JP2005315602A - 半導体センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体センサを用いて被測定物の圧力と温度を検出する場合において、被測定物の温度を精度よく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】 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共に、薄肉のダイアフラム部を有する単一の半導体センサ４によって流体の圧力と温度に関する情報を得る半導体センサ装置において、半導体センサ４を配設するケース体１を前記流体が流れる搬送部材１５に半導体センサ４が前記流体の前記圧力及び前記温度を検出できる状態にて配設し、ケース体１を搬送部材１５に配設した際に半導体センサ４が搬送部材１５内に位置するようにケース体１に配設されてなる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体センサを用いて被測定物である流体の圧力と温度を検出する半導体センサ装置に関するものである。

従来、圧力と温度を検出する半導体センサ装置にあっては、例えば下記特許文献１に記載されているものが知られている。この半導体センサ装置は、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と共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１，第２の出力部を介して外部に伝達するものである。
特開２００２−３７２４７４号公報

しかしながら、特許文献１に記載された半導体センサ装置の前記圧力導入部は、略縦長（細長）形状の金属材料からなり、その先端側外周部には例えば被測定物が流動する搬送管から突出するように連結形成された筒状の接続部を取り付けるための取付ネジ部が施されており、またその中央部分には前記搬送管内を流動する前記被測定物の圧力と温度を前記半導体センサに伝達するための圧力導入孔（導入孔）が形成されている。そして、前記被測定物が縦長形状の前記圧力導入部に設けられた流動経路となる前記圧力導入孔を流動して前記半導体センサに伝達される場合にあっては、前記流動経路途中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。
そこで本発明は、前述の課題に対して対処するため、半導体センサを用いて被測定物の圧力と温度を検出する場合において、被測定物の温度を精度よく検出することが可能な半導体センサ装置の提供を目的とするものである。

本発明は、半導体センサによって流体の圧力と温度に関する情報を得る半導体センサ装置において、前記半導体センサを配設するケース体を前記流体が流れる搬送部材に前記半導体センサが前記流体の前記圧力及び前記温度を検出できる状態にて配設し、前記ケース体を前記搬送部材に配設した際に前記半導体センサの少なくとも一部が前記搬送部材内に位置するように前記半導体センサが前記ケース体に配設されてなることを特徴とする。

また本発明は、前記半導体センサは、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と共に、薄肉のダイアフラム部を備えてなることを特徴とする。

また本発明は、半導体チップをガラス台座上に接合することで前記半導体センサを構成し、前記半導体センサをベース板上に配設すると共に前記ベース板を前記ケース体の端部もしくは端部近傍に配設することで、前記半導体センサが前記搬送部材内に位置するように前記ケース体に配設されてなることを特徴とする。

また本発明は、半導体チップをガラス台座上に接合することで前記半導体センサを構成し、前記半導体センサをベース板上に配設すると共に前記ベース板に前記半導体センサを覆うようにカバー部材を配設して流体検出体を構成し、前記流体検出体を前記ケース体の端部もしくは端部近傍に配設することで前記半導体センサが前記搬送部材内に位置するように前記ケース体に配設されてなることを特徴とする。

また本発明は、前記ケース体内に前記半導体センサからの出力を少なくとも集約する回路基板を配設し、前記回路基板と前記半導体センサとは導体によって接続されてなることを特徴とする。

また本発明は、前記導体を前記回路基板方向にガイドするガイド部材を前記ケース体内に設けたことを特徴とする。

本発明によれば、初期の目的を達成でき、半導体センサを用いて被測定物の圧力と温度を検出する場合において、被測定物の温度を精度よく検出することが可能な半導体センサ装置を提供できる。

（第１実施形態）以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づき説明する。

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（ケース体）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、接続用導体（導体）６と、シールド板７と、グロメット８とから主に構成されている。

下ケース１は、ＳＵＭ等の金属材料からなり、一対の側壁部１ａを有しており、この側壁部１ａの上端側と下端側は共に開口している。側壁部１ａは、下ケース１の中央部より上側に位置して、内部に回路基板５やシールド板７等を収納する空間を有する略六角形状の第１の収納部１ｂと、この収納部１ｂの下方に位置して、内部に半導体センサ４や接続用導体６、後述する絶縁部材の主要部等を収納する略円筒形状の第２の収納部１ｃとで構成されている。

