CN111670348A - 传感器装置 - Google Patents

Abstract

传感器装置具备传感器元件(151)和电路芯片(160)。传感器元件检测测量对象的温度，输出与测量对象的温度对应的温度信号。电路芯片输入温度信号，进行信号处理。温度信号包含由测量对象与传感器元件的温度差引起的传感器误差。在传感器误差包含在温度信号中的情况下，发生与传感器误差对应的、传感器元件与电路芯片的温度差。电路芯片具有检测电路芯片的温度的检测元件(165)。电路芯片根据检测元件所检测到的电路芯片的温度与传感器元件所检测到的测量对象的温度的温度差，修正温度信号，将修正后的温度信号向外部输出。

Description

传感器装置

关联申请的相互参照

本申请基于2018年2月5日提出申请的日本专利申请第2018－18285号，在此援引其全部内容。

技术领域

本公开涉及检测测量对象的温度的传感器装置。

背景技术

以往，例如在专利文献1中提出了一种传感器装置，该传感器装置具备：检测测量对象的温度的传感器元件、和对传感器元件的温度信号进行信号处理的电路芯片。传感器元件及电路芯片分别作为独立的器件分离地配置。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2017－129536号公报

发明内容

但是，在上述以往的技术中，由于传感器元件和电路芯片被分离地配置，所以传感器元件受到的热的影响与电路芯片受到的热的影响不同。因此，有可能通过从电路芯片经由传感器元件传递给测量对象的热而发生起因于测量对象与传感器元件的温度差的传感器误差。

本公开的目的是提供一种能够减小由于测量对象与传感器元件的温度差而引起的传感器误差的传感器装置。

本公开的一技术方案的传感器装置具备传感器元件和电路芯片。传感器元件检测测量对象的温度，输出与测量对象的温度对应的温度信号。电路芯片输入温度信号，进行信号处理。

温度信号包含由于测量对象与传感器元件的温度差引起的传感器误差。在传感器误差包含在温度信号中的情况下，发生对应于传感器误差的、传感器元件与电路芯片的温度差。

并且，电路芯片具有检测电路芯片的温度的检测元件，根据由检测元件检测到的电路芯片的温度与由传感器元件检测到的测量对象的温度的温度差，将温度信号修正，将修正后的温度信号向外部输出。

由此，由于利用了电路芯片与传感器元件的温度差和传感器误差的相关关系，所以能够根据温度差将传感器误差修正。因而，能够减小由于测量对象与传感器元件的温度差引起的传感器误差。

附图说明

关于本公开的上述及其他的目的、特征及优点，根据参照附图的下述详细的说明会变得更明确。

图1是有关第1实施方式的传感器装置的剖视图。

图2是传感器芯片及电路芯片的框图。

图3是表示传感器芯片及电路芯片的具体的电路的图。

图4是表示与图1所示的结构对应的热回路的图。

图5是表示电路芯片与传感器元件的温度差和传感器误差的相关关系的图。

图6是表示对于电路芯片与传感器元件的温度差的误差修正值的图。

图7是表示修正后的传感器误差的图。

图8是表示由外界气温的影响带来的传感器误差和修正后的传感器误差的图。

图9是表示由电路芯片的发热的影响带来的传感器误差和修正后的传感器误差的图。

图10是表示在壳体的外侧流动的测量对象与在壳体的内侧流动的测量对象的流速的差的剖视图。

图11是表示由传感器元件的响应延迟的影响带来的传感器误差和修正后的传感器误差的图。

具体实施方式

以下，参照附图说明用来实施本公开的多个形态。在各实施方式中，有对于与在先行的实施方式中说明的事项对应的部分赋予相同的标号而省略重复的说明的情况。在各实施方式中仅说明结构的一部分的情况下，关于结构的其他部分可以应用先行说明的其他实施方式。不仅是在各实施方式中具体地明示了能够组合的部分彼此的组合，只要不特别在组合中发生障碍，即使没有明示，也能够将实施方式彼此部分地组合。

(第1实施方式)

