JP2006038824A - 半導体センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 外部からの振動等が加わった場合であっても、回路基板と半導体基板との接続信頼性を向上させ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半導体センサ４によって被測定物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内に可撓性を有する導体６を介して半導体センサ４と電気的に接続される回路基板５を配設し、導体６はケース体１内に埋設された絶縁部材１ｅを通じて曲折するように配設されている。
【選択図】 図１

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少なくとも圧力を検出する半導体センサ装置に関するものである。

従来、この種の圧力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。この特許文献１に記載の半導体センサ装置は、ボデイー本体部内における底部の表面に接合層を介してサファイア等の半導体基板を積層し、さらにこの半導体基板上に感圧素子を形成している。一方、前記底部の裏面中央部には前記底部の裏面側から加わる流体圧力を検出可能な凹部形状からなる肉薄の受圧部が形成されており、この受圧部が前記流体圧力を受けて撓むことで前記感圧素子の抵抗値が変化し、この抵抗値変化に基づく電圧信号が前記感圧素子とは離間するように前記感圧素子の前方側に配設された増幅回路（回路基板）に出力されるものである。なお、この場合、前記感圧素子（前記半導体基板）と前記回路基板とは、これら両者の間に介在する線状の信号線によって電気的に接続されていた。
特開２００２−２５７６５８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の半導体センサ装置の場合、感圧素子（半導体基板）と、所定間隔を有して前記感圧素子の前方側に配設された回路基板とが、これら両者の間に位置し線状に延びる信号線によって電気的に接続され、しかも前記信号線の両端部が前記感圧素子、前記回路基板にそれぞれ接合される構成である。かかる構成において例えば外部からの振動によって装置全体に不用意な応力が加わった場合には、前記応力が前記信号線端部と前記感圧素子（または前記回路基板）との接合部分に作用しやすくなる。このうち、特に装置上方に位置する前記回路基板と接合している前記信号線の上端部箇所には、前記応力の他に前記信号線自体の重力も作用するため、前記応力並びに前記重力の相乗作用により前記信号線の上端部と回路基板とが断線してしまう恐れがあった。
そこで本発明は、前述の課題に対して対処するため、外部からの振動等が加わった場合であっても、回路基板と半導体基板との接続信頼性を向上させ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被測定物の少なくとも圧力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内に可撓性を有する導体を介して前記半導体センサと電気的に接続される回路基板を配設し、前記導体は前記ケース体内に埋設された絶縁部材を通じて曲折するように配設されてなることを特徴とする。

また本発明は、前記絶縁部材は、前記導体の一部を支持するとともに前記導体の他の一部をガイドする支持体を備えてなることを特徴とする。

また本発明は、前記導体は、前記支持体と前記回路基板との間で蛇行するように配設されてなることを特徴とする。

また本発明は、前記導体が、その所定箇所に形成される配線パターンを備え、前記配線パターンにはその配線経路中に少なくとも前記圧力に関する情報を検知するためのランド部が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、前記被測定物の前記圧力の他に前記被測定物の温度を検出可能とす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。

本発明によれば、初期の目的を達成でき、外部からの振動等が加わった場合であっても、回路基板と半導体基板との接続信頼性を向上させることが可能な半導体センサ装置を提供できる。

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の上端側と下端側とはともに開口している。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、この第１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。

このようにケース体１内に埋設された絶縁部材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（接続用導体６の後述する第２の曲折部）を支持し、且つ接続用導体６の他の一部（接続用導体６の後述する第１の曲折部）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の前記第２の曲折部を支持し、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の前記第１の曲折部をガイドしている。

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との間にシールド板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部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ともに、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回路パターン（図示せず）を施した硬質回路基板からなり、図１中、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ＩＣ５ａ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、並びに接続用導体６の後述する第２の接続ランドに半田を介して導通接続される第１の接続ランド５ｂ（図３参照）が前記回路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が前記回路パターンに導通接続されている。

接続用導体６は、例えば薄くて反発力の小さいＦＰＣ（フレキシブル・プリント・サーキット）からなり、図３，図４に示すように可撓性を備えた絶縁材料からなる略矩形状のベースフィルム６ａと、このベースフィルム６ａ上にライン状に複数本形成された銅箔パターン等からなる配線パターン６ｂとを有している。

この場合、配線パターン６ｂは、ベースフィルム６ａの長手方向に沿って４本形成され、その端部（後述する第３の曲折部の端部）には回路基板５の第１の接続ランド５ｂと半田を介して導通接続される略矩形状からなる４つの第２の接続ランド６ｃがそれぞれ形成されている。各第２の接続ランド６ｃは、その中央部に略矩形状の孔６ｄを備えており、ベースフィルム６ａには孔６ｄに連通する貫通孔６ｅが開口形成されている。また、６ｆは、各配線パターン６ｂの配線経路途中に配設されたプローブランド（ランド部）であり、このプローブランド６ｆは第２の接続ランド６ｃと略同一形状に設定されている。

