CN109716088A - 压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供压力传感器，在使用了利用压阻效应等的压力检测元件的压力传感器中，减少由温度变化引起的压力检测元件的形变，从而能够实现精度的提高以及温度响应性的改善。本发明的压力传感器(100)具备：检测流体的压力的压力检测元件(126)；支撑压力检测元件(126)的支撑部件(125)；以及粘结并固定压力检测元件(126)与支撑部件(125)的涂覆粘结剂而形成的粘结剂层(125A)，该压力传感器的特征在于，粘结剂层(125A)由初始固化层(125A1)和芯片安装固化层(125A2)这两层构成。

Description

压力传感器

技术领域

本发明涉及压力传感器，尤其涉及使用了利用压阻效应等的压力检测元件的压力传感器。

背景技术

一直以来，作为检测流体的压力的压力传感器，例如公知专利文献1所公开的使用了利用压阻效应等的半导体压力传感器片等压力检测元件的压力传感器。

压阻方式的压力检测元件具有具备膜片和电桥电路的构造，其中，膜片由具有压阻效应的材料(例如单晶硅)构成，电桥电路在膜片上形成多个半导体应变仪，并且桥接上述半导体应变仪而成。而且，通过从电桥电路以电信号的方式获取与膜片的变形对应的半导体应变仪的应变仪电阻的变化，能够检测流体的压力。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第5044896号公报

专利文献2：日本专利第3987386号公报

发明内容

发明所要解决的课题

在使用了上述的压力检测元件的压力传感器中，压力检测元件例如利用粘结剂而固定于由Fe·Ni系合金、不锈钢等金属材料形成的支柱、壳体等支撑部件。此处，若周围温度变化，则因压力检测元件、支柱部件以及粘结剂的线膨胀系数的差异而产生热应力。也就是说，例如在周围温度降低了的情况下，与压力检测元件相比，粘结剂收缩，并在周围温度上升了的情况下，与压力检测元件相比，粘结剂膨胀。若产生该热应力，则压力检测元件形变，并且压力检测元件的输出特性变化，从而有传感器输出的精度降低的问题。并且，因粘结剂的粘弹性的性质，在热应力变化后至应力成为平衡状态为止需要时间，从而也有温度响应性恶化的问题。

因此，本发明的目的在于提供一种压力传感器，在使用了利用压阻效应等的压力检测元件的压力传感器中，能够减少由温度变化引起的压力检测元件的形变，从而能够实现精度的提高以及温度响应性的改善。

用于解决课题的方案

为了解决上述课题，本发明的压力传感器具备：压力检测元件，其检测流体的压力；支撑部件，其支撑上述压力检测元件；以及粘结剂层，其涂覆粘结剂来形成，粘结并固定上述压力检测元件与上述支撑部件，上述压力传感器的特征在于，上述粘结剂层由初始固化层和芯片安装固化层这两层构成。

并且，优选上述初始固化层平坦地形成于上述支撑部件的整个表面。

并且，优选上述初始固化层形成为在上述支撑部件的表面的中央具有突起部分的形状。

并且，优选上述支撑部件的线膨胀系数为2～22[10^-6/℃]。

并且，优选上述支撑部件的线膨胀系数为2.6～8.5[10^-6/℃]。

并且，优选包含上述初始固化层以及上述芯片安装固化层的上述粘结剂层的厚度为5μm以上。

发明的效果如下。

根据本发明的压力传感器，在使用了利用压阻效应等的压力检测元件的压力传感器中，能够减少由温度变化引起的压力检测元件的形变，从而能够实现精度的提高以及温度响应性的改善。

附图说明

图1是示出本发明的压力传感器的压力检测元件的安装构造的纵剖视图。

图2是作为本发明的压力传感器的一个例子而示出液封式压力传感器的整体的纵剖视图。

图3是示出现有的压力传感器的压力检测元件的安装构造的纵剖视图。

图4A是示出无温度响应延迟的情况下的压力检测元件的输出特性的图。

图4B是示出有温度响应延迟的情况下的压力检测元件的输出特性的图。

图5A是示出比较有无粘结剂层的情况下的压力检测元件的输出精度的图。

图5B是示出基于载重的位移的图。

图6是示出粘结剂层的厚度与温度响应性的关联的图。

图7是示出本发明的压力传感器的压力检测元件的安装构造的其它例子的纵剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

