CN106969870A - 压力传感器 - Google Patents

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石仓义之
东条博史
田中达夫
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Abstract

本发明公开了一种压力传感器，其将压力传导媒介(封入液)的使用量极小化，并且做成无密封结构，谋求小型化以及低成本化。以导入被测流体的压力的一侧的面(第1保持构件的下表面)作为接合面将传感器芯片接合于传感器室的底面(基座体的内壁面)，使受压隔膜和传感器芯片的接合面之间的封入室(受压室+导压路)与第1保持构件的导压孔连通。传感器室向大气开放。由此，来自传感器隔膜的引线的导出部(引线键合面)位于封入室的外侧，成为电极引脚与封入室中的封入液分离的结构。

Description

压力传感器
技术领域
本发明涉及使用有传感器隔膜的压力传感器，该传感器隔膜输出与一边的面以及另一边的面所承受的压力差相应的信号。
背景技术
一直以来，使用有输出与一边的面以及另一边的面所承受的压力差相应的信号的传感器隔膜的压力传感器被用作工业用的压力传感器(例如，参照专利文献1)。
该压力传感器构成为：通过硅油等压力传导媒介(封入液)将施加于受压隔膜的被测流体的压力传导至传感器隔膜的一边的面，将由与另一边的面之间的压力差而产生的传感器隔膜的变形作为例如电阻应变计的电阻值变化而检测，并将该电阻值变化转换为电信号而取出。
图6示出了现有的压力传感器的主要部分。在该图中，1为金属中制的机身，2为受压隔膜，3为形成于机身1的内部的封入室，4为设置于封入室3的传感器芯片，5(5-1、5-2)为电极引脚。
在该压力传感器100中，机身1由基座体1-1和罩体1-2构成，封入室3由受压室3-1、导压路3-2以及传感器室3-3构成。受压隔膜2将其外周边缘面焊接在基座体1-1的上表面而固定，在该受压隔膜2的背面形成有受压室3-1，该受压室3-1通过导压路3-2与传感器室3-3连通。在由该受压室3-1、导压路3-2以及传感器室3-3构成的封入室3中封入有封入液6。
传感器芯片4由传感器隔膜4-1、夹持该传感器隔膜4-1而接合的第1保持构件4-2以及第2保持构件4-3构成。传感器隔膜4-1由硅、玻璃等构成，在形成为薄板状的隔膜的表面形成有电阻应变计。在图6中将传感器隔膜4-1中的电阻应变计的形成面用斜线表示。
保持构件4-2、4-3也由硅、玻璃等构成，在第1保持构件4-2上形成有凹部4-2a和与该凹部4-2a连通的压力导入孔(导压孔)4-2b，在第2保持构件4-3上形成有凹部4-3a和与该凹部4-3a连通的压力导入孔(导压孔)4-3b。第1保持构件4-2的凹部4-2a的底部形成为平坦面，第2保持构件4-3的凹部4-3a的底部形成为沿着传感器隔膜4-1的位移的曲面(非球面)。
第1保持构件4-2使凹部4-2a的边缘部4-2c与传感器隔膜4-1的一边的面4-1a相对，并接合于传感器隔膜4-1的一边的面4-1a。第2保持构件4-3使凹部4-3a的边缘部4-3c与传感器隔膜4-1的另一边的面4-1b相对，并接合于传感器隔膜4-1的另一边的面4-1b。
在该压力传感器100中，传感器芯片4设置于传感器室3-3内，该传感器芯片4的底面(第2保持构件4-3的下表面)4a涂布环氧系粘结剂，并接合于传感器室3-3的底面(罩体1-2的内壁面)3a。即，传感器芯片4的底面4a与传感器室3-3的底面3a通过环氧系粘结剂的粘结材料层(粘结层)7而接合。在罩体1-2上，在与传感器芯片4的第2保持构件4-3的导压孔4-3b相对应的位置，形成有向着该导压孔4-3b的大气压的导入路(导压路)1-2a。