６ｇは、配線パターン６ｂを覆うようにベースフィルム６ａ上に積層形成されたカバーフィルムであり、このカバーフィルム６ｇは配線パターン６ｂを保護する保護部材としての機能を有している。また、カバーフィルム６ｇにはプローブランド６ｆを外部に露出させるための窓部からなる第１の開口部６ｈと、孔６ｄ（貫通孔６ｅ）を取り巻く枠状の第２の接続ランド６ｃを外部に露出させるための窓部からなる第２の開口部６ｉとが形成されている。

かかる接続用導体６は、図１中、ベース板３と回路基板５との間に配設され、ベース板３側となる配線パターン６ｂの端部と半導体センサ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１２によって導通接続される。

一方、回路基板５側となる配線パターン６ｂの端部側（第２の接続ランド６ｃ）は、回路基板５の裏面に形成される第１の接続ランド５ｂに半田を介して導通接続される。両接続ランド５ｂ，６ｃの半田付け接続は以下のように行われる。すなわち、図４に示すように回路基板５の第１の接続ランド５ｂが接続用導体６におけるベースフィルム６ａの貫通孔６ｅと対向するように回路基板５上に接続用導体６を位置合わせ配設し、その後、貫通孔６ｅ、孔６ｄ、第２の開口部６ｉの内部に半田Ｓを流し込み、この半田Ｓが固着することで両接続ランド５ｂ，６ｃが半田Ｓを通じて導通接続される。

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６ｊによって構成され、円環部６ｊはこの背後に位置する補強基板６ｋ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、図１中、配線パターン６ｂの前記下端面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を通じて折り曲げられる第１の曲折部６ｍを備えている。さらに、接続用導体６は、間隙１ｋの前方に露出し、第１の曲折部６ｍとは直交する方向に折り曲げられて、絶縁部材１ｅ内で第１の壁部１ｈの上面に沿うように配設される第２の曲折部６ｎと、この第２の曲折部６ｎと回路基板５との間で略「Ｓ」字状に蛇行して引き回される第３の曲折部６ｐとを備え、前述のように第３の曲折部６ｐの端部に位置する接続用導体６の第２の接続ランド６ｃ箇所が半田Ｓを介して回路基板５の第１の接続ランド５ｂと導通接続される。

このように接続用導体６は、その配線パターン６ｂ両端が半導体センサ４、回路基板５にそれぞれ接続されることで、半導体センサ４からの出力電圧を回路基板５側に容易に導くことが可能となる。さらに、本実施形態では、第３の曲折部６ｐにおける配線パターン６ｂの一部にプローブランド６ｆを設けているため、配線パターン６ｂ両端を半導体センサ４と回路基板５に接続後、回路基板５を下ケース１内に収納する前の状態でプローブ（図示せず）を各プローブランド６ｆに接触させることができる。これにより例えば半導体センサ４の出力電圧特性におけるゲイン（傾き）調整、オフセット調整、温度補償調整をモニタリングすることができ、また半導体センサ４とワイヤ１２もしくは接続用導体６とワイヤ１２が断線しているか否かを検知することができる。このことは前記出力電圧が接続用導体６を通じて回路基板５に導かれているか否かを前もって検知できることを意味している。

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５参照）。

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。

以上のように本実施形態では、半導体センサ４によって前記被測定物の圧力と温度に関する情報を得る圧力温度検出装置Ａにおいて、半導体センサ４を配設する下ケース１内に可撓性を有する接続用導体６を介して半導体センサ４と電気的に接続される回路基板５を配設し、接続用導体６が下ケース１内に埋設された絶縁部材１ｅを通じて曲折するように配設されているものである。従って、外部からの振動によって接続用導体６上端部と回路基板５との接合部分に不用意な応力が作用し、これに加えて前記接合部分に接続用導体６自体の重力が作用したとしても、前述したように半導体センサ４から回路基板５に至る接続用導体６が各曲折部６ｍ，６ｎ，６ｐを通じて曲折しながら回路基板５に導通接続されていることで、前記応力や前記重力が前記接合部分に集中して作用することなく、各曲折部６ｍ，６ｎ，６ｐにも分散して作用する。この結果、前記接合部分における前記応力と前記重力の作用が軽減（緩和）されるため、回路基板５と接続用導体６上端部（第３の曲折部６ｐの端部）との断線を防止することができ、半導体センサ４と回路基板５との接続信頼性を向上させることが可能となる。

また、このように接続用導体６が金属製の下ケース１内に埋設された合成樹脂製の絶縁部材１ｅを通じて引き回し配設されることで、下ケース１と接続用導体６（前記配線パターン）とが所定間隔を隔てて配設されるため、接続用導体６における絶縁性の低下を防止することができる。