以下，参照附图对本公开的第1实施方式进行说明。有关本实施方式的传感器装置构成为能够检测测量对象的温度。传感器装置作为安装对象被固定到例如配管上，检测配管内的测量对象的温度。测量对象例如是油等的介质。测量对象也有如制冷剂等的液体或燃气等的气体那样是其他介质的情况。

如图1所示，传感器装置100具备壳体110、成形树脂部120、灌封(potting)树脂部130、模制树脂部140及传感器芯片150。

壳体110是将SUS等的金属材料通过切削等加工而成的中空形状的盒。在壳体110的外周面上，形成有能够与作为安装对象的配管200螺纹结合的阳螺纹部111。

壳体110在一端侧具有介质导入部112，在另一端侧具有开口部113。介质导入部112是形成有介质导入孔114的筒状的部分。介质导入孔114连通在开口部113。壳体110的开口部113构成为被周壁115包围。壳体110其介质导入部112的一部分被固定到设置于配管200的壁厚部201上的贯通螺孔202。由此，介质导入部112的前端部116位于配管200的内部。例如，配管200被作为测量对象的油充满。

进而，壳体110在介质导入部112的前端部116具有扩散器117。扩散器117是从配管200的壁厚部201向配管200的中空部分突出的部分，设有多个孔118。并且，扩散器117起到经由多个孔118的任一个将测量对象向介质导入孔114引导的作用。

成形树脂部120是构成用来将传感器装置100与外部装置电连接的连接器的部分。成形树脂部120例如由PPS等的树脂材料形成，其一端侧被形成为固定于壳体110的开口部113的固定部121，其另一端侧被形成为连接器部122。固定部121具有向连接器部122侧凹陷的凹部123。

此外，成形树脂部120通过镶嵌成形而一体成形有端子124。端子124的一端侧被封固在固定部121，另一端侧以在连接器部122的内侧露出的方式被镶嵌成形在成形树脂部120。端子124的一端侧通过模制树脂部140的一部分被收容到凹部123从而与模制树脂部140的电气零件连接。

并且，成形树脂部120在固定部121经由O形圈125被嵌入在壳体110的开口部113的状态下，壳体110的周壁115的端部被敛缝固定，以将该固定部121推压。

灌封树脂部130由例如环氧树脂等的树脂材料形成，被填充在成形树脂部120的凹部123和模制树脂部140的间隙。灌封树脂部130将模制树脂部140的一部分及端子124的接合部等从作为测量对象的油密封及保护。

模制树脂部140是保持传感器芯片150的部件。模制树脂部140被构成为具有一端部141、以及与一端部141相反侧的另一端部142的柱状。模制树脂部140在一端部141侧保持着传感器芯片150。

此外，模制树脂部140将引线框143的一部分及电路芯片160封固。引线框143是作为安装传感器芯片150及电路芯片160的基座的部件。

引线框143的另一端侧的前端部分从模制树脂部140的另一端部142露出并且连接在端子124的一端侧。另外，引线框143也可以被分割为多个。在此情况下，只要通过接合线进行电连接就可以。也可以将引线框143和端子124都用接合线连接。

电路芯片160是形成有存储器等的半导体集成电路的IC芯片。电路芯片160使用半导体基板等而形成。电路芯片160进行向传感器芯片150的电源的供给、以及从传感器芯片150输入温度信号从而进行基于预先设定的信号处理值的温度信号的信号处理。所述的信号处理值，是用来将温度信号的信号值放大、运算、修正等的调整值。电路芯片160通过未图示的接合线经由引线框143与传感器芯片150电连接。

传感器芯片150是检测测量对象的温度的电子部件。传感器芯片150例如通过银膏等安装在引线框143上。虽然没有图示，但传感器芯片150构成为具有将多个层层叠所构成的板状的层叠基板。多个层作为晶圆级封装而层叠有多个晶圆，在通过半导体工艺等加工之后，按每个传感器芯片150而切割。

如图2所示，传感器芯片150具有检测测量对象的温度的传感器元件151。传感器元件151是输出与测量对象的温度对应的温度信号的感测部。传感器元件151由电阻值对应于测量对象的温度而变化的多个压电电阻元件152构成。各压电电阻元件152是通过离子注入而形成在层叠基板的多个层中的半导体层的扩散电阻。

