JP2006220456A - 圧力センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 センサチップの裏面側をゲル部材で封止してなる相対圧型の圧力センサにおいて、ゲル部材によるセンサ特性への影響およびゲル部材のたれを極力抑制しつつ、センサの小型化に適した構成を実現する。
【解決手段】 表面２０ａおよび裏面２０ｂに圧力が印加されるセンサチップ２０がその裏面２０ｂをケース１０に対向させた状態でケース１０に固定され、ケース１０に、センサチップ２０の裏面２０ｂへ圧力を導入するための圧力導入穴１３が設けられ、圧力導入穴１３に、センサチップ２０の裏面２０ｂを封止するチップ裏面側ゲル部材５２が充填されている相対圧型の圧力センサ１００において、チップ裏面側ゲル部材５２は、センサチップ２０側から、第１のゲル部材５２ａ、第１のゲル部材５２ａよりも硬く第１のゲル部材５２ａを覆うように設けられた第２のゲル部材５２ｂが積層された２層構造からなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、センサチップの表面と裏面とに圧力が印加されるとともに、センサチップの裏面側がゲル部材により封止されてなる相対圧型の圧力センサおよびそのような圧力センサの製造方法に関する。

従来より、この種の圧力センサとしては、表面および裏面に圧力が印加される圧力検出用のセンサチップがその裏面をケースに対向させた状態でケースに固定され、ケースには、センサチップの裏面へ圧力を導入するための圧力導入穴が設けられ、圧力導入穴には、センサチップの裏面を封止するようにゲル部材が充填されたものが提案されている（たとえば、特許文献１、特許文献２参照）。

このような圧力センサにおいては、センサチップの表面に印加される圧力と裏面に印加される圧力との差圧に基づいて圧力検出を行うようにしている。つまり、相対圧型の圧力センサとして構成されている。

特に、このような圧力センサは、自動車用ディーゼルエンジンの排気ガス浄化システム（ＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルタ）システム）を構成する一部品として、排気ガスの圧力を測定するために使用される。

ここで、このような圧力センサにおいては、センサチップの表面側に印加される圧力は、たとえば大気圧などの基準圧、あるいは変動する圧力であり、また、センサチップの裏面側に印加される圧力は、被測定部材からの圧力、たとえば排気ガス圧などの被測定圧力である。

そのため、この種の圧力センサにおいては、センサチップの裏面に排気ガスが導入されるような劣悪な環境における使用を鑑みて、センサチップ裏面への汚れ付着による特性変動、結露水の凍結による圧力導入穴の閉塞、さらには水の凍結時の体積膨張によるセンサチップの破壊などの品質上の不具合を防止する必要があり、上記したように、センサチップの裏面をゲル部材により封止している。

一般に、このような圧力センサは、センサチップの裏面をケースの圧力導入穴に対向させた状態で、センサチップをケースに接着固定し、その後、圧力導入穴にゲル部材を注入・充填し、その後、ゲル部材を硬化させることにより、製造される。
特開平９−５４００４号公報 特開平４−３７０７２６号公報

しかしながら、センサチップの裏面を封止するゲル部材が硬いと、ゲル部材の熱収縮によるセンサの特性変動が大きくなる。具体的には、ゲル部材の熱収縮により生じる応力がセンサチップに加わり、センサ特性に影響する。そのため、センサ特性上は、ゲル部材は柔らかい方が望ましい。

一方、逆に、ゲル部材が柔らかすぎると、ゲル部材自身の形状を保持することができず、ゲル部材が圧力導入穴からたれる、いわゆるゲル部材のたれが発生するため、ゲル部材のたれを防止するためには、ゲル部材は硬い方が望ましい。

現状では、ゲル部材の熱収縮によるセンサ特性への影響防止とゲル部材のたれ防止とを両立させるためには、ゲル部材のたれが生じないような硬いゲル部材を用い、さらに、ゲル部材によるセンサ特性への影響を小さくするように、圧力導入穴の穴径を大きくしている。しかし、この場合には、圧力導入穴の大型化に伴い、センサチップのサイズが大きくなるという問題が生じる。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、センサチップの裏面側をゲル部材で封止してなる相対圧型の圧力センサにおいて、ゲル部材によるセンサ特性への影響およびゲル部材のたれを極力抑制しつつ、センサの小型化に適した構成を実現することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、表面（２０ａ）および裏面（２０ｂ）に圧力が印加される圧力検出用のセンサチップ（２０）がその裏面（２０ｂ）をケース（１０）に対向させた状態でケース（１０）に固定されており、ケース（１０）には、センサチップ（２０）の裏面（２０ｂ）へ圧力を導入するための圧力導入穴（１３）が設けられており、圧力導入穴（１３）には、センサチップ（２０）の裏面（２０ｂ）を封止するようにゲル部材（５２）が充填されており、センサチップ（２０）の表面（２０ａ）に印加される圧力と裏面（２０ｂ）に印加される圧力との差圧に基づいて圧力検出を行うようにした圧力センサにおいて、
ゲル部材（５２）は、センサチップ（２０）の裏面（２０ｂ）側に位置する第１のゲル部材（５２ａ）と、第１のゲル部材（５２ａ）よりもセンサチップ（２０）の裏面（２０ｂ）から離れた位置にて第１のゲル部材（５２ａ）を覆うように設けられ且つ第１のゲル部材（５２ａ）よりも硬い第２のゲル部材（５２ｂ）とからなることを特徴としている。

