JP2005338048A - 半導体センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型化を達成し得る半導体センサ装置を提供する。
【解決手段】 被測定物の圧力と温度を検出する半導体センサ４を備えた半導体センサ装置であって、半導体センサ４を配設するための支持部材３と、半導体センサ４からの出力電圧を少なくとも増幅するための電子部品５ａを実装した回路基板５とを備え、回路基板５が支持部材３上に位置するように支持部材３及び回路基板５をケース体１に配設し、ケース体１内において半導体センサ４が配設される第１の位置Ｐ１と電子部品５ａが配設される第２の位置Ｐ２とがケース体１の長手方向から見た場合に重なり合う位置関係となっている。
【選択図】 図４

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とこの半導体センサを支持するベース板とで被測定物（流体）の圧力及び温度を検出する流体検出体を構成し、この流体検出体を圧力導入部上に配設し、前記圧力導入部から伝達される前記流体の圧力及び温度を前記流体検出体によって検出し、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の検出信号はこれら各検出信号を増幅させるための増幅回路等を有する出力調整ＩＣを介して外部に出力されるようになっている。
特開２００２−３７２４７４号公報

ところで、特許文献１に記載された半導体センサ装置の前記ベース板は、半導体センサを載置するための載置部と、前記圧力導入部の上端部に抵抗溶接によって配設固定するためのフランジ部とを有し、前記フランジ部は前記載置部を取り巻くように前記載置部から一段低くなった位置に設けられ、前記載置部上に載置された前記半導体センサは前記出力調整ＩＣを搭載する回路基板の中央部に開口形成された収納孔部内に収納されている。

そして、かかる半導体センサ装置を用いて特に前記流体の温度を検出するにあたって、前記出力調整ＩＣを前記回路基板の上面側に配設すると、前記出力調整ＩＣが大気の影響を受けやすくなる（被測定物からの距離が遠くなる）ことで、前記被測定物の温度を精度よく検出することが困難となるため、通常、前記出力調整ＩＣは前記回路基板の裏面側であって前記半導体センサから可能な限り近い位置に実装するのが一般的である。

しかしながら、前記回路基板における前記収納孔部の裏面側周囲には前記フランジ部が延在しており、このフランジ部表面とこれに対向する前記回路基板裏面との間には僅かなクリアランスしかなかったためスペース的に前記出力調整ＩＣを配設することが不可能であった。そうすると、必然的に前記出力調整ＩＣは前記フランジ部よりも外側となる前記回路基板裏面に実装せざるを得なくなり、この前記出力調整ＩＣの実装領域確保に伴って回路基板の外形寸法をより大きく設定する必要があり、これにより装置全体が大型化してしまうという問題を有していた。
そこで本発明は、前述の課題に対して対処するため、小型化を達成し得る半導体センサ装置を提供することを第１の目的とし、また小型化することができ、かつ圧力，温度検出の検出精度に優れる半導体センサ装置を提供することを第２の目的とするものである。

本発明は、被測定物の圧力と温度を検出する半導体センサを備えた半導体センサ装置であって、前記半導体センサを配設するための支持部材と、前記半導体センサからの出力電圧を少なくとも増幅するための電子部品を実装した回路基板とを備え、前記回路基板が前記支持部材上に位置するように前記支持部材及び前記回路基板をケース体に配設し、前記ケース体内において前記支持部材が配設される第１の位置と前記電子部品が配設される第２の位置とが前記ケース体の長手方向から見た場合に重なり合う位置関係を構成してなることを特徴とする。

また本発明は、前記電子部品は、前記半導体センサからの前記出力電圧を増幅する増幅機能と、前記出力電圧を温度補正する出力調整機能とを少なくとも有する出力調整用ＩＣからなることを特徴とする。

また前記電子部品は、前記半導体センサに定電流を供給するための定電流供給回路と、前記半導体センサからの前記圧力に関する出力電圧を増幅するとともに温度補正可能とする圧力検出回路と、前記半導体センサからの前記温度に関する出力電圧を増幅するとともに温度補正可能とする温度検出回路と、を一体に備えた集積回路である出力調整用ＩＣからなることを特徴とする。