半导体层例如是N型的单结晶硅层。各压电电阻元件152被形成为P+型区域或P型区域。即，各压电电阻元件152被构成为P型半导体。另外，在传感器芯片150上还形成有布线或焊盘等的其他电气元件。

各压电电阻元件152以构成惠斯通电桥(Wheatstone bridge)电路的方式被电连接。惠斯通电桥电路被从电路芯片160供给恒电流的电源。由此，能够利用各压电电阻元件152的压电电阻效果，检测与测量对象的温度对应的电压作为温度信号。

即，传感器芯片150检测与层叠基板从测量对象受到的热对应的多个压电电阻元件152的电阻变化，作为惠斯登电桥电路的电桥电压。并且，传感器芯片150输出该电桥电压作为温度信号。传感器芯片150以与温度检测部对应的部分露出的方式被封固在模制树脂部140的一端部141侧。

另一方面，如图2所示，电路芯片160具有恒电流电路部161、修正电路部162、前段调整部163及后段调整部164。恒电流电路部161是向传感器芯片150的传感器元件151供给恒电流的电源的电路部。

修正电路部162是生成用来修正温度信号中包含的传感器误差的修正值的电路部。修正电路部162具有检测元件165及误差调整部166。检测元件165是检测电路芯片160的温度的元件。检测元件165是对应于温度而电阻值变化的感温电阻。检测元件165被内置在电路芯片160中。

作为电路芯片160而采用例如N型的单结晶硅基板。检测元件165作为P+型区域或P型区域被形成在单结晶硅基板上。即，检测元件165被构成为P型半导体。此外，检测元件165是拥有正的电阻温度系数的电阻体。检测元件165是与上述的压电电阻元件152相同的电阻元件。并且，传感器元件151及检测元件165由杂质浓度被调整以使各自的电阻温度系数的值相等的电阻元件构成。

误差调整部166输入检测元件165的检测信号和传感器芯片150的温度信号，基于这些信号生成用来将温度信号中包含的传感器误差修正的修正信号。误差调整部166将修正信号向后段调整部164输出。

前段调整部163与传感器芯片150的传感器元件151连接。前段调整部163是进行从传感器元件151输入的温度信号的灵敏度调整的电路部。后段调整部164与修正电路部162及前段调整部163的输出侧连接。后段调整部164是对灵敏度调整后的温度信号进行偏移调整并且基于修正信号将传感器误差修正的电路部。

具体而言，如图3所示，修正电路部162具有DAC/ROM部167、多个运算放大器168、169、170、171、多个电阻172、173、174、175、176、177、178。由这些元件构成电压跟随器及放大电路等。

此外，DAC/ROM部167存储有基准电位及电阻值等的信息。DAC/ROM部167将所存储的信息变换为模拟信号，调整运算放大器169、170的基准电位及电阻177的电阻值。

修正电路部162通过上述元件的电路结构来调整检测元件165的检测信号。检测信号是信号值相对于温度成比例的信号。修正电路部162的功能是使检测信号的信号值的斜率和偏移值与温度信号的信号值的斜率和偏移值一致。这是为了使得在传感器元件151与电路芯片160间没有温度差的情况下不将温度信号修正。

前段调整部163是进行温度信号的灵敏度调整的电路部。前段调整部163是具有电阻179、运算放大器180及灵敏度调整电路部181的差动放大电路部。前段调整部163按照存储在灵敏度调整电路部181的灵敏度修正值将温度信号的灵敏度修正并输出。

后段调整部164是进行温度信号的偏移调整的电路部。后段调整部164是具有电阻182、183、运算放大器184及偏移调整电路部185的差动放大电路部。后段调整部164按照存储在偏移调整电路部185的偏移修正值，将灵敏度调整后的温度信号的偏移修正并输出。以上是传感器装置100的整体结构。

