(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形ハウジングの中央に圧力伝達用突起付きの平板ダイヤフラムが一体形成された金属ダイヤフラムと、該金属ダイヤフラムのハウジング下面に突き合わせて溶接接合したステムと、前記ダイヤフラム部の突起先端に対向してステム上に台座を介して搭載したシリコンダイヤフラム形半導体圧力センサとの組立体からなり、かつ寸法，組立誤差の吸収手段として、前記金属ダイヤフラムの突起先端とシリコンダイヤフラムの間をユニット組立状態で硬化させた熱硬化性樹脂接着剤，もしくは低融点ガラス，半田の固着剤で連結結合したことを特徴とする半導体圧力センサユニット。
【請求項２】
請求項１記載の圧力センサユニットの組立方法であって、金属ダイヤフラムのハウジングにステムを突き合わせた組立途中の段階で、シリコンダイヤフラムと金属ダイヤフラムの突起先端との間に熱硬化性樹脂接着材，もしくは低融点ガラス，半田の固着材を付加しておき、金属ハウジングとステムの間を溶接接合した後に、加熱，冷却工程を経て前記固着材を固化させてシリコンダイヤフラムと金属ダイヤフラムの突起先端との間を連結結合したことを特徴とする半導体圧力センサユニットの組立方法。
【請求項３】
請求項１記載の圧力センサユニットにおいて、金属ダイヤフラムの突起先端部に固着材溜まりとなる座ぐりを形成したことを特徴とする半導体圧力センサユニット。
【請求項４】
請求項１記載の圧力センサユニットにおいて、シリコンダイヤフラムのセンタ部位に台座に向けて膨出する厚肉部を形成したことを特徴とする半導体圧力センサユニット。
【請求項５】
請求項１記載の圧力センサユニットにおいて、当該圧力センサユニットを外装ケースに嵌挿して溶接接合するためのフランジ部を金属ダイヤフラムのハウジング開口端部に形成したことを特徴とする半導体圧力センサユニット。
【請求項６】
請求項１記載の圧力センサユニットにおいて、半導体圧力センサが、単一チップにセンサ部，圧力検出回路部，および調整回路部を集積したワンチップ集積形であることを特徴とする半導体圧力センサユニット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンダイヤフラム形半導体圧力センサを金属ダイヤフラムと組合せて構成した半導体圧力センサユニット，およびその組立方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のようにシリコンダイヤフラム形半導体圧力センサは、シリコンのピエゾ抵抗効果を利用して圧力を電気信号に変換する素子であって、自動車搭載用を中心に各種産業分野での用途拡大が進んでおり、最近では自動車エンジンの燃焼圧測定用の圧力センサも開発されている。
【０００３】
このようなエンジン燃焼圧の測定に用いる圧力センサは、高温，高圧（数ＭＰａ〜数十ＭＰａ）の腐食性ガスに晒されることから、半導体圧力センサチップのシリコンダイヤフラムと被測定ガスとの間を耐食性の高いステンレス鋼などで作った金属ダイヤフラムで隔離し、金属ダイヤフラムで受けた圧力を半導体圧力センサチップのシリコンダイヤフラムに伝えて測定するような仕組みで構成している。
【０００４】
また、前記の金属ダイヤフラムで受けた圧力を半導体圧力センサチップに伝える方式としては、センサユニット内にオイルを封入して圧力を伝えるオイル封入方式、および金属ダイヤフラムと半導体圧力センサチップのシリコンダイヤフラムとの間を圧力伝達用ロッドを介装して機械的に連結したオイルレス方式が知られている。
【０００５】
ここで、オイル封入方式は、半導体圧力センサチップの全体に圧力が加わるために、最近主流となっているワンチップ集積型圧力センサ（チップ上にストレインゲージ抵抗のセンシング部，オペアンプ部，調整回路部の全ての機能をワンチップに集積化した構造）が使えないほか、封入オイルのシール構造が複雑化して製品がコスト高となる。