图1是示出本发明的压力传感器100的压力检测元件126的安装构造的纵剖视图。

图1中，压力检测元件126经由涂覆粘结剂来形成的粘结剂层125A而安装于支柱125等支撑部件。之后，通过引线接合工序，压力检测元件126的引线端子(省略图示)与多个引线脚128利用金或者铝制的接合引线126a连接。

作为压力检测元件126，此处使用利用压阻效应等的半导体压力传感器片。利用压阻效应的压力检测元件126主要由半导体基板部和台座部构成，其中，半导体基板部具有由有压阻效应的材料(例如单晶硅)构成的膜片，台座部由玻璃等构成。半导体基板部与台座部通过阳极接合法等接合，半导体基板部的膜片与台座部之间的空间成为基准压力腔室。在半导体基板部的膜片形成有多个半导体应变仪，构成桥接上述半导体应变仪而成的电桥电路。通过该电桥电路，将因外部气压与基准压力腔室的压力差而产生的膜片的变形作为半导体应变仪的应变仪电阻的变化，以电信号的方式获取，从而检测流体的压力。

此处，支柱125由Fe·Ni系合金形成，但并不限定于此，也可以由不锈钢等其它金属材料形成。并且，也可以构成为直接固定于形成密封玻璃124的凹部的平坦面，而不设置支柱125。

作为粘结剂层125A，也可以使用有机硅系粘结剂。例如优选是具有柔软性的加成型的单组分体系，但也可以是凝胶状的粘结剂。有机硅系粘结剂例如是具有低分子硅氧烷键的粘结剂。

并且，有机硅系粘结剂例如可以是基础聚合物的聚硅氧烷的硅原子上的取代基为甲基、苯基、三氟丙基等氟化烃基等的有机硅系粘结剂。并且，也可以以具有下述的结构式的缩合型硅橡胶为主成分。

(化学式1)

有机硅系粘结剂例如也可以以具有下述的结构式的加成型硅橡胶为主成分。

(化学式2)

此外，有机硅系粘结剂既可以是双组分体系，也可以是缩合型、UV固化型。也可以使用双组分体系的聚氨酯系粘结剂来代替有机硅系粘结剂。并且，也可以使用氟系粘结剂，氟系粘结剂作为具有自粘结性的液状氟弹性体，但也可以是凝胶状的粘结剂。

另外，例如也可以是作为填充材料而包括氟化聚醚骨架和末端的有机硅交联反应基团的具有下述的结构式的弹性体，来代替氟系粘结剂。

(化学式3)

另外，例如也可以是具有下述的结构式的全氟弹性体，来代替氟系粘结剂。

(化学式4)

另外，例如也可以是具有下述的结构式的氟橡胶，来代替氟系粘结剂。

(化学式5)

如图1所示，在本发明的压力传感器100中，粘结剂层125A由初始固化层125A1和芯片安装固化层125A2这两层构成。为了将粘结剂层125A维持为预定厚度，在粘结压力检测元件126前，预先涂覆初始固化层125A1并使之固化。此处，初始固化层125A1整体形成为平坦。在涂覆初始固化层125A1并使之固化后，在实际上安装压力检测元件126时涂覆芯片安装固化层125A2。此外，此处，初始固化层125A1和芯片安装固化层125A2的材质使用上述的粘结剂层125A的材质中相同的一种材质，但若是兼容性良好的材质，则也可以是不同材质。这样，粘结剂层125A由初始固化层125A1和芯片安装固化层125A2这两层构成，由此如在下文中说明那样，能够将粘结剂层125A的厚度维持为预定厚度，从而能够减少由温度变化引起的压力检测元件126的形变，进而能够实现精度的提高以及温度响应性的改善。

