JP2004226193A

JP2004226193A - 半導体センサ装置

Info

Publication number: JP2004226193A
Application number: JP2003013328A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Koide; 茂樹小出
Original assignee: Nippon Seiki Co Ltd
Current assignee: Nippon Seiki Co Ltd
Priority date: 2003-01-22
Filing date: 2003-01-22
Publication date: 2004-08-12

Abstract

【課題】単一の半導体センサによって被測定物の圧力と温度とを検出する半導体センサ装置において、温度検出における構造的な改善を図り、正確な温度を検出することが可能な半導体センサ装置を提供する。
【解決手段】下ケース１に備えられる圧力導入部１ａは被測定物を導入するため圧力導入（導入孔）１ｃを備える。ベース板３は半導体センサ４を配設する載置部１ｅに半導体センサ４に被測定物の圧力及び温度を伝達するための孔部３ｃを設け、圧力導入部１ａに配設することで圧力導入孔１ｃの一端を塞ぐ。熱伝達部材８は圧力導入孔１ｃ内に配設され、被測定物の温度を半導体センサ４に伝達する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板上にピエゾ抵抗効果を有する感圧素子を形成し、前記感圧素子を用いてブリッジ回路を構成する単一の半導体センサによって、被測定物の圧力と温度とを検出する半導体センサ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
温度と圧力とを検出する半導体センサ装置としては、特許文献１にて開示されるように、半導体基板上にピエゾ抵抗効果を有する感圧素子を形成し、前記感圧素子を用いてブリッジ回路を構成するとともに薄肉のダイアフラム部を有する半導体センサをベース板を介して圧力導入部に配設し、前記圧力導入部から伝達される被測定物（流体）の圧力及び温度を単一の前記半導体センサによって検出し、この検出された圧力に関する第１の検出信号及び温度に関する第２の検出信号を前記半導体センサとワイヤボンディングにて電気的に接続される回路基板に備えられる第一，第二の出力部を介して外部に伝達する構造のものがあり、構造を複雑にすることなく簡単な構成で圧力と温度とを検出することが可能な半導体センサ装置である。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−３７２４７４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかる半導体センサ装置の前記圧力導入部の構造は、ＳＵＭ等の金属材料からなる取付ねじ部を有する六角部材の中央部分に前記半導体センサに被測定物の圧力及び温度を伝達するため圧力導入孔（導入孔）を備える構成であり、前記被測定物が前記半導体センサに伝達されるまでの間の前記圧力導入孔により構成される流動経路において、前記被測定物の温度が放熱してしまい正確な温度を検出することができなくなる恐れがあった。
【０００５】
本発明は、前述した問題点に着目し、単一の半導体センサによって被測定物の圧力と温度とを検出する半導体センサ装置において、温度検出における構造的な改善を図り、正確な温度を検出することが可能な半導体センサ装置を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するため、請求項１に記載の半導体センサ装置のように、半導体基板上にピエゾ抵抗効果を有する感圧素子を形成し、前記感圧素子を用いてブリッジ回路を構成するとともに、薄肉のダイアフラム部を有する単一の半導体センサによって被測定物の圧力及び温度に関する情報を得る半導体センサ装置であって、前記被測定物を導入するため導入孔を備えた圧力導入部と、前記半導体センサを配設する載置部に前記半導体センサに前記被測定物の圧力及び温度を伝達するための孔部を設け、前記導入孔の一端を塞ぐように前記圧力導入部に配設されるベース板とを備え、前記圧力導入部には、前記ベース板の少なくとも一部分が埋まるように配設するための配設部が設けられてなるものである。
【０００７】
また、請求項２に記載の半導体センサ装置のように、請求項１に記載の半導体センサ装置において、前記配設部は、段差形状からなるものである。
【０００８】
また、本発明は、請求項３に記載の半導体センサ装置のように、半導体基板上にピエゾ抵抗効果を有する感圧素子を形成し、前記感圧素子を用いてブリッジ回路を構成するとともに、薄肉のダイアフラム部を有する単一の半導体センサによって被測定物の圧力及び温度に関する情報を得る半導体センサ装置であって、前記被測定物を導入するため導入孔を備えた圧力導入部と、前記半導体センサを配設する載置部に前記半導体センサに前記被測定物の圧力及び温度を伝達するための孔部を設け、前記導入孔の一端を塞ぐように前記圧力導入部に配設されるベース板と、前記導入孔内に配設され、前記被測定物の温度を前記半導体センサに伝達する熱伝達部材と、を備えてなるものである。
【０００９】