それによれば、比較的柔らかい第１のゲル部材（５２ａ）がセンサチップ（２０）の裏面（２０ｂ）に接した状態となるため、圧力導入穴（１３）の穴径を大きくしなくとも、ゲル部材（５２）の熱収縮によるセンサ特性への影響を小さくすることができる。

また、圧力導入穴（１３）内にて、比較的硬い第２のゲル部材（５２ｂ）が、比較的柔らかい第１のゲル部材（５２ａ）を押さえ込むことにより、第１のゲル部材（５２ａ）がたれないようにすることができる。

よって、本発明によれば、センサチップ（２０）の裏面（２０ｂ）側をゲル部材（１３）で封止してなる相対圧型の圧力センサにおいて、ゲル部材（５２）によるセンサ特性への影響およびゲル部材（１３）のたれを極力抑制しつつ、センサの小型化に適した構成を実現することができる。

また、上述したように、この種の圧力センサにおいては、ゲル部材の熱収縮により生じる応力が、センサチップに加わりセンサ特性に影響する。

ここで、ゲル部材の熱収縮による圧力特性への影響は、一般的に、圧力導入穴の面積に反比例し、ゲル部材の厚みの約２乗に比例する。つまり、圧力導入穴の穴径が大きいほど、また、穴が浅いほど、ゲル部材によるセンサ特性への影響が小さくなる。また、ゲル部材が柔らかいほど、センサ特性への影響は小さい。

そのようなことを鑑みて、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の圧力センサにおいて、圧力導入穴（１３）は、センサチップ（２０）の裏面（２０ｂ）側に位置する小径部（１３ａ）と、小径部（１３ａ）よりもセンサチップ（２０）の裏面（２０ｂ）から離れて位置し且つ小径部（１３ａ）よりも穴径の大きい大径部（１３ｂ）とから構成されており、第１のゲル部材（５２ａ）は小径部（１３ａ）に充填され、第２のゲル部材（５２ｂ）は大径部（１３ｂ）に充填されていることを特徴としている。

それによれば、圧力導入穴（１３）をセンサチップ（２０）側から比較的穴径の小さい小径部（１３ａ）、比較的穴径の大きい大径部（１３ｂ）として構成しており、小径部（１３ａ）に柔らかい方の第１のゲル部材（５２ａ）を充填し、大径部（１３ｂ）に硬い方の第２のゲル部材（５２ｂ）を充填しているため、センサ特性への影響を小さくするためには、好ましい構成とできる。

請求項３に記載の発明では、表面（２０ａ）および裏面（２０ｂ）に圧力が印加される圧力検出用のセンサチップ（２０）がその裏面（２０ｂ）をケース（１０）に対向させた状態でケース（１０）に固定されており、ケース（１０）には、センサチップ（２０）の裏面（２０ｂ）へ圧力を導入するための圧力導入穴（１３）が設けられており、圧力導入穴（１３）には、センサチップ（２０）の裏面（２０ｂ）を封止するようにゲル部材（５２）が充填されており、センサチップ（２０）の表面（２０ａ）に印加される圧力と裏面（２０ｂ）に印加される圧力との差圧に基づいて圧力検出を行うようにした圧力センサにおいて、
ゲル部材（５２）よりもセンサチップ（２０）の裏面（２０ｂ）から離れた位置には、プレート部材（５３）がゲル部材（５２）との密着力のみによってゲル部材（５２）に付着しており、ゲル部材（５２）は、プレート部材（５３）によって圧力導入穴（１３）の内部に押さえ込まれていることを特徴としている。

それによれば、センサチップ（２０）の裏面（２０ｂ）側に位置するゲル部材（５２）を柔らかいものとしても、このゲル部材（５２）はプレート部材（５３）により押さえ込まれて、たれないようにすることができる。そのため、圧力導入穴（１３）の穴径を大きくしなくとも、ゲル部材（５２）の熱収縮によるセンサ特性への影響を小さくすることができる。

また、プレート部材（５３）がゲル部材（５２）との密着力のみによってゲル部材（５２）に付着しているだけであるので、プレート部材（５３）は、圧力印加や熱によるゲル部材（５２）の変形に追随し、このゲル部材（５２）の変形を阻害することがない。

そのため、プレート部材（５３）に起因する熱や圧力による応力は、ほとんど発生せず、本圧力センサにおいては、プレート部材（５３）およびゲル部材（５２）を介してセンサチップ（２０）の裏面（２０ｂ）に適切に圧力が印加される。

よって、本発明によれば、センサチップ（２０）の裏面（２０ｂ）側をゲル部材（１３）で封止してなる相対圧型の圧力センサにおいて、ゲル部材（１３）によるセンサ特性への影響およびゲル部材（１３）のたれを極力抑制しつつ、センサの小型化に適した構成を実現することができる。

ここにおいて、請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の圧力センサにおいて、プレート部材（５３）は、ゲル部材（５２）よりも比重が小さいものであることを特徴としている。

それによれば、ゲル部材（５２）を圧力導入穴（１３）に充填し、さらにプレート部材（５３）を配設するときに、プレート部材（５３）がゲル部材（５２）に沈み込まないようにでき、好ましい。

また、請求項５に記載の発明では、請求項１〜請求項４に記載の圧力センサにおいて、センサチップ（２０）は、裏面（２０ｂ）側に凹部が形成され、この凹部に対応した表面（２０ａ）側に歪み部としてのダイアフラム（２１）を有するものであることを特徴とする。センサチップ（２０）としては、このようなものを採用できる。