另外，在该压力传感器100中，第1保持构件4-2和第2保持构件4-3的夹持传感器隔膜4-1并相对的面的面积不同，在该例子中，形成有相比于第2保持构件(下侧保持构件)4-3的面积，第1保持构件(上侧保持构件)4-2的面积较小的凸结构。在该传感器芯片4的凸结构中，从位于第1保持构件4-2以及第2保持构件4-3中向外侧露出的保持构件(第2保持构件4-3)的边缘部的传感器隔膜4-1的、形成有电阻应变计的面导出有引线8(8-1、8-2)，从该传感器隔膜4-1导出的引线8(8-1、8-2)连接于电极引脚5(5-1、5-2)。
电极引脚5的一侧的端部位于传感器室3-3的内部，另一侧的端部贯通罩体1-2位于传感器室3-3的外侧。为了罩体1-2与电极引脚5之间的电绝缘以及防止封入液6的泄漏，电极引脚5所贯通的罩体1-2的插通孔1-2b通过密封材料9密封。
在该压力传感器100中，受压隔膜2承受来自被测流体(流体、气体)的压力P1，该受压隔膜2承受的被测流体的压力P1传递给封入室3内的封入液6，经由受压室3-1、导压路3-2以及传感器室3-3进入第1保持构件4-2的导压孔4-2b，传导至传感器隔膜4-1的一边的面4-1a。传感器隔膜4-1的另一边的面4-1b通过第2保持构件4-3的导压孔4-3b而向大气开放。
由此，在传感器隔膜4-1上产生变形，该传感器隔膜4-1的变形作为电阻应变计的电阻值变化而被检测，该电阻值变化被转换为电信号(相应于压力差的信号)，并通过引线8(8-1、8-2)，经由电极引脚5(5-1、5-2)取出。
另外，在过大压力被施加于传感器隔膜4-1的一边的面4-1a、传感器隔膜4-1发生位移时，该位移面的整体通过第2保持构件4-3的凹部4-3a的曲面而被挡住。由此，阻止过大压力被施加于传感器隔膜4-1时的过度的位移，在传感器隔膜4-1的边缘部不发生应力集中，防止由过大压力的施加而导致的传感器隔膜4-1的破坏，能够提供耐压性。
【现有技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特开平10-300612号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，在该压力传感器100中，为了保护传感器芯片4不受测定媒体等外部腐蚀环境影响，将传感器芯片4收纳于形成在机身1的内部的封入室3，并用硅油等封入液(压力传导媒介)6充满该封入室3。
这种情况下，由于用于从传感器隔膜4-1取出电信号的引线8和封入液6存在于相同的封入室3内，因此将连接于引线8的电极引脚5向外侧引出时必须对罩体1-2实施密封。因此，结构变得复杂，成为小型化的制约，成本变高。
另外，由于做成了将传感器芯片4整体放入封入室3的结构，因此封入室3的容积(油容积)变大，即封入液6的使用量变大，影响压力传感器100的温度特性。另外，为了减少封入液6的使用量，可以考虑在封入室3内设置油垫片，但是由于油垫片的增加，成本会变高。
本发明是为了解决这样的问题而完成的，其目的在于，提供一种使压力传导媒介(封入液)的使用量极小化，并且能够做成无密封结构、谋求小型化以及低成本化的压力传感器。
解决问题的技术手段
为了达到这样的目的，本发明的特征在于，包括：传感器芯片，其具备传感器隔膜、第1保持构件以及第2保持构件，所述传感器隔膜输出与一边的面以及另一边的面所承受的压力差相应的信号，所述第1保持构件使其边缘部与传感器隔膜一边的面相对并接合，并且具有将被测流体的压力向该传感器隔膜的一边的面传导的第1导压孔，所述第2保持构件使其边缘部与传感器隔膜的另一边的面相对并接合，并且具有使该传感器隔膜的另一边的面向大气开放的第2导压孔；机身，其以传感器芯片导入被测流体的压力的一侧的面作为接合面而被接合；受压隔膜，其被设置于机身，承受来自被测流体的压力，机身在受压隔膜和传感器芯片的接合面之间具备封入室，所述封入室封入通过第1保持构件的第1导压孔将受压隔膜承受的来自被测流体的压力传导至传感器隔膜的一边的面的压力传导媒介。
