにすると、フランジ部を設けた場合と比べて、センサケースの壁部の裏面に形成された被半田付け部と筒体の半田付け端部とを半田付け接続する半田付け部の面積が小さくなる。その結果、流体の温度変化または周囲の温度変化により生じる筒体の熱膨張（線膨張係数）とセンサケースを構成しているセラミックの熱膨張（線膨張係数）との差から被半田付け部に発生する応力が小さくなる。なお本願明細書においては、半田とは加熱されると溶融し、自然に冷却さられると金属どうしを結合する機能を有する接合材料を言う。
【００１３】
筒体にフランジ部を設けずに、筒体を半田付け接続した場合でも、センサケースの壁部の厚みが薄くなると、半田付け部に発生する応力の影響が出力に現れる。そこでセンサケースの壁部の裏面に形成する被半田付け部が、所定の幅寸法を有する円形形状であるとすると、筒体の取付位置と半導体圧量センサ素子の取付位置とは、次のような関係にするのが好ましい。すなわち、被半田付け部の内接円と外接円との間に仮想した内接円及び外接円と同心をなす仮想中心円が、ダイアフラム支持部とセンサケースの壁部の接合領域内に流体導入孔を囲むように仮想した仮想環状中心線よりも外側に位置するように被半田付け部の位置を定める。ここで仮想環状中心線とは、ダイアフラム支持部の形状が円環状であれば、円形となり、またダイアフラム支持部の形状が矩形状であれば矩形状になるものであり、ダイアフラム支持部の形状によって形状が変わるものである。この場合、筒体としては、半田付け端部が、仮想中心円と同じまたはそれよりも大きな中心直径を有しているものを用いる。ここで中心直径とは、筒体の半田付け端部の内周面と外周面との間の中心に仮想され前記内周面と外周面と同心をなす仮想円の直径である。そして筒体の半田付け端部は、仮想中心円とほぼ同心的になるように被半田付け部に半田付け接続されている。このようにすると被半田付け部の半田付け部からセンサケースに加わった応力が、半導体センサ素子に加わり難くすることができる。上述した仮想中心円を仮想中心線から離せば離すほど、半導体センサ素子への応力の影響を低減できる。
【００１４】
特に、被半田付け部が壁部を間に介して接合領域と部分的に対向させるときに、接合領域と被半田付け部との間の壁部の厚み寸法を２．５ｍｍ以下とする場合には、筒体の半田付け端部の肉厚を０．２〜０．８ｍｍの範囲のものとする。このようにすると、壁部の厚みを薄くして、しかも半田付け部の面積をあまり大きくすることなく、筒体の固定に必要な半田付け強度を確保することできる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。図１（Ａ）は本発明の半導体圧力センサの実施の形態の一部切り欠き平面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。また図２は、後述する筒体３１を半田付け接続する前のセンサケースの裏面を示す図である。
【００１６】
本実施の形態の半導体圧力センサ１は、流体圧力を検出する半導体圧力センサ素子３と、この半導体圧力センサ素子３を支持するセラミック製のセンサケース５と、後述する筒体３１とを基本的な構成要件として備えている。半導体圧力センサ素子３は、図３に示すような拡散抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３及びＲ４からなるブリッジ回路７が形成されたダイアフラム部９と、このダイアフラム部９の外周部を支持するダイアフラム支持部１１ａ，１１ｂとが一体に成形された構造を有している。半導体圧力センサ素子３のダイアフラム部９は、矩形状のシリコンウェハーにエッチングを施して形成されたシリコンダイアフラムであり、ダイアフラム部９を形成することによりダイアフラム支持部１１が形成される。ダイアフラム部９の表面は、拡散抵抗Ｒ１からＲ４が形成された後に、保護用の絶縁膜１３で覆われる。
【００１７】
センサケース５は、表面に半導体圧力センサ素子３の環状のダイアフラム支持部１１ａが接合される壁部１７と周壁部１９とを備えている。壁部１７には、半導体圧力センサ素子３のダイアフラム部９に圧力測定の対象となる流体を導くための流体導入孔１５が形成されており、環状のダイアフラム支持部１１は、流体導入孔１５の一方の開口端部を囲むように壁部１７の表面に接合されている。また周壁部１９は、半導体圧力センサ素子３の周囲を囲む形状を有しており、周壁部１９の開口部は金属製の蓋板２０によって塞がれている。
【００１８】