此处，作为具有这样的压力检测元件126的安装构造的本发明的压力传感器的一个例子，对液封式压力传感器100的整体构造进行说明。

图2是作为本发明的压力传感器的一个例子而示出液封式压力传感器100的整体的纵剖视图。

图2中，液封式压力传感器100具备：流体导入部110，其将要被检测压力的流体导入至后述的压力室112A；压力检测部120，其检测压力室112A的流体的压力；信号送出部130，其将由压力检测部120检测到的压力信号送出至外部；以及罩部件140，其覆盖流体导入部110、压力检测部120及信号送出部130。

流体导入部110具备：金属制的接头部件111，其与引导要被检测压力的流体的配管连接；以及金属制的基体板112，其具有碗形状，并且通过焊接等与接头部件111的与连接于配管的端部不同的端部连接。

在接头部件111形成有供配管的连接部的外螺纹部拧入的内螺纹部111a、和将从配管导入的流体引导至压力室112A的端口111b。端口111b的开口端通过焊接等与设于基体板112的中央的开口部连接。此外，此处，在接头部件111设有内螺纹部111a，但也可以设有外螺纹部，或者也可以连接铜制的连接管来代替接头部件111。基体板112具有朝向与接头部件111对置的一侧扩大的碗形状，并在与后述的膜片122之间形成压力室112A。

压力检测部120具备：壳体121，其具有贯通孔；膜片122，其将上述的压力室112A与后述的液封室124A隔离；膜片保护罩123，其配置于膜片122的靠压力室112A侧的位置；密封玻璃124，其嵌入至壳体121的贯通孔内部；液封室124A，其在密封玻璃124的靠压力室112A侧的凹部与膜片122之间填充硅油或者氟系惰性液体等压力传递介质；支柱125，其配置于密封玻璃124的中央的贯通孔；压力检测元件126，其固定于支柱125且配置于液封室124A内部；电位调整部件127，其配置于液封室124A的周围；多个引线脚128，其固定于密封玻璃124；以及油填充用管129，其固定于密封玻璃124。

壳体121例如由Fe·Ni系合金、不锈钢等金属材料形成。膜片122和膜片保护罩123均由金属材料形成，并且均焊接于壳体121的靠压力室112A侧的贯通孔的外周缘部。膜片保护罩123是为了保护膜片122而设于压力室112A内部的，并且设有用于使从流体导入部110导入的流体通过的多个连通孔123a。壳体121在组装压力检测部120后，通过焊接等连接于流体导入部110的基体板112的外周缘部。

在液封室124A侧，支柱125利用粘结剂层125A来粘结并固定压力检测元件126。如上所述，在本发明的压力传感器100中，粘结剂层125A由初始固化层125A1和芯片安装固化层125A2这两层构成。压力检测元件126经由膜片122对从流体导入部110导入至压力室112A的流体的压力进行检测，来作为液封室124A内的硅油等的压力变动。

如专利文献2中所记载那样，将压力检测元件126放置在无电场(零电位)内，因在框架接地部与二次电源之间产生的电位的影响，芯片内的电路等受到负面影响，为了防止上述情况而设置电位调整部件127。电位调整部件127配置于液封室124A内的压力检测元件126与膜片122之间，由金属等导电性材料形成，并且与压力检测元件126的连接于零电位的端子连接。

在密封玻璃124，通过密封处理以贯通状态固定多个引线脚128和油填充用管129。在本实施方式中，作为引线脚128，全部设有八个引线脚128。即，设有外部输入输出用(Vout)、供给驱动电压用(Vcc)、接地用(GND)这三个引线脚128、以及作为压力检测元件126的调整用的端子的五个引线脚128。此外，图2中示出八个引线脚128中的四个。多个引线脚128例如利用金或者铝制的接合引线126a而与压力检测元件126连接，从而构成压力检测元件126的外部输入输出端子。

油填充用管129是为了向液封室124A的内部填充作为压力传递介质的例如硅油或者氟系惰性液体等而设置的。此外，油填充用管129的一个端部在填充油后如图2的虚线所示地被压扁而封闭。

信号送出部130具备：端子台131，其设于压力检测部120的与压力室112A对置的一侧，并且排列多个引线脚128；多个连接端子132，其利用粘结剂132a固定于端子台131，并且与多个引线脚128连接；多个电线133，其通过软钎焊等与多个连接端子132的外端部电连接；以及静电保护层134，其由有机硅系粘结剂形成且形成于壳体121的上端部与端子台131之间。此外，静电保护层134也可以是环氧树脂等粘结剂。