請求項６に記載の発明では、表面（２０ａ）および裏面（２０ｂ）に圧力が印加される圧力検出用のセンサチップ（２０）と、圧力を導入するための圧力導入穴（１３）を有するケース（１０）とを用意し、センサチップ（２０）を、その裏面（２０ｂ）を圧力導入穴（１３）に対向させた状態でケース（１０）に固定し、圧力導入穴（１３）に、センサチップ（２０）の裏面（２０ｂ）を封止するようにゲル部材（５２）を充填してなる圧力センサの製造方法において、
ゲル部材（５２）として、第１のゲル部材（５２ａ）および第１のゲル部材（５２ａ）よりも硬い第２のゲル部材（５２ｂ）を用意し、圧力導入穴（１３）におけるセンサチップ（２０）の裏面（２０ｂ）側に第１のゲル部材（５２ａ）を充填し、次に、圧力導入穴（１３）における第１のゲル部材（５２ａ）よりもセンサチップ（２０）の裏面（２０ｂ）から離れた位置に第２のゲル部材（５２ｂ）を充填し、しかる後、第１のゲル部材（５２ａ）と第２のゲル部材（５２ｂ）とを同時に硬化させることを特徴としている。

それによれば、上記請求項１または請求項２に記載の圧力センサを適切に製造することができる。また、第１のゲル部材（５２ａ）と第２のゲル部材（５２ｂ）とを同時に硬化させることにより、これら両ゲル部材（５２ａ、５２ｂ）の界面で化学的結合が発生し、これら両ゲル部材（５２ａ、５２ｂ）の剥離を防止することができ、好ましい。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
限定するものではないが、本実施形態の圧力センサは、たとえば自動車のディーゼルエンジンの排気ガス浄化システム（ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）システム）を構成する一部品として、排気ガスの圧力を検出するものとして適用できる。

［構成等］
図１は、本発明の第１実施形態に係る相対圧型の圧力センサ１００の概略断面構成を示す図である。

図１において、ケース１０は圧力センサ１００の本体を区画するもので、たとえばＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）やＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等の樹脂材料等よりなるケースである。

このケース１０には、ターミナルなどの導体部１１がインサート成形されている。この導体部１１は、たとえば銅や４２アロイなどの導体材料からなり、圧力センサ１００と外部との電気的な接続を行うものである。

また、このケース１０の一面（図１中の上面）側には、凹部１２が形成され、この凹部１２には、圧力検出用のセンサチップ２０が収納されている。このセンサチップ２０は、印加された圧力値に応じたレベルの電気信号を発生するセンシング部として構成されている。

ここでは、このセンサチップ２０は、シリコン半導体等の半導体基板よりなり、その表面（図１中の上面）２０ａ側に薄肉部であり歪み部であるダイアフラム２１を有し、裏面（図１中の下面）２０ｂ側に、このダイアフラム２１を構成するために異方性エッチング等により形成された凹部を有する半導体ダイアフラム式のチップである。

言い換えるならば、センサチップ２０は、裏面２０ｂ側に凹部が形成され、この凹部に対応した表面２０ａ側に歪み部としてのダイアフラム２１を有するものである。

このようなセンサチップ２０は、表裏両面２０ａ、２０ｂにて圧力を受け、両圧力の差圧によってダイアフラム２１が歪み、たとえばダイアフラム２１に形成された抵抗により構成されたブリッジ回路によって、このダイアフラム２１の歪みに基づく信号を出力するものである。

また、センサチップ２０の裏面２０ｂには、ガラス等よりなる台座２２が陽極接合などによって接合されセンサチップ２０と一体化されている。そして、センサチップ２０は、この台座２２を介して、ケース１０の凹部１２の底面に、接着剤からなる接着部２３を介して接着され、ケース１０に収納固定されている。

このようにセンサチップ２０は、その裏面２０ｂをケース１０に対向させた状態でケース１０に固定されている。ここで、接着部２３を構成する接着剤としては、この接着部２３の熱応力がセンサ特性に影響を与え難いような柔らかい接着剤、たとえばシリコーン系接着剤やフロロシリコーン系接着剤等を採用することができる。

ここで、台座２２には、孔部（貫通孔）２２ａが形成されている。そして、ケース１０の凹部１２の底面には、この台座２２の孔部２２ａに対応する位置に圧力導入穴１３が設けられている。この圧力導入穴１３は、凹部１２の底面からケース１０の他面側へ貫通する貫通穴である。

このように、本実施形態において、ケース１０の一面側に形成されている凹部１２とケース１０の他面側に開口した圧力導入穴１３とは、センサチップ２０によって区画されている。

ここで、圧力導入穴１３は、センサチップ２０の裏面２０ｂへ圧力を導入するための穴である。そして、本実施形態では、圧力導入穴１３は、センサチップ２０側が細く圧力導入側が太くなった段差を持つ段付き内孔として構成されている。

すなわち、図１に示されるように、この圧力導入穴１３は、センサチップ２０の裏面２０ｂ側に位置する小径部１３ａと、この小径部１３ａよりもセンサチップ２０の裏面２０ｂから離れて位置し且つ小径部１３ａよりも穴径の大きい大径部１３ｂとから構成されている。

また、ケース１０の凹部１２内には、センサチップ２０からの信号を増幅したり調整したりするなどの信号処理を行うための回路チップ３０が収納され固定されている。そして、この回路チップ３０とセンサチップ２０とは、金やアルミニウムなどからなるボンディングワイヤ４０を介して結線され電気的に接続されている。

また、図１に示されるように、上記したケース１０にインサート成形されている導体部１１は、その一端部がケース１０の凹部１２内に露出しており、センサチップ２０は、凹部１２内にて、この導体部１１の露出部ともボンディングワイヤ４０を介して結線され電気的に接続されている。