また本発明は、前記出力調整用ＩＣは、前記定電流供給回路の定電流量の調整範囲を０．５ｍＡから３．５ｍＡとする電流量調整部を有してなることを特徴とする。

本発明によれば、初期の目的を達成でき、小型化を達成し得る半導体センサ装置を提供できる。また、小型化することができ、かつ圧力，温度検出の検出精度を高め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（支持部材）３と、半導体センサ４と、回路基板５と、接続用導体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と被測定物（流体）が流動する搬送部材（図示せず）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に前記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、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。

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、その板面方向が支持部材３におけるフランジ部３ａ（載置部３ｂ）の板面方向と略平行状態となるように下ケース１における絶縁部材１ｅの受部１ｆ上に配設される（図１参照）。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機能や出力電圧を温度補正するための出力調整機能等を有する出力調整ＩＣ（電子部品）５ａやノイズを除去するためのコンデンサ等の各種回路部品が前記配線パターンに導通接続されている。また、本実施形態では出力調整ＩＣ５ａは回路基板５上に搭載されているが、出力調整ＩＣ５ａを回路基板５の裏面に搭載してもよい。

なお、図４は図１中、下ケース１の長手方向（矢印Ｄ方向）から圧力温度検出装置Ａを見たときのベース板３と回路基板５との位置関係を示す図であり、本実施形態では回路基板５が受部１ｆ上に配設されたとき、その略中央部となる第２の位置Ｐ２に出力調整ＩＣ５ａが位置しており、さらに出力調整ＩＣ５ａの下方であってベース板３の略中央部となる第１の位置Ｐ１に半導体センサ４が位置している状態となる。このことは、矢印Ｄ方向から出力調整ＩＣ５ａを見たとき出力調整ＩＣ５ａと半導体センサ４とが重なり合っていることを意味している。

また、回路基板５は、図１に示すように上ケース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４ｃ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電極パッド４ｃ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、前記被測定物の温度と圧力を検出する半導体センサ４と、半導体センサ４を支持するベース板３と、半導体センサ４の出力電圧を増幅する増幅機能と出力電圧を調整する出力調整機能とを有する出力調整ＩＣ５ａの実装された回路基板５とを備え、ベース板３におけるフランジ部３ａ（載置部３ｂ）の板厚方向と回路基板５の板厚方向とが略平行状態に配設され、しかも下ケース１の長手方向（矢印Ｄ方向）から出力調整ＩＣ５ａを見たときに出力調整ＩＣ５ａの配設される第１の位置Ｐ１と半導体センサ４の配設される第２の位置Ｐ２とが重なり合う位置関係となっている。従って、出力調整ＩＣ５ａが回路基板５の中央部に実装され、しかも矢印Ｄ方向に対して出力調整ＩＣ５ａの下方に半導体センサ４が配設されていることで、従来のように回路基板における中央部から離れた位置（フランジ部の周囲）に出力調整ＩＣを配設するための出力調整ＩＣ実装領域を設けることが不要となるため、回路基板の外形寸法を従来に比べて小さくすることが可能となり、これにより装置全体の小型化が実現可能となる。

また本実施形態では、回路基板５の板厚方向（矢印Ｄ方向）から出力調整ＩＣ５ａを見たときに出力調整ＩＣ５ａが半導体センサ４全体と重なり合っている場合について説明したが、請求項１，３，４に記載の半導体センサ装置にあっては、回路基板５の板厚方向から出力調整ＩＣ５ａを見たときに、出力調整ＩＣ５ａとベース板３あるいは半導体センサ４の少なくとも一部とが重なり合うように構成してもよいし、出力調整ＩＣ５ａがベース板３の少なくとも一部と半導体センサ４の少なくとも一部とに対して重なり合うように構成してもよい。