端子台131大致呈圆柱形状，并且形成为在该圆柱的中段附近具有用于对上述的多个引线脚128进行导向的导向壁的形状，由树脂材料、例如聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)形成。端子台131例如利用静电保护层134所使用的粘结剂而固定于压力检测部120的壳体121的上部。

连接端子132由金属材料形成，并利用粘结剂132a而垂直地固定于端子台131的比上述的固定壁靠上段的圆柱侧壁。此外，在本实施方式中，设有外部输入输出用(Vout)、供给驱动电压用(Vcc)、接地用(GND)这三个连接端子132。三个连接端子132的内端部通过焊接等与分别对应的引线脚128电连接，但不限定于该连接方法，也可以用其它方法进行连接。

并且，在本实施方式中，为了与三个连接端子132连接而设有三个电线133。对于电线133而言，预先对电线133的剥离由聚氯乙烯(PVC)等形成的包覆层后的芯线133a进行预备软钎焊，将其绞线捆扎，之后软钎焊、焊接于上述的连接端子132等而与连接端子132电连接，但并不限定于该连接方法，也可以用其它方法进行连接。并且，三个电线133在从覆盖压力传感器100的周围的罩部件140引出后，成为三个捆扎的状态，并由聚氯乙烯(PVC)等所形成的保护管(省略图示)覆盖。

静电保护层134是为了不受ESD保护电路的有无的影响地提高压力检测部120的静电耐力而设置的。静电保护层134主要由具有预定厚度的环状的粘结层134a和包覆层134b构成，粘结层134a以覆盖密封玻璃124的上端面的方式涂覆于壳体121的上端面，并且由有机硅系粘结剂形成，包覆层134b涂覆于多个引线脚128所突出的密封玻璃124的整个上端面，并且由有机硅系粘结剂构成。在形成端子台131的空洞部的内周面、且与密封玻璃124的上端面相对的内周面，形成有朝向密封玻璃124突出的环状突起部131a。环状突起部131a的突出长度根据包覆层134b的粘性等来设定。通过像这样形成环状突起部131a，利用表面张力，将涂覆后的包覆层134b的一部分拉至环状突起部131a与形成端子台131的空洞部的内周面中大致正交于密封玻璃124的上端面的部分之间的狭小的空间内并对其进行保持，从而不会向端子台131的空洞部内的一方侧偏倚地涂覆包覆层134b。并且，包覆层134b以预定厚度形成于密封玻璃124的上端面，但也可以如图2的部分134c所示地形成为进一步覆盖从密封玻璃124的上端面突出的多个引线脚128的一部分。

罩部件140具备：防水外壳141，其大致呈圆筒形状，覆盖压力检测部120和信号送出部130的周围；端子台盖142，其覆盖于端子台131的上部；以及密封剂143，其填充在防水外壳141的内周面与壳体121的外周面以及端子台131的外周面之间。

端子台盖142例如由树脂材料形成。在本实施方式中，端子台盖142形成为封闭上述的圆柱形状的端子台131的上部的形状，在填充聚氨酯系树脂等密封剂143前覆盖于端子台131的上部。然而，端子台盖142不限定于该形状，也可以形成为一体地封闭端子台131的上部和防水外壳141的上部的形状，并且在填充密封剂143后进行覆盖，或者也可以设置与端子台盖142相独立的新的盖部件，在配置端子台盖142和密封剂143后，在防水外壳141的上部覆盖新的盖部件。

防水外壳141由树脂材料例如聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)形成为大致圆筒形状，在圆筒形状的下端部设有朝向内侧的凸缘部。流体导入部110的基体板112的外周部与该凸缘部抵接，该流体导入部110连接有从防水外壳141的上部的开口部插入的信号送出部130以及压力检测部120。通过在该状态下填充密封剂143，来固定压力检测部120等内部的构件。

此外，在本实施方式中，作为本发明的压力传感器的一个例子，以液封式压力传感器100为例进行说明，但并不限定于此，本发明能够在使用利用压阻效应等的压力检测元件的所有压力传感器中应用。