【０００６】
かかる点、オイルの代わりにロッドを介して圧力を伝達するオイルレス方式は、測定圧力が高い場合でも圧力の大半を金属ダイヤフラムに吸収させることかができ、かつ構造，シール面でもオイル封入方式と比べて簡単である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記したオイルレス方式の圧力センサユニットは、構造が簡単になる利点がある反面、その組立には非常に高い組立精度が要求されるという問題がある。
【０００８】
すなわち、金属ダイヤフラムで受けた圧力をロッドを介して半導体圧力センサチップのシリコンダイヤフラムに正しく伝達させるには、圧力荷重方向でのミクロンオーダの誤差も許されず、センサの組立状態で圧力伝達部材であるロッドの先端とシリコンダイヤフラムとの間に僅かなクリアランスが生じていると圧力の測定が不能となったり、逆にシリコンダイヤフラムを押し過ぎるとセンサ出力が過大になるなど測定精度，感度に大きな影響を及ぼす。
【０００９】
そのための対策として、論文「希薄燃焼エンジン用燃焼圧センサの開発」（社団法人  自動車技術会  学術講演前刷集  ９２４１２７（１９９２年１０月））で述べられているように、金属ダイヤフラムと半導体センサチップを搭載したステムとを軸方向へスライド可能にいんろう式に組合せた上で、金属ダイヤフラムとステムとの間を側面からレーザ溶接法で溶接接合するものとし、その溶接の際にシリコンダイヤフラムに対して使用温度範囲で先記したクリアランスが生じないだけのプリロード（軸方向の初期荷重）を加えながら溶接する組立方法が開示されている。
【００１０】
しかしながら、前記した圧力センサの組立構造，方法では、プリロードを調整しながらのレーザ溶接を行うことが必要で、安価な抵抗溶接が使えないために組立コストが高くなる。また、前記の圧力センサにはその圧力検出素子としてダイヤフラムを用いない専用の半導体センサチップが使われている。一般的な半導体ピエゾ抵抗型圧力センサ（例えばウエーハの結晶方位｛１００｝で、シリコンダイヤフラムの撓みで生じるダイヤフラム面と平行な方向の応力を拡散ゲージ抵抗で検出する）を利用する場合は、微小で薄肉なシリコンダイヤフラムが撓むことが可能な範囲でプリロードを調整する必要があり、現実的には溶接作業が極めて０難である。
【００１１】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は前記課題を解決し、圧力検出素子としてワンチップ集積形の半導体ピエゾ抵抗型圧力センサが採用でき、しかも簡単な組立工程で寸法，組立誤差を巧みに吸収し、製作コストの低減化が図れるよう改良した半導体圧力センサユニットを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によれば、半導体圧力センサユニットを、円筒形ハウジングの中央に圧力伝達用突起付きの平板ダイヤフラムを一体形成した金属ダイヤフラムと、該金属ダイヤフラムのハウジング下面に突き合わせて溶接接合したステムと、前記ダイヤフラム部の突起先端に対向してステム上に台座を介して搭載したシリコンダイヤフラム形半導体圧力センサとの組立体からなり、かつ加工，組立誤差の吸収手段として、前記金属ダイヤフラムの突起先端とシリコンダイヤフラムの間をユニット組立状態で硬化させた熱硬化性樹脂接着材，もしくは低融点ガラス，半田の固着材料で連結結合して構成する（請求項１）ものとし、またその組立方法は、金属ダイヤフラムのハウジングにステムを突き合わせた組立途中の段階で、シリコンダイヤフラムと金属ダイヤフラムの突起先端との間に熱硬化性樹脂接着材，もしくは低融点ガラス，半田の固着材を付加しておき、金属ハウジングとステムの間を溶接接合した後に、加熱，冷却工程を経て前記固着材を固化させてシリコンダイヤフラムと金属ダイヤフラムの突起先端との間を連結結合する（請求項２）ものとする。