さらに、図示しないが、ケース１０においては、回路チップ３０の近傍にも、同様の導体部が設けられており、当該導体部と回路チップ３０とはボンディングワイヤなどを介して結線され電気的に接続されている。それにより、センサチップ２０および回路チップ３０は、ボンディング４０や導体部１１を介して外部と電気的に接続され、信号の出力ができるようになっている。

また、ケース１０の凹部１２内には、ゲル材料からなるゲル部材５１が充填されている。以下、このゲル部材５１をチップ表面側ゲル部材５１ということにする。

そして、このチップ表面側ゲル部材５１によって、導体部１１とケース１０との界面、センサチップ２０、回路チップ３０およびこれらのボンディングワイヤ４０などによる接続部が封止され、保護されている。

また、センサチップ２０の裏面２０ｂ側において、圧力導入穴１３および台座２２の孔部２２ａにはゲル材料からなるゲル部材５２が充填されている。以下、このゲル部材５２をチップ裏面側ゲル部材５２ということにする。

そして、チップ裏面側ゲル部材５２により、センサチップ２０の裏面２０ｂが封止され、圧力導入穴１３への異物の侵入が防止されるようになっている。それにより、センサチップ２０の裏面２０ｂへの汚れ付着による特性変動、結露水の凍結による圧力導入穴１３の閉塞、さらには水の凍結時の体積膨張によるセンサチップ２０の破壊などの不具合を防止できるようになっている。

ここで、チップ表面側ゲル部材５１、チップ裏面側ゲル部材５２に用いられるゲル材料としては、特に限定するものではないが、たとえば、フッ素ゲル、シリコーンゲル、フロロシリコーンゲルなどが挙げられる。

特に、排気ガス圧を測定する場合、排気ガスによる凝縮水は、排気ガスの窒素酸化物や硫黄酸化物が溶け込み強い酸性を持つため、これらゲル部材５１、５２としては、耐酸性が強いフッ素ゲルを使用することが望ましい。

ここで、本実施形態の圧力センサ１００では、独自の構成として、センサチップ２０の裏面２０ｂ側を封止するチップ裏面側ゲル部材５２を、硬さの異なるゲル部材５２ａ、５２ｂにより構成し、センサチップ２０の裏面２０ｂ側から、第１のゲル部材５２ａ、第１のゲル部材５２ａを覆うように設けられ且つ第１のゲル部材５２ａよりも硬い第２のゲル部材５２ｂが積層された２層構造としている。

すなわち、本実施形態のチップ裏面側ゲル部材５２は、センサチップ２０の裏面２０ｂ側に位置する第１のゲル部材５２ａと、この第１のゲル部材５２ａよりもセンサチップ２０の裏面２０ｂから離れて位置し且つ第１のゲル部材５２ａよりも硬い第２のゲル部材５２ｂとからなる。第２のゲル部材５２ａは、第１のゲル部材５２ａを覆うように設けられている。

ここで、チップ裏面側ゲル部材５２における第１のゲル部材５２ａと第２のゲル部材５２ｂとで、硬さを決めることは、たとえば、ＪＩＳ（日本工業規格）に記載されている針入度などにより行うことができる。

そして、チップ裏面側ゲル部材５２における第１のゲル部材５２ａと第２のゲル部材５２ｂとで、硬さを異ならせることは、たとえば、ゲル材料を異ならせることで可能である。また、ゲル材料としてシリカなどのフィラーを混入させたものを用い、このフィラーの比率を第１のゲル部材５２ａと第２のゲル部材５２ｂとで異ならせることにより、両ゲル部材５２ａ、５２ｂの硬さを異ならせてもよい。

また、上述したように、圧力導入穴１３においては、センサチップ２０の裏面２０ｂ側から比較的狭い穴である小径部１３ａ、比較的広い穴である大径部１３ｂが構成されている。そして、第１のゲル部材５２ａは小径部１３ａに充填され、第２のゲル部材５２ｂは大径部１３ｂに充填されている。本実施形態では、第１のゲル部材５２ａの一部が大径部１３ｂまで充填されている。

また、図１に示されるように、第１のゲル部材５２ａと第２のゲル部材５２ｂとでは、圧力導入穴１３の延びる方向（図１中の上下方向）に沿った厚さをみた場合、第１のゲル部材５２ａの方が比較的厚く形成され、第２のゲル部材５２ｂの方は比較的薄く、層状に形成されている。

このような圧力センサ１００においては、図１に示されるように、センサチップ２０の表面２０ａには、チップ表面側ゲル部材５１を介して、たとえば大気圧などの表面側圧力Ｐ１が印加され、センサチップ２０の裏面２０ｂには、圧力導入穴１３からチップ裏面側ゲル部材５２を介して、たとえば排気ガス圧などの裏面側圧力Ｐ２が印加されるようになっている。

具体的に、表面側圧力Ｐ１としては、たとえば１００ｋＰａ程度の大気圧であり、裏面側圧力Ｐ２としては、１００ｋＰａ〜２００ｋＰａ程度の排気ガス圧であり、本圧力センサ１００は、表面側圧力Ｐ１よりも裏面側圧力Ｐ２の方が大きい環境で使用することができる。もちろん、裏面側圧力の方が大きい環境で使用してもよい。

そして、センサチップ２０においてダイアフラム２１は、チップの表面２０ａ側と裏面２０ｂ側との差圧によって歪み、この歪みに応じたレベルの電気信号がセンサチップ２０から出力される。そして、この信号は、回路チップ３０にて処理され、導体部１１から外部へ出力されるようになっている。