接下来，对现有的压力检测元件的安装构造进行说明。

图3是示出现有的压力传感器300的压力检测元件326的安装构造的纵剖视图。

图3中，现有的压力传感器300的压力检测元件326经由涂覆粘结剂而形成的粘结剂层325A安装于支柱325。之后，通过引线接合工序，压力检测元件326的引线端子(省略图示)与多个引线脚128利用金或者铝制的接合引线126a连接。在现有的压力传感器300中，粘结剂层325A由一层构成，而并非由两层构成。

在图3所示的现有的压力传感器300的压力检测元件326的安装构造中，因压力检测元件326、支柱325以及粘结剂层325A的线膨胀系数的差异，压力检测元件326产生形变，从而产生了测定精度以及温度响应性恶化的问题。也就是说，例如在周围温度降低了的情况下，与压力检测元件326相比，粘结剂层325A收缩，并在周围温度上升了的情况下，与压力检测元件326相比，粘结剂层325A膨胀。因此，因压力检测元件326、支柱325以及粘结剂层325A的线膨胀系数的差异，产生热应力。若产生该热应力，则压力检测元件326形变，压力检测元件的输出特性变化，从而压力检测元件326的输出精度降低。并且，因粘结剂层325A的粘弹性的性质，在热应力变化后至应力成为平衡状态为止需要时间，从而温度响应性恶化。以下，对这一点进行说明。

图4A是示出无温度响应延迟的情况下的压力检测元件326的输出特性的图，图4B是示出有温度响应延迟的情况下的压力检测元件326的输出特性的图。

图4A、图4B所示的曲线图均示出从预定时间的高温状态向预定时间的低温状态变化的温度循环条件下的压力检测元件326的输出精度。可知，图4A、图4B所示的曲线图均在高温状态下压力检测元件326的输出精度恶化。除此之外，可知，在图4B所示的曲线图中，在产生了温度响应延迟的部分，压力检测元件326的输出精度进一步恶化。

一般地，图4A、图4B所示的高温(或者低温)状态下的压力检测元件326的输出精度的恶化线性地变化，从而能够在压力检测元件326的内部或者外部电路中修正。与此相对，由温度响应延迟引起的压力检测元件326的输出精度的恶化非线性地变化，从而有难以修正的问题。因此，以下研究温度响应延迟的原因。

图5A是示出比较有无粘结剂层325A的情况下的压力检测元件326的输出精度的图，图5B是示出基于载重的位移的图。

图5A所示的曲线图示出温度从高温向低温变化后的压力检测元件326的输出精度。如上所述，压力检测元件326经由粘结剂层325A安装于支柱325。此处，在测定时，进行安装有粘结剂层325A的情况与拆下粘结剂层325A后的情况的比较。其结果，可知，在拆下粘结剂层325A后的情况下，没有压力传感器300的输出精度的温度响应延迟。

图5B所示的曲线图从上起示出施加了载重的情况下的弹性、粘性、塑性的位移。其中，弹性没有响应延迟，并且在一次位移后复原，塑性没有响应延迟，并且在位移后不复原。与此相对，可知，粘性产生响应延迟且位移，并且不复原。也就是说，可知，温度响应延迟的原因是具有粘弹性的粘结剂层325A。接下来，研究其对策。

图6是示出粘结剂层325A的厚度与温度响应性的关联的图。

图6中，纵轴示出温度从高温向低温变化后的压力检测元件326的输出精度，横轴示出粘结剂层325A的厚度。此处，利用激光照射在支柱325的多处形成突起部，调整粘结剂层325A的厚度，并进行了测定。其结果，可知，若粘结剂层325A的厚度比5μm厚，则消除由温度响应延迟引起的压力检测元件326的输出精度的恶化。认为这是因为：若粘结剂层325A的厚度比预定厚度薄，则因压力检测元件326、支柱325以及粘结剂层325A的线膨胀系数的差异所引起的热应力，使压力检测元件326产生形变，压力检测元件326的输出精度恶化，但若粘结剂层325A的厚度比预定厚度厚，则利用粘结剂层325A的弹性来吸收所产生的由线膨胀系数的差异引起的热应力，从而抑制压力检测元件326的形变。