半導体圧力センサ素子３の環状のダイアフラム支持部１１は、ダイアフラム支持部１１の線膨張係数と壁部１７の線膨張係数とに大きな差があっても両者間に剥離が生じないように、硬化しても撓み性のあるゲル状の接着剤を用いて壁部１７上の接合領域２１に固定されている。また、センサケース５の周壁部１９の輪郭形状は、４つの角部を有するほぼ矩形形状を呈している。
【００１９】
このようなセンサケース５は、壁部１７を含む第１のケース構成部分２３と、この第１のケース構成部分２３の上面に下面が接合されて周壁部１９の残部を構成し且つ内側に第１のケース構成部分２３の上面の一部を露出させるように形成された第２のケース構成部分２５とにより構成されている。そして第２のケース構成部分２５に蓋板２０が接合されている。
【００２０】
図３に示すように、壁部１７を構成している第１のケース構成部分２３の裏面には、流体導入孔１５の他方の開口端部の周囲を囲むように所定の幅寸法を有する円形形状の被半田付け部２９と、複数の電極３０…とが形成されている。円形形状の被半田付け部２９と１つの電極３０とは、接続パターンを介して接続されている。これらの被半田付け部２９と電極３０…は、タングステン下地層とＮｉ下地メッキ層とＡｕ表面メッキ層とから構成されている。そしてこの被半田付け部２９には、半導体圧力センサ素子３のダイアフラム部９に圧力測定の対象となる流体を流体導入孔１５を介して導くための金属製の筒体３１の環状の端部３３（半田付け端部）の端面が半田３５により半田付け接続されている。環状の被半田付け部２９を形成する金属薄膜の幅寸法は、半田付け強度が著しく低下しない範囲で定められる。筒体３１の内部には、流体導入孔１５と連通する流体導入路３７が形成されている。
【００２１】
本例では、第１のケース構成部分２３によって構成される壁部１７の裏面に形成した被半田付け部２９は、被半田付け部２９の内接円３９と外接円４１との間に仮想した内接円３９及び外接円４１と同心の仮想中心円４３が、ダイアフラム支持部１１と壁部１７との接合領域２１内に仮想した流体流通孔１５を囲む仮想環状中心線ＣＬよりも外側に位置するように形成されている。筒体３１の環状の半田付け端部３３は仮想中心円４３と同じまたはそれよりも大きな中心直径を有している。そして筒体４１は、半田付け端部３３が仮想中心円４３とほぼ同心になるように、被半田付け部２９に半田付け接続されている。半田付け接続する場合には、被半田付け部２９上にクリーム半田を印刷し、乾燥処理した後に、その上に筒体１の端部３３を載せ、炉の中でこれらを加熱してクリーム半田を溶融させたのち、自然冷却させる。
【００２２】
この例のように、被半田付け部２９が壁部１７を間に介して接合領域２１と部分的に対向している場合には、壁部の厚み寸法を２．５ｍｍ以下の値まで薄くすることが可能である。そしてこの場合の筒体３１の端部３３（半田付け端部）の肉厚は０．２〜０．８ｍｍに設定するのが好ましい。半導体圧力センサ素子が大きくなった場合には、被半田付け部２９は、その仮想中心円４３が常に仮想環状中心線ＣＬよりも外に位置するように形成する。仮想中心円４３が、仮想環状中心線ＣＬよりも外側に離れれば離れるほど、筒体３１の半田付け部に温度変化で発生する応力の影響を少なくすることができる。
【００２３】
センサケース５には半導体圧力センサ素子３に設けられている複数の接続用電極４５…（図の右半分の電極は省略している）のうちの所要の接続用電極にボンディングワイヤ５１…により接続された複数のケース側接続用電極４７…が形成されている。ケース側接続用電極４７…はタングステン下地層とＮｉ下地メッキ層とＡｕ表面メッキ層とから構成されている。これらケース側接続用電極４７…は、第２のケース構成部分２５の内側に露出する第１のケース構成部分２５の上面の部分に形成されている。
【００２４】
第２のケース構成部分２５の下に位置する第１のケース構成部分２５の上面の部分には、それぞれ複数のケース側接続用電極４７…に接続されてセンサケース５の周壁部１９の外周面まで延びる複数の導電性引出パターン４９…（図１（Ａ）では示さず）が形成されている。これら複数の導電性引出パターン４９…は、ケース側接続用電極４７…を構成するタングステン下地層が延長されて構成されている。また第１のケース構成部分２３の下面及び第２のケース構成部分２５の上面には、複数の導電性引出パターン４９…とそれぞれ接続される複数の外部接続用電極５３ａ〜５３ｈと複数の外部接続用電極３０…とがそれぞれ形成されている。またセンサケース５の周壁部１９の外周面には、第１及び第３のケース構成部分２３，２５が積層される積層方向に向かって延びて積層方向両側に開口し且つ積層方向と直交し且つ外周面から離れる方向に開口する複数の溝部Ｃ１〜Ｃ８が形成されている。特に、溝部Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４は、センサケース５のほぼ矩形形状をなす周壁部１９の４つの角部にそれぞれ形成されている。複数の導電性引出パターン４９…の外側端部は、それぞれ対応する複数の溝部Ｃ１〜Ｃ８内に露出している。