［製造方法等］
かかる圧力センサ１００の製造方法について述べる。まず、導体部１１がインサート成形され、凹部１２、圧力導入穴１３が形成されたケース１０を用意する。このようなケース１０は、型成形により容易に作成することができる。

また、表面２０ａおよび裏面２０ｂに圧力が印加される圧力検出用のセンサチップ２０を用意し、このセンサチップ２０と台座２２とを陽極接合などにより接合する。

そして、ケース１０の凹部１２において、台座２２と一体化されたセンサチップ２０を、その裏面２０ｂを圧力導入穴１３に対向させた状態でケース１０に接着し固定する。また、回路チップ３０をケース１０に接着し固定する。

その後、センサチップ２０と導体部１１との間、回路チップ３０と導体部との間、センサチップ２０と回路チップ３０との間を、ワイヤボンディングすることによって、これら各部材の間をボンディングワイヤ４０で結線する。

次に、ケース１０に対してチップ表面側ゲル部材５１およびチップ裏面側ゲル部材５２を配設する。具体的には、上記図１に示されるような状態となるように、ゲル部材５１、５２を注入・充填した後、気泡発生を防ぐために真空脱泡し、その後、ゲル部材５１、５２を加熱硬化させることにより、ゲル部材５１、５２の配設が終了する。なお、チップ表面側ゲル部材５１とチップ裏面側ゲル部材５２とでは、充填・硬化は同時に行ってもよいし、別々に行ってもよい。

ここで、ゲル部材５１、５２の配設においては、圧力導入穴１３にはセンサチップ２０の裏面２０ｂを封止するようにチップ裏面側ゲル部材５２を充填する。

このとき、まず、第１のゲル部材５２ａを、圧力導入穴１３におけるセンサチップ２０の裏面２０ｂ側、すなわち小径部１３ａに充填し、次に、第２のゲル部材５２ｂを、圧力導入穴１３における第１のゲル部材５２ａよりもセンサチップ２０の裏面２０ｂから離れた位置に充填する。

これら第１のゲル部材５２ａおよび第２のゲル部材５２ｂの配設において、第１のゲル部材５２ａを充填・硬化した後、第２のゲル部材５２ｂを充填・硬化してもよいが、第１のゲル部材５２ａと第２のゲル部材５２ｂとを充填した後、硬化は同時に行うことが好ましい。

こうして、ゲル部材５１、５２の配設の完了に伴い、上記図１に示される本実施形態の圧力センサ１００が完成する。

［効果等］
以上のように、本実施形態の圧力センサ１００は、表面２０ａおよび裏面２０ｂに圧力が印加される圧力検出用のセンサチップ２０がその裏面２０ｂをケース１０に対向させた状態でケース１０に固定されており、ケース１０には、センサチップ２０の裏面２０ｂへ圧力を導入するための圧力導入穴１３が設けられており、圧力導入穴１３には、センサチップ２０の裏面２０ｂを封止するようにチップ裏面側ゲル部材５２が充填されており、センサチップ２０の表面２０ａに印加される圧力と裏面２０ｂに印加される圧力との差圧に基づいて圧力検出を行うようにした相対圧型の圧力センサを構成している。

そして、本実施形態では、このような圧力センサ１００において、チップ裏面側ゲル部材５２は、センサチップ２０の裏面２０ｂ側に位置する第１のゲル部材５２ａと、第１のゲル部材５２ａよりもセンサチップ２０の裏面２０ｂから離れて位置にて第１のゲル部材５２ａを覆うように設けられ且つ第１のゲル部材５２ａよりも硬い第２のゲル部材５２ｂとからなることを特徴とする圧力センサ１００が提供される。

それによれば、チップ裏面側ゲル部材５２のうち比較的柔らかい第１のゲル部材５２ａがセンサチップ２０の裏面２０ｂに接した状態となるため、圧力導入穴１３の穴径を大きくしなくとも、ゲル部材５２の熱収縮によるセンサ特性への影響を小さくすることができる。

また、圧力導入穴１３内にて、チップ裏面側ゲル部材５２のうち比較的硬い第２のゲル部材５２ｂが、比較的柔らかい第１のゲル部材５２ａを覆うことで第１のゲル部材５２ａを押さえ込むことにより、第１のゲル部材５２ａが、圧力導入穴１３からたれないようにすることができる。

よって、本実施形態によれば、センサチップ２０の裏面２０ｂ側をゲル部材１３で封止してなる相対圧型の圧力センサ１００において、チップ裏面側ゲル部材５２によるセンサ特性への影響およびチップ裏面側ゲル部材１３のたれを極力抑制しつつ、センサの小型化に適した構成を実現することができる。

また、上述したように、この種の圧力センサにおいては、チップ裏面側ゲル部材の熱収縮により生じる応力が、センサチップに加わりセンサ特性に影響する。

ここで、ゲル部材の熱収縮による圧力特性への影響は、一般的に、圧力導入穴の面積に反比例し、ゲル部材の厚みの約２乗に比例する。つまり、圧力導入穴の穴径が大きいほど、また、穴が浅いほど、ゲル部材によるセンサ特性への影響が小さくなる。また、ゲル部材が柔らかいほど、センサ特性への影響は小さい。

このようなことを鑑みて、本実施形態の圧力センサ１００では、圧力導入穴１３は、センサチップ２０の裏面２０ｂ側に位置する小径部１３ａと、この小径部１３ａよりもセンサチップ２０の裏面２０ｂから離れて位置し且つ小径部１３ａよりも穴径の大きい大径部１３ｂとから構成されており、第１のゲル部材５２ａは小径部１３ａに充填され、第２のゲル部材５２ｂは大径部１３ｂに充填されていることも大きな特徴点である。