【００１３】
上記のように圧力センサユニットの組立工程で、金属ダイヤフラムにステムを突き合わせて溶接接合する際に、前もってシリコンダイヤフラムと金属ダイヤフラムの突起先端との間に熱硬化性樹脂接着材（未硬化の状態）、ないしは低融点ガラス，半田を付加しておき、金属ハウジングとステムの間を溶接接合した組立段階で、熱硬化性接着材を使用の場合には接着材の硬化温度まで加熱し、また低融点ガラス，半田の場合には融点温度まで加熱して一旦溶融させた後に冷却して固着材を固化させるとにより、熱硬化性樹脂接着材、ないしは低融点ガラス，半田がユニットの寸法，組立誤差を吸収してシリコンダイヤフラムと金属ダイヤフラムの突起との間にクリアランスなどを生じることなく両者が適正に結合連結され、この状態で金属ダイヤフラムで受けた圧力が正しくシリコンダイヤフラムに伝達されるようになる。
【００１４】
したがって、先記した従来の圧力センサユニットのように、金属ダイヤフラムのハウジングとステムとの結合部にスライド可能ないんろう式結合構造を採用した上で、圧力センサチップに所定のプリロードを加えながレーザ溶接する複雑な組立構造，手順を要することなく、単純な突き合わせ結合構造を採用して抵抗溶接することができ、これにより構造，組立工程が単純で製作コストの低減化が図れる。
【００１５】
また、本発明によれば、前記の具体的態様として次記のように構成がある。
(1) 金属ダイヤフラムの突起先端部に固着材（接着材，低融点ガラス，半田）の充填溜まりとなる座ぐりを形成して、固着材の投錨効果により高い接合強度が確保できるようにする（請求項３）。
【００１６】
(2) シリコンダイヤフラムのセンタ部位に台座に向けて膨出する厚肉部を形成し、接着材などの固着材の硬化収縮、熱膨張による応力が半導体センサチップのストレインゲージ部に伝わらないようにする。（請求項４）。
【００１７】
(3) 当該圧力センサユニットを外装ケースに嵌挿して溶接接合するためのフランジ部を、ダイヤフラム部から離れた金属ダイヤフラムのハウジング開口端部に形成し、溶接時の残留応力，外装ケースとの熱膨張差による応力がダイヤフラム部に伝わるのを抑制してセンサの出力変動を防ぐようにする（請求項５）。
【００１８】
(4) 半導体圧力センサに、単一チップにセンサ部，圧力検出回路部，および調整回路部を集積したワンチップ集積形を採用してセンサユニットの小形，軽量化を図るようにする（請求項６）。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図示実施例に基づいて説明する。なお、図示実施例はゲージ圧力測定用の圧力センサユニットであり、図１は圧力センサユニットの内部構造を表す断面斜視図、図２は要部の拡大図、図３は外観図、図４は分解斜視図、図５は外装ケースへの取付状態を表す図である。
【００２０】
すなわち、圧力センサユニットは、大別して金属ダイヤフラム１と、金属ダイヤフラム２に溶接接合したステム２と、ステム２に搭載した半導体圧力センサチップ３，およびそのガラス台座４との組立体から構成されている。
【００２１】
ここで、金属ダイヤフラム１は耐食性の高いステンレス鋼などで作られており、円筒形のハウジング１ａ、ハウジング１ａの略中央を横切る平板ダイヤフラム部１ｂのセンタ部位から下方に突き出した圧力伝達部用突起１ｃ、およびハウジング１ａの開口端部の周縁から鍔状に張り出すフランジ部１ｄが一体化され、その上面側の開口を通じて測定圧力がダイヤフラム部１ｂに加わるようにしている。また、ステム２は底面の周上にガラスなどで絶縁したハーメチック式の端子ピン２ａを配した皿形体で、その周縁に張出したフランジ部２ｂを前記金属ダイヤフラム１のハウジング底面に突き合わせて溶接接合（プロジェクション溶接）されている。