また、請求項４に記載の半導体センサ装置のように、請求項３に記載の半導体センサ装置において、前記熱伝達部材は、一端が前記ベース板に近接するように配設され、他端が前記導入孔から突出するように配設されてなるものである。
【００１０】
また、請求項５に記載の半導体センサ装置のように、請求項３もしくは請求項４に記載の半導体センサ装置において、前記熱伝達部材は、その一部分が前記導入孔から突出する状態で前記導入孔に配設されるとともに、前記熱伝達部材の突出部分にフィンを設けてなるものである。
【００１１】
また、請求項６に記載の半導体センサ装置のように、請求項３から請求項５の何れかに記載の半導体センサ装置において、前記熱伝達部材は、金属材料から構成される前記圧力導入部よりも熱伝導率の高い金属材料からなるものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づき説明する。
【００１３】
図１において、半導体センサ装置としての圧力温度検出装置Ａは、下ケース１と、上ケース２と、ベース板３と、半導体センサ４と、回路基板５と、シールド板６と、グロメット７と、熱伝達部材８とから主に構成されている。
【００１４】
下ケース１は、ＳＵＭ等の金属材料からなる取付ねじ部を有する六角部材である圧力導入部１ａと、この圧力導入部１ａと一体に形成され、ベース板３，半導体センサ４，回路基板５等の各部を収納する収納部１ｂとを備えている。圧力導入部１ａの略中央には、圧力導入孔（導入孔）１ｃが形成され、また圧力導入孔１ａの上端部にはベース板３が部分的に埋まるように配設するための段差形状の配設部１ｄが形成されている。
【００１５】
上ケース２は、ＰＢＴ等の樹脂材料から形成されるもので、下ケース１の収納部１ｂの開口端部に配設され、収納部１ｂの開口端が加締められることで、上ケース２が下ケース１に対して配設固定される。また、上ケース２は、電源供給及び信号出力を行うための後述する電気コードを外部に引き出すため凹部形状のリード引き出し部２ａを備えている。
【００１６】
ベース板３は、コバール等の金属材料から構成され、下ケース１における圧力導入部１ａの配設部１ｄに抵抗溶接によって配設固定するためのフランジ部３ａが設けられ、このフランジ部３ａから一段高くなった位置には、圧力センサ４を配設するための載置部３ｂが設けられている。また載置部３ｂの略中央には、半導体センサ４に被測定物の圧力及び温度を伝達するための孔部３ｃが設けられている。ベース板３は、圧力導入部１ａの配設部１ｄに抵抗溶接によって配設固定されることで、圧力導入孔１ｃの一端を塞ぐ状態で下ケース１に配設されることになる（図２参照）。
【００１７】
尚、ベース板３におけるフランジ部３ａは、圧力導入部１ａに抵抗溶接できる構成であれば図示した形状に限定されるものではない。
【００１８】
半導体センサ４は、シリコン等の半導体基板に薄肉部となるダイアフラム部を形成する半導体チップ４ａを貫通孔部４ｂ１を備えたガラス台座４ｂ上に配設し、半導体チップ４ａとガラス台座４ｂとを陽極接合法によって接合してなるものである。半導体センサ４は、前記ダイアフラム部に対応する部位にボロン等の不純物を拡散処理することによって、ピエゾ抵抗効果を有する４つの感圧素子となる抵抗を形成し、この各抵抗をアルミ等の導電性材料を用いた配線パターンによって接続することでブリッジ回路が構成され、前記ブリッジ回路の中間電圧によって圧力を検出し、前記ブリッジ回路の両端電圧によって温度を検出するものである（図２参照）。
【００１９】
尚、半導体センサ４は、ガラス基板４ｂの裏面側にメタライズ層を形成するとともに、半田を介してベース板３の載置部３ｂと接合する。
【００２０】
回路基板５は、紙フェノール，ガラス繊維入り樹脂及びセラミック等の絶縁材料を支持材とし、所定の配線パターンが表裏に形成されてなる両面印刷回路基板であり、ベース板３上に位置するように下ケース１の収納部１ｂ内に設けられる載置部１ｅに配設される。回路基板５は、半導体センサ４の出力電圧を増幅するための増幅回路やノイズを除去するためのコンデンサ等の各種電子部品が実装される。
【００２１】
また、回路基板５の略中央には、ベース板３の載置部３ｂに配設される半導体センサ４の上方から回路基板５を下ケース１の載置部１ｅに配設した際に、回路基板５が半導体センサ４を取り巻くように配設するための収納孔部５ａが形成されている。また、回路基板５の表面の収納孔部５ａの周辺には、複数の電極部が形成され、この電極部と半導体センサ４に形成される電極パッドとは金等の導電材料からなるワイヤ９によって電気的に接続される。また、回路基板５のワイヤ９との接続個所である前記電極パッド及び半導体センサ４上には、半導体センサ４及び回路基板５の電極パッド及びワイヤ９の腐食を防止するためのシリコンゲル等のゲル状部材１０が配設される（図２参照）。
【００２２】
また、回路基板５は、上ケース２のリード引き出し部２ａにグロメット７を介して配設される電気コード１１とリードピン付き貫通コンデンサ１２を介し電気的に接続するリードピン１３が実装されている。
【００２３】
シールド板６は、ＳＰＴＥ等の金属材料からなり、ホルダ部６ａと、遮蔽部６ｂとを有し、ホルダ部６ａは遮蔽部６ｂに対して折り曲げ形成されている。シールド板６は遮蔽部６ｂの周縁を下ケース１と上ケース２との間に狭持状態にて配設される。ホルダ部６ａは、遮蔽部６ｂに対して直交するように折り曲げられるとともに、貫通コンデンサ１２を配設するための孔部が形成されるとともに、この孔部に各貫通コンデンサ１２が半田を介し配設固定される。（図３参照）