この場合、第２の収納部１ｃの外形形状は第１の収納部１ｂの外形形状よりもやや小さめに設定されているため、下ケース１の側壁部１ａは段差形状を有し、各収納部１ｂ、１ｃの境界部１ｄ近傍と第２の収納部１ｃの内壁面には絶縁部材１ｅがインサート成形されている。

絶縁部材１ｅは、ＰＢＴ等の樹脂材料からなり、略円筒形状に形成され、その上端部には回路基板５の外縁底部を受けるための段差形状からなる受部１ｆが形成されている。また、絶縁部材１ｅの内部には接続用導体６の一部を支持し、且つ接続用導体６の他の一部をガイドするための支持体（ガイド部材）１ｇが図示しない連結片を介して絶縁部材１ｅと一体形成されている。

支持体１ｇは、絶縁部材１ｅの長手方向とは直交する方向に延びる第１の壁部１ｈと、絶縁部材１ｅの長手方向に沿うように延びる第２の壁部１ｉとを有する断面略「Ｌ」字形状に形成されている。そして、支持体１ｇは、第１の壁部１ｈの上面で第１の壁部１ｈに沿うように配設される接続用導体６箇所を支持し、第２の壁部１ｉの外壁面とこれに対向する絶縁部材１ｅの内壁面１ｊ箇所との間に形成される間隙１ｋを通じて間隙１ｋ内を通過する接続用導体６箇所をガイドしている。

なお、１ｍは、シールド板７の後述する遮蔽部の外縁底部を受けるための段差形状からなる受部であり、この受部１ｍは第１の収納部１ｂの内壁面に形成されている。また、１ｎは、下ケース１と後述する搬送部材の接続部（固定部）とを連結させるためのネジ部等の連結部であり、この連結部１ｎは第２の収納部１ｃの外周面に沿うように形成されている。

上ケース２は、ＰＢＴ等の樹脂材料からなり、下ケース１の受部１ｍよりも上方となる下ケース１の第１の収納部１ｂの開口端部内に配設され、第１の収納部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、この配設固定によって上ケース２の底部と受部１ｍと間にシールド板７が狭持されるようになっている。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コード引き出し部２ａを備えている。

ベース板３は、コバール等の金属材料からなり、図２に示すように下ケース１における第２の収納部１ｃの底部に抵抗溶接等によって配設固定するためのフランジ部３ａを有し、このフランジ部３ａから一段低くなった位置には、半導体センサ４を配設するための載置部３ｂが設けられている。そして、載置部３ｂの略中央部には、半導体センサ４に被測定物（流体）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、第２の収納部１ｃの底部に抵抗溶接によって配設固定されることで、下ケース１の下端側開口を塞ぐ状態で下ケース１に配設されることになる。

なお、ベース板３におけるフランジ部３ａは、第２の収納部１ｃの底部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。また、本実施形態の場合、各ケース１，２とベース板３とによって半導体センサ４を収納する略凹部形状の収納部材Ｓを構成しており、この収納部材Ｓの底壁側（ベース板３側）で半導体センサ４を収納保持している。

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箇所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、これら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前記被測定物の圧力を検出し、前記ブリッジ回路の両端電圧によって前記被測定物の温度を検出するものである。

なお、半導体センサ４は、ガラス台座４ｂの裏面側にメタライズ層を形成すると共に、半田を介してベース板３の載置部３ｂと接合する。

回路基板５は、例えばガラスエポキシ系基材の表裏面に配線パターン（図示せず）を施した硬質回路基板からなり、下ケース１における絶縁部材１ｅの受部１ｆ上に配設される。また、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出力電圧を調整するための出力調整手段等を有する出力調整ＩＣ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前記配線パターンに導通接続されている。

また、回路基板５は、上ケース２のコード引き出し部２ａにグロメット８を介して配設される電気コード９とリードピン付き貫通コンデンサ１０を介し電気的に接続するリードピン１１が前記配線パターンに導通接続されている。