在本发明中，传感器芯片以导入被测流体的压力的一侧的面作为接合面而接合在机身上。在机身上，在传感器芯片的接合面与受压隔膜之间设置有封入室，通过该封入室所封入的压力传导媒介，受压隔膜承受了的来自被测流体的压力通过第1保持构件的第1导压孔被传导至传感器隔膜的一边的面。
在本发明中，仅传感器芯片的第1保持构件的第1导压孔和传感器隔膜的一边的面与压力传导媒介接触，其他部分不与压力传导媒介接触。即，在本发明中，传感器芯片并不进入由压力传导媒介充满的封入室，仅传感器芯片的内部的空间(传感器部)与压力传导媒介接触，传感器芯片整体位于封入室的外侧。由此，使来自传感器隔膜的信号的取出部位于封入室的外侧，能够做成无密封结构。另外，减小了封入室的容积，能够使压力传导媒介(封入液)的使用量极小化。
发明的效果
根据本发明，将导入被测流体的压力的一侧的面作为接合面而将传感器芯片接合于机身，在机身的传感器芯片接合面与受压隔膜之间设置封入室，通过该封入室所封入的压力传导媒介，将受压隔膜承受的来自被测流体的压力通过第1保持构件的第1导压孔传导至传感器隔膜的一边的面，因此，使传感器芯片整体位于封入室的外侧，能够使压力传导媒介(封入液)的使用量极小化，并且能够做成无密封结构，谋求小型化以及低成本化。
附图说明
图1为表示本发明实施方式所涉及的压力传感器的主要部分的构成的截面图。
图2为该压力传感器中的设置有电极引脚的中继端子(与从传感器隔膜导出的引线连接的连接部)的俯视图。
图3为表示将与从传感器隔膜导出的引线连接的连接部作为形成有电路的基板的例子的俯视图。
图4为表示将传感器芯片形成为相比于第1保持构件(下侧的保持构件)的面积，第2保持构件(上侧的保持构件)的面积较小的凸结构的例子的图。
图5为表示去除罩体的例子的图。
图6为表示现有的压力传感器的主要部分的构成的截面图。
具体实施方式
以下，基于附图详细地说明本发明的实施方式。图1为表示本发明实施方式所涉及的压力传感器的主要部分的构成的图。
在图1中，21为金属制的机身，22为受压隔膜，23为机身21内的封入室，24为传感器芯片，25(25-1、25-2)为电极引脚，26为设有电极引脚25(25-1、25-2)的中继端子。
在该压力传感器200(200A)中，机身21由基座体21-1和罩体21-2构成，在基座体21-1设有由受压室23-1和导压路23-2构成的封入室23。传感器芯片24被收纳于由基座体21-1和罩体21-2围成的传感器室20，传感器室20通过形成于罩体21-2的貫通孔21a、21b而向大气开放。
受压隔膜22将其外周边缘面焊接于基座体21-1的下表面而被固定，在该受压隔膜22的背面形成有受压室23-1，在该受压室23-1的中央部形成有导压路23-2。
传感器芯片24由传感器隔膜24-1、夹持该传感器隔膜24-1而接合的第1保持构件24-2以及第2保持构件24-3构成。传感器隔膜24-1由硅、玻璃等构成，在形成为薄板状的隔膜的表面形成有电阻应变计。在图1中将传感器隔膜24-1中的电阻应变计的形成面用斜线示出。
保持构件24-2、24-3也由硅、玻璃等构成，在第1保持构件24-2上形成有凹部24-2a和与该凹部24-2a连通的压力导入孔(导压孔)24-2b，在第2保持构件24-3上形成有凹部24-3a和与该凹部24-3a连通的压力导入孔(导压孔)24-3b。第1保持构件24-2的凹部24-2a的底部形成为平坦面，第2保持构件24-3的凹部24-3a的底部形成为沿着传感器隔膜24-1的位移的曲面(非球面)。
第1保持构件24-2使凹部24-2a的边缘部24-2c与传感器隔膜24-1的一边的面24-1a相对，并接合于传感器隔膜24-1的一边的面24-1a。第2保持构件24-3使凹部24-3a的边缘部24-3c与传感器隔膜24-1的另一边的面24-1b相对，并接合于传感器隔膜24-1的另一边的面24-1b。