また本実施形態では、下ケース１内に埋設された絶縁部材１ｅには、接続用導体６の第２の曲折部６ｎを支持するとともに、接続用導体６の第１の曲折部６ｍをガイドする支持体１ｇが一体形成されていることによって、第１，第２の曲折部６ｍ，６ｎを支持するための専用の支持部材が別途、不要となるため、コスト上昇を抑えることができる。

また本実施形態では、回路基板５と接続用導体６上端部との前記接合部分に隣接する接続用導体６箇所が、第３の曲折部６ｐとして蛇行するように構成されていることによって、前記接合部分に加わる前記応力や前記重力のほとんどがこの蛇行部分である第３の曲折部６ｐに直接、作用しやすくなることから、かかる構成は前記接合部分にかかる力をより緩和させたい場合に有利な構成となる。

また本実施形態では、接続用導体６が、ライン状に形成される配線パターン６ｂを備え、配線パターン６ｂにはその配線経路中に半導体センサ４からの前記出力電圧を検知するためのランド部６ｆが配設されてなることにより、このランド部６ｆを回路基板５等に設けることが不要となるため、前記配線パターンを設計するときの設計自由度を向上させることが可能となる。

また本実施形態では、接続用導体６に孔６ｄと貫通孔６ｅとが連通する孔部を設け、この孔部内に半田Ｓを流し込むことで前記孔部の表面周囲に形成された第２の接続ランド６ｃと前記孔部の裏面に位置する第１の接続ランド５ｂとが半田付け接続される例について説明したが、例えば第２の接続ランド６ｃを前記孔部の内壁面並びに前記孔部の裏面周囲に連続（延長）形成し、且つ前記孔部の裏面周囲に形成された接続ランドと第１の接続ランド５ｂとの間に異方性導電膜を介在させ、熱圧着によって両接続ランド５ｂ，６ｃを導通接続してもよいし、あるいは前記接続ランドと第１の接続ランド５ｂとの間に半田を介在させ半田付けにより両接続ランド５ｂ，６ｃを接続してもよい。このように構成することにより、回路基板５と接続用導体６との接続強度をより高めることができる。

また本実施形態では、接続用導体６が下ケース１内に埋設された絶縁部材１ｅを通じて３つの曲折部６ｍ，６ｎ，６ｐを有するように引き回し配設された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、外部振動によって回路基板５と接続用導体６上端部との断線を防止できるものであれば接続用導体６の曲折形状は任意であり、例えば第３の曲折部６ｐを廃止し第１，第２の曲折部６ｍ，６ｎのみを用いて接続用導体６上端部と回路基板５とを電気的に接続するようにしてもよい。

また本実施形態では、半導体センサ４を用いて前記被測定物の圧力と温度を検出す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、例えば半導体センサ４を用いて前記被測定物の圧力のみを検出するようにしてもよい。

尚、本実施形態では、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。

本発明の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。 同実施形態による回路基板と導体を接合する前の状態を示す図である。 同実施形態による回路基板と導体との接合状態を示す断面図である。 同実施形態による圧力温度検出装置を示す図である。

符号の説明

１ 下ケース（ケース体）
１ｂ 第１の収納部
１ｃ 第２の収納部
１ｅ 絶縁部材
１ｇ 支持体（ガイド部材）
１ｈ 第１の壁部
１ｉ 第２の壁部
１ｋ 間隙
２ 上ケース
３ ベース板
４ 半導体センサ
５ 回路基板
５ｂ 第１の接続ランド
６ 接続用導体（導体）
６ｂ 配線パターン
６ｃ 第２の接続ランド
６ｍ 第１の曲折部
６ｎ 第２の曲折部
６ｐ 第３の曲折部
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）
Ｓ 半田

Claims (6)

1. 半導体センサによって被測定物の少なくとも圧力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内に可撓性を有する導体を介して前記半導体センサと電気的に接続される回路基板を配設し、
   前記導体は前記ケース体内に埋設された絶縁部材を通じて曲折するよう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. 前記絶縁部材は、前記導体の一部を支持するとともに前記導体の他の一部をガイドする支持体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. 前記導体は、前記支持体と前記回路基板との間で蛇行するように配設されてなることを特徴とする請求項２記載の半導体センサ装置。
4. 前記導体が、その所定箇所に形成される配線パターンを備え、前記配線パターンにはその配線経路中に少なくとも前記圧力に関する情報を検知するためのランド部が配設されてなることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか１つに記載の半導体センサ装置。
5. 前記半導体センサは、前記被測定物の前記圧力の他に前記被測定物の温度を検出可能とす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から請求項５のうちいずれか１つに記載の半導体センサ装置。

Images