【００２４】
グロメット７は、ニトリルゴム等の弾性部材によって構成され、電気コード１１を上ケース２のリード引き出し部２ａに取り付けるためのものである。グロメット７は、上ケース２のコード引き出し部２ａの内壁に設けられる突出部２ｂに対してグロメット７の上部が圧入されることでに配設固定される。また、グロメット７は、リード引き出し部２ａにエポキシ等の充填部材１４が充填されることによって、上ケース２との気密性が確保された状態で配設される。
【００２５】
熱伝達部材８は、下ケース１（圧力導入部１ｃ）よりも熱伝導率の良好な（高い）金属材料からなり、例えば純銅，真鍮，アルミ等が用いられる。熱伝達部材８は、円筒形状をなすボディ部８ａを備え、下ケース１の圧力導入孔１ｃ内にボディ部８ａを圧入することで配設固定されされるものであり、一端がベース板３の載置部３ｂの裏面側に近接するように配設され、他端が圧力導入孔１ｃから突出するように配設され、この突出した突出部８ｂには複数の吸熱フィン（フィン）８ｃが形成されている。熱伝達部材８は、突出部８ｂより上方の圧力導入孔１ｃ内に配設される外周面に複数設けられ、被測定物の圧力を半導体センサ４に伝達するための圧力伝達溝８ｄが設けられている。（図４参照）
【００２６】
以上の各部によって圧力温度検出装置Ａが構成される。かかる圧力温度検出装置Ａは、単一の半導体センサ４によって被測定物の圧力及び温度に関する情報を得るものに関し、前記被測定物を導入するため圧力導入孔１ｃを備えた圧力導入部１ａと、半導体センサ４を配設する載置部３ｂに半導体センサ４に前記被測定物の圧力及び温度を伝達するための孔部３ｃを設け、載置部３ｂから延設されたフランジ部３ａを圧力導入部１ａに配設することで圧力導入孔１ｃの一端を塞ぐベース板３とを備え、圧力導入部１ｃには、ベース板３の少なくとも一部分が埋まるように配設するための配設部１ｄが設けられるものである。
【００２７】
即ち、圧力温度検出装置Ａは、ベース板３が圧力導入部１ｃに部分的に埋まるように配設部１ｄを設けることにより、圧力導入孔１ｃ内における半導体チップ４までの被測定物の伝達経路を短く形成できることから、半導体チップ４に前記被測定物の温度を良好に伝えることができ、精度の良い温度測定を可能とする。
【００２８】
また、ベース板３のフランジ部３ａを配設するための配設部１ｄを段差形状にすることで、圧力導入部１ａとベース板３との接合強度が良好に得られ、半導体チップ４への圧力伝達を良好に行うことが可能となる。
【００２９】
また、圧力温度検出装置Ａは、圧力導入部１ａの圧力導入孔１ｃ内に前記被測定物の温度を半導体センサ４に伝達する熱伝達部材８を配設するものであり、この熱伝達部材８は、一端がベース板３の裏面に近接するように配設され、他端が圧力導入孔１ｃから突出するように配設されてなるものである。従って、熱伝達部材８の一端がベース板３に当接しないように配設されることから、熱伝達部材８とベース板３との熱膨張係数の違いにより発生する歪みを半導体チップ４に伝達することを抑制し、被測定物の正確な温度及び圧力を検出することが可能となり、また、熱伝達部材８の他端が圧力導入孔１ｃから突出する突出部８ｂを設けることで、被測定物の温度を効率良く吸収することが可能となる。
【００３０】
また、熱伝達部材８の圧力導入孔１ｃから突出する突出部８ｂに吸熱フィン８ｃを設けることで、更に効率的に被測定物の温度を吸収し、この吸収した熱を半導体センサ４へ伝達することが可能となるため、正確な温度を検出することができる。
【００３１】
熱伝達部材８は、金属材料から構成される圧力導入部１ａよりも熱伝導率の高い金属材料からなるものであり、半導体チップ４へ効率的に熱を伝達することが可能となる。
【００３２】
尚、前述した実施の形態では、圧力導入部１ａにベース板３を埋めるための配設部１ｄを設けるとともに、圧力導入孔１ｃ内に熱伝達部材８を配設する構成であったが、請求項１及び請求項２に記載の半導体センサ装置にあっては、半導体チップ４に被測定物の熱を良好に伝える構成として熱伝達部材８を備えず、配設部１ｄのみを備える構成の半導体センサ装置であれば良く、また請求項３から請求項６に記載の本発明にあっては、配設部１ｄを備えず熱伝達部材８のみを備える半導体センサ装置であれば良い。
【００３３】
また、前述した実施の形態では、熱伝達部材８の突出部８ｂに吸熱フィン８ｃを備える構成であったが、請求項４に記載の半導体センサ装置にあっては、必ずしも吸熱フィンを設けなくとも良い。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は、単一の半導体センサによって、被測定物の圧力と温度とを検出する半導体センサ装置に関し、温度検出における構造的な改善を図り、正確な温度を検出することが可能な半導体センサ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の圧力温度検出装置を示す要部断面図。
【図２】同上実施の形態の圧力温度検出装置の要部拡大断面図。
【図３】同上実施の形態の圧力温度検出装置を示す図。
【図４】同上実施の形態の熱伝達部材の示す図。
【符号の説明】
１下ケース
１ａ圧力導入部
１ｃ圧力導入孔（導入部）
１ｄ配設部
３ベース板
３ａフランジ部
３ｂ載置部
３ｃ孔部
４半導体センサ
８熱伝達部材
８ｂ突出部
８ｃ吸熱フィン（フィン）
Ａ圧力温度検出装置（半導体センサ装置）