【００２５】
複数の外部接続用電極５３ａ〜５３ｈ，３０…のうち、第１のケース構成部分２３の下面に形成される第１グループに属する複数の外部接続用電極５３ａ〜５３ｄと、第２のケース構成部分２５の上面に形成される第２グループに属する複数の外部接続用電極５５ａ〜５５ｄは、それぞれ複数の溝部Ｃ１〜Ｃ８の積層方向両側の開口部に隣接して形成されている。これらの溝部Ｃ１〜Ｃ８内で、これら溝部の内部に露出する導電性引出パターン４９…の外側端部と、これら溝部の積層方向両側に位置する対になった複数の外部接続用電極５３ａ〜５３ｈ，５５ａ〜５５ｈとは、これら溝部内に沿って設けられた複数の接続用導電パターン４９により電気的に接続されている。
【００２６】
上述した構造による半導体圧力センサ１では、測定対象である流体は筒体３１の流体導入路３７から流体導入孔１５に供給される。その流体の圧力が半導体圧力センサ素子３のダイアフラム部９に作用すると、大気圧との差によりダイアフラム部９に物理的な歪みが生じ、この歪みに応じてダイアフラム部９に設けられている抵抗ブリッジ回路７の抵抗値が変化し、この抵抗値の変化を出力として取出す。温度変化があるとセラミック製のセンサケース５と金属製（真鍮）の筒体３１との熱膨張係数の違いにより、センサケース５と筒体３１との接合部分である被半田付け部２９に応力が発生する。本例の半導体圧力センサ１では、筒体３１の半田付け端部がフランジ部を有しておらず、また筒体３１の仮想中心円４３がダイアフラム支持部１１の仮想環状中心線ＣＬよりも外側に位置するようにして、筒体３１が被半田付け部２９に半田付け接続されているので、半田付け部に発生する応力が小さくなる上、半田付け部に発生した応力がセンサケース５の壁部１７を介して半導体圧力センサ素子３に伝わるのを抑制できる。その結果、本発明によれば，温度特性が大幅に改善される。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、セラミック製のセンサケースの壁部の裏面の被半田付け部に半田付け接続される金属製の筒体にフランジ部を設けないので、被半田付け部と筒体の半田付け端部とを接続する半田付け部が小さくなり、半田付け部に発生する応力を小さくすることができ。そのため筒体が接合されるセンサケースの壁部の厚みを薄くしたとしても、温度変化により半田付け部に発生する応力が半導体圧力センサ素子まで及び難くなって、温度特性を改善できる。
【００２８】
特に、被半田付け部を、被半田付け部の内接円と外接円との間に仮想した内接円及び外接円と同心をなす仮想中心円が、ダイアフラム支持部とセンサケースの壁部の接合領域内に流体導入孔を囲むように仮想した仮想環状中心線よりも外側に位置するようにする形成し、筒体としてその半田付け端部が仮想中心円と同じまたはそれよりも大きな中心直径を有するものを用い、筒体の半田付け端部を仮想中心円とほぼ同心的に配置されるように被半田付け部に半田付け接続すると、半田付け部で発生する応力の影響を大幅に小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （Ａ）は本発明の半導体圧力センサの一実施の形態の一部切り欠き平面図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図２】  図１の実施の形態において、筒体をセンサケースに半田付けする前のセンサケースの底面図である。
【図３】  本発明の実施の形態の半導体圧力センサのダイアフラム部に形成されているブリッジ回路の回路図である。
【図４】  従来の半導体圧力センサの一例の構造の縦断端面図である。
【符号の説明】
１  半導体圧力センサ
３  半導体圧力センサ素子
５  センサケース
９  ダイアフラム部
１１，１１ａ，１１ｂ  ダイアフラム支持部
１５  流体導入孔
１７  壁部
１９  周壁部
２１  接合領域
２９  被半田付け部
３１  筒体
３３  半田付け端部
３５  半田
３７  流体導入路
３９  内接円
４１  外接円
４３  仮想中心円
ＣＬ  仮想環状中心線
【図１】
0004651763.tif 000002
【図２】
0004651763.tif 000003
【図３】
0004651763.tif 000004
【図４】
0004651763.tif 000005