接続用導体６は、薄くて反発力の小さい、例えばポリアミド系またはポリミイド系のＦＰＣ（フレキシブル・プリント・サーキット）からなり、ベース板３と回路基板５との間に配設される。接続用導体６には、例えば銅箔パターンからなる導電路（図示せず）が形成され、ベース板３側となる前記導電路の一端側と半導体センサ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１２によって導通接続される。一方、回路基板５側となる前記導電路の他端側は、回路基板５の裏面に形成される前記配線パターンに導通接続される。なお、接続用導体６のうちベース板３側となる接続用導体６の下端面は半導体センサ４を取り巻く略リング状の円環部６ａによって構成され、円環部６ａはこの背後に位置する補強基板６ｂによって保持されている（図２参照）。

そして、接続用導体６は、前記導電路の一端側と前記電極パッドとの接続箇所から上方（絶縁部材１ｅの上端側）に引き回される際に、ケース体１における支持体１ｇの間隙１ｋによってガイドされる。さらに、間隙１ｋの前方に露出する接続用導体６箇所は、絶縁部材１ｅ内で支持体１ｇの上面に沿うように折り返された後、略「Ｓ」字状に引き回されて前述したように前記導電路の他端側が回路基板５の前記配線パターンに導通接続される。このように接続用導体６は、その導体路両端が半導体センサ４、回路基板５に接続されることで、半導体センサ４からの出力電圧を回路基板５側に伝達するための役割を果たしている。

なお、１３は、半導体センサ４、前記電極パッド並びにワイヤ１２の腐食を防止するためのシリコンゲル等のゲル状部材であり、このゲル状部材１３はワイヤ１２を含む半導体センサ４を覆うようにベース板３上に配設される。

シールド板７は、ＳＰＴＥ等の金属材料からなり、ホルダ部７ａと、遮蔽部７ｂとを有し、ホルダ部７ａは遮蔽部７ｂに対して折り曲げ形成されている。ホルダ部７ａは、遮蔽部７ｂに対して直交するように折り曲げられ、貫通コンデンサ１０を配設するための孔が形成されると共に、この孔に各貫通コンデンサ１０が半田を介し配設固定される（図３参照）。

グロメット８は、ニトリルゴム等の弾性部材からなり、電気コード９を上ケース２のコード引き出し部２ａに取り付けるためのものである。グロメット８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隆起部２ｂの上面に対してグロメット８の外縁底部が圧入により支持されることで上ケース２に配設固定される。また、グロメット８は、コード引き出し部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。

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、図２に示すように前記被測定物が流動する搬送部材１５に固定される。搬送部材１５は、例えば金属材料からなり、ベース板３におけるフランジ部３ａの板面方向と同一方向に延在する略筒状の本体部１５ａと、この本体部１５ａの長手方向とは直交する方向（下ケース１側）に突出し下ケース１の連結部１ｎとの接続箇所となる略筒状の接続部１５ｂとを備えている。なお、接続部１５の内部を構成する空洞は本体部１５ａの内部を構成する空洞と連通しており、接続部１５ｂ内壁には連結部１ｎに結合するネジ部等からなる固定部１５ｃが形成されている。そして、下ケース１の連結部１ｎが搬送部材１５の固定部１５ｃにネジ止めにより連結されることによって、圧力温度検出装置Ａが搬送部材１５に配設固定される。この際、本実施形態では下ケース１側となる連結部１ｎと搬送部材１５側となる固定部１５ｃとの連結箇所内部に半導体センサ４の一部分、この場合では半導体チップ４ａが配設され、しかも半導体チップ４ａは前記接続箇所の下端側に位置している構成となることから、本体部１５ａから半導体センサ４（半導体チップ４ａ）に至る前記被測定物の流動経路を短く形成することができ、これにより半導体センサ４に前記被測定物の温度が良好に伝わり、半導体センサ４による精度の高い前記被測定物の温度測定を行うことが可能となる。

また本実施形態では、半導体センサ４がベース板３のフランジ部３ａよりも一段低くなった載置部３ｂ上に配設され、半導体センサ４の一部分が連結部１ｎと固定部１５ｃとの接続箇所内部に配設されている場合について説明したが、例えばベース板を平板状に形成し、この平板状ベース板の中央部に前記被測定物の圧力と温度を半導体センサに伝達するための孔部を設け、この孔部上の周囲に半導体センサを配設することで、半導体チップ並びにガラス台座を含む半導体センサ全体が連結部と固定部との連結箇所内部に配設されるようにしてもよい。