Claims

半導体基板上にピエゾ抵抗効果を有する感圧素子を形成し、前記感圧素子を用いてブリッジ回路を構成するとともに、薄肉のダイアフラム部を有する単一の半導体センサによって被測定物の圧力及び温度に関する情報を得る半導体センサ装置であって、
前記被測定物を導入するため導入孔を備えた圧力導入部と、前記半導体センサを配設する載置部に前記半導体センサに前記被測定物の圧力及び温度を伝達するための孔部を設け、前記導入孔の一端を塞ぐように前記圧力導入部に配設されるベース板とを備え、
前記圧力導入部には、前記ベース板の少なくとも一部分が埋まるように配設するための配設部が設けられてなることを特徴とする半導体センサ装置。
前記配設部は、段差形状からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体センサ装置。
半導体基板上にピエゾ抵抗効果を有する感圧素子を形成し、前記感圧素子を用いてブリッジ回路を構成するとともに、薄肉のダイアフラム部を有する単一の半導体センサによって被測定物の圧力及び温度に関する情報を得る半導体センサ装置であって、
前記被測定物を導入するため導入孔を備えた圧力導入部と、
前記半導体センサを配設する載置部に前記半導体センサに前記被測定物の圧力及び温度を伝達するための孔部を設け、前記導入孔の一端を塞ぐように前記圧力導入部に配設されるベース板と、
前記導入孔内に配設され、前記被測定物の温度を前記半導体センサに伝達する熱伝達部材と、
を備えてなることを特徴とする半導体センサ装置。
前記熱伝達部材は、一端が前記ベース板に近接するように配設され、他端が前記導入孔から突出するように配設されてなることを特徴とする請求項３に記載の半導体センサ装置。
前記熱伝達部材は、その一部分が前記導入孔から突出する状態で前記導入孔に配設されるとともに、前記熱伝達部材の突出部分にフィンを設けてなることを特徴とする請求項３もしくは請求項４の何れかに記載の半導体センサ装置。
前記熱伝達部材は、金属材料から構成される前記圧力導入部よりも熱伝導率の高い金属材料からなることを特徴とする請求項３から請求項５の何れかに記載の半導体センサ装置。