接着，对传感器误差包含在温度信号中的情况进行说明。如图4所示，外界气温的热到达配管200内的测量对象的路径有多个。

第1路径101是外界气温的热经由壳体110及配管200到达配管200内的测量对象的路径。第2路径102是外界气温的热经由壳体110及位于介质导入孔114中的测量对象到达配管200内的测量对象的路径。第3路径103是外界气温的热经由成形树脂部120、模制树脂部140及位于介质导入孔114中的测量对象到达配管200内的测量对象的路径。

第4路径104是经由成形树脂部120、模制树脂部140、电路芯片160、引线框143、传感器芯片150及位于介质导入孔114中的测量对象到达配管200内的测量对象的路径。

本公开的发明者们着眼于在第4路径104中向电路芯片160→引线框143→传感器芯片150→位于介质导入孔114中的测量对象→配管200内的测量对象流动的热流束。传感器芯片150的温度与传感器元件151的温度相同。由此，以下将传感器芯片150的温度设为传感器元件151的温度。

通过该热流束，在配管200内的测量对象与传感器元件151之间发生温度差。因此，在由传感器元件151测量的温度中包含传感器误差。传感器误差是起因于配管200内的测量对象与传感器元件151的温度差的成分。此外，在电路芯片160与传感器元件151之间发生温度差。

并且，本公开的发明者们基于上述的温度差的发生，发现在电路芯片160与传感器元件151的温度差、和传感器元件151与配管200内的测量对象的温度差之间有相关关系。

具体而言，如图5所示，对应于电路芯片160与传感器元件151的温度差的增加，传感器元件151与配管200内的测量对象的温度差增加。即，传感器误差相对于电路芯片160与传感器元件151的温度差以一定的增加率增加。换言之，在传感器误差包含在温度信号中的情况下，发生与传感器误差对应的传感器元件151与电路芯片160的温度差。

本公开的发明者们基于上述的相关关系考虑，能够基于电路芯片160与传感器元件151的温度差将温度信号中包含的传感器误差修正。由此，在本实施方式中，传感器装置100具备图1～图3所示的结构。

接着，说明将温度信号中包含的传感器误差修正的方法。首先，传感器芯片150输出传感器元件151的电桥电压作为温度信号。在温度信号中有可能包含传感器误差。

电路芯片160从传感器芯片150输入温度信号，将该温度信号向修正电路部162及前段调整部163输入。前段调整部163按照存储在灵敏度调整电路部181中的灵敏度修正值将温度信号的灵敏度修正，将灵敏度修正后的温度信号向后段调整部164输出。

修正电路部162的检测元件165检测电路芯片160的温度，取得检测信号。修正电路部162的误差调整部166基于温度信号及检测信号，生成用来将温度信号中包含的传感器误差修正的误差修正值。

因此，误差调整部166通过以运算放大器169、170为中心的电路，使检测信号的信号值相对于温度的一定的增加率和偏移值、与温度信号的信号值相对于温度的一定的增加率和偏移值一致。由此，使得在电路芯片160与传感器元件151之间不发生温度差的情况下不将温度信号修正。

接着，误差调整部166通过以运算放大器171为中心的电路，生成误差修正值，该误差修正值相对于检测信号的温度与温度信号的温度的温度差、以与检测信号的信号值的一定的增加率相同的比率的一定的减小率而减小。

如图6所示，误差修正值相对于电路芯片160与传感器元件151的温度差以一定的减小率减小。误差修正值的斜率为使检测信号的斜率即温度信号的斜率的极性反转后的值。修正电路部162将与误差修正值对应的信号向后段调整部164输出。

后段调整部164按照存储在偏移调整电路部185中的偏移修正值将温度信号的灵敏度修正。此外，后段调整部164通过对温度信号加上误差修正值，将温度信号中包含的传感器误差修正。

如图7所示，通过误差修正值被加到温度信号中，相对于电路芯片160与传感器元件151的温度差的传感器误差被抵消。由此，在传感器误差被包含在温度信号中的情况下，温度信号通过误差修正值被修正。

另一方面，在传感器误差没有被包含在温度信号中的情况下，没有电路芯片160与传感器元件151的温度差。在此情况下，图5所示的传感器误差是零。随之，图6所示的误差修正值是零。由此，后段调整部164对温度信号加上零的误差修正值。由此，不会出现尽管没有发生电路芯片160与传感器元件151的温度差、但温度信号被修正的情况。