それによれば、圧力導入穴１３をセンサチップ２０側から比較的穴径の小さい小径部１３ａ、比較的穴径の大きい大径部１３ｂとして構成し、小径部１３ａに柔らかい方の第１のゲル部材５２ａを充填し、大径部１３ｂに硬い方の第２のゲル部材５２ｂを充填しているため、センサ特性への影響を小さくし、たれを防止するためには、好ましい構成となっている。

つまり、比較的穴が細く且つ深い部分である小径部１３ａに、非常に柔らかい（つまり、非常にたれやすい）第１のゲル部材５２ａを注入することで、細い穴である小径部１３ａでもセンサ特性への影響を小さくすることができる。

このとき、第２のゲル部材５２ｂの存在により、第１のゲル部材５２ａが垂れることなく、センサ特性を改善できる。また、硬い第２のゲル部材５２ｂは、面積の広い大径部１３ｂにおいて比較的薄く注入されているので、この硬い第２のゲル部材５２ｂによる圧力特性への影響を低減することができる。

また、本実施形態の圧力センサ１００においては、センサチップ２０として、裏面２０ｂ側に凹部が形成され、この凹部に対応した表面２０ａ側に歪み部としてのダイアフラム２１を有するもの、すなわち半導体ダイアフラム式のセンサチップを採用したことも特徴のひとつである。

さらに、本実施形態によれば、表面２０ａおよび裏面２０ｂに圧力が印加される圧力検出用のセンサチップ２０と、圧力を導入するための圧力導入穴１３を有するケース１０とを用意し、センサチップ２０を、その裏面２０ｂを圧力導入穴１３に対向させた状態でケース１０に固定し、圧力導入穴１３に、センサチップ２０の裏面２０ｂを封止するようにゲル部材５２を充填してなる圧力センサの製造方法において、次のような点を特徴とする製造方法が提供される。

すなわち、本実施形態の製造方法においては、ゲル部材５２として、第１のゲル部材５２ａおよび第１のゲル部材５２ａよりも硬い第２のゲル部材５２ｂを用意し、圧力導入穴１３におけるセンサチップ２０の裏面２０ｂ側に第１のゲル部材５２ａを充填し、次に、圧力導入穴１３における第１のゲル部材５２ａよりもセンサチップ２０の裏面２０ｂから離れた位置に第２のゲル部材５２ｂを充填し、しかる後、第１のゲル部材５２ａと第２のゲル部材５２ｂとを同時に硬化させることを特徴としている。

それによれば、上記図１に示されるような本実施形態の圧力センサ１００を適切に製造することができる。また、本製造方法によれば、第１のゲル部材５２ａと第２のゲル部材５２ｂとを同時に硬化させることにより、これら両ゲル部材５２ａ、５２ｂの界面で化学的結合が発生し、これら両ゲル部材５２ａ、５２ｂの剥離を極力起こりにくくできるため、好ましい。

また、チップ裏面側ゲル部材５２において、第１のゲル部材５２ａに数パーセントのシリカなどからなるフィラーを混入することで、この第１のゲル部材５２ａのチクソ性を増加させるようにしてもよい。それによれば、第２のゲル部材５２ｂの注入時や両ゲル部材５２ａ、５２ｂの同時硬化時に、第１のゲル部材５２ａと第２のゲル部材５２ｂとの混ざりを、極力防止することができる。

（第２実施形態）
図２は、本発明の第２実施形態に係る相対圧型の圧力センサ２００の概略断面構成を示す図である。上記実施形態との相違点を中心に述べる。

本実施形態の圧力センサ２００も、表面２０ａおよび裏面２０ｂに圧力が印加される圧力検出用のセンサチップ２０がその裏面２０ｂをケース１０に対向させた状態でケース１０に固定されており、ケース１０には、センサチップ２０の裏面２０ｂへ圧力を導入するための圧力導入穴１３が設けられており、圧力導入穴１３には、センサチップ２０の裏面２０ｂを封止するようにチップ裏面側ゲル部材５２が充填されており、センサチップ２０の表面２０ａに印加される圧力と裏面２０ｂに印加される圧力との差圧に基づいて圧力検出を行うようにした相対圧型の圧力センサを構成している。

ここにおいて、図２に示されるように、本実施形態の圧力センサ２００では、圧力導入穴１３に充填されたチップ裏面側ゲル部材５２は、１層であり、このチップ裏面側ゲル部材５２は、小径部１３ａおよび大径部１３ｂに充填されている。

そして、本実施形態では、このチップ裏面側ゲル部材５２よりもセンサチップ２０の裏面２０ｂから離れた位置には、プレート部材５３がゲル部材５２を覆うように設けられている。このプレート部材５３は、ゲル部材５２との密着力のみによってゲル部材５２に付着しており、ゲル部材５２は、プレート部材５３によって圧力導入穴１３の内部に押さえ込まれている。

ここで、プレート部材５３は、樹脂やセラミックなどからなる板材であり、当該プレート部材５３が位置すべき圧力導入穴１３の部分の穴径よりも小さいサイズのものである。ここでは、プレート部材５３は、圧力導入穴１３のうちの大径部１３ｂに位置しており、図１に示されるように、大径部１３ｂの径よりも小さいものとなっている。