【００２２】
一方、半導体圧力センサチップ３は、中央にシリコンダイヤフラム３ａを形成したシリコン基板上にストレインゲージ抵抗のセンシング部，オペアンプ部，調整回路部（図示せず）集積化したピエゾ抵抗形のワンチップ集積型圧力センサであり、ガラス台座４の上に静電接合される。なお、図示例では図２で示すようにシリコンダイヤフラム３ａのセンタ部位には下面側に膨出した厚肉部３ｂが形成されている。また、ガラス台座４はステム２の底面に半田付け，もしくは接着されており、その上面にはシリコンダイヤフラム３ａの厚肉部３ｂに対向する円形状の逃げ用の座ぐり部４ａ，および  座ぐり部４ａから四方に伸びた給気通路となる座ぐり部４ｂを形成し、この座ぐり部を通じて外部からステム２に開口した圧力導入口（図示せず）よりステム内に取り込んだ大気圧をシリコンダイヤフラム３ａの下面側に導くようにしている。なお、５は半導体圧力センサチップ３と端子ピン２ａとの間を接続するボンディングワイヤである。
【００２３】
また、圧力センサユニットの組立状態では、金属ダイヤフラム１の下面にステム２のフランジ部２ｂが重ね合わせて溶接接合され、また前記した金属ダイヤフラム１の圧力伝達用突起１ｃの先端と半導体圧力センサチップ３のシリコンダイヤフラム３ａとの間が、熱硬化性樹脂接着材、もしくは低融点ガラス，半田などの固着材６で連結結合されている。
【００２４】
そして、上記の圧力センサユニットは、図５(a),(b) で示すように円筒形の外装ケース７の開口端に嵌入した上で、金属ダイヤフラム１のフランジ部１ｄと外装ケース７の開口端縁との間をシーム溶接してシールし、この外装ケース７を圧力測定の対象機器，例えば自動車エンジンに取付けてその燃焼ガス圧を測定する。なお、８は外装ケース７の背後に連結した圧力センサの信号取出用コネクタである。
【００２５】
かかる構成により、圧力測定時には被測定ガス圧が金属ダイヤフラム１のハウジング開口面を通じてダイヤフラム部１ｂに作用し、その圧力に比例したダイヤフラム部１ｂの撓みが圧力伝達用の突起１ｃを介して半導体圧力センサチップ２のシリコンダイヤフラム３ａを押圧してゲージ圧力を計測する。
【００２６】
次に、前記圧力センサユニットの組立方法について述べる。まず、半導体圧力センサチップを作り込んだウエーハとガラス台座用のウエーハとを静電接合した後にチップ単位にダイシングし、これをステム２に実装してワイヤ５をボンディング接続する。次に、金属ダイヤフラム１のダイヤフラム部１ａから突出する突起１ｃの先端に固着材６として熱硬化性樹脂接着材を塗布した上で、金属ダイヤフラム１のハウジング１ａの下面にステム２のフランジ部２ｂを重ね合わせ、この状態で両者の間を抵抗溶接法で溶接接合する。なお、金属ダイヤフラム１の突起１ｃに接着材を塗布するに際しては、突起１ｃの先端にはあらかじめ図２で示すように固着材溜まりとなる凹状の座ぐり部１ｃ-1を形成しておくのがよい。また、接着材は金属ダイヤフラム１の突起１ｃに塗布する代わりに、半導体圧力センサチップ２のシリコンダイヤフラム３ａの上面にスクリーン印刷法などにより塗布することも可能である。そして、金属ダイヤフラム１にステム２を溶接接合した後、ユニット組立体を前記接着材の硬化温度まで加熱して金属ダイヤフラム１のダイヤフラム部１ｂと半導体圧力センサチップ２との間を接着材で結合し両者間を機械的に連結状態にする。
【００２７】
この組立方法により、金属ダイヤフラム１にステム２を突き合わせて溶接接合した組立状態で各部品の組付け方向に集積した寸法，組立誤差は未硬化状態の接着材で吸収され、接着材を加熱硬化させた後の状態では金属ダイヤフラム１の突起１ｃの先端とシリコンダイヤフラム３ａとの間にクリアランスを残したり、逆に突起１ｃがシリコンダイヤフラム３ａを過剰に押したりすることなく、両者間を適正に連結結合させることができる。また、金属ダイヤフラム１とステム２との間の結合についても、単純なフランジの突き合わせと抵抗溶接法により両者間を溶接接合することができる。