また本実施形態では、下ケース１内に半導体センサ４からの出力を少なくとも集約する回路基板５を配設し、半導体センサ４と回路基板５とは接続用導体６によって電気的に接続されていることにより、半導体センサ４と回路基板５が離れた状態で配設されている場合であっても、半導体センサ４からの出力電圧を回路基板５側に容易に導くことが可能となる。

（第２実施形態）図４は本発明の第２実施形態を示しており、本実施形態では半導体センサが前記第１実施形態にて採用した単一のベース板ではなく、封止体を備えた流体検出体によって支持されている例を示している。すなわち、本実施形態における流体検出体２０は、開口部２１ａを有する略円環カップ形状からなるベース板２１と、このベース板２１内に配設される端子２２と、ベース板２１内に充填される封止体２３と、ベース板２１の背後を覆うカバー部材２４とによって構成されている。なお本実施形態では、各ケース１，２と流体検出体２０とによって半導体センサ４を収納する収納部材Ｓを構成する。

ベース板２１は、例えばコバール等の金属材料からなり、開口部２１ａと対向する底壁部２１ｂには開口部２１ａ側にへこむ凹部２１ｃが形成されている。そして、図４中、半導体センサ４のガラス台座４ｂが半導体チップ４ａよりも上方に位置するように凹部２１ｃ底面にガラス台座４ｂ底面を接合させることで、半導体センサ４が凹部２１ｃに載置される。また、凹部２１ｃの周囲には各端子２２が貫通する貫通孔２１ｄが形成されている。なお、２１ｅは開口部２１ａの周囲に延在するフランジ部であり、このフランジ部２１ｅは下ケース１における第２の収納部１ｃの底部に抵抗溶接等によってベース板２１を下ケース１に配設固定するための取付部としての機能を有している。なお、ベース板２１におけるフランジ部２１ｅは、第２の収納部１ｃの底部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。

端子２２は、例えばコバール等の金属材料からなり、略棒状に形成され、半導体センサ４を中心とする同心円上に複数個配設されている。端子２２は、ベース板２１における内壁面のやや内側に位置しており、前記内壁面と底壁部２１ｂとによって囲まれるベース板２１内部には封止用ガラスからなる封止体２３が充填されている。従って、この封止体２３の充填により各端子２２は、ベース板２１とは絶縁状態でベース板２１内に封止固定され、しかも各端子２２の両端は封止体２３の表裏面から突出している。

すなわち、封止体２３の表面から突出する端子２２の上端部２２ａは、接続用導体６を補強する補強基板６ｃ並びに接続用導体６に設けた孔をそれぞれ貫通して接続用導体６の上面側に突出し、この突出端が接続用導体６に設けた配線パターンと半田付けされている。また、封止体２３の裏面から突出する端子２２の下端部２２ｂは、ワイヤ１２を介して半導体センサ４に設けた電極パッドに電気的に接続される。

カバー部材２４は、例えばコバール等の金属材料からなり、ベース板２１よりも若干大きめの深さを有する略円環カップ状に形成され、ベース板２１の周壁や各端子２２の下端部２２ｂ、半導体センサ４を覆うための被覆部材としての機能を有している。また、カバー部材２４の底面中央部には前記被測定物の圧力と温度を半導体センサ４に伝達するための孔部２４ａが形成されている。なお、この孔部２４ａは半導体センサ４の半導体チップ４ａと向かい合うような位置関係となっているが、孔部２４ａの形成位置は前記底面中央部に限らず、半導体チップ４ａとは対向しない位置に形成してもよい。

２５は、半導体センサ４、前記電極パッド並びにワイヤ１２等の腐食を防止するためのシリコンゲル等のゲル状部材であり、このゲル状部材２５はワイヤ１２を含む半導体センサ４や端子２２の下端部２２ｂを覆うようにベース板２１の底壁部２１ｂとカバー部材２４底面との間に形成される空間内に配設される。

かかる実施形態においても、流体検出体２０によって支持された半導体センサ４を有する圧力温度検出装置Ａは、前記第１実施形態と同様に下ケース１の連結部１ｎが搬送部材１５の固定部１５ｃにネジ止めにより連結されることによって、圧力温度検出装置Ａが搬送部材１５に配設固定される。このとき半導体センサ４は搬送部材１５の本体部１５ａと固定部１５ｃとの間である接続部１５ｂ箇所内部に位置している構成となり、本体部１５ａから半導体センサ４に至る前記被測定物の流動経路をより短く形成できるため、半導体センサ４に前記被測定物の温度が良好に伝わり、前記第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