このようなプレート部材５３を有する本実施形態の圧力センサ２００は、次のようにして製造される。

上記実施形態と同様に、ケース１０に対して、台座２２と一体化されたセンサチップ２０および回路チップ３０を固定し、ワイヤボンディングを行う。

そして、ケース１０に対してチップ表面側ゲル部材５１およびチップ裏面側ゲル部材５１を配設する。ここで、圧力導入穴１３においては、チップ裏面側ゲル部材５２を充填すした後、そのチップ裏面側ゲル部材５２の表面にプレート部材５３を浮かべ、この状態で、硬化を行う。こうして、本実施形態の圧力センサ２００ができあがる。

このように、本実施形態においては、チップ裏面側ゲル部材５２よりもセンサチップ２０の裏面２０ｂから離れた位置に、チップ裏面側ゲル部材５２を覆うようにプレート部材５３を設け、このプレート部材５３は、チップ裏面側ゲル部材５２との密着力のみによってチップ裏面側ゲル部材５２に付着させ、プレート部材５３によってチップ裏面側ゲル部材５２を圧力導入穴１３の内部に押さえ込んだことを特徴とする圧力センサ２００が提供される。

それによれば、センサチップ２０の裏面２０ｂ側に位置するチップ裏面側ゲル部材５２を柔らかいものとしても、このチップ裏面側ゲル部材５２はプレート部材５３により押さえ込まれて、たれないようにすることができる。

そのため、本実施形態においても、圧力導入穴１３の穴径を大きくしなくとも、チップ裏面側ゲル部材５２の熱収縮によるセンサ特性への影響を小さくすることができる。

また、プレート部材５３は、チップ裏面側ゲル部材５２との密着力のみによってチップ裏面側ゲル部材５２に付着しているだけであるので、プレート部材５３は、圧力印加や熱によるチップ裏面側ゲル部材５２の変形に追随し、このチップ裏面側ゲル部材５２の変形を阻害することがない。

そのため、プレート部材５３に起因する熱や圧力による応力は、ほとんど発生せず、本圧力センサ２００においては、プレート部材５３およびチップ裏面側ゲル部材５２を介してセンサチップ２０の裏面２０ｂに適切に圧力が印加される。

よって、本実施形態によれば、センサチップ２０の裏面２０ｂ側をゲル部材１３で封止してなる相対圧型の圧力センサ１００において、チップ裏面側ゲル部材５２によるセンサ特性への影響およびチップ裏面側ゲル部材１３のたれを極力抑制しつつ、センサの小型化に適した構成を実現することができる。

ここで、本実施形態の圧力センサ２００においては、プレート部材５３は、チップ裏面側ゲル部材５２よりも比重が小さいものであることが好ましい。

それによれば、チップ裏面側ゲル部材５２を圧力導入穴１３に充填し、さらにプレート部材５３を配設するときに、プレート部材５３がチップ裏面側ゲル部材５２に沈み込まないようにでき、好ましい。

（他の実施形態）
なお、上記第１実施形態においては、チップ裏面側ゲル部材５２において、第２のゲル部材５２ｂが１層であり、チップ裏面側ゲル部材５２全体としては２層構造であったが、第２のゲル部材５２ｂが２層以上、つまり、チップ裏面側ゲル部材５２全体が３層以上であってもよい。

この場合、複数層からなる第２のゲル部材５２ｂにおいては、センサチップ２０側に近い層ほど、柔らかいゲルから構成されたものとすることが好ましい。

つまり、このことを言い換えるならば、上記第１実施形態において、チップ裏面側ゲル部材５２は、センサチップ２０の裏面２０ｂ側から複数のゲル部材が積層されたものからなり、且つ、複数のゲル部材は、センサチップ２０の裏面２０ｂ側に近いほど柔らかいものであることが好ましい。

また、センサチップ２０としては、表面２０ａおよび裏面２０ｂに圧力が印加され表面２０ａに印加される圧力と裏面２０ｂに印加される圧力との差圧に基づいて圧力検出を行うものであれば、上記した半導体ダイアフラム以外のものであってもよい。ここで、センサチップの表面、裏面に印加される圧力は、片方が基準圧力で片方が測定圧力でもよく、両方が測定圧力でもよい。

また、上記実施形態に示したケースは、本発明に適用することのできる一実施形態を示したものであり、上記図示例に限定されるものではない。

また、上記図示例では、ケース１０の凹部１２に充填されるチップ表面側ゲル部材５１は１層であったが、このチップ表面側ゲル部材５１も２層以上であってもよい。

さらには、上記図において、チップ表面側ゲル部材５１の下層として、すなわち、チップ表面側ゲル部材５１とケース１０の凹部１２の底面との間に、ゴム部材を設け、センサチップ２０の保護構造をゲル・ゴムの２層構造としてもよい。ここで、センサチップ２０より上部はゲル層とする。

このようなゲル・ゴム２層構造において下層に位置するゴム部材は、導体部１１とケース１０との界面等からの気泡の発生を抑制するために高弾性率を持ち且つ耐薬品性を有する材料からなるものにできる。限定するものではないが、たとえば、フッ素系のゴム材料などを採用することができる。

要するに、本発明は、表裏両面に圧力が印加されるセンサチップ２０を、裏面をケース１０に対向させた状態でケースに固定し、ケースに、センサチップ裏面へ圧力を導入するための圧力導入穴を設け、圧力導入穴に、センサチップ裏面を封止するようにゲル部材を充填してなる相対圧型の圧力センサにおいて、チップ裏面側に位置するゲル部材を、これよりも硬い別のゲル部材またはプレート部材にて覆うことでたれないようにしたことを要部とするものであり、その他の部分については、適宜設計変更が可能である。