此外，作为本发明的压力传感器100所使用的各部件在常温下的线膨胀系数，用作压力检测元件126的台座部的玻璃的线膨胀系数为9.0[10^-6/℃]，粘结剂层125A的线膨胀系数约为300[10^-6/℃]。并且，作为用作支柱125的材料在常温下的线膨胀系数，Fe·Ni系合金的线膨胀系数为5.0[10^-6/℃]，不锈钢的线膨胀系数为17.3[10^-6/℃]，黄铜的线膨胀系数为20.8[10^-6/℃]，硅的线膨胀系数为2.6[10^-6/℃]。因此，支柱125的线膨胀系数为2～22[10^-6/℃]即可，优选为2.6～8.5[10^-6/℃]。这是因为：密封玻璃124的线膨胀系数为8.5(8～10)[10^-6/℃]，支柱125的线膨胀系数优选比密封玻璃124的线膨胀系数小。

接下来，对本发明的压力传感器的安装构造的其它方式进行说明。

图7是示出本发明的压力传感器的压力检测元件726的安装构造的其它例子700的纵剖视图。

图7中，与图1所示的压力传感器100相同，压力检测元件726经由涂覆粘结剂而形成的粘结剂层725A安装于支柱725。之后，通过引线接合工序，压力检测元件726的引线端子(省略图示)与多个引线脚128利用金或者铝制的接合引线126a连接。对相同的部件标注相同的符号并省略说明。

在压力传感器700中，与图1所示的压力传感器100不同，在由初始固化层725A1和芯片安装固化层725A2这两层构成的粘结剂层725A中，初始固化层725A1形成为在中央具有突起部分的形状。通过像这样将初始固化层725A1的形状设为在中央具有突起部分的形状，能够容易地将粘结剂层725A的厚度确保为预定厚度，从而能够减少由温度变化引起的压力检测元件726的形变，进而能够实现精度的提高以及温度响应性的改善。

此外，至此参照图1、图7对由两层构成的粘结剂层125A、725A进行了说明，但初始固化层125A1、725A1的形状不限定于上述的形状，也可以形成为其它形状。

如上所述，根据本发明的压力传感器，在使用了利用压阻效应等的压力检测元件的压力传感器中，能够减少由温度变化引起的压力检测元件的形变，从而能够实现精度的提高以及温度响应性的改善。

符号的说明

100、300、700—压力传感器，110—流体导入部，111—接头部件，111a—内螺纹部，111b—端口，112—基体板，112A—压力室，120—压力检测部，121—壳体，122—膜片，123—膜片保护罩，123a—连通孔，124—密封玻璃，124A—液封室，125、325、725—支柱，125A、325A、725A—粘结剂层，125A1、725A1—初始固化层，125A2、725A2—芯片安装固化层，126、326、726—压力检测元件，126a—接合引线，127—电位调整部件，128—引线脚，129—油填充用管，130—信号送出部，131—端子台，132—连接端子，132a—粘结剂，133—电线，133a—芯线，134—静电保护层，134a—粘结层，134b—包覆层，134c—部分，140—罩部件，141—防水外壳，142—端子台盖，143—密封剂。

Claims (6)

1.一种压力传感器，具备：

压力检测元件，其检测流体的压力；

支撑部件，其支撑上述压力检测元件；以及

粘结剂层，其涂覆粘结剂来形成，粘结并固定上述压力检测元件与上述支撑部件，

上述压力传感器的特征在于，

上述粘结剂层由初始固化层和芯片安装固化层这两层构成。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，

上述初始固化层平坦地形成于上述支撑部件的整个表面。

3.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，

上述初始固化层形成为在上述支撑部件的表面的中央具有突起部分的形状。

4.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，

上述支撑部件的线膨胀系数为2～22[10^-6/℃]。

5.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，

上述支撑部件的线膨胀系数为2.6～8.5[10^-6/℃]。

6.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，

包含上述初始固化层以及上述芯片安装固化层的上述粘结剂层的厚度为5μm以上。