また前記各実施形態では、半導体センサ４としてピエゾ抵抗型センサを例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、例えば半導体センサとして静電容量型センサ等の他の半導体センサを用いてもよい。

また前記各実施形態では、共に金属材からなる下ケース１と搬送部材１５の接続部１５ｂとがネジ止めにより固定される場合について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、下ケース１と搬送部材１５との連結手段は任意の構成を適用することができ、例えば搬送部材１５を本体部１５ａと接続部１５ｂとを有するゴムチューブにより形成し、下ケース１の下端部にフック形状等の抜け止め部を設けると共に搬送部材１５の接続部１５ｂ側には前記抜け止め部に嵌合する凹部形状等の固定部を設け、この固定部と前記抜け止め部とを嵌合させて下ケース１を搬送部材１５に固定するようにしてもよい。

なお前記各実施形態では、搬送部材１５が筒状の本体部１５ａと、この本体部１５ａの長手方向とは直交する方向に突出する筒状の接続部１５ｂとを有する略「Ｔ」字状からなる例について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、下ケース１を搬送部材１５に固定できる形状であれば搬送部材１５の形状は任意であり、例えば筒状の接続部１５ｂを廃止して、本体部１５ａに第２の収納部１ｃ（連結部１ｎ）に対応する開口部を設け、この開口部内壁にネジ部等からなる固定部を設け、この固定部と連結部とを固定するようにしてもよい。

本発明の第１実施形態による圧力温度検出装置の断面図である。 図１中、Ｂ部を拡大して示す要部断面図である。 同実施形態による圧力温度検出装置を示す図である。 本発明の第２実施形態による圧力温度検出装置の要部断面図である。

符号の説明

１ 下ケース（ケース体）
１ｎ 連結部
２ 上ケース
３，２１ ベース板
３ａ フランジ部
３ｂ 載置部
３ｃ 孔部
４ 半導体センサ
５ 回路基板
６ 接続用導体（導体）
７ シールド板
８ グロメット
１５ 搬送部材
１５ａ 本体部
１５ｂ 接続部
１５ｃ 固定部
２０ 流体検出体
２２ 端子
２３ 封止体
２４ カバー部材
Ａ 圧力温度検出装置（半導体センサ装置）
Ｓ 収納部材

Claims (6)

1. 半導体センサによって流体の圧力と温度に関する情報を得る半導体センサ装置において、
   前記半導体センサを配設するケース体を前記流体が流れる搬送部材に前記半導体センサが前記流体の前記圧力及び前記温度を検出できる状態にて配設し、
   前記ケース体を前記搬送部材に配設した際に前記半導体センサの少なくとも一部が前記搬送部材内に位置するように前記半導体センサが前記ケース体に配設されてなることを特徴とする半導体センサ装置。
2. 前記半導体センサは、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と共に、薄肉のダイアフラム部を備えてなることを特徴とする請求項１記載の半導体センサ装置。
3. 半導体チップをガラス台座上に接合することで前記半導体センサを構成し、前記半導体センサをベース板上に配設すると共に前記ベース板を前記ケース体の端部もしくは端部近傍に配設することで、前記半導体センサが前記搬送部材内に位置するように前記ケース体に配設されてなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体センサ装置。
4. 半導体チップをガラス台座上に接合することで前記半導体センサを構成し、前記半導体センサをベース板上に配設すると共に前記ベース板に前記半導体センサを覆うようにカバー部材を配設して流体検出体を構成し、前記流体検出体を前記ケース体の端部もしくは端部近傍に配設することで前記半導体センサが前記搬送部材内に位置するように前記ケース体に配設されてなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体センサ装置。
5. 前記ケース体内に前記半導体センサからの出力を少なくとも集約する回路基板を配設し、前記回路基板と前記半導体センサとは導体によって接続されてなることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか１つに記載の半導体センサ装置。
6. 前記導体を前記回路基板方向にガイドするガイド部材を前記ケース体内に設けたことを特徴とする請求項５記載の半導体センサ装置。

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