在该压力传感器200A中，传感器芯片24以第1保持构件24-2为下方，并接合于传感器室20的底面(基座体21-1的内壁面)20a。即，将第1保持构件24-2的下表面24a作为传感器芯片24的底面，为了热应力弛豫，该传感器芯片24的底面24a与传感器室20的底面20a通过软粘结剂(低杨氏模量的粘结剂(例如，氟系的粘结剂))层(粘结层)28而接合。
在使形成于基座体21-1的导压路23-2与传感器芯片24的第1保持构件24-2的导压孔24-2b的位置相配合的状态下，进行该传感器芯片24的底面24a向传感器室20的底面20a的接合。由此，能够谋求由受压室23-1和导压路23-2构成的基座体21-1内的封入室23与由传感器芯片24内的凹部24-2a和导压孔24-2b构成的空間(传感器部)S1的连通。在该基座体21-1内的封入室23和传感器芯片24内的传感器部S1中封入有封入液27。
另一方面，传感器芯片24的上表面(第2保持构件24-3的上表面)24b成为开放状态。即，传感器芯片24的第2保持构件24-3的导压孔24-3b通过设置于罩体21-2的貫通孔21a、21b而向大气开放。
另外，在该压力传感器200A中，第1保持构件24-2和第2保持构件24-3夹持着传感器隔膜24-1并相对的面的面积不同，在该例子中，做成相比于第2保持构件(上侧的保持构件)24-3的面积，第1保持构件(下侧的保持构件)24-2的面积较小的凸结构。
在该传感器芯片24的凸结构中，从位于第1保持构件24-2以及第2保持构件24-3中向外侧露出的保持构件(第2保持构件24-3)的边缘部的传感器隔膜24-1的、形成有电阻应变计的面导出引线29(29-1、29-2)，从该传感器隔膜24-1导出的引线29(29-1、29-2)连接于设置在中继端子26上的电极引脚25(25-1、25-2)。
图2示出了中继端子26的俯视图。中继端子26包括由绝缘材料构成的U字状的端子台26a、以及贯通于该端子台26a而设置的电极引脚25(25-1、25-2)。该中继端子26通过环氧树脂系粘结剂粘结固定于传感器室20内的内段面(基座体21-1的上端面)20b。电极引脚25-1、25-2通过设置于罩体21-2的貫通孔21a、21b，导出至传感器室20的外侧。传感器室20向大气开放，没有封入封入液。
在该压力传感器200A中，受压隔膜22承受来自被测流体(流体、气体)的压力P1，该受压隔膜22承受的被测流体的压力P1传递至封入室23内的封入液27，经由受压室23-1以及导压路23-2进入第1保持构件24-2的导压孔24-2b，并传导至传感器隔膜24-1的一边的面24-1a。传感器隔膜24-1的另一边的面24-1b通过第2保持构件24-3的导压孔24-3b而向大气开放。
由此，在传感器隔膜24-1上发生变形，该传感器隔膜24-1的变形作为电阻应变计的电阻值变化而被检测，该电阻值变化被转换为电信号(与压力差相应的信号)，通过引线29(29-1、29-2)，由设置于中继端子26的电极引脚25(25-1、25-2)取出。
另外，在过大压力施加于传感器隔膜24-1的一边的面24-1a、传感器隔膜24-1发生位移时，其位移面的整体通过第2保持构件24-3的凹部24-3a的曲面而被挡住。由此，阻止了过大压力施加于传感器隔膜24-1时的过度的位移，在传感器隔膜24-1的边缘部不发生应力集中，能够防止由过大压力的施加导致的传感器隔膜24-1的破坏，提高耐压性。
在该压力传感器200A中，传感器芯片24以导入被测流体的压力的一侧的面(第1保持构件24-2的下表面)24a作为接合面而接合于基座体21-1。另外，在基座体21-1上，在传感器芯片24的接合面24a与受压隔膜22之间形成有封入室23，通过该封入室23所封入的封入液27，受压隔膜22承受了的来自被测流体的压力P1通过第1保持构件24-2的导压孔24-2b传导至传感器隔膜24-1的一边的面24-1a。