这样，电路芯片160根据由检测元件165检测到的该电路芯片160的温度与由传感器元件151检测到的测量对象的温度的温度差来将温度信号修正。此外，电路芯片160将修正后的温度信号向外部输出。

如以上这样，通过利用电路芯片160与传感器元件151的温度差和传感器误差的相关关系，能够根据该温度差将温度信号中包含的传感器误差修正。因而，能够降低由于测量对象与传感器元件151的温度差引起的传感器误差。

即，能够在电路芯片160、传感器元件151、介质导入孔114内及配管200内容易发生温度差的状况下，对测量对象的温度进行测量。在这样的情况下，将传感器芯片150的位置不是配置在配管200的中央部、而是配置在与壁厚部201对应的位置，但由于利用各部的温度差，所以能够进行测量对象的温度测量。特别适合于测量对象的温度为超高温或超低温的情况、或测量对象为强酸等的特殊的情况下的测量。

例如，有由于外界气温的影响而发生传感器误差的情况。这是外界气温的热通过图4所示的第2路径102及第3路径103传递给传感器元件151的情况。在此情况下，如图8所示，随着外界气温与测量对象的温度的温度差变大，传感器误差也变大。但是，电路芯片160生成误差修正值并用误差修正值将温度信号修正，从而能够使传感器误差大致成为零。

此外，有由于电路芯片160的发热的影响而发生传感器误差的情况。这是电路芯片160的热通过图4所示的第4路径104经由引线框143传递给传感器元件151的情况。在此情况下，如图9所示，向电路芯片160施加电源后，随着电路芯片160的温度上升，传感器误差也变大。由于电路芯片160由半导体器件构成，所以发热的影响较大。如果向电路芯片160施加电源而经过了某种程度的时间，则电路芯片160的温度成为一定值，所以传感器误差也成为一定值。

在这样的情况下，由于刚向电路芯片160施加电源之后就开始误差修正值的生成，所以能够从刚向电路芯片160施加电源之后就修正传感器误差。由此，不论电路芯片160的发热如何，都能够使传感器误差大致成为零。

进而，如图10所示，流到配管200内的测量对象的流速，与壳体110的外侧相比在内侧较慢。因此，有发生由传感器元件151相对于测量对象的响应延迟带来的传感器误差的情况。在此情况下，由于到测量对象到达传感器芯片150的温度检测部为止需要花费时间，所以如图11所示，在测量对象开始流动的过渡时间，在配管200内的测量对象的温度与测量时的温度之间发生温度差。即，与配管200内的测量对象的温度相比，由传感器元件151检测的温度变低。

在这样的情况下，电路芯片160基于误差修正值修正温度信号，从而能够取得配管200内的测量对象的温度。特别是，能够使测量对象开始流动的过渡时间的测量温度的精度提高。

作为变形例，也可以在用来对测量对象的温度进行检测的元件中采用例如热敏电阻。

作为其他变形例，也可以是，电路芯片160进行调整温度信号的增益的处理、或温度信号的加权处理，从而将传感器误差修正。增益或加权的值相对于电路芯片160与传感器元件151的温度差而设定。这样，也可以采用对温度信号加上误差修正值的方法以外的修正方法。

作为其他变形例，电路芯片160也可以具有估算传感器装置100被配置的环境的外界气温的功能。电路芯片160取得由温度信号的修正得到的正确的测量对象的温度、温度信号表示的传感器元件151的温度、检测元件165表示的电路芯片160的温度的3个温度。并且，电路芯片160根据这3个温度来估算外界气温。

另外，本实施方式的压电电阻元件152与电阻元件对应。

(第2实施方式)

在本实施方式中，对与第1实施方式不同的部分进行说明。在本实施方式中，传感器元件151检测测量对象的压力。因此，传感器芯片150具有未图示的膜片。

例如，传感器芯片150由5层的层叠基板构成。例如，由第1层、第2层及第3层构成SOI基板，由第4层及第5层构成盖基板。第2层及第3层被构成为薄壁状的膜片。第3层是例如硅等的半导体层，形成有多个压电电阻元件152。