（第２実施形態）図５は、本発明の第２実施形態を示しており、本実施形態では、回路基板５の板面がベース板３におけるフランジ部３ａ（載置部３ｂ）の板面に対して鉛直面となるようにベース板３と回路基板５とを第１の収納部１ｂに配設した場合を示している。そして、本実施形態では第１の収納部１ｂの略中央部となる載置部３ｂ上に載置される半導体センサ４の上方に回路基板５が配設され、しかも回路基板５の板面方向（前記第１実施形態における矢印Ｄ方向）から回路基板５上に実装される出力調整ＩＣ５ａを見たとき、出力調整ＩＣ５ａと半導体センサ４とは重なり合う部分（図５中、斜線で示す重合部Ｆ）が存在している。かかる実施形態においても出力調整ＩＣ５ａが半導体センサ４の一部に対して重合部Ｆを有するように回路基板５の中央部側に実装されるため、回路基板の外形寸法を従来に比べて小さくすることが可能となり、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。

また本第２実施形態では、出力調整ＩＣ５ａと半導体センサ４の一部とが重なり合うように配設されている例について説明したが、請求項２に記載の半導体センサ装置にあっては、回路基板５の板面方向から出力調整ＩＣ５ａを見たとき、出力調整ＩＣ５ａと半導体センサ４を支持するベース板３の少なくとも一部とが重なり合うように構成してもよいし、出力調整ＩＣ５ａがベース板３の少なくとも一部と半導体センサ４の少なくとも一部とに対して重なり合うように構成してもよい。

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。

次に図６を用いて、前述した各実施形態における圧力温度検出装置Ａの回路構成について説明する。図６は、半導体センサ４及び出力調整用ＩＣ５ａの回路構成を示すものである。図中４は、半導体センサであり、半導体基板上に形成された４つの感圧素子Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄを有し、これら感圧素子Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄをブリッジ回路状に構成している。一方、出力調整用ＩＣ５ａは、定電流供給回路５１と、圧力検出回路５２と、温度検出回路５３とを一体に備えた集積回路からなる。

定電流供給回路５１は、基準電圧発生部５１ａと、定電流供給部５１ｂとを備えている。基準電圧発生部５１ａは、基準電圧を調整し半導体センサ４への定電流供給量を設定する電流量調整部５１ｃを備えている。電流量調整部５１ｃは、オペアンプからなる定電流供給部５１ｂに与える基準電圧を設定するべく、抵抗値を可変可能な抵抗値可変手段が用いられる。なお、電流量調整部５１ｃは、０．５ｍＡから３．５ｍＡの範囲の定電流量が得られるように、前記基準電圧が設定される。

圧力検出回路５２は、半導体センサ４のブリッジ回路における中間電圧、即ち感圧素子Ｒａ及び感圧素子Ｒｂの中間電圧と、感圧素子Ｒｃ及び感圧素子Ｒｄの中間電圧とをそれぞれ入力して圧力検出電圧出力特性を得る入力部５２ａと、入力部５２ａにて得られた前記圧力検出電圧特性において、ゲイン（傾き）調整，オフセット調整及び温度補正を行うべく調整値（デジタル値）を入力する調整値入力部５２ｂと、調整値入力部５２ｂから入力させる調整値及び補正値に基づいて前記圧力検出電圧特性を調整するとともに、この調整された前記圧力検出電圧特性を増幅して出力する出力部５２ｃとから構成されている。

温度検出回路５３は、半導体センサ４のブリッジ回路における両端電圧を入力して温度検出電圧出力特性を得る入力部５３ａと、入力部５３ａにて得られた前記圧力検出電圧特性において、ゲイン調整，オフセット調整及び温度補正を行うべく調整値（デジタル値）を入力する調整値入力部５３ｂと、調整値入力部５３ｂから入力させる調整値及び補正値に基づいて前記圧力検出電圧特性を調整するとともに、この調整された前記圧力検出電圧特性を増幅して出力する出力部５３ｃとから構成されている。