在该压力传感器200A中，仅传感器芯片24的第1保持构件24-2的导压孔24-2b和传感器隔膜24-1的一边的面24-1a与封入液27接触，其他部分不与封入液27接触。即，在该压力传感器200A中，传感器芯片24并不放入由封入液27充满的封入室23，仅传感器芯片24内的传感器部S1与封入液27接触，传感器芯片24整体位于封入室23的外侧。
由此，在本实施方式的压力传感器200A中，能够减小封入室23的容积，使封入液27的使用量极小化。例如，相对于图6所示的现有的压力传感器100，能够使封入液的使用量成为1/20以下。由此，实现了大幅度的特性(温度特性、线性度)的改善。
另外，在本实施方式的压力传感器200A中，不是传感器芯片24整体，而是仅传感器芯片24内的传感器部S1与封入液27接触，能够在油中维持稳定的状态。另外，由于传感器单体的特性很好，因此导致了特性描述的简单化，能够期望CR效果。
另外，在本实施方式的压力传感器200A中，使来自传感器隔膜24-1的引线29的导出部(引线键合面)位于封入室23的外侧，并使电极引脚25与封入室23中的封入液27分离。因此，不需要对通过设于罩体21-1的貫通孔21a、21b而导出的电极引脚25实施密封，能够做成无密封结构。由此，结构能够变得简单，能够谋求小型化，并能够实现低成本化。
另外，在本实施方式的压力传感器200A中，由于传感器芯片24的大气开放侧为自由的状态(没有被固定)，因此没有残留由制造工序导致的应力。由此，能够谋求特性的改善。
另外，在上述的实施方式中，作为与从传感器隔膜24-1导出的引线29(29-1、29-2)连接的连接部设置了设有电极引脚25(25-1、25-2)的中继端子26，但是，例如也可以如图3所示那样，设置形成有与引线29(29-1、29-2)连接的电路的基板30。
另外，在上述的实施方式中，将传感器芯片24形成为相比于第2保持构件(上侧的保持构件)24-3的面积，第1保持构件(下侧的保持构件)24-2的面积较小的凸结构，但是，例如也可以如图4所示的压力传感器200(200B)那样，成为相比于第1保持构件(下侧的保持构件)24-2的面积，第2保持构件(上侧的保持构件)24-3的面积较小的凸结构。
这种情况下，从位于第1保持构件24-2以及第2保持构件24-3中向外侧露出的保持构件(第1保持构件24-2)的边缘部的传感器隔膜24-1的、形成有电阻应变计的面导出引线29(29-1、29-2)，并将从该传感器隔膜24-1导出的引线29(29-1、29-2)连接于设置在中继端子26上的电极引脚25(25-1、25-2)。
在为图1所示的结构的压力传感器200A的情况下，即，将传感器芯片24形成为相比于第2保持构件(上侧的保持构件)24-3的面积，第1保持构件(下侧的保持构件)24-2的面积较小的凸结构的情况下，成为传感器隔膜24-1的形成有电阻应变计的面(传感器电阻图案的配置面、电极垫)朝下的配置。这种情况下，需要在进行引线键合之后粘结传感器芯片24，组装变得困难。但是，由于传感器隔膜24-1的配置有传感器电阻图案的面被封入液27填充，因此不外露于使用环境(大气)。因此，不挑剔使用环境，具有设置环境的自由度。
在为图4所示的结构的压力传感器200B的情况下，即，将传感器芯片24形成为相比于第1保持构件(下侧的保持构件)24-2的面积，第2保持构件(上侧的保持构件)24-3的面积较小的凸结构的情况下，成为传感器隔膜24-1的形成有电阻应变计的面(传感器电阻图案的配置面、电极垫)朝上的配置。这种情况下，能够在粘结传感器芯片24之后进行引线键合，组装变得容易。但是，由于传感器隔膜24-1的配置有传感器电阻图案的面向大气开放，即没有被封入液27保护，因此在大气开放侧不清洁的情况下，会对特性产生影响。即，限制了使用环境，需要设置环境清洁。