第4层及第5层具有与膜片的感测区域对应的部分凹陷的凹部。该凹部通过将第3层、第4层及第5层层叠而构成密闭的空间部。空间部例如为真空室。因而，由传感器芯片150测量的压力是绝对压。

压电电阻元件152被用于检测温度及压力的双方。如上述那样，压电电阻元件152由于构成了惠斯通电桥电路，所以将与膜片的应变对应的压电电阻元件152的电阻变化、惠斯通电桥电路的中点电压的变化作为压力信号输出。另外，压电电阻元件152也可以为了温度检测用和压力检测用而分别形成在传感器芯片150上。

电路芯片160从传感器芯片150输入压力信号，基于修正后的温度信号，将测量对象的压力值修正。由于压电电阻元件152与温度对应而电阻值变化，所以通过将压力值进行温度修正，能够使压力值的精度提高。由此，传感器装置100能够将温度修正后的压力值向外部输出。

作为变形例，作为与测量对象的温度不同的物理量，传感器芯片150也可以除了检测压力以外还检测测量对象的流量、粘度、湿度、加速度的至少某1个。即，传感器芯片150除了具有温度检测部以外，还具有检测流量、粘度、湿度、加速度的感测部。电路芯片160基于修正后的温度信号，将与测量对象的温度不同的物理量修正。

本公开并不限定于上述的实施方式，在不脱离本公开的主旨的范围内能够如以下这样进行各种变形。

例如，传感器装置100的安装对象并不限于配管200，也可以被固定于容器等的安装对象。在此情况下，传感器装置100检测容器内的测量对象的温度。

电路芯片160与传感器芯片150的电气连接零件并不限于引线框143。例如，电路芯片160及传感器芯片150也可以被安装到印刷基板上。

将本公开依据实施例进行了记述，但应理解的是本公开并不限定于该实施例或构造。本公开也包含各种变形例及等同范围内的变形。除此以外，各种组合及形态，进而在它们中仅包含一要素、其以上或其以下的其他的组合及形态也落入在本公开的范畴或思想范围中。

Claims (6)

1.一种传感器装置，

具备：

传感器元件(151)，检测测量对象的温度，输出与上述测量对象的温度对应的温度信号；以及

电路芯片(160)，输入上述温度信号，进行信号处理；

上述温度信号包含由上述测量对象与上述传感器元件的温度差引起的传感器误差；

在上述传感器误差包含在上述温度信号中的情况下，发生与上述传感器误差对应的、上述传感器元件与上述电路芯片的温度差；

上述电路芯片具有检测上述电路芯片的温度的检测元件(165)，根据上述检测元件所检测到的上述电路芯片的温度与上述传感器元件所检测到的上述测量对象的温度的温度差，修正上述温度信号，将修正后的温度信号向外部输出。

2.如权利要求1所述的传感器装置，

上述传感器误差相对于上述电路芯片与上述传感器元件的温度差以一定的增加率增加；

上述电路芯片生成相对于上述电路芯片与上述传感器元件的温度差以与上述一定的增加率相同比率的一定的减小率减小的误差修正值，将上述误差修正值加至上述温度信号，由此修正上述传感器误差。

3.如权利要求1或2所述的传感器装置，

上述传感器元件除了检测上述测量对象的温度以外，作为与上述测量对象的温度不同的物理量，还检测上述测量对象的压力、流量、粘度、湿度、加速度中的至少某1个。

4.如权利要求3所述的传感器装置，

上述电路芯片基于上述修正后的温度信号，修正与上述测量对象的温度不同的物理量。

5.如权利要求1～4中任一项所述的传感器装置，

上述传感器元件及上述检测元件由电阻值对应于上述测量对象的温度而变化的P型半导体所形成的电阻元件(152)构成。

6.如权利要求5所述的传感器装置，

上述传感器元件及上述检测元件具有正的电阻温度系数，此外，上述传感器元件及上述检测元件以使各自的上述电阻温度系数的值相等的方式被调整了杂质浓度。

Images