【００２８】
さらに、図示実施例の圧力センサユニットでは、金属ダイヤフラム１のフランジ部１ｄをダイヤフラム部１ｂから最も離れたハウジング１ａの開口端に設け、図５のように当該圧力センサユニットを外装ケース７に嵌入してた状態で、外装ケース７と前記フランジ部１ｄとの間を溶接するようにしている。これにより、溶接時の残留応力，外装ケース７との熱膨張差による応力が金属ダイヤフラム１の突起部１ｃと半導体圧力センサチップ３のシリコンダイヤフラム３ａとの接合部に直接作用するのを防ぐことができ、これに起因するセンサの出力変動を低く抑えることができる。
【００２９】
また、金属ダイヤフラム１のダイヤフラム部１ａと半導体圧力センサチップ２のシリコンダイヤフラム３ａとの間を結合する固着材６としては、前記した熱硬化性樹脂接着材の代わりに、低融点ガラス，あるいは半田を用いて実施することもできる。この場合にはガラス，半田の融点まで加熱して前記した組立誤差を吸収させ、しかる後に冷却してガラス，半田を固化させて金属ダイヤフラム１とシリコンダイヤフラム３ａの間を結合させる。
【００３０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、半導体圧力センサに金属ダイヤフラムを組合せたオイルレス方式の圧力センサユニットを対象に、金属ダイヤフラムに形成した圧力伝達用の突起先端とシリコンダイヤフラムの間をユニット組立状態で硬化させた熱硬化性樹脂接着材，もしくは低融点ガラス，半田の固着材で連結結合して構成するものとし、その組立方法として、シリコンダイヤフラムと金属ダイヤフラムの突起先端との間に前記固着材を付加しておき、金属ハウジングとステムの間を溶接接合した後に、加熱，冷却工程を経て前記固着材を固化させてシリコンダイヤフラムと金属ダイヤフラムの突起先端との間を連結結合するようにしたことにより、ユニットの組立状態で各部品の組付け方向に生じた寸法，組立誤差を固着材で吸収させることができ、圧力測定時には金属ダイヤフラムで受けた圧力が正しくシリコンダイヤフラムに伝達されるようになる。
【００３１】
したがって、従来構造のように、金属ダイヤフラムのハウジングと半導体圧力センサを搭載したステムとの結合にスライドが可能ないんろう式の結合構造を採用した上で、圧力センサチップに所定のプリロードを加えながレーザ溶接する複雑な組立手順を要することなく、単純な突き合わせ結合構造を採用して抵抗溶接することができ、これにより簡単な組立工程で、しかも測定精度の高い圧力センサユニットを低コストで提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による圧力センサユニットの組立構造を表した断面斜視図
【図２】図１における要部の拡大図
【図３】図１の圧力センサユニットの外観図
【図４】図１の圧力センサユニットの分解斜視図
【図５】図１の圧力センサユニットを外装ケースに装着した状態を表す図であり、(a) は側面図、(b) は上面図
【符号の説明】
１    金属ダイヤフラム
１ａ  ハウジング
１ｂ  ダイヤフラム部
１ｃ  圧力伝達用の突起
１ｃ-1  固着材溜まり用の座ぐり部
１ｄ  フランジ部
２    ステム
３    半導体圧力センサチップ
３ａ  シリコンダイヤフラム
３ｂ  厚肉部
４    ガラス台座
６    固着材
７    外装ケース
【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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