另外，在上述的实施方式中，以第1保持构件24-2的下表面作为接合面24a，将传感器芯片24结合于传感器室20的底面20a，但是也可以在第1保持构件24-2的下表面设置基座，以该基座的下表面作为接合面，将传感器芯片24结合于传感器室20的底面20a等。
另外，在上述的实施方式中，设置基座体21-1和罩体21-2，由该基座体21-1和罩体21-2构成机身21，但也可以如图5中作为压力传感器200(200C)所示的那样，为去除了罩体21-2的结构。即，由于传感器芯片24整体位于封入室23的外侧，因此罩体21-2不是必须需要的，通过去除罩体21-2，能够谋求进一步的小型化以及低成本化。
〔实施方式的扩张〕
以上，参照实施方式说明了本发明，但是本发明并不限定于上述的实施方式中。对于本发明的构成、细节，在本发明的技术构思的范围内能够进行本领域技术人员能够理解的种种变更。
【产业上的利用可能性】
本发明能够利用为工业用的压力传感器。
符号说明
20…传感器室，20a…底面，21…机身，21-1…基座体，21-2…罩体，22…受压隔膜，23…封入室，23-1…受压室，23-2…导压路，24…传感器芯片，24a…底面(接合面)，24-1…传感器隔膜，24-1a…一边的面，24-1b…另一边的面，24-2…第1保持构件，24-2a…凹部，24-2b…压力导入孔(导压孔)，24-2c…边缘部，24-3…第2保持构件，24-3a…凹部，24-3b…压力导入孔(导压孔)，24-3c…边缘部，25(25-1、25-2)…电极引脚，26…中继端子，27…封入液，28…粘结层，29(29-1、29-2)…引线，30…基板，200(200A、200B、200C)…压力传感器。

Claims (7)

1.一种压力传感器，其特征在于，包括：
传感器芯片，其具备传感器隔膜、第1保持构件以及第2保持构件，所述传感器隔膜输出与一边的面以及另一边的面所承受的压力差相应的信号，所述第1保持构件使其边缘部与所述传感器隔膜一边的面相对并接合，并且具有将被测流体的压力向该传感器隔膜的一边的面传导的第1导压孔，所述第2保持构件使其边缘部与所述传感器隔膜的另一边的面相对并接合，并且具有使该传感器隔膜的另一边的面向大气开放的第2导压孔；
机身，所述传感器芯片以导入所述被测流体的压力的一侧的面作为接合面而与该机身接合；
受压隔膜，其被设置于所述机身，承受来自所述被测流体的压力，
所述机身在所述受压隔膜和所述传感器芯片的接合面之间具备封入室，所述封入室封入有通过所述第1保持构件的第1导压孔将所述受压隔膜承受的来自所述被测流体的压力传导至所述传感器隔膜的一边的面的压力传导媒介。
2.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，
所述第1保持构件与所述第2保持构件的夹持所述传感器隔膜并相对的面的面积不同，
输出与所述压力差相应的信号的引线从位于所述第1保持构件以及所述第2保持构件中向外侧露出的保持构件的边缘部的所述传感器隔膜的面被导出。
3.如权利要求2所述的压力传感器，其特征在于，
所述第1保持构件和所述第2保持构件的夹持所述传感器隔膜并相对的面的面积为：
相比于所述第2保持构件，所述第1保持构件一方较小。
4.如权利要求2所述的压力传感器，其特征在于，
所述第1保持构件和所述第2保持构件的夹持所述传感器隔膜并相对的面的面积为：
相比于所述第1保持构件，所述第2保持构件一方较小。
5.如权利要求2～4中的任一项所述的压力传感器，其特征在于，
在所述机身设有与从所述传感器隔膜导出的引线连接的连接部。
6.如权利要求5所述的压力传感器，其特征在于，
所述连接部为设有与所述引线连接的电极引脚的中继端子。
7.如权利要求5所述的压力传感器，其特征在于，
所述连接部为形成有与所述引线连接的电路的基板。
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