かかる圧力温度検出装置Ａは、被測定物の圧力と温度を検出する半導体センサ４を備えた半導体センサ装置であって、半導体センサ４に定電流を供給するための定電流供給回路５１と、半導体センサ４からの前記圧力に関する出力電圧を増幅するとともに温度補正可能とする圧力検出回路５２と、半導体センサ４からの前記温度に関する出力電圧を増幅するとともに温度補正可能とする温度検出回路５３と、を一体に備えた集積回路から出力調整用ＩＣ５ａを有するものである。従って、定電流供給回路５１と圧力，温度検出回路５２，５３とを一体に備えた出力調整用ＩＣ５ａを備えることから、回路基板５の実装面積を小さくすることができることから、回路基板５を小型化することができ、圧力温度検出装置Ａ自体を更に小型化することが可能となる。

また、出力調整用ＩＣ５ａは、定電流供給回路５１の定電流量の調整範囲を０．５ｍＡから３．５ｍＡとする電流量調整部５１ｃを有してなるものである。従って、半導体センサ４のブリッジ回路の合成抵抗を略１ｋΩとすると、半導体センサ４の温度検出電圧の大きさＶａを０．５Ｖから３．５Ｖの範囲内で確保することが可能となることから、小型化可能で、かつ検出精度に優れた圧力温度検出装置Ａを得ることができる。

なお前記各実施形態では、前記半導体基板上にピエゾ抵抗効果を有する４つの感圧素子を形成し、これら感圧素子を用いてブリッジ回路を構成する半導体センサによって前記被測定物の圧力と温度を検出す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、例えば前記半導体基板上に前記感圧素子（前記ブリッジ回路）の他に感温素子を形成し、前記感圧素子によって前記被測定物の圧力を検出すると共に前記感温素子によって前記被測定物の温度を検出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。 同実施形態による支持部材と電子部品との位置関係を示す図である。 本発明の第２実施形態による支持部材と電子部品との位置関係を示す図である。 本発明の各実施形態の圧力温度検出装置の回路構成を示す図である。

符号の説明

１ 下ケース（ケース体）
２ 上ケース
３ ベース板（支持部材）
３ａ フランジ部
３ｂ 載置部
３ｃ 孔部
４ 半導体センサ
４ａ 半導体チップ
４ｂ ガラス台座
４ｃ 電極パッド
５ 回路基板
５ａ 出力調整ＩＣ（電子部品）
５１ 定電流供給回路
５１ｃ 電流調整部
５２ 圧力検出回路
５３ 温度検出回路
６ 接続用導体
７ シールド板
８ グロメット
Ａ 圧力温度検出装置（半導体センサ装置）
Ｐ１ 第１の位置
Ｐ２ 第２の位置

Claims (4)

1. 被測定物の圧力と温度を検出する半導体センサを備えた半導体センサ装置であって、
   前記半導体センサを配設するための支持部材と、前記半導体センサからの出力電圧を少なくとも増幅するための電子部品を実装した回路基板とを備え、
   前記回路基板が前記支持部材上に位置するように前記支持部材及び前記回路基板をケース体に配設し、前記ケース体内において前記支持部材が配設される第１の位置と前記電子部品が配設される第２の位置とが前記ケース体の長手方向から見た場合に重なり合う位置関係を構成してなることを特徴とする半導体センサ装置。
2. 前記電子部品は、前記半導体センサからの前記出力電圧を増幅する増幅機能と、前記出力電圧を温度補正する出力調整機能とを少なくとも有する出力調整用ＩＣから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. 前記電子部品は、前記半導体センサに定電流を供給するための定電流供給回路と、前記半導体センサからの前記圧力に関する出力電圧を増幅するとともに温度補正可能とする圧力検出回路と、前記半導体センサからの前記温度に関する出力電圧を増幅するとともに温度補正可能とする温度検出回路と、を一体に備えた集積回路である出力調整用ＩＣ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。
4. 前記出力調整用ＩＣは、前記定電流供給回路の定電流量の調整範囲を０．５ｍＡから３．５ｍＡとする電流量調整部を有し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。

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