JP2006078310A - 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】 ピエゾ抵抗効果を有する感圧素子Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄによっ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４の電圧変化によって、被測定媒体の圧力と温度とを検出する圧力温度検出装置（半導体センサ装置）Ａに関して、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、を一体に備えた出力調整用ＩＣ（集積回路）５ａを有している。
【選択図】 図５

Description

本発明は、半導体センサを用いて被測定媒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（半導体素子）を形成し、この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と、前記半導体センサを支持するベース板とで被測定媒体である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検出するものである。前記流体検出体は、前記ブリッジ回路の中間電圧を圧力に関する第１の検出信号として検出するとともに、前記ブリッジ回路の両端電圧を温度に関する第２の検出信号として検出し、これら各検出信号は、増幅回路を有する出力調整用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は、前記出力調整用ＩＣの他に、前記ブリッジ回路に定電流を供給するための供給回路を含む多くの電子部品が回路基板に実装されるものであり、構成回路部品の実装面積が大きくなることから前記回路基板が大型化し、結果的に前記半導体センサ装置を小型化することができないといった問題点を有している。

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の提供を目的とするものである。

本発明は、前述した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通り、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を有してなるものである。

また、請求項２に記載の半導体センサ装置は、請求項１に記載の半導体センサ装置において、前記集積回路は、前記定電流供給回路の定電流量を調整する電流量調整部を有してなるものである。

また、請求項３に記載の半導体センサ装置は、請求項２に記載の半導体センサ装置において、前記電流量調整部は、０．５ｍＡから３．５ｍＡの定電流量の調整範囲を有してなるものである。

本発明は、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。

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素子４ａを貫通孔部４ｂ１を備えたガラス台座４ｂ上に配設し、半導体素子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流体（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流体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後で詳述する集積回路からなる出力調整用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半田を介して導通接続されている。また、本実施形態では出力調整用ＩＣ５ａは回路基板５上に搭載されているが、出力調整用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に出力調整用ＩＣ５ａが位置しており、さらに出力調整用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方向から出力調整用ＩＣ５ａを見たとき出力調整用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。次に図５を用いて、圧力温度検出装置Ａの回路構成について詳述する。図５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（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、ピエゾ抵抗効果を有する感圧素子Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄによっ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４の電圧変化によって、被測定媒体の圧力と温度とを検出する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を有してなるものである。従って、定電流供給回路５１と圧力，温度検出回路５２，５３とを一体に備えた集積回路からなる出力調整用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の定電流量を調整する電流量調整部５１ｃを有してなり、また電流量調整部５１ｃは、０．５ｍＡから３．５ｍＡの定電流量の調整範囲を有してなるものである。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Ｖａの大きさを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、前述した実施形態における圧力温度検出回路Ａは、ケース体１内においてベース板３が配設される第１の位置と出力調整用ＩＣ５ａが配設される第２の位置とがケース体１の長手方向から見た場合に重なり合う位置関係をなす構成のものであったが、本発明は前述した実施形態で示した構造の圧力温度検出装置Ａに限定されるものではない。

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。 同実施形態による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）
４ 半導体センサ
５ 回路基板
５ａ 出力調整用ＩＣ（集積回路）
５１ 定電流供給部
５１ｃ 電流量調整部
５２ 圧力検出回路
５３ 温度検出回路
Ａ 圧力温度検出装置（半導体センサ装置）
Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄ 感圧素子

Claims (3)

1. ピエゾ抵抗効果を有する感圧素子によっ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備え、前記半導体センサの電圧変化によって被測定媒体の圧力と温度とを検出する半導体センサ装置であって、
   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を有してなることを特徴する半導体センサ装置。
2. 前記集積回路は、前記定電流供給回路の定電流量を調整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１に記載の半導体センサ装置。
3. 前記電流量調整部は、０．５ｍＡから３．５ｍＡの定電流量の調整範囲を有してなることを特徴とする請求項２に記載の半導体センサ装置。

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