そして、本発明によれば、従来の問題、すなわち、センサ特性の影響を考えればゲル部材は柔らかい方が望ましいが、ゲル部材のたれ防止を考えればゲル部材は硬い方が望ましい、というトレードオフの関係を無くし、設計の自由度を向上させるとともに、チップサイズの小型化を達成することができる。

本発明の第１実施形態に係る相対圧型の圧力センサの概略断面図である。 本発明の第２実施形態に係る相対圧型の圧力センサの概略断面図である。

符号の説明

１０…ケース、１３…圧力導入穴、１３ａ…圧力導入穴の小径部、
１３ｂ…圧力導入穴の大径部、２０…センサチップ、
２０ａ…センサチップの表面、２０ｂ…センサチップの裏面、
２１…センサチップのダイアフラム、５２…チップ裏面側ゲル部材、
５２ａ…チップ裏面側ゲル部材の第１のゲル部材、
５２ｂ…チップ裏面側ゲル部材の第２のゲル部材、５３…プレート部材。

Claims (6)

1. 表面（２０ａ）および裏面（２０ｂ）に圧力が印加される圧力検出用のセンサチップ（２０）がその裏面（２０ｂ）をケース（１０）に対向させた状態で前記ケース（１０）に固定されており、
   前記ケース（１０）には、前記センサチップ（２０）の裏面（２０ｂ）へ圧力を導入するための圧力導入穴（１３）が設けられており、
   前記圧力導入穴（１３）には、前記センサチップ（２０）の裏面（２０ｂ）を封止するようにゲル部材（５２）が充填されており、
   前記センサチップ（２０）の表面（２０ａ）に印加される圧力と裏面（２０ｂ）に印加される圧力との差圧に基づいて圧力検出を行うようにした圧力センサにおいて、
   前記ゲル部材（５２）は、前記センサチップ（２０）の裏面（２０ｂ）側に位置する第１のゲル部材（５２ａ）と、前記第１のゲル部材（５２ａ）よりも前記センサチップ（２０）の裏面（２０ｂ）から離れた位置にて前記第１のゲル部材（５２ａ）を覆うように設けられ且つ前記第１のゲル部材（５２ａ）よりも硬い第２のゲル部材（５２ｂ）とからなることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記圧力導入穴（１３）は、前記センサチップ（２０）の裏面（２０ｂ）側に位置する小径部（１３ａ）と、前記小径部（１３ａ）よりも前記センサチップ（２０）の裏面（２０ｂ）から離れて位置し且つ前記小径部（１３ａ）よりも穴径の大きい大径部（１３ｂ）とから構成されており、
   前記第１のゲル部材（５２ａ）は前記小径部（１３ａ）に充填され、前記第２のゲル部材（５２ｂ）は前記大径部（１３ｂ）に充填されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 表面（２０ａ）および裏面（２０ｂ）に圧力が印加される圧力検出用のセンサチップ（２０）がその裏面（２０ｂ）をケース（１０）に対向させた状態で前記ケース（１０）に固定されており、
   前記ケース（１０）には、前記センサチップ（２０）の裏面（２０ｂ）へ圧力を導入するための圧力導入穴（１３）が設けられており、
   前記圧力導入穴（１３）には、前記センサチップ（２０）の裏面（２０ｂ）を封止するようにゲル部材（５２）が充填されており、
   前記センサチップ（２０）の表面（２０ａ）に印加される圧力と裏面（２０ｂ）に印加される圧力との差圧に基づいて圧力検出を行うようにした圧力センサにおいて、
   前記ゲル部材（５２）よりも前記センサチップ（２０）の裏面（２０ｂ）から離れた位置には、プレート部材（５３）が前記ゲル部材（５２）との密着力のみによって前記ゲル部材（５２）に付着しており、
   前記ゲル部材（５２）は、前記プレート部材（５３）によって前記圧力導入穴（１３）の内部に押さえ込まれていることを特徴とする圧力センサ。
4. 前記プレート部材（５３）は、前記ゲル部材（５２）よりも比重が小さいものであることを特徴とする請求項３に記載の圧力センサ。
5. 前記センサチップ（２０）は、裏面（２０ｂ）側に凹部が形成され、この凹部に対応した表面（２０ａ）側に歪み部としてのダイアフラム（２１）を有するものであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の圧力センサ。
6. 表面（２０ａ）および裏面（２０ｂ）に圧力が印加される圧力検出用のセンサチップ（２０）と、
   圧力を導入するための圧力導入穴（１３）を有するケース（１０）とを用意し、
   前記センサチップ（２０）を、その裏面（２０ｂ）を圧力導入穴（１３）に対向させた状態で前記ケース（１０）に固定し、
   前記圧力導入穴（１３）に、前記センサチップ（２０）の裏面（２０ｂ）を封止するようにゲル部材（５２）を充填してなる圧力センサの製造方法において、
   前記ゲル部材（５２）として、第１のゲル部材（５２ａ）および前記第１のゲル部材（５２ａ）よりも硬い第２のゲル部材（５２ｂ）を用意し、
   前記圧力導入穴（１３）における前記センサチップ（２０）の裏面（２０ｂ）側に前記第１のゲル部材（５２ａ）を充填し、
   次に、前記圧力導入穴（１３）における前記第１のゲル部材（５２ａ）よりも前記センサチップ（２０）の裏面（２０ｂ）から離れた位置に前記第２のゲル部材（５２ｂ）を充填し、
   しかる後、前記第１のゲル部材（５２ａ）と前記第２のゲル部材（５２ｂ）とを同時に硬化させることを特徴とする圧力センサの製造方法。
   

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